JP2008264833A - 円孔内面の成膜方法及びこれに用いる成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜材料を予め成形する必要が無く、膜材料に従来のものより高圧と高摩擦力を付与することができ、円孔内面の前面に亘って確実に成膜できる円孔内面の成膜方法及びこれに用いる成膜装置を提供すること。
【解決手段】円孔２の下端開口部を基盤３で閉塞した後、円孔２内に粉末状の膜材料１２を供給し、円孔２へ回転工具４を回転させながら押し込み、円孔２の内面と回転工具４との間に存する膜材料１２に高圧及び高せん断力を付与して、摩擦熱で軟化または溶融した膜材料１２を円孔２の内面に付着させて皮膜を形成する。基盤３の上面に円孔２と対応する凹部５を形成する。回転工具４の下部は、滑らかに角取りした複数の径大部９を有する断面形状であり、その上方部分の断面は径大部９と同径の円形としてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内面のような円孔内面を耐磨耗膜等で被覆するための円孔内面の成膜方法及びこれに用いる成膜装置に関する。

シリンダ内面のような円孔内面は、強度付与、耐食性向上、表面空孔の封孔処理等のために、機能性膜によって被覆することが多い。皮膜を形成する方法としては、予め円筒状に成形した膜を円孔の内面に圧入する方法や、メッキ或いは拡散浸透によるものがある。
しかし、円筒膜を形成するには手間と費用がかかるばかりか、薄い膜を形成するのが難しく、膜と円孔内面との間が剥離しやすい。一方、メッキや拡散浸透による成膜は、円孔内面の状態によって密着性が悪くなる。

そこで、成膜しようとする円形内面に、筒状の機能材料を嵌合しておき、円盤状の加圧部を有する回転加圧工具を回転させつつ加圧下に押付けて、機能材料を摩擦熱で加熱軟化させ、加圧部を回転させつつ軸方向に進行させて機能材料を軸方向及び半径方向に流動させ、円形内面に接合層を形成する円形内面の接合層形成方法が提案されている（特許文献１参照）。
この方法によれば、比較的均一な厚さの接合層を形成することができるが、予め機能材料を円形孔の寸法に合わせて成形しておかなければならないので、手間とコストがかかる。

また、構造体の円柱孔内に粉末状のコーティング材料及び断面多角形の加圧ロッドを挿入し、加圧ロッドをコーティング材料に加圧下に接触、且つ、構造体に対して相対回転させて、コーティング材料を摩擦熱で軟化流動させ、円柱内面にコーティング層を形成する方法も公知である（特許文献２参照）。
この方法によれば、膜材料を成形する手間が不要であるが、粉末状のコーティング材料が円柱内面と加圧ロッドとの隙間幅が広い部分を通って上方へ逃げてしまい、高圧・高せん断力が加わり難い。

特開２００６−１０２８０３号公報 特開２０００−３１２９８１号公報

本発明が解決しようとする課題は、膜材料を予め成形する必要が無く、膜材料に従来のものより高圧と高摩擦力を付与することができ、円孔内面の前面に亘って確実に成膜できる円孔内面の成膜方法及びこれに用いる成膜装置を提供することにある。

本発明の円孔内面の成膜方法は、円孔の下端開口部を基盤で閉塞した後、該円孔の上端から粉末状の膜材料を供給し、さらに、該円孔の直径よりも小さい外径を有する回転工具を回転させながら押し込み、前記円孔内面と回転工具との間に存する前記膜材料に高圧及び高せん断力を付与して、摩擦熱で軟化または溶融した前記膜材料を前記円孔内面に付着させて皮膜を形成するものであって、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具は、下部の断面が滑らかに角取りした複数の径大部を有すると共に、その上方部分の断面は前記径大部と同径の円形としてある。

