(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
さらに、コーティングの耐久性を高めるために、上記の凹凸形状に加えて、クロム酸系のプライマー(下塗り)を用いることが考えられる。しかし、クロム酸系のプライマーは、環境負荷の大きい六価クロムが含まれる上、この六価クロムが溶出するリスクがある。そこで、クロム酸系以外のプライマー(例えば、ポリマー成分のプライマー)を用いることが提案されているが、この場合には、クロム酸系のプライマーと比較すると、密着強度が劣り、長期間使用した場合にブリスター(水ぶくれ)が発生して耐久性に問題がある。
【0005】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、プライマーの密着強度に関わらず、コーティングの耐久性を高めることができる新たな構成を備えたコーティング基材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のコーティング基材は、表面にコーティングが施されるコーティング基材であって、前記表面に形成された、網目状の谷部、及び前記谷部で周囲が囲まれた複数の島部、を備え、前記島部は、その上面に形成されたクレータ状の窪み部を有する。
【0007】
本発明によれば、コーティング基材の表面に、網目状の谷部および複数の島部からなる凹凸形状に加えて、島部の上面にもクレータ状の窪み部によって凹凸形状が形成されるため、コーティング基材の表面にコーティングを施すときに、窪み部の周囲に盛り上げる土手部分の内側(窪み部側)及び外側に位置するコーティング材料が、自身が硬化するときの収縮応力によって、前記土手部分の内側及び外側を掴むように密着する。これにより、コーティング基材の表面とコーティング材料との密着強度をさらに高めることができるので、プライマーの密着強度に関わらず、コーティングの耐久性を高めることができる。
【0008】
前記コーティング基材において、前記窪み部の深さは、前記谷部の深さの1/5以上であるのが好ましい。この場合、窪み部の周囲の土手部分にコーティング材料を適切に密着させることができるので、コーティングの耐久性をさらに高めることができる。
【0009】
前記コーティング基材において、前記谷部及び前記島部は、前記表面にレーザ光が照射されて形成されたものであり、前記窪み部は、前記レーザ光の照射により前記表面から溶けた部分が、前記上面の周縁部に盛り上がって形成されたものであるのが好ましい。この場合、レーザ光の照射により、谷部及び島部を形成するときに、窪み部も同時に形成することができるので、コーティング基材を効率的に製作することができる。
【0010】
前記コーティング基材において、前記窪み部の深さは、前記谷部の深さの1/5以上かつ3/5以下であるのが好ましい。この場合、窪み部の周囲の土手部分にコーティング材料を適切に密着させることができ、かつコーティング膜にブリスターが発生するのを抑制することができるので、コーティングの耐久性をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明のコーティング基材によれば、プライマーの密着強度に関わらず、コーティングの耐久性を高めることができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るコーティング基材の表面を正面から撮影した顕微鏡写真を示す図面代用写真である。
図2は、そのコーティング基材の表面の立体形状を示す図面代用写真である。コーティング基材は、その表面にコーティングが施されるものである。
【0014】
本実施形態のコーティング基材は、例えば、半導体や液晶の製造装置に備えられたポンプの一部材として用いられるものであり、そのポンプ内の薬液が直接触れる表面に、耐薬性のフッ素コーティングが施されるものである。なお、コーティング基材の表面には、フッ素コーティング以外の他のコーティングを施すものであってもよい。
【0015】
図1及び
図2において、コーティング基材1(以下、単に「基材1」ともいう)は、例えば金属製の部材からなり、基材1の表面全体には、レーザ加工により微細な凹凸形状が形成されている。具体的には、基材1の表面には、レーザ光が照射されることによって、当該表面の一部が溶けて微細な網目状の谷部2(
図1の黒色で示す部分)が形成されているとともに、この谷部2で周囲全体が囲まれた複数の微細な島部3が形成されている。
【0016】
複数の島部3は、基材1の表面においてレーザ光が照射されずに残った部分であり、本実施形態の島部3は、例えば正面視において四角形状に形成されている。各島部3には、その上面全体にクレータ状の窪み部4が形成されている。本実施形態の窪み部4は、前記レーザ光の照射によって、基材1の表面から溶けた部分が、島部3の上面の周縁部に盛り上がって形成されたものである。したがって、窪み部4の周囲全体には、基材1の表面から溶けた部分によって、正面視における外形がほぼ四角形状に形成された土手部分5が形成されたものである。
【0017】
