金属材の表面処理方法
【課題】 硫化水素ガスを用いることなく、金属材の表面にナノカーボン類を含む炭素膜を形成する。
【解決手段】 鉄を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する第１工程と、第１工程の後に、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を形成する第２工程と、を有する、金属材の表面処理方法を提供する。
【解決手段】 鉄を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する第１工程と、第１工程の後に、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を形成する第２工程と、を有する、金属材の表面処理方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の表面処理方法に関する。特に、金属材の表面に炭素膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼き付きを防止するなどの目的で金型（特に鋳造型や鍛造型）の表面に特定の処理（表面処理）を行うことがある。その一つに、金属材（金型）の表層に窒化層を形成するとともに、その窒化層の上に炭素膜を形成する表面処理方法が開発されている（例えば特許文献１および２）。特許文献１および２では、窒化雰囲気下でアセチレンガス、硫化水素ガスとともに金型を熱処理するナノカーボン炭素膜形成工程を行う。ここで、ナノカーボン炭素膜とは、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を意味する。ナノカーボン炭素膜形成工程によって、金型の表面近傍（表層）に窒化層が形成されるとともに、その上にナノカーボン炭素膜が形成される。ここで、窒化層とナノカーボン炭素膜との界面には化合物層が形成される。なお、「窒化層」とは、鉄製、或いは鉄を含む合金製の金型の表層に窒素が浸入することによって形成される層である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３６１９４号公報
【特許文献２】特開２００８−１０５０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および２に記載の表面処理方法において、硫化水素ガスは、金属材に含まれる鉄（Ｆｅ）と反応してＦｅ−Ｓ化合物を形成し、このＦｅ−Ｓ化合物の触媒作用によって、金属材の表面にナノカーボン炭素膜が形成されていると考えられる。硫化水素ガスが反応ガスに含まれていると、ナノカーボン炭素膜が金属材の表面に形成される。しかしながら、硫化水素ガスを用いた反応系では、設備、製造のコストが大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願が提供する技術は、硫化水素ガスの代りに希硫酸を用いて金属材表面にナノカーボン炭素膜を形成する。即ち、本願は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する第１工程と、第１工程の後に、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を形成する第２工程と、を有することを特徴とする。
【０００６】
本願によれば、金属材に含まれるＦｅは、希硫酸と反応してＦｅ硫酸塩を形成し、これによって、ナノカーボン炭素膜が金属材の表面に形成される。硫化水素ガスを反応ガスに含める必要がない。希硫酸は、硫化水素ガスよりも扱い易いため、設備コストおよび製造コストを低減できる。
【０００７】
なお、窒化層が形成される条件下で金属材を熱処理するとは、一例として、アンモニアガス、窒素ガス、尿素等を用いた窒化ガス雰囲気下で金属材を熱処理することである。その他、ガス以外の窒化成分とともに金属材を熱処理することであってもよい。別言すれば、窒化層が形成される条件下で金属材を熱処理するとは、「金属材の表面に窒化層が形成されるまで気体又は液体状の窒素含有物質とともに金属材を加熱する」ことに相当する。また、有機ガスは、窒化雰囲気下で熱処理を行うことによって金属材の表面に、ナノカーボン炭素膜を形成可能な従来公知の有機ガスを利用することができる。有機ガスとしては、例えば、炭素数が１〜４程度の炭化水素ガス（アセチレンガス、エチレンガス、プロパンガス、ブタンガス、メタンガス等）もしくはこれらの混合ガス（天然ガス等）を好適に用いることができ、アセチレンガスを特に好適に用いることができる。
【０００８】
第２工程では、アンモニアガス雰囲気下で金属材の表層に窒化層を形成することが好ましい。
【０００９】
第１工程の前に、応力付与工程をさらに含んでいてもよい。また、第２工程の後に、フラーレン類塗布工程をさらに含んでいてもよく、フラーレン塗布工程の後に、焼成工程をさらに含んでいてもよい。
【００１０】
また、本願は、表面処理方法による炭素膜がキャビティ面に形成された金型を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本願によれば、硫化水素ガス用いることなく、ナノカーボン炭素膜を金属材の表面に形成することができる。ナノカーボン炭素膜を金属材の表面に形成するための設備コストおよび製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る金属材の試料片を模式的に示す図である。
【図２】実施例に係る熱処理炉を概念的に示す図である。
【図３】実施例の第２工程に係る温度プロファイルを示す図である。
【図４】ナノカーボン炭素膜の生成メカニズムを概念的に示す図である。
【図５】実施例に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図６】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図７】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図８】図５の未処理面を拡大した像である。
【図９】図５のショットブラスト面を拡大した像である。
