(57)【要約】【課題】被処理材の表面に、三次元的な凹凸を有する表面形状を形成することができる表面三次元形状形成方法、この方法により作製された表面三次元形状物、及びこの方法により表面三次元形状物を作製する際に用いる表面三次元形状形成装置を得ること。【解決手段】金属細線より構成されて電極を構成する発泡金属（１１）と、この発泡金属（１１）と被処理材（３）との間に電圧を印加することによりパルス状の放電を発生させる。呼び孔径２００μｍ以上１０００μｍ以下の発泡金属（１１）と被処理材（３）との間に電圧を印加して、両者間にパルス幅３０μｓ以上５００μｓ以下のパルス状の放電を発生させることで、当該被処理材（３）表面に三次元網目状の構造物を形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属細線より構成された電極と被処理材との間に電圧を印加することによりパルス状の放電を発生させて、前記被処理材の表面に三次元網目状の構造物を形成する
ことを特徴とする表面三次元形状形成方法。
【請求項２】
呼び孔径２００μｍ以上１０００μｍ以下の前記電極を用いて、該電極と前記被処理材との間に、パルス幅３０μｓ以上５００μｓ以下のパルス状の放電を発生させることで、前記被処理材の表面に三次元網目状の構造物を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の表面三次元形状形成方法。
【請求項３】
放電パルスのパルス幅を３０μｓ以上５００μ以下とし、パルス休止時間をパルス幅の２倍以下とする
ことを特徴とする請求項２に記載の表面三次元形状形成方法。
【請求項４】
金属細線より構成された電極との間に電圧を印加され、該電極との間にパルス状の放電を発生されて、表面に三次元網目状の構造物が形成されている
ことを特徴とする表面三次元形状物。
【請求項５】
呼び孔径２００μｍ以上１０００μｍ以下の前記電極を用いて、該電極との間に、パルス幅３０μｓ以上５００μｓ以下のパルス状の放電を発生されることで、表面に三次元網目状の構造物が形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の表面三次元形状物。
【請求項６】
金属細線より構成された電極と、
前記電極と被処理材との間に電圧を印加することによりパルス状の放電を発生させて、前記被処理材の表面に三次元網目状の構造物を形成する電源装置と
を有することを特徴とする表面三次元形状形成装置。
【請求項７】
前記電極の呼び孔径が２００μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記電源装置は前記電極と前記被処理材との間に、パルス幅３０μｓ以上５００μｓ以下のパルス状の放電を発生させる
ことを特徴とする請求項６に記載の表面三次元形状形成装置。
【請求項８】
放電パルスのパルス幅が３０μｓ以上５００μ以下で、休止時間がパルス幅の２倍以下である
ことを特徴とする請求項７に記載の表面三次元形状形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工液中或いは気中において電極と被処理材の間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、被処理材表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギーにより反応した物質からなる被膜を形成する放電表面処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルス状の放電により被処理材表面に被膜を形成する従来の方法について、例えば特許文献１「放電加工による表面層の形成方法」に、金属Ｓｉを電極とすることで被処理材のの表面に耐食性のある被膜を形成する技術が開示されている。
【０００３】
また、従来、金属やセラミックスの粉末を成形した圧粉体を電極として使用することで、被処理材表面に硬質セラミックス被膜を形成する方法が、例えば特許文献２に開示されている。
【０００４】
さらに、被処理材表面に金属被膜を形成する方法について、例えば特許文献３に開示されている。この特許文献３に開示された方法によれば、炭化しにくい材料を電極成分とすることで、被膜中に金属成分が残り、厚膜の形成も可能になる旨記載されている。
【０００５】
一方、金属固体や粉末以外の金属を電極として被膜を形成する方法について開示した例として、特許文献４に、発泡金属を電極として被処理材表面に金属被膜を形成する技術が開示されている。この特許文献４には、「電流値１２Ａ、オンタイム５１２μｓ、ディーティーファクター５０％（すなわち、休止時間５１２μｓ）の条件でＮｉ−Ａｌ合金の発泡金属を用い、アルミニウム合金の表面に被膜を形成した」旨記載されている。また、この方法では、緻密な被膜ではなく被膜中に空隙を有する膜である旨記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１３７６５号公報