この成膜方法に用いる成膜装置は、前記円孔の下端開口部を閉塞する基盤と、前記円孔の直径よりも小さい外径を有し、該円孔の上端から挿入される回転工具とから成り、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具は、下部の断面が滑らかに角取りした複数の径大部を有すると共に、その上方部分の断面は前記径大部と同径の円形としてある。
この場合、前記回転工具の下部の断面は、滑らかに角取りした四角形としても良い。
或いは、前記回転工具の下部の断面を、滑らかに角取りした三角形や、十文字形とすることもある。

本発明の他の成膜方法は、円孔の下端開口部を基盤で閉塞した後、前記円孔の上端から、該円孔の直径よりも小さい外径を有する回転工具を挿入し、該回転工具を回転させながら前記円孔内に粉末状の膜材料を供給し、前記円孔内面と回転工具との間に存する前記膜材料に高圧及び高せん断力を付与して、摩擦熱で軟化または溶融した前記膜材料を前記円孔内面に付着させて皮膜を形成するものであって、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具の外周に前記膜材料を円孔下端に向けて送るネジ溝を形成してある。
この成膜方法に用いる成膜装置は、前記円孔の下端開口部を閉塞する基盤と、前記円孔の直径よりも小さい外径を有し、該円孔の上端から挿入される回転工具とから成り、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具の外周にネジ溝を形成してある。

本発明の成膜方法によれば、膜材料を粉末のままで使用するので、成形する必要がなく、手間とコストを削減できる。
また、回転工具と円孔内面との隙間において、隙間幅が広い部分にある膜材料が、回転工具の回転に伴って隙間幅の狭い部分へ無理やりかみ込まれ、しかも、膜材料が上方へ逃げるのを抑制してあるため、高圧・高せん断力が発生する。
さらに、基盤の上面に円孔と対応した凹部を形成してあるので、円孔の下縁まで成膜することができる。

請求項１〜５に係る発明によれば、回転工具の下部においては、回転工具の回転に伴って、間隙幅の広い部分にある膜材料が狭い部分へかみ込まれ、回転工具の上部の円形部分によって膜材料が上方へ逃げるのを規制するので、高圧・高せん断力が発生する。
また、径大部は滑らかに角取りしてあるので、エッジ効果によって皮膜の形成を阻害する心配がなく、形成された皮膜が削りとられることもない。
請求項６及び７に係る発明によれば、回転工具にネジ溝を形成することによって広くなっている間隙にある膜材料が、回転工具の回転に伴って間隙幅の狭い部分にかみ込まれ、しかも、ネジ溝による送りで膜材料が上方へ逃げるのを規制してあるため、高圧・高せん断力が発生する。

円孔内面に成膜するには、円孔の下端開口部を基盤で閉塞し、円孔の上端から、円孔の直径よりも小さい外径を有する回転工具を挿入し、この回転工具を回転させることにより、円孔内面と回転工具との間に存する粉末状の膜材料に高圧及び高せん断力を付与して、摩擦熱で軟化または溶融した膜材料を円孔内面に付着させて皮膜を形成する。
回転工具と円孔内面との隙間において、隙間幅が広い部分にある膜材料を、回転工具の回転に伴って隙間幅の狭い部分へかみ込み、さらに、膜材料が上方へ逃げるのを規制して、高圧・高せん断力を発生させる。
基盤の上面には、回転工具の下端の逃げとなる凹部を円孔に対応して形成してあるので、円孔の下縁まで成膜できる。

図１及び図２は、本発明の実施例１を示す。
本発明は、図１に示すように、被処理物１に形成された円孔２の内面に成膜する方法及び装置に関し、成膜装置は、円孔２の下端開口部を閉塞して被処理物１を支持する基盤３と、円孔２の上端から内部へ挿入される回転工具４とから成る。
基盤３の上面には、円孔２と対応する凹部５が形成されている。凹部５は、上部が円孔２と同径以上の直径を有する円柱状で、その下方に逆円錐部を連続した形状としてある。

