(57)【要約】【課題】潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるＤＬＣ被膜金型を提供すること。【解決手段】金型の表面に、実質的に水素を含まないＤＬＣ膜を形成し、当該ＤＬＣ膜を、密度は３．０ｇ／ｃｍ３以上３．４ｇ／ｃｍ３以下、ナノインデンテーション硬さが４０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、算術平均粗さが０．０３μｍ以下、最大高さが０．２０μｍ以下、表面の欠陥密度が１０個／ｍｍ２以下、としたパンチやダイ等の金型。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム板またはアルミニウム合金板を、水系潤滑剤を用いてピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、または、リフレア加工するための金型であって、
金型の表面に、実質的に水素を含まないＤＬＣ膜を形成し、
当該ＤＬＣ膜を、
密度は３．０ｇ／ｃｍ３以上３．４ｇ／ｃｍ３以下、
ナノインデンテーション硬さが４０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、
算術平均粗さが０．０３μｍ以下、
最大高さが０．２０μｍ以下、
表面の欠陥密度が１０個／ｍｍ２以下、
としたことを特徴とする金型。
【請求項２】
ＤＬＣ膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さを０．０３μｍ以下、最大高さを０．２０μｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の金型。
【請求項３】
ＤＬＣ膜の膜厚を０．２μｍ以上０．６μｍ以下としたことを特徴とする請求項１または２に記載の金型。
【請求項４】
基材を粉末高速度工具鋼または超硬合金としたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を加工する金型に関し、特に、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板等を加工するパンチやダイ等であって表面にＤＬＣ膜が形成された加工金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえばエアコンその他の熱交換器のフィンには熱伝導性の高さ等から、アルミニウム板や、硬さを持たせるためにＳｉ等を添加したアルミニウム合金板が多用されている。
【０００３】
フィンには、多数の管を挿通するために、所定高さのカラーが形成された円筒孔が精度良く多数あけられている。具体的には、ピアシング加工（孔空け）、バーリング加工（拡径およびフランジ形成）、アイアニング加工（カラー形成）、リフレア加工（フレア形成）といった、パンチやダイ等の金型を用いた加工が施される。
【０００４】
このような加工においては、単に金型を用いただけでは、アルミニウムが金型に凝着していわゆる型カジリを生じ、製品に筋を付けたり、更にはここから割れを発生させてしまうなど、製品精度を著しく低減させてしまう。このため、従来では、焼き付き防止もかねて潤滑油を用いた加工処理がおこなわれている。
【０００５】
また、潤滑油を用いると、副次的に、金型と当接する被加工材の表面性状が平滑となるという利点も生じる。特に、フィンの場合は、熱交換効率の観点からカラー内側（円筒内側）と管とが密着して面接触するのが好ましく、可能な限り加工面が平滑であることが求められる。同様に、フィンを積層する場合には、隣のフィンに当接させるフレア部分にも平滑さが求められ、潤滑油は重要な役割を果たす。
【０００６】
すなわち、潤滑油を用いることにより、アルミニウム加工用に作成された従来の金型で十分な製品精度を担保し、フィン等を好適に製造することが可能であった。
【０００７】
一方、金型品質や製品品質を向上するものとして、金型表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）をコーティングする技術が存在する。たとえば、特許文献１にはＤＬＣ被膜工具が開示されている。「基材上に実質的に水素を含まないＤＬＣ膜を形成して成るＤＬＣ被覆工具であって、上記ＤＬＣ膜の密度が３．０〜３．４ｇ／ｃｍ３、ナノインデンテーション硬さが４０〜１００ＧＰａ以下であると共に、針先端曲率半径２μｍの触針式表面形状測定器による測定送り０．０１ｍｍの表面走査検出において、上記基材の成膜前における被成膜面の算術平均粗さＲａ（Ｓ）に対するＤＬＣ膜面の算術平均粗さＲａ（Ｄ）の絶対値変化量ΔＲａ（ｎｍ）と当該ＤＬＣ膜の膜厚ｔ（ｎｍ）との比ΔＲａ／ｔ（＝｜Ｒａ（Ｄ）−Ｒａ（Ｓ）｜／ｔ）が０．１以下、且つ上記ＤＬＣ膜表面における異物粒子の付着及び／又は脱離に起因する凸凹の占有面積率ｓの膜厚ｔに対する比ｓ／ｔが０．０１（％／ｎｍ）以下であることを特徴とするＤＬＣ被覆工具」（請求項１）。この発明によれば、耐摩耗性および耐凝着性が確保された工具が得られるとされる。
