JP2010196085A

JP2010196085A - 工具および工具の製造方法、スロッタナイフ、ダンボール製函機

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Publication number: JP2010196085A
Application number: JP2009039476A
Authority: JP
Inventors: Toyoaki Yasui; 豊明安井; Yuya Konno; 勇哉紺野; Hiroshi Ishibuchi; 浩石渕; Osamu Hatano; 治波多野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: JP5496521B2

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れ、長期に渡って使用できる寿命の長い工具および工具の製造方法を提供する。
【解決手段】工具鋼からなる基材２と、基材２の表面の少なくとも一部を、グロー放電により窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層３と、プラズマイオン窒素拡散層３上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層４とを備える工具とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、耐摩耗性に優れた工具および工具の製造方法、スロッタナイフ、ダンボール製函機に関し、特に、ダンボール製函機においてダンボールシートに溝を加工するスロッタナイフとして好適に用いられる工具に関する。

従来から、ダンボール製函機には、給紙部から一枚ずつ供給されたダンボールシートに所定の印刷を施す印刷部と、印刷されたダンボールシートに、罫線やスロット、糊付用のフラップ等の形成加工及び化粧断ちのためのスリットの切断などを行うスロッタクリーザ部とが備えられている（例えば、特許文献１参照）。

通常、スロッタクリーザ部には、剪断によってダンボールシートに溝を加工するための上下一対のスロッタナイフが備えられている。上スロッタナイフは、上スロッタ軸に備えられた上スロッタヘッドに取り付けられている。また、下スロッタナイフは、下スロッタ軸に備えられた下スロッタヘッドに取り付けられている。そして、上スロッタ軸および下スロッタ軸の回転によって、上下一対のスロッタナイフが上スロッタヘッドおよび下スロッタヘッドを介して、それぞれ回転駆動されるようになっている。

一般に、スロッタナイフは、合金工具鋼や冷間ダイス鋼、高速度鋼具鋼などの工具鋼からなる。工具鋼からなるスロッタナイフは、ダンボールシートを切断することにより、ダンボールシート中に含まれているＳｉＯ_２やＡｌＯ_３などの硬質粒子と接触して磨耗減肉していく。スロッタナイフが磨耗減肉すると、切断面が荒れてしまうため切断品質が劣化する。
この問題を解決する方法としては、例えば、スロッタナイフの表面に、ＴｉＮやダイヤモンドなどのコーティング皮膜を形成することにより、耐摩耗性を向上させ、スロッタナイフの寿命を延ばす方法などが挙げられる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−４０９９７号公報実開平７−６９０号公報

しかしながら、従来のコーティング皮膜を有するスロッタナイフなどの工具では、基材からコーティング皮膜が剥離して、コーティング皮膜の優れた耐摩耗性を十分に生かすことができず、スロッタナイフなどの工具の寿命を十分に延ばすことができなかった。このため、工具の寿命をさらに向上させることが要求されていた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性に優れ、長期に渡って使用できる寿命の長い工具および工具の製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、耐摩耗性に優れ、しかも長期に渡って使用できる寿命の長いスロッタナイフを提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために、以下に示すように、鋭意検討した。
通常、ダンボール製函機に工具として備えられているスロッタナイフは、高速で回転されながら、２００〜３００ｍ／ｍｉｎの高速で搬送されるダンボールシートに溝を加工する。したがって、ダンボールシートに溝を加工しているスロッタナイフには、高いせん断荷重が負荷される。本発明者らは、このようなダンボールシートの溝加工に伴うせん断荷重によって、従来のコーティング皮膜を有するスロッタナイフのコーティング皮膜が剥離すると考えた。

そして、本発明者は、ダンボールシートの溝加工に伴うせん断荷重が負荷されても、コーティング皮膜の剥離が生じにくいものとするために鋭意検討を重ねた。その結果、基材とコーティング層との間に、窒素の拡散されてなる窒素拡散層を設け、窒素拡散層上に、窒素拡散層との密着性に優れた材料であって、しかも高い耐摩耗性が得られる材料である金属窒化物からなるコーティング層を設けることで、コーティング皮膜と基材との密着性を向上させればよいことを見出し、本発明を完成した。即ち、本発明は以下に関する。

（１）工具鋼からなる基材と、前記基材の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層とを備えることを特徴とする工具。
（２）前記プラズマイオン窒素拡散層の厚みが１０μｍ以上６０μｍ未満の範囲であることを特徴とする（１）に記載の工具。
（３）前記コーティング層がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなることを特徴とする（１）または（２）に記載の工具。

