(57)【要約】【解決手段】  鉄又はアルミニウムを含む基体にグラフェンコーティングを施す方法であって、当該方法は、基体の表面上に金属層を設ける工程と、前記金属層と炭素原子源を接触させて、金属層上にグラフェンコーティングを設ける工程とを含んでいる。基体の表面上にある金属層と、金属層上に配置されたグラフェンコーティングを有しており、鉄又はアルミニウムを含む基体、例えば、チェーンの構成要素も記載されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄又はアルミニウムを含む基体にグラフェンコーティングを施す方法であって、
ａ．前記基体の表面に金属層を設ける工程と、
ｂ．前記金属層を炭素原子源に接触させ、前記金属層上にグラフェンコーティングを設ける工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記金属層は、Ｄ殻が閉じた遷移金属を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属層は、炭素に対して低い親和性を示す元素を含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記金属層は、炭素に対して高い親和性を示す元素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記金属層は、コバルト、鉄、銅、スズ、ニッケル、銀、又は金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記金属層は、２又は３以上の元素を含む、請求項１乃至５の何れかに記載の方法。
【請求項７】
前記２又は３以上の元素のうちの少なくとも２つが、合金として組み合わされている、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記合金は、銅及びスズを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記合金は、銅中に約１０ａｔ％のスズを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記合金は、グラフェン層の成長がなされる温度よりもせいぜい約１００度低い融点を有する、請求項７、請求項８、又は請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記２又は３以上の元素のうちの少なくとも２つは、前記金属層中の別々の層に与えられている、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属層は、接着層、バリア層、又は触媒成長層である、請求項１乃至１１の何れかに記載の方法。
【請求項１３】
前記金属層は、１０ｎｍ乃至２５μｍの範囲の厚さを有する、請求項１乃至１２の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
前記金属層は、機械的な堆積プロセス又は電着によって、前記基体の表面に設けられる、請求項１乃至１３の何れかに記載の方法。
【請求項１５】
前記金属層は、電気めっき又はスパッタリングによって堆積する、請求項１乃至１３の何れかに記載の方法。
【請求項１６】
前記基体の表面の１又は複数の領域には、金属層が設けられないように前記１又は複数の領域を覆い隠すマスクが設けられる、請求項１乃至１５の何れかに記載の方法。
【請求項１７】
前記金属層が設けられた基体は、炭素原子源と接触させられる前に熱処理を施される、請求項１乃至１６の何れかに記載の方法。
【請求項１８】
前記熱処理は、アニーリングを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱処理は、前記金属層の材料をアニールするのに適した条件下でなされる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記アニーリングは、８００乃至１０００℃の範囲の温度でなされる、請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記アニーリングは、９５０乃至１０００℃の範囲の温度でなされる、請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記アニーリングは、３５０乃至４５０℃の範囲の温度でなされる、請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記金属層が設けられた基体は、前記炭素原子源と接触する前に、反応釜内に配置される、請求項１乃至２２の何れかに記載の方法。
