JP2020015070A - エキスパンダー金型用表面処理方法、ペール缶製造方法、及びエキスパンダー金型 - Google Patents
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Abstract
Description
ここでエキスパンダー10は、中空のエキスパンダー金型1と、エキスパンダー金型1に挿入される駆動軸11と、エキスパンダー金型1の軸方向に沿って駆動軸11を駆動する駆動装置12とを備える。
尚、拡径動作において、各セグメント2は、直径方向21への移動のみを行い、胴体20の周方向への回転、胴体20の軸方向への移動、及び、振動等の動作が作用されることはない。また拡径動作の際、胴体20は静止状態であり、よって胴体20と各セグメント2とが相対的に胴体20の周方向及び軸方向へ移動することはない。
一方でティンフリースチールは、ブリキ材に比べると加工性が劣る、換言すると、エキスパンダー金型1との摩擦が大きいという欠点を有する。
よって、胴体20及びセグメント2の少なくとも一方に傷が発生した場合、修復のために各セグメント2の外周面2aの拭き取り作業(研磨作業)は必須であり、例えば1ヶ月に80回程度の頻度で行われており、生産性の低下及びコストアップ等を引き起こしている。
尚、拡径動作において、摩擦低減のために油分を用いることは、缶内容物との関係上、許されず、改善策としては論外である。
即ち、本発明の第1態様におけるエキスパンダー金型用の表面処理方法は、ティンフリースチールを基材としたペール缶の製造工程において円筒形状に成形された胴体の内側に配置され、静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行う、クロムモリブデン鋼を基材とするエキスパンダー金型に対する表面処理方法であって、
胴体の内周面に対向するエキスパンダー金型の外周面を鏡面仕上げレベルの表面粗さに加工すること、
上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理を行うこと、
上記ラジカル窒化処理された外周面に対してDLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティングを行うこと、
を備えたことを特徴とする。
よって、鉄系材料との密着性あるいは付着性に難点を有するDLCは、エキスパンダー金型にラジカル窒化処理を行うことで、エキスパンダー金型との密着性が向上しエキスパンダー金型の外周面に対するコーティングが可能になる。
エキスパンダー金型101は、図4を参照して説明したエキスパンダー金型1に相当する金型であり、クロムモリブデン鋼(SCM、JIS G 4053に規定)を基材とし、図5を参照して説明したように、その周方向に沿って、例えば18本に分割されたセグメント102を有する。また、実施形態におけるエキスパンダー金型101も、エキスパンダー金型1と同様に、ペール缶の製造工程に含まれる、図4に示すようなエキスパンダー10に設けられ、円筒形状に成形された胴体20の内側に配置された後、直径方向21に各セグメント102が拡張されて、胴体20の拡径動作を実行する。ここで、胴体20の内側へのエキスパンダー金型101の配置は、一例として、円筒体進退装置(不図示)を用いてエキスパンダー金型101の外周面102a側へ胴体20を進入させて行われる。外周面102a側へ胴体20が進入し配置された状態において胴体20は静止状態にある。また、エキスパンダー金型101による胴体20の拡径動作は、エキスパンダー金型1の場合と同様に、各セグメント102による胴体20の直径方向21への移動のみによって行われ、拡径動作時において胴体20と各セグメント102とが相対的に胴体20の周方向及び軸方向へ移動すること、及び振動が作用されることはない。
このようにエキスパンダー金型101は、その基材、外形形状、寸法、動作、及び機能について、エキスパンダー金型1と同じであるが、エキスパンダー金型101の各セグメント102における外周面102aに施した、詳細を後述する表面処理の点で大きく異なる。
まず、本実施形態のエキスパンダー金型101の開発の経緯について説明する。
既に説明したように、ティンフリースチール製の胴体20、特に上述の「内面無地缶」の胴体20の拡径動作に伴う、エキスパンダー金型1及び胴体内周面20aに対する傷発生は、ペール缶メーカーにとって長年に亘る非常に大きな命題であり、特にその原因となっている、エキスパンダー金型1と内周面20aとの間の滑り性の改善について、従前からも種々の改善策が行われている。
