(57)【要約】【課題】線材上に樹脂を押出し被覆する装置に用いられるニップル及びダイスを、樹脂に対する耐溶着性、耐摩耗性及び耐食性に優れるものとする。【解決手段】該ニップルの表面及びダイスの内面に非晶質の硬質炭素被膜を被覆する。より好ましくは、非晶質硬質炭素被膜と母材との間に中間層を設ける、非晶質硬質炭素被膜の微小ビッカース硬さをＨＶ２０００〜５０００とする、該被膜に３０質量％以下のフッ素を含有させる、母材にロックウェルＡ硬さ８８．０以上の超硬合金を用いる、などとする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
線材上に樹脂を押出し被覆する装置に用いられるニップル及びダイスにおいて、ニップルの表面及びダイスの内面が非晶質の硬質炭素被膜により被覆されていることを特徴とするニップル及びダイス。
【請求項２】
請求項１に記載の線材被覆装置のニップル及びダイスにおいて、母材と非晶質の硬質炭素被膜との間に中間層として、周期律表の第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属及び、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅまたはそれらの炭化物から選ばれる単層または複層の被膜を合計０．２〜１．０μｍの厚さで被覆したことを特徴とするニップル及びダイス。
【請求項３】
請求項１及び２に記載された線材被覆装置のニップル及びダイスにおいて、非晶質の硬質炭素被膜の厚さが０．５〜１０μｍであることを特徴とするニップル及びダイス。
【請求項４】
請求項１〜３に記載された線材被覆装置のニップル及びダイスにおいて、非晶質の硬質炭素被膜の微小ビッカース硬さがＨＶ２０００〜５０００の範囲内であることを特徴とするニップル及びダイス。
【請求項５】
請求項１〜４に記載された線材被覆装置のニップル及びダイスにおいて、非晶質の硬質炭素被膜の表面粗さがＲｙ５μｍ以下であることを特徴とするニップル及びダイス。
【請求項６】
請求項１〜５に記載された線材被覆装置のニップル及びダイスにおいて、非晶質の硬質炭素被膜に３０質量％以下のフッ素を含むことを特徴とするニップル及びダイス。
【請求項７】
請求項１〜６に記載された線材被覆装置のニップル及びダイスにおいて、母材を超硬合金とし、かつそのロックウェルＡ硬さが８８．０以上であることを特徴とするニップル及びダイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線材に樹脂を押出し被覆するための装置に用いられるニップル及びダイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種通信用や電線用ケーブル等の線材には、芯線の保護及び外部との導通防止のため、樹脂を一定の厚さとなるように押出し被覆される。このような工程に使用される樹脂押出し被覆装置の概略図を図１に示す。樹脂材料には、従来よりポリエチレン（ＰＥ）、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、耐燃ポリエチレン（ＥＭ）等が用いられており、それらを図１に示した押出し機１内にて１００〜３００℃に加熱・混練して溶融樹脂Ａとし、クロスヘッド２に供給する。クロスヘッド２内で溶融樹脂Ａは、ニップル３とダイス４によって形成される間隙を経由して、芯線Ｂとともに押出されながら芯線上に被覆され、ダイスを出た後は直ちに冷却される。
【０００３】
ニップル３及びダイス４の材料としては、従来より工具鋼や超硬合金が知られている。特にＷＣ−Ｃｏ系超硬合金は硬さが高く、耐摩耗性や製品形状安定性に優れること、また１００〜３００℃における熱膨張率が低いこと等から、好適であるとされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、超硬合金では耐食性に問題がある場合には、各種セラミックス製のニップルやダイスが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１８９２６号公報
【特許文献２】特開平７−２５６７２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら工具鋼や超硬合金製のニップル及びダイスでは、工具表面に溶融樹脂が溶着しやすく、それにより被覆層に、いわゆる“目やに”と呼ばれる溶着樹脂塊が混入する問題がある。これはニップル及びダイスに溶着、固化した樹脂塊があるとき脱落し、被覆層内に混入して被覆強度を著しく低下させるという問題である。