【図１０】比較例１に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図１１】比較例１に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１２】比較例２に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図１３】比較例２に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１４】比較例２に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１５】比較例３に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図１６】比較例３に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１７】比較例３に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１８】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図１９】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２０】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２１】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２２】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２３】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２４】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図２５】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図２６】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２７】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２８】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図２９】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図３０】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図３１】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図３２】実施例、比較例および参考例に係るＸ線回折の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本願は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面処理方法を開示する。この表面処理方法は、第１工程と、第２工程とを含んでいる。第１工程では、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する。第２工程は、第１工程の後に行われ、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜（ナノカーボン炭素膜）を形成する。
【００１４】
第１工程で、金属材の表面に希硫酸を塗布する方法は、特に限定されないが、希硫酸を布や刷毛を使って塗布してもよいし、希硫酸液中に金属材を浸漬してもよい。金属材に希硫酸を塗布した後は、任意に、自然乾燥または加熱乾燥等によって、金属材の表面の水分を除去しても良い。希硫酸の濃度は、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上かつ２０ｍｏｌ／Ｌ以下であればよく、１．０ｍｏｌ／Ｌ以上かつ５．０ｍｏｌ／Ｌ以下であれば好ましい。０．３ｍｏｌ／Ｌ以上かつ０．６ｍｏｌ／Ｌ以下であれば特に好ましい。
【００１５】
希硫酸を塗布すると、下記（１）または（２）式に示すように、金属材の主成分であるＦｅと希硫酸が反応し、Ｆｅの硫酸塩および水素が生成する。これによって生成するＦｅの硫酸塩（ＦｅＳＯ４、Ｆｅ２（ＳＯ４）３）がナノカーボン炭素膜を生成する反応の触媒として機能し、第２工程におけるナノカーボン炭素膜生成反応が促進される。
Ｆｅ ＋ Ｈ２ＳＯ４ → ＦｅＳＯ４ ＋ Ｈ２ ↑ … （１）
２Ｆｅ ＋ ３Ｈ２ＳＯ４ → Ｆｅ２（ＳＯ４）３ ＋ ３Ｈ２ ↑ … （２）
【００１６】
一方、本願に係る反応系では、下記（３）および（４）に示す反応が起こる場合にＨ２Ｓが発生する。ＦｅＳが生成しない限り、式（４）の反応は起こらないことから、Ｈ２Ｓガスが発生する反応（式（４）に示す反応）は殆ど起こらない。希硫酸を塗布することによってＨ２Ｓガスが発生することは殆ど無いから、設備コストおよび製造コストを低減できる。
Ｆｅ ＋ Ｓ → ＦｅＳ … （３）
ＦｅＳ ＋ Ｈ２ＳＯ４ → ＦｅＳＯ４ ＋ Ｈ２Ｓ ↑ … （４）
【００１７】
第２工程では、金属材の表層に窒化層が形成される条件（以下、窒化条件という）の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理する。これによって、金属材の表面近傍（表層）に窒素が浸入し、元々の金属材料が窒化して窒化層が形成されるとともに、その窒化層の表面に、ナノカーボン炭素膜が形成される。なお、窒化層が形成される条件下で金属材を熱処理する好適な一例は、前述したようにアンモニアガス、窒素ガス、尿素等を用いた窒化ガス雰囲気下で金属材を熱処理することである。有機ガスは、窒化雰囲気下で熱処理を行うことによって金属材の表面に、ナノカーボン炭素膜を形成可能な従来公知の有機ガスを利用することができる。そのような有機ガスの好適な一例は前述したようにアセチレンガス等の炭化水素ガスである。
【００１８】
本願に係る製造方法は、第１工程および第２工程以外の工程を含むものであってもよい。例えば、第２工程の後に、第２工程によって形成されたナノカーボン炭素膜の表面にフラーレン類を塗布するフラーレン類塗布工程を含んでいてもよい。ここで、フラーレンとは、閉殻構造を有する炭素クラスタであり、通常は炭素数が６０〜１３０の偶数である。具体例としては、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ８６、Ｃ８８、Ｃ９０、Ｃ９２、Ｃ９４、Ｃ９６及び、これらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスタが挙げられる。本明細書でいうフラーレン類とは、上記のフラーレンの他、フラーレン分子に他の分子や官能基を化学的に修飾したフラーレン誘導体を含む。フラーレン類塗布工程は、例えば、特開２０１０−３６１９４号公報に記載した方法を用いて行うことができる。
【００１９】
また、例えば、フラーレン類塗布工程の後に、炭素膜が形成された金属材の焼成を行う焼成工程をさらに含んでいてもよい。焼成工程を行うと、ナノカーボン炭素膜と非晶質化したフラーレン類が金属結合する。これによって、炭素膜が緻密化して強固になり、炭素膜の耐久性が向上する。焼成工程では、金属材を４００℃以上に加熱することが好ましい。
【００２０】
また、例えば、第１工程の前に、金属材の表層に応力を付与する応力付与工程を含んでいてもよい。より具体的には、例えば、金属材の表面にショットブラスト処理を行い、金属材の表層から所定の深さに結晶欠陥や結晶歪みを有する残留応力層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。また、ショットブラスト処理を行うと、処理面の表面応力の均一化、残留圧縮応力の付与の作用により、処理面の表面研削や付着物除去、または処理面の耐久性向上等の効果を得ることができる。例えば、ショットブラスト処理の条件を調整することで、処理面の表面粗さを調整することができる。
