(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製円筒形状シリンダの内面に遠心鋳造法によりライニング層を形成した成形機用シリンダであって、前記ライニング層がニッケル基合金基地中に、20〜50面積％の炭化タングステン粒子及び1〜10面積％のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を含有する組織を有し、前記炭化タングステン粒子が1.5〜15μｍの平均粒径を有し、前記ライニング層が1〜7.5質量％のFeを含有することを特徴とする成形機用シリンダ。
【請求項２】
請求項1に記載の成形機用シリンダにおいて、前記金属硼炭化物粒子が0.5〜4質量％のC、0.5〜6質量％のB、65〜85質量％のW、及び1〜20質量％のNiを含有することを特徴とする成形機用シリンダ。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の成形機用シリンダにおいて、前記金属硼炭化物粒子が0.5〜5μｍの平均粒径を有することを特徴とする成形機用シリンダ。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の成形機用シリンダにおいて、前記ライニング層が1.5〜4質量％のC、0.5〜3.5質量％のB、25〜60質量％のW、1〜10質量％のCr、1〜15質量％のCo、0.1〜3質量％のSi、0.1〜2質量％のMn、及び0〜5質量％のCuを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなることを特徴とする成形機用シリンダ。
【請求項５】
請求項4に記載の成形機用シリンダにおいて、前記ライニング層の基地が0.05〜1質量％のC、0.5〜3質量％のB 、1〜5質量％のW、2〜20質量％のCr、2〜30質量％のCo、0.2〜5質量％のSi、0.2〜5質量％のMn、2〜15質量％のFe、及び0〜10質量％のCuを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなることを特徴とする成形機用シリンダ。
【請求項６】
ニッケル基合金基地中に、20〜50面積％の炭化タングステン粒子及び1〜10面積％のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を含有する組織を有し、前記炭化タングステン粒子が1.5〜15μｍの平均粒径を有し、かつ1〜7.5質量％のFeを含有するライニング層が形成された成形機用シリンダを製造する方法であって、
鋼製円筒形状シリンダ内に、1〜5質量％のBを含有する40〜70質量部のニッケル基合金粉末、及び60〜30質量部の炭化タングステン粉末からなるライニング層用原料を装入し、
前記シリンダを5〜30 rpmで回転させながら前記ライニング層用原料を加熱溶融させ、
前記シリンダの回転数を上げて遠心鋳造することにより、前記シリンダの内面に、外周側のライニング層と内周側の粒子欠乏層とからなる遠心鋳造層を形成し、
前記粒子欠乏層を機械加工により除去する工程を有し、
前記ライニング層用原料の加熱溶融を、1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、前記第一の加熱工程に続く1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程により行うことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項6に記載の成形機用シリンダの製造方法において、前記合金粉末が0.01〜1質量％のC、1〜5質量％のB、2〜20質量％のCr、0.2〜5質量％のSi、0.2〜5質量％のMn、2〜30質量％のCo、0〜5質量％のCu、及び0〜1質量％のFeを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項6又は7に記載の成形機用シリンダの製造方法において、前記合金粉末が20〜300μmの平均粒径を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性及び耐食性に優れたライニング層を有する成形機用シリンダ、及びかかる成形機用シリンダを遠心鋳造法により低コストで製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック等の射出成形又は押出成形に使用される成形機用シリンダは、加熱成形中の樹脂や添加剤等による摩耗に耐えるだけでなく、比較的安価に製造できることが要求される。このような要求に応えるため、従来から鋼製円筒形状シリンダの内面に、ニッケル合金基地中に炭化タングステン粒子が分散したライニング層を遠心鋳造法により形成したバイメタル構造の成形機用シリンダが使用されている。【０００３】
