DE112015005774T5

DE112015005774T5 - Harzbauteilproduktionsverfahren

Info

Publication number: DE112015005774T5
Application number: DE112015005774.9T
Authority: DE
Inventors: Toru Kamiya
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-09-21
Also published as: JP2016121330A; CN107108932A; US20170348898A1; JP6593635B2

Abstract

In einem ersten Prozess wird ein Harzformkörper mit einer vorbestimmten Form ausgeformt. Als Nächstes wird in einem zweiten Prozess eine Oberfläche des Harzformkörpers mit Plasma in einem Vakuum behandelt, um Ungleichförmigkeiten in der Oberfläche der Harzformkörper bereitzustellen. In dem zweiten Prozess wird eine Entladungszündung in einem Inertgas ausgeführt, um Plasma zu erzeugen, und Rohmaterialgas wird dann durch Luft ersetzt, während ein Grad von Vakuum aufrechterhalten bleibt.

Description

Technisches Gebiet
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Harzbauteilproduktionsverfahren.
Stand der Technik
In den letzten Jahren wurden Produkte, die aus Harz hergestellt sind, wegen der zunehmenden Festigkeit von Harzmaterialien in verschiedenen Bereichen verwendet. Zum Beispiel wurde wegen Forderungen nach einer Reduktion von Umweltbelastungen in einem Gebiet von Kraftfahrzeugen verlangt, das Gewicht der Komponenten für Kraftfahrzeuge zu reduzieren. Daher wurden aus Metall hergestellte Komponenten durch aus Harz hergestellte Komponenten ersetzt.
Trotzdem entsteht ein Problem bei der Benetzbarkeit von bzw. mit Öl, wenn ein Harzbauteil in einem Teil eingesetzt wird, in dem Schmierfähigkeit erfordert ist, so wie ein Gleitteil, ein Getriebe, ein Lager, etc. Ein Harzbauteil ist minderwertiger als ein Metallbauteil hinsichtlich der Benetzbarkeit mit schmierendem Öl bzw. Schmieröl. Es gibt einen Fall, dass das Harzbauteil keine ausreichende Schmierleistung zeigen kann. Deshalb wurden verschiede Bauteile vorgestellt, die weiterverarbeitet wurden, um die Benetzbarkeit von Harzbauteilen hinsichtlich Öl oder Wasser zu verbessern.
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 ein Schneckenrad, das einen aus Metall hergestellten Kern enthält, bei dem ein Harzabschnitt integral mit einer Außenumfangsfläche des Kern ausgebildet ist und das eine Verzahnung aufweist, und bei dem eine Hartkohlenstoffbeschichtung auf den Oberflächen der Verzahnung durch ein Plasma-CVD-Verfahren, ein Plasma-Ionenimplantations-Verfahren oder dergleichen gebildet ist.
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 2 eine mechanische Dichtung in einer Wasserpumpe, die einen Festring und einen Drehring, die gleitende, einander gegenüberliegende Oberflächen aufweisen, enthält. Ein hydrophiler Oberflächenabschnitt ist auf jeder gleitenden Oberfläche durch Plasmastrahlung, Laserlicht, ultraviolette Strahlen, etc. gebildet.
Verwandte Stand der Technik Dokumente
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP-A-2004-155245
Patentdokument 2: JP-A-2005-188651

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Harzbauteilen werden hauptsächlich in physikalische Behandlung und chemische Behandlung klassifiziert. Die Behandlungsverfahren, die in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart werden, gehören zur ersteren, das heißt, zu der physikalischen Behandlung. Die physikalische Behandlung dient dazu, eine Oberfläche eines Bauteils zu bearbeiten oder eine Beschichtung darauf zu bilden, um dadurch eine physikalische Eigenschaft der Oberfläche zu verändern. Die physikalische Behandlung ist besser hinsichtlich Nachhaltigkeit (Beständigkeit) der durch die Behandlung erzielten Effekte, und kann durch ein Trockenverfahren ausgeführt werden. Deshalb stellt die physikalische Belastung weniger eine Belastung für die Umwelt dar als die chemische Belastung, wie zum Beispiel eine Behandlung mit einem Lösungsmittel. Trotzdem wurde die physikalische Behandlung noch nicht zufriedenstellend für komplexe Formen mit Ausnahme von ebenen Formen geschaffen.
Andererseits wird die chemische Behandlung in einer Weise ausgeführt, in der funktionelle Gruppen (-OH Gruppen, -CH Gruppen, etc.) zu einer Oberfläche (Polymeroberfläche) eines Harzbauteils durch ein Lösungsmittel oder ein Gas hinzugefügt werden. Deshalb ist die chemische Behandlung zufriedenstellend effektiv für komplexe Formen. Trotzdem ist die Bindekraft der funktionellen Gruppen an die Polymeroberfläche so schwach, dass die Oberfläche leicht durch eine externe Kraft oder die Atmosphäre beeinflusst wird. Daher ist die chemische Behandlung häufig schlechter als die physikalische Behandlung hinsichtlich Beständigkeit. Zusätzlich wird auch befürchtet, dass die Belastung auf die Umwelt ansteigen kann, wenn das Lösungsmittel nicht richtig gehandhabt wird.
Es ist daher ein Ziel eines Aspekts der Erfindung, ein Harzbauteilproduktionsverfahren bereitzustellen, bei dem eine Flüssigkeitsbenetzbarkeit, die für eine lange Zeit erhalten wird, auf einen Harzformkörper unabhängig von der Form des Harzformkörpers angewendet werden kann, und bei dem die Belastung auf die Umwelt gering ist.
