WO2009081614A1 - 表面改質方法および被覆体 - Google Patents

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Muneharu Kutsuna
Kiyotaka Saito
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Muneharu Kutsuna
Kiyotaka Saito
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding

Definitions

  • the present invention relates to a surface modification method using a laser and a covering used therefor.
  • the present inventor does not directly irradiate the surface of the workpiece with a pulsed laser having a high peak power density, but covers the surface to be processed with a laser absorption enhancing coating, and short pulse high peak from above the laser absorption enhancing coating.
  • a laser peening method that can irradiate the output laser to form a fine concavity due to the shock wave of laser peening on the surface to be processed, or to drive particles such as solid lubricant onto the surface to be processed ( Patent Document 1).
  • the base sheet of the laser absorption enhancement film is made of a resin film or a metal thin film
  • the base sheet is plastically deformed by laser irradiation, and the impact force due to the generation of plasma is efficiently applied to the work surface.
  • a sufficient compressive residual stress could not be applied by a peening process such as a weld toe.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to efficiently apply an impact force generated by plasma generation to a surface to be processed and to impart a desired function to the surface to be processed. It is an object of the present invention to provide a quality method and a coated body used therefor.
  • the surface modification method of the present invention is a covering comprising a plasma generation layer that generates plasma by absorbing a laser on a work surface of a work, and a hard layer having a flat or uneven shape on one surface. Covering, irradiating the plasma generation layer of the covering body with a laser having a short pulse high peak output, and press-molding the work surface into an uneven shape of the hard layer by a shock wave of laser peening.
  • the covering covering the workpiece surface is integrally provided with the plasma generation layer and the hard layer, so that the impact force associated with the plasma generation is effective through the hard layer. Can be applied to the work surface. Since a predetermined uneven shape is formed on the workpiece-facing surface of the hard layer, the work surface is plastically deformed and pressure-formed into this uneven shape. And by this pressure forming, surface modification such as crystal refinement and elimination of minute surface defects can be performed on the work surface. Further, high compressive residual stress can be effectively applied to the work surface.
  • a fixed object that adheres to the surface to be processed and imparts a desired function to the surface to be processed may be disposed between the covering and the surface to be processed. desirable.
  • a fixed object disposed between the covering and the processing surface is embedded in the processing surface by a shock wave of laser peening.
  • the surface to be processed is pressure-molded into the concavo-convex shape of the hard layer, so that the fixed object can be three-dimensionally arranged on the surface to be processed.
  • the covering may be made of a plate-like or belt-like steel material, and may have a hard layer formed by a hardening process on one surface side of the steel material.
  • the covering according to the present invention includes a plasma generation layer and a hard layer.
  • the plasma generation layer needs to absorb the laser to generate plasma, and to have strength and ductility that do not break due to shock waves.
  • a steel material is suitable because it has a suitable strength and ductility, and is a material that easily absorbs a laser and becomes plasma.
  • a hardened layer can be easily formed by a known hardening process such as quenching, carburizing, nitriding / nitriding, hard plating, hardening vapor deposition, and work hardening. Therefore, a steel material in which a concavo-convex shape is formed on one surface by a well-known method such as embossing or laser processing, and the above-described hardening treatment is performed on the one surface side is suitable as a coating body according to the present invention.
  • the covering is formed by joining a plasma generation layer made of any one of plate-like or band-like metal, metal compound, resin, and synthetic rubber and a hard layer made of a material having a hardness higher than that of the plasma generation layer. It is good also as a laminated body. Depending on the thickness of the coated body, pressure molding and embedding of a fixed object may be insufficient in a cured layer obtained by curing one surface as described above. In such a case, the plasma generating layer and the hard layer may be made of different materials and bonded together to form a coating.
  • the fixed substance can be a metal, an alloy, a metal compound, a resin, or a ceramic powder.
  • the fixed substance may be a micro component such as an IC chip, a semiconductor, a microchip, an optical element, a micromachine, and a microchemical.
  • these micro components have been mounted on a substrate such as an electronic circuit by a method such as brazing or bonding.
  • a covering by applying the surface modification method of the present invention using a covering, the microcomponent can be easily mounted on a desired mounting surface in the same manner as the powder and granular material.
  • the hardness of the hard layer is desirably HV150 or more in order to firmly fix the above powdery particles and micro parts.
  • the surface modification method of the present invention before irradiating the laser, one or more of heat treatment, plating treatment, metal spraying treatment, build-up treatment, and vapor deposition treatment is performed on the work surface of the work piece in advance. It is desirable to apply. By subjecting the work piece to these treatments and forming a soft layer in advance on the work surface, the work surface can be pressure-formed more reliably and the fixed object can be embedded more reliably. be able to.
  • the covering of the present invention is a covering of a work piece that indirectly irradiates a work piece by irradiating a laser, and a plasma generation layer that absorbs the laser to generate plasma, and the work piece And a hard layer having an uneven shape on the opposite surface.
  • various functions can be imparted to the surface to be processed by appropriately selecting the uneven shape and the fixed object on the surface of the covering.
  • a micro component such as an IC chip can be easily mounted on a predetermined substrate.
  • (A) Before laser irradiation, (b) shows after embedding micro parts. It is a figure explaining the modification of 3rd Embodiment.
  • (A) is a cross-sectional schematic diagram of the covering body holding a micro component, and (b) shows a surface layer cross section after embedding the micro component.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing an outline of the first embodiment, in which 10 is a workpiece, 20 is a covering that covers the surface to be processed, 30 is a laser emitting portion, and 31 is a condensing lens.
  • the covering 20 includes a plasma generation layer 21 that generates a plasma by absorbing a laser, and a hard layer 22. Therefore, the coating body 20 can be configured by forming a hard layer 22 by performing an appropriate curing process on one side of a plate-like or strip-like metal that is easily converted to plasma by laser irradiation.
  • the hard layer 22 is formed by performing hardening treatment such as quenching, carburizing, or carburizing / nitriding on one surface.
