JP2010106346A

JP2010106346A - 表面処理装置

Info

Publication number: JP2010106346A
Application number: JP2008281703A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ito; 達也伊藤; Taketaka Kameyama; 雄高亀山; Shoichi Kikuchi; 将一菊池; Jun Komodori; 潤小茂鳥; Kengo Fukazawa; 剣吾深沢; Yoshitaka Misaka; 佳孝三阪; Kazuhiro Kawasaki; 一博川嵜
Original assignee: Neturen Co Ltd; Keio University
Current assignee: Neturen Co Ltd; Keio University
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】被処理物を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する際に、投射材の移着率の向上と表面粗さの低減を図ることができる表面処理装置を提供すること。
【解決手段】チャンバ１１０と、チャンバ１１０内に窒素ガスを導入するガス供給部１４２と、チャンバ１１０内に配置され、被処理物Ｗを支持する支持台１２０と、支持台１２の周囲に配置され、被処理物Ｗを加熱する誘導加熱コイル１３０と、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給して被処理物Ｗを誘導加熱する高周波印加装置２００と、支持台１２０に向けて窒素ガスと共に投射材を噴射させる噴射ノズル１４０とを具備していた。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理物を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する表面処理装置に関し、特に投射材の移着率の向上と表面粗さの低減を同時に行える技術に関する。

従来、例えば鋼材に金属粒子等の投射材（微粒子）を噴射して表面処理する表面処理装置が知られている。

例えば、ショットピーニング後に真空雰囲気で加熱してＭｎを蒸発除去し、表面のＣｒ富化層のＣｒ濃度を高める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、母材（被処理物）がステンレス鋼管内部に鋼球（投射材）を入れた状態で、母材に振動を加える等によって、鋼球を母材の内面に衝突させるショットピーニング処理を行ない、母材中のＣｒの表面拡散を促進させることによって、母材Ｐの内表面にＣｒ富化層を発生させる。

ショットピーニング処理後において、その処理後の母材を真空加熱炉に送り込んで、例えば、真空、温度９００〜１２００℃の雰囲気で３０分程度加熱し、母材の内表面のＣｒ富化層について、Ｍｎを蒸発除去する。

つまり、上述の化学成分のうち、Ｍｎの沸点が低いことを利用して、Ｍｎのみを蒸発させてＣｒ富化層から除去する。なお、Ｍｎ成分は、ステンレス鋼の製造時や溶接時に、応力割れの発生を防止するための有用な金属成分であるが、製品または部品の状態とした後に除去しても、ステンレス鋼としての基本的性質に及ぼす影響を無視できる。

また、ショットピーニング後に酸化物の保護皮膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。すなわち、投射材としては、耐酸化性に優れた保護皮膜を形成する金属なら何でも良く、Ｃｒの他にＡｌやＳｉ等が考慮される。そして、これらの金属の粉末、またはこれらの金属を含む合金、またはこれらの混合体が投射材として使用される。この投射材の平均粒径は５０〜３００μｍが好適である。母材としては、たとえば、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を含むフェライト系耐熱鋼、オーステナイト系耐熱鋼等の耐熱鋼や、ステンレス鋼等が例示される。そして、ショットピーニング処理装置は、一般に使用されているものが利用可能である。このショットピーニング処理の投射材の噴射圧力は６．０〜８．５ｋｇ／ｃｍ_２の範囲が考慮される。噴射時間は、対象となる母材の大きさによって異なるが、たとえば、寸法１０×２０×２ｍｍの試験片の場合には、一試験片あたり５秒以上が好適である。このように、母材上のＣｒ付着層は、一般に使用されている装置で処理が可能で、投射材も、ショットピーニングに必要な量だけ使用されるため、非常に低コストで形成される。

次に、このＣｒ付着層が形成された母材について、予備酸化処理を行う。この処理は、大気雰囲気中、あるいは、Ａｒ，Ｈ_２，Ｎ_２ガスなどの低酸素雰囲気中において、６００℃〜８００℃で熱処理することで、母材上にＣｒ酸化物の保護皮膜が形成される。熱処理時間は、大気雰囲気中では１時間程度、低酸素雰囲気中では２０〜１００時間程度が考慮される。これによって、母材表面に０．３μｍ以下の厚さの酸化物の保護皮膜が形成される。

