JP2001527601A

JP2001527601A - レーザーによる表面改質

Info

Publication number: JP2001527601A
Application number: JP52620297A
Authority: JP
Inventors: マッケイ，サーマン・ドウェイン; マッケイ，メアリー・ヘレン; ダホター，ナレンドラ・ビー
Original assignee: THE UNIVERSITY OFTENNESSEE RESEARCH CORPORATION
Current assignee: THE UNIVERSITY OFTENNESSEE RESEARCH CORPORATION
Priority date: 1996-01-15
Filing date: 1997-01-15
Publication date: 2001-12-25
Also published as: IL124985A; KR100319962B1; CZ215398A3; EP0956378A1; WO1997026388A3; IL124985A0; DE69720531T2; BR9706988A; EA199800640A1; EP0956378A4; WO1997026388A2; AU735712B2; EA001503B1; DE69720531D1; HK1020586A1; CN1218517A; AU2243497A; KR19990077250A; EP0956378B1; CN1087353C

Abstract

(57)【要約】レーザーを用いて合金用前駆材料及び金属基板を処理する事により、腐食に晒される金属基板の表面及び表面近傍に、保護層となる合金を形成する方法、装置、及び処理された結果得られた金属表面。レーザーにより合金化された金属部分を後処理により滑かにする方法が開示されている。レーザーにより合金化された滑かな金属部分もまた開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】レーザーによる表面改質発明の技術分野本発明は、酸化、腐食、錆化に晒される金属の表面処理、及び滑らかな表面即ち平滑な面からの逸脱ができるだけないような表面の形成に関する。また本発明は、滑らかな及び／または平坦な表面をもつ金属製品に関する。背景技術金属、例えば鉄やアルミニウムの剥き出しの表面は、腐食、錆、水素脆化、及びウエアフラッシュエロージョン（wear flash errosion）を受ける。これらの表面を保護する典型的な方法は、塗装、クラッディング（cladding）、コーティング、電気メッキである。しかし、これらの方法は、頻繁な再処理を必要とし、また、これらの保護層は、保護層と基板との界面における小剥離やはがれを起こす。滑らかな金属表面、即ち地形的な（topographical）不規則性のない表面は、様々な分野の装置において重要な構成要素となる。例えば、ワイン、ビール、ミルク、ジュースなどの飲食物の製造やファインケミカルの分野で使用されるタンクやバットの（内側の及び／又は外側の）壁などである。装置の壁面の平滑度の乱れやきずは、埃、錆、不純物、バクテリア、食べ物のかすや他の望ましくない物質の蓄積の原因となる。現在そういった装置は、一般的に、表面を研磨したステンレスで造られている。ステンレスは高価であり、完全に滑らかな表面にすることはできない。したがって、構造材として使用した時にステンレスよりも安価で、かつ少なくともステンレスと同等またはそれ以上の平滑度とすることができる金属基板が求められている。発明の概要本発明は、酸化、腐食、錆化に晒される金属表面に、そういった表面を保護する合金層であって、小剥離やはがれを起こさず、処理を頻繁に再実行する必要がないような合金層を形成することを目的とする。この目的、及び他の目的は、本発明によって達成することができる。即ち、本発明のプロセスによって金属表面を処理すること、言い換えれば、基板の表面及び表面近傍層に合金層を形成して腐食から保護することにより達成することができる。この合金層は、基板と不可分な部分を形成しており、この意味において、他の金属表面の保護手法、例えばコーティング、クラッディング、塗装、電気メッキなどと異なっている。本発明のプロセス、これを「レーザーによる表面改質法」（もしくはＬＩＳＩプロセス）と呼ぶが、これは、合金化させたい金属を処理する金属基板上に付け、レーザー光線を照射するものである。このプロセスの結果、金属の表面は合金化する。このプロセスを行うために主に必要なものは、レーザー、レーザーの伝達システム、移動システム、制御システム（品質の制御を含む）、及び合金用前駆体となる材料（例えば、バインダー中に粉末として分散させたもの）である。本明細書においては、「滑らかな」もしくは「滑らかさ」という単語は、「粗い」状態でないこと若しくは「粗さ」がないことを意味する。即ち、「滑らかな」という単語は、その滑らかな面からの逸脱、例えば欠陥、バンプ（bumps）、くぼみ、うねりや他の不規則性が全くないことと同義である。例えば、完全に滑らかでかつ平らな表面とは、完全に平担な表面を指す。完全に滑らかでかつ丸い表面とは、完全に球形で、球面からの逸脱がないものを指す。本明細書においては、「平担な」とった時には、平らな面を指す。また、「滑らかな」表面には、平担な表面、平らな表面も含まれる。本発明の金属は、どのような物理的形状をしていても良い。例えば、平板形状、長方形、円、正方形よりなる多面体形状、凹形状、凸形状などである。また、これらの複合形状でも良い。「滑らかにする」とは、合金の表面を処理して処理前よりも滑らかにすることを言う。また本明細書においては、「滑らかにする」という表現は、「地形的な不規則性の除去」、「平滑面からの逸脱の除去もしくは減少」及び「平担にする」といった意味でも使用される。滑らかさ、平坦さの程度は、その金属を用いようとする用途において要求される程度よって、当業者に「完全」と評価される場合もあれば、完全でないと評価される場合もある。本発明の予期していなかった実施の形態は、レーザーにより合金化された金属基板であって、レーザーによって合金化されなかった金属基板よりも滑らかな表面をもつものである。本発明のもう一つの実施の形態は、レーザーにより合金化された金属のまたはその一部分の表面を滑らかにする方法である。本発明の方法によれば、レーザーで合金化された金属基板の表面を、滑らかにする処理をしなかった他の部分よりも、もしくは合金化しなかった金属表面よりも、より滑らかにすることができる。このＬＩＳＩプロセス、プロセスを実行するための装置、及び処理により得られた金属表面についてさらに詳細に述べるするため、図面を参照しながら以下に説明を行う。図面の簡単な説明図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、本発明の方法にしたがって行ったレーザーによる表面改質法を、概略的に、断面図で表したものである。図１Ｄ及び１Ｅは、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃの断面図をグラフを用いて表現したものである。図２は、本発明のプロセスを実行するシステムのブロック図である。図３は、典型的なレーザー光線の伝達システムの断面図である。図４には、光線の軌跡が互いに重なりあう２回のレーザー照射によってクロムと合金化させた鉄片を示す。