【００２１】
ショットブラスト処理で用いる投射方法としては、限定されないが、例えば、機械式、空気式、湿式の投射方法が挙げられる。投射材としては、例えば、金属系、セラミック系等の投射材が挙げられ、処理する金型と同じ金属材料を用いることが好ましいが、これに限定されない。投射材の大きさや材料、ショットブラスト処理の圧力（投射材の投射圧力）を調整することによって、処理面の状態を調整することができる。例えば、処理面が所望の表面粗さになるように調整することができる。
【００２２】
本願によれば、ナノカーボン類を含む炭素膜を備えた金属材を製造することができる。この金属材では、ナノカーボン炭素膜は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面に希硫酸を塗布した後で、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって金属材の表面に形成される。金属材は、金型であってもよく、この場合、炭素膜は、少なくとも金型のキャビティ面に形成されていることが好ましい。
【実施例１】
【００２３】
本実施例では、金属材として、図１に模式的に示すＳＫＤ６１製の試料片１を用いた。試料片１は、上下面が直径２０ｍｍ、高さ８ｍｍの円柱形状である。
【００２４】
（ショットブラスト処理工程）
本実施例では、第１工程の前に、応力付与工程として、ショットブラスト処理工程を行う。試料片１の左半分（図１に示す参照番号１１側）にのみマスキングテープを貼り付けた状態で、ショットブラスト処理を行い、その後、マスキングテープを剥がした。これによって、試料片１の上表面に、未処理面１１と処理面１２を形成した。
【００２５】
ショットブラスト処理は、自重式ノズルブラスト装置を用いて、直径０．０７５ｍｍ〜０．３００ｍｍのスチールグリッドを０．５ＭＰａのショットブラスト処理圧（エア圧）で、金属材の表面に３０秒間投射した。ショットブラスト処理後の処理面１２の表面粗さＲａは、Ｒａ＝１．５±０．４μｍ以内であった。
【００２６】
（第１工程）
３ｍｏｌ／Ｌの希硫酸に浸した布を用いて、試料片の上表面に、３ｍｏｌ／Ｌの希硫酸を塗り付け、自然乾燥させた。
【００２７】
（第２工程）
第２工程では、試料片１を図２に示す熱処理炉２に入れ、図３に示すプロファイルに従って、反応ガスを流通させながら試料片１を加熱した。熱処理炉２は、チャンバ２０１と、ガス流路２３２と、ヒータ２２１と、試料台２０３と、試料観察窓２４０とを備えている。試料台２０３に試料片１を載置して、チャンバ２０１内を真空ポンプ（図示しない）で減圧して空気をパージした後に、窒素ガス（Ｎ２）を流通させ、Ｎ２雰囲気とした。次に、反応ガス（アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス）を流通させながら、５分間で５２０℃まで昇温し、５２０℃に到達した後で３時間保持した。反応ガス中の各成分の流量は、ＮＨ３ガスが０．１５Ｌ／ｍｉｎ、Ｃ２Ｈ２ガスが０．０４５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスが０．０７Ｌ／ｍｉｎであり、チャンバ内の圧力は大気圧であった。５２０℃で３時間保持した後、ＮＨ３ガスおよびＣ２Ｈ２ガスの供給を停止し、Ｎ２ガスに切り替え、室温程度まで降温した。なお、図４は、ＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩の存在によってナノカーボンが成長するメカニズムを説明する図であるが、その説明は実施例の最後に述べる。
【００２８】
（比較例１）
試料片１と同様の試料片を準備し、第１工程を行わないこと以外は、実施例と同様の工程を行った。
【００２９】
（比較例２）
試料片１と同様の試料片を準備し、第１工程で、希硫酸に替えて、６ｍｏｌ／Ｌの塩酸（ＨＣｌ）を試料片に塗布したこと以外は、実施例と同様の工程を行った。
【００３０】
（比較例３）
試料片１と同様の試料片を準備し、第１工程で、希硫酸に替えて、６ｍｏｌ／Ｌの硝酸（ＨＮＯ３）を試料片に塗布したこと以外は、実施例と同様の工程を行った。
【００３１】
（ＳＥＭ、ＴＥＭによる観察およびＥＤＳ分析）
試料片１を実施例および比較例１〜３に係る手順で処理した後、図１に示す試料片１の観察部位１０（未処理面１１および処理面１２の一部およびその境界を含む）を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した。併せて、ＳＥＭによる観察部位について、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を実施した。なお、ＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析は、（株）島津製作所製 走査電子顕微鏡 ＳＵＰＥＲＳＣＡＮ ＳＳ−５５０を用いて行った。
【００３２】
まず、実施例と比較例１〜３とを比較して、第１工程によって得られる作用効果について考察する。図５は実施例に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図６は図５に示された部位における炭素のＫα線像であり、図７は図５に示された部位における酸素のＫα線像である。図８は、図５に示す観察部位１０の未処理面１１を拡大した図であり、図９は、図５に示す観察部位１０の処理面１２を拡大した図である。図１０は、比較例１に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図１１は図１０に示された部位における炭素のＫα線像である。図１２は比較例２に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図１３は図１２に示された部位における炭素のＫα線像であり、図１４は図１２に示された部位における酸素のＫα線像である。図１５は比較例３に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図１６は図１５に示された部位における炭素のＫα線像であり、図１７は図１５に示された部位における酸素のＫα線像である。図６，７，１１，１３，１４，１６および１７では、対象元素（炭素または酸素）が多く存在する部分から多くの対象元素の特性Ｘ線（Ｋα線）が補充されるため、対象元素の濃度が高いほど白色に表示されている。
【００３３】
図６には、対象元素である炭素（Ｃ）の組成情報が示されており、炭素が多く検出されている箇所は、白っぽくなっている。図５，６，８，９に示すように、処理面１２には多くの炭素膜が形成され、未処理面１１にも炭素膜は僅かに観察された。図１１には、炭素（Ｃ）の組成情報が示されている。実施例とは異なり、比較例１においては、白っぽい箇所が殆どなく、点在している程度であった。つまり、未処理面１１および処理面１２には炭素が連続して存在しておらず、炭素膜が観察されなかった。なお、点在している炭素は比較的容易に除去することができたため、アセチレンガスによるすすが付着したものと考えられる。Ｈ２Ｓを含まない反応ガスを用いた場合、第１工程を行わない比較例１では、炭素膜が形成されなかった。これに対して、第１工程で試料片１の表面に希硫酸を塗布した実施例においては、Ｈ２Ｓを含まない反応ガスを用いた場合であっても、炭素膜が形成されることが明らかになった。
