JP2004330357A

JP2004330357A - ペレタイザ用ナイフ

Info

Publication number: JP2004330357A
Application number: JP2003129404A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Nagami; 信樹永見; Tatsuya Tanaka; 達也田中; Kazuo Iritani; 一夫入谷; Yasuo Yoshii; 康雄吉井; Kouichirou Akari; 孝一郎赤理
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れるとともに折損や欠けが発生し難く、また、ダイプレート表面を摩耗させ難いペレタイザ用ナイフを実現すること。
【解決手段】ダイプレートに対向して配置されたナイフホルダーに取り付けられてこれと一体に回転することにより、前記ダイプレートの硬化表面のノズル孔から押し出される溶融樹脂を切断するペレタイザ用ナイフにおいて、硬度がＨｖ７００〜１０００を有するナイフ母材の表面に、ダイヤモンドライクカーボン被覆層が設けられていることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合成樹脂をペレット化（粒状化）するためのペレタイザ（造粒装置）に備えられ、ダイプレートのノズル孔から押し出される溶融樹脂を切断するペレタイザ用ナイフに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ペレタイザでは、押出し機のダイプレートに対向して配置されたナイフホルダーに、複数枚のペレタイザ用ナイフ（以下、単にナイフともいう）をダイプレートとのクリアランスが一定値以下に保持されるように取り付け、前記ナイフをナイフホルダーとともに高速回転させることにより、ダイプレートのノズル孔（細孔）から押し出される溶融樹脂を切断してペレット化するようにしている。運転中、ナイフは常にダイプレートの硬化表面である樹脂吐出面に接し、あるいは一定圧力で押し付けられており、ナイフの摺動面は時間経過とともに摩耗することになる。
【０００３】
そのため、従来のペレタイザ用ナイフは、ナイフ摺動面の摩耗を防ぐ目的で、その材質を工具鋼（ＪＩＳ該当鋼：ＳＫＨ１０，ＳＫＨ５１）あるいはＴｉＣ（炭化チタン）含有焼結合金としたものを採用している。また、特開平７−９４３９号公報には、ペレタイザ用ナイフとして、その材質を刃物用ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃとしたもの、あるいはＳＵＳ４４０Ｃからなるナイフ母材の表面にＴｉＮ（窒化チタン）の被覆層を設けたものが示されている。耐摩耗性の点からは、ＴｉＣ含有焼結合金＞工具鋼＞ＳＵＳ４４０Ｃの順に優れている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−９４３９号公報（段落番号［００１２］）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＴｉＣ含有焼結合金からなるペレタイザ用ナイフでは、耐摩耗性に優れているものの、靭性が乏しく、運転中に折損や欠けの発生するおそれがあった。また、材質そのものが高硬度のため、ダイプレートの硬化表面が大きく摩耗することがあった。一方、ＳＵＳ４４０Ｃなどの刃物用ステンレス鋼からなるナイフ母材の表面にＴｉＮ被覆層を設けたペレタイザ用ナイフでは、耐摩耗性が十分でなかった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、耐摩耗性に優れるとともに折損や欠けが発生し難く、また、ダイプレート表面を摩耗させ難いペレタイザ用ナイフを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願発明は次のように構成されている。
【０００８】
