JP5600476B2 - Metal surface processing method and metal surface processing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、金属表面加工方法及び金属表面加工装置に関するものである。 The present invention relates to a metal surface processing method and a metal surface processing apparatus.
従来の金属表面加工方法として、研磨やエッチングによって合金の表面を加工するものがある（例えば、特許文献１参照）。 As a conventional metal surface processing method, there is a method of processing the surface of an alloy by polishing or etching (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、前述した従来の金属表面加工方法では、研磨加工に複雑な工程が必要となり、また、エッチングでは、環境に影響のある溶液を使用しなければならないという問題点があった。 However, the conventional metal surface processing method described above has a problem that a complicated process is required for polishing, and that a solution having an influence on the environment must be used for etching.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、環境に影響のある物質を出すことなく、簡易な工程で合金の表面を加工することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to process the surface of an alloy by a simple process without producing a substance that affects the environment.
本発明は、照射されるパルスレーザ光に対する加工特性が互いに相違する第１の物質と第２の物質とを含む合金の表面の被加工部位を加工する金属表面加工方法であって、前記加工特性の相違に応じて、照射されるパルスレーザ光を、前記合金の表面に前記第１の物質及び前記第２の物質のうち所望の物質を露出可能な特性に調整する工程と、前記特性に調整されたパルスレーザ光を前記合金の表面に照射する工程と、を備えることを特徴とする。 The present invention is a metal surface processing method for processing a part to be processed on the surface of an alloy containing a first material and a second material, which have different processing characteristics with respect to the irradiated pulsed laser beam, the processing characteristics In accordance with the difference, the step of adjusting the irradiated pulsed laser light to a characteristic capable of exposing a desired substance out of the first substance and the second substance on the surface of the alloy, and adjusting to the characteristic Irradiating the surface of the alloy with the pulsed laser beam.
本発明によれば、第１の物質と第２の物質とを有する合金の表面に照射されるパルスレーザ光の特性を調整することによって、合金の表面を加工し、所望の物質を表面に露出させることができる。したがって、環境に影響のある物質を排出することなく、パルスレーザ光のみを用いた簡易な工程で合金の表面を加工することができる。 According to the present invention, the surface of the alloy having the first substance and the second substance is adjusted to adjust the characteristics of the pulsed laser light so that the surface of the alloy is processed to expose the desired substance on the surface. Can be made. Therefore, the surface of the alloy can be processed by a simple process using only pulsed laser light without discharging substances that have an influence on the environment.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る金属表面加工方法ついて説明する。 Hereinafter, a metal surface processing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る金属表面加工方法に用いられる金属表面加工装置１００について説明する。 First, with reference to FIG. 1, the metal surface processing apparatus 100 used for the metal surface processing method which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.
金属表面加工装置１００は、被加工物としての合金６の表面を加工するものである。金属表面加工装置１００は、パルスレーザ光を発生するレーザ発生器１と、発生されたパルスレーザ光のエネルギを調整するレーザエネルギ調整装置２と、発生されたパルスレーザ光の偏光を調整するレーザ偏光調整装置３と、パルスレーザ光を集光する集光レンズ４と、被加工物としての合金６が搭載される加工ステージ５と、を備える。 The metal surface processing apparatus 100 processes the surface of the alloy 6 as a workpiece. The metal surface processing apparatus 100 includes a laser generator 1 that generates pulsed laser light, a laser energy adjustment apparatus 2 that adjusts the energy of the generated pulsed laser light, and laser polarization that adjusts the polarization of the generated pulsed laser light. An adjustment device 3, a condenser lens 4 that condenses pulse laser light, and a processing stage 5 on which an alloy 6 as a workpiece is mounted are provided.
金属表面加工装置１００は、コントローラ（図示省略）によって制御される。このコントローラは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは接続された機器との情報の入出力に使用される。ＣＰＵやＲＡＭなどをＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作させることによって、金属表面加工装置１００の制御が実現される。 The metal surface processing apparatus 100 is controlled by a controller (not shown). This controller is composed of a microcomputer having a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and I / O interface (input / output interface). The RAM stores data in the processing of the CPU, the ROM stores a control program of the CPU in advance, and the I / O interface is used for input / output of information with the connected device. Control of the metal surface processing apparatus 100 is realized by operating a CPU, RAM, or the like according to a program stored in the ROM.
合金６は、表面にパルスレーザ光が照射される被加工面６ａが形成され、少なくとも第１の化学成分と第２の化学成分とを有する。合金６は、第１の化学成分及び第２の化学成分の他に、その他の合金成分が混合して構成される。合金６については、後述する第１の実施の形態及び第２の実施の形態において詳細に説明する。 The alloy 6 has a surface to be processed 6a on which a pulse laser beam is irradiated, and has at least a first chemical component and a second chemical component. The alloy 6 is configured by mixing other alloy components in addition to the first chemical component and the second chemical component. The alloy 6 will be described in detail in a first embodiment and a second embodiment described later.
レーザ発生器１は、コントローラによって制御され、金属加工用のパルスレーザ光を発生する。パルスレーザ光は、パルス幅がピコ秒域以下のレーザ光である。レーザ発振機１が発生するレーザは、レーザエネルギー調整装置２によって所望のレーザフルーエンスに調整される。 The laser generator 1 is controlled by a controller and generates a pulse laser beam for metal processing. The pulse laser beam is a laser beam having a pulse width of a picosecond region or less. The laser generated by the laser oscillator 1 is adjusted to a desired laser fluence by the laser energy adjusting device 2.
レーザフルーエンス（Ｌａｓｅｒ Ｆｌｕｅｎｃｅ）とは、単位面積あたりのレーザのエネルギー量[Ｊ／ｃｍ＾２］のことである。以下、レーザフルーエンスのことを、単にフルーエンスという。 Laser fluence is the amount of laser energy [J / cm ^ 2] per unit area. Hereinafter, the laser fluence is simply referred to as fluence.
レーザエネルギー調整装置２は、パルスレーザ光の光強度及びパルス幅のうち少なくとも何れか一方を変化させることが可能な装置である。レーザエネルギー調整装置２がコントローラによって制御されることで、パルスレーザ光は、所望のフルーエンスに調整されて合金６に照射される。 The laser energy adjusting device 2 is a device capable of changing at least one of the light intensity and pulse width of pulsed laser light. The laser energy adjusting device 2 is controlled by the controller, so that the pulsed laser light is adjusted to a desired fluence and irradiated onto the alloy 6.
集光レンズ４は、レーザ発生器１が発生したパルスレーザ光を集光して合金６に照射するものである。 The condensing lens 4 condenses the pulsed laser light generated by the laser generator 1 and irradiates the alloy 6 with it.
