JP2006218588A

JP2006218588A - 超硬合金製丸刃

Info

Publication number: JP2006218588A
Application number: JP2005035460A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Asada; 信昭浅田; Osamu Aoki; 修青木
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】耐摩耗性及び耐食性に優れ、且つ高精度に加工された、磁気テープ切断用の超硬合金製丸刃スリッターナイフを提供すること。
【解決手段】超硬合金製丸刃において、少なくとも刃先の表面部に窒素イオンを注入して前記表面部に窒素を含有させる。窒素イオンの注入に当たっては、少なくとも刃先の表面部には黒皮や、ＣＶＤ等で被覆された膜が存在せず、研削もしくはラッピングされた表面であることとする。窒素イオンの注入量は（１０の２０乗）／平方ｃｍ以上、窒素イオンの注入エネルギーは１５ｋｅＶ以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、記録媒体として使用される磁気テープの切断に用いられる超硬合金製丸刃の表面処理に関する。詳しくは、ナイフの表面部に窒素イオンを注入し、耐摩耗性、耐食性を向上させた磁気テープ切断用スリッターナイフに関する。

記録媒体すなわち、オーディオテープ、ビデオテープそしてコンピューター用のバックアップとして用いられる磁気テープの切断には、一般的に炭素鋼，高速度鋼，超硬合金，セラミックス等のスリッターナイフが用いられている。

その中でも、炭素鋼及び高速度鋼は、当該材料のもつ硬度が低いため、刃先の摩耗量が多く長時間のスリッテイングには耐えられない。

セラミックスは、耐食性の点では優れるものの、当該材料の信頼性の点で金属製スリッターナイフに比べて劣る。

これらの理由により、現在、磁気テープの切断用にはＷＣ−Ｃｏ系超硬合金が磁気テープの切断には広く用いられている。

しかし、近年、磁気テープの高容量化、高密度記録が要求される中、磁気テープも薄層メタルテープ、蒸着テープ等に始まり、記録密度を向上させるため磁性体自身が数ミクロンの細長い形状から、ナノオーダーの球形の磁性粒子を有するものへと検討が進んでいる。

また、磁気テープ切断用のスリッターナイフは、刃先部が摩耗していく。このため、上下刃共に刃先の外径を研磨して再使用している。

特に、下刃は切断時の軸に組んだまま外径研磨する為、研磨液が下刃の間にしみ込み、腐食が進みやすい。さらに、寿命が来て下刃を分解する際に、軸に付着し分解し難い問題点も有している。

したがって、磁気テープを切断するための超硬合金製丸刃には、耐摩耗性、耐チッピング性、耐食性の優れた超硬合金が要求される。

そこで、ＷＣ基超硬合金を素材の面から改善することを目的として、例えば、特許文献１には、ＷＣ−Ｃｏ合金にＶ，Ｃｒを添加することにより、複合効果でＷＣの粒成長抑制効果を狙った、耐摩耗性および高靭性に優れた超硬合金が提案されている。

又、特許文献２には、炭化バナジウム、窒化ジルコニウムを加えることにより、ＨＲａ９１以上、抗折力３５０ｋｇ／ｍｍ^２以上である優れた特性を有する超硬合金が提案されている。

さらに、特許文献３には、ＣｏまたはＮｉに対して、炭化クロムを添加し微小チッピングを生じさせないようにして、クラック伝播抵抗を高めている。

また、ＷＣ基超硬合金の耐摩耗性を向上させる目的で、IVａ，Ｖａ，VIａ族の炭化物、窒化物のセラミックスで被覆する化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）などの手法を用いた特許が多数提案されている。

さらに、真空中で基板に添加したい粒子をイオン化して加速後、強制的に基板に添加する方法が１９７０年頃、シリコンへの不純物添加法として開発が進められた。

今日、これらの方法を用いて超硬合金の特性改善が検討されている。中でも、特許文献４には、金属蒸気中でイオンインプランテーションを行い強固に薄い皮膜を形成させる方法が提案されている。