（４）工具鋼からなる基材の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより、前記基材の表面の少なくとも一部に窒素を拡散させてプラズマイオン窒素拡散層を形成する工程と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に、金属窒化物からなるコーティング層を形成する工程とを備えることを特徴とする工具の製造方法。
（５）前記プラズマイオン窒素拡散層を形成する工程は、グロー放電によりアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスをプラズマ化して前記基材の表面をイオン窒化する工程を含むことを特徴とする（４）に記載の工具の製造方法。
（６）前記コーティング層をＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種により形成することを特徴とする（４）または（５）に記載の工具の製造方法。

（７）ダンボールシートに溝を加工するスロッタナイフであって、前記ダンボールシートと接する被接触面の少なくとも一部が、工具鋼からなる基材の表面に窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層とを有する耐摩耗面とされていることを特徴とするスロッタナイフ。
（８）雄刃と雌刃との剪断によってダンボールシートに溝を加工する一対のスロッタナイフであり、前記一対のスロッタナイフそれぞれは、切断時に前記ダンボールシートの切断面と対向して配置される切断面対向部を有するものであり、前記一対のスロッタナイフの切断面対向部のうち、一方のスロッタナイフの前記切断面対向部のみ前記耐摩耗面とされていることを特徴とする（７）に記載のスロッタナイフ。
（９）前記コーティング層がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなることを特徴とする（７）または（８）に記載のスロッタナイフ。
（１０）（７）〜（９）のいずれかに記載のスロッタナイフを備えることを特徴とするダンボール製函機。

本発明の工具は、工具鋼からなる基材と、前記基材の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層とを備えるものであり、プラズマイオン窒素拡散層とコーティング層との密着性が優れているため、コーティング層が剥離しにくいものとなる。また、コーティング層が金属窒化物からなるものであるので、優れた耐摩耗性が得られる。したがって、本発明の工具は、長期に渡って使用できる寿命の長いものとなる。

また、本発明の工具の製造方法は、工具鋼からなる基材の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより、前記基材の表面の少なくとも一部に窒素を拡散させてプラズマイオン窒素拡散層を形成する工程と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に、金属窒化物からなるコーティング層を形成する工程とを備える方法であるので、長期に渡って使用できる寿命の長い本発明の工具を製造できる。

また、本発明のスロッタナイフは、ダンボールシートに溝を加工するスロッタナイフであって、前記ダンボールシートと接する被接触面の少なくとも一部が、工具鋼からなる基材の表面に窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層とを有する耐摩耗面とされているものであるので、コーティング層が剥離しにくく、優れた耐摩耗性が得られ、長期に渡って使用できる寿命の長いものとなる。
また、本発明のダンボール製函機は、本発明のスロッタナイフを備えるものであるので、長期に渡って使用できる寿命の長いものとなる。

図１は、本発明のスロッタナイフを備えた本発明のダンボール製函機の一例を説明するための概略模式図である。図２は、図１に示すダンボール製函機を通過した後のダンボールシート１の形状を説明するための斜視図である。図３は、図１に示すダンボール製函機の一部のみを拡大して示した拡大模式図であり、ダンボールシートの進行方向に沿う方向から見た図である。図４は、図１に示すダンボール製函機の一部のみを拡大して示した拡大模式図であり、ダンボールシートの進行方向と直交する方向から見た断面図である。図５は、図１に示すダンボール製函機に備えられているスロッタナイフを示した斜視図である。図６は、図１に示すダンボール製函機に備えられているスロッタナイフを説明するための断面図である。図７は、図１に示すダンボール製函機に備えられているスロッタナイフを説明するための図であり、スロッタナイフの表面の一部のみを示した拡大断面図である。図８（ａ）は、表１に示す基材の側面図であり、図８（ｂ）は、ピンオンディスク式磨耗試験を説明するための図である。図９は、実験例１〜７の試験体の比磨耗量を示したグラフである。図１０は、スクラッチ試験を説明するための斜視図である。図１１はスクラッチ剥離荷重と窒素拡散層の厚さとの関係を示したグラフである。図１２は、基材をマスキングする方法の例を説明するための図である。図１２（ａ）は、マスキング板を用いる方法を説明するための斜視図であり、図１２（ｂ）は、マスキング箱を用いる方法を説明するための斜視図であり、図１２（ｃ）は図１２（ｂ）のＡ−Ａ‘断面図である。