ニッケル合金の基地中に炭化タングステン粒子等の硬質粒子が分散したライニング層を有する成形機用シリンダを遠心鋳造法により製造するために、ニッケル合金粉末と炭化タングステン粉末との混合粉末をシリンダ内で溶解及び遠心鋳造すると、比重の大きな炭化タングステン粒子等の硬質粒子が多く分散した外周部分（ライニング層）と、硬質粒子が少ない内周部分（粒子欠乏層）とを有する遠心鋳造層が形成される。ライニング層を露出させるために粒子欠乏層を除去しなければならないので、粒子欠乏層はできるだけ薄いほうが良い。【０００４】
特許第2872571号は、30〜45重量％の炭化タングステン、合計35〜50重量％のニッケル＋コバルト、1重量％以下のモリブデン、10重量％以下のクロム、1〜3重量％の硼素、1〜3重量％の珪素、2重量％以下のマンガン、8〜25重量％の鉄、及び1重量％以下の炭素を含有する遠心鋳造用炭化タングステン複合ライニング層を開示している。このライニング層は、平均粒径が6〜12μmの炭化タングステン粒子が25〜45％の体積率で分散しているので、優れた耐摩耗性を有する。しかし、特許第2872571号は粒子欠乏層の厚さを安定的に制御することを何も記載していない。粒子欠乏層の厚さがばらついていると、安全のために粒子欠乏層だけでなくライニング層の一部も多く削除しなければならず、生産歩留りが低下する。また、ライニング層中に鉄が8〜25重量％と多く含有しているため耐食性に劣るという問題がある。【０００５】
特許第4900806号は、中空円筒状の鋼製外筒の内面に耐摩耗耐腐食性合金を含有したライニング層を形成した成形機用シリンダであって、ライニング層がニッケルを含む基地と、金属タングステン中に炭化タングステンが分散した硬質粒子とにより構成されている成形機用シリンダを開示している。特許第4900806号はまた、ライニング層における硬質粒子の面積率が20〜80％であり、かつライニング層にさらに5〜20面積％の硼化タングステンを含有してもよいと記載している。さらに特許第4900806号は、遠心鋳造時に硼化タングステンは硬質粒子とともに遠心分離し、ライニング層に含まれる硬質粒子の間隔を適度に分散させると記載している。しかし、このシリンダでも、粒子欠乏層の厚さを安定的に制御することは難しかった。粒子欠乏層に厚さのばらつきがあると、その分遠心鋳造により形成した遠心鋳造層を深く研削しなければならないので、材料歩留りが低下する。その上、硬質粒子として金属タングステン中に炭化タングステンが分散した特殊な粒子を準備しなければならず、製造コストが高くなる。【０００６】
特許第5095669号は、合計30〜45質量％の硼化タングステン＋炭化タングステン（硼化タングステン／炭化タングステン＝1以下で、硼化タングステン：5〜20質量％）、合計35〜50質量％のニッケル＋コバルト、1質量％以下のモリブデン、10質量％以下のクロム、1〜3質量％の硼素、1〜3質量％の珪素、2質量％以下のマンガン、5質量％以下の鉄、1質量％以下の炭素、及び不可避的不純物を含有する遠心鋳造用シリンダのライニング材を開示している。特許第5095669号は、炭化タングステン粉末と硼化タングステン粉末との質量比を調整することにより、粒子欠乏層の厚さを制御することを記載している。しかし、ライニング材に予め硼化タングステン粉末を添加すると、材料コストが高くなるだけでなく、硼化タングステンは炭化タングステンより熱安定性に劣るので鋳造中に合金溶湯に溶解してしまう。その上、硼化タングステン粒子の粒径は数μm以下であり、原材料の合金粉末よりかなり小さいので、均一分散しにくい。また炭化タングステン粉末と硼化タングステン粉末の合計量が多すぎると、遠心鋳造時にこれらの粉末の流動性が不十分になり、炭化タングステン粒子と硼化タングステン粒子を均一に分散させることができなくなる。【０００７】
特開2010-99693号は、(a) B及びCrを含むCo基又はNi基の合金粉末に、WB又はMoBを含む硼化物粉末を添加した混合粉末を調製し、(b) 混合粉末をシリンダ内に装填し、(c) シリンダを3 rpmで回転ながら1200℃以上の温度に加熱して混合粉末を溶融させ、(d) シリンダを2290〜2300 rpmという高速で回転する遠心鋳造によりライニング層を形成し、(e) ライニング層の内面を機械加工により仕上げることにより耐磨耗性ライニング層を製造する方法を開示している。しかし、この方法では、1200℃以上の高温に加熱することにより混合粉末を溶融させるので、シリンダ内面が浸食され、Feが大量にライニング層内に溶出する。ライニング層の耐食性はFe含有量が多くなると低下するので、混合粉末の溶融中シリンダ内面の浸食をできるだけ抑制しなければならない。また、この方法では硼化物粉末を添加しているが、硼化タングステンは炭化タングステンより熱安定性に劣るので、部分的に合金溶湯に溶解してしまうので、耐摩耗性向上効果が不十分である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の第一の目的は、優れた耐摩耗性及び耐食性を有するライニング層を遠心鋳造法により形成した成形機用シリンダを提供することである。【０００９】
