JP4915974B2 - 極薄肉長尺金属円筒体、この極薄肉長尺金属円筒体の製造方法およびこの極薄肉長尺金属円筒体をロールまたはベルトとして使用した装置 - Google Patents

Description

本発明は、長尺なフレキシブル性を有する薄肉の金属円筒体に関し、とくに、フィルム成形装置、フィルムラミネート装置等におけるロールあるいはベルトとして使用される極薄肉の金属円筒体に関する。

情報家電の代表であるフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）にはプリズムシート、拡散フィルムなどの各種の光学フィルムが使用されているが、これら光学フィルムの成形に使用される成形用ロールにはフレキシブルな金属ロールが用いられていて、主ロールと面接触するニップロールが用いられている。

これは、ニップロールが樹脂の成形圧制御と温度制御を容易にできるため、形状および品質の安定性が優れたフィルムを成形することができることに拠るものである。すなわち、成形用ロールには、フィルムの品質に影響を及ぼす熱伝導や押圧力の均一性に関係するロールの肉厚均―性、円筒度などの形状、フィルム面性状に関係するロール表面の鏡面仕上げと手入れ時の傷を防止する高い硬度などが求められるからであり、その上、溶融樹脂に接した状態で繰り返される曲げ変形に耐え得る高温耐久性能が要求されるからである。

このため、従来から特許文献１に示すような電気鋳造法を用いて製造されるニッケル電鋳ロールが使用されているが、これは、ニッケル電鋳ロールが肉厚、円筒度などの形状に優れているとともに、クロム鍍金された表面は必要とされる鏡面仕上げと硬さを有するためである。

しかし、ニッケル電鋳ロールは、高温度で長時間使用するとロール素材の強度が低下する耐久性能面での弱点があること、鍍金面に微細な凹部（ピット）や微小突起が生じやすいこと、鍍金時間に長時間を要し製造コスト高となること等の欠点がある。

一方で、ステンレス鋼ロールは、フレキシブル性、熱伝導性および耐久性に優れる上、電気鋳造材特有の微細な凹部がないという特徴がある。例えば、シート・フィルムの成形用ロール装置の押さえロールに「可撓性を有する継ぎ目無しステンレス鋼管」を使用している例が特許文献２に開示されている。
このため、本出願人は特許文献３および特許文献４に示す「金属環状体並びにその製造方法」を出願したが、この製造方法は、金属薄板を雌型とパンチとの間でプレス加工して有底素管を作り、この有底素管を、スピニング加工機を用いてスピニング加工することにより圧延して薄肉の金属環状体とするものである。なお、スピニング加工とは、マンドレルに円筒状金属素管を装着し、つぎにマンドレルを回転させながら円筒状金属素管の壁面に加圧ローラーを押し当てて塑性変形させて成形する加工方法をいう。
特開２００７−２１１２８５号公報 特開平１１−２３５７４７号公報 特開２００１−２２５１３４号公報 特開２００４−１７４５５５号公報

ところで、「肉厚が２ｍｍ以下では加工時の弾性変形で高精度な加工ができない」（特許文献２の段落番号〔００２１〕の記載）と記載されているように、１．５０ｍｍの均一な壁厚で直径が略１００ｍｍφ以上の薄肉の金属円筒体はニッケル電鋳ロール以外に製造することができず、また、ニッケル電鋳ロールはその長さが４００ｍｍ以下である。すなわち、１．５０ｍｍ以下の均一な板厚を有するに極薄肉の金属円筒体とするためには、圧延加工率を２０％以上としなければならないが、圧延加工率が大きくなるにつれて加工硬化が生じて圧延加工途中で破断してしまうという問題があった。
また、特許文献３および特許文献４に開示の技術は、金属薄板をプレス加工するため、金属筒体の長さや大きさに限度があった。一方で、特許文献３の段落番号〔００２２〕および特許文献４の段落番号〔００３５〕には「ここで、有底金属素管は温間又は冷間絞り加工により、無底円筒素管は薄板の溶接により、それぞれ得ることができる。」と記載されていて、あたかも「薄板を溶接した無底円筒素管を有底金属素管とし、この有底金属素管をスピニング加工することができる」如き記述があるが、薄板を溶接して無底円筒素管とするには、薄板幅広のステンレス鋼板を円筒形に成形し、突き合わせ溶接を行う必要がある上、溶接部を母材と同じ厚さおよび平滑性を確保する技術が確立していなかった。

そこで、本発明は、フラットパネルディスプレイ用光学フィルム成形ロールやナノインプリント用金型等の分野で使用されるロール、ベルトまたはスリ−ブに要求される高機能である肉厚均一性、円筒度、真直度、表面性状（粗さ、硬さ）に適合し、直径が略１００ｍｍφ以上で壁厚１．５０ｍｍ以下の長さが略４００ｍｍ以上の極薄肉の長尺金属円筒体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは上記高機能の極薄肉長尺金属円筒体を製造する方法を開発すべく鋭意研究し、数々の知見を得た。本願発明はその知見に基づくものである。
なお、円筒体とはその断面がループ状を呈する中空のものをいい、筒体の直径の数値は、金属筒体の断面を円形にしたときの直径を指している。また、円筒状金属素管には、矩形金属板を円筒状に突き合わせてこの突き合わせ部を溶着する円筒状金属素管（以下、本明細書では「溶接素管」ということがある。）、金属板をプレス絞り加工した円筒状金属素管（以下、本明細書では「プレス素管」ということがある。）、金属板をへら絞り加工した円筒状素管（以下、本明細書では「へら絞り素管」ということがある。）、継ぎ目無し金属管若しくは厚肉溶接金属管を切削加工して薄肉とした円筒状金属素管（以下、本明細書では「切削素管」ということがある。）およびリングロール圧延による円筒状金属素管（以下、本明細書では「圧延素管」ということがある。）がある。さらに、これら円筒状金属素管の素材は、ステンレス鋼、ステンレス鋼と銅、またはニッケル合金と銅の積層板、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、ベリリウム、ベリリウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金または炭素鋼がある。

