JP6626150B2 - Application roll - Google Patents
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Description
本発明は、塗料の塗布に用いる塗布ロールに関し、より具体的には、塗布ロールの表面にクロムめっき（以下「ＨＣｒめっき」という）を介さずに炭素系材料の膜が形成された塗布ロールに関するものである。 The present invention relates to a coating roll used for coating a coating material, and more specifically, to a coating roll having a carbon-based material film formed on a surface of the coating roll without chrome plating (hereinafter referred to as “HCr plating”). Things.
スマートフォンやタブレット等のモバイル端末やウェアラブル端末には各種の機能を有するフィルムやガラス板（以下「機能性素材」という）が用いられている。これらの機能性素材はベースとなるフィルムやガラス板に、光透過性や汚れ防止などの目的に適った塗液を塗布することによって製造される。ベースとなるフィルムやガラス板への塗液の塗布には、塗布ロールが広く用いられている。 2. Description of the Related Art Films and glass plates having various functions (hereinafter, referred to as "functional materials") are used for mobile terminals and wearable terminals such as smartphones and tablets. These functional materials are manufactured by applying a coating liquid suitable for the purpose of light transmission and prevention of dirt on a film or a glass plate as a base. A coating roll is widely used for applying a coating liquid to a film or a glass plate as a base.
塗布ロールの表面は塗液の塗布量を調整するための凹凸（セル又は彫刻）が形成されている。図１（ａ）（ｂ）にセル形状の一例を示す。図１（ａ）は格子状のセルの一例を示すもの、（ｂ）は斜辺状のセルの一例を示すものである。形状については特に規定がなく、目的に応じて形や深さなどの形状が選定される。塗布ロールの形状（直径や長さ）は、ユーザーの機械にもよるが、一般的には直径が３０ｍｍ以上である。 On the surface of the application roll, irregularities (cells or engravings) for adjusting the application amount of the application liquid are formed. 1A and 1B show an example of the cell shape. FIG. 1A shows an example of a lattice-shaped cell, and FIG. 1B shows an example of an oblique cell. There is no particular limitation on the shape, and a shape such as shape and depth is selected according to the purpose. The shape (diameter and length) of the application roll depends on the user's machine, but is generally 30 mm or more in diameter.
塗布ロールの材質は、主に機械構造用炭素鋼（ＳＴＫＭ１３Ａ）が用いられており、その表面には耐摩耗性向上と防錆を目的にＨＣｒめっきが３０μｍ程度施されている。ＨＣｒめっきが施されたロール表面にはＤＬＣ膜（炭素系材料膜）が施される場合もある（特許文献１及び２）。 The material of the application roll is mainly carbon steel for machine structure (STKM13A), and the surface thereof is coated with HCr about 30 μm for the purpose of improving abrasion resistance and preventing rust. In some cases, a DLC film (carbon-based material film) is applied to the roll surface on which the HCr plating has been applied (Patent Documents 1 and 2).
炭素鋼を用いたロールは、錆が発生することがあり、そのままＤＬＣ膜のような炭素系材料膜を形成すると、十分な密着性を確保するのが困難である。防錆のためにめっきを施すことも行われているが、図２（ａ）（ｂ）に示すようにめっき内部にめっき液が残留している場合があり、表面ににじみ出てくる他、ボイド（突起）の発生も起こるため、正常なセル形状を得ることが困難である。これらの障害は製品の製造を行う上で品質の低下などの一因となる。また、前述した障害を有したロール表面にＤＬＣコーティングを行った場合、コーティング中に異常放電等のスパーク現象を誘発し、図３に示すようなクレーター状になることもある。 A roll using carbon steel may generate rust, and if a carbon-based material film such as a DLC film is formed as it is, it is difficult to ensure sufficient adhesion. Plating is also performed to prevent rust, but the plating solution may remain inside the plating as shown in FIGS. Since (projections) also occur, it is difficult to obtain a normal cell shape. These obstacles contribute to a decrease in quality in manufacturing the product. Further, when the DLC coating is performed on the surface of the roll having the above-described obstacle, a spark phenomenon such as abnormal discharge is induced during the coating, and the crater may be formed as shown in FIG.
