JP2011245492A - 金属表面加工方法及び金属表面加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境に影響のある物質を排出することなく、簡易な工程で合金の表面を加工可能な方法を提供すること。
【解決手段】照射されるパルスレーザ光のフルーエンスが、加工閾値Ｆ_th ^Al以上になると加工されるアルミニウム１１と、照射される前記パルスレーザ光のフルーエンスが、加工閾値Ｆ_th ^Alとは相違する加工閾値Ｆ_th ^Eu以上になると加工される初晶シリコン１２と、を含むＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面の被加工部位を加工する金属表面加工方法であって、加工閾値Ｆ_th ^Alと加工閾値Ｆ_th ^Euとに応じて、パルスレーザ光のフルーエンスを、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に所望の物質を露出可能な値に調整する工程と、調整されたフルーエンスのパルスレーザ光をＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面に照射する工程と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属表面加工方法及び金属表面加工装置に関するものである。

従来の金属表面加工方法として、研磨やエッチングによって合金の表面を加工するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２４１８７９号公報

しかしながら、前述した従来の金属表面加工方法では、研磨加工に複雑な工程が必要となり、また、エッチングでは、環境に影響のある溶液を使用しなければならないという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、環境に影響のある物質を出すことなく、簡易な工程で合金の表面を加工することを目的とする。

本発明は、照射されるパルスレーザ光に対する加工特性が互いに相違する第１の物質と第２の物質とを含む合金の表面の被加工部位を加工する金属表面加工方法であって、前記加工特性の相違に応じて、照射されるパルスレーザ光を、前記合金の表面に前記第１の物質及び前記第２の物質のうち所望の物質を露出可能な特性に調整する工程と、前記特性に調整されたパルスレーザ光を前記合金の表面に照射する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１の物質と第２の物質とを有する合金の表面に照射されるパルスレーザ光の特性を調整することによって、合金の表面を加工し、所望の物質を表面に露出させることができる。したがって、環境に影響のある物質を排出することなく、パルスレーザ光のみを用いた簡易な工程で合金の表面を加工することができる。

本発明の実施の形態に係る金属表面加工方法に用いる金属表面加工装置の構成図である。 第１の実施の形態に係る合金のレーザフルーエンスに対する平均加工レートを示すグラフ図である。 第１の実施の形態に係る合金のレーザフルーエンスの値に対応する加工状態の相違を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、金属表面加工方法によってレーザを照射する前の第１の実施の形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金の断面の模式図を示した図であり、（ｃ）は、図４（ａ）又は（ｂ）においてレーザを照射した後の模式図である。 第１の実施の形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金において、初晶シリコンの突起が形成された表面を拡大した写真である。 第１の実施の形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金において、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金及び初晶シリコンが共に加工された表面を拡大した写真である。 第２の実施の形態に係る合金のレーザフルーエンスに対する平均加工レートを示すグラフ図である。 第２の実施の形態に係る合金のレーザフルーエンスの値に対応する加工状態の相違を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１の実施の形態に係る金属表面加工方法によってレーザを照射する前のＡｌ−Ｓｉ合金の断面の模式図を示した図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、図９（ａ）又は（ｂ）においてレーザを照射した後の模式図である。 第２の実施の形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金において、共晶シリコンの凹部が形成された表面を拡大した写真である。 第２の実施の形態に係るＡｌ−Ｓｉ合金において、共晶シリコンの突起が形成された表面を拡大した写真である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る金属表面加工方法ついて説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る金属表面加工方法に用いられる金属表面加工装置１００について説明する。

金属表面加工装置１００は、被加工物としての合金６の表面を加工するものである。金属表面加工装置１００は、パルスレーザ光を発生するレーザ発生器１と、発生されたパルスレーザ光のエネルギを調整するレーザエネルギ調整装置２と、発生されたパルスレーザ光の偏光を調整するレーザ偏光調整装置３と、パルスレーザ光を集光する集光レンズ４と、被加工物としての合金６が搭載される加工ステージ５と、を備える。

金属表面加工装置１００は、コントローラ（図示省略）によって制御される。このコントローラは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは接続された機器との情報の入出力に使用される。ＣＰＵやＲＡＭなどをＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作させることによって、金属表面加工装置１００の制御が実現される。

