JP2015510040A - 金属表面の局所硬化 - Google Patents

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Abstract

本発明は、金属成分材料の表面を処理するための手法およびシステムの工程を含む手法に関するものである：電気スパーク電極を用いて金属部品の表面処理金属材料であることを特徴とする電気スパークは、フェライト、パーライトおよび/またはオーステナイト鋼および手法は、基本的に金属成分材料の表面のマルテンサイト微細構造を有する薄層を作成する。蛇紋石と石英は、追加の工程にてならびにこれにより無作為に構成される表面によって組み込むことができる。【選択図】図８

Description

本発明は、金属材料の表面処理のための手法およびシステムに関するものである。特に金属表面硬化に関する本発明に従ったシステムと手法は、任意に硬化した表面の高密度化とさらに任意の鉱物による表面の修正にあらかじめ定義されたトライボメカニカル特性および/またはトライボ摩擦腐食特性を発生させるものである。
ほとんどの鋼、フェライト鋼およびオーステナイト系の鋼は、窒化や浸炭が困難である。浸炭や窒化のような熱化学処理は、構成要素の寸法安定性に影響を及ぼします。また、それはさらなる機械加工を必要とし、金属材料の選択を制限し、ならびに全体/コンポーネント上で加熱が必要なため、さらなる熱処理時間を費消する追加処理を意味する。
金属構成要素の表面を硬化用に制御される熱源としたレーザーを使うことができるのは周知の技術である。レーザーが鋼の表面上を横断するとき、非常に薄い表面境界層がオーステナイトの熱力学安定性域を非常に速く加熱し、金属構成要素の材料体積の熱質量により急冷される（急速冷却または自動急冷）。これによりマルテンサイトが形成される。このマルテンサイトは未強化であり、アモルファス微細構造に非常に微細になる傾向がある。
レーザー熱源を使用する別の既存の技術に、UVエキシマレーザー（λ=308nm）を用いるもので、灰色の鋳鉄におけるシリンダライナの局所窒化用に90年代に並行して開発された、「レーザー窒化」がある。この既存の技術の手法およびその結果にて鋳鉄により製造して得られた表面層は、例えば特許出願公開DE 197 06 833 Al、DE 197 42 739 AlおよびDE 10 2006 057 940 Alにて開示されている。例えば、このレーザー窒化処理プロセスを繰り返した後、窒素の約16〜18重量％が、2μmの深さまで灰色の鋳鉄表面内で希釈するレーザー処理は、処理される金属材料の表面に非常に局所的に作用する。しかしながら、レーザー処理（を行うに）は、レーザー源に多額の投資を必要とする。
表面を硬化させるための別の公知の従来技術に誘導硬化がある。この技術では、強磁性鋼の全表面が磁場によって加熱される。鋼の硬度は、アモルファスおよび/またはナノサイズの増加により約850-1000 HV（ビッカースピラミッド番号HV）。この技術はしばしば歯車に適用される。侵入長は、短期間非常に高い電力を使用して、FR 2 790 007によって開示され、高周波数で二重周波数磁場を印加することによって減少させることができる。しかし磁界の発生は、唯一特定のジオメトリ処理を可能にする。また、電磁硬化は、高周波、高電力磁場発生に大きな投資を必要とする。
さらに、放電表面処理はUS 2011/0135845で知られている。これは、処理された金属上のコーティングが、パルス状の放電（表面合金化技術）エネルギーによって電極材料を溶融することによって、意図的に作成される。
DE 197 06 833 Al号公報 DE 197 42 739 Al号公報 DE 10 2006 057 940 Al号公報 FR 2 790 007号公報 US 2011/0135845号公報
本発明は、既存技術の手法にある障害を改善または克服することを目的とする。特に、好ましくは局所的に摩擦学上の適用される金属材料の表面を強調した被加工物表面、好ましくは簡単かつ信頼性のある処理を可能とする手法および装置を提供することを目的とする。
