(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管製造用帯状金属板の片側表面に、圧延加工により溝状凹凸を形成するために用いられる溝付き圧延ロールにおいて、該ロールの外周部に非晶質炭素被膜が被覆されていることを特徴とする溝付き伝熱管製造用ＷＣ基超硬合金製ロール。
【請求項２】
非晶質炭素被膜の厚さが０．５μｍ以上、５．０μｍ以下であり、かつ被膜の微小ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上、３０００ＨＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管製造用ロール。
【請求項３】
非晶質炭素被膜と基材超硬合金との間に、中間層として被膜厚さが０．２μｍ以上、２．０μｍ未満である炭化けい素被膜を被覆したことを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱管製造用ロール。
【請求項４】
非晶質炭素被膜中に１．０質量％以上、３０質量％以下のフッ素を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溝付き伝熱管製造用ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内面に多数の溝状凹凸（以下、単に溝と略記）が形成された伝熱管を製造するために用いられる帯状金属板に溝を転写加工する溝付きロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機、空調機等の熱交換器に使用されている銅やアルミニウム等の金属又は合金製伝熱管には、伝熱性能を向上させるために、その内面に多数の溝が形成されている。この溝付き伝熱管の製造方法の一つとして、図２にその概念図を示すように、金属板の片面に多数の溝を溝付きロールによって転写し、その面を内側にして管状に成形した後、当接部を溶接する方法が特開平１０−３２８７２９に開示されている。
【０００３】
上記の伝熱管製造方法で用いられる溝付きロールには、従来炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金のうち、比較的強度かつ靭性に優れ、また、耐食性、耐酸化性に優れる、ＷＣ平均粒度が１．０〜３．０μｍ、結合相金属であるＣｏ及び／又はＮｉ量が合計１０〜２０質量％である合金が多く用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の溝付きロールにおいては、被加工材の凝着・分離によるロール溝部の摩耗や、使用する潤滑剤の種類によっては超硬合金の結合相の腐食により寿命に至るため、ロール交換の頻度が高く、製造コスト上昇の原因となるという問題点があった。
本発明は、従来の溝付き伝熱管製造用ロールに比べ、耐摩耗性及び耐食性に優れる、溝付き伝熱管製造用ロールの提供を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題点を解決するために、ＷＣ基超硬合金からなるロール基材の表面に非晶質炭素被膜を被覆したものである。非晶質炭素被膜は銅やアルミニウムとの親和性が低く、それらに対する摩擦係数も比較的低いことから、伝熱管製造時にロールに被加工材が凝着しにくく、ロール溝部の摩耗を抑えることができ、さらにこの被膜は化学的に極めて安定であるため、潤滑剤による腐食を防止することができる。
【０００６】
非晶質炭素被膜をロール基材の表面に被覆するには、例えば１〜１００Ｐａ程度の低圧の炭化水素ガス雰囲気中で、高周波発振器によりガスプラズマを発生させて炭化水素ガスを分解し、一方、ロール基材に１００〜２０００Ｖのバイアス負電圧を加えるプラズマＣＶＤ法により被覆することができる。
【０００７】
非晶質炭素被膜の厚さは０．５〜５．０μｍ程度とすることが望ましく、０．５μｍ未満の場合は、寿命向上の効果が低く、また５．０μｍを超えると、基材との熱膨張係数差に起因する被膜中の残留応力が大きくなり、使用時に被膜が破壊または剥離しやすくなる。被膜硬さは被覆処理時の基材温度やバイアス電圧などにより変化させることができ、その硬さ値は１０００〜３０００ＨＶであることが望ましい。１０００ＨＶ未満では被膜は軟質なため、耐摩耗効果が低く、３０００ＨＶを超えると、被膜そのものの靭性が低下するため、使用時に被膜中にクラックが生じやすくなることに起因して、被膜が剥離しやすくなる。