合金６は、表面にパルスレーザ光が照射される被加工面６ａが形成され、少なくとも第１の化学成分と第２の化学成分とを有する。合金６は、第１の化学成分及び第２の化学成分の他に、その他の合金成分が混合して構成される。合金６については、後述する第１の実施の形態及び第２の実施の形態において詳細に説明する。

レーザ発生器１は、コントローラによって制御され、金属加工用のパルスレーザ光を発生する。パルスレーザ光は、パルス幅がピコ秒域以下のレーザ光である。レーザ発振機１が発生するレーザは、レーザエネルギー調整装置２によって所望のレーザフルーエンスに調整される。

レーザフルーエンス（Ｌａｓｅｒ Ｆｌｕｅｎｃｅ）とは、単位面積あたりのレーザのエネルギー量[Ｊ／ｃｍ＾２］のことである。以下、レーザフルーエンスのことを、単にフルーエンスという。

レーザエネルギー調整装置２は、パルスレーザ光の光強度及びパルス幅のうち少なくとも何れか一方を変化させることが可能な装置である。レーザエネルギー調整装置２がコントローラによって制御されることで、パルスレーザ光は、所望のフルーエンスに調整されて合金６に照射される。

集光レンズ４は、レーザ発生器１が発生したパルスレーザ光を集光して合金６に照射するものである。

加工ステージ５の上部には、合金６が載置される。加工ステージ５は、合金６が載置された状態で、図１中に示すＸＹＺ軸方向に移動できるとともに、Ｚ軸回りに回転することもできる。加工ステージ５の移動及び回転がコントローラによって制御されることで、照射されるパルスレーザ光に対して合金６の位置を調整し、パルスレーザ光の照射位置に合金６表面の被加工面６ａを臨ませることができる。パルスレーザ光の照射位置と合金６の被加工面６ａとを相対移動させて相対位置を調整できればよいため、加工ステージ５の移動及び回転によって合金６の位置を調整するのではなく、パルスレーザ光の照射位置を調整してもよい。なお、例えば合金６が円筒形であり、その外周面を加工するような場合には、加工ステージ５をＸ軸又はＹ軸回りに回転できるように形成してもよい。

次に、金属表面加工装置１００を用いた金属表面加工方法について説明する。以下に示す各実施の形態は、アルミニウム−シリコン系合金のシリコン含有量によって加工レートが変化する特性を利用して合金表面を加工するものである。具体的には、アルミニウム−シリコン系合金は、シリコン含有量が多くなるほど加工レートが上がる特性を有する。

（第１の実施の形態）
以下、図２から図６を参照して、第１の実施の形態に係る金属表面加工方法について説明する。

第１の実施の形態では、合金６としてアルミニウム−シリコン系合金（以下「Ａｌ−Ｓｉ合金」という）１０を用いる。このＡｌ−Ｓｉ合金１０は、シリコン含有量が１６％程度の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である。

パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、第１の化学成分としてのアルミニウムと、第２の化学成分としてのシリコンとを含み、アルミニウムの基地の内部に析出した硬質粒子である共晶Ａｌ−Ｓｉ合金（以下、「共晶シリコン」という）及び初晶シリコン１２の結晶が均一に分散している状態である（図４（ａ）参照）。

ここでは、アルミニウムの基地と析出した共晶シリコンとを、あわせて過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１という。つまり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は、Ａｌ−Ｓｉ合金１０のうち初晶シリコン１２を除いたものである。この過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１が第１の物質に該当し、初晶シリコン１２が第２の物質に該当する。

図２において、横軸はパルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値であり、縦軸は平均加工レートである。平均加工レート[ｎｍ／ｓｈｏｔ]とは、パルスレーザ光の１パルス（１[ｓｈｏｔ］）あたりの加工深さ［ｎｍ］である。

図２に示すように、Ａｌ−Ｓｉ合金１０では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆ_th ^HEは、初晶シリコン１２の加工閾値Ｆ_th ^Siとは相違する。具体的には、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆ_th ^HEは、初晶シリコン１２の加工閾値Ｆ_th ^Siより小さい。加工閾値とは、その物質を加工可能なフルーエンスの最小値であり、図２におけるグラフと横軸との交点のフルーエンスの値である。つまり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は、初晶シリコン１２よりも小さなフルーエンスのパルスレーザ光で加工可能である。本実施形態では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆ_th ^HEが第１の閾値に該当し、初晶シリコン１２の加工閾値Ｆ_th ^Siが第２の閾値に該当する。