本発明はさらに、金属物表面を硬化させるための装置および手法を提供することを目的とする。本発明はさらに、処理された表面の高密度化のための装置および手法を提供することを目的である。本発明はまたさらに事前に定義されたトリボメカニカルおよび/またはトリボ腐食特性を生成する鉱物による表面修正用の装置および手法を提供することを目的とする。
本発明の目的は、独立請求項によって達成される。さらなる好ましい実施形態は、従属請求項によって定義される。
本発明は、特に金属材料（望ましくはフェライトでオーステナイト鋼）の摩擦圧力がかかった表面にて局所にて適用される表面処理に関するものであり、寸法安定性に妥協することなく硬度や耐摩耗性を増やすものである。既知の先行技術「ホット処理」と対照的に、本発明の手法は、肉眼で好ましくは局所的にマルテンサイトの微細組織の薄い層を生成する「コールド処理」と特徴付けてもよい。
さらに、本発明はまた処理表面の高密度化のための追加または代替の手法に関するものである。
本発明のプロセスは、好ましくは下部表面領域の構造を既存の冶金学的構造から新しい構造へ変換するものである。換言すればさらに外部表面上の物質を沈殿させてコーティングを生成する代わりに、単に薄い表面層での既存材料の構造を変更するだけのプロセスが好ましい。好ましくは、本発明の手法により修正される表面は、好ましい溶射のようなコーティング技術とは対照的に処理された表面に気孔を作成しないものである。
換言すると、本発明手法は、被加工物の表面におけるマルテンサイト微細構造を有する薄層を形成するものである。さらに換言すると本発明の手法は、（オリジナルの）被加工物の薄い表面層を、被加工物の表面にマルテンサイト微細構造を有する表面層に改質・変換するものである。したがって、被加工物の表面構造上に存在する追加材料沈殿を避けることが好ましい。上述したように表面処理は、既知の手法、例えば加工品を電解液中に浸漬する、より大きな表面の処理とは対照的に非常に局所的に行われる。例えば、本発明の意味における「局所的に」は、処理された被加工物部位にある状態の測定可能なチャンスが、電気スパークで処理する電極の周りのほんの数μmの範囲内であることを意味する。言い換えれば被加工物は、好ましくは1μmと10 mmの間の直径との範囲内で直接電気スパーク処理電極下でのみ処理され、さらに好ましくは10μmと10 mm間で、さらに好ましくは100 μmと10 mm間で、さらに好ましくは1 μmと10 mm間で、さらに好ましくは1 μmと10 mm間で、さらに好ましくは1 μmと100 μm間で、さらに好ましくは1 μm〜10 μm間で、好ましくは0.1 μmと10 μm間で処理される。
そのうえ特定の実施形態によれば局所処理を達成するためには、被加工物を電解液中に浸漬しないことが好ましい。言い換えると本発明によれば電極スパーク処理の間、電解質は電極と被加工物との間に存在しないはずである。
さらに好ましい実施形態では、表面の電気スパーク処理は、マルテンサイト微細構造への工作物の表面に薄層の表面に変換することができ、電気スパーク電極から追加の材料を被加工物の表面に付着させることができる。さらに本発明はまた、好ましくはランダムに分布し、ランダムにまたは実質的に分配されたパターンの微細構造を生成すると定義・制御された手法によって、鉱物を被加工物の表面へドーピングさせる追加または代替の手法に関するものである。
第一の態様によれば、本発明の手法は主に次の2つ手法工程を含むことができる：（i）金属部品の表面の電気スパーク処理と（ii）以前に鉱物粒子で処理された表面のドーピング。
さらなるに別の角度から本発明の手法は、3つの主要な手法工程を含むことができる：（i）金属部品の表面の電気スパーク処理; （II）任意の手法での処理表面の高密度化;および（iii）事前に鉱物粒子で処理された表面のドーピング。
なお、上記の各工程が、前後で他の工程を単独3つの好ましい個別の工程で/別途で実行することなしに実行することができることが明示的に指摘されている。3つの好ましい個別の工程（以下に工程1-3として略されている）は、以下でより詳細に議論されている。
電気スパーク処理 / 工程1