請求項１の発明は、ダイプレートに対向して配置されたナイフホルダーに取り付けられてこれと一体に回転することにより、前記ダイプレートの硬化表面のノズル孔から押し出される溶融樹脂を切断するペレタイザ用ナイフにおいて、硬度がＨｖ７００〜１０００を有するナイフ母材の表面に、ダイヤモンドライクカーボン被覆層が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載のペレタイザ用ナイフにおいて、ダイヤモンドライクカーボン被覆層は、前記ダイプレートの前記硬化表面に対する摩擦係数が０．３以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のペレタイザ用ナイフにおいて、ナイフ母材上に前記ダイヤモンドライクカーボン被覆層が、金属層と、金属及び炭素を含む非晶質層とを順に介して設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のペレタイザ用ナイフは、硬度Ｈｖ７００〜１０００を有するナイフ母材の表面に、耐摩耗性に優れるとともに、摩擦係数が小さく、表面平滑性に優れたダイヤモンドライクカーボン被覆層（以下、ＤＬＣ被覆層ともいう）が設けられている。ナイフ母材については、その硬度が高い方がＤＬＣ被覆層の密着性が高くなるものの、硬度がＨｖ１０００を上回ると、ナイフ母材の靭性が低下し、運転中に折損や欠けの発生するおそれがある。一方、ナイフ母材の硬度がＨｖ７００を下回るとＤＬＣ被覆層の密着性が低下する。したがって、ナイフ母材は、その硬度がＨｖ７００〜１０００であり、この範囲の硬度を有するＳＫＨ１０、ＳＫＨ５１などの高速度工具鋼がよい。
【００１２】
また、ダイプレートの硬化表面に押し付けられつつ摺動する面に、摩擦係数が小さく、表面平滑性に優れたＤＬＣ被覆層が設けられているので、ダイプレートの硬化表面が摩耗し難くなるとともに、ペレタイザの所要回転動力を従来に比べて減らすことできる。さらに、ナイフのＤＬＣ被覆層には溶融樹脂が付着し難いので、ペレットが数珠状につながった連珠の発生をなくして良好なペレットを得ることができる。このように、耐摩耗性に優れるとともに折損や欠けが発生し難く、また、ダイプレート表面を摩耗させ難いペレタイザ用ナイフを得ることができる。
【００１３】
本発明のペレタイザ用ナイフでは、ＤＬＣ被覆層は、ダイプレートの硬化表面に対する摩擦係数が０．３以下であることがよい。溶融樹脂が押し出される多数のノズル孔（細孔）を有するペダイプレートは、一般に、母材がステンレス鋼からなり、この母材の表面にＴｉＣ合金製プレートを張り付けることにより、硬度がＨＲＣ６０〜６４の硬化表面を有している。このようなダイプレート硬化表面に対する摩擦係数が０．３以下となるＤＬＣ被覆層とすることで、ダイプレートの硬化表面の摩耗をより少なくすることができる。
【００１４】
また、本発明のペレターザー用ナイフでは、ＤＬＣ被覆層が密着性を高めるべく、ナイフ母材上に中間層を介して設けられていることがよい。中間層は、第１中間層である金属層（母材側中間層）と、第２中間層である、金属及び炭素を含む非晶質層（ＤＬＣ被覆層側中間層）とからなっている。ナイフ母材の材質が高速度工具鋼等である場合、中間層に用いる金属としてはＣｒ及び／又はＡｌが望ましい。また、中間層の厚み（第１中間層＋第２中間層の厚み）は、ＤＬＣ被覆層含む全体の厚みの５〜５０％とする。第１中間層（母材側中間層）として、Ｃｒ及び／又はＡｌからなる金属層は、ナイフ母材となる工具鋼等鉄系材料と相性が良く、ナイフ母材と金属層（第１中間層）との良好な密着性を確保することができる。また、第２中間層（ＤＬＣ被覆層側中間層）を、Ｃｒ及び／又はＡｌからなる金属と炭素とを含む非晶質層とすることで、中間層自体に脆弱な炭化物層がなくなり、中間層内部での剥離や破壊を防ぐことができる。第１中間層に対しても、格子のミスマッチ等に伴う応力の発生が緩和され、同種の金属元素を用いることによって、密着性が確保できる。さらに最表面層を形成するＤＬＣ被覆層も非晶質膜であるので、前記のような金属元素と炭素とを含む非晶質層（以下、金属−炭素混合非晶質層ともいう。）との密着性もよい。このように、ナイフ母材上に中間層を介してＤＬＣ被覆層を設ける構造とすることによって、ナイフ母材上に直接ＤＬＣ被覆層を設けたものに比べて、高い密着性を持つＤＬＣ被覆層を有するペレタイザ用ナイフを得ることができる。
【００１５】
