特許 7005450 エキスパンダー金型用表面処理方法、ペール缶製造方法、及びエキスパンダー金型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-07

(45)【発行日】2022-01-21

(54)【発明の名称】エキスパンダー金型用表面処理方法、ペール缶製造方法、及びエキスパンダー金型

(51)【国際特許分類】

   B21D 37/01 20060101AFI20220114BHJP

   B21D 39/20 20060101ALI20220114BHJP

   B21D 51/26 20060101ALI20220114BHJP

   C23C 16/27 20060101ALI20220114BHJP

【ＦＩ】

B21D37/01

B21D39/20 C

B21D51/26 X

C23C16/27

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018139987

(22)【出願日】2018-07-26

(65)【公開番号】P2020015070

(43)【公開日】2020-01-30

【審査請求日】2021-01-15

(73)【特許権者】

【識別番号】595100598

【氏名又は名称】株式会社ジャパンペール

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100112911

【弁理士】

【氏名又は名称】中野 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】稲田 健二

(72)【発明者】

【氏名】大川 正幸

(72)【発明者】

【氏名】井上 博頌

【審査官】石川 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２０３３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第４２１８８３１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１２－２２４０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１５２３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５０７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１９２４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１６９６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】高強度および低フリクションを併せ持つ熱処理の複合化に関する技術の開発，研究開発成果等成果報告書，日本，中小企業庁，2013年01月31日，1-22ページ，https://www.chusho.meti.go.jp/keiei/sapoin/portal/seika/2010/22131416060.pdf

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２１Ｄ ３７／０１

Ｂ２１Ｄ ３９／２０

Ｂ２１Ｄ ５１／２６

Ｃ２３Ｃ １６／２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ティンフリースチールを基材としたペール缶の製造工程において円筒形状に成形された胴体（２０）の内側に配置され、静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行う、クロムモリブデン鋼を基材とするエキスパンダー金型（１０１）に対する表面処理方法であって、
胴体の内周面（２０ａ）に対向するエキスパンダー金型の外周面（１０２ａ）を鏡面仕上げレベルの表面粗さに加工すること、
上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理を行うこと、
上記ラジカル窒化処理された外周面に対してＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを行うこと、
を備えたことを特徴とするエキスパンダー金型用表面処理方法。

【請求項2】

上記ＤＬＣコーティングは、イオン化蒸着（ＰＶＤ）にて水素化アモルファスカーボンで形成される、請求項１に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。

【請求項3】

上記ＤＬＣコーティングは、０．１５から０．２の範囲の摩擦係数を有するものである、請求項１又は２に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。

【請求項4】

上記ＤＬＣコーティングは、２０００から３０００Ｈｖの硬度を有するものである、請求項３に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。

【請求項5】

上記ＤＬＣコーティングは、算術平均粗さ（Ｒａ）での表面粗さが約５０ｎｍから数百ｎｍレベルのコーティング表面（１０４ａ）を有する、請求項３又は４に記載のエキスパンダー金型用表面処理方法。

【請求項6】

ティンフリースチールを基材とした胴体、天板、及び地板を有するペール缶の製造方法において、円筒形状に成形した胴体（２０）の内側に配置したエキスパンダー金型を静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行う工程を備えたペール缶の製造方法であって、
上記エキスパンダー金型は、クロムモリブデン鋼を基材とし、かつ、胴体の内周面（２０ａ）に対向するエキスパンダー金型の外周面（１０２ａ）が鏡面仕上げレベルの表面粗さを有し、かつ上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理を施し、かつラジカル窒化処理された外周面に対してＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施した金型であり、
上記拡径を行う工程では、エキスパンダー金型における上記ＤＬＣコーティングの表面（１０４ａ）が胴体の内周面に接触して拡径が行われる、
ことを特徴とするペール缶の製造方法。

【請求項7】

上記ＤＬＣコーティングは、イオン化蒸着（ＰＶＤ）にて水素化アモルファスカーボンで形成され、０．１５から０．２の範囲の摩擦係数を有し、かつ２０００から３０００Ｈｖの硬度を有するものである、請求項６に記載のペール缶の製造方法。