本発明によれば、電気スパーク処理は電気放電装置を使用する。金属材料の表面上の電気放電装置から発生するスパークは、処理されるべき金属材料の表面への強力な熱の流れを誘導する。電気放電装置（以下、「スパーク電極」または単に「電極」とも呼ばれる）は、好ましくは、「移動熱源」として設計される。換言すればで処理される金属部分（「被加工物」と略記もする）は、スパーク電極に関連する移動（相対運動）、およびその逆をも行うことができる。好ましくは、スパークによる処理により、被加工物の表面の局所領域は、オーステナイト域の熱力学的安定性の温度まで加熱し、好ましくは即座に材料体積の熱質量にまで急冷する。放電装置と相対的な動きの組み合わせは、好ましくは非常に局所的な処理が可能であるという利点を提供する。つまり電気放電装置のスパークが発生した場合のみ加工品が処理されるということが望ましい。この局所処理は、この電解質が被加工物表面の「グローバル処理」につながることから、電気放電装置と被加工物間の放電を省略する電解質によって達成されることが好ましい。
金属材料/被加工物の表面処理のための現在の発明に従うシステムまたは装置は、少なくとも1本の電極（スパーク電極）から成る。電極は、デバイスの電源電流によって提供および/または制御することができる。好ましくは電極は交流電圧（AC）であり、好ましくは110V、220/240Vから380V間で供給される。好ましい周波数の一つは、50Hzであるが、この周波数に限定されるものではない。電極に供給される電源ユニットの消費電力は、0.25kWと3kWの間であることが好ましい。
電極は、好ましくはBK8（ISO K30/40）、T5KIO（ISOのP30）、BK100M（ISO M30）のような、または95X18（XIO5CrMo17、1.4125に相当するGOST5632）などのような鋼の、WC-Co型の超硬合金ツールのような耐摩耗性合金製とするが、これに限定されるものではない。また電極には、炭素ツール鋼、高速度ツール鋼や合金ツール鋼、ならびにニッケル、ニッケル/クロム、ニッケル/モリブデン合金により接合されている導電性の硬質金属が適している。
上述したようにスパーク電極による表面処理は、好ましくは表面の元の材料の修正または変形のみを行うものとし、好ましくは電極からの材料は被加工物表面へ送られないものとする。
好ましい実施形態によれば電極は好ましくは円形または実質的に円形の断面を有する円筒形である。（円筒状の）電極の直径は、好ましくは1-10 mmである。筒状電極は、特定の形状に限定されない先端を含んでもよい。例えば先端は平らでも尖っていてもよい。好ましくはチップは標準的な形状から成るものとする。
本発明によれば、異なる表面特性を有する複数の金属材料を処理することができる。好ましくは処理前の金属材料の初期表面粗さがRa（CLA）=0.01 μmから1.6 μm、より好ましくはRaが0.1 μmから1.6 μmであり、Raは評価されたプロフィールの算数平均偏差であり、インチに相当するパラメータは、C.L.A.（センターライン平均）である。
処理される部分（被加工物）と処理中の電極との間に相対移動が存在することが好ましい。言い換えれば、処理中に処理されるべき部分および/または電極間が相対的な動きを実行するということである。好ましくは、処理される部分が回転する。好ましくは、処理される部分の表面は0.1 m/ 分から1 m/ 分の回転速度で回転する。代替的または追加的に電極は、処理すべき表面積にわたってスライド、ロール、またはスリップロールすることができる。
さらに好ましい電極、好ましい円筒形電極が、自軸（長手方向・縦）に沿った回転を行うものとする。好ましくは、円筒電極を10 rpmから1500 rpmまでの回転速度で回転する。回転運動は、連続的であっても段階的であってもよい。
さらに処理すべき表面の特定の領域は少なくとも一回、好ましくは複数回処理されることが好ましい。例えば、材料を二重ストローク（前後の動きで）または反復処理の回数は、最大10回であることが好ましい。本発明の実施形態によれば、最大100回繰り返すと理想的な表面変形および/または深さを確保することができる。後者は合金の焼入性から依存する。しかし所定のプロパティの大多数やもっとも一般的な合金については、被加工物は一度処理するだけで既に十分である。
最初の通過/最初の処理中に電極を通る電圧は、20-50ボルトの間であることが好適ましい。複数の通過/処理を行う場合、電圧は後続の反復には40ボルト未満であることが好ましい。
