(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｂ：１．１〜２．５％、Ｓｉ：４〜６．５％、Ｍｏ：８〜１７％を含有し、さらにＴａおよびＮｂの少なくともいずれか一方を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなり、ＴａおよびＮｂの合計含有量が合金全体の１重量％以上１０重量％以下である、耐摩耗性高靭性合金。
【請求項２】
重量％で、Ｂ：１．１〜２．５％、Ｓｉ：４〜６．５％、Ｍｏ：８〜１７％、Ｃ：０．０１〜０．５％を含有し、さらにＴａおよびＮｂの少なくともいずれか一方を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなり、ＴａおよびＮｂの合計含有量が合金全体の１重量％以上１０重量％以下である、耐摩耗性高靭性合金。
【請求項３】
重量％で、Ｂ：１．１〜２．５％、Ｓｉ：４〜６．５％、Ｍｏ：８〜１７％、を含有し、さらにＴａおよびＮｂの少なくともいずれか一方を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなり、ＴａおよびＮｂの合計含有量が合金粉末全体の１重量％以上１０重量％以下である、噴霧法により製造された合金粉末。
【請求項４】
重量％で、Ｂ：１．１〜２．５％、Ｓｉ：４〜６．５％、Ｍｏ：８〜１７％、Ｃ：０．０１〜０．５％を含有し、さらにＴａおよびＮｂの少なくともいずれか一方を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなり、ＴａおよびＮｂの合計含有量が合金粉末全体の１重量％以上１０重量％以下である、噴霧法により製造された合金粉末。
【請求項５】
鉄鋼材料からなる基材と、
請求項１若しくは２に記載の合金または請求項３若しくは４に記載の合金粉末を原料とした焼結体により形成され、前記基材と金属結合により複合化された合金部分と、
を備えた複合材料。
【請求項６】
請求項１若しくは２に記載の合金または請求項３若しくは４に記載の合金粉末を原料とした焼結体により形成された合金部分を少なくともその一部に含む、射出成形機または押出成形機用の機械部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐摩耗性および靭性に優れた耐摩耗性高靭性合金、並びに当該合金を用いた複合材料および機械部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
射出成形機や押出成形機において樹脂を混練するシリンダ、バレル、スクリュなどの機械部材は高圧、高速で樹脂と接触するため、耐摩耗性、高強度が必要とされる。その一方で、これらの機械部材の製造工程における加工性を確保するため、硬度が高すぎないことおよび靱性が要求される。
【０００３】
このため、これら機械部材としては、▲１▼Ｎｉ若しくはＣｏ基の自溶合金、▲２▼Ｎｉ基複硼化物合金、▲３▼これら自溶合金およびＮｉ基複硼化物合金にＷＣを分散させた合金を鉄鋼材料と複合化したものが最も一般的に使用されている。
【０００４】
上記の▲１▼はＮｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ合金であり、溶射、肉盛りなど鋼材との複合化に多彩な方法を取ることができ、耐食、耐摩耗合金として鋼材表面の硬化材料に広く用いられている。
【０００５】
上記の▲２▼はＮｉ基金属結合相中にＭｏ２ＮｉＢ２などの硬質相を分散させた合金であり、優れた強度、耐摩耗性を有し、機械部材として高い性能を示す。
【０００６】
▲３▼は▲１▼、▲２▼に非常に高い硬度を示すＷＣを分散させた耐摩耗性に優れた合金であり、実際に使用されている。
【０００７】
しかし、これらの合金は、耐摩耗性があるものについては、硬度が高く難削性であるため加工時間が長くなり、また、靭性が低いため加工中にエッジが欠ける等の問題が生じることもある。その一方で、靭性が高いものについては、比較的硬度が低く耐摩耗性が劣るものが多い。このように、靭性と耐摩耗性を併せ持った材料は得られていないのが現状である。
【０００８】
上記▲２▼のＮｉ基複硼化物合金の一例としては、本件出願人による特開平８−１３４５６９に開示されたものがある。ここでは、耐摩耗性に優れたＮｉ−０．６〜３．２％Ｂ−０．５〜８％Ｓｉ−５〜３７％Ｍｏ合金を鋼材にライニングしたバレルが開示されており、このバレルはＮｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ合金が有する優れた耐摩耗性のため、相手摺動部材とのかじりもほとんど生じずに安定した射出を行えうことが可能である。しかし、ここに開示された合金は、例えばエッジ部が欠けたりして早期に使用不可能になり本来の高耐摩耗性を発揮できない場合もあり、靱性においてさらなる改良の余地がある。