レーザー光線の軌跡は波打った表面を形成しており、隣接したレーザー光線の軌跡が互いに接するところには平行な隆起が形成されている。図５には、レーザーの照射によりクロムと合金化させた鉄片を示す。図４の試料よりもレーザー光線の軌跡の間隔はより狭い。隣接する軌跡の接する部分には隆起が形成されている。図６には、図５の鉄片を機械的な処理によって、平坦な仕上がりとなるように滑らかにしたものを示す。鉄片のある部分はレーザーにより合金化を行い（領域Ａとする）、ある部分は、レーザーによる合金化を行っていない（領域Ｂとする）。Ａの領域もＢの領域も同じ方法で機械的処理を行った。レーザーにより合金化された部分は、機械処理後、明らかに合金化されていない部分よりも滑らかである。領域Ａがより滑らかであることは、手で触っても、プロフィロメーターで測定しても、はっきりと検知することができる。発明を実施するための好ましい形態本発明の方法により得られた製品は、表面が大きく改質されている。例えば、鉄基板の場合、ＬＩＳＩプロセスに従ってクロムと処理を行うと、実質的にステンレス鋼と等価な製品が得られる。この実施の形態においては、十分な量のクロム及び可能ならばニッケルを、基板表面に薄く（５００μm以下）付け、ステンレス鋼と等価な基板を造る。この基板は、様々なクロムの炭化物が形成されるため、非常に硬い。得られたこのステンレスと等価な基板は腐食せず、耐侵食性、耐摩耗性が高い。従って、この鉄の基板は、定期的に交換しなくとも使用し続けることができる。交換するとすれば、ステンレス鋼製の交換部品が必要となる。（ステンレス鋼は高価で多量のクロムを含む。）さらに、このプロセスを適用する前に、鉄基板のクリーニングを行う必要はない。実際に、適度な酸化物層はレーザー光線の吸収を助け、プロセス全体の速度向上につながる。処理する金属は、どのような構造の金属でも良い。鉄、アルミニウムやニッケルのような非鉄金属、１０１０鋼やＡ３６鋼のようなスチールでも良い。好ましくは、普通炭素鋼（軟鋼とも言われる）が良い。合金化させる金属、即ち構造体となる（基板である）金属と合金を形成する金属には、クロム、アルミニウム、亜鉛、銅、ニッケル、モリブデン、マンガン、コバルト、シリコン、タングステン、チタン及びこれらの合金が含まれる。他の本発明のプロセスに適した合金用前駆物質としては、金、銀、白金、パラジウムのような貴金属及びこれらの合金が挙げられる。好ましくは、クロム及びクロムの合金が良い。合金用前駆物質は、粉末の形状で使用しても良いし、スラリーにして使用しても良い。好ましくは、バインダーと混合した粉末が良く、これは、金属表面に吹き付けても塗布しても良い。バインダーには、有機化合物の樹脂、ラッカーを用ても良く、また水溶性のバインダーを用いても良い。後に述べるようにバインダーは、プロセス中に燃えきり、最終生成物中には、問題となる量は残らない。合金用前駆物質を付けた金属基板は、金属基板が溶融するのに十分な温度まで加熱される。その結果、合金用前駆物質は、溶融した基板と混合し、合金を形成する。１つの実施の形態においては、合金用前駆物質は、水溶性の粉末（ＣｒＯ₃）である。粉末は、水と混ぜると桃色を呈し、したがって、塗布した位置を目で見ることができる。塗布してからこの粉末を薄いフィルム状に硬化させる。このフィルムを加熱すると、次に述べるように、ＣｒＯ₃は分解し、クロムが溶融した基板金属と混ざる。他の実施の形態においては、合金用前駆物質はＣｒであり、基板表面に付けると灰色を呈し、やはりどこに付けたかを目でみることができる。レーザーは、基板（例えばスチール）を加熱して溶融させるのに適している。なぜなら、レーザーは所望の金属基板、例えばスチール、鉄、ニッケル、アルミニウムを溶融させるのに十分な温度を造ることができ、また基板の溶融する深さ及び材料のバルクに伝わる全熱量を慎重に制御することができる。レーザーは、本発明のプロセスにおいて有用であるが、次のようなレーザーであればどんなものでも良い。即ち、合金用前駆物質を溶かし、金属基板の表面層及び表面近傍層を溶融させることができるような、集束したもしくは集束していない光線を発することのできるレーザーであればどんなものでも良い。本発明に適したレーザー光源としては、ＣＯ₂レーザー及びＮｄ：ＹＡＧレーザーがある。ＹＡＧレーザーは、ＣＯ₂レーザーよりも好ましい。なぜなら、ＹＡＧレーザーは、光ファイバーを通して伝達することができるため、より正確にレーザー光線を伝達することができるからであり、またＹＡＧレーザーの波長がより容易にまた効率良く金属に吸収されるからである。このプロセスの様々なパラメーター、例えば合金用前駆物質の量、レーザーのパラメーターなどを変えることができ、これにより特定の深さと構造をもった合金を形成することができる。また、次のことも考慮すべきである。即ち、ある種の基板は、他の基板よりも、クラックや孔を生成せずにより高い温度に耐える事ができる。したがって、ここではＬＩＳＩプロセスの一般的な記述、及びいくつかの特殊な例を記載しているが、当業者は、金属基板に応じて、また求める結果に応じて使用するパラメーターを自由に変更することが可能である。本発明のプロセスは、金属材料の表面及び表面近傍を、合金用前駆物質を加え、レーザーのような高いエネルギーを与えることにより、物理的及び化学的な変化させることに基づくものである。合金用前駆物質は処理する基板の表面に付着させる。もしくは、後に述べるように合金用前駆物質をレーザーが基板に作用している最中に基板に供給しても良い。基板表面及び合金用前駆物質はレーザー処理によって溶融され、基板の表面及び表面近傍において合金を形成する。レーザーが表面に作用する領域には、シールドガスを供給することが好ましい。シールドガスは、例えば不活性気体（即ち、周期表における０族の元素の気体）であり、ハロゲンのような還元性の気体を含んでいても良い。このようなレーザーによる表面の処理後、合金化した領域は、冷却され固化される。この冷却は、急速な急冷により行うことが好ましいが、これは、基板材料の周囲の（大部分の）領域はレーザーによる処理中も冷えたままであることにより起こる。このＬＩＳＩプロセスは、従来の金属表面の処理手法と比較して、いくつかの利点をもっている。本発明のプロセスは、非接触であり、したがって、治具による摩損や機械的なストレスが全くかからない。このプロセスは、処理速度も速い。例えば、毎分３０−６０ｉｎｃｈ²の面積を単一のレーザーで処理することができる。このプロセスは、選択的に限られた領域を処理することができる。このことにより、不必要な物質が生成することを防ぎ、コストと時間を節約することができる。このプロセスは、遠隔操作及び自動化に適しており、これにより人間が晒される危険を最小限とし、プロセスの精度を上げることができる。さらに、このプロセスは、表面及び表面近傍だけ、即ち１から５μmといった深さから２mmといった深さまで、を改質することができる。改質する深さは、典型的には５０から５００〜６００μmの間である。基板の残りの部分（改質された部分よりも深い部分）は、改質されないままであり、金属基板のレーザーを照射しない領域も同様に改質されないままである。このプロセスは、表面及び表面近傍の合金化した層を形成するが、この層はコーティング層ではなく、基板材料と明確な境界を持たない基板の固有部分を形成している。したがって、合金化した領域の基板の残りの領域からの剥雌や分離の問題は起こらない。本発明のプロセスには、ごく少量の、ほんの僅かの、合金用前駆物質しか必要ない。