JP2007197767A - コーティング装置とその処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波等の音波エネルギーを利用し、様々な形状を持つ金属材料の表面に金属、金属化合物、セラミックスのコーティング膜を短い処理時間で形成させるための、また金属あるいはセラミックスの複合皮膜を形成させるためのコーティング装置とその処理方法を提供すること。
【解決手段】周波数自動調整機能をもつ発振機と超音波を発生するトランスデューサーとトランスデューサーの振動を伝達する振動子と筒状の共鳴チャンバーと該共鳴チャンバーの蓋状または共鳴チャンバー内のコーティング対象金属材料から構成され、共鳴チャンバー内には金属あるいはセラミックス製のボールと金属あるいはセラミックスの粉体を装入し、共鳴チャンバーの共鳴周波数に調整した高周波の音波あるいは超音波を作用させることにより共鳴チャンバーを振動させ、ボールと粉体が被コーティング材に衝突することを特徴とするコーティング装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波等の音波エネルギーを利用し、様々な形状を持つ金属材料の表面に金属、金属化合物、セラミックスのコーティング膜を短い処理時間で形成させるための、また金属あるいはセラミックスの複合皮膜を形成させるためのコーティング装置と及びその処理方法に関するものである。

従来、金属材料のコーティング法としては、電気めっき、スプレーコーティング、蒸着等があるが、適用できる材料の種類に限界がある。その主要因は、基板材料とコーティング材料との相性である。例えば、低融点の金属基板表面に、高融点物質を主体とする材料をコーティングすることは極めて困難である。また従来法では、コーティングを行う際のガス雰囲気や温度等の条件の制限も多く、レーザー照射、アーク発生、高真空などコストの比較的高い装置が必要となる。

また、従来、金属材料表面に新しい機能を付与するメカニカルコーティング法が報告されている（例えば、特許文献１参照）。これは、超音波を発生させるトランスデューサーと、トランスデューサーの振動を振動板に伝達する振動子と、振動子に取り付けられた振動板と、振動板と対向する処理面との空間を、少なくとも振動板の外周を含んで、シールするホルダーと、シールされた空間内を移動して処理対象に衝撃を与えるショット粒とからなる超音波ショットピーニング処理機を用いることによって、処理対象箇所に合金形成用の金属粉を供給し、処理対象の金属材料（母材）とは異なる組成の合金表面層を形成するというものである。しかしながら、特許文献１は、振動子を金属材料表面の上方に配置することが前提となり、金属材料の上面のコーティングを対象としている。よって、カバー（チャンバー）を共鳴させて、超音波振動エネルギーをショットの運動エネルギーに効率的に変換する概念が欠如している。すなわち、金属材料表面上に存在するボールに運動エネルギーを与える機構が存在しないため、一旦エネルギーを失ったボールはコーティングには関与せず、他のボールと材料表面との衝突を阻害する可能性が大きい。

その他にも、ステンレスボールと金属粉末と対象物をステンレスポット内に収納した後、同ステンレスポットをボールミル架台上で回転させ、対象物の表面に金属粉末を拡散させるメカニカルアロイング処理を行った後、熱処理を行って対象物の表面に金属粉末のコーティング層を形成することを特徴とするメカニカルアロイング法による金属粉末のコーティング方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２では、対象物とボールがマクロ的に同じような運動をするために衝突速度の上昇が難しい、対象物がポット内部以下のサイズに限られるなどの制限がある。

特開２００４−１６９１００号公報 特開平５−３４５９０１号公報

本発明の目的は、超音波等の音波エネルギーを利用し、様々な形状を持つ金属材料の表面に金属、金属化合物、セラミックスのコーティング膜を短い処理時間で形成させるための、また金属あるいはセラミックスの複合皮膜を形成させるためのコーティング装置とその処理方法を提供することにある。