加工ステージ５の上部には、合金６が載置される。加工ステージ５は、合金６が載置された状態で、図１中に示すＸＹＺ軸方向に移動できるとともに、Ｚ軸回りに回転することもできる。加工ステージ５の移動及び回転がコントローラによって制御されることで、照射されるパルスレーザ光に対して合金６の位置を調整し、パルスレーザ光の照射位置に合金６表面の被加工面６ａを臨ませることができる。パルスレーザ光の照射位置と合金６の被加工面６ａとを相対移動させて相対位置を調整できればよいため、加工ステージ５の移動及び回転によって合金６の位置を調整するのではなく、パルスレーザ光の照射位置を調整してもよい。なお、例えば合金６が円筒形であり、その外周面を加工するような場合には、加工ステージ５をＸ軸又はＹ軸回りに回転できるように形成してもよい。 An alloy 6 is placed on the processing stage 5. The processing stage 5 can move in the XYZ axis directions shown in FIG. 1 with the alloy 6 placed thereon, and can also rotate around the Z axis. The movement and rotation of the processing stage 5 are controlled by the controller, so that the position of the alloy 6 is adjusted with respect to the irradiated pulse laser beam, and the processing surface 6a of the surface of the alloy 6 is exposed to the irradiation position of the pulse laser beam. I can do it. Since it is only necessary to adjust the relative position by relatively moving the irradiation position of the pulse laser beam and the work surface 6a of the alloy 6, the position of the alloy 6 is not adjusted by the movement and rotation of the processing stage 5, but the pulse laser beam. The irradiation position may be adjusted. For example, when the alloy 6 is cylindrical and the outer peripheral surface thereof is processed, the processing stage 5 may be formed so as to be rotatable around the X axis or the Y axis.
次に、金属表面加工装置１００を用いた金属表面加工方法について説明する。以下に示す各実施の形態は、アルミニウム−シリコン系合金のシリコン含有量によって加工レートが変化する特性を利用して合金表面を加工するものである。具体的には、アルミニウム−シリコン系合金は、シリコン含有量が多くなるほど加工レートが上がる特性を有する。 Next, a metal surface processing method using the metal surface processing apparatus 100 will be described. In each of the embodiments described below, the surface of the alloy is processed by utilizing the characteristic that the processing rate varies depending on the silicon content of the aluminum-silicon alloy. Specifically, the aluminum-silicon alloy has a characteristic that the processing rate increases as the silicon content increases.
（第１の実施の形態）
以下、図２から図６を参照して、第１の実施の形態に係る金属表面加工方法について説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the metal surface processing method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
第１の実施の形態では、合金６としてアルミニウム−シリコン系合金（以下「Ａｌ−Ｓｉ合金」という）１０を用いる。このＡｌ−Ｓｉ合金１０は、シリコン含有量が１６％程度の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である。 In the first embodiment, an aluminum-silicon alloy (hereinafter referred to as “Al—Si alloy”) 10 is used as the alloy 6. This Al—Si alloy 10 is a hypereutectic Al—Si alloy having a silicon content of about 16%.
パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、第１の化学成分としてのアルミニウムと、第２の化学成分としてのシリコンとを含み、アルミニウムの基地の内部に析出した硬質粒子である共晶Ａｌ−Ｓｉ合金（以下、「共晶シリコン」という）及び初晶シリコン１２の結晶が均一に分散している状態である（図４（ａ）参照）。 The Al—Si alloy 10 before being irradiated with the pulsed laser light is a hard particle that contains aluminum as the first chemical component and silicon as the second chemical component and is deposited inside the aluminum base. In this state, the crystals of the eutectic Al—Si alloy (hereinafter referred to as “eutectic silicon”) and the primary crystal silicon 12 are uniformly dispersed (see FIG. 4A).
ここでは、アルミニウムの基地と析出した共晶シリコンとを、あわせて過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１という。つまり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は、Ａｌ−Ｓｉ合金１０のうち初晶シリコン１２を除いたものである。この過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１が第１の物質に該当し、初晶シリコン１２が第２の物質に該当する。 Here, the base of aluminum and the precipitated eutectic silicon are collectively referred to as a hypereutectic Al—Si alloy 11. That is, the hypereutectic Al—Si alloy 11 is obtained by removing the primary crystal silicon 12 from the Al—Si alloy 10. The hypereutectic Al—Si alloy 11 corresponds to the first substance, and the primary silicon 12 corresponds to the second substance.
図２において、横軸はパルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値であり、縦軸は平均加工レートである。平均加工レート[ｎｍ／ｓｈｏｔ]とは、パルスレーザ光の１パルス（１[ｓｈｏｔ］）あたりの加工深さ［ｎｍ］である。 In FIG. 2, the horizontal axis represents the adjusted fluence value of the pulse laser beam, and the vertical axis represents the average processing rate. The average processing rate [nm / shot] is the processing depth [nm] per one pulse (1 [shot]) of the pulse laser beam.
図２に示すように、Ａｌ−Ｓｉ合金１０では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆth HEは、初晶シリコン１２の加工閾値Ｆth Siとは相違する。具体的には、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆth HEは、初晶シリコン１２の加工閾値Ｆth Siより小さい。加工閾値とは、その物質を加工可能なフルーエンスの最小値であり、図２におけるグラフと横軸との交点のフルーエンスの値である。つまり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は、初晶シリコン１２よりも小さなフルーエンスのパルスレーザ光で加工可能である。本実施形態では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆth HEが第１の閾値に該当し、初晶シリコン１２の加工閾値Ｆth Siが第２の閾値に該当する。 As shown in FIG. 2, in the Al—Si alloy 10, the processing threshold value F th HE of the hypereutectic Al—Si alloy 11 is different from the processing threshold value F th Si of the primary crystal silicon 12. Specifically, the processing threshold value F th HE of the hypereutectic Al—Si alloy 11 is smaller than the processing threshold value F th Si of the primary silicon 12. The processing threshold is the minimum value of the fluence at which the substance can be processed, and is the value of the fluence at the intersection of the graph and the horizontal axis in FIG. That is, the hypereutectic Al—Si alloy 11 can be processed with a pulse laser beam having a smaller fluence than the primary crystal silicon 12. In the present embodiment, the processing threshold value F th HE of the hypereutectic Al—Si alloy 11 corresponds to the first threshold value, and the processing threshold value F th Si of the primary crystal silicon 12 corresponds to the second threshold value.
また、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２とは、全てのフルーエンスで初晶シリコン１２より過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の方が平均加工レートが大きい。平均加工レート及び加工閾値の相違が、加工特性の相違に該当する。これにより、パルスレーザ光のフルーエンスが、ある物質の加工閾値を越えると、当該物質は平均加工レートの値に対応する深さだけ加工されることとなる。このような特性を利用して、以下の方法でＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面を加工する。 In addition, the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary silicon 12 have a higher average working rate in the hypereutectic Al—Si alloy 11 than in the primary silicon 12 at all fluences. The difference in the average processing rate and the processing threshold corresponds to the difference in processing characteristics. Thus, when the fluence of the pulse laser beam exceeds the processing threshold of a certain material, the material is processed by a depth corresponding to the value of the average processing rate. Utilizing such characteristics, the surface of the Al—Si alloy 10 is processed by the following method.