Mittel zum Lösen des Problems
Nach einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines Harzbauteils (1): einen ersten Prozess, bei dem ein Harzformkörper (2) mit einer vorbestimmten Form ausgeformt wird; und einen zweiten Prozess, bei dem eine Oberfläche (3, 4, 5, 6) des Harzformkörpers mit Plasma in einem Vakuum behandelt wird, um Ungleichmäßigkeiten bzw. Irregularitäten in der Oberfläche des Harzformkörpers bereitzustellen bzw. herzustellen, wobei in dem zweiten Prozess eine Entladungszündung in einem Inertgas ausgeführt wird, um Plasma zu erzeugen, und während ein Grad von Vakuum aufrechterhalten bleibt, ein Rohmaterialgas dann durch Luft ersetzt wird.
Im Übrigen bestimmen in dem oben beschriebenen Absatz die Nummern, etc. in Klammern Bezugszeichen von entsprechenden einzelnen Elementen in einer Ausführung, die später beschrieben wird. Dennoch sind diese Bezugszeichen nicht gedacht, um den Rahmen der Ansprüche zu begrenzen.
Vorteile der Erfindung
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Oberfläche eines Harzformkörpers wegen geladener Partikel, die durch Plasmaerregung in einem Vakuum ionisiert werden, in einen hohen Energiezustand bzw. auf ein hohes Energieniveau gebracht. Daher kann die Kristallinität der Oberfläche verbessert werden, um die Oberflächendichte zu erhöhen. Zu dem gleichen Zeitpunkt kann die Oberflächenrauheit des Harzformkörpers durch schwache Ionensputternenergie gesteigert werden, so dass ein Kontaktoberflächenbereich des Harzformkörpers mit Flüssigkeit oder Tropfen gesteigert werden kann. Als eine Folge ist es möglich, einen Effekt einer verbesserten Benetzbarkeit zu erzielen, während eine exzellente Beständigkeit gegenüber externen Kräften wie zum Beispiel Reibkräften sichergestellt wird. Zusätzlich werden die geladenen Partikel nicht abgegeben, sondern können über den gesamten Harzformkörper verbreitet werden, da die Plasmabehandlung in einem Vakuum ausgeführt wird. Daher können betreffende Oberflächen des Bauteils gleichförmig behandelt werden, auch wenn die Form des Harzformkörpers eine komplexe Form ist, die eine verschachtelte bzw. vielverzweigte Oberfläche wie zum Beispiel eine Innenumfangsfläche eines zylindrischen Bauteils enthält. Weiterhin kann die Belastung auf die Umwelt wegen des Trockenverfahrens, das Plasma verwendet (physikalische Behandlung), reduziert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Herstellen eines Harzbauteils nach einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Harzformkörpers für das Harzbauteil.
3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Verwendung in der Plasmabehandlung für den Harzformkörper.
4 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen einem Grad von Vakuum und einer Entladungsstartspannung für jedes Rohmaterialgas zeigt.
5 ist ein Zeitdiagramm einer Impulsspannung.
6 ist eine Schnittansicht, die ein Wälzlager nach der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein Ablaufdiagramm (Modifizierung) des Prozesses zum Herstellen des Harzbauteils nach der Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine Ansicht zum Erklären eines Verfahrens zum Messen der Härte einer weichen Schicht.
9 ist eine Ansicht, die einen Zustand eines Festkörperkontakts in einem Fall zeigt, in dem die weiche Schicht ausgebildet wurde.
10 ist ein Graph zum Erklären eines Effekts zur Reduktion eines Reibkoeffizienten nach einem Beispiel der Erfindung.
11 ist ein Graph zum Erklären eines Effekts zur Verbesserung der Benetzbarkeit nach dem Beispiel der Erfindung.
12 ist ein Graph, der eine Verteilung der Härte in jeder Tiefe von einer Oberfläche des Harzbauteils und eine Menge einer Änderung der Härte zeigt.
13 ist eine Ansicht zum Erklären eines Verfahrens eines Reibungstests.
14 ist ein Graph zum Erklären der Nachhaltigkeit des Reibungskoeffizienten.
15 ist ein Graph zum Erklären des Effekts zur Reduktion des Reibungskoeffizienten.
Betriebsart zum Ausführen der Erfindung
Eine Ausführungsform der Erfindung wird unterhalb im Detail mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Herstellen eines Harzbauteils 1 nach der Ausführungsform der Erfindung.
Um das Harzbauteil 1 herzustellen, wird zum Beispiel ein Harzrohmaterial in eine vorbestimmte Form durch ein bekanntes Formverfahren wie zum Beispiel Spritzgießen, Strangpressen, Formpressen, etc. ausgeformt, so dass ein Harzformkörper 2, der als ein Körper des Harzbauteils 1 dient, gebildet wird (Schritt S1).