【０００９】
また、上記▲２▼のＮｉ基複硼化物合金の他の例として、本件出願人による同時係属出願（本件出願時には未公開）である特願２０００−２２４２０９に記載されたものがある。ここには、組成をＮｉ−１．１〜２．５％Ｂ−４〜６．５％Ｓｉ−８〜１７％Ｍｏとして靱性を向上させたものが記載されているが、この合金は靭性向上の代償として硬度および耐摩耗性が若干劣るため、時として大きく摩耗する場合もあり、この点においてさらなる改善の余地がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、耐摩耗性と靱性をさらに高い次元で両立させた合金を提供することを目的としている。本発明は、この合金を用いた複合材料並びに機械部材を提供することを更なる目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、Ｂ，Ｓｉ，Ｍｏの含有量の最適化およびＴａ，Ｎｂ添加により耐摩耗性と靭性の両立を図った。
【００１２】
本発明合金は、Ｂ，Ｓｉ，Ｍｏの含有量を、重量％で、Ｂ：１．１〜２．５％、Ｓｉ：４〜６．５％、Ｍｏ：８〜１７％とするとともに、ＴａおよびＮｂの少なくともいずれか一方を添加し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなる組成とした。ＴａおよびＮｂの含有量の合計は（Ｔａ、Ｎｂいずれか一方の単独添加の場合は、単独で）合金全体の１重量％以上１０重量％以下とした。また、必要に応じて０．０１〜０．５重量％のＣを添加している。
【００１３】
以下に、本発明合金の各成分元素の役割およびその適正範囲について述べる。なお、以下、本明細書において、含有量を示すパーセンテージは特に断らない限りすべて重量％を意味する。
【００１４】
Ｂは合金の焼結温度を低下させるとともにＮｉおよびＭｏと硼化物を形成し、合金の強度および硬度を高める。硼化物が多くなるについて耐摩耗性および耐食性が向上する傾向があるが、硼化物が多くなり過ぎた場合には、合金の強度が低下する。このため、Ｂ量は１．１〜２．５％とした。
【００１５】
Ｓｉは、Ｂと同様に、焼結温度を低下させる効果がある。焼結温度を低くできるということは、経済的に有利であるだけでなく、本発明合金を焼結すると同時に鉄鋼材料を複合化させる際に、鉄鋼の劣化を防止することができるという点においても有利である。また、Ｓｉには、Ｎｉに固溶して合金の強度を向上させる効果がある。Ｓｉ量が少ない場合には上記の効果は得られない。Ｓｉ量の増加とともに焼結温度は低下するが、Ｓｉ量が多すぎても強度、靭性は低下する。このためＳｉ量は４〜６．５％とした。
【００１６】
ＭｏはＮｉおよびＢと硼化物を形成し、合金の強度および硬度を高める。Ｍｏ量の増加に伴い、硼化物量も増加し、合金の耐摩耗性および耐食性が向上する。Ｍｏ量が８％以下のときには、硼化物量が少なすぎるため、充分な耐食性および耐摩耗性を得ることができない。また、Ｍｏ量が１７％以上のときには、耐摩耗性および耐食性が高くなるが、靭性が不足する。このため、Ｍｏ量は８〜１７％とした。
【００１７】
Ｃは粉末表面の酸素を還元し、特に噴霧粉の焼結温度を下げる性質がある。Ｃが０．０１％以下の場合、粉末表面の酸化膜を還元させる効果が不足する。Ｃが０．５％以上の場合、炭化物が多く析出し強度、高温耐食性を劣化させてしまう。このため、Ｃを添加する場合には、添加量は０．０１〜０．５％とする。なお、Ｃは添加した方が好ましいが、粉砕法により合金粉末を製造する等、表面酸化があまり問題にならない場合には必ずしも添加する必要はない。
【００１８】
ＴａおよびＮｂは金属結合相中に固溶し、固溶強化によって合金の強度や硬度などを向上させる。しかし、ＴａおよびＮｂの含有量があわせて１％より少ないと効果が現れず、１０％を超えた場合には硼化物が過剰に析出し強度および靭性が低下する傾向がある。このため、ＴａおよびＮｂ量の含有量は合計で１％以上１０％以下とした。なお、ＴａおよびＮｂは、単独添加（いずれか一方のみを添加）してもよく、複合添加（両方を添加）してもよい。
【００１９】
Ｎｉは合金の主成分たる元素であり、Ｓｉを固溶して合金中の金属結合相を形成するとともに、ＭｏおよびＢと硼化物を形成して合金中の硬質相を形成する。Ｎｉの含有量は残部とする。
【００２０】
本発明合金は、靱性および耐摩耗性に特に優れているため、プラスチック成形機（射出成形機および押出成形機）の溶融樹脂と接触する機械部品、例えばシリンダ、バレルおよびスクリュ等の部品に好適に用いることができる。
【００２１】