なお、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の他にも、鉄−モリブデン系合金，鉄−鉛系合金，又はアルミニウム−モリブデン系合金などが同様の特性を有する。 In addition to the Al—Si alloy 10, an iron-molybdenum alloy, an iron-lead alloy, an aluminum-molybdenum alloy, or the like has similar characteristics.
まず、加工ステージ５上にＡｌ−Ｓｉ合金１０を載置する。このとき、被加工部位がレーザ集光装置４側を向き、照射されるパルスレーザ光に臨むようにＡｌ−Ｓｉ合金１０の向きを調整しておく。 First, the Al—Si alloy 10 is placed on the processing stage 5. At this time, the orientation of the Al—Si alloy 10 is adjusted so that the part to be processed faces the laser condensing device 4 and faces the irradiated pulsed laser beam.
次に、レーザ発生器１，レーザエネルギー調整装置２，レーザ偏光調整装置３，及び集光レンズ４によって所定の条件のパルスレーザ光を発生する。パルスレーザ光は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値Ｆth HEと初晶シリコン１２の加工閾値Ｆth Siとに応じて、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に所望の物質を露出可能なフルーエンスに調整され、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の加工中には、一定のフルーエンスを維持する。具体的には、以下の条件のパルスレーザ光を発生させる。
・中心波長：８００［ｎｍ］
・パルス幅：１００［ｆｓ（フェムト秒）］〜５００［ｐｓ（ピコ秒）］
・繰り返し周波数：１［ｋＨｚ］
・レーザフルーエンス：０．５[Ｊ／ｃｍ＾２]以下
ここでは、パルス幅は１００［ｆｓ]〜５００［ｐｓ］のピコ秒域からフェムト秒域に設定されるが、パルス幅が１［ｎｓ（ナノ秒）］以下であればＡｌ−Ｓｉ合金１０の加工は可能である。
Next, the laser generator 1, the laser energy adjustment device 2, the laser polarization adjustment device 3, and the condenser lens 4 generate pulsed laser light having a predetermined condition. The pulse laser beam can expose a desired substance on the surface of the Al—Si alloy 10 according to the processing threshold value F th HE of the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the processing threshold value F th Si of the primary crystal silicon 12. The fluence is adjusted, and a constant fluence is maintained during the processing of the Al—Si alloy 10. Specifically, pulsed laser light having the following conditions is generated.
・ Center wavelength: 800 [nm]
Pulse width: 100 [fs (femtosecond)] to 500 [ps (picosecond)]
・ Repetition frequency: 1 [kHz]
Laser fluence: 0.5 [J / cm ^ 2] or less Here, the pulse width is set from the picosecond region of 100 [fs] to 500 [ps] to the femtosecond region, but the pulse width is 1 [ns] (Nanosecond)] If the following, the Al-Si alloy 10 can be processed.
そして、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の被加工部位にパルスレーザ光を所定のフルーエンスで照射させ、加工ステージ５を駆動することによってＡｌ−Ｓｉ合金１０をパルスレーザ光に対して移動させる。ここでは、加工ステージ５をＺ軸回りに回転させることによってＡｌ−Ｓｉ合金１０を回転させる。パルスレーザ光が照射されると、Ａｌ−Ｓｉ合金１０は、パルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値に対応して以下のように加工される。 Then, the part to be processed of the Al—Si alloy 10 is irradiated with pulsed laser light at a predetermined fluence, and the processing stage 5 is driven to move the Al—Si alloy 10 with respect to the pulsed laser light. Here, the Al—Si alloy 10 is rotated by rotating the processing stage 5 around the Z axis. When the pulse laser beam is irradiated, the Al—Si alloy 10 is processed as follows corresponding to the adjusted fluence value of the pulse laser beam.
図２のフルーエンスＡのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図３（ａ）に示すとおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２は、共に加工されない。 When the fluence of the pulsed laser beam is adjusted to a value smaller than the processing threshold values of the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary crystal silicon 12 as shown in FIG. As described above, neither the hypereutectic Al—Si alloy 11 nor the primary crystal silicon 12 is processed.
図２のフルーエンスＢのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工閾値より大きく、かつ初晶シリコン１２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図３（ｂ）に示すとおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は弱く加工されるが、初晶シリコン１２は加工されない。よって、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面では、加工された過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１中に、加工されなかった初晶シリコン１２が突起を形成する。したがって、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２が露出する。 When the fluence of the pulse laser beam is adjusted to a value larger than the processing threshold value of the hypereutectic Al—Si alloy 11 and smaller than the processing threshold value of the primary crystal silicon 12 like the fluence B of FIG. As shown in FIG. 3B, the hypereutectic Al—Si alloy 11 is processed weakly, but the primary silicon 12 is not processed. Therefore, on the surface of the Al—Si alloy 10, the primary crystal silicon 12 that has not been processed forms protrusions in the processed hypereutectic Al—Si alloy 11. Therefore, primary silicon 12 is exposed on the surface of Al—Si alloy 10.
図２のフルーエンスＣのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２の加工閾値より大きな値に調整された場合には、図３（ｃ）に示すとおり、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２は、両者とも加工されるが、その加工深さは平均加工レートが相違する分だけ相違する。即ち、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は著しく加工され、初晶シリコン１２は弱く加工されるため、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面では、加工深さの大きな過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１から加工深さの小さな初晶シリコン１２が突起を形成する。この場合も、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２が露出する。 When the fluence of the pulsed laser beam is adjusted to a value larger than the processing threshold values of the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary crystal silicon 12 as shown in FIG. As described above, the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary crystal silicon 12 are both processed, but the processing depths differ by the difference in the average processing rate. That is, the hypereutectic Al—Si alloy 11 is processed significantly, and the primary crystal silicon 12 is processed weakly. Therefore, the surface of the Al—Si alloy 10 is processed from the hypereutectic Al—Si alloy 11 having a large processing depth. The primary silicon 12 having a small depth forms protrusions. Also in this case, the primary crystal silicon 12 is exposed on the surface of the Al—Si alloy 10.