本願請求項１に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、塑性加工が可能な金属が円筒状金属素管に成形される第１の工程と、前記円筒状金属素管の一端に外部に突設される鍔状の外側フランジが形成されるとともに他の一端に内部に突設される鍔状の内側フランジが形成されて鍔付金属素管が成形される第２の工程と、前記鍔付金属素管が円筒状のマンドレルに密着して装着されて該マンドレルの先端が前記内側フランジに当接する第３の工程と、前記外側フランジを介して前記鍔付金属素管に張力が付与され、前記マンドレルが円周方向に回転するとともに該鍔付金属素管が回転し該鍔付金属素管の壁面が加圧ローラーに押圧されるスピニング加工により塑性変形して圧延される第４の工程と、前記第４の工程の中間で熱処理が行われる熱処理工程と、塑性変形後の前記鍔付金属素管の両端が切断される第５の工程と、前記鍔付金属素管の両端の切断された後に表面の残留応力を圧縮応力とし、厚さ方向中間部の残留応力を引張応力とする残留応力調整が行われて外側に反り返った両端縁部の反りが解消する第６の工程と、からなり、前記第４の工程において、前記加圧ローラーは複数であって前記マンドレルの軸方向に対して相互に所定の間隔をもって配置され、該所定の間隔は各加圧ローラーの前記マンドレルに装着された前記鍔付金属素管の壁面を押圧する軌跡が互いに重複しない間隔であって、複数の該加圧ローラーの前進前方側の成形角（α）、前進後方側の逃げ角（β）および該加圧ローラー先端の丸み半径（ρ）の数値は、１０°≦α≦３０°、１０°≦β≦２０°および１ｍｍ≦ρ≦５ｍｍであり、該加圧ローラーの送り方向に対して最後尾に位置する加圧ローラーをスキンパスロールとしたときの該スキンパスロールの数値は、１０°≦α≦３０°、１０°≦β≦２０°および４ｍｍ≦ρ≦１０ｍｍである、ことを特徴としている。
また本願請求項３に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、前記第６の工程の後に表面にＰＶＤ処理またはＣＶＤ処理によるセラミック皮膜を形成する第７の工程と、から製造される、ことを特徴としている。
そして、本願請求項３に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であり、前記第１の工程において、前記円筒状金属素管は塑性加工が可能な矩形の金属板が円筒状に突き合わされ該突き合わせ部が溶着された溶接円筒状金属素管であって、ベンディングロールにより円筒状に成形されてプラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接、または電子ビ−ム溶接のいずれかにより溶着される、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項４に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、前記第２の工程において、前記外側フランジは塑性加工により１回以上曲折されて形成され、またはリング状の金属板が溶着されて形成され、前記内側フランジは塑性加工により曲折されて形成され、または放射状若しくは円盤状の金属板が溶着されて形成される、ことを特徴としている。
そして、本願請求項５に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、前記第４の工程において、前記スピニング加工による圧延加工率が２０％ないし９０％である、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項６に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、前記第４の工程において、前記スピニング加工は複数回に分けて行う、ことを特徴としている。
また、本願請求項７に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項６に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、複数回の前記スピニング加工の間に熱処理工程を介在させ、該熱処理は固溶化熱処理条件または歪み除去・再結晶熱処理条件で行なわれる、ことを特徴としている。

本願請求項８に記載のフィルム成形装置は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材の成形ロールに使用した、ことを特徴としている。
また、本願請求項９に記載のフィルムラミネート装置は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のプレスベルトまたはプレスロ−ルに使用した、ことを特徴としている。
そして、本願請求項１０に記載のナノインプリント装置は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項１１に記載のデジタルプリント装置は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴としている。
また、本願請求項１２に記載の印刷装置は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴としている。
そして、本願請求項１３に記載の有機ＥＬ製造装置は、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項１４に記載の金属ベルトは、請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を所望の幅に切断した、ことを特徴としている。

上記構成により本願発明は以下の効果を奏する。すなわち、
（１）極薄肉長尺金属円筒体は、０．０２ｍｍ〜１．５０ｍｍの均一な肉厚を有し、ステンレス鋼製とした場合の表面粗さにおける最大高（Ｒｙ）は５．０μｍ以下であり、ビッカース硬さ（Ｈｖ）は３００以上であり、残留応力は表面において圧縮応力、厚さ方向中間部において引張応力となっているため、フラットパネルディスプレイ用光学フィルム成形ロールやナノインプリント用金型等の分野で使用されるロールに要求される肉厚均一性、円筒度、真直度、表面性状（粗さ、硬さ）に適合する高機能を備えたものとなり、さらにフレキシブル性、優れた耐熱強度を備えたものとなる。
（２）さらに、極薄肉長尺金属円筒体はその直径が略１００ｍｍφ以上であり、その長さが略４００ｍｍ以上であるため、これをロールやベルトに使用したときには、大型のフラットパネルディスプレイ用光学フィルム成形や大型のデジタルプリントが可能となり、大量に大型の部品製造が可能となる。
（３）セラミック皮膜を極薄肉大径長尺金属管の表面に形成することにより、例えば、光学フィルム成形装置の成形ロールに使用した場合、溶融樹脂フィルムに対して離型性が良くなり、フィルム上に付与した微細パターンの形状が崩れず、また、表面が高い硬度を有するので、メンテナンスに際して傷が付き難くなる。

