JP2017222922A

JP2017222922A - めっき被膜の表面改質方法

Info

Publication number: JP2017222922A
Application number: JP2016121211A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　寛; Hiroshi Suzuki; 鈴木　　寛
Original assignee: Eyetec Co Ltd
Current assignee: Eyetec Co Ltd
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21

Abstract

【課題】めっき被膜表面にレーザ光を照射して局部的に加熱処理することで、素材に対する加熱の影響を抑えてめっき被膜の硬度を向上させるめっき被膜の表面改質方法を提供。【解決手段】無電解Ｎｉ−Ｐめっき等の被膜に対して、めっき被膜のビッカース硬度を８００ＨＶ以上にするとともに素材表面の硬度低下を１０％以下に抑えるようにレーザ光を照射する。レーザーの吸収性を高めるためにナノダイヤモンド等の炭素微粒子を被膜の中に含ませてもよい。【選択図】なし

Description

本発明は、レーザ光をめっき被膜表面に照射して改質する表面改質方法に関する。

従来より金属材料等の素材表面の耐久性を向上させるためにめっき処理によりめっき被膜を形成することが行われている。無電解めっき処理によるめっき被膜は、電解めっき処理と異なり、めっき浴に浸漬するだけで均一なめっき被膜が形成できることから、様々な素材に適用されてきている。無電解めっき被膜としては、リン（Ｐ）を含有するニッケル（Ｎｉ）めっき被膜（以下「Ｎｉ−Ｐめっき被膜」という）が代表的なものとして挙げられるが、こうしためっき被膜では、リンの含有量を低下させることで結晶化が進み、めっき被膜の硬度を向上させて耐摩耗性等の耐久性を向上させることができることが知られている。

また、めっき被膜に対して熱処理等の表面処理を施すことでも、めっき被膜の硬度を向上させることが知られており、例えば、特許文献１及び２では、Ｎｉ−Ｐめっき被膜に対して、バレル研磨処理、ショットブラスト処理、レーザビーム処理や高周波誘導加熱処理といった表面処理を行って表面硬化処理を行う点が記載されている。

特許第３０６６７９８号公報再表９８／３１８４９号公報

Ｎｉ−Ｐめっき被膜のように、めっき被膜のリンの含有量を低下させることで、めっき被膜の硬度を向上させることができるが、得られる硬度はビッカース硬度で７００ＨＶ程度までとなっており、十分な硬度を得ることが難しい。熱処理等の表面処理を行う場合には、加熱温度４００℃で１時間程度加熱処理することで、ビッカース硬度で９００ＨＶ程度の十分な硬度を得ることができるが、加熱温度が高いことから、めっき被膜が形成された素材によっては熱の影響を受けるようになる。例えば、素材が加熱されることで、歪が発生したり硬度低下に伴う引張強度の低下といった悪影響を及ぼすようになる。

そこで、めっき被膜表面にレーザ光を照射して局部的に加熱処理することで、素材に対する加熱の影響を抑えてめっき被膜の硬度を向上させる表面改質方法を提供することを目的とする。

本発明に係るめっき被膜の表面改質方法は、金属材料からなる素材表面に形成されためっき被膜に対して、めっき被膜のビッカース硬度を８００ＨＶ以上にするとともに素材表面の硬度低下を１０％以下に抑えるようにレーザ光を照射する。さらに、前記めっき被膜は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜であり、レーザ光の照射量は、フルーエンスが１６００Ｊ／ｃｍ²〜１９００Ｊ／ｃｍ²である。さらに、前記めっき被膜は、炭素材料を含有している。さらに、前記めっき被膜は、炭素微粒子を含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜であり、レーザ光の照射量は、フルーエンスが９００Ｊ／ｃｍ²〜１２００Ｊ／ｃｍ²である。

本発明は、上記の構成を備えることで、レーザ光を照射してめっき被膜を局部的に加熱処理することができ、素材に対する加熱の影響を抑えてめっき被膜の硬度を向上させることが可能となる。

ＮｉＰ棒状体に関する照射条件及び硬度の測定結果を示す表である。ＮＤ棒状体に関する照射条件及び硬度の測定結果を示す表である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

本発明では、金属材料からなる素材の表面に形成されためっき被膜に対してレーザ光を照射してめっき被膜の硬度を向上させる改質処理を行う。レーザ光の照射は、めっき被膜を局所的に加熱処理することができるため、素材への影響を最小限に抑えながらめっき被膜の必要な部位のみを硬化させることができる。

