JP2007169754A - 表面処理方法、レーザ吸収粉体層シート及びレーザピーニング用粉体スプレー - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油又は減摩剤を被加工面に長時間に亘って保持することが可能な表面処理方法を提供する。
【解決手段】本発明によれば、レーザピーニングの衝撃波により被加工面としてのワーク１０の摺動面に、潤滑油６１を溜めることが可能な陥没部３０が形成されるので、潤滑油６１を摺動面に長時間に亘って保持することが可能となる。しかも、レーザピーニングの衝撃波によりワーク１０の摺動面の結晶が細分化されかつクラックの進展が抑制され、耐応力腐食割れ性が向上する。また、陥没部３０の表面部に金属などの粉体又は皮膜を打ち込んで表面層を硬化させて、耐摩耗性及び耐摺動性を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、被加工物の被加工面に施される表面処理方法及びその表面処理方法を行うためのレーザ吸収粉体層シートとレーザピーニング用粉体スプレーに関する。

従来の表面処理の一例として、例えば、ピストン、シリンダなどの摺動部品の被加工面としての摺動面に二硫化モリブデンをコーティングする処理が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
東洋ドライループ株式会社、「online」、平成１７年１２月２１日検索、インターネット＜http://www.drilube.co.jp/dri/2.html＞

しかしながら、上記した表面処理が施された摺動部品では、摺動面に潤滑油又は減摩剤を付着させても、その潤滑油等を長時間に亘って保持することができず、頻繁に潤滑油を供給する必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、潤滑油又は減摩剤を被加工面に長時間に亘って保持することが可能な表面処理方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る表面処理方法は、被加工物の被加工面の上をレーザの吸収度を増すためのレーザ吸収増強皮膜で覆い、そのレーザ吸収増強皮膜に短パルス高ピーク出力のレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に、潤滑油又は減摩剤を溜めることが可能な陥没部を形成するところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の表面処理方法において、被加工物の被加工面の上に、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、セラミックス、樹脂、合金及び／又はガラスなどの粉体からなる固体潤滑材及び／又は硬化材を塗布して粉体皮膜層を形成しておき、この粉体皮膜層を介して被加工物の被加工面の上を覆ったレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に固体潤滑材及び／又は硬化材を打ち込むところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の表面処理方法において、レーザ吸収増強皮膜は、被加工物の被加工面又は粉体皮膜層に、グラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成されるところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１に記載の表面処理方法において、フィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートと、そのベースシートの一方の面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成されたレーザ吸収増強皮膜と、ベースシートの他方の面に、樹脂、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、合金、セラミックス、ガラス、酵素及び／又は抗菌剤等の粉体又は皮膜を付着させて形成された粉体皮膜層とを備えたレーザ吸収粉体層シートを形成し、そのレーザ吸収粉体層シートを、被加工物の被加工面に粉体皮膜層を向けて敷設しておき、レーザ吸収増強皮膜にレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に粉体又は皮膜を打ち込むところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項４に記載の表面処理方法において、ベースシートは、レーザを照射した後に被加工物の被加工面から剥離可能であるところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項５に記載の表面処理方法において、レーザ吸収粉体層シートを被加工物の被加工面に密着させたところに特徴を有する。

請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れかに記載の表面処理方法において、レーザ吸収増強皮膜の上にレーザを透過可能な水、油類、溶融塩又はプラスチックからなるレーザ干渉層で覆い、レーザをレーザ干渉層を通してレーザ吸収増強皮膜に照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面を硬化、凹凸化、改質するところに特徴を有する。

請求項８の発明は、請求項１乃至７の何れかに記載の表面処理方法において、レーザ通過孔を備えたマスクを、レーザを照射する前にレーザ吸収増強皮膜又はレーザ干渉層の上に間隔を開けて積層し、レーザ吸収増強皮膜を横切るようにしてマスク上にレーザを照射することで、被加工面を各種パターンで改質するところに特徴を有する。

請求項９の発明は、請求項８に記載の表面処理方法において、マスクを、厚さ０．１［ｍｍ］〜５．０［ｍｍ］の金属シート又はセラミックスシートで構成するところに特徴を有する。

請求項１０の発明は、請求項１乃至９の何れかに記載の表面処理方法において、被加工物の被加工面に、予め、酸化皮膜処理又はリン酸皮膜処理を施しておくところに特徴を有する。

請求項１１の発明は、請求項１乃至１０の何れかに記載の表面処理方法において、被加工物の被加工面に、略円形又は多角形の窪み又はディンプルを陥没部として形成するところに特徴を有する。

請求項１２の発明は、請求項４乃至６の何れかに記載の表面処理方法において、被加工物の被加工面に、金属皮膜又はセラミックスコーティングからなる皮膜層を形成しておき、その皮膜層をレーザ吸収粉体層シートで覆い、レーザを照射してレーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に粉体を打ち込むところに特徴を有する。

請求項１３の発明は、請求項１乃至１２の何れかに記載の表面処理方法において、被加工物の被加工面にキサゲ模様が形成されるように、線状の溝を複数形成するところに特徴を有する。

請求項１４の発明は、請求項１乃至１３の何れかに記載の表面処理方法において、被加工物を構成する部材が半凝固状態又はその金属の再結晶温度以上の状態で、レーザ吸収増強皮膜にレーザを照射するところに特徴を有する。

請求項１５の発明は、請求項１乃至１４の何れかに記載の表面処理方法において、レーザの発振装置から出射されるレーザを被加工物に照射する際に、レーザの照射方向を変更する光偏向装置と、レーザビーム加工光学系とのうち少なくとも一方を数値制御してレーザの照射位置を正確に制御するところに特徴を有する。