なお、円筒状金属素管として、溶接素管、プレス素管、ヘラ絞り素管、切削素管または圧延素管を使用しているが、それぞれの円筒状金属素管を製作するに適した素材が必要である。例として、直径５００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ１，５００ｍｍの極薄肉長尺金属円筒体を成形するために使用する内径５００ｍｍ，厚さ０．６ｍｍ、長さ６００ｍｍの円筒状金属素管について表１に示す。

プレス素管、ヘラ絞り素管、切削素管および圧延素管は溶接部が無いので溶接素管の場合のような溶接部と母材部との厚さ、段差、金属組織の差異は生じない点は大きな長所である。しかし、成形する円筒状金属素管の直径が大きくなるほど素材の大きさは大きくなり、一般の材料市場では流通量が少なく入手が困難になってくる。また、プレス機、金型、加工機に大きな設備投資が必要であり、また製作速度が遅い。それに反し、溶接素管は、市場で流通している材料から容易に成形でき、汎用性のある装置を利用して製作できる長所がある。

また、極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、
（４）第１の工程において、溶接円筒状金属素管は、矩形金属板をロールにより円筒状とし、その後にプラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接、または電子ビ−ム溶接により溶着して成形したものであるが、溶接部に段差やアンダ−カットを生じることがある。この段差やアンダ−カットの大きさが大きいとスピニング加工後に溶接部の平滑性に影響がでる。そこで、母材の厚さに対して±２μｍを超えるような場合には、溶接素管の内外から溶接部をロールで挟動し押圧することにより厚さと形状の調整を行う。
（５）第２の工程において、外側フランジを塑性加工によりラッパ状に傾斜を付けて成形したり１回以上折り曲げたりすることにより、円筒状金属素管に付与される張力に応じ、必要な外側フランジの剛性を付与することができる。例えば、外側フランジをラッパ状に傾斜をつける場合やシルクハットの鍔のようにほぼ直角にする場合、またはそれらの組み合わせる場合、さらに、直角に１回折り曲げたのみでは剛性が不足する場合は、１８０°に折り曲げ、さらに１８０°に折り曲げられた先端をさらに直角に折り曲げることにより、剛性を高くすることができる。
（６）第４の工程において、１回で所定の厚みに圧延加工ができないような場合は、スピニング加工による圧延加工率を２５％〜５０％とした後、さらにスピニング加工による圧延加工率を１０％〜５０％とした２パス加工とすることにより、所定の厚みとすることができる。
一般的に金属材料はスピニング加工をすると金属組織中に転位が生成して結晶の動きを阻害するために硬くなる。これを加工硬化というが、それに加えてＳＵＳ３０４に代表されるオ−ステナイト系ステンレスでは、スピニング加工によって加工誘起マルテンサイト相が生成して硬くなる。例えば、通常のＳＵＳ３０４の硬度は、Ｈｖ１６０であるが、圧延することによって３８０以上まで上昇する。また、引張り強さは当初の６５０Ｎ／ｍｍ^２であったものが、スピニング加工後には１８００Ｎ／ｍｍ^２まで上昇する。この現象は最終製品であなる極薄肉金属円筒体にとっては表面の硬度が上がり、また疲労強度の向上に繋がり好ましい特性であるが、スピニング加工など塑性加工を行う場合では、加工性が悪くなり望ましい現象ではない。すなわち、圧延加工率が大きくなると一度に薄い厚さまで圧延することが困難になる。そこで高い圧延加工率の場合には一度に圧延しないで数回に分けて徐々に薄く加工していく。
（７）さらに加工が困難な場合には、１回目のスピニング加工（以下、これを本明細書では「１パス目」ということがある。）と２回目のスピニング加工以下、これを本明細書では「２パス目」ということがある。）との間に熱処理工程を介在させると加工硬化や加工誘起マルテンサイト生成による材料の硬化が緩和されて良好な加工が可能となる。すなわち、熱処理を９２０℃〜１１５０℃の固溶化熱処理条件で行った場合には、加工誘起マルテンサイトで生成した炭化物がオ−ステナイト相の中に固溶して加工誘起マルテンサイト生成による硬化の影響が消失する。また、熱処理を２００℃〜９５０℃の歪み除去・再結晶熱処理条件で行った場合は、加工による結晶の歪みが除去され、再結晶が起きて加工硬化の影響は消失する。
そして、これらの熱処理に引き続き、さらに圧延を行うことによって材料の硬化や強度上昇が図られ、極薄肉長尺金属円筒体として望ましい機械的な特性が付与される。それに加えて、複数パスのスピニング加工の中間で熱処理を施すことによって溶接部での添加元素の再固溶化、再析出、再結晶化によって母材部の金属組織が均一化してくる。このため、金属製のベルトまたはロールの熱伝導率が均一となり、製品の歩留まりも向上する。
（８）加圧ローラーを複数にした場合に、ローラーとローラーとの間を円筒状金属素管の長さ方向に所定の間隔（これをローラーピッチという。）にして設置し、各加圧ローラーのローラーピッチをマンドレルに装着した鍔付円筒状金属素管の壁面を押圧する軌跡が互いに重複しない間隔とすることにより、効率よく鍔付円筒状金属素管を圧延して平滑な面にすることができる。
（９）複数の加圧ローラーの内、加圧ローラーの進行方向に対して最後尾に位置する加圧ローラーをスキンパスロールとすることにより、回転加工能率を維持したまま平滑な鏡面を有する極薄肉長尺金属円筒体を得ることができる。なお、スキンパスロールは先端丸み半径が大きく、成形角が小さなローラー形状を有し、表面の平滑化に有効で、通常はＲｙ５．０μｍ程度の表面粗さをＲｙ０．５μｍ以下に仕上げることが可能である。
（１０）第４の工程のスピニング加工により極薄肉長尺金属円筒体の表面層に引張り応力が作用して、そのままベルトとして使用した場合には、両端縁部が外側に反り返った状態になることがある。この場合は、第５の工程の後に残留応力調整を行うことにより、両端部の反りを無くすことができる。
平坦にするための残留応力調整は、スピニング加工における圧延加工率、スピニング後の製品の厚さおよび長さによって異なる。圧延加工率が大きいと内部の残留引張り応力が大きいので表面の圧縮応力を大きくする必要がある。同じ圧延加工率であっても、製品の厚さの厚さが薄い場合には、表面の圧縮応力が小さい場合でも平坦になる。
例えば、残留応力を表面において１０５０ＭＰａの圧縮応力とし、厚さ方向中間部において１５０ＭＰａの引張応力とした場合に、圧延加工率５０％で加工した直径５００ｍｍ、板厚０．２ｍｍ、幅１，０００ｍｍのステンレス鋼の極薄肉長尺金属円筒体をダブルベルトプレスとして使用すると、上下のベルトの両端が反り上がらず、ラミネートする搬送ベルト上の製品に満遍なく押圧力が作用する。
（１２）第７の工程のＰＶＤ（物理気相蒸着）処理またはＣＶＤ（化学気相蒸着）処理により、極薄肉長尺金属円筒体の表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＣｒＮ（窒化クロム）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）の内のいずれか一つまたは二つ以上組み合わせたセラミック皮膜が形成される。このセラミック皮膜は厚さ１〜４μｍであり、硬度はＨｖ２０００以上となって硬質クロム鍍金よりも高く、しかも溶融樹脂との離型性が優れている。また、このセラミック皮膜は大きな圧縮応力を有するので、極薄肉長尺金属円筒体は、ガラスビーズによるショットピーニングを施さなくとも両端が外側に反り返ることがなく、平坦なロールまたはベルトになる。