  • the hardened layer, the carburized layer, or the nitriding / nitriding layer of the steel sheet is the hard layer 22, and the untreated portion of the steel sheet is the plasma generation layer 21.
  • the hard layer 22 may be formed by applying an aging treatment or a hard anodizing treatment to one surface thereof.
  • the covering 20 is not limited to a single material having the two-layer structure as described above, but is a laminate in which the material of the plasma generation layer 21 and the material of the hard layer 22 are separated and joined together. You may comprise as a body.
  • a material that is easily converted to plasma by laser irradiation is the plasma generation layer 21, and another material harder than the plasma generation layer 21 is the hard layer 22.
  • a low carbon steel sheet is used as the plasma generation layer 21, and a sheet-like carburized and hardened sheet formed by carburizing treatment is laminated as the hard layer 22 on the low carbon steel sheet and bonded with an adhesive or the like. It may be 20.
  • a concave / convex shape 22 a composed of a concave portion 221 and a convex portion 222 is formed on the side of the covering 20 that faces the processed surface 10 a of the hard layer 22.
  • An example of the uneven shape is shown in FIG. 2A and 2B are a perspective view and a schematic cross-sectional view of the cover 20 as viewed from the back surface (surface facing the surface to be processed).
  • the irregular shape 22a may be a regular lattice shape as shown in (a) or an irregular shape as shown in (b).
  • the depth d of the recess 221 is preferably 1 to 30 ⁇ m.
  • the depth d of the recess 221 is less than 1 ⁇ m, sufficient compressive residual stress cannot be applied to the surface to be processed, and formation of a deep concavo-convex shape exceeding 30 ⁇ m requires more than usual laser output, so Absent. More preferably, it is 3 to 10 ⁇ m.
  • Such a concavo-convex shape can be formed by a known method such as embossing, laser processing, or rolling. The uneven shape may be formed before or after the curing process.
  • the thickness of the covering 20 configured as described above is preferably 5 to 120 ⁇ m. If the thickness of the covering body 20 is less than 5 ⁇ m, the covering body 20 may be damaged due to the generation of plasma. On the other hand, if it exceeds 120 ⁇ m, the stress due to the shock wave may not be effectively transmitted to the work surface. More preferably, it is 15 to 50 ⁇ m. Further, in order to effectively perform desired pressure molding on the work surface 10a, it is preferable that 10-30% of the covering 20 thickness t be the hard layer 22. If the hard layer 22 is less than 10% of the coating thickness t, the hard layer may break due to high plasma pressure, and effective pressure molding may not be possible. A thickness exceeding 30% is not preferable because the rigidity of the covering 20 is too high and the covering 20 cannot be deformed following the laser irradiation. The thickness of the hard layer 20 is more preferably 10 to 20% of the covering 40.
  • a laser absorption enhancement layer in which graphite, black pigment, or the like is applied to the upper surface of the covering 20 (the surface of the plasma generation layer 21) may be formed.
  • the facility 20 is installed so that the surface 20a of the workpiece 10 is opposed to the concavo-convex surface 22a and the covering 20 is in close contact therewith.
  • a laser having a short pulse high peak output with a pulse width of 1 to 50 ns and an output density of 1 [GW / cm 2 ] to 50 [GW / cm 2 ] is irradiated toward the covering 20.
  • a Qd-switched Nd: YAG laser device is used, the pulse energy is 1.0 [mJ / pulse] to 2000 [mJ / pulse], the wavelength is 532 [nm] to 1080 [nm], and the laser power density Is emitted toward the coating 20 with a pulse laser set to 5 [GW / cm 2 ] to 15 [GW / cm 2 ] and a frequency of several 1 [Hz] to several 1000 [Hz].
  • a condensing lens 31 is provided in a laser condensing unit (not shown) or a laser emitting unit 30 in the laser device so that the laser irradiation diameter on the surface of the plasma generation layer 21 of the covering 20 is 0.1 mm to 0.1 mm.
  • the laser is focused so as to be 6.0 mm.
  • the laser L When the laser is emitted as described above, the laser L reaches the plasma generation layer 21 of the covering 20, and the plasma generation layer 21 is rapidly heated to a high temperature of 5000 [° C.] or more and explosively generates plasma. appear. That is, part or all of the plasma generation layer 21 is turned into plasma, and particles such as atoms, molecules, ions, and electrons that are constituents of the plasma generation layer 21 are explosively emitted. Then, reaction force due to explosive release of these particle groups is applied as a shock wave from the hard layer 22 to the work surface 10a of the work piece 10. That is, for example, a reaction force of 1 [GPa] to 10 [GPa] (10,000 atm to 100,000 atm) acts on the work surface 10a.
  • the concave / convex shape 22a is formed in the hard layer 22 of the covering 20 facing the processing surface 10a, the surface layer portion of the processing surface 10a is plastically deformed by the pressure generated by the plasma generation, and is added to the concave / convex shape 22a. It is pressure formed.
  • the covering 20 is scraped off from the workpiece 10 to obtain the workpiece 10 in which a desired uneven shape 22a is press-formed on the processing surface 10a.
  • the sliding contact portion (convex portion) and the oil sump (concave portion) are uniformly and easily spread over the entire sliding surface. Can be formed.
  • crystal subdivision, disappearance of existing cracks, work hardening, and the like occur on the work surface 10a, and high pressure resistance and fatigue strength are imparted to the pressure formed surface. Can do.
  • a high pressing force of, for example, several GPa is applied to the work surface 10a, it is possible to apply a high compressive residual stress to the deep part of the pressure forming surface. For example, by applying such pressure forming to the weld toe, the fatigue strength of the welded portion can be increased, and the life of the welded structure can be extended.
  • the laser irradiation to the covering 20 may be performed through water.
  • it is a method of irradiating a laser while placing the covering 20 on the workpiece 10 or placing the covering 20 in the water or flowing water through the irradiation unit.
  • the intensity of the shock wave applied to the work surface of the work piece is higher than when the cover is directly irradiated with laser. Therefore, it is possible to efficiently press-mold the surface to be processed.