同様に、図２のフルーエンスＤに調整されたパルスレーザ光が照射された場合にも、図３（ｄ）に示す通り、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２は共に加工される。このときも、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２の平均加工レートが相違する分だけ、初晶シリコン１２の加工量の方が過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の加工量より大きくなる。この場合も、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２が露出する。 Similarly, when the adjusted pulse laser beam is applied to the fluence D in FIG. 2, both the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary silicon 12 are processed as shown in FIG. . At this time, the processing amount of the primary crystal silicon 12 is larger than the processing amount of the hypereutectic Al—Si alloy 11 because the average processing rates of the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary crystal silicon 12 are different. Become. Also in this case, the primary crystal silicon 12 is exposed on the surface of the Al—Si alloy 10.
したがって、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、パルスレーザ光のフルーエンスを図２のＡ〜Ｄの値に調整することで、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２との平均加工レートの差を利用して、初晶シリコン１２を過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１のマトリックスの表面に露出させ、初晶シリコン１２の突起を形成することが可能である。 Therefore, as shown in FIGS. 3A to 3D, by adjusting the fluence of the pulsed laser light to the values of A to D in FIG. It is possible to expose the primary silicon 12 to the surface of the matrix of the hypereutectic Al—Si alloy 11 and to form the projections of the primary silicon 12 using the difference in the average processing rate.
以上より、合金６の表面に照射されるパルスレーザ光のフルーエンスを調整することによって、合金６の表面を加工し、所望の物質を表面に露出させることができる。そのため、エッチング加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように環境に影響のある液体を排出することがなく、液体の廃棄に要する設備や費用が不要なのでコストダウンを図ることができる。また切削加工や研磨加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように複雑な加工工程が不要なので、加工時間及び加工精度を向上させることができる。 As described above, by adjusting the fluence of the pulsed laser light applied to the surface of the alloy 6, the surface of the alloy 6 can be processed to expose a desired substance on the surface. Therefore, unlike the case where the primary crystal silicon 12 is protruded by etching processing, the liquid having an influence on the environment is not discharged, and the cost and cost can be reduced because the equipment and the cost required for the disposal of the liquid are unnecessary. Further, since a complicated processing step is not required as in the case where the primary crystal silicon 12 is projected by cutting or polishing, the processing time and processing accuracy can be improved.
図４（ａ）に示すように、パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１中に硬質粒子である初晶シリコン１２が均一に分散している状態である。 As shown in FIG. 4A, in the Al—Si alloy 10 before being irradiated with the pulse laser beam, the primary crystal silicon 12 as hard particles is uniformly dispersed in the hypereutectic Al—Si alloy 11. It is in a state.
又は、図４（ｂ）に示すように、パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１中に均一に分散する初晶シリコン１２が一部表面に突出している状態であってもよい。 Alternatively, as shown in FIG. 4B, the Al—Si alloy 10 before being irradiated with the pulse laser beam has a part of the surface of the primary crystal silicon 12 uniformly dispersed in the hypereutectic Al—Si alloy 11. It may be in a state of protruding.
これに対して図４（ｃ）に示すように、図２におけるフルーエンスＢに調整されたパルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、照射面の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１のみが除去されて初晶シリコン１２が突起を形成し、かつ、照射面に幅が約７００[ｎｍ]の周期溝１３が形成された状態となる。周期溝１３の幅は、レーザのピーク波長に依存するもので、ピーク波長が短いときほど周期溝１３の幅は短くなる。 On the other hand, as shown in FIG. 4C, the Al—Si alloy 10 after being irradiated with the pulsed laser light adjusted to the fluence B in FIG. 2 has a hypereutectic Al—Si alloy 11 on the irradiated surface. As a result, the primary silicon 12 forms protrusions, and the periodic groove 13 with a width of about 700 [nm] is formed on the irradiated surface. The width of the periodic groove 13 depends on the peak wavelength of the laser. The shorter the peak wavelength, the shorter the width of the periodic groove 13.
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態による金属表面加工方法によってパルスレーザ光を照射した後のＡｌ−Ｓｉ合金１０表面の状態について説明する。 Next, with reference to FIGS. 5 and 6, the state of the surface of the Al—Si alloy 10 after irradiation with pulsed laser light by the metal surface processing method according to the present embodiment will be described.
図５に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図２のＢの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図５の中で白く囲われた部分が、初晶シリコン１２である。図５に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金１０には、照射面に初晶シリコン１２の突起が形成されていることがわかる。 The state shown in FIG. 5 is the state of the part to be processed when the fluence of the pulsed laser beam is adjusted to the value B in FIG. The portion surrounded by white in FIG. 5 is primary crystal silicon 12. As shown in FIG. 5, it can be seen that protrusions of primary crystal silicon 12 are formed on the irradiated surface of the Al—Si alloy 10 after being irradiated with the pulse laser beam.
図６に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図２のＣの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図６の中で白く囲われた部分が、初晶シリコン１２である。図６に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金１０は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１及び初晶シリコン１２が両者とも加工されていることがわかる。また、照射面に初晶シリコン１２が突起していることから、加工深さは初晶シリコン１２より過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１の方が大きいことがわかる。 The state shown in FIG. 6 is the state of the part to be processed when the fluence of the pulsed laser light is adjusted to the value C in FIG. A portion surrounded by white in FIG. 6 is primary silicon 12. As shown in FIG. 6, it can be seen that the Al—Si alloy 10 irradiated with the pulsed laser light has both the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary crystal silicon 12 processed. Further, since the primary crystal silicon 12 protrudes from the irradiated surface, it can be seen that the hypereutectic Al—Si alloy 11 is larger in processing depth than the primary crystal silicon 12.
以下では、本実施形態による金属表面加工方法によって表面にレーザを照射したＡｌ−Ｓｉ合金１０を用いて、潤滑油を介して摺動する機械部品の摺動面を構成したときの効果について説明する。 Below, the effect at the time of comprising the sliding surface of the machine component which slides through lubricating oil using the Al-Si alloy 10 which irradiated the laser to the surface by the metal surface processing method by this embodiment is demonstrated. .
本実施形態による金属表面加工方法によって摺動面に初晶シリコン１２を突出させることで、潤滑油の油膜を介して初晶シリコン１２と摺動部材とを摺動させ、鉄１１と摺動部材との接触を防ぐことができる。 By causing the primary crystal silicon 12 to project on the sliding surface by the metal surface processing method according to the present embodiment, the primary silicon 12 and the sliding member are slid through the oil film of the lubricating oil, and the iron 11 and the sliding member Contact with can be prevented.
過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１は、初晶シリコン１２に比べて、例えば鋼やステンレス等の鉄系金属の摺動部材に凝着しやすい。したがって、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と摺動部材との接触を防ぎ、初晶シリコン１２と摺動部材とを接触させることで、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と摺動部材とが凝着して摺動面の摩擦係数が増大するのを抑制できる。そのため、摺動時の耐焼付き性を向上させることができる。 The hypereutectic Al—Si alloy 11 is more likely to adhere to a sliding member of an iron-based metal such as steel or stainless steel than the primary crystal silicon 12. Therefore, contact between the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the sliding member is prevented, and contact between the primary crystal silicon 12 and the sliding member causes the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the sliding member to coagulate. It is possible to suppress an increase in the friction coefficient of the sliding surface. Therefore, seizure resistance during sliding can be improved.