以下、本発明の工具および工具の製造方法、スロッタナイフ、ダンボール製函機について、詳細に説明する。
図１は、本発明のスロッタナイフを備えた本発明のダンボール製函機の一例を説明するための概略模式図である。また、図２は、図１に示すダンボール製函機を通過した後のダンボールシート１の形状を説明するための斜視図である。図３は、図１に示すダンボール製函機の一部のみを拡大して示した拡大模式図であり、ダンボールシートの進行方向に沿う方向から見た図である。図４は、図１に示すダンボール製函機の一部のみを拡大して示した拡大模式図であり、ダンボールシートの進行方向と直交する方向から見た断面図である。また、図５〜図７は、図１に示すダンボール製函機に備えられているスロッタナイフを説明するための図であり、図５は斜視図であり、図６は断面図であり、図７は、スロッタナイフの表面の一部のみを示した拡大断面図である。

図１に示すダンボール製函機は、給紙部５０と印刷部５１とスロッタクリーザ部５２とを備えている。給紙部５０は、コルゲートマシン（図示略）で製造されたダンボールシート１を一枚ずつ印刷部５１に供給するものである。また、印刷部５１は、給紙部５０から供給されたダンボールシート１に所定の印刷を施すものである。また、スロッタクリーザ部５２は、印刷部５１で印刷されたダンボールシート１に、罫線やスロット（溝）、糊付用のフラップ等の形成加工及び化粧断ちのためのスリットの切断などの加工を行うものである。
本実施形態においては、コルゲートマシンで製造されたダンボールシート１は、図１に示すダンボール製函機を通過することにより、図２に示すように、スロットＳや糊付用のフラップＦ、化粧断ちのためのスリットＬを有するダンボール箱の展開形状とされる。

スロッタクリーザ部５２には、図１および図３に示すように、上スロッタ軸１０および下スロッタ軸１１が備えられている。上スロッタ軸１０および下スロッタ軸１１は、図３において矢印１８ａ，１８ｂで示されるように相反する方向に、それぞれ回転駆動されるようになっている。

上スロッタ軸１０には上スロッタヘッド１２が備えられ、上スロッタヘッド１２には２枚の上スロッタナイフ１４ａ，１４ｂ（２つの上スロッタナイフ１４ａ，１４ｂを区別しない場合は符号１４で示す）が、図３に示すように、円周方向に所定の間隔を空けて取り付けられている。また、下スロッタ軸１１には下スロッタヘッド１３が備えられ、下スロッタヘッド１３には下スロッタナイフ１６が取り付けられている。

上スロッタナイフ１４は、図４に示すように、上スロッタヘッド１２と押え板１５とに挟持されて固定されており、図３および図５に示すように、円弧状の形状とされている。
また、下スロッタナイフ１６は、図４〜図６に示すように、２枚の円弧状の下ナイフ１６ａ，１６ｂを有するものである。下スロッタナイフ１６は、２枚の下ナイフ１６ａ，１６ｂが軸方向に間隔１７を有して下スロッタヘッド１３に取り付けられて一体化されていることによって、雌刃として機能するようになっている。

上下スロッタナイフ１４，１６は、上下スロッタ軸１０，１１が回転駆動されることによって、図６（ａ）に示すように、ダンボールシート１のスロットＳの形成される位置に配置され、さらに、上下スロッタ軸１０，１１が回転駆動されることによって、図４に示すように、上スロッタナイフ１４が、２枚の下ナイフ１６ａ，１６ｂの間に雄刃として嵌入され、ダンボールシート１にスロットＳを形成する。すなわち、スロットＳは、雄刃である上スロッタナイフ１４と雌刃である下スロッタナイフ１６との剪断によって形成される。

また、本実施形態においては、２枚のスロッタナイフ１４が上スロッタヘッド１２の円周方向に離間して配置されていることによって、図２に示すように、ダンボールシート１のシート進行方向の前後にスロットＳが所定の間隔を空けて加工されるようになっている。また、本実施形態においては、上下スロッタヘッド１２，１３および上下スロッタナイフ１４，１６が、加工されるスロットＳの数で所定の間隔を空けて一対の上下スロッタ軸１０，１１に設置されていることによって、上下スロッタ軸１０，１１の回転駆動により、図２に示すように、スロットＳがダンボールシート１のシート進行方向の左右方向に所定の数および所定の間隔で加工されるようになっている。

また、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６はそれぞれ、図６（ａ）に示すように、ダンボールシート１の表面と対向して配置される表面対向部１４ｃ、１６ｃと、切断時にダンボールシート１の切断面と平行して配置される切断面対向部１４ｄ、１６ｄとを有している。表面対向部１４ｃ、１６ｃおよび切断面対向部１４ｄ、１６ｄは、図４および図６（ａ）に示すように、ダンボールシート１と接する被接触面である。

