JP2010221261A - テクスチャ形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部材表面に形成されるテクスチャの形状精度を低下させることなく、かつ、デブリの発生を抑制して後工程を必要としないテクスチャ形成方法を提供する。
【解決手段】レーザ照射によって被加工物表面にディンプルを形成するテクスチャ形成方法であって、被加工物２０表面に被加工物よりも高融点の材料３１を塗布する工程と、被加工物表面におけるテクスチャ形成部分にレーザ１０を照射してディンプル２１を形成する工程と、被加工物の表面を洗浄して高融点材料を除去する工程とからなる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、自動車部品のシリンダブロックにおけるシリンダボア内周面の加工方法に係り、特に、内周面にオイル溜まりとして作用させるための微小ディンプルからなるテクスチャを形成する方法に関する。

自動車部品であるシリンダブロックのシリンダボア内周面には、摺動に際して焼き付きを防止するため、微小なディンプルを多数設けて、油溜まりとして機能させることが知られている。このディンプルを形成する方法としては、機械的な切削やショットブラストによる方法、化学的なエッチング方法、あるいはレーザの照射によるテクスチャ形成方法が知られている。

図２は、上記レーザ照射による加工方法を模式的に示す図である。図２に示すように、従来の方法においては、金属母材２０の表面にレーザ１０を照射して微細なディンプル２１を形成する際、レーザ１０によって蒸発した金属蒸気がディンプル２１の縁部近傍にて周辺雰囲気あるいは母材によって冷却されて液化し、母材表面に再付着して固化し、所謂デブリ２２を形成するという問題があった。このデブリ２２は、平滑な母材表面から突出しているため、摺動性に悪影響を及ぼす懸念がある。

従来このようなデブリは、図２に示すように、研磨手段２３によって除去する必要があった。そのため、レーザ照射工程に加えて、デブリの研磨工程や、研磨で発生する金属粉末の洗浄工程が新たに必要となり、工程数が増加してしまうという問題があった。

このような問題に対し、金属母材表面にレーザ透過性のある潤滑油を流しながらレーザ加工を実施する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、図３に示すように、金属母材２０の表面が潤滑油３０で被覆された状態でレーザ照射を行うため、発生する金属蒸気は瞬時に冷却されて潤滑油中に固化して浮遊するため、ディンプル２１の縁部にデブリが形成されるのを抑制することができる。

特許第４１１１０４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、デブリの研磨工程を省略することはできるものの、潤滑油を通してレーザ加工を行うため、直接レーザ照射を行う場合と比較して、レーザ光への干渉が生じて、形成されるディンプルの形状精度が低下する懸念があり、所望のテクスチャが得られないという問題がある。

本願発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、形成されるテクスチャの形状精度を低下させることなく、かつ、デブリの発生を抑制して後工程を必要としないテクスチャ形成方法を提供することを目的としている。

本願発明は、レーザ照射によって被加工物表面にディンプルを形成するテクスチャ形成方法であって、被加工物表面に被加工物よりも高融点の材料（以下、単に「高融点材料」と略称する場合がある。）を塗布する工程と、被加工物表面におけるテクスチャ形成部分にレーザを照射してディンプルを形成する工程と、被加工物の表面を洗浄して高融点材料を除去する工程とからなることを特徴としている。

本願発明のテクスチャ形成方法においては、塗布工程において、高融点材料を有機溶媒および／またはバインダ中に分散させてから塗布することを好ましい態様としている。

本願発明のテクスチャ形成方法においては、高融点材料は、粒子状であることを好ましい態様としている。

本願発明のテクスチャ形成方法においては、マスクイメージング法によって前記レーザを照射することを好ましい態様としている。

本願発明のテクスチャ形成方法においては、前記洗浄工程において、超音波洗浄を行うことを好ましい態様としている。

本願発明のテクスチャ形成方法においては、前記被加工物は、摺動部材であることを好ましい態様としている。

本願発明によれば、レーザが直接被加工物に照射されるため、形成されるテクスチャの形状精度を低下させることがない。また、被加工物表面に被加工物よりも高融点の材料が塗布されているので、レーザ照射によって蒸発した被加工物が冷却されてデブリを形成する際、デブリは被加工物に直接形成されずに、高融点材料層を介してその上に形成されるので、後の洗浄工程で高融点材料層を除去するだけで、その上に形成されているデブリも同時に除去することができるという効果を奏する。

また、塗布されている高融点材料は被加工物よりも高融点であるため、レーザによって蒸発した被加工物の蒸気が持つ熱量によっては高融点材料層は溶融し難く固体状態を維持するため、被加工物に付着することを防止することができる。

