JP2005290536A

JP2005290536A - 基材のコーティング方法およびコーティング構造

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Publication number: JP2005290536A
Application number: JP2004132195A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Suzuki; 達雄鈴木
Original assignee: Chiyoda Daiichi Kogyo KK
Current assignee: Chiyoda Daiichi Kogyo KK
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】基材表面の耐摩耗性を従来に比べて著しく増大できるコーティング技術を提供する。
【解決手段】基材表面にクロム合金を含有するクロムめっき層を形成し、このクロムめっき層の上にＤＬＣ層を形成する。クロム合金としては炭化クロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）を用いる。
【選択図】図１

Description

この発明は、基材の表面をコーティングする技術に関する。

基材、例えばローラ部材の表面にコーティングを形成することは、基材表面における耐摩耗性の向上、接触抵抗の低減などの目的で広く行われている。

上記のようなコーティングとしては、例えば特開２００１−３５３４４６号公報に記載されたものが知られている。この従来技術では、ロータやステータなどの表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の薄膜を形成する構成が開示されている。また、その場合、ロータやステータの母材の表面に硬質クロムめっき（Ｈｖ８００程度）処理、超硬合金（Ｈｖ１０００〜１２００程度）やセラミック（アルミナ等で、Ｈｖ８００程度）の溶射処理若しくは浸炭や窒化処理などを行うことで、母材表面を高硬度にする構成とすることも開示されている。
特開２００１−３５３４４６号公報

ところで、例えばローラ部材の使用条件の変化、例えばローラ部材表面における物品の通過速度の増大などによって、基材表面には益々高い耐摩耗性が要求される。しかしながら、この場合、上記の従来の構成では、基材表面からのコーティング剥離の度合いを低減することが困難であり、必要となされる耐摩耗性を得ることができない。

そこで、本発明の課題は、基材表面の耐摩耗性を従来に比べて著しく増大できる、コーティング技術を提供することにある。

本発明に係わる、基材のコーティング方法は、基材の表面にクロム化合物を含有するクロムめっき層を形成し、前記クロムめっき層の上にＤＬＣ層を形成する、ことを特徴とするものである。

本発明の方法において、上記のクロム化合物としては、具体的には例えば、炭素化合物を含有する化合物が用いられ、また炭素化合物としては具体的には例えば、炭化クロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）が用いられる。

上記のクロムめっき層は、例えば、電気めっき処理によって基材上に形成される。その際、電気めっき処理は例えば、電流密度１０〜２２０Ａ／ｄｍ^２で行われる。また、上記電気めっき処理は、例えば無水クロム酸液中での電気めっき処理が用いられ、またその場合、無水クロム酸液に高純度の炭素を含む高分子化合物からなる粉末を含有させた浴を使用することが好ましい。

本発明に係わる基材のコーティング構造は、基材表面にクロム化合物を含有するクロムめっき層が形成されており、前記クロムめっき層の上にＤＬＣ層が形成されている。このクロム化合物は例えば、炭素化合物、より詳しくはクロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）が用いられる。また、上記クロムめっき層は、例えば電気めっきに処理より基材上に形成される。このクロムめっき層は、好ましくは、Ｈｖ９５０〜１３００の硬度を有し、また、３〜２００μｍの厚さを有する。

基材からのコーティングの剥離は、基材（母材）表面のコーティング材料、上記従来例の場合には硬質クロムめっきと基材との密着性が低いことに起因する。本発明の場合、特にクロム材料（炭化クロム）を含有するクロムめっき層は、分子間結合力の強いクロム材料（炭化クロム）によって基材表面との密着性が高い。このため、基材からのクロムめっきの剥離やクラックなどの発生が著しく低減し、コーティング材料（クロムめっき層およびＤＬＣ）の剥離を有効に防止できる。
また、基材との密着性が良いことは、基材上に高硬度のコーティングが形成されることを意味する。本発明では、基材上に形成したクロムめっき層が高硬度であることに加えて、このクロムめっき層上に形成するＤＬＣも高硬度であることから、基材上に非常に高硬度で耐摩耗性が高いコーティングを形成できる。