特許文献５には、あらかじめ形成させた薄い皮膜の上からイオン注入を行う方法が提案されている。

特許文献６には、IVａ族の元素をイオン注入し、その後さらに炭素イオンを注入することによって、超硬合金の表層特性を改善するものが開示されている。

特許文献７には超硬合金の表面にカーボンをイオン注入して該合金表面層にカーボン濃度の富化層を形成する提案がなされている。

上記した特許文献１、２、及び３はいずれも超硬合金を材料面から改善する提案ではあるが、これらの材料を磁気テープ切断用のスリッターナイフに用いると、いずれの超硬合金も、スリッターナイフとして用いた場合スリッテイング時の耐摩耗性の向上やチッピング等の発生減少方向にはあるが、スリッターナイフの改善にはつながってはいない。

また、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法によるセラミックスの皮膜の形成法による耐摩耗性向上は、硬い被覆膜形成による耐磨耗性の向上は期待できる。

しかしＣＶＤ法では基板（高精度に加工された磁気テープ切断用超硬合金製丸刃）温度が８００℃ほどにあがり、これらの処理を施すと１／１０００ｍｍに加工した切断面が歪むため、高精度に加工された当該丸刃の寸法精度が維持できない問題がある。

一方、ＰＶＤ法ではＣＶＤ法ほど温度の上昇は見られないが３００℃ほどにあがり、同様な問題がある。

さらに、高精度に加工された磁気テープ切断用超硬合金製丸刃の表面が、被覆膜で凹凸になり精度が保たれなくなる。

仮に、ＣＶＤやＰＶＤで被覆した後に再度加工する手法も考えられるが、それではコストも高くなる欠点がある。

また、特許文献４，５はイオン注入を行い超硬合金表層部を改善する提案ではあるものの、いずれも皮膜を形成させての手段であり、皮膜自体の剥離の問題点は解消されていない。

さらに、特許文献６はIVａ族のイオンを注入し、さらに炭素イオンを注入することによる超硬合金表面の性質を変える提案ではあるが、２回に分けてイオン注入を行わなければならなく、費用の面で問題があった。

特許文献７は、超硬合金の表面にカーボンをイオン注入して、耐食性を向上させた提案ではあるものの、表面のカーボン富化層はＷＣ−Ｃｏ―Ｃの第３相の合金であり、ＷＣ−Ｃｏの２相合金に比較して、欠陥を有する面で問題があった。

特開昭６１−１２８４７号公報特開昭６２−４８４１３号公報特公平４−３１０１２号公報特開昭５８−１８１８６４号公報特開平２−２２４５４号公報特開平８−１９３２６６号公報特開平８−９２６８６号公報

そこで、本発明は上記の事情に着目してなされたものであって、その技術的課題は、従来技術の問題点の解消、すなわち、耐摩耗性及び耐食性に優れ、且つ高精度に加工された磁気テープ切断用超硬合金製丸刃を提供することにある。

本発明者等は、上記技術課題を解決すべく検討した結果、磁気テープの切断時に発生する摩耗は、単に超硬合金自体の硬さを高くするだけでは解消できないことがわかった。したがって、さらに、磁気テープ切断用の超硬合金製丸刃の耐摩耗性を向上させるために、超硬合金自体の靭性を低下させることなく、且つ加工精度が維持できる方法として、表面部のみの特性を変えることの出来るイオン注入法に着目し、種々の条件を試行し、上記の問題点が解決できることを見出し本発明を完成させたものである。

即ち、本発明によれば、超硬合金製丸刃において、少なくとも刃先の表面部に窒素イオンを注入してなり、前記表面部に窒素を含有することを特徴とする超硬合金製丸刃が得られる。

また、本発明によれば、前記超硬合金製丸刃において、前記少なくとも刃先の表面部には、ＣＶＤ等で被覆された膜が存在しない状態で、窒素イオンが注入されていることを特徴とする超硬合金製丸刃が得られる。