【請求項２４】
前記反応釜は、クラム炉又は同種のものである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記反応釜では、前記金属層と前記炭素原子源が接触する前に、酸素がパージされる、請求項２３又は請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記反応釜は、水素又は窒素でパージされる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記反応釜は、３０乃至６０分間パージされる、請求項２５又は請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、８５０乃至１０５０℃の範囲の温度でなされる、請求項１乃至２７の何れかに記載の方法。
【請求項２９】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、８５０乃至９５０℃の範囲の温度でなされる、請求項１乃至２７の何れかに記載の方法。
【請求項３０】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、４００乃至６００℃の範囲の温度でなされる、請求項１乃至２７の何れかに記載の方法。
【請求項３１】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、少なくとも１つのグラフェン層を含むグラフェンコーティングを設けるのに十分な時間にわたってなされる、請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。
【請求項３２】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、複数のグラフェン層を含むグラフェンコーティングを設けるのに十分な時間にわたってなされる、請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。
【請求項３３】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、１秒から６０分の時間にわたってなされる、請求項１乃至３２の何れかに記載の方法。
【請求項３４】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、１乃至３０分の時間にわたってなされる、請求項１乃至３２の何れかに記載の方法。
【請求項３５】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、不活性雰囲気中でなされる、請求項１乃至３４の何れかに記載の方法。
【請求項３６】
前記不活性雰囲気は、窒素又はアルゴンを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、大気圧でなされる、請求項１乃至３６の何れかに記載の方法。
【請求項３８】
前記金属層と前記炭素原子源の接触は、炭素で前記金属層を過飽和するのに適した条件下でなされる、請求項１乃至３７の何れかに記載の方法。
【請求項３９】
前記炭素原子源は、炭化水素ガスである、請求項１乃至３８の何れかに記載の方法。
【請求項４０】
前記炭素原子源は、メタン、アセチレン、又はプロピレンである、請求項１乃至３８の何れかに記載の方法。
【請求項４１】
前記基体に前記グラフェンコーティングが設けられた後、前記基体は、４５０℃未満の温度に冷却される、請求項１乃至４０の何れかに記載の方法。
【請求項４２】
前記基体に前記グラフェンコーティングが設けられた後、前記基体は、４００℃未満の温度に冷却される、請求項１乃至４０の何れかに記載の方法。
【請求項４３】
冷却は、前記金属層上のグラフェンの堆積を促進するのに十分に急速になされる、請求項４１又は請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記グラフェンコーティングが設けられた基体には、適切な条件下で基体調整処理が施される、請求項１乃至４３の何れかに記載の方法。
【請求項４５】
前記基体調整処理は、前記基体に対して推奨された焼きならし特性よりも約５０乃至１００℃上の温度に前記基体を加熱することを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記グラフェンコーティングが設けられた基体には、適切な条件下で更なる熱処理プロセスが施されて、前記基体の物理的及び／又は機械的特性が高められる、請求項１乃至４５の何れかに記載の方法。
