(57)【要約】【課題】可塑化部材の耐摩耗性及び耐腐食性を高くすることができるようにする。【解決手段】成形に伴って溶融させられた成形材料と接触させられる可塑化部材に適用されるようになっている。鉄を元素として含有する合金から成る母材と、該母材の表面に形成されたＦｅ−Ａｌ金属間化合物とを有する。母材の表面にＦｅ−Ａｌ金属間化合物が形成されるので、硫黄を含有する樹脂と接触してもＦｅ−Ａｌ金属間化合物は硫化しない。したがって、可塑化部材の耐腐食性を高くすることができる。前記Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の層の硬度は高いので、可塑化部材の耐摩耗性を高くすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形に伴って溶融させられた成形材料と接触させられる可塑化部材において、
（ａ）鉄を元素として含有する合金から成る母材と、
（ｂ）該母材の表面に形成されたＦｅ−Ａｌ金属間化合物とを有することを特徴とする可塑化部材。
【請求項２】
前記Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物は、母材中にアルミニウムを拡散させることによって形成され、拡散層を構成する請求項１に記載の可塑化部材。
【請求項３】
（ａ）溶融させられたアルミニウムに、鉄を元素として含有する合金から成る母材を浸漬して該母材にアルミニウムを付着させ、
（ｂ）母材にアルミニウムが付着した状態の被処理体を加熱して、母材中にアルミニウムを拡散させ、
（ｃ）余剰のアルミニウムを洗浄剤によって除去することを特徴とする可塑化部材の表面処理方法。
【請求項４】
前記被処理体を加熱する際の加熱温度は、３００〔℃〕以上、かつ、５５０〔℃〕以下の範囲に設定される請求項３に記載の可塑化部材の表面処理方法。
【請求項５】
前記洗浄剤は、ｐＨ９以上のアルカリ溶液である請求項３に記載の可塑化部材の表面処理方法。
【請求項６】
前記洗浄剤は、ｐＨ４以下の酸溶液である請求項３に記載の可塑化部材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可塑化部材及びその表面処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、成形機、例えば、射出成形機においては、加熱シリンダ内において加熱され溶融させられた成形材料としての樹脂を、高圧で射出して金型装置のキャビティ空間に充填し、該キャビティ空間内において冷却して固化させることによって成形品が得られるようになっている。
【０００３】
そのために、前記射出成形機には、金型装置、型締装置及び射出装置が配設され、前記金型装置は固定金型及び可動金型を備え、型締装置は、固定プラテン、可動プラテン、トグル機構、型締用モータ等を備える。そして、型締用モータを駆動してトグル機構を作動させ、可動プラテンを進退させることによって、金型装置の型閉じ、型締め及び型開きが行われ、型締めに伴って、前記固定金型と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。
【０００４】
一方、前記射出装置は、ホッパから供給された樹脂を加熱して溶融させる加熱シリンダ、該加熱シリンダの前端に取り付けられた射出ノズル、前記加熱シリンダ内に回転自在に、かつ、進退自在に配設されたスクリュー、該スクリューを回転させるための計量用モータ、前記スクリューを前進させるための射出用モータ等を備える。そして、前記計量用モータを駆動し、前記スクリューを回転させると、溶融させられた樹脂はスクリューより前方に蓄えられ、それに伴って、スクリューが後退させられる。続いて、前記射出用モータを駆動し、前記スクリューを前進させると、スクリューより前方に蓄えられた樹脂は射出ノズルから射出され、金型装置のキャビティ空間に充填される。
【０００５】
ところで、成形品の強度を大きくするために、樹脂にガラスフィラー等の硬質粒子を添加したり、成形品の耐熱性を高くするために、樹脂に塩素、臭素等のハロゲン元素を添加したりすることがある。この場合、前記ガラスフィラーは、樹脂が接触する金属製の部材、すなわち、可塑化部材、例えば、加熱シリンダ、射出ノズル、スクリュー、金型装置等に対して研磨剤として機能し、可塑化部材を摩耗させてしまう。また、前記ハロゲン元素は、可塑化部材に対して腐食促進剤として機能し、可塑化部材を腐食させてしまう。その結果、可塑化部材の使用環境が低くなってしまう。
【０００６】