基板を保護するために必要な合金用前駆物質の量は、コーティングや電気メッキで必要な量と比べてはるかに少ない（多くの場合、２分の１から５００分の１である）。さらに、本発明のプロセスは、一度で済むプロセスである。即ち、従来のコーティングのような基板の検査及び再コートは必要ない。さらに言えば、合金用前駆物質の組成及びレーザーのパラメーターを変えることにより、一般的でない、従来と異なった合金を基板の表面及表面近傍に合成することができる。例えば、本発明の方法によれば、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｕ、Ａｌ −Ｓｉ−Ｃ、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ、Ａｌ−Ｗ−Ｃなどの合金を合成することができる。このＬＩＳＩプロセスは、集束もしくは集束していないレーザー光により得られる高密度のエネルギーを用いて合金材料及びその下の領域の材料を溶融させている。溶融は急速に表面でのみ起こるため、材料のバルクは冷えたままであり、このため材料自らの作用による急冷及び固化が生じる。液相から急速な急冷を行うため、広範囲に渡る化学的状態及びミクロ組織が保持される。例えば、次のような化学組成のプロファイルが保持される。即ち、合金化される元素は、基板原子層の表面で濃度が高く、薄い厚みの間に濃度が低下し、完全に溶融した領域においては濃度一定の均一なプロファイルを示す。観察されるミクロ組織は、はっきりとした結晶状態の固溶体から金属ガラスまで様々である。レーザーによる表面処理を、ｉｎ−ｓｉｔｕなＦｅ−Ｃｒ−Ｃ合金のＡＩＳＩスチール基板上への形成に適用した。このような普通炭素鋼をクロムと処理すると、フェライトの微細粒組織、ラスマルテンサイト及び複合炭化物（Ｍ₂₃Ｃ₆）の析出物が得られた。マルテンサイトの組織は転移が集積しており、結晶構造はｂｃｃ型であった。固溶性が増し、冷却速度を速くすると、最初は高温フェライトとともにマルテンサイトが生成し、次にＭ₂₃Ｃ₆炭化物（ｆｃｃ型）の析出物が生成した。この炭化物の析出物は、マトリックス中に均一に分散しており、クロムの含有量が高い。表面及び表面近傍に新たに生成した合金は、オーステナイト組織を持たなかった。普通炭素鋼のこの変化は、、表面の耐腐食性及び耐侵食性を改善するものである。このＬＩＳＩプロセスは、金属の腐食していない若しくは新しい表面に、表面及び表面近傍の合金領域を形成するものであり、腐食、酸化、水素脆化、ウエアフラッシュエロージョンを防ぐものである。好ましくは、処理する表面は、普通炭素鋼が良い。またこのＬＩＳＩプロセスは、金属、例えばスチールの新しくない表面、即ちすでに腐食した表面の改質に使用しても良い。本発明のプロセスは、現在ある腐食部分を除去し、新たな腐食を防ぐものである。したがって、本発明のプロセスは、酸化した表面を回復させるもしくは元に戻すものであり、新たな腐食、酸化、水素脆化、ウエアフラッシュエロージョンを阻害するもしくは防止するものである。このプロセスは、錆を除去し、表面に耐錆性を持たせるものである。加えて、このＬＩＳＩプロセスは、腐食した表面の品質をさらに改善するものであり、錆化した表面の平滑さを増し、耐侵食性を向上させる。酸化した（腐食したもしくは錆化した）表面を本発明の方法によって処理する時には、従来のコーティング手法で必要とされている酸化層の除去は、必要ない。基板表面に強固に付着した錆は、そのまま表面に残しておいて良い。しかしながら、はがれたもしくは薄片状になった錆は柔らかいブラシもしくは他の適当な方法により、処理前に除去すべきである。ＬＩＳＩプロセスは、金、銀、白金、パラジウムのような貴金属を、ニッケルやその合金の基板と合金化させるのに適用しても良い。これにより、改質された表面をもつスーパーアロイが形成され、水素脆化を発生の可能性が下がる。航空宇宙産業では、ニッケル表面に数百μmの金のコーティングを行っている。ＬＩＳＩプロセスは、同様の表面保護を、はるかにコストを節約して行うことができる。なぜなら、必要な金の量は、表面の数原子層を合金化させるのに必要な量で良いからである。たった数μm、例えば１μmないし２−５μmの深さの部分の基板が金と合金化される。即ち、非常に薄い金の被膜しか必要ないため、本発明のプロセスは、表面保護に必要な金の量を２分の１から５００分の１に減らすことができる。加えて、ＬＩＳＩプロセスは、さらに時間と費用の節約を可能にする。なぜならこのプロセスは、繰り返し行う必要がないからである。この点、従来のコーティング手法と異なっており、従来のプロセスは定期的な再処理を必要とする。またＬＩＳＩプロセスは、金属基板の表面に、通常あまりない合金を形成するのに用いても良い。この場合、金属基板は、アルミニウムもしくはアルミニウムの合金が好ましく、合金化させる材料はタングステン、クロム、コバルト、マンガン、マグネシウム、ニッケルが好ましい。ＬＩＳＩプロセスのパラメーター（即ち、基板及び合金用前駆物質の組成、レーザーのパラメーター）を変えることにより、異なった合金が生成する。ＬＩＳＩプロセスにおいて、アルミニウム合金（例えば７０７５）の表面をクロム及びタングステンカーバイドの粉末を用いて改質するのに、ＣＯ₂レーザーとＮｄ：ＹＡＧレーザーを併用しても良い。また、ＬＩＳＩプロセスは、ニッケル合金(商品名：Hastelloy、Hayenes International Inc.製、インディアナ州、 kokomo)の表面を金を用いて改質するのにも適用できた。レーザーにより合金化させた金属基板は、後処理によって滑らかにすることができる。平滑度は、金属基板を使用する用途に応じて変えれば良い。例えば、合金化させた金属表面を、平滑処理をしない時よりもわずかに滑らかにすれば良い場合もある。一方、レーザーにより合金化した表面を鏡面のように滑らかに、即ち地形的な欠陥や、地形的な平滑面からの逸脱のないように仕上げても良い。これら２つの滑らかさの程度の間のどのような程度にも、後処理のパラメーターを変えることにより、仕上げることができる。例えば、平滑処理の具体的方法を変えたり、処理時間の長さ、処理の時にかける力によって仕上がりを変えることができる。平滑度は、適当な方法であれば、どんな方法で決めても良い。必要な測定精度に応じて、触って決めても良いし、目で見て、例えば金属基板の表面の反射によって決めても良いし、測定機器を用いて、例えばプロフィロメーターや光学的プロフィロメーター（これにより滑らかさもしくは平坦度を極めて精密に測定することができる）を用いて決めても良い。レーザーにより合金化させた金属表面を、滑らかにもしくは平坦にしたものは、液体や化学薬品を入れるバットやタンク、例えば食品工業や、化学工業、輸送業や他の工業に使用するタンクの一部分に使用できる。また一方、合金化させた金属表面を滑らかにしたものは、風洞の内面にも使用できる。これにより、より正確な乱気流の測定や空気抵抗の測定ができる。滑らかな合金金属表面を持つことが望ましい応用製品であれば、いかなるものであっても、本発明のレーザーで合金化させた滑らかな金属基板で構成することができる。ここで、「表面」といった時には、構造体の内面も含まれる。これは、次のようにして造ることができる。即ち、合金化させた表面を処理した後、処理した表面が内面となるように、チューブのような形に、金属板を「閉じ」れば良い。