WO2010073476A1 - 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
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- B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
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- B21C37/08—Making tubes with welded or soldered seams
- B21C37/0815—Making tubes with welded or soldered seams without continuous longitudinal movement of the sheet during the bending operation
Definitions
- the present invention relates to a thin metal cylinder having a long flexibility, and particularly to an ultrathin metal cylinder used as a roll or belt in a film forming apparatus, a film laminating apparatus or the like.
- Various optical films such as prism sheets and diffusion films are used in flat panel displays (FPD), which are representative of information appliances.
- Flexible metal rolls are used as molding rolls for molding these optical films. Is used, and a nip roll that is in surface contact with the main roll is used.
- the nip roll can easily control the molding pressure and temperature of the resin, so that a film having excellent shape and quality stability can be formed.
- the forming roll has a mirror surface on the roll surface that is related to the thickness uniformity of the roll, the shape such as cylindricity related to the uniformity of the heat conduction and the pressing force that affects the quality of the film, and the film surface property. This is because high hardness is required to prevent scratches during finishing and care, and furthermore, high temperature durability that can withstand repeated bending deformation in contact with the molten resin is required.
- Patent Document 1 a nickel electroformed roll manufactured using an electroforming method as shown in Patent Document 1 has been used, and this is because the nickel electroformed roll is excellent in shape such as wall thickness and cylindricity. And the chrome-plated surface has the required mirror finish and hardness.
- nickel electroformed rolls have a weak point in durability performance that reduces the strength of the roll material when used for a long time at a high temperature, and tend to produce minute recesses (pits) and minute protrusions on the plating surface.
- There are drawbacks such as a long time and a high manufacturing cost.
- Patent Document 2 discloses an example in which “a seamless stainless steel pipe having flexibility” is used for a pressing roll of a sheet / film forming roll device. For this reason, the present applicant has applied for the “metal annular body and its manufacturing method” shown in Patent Document 3 and Patent Document 4, but this manufacturing method involves pressing a metal thin plate between a female die and a punch. A bottomed element tube is made, and the bottomed element tube is rolled by spinning using a spinning machine to form a thin metal ring.
- Spinning refers to a processing method in which a cylindrical metal element tube is attached to a mandrel, and then a pressure roller is pressed against the wall surface of the cylindrical metal element tube while the mandrel is rotated to be plastically deformed.
- JP 2007-2111285 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-235747 JP 2001-225134 A JP 2004-174555 A
- Patent Document 3 and Patent Document 4 since the technique disclosed in Patent Document 3 and Patent Document 4 presses a metal thin plate, there is a limit to the length and size of the metal cylinder.
- paragraph number [0022] of Patent Document 3 and the paragraph number [0035] of Patent Document 4 indicate that “the bottomed metal element tube is warm or cold drawn, and the bottomless cylindrical element tube is a thin plate. Can be obtained by welding each other. ”As if,“ a bottomless cylindrical element tube welded with a thin plate can be used as a bottomed metal element tube, and this bottomed metal element tube can be processed by spinning.
- the present invention provides high-functionality such as wall thickness uniformity, cylindricity, and straightness required for rolls, belts, and sleeves used in the fields of optical film forming rolls for flat panel displays and nanoimprint molds.
- An object of the present invention is to provide an ultra-thin, long metal cylinder that conforms to the degree and surface properties (roughness, hardness), has a diameter of about 100 mm ⁇ or more and a wall thickness of 1.50 mm or less and a length of about 400 mm or more. To do.
- the present inventors have intensively studied to develop a method for producing the above-mentioned highly functional ultrathin long metal cylindrical body, and have obtained a number of findings.
- the present invention is based on the knowledge. That is, the ultra-thin long metal cylinder according to claim 1 of the present invention is 0.01 mm to 1.50 mm in which a cylindrical metal tube having a diameter of about 100 mm ⁇ or more is plastically deformed in the thickness and length directions by spinning. It is characterized by being formed into a long metal cylinder having a uniform wall thickness of about 400 mm or more.
- the cylindrical body means a hollow thing whose section exhibits a loop shape, and the numerical value of the diameter of the cylinder indicates the diameter when the cross section of the metal cylinder is circular.
- the cylindrical metal element tube is a cylindrical metal element tube (hereinafter, also referred to as “weld element tube” in this specification), a metal in which a rectangular metal plate is abutted in a cylindrical shape and this butted portion is welded. Cylindrical metal tube (hereinafter, also referred to as “press blank” in the present specification) obtained by press-drawing a plate, and cylindrical blank tube (hereinafter referred to as “slat” in the present specification).