【請求項8】

ティンフリースチールを基材とした胴体、天板、及び地板を有するペール缶の製造工程において使用され、円筒形状に成形した胴体（２０）の内側に配置され、静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行うエキスパンダー金型（１０１）であって、
該エキスパンダー金型は、クロムモリブデン鋼を基材とし、かつ、胴体の内周面（２０ａ）に対向するエキスパンダー金型の外周面（１０２ａ）が鏡面仕上げレベルの表面粗さを有し、かつ上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理が施されており、かつラジカル窒化処理された外周面に対してＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングが施されている、
ことを特徴とするエキスパンダー金型。

【請求項9】

上記ＤＬＣコーティングは、イオン化蒸着（ＰＶＤ）にて水素化アモルファスカーボンで形成され、０．１５から０．２の範囲の摩擦係数を有し、かつ２０００から３０００Ｈｖの硬度を有するものである、請求項８に記載のエキスパンダー金型。

【請求項10】

上記ＤＬＣコーティングは、算術平均粗さ（Ｒａ）での約５０ｎｍから数百ｎｍレベルの表面粗さを有し胴体の内周面に接触するコーティング表面（１０４ａ）を有する、請求項９に記載のエキスパンダー金型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＪＩＳ Ｚ １６２０（１９９５年）に規定されるペール缶の製造工程において、鋼製胴体の拡径を行うエキスパンダー金型に対する表面処理方法、この表面処理方法が施されたエキスパンダー金型を使用するペール缶製造方法、及び、この表面処理が施されたエキスパンダー金型に関する。

【背景技術】

【0002】

ＪＩＳ Ｚ １６２０（１９９５年）に規定される「鋼製ペール」に準拠したペール缶では、鋼製で円筒形状の胴体の周面に対して、当該胴体の軸方向に沿って拡張加工を施したものが存在する。この拡張加工が施されるペール缶の種類として、ペール缶の軸方向における缶中央部から底部にかけて先細りに成型されたテーパータイプと、このような先細り成型を施さず、缶全体を拡張し地板付近のみを天板部に比して小径としたストレートタイプ（ネックインタイプを含む）とがある。

【0003】

このような拡張加工の手順は、ペール缶となる薄鋼板をまず円筒形状に丸め、その周方向における薄鋼板端部の両ラップ部を軸方向にシーム溶接（縦溶接）して、拡張加工前の胴体を形成する。そして、この胴体に対して、図４に示すようなエキスパンダー１０によって拡張加工が施される。
ここでエキスパンダー１０は、中空のエキスパンダー金型１と、エキスパンダー金型１に挿入される駆動軸１１と、エキスパンダー金型１の軸方向に沿って駆動軸１１を駆動する駆動装置１２とを備える。

【0004】

ここでエキスパンダー金型１は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定）を基材とし、全体形状が略円筒形であり、その外周面が上述のテーパータイプあるいはストレートタイプに対応した形状に成型された金型に相当し、図５に示すように、その周方向１ａに沿って、例えば１８本に分割されたセグメント２で構成される。駆動軸１１は、エキスパンダー金型１の内面に係合し、かつエキスパンダー金型１の軸方向１ｃに沿って可動なシャフトである。駆動軸１１には、くさび状の部材１１ａを設け、一方、エキスパンダー金型１内には、くさび状部材１１ａと係合するテーパー部２ｂが形成されている。

【0005】

よって、エキスパンダー１０は、駆動装置１２によって駆動軸１１をその軸方向１ｃに移動させることで、テーパー部２ｂに沿ってくさび状部材１１ａを移動させ、これによりエキスパンダー金型１を、図５に示す各セグメント２が閉じた状態から放射状に開いた状態に、また逆に、開いた状態から閉じた状態に、変形可能である。

【0006】

このような構成において、閉じた状態にあるエキスパンダー金型１が拡径前の初期状態にある胴体２０の内側に位置するように、エキスパンダー金型１及び胴体２０を配置する。そして、上述のように、駆動軸１１を移動させて、エキスパンダー金型１の各セグメント２を胴体２０の直径方向２１へ放射状に移動させてエキスパンダー金型１を開くことで、胴体２０の内周面２０ａは、胴体２０の直径方向２１へ押圧される。これにより胴体２０の拡径が行われ、具体的には拡径前の胴体２０におけるφ２７２ｍｍの直径がφ２８６ｍｍに約５％拡張され、ペール缶用の胴体部が成型される。
尚、拡径動作において、各セグメント２は、直径方向２１への移動のみを行い、胴体２０の周方向への回転、胴体２０の軸方向への移動、及び、振動等の動作が作用されることはない。また拡径動作の際、胴体２０は静止状態であり、よって胴体２０と各セグメント２とが相対的に胴体２０の周方向及び軸方向へ移動することはない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００７－２０３３５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