Beispiele für das Harzrohmaterial, das verwendet wird, können daher kristalline, thermoplastische Harze und duroplastische Harze einschließen. Beispiele der kristallinen, thermoplastischen Harze können Polyamid (PA), Polyacetal (POM), Polyethylen-Terephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Flüssigkristallpolymer (LCP), Polytetrafluorethylen (PTFE), etc. einschließen. Beispiele für duroplastische Harze können Epoxidharz, Phenolharz, ungesättigtes Polyesterharz, Harnstoffharz, Melaminharz, Diallyl-Phthalat-Harz, Silikonharz, Venylesterharz, Polyimidharz, Polyurethanharz, etc. einschließen. Die kristallinen, thermoplastischen Harze und die duroplastischen Harze sind nicht auf die oben genannten Beispiele geschränkt, sondern es können Verschiedene in Einklang mit der Anforderung des Harzbauteils 1 verwendet werden.
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht des Harzformkörpers 2 zur Benutzung in dem Harzbauteil 1.
Der Harzformkörper 2 bildet einen Körper des Harzbauteils 1 zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen. Der Harzformkörper 2 wird in eine Form geformt, die der Anforderung des Harzbauteils 1 entspricht. Das heißt, die Form des Harzformkörpers 2, die in 2 dargestellt ist, ist lediglich ein Beispiel zum Erklären der Ausführungsform der Erfindung.
Beispiele der Anwendungen des Harzbauteils 1 können einschließen:
Gleitbauteile für Fahrzeuge wie zum Beispiel ein Wälzlager, ein Gleitlager, etc., aus Harz hergestellte Getriebe, verschiedene lackierte bzw. bemalte Materialien, die mit Wasserfarbe oder Ölfarbe bemalt werden, wenn sie benutzt werden, Substrate, die mit verschiedenen Beschichtungsmitteln (feuchtigkeitsbeständige Beschichtung, verschmutzungsbeständige Beschichtung, wasserabweisende Beschichtung, etc.) beschichtet werden, wenn sie benutzt werden, etc. Trotzdem sind die Anwendungen des Harzbauteils 1 nicht auf die Beispiele beschränkt.
Der Harzformkörper 2 enthält ein röhrenförmiges Bauteil (ein zylindrisches Bauteil in der Ausführungsform) mit einer vorbestimmten Dicke. Zum Beispiel weist der Harzformkörper 2 einen Außenumfangsfläche 3, eine Innenumfangsfläche 4 und Stirnflächen 5 und 5 an axial gegenüberliegenden Endabschnitten auf. Ein Teil eines Dicken-Abschnitts des Harzformkörpers 2 ist selektiv von der Stirnfläche 5 an dem einen der axial gegenüberliegenden Endabschnitte entfernt, so dass ein ausgeschnittener Abschnitt 6 gebildet wird. Die Länge L des Harzformkörpers 2 kann zum Beispiel 10 mm bis 30 mm betragen. Zusätzlich kann ein Innendurchmesser D des Harzformkörpers 2 zum Beispiel 5 mm (ϕ 5) bis 20 mm (ϕ 20) betragen. Zusätzlich kann eine Hitzebeständigkeitstemperatur des Harzformkörpers 2 zum Beispiel 80°C bis 150°C betragen.
Als nächstes wird der Harzformkörper 2 in eine Vakuumkammervorrichtung 7 gesetzt (Schritt S2).
3 ist eine schematische Ansicht der Vakuumkammervorrichtung 7 zur Verwendung in der Plasmabehandlung für den Harzformkörper 2.
Ein Suszeptor 9 bzw. eine Aufnahme 9 ist in einem unteren Abschnitt einer Kammer 8 in der Vakuumkammervorrichtung 7 angeordnet. Ein Heizkörper 10 ist in den Suszeptor 9 eingebaut. Der Harzformkörper 2 wird durch den Suszeptor 9 gehalten, so dass der Harzformkörper 2 durch den Heizkörper 10 auf eine vorbestimmte Temperatur geheizt werden kann. Zusätzlich ist eine Abgasleitung 12, die mit einer Vakuumpumpe 11 in der Mitte davon ausgestattet ist, mit dem unteren Abschnitt der Kammer 8 verbunden. Die Vakuumpumpe 11 ist angetrieben, so dass ein vorbestimmter Grad von Vakuum innerhalb der Kammer 8 aufrechterhalten werden kann. Ein Druckbereich des in der Ausführungsform verwendeten Vakuums beträgt zum Beispiel 1·10^–1 Pa bis 1·10^–2 Pa.
Andererseits ist eine Rohmaterialgaszuführleitung 13 zum Zuführen des Rohmaterialgases in die Kammer 8 mit einem oberen Bereich der Kammer 8 verbunden. Auch wenn nur eine Rohmaterialgaszuführleitung 13 in 3 dargestellt ist, können mehrere Rohmaterialgaszuführleitungen 13 vorhanden sein, wenn mehrere Arten von Rohmaterialgas zugeführt werden. Zusätzlich ist eine Leitung mit einem oberen Bereich 14 der Kammer 8 verbunden, so dass der obere Bereich 14, der dem Suszeptor 9 gegenüberliegt, auch als eine Elektrode dienen kann. Eine DC-Vorspannung kann zwischen dem oberen Bereich 14 und dem Suszeptor 9 angelegt werden. Ein Abstand (Zwischen-Elektroden-Abstand) zwischen dem oberen Bereich 14 und dem Suszeptor 9 beträgt zum Beispiel 80 mm bis 400 mm.
Nachdem der Harzformkörper 2 in den Suszeptor 9 eingesetzt ist, wird die Plasmabehandlung in der Vakuumkammervorrichtung 7 gestartet.
