(57)【要約】【課題】  ガラス繊維や帯電防止材をした樹脂材料を用いて成形を行う場合であっても、スクリューの耐久性に優れた射出成形機を実現すること。【解決手段】  スクリューの各構成要素に、下層をＣｒＮ膜とし、下層の上の中間層を、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率が、下層に近いほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層に近いほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜とし、中間層の上の上層をＴｉＮ膜とした、コーティングを施す。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱シリンダ内に回転並びに前後進可能にスクリューを配設したインラインスクリュー式の射出成形機において、
前記スクリューのスクリュー本体と、このスクリュー本体の先端に固定されたスクリューヘッドと、前記スクリュー本体と前記スクリューヘッドとの間に配設されたチェックリングおよびチェックシートのそれぞれの表面に、
下層をＣｒＮ膜とし、
前記下層の上の中間層を、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率が、前記下層に近いほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層に近いほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜とし、
前記中間層の上の上層をＴｉＮ膜とした、
コーティングを施したことを特徴とする射出成形機。
【請求項２】
請求項１に記載の射出成形機において、
前記中間層を、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の変化が連続的であるＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜としたことを特徴とする射出成形機。
【請求項３】
請求項１に記載の射出成形機において、
前記中間層を、ＣｒＮとＴｉＮが混合された極薄薄膜を多数段階にわたって積層するとともに、前記下層に近い前記極薄薄膜ほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層に近い前記極薄薄膜ほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の変化が段階的であるＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜としたことを特徴とする射出成形機。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項に記載の射出成形機において、
前記コーティング全体の厚みは８μｍ〜１５μｍであり、前記中間層の厚みはコーティング全体の厚みの１／８〜１／３であることを特徴とする射出成形機。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１項に記載の射出成形機において、
前記コーティングはアークイオンプレーティグによって形成されることを特徴とする射出成形機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インラインスクリュー式の射出成形機に係り、特に、スクリューの表面に施すコーティングにかかわる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インラインスクリュー式の射出成形機のスクリューは、溶融樹脂を金型内に射出する役目だけでなく、その回転により原料樹脂を混練・可塑化させるための役割も担っている。このスクリューには、一般的に母材（鋼材）の腐食摩耗を防止するため、ＨＣｒメッキなどの単層のコーティングを施すことが多い。
【０００３】
ところで、射出成形で成形される成形製品には、用途に応じて樹脂中に、強度向上のためにガラス繊維を添加したり、帯電防止のためにカーボンなどの帯電防止材を添加することがよく行われる。このような場合には、単層のコーティングを施したスクリューであると、原料樹脂を混練・可塑化する計量工程で、大きな圧力がかかるスクリュー本体のコンプレッションゾーンの手前（フィードゾーンの終域）などで摩耗が発生し易く、母材の腐食摩耗が進行して、スクリューの耐久性能が短時間で著しく劣化する。また、特に帯電防止材を添加した場合には、スクリュー本体とスクリューヘッドとの間に配設された溶融樹脂の逆流防止用のチェックリングの外表面が、ごく短い時間で摩耗してしまって、スクリューの耐久性能がごく短い時間しか得られない。
【０００４】
