JP4587104B2 - リングトラベラーとこの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リングスピニング又はリングツイスティングマシーンに用いるリングトラベラーとこの製造方法に関する。

リングスピニングとリングツイスティングマシーンのリングトラベラーは、対応するリングスピニング又はリングツイスティングマシーンのリング上で、高速（３０ｍ/ｓ.〜５０ｍ/ｓ.）で移動している。このため、リングトラベラーとリング間の接触面と、リングトラベラーとスレッド間の接触面は、双方とも高い磨耗に晒される。しかしながら、製造効率を向上させるためには、リングトラベラーの走行速度を上げることが必要になる。従って、耐用寿命を延長させることで、同時にコストの低下を達成することが必要とされている。

近年、リングトラベラーを適当な材料で被覆することで、これらの走行及び操作特性を顕著に向上することができるようになっている。しかしながら、トラベラーの速度が４０ｍ/ｓ.よりも高い場合には、スレッドの通路とリングの接触面の双方で耐磨耗性を十分に向上させることができなかった。

例えば、特許文献１ではスピニングマシーン用のリングトラベラーについて開示している。このリングトラベラーは、少なくともリングと接触することになる表面領域を覆うようにセラミックの保護層を備えている。このセラミックの保護層は、例えば、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣのような炭化物の層と、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮのような窒化物の層と、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₃、ＳｉＯ₂のような酸化物の層と、例えば、ＴｉＢ₂とＺｒＢ₂のようなホウ化物の層から選択された、一つ又は複数の層から構成されている。このセラミック層は、ＣＶＤ又はＰＶＤ法を用いた手段によりコアに対して設けられている。そして、被覆されたリングトラベラーを、続いて焼き入れして（クエンチさせて）、研磨（表面処理）させている。炭化チタン層と窒化チタン層は、１９００〜２５００ ＨＶのハードネスを有している。

特許文献２に開示されたスピニング及びツイスティングマシーンに用いるリングトラベラーは、リングとトラベラーの双方又はいずれかを窒化チタンアルミニウム（titanium aluminum nitride）のコーティングによって被覆させている。

特許文献３では、炭化物、窒化物又は炭窒化物を用いて無機的な基板をコーティングさせる方法について開示している。
ドイツ国特許第３５ ４５ ４８４号公報（ＤＥ ３５ ４５ ４８４） スイス国特許第４８７ ５３５号公報（ＣＨ ４８７ ５３５） スイス国特許第５８９ ７２３号公報（ＣＨ ５８９ ７２３）

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、走行及び操作特性を大幅に向上させた、リングスピニング又はリングツイスティングマシーンに用いられるリングトラベラーを提供することを目的とするものである。さらに、本発明は、このリングトラベラーの製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、本明細書に添付した特許請求の範囲に記載の請求項１の特徴部を有するリングトラベラーと、請求項１２に記載の方法を用いる。さらなる好適な実施形態は、他の従属請求項に記載されている。

本発明に係るリングトラベラーは、鉄の材料を用いて構成されるコアを有し、このコアに対して、少なくともリングスピニング又はリングツイスティングマシーンのリング上をスライドするときの走行面の領域、またはスレッドが内部に案内される領域に保護層を設けている。この保護層は、細かい結晶性（ファイン−クリスタライン）のＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、ＣｒＮ（窒化クロム）又はＶＣ（炭化バナジウム）を含んでいる。

本発明では、上記細かい結晶性の保護層を用いる結果、保護層の固有のストレスを低下させている。このため、本発明では、マイクロクラックが生じないようにすることができる。尚、マイクロクラックが生じる場合、常に保護層が破損する危険性があるが、このことは特に、リングトラベラーが定位置に置かれているときに起こりやすく、このため、このような場合には、これらリングトラベラーを交換する必要がある。従って、本発明に係るリングトラベラーは、スレッドの通路とリングとの接触面にて耐磨耗性をかなり向上させている。この磨耗率は、電着法（electroplating）やニッケルを散布するコーティング法によりセラミック層を備えた従来のリングトラベラーと比較すると、約８０％も低下しており、かつリングトラベラーの有用な寿命を３〜１０倍延長させており、つまり、５００〜１５００操作時間も延長させている。この結果、操作コストは非常に低下している。このように保護層を用いることで、本発明に係るリングトラベラーは良好な耐摩損性と耐腐食性を備えている。

本発明に係る好適な実施形態では、保護層は細かい結晶性のＴｉＣＮを含んでおり、特に好ましくは、２６００〜３６００のＨＶ ０．０２５のハードネスを有する、純粋な細かい結晶性のＴｉＣＮを含んでいる。ＴｉＣＮはハードであるとともに比較的タフであり、このため、本発明に係るリングトラベラーの保護層として特に適している。

