JP2018192480A - 金属表面の粗面化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保する。【解決手段】パルス幅が80nsec〜120nsecであり、パルス繰り返し周波数が20kHz〜50kHzであり、ビーム直径が20μm〜30μmであり、第1の方向Xに走査する速度が50mm/sec〜200mm/secであり、第1の方向Xに交差する第2の方向YのピッチPが30μm〜100μmであり、1走査単位における走査回数が1回〜20回であるように、パルス発振のレーザー光を照射して、金属材料10の表面Sにおける第2の方向Yに沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを20μm〜200μmにする。【選択図】図1

Description

本発明は、金属表面の粗面化方法に関するものである。
従来より、金属材料とフッ素ゴムとの接着性を向上させるために、フッ素ゴムに接触する金属材料の表面を粗面化する技術が広く知られている。
例えば、特許文献1には、金属成形体の粗面化対象部に連続波レーザーを用いてレーザー光を連続照射することにより、厚さ方向に設けられた幹孔、及び幹孔と異なる方向に設けられた枝孔からなる開放孔を有する多孔構造を粗面化対象部の表層部に形成する、金属成形体の粗面化方法が開示されている。
特開2016−43413号公報
ところで、上記特許文献1に開示された金属成形体の粗面化方法では、好ましくはシングルモードファイバーレーザーを用いており、エネルギー密度を高めるために、集光径がシングルモードファイバーレーザーで集光可能な最小直径である10μm程度になっている。この場合、金属成形体の粗面化方法では、レーザー加工で一般的な光学系を用いると、焦点距離が100mm程度になるので、ガルバノミラーによる加工範囲が狭くなってしまう。ここで、ガルバノミラーによる加工範囲は、シングルモードファイバーレーザーから出射されるレーザー光の集光径を大きくすれば、広くなるものの、焦点距離に対して集光径が敏感に変動したり、集光レンズが高価になったりする、という問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る金属表面の粗面化方法は、金属材料の表面にパルス発振のレーザー光を該金属材料の表面に沿う第1の方向に走査しながら照射して、上記金属材料の表面を上記第1の方向に交差する上記金属材料の表面に沿う第2の方向に所定ピッチで1走査単位ずつ粗面化する金属表面の粗面化方法であって、パルス幅が80nsec〜120nsecであり、パルス繰り返し周波数が20kHz〜50kHzであり、ビーム直径が20μm〜30μmであり、上記第1の方向に走査する速度が50mm/sec〜200mm/secであり、上記所定ピッチが30μm〜100μmであり、上記1走査単位における走査回数が1回〜20回であるように、上記レーザー光を照射して、上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを20μm〜200μmにすることを特徴とする。
上記の方法によれば、金属材料の表面に照射されるパルス発振のレーザー光のビーム直径が20μm〜30μmであるので、シングルモードファイバーレーザーを用いた場合よりも、レーザー光の焦点距離が2〜3倍程度長くなる。これにより、高価の集光レンズを用いることなく、レーザー光の焦点距離が長くなるので、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすることができる。また、上述したレーザー光を照射する際の諸条件により、粗面化された金属材料の表面において、レーザー光を走査する第1の方向に交差する第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcが20μm〜200μmになるので、粗面化された金属材料の表面とフッ素ゴムとが深く嵌め合った状態で接着されることにより、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。したがって、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。
上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskを−2〜0にしてもよい。
上記の方法によれば、粗面化された金属材料の表面において、レーザー光を走査する第1の方向に交差する第2の方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskが−2〜0であるので、粗面化された金属材料の表面では、凸部よりも凹部が多くなる。
また、本発明に係る金属表面の粗面化方法は、金属材料の表面にパルス発振のレーザー光を該金属材料の表面に沿う第1の方向に走査しながら照射して、上記金属材料の表面を上記第1の方向に交差する上記金属材料の表面に沿う第2の方向に所定ピッチで1走査単位ずつ粗面化する金属表面の粗面化方法であって、パルス繰り返し周波数が10Hz〜1000Hzであり、平均出力が100W〜200Wであり、ピーク出力が1050W〜1500Wであり、最大パルスエネルギーが10J〜15Jであり、ビーム直径が15μm〜25μmであり、上記第1の方向に走査する速度が0.2m/sec〜10m/secであり、上記所定ピッチが30μm〜100μmであるように、上記レーザー光を照射して、上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを100μm〜500μmにすることを特徴とする。
