Review
粒子衝突痕の自己組織化による周期的粒子衝突痕の自己組織化による周期的微細構造の微細構造の形成を狙いとした斜投射微粒子形成を狙いとした斜投射微粒子ピーニングの開発とピーニングの開発と濡れ性制御への応用

濡れ性制御への応用

写真位置
削除しないでください亀山*
亀山雄高雄高

Y. Kameyama
１．まえがき

今日実用化されているテクスチャリング加工法には，マ 近年，微細な溝，窪み，突起などの形状を規則的に設けスキングを施したのちにブラスト加工，エッチング処理やた表面構造を作製し，種々の機械材料の表面へ付加価値を蒸着成膜を行うことによって，構造のパターニングを行うもたらす技術が脚光を浴びている．このような技術は，し原理のものも少なくない．これに対して，提案する斜投射

ばしばテクスチャリング加工と呼ばれている．例えば，自FPP では，微粒子が被加工面へ衝突したときに作られる変動車産業では，摺動摩擦抵抗の低減を通して燃費向上を図形痕が自己組織的に配列して構造が形成されていると考るための重要な技術として，ピストンスカート部やピストえられ，マスク不要でパターニングが可能である．この点ンリング表面へテクスチャリング加工が適用されている．

は，実用的，学術的の両観点から大きな特徴といえる．

周期的微細構造およびそれを作製するためのテクスチャ

 本論文ではまず，FPP の概要についてこれまでの研究成加工は，今後ますます産業界での重要性が高まっていくこ

果に基づき概要を説明する．FPP ではテクスチャリング加とが想定される．

工のほかにも，固体潤滑成分を被処理面へ付与することで このような背景に基づき著者は，新たなテクスチャリン摩擦の低減を図る 4)ことなども可能である．この効果は本

グ加工法を提案する．具体的には，塑性加工技術の一種で特集号の趣旨とも合致していることから，著者らの過去のあり，微粒子を材料へ向けて高速投射して表面改質を行う

研究成果をもとに簡単に紹介したい．その上で，斜投射方法である，微粒子ピーニング（Fine Particle Peening: FPP）

FPP によって任意の寸法，形状のうね状構造を形成するたに注目している．FPP において粒子を被加工面に対して浅めの知見の蓄積，ならびに斜投射 FPP により形成した微い角度から投射（図 1，以下では斜投射 FPP と称する）す細構造が表面の濡れ性に及ぼす影響の解明を目的とした

ると，周期的なうね状の凹凸（図 2）が形成される 1)~3)．

研究の成果について述べる．将来的には，うね構造の形成

この現象を利用して，周期的微細構造を形成しようというを通して濡れ性の制御が行える表面改質の提案が目標でものである．

ある．このような技術は，例えば，防汚性を発揮するために表面の濡れ性を高度に制御することが求められる金型やエネルギー機器（太陽光パネルなど）への適用が期待さ粒子投射ノズル

れるものである．

被処理材

２．FPP の概要
FPP は当初，自動車部品や塑性加工用金型の疲労寿命改善のための技術として普及がなされてきた．機械材料の疲
労強度向上のための表面改質法の一種として，ショットピーニングは古くから知られている．FPP の改質原理は従来
図1

斜投射 FPP 処理装置の概観からあるショットピーニングと本質的には同じである．ただし，FPP の場合には，ショットピーニングと比較して微細な投射材（一般に粒径 200m 以下とされる）が投射さピッチ粒子の流れれる．その結果，最表面層に改質効果が集中的に表れると高さいわれている．
一方，FPP を施した表面には，投射した微粒子あるいはその成分がわずかに残存する（著者はこの現象を移着と呼1mmんでいる）5)．このような作用は，素材の清浄性という点では忌避される場合もあるが，著者らはむしろ，表面改質

図2

斜投射 FPP で形成されるうね状の周期的微細構造* 東京都市大学原理として積極的に応用できるものであると考えている．

処理装置の概観

工学部機械工学科准教授- 48 -



FPP では，条件を工夫することで表面に周期的微細構造を形成し，同時に有益な特性を示す成分を移着させられる可能性がある．

３．斜投射 FPP によるテクスチャリング加工とそれを通した濡れ性制御の試み
FPP 未処理
図3

FPP 処理CB 移着無し 斜投射 )33 によるこれまでの研究

FPP 処理CB 移着 本節ではまず，斜投射 FPP に関してこれまで得られている著者らの知見 1)~3)を整理する．

カーボンブラック（CB）の移着を狙いとした
FPP 処理で改質した SUS304 鋼表面の巨視的様相（投射角度 90°･･･ 一般的な FPP）

図 5 に，投射角度（FPP 被処理面とノズル軸とがなす角度）を系統的に変化させて FPP を施した表面を光学顕微鏡および走査型白色光干渉式非接触表面形状測定機を用0.80.6
摩擦係数いて観察・解析した結果を示す．まず，一般的な条件での

