(57)【要約】【課題】耐溶損性及び耐摩耗性に優れた射出ユニットを提供する。【解決手段】プランジャスリーブ１１は鋼製の筒状母材１２と内張層１３から構成される。プランジャチップ１５は鋼製の円柱状母材１６と被覆層７から構成される。内張層１３及び被覆層１７は共に、Ｎｉ基合金からなる結合相の中に粒状の硬質物集合体が分散されたＮｉ基複合材料で構成されている。前記硬質物集合体は、微細なＮｉ−Ｍｏ硼化物がＮｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金によって結合され、且つ、その粒径が３０μｍ以上３００μｍ以下の粒子である。前記結合相は、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金である。前記結合相と前記硬質物集合体を合わせた全体としての組成は、Ｂ：２．６〜３．２ｗｔ％、Ｓｉ：３．６〜５．２ｗｔ％、Ｍｏ：１８〜２８ｗｔ％、Ｃ：０．０５〜０．２２ｗｔ％、Ｎｉ：ＢＡＬであり、且つ、Ｍｏ／Ｂの重量比は７．０〜９．５である。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の筒状母材の内周面に内張層が接合されたプランジャスリーブと、
鋼製の円柱状母材の外周面に被覆層が接合され、プランジャスリーブの内周面に沿って摺動するプランジャチップと、
を備えたダイカストマシンの射出ユニットであって、
前記内張層及び被覆層は共に、Ｎｉ基合金からなる結合相の中に粒状の硬質物集合体が分散されたＮｉ基複合材料で構成され、
前記硬質物集合体は、微細なＮｉ−Ｍｏ硼化物がＮｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金によって結合され、且つ、その粒径が３０μｍ以上３００μｍ以下の粒子であり、
前記結合相は、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金であり、
前記結合相と前記硬質物集合体を合わせた全体としての組成は、Ｂが２．６ｗｔ％以上３．２ｗｔ％以下、Ｓｉが３．６ｗｔ％以上５．２ｗｔ％以下、Ｍｏが１８ｗｔ％以上２８ｗｔ％以下、Ｃが０．０５ｗｔ％以上０．２２ｗｔ％以下、残りがＮｉ及び不可避的不純物であり、且つ、Ｍｏ／Ｂの重量比が７．０〜９．５であることを特徴とするダイカストマシンの射出ユニット。
【請求項２】
前記プランジャスリーブは、前記内張層が前記筒状母材の内周面に焼結によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載のダイカストマシンの射出ユニット。
【請求項３】
前記プランジャチップは、前記被覆層が前記円柱状母材の外周面に焼結によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載のダイカストマシンの射出ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイカストマシンを構成する射出ユニットに係り、特に、その寿命を増大させる目的でプランジャスリーブとプランジャチップの双方の摺動面を被膜で覆った射出ユニットに係る。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカストマシンの射出ユニットでは、プランジャスリーブ内に溶湯を導入した後、その中でプランジャを前進させて溶湯を金型内に射出している。ダイカストマシンのプランジャスリーブ及びプランジャチップは、溶湯の導入に伴う加熱と、摺動面への潤滑材の噴霧に伴う冷却が交互に作用することにより、大きな繰り返し熱応力を受ける。そのため、熱応力に起因したヒートチェック（微細なクラック）が生じる。ヒートチェックを防止するには強度と靱性が要求される。また、プランジャスリーブは、プランジャチップの摺動により摩耗が生じるため、耐摩耗性が要求される。更に、特にアルミニウム溶湯をダイカストする場合、溶湯の接触により溶解損傷が発生するため、耐溶損性が要求される。
【０００３】