- cylindrical metal pipe made by cutting a seamless metal pipe or a thick welded metal pipe into a thin wall (hereinafter, referred to as “cutting pipe” in this specification). .) And ring-rolled cylindrical metal pipes (hereinafter sometimes referred to as “rolling pipes” in this specification).
- these cylindrical metal pipes are made of stainless steel, stainless steel and copper, or a nickel alloy and copper laminate, aluminum, aluminum alloy, titanium, titanium alloy, nickel, nickel alloy, copper, copper alloy, and beryllium. Beryllium alloy, magnesium, magnesium alloy or carbon steel.
- An ultra-thin long metal cylinder according to claim 2 of the present application is the ultra-thin long metal cylinder according to claim 1, wherein the metal cylinder is made of stainless steel and has a maximum surface roughness. High (Ry) is 5.0 ⁇ m or less, Vickers hardness (Hv) is 300 or more, and residual stress is compressive stress on the surface and tensile stress in the middle in the thickness direction. .
- An ultra-thin long metal cylinder according to claim 3 of the present application is the ultra-thin long metal cylinder according to claim 1, wherein the metal cylinder is made of stainless steel and has DLC and TiN on the surface. It is characterized by having a ceramic film combining any one of CrN and TiCN or two or more thereof.
- a method for manufacturing an ultrathin long metal cylinder according to claim 4 of the present application is the method for manufacturing an ultrathin long metal cylinder according to claim 1, wherein the metal capable of plastic working is a cylindrical metal tube. And a flange-shaped inner flange that is formed at one end of the cylindrical metal base tube and has a flange-shaped outer flange that protrudes to the outside at the other end.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 5 of the present application is the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 2, wherein the metal capable of plastic working is a cylindrical metal.
- a first step of forming the base tube, and a hook-shaped outer flange projecting to the outside at one end of the cylindrical metal tube, and a hook-shaped projecting to the inside at the other end A second step in which an inner flange is formed to form a brazed metal element tube; and the brazed metal element tube is mounted in close contact with a cylindrical mandrel so that the tip of the mandrel contacts the inner flange.
- Tension is applied to the brazed metal base tube through the third step and the outer flange, and the mandrel rotates in the axial direction and the brazed metal base tube rotates, so that the wall surface of the brazed metal base tube Is plastically deformed by the spinning process pressed by the pressure roller.
- a fourth step a fifth step in which both ends of the brazed metal element tube after plastic deformation are cut, and a residual force on the surface after the both ends of the brazed metal element tube are cut.
- a sixth step in which residual stress adjustment using the residual stress in the intermediate portion in the thickness direction as a tensile force is performed.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder which concerns on this-application Claim 6 is a manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder of Claim 3, Comprising:
- the metal which can be plastically processed is a cylindrical metal
- a first step of forming the base tube, and a hook-shaped outer flange projecting to the outside at one end of the cylindrical metal tube, and a hook-shaped projecting to the inside at the other end A second step in which an inner flange is formed to form a brazed metal element tube; and the brazed metal element tube is mounted in close contact with a cylindrical mandrel so that the tip of the mandrel contacts the inner flange.
- Tension is applied to the brazed metal base tube through the third step and the outer flange, and the mandrel rotates in the axial direction and the brazed metal base tube rotates, so that the wall surface of the brazed metal base tube Is plastically deformed by the spinning process pressed by the pressure roller.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 7 of the present application is the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 4, wherein in the first step, the cylindrical shape A metal tube is a welded cylindrical metal tube in which a rectangular metal plate capable of plastic working is abutted in a cylindrical shape and the butted portion is welded, and is formed into a cylindrical shape by a bending roll, and plasma welding, TIG welding It is characterized by being welded by either laser welding or electron beam welding.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 8 of the present application is the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 4, wherein the outer flange is formed in the second step.
- bending includes bending with a large curvature and bending with a small curvature, and the bending angle includes an angle with respect to the wall surface of the raw tube of approximately 45 ° to 180 °.
- it includes a shape in which a circular ridge of 90 ° is attached to the wall surface of the base tube, which is made into a trumpet shape with an inclination of 45 ° to the wall surface of the cylindrical metal base tube.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder which concerns on this-application Claim 9 is a manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder in any one of Claim 4 thru
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 11 of the present application is the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder according to claim 10, wherein the heat treatment is performed during a plurality of spinning processes.
