JPH08319530A

JPH08319530A - 高耐摩耗耐食性複合材料

Info

Publication number: JPH08319530A
Application number: JP14840895A
Authority: JP
Inventors: Tei Chimura; 禎千村; Shinji Morita; 真司森田; Kenjirou Chikara; 健二郎力
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【目的】シリンダ母材の内面に均質で、かつ優れた
耐摩耗、耐食性を有するライニング層を形成する。【構成】マトリクスに炭化物強化粒子を分散させた
シリンダ内面ライニング用の複合材料であり、マトリク
スがＢ：２〜４％、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｆｅ：２〜５
％、Ｓｉ：３〜６％、Ｃ：０．１〜１％、所望によりＭ
ｏ：２〜３％、Ｃｕ：１〜３％を含有し、残部がＮｉ及
び不可避的不純物からなるＮｉ基自溶性合金からなり、
炭化物強化粒子が複合材料に対し重量％で１０〜３０％
含まれるＮｂＣからなる。【効果】シリンダの内面に、優れた耐摩耗性、耐食
性を有し、しかもこれら特性が位置によるバラツキがな
いライニング層を形成できる。

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、高耐摩耗
性を有する炭化物、硼化物を主体とする硬質相を、高耐
食性を有するＮｉ基自溶性合金マトリクスで結合した高
耐摩耗耐食性複合材料に関するものである。例えば、ガ
ラスファイバー等の摩耗性の強化材を混合するプラスチ
ックや腐食性のあるプラスチック等の可塑物を対象とす
る樹脂加工機械用のシリンダ材等に好適である。

【０００２】

【従来の技術】樹脂加工機械における押出機や射出機の
シリンダ材は、加工対象物による摩耗を受けたり、金属
間の接触により凝着摩耗を受け易いので、耐摩耗性に優
れた材料で構成する必要がある。このため従来は、Ｃｒ
等の硼可物粒子や炭化物粒子の晶出により耐摩耗性を向
上させた自溶性耐摩耗Ｎｉ基合金や、Ｎｉ基自溶性合金
にＷＣのような硬質粒子を添加した複合材料を鋼製シリ
ンダ母材の内面にライニングしたシリンダが用いられて
おり、これら複合材料のライニング方法としては、鋳造
あるいは遠心鋳造法が一般的に採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の複合材
料では、マトリクスであるＮｉ基合金に比較してＣｒ硼
化物粒子等は比重が小さいため、ライニング層を形成す
る際に、Ｃｒ硼化物粒子が比重差によりＮｉ基合金溶湯
中を浮上し、遠心鋳造法による場合にはライニング層の
内周側に密集することになる。このため、Ｃｒ硼化物粒
子が密集したライニング層の表層部分では良い耐摩耗性
を示すが、ライニング層が次第に摩耗すると、Ｃｒ硼化
物粒子が殆どないか、全くない層が露呈して耐摩耗性が
急激に劣化するという問題がある。また、Ｃｒ硼化物粒
子等が密集した層と殆どない層に二層分離すると、殆ど
ない層ではザクが生じ易くなり、製品の機械的性質を劣
化させることがある。またシリンダを縦にして、その内
周面にライニング層を形成する鋳造法においても、遠心
鋳造法ほど顕著ではないものの上記した比重差によって
シリンダの上下方向でＣｒ硼化物粒子の分布に差が生じ
ライニング層の耐摩耗性能が軸方向において不均一にな
ってしまう。

