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技術 セラミックスの表面処理方法及びセラミックス成品

出願人 株式会社不二製作所
発明者 間瀬恵二石橋正三近藤祐介
出願日 2017年7月13日 (2年9ヶ月経過) 出願番号 2017-137019
公開日 2019年2月7日 (1年3ヶ月経過) 公開番号 2019-019020
状態 特許登録済
技術分野 砥粒による吹付け加工の細部 セラミックスの後処理
主要キーワード 凝着状態 ブロワーユニット 自己相関長 圧縮気体供給源 セラミックライナー 表面性状パラメータ サクション式 X線解析
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年2月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

比較的簡単な方法により,低コストセラミックス表面摺動性を高めることのできる表面処理方法を提供する。

解決手段

セラミックス表面のうち処理を行う部分である処理領域の表面に,メディアン径d50〔JIS R 6001(1987)における「累積高さ50%点の粒子径」に対応〕が1〜20μmの略球状の噴射粒体を,0.01MPa〜0.7MPaの圧縮気体と共に噴射して,最小自己相関長さSal(ISO 25178)が10以上の値となるようにディンプルを形成する。このディンプルは,水平フェレ径(lx)と垂直フェレ径(ly)の比(lx/ly)が0.7〜1.43である平面形状となるように形成する。これにより,給油時はもとより無給油においても摺動性が向上するセラミックス表面を得ることができる。

概要

背景

セラミックスは高硬度であると共に耐熱性耐摩耗性等に優れていることから,各種成品の材料として使用される他,他部材との接触が行われる成品,例えば摺動部品ライナー材コーティング材等として使用されている。

しかし,高硬度で耐熱性及び耐摩耗性に優れるセラミックスであっても,潤滑剤等を介在させていない摺動性の低い状態で他部材と摺接させると,摩擦による摩耗相手方部材凝着等に伴う凝着摩耗等により耐久性が低下し,また,セラミックス製の成形型等にあっては,生産性を向上させるために離型性の良さが求められることから,セラミックス表面の摺動性や離型性を向上させるための各種方法が提案されている。

セラミックス成品における凝着摩耗の防止や耐摩耗性を向上させる方法としては,セラミックス材料組成自体を工夫することも提案されており,一例として後掲の特許文献1には,絞り金型を,アルミナ(Al2O3)3.0〜25.0重量%,酸化ディスプロシウム(Dy2O3)およびセリア(CeO2)の少なくとも一方を8.0〜13.0重量%,カーボンを0.8〜4.0重量%,残部がジルコニア(ZrO2)の組成を持ったセラミックスによって構成することが提案されており,これによりステンレス鋼との凝着摩耗性に優れた絞り金型を提供できるとしている。

また,後掲の特許文献2には,窒化チタンを主成分とし,ジルコニアおよびニッケルを含むセラミックスからなるダイスとして,前記ジルコニアの結晶の一部が前記窒化チタンの結晶内に分散されてなる硬質相と,前記ニッケルを主成分とし,前記硬質相を結合する結合相を備える構造とすることで,アルミニウム等の押出材摺動抵抗を小さくして凝着の発生を防止できるとする。

また,セラミックス表面の摺動性を向上させる方法として,摺動面等にオイルグリース等の潤滑剤を保持するためのディンプル(窪み)を形成する方法も提案されている。

このようなディンプルの形成方法としては,セラミックスを焼成する前の事前の調整によってディンプルを形成する方法と,焼成後のセラミックス表面に事後的にディンプルを形成する方法がある。

このうち,焼成前の事前の調整によりディンプルを形成する方法として,後掲の特許文献3には,摺動部材形成材料となるセラミックス原料樹脂発泡剤ウイスカー等を添加混合して成形した後に焼成することで,添加した樹脂や発泡剤を焼成中に焼失させてディンプルを形成する方法(特許文献3の[0030]欄),焼成前のセラミック原料を,ディンプルに対応する凸形状を備えた金型を用いて成形した後に焼成する方法(特許文献3の[0031]欄)を記載する。

また,焼成後のセラミックスに対し事後的にディンプルを形成する方法として,後掲の特許文献4には,ベアリング等速ジョイントセラミックス製転動体の表面に,ピコ秒レーザ以上に短いパルス幅単パルスレーザ照射して微小なディンプルを形成することを提案している(特許文献4)。

概要

比較的簡単な方法により,低コストでセラミックス表面の摺動性を高めることのできる表面処理方法を提供する。セラミックス表面のうち処理を行う部分である処理領域の表面に,メディアン径d50〔JIS R 6001(1987)における「累積高さ50%点の粒子径」に対応〕が1〜20μmの略球状の噴射粒体を,0.01MPa〜0.7MPaの圧縮気体と共に噴射して,最小自己相関長さSal(ISO 25178)が10以上の値となるようにディンプルを形成する。このディンプルは,水平フェレ径(lx)と垂直フェレ径(ly)の比(lx/ly)が0.7〜1.43である平面形状となるように形成する。これにより,給油時はもとより無給油においても摺動性が向上するセラミックス表面を得ることができる。