一方、ペール缶の基材材料は、ＪＩＳ Ｇ ３３１５に規定された、いわゆるティンフリースチール（ＴＦＳ）と呼ばれる冷延鋼板にクロムメッキ（電解クロム酸処理）を施した薄鋼板である。このティンフリースチールは、同じく冷延鋼板にスズメッキを施したいわゆるブリキ材に比べて、特に安価であると共に、塗装性（塗料密着性）、防錆性、及び耐アルカリ性に優れているという利点がある。これらの利点から、ペール缶の基材材料として日本では、ティンフリースチールが使用されている。
一方でティンフリースチールは、ブリキ材に比べると加工性が劣る、換言すると、エキスパンダー金型１との摩擦が大きいという欠点を有する。

【0009】

また、エキスパンダー１０によるペール缶の胴体２０における拡径動作では、エキスパンダー１０の駆動装置１２によって、約６５０ＫＮの力で約０．３秒にて拡径動作が行われる。よって、胴体２０の内周面２０ａと、エキスパンダー金型１の各セグメント２の外周面２ａとは、非常に大きい力で短時間にて擦れ合うことになる。尚、駆動装置１２は、油圧機構、モータ及びボールねじを有する機構、あるいはクランク機構等である。また上述のように、各セグメント２による拡径動作の際、駆動装置１２がエキスパンダー金型１つまり各セグメント２に対して回転等の動作を行うことはない。

【0010】

このような、胴体２０の基材であるティンフリースチールの低い加工性、及び、エキスパンダー金型１の大きな拡径力による大きい摩擦力に起因して、拡径動作時には、両者間に発生する摩擦熱による焼き付きにより、ティンフリースチールのクロムメッキ及び鉄粉が剥離し、各セグメント２の外周面２ａに付着して、その結果、胴体２０の内周面２０ａに傷を生じさせることが多い。また、剥離したクロムメッキ等は、セグメント２の外周面２ａに傷を形成してしまうことも多い。特にセグメント２の外周面２ａに傷が生じた場合には、以後、拡径される各胴体２０の内周面２０ａにも連続して傷を形成してしまうことにつながる。
よって、胴体２０及びセグメント２の少なくとも一方に傷が発生した場合、修復のために各セグメント２の外周面２ａの拭き取り作業（研磨作業）は必須であり、例えば１ヶ月に８０回程度の頻度で行われており、生産性の低下及びコストアップ等を引き起こしている。

【0011】

またペール缶の種類として、胴体２０の内周面２０ａに塗装等を施した「内面塗装缶」と、そのような塗装及びコーティング等を施していない、いわゆる「内面無地缶」とが存在する。特に内面無地缶では、塗装等が存在しない分、各セグメント２の外周面２ａとの滑り性が悪く摩擦がより大きくなることから、クロムメッキの剥離、及び傷発生は、内面塗装缶に比べて、より多く発生する。

【0012】

ペール缶の内周面２０ａにおける傷は、製品の品質管理上、大きな問題であり、また近年では顧客からの改善要求も、より厳しくなってきている。
尚、拡径動作において、摩擦低減のために油分を用いることは、缶内容物との関係上、許されず、改善策としては論外である。

【0013】

さらにまた、拡径動作によって、通常、胴体２０の高さ（軸方向長さ）は縮むが、特に内面無地缶は、上述のようにセグメント２との滑り性が悪く摩擦が大きいことから、拡径後の高さ寸法が一定にならないことが多い。拡径された胴体２０に対して下流工程では、地板等の巻締め加工が行われるが、胴体２０の高さ寸法の変動は、均一で安定した巻締め加工を困難にし、ペール缶の気密性不良等につながり、生産性低下を招く原因になる。よって胴体２０の高さ寸法管理は、製缶上、重要項目の一つである。このように、各セグメント２と胴体２０との滑り性の良否は、傷発生の有無のみに留まらない。

【0014】

以上のように、内周面２０ａ、及びエキスパンダー金型１の外周面２ａにおける傷発生、及び胴体２０の高さ寸法変動によって、そのメンテナンス及び調整のために、製造ラインの停止が余儀なくされ、生産性の低下、製品ロス、エキスパンダー金型１の短寿命化、経費増加、等のデメリットが生じ、その損失は非常に大きい。

