JP4554704B2 - 表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の表面特性（耐摩耗性、摺動特性、或いは撥水性等）を向上させる表面処理方法に関する。

物体の表面にナノカーボン類を含む炭素膜を被膜することによって、物体の表面の特性（例えば耐摩耗性、摺動特性、撥水性等）を向上させる表面処理方法が知られている（例えば、特許文献１）。

また、例えば特許文献２には、鋳造用の金型において、金型と被成形品との離型抵抗を抑制するために、金型表面にフラーレン類を主成分とする炭素膜を形成する技術が開示されている。

特開２００８−１０５０８２号公報 特開２００７−１４４４９９号公報

本願の発明者らは、金型表面をまずカーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜で被膜し、その後にフラーレン類を塗布する技術を発明した。その詳細は、特願２００８−１９８５８８に開示されている。フラーレン類は、表面特性の向上に有効であるものの、金型表面から脱落しやすいという短所があるが、この発明によれば、表面から繊維状に伸びるナノカーボン類の間にフラーレン類が捕縛されて、フラーレン類が金型表面から脱落することを抑制することができる。これにより、高い表面特性を維持するためにフラーレン類を頻繁に再塗布する必要がなくなる。

炭素膜の表面にフラーレン類を塗布する場合、単純には、フラーレン類の粉末を物体の表面に直接塗布すればよい。しかしながら発明者らは、粉末を直接に塗布するのでは、複数の物体のそれぞれにフラーレン類を塗布したときに、一定した表面特性が得られないことを見出した。長期間に亘って高い表面特性を維持するためにフラーレン類を再塗布する場合でも、再塗布の前後で表面特性に差が生じてしまう。すなわち、フラーレン類の粉末を直接に塗布する方法では、塗布ごとに表面特性がばらついてしまう。そこで、発明者らは、表面処理される物体（以下、被処理物体という）を一旦約３００℃に加熱した後、フラーレン類の粉末を付着させた布を用いて、被処理物体の表面に形成された炭素膜の上にフラーレン類の粉末を塗布する方法を創作した。この方法では、布にフラーレン類の粉末を十分に付着させて、２５０±５０ｋＰａ程度の圧力で均すようにしながらナノカーボン炭素膜表面全体にフラーレン粉末を塗布する。これにより、非処理物体ごとに表面特性のばらつきが小さくなる。

しかしながら、上記した方法では、非処理物体を一旦加熱しなければならず、フラーレン類の粉末を塗布する際に所定の圧力で均さなければならない。
本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、ナノカーボン類を含有する被膜の上にフラーレン類を塗布する表面処理方法であって、フラーレン類の塗布ごとに生じる表面特性のばらつきを簡便な方法で抑制することができる表面処理方法を提供する。

本発明の表面処理方法は、まず、合金工具鋼鋼材の表面を、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜で被膜する。次いでその炭素膜の表面に、フラーレン類を含有するアルコール類の液体を塗布する。

液体とともにフラーレン類が物体の表面に均一に拡がる。従ってフラーレン類が物体の表面に均一に拡散する。この結果、フラーレン類の塗布ごとに表面特性のばらつきを抑制することができる。本発明の表面処理方法によれば、被処理物体を加熱する必要がなく、所定の圧力で均す必要もない。

フラーレン類は、アルコール類に分散しやすい。そのため、フラーレン類を含有する溶液を容易に作製することができる。また、常温では、アルコール類を塗布した後、アルコール類が揮発し、フラーレン類だけが表面に残存する。そのため、アルコール類を拭き取る必要がない。なお、第２工程では、１から１０重量％のフラーレン類を含有するアルコール類の液体を塗布することが好ましい。

本発明の表面処理方法によれば、簡単な手法で、塗布ごとに生じる表面特性のばらつきを抑制することができる。

カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜、及び、フラーレン類を含有する液体は、炭素以外の物質を含んでいてもよい。

フラーレンとは、閉殻構造を有する炭素クラスタであり、通常は炭素数が６０〜１３０の偶数である。具体例としては、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８０、Ｃ_８２、Ｃ_８４、Ｃ_８６、Ｃ_８８、Ｃ_９０，Ｃ_９２、Ｃ_９４、Ｃ_９６およびこれらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスタが挙げられる。本発明におけるフラーレン類は、上記のフラーレンのほか、フラーレン分子にほかの分子や官能基を化学的に修飾したフラーレン誘導体を含む。フラーレン類の塗布工程においては、上記のフラーレン類と他の物質を含む液体を物体表面に塗布してもよい。