- the process is characterized in that the heat treatment is performed under solution heat treatment conditions or strain removal / recrystallization heat treatment conditions.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder which concerns on this-application Claim 12 is a manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder of Claim 4, Comprising: In the said 4th process, the said pressurization A plurality of rollers are arranged at a predetermined interval with respect to the axial direction of the mandrel, and the predetermined interval presses the wall surface of the brazed metal base tube attached to the mandrel of each pressure roller.
- the trajectory is an interval that does not overlap each other.
- the manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder which concerns on this-application Claim 13 is a manufacturing method of the ultra-thin long metal cylinder of Claim 4, Comprising:
- the said pressurization There are a plurality of rollers, and among the plurality of pressure rollers, the pressure roller located at the end with respect to the feeding direction of the pressure roller is a skin pass roll.
- the “feeding direction of the pressure roller” refers to the direction of movement of the pressure roller during the spinning process.
- a film forming apparatus is characterized in that the ultrathin and long metal cylindrical body according to the first aspect is used for a forming roll of a constituent member.
- a film laminating apparatus according to claim 15 of the present invention is characterized in that the ultrathin and long metal cylindrical body according to claim 1 is used for a press belt or a press roll as a constituent member.
- a nanoimprint apparatus according to claim 16 of the present invention is characterized in that the ultrathin and long metal cylindrical body according to claim 1 is used for a belt and / or a roll of constituent members.
- a digital printing apparatus is characterized in that the ultrathin and long metal cylindrical body according to claim 1 is used for a belt and / or a roll of constituent members.
- a printing apparatus according to claim 18 of the present application is characterized in that the ultra-thin long metal cylinder according to claim 1 is used for a belt and / or a roll of constituent members.
- An organic EL manufacturing apparatus is characterized in that the ultrathin and long metal cylindrical body according to claim 1 is used for a belt and / or a roll of constituent members.
- the metal belt according to claim 20 of the present application is characterized in that the ultrathin long metal cylindrical body according to claim 1 is cut into a desired width.
- the ultrathin long metal cylinder has a uniform thickness of 0.02 mm to 1.50 mm, and the maximum height (Ry) in the surface roughness when made of stainless steel is 5.0 ⁇ m or less.
- Vickers hardness (Hv) is 300 or more, and residual stress is compressive stress on the surface and tensile stress in the middle in the thickness direction. Therefore, optical film forming roll for flat panel display, nanoimprint mold, etc. It is equipped with high functions that meet the wall thickness uniformity, cylindricity, straightness, and surface properties (roughness, hardness) required for rolls used in various fields, as well as flexibility and excellent heat resistance. It will be equipped with.
- the ultrathin long metal cylinder has a diameter of about 100 mm ⁇ or more and a length of about 400 mm or more, when it is used for a roll or a belt, a large flat panel display optical Film molding and large-scale digital printing are possible, and large-scale parts can be manufactured in large quantities.
- (3) By forming a ceramic film on the surface of an ultra-thin, large-diameter, long metal tube, for example, when used for a forming roll of an optical film forming apparatus, the releasability of the molten resin film is improved, The shape of the fine pattern imparted above does not collapse, and the surface has high hardness, so that it is difficult to be damaged during maintenance.
- a cylindrical metal element pipe a welding element pipe, a press element pipe, a spatula drawing element pipe, a cutting element pipe or a rolling element tube are used, but a material suitable for manufacturing each cylindrical metal element tube. is required.
- a cylindrical metal element tube having an inner diameter of 500 mm, a thickness of 0.6 mm, and a length of 600 mm used for forming an extremely thin long metal cylinder having a diameter of 500 mm, a thickness of 0.2 mm, and a length of 1,500 mm. Is shown in Table 1.
- Press blanks, spatula blanks, cutting blanks and rolling blanks do not have welds, so there is no difference in the thickness, level difference, and metal structure between the weld and base metal as in the case of weld blanks.
- the point is a big advantage.
- the larger the diameter of the cylindrical cylindrical metal tube to be formed the larger the size of the material, and in the general material market, the distribution amount is small and it becomes difficult to obtain.
- a large capital investment is required for the press machine, mold, and processing machine, and the production speed is slow.
- the welded tube can be easily formed from materials on the market and can be manufactured using a versatile device. *
- the manufacturing method of the ultrathin long metal cylinder is (4)
- the welded cylindrical metal element tube is formed by forming a rectangular metal plate into a cylindrical shape with a roll and then welding it by plasma welding, TIG welding, laser welding, or electron beam welding.
- plasma welding TIG welding
- laser welding or electron beam welding.
- the outer flange by plastic working or bending it one or more times, the outer side required according to the tension applied to the cylindrical metal base tube
- the rigidity of the flange can be imparted.