【0015】

したがって、ペール缶の基材としてティンフリースチールを使用する限り、ペール缶メーカーにとって、内周面２０ａ、及びエキスパンダー金型１の外周面２ａにおける傷発生をいかに低減あるいは防止するかは、長年に亘り、非常に大きな命題として存在し続けている。

【0016】

その改善策として、エキスパンダー金型１の外周面２ａに対して、今までもコーティングあるいは表面処理の工夫を行っているが、未だ、満足できる結果は得られていない。

【0017】

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、ペール缶製造に使用されるエキスパンダー金型の外周面及び胴体の内周面への傷発生を、従来に比べて低減可能な、エキスパンダー金型用表面処理方法、ペール缶の製造方法、及び、エキスパンダー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】

【0018】

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様におけるエキスパンダー金型用の表面処理方法は、ティンフリースチールを基材としたペール缶の製造工程において円筒形状に成形された胴体の内側に配置され、静止状態にある胴体に対して胴体の直径方向へのみ移動して胴体の拡径を行う、クロムモリブデン鋼を基材とするエキスパンダー金型に対する表面処理方法であって、
胴体の内周面に対向するエキスパンダー金型の外周面を鏡面仕上げレベルの表面粗さに加工すること、
上記表面粗さに仕上げられた外周面に対してラジカル窒化処理を行うこと、
上記ラジカル窒化処理された外周面に対してＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを行うこと、
を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

上述の第１態様によれば、ペール缶の胴体の拡径を行うエキスパンダー金型に対して、その外周面を鏡面仕上げレベルの表面粗さに加工した後、ラジカル窒化処理を施し、さらにＤＬＣコーティングを行う。ラジカル窒化処理は、エキスパンダー金型の外周面の上に、エキスパンダー金型の基材との化合物層を形成せず、エキスパンダー金型の外周面に窒素の拡散層のみを形成する。よって、ラジカル窒化処理後においても、エキスパンダー金型の外周面は、鏡面仕上げレベルの表面粗さをほぼ維持することができる。

【0020】

また、ラジカル窒化処理によれば、上述したように、エキスパンダー金型の外周面には窒素の拡散層が形成されることから、外周面におけるラジカル窒化処理された領域では、エキスパンダー金型の基材であるクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）における鉄成分が少なくなっていると考えられる。
よって、鉄系材料との密着性あるいは付着性に難点を有するＤＬＣは、エキスパンダー金型にラジカル窒化処理を行うことで、エキスパンダー金型との密着性が向上しエキスパンダー金型の外周面に対するコーティングが可能になる。

【0021】

よってラジカル窒化処理がなされたエキスパンダー金型にＤＬＣコーティングを施すことで、ＤＬＣのコーティング表面における表面粗さを、エキスパンダー金型の外周面全体にわたり均一に、鏡面仕上げに近いレベルにすることが可能となる。またＤＬＣにおける摩擦係数も十分に小さい。したがって、ラジカル窒化処理及びＤＬＣコーティングを施したエキスパンダー金型を用いることで、ペール缶胴体の拡径動作における、胴体内周面とエキスパンダー金型外周面との滑り性、即ち摩擦が従来に比べて小さくすることができる。その結果、従来発生していた拡径動作時における焼き付きに起因する、ペール缶の基材であるティンフリースチールのクロムメッキ及び鉄粉の剥離の発生を、特に摩擦が大きい内面無地缶の場合であっても、従来に比べて低減あるいは防止することができ、ペール缶胴体の内周面及びエキスパンダー金型の外周面における傷発生を抑制しあるいは防止することが可能になる。

【0022】

また、上述のように拡径動作時における摩擦が従来に比べて低減されることから、拡径動作における胴体高さ寸法の変動を、内面無地缶であっても、従来に比べて抑制することが可能となる。よって、胴体高さ寸法の管理が従来よりも容易になり、拡径動作後の巻締め工程等における不具合の発生を抑制することができ、従来に比べて生産性の向上を図ることも可能になる。

【0023】

さらに、エキスパンダー金型の外周面に対してＤＬＣコーティングを施すことで、エキスパンダー金型に硬度を付加することができ、エキスパンダー金型の耐久性を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本実施形態におけるエキスパンダー金型の全体を示す図である。

