JP2017154196A - 表面処理装置および表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の耐摩耗性の向上を図りうるように当該被加工物の表面を処理する装置および方法を提供する。【解決手段】チップ１を被加工物Ｗに対して対向配置させる。チップ１および被加工物Ｗの間隙に加工液Ｑが供給される。さらに、チップ１および被加工物Ｗの間に高周波パルス電圧が印可される。【選択図】図１

Description

本発明は、鋳鉄または炭素鋼などの鉄鋼からなる被加工物の表面を処理するための装置および方法に関する。

摺動部品であるタペットの摩耗特性向上のため、そのカム摺動面をチル鋳鉄で構成し、このチル鋳鉄に対して比較的低温度のＰＶＤ処理によりＴｉＮなどからなる硬質皮膜を成形する技術的手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−２０４７６２号公報

本発明は、被加工物の耐摩耗性の向上を図りうるように当該被加工物の表面を処理する装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の表面処理装置は、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物を含むチップと、前記チップと鉄鋼からなる被加工物とを相対的に運動させる第１駆動装置と、前記チップと前記被加工物との間に導電性ナノパーティクルが水または水溶液に分散されている加工液を供給する加工液供給装置と、前記チップと前記被加工物との間に前記加工液を介してアーキングを発生させる高周波パルス電圧を出力する高周波電源装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明の表面処理方法は、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物を含むチップと、鉄鋼からなる被加工物とを対向配置する工程と、前記チップと前記被加工物との間に導電性ナノパーティクルが水または水溶液に分散されている加工液を供給する工程と、前記チップと前記被加工物との間に高周波パルス電圧を印加してアーキングを発生させて、前記チップを構成する金属またはその炭化物と前記加工液に分散されている前記導電性ナノパーティクルとのうち少なくとも一方に由来する粒子を前記被加工物の表面にドーピングすることによりその局所的な加工表面に耐摩耗性を向上させた改質層を生成する工程と、を含んでいることを特徴とする。

本発明の表面処理装置は、前記チップを前記被加工物に対して相対的に振動または運動させることにより、前記加工液に含まれている水の電気分解により発生する気泡をナノバブルに変化させる第２駆動装置をさらに備えていることが好ましい。

本発明の表面処理方法は、前記チップを前記被加工物に対して相対的に振動または運動させることにより前記チップと前記被加工物との間隙に存在する前記加工液に含まれている水の電気分解により発生する気泡をナノバブルに変化させる工程をさらに含んでいることが好ましい。

当該構成の表面処理装置および表面処理方法によれば、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物（ＴｉＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣおよびＷＣのうち少なくとも１つ）の粒子が、鉄鋼からなる被加工物の表面にドーピングされることで、当該被加工物の耐摩耗性の向上が図られる。

本発明の一実施形態としての表面処理装置の構成説明図。 本発明の一実施形態としての表面処理方法に関する説明図。 実施例および比較例の被加工物の表面層の元素分析結果に関する説明図。

（表面処理装置の構成）
図１に概要的に示されている本発明の一実施形態としての表面処理装置は、チップ１と、加工液供給装置１０と、第１駆動装置１１と、第２駆動装置１２と、高周波電源装置１３と、制御装置２と、を備えている。

チップ１は、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物（ＴｉＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣおよびＷＣのうち少なくとも１つ）を表面に含んでいる。例えば、チップ１のうち、被加工物Ｗ（鋳鉄または炭素鋼などの鉄鋼からなる。）に対向する領域のみが当該金属またはその炭化物からなっていてもよい。

加工液供給装置１０は、チップ１による被加工物Ｗの加工領域に加工液Ｑを供給する。例えば、加工液Ｑは、チップ１の内部に形成された経路（図示略）を通じて、チップ１の外部に供給されてもよい。加工液Ｑは、溶媒（たとえば水またはアルコール水溶液などの水溶液）に導電性ナノパーティクル（ナノカーボンなど、１〜１００ナノオーダーの大きさを有する導電性粒子）を分散させたものである。加工液Ｑには、分散剤または増粘剤（たとえばグリコール系添加剤）のほか、防錆剤および金属（銅など）の腐食抑制剤が添加されていてもよい。加工液Ｑには、活性化ガスが混入されていてもよい。