素材としては、めっき処理が可能な金属材料であればよく特に限定されないが、機械部品、工具等の高硬度に仕上げる必要がある材料に好適である。例えば、クロムモリブデン鋼等の機械構造用鋼材、炭素工具鋼等の工具鋼材、高炭素クロム軸受鋼等の特殊用途鋼材、ねずみ鋳鉄品等の鋳鉄材といった素材が挙げられる。こうした素材では、浸炭処理や焼き入れ処理といった表面の硬化処理が行われているが、表面処理後の更なる加熱処理は、強度低下や素材の変形といった影響を受けやすくなるため、できるだけ避けることが望ましい。また、アルミニウム等融点が低く歪などの変形を起こしやすい素材に対しても有効である。

素材表面に形成するめっき被膜としては、金属材料の表面にめっき処理により形成することができるものであればよく特に限定されないが、幅広い素材に対応可能で熱処理により硬度が向上する無電解めっき被膜が好適である。特に、Ｎｉを主成分とするＮｉ−Ｐめっき被膜については、レーザ光により硬度向上を図ることができることから好ましい。そして、めっき被膜の膜厚は５μｍ〜３０μｍに形成することが好ましい。

また、めっき被膜には、炭素材料を複合させることで、レーザ光の吸収特性を向上させることができ、少ないレーザ照射量でめっき被膜を満遍なく硬化処理することが可能となる。炭素材料としては、例えば、ナノダイヤモンド等の炭素微粒子、カーボンナノチューブ、フラーレンといったものが挙げられる。こうした炭素材料は、予めめっき液に投入しておき、めっき処理によりめっき被膜に含有させることができる。また、炭素材料を含むコーティング液を調製し、形成されためっき被膜にコーティング処理することで、炭素材料を複合させることができる。

照射するレーザ光については、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ、高出力半導体レーザといった公知のレーザ照射装置を用いて照射することができる。レーザ光の照射量は、めっき被膜を加熱して硬化させるとともに素材の加熱による影響を抑えることが望ましく、具体的には、めっき被膜のビッカース硬度を８００ＨＶ以上に硬化させるとともに素材表面のビッカース硬度の低下を１０％以下に抑えることが好ましい。めっき被膜のビッカース硬度を８００ＨＶ以上とすることで、上述した素材表面の硬化処理した硬度よりも硬くすることができ、素材表面の硬度が低下したとしても表面硬度を保持することが可能となる。また、素材表面のビッカース硬度の低下を１０％以下とすることで、硬化処理された素材表面に与える影響を小さくして素材の引張強度等の機械的特性の低下を抑止することができる。

こうしたレーザ照射によるめっき被膜の硬化とそれに伴う素材の硬度低下をバランスさせて処理することが求められるが、具体的には、Ｎｉ−Ｐめっき被膜では、膜厚が５μｍ〜３０μｍの場合に、フルーエンスが１６００Ｊ／ｃｍ²〜１９００Ｊ／ｃｍ²の照射量で処理することで、めっき被膜のビッカース硬度を８００ＨＶ以上とするとともに素材表面のビッカース硬度の低下を１０％以下に抑えることができる。また、Ｎｉ−Ｐめっき被膜に炭素材料としてナノダイヤモンドを０．５％〜１０％含有させた場合には、フルーエンスが９００Ｊ／ｃｍ²〜１２００Ｊ／ｃｍ²の照射量で同様に処理することができ、照射量を４３％〜５３％減少させることが可能となる。

以下に実施例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら制約されるものではない。

試料表面等の硬度（単位；ＨＶ）の測定は、ビッカース硬度計（株式会社アカシ製；ＡＶＫ−Ｃ２Ｖ３）を用いて測定した。また、試料の引張強度（単位；ｋＮ）は、万能材料試験機（株式会社島津製作所製；ＵＨ−Ｆ１０００ｋＮＩ）を用い、試料の両端部を治具により把持して軸方向に対し垂直に引張る試験力を加えて、試料が破断した試験力を引張強度として測定した。

［実施例１］
素材となる金属材料として、浸炭処理を施したクロム鋼からなる円柱状の棒状体（直径４ｍｍ、長さ２０ｍｍ）を準備した。準備した棒状体の硬度及び引張強度を測定したところ、それぞれ７２０ＨＶ及び２３．５ｋＮであった。

棒状体に対して、無電解ニッケルめっき液（日本カニゼン株式会社製；シューマーＳＥＫ−６７０）を用いて、表面全体に膜厚２０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜（Ｐ含有量；７重量％）を常法により形成した。形成されためっき被膜の硬度を測定したところ、５３０ＨＶであった。また、めっき処理された棒状体の引張強度を測定したところ、２２．８ｋＮであった。