また、摺動面に初晶シリコン１２を突出させることによって、摺動面が凹凸となる。この凹凸が潤滑油の粘性による動圧効果を発生させるので、初晶シリコン１２を突出させない場合と比べて摺動面に油膜が形成されやすくなる。したがって、摺動面の摩擦係数を低減させることができ、摺動時の耐焼付き性を一層向上させることができる。 Further, by projecting the primary crystal silicon 12 on the sliding surface, the sliding surface becomes uneven. Since this unevenness generates a dynamic pressure effect due to the viscosity of the lubricating oil, an oil film is more easily formed on the sliding surface than when the primary silicon 12 is not projected. Therefore, the friction coefficient of the sliding surface can be reduced, and seizure resistance during sliding can be further improved.
さらに、摺動面に周期溝１３を形成することで周期溝１３に潤滑油が溜まりやすくなるので潤滑性が向上する。したがって、摺動面の摩擦係数を低減させることができ、摺動時の耐焼付き性を一層向上させることができる。 Furthermore, by forming the periodic groove 13 on the sliding surface, it becomes easy for the lubricating oil to accumulate in the periodic groove 13, so that the lubricity is improved. Therefore, the friction coefficient of the sliding surface can be reduced, and seizure resistance during sliding can be further improved.
以上の実施の形態によれば以下に示す効果を奏する。 According to the above embodiment, the following effects are produced.
所望のフルーエンスに調整されたパルスレーザ光を照射することによって、Ａｌ−Ｓｉ合金１０を加工して、Ａｌ−Ｓｉ合金１０の表面に初晶シリコン１２を突出させることができる。そのため、エッチング加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように環境に影響のある液体を排出することがなく、液体の廃棄に要する設備や費用が不要なのでコストダウンを図ることができる。また切削加工や研磨加工によって初晶シリコン１２を突出させる場合のように複雑な加工工程が不要なので、加工時間及び加工精度を向上させることができる。 By irradiating a pulsed laser beam adjusted to a desired fluence, the Al—Si alloy 10 can be processed, and the primary silicon 12 can protrude from the surface of the Al—Si alloy 10. Therefore, unlike the case where the primary crystal silicon 12 is protruded by etching processing, the liquid having an influence on the environment is not discharged, and the cost and cost can be reduced because the equipment and the cost required for the disposal of the liquid are unnecessary. Further, since a complicated processing step is not required as in the case where the primary crystal silicon 12 is projected by cutting or polishing, the processing time and processing accuracy can be improved.
また、本実施形態によるレーザ加工を施したＡｌ−Ｓｉ合金１０を摺動部材との摺動面に用いれば、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と摺動部材との接触を防ぐとともに、初晶シリコン１２が突出することによって摺動面に油膜が形成されやすくなる。これにより、摺動時における耐焼付き性を向上させることができる。 Further, if the Al—Si alloy 10 subjected to the laser processing according to the present embodiment is used for the sliding surface with the sliding member, contact between the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the sliding member is prevented, and the primary crystal. When the silicon 12 protrudes, an oil film is easily formed on the sliding surface. Thereby, the seizure resistance at the time of sliding can be improved.
なお、本実施の形態では、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２との平均加工レートの値の相違を利用してＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面を加工している。しかしながら、平均加工レートではなく、パルスレーザ光が照射された後の表面形状や、結晶構造の変化特性などの過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金１１と初晶シリコン１２との加工特性の相違を利用してＡｌ−Ｓｉ合金１０の表面を加工してもよい。 In the present embodiment, the surface of the Al—Si alloy 10 is processed by utilizing the difference in the average processing rate between the hypereutectic Al—Si alloy 11 and the primary crystal silicon 12. However, not the average processing rate but the difference in processing characteristics between the hypereutectic Al-Si alloy 11 and the primary silicon 12 such as the surface shape after irradiation with the pulse laser beam and the change characteristics of the crystal structure are utilized. Then, the surface of the Al—Si alloy 10 may be processed.
また、本実施の形態では、パルスレーザ光の波長を固定し、パルスレーザ光のフルーエンスを調整して所望の特性に調整しているが、これに限らず、パルスレーザ光のフルーエンスを固定し、パルスレーザ光の波長を調整してパルスレーザ光を所望の特性に設定してもよい。 In this embodiment, the wavelength of the pulsed laser beam is fixed, and the fluence of the pulsed laser beam is adjusted to a desired characteristic, but not limited to this, the fluence of the pulsed laser beam is fixed, The wavelength of the pulse laser beam may be adjusted to set the pulse laser beam to a desired characteristic.
（第２の実施の形態）
以下、図７から図１０を参照して、第２の実施の形態に係る金属表面加工方法について説明する。なお、本実施形態では前述した実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
(Second Embodiment)
The metal surface processing method according to the second embodiment will be described below with reference to FIGS. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate.
第２の実施の形態では、合金６として第１の実施の形態におけるＡｌ−Ｓｉ合金とはシリコン含有量の異なるアルミニウム−シリコン系合金（以下「Ａｌ−Ｓｉ合金」という）２０を用いる。このＡｌ−Ｓｉ合金２０は、シリコン含有量が１２％程度の亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である。 In the second embodiment, an aluminum-silicon alloy (hereinafter referred to as “Al—Si alloy”) 20 having a silicon content different from that of the Al—Si alloy in the first embodiment is used as the alloy 6. This Al—Si alloy 20 is a hypoeutectic Al—Si alloy having a silicon content of about 12%.
パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、第１の化学成分としてのアルミニウムと、第２の化学成分としてのシリコンとを含み、アルミニウム２１のマトリックスの内部に析出した硬質粒子である共晶アルミニウム−シリコン合金（以下、「共晶シリコン」という）２２の結晶が均一に分散している状態である。このアルミニウム２１が第１の物質に該当し、共晶シリコン２２が第２の物質に該当する。 The Al—Si alloy 20 before being irradiated with the pulse laser beam is a hard particle that contains aluminum as the first chemical component and silicon as the second chemical component and is precipitated inside the matrix of the aluminum 21. In this state, crystals of a certain eutectic aluminum-silicon alloy (hereinafter referred to as “eutectic silicon”) 22 are uniformly dispersed. The aluminum 21 corresponds to the first material, and the eutectic silicon 22 corresponds to the second material.
図７において、横軸はパルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値であり、縦軸は平均加工レートである。 In FIG. 7, the horizontal axis is the adjusted fluence value of the pulse laser beam, and the vertical axis is the average processing rate.