また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２とは、全てのフルーエンスで初晶シリコン１２より過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の方が平均加工レートが大きい。平均加工レート及び加工閾値の相違が、加工特性の相違に該当する。これにより、パルスレーザ光のフルーエンスが、ある物質の加工閾値を越えると、当該物質は平均加工レートの値に対応する深さだけ加工されることとなる。このような特性を利用して、以下の方法でＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面を加工する。

なお、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の他にも、鉄−モリブデン系合金，鉄−鉛系合金，又はアルミニウム−モリブデン系合金などが同様の特性を有する。

まず、加工ステージ５上にＡｌ−Ｓｉ合金１０を載置する。このとき、被加工部位がレーザ集光装置４側を向き、照射されるパルスレーザ光に臨むようにＡｌ−Ｓｉ合金１０の向きを調整しておく。

次に、レーザ発生器１，レーザエネルギー調整装置２，レーザ偏光調整装置３，及び集光レンズ４によって所定の条件のパルスレーザ光を発生する。パルスレーザ光は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆ_th ^HEと初晶シリコン１２の加工閾値Ｆ_th ^Siとに応じて、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に所望の物質を露出可能なフルーエンスに調整され、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の加工中には、一定のフルーエンスを維持する。具体的には、以下の条件のパルスレーザ光を発生させる。
・中心波長：８００［ｎｍ］
・パルス幅：１００［ｆｓ（フェムト秒）］〜５００［ｐｓ（ピコ秒）］
・繰り返し周波数：１［ｋＨｚ］
・レーザフルーエンス：０．５[Ｊ／ｃｍ＾２]以下
ここでは、パルス幅は１００［ｆｓ]〜５００［ｐｓ］のピコ秒域からフェムト秒域に設定されるが、パルス幅が１［ｎｓ（ナノ秒）］以下であればＡｌ−Ｓｉ合金１０の加工は可能である。

そして、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の被加工部位にパルスレーザ光を所定のフルーエンスで照射させ、加工ステージ５を駆動することによってＡｌ−Ｓｉ合金１０をパルスレーザ光に対して移動させる。ここでは、加工ステージ５をＺ軸回りに回転させることによってＡｌ−Ｓｉ合金１０を回転させる。パルスレーザ光が照射されると、Ａｌ−Ｓｉ合金１０は、パルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値に対応して以下のように加工される。

図２のフルーエンスＡのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図３（ａ）に示すとおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２は、共に加工されない。

図２のフルーエンスＢのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値より大きく、かつ初晶シリコン１２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図３（ｂ）に示すとおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は弱く加工されるが、初晶シリコン１２は加工されない。よって、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面では、加工された過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１中に、加工されなかった初晶シリコン１２が突起を形成する。したがって、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２が露出する。

図２のフルーエンスＣのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２の加工閾値より大きな値に調整された場合には、図３（ｃ）に示すとおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２は、両者とも加工されるが、その加工深さは平均加工レートが相違する分だけ相違する。即ち、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は著しく加工され、初晶シリコン１２は弱く加工されるため、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面では、加工深さの大きな過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１から加工深さの小さな初晶シリコン１２が突起を形成する。この場合も、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２が露出する。

同様に、図２のフルーエンスＤに調整されたパルスレーザ光が照射された場合にも、図３（ｄ）に示す通り、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２は共に加工される。このときも、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２の平均加工レートが相違する分だけ、初晶シリコン１２の加工量の方が過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工量より大きくなる。この場合も、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２が露出する。

したがって、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、パルスレーザ光のフルーエンスを図２のＡ〜Ｄの値に調整することで、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２との平均加工レートの差を利用して、初晶シリコン１２を過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１のマトリックスの表面に露出させ、初晶シリコン１２の突起を形成することが可能である。