- the outer flange is inclined in a trumpet shape, is almost perpendicular to the top of a top hat, or a combination thereof, and further, when the rigidity is insufficient only by bending once at a right angle, 180 It is possible to increase the rigidity by bending the tip bent at a angle of 180 ° and further bending the tip bent at a angle of 180 ° at a right angle.
- the rolling process rate by spinning process is set to 25% to 50%, and the rolling process rate by spinning process is further set to 10%.
- a predetermined thickness can be obtained by performing the two-pass processing with a percentage of 50% to 50%.
- a spinning process is performed on a metal material, dislocations are generated in the metal structure and become hard because the movement of the crystal is inhibited. This is called work hardening.
- austenitic stainless steel represented by SUS304 a work-induced martensite phase is generated and hardened by spinning.
- the hardness of normal SUS304 is Hv160, but increases to 380 or more by rolling.
- a heat treatment step is interposed between the material and the material, the material is hardened by work hardening and work-induced martensite generation, and good processing becomes possible. That is, when the heat treatment is performed under a solution heat treatment condition of 920 ° C. to 1150 ° C., the carbide produced in the work-induced martensite is dissolved in the austenite phase and the effect of hardening due to the work-induced martensite formation. Disappears. In addition, when the heat treatment is performed under a strain removal / recrystallization heat treatment condition of 200 ° C. to 950 ° C., the distortion of the crystal due to processing is removed, recrystallization occurs, and the influence of work hardening disappears.
- each pressure roller is installed with a predetermined interval (this is called a roller pitch) between the rollers in the length direction of the cylindrical metal base tube.
- the pressure roller located at the end with respect to the direction of travel of the pressure roller is a skin pass roll, so that an ultra-thin wall having a smooth mirror surface while maintaining rotational processing efficiency A long metal cylinder can be obtained.
- the skin pass roll has a roller shape with a large rounded tip radius and a small forming angle, which is effective for smoothing the surface, and it is usually possible to finish the surface roughness of about Ry5.0 ⁇ m to Ry0.5 ⁇ m or less. is there.
- both edge portions are warped outward. There is. In this case, the warping of both ends can be eliminated by adjusting the residual stress after the fifth step.
- the residual stress adjustment for flattening differs depending on the rolling rate in spinning, the thickness and length of the product after spinning. If the rolling rate is high, the internal residual tensile stress is large, so the surface compressive stress must be increased. Even if the rolling ratio is the same, when the thickness of the product is small, it becomes flat even when the surface compressive stress is small.
- the residual stress is a compressive stress of 1050 MPa on the surface and a tensile stress of 150 MPa in the middle portion in the thickness direction
- the diameter is 500 mm
- the plate thickness is 0.2 mm
- the width is 1,000 mm processed at a rolling rate of 50%.
- a stainless steel ultra-thin long metal cylinder is used as a double belt press, both ends of the upper and lower belts do not warp, and a pressing force acts uniformly on the product on the conveying belt to be laminated.
- DLC diamond-like carbon
- TiN titanium nitride
- CVD chemical vapor deposition
- the rolling processing rate is increased, the difference between the base metal part and the welded part disappears and approaches the tensile test value of the base metal part.
- the metal structure of the welded portion and the base metal portion is made uniform by performing heat treatment in the middle of the spinning process of a plurality of passes.
- a thin metal belt has been manufactured by cutting an extremely thin metal plate into a predetermined width and welding both ends thereof, but by cutting an ultrathin long metal cylinder into a desired width. By using the belt, it becomes possible to economically manufacture a thin metal belt having uniform properties in a large amount economically.
- FIGS. 1 is a manufacturing flowchart of an ultrathin long metal tube
- FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a spinning processing apparatus
- FIG. 3 is a sectional view of a tip shape of a pressure roller.
- reference numeral 10 is an extremely thin and long metal cylinder
- reference numeral 11 is a cylindrical metal element tube with a flange
- reference numeral 13 is an outer flange
- reference numeral 15 is an inner flange
- reference numeral 17 is a wall surface of the cylindrical metal element tube.
- 19 is a rolled cylindrical metal pipe wall
- 21 is a metal plate
- 23 is a cylindrical metal pipe
- 25 is an upper roll
- 27 is a lower roll
- 30 is a spinning process according to the present invention.
