JPH06304679A

JPH06304679A - 加工用治具

Info

Publication number: JPH06304679A
Application number: JP5099589A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Tomiyama; 明俊富山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1994-11-01
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JP2783746B2

Abstract

(57)【要約】【構成】基体表面に摺動面における表面粗さＲｍａｘが
１μｍ以下であり、且つ摺動面に存在する０．５μｍ以
上のボイド状欠陥の存在密度が１ｍｍ²当たり１０⁶個
以下の硬質炭素膜を形成することによりアルミニウムな
どの軟質金属を含有する金属あるいは合金の表面に有機
質膜が形成された金属を加工するための加工用治具を提
供する。【効果】摩擦係数が小さく、優れた耐摩耗性を有し、軟
質金属の治具への溶着を抑制すると同時に有機質膜に傷
をつけることなく加工することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムや軟鉄な
どの軟質金属の表面に有機質膜が形成された金属を加工
し、例えば缶などの容器を製造するための加工用治具に
関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、塑性変形を用いた金属加工法と
しては、圧延加工、引抜加工、せん断加工、曲げ加工、
絞り加工、圧縮加工、転造などが知られている。これら
の加工を行うには、被加工金属を塑性変形させるために
ポンチやダイスなどの加工用治具が用いられている。

【０００３】これらの治具は、被加工金属と接触し、場
合によっては摺動しながら塑性変形を行わしめるため
に、治具自体耐摩耗性が高く、摩擦係数が低い、即ち摺
動特性に優れていることが要求されている。このような
観点から従来より加工用治具としては超硬合金製のもの
が最も一般的に用いられている。

【０００４】また、特に缶詰、清涼飲料缶、ビール缶な
どの食料貯蔵用容器においては、食品中の成分による缶
材料の腐蝕や、缶材料成分の食品への漏出を防止するた
めに、アルミニウムや軟鉄などの金属の表面に薄い有機
質膜が被覆されている。この有機質膜は、おもにエポキ
シ系の樹脂やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）な
どからなり、厚さは数μｍと非常に薄い。これらの容器
を加工する際には、有機質膜上から金属を塑性変形させ
なければならないが、加工時にフィルムに傷がついて缶
材料が露出すると、食品を汚染したり、食品による缶材
料の腐蝕が生じたりする原因となる。そのため、加工時
にフィルムを破損しないように超硬合金製の治具を鏡面
研磨し、その鏡面部を用いて加工することが一般的に行
われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、加工
用治具として超硬合金などの焼結体を用いる場合、焼結
体中には微小なボイドが必然的に存在し、超硬合金の表
面を鏡面加工してもその鏡面にはそのボイドが露出して
いる。このように表面にボイドが存在するような治具を
用いて軟質金属を加工した場合、ボイドに金属が詰ま
り、溶着するビルドアップ現象が生じ、これにより加工
後の金属製品の表面に荒れが生じるといった問題があ
る。そのため、治具を再使用するために治具の表面をダ
イヤモンド粉などで再研磨する工程が必要となり、それ
に伴い治具自体の寸法が変化するなどの問題が生じる。

【０００６】また、表面に有機質膜が形成された金属を
超硬合金製治具により加工する場合、長期間にわたって
有機質膜と摺動させると有機質膜が加工用治具の表面に
凝着を起こすという問題がある。治具の表面でこのよう
な凝着が起こると、摺動面で有機質同士が高摩擦係数で
摺動することになるため、被加工金属表面の有機質膜が
破損しやすくなり、治具を再度研磨する必要が生ずると
いう問題があった。

【０００７】さらに、有機質膜が部分的に被覆形成され
た金属を加工する場合には、有機質膜と治具が摺動する
のと同時に、有機質膜が存在しない被加工金属のエッジ
部とも治具が摺動するため、治具として有機質膜との摺
動特性が良好であると同時にビルドアップ現象が生じに
くいことが要求されるが、従来の治具では金属とビルド
アップが必然的に生じるために加工時にビルドアップし
た部分により有機質膜の破損が頻繁に起こるのが現状で
あった。

【０００８】また、最近では製品の軽量化、低コスト化
に際して、例えば絞り加工などを行う場合に製品の肉厚
を薄くする傾向にある。このような場合、成型圧を小さ
くすることが必要であるが、従来の治具では摩擦係数が
高いため、有機質膜に傷が入りやすく、成型圧力を下げ
ることが困難であった。

【０００９】これらの問題を解消するために固体又は液
体の潤滑剤が用いられているが、これらの効果も十分で
なく、長期間の使用により前述したような治具の表面状
態が悪化し、製品に対して悪影響を及ぼすことは避けら
れないのが現状であった。また、前述したような食品保
存用容器のような用途においては、食品の汚染を防ぐ意
味でも、潤滑剤はできる限り使用を抑えるのが望まし
い。