【００３４】
次に、実施例と比較例２，３とを比較して、試料片に塗布する酸の種類について考察する。図６，１３，１６には、炭素（Ｃ）の組成情報が示されており、炭素が多く検出されている箇所は、白っぽくなっている。図７，１４，１７には、酸素（Ｏ）の組成情報が示されており、酸素が多く検出されている箇所は、白っぽくなっている。図６，７に示すように、実施例では、炭素（Ｃ）は検出されたが、酸素（Ｏ）は殆ど検出されなかった。これは、希硫酸によって試料片の表面に形成されたＦｅ酸化物（Ｆｅ２Ｏ３等）が除去され、炭素膜の成長が促進されたことを示していると考えられる。一方、図１３，１４，１６，１７に示すように、比較例２，３では、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）が検出された。比較例２，３で用いた塩酸、硝酸によっては、Ｆｅ２Ｏ３等のＦｅ酸化物を除去することができず、炭素膜の成長が促進されなかったためであると考えられる。
【００３５】
実施例において観察された炭素膜を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察した。結果を図１８〜２１に示す。図１８〜２１に示すように、ファイバー状の炭素が観察されており、実施例に係る炭素膜が、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含むナノカーボン炭素膜であることが分かった。なお、ＴＥＭによる観察は、日本電子社製 透過電子顕微鏡 ＪＥＭ−２１００を用いて、加速電圧１２０ｋＶで行った。
【００３６】
さらに、透過電子顕微鏡 ＪＥＭ−２１００を用いて、実施例に係る炭素膜のＴＥＭによる観察およびＥＤＳ分析を行った。分析は、２箇所について行い、図２２〜２５は一箇所の分析結果を示しており、図２６〜２９は別の一箇所の分析結果を示している。図２２，２４，２６，２８は、硫黄（Ｓ）の分析結果であって、図２２，２６は二次電子像であり、図２４，２８は硫黄のＫα線像である。図２３，２５，２７，２９は、鉄（Ｆｅ）の分析結果であって、図２３，２７は二次電子像であり、図２５，２９は鉄のＫα線像である。図２４，２８において，点状に白っぽく光っている箇所は硫黄元素が検出された箇所である。図２５，２９において，点状に白っぽく光っている箇所は鉄元素が検出された箇所である。図２２〜２９に示すように、実施例に係る炭素膜からは、鉄（Ｆｅ）は検出されたが、硫黄（Ｓ）は殆ど検出されなかった。特に図２６と図２９を比較すると、鉄（Ｆｅ）がカーボンナノファイバーの先端に存在していることがわかる。図２６，２９から、鉄（Ｆｅ）を基点としてカーボンナノファイバーが成長していることが理解できる。
【００３７】
実施例に係る試料片１の表面について、図６等と同様に、（株）島津製作所製 走査電子顕微鏡 ＳＵＰＥＲＳＣＡＮ ＳＳ−５５０を用いてＥＤＳ分析を行い、硫黄（Ｓ）および窒素（Ｎ）の組成分析を行った。図３０は、図５に示された部位における硫黄（Ｓ）のＫα線像であり、図３１は、図５に示された部位における窒素（Ｎ）のＫα線像である。図３０，３１に示すように、試料片１の表面から、硫黄（Ｓ）および窒素（Ｎ）が検出された。図３０，３１に示す結果によれば、実施例に係る第１工程によって試料片１の表面に塗布された希硫酸に含まれる硫黄（Ｓ）は、試料片１の主成分であるＦｅと化合物を形成し、ＦｅＳＯ４またはＦｅ２（ＳＯ４）３として試料片１の表面に存在しているものと推定される。
【００３８】
図３２は、実施例および比較例２，３に係る試料片１のＸ線回折（ＸＲＤ）測定の結果を示している。図３２には、参考例として、特許文献１に記載の硫化水素ガスを含む反応ガスを用いて金属材の表面に形成したナノカーボン炭素膜のＸ線回折測定の結果も併せて図示されている。図３２において、四角でマークしたピークは鉄（Ｆｅ）のピークであり、一重丸でマークしたピークは硫酸鉄（ＦｅＳＯ４）のピークであり、二重丸でマークしたピークは窒化鉄（Ｆｅ２Ｎ）のピークであり、三角でマークしたピークは、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）のピークである。図３２に示すように、実施例および参考例では、試料片１の表面に硫酸鉄が生成していることがわかった。実施例では、参考例と同様に、試料片１の表面にＦｅ硫酸塩が形成されており、これによって、試料片１の表面にナノカーボンが成長したものと考えられる。
【００３９】
ＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩５２の存在によってナノカーボンが成長するメカニズムは、次のように推測される。図４に示すように、ＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩５２が試料片１の表面に存在していることによって、第２工程において活性炭素４が試料片のＦｅとＦｅ−Ｃ化合物４２を形成し、これを介して試料片１の内部に侵入していくことが抑制される。このため、活性炭素４は、試料片１の表面でＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩５２を基点として、ナノカーボン４３として成長するものと考えられる。
【００４０】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００４１】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 試料片
２ 熱処理炉
４ 活性炭素
１０ 観察部位
１１ 未処理面
１２ 処理面
４２ Ｆｅ−Ｃ化合物
４３ ナノカーボン
５１ 試料片
５２ Ｆｅ硫酸塩
２０１ チャンバ
２０３ 試料台
２２１ ヒータ
２３２ ガス流路
２４０ 試料観察窓
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の表面処理方法に関する。特に、金属材の表面に炭素膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼き付きを防止するなどの目的で金型（特に鋳造型や鍛造型）の表面に特定の処理（表面処理）を行うことがある。その一つに、金属材（金型）の表層に窒化層を形成するとともに、その窒化層の上に炭素膜を形成する表面処理方法が開発されている（例えば特許文献１および２）。特許文献１および２では、窒化雰囲気下でアセチレンガス、硫化水素ガスとともに金型を熱処理するナノカーボン炭素膜形成工程を行う。ここで、ナノカーボン炭素膜とは、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を意味する。ナノカーボン炭素膜形成工程によって、金型の表面近傍（表層）に窒化層が形成されるとともに、その上にナノカーボン炭素膜が形成される。ここで、窒化層とナノカーボン炭素膜との界面には化合物層が形成される。なお、「窒化層」とは、鉄製、或いは鉄を含む合金製の金型の表層に窒素が浸入することによって形成される層である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３６１９４号公報