【０００８】
一方、非晶質炭素被膜と基材超硬合金との間に中間層として炭化けい素被膜を被覆することにより、基材／中間層被膜／非晶質炭素被膜間の密着力が向上し、伝熱管製造時の被膜の耐剥離性を改善することができる。
【０００９】
上記炭化けい素被膜の厚さは０．２〜２．０μｍ程度とすることが望ましく、０．２μｍ未満の場合は、密着力向上の効果が低く、２．０μｍを超えると基材及び非晶質炭素被膜との熱膨張係数差による被膜中の残留応力が大きくなり、使用時に被膜が剥離しやすくなる。
【００１０】
また、非晶質炭素被膜中に１．０質量％（以下、すべて％と略記）以上、３０％以下のフッ素を含ませることにより、被膜への被加工材の凝着をさらに抑制し、被膜の耐摩耗性を一層向上させることができるが、１．０％未満ではフッ素添加の効果が見られず、また３０％を超えると被膜の強度が低下し、被膜が剥離しやすくなる。
【００１１】
ロール基材はＷＣ基超硬合金よりなるが、その結合相は合金中含有量が１０〜２８％のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの１種または２種以上の鉄族金属とし、ＷＣの平均粒度は０．４μｍ以上、５μｍ以下で、合金硬さを１０００ＨＶ以上、１４００ＨＶ以下とするのが望ましい。これは１０００ＨＶ未満ではロール溝が加工応力により塑性変形しやすくなり、また１４００ＨＶを超える場合では靭性が低下し、ロール溝が欠損しやすくなるためである。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を、図面を参照して説明する。
例１）ＷＣ−１５％Ｎｉ超硬合金（ＷＣ平均粒度１．５μｍ、硬さ１１９０ＨＶ３０）を用いて、図１の概念図に示すような外径１５０ｍｍ、厚さ２５．０ｍｍの伝熱管製造用溝付きロールを作製した。この時、溝の形状及び円周方向に対する角度の異なる各セグメントロールは、真空中、９８０℃×３ｈｒの拡散処理により接合した。ロールの表面にはまず、反応性イオンプレーティング法により、厚さ０．５μｍの炭化けい素中間層被膜を被覆した。すなわち熱電子ビーム銃にて金属けい素を蒸発させ、流量２ｍｌ／ｍｉｎ、圧力１ＰａのＣＨ４雰囲気中、基材温度１００℃、高周波出力５０Ｗ、バイアス電圧−１０００Ｖ、被覆時間０．３ｈｒにてけい素蒸気をイオン化し、炭化物として、基材表面に生成させた。次いで、プラズマＣＶＤ法により流量８０ｍｌ／ｍｉｎ、圧力１０ＰａのＣＨ４雰囲気中で、基材温度１００℃、高周波出力５０Ｗ、バイアス電圧−１０００Ｖにて被覆時間を変えることにより、種々厚さの非晶質炭素被膜を被覆した。得られた本発明品Ｎｏ．１〜７の非晶質炭素被膜の厚さ及び硬さを表１に示した。
【００１３】
ここで被膜硬さは被覆処理後の被膜表面で、微小ビッカース硬さ計（荷重、１０ｇｆ）によって測定した。この場合の硬さ測定値には、基材の硬さの影響が避けられないが、被膜のみの硬さを正確に測定することは困難であるので、便宜上これをもって被膜硬さとした。
【００１４】
上記の被覆ロールを用いて、図２の概念図に示すような伝熱管の溝転写加工を行った。すなわち被加工材は幅２５．０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの帯状銅板とし、その片面に水溶性潤滑剤を用いながら溝転写加工を行った。加工後のロール溝凸部の摩耗量を測定し、その結果及びロールの形状保持寿命を被覆処理なしのロール（Ｎｏ．８）と比較して表１に併示した。ここで形状保持寿命とは、所定の長さの帯状銅板１コイルを加工した時点で、転写された溝形状がコイル全長にわたって所定の公差内にある場合を１００％としたときの公差内形状維持長さのことである。
【００１５】
表１より、非晶質炭素被膜の厚さが０．５μｍ未満または５．０μｍを超えるロール（Ｎｏ．６、７）は、被覆処理なしのロールよりは優れるものの、いずれも被膜の消失や剥離により形状保持寿命が短くなることが分かる。非晶質炭素被膜の被膜厚さが０．５〜５．０μｍの範囲内にあるロール（Ｎｏ．１〜５）は溝凸部の摩耗量が少なく、さらに使用可能であった。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