  • using a second harmonic of a YAG laser having a wavelength of 532 [nm] allows water to pass through more easily than using a normal YAG laser having a wavelength of 1064 [nm].
  • the wavelength of the laser is preferably 532 [nm].
  • the desired surface is given a desired function by being fixed to the surface to be processed between the covering and the surface to be processed.
  • This is a mode in which the fixed object is fixed to or embedded in the processed surface together with the pressure forming of the processed surface by arranging the fixed object.
  • the fixed substance is a granular material having a desired function
  • the powder having a desired function include solid lubricant particles that improve sliding characteristics, self-cleaning and hydrophilic photocatalyst particles, and antibacterial particles having antibacterial properties. it can.
  • the present embodiment can be carried out in the same manner as in the first embodiment, except that these granular materials are arranged between the work surface and the cover before laser irradiation.
  • the granular material 40 to be embedded in the concave portion 221 of the concave-convex shape 22a of the coating body 20 is filled and adhered.
  • the covering 20 is placed in close contact with the processing surface 10a and irradiated with the laser L.
  • the uneven shape 22a is pressure-molded on the processing surface 10a by laser irradiation, and at the same time, the granular material 40 is driven and embedded in the processing surface 10a.
  • the granular material 40 when the granular material 40 is disposed only in the concave portion 221 on the surface of the covering 20, the granular material 40 is pressed against the work surface 10a as shown in FIG. It can be embedded only in the top surface of the convex portion 221 ′ of the formed uneven surface 22a ′.
  • the powder body 40 when the powder body 40 is disposed only on the convex portion 222 on the surface of the covering body 20, the powder body 40 is projected on the uneven surface transferred to the processing surface 10a as shown in FIG. It can be embedded only in the bottom surface of the portion 222 ′.
  • the granular material 40 may be embedded in both the top surface of the convex portion 221 ′ and the bottom surface of the concave portion 221 ′.
  • the concave portion 222 ′ becomes an oil reservoir, and the solid embedded in the top surface of the convex portion 221 ′.
  • the lubricant particles are in sliding contact with the mating member. Therefore, the frictional resistance of the sliding surface can be further reduced by reducing the sliding contact area and improving the lubricity.
  • the pressure-molded surface 22a ' has improved wear resistance due to crystal refinement, work hardening, and the like, so that it can be a sliding surface excellent in lubricity and durability.
  • the powder body 40 is not limited to the above metal particles, and for example, a powder body made of a metal compound, ceramics, resin, or the like can be appropriately used depending on the purpose.
  • the hardness of the hard layer 22 of the covering 20 is HV300 or more in order to effectively fix or embed the granular material 40 on the work surface 10a.
  • HV 800 to 1000 is preferable.
  • the thickness of the hard layer 22 varies depending on the material configuration of the plasma generation layer 21 and the hard layer 22 and the hardness, size, or material of the powder body 40, but is generally 10-30% of the thickness of the coating body 20. It is. If it is less than 10%, for example, it is not possible to effectively embed high hardness materials such as metal compounds and ceramics. On the other hand, if the thickness exceeds 30%, the ductility of the film body is lowered and cannot be deformed following the plasma pressure.
  • the surface to be processed is preliminarily treated so that the embedded granular material is easily fixed.
  • the granular material is silver and the workpiece is martensitic stainless steel (for example, a knife) having a hardness higher than that of the granular material
  • the surface to be processed is heat-treated, plated, or sprayed.
  • a soft layer 12 having a lower hardness than the granular material embedded in the surface to be processed is formed by performing an appropriate base treatment such as a treatment, a build-up treatment, or a vapor deposition treatment.
  • the thickness of the soft layer 12 is approximately 2 to 10 ⁇ m, although it varies depending on the type of powder and the ground treatment method.
  • a periodic fine structure by laser processing on the processing surface as a base treatment.
  • a groove having a width of 0.2 to 3 ⁇ m and a depth of 1 to 2 ⁇ m is formed in a lattice pattern at intervals of 0.5 to 5 ⁇ m by a femtosecond laser or excimer laser on a sliding surface of a gear or the like.
  • the molybdenum disulfide particles can be reliably embedded in the groove.
  • the resin mixed with molybdenum disulfide include an epoxy-based, acrylic-based, or polyamide-based adhesive or adhesive material.
  • a micro component such as an IC chip or a semiconductor is embedded (attached) on a predetermined surface of the workpiece as a fixed object, and the fixed object is different. Except for this, it can be carried out in the same manner as in the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view conceptually showing the coating body 20 and the micro component 50 according to the present embodiment.
  • the hard layer 22 of the coating body 20 has a recess 221 formed on the workpiece facing surface, and a part of the embedded micro component 50 is fitted and held therein.
  • the micro component 50 is held by being bonded to the recess 221 with the adhesive 60.
  • the film body 20 holding the micro component 50 is placed on the work surface 10a, and the laser is irradiated in the same manner as in the above embodiment. By laser irradiation, the micro component 50 is embedded in the workpiece 10 as shown in FIG.
  • the soft layer 12 may be formed in advance on the surface into which the micro component 50 is driven in the same manner as in the second embodiment.
  • the volume of the micro component 50 is preferably 0.01 to 10 mm 3 .
  • the metal or resin powder has been described.
  • the powder may be a granulate obtained by granulating a composition having a desired function.
  • titanium oxide powder having a photocatalytic function is mixed with an adhesive material together with zeolite or silica gel to form a composition, and granulated into pellets of several ⁇ m to several hundred ⁇ m. And this pellet is embed
  • the workpiece is an inorganic material such as a metal, an alloy, or a metal compound.
  • the workpiece may be an organic material such as resin, rubber, wood, paper, or cloth. Good. For example, if a microchip is embedded in clothes, functions for identifying and recognizing individuals can be provided.
  • a desired function is imparted to the surface to be processed by one surface modification.