【００１０】また、最近では、金属加工用治具の表面に
ダイヤモンド膜を形成して耐摩耗性を向上させることも
提案されているが、摩擦係数低減の点について十分に検
討されておらず、まして軟質金属の加工における溶着や
有機質膜の破損などの問題については全く検討されてい
ない。

【００１１】よって、本発明の目的は、アルミニウムや
軟鉄などを含む軟質金属、特にその表面が有機質膜によ
って覆われているものを加工する際に、優れた摺動特性
を有し、金属の溶着や有機質膜の破損や凝着を抑制する
ことのできる長寿命の加工用治具を提供することを目的
とするものである。

【００１２】

【問題点を解決するための手段】本発明者は上記目的に
対して検討を重ね、加工用治具に対して硬質炭素膜を形
成する場合の各種の成膜方法や、生成される炭素膜の特
性、表面形状について詳細に検討したところ、所定の母
材の表面にその摺動面における表面粗さＲｍａｘが１μ
ｍ以下と表面平滑性に優れ、しかも表面部に存在する
０．５μｍ以上の微小なボイド状欠陥の存在密度が１ｍ
ｍ²当たり１０⁶個以下の硬質炭素膜を被覆形成した加
工用治具を有機質膜が被覆された金属を加工するための
治具として用いることにより前記目的が達成されること
を知見した。なお、ここでいう微小なボイド状欠陥とは
膜の表面に存在する孔部ないし凹部を指す。

【００１３】以下、本発明を詳述する。本発明の加工用
治具は、所定の母材の表面に形成する硬質炭素膜を被覆
してなるものであるが、特にその膜の表面粗さを１μｍ
以下に制御することが重要である。これは、被加工物と
の接触部において治具の表面粗さが加工後の製品の表面
状態に大きく影響を与えるためで、膜の表面粗さが１μ
ｍを越えると、軟質金属や有機質膜との摺動時に炭素膜
に金属が付着して、加工製品の表面が荒れたり、有機質
膜が破損したりする原因となるためで、特に０．５μｍ
以下であることが望ましい。

【００１４】なお、成膜後の炭素膜の表面粗さがこの範
囲内であることが最もよいが、成膜後の表面粗さＲｍａ
ｘが１μｍを越えるような場合には膜を研磨することに
よって表面粗さを調整することが可能である。

【００１５】また、本発明によれば、被覆膜の表面部に
存在する０．５μｍ以上のボイド状欠陥の存在密度が１
ｍｍ²当たり１０⁶個以下であることが重要である。こ
れは、被加工物表面の有機質膜と摺動する時に、有機質
膜がボイド欠陥部に入り込んでちぎれ、炭素膜の摺動面
に残存するという現象が観察されるが、この表面に残存
する有機質膜と被加工物表面の有機質膜同士が溶着しあ
って、有機質膜の破損を招来せしめる原因となるからで
ある。

【００１６】なお、本発明において、加工用治具の母材
としては特に限定されるものではないが、例えば窒化ケ
イ素、炭化ケイ素などのセラミックス材料の他にＷＣ−
Ｃｏ系超硬合金やＴｉＣ、ＴｉＣＮを主成分とするサー
メットなどを用いることができるが、これらの中でも特
に、窒化ケイ素を主体とするセラミックスが炭素膜との
付着力が高いことから、これを用いることが望ましい。

【００１７】本発明の加工用治具における硬質炭素膜を
形成するには、一般的なマイクロ波プラズマＣＶＤ法、
熱フィラメントＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、熱
プラズマＣＶＤ法などが知られているが、これらの方法
は、一般に成膜できる領域が小さいため、本発明の加工
用治具の必要な部位前面に成膜するためには、何度かに
分けて成膜しなければならない。また、熱フィラメント
法の場合は、治具形状にあわせてフィラメントを張るこ
とにより、ある程度大きな面積にも成膜は可能である
が、毎回張り替えるなどの操作を必要とするため、汎用
性、生産性に欠けるという問題がある。

【００１８】そこで、本発明における加工用治具を製造
するためには、成膜方法として、電子サイクロトロンプ
ラズマＣＶＤ法（以下、ＥＣＲプラズマ法という）を採
用する。この方法による製造方法について、図１をもと
に説明する。反応炉１内には炭素膜が形成される母材２
が設置されている。また、反応炉の周囲には反応炉内に
プラズマを発生させるためのマイクロ波発生装置３およ
び磁界を発生させるための電磁コイル４が配置されてい
る。