同時にディンプル/空洞/インデントを生成するために、電極の先端は、垂直な面に加えて、その（長手方向）軸およびインデントに沿って多少作動させることができることが好ましい。この動作（長手方向または軸方向の移動）は、電磁アクチュエータ、空気圧、圧電アクチュエータやストロークヨークシステムによって達成することができる。電極または電極先端の軸方向の作動は、以下のパラメータにて行うことができる。作動周波数は、好ましくは、40 Hzから50,000 Hzの間である。好ましくは、周波数は50 Hzから1000 Hzの間である。しかし本発明によれば電極の超音波作動でも可能であり、すなわち周波数は 20,000 Hz未満で作動可能である。軸方向（振動）振幅は0.005〜0.5 mmの間の範囲であることが好ましい。軸方向のインデント負荷は、10gから3000g（0.1 Nから30 N）の範囲であることが好ましい。
高密度化 / 工程2
電気スパーク処理ならびにドーピング（以下の工程3を参照）は、表面の変形を招く。追加オプションとしての高密度化工程（本出願では「工程2」で表記）は、処理および/またはドーピングされた表面領域を滑らかにするものである。この追加の高密度化工程2は、上記に記載する電気スパーク処理（工程1）および/またはミネラルコーティング（工程3）の後に適用することができる。しかし、本工程2は、工程1の後、また好ましくは工程3の前に適用することが好ましい。
例えば、機械ハンマーピーニングは仕上げのための比較的新しい手法である。被加工物表面は、振動運動を通し、球状超硬ツールによる繰り返し衝撃によって修正される。このような手法は、硬度や残留応力をハンマーピーニングにより増加させる。機械ハンマーピーニングは、電気スパーク焼入れのような急速加熱ではなく、サブ表面層に圧縮残留応力を増加させ、冷間加工硬化によって薄い表面層（100〜500 nm）を形質転換することを意図するものである。本発明によれば、しかしながら、ハンマーピーニングは避けることが好ましい。
本発明によれば、好ましくは他の手法で、電気スパーク処理後、表面を緻密化することが好ましい。特に、本発明によれば、表面の緻密化は、圧延やプレス圧延によって達成することができる。
好ましくは、この処理には被加工物に圧力を加えるための（金属）ツールが使用される。例えば、好ましくは、硬質材料製の金属製の球体またはロールが好ましい。ツールの硬度は、好ましくは60 HRC未満である。前記ツールにより、接触圧力が被加工物の表面に塗布される。つまり、ローリング（圧延）、スライディングまたは他の手法による。好ましい実施形態によれば、被加工物はこの処理の間回転され、好ましくは処理すべき表面の回転速度は3 m/ 分から300 m/ 分の間である。
好ましい実施形態によれば、処理すべき表面と接触させるツールが供給される。その後、ツールは回転軸に沿って1回転につき0.01から10mmの移動速度で、0.5kg/mm2から2100kg/mm2の接触圧で被加工物被加工物の表面上を移動する。二重ストローク（前後に）の回数は、最大10回。表面コーティングの緻密化は、好ましくは、処理を必要とする全長に対して実施されるものとする。
鉱物処理 / 工程3
上述のように、本発明の手法は二つの手法工程に分割することができる。すなわち、電気スパーク金属部品の表面処理と任意の手段として（追加的または代替的）鉱物粒子による以前に処理済みの表面のドーピングである。本発明の好ましい実施形態によれば、工程2は工程1と3の間に入れる任意の工程である。
本発明によれば、摩擦面は、各種鉱物のナノサイズまたはサブミクロン粒子でドーピングされてもよい。粒子/微粒子は、好ましいのは均一に、好ましいのは油、グリセリン、ポリグリコールまたは水などの流体中に分散されている。言い換えれば、好ましくは粒子は懸濁液中に提供される。流体は、好ましくはこれらが均一に分散された状態で適用するためにドーピングされ、粒子のキャリヤー流体であること。この懸濁液は、ドーピング処理中にのみ使用され、好ましくはポンプの油回路のような潤滑油としてではなく使用されること。処理すべき表面積は、好ましくは懸濁液中に浸漬または懸濁液により湿潤される。