特に、光学素子部品（ピックアップレンズ、導光板、導波路、回折格子等）、狭ピッチコネクタ等のような微細構造を有する部品を成形品として成形する場合、成形品の精度を高くする必要がある場合等には、樹脂の温度、射出圧力、射出速度等が高くされる傾向があるので、可塑化部材の使用環境が一層低くなってしまう。
【０００７】
そこで、可塑化部材の耐腐食性を高くするために、金属の表面に酸化膜被膜である不働態皮膜が形成されるようにした成形機が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２６２１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の可塑化部材においては、不働態皮膜を形成した場合、層厚が小さく、数〔ｎｍ〕程度であるので、樹脂中に含有される硬質粒子によって摩耗されやすい。
【０００９】
そこで、可塑化部材の耐摩耗性を高くするために合金を使用することが考えられるが、該合金の元素である鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等は硫黄（Ｓ）と化合しやすく、硫化物を形成する傾向があるので、成形条件によっては、硫黄を含有する樹脂によって可塑化部材が硫化し腐食してしまう。その結果、可塑化部材の耐腐食性が極めて低くなってしまう。
【００１０】
本発明は、前記従来の可塑化部材の問題点を解決して、耐摩耗性及び耐腐食性を高くすることができる可塑化部材及びその表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そのために、本発明の可塑化部材においては、成形に伴って溶融させられた成形材料と接触させられる可塑化部材に適用されるようになっている。
【００１２】
そして、鉄を元素として含有する合金から成る母材と、該母材の表面に形成されたＦｅ−Ａｌ金属間化合物とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、可塑化部材においては、成形に伴って溶融させられた成形材料と接触させられる可塑化部材に適用されるようになっている。
【００１４】
そして、鉄を元素として含有する合金から成る母材と、該母材の表面に形成されたＦｅ−Ａｌ金属間化合物とを有する。
【００１５】
この場合、母材の表面にＦｅ−Ａｌ金属間化合物が形成されるので、硫黄を含有する樹脂と接触してもＦｅ−Ａｌ金属間化合物は硫化しない。したがって、可塑化部材の耐腐食性を高くすることができる。
【００１６】
また、前記Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の層の硬度は高いので、可塑化部材の耐摩耗性を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この場合、成形機としての射出成形機について説明する。
【００１８】
図２は本発明の実施の形態における射出成形機の要部を示す概略図である。
【００１９】
図において、１０は射出装置、５１は金型装置である。該金型装置５１は、第１の金型としての固定金型５２、及び該固定金型５２と対向させて、かつ、進退自在に配設された第２の金型として図示されない可動金型を備え、図示されない型締装置を作動させることによって、可動金型を固定金型５２に対して接離させ、金型装置５１の型閉じ、型締め及び型開きを行うことができ、型締めが行われるのに伴って、固定金型５２と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。
【００２０】
また、１１はシリンダ部材としての加熱シリンダであり、該加熱シリンダ１１の前端（図において左端）に射出ノズル１２が取り付けられ、加熱シリンダ１１の外周に複数の環状のヒータ１３が配設される。
【００２１】
前記加熱シリンダ１１内には、射出部材としてのスクリュー１４が回転自在に、かつ、進退自在に配設される。そして、該スクリュー１４は、フライト部１５及びヘッド部１６から成り、後端（図において右端）において軸部２１を介して駆動部２２と連結される。該駆動部２２は、図示されない射出用の駆動部としての射出用モータ、及び計量用の駆動部としての計量用モータを備える。また、前記フライト部１５の周囲には、螺旋状のフライト２３が形成され、該フライト２３に沿って溝２４が形成される。
【００２２】
前記ヘッド部１６は、円錐形の形状を有するスクリューヘッド４１、該スクリューヘッド４１とスクリュー１４の本体を構成する前記フライト部１５とを連結するロッド４２、該ロッド４２の外周に配設された環状の逆止リング４３、及び該逆止リング４３と当接自在に配設され、フライト部１５に取り付けられたシールリング４４から成る。なお、逆止リング４３及びシールリング４４は、射出工程時にスクリューヘッド４１の前方に蓄えられた成形材料としての樹脂が逆流するのを防止する逆流防止装置として機能する。