また、本発明によれば、前記超硬合金製丸刃において、前記少なくとも刃先の表面部に黒皮を有せず、研削面もしくはラップ面から形成されており、且つ、その表面部に窒素イオンを注入されて、前記表面部の表層部に窒素を含有することを特徴とする超硬合金製丸刃が得られる。

また、本発明によれば、前記いずれか一つの超硬合金製丸刃において、イオン注入による窒素イオン注入量が１０^２０／ｃｍ^２以上であることを特徴とする超硬合金製丸刃が得られる。

また、本発明によれば、前記いずれか一つの超硬合金製丸刃において、窒素イオン注入エネルギーが１５ｋｅＶ以上の窒素イオン注入が施されていることを特徴とする超硬合金製丸刃が得られる。

さらに、本発明によれば、前記いずれか一つの超硬合金製丸刃において、磁気テープ切断用スリッターナイフに用いられることを特徴とする超硬合金製丸刃が得られる。

本発明においては、耐摩耗性及び耐食性に優れ、且つ高精度に加工された磁気テープ切断用超硬合金製丸刃を提供することができる。

本発明についてさらに詳細に説明する。

まず、超硬合金製丸刃等のテープ切断用スリッターナイフにおいて、磁気テープの切断時に発生する摩耗は、単に超硬合金自体の硬さを高くするだけでは解消できない。すなわち、磁気テープの切断は、超硬合金の上下刃が互いに接することによって切断するため、超硬合金自体の硬度の向上を図ると超硬合金が欠け、細かいチッピングが生じる。そのため、細かい欠けを有する超硬合金により摩耗とチッピングがいっそう促進される。さらには、最近の細かく硬い磁性粉が切断時に脱落し、超硬合金の摩耗を促進させていることが判明した。

また、下刃は切断精度を維持するために切断時の軸に組んだまま外径研磨する為、研磨液が下刃の間にしみ込み、腐食が進みやすい。さらに、寿命が来て下刃を分解する際に、軸に付着して分解し難い問題点も有している。

そこで、本発明者らは、磁気テープ切断用の超硬合金製丸刃の耐摩耗性を向上させるために、超硬合金自体の靭性を低下させることなく、且つ加工精度が維持できる方法として、表面部のみの特性を変えることの出来るイオン注入法に着目し、種々の条件を試行し、本発明を完成させたものである。

本発明においては、超硬合金丸刃の表面に窒素イオンを注入することによって、表層部に存在するＷＣやＣｏに窒素イオンが注入される。その結果、表面部の極一部の表面層が窒素を含む粒子に変化させることができ、この表面部の耐摩耗性を向上させることができるものである。

この方法は、硬質皮膜の密着硬度を変えたり、密着強度を変える方法ではなく、超硬合金の表面部の特性を温度の上昇を伴わずに変える方法である。

したがって、母材の特性は変わらず、加工精度が維持でき、且つ、表層部の特性を変えるができる。

このように、本発明の磁気テープ切断用の超硬合金製丸刃は、全ての加工が終了した前記丸刃に窒素イオンの注入を行う。イオン注入の方法は全方位から行えるＰＢＩＩ（Ｐｌａｓｍａ−ＢａｓｅｄＩｏｎＩｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）法によって行う。イオン注入量は１０^２０／ｃｍ^２以上で、窒素イオン注入エネルギーが１５ｋｅＶ以上である。

本発明の超硬合金製丸刃において、その表面部に窒素イオンを注入し、この合金表層部に窒素を含有する磁気テープ切断用スリッターナイフについて、上記のように、限定した理由について述べる。

まず、窒素イオン注入量について述べる。

本発明において、窒素イオン注入量を１０^２０／ｃｍ^２以上としたのは、この値以下では超硬合金中の窒素イオン濃度が高くならず、所望の切断時の耐摩耗性、耐食性を期待できない。なお、本発明品を得るための窒素イオン注入量の上限は、下記表１から分かるとおり１０^２５／ｃｍ^２であれば良い。