【請求項４７】
前記基体は、鋳鉄又は鋼鉄を含む、請求項１乃至４６の何れかに記載の方法。
【請求項４８】
前記鋼鉄は、１．４１２２鋼、１８ＣｒＮｉＭｏ７−６鋼、１９ＭｎＢ４鋼、ＧＳ鋳鋼、又はＥｎ２４鋼からなる群から選択される、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
鉄又はアルミニウムを含む基体であって、前記基体の表面上にある金属層と、前記金属層上に配置されたグラフェンコーティングとを有する基体。
【請求項５０】
複数のチェーンリンク部材と、前記複数のチェーンリンク部材を相互接続する複数のピンとを備えており、前記複数のチェーンリンク部材の少なくとも１つの表面、及び／又は、前記複数のピンの少なくとも１つの表面には、グラフェンコーティングが設けられているチェーン。
【請求項５１】
複数のチェーンリンク部材と、前記複数のチェーンリンク部材を相互接続する複数のピンと、前記複数のピンの中の１又は複数のピンに支持されるブッシュ及び／又はローラとを備えており、前記ブッシュの表面及び／又は前記ローラの表面には、グラフェンコーティングが設けられているチェーン。
【請求項５２】
前記グラフェンコーティングは、前記表面又は各表面に施された金属層上に配置される、請求項５０又は請求項５１に記載のチェーン。
【請求項５３】
前記表面又は各表面は、摩耗面である、請求項５０、請求項５１、又は請求項５２に記載のチェーン。
【請求項５４】
前記表面又は各表面は、前記チェーンの使用中に腐食しやすい、請求項５０乃至５３の何れかに記載のチェーン。
【請求項５５】
前記表面又は各表面は、前記チェーンの使用中に潤滑が必要とされる接触面である、請求項５０乃至５４の何れかに記載のチェーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄又はアルミニウムを含む基体にグラフェンコーティングを施す方法と、グラフェンコーティングを有する基体とに関する。チェーンの構成要素のような、このようなコーティングを有する特定の基体についても説明される。
【背景技術】
【０００２】
今日使用されており、最も至る所で見られる金属の中の２つは、アルミニウムと鉄であり、そして、それらの様々な合金がある。アルミニウムは、地球上で３番目に豊富に存在する元素である。その非常に低い密度は、広範囲にわたる様々な用途に適しており、その例として、構成要素の重量が極めて重要である航空宇宙産業が挙げられる。鉄に関して、その最も一般的な合金の１つは、鋼鉄である。鋼鉄の製造は、石炭に非常に依存しているにも拘わらず、世界的な使用は、２０００年から２０１０年までで６９％増加しており、その大部分は、当該期間において、中国での使用が４００％増加したことによる。アルミニウムを含む基体と鉄を含む基体の耐摩耗腐食性を改善する方法は、それ故に、航空宇宙、自動車及び医薬品産業等の広範囲にわたる技術分野全体に対して、重大な商業的重要性がある。別のこのような分野には、動力伝達分野がある。様々な耐摩耗腐食コーティングが、チェーンの構成要素、スプロケット、及び関連する構成要素で使用されているにも拘わらず、性能が改善したコーティングを開発する意欲は絶えず存在している。
【０００３】
グラフェンは、様々な独特の特性を有しており、それらの特性を活用する実用的な用途を見つけるための膨大な研究がなされた。グラフェンは、現在知られている最も薄い材料であるというだけではなく、それは、最も強く、且つ最も不浸透性の高い材料でもある。それは、あらゆる材料に最も高い熱伝導性を示しており、非常に効率的な電気導体でもある。その独特な電気特性に起因して、多くの研究が、現在まで、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、及びフォトニクスのハイテク分野で行われていた。他の分野においても、グラフェンの独特の合金特性を活用することに対する強い関心があり、その中の一つは、コーティングの分野であって、材料の非常に薄い厚さと、高い不浸透性と、自己潤滑性とが、大きな利益を提供できるであろう。残念なことに、様々な基体上で、特に、アルミニウム又は鉄等を含む基体のような金属基体上で、グラフェン層を成長又は堆積させるのが困難であることから、グラフェンベースのコーティングの開発が妨げられている。
【０００４】
