(57)【要約】【課題】基板上に効率よくセラミックス被膜を堆積させ、膜厚を増大させることができる被膜形成方法を提供する。【解決手段】セラミックス微粒子をガス中に分散してエアロゾル化し、該エアロゾルを金属製基材５の表面上に噴射し衝突させて成膜を行なうＡＤ法による被膜形成方法であって、上記セラミックス微粒子の平均粒子径が 0.1μm 〜 0.5μm であり、上記金属製基材５の表面の表面粗さＲａが 0.01μm より大きく 0.5μm 未満、好ましくは 0.05μm 〜 0.3μmであり、上記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子である。【選択図】図１
2008111154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス微粒子をガス中に分散してエアロゾル化し、該エアロゾルを金属製基材表面上に噴射し衝突させて成膜を行なうエアロゾルデポジション法による被膜形成方法であって、
前記セラミックス微粒子の平均粒子径が 0.1μm 〜 0.5μm であり、前記金属製基材表面の表面粗さＲａが 0.01μm より大きく 0.5μm 未満であることを特徴とする被膜形成方法。
【請求項２】
前記金属製基材表面の表面粗さＲａが 0.05μm 〜 0.3μmであることを特徴とする請求項１記載の被膜形成方法。
【請求項３】
前記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の被膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）により金属製基材にエアロゾルを衝突させてセラミックス被膜を形成する被膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上の膜の形成方法として、微粒子ビーム堆積法あるいはＡＤ法と呼ばれる脆性材料の膜や構造物の形成方法がある。ＡＤ法は、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、不特定の基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基材上にダイレクトに形成する方法であり、幾つかの発明が出願されている（例えば特許文献１、特許文献２等参照）。
【０００３】
ＡＤ法における成膜原理を以下に説明する。自由電子をほとんど持たない共有結合性あるいはイオン結合性が強い原子結合状態にあることで硬度は高いが衝撃に弱い脆性材料である、セラミックス微粒子は、通常いくつかの結晶子が集まった多結晶体から構成されている。
このセラミックス微粒子が、基材表面に非常に高速で衝突した場合、その運動エネルギーによって発生する衝撃でさらに細かく破砕され、例えば、結晶子同士の界面等の壁界面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕されたりする現象が起こり、元々内部に存在していたズレ面や破面は原子が剥き出しの状態となり、すなわち新生面が形成される。その新生面の原子一層の部分は、元々安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な状態にさらされ、表面エネルギーが高い状態となる。すなわち、セラミックス微粒子への機械的衝撃力の付加により表面エネルギーが極度に大きな微細断片粒子が多数生成する。
この高活性の新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合して安定状態に移行することで、微細断片粒子表面同士が生成後瞬時に基材と接着あるいは互いに再結合し、焼成を行った場合と類似した緻密質のセラミックス構造物を形成する。または、衝突の衝撃により粒子がへき開面に沿って変形して、粒子の一部に新生面を形成し、次いで衝突してきた粒子と再結合したり、粒子間の空孔を埋めて緻密化する。
さらに、外部からの連続した機械的衝撃力の付加により、上記現象を継続的に発生させ、微粒子の変形・破砕等の繰返しにより接合の進展、それによって形成された被膜の緻密化・成長が行われ脆性材料の被膜が基材表面上に形成される。
【０００４】
すなわちＡＤ法では、成膜時に機械的衝撃力をセラミックス微粒子にいかに効率よく付加できるかが成膜速度向上の鍵となるため、成膜対象である基材の材質や、その表面状態により成膜効率は大きく変化する。上記特許文献１や特許文献２では、ＡＤ法における相手材である基材の表面状態等についての検証はないが、実際の生産技術として十分な成膜速度を確保するためには、これら基材の表面状態等の最適条件を特定することが重要となる。
【特許文献１】特開２００１−１８１８５９号公報
【特許文献２】特許第３３４８１５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、基板上に効率よくセラミックス被膜を堆積させ、膜厚を増大させることができる被膜形成方法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】
【０００６】