【０００６】
また最近では線材の被覆樹脂の強さ及び硬さの向上のため、前記樹脂材料中に硬質のフィラーを添加することがあり、この場合にはニップル及びダイスが摩耗し易くなるという問題がある。
【０００７】
加えて、樹脂にＰＶＣを用いた場合や、線材の難燃化のため水酸化マグネシウムを添加した樹脂を用いる場合には、それらの熱分解により発生した腐食性ガスによる、ニップル及びダイスの腐食も問題となっている。
【０００８】
これらの問題に対してはアルミナセラミックスや窒化珪素セラミックス製ニップル及びダイスを用いることもあるが、金属製に比して材料強度や靭性に劣るため、工具に割れや欠損が生じ易いという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記溶融樹脂のニップル及びダイスへの溶着を低減し、かつ耐摩耗性と耐食性を共に向上させたニップル及びダイスを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、樹脂に対する耐溶着性、耐摩耗性及び耐食性に優れた非晶質の硬質炭素被膜を、前記ニップル及びダイスに被覆することに着目した。
【００１１】
非晶質の硬質炭素は、主として炭素及び水素からなり、これらの結合状態が不規則な非晶質状態の物質であり、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ｉ−カーボン等とも呼ばれる。この物質は表面が非常に平滑で緻密な被膜をつくることや、化学的に安定であり、樹脂に対する耐溶着性や耐摩耗性、耐食性に優れるので、前記“目やに”発生防止に効果があると推測した。
【００１２】
非晶質の硬質炭素被膜を被覆する方法は、ＰＶＤ（物理的気相蒸着）法やプラズマＣＶＤ（化学的気相蒸着）法の他、最近ではイオン注入法がある。そのうちＰＶＤ法には、イオン化蒸着法、イオンビーム法、スパッタリング法や、イオンプレーティング法（高周波イオンプレーティング、陰極アークイオンプレーティング、ホローカソード法）が挙げられる。
【００１３】
また、母材と非晶質硬質炭素被膜との間に中間層として、周期律表の第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属及びＢ、Ｓｉ、Ｇｅまたはそれらの炭化物から選ばれる単層または複層の被膜を合計０．２〜１．０μｍの厚さで被覆することにより、非晶質硬質炭素被膜と母材との密着力を向上させることができる。中間層の被覆方法は非晶質硬質炭素被膜と同様で良い。しかし中間層の厚さが１．０μｍを超えると、中間層自体は硬さが低く、また脆いことから、被膜全体の強さが低下する。
【００１４】
非晶質硬質炭素被膜の厚さは、被覆時の原料ガス量や被覆時間により変化させることができるが、その厚さは０．５μｍ〜１０μｍが望ましい。厚さ０．５μｍ未満では耐摩耗性に乏しく、１０μｍを超えると被膜と母材との熱膨張係数差に起因する残留応力が高くなりすぎることや被膜の靭性が低いことから、被膜が剥離しやすくなる。
【００１５】
非晶質硬質炭素被膜の微小ビッカース硬さは、被覆時の母材に印加するバイアス電圧や母材温度により変化させることができる。またＰＶＤ法のうち、陰極アークイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いると、他方法よりも硬質な非晶質炭素被膜を得ることが可能となる。被膜硬さはＨＶ２０００〜５０００が望ましい。ＨＶ２０００未満では、被膜は軟質であり、耐摩耗性に乏しい。一方ＨＶ５０００を超えると、被膜そのものの靭性に乏しく、被膜中クラックや被膜剥離を生じやすい。
【００１６】
また、ニップル及びダイス母材の仕上げ面粗さを調節して、非晶質硬質炭素被膜の表面粗さをＲｙ５μｍ以下とすることにより、樹脂溶着をより効果的に抑制することができる。これはＲｙ５μｍを超えると、被膜の凹凸により摩擦係数が大きくなり、樹脂の溶着が起こりやすくなるためである。
【００１７】
また、被覆処理ガス中にフッ素ガスや四フッ化炭素ガスを含有させることにより、フッ素を含む非晶質硬質炭素被膜を被覆することができる。被膜中にフッ素を含むと、非晶質硬質炭素被膜の樹脂に対する耐溶着性を更に向上させることができるが、被膜中のフッ素濃度が３０質量％を超えると、被膜強さが低下する。非晶質硬質炭素被膜に含まれるフッ素の量は、前記フッ素ガスあるいは四フッ化炭素ガスと、炭化水素ガスとの混合比によって調節することができる。