【特許文献２】特開２００８−１０５０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および２に記載の表面処理方法において、硫化水素ガスは、金属材に含まれる鉄（Ｆｅ）と反応してＦｅ−Ｓ化合物を形成し、このＦｅ−Ｓ化合物の触媒作用によって、金属材の表面にナノカーボン炭素膜が形成されていると考えられる。硫化水素ガスが反応ガスに含まれていると、ナノカーボン炭素膜が金属材の表面に形成される。しかしながら、硫化水素ガスを用いた反応系では、設備、製造のコストが大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願が提供する技術は、硫化水素ガスの代りに希硫酸を用いて金属材表面にナノカーボン炭素膜を形成する。即ち、本願は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する第１工程と、第１工程の後に、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を形成する第２工程と、を有することを特徴とする。
【０００６】
本願によれば、金属材に含まれるＦｅは、希硫酸と反応してＦｅ硫酸塩を形成し、これによって、ナノカーボン炭素膜が金属材の表面に形成される。硫化水素ガスを反応ガスに含める必要がない。希硫酸は、硫化水素ガスよりも扱い易いため、設備コストおよび製造コストを低減できる。
【０００７】
なお、窒化層が形成される条件下で金属材を熱処理するとは、一例として、アンモニアガス、窒素ガス、尿素等を用いた窒化ガス雰囲気下で金属材を熱処理することである。その他、ガス以外の窒化成分とともに金属材を熱処理することであってもよい。別言すれば、窒化層が形成される条件下で金属材を熱処理するとは、「金属材の表面に窒化層が形成されるまで気体又は液体状の窒素含有物質とともに金属材を加熱する」ことに相当する。また、有機ガスは、窒化雰囲気下で熱処理を行うことによって金属材の表面に、ナノカーボン炭素膜を形成可能な従来公知の有機ガスを利用することができる。有機ガスとしては、例えば、炭素数が１〜４程度の炭化水素ガス（アセチレンガス、エチレンガス、プロパンガス、ブタンガス、メタンガス等）もしくはこれらの混合ガス（天然ガス等）を好適に用いることができ、アセチレンガスを特に好適に用いることができる。
【０００８】
第２工程では、アンモニアガス雰囲気下で金属材の表層に窒化層を形成することが好ましい。
【０００９】
第１工程の前に、応力付与工程をさらに含んでいてもよい。また、第２工程の後に、フラーレン類塗布工程をさらに含んでいてもよく、フラーレン塗布工程の後に、焼成工程をさらに含んでいてもよい。
【００１０】
また、本願は、表面処理方法による炭素膜がキャビティ面に形成された金型を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本願によれば、硫化水素ガス用いることなく、ナノカーボン炭素膜を金属材の表面に形成することができる。ナノカーボン炭素膜を金属材の表面に形成するための設備コストおよび製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る金属材の試料片を模式的に示す図である。
【図２】実施例に係る熱処理炉を概念的に示す図である。
【図３】実施例の第２工程に係る温度プロファイルを示す図である。
【図４】ナノカーボン炭素膜の生成メカニズムを概念的に示す図である。
【図５】実施例に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図６】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図７】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図８】図５の未処理面を拡大した像である。
【図９】図５のショットブラスト面を拡大した像である。
【図１０】比較例１に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図１１】比較例１に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１２】比較例２に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図１３】比較例２に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１４】比較例２に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１５】比較例３に係る試料のＳＥＭによる二次電子像である。
【図１６】比較例３に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１７】比較例３に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図１８】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図１９】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２０】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２１】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２２】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２３】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２４】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図２５】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図２６】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２７】実施例に係る試料の表面に形成された炭素膜のＴＥＭ像である。
【図２８】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図２９】実施例に係る炭素膜のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図３０】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図３１】実施例に係る試料のＥＤＳマッピング結果を示す図である。