【図2】図１に示すエキスパンダー金型への表面処理方法を説明するフローチャートである。

【図3】図１に示すエキスパンダー金型におけるセグメントの断面図である。

【図4】従来のエキスパンダー金型を設けたエキスパンダーの構成を示す図である。

【図5】図４に示すエキスパンダー金型の拡大概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明の実施形態である、エキスパンダー金型用表面処理方法、この表面処理方法が施されたエキスパンダー金型を使用するペール缶製造方法、及び、この表面処理が施されたエキスパンダー金型について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

【0026】

図１は、本実施形態におけるエキスパンダー金型１０１を示すが、その中心部分には、エキスパンダー１０における駆動軸１１等も図示している。
エキスパンダー金型１０１は、図４を参照して説明したエキスパンダー金型１に相当する金型であり、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定）を基材とし、図５を参照して説明したように、その周方向に沿って、例えば１８本に分割されたセグメント１０２を有する。また、実施形態におけるエキスパンダー金型１０１も、エキスパンダー金型１と同様に、ペール缶の製造工程に含まれる、図４に示すようなエキスパンダー１０に設けられ、円筒形状に成形された胴体２０の内側に配置された後、直径方向２１に各セグメント１０２が拡張されて、胴体２０の拡径動作を実行する。ここで、胴体２０の内側へのエキスパンダー金型１０１の配置は、一例として、円筒体進退装置（不図示）を用いてエキスパンダー金型１０１の外周面１０２ａ側へ胴体２０を進入させて行われる。外周面１０２ａ側へ胴体２０が進入し配置された状態において胴体２０は静止状態にある。また、エキスパンダー金型１０１による胴体２０の拡径動作は、エキスパンダー金型１の場合と同様に、各セグメント１０２による胴体２０の直径方向２１への移動のみによって行われ、拡径動作時において胴体２０と各セグメント１０２とが相対的に胴体２０の周方向及び軸方向へ移動すること、及び振動が作用されることはない。

【0027】

尚、図１に示す１０２ｂは、既に説明したテーパー部２ｂに相当し、エキスパンダー１０におけるくさび状部材１１ａと係合するテーパー部を示している。また、各セグメント１０２の外周面１０２ａにて、エキスパンダー金型１０１の外周面１０２ａを形成する。
このようにエキスパンダー金型１０１は、その基材、外形形状、寸法、動作、及び機能について、エキスパンダー金型１と同じであるが、エキスパンダー金型１０１の各セグメント１０２における外周面１０２ａに施した、詳細を後述する表面処理の点で大きく異なる。

【0028】

また、エキスパンダー金型１０１にて拡径処理がなされるペール缶も、既に説明したものに同じであり、ティンフリースチール（ＪＩＳ Ｇ ３３１５に規定。（ＴＦＳ））を基材とした胴体２０、天板、及び地板を有するペール缶（ＪＩＳ Ｚ １６２０（１９９５年）に規定）である。

【0029】

また、このようなペール缶は、従来と同様の製造工程にて製造される。大略を説明すると、ＴＦＳ製の薄鋼板が円筒形状に成形され縦溶接（シーム溶接）されて胴体２０が作製され、さらにエキスパンダー金型１０１によって上述の拡径処理がなされる。拡径処理後の胴体２０の一端には、ＴＦＳ製の地板が巻締めされ、胴体２０の他端には、ＴＦＳ製の天板が例えば巻締め等により取り付けられる。また、胴体２０に対して取っ手（つる）の取り付けが行われる場合もある。

【0030】

以下には、エキスパンダー金型１０１の各セグメント１０２における外周面１０２ａに施した表面処理について説明する。
まず、本実施形態のエキスパンダー金型１０１の開発の経緯について説明する。
既に説明したように、ティンフリースチール製の胴体２０、特に上述の「内面無地缶」の胴体２０の拡径動作に伴う、エキスパンダー金型１及び胴体内周面２０ａに対する傷発生は、ペール缶メーカーにとって長年に亘る非常に大きな命題であり、特にその原因となっている、エキスパンダー金型１と内周面２０ａとの間の滑り性の改善について、従前からも種々の改善策が行われている。

【0031】

例えば、従前のエキスパンダー金型１における各セグメント２の外周面２ａに対して滑り性及び耐久性を向上させるため、外周面２ａに対して硬質クロムメッキ、テフロン（登録商標）処理、ガス窒化処理、等の改善策が施された。しかしながら、何れの改善策も、良好な滑り性つまり摩擦が低いこと、及び耐摩耗性（耐久性）が良好なことの一方には長けるが他方には劣り、両方とも満足するものには至っていなかった。例えばガス窒化処理では、セグメント２の外周面２ａにおいて比較的高硬度が得られ、耐久性の向上を得られたが、摩擦係数が大きく滑り性に劣り、傷発生の改善は不十分であった。

