JP2011225961A - 伸線機用キャプスタンブロック - Google Patents

Abstract

【課題】鋳物や鋼で形成されたものと同等以上の表面強度を有し、軽量で熱伝導性の優れた伸線機用キャプスタンブロックを提供することである。
【解決手段】キャプスタンブロック２を形成する母材Ｍをジュラルミンとし、外周面の母材Ｍをプラズマアークで所定の深さまで溶融して、この外周面の母材Ｍの溶融部の下部に、母材Ｍよりも比重が大きいＷＣで形成された強化粒子４を重力によって沈降、堆積させ、この強化粒子４を堆積させた堆積層５の上側に、溶融した母材Ｍを浮揚させた浮揚層６を形成して、この母材Ｍの浮揚層６の表面を平滑化し、平滑化した浮揚層６の表面に溶射法による硬質皮膜７を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属線材の伸線機に用いられる伸線機用キャプスタンブロックに関する。

金属線材の伸線機では、複数段に配列された各ダイスで伸線加工される線材を、回転駆動されるキャプスタンブロックの外周面に巻き付けて引き抜くようにしている。複数段のダイス間に配置されるキャプスタンブロックは、前段側のダイスから線材を引き抜くとともに、引き抜いた線材を後段側のダイスに送り込むようになっている。これらのキャプスタンブロックは中空の円筒状とされ、従来は鋳鉄や鋳鋼で形成されている。

前記キャプスタンブロックは、伸線加工される線材に大きな前方張力や後方張力を付与して、ダイスでの加工負荷を低減するために、前段側のダイスから引き抜かれる線材の速度よりは速く、後段側のダイスに送り込まれる線材の速度よりは遅い周速で回転駆動される。このため、キャプスタンブロックの外周面と巻き付けられる線材との間にはスリップが発生し、摩耗や焼付きが生じやすくなる。

このようなキャプスタンブロックの外周面の摩耗や焼付きを防止する手段としては、硬質クロムめっきを施す方法（例えば、特許文献１参照）や、硬質セラミック皮膜を形成する方法（例えば、特許文献２参照）によって、外周面に硬質皮膜を形成することが提案されている。特許文献２では、硬質セラミック皮膜の形成方法として、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を挙げている。

また、ダイスから引き抜かれる線材は、加工発熱によってかなり高温となり、キャプスタンブロックには、外周面に巻き付けられる線材から大きな熱負荷も付与される。このため、中空のキャプスタンブロックは、内周面に冷却水等を噴射することにより内部から冷却されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、キャプスタンブロックの外周面には、大きな張力で巻き付けられる線材から高い局部面圧が負荷されるので、表面に凹み変形が生じないように、高い表面強度が必要とされる。この局部面圧は、伸線加工される線材が、例えば、自動車のタイヤを補強するスチールコードのように、細くて高強度の線材ほど高くなる。

特開平７−１６４０３９号公報 特開２００２−２８７１５号公報 特開平８−３０９４２７号公報

上述した鋳鉄や鋳鋼で形成された従来の伸線機用キャプスタンブロックは、外周面に硬質皮膜を形成することにより、耐摩耗性や耐焼付き性を確保することはできるが、重量が重いので、ロット替えやメンテナンス等のために取り外すときのハンドリング性が悪く、回転駆動するモータの負荷も大きくなる問題がある。また、鋳鉄や鋳鋼は熱伝導性があまりよくないので、内部からの冷却水等による冷却効率が悪くなる問題もある。