【０００８】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
近年の環境規制の高まりから、潤滑油を用いた加工は敬遠され、また規制強化の流れから潤滑油でない潤滑剤が求められつつある。水または水系の潤滑剤は、その有力候補である。
【０００９】
ここで、金属加工のなかには、水系潤滑剤に容易に置換できるものもあるが、アルミニウム板またはアルミニウム合金板に対するピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、リフレア加工は、極めて条件が厳しく、水系潤滑剤では金型にカジリが生じてしまい、製品品質ひいてはフィンの熱交換効率が劣ってしまうという問題点があった。
【００１０】
また、水系潤滑剤を用いる場合には、被加工材（対象金属）に有機系潤滑剤を塗膜して加工することもあるが、上述した加工においてはアルミニウム板に有機系潤滑剤を塗膜しても、依然として型カジリが生じてしまうという問題点があった。
【００１１】
一方、特許文献１のＤＬＣ被膜工具には、成型加工用パンチ又はダイ（請求項１７）が記載されている。本願発明者らは、アルミフィン加工用のパンチ等にＤＬＣ皮膜したものは存在していないとの認識であり、また、当該請求項に対応した実施例が開示されていなかったため、実際に特許文献１に記載のＤＬＣ被膜を施したパンチやダイを試作し、アルミニウム板を水系潤滑剤のみで加工してみることとした。
【００１２】
その結果、アルミニウム板に有機系潤滑剤が塗布されていてもいなくても、ＤＬＣ膜剥離が生じ、やはりカジリが発生してしまい、問題点が解決されないことがわかった。
【００１３】
すなわち、従来では潤滑油を用いれば金型にＤＬＣ膜を付けなくても良好なアルミニウムフィンが得られるところ、水系潤滑剤を用いると、たとえ金型にＤＬＣ膜を付けたとしても、製品品質が劣るという問題点があることがわかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−６４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるＤＬＣ被膜金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に記載の金型は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を、水系潤滑剤を用いてピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、または、リフレア加工するための金型であって、金型の表面に、実質的に水素を含まないＤＬＣ膜を形成し、当該ＤＬＣ膜を、密度は３．０ｇ／ｃｍ３以上３．４ｇ／ｃｍ３以下、ナノインデンテーション硬さが４０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、算術平均粗さが０．０３μｍ以下、最大高さが０．２０μｍ以下、表面の欠陥密度が１０個／ｍｍ２以下、としたことを特徴とする。
【００１７】
すなわち、請求項１にかかる発明は、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるＤＬＣ被膜金型を提供することができる。
【００１８】
本発明においては硬度をより高めるためＤＬＣ膜は実質的に水素を含まないＤＬＣ膜としている。実質的に水素を含まない、とは、水素を意図的に添加しない環境により成膜することをいい、製法としてスパッタ法や真空アーク法を挙げることができるが、良好な膜品質を実現するフィルタードアークイオンプレーティングによる成膜が特に好ましい。
【００１９】
またＤＬＣ膜の密度を３．０ｇ／ｃｍ３以上３．４ｇ／ｃｍ３以下、ナノインデンテーション硬さを４０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、としているのは何れも炭素が共有結合しダイヤモンド様であるという性状を特定したものである。
【００２０】
また、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０３μｍ以下としたのは、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を、潤滑油に換えて水系潤滑剤のみを用いた従来より過酷な環境下において、ピアシング加工、バーリング加工、アイアニング加工、リフレア加工しても、ＤＬＣコーティングに剥離が生じない条件を規定するものである。