回転工具４は、焼入れを施した工具鋼を素材とし、円孔２の直径よりやや小さい外径を有する。また、回転工具４は、凹部５の逆円錐部よりやや小さい相似形の先鋭部６と、その上方の角形部７と、さらにその上方の円柱部８とを連続して一体に形成して成る。
なお、本実施例では、先鋭部６の先端角度を１１８°としたが、これより鋭くしても良い。
図２に示すように、角形部７は、四角形の四隅を滑らかに角取りして、角取りした四隅部に形成される４個の径大部９と、四角形の辺によって形成される４個の径小部１０とが周方向に交互に連続した断面を有する。径大部９の外周面は円孔２の内面と同心状の円弧面であり、径小部１０の外周面は、円孔２の接線と平行な平面となっている。なお、多角形部７の長さは、円孔２の軸方向の寸法よりも短くしてある。
円柱部８は、径大部９と同径の円形断面を有する。

この成膜装置で成膜するには、粉塵の影響を排除し、湿度等をコントロールできる環境に成膜装置を設置するのが望ましい。
そして、図１に示すように、被処理物１を基盤３の上に載せて円孔２と凹部５とを一致させ、円孔２の下端開口部を閉塞する。円孔２の上方には、電動モータの出力軸に連絡された駆動軸が設置され、駆動軸の下端に設けられたチャック部１１で回転工具４の上端を把持し、回転工具４を円孔２と中心軸を共有して上方に配置しておく。
その後、円孔２の上端開口部から粉末状の膜材料１２を供給し、凹部５と円孔２に充填して軽く押付ける。

次いで、回転工具４を回転させながら円孔２の上端から下方へ押し込む。すると、回転工具４の進入によって先鋭部６が膜材料１２に食い込み、摩擦熱で軟化しながら多角形部７と円孔２内面との間隙１３に流入する。
角形部７の外方に形成される間隙１３は、図２に示すように、径小部１０の外方に形成された幅広部１３ａと、径大部９の外方に形成された幅狭部１３ｂとが周方向に交互に連続しているので、回転工具４の回転に伴って、幅広部１３ａにある膜材料１２が無理やり幅狭部１３ｂへかみ込まれる。しかも、角形部７の上方には径大部９と同形の円柱部８が形成されているので、膜材料１２が幅広部１３ａを通って上方へ逃げるのが規制される。

この結果、円孔２の内面と回転工具４とで挟まれた膜材料１２に高圧・高せん断力が付与され、摩擦熱で軟化または溶融した膜材料１２が円孔２の内面に下方から順次付着し、皮膜が形成される。なお、皮膜の厚さは、円孔２の半径と円柱部８の半径（径大部９の半径）との差にほぼ等しくなる。
また、基盤３の上面に回転工具４の下端部を逃がすための凹部５を形成してあるので、円孔２の下縁まで確実に皮膜を形成することができる。

図３及び図４は、本発明の実施例２を示す。
図３に示すように、本実施例において、基盤３の上面には円柱状の凹部５が形成される。凹部５の直径は円孔２の直径以上としてある。
回転工具４は、円孔２の内径よりやや小さい外径を有する円柱体の外周にネジ溝１４を形成して成る。従って、図４に示すように、円孔２の内面と回転工具４との間の間隙１３は、ネジ溝１４が形成された部分では幅広部１３ａとなり、ネジ溝１４間に形成された螺旋羽根の外方では幅狭部１３ｂとなっている。

この成膜装置で成膜するには、図３に示すように、基盤３で支持した被処理物１の上面に、円孔２の上端を取り巻くガイド孔１５を有する蓋板１６を被せてから、回転工具４をガイド孔１５を通して円孔２の上端から挿入する。ガイド孔１５は、下端が円孔２と同径で、上端がこれより大径の漏斗状に形成されている。
次いで、ガイド孔１５から円孔２の内部へ粉末状の膜材料１２を供給し、回転工具４をネジ溝１４で膜材料１２を下方へ送る方向へ回転させる。