目的

本発明は,上記要望に対応すべく成されたものであり,比較的簡単な方法により,低コストで,焼成済みのセラミックスの表面に対し事後的に摺動性を高める処理を行うことができ,しかも,接触面にオイルやグリース等の潤滑剤を介在させた場合は勿論,介在させていない場合においても高い摺動性を付与することのできる表面処理方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

セラミックス表面のうち処理を行う部分である処理領域の表面に,メディアン径d50が1〜20μmの略球状の噴射粒体を,0.01MPa〜0.7MPaの噴射圧力圧縮気体と共に噴射して,前記処理領域の表面の最小自己相関長さ(Sal)が10以上の値となるように,前記処理領域の表面にディンプルを形成することを特徴とする,セラミックス表面処理方法

請求項2

前記ディンプルを,フェレ径比が0.7〜1.43である平面形状となるように形成することを特徴とする請求項1記載のセラミックスの表面処理方法。

請求項3

前記ディンプルが,開口径1〜20μm,深さ0.01〜1μmであることを特徴とする請求項1又は2記載のセラミックスの表面処理方法。

請求項4

前記ディンプルは,前記ディンプルの開口面積の合計が前記処理領域の面積に対し50%以上になるように形成することを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載のセラミックスの表面処理方法。

請求項5

セラミックスから成る表面部分の少なくとも一部分である処理領域に,開口径1〜20μm,深さ0.01〜1μmのディンプルを備え,前記処理領域の表面の最小自己相関長さ(Sal)が10以上の値であることを特徴とするセラミックス成品

請求項6

前記ディンプルが,フェレ径比を0.7〜1.43とする平面形状であることを特徴とする請求項5記載のセラミックス成品。

請求項7

前記ディンプルの開口面積の合計が前記処理領域の面積に対し50%以上であることを特徴とする請求項5又は6記載のセラミックス成品。

技術分野

0001

本発明はセラミックス表面処理方法,及び前記表面処理が行われたセラミックス成品に関し,より詳細には,セラミックス表面摺動性を向上させて摩耗凝着の防止,離型性の向上等を得ることのできる表面処理方法,及び前記表面処理方法が施されたセラミックス成品に関する。

0002

なお,本発明におけるセラミックスの表面には,母材をセラミックスとするセラミック成品の表面の他,セラミックス以外の材質から成る成品の表面に貼着されたセラミックス製のライナーセラミックコーティングの表面等,セラミックスから成る表面全般を含み,また,セラミックス成品には,母材に至るまで全体がセラミックス製である成品の他,セラミックス以外の材質を母材とする成品の表面にセラミックス製ライナーを貼着したものやセラミックコーティングを施した成品のように,少なくとも表面にセラミックスから成る部分を有する成品全般を含む。

背景技術

0003

セラミックスは高硬度であると共に耐熱性耐摩耗性等に優れていることから,各種成品の材料として使用される他,他部材との接触が行われる成品,例えば摺動部品ライナー材コーティング材等として使用されている。

0004

しかし,高硬度で耐熱性及び耐摩耗性に優れるセラミックスであっても,潤滑剤等を介在させていない摺動性の低い状態で他部材と摺接させると,摩擦による摩耗や相手方部材の凝着等に伴う凝着摩耗等により耐久性が低下し,また,セラミックス製の成形型等にあっては,生産性を向上させるために離型性の良さが求められることから,セラミックス表面の摺動性や離型性を向上させるための各種方法が提案されている。

0005

セラミックス成品における凝着摩耗の防止や耐摩耗性を向上させる方法としては,セラミックス材料組成自体を工夫することも提案されており,一例として後掲の特許文献1には,絞り金型を,アルミナ(Al2O3)3.0〜25.0重量%,酸化ディスプロシウム(Dy2O3)およびセリア(CeO2)の少なくとも一方を8.0〜13.0重量%,カーボンを0.8〜4.0重量%,残部がジルコニア(ZrO2)の組成を持ったセラミックスによって構成することが提案されており,これによりステンレス鋼との凝着摩耗性に優れた絞り金型を提供できるとしている。

0006

また,後掲の特許文献2には,窒化チタンを主成分とし,ジルコニアおよびニッケルを含むセラミックスからなるダイスとして,前記ジルコニアの結晶の一部が前記窒化チタンの結晶内に分散されてなる硬質相と,前記ニッケルを主成分とし,前記硬質相を結合する結合相を備える構造とすることで,アルミニウム等の押出材摺動抵抗を小さくして凝着の発生を防止できるとする。