本発明の目的は、グラフェンコーティングの開発に関連した現在の問題に対処することである。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の第１の形態によれば、鉄又はアルミニウムを含む基体に、グラフェンコーティングを施す方法が提供され、当該方法は、
ａ．基体の表面に金属層を設ける工程と、
ｂ．炭素原子源に金属層を接触させて、金属層上にグラフェンコーティングを設ける工程とを含む。
【０００６】
上述の方法を用いることで、アルミニウム又は鉄を含む基体に、グラフェンコーティングを施すことが、今では可能となっている。
【０００７】
本発明の第２の形態は、基体の表面上に金属層があって、当該金属層上にグラフェンコーティングが配置された、鉄又はアルミニウムを含む基体を提供する。
【０００８】
本発明の第３の形態は、複数のチェーンリンク部材と、それらリンク部材を相互に接続する複数のピンとを備えるチェーンを提供し、複数のチェーンリンク部材の少なくとも１つのチェーンリンク部材の表面、及び／又は、複数のピンの少なくとも１つのピンの表面には、グラフェンコーティングが施される。
【０００９】
本発明の第４の形態は、複数のチェーンリンク部材と、それらリンク部材を相互に接続する複数のピンと、それら複数のピンの中の１又は複数のピンに支持されるブッシュ及び／又はローラとを備えるチェーンを提供し、ブッシュの表面及び／又はローラの表面には、グラフェンコーティングが施される。
【００１０】
本発明の第３及び第４の形態では、グラフェンコーティングは、チェーンリンク部材、ピン、ブッシュ及び／又はローラなどのチェーン部材に関連する１又は複数の構成要素の表面に設けられた金属層に配置されることが好ましい。グラフェンコーティングが施されるチェーンの１又は複数の構成要素の各表面は、摩擦面、つまり、チェーンの使用中に摩擦を受けやすい表面であるのが好ましい。更に、チェーンの１又は複数の構成要素の各表面は、チェーンの使用中に腐食しやすい表面であることが好ましい。当該表面は、グラフェンコーティングが施されていない同様のチェーンの使用中に、腐食の証拠を示すと考えられるであろう。さらに、チェーンの１又は複数の構成要素の各表面は、使用中に潤滑を必要とする接触表面であることが好ましい。当該表面は、チェーンの使用中、別の構成要素と接触し、それにより、通常、ある種の潤滑がもたらされるであろう。
【００１１】
金属層が設けられることで、その下にある鉄又はアルミニウムを含む基体に、グラフェンコーティングを設けることが可能とされる。
【００１２】
金属層は、Ｄ殻が閉じた遷移金属(closed D-shell transition metal)又はこのような金属の合金を含んでよい。
【００１３】
金属層に含めることができる適切な元素には、コバルト、鉄、銅、ニッケル、銀、又は金が含まれる。特に、好ましい金属層は、銅金属である。
【００１４】
さらに、チタンやスズのような１又は複数の添加元素が含まれてよい。ある実施形態において、金属層は、金属層の複数の副層において、複数の元素、例えば、銅やチタンを含んでよい。例えば、チタン層が基体表面に設けられ、次に、チタン層上に、銅層が設けられてよい。例えばチタンである下層は、例えば銅である上層を安定させる。このようにして、下層が予め設けられていない場合よりも、より薄い上側の金属層を用いることが可能となるであろう。別の実施形態では、２つ又は３つ以上の元素は合わさって合金となってよく、この場合、それらは同じ金属層にあるであろう。グラフェン層が成長する温度よりもせいぜい約１００度低い融点を有する合金が選択されてよい。融点は、グラフェン層を設けるのに用いられる温度よりもせいぜい約５０度低いのが好ましく、せいぜい約３０度低いのが最も好ましい。合金ベースの金属層の例には、銅−スズ合金が含まれる。このような合金は、鋼鉄の基体、例えば、鋼鉄のチェーンピン上でグラフェン層を成長させる場合に使用するのに特に適している。この例においては、適切な合金は、銅中に約５〜１５ａｔ％(原子百分率)のスズを含んでよく、銅中に約１０ａｔ％のスズを含むことがより好ましい。
【００１５】
金属層は、金属接着層であってよく、基体へのグラフェンコーティングの接着性が向上する。
【００１６】