上記の方法によれば、金属材料の表面に照射されるパルス発振のレーザー光のビーム直径が15μm〜25μmであるので、シングルモードファイバーレーザーを用いた場合よりも、レーザー光の焦点距離が1.5倍〜2.5倍程度長くなる。これにより、高価の集光レンズを用いることなく、レーザー光の焦点距離が長くなるので、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすることができる。また、上述したレーザー光を照射する諸条件により、粗面化された金属材料の表面において、レーザー光を走査する第1の方向に交差する第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcが100μm〜500μmになるので、粗面化された金属材料の表面とフッ素ゴムとが深く嵌め合った状態で接着されることにより、フッ素ゴムとの接着性を確保するができる。したがって、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。
上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskを0〜+2にしてもよい。
上記の方法によれば、粗面化された金属材料の表面において、レーザー光を走査する第1の方向に交差する第2の方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskが0〜+2であるので、粗面化された金属材料の表面では、凹部よりも凸部が多くなる。
本発明によれば、パルス幅が80nsec〜120nsecであり、パルス繰り返し周波数が20kHz〜50kHzであり、ビーム直径が20μm〜30μmであり、第1の方向に走査する速度が50mm/sec〜200mm/secであり、第1の方向に交差する第2の方向のピッチが30μm〜100μmであり、1走査単位における走査回数が1回〜20回であるように、パルス発振のレーザー光を照射して、金属材料の表面における第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを20μm〜200μmにするので、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。
本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例1〜6の処理条件及び結果を示す表である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例1の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例2の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例3の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例4の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例5の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例6の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例4〜6における繰り返し回数、表面粗さ及び剥離強さの関係を示すグラフである。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例4〜6における繰り返し回数、表面粗さ及びスキューネスの関係を示すグラフである。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例1〜5の処理条件及び結果を示す表である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例1の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例2の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例3の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例4の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例5の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例6〜9の処理条件及び結果を示す表である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例6の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例7の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例8の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例9の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第1の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の比較例6〜9における繰り返し回数、表面粗さ及びスキューネスの関係を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例7〜13の処理条件及び結果を示す表である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例7の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例8の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例9の