(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダー用基材の長手方向両端に開口を有すると共に中央が交差しめがね孔形状となっている二つの円筒状のシリンダー孔に、少なくとも一方の前記開口から加熱装置を挿入してシリンダー孔の内面を予熱する工程と、
予熱されたシリンダー孔に前記開口から溶射機を挿入して合金粉末を溶射法でシリンダー孔の内面に被覆形成する工程と、
溶射皮膜が形成されたシリンダー用基材を真空再溶融処理してシリンダー孔の内面に溶射皮膜を拡散接合する工程と、を含み、
前記被覆形成する工程では、溶射機を挿入しない方のシリンダー孔の内面を、二つのシリンダー孔が交差する部分の近傍であって溶射による皮膜形成を重畳させ連続した皮膜積層を形成する部分を除いてマスキングした上で、二つのシリンダー孔の一方ごとに溶射皮膜を形成することを特徴とする二軸シリンダーの製造方法。
【請求項２】
シリンダー孔の内面の予熱温度が１００〜３００℃であることを特徴とする請求項１に記載の二軸シリンダーの製造方法。
【請求項３】
予熱を溶射機の溶射熱源で行い、続いて、その溶射機で合金粉末の溶射被覆形成を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の二軸シリンダーの製造方法。
【請求項４】
二つのシリンダー孔の一方ごとに溶射皮膜を形成するに当たり、一方のシリンダー孔の中心軸を回転中心として、シリンダー基材の該シリンダー孔側に質量を平衡させるための重錘を設置して回転させるとともに、溶射ガンが該シリンダー孔の中心軸に平行に移動して溶射被覆動作を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の二軸シリンダーの製造方法。
【請求項５】
シリンダー孔の両開口が上下方向となるように真空加熱炉内に配置してシリンダー用基材を真空再溶融処理することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二軸シリンダーの製造方法。
【請求項６】
皮膜を被覆形成する工法が、プラズマ溶射、高速ガス炎溶射のいずれかを用いた溶射法であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の二軸シリンダーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種プラスチック材料あるいは、ゴム系組成物の押出機などに使用される二軸シリンダーの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記二軸シリンダーの内面は、このなかで成形中の材料または材料に添加されたフィラーなどが処理加工されるので、摩耗履歴を受ける。これらによる摩耗を防止するために耐摩耗性が要求される。かかる要求を満たすために、シリンダー内面部を硬質化する目的で、従来から種々の提案及び実用があり、異種部材を挿入することのほか、表面に耐摩耗性を有した被覆層を設けることが実用になっている。後者では、プラズマアークにより粉体金属を肉盛溶接することで、硬質合金層を形成するプラズマ粉体肉盛溶接法（ＰＴＡ）や、ガス粉末式溶射により被覆層を形成する方法などが提案されている。
【０００３】
例えば、特開昭６３−３１２９０２号公報には、シリンダー内に中子部材を装着し、シリンダー内径と中子外周の間隙に硬質耐摩耗性の金属粉末を充填して熱間等方圧加圧したのち、中子を除去する方法が開示されている。また、特開平５−９８３１３号公報には、短尺薄肉管の内面に溶射ガンで溶射皮膜を形成したあと、複数個のこれらを一体構造のシリンダーの内面に焼嵌め嵌挿することが開示されている。