そこで、本発明の課題は、鋳鉄や鋳鋼で形成されたものと同等以上の表面強度を有し、軽量で熱伝導性の優れた伸線機用キャプスタンブロックを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、伸線機のダイスで伸線加工される金属線材が外周面に巻き付けられ、回転駆動される中空円筒状の伸線機用キャプスタンブロックにおいて、前記キャプスタンブロックを形成する母材をジュラルミンとし、前記外周面の母材をプラズマアークを熱源として所定の深さまで溶融して、この外周面の母材の溶融部に、母材よりも硬質で比重が大きいＷＣまたはＷＣ−Ｃｏで形成された強化粒子を供給し、この供給した強化粒子を重力によって前記溶融部の下部に沈降、堆積させて、この強化粒子を堆積させた堆積層の上側に、前記溶融した母材を浮揚させた浮揚層を形成し、この母材の浮揚層の表面を平滑化して、平滑化した浮揚層の表面に、溶射法によって硬質皮膜を形成した構成を採用した。

すなわち、キャプスタンブロックを形成する母材をジュラルミンとすることにより、軽量で熱伝導性の優れたものとするとともに、外周面の母材をプラズマアークで所定の深さまで溶融して、この外周面の母材の溶融部の下部に、母材よりも比重が大きいＷＣまたはＷＣ−Ｃｏで形成された強化粒子を重力によって沈降、堆積させた堆積層を形成することにより、鋳鉄や鋳鋼で形成されたものと同等以上の表面強度が得られるようにし、さらに、溶融した母材を堆積層の上側に浮揚させた浮揚層の表面を平滑化して、その表面に溶射法で硬質皮膜を形成することにより、優れた耐摩耗性と耐焼付き性を確保できるようにした。また、このキャプスタンブロックは、硬質皮膜の摩耗が進行して薄くなったときに、残った硬質皮膜を除膜して再度溶射法によって硬質皮膜を形成することにより、繰り返し使用できる利点もある。

前記強化粒子の粒径を１０〜３００μｍとすることにより、強化粒子を溶融部へ安定して供給することができ、好ましくは４０〜１５０μｍとすることにより、より均一に堆積層中に分散させることができる。

前記強化粒子の堆積層の厚みを、０．３ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上とすることにより、外周面に凹み変形が生じないように、表面層を十分な深さまで強化することができる。

前記中空円筒状のキャプスタンブロックの内周面に、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、アルミ−亜鉛合金およびアルミ−マグネシウム合金の少なくともいずれかを含む溶射材料を用いて溶射皮膜を形成することにより、内周面に噴射される冷却水等による腐食を優先的に溶射皮膜に生じさせて、ジュラルミンの母材の腐食を防止することができる。溶射は、湿式めっきのように他の部分をマスキングする必要がないので、溶射皮膜が腐食したときに簡単に修復することができる。

本発明に係る伸線機用キャプスタンブロックは、形成する母材をジュラルミンとし、外周面の母材をプラズマアークで所定の深さまで溶融して、この外周面の母材の溶融部の下部に、母材よりも比重が大きいＷＣまたはＷＣ−Ｃｏで形成された強化粒子を重力によって沈降、堆積させ、この強化粒子を堆積させた堆積層の上側に、溶融した母材を浮揚させた浮揚層を形成して、この母材の浮揚層の表面を平滑化し、平滑化した浮揚層の表面に、溶射法によって硬質皮膜を形成したので、軽量で熱伝導性の優れたものとすることができるとともに、鋳鉄や鋳鋼で形成されたものと同等以上の表面強度が得られ、かつ、優れた耐摩耗性と耐焼付き性を確保することができる。

本発明に係るキャプスタンブロックを採用した伸線機を示す概略図 図１のキャプスタンブロックの縦断面概念図 図１のキャプスタンブロックの外周面を肉盛強化したＰＴＡ法を示す概念図 （ａ）は図１のキャプスタンブロックの外周面をＰＴＡ法で肉盛強化した表面層を示す顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）の堆積層の一部を拡大した顕微鏡写真 図４（ａ）の浮揚層の表面を平滑化し、平滑化した浮揚層の表面に硬質皮膜を形成した状態を示す顕微鏡写真 実施例の摩耗試験方法を示す概念図 実施例の熱伝導性試験方法を示す概念図 図７の熱伝導性試験の結果を示すグラフ

