JP5579947B2 - 成形ロールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
ロール胴部表面に被覆したアモルファス状ニッケル合金層を研磨したものにクロムめっき層が被覆され、当該クロムめっき層を研磨することによって0.1μmRy以下の表面粗さを有する硬質クロムめっき層を得ることが好ましい。
本発明者等は、表面粗さが0.1μmRy以下である鏡面のロールを得るために、パルス電解法によらない方法を選択した。クロムめっき浴としては、最も利用されているサージェント浴を利用して、浴温度、電流密度などのパラメーターの数値を変化させて実験した。その結果、70℃以上の高温度でクロムめっきをすると、クラックのないクロムめっき皮膜が得られたが、HV500以下の硬度となり、硬質クロムとは言えないものであった。これでは、耐傷性の観点から、到底本発明の対象とするプラスチックフィルムやプラスチックシートの成形に適用できない。
そこで、クラックの生成しない硬質クロムめっき条件を見出すために、以下のような実験を行った。試験片としては、縦が50mmで横が50mmの正方形で10mm厚さのS50Cの炭素鋼を用い、その試験片の表面を0.1μmRy粗さに研磨した。そして、そのS50Cの試験片を、無水クロム酸が250g/literで、硫酸が2.5g/literである組成のクロムめっき浴に浸漬して、浴温を50℃、電流密度を25A/dm2として固定し、電解時間を変化させることによってクロムめっき厚みを変化させた。そして、クロムめっき後のS50Cの試験片の表面を顕微鏡で拡大観察(100倍)することによってクラックの有無を調査するとともに、表面粗さを測定した。そして、クロムめっきしたS50Cの試験片を100℃、200℃、300℃、350℃の各温度で1時間保持した後、20℃の冷水中へ投入するという熱衝撃試験を行い、熱衝撃試験後のS50Cの試験片の表面を顕微鏡で拡大観察(100倍)することによってクラックの有無を調査した。以上のクラックの有無と表面粗さの測定結果を以下の表1に示す。表1において、記号「○」は試験片にクラックが発生しなかったことを示し、「△」は試験片の一部にクラックが発生したことを示し、「×」は試験片にクラックが明確に発生したことを示す。また、表面粗さの測定は、東京精密社製のサーフコム480Aによった。
そこで、クロムめっき条件を変化させて、めっき膜厚とクラック発生、めっき膜厚と熱衝撃試験後のクラック発生、めっき膜厚と表面粗さの関係について実験を繰り返した。その結果、めっき膜厚とクラック発生との関係については、浴組成として無水クロム酸が200〜300g/literで硫酸が2〜3g/liter、浴温が45〜55℃、電流密度が10〜35A/dm2である範囲において、表1の熱衝撃試験の結果をほぼ再現できることが分かった。また、クロムめっき厚の範囲としては0.2〜1.0μmが好ましいことが分かった。
0.1μmRy以下の表面粗さを有する硬質クロムめっき層が被覆されている成形ロールを提供するという課題を解決するためには、クロムめっき層の金属下地の平滑度を上げるか、クロムめっき層の下層として平滑化しやすくてクラックのない中間層を設けるか、又は薄膜のクロムめっき層を研磨するかのいずれかの方法を選択することができる。これらの中で、クロムめっき層の金属下地の平滑度を上げる方法は、もともと鉄鋼材料は成分的に不均一で非金属介在物を含有しているために、クロムめっき層にピンホールやザラツキなどの欠陥を生じやすいという欠点がある。また、クロムめっき層を研磨して平滑化するには、膜厚が薄すぎて通常の研磨方法を利用できない。
そこで、本発明者等は、0.1μmRy以下の表面粗さを有する硬質クロムめっき層をその上部に形成することのできる中間層について、以下のように検討した。