（１３）フレキシブル性、熱伝導性、形状均一性、耐久性に優れた極薄肉長尺金属円筒体を、フィルム成形装置の成形ロール、フィルムラミネート装置のプレスベルト、ナノインプリント装置のベルト、デジタルプリント装置のトナー熱定着ロール、有機ＥＬ製造装置のベルトまたはロール、に使用することにより、これらの装置は、生産性に優れたものとなる。
なお、溶接円筒状金属素管の溶接による熱影響部の幅は０．５ｍｍほどであるが、金属組織は母材部と異なり、引張り試験を行うと溶接部の段差による影響で母材部に比較して引張り強さ、伸び率とも小さな値を示す。しかし、圧延加工率を上げていくと母材部と溶接部との差が無くなり、母材部の引張り試験値に近づいてくる。加えて複数パスのスピニング加工の中間で熱処理を施すことによって溶接部と母材部の金属組織が均一化してくる。これにより、極薄肉長尺金属円筒体をベルトまたはロールに使用した場合には、その熱伝導率が均一となり、このベルトまたはロールを使用した装置が製造する製品の歩留まりが向上する。

（１４）従来、細幅の金属ベルトは極薄肉の金属板を所定の幅に切断しその両端を溶着して製造されていたが、極薄肉長尺金属円筒体を所望の幅に切断してベルトとすることにより、均一な性状の細幅の金属ベルトを経済的に大量に製造することが可能になる。

以下、本願発明を実施するための最良の形態に係る極薄肉長尺金属筒体について、図１ないし図３に基づいて説明する。なお、図１は、極薄肉長尺金属筒体の製造フローチャート図であり、図２は、スピニング加工装置の構成概略図であり、図３は、加圧ローラーの先端形状断面図である。

図１ないし図３において、符号１０は極薄肉長尺金属筒体、符号１１は鍔付円筒状金属素管、符号１３は外側フランジ、符号１５は内側フランジ、符号１７は円筒状金属素管壁面、符号１９は圧延された円筒状金属素管壁面、符号２１は金属板、符号２３は円筒状金属素管、符号２５は上ロール、符号２７は下ロール、符号３０は本発明に係るスピニング加工装置、符号３１はマンドレル、符号３３はマンドレル芯軸、符号３５は張力付加部材、符号３５１は張力盤、符号３５３は張力シリンダー、符号３５５は張力シャフト、符号３７は加圧ローラー、符号３９はマンドレル主軸駆動モーター、符号αは成形角、符号βは逃げ角、符号ρは丸み半径、である。また、符号Ａ、符号Ｂ、符号Ｃ、符号Ｄおよび符号Ｅは矢印を示している。

〔スピニング加工装置の概要〕
まず、スピニング加工装置３０の概要を、図２に基づいて説明する。
スピニング加工装置３０は、主に、鍔付円筒状金属素管１１を装着するマンドレル３１と、鍔付円筒状金属素管１１に張力を付与する張力付与部材３５と、円筒状金属素管壁面１７を押圧し圧延する３つの加圧ローラー３７と、マンドレル３１を回転駆動させるマンドレル主軸駆動モーター３９と、から構成されていて、３つの加圧ローラー３７は、マンドレル３１の回転方向（矢印Ａの方向）である円周方向に等間隔に配置されている。さらに、張力付与部材３５は、鍔付円筒状金属素管１１の外側フランジ１３に嵌合する張力盤３５１と、張力盤３５１を押下する張力シリンダー３５３と、張力シリンダー３５３の押下力（矢印Ｃ）を伝達する張力シャフト３５５から構成されている。