さらに、コイルに高周波電流を流して処理対象物の表面を所定の温度に誘導加熱し、処理対象物とコイルとを相対的に移動させて加熱した処理対象物の表面に粒子を噴射し、処理対象物の表面と粒子の熱化学反応により化合物層を形成させて粒子を結合させる（例えば、特許文献３参照）。なお、当該文献には、処理対象物を不活性ガスなどのシールドガスなどによって覆うような高価な装置が不用になって表面処理装置が簡単で安価な構造になる旨が明記されている。

一方、被処理物の表面温度を調節することで、金属粒子の移着率を向上させたものが知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開平５−３３１６７０号公報特開２００５−２９８８７８号公報特開２００６−７０３２０号公報特開２００８−１２７６４７号公報

上述した表面処理装置では、次のような問題があった。すなわち、投射材の皮膜厚さが十分に得られないという問題があった。また、被処理物の表面温度を調整するものにあっては、噴射する粒子と被処理物との結合は十分に得られるものの、温度が高くなるにつれて酸化物の生成量も多くなり、表面粗さが増大するという問題があった。さらに、被処理物の炭素分が雰囲気中の酸素と化合し（脱炭）、機械的特性が低下するという問題があった。

そこで本発明は、被処理物を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する際に、投射材の移着率の向上と表面粗さの低減・機械的特性の維持を図ることができる表面処理装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の表面処理装置は次のように構成されている。

被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理装置において、チャンバと、このチャンバ内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部と、前記チャンバ内に配置され、前記被処理物を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記被処理物を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記被処理物を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて前記不活性ガスと共に前記投射材を噴射させる投射材噴射部とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、被処理物を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する際に、投射材の移着率の向上と表面粗さの低減・機械的特性の維持を図ることが可能となる。

図１は本発明の一実施の形態に係る表面処理装置１００の概略構成を示す断面図、図２は、図２は表面処理装置１００における被処理物Ｗの表面温度の推移を示すグラフ、図３は表面処理装置１００による表面粗さ測定結果を比較例とともに示す図である。

表面処理装置１００は、被処理物Ｗを誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する装置である。ここで、被処理物Ｗとしては、例えば磁性材料である鋼材を対象とすることができる。特に、鉄を主成分する鋼材が好適である。一方、投射材としては、例えば鉄、クロム、アルミニウム等の金属、あるいはクロム−ニッケルや炭化タングステン−コバルト等の合金、アルミナやシリカ、ジルコニア等のセラミックスである金属酸化物、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックスである金属を含有する金属化合物等が例示できる。また、投射材としては、例えば平均粒径が数μｍ〜数百μｍに調整されたものが利用される。

図１に示すように、表面処理装置１００は、気密に形成されたチャンバ１１０を備えている。チャンバ１１０内には、被処理物Ｗを載置する支持台１２０と、この支持台１２０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１３０と、支持台１２０に向けて投射材を噴射する噴射ノズル１４０とが設けられている。

チャンバ１１０には、チャンバ１１０内のガスを排気する排気口１１１、チャンバ１１０内のガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計１１２が設けられている。酸素濃度計１１２の出力は後述する制御部３００に接続されている。

支持台１２０には、被処理物Ｗの表面温度を測定する温度センサ１２１が設けられて居る。温度センサ１２１の出力は制御部３００に接続されている。

誘導加熱コイル１３０は、チャンバ１１０外に設けられた高周波印加装置２００に接続され、所定の周波数の高周波電流が印加される。

噴射ノズル１４０は、支持台１２０に向けられたノズル１４１と、このノズル１４１に不活性ガスを供給するガス供給部１４２と、このガス供給部１４２からのガス供給量を調整する調整弁１４３と、ノズル１４１に投射材を供給するホッパ１４４と、このホッパ１４４からの投射材の供給量を調整する調整部１４５とを備えている。不活性ガスとして、窒素ガスやアルゴンガスが用いられる。噴射速度としては、例えば数十ｍ／秒から数千ｍ／秒で噴射される。なお、噴射速度ではなく、噴射圧として制御してもよい。