以上より、合金６の表面に照射されるパルスレーザ光のフルーエンスを調整することによって、合金６の表面を加工し、所望の物質を表面に露出させることができる。そのため、エッチング加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように環境に影響のある液体を排出することがなく、液体の廃棄に要する設備や費用が不要なのでコストダウンを図ることができる。また切削加工や研磨加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように複雑な加工工程が不要なので、加工時間及び加工精度を向上させることができる。

図４（ａ）に示すように、パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１中に硬質粒子である初晶シリコン１２が均一に分散している状態である。

又は、図４（ｂ）に示すように、パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１中に均一に分散する初晶シリコン１２が一部表面に突出している状態であってもよい。

これに対して図４（ｃ）に示すように、図２におけるフルーエンスＢに調整されたパルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、照射面の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１のみが除去されて初晶シリコン１２が突起を形成し、かつ、照射面に幅が約７００[ｎｍ]の周期溝１３が形成された状態となる。周期溝１３の幅は、レーザのピーク波長に依存するもので、ピーク波長が短いときほど周期溝１３の幅は短くなる。

次に、図５及び図６を参照して、本実施形態による金属表面加工方法によってパルスレーザ光を照射した後のＡｌ−Ｓｉ合金１０表面の状態について説明する。

図５に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図２のＢの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図５の中で白く囲われた部分が、初晶シリコン１２である。図５に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金１０には、照射面に初晶シリコン１２の突起が形成されていることがわかる。

図６に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図２のＣの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図６の中で白く囲われた部分が、初晶シリコン１２である。図６に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２が両者とも加工されていることがわかる。また、照射面に初晶シリコン１２が突起していることから、加工深さは初晶シリコン１２より過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の方が大きいことがわかる。

以下では、本実施形態による金属表面加工方法によって表面にレーザを照射したＡｌ−Ｓｉ合金１０を用いて、潤滑油を介して摺動する機械部品の摺動面を構成したときの効果について説明する。

本実施形態による金属表面加工方法によって摺動面に初晶シリコン１２を突出させることで、潤滑油の油膜を介して初晶シリコン１２と摺動部材とを摺動させ、鉄１１と摺動部材との接触を防ぐことができる。

過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は、初晶シリコン１２に比べて、例えば鋼やステンレス等の鉄系金属の摺動部材に凝着しやすい。したがって、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と摺動部材との接触を防ぎ、初晶シリコン１２と摺動部材とを接触させることで、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と摺動部材とが凝着して摺動面の摩擦係数が増大するのを抑制できる。そのため、摺動時の耐焼付き性を向上させることができる。

また、摺動面に初晶シリコン１２を突出させることによって、摺動面が凹凸となる。この凹凸が潤滑油の粘性による動圧効果を発生させるので、初晶シリコン１２を突出させない場合と比べて摺動面に油膜が形成されやすくなる。したがって、摺動面の摩擦係数を低減させることができ、摺動時の耐焼付き性を一層向上させることができる。

さらに、摺動面に周期溝１３を形成することで周期溝１３に潤滑油が溜まりやすくなるので潤滑性が向上する。したがって、摺動面の摩擦係数を低減させることができ、摺動時の耐焼付き性を一層向上させることができる。

以上の実施の形態によれば以下に示す効果を奏する。

所望のフルーエンスに調整されたパルスレーザ光を照射することによって、Ａｌ−Ｓｉ合金１０を加工して、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２を突出させることができる。そのため、エッチング加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように環境に影響のある液体を排出することがなく、液体の廃棄に要する設備や費用が不要なのでコストダウンを図ることができる。また切削加工や研磨加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように複雑な加工工程が不要なので、加工時間及び加工精度を向上させることができる。

また、本実施形態によるレーザ加工を施したＡｌ−Ｓｉ合金１０を摺動部材との摺動面に用いれば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と摺動部材との接触を防ぐとともに、初晶シリコン１２が突出することによって摺動面に油膜が形成されやすくなる。これにより、摺動時における耐焼付き性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２との平均加工レートの値の相違を利用してＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面を加工している。しかしながら、平均加工レートではなく、パルスレーザ光が照射された後の表面形状や、結晶構造の変化特性などの過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２との加工特性の相違を利用してＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面を加工してもよい。