【００２１】
また、最大高さ（Ｒｚ）を０．２０μｍ以下としたのは、ＤＬＣコーティングに剥離が生じず、かつ、加工面の平滑さを確保する条件を規定したものである。なお、算術平均粗さ、最大高さを上述の値に調整する方法としては、金型基材の表面を研磨等して平滑にしたうえでフィルタードアークイオンプレーティングによる成膜方法を挙げることができる。
【００２２】
また、表面の欠陥密度とは、膜の均質性を阻害する欠陥をいう。たとえば、アークイオンプレーティングによる成膜では、成膜原料由来であって不可避的に発生する微粒子、すなわち、ドロップレットが混入するため、欠陥密度とはドロップレットの単位面積当たりの個数を意味することとなる。なお、ドロップレットの密度は、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）により測定可能となる。欠陥密度を１０個／ｍｍ２以下としたのは、ＤＬＣの剥離が生じず金型寿命を低下させない上限値としたものである。アークイオンプレーティングによる場合は、フィルタードアークイオンプレーティングで条件を調整することによりドロップレットを１０個／ｍｍ２以下にできる。また、表面の欠陥密度とは、表面から観測される密度という意味である。
【００２３】
なお、アルミニウム板とは純アルミすなわち不可避的不純物以外はアルミニウムである板をいい、アルミニウム合金板はアルミニウムを基材とした合金板をいう。合金板の例として、ＫＳ−１７６，６１２、アルミニウム板の例としては１Ｍ３０−Ｈ２６（何れも神戸製鋼製）を挙げることができる。
【００２４】
請求項２に記載の金型は、請求項１に記載の金型において、ＤＬＣ膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さを０．０３μｍ以下、最大高さを０．２０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２５】
すなわち、請求項２にかかる発明は、膜厚の均質性を担保し、剥離要因となる基材表面の凸部分への応力集中を防ぐ。ＤＬＣ膜は基材表面に追従するので、基材の平滑さを規定したものである。
【００２６】
請求項３に記載の金型は、請求項１または２に記載の金型において、ＤＬＣ膜の膜厚を０．２μｍ以上０．６μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２７】
すなわち、請求項３にかかる発明は、金型の膜剥離を生じにくくし、金型寿命を向上させる。すなわち、膜が厚すぎると面粗さも大きくなってカジリが発生しやすくなり、一方薄すぎても膜剥離が生じやすくなり、何れも製品寿命を短くするのでこれを防止する厚みとしたものである。
【００２８】
請求項４に記載の金型は、請求項１、２または３に記載の金型において、基材を粉末高速度工具鋼または超硬合金としたことを特徴とする。
【００２９】
すなわち、請求項４にかかる発明は、ピアシング加工等に好適な基材を用いた金型を提供できる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、潤滑油に換えて水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をバーリング加工やアイアニング加工等することを可能としつつ、製品精度、特に表面性状の平滑さを維持向上できるＤＬＣ被膜金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の金型を組み込んだ金型装置の平面概略図（（ａ）、（ｂ））と側面概略図（ｃ）である。
【図２】本発明の金型例（ピアスパンチ、バーリングパンチ、アイアニングパンチ、アイアニングダイ）を示した図である。
【図３】基材表面に研磨傷がある場合の膜剥離の様子を示した写真である。図３（ｂ）、は図３（ａ）の拡大写真である。
【図４】アイアニングダイのカジリの例を示した写真である。
【図５】膜厚が薄い場合の膜剥離の様子を示した写真である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の拡大写真である。
【図６】アイアニングパンチの使用前と１６０００ショット後の写真である。図６（ｂ）は使用後の写真であって、使用前の図６（ａ）の部分拡大写真である。
【図７】アイアニング加工後のアルミニウム板のカラー内面の様子を示した写真である。図７（ａ）は、本発明のアイアニング加工後の写真であり、図７（ｂ）は、条件の外れるＤＬＣ膜を施した金型による加工後の写真である。