As-polished

0.7

FPP，すなわち投射角度が 90°の場合には，不規則に凸部S50.5と凹部が並んだ粗面が形成されている．凹凸の並び方には，
CS5

特に規則性や異方性は見出せない．このように一般的な

0.4

FPP では，異方性を有さない粗面が形成される．これに対0.3

し二つの条件の斜投射 FPP では，周期性，異方性を有す

CS600.2る構造が形成されている．投射角度が小さい（15°）条件0.1

では，うね状構造は粒子の投射方向に直交して周期的に配00列していた．投射角度が比較的大きな場合（75°）には，

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
往復摺動回数

凹凸の向きは 15°の場合と異なり粒子投射方向と概ね平行

図 4 FPP で CB を移着させた SUS304 鋼表面の摩擦係数 4)
CS5：FPP 処理・CB 移着，投射時間 5s．
CS60：FPP 処理・CB 移着，投射時間 60s．
S5：FPP 処理・CB 移着無し，投射時間 5s．
As-polished：FPP 未処理．
（いずれも投射角度 90°）
すなわち，ある優れた性質を示す物質を FPP の投射材に適用することで，その物質を FPP 被処理面へ移着させようという考えである．
たとえば図 3，4 はそれぞれ，FPP によってカーボンブラック（CB）粉末を移着させた SUS304 鋼製試験片の代表的な様相と，往復摺動式摩擦試験によってその試験片のであった．すなわち，投射角度に応じて凹凸の配列方向は変化する．
このようなうね状構造がどのように形成されるかという点について，現時点で考えているシナリオを図 6 に模式的に描いた 1)．まず，投射角度が比較的小さい場合に形成されるうねは，個々の粒子が材料を掘り起こすようにしてできる隆起部を前駆体として形成されたものだと考えられる．既成の衝突痕の近傍へ別の粒子が衝突したとき，その粒子によって塑性流動した材料は既存の隆起部にピン止めされ，結果的に隆起部が配列していくというメカニズムを推察している．
これに対し，比較的大きな投射角度（75°）の場合には，粒子が材料を掘り起こす作用は少なく，この場合には衝突摩擦係数を評価した結果である 3)．FPP に当たっては，カ痕端部には明瞭な隆起部は形成されないものと考えられーボンブラック粉末を鋼微粒子の表面へ担持させた投射材（複合粒子）を作製し使用した．試験片の表面は移着したカーボンブラックによって黒色を呈しており，その表面の摩擦係数の値は摩擦試験の終始にわたっておよそ 0.3 ~る．この場合に観察されたうね状構造は，粒子の衝突痕が粒子の運動方向に連結した結果形成されていたものと思われる．

0.4 程度の比較的低い値を示している．これに対して，カ

投射角度90°(通常のFPP)ーボンブラックが移着していない FPP 処理面では，摩擦投射角度75°(斜投射FPP)
粒子の運動方向係数は最終的に 0.7 程度と高い値を示しており，カーボン投射角度15°(斜投射FPP)
粒子の運動方向ブラックを移着させたことが摩擦特性の改善をもたらしていたものと理解できる．カーボンブラックを移着させた粒子の運動方向

粒子の運動方向

表面が低い摩擦係数を示したメカニズムとしては，カーボンブラックが，相手材との接触面に介在して潤滑作用を発揮したためと考えている．

0.5mm

このような粒子の移着現象は，次章以降で述べる斜投射
FPP においても生じることが確かめられている 1)．つまり- 49 -0.5mm0.5mm

図 5 投射角度が表面微細構造形成に及ぼす影響 3)（被処理材材質：A6061 アルミ合金）

(a) q = 15°, 45°(b) q = 75°(c) q = 90°(normal-FP P )Growth of bumps
Few bumps formation
due to micro-ploughing beside eroded dents Vertically indented dents

Transverse ridge due topinning of material flow
around the bumps

WA#360

WA#1000

GB#40

GB#200

Steel(70μm)

Steel(50μm)