【００２３】
そして、前記加熱シリンダ１１の後端の近傍の所定の位置には成形材料供給口としての樹脂供給口２５が形成され、該樹脂供給口２５に成形材料供給装置としてのホッパ３１が配設される。該ホッパ３１に収容されたペレット状の樹脂は、樹脂供給口２５を介して加熱シリンダ１１内に供給される。
【００２４】
前記樹脂供給口２５は、スクリュー１４を加熱シリンダ１１内における最も前方（図において左方）の位置に置いた状態で、前記溝２４の後端部（図において右端部）と対向する箇所に形成される。そして、前記フライト部１５には、後方（図において右方）から前方にかけて、樹脂供給口２５を介して樹脂が供給される樹脂供給部Ｐ１、供給された樹脂を圧縮させながら溶融させる圧縮部Ｐ２、及び溶融させられた樹脂を一定量ずつ計量する計量部Ｐ３が順に形成される。
【００２５】
前記構成の射出装置において、計量工程時に、前記計量用モータを駆動することによって、前記スクリュー１４を回転させると、ホッパ３１から加熱シリンダ１１内に供給された樹脂は、前記溝２４に沿って前進（図において左方に移動）させられるとともに、前記ヒータ１３によって加熱され、溶融させられ、それに伴って、スクリュー１４は後退（図において右方に移動）させられる。そして、前記スクリュー１４が後退させられるのに伴って、前記逆止リング４３はロッド４２に対して前方に移動させられるので、フライト部１５の前端に到達した樹脂は、ロッド４２と逆止リング４３との間の図示されない樹脂流路を通り、スクリューヘッド４１の前方に送られる。したがって、スクリューヘッド４１の前方に１ショット分の溶融させられた樹脂が蓄えられる。そして、この間に、型締装置が作動させられ、金型装置５１において型閉じ及び型締めが行われ、図示されないキャビティ空間が形成される。
【００２６】
次に、射出工程時に、前記射出用モータを駆動して、スクリュー１４を前進させると、前記スクリューヘッド４１の前方に蓄えられた樹脂は、前記射出ノズル１２から射出され、前記キャビティ空間に充填される。
【００２７】
続いて、冷却工程時に、前記キャビティ空間内の樹脂が冷却され、固化させられて成形品になる。次に、前記型締装置が作動させられ、金型装置５１において型開きが行われ、成形品が取り出される。
【００２８】
ところで、成形品の強度を大きくするために、樹脂にガラスフィラー等の硬質粒子を添加したり、成形品の耐熱性を高くするために、樹脂に塩素、臭素等のハロゲン元素を添加したりすることがある。この場合、前記ガラスフィラーは、金属製の可塑化部材、例えば、加熱シリンダ１１、射出ノズル１２、スクリュー１４、金型装置５１等に対して研磨剤として機能し、可塑化部材を摩耗させてしまう。また、前記ハロゲン元素は、可塑化部材に対して腐食促進剤として機能し、可塑化部材を腐食させてしまう。したがって、可塑化部材の使用環境が低くなってしまう。
【００２９】
そこで、可塑化部材の母材として、耐摩耗性及び耐腐食性を高くするために、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス、低合金鋼等の鉄系の合金であるＦｅ基合金、又はＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の合金を使用することが考えられるが、該各合金の元素である鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等は硫黄（Ｓ）と化合しやすく、硫化物を形成する傾向があるので、成形条件によっては、硫黄を含有する樹脂によって可塑化部材が硫化し腐食してしまう。その結果、可塑化部材の耐腐食性が極めて低くなってしまう。
【００３０】
ところで、溶融させられた樹脂が加熱され、かつ、せん断力を受けると、樹脂が劣化し、ラジカルが発生するが、該ラジカルによって、可塑化部材が摩耗したり、腐食したりすると考えられる。
【００３１】
そして、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の硫黄を多量に含有する樹脂を使用した場合、反応性のラジカルＲＳが発生し、可塑化部材として、例えば、Ｆｅ基合金を使用した場合、鉄とラジカルＲＳとが以下のように反応し、硫化物から成る皮膜、すなわち、硫化皮膜が生成される。
【００３２】
Ｆｅ＋２ＲＳ→Ｆｅ（ＳＲ）2 
Ｆｅ（ＳＲ）2 →２ＦｅＳ＋（Ｒ−Ｒ）