そこで、スクリューに施すコーティングとして、下層のアンダーコートを密着性と耐食性に優れたＣｒＮとし、上層のトップコートをＣｒＮより硬いＴｉＮとして、このような２層セラミックスの複合コーティングにより、母材の腐食摩耗を防止して、スクリューの耐久性を向上させようとした技術が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−５８６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１による２層セラミックスの複合コーティングを施したスクリューは、単層のコーティングを施したスクリューよりも耐久性に優れたものになる。しかしながら、ＣｒＮよりなるアンダーコートとＴｉＮよりなるトップコートとの境界（界面）では、ＣｒＮとＴｉＮとの組成の相違により、応力の変化や結晶形態の変化が大きく、これに起因して界面剥離が生じ易いことは否めない。特に、帯電防止材を添加した樹脂材料の場合には、射出サイクルの中で閉止位置と開放位置との間で摺動するチェックリングの外表面において、非常に短い期間内（例えば、１〜２週間程度）でトップコート（ＴｉＮ）の界面剥離が生じてしまい、このため、ＣｒＮよりなるアンダーコートの摩耗、母材の腐食摩耗の進行が早く、短期間でチェックリングが使用に耐えなくなってしまう（チェックリングの外径が小さくなり、逆止弁としての機能を果たさなくなる）という問題があった。また、ガラス繊維を添加した樹脂材料の場合においても、スクリュー本体のフィードゾーンの終域、チェックリング、スクリューヘッド、チェックシートにおいて、１年未満（１０〜１１ケ月程度）でトップコートの界面剥離が生じて、未だスクリューの耐久性に問題があるという指摘があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ガラス繊維や帯電防止材を含有した樹脂材料を用いて成形を行う場合であっても、スクリューの耐久性に優れた射出成形機を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記した目的を達成するため、加熱シリンダ内に回転並びに前後進可能にスクリューを配設したインラインスクリュー式の射出成形機において、
前記スクリューのスクリュー本体と、このスクリュー本体の先端に固定されたスクリューヘッドと、前記スクリュー本体と前記スクリューヘッドとの間に配設されたチェックリングおよびチェックシートのそれぞれの表面に、
下層をＣｒＮ膜とし、
前記下層の上の中間層を、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率が、前記下層に近いほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層に近いほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜とし、
前記中間層の上の上層をＴｉＮ膜とした、
コーティングを施した構成とる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スクリューの各構成要素に施すコーティングとして、密着性と耐食性に優れたＣｒＮ膜よりなる下層と、ＣｒＮ膜より硬いＴｉＮ膜よりなる上層との間に、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜よりなる中間層を設けたコーティングとしているので、下層のＣｒＮ膜と上層のＴｉＮ膜との間で、応力や結晶形態の急激な変化が生じる箇所がなくなり、したがって、従来の複合膜よりなるコーティングのように界面剥離が生じることがなくなるので、ガラス繊維や帯電防止材を添加した樹脂材料を用いる場合であっても、耐久性能を従来よりも大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明が適用されるインラインスクリュー式の射出成形機における、一般的なスクリューの構成を示す図である。図１において、１はネジが形成されたスクリュー本体、２はスクリュー本体１の先端に螺合・締結されたスクリューヘッド、３、４はスクリュー本体１の先端とスクリューヘッド２との間に配置された溶融樹脂の逆流防止用のチェックリングおよびチェックシートであり、チェックリング３は所定量だけ前後に摺動可能となっている。また、Ｚ１はスクリュー本体１のフィードゾーン、Ｚ２はスクリュー本体１のコンプレッションゾーン、Ｚ３はスクリュー本体１のメータリングゾーンである。
【００１１】
本発明では、上記したスクリューの各構成要素（スクリュー本体１、スクリューヘッド２、チェックリング３、チェックシート４）の表面に、以下に述べるような、複合コーティングを施してある。
【００１２】
図２は、本発明の第１実施形態に係るスクリューのコーティング（被膜）を示す模式図である。図２において、１１はスクリューの各構成要素の鋼材よりなる母材（例えばＳＫＤ１１など）、１２は母材１１の表面上に形成されたＣｒＮ膜よりなる下層、１３Ａは下層１２の上に形成されたＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜よりなる中間層、１４は中間層１３Ａの上に形成されたＴｉＮ膜よりなる上層である。本第１実施形態の中間層１３Ａは、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率が、下層１２に近いほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層１４に近いほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の変化が連続的である、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜となっている。
【００１３】
図３は、本発明の第２実施形態に係るスクリューのコーティング（被膜）を示す模式図である。図３において、１１はスクリューの各構成要素の鋼材よりなる母材（例えばＳＫＤ１１など）、１２は母材１１の表面上に形成されたＣｒＮ膜よりなる下層、１３Ｂは下層１２の上に形成されたＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜よりなる中間層、１４は中間層１３Ｂの上に形成されたＴｉＮ膜よりなる上層である。本第２実施形態の中間層１３Ｂは、ＣｒＮとＴｉＮが混合された極薄薄膜を多数段階にわたって積層し、下層１２に近い上記の極薄薄膜ほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層１４に近い極薄薄膜ほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜としてある。つまり、本第２実施形態の中間層１３Ｂは、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率が、下層１２に近いほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層１４に近いほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の変化が、微視的に見ると段階的である、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜となっている。
【００１４】
第１、第２実施形態の傾斜複合膜を含む複合コーティングはともに、アークイオンプレーティング装置によって形成（成膜）される。図４は、アークイオンプレーティング装置の概略を示す図である。図４において、２１は成膜室（真空室）、２２はターゲット（蒸発源）、２３はターゲット２２にそのマイナス側を接続したアーク電源、２４は、ターゲット２２の近傍に配設されアーク電源のプラス側と接続した電極（陽極）、２５は成膜室内２１に導入される反応ガスであるＮ２（窒素ガス）、２６は被膜対象品２７を載置するターンテーブル、２８は、ターンテーブル２６を介して被膜対象品２７にバイアス電圧を印加するバイアス電源である。図４では、ターゲット２２とアーク電源２３と電極（陽極）２４の組を１つだけ示してあるが、実際には、ターゲット２２とアーク電源２３と電極（陽極）２４の組は２つ設けられており、その一方の組（以下では説明の便宜上、この組の構成要素を２２Ａ、２３Ａ、２４Ａと記す）のターゲット２２Ａが金属としてのＣｒ（クロム）とされて、いま一方の組（以下では説明の便宜上、この組の構成要素を２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂと記す）のターゲット２２Ｂが金属としてのＴｉ（チタン）とされている。
【００１５】
そして、所定の真空度とした成膜室２１内にＮ２を導入した状態で、アーク電源２３Ａのみを駆動制御して、アーク電源２３Ａによってアーク電流を、電極（陽極）２４Ａとターゲット２２Ａ（Ｃｒ）との間に印加すると、ターゲット２２Ａからクロム粒子が蒸発して、このクロム粒子が窒素ガスと反応して、反応生成物としてＣｒＮ（窒化クロム）の微粒子が生成され、これが被膜対象品２７に被着されてＣｒＮ膜が成膜されるようになっている。また、所定の真空度とした成膜室２１内にＮ２を導入した状態で、アーク電源２３Ｂのみを駆動制御して、アーク電源２３Ｂによってアーク電流を、電極（陽極）２４Ｂとターゲット２２Ｂ（Ｔｉ）との間に印加すると、ターゲット２２Ｂからチタン粒子が蒸発して、このチタン粒子が窒素ガスと反応して、反応生成物としてＴｉＮ（窒化チタン）の微粒子が生成され、これが被膜対象品２７に被着されてＴｉＮ膜が成膜されるようになっている。
【００１６】
さらにまた、所定の真空度とした成膜室２１内にＮ２を導入した状態で、アーク電源２３Ａおよびアーク電源２３Ｂの両者を駆動制御して、アーク電源２３Ａによってアーク電流を、電極（陽極）２４Ａとターゲット２２Ａ（Ｃｒ）との間に印加するとともに、アーク電源２３Ｂによってアーク電流を、電極（陽極）２４Ｂとターゲット２２Ｂ（Ｔｉ）との間に印加すると、ターゲット２２ＡからＣｒ粒子が蒸発するとともにターゲット２２ＢからＴｉ粒子が蒸発して、反応生成物としてＣｒＮおよびＴｉＮの微粒子が生成されて、これが被膜対象品２７に被着されてＣｒＮとＴｉＮの混合膜が成膜されるようになっている。このとき、アーク電源２３Ａによるアーク電流の値とアーク電源２３Ｂによる電流の値とをコントロールすることによって、Ｃｒ粒子の蒸発量とＴｉ粒子の蒸発量を制御することができ、これによって、ＣｒＮとＴｉＮの混合膜におけるＣｒＮとＴｉＮの混合比率を、所望のものにコントロールできるようになっている。