本実施形態においては、図６（ｂ）に示すように、下スロッタナイフ１６の表面対向部１６ｃと、上スロッタナイフ１４の切断面対向部１４ｄとが、図７に示す耐摩耗面５とされている。したがって、本実施形態においては、一対のスロッタナイフ１４、１６の切断面対向部１４ｄ、１６ｄのうち、上スロッタナイフ１４の切断面対向部１４ｄのみ耐摩耗面５とされており、下スロッタナイフ１６の切断面対向部１６ｄは耐摩耗面５とされていない。

耐摩耗面５は、基材２の表面に窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層３（以下、「窒素拡散層」と略記する。）と、窒素拡散層３上に設けられたコーティング層４とを有するものである。
基材２は、工具鋼からなるものである。工具鋼としては、例えば合金工具鋼（ＪＩＳＳＤＫ）や高速度工具鋼（ＪＩＳＳＫＨ）などを用いることができる。

また、窒素拡散層３は、基材２の表面に窒素が拡散されてなるものであり、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられたものである。窒素拡散層３は、優れた硬さを有し、コーティング層４を構成する窒化物との結合力に優れている。
窒素拡散層３の厚みは１０μｍ以上６０μｍ未満の範囲であることが好ましい。窒素拡散層３の厚みが１０μｍ以上であると、より一層優れた硬さを有する窒素拡散層３になるとともに、コーティング層４を構成する窒化物との結合力がより一層優れた窒素拡散層３となり、コーティング層４の剥離を効果的に防止できるとともに、より一層耐摩耗性に優れた耐摩耗面５が得られる。しかし、窒素拡散層３の厚みが６０μｍ以上であると、窒素拡散層３が脆くなり、ダンボールシート１の溝加工に伴うせん断荷重によって、窒素拡散層３や基材２が割れる恐れがある。

また、窒素拡散層３は、窒素拡散層３中に含まれるＮの濃度が高い程、優れた硬さを有するものとなるため好ましいが、Ｎの濃度が高すぎると脆いものとなる。窒素拡散層３が脆いと、ダンボールシート１の溝加工に伴うせん断荷重によって窒素拡散層３や基材２に割れが発生しやすくなる。

また、窒素拡散層３は、表面が平滑であることが好ましい。具体的には、窒素拡散層３の表面粗さＲａが０．３〜１．０μｍの範囲であることが好ましい。
窒素拡散層３の表面が粗い場合、コーティング層４の厚みを十分に厚くすることにより、耐摩耗面５の表面を平滑にしなければならなくなるので、コーティング層４の厚みを後述する好ましい範囲にできなくなる恐れがある。これに対し、窒素拡散層３の表面が平滑なものである場合、コーティング層４の厚みを容易に好ましい範囲とすることができる。

コーティング層４は、金属窒化物からなるものであり、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなるものであることが好ましい。コーティング層４は、金属窒化物からなるものであるので、窒素拡散層３と優れた密着性が得られる。
コーティング層４の厚みは１μｍ〜１０μｍの範囲であることが好ましく、３μｍ〜５μｍの範囲であることがより好ましい。コーティング層４の厚みが１０μｍを超えると、成膜時の皮膜応力が増大し，コーティング層４が脆くなり、ダンボールシートの溝加工に伴うせん断荷重によって、コーティング層４の剥離が生じやすくなる。

このような耐摩耗面５を有する上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６を製造するには、まず、工具鋼を上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６に対応する形状となるように加工する。
次に，上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６に対応する形状の工具鋼からなる基材２の表面を水系アルカリ洗浄することにより切削油を洗浄除去する。
次に，基材２の表面のうち耐摩耗面５を形成しない部分のマスキングを行う。
マスキングは，例えば、図１２（ａ）に示すように、ＳＵＳ４３０などのステンレス鋼からなる厚み１０μｍ程度のマスキング板２１で、基材２の耐摩耗面５を形成しない部分を覆う方法や、あるいは，図１２（ｂ）および図１２（ｃ）に示すように、基材２をステンレス鋼などからなるマスキング箱２２に、耐摩耗面５を形成する領域のみが露出されるように収納する方法などが用いられる。
次に、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６に対応する形状の工具鋼からなる基材２の表面における所定の位置に、窒素を拡散させて窒素拡散層３を形成する。

窒素拡散層３を形成する方法としては、工具鋼からなる基材２の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより、基材２の表面の少なくとも一部に窒素を拡散させる方法（以下、「プラズマイオン窒化法」という。）を用いる。
プラズマイオン窒化法としては、グロー放電によりアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスをプラズマ化して、ＮＨラジカルおよび窒素分子イオン（Ｎ_２ ⁺）を発生させて基材２の表面をイオン窒化する工程を含む方法を用いることが好ましい。