本発明によれば、周波数自動調整機能をもつ発振機と超音波を発生するトランスデューサーとトランスデューサーの振動を伝達する振動子と筒状の共鳴チャンバーと該共鳴チャンバーの蓋状または共鳴チャンバー内のコーティング対象金属材料から構成され、前記共鳴チャンバー内には金属あるいはセラミックス製のボール(粒径0.1〜10 mm、以下、ボール)と金属あるいはセラミックスの粉体（以下、粉体）を装入し、前記共鳴チャンバーの共鳴周波数に調整した高周波の音波あるいは超音波を作用させることにより共鳴チャンバーを振動させ、前記ボールと前記粉体が前記被コーティング材に衝突することを特徴とするコーティング装置であって、装置全体の共鳴周波数ｆと無負荷時の共鳴周波数ｆ_０（［磁歪コア＋振動子］のみの場合の共鳴周波数）の関係を表す近似式（１）式で計算される共鳴周波数とその近傍の周波数で駆動することを特徴とするコーティング装置が得られる。
ここで，Ｍ_Ｃは共鳴チャンバーの重量、Ｍ_Ｂは共鳴チャンバーに入れたボールと粉体の総重量、Ｇ_Ｓは［磁歪コア＋振動子］の総括剛性値（N/m）である。

また、本発明によれば、前記共鳴チャンバーの高さｈ寸法が、次の式（２）を満足することを特徴とするコーティング装置が得られる。
ここで，Ｃは共鳴チャンバーを構成する材料中の音速（m/s）である。

また、本発明によれば、前記粉体をグリセロル、ステアリン酸、水ガラス等の有機・無機液体に混合し、コーティング対象金属材料に全面もしくはパターニングしてプレコートすることを特徴とするコーティング処理方法が得られる。

また、本発明によれば、前記粉末が磁性体粉末である場合、共鳴チャンバー永久磁石あるいは電磁石による磁場を作用させ、共鳴チャンバー中の粒子挙動を制御しながらコーティング処理を行うことを特徴とするコーティング処理方法が得られる。

また、本発明によれば、前記粉末が非磁性体粉末である場合、予め、非磁性体粉末と微量の磁性体粉末を複合化した後、共鳴チャンバー内に装入し、共鳴チャンバーに永久磁石あるいは電磁石による磁場を作用させ、共鳴チャンバー中の粒子挙動を制御しながらコーティング処理を行うことを特徴とする請求項１記載のコーティング処理方法が得られる。

本発明により、以下の効果が得られる。
１）常温、常圧での異種材料コーティング
２）短時間コーティング
３）パターン化コーティング
４）様々な形状の対象物コーティング
５）コーティング剤と材料表面との高い密着性、接着性
６）コーティング厚さの増加
７）材料表面への（圧縮）残留応力付加、加工効果
８）ナノ・ミクロ構造形成の容易化