金属層は、バリア層であってよい。金属層は、鉄又はアルミニウムベースの基体の基礎を成す材料への炭素源からの炭素の拡散を遅らせる又は妨げることによって、バリア層として作用してよい。金属層は、グラフェン層の成長を触媒してよく、従って、触媒成長層として考えられてよい。発明者は、特定の如何なる理論にも束縛されることを望まないが、特に、グラフェン層を成長させる触媒法は、この技術分野において、未だにその特徴を完全に説明されてはおらず、現在のところ、金属層は、必要なｓｐ２炭素結合を形成する触媒経路(catalytic path)を促進することで、及び／又は、表層可動性(surface mobility)に寄与することで若しくはそれをもたらして、グラフェン層の成長を補助すると考えている。適切なバリア及び／又は触媒成長層は、炭素に対して低い親和性を示す又は低い炭素溶解度を示す化合物、元素、又は合金を含んでおり、例としては、銅、銀、金、又は銅−スズ合金が挙げられる。
【００１７】
金属層は、コバルト、鉄、又はニッケルのような、炭素に対して高い親和性を示す化合物又は元素を組み入れてよい。このようなケースでは、炭素源からの炭素で金属層を過飽和して、次に、コーティングされた基体を急速に冷却して、金属層の表面にグラフェンを析出(precipitate)させることで、グラフェンコーティングが設けられてよい。
【００１８】
グラフェンコーティングを施すのに必要なその後の処理条件に耐えることを条件にして、基体の表面に設けられた金属層は、所望の任意の厚さを有し得る。金属層の厚さは、１０ｎｍ乃至２５ミクロンの範囲の厚さであるのが好ましい。この範囲は、特に、銅の金属層に好ましい。２５ミクロンより厚い層は、その後の処理ステップ中に、昇華(sublimation)する可能性がある。対して、１０ｎｍよりも薄い層は、グラフェンコーティングを金属層の表面で成長させるのに十分な結着性(integrity)を欠いている可能性がある。金属層がより薄いと、グラフェンコーティングが成長する際に炭素源からもたらされる炭素が単に炭化して、不良なグラフェンコーティングとなる虞がある。金属層は、適切な任意のプロセスで基体の表面に設けられてよい。ボールミル粉砕のような機械的な堆積プロセスが用いられてよい。または、電着プロセスが用いられてよい。基体の比較的小さな領域に金属層を堆積させるために、高いレベルの精度が必要とされる場合には特に、スパッタリング(sputtering)が用いられてよい。一方で、精度が必要とされない又は基体の表面の大きな領域がコーティングされる場合は特に、電気メッキ(electroplating)が用いられてよい。基体の特定の領域をコーティングする一方で、他の領域をコーティングしないまま残す一つの方法は、マスクを用意して、マスクの下にある基体の領域を、金属材料の層が設けられないように覆い隠すことである。
【００１９】
金属層が基体の表面に設けられると、熱処理が施されて、グラフェンコーティングの成長のために金属層が調整されてよい。そのような一つのプロセスは、アニーリング(annealing)のような熱処理プロセスであって、グラフェンコーティングが設けられる適切な粒状構造を有するように、金属層の材料を改質する。粒径が細かいよりも粒径が粗い方が好ましいであろう。というのは、これによって、グラフェン堆積プロセスを支援する適正量の位置エネルギーが与えられるからである。金属層をアニールするのに用いられる特定の温度は、金属層を形成している材料と基体の特性との両方に依存するであろう。適正な粒径に成長させるのに十分な熱処理が金属層に施される条件が選択されるが、物理的及び／又は機械的特性を害される条件を基体が被らないようにもすることが好ましい。金属層は、８００乃至１０００℃の範囲の温度でアニールされることが好ましく、９５０乃至１０００℃の範囲がより好ましく、各範囲における最も高い温度が最も好ましい。これらの温度は、鉄ベースの基体を有する任意の金属層に特に好ましく、鋼鉄の基体上で銅又はニッケル層を用いる場合に特に適している。金属層がアニールされる他の好ましい範囲の温度は、３５０乃至４５０℃であり、３５０乃至４００℃がより好ましい。これらの低い温度範囲は、アルミニウムベースの基体上の金属層をアニールする場合に好ましい。
【００２０】
金属層を有する基体は、炭素原子源と接触して、グラフェンコーティングが設けられる前に、クラム炉(clam furnace)や同種のもののような反応釜内に配置されることが好ましい。このようにして、グラフェンコーティングの堆積プロセスが、制御された環境においてなされる。金属層が炭素原子源と接触する前に、反応釜の酸素をパージするのが好ましい。パージは、あらゆる適切な条件を用いてなされてよい。それは、１時間迄の間、水素又は窒素などのガスを反応室を通して流すことによってなされてよい。異なるガスが、又は、１分若しくはそれ未満のより短い時間が使われてもよい。
【００２１】