なお、プラズマイオン窒化法以外の窒素拡散層３を形成する方法としては、イオン窒化法、イオン注入法、ガス窒化法、塩浴窒化法などが考えられる。
イオン窒化法としては、グロー放電により窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを導入し、イオン化した窒素と基材２とを反応させて、基材２の表面を窒化する方法が挙げられる。

また、ガス窒化法としては、アンモニア気流中で基材２の表面を５００℃程度に加熱し、アンモニアの解離により発生した窒素を基材２の表面から深さ方向に拡散させる方法が挙げられる。
塩浴窒化法としては、５００℃〜６００℃に加熱された青化ソーダ（シアン化ナトリウム）を主体とする塩浴に基材２の表面を浸漬させて、基材２に含まれるＦｅの触媒作用によりＮａＣＯＮが分解されて生成したＮを、基材２の表面から深さ方向に拡散させる方法が挙げられる。

しかし、窒素拡散層３を形成する方法としては、以下に示す理由により、プラズマイオン窒化法を用いる。
例えば、ガス窒化法や塩浴窒化法、プラズマを用いないイオン窒化法を用いた場合、得られた窒素拡散層３の表面に、基材２を構成するＦｅとの化合物であるＦｅ−Ｎからなる化合物層が形成される。Ｆｅ−Ｎからなる化合物層は、優れた硬さを有するものであるが、脆いものである。このため、窒素拡散層３の表面に、Ｆｅ−Ｎからなる化合物層が形成されていると、Ｆｅ−Ｎからなる化合物層がない場合と比較して、ダンボールシート１の溝加工に伴うせん断荷重によって窒素拡散層３や基材２に割れが発生しやすくなる。
これに対し、プラズマイオン窒化法を用いた場合、得られた窒素拡散層３は、基材２の表面から深さ方向に均一に窒素が分散・拡散されたものとなる。その結果、窒素拡散層３を形成する際に、プラズマイオン窒化法を用いた場合、ガス窒化法や塩浴窒化法、プラズマを用いないイオン窒化法を用いた場合と比較して、ダンボールシートの溝加工に伴うせん断荷重による窒素拡散層３や基材２の割れが発生しにくく、寿命の長い耐摩耗面５が得られる。

また、窒素拡散層３を形成する際に、プラズマイオン窒化法を用いた場合、ガス窒化法や塩浴窒化法、プラズマを用いないイオン窒化法を用いた場合と比較して、窒素拡散層３の表面が平滑なものとなるため好ましい。これらの理由から、窒素拡散層３を形成する方法としては、プラズマイオン窒化法を用いる。

次に、このようにして得られた窒素拡散層３上に、金属窒化物である例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなるコーティング層４を形成する。
コーティング層４を形成する方法としては、特に限定されないが、スパッタリング法やイオンプレーティング法などが挙げられる。

本実施形態の上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６は、ダンボールシート１に溝を加工するスロッタナイフであって、ダンボールシート１と接する被接触面の少なくとも一部が、工具鋼からなる基材２の表面に窒素が拡散されてなる窒素拡散層３と、窒素拡散層３上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層４とを有する耐摩耗面５とされているので、窒素拡散層３とコーティング層４との密着性が優れているものとなり、コーティング層４が剥離しにくいものとなる。

また、本実施形態の上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６は、コーティング層４が金属窒化物からなるものであるので、優れた耐摩耗性を有するものとなる。したがって、本実施形態の上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６は、長期に渡って使用できる寿命の長いものとなる。
また、本実施形態の上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６において、コーティング層４がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなるものである場合、窒素拡散層３とコーティング層４との密着性がより一層優れたものとなるとともに、より一層優れた耐摩耗性を有するものとなる。

また、本実施形態の上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６は、雄刃と雌刃との剪断によってダンボールシート１に溝を加工する一対のスロッタナイフ１４、１６であり、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６のそれぞれは、切断時にダンボールシート１の切断面と対向して配置される切断面対向部１４ｄ、１６ｄを有するものであり、一対のスロッタナイフ１４、１６の切断面対向部１４ｄ、１６ｄのうち、上スロッタナイフ１４の切断面対向部１４ｄのみ耐摩耗面５とされているので、以下に示すように、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の寿命を効果的に長くできる。