鍔付円筒状金属素管１１をマンドレル３１に装着して、マンドレル３１の先端に鍔付円筒状金属素管１１の内側フランジ１５を当接させる。また、鍔付円筒状金属素管１１には鍔状の外側フランジ１３が塑性加工により形成されており、張力盤３５１に嵌合する。そして、張力盤３５１は、張力シャフト３５５を介して張力シリンダー３５３によって図下方に外側フランジ１３を押し下げ、鍔付円筒状金属素管１１に張力を付与する。この張力の適正値は、成形する極薄肉長尺金属筒体の形状、材質さらには加圧ローラーの形状や加圧ローラーが移動する送り速度によって異なる。
そして、マンドレル３１をマンドレル駆動モーター３９によって回転させる（矢印Ａ）と鍔付円筒状金属素管１１も回転する（矢印Ｂ）。この回転数は、成形する極薄肉長尺金属筒体の寸法によって異なり、直径が２０ｍｍφ〜１００ｍｍφの小径の場合は６００ｒｐｍ〜３，０００ｒｐｍであり、直径が５００ｍｍφ〜１０００ｍｍφの大径の場合は５０ｒｐｍ〜６００ｒｐｍである。その中間である直径が１００ｍｍφ〜５００ｍｍφの中径の場合は、おおよそそれらの中間である。

回転する鍔付円筒状金属素管１１に張力を付加しながら円筒状金属素管壁面１７に加圧ローラー３７を押し当てる。加圧ローラー３７は、鍔付円筒状金属素管１１の回転に連れ回り（矢印Ｂ）しながら図示外の機構によって鍔付円筒状金属素管１１の中心軸方向に押圧し（矢印Ｄ）、押圧により円筒状金属素管壁面１７が塑性変形して円筒状金属素管壁面１９が減厚する。加圧ローラー３７は、加工の初めは鍔付円筒状金属素管１１の内側フランジ１５側に当てられるが、図示外の機構によって加圧ローラー３７が次第に図の下方に移動する（矢印Ｅ）ことによって鍔付円筒状金属素管１１を順次圧延し、長さ方向に伸ばしていく。この加圧ローラー３７の送り速度は、成形する極薄肉長尺金属筒体によって異なるが、３０〜５００ｍ／ｍｉｎである。

複数の加圧ローラー３７は、図１で示すように図の上下方向（これをＺ方向という。）に所定の間隔（これをローラーピッチという。）をもって設置するが、ここで、ローラーピッチについて説明する。なお、加圧ローラー３１の送り方向に対して最前に位置する加圧ローラー３７を＃１ローラーと称し、以下順に、＃２ローラー、＃３ローラーと称することとする。

マンドレルの回転数Ｒ（ｒ／ｍｉｎ）、加圧ロ−ルの送り速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）とすると、加圧ローラーの送りピッチＰは、Ｐ＝Ｖ／Ｒ（ｍｍ／ｒ）となる。Ｒ＝６０（ｒ／ｍｉｎ）、Ｖ＝３６（ｍｍ／ｍｉｎ）の例では、送りピッチＰ＝３６／６０＝０．６ｍｍ／ｒになる。すなわち、鍔付円筒状金属素管１１の成形速度はマンドレルの１回転毎に０．６ｍｍずつ進行する。３個の加圧ローラーがマンドレルの外周上の１２０°で等間隔に配置されている場合、マンドレルの軸方向に対して０．６ｍｍ／３＝０．２ｍｍ、若しくは、その整数倍の距離をおいて配置されているならば、先頭の＃１ローラーの軌跡の上をなぞって、＃２ローラー、＃３ローラーも押圧していくことになる。
加圧ローラーの数をｎとし、加圧ローラーが均等にマンドレル外周上に配置されるならば、Ｐ／ｎの整数倍の間隔をおいて加圧ローラーをマンドレルの軸方向に配置すると各加圧ローラーは、同じ軌跡を押圧するが、各加圧ローラーをＰ／ｎの整数倍にならない間隔をおいて配置するならば、各加圧ローラーは前の加圧ローラーの軌跡とは異なる軌跡を押圧していくので圧延後の表面には筋状の皺が少なくなり平滑化の効果が大きい。
つぎに、ｎ個の加圧ローラーがマンドレルの軸方向に同一位置で外周に均等に配置された場合は、ｎ重の螺旋軌跡（すなわち、異なる軌跡）を残し、細かいピッチの縞を生じる。細かくなる縞のピッチに対して加圧ローラーの先端丸み半径が大きければ、前の加圧ローラーの軌跡を後の加圧ロ−ラ−で潰していき、結果として平滑化が図られる。
したがって、加圧ローラーの所定の間隔を以下のようにする。
（１）ｎ個の加圧ローラーがマンドレルの周に３６０°／ｎの間隔を置いて配置されている場合は、加圧ローラーのマンドレル軸方向に対して、Ｐ／ｎの整数倍にならない間隔をおいて配置する。
（２）加圧ローラーの先端丸み半径ρが素管壁面に接触する弧の長さ＞送りピッチＰ の場合は、ｎ個の加圧ローラーは、マンドレルの軸方向に対して同一位置に配置してもよい。

