(57)【要約】      （修正有）【課題】汚染物に対する仕上げ処理等を必要とすることなく、さらには高精度かつ高効率で材料表面に凹部（くぼみ）を形成することが可能な、多孔形成方法を提供する。【解決手段】母材の少なくとも表面部分にこの母材よりも平衡蒸気圧が高い物質が分散された被加工材１１に対して、その表面に電子ビーム１３を照射して前記物質を蒸発させ、前記被加工材の表面に凹部１４を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の少なくとも表面部分にこの母材よりも平衡蒸気圧が高い物質が分散された被加工材を準備する工程と、
前記被加工材の表面に電子ビームを照射し前記物質を蒸発させ、前記被加工材の表面に凹部を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、多孔表面の形成方法。
【請求項２】
前記物質は塩化物、硫化物、窒化物、及び炭化物からなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項１に記載の多孔表面の形成方法。
【請求項３】
前記電子ビームのエネルギー密度が１ Ｊ／ｃｍ２から５０ Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多孔表面の形成方法。
【請求項４】
前記電子ビームがパルス状の電子ビームであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の多孔表面の加工方法。
【請求項５】
前記物質がＭｎＳであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の多孔表面の加工方法。
【請求項６】
前記被加工材に対する前記ＭｎＳの含有量が、０．０１重量％以上であることを特徴とする、請求項５に記載の多孔表面の形成方法。
【請求項７】
前記被加工材において、前記物質の前記母材中への分散は、前記母材を構成する材料と前記物質との化合物を溶体化温度以上に加熱した後、５０℃／秒以上の冷却速度で冷却を行うことによって行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の多孔表面の形成方法。
【請求項８】
前記被加工材において、前記物質の前記母材中への分散は、前記母材を構成する材料と前記物質との混合物をメカニカルミリングすることによって行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の多孔表面の形成方法。
【請求項９】
前記被加工材において、前記物質の前記母材中への分散は、前記母材を構成する材料上に前記物質を配置した後、上方から摩擦攪拌処理を実施することによって行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の多孔表面の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材表面に多孔形成を施し、種々の機能性を付与するようにした材料加工技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面にディンプル加工等を施し、多孔性の表面を形成してなる部材は、例えば、潤滑油の保持性能を高めた摺動部材や、アーク放電を制御した電極部材、熱伝達促進を目的とした熱交換器の部材、集光を目的とした光学用の部材など、エネルギー関連機器の分野で多くの適用先がある。
【０００３】
例えば摺動面の潤滑油保持などでは、現在でも手作業による「きさげ仕上げ」などによってくぼみを形成する方法などが利用されているが、信頼性の高い表面仕上げのためには、作業者の熟練度が必要である。
【０００４】
このような観点から、材料表面へディンプル加工を施し、上述したくぼみ（凹部）を簡易かつ効率的に形成する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、１０〜２００μｍの鋼球あるいはセラミックス球を用い、サンドブラストあるいはショットピーニングによって材料表面にくぼみを形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、硬球を用いてディンプル加工を行い、材料表面にくぼみを形成する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、ＣＯ２レーザパルスを用いて材料表面にくぼみを形成する技術が開示されており、特許文献４には、ボールエンドミルを用いて材料表面にくぼみを形成する技術が開示されている。さらに、特許文献５には、液体中に微細なキャビテーション泡を発生させ、このキャビテーション泡の崩壊時の衝撃波を利用して材料表面にくぼみを形成する技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び２に記載の方法では、上述したセラミックス球や鋼球などが多量に必要となり、多くの場合には、これらの加工材料が表面に汚染物として残存することから、これを除去するための仕上げ処理などの後工程が必要となる。