【図３２】実施例、比較例および参考例に係るＸ線回折の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本願は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面処理方法を開示する。この表面処理方法は、第１工程と、第２工程とを含んでいる。第１工程では、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する。第２工程は、第１工程の後に行われ、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜（ナノカーボン炭素膜）を形成する。
【００１４】
第１工程で、金属材の表面に希硫酸を塗布する方法は、特に限定されないが、希硫酸を布や刷毛を使って塗布してもよいし、希硫酸液中に金属材を浸漬してもよい。金属材に希硫酸を塗布した後は、任意に、自然乾燥または加熱乾燥等によって、金属材の表面の水分を除去しても良い。希硫酸の濃度は、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上かつ２０ｍｏｌ／Ｌ以下であればよく、１．０ｍｏｌ／Ｌ以上かつ５．０ｍｏｌ／Ｌ以下であれば好ましい。０．３ｍｏｌ／Ｌ以上かつ０．６ｍｏｌ／Ｌ以下であれば特に好ましい。
【００１５】
希硫酸を塗布すると、下記（１）または（２）式に示すように、金属材の主成分であるＦｅと希硫酸が反応し、Ｆｅの硫酸塩および水素が生成する。これによって生成するＦｅの硫酸塩（ＦｅＳＯ４、Ｆｅ２（ＳＯ４）３）がナノカーボン炭素膜を生成する反応の触媒として機能し、第２工程におけるナノカーボン炭素膜生成反応が促進される。
Ｆｅ ＋ Ｈ２ＳＯ４ → ＦｅＳＯ４ ＋ Ｈ２ ↑ … （１）
２Ｆｅ ＋ ３Ｈ２ＳＯ４ → Ｆｅ２（ＳＯ４）３ ＋ ３Ｈ２ ↑ … （２）
【００１６】
一方、本願に係る反応系では、下記（３）および（４）に示す反応が起こる場合にＨ２Ｓが発生する。ＦｅＳが生成しない限り、式（４）の反応は起こらないことから、Ｈ２Ｓガスが発生する反応（式（４）に示す反応）は殆ど起こらない。希硫酸を塗布することによってＨ２Ｓガスが発生することは殆ど無いから、設備コストおよび製造コストを低減できる。
Ｆｅ ＋ Ｓ → ＦｅＳ … （３）
ＦｅＳ ＋ Ｈ２ＳＯ４ → ＦｅＳＯ４ ＋ Ｈ２Ｓ ↑ … （４）
【００１７】
第２工程では、金属材の表層に窒化層が形成される条件（以下、窒化条件という）の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理する。これによって、金属材の表面近傍（表層）に窒素が浸入し、元々の金属材料が窒化して窒化層が形成されるとともに、その窒化層の表面に、ナノカーボン炭素膜が形成される。なお、窒化層が形成される条件下で金属材を熱処理する好適な一例は、前述したようにアンモニアガス、窒素ガス、尿素等を用いた窒化ガス雰囲気下で金属材を熱処理することである。有機ガスは、窒化雰囲気下で熱処理を行うことによって金属材の表面に、ナノカーボン炭素膜を形成可能な従来公知の有機ガスを利用することができる。そのような有機ガスの好適な一例は前述したようにアセチレンガス等の炭化水素ガスである。
【００１８】
本願に係る製造方法は、第１工程および第２工程以外の工程を含むものであってもよい。例えば、第２工程の後に、第２工程によって形成されたナノカーボン炭素膜の表面にフラーレン類を塗布するフラーレン類塗布工程を含んでいてもよい。ここで、フラーレンとは、閉殻構造を有する炭素クラスタであり、通常は炭素数が６０〜１３０の偶数である。具体例としては、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ８６、Ｃ８８、Ｃ９０、Ｃ９２、Ｃ９４、Ｃ９６及び、これらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスタが挙げられる。本明細書でいうフラーレン類とは、上記のフラーレンの他、フラーレン分子に他の分子や官能基を化学的に修飾したフラーレン誘導体を含む。フラーレン類塗布工程は、例えば、特開２０１０−３６１９４号公報に記載した方法を用いて行うことができる。
【００１９】
また、例えば、フラーレン類塗布工程の後に、炭素膜が形成された金属材の焼成を行う焼成工程をさらに含んでいてもよい。焼成工程を行うと、ナノカーボン炭素膜と非晶質化したフラーレン類が金属結合する。これによって、炭素膜が緻密化して強固になり、炭素膜の耐久性が向上する。焼成工程では、金属材を４００℃以上に加熱することが好ましい。
【００２０】
また、例えば、第１工程の前に、金属材の表層に応力を付与する応力付与工程を含んでいてもよい。より具体的には、例えば、金属材の表面にショットブラスト処理を行い、金属材の表層から所定の深さに結晶欠陥や結晶歪みを有する残留応力層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。また、ショットブラスト処理を行うと、処理面の表面応力の均一化、残留圧縮応力の付与の作用により、処理面の表面研削や付着物除去、または処理面の耐久性向上等の効果を得ることができる。例えば、ショットブラスト処理の条件を調整することで、処理面の表面粗さを調整することができる。
【００２１】
ショットブラスト処理で用いる投射方法としては、限定されないが、例えば、機械式、空気式、湿式の投射方法が挙げられる。投射材としては、例えば、金属系、セラミック系等の投射材が挙げられ、処理する金型と同じ金属材料を用いることが好ましいが、これに限定されない。投射材の大きさや材料、ショットブラスト処理の圧力（投射材の投射圧力）を調整することによって、処理面の状態を調整することができる。例えば、処理面が所望の表面粗さになるように調整することができる。
【００２２】
本願によれば、ナノカーボン類を含む炭素膜を備えた金属材を製造することができる。この金属材では、ナノカーボン炭素膜は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材の表面に希硫酸を塗布した後で、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって金属材の表面に形成される。金属材は、金型であってもよく、この場合、炭素膜は、少なくとも金型のキャビティ面に形成されていることが好ましい。
【実施例１】
【００２３】
本実施例では、金属材として、図１に模式的に示すＳＫＤ６１製の試料片１を用いた。試料片１は、上下面が直径２０ｍｍ、高さ８ｍｍの円柱形状である。
【００２４】
（ショットブラスト処理工程）
本実施例では、第１工程の前に、応力付与工程として、ショットブラスト処理工程を行う。試料片１の左半分（図１に示す参照番号１１側）にのみマスキングテープを貼り付けた状態で、ショットブラスト処理を行い、その後、マスキングテープを剥がした。これによって、試料片１の上表面に、未処理面１１と処理面１２を形成した。
【００２５】
ショットブラスト処理は、自重式ノズルブラスト装置を用いて、直径０．０７５ｍｍ〜０．３００ｍｍのスチールグリッドを０．５ＭＰａのショットブラスト処理圧（エア圧）で、金属材の表面に３０秒間投射した。ショットブラスト処理後の処理面１２の表面粗さＲａは、Ｒａ＝１．５±０．４μｍ以内であった。
【００２６】
（第１工程）
３ｍｏｌ／Ｌの希硫酸に浸した布を用いて、試料片の上表面に、３ｍｏｌ／Ｌの希硫酸を塗り付け、自然乾燥させた。
【００２７】
（第２工程）