同上S50Cの試験片に、銅めっきまたはリン含有量が8重量%以上のニッケル−リン合金めっきを施し、ダイヤモンド切削加工により0.06μmRy以下の表面粗さの鏡面に切削加工した。銅めっきとニッケル−リン合金めっきの膜厚は、ともに100μmである。そして、そのS50Cの試験片を上記(2)の浴組成のクロムめっき浴に浸漬して、同上浴温(25℃)、同上電流密度(25A/dm2)で、電解時間を変化させることによって銅めっきまたはニッケル−リン合金めっきの中間層上に被覆するクロムめっき厚みを変化させた。そして、クロムめっき後のS50Cの試験片の表面を顕微鏡で拡大観察(100倍)することによってクラックの有無を調査するとともに、表面粗さを測定した。そして、クロムめっきしたS50Cの試験片を100℃、200℃、300℃、350℃の各温度で1時間保持した後、20℃の冷水中へ投入するという熱衝撃試験を行い、熱衝撃試験後のS50Cの試験片の表面を顕微鏡で拡大観察(100倍)することによってクラックの有無を調査した。以上の表面粗さとクラックの有無の測定結果を以下の表2に示す。表2における記号「○」、「△」および「×」の意味は表1と同じである。また、表面粗さの測定は、東京精密社製のサーフコム480Aによった。
その結果、研磨ないし切削後の加工面粗さとして0.1μmRy以下を容易に満足し、且つ表層のクロムめっき層にクラックを生じ難い中間層の皮膜種としては、ニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン合金、ニッケル−タングステン−リン合金などアモルファスないし準アモルファス状となり易い合金めっき種が最も適していることを見出した。その理由は、アモルファスであるために結晶形態をとらず、研磨や切削によって表面を平滑に出来るからである。これらのアモルファス合金の表面にクラックの無いクロムめっきを1.0μm被覆して300℃での熱衝撃試験(300℃で1時間保持後20℃の冷水中へ投入)を行っても、銅を中間層としたときのようにクラックを発生することは無いことを確認できた。
a.ニッケル−リン合金めっき(P含有量が8wt%以上)
pH 1〜4
硫酸ニッケル 100〜200g/liter
クエン酸ナトリウム 80〜120g/liter
亜リン酸 30〜80g/liter
ホウ酸 20〜40g/liter
浴温 40〜60℃
電流密度 1〜5A/dm2
pH 5〜8
硫酸ニッケル 40〜65g/liter
タングステン酸ナトリウム 50〜80g/liter
クエン酸二アンモニウム 35〜55g/liter
ギ酸ナトリウム 5〜20g/liter
浴温 55〜65℃
電流密度 5〜20A/dm2
pH 4〜5
硫酸ニッケル 25〜75g/liter
タングステン酸ナトリウム 30〜90g/liter
クエン酸二アンモニウム 80〜100g/liter
亜リン酸 2〜4g/liter
浴温 40〜70℃
電流密度 5〜20A/dm2
そこで、図3に示すように、ロール胴部1としてSTKM13Aを使用し、ロール軸部2としてS45Cを使用し、ロール胴部1の直径が450mmで胴長が1800mmである本発明の成形用ロールの一例(以下、試験ロールという)を実際に製作した。その試験ロールの胴部1を精密加工して表面粗さを1.0μmRyに仕上げ、さらに、試験ロールの胴部1の表面を脱脂して活性化処理を施した後、200μm厚みのニッケル−10wt%リン合金めっきを被覆した。そして、そのニッケル−リン合金めっきを被覆した試験ロールの胴部1を単結晶ダイヤモンドバイトにより切削加工して、0.03〜0.05μmRyの表面粗さに仕上げた後、電解脱脂および活性化処理を経て、無水クロム酸が250g/literで硫酸が2.5g/literである標準的なサージェント浴を用いて、浴温が48℃で、電流密度が25A/dm2の条件で電気めっきして、0.8μm厚のクロムめっきを被覆した鏡面ロールを製作した。このクロムめっきを被覆した試験ロールの胴部1の表面粗さは0.07〜0.09μmRyで、その表面を拡大観察してもクラックは一切認められなかった。このようにして、表面粗さが0.10μmRy以下であって、クラックのないクロムめっき層を有する成形ロールを提供するという目的を達成することができた。