金属層が適切な温度で炭素原子源と接触して、金属層の表面上でグラフェン層の成長が開始する一方で、金属層又はその下の基体の構造に、悪影響を及ぼさないことが好ましい。好ましい範囲の温度は８５０乃至１０５０℃であり、８５０乃至９５０℃がより好ましく、各範囲の最も高い温度の近くの温度が最も好ましい。これらの温度の範囲は、鉄ベースの基体に好ましい。他の好ましい温度の範囲は、４００乃至６００℃であり、４００乃至５００℃がより好ましい。これらの低い温度範囲は、アルミニウムベースの基体に好ましい。十分なグラフェンコーティングが金属層上で成長することを確実にする適切な任意の時間にわたって、金属層は、炭素原子源と接触してよい。適切な時間は、１秒乃至６０分、好ましくは１乃至３０分であって、記載された範囲の下端に近い時間が最も好ましい。時間間隔は、少なくとも１つのグラフェン層、又は複数のグラフェン層を含むグラフェンコーティングを保証するのに十分であることが好ましい。幾つかの用途では、コーティングとして、単一層のグラフェンを提供することが好ましいが、他の用途では、２、３又は４以上の単一層のグラフェンを一体としたグラフェンコーティングを設けることが好ましい。金属層と炭素原子源との接触は、不活性雰囲気、例えば、窒素又はアルゴンを含む雰囲気中でなされることが好ましい。金属層と炭素原子源との接触は、大気圧でなされることが好ましい。大気圧より上及び下の圧力を、適切に用いることもできるが、グラフェンコーティングの成長を大気圧で達成することが商業的に望ましい。金属層と炭素原子源の接触は、金属層を炭素で過飽和するのに適した条件でなされてよい。この方法は、金属層が、コバルト、ニッケル又は鉄のような炭素に対して比較的高い親和性を示す材料を含む場合に好ましい。
【００２２】
炭素原子源は、炭化水素ガスであるのが好ましい。適切な任意の炭化水素ガスを用いられてよいが、好ましいガスは、メタン、アセチレン、及びプロピレンである。炭素原子源は、アルゴン又は窒素のようなキャリアガスを用いて、金属層と接触することが好ましい。
【００２３】
グラフェンコーティングが堆積すると、基体を検査して、先のプロセスが、基体の調整処理を必要とするような形で基体に影響を及ぼしたか否かを判断できる。このような調整処理は、グラフェンコーティングを有する基体を、例えば、推奨された基体の焼きならし特性よりも例えば約５０乃至１００℃上の温度に加熱することを含んでよい。基体調整処理は、必要であれば、グラフェンでコーティングされた最終的な構成要素を製造するために用いられるプロセス中の適切な任意の時間に実行されてよい。都合のよい時間は、グラフェンコーティングが堆積した後であって、次の任意のプロセス工程が実行される前である。
【００２４】
基体にグラフェンコーティングが設けられた後、グラフェンコーティングが「消失(burn‐off)」しないことを確実にする十分に低い温度まで基体を冷却するのが好ましい。適切な温度は、約４５０℃又はそれ未満であり、約４００℃又はそれ未満であることが好ましい。グラフェンコーティングを有する基体は、その温度が上述した温度に下がるまで、空気、又はその他の如何なる酸素供給源にも曝されないことが好ましい。この工程は、金属層が、銅又は銅−スズ合金などのような、炭素に対して低い親和性を示す材料を含む場合に特に好ましい。冷却が十分急速になされて、金属層上のグラフェンの堆積が促進されてよい。この方法は、金属層が、コバルト、ニッケル又は鉄のような炭素に対して比較的高い親和性を示す材料を含む場合に好ましい。
【００２５】
特定の用途では、グラフェンコーティングを有する冷却された基体に、１又は複数の更なる処理工程を施すことが望ましい。例えば、基体の物理的及び／又は機械的特性を高めるように設定された条件下、冷却された基体に、更に熱処理プロセスを受けさせることが望ましい。
【００２６】
基体を冷却した後に、試験が行われて、良好なグラフェンコーティングが施されたことが保証されてよい。適切な１つの方法は、ラマン分光法である。グラフェンコーティングが要求仕様を満たさないと判断された場合、基体は、再加熱されて、更なる量の炭素原子源と接触させられてよい。或いは、基体が再処理されて十分な金属層及びグラフェン層がもたらされる前に、１又は複数層の不要なグラフェンコーティング、又は金属層が除去されてよい。
【００２７】
基体は、鉄を含む(ferrous)又は鉄ベースの望ましい任意の材料を含んでよい。例えば、基体は、鋳鉄又は鋼鉄であってよく、又は、鋳鉄又は鋼鉄を含んでよい。所望の任意の鋼鉄の基体が、上記手順を用いてコーティングされてよい。好ましい基体は、１．４１２２鋼、１８ＣｒＮｉＭｏ７−６鋼、１９ＭｎＢ４鋼、ＧＳ鋳鋼、又はＥｎ２４鋼を含んでいる。
