(57)【要約】【課題】薄い膜厚で密着性の高い膜を形成する鉄基材の表面処理方法を提供する。【解決手段】基材１０の表面処理方法であって、基材１０の表面にフラーレン２０を塗布し、フラーレン２０を塗布した基材１０の表面に窒素イオンを照射し、窒素イオンを照射した鉄基材１０の表面に再度フラーレン３０を塗布し、再度フラーレン３０を塗布した基材１０の表面を加熱する。また、基材１０の表面に窒素イオンを照射するときには、フラーレン２０が窒素イオンの照射によってアモルファス化される前に、フラーレン２０がアモルファス化しない所定のイオンエネルギー以下の窒素イオンを少なくとも１回照射する。【選択図】図１
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【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、
鉄基材の表面にフラーレンを塗布し、
フラーレンを塗布した前記鉄基材の表面に窒素イオンを照射し、
窒素イオンを照射した前記鉄基材の表面に再度フラーレンを塗布し、
再度フラーレンを塗布した前記鉄基材の表面を加熱する、
鉄基材の表面処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄基材の表面処理方法であって、
前記鉄基材の表面に窒素イオンを照射するときには、
フラーレンが窒素イオンの照射によってアモルファス化される前に、
フラーレンがアモルファス化しない所定のイオンエネルギー以下の窒素イオンを少なくとも１回照射する、
鉄基材の表面処理方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鉄基材の表面処理方法であって、
前記鉄基材の表面に窒素イオンを照射した後には、
窒素イオンを照射した前記鉄基材の表面を除電する、
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、雰囲気炉にて鋳造型の表面に炭素膜を形成させるため、膜厚が薄くなるようにコントロールしながら表面処理をすることができない。特許文献１に開示される表面処理を施した鋳造型では、実際には膜厚が２０μｍ〜４０μｍとなるため、高精度な寸法が要求される成形品を成形する鋳造型には適用できない。
【０００５】
そこで、鋳造型を含む鉄基材の表面処理方法では、薄い膜厚で密着性の高い膜を鉄基材の表面に形成することが課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は、薄い膜厚で密着性の高い膜を形成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】
【０００８】
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。
【０００９】
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、鉄基材の表面にフラーレンを塗布し、フラーレンを塗布した前記鉄基材の表面に窒素イオンを照射し、窒素イオンを照射した前記鉄基材の表面に再度フラーレンを塗布し、再度フラーレンを塗布した前記鉄基材の表面を加熱するものである。
【００１０】
請求項２においては、請求項１に記載の鉄基材の表面処理方法であって、前記鉄基材の表面に窒素イオンを照射するときには、フラーレンが窒素イオンの照射によってアモルファス化される前に、フラーレンがアモルファス化しない所定のイオンエネルギー以下の窒素イオンを少なくとも１回照射するものである。
【００１１】
請求項３においては、請求項１または２に記載の鉄基材の表面処理方法であって、前記鉄基材の表面に窒素イオンを照射した後には、窒素イオンを照射した前記鉄基材の表面を除電するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鉄基材の表面処理方法によれば、薄い膜厚で密着性の高い膜を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である表面処理工程の流れを示したフロー図。
【図２】イオン化運動エネルギーと不純物除去との相関を示すグラフ図。
【図３】同じく表面処理工程の作用を示した模式図。
【図４】同じく表面処理工程の作用を示した別の模式図。
【図５】同じく表面処理工程の作用を示した別の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
表面処理工程Ｓ１００は、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０と、窒素イオン照射工程Ｓ１２０と、除電工程Ｓ１３０と、フラーレン類塗布工程Ｓ１４０と、加熱工程Ｓ１５０と、を具備している。
【００１６】