- reference numeral 31 is a mandrel
- reference numeral 33 is a mandrel core shaft
- reference numeral 35 is a tension applying member
- reference numeral 351 is a tension plate
- reference numeral 353 is a tension cylinder
- reference numeral 355 is a tension shaft
- reference numeral 37 is a pressure roller
- reference numeral 39 is a mandrel Main shaft drive motor
- symbol ⁇ is a forming angle
- symbol ⁇ is a clearance angle
- symbol ⁇ is a rounding radius.
- Reference signs A, B, C, D, and E indicate arrows.
- the spinning processing apparatus 30 mainly includes a mandrel 31 for mounting the brazed cylindrical metal element tube 11, a tension applying member 35 for applying tension to the brazed cylindrical metal element tube 11, and the cylindrical metal element tube wall surface 17. Are pressed and rolled, and a mandrel spindle drive motor 39 that rotationally drives the mandrel 31.
- the three pressure rollers 37 are arranged in the direction of rotation of the mandrel 31 (the direction of arrow A). ) At equal intervals in the circumferential direction.
- the tension applying member 35 includes a tension plate 351 fitted to the outer flange 13 of the flanged cylindrical metal base tube 11, a tension cylinder 353 for pressing the tension plate 351, and a pressing force of the tension cylinder 353 (arrow C). It is comprised from the tension shaft 355 which transmits.
- the flanged cylindrical metal element 11 is mounted on the mandrel 31, and the inner flange 15 of the flanged cylindrical metal element 11 is brought into contact with the tip of the mandrel 31.
- a flanged cylindrical metal base tube 11 is formed with a flange-shaped outer flange 13 by plastic working, and is fitted to a tension plate 351. Then, the tension plate 351 pushes down the outer flange 13 downward by the tension cylinder 353 via the tension shaft 355, and applies tension to the flanged cylindrical metal base tube 11.
- the appropriate value of the tension varies depending on the shape and material of the ultrathin long metal cylinder to be formed, the shape of the pressure roller, and the feed speed at which the pressure roller moves.
- the brazed cylindrical metal base tube 11 is also rotated (arrow B).
- the number of rotations varies depending on the size of the ultra-thin and long metal tube to be formed.
- the diameter is 600 rpm to 3,000 rpm for a small diameter of 20 mm ⁇ to 100 mm ⁇ , and 50 rpm to 3,000 rpm for a large diameter of 500 mm ⁇ to 1000 mm ⁇ . 600 rpm.
- the intermediate diameter is a medium diameter of 100 mm ⁇ to 500 mm ⁇ , it is roughly in the middle of them.
- the pressure roller 37 is pressed against the wall surface 17 of the cylindrical metal element tube while applying tension to the rotating cylindrical metal element tube 11 with the flange.
- the pressure roller 37 is pressed in the direction of the central axis of the brazed cylindrical metal tube 11 (arrow D) by a mechanism (not shown) while rotating with the rotation of the brazed cylindrical metal tube 11 (arrow B).
- the cylindrical metal element wall surface 17 is plastically deformed and the cylindrical metal element wall surface 19 is reduced in thickness.
- the pressure roller 37 is applied to the inner flange 15 side of the brazed cylindrical metal base tube 11 at the beginning of processing, but the pressure roller 37 gradually moves downward in the figure by an unillustrated mechanism (arrow E).
- the feed speed of the pressure roller 37 is 30 to 500 m / min, although it varies depending on the ultrathin and long metal cylinder to be molded.
- the plurality of pressure rollers 37 are installed with a predetermined interval (this is referred to as a roller pitch) in the vertical direction (this is referred to as a Z direction) in the drawing.
- a roller pitch a predetermined interval
- the pressure roller 37 positioned in the forefront with respect to the feeding direction of the pressure roller 31 is referred to as a # 1 roller, and is hereinafter referred to as a # 2 roller and a # 3 roller in order.
- the pressure roller feed pitch P V / R (mm / r).
- each pressure can be obtained by arranging the pressure rollers in the axial direction of the mandrel at intervals of an integer multiple of P / n.
- the roller presses the same trajectory, but if each pressure roller is placed at an interval that is not an integral multiple of P / n, each pressure roller presses a different trajectory from the trajectory of the previous pressure roller. As a result, the surface after rolling has less streak-like wrinkles and a great smoothing effect.
- the predetermined interval between the pressure rollers is set as follows. (1) When n pressure rollers are arranged around the mandrel with an interval of 360 ° / n, the interval does not become an integral multiple of P / n with respect to the mandrel axial direction of the pressure roller.
- the pressure roller 37 has a substantially abacus bead shape in which the pressing portion has a pointed shape, and the pressure angle of the forward advance side of the pressure roller 37, the clearance angle ⁇ of the forward rear side, and the tip of the pressure roller
- the rounding radius ⁇ affects the shape of the brazed cylindrical metal base tube 11 (see FIG. 3).