  • a plurality of coverings having different concavo-convex shapes are used, or different fixed objects are embedded.
  • the processed surface may be subjected to pressure molding a plurality of times. Thereby, a workpiece having a plurality of different surface functions can be obtained. For example, it is possible to obtain an electrical component having both a conductive function and a nonconductive function by first embedding Ni powder and then fixing the resin.
  • the fixed object may be a metal foil.
  • a metal foil having a thickness of 5 to 50 ⁇ m is disposed on the surface of the workpiece, and pressure molding is performed as in the first embodiment. Since the surface of the workpiece and the metal foil are pressed into a concavo-convex shape while producing a new surface, the metal foil can be firmly bonded to the surface of the workpiece by micro bonding (cladding). For example, if an iridium or platinum foil is joined to the microelectrode, an inexpensive electrode can be formed.
  • a concave-convex shape as shown in FIG. 6A is formed on the workpiece-facing surface of the hard layer 22, the microcomponents 52, 53, 54 are held in predetermined concave portions, respectively, and the covering 20 is appropriately processed.
  • a concave portion 222 ′ can be formed as shown in FIG. 6B, and the micro parts 52, 53, and 54 can be simultaneously embedded in the surface of the workpiece.
  • Reference numeral 61 denotes a composition such as an insulating material.
  • an electronic circuit can be formed on the surface to be processed by fixing the conductors connecting the micro components together.
  • the surface of the metal member, the inorganic member, and the organic member can be slidable, lubricated, heat-resistant, corrosion-resistant, creep-resistant, and wear-resistant by selecting the uneven shape of the covering and an appropriate fixed object. It is useful in a wide range of fields since it can be provided with various functions such as properties, anti-slip properties, water repellency, hydrophilicity, antibacterial properties, sterilization properties, and gloss. Moreover, it can use suitably for manufacture of the electrical component etc. which mount a micro component.

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Abstract

本発明は、プラズマ発生に伴う衝撃力を効率よく被加工面に付与するとともに、被加工面に所望の機能を付与することのできる表面改質方法と、それに用いる被膜体の提供を課題とする。 本発明の表面改質方法は、被加工物の被加工面の上を、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、一面に平面又は凹凸形状を有する硬質層とを備えた被覆体で覆い、この被覆体に短パルス高ピーク出力のレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工面を硬質層の平面又は凹凸形状に加圧成形することを特徴とする。被加工面と被覆体の間に粉粒体などの固着物を配置して被加工面を加圧成形するとともに、粉粒体などの固着物を埋設してもよい。固着物の有する特性により、被加工面に様々な機能を付与することができる。

Description

表面改質方法および被覆体
本発明は、レーザによる表面改質方法とそれに用いる被覆体に関する。
　本発明者は、被加工物表面に直接高ピーク出力密度のパルスレーザを照射するのではなく、被加工面の上をレーザ吸収増強皮膜で覆い、このレーザ吸収増強皮膜の上から短パルス高ピーク出力のレーザを照射して、被加工面にレーザピーニングの衝撃波による微細な陥没部を形成したり、被加工面に固体潤滑剤などの粉粒体を打ち込むことのできるレーザピーニング方法を提案した（特許文献１参照）。