本発明の被膜形成方法は、セラミックス微粒子をガス中に分散してエアロゾル化し、該エアロゾルを金属製基材表面上に噴射し衝突させて成膜を行なうＡＤ法による被膜形成方法であって、上記セラミックス微粒子の平均粒子径が 0.1μm 〜 0.5μm であり、上記金属製基材表面の表面粗さＲａが 0.01μm より大きく 0.5μm 未満であることを特徴とする。
特には上記金属製基材表面の表面粗さＲａが 0.05μm 〜 0.3μmであることを特徴とする。
なお、基材の表面粗さは Tayler−Hobson 社製 Form Talysurf−120L 等により測定した数値であり、セラミックス微粒子の平均粒子径は日機装社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００等によって測定した値である。
【０００７】
上記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の被膜形成方法は、セラミックス微粒子をガス中に分散してエアロゾル化し、該エアロゾルを金属製基材表面上に噴射し衝突させて成膜を行なうＡＤ法による被膜形成方法において、上記セラミックス微粒子の平均粒子径が 0.1μm 〜 0.5μm であり、基材表面の表面粗さＲａが 0.01μm より大きく 0.5μm 未満であるので、基材上に衝突したセラミックス微粒子は基材表面の微小突起部で応力を受けるため、収縮に伴うせん断応力が緩和できる。そのため、基材表面に成膜面が堆積しながら成長（膜厚が増大）することができ、成膜速度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においてＡＤ法は、セラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを軸受部材等の金属製基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
ＡＤ法において成膜効率を向上させる方法について鋭意検討の結果、ＡＤ法による成膜では、その堆積過程で、微小成膜部の収縮により、成膜体中に内部応力が生じることや、基材の表面粗さＲａを 0.01μm より大きく 0.5μm 未満とすることで、成膜速度が増加することがわかった。これは基材に所定の表面粗さＲａを付与することによって、基材上に衝突したセラミックス微粒子が基材表面の微小突起部で応力を受け、収縮に伴うせん断応力が緩和される。そのため基材表面に成膜面が効率よく堆積しながら成長することができ、成膜効率を向上させることができるものと考えられる。本発明はこのような知見に基づくものである。
【００１０】
本発明の被膜形成方法では、被膜形成対象である金属製基材の表面粗さＲａが 0.01μm より大きく 0.5μm 未満であることを必須とする。この範囲であれば基材表面に噴射されたセラミックス微粒子は基材表面の微小突起部で応力を受けるため、収縮に伴うせん断応力が緩和でき、緻密な被膜を形成することができる。さらに好ましい基材の表面粗さＲａは 0.05μm 以上、0.3μm 以下である。
【００１１】
本発明におけるＡＤ法による成膜では、後述する平均粒子径 0.5μm以下のセラミックス微粒子を使用するため、下地となる基板の表面粗さに依存した成膜面が堆積しながら成長（膜厚が増大）していく。このとき、表面粗さＲａが 0.5μm 以上の粗い面では堆積過程で微小剥離が生じやすくなり、その結果、多数の欠陥部を有する面ができるために所望する緻密な被膜が形成されない。またＡＤ法による成膜では、その堆積過程で、微小成膜部の収縮により、成膜体中に内部応力が生じる。表面粗さＲａが 0.01μm 以下の滑らかな基板を使用した成膜では膜厚が厚くなると内部応力の増大により、微小亀裂、もしくは基板の変形を生じることがある。
【００１２】
本発明において金属製基材の表面粗さを調整する方法については、表面粗さをＲａで 0.01μm より大きく 0.5μm 未満に調整することができる方法であれば、特に制限なく使用することができる。例えば、機械研磨、バレル研磨、サンドブラスト研磨、電解研磨、エッチング加工などを挙げることができる。これらの中で、連続加工処理ができることから、機械研磨を用いることが好ましい。
【００１３】
本発明において被膜形成対象となる金属製基材としては、軸受鋼からなる内輪、外輪等の軸受部材が挙げられる。金属製基材の表面硬度としては、ビッカース硬さで 600 Hv 以上であることが好ましい。表面硬度がこの範囲であると、基材に衝突してくるセラミックス微粒子の持つ運動エネルギーを機械的衝撃力として変換し効率よくセラミックス微粒子に付加でき、成膜速度を向上させることができる。金属製基材における表面硬度の調整は、例えば、焼入れ、焼き戻し等の熱処理で行なう。
【００１４】
本発明の被膜形成方法において使用できる微粒子としては被膜形成可能なものであればよく、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。
【００１５】
本発明において使用するセラミックス微粒子の平均粒子径は、0.1μm 〜0.5μm である。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化が困難となる。また、0.5μm をこえると膜成長しにくく、基材表面の微小突起部において成膜体中の内部応力を緩和しにくい。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。