滑らかにするには、金属を滑らかに、もしくは平担に、もしくは地形的な不規則性がないようにするのに適当な方法であれば、どんな方法を用いても良い。例えば、機械加工のような椴械的な方法、化学的方法、物理状態の変化による方法がある。物理的状態の変化には、溶融して再凝固させる方法や、溶融した金属に浮かべる方法がある。後者の方法は、例えば米国特許第３，０８３，５５１号中に参照文献として開示されている。現在、合金表面の凹凸や不規則性を減らすには、機械加工のような機械的手法によるのが極めて一般的である。機械加工は、金属基板を加工するのに適した方法であれば、どんな方法でも良い。例えば、グラインダ研磨、ホーニング、バフ研磨、ボーリング、ミリング、サンディング、ポリッシングである。本発明の方法によれば、レーザーで合金化させた金属基板の表面の全面をもしくは一部分を滑らかにすることができる。本発明の方法によれば、合金化した表面は、完全に滑らかもしくは平担にする必要はない。表面には、必要に応じて溝（窪み）、凹んだ領域及び／または逆に凸の領域をつけても良い。本発明の方法によれば、そういった凹みの及び／または凸の領域の側面は、滑らかである。例えば、平坦なレーザーで合金化した金属基板を、その表面の一部分だけ、回転式の研磨機で、回転軸が金属基板の表面に平行になるようにして（例えばドリルのビットの側面を使用して）研磨すれば良い。このようにすれば、平滑化した若しくはしていない基板の肩の部分の片側に、もしくは両側に、滑らかな丸い凹みをつける事ができる。本発明の方法によれば、レーザーで合金化した基板の表面の平担化処理若しくは平滑化処理は、十分な厚さがあれば、どんな合金表面層に対しても行うことができる。十分な厚さとは、平滑処理により、好ましくは基板の特質が全く変わらないか、もしくは合金層の全厚みが除去されて、その下の合金化していない部分が剥き出しになることのないようにするためのものである。レーザーで合金化した基板は、数μm程度（例えば約１０pm）から約２０００μmもしくはそれ以上の、一般的には５０μmから６００ないし２０００μmの厚みの合金層を持つ。平滑化もしくは平担化処理の時間は、表面、使用する方法、必要とする平滑度、光沢によって、数秒の場合もあれば、１時間かそれ以上の場合もある。本発明の平滑化の方法は、レーザーで合金化させた金属部分に対して、合金化された金属が例えばタンクのような最終製品の形態に加工される前に行っても良いし、ｉｎ−ｓｉｔｕに、即ち最終製品の一部分として行っても良い。この処理法は、１つの面に対して行っても良いし、１つ以上の面に対して行っても良い。本発明の方法による平滑化処理の方法を、基板をレーザーでクロムと合金化させる場合の実施例について、以下に図面を用いて説明する。平滑化処理は、クロム以外の、もしくはクロムに加えて他の金属（例えば前に挙げたような金属）を合金化させた場合にも適用できる。本発明のプロセスについて前に述べた適用法に加えて、他の適用法があることはここに開示した内容から当業者に明白に考え得るところである。ＬＩＳＩプロセスを、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃに概略的に示した。レーザーによる表面処理前は、図１Ａに示したように、合金用前駆物質１は、基板２の表面にあり、合金用前駆物質と基板の間に明確な界面が存在する（図１Ｄ参照）。レーザーによる表面処理の間、図１Ｂに示したように、高エネルギーのレーザー源３（例えば多くの応用では１ｋＷ以上）が合金用前駆物質層１及び基板２に向けて照射されており、処理されて合金化した領域４、及び処理されておらず合金化していない領域５が生じている。レーザーによる表面処理の後、図１Ｃに示したように、基板２の表面の数μm（例えば１から５μm）の合金化した領域４に、合金材料種が存在する。合金化した領域４において、基板材料種が、合金化領域の下の基板材料領域に比べてより低濃度で存在する（図１Ｅ参照）。前述の例として、ＬＩＳＩプロセスを普通炭素鋼基板の表面改質に適用した。前に説明したように、表面は清浄であっても良いし、酸化層があっても良い。本例においては、基板は比較的清浄であり、清浄化のための前処理は行わなかった。メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、トルエン、プロピレンオキシドを含む有機物バインダー（商品名：Microshield、Michigan Chrome&Chemical Co.製、アーカンソー州、Hope）中に混ぜたクロムを０．５mm（５００μm）の厚さで炭素鋼基板に付けた。ガウスモードのステーショナリー型のＣＯ₂レーザーを、出力１．５−２．０ｋＷ、エネルギー密度５０−６６ｘ１０⁵Ｗ／ｃｍ²で基板表面に照射し、２５ｍｍ／ｓの速度で走査しながら、炭素鋼基板の表面を炭素鋼が溶融するに十分な温度まで加熱した。シールドガスであるアルゴンを、処理をしている領域に導入した。バインダーは、プロセス中に揮発し、除去される。０．５ｍｍから２．０ｍｍの厚さで、合金含有量が１０から４５重量％であるクロムー鋼合金領域が生成した。生成した表面は、ステンレスと等価な、腐食せずかつ耐侵食性、耐摩耗性の高い合金表面となっている。合金は、スチールの基本的な構成の一部分となっている。その結果、クラッディングやコーティングと異なり、表面の合金層は欠けたり、剥げ落ちたりすることはない。この例及び他の普通炭素鋼の表面をクロム及び他の元素でＬＩＳＩ処理した例を表１に示す。ここに述べた例は、組合せ５として示されている（表１の右側）。表１普通炭素鋼とクロムのレーザーによる合金化の操作条件本発明の合金化領域は、典型的には５００μm（０．５ｍｍ）若しくはそれ以下の深さに生成する。典型的な処理速度（即ち光線の移動速度）は、１インチ／秒のオーダーである。したがって、ＬＩＳＩプロセスによれば約６平方フィート若しくはそれ以上の領域を、１時間に処理することができる。もし必要であれば、処理速度を向上させるには、さらに別のレーザーを使用しても良いし、単一のレーザー光源から複数の光線を発射させることもできる。出力密度及び走査速度は、これらはどちらも生成した所望の相に対して適当な冷却速度を供するものであるが、これらはいくつかの関連したプロセス及び材料パラメーターによって決まるものであることが当業者にはわかるであろう。例えば、基板材料（炭素の含有量及び／または合金元素）、付加の方法、レーザー／基板領域における表面の合金化材料の量、レーザー光線の形状（方形／長方形（トップハット(top hat)）、集束(focused)／ガウス、ステーショナリー／オシレーション）、シールドガス、などである。図２は、本発明にしたがって、レーザーによる表面改質を行うためのシステム１０を概略的に示したものである。システム１０には、レーザー１１が含まれるが、これはＣＯ₂レーザーでもＮｄ：ＹＡＧレーザーでも、若しくはこれと等価なものであって既知の方法で平行光線（１２として概略的に示されている）を発するもの（若しくは等価な熱源）でも良い。伝達システム１３は、光線１２を受け、製品１５の表面１４に適切に伝達するためのものである。ＣＯ₂レーザーの場合、伝達システム１３は、主に一連のミラーより成り、これらはレーザー装置１１からの光線１２を、伝達システム１３を通して、製品１５の表面１４に適切に向かわせるためのものである。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの場合、伝達システム１３は、主に光ファイバーシステムより成り、これはレーザー装直１１からの光線１２を受け、光線１２を、製品１５の表面１４に適切に向けるためのものである。