　しかし、このレーザピーニング方法では、レーザ吸収増強皮膜のベースシートが樹脂フィルムや金属薄膜からなるために、レーザ照射によりベースシートが塑性変形してプラズマの発生による衝撃力を被加工面に効率よく付与することができない場合があった。例えば、溶接止端部などのピーニング処理では充分な圧縮残留応力の付与ができなかった。
また、アルミニウム箔をベースシートとして金属炭化物やセラミックスなどの高硬度の固体潤滑材を鋼材からなる摺動部材の摺動面に打ち込む場合などでは、固体潤滑材を摺動面に安定して埋設することができなかった。そして、この従来技術では被加工面に所望の立体形状を形成することができないために、その適用範囲が制約されるという課題があった。
特開２００７－１６９７５３号公報
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、プラズマ発生に伴う衝撃力を効率よく被加工面に付与するとともに、被加工面に所望の機能を付与することのできる表面改質方法と、それに用いる被膜体の提供を課題とする。
本発明の表面改質方法は、被加工物の被加工面の上をレーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、一面に平面又は凹凸形状を有する硬質層とを備えた被覆体で覆い、該被覆体の前記プラズマ発生層に短パルス高ピーク出力のレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工面を前記硬質層の凹凸形状に加圧成形ことを特徴とする。
本発明の表面改質方法によれば、被加工面を覆う被覆体は、プラズマ発生層と硬質層とを一体的に備えているので、プラズマ発生に伴う衝撃力を硬質層を介して効果的に被加工面に付与することができる。硬質層の被加工物対向面には所定の凹凸形状が形成されているので、被加工面は塑性変形してこの凹凸形状に加圧成形される。そして、この加圧成形により被加工面に結晶の微細化や微細な表面欠陥の解消などといった表面改質を施すことができる。また、被加工面に高い圧縮残留応力を効果的に付与することができる。
本発明の表面改質方法において、レーザを照射する前に、被覆体と被加工面との間に被加工面に固着して被加工面に所望の機能を付与する固着物を配置することが望ましい。被覆体と被加工面との間に配置された固着物は、レーザピーニングの衝撃波により被加工面に埋設される。この時、被加工面は硬質層の凹凸形状に加圧成形されるので、固着物を被加工面に立体的に配置することができる。固着物を被加工面に三次元的に配置することで所望の機能を効果的に発揮する被加工面とすることができる。
本発明の表面改質方法において、被覆体は板状又は帯状の鋼材からなり、この鋼材の一面側に硬化処理により形成された硬質層を有するものとすることができる。本発明に係る被覆体はプラズマ発生層と硬質層とで構成されている。プラズマ発生層は、レーザを吸収してプラズマを発生するとともに、衝撃波により破断しない程度の強度と延性を備える必要がある。このため鋼材は、適当な強度と延性とを有し、かつレーザを吸収してプラズマ化しやすい材料であるので好適である。また、鋼材は、焼入れ処理、浸炭処理、浸窒・窒化処理、硬質メッキ処理、硬化蒸着処理、加工硬化処理など周知の硬化処理で容易に硬化層を形成することが出来る。従って、エンボスやレーザ加工など周知の方法で一面に凹凸形状を形成し、この一面側に前記の硬化処理を施した鋼材は本発明に係る被膜体として好適である。
また、被覆体は、板状又は帯状の金属、金属化合物、樹脂、合成ゴムのうち何れか１種からなるプラズマ発生層と、このプラズマ発生層よりも高硬度の材料からなる硬質層とを接合した積層体としてもよい。被覆体の厚さによっては、前記のような一面を硬化した硬化層では加圧成形や固着物の埋設が不十分な場合がある。このような場合には、プラズマ発生層と硬質層とを異なる材料で構成して両者を接合して被膜体とするとよい。
　本発明の表面改質方法において、固着物は、金属、合金、金属化合物、樹脂およびセラミックス粉粒体とすることができる。各種の機能を有するこれらの粉粒体を被加工面に埋設することで被加工面にそれぞれの有する機能を付与することができる。
また、固着物は、ＩＣチップ、半導体、マイクロチップ、光学素子、マイクロマシーンおよびマイクロ化学薬品のようなマイクロ部品であってもよい。従来、これらのマイクロ部品は、ロウ付けや接着などの方法で電子回路などの基板へ装着されていた。しかし、被覆体を用いる本発明の表面改質方法を適用することで、前記粉粒体と同様にマイクロ部品を所望の装着面に容易に装着することが出来る。
上記のような粉粒体やマイクロ部品を強固に固着させるために、硬質層の硬度はＨＶ１５０以上であることが望ましい。
本発明の表面改質方法において、レーザを照射する前に、被加工物の被加工面に、予め熱処理、メッキ処理、金属溶射処理、肉盛り処理、蒸着処理のうち何れか１以上の処理を施すことが望ましい。被加工物にこれらの処理を施して被加工面に予め軟質層を形成しておくことにより、被加工面をより確実に加圧成形することができ、かつ、固着物をより確実に埋設することができる。
また、レーザを照射する前に、被加工物の前記被加工面に、予め周期的微細構造あるいは微細な溝を形成しておくことが望ましく、さらに、このような微細構造や溝に、エポキシ系、ポリアミド系、あるいはアクリル系の接着剤および／又は該接着剤と固着物との混合物を塗布するとよい。
被加工面にこのような微細構造や溝を有することで、微細な粉粒体を的確に埋設することができる。また、更に接着剤および／又はこれらの接着剤と固着物との混合物を塗布しておくことで、例えば二硫化モリブデンなどの固体潤滑材を摺動面に強固に保持することができる。
本発明の被覆体は、レーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被加工物の被覆体であって、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、被加工物の対向面に凹凸形状を有する硬質層とを一体的に備えたことを特徴とする。
本発明によれば、被覆体表面の凹凸形状や固着物を適宜に選択することで被加工面に種々の機能を付与することができる。また、ＩＣチップなどのマイクロ部品を所定の基材へ容易に装着することが出来る。