第１駆動装置１１は、チップ１と被加工物Ｗとを相対的に運動させるように構成されている。第１駆動装置１１は、例えば、チップ１を昇降する昇降装置と、被加工物Ｗが載置されたＹテーブルおよび当該Ｙテーブルが載置されたＸテーブルと、により構成される。

第２駆動装置１２は、チップ１と被加工物Ｗとを相対的に振動または運動させるように構成されている。第２駆動装置１２が、チップ１を被加工物Ｗの表面に平行な方向に超音波振動（例えば２０ｋＨｚ以上の周波数での振動）させる超音波振動子（圧電素子）を備えていてもよい。第２駆動装置１２が、チップ１が略円柱状である場合、チップ１をその軸線回りに回転させるスピンドル等の回動装置を備えていてもよい。

高周波電源装置１３は、対向配置されているチップ１と被加工物Ｗとの間に高周波パルス電圧を印加する。

制御装置２は、コンピュータ（ＣＰＵ（演算処理装置）、ＲＯＭまたはＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）およびＩ／Ｆ回路等により構成されている。）により構成されている。制御装置２は、加工液供給装置１０、第１駆動装置１１、第２駆動装置１２および高周波電源装置１３のそれぞれの動作を制御する。制御装置２による制御は、その構成要素である演算処理装置が、記憶装置から必要なデータおよびソフトウェア（プログラム）を読み取り、当該読み取りデータおよびソフトウェアにしたがって演算処理を実行することにより、当該制御処理が実行される。

（表面処理方法）
前記構成の表面処理装置を用いて実行される表面処理方法に関して説明する。

まず、第１駆動装置１１の動作が制御されることによって、チップ１を被加工物Ｗに対して対向配置させる（図２／ＳＴＥＰ０２）。チップ１と被加工物Ｗとの間隔Ｄは、たとえば０．００２〜０．０２［ｍｍ］の範囲に調節される。

次に、加工液供給装置１０の動作が制御されることによって、チップ１および被加工物Ｗの間隙に加工液Ｑが供給される（図２／ＳＴＥＰ０４）。

さらに、第２駆動装置１２の動作が制御されることによって、チップ１を被加工物Ｗに対して間隔Ｄを変化させないように振動または運動させる（図２／ＳＴＥＰ０６）。これにより、チップ１および被加工物Ｗの間隙に存在する加工液Ｑに含まれている水が電気分解されること等に応じて、当該間隙にナノバブルが発生する。

そして、高周波電源装置１３の動作が制御されることによって、チップ１および被加工物Ｗの間に高周波パルス電圧が印可される（図２／ＳＴＥＰ０８）。これにより、チップ１および被加工物Ｗの間に断続的または周期的にアーキングが発生する。パルス電圧の振幅は、たとえば１００〜２００［Ｖ］の範囲に調節される。パルス電圧の周波数は、たとえば１［ＭＨｚ］に調節される。チップ１および被加工物Ｗの間への電圧印加時間は、たとえば５［ｍｉｎ］以上、１０［ｍｉｎ］以上など、任意に調節される。

その結果、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物（ＴｉＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣおよびＷＣのうち少なくとも１つ）の粒子が、被加工物Ｗの表面に５ｗｔ％以上、好ましくは１０ｗｔ％、さらに好ましくは１５ｗｔ％以上ドーピングされる。被加工物の表面に対する当該金属またはその炭化物のドープ量は、パルス電圧の印可回数が多くなるほど（さらにパルス電圧が大きくなるほど）多くなる。

（実施例）
Ｔｉからなるチップ１と、鋳鉄からなる被加工物Ｗとが間隔Ｄ＝０．０１［ｍｍ］で対向配置された。ナノカーボン粒子（粒径：３００〜８００［ｎｍ］）を溶媒である水に０．１〜１．０％の範囲に含まれる量（ここでは０．５％）だけ分散させることにより加工液Ｑが調整された。加工液Ｑの動粘度が２〜５［ｍｍ²／ｓ］の範囲に含まれるように（ここでは２．５［ｍｍ²／ｓ］になるように）、適当な増粘剤（ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）など）が加工液Ｑに添加された。高周波電源装置１３によってチップ１および被加工物Ｗの間に１０［ｍｉｎ］にわたって最大値２００［Ｖ］のパルス電圧（パルス周波数１［ＭＨｚ］）が形成された。