図１は本発明によるペレタイザ用ナイフの要部断面を示す概略図、図２は本発明によるペレタイザ用ナイフが装着されるアンダーウォーターカットペレタイザの構造を示す側面断面図、図３は図２におけるペレタイザ用ナイフ及びダイプレート部分の斜視図、図４は図２におけるペレタイザ用ナイフ及びナイフホルダー部分の背面図である。
【００１６】
図２に示すアンダーウォーターカットペレタイザは、合成樹脂をペレット化するためのペレタイザとして、大容量処理に適したものである。図２において、１は押出し機（図示省略）のダイプレート、１ａはダイプレート１の硬化表面である樹脂吐出面、２はダイホルダーである。３はカッター軸で、保持筒体４に回転自在に保持されおり、モータなどの駆動装置５によって軸心廻りに回転駆動されるようになっている。６は水室で、水入口７と水出口８とを有し、内部に冷却用の水（温水）が満たされるように構成されている。
【００１７】
９はナイフホルダーで、中央部がボルトなどの締結具によりカッター軸３に締め付け固定されている。図４に示すように、ダイプレート１に対向して配置されたナイフホルダー９の外周部には、複数のペレタイザ用ナイフ１００が外方突出状に取り付けられている。駆動装置５によりカッター軸３を回転駆動すると、カッター軸３とともにナイフホルダー９がカッター軸３の軸心廻りに回転し、複数のペレタイザ用ナイフ１００は、運転中、ダイプレート１の硬化表面である樹脂吐出面１ａに接し、あるいは一定圧力で押付けられている。そして、図３に示すダイプレート１のノズル孔１ｂから押し出された溶融プラスチックは、ペレタイザ用ナイフ１００によって切断されてペレット化される。ダイプレート１は、母材がステンレス鋼からなり、この母材の表面にＴｉＣ合金製プレートを張り付けることにより、硬度がＨＲＣ６０〜６４の硬化表面（樹脂吐出面１ａ）を有している。
【００１８】
図３、図４に示すように、ペレタイザ用ナイフ１００は、その取付け部１１０がナイフホルダー９の外周部にボルトにより締め付け固定され、ナイフ１００の切断部１２０がナイフホルダー９より外方突出されている。このペレタイザ用ナイフ１００は、その切断部１２０の刃先１２１側に、ダイプレート１に接する摺動面１２２と、逃し面１２３と、すくい面１２４とを有している。
【００１９】
ペレタイザ用ナイフ１００は、図１に示すように、ナイフ母材１０１上に金属層（第１中間層）１０２と、金属−炭素混合非晶質層（第２中間層）１０３と、ダイヤモンドライクカーボン被覆層１０４とをこの順序で設けた構造とされている。本実施形態では、ＤＬＣ被覆層１０４が、ペレタイザ用ナイフ１５の母材全体表面に金属層１０２と金属−炭素混合非晶質層１０３とを介して設けられている。ＤＬＣ被覆層１０４は、少なくとも摺動面１２２、逃し面１２３及びすくい面１２４の三箇所の部位に設ける必要がある。
【００２０】
ところで、一般にＤＬＣ被覆層の形成には、プラズマＣＶＤ（化学的蒸着）法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法等が用いられる。本発明の実施には、中間層とＤＬＣ被覆層を連続して形成することに適し、かつＤＬＣ被覆層の特性に優れるＵＢＭ（アンバランスドマグネトロン）スパッタリング法が好適である。スパッタリング法は、固体状の皮膜材料（以下、ターゲットと呼ぶ）を真空もしくはガス中で蒸発させて皮膜を形成するＰＶＤ（物理蒸着）法とよばれる気相合成法の一つである。すなわち、固体表面にイオンを衝突させたときに固体を形成する粒子が弾き飛ばされる、“スパッタ”蒸発現象を利用して、ターゲット材料を蒸発させて皮膜を形成するようにしている。具体的なプロセスとしては、Ａｒ等不活性ガスを導入した真空中で、ターゲットを陰極として高電圧を印加し、Ａｒのグロー放電プラズマを形成し、発生したＡｒイオンがターゲットに衝突して、ターゲット原子／分子を弾き飛ばし、ターゲットと対向して配置された被コーティング物（母材）上に堆積させることにより、皮膜が形成される。
【００２１】