次に、めっき処理した棒状体の一方の端部を回転装置の治具に固定して中心軸を中心に回転させながら、めっき被膜の表面全体にファイバ付きダイオードレーザ（レーザーライン社製；ＬＤＦシリーズ、連続発振方式、出力１５００Ｗ、波長１０７０ｎｍ）を用いて照射した。照射時間は０．５秒で、照射量は、フルーエンスが１７０６Ｊ／ｃｍ²で照射処理した。

照射後のめっき被膜表面の硬度を測定したところ、８６０ＨＶであり、８００ＨＶ以上に硬化処理されたことが確認された。また、棒状体を軸方向に直交する方向に切断して、素材表面近傍の硬度を測定したところ、６７２ＨＶとなっており、素材表面の硬度低下は７％で１０％以下に抑えることが確認された。また、照射処理した棒状体の軸方向の引張強度は、２１．５ｋＮで、当初の引張強度に比べて８．５％低下したことが確認された。

［比較例１］
実施例１と同様にめっき処理した棒状体に対して、加熱装置（株式会社デンケン製；ＫＤＦ−Ｓ８０）を用いて大気中において４００℃で１時間熱処理した後、実施例１と同様にめっき被膜表面の硬度を測定したところ、９４０ＨＶであった。また、実施例１と同様に素材表面近傍の硬度を測定したところ、５７７ＨＶであり、当初の素材表面の硬度に比べて２０％低下していた。また、実施例１と同様に熱処理した棒状体の引張強度を測定したところ、１９．５ｋＮであり、当初の素材の引張強度に比べて１７％低下していた。

レーザ照射処理した実施例１では、めっき処理前の当初の素材表面の硬度よりもめっき被膜の硬度を高めるとともに照射処理に伴う素材の強度低下を最小限に抑えることが可能となった。一方、熱処理した比較例１では、めっき被膜の硬度を高めることができたものの素材の強度が大幅に低下しており、棒状体全体からみて機械的特性が劣化していることがわかる。

［実施例２］
実施例１と同様の素材の棒状体に対して、実施例１と同様の無電解めっき液により処理して、表面全体に膜厚２０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜（Ｐ含有量；８重量％）を形成した（以後「ＮｉＰ棒状体」という）。また、実施例１と同様の無電解めっき液を用いてナノダイヤモンド（ダイヤマテリアル株式会社製；粒径５０ｎｍ）を投入してナノダイヤモンドを含有する無電解めっき液を調製し、調製した無電解めっき液により棒状体を処理して、表面全体に膜厚２０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜（Ｐ含有量；８重量％、ナノダイヤモンド含有量；３％）を形成した（以後「ＮＤ棒状体」という）。

次に、複数のＮｉＰ棒状体及びＮＤ棒状体を用いて、それぞれ一方の端部を回転装置の治具に固定して中心軸を中心に回転数１８０ｒｐｍで回転させながら、めっき被膜の表面全体にファイバーレーザ（ＩＰＧフォトニクス株式会社製；ＹＬＲ１５０／１５００−ＱＣＷ、パルス発振方式、出力１５００Ｗ、波長１０７０ｎｍ）により照射条件を変えてパルス照射した。照射されたＮｉＰ棒状体Ａ１〜Ａ８及びＮＤ棒状体Ｂ１〜Ｂ６について、実施例１と同様にめっき被膜表面の硬度及び素材表面近傍の硬度を測定した。

ＮｉＰ棒状体Ａ１〜Ａ８に関する照射条件及び硬度の測定結果を図１に示し、ＮＤ棒状体Ｂ１〜Ｂ６に関する照射条件及び硬度の測定結果を図２に示す。硬度の測定結果の評価については、めっき被膜の硬度の場合、８００ＨＶ以上を○とし８００ＨＶ未満を×とし、素材の硬度の場合、処理前の硬度の９０％となる６５０ＨＶ以上を○とし６５０ＨＶ未満を×とした。

めっき被膜の硬度が８００ＨＶ以上で素材の硬度が６５０ＨＶ以上となるフルーエンスの範囲は、図１に示す評価結果では、１６００Ｊ／ｃｍ²〜１９００Ｊ／ｃｍ²であり、図２に示す評価結果では、９００Ｊ／ｃｍ²〜１２００Ｊ／ｃｍ²である。したがって、こうしたフルーエンスの範囲に基づいてレーザ照射量を調整することで、めっき被膜の表面の硬度を高めるとともに素材表面の硬度の低下を抑えた硬化処理を行うことが可能となる。