【０００４】一方、ＷＣ粒子を添加した複合材料をライ
ニングする場合には、逆に、Ｎｉ基合金に比較してＷＣ
粒子の比重が大きいため比重差によりＷＣ粒子がＮｉ基
合金溶湯中を沈降し、ＷＣ粒子が密集した層とＷＣ粒子
が存在しない層に分離してしまう。遠心鋳造法によれ
ば、ＷＣが存在しない層はライニング層の表層側に形成
されることになるが、ＷＣのない層は硬度が低いため十
分な耐摩耗性が得られず、またこれが相手材へ付着し凝
着摩耗の要因となるため、機械加工により除去する作業
が必要であり、生産性を低下させる一因となっている。
また、従来から用いられているＮｉ基自溶性合金マトリ
クスは耐食性に優れているが、最近は樹脂の高機能化に
よりさらに腐食性の強いものが多くなっており、これら
の材料に対しては耐食性が十分ではなくなってきてい
る。本願発明は上記問題点を解決することを基本的な目
的とし、耐摩耗性、耐食性ともに優れ、しかもこれら特
性について部位によるバラツキがなく均質なライニング
層を形成することが可能な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
本願発明のうち第１の発明の高耐摩耗耐食性複合材料
は、マトリクス中に炭化物強化粒子を分散させシリンダ
母材の内面にライニングする複合材料であって、前記マ
トリクスは、重量％で、Ｂ：２〜４％、Ｃｒ：１０〜２
０％、Ｆｅ：２〜５％、Ｓｉ：３〜６％、Ｃ：０．１〜
１％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる
Ｎｉ基自溶性合金からなり、前記炭化物強化粒子は、複
合材料に対し、重量％で１０〜３０％含まれるＮｂＣか
らなることを特徴とする。

【０００６】第２の発明の高耐摩耗耐食性複合材料は、
マトリクス中に炭化物強化粒子を分散させシリンダ母材
の内面にライニングする複合材料であって、前記マトリ
クスは、重量％で、Ｂ：２〜４％、Ｃｒ：１０〜２０
％、Ｆｅ：２〜５％、Ｓｉ：３〜６％、Ｃ：０．１〜１
％、Ｍｏ：２〜３％、Ｃｕ：１〜３％を含有し、残部が
Ｎｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ基自溶性合金から
なり、炭化物強化粒子は、複合材料に対し、重量％で１
０〜３０％含まれるＮｂＣからなることを特徴とする。
本願発明の複合材料をシリンダ母材内面にライニングす
る方法は特に限定されないが、以下の作用で説明するよ
うに、特に鋳造法、遠心鋳造法によってライニング層を
形成する場合に好適である。

【０００７】

【作用】本願発明の複合材料では、Ｎｉ基自溶性合金マ
トリクスと、炭化物強化粒子であるＮｂＣとがほぼ同等
な比重（約７．８）を有しており、これを鋳造あるいは
遠心鋳造によってシリンダ母材内面にライニングする際
に、炭化物強化粒子であるＮｂＣがマトリックス中で偏
在することなく、ライニング層の全域においてマトリク
ス中に均一に分散する。そのため位置によって耐摩耗
性能にバラツキが生ずるということが無く、またライニ
ング層が二層分離することにより生じるザクを防止する
ことができる、さらに機械加工によって所定の寸法に加
工すれば強化物粒子が均一に分散したライニングシリン
ダを得ることができ、ライニング層の余肉部も小さくす
ることが可能である。得られたライニング層には、硬質
（Ｈｖ約２２００）の炭化物強化粒子ＮｂＣが均一に分
散しており、耐アブレシブ摩耗性を向上させる。また、
マトリクス中には、ＮｂＣの他にＮｉ基自溶性合金の組
成により晶出した自己潤滑性を有するＣｒ硼化物（Ｃｒ
Ｂ）が混在しており、自己の耐摩耗性に優れ、また相手
材への攻撃性も炭化物強化粒子のみの場合に比べ小さ
い。また、Ｎｉ基自溶性合金は優れた耐食性を有してお
り、通常の腐食性樹脂に対し有効であり、さらにＭｏ、
Ｃｕの添加によって、より腐食性の強い樹脂に対しても
良好な耐食性を示す。次いで、本願発明の複合材料の成
分の作用および含有量の限定理由を述べる。なお、炭化
物粒子の含有量は複合材料全体に対する重量％で示し、
Ｎｉ基自溶性合金の成分は、マトリックス全体に対する
重量％で示されている。

【０００８】（炭化物強化粒子）ＮｂＣは、炭化物強化
粒子として耐摩耗性を向上させるが、複合材料に対し、
重量％で、１０％未満ではその効果が不十分であり、一
方、３０％を越えると炭化物量が過多となり、相手材へ
の攻撃性を増すとともに、合金の機械的性質を低下させ
るため１０〜３０％に限定する。また、自身の耐摩耗性
及び相手材への攻撃性を考慮すると、好ましくは、さら
に下限を１５％、上限を２５％とするの適当である。