請求項１６の発明は、請求項１に記載の表面処理方法において、被加工物の被加工面に、金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、樹脂及び／又はセラミックスからなる粉体と揮発性油類とを混合したレーザピーニング用粉体スプレーを塗布して粉体皮膜層を形成しておき、この粉体皮膜層をフィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートで覆い、そのベースシートのうち粉体皮膜層と反対側の面にグラファイト又は黒色顔料をスプレーで塗布してレーザ吸収増強皮膜を形成し、そのレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に粉体を打ち込むところに特徴を有する。

請求項１７の発明に係るレーザ吸収粉体層シートは、フィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートと、そのベースシートの一方の面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成されたレーザ吸収増強皮膜と、ベースシートの他方の面に樹脂、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、合金、セラミックス、ガラス、酵素、抗菌剤等の粉体及び／又は皮膜を付着させて形成された粉体皮膜層とを備えたところに特徴を有する。

請求項１８の発明に係るレーザピーニング用粉体スプレーは、金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、樹脂及び／又はセラミックスからなる粉体と揮発性油類との混合物を噴射可能な構成であるところに特徴を有する。

請求項１の発明によれば、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に、潤滑油又は減摩剤を溜めることが可能な陥没部が形成されるので、潤滑油等を被加工面に長時間に亘って保持することが可能となる。さらには、被加工物の被加工面に固体潤滑材及び／又は硬化材を塗布して粉体皮膜層を形成しておき、この粉体皮膜層を介して被加工物の被加工面の上をレーザ吸収増強皮膜で覆い、このレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射すると、レーザピーニングの衝撃波により陥没部が形成されると共に、その陥没部の表面部に固体潤滑材及び／又は硬化材が打ち込まれる（請求項２の発明）。ここで、レーザ吸収増強皮膜は、被加工物の被加工面又は粉体皮膜層に、グラファイトを塗布する等して形成してもよい（請求項３の発明）。

粉体皮膜層は、被加工物の被加工面に、金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、樹脂及び／又はセラミックスからなる粉体と揮発性油類とを混合したレーザピーニング用粉体スプレーを塗布して形成することができる（請求項１８の発明）。そして、この粉体皮膜層をフィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートで覆い、そのベースシートの一方の面にグラファイト又は黒色顔料をスプレーで塗布してレーザ吸収増強皮膜を形成し、そのレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射してもよい（請求項１６の発明）。なお、レーザ吸収増強皮膜をレーザ干渉層で覆い、そのレーザ干渉層を通してレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射してもよい。

また、レーザ吸収粉体層シートを被加工物の被加工面に敷設して、レーザ吸収粉体層シートのレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部にレーザ吸収粉体層シートの粉体皮膜層を構成する粉体又は皮膜を打ち込むことができる。このレーザ吸収粉体層シートは、フィルム、テープ、紙、ガラスシート又は金属の薄膜からなるベースシートと、そのベースシートの一方の面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施してなるレーザ吸収増強皮膜と、前記ベースシートの他方の面に金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、合金、セラミックス、ガラス、酵素及び／又は抗菌剤等の粉体又は皮膜を薄く、例えば粉体であれば粉体の粒径の数倍の厚さに塗布してなる粉体皮膜層とを備えている（請求項４及び請求項１７の発明）。なお、レーザ吸収粉体層シートは、レーザを照射する際に、粉体皮膜層側を被加工物の被加工面に密着させておいて、短パルス高ピーク出力のレーザを照射するのが望ましい（請求項６の発明）。ここで、レーザ吸収粉体層シートのベースシートを、レーザを照射した際に分解・分離する構成としてもよい。また、レーザを照射した後にベースシートが被加工物の被加工面に残る場合には、請求項５の発明のように、レーザを照射した後にベースシートを被加工物の被加工面から剥離可能な構成とするのが望ましい。ベースシートは、所定の効果を発揮し得る厚さのものであればよい。具体的には、例えば、比較的厚い、所謂「薄板材」であっても、比較的薄い、所謂「フィルム」であっても、ベースシートの一方の面側にレーザが照射された際に発生するプラズマの衝撃波により、ベースシートの他方の面に形成された粉体皮膜層を構成する粉体又は皮膜が被加工物の被加工面に打ち込まれ得る厚みであれば、厚みに拘わらず何れもレーザ吸収粉体層シートを構成するベースシートに該当する。

請求項７の発明のように、レーザ干渉層を透過させてレーザ吸収増強皮膜にレーザを照射すると、レーザ干渉層の慣性力によりプラズマの膨張が押さえられるので、レーザ吸収増強層にレーザを直接照射した場合よりも、被加工物の被加工面に付与する衝撃波の強度を高めて効率よく陥没部を形成したり、その陥没部の表面部に粉体又は皮膜を打ち込んだりすることができる。このレーザ干渉層は、水、油、溶融塩その他の透明な液体であってもよいし、プラスチックその他の透明なシートであってもよい。なお、レーザ吸収粉体層シートを使用する場合は、レーザ吸収粉体層シートのうちレーザ吸収増強皮膜の上にレーザ干渉層を設けてレーザを照射すればよい。また、レーザ吸収粉体層シートは、レーザ吸収増強皮膜に重ねてレーザ干渉層、例えばプラスチックシートを一体に取り付けた構成にしてもよい。