本発明の第二の目的は、粒子欠乏層の厚さを安定的に制御することにより遠心鋳造層の切除深さを浅くし、もって優れた耐摩耗性及び耐食性を有するライニング層を有する成形機用シリンダを低コストで製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の成形機用シリンダは、鋼製円筒形状シリンダの内面に、遠心鋳造法によりライニング層を形成したもので、前記ライニング層がニッケル基合金基地中に、20〜50面積％の炭化タングステン及び1〜10面積％のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を含有する組織を有し、前記ライニング層が1〜7.5質量％のFeを含有することを特徴とする。【００１１】
前記金属硼炭化物粒子は、0.5〜4質量％のC、0.5〜6質量％のB、65〜85質量％のW、及び1〜20質量％のNiを含有するのが好ましい。【００１２】
前記金属硼炭化物粒子は0.5〜5μｍの平均粒径を有するのが好ましい。【００１３】
前記炭化タングステンは1.5〜15μｍの平均粒径を有するのが好ましい。【００１４】
前記ライニング層は1.5〜4質量％のC、0.5〜3.5質量％のB、25〜60質量％のW、1〜10質量％のCr、1〜15質量％のCo、0.1〜3質量％のSi、0.1〜2質量％のMn、及び0〜5質量％のCuを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなるのが好ましい。【００１５】
前記ライニング層の基地は0.05〜1質量％のC、0.5〜3質量％のB、1〜5質量％のW、2〜20質量％のCr、2〜30質量％のCo、0.2〜5質量％のSi、0.2〜5質量％のMn、2〜15質量％のFe、及び0〜10質量％のCuを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなるのが好ましい。【００１６】
ニッケル基合金基地中に、20〜50面積％の炭化タングステン粒子及び1〜10面積％のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を含有する組織を有し、かつ1〜7.5質量％のFeを含有するライニング層が形成された成形機用シリンダを製造する本発明の方法は、
鋼製円筒形状シリンダ内に、1〜5質量％のBを含有する40〜70質量部のニッケル基合金粉末、及び60〜30質量部の炭化タングステン粉末からなるライニング層用原料を装入し、
前記シリンダを5〜30 rpmで回転させながら前記ライニング層用原料を加熱溶融させ、
前記シリンダの回転数を上げて遠心鋳造することにより、前記シリンダの内面に、外周側のライニング層と内周側の粒子欠乏層とからなる遠心鋳造層を形成し、
前記粒子欠乏層を機械加工により除去する工程を有し、
前記ライニング層用原料の加熱溶融を、1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、前記第一の加熱工程に続く1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程により行うことを特徴とする。【００１７】
前記合金粉末は、0.01〜1質量％のC、1〜5質量％のB、2〜20質量％のCr、0.2〜5質量％のSi、0.2〜5質量％のMn、22〜30質量％のCo、0〜5質量％のCu、及び0〜1質量％のFeを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなるのが好ましい。【００１８】
前記合金粉末は20〜300μmの平均粒径を有するのが好ましい。【００１９】
前記炭化タングステン粉末は1.5〜15μmの平均粒径を有するのが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明ではライニング層用原料を1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程により加熱溶融するので、原料粉末に硼化タングステン粉末を添加しなくても、粒子欠乏層の厚さを安定的に制御できる。そのため、ライニング層を完全に露出させるための遠心鋳造層の削除代を小さくでき、成形機用シリンダの製造コストを低減化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の成形機用シリンダを示す概略断面図である。
【図２】実施例1の遠心鋳造層を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図３】実施例1のライニング層を示すEPMAによりマッピング分析し、基地、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子を判別した写真である。
【図４】アブレッシブ摩耗試験を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態を以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜変更及び改良を加えても良い。
【００２３】