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例10の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例11の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例12の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例13の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例9、11〜13におけるピーク出力、表面粗さ及び剥離強さの関係を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態に係る金属表面の粗面化方法の実施例9、11〜13におけるピーク出力、表面粗さ及びスキューネスの関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではない。
《第1の実施形態》
図1〜図22は、本発明に係る金属表面の粗面化方法の第1の実施形態を示している。ここで、図1は、本実施形態の金属表面の粗面化方法を示す平面図である。
本実施形態の金属表面の粗面化方法では、図1に示すように、加工ステージ(不図示)上に載置された金属材料10の一部の表面Sに対して、nsecのパルス発振のレーザー光のビームBをガルバノミラー(不図示)でX方向に走査しながら照射することにより、金属材料10の表面SをY方向に所定ピッチPで1走査単位ずつ粗面化する。ここで、図1に示すように、X方向は、金属材料10の表面Sに沿う第1の方向であり、Y方向は、金属材料10の表面Sに沿う第2の方向であり、X方向及びY方向は、互いに直交する。なお、本実施形態では、X方向とY方向とが直交する方法を例示したが、X方向及びY方向は、90°以外の角度で交差してもよい。
金属材料10としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属部材を用いることができる。
なお、切断等の一般的なレーザー加工では、レーザー光の照射で溶融した溶融物を飛散させるために、アルゴンガス等の希ガスを吹き付けるものの、本実施形態の金属表面の粗面化方法では、希ガスを吹き付けないことにより、金属材料10の表面Sの粗面化を促進させる。
金属材料10の表面Sに照射するパルス発振のレーザー光は、パルス幅が80nsec〜120nsecであり、パルス繰り返し周波数が20kHz〜50kHzであり、ビーム直径が20μm〜30μmであり、X方向に走査する速度が50mm/sec〜200mm/secであり、所定ピッチPが30μm〜100μmであり、1走査単位における走査回数が1回〜20回である。
上述したレーザー光の照射条件により、金属材料10の表面SにおけるY方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを20μm〜200μmにすると共に、金属材料10の表面SにおけるY方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskを−2〜0とすることができる。
なお、本実施形態では、金属材料10の表面Sにパルス発振のレーザー光だけを照射する金属表面の粗面化方法を例示したが、パルス発振のレーザー光を照射する前に、例えば、800nm帯の半導体レーザーを用いて、マルチモードの連続発振のレーザー光を照射することにより、金属材料10の表面Sを補助的に加熱してもよい。
次に、具体的に行った実験について説明する。ここで、図2は、本実施形態の金属表面の粗面化方法の実施例1〜6における処理条件及び結果を示す表である。また、図3〜図8は、実施例1〜6の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。なお、図3〜図8、後述する図12〜図16、図18〜図21及び図24〜図30の観察写真では、金属表面の深く掘られている部分が濃く黒色になっている。また、図9は、実施例4〜6における繰り返し回数、表面粗さ及び剥離強さの関係を示すグラフである。また、図10は、実施例4〜6における繰り返し回数、表面粗さ及びスキューネスの関係を示すグラフである。また、図11は、本実施形態の金属表面の粗面化方法の比較例1〜5における処理条件及び結果を示す表である。また、図12〜図16は、比較例1〜5の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。また、図17は、本実施形態の金属表面の粗面化方法の比較例6〜9の処理条件及び結果を示す表である。また、図18〜図21は、比較例6〜9の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。また、図22は、比較例6〜9における繰り返し回数、表面粗さ及びスキューネスの関係を示すグラフである。
<実施例1〜6>
まず、厚さ2mm×幅25mm×長さ60mmのアルミニウム板の一方の表面に対して、図2の表に示す条件(パルス幅、パルス繰り返し周波数、ビーム直径、走査速度、ピッチ及び繰り返し回数)でパルス発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を粗面化した。ここで、レーザー装置は、IPG製のパルス発振−ファイバーレーザ(YLP−1/100/20)を用いた。なお、YLP−1/100/20は、動作モードがパルス発振であり、1パルス当たりのエネルギーが1mJであり、偏光がランダムであり、中心波長が1060nm〜1070nmであり、パルス波長幅が3nm以内であり、パルス(時間)幅が100nsecであり、パルス繰り返し周波数が20kHz〜50kHzであり、平均出力が20Wであり、出力調整が10%〜100%であり、長期出力安定性が5%以内であり、ビーム品質Mが1.6である。また、粗面化したアルミニウム板の表面をオリンパス株式会社製の3D測定レーザー顕微鏡(LEXT OLS4100)を用いて、10倍レンズの線粗さ解析モードで表面粗さを解析することにより、算術平均粗さRa、粗さ曲線要素の平均粗さRc、最大高さ粗さRz、粗さ曲線のスキューネスRsk及び粗さ曲線要素の平均長さRsmを求めた。なお、上述した粗さデータは、レーザー光の走査方向(X方向)に直交するY方向に沿う粗さデータを3ライン分測定し、3ライン分を平均したものである。