Longitudinal ridge Directionless texture
formed by linking of due to overlapping
individual dentsof dents

図 6 斜投射 FPP によるうね状構造の  形成メカニズムに関する仮説 1)（被処理材材質：A6061 アルミ合金）
また，斜投射 FPP（投射角度 15°）の条件に応じたうね状構造の形状，寸法の変化についても，被処理材に A6061アルミニウム合金を用い，投射材に粒径 70m の鋼粒子を用いた場合において系統的な検討を行っている．結果の概略を述べると，うね状構造は投射時間とともに寸法が増大すること，同じ質量の粒子を投射するのであれば長時間かけて（すなわち，単位時間当たりの粒子投射量を少なく設定して）斜投射 FPP を行った方が，寸法の大きなうねが形成されることなどがわかっている．これまでに実験を行

図 7 斜投射 FPP 実験に用いた投射材の光学顕微鏡写真った範囲では，うねの寸法は概ねピッチ（隣接するうね同士の平均間隔）が 100~300m，高さ（個々のうねの頂部から谷底までの高さの平均）が 10～30m の範囲であった

30mm とし，投射時間を系統的に変化させた．斜投射 FPP1)．

を施した後，試験片表面に形成されたうね状構造について，ただしこれまでの研究では，上記以外の被処理材を用い光学顕微鏡観察とうねのピッチ，高さの評価を行った．な

た場合，あるいは投射材の種類や寸法を変化させた場合のお，ピッチ，高さは，触針式粗さ計より得た断面曲線よりうね形成挙動については，まだ十分に調べられていない．

計測している．

そこで次節では，これらの条件がうね状構造の形成挙動に まず，斜投射 FPP の条件を種々に変化させた場合のう及ぼす影響について明らかにする．

ね寸法の変化について検討を加えた．図 86)に，粒径が異  種々の被処理材，投射材を用いた斜投射 )33 によなる鋼粒子を用いて斜投射 FPP（投射圧力 0.65MPa）を施した A6061 アルミ材表面の光学顕微鏡観察結果および断るうね状構造
供試材には各種のアルミ材および鋼材を，また投射材に面曲線より計測したうねの幅，高さをまとめて示す．光学は鋼粒子（Steel），ホワイトアルミナ粒子（WA），ガラス

顕微鏡観察結果において，粒子の流れは図の上から下に向粒子（GB）を，それぞれ用いて斜投射 FPP を施し，各条いている．概ねいずれの条件とも，粒子の流れと直交する件において形成されるうね状構造について形状・寸法を評向きのうね状微細構造が観察された．その寸法は投射時間価する実験を行った．用いた粒子の様相を図 7 に示す．ホの増加とともに増大していることがわかる．ただし，粒径ワイトアルミナ粒子は一般的な砥粒として供給されていが大きく時間が短い条件や粒径が小さく時間が長い条件るもので，#360 と#1000 の二種類の番手を利用した．形状

では，光学顕微鏡観察では周期的微細構造の形成が明瞭にはグリット状である．またガラス粒子，鋼粒子はそれぞれは認められなかった．前者の場合は構造が発達途上の段階，球形を呈しており，前者は#40，#200 の二種類の番手を，後者の場合は一度微細周期構造が形成されたものの，粒子後者については平均粒径が異なる 4 種類，
すなわち 50m，の衝突が繰り返されるうちに凸部・凹部の配列が乱れ周期70m，100m，200m のものを用いた．

的な凹凸が不明瞭になった結果と考えられる．うね状構造

いずれの条件とも，FPP はノズル径 6mm の吸引式ピーを形成するには，ある投射時間の範囲内で条件を設定するニング装置を用いて行った．投射角度は 15°（斜投射 FPP）ことが効果的であると見出された．一方，粒径の影響につおよび 90°（一般的な FPP）とで比較を行った．その他の

いていえば，寸法の大きな投射材を用いても必ずしも大き条件としては，吸引式装置を用いた実験では，投射圧力をなうねが形成されるわけではなく，むしろ粒径が小さな粒0.65MPa または 0.5MPa，ノズルと被加工面との距離を子の方が寸法の大きなうねを形成した場合もあった（たと- 50 -

うねの幅 μm

700
600
500
400
300
200
100
0A1050(HV30)
A6061(HV100)
A2017(HV130)
SUS304(HV210)
S45C(HV230)

01020304050
投射時間 t s

6070(a) うねのピッチ
うねの高さ μm

50A1050(HV30)

40A6061(HV100)
A2017(HV130)