すなわち、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の切断面対向部１４ｄ、１６ｄのうち、上スロッタナイフ１４または下スロッタナイフ１６いずれか一方の切断面対向部のみ耐摩耗面５とされている場合、ダンボールシート１に溝を加工するときの剪断によって、耐摩耗面５同士が接触するのは、図４に示すように、図６（ａ）において符号１４ｅ、１６ｅで示される上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６のエッジ部のみとなる。その結果、切断面対向部１４ｄ、１６ｄの磨耗の進行が抑制され、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の寿命を効果的に長くできる。
これに対し、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の切断面対向部１４ｄ、１６ｄが両方とも耐摩耗面５とされている場合、ダンボールシート１に溝を加工するときの剪断によって、耐摩耗面５同士が接触することになるので、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の切断面対向部１４ｄ、１６ｄの磨耗が進行しやすい。

また、本実施形態の上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の製造方法は、工具鋼からなる基材２の表面に窒素を拡散してなる窒素拡散層３を形成する工程と、窒素拡散層３上に、金属窒化物からなるコーティング層４を形成する工程とを備える方法であるので、長期に渡って使用できる寿命の長い上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６を製造できる。

なお、本発明は本実施形態のスロッタナイフに限定されるものではない。
例えば、本実施形態においては、本発明の工具の一例としてスロッタナイフを例に挙げて説明したが、本発明の工具はスロッタナイフのみに限定されるものではなく、例えば、印刷用トリミングナイフなどにも適用できる。

また、本実施形態においては、一対のスロッタナイフ１４、１６の切断面対向部１４ｄ、１６ｄのうち、上スロッタナイフ１４の切断面対向部１４ｄのみ耐摩耗面５とされており、下スロッタナイフ１６の切断面対向部１６ｄは耐摩耗面５とされていないものとしたが、本発明のスロッタナイフにおいては、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の被接触面の少なくとも一部が、耐摩耗面とされていればよい。例えば、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の表面全面が図７に示す耐摩耗面５とされていてもよいし、図６（ｃ）に示すように、上スロッタナイフ１４の表面対向部１４ｃと、下スロッタナイフ１６の切断面対向部１６ｄとが、図７に示す耐摩耗面５とされていてもよい。図６（ｃ）に示すように、上スロッタナイフ１４の表面対向部１４ｃと下スロッタナイフ１６の切断面対向部１６ｄとが耐摩耗面５とされている場合、耐摩耗面５同士が接触するのは、図４に示すように、図６（ａ）において符号１４ｅ、１６ｅで示される上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６のエッジ部のみとなる。したがって、切断面対向部１４ｄ、１６ｄの磨耗の進行が抑制され、上スロッタナイフ１４および下スロッタナイフ１６の寿命を効果的に長くできる。

「実験例１、実験例３」
表１に示す材料からなる基材の表面に、表１に示す方法により表１に示す材質および厚みのコーティング層を形成して試験体とした。
「実験例２、実験例４、実験例５」
表１に示す材料からなる基材の表面に、表１に示す方法により表１に示す厚さの窒素拡散層を形成し、窒素拡散層上に表１に示す方法により表１に示す材質および厚みのコーティング層を形成し、試験体とした。
「実験例６」
表１に示す材料からなる基材（１％Ｃ−１％Ｃｒ−１％Ｍｏを含む合金工具鋼）からなる試験体を用意した。
「実験例７」
表１に示す材料からなる試験体を用意した。

なお、表１に示す基材としては、図８（ａ）に示すように、平面視円形の頭部６と、頭部６の下面に接続された円柱状の足部７とからなる断面視略Ｔ字型の形状を有し、頭部６の表面粗さが１．６Ｓ以下のものを用いた。また、図８（ａ）に示した寸法の単位はｍｍである。また、表１に示す基材は、アセトンで洗浄した後、乾燥させたものである。また、上記の実験例１〜５の試験体においては、頭部６の上面および側面にのみコーティング層を設けた。

表１において、ＡＬＰとは、アーク放電式イオンプレーティング法を意味する。
また、表１に示すプラズマイオン窒化法としては、以下に示す方法を用いた。すなわち、チャンバー内に、基材を設置し、外部加熱ヒーターを用いて窒素拡散層の形成される基材の表面が４００℃となるように加熱し、直流電源によりグロー放電を発生させた。その後、チャンバー内にプロセスガスとして、アンモニアと水素の混合ガスを供給してプラズマ化し、ＮＨラジカルおよび窒素分子イオン（Ｎ_２ ⁺）を発生させて、基材の表面をイオン窒化した。