図７に示すように、Ａｌ−Ｓｉ合金２０では、アルミニウム２１の加工閾値Ｆth Alは、共晶シリコン２２の加工閾値Ｆth Euより大きい。つまり、共晶シリコン２２は、アルミニウム２１よりも小さなフルーエンスのパルスレーザ光で加工可能である。本実施形態では、アルミニウム２１の加工閾値Ｆth Alが第１の閾値に該当し、共晶シリコン２２の加工閾値Ｆth Euが第２の閾値に該当する。 As shown in FIG. 7, in the Al—Si alloy 20, the processing threshold F th Al of the aluminum 21 is larger than the processing threshold F th Eu of the eutectic silicon 22. That is, the eutectic silicon 22 can be processed with a pulsed laser beam having a smaller fluence than the aluminum 21. In the present embodiment, the processing threshold value F th Al of the aluminum 21 corresponds to the first threshold value, and the processing threshold value F th Eu of the eutectic silicon 22 corresponds to the second threshold value.
また、アルミニウム２１と共晶シリコン２２とは、パルスレーザー光が所定のフルーエンスより小さいときには、アルミニウム２１の方が共晶シリコン２２より平均加工レートが小さく、パルスレーザ光が所定のフルーエンスより大きいときには、アルミニウム２１の方が共晶シリコン２２より平均加工レートが大きい。つまり、アルミニウム２１と共晶シリコン２２とは、平均加工レートがフルーエンスの値によって途中で逆転する特性を有する。ここでいう所定のフルーエンスとは、アルミニウム２１と共晶シリコン２２との平均加工レートが同一になるときのパルスレーザ光のフルーエンスである。このような特性を利用して、以下の方法でＡｌ−Ｓｉ合金２０の表面を加工する。 Further, when the pulse laser beam is smaller than the predetermined fluence, the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 have a lower average processing rate than the eutectic silicon 22 and the pulse laser beam is larger than the predetermined fluence. Aluminum 21 has a higher average processing rate than eutectic silicon 22. That is, the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 have characteristics that the average processing rate is reversed in the middle depending on the value of the fluence. The predetermined fluence here is the fluence of the pulse laser beam when the average processing rate of the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 is the same. Utilizing such characteristics, the surface of the Al—Si alloy 20 is processed by the following method.
まず、加工ステージ５上にＡｌ−Ｓｉ合金２０を載置し、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の被加工部位にパルスレーザ光を照射させる。照射されるパルスレーザ光は、アルミニウム２１の加工閾値Ｆth Alと共晶シリコン２２の加工閾値Ｆth Euとに応じて、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面に所望の物質を露出可能なフルーエンスに調整され、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の加工中には、一定のフルーエンスを維持する。 First, the Al—Si alloy 20 is placed on the processing stage 5, and the part to be processed of the Al—Si alloy 20 is irradiated with pulsed laser light. The irradiated pulsed laser light is adjusted to a fluence capable of exposing a desired substance on the surface of the Al—Si alloy 20 according to the processing threshold F th Al of the aluminum 21 and the processing threshold F th Eu of the eutectic silicon 22. During the processing of the Al—Si alloy 20, a certain fluence is maintained.
次に、加工ステージ５を駆動することによってＡｌ−Ｓｉ合金２０をパルスレーザ光に対して移動させる。パルスレーザ光が照射されると、Ａｌ−Ｓｉ合金２０は、パルスレーザ光の調整されたフルーエンスの値に対応して以下のように加工される。 Next, the Al—Si alloy 20 is moved with respect to the pulsed laser beam by driving the processing stage 5. When the pulse laser beam is irradiated, the Al—Si alloy 20 is processed as follows corresponding to the adjusted fluence value of the pulse laser beam.
図７のフルーエンスＥのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図８（ｅ）に示すとおり、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２は、共に加工されない。 When the fluence of the pulse laser beam is adjusted to a value smaller than the processing threshold of the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 as in the fluence E of FIG. 7, as shown in FIG. The crystal silicon 22 is not processed together.
図７のフルーエンスＦのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、アルミニウム２１の加工閾値より大きく、かつ共晶シリコン２２の加工閾値より小さな値に調整された場合には、図８（ｆ）に示すとおり、共晶シリコン２２は弱く加工されるが、アルミニウム２１は加工されない。よって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面では、加工されなかったアルミニウム２１のマトリックス中に、加工された共晶シリコン２２が凹部を形成する。したがって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面にアルミニウム２１が露出する。 When the fluence of the pulse laser beam is adjusted to a value larger than the processing threshold value of the aluminum 21 and smaller than the processing threshold value of the eutectic silicon 22 as in the fluence F of FIG. As described above, the eutectic silicon 22 is processed weakly, but the aluminum 21 is not processed. Therefore, on the surface of the Al—Si alloy 20, the processed eutectic silicon 22 forms a recess in the matrix of the aluminum 21 that has not been processed. Therefore, the aluminum 21 is exposed on the surface of the Al—Si alloy 20.
図７のフルーエンスＧのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２の加工閾値を超え、かつ、両者の平均加工レートが略同一になる値に調整された場合には、図８（ｇ）に示すとおり、両者の加工量は、平均加工レートが略同一であるため略同一である。したがって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面には、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２が共に露出する。 When the fluence of the pulse laser beam is adjusted to a value that exceeds the processing threshold of the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 and the average processing rate of both is substantially the same as in the fluence G of FIG. As shown in FIG. 8G, the processing amounts of both are substantially the same because the average processing rate is substantially the same. Therefore, both the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 are exposed on the surface of the Al—Si alloy 20.
図７のフルーエンスＨのように、パルスレーザ光のフルーエンスが、共晶シリコン２２の平均加工レートがアルミニウム２１の平均加工レートより大きくなる値に調整された場合には、図８（ｈ）に示すとおり、アルミニウム２１及び共晶シリコン２２は、両者とも加工されるが、その加工深さは平均加工レートが相違する分だけ相違する。即ち、アルミニウム２１は著しく加工され、共晶シリコン２２は弱く加工されるため、Ａｌ−Ｓｉ合金２０では、加工深さの大きなアルミニウム２１から加工深さの小さな共晶シリコン２２が突起を形成する。よって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０の表面に共晶シリコン２２が露出する。 When the fluence of the pulse laser beam is adjusted to a value at which the average processing rate of the eutectic silicon 22 is larger than the average processing rate of the aluminum 21 as in the fluence H of FIG. As described above, both the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 are processed, but the processing depths differ by the difference in the average processing rate. That is, since the aluminum 21 is remarkably processed and the eutectic silicon 22 is processed weakly, in the Al—Si alloy 20, the eutectic silicon 22 having a small processing depth forms protrusions from the aluminum 21 having a large processing depth. Therefore, the eutectic silicon 22 is exposed on the surface of the Al—Si alloy 20.