好ましくは、圧子ツール（これより後には「圧子」と略す）は、処理すべき表面積上および/またはに表面内に鉱物をインデントするために使用される。また、圧子は、処理される材料の表面の孔またはは凹凸を充填するために使用される。これにより、表面の粗さが減少し、表面がより滑らかになる。
インデント/鉱物のメカニズムは、（i）塑性変形によるインデントの辺りの冷間加工硬化および（ii）微小空洞（マイクロキャビティ）による早期の流体膜形成の強化である。
さまざまな形状、直径および深さのマイクロキャビティが、開始/停止間に流体力学的な膜形成を強化することが知られている。混合および/または境界潤滑の長さが大幅に短縮されるため、この効果は主軸受の開始/停止間に優勢であり、かつ消耗を減少させる。さらに微小空洞は潤滑剤を保存し、潤滑供給が短縮または中断される際に緊急走行性を顕著に強化する。シールやベアリングに微小空洞を創出するために今日使用される技術は、均一な分散または高調波パターンの配列を生成することを意図する。例えば表面微地形と摩擦学的に応力を加えた表面の構造の改善のためのレーザー表面テクスチャリングインスタンス（LST）は広く使われている技術であり、またパターンのパンチ/スタンピングも知られている。改善を許可されている面を強調しただけでなく、人工的または合成的なテクスチャリング技術は、任意の形式およびイソ間隔でのイソ型の規則的な構造を生成を目指している。対照的に、本発明によるドーピング法は、好ましくは簡単なプロセスを適用して、不規則な形状の空洞/ディンプル/インデントがランダムに分散されたパターンを作成するものである。
また、本発明によれば、ドーピングプロセス用には蛇紋石を固体無機添加剤として使用することが好ましい。
エンジンオイル中の煤、グラファイトや二硫化モリブデンや炭酸カルシウム（「LiquiMoly」または「Molygraphite」フォン・エルフ・アンタル）といったナノサイズの微粒子の分散液が知られている。また、「geoadditives」（ジオ添加物）と呼ばれるいくつかの新しい鉱物もある。例えば、シリケート系ブレンド/潤滑剤の添加材は、文献および特許出願に記載されている。市販の潤滑剤「FORSANM」TMは、微粒子シリケート系を体積で5％含んでいる（www.forsan.info）。また、出願02/18673 WO、DE 10 2004 058 276およびUS 7,304,020は、潤滑油中に分散した鉱物の広い範囲に適用される。この従来技術の潤滑剤に共通のメカニズムは以下の通りである。鉱物を含有するこれらの潤滑剤のトライボロジーの動作中、潤滑剤中に分散された微粒子によって転写層が摺動面上に生成される。このメカニズムは、磨耗した表面の復元/再調整にも適用することができる。中国人による出版物[Tribology International 37（2004）561から567]によると、微粒子の機関車のエンジン（16V280、3600 kw）内で操作されるSAE40 API（SD / CC）エンジンオイル中に分散したMgo（Si4O10）(OH)8は、すでに15万km蓄積したことが確認されている。ライナー表面上に最大780 HVの微小硬度を有する8-10 μmの層厚の転写フィルム形成により形成される。このようなエンジン油の不利な点は、すべてのシリケート系微粒子が灰を形成するという事実で灰は煤煙微粒子フィルタをブロックして詰まらせ、触媒の活性中心を非活性化する。すべてのACEAのCl-C4のエンジンオイル仕様は、低灰分配合物（0.5重量％未満）を必要とするが、これはこの中国の出版物で使用される懸濁液の必要な処理率をはるかに下回るものである。「ジオ添加物」、シリケート系微粒子を含有する潤滑油エンジンは、すべてのエンジンタイプ（乗用車およびトラック）において処理装置後の灰蓄積・ビルドアップの排気を有しているため、世界的に不向きである。
本発明によれば鉱物ドーピングに蛇紋石を使用することが好ましい。特にそのようなケイ酸塩のグループ内で、フィロケイ酸塩のサブグループは、化学によると他のグループの間で蛇紋石を含むとされている。二重の（または双臼歯）式蛇紋石の一般的な
式Mgs Si2O5(OH)4は：X6Y4O10(OH)8であり、