レーザピーニングが発生すると、その衝撃波により被加工物の被加工面に塑性変形が生じ、結晶が細分化されかつクラックの進展が抑制され、耐摩耗性及び耐応力腐食割れ性が向上することが期待できる。具体的には、被加工物の被加工面がディンプル構造になるように、陥没部を略円形又は多角形にして複数形成したり（請求項１１の発明）、被加工物の被加工面にキサゲ模様が形成されるように、線状の溝を複数形成したり（請求項１３の発明）すればよい。

請求項８の発明によれば、レーザ通過孔を横切るようにマスク上にレーザを走査することで、被加工物の被加工面のうちレーザ通過孔に対応した部分に選択的に陥没部を形成することができる。また、被加工面にレーザを照射する範囲をレーザ通過孔によって制限できるので、レーザ通過孔の形状に応じたパターンで被加工面を改質することができる。ここで、マスクは、厚さ０．１［ｍｍ］〜５．０［ｍｍ］の金属シート又はセラミックスシートで構成することが好ましい（請求項９の発明）。

請求項１０の発明のように、被加工物の被加工面には、レーザ吸収増強皮膜で覆う前に、予め、酸化皮膜処理又はリン酸皮膜処理を施すことも有効である。また、レーザ吸収粉体層シートを被加工物の被加工面に敷設する前に、予め、皮膜層、例えば、金属皮膜又はセラミックスコーティングを設けてもよい（請求項１２の発明）。

また、請求項１４の発明のように、被加工物を構成する部材が半凝固状態、又は、再結晶温度以上の温度となった状態である間に、レーザピーニングの衝撃波により被加工物の被加工面に陥没部を形成してもよい。ここで、半凝固状態とは、固相率が３０［％］〜８０［％］程度となる状態をいう。

請求項１５の発明のように、レーザの発振装置から出射されるレーザを被加工物に照射する際に、レーザの照射方向を変更する光偏向装置とレーザビーム加工光学系とのうち少なくとも一方を数値制御すれば、レーザの照射位置を正確かつ高速に移動させて表面処理作業を高速化することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明に係る表面処理方法の一実施形態を、図１〜図５に基づいて説明する。図１には、摺動部品であるワーク１０（本発明の「被加工物」に相当する）の一部が拡大して示されている。ワーク１０の母材１１は、例えば鉄鋼材料であり、その母材１１の表面には、固体潤滑材としてのアモルファス合金からなるワーク既存表面処理層１２が例えばメッキ処理にて形成されている。なお、固体潤滑材は、アモルファス合金に代えて、例えば、クロム合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデン等で構成してもよい。このワーク既存表面処理層１２の表面は、ワーク１０の摺動面（本発明の「被加工面」に相当する）となる。なお、母材１１の表面にワーク既存表面処理層１２を設けない場合は、母材１１の表面がワーク１０の摺動面（即ち、被加工面）となる。

このワーク１０に、本発明に係るレーザ吸収粉体層シート４０を用いた表面処理を施すには、以下のようである。まず、ワーク１０の摺動面上にレーザ吸収粉体層シート４０を密着するように敷設する。ここで、レーザ吸収粉体層シート４０は、ベースシート４０Ａとしてのアルミホイルと、そのベースシート４０Ａの一方の面に黒色顔料を塗布して形成されたレーザ吸収増強皮膜１４と、ベースシート４０Ａの他方の面に金属の粉体又は混合物１３Ｆを塗布して形成された粉体皮膜層１３とで構成されている。なお、レーザ吸収増強皮膜１４は、ベースシート４０Ａの一方の面に黒色顔料を塗布した構成に代えて、例えばベースシート４０Ａの一方の面にグラファイトを塗布した構成としてもよい。また、粉体皮膜層１３は、金属の粉体又は混合物１３Ｆに代えて、樹脂、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、合金、セラミックス、ガラス、酵素及び／又は抗菌剤等の粉体で構成してもよい。レーザ吸収粉体層シート４０は、レーザ干渉層１５で覆われている。レーザ干渉層１５は、例えば、水で構成されかつ厚さが１［ｍｍ］〜５［ｍｍ］になっている。なお、レーザ干渉層１５は、水以外に、油その他の透明な液体で構成してもよく、それら液体は流れていてもよい。

次いで、レーザ干渉層１５に向けて、パルス幅が１００［ｐｓ］〜１００［ｎｓ］で出力密度が１［ＧＷ／ｃｍ^２］〜１０［ＧＷ／ｃｍ^２］の短パルス高ピーク出力のレーザを照射する。具体的には、ＱスイッチのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置（本発明の「発振装置」に相当する）を用い、エネルギー出力を１００［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ］〜３００［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ］、波長を５３２［ｎｍ］〜１０８０［ｎｍ］、レーザパワー密度を約３．０［ＧＷ/ｃｍ^２］、周波数を数１０［Ｈｚ］〜数１００［Ｈｚ］に設定したパルスレーザを、レーザ干渉層１５に向けて出射する。このとき、レーザ装置におけるレーザ集光部（図示せず）又はレーザ出射部２０に集光レンズ２１（本発明の「レーザビーム加工光学系」に相当する）を設けて、レーザ干渉層１５上におけるレーザ照射径が０．２［ｍｍ］〜６．０［ｍｍ］になるようにレーザを集光する。ここで、本実施形態では、前述のようにレーザ干渉層１５が水で構成されているので、波長が５３２［ｎｍ］のＹＡＧレーザの２倍波を利用する方が、波長が１０６４［ｎｍ］の通常のＹＡＧレーザを用いるよりも、容易にレーザ干渉層１５を透過させることができる。従って、レーザの波長は、５３２［ｎｍ］にするのが望ましい。