第１実施形態を説明する説明図である。 凹凸形状の一例を示す斜視図と断面模式図である。（ａ）は規則的な形状の例であり、（ｂ）は不規則な形状の例である。 第２実施形態を説明する説明図である。 第２実施形態における加圧成形面と粉粒体との関係を模式的に示す断面図である。（ａ）は凸部頂面に粉粒体が埋設された場合であり、（ｂ）凹部底面に粉粒体が埋設された場合を示す。 第３実施形態を説明する説明図である。（ａ）レーザ照射前、（ｂ）はマイクロ部品埋設後を示す。 第３実施形態の変形例を説明する図である。（ａ）はマイクロ部品を保持する被覆体の断面模式図であり、（ｂ）ははマイクロ部品埋設後の表層断面を示す。
符号の説明
１０　　被加工物　
１０ａ　被加工面　
２０　　被覆体　
２１　　プラズマ発生層　
２２　　硬質層　
２２ａ　凹凸形状　
２２ａ’加圧成形面　
３０　　レーザ出射部　
４０　　粉粒体　
５０　　マイクロ部品　
Ｌ　　　レーザ
　以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の概要を示す説明図であり、１０は被加工物、２０は被加工面を被覆する被覆体、３０はレーザ出射部、３１は集光レンズである。
まず、本実施形態に係る被覆体２０について説明する。被覆体２０は、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層２１と、硬質層２２とを備えている。従って、被膜体２０は、レーザ照射によりプラズマ化しやすい板状又は帯状の金属の一面側に適宜の硬化処理を施して硬質層２２を形成して構成することができる。例えば、被覆体を鋼材シートとした場合には、その一面に焼入れ処理、浸炭処理、あるいは浸炭・窒化処理などの硬化処理を施して硬質層２２を形成する。すなわち、鋼材シートの焼入れ硬化層、浸炭層、あるいは浸窒・窒化層などが硬質層２２であり、鋼材シートの未処理部分がプラズマ発生層２１である。また、被覆体２０をアルミニウムシートとする場合には、その一面に時効処理あるいは硬質アルマイト処理などを施して硬質層２２を形成すればよい。
　被覆体２０は上記のような２層構造を有する単一材料に限定されることなく、プラズマ発生層２１の材料と硬質層２２の材料とを別材料として、両者を接合して一体化した積層体として構成してもよい。この場合には、レーザ照射によりプラズマ化しやすい材料をプラズマ発生層２１とし、このプラズマ発生層２１よりも硬質の別の材料を硬質層２２とする。例えば、低炭素鋼のシートをプラズマ発生層２１とし、別途浸炭処理して形成したシート状の浸炭硬化シートを硬質層２２として前記の低炭素鋼シートに積層し接着剤などで接合して被膜体２０としてもよい。
被覆体２０の硬質層２２の被加工面１０ａに対向する側には、凹部２２１と凸部２２２とからなる凹凸形状２２ａが形成されている。凹凸形状の一例を図２に示す。図２は、被覆体２０を裏面（被加工面に対向する面）側から見た斜視図とその断面模式図である。凹凸形状２２ａは、（ａ）のような規則的な格子形状でもよいし、（ｂ）のような不規則な形状であってもよい。しかし、凹部２２１の深さｄは１～３０μｍとするとよい。凹部２２１の深さｄが１μｍ未満では被加工面に充分な圧縮残留応力を付与することができず、また、３０μｍを超えて深い凹凸形状の形成には通常以上のレーザ出力を要するので適当ではない。より好ましくは、３～１０μｍである。このような凹凸形状は、エンボス、レーザ加工、圧延などの周知の方法で形成することができる。なお、凹凸形状の形成は、硬化処理の前でも後でもよい。
上記のように構成される被覆体２０の厚さは５～１２０μｍとするとよい。被覆体２０の厚さが５μｍ未満では、プラズマの発生により被覆体２０が破損することがあり、一方、１２０μｍを超えて厚いと衝撃波による応力を被加工面に効果的に伝達できないことがある。より好ましくは、１５～５０μｍである。また、被加工面１０ａに所望の加圧成形を効果的に行うために、被覆体２０厚さｔの１０～３０％を硬質層２２にするとよい。硬質層２２が被覆体厚さｔの１０％未満では、硬質層が高いプラズマ圧力のため破断することがあり、効果的な加圧成形ができないことがある。３０％を超えて厚いと、被覆体２０の剛性が高すぎてレーザ照射に追随して被覆体２０が変形できなくなるので好ましくない。硬質層２０の厚さは、被覆体４０の１０～２０％がより好ましい。
また、レーザエネルギをより効果的に吸収するために、被覆体２０の上面（プラズマ発生層２１の表面）にグラファイトや黒色顔料などを塗布したレーザ吸収増強層を形成してもよい。
次に、以上のように構成された被膜体２０を用いて被加工物１０の被処理面１０ａに所望の加圧成形を施す処理方法について説明する。
まず、被加工物１０の被加工面１０ａに凹凸形状面２２ａを対向させて被覆体２０を密着するように施設する。
　次いで、被覆体２０に向けて、パルス幅が１～５０ｎｓで出力密度が１［ＧＷ／ｃｍ２］～５０［ＧＷ／ｃｍ２］の短パルス高ピーク出力のレーザを照射する。具体的には、ＱスイッチのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を用い、パルスエネルギーを１．０［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ］～２０００［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ］、波長を５３２［ｎｍ］～１０８０［ｎｍ］、レーザパワー密度を５［ＧＷ/ｃｍ２］～１５［ＧＷ/ｃｍ２］、周波数を数１［Ｈｚ］～数１０００［Ｈｚ］に設定したパルスレーザを、被覆体２０に向けて出射する。このとき、レーザ装置におけるレーザ集光部（図示せず）又はレーザ出射部３０に集光レンズ３１を設けて、被覆体２０のプラズマ発生層２１表面におけるレーザ照射径が０．１［ｍｍ］～６．０［ｍｍ］になるようにレーザを集光する。
　上記の如くレーザが出射されると、そのレーザＬは、被覆体２０のプラズマ発生層２１に到達し、プラズマ発生層２１が急速に５０００［℃］以上の高温に加熱されて爆発的にプラズマが発生する。即ち、プラズマ発生層２１の一部又は全部がプラズマ化し、プラズマ発生層２１の構成物質である原子、分子、イオン、電子等の粒子群が爆発的に放出される。そして、それら粒子群の爆発的放出による反作用力が衝撃波として硬質層２２から被加工物１０の被加工面１０ａに付与される。即ち、被加工面１０ａに、例えば、１［ＧＰａ］～１０［ＧＰａ］（１万気圧～１０万気圧）の反作用力が作用する。被加工面１０ａに対向する被覆体２０の硬質層２２には凹凸形状２２ａが形成されているので、プラズマ発生による加圧力により被加工面１０ａの表層部が塑性変形してこの凹凸形状２２ａに加圧成形される。
次いで、被覆体２０を被加工物１０から捲り取り、被加工面１０ａに所望の凹凸形状２２ａが加圧形成された被加工物１０を得ることができる。