続いて、アルミニウム板の粗面化した表面に、JIS K6256−2に基づいて、厚さ6mm×幅25mm×長さ120mmのヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体を主成分とする含フッ素エラストマー組成物シートを165℃で10分間加圧プレスして加硫することにより、アルミニウム板の粗面化した表面にフッ素ゴムが接着された試験片を作製した。なお、試験片において、加硫後のフッ素ゴムの硬度は、タイプAデュロメータで70程度である。
その後、作製した試験片に対して、JIS K6256−2に基づいて、剥離強さを測定して、剥離試験を行った。
実験結果としては、図2の表に示すように、ピッチPが50μmで走査速度が200mm/secで繰り返し回数を1回から10回に増やしていくと、図9のグラフに示すように、平均粗さRcが大きくなることが確認された。ここで、実施例6では、基板の温度が少し高くなったので、金属表面の粗面化には、パルスの高エネルギーの照射と、熱的要因とが関係することが推察された。また、実施例6では、レーザー光の走査を10回繰り返しているので、平均出力20Wの10倍の200Wのエネルギーがあれば、金属表面の粗面化に十分であると考えられた。また、実施例6の光学顕微鏡の観察写真では、図8に示すように、レーザー光により溶融したアルミニウムが飛散して、付着することにより、粗面化が進行したと考えられる。
また、剥離試験については、実施例4〜6において、図9のグラフに示すように、130N/25mm以上の高水準の剥離強さが得られ、金属表面とフッ素ゴムとの間の界面での剥離が確認されずにフッ素ゴム自体の破壊が確認されたので、JIS K6256−2による剥離強さがフッ素ゴムの材料破壊強度よりも高いと言える。
また、粗さ曲線のスキューネスRskについては、実施例4〜6において、図10のグラフに示すように、−2〜0になったので、金属材料の粗面化された表面では、凹部よりも凸部が多いことが分かった。これにより、実施例4のように、粗さ曲線要素の平均粗さRcが比較的小さくても、高水準の剥離強さが得られると考えられる。
<比較例1〜5>
まず、厚さ2mm×幅25mm×長さ60mmのアルミニウム板の一方の表面に対して、図11の表に示す条件(ビーム直径(30μm)、走査速度、ピッチ及び繰り返し回数)で連続発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を粗面化した。ここで、レーザー装置は、IPG製の連続発振−ファイバーレーザ(YLR−200AC)を用いた。また、粗面化したアルミニウム板の表面について、実施例1〜6と同様に、粗算術平均粗さRa、粗さ曲線要素の平均粗さRc、最大高さ粗さRz、粗さ曲線のスキューネスRsk及び粗さ曲線要素の平均長さRsmを求めた。
さらに、実施例1〜6と同様に、アルミニウム板の粗面化した表面にフッ素ゴムが接着された試験片を作製した後に、作製した試験片に対して、JIS K6256−2に基づいて、剥離強さを測定して、剥離試験を行った。
実験結果としては、ビーム直径が30μmの比較例1〜5では、図11の表に示すように、レーザー光の走査速度を下げたり、繰り返し回数を増やしたりしても、粗さ曲線要素の平均粗さRcが30μm以下の低水準であり、剥離試験についても接着しないものもあり、低水準の剥離強さであった。
<比較例6〜9>
まず、厚さ2mm×幅25mm×長さ60mmのアルミニウム板の一方の表面に対して、図17の表に示す条件(出力、波長、ビーム直径(11μm)、走査速度、ピッチ及び繰り返し回数)で連続発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を粗面化した。ここで、レーザー装置は、IPG製の連続発振−シングルモードファイバーレーザ(YLR300−SM(CW))を用いた。また、粗面化したアルミニウム板の表面について、実施例1〜6と同様に、粗算術平均粗さRa、粗さ曲線要素の平均粗さRc、最大高さ粗さRz、粗さ曲線のスキューネスRsk及び粗さ曲線要素の平均長さRsmを求めた。
さらに、実施例1〜6と同様に、アルミニウム板の粗面化した表面にフッ素ゴムが接着された試験片を作製した後に、作製した試験片に対して、JIS K6256−2に基づいて、剥離強さを測定して、剥離試験を行った。
実験結果としては、ビーム直径が11μmの比較例6〜9では、図17の表、及び図22のグラフに示すように、繰り返し回数を1回から10回に増やしていくと、平均粗さRcが大きくなり、粗さ曲線のスキューネスRskが正から負に変わることが確認された。また、剥離試験については、比較例8及び9において、130N/25mm以上の高水準の剥離強さが得られた。しかしながら、ビーム直径が11μmであるので、ガルバノミラーによる加工範囲が狭くなるという問題がある。
なお、本実施形態では、フッ素ゴムとして、ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体を主成分とする含フッ素エラストマー組成物を加硫したものを例示したが、ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルエーテル共重合体等を主成分とする含フッ素エラストマー組成物を加硫したものであってもよい。