プランジャスリーブ用の材料としては、従来から、合金工具鋼ＳＫＤ６１（ＪＩＳ）が広く用いられている。この材料は、焼入れ後、窒化処理をして使用される。そのようなＳＫＤ６１製のプランジャスリーブはアルミニウム溶湯による溶損が発生し易い。溶損により溶湯注入口の下部の表面が荒れて窪みが発生すると、摺動するプランジャチップとの間にカジリが発生し、プランジャチップとプランジャスリーブがともに損傷する。
【０００４】
プランジャチップ用の材料としては、ＳＫＤ６１に焼入れをしたものが広く用いられている。先に述べたプランジャスリーブとの摺動面におけるカジリは、プランジャチップにＳＫＤ６１の焼入れ品を使った場合に起こり易い。また、プランジャチップの表面に凝着したアルミニウムにより、硬いアルミニウム化合物が形成され、これがプランジャチップとプランジャスリーブの両者のカジリを促進する。
【０００５】
また、プランジャチップにはＳＫＤ６１製の母材の外周面にＮｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ合金を溶射したものも使用されている。しかし、そのようなプランジャチップは溶射部に熱応力により割れが発生しやすい。この割れの中にアルミニウム溶湯が侵入すると、プランジャチップ表面にアルミニウムが付着し易くなる。これもまた、両者のカジリを促進する。
【０００６】
なお、プランジャチップは、プランジャスリーブと比べて交換が容易なので、消耗品として扱われてきた。例えば、ＳＫＤ６１に焼入れをしたプランジャチップでは、１〜２万ショット程度の稼動で損傷して交換するのが普通であった。なお、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ合金を溶射したものは、ＳＫＤ６１材料を焼入れしたものよりも寿命が長く、数倍の寿命が得られ、およそ３〜４万ショットの使用に耐える。しかし、これらの実績は満足できるものではない。
【０００７】
以上のように、ダイカストマシンのプランジャスリーブ及びプランジャチップには、強度、靱性、耐摩耗性、耐溶損性が同時に要求される。更に、プランジャスリーブ及びプランジャチップの寿命は互いに関係している。片方に損傷が起こると相手方の損傷を引き起こすため、片方の性能だけでは両者の寿命を一定以上に伸ばすことは難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような従来のダイカストマシンの射出ユニットにおける問題点に鑑み成されたもので、本発明は、耐溶損性及び耐摩耗性に優れた射出ユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のダイカストマシンの射出ユニットは、
鋼製の筒状母材の内周面に内張層が接合されたプランジャスリーブと、
鋼製の円柱状母材の外周面に被覆層が接合され、プランジャスリーブの内周面に沿って摺動するプランジャチップと、
を備えたダイカストマシンの射出ユニットであって、
前記内張層及び被覆層は共に、Ｎｉ基合金からなる結合相の中に粒状の硬質物集合体が分散されたＮｉ基複合材料で構成され、
前記硬質物集合体は、微細なＮｉ−Ｍｏ硼化物がＮｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金によって結合され、且つ、その粒径が３０μｍ以上３００μｍ以下の粒子であり、
前記結合相は、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金であり、
前記結合相と前記硬質物集合体を合わせた全体としての組成は、Ｂが２．６ｗｔ％以上３．２ｗｔ％以下、Ｓｉが３．６ｗｔ％以上５．２ｗｔ％以下、Ｍｏが１８ｗｔ％以上２８ｗｔ％以下、Ｃが０．０５ｗｔ％以上０．２２ｗｔ％以下、残りがＮｉ及び不可避的不純物であり、且つ、Ｍｏ／Ｂの重量比が７．０〜９．５であることを特徴とする。
【００１０】
本発明のダイカストマシンの射出ユニットにおいて、プランジャスリーブ及びプランジャチップの摺動部分に使用される上記のＮｉ基複合材料は、強度、靭性、耐溶損性及び耐摩耗性を兼ね備えている。従って、プランジャスリーブの内張層及びプランジャチップの被覆層を上記のＮｉ基複合材料で構成することによって、両者の耐溶損性及び耐摩耗性が改善される。特に、両者を対で使用することによって、射出ユニットの寿命を大幅に延ばすことができる。