Zuerst wird die Vakuumpumpe 11 angetrieben, um das Gas aus der Kammer 8 durch die Abgasleitung abzuführen, während ein Rohmaterialgas von der Rohmaterialgaszuführleitung 13 zugeführt wird.
In dieser Anfangsphase wird der Druck innerhalb der Kammer 8 auf einem mittleren Vakuum von 40 Pa bis 90 Pa gehalten, während ein Inertgas als das Rohmaterialgas zugeführt wird. Dann wird eine Spannung zwischen dem oberen Bereich 14 (Elektrode) der Kammer 8 und dem Suszeptor 9 angelegt, um eine Entladungszündung (Plasmaerregung) in dem Inertgas herbeizuführen (Schritt S3). Daher wird das Inertgas zu Plasma gemacht. Die Spannung, die zu dem Zeitpunkt der Entladungszündung angelegt wird, beträgt zum Beispiel 300 V bis 600 V oder bevorzugt 400 V bis 500 V. Wenn die angelegte Spannung kleiner als 300 V ist, ist es schwierig, eine Plasmaerregung hervorzurufen. Wenn die angelegte Spannung jenseits von 600 V ist, ist dagegen zu befürchten, dass die behandelte Oberfläche (die Außenumfangsfläche 3, die Innenumfangsfläche 4, die Stirnflächen 5 und der ausgeschnittene Abschnitt 6) des Harzformkörpers 2 wegen eines Temperaturanstiegs des Harzformkörpers 2 auf dem Suszeptor 9 beschädigt werden könnten, und zu dem Zeitpunkt der Zündung Funken sprühen. Zusätzlich beträgt die Temperatur des Heizkörpers 10 zum Beispiel 30°C bis 150°C.
Der Grund, warum Inertgas als Rohmaterialgas in der Anfangsphase (Entladungszündungszeitpunkt) der Plasmabehandlung zugeführt wird, kann mit Bezugnahme auf 4 erklärt werden. Wie in 4 gezeigt beträgt die Entladungsstartspannung der Luft 500 V bis mehr als 600 V in einem Druckbereich eines mittleren Vakuums von 40 Pa bis 90 Pa, während die Entladungsstartspannung von Inertgas (He, Ar) etwa 400 V bis 450 V beträgt. Deshalb übersteigt der Druck innerhalb der Kammer 8 um mehrere Pa, um die Entladungsstartspannung der Luft innerhalb des bevorzugten Bereichs (von 400 V bis 500 V) zu unterdrücken. Unter so einem niedrigen Vakuum ist zu befürchten, dass das Gas von dem Harzformkörper 2 zu dem Zeitpunkt der Entladungszündung freigesetzt werden könnte, um dadurch den Harzformkörper 2 zu erniedrigen. Dennoch kann die Entladungszündung, wenn Inertgas als Rohgasmaterial für die Entladungszündung verwendet wird, zufriedenstellend unter einem mittleren Vakuum ausgeführt werden. Im Übrigen kann N₂ (Stickstoff) als das Inertgas ebenso wie ein Edelgas so wie He oder Ar verwendet werden.
Wenn die Entladungszündung beendet ist, bewegt sich die Behandlung von der Anfangsphase zu einer stationären Phase. Der Plasmaerregungsstatus bleibt erhalten, solange der Grad des Vakuums innerhalb der Kammer 8 in einem mittleren Vakuum gehalten wird, und das Rohmaterialgas wird von dem Inertgas durch Luft ersetzt (Schritt S4). Danach wird wie in 5 gezeigt eine An/Aus-Steuerung bei einer Spannung ausgeführt, die niedriger ist als die Entladungsstartspannung, so dass eine Impulsspannung zwischen dem oberen Bereich 14 der Kammer 8 und dem Suszeptor 9 angelegt wird. Daher wird die Luft zu Plasma (Nichtgleichgewichts-Plasma bzw. non-equilibriums-Plasma bzw. nichtthermischen Plasma) gemacht, und die Plasmabehandlung wird auf den Harzformkörper 2 mit geladenen Partikeln, die daher ionisiert sind, ausgeführt (Schritt S5). Im Übrigen ist das Innere der Kammer 8 in der stationären Phase in einem Zustand, in dem Plasma wegen des Übergangs von der Anfangsphase durchgehend auftritt. Daher kann die Luft zu Plasma gemacht werden durch eine vergleichsweise niedrige Spannung auch unter dem mittleren Vakuum.
Die Dauer (Plasmabehandlungszeit) der Anfangsphase beträgt zum Beispiel 10 Minuten bis 15 Minuten. Wenn die Plasmabehandlungszeit kürzer als 10 Minuten ist, ist es schwierig, einen zufriedenstellenden Behandlungseffekt zu erzielen. Wenn die Plasmabehandlungszeit jenseits von 15 Minuten ist, ist dagegen zu befürchten, dass die Temperatur oder die Oberflächenrauheit des Harzformkörpers 2 exzessiv ansteigen kann. In dem Plasmabehandlungszeitbereich beträgt die Pulsbreite bzw. Pulsweite der Impulsspannung zum Beispiel 0,2 Millisekunden bis 1 Millisekunde, oder bevorzugt 0,2 Millisekunden bis 0,25 Millisekunden. Zusätzlich beträgt die Impulsfrequenz zum Beispiel 0,1 kHz bis 0,5 kHz, oder bevorzugt 0,4 kHz bis 0,5 kHz. Wenn die Impulsfrequenz kleiner als 0,1 kHz ist, ist es schwierig, einen zufriedenstellenden Behandlungseffekt zu erzielen. Wenn die Pulsfrequenz jenseits von 0,5 kHz ist, ist dagegen zu befürchten, dass die Temperatur des Harzformkörpers 2 exzessiv ansteigen kann. Zusätzlich beträgt die Temperatur des Heizkörpers 10 in der stationären Phase zum Beispiel 60°C bis 120°C.