0007

また,セラミックス表面の摺動性を向上させる方法として,摺動面等にオイルグリース等の潤滑剤を保持するためのディンプル(窪み)を形成する方法も提案されている。

0008

このようなディンプルの形成方法としては,セラミックスを焼成する前の事前の調整によってディンプルを形成する方法と,焼成後のセラミックス表面に事後的にディンプルを形成する方法がある。

0009

このうち,焼成前の事前の調整によりディンプルを形成する方法として,後掲の特許文献3には,摺動部材形成材料となるセラミックス原料樹脂発泡剤ウイスカー等を添加混合して成形した後に焼成することで,添加した樹脂や発泡剤を焼成中に焼失させてディンプルを形成する方法(特許文献3の[0030]欄),焼成前のセラミック原料を,ディンプルに対応する凸形状を備えた金型を用いて成形した後に焼成する方法(特許文献3の[0031]欄)を記載する。

0010

また,焼成後のセラミックスに対し事後的にディンプルを形成する方法として,後掲の特許文献4には,ベアリング等速ジョイントセラミックス製転動体の表面に,ピコ秒レーザ以上に短いパルス幅単パルスレーザ照射して微小なディンプルを形成することを提案している(特許文献4)。

先行技術

0011

特開2007−112712号公報
特開2008−105091号公報
特開平08−128448号公報
特開2016−156428号公報

発明が解決しようとする課題

0012

以上で説明した構成中,特許文献1及び2に記載されているようにセラミックス材料の組成を見直すことによりセラミックス成品表面の摺動性を向上させる方法では,絞り金型やダイス等のセラミックス成品の材質自体の変更が必要となる。

0013

そのため,現状で既に生産され使用されているセラミックス成品の摺動性を事後的に向上させることはできず,摺動性の向上等を得ようとすれば,特許文献1又は2に記載されている材質のセラミックスで新たにセラミックス成品を作り直す必要があり,材料の調達試作製作等に多大な労力,時間,及び費用が注ぎ込まれることとなる。

0014

ディンプルの形成によって摺動性を向上させる場合においても,前掲の特許文献3として紹介したように,焼成前の事前の処理によってディンプルを形成する方法では,特許文献1の場合と同様に,既存のセラミックス成品に事後的に適用することができず,セラミックス成品の新たな作り直しが必要となる。

0015

しかも,セラミックス原料に樹脂や発泡剤,ウイスカー等を添加混合して成形した後に焼成することで,添加した樹脂や発泡剤等の焼失によってディンプルを形成する方法では,どのような形状のディンプルが,どの位置に,どのような間隔等で形成されるかは偶然の産物によるものとなるため,連続しない,独立したディンプルを均等に形成するためのプロセス管理が困難であり,安定した一定品質の成品を製造することが困難となる。

0016

また,この方法では,製造する成品の材料となるセラミックスの種類毎,製造する成品の種類毎に,添加する樹脂や発泡剤等の種類や量等を調整することが必要となる点においても製造管理が煩雑である。

0017

これに対し,焼成前のセラミックス原料を,ディンプルに対応する凸形状を備えた金型を用いて成形した後に焼成する方法では,この金型を使用して成型された成品は,いずれも同じ位置に同じ形状のディンプルを形成することができる点で成品間における品質のばらつきをなくすことができるが,この方法によるディンプルの形成では,セラミックス成品の摺動性を向上させようとした場合,摺動性を向上させるセラミックス成品自体を新たに作り直す必要があるのは勿論のこと,このセラミックス成品を製造するための成形用の金型についても新たに作り直す必要があり,更に製造コストが嵩む。

0018

これに対し,セラミックス成品の表面に単パルスレーザを照射して微小なディンプルを形成する特許文献4に記載の方法では,焼成後のセラミックス成品に対し事後的にディンプルを形成することができることから,新規に製造されるセラミックス成品にディンプルを形成する場合は勿論,既に製造され,使用されているセラミックス成品に対しても事後的にディンプルを形成して摺動性の向上等を図ることも可能である。

0019

しかも,この方法では,単パルスレーザの照射によって,一定した大きさ,深さのディンプルを,一定の間隔でパターン化して形成することで,品質の揃ったセラミックス成品を製造することも可能である。

0020

しかし,特許文献4に記載の方法によりパターン化されたディンプルを形成するためには,ベアリングの転動体等のセラミックス成品の1つ1つを所定の方向に回転させながら,単パルスレーザを所定の強度,所定の時間,所定の時間隔で正確に照射してディンプルを1つずつ形成していく煩雑な作業が必要で,1つのセラミックス成品に対するディンプルの形成に長時間を要することから,この方法でディンプルの形成を行えばセラミックス成品の製造コストを大幅に増大させることになる。

