(57)【要約】【課題】緻密なセラミックス層であるＡＤ被膜を、軸受外周部等の基材の円周曲面上に形成できる被膜形成方法を提供する。【解決手段】エアロゾルデポジション法により基材の円周曲面にセラミックス被膜を形成する被膜形成方法であって、真空チャンバー２内に基材４とエアロゾル噴射ノズル９とを配置し、円周方向に回転または軸方向に移動する基材４の円周曲面に、エアロゾル噴射ノズル９より、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを噴射・衝突させてセラミックス被膜を形成する。軸方向の移動は、位置決め用ＸＹテーブル５を用いてなされ、円周方向の回転は、位置決め用ＸＹテーブル５上に設置された対象物回転用モータ６を用いてなされる。【選択図】図１
2007253099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾルデポジション法により基材の円周曲面にセラミックス被膜を形成する被膜形成方法であって、
真空チャンバー内に基材とエアロゾル噴射ノズルとを配置し、円周方向に回転または軸方向に移動する前記基材の円周曲面に、前記エアロゾル噴射ノズルより、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを噴射・衝突させてセラミックス被膜を形成することを特徴とする被膜形成方法。
【請求項２】
前記軸方向の移動は、位置決め用ＸＹテーブルを用いてなされ、前記円周方向の回転は、前記位置決め用ＸＹテーブル上に設置された対象物回転用モータを用いてなされることを特徴とする請求項１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、軸受外周部等の基材の円周曲面に、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）により被膜を形成するための被膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材のもつ本来の優れた機械的強度等の物理的、化学的性質を発現させ、耐食性等の劣る物理的、化学的性質を補う目的で緻密な保護被膜を基材表面に形成するための有効な手段として、従来、基材表面にセラミックス等の溶射被膜を形成する方法が知られている。しかしながら、溶射技術を用いて基材表面にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた基材の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で基材表面にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。
【０００３】
また、溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となるため結露などでの水分の侵入による絶縁抵抗等の物性の低下を封孔処理で対策する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献１参照）や、浸透性良好な樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない絶縁樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献２参照）等が知られている。しかし、これらの封孔処理方法を用いる場合は、非常にコスト高となるという問題がある。
【０００４】
これに対し、原料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、超微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させるＡＤ法が知られている。ＡＤ法の例としては、基板上に 50 nm〜5μm の超微粒子脆性材料を接合させて理論密度の 95 ％以上で結晶サイズで 100 nm 以下の微結晶を含む脆性材料である超微粒子成形体を得る脆性材料超微粒子成形体の低温成形法が挙げられる（特許文献３参照）。ＡＤ法では、数μm〜数十μmの緻密な被膜を密着性良好に形成できるとともに、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、溶射法と比較して製造コストが大幅に安くなるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、従来ＡＤ法による被膜形成は、電子材料等に使用される平板基材等を対象としており、円筒形等の円周曲面上に形成するものはない。ＡＤ法により得られる被膜は、上述のように多くの優れた特性を有することから、絶縁被膜や耐食被膜として、各種の産業機械部品（平面に限らず）への適用が望まれている。
【特許文献１】特開２００３−１８３８０６号公報
【特許文献２】特許第３００９５１６号公報
【特許文献３】特許第３２６５４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、緻密なセラミックス層であるＡＤ被膜を、軸受外周部等の基材の円周曲面上に形成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】
【０００７】
本発明の被膜形成方法は、エアロゾルデポジション法により基材の円周曲面にセラミックス被膜を形成する被膜形成方法であって、真空チャンバー内に基材とエアロゾル噴射ノズルとを配置し、円周方向に回転または軸方向に移動する上記基材の円周曲面に、上記エアロゾル噴射ノズルより、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを噴射・衝突させてセラミックス被膜を形成することを特徴とする。
【０００８】
上記軸方向の移動は、位置決め用ＸＹテーブルを用いてなされ、上記円周方向の回転は、上記位置決め用ＸＹテーブル上に設置された対象物回転用モータを用いてなされることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の被膜形成方法は、真空チャンバー内に基材とエアロゾル噴射ノズルとを配置し、円周方向に回転している、または、軸方向に移動している上記基材の円周曲面に、上記エアロゾル噴射ノズルよりエアロゾルを噴射・衝突させてセラミックス被膜を形成するので、基材の円周曲面上にエアロゾル被膜が塗り重ねられ、被膜表面と基材素地とを連通することのない緻密な被膜を形成することができる。
また、常温で被膜が形成されるので、αアルミナを用いて成膜した場合でも、αアルミナがγアルミナに変態することがなく、絶縁性等の高いαアルミナの被膜が得られる。さらに、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、溶射法と比較して製造コストが大幅に安くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明においてＡＤ法は、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを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。
エアロゾル中ではセラミックスの微粒子は分散状態を維持している。溶射法から得られる被膜が多孔質であるのに対し、ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。
ＡＤ法によるセラミックス被膜は緻密で絶縁性・耐食性等に優れるので、一定の特性を確保するために必要な被膜厚さは、溶射法の被膜に比べて薄くすることができる。
【００１１】