直径３０ｍｍ以下の小径の塗布ロールの中には、ステンレス鋼の一種であるＳＵＳ３０４が使用されているものがあるが、ＳＵＳ３０４は難加工材料でありロール形状が制約されるという難点がある。また、ＳＵＳ３０４は比較的軟質な材料であるため、表面に下地の特性に大きく依存する薄膜で硬質なＤＬＣのような炭素系材料のコーティングを行った場合、膜そのものの特性を発揮するのが困難である。 Some small-diameter application rolls having a diameter of 30 mm or less use SUS304, which is a kind of stainless steel. However, SUS304 is a difficult-to-process material and has a drawback that the roll shape is restricted. Further, since SUS304 is a relatively soft material, it is difficult to exhibit the characteristics of the film itself when the surface is coated with a carbon-based material such as a hard DLC, which is highly dependent on the characteristics of the base. It is.
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、従来生じていたＨＣｒめっき由来の不都合を解消すると共に、従来のＨＣｒめっきが施された塗布ロールよりも低コストで長寿命化を可能とすることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and solves the disadvantages caused by HCr plating that have conventionally occurred, and enables a longer service life at a lower cost than a conventional HCr-coated coating roll. It is in.
本発明の塗布ロールは、焼き入れ又は窒化処理によって硬質化されたマルテンサイト系のステンレス鋼からなる外径６０φ以上のパイプ状のロール母材の表面にＤＬＣ膜が形成されたものである。 The coating roll of the present invention has a DLC film formed on a surface of a pipe-shaped roll base material having an outer diameter of 60φ or more made of martensitic stainless steel hardened by quenching or nitriding treatment.
本発明の塗布ロールには次のような効果がある。
（１）ＨＣｒめっきを使用しないため、ＨＣｒめっき由来の各種不都合が生じない。
（２）ＨＣｒめっきを使用しないため、めっき廃液が生じず、環境負荷を低減することができる。
（３）ＨＣｒめっきを使用しないため、少なくとも、めっき処理に要する分だけ、ロール製作の納期の短縮、価格の低減が可能である。
（４）ロールの短納期化及び低価格化により、関連企業の活性化、ひいては日本経済の活性化が期待できる。
（５）ＨＣｒめっきを使用しないため、ボイドの破裂に起因するロールの交換を回避することでき、塗布ロールの長寿命化（従来のＨＣｒめっきを施した塗布ロールの５倍程度）が可能となる。
The application roll of the present invention has the following effects.
(1) Since no HCr plating is used, various inconveniences derived from HCr plating do not occur.
(2) Since HCr plating is not used, no plating waste liquid is generated, and the environmental load can be reduced.
(3) Since the HCr plating is not used, it is possible to reduce the delivery time and cost of the roll production at least by the amount required for the plating process.
(4) Shorter delivery times and lower prices of rolls can be expected to stimulate related companies and eventually the Japanese economy.
(5) Since the HCr plating is not used, the exchange of the roll due to the rupture of the void can be avoided, and the service life of the application roll can be extended (about five times that of the conventional application roll coated with HCr). .
（実施形態）
本発明の塗布ロールの実施形態の一例を、図面を参照して説明する。ここでは、塗布ロールがグラビアロールの場合を一例として説明する。この実施形態の塗布ロールは、ロール母材１の表面に非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）２が設けられたものである。ロール母材１の表面とＤＬＣ膜２の間にＨＣｒめっき層が設けられていないため、ＨＣｒめっき由来のトラブル（ボイドの発生やボイドの破裂によりＤＬＣ膜２に亀裂が入る等の不都合等）が発生しない。
(Embodiment)
An example of an embodiment of a coating roll of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a case where the application roll is a gravure roll will be described as an example. The application roll of this embodiment has an amorphous carbon film (DLC film) 2 provided on the surface of a roll base material 1. Since the HCr plating layer is not provided between the surface of the roll base material 1 and the DLC film 2, troubles caused by the HCr plating (inconvenience such as generation of voids or cracking of the DLC film 2 due to rupture of the voids) are caused. Does not occur.