【００１９】かかる装置を用いて成膜する場合には、反
応炉内に炭素膜生成用ガスとして少なくとも炭素を含有
する原料ガスを、場合により水素などのキャリアガスと
共にガス導入路５を経由して炉内に導入する。そして、
反応炉内を圧力１ｔｏｒｒ以下の低圧力に維持すると同
時に、導波管６により２．４５ＧＨｚのマイクロ波を炉
内に導入する。それと同時に電磁コイル４により約８７
５ガウス以上のレベルの磁界を印加する。これにより、
電子はサイクロトロン周波数ｆ＝ｅＢ／２πｍ（ｅ：電
子の電荷、Ｂ：磁束密度、ｍ：電子の質量）に基づき、
サイクロトロン運動を起こす。この周波数がマイクロ波
の周波数（２．４５ＧＨｚ）と一致するとき、即ち、磁
束密度Ｂが８７５ガウスとなる時に、電子サイクロトロ
ン共鳴が生じる。これにより電子はマイクロ波のエネル
ギーを著しく吸収して加速され、中性分子に衝突し電離
を起こさせ、低圧力でも高密度のプラズマを生成するよ
うになる。なお、このときの基体の温度を１５０〜１２
００℃に保持することにより、基体表面に硬質炭素膜を
形成することができる。

【００２０】上記製造方法において用いられる炭素含有
原料ガスとしては、メタン、エタン、プロパンなどの炭
化水素ガスの他にＣｘＨｙＯｚ（ｘ、ｙ、ｚはいずれも
１以上）で示されるような有機化合物やＣＯ、ＣＯ₂な
どのガスを用いることもできる。

【００２１】これらのガスの配合比率や種類は、特開昭
６０−１９１９７号や特開昭６１−１８３１９８号など
に開示される公知の方法のいずれを用いても本発明の効
果に何ら影響を及ぼさない。

【００２２】本発明によれば、硬質炭素膜表面のボイド
数を低減する方法としては、まず硬質炭素膜を被覆する
基体表面の表面粗さが小さく、且つボイドが少ないこと
がよい。これは基体の凹凸が薄い硬質炭素膜の摺動面に
反映されるためであり、具体的には基体の表面粗さＲｍ
ａｘが１μｍ以下であり、また焼結体の密度が９９％以
上であることが望ましい。このような高密度の焼結体は
例えば公知の熱間静水圧焼成法に基づき１０００気圧以
上の高圧下で焼成することにより得ることができる。

【００２３】また、硬質炭素膜のボイドはダイヤモンド
膜の結晶性にも影響される。つまり、結晶性が高いダイ
ヤモンド膜では膜を構成するダイヤモンド粒子が多角形
状に大きく成長するために、膜表面における粒子間に隙
間が多量に存在し、この隙間がボイドを形成することに
なる。これに対して、成膜過程で炭素源ガスを適正量よ
り比較的多量に導入すると、基体表面での炭素のダイヤ
モンド化よりも炭素が過剰に供給されるために、ダイヤ
モンド以外の炭素質が析出し膜の結晶性はわずかに低下
する。このように結晶性がわずかに低い膜では、ダイヤ
モンドの粒成長が抑制されるために、粒子が微細化する
と同時に隙間が炭素質により埋められるために、ボイド
の少ない硬質炭素膜を形成することができる。

【００２４】本発明の加工用治具は、有機質膜が被覆さ
れたアルミニウム、軟鉄あるいはこれらを主体とする合
金などの材料を加工する際に有効であり、治具として
は、例えば食料品の缶詰や飲料水の製缶工程で、絞り加
工に用いられるダイス、ポンチなどに有用である。

【００２５】

【作用】本発明によれば、加工用治具の表面にダイヤモ
ンドなどの硬質炭素膜を形成するとともに、その表面粗
さが小さく、且つ表面部に存在する微小なボイド状欠陥
の存在密度を所定以下に制御することにより、すぐれた
耐摩耗性を有すると同時に被加工物を傷つけることなく
被加工物の加工が可能となる。

【００２６】これにより、有機質膜が被覆されたアルミ
ニウムや軟鉄などの金属を加工する際に、被加工物との
接触においてすぐれた耐摩耗性を有するとともに摩擦係
数を小さくすることができるとともに、上記軟質金属の
治具への溶着を抑制することができる。金属の溶着が防
止されるため、有機質膜に傷をつけることなく加工する
ことが可能となる。