図3は、基材1の表面にコーティングを施した状態を示す拡大断面図である。 同図に示すように、土手部分5の外側面5aは、鉛直方向に対して角度θ1だけ傾斜した傾斜面とされている。同様に、土手部分5の内側面5bは、鉛直方向に対して角度θ2だけ傾斜した傾斜面とされている。土手部分5の外側面5a及び内側面5bは、θ2≠θ1の関係であって、θ2>θ1又はθ2<θ1の関係となるように形成されている。本実施形態における土手部分5の外側面5a及び内側面5bは、θ2>θ1の関係となるように形成されている。
【0018】
窪み部4の深さh(
図3参照)は、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは20μm以上かつ500μm以下である。前記深さhは、基材1の表面に施されたコーティングにブリスター(水ぶくれ)が発生するのを抑制するという観点では20μm以上であることが望ましい。また、前記深さhは、窪み部4内にコーティング材料を浸透し易くするという観点、および窪み部4を効率的に形成するという観点では500μm以下であることが望ましい。
【0019】
谷部2の深さH(
図3参照)も、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは100μm以上かつ500μm以下である。前記深さHは、基材1の表面に施されたコーティングにブリスターが発生するのを抑制するという観点では100μm以上であることが望ましい。また、前記深さHは、谷部2内にコーティング材料を浸透し易くするという観点、および谷部2を効率的に形成するという観点では500μm以下であることが望ましい。
【0020】
ここで、窪み部4の深さhは、谷部2の深さHの1/5以上であって、深さhと深さHとの差が小さくなるように設定されているのが好ましく、窪み部4の深さhが、谷部2の深さHに近づく値に設定されていることがより好ましい。また、窪み部4の深さhは、本実施形態のようにレーザー光の照射によって形成する場合には、谷部2の深さHの1/5以上かつ3/5以下に設定されているのが好ましい。
【0021】
谷部2の幅W(
図3参照)は、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは20μm以上かつ300μm以下である。前記幅Wは、コーティング材料が谷部2内に十分に充填され、空隙が生じないようにすることで、ブリスターを発生させないという観点では20μm以上であることが望ましい。また、前記幅Wは、レーザによる加工を行うという観点では300μm以下であることが望ましい。なお、本実施形態において、谷部2の幅Wは、例えば93μmに設定されている。
【0022】
谷部2のピッチP(
図3参照)は、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは100μm以上かつ500μm以下である。前記ピッチPは、窪み部4を所定の深さhに設定するという観点では100μm以上であることが望ましい。また、前記ピッチPは、基材1の表面に施されたコーティングにブリスターが発生するのを抑制するという観点では500μm以下であることが望ましい。なお、本実施形態において、谷部2のピッチPは、例えば304μmに設定されている。
【0023】
また、レーザ加工により形成された島部3の側面3aの表面粗さは、谷部2(底面)の表面粗さ、又は窪み部4の底面4aの表面粗さよりも高く設定されている。このように、本実施形態では、谷部2および島部3の中でも極めて面積が広い島部3の側面3aの表面粗さが、面積の狭い谷部2の表面粗さ、又は窪み部4の底面4aの表面粗さよりも高く設定されるため、側面3aとコーティング材料との密着力が高くなり、コーティング膜10の耐久性を高めることができる。
【0024】
基材1の表面に施されたコーティング膜10は、プライマー層11、中間層12、及びトップ層13がこの順に基材1の表面に積層されてなる。プライマー層11は、コーティング材料として、例えばポリマー成分のプライマーが用いられており、基材1の表面において谷部2、島部3及び窪み4の凹凸形状が残るように薄く形成されている。なお、プライマー層11には、環境負荷が小さいものであれば、ポリマー成分以外のプライマーを用いてもよい。
【0025】
中間層12は、コーティング材料として、充填剤を含むフッ素樹脂が用いられており、プライマー層11の上側に形成されている。中間層12の上面には、基材1の表面の凹凸形状とは異なる微細な凹凸形状12aが形成されている。なお、中間層12は、塗布及び焼付けの工程を複数回繰り返してもよく、この場合、中間層12が積層された状態となる。
トップ層13は、コーティング材料として、高純度のフッ素樹脂が用いられており、中間層12の上側に形成されている。
【0026】
次に、本実施形態のコーティング基材1により得られる効果を検証するために、本発明者らが行ったピール試験(剥離試験)および耐食試験について説明する。
ピール試験では、以下の5種類の基材A〜Eについて、各基材A〜Eの表面にポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施した後、そのコーティング膜を汎用の引張試験機によって引き剥がし、その引き剥がし荷重である密着強度(ピール強度)を測定する試験を、それぞれ5回ずつ行い、その平均値を算出した。
基材A:表面が未処理の基材
基材B:表面に従来のブラスト処理を行った基材