フラーレン類塗布工程Ｓ１１０は、基材１０の表面にフラーレン２０を塗布する工程である。より具体的には、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０では、厚みが１０ｎｍ以上であって２０μｍ以下となるように、基材１０の表面にフラーレン２０の粉末を塗布する処理が行われる。
【００１７】
なお、フラーレン２０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。
【００１８】
また、本実施形態において基材１０の表面に塗布するフラーレン２０としては、純度の高いフラーレンを用いるのではなく、不純物２６を含むものを用いることとする。ここで、不純物２６とは、Ｃ６０等の高次の炭素クラスタ以外であって、例えば、ベンゼンまたはすす等である。
【００１９】
なお、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０では、基材１０の表面にフラーレン２０を塗布した後に、フラーレン２０を塗布した基材１０を加熱することが望ましい。
【００２０】
窒素イオン照射工程Ｓ１２０は、フラーレン２０を塗布した基材１０の表面に窒素イオンを照射する工程である。より具体的には、窒素イオン照射工程Ｓ１２０では、真空雰囲気下において、窒素ガスにプラズマを照射することによって窒素イオンを生成し、生成した窒素イオンを基材１０の表面に照射する処理が行われる。
【００２１】
また、窒素イオン照射工程Ｓ１２０では、複数回に分けて段階的に、フラーレン２０を塗布した基材１０の表面に窒素イオンを照射する。本実施形態では、０．０１ｅＶのイオン運動エネルギーで窒素イオンを複数回照射し、その後０．１ｅＶのイオン運動エネルギーで窒素イオンを複数回照射し、さらにその後１．０ｅＶのイオン運動エネルギーで窒素イオンを複数回照射する。
【００２２】
なお、詳しくは後述するものの、フラーレン２０に窒素イオンを照射することによって、アモルファスカーボン２５が生成される。
【００２３】
除電工程Ｓ１３０は、窒素イオン照射工程Ｓ１２０で生成されたアモルファスカーボン２５を除電する工程である。より具体的には、除電工程Ｓ１３０では、アモルファスカーボン２５を接地する（アース回路を設ける）ことによって、アモルファスカーボン２５を除電し、不純物２６を排気手段等によってアモルファスカーボン２５から除去する処理が行われる。
【００２４】
フラーレン類塗布工程Ｓ１４０は、アモルファスカーボン２５の表面にフラーレン３０を塗布する工程である。つまり、フラーレン類塗布工程Ｓ１４０では、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０と略同様の処理が行われる。
【００２５】
加熱工程Ｓ１５０は、フラーレン３０が塗布された基材１０及びアモルファスカーボン２５を加熱する工程である。より具体的には、加熱工程Ｓ１５０では、フラーレン３０が塗布されたアモルファスカーボン２５及び基材１０を４００℃以上で加熱する処理が行われる。
【００２６】
図２〜５を用いて、表面処理工程Ｓ１００の作用について説明する。
なお、表面処理工程Ｓ１００の作用については、ステップ毎に説明するものとする。
【００２７】
図２を用いて、イオン化運動エネルギーと不純物除去との相関について説明する。
なお、図２では、横軸がイオン運動エネルギー（ｅＶ）を示し、縦軸が不純物除去率（％）を示している。
【００２８】
一般的に、不純物除去率は、イオン運動エネルギーの増加に従って、対数的に増加することが分かっている。また、フラーレン２０がアモルファス化するためには、１．０ｅＶのイオン運動エネルギーが必要であることが分かっている。言い換えれば、０．１ｅＶ以下のイオン運動エネルギーでは、フラーレン２０がアモルファス化しない。
【００２９】
図３を用いて、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０及び窒素イオン照射工程Ｓ１２０の作用について説明する。
なお、図３（Ａ）は、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０の作用を模式的に示し、図３（Ｂ）は、窒素イオン照射工程Ｓ１２０の作用を模式的に示している。
【００３０】
フラーレン類塗布工程Ｓ１１０においては、不純物２６を含んだフラーレン２０が塗布される。このとき、フラーレン２０は、基材１０の表面にのみ存在している。
【００３１】
窒素イオン照射工程Ｓ１２０においては、０．０１ｅＶのイオン運動エネルギーで窒素イオンが複数回照射される。このとき、上述したように、０．０１ｅＶのイオン運動エネルギーでは、不純物２６を完全に除去することができず、かつ、フラーレン２０を完全にアモルファス化することができない（図２参照）。このように、不純物２６を完全に除去することができず、かつ、フラーレン２０を完全にアモルファス化することができない状態では、不純物２６が雰囲気中に飛散する。雰囲気中で飛散する不純物２６は、排気手段等によって排気される。