第２工程では、試料片１を図２に示す熱処理炉２に入れ、図３に示すプロファイルに従って、反応ガスを流通させながら試料片１を加熱した。熱処理炉２は、チャンバ２０１と、ガス流路２３２と、ヒータ２２１と、試料台２０３と、試料観察窓２４０とを備えている。試料台２０３に試料片１を載置して、チャンバ２０１内を真空ポンプ（図示しない）で減圧して空気をパージした後に、窒素ガス（Ｎ２）を流通させ、Ｎ２雰囲気とした。次に、反応ガス（アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス）を流通させながら、５分間で５２０℃まで昇温し、５２０℃に到達した後で３時間保持した。反応ガス中の各成分の流量は、ＮＨ３ガスが０．１５Ｌ／ｍｉｎ、Ｃ２Ｈ２ガスが０．０４５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスが０．０７Ｌ／ｍｉｎであり、チャンバ内の圧力は大気圧であった。５２０℃で３時間保持した後、ＮＨ３ガスおよびＣ２Ｈ２ガスの供給を停止し、Ｎ２ガスに切り替え、室温程度まで降温した。なお、図４は、ＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩の存在によってナノカーボンが成長するメカニズムを説明する図であるが、その説明は実施例の最後に述べる。
【００２８】
（比較例１）
試料片１と同様の試料片を準備し、第１工程を行わないこと以外は、実施例と同様の工程を行った。
【００２９】
（比較例２）
試料片１と同様の試料片を準備し、第１工程で、希硫酸に替えて、６ｍｏｌ／Ｌの塩酸（ＨＣｌ）を試料片に塗布したこと以外は、実施例と同様の工程を行った。
【００３０】
（比較例３）
試料片１と同様の試料片を準備し、第１工程で、希硫酸に替えて、６ｍｏｌ／Ｌの硝酸（ＨＮＯ３）を試料片に塗布したこと以外は、実施例と同様の工程を行った。
【００３１】
（ＳＥＭ、ＴＥＭによる観察およびＥＤＳ分析）
試料片１を実施例および比較例１〜３に係る手順で処理した後、図１に示す試料片１の観察部位１０（未処理面１１および処理面１２の一部およびその境界を含む）を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した。併せて、ＳＥＭによる観察部位について、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を実施した。なお、ＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析は、（株）島津製作所製 走査電子顕微鏡 ＳＵＰＥＲＳＣＡＮ ＳＳ−５５０を用いて行った。
【００３２】
まず、実施例と比較例１〜３とを比較して、第１工程によって得られる作用効果について考察する。図５は実施例に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図６は図５に示された部位における炭素のＫα線像であり、図７は図５に示された部位における酸素のＫα線像である。図８は、図５に示す観察部位１０の未処理面１１を拡大した図であり、図９は、図５に示す観察部位１０の処理面１２を拡大した図である。図１０は、比較例１に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図１１は図１０に示された部位における炭素のＫα線像である。図１２は比較例２に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図１３は図１２に示された部位における炭素のＫα線像であり、図１４は図１２に示された部位における酸素のＫα線像である。図１５は比較例３に係る試料片１の観察部位１０の二次電子像であり、図１６は図１５に示された部位における炭素のＫα線像であり、図１７は図１５に示された部位における酸素のＫα線像である。図６，７，１１，１３，１４，１６および１７では、対象元素（炭素または酸素）が多く存在する部分から多くの対象元素の特性Ｘ線（Ｋα線）が補充されるため、対象元素の濃度が高いほど白色に表示されている。
【００３３】
図６には、対象元素である炭素（Ｃ）の組成情報が示されており、炭素が多く検出されている箇所は、白っぽくなっている。図５，６，８，９に示すように、処理面１２には多くの炭素膜が形成され、未処理面１１にも炭素膜は僅かに観察された。図１１には、炭素（Ｃ）の組成情報が示されている。実施例とは異なり、比較例１においては、白っぽい箇所が殆どなく、点在している程度であった。つまり、未処理面１１および処理面１２には炭素が連続して存在しておらず、炭素膜が観察されなかった。なお、点在している炭素は比較的容易に除去することができたため、アセチレンガスによるすすが付着したものと考えられる。Ｈ２Ｓを含まない反応ガスを用いた場合、第１工程を行わない比較例１では、炭素膜が形成されなかった。これに対して、第１工程で試料片１の表面に希硫酸を塗布した実施例においては、Ｈ２Ｓを含まない反応ガスを用いた場合であっても、炭素膜が形成されることが明らかになった。
【００３４】
次に、実施例と比較例２，３とを比較して、試料片に塗布する酸の種類について考察する。図６，１３，１６には、炭素（Ｃ）の組成情報が示されており、炭素が多く検出されている箇所は、白っぽくなっている。図７，１４，１７には、酸素（Ｏ）の組成情報が示されており、酸素が多く検出されている箇所は、白っぽくなっている。図６，７に示すように、実施例では、炭素（Ｃ）は検出されたが、酸素（Ｏ）は殆ど検出されなかった。これは、希硫酸によって試料片の表面に形成されたＦｅ酸化物（Ｆｅ２Ｏ３等）が除去され、炭素膜の成長が促進されたことを示していると考えられる。一方、図１３，１４，１６，１７に示すように、比較例２，３では、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）が検出された。比較例２，３で用いた塩酸、硝酸によっては、Ｆｅ２Ｏ３等のＦｅ酸化物を除去することができず、炭素膜の成長が促進されなかったためであると考えられる。
【００３５】
実施例において観察された炭素膜を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察した。結果を図１８〜２１に示す。図１８〜２１に示すように、ファイバー状の炭素が観察されており、実施例に係る炭素膜が、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含むナノカーボン炭素膜であることが分かった。なお、ＴＥＭによる観察は、日本電子社製 透過電子顕微鏡 ＪＥＭ−２１００を用いて、加速電圧１２０ｋＶで行った。
【００３６】
さらに、透過電子顕微鏡 ＪＥＭ−２１００を用いて、実施例に係る炭素膜のＴＥＭによる観察およびＥＤＳ分析を行った。分析は、２箇所について行い、図２２〜２５は一箇所の分析結果を示しており、図２６〜２９は別の一箇所の分析結果を示している。図２２，２４，２６，２８は、硫黄（Ｓ）の分析結果であって、図２２，２６は二次電子像であり、図２４，２８は硫黄のＫα線像である。図２３，２５，２７，２９は、鉄（Ｆｅ）の分析結果であって、図２３，２７は二次電子像であり、図２５，２９は鉄のＫα線像である。図２４，２８において，点状に白っぽく光っている箇所は硫黄元素が検出された箇所である。図２５，２９において，点状に白っぽく光っている箇所は鉄元素が検出された箇所である。図２２〜２９に示すように、実施例に係る炭素膜からは、鉄（Ｆｅ）は検出されたが、硫黄（Ｓ）は殆ど検出されなかった。特に図２６と図２９を比較すると、鉄（Ｆｅ）がカーボンナノファイバーの先端に存在していることがわかる。図２６，２９から、鉄（Ｆｅ）を基点としてカーボンナノファイバーが成長していることが理解できる。