- the shape of these pressure rollers 37 may be the same for each pressure roller, but depending on the material and processing quality, the shape may be changed sequentially from the # 1 roller that starts rolling first.
- the # 3 roller is a skin pass roll.
- the forming angle ⁇ is large, the shape of the molded product deteriorates. If it is too small, a large pressing force is required for processing. If the tip rounding radius ⁇ is too large, wrinkles occur in the product and the shape becomes defective, and if it is too small, the surface roughness of the molded product deteriorates.
- the processed product remains spirally pressed by the pressure roller, which is inappropriate for standards with strict surface smoothness. For this reason, the forming angle ⁇ , the clearance angle ⁇ , and the rounding radius ⁇ at the tip of the pressure roller need to be appropriate values, but Table 2 shows numerical values in the examples.
- a mandrel core shaft 33 is installed on the upper part of the mandrel 31 and rotates together with the mandrel 31. For this reason, the eccentricity of the mandrel 31 when rolling the brazed cylindrical metal tube 11 appears as blurring of the mandrel core shaft 33. Therefore, for example, a displacement meter for measuring the displacement of the mandrel core shaft 33 can be provided to take data, and the pressing force and position of the pressure roller can be corrected based on this data.
- a rectangular metal plate is formed into a cylindrical shape
- a rectangular metal plate 21 is formed into a cylindrical shape by a bending roll.
- the bending roll is formed into a cylindrical shape by rotating the upper roll 51 and the lower roll 53 while sandwiching and pressing the metal plate 21 between the upper roll 25 and the lower roll 27.
- the thickness of the metal plate 21 is 0.4 mm to 0.8 mm.
- a metal plate 21 formed into a cylindrical shape is welded by plasma welding, TIG welding, laser welding, or electron beam welding to form a cylindrical metal base tube 23.
- Plasma welding, laser welding, and electron beam welding are joined by melting of the base metal itself, and all of the welds may have a dent or protrusion of about 1 to 2 ⁇ m as compared to the base metal part.
- the crystal structure becomes coarser, so that when the tensile test is performed, both the tensile strength and the elongation are smaller than those of the base material part.
- One end of the cylindrical metal tube 23 is plastically processed by spinning to form the outer flange 13, and the other end is plastically processed to the inner side to form the inner flange 15.
- the raw tube 11 is used (second step).
- the outer flange 13 may be formed by bending multiple times by plastic working.
- the outer flange 13 and the inner flange 15 are formed by forming an annular body of the same metal at both ends of the long cylindrical body regardless of such plastic working. You may join by welding.
- the outer flange 13 and the inner flange 15 are for providing a function of applying tension to the brazed cylindrical metal base tube 11 during the spinning process as will be described later, the outer flange 13 and the inner flange 15 may not be an annular body.
- saddle-shaped members that extend radially may be fixed to the outside or the inside of both ends of the cylindrical metal tube 23.
- the tensioned cylindrical metal element 11 is given tension by the tension applying member 35 of the spinning device 30.
- the flanged cylindrical metal element tube 11 is also rotated, and a plurality of pressure rollers 37 are pressed against the rotating cylindrical metal element tube wall surface 17 to plastically deform the wall surface.
- the attached cylindrical metal blank 11 is rolled (fourth step).
- strain removal / recrystallization heat treatment There are two types of the above-mentioned heat treatment, one is a strain removal / recrystallization heat treatment, and the other is a solution heat treatment.
- the strain removal / recrystallization heat treatment distortion of crystals due to processing is removed between 200 ° C. and 950 ° C., recrystallization occurs, the influence of work hardening disappears, and the material softens.
- a solution heat treatment at 980 ° C. to 1150 ° C. is performed, the carbide generated in the work-induced martensite is dissolved in the austenite phase and the influence of hardening due to the work-induced martensite generation disappears. This makes the material soft again and easy to process.
- the solution heat treatment temperature varies depending on the type of austenitic stainless steel, and ranges from 920 ° C. to 1150 ° C. for SUS321, 980 ° C. to 1150 ° C. for SUS347, 1010 ° C. to 1150 ° C. for SUS301, SUS302, SUS304, SUS316, and the like. Needless to say, when the metal plate that can be plastically processed is not stainless steel but another metal, an appropriate heat treatment condition is selected. For example, in the case of an aluminum alloy, the solution heat treatment is called a solution heat treatment, and the temperature at which the alloy elements are uniformly dissolved is about 500 ° C.