【００１１】
好ましくは、前記プランジャスリーブにおいて、前記内張層は前記筒状母材の内周面に焼結によって接合される。
【００１２】
好ましくは、前記プランジャチップにおいて、前記被覆層は前記円柱状母材の外周面に焼結によって接合される。
【００１３】
次に、本発明の射出ユニットにおいて摺動部分に使用されるＮｉ基複合材料の組織及び組成を上記のように規定した理由について説明する。
【００１４】
金属質の結合相の中に微細なセラミックスを分散させて複合化したサーメットは、耐摩耗性に優れるとともに強度と靭性を備えている。しかしながら、鋼と比較すると靭性に劣るため、その改良が試みられている。靱性を改善するためにサーメット中の硬質物の量を減少させると、耐摩耗性が低下する。そこで、このＮｉ基複合材料では、先ず硬質物を球状あるいは塊状に集合させ、次いでその周囲を靱性に優れた金属質で結合している。これは、硬質物の含有量が同一の場合には、微細な硬質物が結合相中に均一に分散するよりも、球状あるいは塊状の比較的大きな硬質物が点在する組織の方が優れた耐摩耗性を示すからである。
【００１５】
しかし、大きな硬質物が点在する組織は靱性が劣ることが、特に鉄鋼材料のうち合金工具鋼（ＳＫＤ１１）などで認められている。このような靱性の低下は、硬質物と金属質の剛性の差及び熱膨張係数の差によって引き起こされると考えられる。そこで、本願発明者らは、この大きな硬質物を微細な硬質物の集合体により形成することを考え、１μｍ前後の微細な硬質物を金属質によって結合して球状あるいは塊状の硬質物集合体を形成し、更にその周囲を靱性に優れた金属質で結合することにした。
【００１６】
図１に、このＮｉ基複合材料の組織を模式的に示す。Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金からなる結合相４の中に、粒状の硬質物集合体１が分散されている。各硬質物集合体１は、微細なＮｉ−Ｍｏ硼化物２をＮｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金３で結合することにより構成されている。
【００１７】
このＮｉ基複合材料は、従来の微細な硬質物を結合相中に均一に分散させたサーメットと比べて、優れた耐摩耗性を示す。特に、靱性を改善する目的でサーメット中の硬質物（Ｎｉ−Ｍｏ硼化物）の量を減少させているにも拘わらず、耐摩耗性の低下が少ない。更に、以下に説明するように材料の組織及び組成を調整することによって、強度、靱性、耐溶損性に優れた材料を得ることができる。
【００１８】
（ａ）　硬質物集合体の粒径（３０〜３００μｍ）について：
粒径が小さい方が強度、靭性に優れるが、粒径が３０μｍ未満の硬質物集合体を工業的に製造することは難しく、著しく高コストになる。一方、粒径が３００μｍを超えると、硬質物集合体の相互の間隔が大きくなるため、マトリックス部（金属質の結合相）の選択的摩耗が生じ易くなり、サーメットの全体としての耐摩耗性が低下したり、相手材の摩耗を促進させたりする。これは、凸状態になった硬質物集合体が相手材を研磨するためである。また、粒径が３００μｍを超えると強度、靭性も低下する。
【００１９】
（ｂ）　Ｂの組成（２．６〜３．２ｗｔ％）について：
Ｂ（硼素）は、Ｎｉ及びＭｏとの間で硬くて脆い硼化物（Ｍｏ２ＮｉＢ２）を形成する。この硼化物はサーメットの耐溶損性、耐摩耗性を向上させる。硼化物が多くなると、サーメットの硬さが高くなり耐摩耗性は改善されるが、靱性が低下する。Ｂの添加量が３．２ｗｔ％を超えると、耐摩耗性の改善の効果が小さくなり、靱性の低下が一層大きくなるため、好ましくない。Ｂの添加量が２．６％未満では、硼化物の形成が少なくなり、耐摩耗性及び耐溶損性が不足する。
【００２０】
（ｃ）　Ｍｏ／Ｂ重量比（７．０〜９．５）について：
Ｍｏは、Ｎｉ及びＢとの間で硼化物（Ｍｏ２ＮｉＢ２）を形成する。Ｍｏ含有量が多くなりＭｏ／Ｂ重量比が大きくなると、サーメットのアルミニウム溶湯に対する耐溶損性が大きく改善される。これは、Ｎｉを主体とする結合相に高融点のＭｏが固溶するためと考えられる。