［実施例３］
ねずみ鋳鉄材料からなる往復動摩耗試験機用ピン（直径８ｍｍ、長さ２５ｍｍ）を準備し、無電解ニッケルめっき液（上村工業株式会社製；ニムデンＫＴＢ）を用いて、表面全体に膜厚３０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜（Ｐ含有量；９重量％）を常法により形成した。形成されためっき被膜の硬度を測定したところ、５２０ＨＶであった。

次に、めっき被膜が形成された試験機用ピンの試験面となるＲ面に部分的にレーザ照射を行った。レーザ照射は、実施例２と同様のファイバーレーザを用いて、パルス幅１ミリ秒、周波数１００Ｈｚ、出力１５００Ｗ、時間１０秒の照射条件で行った。照射量は、フルーエンスが１８２０Ｊ／ｃｍ²であった。照射後のめっき被膜表面の硬度を測定したところ、９２７ＨＶであった。

照射処理前及び照射処理後の試験機用ピンについて、往復動摩耗試験機（ＴＰＲ商事株式会社製）にセットし、荷重９８Ｎ、ストローク５０ｍｍ、速度１ｍ／ｓ、給油ありの条件で１時間摩耗試験を行った。摩耗試験後の試験機用ピンの摩耗量を比較すると、照射処理後の摩耗量は照射処理前よりも約４５％減少しており、耐摩耗性が向上したことが確認された。したがって、レーザ照射による硬化処理は、めっき被膜を部分的に安定して硬化させることが可能であることがわかる。

［実施例４］
炭素鋼材料からなる矩形状の板状体（縦１５ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）を準備し、無電解ニッケルめっき液（奥野製薬工業株式会社製；トップニコロンＲＣＨ−ＬＦ）を用いて、片面全体に膜厚３０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜（Ｐ含有量；１１重量％）を常法により形成した。形成されためっき被膜の硬度を測定したところ、５４０ＨＶであった。

次に、めっき被膜が形成された板状体の片面全体にレーザ照射を行った。レーザ照射は、実施例２と同様のファイバーレーザを用いて、パルス幅０．２ミリ秒、周波数５００Ｈｚ、出力１５００Ｗ、速度９ｒｐｍの照射条件で行った。照射量は、フルーエンスが１８６０Ｊ／ｃｍ²であった。照射後のめっき被膜表面の硬度を測定したところ、８８７ＨＶであった。

照射処理前及び照射処理後のめっき被膜表面に対して、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製；ＲＩＮＴ−ＴＴＲIIIＦＫ）を用いて結晶状態を分析したところ、照射処理前では非晶質構造であったが、照射処理後にはＮｉ₃Ｐの回折ピークが確認されて結晶化されていることが確認された。

［実施例５］
実施例４と同様の板状体を準備し、無電解ニッケルめっき液（奥野製薬工業株式会社製；トップニコロンＬＰＨ−ＬＦ）を用いて、片面全体に膜厚３０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜（Ｐ含有量；１．５重量％）を常法により形成した。形成されためっき被膜の硬度を測定したところ、６４０ＨＶであった。

次に、めっき被膜が形成された板状体の片面全体にレーザ照射を行った。レーザ照射は、実施例２と同様のファイバーレーザを用いて、パルス幅１０ミリ秒、周波数１０Ｈｚ、出力１５００Ｗ、速度１０００ｒｐｍの照射条件で行った。照射量は、フルーエンスが１８００Ｊ／ｃｍ²であった。照射後のめっき被膜表面の硬度を測定したところ、９００ＨＶであった。

実施例４及び５で示したように、Ｎｉ−Ｐめっき被膜のＰ含有量が変化した場合でもレーザ照射による硬化処理を安定して行うことができ、汎用性の高い硬化処理であることがわかる。

Claims

金属材料からなる素材表面に形成されためっき被膜に対して、めっき被膜のビッカース硬度を８００ＨＶ以上にするとともに素材表面の硬度低下を１０％以下に抑えるようにレーザ光を照射するめっき被膜の表面改質方法。
前記めっき被膜は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜であり、レーザ光の照射量は、フルーエンスが１６００Ｊ／ｃｍ²〜１９００Ｊ／ｃｍ²である請求項１に記載のめっき被膜の表面改質方法。
前記めっき被膜は、炭素材料を含有している請求項１に記載のめっき被膜の表面改質方法。
前記めっき被膜は、炭素微粒子を含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっき被膜であり、レーザ光の照射量は、フルーエンスが９００Ｊ／ｃｍ²〜１２００Ｊ／ｃｍ²である請求項３に記載のめっき被膜の表面改質方法。