高周波印加装置２００は、単一、あるいは複数の周波数の高周波電流を誘導加熱コイル１３０に印加し、被処理物Ｗを誘導加熱する。

図１中３００は、表面処理装置１００の各部を制御する制御部を示している。制御部３００は、作業者の設定、予め設定されたプログラム、センサ出力等の情報に基づいて、高周波印加装置２００、調整弁１４３、調整部１４５の制御を行い、被処理物Ｗの加熱、投射材の噴射速度・噴射量、不活性ガスの噴射量等を調整する。

制御部３００による制御の一例として、ノズル１４１から不活性ガスのみを噴射させてチャンバ１１０内を不活性ガスに置換させ、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗを所定の温度まで加熱させ、被処理物Ｗが所定の温度に加熱された後にノズル１４１から投射材及び不活性ガスを噴射させるとともに被処理物Ｗが所定の温度に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、ノズル１４１から不活性ガスのみを噴射させて被処理物Ｗを冷却させるように制御を行う。

このように構成された表面処理装置１００は、次のようにして動作する。すなわち、ノズル１４１から窒素ガスのみを噴射し、チャンバ１１０内の空気を排気口１１１から排出し、窒素ガスに置換する。酸素濃度計１１２によるチャンバ１１０内の酸素濃度が所定値以下（例えば、０．３％以下）となった時点で、図２に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗを所定の温度まで加熱さる。ここでは、１５秒かけて９００℃とする。

次に、ノズル１４１から投射材及び窒素ガスを１０秒間噴射させる。このとき、温度センサ１２１の出力が９００℃に保持されるように、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。投射材の噴射により、投射材が被処理物Ｗの表面に衝突すると、投射材が被処理物Ｗの表面に移着するとともに、内部に拡散し、拡散層が形成される。このとき、チャンバ１１０内には酸素ガスが極めて少ない状態であるため、酸化スケールがほとんど生成されない。

次に、ノズル１４１から窒素ガスのみを被処理物Ｗに噴射し、３０秒かけて冷却を行う。

上述したように、表面処理装置１００によれば、窒素ガスで空気を置換し、加熱した状態を維持したまま、投射材を被処理物Ｗに吹き付けることができるので、投射材の移着率を高めることができるとともに、酸化スケールの生成を抑制することができる。すなわち、高温を維持しつつショット可能とするとともに、表面酸化スケールが生成しないように、不活性ガスで装置内雰囲気置換している。すなわち、密閉度を高めることで不活性ガスによる置換を効果的にしている。

投射材であるＣｒ元素は、処理温度が低い場合は金属クロムとして表面近傍に存在するのに対し、処理温度が高い場合にはＦｅＣｒ_２Ｏ_４という、複酸化物を形成して存在する。これは、加熱しないショットピーニング処理の過程では、表面に移着した投射材が、繰返し折り畳まれることにより、内部に侵入するのに対し、本発明では、この一連の過程が高温状態において生じている。したがって、原子の結合状態はエネルギ的に不安定になるため投射材の基材への移着が促進される。さらに、移着した投射材成分は高温状態に加熱されていることにより、母材内部へと拡散しやすい状態が作られる。その結果、投射材成分が層状に拡散した組織が形成されたものと推定される。

ここで、酸化スケールの生成量を比較するために、投射材を噴射しない状態における表面粗さを測定した。図３に示すように、チャンバ１１０内を窒素ガスで置換しなかった場合（空気）に比べ、表面粗さを低減することができ、良好な表面品質を得ることができる。また、被処理物中の炭素分の化合を防止することで、機械的特性を維持することができる。

一方、被処理物Ｗとして、磁性材料である鉄鋼材料等を用い、耐蝕性や耐摩耗性の付与等の所望する特性を得るために鉄鋼材料との結合・複合化が得られる材料であるクロム等の金属を主成分とする金属粒子や金属化合物、あるいは金属酸化物粒子等を投射材として噴射させることで、耐食性が向上する原理について説明する。