【０００７】
また、特許文献３に記載の方法では、レーザ照射による加工により、比較的クリーンな状態で表面にくぼみの形成ができるものの、基本的には１照射につき１ディンプル（くぼみ）しか加工できないことから、加工時間がかかることや、加工装置に高精度な位置決め機構が必要であること、加工範囲に制約を受けるなど、大型部品表面へのディンプル加工には、あまり適していない。
【０００８】
さらに、特許文献４に記載の方法では、ボールエンドミルによる機械加工もレーザ加工と同様、１工程で１ディンプルしか加工することが出来ず、加工時間などの問題から、大型部品の施工には適していないのが現状である。
【０００９】
また、特許文献５に記載の方法では、被加工物と振動体との間隔を高精度に制御する必要があることから、曲面をもつ部材への適用などには問題も多く、実用に際しては多くの技術的課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１８４８８３号公報
【特許文献２】特開２００３−４２１５３号公報
【特許文献３】特開２００２−１０３０６４号公報
【特許文献４】特開２００２−３６１５１０号公報
【特許文献５】特開２００６−８２１６３号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上述したような既存の多孔表面形成加工の課題に鑑み、汚染物に対する仕上げ処理等を必要とすることなく、さらには高精度かつ高効率で材料表面に凹部（くぼみ）を形成することが可能な、多孔形成方法を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明の一態様は、母材の少なくとも表面部分にこの母材よりも平衡蒸気圧が高い物質が分散された加工材を準備する工程と、前記加工材の表面に電子ビームを照射し前記物質を蒸発させ、前記加工材の表面に凹部を形成する工程と、を具えることを特徴とする、多孔表面の形成方法に関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、汚染物に対する仕上げ処理等を必要とすることなく、さらには高精度かつ高効率で材料表面に凹部（くぼみ）を形成することが可能な、多孔形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における被加工材への凹部の形成方法に関する説明図である。
【図２】同じく、実施形態における被加工材への凹部の形成方法に関する説明図である。
【図３】実施形態における被加工材の形成方法を説明するための図である。
【図４】実施例における被加工材の表面顕微鏡写真である。
【図５】同じく、実施例における被加工材の表面顕微鏡写真である。
【図６】実施例における電子ビームと凹部の発生密度との関係を示すグラフである。
【図７】実施例における被加工材中のＦｅに対するＭｎの比と、電子ビームのエネルギー密度との関係を示すグラフである。
【図８】実施例における被加工材の形成方法と、凹部発生数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について説明する。
【００１６】
（被加工材への凹部形成）
最初に、被加工材への凹部（くぼみ）の形成方法について説明する。図１及び２は、本実施形態における被加工材への凹部の形成方法に関する説明図であり、前記被加工材の断面を示している。
【００１７】
図１に示すように、母材１１中に、この母材１１よりも平衡蒸気圧が高い物質１２を分散させてなる被加工材１０を準備する。
【００１８】
母材１１に使用できる材料としては特に限定されるものではない。しかしながら、目的とする多孔表面を有する部材の主要部分を構成するものであるから、前記部材の用途に応じて適宜に選択する。例えば、金属やセラミックからなる部材を用いることができる。金属からなる部材としては、炭素鋼やステンレス鋼などの鋼材、アルミニウム合金、銅合金及びニッケル合金などを例示することができる。セラミックからなる部材としては、Ａｌ２Ｏ３やＭｇＯなどの酸化物セラミックス、ＳｉＣなどの炭化物系セラミックス、ＴｉＮなどの窒化物系セラミックス及び（ＳｉＡｌＯＮなどの複合酸化物などを例示することができる。
【００１９】
また、物質１２としては、母材１１より平衡蒸気圧が高く、以下に説明する電子ビームの照射によって瞬間的に蒸発するものであれば特に限定されるものではない。また、母材１１中に分散させるものであるので、母材１１と反応したり、母材１１中に溶解したりしないものであることが必要である。例えば、塩化物、硫化物、窒化物及び炭化物等から構成することができる。例えば、ＦｅＣｌ２やＦｅＣｌ３、ＮｉＣｌ２、ＣｏＣｌ２などの塩化物、ＭｎＳ、ＣｕＦｅＳ２、Ｃｕ２Ｓ、ＣｕＳ、ＰｂＳ、ＣｏＳ，Ｎｉ３Ｓ２、ＺｎＳ、ＦｅＳなどの硫化物、ＡｌＮやＴｉＮ、Ｚｎ３Ｎ２、Ｃｕ３Ｎ、ＦｅＮ、ＣｒＮなどの窒化物、ＦｅＣやＦｅ３Ｃ、ＴｉＣ、Ｃｒ２３Ｃ６などの炭化物を挙げることができる。