- the stress relief / recrystallization temperature is 150 ° C. to 250 ° C.
- the overall rolling process rate is 75% in both the 1-pass process and the 2-pass process.
- good results can be obtained by performing the rolling process in such a large number of times.
- an inner diameter of 500 mm ⁇ ⁇ thickness of 0.2 mm ⁇ length of 1500 mm is manufactured as an example.
- the length after the rolling process will be described.
- the thickness of the brazed cylindrical metal element tube 11 is 0.6 mm and 0.4 mm, the rolling ratios are 66.7% and 50%, respectively.
- the length of the rolled portion increases as the thickness decreases.
- the rolling rate is 75%, 66.7%, and 50%, the length of each processed part is 4 times, 3 times, and 2 times.
- the stainless steel belt or sleeve is subjected to DLC treatment after degreasing and cleaning, after performing baking treatment at 200 ° C. for 60 minutes, pretreatment for Ar arc beam pretreatment (10 minutes), and the like.
- the DLC film forming process is performed to a film thickness of 1 to 3 ⁇ m by an existing method such as PVD such as plasma CVD, arc ion plating (AIP), ionization vapor deposition, or sputtering (UBMS).
- the substrate temperature is 150 to 160 ° C.
- a hydrocarbon-based gas containing carbon which is a material constituting the DLC thin film
- the degree of vacuum in the reaction gas introduction chamber is set to 1 Pa to 10 Pa.
- a benzene gas is used as the reaction gas introduced at this time.
- the thermal electron emission means is operated to excite, dissociate, and ionize the hydrocarbon gas, and the dissociated carbon and carbon ions and the dissociated hydrogen and hydrogen ions are irradiated toward the substrate, A DLC thin film is formed on the substrate.
- the substrate temperature is 250 ° C.
- a typical spectrum of DLC is shown, whereas when the substrate temperature is 300 ° C.
- the temperature of the substrate is desirably 250 ° C. or lower.
- the adhesion of the DLC thin film to the substrate becomes weak. Therefore, the temperature of the base material during film formation is controlled from 100 ° C. to 250 ° C. By doing so, graphitization of the DLC thin film can be suppressed, and a high-quality DLC thin film with high hardness can be formed.
- the TiN film was formed by a vacuum arc deposition method in which Ti was used as a target and reacted in a nitrogen gas of 3 ⁇ 10 ⁇ 1 Pa at a bias voltage of ⁇ 250V.
- a TiCN film was obtained by vacuum arc deposition using Ti as a target and reacting in a mixed gas of acetylene gas of 3 ⁇ 10 ⁇ 1 Pa and argon gas at a bias voltage of ⁇ 250V. In either case, the film thickness is 2 to 4 ⁇ m.
- FIG. 1 is a manufacturing flowchart of an ultrathin long metal cylinder.
- FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the spinning processing apparatus.
- FIG. 3 is a sectional view of the tip shape of the pressure roller.
Landscapes
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Abstract
塑性加工が可能な矩形金属板が円筒状に成形され溶着されて長尺の金属円筒体が成形される工程と、該金属円筒体の両端に外部に突設される外側フランジおよび内部に突設される内側フランジを有する鍔付円筒状金属素管が成形される工程と、該鍔付円筒状金属素管がマンドレルに密着して装着される工程と、該鍔付円筒状金属素管に張力が与えられて該マンドレルが軸方向に回転してスピニング加工により壁面を塑性変形させて圧延するスピニング加工工程と、塑性変形後の該鍔付円筒状金属素管の両端が切断される工程と、残留応力調整工程と、からなり、スピニング加工工程中に熱処理工程を介在させる構成とした。 この構成により、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等の分野で使用されるロールに要求される高機能の極薄肉長尺金属円筒体が提供される。
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
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。
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。
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。
すなわち、本願請求項1に係る極薄肉長尺金属円筒体は、直径が略100mmφ以上の円筒状金属素管がスピニング加工により厚さ及び長さ方向に塑性変形されて0.01mmないし1.50mmの均一な壁厚で長さが略400mm以上の長尺の金属円筒体に成形された、ことを特徴としている。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。
また、本願請求項2に係る極薄肉長尺金属円筒体は、請求項1に記載の極薄肉長尺金属円筒体であって、前記金属円筒体はステンレス鋼製であって表面粗さの最大高(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、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は、請求項1に記載の極薄肉長尺金属円筒体であって、前記金属円筒体はステンレス鋼製であって表面にDLC、TiN、CrNおよびTiCN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を有する、ことを特徴としている。
すなわち、本願請求項1に係る極薄肉長尺金属円筒体は、直径が略100mmφ以上の円筒状金属素管がスピニング加工により厚さ及び長さ方向に塑性変形されて0.01mmないし1.50mmの均一な壁厚で長さが略400mm以上の長尺の金属円筒体に成形された、ことを特徴としている。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。
また、本願請求項2に係る極薄肉長尺金属円筒体は、請求項1に記載の極薄肉長尺金属円筒体であって、前記金属円筒体はステンレス鋼製であって表面粗さの最大高(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、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は、請求項1に記載の極薄肉長尺金属円筒体であって、前記金属円筒体はステンレス鋼製であって表面にDLC、TiN、CrNおよびTiCN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を有する、ことを特徴としている。
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、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、前記マンドレルが軸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、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、から製造される、ことを特徴としている。
また、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2に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、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、前記マンドレルが軸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、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力とし、厚さ方向中間部の残留応力を引張力とする残留応力調整が行われる第6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6に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項3に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、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、前記マンドレルが軸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、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。
さらに、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4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。
また、本願請求項8に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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。なお、「曲折」には曲率の大きな曲げや小さな曲げを含み、曲げ角度も素管の壁面に対する角度が略45°~180°を含む。また、円筒状金属素管の壁面に対して45°の傾斜でラッパ状にした先に素管の壁面に対して90°の円環状鍔を付けた形状にすることも含む。
