JP3064166B2

JP3064166B2 - 金属加工用治具

Info

Publication number: JP3064166B2
Application number: JP5216529A
Authority: JP
Inventors: 明俊富山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH0768325A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、缶などの容器を製造す
る工程において、円筒状の金属の縁部を丸めるための加
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などにおいては、容器中の成分によ
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。

【０００５】この有機質膜は、おもにエポキシ系の樹脂
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
せる必要があるが、加工時に有機質膜に傷がついて缶材
料が露出すると、食品を汚染したり、缶材料の腐蝕が生
じたりする原因となるため、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。

【０００６】現在製造されている缶の種類としては、図
１に示すような３ピース缶（ａ）と２ピース缶（ｂ）が
ある。３ピース缶（ａ）は中空円筒形状の胴体部１およ
び上下の蓋２，３の３ピースからなり、２ピース缶
（ｂ）は１枚の金属板から加工されてなる底を有する容
器状円筒形状の胴体部４と蓋５の２ピースよりなる。ど
ちらの缶を製造する場合でも、円筒形状の胴体に蓋をは
め込む前に、あらかじめ円筒形状の胴体の縁の部分を丸
めておく工程が必要である。この丸めた部分に蓋を係合
させてかしめることにより胴体部１，４と蓋２，３，５
を強固に固定させることができる。

【０００７】この円筒部の縁を丸める工程は通常、図２
に示すような治具が用いられている。即ち、加工用治具
６の缶の胴体部７の縁部８が当接する部分にＲ面９が形
成されており、このＲ面９に胴体部７の縁部８を当接し
て缶の長手方向に機械的圧力を付与することにより縁部
８が丸められる。

【０００８】

【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。このようにその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、いわゆ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。

【０００９】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した場合、長期間にわたって
有機物フィルムと摺動させるなかで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となるため、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。

【００１０】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金属部とも治具が摺
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。

【００１１】特に上述した金属円筒の縁を丸める加工で
は、既に有機質膜が塗布された金属部材を加工する場合
がほとんどであること、治具の加工作用面にかかる力が
大きいこと、などの理由から有機質膜の破損が非常に起
こりやすい。さらには治具のビルドアップも非常に起こ
りやすいため、加工した製品の丸めた縁の部分に傷が入
りやすい。

【００１２】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。

【００１３】これらの問題を解消するために従来は固体
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。

【００１４】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、特に有機樹脂を表面に有する金属の
加工時の母材の最適化や、摩擦係数低減の点からは十分
に検討されておらず、軟質金属の加工における溶着や、
有機物フィルムの破損などの問題については全く検討さ
れていない。

【００１５】よって、本発明の目的は、円筒形状のアル
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の縁部分を丸める加工
をする際に、優れた摺動特性を有し、溶着や有機質膜の
破損を抑制することのできる長寿命の加工用治具を提供
することにある。

【００１６】

【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、円筒形状の金属の縁部が当接する部
分にＲ面が形成され、このＲ面に胴体部の縁部を当接し
て円筒形状の金属の長手方向に機械的圧力を付与して前
記縁部を丸め加工するための治具に対して、硬質炭素膜
を形成する場合の各種の成膜方法や、成膜される炭素膜
の特性、表面形状、治具の基体種類について詳細に検討
したところ、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃およびＡｌ₂Ｏ₃を添
加し焼成してなる相対密度９９％以上の窒化ケイ素質焼
結体を基体とし、その金属との摺動面に、表面粗さ（Ｒ
ｍａｘ）が１μｍ以下の硬質炭素膜を被覆形成すること
により前記目的が達成されることを知見した。

【００１７】以下、本発明を詳述する。本発明の加工用
治具は、高密度窒化ケイ素質焼結体を母材とし、表面に
硬質炭素膜を被覆してなるものであるが、母材として、
高密度窒化ケイ素質焼結体を用いることが重要である。
その理由としては、窒化ケイ素と硬質炭素膜中のダイヤ
モンドの線熱膨張係数が近いため、成膜時の熱応力が小
さく、密着性の高い膜が得られるからである。本発明に
おける円筒形状金属の縁部分の丸め加工では、加工時に
膜に対して大きな剪断応力がかかり、十分な膜と基体間
に十分な密着性がないと剥離してしまうため、母材とし
て高密度窒化ケイ素質焼結体を用いない限り上記金属加
工に十分に耐えられるような密着性が得られない。

【００１８】また、硬質炭素膜は基体の表面状態を反映
するため、基体にボイドが存在すると、この部分が硬質
炭素膜表面にもボイド形状となって残る。金属を加工す
るときに、このボイド部に金属が入り込み、ビルドアッ
プや溶着の原因となる恐れがある。従って、基体表面の
ボイドをできる限り少なくする必要があるため、用いる
焼結体の密度は高いことが必要である。具体的には、焼
結体の相対密度が９９％以上であることが望ましい。

