(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基材の表面処理方法であって、
鉄基材の表面に炭素膜を形成させ、
形成させた前記炭素膜の上にフラーレンを塗布し、
表面に炭素膜が形成され、該炭素膜の上にフラーレンが塗布された前記鉄基材を、５００℃以上の温度であって１５０ＭＰａ以上の圧力の高温・高圧ガスを媒体として加熱及び加圧する、
鉄基材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄基材の表面処理方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面処理とは、めっき、または、塗装等も含めて、基材表面の性質を高めるために行われる処理の一つである。鉄基材の表面処理方法としては、鋳造型の表面処理方法が良く知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に開示される鋳造型の表面処理方法は、鋳造型の表面に炭素膜を形成させ、さらに形成させた炭素膜の表面にフラーレン類を塗布する表面処理方法である。特許文献１に開示される表面処理を施した鋳造型では、成形品の鋳造型への焼き付きが抑制され、成形品との離型抵抗が低減され、成形品との離型効果が向上する。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示される表面処理を施した鋳造型では、形成された炭素膜に塗布されたフラーレンの減少に伴い、炭素膜中のナノカーボンの劣化が促進される。この理由としては、形成された炭素膜中において、フラーレンがナノカーボンの表層部分にしか密着できないため、何らかの理由で表層部分のフラーレンがなくなると、炭素膜がナノカーボンのみとなり、炭素膜の強度が低下するからと考えられる。
【０００５】
また、特許文献１に開示される表面処理を施した鋳造型では、鋳造型に高い荷重が加えられると、炭素膜のナノカーボンの根元部分に直接負荷がかかるため、ナノカーボンが減少しやすくなり、基材の摩耗量が増加することになる。
【０００６】
そこで、鉄基材の表面処理方法においては、耐磨耗性及び低摩擦性を向上することが課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０３６１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は、耐磨耗性及び低摩擦性を向上できる鉄基材の表面処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、鉄基材の表面処理方法であって、鉄基材の表面に炭素膜を形成させ、形成させた前記炭素膜の上にフラーレンを塗布し、表面に炭素膜が形成され、該炭素膜の上にフラーレンが塗布された前記鉄基材を、５００℃以上の温度であって１５０ＭＰａ以上の圧力の高温・高圧ガスを媒体として加熱及び加圧する、
鉄基材の表面処理方法。
ものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の鉄基材の表面処理方法によれば、耐磨耗性及び低摩擦性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る表面処理工程の流れを示したフロー図。
【図２】表面処理後の基材表面を示す模式図。
【図３】他の表面処理工程による基材断面との比較を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を用いて、表面処理工程Ｓ１００の流れについて説明する。
表面処理工程Ｓ１００は、本発明に係る表面処理方法の実施形態である。本実施形態では、鉄基材としての基材１０の表面処理を表面処理工程Ｓ１００によって行うものとする。本実施形態の基材１０の材質は、ＳＫＤ６１としている。なお、本実施形態では、基材１０としてＳＫＤ６１を用いたが、本発明はこれに限定されない。その他の鉄基材であっても同様の作用及び効果を奏するものとする。
【００１４】
表面処理工程Ｓ１００は、炭素膜形成工程Ｓ１１０と、フラーレン類塗布工程Ｓ１２０と、加熱・加圧工程Ｓ１３０と、を具備している。