後者の場合、光ファイバー伝達システムの利便性により、本発明のシステム１０を構築する際に、大きな多様性とフレキシビリティーが得られる。伝達システム１３と製品１５の間に相対的な動きを持たせるために、適当な装置を準備する。前述の例では、この動きは、移動システム１６により実現させており、移動システム１６は、製品１５を受け取り、伝達システム１３に対する相対的な動きをさせる。しかしながら、より大きな製品に適用するには、伝達システム１３に結合した移動システム１６’を準備し、伝達システム１３を製品１５に対して相対的に動かす方が好ましい。後者の型は、製品を移動させるのが実用的でない場合にとくに好ましく、大規模な工業的な用途において、伝達システム１３と製品１５の間に相対的な動きを持たせる方法として適していると考えられる。コントローラー１７は、レーザー１１、伝達システム１３、移動システム１６（若しくは１６’）と、これらの制御、及びこれらのシステム間の相互作用の制御を行うため、通信を行っている。例えば、コントローラー１７は、レーザー１１と通信し、レーザーの様々なオペレーティングパラメーターを制御する、例えば、光線１２の出力、波形、波長及び発振状態などである。同様に、コントローラー１７は、伝達システム１３と通信し、伝達される光線を制御する、即ち製品１５の表面１４に対する相対的な焦点位置の調節を行う。コントローラー１７は、移動システム１６（若しくは１６’）と通信し、製品１５と伝達システム１３の間の相対的な動きを調節する、例えば移動速度や方向の調節である。前述したように、合金化の材料は、製品１５に様々な方法で供給することができる。合金化の材料を吹き付けまたは他の方法により、製品１５の表面１４に、表面１４がレーザー照射されている時に供給する場合には、供給ユニット１８を、好ましくは伝達システム１３の一部分として若しくはこれと一体のものとして準備する。この場合、コントローラー１７は、供給ユニット１８と通信し、製品１５の表面１４への合金化の材料の供給速度（例えば、多量に供給するなど）を調節する。本発明にしたがってレーザーにより表面改質を行う実例として、表面の合金化をＲＳ３０００型レーザー（Rofin-Sinar）を用いて行った。このレーザーは、高速軸流の、ＲＦ周波数（２７．１２ＭＨｚ）励起のＣＯ₂レーザー（波長１０．６μm）であり０．２から３．７ｋＷの平均出力で動作させる事ができる（レーザー１１）。このＲＳ３０００レーザーは、ＲＳ３０００型の溶接ヘッド（Ro fi n-Sinar）と組合わされており、１５０mm、ｆ／６の光学系を有し、円偏光である。レーザー光線は、ＴＥＭ₁₀モードで、標準パルス波形(ＳＰＣ：Standard Pu lse Configuration)を用いて動作させた。この標準パルス波形においては、レーザー光線は、５ｋＨｚでパルス発振され、平均出力は、パルスのデューティーサイクルを変えることにより調節される（即ち、擬似連続波モードでの動作である）。純窒素を製品１５の近傍に導入し、レーザー光線と平行の方向に約４ｌ／分の速度で供給し、シールドガスとして働かせた。この構成においては、ＣＯ₂レーザーに適した伝達システム１３を使用しているが、これを図３に概略的に示している。図に示した伝達システム１３は、レーザー光を適当な方向へ向けるための光学系を含む第１のセクション２０を持つ。この第１のセクション２０では、一般的な方法、例えば誘電コートした銅の円偏光子２１、セレン化亜鉛の窓２２、モリブデンをコートした銅の平面ミラー２３を用いており、これらは図に示されている。この光学系のセクション２０は、第２の焦点合わせのセクション２５とつながっている。第２のセクションは、レーザー光線を最終的に製品１５の表面１４に向ける働きを持つ。焦点合わせのセクション２５は、その末端に、銅の放物線ミラーを有しており、これによりレーザー光線の焦点を望みの位置に合わせることができる。製品１５は、一定速度で直線状に移動させるため、コンピューター数値制御（ＣＮＣ）の５軸ＵＮＩＤＥＸ−１６ワークステーション(AEROTECH)に載せた(移動システム１６)。スチールの板をレーザー光の焦点がその表面の上方２５mmの位置にくるよう設置した。レーザーによる処理は、平均出力２０００Ｗで行い、製品表面に約１００Ｗ／mm²のエネルギー（出力密度）を与えた。全領域を処理するために、製品をレーザー光線の下で１５００mm／分の速度で移動させ、２０％の部分を重複させた（即ち、レーザーの光線幅５mmに対して約１mm）。製品の処理を通じて、この速度は一定に保たれた。この構成を用いて、ＡＩＳＩ１０１０炭素鋼の板（２５０mmｘ２５０mmｘ６mm の大きさ）を処理して、レーザーによるクロムの表面合金層を得た。商品として入手可能なラッカー（商品名:Microshield、TOBLER Division、アーカンソー州、 Hope）を、クロムの有機バインダービヒクルとして用いた。クロム粉末(平均粒子サイズ５μm、純度９９．６％、Cerac社、ウィスコンシン州、Milwaukee)をラッカー５体積％を含むアセトン溶液に懸濁させたものを、手作業でブラシ塗布し、薄い、平担で、均質な層をスチール板の表面に形成した。塗布したクロムと有機バインダービヒクルの混合物は、レーザー処理の前に空気中で完全に乾燥させた。スチール板（基板）は、メタノールで洗浄し、クロム層の塗布の前に空気中で乾燥させた。こうして、約５０μm厚のクロム膜を得た。レーザー処理したＡＩＳＩ１０１０スチール板に、均一な表面合金層が形成された。初期状態を横方向及び断面方向に、光学顕微鏡及び電子顕微鏡を用いて観察したところ、非常に堅固な（クラックや孔のない）膜が形成されていた。合金化された領域の厚さは約１．２３mmでクロムの平均含有量は、５重量％であった。合金化したサンプルの断面を５体積％の濃度の硝酸のメタノール溶液でエッチングしたところ、基板材料の表面は、化学的に侵され、曇った表面となった。しかしながら、合金領域は、侵されていなかった。合金領域は、鏡面状のままであった。こうした結果は、表面が腐食に耐性のある表面となったことを示している。表面の合金化された領域の基板の物理的な保全性についても、このサンプルを用いて試験した。サンプルに様々な機械的な負荷をかけることにより試験を行った。レーザーにより合金化させたサンプルを静止片持ち梁曲げ試験にかけた。サンプルは、２５０ポンドの標準的な荷重により１１０°曲がり、力のかかった状態において剥離やクラックの発生はなかった。また、サンプルに面（円形）、線、及び点の繰り返しの動的な接触荷重を与えたが、基板からの剥碓、クラックは一切みられなかった。堅固で、機械的に強く、化学的にも安定な合金層がＡＩＳＩ１０１０スチールの表面に形成された。これまでに述べた構成は、本発明にしたがい、種々の応用において良い結果をえるために、さまざまに変えることができる。例えば、前にも述べたように、図２のレーザー１１として様々なレーザーを用いることができる。一例はＮｄ：ＹＡＧレーザーであり、対応する伝達システムによって、大きなフレキシビリティが得られるという利点を有する。実例として、表面合金化をＪＫ−７０１レーザー(Lumonics社)を用いて行った。これは、パルス発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長１．