図1に示すように、鋼製円筒形状シリンダ2の内面に、Bを含有するニッケル基合金粉末及び炭化タングステン粉末からなるライニング層用原料の溶湯を遠心鋳造すると、鋼製円筒形状シリンダ2の内面に中空状の遠心鋳造層3が形成される。遠心鋳造層3は、ニッケル基合金基地中に、炭化タングステンと、遠心鋳造層3の形成時に析出したタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が多く分散した外周側のライニング層4と、炭化タングステン及び金属硼炭化物粒子が少ない内周側の粒子欠乏層5とからなる。遠心鋳造層3の内側に中空部6がある。遠心鋳造層3から粒子欠乏層5を機械加工により除去し、所定の厚さのライニング層4を残すことにより、本発明の成形機用シリンダ1が製造される。
【００２４】
[1] 成形機用シリンダ
(A) ライニング層の組成
ライニング層4は、ニッケル基合金の基地中に炭化タングステン粒子及びタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が分散した組織を有するので、ライニング層4全体の組成はその基地組成と異なる。ライニング層4が機械加工時の欠けを抑えて、優れた耐摩耗性及び耐食性を発揮するには、ライニング層4の組成（基地及び硬質粒子の両方を含む平均組成）は以下の通りであるのが好ましい。
【００２５】
(1) C：1.5〜4質量％
CはWと結合し、炭化タングステン粒子及びタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を生成する。Cが1.5質量％未満では炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子の生成量が不足し、十分な耐摩耗性が得られない。一方、Cが4質量％を超えると、ライニング層4が脆くなるため加工性が低下する。C含有量は好ましくは2〜3.5質量％である。
【００２６】
(2) B：0.5〜3.5質量％
Bは金属硼炭化物粒子の構成元素であり、耐摩耗性の向上及び粒子欠乏層の厚さを安定化させるのに寄与する。Bが0.5質量％未満ではこの効果が十分に得られない。一方、Bが3.5質量％を超えるとライニング層4は脆くなり、加工性が低下する。Bの含有量は好ましくは1〜2.5質量％である。
【００２７】
(3) W：25〜60質量％
Wは、Cと結合して炭化タングステン粒子を生成するだけでなく、B及びCと結合してタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を生成する。Wが25質量％未満では炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子の生成量が不足し、十分な耐摩耗性が得られず、粒子欠乏層の厚さを十分に安定化できない。一方、Wが60質量％を超えるとライニング層4は脆くなり、加工性が低下する。Wの含有量は好ましくは35〜50質量％である。
【００２８】
(4) ニッケル：残部
Niは基地を形成する主要元素である。20質量％以上のNiを含有する基地は優れた耐食性を発揮する。Ni含有量は好ましくは25質量％以上であり、より好ましくは30質量％以上である。
【００２９】
成形機用シリンダ1の用途及び使用方法に応じて、ライニング層4は以下の元素を適宜含有する。
【００３０】
(5) Co：1〜15質量％
CoはNiと同様にライニング層4に耐食性を付与する機能を有するとともに、基地に固溶して強度を向上させる。Coが1質量％未満ではこれらの効果は十分に得られない。一方、Coが15質量％を超えても効果は飽和し、経済的でない。Coの含有量はより好ましくは2〜10質量％である。
【００３１】
(6) Cr：1〜10質量％
Crは主に基地に固溶して強度を向上させるだけでなく、クロムを主体とする金属硼炭化物粒子を生成する。Crが1質量％未満では強度向上の効果が得にくい。一方、Crが10質量％を超えるとクロムを主体とする金属硼炭化物粒子が過多となり、ライニング層4が脆くなる。Cr含有量のより好ましい範囲は2〜8質量％である。クロムを主体とする金属硼炭化物粒子の生成量はライニング層4の1面積％未満であれば良い。
【００３２】
(7) Fe：1〜7.5質量％
Feは基地に固溶し、シリンダとの接合強度の向上に寄与する。少なくとも一部のFeは遠心鋳造により溶着する鋼製シリンダから侵入する。Feが1質量％未満では、シリンダとの接合強度が十分でない。一方、Feが7.5質量％を超えると耐食性が低下する。Feの含有量のより好ましい範囲は1〜7質量％である。Feの含有量の最も好ましい上限は6質量％である。
【００３３】
(8) Si：0.1〜3質量％
Siはライニング層4の基地に固溶し、硬さを増すことで、耐摩耗性の向上に寄与する。Siが0.1質量％未満ではこの効果が十分に得られない。一方、Siが3質量％を超えると、ライニング層4が脆くなる。Si含有量はより好ましくは0.5〜2.5質量％である。
【００３４】
(9) Mn：0.1〜2質量％
Mnは0.1質量％以上あれば酸化物等の異物を除去する効果を十分発揮する。しかし、Mnが2質量％超えるとライニング層4の耐食性を損なうため好ましくない。Mn含有量はより好ましくは0.2〜1質量％である。
【００３５】
(10) Cu：0〜5質量％
Cuは、ライニング層4の基地に固溶して強度を向上させる効果を有するが、5質量％超えるとライニング層4の耐食性を損なう。Cu含有量はより好ましくは0〜3質量％である。
【００３６】
(B) ライニング層の基地の組成