【0032】

一方で、ペール缶の製造工程には、つる（取っ手）取付け工程があり、該工程では、つる用線材（亜鉛メッキ鉄線：ＪＩＳ Ｇ ３５４７相当）が超鋼合金製の治具によって、その先端部分が略Ｊ字形に変形されながら、拡径後の胴体２０の周囲対向位置に溶接した耳部（イヤー）に、自動的に挿入され取り付けられる。上記治具には、つる用線材との摩擦部分に対して、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon: ダイヤモンドライクカーボン）のコーティングが施され、及び油塗布によって耐久性確保及び摩擦低減の両立が図られている。
ここで、ＤＬＣは、グラファイトとダイヤモンドとの中間的な物性を有するカーボン膜であり、種々のタイプが存在するが一般的には、ダイヤモンドの物性に近い高硬度（耐摩耗性に優れる）を有し、摩擦係数も比較的小さい（摺動性に優れる）膜である。

【0033】

また、超鋼合金材に対してＤＬＣコーティングを行うことは既知であるが、このようなＤＬＣコーティングを施した部材を、治具として、ペール缶製造におけるつる取付け工程に採用することは、新規な取り組みであり、当該出願人によって初めてなされたことである。

【0034】

当該出願人は、これにヒントを得て、エキスパンダー金型１のセグメント２の外周面２ａにもＤＬＣコーティングを施すことで、滑り性と耐久性との両方の改善について検討を行った。
しかしながら、ＤＬＣコーティングは、非鉄系材料である超鋼合金材に対して密着性（濡れ性）が良好であるが、エキスパンダー金型１のような鉄系材料に対しては、密着性が悪く、界面に炭化物層ができにくく、剥がれ易く、耐久性を満足できないことが判った。では、エキスパンダー金型１を超鋼合金材にて作製すればよいが、該選択肢は、コスト面で非現実的な選択である。即ち、超鋼合金材は、それ自体、非常に高価な材料であり、上記治具の大きさ（約２５ｍｍ×約５０ｍｍ×約９ｍｍ）に比べて、各セグメント２は約６５０ｍｍの長さを有し、かつ上述のように１８本で一つのエキスパンダー金型１を構成することから、一つのエキスパンダー金型１は、約数千万円の製作費を要することになってしまう。また、上述のつる用治具では、つる用線材との摩擦低減のために潤滑油も使用しているが、上述したように、胴体２０内面において油分は厳禁であり、この点もエキスパンダー金型１では採用できない。

【0035】

したがって、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）材であるエキスパンダー金型に対して、どのようにすれば密着性を損なわずに、低摩擦係数及び高硬度を有するＤＬＣコーティングを施すことが可能になるのか、出願人は試行錯誤を重ねた。その結果、ＤＬＣコーティングを行う前に、エキスパンダー金型に対してラジカル窒化処理を行うことが有効であることを出願人は見出し、本実施形態のエキスパンダー金型１０１に到達した。

【0036】

以下には、さらに図２及び図３をも参照して、本実施形態のエキスパンダー金型１０１における表面処理方法（ステップ１からステップ３）について、説明する。
図２に示すステップ１（Ｓ１）では、エキスパンダー金型１０１を構成しクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）を基材とする例えば１８本のセグメント１０２に対して、まず、胴体２０の内周面２０ａに対向する、セグメント１０２の外周面１０２ａを鏡面仕上げレベルの表面粗さまで仕上げる。ここで鏡面仕上げレベルとは、例えば算術平均粗さ（Ｒａ）で表した場合、約５０ｎｍから約２００ｎｍまでの範囲に含まれる表面粗さに相当する。
また、エキスパンダー金型の外周面における表面粗さの程度は、出願人の経験上、エキスパンダー金型の外周面に対して行う処理における表面粗さにも影響を与えることがわかっている。