０６μm）であり、レーザー発振の媒質はイットリウム−アルミニウム−ガーネット単結晶にネオジムをドーピングしたものである。出射される光線は、１５フィートの光ファイバーにつながれ（これにより強度プロファイルがスクランブルされる）、強度のプロファイルがトップハット型類似のレーザー光線が得られる（ＴＥＭ₀₀モード）。レーザー光線は、光ファイバーケーブルから出射し、レンズ（焦点距離７５mm）により、スポット径４００μmに集光される。ＪＫ−７０１レーザーを操作し、最大平均出力４００Ｗ、パルスあたりのエネルギー５５Ｊのパルスを発するようにした。パルスの持続時間は、５００Ｈｚまでのパルス周波数において０．５から２０ｍＳまで変化させた。制御パネルを用いてパルスの持続時間（幅）、振幅（高さ）、周波数を調節することにより、各々のパルスの形状、サイズ、エネルギーを正確に決めた。クロムを塗布したスチールの基板をコンピューター数値制御（ＣＮＣ）の２軸ワークステーション（TECHNO、a DSG Company製、ニューヨーク州、New Hyde Pa rk）に載せた。これは、親ネジで動かすＸ、Ｙステージ（２ｍｍ／回転）、モーター（２００フルステップ／回転）およびドライバー（１０マイクロステップ／ステップ）を有しており、直交する２方向どちらにも最大３０mm、最大速度５０ｃｍ／秒で動かすことができる。スチールの基板を、表面の２．６mm下側にレーザー光の焦点がくるように設置した。レーザーによる処理を、９．５Ｊ（パルス出力）、１８ｍＳ（パルス持続時間）のパルスを２０Ｈｚのパルス繰り返し周波数で行った。これらの条件により、約２０Ｗ/mm²のエネルギーが、基板表面に照射される。基板の全領域を処理するため、次の条件で、レーザー光の下で、サンプル基板を移動させた。即ち、３６０mm／分の速度で、連続するスポット間を４０％重複させて（即ち光線スポット径１mmに対して約０．４mm）、連続する光線軌跡間を２０％重複させて（即ち光線の軌跡の幅１mmに対して、約０．２mm）、移動させた。処理の間を通して、この条件を保った。純窒素をサンプルの近傍に、レーザー光線と平行方向に、流量速度４ｌ／分で送り込み、シールドガスとして働かせた。ＡＩＳＩ１０１０炭素鋼基板（２５０ｍｍｘ２５０ｍｍｘ６ｍｍの大きさ）を処理して、レーザーによる表面クロム合金層を得た。商品として入手可能なラッカー(商品名：Microshield、TOBLER社、アーカンソー州、Hope)をクロムの有機バインダービヒクルとして用いた。クロム粉末(平均粒径５μm、純度９９．６％、CERAC社、ウィスコンシン州、Milwaukee)をラッカーの５体積％のアセトン溶液に懸濁させたものを、手作業でブラシ塗布し、薄い、平担で、均質な膜をスチール基板の表面に得た。塗布したクロムと有機バインダービヒクルの混合物は、レーザー処理の前に空気中で完全に乾燥させた。スチール板（基板）は、メタノールで洗浄し、クロム層の塗布前に空気中で乾燥させた。これにより、厚さ約５０μmのクロム層を得た。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用することにより、ＬＩＳＩプロセス全体に様々な新たな利点が出てくる。第一の利点は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは光ファイバー伝達システムと結合可能であること（及び波長が、試料によって吸収されやすいこと）により、生まれる。本発明の方法により効果的に表面を処理するのに必要なレーザーのサイズは、重量２０００ポンド台であり、このことにより、レーザーを表面に対して相対的に動かすことが難しくなっている。しかしながら、光ファイバー伝達システムを用いれば、レーザーは、処理する領域の外に固定し、レーザー光線を光ファイバーにより表面に導けば良くなる。光ファイバー及び、これにつながった光線の操作装置（即ち、目的の配置へ光線を集光し、整えるための伝達システム１３）は比較的小さく、容易に取り扱うことができる（例えば、適当なロボットとその制御装置で）。ファイバーの標準的な長さは、１００から２５０ｍ程度であり、各々のファイバーを互いに結合して延ばすこともできる。移動システム１６’は、光ファイバーと共に用いることができるが、これは、光ファイバーと光線の操作装置が軽いため、非常に簡単なものとなる。したがって、有益な結果を得るには、光ファイバーの末端（光線の操作装置）を、処理する表面に沿って操作装置と表面の間隔を適当に保って動かしさえすれば良いことになる。こうした動きを行わせるにあたり、レーザーの形状を集束型、即ち本質的に平行な光から、非集束型(unfocused)に調整しても良い。（このことは、ＣＯ₂レーザーでも可能である。）これにより、光線の操作装置から試料の表面までの距離は、厳密なものではなくなり、数ｃｍの幅で変動できるようになり、移動システムとこれにつながったレーザー光線の制御がより簡単になる。前述したように、ＣＯ₂レーザーにより、有益な表面改質を行うことができるが、そのようなレーザーを使用することは、現状では、あまり好ましくない。なぜなら、必要となる光線の伝達システム（ミラーなど）が、それが可能ではあるとはいえ、実用的にはかなり実現困難なものであるからである。しかしながら、そうしたシステムによっても、同じように有益な結果を得ることは可能である。伝達システム１３、移動システム１６（又は１６’）及びコントローラー１７を、対応させるために変更しても良い。例えば、光ファイバー伝達システムが、前述のＮｄ：ＹＡＧレーザーと組み合わせて用いるには、好ましい。本来、伝達システム１３は、ある特定の応用の為いかなる型のレーザー１１（もしくは等価な熱源）が選ばれたとしても、それと接合ができるように選ばれるものである。移動システム１６（もしくは１６’）は、同様に、特定の応用に適合するように変化させることができる。これは、様々な入手可能な移動システムのうちの、どのようなものであっても良い。例えば、２軸の直線移動システム、１軸の直線システムもしくは１軸の回転システム、複合型１−３直線及び１−３回転ステージ、完全な多関節の（自由度が複数の）ロボット伝達システム、及びマルチアクセスのクローラー機構などである。前述したように、こうした移動システムは、製品１５と組み合わせて用いても良いし（移動システム１６）、伝達システム１３と組み合わせて用いても良い（移動システム１６’）。大きな構造物の表面の改質に使用できる応用システムとしては、幾つかの形態があり、これらは離れた領域に近づくこと、長い距離の移動及び不規則な表面の移動を行うことを目的とする。接近に障害のない大面積の領域である場合には、多関節ロボットアームを移動台に載せたものを使い、床や壁、天井の表面に容易に届かせることができる。このようなシステムは、表面の形状及び存在するいかなる凹凸にも追従できるようにプログラムされており（好ましくは、動きコントローラーに組み込まれた高さセンサーと組み合わせて）、構造物の全体に渡って一定のプロセス条件を保つようにする。ロボットアームの先端のプロセスを行うヘッド部分には、必要ならプロセスを制御するための他の診断システムを搭載しても良い。小さな領域及び接近が制限された領域には、より小さなロボットアームを構造内に配置するか、もしくは小型伝達ヘッドを表面を移動させるように（マウスのように）配置しても良い。そうしたデバイスに用いる探知追跡システムは、よく知られており、現在パイプの溶接に使用されている。