本願発明のレーザ照射によるテクスチャ形成方法を示す模式断面図である。 従来のレーザ照射によるテクスチャ形成方法を示す模式断面図である。 従来のレーザ照射によるテクスチャ形成方法を示す模式断面図である。 本願発明のテクスチャ形成方法の実施形態における装置構成例である。 本願発明の実施例と比較例におけるレーザショット数とデブリ高さの関係を示すグラフである。 本願発明の方法によってテクスチャを形成した摺動部材表面の走査電子顕微鏡写真である。 従来の方法によってテクスチャを形成した摺動部材表面の走査電子顕微鏡写真である。

以下、本願発明の実施形態について更に詳細に説明する。
本願発明は、自動車動力源としての内燃機関の部品であるシリンダブロック内のシリンダボアの内周面上に、摩擦の低減や耐焼き付き性の向上を目的として形成する微細なディンプルからなるテクスチャを形成する方法である。

図１は、本願発明のテクスチャ形成方法における各工程を示す模式図であり、符号２０は、摺動部材であるシリンダボアを構成する例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金等からなる金属母材である。金属母材２０の表面には、この母材の融点よりも高い融点を有する、高融点材料３１が塗布されている。ここで塗布とは、例えば酸化被膜やメッキのように両者が強固に化学的に結合しているものではなく、洗浄によって除去される程度の状態を指し、例えば、高融点材料のシートが密着している状態や、高融点材料の粒子が直接あるいはバインダを解して金属母材表面に分散して密着している状態が挙げられる。

次に、所望のテクスチャ（ディンプル）が得られるよう適宜調整されたレーザ１０を照射すると、金属母材２０および高融点材料３１が加熱されて蒸発し、ディンプル２１が形成される。蒸発したこれら材料の蒸気は、周辺雰囲気あるいは高融点材料３１の表面で冷却されて液化・固化し、デブリ２２を形成する。

ここで、従来技術においては、図２に示すようにデブリ２２が金属母材２０の表面に直接形成されていたが、本願発明では、金属母材２０の表面に高融点材料３１が塗布されているので、図１に示すように、デブリ２２は高融点材料３１の上に形成される。

続いて、図示しない洗浄工程に供されて、金属母材２０表面の高融点材料３１は洗浄・除去される。このとき、デブリ２２は高融点材料３１上に形成されているので、高融点材料３１とともに除去することができる。なお、塗布される材料３１の融点が低いと、デブリ２２が形成される際の金属蒸気の熱量によって溶融し、材料３１と金属母材２０が溶接されてしまうため、本願発明では、材料３１は金属母材２０よりも高融点であることを必須の構成要件としている。これにより、デブリ２２が形成される際も、高融点材料３１は固体状態を維持することができ、洗浄工程で容易に除去することができる。

１．金属母材
本願発明に用いられる金属母材は、自動車部品であるシリンダブロック内のシリンダボアとして公知の材料の中から任意のものを使用することができ、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、鋳鉄、ステンレス鋼等から選択することができるが、これらに限定されるものではない。

２．高融点材料
本願発明における高融点材料は、上述のとおり層を構成して金属母材表面に塗布されるものであるが、金属母材の表面性状に沿って密着させる観点から、高融点材料を構成する粒子が直接あるいはバインダを介して金属母材表面に塗布されるものであることが好ましい。粒子を直接塗布する場合は、粒子を有機溶媒に分散させてから金属母材表面に塗布した後、有機溶媒を揮発させ、高融点材料の粒子層を形成する。また、バインダを介して塗布する場合は、粒子をバインダに分散させてから金属母材表面に塗布する。

いずれの場合も、塗布される粒子は、金属母材よりも高い融点を有することが必要であり、そのような粒子としては、例えば金属母材がアルミニウムである場合、クロム、コバルト、タングステン、ニッケル、モリブデン、チタン、タンタル等の金属粒子あるいはこれらの合金粒子、シリカ、アルミナ等の酸化物粒子、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮといった炭化物あるいは窒化物が挙げられ、特に、コストや粒子化の観点から、シリカ、アルミナ、ＳｉＣ粒子が好ましい。

３．レーザ照射（ディンプル形成工程）
本願発明のテクスチャ形成方法に用いられるレーザは、公知の仕様のものを使用することができる。本願発明のテクスチャ形成方法においては、マスクイメージング法によって前記レーザを照射することが好ましい。マスクイメージング法によれば、所望のテクスチャが得られるような貫通孔部が多数形成されたマスクを介してレーザを照射するのみで、金属母材表面に一度に多数のディンプルを形成することができて好ましい。

