JP2010221262A - テクスチャ形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形成されるテクスチャの形状精度を低下させることなくデブリの発生を抑制してデブリ除去工程を必要とせず、かつ、理想的な内部表面性状を有するディンプルを形成することができるテクスチャ形成方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金表面へのテクスチャ形成方法であって、少なくとも表層にアルミニウムまたはアルミニウム合金を有する基材２０表面にアルミニウム酸化膜３０を形成する工程と、酸化膜におけるテクスチャ形成部分にレーザ１０を照射することにより当該部分の酸化膜を除去して前記アルミニウムまたはアルミニウム合金を露出させる工程と、基材にエッチングを行って、アルミニウムまたはアルミニウム合金が露出した箇所の表面を選択的に溶削する工程とからなる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、自動車部品のシリンダブロックにおけるシリンダボア内周面の加工方法に係り、特に、内周面にオイル溜まりとして作用させるための微小ディンプルからなるテクスチャを形成する方法に関する。

自動車部品であるシリンダブロックのシリンダボア内周面には、摺動に際して焼き付きを防止するため、微小なディンプルを多数設けて、油溜まりとして機能させることが知られている。このディンプルを形成する方法としては、機械的な切削やショットブラストによる方法、化学的なエッチング方法、あるいはレーザの照射によるテクスチャ形成方法が知られている。

図２は、上記レーザ照射による加工方法を模式的に示す図である。図２に示すように、従来の方法においては、金属母材２０の表面にレーザ１０を照射して微細なディンプル２１を形成する際、レーザ１０によって蒸発した金属蒸気がディンプル２１の縁部近傍にて周辺雰囲気あるいは母材によって冷却されて液化し、母材表面に再付着して固化し、所謂デブリ２２を形成するという問題があった。このデブリ２２は、平滑な母材表面から突出しているため、摺動性に悪影響を及ぼす懸念がある。

従来このようなデブリは、図２に示すように、研磨手段２３によって除去する必要があった。そのため、レーザ照射工程に加えて、デブリの研磨工程や、研磨で発生する金属粉末の洗浄工程が新たに必要となり、工程数が増加してしまうという問題があった。

このような問題に対し、金属母材表面にレーザ透過性のある潤滑油を流しながらレーザ加工を実施する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、図３に示すように、金属母材２０の表面が潤滑油３１で被覆された状態でレーザ照射を行うため、発生する金属蒸気は瞬時に冷却されて潤滑油中に固化して浮遊するため、ディンプル２１の縁部にデブリが形成されるのを抑制することができる。

特許第４１１１０４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、潤滑油を通してレーザ加工を行うため、直接レーザ照射を行う場合と比較して、レーザ光への干渉が生じて、形成されるディンプルの形状精度が低下する懸念があり、所望のテクスチャが得られないという問題がある。また、デブリの抑制についても完全ではなく、後工程で僅かなデブリを除去する必要が依然としてある。さらに、研磨でデブリを除去する際に、テクスチャ形状の一部が欠落する懸念がある。さらに、ディンプル内部の表面性状については、レーザ加工の原理上の限界があり、ディンプル内部を平滑とすることは難しく、微小な凹凸が残存してしまう。

本願発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、形成されるテクスチャの形状精度を低下させることなくデブリの発生を抑制して後工程を必要とせず、かつ、理想的な内部表面性状を有するディンプルを形成することができるテクスチャ形成方法を提供することを目的としている。

本願発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金表面へのテクスチャ形成方法であって、少なくとも表層にアルミニウムまたはアルミニウム合金を有する基材表面にアルミニウム酸化膜を形成する工程と、酸化膜におけるテクスチャ形成部分にレーザを照射することにより当該部分の酸化膜を除去してアルミニウムまたはアルミニウム合金を露出させる工程と、基材にエッチングを行って、アルミニウムまたはアルミニウム合金が露出した箇所の表面を選択的に溶削する工程とからなることを特徴としている。

本願発明においては、アルミニウム酸化膜形成工程において、アノーダイズ（陽極酸化）を行うことを好ましい態様としている。

本願発明においては、マスクイメージング法によって前記レーザを照射することを好ましい態様としている。

本願発明においては、被加工物は、摺動部材であることを好ましい態様としている。

本願発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材表面に酸化被膜を形成し、テクスチャ形成を行う部分にのみレーザを照射して母材を露出させた後にエッチングを行っているので、酸化被膜に覆われた非テクスチャ部分はエッチングから保護されて、母材が露出したテクスチャ部分のみがエッチングによって溶解される。

結果として、非テクスチャ部分は理想的な表面性状を維持したままテクスチャ部分にのみ選択的に凹部を形成することができるという効果を奏する。また、テクスチャ部分のエッチングは均一に進行するため、テクスチャ内部の表面性状をも平滑に保ったまま凹部を形成することができるという効果をも奏する。

本願発明のテクスチャ形成方法を示す模式断面図である。 従来のレーザ照射によるテクスチャ形成方法を示す模式断面図である。 従来のレーザ照射によるテクスチャ形成方法を示す模式断面図である。 本願発明の方法によってテクスチャを形成した摺動部材表面の走査電子顕微鏡写真である。 図４のテクスチャの寸法を示す断面図である。

以下、本願発明の実施形態について更に詳細に説明する。
本願発明は、自動車動力源としての内燃機関の部品であるシリンダブロック内のシリンダボアの内周面上に、摩擦の低減や耐焼き付き性の向上を目的として形成する微細なディンプルからなるテクスチャを形成する方法である。

図１は、本願発明のテクスチャ形成方法における各工程を示す模式図であり、符号２０は、摺動部材であるシリンダボアを構成する例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属母材である。金属母材２０の表面には、陽極電解法により形成した酸化アルミニウム層（酸化被膜）３０が形成される。