硬質耐摩耗性の合金材料としては、Ｃｒ，Ｓｉ，およびＢを含むＮｉ基合金あるいは、Ｃｒ，Ｗ，Ｃを含むＣｏ基合金が知られているが、これらを十分な耐摩耗性を発揮するための厚さで、割れ欠陥なしに銅基材などに溶着させるのは一般に困難であって、具体的用途に応じて溶着条件が試行錯誤で求められているのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ粉体肉盛溶接法や溶射法によって１ｍｍ級厚さ以上の硬質合金溶着層を形成させる場合、積層・被覆層が基材に高信頼性をもって溶着するためには、ＰＴＡ法の場合、基材を高温、例えば約６００℃以上の高温に予熱するのが効果的であることが経験的に知られている。例えば、直径が３０〜６０ｍｍ級のシリンダーでは専用の予熱装置を用いて予熱後、プラズマ粉体肉盛溶接法による硬質合金溶着が行われてきた。
【０００５】
しかしながら、シリンダー直径が１００から２００ｍｍ級になった場合、シリンダー内面側から約６００℃以上の温度域に加熱することは、入熱を与える手段上きわめて困難である。一方、シリンダーの外部からの加熱はその熱容量上、内面の温度を十分に高温域に加熱するには多大な熱量を必要とし、きわめて非効率である上、シリンダー自体が変形する危険性が大きく、生産技術上実施できないのがこれまでの状況であった。
また、ガス粉末式溶射法では基材予熱温度を例えば３００℃程度にして、合金皮膜形成したあと、火炎等で加熱して再溶融処理を施して皮膜性状を改善する。この方法では、再溶融処理時の溶融特性を考慮して、例えば１２０〜４５μｍ級の粒度範囲の材料粉末を用いるが、溶皮膜形成時の溶射角度によっては十分な衝突エネルギーを得ることができず、気孔欠陥が多く発生する湯合があることから、シリンダーの内面径に対しては皮膜被覆加工を良好に行うことができず、最終的に健全な溶着層が得られないことがしばしばであった。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑み、比較的径の大きなシリンダーであっても、シリンダー内面に緻密で接合力の高い被覆層を容易に形成することが可能な二軸シリンダーの製造方法を提案するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本願発明は、シリンダー用基材の長手方向両端に開口を有すると共に中央が交差しめがね孔形状となっている二つの円筒状のシリンダー孔に、少なくとも一方の前記開口から加熱装置を挿入してシリンダー孔の内面を予熱する工程と、予熱されたシリンダー孔に前記開口から溶射機を挿入して合金粉末を溶射法でシリンダー孔の内面に被覆形成する工程と、溶射皮膜が形成されたシリンダー用基材を真空再溶融処理してシリンダー孔の内面に溶射皮膜を拡散接合する工程と、を含み、前記被覆形成する工程では、溶射機を挿入しない方のシリンダー孔の内面を、二つのシリンダー孔が交差する部分の近傍であって溶射による皮膜形成を重畳させ連続した皮膜積層を形成する部分を除いてマスキングした上で、二つのシリンダー孔の一方ごとに溶射皮膜を形成することを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、シリンダー孔の内面の予熱温度が１００〜３００℃であるとよい。
さらに好ましくは、予熱を溶射機の溶射熱源で行い、続いて、その溶射機で合金粉末の溶射被覆形成を行うとよい。
また、二つのシリンダー孔の一方ごとに溶射皮膜を形成するに当たり、一方のシリンダー孔の中心軸を回転中心として、シリンダー基材の該シリンダー孔側に質量を平衡させるための重錘を設置して回転させるとともに、溶射ガンが該シリンダー孔の中心軸に平行に移動して溶射被覆動作を行うとよい。
【０００９】
シリンダー孔の両開口が上下方向となるように真空加熱炉内に配置してシリンダー用基材を真空再溶融処理してもよい。
皮膜を被覆形成する工法が、プラズマ溶射、高速ガス炎溶射のいずれかを用いた溶射法であることは非常に好ましい。