（比較例）
（比較例１）
チップ１および被加工物Ｗの間に加工液Ｑに代えて純水を介在させたほかは実施例と同一の条件下で被加工物Ｗの表面加工が試みられた。

（比較例２）
チップ１および被加工物Ｗの間に加工液Ｑに代えて金属加工用の切削油を介在させたほかは実施例と同一の条件下で被加工物Ｗの表面加工が試みられた。

（評価）
実施例、比較例１および比較例２のそれぞれにおける被加工物Ｗの表面をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）により観察した。観察結果が、図３Ａ〜図３Ｃのそれぞれに示されている。図３Ａ〜図３Ｃから、実施例の表面処理方法により得られた被加工物Ｗの表面には、比較例１および２の表面処理方法により得られた被加工物Ｗの表面と比較して、Ｔｉ粒子（またはＴｉＣ粒子）が多量にドープされていることがわかる。

各被加工物Ｗの表面における主要な元素の質量濃度が、ＥＤＸ分析結果に基づき、ＦＰ法（ファンダメンタルパラメータ法）にしたがって定量分析された。各被加工物の表面層のビッカース硬度がＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して測定された。表１にはこれらの試験結果がまとめて示されている。

表１から、次のことがわかる。すなわち、実施例の表面処理方法により得られた被加工物Ｗの表面層（改質層）におけるＴｉ含有量が、比較例１および比較例２の表面処理方法により得られた被加工物Ｗの表面層におけるＴｉ含有量よりも多い。実施例の表面処理方法により得られた被加工物Ｗの表面層のビッカース硬度が、比較例１および比較例２の表面処理方法により得られた被加工物Ｗの表面層のビッカース硬度よりも高い。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態の表面処理装置から第２駆動装置１２が省略され、被加工物Ｗの表面処理に際してチップ１と被加工物Ｗとの間隙におけるナノバブルの形成（図２／ＳＴＥＰ０６参照）が省略されてもよい。

１‥チップ、２‥制御装置、１０‥加工液供給装置、１１‥第１駆動装置、１２‥第２駆動装置、１３‥高周波電源装置、Ｑ‥加工液、Ｗ‥被加工物。

Claims (4)

1. Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物を含むチップと、
   前記チップと鉄鋼からなる被加工物とを相対的に運動させる第１駆動装置と、
   前記チップと前記被加工物との間に導電性ナノパーティクルが水または水溶液に分散されている加工液を供給する加工液供給装置と、
   前記チップと前記被加工物との間に前記加工液を介してアーキングを発生させる高周波パルス電圧を出力する高周波電源装置と、を備えていることを特徴とする表面処理装置。
2. 請求項１記載の表面処理装置において、
   前記チップを前記被加工物に対して相対的に振動または運動させることにより、前記加工液に含まれている水の電気分解により発生する気泡をナノバブルに変化させる第２駆動装置をさらに備えていることを特徴とする表面処理装置。
3. Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１つの金属またはその炭化物を含むチップと、鉄鋼からなる被加工物とを対向配置する工程と、
   前記チップと前記被加工物との間に導電性ナノパーティクルが水または水溶液に分散されている加工液を供給する工程と、
   前記チップと前記被加工物との間に高周波パルス電圧を印加してアーキングを発生させて、前記チップを構成する金属またはその炭化物と前記加工液に分散されている前記導電性ナノパーティクルとのうち少なくとも一方に由来する粒子を前記被加工物の表面にドーピングすることによりその局所的な加工表面に耐摩耗性を向上させた改質層を生成する工程と、を含んでいることを特徴とする表面処理方法。
4. 請求項３記載の表面処理方法において、
   前記チップを前記被加工物に対して相対的に振動または運動させることにより前記チップと前記被加工物との間隙に存在する前記加工液に含まれている水の電気分解により発生する気泡をナノバブルに変化させる工程をさらに含んでいることを特徴とする表面処理方法。