すると、間隙１３の幅広部１３ａにある膜材料１２が、回転工具４の回転に伴って、幅狭部１３ｂへかみ込まれ、しかも、ネジ溝１４による送り効果で膜材料１２が上方へ逃げるのを規制しているので、回転工具４と円孔２の内面で挟まれた膜材料１２に高圧・高せん断力が付与される。
この結果、摩擦熱で軟化または溶融した膜材料１２が円孔２の内面に付着し、皮膜が形成される。
実施例２において、成膜方法及び成膜装置の他の構成は、実施例１と変わるところはない。

被処理物１と成膜装置を透明なチャンバー内に設置し、実施例１と実施例２により成膜を行って、皮膜及び被処理物１の状態、温度等について調べた。
被処理物１として、ＪＩＳ２０１７アルミニウム合金を用い、被処理物１の厚み（円孔２の軸方向の寸法）を１０ｍｍとした。回転工具４の直径（最も太い部分の直径）は１０ｍｍであり、皮膜の厚さを０．１５ｍｍと０．０５ｍｍに設定した。即ち、半径が回転工具４の半径である５ｍｍよりも０．１５ｍｍ大きい円孔２と、０．０５ｍｍ大きい円孔２に対して成膜を行った。
また、膜材料１２としては、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の急冷凝固粉末（昭和電工株式会社、種別：ＳＨＯＲＩＣ、記号：ＡＳＣＭ２０−５Ｆｅ）を用いた。膜材料１２の成分と粒径を表１に示す。

チャンバー内の湿度を６０％ＲＨに調整し、回転工具４を６００ｒｐｍで回転させ、１０〜１２分間の成膜を行った。
なお、実施例１では、膜材料１２を約０．０３Ｎ充填し、回転工具４の降下速度は２ｍｍ／ｍｉｎとして、凹部５の底から１ｍｍの高さに達したとき降下を停止し、降下速度と同じ上昇速度、回転数を保ちながら上昇させた。
また、実施例２では、回転工具４を回転させながら、約０．０３Ｎの膜材料１２を供給した。

さらに、被処理物１の内部において、円孔２の内面から２ｍｍの位置に熱電対を設置し、成膜時の温度変化を測定した。その測定結果を図５に示す。
図５から明らかなように、実施例１の方が実施例２よりもはるかに温度上昇が高い。これは、実施例１では、凹部５の底に粉末の膜材料１２が固化して付着していることから、回転工具４の先端と膜材料２との激しい摩擦による温度上昇であると考えられる。

また、実施例１では、膜厚Ｃ（円孔２の半径と回転工具の最大半径との差）による影響をほとんど受けず、Ｃ＝０．０５ｍｍでもＣ＝０．１５ｍｍでもほとんど変わらない。一方、実施例２では、膜厚Ｃが薄いほど温度が上昇し、Ｃ＝０．０５ｍｍでは２１０℃にもなる。
さらに、相対湿度は温度上昇に影響を与え、湿度２０％ＲＨ、Ｃ＝０．１５ｍｍにして成膜したところ、湿度６０％ＲＨの時に比べて実施例１では３３℃、実施例２では１９℃高くなった。

また、Ｃ＝０．１５ｍｍで成膜後、円孔２の中心軸に沿って被処理物１を切断して皮膜の断面を観察した。図６に実施例１による皮膜を示し、図７に実施例２による皮膜を示す。
実施例１によれば、拡散接合状態となっており、皮膜と被処理物１の明確な界面は見られない。一方、実施例２によれば、皮膜と被処理物１にははっきりとした界面は見られるものの、界面における剥離や欠陥は存在していない。
この結果、実施例１は、被処理物１と皮膜との強い密着性を必要とし、被処理物１が比較的高温に耐えうる素材である時に適しており、実施例２は、それほど被処理物１と皮膜との密着性を必要としないが、厚みが一様な皮膜を必要とする場合に適していることがわかった。