換言するならば、本発明は、基材温度を１００〜３００℃の比較的低温域にとどめたうえで、２ｍｍ級厚さの健全な硬質耐摩耗性に優れた被覆層を溶射法によって形成するようにしたものである。このとき、二つの円筒部分が中央で交わる二軸シリンダー型であって、二つの円筒の一方ごとに溶射皮膜を形成するに当たり、一方のシリンダー孔の中心軸を回転中心として、シリンダー基材の該シリンダー孔側に質量を平衡させるための重錘を設置して回転させるとともに、溶射ガンが該シリンダー孔の中心軸に平行に移動して溶射被覆動作を行う。
【００１０】
その後，基材とともに真空フュージングを施して被覆層と基材を拡散接合するとともに、被覆層の健全密着を図るものである。溶射法は、プラズマ溶射法あるいは、高速ガス炎溶射法がよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による皮膜形成各工程の作用機構について具体的に説明する。
本発明は基材温度１００〜３００℃での温間域で、３０〜５０ＭＰａの密着力の得られる溶射法を用いて基本的な被覆加工を実行したのち、その皮膜の再溶融処理によって密着力７０ＭＰａ以上の拡散層を得るよう、工程を分割したものである。
プラズマ溶射法あるいは高速ガス炎溶射法による合金皮膜は、被覆基材温度を１００〜３００℃域にすることによって３０〜６０ＭＰａの密着力が安定して得られるとともに、形成皮膜内の気孔欠陥も少ない。大気中で溶射を実行するとき、基材温度の管理は重要で、１００℃より低いと大気中の水分の付着で被溶射面の活性度が低下する恐れがある。
【００１２】
また、高温域（例えば６００℃）では基材が炭素鋼などの場合、表面に剥離性の酸化物薄膜が生成することがあり、溶射皮膜の健全な付着形成が阻害されることがしばしば起こる。直径１００ｍｍを超えるようなシリンダー孔を有する二軸シリンダー部材は基材そのものの形状寸法も大きくなり、被覆対象面であるシリンダー孔内面部分だけを大気中で均等に高温域まで予熱することは困難である。
大型基材の予熱工程からみても、３００℃までの基材予熱条件で密着力および気孔率の点で健全な皮膜を形成できるプラズマ溶射法あるいは高速ガス炎溶射法の特徴が有効である。
【００１３】
溶射ガンは、溶射材料を供給しないで動作させるとき、溶射火炎をそのまま、加熱手段として利用できる。
プラズマ溶射機、高速ガス炎溶射機では、それぞれ、直流プラズマジェット、酸素／炭化水素燃焼炎が加熱源となって、シリンダー内面を１００〜３００℃域であれば予熱することができる。これによって、基材の予熱と被覆層の形成を連続工程として実施することができる。さらにこの予熱温度域であればシリンダー基材の熱ひずみは、実用上ほとんど無視できる程度である。
【００１４】
ガス粉末式で用いる例えば、３０〜１０６μｍ級の粉末を用いたとき、プラズマ溶射では粉末の飛行速度が大きいのでより小さな気孔率の皮膜を形成することができる。
図１は金属製の二軸シリンダー用基材１の一例を示す。このシリンダー用基材１には、二つの円筒状のシリンダー孔２が中央部で連通するめがね孔形状の内孔が加工されている。シリンダー基材１は、Ｓ２５Ｃなどの鋼材単体で構成されるほか、めがね孔付近が鋼材で、その周りを鋳鉄によって包みこむように構成されていてもよい。さらに必要により、冷媒等を流通させるための管を同時に鋳包むようにしてもよい。
【００１５】
図２は本発明の方法にかかる工程説明図である。
Ｓ０は前処理工程であり、シリンダー基材１の脱脂、洗浄、ブラスト処理がおこなわれる。Ｓ１は予熱工程であり、シリンダー孔２の内部から溶射ガンを用いた加熱手段によりシリンダー内面の予熱が行われる。Ｓ２は溶射皮膜形成工程であり、予熱されたシリンダー孔２の内部に挿入された溶射ガン３によって、合金粉末を溶射し皮膜の形成が行われる。Ｓ３は再溶融処理による皮膜の拡散接合工程であり、シリンダーを真空炉内で加熱保持することによって、シリンダー内面に緻密で接合性に優れた皮膜を有した二軸シリンダーを製造することができる。