加圧ローラー３７は、押圧部分が尖形となった略算盤珠状の形状をしており、加圧ローラー３７の前進前方側の成形角α、前進後方側の逃げ角βおよび加圧ローラー先端の丸み半径ρが鍔付円筒状金属素管１１の成形形状に影響する（図３参照）。これらの加圧ローラー３７の形状は、各加圧ローラーとも同じ場合もあるが、素材や加工品質によっては、最初に圧延を開始する＃１ロ−ラ−から順次、形状を変える場合がある。なお、実施例では＃３ローラーをスキンパスロールとしている。

成形角αが大きいと成形品の形状が悪化するし、小さすぎると加工に大きな押力を必要とする。先端丸み半径ρは、大きすぎると製品にしわが発生して形状不良になるし、小さすぎると成形品の表面粗さが悪化する。加工製品には加圧ローラーの押し当てた跡が螺旋状に残り、表面の平滑性が厳しい規格に対しては不適正である。このため、成形角α、逃げ角βおよび加圧ローラー先端の丸み半径ρは適正値とする必要があるが、実施例における各数値を表２に示す。

なお、マンドレル３１の上部にはマンドレル芯軸３３が設置されており、マンドレル３１と共に回転する。このため、鍔付円筒状金属素管１１を圧延する際のマンドレル３１の偏心はマンドレル芯軸３３のブレとなって現れる。そこで、例えば、マンドレル芯軸３３の変位を計測する変位計を配設してデーターを取り、このデーターを基に加圧ローラーの押圧力や位置を補正することもできる。

〔極薄肉長尺金属筒体の製造方法例〕
極薄肉長尺金属筒体の製造方法例について、図２を基に説明する。なお、実施例は円筒状金属素管が溶接素管の場合である。

（Ｓ１：矩形金属板を円筒状に成形）
矩形の金属板２１をベンディングロールにより円筒状に成形する。ベンディングロールは、上ロール２５と下ロール２７との間に金属板２１を挟み込んで押圧しながら上ロール５１と下ロール５３を回転させて円筒状に成形するものである。なお、実施例では、金属板２１の板厚を０．４ｍｍ〜０．８ｍｍとしている。

（Ｓ２：円筒状の金属板の両端縁を溶着）
円筒状に成形した金属板２１をプラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接または電子ビ−ム溶接により溶着して円筒状金属素管２３とする。プラズマ溶接、レーザー溶接および電子ビ−ム溶接は母材自体の溶融により接合するものであり、いずれも溶接部は母材部に比較して１〜２μmほどの凹みや突起が生じることがある。また、金属組織も母材部と異なり、結晶粒度が粗大化してくるので引張り試験を行うと母材部に比較して引張り強さ、伸び率とも小さな値を示す。しかし、後述するスピニング加工により圧延加工率を上げていくと加工硬化および加工誘起マルテンサイト生成の影響が現れて母材部の引張り試験値に近づいてくる。さらに複数パスの中間で熱処理工程を介することによって金属組織も母材部に近い状態になる。
上記手順（Ｓ１）および（Ｓ２）が第１の工程を構成する。

（Ｓ３：外側フランジおよび内側フランジの形成）
円筒状金属素管２３の一端をスピニング加工により外側に塑性加工をして外側フランジ１３を形成し、他の一端を内側に塑性加工をして内側フランジ１５を形成して、鍔付円筒状金属素管１１とする（第２の工程）。
外側フランジ１３は塑性加工により複数回折り曲げて形成してもよく、さらに、外側フランジ１３および内側フランジ１５の形成は、このような塑性加工によらず同一金属の環状体を長尺円筒体の両端に溶接で接合してもよい。また、この外側フランジ１３および内側フランジ１５は、後述のようにスピニング加工の際に鍔付円筒状金属素管１１に張力を付与する機能を持たせるためであるから、環状体でなくともよく、例えば、円筒状金属素管２３の両端の外側、あるいは内側に放射状に延伸する鍔状の部材を固着してもよい。

（Ｓ４：円筒状素管をマンドレルに装着）
鍔付円筒状金属素管１１をマンドレル３１に装着する（第３の工程）。装着することにより、鍔付円筒状金属素管１１はマンドレル３１に密着するとともに、内側フランジ１５がマンドレル３１の先端部に当接する。

（Ｓ５：最初のスピニング加工）
鍔付円筒状金属素管１１はスピニング加工装置３０の張力付加部材３５により張力が付与される。そして、マンドレル３１が軸方向に回転すると鍔付円筒状金属素管１１も回転し、回転する円筒状金属素管壁面１７に複数の加圧ローラー３７を押し当てて、壁面を塑性変形させながら鍔付円筒状金属素管１１を圧延する（第４の工程）。

（Ｓ６：熱処理）
鍔付円筒状金属素管１１がステンレス鋼の場合、圧延加工率が大きくなるにつれて加工硬化と加工誘起マルテンサイト生成のために次第に硬くなるので、最終製品の厚さが薄いほど圧延加工が困難になり、圧延加工途中で破断してしまう場合がある。このような場合には１回のスピニング加工で一度に薄くしないでスピニング加工を２回に分け、途中で熱処理を行うと良い結果を得る。その上、圧延の中間で熱処理を行うことによって溶接部の金属組織が母材部に近くなり形状的ならびに金属物性的にも均一化の方向になる。