４．洗浄（高融点材料除去工程）
本願発明のテクスチャ形成方法における高融点材料を除去する工程では、任意の洗浄方法を選択することができるが、特に、超音波洗浄を行うことが好ましい。

５．実施形態
本願発明のテクスチャ形成方法の具体的な実施形態を以下に説明する。図４は、そのような装置構成の一例を示している。レーザ発振機１１から発振されたレーザ光、例えばエキシマレーザは、ホモジェナイザ１２で均質化され、ステージ１５上に載置された図示しない被加工物へ向けて反射板で方向を変化させられ、ディンプルに対応する位置に孔部を有するマスク１３を通過して所望のディンプルを構成するようにマスキングされ、投影レンズ１４を通過して収束された後、ステージ１５上の被加工物へ照射され、レーザ加工が行われるものである。

以下、具体的な実施例によって本願発明の効果をさらに詳細に説明する。

［実験条件］
本願発明では、レーザ発振機として下記のとおりの仕様および条件で、レーザ加工を行った。
レーザ発振機１１：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製、商品名ＬＰＸＰｒｏ３０５
光源：ＫｒＦ、１０００ｍＪ
光学系：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製、５ｘ縮小投影光学系
マスク１３：Ｃｒマスク
レーザ波長：２４８ｎｍ
エネルギー密度：６〜１３Ｊ／ｃｍ^２

［実施例１］
被加工物（金属母材２０）としては１０×４５×１ｍｍの寸法を有するアルミニウム−珪素系合金Ａ４０３２（鏡面研磨基板）を用いた。この金属母材に、高融点材料（高融点粒子としてＳｉＣ微粒子を４ｗｔ％以下、バインダとしてジクロロペンタフルオロプロパンを４５ｗｔ％以上、および溶媒を含むもの）を塗布し、乾燥したものを実施例１として上記のレーザ装置および実験条件にて、レーザを照射して多ショット加工を行った。ショット数は、２０〜１００回まで変化させて行った。加工後、超音波洗浄を行って高融点材料を除去した。

［比較例１］
比較例１として、上記の金属母材に高融点材料を塗布しなかった以外は同様にして、多ショット加工を行った。ショット数は、３０／５０／７０回の３通りを行った。

［実験結果］
実施例１および比較例１の実験結果を、図５のグラフに示す。このグラフは、レーザのショット数と形成されるデブリ高さの関係を示すものである。図５に示すように、実施例１（ＳｉＣ塗布あり）では、２０〜１００回ショットを行っても、デブリの高さが５μｍ以下に抑制され、特に、２０〜８０回の範囲においては１μｍ以下に抑制された。一方、比較例１（ＳｉＣ塗布なし）では、いずれの場合もデブリの成長が著しかった。

また、実施例１および比較例１のレーザ加工において３０／５０／７０回ショットした後の走査電子顕微鏡写真を、図６および７にそれぞれ示す。図７の比較例１の写真においては、ショット回数が増えるに従ってレーザで蒸発した金属がデブリを形成して、表面の粗さが増加していくことが観察された。一方、図６の実施例１においては、ショット回数が増えても表面の粗さに変化はほとんど見られなかった。すなわち、実施例１においては、ショット回数を増加させてより深いディンプルを形成しても、デブリの発生を抑制できることが分かる。

シリンダボア等の摺動面にテクスチャを形成するに際して、テクスチャ精度を低下させずにテクスチャを形成し、また、短時間かつ安価な方法でデブリを除去することができる。

１０…レーザ光、１１…レーザ発振機、１２…ホモジェナイザ、１３…マスク、１４…投影レンズ、１５…ステージ、２０…被加工物（金属母材）、２１…ディンプル、２２…デブリ、２３…研磨手段、３０…潤滑油、３１…高融点材料。

Claims (6)

1. レーザ照射によって被加工物表面にディンプルを形成するテクスチャ形成方法であって、
   前記被加工物表面に被加工物よりも高融点の材料を塗布する工程と、
   前記被加工物表面におけるテクスチャ形成部分にレーザを照射してディンプルを形成する工程と、
   前記被加工物の表面を洗浄して前記高融点材料を除去する工程と
   からなることを特徴とするテクスチャ形成方法。
2. 前記塗布工程において、前記高融点材料を有機溶媒および／またはバインダ中に分散させてから塗布することを特徴とする請求項１に記載のテクスチャ形成方法。
3. 前記高融点材料は、粒子状であることを特徴とする請求項２に記載のテクスチャ形成方法。
4. マスクイメージング法によって前記レーザを照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のテクスチャ形成方法。
5. 前記洗浄工程において、超音波洗浄を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のテクスチャ形成方法。
6. 前記被加工物は、摺動部材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のテクスチャ形成方法。

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