基材C:表面に本実施形態のレーザ加工を行った基材であって、谷部の幅W=100μm,谷部のピッチP=900μm,谷部の深さH=160μm,窪み部の深さh=50μm(=0.31H)
基材D:表面に本実施形態のレーザ加工を行った基材であって、谷部の幅W=100μm,谷部のピッチP=600μm,谷部の深さH=160μm,窪み部の深さh=50μm(=0.31H)
基材E:表面に本実施形態のレーザ加工を行った基材であって、谷部の幅W=100μm,谷部のピッチP=300μm,谷部の深さH=160μm,窪み部の深さh=50μm(=0.31H)
【0027】
図4は、上記ピール試験の試験結果を示す表である。
図4に示すように、未処理の基材A及びブラスト処理の基材Bでは、コーティング膜において、プライマー層に対して中間層が剥がれたり、基材の表面に対してプライマー層が剥がれたりする層間剥離が生じている。この層間剥離は、コーティング膜の密着強度が塗膜強度を下回っている場合に生じる現象であり、層間剥離が生じたときの基材A及びBとコーティング膜との密着強度の平均値は、それぞれ4.8kgf/cm、及び4.9kgf/cmとなった。
【0028】
これに対して、レーザ加工の基材C〜Eでは、コーティング膜が積層方向に破断する塗膜破断が生じている。この塗膜破断は、コーティング膜の密着強度が塗膜強度を上回っている場合に生じる現象であり、塗膜破断が生じたときの基材C〜Eとコーティング膜との密着強度の平均値は、それぞれ6.2kgf/cm、6.6kgf/cm、及び6.9kgf/cmとなった。
【0029】
上記ピール試験の結果より、本実施形態のレーザ加工を行った基材C〜Eに対するコーティング膜の密着強度は、従来のブラスト処理を行った基材Bよりも密着強度が高いことが分かる。また、基材C,D,Eの窪み部の深さhが0.31Hに設定されているので、上述したとおり前記深さhを谷部の深さHの1/5以上に設定することで、密着強度が高くなることも分かる。また、基材C,D,Eは、この順に谷部のピッチPが短くなるに従って、コーティング膜の密着強度の平均値が高くなっているのが分かる。
【0030】
耐食試験(ライニングテスト)では、以下の5種類のサンプルa,a’,b,c,dについて、専用の試験機を用いて、これらのサンプルのコーティング膜においてブリスターの発生具合を比較した。
サンプルa:基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さH=300μm,窪み部の深さh=160μm(=0.53H)
サンプルa’:基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さH=200μm,窪み部の深さh=100μm(=0.50H)
サンプルb:基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さH=150μm,窪み部の深さh=50μm(=0.33H)
サンプルc:基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さH=75μm,窪み部の深さh=50μm(=0.67H)
サンプルd:基材の表面に、従来のブラスト処理と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもの
【0031】
図5は、耐食試験に用いた試験機50の断面図である。この試験機50は、筒状に形成されたガラス筒51と、ガラス筒51の軸方向両側(図中の左右両側)に配置された一対の外板52と、ガラス筒51の内部に配置されたヒータ53と、ガラス筒51の内部に連通するエア配管54とを備えている。ガラス筒51の軸方向両側それぞれには、上記サンプルa〜dのうちのいずれかのサンプルである試験片55が、ガスケット56を介して配置されている。各試験片55は、その表面に施したコーティング膜が内側(ガラス筒51側)を向いた状態となるように配置されており、一対の外板52により挟持された状態で複数のボルト57等によって固定されている。
【0032】
ガラス筒51の内部には、濃度10%の塩水58が封入されており、この塩水58の温度は、ヒータ53により100℃に維持されている。また、塩水58内にはエア配管54の下端部からエアを供給している。これにより、塩水58内に気泡を発生させ、試験片55のコーティング膜に塩水58が浸透するのを促進している。本試験では、この状態で1週間経過する毎に、試験機50から試験片55を取り外して、試験片55の重量を測定するとともに、コーティング膜におけるブリスターの発生具合を観察する作業を12週間目まで行った。
【0033】
図6は、上記耐食試験の試験結果を示すグラフである。また、
図7〜
図10は、耐食試験を終了したときの各サンプルa,b,c,dのコーティング膜の状態を示す図面代用写真である。
図6に示すグラフは、試験期間の経過に伴う、各サンプルa,a’,b,c,dの試験片の重量変化を示している。
【0034】
図6に示すように、ブラスト処理のサンプルdは、耐食試験を開始してから終了するまで、継続的に重量が増加した。これは、コーティング膜にブリスター70(
図9等参照)が発生し、そのブリスター70内に塩水58が浸入することによって重量が増加したと考えられる。