なお、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末にＡｌＮ粉末を５重量％程度添加した膜材料を用いることにより、摩擦係数が小さく、耐磨耗性及び耐熱性の高い皮膜を形成することができる。この膜材料で成膜すると、成膜時の温度上昇が低く抑えられる。
また、円孔２の内面に凹凸を形成し、皮膜の剥離を防ぐことが可能である。
さらに、上記したように、実施例１では凹部５の底に膜材料１２が固化して塊状に付着したが、回転工具４の先端部外面に切れ歯を形成すると、この切れ歯で固化した或いは固化しようとする膜材料１２を削り取り、間隙１３に流し込むことができる。
また、実施例１では、回転工具４の四角形断面の角取りを行って径大部９を形成してあるが、三角形の三つの角を滑らかに角取りして径大部としても良い。或いは、滑らかに連続する外周の十文字形断面としても良い。

本発明の実施例１に係る成膜装置の縦断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例２に係る成膜装置の縦断面図。 図３のＢ−Ｂ断面図。 成膜時の温度変化の測定結果を示す図。 実施例１に係る被処理物及び皮膜の断面図。 実施例２に係る被処理物及び皮膜の断面図。

符号の説明

１ 被処理物
２ 円孔
３ 基盤
４ 回転工具
５ 凹部
６ 先鋭部
７ 角形部
８ 円柱部
９ 径大部
１０ 径小部
１１ チャック部
１２ 膜材料
１３ 間隙
１３ａ 幅広部
１３ｂ 幅狭部
１４ ネジ溝
１５ ガイド孔
１６ 蓋板

Claims (7)

1. 円孔の下端開口部を基盤で閉塞した後、該円孔の上端から粉末状の膜材料を充填し、さらに該円孔の直径よりも小さい外径を有する回転工具を回転させながら押し込み、前記円孔内面と回転工具との間に存する前記膜材料に高圧及び高せん断力を付与して、摩擦熱で軟化または溶融した前記膜材料を前記円孔内面に付着させて皮膜を形成する成膜方法であって、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具は、下部の断面が滑らかに角取りした複数の径大部を有すると共に、その上方部分の断面は前記径大部と同径の円形としてあることを特徴とする円孔内面の成膜方法。
2. 請求項１に記載された円孔内面の成膜方法に用いる成膜装置であって、前記円孔の下端開口部を閉塞する基盤と、前記円孔の直径よりも小さい外径を有し、該円孔の上端から挿入される回転工具とから成り、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具は、下部の断面が滑らかに角取りした複数の径大部を有すると共に、その上方部分の断面は前記径大部と同径の円形としてある成膜装置。
3. 前記回転工具の下部の断面が、滑らかに角取りした四角形である請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記回転工具の下部の断面が、滑らかに角取りした三角形である請求項２に記載の成膜装置。
5. 前記回転工具の下部の断面が、滑らかに連続した外周の十文字形である請求項２に記載の成膜装置。
6. 円孔の下端開口部を基盤で閉塞した後、前記円孔の上端から、該円孔の直径よりも小さい外径を有する回転工具を挿入し、該回転工具を回転させながら前記円孔内に粉末状の膜材料を供給し、前記円孔内面と回転工具との間に存する前記膜材料に高圧及び高せん断力を付与して、摩擦熱で軟化または溶融した前記膜材料を前記円孔内面に付着させて皮膜を形成する成膜方法であって、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具の外周に前記膜材料を円孔下端に向けて送るネジ溝を形成してあることを特徴とする円孔内面の成膜方法。
7. 請求項６に記載された円孔内面の成膜方法に用いる成膜装置であって、前記円孔の下端開口部を閉塞する基盤と、前記円孔の直径よりも小さい外径を有し、該円孔の上端から挿入される回転工具とから成り、前記基盤の上面に前記円孔と対応する凹部を形成し、前記回転工具の外周にネジ溝を形成してある成膜装置。