0021

なお,ディンプルの形成によってセラミックス成品の摺動性を向上させる従来の方法では,このようにして形成されたディンプル内にオイルやグリース等の潤滑剤を保持させることで摺動性の向上を得るものであり,潤滑剤を保持していない状態では摺動性の向上を得ることができない。

0022

しかし,セラミックス成品の用途によっては,オイルやグリース等の潤滑剤を使用できない場合もあり,また,近年の環境保全に対する意識の向上から,オイルやグリース等の潤滑油を使用しない,あるいは使用量の低減が求められており,このような潤滑剤を使用しない場合等においても,セラミックスの表面に摺動性を付与することができる方法の提案が要望されている。

0023

本発明は,上記要望に対応すべく成されたものであり,比較的簡単な方法により,低コストで,焼成済みのセラミックスの表面に対し事後的に摺動性を高める処理を行うことができ,しかも,接触面にオイルやグリース等の潤滑剤を介在させた場合は勿論,介在させていない場合においても高い摺動性を付与することのできる表面処理方法を提供することで,耐摩耗性や耐凝着性,離型性,及び耐久性に優れたセラミックス成品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

0024

上記目的を達成するための,本発明のセラミックスの表面処理方法は,
セラミックス表面のうち処理を行う部分である処理領域の表面に,メディアン径d50が1〜20μmの略球状の噴射粒体を,0.01MPa〜0.7MPaの噴射圧力圧縮気体と共に噴射して,前記処理領域の表面の最小自己相関長さ(Sal)が10以上の値となるように,前記処理領域の表面にディンプルを形成することを特徴とする(請求項1)。

0025

ここで「メディアン径d50」とは,累積質量50%径,すなわち,粒子群をある粒子径から2つに分けたとき,大きい側の粒子群の積算粒子量と,小さい側の粒子群の積算粒子量が等量となる径をいい,JIS R 6001(1987)における「累積高さ50%点の粒子径」と同義である。

0026

また,最小自己相関長さ(Sal)とは,ISO 25178における表面性状パラメータの1つであり,自己相関関数(ACF)が最も速く特定の値へ減衰する方向の水平距離を表したものである。

0027

前記ディンプルは,フェレ径比が0.7〜1.43である平面形状となるように形成することが好ましい(請求項2)。

0028

ここで,フェレ径比とは,撮影されたディンプルの平面形状に外接する,X軸に平行な辺と,Y軸に平行な辺によって構成された長方形Sの,X軸に平行な辺の長さである水平フェレ径(lx)と,Y軸に平行な辺の長さである垂直フェレ径(ly)の比(水平フェレ径lx/垂直フェレ径ly)である(図1参照)。

0029

前記ディンプルは,好ましくは開口径1〜20μm,深さ0.01〜1μmで形成する(請求項3)。

0030

更に,前記ディンプルは,前記ディンプルの開口面積の合計が前記処理領域の面積に対し50%以上になるように形成することが好ましい(請求項4)。

0031

また,本発明のセラミックス成品は,セラミックスから成る表面部分の少なくとも一部分である処理領域に,開口径1〜20μm,深さ0.01〜1μmのディンプルを備え,前記処理領域表面の最小自己相関長さ(Sal)が10以上の値であることを特徴とする(請求項5)。

0032

前記ディンプルは,好ましくはフェレ径比が0.7〜1.43の平面形状である(請求項6)。

0033

更に,前記ディンプルは,該ディンプルの開口面積の合計が前記処理領域の面積に対し50%以上になるように設けることが好ましい(請求項7)。

発明の効果

0034

以上で説明した本発明の構成により,本発明の表面処理方法では,比較的簡単な方法により,低コストで,焼成済みのセラミックス成品の表面に,事後的にディンプルを形成することができた。

0035

しかも,ディンプル形成後の表面三次元形状を,最小自己相関長さ(Sal)が10以上の値となるように調整することで,オイルやグリース等の潤滑剤を供給してディンプル内に保持させている場合は勿論,このような潤滑剤を供給することなく,ディンプル内に潤滑剤が保持されていない場合であっても,セラミックス表面の摺動性を上させて摩耗や凝着の発生を防止することで,セラミックス成品の耐久性を向上させることができると共に,本発明の表面処理方法をセラミックス製成形型のキャビティ内面等に適用した場合には,離型性が良くなることで生産性の向上を図ることができた。

図面の簡単な説明

0036

フェレ径比の説明図。
凹凸面における摺動抵抗の説明図。

0037

次に,本発明の実施形態につき添付図面を参照しながら以下説明する。

0038

処理対象
本発明における処理対象は,母材に至るまでセラミックスで形成されたセラミックス成品の他,金属から成る母材の表面にセラミックライナーを貼着し,又は,表面にセラミックコーティングを施した成品のように,少なくとも表面にセラミックスによって構成されている部分を有する各種成品を対象とすることができると共に,これらはいずれも本発明におけるセラミックス成品に含まれる。