【0037】

次のステップ２（Ｓ２）では、上述の表面粗さレベルに加工されたセグメント１０２の外周面１０２ａに対して、ラジカル窒化処理を行う。ラジカル窒化処理は、既知の処理方法であり、いくつかの方法が存在するが、本実施形態では以下のような処理方法を採っている。即ち、真空中の反応炉内にて、処理部材であるセグメント１０２を加熱し、水素と窒素との混合ガスを反応ガスとして反応炉内に導入する。そして、プラズマ中で電気分解することでラジカル（活性種）を生成し、このラジカルが外周面１０２ａからセグメント１０２の内部へ拡散浸透し、窒化硬化層としての拡散層１０２１（図３）を形成する。

【0038】

このようなラジカル窒化処理は、基材表面上にコーティングを行うのとは異なり、基材表面自体を改質する処理である。具体的には、ラジカル窒化処理によれば、セグメント１０２の外周面１０２ａ、つまりエキスパンダー金型１０１の外周面の上に、エキスパンダー金型１０１の基材であるクロムモリブデン鋼との化合物層が形成されず、セグメント１０２の外周面１０２ａに窒素の拡散層１０２１のみが形成される。

【0039】

よって、ラジカル窒化処理後においても、セグメント１０２の外周面１０２ａは、鏡面仕上げレベルの表面粗さをほぼ維持することができる。この点で、ラジカル窒化処理は、従来行っていた処理方法と大きく相違する。
即ち、上で説明したように、従来、エキスパンダー金型１の各セグメント２の外周面２ａに対して硬質クロムメッキ、テフロン（登録商標）処理、ガス窒化処理、等の改善策を施していたが、これらは、外周面２ａの上に、いわばコーティングを施すものであった。よって、上記改善策によるコーティング材の表面は、鏡面仕上げレベルにはなっておらず、従来、作業員がコーティング材の表面を鏡面仕上げレベル付近まで研磨していた。しかしながら、このための労力に大きな時間を要すると共に、人手で研磨を行うことから、コーティング材の表面全体を均一に仕上げることはできなかった。
その結果、拡径動作における傷発生を低減さらに防止するために、たとえ、滑り性に長けるコーティング材を用いた場合においても、やはり傷が発生してしまい、また既に説明したように耐久性等に問題が生じていた。

【0040】

これに対し、本実施形態におけるエキスパンダー金型１０１では、ラジカル窒化処理を行うことで、各セグメント１０２の外周面１０２ａは、上述したように、鏡面仕上げレベルの表面粗さをほぼ維持することができる。よって以下で説明するＤＬＣコーティングの表面１０４ａにおける表面粗さもほぼ鏡面仕上げレベルの近くまでにすることが可能になる。

【0041】

また、ラジカル窒化処理は、以下で説明する次のステップ３（Ｓ３）にて実行されるＤＬＣコーティングと、各セグメント１０２の外周面１０２ａとの密着性（濡れ性）を良好にするという効果もある。
即ち、上で説明したように、ＤＬＣ１０４は、鉄系材料に対して密着性（濡れ性）が悪く、コーティングの耐久性を満足できない。しかしながら、ラジカル窒化処理を行うことで、説明したように、各セグメント１０２の外周面１０２ａには、窒素の拡散層１０２１が形成され、この拡散層１０２１では、セグメント１０２の基材であるクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）における鉄成分との窒化物が形成されており、ＳＣＭの鉄成分は少なくなっていると考えられる。よって、鉄系材料との密着性あるいは付着性に難点を有するＤＬＣ１０４であるが、ＳＣＭ製のセグメント１０２にラジカル窒化処理を行うことで、各セグメント１０２の外周面１０２ａと、ＤＬＣ１０４との密着性あるいは付着性を向上させることができるという効果が得られる。

【0042】

次のステップ３（Ｓ３）では、ラジカル窒化処理された、各セグメント１０２の外周面１０２ａに対してＤＬＣ１０４のコーティングを行う。ＤＬＣ１０４のコーティングは、本実施形態では、原料ガスをＣＶＤ法で分解し、セグメント１０２の外周面１０２ａに対してイオン化蒸着（ＰＶＤ）にて水素化アモルファスカーボンを約１μｍ－約３μｍの膜厚に成膜することでなされる。上述のように鏡面仕上げレベルの表面粗さを有する外周面１０２ａに対してＤＬＣ１０４のコーティングがなされることから、コーティング表面１０４ａにおける表面粗さは、全体にわたり均一に、ほぼ鏡面仕上げに近いレベルにすることが可能となる。具体的には、コーティングされたＤＬＣ１０４は、算術平均粗さ（Ｒａ）で約５０ｎｍから数百ｎｍレベルの表面粗さのコーティング表面１０４ａを有する。
よって、従来のような作業員による研磨作業は不要になり、まずこの点から、傷発生の低減を図ることが可能となり、生産性向上及びコスト削減に大きく寄与する。