上記の如くレーザが出射されると、そのレーザは、レーザ干渉層１５を透過し、レーザ吸収粉体層シート４０のうち黒色のレーザ吸収増強皮膜１４に吸収されて粉体皮膜層１３に到達し、レーザ吸収増強皮膜１４、ベースシート４０Ａ及び粉体皮膜層１３とが急速に５０００［℃］以上の高温に加熱されて爆発的にプラズマが発生する。即ち、レーザ吸収粉体層シート４０の一部又は全部がプラズマ化し、レーザ吸収粉体層シート４０の構成物質である原子、分子、イオン、電子等の粒子群が爆発的に放出される。そして、それら粒子群の爆発的放出による反作用力が衝撃波としてレーザ吸収粉体層シート４０からワーク１０の摺動面に付与される。また、本実施形態では、レーザ吸収粉体層シート４０がレーザ干渉層１５で覆われているので、レーザ干渉層１５の慣性力により粒子群の爆発的放出による反作用力が、レーザ干渉層１５を設けない場合よりも大きくなっている。即ち、ワーク１０の摺動面に、例えば、１［ＧＰａ］〜１０［ＧＰａ］の反作用力が作用する。その結果、図２に示すように、ワーク１０の摺動面が塑性変形を起こし、ワーク１０の摺動面に深さが、例えば、２［μｍ］〜５０［μｍ］の陥没部３０が形成されるのみならず、粉体皮膜層１３を構成する硬質の粉体又は混合物１３Ｆがその陥没部３０の表面部に打ち込まれる。

この陥没部３０は、レーザ干渉層１５におけるレーザ照射径の範囲に、１つずつ形成される。しかも、衝撃波によって陥没部３０を陥没形成するので、照射条件を調節して陥没部３０の縁部にエッジが形成されるのを防止することができる。また、レーザ吸収粉体層シート４０の所定の箇所でレーザを１［ｐｕｌｓｅ］〜９［ｐｕｌｓｅ］だけ照射したら停止し、別の箇所に移動してレーザを照射する。この動作を短時間で繰り返すことにより、効率よく、ワーク１０の摺動面の所定の箇所に陥没部３０を形成すると共に、その陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆを打ち込むことができる。

次いで、レーザ吸収粉体層シート４０をワーク１０から捲り取る。即ち、ワーク１０の摺動面上に残留したベースシート４０Ａをワーク１０の摺動面から剥離する。すると、図３に示すように、ワーク１０の摺動面に複数の陥没部３０が形成され、その陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれた状態となる。

さて、このワーク１０を図４に示すように相手部品６０に組み付け、互いの摺動面に潤滑油６１を付着させると、陥没部３０が油溜まりの役割を果たし、これにより、潤滑油６１を摺動面に長時間に亘って保持することが可能なる。なお、潤滑油６１を減摩剤に代えた場合は、陥没部３０に減摩剤を溜めて長時間に亘って保持することができる。また、陥没部３０の縁部は、緩やかに湾曲しているので、ワーク１０と相手部品６０とを摺動させた際に、陥没部３０の縁部が相手部品６０の表面を削り取ることもない。しかも、ワーク１０の摺動面は、レーザピーニングの衝撃波により結晶が細分化されたり、粉体又は混合物１３Ｆの埋め込み効果により陥没部３０の表面部が硬化したり、既存クラックが消滅したりされているので、潤滑特性のみならず、耐摩耗性も向上する。

上記した本実施形態に係る表面処理方法では、レーザの照射・停止をパルス制御により高速に繰り返してワーク１０の摺動面に複数の陥没部３０を形成したが、例えば、図５に示すように複数のレーザ通過孔１８Ａを備えたマスク１８を、レーザ干渉層１５とレーザ出射部２０との間に間隔を開けて配置し、レーザ通過孔１８Ａを横切るようにマスク１８上にレーザを照射してもよい。この際に、マスク１８に形成するレーザ通過孔１８Ａの幾何学的形状を例えば、円形、楕円形、多角形とすると共に、レーザ通過孔１８Ａのサイズ及び孔間隔を変化させることにより、ワーク１０の摺動面に形成する陥没部３０、即ち、ディンプルのパターンを目的に応じて各種変化できる。なお、マスク１８は、例えば、厚さ０．１［ｍｍ］〜５．０［ｍｍ］のレーザを反射しやすい金属シート又はセラミックスシートで構成すればよい。また、マスク１８にレーザを照射する際は、マスク１８をレーザの照射方向、即ち、レーザの光軸と直交する仮想の平面に対して傾けておけば、反射したレーザの逆行を防止することができる。

［第２実施形態］
本実施形態では、第１実施形態と同じ構成のワーク１０の摺動面に、図６に示すように、粉体又は混合物１３Ｆを敷き詰めた粉体皮膜層１３を形成しておき、その粉体皮膜層１３上にレーザ吸収増強皮膜１４を密着して設け、そのレーザ吸収増強皮膜１４をレーザ干渉層１５で覆う。ここで、粉体又は混合物１３Ｆは、ワーク１０の摺動面の材質と異なる材質、例えば、アモルファス合金で構成されている。なお、粉体又は混合物１３Ｆは、アモルファス合金に代えて、アモルファス合金以外の合金、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、セラミックス、樹脂、合金及び／又はガラス等で構成してもよいし、これらの混合物で構成してもよい。この粉体又は混合物１３Ｆの個々の形状は、不均一な粒形状になっている。また、レーザ吸収増強皮膜１４は、粉体皮膜層１３にグラファイトを塗布して形成されている。