また、本実施の形態では、パルスレーザ光の波長を固定し、パルスレーザ光のフルーエンスを調整して所望の特性に調整しているが、これに限らず、パルスレーザ光のフルーエンスを固定し、パルスレーザ光の波長を調整してパルスレーザ光を所望の特性に設定してもよい。

（第２の実施の形態）
以下、図７から図１０を参照して、第２の実施の形態に係る金属表面加工方法について説明する。なお、本実施形態では前述した実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

第２の実施の形態では、合金６として第１の実施の形態におけるＡｌ−Ｓｉ合金とはシリコン含有量の異なるアルミニウム−シリコン系合金（以下「Ａｌ−Ｓｉ合金」という）２０を用いる。このＡｌ−Ｓｉ合金２０は、シリコン含有量が１２％程度の亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である。

パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、第１の化学成分としてのアルミニウムと、第２の化学成分としてのシリコンとを含み、アルミニウム２１のマトリックスの内部に析出した硬質粒子である共晶アルミニウム−シリコン合金（以下、「共晶シリコン」という）２２の結晶が均一に分散している状態である。このアルミニウム２１が第１の物質に該当し、共晶シリコン２２が第２の物質に該当する。

図７において、横軸はパルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値であり、縦軸は平均加工レートである。

図７に示すように、Ａｌ−Ｓｉ合金２０では、アルミニウム２１の加工閾値Ｆ_th ^Alは、共晶シリコン２２の加工閾値Ｆ_th ^Euより大きい。つまり、共晶シリコン２２は、アルミニウム２１よりも小さなフルーエンスのパルスレーザ光で加工可能である。本実施形態では、アルミニウム２１の加工閾値Ｆ_th ^Alが第１の閾値に該当し、共晶シリコン２２の加工閾値Ｆ_th ^Euが第２の閾値に該当する。

また、アルミニウム２１と共晶シリコン２２とは、パルスレーザー光が所定のフルーエンスより小さいときには、アルミニウム２１の方が共晶シリコン２２より平均加工レートが小さく、パルスレーザ光が所定のフルーエンスより大きいときには、アルミニウム２１の方が共晶シリコン２２より平均加工レートが大きい。つまり、アルミニウム２１と共晶シリコン２２とは、平均加工レートがフルーエンスの値によって途中で逆転する特性を有する。ここでいう所定のフルーエンスとは、アルミニウム２１と共晶シリコン２２との平均加工レートが同一になるときのパルスレーザ光のフルーエンスである。このような特性を利用して、以下の方法でＡｌ−Ｓｉ合金２０の表面を加工する。

まず、加工ステージ５上にＡｌ−Ｓｉ合金２０を載置し、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の被加工部位にパルスレーザ光を照射させる。照射されるパルスレーザ光は、アルミニウム２１の加工閾値Ｆ_th ^Alと共晶シリコン２２の加工閾値Ｆ_th ^Euとに応じて、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面に所望の物質を露出可能なフルーエンスに調整され、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の加工中には、一定のフルーエンスを維持する。

次に、加工ステージ５を駆動することによってＡｌ−Ｓｉ合金２０をパルスレーザ光に対して移動させる。パルスレーザ光が照射されると、Ａｌ−Ｓｉ合金２０は、パルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値に対応して以下のように加工される。

図７のフルーエンスＥのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図８（ｅ）に示すとおり、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２は、共に加工されない。

図７のフルーエンスＦのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、アルミニウム２１の加工閾値より大きく、かつ共晶シリコン２２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図８（ｆ）に示すとおり、共晶シリコン２２は弱く加工されるが、アルミニウム２１は加工されない。よって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面では、加工されなかったアルミニウム２１のマトリックス中に、加工された共晶シリコン２２が凹部を形成する。したがって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面にアルミニウム２１が露出する。

図７のフルーエンスＧのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２の加工閾値を超え、かつ、両者の平均加工レートが略同一になる値に調整された場合には、図８（ｇ）に示すとおり、両者の加工量は、平均加工レートが略同一であるため略同一である。したがって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面には、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２が共に露出する。