上述の熱処理には２種類あって、一つは歪み除去・再結晶熱処理であり、他の一つは固溶化熱処理である。歪み除去・再結晶熱処理は、２００℃から９５０℃の間で加工による結晶の歪みが除去され、再結晶が起きて加工硬化の影響は消失して材料は軟化する。また、９８０℃〜１１５０℃の固溶化熱処理を行うと、加工誘起マルテンサイトで生成した炭化物がオ−ステナイト相の中に固溶して加工誘起マルテンサイト生成による硬化の影響が消失する。これに因り材料は再び柔らかくなり加工が容易になる。固溶化熱処理温度は、オーステナイト系ステンレスの種類によって異なり、ＳＵＳ３２１では９２０℃〜１１５０℃、ＳＵＳ３４７では９８０℃〜１１５０℃、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等は１０１０℃〜１１５０℃の範囲である。
なお、塑性加工が可能な金属板がステンレス鋼ではなく他の金属である場合には、適正な熱処理条件を選択することはいうまでもない。例えばアルミ合金では固溶化熱処理のことを溶体化熱処理といい、合金元素を均一に溶かし込む温度は約５００℃である。また応力除去・再結晶温度は１５０℃ないし２５０℃である。

（Ｓ７：再度のスピニング加工）
熱処理後、第４の工程を繰り返して、圧延加工された鍔付円筒状金属素管１１に再度、スピニング加工を施す（第４の工程）。
内径５００ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの溶接素管から内径５００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの金属円筒体を成形する場合に、０．８ｍｍから０．２ｍｍまで一度の圧延加工で仕上げる場合（これを１パス加工という。）と１度目で０．８ｍｍから０．４ｍｍまで圧延加工し、その後引き続き０．４ｍｍから０．２ｍｍまで圧延加工する（これを２パス加工という。）場合がある。例えば、２パス加工の場合に１パス目で５０％、２パス目で５０％の圧延加工率としたときには、総合的な圧延加工率は１パス加工、２パス加工とも同じく７５％である。加工が困難な場合には、このように多数回に分けて圧延加工を行うと良好な結果を得る。

ここで、極薄肉長尺金属筒体の製品も代表的な寸法として内径５００ｍｍφ×厚さ０．２ｍｍ×長さ１５００ｍｍを製造する場合を例として、鍔付円筒状金属素管１１の圧延加工率と圧延加工後の長さについて説明する。鍔付円筒状金属素管１１の寸法が内径５００ｍｍφ×厚さ０．８ｍｍの場合は、圧延加工率は（０．８−０．２）／０．８＝７５％となる。同様に鍔付円筒状金属素管１１の厚さが、０．６ｍｍ、０．４ｍｍであるとすれば圧延加工率は、それぞれ６６．７％、５０％となる。圧延加工した箇所は、厚さが薄くなった分、長さが長くなる。圧延前後の厚さと長さをそれぞれ、Ｔ_０、Ｔ_１、Ｌ_０、Ｌ_１とするとＴ_０×Ｌ_０＝Ｔ_１×Ｌ_１であり、Ｌ_１＝（Ｔ_０／Ｔ_１）Ｌ_０になる。すなわち圧延加工率が、７５％、６６．７％、５０％の場合に、それぞれの加工部分の長さは、４倍、３倍、２倍になる。

（Ｓ８：円筒状素管の両端の切断）
圧延加工された鍔付円筒状金属素管１１の両端には外側フランジ１３および内側フランジ１５があり、また、圧延された円筒状金属素管壁面１９の両端には、多少の圧延加工ができない部分があり、それらを切断して所定の寸法に仕上げて極薄肉長尺金属筒体１０を得る（第５の工程）。
先の例で、円筒状素管１１の寸法が内径５００ｍｍφ×厚さ０．８ｍｍの場合は、圧延加工率７５％で内径５００ｍｍφ×厚さ０．２ｍｍ×長さ１，５００ｍｍの極薄肉長尺金属筒体１０が製造できる。

（Ｓ９：残留応力調整またはセラミック皮膜処理）
まず、第６の工程である残留応力調整について説明する。
圧延された鍔付円筒状金属素管１１の両端を切断した極薄肉長尺金属筒体には引張り応力が残留応力として存在して、その両端縁が外側に反る場合がある。この場合、ショットピーニングにより、表面層の引張り応力を圧縮応力に変える残留応力調整を行う。具体的には、スピニング加工した内径５００ｍｍφ×厚さ０．２ｍｍ×長さ１，０００ｍｍの極薄肉長尺金属筒体１０の両端の反りが７ｍｍあった例では、これにガラスビーズ＃４００をノズルロ径７ｍｍのガンから投射量１，０００g／ｍｉｎ、投射圧０．６ＭＰａでショットピーニングしたところ、両端の反りはなくなり、平坦になった。Ｘ線回折法で表面層および表面から５０μｍの深さにおける残留応力を測定すると、それぞれ８２０ＭＰａの圧縮応カと６５０ＭＰａの引張り応力であった。