そして、第１実施形態と同様のレーザ装置及びレーザ発振条件を用いてレーザ吸収増強皮膜１４をレーザで照射する。すると、ワーク１０の摺動面には、図４に示すように陥没部３０が形成されると共に、それら陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれた状態になる。これら陥没部３０は前記第１実施形態と同様に油溜まりになると共に、陥没部３０の表面部には複数の粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれて微細な突起が形成される。これにより、潤滑油６１が陥没部３０から容易に流れ出ることを防ぐことができる。また、ワーク１０の摺動面よりも硬度が大きい粉体又は混合物１３Ｆを陥没部３０の内面に打ち込んだ場合には、隣り合う陥没部３０，３０の間に形成される尾根部１２Ｐが相手部品６０と摺接して摩耗すると、図７に示すように陥没部３０の表面部に打ち込まれた粉体又は混合物１３Ｆが相手部品６０と摺接するようになり、相手部品６０との摺接面全体の耐摩耗性が向上して、ワーク１０の摺動面の摩耗の進行を抑制することができる。このように、陥没部３０の表面部に打ち込まれた粉体又は混合物１３Ｆは、固体潤滑材及び／又は硬化材としての役割を果たす。しかも、相手部品６０と摺接していた粉体又は混合物１３Ｆの摩耗が進行すると、近接する他の粉体又は混合物１３Ｆが次々に相手部品６０と摺接するので、ワーク１０の摺動面の摩耗の進行を抑制する効果を継続して発揮することができる。また、陥没部３０の縁部は緩やかに湾曲しているので、ワーク１０と相手部品６０とを摺動させる際に陥没部３０の縁部が相手部品６０の表面を削り取るようなこともない。

ここで、上記した構成ではワーク１０の摺動面に粉体皮膜層１３を形成しておき、その上にレーザ吸収増強皮膜１４を設けていた。これに代えて、ベースシート４０Ａを介してレーザ吸収増強皮膜１４と粉体皮膜層１３とが一体となった図８に示すレーザ吸収粉体層シート４０を、ワーク１０の摺動面に粉体皮膜層１３側を向けて敷設してもよい。具体的には、例えば、前記第１実施形態と同様のベースシート４０Ａのうち粉体皮膜層１３が設けられる側の面に離型剤１６を塗布し、その離型剤１６に粉体又は混合物１３Ｆを付着させて粉体皮膜層１３を形成する。さらに、レーザ吸収粉体層シート４０のレーザ吸収増強皮膜１４に重ねてレーザ干渉層１５としてのプラスチックシートを取り付けておく。そして、レーザ吸収粉体層シート４０の粉体皮膜層１３側をワーク１０の摺動面に宛がって敷設し、レーザ干渉層１５側からレーザを照射すれば、ワーク１０の摺動面に陥没部３０を形成しかつその陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆを打ち込むことができる（図３参照）。

また、レーザ吸収粉体層シート４０の粉体皮膜層１３は、粉体又は混合物１３Ｆに代えて、ワーク既存表面処理層１２の構成材料と異なる材料、例えば、クロム合金からなる皮膜（図示せず）で構成してもよい。なお、この皮膜は、クロム合金に代えて、例えば、樹脂、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、クロム合金以外の合金、セラミックス、ガラス、酵素及び／又は抗菌剤等で構成してもよい。そして、この様な構成のレーザ吸収粉体層シート４０のうち粉体皮膜層１３をワーク１０の摺動面に宛がって敷設し、レーザ干渉層１５側からレーザを照射すれば、ワーク１０の摺動面に陥没部３０を形成しかつその陥没部３０の表面部に皮膜を固着させることができる。

図９に示すように、粉体皮膜層１３が粉体又は混合物１３Ｆで構成されたレーザ吸収粉体層シート４０をワーク１０の摺動面に敷設するシート供給装置２２をレーザ出射部２０に固定し、レーザ出射部２０に先行してレーザ吸収粉体層シート４０をワーク１０の摺動面に敷設しながらレーザ出射部２０によりレーザを照射してもよい。これにより、効率よく陥没部３０の形成と粉体又は混合物１３Ｆの打ち込みとを行うことができる。なお、レーザ吸収粉体層シート４０の粉体皮膜層１３を、粉体又は混合物１３Ｆに代えて上記の皮膜で構成しても同様にして陥没部３０を形成しつつ、その陥没部３０の表面部に皮膜を固着させることができる。

［第３実施形態］
本実施形態では、自動車のエンジンを構成する部品に本発明に係る表面処理方法を用いてディンプル加工を施す場合について説明する。このエンジンには、シリンダブロック７０（図１０及び図１１参照）、ピストン７２（図１２参照）、連結バー７３（図１２参照）、クランクシャフト７４（図１４参照）が備えられている。そして、シリンダブロック７０に備えた複数のシリンダ部７０Ａの内部でピストン７２が直動する。また、ピストン７２には連結バー７３の一端が回動可能に連結され、連結バー７３の他端がクランクシャフト７４に連結されている。

このエンジンでは、シリンダ部７０Ａとピストン７２との摺動面と、連結バー７３とクランクシャフト７４との摺動面とに、本発明に係る表面処理方法を用いてディンプル加工が施されている。詳細には、シリンダ部７０Ａに関しては、その内周面に１〜２［μｍ］のエンボス加工を施した後、二硫化モリブデンを塗布してワーク既存表面処理層１２を形成しておく。次いで、ワーク既存表面処理層１２上に、図８に示すレーザ吸収粉体層シート４０を敷設する（図１０及び図１１にはレーザ吸収粉体層シート４０は示されていない）。