【特許文献２】特許第３２２７４５４号明細書
【特許文献３】国際公開第０４／０１１６９６号パンフレット
【特許文献４】特開２００４−２５５５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来、被処理材の表面を、他の物質をその上に載せた場合の強いアンカー効果を発揮したり、他の物質と接するときに強い摩擦力を発生させるような表面にしたいという要求があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来より形成されていたいわゆる被膜ではなく、被処理材の表面に、三次元的に網目を持った構造物ともいえる表面形状を形成するするものであり、被処理材の表面に三次元網目状の構造物を形成する表面三次元形状形成方法、この方法により作製された表面三次元形状物、及び、この方法により表面三次元形状物を作製する際に用いる表面三次元形状形成装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面三次元形状形成方法は、金属細線より構成された電極と被処理材との間に電圧を印加することによりパルス状の放電を発生させて、被処理材の表面に三次元網目状の構造物を形成することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の表面三次元形状物は、金属細線より構成された電極との間に電圧を印加され、電極との間にパルス状の放電を発生されて、表面に三次元網目状の構造物が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の表面三次元形状形成装置は、金属細線より構成された電極と、電極と被処理材との間に電圧を印加することによりパルス状の放電を発生させて、被処理材の表面に三次元網目状の構造物を形成する電源装置とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被処理材の表面に三次元網目状の構造物が形成された表面三次元形状物を作製することができ、この表面三次元形状物は、三次元網目状の表面を有するので、他の物質を載せた場合に強いアンカー効果が期待できたり、他の物質と接するときに強い摩擦力を発揮するなどの効果が期待できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる表面三次元形状形成方法、表面三次元形状物及び表面三次元形状形成装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態
図１は本発明の表面三次元形状形成装置の実施の形態の要部の模式図である。図１において、表面三次元形状形成装置１００は、電極を構成する金極細線で作製された発泡金属１１と、図示しない固定具により被処理材３を内部に固定する加工タンク１３と、加工タンク１３に満たされた加工液１５と、発泡金属１１と被処理材３に電圧を印加して両者間にアーク５を発生させる電源装置１７とを有している。表面三次元形状形成装置１００は、被処理材３の表面を加工して、表面三次元形状物（被処理材３の表面に網目状の三次元構造物が形成されたもの）を作製する。
【００１５】
次に、表面三次元形状物の作製方法の詳細を説明する。図２は本実施の形態で電極として使用した材質と同じ材質の発泡金属の表面の様子を示す図である。材質はステンレス鋼であり、発泡金属を構成する金極細線の径は５０μｍ程度である。金属繊維によりできる空間の大きさは「呼び孔径」と呼ばれ、図２に示した発泡金属では３００μｍ程度である。本実施の形態の方法では、使用する発泡金属の呼び孔径が、細線の径、放電の条件と並び極めて重要なパラメータである。呼び孔径は２００μｍから１０００μｍ程度が適切であり、より望ましくは３００μｍから５００μｍ程度が望ましい。
【００１６】
そして、呼び孔径がこの範囲より小さい場合には、発泡金属の材料が被処理材に移行はするが、図３に示すように表面全体に凸形状ができるのみで三次元的な網目構造にはならない。この理由は、電極である発泡金属１１が、材料が密な状態であるため、図４に示すように放電が密に発生することとなり、凸形状が被膜処理材に形成され、凸と凸をつなぐ橋絡ができない状態となるためであると考えられる。一旦、凸形状が被処理材３の表面に形成されると、その後は凸の頂上付近に放電が発生しやすくなるため、凸がますます成長するようになる。逆に呼び孔径がこの範囲よりも大きい場合には、放電の発生がまばらとなり、被膜にできる凸と凸が離れてしまい、離れた凸をつなぐ橋絡ができない状態になっていると考えられる。