本発明では、一般の鋼材よりも錆が発生しにくく、且つ、焼き入れや窒化処理など硬質化が可能な鋼材をロール母材１として用いる。この実施形態では、ロール母材１として、焼き入れや窒化処理による硬質化が可能なマルテンサイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ４２０やＳＵＳ４３１、ＳＵＳ４４０Ｃなど）を用いている。 In the present invention, a steel material that is less likely to generate rust than a general steel material and that can be hardened by quenching or nitriding is used as the roll base material 1. In this embodiment, a martensitic stainless steel (SUS420, SUS431, SUS440C, etc.) that can be hardened by quenching or nitriding is used as the roll base material 1.
この実施形態のロール母材１は、マルテンサイト系のステンレス鋼をロール状に成形したのち、焼き入れ又は窒化処理を行って硬質化したものである。ロール母材１の表面硬度は、硬化処理によってＨＲＣ５０以上となるようにしてある。ロール母材１の硬度はこれ以外であってもよく、例えば、ＨＲＣ２０（ビッカース強度（ＨＶ）２０４）以上、好ましくはＨＲＣ３０（ＨＶ３０２）以上、より好ましくはＨＲＣ５０（ＨＶ５１３）以上とするのがよい。 The roll base material 1 of this embodiment is obtained by forming a martensitic stainless steel into a roll and then hardening it by quenching or nitriding. The surface hardness of the roll base material 1 is made to be HRC50 or more by the hardening treatment. The hardness of the roll base material 1 may be other than this, for example, HRC20 (Vickers strength (HV) 204) or more, preferably HRC30 (HV302) or more, and more preferably HRC50 (HV513) or more.
ロール母材１はパイプ材でも無垢材でもよい。この実施形態のロール母材１は直径６０φのパイプ材である。ロール母材１がパイプ材の場合、図４（ａ）に示すように、ベアリング４を介して軸材３の外側に装備される。ロール母材１はこれより太いものでも細いものでもよいが、２０φ以上のものが好ましい。 The roll base material 1 may be a pipe material or a solid material. The roll base material 1 of this embodiment is a pipe material having a diameter of 60φ. When the roll base material 1 is a pipe material, as shown in FIG. 4A, the roll base material 1 is provided outside the shaft member 3 via a bearing 4. The roll base material 1 may be thicker or thinner, but preferably has a diameter of 20φ or more.
ロール母材１の表面にはセルや彫刻などの凹凸５が形成されている。凹凸５は硬化処理前に形成することも硬化処理後に形成することもできる。ロール母材１の表面は硬化処理後に研磨又は磨き加工を行ってある。また、硬化処理によってひずみ（曲がり）が発生した場合、ロールとして機能するように修正加工を行う。 On the surface of the roll base material 1, irregularities 5 such as cells and sculptures are formed. The unevenness 5 can be formed before or after the curing treatment. The surface of the roll base material 1 is polished or polished after the curing process. In addition, when distortion (bending) occurs due to the hardening process, correction processing is performed so as to function as a roll.
前記ロール母材１の表面に形成されたＤＬＣ膜２は、厚さ０．５〜５０μｍ程度、硬さ８００〜６０００ＨＶ程度としてある。ＤＬＣ膜の形成には、ソースガスにＣＨ４（メタン）やＣ７Ｈ８（トルエン）、Ｃ２Ｈ２（アセチレン）、Ｃ６Ｈ６（ベンゼン）などの炭化水素系のガスを用いることができる。ＤＬＣ膜２の構造に特に指定はないが、内部応力の緩和にＳｉ（ケイ素）やＯ２（酸素）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ２（窒素）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ(チタン)などの第三元素を含有してもよい。 The DLC film 2 formed on the surface of the roll base material 1 has a thickness of about 0.5 to 50 μm and a hardness of about 800 to 6000 HV. In forming the DLC film, a hydrocarbon gas such as CH 4 (methane), C 7 H 8 (toluene), C 2 H 2 (acetylene), or C 6 H 6 (benzene) may be used as a source gas. it can. Although the structure of the DLC film 2 is not particularly specified, for relaxing internal stress, Si (silicon), O 2 (oxygen), B (boron), N 2 (nitrogen), Cr (chromium), Ti (titanium), or the like is used. A third element may be contained.