【００１５】
炭素膜形成工程Ｓ１１０の流れについて説明する。
炭素膜形成工程Ｓ１１０は、基材１０の表面に、炭素膜を形成させる工程である。
【００１６】
本実施形態の炭素膜形成工程Ｓ１１０では、雰囲気炉において、基材１０の表面に、炭素膜を形成させる。まず、雰囲気炉内を減圧することによって炉内の空気を排出し、その後炉内に窒素ガスを封入して窒素雰囲気とする。次に、雰囲気炉内に、硫化水素ガス、アセチレンガス及びアンモニアガスを流通させながら、０．５時間で４８０℃まで昇温する。雰囲気炉が昇温開始から０．５時間後に４８０℃になった時点で、硫化水素ガスの供給を停止する。硫化水素ガスの供給を停止して０．５時間経過した時点で、アセチレンガスの供給を停止する。
【００１７】
そして、雰囲気炉内を、アンモニアガスを流通させながら４８０℃に維持する。アセチレンガスの供給を停止してから４．５時間経過した時点で、アンモニアガスの供給を停止し、その後雰囲気炉内に窒素ガスを流通させながら降温する。
【００１８】
以上の処理によって、基材１０の表面に炭素膜２０が形成される。
【００１９】
なお、炭素膜２０は、ナノカーボン類であるナノカーボン２５を含むものである。ナノカーボン２５は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及びカーボンナノフィラメント等のナノカーボン類である。
【００２０】
フラーレン類塗布工程Ｓ１２０について説明する。
フラーレン類塗布工程Ｓ１２０では、基材１０の表面に形成された炭素膜２０の上にフラーレン３０を塗布する工程である。
【００２１】
本実施形態のフラーレン類塗布工程Ｓ１２０では、基材１０を略３００℃に加熱した後に、フラーレン３０の粉末（フロンティアカーボン社製  ｎａｎｏｍ  ｐｕｒｐｌｅ  ＳＴ）を付着させた布を用いて、基材１０の表面に形成された炭素膜２０の表面にフラーレン３０の粉末を塗布する。
【００２２】
より具体的には、布にフラーレン３０の粉末を十分に付着させて、１０〜３００ｇ／ｃｍ2程度の圧力でフラーレン３０の粉末を均すようにしながら、炭素膜２０の表面全体にフラーレン３０の粉末を塗布する。なお、基材１０の温度は、フラーレン３０の粉末を塗布している間は、３００℃未満〜１００℃程度になるようにしている。
【００２３】
以上の処理によって、基材１０の表面に形成された炭素膜２０の表面に対して１ｍｇ／ｃｍ2程度のフラーレン３０が塗布される。
【００２４】
なお、フラーレン３０とは、閉殻構造を有する炭素クラスタであり、通常は炭素数が６０〜１３０の偶数である。具体例としては、Ｃ６０等の高次の炭素クラスタが挙げられる。また、フラーレン３０は、上述したフラーレンの他、フラーレン分子に他の分子や官能基を化学的に修飾したフラーレン誘導体を含むものとする。
【００２５】
加熱・加圧工程Ｓ１３０について説明する。
加熱・加圧工程Ｓ１３０は、略５００℃以上の温度であって略１５０ＭＰａ以上の圧力の高温・高圧ガスを媒体として、基材１０の表面に形成された炭素膜２０、ならびに、炭素膜２０に塗布されたフラーレン３０を加熱及び加圧する工程である。
【００２６】
本実施形態の加熱・加圧工程Ｓ１３０では、加熱・加圧処理をＨＩＰ（Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）処理によって行うものとする。ＨＩＰ処理とは、熱間静水圧成形であって、高温・高圧ガスを媒体として、ワークを等方的に圧縮して緻密化する処理方法である。言い換えれば、ＨＩＰ処理とは、アルゴンガスなどのガスを媒体として高い圧力と高い温度の相乗効果を利用して成形処理するものである。
【００２７】
より具体的には、ＨＩＰ装置（図示略）によって、温度が５００℃であって圧力が１８０Ｍｐａのアルゴンを媒体として、基材１０の表面に形成された炭素膜２０、ならびに、炭素膜２０に塗布されたフラーレン３０を加熱及び加圧する。なお、ＨＩＰ装置は、圧力容器、断熱板、ヒーター及びプレスフレーム等によって構成されるものであって、詳細な構成については説明を省略する。
【００２８】