実施例の技術的特徴のいくつかを列挙する。
（１）フラーレン類を含有している液体を表面に塗布する塗布工程（第２工程）は、はけを用いて塗布することが好ましい。
（２）フラーレン類を含有する液体の主成分は、アルコール類であることが好ましい。

本発明の表面処理方法の有効性を確認する実験を行った。表面処理によって得られる表面特性の指針として、撥水性を選択した。実験では、以下の計測方法によって撥水性を定量化した。すなわち、図１に示すように、表面処理を施した試験体Ｘの上方から水滴を落とし、試験体Ｘの表面に付着した水滴１０の表面１０ａと試験体Ｘの表面１２ａとの角度θを測定した。角度θが大きいほど、撥水性が高いことを示す。表面処理の対象となる試験体Ｘは金属性である。具体的には、試験体Ｘは、ＳＫＤ６１（合金工具鋼鋼材：ＪＩＳ Ｇ４４０４）製の平板である。フラーレン類を含有する液体を塗布した試験体Ｘとして、５種類の試験体１〜５を用意した。また、比較のため比較試験体１、２を用意した。各試験体１〜５と比較試験体１、２の表面には、下記に示す工程からなる表面処理を実施した。各試験体１〜５と比較試験体１、２は、夫々１０個ずつ用意した。

第１工程（カーボンナノ炭素膜形成工程）
試験体１〜５と比較試験体１、２の表面に、下記の方法によってナノカーボン炭素膜を形成した。尚、下記の方法は、特開２００８−１０５０８２に開示されている。その方法は、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、カーボンフィラメント等のナノカーボン類を含む炭素膜（ナノカーボン炭素膜）をＳＫＤ６１製の鋼材に形成する方法である。

各試験体を雰囲気炉に入れ、真空ポンプで減圧して空気をパージした後に窒素ガス（Ｎ_２）を流通させ、Ｎ_２雰囲気とした。次に、図２に示す処理プロファイルに従って、反応ガスを流通させながら、０．５ｈで４８０℃まで昇温した。反応ガスには、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガス、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いた。昇温開始から０．５ｈ後に４８０℃に到達した時点で硫化水素ガスの供給を停止し、さらに０．５ｈ後に、アセチレンガスの供給を停止した。アンモニアガス流通下、４８０℃でさらに４．５ｈ保持した後、アンモニアガスの供給を停止し、窒素ガスに切り替え、降温を開始した。上記の処理によって、試験体の表面にナノカーボン炭素膜が形成される。なおこのとき、試験体の基材とナノカーボン炭素膜との間に窒化層および浸硫層が形成される。

第２工程（フラーレン類の塗布工程）
試験体１では、炭素膜が形成された表面に、１重量％のフラーレン類が含有されているアルコール類（本実施例では、イソプロピルアルコール、以下、単にアルコールという）をはけで塗布した。試験体２〜４では、炭素膜が形成された表面に、それぞれ５重量％、１０重量％、３０重量％のフラーレン類が含有されているアルコールをはけで塗布した。
試験体５では、炭素膜が形成された表面に、５重量％のフラーレン類が含有されているアルコールを手動のスプレーで塗布した。
試験体１〜５の塗布は、全て常温で実施した。

比較試験体１では、炭素膜が形成された表面に、フラーレン類の粉末を直接に塗布した。より詳細には、比較試験体１を一旦約３００℃に加熱した後、フラーレン類の粉末を付着させた布を比較試験体１の表面に押し付けた。こうして、被処理物体の表面に形成されたナノカーボン炭素膜の上にフラーレン類の粉末を塗布した。なおこのとき、布にフラーレン類の粉末を十分に付着させて、２５０±５０ｋＰａ程度の圧力で均すようにしながらナノカーボン炭素膜表面全体にフラーレン粉末を塗布した。
比較試験体２には、フラーレン類を塗布しなかった。
表１に、実験結果を示す。表１内の各数値は、図１のθの値を示している。