つぎに、第７の工程であるセラミック皮膜処理について説明する。
ステンレス鋼製のベルトあるいはスリーブは、脱脂洗浄後に、２００℃×６０ｍｉｎのベーキング処理、Ａｒアークビーム前処理（１０ｍｉｎ）の前処理等を行ってからＤＬＣ処理を施す。ＤＬＣの製膜処理は、プラズマＣＶＤ法、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法、イオン化蒸着法、スパッタリング（ＵＢＭＳ）法などのＰＶＤ等既存の方法により１〜３μｍの膜厚とする。基材温度は１５０〜１６０℃である。
つぎに、ＤＬＣ薄膜を構成する材料である炭素を含む炭化水素系のガスを、反応ガス導入管から反応ガス導入室へ導入し、反応ガス導入室内の真空度を１Ｐａ〜１０Ｐａにする。このとき導入する反応ガスとしては、ベンゼンのガスを用いる。そして熱電子放出手段を作動させ、上記の炭化水素系のガスを励起、解離、およびイオン化し、解離された炭素と炭素イオン、および解離された水素と水素イオンが基材に向けて照射され、基材上にＤＬＣ薄膜を形成する。基材の温度が２５０℃ではＤＬＣの典型的なスペクトルを示すのに対して、基材の温度を３００℃あるいは４００℃とした場合にはグラファイトのスペクトルとなっている。このため基材の温度は２５０℃以下が望ましい。一方、１００℃より低いと基材に対するＤＬＣ薄膜の付着力が弱くなる。そのため、成膜中の基材の温度を１００℃から２５０℃に制御する。そうすることにより、ＤＬＣ薄膜のグラファイト化を抑制することができ、高硬度で、高品質のＤＬＣ薄膜が形成できる。
ＴｉＮ皮膜は、ターゲットにＴｉを用いて３×１０^−１Ｐａの窒素ガス中でバイアス電圧−２５０Ｖで反応させる真空アーク蒸着法により製膜した。同様にタ−ゲットをＣｒに変えてＣｒＮを得た。同じくターゲットにＴｉを用いて３×１０^−１Ｐａのアセチレンガスとアルゴンガスの混合ガス中でバイアス電圧−２５０Ｖで反応させる真空アーク蒸着法によりＴｉＣＮの皮膜を得た。いずれも膜厚は２〜４μｍである。

図１は、極薄肉長尺金属筒体の製造フローチャート図である。 図２は、スピニング加工装置の構成概略図である。 図３は、加圧ローラーの先端形状断面図である。

１０ 極薄肉長尺金属筒体
１１ 鍔付円筒状金属素管
１３ 外側フランジ
１５ 内側フランジ
１７ 円筒状金属素管壁面
２３ 円筒状金属素管
３０ スピニング加工装置
３１ マンドレル
３５ 張力付加部材
３７ 加圧ローラー

Claims (14)

1. 塑性加工が可能な金属が円筒状金属素管に成形される第１の工程と、前記円筒状金属素管の一端に外部に突設される鍔状の外側フランジが形成されるとともに他の一端に内部に突設される鍔状の内側フランジが形成されて鍔付金属素管が成形される第２の工程と、
   前記鍔付金属素管が円筒状のマンドレルに密着して装着されて該マンドレルの先端が前記内側フランジに当接する第３の工程と、
   前記外側フランジを介して前記鍔付金属素管に張力が付与され、前記マンドレルが円周方向に回転するとともに該鍔付金属素管が回転し該鍔付金属素管の壁面が加圧ローラーに押圧されるスピニング加工により塑性変形して圧延される第４の工程と、
   前記第４の工程の中間で熱処理が行われる熱処理工程と、
   塑性変形後の前記鍔付金属素管の両端が切断される第５の工程と、
   前記鍔付金属素管の両端の切断された後に表面の残留応力を圧縮応力とし、厚さ方向中間部の残留応力を引張応力とする残留応力調整が行われて外側に反り返った両端縁部の反りが解消する第６の工程と、からなり、
   前記第４の工程において、前記加圧ローラーは複数であって前記マンドレルの軸方向に対して相互に所定の間隔をもって配置され、該所定の間隔は各加圧ローラーの前記マンドレルに装着された前記鍔付金属素管の壁面を押圧する軌跡が互いに重複しない間隔であって、複数の該加圧ローラーの前進前方側の成形角（α）、前進後方側の逃げ角（β）および該加圧ローラー先端の丸み半径（ρ）の数値は、１０°≦α≦３０°、１０°≦β≦２０°および１ｍｍ≦ρ≦５ｍｍであり、該加圧ローラーの送り方向に対して最後尾に位置する加圧ローラーをスキンパスロールとしたときの該スキンパスロールの数値は、１０°≦α≦３０°、１０°≦β≦２０°および４ｍｍ≦ρ≦１０ｍｍである、ことを特徴とする極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
2. 前記第６の工程の後に表面にＰＶＤ処理またはＣＶＤ処理によるセラミック皮膜を形成する第７の工程と、から製造される、ことを特徴とする請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
3. 前記第１の工程において、前記円筒状金属素管は塑性加工が可能な矩形の金属板が円筒状に突き合わされ該突き合わせ部が溶着された溶接円筒状金属素管であって、ベンディングロールにより円筒状に成形されてプラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接、または電子ビ−ム溶接のいずれかにより溶着される、ことを特徴とする請求項１に記載の極薄肉長
   尺金属円筒体の製造方法。
4. 前記第２の工程において、前記外側フランジは塑性加工により１回以上曲折されて形成され、またはリング状の金属板が溶着されて形成され、前記内側フランジは塑性加工により曲折されて形成され、または放射状若しくは円盤状の金属板が溶着されて形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
5. 前記第４の工程において、前記スピニング加工による圧延加工率が２０％ないし９０％である、ことを特徴とする請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
6. 前記第４の工程において、前記スピニング加工は複数回に分けて行う、ことを特徴とする請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
7. 複数回の前記スピニング加工の間に熱処理工程を介在させ、該熱処理は固溶化熱処理条件または歪み除去・再結晶熱処理条件で行なわれる、ことを特徴とする請求項６に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
8. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材の成形ロールに使用した、ことを特徴とするフィルム成形装置。
9. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のプレスベルトまたはプレスロ−ルに使用した、ことを特徴とするフィルムラミネート装置。
10. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴とするナノインプリント装置。
11. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴とするデジタルプリント装置。
12. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴とする印刷装置。
13. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を構成部材のベルトおよび／またはロールに使用した、ことを特徴とする有機ＥＬ製造装置。
14. 請求項１に記載の極薄肉長尺金属円筒体を所望の幅に切断した、ことを特徴とする金属ベルト。

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