【００１７】
一方、呼び孔径を適切な範囲とし、適切な放電の条件を適用した場合には、放電により被処理材３の表面の凸形状の上に橋絡ができ、その上にさらにも凸形状が形成されて、これが連続して三次元網目形状に成長していく。
【００１８】
以上、発泡金属１１の呼び孔径について説明したが、呼び孔径同様、放電のパルス状件も、被処理材３の表面に三次元構造物を形成する上で重要なパラメータである。本実施の形態では、数１０〜数１００μｍの空間を持った三次元構造物の形成を目的としているが、試験を重ねたところ、このサイズの三次元構造物を形成するためには、電極すなわち、発泡金属１１を構成する金属細線の径は、２０〜２００μｍ程度であることが適当であることがわかった。金属細線の径が、これより小さい場合には、放電により細線が溶融しても安定して被処理材側に移行されにくく、逆に大きい場合には、放電のエネルギーにより細線が安定して溶融されず、発泡金属と被処理材が短絡し続け、処理が安定して継続しないという問題が発生するからである。
【００１９】
上記の適値の径の細線を成形して作製した発泡金属を使用して、適切な放電条件を適用すると良好な三次元構造物が形成できた。形成した三次元構造物の例を図５に示す。図５は、電子顕微鏡により、表面から撮影したものである。図５の左側は被処理材３の母材の面（未処理部分）、右側が三次元構造物を形成した部分（処理済部分）である。被処理材に形成された凸の部分を橋絡して網目状に構造物が形成できていることがわかる。網目の空間は５０から２００μｍ程度となっており、他の物質と接合する場合などに接合する相手側材料が、隙間に入り込みやすく、強固な接合を実現することが期待できる。
【００２０】
図５から明らかなように、形成した三次元構造物の網目を構成する金属の径は、元の材料よりかなり太くなっている。これは、発泡金属の細線を一旦放電のエネルギーにより溶融させるためであり、このように適切に発泡金属の細線を溶融させることができるか否かで、三次元構造物の形成が左右する。小さなエネルギーでは、細線を溶融させることができず、発泡金属材料を十分に被処理材側に移行させることができない。一方、逆にエネルギーが大きすぎると、発泡金属材料、および、被処理材料に形成された膜を過大に溶融させてしまい、三次元網目状に形成できなくなる。
【００２１】
試験の結果から、パルス幅３０〜５００μｓ程度の範囲では、三次元構造物を形成することができたが、より望ましくは、５０〜２００μｓ程度がよいことがわかった。図６は三次元構造物を形成する場合の放電電流電圧波形の例を示す図である。また、図７は他の例を示す図である。図６及び図７において、上段は、発泡金属１１と被処理材３との間に印加される極間電圧の電圧波形を示し、下段はその際に極間をながれる放電電流の電流波形を示している。図６に示す図５の三次元構造物を形成した条件は２５Ａ程度の条件であるが、それに限らず１０〜６０Ａ程度の他の条件でも可である。また、図７のように電流の先頭に高いピーク値を持つ放電パルスでもよく、放電の際にしばしば発生する発泡金属１１と、被処理材３あるいは形成途中の構造物との間の短絡を解消するのに効果があった。
【００２２】
三次元構造物の形成の際には放電だけではなく、金属細線と被処理材が短絡する現象が発生する。短絡が発生した場合には、短絡電流が金属細線を通して流れ、被処理材との接触部分の金属細線が溶融され短絡が復帰しながら放電が再開し、三次元構造物の形成が進んで行く。しかし、放電のパルスとパルスの間の発生間隔を決めるパルス休止時間を長く設定すると、短絡した場合に金属細線を溶融させて短絡を復帰することが困難になる傾向があり、三次元構造物の形成が不安定になる。試験の結果からは、使用したパルス幅の２倍以下程度の休止時間の設定が望ましいという結果が得られている。なお、実際の放電パルスと放電パルスの間隔は、パルス休止時間に電圧が発生するまでの放電遅れ時間が加えられた時間になる。パルス休止時間が放電のパルス幅の２倍を超えると短絡が発生したときの短絡解消に時間がかかるようになり放電の発生が不安定になる。さらにパルス休止時間を延ばすと三次元構造物が形成されない。
【００２３】
図２の発泡金属の写真と、図５のその発泡金属を用いて形成された三次元構造物の写真を比較するとわかるように、形成できた三次元構造物の網目の大きさは、元の材料である発泡金属１１の網目の大きさとよく似ている。これについては、以下のように考察している。図８に発泡金属１１により被処理材３の表面に三次元構造物を形成する場合の模式図を示す。発泡金属１１は三次元の網目状になっているので、縦方向の軸に当たる部分が被処理材３上に凸形状を形成する。この凸形状は必ずしも網目１つ分の細線からできている必要は無く、発泡金属１１の網目複数分の材料から構成されればよいと考えられる。
