JPH05132734A

JPH05132734A - 耐摩耗耐食性複合材料

Info

Publication number: JPH05132734A
Application number: JP31971091A
Authority: JP
Inventors: Hideo Oyabu; 英雄大薮; Osamu Hida; 修肥田; Katsunori Monma; 勝則門馬; Tei Chimura; 禎千村
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1991-11-08
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】耐食性、耐摩耗性、強度ともに優れた特性
を有し、樹脂加工機械の押出機や射出機のシリンダ材、
スクリュ材などに好適な複合材料を提供する。【構成】炭化物、硼化物を主体とする硬質相をＮi
基またはＣo基マトリックスで結合する。組成は、総量
（重量％）でＢ：１．５〜５％、Ｃr：５〜１５％、Ｍ
o：２５〜５０％、Ｗ：１０〜２５％、Ｆe：２〜４％、
Ｃ：０．５〜２％を含有し、さらに、所望によりＣu：
０．５〜２％を含有し、残部がＮiまたはＣoと不可避的
不純物とからなる。【効果】耐食性、耐摩耗性、強度のいずれにも十分
に優れた特性を有する耐摩耗耐食性複合材料が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高耐食性を持ち、か
つ高耐摩耗性を有する炭化物と硼化物とを主体とする硬
質相を、Ｎi 基またはＣo 基マトリックスで結合した耐
摩耗耐食性複合材料に関するものである。例えば、腐食
性の強いプラスチックやゴムなどの可塑物の樹脂加工機
械用のシリンダ材やスクリュ材に適する。特に塩酸、弗
化水素酸に対する耐食性を必要とし、かつ耐摩耗性を要
求されるコンパウンド用樹脂加工機械用の耐食耐摩耗材
に好適である。

【０００２】

【従来の技術】樹脂加工機械における押出機や射出機の
シリンダ、スクリュ材は、加工対象物による摩耗を受け
たり、金属間の接触摩耗を受けやすいため、耐摩耗性に
優れた材料で構成する必要がある。このため、上記材料
としては、従来、耐摩耗性に優れた自溶性耐摩耗Ｎi合
金やＮi基自溶性合金にＷＣなどの硬質粒子を添加した
複合材料が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近の成形
材料の高機能化により、樹脂加工機械が使用される環境
はより過酷になっており、例えば、高温条件下での成形
作業において樹脂から発生する腐食ガスにさらされて腐
食を受けやすい。したがって、従来のように、機械用材
料については、耐摩耗性だけを重視することはできず、
耐食性や強度にも優れた特性が要求されている。しか
し、前記した自溶性耐摩耗Ｎi 合金やＷＣ添加複合材料
は、耐摩耗性は良好ではあるものの、耐食性や強度は十
分ではない。

【０００４】これに対し、耐食性に優れた材料として
は、Ｎi−Ｃr−Ｍo合金が知られており、実際に使用に
供される場合もある。しかし、この材料は、耐摩耗性が
十分ではなく、また部材同士の接触による凝着やカジリ
を生じやすいという欠点がある。以上のように、従来
材においては、耐食性に優れた材料は耐摩耗性が十分で
なく、また、耐摩耗性に優れた材料は耐食性や強度が不
十分である。このため、耐摩耗性、耐食性、強度のいず
れの特性にも優れた材料の開発が進められているが、こ
れら特性の全てについて十分に満足できる材料の実現は
達成されていない。この発明は、上記事情を背景とし
てなされたものであり、高耐食性を有し、かつ耐摩耗
性、強度にも優れており、条件の厳しい樹脂加工機械に
おける高腐食環境下での使用にも耐えることができ、現
行材料よりも高い強度をもった耐摩耗耐食性複合材料を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願発明者らは、Ｍo−Ｃr系の硼化物を主体とする硬質
相と、Ｗ、Ｍo などの炭化物を分散させた硬質の合金に
着目した。さらに、本発明者らは、耐摩耗耐食材料の開
発過程において、この硼化物が高い硬さを持つだけでな
く、微細に分散させると、優れた耐摩耗耐食性や強度を
有することを見い出し、上記した硼化物と、Ｗ、Ｃr、
Ｍo の炭化物と、Ｎi基またはＣo基合金との組合わせに
より、耐摩耗耐食性に優れた本発明の複合材料を得たも
のである。