【００２７】また、本発明における硬質炭素膜は摩擦係
数が低く、成型圧が低圧でも加工が可能となるために肉
厚の薄い金属の加工を行うことができる。

【００２８】

【実施例】

実施例１図１に示したような装置を用いて、反応炉内に直径が４
０ｍｍ、表面粗さＲｍａｘが０．１μｍのＡｌ₂Ｏ₃お
よびＹ₂Ｏ₃を助剤として含有する表１に示すような密
度を有する窒化珪素質焼結体からなる半径４．７６３ｍ
ｍのボール形状基体を設置した。その後、ＥＣＲプラズ
マＣＶＤ法により、最大２ｋガウスの強度の磁場を印加
するとともに、マイクロ波出力３．５ｋＷの条件で、基
体温度８００℃、炉内圧力０．３ｔｏｒｒの条件で基体
表面に成膜を行った。なお、反応ガスとしてはメタンガ
ス、二酸化炭素および水素ガスをそれぞれ表１に示す流
量比で混合したものを用いて炭素膜が約５μｍの膜厚と
なるように成膜した。

【００２９】得られた炭素膜の表面粗さＲｍａｘを触針
式表面粗さ計により評価するとともに、膜の表面を走査
型電子顕微鏡により観測しその直径が０．５μｍ以上の
ボイド状欠陥の存在密度を求めた。

【００３０】さらにこの膜の摺動特性を評価するため
に、上記炭素膜が形成されたボールと、エポキシ樹脂の
有機質膜が５μｍの厚みで被覆されたアルミニウム板を
用いてボール−オン−ディスク法により摺動試験を行っ
た。摺動条件は、荷重９．８Ｎ、摺動速度０．１ｍ／ｓ
ｅｃ、室温、大気中、無潤滑で３０分間連続試験を行っ
た。この試験により、摩擦係数および有機質膜の傷の状
態、ボールの摩耗状態について評価を行った。比較のた
め、超硬合金のボール（試料Ｎo.２）に対しても同様な
摺動試験を行った。その結果を表１および表２に示し
た。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１および表２から明らかなように、本発
明に基づく炭素膜が被覆された試料Ｎo.１のボールでは
摩擦係数が０．０５であったのに対し、試料Ｎo.２の超
硬合金ボールでは、摩擦係数は０．１であり、明らかに
本発明品は摩擦係数が小さくなっていた。また、炭素膜
を被覆した試料Ｎo.１のボールとの摺動後に有機質膜に
は傷が全く認められなかったが、試料Ｎo.２の超硬合金
ボールと摺動させた有機質膜にはところどころに傷が認
められた。

【００３４】さらに、本発明の炭素膜を被覆した試料Ｎ
o.１のボールは摺動後もまったく摩耗した痕跡は認めら
れず、摺動部はもとの状態と変わりがなかったが、試料
Ｎo.２の超硬合金ボール表面には摺動痕の幅にほぼ等し
い大きさの痕が認められ、面状態が悪化していた。この
超硬合金ボール表面の摺動痕を赤外吸収分光法により評
価したところ、エポキシ樹脂が存在していることが確認
され、表面に有機質膜を構成する樹脂が凝着しているこ
とがわかった。

【００３５】また、本発明の試料Ｎo.３、４、５も試料
Ｎo.１と同様に摺動後に有機質膜には傷が全く認められ
ず、また摺動後でも全く摩耗したり、有機物が凝着した
痕跡は認められず、摺動部はもとの状態と変わりがなか
った。

【００３６】また、試料Ｎo.６は、基体の表面粗さが大
きく膜の表面粗さも１μｍを越え、本発明の範囲外であ
り、摺動中に有機質膜を傷つけることがわかった。試料
Ｎo.７は、膜の表面粗さが小さくても炭素膜の結晶性が
非常に良いため、ボイド欠陥密度が大きく本発明の範囲
外となったが、有機質膜の一部が摺動中にボイド部に巻
き込まれて欠損し治具の表面に付着しているのが観察さ
れた。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の加工用治
具は、優れた耐摩耗性を有すると同時に被加工物を傷つ
けることなく被加工物の加工が可能で、特に有機質膜が
被覆されたアルミニウムや軟鉄などの軟質金属を加工す
る際に、被加工物との接触において優れた耐摩耗性を有
し摩擦係数を小さくすることができるとともに、軟質金
属の治具への溶着を抑制すると同時に有機質膜に傷をつ
けることなく加工することが可能となる。しかも、成型
圧が低圧でも加工が可能となるために肉厚の薄い金属の
加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子サイクロトロンプラズマＣＶＤ法を説明す
るための図である。

【符号の説明】１反応炉２母材３マイクロ波発生装置４電磁コイル５ガス導入路６導波管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ６５Ｄ 6/14 6916−3Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体表面に硬質炭素膜が形成され、該硬質
炭素膜の摺動面における表面粗さＲｍａｘが１μｍ以下
であり、且つ摺動面に存在する０．５μｍ以上のボイド
状欠陥の存在密度が１ｍｍ²当たり１０⁶個以下である
ことを特徴とするアルミニウムなどの軟質金属を含有す
る金属あるいは合金の表面に有機質膜が形成された金属
を加工するための加工用治具。