【０００９】（Ｎｉ基自溶性合金）Ｂは、Ｎｉ基合金に
自溶性を与えるために添加する他、マトリクス中のＣｒ
と結合し自己潤滑性を有し耐摩耗性に寄与するＣｒＢを
形成するために、必要不可欠な元素である。ただし、Ｂ
含有量が２％未満になるとそれらの作用が不十分であ
り、一方、４％を越えると靱性が著しく低下するため、
含有量を２〜４％に限定する。

【００１０】Ｃｒは、自己潤滑性を有する硼化物として
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。その含有量が１０％未満では、耐摩耗性及び耐食
性が不十分であり、また、２０％を越えると、含有量に
見合った耐食性の向上が認められず、また、靱性も低下
するため１０〜２０％に限定する必要がある。また、十
分な耐摩耗性を得るため、好ましくは１５〜２０％の範
囲が適当である。

【００１１】Ｓｉは、Ｂと同様にＮｉ基合金に自溶性を
与えるために添加されるが、３％未満ではその作用が不
十分であり、また６％を越えると靱性が著しく低下する
ため３〜６％に限定する。なお、同様の理由で、下限を
３．５％、上限を５％とするのが望ましい。

【００１２】Ｃは、Ｎｉ基合金の融点を下げるとともに
Ｃｒと反応して炭化物を形成し、ＮｂＣと同様に耐摩耗
性の向上に寄与する。その含有量は、０．１％未満では
耐摩耗性向上が不十分であり、１％を越えると機械的特
性を損なうので、０．１〜１％に限定する。

【００１３】Ｆｅは、低温における強度を向上させるた
めに添加する。ただし、２％未満では、その作用は不十
分であり、また、５％を越えると、耐食性が低下するの
で、２〜５％に限定する。なお、同様の理由で、さらに
上限を３．５％とするのが望ましい。

【００１４】Ｍｏは、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、より高い耐食
性が必要とされる場合に含有させる。ただし、２％未満
ではあまり効果が得られず、また添加量が多くなるとＮ
ｉ基自溶性合金マトリクスの融点が上昇し、遠心鋳造へ
の適用が困難になるため２〜３％に限定する。Ｃｕは、
Ｎｉ−Ｃｕ合金であるモネル合金（商標名）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、
より高い耐食性が必要とされる場合に含有させる。ただ
し、十分な耐食性を得るためには１％以上の含有が望ま
しい。一方、添加量が多くなると合金が軟化して耐摩耗
性が悪くなる他、Ｎｉ基自溶性合金マトリクスの融点を
上昇させるため、含有量は１〜３％とした。

【００１５】Ｎｉは、耐食性の向上に効果のある元素で
あり、Ｂとともに硬質のほう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とした。なお、
残部のＮｉ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内で許容される。

【００１６】

【実施例】以下に、この発明の実施例を、比較例（従来
例）と比較しつつ説明する。まず、表１に示すＮｉ基自
溶性合金（合金Ａ〜Ｄ）を原料粉末の一部として用意
し、さらに、一部を除いて表２に示す混合比でこの合金
粉末と、ＮｂＣ粒子またはＷＣ粒子、ＣｒＢ粒子を秤量
して混合し、試験用混合粉末をそれぞれ調製した。次
に、この各混合粉末を、加熱炉においてそれぞれ１２０
０℃で３０分保持した後、炉冷し、本発明の溶製材を得
た。さらに、この溶製材を切断加工して、所定形状の試
験片（実施例１〜５、比較例１〜４）を製作した。な
お、ＮｂＣを含まない比較例１，２は市販のＮｉ基自溶
性合金からなる従来材に相当する。参考のため各試験片
の成分の総量を表３に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】上記試験片について、比較例１，２を除い
て金属組織観察を行ったところ、実施例の試験片ではＮ
ｂＣが均一に分散しているのに対し（図１）、比較例
３，４（図２，３）では、強化粒子が明らかに下部また
は上部に偏在していることが認められた。これは、比較
例３ではＷＣがマトリクスより比重が大きく、また、比
較例４ではＣｒＢがマトリクスよりも比重が小さいこと
に起因している。なお、図１は、実施例中Ｎｏ．４の試
験片の金属組織写真である。次に、上記比較例３，４を
除いて、各試験片の特性評価を行うために腐食試験およ
び摩耗試験を行った。腐食試験は、Ａ：室温で５％弗化
水素酸に３０時間浸漬、Ｂ：１％塩酸で５時間煮沸、の
２方法について行い、それぞれ腐食減量を測定して耐食
性を評価した。また、摩耗試験は、金属同士の凝着摩耗
をシミュレートするため、大越式迅速摩耗試験機を用
い、相手材にＳＫＤ１１相当材（ＨＲＣ６１）を使用
し、最終荷重１８．９ｋｇｆ、摩擦速度２．３７ｍ／
ｓ、摩擦距離２００ｍ、室温、無潤滑の条件下で試験を
行い、試験片（固定試験片）および相手材（回転試験
片）の摩耗量をそれぞれ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ート
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番のＳｉＣ研磨紙を用いて荷重２ｋｇ
ｆ、速度３．６ｍ／ｓ（６０往復／分）で試験を行っ
た。なお摩耗量は、４００回毎の摩耗減量の平均値とし
た。