ここで、DLCは、グラファイトとダイヤモンドとの中間的な物性を有するカーボン膜であり、種々のタイプが存在するが一般的には、ダイヤモンドの物性に近い高硬度(耐摩耗性に優れる)を有し、摩擦係数も比較的小さい(摺動性に優れる)膜である。
しかしながら、DLCコーティングは、非鉄系材料である超鋼合金材に対して密着性(濡れ性)が良好であるが、エキスパンダー金型1のような鉄系材料に対しては、密着性が悪く、界面に炭化物層ができにくく、剥がれ易く、耐久性を満足できないことが判った。では、エキスパンダー金型1を超鋼合金材にて作製すればよいが、該選択肢は、コスト面で非現実的な選択である。即ち、超鋼合金材は、それ自体、非常に高価な材料であり、上記治具の大きさ(約25mm×約50mm×約9mm)に比べて、各セグメント2は約650mmの長さを有し、かつ上述のように18本で一つのエキスパンダー金型1を構成することから、一つのエキスパンダー金型1は、約数千万円の製作費を要することになってしまう。また、上述のつる用治具では、つる用線材との摩擦低減のために潤滑油も使用しているが、上述したように、胴体20内面において油分は厳禁であり、この点もエキスパンダー金型1では採用できない。
図2に示すステップ1(S1)では、エキスパンダー金型101を構成しクロムモリブデン鋼(SCM)を基材とする例えば18本のセグメント102に対して、まず、胴体20の内周面20aに対向する、セグメント102の外周面102aを鏡面仕上げレベルの表面粗さまで仕上げる。ここで鏡面仕上げレベルとは、例えば算術平均粗さ(Ra)で表した場合、約50nmから約200nmまでの範囲に含まれる表面粗さに相当する。
また、エキスパンダー金型の外周面における表面粗さの程度は、出願人の経験上、エキスパンダー金型の外周面に対して行う処理における表面粗さにも影響を与えることがわかっている。
即ち、上で説明したように、従来、エキスパンダー金型1の各セグメント2の外周面2aに対して硬質クロムメッキ、テフロン(登録商標)処理、ガス窒化処理、等の改善策を施していたが、これらは、外周面2aの上に、いわばコーティングを施すものであった。よって、上記改善策によるコーティング材の表面は、鏡面仕上げレベルにはなっておらず、従来、作業員がコーティング材の表面を鏡面仕上げレベル付近まで研磨していた。しかしながら、このための労力に大きな時間を要すると共に、人手で研磨を行うことから、コーティング材の表面全体を均一に仕上げることはできなかった。
その結果、拡径動作における傷発生を低減さらに防止するために、たとえ、滑り性に長けるコーティング材を用いた場合においても、やはり傷が発生してしまい、また既に説明したように耐久性等に問題が生じていた。
即ち、上で説明したように、DLC104は、鉄系材料に対して密着性(濡れ性)が悪く、コーティングの耐久性を満足できない。しかしながら、ラジカル窒化処理を行うことで、説明したように、各セグメント102の外周面102aには、窒素の拡散層1021が形成され、この拡散層1021では、セグメント102の基材であるクロムモリブデン鋼(SCM)における鉄成分との窒化物が形成されており、SCMの鉄成分は少なくなっていると考えられる。よって、鉄系材料との密着性あるいは付着性に難点を有するDLC104であるが、SCM製のセグメント102にラジカル窒化処理を行うことで、各セグメント102の外周面102aと、DLC104との密着性あるいは付着性を向上させることができるという効果が得られる。
よって、従来のような作業員による研磨作業は不要になり、まずこの点から、傷発生の低減を図ることが可能となり、生産性向上及びコスト削減に大きく寄与する。
よって、胴体20の拡径動作において、DLCコーティングの表面104aと胴体20の内周面20aとの間の摩擦は、内面無地缶の場合であっても低減する。よって、胴体20の基材であるティンフリースチールのクロムメッキ及び鉄粉の剥離は、低減あるいは防止され、胴体20の内周面20a、及びDLCコーティングの表面104aにおける傷発生を抑制しあるいは防止することが可能になる。
さらに、DLC104が有する高硬度により、エキスパンダー金型101の耐久性も従来に比べて向上させることが可能である。
また、上述の摩擦低減により、拡径動作時における胴体20の高さ寸法変動を抑制することができ、ペール缶の気密性不良等による生産性の低下を低減さらには防止することができる。
101…エキスパンダー金型、102…セグメント、102a…外周面、
104…DLC、104a…コーティング表面。
Claims (10)