【０００６】すなわち、本願発明の耐摩耗耐食性複合材
料は、炭化物および硼化物を主体とする硬質相がＮi 基
またはＣo 基のマトリックスで結合された複合材料であ
って、前記硬質相およびマトリックスは、総量で、Ｂ：
１．５〜５重量％、Ｃr：５〜１５重量％、Ｍo：２５〜
５０重量％、Ｗ：１０〜２５重量％、Ｆe：２〜４重量
％、Ｃ：０．５〜２重量％を含有し、さらに、所望によ
りＣu：０．５〜２重量％を含有し、残部がＮiまたはＣ
oと不可避的不純物とからなることを特徴とするもので
ある。

【０００７】上記硬質相では、添加合金のままで、また
は含有成分と反応した硼化物が主体となっており、硼化
物の多くは複合硼化物からなる。また、炭化物において
も、複合炭化物が生成される場合がある。なお、本発明
における組成物は粉末として提供し、これを焼結する粉
末冶金法により製造するのが望ましい。この方法によれ
ば、硬質物が均一に分散した複合材料が得られる。さら
に、ＨＩＰ法を用いることにより、より高強度、高硬度
の複合材料が得られる。上記粉末冶金においては、Ｗ、
Ｃの全部または一部をＷＣ粉末として提供し、Ｍo、Ｃ
r、Ｂの全部または一部をＭoＢ、ＣrＢ粉末として提供
することができる。これら粉末は、微細な炭化物、硼化
物をマトリックス中に分散できるように、３〜１０μｍ
の粒径のものを用いるのが望ましい。

【０００８】上記粉末を用いた場合に、母合金粉末に
は、発明の範囲内において必要に応じた組成を有するも
のが使用される。例えば、Ｃr：１５〜１６％、Ｍo：１
５〜１７％、Ｗ：３〜４％のものや、Ｃr：１５〜１６
％、Ｍo：３１〜３２％のもので残部が実質的にＮi か
らなる母合金が使用される。上記母合金粉末は、焼結
性、組織の均一性のため、アトマイズ法で製造するのが
望ましい。ＷＣ粉末、硼化物、母合金粉末は、ボ−ルミ
ルなどによって所定量を混合し、この混合粉を成形した
後、焼結する。例えば液相焼結によって行う場合には、
１０００〜１３００℃で１０〜９０分間焼結する。な
お、焼結方法はこれに限定されるものではなく、普通焼
結法の他に、ＨＩＰ、ホットプレス法などの他の焼結法
を採用することも可能である。

【０００９】

【作用】すなわち、本願発明の複合材料によれば、各種
実験の結果、摺動時に硼化物（主として複硼化物）は潤
滑材の役割を果たし、相手材に対する攻撃性を緩和する
ことが確認されている。また、複硼化物は、適度な耐摩
耗性を発揮するとともに、耐食性を向上させる。さら
に、複硼化物にＷやＣrの炭化物を組み合わせることに
より、金属同士の凝着摩耗を軽減し、かつ高硬度である
炭化物のもつ耐摩耗性によりアブレシブ摩耗に対しても
有効に作用する。したがって、本願発明により、耐食
性、耐摩耗性、強度の全ての特性が十分に優れている材
料が得られる。

【００１０】次いで、本発明成分の限定理由を述べる。
Ｂは、硬質相となるＭ₃Ｂ₂型の複硼化物（電子線マイク
ロアナライザ−による面分析、Ｘ線回折による調査の結
果確認）を形成するために、必要不可欠な元素である。
Ｂ含有量が１．５％未満になると耐摩耗性が悪くなる。
一方、５％を超えると硬質相の量が多くなり、強度の低
下が生ずるため上記範囲とする。Ｍoは、Ｂと反応して
複硼化物を生成する。また、弗化水素酸などの還元性雰
囲気に対する腐食抵抗を増大させる作用があり、耐食性
を増すために、２５％以上のＭo量が必要である。しか
し、５０％を超えると、脆弱な金属間化合物を形成し耐
食性の低下をもたらすので上記範囲とする。

【００１１】Ｃrは、焼結時に反応して炭化物を生成し
たり、硼化物として硬質相を構成するだけでなく結合相
にも固溶して、耐食性、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性を
向上させる働きを持つ。５％未満では、耐食性が不十分
であり、１５％を超えると、靱性が低下するために上記
範囲とする。Ｗは、Ｎi基またはＣo基合金に分散させる
硬質相を構成させるもので、他成分との反応によって複
硼化物を生成したり、炭化物を生成する。その含有量
は、１０％未満では耐摩耗性の付与が不十分となり、２
５％を越えると、材料強度が劣化するために上記範囲と
した。