中間層表面の超平滑化を実施し、中間層上のクロムめっき膜厚をコントロールすることで、クロムめっきしたままの状態で、表面粗さが0.10μmRy以下の鏡面が得られることは見いだしたが、耐傷性にやや劣ることが分かった。そこで、本発明者は、耐傷性を向上させるために、縦、横の大きさがそれぞれ50mmで、厚みが10mmの正方形状のS50Cの試験片の片面に100μmの厚みのアモルファス状のニッケル−リン合金を被覆して中間層とし、その中間層の表面をダイヤモンドバイトで切削して0.05μmRyの表面粗さとしたものの上に、めっき条件として、浴温を50℃、電流密度を25A/dm2に固定して、膜厚が2μmと20μmの2種類のクロムめっきを施した。
以上のように、クロムめっき層を物理的に研磨すると極表層は著しく高硬度化することを見出したので、アモルファス状の中間層を露出させることなくクラックのない1.0μm程度の厚さの薄膜を物理的に研磨して、一層の平滑化と高硬度化を達成することを目的として種々の方法について検討した。その結果、アモルファス状ニッケル合金の中間層を切削や研磨により、表面粗さを0.1μmRy、好ましくは0.05μmRy以下とし、その表面を脱脂して活性化処理を施した後、1.0μm以下の厚みのクロムめっきを被覆し、次いで、そのクロムめっき面をフェルトやスエードクロムなどの研磨パッドと、平均粒径が20μm以下、好ましくは、10μmから0.1μmの遊離砥粒とを組み合わせて研磨すると、クロムめっきの膜厚を殆ど減少させることなく、表面粗さが0.1μmRy以下で、研磨に伴なうスクラッチの発生もない鏡面のクロムめっき面を得ることが可能となり、本発明を完成するに至った。
なお、遊離砥粒としては、酸化クロム、アルミナおよび炭化ケイ素の中の少なくとも1種類、又はこれらの内から選択した2種類以上の混合物と水と適量の分散助剤とを懸濁させたもので研磨する方法が好ましい。なお、上記研磨パッドと遊離砥粒とで研磨したクロムめっき層の表面硬度をナノインデンテーション法で測定すると、表面からの深さが0.1μm以下の範囲は、常に20GPa以上の高硬度であることも確認できた。なお、ナノインデンテーション法による硬度とミクロビッカース硬度とは、ほぼ近似していた。
2 ロール軸部
Claims (6)
- 鋼材からなるロール胴部表面にアモルファス状ニッケル合金層が被覆され、当該アモルファス状ニッケル合金層上に、0.1μmRy以下の表面粗さを有し且つ表面を100倍で拡大観察したときにクラックのない硬質クロムめっき層が被覆され、
前記アモルファス状ニッケル合金層は、0.1μmRy以下の表面粗さを有することを特徴とする成形ロール。 - アモルファス状ニッケル合金は、ニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン合金およびニッケル−タングステン−リン合金の中のいずれかから選択したものであることを特徴とする請求項1記載の成形ロール。
- 硬質クロムめっき層の厚さは、0.1〜1.0μmであることを特徴とする請求項1又は2記載の成形ロール。
- 硬質クロムめっき層は、表面粗さが0.05μmRy以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載の成形ロール。
- 鋼材からなるロール胴部表面にアモルファス状ニッケル合金層を被覆し、次に、当該アモルファス状ニッケル合金層を研磨又は切削し、研磨後又は切削後のアモルファス状ニッケル合金層上にクロムめっき層を被覆し、さらに、当該クロムめっき層を研磨することによって0.1μmRy以下の表面粗さを有し且つ表面を100倍で拡大観察したときにクラックのない硬質クロムめっき層を最外部に被覆することを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項記載の成形ロールの製造方法。
- クロムめっき層はフェルトまたはスエードクロスからなる研磨パッドと、平均粒径が10μm以下の酸化物を含む遊離砥粒により研磨されることを特徴とする請求項5記載の製造方法。
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