【００３７】
実施例に係る試料片１の表面について、図６等と同様に、（株）島津製作所製 走査電子顕微鏡 ＳＵＰＥＲＳＣＡＮ ＳＳ−５５０を用いてＥＤＳ分析を行い、硫黄（Ｓ）および窒素（Ｎ）の組成分析を行った。図３０は、図５に示された部位における硫黄（Ｓ）のＫα線像であり、図３１は、図５に示された部位における窒素（Ｎ）のＫα線像である。図３０，３１に示すように、試料片１の表面から、硫黄（Ｓ）および窒素（Ｎ）が検出された。図３０，３１に示す結果によれば、実施例に係る第１工程によって試料片１の表面に塗布された希硫酸に含まれる硫黄（Ｓ）は、試料片１の主成分であるＦｅと化合物を形成し、ＦｅＳＯ４またはＦｅ２（ＳＯ４）３として試料片１の表面に存在しているものと推定される。
【００３８】
図３２は、実施例および比較例２，３に係る試料片１のＸ線回折（ＸＲＤ）測定の結果を示している。図３２には、参考例として、特許文献１に記載の硫化水素ガスを含む反応ガスを用いて金属材の表面に形成したナノカーボン炭素膜のＸ線回折測定の結果も併せて図示されている。図３２において、四角でマークしたピークは鉄（Ｆｅ）のピークであり、一重丸でマークしたピークは硫酸鉄（ＦｅＳＯ４）のピークであり、二重丸でマークしたピークは窒化鉄（Ｆｅ２Ｎ）のピークであり、三角でマークしたピークは、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）のピークである。図３２に示すように、実施例および参考例では、試料片１の表面に硫酸鉄が生成していることがわかった。実施例では、参考例と同様に、試料片１の表面にＦｅ硫酸塩が形成されており、これによって、試料片１の表面にナノカーボンが成長したものと考えられる。
【００３９】
ＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩５２の存在によってナノカーボンが成長するメカニズムは、次のように推測される。図４に示すように、ＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩５２が試料片１の表面に存在していることによって、第２工程において活性炭素４が試料片のＦｅとＦｅ−Ｃ化合物４２を形成し、これを介して試料片１の内部に侵入していくことが抑制される。このため、活性炭素４は、試料片１の表面でＦｅＳＯ４等のＦｅ硫酸塩５２を基点として、ナノカーボン４３として成長するものと考えられる。
【００４０】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００４１】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 試料片
２ 熱処理炉
４ 活性炭素
１０ 観察部位
１１ 未処理面
１２ 処理面
４２ Ｆｅ−Ｃ化合物
４３ ナノカーボン
５１ 試料片
５２ Ｆｅ硫酸塩
２０１ チャンバ
２０３ 試料台
２２１ ヒータ
２３２ ガス流路
２４０ 試料観察窓
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する第１工程と、
第１工程の後に、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を形成する第２工程と、
を有する、金属材の表面処理方法。
【請求項２】
第２工程では、アンモニアガス雰囲気下で金属材の表層に窒化層を形成する、請求項１の表面処理方法。
【請求項３】
第１工程の前に、応力付与工程をさらに含む、請求項１または２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
第２工程の後に、フラーレン類塗布工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
【請求項５】
フラーレン塗布工程の後に、焼成工程をさらに含む、請求項４に記載の表面処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の表面処理方法による炭素膜がキャビティ面に形成された金型。
【請求項１】
鉄を主成分とする金属材の表面に、希硫酸を塗布する第１工程と、
第１工程の後に、金属材の表層に窒化層が形成される窒化条件の下でＣＯ、ＣＯ２および有機ガスからなる群から選ばれる少なくとも一種とともに金属材を熱処理することによって、金属材の窒化層の表面に、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブおよびカーボンナノフィラメントからなる群から選ばれる少なくとも１種のナノカーボン類を含む炭素膜を形成する第２工程と、
を有する、金属材の表面処理方法。
【請求項２】
第２工程では、アンモニアガス雰囲気下で金属材の表層に窒化層を形成する、請求項１の表面処理方法。
【請求項３】
第１工程の前に、応力付与工程をさらに含む、請求項１または２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
第２工程の後に、フラーレン類塗布工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
【請求項５】
フラーレン塗布工程の後に、焼成工程をさらに含む、請求項４に記載の表面処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の表面処理方法による炭素膜がキャビティ面に形成された金型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図３２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図３２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１２−２３３２２１（Ｐ２０１２−２３３２２１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０１６０２（Ｐ２０１１−１０１６０２）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９２０３２６３６）学校法人トヨタ学園 (57)
【出願人】（５９３０７８２５７）株式会社メックインターナショナル (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９２０３２６３６）学校法人トヨタ学園 (57)
【出願人】（５９３０７８２５７）株式会社メックインターナショナル (24)
【Ｆターム（参考）】
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