- ティンフリースチールを基材としたペール缶の製造工程において円筒形状に成形された胴体(20)の内側に配置され、静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行う、クロムモリブデン鋼を基材とするエキスパンダー金型(101)に対する表面処理方法であって、
胴体の内周面(20a)に対向するエキスパンダー金型の外周面(102a)を鏡面仕上げレベルの表面粗さに加工すること、
上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理を行うこと、
上記ラジカル窒化処理された外周面に対してDLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティングを行うこと、
を備えたことを特徴とするエキスパンダー金型用表面処理方法。 - 上記DLCコーティングは、イオン化蒸着(PVD)にて水素化アモルファスカーボンで形成される、請求項1に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。
- 上記DLCコーティングは、0.15から0.2の範囲の摩擦係数を有するものである、請求項1又は2に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。
- 上記DLCコーティングは、2000から3000Hvの硬度を有するものである、請求項3に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。
- 上記DLCコーティングは、算術平均粗さ(Ra)での表面粗さが約50nmから数百nmレベルのコーティング表面(104a)を有する、請求項3又は4に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。
- ティンフリースチールを基材とした胴体、天板、及び地板を有するペール缶の製造方法において、円筒形状に成形した胴体(20)の内側に配置したエキスパンダー金型を静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行う工程を備えたペール缶の製造方法であって、
上記エキスパンダー金型は、クロムモリブデン鋼を基材とし、かつ、胴体の内周面(20a)に対向するエキスパンダー金型の外周面(102a)が鏡面仕上げレベルの表面粗さを有し、かつ上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理を施し、かつラジカル窒化処理された外周面に対してDLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティングを施した金型であり、
上記拡径を行う工程では、エキスパンダー金型における上記DLCコーティングの表面(104a)が胴体の内周面に接触して拡径が行われる、
ことを特徴とするペール缶の製造方法。 - 上記DLCコーティングは、イオン化蒸着(PVD)にて水素化アモルファスカーボンで形成され、0.15から0.2の範囲の摩擦係数を有し、かつ2000から3000Hvの硬度を有するものである、請求項6に記載のペール缶の製造方法。
- ティンフリースチールを基材とした胴体、天板、及び地板を有するペール缶の製造工程において使用され、円筒形状に成形した胴体(20)の内側に配置され、静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行うエキスパンダー金型(101)であって、
該エキスパンダー金型は、クロムモリブデン鋼を基材とし、かつ、胴体の内周面(20a)に対向するエキスパンダー金型の外周面(102a)が鏡面仕上げレベルの表面粗さを有し、かつ上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理が施されており、かつラジカル窒化処理された外周面に対してDLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティングが施されている、
ことを特徴とするエキスパンダー金型。 - 上記DLCコーティングは、イオン化蒸着(PVD)にて水素化アモルファスカーボンで形成され、0.15から0.2の範囲の摩擦係数を有し、かつ2000から3000Hvの硬度を有するものである、請求項8に記載のエキスパンダー金型。
- 上記DLCコーティングは、算術平均粗さ(Ra)での約50nmから数百nmレベルの表面粗さを有し胴体の内周面に接触するコーティング表面(104a)を有する、請求項9に記載のエキスパンダー金型。
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