次いで、図１１に示すようにシリンダ部７０Ａ内にミラー７１（放物面鏡）を配置する。そして、シリンダ部７０Ａの上端開口からシリンダ部７０Ａの中心軸に沿ってレーザを入光させかつミラー７１で反射させ、レーザをシリンダ部７０Ａの内周面に敷設されたレーザ吸収粉体層シート４０に照射する。ここで、ミラー７１を回転及びシリンダ部７０Ａの軸方向に直動させてレーザの照射位置を変更する。これにより、シリンダ部７０Ａの内周面に略円形の陥没部３０が複数形成されると共にそれら陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれ、シリンダ部７０Ａの内周面がディンプル構造になる。

図１２に示したピストン７２に関しては、その外周面を図８に示すレーザ吸収粉体層シート４０で覆って（図１２にはレーザ吸収粉体層シート４０は示されていない）、前記レーザ出射部２０（図１参照）を移動しながらレーザ吸収粉体層シート４０にレーザを照射して陥没部３０を複数形成すると共に、それら陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆを打ち込む。これにより、ピストン７２の外周面もディンプル構造になる。また、ピストン７２には 図１５に示したピストンリング７６が装着されている。このピストンリング７６の外周面と上下の端面にも、本発明に係る表面処理方法により複数の陥没部３０が形成されている。そして、それら陥没部３０の表面部には、粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれている。

図１２に示した連結バー７３のうちクランクシャフト７４との連結部分には、メタル軸受７５が組み付けられる。メタル軸受７５は半円形状の２体に分割可能になっており、図１３に示すようにメタル軸受７５の内面にも、上記したピストン７２と同様に複数の陥没部３０が形成されており、それら陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれている。また、図１４に示すようにクランクシャフト７４のうち連結バー７３が連結される部分に関しても同様に複数の陥没部３０が形成されており、それら陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆが打ち込まれている。

以上の構成により、エンジンを構成する部品同士の間の摺動抵抗が抑えられ、エンジンの燃費、静粛性、耐久性等を向上させることができる。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）レーザ吸収増強皮膜１４は、ワーク１０の摺動面のレーザの吸収度を増すものであればよい。具体的には、前記第１実施形態においてレーザ吸収増強皮膜１４をベースシート４０Ａの一方の面に黒色顔料又はグラファイトを塗布して形成していたが、レーザ吸収増強皮膜１４をベースシート４０Ａの一方の面に酸化皮膜処理又はリン酸皮膜処理を施して形成してもよい。

（２）前記第１実施形態では、レーザ吸収粉体層シート４０のベースシート４０Ａをアルミホイルで構成していたが、アルミホイル以外の金属薄膜、フィルム、ガラスシートで構成してもよい。なお、フィルムには、ナイロン膜その他の樹脂膜が含まれる。

（３）前記第１実施形態では、粉体皮膜層１３をレーザ吸収粉体層シート４０に設けていたが、粉体皮膜層１３をレーザ吸収粉体層シート４０とワーク１０の摺動面との両方に設けてもよい。

（４）前記第２実施形態では、ベースシート４０Ａの片面に塗布した離型剤１６に粉体又は混合物１３Ｆ、又は、皮膜を付着させて粉体皮膜層１３を形成していたが、ベースシート４０Ａの片面に設けた接着剤又は粘着テープ等に粉体又は混合物１３Ｆ、又は、皮膜を付着させて粉体皮膜層１３を形成してもよい。

（５）前記第３実施形態では、エンジンを構成する部品の摺動面に、本発明に係る表面処理方法を用いて複数の陥没部３０を形成していたが、例えば、図１６に示すように、ベアリング８０のうちインナーリング８１の外周面及び／又はアウターリング８２の内周面に複数の陥没部３０を形成し、それら陥没部３０の表面部に粉体皮膜層１３を構成する粉体又は皮膜を打ち込んでもよい（図１６では、インナーリング８１の外周面のみに複数の陥没部３０が形成された状態が示されている）。

（６）また、例えば図１７に示すように、直動ガイド８３における摺動面８３Ａ，８３Ｂに複数の陥没部を形成し、それら陥没部３０の表面部に粉体皮膜層１３を構成する粉体又は皮膜を打ち込んでもよい。

（７）さらに、例えば図１８に示すように、自動車のエンジンに備えられたエキゾーストバルブ８４の表面に複数の陥没部３０を形成し、それら陥没部３０の表面部に粉体皮膜層１３を構成する粉体又は皮膜を打ち込んでもよい。

（８）前記第１実施形態では、１つのレーザ出射部２０で１種類のレーザをワーク１０に照射していたが、複数のレーザ装置６３，６４を設け、波長の異なる複数種類のレーザをレーザ吸収増強皮膜１４に照射してもよい。これにより、レーザ吸収増強皮膜１４におけるレーザの吸収率を向上させることができる。具体的には、図１９に示すように波長が１０６４［ｎｍ］のレーザを出力する第１レーザ装置６３と、波長が５３２［ｎｍ］のレーザを出力する第２レーザ装置６４とを設け、これら第１及び第２のレーザ装置６３，６４が出力したレーザをレーザ合成部６５で合成する。そのレーザ合成部６５には、図２０に示したプリズム６６を設けておき、例えば第１レーザ装置６３のレーザを、プリズム６６の斜面６６Ａに貫通させてレーザ吸収粉体層シート４０に照射し、第２レーザ装置６４のレーザを、プリズム６６の斜面６６Ａで反射させて、第１レーザ装置６３のレーザの照射部分に重ねて第２レーザ装置６４のレーザを照射すればよい。このとき、レーザ吸収増強皮膜１４上におけるレーザ照射径を、第１と第２のレーザ装置６３，６４の間で異ならせてもよい。