【００１２】Ｃは、Ｗと同様にＮi基またはＣo基合金に
分散させる硬質相を構成させるもので、Ｗ、Ｍo、Ｃrと
反応して炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。
その含有量は、０．５％未満では耐摩耗性向上は不十分
であり、２％を越えると、炭化物が過度となり、相手材
攻撃性が増すとともに機械的特性を損なうので上記範囲
とする。Ｆeは、低温における強度を向上させるために
添加させる。但し、添加量が多いと耐食性が低下するの
で、上記範囲とする。

【００１３】Ｃuは、Ｎi合金であるモネル合金に代表さ
れるように、Ｎi基合金の耐食性の向上に寄与するので
０．５％以上添加する。しかし、添加量が多くなると合
金が軟化して耐摩耗性が悪くなるので、含有量は２％以
下とした。なお、耐摩耗性を重視する場合には、無添加
とすることができる。ＮiまたはＣoは、耐食性の向上に
効果のある元素であり、Ｂとともに硬質の硼化物を形成
して耐摩耗性を向上させる効果があるので、残部をＮi
またはＣoとした。なお、残部のＮiまたはＣoには不可
避的不純物が存在するが、それらは、本発明の効果を損
なわない範囲で許容される。

【００１４】

【実施例】以下に、この発明の実施例を、比較材（従来
例）と比較しつつ説明する。先ず、表１に示す成分の合
金とＷＣ、ＭoＢ、Ｃuとを、下記の粒径でそれぞれ原料
粉末の一部として用意し、表２に示す混合比で各粉末を
秤量して試験用混合粉末をそれぞれ調製した。（粒径）合金Ａ :１０〜４４μｍＷＣ :８μｍ（平均粒径）ＭoＢ :３．５μｍ（平
均粒径）Ｃu :４４μｍ未満

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】各混合粉末には、さらにパラフィン系、ワ
ックス＋樹脂系、または樹脂系からなるバインダーを所
定量加え、有機溶媒中でボ−ルミルによって２４時間湿
式混合した後、乾燥させて２５０〜５００μｍの粒径に
造粒した。この造粒粉をゴム型を用いてＣＩＰ成形
（圧：１〜４トン／ｃｍ² ）した。得られた成形体を不
活性ガス雰囲気下において、３５０〜５００℃で２〜４
時間加熱して脱脂を行った。そして脱脂後の成形体を、
真空雰囲気下（１０^-3Torr以下）において、１０００℃
で１時間保持した後、１１８０〜１２７０℃で３０分間
保持して本発明の焼結体を得た。さらに、この焼結体を
切断加工して、所定形状の試験片（実施例１〜４）を切
り出した。また、比較のために、従来材からなる試験片
（比較材１〜３）を用意した。比較材１は、市販のＮi
基耐食合金からなり、比較材２は、Ｎi基自溶性合金か
らなり、比較材３は、Ｎi基自溶性合金に平均粒径６０
μｍのＷＣ粒子を４０重量％分散させたものであり、い
ずれも粉末冶金によることなく溶製により得たものであ
る。なお、実施例１〜４および比較材１〜３の成分の総
量を表３に示す。

【００１８】

【表３】

【００１９】上記実施例について、ＥＰＭＡによって面
分析して組織観察を行ったところ、図１の写真に示すよ
うに、マトリックスとしてＮi−Ｆe−Ｃu−Ｍo の組成
物が形成されており、硬質相として、（Ｍo、Ｃr、Ｂ）
よりなる複硼化物と、（Ｗ、Ｍo、Ｃ）よりなる炭化物
とが生成されていた。次に、各試験片の特性評価を行う
ため、それぞれの硬さ、抗折力を測定するとともに、腐
食試験および摩耗試験を行った。腐食試験は、１％塩酸
を煮沸し、これに試験片を５時間浸漬して、試験片の腐
食減量を測定して耐食性を評価した。