Nach der Plasmabehandlung wird der Harzformkörper 2 aus der Kammer 8 herausgenommen. Daher kann das Harzbauteil 1 erlangt werden.
Nach dem oben beschriebenen Verfahren wird die Oberfläche (die Außenumfangsfläche 3, die Innenumfangsfläche 4, die Stirnflächen 5 und der ausgeschnittene Abschnitt 6) des Harzformkörpers 2 durch die geladenen Partikel, die aus O₂, CO₂, H₂O, etc, die in der Luft enthalten sind, ionisiert wurden, in einen energiereichen Zustand gebracht. Daher kann die Kristallinität der Oberfläche des Harzformkörpers 2 verbessert werden, und die Oberflächendichte kann gesteigert werden. Zu dem gleichen Zeitpunkt kann die Oberflächenrauheit des Harzformkörpers 2 durch schwache Ionensputternenergie gesteigert werden, so dass die Kontaktoberfläche des Harzformkörpers 2 mit Flüssigkeit oder Tropfen gesteigert werden kann. Als eine Folge ist es möglich, einen Effekt der Verbesserung der Benetzbarkeit zu erzielen, während eine exzellente Widerstandsfähigkeit gegen eine externe Kraft so wie eine Reibungskraft sichergestellt wird. Zum Beispiel kann der Kontaktwinkel der Oberfläche des Harzformkörpers 2 mit der Flüssigkeit kleiner gemacht werden als 70% von dem vor der Plasmabehandlung.
Da die Plasmabehandlung in einem Vakuum ausgeführt wird, werden die geladenen Partikel zusätzlich nicht freigesetzt, sondern können über den gesamten Harzformkörper 2 verbreitet werden. Die Behandlung kann gleichmäßig durchgeführt werden, auch in einem komplizierten bzw. komplexen Hohlteil wie zum Beispiel bei der Innenumfangsfläche 4 oder dem ausgeschnittenen Abschnitt 6 des Harzformkörpers 2. Weiterhin kann wegen des Trockenvorgangs, der Plasma verwendet, (physikalische Behandlung) die Belastung auf die Umwelt reduziert werden.
Zusätzlich wird der Harzformkörper 2, der aus einem Hochpolymermaterial, das überwiegend aus C (Kohlenstoffatomen), H (Wasserstoffatomen) und O (Sauerstoffatomen) besteht, gemacht ist, mit Plasma unter Verwendung von der Luft (die O₂, CO₂ und H₂O beinhaltet) behandelt. Daher können lipophile funktionelle Gruppen (-CH Gruppen) oder hydrophile funktionelle Gruppen (-OH Gruppen) zu der Oberfläche des Harzformkörpers 2 während der Plasmabehandlung hinzugefügt werden.
Weiterhin wird nicht eine kontinuierliche Spannung zwischen dem oberen Bereich 14 der Kammer 8 und dem Suszeptor 9 angelegt, sondern eine Impulsspannung wird dazwischen angelegt, während das Nichtgleichgewichts-Plasma (Niedrig-Temperatur-Plasma) in der Kammer 8 erzeugt wird. Es ist daher möglich, einen Temperaturanstieg in einer Plasmaatmosphäre zu unterdrücken. Daher kann die Behandlung zufriedenstellend auf den Harzformkörper 2 angewendet werden, auch wenn seine Hitzebeständigkeit nicht hoch ist.
Auf diese Weise kann in einem Fall, in dem das Harzbauteil 1 als ein Gleitbauteil verwendet wird, der Kontaktwinkel bzw. Benetzungswinkel des schmierenden Öls reduziert werden, wenn das Gleitbauteil unter Schmierung mit Öl gleitet. Daher kann eine kleinere Menge von dem schmierenden Öl über eine Gleitfläche des Harzbauteils 1 verteilt werden, um dadurch die Gleitfläche damit zu benetzen. Als eine Folge kann die Menge des schmierenden Öls reduziert werden, um den Widerstand des schmierenden Öls beim Umwälzen zu verringern. Daher ist es zum Beispiel möglich, ein Lagermoment zu reduzieren.
In einem Fall, in dem das Harzbauteil 1 als ein lackiertes Material oder ein Substrat verwendet wird, kann der Kontaktwinkel bzw. Benetzungswinkel einer Farbe oder eines Beschichtungsmittel reduziert werden, um die Bindekraft davon zu verbessern.
Als nächstes wird eine Betriebsart, in der das Harzbauteil 1, das einer Plasmabehandlung wie oben beschrieben ausgesetzt bzw. unterzogen wurde, als ein Käfig eines Wälzlagers verwendet wird, mit Bezugnahme auf 6 beschrieben.