【００１６】
図３（ａ）及び（ｂ）は、予熱工程あるいは皮膜形成工程の説明図である。
図３（ａ）に示すように、予熱工程では、溶射ガン３をシリンダー軸線２Ａにそって移動させつつ、溶射ガン３をシリンダー１の孔２内に挿入し、その溶射火炎３Ａにより予熱を行うものである。溶射ガン３は必要に応じ、バーナーに代替してもよい。皮膜形成工程では、２軸のシリンダーそれぞれに対し個別に溶射被覆を行うものである。
溶射ガン３を一方のシリンダー孔２に挿入し、溶射ガン３をシリンダー孔２の軸線２Ａに沿って移動させるとともに、シリンダー基材１自体をこの軸線２Ａを回転中心として回転させる。このとき基材１の大きさに応じて回転の平衡を保つために、溶射対象のシリンダー孔２側には重錘を設置する。この重錘の質量は２軸シリンダーの大きさに対し、あらかじめ算出するものである。重錘はシリンダー基材１を搭載して回転運動を司る回転台上に設置してもよいし、シリンダー本体に装着してもよい。
【００１７】
重錘の設置によって、振れ、振動などを抑制でき、低速、高速時とも安定した回転動作を行わせることができる。その結果、皮膜の被覆形成が安定する。
図４は一方が溶射被覆加工中のとき、他方のシリンダー孔２に被覆加工防止のためのマスキングを施す要領について示したものである。当該内孔における二つのシリンダー内孔２が連通する連通部近傍にマスキングを施さない非マスキング部Ｗを設ける。この部分Ｗの長さはシリンダー径にもよるが通常、５〜１０ｍｍである。交差部まで直接マスキング材を設けた条件で、二つのシリンダーへの皮膜被覆を独立して形成させると、交差部は皮膜の連続性が不完全で、結果的に不連続面が生じ割れ欠陥となった。
【００１８】
一方のシリンダー孔２を溶射被覆するとき、他方のシリンダー孔２の交差部近傍Ｗを非マスキング状態にしておくと、一方のシリンダー孔２の溶射時において、他方のシリンダー孔２の非マスキング部は溶射ガンの溶射角度が垂直方向から斜めの方向に変化するため、粉末の付着効率も変化し、皮膜積層速度が垂直方向溶射に仕べて約３０〜６０％となる。このような皮膜積層を両シリンダー孔２で行うと、両者の溶射形成が重畳して連続した皮膜積層が可能となる。
これにより，連通部近傍における溶射被覆の未接合部あるいはわれ欠陥の発生を抑制することができる。
【００１９】
図５は，フュージング処理で皮膜の拡散接合を図る工程における熱処理、雰囲気温度−時間の関係を示すグラフである。
被覆形成した合金のフュージング（再溶融）処理は公知のものである。被加熱体の均熱性を高めるため，Ｔ１まで昇温した後、その温度で所定時間保持、その後Ｔ２まで昇温した後、その温度で所定時間保持、さらにＴ３まで昇温したのち、均熱保持する段階的な昇温パターンとしている。
この昇温パターンはシリンダーの寸法や形成皮膜材料に応じて適宜変更することができる。Ｔ３は皮膜材料固相線温度より数℃高い温度である。被覆して皮膜化する材料は、硬質耐摩耗合金材料として供給される粉末が基本的に使用できる。すなわち、Ｃｒ，Ｓｉ，およびＢを含むＮｉ基合金あるいは、Ｃｒ，ＳｉおよびＢを含むＣｏ基合金、さらには、ＷＣ（タングステンカーバイド）を含む自溶合金が適用できる。〔表１〕には、本発明で適用できる合金化学組成のいくつかの例を示した。
【００２０】
【表１】
0004303447.tif 000002
【００２１】
【実施例】
実施例１：この実施例では，二軸押出機のシリンダーの製造を行った。シリンダー基材としてＳ２５Ｃ（機械構造用炭素鋼鋼材）で、内径１４０ｍｍの二つの孔が中央部で連通しためがね孔状のものを使用し、皮膜形成材料として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃ−Ｂ合金粉末を用いた。粉末の粒度範囲は１０６〜３０μｍのものとした。