次に、窒素イオンエネルギーについて述べる。

窒素イオンのイオン注入エネルギーに関して１５ｋｅＶ以上にしたのは、イオン注入エネルギーがこの値以下では、表面からのイオン注入が起こらず、スパッタもしくは、膜を形成するからである。なお、本発明品を得るための窒素イオンのイオン注入エネルギーの上限は、図１及び下記表１から分かるとおり２５ＫｅＶであれば良い。

それでは、本発明の超硬合金製丸刃の具体例について述べる。

（例１）
原料粉末として平均粒径０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、平均粒径１．３μｍの炭化クロム、平均粒径１．５μｍの炭化タンタル、平均粒径１．３μｍのコバルトを下記表１に示した組成になるように配合した後、アルコール中で，湿式混合にて１２時間混合した。

混合後、減圧乾燥し１００ＭＰａ（１０００ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力でプレス成形した。成形サイズは外径φ２００ｍｍ、内径φ１４０ｍｍで厚み２．０ｍｍであった。ついで１４００℃，１．３３Ｐａ（０．０１ｔｏｒｒ）１時間真空焼結後、１３５０℃，１００ＭＰａ（１０００ｋｇ／ｃｍ^２），１時間アルゴン雰囲気で熱間静水圧プレス処理（ＨＩＰ）を施した。なお、腐食の試験を行うために、３０×１０×５ｍｍのプレス体を同様に製作し焼結からイオン注入まで同一の条件で行った。

黒皮の焼結体を平面研削盤、ロータリー研摩機、ラップ加工機にて磁気テープ用スリッターナイフに仕上げた。製品サイズは上刃として外径φ１５０ｍｍ、内径φ１１０ｍｍ、厚み１．６ｍｍの刃先角度３０度に加工した。なお切断面についてはＲｙ０．１Ｓの鏡面仕上げとした。下刃については外径φ１５０ｍｍ、内径φ１１０ｍｍ、厚み６．３ｍｍのＷＣ−１５％Ｃｏ合金を用いた。面精度は上刃同様Ｒｙ０．１Ｓの鏡面仕上げとした。但し、イオン注入は行っていない。

その後、ＰＢＩＩにより窒素イオン注入を行った。また、比較合金は、本発明合金と同様の製造加工を行った。違いとしては、イオン注入を行わなかったこと、もしくは注入条件を変えたことである。

以上、これらの結果をまとめて下記表１に示した。なお、比較合金１１にはＣＶＤでＴｉＣＮのコーティング処理を施した。膜厚としては５μｍに調整した。

図１に、上記表１の試料１に示した合金の窒素イオン注入後の窒素濃度を、ＸＰＳで分析した結果を示した。注入なしや１０ＫｅＶでイオン注入した合金では、表面からの窒素濃度はほとんど観察されないが、１５ＫｅＶ以上でイオン注入した合金では、窒素が確認された。

図２はスリッタナイフの摩耗の説明に供せられる図で（ａ）は正面図、（ｂ）は拡大図である。図２に示すように、スリッタナイフ装置１０は、第１の回転軸１１によって、回転可能な超硬合金製のディスク状の上刃１と、第１の回転軸１１に並行な第２の回転軸１２によって回転可能な同じく超硬合金製のディスク状の下刃２とを備えている。上刃１と下刃２は、互いの対向する端面１ａ，２ａとし外周面１ｂ，２ｂ間に形成される角部１ｃ，２ｃによって、被切断物を挟み込むことで切断するものである。上刃の摩耗、チッピング部分とは角部１ｃに形成される。

下記表２には磁気テープ切断用テスト条件を示した。使用した磁気テープは大容量用コンピューターバックアップテープを用いた。

また、評価は上刃として評価を行い、１００，０００ｍ切断した時の、刃先の摩耗、チッピングの有無を光学顕微鏡で調査した。

摩耗は図２に示した部分を観察した。それぞれの判定基準については、刃先の磨耗、チッピングともには１０μｍとした。本発明合金１と比較合金６のように、超硬合金組成の同じ組み合わせで比較した。