そして、本願請求項9に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4ないし請求項6のいずれか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10に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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11に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項10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。
そして、本願請求項12に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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る、ことを特徴としている。
そして、本願請求項13に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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、前記加圧ローラーは複数であって該複数の加圧ローラーの内、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、ことを特徴としている。なお、「加圧ローラーの送り方向」とは、スピニング加工時における加圧ローラーの移動方向をいう。
また、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2に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、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、前記マンドレルが軸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、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力とし、厚さ方向中間部の残留応力を引張力とする残留応力調整が行われる第6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6に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項3に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法であって、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、前記マンドレルが軸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、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。
さらに、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4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。
また、本願請求項8に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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。なお、「曲折」には曲率の大きな曲げや小さな曲げを含み、曲げ角度も素管の壁面に対する角度が略45°~180°を含む。また、円筒状金属素管の壁面に対して45°の傾斜でラッパ状にした先に素管の壁面に対して90°の円環状鍔を付けた形状にすることも含む。
そして、本願請求項9に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4ないし請求項6のいずれか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10に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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11に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項10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。
そして、本願請求項12に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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る、ことを特徴としている。
そして、本願請求項13に係る極薄肉長尺金属円筒体の製造方法は、請求項4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、前記加圧ローラーは複数であって該複数の加圧ローラーの内、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、ことを特徴としている。なお、「加圧ローラーの送り方向」とは、スピニング加工時における加圧ローラーの移動方向をいう。
本願請求項14に係る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15に係る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16に係る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17に係る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18に係る印刷装置は、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19に係る有機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20に係る金属ベルトは、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。
また、本願請求項15に係る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16に係る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17に係る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18に係る印刷装置は、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19に係る有機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20に係る金属ベルトは、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。
(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/mm2であったものが、スピニング加工後には1800N/mm2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。
(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/mm2であったものが、スピニング加工後には1800N/mm2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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、T0、T1、L0、L1とするとT0×L0=T1×L1であり、L1=(T0/T1)L0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。
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。
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。
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。
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
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 (20)
- 直径が略100mmφ以上の円筒状金属素管がスピニング加工により厚さ及び長さ方向に塑性変形されて0.01mmないし1.50mmの均一な壁厚で長さが略400mm以上の長尺の金属円筒体に成形された、ことを特徴とする極薄肉長尺金属円筒体。
- 前記金属円筒体はステンレス鋼製であって表面粗さの最大高(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、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。
- 前記金属円筒体はステンレス鋼製であって表面にDLC、TiN、CrNおよびTiCN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を有する、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。
- 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、前記マンドレルが軸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、
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、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。 - 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、前記マンドレルが軸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、
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力とし、厚さ方向中間部の残留応力を引張力とする残留応力調整が行われる第6の工程と、から製造される、ことを特徴とする請求項2に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。 - 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、前記マンドレルが軸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、
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3に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。 - 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4に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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4に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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4に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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4に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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10に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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る、ことを特徴とする請求項4に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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該複数の加圧ローラーの内、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、ことを特徴とする請求項4に記載の極薄肉長尺金属円筒体の製造方法。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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