また、本発明に係る好適な実施形態では、保護層とコアの間に、粘着促進物としてＴｉＮを含む中間層を設けている。尚、ＴｉＮの替わりに、例えば、ＣｒＮのような他の窒化金属を用いることは可能である。但し、窒化チタン層は、鉄の材料に対して特に良好な親和性を有しているため、長期間にわたってリングトラベラーの安定性を向上することができる。このため、この場合、例えば、材料の破損を防ぐのに効果的である。この中間層は、一つの層から構成されていてもよく、複数の層から構成されていてもよい。細かい結晶性の炭窒化チタン、窒化クロム又は炭化バナジウムを用いて構成される保護層は、窒化チタンを含む中間層に対して容易に取付けることができる。

また、本発明に係るリングトラベラーの保護層は、一つの層から構成されていてもよく、複数の層から構成されていてもよい。本発明に係る好適な実施形態では、複数の層から構成する。この保護層は、０．１〜２０μｍ、好ましくは、４〜１０μｍの厚さを有する。保護層をより厚くすることで、リングトラベラーの耐磨耗性をより高めることができる。

本発明に係る特に好適な実施形態では、保護層は、コア又は中間層に対して全領域にわたって取付けられる。

リングトラベラーの鉄の材料は、任意の形態の鋼から構成することができるが、リングトラベラーのコアは、特に好適には、非合金の工具鋼（ツールスチール）、冷間鋼（コールドワークスチール）、ばね鋼（スプリングスチール）又は高速度鋼（ハイスピードスチール）から構成する。

本発明に係るリングトラベラーは、少なくともコアの一部を保護層で覆うように製造される。この場合、最初のステップで、リアクションチャンバ内でコアを７００°〜１２００℃まで加熱する。続いて、リアクションチャンバ内に促進（precipitation）ガスを導入させて、細かい結晶性の炭窒化チタン、窒化クロム又は炭化バナジウムの層をコアの表面に設けるようにする。続いて、保護ガス下で、２〜４時間かけて、被覆されたリングトラベラーをゆっくり冷却させる。保護ガス下で、被覆されたリングトラベラーをゆっくり冷却させることは、この方法の重要なステップを構成するが、これは、この場合に限り、保護層が結晶化された針状の構造、つまり、細かい結晶を得ることができ、そしてこの結果、非常に低い固有のストレスを得ることができるためである。

本発明に係る好適な実施形態では、冷却したリングトラベラーを、後で表面硬化（ポストハーデン）させるが、この場合、表面硬化温度はコアカーボンに合わされて、例えば、３０分の間、８４０℃に保たれる。

本発明に係るさらに好適な実施形態では、後で表面硬化されたリングトラベラーをサーマルバス（温度が８０℃のオイルか、１７０〜２６０℃のホットバス）内で焼き入れさせて、０．５〜１．５時間かけて２００〜３５０℃の温度で焼き戻しさせ（テンパーさせ）、つまり、加熱処理させる。故に、リングトラベラーはより向上されたタフさと弾力性を得ることができるため、リングトラベラーをより長い操作時間のあいだ利用できることを保証し、さらに層の粘着性においてより高い効果を提供できるようにする。

本発明に係る好適な実施形態では、リングトラベラーの表面を、コーティングの前と後の双方又はいずれかで、さらに磨き上げて（ポリッシュさせて）、線の細かい表面が得られるようにする。この適当な磨き上げる手段は、例えば、保護層のハードネスよりも高い、ダイアモンドを含むペーストや研磨物である。
尚、コアは、コーティングの前に、望ましくは脱脂される。

本発明に係るリングトラベラーは、スピニングミルとツイスティングミルの双方で利用することができる。例えば、良好なスライド性や低い磨耗性のような、これらの良好な走行特性は、被覆されたスチールリングと協働して使用するのに特に長所となる。しかし、本発明に係るリングトラベラーは他のリング、例えば、焼結したり又は被覆されていないリングにも用いることができる。

本発明に係る細かい結晶性の炭窒化チタンの保護層を備えたリングトラベラーは、広範囲で利用できる。但し、これらは特に、比較的高い負荷に晒されたり、潤滑油が不足するようなリングトラベラーに利用するのに適する。

同様に、本発明に係る細かい結晶性の炭化バナジウムの保護層を備えたリングトラベラーは、広範囲で利用できる。但し、これらは特に、非常に高速度で処理が行われる際に好適となる。この理由は、細かい結晶性の炭化バナジウムの保護層は極めてハードであり、つまり、３０００〜４０００ＨＶのハードネスを有しているためである。特に、粒度の粗い（coarse−grain）の炭化バナジウムの保護層を用いてもよい。