【００２８】
基体は、ピストン、ピストンリング又はカムのような、耐摩耗性、耐食性及び／又は潤滑を高めることを要するシステムの任意の構成要素であってよい。更に例示すると、基体は、動力伝達装置の構成要素、例えば、ギア、カップリング、ベアリング、又はスプロケットであってよい。また、基体は、チェーンの構成要素、例えば、チェーンリンク部材、チェーンピン、ブッシュ、又はローラであってもよい。
【００２９】
本発明の第２の形態は、金属層とその金属層上に配置されるグラフェンコーティングとを有しており、鉄又はアルミニウムを含んでいる基体を提供する。本発明の第１の形態の方法は、本発明の第２の形態であるコーティングされた基体を製造することに、非常に適している。誤解を避けると、上詳された本発明の第１の形態の如何なる特徴も、必要に応じて、本発明の第２の形態であるコーティングされた基体に適用されてよい。
【００３０】
本発明の第３の形態は、１又は複数のチェーンリンク及び／又はピンにグラフェンコーティングを設けたチェーンを提供する。一方、本発明の第４の形態は、ブッシュ及び／又はローラにグラフェンコーティングを設けたチェーンを提供する。本発明の第１の形態の方法はまた、チェーンのこれらの構成要素にグラフェンコーティングを与えることに非常に適している。従って、本発明の第１の形態の方法における任意の１又は複数の好ましい特徴が、必要に応じて、本発明の第３及び第４の形態のチェーンに適用されてよい。チェーンの構成要素に設けられるグラフェンコーティングは、グラフェンコーティングの基礎となるように、チェーンの構成要素の適切な表面に設けられた金属層上に配置されることが好ましい。グラフェンでコーティングされた１又は複数の表面は、摩擦面であり、チェーンの使用中に侵食されやすい表面であり、及び／又は、チェーンの使用中、通常、潤滑を必要とする表面であるのが好ましい。チェーンは、任意のタイプであってよい。例えば、チェーンは、下記の特定の実施形態にて説明されているローラブッシュチェーンであってよく、或いは、例えば、リーフチェーン、ガレチェーン(Galle chain)、サイレントチェーン(inverted tooth chain)、又はコンベヤチェーンであってよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
本発明の特定の実施形態は、例示目的のみで、添付した図面を参照して説明される。
【００３２】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態のローラチェーンの一部の側面図である。
【図２】図２は、図１のチェーンの平面図である。
【図３】図３は、図１のチェーンのピン、ブッシュ、及びローラの断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に基づいて基体にグラフェンコーティングを設ける工程を示すフロー図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態の方法を用いて基体に施されたグラフェンコーティングのラマンスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１乃至図３の図を参照すると、本発明の好ましい実施形態のローラチェーンは、対向した内側リンクプレート１０の対を備えており、これらは、対向した外側リンクプレート１１の対と交互にチェーンに沿って配列されている。各内側リンクプレート１０は、全長Ｌ、厚さＴ、及び高さＨ、そして、ピッチ間隔Ｐだけ離れた２つの開口１３を有している。外側リングプレート１１の構造も同様であるが、高さと長さは僅かに短くされている。全てのリンクプレート１０、１１は、通常、鋼鉄のシートを打ち抜き加工して形成され、周知のように、両端が丸型で、減少した高さｈの中央のくびれ部分１２を規定した外形を有している。内側リンクプレートの開口１３は、固定関係(例えば、プレスフィット連結)になるように、平行な円筒状のブッシュ１４を受け入れて、対向する内側リンクプレート１０が連結される。円筒状のローラ１５は、各ブッシュ１４に回転自在に配置されている。チェーンの各側部にて、内側リンクプレート１０の隣接する対は、重なった外側リンクプレート１１に、横ピン１６によって連結され、横ピン１６は、揃えられた各プレートの開口１３とブッシュ１４とを通っている。これらのピン１６は、外側リンクプレート１１に、互いに対して固定されるように締まりばめされているが、ブッシュ内で回転可能であり、内側リンクプレート１０は、外側リンクプレート１１に対して、自由に動くように繋がっている。