可塑化部材の母材としてＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等が使用される場合も、同様に硫化皮膜が生成される。
【００３３】
そして、成形品の強度を大きくするために、樹脂にガラスフィラー等の硬質粒子が添加されていると、硬質粒子が有するアブレッシブ摩耗作用によって、前記硫化皮膜が摩耗ささせられ、母材の素地が現れやすくなり、再び、合金に含有される元素とラジカルＲＳとが反応し、更に硫化皮膜が生成される。
【００３４】
また、可塑化部材の耐腐食性を高くするために、合金の表面に酸化膜被膜である不働態皮膜を形成することも考えられるが、その場合も、樹脂にガラスフィラー等の硬質粒子が添加されていると、硬質粒子が有するアブレッシブ摩耗作用によって、前記不働態皮膜が摩耗させられ、母材の素地が現れやすくなり、合金に含有される元素とラジカルＲＳとが反応し、再び硫化皮膜が生成されてしまう。
【００３５】
そこで、本実施の形態においては、母材の表面に、硫化物が生成されにくい元素を含有する化合物を形成するようにしている。
【００３６】
すなわち、母材をＦｅ基合金によって形成し、該Ｆｅ基合金の表面に、Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物を生成することによって、硫黄を含有する樹脂による腐食が殆ど起こらないようにしている。
【００３７】
ところで、例えば、合金の表面にアルミニウムを適用した例としては、前記特許文献１に示されているように、アルミニウム含有ステンレス鋼の表面に酸化膜被膜である不働態皮膜（Ａｌ2 Ｏ3 ）を形成する方法がある。ところが、この方法は、合金化による方法であり、不働態皮膜の厚さが数〔ｎｍ〕〜０．１〔μｍ〕程度であり、樹脂に硬質粒子が含有される場合、わずかな時間で不働態皮膜が消滅して、アルミニウム含有ステンレス鋼の素地が現れてしまう。
【００３８】
また、Ｆｅ基合金にアルミニウムを加えようにとする場合、アルミニウムの固溶限度は約８〔ｗｔ％〕程度であり、不働態皮膜が形成された後の可塑化部材の加工性が極めて低くなってしまう。
【００３９】
さらに、前記不働態皮膜を形成する際の処理温度は、７００〔℃〕〜１２００〔℃〕であり、極めて高く、不働態皮膜が形成された後の可塑化部材の強度が低くなってしまう。
【００４０】
そこで、本実施の形態においては、前述されたように、母材の表面に、Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物を生成し、硫黄を含有する樹脂に対して耐摩耗及び耐腐食性を持たせるようにした。なお、この場合、仕上がり寸法を得るために、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が生成された後の母材に、切削、研削等の所定の加工が施されても、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が母材の表面に存在している必要がある。
【００４１】
また、母材にアルミニウムを付着させてＡｌ−Ｆｅ金属間化合物を生成する場合、母材を溶融させられたアルミニウム、すなわち、溶融アルミニウムに浸漬するのが好ましいが、その場合、余剰のアルミニウムが母材に付着すると、可塑化部材の最終の寸法及び形状が損なわれてしまう。
【００４２】
そこで、母材に付着させたアルミニウムを拡散させ、その後、余剰のアルミニウムを除去するようにしている。
【００４３】
図１は本発明の実施の形態における可塑化部材の表面処理方法を示す第１の図、図３は本発明の実施の形態における可塑化部材の表面処理方法を示す第２の図である。なお、図３においては可塑化部材の一部分だけが表される。
【００４４】
図において、６１は工具鋼、マルテンサイト系ステンレス、低合金鋼等のＦｅ基合金から成る可塑化部材の母材、６２は浸漬処理を行うための浸漬処理槽であり、該浸漬処理槽６２内に溶融アルミニウム６８が収容される。また、６３は拡散処理を行うための加熱炉、６４は洗浄処理を行うための洗浄処理槽、６５は加熱炉６３の加熱源となるコイルであり、前記洗浄処理槽６４内に洗浄剤としてアルカリ溶液６９が収容される。該アルカリ溶液６９の水素イオン濃度指数はｐＨ８以上、好ましくは、ｐＨ９以上にされる。
【００４５】
前記可塑化部材の表面処理を行うに当たり、まず、浸漬処理において、母材６１を浸漬処理槽６２内に投入し、溶融アルミニウム６８に短時間浸漬し、母材６１の表面にアルミニウムを付着させる。なお、図１において、７１は母材６１の表面に付着させられた付着アルミニウム、７２は母材６１の表面に付着アルミニウム７１が付着させられた被処理体である。該被処理体７２において、付着アルミニウム７１は母材６１に単純に付着しているだけであり、アルミニウムめっきと同じ状態であり、母材６１への付着力は極めて小さい。