なお、実験例１〜７の試験体のうち、窒素拡散層を有する実験例２、実験例４、実験例５は、本発明の実施例であり、窒素拡散層のない実験例１、実験例３、窒素拡散層およびコーティング層のない実験例７は、比較例であり、実験例６は、従来例である。
このようにして得られた実験例１〜７の試験体について、頭部６の表面（耐磨耗面）のビッカーズ硬さ（Ｈｖ）を測定した。その結果を表１に示す。
また、以下に示すピンオンディスク式磨耗試験を用いて、以下に示すように、実験例１〜７の試験体の対磨耗面の耐摩耗性を評価した。

「耐摩耗性評価方法」
図８（ｂ）は、ピンオンディスク式磨耗試験を説明するための図である。図８（ｂ）に示すように、耐磨耗面を表２に示すエメリー紙８側に向けて試験体１９をディスク９に取り付け、ディスク９を表２に示す回転速度Ｒでさせながら、表２に示す荷重Ｐ（圧力０．０５ｋｇｆ／ｍｍ^２）、表２に示す距離でエメリー紙８に押し付けた。なお、ディスク９の回転中心に対して対向する試験体１０間の距離は６０ｍｍであった。また、ピンオンディスク式磨耗試験において潤滑剤は用いなかった。

そして、実験例１〜７の試験体のピンオンディスク式磨耗試験法を行う前後での重量差から単位面積当たりの磨耗量を算出し、荷重Ｐに対する磨耗量（比磨耗量）を求め、耐摩耗性を評価した。その結果を図９に示す。

図９に示すように、窒素拡散層を有する実験例２では、窒素拡散層のない実験例１と比較して、比磨耗量が少なかった。
また、窒素拡散層を有する実験例４でも、窒素拡散層のない実験例３と比較して、比磨耗量が少なかった。
また、窒素拡散層を有する実験例２、実験例４、実験例５では、窒素拡散層およびコーティング層のない実験例７と比較して、比磨耗量が少なかった。
また、コーティング層の材質がＴｉＡｌＮである実験例５では、コーティング層の材質がＴｉＮである実験例２と比較して、比磨耗量が少なかった。
また、実験例６は、金属窒化物からなるコーティング層を有している実験例１〜５や、基材の異なる実験例７と比較して、比磨耗量が多かった。

「実験例８」
表３に示す材料からなる基材の表面に、表３に示す方法により表３に示す材質および厚みのコーティング層を形成して試験体とした。
「実験例９〜実験例１１」
表３に示す材料からなる基材の表面に、表３に示す方法により表３に示す厚さの窒素拡散層を形成し、窒素拡散層上に表３に示す方法により表３に示す材質および厚みのコーティング層を形成し、試験体とした。

なお、表３に示す基材としては、図１０に示すように、縦３０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの平板２０を用いた。
また、上記の実験例９〜１１の試験体においては、平板２０の上面にのみコーティング層を設けた。

また、表３において、ＡＬＰとは、アーク放電式イオンプレーティング法を意味する。
また、プラズマイオン窒化としては、実験例２と同じ方法を用いた。
このようにして得られた実験例９〜１１の試験体の上面（耐磨耗面）に対し、以下に示すスクラッチ試験を行った。

「スクラッチ試験」
図１０に示すように、実験例９〜１１の試験体の上面（耐磨耗面）を、先端部の直径が０．２ｍｍのダイヤモンド圧子で、荷重負荷レート１００Ｎ／ｍｉｎ，走査速度１０ｍｍ／ｍｉｎで負荷を増大させながら連続的に引っかき、コーティング層の剥離又はクラックの発生点をＡＥセンサ(アコースティックエミッション）及び摩擦力センサで検出し，発生点の荷重を臨界荷重Ｌｃ（スクラッチ剥離荷重）とした。その結果を図１１に示す。

図１１に示すように、厚さ１０μｍの窒素拡散層を有する実験例１０、厚さ６０μｍの窒素拡散層を有する実験例１１では、窒素拡散層のない実験例８および厚さ５μｍの窒素拡散層を有する実験例９と比較して、スクラッチ剥離荷重が高くなった。

「実験例１２〜実験例１４」
以下に示す実験例１２〜実験例１４のスロッタナイフを備えた図１に示すダンボール製函機を用い、給紙部から５０００枚のダンボールシートをシート速度３００ｍ／ｍｉｎで供給し、スロッタクリーザ部においてスロッタナイフでダンボールシートに溝を加工した。