以下に、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係るキャプスタンブロック２を採用した伸線機を示す。この伸線機は、複数段に配列された各ダイス１の入口側にキャプスタンブロック２を配置し、前段側のダイス１で伸線加工される金属の線材Ｓを、回転駆動される各キャプスタンブロック２の外周面に巻き付けて引き抜き、引き抜いた線材Ｓを後段側のダイス１に順次送り込むものである。回転駆動される各キャプスタンブロック２の周速は、前段側のダイス１から引き抜かれる線材Ｓの速度よりは速く、後段側のダイス１に送り込まれる線材Ｓの速度よりは遅い速度に設定される。

図２に示すように、前記キャプスタンブロック２は、ジュラルミン（Ａ７０７５）を母材Ｍとして、中空の円筒状に形成され、巻き付けられる線材Ｓの逸脱を防止する鍔２ａが下端部に設けられており、内周面にノズル３から冷却水が噴射されて、内部から冷却されるようになっている。キャプスタンブロック２の鍔２ａの面を含む外周面には、後述するＰＴＡ(Plasma Transferred Arc)法によって、強化粒子４の堆積層５と、その上側の母材Ｍの浮揚層６が形成され、平滑化された浮揚層６の表面には、溶射法によって硬質皮膜７が形成されている。また、キャプスタンブロック２の内周面には、アルミ−亜鉛合金を溶射材料とした溶射皮膜８が形成され、噴射される冷却水による母材Ｍの腐食を防止するようになっている。

図３は、前記ＰＴＡ法を示す概念図である。このＰＴＡ法は、アルゴンガス１１が流れる水冷ノズル１２の中にタングステン電極１３を配置し、タングステン電極１３と水冷ノズル１２間にアークをとばしてアルゴンガス１１をプラズマ化させ、このプラズマ化したプラズマアーク１４をＡ７０７５（比重：２．８）の母材Ｍの表面に照射し、プラズマアーク１４で溶融される母材Ｍの溶融部１５に、母材Ｍよりも硬質で比重の大きい強化粒子４をキャリアガス１６で供給するものであり、プラズマアーク１４の周囲は、シールドガス１７によってシールドされるようになっている。この実施形態では、強化粒子４が粒径４０〜１５０μｍのＷＣ（比重：１５．０〜１６．０）で形成されている。強化粒子４は、ＷＣとＣｏを結合したＷＣ−Ｃｏ（比重：１３．０〜１５．０）で形成してもよい。

図４（ａ）、（ｂ）は、前記ＰＴＡ法で処理したままの状態の母材Ｍの表面層の断面を示す顕微鏡写真である。図４（ａ）の写真から分かるように、母材Ｍ中には、比重が大きい強化粒子４が重力によって沈降した堆積層５が形成され、その上側に浮揚した母材Ｍによって浮揚層６が形成されている。この写真では、強化粒子４の堆積層５の厚みは約１ｍｍとされ、浮揚層６の厚みは堆積層５の厚みよりも少し薄くなっている。

図４（ｂ）は、前記堆積層５の一部を拡大した写真である。この拡大写真から分かるように、堆積した強化粒子４の間の隙間には、溶融した母材Ｍの一部が充填されている。したがって、浮揚層６の母材Ｍと堆積層５の下側の母材Ｍは、堆積層５の強化粒子４の隙間に充填された母材Ｍによって一体に連なるので、強化粒子４の堆積層５の剥離が防止されるとともに、Ａ７０７５の母材Ｍの優れた熱伝導性が確保される。

図５は、前記母材Ｍの浮揚層６の表面を機械加工で平滑化し、平滑化した浮揚層６の表面に、溶射法によって硬質皮膜７を形成した状態を示す。この写真では、ＰＴＡ法で形成された浮揚層６を、略１／４の厚みとするように研削で減厚している。