シリンダー基材の材質および皮膜形成材料は、機械的強度や耐摩雑性・耐食性の要求に応じて機械構造用炭素鋼、クロムモリブデン鋼、各種自溶合金に適宜変更可能である。
【００２２】
シリンダー基材は、前処理として溶剤による脱脂・洗浄およびプラスト処理をおこなった。このシリンダー用基材を溶射用回転装置上に設置した。このとき、先行して溶射するほうのシリンダー孔軸心が回転中心となるように位置決めを行い、重錘を設置し、続いて後で溶射加工する方のシリンダーに被覆防止加工のためのマスキングを施した。マスキング範囲は、二つの円筒が交わった部分の近傍１０ｍｍを除く部分である。
次に、シリンダーを回転させながらシリンダー孔内にプラズマ溶射ガンを挿入し、ガンのプラズマジェットを用いて大気中で予熱を施した。予熱温度は２００℃とした。温度管理として、シリンダー内面における複数測定点の温度を設置した熱電対で観測した。
【００２３】
続いて、プラズマ溶射被覆加工を実行し、ガンの繰り返し走行動作によって、厚さ約１７００μｍの皮膜を形成させた。同様の手順で他方のシリンダー内孔にも被覆形成を行い、２軸シリンダー孔全体に溶射皮膜を形成させた。二つの円筒が交わった部分の近傍１０ｍｍ部分は厚さ１５００μｍであったが、割れは認められず、健全な皮膜であった。
次に、このシリンダーを真空熱処理炉に両開口部が上下となるように設置し、真空フュージングを施した。真空フューズ後の皮膜の表面状態は健全で、割れ、剥離などの欠陥は認められなかった。
【００２４】
同時に作製した試験片を切断して、皮膜断面を顕微鏡観察したところ、皮膜内気孔はほとんど認められず、また、基材と皮膜の界面には３０μｍ程度の拡散層が観察され、接合も良好であることがわかった。なお、本実施例では予熱を溶射ガンで行ったが、バーナーで行ってもよい。
実施例２：この実施例では、実施例１で用いたプラズマ溶射機に変えて、高速ガス炎溶射機（ＨＶＯＦ）を用いて同様にシリンダー内面の被覆加工を行った。用いた合金粉末材料の粒度範囲は５３〜１５μｍとした他は、プラズマ溶射法の場合と同様の工法とした。真空フューズも同様の温度条件で実施した。皮膜を調べたところ、皮膜内気孔はほとんど認められず、また、基材と皮膜の界面には30μｍ程度の拡散層が観察され、接合も良好であることがわかった。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリンダー孔の内部にプラズマ溶射などの溶射ガンを設置、動作させ、１００〜３００℃の温間温度域で予熱を行うとともに、続いて溶射操作によってシリンダー孔内に溶射皮膜を形成し、溶射皮膜が形成されたシリンダーを真空炉内で再溶融処理してシリンダー内面に溶射皮膜を拡散接合するものであるため、皮膜形成が容易であり、かつ比較的大きなシリンダーであっても、シリンダー内面に緻密で基材への接合性にすぐれた皮膜を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）はシリンダー用基材の横断面図（（ｂ）のＡ−Ａ線断面図）であり、（ｂ）は同基材の側面図である。
【図２】  本発明方法の工程説明図である。
【図３】  （ａ）は予熱工程と皮膜形成工程を説明するためのシリンダー用基材の斜視図であり、（ｂ）は同基材の横断面図である。
【図４】  加工防止用マスキング範囲を示すためのシリンダー孔内部の断面図である。
【図５】  再溶融処理の温度履歴を示すグラフである。
【符号の説明】
１      シリンダー用基材
２      シリンダー孔
３      溶射ガン
【図１】
0004303447.tif 000003
【図２】
0004303447.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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