【００２１】
Ｍｏ２ＮｉＢ２の構成元素であるＭｏ、Ｎｉ、Ｂの構成比率（原子比）は２：１：２であり、Ｍｏ：Ｂ原子比は１：１である。この原子比を重量比に換算すると約９となる。従って、Ｍｏ／Ｂ重量比としては９前後の値が適切と考えられる。
【００２２】
Ｍｏ／Ｂ重量比が大きくなると、硼化物（Ｍｏ２ＮｉＢ２）形成に消費されない余剰のＭｏが残り、より多くのＭｏがＮｉ中に固溶すると考えられる。しかし、Ｍｏ／Ｂ質量比が大きくなると、原料粉末を焼結する際に健全な焼結体を得るための焼結温度が高くなる。焼結温度が高くなると、原料粉末を焼結すると同時に鋼製の母材に接合する際に母材側が劣化する。特に、焼結温度が１１２０℃を超えると、鋼製の母材（例えば、構造用合金鋼ＳＣＭ４４０（ＪＩＳ））の衝撃値が大きく低下して、２０Ｊ／ｃｍ２を確保できなくなる。衝撃値が小さくなると、鋼製の母材に焼結体を接合して複合化したプランジャスリーブでは、溶湯の導入に伴う加熱と、潤滑材の噴霧に伴う冷却による繰り返し熱応力により、母材に割れが発生し、この割れが容易に伝播することによってプランジャスリーブの早期破損の原因となる。
【００２３】
従って、Ｍｏ／Ｂ重量比が一定限度以上に大きくなることは好ましくない。Ｍｏ／Ｂ重量比が９．５以下であれば、１１１０℃以下の温度で健全な焼結体が得られ、鋼製の母材に焼結体を接合して複合化する場合に母材の衝撃値を比較的高く維持することができる。一方、Ｍｏ／Ｂ重量比が７．０未満になると、Ｎｉ中へのＭｏ固溶量が少なくなり、耐溶損性の改善の効果が現れない。そのような組成のサーメットがダイカストマシンのプランジャスリーブ及びプランジャチップに用いられた場合、アルミニウム溶湯による溶損が早期に発生するようになり好ましくない。
【００２４】
（ｄ）　Ｍｏの組成（１８〜２８ｗｔ％）について：
Ｍｏの組成は、Ｂ添加量及びＭｏ／Ｂ重量比から定められ、およそ１８〜２８ｗｔ％が最適範囲といえる。
【００２５】
（ｅ）　Ｓｉの組成（３．６〜５．２ｗｔ％）について：
Ｓｉは、Ｎｉ、Ｍｏと結合相を形成する。ＳｉはＮｉ中に固溶して結合相の強度を改善する。しかし、結合相中のＳｉの固溶量が限度値以上となると、結合相の硬度が高くなり、靭性が低下するとともに強度が低下する。特に、Ｓｉの含有量が５．２ｗｔ％を超えると強度と靭性が大きく低下する。これは、過剰のＳｉがＮｉとの間で脆いＮｉ−Ｓｉ化合物を形成するためである。そのため、Ｓｉを必要以上に多くすることは好ましくない。一方、Ｓｉ含有量が少ないときには、硬度が低下して靭性が改善されるが、耐摩耗性が低下する。プランジャスリーブ及びプランジャチップの耐摩耗性を確保するには、ＨＲＣ４５以上の硬度が必要であり、３．６％以上のＳｉが必要である。
【００２６】
（ｆ）　Ｃの組成（０．０５〜０．２２ｗｔ％）について：
Ｃには、このＮｉ基複合材料を粉末冶金法で製造する際に焼結温度を低下させる効果がある。その効果は含有量０．０５ｗｔ％以上で現れ、含有量が増加するに伴いその効果が大きくなる。しかし、Ｃの含有量が多くなるとＭｏと反応して高硬度のＭｏ炭化物が形成され、それによってサーメットの靭性が低下する。同時に、Ｎｉ基合金からなる結合相中に固溶するＭｏの量が減少するため、サーメットの耐溶損性が低下する。更に、Ｍｏの固溶量の減少はサーメットの強度を低下させる。従って、Ｃの含有量が過剰になることは好ましくない。これらの点から、Ｃの含有量の上限は０．２２ｗｔ％が適切である。
【００２７】
（ｇ）　Ｎｉについて：
Ｎｉは、Ｎｉ、Ｂ、Ｍｏで形成される硼化物（Ｍｏ２ＮｉＢ２）の微粒子を結合して硬質物集合体を形成するとともに、これらの硬質物集合体が分散されるマトリックスとなるＮｉ基合金を形成する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図２に、本発明に基づくダイカストマシンの射出ユニットの概略図を示す。図中、１１はプランジャスリーブ、１２は筒状母材、１３は内張層、１５はプランジャチップ、１６は円柱状母材、１７は被覆層を表す。
【００２９】