金属硼炭化物粒子が析出した後のライニング層4の基地は好ましくは50質量％以上のニッケルを含有する。基地はNi以外に、Co、Cr、Si、C、B、Mn、W、Fe、Cu等を含有しても良い。ライニング層4の基地の好ましい組成は50〜75質量％のNi、2〜30質量％のCo、2〜20質量％のCr、0.2〜5質量％のSi、0.05〜1質量％のC、0.5〜3質量％のB、1〜5質量％のW、0.2〜5質量％のMn、2〜15質量％のFe、及び0〜10質量％のCuを含有し、残部が不可避的不純物である。Feは2〜10質量％がより好ましい。
【００３７】
(C) 硬質粒子
(1) 炭化タングステン粒子
ライニング層4は、ニッケル基合金基地に20〜50面積％の炭化タングステン粒子及び1〜10面積％のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が分散した組織を有する。1〜10面積％の金属硼炭化物粒子により炭化タングステンの凝集が抑制され、遠心鋳造層3における粒子欠乏層5を薄くできるだけでなく、粒子欠乏層5の厚さを安定的に制御することができる。そのため、遠心鋳造層3を厚めに研削する必要がなくなるため、材料歩留が向上する。
【００３８】
炭化タングステン粒子が20面積％未満では、ライニング層4の耐摩耗性が十分でない。一方、炭化タングステン粒子が50面積％を超えると、ライニング層4が脆くなり、加工性が低下する。従って、炭化タングステン粒子の含有量は20〜50面積％であり、好ましくは25〜40面積％である。炭化タングステン粒子の「面積％」は、ライニング層4の断面写真（EPMAによりマッピング分析し、基地、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子を判別した写真。倍率1000倍）において粒子の最大径が1μｍ以上の炭化タングステン粒子の面積を画像解析により測定し、全体の面積で割って求めたものである。画像解析は、ライニング層4の断面写真を画像解析ソフト（Media Cybernetics社製 Image-Pro Plus ver.6.3）を用いて測定した。
【００３９】
炭化タングステン粒子は1.5〜15μmの平均粒径を有するのが好ましい。平均粒径は、炭化タングステン粒子の最大径の個数平均とした。炭化タングステン粒子の平均粒径が1.5μｍ未満ではライニング層4の耐摩耗性が低い。一方、炭化タングステン粒子の平均粒径が15μｍを超えると、シリンダ2の内面角部を機械加工したとき、炭化タングステン粒子の脱落や欠けが発生しやすく、加工性が低下する。炭化タングステン粒子の平均粒径はより好ましくは2〜10μｍが好ましく、さらに2〜8μｍが好ましい。
【００４０】
(2) 金属硼炭化物粒子
金属硼炭化物粒子は、硼化タングステン粒子（WB）より基地との親和性が良いので、基地との接合強度が高く、脱落による耐摩耗性の劣化が発生しにくい。また、金属硼炭化物粒子により炭化タングステン粒子の凝集及び偏在を抑制でき、ライニング層4の耐摩耗性の均一化に寄与する。さらに、炭化タングステン粒子の凝集及び偏在を抑えることにより、遠心鋳造層3中の粒子欠乏層5の厚さを安定して制御できる。
【００４１】
金属硼炭化物粒子が1面積％未満では、ライニング層4中に炭化タングステン粒子が凝集し、粒子欠乏層の厚さを安定的に制御し難い。一方、金属硼炭化物粒子が10面積％を超えると、金属硼炭化物粒子が粗大になりやすく、機械加工の際に欠けが発生しやすく、加工性が低下する。従って、金属硼炭化物粒子の含有量は1〜10面積％であり、好ましくは1〜5面積％であり、より好ましくは1.5〜4面積％である。炭化タングステン粒子の凝集を抑制するには、金属硼炭化物粒子／炭化タングステン粒子の面積比は好ましくは0.05〜0.2であり、より好ましくは0.07〜0.12である。金属硼炭化物粒子の「面積」％は、ライニング層4の断面写真において粒子の最大径が0.5μｍ以上の金属硼炭化物粒子の面積を画像解析により測定し、全体の面積で割って求めたものである。画像解析は、ライニング層4の断面写真（EPMAによりマッピング分析し、基地、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子を判別した写真）を画像解析ソフト（Media Cybernetics社製 Image-Pro Plus ver. 6.3）を用いて測定した。
【００４２】
金属硼炭化物粒子は、65〜85質量％のW、0.5〜6質量％のB、0.5〜4質量％のC、及び1〜20質量％のNiを含有するのが好ましい。Wは金属硼炭化物粒子を構成する主要な元素であり、上記範囲内のC及びBとともに硼炭化物を形成する。Wは70〜80質量％がより好ましく、Bは2〜5質量％がより好ましく、Cは1〜3質量％がより好ましい。金属硼炭化物粒子は、W及びNiの他にFe、Cr、Co等の金属成分を微量に含んでも良い。
【００４３】
金属硼炭化物粒子が1質量％以上のNiを含有すると、基地との親和性が十分に得られるので、基地との接合強度に優れ、脱落による耐摩耗性の低下が発生しにくい。しかし、Niが20質量％を超えると、金属硼炭化物粒子の硬さが低下し、耐摩耗性が低下する。金属硼炭化物粒子中のNiの含有量はより好ましくは2〜15質量％である。