同様に、本発明に係る細かい結晶性の窒化クロムの保護層を備えたリングトラベラーは、広範囲で利用できる。但し、これらは特に、混ぜ合わされた紡ぎ糸（ヤーン）を用いる際に好適となる。この理由は、この保護層は高い耐腐食性を有しており、かつ、合成の紡ぎ糸の製造時には、柔軟剤（ソフトナー）と、塩素を含むファイバーが、当然に腐食を促進させるためである。特に、粒度の粗いの窒化クロムの保護層を用いてもよい。

以下の明細書の説明では、添付された図を参照しながら、本発明に係るリングトラベラーについて詳述されている。但し、これら図に示された実施形態は例示的に示されたものに過ぎず、単に説明上のものであることを理解されたい。

図１の１ａ〜１ｆには、様々な実施形態のリングトラベラー１０ａ、・・・、１０ｆが示されている。図１ａと１ｂには、Ｃ字形状のリングトラベラー１０ａ、１０ｂが示されており、これらは典型的に、リングスピニング又はリングツイスティングマシーンのＴ−フランジリングに用いられる。図１ｃ〜１ｆには、反対に、ラグ形状とフック形状のリングトラベラー１０ｃ、・・・、１０ｆが示されている。リングトラベラー１０ｃと１０ｄは斜めのフランジリングに用いられ、リングトラベラー１０ｅは円錐形状に走るフランジリングに用いられ、そして、リングトラベラー１０ｆは垂直状に走るフランジリングに用いられる。

これらリングトラベラー１０ａ、・・・、１０ｆのうち、操作中、フランジリング上でスライド移動する走行面を形成する領域は、いずれも符合１で示されている。Ｃ字形状のリングトラベラー１０ａ、１０ｂの場合、これらの対称的な構成のため、フランクａ、ｂの双方とも走行面として機能することができる。これに対して、ラグフランジや斜めのフランジ及びＳＵリングトラベラー１０ｃ、・・・、１０ｆの場合、形状的に走行面の領域１は明瞭に定められている。

本発明に係るリングトラベラー１０つまり１０ａ、・・・、１０ｆは、図１の１ａ、・・・、１ｆに示す実施形態で製造されてもよく、又はこれらとは異なる他の望ましい形態で製造されてもよい。

本発明の実施形態に係るリングトラベラー１０は、鉄の材料から構成される、被覆されていないコア２０を有する（図２参照）。そして、細かい結晶性の窒化クロム、炭化バナジウム又は炭窒化チタンの保護層２４をコア上に設けるが（図３参照）、この保護層２４は、少なくとも、リングスピニング又はリングツイスティングマシーンのリング上を案内される、走行面の領域１に設けられる。この場合、リングトラベラー１０ａ、・・・、１０ｆの符合４で示す領域にスレッド通路が設けられる。

リングトラベラー１０の走行面１の領域のうち、主に、符合３に示す内側は、耐磨耗性を有するとともに、良好なスライド特性を備えていなければならず、このため、保護層を設けている。適当なスレッド張力が及ぼされる場合には、リングトラベラーは、リング上に沿って、側方に傾斜して走行することが起こり得る。このため、このことが効果的になるように保護層に二つの端面２を備えていてもよい。

図２は、未加工のリングトラベラー１０のコア２０を通る断面を示している。好ましくは、コア２０の鉄の材料２１は、非合金の、又は合金度の低い炭素鋼であり、好ましくは、この鉄の材料は、非合金の工具鋼、冷間鋼又は高速度鋼である。このコアは被覆される前、表面硬化されていてもよく、されていなくてもよい。

本発明に係る好適な実施形態では、コアの表面を被覆させる前に、磨き上げる。理想的には、このコアを被覆させる前、さらに脱脂させる。このため、コア上に保護層を最適に粘着することを保証できるようにする。

図３は、本発明の第一の実施形態に係るリングトラベラーの断面を示しており、この場合、コア上に直接保護層を設けている。好ましくは、このリングトラベラーは全領域にわたって保護層２４を被覆させているが、高い機械的及び／又は化学的なストレスに晒される領域に限定して、保護層２４を備えることは可能である。図１を参照して上述したように、リングトラベラー１０の、走行面１の領域のうち、特に符合３で示す内側は、耐磨耗性を有するとともに良好なスライド特性を備えていなければならず、このため、保護層を有している。同様に、より効果的となるように保護層２４に二つの端面２を備えるようにしてもよい。