このスパッタリング法を実施する装置では、ターゲットの裏面に磁石が配置されたマグネトロンスパッタ源が一般に採用されており、ターゲット表面に電場と直交した閉じた磁場が形成することでターゲット表面に高密度プラズマを形成し、スパッタ効率（成膜速度）の向上や放電可能圧力を低下させている。ＵＢＭスパッタリング法はマグネトロンスパッタ源の磁場バランスを意図的に非平衡とすることで、皮膜形成中の母材に照射されるＡｒイオンのアシスト効果を増大させ、形成される膜特性の向上を図った、スパッタリング法である。このＵＢＭスパッタリング法によると、緻密で高硬度なＤＬＣ膜を形成することが可能となり、また金属層と母材金属間の密着力を向上させることができる。
【００２２】
ナイフ母材１０１上に、金属層１０２、金属−炭素混合非晶質層１０３及びＤＬＣ被覆層１０４をこの順序で設けた構造のペレタイザ用ナイフは、図６に概略構成図を示すＵＢＭスパッタ装置を用いて以下のような手順で作製した。ナイフ母材１０１としては、硬度Ｈｖ７００〜１０００を有する高速度工具鋼（ＳＫＨ１０、ＳＫＨ５１）を用いた。
【００２３】
アルカリによる脱脂洗浄後、乾燥されたナイフ母材１０１は、ＵＢＭスパッタ装置内のワークテーブル１３１上に適当な保持冶具を用いて固定される。ワークテーブル１３１は図示しない回転機構によって自公転運動が可能となっている。このワークテーブル１３１の回転に伴って、その上に配置されたナイフ母材１０１を成膜処理中回転させることができ、母材全体表面への被覆層形成が可能である。ワークテーブル１３１を取り囲むように複数のスパッタ蒸発源１３３が配置されており、この例では１つのスパッタ蒸発源１３３には中間層用金属元素としてＣｒターゲット１３４が搭載され、残りの複数のスパッタ蒸発源１３３にはＤＬＣ被覆層用としてＣターゲット１３５が搭載されている。
【００２４】
まず、真空チャンバ１３０内を２．６×１０^−３Ｐａ程度まで真空引き後、前処理としてヒータ１３２によるベーキング及びＡｒプラズマによる母材表面のエッチングを行った。次にＡｒガス中でＣｒターゲット１３４を搭載した蒸発源１３３のみにスパッタ電力（３〜５ｋＷ）を印加して、Ｃｒターゲット１３４のスパッタを行い、Ｃｒからなる金属層（第１中間層）１０２をナイフ母材１０１上に形成した。金属層１０２が所定の厚さに達すると、Ｃｒターゲット１３４のスパッタを行いつつ、並行してＣターゲット１３５を搭載した蒸発源１３３へのスパッタ電力印加を開始し、ＣｒとＣが混合されてなる金属−炭素混合非晶質層（第２中間層）１０３を形成する。この第２中間層の形成においては、Ｃｒターゲット１３４への電力を徐々に下げながら、Ｃターゲットへの電力を上げて（５〜８ｋＷ）、ＣｒとＣの組成を傾斜的に変化させた。最終的にはＣｒターゲット１３４への電力供給を停止することで、第２中間層に連続してＤＬＣ被覆層１０４を形成した。
【００２５】
ＤＬＣ被覆層１０４の硬度は、ナイフ母材１０１に印加するバイアス電圧によって制御可能であり、−５０〜−２００Ｖの範囲に設定することで、Ｈｖ１０００〜３０００の硬度を持つＤＬＣ被覆層１０４を形成できる。中間層１０２及び１０３とＤＬＣ被覆層１０４を合わせた全体の膜厚は、１〜５μｍであり、好ましくは１．５〜３μｍである。中間層１０２及び１０３の合計の膜厚は、全体の膜厚に対して５〜５０％とした。また、形成したＤＬＣ被覆層１０４のダイプレート１の硬化表面（ＨＲＣ６０〜６４）に対する摩擦係数は０．３以下であった。
【００２６】
図５はナイフ摩耗量の比較結果を示す図である。
【００２７】
図５からわかるように、高速度工具鋼ＳＫＨ１０からなるナイフ母材の表面に中間層を介してＤＬＣ被覆層を設けた本発明によるペレタイザ用ナイフ（図５中に（Ｃ）で示す）では、高速度工具鋼ＳＫＨ１０からなるペレタイザ用ナイフ（図５中に（Ａ）で示す）に比べて摩耗量を１／２以下に減らすことができた。また、本発明によるペレタイザ用ナイフでは、高速度工具鋼ＳＫＨ１０からなるナイフ母材の表面にＴｉＮ被覆層を設けたペレタイザ用ナイフ（図５中に（Ｂ）で示す）に比べて、摩耗量をその約２／３にすることができた。
【００２８】
なお、図５に示す結果は、前記（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の各ペレタイザ用ナイフについて、アンダーウォーターカットペレタイザの実験機に取り付けて摩耗試験を行って得たものである。ダイプレートは、硬度がＨＲＣ６０〜６４の硬化表面（樹脂吐出面）を有している。実験条件は、ナイフ周速：平均２０ｍ／ｓ、面圧：０．４ＭＰａ、試験時間：２４時間、である。