以上説明したように、本実施形態の金属表面の粗面化方法によれば、金属材料10の表面Sに照射されるパルス発振のレーザー光のビーム直径が20μm〜30μmであるので、シングルモードファイバーレーザーを用いた場合よりも、レーザー光の焦点距離が2〜3倍程度長くなる。これにより、高価の集光レンズを用いることなく、レーザー光の焦点距離が長くなるので、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすることができる。また、レーザー光を照射する際の諸条件により、粗面化された金属材料10の表面Sにおいて、レーザー光を走査するX方向に直交するY方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcが20μm〜200μmになるので、粗面化された金属材料10の表面Sとフッ素ゴムとが深く嵌め合った状態で接着されることにより、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。したがって、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。
《第2の実施形態》
図23〜図32は、本発明に係る金属表面の粗面化方法の第2の実施形態を示している。なお、以下の実施形態において、図1〜図22と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
上記第1の実施形態では、金属材料にnsecのパルス発振のレーザー光を照射する金属表面の粗面化方法を例示したが、本実施形態では、金属材料にmsecのパルス発振のレーザー光を照射する金属表面の粗面化方法を例示する。
本実施形態の金属表面の粗面化方法では、加工ステージ上に載置された金属材料10の一部の表面Sに対して、msecのパルス発振のレーザー光のビームBをガルバノミラーでX方向に走査しながら照射することにより、金属材料10の表面SをY方向に所定ピッチPで1走査単位ずつ粗面化する(図1参照)。
金属材料10の表面Sに照射するパルス発振のレーザー光は、パルス繰り返し周波数が10Hz〜1000Hzであり、平均出力が100W〜200Wであり、ピーク出力が1050W〜1500Wであり、パルスエネルギーが10J〜15Jであり、ビーム直径が15μm〜25μmであり、X方向に走査する速度が0.2m/sec〜10m/secであり、所定ピッチPが30μm〜100μmである。
上述したレーザー光の照射条件により、金属材料10の表面SにおけるY方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを100μm〜500μmにすると共に、金属材料10の表面SにおけるY方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskを0〜+2とすることができる。
なお、本実施形態では、金属材料10の表面Sにmsecのパルス発振のレーザー光を照射する金属表面の粗面化方法を例示したが、パルス繰り返し周波数が低く、間欠的にしかレーザー光を照射することができないので、ガルバノミラーによるX方向への走査を間欠的に停止等してもよい。具体的には、パルス幅が10msecであり、パルス繰り返し周波数が10Hzである場合、レーザー光が出射される10msecにおいて所定の速度で走査するステップと、レーザー光が出射されない残りの90msecにおいて走査を停止する又は他の対象物に対して走査するステップとを繰り返す。また、パルス幅が1msecであり、パルス繰り返し周波数が100Hzである場合、レーザー光が出射される1msecにおいて所定の速度で走査するステップと、レーザー光が出射されない残りの9msecにおいて走査を停止する又は他の対象物に対して走査するステップとを繰り返す。また、パルス幅が0.2msecであり、パルス繰り返し周波数が500Hzである場合、レーザー光が出射される0.2msecにおいて所定の速度で走査するステップと、レーザー光が出射されない残りの1.8msecにおいて走査を停止する又は他の対象物に対して走査するステップとを繰り返す。
次に、具体的に行った実験について説明する。ここで、図23は、本実施形態の金属表面の粗面化方法の実施例7〜13における処理条件及び結果を示す表である。また、図24〜図30は、実施例7〜13の金属表面の光学顕微鏡の観察写真である。また、図31は、実施例9、11〜13におけるピーク出力、表面粗さ及び剥離強さの関係を示すグラフである。また、図32は、実施例9、11〜13における繰り返し回数、表面粗さ及びスキューネスの関係を示すグラフである。
<実施例7〜13>
まず、厚さ2mm×幅25mm×長さ60mmのアルミニウム板の一方の表面に対して、図23の表に示す条件(平均出力、ピーク出力、パルス幅、ビーム直径(20μm)、走査速度、ピッチ及び繰り返し回数)でパルス発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を粗面化した。ここで、レーザー装置は、IPG製のシングルモード準連続発振イッテルビウムファイバーレーザ(YLMP−150/1500−QCW)を用いた。なお、YLMP−150/1500−QCWは、波長が1070±5nmであり、動作モードがパルス発振/連続発振であり、変調周波数が0kHz〜50kHzであり、最大平均出力(CW/QCW)が250W/150Wであり、最大ピーク出力が1500Wであり、最大パルスエネルギーが15Jであり、パルス幅が0.05msec〜50msecであり、出力調整が10%〜100%であり、出力安定性が±0.1%以内であり、ビーム品質Mが1.05である。また、粗面化したアルミニウム板の表面について、実施例1〜6と同様に、粗算術平均粗さRa、粗さ曲線要素の平均粗さRc、最大高さ粗さRz、粗さ曲線のスキューネスRsk及び粗さ曲線要素の平均長さRsmを求めた。