【0043】

また、ＤＬＣは、その硬度及び摩擦係数について、種々の物性値のものが存在するが、本実施形態において選択したＤＬＣ１０４は、物性値において、約２０００から約３０００Ｈｖの範囲の硬度を有し、かつ、約０．１５から約０．２の範囲の比較的小さな摩擦係数を有するものである。よって、本実施形態におけるＤＬＣ１０４は、胴体２０の拡径動作において、滑り性及び耐久性の両方を満足させるものである。

【0044】

以上説明した、各セグメント１０２の外周面１０２ａにＤＬＣ１０４のコーティングを行ったエキスパンダー金型１０１による胴体２０の拡径動作では、各セグメント１０２におけるＤＬＣコーティングの表面１０４ａが胴体２０の内周面２０ａに接触して拡径動作が行われる。このとき、コーティング表面１０４ａは、ほぼ鏡面仕上げレベルに近い表面粗さであり、また、ＤＬＣコーティングは、約０．１５から約０．２の範囲の比較的小さい摩擦係数を有し、内周面２０ａに対する滑り性が良好で摩擦が小さい。

【0045】

したがって、ラジカル窒化処理及びＤＬＣコーティングを施したエキスパンダー金型１０１を用いることで、ペール缶の胴体２０の拡径動作における、内周面２０ａと、エキスパンダー金型１０１との滑り性、即ち摩擦を従来に比べて小さくすることができる。その結果、従来発生していた拡径動作時における焼き付きに起因する、ペール缶の基材であるティンフリースチールのクロムメッキ及び鉄粉の剥離の発生を、特に摩擦が大きい内面無地缶の場合であっても、従来に比べて低減あるいは防止することができ、ペール缶胴体の内周面２０ａにおける傷発生、またエキスパンダー金型１０１におけるＤＬＣコーティングの表面１０４ａにおける傷発生、を抑制しあるいは防止することが可能になる。

【0046】

また、上述のように拡径動作時における摩擦が従来に比べて低減されることから、拡径動作における胴体高さ寸法の変動を、内面無地缶であっても、従来に比べて抑制することが可能となる。よって、胴体高さ寸法の管理が従来よりも容易になり、拡径動作後の巻締め工程等における不具合の発生を抑制することができ、従来に比べて生産性の向上を図ることも可能になる。

【0047】

さらに、エキスパンダー金型１０１の外周面１０２ａに対してＤＬＣ１０４のコーティングを施すことで、エキスパンダー金型１０１に硬度を付加することができ、エキスパンダー金型１０１の耐久性を向上させることが可能になる。

【0048】

以上説明したように、本実施形態におけるエキスパンダー金型１０１によれば、エキスパンダー金型１０１の各セグメント１０２の外周面１０２ａにラジカル窒化処理を施したことで、滑り性及び耐久性の両方に優れた物性を有するＤＬＣ１０４を外周面１０２ａにコーティングすることが可能になった。
よって、胴体２０の拡径動作において、ＤＬＣコーティングの表面１０４ａと胴体２０の内周面２０ａとの間の摩擦は、内面無地缶の場合であっても低減する。よって、胴体２０の基材であるティンフリースチールのクロムメッキ及び鉄粉の剥離は、低減あるいは防止され、胴体２０の内周面２０ａ、及びＤＬＣコーティングの表面１０４ａにおける傷発生を抑制しあるいは防止することが可能になる。
さらに、ＤＬＣ１０４が有する高硬度により、エキスパンダー金型１０１の耐久性も従来に比べて向上させることが可能である。
また、上述の摩擦低減により、拡径動作時における胴体２０の高さ寸法変動を抑制することができ、ペール缶の気密性不良等による生産性の低下を低減さらには防止することができる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明は、ペール缶の製造工程にて鋼製胴体の拡径を行うエキスパンダー金型に対する表面処理方法等に適用可能である。

【符号の説明】

【0050】

２０…胴体、２０ａ…内周面、
１０１…エキスパンダー金型、１０２…セグメント、１０２ａ…外周面、
１０４…ＤＬＣ、１０４ａ…コーティング表面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】