【００２０】
例えば、多孔質表面を有する部材として耐食性が要求される場合には、母材１１としてＳＵＳを用いることができる。この場合、物質１２としてはＭｎＳを用いることができる。これらの材料の組み合わせにおいては、母材１１を構成するＳＵＳに比較して物質１２を構成するＭｎＳの蒸気圧が極めて高いために、以下に示す電子ビーム照射によってＭｎＳからなる物質１２を簡易かつ瞬間的に蒸発させることができる。
【００２１】
上述のようにＭｎＳを物質１２として用いる場合、その含有量は被加工材１０の全体に対して０．０１重量％以上とすることが好ましい。これによって、多孔表面を有する目的とする部材を得た場合に、その表面に実用に足るような大きさの凹部（くぼみ）を形成することができるようになる。例えば、１μｍ以上の凹部を形成することができ、例えば、上述した摺動部材中への潤滑油の保持性能等を向上させることができるようになる。
【００２２】
なお、ＭｎＳの含有量の最大値は、被加工材１０の全体に対して例えば２重量％とすることができる。これを超えて含有量が増えると、母材１１の存在割合が減少し、最終的に得た多孔表面を有する部材の本来の特性、例えば機械的強度等が劣化してしまう場合がある。
【００２３】
次いで、図２に示すように、被加工材１０に対して電子ビーム１３を照射し、被加工部材１０の特に表面近傍に存在する物質１２を蒸発させる。なお、この際、物質１２はガス状となった後に爆発的に蒸発することから、被加工部材１０の表面に形成される凹部（くぼみ）１４は、物質１２が爆発してガス状となることにより、物質１２が存在する領域を一端拡大した後に蒸発することになる。したがって、凹部１４の大きさは物質１２が存在していた領域の大きさよりも増大する。
【００２４】
なお、電子ビーム１３のエネルギー密度は１ Ｊ／ｃｍ２から５０ Ｊ／ｃｍ２であることが好ましい。この範囲のエネルギー密度を有する電子ビーム１３を用いることにより、上述した物質１２の蒸発を良好に行うことができる。エネルギー密度が５０ Ｊ／ｃｍ２を超えると、物質１２の蒸発に加えて母材１１が溶融し、物質１２の蒸発によって形成された凹部１４中に溶融した母材１１の構成成分が流れ込み、目的とする凹部１４を消失させたり、目的とする大きさの凹部１４を形成できなかったりする場合がある。
【００２５】
また、電子ビーム１３の照射時間は、例えば数マイクロ秒から数十ミリ秒のオーダとすることができる。
【００２６】
さらに、電子ビーム１３はパルス状の電子ビームであることが好ましい。この場合、パルス幅やパルス数を制御することによって、電子ビーム１３の照射時間をマイクロ秒のオーダで制御することが可能となり、上述した物質１２の蒸発を高精度に行うことができるようになる。
【００２７】
（被加工材の形成）
次に、図１及び２に示す被加工材１０の形成方法について説明する。
第１の方法としては、母材１１を構成する材料と物質１２との化合物（例えば、合金等）に対して溶体化処理を行う。具体的には、前記化合物を溶体化温度以上に加熱した後、５０℃／秒以上、好ましくは１００℃／秒以上の冷却速度で冷却する。これによって、前記化合物中の物質１２が析出して母材１１中に均一に分散するようになる。
【００２８】
なお、上記化合物は、母材１１を構成する前記材料と物質１２との種類に応じて適宜に処理を行って得る。例えば、上記ＳＵＳとＭｎＳとの組み合わせでは、両者を加熱溶融して合金化し、前記化合物としての合金を得た後に、前記合金に対して溶体化処理を行う。
【００２９】
第２の方法としては、母材１１を構成する前記材料と物質１２との混合物をメカニカルミリングすることによって得る。この場合は、前記混合物を所定のメカニカルミリング装置内に入れ、所定時間加工を行うことによって、前記混合物中の物質１２を母材１１を構成する材料中に拡散浸透させる。これによって、母材１１中に物質１２が分散した被加工材１０を得ることができる。
【００３０】
第３の方法としては、母材１１を構成する前記材料上に物質１２を配置した後、上方から摩擦攪拌処理を実施することによって得る。一例として、図３に示すように、母材１１上に物質１２からなる層１２Ａを形成し、層１２Ａの上方からドリル加工を行う。この場合、層１２Ａは塑性流動を生ぜしめ、層１２Ａを構成する物質１２が母材１１中に機械的に攪拌し、母材１１中に物質１２が分散してなる被加工材１０を得ることができる。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を母材とし、この母材中にＭｎＳを含有及び分散させて被加工材を得た。なお、ＭｎＳの前記被加工材の全体に対する含有量は０．１重量％及び０．０２６重量％とした。なお、前記被加工材は溶体化処理によって形成した。