【００１７】
ここで、ＣｒＮとＴｉＮの混合膜を成膜する際には、アークイオンプレーティング装置の特性上、アーク電源２３で印加する最低アーク電流が規定されているため、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率において一方を限りなく零に近くすることはできず、このため、アーク電源２３による最低アーク電流と最大アーク電流とで定まる混合比率で、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の範囲が規定される。第１、第２実施形態の傾斜複合膜よりなる中間層１３Ａ、１３Ｂでは、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率は、ＣｒＮ：ＴｉＮが１０：３〜３：１０の範囲内で変化するものとなっている。なお、最低アーク電流の値が低く、また、最低アーク電流と最大アーク電流との比が大きいアークイオンプレーティング装置を用いれば、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の範囲を、上記の例よりも広げることが可能である。
【００１８】
第１、第２実施形態の傾斜複合膜（中間層）を含む複合コーティング（複合被膜）の成膜過程では、まず、ターゲット２２ＡのみからＣｒ粒子を蒸発させて、母材１１上に下層１２としてのＣｒＮ膜を所定厚みに成膜する。
【００１９】
次に、第１実施形態では、ターゲット２２ＡからのＣｒ粒子の蒸発制御をアーク電源２３Ａの最大アーク電流からスタートさせるとともに、ターゲット２２ＢからのＴｉ粒子の蒸発制御をアーク電源２３Ｂの最低アーク電流からスタートさせ、アーク電源２３Ａによるアーク電流を最大アーク電流から最低アーク電流に、リニアに低減させるように制御するとともに、アーク電源２３Ｂによるアーク電流を最低アーク電流から最大アーク電流に、リニアに増大させるように制御する。そして、これによって、下層１２上の中間層１３Ａとして、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率が、下層１２に近いほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層１４に近いほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の変化が連続的であるＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜を、所定厚みに成膜する。
【００２０】
他方、次に第２実施形態では、ターゲット２２ＡからのＣｒ粒子の蒸発制御をアーク電源２３Ａの最大アーク電流からスタートさせるとともに、ターゲット２２ＢからのＴｉ粒子の蒸発制御をアーク電源２３Ｂの最低アーク電流からスタートさせ、アーク電源２３Ａによるアーク電流を最大アーク電流から最低アーク電流に、段階的に低減させるように制御するとともに、アーク電源２３Ｂによるアーク電流を最低アーク電流から最大アーク電流に、段階的に増大させるように制御する。そして、これによって、下層１２上の中間層１３Ｂとして、ＣｒＮとＴｉＮが混合された極薄薄膜を多数段階にわたって積層し、下層１２に近い極薄薄膜ほどＣｒＮの含有量が多くてＴｉＮの含有量が少なく、上層１４に近い極薄薄膜ほどＣｒＮの含有量が少なくＴｉＮの含有量が多い、ＣｒＮとＴｉＮの混合比率の変化が段階的であるＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜を、所定厚みに成膜する。
【００２１】
中間層１３Ａまたは中間層１３Ｂを成膜した後は、第１、第２実施形態の両者とも、ターゲット２２ＢのみからＴｉ粒子を蒸発させて、中間層１３Ａまたは中間層１３Ｂの上に、上層としてのＴｉ膜を所定厚みに成膜する。
【００２２】
第１、第２実施形態では、下層１２と、中間層１３Ａまたは中間層１３Ｂと、上層１４とからなる複合コーティング全体の厚みを８μｍ〜１５μｍとし、中間層１３Ａ、１３Ｂの厚みはコーティング全体の厚みの１／８〜１／３としてある。ＴｉＮ膜（上層１４）の厚みは、耐摩耗性の観点から３μｍ以上は確保することが望ましく、帯電防止材を添加した樹脂材料を用いる射出成形機に適用する場合などにあっては、チェックリング３におけるコーティングのＴｉＮ膜（上層１４）の厚みは、５〜８μｍ程度とすることがより望ましい。また、ＣｒＮ膜（下層１２）の厚みは、耐食性の観点から３μｍ以上は確保することが望ましい。また、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜（中間層１３Ａ、１３Ｂ）の厚みは、ＣｒＮ膜（下層１２）とＴｉＮ膜（上層１４）との間で、応力や結晶形態の急激な変化が生じない機能傾斜をもつ厚みであればよいが、中間層１３Ａ、１３Ｂにも耐摩耗や耐食の機能の一部を担わせるなら、それに応じた膜厚に設定すればよく、この場合には、ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜（中間層１３Ａ、１３Ｂ）の厚みの範囲は、上記の範囲にこだわる必要はない。