（この探知追跡システムは、磁石、もしくは壁面及び天井の表面を進行する軌道システムを使用する。）必要となる軌道システムは、足場となる骨組みもしくは磁石を用いて物理的に設置される。大きなロボットアームの時と同様に、小型の診断システムを伝達ヘッドに取り付けても良い。ＬＩＳＩプロセスは、操作条件に比較的左右されにくいため、適当な応用については手で保持して手作業の操作を行うことも可能である（例えば、エアダクトのバルブ、整流器、排水管、アクセスポートの周囲である）。これは、接近が極めて難しい場合、及び不規則な構造と表面に対して使用される。溶接の場合と同様に、作業者は、感覚のフィードバック及び熟練した軌道の走査技術をもって表面を走査していく。実行方法に関係なく、プロセスの速度に関して重要なのは、レーザー光線の形状、及びレーザー光線が表面のプロセスにどのように使用されるかである。前述の例では、固定の、強度が境界部分に向かって滑らかに０に減衰していく円形の光線を用いていた。しかし、他のシステムでは、矩形の、もしくは線状の、もしくは非常に鋭い強度プロファイルを持った（幅の広いペイントブラシもしくはローラーのような）光線を用いても良い。こうした形状は、プロセスのより正確な制御を可能にし、プロセス速度を向上させる。こうした形状の光線は、美容外科のレーザー手術の応用で使用されているように、スキャンするミラーと組み合わせて使用しても良い。こうしたシステムで用いるミラーは、光線が、プロセスの領域を進行する時に、回転もしくは振動して非常に速く必要な領域を走査する（そしてこの領域は、一般的に光線の大きさよりもかなり大きい）。これにより、光線のあたる面の形状を変え、光線を実質的に大きくする効果を持つ。ミラーのスキャン周波数を適切に制御することにより、作用の時間を適切に規定することができる。コントローラー１７は、必要に応じて、レーザー１１、伝達システム１３、移動システム１６，１６’の制御のための、様々なシステム及び副システムを含む。例えば、前述の移動システム１６(ＣＮＣ:AEROTECH UNIDEX-16)のためには、6 軸ＣＮＣ動き制御システムを適当なレーザー発射カードと組み合わせて用いている。この動き制御システムは、パーソナルコンピューターベースの多軸制御システムとつながれている（レーザー発射制御カードと共に用いられるか、もしくはレーザー制御システムに従属したシステムとして動く）。これらの代わりに、独立したプロセッサー（多軸の制御システム）を用いても良く、これは外部のレーザー制御システムを支配するものであっても、外部のレーザー制御システムに従属するものであっても良い。前述した装置及び装置が行うプロセスの制御は、本発明のレーザーによる表面改質において、重要な役割を果たす。前に述べたように、装置及び装置に対応するプロセスの適切な制御は、パーソナルコンピューターベースのフィードバック制御システムを用いて、これをレーザー１１及び移動システム１６また１６’の制御主として動作させることにより行うことができた。プログラム可能な論理制御（ＰＬＣ）フィードバック制御システムを、独立のシングルカードフィードバック制御システムと共に用いるのが好ましい。コントローラー１７の総括的な役割は、基板の表面を適当な深さまで適切に溶融させるようにシステムを確実に機能させ、表面に適切な合金が確実に形成されるようにすることである。コントローラー１７は、この役割を、主にレーザー１１の出力、伝達システム１３のもつ焦点合わせの部分２５によるレーザー光線の焦点合わせ、移動システム１６及び１６’の速度、を調節することにより果たす。他のプロセスに関連したパラメーター、例えば（もし使用するなら）供給ユニット１８や、ガス流量速度（シールド用ガスの）もまた、必要ならば、コントローラー１７からの信号により制御しても良い。さらに、図２を参照して言えば、種々の変換器１９を、コントローラー１７につなぎ、装置及び装置に対応したプロセスのより良い制御を行うためにレーザー伝達システム１３及び製品１５の近傍に設置しても良い。こうした事を達成するのに適した変換器１９には、次のようなものがある。温度測定は、レーザー光線から製品へのエネルギーのトータルの伝達効率を決定するのに有用である。こうした温度測定は、レーザーのパラメーター（主に、レーザー光線の出力（サンプル速度））及び／または移動システムの移動速度のパラメーターを適正化する目的で、フィードバックを行うのに用いることができる。こうした温度測定を実施するための変換器の例には、製品及び雰囲気（レーザー／表面の相互作用領域の近傍）の接触温度測定や、また同様に製品表面の（レーザー／表面の相互作用領域の近傍の）高温温度測定が含まれる。レーザー／表面相互作用領域のビデオ映像もまた、レーザー光線を製品の表面の適切な位置にもってくるのに有用である。高いシャッター速度で得られる映像（知られたテクニックを使用して）は、レーザー／表面相互作用領域の位置を明確に示すのに有用であり、そうしたデータは、レーザー光線の移動のフィードバック制御を行うのに使用することができる。通常、レーザー／表面相互作用領域に形成されるプラズマから発せられる発光スペクトルは、気体の温度及び種の濃度に関するデータを提供する。これらはプロセス全体の質に関連することがわかっている。例えば、温度が低いと検知されたときには、このことは合金化される表面の深さが不必要に過剰であることを示している可能性がある。温度測定に関連した発光スペクトルを監視し、レーザー光線のパラメーター（サンプル速度）及び／または移動システムの移動速度のパラメーターを適性化するのに使用することができる。製品の表面において、音響信号が発生し、これは全プロセスの幾何的な配置及び物理的な動的変化に関連している。表面の（溶融した液体の）性質は、深さに応じて、即ち組成の変化に応答して変わるため、溶融した液体の動き及び発生する音響信号が変化する。こうした変化は、やはり処理する表面の深さを制御するためのフィードバックの提供に使用することができる。深さの制御は、レーザー光線のパラメーター（サンプル速度）及び／または移動システムの移動速度のパラメーターを操作することによりできる。得られたプロセスの全体的な改良の指標を得るために、他のパラメーターを監視しても良い。例えば、レーザーの出力を赤外線検出器を用いて監視し、レーザーの出力の変動を測定しても良い。これは、期待した結果を得るのに関連した情報を与えてくれる。レーザーの出力のレベルが低い時には、生成する「表面」の深さが浅くなりすぎる可能性があるため、レーザー出力の制限値を設け、許容できる基準値として、プロセス全体における変動の監視を行うことができる。レーザー／表面相互作用領域の近傍の湿度の測定も、同様に、環境が許容できる操作条件かどうかの監視に用いることができる。実施例１平らな１０１０炭素鋼基板を、ＹＡＧレーザーを用いて、クロム粉末を有機物バインダーに懸濁させた液とともに処理して合金化し、炭素鋼基板に約６００μ mの厚さの合金表面層を形成した。レーザー装置を適用した時のその軌道の性質上、表面層の厚みは４５０から６００μmまでばらついている。目視検査、触診検査によって、レーザーで合金化した金属の表面は、平滑でないことが分かった。レーザーの軌道と軌道の間の波形状は、目に見え、手で触れてもわかった。レーザーで合金化して形成したクロム鋼の表面を、回転ミルヘッドを用いて機械研磨し、約２５０μm除去した。回転ミルによる処理後、深さ５から１０μmの機械による痕跡が観察された。