　このように加圧成形された被加工面を摺動部材の摺動面に適用すれば、摺接部（凸部）と油だまり（凹部）とを摺動面全域に亘って均一に且つ容易に形成することができる。また、このような加圧成形を施すことで、被加工面１０ａに結晶の細分化、既存クラックの消滅および加工硬化などを生じ、加圧成形面に高い耐摩耗性と疲労強度を付与することができる。
　また、被加工面１０ａには例えば数ＧＰａという高い加圧力が負荷されるので、加圧成形面の深部にまで高い圧縮残留応力を付与することが可能である。例えば、このような加圧成形を溶接止端部に施すことにより、溶接部の疲労強度を高め、溶接構造物の長寿命化を図ることができる。
　なお、本実施形態において、被覆体２０へのレーザ照射は、水を介して実施するようにしてもよい。例えば、被加工物１０に被覆体２０を載置した状態で水中に配置したり、照射部に水を流しながらレーザを照射する方法である。この方法では、被覆体２０を覆っている水の慣性力によりプラズマの膨張が押さえられるので、被覆体にレーザを直接照射した場合よりも、被加工物の被加工面に付与する衝撃波の強度を高めて被加工面に効率よく加圧成形を施すことができる。この場合には、波長が５３２［ｎｍ］のＹＡＧレーザの２倍波を利用する方が、波長が１０６４［ｎｍ］の通常のＹＡＧレーザを用いるよりも、容易に水を透過させることができるので、レーザの波長は、５３２［ｎｍ］にするのが望ましい。
　［第２実施形態］
　第２の実施形態は、前記第１実施形態に加えて、レーザを照射する前に、被覆体と被加工面との間に被加工面に固着して被加工面に所望の機能を付与する固着物を配置することにより、被加工面の加圧成形とともに、固着物を被加工面に固着又は埋設する態様である。
ここでは、固着物が所望の機能を有する粉粒体の場合について説明する。所望の機能を有する粉粒体としては、摺動特性を向上させる固体潤滑材粒子、セルフクリーニング性や親水性を有する光触媒粒子、抗菌性を有する抗菌剤粒子などの粉粒体を例示することができる。本実施形態は、レーザ照射前にこれらの粉粒体を被加工面と被覆体との間に配置する以外は、前記第１実施形態と同様に実施することができる。
　例えば、図３に示すように被膜体２０の凹凸形状２２ａの凹部２２１に埋設すべき粉粒体４０を充填して付着させておく。そして、前記第１実施形態と同様にこの被覆体２０を被加工面１０ａ上に密着して配置してレーザＬを照射する。レーザ照射により凹凸形状２２ａが被加工面１０ａに加圧成形されるが、同時に粉粒体４０が被加工面１０ａに打ち込まれて埋設される。
図３に示したように、粉粒体４０を被覆体２０表面の凹部２２１にのみ配置した場合には、粉粒体４０は、図４（ａ）に示すように被加工面１０ａに加圧成形された凹凸面２２ａ’の凸部２２１’頂面にのみ埋設することができる。また、粉粒体４０を被覆体２０表面の凸部２２２にのみ配置した場合には、粉粒体４０は、図４（ｂ）に示すように被加工面１０ａに転写された凹凸面の凸部２２２’底面にのみ埋設することができる。なお、凸部２２１’頂面と凹部２２１’底面の両方に粉粒体４０を埋設してもよいことはいうまでもない。
　例えば、粉粒体４０として固体潤滑材を図４（ａ）のように摺動部材の摺動面に埋設すれば、凹部２２２’は油溜まりとなり、凸部２２１’頂面に埋設された固体潤滑材粒子が相手部材と摺接することになる。従って、摺接面積の低減と潤滑性の向上により摺動面の摩擦抵抗をさらに一層低減することができる。また、加圧成形面２２ａ’は、結晶の微細化や加工硬化などにより耐摩耗性も向上しているので潤滑性と耐久性に優れた摺動面とすることができる。
　また、粉粒体４０として抗菌性を有する銀粒子を図４（ｂ）のようにステンレス板などの表面に形成された凹部２２１’底面に埋設すれば、銀粒子はステンレス板表面から容易に脱落することはない。従って、ステンレス板の抗菌性を長期間維持することができる。
　粉粒体４０は、上記の金属粒子に限定されることなく、例えば、金属化合物、セラミックス、樹脂などからなる粉粒体を目的に応じて適宜使用することができる。
本実施形態において、被加工面１０ａに粉粒体４０を効果的に固着あるいは埋設するために被覆体２０の硬質層２２の硬さはＨＶ３００以上であることが望ましい。特に、粉粒体４０がＣｕＯやＳｉＯ２などのように高硬度の場合には、ＨＶ８００～１０００とするとよい。また、硬質層２２の厚さは、プラズマ発生層２１と硬質層２２の材料構成や粉粒体４０の硬度、大きさあるいは材質によっても異なるが、概ね被膜体２０の厚さの１０～３０％である。１０％未満では、例えば、金属化合物やセラミックスなどの硬度の高いものを効果的に埋設することができない。また、３０％を超えて厚いと、被膜体の延性が低下してプラズマ圧力に追随して変形することができず破断することがあるので適当ではない。
以上のように、粉粒体を被加工面に強固に固着又は埋設するために、埋設される粉粒体が固着しやすいように予め被加工面に下地処理を施しておくことが望ましい。
例えば、粉粒体が銀であり、被加工物が粉粒体よりも高硬度のマルテンサイト系のステンレス鋼（例えばナイフなど）である場合には、被加工面に加熱処理、メッキ処理、溶射処理、肉盛り処理あるいは蒸着処理などの適宜の下地処理を施して、被加工面に埋設する粉粒体よりも低硬度の軟質層１２を形成しておく。この軟質層１２の厚さは、粉粒体の種類や下地処理方法によっても異なるが、概ね２～１０μｍである。
また、下地処理として被加工面にレーザ加工により周期的な微細構造を形成することも好ましい。例えば、歯車などの摺動面にフェムト秒レーザあるいはエキシマレーザで、幅０．２～３μｍ、深さが１～２μｍの溝を０．５～５μｍの間隔で格子状に形成し、この溝に二硫化モリブデンと樹脂の混合物を塗布して上記の被覆体２０で覆い、レーザ照射することで二硫化モリブデン粒子をこの溝の内部に確実に埋設することができる。なお、二硫化モリブデンと混合する樹脂としては、エポキシ系、アクリル系又はポリアミド系の接着剤あるいは粘着材を例示することができる。
［第３実施形態］
本実施形態は、前記第２実施形態における粉粒体に代えて、ＩＣチップや半導体などのマイクロ部品を固着物として被加工物の所定面に埋設（装着）する態様であり、固着物が異なる以外は、前記第２実施形態と同様に実施することができる。
図５は、本実施形態に係る被膜体２０とマイクロ部品５０とを概念的に示した断面模式図である。被膜体２０の硬質層２２には被加工物対向面に凹部２２１が形成されており、埋設されるマイクロ部品５０の一部が嵌入して保持されている。例えば、マイクロ部品５０は、凹部２２１に接着剤６０で接着されて保持されている。このマイクロ部品５０を保持している被膜体２０を被加工面１０ａ上に載置して、前記実施形態と同様にレーザを照射する。レーザ照射により、マイクロ部品５０は図５（ｂ）に示すように被加工物１０に埋設される。被加工物１０がマイクロ部品５０に比べて高硬度の場合には、前記第２実施形態と同様に予めマイクロ部品５０を打ち込む表面に軟質層１２を形成しておくとよい。