【００２３】
＜実験例１＞
直方体状の鋼材（ＳＫＤ１１）よりなる母材に、下層（ＣｒＮ膜）１２を４．５μｍの厚みで、下層１２の上の中間層（ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜）１３Ａを２μｍの厚みで、中間層１３Ａの上の上層（ＴｉＮ膜）１４を４．５μｍの厚みで、それぞれ形成したテストピースＡと、上記と同一の母材に、下層（ＣｒＮ膜）１２を５．５μｍの厚みで、下層１２の上に直接被着した上層（ＴｉＮ膜）１４を５．５μｍの厚みで、それぞれ形成したテストピースＢとを用意した。このテストピースＡとテストピースＢとを、図５に示すように、加熱槽３１中のガラス繊維が添加された溶融樹脂３２中に浸漬した状態で、攪拌機３３によって、一定速度（５０ｒｐｍ）で連続回転した。用いた樹脂はＰＰＳ（ポリフェニールサルファイト）で、樹脂１００重量％に対してガラス繊維を６０重量％添加した。４８時間後の外観検査で、テストピースＢのエッジ部分で上層（ＴｉＮ膜）１４の剥離が観察された。これに対して、テストピースＡにおいては、６４時間後の外観検査においても異常は発見されなかった。
【００２４】
＜実験例２＞
実験例１と同様の鋼材によって作製したスクリューの各構成要素（スクリュー本体１、スクリューヘッド２、チェックリング３、チェックシート４）に、実験例１のテストピースＡと同様のコーティングを施したもの（本発明によるコーティングを施したスクリュー）と、実験例１のテストピースＢと同様のコーティングを施したもの（従来技術によるコーティングを施したスクリュー）とを用いて、ＰＰＳ樹脂１００重量％に対してガラス繊維を３０重量％添加した成形材料による射出成形を、標準仕様によってそれぞれ行った。従来技術によるコーティングを施したスクリューでは、約１０ケ月後に、スクリュー本体のフィードゾーンの終域、チェックリング、チェックシートにおいて、上層（ＴｉＮ膜）１４が剥離して、スクリューの耐久性能は１年未満であった。これに対して、本発明によるコーティングを施したスクリューでは、耐久性能が１．５年以上に向上した。
【００２５】
＜実験例３＞
実験例１と同様の鋼材によって作製したスクリューの各構成要素（スクリュー本体１、スクリューヘッド２、チェックリング３、チェックシート４）に、実験例１のテストピースＡと同様のコーティングを施したもの（本発明によるコーティングを施したスクリュー）と、実験例１のテストピースＢと同様のコーティングを施したもの（従来技術によるコーティングを施したスクリュー）とを用いて、帯電防止材を用いた樹脂材料を用いた射出成形を行った。従来技術によるコーティングを施したスクリューでは、約１〜２週間程度でチェックリング３の外表面において上層（ＴｉＮ膜）１４が著しく剥離した。これに対して、本発明によるコーティングを施したスクリューでは、チェックリング３の外表面での上層（ＴｉＮ膜）１４の剥離は、３ケ月経過後も殆ど確認されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明が適用されるインラインスクリュー式の射出成形機における、一般的なスクリューの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るスクリューのコーティング（被膜）を示す模式説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るスクリューのコーティング（被膜）を示す模式説明図である。
【図４】アークイオンプレーティング装置の概略を示す説明図である。
【図５】本発明の効果を確認するための実験例１で用いた装置を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  スクリュー本体
２  スクリューヘッド
３  チェックリング
４  チェックシート
Ｚ１  スクリュー本体１のフィードゾーン
Ｚ２  スクリュー本体１のコンプレッションゾーン
Ｚ３  スクリュー本体１のメータリングゾーン
１１  鋼材よりなる母材
１２  ＣｒＮ膜よりなる下層、
１３Ａ、１３Ｂ  ＣｒＮとＴｉＮの傾斜複合膜よりなる中間層
１４  ＴｉＮ膜よりなる上層
２１  成膜室（真空室）
２２、２２Ａ、２２Ｂ  ターゲット（蒸発源）
２３、２３Ａ、２３Ｂ  アーク電源
２４、２４Ａ、２４Ｂ  電極（陽極）
２５  反応ガスであるＮ２（窒素ガス）
２６  ターンテーブル
２７  被膜対象品
２８  バイアス電源
３１  加熱槽
３２  溶融樹脂
３３  攪拌機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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