実験例１２：ＳＫＤ１１からなる基材の表面に、実験例２と同じ方法によりＴｉＮからなる平均厚み４μｍのコーティング層を形成し、スロッタナイフを得た。
なお、実験例１２においてコーティング層は、上スロッタナイフ１４の表面対向部１４ｃと下スロッタナイフ１６の切断面対向部１６ｄ（図６（ｃ）参照。）とに形成した。
実験例１３：実験例１２と同じ基材の表面に、実験例２と同じ方法により厚さ１０μｍの窒素拡散層を形成し、窒素拡散層上に実験例１２と同じ方法により実験例１２と同じコーティング層を形成し、スロッタナイフを得た。
なお、実験例１３において窒素拡散層およびコーティング層は、上スロッタナイフ１４の表面対向部１４ｃと下スロッタナイフ１６の切断面対向部１６ｄ（図６（ｃ）参照。）とに形成した。
実験例１４：窒素拡散層の厚さを６０μｍとしたこと以外は、実験例１３と同様にしてスロッタナイフを得た。

ダンボールシートに溝を加工した後、実験例１２〜実験例１４のスロッタナイフを取り外し，以下に示す方法により、スロッタナイフの表面の拡大観察及び断面拡大観察を行った。
表面拡大観察：光学顕微鏡を用いて拡大倍率５０〜２００倍で観察した。
断面拡大観察：マイクロカッターで切断した後、エポキシ樹脂に埋め込み，観察断面を鏡面研磨して光学顕微鏡を用いて拡大倍率５０〜２００倍で観察した。

その結果，実験例１４のスロッタナイフでは、窒素拡散層およびコーティング層に割れが認められた。また、実験例１４のスロッタナイフでは、コーティング層の一部が剥離した。また、窒素拡散層のない実験例１２のスロッタナイフでは、コーティング層に割れが認められ、コーティング層の一部が剥離した。
これに対し、実験例１３のスロッタナイフでは、割れやコーティング層の剥離は認められなかった。

１…ダンボールシート、２…基材、３…窒素拡散層、４…コーティング層、５…耐摩耗面、６…頭部、７…足部、８…エメリー紙、９…ディスク、１０…上スロッタ軸、１１…下スロッタ軸、１２…上スロッタヘッド、１３…下スロッタヘッド、１４、１４ａ，１４ｂ…上スロッタナイフ（スロッタナイフ）、１４ｃ、１６ｃ…表面対向部、１４ｄ、１６ｄ…切断面対向部、１５…押え板、１６…下スロッタナイフ（スロッタナイフ）、１６ａ，１６ｂ…下ナイフ、１７…間隔筒、２０…平板、５０…給紙部、５１…印刷部、５２…スロッタクリーザ部、Ｓ…スロット、Ｆ…フラップ、Ｌ…スリット、１９…試験体。

Claims

工具鋼からなる基材と、
前記基材の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層と、
前記プラズマイオン窒素拡散層上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層とを備えることを特徴とする工具。
前記プラズマイオン窒素拡散層の厚みが１０μｍ以上６０μｍ未満の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
前記コーティング層がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工具。
工具鋼からなる基材の表面の少なくとも一部を、窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより、前記基材の表面の少なくとも一部に窒素を拡散させてプラズマイオン窒素拡散層を形成する工程と、
前記プラズマイオン窒素拡散層上に、金属窒化物からなるコーティング層を形成する工程とを備えることを特徴とする工具の製造方法。
前記プラズマイオン窒素拡散層を形成する工程は、グロー放電によりアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスをプラズマ化して前記基材の表面をイオン窒化する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の工具の製造方法。
前記コーティング層をＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種により形成することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の工具の製造方法。
ダンボールシートに溝を加工するスロッタナイフであって、
前記ダンボールシートと接する被接触面の少なくとも一部が、工具鋼からなる基材の表面に窒素または窒素化合物を含有するガスをプラズマ化してイオン窒化することにより設けられた窒素が拡散されてなるプラズマイオン窒素拡散層と、前記プラズマイオン窒素拡散層上に設けられた金属窒化物からなるコーティング層とを有する耐摩耗面とされていることを特徴とするスロッタナイフ。
雄刃と雌刃との剪断によってダンボールシートに溝を加工する一対のスロッタナイフであり、前記一対のスロッタナイフそれぞれは、切断時に前記ダンボールシートの切断面と対向して配置される切断面対向部を有するものであり、前記一対のスロッタナイフの切断面対向部のうち、一方のスロッタナイフの前記切断面対向部のみ前記耐摩耗面とされていることを特徴とする請求項７に記載のスロッタナイフ。
前記コーティング層がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮから選ばれる１種からなることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のスロッタナイフ。
請求項７〜請求項９のいずれかに記載のスロッタナイフを備えることを特徴とするダンボール製函機。