また、本発明は以下の具体的特徴を有するものである。
1．ボールと共鳴チャンバー内壁間の激しい衝突により，基板表面に金属あるいはセラミックス粉体が打ち込まれ、基板および粉体表面の酸化膜が破壊し、新表面間の拡散接合を促進する。よって、Al，Ti等のような酸化されやすい金属基板のコーティングや複合化が可能である。
２．ボールと共鳴チャンバー内壁間あるいはボール同士の激しい衝突により、粉体に瞬間的に大きな応力を与えることが可能であるため、粉体の破砕、変形が進行し、粉体の超微細化、非結晶化、歪エネルギー蓄積による活性化が進行する。よって、ナノあるいはミクロ構造を持つ極めて強固なコーティング層あるいは複合層の形成、金属間化合物、酸化物、炭化物、窒化物の生成等が促進される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図２には、本発明を実施した際に使用した装置の一例として、板状金属材料表面のパターンコーティング用装置の基本的構成を示す。100個のステンレスボール（１、直径3mm）とチタン粉末0.5 g（図中2）を，内径32mm，高さ56mm，肉厚1.5mmの円筒形チタン製共鳴チャンバー（3）に投入する。チャンバーはネジ込み継手により，磁歪式超音波振動子の振動ロッド先端に固定されている。多孔質の柔らかい材料（発泡ゴムなど）からなる保護リング（4）を，容器上部に取り付ける。このリングは，運転時に容器外にボールが排出されないようにし、また外部からのガス供給を可能にするためのものである。線状のあるパターンで有機接着剤をプレコートしたアルミ平板（5）を保護リング上に置き，図２に示すように負荷（6）を上からかける。共鳴チャンバーと平板は，アルゴンガスに満たされた箱型容器中に置かれている、あるいは図１に示すように共鳴チャンバー内へ吹き込む。振動子には発信器より電気入力1kW，周波数21750Hzの超音波を10分間照射する。この周波数は共鳴チャンバーの共鳴周波数の1つと一致している。コーティング処理後に得られた表面の拡大写真を図５に示す。本装置は、上述のように、磁場を適用した板状の金属材料の表面コーティングにも利用できるものである。その場合、たとえば、負荷（6）の代わりに、処理対象表面の上に永久磁石を置くか、あるいは処理途中に負荷と磁石を交換して処理を行う。

球形、棒状、直方体などのバルク形状を持つ材料の表面をコーティングするには、上述のとおり、共鳴チャンバーのサイズを材料形状に合わせたものとすると共に、図２と図３に示すように、上端を閉蓋し、蓋下端部（6）に固定した連結棒によってコーティング対象材料（5）を共鳴チャンバー内部に吊り下げて、チャンバーの共鳴振動が発生するように、周波数を調整し、コーティング処理を行う

コーティング処理後の金属材料から試験片を切り出し、適切な条件でアニーリングを行った後、表面硬度、摩耗性、耐食性を評価すると共に、表面層の厚さとコーティング層の成分をSEM観察及びEPMA面分析により測定した。それらの結果を処理条件とともに、表１に示す。表１から分かるように、アルミニウム板をチタン粉末を使用して15分間、超音波コーティング処理したケース（実施例３、表面予備処理なし）では、34％の皮膜生成率にもかかわらず、比較例１に比べて３倍以上の表面硬度が得られた。これは、チタン皮膜の形成以外にステンレスボールが繰り返し衝突したことによる加工効果にも起因した結果である。

また、アルミニウム板表面をエチルアセテートに懸濁させたチタン粉末でプレコーティングして10分間処理したケース（実施例４）では、皮膜生成率および厚さが顕著に増加した。これにより、表面硬度は7.5倍、摩耗性は40％、耐食性は80倍に向上した。

また、チタン粉末によるアルミニウム板表面へのプレコーティングのパターン化（実施例５）は以下のように行った。アルミニウム板表面に縞状に穴をあけたプラスチックフィルムを置き、グリースを塗る。その後、プラスチックフィルムを取ると、アルミニウム板表面には縞状にグリースが塗られたパターンが残る。この状態で実施例３と同様に、チタン粉末による超音波コーティングを行う。これにより、図５に示すように、約70％の表面のみが縞状にチタン粉末でコーティングされた。この場合もチタン粉末でコーティングされた表面は母材に比較して5.6倍の硬度を示した。

実施例６は、アルミニウム板を母材として、その上方より永久磁石にて磁場を印加しながらニッケルとタングステンの混合粉を超音波コーティング処理したケースである。この場合のボールの材質はジルコニアとした。コーティング処理は、強磁性体であるニッケル粉とタングステンの複合化を促進するため、まず磁場の印加なし2分間行い、その後、磁場を印加しながらさらに4分間コーティング処理を継続した。これにより、アルミニウム板表面のほぼ全体にニッケルとタングステンの複合皮膜が形成した。これにより、硬度および磨耗性が顕著に向上した。