図７のフルーエンスＨのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、共晶シリコン２２の平均加工レートがアルミニウム２１の平均加工レートより大きくなる値に調整された場合には、図８（ｈ）に示すとおり、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２は、両者とも加工されるが、その加工深さは平均加工レートが相違する分だけ相違する。即ち、アルミニウム２１は著しく加工され、共晶シリコン２２は弱く加工されるため、Ａｌ−Ｓｉ合金２０では、加工深さの大きなアルミニウム２１から加工深さの小さな共晶シリコン２２が突起を形成する。よって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面に共晶シリコン２２が露出する。

したがって、図８（ｅ）〜（ｈ）に示すように、パルスレーザ光のフルーエンスを図７のＥ〜Ｈの値に調整することで、アルミニウム２１と共晶シリコン２２との平均加工レートの差を利用して、アルミニウム２１のマトリックスの表面に共晶シリコン２２を露出させたり、共晶シリコン２２の凹部を形成してアルミニウム２１を露出させたりすることが可能である。

以上より、合金６の表面に照射されるパルスレーザ光のフルーエンスを調整することによって、合金６の表面を加工し、所望の物質を表面に露出させることができ、環境に影響のある液体を排出することがなく、簡易な工程で合金の表面を加工することができる。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、アルミニウム２１のマトリックス中に硬質粒子である共晶シリコン２２が均一に分散している状態、又はアルミニウム２１のマトリックス中に均一に分散する共晶シリコン２２が一部表面に突出している状態である。

これに対して図９（ｃ）に示すように、図７におけるフルーエンスＦに調整されたパルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面の共晶シリコン２２のみが除去されて、アルミニウム２１のマトリックス中に共晶シリコン２２が凹部を形成し、かつ、共晶シリコン２２の照射面に幅が約７００[ｎｍ]の周期溝１３が形成された状態となる。

また、図９（ｄ）に示すように、図７におけるフルーエンスＨに調整されたパルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面のアルミニウム２１のみが除去されて共晶シリコン２２が突起を形成し、かつ照射面に周期溝１３が形成された状態となる。

次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態による金属表面加工方法によってパルスレーザ光を照射した後のＡｌ−Ｓｉ合金２０表面の状態について説明する。

図１０に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図７のＦの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図１０の中で白く囲われた部分が、共晶シリコン２２である。図１０に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面に共晶シリコン２２が凹状に形成されていることがわかる。

図１１に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図７のＨの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図１１の中で白く囲われた部分が、共晶シリコン２２である。図１１に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面に共晶シリコン２２の突起が形成されていることがわかる。

以上の実施の形態によれば以下に示す効果を奏する。

パルスレーザ光のフルーエンスを所望の値に調整して照射することによって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０を加工することができる。このとき、アルミニウム２１のマトリックス中に共晶シリコン２２の突起又は凹部を形成することができ、また、アルミニウム２１と共晶シリコン２２との加工量を略同一にすることもできる。そのため、エッチング加工によって共晶シリコン２２を突出させる場合のように環境に影響のある液体を排出することがなく、液体の廃棄に要する設備や費用が不要なのでコストダウンを図ることができる。また切削加工や研磨加工によって共晶シリコン２２を突出させる場合のように複雑な加工工程が不要なので、加工時間及び加工精度を向上させることができる。

また、本実施形態によるレーザ加工を施したＡｌ−Ｓｉ合金２０を摺動部材との摺動面に用いれば、アルミニウム２１と摺動部材との接触を防ぐとともに、共晶シリコン２２が突出することによって摺動面に油膜が形成されやすくなる。これにより、摺動時における耐焼付き性を向上させることができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記第１の実施の形態ではＡｌ−Ｓｉ合金１０の一例としてシリコン含有量が１６％の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を用い、第２の実施形態ではＡｌ−Ｓｉ合金２０の一例としてシリコン含有量が１２％の亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を用いたが、それぞれ過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金，亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金であればこれに限られるものではない。

また、摺動面に突出させる硬質粒子の一例として初晶シリコン１２，共晶シリコン２２（Ａｌ−Ｓｉ合金で析出する共晶Ｓｉ及び初晶Ｓｉ）を挙げたが、これ以外にもアルミニウム合金に添加されている合金元素によって析出した金属間化合物（例えばＣｕＡｌ₂、Ａｌ₅Ｃｕ₂Ｍｇ₂、Ｍｇ₂Ｓｉ）や、アルミ基複合材料で添加される強化粒子（例えばＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃）がある。