本発明に係わるコーティングを基材に対して行う場合、概略的には、（１）基材表面の研磨処理、（２）基材表面の清浄処理、（３）基材表面のアルカリ洗浄処理、（４）炭化クロムめっき処理、（５）ＤＬＣの薄膜形成処理、（６）その後の表面洗浄処理、の各処理が行われる。

上記の各処理は、より詳しくは、次のように行われる。
（１）基材表面の研磨処理
研磨処理によって基材表面を研磨加工（鏡面研磨）する。研磨加工に使用する研磨材は、人造ダイヤモンド（工業用ダイヤモンド）、アルミナ、青棒（Ｃｒ_２Ｏ_３）、トリポリ等が好まし。研磨処理は、好ましくは、基材表面が鏡面状態にまで行うことが好ましい。ここで、鏡面状態とは、具体的には、Ｒｍａｘ０．１〜１．５μｍにすることを意味する。
また、この鏡面状態までの研磨処理は、後工程にけるブラストでの粗さ調整処理において基材全面の粗さを所望の値にムラなく仕上げるために必要であり、よってめっきする基材表面を研磨して均一な粗さ（鏡面）状態にすることが重要となる。

（２）基材表面の清浄処理
表面清浄工程は、クロムめっき層（硬質の炭化クロムめっき層）が基材材表面に形成され易くするために必要なものである。具体的には、エタノール・シンナー・トリクロル・エチレン等の有機溶剤からなる洗浄液によって基材表面を脱脂することで行われる。なお、洗浄液としては、安全性や環境面などの点からエタノールが好ましい。

（３）基材表面のアルカリ洗浄処理
硬質炭化クロムめっき層とローラ母材表面の密着力を向上させるためアルカリ洗浄（浸せき脱脂）する。アルカリ洗浄により、基材表面の油分をけん化、乳化、および膨潤させて取り除くことで、基材上へのコーティングの密着力をより高めることができる。

（４）炭化クロムめっき処理
この処理では、炭化クロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）を含む硬質のクロム化合物を電気めっきによって基材上に形成させる。電気めっきは特殊浴（サージェント浴改）を用いて行われる。また、この浴成分として、例えば、無水クロム酸と高純度の炭素を含む高分子化合物からなる粉末を混合させたものを用いる。処理の際の好ましい浴温度は６０℃前後である。また処理時間は硬質炭化クロムめっき層の厚みに依存し、例えば厚みをが１０〜２００μｍにする場合には処理時間は２〜８時間程度となる。
なお、炭化クロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）を含むクロムめっきを電気めっきによって基材上に形成させるためには、電気めっきの際の電流密度を通常のクロムめっきの約２〜２．５倍、具体的には１０〜２２０Ａ／ｄｍ^２程度の電流密度とする必要がある。

（５）ＤＬＣの薄膜形成処理
この薄膜形成処理は、例えばＰＶＤ（物理蒸着処理）により行われる。ＤＬＣの膜厚は２〜３μｍで良い。

（６）表面洗浄処理
この表面洗浄処理は、以上の処理を行った基材を湯洗し、例えば加熱エアーで乾燥させることで行われる。湯洗においては、界面活性剤、水溶性シリコン、フッ素系溶剤などを添加した水切り乾燥剤を用いると更に好ましい。

ＳＰＣ（軟鋼）を基材として用い、この基材上に上に２０μｍのクロム化合物（Ｃｒ_２３Ｃ_６）を含むクロムめっき層（炭化クロムめっき層）を形成した。一方、基材上に従来のクロムめっき層を形成した。これら２つの物品について、ロックウェル硬さ測定器によってめっき層の表面に一定の力（２５０ｋｇ）を加えて傷を付けた後の状況を確認する試験を行った。

図１は、上記試験結果を表した顕微鏡写真である。図において左側が従来のクロムめっき層の、また同じく右側が炭化クロムめっき層の表面状態をそれぞれ表している。図から明らかなように、従来のクロムめっき層の場合は剥がれたり（符号Ａの箇所）や滑落（符号Ｂの箇所）が多数見られた。これに対して、炭化クロムめっき層の場合、放射状のヒビ（符号Ｃ）が僅かに生じただけであった。これは、炭化クロム層の方が基材との密着性が従来のクロムめっき層に比べて格段に良いことに因ると考えられる。