0039

このセラミックスには,酸化物炭化物,窒化物ホウ化物珪化物弗化物硫化物炭素などの,主として非金属から成る無機固体材料全般を含み,一例としてアルミナ(Al2O3),ジルコニア(ZrO2),二酸化珪素(SiO2),チタン酸バリウム(BaO3Ti),酸化イットリウム(Y2O3),炭化ケイ素(SiC),炭化タングステン(WC),炭化チタン(TiC),窒化ケイ素(Si3N4),窒化チタン(TiN),窒化チタンアルミ(TiAlN),ホウ化チタン(TiB2),ホウ化ジルコニウム(ZrB2),珪化モリブデン(MoSi2),珪化タングステン(WSi2),フッ化カルシウム(CaF2),ダイヤモンドライクカーボン(DLC)や,前掲の二酸化珪素(SiO2)を主成分とするガラスソーダガラス鉛ガラス硼珪酸ガラス)等はいずれも本願におけるセラミックスに含まれる。

0040

また,前述したセラミックスによって形成された成品であれば,その用途に限定はなく,各種成品に対し本発明の方法を適用可能であり,また,成品表面の一部分に対し本発明の処理を行うこともでき,ベアリング,シャフト歯車などの他部材と摺接させて使用する摺動部材に対し適用する場合には,摺動部材のうち,他部材との摺動部のみを処理対象とするものとしても良い。

0041

処理方法
前述した被処理対象成品の表面のうち,本発明の表面処理方法を適用する部分である処理領域に対し,略球状の噴射粒体を圧縮気体と共に噴射すると共に衝突させることにより本発明の表面処理を行う。
上記の処理を行う際に使用する噴射粒体,噴射装置噴射条件を一例として以下に示す。

0042

(1)噴射粒体
本発明の表面処理方法で使用する略球状の噴射粒体における「略球状」とは,厳密に「球」である必要はなく,一般に「ショット」として使用される,角のない形状の粒体であれば,例えば楕円形型等の形状のものであっても本発明で使用する「略球状の噴射粒体」に含まれる。

0043

噴射粒体の材質としては,金属系,セラミックス系のいずれのものも使用可能であり,一例として,金属系の噴射粒体の材質としては,スチール高速度工具鋼ハイス鋼),ステンレス鋼,クロムボロン鋼(FeCrB)等を挙げることができ,また,セラミックス系の噴射粒体の材質としては,アルミナ(Al2O3),ジルコニア(ZrO2),ジルコン(ZrSiO4),炭化ケイ素(SiC),硬質ガラス等を挙げることができる。

0044

使用する噴射粒体の粒径は,メディアン径(d50)で1〜20μmの範囲のものが使用可能である。

0045

(2)噴射装置
前述した噴射粒体を被処理成品の表面に向けて噴射する噴射装置としては,圧縮気体(空気,アルゴン窒素等)と共に研磨材の噴射を行う既知ブラスト加工装置を使用することができる。

0046

このようなブラスト加工装置としては,圧縮気体の噴射により生じた負圧を利用して研磨材を噴射するサクション式のブラスト加工装置,研磨材タンクから落下した研磨材を圧縮気体に乗せて噴射する重力式のブラスト加工装置,研磨材が投入されたタンク内に圧縮気体を導入し,別途与えられた圧縮気体供給源からの圧縮気体流に研磨材タンクからの研磨材流を合流させて噴射する直圧式のブラスト加工装置,及び,上記直圧式の圧縮気体流を,ブロワーユニットで発生させた気体流に乗せて噴射するブロワー式ブラスト加工装置等が市販されているが,これらはいずれも前述した噴射粒体の噴射に使用可能である。

0047

(3)処理条件
以上で説明したセラミックス成品に対し,前述した材質等からなるメディアン径d50が1〜20μmの略球状の噴射粒体を,0.01MPa以上,0.7MPa以下の噴射圧力の圧縮気体と共に噴射することにより行う。

0048

これにより,セラミックスの表面に開口径1〜20μm,深さ0.01〜1μmのディンプルを形成することができる。

0049

噴射粒体の噴射は,形成されたディンプルの開口面積の合計が,ディンプル形成領域の面積に対し50%以上となるように行う。

0050

(4)最小自己相関長さ(Sal)
上記ディンプルの形成は,ディンプル形成後の処理領域の表面が,ISO 25178で規定する最小自己相関長さ(Sal)で10以上の値となるように行い,好ましくは,これに加え,形成されたディンプルのフェレ径比が0.7〜1.43となるように行う。