図10に示すように、実際に、サンプルdのコーティング膜を観察していても、1週間目から複数のブリスター70が発生した。そして、試験終了時における
図7〜
図10の各サンプルa〜dのコーティング膜を比較すると、
図10のサンプルdのコーティング膜において、最もブリスター70の個数が多く、かつ個々のブリスター70のサイズも大きくなった。
【0035】
これに対して、レーザ加工のサンプルa,a’,bは、耐食試験を開始してから終了するまで、継続的な重量の増加はなかった。実際に、サンプルa,bのコーティング膜を観察していても、
図7及び
図8に示すように、試験終了までコーティング膜にブリスター70が発生することはなかった。なお、サンプルa’のコーティング膜については、サンプルaと同等の状態であったため、図面代用写真を省略している。
【0036】
また、
図9に示すように、レーザ加工のサンプルcは、
図6に示すように、耐食試験を開始してから終了するまで、継続的に重量が増加している。これは、ブラスト処理のサンプルdと同様に、サンプルcのコーティング膜にブリスター70が発生し、そのブリスター70内に塩水58が浸入することによって重量が増加したと考えられる。しかし、試験終了時におけるサンプルcの重量はサンプルdの重量よりも軽いことから、サンプルcのほうが、ブラスト処理を行わない分だけサンプルdよりもブリスター70の発生が抑制されていると考えられる。
【0037】
実際に、サンプルcのコーティング膜を観察していても、5週間目で初めて1個のブリスター70が発生しており、サンプルdでのブリスター70の発生時期(1週間目)よりも遅かった。さらに、
図9及び
図10に示すように、試験終了時におけるサンプルc及びdの各コーティング膜を比較すると、サンプルcのほうが、コーティング膜に発生したブリスター70の個数が少なく、個々のブリスター70のサイズも小さかった。
【0038】
上記耐食試験の結果より、本実施形態のレーザ加工を行ったサンプルa,a’,b,cは、従来のブラスト処理を行ったサンプルdよりも、ブリスター70の発生を抑制できることが分かる。また、サンプルa,b,cを比較することで、谷部の深さHを高くしたほうが、ブリスター70の発生を抑制できることが分かる。さらに、窪み部の深さhを谷部の深さHの1/5以上かつ3/5以下としたサンプルa,bは、前記深さhを前記深さHの3/5以上としたサンプルcよりも、ブリスター70の発生を抑制できることが分かる。また、
図6〜
図8の結果から、サンプルa,a’,bは、所定の密着強度を確保できていることが分かる。
【0039】
以上、本実施形態のコーティング基材1によれば、その表面に網目状の谷部2および複数の島部3からなる凹凸形状が形成されるため、従来のブラスト処理等により形成された凹凸形状と同様に、コーティング基材1の表面とコーティング膜10との密着強度を高めることができる。さらに、本実施形態では、島部3の上面にもクレータ状の窪み部4によって凹凸形状が形成されるため、コーティング基材1の表面にコーティングを施すときに、窪み部4の周囲に盛り上げる土手部分5の内側(窪み部4側)及び外側に位置するコーティング材料は、自身が硬化するときの収縮応力によって、土手部分5の内側及び外側を掴むように密着する。これにより、コーティング基材1の表面とコーティング膜10との密着強度をさらに高めることができるので、プライマーの密着強度に関わらず、コーティング膜10の耐久性を高めることができる。
【0040】
また、レーザ光を照射してコーティング基材1の表面に谷部2および島部3を形成するときに、その表面から溶けた部分が島部3の上面の周縁部に盛り上がることによって窪み部4も同時に形成することができるので、コーティング基材1を効率的に製作することができる。
【0041】
また、窪み部4の深さhは、谷部2の深さHの1/5以上かつ3/5以下に設定されているので、窪み部4の周囲の土手部分5にコーティング材料を適切に密着させることができ、かつコーティング膜10にブリスター70が発生するのを抑制することができるので、コーティング膜10の耐久性をさらに高めることができる。
【0042】
[その他]
上記実施形態における窪み部4は、レーザ光の照射によって谷部2および島部3を形成すると同時に形成されているが、例えば、前記レーザ光を照射して島部を形成した後に、島部の上面に再びレーザ光を照射して当該上面を溶かして窪み部を形成するなど、他の方法により窪み部を形成してもよい。また、本発明のコーティング基材は、上記のように表面にコーティングが施されるものであるため、コーティング前の状態であってもよいし、コーティング後の状態であってもよい。
【0043】
また、上記実施形態では、島部3は、正面視において四角形状に形成されているが、この形状に限定されるものではない。例えば、島部3は、正面視において三角形状、五角形状、六角形状、或いは円形状等の他の形状としてもよいし、正面視において2種類以上の形状(例えば五角形状と六角形状)の島部3を組み合わせたものとしてもよい。また、谷部2は、等間隔を繰り返す網目状としているが、ランダムな間隔で網目状としてもよい。
【0044】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。