（９）レーザ出射部２０が出力したレーザを、例えば、Ｘ−Ｙガルバノミラー（本発明の「光偏向装置」に相当する）を利用してワーク１０上に走査して表面処理を施すようにしてもよい。これにより、レーザ出射部２０の移動のみでレーザの照射部分を変更する場合に比べて、表面処理の高速化が図られる。

（１０）前記各実施形態において、陥没部３０を細い線状の溝にして複数形成することで、ワーク１０の摺動面をキサゲ模様の凹凸構造にして、潤滑油が保持されるようにしてもよい。

（１１）前記各実施形態において、レーザ出射部２０の位置等を数値制御してもよい。これにより、ワーク１０の摺動面を連続して照射できるので、パルス幅が１［ｎｓ］〜９０［ｎｓ］というレーザ装置の特性がより活かされるようになって、作業が高速化される。

（１２）前記各実施形態では、ワーク１０の摺動面に本発明を適用した例を示したが、ワーク１０の表面であれば摺動面以外であっても本発明を適用することができる。

（１３）前記各実施形態では、ワーク１０の摺動面とレーザ吸収増強皮膜１４との間に粉体皮膜層１３を設けていたが、図２１に示すように、粉体皮膜層１３を設けずにワーク１０の摺動面にレーザ吸収増強皮膜１４を密着して設けてもよい。ここで、レーザ吸収増強皮膜１４は、ワーク１０の摺動面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成してもよい。また、フィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシート４０Ａの一方の面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成してもよい。そして、前記第１実施形態と同様に、レーザ吸収増強皮膜１４をレーザ干渉層１５で覆い、そのレーザ干渉層１５にレーザを照射すると、図２２に示すように、レーザピーニングの衝撃波によりワーク１０の摺動面に陥没部３０を形成することができる。そして、このワーク１０を図２３に示すように相手部品６０に組み付け、互いの摺動面に潤滑油６１を付着させると、陥没部３０が油溜まりの役割を果たし、これにより、潤滑油６１を摺動面に長時間に亘って保持することが可能になる。

（１４）前記第２実施形態において、図２４に示すワーク１０の摺動面に、レーザピーニング用粉体スプレー（図示せず）で揮発性油類に混合した粉体又は混合物１３Ｆ、例えば、金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、樹脂及び／又はセラミックスを塗布して粉体皮膜層１３を形成してもよい。この場合は、ベースシート４０Ａとしてのアルミホイルの一方の面にグラファイト又は黒色顔料をスプレーで塗布してレーザ吸収増強皮膜１４を形成し、アルミホイルの他方の面を粉体皮膜層１３に向けて敷設すればよい。そして、前記第１実施形態と同様にしてレーザを照射すると、レーザピーニングの衝撃波により、ワーク１０の摺動面に陥没部３０を形成すると共に、その陥没部３０の表面部に粉体又は混合物１３Ｆを打ち込むことができる。

（１５）前記各実施形態においてレーザ干渉層１５を省いた構成としても、レーザピーニングの衝撃波により、ワーク１０の摺動面に陥没部３０を構成することができる。さらに、ワーク１０の摺動面とレーザ吸収増強皮膜１４との間に粉体皮膜層１３を設けた場合には、陥没部３０の表面部に粉体皮膜層１３を構成する粉体又は混合物１３Ｆ、又は、皮膜を打ち込むことができる。

本発明の第１実施形態に係るワークにレーザ吸収粉体層シート及びレーザ干渉層を積層した状態を示した断面図 ワークの摺動面に複数の陥没部が形成され、その陥没部の表面部に粉体が打ち込まれた状態を示した斜視図 その断面図 ワークと相手部品との摺動面に潤滑油を浸した状態を示した断面図（尾根部摩耗前） レーザ干渉層にマスクを重ねた状態を示した斜視図 第２実施形態に係るワークに粉体皮膜層、レーザ吸収増強皮膜及びレーザ干渉層を積層した状態を示した断面図 ワークと相手部品との摺動面に潤滑油を浸した状態を示した断面図（尾根部摩耗後） レーザ吸収粉体層シートの断面図 レーザ吸収粉体層シートを供給しながらレーザを照射する構成を示した断面図 第３実施形態に係るシリンダブロックの斜視図 そのシリンダ部の一部破断斜視図 ピストン、リンク、メタル軸受の斜視図 メタル軸受の斜視図 クランクシャフトの斜視図 ピストンリングの斜視図 他の実施形態（５）に係るベアリングの斜視図 他の実施形態（６）に係る直動ガイドの斜視図 他の実施形態（７）に係るエキゾーストバルブの斜視図 他の実施形態（８）に係る２つのレーザを合成して照射するためのレーザ装置の斜視図 レーザ合成部の概念図 他の実施形態（１３）に係るワークにレーザ吸収増強皮膜及びレーザ干渉層を積層した状態を示した断面図 ワークの摺動面に複数の陥没部が形成された状態を示した斜視図 ワークと相手部品との摺動面に潤滑油を浸した状態を示した断面図 他の実施形態（１４）に係るワークに粉体皮膜層及びレーザ干渉層を積層した状態を示した断面図

符号の説明

１０ ワーク（被加工物）
１３ 粉体皮膜層
１３Ｆ 粉体
１４ レーザ吸収増強皮膜
１５ レーザ干渉層
１６ 離型剤
１８ マスク
１８Ａ レーザ通過孔
２１ 集光レンズ（レーザビーム加工光学系）
３０ 陥没部
４０ レーザ吸収粉体層シート
４０Ａ ベースシート
６１ 潤滑油