0051

最小自己相関長さ(Sal)は,式1に示す自己相関関数(ACF : Autocorrelation Function)が最も速く特定の値へと減衰する方向の水平距離を表したものであり,後掲の式2により表される。

0052

0053

前掲の自己相関関数(ACF)は,測定された表面〔Z(x,y)〕と重複した表面〔Z(x—tx,y−ty)〕を採取し,相対的な横方向の変位(tx,ty)と共に2つの表面を計算により掛け合わせて算出する。掛け合わせた結果の関数が積分され,正規化されて,2つの関数の重なり度の尺度が得られる。

0054

仮に,変位された表面が元の表面と同一であれば,自己相関関数(ACF)は1.00となり,また,変位された表面が,全てのピークが対応する谷に配列されるものである場合,自己相関関数(ACF)は−1.00となる。

0055

従って,自己相関関数(ACF)は,測定対象物表面性状が,元の位置から所定の距離でどの程度類似しているかを示す尺度となる。

0056

所定の変位量に対し,自己相関関数(ACF)が1.00付近にある場合,表面性状はその方向に沿って類似しており自己相関があり,自己相関関数が所定の方向に沿って急激にゼロに近づく場合,表面の状態が異なるから,自己相関が無いことを表す。

0057

最小自己相関長さ(Sal)は,式2に示したように,前述した自己相関関数(ACF)が最も速く減衰するまでの距離を求めるもので,式中のsは相関値(0≦s<1)であり,一般に0.2である。

0058

このように最小自己相関長さ(Sal)では,自己相関関数(ACF)が最も速く減衰するまでの距離を求めることから,算術平均高さSa(表面の平均面に対する各点の高さの差の絶対値の平均:ISO 25178)には表れない,表面の高さの変化の緩急数値化することができる。

0059

その結果,例えば,表面に形成された凹凸が,短波長成分が支配的である(高さの変化が急激である)場合,自己相関関数(ACF)は急激に減衰するため最小自己相関長さ(Sal)は小さな値となり,長波長成分が支配的である(高さの変化が緩やかである)場合,自己相関関数(ACF)の減衰は緩やかとなるため,最小自己相関長さ(Sal)は大きな値となる。

0060

本願では,この最小自己相関長さ(Sal)が10以上となるようにディンプルの形成を行うことで,高さが急激に変化する形状とならず,従って比較的深さの浅いディンプルが形成されるようにしている。

0061

(5)フェレ径比
本願では,前述したように最小自己相関長さSalを所定値以上とすることで比較的深さの浅いディンプルを形成する他,ディンプルが油溜り空気溜りとしての機能を発揮するよう,好ましくは更に,フェレ径比を0.7〜1.43の範囲に調整する。

0062

ここで,フェレ径比とは,図1に示すようにレーザ顕微鏡等で撮影されたディンプルの平面形状に外接する,X軸に平行な辺とY軸に平行な辺によって構成される長方形Sの,X軸に平行な辺の長さ(水平フェレ径lx)と,Y軸に平行な辺の長さ(垂直フェレ径ly)の比(水平フェレ径lx/垂直フェレ径ly)を表したものである。

0063

略球状のショットの衝突によって形成されるディンプルの平面形状は,略円形となり,水平フェレ径lxと垂直フェレ径lyの長さが同一の長さ,従って,フェレ径比が1.0に近い程,ディンプルは円形に近い形状となる。

0064

従って,ディンプルのフェレ径比を,前述した数値範囲とすることで,水平フェレ径(lx)と垂直フェレ径(ly)が大きく相違する形状のディンプルが形成されないようにすることで,ディンプルの形状を比較的円形に近い形状のものとすることができ,複数のディンプルがつながり合うことで溝状となったディンプルの形成や,残存したツールマーク切削痕)の窪み等,潤滑油や空気を保持し難い形状の凹部が形成されることを防止することかできる。

0065

このようなフェレ径比は,形状解析機能を備えたレーザ顕微鏡によって処理後のセラミックス表面を撮影することにより取得することができ,本実施形態では,キーエンス社製の形状解析レーザ顕微鏡(「VK−X250」)を用いて測定倍率1000倍で測定を行い,測定したデータを,前記レーザ顕微鏡に付属解析ソフトマルチファイル解析アプリケーションVK−HIMX」を使用してフェレ径比を求めた。

0066

〔作用等〕
以上で説明したように,本発明では最小自己相関長さ(Sal)の値を10以上としたことで,処理領域における表面の高さ変化は比較的緩やかなものとなっている。

0067

ここで,図2に示すように,摺接する2つの表面(表面1,表面2)に形成されている凹凸の噛み合いによって生じる摺動抵抗が摩擦力を増大させていると考えると,2つの表面を摺接させた場合,表面2の凸部は,荷重Wに逆らって表面1の凸部を乗り越えなければならず,この乗り越えに必要なエネルギー損失が摺動抵抗Fとなって摩擦力を増大させる。