実施例７は、鋼材表面を実施例５と同様の方法でジルコニアカーバイド粉によりパターン化プレコーティングした後、20分間、超音波コーティングしたケースである。これにより、平均9μm厚のコーティング層が形成し、コーティングされた部分では、硬度が9倍、磨耗性が50％向上した。

実施例８は、１辺が2 cmの立方体鋼材を、実施例４と同様の方法でニッケル、クロム、アルミニウムの混合粉により全面プレコーティングした後、20分間の超音波コーティング処理を行ったケースである。コーティング処理装置は図３に示したものを用いた。平均層厚15μmのニッケル、クロム、アルミニウムの複合皮膜が90％の比率で形成し、硬度と耐食性はそれぞれ、2.8倍および27倍向上した。

実施例９は、直径10 mm、高さ30 mmの円柱形鋼材を、実施例４と同様の方法でチタンカーバイド粉末により全面プレコーティングした後、10分間の超音波コーティング処理を行ったケースである。コーティング処理装置は図４に示したものを用いた。チタンカーバイドのコーティング層厚は平均7.4μmで、硬度と耐食性はそれぞれ、4.4倍および17倍向上した。

コーティング装置外観。 板状材料用コーティング装置の共鳴チャンバー断面図。 バルク材料コーティング装置の共鳴チャンバー断面図。 棒状、長形材料コーティング装置の共鳴チャンバー断面図。 パターンコーティングの実施例。

符号の説明

１ トランスデューサー
２ 振動子
３ 共鳴チャンバー
４ 板状コーティング対象材料
５ 負荷
１１ 金属あるいはセラミックスボール
１２ コーティング粉体
１３ 共鳴チャンバー
１４ 保護リング
１５ コーティング対象材料
１６ 負荷（カバー）

Claims (5)

1. 周波数自動調整機能をもつ発振機と超音波を発生するトランスデューサーとトランスデューサーの振動を伝達する振動子と筒状の共鳴チャンバーと該共鳴チャンバーの蓋状または共鳴チャンバー内のコーティング対象金属材料から構成され、前記共鳴チャンバー内には金属あるいはセラミックス製のボール(粒径0.1〜10 mm、以下、ボール)と金属あるいはセラミックスの粉体（以下、粉体）を装入し、前記共鳴チャンバーの共鳴周波数に調整した高周波の音波あるいは超音波を作用させることにより共鳴チャンバーを振動させ、前記ボールと前記粉体が前記被コーティング材に衝突することを特徴とするコーティング装置であって、装置全体の共鳴周波数ｆと無負荷時の共鳴周波数ｆ_０（［磁歪コア＋振動子］のみの場合の共鳴周波数）の関係を表す近似式（１）式で計算される共鳴周波数とその近傍の周波数で駆動することを特徴とするコーティング装置。
   ここで，Ｍ_Ｃは共鳴チャンバーの重量、Ｍ_Ｂは共鳴チャンバーに入れたボールと粉体の総重量、Ｇ_Ｓは［磁歪コア＋振動子］の総括剛性値（N/m）である。
2. 前記共鳴チャンバーの高さｈ寸法が、次の式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
   ここで，Ｃは共鳴チャンバーを構成する材料中の音速（m/s）である。
3. 前記粉体をグリセロル、ステアリン酸、水ガラス等の有機・無機液体に混合し、コーティング対象金属材料に全面もしくはパターニングしてプレコートしておくことを特徴とする請求項１に記載のコーティング処理方法。
4. 前記粉末が磁性体粉末である場合、共鳴チャンバー永久磁石あるいは電磁石による磁場を作用させ、共鳴チャンバー中の粒子挙動を制御しながらコーティング処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のコーティング処理方法。
5. 前記粉末が非磁性体粉末である場合、予め、非磁性体粉末と微量の磁性体粉末を複合化した後、共鳴チャンバー内に装入し、共鳴チャンバーに永久磁石あるいは電磁石による磁場を作用させ、共鳴チャンバー中の粒子挙動を制御しながらコーティング処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のコーティング処理方法。