【００３４】
ローラチェーンの基本構成は、基本的に従来通りであるが、しかしながら、図３に示すように、各ピン１６の外周面１７には、本発明の第１の形態の方法を用いて、グラフェンコーティング１８が設けられている。ピン１６の表面１７とグラフェンコーティング１８との間に銅層が存在しているが、これは、明瞭化のために、図３から省略されている。グラフェンコーティング１８は、多くの利益を与えてくれる。それは、耐摩耗腐食コーティングとして機能し、更に、各ピン１６の外周面１７と、対応する各ブッシュ１４の内周面１９との間で潤滑をもたらす。
【００３５】
各ピンの表面１７にグラフェンコーティング１８を施すために用いられる方法の基本的な工程を、図４に示す。
【００３６】
第１の工程は、グラフェンコーティングを設ける基体を準備することである。これは、ステンレス鋼で製造されるローラブッシュチェーンのピンのような、鉄又はアルミニウムベースの基体であってよい。次に、銅金属層が、グラフェンコーティングを施すことを最終的な目的としているピンの表面に配置される。銅層は、適切な任意の技術を用いて付されてよいが、電着プロセスが好ましい。この実施形態では、銅層は、１２乃至２５ミクロンの範囲の厚みを有するように鋼鉄ピンに設けられる。そして、適切な時間、大気圧で９５０乃至１０００℃まで熱せられることによって、銅層はアニールされる。
【００３７】
次に、銅層を有する鋼鉄ピンが、クラム炉の反応室内に配置される。そして、反応室は、約３０分間、水素でパージされる。銅層を有する基体は、次に、反応室内で９５０至１０２０℃の温度に熱せられて、約３０分間、メタンと接触させられる。メタンは、アルゴン又は窒素のキャリアガスを用いて、反応室に入れられる。メタンは、金属層に堆積する炭素原子のソースとして作用し、銅層で覆われている鋼鉄ピンの領域にグラフェンコーティングを形成する。銅層と炭素原子源との接触は、大気圧でなされる。
【００３８】
次に、反応室を冷却して、グラフェンコーティングを有する基体の温度を、約４００℃又はそれ未満の温度に下げる。そして、この段階で、コーティングされたピンは、酸素に曝されるか、試験のために反応室から取り出される。
【００３９】
金属層が、コバルト、ニッケル又は鉄のような、炭素に対して比較的高い親和性を有する化合物、合金、又は元素を含む場合には、炭素源との接触工程中、炭素で金属層を過飽和し、次に、コーティングされた基体を急速に冷却して、金属層の基体上のグラフェンの堆積を促進するのが好ましい。
【００４０】
ラマン分光法は、グラフェンコーティングの特徴を明らかにするのに用いられる。上記の方法を用いた基体に施されたコーティングの典型的なスペクトルは、図５に示されており、コーティング中のグラフェンの存在を立証している。コーティングが、要求仕様を満たしていない場合には、上記の１又は複数のコーティング工程が繰り返されてよい。更に、基体が検査されて、処理中に、構造又は特性の望ましくない変化を受けたか否かが判断されてよい。変化を受けた場合、基体には、基体調整処理が施されてよい。この処理は、特定の基体に通常推奨される焼きならし特性よりも約５０乃至１００℃上の温度に加熱する工程を含んでよい。
【００４１】
必要に応じて、グラフェンコーティングされたピンは、最終的なチェーンへと組み立てられる前に、付加的な処理を施されてよい。例えば、グラフェンコーティングされたピンは、更なる１又は複数のサイクルの熱処理を施されて、ピンの鋼の機械的及び／又は物理的な特性が高められてよい。
【００４２】
図４を参照して説明した実施例は、例示を目的として記載されている。プロセス条件が、任意の種類のアルミニウム又は鋼鉄の基体にグラフェンコーティングを施すことに適していることは明らかであろう。アルミニウムの基体に言及がなされる場合、これは、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む基体を包含するとして解釈されるべきである。上記のプロセス条件は、グラフェンコーティングが施される基体の寸法、形状、又は意図された用途に依存しない。しかしながら、上記の条件は、鋼から作製されるチェーンの構成要素やスプロケットなどに、グラフェンコーティングを設けることに非常に適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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