Xは、八面体格子位置に配置されるMg2+,Fe2+, Ni2+, Ms2+, Cr3+ またはCu2+のような異なるイオンの略で、Yイオンは、四面体格子位置にSi4+、Al3+とFe3+のような、またリザーダイト、アンチゴとクリソタイルのようなマグネシウム型蛇紋石を指す。
ライト(M3-x 2+Mx 3+) [(Si2-xMx 3+)O5(OH)4]であり、
M2+ = Mg, Fe, Mn および Ni ならびにM3+ =Al, Fe と Cr。
本発明によれば、蛇紋石の粉末は、好ましくは、天然または合成起源である。天然/鉱物資源に由来する蛇紋石粉末は、自然に発生する場合、意図的に配合してなかったコランダムまたはシリケートなどの他の成分を重量10％まで含有することができる。図3はケイ素、マグネシウムおよび酸素からなる蛇紋石で満たされた空洞を示したものである。
分散液中の蛇紋石微粒子の濃度は、1％から20％の間であることが望ましい。さらに、適した粒子のサイズは、1μmから50μmの範囲であることが好ましい。
さらに鉱物は、好ましくは例えば光学石英、SiO2+Fe、焼成したサーペンタイトのうち好ましくは950℃で燃焼して焼成したもので、MG6[Si4.O10](OH)8、ユージアライト、Na12Ca6Zr3[SiO9] [Si9O24(OH)3]2、バデレアイト、単斜晶ZrO2、溶融ジルコニア、粉砕し篩い分けおよび/またはマイクロメートルまたはナノメートルサイズに粉砕したジルコニアが、MgOまたはCaOあるいはY2O3によってさらに安定化されてもよい。
追加の材料は、チタン磁鉄鉱（Fe（Fe0.75Ti0.25）2O4または化学式のFe2+（Fe3+,Ti）2O4）が好ましい。特にチタン磁鉄鉱は、一連の同形磁鉄鉱の固溶体（FeFe2O4）、ウルボスピネル（Fe2TiO4）、マグネシウムウルボスピネル（Mg2TiO4）の中間部材複合酸化鉱物等級である。
またチタン磁鉄鉱は、固溶体の崩壊生成物（ウルボスピネル、イルメナイト）やさらに崩壊生成物（の置換生成物ルチル、ブルッカイト、ペロブスカイトなど）の含有物とマグネタイトの名前である。自然界では、高いイルメナイトコンテンツ構成要素（37％まで）を持つマグネタイトは、四面体や八面体の副格子と呼ばれるチタノマグヘマイトにおける空孔の存在下で立方構造を維持し、非常に一般的である。
スピネルの結晶構造は、逆尖晶石型である。チタン磁鉄鉱の8.39からの単位セルパラメータの増加は、マグネタイトウルボスピネル系ではAl3+、V4+、Gr3+、Mn2+などの混和剤が含まれる。これは八面体結晶、また、より頻繁に粒状の凝集体および黒の質量を発生する。モブ硬度、5.0〜5.5、密度4.800〜5.300 kg/ m3。ウルボスピネル自体が常磁性であるが、固溶体チタン磁鉄鉱（チタノマグネタイト）は顕著な強磁性体である。キュリー温度の2つの範囲は、チタン磁鉄鉱0-100℃（FeFe2O4内包ウルボスピネルは含量率20％まで）および500から570℃（Fe2TiO4内包マグネタイトは含有率10％まで）が特徴である。固溶体チタン磁鉄鉱溶液の部分的溶解は、熱残留磁気磁化（古代磁気研究において使われる現象）の自己反転を引き起こす。
本発明の実施形態の大部分によれば、微粒子を分散させるための基油の化学的性質は実質的に無関係である。好ましくは、流体分散剤の粘度は「水」（40°C=1mPas）と文字通り「バター」（40°C= 10000 mPas）の範囲である。
摩擦を低減するためには、好ましくは成分または単独の成分として蛇紋石を使用することが好しい。耐食性を高めるおよび/または消耗を減少させるには、好ましくは成分または単独のコンポーネントとして、石英を使用することが好ましい。さらに摩擦を低減、耐食性を向上させ、摩耗を減らすためには、好ましくは50:50の比率で蛇紋石と石英を組み合わせて用いることが好ましい。
ディンプル/空洞/インデントを生成するために、電極の先端がさらにインデントと垂直な面にその軸に沿って多少作動させることができる。この軸方向の作動は、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータまたはストロ−クヨークシステムによって達成することができる。軸方向の作動は、例えば以下のパラメータのうちの少なくとも1つによって、特徴付けることができる:
周波数:40 Hz 〜 50 000 Hz.