実施例として、ＰＴＡ法によってＷＣ−６質量％Ｃｏの強化粒子４の堆積層５と浮揚層６を形成し、機械加工で平滑化した浮揚層６の表面に、溶射法によって硬質皮膜７を形成したＡ７０７５の平板サンプルおよびキャプスタンブロックを用意した。堆積層５の厚みは０．５ｍｍとし、硬質皮膜７を形成する溶射材料としては、ＷＣ−２０質量％Ｃｒ−７質量％Ｎｉ（実施例１）とピアノ線（実施例２）を用いた。実施例１のものについては、ＰＴＡ法での施工条件を、電圧１０〜４０Ｖ、電流１００〜２００Ａの範囲で変化させ、堆積層５の厚みを１ｍｍ（実施例１１）、０．５ｍｍ（実施例１２）、０．３ｍｍ（実施例１３）の３段階に変えた。実施例２の堆積層５の厚みは１ｍｍ一定とした。また、比較例として、何も処理をしないＡ７０７５のまま（比較例１）の平板サンプルおよびキャプスタンブロックと、鋳鉄（ＦＣ２５）で形成した（比較例２）平板サンプルおよびキャプスタンブロックも用意した。各平板サンプルの寸法は、縦横寸法を５０ｍｍ、厚さ寸法を５ｍｍとした。

前記実施例１１、実施例２、比較例１および比較例２の各平板サンプルに対して、スガ式摩耗試験機を使用し、ＪＩＳ Ｈ８６１５に準拠した摩耗試験を実施した。この摩耗試験は、図６に示すように、取り付け台２１に押さえ板２２で固定した平板サンプル２３の表面に、研磨紙２４を外周に装着した摩耗輪２５を所定の押し付け荷重Ｐで押し付けて、取り付け台２１と平板サンプル２３を所定のストロークＳで往復運動させ、平板サンプル２３の１往復毎に摩耗輪２５を０．９°ずつ回転して研磨紙２４を新しい研磨面で平板サンプル２３に当接するものである。研磨紙２４にはＪＩＳ Ｒ６２５２に規定されたＣＣ３２０を使用し、押し付け荷重Ｐは３ｋｇ、ストロークＳは３０ｍｍとした。各往復(Double Stroke)毎に平板サンプル２３の重量変化を電子天秤で測定し、この重量変化から算出される平板サンプル２３の摩耗量が１ｍｇとなるのに要した往復回数（ＤＳ/ｍｇ）で耐摩耗性を評価した。

表１に、前記摩耗試験の結果を示す。Ａ７０７５のままとした比較例１と、ＦＣ２５で形成した比較例２は、それぞれ１ｍｇ摩耗するまでの往復回数が８ＤＳ/ｍｇ、１２ＤＳ/ｍｇと少なく、耐摩耗性が劣っている。これに対して、表面に硬質皮膜７を形成した実施例１１と実施例２は、１ｍｇ摩耗するまでの往復回数が大幅に増加し、優れた耐摩耗性を有することが分かる。特に、硬質皮膜７の溶射材料をＷＣ−２０質量％Ｃｒ−７質量％Ｎｉとした実施例１１は往復回数が１００ＤＳ/ｍｇとなり、耐摩耗性が著しく優れている。

前記実施例１１〜１３および比較例１、２の各平板サンプルに対して、表面強度試験を実施した。この表面強度試験は、平板サンプルの表面に、直径１１ｍｍの鋼球を１ｍｍ／分の速度でゆっくり押圧する方法で行った。鋼球の押圧負荷は１ｋＮ、３ｋＮ、６ｋＮと３レベルに変化させ、各押圧負荷に対する押圧痕の深さを測定して、表面強度を評価した。

表１に、前記表面強度試験の結果を併せて示す。Ａ７０７５のままとした比較例１は、押圧痕の深さがＦＣ２５で形成した比較例２よりも深くなっており、表面強度が十分ではない。これに対して、堆積層５の厚みを０．５ｍｍ以上とした実施例１１、１２は、全てのレベルの押圧負荷に対して、押圧痕の深さが比較例２よりも浅くなっており、優れた表面強度を有することが分かる。また、堆積層５の厚みを０．３ｍｍとした実施例１３は、比較例２と同等の表面強度を有している。