Claims (18)

1. 被加工物の被加工面の上をレーザの吸収度を増すためのレーザ吸収増強皮膜で覆い、そのレーザ吸収増強皮膜に短パルス高ピーク出力のレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工物の前記被加工面に、潤滑油又は減摩剤を溜めることが可能な陥没部を形成することを特徴とする表面処理方法。
2. 前記被加工物の前記被加工面の上に、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、セラミックス、樹脂、合金及び／又はガラスなどの粉体からなる固体潤滑材及び／又は硬化材を塗布して粉体皮膜層を形成しておき、この粉体皮膜層を介して前記被加工物の前記被加工面の上を覆った前記レーザ吸収増強皮膜に前記レーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工物の前記被加工面に前記陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に前記固体潤滑材及び／又は前記硬化材を打ち込むことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
3. 前記レーザ吸収増強皮膜は、前記被加工物の前記被加工面又は前記粉体皮膜層に、グラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面処理方法。
4. フィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートと、そのベースシートの一方の面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成された前記レーザ吸収増強皮膜と、前記ベースシートの他方の面に、樹脂、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、合金、セラミックス、ガラス、酵素、抗菌剤等の粉体及び／又は皮膜を付着させて形成された粉体皮膜層とを備えたレーザ吸収粉体層シートを形成し、そのレーザ吸収粉体層シートを、前記被加工物の前記被加工面に前記粉体皮膜層を向けて敷設しておき、前記レーザ吸収増強皮膜に前記レーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工物の前記被加工面に前記陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に前記粉体又は前記皮膜を打ち込むことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
5. 前記ベースシートは、前記レーザを照射した後に前記被加工物の前記被加工面から剥離可能であることを特徴とする請求項４に記載の表面処理方法。
6. 前記レーザ吸収粉体層シートを前記被加工物の前記被加工面に密着させたことを特徴とする請求項４又は５に記載の表面処理方法。
7. 前記レーザ吸収増強皮膜の上に前記レーザを透過可能な水、油類、溶融塩又はプラスチックからなるレーザ干渉層で覆い、前記レーザを前記レーザ干渉層を通して前記レーザ吸収増強皮膜に照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工物の前記被加工面を硬化、凹凸化、改質することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の表面処理方法。
8. レーザ通過孔を備えたマスクを、前記レーザを照射する前に前記レーザ吸収増強皮膜又は前記レーザ干渉層の上に間隔を開けて積層し、前記レーザ吸収増強皮膜を横切るようにして前記マスク上に前記レーザを照射することで、前記被加工面を各種パターンで改質することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の表面処理方法。
9. 前記マスクを、厚さ０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの金属シート又はセラミックスシートで構成することを特徴とする請求項８に記載の表面処理方法。
10. 前記被加工物の前記被加工面に、予め、酸化皮膜処理又はリン酸皮膜処理を施しておくことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の表面処理方法。
11. 前記被加工物の前記被加工面に、略円形又は多角形の窪み又はディンプルを前記陥没部として形成することを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の表面処理方法。
12. 前記被加工物の前記被加工面に、金属皮膜又はセラミックスコーティングからなる皮膜層を形成しておき、その皮膜層を前記レーザ吸収粉体層シートで覆い、前記レーザを照射してレーザピーニングの衝撃波により前記被加工物の前記被加工面に前記陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に前記粉体を打ち込むことを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の表面処理方法。
13. 前記被加工物の前記被加工面にキサゲ模様が形成されるように、線状の溝を複数形成することを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の表面処理方法。
14. 前記被加工物を構成する部材が半凝固状態又はその金属の再結晶温度以上の状態で、前記レーザ吸収増強皮膜に前記レーザを照射することを特徴する請求項１乃至１３の何れかに記載の表面処理方法。
15. 前記レーザの発振装置から出射される前記レーザを前記被加工物に照射する際に、前記レーザの照射方向を変更する光偏向装置と、レーザビーム加工光学系とのうち少なくとも一方を数値制御して前記レーザの照射位置を正確に制御することを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の表面処理方法。
16. 前記被加工物の前記被加工面に、金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、樹脂及び／又はセラミックスからなる粉体と揮発性油類とを混合したレーザピーニング用粉体スプレーを塗布して前記粉体皮膜層を形成しておき、この粉体皮膜層をフィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートで覆い、そのベースシートのうち前記粉体皮膜層と反対側の面にグラファイト又は黒色顔料をスプレーで塗布して前記レーザ吸収増強皮膜を形成し、そのレーザ吸収増強皮膜に前記レーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工物の前記被加工面に前記陥没部を形成すると共に、その陥没部の表面部に前記粉体を打ち込むことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
17. フィルム、ガラスシート又は金属薄膜からなるベースシートと、そのベースシートの一方の面にグラファイト或いは黒色顔料を塗布し、又は、酸化皮膜処理或いはリン酸皮膜処理を施して形成されたレーザ吸収増強皮膜と、前記ベースシートの他方の面に樹脂、金属、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、合金、セラミックス、ガラス、酵素及び／又は抗菌剤等の粉体又は皮膜を付着させて形成された粉体皮膜層とを備えたことを特徴とするレーザ吸収粉体層シート。
18. 金属、合金、金属間化合物、金属炭化物、金属酸化物、樹脂及び／又はセラミックスからなる粉体と揮発性油類との混合物を噴射可能な構成であることを特徴とするレーザピーニング用粉体スプレー。
    

Images