さらに、実施例1〜6と同様に、アルミニウム板の粗面化した表面にフッ素ゴムが接着された試験片を作製した後に、作製した試験片に対して、JIS K6256−2に基づいて、剥離強さを測定して、剥離試験を行った。
実験結果としては、走査速度が0.5mm/secである実施例9、11〜13を比較すると、図31のグラフに示すように、ピーク出力を643Wから1550Wに上げていくと、平均粗さRcが大きくなることが確認された。また、剥離試験については、実施例9において、図31のグラフに示すように、130N/25mm以上の高水準の剥離強さが得られ、金属表面とフッ素ゴムとの間の界面での剥離が確認されずにフッ素ゴム自体の破壊が確認されたので、JIS K6256−2による剥離強さがフッ素ゴムの材料破壊強度よりも高いと言える。
また、粗さ曲線のスキューネスRskについては、実施例9、11〜13において、図10に示すように、0〜+2になったので、金属材料の粗面化された表面では、凸部よりも凹部が多いことが分かった。
なお、本実施形態では、1走査単位における走査回数(繰り返し回数)が1回である金属表面の粗面化方法を例示したが、繰り返し回数は、複数回であってもよい。
以上説明したように、本実施形態の金属表面の粗面化方法によれば、金属材料10の表面Sに照射されるパルス発振のレーザー光のビーム直径が15μm〜25μmであるので、シングルモードファイバーレーザーを用いた場合よりも、レーザー光の焦点距離が1.5倍〜2.5倍程度長くなる。これにより、高価の集光レンズを用いることなく、レーザー光の焦点距離が長くなるので、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすることができる。また、上述したレーザー光を照射する諸条件により、粗面化された金属材料10の表面Sにおいて、レーザー光を走査するX方向に交差するYの方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcが100μm〜500μmになるので、粗面化された金属材料10の表面Sとフッ素ゴムとが深く嵌め合った状態で接着されることにより、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。したがって、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することができる。
《その他の実施形態》
上記各実施形態では、フッ素ゴムと接着する金属表面の粗面化方法を例示したが、本発明は、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−ゴム等のその他のゴムと接着する金属表面の粗面化方法にも適用することができる。
また、上記各実施形態では、金属表面を連続的に粗面化する方法を例示したが、本発明は、金属表面を断続的に粗面化する方法にも適用することができる。
以上説明したように、本発明は、レーザー光の照射による金属表面の粗面化において、ガルバノミラーによる加工範囲を容易に広くすると共に、フッ素ゴムとの接着性を確保することができるので、例えば、半導体製造装置のゲートシール等について有用である。
B レーザー光のビーム
P ピッチ
S 金属材料の表面
X 第1の方向
Y 第2の方向
10 金属材料

Claims (4)

  1. 金属材料の表面にパルス発振のレーザー光を該金属材料の表面に沿う第1の方向に走査しながら照射して、上記金属材料の表面を上記第1の方向に交差する上記金属材料の表面に沿う第2の方向に所定ピッチで1走査単位ずつ粗面化する金属表面の粗面化方法であって、
    パルス幅が80nsec〜120nsecであり、パルス繰り返し周波数が20kHz〜50kHzであり、ビーム直径が20μm〜30μmであり、上記第1の方向に走査する速度が50mm/sec〜200mm/secであり、上記所定ピッチが30μm〜100μmであり、上記1走査単位における走査回数が1回〜20回であるように、上記レーザー光を照射して、上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを20μm〜200μmにすることを特徴とする金属表面の粗面化方法。
  2. 請求項1に記載された金属表面の粗面化方法において、
    上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskを−2〜0にすることを特徴とする金属表面の粗面化方法。
  3. 金属材料の表面にパルス発振のレーザー光を該金属材料の表面に沿う第1の方向に走査しながら照射して、上記金属材料の表面を上記第1の方向に交差する上記金属材料の表面に沿う第2の方向に所定ピッチで1走査単位ずつ粗面化する金属表面の粗面化方法であって、
    パルス繰り返し周波数が10Hz〜1000Hzであり、平均出力が100W〜200Wであり、ピーク出力が1050W〜1500Wであり、パルスエネルギーが10J〜15Jであり、ビーム直径が15μm〜25μmであり、上記第1の方向に走査する速度が0.2m/sec〜10m/secであり、上記所定ピッチが30μm〜100μmであるように、上記レーザー光を照射して、上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線要素の平均粗さRcを100μm〜500μmにすることを特徴とする金属表面の粗面化方法。
  4. 請求項3に記載された金属表面の粗面化方法において、
    上記金属材料の表面における上記第2の方向に沿う粗さ曲線のスキューネスRskを0〜+2にすることを特徴とする金属表面の粗面化方法。
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