例２）基材超硬合金及び中間層被膜を例１と同様にし、その後被膜厚さ約２．０μｍの非晶質炭素被膜を被覆したロールを作製した。この時、基材温度及び／又はバイアス電圧を変化させて非晶質炭素被膜の硬さを種々変化させた。得られた非晶質炭素被膜の硬さ、例１と同様に帯状銅板１コイルの溝転写加工を行った後のロール溝凸部の摩耗量、及びロールの形状保持寿命を表２に示した。被膜硬さが１０００〜３０００ＨＶの範囲内にあるロール（Ｎｏ．９〜１２）は加工後の摩耗量が比較的少なく、なお使用可能であったが、被膜硬さが低いロール（Ｎｏ．１３）では、摩耗量は多くなり、また被膜硬さが高いロール（Ｎｏ．１４）では被膜の一部が剥離し、溝部への銅の凝着が生じ、いずれも形状保持寿命が短くなった。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
例３）例１と同様の超硬合金を基材として、中間層被膜の被覆時間を変化させ、その他の被覆条件は例１と同様にして、種々厚さの炭化けい素中間層被膜及び被膜厚さ約２．０μｍの非晶質炭素被膜を被覆したロールを作製した。得られた中間層被膜の厚さ及び例１と同様に帯状銅板１コイルの溝転写加工を行った後のロール溝凸部の摩耗量、及びロールの形状保持寿命を表３に示した。
【００２０】
中間層被膜厚さが０．５μｍ以上、２．０μｍ未満の範囲内にあるロール（Ｎｏ．１５〜１７）は、加工後の被膜の摩耗量が少なくさらに使用可能であった。一方、中間層被膜無しのロール（Ｎｏ．１８）及び中間層被膜厚さが２．０μｍ以上のロール（Ｎｏ．１９）は、いずれも帯状銅板１コイルに達する前に被膜が剥離し、寿命に達した。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
例４）例１と同様の超硬合金を基材として、例１と同様に被膜厚さ０．５μｍの炭化けい素中間層被膜を被覆した。その後続けて、ＣＨ４及びＨＦガスを用いて例１と同様の条件で、被膜中にフッ素を含む被膜厚さ２．０μｍの非晶質炭素被膜を被覆した。この時、ＣＨ４／ＨＦ比を種々変化させ、得られた非晶質炭素被膜の被膜中フッ素量（ＥＰＭＡにより分析）、被膜硬さ及び例１と同様に帯状銅板１コイルの溝転写加工を行った後のロール溝凸部の摩耗量、及びロールの形状保持寿命を表４に示した。被膜中フッ素量が１．０％以上、３０％以下であるロール（Ｎｏ．２１〜２４）は、フッ素を含まない例１で示した本発明品Ｎｏ．３に比べ、加工後の摩耗量が少なく、なお使用可能であった。被膜中フッ素量が１．０％未満であるロール（Ｎｏ．２０）では、摩耗量は本発明品Ｎｏ．３と同程度であった。また被膜中フッ素量が３０％を超える場合（Ｎｏ．２５）は、転写加工中に被膜の剥離が発生した。このことから、非晶質炭素被膜中に１．０％以上、３０％以下のフッ素を含ませることにより、被膜の耐摩耗性がさらに向上することが分かる。
【００２３】
【表４】
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【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、超硬合金基材に非晶質炭素被膜をプラズマ被覆した本発明の伝熱管製造用溝付き圧延ロールは、優れた溝形状転写性を示すとともに、高耐摩耗性を有することにより、被加工材の品質が向上するとともに、ロールの寿命が長くなり、工業上極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる伝熱管製造用の溝付き圧延ロールの概念図である。
【図２】本発明に係わる伝熱管の溝転写加工の概念図である。
【符号の説明】
１  溝付き圧延ロール
２  帯状銅板
３  成形ロール
４  接合ロール
５  絞りロール
６  銅管
【図１】
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【図２】
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