6 ist eine Schnittansicht, die ein Wälzlager 21 gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Das Wälzlager 21 weist einen Innenring 23, einen Außenring 24, mehrere Kugeln 25, einen Käfig 26, Schmiermittel G und ein Paar von ringförmigen Dichtungsbauteilen 27 und 28. Der Innenring 23 und der Außenring 24 dienen als ein Paar von Laufbahnbauteilen, die einen ringförmigen Bereich 22 dazwischen festlegen. Die Kugeln 25 sind in dem Bereich 22 angeordnet, so dass sie als Wälzkörper dienen, die relativ zu dem Innenring 23 und dem Außenring 24 rollen. Der Käfig 26 ist in dem Bereich 22 angeordnet, so dass er die Kugeln 25 hält. Der Bereich 22 ist mit dem Schmiermittel G gefüllt. Die Dichtungsbauteile 27 und 28 sind an dem Außenring 24 befestigt, so dass sie darauf gleiten und an den Innenring 23 angrenzen.
Die Dichtungsbauteile 27 und 28 enthalten ringförmige Metallkerne 29 und 29, und zugehörige ringförmige Kautschukkörper 30 und 30. Die Kautschukkörper 30 und 30 sind gebacken, um auf den zugehörigen Metallkernen 29 und 29 zu haften. Außenumfangsabschnitte der Dichtungsbauteile 27 und 28 werden eingepasst und an den zugehörigen Nutbereichen 31 und 31, die an gegenüberliegenden Stirnflächen des Außenrings 24 ausgebildet sind, befestigt. Innenumfangsabschnitte der Dichtungsbauteile 27 und 28 werden eingepasst und an den zugehörigen Nutbereichen 32 und 32, die an gegenüberliegenden Stirnflächen des Innenrings 23 ausgebildet sind, befestigt.
Das Schmiermittel G wird in den Bereich 22, der durch das Paar von Dichtungsbauteilen 27 und 28 zwischen den zwei Ringen 23 und 24 festgelegt wird, gefördert, so dass der Bereich 22 im Wesentlichen mit dem Schmiermittel G aufgefüllt werden kann.
Gemäß dieser Konfiguration kann das Schmiermittel über die Gleitfläche des Käfigs 26 verbreitet werden, so dass die Gleitfläche damit benetzt wird. Dementsprechend kann die Menge des Schmiermittels G reduziert werden, um die Widerstandsfähigkeit des Schmiermittels G beim Umwälzen zu reduzieren. Daher ist es möglich, das Lagermoment des Wälzlagers 21 zu verringern.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern sie kann in anderen Ausführungsformen durchgeführt werden.
Zum Beispiel sind die Rohmaterialgase, die in der Anfangsphase und der stationären Phase verwendet werden, nicht auf das Inertgas bzw. die Luft beschränkt, sondern es können andere Gase verwendet werden, so lange sie die Effekte der Erfindung ausdrücken können.
Zusätzlich kann, wenn die Plasmabehandlung bei dem Harzformkörper 2 mit hoher Hitzebeständigkeit durchgeführt wird, thermisches Plasma anstelle des Nichtgleichgewichts-Plasma verwendet werden, und es ist unnötig, Plasma durch Impulsentladung zu erzeugen. Zum Beispiel kann Plasma durch RF-Entladung (Radiofrequenz-Entladung) erzeugt werden.
Zusätzlich wird in der oben beschriebenen Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, unmittelbar nach der Entladungszündung durch das Inertgas (Schritt S3), das Rohmaterialgas von dem Inertgas durch die Luft ersetzt (Schritt S4). Dennoch kann, wie in Schritt S3' in 7 gezeigt, der Harzformkörper 2 mit Plasma des Inertgases vor dem Ersetzen des Rohmaterialgases vorbehandelt werden, um dadurch eine weiche Schicht 15 auszubilden (vergleiche 8). Genauer gesagt wird ein Plasmazustand von Inertgas für eine vorbestimmte Zeit fortgeführt, nachdem die Entladungszündung durch das Inertgas durchgeführt wurde. Daher wird das ionisierte Inertgas beschleunigt, um mit einem Ziel (nicht dargestellt) zusammenzustoßen, und Materialien, die von dem Ziel zerstäubt bzw. abgestoßen werden, stoßen mit dem Harzformkörper 2 zusammen. Auf diese Weise wird das Sputtern bzw. Zerstäuben von dem Inertgas durchgeführt, so dass die Polymerketten in der Oberfläche des Harzformkörpers 2 zerstört bzw. gebrochen werden können (schwach erniedrigt werden), um die weiche Schicht 15 an den gebrochenen Stellen zu bilden.
Wenn das Inertgas für die Vorbehandlung verwendet wird, kann das Inertgas, das für die Entladungszündung verwendet wird, so wie es ist, verwendet werden. Alternativ kann das Inertgas, das für die Entladungszündung verwendet wird, zu einem anderen Inertgas gewechselt werden, um für die Vorbehandlung verwendet zu werden.
Die Zeit der Vorbehandlung kann zum Beispiel 300 Sekunden bis 600 Sekunden betragen. Wenn die Zeit der Vorbehandlung kürzer als 300 Sekunden ist, können die Polymerketten in der Oberfläche des Harzformkörpers 2 nicht zufriedenstellend gebrochen werden. Wenn die Vorbehandlung für eine lange Zeit jenseits von 600 Sekunden durchgeführt wird, kann dagegen eine exzessive Alterung in der Oberfläche des Harzformkörpers 2 auftreten.