図４（ａ）（ｂ）に示す塗布ロールは、ロール母材１の表面に直接ＤＬＣ膜２を形成するものであるが、密着性向上を目的に、ロール母材１とＤＬＣ膜２の間に、ＨＣｒめっき層とは異なる中間層（以下「ミキシング層」という）を設けることもできる。ミキシング層は、ＳｉやＣｒ、Ｔｉを主とするもの、窒素と化合物化したもの、又は、Ｃ（炭素）やＨ（水素）を一緒に含有したもの等とすることができる。 The application rolls shown in FIGS. 4A and 4B form the DLC film 2 directly on the surface of the roll base material 1, but are formed between the roll base material 1 and the DLC film 2 for the purpose of improving adhesion. In addition, an intermediate layer (hereinafter, referred to as “mixing layer”) different from the HCr plating layer may be provided. The mixing layer may be a layer mainly containing Si, Cr, or Ti, a layer compounded with nitrogen, or a layer containing C (carbon) or H (hydrogen) together.
本発明の塗布ロールは、「母材製作工程」、「クリーニング工程」、「ミキシング層成形工程」及び「成膜工程」を経て製造することができる。「クリーニング工程」、「ミキシング層成形工程」及び「成膜工程」は図５に示すような装置を用いて実施することができる。図５において、６は真空チャンバー、７はＲＦ高周波電源、８はＲＦ電極、９は高電圧パルス電源、１０はガス注入口である。なお、「クリーニング工程」及び「ミキシング層成形工程」は必要な場合のみ実施すればよく、不要な場合には省略することができる。 The application roll of the present invention can be manufactured through a “base material manufacturing step”, a “cleaning step”, a “mixing layer forming step”, and a “film forming step”. The “cleaning step”, the “mixing layer forming step”, and the “film forming step” can be performed using an apparatus as shown in FIG. In FIG. 5, 6 is a vacuum chamber, 7 is an RF high frequency power supply, 8 is an RF electrode, 9 is a high voltage pulse power supply, and 10 is a gas injection port. The “cleaning step” and “mixing layer forming step” may be performed only when necessary, and may be omitted when unnecessary.
前記母材製作工程では、マルテンサイト系のステンレス鋼をロール状に成形し、焼き入れ又は窒化処理を行って硬化する。硬化処理後、製作されたロール母材１の表面に研磨又は磨き加工を行う。硬化処理によってひずみ（曲がり）が発生した場合には修正加工を行う。焼き入れ後の材質はＨＲＣ５０以上となるようにするのが望ましい。 In the base material manufacturing process, the martensitic stainless steel is formed into a roll shape and hardened by quenching or nitriding. After the hardening process, the surface of the roll base material 1 is polished or polished. When distortion (bending) occurs due to the hardening process, correction processing is performed. It is desirable that the material after quenching has an HRC of 50 or more.
前記クリーニング工程では、前記母材製作工程で製作したロール母材１を真空チャンバー６のＲＦ電極８内にセットし、真空チャンバー６内を真空状態にする。この状態で、ロール母材１の表面の洗浄及び付着力向上を目的として、ロール母材１の表面をアルゴン、水素イオンによりエッチング処理してクリーニングする。エッチング処理は従来と同様の方法で行うことができる。ロール母材１のクリーニングは、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス ：Ａｒ、Ｈ２
負パルス電圧：−１〜−１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０〜１５００Ｗ
In the cleaning step, the roll base material 1 manufactured in the base material manufacturing step is set in the RF electrode 8 of the vacuum chamber 6, and the vacuum chamber 6 is evacuated. In this state, the surface of the roll base material 1 is etched and cleaned with argon and hydrogen ions for the purpose of cleaning the surface of the roll base material 1 and improving adhesion. The etching process can be performed by a method similar to the conventional method. The cleaning of the roll base material 1 can be performed, for example, under the following conditions.