前記実施例１３および比較例１、２の各キャプスタンブロックを用いて、熱伝導性試験を行った。熱伝導性試験は、図７に示すように、ダイスから高速で引き抜かれる高温の線材Ｓを、内部から水冷されるキャプスタンブロック２に巻き付け、巻き付けられた線材Ｓの表面温度を、巻き付け開始からの巻き付け長さが異なる各巻き高さ位置で測定することにより、線材Ｓの冷却速度でキャプスタンブロック２の熱伝導性を評価した。巻き付け開始時の線材Ｓの温度は、いずれも１８０℃とした。

図８に、前記熱伝導性試験の結果を示す。キャプスタンブロック２をＡ７０７５のままとした比較例１は、最も線材Ｓの冷却速度が速く、巻き高さが６０ｍｍで線材Ｓの温度が４０℃まで低下し、熱伝導性が非常に優れており、ＦＣ２５で形成した比較例２は、最も線材Ｓの冷却速度が遅く、巻き高さが２００ｍｍでも線材Ｓの温度が４０℃まで低下していない。これに対して、強化粒子４の堆積層５を形成して浮揚層６を平滑化したのち、硬質皮膜７を形成した実施例１３は、巻き高さが８０ｍｍで線材Ｓの温度が４０℃まで低下しており、Ａ７０７５のままとした比較例１よりは熱伝導性が少し劣るが、ＦＣ２５で形成した比較例２よりも大幅に熱伝導性が改善されていることが分かる。

上述した実施形態では、キャプスタンブロックを鍔付き円筒状のものとし、ジュラルミンをＡ７０７５としたが、キャプスタンブロックは鍔付き円筒状のものに限定されることはなく、テーパ付き等の他の円筒状のものとしてもよい。また、ジュラルミンもＡ７０７５に限定されることはない。

Ｓ 線材
Ｍ 母材
１ ダイス
２ キャプスタンブロック
２ａ 鍔
３ ノズル
４ 強化粒子
５ 堆積層
６ 浮揚層
７ 硬質皮膜
８ 溶射皮膜
１１ アルゴンガス
１２ 水冷ノズル
１３ タングステン電極
１４ プラズマアーク
１５ 溶融部
１６ キャリアガス
１７ シールドガス
２１ 取り付け台
２２ 押さえ板
２３ 平板サンプル
２４ 研磨紙
２５ 摩耗輪

Claims (4)

1. 伸線機のダイスで伸線加工される金属線材が外周面に巻き付けられ、回転駆動される中空円筒状の伸線機用キャプスタンブロックにおいて、前記キャプスタンブロックを形成する母材をジュラルミンとし、前記外周面の母材をプラズマアークを熱源として所定の深さまで溶融して、この外周面の母材の溶融部に、母材よりも硬質で比重が大きいＷＣまたはＷＣ−Ｃｏで形成された強化粒子を供給し、この供給した強化粒子を重力によって前記溶融部の下部に沈降、堆積させて、この強化粒子を堆積させた堆積層の上側に、前記溶融した母材を浮揚させた浮揚層を形成し、この母材の浮揚層の表面を平滑化して、平滑化した浮揚層の表面に、溶射法によって硬質皮膜を形成したことを特徴とする伸線機用キャプスタンブロック。
2. 前記強化粒子の粒径を１０〜３００μｍとした請求項１に記載の伸線機用キャプスタンブロック。
3. 前記強化粒子の堆積層の厚みを０．３ｍｍ以上とした請求項１または２に記載の伸線機用キャプスタンブロック。
4. 前記中空円筒状のキャプスタンブロックの内周面に、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、アルミ−亜鉛合金およびアルミ−マグネシウム合金の少なくともいずれかを含む溶射材料を用いて溶射皮膜を形成した請求項１乃至３のいずれかに記載の伸線機用キャプスタンブロック。