したがって、図８（ｅ）〜（ｈ）に示すように、パルスレーザ光のフルーエンスを図７のＥ〜Ｈの値に調整することで、アルミニウム２１と共晶シリコン２２との平均加工レートの差を利用して、アルミニウム２１のマトリックスの表面に共晶シリコン２２を露出させたり、共晶シリコン２２の凹部を形成してアルミニウム２１を露出させたりすることが可能である。 Therefore, as shown in FIGS. 8E to 8H, the difference in average processing rate between the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 is adjusted by adjusting the fluence of the pulse laser beam to the values of E to H in FIG. It is possible to expose the eutectic silicon 22 on the surface of the aluminum 21 matrix or to form the recesses in the eutectic silicon 22 to expose the aluminum 21.
以上より、合金６の表面に照射されるパルスレーザ光のフルーエンスを調整することによって、合金６の表面を加工し、所望の物質を表面に露出させることができ、環境に影響のある液体を排出することがなく、簡易な工程で合金の表面を加工することができる。 As described above, by adjusting the fluence of the pulsed laser light applied to the surface of the alloy 6, the surface of the alloy 6 can be processed to expose a desired substance on the surface, and the liquid that affects the environment is discharged. Therefore, the surface of the alloy can be processed with a simple process.
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、パルスレーザ光が照射される前のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、アルミニウム２１のマトリックス中に硬質粒子である共晶シリコン２２が均一に分散している状態、又はアルミニウム２１のマトリックス中に均一に分散する共晶シリコン２２が一部表面に突出している状態である。 As shown in FIGS. 9A and 9B, in the Al—Si alloy 20 before being irradiated with the pulse laser beam, the eutectic silicon 22 as hard particles is uniformly dispersed in the matrix of the aluminum 21. Or eutectic silicon 22 uniformly dispersed in the matrix of aluminum 21 partially protrudes from the surface.
これに対して図９（ｃ）に示すように、図７におけるフルーエンスＦに調整されたパルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面の共晶シリコン２２のみが除去されて、アルミニウム２１のマトリックス中に共晶シリコン２２が凹部を形成し、かつ、共晶シリコン２２の照射面に幅が約７００[ｎｍ]の周期溝１３が形成された状態となる。 On the other hand, as shown in FIG. 9C, only the eutectic silicon 22 on the irradiated surface is removed from the Al—Si alloy 20 after being irradiated with the pulsed laser light adjusted to the fluence F in FIG. Thus, the eutectic silicon 22 forms recesses in the matrix of the aluminum 21, and the periodic groove 13 having a width of about 700 [nm] is formed on the irradiated surface of the eutectic silicon 22.
また、図９（ｄ）に示すように、図７におけるフルーエンスＨに調整されたパルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面のアルミニウム２１のみが除去されて共晶シリコン２２が突起を形成し、かつ照射面に周期溝１３が形成された状態となる。 Further, as shown in FIG. 9 (d), the Al—Si alloy 20 after being irradiated with the pulsed laser light adjusted to the fluence H in FIG. 22 forms a protrusion, and the periodic groove 13 is formed on the irradiation surface.
次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態による金属表面加工方法によってパルスレーザ光を照射した後のＡｌ−Ｓｉ合金２０表面の状態について説明する。 Next, with reference to FIGS. 10 and 11, the state of the surface of the Al—Si alloy 20 after being irradiated with the pulse laser beam by the metal surface processing method according to the present embodiment will be described.
図１０に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図７のＦの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図１０の中で白く囲われた部分が、共晶シリコン２２である。図１０に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面に共晶シリコン２２が凹状に形成されていることがわかる。 The state shown in FIG. 10 is the state of the part to be processed when the fluence of the pulsed laser light is adjusted to the value F in FIG. The portion surrounded by white in FIG. 10 is the eutectic silicon 22. As shown in FIG. 10, it can be seen that the Al—Si alloy 20 after being irradiated with the pulsed laser light has eutectic silicon 22 formed in a concave shape on the irradiated surface.
図１１に示す状態は、パルスレーザ光のフルーエンスが、図７のＨの値に調整された場合の被加工部位の状態である。図１１の中で白く囲われた部分が、共晶シリコン２２である。図１１に示すように、パルスレーザ光が照射された後のＡｌ−Ｓｉ合金２０は、照射面に共晶シリコン２２の突起が形成されていることがわかる。 The state shown in FIG. 11 is the state of the part to be processed when the fluence of the pulsed laser beam is adjusted to the value H in FIG. A portion surrounded by white in FIG. 11 is the eutectic silicon 22. As shown in FIG. 11, it can be seen that the Al—Si alloy 20 irradiated with the pulse laser beam has eutectic silicon 22 protrusions formed on the irradiated surface.
以上の実施の形態によれば以下に示す効果を奏する。 According to the above embodiment, the following effects are produced.
パルスレーザ光のフルーエンスを所望の値に調整して照射することによって、Ａｌ−Ｓｉ合金２０を加工することができる。このとき、アルミニウム２１のマトリックス中に共晶シリコン２２の突起又は凹部を形成することができ、また、アルミニウム２１と共晶シリコン２２との加工量を略同一にすることもできる。そのため、エッチング加工によって共晶シリコン２２を突出させる場合のように環境に影響のある液体を排出することがなく、液体の廃棄に要する設備や費用が不要なのでコストダウンを図ることができる。また切削加工や研磨加工によって共晶シリコン２２を突出させる場合のように複雑な加工工程が不要なので、加工時間及び加工精度を向上させることができる。 The Al—Si alloy 20 can be processed by irradiating the pulse laser beam with the fluence adjusted to a desired value. At this time, the protrusions or recesses of the eutectic silicon 22 can be formed in the matrix of the aluminum 21, and the processing amounts of the aluminum 21 and the eutectic silicon 22 can be made substantially the same. Therefore, unlike the case where the eutectic silicon 22 is protruded by etching processing, the liquid having an influence on the environment is not discharged, and the cost and cost can be reduced because the equipment and expense required for the disposal of the liquid are unnecessary. Further, since a complicated processing step is not required as in the case where the eutectic silicon 22 is protruded by cutting or polishing, the processing time and processing accuracy can be improved.
また、本実施形態によるレーザ加工を施したＡｌ−Ｓｉ合金２０を摺動部材との摺動面に用いれば、アルミニウム２１と摺動部材との接触を防ぐとともに、共晶シリコン２２が突出することによって摺動面に油膜が形成されやすくなる。これにより、摺動時における耐焼付き性を向上させることができる。 Further, when the Al—Si alloy 20 subjected to laser processing according to the present embodiment is used for the sliding surface with the sliding member, the contact between the aluminum 21 and the sliding member is prevented and the eutectic silicon 22 protrudes. This facilitates the formation of an oil film on the sliding surface. Thereby, the seizure resistance at the time of sliding can be improved.