本発明の実施形態に係るリングトラベラーを得るためには、好ましくは、表面硬化させ、磨き上げ、かつ脱脂させたコアを、リアクションチャンバ内で７００°〜１２００℃まで加熱させる。この場合、コアのハードネスはＨＶ １００〜４００まで減少する。続いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法に従って、リアクションチャンバ内に促進ガスを導入する。この際、保護層が炭窒化チタンを含む場合には、促進ガスとしてＣＨ₃ＣＮとＴｉＣｌ₄を用いる。尚、当該分野における通常の知識を有する者には、窒化クロム層や、炭化バナジウム層の製造時に使用する促進ガスは公知である。このため、コアの表面に、細かい結晶性の炭窒化チタン、窒化クロム又は炭化バナジウムの層を設けることができる。この方法は一度以上用いることができ、従って、複数の層の保護層を設けることができる。尚、各保護層を設ける間、好ましくは、各々において、リングトラベラーを冷却させる。続いて、保護ガス、好ましくは窒素下で、２〜４時間にわたって、被覆されたリングトラベラーを冷却させる。従って、保護層は、結晶化された針状の構造を有することができる。続いて、好ましくは、リングトラベラーを、後で表面硬化させ、ホットオイル又はホットバス内で焼き入れさせ、そして１時間にわたって２８５℃の温度で焼き戻しさせる。最後に、線の細かい面を得られるように、リングトラベラーを磨き上げてもよい。

図４は、本発明の第二の実施形態に係るリングトラベラーの断面を示しているが、この場合、保護層２４と鉄の材料２１から構成されるコア２０の間に中間層２６を設けている。好ましくは、この中間層はＴｉＮを含む。窒化チタン層は、鉄の材料と非常に良好な親和性を有しているため、リングトラベラー内での層の粘着性を向上することができる。この中間層は約０．５μｍの厚さを有しており、保護層と同じ方法を適用することができる。つまり、まず、好ましくは、表面硬化させ、磨き上げ、かつ脱脂させたコアをリアクションチャンバ内で７００°〜１２００℃まで加熱する。続いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法に従って、リアクションチャンバ内に促進ガスを導入させる。好ましくは、この中間層は保護層と全く同じ方法によってコアの全領域にわたって設けられるが、高い機械的なストレスに晒される場所に限定してこの中間層を設けることは可能であり、このことは上述した通りである。そして、中間層を設けた後、上述したように、リングトラベラーに保護層を設けるようにする。さらに、リングトラベラーを保護ガス下でゆっくりと冷却させた後、適当であれば、後で表面硬化させ、オイル又はホットバス内で焼き入れさせ、焼き戻し及び／又は磨き上げを行うようにする。

リングトラベラーの様々な実施形態を１ａ〜１ｆに分けて示す図である。 機械加工前のリングトラベラーのコアを通る断面を示す図である。 コアに直接保護層を設ける、本発明の第一の実施形態に係るリングトラベラーを示す断面図である。 コアと保護層の間に中間層を形成し、この中間層に保護層を設ける、本発明の第二の実施形態に係るリングトラベラーを示す断面図である。

符号の説明

１０ リングトラベラー
２０ コア
２４ 保護層
２６ 中間層

Claims (10)

1. リングスピニング又はリングツイスティングマシーンに用いられるリングトラベラー（１０）であって、鉄の材料から構成されるコア（２０）を有し、前記コアの少なくとも一部に保護層（２４）を設けるが、この保護層は、窒化クロム、炭化バナジウム又は炭窒化チタンを含み、かつ結晶化された針状の構造を有することを特徴とするリングトラベラー（１０）。
2. 前記保護層（２４）は、炭窒化チタンを含むことを特徴とする請求項１に記載のリングトラベラー（１０）。
3. 前記保護層（２４）は、単一の層から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のリングトラベラー（１０）。
4. 前記保護層（２４）は、複数の層から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のリングトラベラー（１０）。
5. 前記保護層（２４）と前記コア（２０）の間に、窒化チタンと窒化クロムのグループから選ばれる中間層（２６）を設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリングトラベラー（１０）。
6. 前記保護層（２４）は、前記コア（２０）上の全領域にわたって設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のリングトラベラー（１０）。
7. 前記コア（２０）の鉄の材料は、非合金の工具鋼、冷間鋼、ばね鋼又は高速度鋼であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のリングトラベラー（１０）。
8. 前記保護層は、０．１〜２０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のリングトラベラー（１０）。
9. 前記リングトラベラーの前記保護層（２４）は、磨き上げられることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のリングトラベラー（１０）。
10. 前記保護層（２４）は、２６００〜４０００のＨＶ０．０２５を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のリングトラベラー（１０）。

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