【００４４】
金属硼炭化物粒子は0.5〜5μｍの平均粒径を有するのが好ましい。平均粒径は金属硼炭化物粒子の最大径の個数平均とした。金属硼炭化物粒子の平均粒径が0.5μｍ以上であると、炭化タングステン粒子の凝集を抑制でき、もって粒子欠乏層の厚さを安定化できる。しかし、金属硼炭化物粒子の平均粒径が5μｍを超えるとライニング層4が脆くなる。金属硼炭化物粒子の平均粒径はより好ましくは1〜3μｍである。金属硼炭化物粒子の平均粒径は炭化タングステン粒子の平均粒径より小さいのが好ましい。具体的には、金属硼炭化物粒子の平均粒径／炭化タングステン粒子の平均粒径の比は0.2〜0.5が好ましい。
【００４５】
[2] 成形機用シリンダの製造方法
(A) 原料粉末
(1) 合金粉末
合金粉末は少なくとも1〜5質量％のBを含有するNi基合金からなる。Bは合金粉末の融点を下げて合金溶湯の流動性を高める作用を有するだけでなく、金属硼炭化物粒子を生成して耐摩耗性の向上及び粒子欠乏層5の厚さの安定化に寄与する。Bが1質量％未満ではこれらの効果が十分に得られない。一方、Bが5質量％を超えるとライニング層4が脆くなる。Bの含有量は好ましくは2〜4質量％である。Ni基合金中のNiの含有量は50質量％以上が好ましい。合金粉末はさらに0.01〜1質量％のC、2〜20質量％のCr、0.2〜5質量％のSi、0.2〜5質量％のMn、及び2〜30質量％のCoを含有するのが好ましい。合金粉末はさらに0〜1質量％のFe、及び0〜5質量％のCuを含有しても良い。
【００４６】
合金粉末の平均粒径は20〜300μmが好ましい。合金粉末の平均粒径が20μm未満では、合金粉末の比表面積が大きく、製造時及び加熱時における表面酸化が多くなる。一方、合金粉末の平均粒径が300μmを超えると、炭化タングステン粉末と合金粉末の粒径差に応じて流動性の差が大きくなり、シリンダを回転したときに両粉末が分離するおそれがある。合金粉末の平均粒径は50〜200μmがより好ましい。平均粒径の測定は、レーザ回析装置（マイクロトラック）を用いて測定した。
【００４７】
(2) 炭化タングステン粉末
炭化タングステン粉末の平均粒径は1.5〜15μmが好ましい。炭化タングステン粉末の平均粒径が15μｍを超えるとライニング層4に含まれる炭化タングステン粒子の粒径が大きくなりすぎ、加工時に脱落しやすくなる。一方、炭化タングステン粉末の平均粒径が1.5μｍ未満では、ライニング層4の耐摩耗性の向上効果が不十分である。炭化タングステン粉末の平均粒径は7〜15μｍがより好ましく、7〜12μｍが最も好ましい。平均粒径の測定は、レーザ回析装置（マイクロトラック）を用いて測定した。また、微細な炭化タングステン粉末は、遠心鋳造前の加熱時（後述の第一の加熱工程）において、炭化タングステン粉末の表面の一部を溶解しやすく、これが遠心鋳造の際に、金属硼炭化物の析出に寄与するので、適量含まれるのが好ましい。炭化タングステン粉末の粒度分布は、粒径6μm以下のものが0.2〜20重量％含まれるのが好ましい。
【００４８】
(3) 配合
ライニング層用原料として、40〜70質量部の合金粉末と60〜30質量部の炭化タングステン粉末とを配合する。合金粉末が70質量部超（炭化タングステン粉末が30質量部未満）の場合、ライニング層4は十分な耐摩耗性を有さない。一方、合金粉末が40質量部未満（炭化タングステン粉末を60質量部超）の場合、ライニング層4の硬度が高くなりすぎる。より好ましくは、合金粉末は40〜60質量部であり、炭化タングステン粉末は60〜40質量部である。
【００４９】
(4) 加熱溶融
合金粉末と炭化タングステン粉末の混合粉末（ライニング層用原料）をSCM440等の鋼材からなる円筒形状シリンダ2内に装入し、5〜30 rpmで回転させながら加熱溶融させる。ライニング層用原料の加熱工程は、1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、第一の加熱工程に続く1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程からなる。
【００５０】
(a) 第一の加熱工程
ライニング層用原料を1140℃超1200℃未満と比較的高温に加熱することにより、炭化タングステン粒子の表面の一部を合金溶湯に十分に溶解させる。加熱温度が1140℃以下であると、炭化タングステンの溶解が不十分であり、また1200℃以上であると鋼製シリンダの侵食量が大きくなって、ライニング層4中の鉄濃度が高くなりすぎる。第一の加熱工程の加熱温度は好ましくは1150〜1190℃である。第一の加熱工程の加熱時間は10〜60分程度で良い。なお、第一の加熱工程では加熱温度が十分に高いので、不可避的に生成した合金酸化物は溶融し、遠心鋳造時に内周面側に分離してライニング層4中に残存しない。
【００５１】
(b) 第二の加熱工程