30SUS304(HV210)

20S45C(HV230)

10001020304050
投射時間 t s

6070(b) うねの高さ
図 9 材料ごとの微細周期構造の寸法の比較 6)
図 9 6)は，種々の材質の被処理材に対し，粒径 70m の鋼粒子を用いて斜投射 FPP（投射圧力 0.65MPa）を行った結果である．S45C やステンレス鋼においても，斜投射 FPPによるうね状構造の形成が認められた．結果は示していな
いが，純鉄や純チタンの表面にも，うね状構造の形成は可能であった．ただし，これらの材料では，アルミ材と比べて硬さが比較的高いことから，形成されたうねの寸法は図8 に示した A6061 アルミ合金のそれと比べて小さかった．
投射時間の増加とともにうねが大きく成長するという傾向は，これらの材料でも同様に認められた．

600
うねの幅 μm

50040050μm

次に，種々の投射粒子を用いて A6061 材に対して斜投70μm

射 FPP（投射圧力 0.5MPa）を行い，形成されたうね状構100μm300造を観察した．形成されたうねを光学顕微鏡(OM)および200μm200走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結果の代表的な例を1000010203040506070

図 10 に示す．また，これらのうねのピッチ，高さを計測80した結果を図 11 に整理して示す．まず，ホワイトアルミ投射時間 t s

ナ粒子を用いて斜投射 FPP を行った場合には，ガラスビうねの高さ μm(i) うねのピッチ
706050403020100ーズや鋼粒子を用いた場合と比べてうねが密に配列した，すなわち高周波の周期構造が形成されている様子が見て50μm取れる．とくに，寸法の小さなホワイトアルミナ粒子

70μm(#1000)粒子を用いた場合には，ピッチがおよそ 50m，高100μmさがおよそ 7m の周期構造を得ることができた．この寸200μm法は，WA#1000 粒子と粒径が同程度と判断される鋼粒子(50m)粒子を用いた場合に形成されたうねのピッチと比010203040

投射時間 t s50607080

べて小さい．鋼とホワイトアルミナでは，密度や粒子形状が異なり，それらに起因して微細周期構造の形成挙動が影(j) うねの高さ
図 8

響を受けているものと理解された．
図 10 には，SEM によって表面の様相を高倍率で観察し微細周期構造の形成に及ぼす粒子径の影響 6)た結果も示している．その SEM 像に着目すると，うねのえば，10s における 50m と 100m との比較や，40s にお表面に存在する微細な凹凸について，以下のように興味深ける 50m と 200m の比較）．つまり，投射材寸法とうねい知見が見出される．ホワイトアルミナ粒子を投射して形の寸法との間には明瞭な相関関係は見出されなかった．

成されたうねの表面には微細な切削痕が認められ，鋼粒子- 51 -

図10 種々の粒子を投射材に用いた斜投射FPPにより形成されたうね状構造の光学顕微鏡観察結果(OM)および走査型電子顕微鏡観察結果(SEM)明らかとなった．また，斜投射 FPP に用いる投射材の選12

うねの高さ，m

10WA#1000定に応じて，うねの寸法，ひいてはうねの表面性状も変化することが見出された．
  うね状構造を有する表面の濡れ性

8GB#200

Steel50m

前節で作製した試験片の一部に対して，表面の純水に対WA#3606する接触角を測定することで，濡れ性を評価した．図 12

鋼粒子
ガラス粒子
ホワイトアルミナ粒子

420

GB#40

Steel70mが接触角の測定に用いた装置であり，上下動するシリンジ

GB#40の先端より吐出した純水 2μl を試験片表面の定点に静置し，予めその場所に合焦するよう位置決めされたマイクロスコープにより液滴を観察し，接触角測定を行うことができ

050100150うねのピッチ，m200250

る．試験は室温，大気中で行った．

図 11 うね状構造のピッチと高さの計測結果の投射によって形成されたうねは，鋼粒子の表面性状が転写されてできたと考えられる細かな凹凸に覆われており，またうねの頂部にはバリの生成を伴っている．すなわち，これらの表面は，サブミリスケールの凹凸（うね状の周期構造）と，マイクロ～サブマイクロスケールのごく微細な凹凸が重畳して，いわば階層的なテクスチャが形成されている．これに対し，ガラス粒子の投射によって形成されたうねの表面は，うろこ状の塑性変形痕が認められるものの，その表面は滑らかな様相を呈している．図 7 に示したとお図12 濡れ性試験機外観り，ガラスビーズの表面は極めて滑沢となっていて，これがうねの表面へ転写されたものと考察される．