図２を用いて、表面処理工程Ｓ１００の作用について説明する。
なお、図２は、表面処理後の基材１０の表面を模式的に示している。
表面に炭素膜２０が形成され、炭素膜２０にフラーレン３０が塗布された基材１０を、略１５０ＭＰａ以上の圧力で加圧することで、炭素膜２０のナノカーボン２５の隙間にフラーレン３０が押し込まれる（移動する）。より具体的には、ナノカーボン２５の表面部分２５Ｂに存在したフラーレン３０が、加熱・加圧工程Ｓ１３０の加圧作用によって、ナノカーボン２５の根元部分２５Ａまで移動する。
【００２９】
また、表面に炭素膜２０が形成され、炭素膜２０にフラーレン３０が塗布された基材１０を、略５００℃以上の温度で加熱することで、炭素膜２０のナノカーボン２５の隙間がフラーレン３０で充填される。フラーレン３０は、真空中で３００℃以上に加熱すると、固体から気体へと昇華し、さらに非晶質になる。すなわち、加熱・加圧工程Ｓ１３０の加熱作用によって、炭素膜２０（ナノカーボン２５）が緻密化される。このようにして、基材１０と炭素膜２０との結合が強固となり、炭素膜２０が基材１０から剥離することが顕著に抑制される。
【００３０】
図３を用いて、表面処理工程Ｓ１００の効果について説明する。
なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）または図３（Ｃ）は、所定の条件による表面処理を施した基材１０について、同一条件による摩耗試験を行った結果のそれぞれの断面を示している。
【００３１】
図３（Ａ）は、表面処理工程Ｓ１００を施した基材１０の断面を示し、図３（Ｂ）は表面処理工程Ｓ１００の加熱・加圧工程Ｓ１３０において、加熱のみを施した基材１０の断面を示し、図３（Ｃ）は本実施形態の表面処理工程Ｓ１００の加熱・加圧工程Ｓ１３０を施していない基材１０の断面を示している。
【００３２】
さらに、図３（Ａ）、図３（Ｂ）または図３（Ｃ）における樹脂５０は、断面を計測する際に、炭素膜２０が形成された基材１０の表面にモールドされた樹脂であって、本実施形態の表面処理工程Ｓ１００の作用及び効果に関連するものではない。
【００３３】
図３（Ａ）に示すように、表面処理工程Ｓ１００を施した基材１０の断面には、炭素膜２０が十分に残存している。一方、図３（Ｂ）に示すように、加熱のみを施した基材１０の断面には、炭素膜２０がほとんど残存していない。また、図３（Ｃ）に示すように、加熱・加圧工程Ｓ１３０を省略した基材１０の断面には、炭素膜２０がほとんど残存していない。
【００３４】
本実施形態の表面処理工程Ｓ１００によれば、耐磨耗性及び低摩擦性を向上できる。
すなわち、加熱・加圧工程Ｓ１３０の処理によって、フラーレン３０は、ナノカーボン２５の根元部分２５Ａまで移動する。言い換えれば、ナノカーボン２５の根元部分２５Ａにおいて、フラーレン３０が存在していることになる。そのため、何らかの理由によって、ナノカーボン２５の表層部分２５Ｂが削られても、基材１０の表面がナノカーボン２５のみとなることはなく、炭素膜２０の強度が低下することもない。このようにして、炭素膜２０の強度が低下することがなく、基材１０の耐磨耗性を向上できる。
【００３５】
また、加熱・加圧工程Ｓ１３０の処理によって、フラーレン３０が、ナノカーボン２５の根元部分２５Ａまで移動する。ここで、基材１０に高い荷重が加えられると、ナノカーボン２５の根元部分２５Ａに直接荷重の負荷が作用するため、ナノカーボン２５が減少しやすくなるものの、フラーレン３０がナノカーボン２５の根元部分２５Ａに存在するため、基材１０の摩耗量が増加することはない。このようにして、基材１０が摩耗することもないため、基材１０の低摩擦性を向上できる。
【符号の説明】
【００３６】
１０        基材
２０        炭素膜
２５        ナノカーボン
３０        フラーレン
Ｓ１００    表面処理工程
Ｓ１１０    炭素膜形成工程
Ｓ１２０    フラーレン類塗布工程
Ｓ１３０    加熱・加圧工程
【図１】
0005664518.tif 000002
【図２】
0005664518.tif 000003
【図３】
0005664518.tif 000004