Gas used: Ar, H 2
Negative pulse voltage: -1 to -15 kV
RF output: 50-1500W
前記ミキシング層成形工程では、前記母材製作工程で製作したロール表面にＨＣｒめっきを目的としないミキシング層を形成する。具体的には、母材製作工程で製作したロール母材１を真空チャンバー６のＲＦ電極８内にセットし、真空チャンバー６内を真空状態にする。この状態で、高電圧パルス電源９によりロール母材１に負の高電圧パルスを印加する。ガス注入口１０から原料ガス（例えば、Ｃ、Ｓｉ）を真空チャンバー６内に注入し、Ｃラジカルを生成してロール母材１の表面にミキシング層を形成してＤＬＣの付着力（密着性）を高める。なお、原料ガスとしてＳｉイオンを注入すると、Ｓｉがプライマーの役割を担うことができる。また、原料ガスとして、Ｎ２、Ａｒ（アルゴン）、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＦ４（四フッ化炭素）、Ｃ、Ｈ、Ｂ等の混合ガスを注入することもできる。ミキシング層の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス ：ＨＭＤＳＯやＨＭＤＳやＴＭＳ（Ｓｉ系ガス）、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：−１〜−１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０〜１５００Ｗ
In the mixing layer forming step, a mixing layer not intended for HCr plating is formed on the roll surface manufactured in the base material manufacturing step. Specifically, the roll base material 1 manufactured in the base material manufacturing process is set in the RF electrode 8 of the vacuum chamber 6, and the vacuum chamber 6 is evacuated. In this state, a high-voltage pulse power supply 9 applies a negative high-voltage pulse to the roll base material 1. A raw material gas (for example, C, Si) is injected into the vacuum chamber 6 from the gas injection port 10 to generate C radicals to form a mixing layer on the surface of the roll base material 1 and to adhere DLC (adhesion). Enhance. When Si ions are implanted as a source gas, Si can play a role of a primer. Further, as a source gas, a mixed gas of N 2 , Ar (argon), CH 4 , C 2 H 2 , CF 4 (carbon tetrafluoride), C, H, and B can be injected. The formation of the mixing layer can be performed, for example, under the following conditions.
Gas used: HMDSO, HMDS, TMS (Si-based gas), CH 4 , C 2 H 2
Negative pulse voltage: -1 to -15 kV
RF output: 50-1500W
前記成膜工程では、前記母材製作工程で製作したロール母材１の表面（ミキシング層を成形した場合はその表面。以下同じ。）にＤＬＣ膜２を形成する。具体的には、ロール母材１がセットされた真空チャンバー６内を常温（望ましくは２０℃〜５０℃程度）且つ真空状態にする。この状態で、ＲＦ高周波電源７により高周波電圧を印加して、ロール母材１の周辺（具体的には、真空チャンバー６内のＲＦ電極８の周辺）にプラズマを発生させ、高電圧パルス電源９によりロール母材１に負の高電圧パルスを印加する。その後、ガス注入口１０から原料ガス（例えば、Ｃ、Ｏ２）を真空チャンバー６内に注入して、その原料ガスを真空チャンバー６内で反応させ、ロール母材１表面にＤＬＣを堆積させることによって、ロール母材１にＤＬＣ膜２を形成する。ＤＬＣ膜２については特に指定はなく、構成される主元素である炭素や水素の他にケイ素や窒素などの第三元素を有してもよい。また、ＤＬＣ膜２は酸素を含む親水性ＤＬＣ膜であってもよい。ＤＬＣ膜の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス ：ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：−１〜−１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０〜１５００Ｗ
In the film forming step, the DLC film 2 is formed on the surface of the roll base material 1 manufactured in the base material manufacturing step (the surface when a mixing layer is formed, the same applies hereinafter). Specifically, the inside of the vacuum chamber 6 in which the roll base material 1 is set is brought to a normal temperature (preferably about 20 ° C. to 50 ° C.) and a vacuum state. In this state, a high-frequency voltage is applied by the RF high-frequency power supply 7 to generate plasma around the roll base material 1 (specifically, around the RF electrode 8 in the vacuum chamber 6), and the high-voltage pulse power supply 9 To apply a negative high-voltage pulse to the roll base material 1. Thereafter, a raw material gas (for example, C, O 2 ) is injected into the vacuum chamber 6 from the gas injection port 10, and the raw material gas is reacted in the vacuum chamber 6 to deposit DLC on the surface of the roll base material 1. Thereby, the DLC film 2 is formed on the roll base material 1. The DLC film 2 is not particularly specified, and may have a third element such as silicon or nitrogen in addition to carbon and hydrogen as main constituent elements. Further, the DLC film 2 may be a hydrophilic DLC film containing oxygen. The formation of the DLC film can be performed, for example, under the following conditions.