加熱温度を1080℃以上1140℃以下と比較的低くすることにより、シリンダ2の侵食を抑制しつつ、炭化タングステン粒子の表面の一部をさらに合金溶湯に溶解させるとともに、合金溶湯中のW、B及びCの反応を十分に起こさせてタングステンを主体とする金属硼炭化物を析出させる。第二の加熱工程で金属硼炭化物の析出を十分に起こさせるために、加熱時間を60〜120分と比較的長くする。第二の加熱工程は比較的長時間行うので、シリンダ2の侵食を抑制するために加熱温度の上限を1140℃以下とする必要がある。加熱温度の上限は好ましくは1135℃である。また、加熱温度が1080℃未満だと、合金溶湯の流動性が低下し、回転による撹拌効果が低減し、金属硼炭化物粒子が十分に得られない。加熱温度の下限は好ましくは1100℃である。
【００５２】
(c) シリンダの回転速度
第一及び第二の加熱工程の間、シリンダ2を5〜30 rpmと比較的低速で回転させることにより、シリンダ2の内面の侵食を抑制しつつ、合金溶湯の撹拌により炭化タングステンの溶解及び金属硼炭化物の析出を促進し、かつ合金溶湯温度を均一化することにより、析出する金属硼炭化物粒子の分布を均一化する。シリンダ2の回転数が5 rpm未満では撹拌作用が不十分であり、十分な量の金属硼炭化物粒子を均一に析出させることができない。一方、シリンダ2の回転数が30 rpmを超えると撹拌作用が過剰となり、金属硼炭化物粒子が粗大化するおそれがある。シリンダ2の好ましい回転数は5〜15 rpmである。
【００５３】
(5) 遠心鋳造
炭化タングステン粒子の表面の一部を溶解させつつタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を析出させた後、シリンダ2を1000 rpmを超える高速（例えば、1200〜2500 rpm）で回転させることにより遠心鋳造を行う。遠心鋳造中加熱を行わないので、合金溶湯は徐々に冷却され、金属硼炭化物粒子はさらに析出する。このようにして、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子が多く分散した外層側のライニング層4と、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子が少ない内層側の粒子欠乏層5とからなる遠心鋳造層3が形成される。
【００５４】
(6) 粒子欠乏層の除去
本発明の方法により形成された遠心鋳造層3では粒子欠乏層5の厚さが安定しているので、機械加工により削除する遠心鋳造層3の厚さを少なくできる。これに対して、粒子欠乏層5の厚さが不均一であると、安全を取って粒子欠乏層5を超えてライニング層4も比較的多く削除しなければならず、その結果十分な厚さのライニング層4が得られない。このようにして、ニッケル基合金基地中に20〜50面積％の炭化タングステン粒子及び1〜10面積％のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が分散したライニング層4を有する成形機用シリンダ1が得られる。
【００５５】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００５６】
実施例1〜3、参考例1〜2及び比較例1〜3
表1に示す組成を有する合金粉末をガスアトマイズ法により製造し、篩により分級することにより、表2に示す平均粒径を有する合金粉末を得た。各合金粉末に、純度99％以上で表2に示す平均粒径を有する炭化タングステン粉末を乾式混合した。表2に、ライニング層用原料における合金粉末と炭化タングステン粉末の配合量を示す。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
【表２】
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【００５９】
機械構造用合金鋼（SCM440）製の外径250 mm、内径94 mm及び長さ2500 mmの円筒形状シリンダ内に、各ライニング層用原料を厚さ4 mmの遠心鋳造層が得られる量だけ装入し、シリンダの両端開口部を鋼製の蓋で溶接により密封した。このシリンダを回転装置付き加熱炉に入れ、表3に示す条件で回転させながら第一及び第二の加熱工程を行った。
【００６０】
【表３】
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【００６１】
第二の加熱工程の後、各シリンダを加熱炉より取出して遠心鋳造機に載置し、700℃に低下するまで各シリンダの内面における重力加速度80 G（1230 rpm）で回転させる遠心鋳造法により、厚さ4 mmの遠心鋳造層を形成した。室温まで冷却した後、各シリンダの両端部から100 mm離れた位置を中心として厚さ20 mmの円盤状試料を2個採取した。
【００６２】
各円盤状試料の円盤孔の内面より円周方向90°ごとに約20 mm×20 mm×20 mmの組成／組織観察用試料を切り出し、鏡面研磨した。走査電子顕微鏡を用いて各試料の遠心鋳造層における粒子欠乏層の厚さを測定し、その最小値と最大値を求めた。表8に粒子欠乏層の厚さの範囲を示す。実施例1の遠心鋳造層3の走査電子顕微鏡写真を図2に示し、ライニング層4をEPMAによりマッピング分析し、基地、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子を判別した写真を図3に示す。図3において、濃い灰色の部分はニッケル基合金基地であり、薄い灰色の粒子は炭化タングステン（WC）粒子であり、白い粒子は金属硼炭化物（WBC）粒子である。図3から、ライニング層4ではニッケル基合金基地にWC粒子及びWBC粒子が均一に分散していることが分かる。