次に、所望のテクスチャ（ディンプル）が得られるよう適宜調整されたレーザ１０を照射すると、酸化被膜３０が加熱されて蒸発し、ディンプルに対応する部分の金属母材２０が露出する。続いて、この被加工物を酸性溶液中に浸漬して、エッチングを行うと、酸化被膜３０部分は腐食から保護され、金属母材２０のみが腐食されて、ディンプル２１を形成する。

なお、エッチング後に図示しない洗浄工程を経て、さらに後工程として酸化被膜３０を取り除くことも考えられるが、酸化被膜は摺動部材の耐久性の向上に寄与するため、酸化被膜を除去せずにそのまま摺動部材として供することが好ましい。

このように、本願発明によれば、エッチングによってディンプルを形成しているので、ディンプル周縁部に金属蒸気によるデブリが形成されることを防止することができる。また、ディンプル部分のエッチングは均一に進行するため、ディンプル内部の表面性状をも平滑に保つことができるという効果をも奏する。

１．金属母材
本願発明に用いられる金属母材は、自動車部品であるシリンダブロック内のシリンダボアとして公知の材料の中から任意のものを使用することができ、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、鋳鉄、ステンレス鋼等から選択することができるが、これらに限定されるものではない。

２．陽極酸化（アノーダイズ）
本願発明における陽極酸化は、少なくとも表面がアルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金で構成される基材上に、公知の陽極酸化法によって酸化被膜を形成するものであり、シュウ酸溶液中で実施されることが好ましいが、硝酸、リン酸中にて行うこともできる。

３．レーザ照射（金属母材の露出）
本願発明のテクスチャ形成方法に用いられるレーザは、公知の仕様のものを使用することができ、ＹＡＧレーザを使用するができる。また、例えばエキシマレーザを使用したマスクイメージング法を採用しても好ましく、スループットの向上を図ることができる。マスクイメージング法によれば、所望のテクスチャが得られるような貫通孔部が形成されたマスクを介してレーザを照射するのみで、金属母材表面の酸化被膜に一度に多数の凹部を形成して金属母材を露出させることができて好ましい。

４．エッチング（ディンプルの形成）
本願発明のテクスチャ形成方法におけるディンプル形成工程では、エッチングが行われるが、公知の電解エッチング行うことが好ましい。このエッチングは、酢酸と過塩素酸の混酸等の酸性溶液中で行われることが好ましいが、他にも、公知の他の酸性溶液中で実施しても同様の結果を得ることができる。

以下、具体的な実施例によって本願発明をさらに詳細に説明する。
［陽極酸化］
試料として純度９９．５％のアルミニウム材（Ａ１０５０材、寸法２０×１８ｍｍ）を用意し、室温にてＣ_２Ｈ_５ＯＨ中１０分間超音波洗浄して脱脂を行った。この試料を７℃の１３．６Ｍ酢酸／２．５６Ｍ過塩素酸の混酸中に浸漬し、２８Ｖ印加して１５０秒間電解研磨を行い、表面を平滑化した。次に、２０℃の０．２２Ｍシュウ酸溶液中で、対極として白金板を用いて、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ^２、１０分間陽極酸化を行った。この試料を１００℃の蒸留水中で１５分間加熱し、酸化被膜の封孔処理を行って硬度を向上させた。

［レーザ照射］
続いて、パルスＮｄ−ＹＡＧレーザ（周波数１０Ｈｚ、波長５３２ｎｍ、パルス幅８ｎ秒、出力１．０ｍＷ、０．５秒／スポット）および集光レンズ（焦点距離６０ｍｍの平凸レンズ）を用いて、２回蒸留水雰囲気中で試料をレンズの焦点位置に保持して、レーザをスポット照射した。

［エッチング］
最後に、この試料を１６℃の１３．６Ｍ酢酸／２．５６Ｍ過塩素酸中に浸漬し、対極として白金板を用い、３０Ｖ印加して２〜１０分の電解エッチングを行った。

［実験結果］
この実施例によって得られたテクスチャを、図４の走査電子顕微鏡写真に示す。また、図４のテクスチャの断面寸法（内部の表面性状）を図５のグラフに示す。図４および５に示すように、本願発明のテクスチャは、摺動面にデブリや欠損がなく平滑なのは勿論のこと、ディンプル内部の表面性状も平滑に維持されていることが分かり、これにより摺動時の油溜まりとして良好に機能する。

シリンダボア等の摺動面にテクスチャを形成するに際して、デブリの形成を抑制し、テクスチャ精度を低下させずにテクスチャを形成し、また、テクスチャ内部の表面性状も平滑に保たれた摺動部材を提供することができる。

１０…レーザ光、２０…被加工物（金属母材）、２１…ディンプル、２２…デブリ、２３…研磨手段、３０…酸化被膜、３１…潤滑油。

Claims (4)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金表面へのテクスチャ形成方法であって、
   少なくとも表層にアルミニウムまたはアルミニウム合金を有する基材表面にアルミニウム酸化膜を形成する工程と、
   前記酸化膜におけるテクスチャ形成部分にレーザを照射することにより当該部分の酸化膜を除去して前記アルミニウムまたはアルミニウム合金を露出させる工程と、
   前記基材にエッチングを行って、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が露出した箇所の表面を選択的に溶削する工程と
   からなることを特徴とするテクスチャ形成方法。
2. 前記アルミニウム酸化膜形成工程において、アノーダイズ（陽極酸化）を行うことを特徴とする請求項１に記載のテクスチャ形成方法。
3. マスクイメージング法によって前記レーザを照射することを特徴とする請求項１または２に記載のテクスチャ形成方法。
4. 前記被加工物は、摺動部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のテクスチャ形成方法。

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