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
例えば、上記第１の実施の形態ではＡｌ−Ｓｉ合金１０の一例としてシリコン含有量が１６％の過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を用い、第２の実施形態ではＡｌ−Ｓｉ合金２０の一例としてシリコン含有量が１２％の亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を用いたが、それぞれ過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金，亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金であればこれに限られるものではない。 For example, in the first embodiment, a hypereutectic Al—Si alloy having a silicon content of 16% is used as an example of the Al—Si alloy 10, and in the second embodiment, silicon is used as an example of the Al—Si alloy 20. Although a hypoeutectic Al-Si alloy having a content of 12% was used, the present invention is not limited to this as long as it is a hypereutectic Al-Si alloy and a hypoeutectic Al-Si alloy, respectively.
また、摺動面に突出させる硬質粒子の一例として初晶シリコン１２，共晶シリコン２２（Ａｌ−Ｓｉ合金で析出する共晶Ｓｉ及び初晶Ｓｉ）を挙げたが、これ以外にもアルミニウム合金に添加されている合金元素によって析出した金属間化合物（例えばＣｕＡｌ2、Ａｌ5Ｃｕ2Ｍｇ2、Ｍｇ2Ｓｉ）や、アルミ基複合材料で添加される強化粒子（例えばＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3）がある。 Moreover, although primary crystal silicon 12 and eutectic silicon 22 (eutectic Si and primary crystal Si precipitated in an Al-Si alloy) were cited as examples of hard particles that protrude on the sliding surface, other than this, aluminum alloys An intermetallic compound (for example, CuAl 2 , Al 5 Cu 2 Mg 2 , Mg 2 Si) precipitated by the added alloying element or reinforcing particles (for example, SiC, Al 2 O 3 ) added by an aluminum-based composite material is there.
本発明は、合金の表面を加工する方法として利用することができる。 The present invention can be used as a method for processing the surface of an alloy.
１ レーザ発生器
４ 集光レンズ
５ 加工ステージ
６ 合金
１０ Ａｌ−Ｓｉ合金
１１ 過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金
１２ 初晶シリコン
１３ 周期溝
２０ Ａｌ−Ｓｉ合金
２１ アルミニウム
２２ 共晶シリコン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser generator 4 Condensing lens 5 Processing stage 6 Alloy 10 Al-Si alloy 11 Hypereutectic Al-Si alloy 12 Primary crystal 13 Periodic groove 20 Al-Si alloy 21 Aluminum 22 Eutectic silicon
Claims (12)
前記加工特性の相違に応じて、照射されるパルスレーザ光を、前記合金の表面に前記第１の物質及び前記第２の物質のうち所望の物質を露出可能な特性に調整する工程と、
前記特性に調整されたパルスレーザ光を前記合金の表面に照射する工程と、を備えることを特徴とする金属表面加工方法。 A metal surface processing method for processing a part to be processed on the surface of an alloy containing a first material and a second material, which have different processing characteristics with respect to an irradiated pulsed laser beam,
Adjusting the pulsed laser light to be irradiated to a characteristic capable of exposing a desired substance among the first substance and the second substance on the surface of the alloy according to the difference in the processing characteristics;
Irradiating the surface of the alloy with a pulsed laser beam adjusted to the above characteristics.
前記第２の物質は、照射されるパルスレーザ光のフルーエンスが、前記第１の閾値とは相違する第２の閾値以上になると加工されるものであり、
前記第１の閾値と前記第２の閾値との相違に応じて、パルスレーザ光のフルーエンスを、前記合金の表面に前記第１の物質及び前記第２の物質のうち所望の物質を露出可能な値に調整する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の金属表面加工方法。 The first substance is processed when the fluence of the pulsed laser light to be irradiated becomes equal to or higher than a first threshold value.
The second substance is processed when the fluence of the pulsed laser light to be irradiated becomes equal to or higher than a second threshold different from the first threshold,
Depending on the difference between the first threshold value and the second threshold value, the fluence of pulsed laser light can be exposed to a desired material among the first material and the second material on the surface of the alloy. The metal surface processing method according to claim 1, further comprising a step of adjusting to a value.
前記パルスレーザ光の照射により、前記合金の表面に前記第２の物質の突起を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。 The first substance is a substance having an average processing rate that is a processing amount corresponding to a value of fluence, which is larger than that of the second substance at all fluences.
The metal surface processing method according to claim 1, wherein a projection of the second substance is formed on the surface of the alloy by irradiation with the pulse laser beam.
照射される前記パルスレーザ光のフルーエンスを調整することにより、前記合金の表面に前記第１の物質又は前記第２の物質の突起又は凹部を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の金属表面加工方法。 The first material is smaller than the second material when the average processing rate, which is a processing amount corresponding to the value of fluence, is smaller than the predetermined fluence, and from the second material when larger than the predetermined fluence. A big substance,
6. The protrusion or recess of the first substance or the second substance is formed on the surface of the alloy by adjusting the fluence of the pulsed laser light to be irradiated. 6. The metal surface processing method as described in any one.
前記合金の表面に前記第２の物質の突起を形成することを特徴とする請求項７に記載の金属表面加工方法。 The fluence of the pulsed laser light is adjusted to a value where the average processing rate of the second substance is smaller than the average processing rate of the first substance,
The metal surface processing method according to claim 7, wherein a protrusion of the second substance is formed on the surface of the alloy.
前記合金の表面に前記第２の物質の凹部を形成することを特徴とする請求項７に記載の金属表面加工方法。 The fluence of the pulsed laser light is adjusted to a value at which the average processing rate of the second substance is larger than the average processing rate of the first substance,
The metal surface processing method according to claim 7, wherein a concave portion of the second substance is formed on the surface of the alloy.
パルスレーザ光を発生するレーザ発生器と、
前記パルスレーザ光を、前記加工特性に応じて、前記合金の表面に所望の物質を露出可能な特性に調整するレーザエネルギ調整装置と、
前記特性に調整されたパルスレーザ光の偏光を調整するレーザ偏光調整装置と、
前記偏光に調整されたパルスレーザ光を集光して前記合金に照射する集光レンズと、を備えることを特徴とする金属表面加工装置。 A metal surface processing apparatus for processing a part to be processed on the surface of an alloy containing a first material and a second material, which have different processing characteristics with respect to an irradiated pulsed laser beam,
A laser generator for generating pulsed laser light;
A laser energy adjusting device that adjusts the pulsed laser light to a characteristic capable of exposing a desired substance on the surface of the alloy according to the processing characteristics;
A laser polarization adjusting device that adjusts the polarization of the pulsed laser light adjusted to the characteristics;
A metal surface processing apparatus comprising: a condensing lens that condenses the pulsed laser light adjusted to the polarized light and irradiates the alloy.
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