なお、密着性の試験についてのＪＩＳ規定では、表面処理における密着力を観察する方法として、テープを表面に貼り付けた後それを引き剥がすことによって表面を観察する「セロテープ試験」と称される方法、金属を曲げその面を観察する「曲げ試験」と称される方法などが規定されている。しかしながら、これらの方法では定量的に力を加えることが難しい。そこで、本願発明では、表面処理によって密着性が改善されることを確認するために、上記のようにロックウェル測定器によって一定の力を加えその際の表面状態状況を確認する方法を用いた。なお、この方法は産業技術研究所の指導に基づくものである。

一方、ＳＰＣ（軟鋼）を基材として用い、この基材上に上に２０μｍのクロム化合物（Ｃｒ_２３Ｃ_６）を含むクロムめっき層（炭化クロムめっき層）を形成し、次いでこのクロムめっき層の上に３μｍのＤＬＣ層を形成して本発明品を作製した。一方、炭化クロムめっき層に代えて従来のクロムめっき層を用いた他は同様にして比較品を作製した。これら本発明品と比較品について様々な条件でＤＬＣ層の剥離ないし剥落状態を検証した所、本発明品が格段に剥離ないし剥落が少ないことが分かった。これは、本発明品の場合、ＤＬＣ層の下にある炭化クロムめっき層と基材との密着性が格段に優れていることによると考えられる。

ここで、本発明のコーティング構造において使用される基材の材質は、炭化クロムめっき層を施すことができる材料であれば実質的に制限されず、例えばアルミニウム、鉄、ステンレススチールなどの多くの材料が使用可能である。よって、基材がＤＬＣを直接的にコーティングすることが困難である材質であっても、ＤＬＣを施せるという利点もある。

また、図２は、基材上に基材上に炭化クロムめっき層だけを形成した比較例のコーティング構造（図２においてＩ）と、基材上に炭化クロムめっき層を形成し且つその上にＤＬＣ層を形成した本発明のコーティング構造（図２においてＩＩ）との、ＤＩＮ規格による磨耗試験の結果を示したグラフである。図２から明らかなように、本発明のコーティング構造は比較例のコーティング構造に比べて約３０％だけ摩擦係数が向上している。これは、本発明品では表面にＤＬＣ層を有し、このＤＬＣ層がＨｖ３０００以上の硬度を有していることに因るものである。

本発明に係わる炭化クロムめっき層とと従来のクロムめっき層における密着度の試験結果を示した顕微鏡写真である。本発明のコーティング構造と比較例のコーティング構造の磨耗試験結果を示したグラフである。

Claims

基材の表面にクロム化合物を含有するクロムめっき層を形成し、
前記クロムめっき層の上にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層を形成する、ことを特徴とする基材のコーティング方法。
前記クロム化合物が炭素化合物を含有する化合物である、ことを特徴とする請求項１記載のコーティング方法。
前記炭素化合物が炭化クロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）である、ことを特徴とする請求項２記載のコーティング方法。
前記クロムめっき層が電気めっき処理により前記基材上に形成される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコーティング方法。
前記電気めっき処理が電流密度１０〜２２０Ａ／ｄｍ^２で行われる、ことを特徴とする請求項４記載のコーティング方法。
前記電気めっき処理が無水クロム酸液に高純度の炭素を含む高分子化合物からなる粉末を含有させた浴内での電気めっき処理である、ことを特徴とする請求項４または５記載のコーティング方法。
基材の表面にクロム化合物を含有するクロムめっき層が形成されており、前記クロムめっき層の上にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層が形成されている、ことを特徴とするコーティング構造。
前記クロム化合物が炭素化合物を含有する化合物である、ことを特徴とする請求項７記載のコーティング構造。
前記炭素化合物が炭化クロム合金（Ｃｒ_２３Ｃ_６）である、ことを特徴とする請求項８記載のコーティング構造。
前記クロムめっき層が電気めっきに処理より前記基材上に形成されたものである、ことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載のコーティング構造。
前記クロムめっき層がＨｖ７９０〜１３００の硬度を有する、ことを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載のコーティング構造。
前記クロムめっき層が３〜２００μｍの厚さを有する、ことを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載のコーティング構造。