以上の結果より，うねの生成はある特定の材料において

図 13 は図 10 に示した各表面において測定された接触角のみ生じるわけではなく各種の金属材料に生じることがを整理したものである．図中の破線は，研磨面で測定され- 52 -

接触角，°接触角，°10090807060504030201001009080706050403020100の存在よりもむしろ，図 10 で述べたような，階層的なテクスチャ，すなわちうね構造の表面へ重畳した微細な凹凸の有無によって決定付けられていた可能性があると考えられる．粗面における濡れ性を記述するモデルとして，
Cassie-Baxter の理論 7)が知られている．このモデルは，液滴が粗面の凹部に完全に侵入しない場合には，見かけ上，鋼粒子0固体と空気層の複合材料として振る舞って接触角が定まガラス粒子ると要約できる．濡れの挙動が Cassie-Baxter モデルに従ホワイトアルミナ粒子っていた，すなわち，極めて微細な凹部が，液滴接置面に50100150200
うねのピッチ，m(a) うねのピッチと接触角の関係

空気層を介在させたと考えれば，わずかな接触角の増加が250みられたという結果を合理的に理解できるものと考えられる．

４．まとめ
 本論文では，FPP を利用した表面改質の特徴について概観した後に，斜投射 FPP を利用したテクスチャリング加工とそれによって表面の濡れ性制御を図った研究について述べた．斜投射 FPP におけるうね状構造形成は，アルミニウム，鉄鋼材料やチタンなど各種の金属材料で普遍的0鋼粒子に生じる現象であること，形成される構造の寸法は，投射ガラス粒子時間や投射材の材質・形状などの条件の変化を通して，あホワイトアルミナ粒子る範囲で制御することができることを明らかにした．なか

246810うねの高さ，m(b) うねの高さと接触角の関係でも例えば，微細なホワイトアルミナ粒子を投射した場合12には，とくに寸法の小さな（高さ一桁m オーダー）うね状構造の形成が可能である．なお，このスケールの凹凸は，トライボロジー分野における潤滑性向上にも効果があるとされ，本研究から得られた知見の応用先として期待でき

図13 種々の粒子を投射材に用いた斜投射FPPにより
 形成されたうね状構造の純水に対する接触角る．
濡れ性の制御に関しては，うね状構造の存在そのものよた接触角を示している．同図より，接触角はうねピッチ，りも，その表面に重畳して存在する粒子表面構造が転写さうね高さのいずれとの間にも明瞭な相関性が認められず，れてできた微細な凹凸が，接触角へ大きな影響を及ぼしてむしろ用いた粒子の種類によって接触角が異なるようにいた．すなわち，表面にごく微細な凹部が重畳しているこ判断された．すなわち，鋼粒子およびホワイトアルミナ粒とで，その表面の親水性は低下（寄り疎水性に近づく）す子を投射した場合には，研磨面よりもやや高い接触角を示る可能性を見出した．このような表面は，表面に微細な凹しているのに対し，ガラスビーズ投射面のそれは研磨面と凸を有する粒子やグリット形状の粒子を用いた場合に作近い値であった．鋼粒子投射面，ホワイトアルミナ投射面製することが可能である．以上より，斜投射 FPP によっに関しては，接触角は 90°をわずかに下回ってはいるものて表面の濡れ性を制御する上で，条件選定や作製すべき微の，研磨面と比べると，より疎水性に近い性質を示したも細構造の設計を行うに当たっての指針となる知見を得るのと判断できる．

ことができた．

鋼粒子投射面およびホワイトアルミナ粒子投射面において，研磨面と比べて接触角が増大した要因について考察を加える．まず，同等の寸法のうねを形成したガラスビー
ズ投射面では接触角の変化が認められなかったことを考慮すると，微細周期構造を形成したことが主たる要因であるとは断言しにくい．比較のため，一般的な FPP（投射角度 90°，鋼粒子 70m）で作製された粗面における接触角を測定したところ，およそ 80°であった．その値は，図 13に示した鋼粒子斜投射 FPP 処理面でのそれと概ね同等であった．
斜投射 FPP 処理面が示す濡れ性は，うね状の周期構造- 53 -謝 辞
本研究は公益財団法人天田財団平成 27 年度一般研究開
発助成 AF-2015031 による補助を受けて実施した．ここに謝意を表する．

参考文献
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