【００６３】
各組成／組織観察用試料から粒子欠乏層5を削除し、得られたライニング層4の成分を分析した。表4にライニング層4の組成（合金基地、炭化タングステン及び金属硼炭化物の全てを含む平均組成）を示す。
【００６４】
【表４】
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【００６５】
各組成／組織観察用試料の基地の金属組成をEDXにより分析した。表5に基地の検出可能な金属元素の組成を示す。また、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子の面積％及び平均粒径を表6に示し、EPMAにより測定した金属硼炭化物粒子の組成を表7に示す。
【００６６】
【表５】
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【００６７】
【表６】
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【００６８】
【表７】
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【００６９】
図4に示すように、各円盤状試料から切り出した直径10 mmの摩耗試験片（シリンダ母材部分12とライニング層13を含む）のライニング層13を、150 rpmで回転する台10に載置されたSiC砥粒サンドペーパー（＃400）11に対して90Ｎの圧力Pで一定時間押圧し、アブレッシブ摩耗試験を行った。アブレッシブ摩耗試験前後の試験片重量から、摩耗量を求めた。結果を表8に示す。
【００７０】
【表８】
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【００７１】
円盤状試料を採取後の各シリンダの遠心鋳造層3から粒子欠乏層5を研磨により除去した。各シリンダの内面角部をCBN切削工具を用いて旋盤加工し、ライニング層4からの炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子の脱落及び欠けの有無により、加工性を以下の基準で評価した。結果を表8に示す。
○：脱落及び欠けが発生しなかった。
×：脱落又は欠けが発生した。
【００７２】
さらに、ライニング層4から厚さ1.5 mm、幅4.0 mm及び長さ10 mmの耐食性評価用試料を切り出した。各試料を50℃の18％塩酸溶液中に24時間浸漬し、浸漬による重量減少率により耐食性を以下の基準で評価した。結果を表8に示す。
○：重量減少率が7％未満であった。
△：重量減少率が7％以上15％未満であった。
×：重量減少率が15％以上であった。
【００７３】
実施例1〜3の遠心鋳造層3を2 mmの深さまで研削したところ、粒子欠乏層5が完全に除去され、シリンダの内面全体にライニング層4が露出した。その後、シリンダ2の外周及び端部等を機械加工し、成形機用シリンダ1を製造した。実施例1の成形機用シリンダ1を用いて射出成形を行ったところ、ライニング層4は良好な耐摩耗性及び耐食性を有することが確認された。
【００７４】
これに対して、比較例1の遠心鋳造層3を2 mmの深さまで研削したところ、粒子欠乏層5が厚すぎるために完全に除去されず、シリンダの内面全体がライニング層4にならなかった。
【００７５】
また、参考例1及び2、及び比較例2の遠心鋳造層を2 mmの深さまで研削し、粒子欠乏層5を完全に除去してライニング層4を露出させた。その後機械加工を施し、成形機用シリンダ1を製造した。しかし、参考例1の成形機用シリンダ1を用いて射出成形を行ったところ、基地中のNiの含有量がやや少ないためにライニング層4は、耐食性がやや劣った。参考例2の成形機用シリンダ1を用いて射出成形を行ったところ、ライニング層中のFeの含有量が多いためにライニング層4は、十分な耐食性を発揮できなかった。比較例2の成形機用シリンダ1を用いて射出成形を行ったところ、炭化タングステン粒子の面積率が小さすぎるためにライニング層4は早期に摩耗し、十分な耐摩耗性を発揮できなかった。
【００７６】
表8から明らかなように、実施例1〜3では粒子欠乏層5の厚さの最大値と最小値の差（ばらつき）は0.1〜0.3 mmの範囲内であった。これに対して、比較例1〜3では、粒子欠乏層5の厚さのばらつきは0.4〜0.7 mmと大きかった。これから、実施例1〜3では粒子欠乏層5の厚さが安定的に制御されていることが分かる。
【符号の説明】
【００７７】
1・・・成形機用シリンダ
2・・・シリンダ
3・・・遠心鋳造層
4・・・ライニング層
5・・・粒子欠乏層
6・・・中空部
11・・・サンドペーパー
12・・・試験片の母材部分
13・・・試験片のライニング層部分
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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