本発明は、合金の表面を加工する方法として利用することができる。

１ レーザ発生器
４ 集光レンズ
５ 加工ステージ
６ 合金
１０ Ａｌ−Ｓｉ合金
１１ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金
１２ 初晶シリコン
１３ 周期溝
２０ Ａｌ−Ｓｉ合金
２１ アルミニウム
２２ 共晶シリコン

Claims (12)

1. 照射されるパルスレーザ光に対する加工特性が互いに相違する第１の物質と第２の物質とを含む合金の表面の被加工部位を加工する金属表面加工方法であって、
   前記加工特性の相違に応じて、照射されるパルスレーザ光を、前記合金の表面に前記第１の物質及び前記第２の物質のうち所望の物質を露出可能な特性に調整する工程と、
   前記特性に調整されたパルスレーザ光を前記合金の表面に照射する工程と、を備えることを特徴とする金属表面加工方法。
2. 前記第１の物質は、照射されるパルスレーザ光のフルーエンスが、第１の閾値以上になると加工されるものであり、
   前記第２の物質は、照射されるパルスレーザ光のフルーエンスが、前記第１の閾値とは相違する第２の閾値以上になると加工されるものであり、
   前記第１の閾値と前記第２の閾値との相違に応じて、パルスレーザ光のフルーエンスを、前記合金の表面に前記第１の物質及び前記第２の物質のうち所望の物質を露出可能な値に調整する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の金属表面加工方法。
3. 前記パルスレーザ光のフルーエンスを、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間の値に設定し、前記第１の物質又は前記第２の物質を選択的に加工することを特徴とする請求項２に記載の金属表面加工方法。
4. 前記パルスレーザ光は、パルス幅が１ナノ秒以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。
5. 前記パルスレーザ光の照射位置と前記被加工部位とを相対移動させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。
6. 前記第１の物質は、フルーエンスの値に対応する被加工量である平均加工レートが、全てのフルーエンスで前記第２の物質より大きな物質であり、
   前記パルスレーザ光の照射により、前記合金の表面に前記第２の物質の突起を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。
7. 前記第１の物質は、フルーエンスの値に対応する被加工量である平均加工レートが、所定のフルーエンスより小さいときには前記第２の物質より小さく、前記所定のフルーエンスより大きいときには前記第２の物質より大きな物質であり、
   照射される前記パルスレーザ光のフルーエンスを調整することにより、前記合金の表面に前記第１の物質又は前記第２の物質の突起又は凹部を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。
8. 前記パルスレーザ光のフルーエンスは、前記第１の物質の平均加工レートより前記第２の物質の平均加工レートの方が小さくなる値に調整され、
   前記合金の表面に前記第２の物質の突起を形成することを特徴とする請求項７に記載の金属表面加工方法。
9. 前記パルスレーザ光のフルーエンスは、前記第１の物質の平均加工レートより前記第２の物質の平均加工レートの方が大きくなる値に調整され、
   前記合金の表面に前記第２の物質の凹部を形成することを特徴とする請求項７に記載の金属表面加工方法。
10. 前記パルスレーザ光は、前記所定のフルーエンスに調整され、前記第１の物質及び前記第２の物質の加工量を略同一にしたことを特徴とする請求項７に記載の金属表面加工方法。
11. 前記第１の物質はアルミニウムの基地であり、前記第２の物質は前記アルミニウム中に析出した共晶シリコンであることを特徴とする請求項７から１０のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。
12. 照射されるパルスレーザ光に対する加工特性が互いに相違する第１の物質と第２の物質とを含む合金の表面の被加工部位を加工する金属表面加工装置であって、
    パルスレーザ光を発生するレーザ発生器と、
    前記パルスレーザ光を、前記加工特性に応じて、前記合金の表面に所望の物質を露出可能な特性に調整するレーザエネルギ調整装置と、
    前記特性に調整されたパルスレーザ光の偏光を調整するレーザ偏光調整装置と、
    前記偏光に調整されたパルスレーザ光を集光して前記合金に照射する集光レンズと、を備えることを特徴とする金属表面加工装置。