【００１９】なお、このような相対密度９９％以上の高
密度の窒化ケイ素質焼結体は、窒化ケイ素に対して、Ｙ
₂Ｏ₃およびＡｌ₂Ｏ₃の焼結助剤を添加し混合したものを
所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレ
ス、押出し成形等により図２に示したような加工用治具
形状に成形後、１６００〜２０００℃の窒素中、あるい
は窒素加圧中で焼成した後、さらに１０００気圧以上の
高圧下で窒素あるいはアルゴン雰囲気中で１６００〜１
９００℃で再焼成することにより得ることができる。

【００２０】また、本発明によれば、加工用治具の金属
との少なくとも摺動部分の硬質炭素膜の表面粗さを１μ
ｍ以下に制御することが重要である。それは、金属との
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１μｍ
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。

【００２１】なお、成膜後の炭素膜の表面粗さがこの範
囲内であれば、そのままの状態で用いることができる
が、成膜後の表面粗さＲｍａｘが１μｍを越えるような
場合には膜を研磨し、表面粗さを１μｍ以下とする必要
がある。成膜後の膜の研磨量を少なく済ませるために
は、成膜する基体をあらかじめ表面粗さ１μｍ以下に研
磨しておくことが望ましい。

【００２２】硬質炭素膜を形成する方法としては、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全面に膜
を均一に成膜することは困難である。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、フィラメントからの距離に応じて膜の均一性に差
が生じる、フィラメントが炭化して収縮、断線する、な
どの問題があるため、汎用性、生産性に欠ける。

【００２３】そこで、本発明において硬質炭素膜の成膜
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
よれば、広い空間中に均一、かつ高密度なプラズマを発
生させることができるため、通常のマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法並の成長速度を保ったまま、多くの治具に対し
て均一な膜厚で硬質炭素膜を成長させることができる。

【００２４】次に、このＥＣＲプラズマ法による製造方
法について、図３をもとに説明する。反応炉１０内には
炭素膜が形成される母材１１が設置されている。また、
反応炉１０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１２および磁界を発生させる
ための電磁コイル１３が配置されている。かかる装置を
用いて成膜する場合には、反応炉１０内に炭素膜生成用
ガスとして少なくともメタンなどの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
導入炉１４を経由して反応炉１０内に導入する。そし
て、反応炉１０内を圧力１ｔｏｒｒ以下の低圧力に維持
すると同時に、導波管１５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１３
により約８７５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／２
πｍ（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１００〜１２００℃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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】上述した方法によって得られる硬質炭素膜
は、主としてダイヤモンドからなっており、ほぼダイヤ
モンドに近い特性を示すが、若干の非晶質炭素成分、お
よびガス、成膜装置、基体材料などから混入した不可避
不純物をも含有している。

【００２８】本発明の加工用治具は、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、それら
に有機質膜が被覆されたものを加工する際に特に有効で
あり、治具としては、例えば食料品や飲料水の缶容器の
製缶工程で、容器の縁部分の丸め加工に用いられるパン
チとして特に有用である。

【００２９】

【作用】本発明によれば、特に、金属縁部を丸め加工す
るための加工用治具として、高密度窒化ケイ素質焼結体
からなる基体表面に表面粗さＲｍａｘが１μｍ以下の、
ダイヤモンドなどからなる硬質炭素膜を形成することに
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。

【００３０】これにより、アルミニウムや軟鉄などの軟
質金属、あるいはその上に有機質膜が被覆されたものを
加工する際においても、被加工物との接触において優れ
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、上記軟質金属の治具へのビルドアップや溶着を
抑制することができる。しかも、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。

【００３１】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。

【００３２】

【実施例】

実施例１まず、基体材料として、窒化ケイ素にＹ₂Ｏ₃５重量
％、Ａｌ₂Ｏ₃５重量％を添加混合したものを加工用治
具形状に成形した後、１８００℃の窒素中で焼成した
後、さらに２０００気圧の窒素中で１９００℃で焼成し
て、相対密度９９．８％の高密度窒化ケイ素質焼結体か
らなる直径が３０ｍｍの加工用治具基体を得た。さら
に、その治具表面は研磨加工して表面粗さＲｍａｘが
０．４μｍに調整した。

【００３３】次に、図３に示したようなＥＣＲプラズマ
装置中の反応炉内に先の加工用治具基体を設置した。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０．３ｔ
ｏｒｒ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４．５ｓｃｃｍ、９ｓｃｃｍ、２８６．５ｓｃｃ
ｍの流量比で混合したものを用いた。この条件で炭素膜
が約１０μｍの膜厚となるように作成した。

【００３４】得られた炭素膜の表面粗さを触針式表面粗
さ計により評価したところ、Ｒｍａｘは０．８μｍであ
った。また、ピン−オン−ディスク法により、この硬質
炭素膜と金属アルミニウムの摩擦係数を測定したとこ
ろ、０．１１と低い値が得られた。比較のため、超硬合
金でも同様の摩擦係数値を測定したところ、０．７５と
大きな値となった。