0068

ここで,摺動抵抗Fと同じだけの外力F’を加えたとき,傾斜角θの凸部の斜面を上向きに移動しようとする力(F’cosθ)と,荷重Wにより前記斜面を下向きに移動しようとする力(Wsinθ)は釣り合うことから,
F’cosθ=Wsinθ となる。
ここで,摺動抵抗Fは,前述したように外力F’と等しいことから,
F=F’=Wsinθ/cosθ=Wtanθとなる。
従って,荷重Wが一定であると仮定すると,摺動抵抗Fは「tanθ」,すなわち傾斜角度θに比例して変化することから,これに対応して摩擦力も変化する。

0069

自己相関長さSalの数値が小さい場合,処理後の表面における高さの変化は急激となるから,表面凹凸図2に示すように鋭角な形状になるので,凸部の傾斜角θは大きくなり,摺動抵抗Fは大きくなる。

0070

一方,最小自己相関長さ(Sal)を10以上とした本願の加工後の表面では,急激に高さが変化する表面状態とはなっておらず,比較的緩やかに高さが変化する形状となっており,表面凹凸における長波長成分が支配的となることから,凹凸は緩やかな形状となり傾斜角度θも小さくなり,その結果,摺動抵抗Fも小さくなる。

0071

このように,本願では最小自己相関長さ(Sal)を管理してディンプルを形成することで,ディンプルの形成によって表面を凹凸に形成しつつも,摺動抵抗Fを低減することのできる表面形状を得ることができ,それによりセラミックス表面の摺動性が向上することで,耐摩耗性が向上し,凝着し難くなる。

0072

また,このような表面をセラミックス製の金型表面に形成する場合には,成形品の離型性を向上させることができ,生産性を向上させることができる。

0073

しかも,本発明の方法によって形成されるディンプルは,前述したようにフェレ径比(lx:ly)を0.7〜1.43の範囲となるように形成したことで,比較的円形に近い,空気や潤滑油を保持し易い形状のディンプルを形成することができ,このディンプル内に空気や潤滑油を保持させることで,より摺動性の高い,耐摩耗性,耐凝着性に優れ,離型性等にも優れたセラミックス表面とすることができた。

0074

〔凝着試験1〕
(1)試験の目的
本発明の方法で表面処理を行うことでセラミックス表面に対する凝着が生じ難くなることを確認する。

0075

(2)試験方法
ジルコニア(ZrO2)製の試験片(40mm×40mm×2mm)の表面に本発明の方法で表面処理を行ったもの(実施例1,実施例2)と,算術平均粗さRa(JIS B0601 1994)0.1μmに研磨した研磨品(比較例)に対し,ボールオンディスク摩擦摩耗試験機を用いて,SUS304製ボール及びA1050製ボール(いずれも直径3/16インチ)を使用して無給油にて摩擦摩耗試験を行い,摩擦部の表面に対するボール材凝着状態を確認した。

0076

なお,ボールの材質としてSUS304を選択した理由は,SUS304は,一般的な鉄鋼材と比較して熱伝導率が1/4と非常に低く,そのため摩擦時に発生した熱を発散し難く,局部的に高温となり易く凝着し易いため,SUS304の凝着防止を行うことができれば,他の鉄鋼材料の凝着も防止できることの予測が可能なためである。

0077

また,A1050を選択した理由は,アルミニウムは融点が低く摩擦時に局部的に高温となった際に凝着し易い材料であり,特にA1050は,アルミニウムが99.5%以上である所謂「純アルミニウム」と呼ばれるもので,アルミニウム合金の中でも最も強度が低く凝着し易いことから,A1050の凝着が防止できれば,他の非鉄金属の凝着も防止できることの予測が可能なためである。

0078

(3)試験条件
(3-1)表面処理条件
各試験片に対する表面処理条件を下記の表1に示す。

0079

0080

(3-2)ボールオンディスク処理条件
上記実施例1,2及び比較例の試験片に対するボールオンディスク式摩擦摩耗試験の条件を下記の表2に示す。

0081

0082

(3-3)凝着量測定方法
上記条件でボールオンディスク式摩擦摩耗試験を行った後の試験片(実施例1,2及び比較例)に対し,エネルギー分散X線解析(EDX:Energy dispersive X-ray spectrometry)を用いて凝着元素を確認した。

0083

SUS304製ボールを使用した摩擦摩耗試験後の試験片では,Fe(鉄)成分を,A1050製ボールを使用した摩擦摩耗試験後の試験片では,Al(アルミニウム)の成分を,それぞれ質量濃度で確認した。