【００３２】
次いで、前記被加工材に対して、１０Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度の電子ビームの２マイクロ秒の照射を１ショットとし、合計２０ショットの電子ビーム照射を実施した。この時の前記被加工材の表面の状態を図４及び５に示す。図４及び５は、前記被加工材の表面顕微鏡写真であり、図４及び５から明らかなように、上述した操作によって、前記被加工材の表面には無数の凹部（くぼみ）が形成されていることが分かる。特に、前記被加工材中へのＭｎＳの含有量を増大させた場合、比較的大きな凹部が形成されていることが分かる。
【００３３】
したがって、本実施例においては、極めて短時間で前記被加工材の表面に多数の凹部を形成することが可能であることが判明した。
【００３４】
（実施例２）
本実施例では、実施例１と同様の被加工材（ＭｎＳ含有量：０．０２６重量％）を用い、パルス電子ビーム照射を実施した際の、電子ビームと凹部の発生密度との関係を調べた。なお、照射条件は、実施例１と同様にした。結果を図６に示す。
【００３５】
図６に示すように、エネルギー密度が１Ｊ／ｃｍ２を超えたあたりから急速に凹部の発生数が増加し、１５Ｊ／ｃｍ２近傍で凹部の発生数が飽和した後、３０Ｊ／ｃｍ２を越えて凹部の発生数が急速に低下する傾向が認められる。このような傾向は、ＳＵＳ３０４からなる母材中に分散したＭｎＳが、電子ビームのエネルギー密度が１Ｊ／ｃｍ２を越えた時点で蒸発し始め、エネルギー密度が大きくなるに伴って、蒸発量が増えるものの、母材中のＭｎＳ量には限りがあるために蒸発量は飽和し、さらにエネルギー密度を増加させると、母材などの溶融・蒸発が生じることにより、くぼみとして痕跡を残さないため、高エネルギー側でくぼみの発生数が減少しているものと考えている。
【００３６】
したがって材料によってエネルギー密度の適正値には違いがあるものの、エネルギー密度の最低値としては１ Ｊ／ｃｍ２、上限値としては５０ Ｊ／ｃｍ２程度の範囲で表面の加工を実施することが好ましいことが分かる。
【００３７】
なお、電子ビーム照射を行いながら、飛散する蒸発物を誘導結合プラズマによる質量分析計を用いて元素分析を実施した。主要元素であるＦｅに対するＭｎの比と、上記電子ビームのエネルギー密度との関係を図７に示す。
【００３８】
図７より、２ Ｊ／ｃｍ２程度の低エネルギーの部分にＭｎのピークがあることから、この程度のエネルギー密度でも、母材中に分散したＭｎＳが蒸発していることがわかる。この結果は、前述したくぼみの発生と良く一致している。なお、電子ビームのエネルギー密度が高くなると、Ｆｅの蒸発量が増加するため、相対的なＭｎの蒸発量は減少する傾向にあり、最終的には、被加工材に含まれるＭｎとＦｅとの比に近い値で一定になる。
【００３９】
（実施例３）
本実施例では、前記被加工材を上述した第１の方法（溶体化・冷却処理）、第２の方法（メカニカルミリング処理）及び第３の方法（摩擦攪拌処理）によって形成した際の、凹部の形成割合（凹部の発生数）をそれぞれ比較した。なお、前記被加工材は、実施例１同様に、被加工材（ＭｎＳ含有量：０．０２６重量％）を用い、パルス電子ビーム照射を実施した際の、電子ビームと凹部の発生密度との関係を調べた。なお、照射条件は、実施例１と同様にした。結果を図８に示す。
【００４０】
図８に示すように、上記被加工材をＳＵＳ３０４とＭｎＳとから構成した場合においては、メカニカルミリング処理によって形成した被加工材の凹部発生数が最も多いことが判明した。なお、摩擦攪拌処理と溶体化・冷却処理とでは、発生する凹部の数はやや摩擦攪拌処理の場合の方が多いことが判明した。
【００４１】
但し、本実施例は、上記被加工材をＳＵＳ３０４とＭｎＳとから構成し、ＭｎＳ含有量をＭｎＳ含有量を０．０２６重量％とした場合であって、条件を変えれば異なる結果が得られる可能性も十分にある。
【００４２】
また、図８には、参考としてＭｎＳなどの物質が母材中に分散していない、いわば母材のみからなる被加工材として圧延切出し材に、上記パルス電子ビームを照射した場合の結果をも併せて示した。この結果から、前記圧延切出し材の場合でも、凹部の発生することが確認されたが、その数は上述した本実施形態に従って得た被加工材と比較して十分に少ないことがわかる。
【００４３】
但し、この場合でも極少数の凹部が形成されるのは、前記圧延切出し材中に含まれる不純物が上述したパルス電子ビームの照射によって蒸発しているためと考えられる。
【００４４】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  被加工材
１１  母材
１２  （母材中に分散した）物質
１３  電子ビーム
１４  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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