また、本発明合金は、さらに耐熱衝撃性にも優れているため、ダイカストマシンの溶湯と接触する機械部品、例えばプランジャスリーブ、プランジャチップおよび金型等の部品に好適に適用することができる。
【００２２】
なお、本発明合金のようなＮｉ基サーメットは一般的に高価であるため、機械部品として使用する場合には、性能が要求される部分のみ本発明合金により形成し、残余の部位は鉄鋼材料により形成することが好適である、このような複合材料は、本発明合金と鉄鋼材料とを本発明合金の焼結時に拡散接合したり、或いは本発明合金の粉末を鉄鋼材料上に溶射することにより形成することができる。なお、溶射法を適用する場合には、溶射後に再溶融処理を行うことにより、溶射層の緻密性を向上させることができ、かつ溶射層と鉄鋼材料との金属結合を強固にすることができる。
【００２３】
【実施例】
次に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【００２４】
［実施例１］
原料粉末を表１に示す各組成に配合し、遊星ミルで湿式粉砕した。これを乾燥した後、各試験用の試験片形状に成形し、真空中で焼結した。なお、従来合金としての比較例１は耐摩耗性を重視した組成とし、比較例２は靭性を重視した組成としている。
【００２５】
【表１】
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各組成の試験片に対して、三点曲げ抗折試験を行った。なお、破断に至るまでの試験片中央部（荷重を負荷するポイント）の変位量を併せて測定した。また、各組成の試験片に対して、大越式迅速摩耗試験機により耐摩耗性を測定した。なお、大越式迅速摩耗試験の条件は次の通りである。
【００２６】
摩擦速度    ２ｍ／ｓｅｃ
最終荷重    １８２．３Ｎ
摩擦距離    ６００ｍ／ｓｅｃ
相手材料    ＳＫＤ１１（ＨＲC５８）
試験結果を下表２に示す。
【００２７】
【表２】
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表２より、本発明合金（実施例１ａ〜１ｄ）は、抗折力および変位に関して、従来品である比較例２と同等の値を示し、高い強度および靭性が確保されていることがわかる。また、本発明合金（実施例１ａ〜１ｄ）は、硬度は従来品である比較例２より高く、また摩耗試験における比摩耗量も大幅に低く、高い硬度および耐摩耗性が確保されていることがわかる。
【００２８】
また、本発明合金（実施例１ａ〜１ｄ）は、抗折力および変位に関して、従来品である比較例１より大幅に高い値を示し、高い強度および靭性が確保されていることがわかる。
【００２９】
［実施例２］
拡散接合を用いて、射出成形機用のスクリュを作成した実施例について説明する。本例においては、本発明合金を丸棒鋼材外径部に焼結、複合化してスクリュを作成している。
【００３０】
図１に示すように、基材としての丸棒鋼材Ｓ４８Ｃ（φ３４×４５Ｌ）を、内径に離型剤を塗布したＳ２５Ｃ製の金枠（φ４０．２×４２Ｌ）に固定した。その隙間に本発明合金でＢ：１．６％、Ｓｉ：５．６％、Ｍｏ：１０．０％、Ｎｂ：３．０％、残部をＮｉとして噴霧法により製造された合金粉末を充填率６３％で２５ｇ充填した。これを真空炉内において無加圧焼結して基材と本発明合金との複合化を行った。焼結温度は１０３０℃、真空度は１．３〜３．９Ｐａとした。
【００３１】
焼結過程において、粉末には液相が生じ、これにより液相焼結により焼結体が形成されると同時にこの焼結体は基材の外径部に接合され、複合化材料の外径寸法はφ３８となった。金属顕微鏡での観察によれば、粉末からの液相生成により、丸棒鋼材と粉末は強固に金属結合されていることが確認された。すなわち、本発明合金は１０３０℃の焼結温度で良好に鋼材と拡散接合できることがわかった。この複合化材料を機械加工により所定の寸法（φ３７×４０）に仕上げ、スクリュ（図示せず）を得た。なお、焼結は無加圧焼結に限らずＨＩＰによってもよい。また、本発明合金の破砕粉を加圧成形後に丸棒鋼材に装着し、その後真空焼結することにより鋼材と本発明合金とを結合してもよい。
【００３２】
なお、バレルの内径部に本発明合金のライニングを施す場合には、溶射により本発明合金を内径面にライニングし、その後、再溶融処理を行った後、仕上げ加工を行えばよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、靭性と耐摩耗性を高い次元で両立させた合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１について説明する図。
【図１】
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