比較の組み合わせは、１−６、２−７、３−８、４−９、５−１０で結果は表３に示した。

ここで、上記表２におけるスリップ率とは、テープの切断面をよくするために、テープの送りスピードに対する上下刃のスリップする割合を言う。

上記表３から分かるように、イオン注入したスリッターナイフの摩耗、チッピングはいずれも比較スリッターナイフよりも優れることが分かる。また、本発明の例に関しては、下刃についても同様なことがいえる。

（例２）
上記例１で試作した試験片を、研削、鏡面に仕上げを施し、下記表４に示すように１０％塩酸（１０％ＨＣＬと表示）及び１０％硝酸溶液（１０％ＨＮＯ３と表示）の各溶液に浸漬し、腐食減量を測定し、単位時間当たりの腐食量を求め、腐食速度とした。その結果を下記表４に示した。

上記表４に示すように、本発明合金１，３，５は、１０％塩酸に関しては、０．４２ｇ／ｍ^２・ｈｒ以下で、１０％硝酸に関しては、０．１６ｇ／ｍ^２・ｈｒ以下であり、一方、比較合金６，８，１０の１０％硝酸に関しては、１．３５ｇ／ｍ^２・ｈｒ以上、１０％硝酸に関して０．７３ｇ／ｍ^２・ｈｒ以上であり、本発明合金が明らかに耐腐食性に優れていることがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、超硬合金製丸刃において、その表面に窒素イオンを注入し、該合金表層部に窒素を含有する磁気テープ切断用スリッターナイフとすることによって、そのスリッターナイフの耐摩耗性、チッピング、耐食性を著しく改善させることをできる。

本発明に係る超硬合金製丸刃は、記録媒体すなわち、オーディオテープ、ビデオテープそしてコンピューター用のバックアップとして用いられる磁気テープの切断に用いられるスリッターナイフとして最適である。

本発明の実施の形態に用いられる超硬合金への窒素イオン注入後の窒素濃度をＸＰＳで分析した結果を示す図である。スリッタナイフの摩耗の説明に供せられる図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は拡大図である。

符号の説明

１上刃
１ａ端面
１ｂ外周面
１ｃ角部
２下刃
２ａ端面
２ｂ外周面
２ｃ角部
３上刃の摩耗、チッピング部分
１０スリッタナイフ装置
１１第１の回転軸
１２第２の回転軸

Claims

超硬合金製丸刃において、少なくとも刃先の表面部に窒素イオンを注入してなり、前記表面部に窒素を含有することを特徴とする超硬合金製丸刃。
請求項１に記載の超硬合金製丸刃において、前記少なくとも刃先の表面部には、ＣＶＤ等で被覆された膜が存在しない状態で、窒素イオンが注入されていることを特徴とする超硬合金製丸刃。
請求項１又は２に記載の超硬合金製丸刃において、前記少なくとも刃先の表面部に黒皮を有せず、研削面もしくはラップ面から形成されており、且つ、その表面部に窒素イオンを注入されて、前記表面部の表層部に窒素を含有することを特徴とする超硬合金製丸刃。
請求項１乃至３の内のいずれか一つに記載の超硬合金製丸刃において、イオン注入による窒素イオン注入量が１０^２０／ｃｍ^２以上であることを特徴とする超硬合金製丸刃。
請求項１乃至４の内のいずれか一つに記載の超硬合金製丸刃において、窒素イオン注入エネルギーが１５ｋｅＶ以上の窒素イオン注入が施されていることを特徴とする超硬合金製丸刃。
請求項１乃至５の内のいずれか一つに記載の超硬合金製丸刃において、磁気テープ切断用スリッターナイフに用いられることを特徴とする超硬合金製丸刃。