本態様は、例えば、回路基板にＩＣチップやマイクロ抵抗体などのマイクロ部品を埋設（装着）する場合に好適である。なお、ここで、マイクロ部品５０は、その体積が０．０１～１０ｍｍ３であることが望ましい。
　［他の実施形態］
　本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）第２実施形態では、金属や樹脂の粉粒体について説明したが、粉粒体としては、所望の機能を有する組成物を造粒した造粒体でもよい。例えば、光触媒機能を有する酸化チタン粉末をゼオライトあるいはシリカゲルなどとともに粘着材と混合して組成物とし、数μｍ～数１００μｍのペレットに造粒する。そして、このペレットを第２実施形態と同様にして被加工物表面に埋設する。このようにして被加工面に親水性や防汚性を付与することができる。
（２）第２実施形態では、被加工物が主として金属、合金、金属化合物などの無機材料の場合を説明したが、被加工物は、樹脂、ゴム、木材、紙あるいは布などの有機材料でもよい。例えば、衣服にマイクロチップを埋設すれば、個体の同定や認識の機能を付与することができる。
（３）前記実施形態では、１回の表面改質で被加工面に所望の機能を付与することとしたが、凹凸形状の異なる複数の被覆体を用いたり、異なる固着物を埋設するなど被加工面に複数回の加圧成形を施してもよい。これにより複数の異なる表面機能を備えた被加工物を得ることができる。例えば、最初にＮｉ粉粒体を埋設し、次に樹脂を固着させることで導電性機能と不導電性機能とを併せ持つ電機部品を得ることができる。
（４）前記実施形態では、固着物が粉粒体やマイクロ部品の場合について説明したが、固着物は金属箔であってもよい。例えば、被加工物の表面に５～５０μｍ厚さの金属箔を配置して第１実施形態のように加圧成形を施す。被加工物表面と金属箔とは新生面を生じながら凹凸形状に加圧成形されることになるので、マイクロ接合（クラッディング）により金属箔を強固に被加工物表面に接合することができる。例えば、マイクロ電極にイリジウムや白金の箔を接合すれば安価な電極を形成することができる。
（５）前記第３実施形態では、マイクロ部品が一種類の場合について説明したが、複数種類のマイクロ部品を同時に埋設するようにしてもよい。例えば、硬質層２２の被加工物対向面に図６（ａ）に示すような凹凸形状を形成し、マイクロ部品５２、５３、５４をそれぞれ所定の凹部に保持し、被覆体２０を適宜の加工面に被覆してレーザ照射すれば、図６（ｂ）のように凹部２２２’を形成するとともに、各マイクロ部品５２、５３、５４を同時に被加工物表面に埋設することができる。なお、６１は例えば絶縁材などの組成物である。また、マイクロ部品同士を接続する導電物を同時に固着させれば被加工面上に電子回路を形成することもできる。
　本発明は、被覆体の凹凸形状や適宜の固着物を選択することで、金属部材、無機部材および有機部材の表面に、摺動性、潤滑性、耐熱性、耐食性、耐クリープ性、耐摩耗性、滑り止め性、撥水性、親水性、抗菌性、滅菌性、光沢などの各種機能を付与することができるので、広範な分野で有用である。また、マイクロ部品を装着する電気部品などの製造に好適に用いることができる。
 
 
 
 
 

 

Claims (14)

  1. 　被加工物の被加工面の上をレーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、一面に平面又は凹凸形状を有する硬質層とを備えた被覆体で覆い、該被覆体の前記プラズマ発生層に短パルス高ピーク出力のレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により前記被加工面を前記硬質層の平面又は凹凸形状で加圧成形することを特徴とする表面改質方法。
  2. 　前記レーザを照射する前に、前記被覆体と前記被加工面との間に該被加工面に固着して該被加工面に所望の機能を付与する固着物を配置する請求項１に記載の表面改質方法。
  3. 　前記被覆体は板状又は帯状の鋼材からなり、該鋼材の一面側に硬化処理により形成された前記硬質層を有する請求項１に記載の表面改質方法。
  4. 　前記硬化処理は、焼入れ処理、浸炭処理、浸窒・窒化処理、硬質メッキ処理、硬化蒸着処理、加工硬化処理のうちの何れか一である請求項３に記載の表面改質方法。
  5. 　前記被覆体は、板状又は帯状の金属、金属化合物、樹脂、合成ゴムのうち何れか１種からなるプラズマ発生層と、該プラズマ発生層よりも高硬度の材料からなる硬質層とを接合した積層体である請求項１に記載の表面改質方法。
  6. 　前記固着物は、粉粒体である請求項２に記載の表面改質方法。
  7. 　前記粉粒体は、金属、合金、金属化合物、樹脂、セラミックスおよび香料の何れか一である請求項６に記載の表面改質方法。
  8. 　前記固着物は、マイクロ部品である請求項２に記載の表面改質方法。
  9. 　前記マイクロ部品は、ＩＣチップ、半導体、マイクロチップ、光学素子、マイクロマシーンおよびマイクロ化学薬品のうちの何れか一である請求項８に記載の表面改質方法。
  10. 　前記硬質層の硬度はＨＶ１５０以上である請求項１に記載の表面改質方法。
  11. 　前記レーザを照射する前に、前記被加工物の前記被加工面に、予め熱処理、メッキ処理、金属溶射処理、肉盛り処理、蒸着処理のうち何れか１以上の処理を施す請求項１に記載の表面改質方法。
  12. 　前記レーザを照射する前に、前記被加工物の前記被加工面に、予め周期的微細構造あるいは微細な溝を形成しておく請求項２に記載の表面改質方法。
  13. 　さらにエポキシ系、ポリアミド系、あるいはアクリル系の接着剤および／又は該接着剤と前記固着物との混合物を塗布する請求項１２に記載の表面改質方法。
  14. 　レーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被加工物の被覆体であって、
    レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、前記被加工物の対向面に平面又は凹凸形状を有する硬質層とを一体的に備えたことを特徴とする被覆体。
     
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