【００２４】
このように形成された凸形状を網目の水平部分の材料がつなぐことで網目を構成すると考えられる。凸をつなぐ部分の材料も水平の１つ分の材料から構成されている必要は無く、複数分の材料が積み重なって１つの橋絡を形成してもよいと考えられる。もちろん、発泡金属１１は垂直・水平の細線から構成されているわけではないので、形成される三次元構造物が正確に発泡金属１１の網目のサイズと同じになるわけではないが、おおよそ以上のような考え方で、形成される網目のサイズが発泡金属の網目のサイズと似ていることが説明できると考えられる。
【００２５】
逆にいうと、三次元構造物を形成できる条件として、発泡金属１１の呼び孔径について論じたが、発泡金属１１の呼び孔径により形成される三次元構造物の凸の部分の間隔が決まり、凸の部分が詰まり過ぎていないか、また、間隔が広くなりすぎてその間を橋絡を繋げることができるかどうかが、三次元構造物が形成できるかどうかの条件になるということもできる。
【００２６】
尚、図５に示した三次元構造物の形成は、加工液中にて放電を発生させて行った。しかし、実験によると必ずしも加工液中である必要は無く、大気中でも同様の構造物の形成は可能であった。ただし、大気中では、酸化の影響のため、構造物、および、被処理材の放電が発生した部分付近が黒く変色するような現象が発生した。これを防ぐためには、Ａｒ等不活性ガス中で処理を行うことが望ましい。そのためには、放電の発生する部分を専用の容器などで覆って不活性ガス雰囲気にするか、或いはより簡便には、放電の発生する部分に向けて、不活性ガスを吹きかけながら加工する方法も可である。
【００２７】
不活性ガスの雰囲気では、加工液中での処理と異なり、以下のような利点がある。第一に、加工液中での処理と異なり、きれいな環境で処理が行える。生成物を不純物を嫌う用途に使用する場合に、加工液中での処理では、炭素などの不純物を三次元構造物中に含んでしまう恐れがあるが、不活性ガス中では、そのような心配がなく純粋な材料の三次元構造物の形成を行うことができる。第二に、活性な材料の三次元構造物の形成を行うことができる。例えばＴｉなどのような活性な材料では、加工液中で処理を行うと、溶融した部分が加工液中の分解物である炭素と反応し、ＴｉＣ（炭化チタン）となってしまい安定した三次元構造物の形成が阻害される。不活性ガス中で処理を行うと、活性なＴｉの場合であってもＴｉのまま三次元構造物を形成することができる。
【００２８】
尚、本実施の形態では、電極に発泡金属を用いた例で説明したが、電極は、細線から構成される金属材料であればよく、かならずしも発泡金属に限定されるものではない。一例として例えば、金属短繊維を束ねた状態のものでも同様な効果を得ることができる。ただし、金属短繊維を束ねたものは、発泡金属のように金属細線部分の配列を均一にすることが困難であるため、形成できる三次元構造物の品質、すなわち網目の均一性などは発泡金属の場合よりは劣るという問題はある。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明は、金属表面に三次元網目状の構造物を形成して、他の物質をその上に載せた場合の強いアンカー効果を発揮したり、他の物質と接するときに強い摩擦力を発揮する部材、その作製方法およびその作製装置に適用されて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の表面三次元形状形成装置の実施の形態の要部の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に使用した発泡金属の表面の様子を示す電子顕微鏡写真の図である。
【図３】発泡金属の呼び孔径が小さい場合の膜の例を示す電子顕微鏡写真の図である。
【図４】発泡金属の呼び孔径が小さい場合の成膜状態の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態により形成された三次元構造物を示す電子顕微鏡写真の図である。
【図６】三次元構造物を形成する場合の放電電流電圧波形の例を示す図である。
【図７】三次元構造物を形成する場合の放電電流電圧波形の別例を示す図である。
【図８】三次元構造物形成の説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
３  被処理材
５  アーク
１１  発泡金属（電極）
１３  加工タンク
１５  加工液
１７  電源装置
１００  表面三次元形状形成装置
【図１】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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