例えば、Ｓ４５Ｃ鋼では、特に耐食性を向上させるための元素が添加されていないため、電位を印加した直後から急激な電流密度の立ち上がりが認められる。このような分極挙動は、不動体膜を有さない金属の場合には一般的な挙動である。

このことは、４００℃程度の加熱処理を行いながら、ショットピーニング処理をした場合には耐食性を改善する効果が無いことを示している。すなわち、加熱温度９００℃という高温でショットピーニング処理を行うことで、炭素鋼に対してステンレス鋼に近い耐食性を付与することが可能なことを示唆するものである。このような非常に優れた耐食性を示す要因としては、厚い酸化膜層が存在するためか、その内側にクロム酸化物を含む層（Ｃｒリッチ層）が存在するためかのいずれかである。

ここで、Ｃｒリッチ層の耐食性に対する影響を明らかにするため、比較例として大気中で９００℃に加熱し、圧縮空気のみを吹き付けた第１試験片を作製した。一方、窒素ガスを流しながらクロム粒子の投射を行った第２試験片を作製した。第１試験片は、クロム元素を含まない比較的厚い酸化物層が形成された。第２試験片は薄い酸化物層の内部にＣｒリッチ層が形成されている。

これらの試験片に対してアノード分極試験を行ったところ、第１試験片は第２試験片に対して高い電流密度を示しており、耐食性に劣っている。すなわち、厚い酸化物層の存在のみが高い耐食性をもたらす要因ではないことがわかる。したがって、Ｃｒリッチ層が耐食性に影響を与えていることが明らかであり、本実施の形態に係る表面処理装置１００によってＳ４５Ｃ鋼を処理することで耐食性が増すことが明らかとなった。

本発明は、同じ装置内でショットと加熱処理を同時に行うため、投射材の表面拡散が促進される。また加熱も同じ装置内で行うため、短時間で処理できる。例えば、特許文献１に記載された技術では、ショットと加熱処理とが別工程で行われているため、３０分程度の加熱が必要となり、処理効率が低い。

また、特許文献３に記載された技術では、温度は維持されておらず、また不活性ガスを使っているが、密閉状態ではないため、表面に酸化物が形成されることを抑制していない。酸化物層を無くすには、このような不完全な密閉では実現できない。

このように表面処理装置１００に相当する構成は従来にはなく、また、特許文献等にも示唆もされていない。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では、被処理物としては、表面に複数の凹凸を有する複雑な形状の例えば歯車やねじ、ボルト、ナット等の他、シャフトのような筒状の部材、異なる材料が積層する複合材料等にも適用できるのは勿論である。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の一実施の形態に係る表面処理装置の構成を示す説明図。同表面処理装置における被処理物の表面温度の推移を示すグラフ。同表面処理装置による表面粗さ測定結果を比較例とともに示す図。

符号の説明

１００…表面処理装置、１１０…チャンバ、１１１…排気口、１１２…酸素濃度計、１２０…支持台、１２１…温度センサ、１３０…誘導加熱コイル、１４０…噴射ノズル、１４２…ガス供給部、１４３…調整弁、１４５…調整部、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…被処理物。

Claims

被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理装置において、
チャンバと、
このチャンバ内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部と、
前記チャンバ内に配置され、前記被処理物を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記被処理物を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記被処理物を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて前記不活性ガスと共に前記投射材を噴射させる投射材噴射部とを具備したことを特徴とした表面処理装置。
前記投射材噴射部から不活性ガスのみを噴射させて前記チャンバ内を前記不活性ガスに置換させ、前記高周波印加部から前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させて前記被処理物を所定の温度まで加熱させ、前記被処理物が所定の温度に加熱された後に前記投射材噴射部から前記投射材及び前記不活性ガスを噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させ、投射材噴射部から不活性ガスのみを噴射させて前記被処理物を冷却させる制御部を具備したことを特徴とした表面処理装置。