本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、ＡＤ法で使用可能な任意の微粒子を使用できる。絶縁性や耐食性等に優れた被膜を形成する場合では、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックス微粒子等が挙げられる。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。
本発明に用いることができるアルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
【００１２】
アルミナ微粒子の粒子径調整方法としては、アルコキシド法やコロイド法、アンモニウム明礬の熱分解法、アンモニウムアルミニウム炭酸塩熱分解法、改良バイヤー法、エチレンクロルヒドリン法の化学的手法や、ガス中蒸発法やスパッタリング（気相酸化）法、アルミニウムの水中火花放電法などの物理的手法を用いて作製された数 10 nm 以下の微細な微粒子を加熱し、粒子径で数 100 nm 程度の２次粒子に凝集させる方法等が挙げられる。また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時にアルミナ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クラックを予め形成しておくことが好ましい。
【００１３】
ＡＤ法では、溶射法と異なり高温処理が不要であるため、高温にさらされることによる原料セラミックスの変態による物性低下を招くこともない。例えば、絶縁性に優れたαアルミナを用いても溶射法ではγアルミナに変態して絶縁性が低下するため、膜厚を増加させる必要があるが、ＡＤ法でαアルミナを用いると絶縁性の高いαアルミナのままで成膜できるので、絶縁性の高いセラミックス層が得られる。
【００１４】
本発明の被膜形成方法は、円周曲面にＡＤ被膜を形成する方法であり、真空チャンバー内に基材とエアロゾル噴射ノズルとを配置し、円周方向に回転または軸方向に移動する基材の円周曲面に、エアロゾル噴射ノズルよりエアロゾルを噴射・衝突させてセラミックス被膜を形成する。被膜形成対象である基材が回転・移動し、エアロゾル噴射ノズルは固定配置されるので、エアロゾルを安定な状態で吹きつけることができる。
【００１５】
ＡＤ法を利用した円周曲面への被膜形成方法を図１に基づいて説明する。図１は本発明の被膜形成方法により軸受外輪外周面に絶縁用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法によるセラミックス被膜形成装置１は真空チャンバー２を有する。真空チャンバー２内には、セラミックス被膜形成対象である外輪４と、エアロゾル噴射ノズル９とが配設されている。エアロゾル噴射ノズル９にはエアロゾル発生装置８からエアロゾルが供給される。真空チャンバー２の内部は真空ポンプ３によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ３の直前に微粒子フィルター１０が設けられている。外輪４は、真空チャンバー２内において、対象物回転用モータ６により回転させられ（図中Ａ）、位置決め用ＸＹテーブル５により軸方向に移動させられる（図中Ｂ）。図１では、外輪４は対象物回転用モータ６に軸支され、この対象物回転用モータ６が位置決め用ＸＹテーブル５に支持されている。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備７からエアロゾル発生装置８に供給されている。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。
【００１６】
エアロゾル噴射ノズル９は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、円周曲面である外輪外周面に向けて噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル９は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル９は、真空チャンバー２内で変位可能に構成してもよい。
また、エアロゾル噴射ノズル９を円周曲面の軸方向長さの全範囲に同時に噴射できるように配置する、例えば基材の軸方向に沿って直線状に複数本配置することで、対象物回転用モータ６の回転のみで、円周曲面全面の被膜が可能となり、位置決め用ＸＹテーブル５が不要となる。
エアロゾル入射角度は、中心を通り円周接線に直行する軸を基準にした方向（法線）に対して、±80°の範囲が好ましい。この範囲以外では、エッチングが進行して成膜できない。回転方向はエアロゾル噴射角度に関わらず、正回転、逆回転どちらでも構わない。
【００１７】
固定したエアロゾル噴射ノズル９から、対象物回転用モータ６により所定回転数で回転している外輪４に、セラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが噴射され、円周曲面である外輪４の外周面のノズル通過位置にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。なお、外輪のように軸支が可能であるもの以外の基材の場合、例えば、円周曲面の中心軸位置で基材を両側から挟持して回転させる方法等も採用できる。
また、位置決め用ＸＹテーブル５により外輪４を軸方向に移動させることで、円周曲面上におけるノズル通過位置が移動し、円周曲面全体にわたって被膜が形成できる。
【００１８】
エアロゾル噴射速度は、100〜1000m/s が好ましい。それ以外では緻密な膜が形成できない。
被膜形成は、基材の用途に応じて被膜厚さが所定の膜厚となるまで行なう。被膜の形成手順としては、基材の任意の箇所において上記所定膜厚まで回転させて塗り重ねた後に軸方向に順に移動させて形成する方法、または、回転および軸方向移動を同時に行ない、上記所定膜厚となるまで軸方向で往復させる方法等が挙げられる。
【実施例】
【００１９】
実施例
図１に示す装置を用いて、円周曲面である外輪（６２０２：ＳＵＪ２、寸法 35mm×29mm×15mm）の外周面にアルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。
ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブル５および対象物回転用モータ６を併用した駆動装置を用いて、周速 110mm／分で回転しつつ、10mm／分で軸方向に移動する外輪に、真空チャンバー２内において 100 Pa 以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm× 0.3 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。位置決め用ＸＹテーブル５による軸方向の移動は、外輪の外周面端部で折り返し、10回往復させて形成した。
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 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
得られた外輪は、外周面にαアルミナ微粒子からなるセラミックス被膜が、5μmの厚さで均一に形成されていた。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の被膜形成方法は、緻密なセラミックス層であるＡＤ被膜を、基材の円周曲面上に形成できるので、円周曲面を有する各種の産業機械部品における被膜形成に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  セラミックス被膜形成装置
２  真空チャンバー
３  真空ポンプ
４  外輪
５  位置決め用ＸＹテーブル
６  対象物回転用モータ
７  ガス供給設備
８  エアロゾル発生装置
９  エアロゾル噴射ノズル
１０  微粒子フィルター
【図１】
2007253099.tif 000003