JP5280675B2 - Surface modification method and coated body - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a surface modification method using a laser and a covering used therefor.
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)。 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. Proposed 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).
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、例えば、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。 However, in this laser peening method, since 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. There was a case that could not be done. For example, a sufficient compressive residual stress could not be applied by a peening process such as a weld toe. In addition, for example, when a hard solid lubricant such as metal carbide or ceramic is driven into the sliding surface of a sliding member made of steel using an aluminum foil as a base sheet, the solid lubricant is stably applied to the sliding surface. It could not be buried.
また、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。
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。 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.
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し、該プラズマ発生層よりも高硬度であ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することを特徴とする。 Surface modification method of the present invention comprises a plasma generation layer that generates plasma by absorbing laser over the surface to be processed of the workpiece, have a flat or concave-convex shape on one surface, higher than the plasma generation layer Covering with a coating body having a hard layer having hardness, irradiating the plasma generation layer of the coating body with a laser of short pulse high peak output, and forming the uneven surface of the hard layer on the work surface by a shock wave of laser peening It is characterized by being pressure-molded.
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。そして、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。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。 According to the surface modification method of the present invention, 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. And since the predetermined uneven | corrugated shape is formed in the workpiece opposing surface of a hard layer, the to-be-processed surface is plastically deformed and pressure-molded to this uneven shape. By this pressure molding, surface modification such as refinement of crystals 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.
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。 In the surface modification method of the present invention, before the laser is irradiated, 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. At this time, 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. By arranging the fixed object on the processing surface in a three-dimensional manner, it is possible to obtain a processing surface that effectively exhibits a desired function.
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、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。 In the surface modification method of the present invention, the covering may be made of a plate-shaped or strip-shaped 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. For this reason, the steel material is suitable because it has a suitable strength and ductility, and is a material that easily absorbs a laser to become plasma. In addition, 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.
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。 Further, 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.
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機能を付与することができる。 In the surface modification method of the present invention, the fixed matter can be a metal, an alloy, a metal compound, a resin, or a ceramic powder. By embedding these granular materials having various functions in the processing surface, the respective functions can be imparted to the processing surface.
また、固着物は、ICチップ、半導体、マイクロチップ、光学素子およびマイクロマシーン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。 Further, the fixed object may be a micro component such as an IC chip, a semiconductor, a microchip, an optical element, and a micromachine. Conventionally, these micro components have been mounted on a substrate such as an electronic circuit by a method such as brazing or bonding. However, 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.
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。 The hardness of the hard layer is desirably HV150 or more in order to firmly fix the above powdery particles and micro parts.
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。 In 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.
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。 In addition, it is desirable to form a periodic fine structure or a fine groove in advance on the work surface of the work piece before irradiating the laser. It is preferable to apply a polyamide or acrylic adhesive and / or a mixture of the adhesive and a fixed substance.
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、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。 By having such a fine structure or groove on the surface to be processed, it is possible to accurately embed fine powder particles. Further, by applying an adhesive and / or a mixture of these adhesives and a fixed substance, a solid lubricant such as molybdenum disulfide can be firmly held on the sliding surface.
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し、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層とを一体的に備えたことを特徴とする。 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 of irregularities possess the opposing surface, characterized by comprising integrally the hard layer is a higher hardness than the plasma generation layer.
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。 According to the present invention, 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. In addition, a micro component such as an IC chip can be easily mounted on a predetermined substrate.
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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings.
[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。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an explanatory diagram 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.
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。
First, the covering 20 according to the present embodiment will be described. The covering 20 includes a
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。
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
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。
A concave /
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いないことがあるので適当ではない。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。従って、硬質層20の厚さは、被覆体40の10〜20%がより好ましい。
The thickness of the covering 20 configured as described above is preferably 5 to 120 μm. If the thickness of the covering
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。 In order to absorb laser energy more effectively, 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.
次に、以上のように構成された被覆体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。
Will now be described processing method for performing a desired pressing the treated
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。
First, the
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。
Next, 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. Specifically, a Qd 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 5 [GW / cm < 2 >] to 15 [GW / cm < 2 >] and a frequency laser set to several 1 [Hz] to several 1000 [Hz] are emitted toward the
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。
When the laser is emitted as described above, the laser L reaches the
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。
By applying the work surface that has been pressure-molded in this way to the sliding surface of the sliding member, 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. In addition, by applying such pressure forming, crystal subdivision, disappearance of existing cracks, work hardening, and the like occur on the
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。
Further, since a high pressing force of, for example, several GPa is applied to the
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。
In the present embodiment, the laser irradiation to the covering 20 may be performed through water. For example, it is a method of irradiating a laser while placing the covering 20 on the
[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。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, in addition to the first embodiment, before irradiating the laser, 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.
Here, the case where the fixed substance is a granular material having a desired function will be described. Examples of 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.
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膜体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。
For example, as shown in FIG. 3, the
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。
For example, if a solid lubricant is embedded in the sliding surface of the sliding member as the
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。
In addition, if silver particles having antibacterial properties are embedded in the bottom surface of the
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。
The
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、概ね被覆体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、被覆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。
In the present embodiment, it is desirable that the hardness of the
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。 As described above, in order to firmly fix or embed the granular material on the surface to be processed, it is desirable that the surface to be processed is preliminarily treated so that the embedded granular material is easily fixed.
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。
For example, when 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
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。
Moreover, it is also preferable to form a periodic fine structure by laser processing on the processing surface as a base treatment. For example, a groove having a width of 0.2 to 3 μm and a depth of 1 to 2 μm is formed in a lattice shape at intervals of 0.5 to 5 μm on a sliding surface of a gear or the like with a femtosecond laser or an excimer laser. By applying a mixture of molybdenum disulfide and resin, covering with the above-described
[Third Embodiment]
In the present embodiment, instead of the powder particles in the second embodiment, 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.
図5は、本実施形態に係る被覆体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。被覆体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。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を保持している被覆体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。
Figure 5 is a schematic cross-sectional view conceptually showing the object to be covered
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。
This aspect is suitable, for example, when embedding (mounting) a micro component such as an IC chip or a micro resistor on a circuit board. Here, the volume of the
[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。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, embodiments described below are also included in the technical scope of the present invention, and the scope of the present invention other than the following does not depart from the gist of the present invention. It can be implemented with various changes.
(1) In the second embodiment, the metal or resin powder has been described. However, the powder may be a granulate obtained by granulating a composition having a desired function. For example, 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 μm to several hundred μm. And this pellet is embed | buried in the workpiece surface like 2nd Embodiment. In this way, hydrophilicity and antifouling properties can be imparted to the surface to be processed.
(2) In the second embodiment, the case where the workpiece is an inorganic material such as a metal, an alloy, or a metal compound has been described. However, 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.
(3) In the above embodiment, a desired function is imparted to the surface to be processed by a single surface modification. However, the surface to be processed such as using a covering with different concavo-convex shapes or embedding different fixed objects. A plurality of times of pressure forming may be performed. 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.
(4) In the above embodiment, the case where the fixed object is a granular material or a micro component has been described. However, the fixed object may be a metal foil. For example, a metal foil having a thickness of 5 to 50 μm 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.
(5) In the third embodiment, the case of one type of micro component has been described. However, a plurality of types of micro components may be embedded at the same time. For example, the workpiece facing surface of the
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。 In the present invention, 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.
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
10:
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