表１に示されるように、試験体１から３では、フラーレン類の粉末を塗布した比較試験体１の場合と比較して、そのばらつきが略同等か小さくなっている。これらのばらつきは、フラーレン類を塗布しなかった比較試験体２、即ち、炭素膜が形成されている場合のばらつきと略同等である。特に、フラーレン類の重量％が最も小さい試験体１では、そのばらつきが最も小さかった。試験体４では、他の試験体よりもばらつきが大きかった。試験体４では、フラーレン類の重量％が大きかったため、フラーレン類がアルコールによく分散されていないことが原因である。フラーレン類の重量％が大きいアルコールを用いる場合には、フラーレン類をアルコールによく分散させることによって、ばらつきを抑制することができる。また、試験体５では、２つ目の試験体を除いて、試験体１から３と略同等のばらつきであった。

また、表１によれば、アルコールにフラーレン類を含有させて塗布した場合、フラーレン類の粉末を塗布する比較試験体１の場合と比較して、θの値が大きい。即ち、アルコールにフラーレン類を含有させて塗布した場合の方が、フラーレン類の粉末を塗布する場合よりも表面の撥水性が高い。

図３は、試験体２の表面のＳＥＭ像である。図４は、比較試験体１の表面のＳＥＭ像である。図３、４の右下領域の白抜きの線分は、１００μｍの長さを示している。図３では、試験体の表面に被膜されたナノカーボン類で形成されている炭素膜の凹凸が観察されるのに対して、図４では、炭素膜の凹凸が少ない。アルコールに含有されたフラーレン類が塗布された表面では、炭素膜の凹凸によって、撥水性が高くなっていると推察することができる。

試験体１から５に対して実施した表面処理方法では、フラーレン塗布ごとの表面特性のばらつきを小さくすることができる。上記した表面処理方法では、アルコールに分散されたフラーレン類をはけ又はスプレーで塗布するだけでよい。即ち、被処理物体を加熱する必要がなく、所定の圧力で均す必要もない。
上記した表面処理方法では、フラーレン類の粉末を塗布する場合と比較して、フラーレン類の量を少なくすることができる。

試験体１から５に対して実施した表面処理方法では、フラーレン類を含有するための液体としてアルコールを用いた。上記した表面処理方法では、アルコール類としてイソプロピルアルコールを用いている。しかしながら、他の種類のアルコール類であってもよい。フラーレン類は、アルコールに分散しやすい。そのため、フラーレン類を含有する溶液を容易に作製することができる。また、常温では、アルコールを塗布した後、アルコールが揮発し、フラーレン類だけが表面に残存する。このため、アルコールを拭き取る必要がない。一方において、高温の環境下でフラーレン類の塗布工程を実施する場合、アルコールが表面に十分広がる前に、アルコールが揮発してしまう。したがって、高温の環境下では、アルコールよりも揮発性の低い液体を用いることが好ましい。フラーレン類を塗布する際の温度環境によって、フラーレン類を含有するための液体の種類を適宜選択すればよい。例えば、鋳造直後の金型は、その温度が比較的に高温である。この場合、フラーレン類を含有する液体として、水に界面活性剤を適量混合させたものを用いることが好ましい。そのような液体では、液体が表面に十分広がる前に液体が揮発してしまうことを防止することができ、高温時の塗布性も優れている。

上記した実施例では、アルコールを、スプレーを用いて塗布する場合と、はけを用いて塗布する場合の２種類の方法を採用している。はけを用いて塗布する場合、スプレーを用いて塗布する場合と比較して、アルコールの飛び散りを防止することができ、歩留まりを向上させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

揮発性の定量評価の方法を説明する概略図。 ナノカーボン炭素膜形成工程の処理プロファイル。 試験体２の表面のＳＥＭ像。 比較試験体１の表面のＳＥＭ像。

符号の説明

１０：水滴
１０ａ：水滴の表面
１２：物体の表面
Ｘ：試験体

Claims (2)

1. 合金工具鋼鋼材の表面を、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜で被膜する第１工程と、
   炭素膜の表面にフラーレン類を含有するアルコール類の液体を塗布する第２工程を含む表面処理方法。
2. 前記アルコール類の液体は、１から１０重量％のフラーレン類を含有することを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。