プランジャチップ１５は、プランジャスリーブ１１の中に収容され、プランジャスリーブ１１の内周面に沿って摺動する。プランジャスリーブ１１は、鋼製の筒状母材１２とその内周面に接合された内張層１３から構成される。プランジャチップ１５は、鋼製の円柱状母材１６とその外周面に接合された被覆層１７から構成される。プランジャスリーブ１１の内張層１３は、先に示したＮｉ基複合材料により構成され、筒状母材１２の内周面に焼結と同時に接合されている。同様に、プランジャチップ１５の被覆層１７は、先に示したＮｉ基複合材料により構成され、円柱状母材１６の外周面に焼結と同時に接合されている。
【００３０】
上記のようなプランジャスリーブ１１とプランジャチップ１５で構成された射出ユニットを用いて、アルミニウムの鋳造試験を行った。また、比較のため、各種材質のプランジャスリーブとプランジャチップを組み合わせた射出ユニットを用いて、同様の鋳造試験を行った。
【００３１】
鋳造試験の条件は、下記の通りであった：
型締め力　　：３５０ｔ
スリーブ内径：７０ｍｍ
スリーブ長さ：２９７ｍｍ
鋳造材料　　：ＡＤＣ１２
溶湯温度　　：６８０℃
溶湯量　　　：７４０ｇ
潤滑材　　　：油性黒鉛系。
【００３２】
表１に鋳造試験の結果を示す。表の中で、供試体１は本発明に基づく射出ユニットであり、供試体２〜５は比較用の射出ユニットであり、その内の供試体４及び５は従来の射出ユニットである。また、表の材質の欄の中で、「サーメット」と表示したものは、先に示したＮｉ基複合材料に該当する内張層または被覆層を焼結によって接合したものである。「サーメット」の組成は、Ｂ：２．８ｗｔ％、Ｓｉ：４．１ｗｔ％、Ｍｏ：２３ｗｔ％、Ｃ：０．０９ｗｔ％である。「溶射品」と表示したたものは、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系の溶射材（メテコ社製：製品名１６Ｃ）をプランジャチップの外周面に溶射したものである。「ＳＫＤ６１窒化品」と表示したものは、ＳＫＤ６１製のプランジャスリーブに焼入れ後、窒化をしたものである。「ＳＫＤ６１焼入品」と表示したものは、ＳＫＤ６１製のプランジャチップに焼入れをしたものである。
【００３３】
なお、プランジャスリーブの製作コストは、「サーメット」が「ＳＫＤ６１窒化品」の２倍程度高い。プランジャチップの製作コストは、「サーメット」が「ＳＫＤ６１焼入品」の３倍程度高く、「溶射品」が「ＳＫＤ６１焼入品」の２倍程度高い。
【００３４】
【表１】
2004034071.tif 000003
【００３５】
表１から、本発明の射出ユニットでは、プランジャスリーブ及びプランジャチップの寿命が共に５種の供試体の中で最も長く、１ショット当たりのコストが最も低くなることが分かる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の射出ユニットは、プランジャスリーブ及びプランジャチップの双方の摺動面が、強度、靭性、耐溶損性及び耐摩耗性に優れたＮｉ基複合材料で構成されているので、長い寿命を備えている。本発明の射出ユニットを使用することによって、１ショット当たりのランニングコストを引き下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｉ基複合材料の組織について説明する模式図。
【図２】本発明のＮｉ基複合材料を用いた射出ユニットの概要を示す図。
【符号の説明】
１・・・硬質物集合体、
２・・・Ｎｉ−Ｍｏ硼化物、
３・・・Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金、
４・・・結合相（Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金）、
１１・・・プランジャスリーブ、
１２・・・筒状母材、
１３・・・内張層、
１５・・・プランジャチップ、
１６・・・円柱状母材、
１７・・・被覆層。
【図１】
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【図２】
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