【００２９】
表１に、各種ナイフ母材上に金属中間層と金属−炭素混合層を介してＤＬＣ被覆層を設けたものについてのスクラッチ試験の結果を示す。スクラッチ試験では、試料を移動ステージに固定し、ダイヤモンド圧子を用いて試料表面に負荷速度１００Ｎ／ｍｉｎで負荷をかけながら、ステージを１０ｍｍ／ｍｉｎで移動させ、スクラッチ痕を顕微鏡で観察し、膜の剥離発生荷重を測定した。
【００３０】
表１において、Ｎｏ．１の比較例は、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金からなるナイフ母材上に、Ｗ金属層とＷ−Ｃ混合非晶質層を介してＤＬＣ被覆層を設けたものである。Ｎｏ．２の発明例は、高速度工具鋼ＳＫＨ１０からなるナイフ母材上に、Ｃｒ金属層とＣｒ−Ｃ混合非晶質層とを介してＤＬＣ被覆層を設けたものである。また、Ｎｏ．３の比較例は、合金工具鋼（ＳＫＤ６１等）からなるナイフ母材上に、Ｃｒ金属層とＣｒ−Ｃ混合非晶質層とを介してＤＬＣ被覆層を設けたものである。なお、表１には記載していないが、中間層を設けることなく、Ｎｏ．３のナイフ母材（合金工具鋼：Ｈｖ６００）に直接ＤＬＣ被覆層を設けたものでは、ＤＬＣ被覆層の密着強度は２０Ｎ程度であった。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に示すように、ナイフ母材については、その硬度が高い方がＤＬＣ被覆層の密着強度が高くなっている。しかし、ナイフ母材の硬度がＨｖ１０００を上回るＮｏ．１の比較例では、ナイフ母材の靭性が乏しく、運転中に折損や欠けの発生するおそれがある。一方、ナイフ母材の硬度がＨｖ７００を下回るＮｏ．３の比較例では、ＤＬＣ被覆層の密着強度がペレタイザ用ナイフとして十分でない。これに対して、Ｎｏ．２の発明例では、適切な靭性を有し、５０Ｎを超える高い密着強度が得られた。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、耐摩耗性に優れるとともに折損や欠けが発生し難く、また、ダイプレート表面を摩耗させ難いペレタイザ用ナイフを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるペレタイザ用ナイフの要部断面を示す概略図である。
【図２】本発明によるペレタイザ用ナイフが装着されるアンダーウォーターカットペレタイザの構造を示す側面断面図である。
【図３】図２におけるペレタイザ用ナイフ及びダイプレート部分の斜視図である。
【図４】図２におけるペレタイザ用ナイフ及びナイフホルダー部分の背面図である。
【図５】ナイフ摩耗量の比較結果を示す図である。
【図６】ＵＢＭスパッタ装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１…ダイプレート１ａ…樹脂吐出面（硬化表面）１ｂ…ノズル孔２…ダイホルダー３…カッター軸４…保持筒体５…駆動装置６…水室７…水入口８…水出口９…ナイフホルダー１００…ペレタイザ用ナイフ１０１…ナイフ母材１０２…金属層１０３…金属−炭素混合非晶質層１０４…ダイヤモンドライクカーボン被覆層１１０…取付け部１２０…切断部１２１…刃先１２２…摺動面１２３…逃し面１２４…すくい面１３０…真空チャンバ１３１…ワークテーブル１３２…ヒータ１３３…スパッタ蒸発源１３４…Ｃｒターゲット１３５…Ｃターゲット

Claims

ダイプレートに対向して配置されたナイフホルダーに取り付けられてこれと一体に回転することにより、前記ダイプレートの硬化表面のノズル孔から押し出される溶融樹脂を切断するペレタイザ用ナイフにおいて、硬度がＨｖ７００〜１０００を有するナイフ母材の表面に、ダイヤモンドライクカーボン被覆層が設けられていることを特徴とするペレタイザ用ナイフ。
前記ダイヤモンドライクカーボン被覆層は、前記ダイプレートの前記硬化表面に対する摩擦係数が０．３以下であることを特徴とする請求項１記載のペレタイザ用ナイフ。
ナイフ母材上に前記ダイヤモンドライクカーボン被覆層が、金属層と、金属及び炭素を含む非晶質層とを順に介して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のペレタイザ用ナイフ。