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

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^２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^２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。