(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅または銅合金製の管の内面に、転写加工により溝状凹凸を形成するために用いられるプラグにおいて、該プラグ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基超硬合金製プラグ。
【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プラグ。
【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プラグ。
【請求項４】
非晶質炭素被膜表面の平均面粗さ（Ｒａ）が０．４μｍ以下であることを特徴とする、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プラグ。
【請求項５】
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４のいずれかに記載の溝付き伝熱管製造用プラグ。
【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、溝付きプラグに関する。
【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または銅合金製伝熱管には、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、溝付きプラグを素管内部に挿入して、外部から押圧し、管内面に溝形状を転写する方法が知られている。
【０００３】
伝熱管製造用プラグには、従来炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金のうち、比較的高強度であるＷＣ平均粒度が２〜５μｍ、結合相金属であるＣｏ量が１８〜２２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、上記の溝付きプラグにおいては、プラグ溝凸部の摩耗によるプラグ交換の頻度が高く、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プラグに比べ、耐摩耗性に優れた、溝付き伝熱管製造用プラグ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プラグ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との親和性が低く、また銅や銅合金に対する摩擦係数が比較的低いことから、伝熱管製造時にプラグに被加工材が凝着しにくく、かつプラグ溝凸部の摩耗を抑えることができる。
【０００６】
非晶質炭素被膜をプラグ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、一方プラグ基材に１００〜２０００Ｖのバイアス負電圧を加えること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、硬さ値は１０００〜３０００ＨＶが望ましい。１０００ＨＶ未満では被膜は軟質であり、耐摩耗効果が低い。また３０００ＨＶを超えると、被膜そのものの靭性が低下し、使用時に被膜中にクラックが生じやすくなる。
【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出来る。
【０００９】
上記炭化けい素被膜の厚さは０．２〜２．０μｍ程度が望ましく、０．２μｍ未満の場合は、密着力向上の効果が低く、また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、プラグ溝部の非晶質炭素被膜の面粗さ（Ｒａ）を０．４μｍ以下とすることにより、プラグ寿命をより延長することができる。Ｒａが０．４μｍを超えると、被膜と被加工材との間の摩擦係数が大きくなり、被加工材が凝着しやすくなる。
【００１１】
さらに、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、被膜の銅や銅合金に対する耐凝着性を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。
【００１２】
プラグ基材は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未満ではプラグが加工応力により塑性変形しやすくなり、また１４００ＨＶを超える場合は靭性が低下し、プラグが欠損しやすくなるためである。
【００１３】
【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−１８％Ｃｏ超硬合金（ＷＣ平均粒度２．５μｍ、硬さ１１２０ＨＶ３０）を用いて、図１の概念図に示すような外径１０．０ｍｍ、長さ２０．０ｍｍの溝付き伝熱管製造用プラグを作製した。このとき溝部はＲａを０．２μｍに仕上げ加工した。プラグの表面にはまず、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被膜厚さ及び硬さを表１に示した。
【００１４】
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。
【００１５】
上記プラグを用いて、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内径１０．０ｍｍ、肉厚０．４ｍｍの銅管とし、管の内面に不水溶性潤滑剤を用いて銅管１コイル（重量６トン）の溝転写加工を行った。加工後のプラグ溝凸部のＲａ及び加工に伴う摩耗量を測定し、その結果及びプラグの形状保持寿命を被覆処理なしのプラグ（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、銅管１コイルの加工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。
【００１６】
表１より、非晶質炭素被膜の厚さが０．５μｍ未満または５．０μｍを超えるプラグ（Ｎｏ．６、７）は、被覆処理なしのプラグよりも優れるものの、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の範囲内にあるプラグ（Ｎｏ．１〜５）は加工後のＲａが１μｍ以下と著しく小さく、また被膜の摩耗量も少なく、さらに使用可能であった。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
例２）基材超硬合金及び中間被膜を例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プラグを作製した。この時、基材温度および／また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、及び例１と同様に銅管１コイルの転写加工を行った後のプラグ溝凸部のＲａ、摩耗量及びプラグの形状保持寿命を表２に示した。被膜硬さが１０００〜３０００ＨＶの範囲内にあるプラグ（Ｎｏ．９〜１２）は加工後のＲａが１μｍ以下と小さく、なお使用可能であったが、被膜硬さが低いプラグ（Ｎｏ．１３）ではＲａの劣化が速く、摩耗量も多くなり、また被膜硬さが高いプラグ（Ｎｏ．１４）では被膜の一部が剥離し、溝部への銅の付着が起こり、いずれも形状保持寿命が短くなった。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
例３）例１と同様の超硬合金を基材として、中間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被膜及び被膜厚さ約２．０μｍの非晶質炭素被膜を被覆したプラグを作製した。得られた中間被膜の厚さ及び例１と同様に銅管１コイルの転写加工を行った後のプラグ溝凸部のＲａ、摩耗量及びプラグの形状保持寿命を表３に示した。
【００２１】
中間被膜厚さが０．２μｍ以上、２．０μｍ未満の範囲内にあるプラグ（Ｎｏ．１５〜１７）は、加工後のＲａが１μｍ以下と著しく小さく、また被膜の摩耗量も少なくさらに使用可能であった。
一方、中間被膜無しのプラグ（Ｎｏ．１８）及び中間被膜厚さが２．０μｍ以上のプラグ（Ｎｏ．１９）は、いずれも銅管１コイルに達する前に被膜が剥離し、寿命に達した。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
例４）例１と同様の超硬合金を基材として用い、基材の仕上げ面粗さ（Ｒａ）を種々変化させ、被膜面粗さ（Ｒａ）の異なるプラグを作製した。被覆条件は例１と同様とし、炭化けい素中間被膜の厚さは０．５μｍ、非晶質炭素被膜の厚さはすべて２．０μｍとした。得られた被膜のＲａとこれらを用いて例１と同様に銅管１コイルの転写加工を行った後の溝凸部のＲａ、摩耗量及び形状保持寿命を表４に示した。非晶質炭素被膜のＲａが０．４μｍ以下であるプラグ（Ｎｏ．２０〜２２）は、使用後のＲａが０．５μｍ以下と著しく小さく、なお使用可能であった。被膜Ｒａが大きい場合（Ｎｏ．２３〜２５）は、いずれもプラグ溝への被加工材の付着が起こり、溝凸部の摩耗量も多くなり、形状保持寿命も比較的短かった。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
例５）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の炭化けい素中間被膜を被覆した。その後続けて、ＣＨ４及びＣＦ４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／ＣＦ４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被膜硬さ及び例１と同様に銅管１コイルの転写加工を行った後のプラグ溝凸部のＲａ、摩耗量及びプラグの形状保持寿命を表５に示した。被膜中フッ素量が１．０％以上、３０％以下であるプラグ（Ｎｏ．２７〜３０）は、Ｒａが０．３μｍと、フッ素を含まない例１で示した本発明品３に比べ、加工後のＲａ及び摩耗量が小さく、なお使用可能であった。被膜中フッ素量が１．０％未満であるプラグ（Ｎｏ．２６）では、Ｒａ及び摩耗量は本発明品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．３１）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、上記プラグの耐摩耗性がさらに向上することが分かる。
【００２６】
【表５】
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【００２７】
【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プラグは、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、プラグの寿命が長くなり、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プラグの概念図である。
【図２】本発明に係わる伝熱管の内面溝転写加工の概念図である。
【符号の説明】
１  プラグ外周部
２  プラグ溝部
３  溝付きプラグ
４  銅管
５  押圧ボール
６  ダイス
７  フローティングプラグ
【図１】
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【図２】
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