【００２１】これらの試験結果を表４に示す。その結
果、比較例１，２（Ｎｉ基自溶性合金）はある程度の耐
食性は確保しているものの、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、特に大越式摩耗
試験結果において摩耗量が著しく大きくなっており、凝
着摩耗を生じているため固定試験片の材料が回転試験片
に付着し、回転試験片の重量増加（摩耗量を負の値で示
している）が見られる。

【００２２】一方、実施例１〜５の試験片は、Ｎｂ炭化
物粒子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、Ｃｒ硼化物が潤滑剤としての効力を発揮しており、
大越式摩耗試験では、自身（固定試験片）および相手材
（回転試験片）のいずれの摩耗量も小さく、構成部材の
金属同士の接触により生じる摩耗において、相手材に対
する攻撃性をやわらげ、かつ金属同士の凝着摩耗をやわ
らげている。また、実施例１と実施例３を比較した場
合、Ｃｒ硼化物の量はＮｉ基自溶性合金成分の差により
実施例３の方が多く、そのため相手材への攻撃性低減の
効果が大きい。また、ＮｂＣの含有量を増加させた実施
例４，５では、それ自身の耐摩耗性はＮｂＣ含有量の増
加量に応じ向上しているが、大越式摩耗試験結果におい
て相手材への攻撃性も、やや増している。また、Ｍｏ，
Ｃｕを添加した実施例３では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、高ＣｒでＭｏ，Ｃｕを含むＮｉマトリクス
が高い耐食性を示す。以上のように、本発明の複合材料
は、比較例と異なり、耐摩耗性および耐食性のいずれに
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、硬質物であるＮｂＣを耐食性に優れるＮｉ
基自溶性合金中に分散させたので、高耐食性だけでな
く、耐凝着、耐アブレシブ摩耗の両特性具備する耐摩耗
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
リンダ部材等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Ｎｏ．４の金属組織写真（倍率５０
倍）である。

【図２】比較例３（ＷＣを硬質物とする）の金属組織
写真（倍率５０倍）である。

【図３】比較例４（ＣｒＢを硬質物とする）の金属組
織写真（倍率５０倍）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス中に炭化物強化粒子を分散さ
せシリンダ母材の内面にライニングする複合材料であっ
て、前記マトリクスは、重量％で、Ｂ：２〜４％、Ｃ
ｒ：１０〜２０％、Ｆｅ：２〜５％、Ｓｉ：３〜６％、
Ｃ：０．１〜１％を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不
純物からなるＮｉ基自溶性合金からなり、前記炭化物強
化粒子は、複合材料に対し重量％で１０〜３０％含まれ
るＮｂＣからなることを特徴とする高耐摩耗耐食性複合
材料
【請求項２】マトリクス中に炭化物強化粒子を分散さ
せシリンダ母材の内面にライニングする複合材料であっ
て、前記マトリクスは、重量％で、Ｂ：２〜４％、Ｃ
ｒ：１０〜２０％、Ｆｅ：２〜５％、Ｓｉ：３〜６％、
Ｃ：０．１〜１％、Ｍｏ：２〜３％、Ｃｕ：１〜３％を
含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ基
自溶性合金からなり、炭化物強化粒子は、複合材料に対
し重量％で１０〜３０％含まれるＮｂＣからなることを
特徴とする高耐摩耗耐食性複合材料