Die weiche Schicht 15, die daher ausgebildet ist, ist zum Beispiel in einem Bereich von weniger als 50 μm (oder von 0 μm bis 20 μm) von der Oberfläche (behandelte Fläche) des Harzformkörpers 2 gebildet. Die Härte der weichen Schicht 15 ist zum Beispiel um mindestens 40% im Vergleich zu dem unbehandelten Teil (harte Schicht, die nicht der Sputternbehandlung unterzogen wurde) des Harzformkörpers 2 reduziert. Insbesondere kann die Härte der weichen Schicht 15 zum Beispiel 0,05 GPA bis 0,13 GPa betragen, wenn die Härte durch ein Dünnschichthärtemessgerät (mit einer Drucklast von 1000 μN) an einem Zeitpunkt einer Eindringtiefe von 400 bis 600 nm gemessen wird. Die Messung durch das Dünnschichthärtemessgerät kann wie folgt ausgeführt werden. Das heißt, wie in 8 gezeigt, dass der Harzformkörper 2, der der Behandlung unterzogen wurde, ausgeschnitten wird. Ein Eindringkörper des Dünnschichthärtemessers wird dann gegen einen abgeschnittenen Abschnitt des Harzformkörpers 2 nachfolgend an einigen Stellen in einer Tiefenrichtung von der behandelten Oberfläche gedrückt.
Ein Festkörperkontakt zwischen dem Harzbauteil 1 (Harzformkörper 2) und einem partnerseitigen Bauteil 17 kann auftreten, weil die Menge des schmierenden Öls kurzzeitig zwischen dem Harzbauteil 1 und dem partnerseitigen Bauteil 17 reduziert wird. Auch in einem solchen Fall, in dem die weiche Schicht 15 ausgebildet ist, kann der Aufschlag, der durch den Kontakt mit dem partnerseitigen Bauteil 17 verursacht wird, erhalten und durch die weiche Schicht gepuffert werden, während sie darauf gleiten, wie in 9 dargestellt. Als eine Folge kann ein Reibungskoeffizient zwischen dem Harzbauteil 1 und dem partnerseitigen Bauteil 17 für eine lange Zeit gering gehalten werden. Es ist deshalb möglich, die Fressbeständigkeit des Harzbauteils 1 zu verbessern. Das heißt, gemäß dieser Modifizierung, wie in 10 gezeigt, ist es möglich, einen Effekt zu erzielen, der wegen der Plasmabehandlung mit der Luft (Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen) nicht nur einen Reibungskoeffizienten μ in einem Mischschmierungsbereich B reduziert, sondern auch wegen der Härte der Oberflächenschicht des Harzbauteils 1 (Linie mit abwechselnd einem langen und zwei kurzen Strichen) den Reibungskoeffizient μ in einem Grenzschmierungsbereich A reduziert. Wegen der Reduzierung der Reibung kann ein günstiges Material mit einer vergleichsweise niedrigen Hitzebeständigkeitstemperatur als das Material des Harzbauteils 1 verwendet werden.
Zusätzlich können verschiedene Konstruktionsänderungen innerhalb des Rahmens, der in den Ansprüchen festgelegt ist, gemacht werden.
Beispiele
Als nächstes wird die Erfindung anhand von Beispielen davon beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Zuerst wurde eine zu behandelnde Probe (Formkörper) basierend auf 2 hergestellt. Die Probe wurde unter den folgenden Bedingungen hergestellt.
Harzmaterial: PA (Polyamid) 66
Länge L: 25 mm
Innendurchmesser D: ϕ 15
Als nächstes, wurde die Plasmabehandlung an der erhaltenen, zu behandelnden Probe durchgeführt, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Im Übrigen wurde für das Rohmaterialgas Ar in der Anfangsphase verwendet und die Luft in der stationären Phase verwendet.
Als eine Folge der Behandlung wurde eine Struktur von Netzen von 50 μm bis 200 μm in einer Oberfläche der zu behandelnden Probe erhalten. Es könnte bestätigt werden, dass die Struktur von Netzen einen Aufbau hatte, in dem konvexe Bereiche 0,1 μm bis 0,3 μm von der Oberfläche erhaben bzw. hoch waren. Im Übrigen wurden die Abstände der Netze oder der Höhen der konvexen Bereiche in der Struktur bestätigt, basierend auf einer Skala eines Bildes, das fotographiert und von der plasma-behandelten Oberfläche der Probe durch ein Rasterelektronenmikroskop (scanning electron microscope, SEM) erhalten wurde. Es wurde bestätigt, dass der Oberflächenbereich der Probe durch die Struktur der Netze gesteigert wurde, so dass der Kontaktwinkel bzw. Benetzungswinkel von Flüssigkeit durch den folgenden Ausdruck (1), der als Wenzel-Gleichung bekannt ist, reduziert werden könnte. cosθ_γ = γcosθ (1) (In Ausdruck (1), bezeichnet θ_γ einen Kontaktwinkel bzw. Benetzungswinkel nach dem Aufrauen, θ einen Kontaktwinkel auf einer Ebene, und γ bezeichnet einen Oberflächenmultiplikationsfaktor.)
Als nächstes wird ein zusatzstoff-freies Mineralöl auf die plasma-behandelte Oberfläche der Probe getropft, um die Benetzbarkeit davon zu beurteilen. 11 zeigt das Ergebnis. Aus 11 wurde bestätigt, dass der Kontaktwinkel des Mineralöls reduziert werden könnte, auf weniger als 70% von dem vor der Plasmabehandlung an jeder Stelle des Harzformkörpers 2.
