JP2000218445A - 機械要素部品の表面改善方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面の劣化部や欠損部、並びに表面荒れや表
面粗さの等の表面欠陥を、いずれも高精度に改善するこ
とのできる表面改善方法を提供することを解決課題とす
る。 【解決手段】 本発明では、工具（１０）を反応室（２
１）に配置した後、基準表面（１３）での結晶の成長が
最小となる条件で前記反応室（２１）に気相原料を間欠
的に供給し、前記工具（１０）に原子層成長法を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具やベアリング
等の機械要素部品の基準表面に存在する欠損部や劣化
部、あるいは表面荒れや表面粗さの等の表面欠陥を改善
するための方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】工具やベアリング等の機械要素部品にお
いては、その構造上、長期の使用に伴って摩耗等の劣化
や変形・欠損といった各種表面欠陥を生じる。表面欠陥
を生じた機械要素部品は、その機能や性能が著しく低下
するようになる。このため、このような機械要素部品を
継続的に用いた場合には、所望の機能や性能を期待する
ことができない。

【０００３】従来、こうした機械要素部品の表面欠陥に
対しては、新たな部品との交換という方法でこれに対処
するようにしている。

【０００４】しかしながら、新たな部品と交換するため
には、予め多数の機械要素部品を用意しておかなければ
ならず、この機械要素部品を適用する機械のランニング
コストを著しく増加させる。

【０００５】したがって、ランニングコストの低減を図
ることのできる対処法の開発が望まれている。

【０００６】一方、昨今の機械要素部品においては、そ
の高機能化および微細化が進んでおり、表面品質に対す
る要求精度も厳しいものとなっている。このため、機械
要素部品の表面粗さや表面荒れ等の表面欠陥に対して
は、原子１層、あるいは原子１個のレベルでこれを改善
できる技術の開発が望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、機械要素部
品の表面処理方法としては、従来よりＣＶＤ（ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が利
用されている。このＣＶＤ法は、反応系分子の気体を加
熱した基板上に供給し、分解／還元／置換等の各種反応
によって生成物を基板上に析出させる方法であり、例え
ばＴｉＮ等の硬質材料を堆積させて機械要素部品の表面
を硬化させる場合に適用される。

【０００８】このＣＶＤ法を適用した場合には、表面に
堆積した硬質材料によって機械要素部品の硬質化を図る
ことができると同時に、表面に存在する小さな穴等の欠
損部を消滅させることができるため、表面粗さの改善を
図ることは可能となる。

【０００９】しかしながら、上記ＣＶＤ法では、表面に
凹凸が存在していた場合、この凹凸が増長される事態を
招来する。すなわち、ＣＶＤ法においては、一般にステ
ップフローモードで結晶が成長していくため、機械要素
部品の表面に凹凸がある場合、その凸部に対する結晶の
成長が支配的となり、当該凹凸が一層顕著となる結果を
招来する。

【００１０】したがって、劣化や比較的大きな欠損、あ
るいは表面荒れが存在する機械要素部品に対してＣＶＤ
法を適用した場合には、劣化や欠損、あるいは表面荒れ
を増長する事態を招来し、これら表面欠陥を改善するこ
とが困難となる。

【００１１】本発明は、上記実情に鑑みて、機械要素部
品の使用に伴う表面の劣化部や欠損部、並びに表面荒れ
や表面粗さの等の表面欠陥を、いずれも高精度に改善す
ることのできる表面改善方法を提供することを解決課題
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、機械要素部品
の基準表面に存在する表面欠陥を改善するための方法で
あって、前記機械要素部品を所定の反応室に配置する工
程と、前記基準表面での結晶の成長が最小となる条件で
前記機械要素部品に原子層成長法を施すべく前記反応室
に気相原料を間欠的に供給する工程とを含んでいる。す
なわち、本発明では、面方位に対する成長選択性に優
れ、かつ二次元島状に結晶が成長する原子層成長法（ａ
ｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｅｐｉｔａｘｙ）を適用して
機械要素部品の表面欠陥を改善するようにしている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、一実施の形態を示す図面に
基づいて本発明を詳細に説明する。

【００１４】図７は、本発明が適用する原子層成長法の
原理を説明するための概略図である。以下、この図７を
参照して原子層成長法についてまず説明する。

【００１５】図７（ａ）中の符号１で示す試料は、基準
表面となるｘ面に表面欠陥２を有している。表面欠陥２
は、ｘ面に対して傾斜する一対のｙ面と、これらｙ面の
間に延在するｘ面とを有して構成されているものとす
る。

【００１６】この試料１を反応管（図示せず）に配置
し、ｘ面での結晶の成長が最小となる条件で気相原料を
間欠的に（パルスシーケンスで）供給する。ここで、こ
の原子層成長法は、表面の化学反応を積極的に利用する
ものであるため、表面状態に敏感で、成長表面に対する
選択性が極めて高い。したがって、試料１の表面温度、
気相原料の供給量、気相原料の供給時間等々、気相原料
を供給する条件を適宜変更すれば、上述したようにｘ面
での結晶の成長が最小となるものを選択することができ
る。

【００１７】こうした条件下で反応管に気相原料を供給
していくと、面方位に依存した成長速度差に起因して、
図７（ｂ）に示すように、ｙ面での結晶の成長が支配的
に進行する。また、反応管に供給された気相原料は、そ
れ自身が成長の停止を分子１層で行うため（成長の自己
停止機構）、薄膜形成が簡単、かつ正確に達成できる。
さらに結晶の成長が二次元の島状である。

【００１８】これらの結果、上記原子層成長法によれ
ば、試料１の表面に存在する凹凸を増長することなく、
図７（ｃ）に示すように、原子レベルで平坦なｘ面を得
ることが可能となる。