【００３５】この硬質炭素膜が形成された治具により、
エポキシ樹脂の有機質膜が５μｍの厚みで被覆された
０．１％の炭素を含む厚さ０．４ｍｍの軟鉄板を用いて
円筒部の縁部の丸め加工を１００００個行った。比較の
ため、超硬合金からなる治具でも同様の加工試験を行っ
た。その結果を表１の試料Ｎo.１、２として示した。

【００３６】試験の結果、本発明に基づく硬質炭素膜が
被覆された試料Ｎo.１の治具は、１００００個の加工試
験後も丸め加工部の表面状態は良好で、金属部分にも有
機質膜の部分にも傷は全く認められなかった。それに対
し、試料Ｎo.２の超硬合金治具では、数百個加工した時
点で既に丸め加工部の有機質膜や金属部分に傷のあるも
のが出始め、１００００個の加工試験終了時はほぼ全て
の加工部に傷が生じ、甚だしいものでは金属部の傷が裂
け目となっているものもあった。

【００３７】さらに、硬質炭素膜を被覆した試料Ｎo.１
の治具は１００００個加工した後も全く摩耗した痕跡は
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の超硬合金治具表面は、摺動部の面状態
が非常に悪化していた。この超硬合金治具表面の摺動部
分を評価したところ、エポキシ樹脂と鉄が検出され、表
面に有機質膜および鉄がビルドアップして凝着している
ことがわかった。

【００３８】実施例２実施例１において、硬質炭素膜の生成条件、基体の種
類、基体の表面粗さ、基体の相対密度を表１に示す以外
は全く同様にして、前記高密度窒化ケイ素質焼結体より
なる治具表面に硬質炭素膜を形成し、得られた膜の表面
粗さ、金属アルミニウムとの摩擦係数、前記金属円筒縁
部丸め加工試験後の、加工部分の状態、治具の摩耗状
態、治具への有機質膜、金属の凝着状態を評価した。そ
の結果を表１に示す。なお、試料Ｎo.３、４、７につい
ては膜表面を研磨して試験を行ったので、研磨後の表面
粗さの値も記した。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１から明らかなように、本発明に基づく
硬質炭素膜が被覆された試料Ｎo.３、４、５は、金属ア
ルミニウムとの摩擦係数値は一様に約０．１前後と低か
った。また、金属円筒縁部を１００００個丸め加工した
後も金属の丸め加工部の表面状態は良好で、金属部分に
も有機質膜の部分にも傷は全く認められなかった。さら
に、これらの試料の摺動部の表面状態は、試験前と比べ
て変化は認められず、摩耗したり、金属や有機質膜が凝
着した痕跡は観察されなかった。これらの結果は、実施
例１で示した試料Ｎo.１の場合と全く同様である。

【００４１】試料Ｎo.６、８は、膜の表面粗さが１μｍ
を越えるため、加工中に金属表面の有機質膜を傷つけて
しまうことがわかった。また、試料Ｎo.７は、窒化ケイ
素質焼結体の相対密度が９８％と低いため、加工中に膜
の表面に存在するボイド（これは焼結体のボイドを反映
したもの）中に金属や有機質膜が入り込み、結果として
凝着のような現象となって、加工した丸め部分に傷が生
じた。

【００４２】試料Ｎo.９、１０は、基体としてＳｉＣや
アルミナを用いたものであるが、窒化ケイ素質焼結体に
比較して膜と基体の密着性が足りず、丸め加工試験の途
中で膜が剥離し、良い結果は得られなかった。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の加工用治
具は、円筒形状の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金属
の縁部分を丸める加工をする際に、優れた耐摩耗性、摺
動特性を有し、溶着や有機質膜の破損を抑制することが
できる。さらに、基体に対する密着性が強いため、加工
時に基体から剥離するおそれがない。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】缶の構造を説明するための図であり、（ａ）は
３ピース缶、（ｂ）は２ピース缶をそれぞれ示す。

【図２】缶の縁部を丸め加工する方法を説明するための
図である。

【図３】ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略配置図であ
る。

【符号の説明】

１，４，７胴体部２，３，５蓋６加工用治具８縁部９Ｒ面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２３Ｃ 16/26 Ｃ０４Ｂ 35/58 １０２Ｙ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21D 19/12 B21D 37/01 B21D 37/20 B21D 51/26 C04B 35/584 C23C 16/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さ１ｍｍ以下の円筒形状の金属の縁部が
当接する部分にＲ面が形成され、このＲ面に胴体部の縁
部を当接して円筒形状の金属の長手方向に機械的圧力を
付与して前記縁部を丸め加工するための治具であって、
焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃およびＡｌ₂Ｏ₃を添加し焼成して
なる相対密度９９％以上の窒化ケイ素質焼結体からなる
基体の前記金属との摺動面に、表面粗さ（Ｒｍａｘ）が
１μｍ以下の硬質炭素膜を被覆形成してなることを特徴
とする金属加工用治具。
【請求項２】前記円筒形状の金属が、アルミニウム、軟
鉄などの軟質金属を含有する金属あるいはその合金であ
り、その表面に有機質膜が形成されていることを特徴と
する請求項１記載の金属加工用治具。