【００１８】
ニップル及びダイスの母材は、炭素鋼、工具鋼、超硬合金等の何れでも良いが、硬さが高いことや製品形状安定性に優れること等から超硬合金が望ましく、そのうちロックウェルＡ硬さが８８．０以上のものが特に望ましい。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
超硬合金製ニップルの表面及びダイスの内面に、炭化珪素中間層及び非晶質硬質炭素被膜を順次被覆した。ニップル及びダイスの被覆処理面には、予め所定の表面粗さになるように研削、研磨仕上げを施した。被覆方法は前記の何れの方法でも良いが、本実施例では高周波イオンプレーティング法及び陰極アークイオンプレーティング法を用いた。これらの方法の被覆原理図をそれぞれ図２、３に示す。高周波イオンプレーティング法は、母材５を母材支持電極６に装着し、１〜１００Ｐａ程度の低圧の炭化水素ガス雰囲気中で高周波発振器及び高周波発生電極７によりガスプラズマを発生させ、炭化水素ガスを分解し、バイアス電圧を印加した母材表面に被膜を蒸着させる方法である。陰極アークイオンプレーティング法は、母材８を母材支持電極９に固定したのち、１０−２〜１Ｐａ程度の低圧の炭化水素ガス雰囲気中で、被膜原料である炭素陰極１０表面にトリガー１１により真空アーク放電を発生させ、それにより陰極表面を蒸発させて、バイアス電圧を印加した母材８及び母材支持電極９に蒸発粒子１２を蒸着させ、被膜を形成させる方法である。本発明において、これらの方法を用いた理由は、高周波イオンプレーティング法にて被覆した非晶質硬質炭素被膜は、被膜表面の面粗さが優れていること、及び複雑形状品への被膜のつき回りが比較的優れるからである。しかしこの方法ではビッカース硬さ５０００以上の被膜の形成が困難である。よって高硬度被膜の形成には陰極アークイオンプレーティング法を用いた。また、被覆処理雰囲気をメタン／四フッ化炭素混合ガスとすることにより、種々量のフッ素を含む非晶質硬質炭素被膜も被覆した。さらに種々の硬さを有する母材超硬合金にてニップル及びダイスを作製し、前記と同様に炭化珪素中間層及び硬質炭素被膜を被覆した。
【００２０】
このようにして硬質炭素被膜を被覆したニップル及びダイスを図１の概略図に示すような線材被覆装置内に取り付け、樹脂被覆テストを行った。樹脂にはポリエチレンを用い、樹脂加熱温度は２００℃とした。溶融樹脂Ａは図１で示した押出し被覆装置内のクロスヘッド２に送り込まれ、ニップル３及びダイス４により芯線Ｂに被覆される。その際に、ニップル及びダイスに溶着し、固化した樹脂塊がいわゆる“目やに”となり蓄積、脱落し、被覆層内に混入したときまでの被覆線材長さを製品寿命とした。
【００２１】
（実施例１）従来品であるＷＣ−Ｃｏ系超硬合金製ニップル及びダイスに、高周波イオンプレーティング法により、有機珪素化合物ガス雰囲気中にて炭化珪素中間層を種々の被膜厚さとなるように所定時間被覆し、続けて雰囲気をメタンガスとして非晶質硬質炭素被膜を種々の被膜厚さとなるように所定時間被覆した。母材超硬合金のロックウエルＡ硬さは９０．０、被覆面の表面粗さはＲｙ２μｍ、母材温度は１００℃とした。このニップル及びダイスを、図１の概略図に示すような線材被覆装置内に取り付け、樹脂被覆テストを行った。樹脂にはポリエチレンを用い、樹脂加熱温度は２００℃とした。得られた本発明品及び従来品の炭化珪素中間層及び非晶質硬質炭素被膜の被覆時間、被膜厚さと製品寿命を表１に示した。これより炭化珪素中間層の被膜厚さが０．２〜１．０μｍの範囲内にあり、かつ非晶質硬質炭素被膜の被膜厚さが０．５〜１０．０μｍの範囲内にある本発明品は、ニップル及びダイスへの樹脂溶着速度が小さく、製品寿命が３０ｋｍを超え、長寿命を示した。一方、比較品の炭化珪素中間層無しまたはその厚さが０．２μｍ未満あるいは１．０μｍを超えるニップル及びダイス、または非晶質硬質炭素被膜の被膜厚さが０．５μｍ未満または１０．０μｍを超えるニップル及びダイス、あるいは何れの被覆処理も無しのニップル及びダイスは、樹脂溶着速度が大きいか、または被膜の剥離が発生し、短寿命であった。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