【００２０】また、摩耗試験は、金属同士の凝着摩耗を
シュミレ−トするため大越式摩耗試験機を用い、相手材
にＳＫＤ１１相当材（ＨＲＣ６１）を使用し、最終荷重
１８．７ｋｇｆ、摩擦速度２．３７ｍ／ｓ、摩擦距離２
００ｍの条件下で試験を行い、試験片の摩擦体積を測定
して耐摩耗性を評価した。さらに、樹脂中の硬質添加剤
による摩耗をシミュレ−トするために、アブレシブ摩耗
試験を行った。具体的には、相手材に３２０番ＳiＣ研
磨紙を用いて、荷重２ｋｇｆ、速度３．６ｍ／ｓ（６０
往復／分）で試験を行い、試験片の摩擦量を測定した。
なお、摩擦量には、４００回毎の平均値を採用した。

【００２１】これらの試験の結果を表４に示す。その結
果、比較材１（Ｎi基耐食合金）は、耐食性には優れて
いるものの、耐摩耗性に劣っており、例えば、樹脂にガ
ラス繊維などを添加した複合材料の成形に対しては好適
な材料ではない。また、比較材２（Ｎi基自溶性合金）
は、耐摩耗性は、十分とはいえないものの、ある程度の
特性は確保されているが、耐食性は十分ではない。ま
た、比較材３（Ｎi基自溶性合金＋ＷＣ）は、耐摩耗性
は良好であるが、耐食性および強度は劣っている。

【００２２】これに対し、実施例１〜４の試験片は、
Ｗ、Ｍoの炭化物によって耐アブレシブ摩耗性が向上し
ており、例えば、樹脂中の硬質添加剤による摩耗を防止
する。また、大越式摩耗試験では、複硼化物が潤滑材と
しての効力を発揮しており、試験片自身の摩耗量は小さ
い。さらに、腐食試験における腐食量も少なく、例え
ば、樹脂中から発生するガスによる高腐食環境下でも、
生成した硬質物が高い耐食性を示す。また、微細な硬
質物が緻密に分散しているため、Ｎi基自溶性合金より
も高い抗折力を示す。以上のように、本発明の複合材料
は、比較材と異なり、耐摩耗性、耐食性および強度のい
ずれにおいても優れた結果が得られた。

【００２３】

【表４】

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明の複合材
料によれば、特定成分の基に、炭化物と硼化物とを主体
とする硬質相をＮi基またはＣo基合金で結合したので、
耐摩耗性だけでなく、高強度の耐食性材料として優れた
特性が得られる効果がある。したがって、過酷な成形条
件下で使用される樹脂加工機械用のシリンダ、スクリュ
などの構成摺動材料として最適な複合材料が得られる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例２の焼結体の金属組織写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化物および硼化物を主体とする硬質相
がＮi基のマトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量で、Ｂ：
１．５〜５重量％、Ｃr：５〜１５重量％、Ｍo：２５〜
５０重量％、Ｗ：１０〜２５重量％、Ｆe：２〜４重量
％、Ｃ：０．５〜２重量％、Ｃu：０．５〜２重量％を
含有し、残部がＮiと不可避的不純物とからなる耐摩耗
耐食性複合材料
【請求項２】炭化物および硼化物を主体とする硬質相
がＮi基のマトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量で、Ｂ：
１．５〜５重量％、Ｃr：５〜１５重量％、Ｍo：２５〜
５０重量％、Ｗ：１０〜２５重量％、Ｆe：２〜４重量
％、Ｃ：０．５〜２重量％を含有し、残部がＮiと不可
避的不純物とからなる耐摩耗耐食性複合材料
【請求項３】炭化物および硼化物を主体とする硬質相
がＣo基のマトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量で、Ｂ：
１．５〜５重量％、Ｃr：５〜１５重量％、Ｍo：２５〜
５０重量％、Ｗ：１０〜２５重量％、Ｆe：２〜４重量
％、Ｃ：０．５〜２重量％、Ｃu：０．５〜２重量％を
含有し、残部がＣoと不可避的不純物とからなる耐摩耗
耐食性複合材料
【請求項４】炭化物および硼化物を主体とする硬質相
がＣo基のマトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量で、Ｂ：
１．５〜５重量％、Ｃr：５〜１５重量％、Ｍo：２５〜
５０重量％、Ｗ：１０〜２５重量％、Ｆe：２〜４重量
％、Ｃ：０．５〜２重量％を含有し、残部がＣoと不可
避的不純物とからなる耐摩耗耐食性複合材料