(Beispiel 2)
Eine aus PA (Polyamid) 66 hergestellte Harzplatte wurde vorbereitet, und Plasmabehandlung wurden darauf ausgeführt gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Im Übrigen wurde für die Rohmaterialgase Ar in der Anfangsphase verwendet und die Luft in der stationären Phase. Weiterhin wurde in der Anfangsphase ein Plasmazustand von Ar-Gas für 300 Sekunden fortgeführt, um die Sputternbehandlung (Vorbehandlung) auf einer Oberfläche der Harzplatte auszuführen.
Als nächstes wurde die Härte in jeder der Positionen 0,3 μm, 1 μm, 50 μm, 200 μm, 1200 μm, 1500 μm und 2000 μm Tiefe von der behandelten Oberfläche der Harzplatte gemessen durch einen Dünnschicht-Härtemesser (mit einer Drucklast von 1000 μm) nach dem Verfahren, das in 8 gezeigt ist. 12 zeigt das Ergebnis. Aus 12 wurde bestätigt, dass eine weiche Schicht, dessen Härte geringer gemacht wurde als vor der Plasmabehandlung, zumindest an den Positionen 0,3 μm und 1 μm Tiefe gebildet wurde. Andererseits war an den Positionen 50 μm bis 1500 μm Tiefe die Härte höher als vor der Plasmabehandlung. Es könnte erwägt werden, dass etwas Energie (winzige Vibration, thermische Energie, etc.) auf die Harzplatte aufgewendet wird wegen der Sputternbehandlung oder dergleichen, und das Harz wurde somit genau unter der weichen Schicht rekristallisiert (rekondensiert).
Als nächstes wurde ein Reibungstest an der Harzplatte, die der Plasmabehandlung unterzogen wurde, durchgeführt. Der Reibungstest durch durchgeführt, indem ein Stahlring als ein partnerseitiges Bauteil mit der Harzplatte durch Schmieröl (zusatzstofffreies Mineralöl 0,02 ml) in Kontakt gebracht wurde, wie in 13 gezeigt. Als Bedingungen für den Reibungstest wurde eine Last auf 50 N (Flächenpressung: 11,4 MPa) festgelegt und eine Geschwindigkeit bzw. Rate wurde auf 5500 mm/s festgelegt. 14 und 15 zeigen das Ergebnis. 14 ist ein Graph zum Erklären der Nachhaltigkeit des Reibungskoeffizienten. Andererseits ist 15 ein Graph zum Erklären des Effekts der Reduzierung des Reibungskoeffizienten.
Wie in 14 gezeigt, wurde bestätigt, dass die Nachhaltigkeit des Reibungskoeffizienten, nachdem die Plasmabehandlung des Beispiels 2 durchgeführt wurde, verbessert wurde, so dass sie etwa 6,2 mal so hoch war wie in einem Fall, in dem die Behandlung nicht durchgeführt wurde. Zusätzlich, wie in 15 gezeigt wird, wurde bestätigt, dass der Anfangswert des Reibungskoeffizienten um etwa 79% reduziert wurde im Vergleich zu dem Wert in dem Fall, in dem die Behandlung nicht durchgeführt wurde.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einer japanischen Patentanmeldung ( JP 2014-260519 ), die am 24. Dezember 2014 eingereicht wurde, und auf einer japanischen Patentanmeldung ( JP 2015-204837 ), die am 16. Oktober 2015 eingereicht wurde, deren Inhalte durch Bezugnahme hierin enthalten sind.
Beschreibung der Bezugszeichen

1 ... Harzbauteil, 2 ... Harzformkörper ..., 3 ... Außenumfangsfläche, 4 ... Innenumfangsfläche, 5 ... Stirnfläche, 15 ... weiche Schicht, 26 ... Käfig

Claims

Harzbauteilproduktionsverfahren, mit: einem ersten Prozess, in dem ein Harzformkörper mit einer vorbestimmten Form ausgeformt wird; und einem zweiten Prozess, in dem eine Oberfläche des Harzformkörpers mit Plasma in einem Vakuum behandelt wird, um dadurch Ungleichförmigkeiten in der Oberfläche des Harzformkörpers bereitzustellen, wobei in dem zweiten Prozess eine Entladungszündung in einem Inertgas ausgeführt wird, um Plasma zu erzeugen, und ein Rohmaterialgas dann durch Luft ersetzt wird, während ein Grad von Vakuum aufrechterhalten wird.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Harzformkörper in dem zweiten Prozess mit Nichtgleichgewichts-Plasma behandelt wird.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Prozess einen Prozess enthält, in dem das Nichtgleichgewichts-Plasma durch Impulsentladung erzeugt wird.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Harzformkörper in dem zweiten Prozess mit Plasma unter Verwendung von Luft behandelt wird.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Prozess einen Prozess enthält, in dem der Harzformkörper mit Plasma des Inertgases für eine vorbestimmte Zeit vorbehandelt wird, um eine weiche Schicht auf der Oberfläche des Harzformkörpers zu bilden.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Vorbehandlung mit dem Plasma des Inertgases für 300 bis 600 Sekunden durchgeführt wird.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Härte der weichen Schicht zwischen 0,05 GPa und 0,13 GPa liegt, wenn durch ein Dünnschichthärtemesser, bei dem eine Drucklast auf 1000 μm festgelegt wurde, die Härte an einem Zeitpunkt einer Eindringtiefe von 400 nm bis 600 nm gemessen wird.
Harzbauteilproduktionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Harzformkörper einen Formkörper für ein Gleitbauteil enthält.