（実施例２）次に実施例１と同様の超硬合金製ニップル及びダイス（ロックウエルＡ硬さ９０．０）に、高周波イオンプレーティング法及びアークイオンプレーティング法により、炭化珪素中間層を厚さ０．５μｍ及びその上に被膜厚さ１．０μｍの非晶質硬質炭素被膜を被覆した。この時、母材温度は１００℃一定として、母材に印加するバイアス電圧を変化させ、種々の被膜微小硬さが得られるように調節した。得られた本発明品と比較品の被膜微小硬さ、及び実施例１と同様の線材樹脂被覆テストを行った際の寿命を表２に示した。被膜微小ビッカース硬さが２０００〜５０００の範囲内にある本発明品は“目やに”の付着が抑えられ長寿命となったが、比較品では、被膜硬さが２０００未満のものは、被膜が摩耗、消失し、短寿命であった。また被膜硬さが５０００を超えるものは、被膜強さに乏しく、テスト初期に被膜が剥離し、短寿命であった。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
（実施例３）次に超硬合金製ニップル及びダイス（ロックウエルＡ硬さ９０．０）の被覆面を種々の表面粗さに仕上加工し、その後、実施例１と同様の高周波イオンプレーティング法により、炭化珪素中間層を厚さ０．５μｍ及びその上に被膜厚さ１．０μｍの非晶質硬質炭素被膜を被覆し、種々の被膜表面粗さを有するニップル及びダイスを得た。得られた本発明品と比較品の被膜表面粗さ、及び実施例１と同様の線材樹脂被覆テストを行った際の寿命を表３に示した。被膜表面粗さがＲｙ＝５μｍ以下である本発明品は“目やに”の付着が抑えられ長寿命となり、一方、Ｒｙが５μｍを超える比較品では、表面凹部への樹脂の溶着が顕著となり、短寿命であった。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
（実施例４）次に超硬合金製ニップル及びダイス（ロックウエルＡ硬さ９０．０）に、実施例１と同様の高周波イオンプレーティング法により炭化珪素中間層を厚さ０．５μｍ被覆した後、続けて被覆処理雰囲気を種々の混合比のメタン／四フッ化炭素混合ガスとし、被膜厚さ１．０μｍのフッ素含有非晶質硬質炭素被膜を被覆した。得られた本発明品及び比較品の非晶質硬質炭素被膜の被膜中フッ素量及び実施例１と同様の線材樹脂被覆テストにおける寿命を表４に示した。被膜中フッ素量が３０質量％以下である本発明品は“目やに”の付着が抑えられ長寿命となったが、３０％を超えた比較品では被膜強度が乏しく、テスト初期に剥離し、短寿命であった。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
（実施例５）次に、超硬合金中のＣｏの添加量を変化させることにより、硬さが種々異なるニップル及びダイスを作製し、実施例１と同様の高周波イオンプレーティング法により、炭化珪素中間層を厚さ０．５μｍ、その上に被膜厚さ１．０μｍの非晶質硬質炭素被膜を被覆した。得られた本発明品と比較品の母材ロックウエルＡ硬さ、及び実施例１と同様の線材樹脂被覆テストを行った際の寿命を表５に示した。母材硬さが８８．０以上である本発明品は、“目やに”の付着が抑えられ、長寿命であった。一方、８８．０未満である比較品はテスト初期に母材硬さ不足による工具変形が発生し、製品寸法が変化したため短寿命であった。
【００３０】
【表５】
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【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る線材用樹脂押出し被覆装置のニップル及びダイスは、超硬合金に非晶質の硬質炭素被膜を被覆して作製しているため、優れた樹脂耐溶着性、耐摩耗性及び耐食性を有することにより、被加工材の品質が向上すると共にニップル及びダイスの寿命が長くなり、工業上極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】線材樹脂被覆装置の概略図である。
【図２】高周波イオンプレーティング法の概略図である。
【図３】陰極アークイオンプレーティング法の概略図である。
【符号の説明】
１  押出機
２  クロスヘッド
３  ニップル
４  ダイス
５  母材
６  母材支持電極
７  高周波発生電極
８  母材
９  母材支持電極
１０  炭素陰極
１１  トリガー
１２  蒸発粒子
Ａ  溶融樹脂
Ｂ  芯線
Ｃ  樹脂通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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