【００３２】
次に、窒素イオン照射工程Ｓ１２０においては、０．１ｅＶのイオン運動エネルギーで窒素イオンが複数回照射される。このとき、上述したように、０．１ｅＶのイオン運動エネルギーでは、不純物２６を十分に除去することができ、かつ、フラーレン２０を完全にアモルファス化することができない（図２参照）。このように、不純物２６を十分に除去することができ、かつ、フラーレン２０を完全にアモルファス化することができない状態では、不純物２６が雰囲気中にさらに飛散する。雰囲気中で飛散する不純物２６は、排気手段等によって排気される。
【００３３】
次に、窒素イオン照射工程Ｓ１２０においては、１．０ｅＶのイオン運動エネルギーで窒素イオンが複数回照射される。このとき、上述したように、１．０ｅＶのイオン運動エネルギーでは、不純物２６を完全に除去することができ、かつ、フラーレン２０をアモルファス化することができる（図２参照）。このように、フラーレン２０をアモルファス化することができる状態では、アモルファスカーボン２５が生成される。
【００３４】
また、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０では、基材１０の表面にフラーレン２０の粉末が１０ｎｍ以上であって２０μｍ以下の厚みとなるように塗布されているので、塗布された全てのフラーレン２０がアモルファスカーボン２５として生成され、基材１０の表面にてアモルファスカーボン２５が生成しない箇所が発生しない。
【００３５】
図４を用いて、除電工程Ｓ１３０の作用について説明する。
なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、共に除電工程Ｓ１３０の作用を模式的に示している。
【００３６】
除電工程Ｓ１３０では、アース回路による除電によって、アモルファスカーボン２５の内部または表面におけるナノ分子レベルの不純物２６が除去される。アモルファスカーボン２５の内部または表面における不純物２６は、分子間力のみで結合しているため、除電することによって除去されやすくなる。除電工程Ｓ１３０で除去された不純物２６は、排気手段等によって排気される。
【００３７】
図５を用いて、フラーレン類塗布工程Ｓ１４０及び加熱工程Ｓ１５０の作用について説明する。
なお、図５（Ａ）は、フラーレン類塗布工程Ｓ１４０の作用を模式的に示し、図４（Ｂ）は、加熱工程Ｓ１５０の作用を模式的に示している。
【００３８】
フラーレン類塗布工程Ｓ１４０においては、フラーレン３０が塗布される。
【００３９】
加熱工程Ｓ１５０においては、フラーレン３０が塗布されたアモルファスカーボン２５が４００℃以上で加熱され、フラーレン３０が固体から気体へと昇華し、アモルファスカーボン２５に浸炭する。すなわち、加熱によって、アモルファスカーボン２５が緻密化される。このようにして、基材１０とアモルファスカーボン２５との結合が強固となり、アモルファスカーボン２５が基材１０から剥離することが顕著に抑制される。
【００４０】
表面処理工程Ｓ１００の効果について説明する。
表面処理工程Ｓ１００によれば、薄い膜厚で密着性の高い膜を形成できる。すなわち、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０、窒素イオン照射工程Ｓ１２０及び除電工程Ｓ１３０の処理によって、基材１０に塗布したフラーレン２０をアモルファスカーボン２５とすることによって、薄い膜厚の膜を形成できる。また、フラーレン類塗布工程Ｓ１４０及び加熱工程Ｓ１５０の処理によって、再度フラーレン３０を浸炭させることによって、密着性の高い膜を形成できる。
【００４１】
また、窒素イオン照射工程Ｓ１２０では、段階的にイオン化運動エネルギーを増加させて窒素イオンをフラーレン２０に照射することで、不純物２６を含んでアモルファス化することがなく、不純物２６を効率的に飛散させることができる。
【００４２】
さらに、フラーレン類塗布工程Ｓ１１０では、除電工程Ｓ１３０で不純物２６を除去するため、純度の高いフラーレンを用いる必要がなく、材料コストを低減できる。また、除電工程Ｓ１３０で不純物２６を除去するため、膜の高品質化及び耐久性を向上できる。
【符号の説明】
【００４３】
１０      基材
２０      フラーレン
２５      アモルファスカーボン
２６      不純物
３０      フラーレン
Ｓ１００  表面処理工程
Ｓ１１０  フラーレン類塗布工程
Ｓ１２０  窒素イオン照射工程
Ｓ１３０  除電工程
Ｓ１４０  フラーレン類塗布工程
Ｓ１５０  加熱工程
【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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