【００４６】
そこで、浸漬処理が終了した後、被処理体７２は、加熱炉６３に投入され、該加熱炉６３によって拡散処理が行われる。そのために、前記加熱炉６３において、母材６１は所定の温度に加熱され、付着アルミニウム７１のアルミニウムが母材６１の合金に浸透し、拡散してＦｅ−Ａｌ金属間化合物から成る拡散層７３を形成する。なお、
加熱炉６３における加熱温度は、３００〔℃〕以上、かつ、５５０〔℃〕以下の範囲に設定される。また、加熱時間は、拡散層７３の厚さに応じて設定される。加熱温度が３００〔℃〕より低い場合、アルミニウムを拡散させるのに必要な時間が長くかかり、加熱温度が５５０〔℃〕より高い場合、母材６１を構成する工具鋼、マルテンサイト系ステンレス、低合金鋼等のＦｅ基合金の焼戻し温度を超えてしまうので、母材６１が軟化してしまう。
【００４７】
このようにして拡散処理が終了した後、母材６１、拡散層７３及び付着アルミニウム７１から成る被処理体７４が形成される。該被処理体７４において、付着アルミニウム７１は余剰アルミニウムを構成する。
【００４８】
そこで、最終製品である可塑化部材の形状、寸法等にするために、被処理体７４は、洗浄処理槽６４内に投入され、アルカリ溶液６９に浸漬させられる。その結果、付着アルミニウム７１を化学的に除去することができる。なお、本実施の形態においては、洗浄剤としてアルカリ溶液が使用されるが、ｐＨ４以下の酸溶液を使用し、付着アルミニウム７１を除去することができる。なお、酸性溶液を使用すると、母材６１を構成する合金が腐食させられる可能性があるので、アルカリ溶液を使用するのが好ましい。
【００４９】
このようにして、表面にＡｌ−Ｆｅ金属間化合物が形成された可塑化部材を形成することができる。この場合、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物は、硫黄を含有する樹脂によって硫化することがないので、可塑化部材の耐腐食性を高くすることができる。
【００５０】
また、前記Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の層の硬度は、高く、ビッカースＨＶで９００程度になるので、可塑化部材の耐摩耗性を高くすることができる。
【００５１】
本実施の形態の表面処理方法で処理しない低合金鋼、本実施の形態の表面処理方法で処理した低合金鋼、及び本実施の形態の表面処理方法で処理しないマルテンサイト系ステンレスを、それぞれ、溶融させられたポリフェニレンサルファイドに浸漬した場合の硫化皮膜の厚さを比較した結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2008013786.tif 000003
【００５３】
本実施の形態の表面処理方法で処理しない低合金鋼の場合、３５〔μｍ〕の厚さの硫化皮膜が形成され、本実施の形態の表面処理方法で処理しないマルテンサイト系ステンレスの場合、２５〔μｍ〕の厚さの硫化皮膜が形成されたのに対して、本実施の形態の表面処理方法で処理した低合金鋼の場合、硫化皮膜は形成されなかった。
【００５４】
本実施の形態においては、Ｆｅ基合金から成る母材６１を使用するようになっているが、Ｆｅ基合金に代えて、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等から成る母材を使用することができる。その場合、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等に元素として含有される鉄と、浸透させたアルミニウムとによって、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の層が形成される。
【００５５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態における可塑化部材の表面処理方法を示す第１の図である。
【図２】本発明の実施の形態における射出成形機の要部を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態における可塑化部材の表面処理方法を示す第２の図である。
【符号の説明】
【００５７】
１１    加熱シリンダ
１２    射出ノズル
１４    スクリュー
５１    金型装置
【図１】
2008013786.tif 000004
【図２】
2008013786.tif 000005
【図３】
2008013786.tif 000006