Gas used: CH 4 , C 2 H 2
Negative pulse voltage: -1 to -15 kV
RF output: 50-1500W
ＤＬＣ膜２は２回以上に分けて形成することもできる。この場合、前記条件で１回目の成膜を行った後、例えば、次の条件で２回目の成膜を行うことができる。
使用ガス ：Ｃ７Ｈ８、Ｃ２Ｈ２
負パルス電圧：−１〜−１５ｋＶ
ＲＦ出力 ：５０〜１５００Ｗ
The DLC film 2 can be formed two or more times. In this case, after the first film formation is performed under the above conditions, for example, a second film formation can be performed under the following conditions.
Gas used: C 7 H 8 , C 2 H 2
Negative pulse voltage: -1 to -15 kV
RF output: 50-1500W
なお、ＤＬＣ膜２の形成後、特に研磨などの工程を行わずに製品となる。 After the formation of the DLC film 2, a product is obtained without performing a step such as polishing.
本発明の塗布ロールは、ＤＬＣ膜２の形成後でもロール母材１の表面の凹凸形状は成膜前とほとんど変化せず、面積比にして１０％以下である。 In the application roll of the present invention, even after the formation of the DLC film 2, the unevenness of the surface of the roll base material 1 hardly changes from that before film formation, and the area ratio is 10% or less.
本発明の塗布ロールは、フィルムやガラス板等の機能性素材に塗液を塗布する各種塗布ロールとしても用いることができる。 The application roll of the present invention can also be used as various application rolls for applying a coating liquid to a functional material such as a film or a glass plate.
１ ロール母材
２ 非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）
３ 軸材
４ ベアリング
５ 凹凸
６ 真空チャンバー
７ ＲＦ高周波電源
８ ＲＦ電極
９ 高電圧パルス電源
１０ ガス注入口
1 roll base material 2 amorphous carbon film (DLC film)
3 Shaft 4 Bearing 5 Irregularity 6 Vacuum chamber 7 RF high frequency power supply 8 RF electrode 9 High voltage pulse power supply 10 Gas inlet
Claims (4)
焼き入れ又は窒化処理によって硬質化されたマルテンサイト系のステンレス鋼からなる外径６０φ以上のパイプ状のロール母材の表面にＤＬＣ膜が形成された、
ことを特徴とする塗布ロール。 In an application roll provided with a DLC film,
A DLC film was formed on the surface of a pipe-shaped roll base material having an outer diameter of 60φ or more made of martensitic stainless steel hardened by quenching or nitriding treatment,
An application roll, characterized in that:
ロール母材の硬度がＨＲＣ２０以上である、
ことを特徴とする塗布ロール。 The coating roll according to claim 1,
The hardness of the roll base material is HRC20 or more;
An application roll, characterized in that:
ロール母材とＤＬＣ膜の間にミキシング層が設けられた、
ことを特徴とする塗布ロール。 The coating roll according to claim 1 or 2,
A mixing layer was provided between the roll base material and the DLC film,
An application roll, characterized in that:
塗布ロールがロール母材の表面に各種形状の凹凸を備えたグラビアロールである、
ことを特徴とする塗布ロール。 The coating roll according to any one of claims 1 to 3,
The application roll is a gravure roll having various shapes of irregularities on the surface of the roll base material,
An application roll, characterized in that:
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