【図８】本発明でない金型（膜条件の外れる金型）によるバーリング加工後のアルミニウム板の平面写真と斜めから写した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の金型を組み込んだ金型装置の平面概略図と側面概略図である。また、図２は、本発明の金型例（ピアスパンチ、バーリングパンチ、アイアニングパンチ、アイアニングダイ）を示した図である。なお、図２において、アイアニングパンチは中心軸に沿った断面図として表示している。
【００３３】
図１に示したように、金型装置１００には、ピアシング部１１０、バーリング部１２０、アイアニング部１３０、リフレア部１４０が設けられて、下型１０１は固定され、上型１０２が上下運動する。アルミニウム板Ａは、左から移送され、順次、ピアシング部１１０ではピアシング加工、バーリング部１２０ではバーリング加工、アイアニング部１３０ではアイアニング加工、リフレア部１４０ではリフレア加工される。
【００３４】
それぞれの加工部では、図２に示したパンチやダイが複数列にわたり植設されており、また、それぞれアルミニウム板Ａが次の加工部に移送された時に目が合うように配列を同一としている。各加工部におけるパンチおよびダイの本数は限定されないが、たとえば、一加工部あたり、５０本〜２００本とすることができる。また、上型１０２の上下運動速度（ショット回数）は、一分間に２００〜４００回とすることができる。
【００３５】
なお、図２に示した例では、パンチやダイの内部に中心軸に沿って適宜通水路を設け、水系潤滑剤が供給されるようにしている。
【００３６】
次に、アイアニングパンチを用い、各種条件を変えてアルミニウム板のアイアニング加工をおこない評価をおこなった。使用した被加工材は、ベア材に樹脂親水被膜を設けた厚み０．１ｍｍアルミニウム板（ＫＳ−１７６：神戸製鋼社製）である。
【００３７】
金型大きさは、図２に示したものと同様とした。
金型の素材は、粉末高速度工具鋼（ＨＡＰ４０：日立金属社製）とした。
なお、事前検討で、水系潤滑剤を用いた場合には、数ショットでアルミニウムが金型に凝着してしまうことがわかったので、以降ではＤＬＣ膜の条件を検討することとした。また、使用した潤滑剤は一般水道水を塩素、酸素、不純物等を除去する処理装置に通した水に（竹本油脂製：製品名フィントニック）を水50：フィントニック1の割合で添加した水を用いた。
【００３８】
なお、ＤＬＣ膜は、フィルタードアークイオンプレーティングにより基材に成膜することとし、成膜条件を調整し、密度が３．０ｇ／ｃｍ３以上３．４ｇ／ｃｍ３以下、ナノインデンテーション硬さが４０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、となるようにした。これは、特許文献１にも開示される条件であり、ＤＬＣすなわち、ダイヤモンド構造となる共有結合の程度を示すものである。なお、ダイヤモンドの密度は３．５２であり、３．４ｇ／ｃｍ３としたのは到達限界である。硬さの上限１００ＧＰａとしたのも同様である。
た。
【００３９】
＜実験１＞
まず、ＤＬＣ膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さＲａと最大高さＲｚを種々異ならせて金型を作成した。これにＤＬＣ膜を付けて、数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。結果（基材のＲａ、Ｒｚと膜剥離との関係）を表１に示した。表から、基材自体の表面が平滑（算術平均粗さが０．０３μｍ以下、最大高さが０．２０μｍ以下）でないとＤＬＣ膜が剥離し、カジリが生じることがわかった。なお、図３に、表面凹凸（研磨スジ）由来の剥離の様子を示した。また、アイアニングダイのカジリの例を図４に示した。
数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
なお、基材の凸部分のＤＬＣ膜の厚みは相対的に若干薄く、凹部分の厚みは相対的に若干厚くなる傾向があるものの、ほぼ基材表面に追従した膜が形成されるため、ＤＬＣ膜も、以降では表面の算術平均粗さを０．０３μｍ以下、最大高さを０．２０μｍ以下とすることとした。
【００４２】
＜実験２＞
次に、ＤＬＣ膜に混入するドロップレットの個数（欠陥密度）と、膜剥離との関係を調べた。用いたアイアニングパンチ（試験金型）は、同ロットとして作成し、実験１の結果を受けて、基材の算術平均粗さを０．０３μｍ以下、最大高さを０．２０μｍ以下とし、ＤＬＣ膜の表面の算術平均粗さも０．０３μｍ以下、最大高さも０．２０μｍ以下とした。数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。結果を表２に示した。表から、ＤＬＣ膜の表面の欠陥密度は１０個／ｍｍ２以下が好ましいことがわかった。
【００４３】