【００１９】図１は、この原子層成長法を利用した工具
の修復方法を示すものである。

【００２０】この工具１０は、図４に示すように、円柱
状を成す基部１１の外周面に一条の突状部１２を螺旋状
に設けたものである。突状部１２は、本来、横断面が一
様の三角形状を成し、そのうちの一辺部を介して上述し
た基部１１に固着されたものである。修復対象となる工
具１０では、長期の使用に伴い、図２（ａ）に示すよう
に、この突状部１２の基準表面１３に摩耗部、変形部お
よび欠損部といった各種の表面欠陥を生じているものと
する。

【００２１】以下、この工具１０の突状部１２に生じた
表面欠陥の修復方法について説明する。

【００２２】まず、図１に示すように、反応管２０の内
部に工具１０を配置する。この場合、突状部１２の全長
域が反応管２０によって構成される反応室２１の内部雰
囲気に接することができるように、基部１１の軸心が鉛
直方向に沿うように配置することが好ましい。

【００２３】次いで、上記反応室２１に気相原料をパル
スシーケンスで供給する。このとき、修復目標面となる
基準表面１３での結晶の成長が最小となる条件を選択す
る。例えば、図３に示すように、基準表面１３以外の表
面での原料供給１周期あたりの結晶の成長が１分子層で
あるときに、基準表面１３での結晶の成長が１／４分子
層程度であるような条件を選択する（図３中の範囲ａ部
分）。この場合、修復すべき表面欠陥が複雑な面で構成
されている場合には、複数の条件を組み合わせ、あるい
は複数の条件を適宜切り換えながら気相原料を供給する
ようにしても構わない。

【００２４】また気相原料としては、例えば工具１０の
突状部１２がＴｉＮで成形されている場合、有機チタン
金属と窒素の水素化物（アンモニア）とを交互にパルス
シーケンスで供給する。また、工具１０の突状部１２が
酸化アルミニウムの場合には、有機アルミニウム金属と
酸素の水素化物（過酸化水素）とを交互にパルスシーケ
ンスで供給する。

【００２５】こうした条件下で反応管２０に気相原料を
供給していくと、上述した原子層成長法の特徴により、
突状部１２において基準表面１３以外での結晶の成長が
支配的となる。つまり工具１０の突状部１２において修
復すべき部分にのみ選択的に結晶が成長していくように
なる。したがって、図２（ｂ）に示すように、表面に存
在する凹凸を増長することなく工具１０を修復すること
ができ、その再利用が可能となる。この結果、当該工具
１０を適用する加工機械のランニングコストを低減する
ことができるようになる。

【００２６】しかも、上記方法によれば、工具１０の修
復が原子レベルで可能になる。このため、マイクロオー
ダーやナノオーダーで微細構造化された工具に対しても
適用することが可能である。また、原料の使用量も最小
限となり、修復の際のコストの点でも有利となる。

【００２７】さらに、上記方法によれば、気相原料自ら
が自動的に結晶成長の停止を分子１層で行うため、修復
の際の制御や作業が煩雑化することもない。

【００２８】なお、上述した実施の形態では、工具１０
を修復する方法について例示しているが、修復対象は必
ずしも工具に限られるものではない。例えば、図５に示
すように、ベアリング３０を構成する転動体３１や内外
レース３２，３３に生じた表面欠陥を修復したり、図６
に示すように、構造部品４０の外表面４１に生じた表面
欠陥を修復する場合にももちろん適用することが可能で
ある。また、機械要素部品の修復に限ることなく、製造
段階で生じた表面粗さや表面荒れの改善、あるいは硬化
処理等の各種表面処理を行う場合にも適用することが可
能である。例えば上記方法を適用して機械要素部品の表
面にＴｉＮ層を形成する処理を施せば、表面の硬化処理
と同時に表面欠陥の改善を行うことが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基準表面での結晶の成長が最小となる条件で機械要素部
品に原子層成長法を施すようにしているため、使用に伴
う表面の劣化部や欠損部、並びに表面荒れや表面粗さの
等の表面欠陥を、いずれも高精度に改善することが可能
となる。

【００３０】しかも、本発明によれば、機械要素部品の
表面を原子レベルで改善することができるため、マイク
ロオーダーやナノオーダーで微細構造化された機械要素
部品に対しても適用することが可能である。また、原料
使用量も最小限となり、表面改善の際のコストの点でも
有利となる。

【００３１】さらに、本発明によれば、気相原料自らが
自動的に成長の停止を分子１層で行うため、改善の際の
作業が煩雑化することもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る機械要素部品の表面改善方法を示
す概念図である。

【図２】図１に示した表面改善方法による機械要素部品
の表面改善状態を示すもので、（ａ）は改善前の状態を
示す要部拡大断面図、（ｂ）は改善後の状態を示す要部
拡大断面図である。

【図３】図１に示した表面改善方法において適用する気
相原料の供給条件例を示すグラフである。

【図４】図１に示した表面改善方法の適用対象である工
具を示す図である。

【図５】本発明に係る表面改善方法の適用対象例を示す
図である。

【図６】本発明に係る表面改善方法の適用対象例を示す
図である。

【図７】本発明が適用する原子層成長法を説明するため
の概念図である。

【符号の説明】

１０ 工具 １３ 基準表面 ２１ 反応室 ３０ ベアリング ４０ 構造部品

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械要素部品の基準表面に存在する表面
   欠陥を改善するための方法であって、 前記機械要素部品を所定の反応室に配置する工程と、 前記基準表面での結晶の成長が最小となる条件で前記機
   械要素部品に原子層成長法を施すべく前記反応室に気相
   原料を間欠的に供給する工程とを含むことを特徴とする
   機械要素部品の表面改善方法。