これらの痕跡は、目視で観察され、またプロフィロメーターを用いて測定することができた。この回転ミル処理した基板を表面グラインダーにかけ、表面から約５０μmを除去したところ、光沢をもつ平滑な表面が得られた。この平滑な表面を回転バフ研磨装置にかけて、表面を磨き、これにより光沢が増し、表面を鏡面に仕上げた。最終的に表面層の厚さは、１５０から３００μm の間であった。平滑処理した金属基板の最終の使用状態に応じて、当業者は鏡面にまで金属基板を平滑化しても良いし、鏡面が得られる前のどの時点で平滑処理をとめても良い。実施例２アルミニウム基板をパルス発振ＹＡＧレーザーを用いて、クロム粉末を有機物バインダーに懸濁させた液とともに処理して合金化し、約５００μmの厚さのアルミニウム／クロム合金層を形成した。このアルミニウム／クロム合金層を、実施例１の鉄鋼クロム合金と同じ方法で後処理し、鏡面光沢をもつものまで、様々な平滑度の表面を得た。鏡面光沢のときの表面層の厚さは１００から１５０μm であった。実施例３ニッケル基板をＣＯ₂レーザーを用いて、クロム粉末を有機物バインダーに懸濁させた液と共に処理して合金化し、約５００μmのニッケル／クロム合金表面層を形成した。ニッケル／クロム合金層は、実施例１のスチールクロム合金及び実施例２のアルミニウムクロム合金と同じ方法で後処理し、１５０μmから２５０μmの間の厚みの鏡面状の表面を得た。実施例４レーザーによる合金処理を行っていないステンレス基板のサンプルを、実施例１のレーザーで合金化したスチールのサンプルと同じ方法で機械研磨した。光学的プロフィロメーターに測定から、レーザーで合金化されたスチールのサンプルがレーザーで合金化していないスチールのサンプルよりも滑らかであることがわかった。レーザーで合金化していないアルミニウム−クロム合金サンプルを実施例２のレーザーで合金化したアルミニウムのサンプルと同じ方法で機械研磨した。光学的プロフィロメーターでの測定から、レーザーで合金化したアルミニウムのサンプルは、レーザーで合金化していないアルミニウムのサンプルよりも滑らかであることがわかった。レーザーで合金化していないニッケル−クロム合金サンプルを実施例３のレーザーで合金化したニッケルのサンプルと同じ方法で機械研磨した。光学的プロフィロメーターでの測定から、レーザーで合金化したニッケルのサンプルは、レーザーで合金化していないニッケルのサンプルよりも滑らかであることがわかった。当業者には明らかなように、前述の開示に照らし、多くの変更、代替、置換が、本発明の実施に際して、本発明の精神と範囲に反することなく可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＵ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＩＬ，ＪＰ，ＫＲ，ＭＸ，ＳＧ (72)発明者マッケイ，メアリー・ヘレンアメリカ合衆国37398テネシー州ウィンチェスター、オールド・エスティル・スプリングズ・ロード1296番 (72)発明者ダホター，ナレンドラ・ビーアメリカ合衆国37388テネシー州チュラホーマ、プラントン・コート102番

Claims

【特許請求の範囲】１．金属基板の表面に合金を形成する方法であって、合金用前駆材料を基板の表面に付ける工程と、基板の表面及び合金用前駆材料をレーザー光線の照射により溶融させる工程と、合金用前駆材料と基板との合金を形成する工程と、合金を固化させる工程を含む方法。２．前記合金用前駆材料がクロムであることを特徴とする請求項１記載の方法。３．前記合金用前駆材料がＣｒＯ₃であることを特徴とする請求項１記載の方法。４．改質された普通炭素鋼であって、スチールとクロムの合金を含む表面を有し、前記合金が、クロムまたはクロム合金を基板の表面に付け、レーザー光線の照射により基板を溶融させることにより形成されることを特徴とする普通炭素鋼。５．クロムに加えて、炭素、マンガン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、シリコンより成る群より選ばれた１種類もしくはそれ以上の元素を、基板の表面に付け、スチールと合金化させることを特徴とする請求項４記載の改質された普通炭素鋼。６．金属基板の表面に合金を形成するための装置であって、合金用前駆材料を基板の表面に付ける手段と、及びレーザー光線を照射することにより基板の表面と合金用前駆材料を溶融させ、それにより合金用前駆物質と基板との合金を形成し、その後合金を固化させる手段を有する事を特徴とする装置。７．レーザーにより合金化させた表面を持つ金属部分であって、前記表面が滑らかにされており、滑らかにされた表面が滑らかでない領域を本質的に持たないことを特徴とする金属部分。８．前記滑らかにされた表面が平担であることを特徴とする請求項７記載の金属部分。９．前記滑らかにされた表面が鏡面状態であることを特徴とする請求項７記載の金属部分。１０．前記金属部分の表面が凸部及び／または凹部を持つことを特徴とする請求項７記載の金属部分。１１．前記表面が、レーザーによる処理以外の方法で合金化された合金基板の滑らかにされた表面と比較して、同程度に滑らかもしくはより滑らかであることを特徴とする請求項７記載の金属部分。１２．前記金属部分が、鉄、スチール、ニッケル、アルミニウム、及びこれらの合金よりなる群より選ばれた基板であることを特徴とする請求項７記載の金属部分。１３．前記金属部分がスチール基板であることを特徴とする請求項１２記載の金属部分。１４．前記金属部分がクロムと合金化していることを特徴とする請求項７記載の金属部分。１５．クロムに加えて、炭素、マンガン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、シリコンより成る群より選ばれた１種類もしくはそれ以上の元素を、前記金属部分と合金化させたことを特徴とする請求項１４記載の金属部分。１６．前記金属部分の表面が機械的手段によって滑らかにされていることを特徴とする請求項７記載の金属部分。１７．前記機械的手段が、マシニング、グラインダ研磨、サンディング、ホーニング、ミリング、バフ研磨、ボーリング、ポリッシングから成る群より選ばれたことを特徴とする請求項１６記載の金属部分。１８．レーザーにより合金化させた金属部分上に滑らかな表面を形成する方法であって、合金の厚みの一部分を除去することにより合金化させた表面を滑らにし、それにより滑らかにする前よりも滑らかな表面を形成することを特徴とする方法。１９．機械的手段により滑かにしたことを特徴とする請求項１８記載の方法。２０．前記機械的手段が、マシニング、グラインダ研磨、サンディング、ホーニング、ミリング、バフ研磨、ボーリング、ポリッシングより成る群より選ばれたことを特徴とする請求項１９記載の方法。２１．前記金属部分が、鉄、スチール、ニッケル、アルミニウム、及びこれらの合金より成る群より選ばれたことを特徴とする請求項１８記載の方法。２２．前記金属部分が、スチールであることを特徴とする請求項２１記載の方法。２３．前記金属部分が、クロムと合金化されていることを特徴とする請求項１８記載の方法。２４．クロムに加えて、炭素、マンガン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、シリコンより成る群より選ばれた１種類もしくはそれ以上の元素を、前記金属部分と合金化させたことを特徴とする請求項２３記載の方法。