なお、試験金型２−４は磁場による偏向フィルターを用いて成膜し、試験金型２−３は磁場による９０度偏向フィルターを用いて成膜し、試験金型２−２は磁場による９０度偏向フィルターとオリフィスを用いて成膜し、試験金型２−１は磁場による９０度偏向フィルターとオリフィスを用いイオン飛行距離を試験金型２−２よりも１０ｍｍ遠ざけて成膜したものである。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
なお、ドロップレットはＳＥＭにより測定した。ドロップレットの直径は、大きいものがおよそ１［μｍ］であった。
【００４６】
＜実験３＞
次に、ＤＬＣの膜厚と膜剥離との関係を調べた。用いたアイアニングパンチは、同ロットとして作成し、実験１および実験２の結果を受けて、基材の算術平均粗さを０．０３μｍ以下、最大高さを０．２０μｍ以下とし、ＤＬＣ膜も基材の算術平均粗さを０．０３μｍ以下、最大高さを０．２０μｍ以下、欠陥密度を１０個／ｍｍ２以下とした。数ショットのアイアニング加工をおこなって、膜剥離の有無を調べた。結果を表３に示した。表から、ＤＬＣ膜の膜厚は、０．２μｍ以上０．６μｍ以下が好ましいことがわかった。
【００４７】
【表３】
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【００４８】
なお、表にも示したように、膜厚に応じて金型表面色が異なり、０．２μｍ未満では黄みがかり、０．２μｍ〜０．６μｍでは緑〜濃青色であり、０．６μｍを超えると濃緑〜黒である。図５に、膜厚が０．１μｍのアイアニングパンチのショット後の様子を示した。図から明らかなように、膜厚が薄いと各所に剥離がみられる。一方、膜厚が０．６μｍを超えると膜が剥離する傾向にあった。
【００４９】
以上より、水系潤滑剤を用いてアルミニウム板またはアルミニウム合金板をピアシング加工する金型表面のＤＬＣ膜（実質的に水素を含まないＤＬＣ膜）は、
・密度は３．０ｇ／ｃｍ３以上３．４ｇ／ｃｍ３以下、
・ナノインデンテーション硬さが４０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、
・算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下、
・最大高さＲｚが０．２０μｍ以下、
・表面の欠陥密度が１０個／ｍｍ２以下、
・膜厚が０．２μｍ以上０．６μｍ以下、
とした条件であるものが好適であることがわかった。このとき、ＤＬＣ膜を形成する前の基材自体の表面の算術平均粗さＲａも０．０３μｍ以下、最大高さＲｚも０．２０μｍ以下とすることが好ましいことが確認できた。
【００５０】
上記のそれぞれの実験は、数ショットの加工による評価であるので、最後に、耐久性を調べた。上記の条件をすべて満たすＤＬＣ膜をアイアニングパンチ、アイアニングダイ、ピアスパンチ、ピアスダイ、バーリングパンチ、バーリングダイ、バーリングパンチ、バーリングダイにそれぞれ施し、図１に示した装置により、アルミニウム板を加工した。その結果、１６０００ショットおこなっても膜剥離が生じないことを確認した。図６に使用前後のアイアニングパンチの写真を示す。図示したように、全く剥離は生じず、ショット前とショット後の金型は平滑そのものであり、外観上変化は認められなかった。
【００５１】
また、図７は、アイアニング加工後のアルミニウム板のカラー内面の様子を示した写真である。図７（ａ）は、本発明のアイアニング加工後の写真であり、図７（ｂ）は、条件の外れるＤＬＣ膜を施した金型による加工後の写真である。本発明の金型ではカラー内面が鏡面のように平滑であるのに対し、本発明でない金型（膜条件の外れる金型）では、カラー内面がくもりエッジが変形していて製品品質が劣ることが確認できる。
【００５２】
なお、図８は、本発明でない金型（膜条件の外れる金型）によるバーリング加工後のアルミニウム板の平面写真と斜めから写した写真である。カジリ等に由来するスジが広げられ割れが生じていることが確認できる。一方、図示は省略するが、本発明の金型はこのような割れは生じないことを確認した。
【００５３】
以上の例は、金型素材を粉末高速度工具鋼としたものであるが、超硬合金に上記条件のＤＬＣ膜を形成した金型でも同様であった。なお、超硬合金の例としては微粒超硬合金または超微粒超硬合金に分類される超硬合金を挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、フィン加工のみならず製缶ラインにも適用可能である。アルミニウム板表面を円滑に変形加工できるので、封入物（内容物）に応じて塗り分けられるコーティングが被膜されたアルミ板を加工変形してコーティング剥離のない製缶も可能である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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