0084

(4)試験結果
各試験片に対するSUS304及びA1050の凝着量を測定した結果を表3に示す。

0085

0086

以上の結果から,本発明の方法で表面処理を行った実施例1及び2の試験片では,給油を行っていないにも拘わらず,本発明の方法による表面処理を行っていない比較例1に比較して,SUS304及びA1050のいずれ共に凝着量が減少していることを確認することができた。

0087

特に,実施例2の試験片に比較して,最小自己相関長さ(Sal)がより大きな数値となっていると共に,フェレ径比がより1.00に近い実施例1の方が,SUS204,A1050のいずれ共に凝着量が減少しており,本発明の表面処理方法のように,最小自己相関長さ(Sal)の大きな表面に加工すること,及びフェレ径比が1.00に近い表面形状とすることが,セラミックス表面の凝着防止に有効であること,しかも,このような効果が無給油にて得られることが確認された。

0088

〔凝着試験2〕
(1)試験の目的
本発明の方法で表面処理を行ったセラミックス表面が凝着の生じ難いものであるとこを確認する。

0089

(2)試験方法
ジルコニア(ZrO2)製のアルミ合金押出し成型金型の表面に本発明の方法で表面処理を行ったもの(実施例3,実施例4,実施例5)と,算術平均粗さRa(JIS B0601 1994)0.1μm以下にラップ研磨した研磨品(比較例2)を使用し,潤滑剤を使用せずにアルミニウム合金の押出成形を行い,アルミニウム合金との摺接部にアルミニウム合金が凝着しているか否かを目視により確認した。

0090

(3)試験条件
各金型に対する表面処理条件を下記の表4に示す。

0091

0092

(4)試験結果
押出し成型用金型に対するアルミニウム合金の凝着状態を目視にて測定した結果を表5に示す。

0093

0094

以上の結果から,本発明の方法で表面処理を行った実施例3〜5の押出し成型金型は,ラップ研磨を行った比較例2の押出し成形金型との比較において,いずれもアルミニウム合金の凝着が減少していた。

0095

特に,実施例4に比較して最小自己相関長さ(Sal)が大きく,フェレ径比が1.0に近い実施例3及び実施例5では,実施例4との比較においても凝着が生じ難いものであることが確認されており,本発明の表面処理方法のように,最小自己相関長さ(Sal)が大きく,水平フェレ径lxと,垂直フェレ径lyの長さの比が小さくなるように表面を加工することが,セラミックス表面の凝着防止に有効であることが確認された。

0096

摺動試験
(1)試験の目的
本発明の方法で表面処理を行うことにより,セラミックス表面の摺動性が向上することを確認する。

0097

(2)試験方法
ジルコニア(ZrO2)製の薬液注入ピストンの表面に本発明の方法で表面処理を行ったもの(実施例6,実施例7)と,算術平均粗さRaで0.2μm以下にラップ研磨した研磨品(比較例3)を,それぞれ樹脂製のシリンダ内に挿入し無潤滑(オイルや水等の介在なし)で進退移動させた際の摺動抵抗の大きさを評価した。

0098

(3)試験条件
各ピストンに対する表面処理条件を下記の表6に示す。

0099

0100

(4)試験結果
各ピストンの摺動抵抗を評価した結果を,表7に示す。

0101

0102

以上の結果から,本発明の方法で表面処理を行った実施例6〜8のピストンは,研磨品である比較例3のピストンとの比較において,いずれも摺動抵抗が低くなっていた。

実施例

0103

特に,実施例6〜8間の比較においては,最小自己相関長さ(Sal)が大きくなるに従い,また,水平フェレ径lxと,垂直フェレ径lyの長さの比が小さくなる程,摺動抵抗が低下しており,本発明の表面処理方法のように,最小自己相関長さ(Sal)が大きく,フェレ径比を1.0に近い表面に加工することが,セラミックス表面の摺動性の向上に有効であることが確認された。

0104

以上で説明した本発明の方法は,各種の摺動部品,例えばセラミックス製のピストン,ベアリングのセラミックス製転動子,セラミックス製ライナー材,各種成品のセラミックコート表面等の摺動性,凝着防止性の向上を目的として,また,セラミックス製又はセラミックコーティングされた成形型等の離型性向上を目的として,セラミックス表面を有する各種成品に対し適用可能である。

0105

また,本発明の方法で表面処理を行うことで,滑りが良く,他部材が付着し難く,付着しても容易に剥離できる表面を形成することができることから,例えばセラミックコーティングされたフライパンガスレンジのセラミックトップ等の調理器具等に対し本発明の表面処理を行うことで,食材焦げ等が付着し難く,付着しても容易に除去し得る表面とすることができ,フッ素樹脂加工等に代わる表面処理としての用途も期待できる。

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