【００１６】
本発明の被膜形成方法を図１に基づいて説明する。図１は平板基材上にセラミックス被膜を形成する場合の被膜形成装置を示す図である。
図１に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置１は、エアロゾル発生装置３と、真空チャンバー４を有する。真空チャンバー４内には、表面粗さＲａが 0.01μm より大きく 0.5μm 未満である金属製基材５と、エアロゾル吐出ノズル２とが配設されている。真空チャンバー４の内部は真空ポンプ６によって減圧されるとともに、セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ６の直前に微粒子フィルター７が設けられている。基材５は、真空チャンバー４内において、ＸＹテーブル８上に固定され水平方向に移動させられる（図中Ａ）。
【００１７】
内部にセラミックス微粒子を有するエアロゾル発生装置３は、外部にガス供給設備９を備え、ガス供給設備９から供給される搬送ガスによってセラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルが形成され、該エアロゾルは搬送ガスの流れと真空ポンプ６の吸引とにより真空チャンバー４内のエアロゾル吐出ノズル２に供給される。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガス等を使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
【００１８】
エアロゾル吐出ノズル２は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル吐出ノズル２は、真空チャンバー４内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾル吐出ノズル２からエアロゾルを吐出しつつ、基材５をＸＹテーブル８により水平方向に移動させて、または、エアロゾル吐出ノズル２を移動させて、基材５上に所望の形状・厚さの被膜を形成する。
なお、本発明の被膜形成方法では、基材およびセラミックス微粒子を上述の範囲に限定すればよく、上記各装置構成については、ＡＤ法において通常使用される任意の装置・部品等を利用できる。
【実施例】
【００１９】
表面粗さをパラメータとして表１に示す 6 水準を設定した軸受鋼ＳＵＪ２製テスト基板（縦 30 mm×横30 mm、厚み 3 mm ）を準備した。
この基板表面にＡＤ法でアルミナ微粒子を用いて、セラミックス被膜を 20 分間形成した。ＡＤ法は位置決め用ＸＹテーブルを用いて、6 mm／分で移動するテスト基板に、100 Pa 以下の減圧下で、開口サイズ 10 mm× 1 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.12μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスには窒素を用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
得られた被膜の膜厚を測定し、成膜効率を評価した。成膜効率は、幅 10 mm×長さ 10 mm の面状成膜を実施し、その平均膜厚を成膜にかかった時間で割った値とした。この値が大きくなることは、短時間で厚膜化していて成膜にかかる時間が短縮され成膜効率が向上したことを示している。結果を表１に併記する。
【００２０】
【表１】
2008111154.tif 000003
表１に示すように表面粗さが小さくなるほど成膜効率は向上した。成膜可能な基材表面粗さとしてはＲａ：0.4μm 以下、好ましくはＲａ：0.3μm 以下となった。また、表面粗さが小さくなると、表面剥離が生じ、Ｒａ：0.01μm で被膜全面に剥離が発生した。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明のセラミックス被膜形成方法は、セラミックス被膜を形成する金属製基材の表面粗さをＲａで 0.01μm より大きく 0.5μm 未満に調整した上で、微粒子を金属製基材に衝突させてセラミックス被膜を形成するので、成膜速度を向上させることができる。このため量産性が向上し、各種産業機械に用いられる耐熱性、耐摩耗性、耐久性、耐食・耐絶縁性等の要求される各種部材にセラミックス被膜を形成する方法として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＡＤ法による被膜形成装置を示す図である
【符号の説明】
【００２３】
１    被膜形成装置
２    エアロゾル吐出ノズル
３    エアロゾル発生装置
４    真空チャンバー
５    基材
６    真空ポンプ
７    微粒子フィルター
８    ＸＹテーブル
９  ガス供給設備
【図１】
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