軸方向の範囲:0.005 〜 0.5 mm
軸インデント負荷:50 g 〜 3000 g
圧子は、好ましくは硬質なものから形成される。特に、用語「圧子」は、ツールのNi（ロール）やツール、N2（金属球）装置またはN3（超音波装置の作業ツール）などのツールを示し、以下に詳細な説明を付けている。対象のための好ましい材料は、炭化タングステンまたはニッケル、ニッケル/モリブデンまたはコバルトと結合した炭化チタンベースの硬い合金、すなわち天然または合成ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンド（PKD）のいずれかである。硬質金属はまた、WC、Cr2C3、TiCを、TaCおよび/またはNbCのような、硬質相の混合物から構成することができる。
図に示す好ましい実施形態によれば、蛇紋石粉末は、次のコンポーネントで、好ましくは以下の成分のうちの少なくとも1つを含む：ゴライト、リザーダイトおよびタルクから成るものとする。好ましい実施形態によると、蛇紋石粉末は約45重量%のアンティゴライト、45重量%のリザーダイト、10重量%のタルクから構成される。これらの蛇紋石粉末組成物は、相組成が変化し得る。
顕微鏡写真は、上で定義された蛇紋石粉末で処理された例を撮影したものである。
手段の走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影した顕微鏡写真は、サブミクロン範囲の鱗状様の形態を示した。SEM画像では、使用されている蛇紋石電力マグネシウム、ケイ素および酸素から構成される要素をマッピングするオーバーレイが確認された。粉砕プロセスからの鉄汚染の結果と同様に、アルミニウムとカルシウムとのいくつかの汚染物質は、使用鉱石から自然に起こる。
図7は、ボールミリングした粉末の典型的なパターン形態を示したものである。
実施形態のさまざまな特徴は、添付の実施携帯の図面に関連して、またこれを参照しながら考察すると、より良く理解することができる:
集束イオンビーム（FIB）切断によって処理されたX12Cr13面の断面を模式的に示す 概略的に透過電子顕微鏡法（TEM）によって図1に示す表面処理さX12Cr13の断面の拡大図を示す。また、 蛇紋石を含む空洞/ディンプルの拡大SEM顕微鏡写真を示している 要素であるシリコン、マグネシウム、そして、酸素のマッピングによるサンプルPT507（電子スパーク処理）のSEM顕微鏡写真を示す［左のコラム：1000xの拡大;適切な列：500xの拡大）］ ツールN1として使用されるロールを示す 金属球とツールN2の一例を示す 開示されている実施形態で使用される蛇紋石粉末のSEM顕微鏡写真 ツールN3の一例を示す金属球とツールN2の一例を示す
X12Cr13（20Cr13）鋼は、本発明（サンプルPT50I）に従って、電気スパーク処理された。断面図が図1および図2にて示されている。
図1に示されているように、動作パラメータに応じて、多少深い移行帯100が作成される。図1の移行帯は約4 μmである。
レーザーによる硬化とは対照的に、微細構造は未処理材料よりも小さい平均粒径を有するマイクロまたはナノ結晶である。図1の影響部または侵入深さは3-4μmで、FeCr2O4を含むマルテンサイトを示すものである。形質転換された層の粒径は精製されたが、短期間ではあったがまだ結晶のままであった。FeCr2O4局所的に高温の形成。処理されたフェライト系X12Cr13（1.400612x13-LLIロシア語、X2OCrI3に近い）基板は、図1中で結晶粒界にM23C6炭化物を示した。
図2は、FeCr2O4の酸化物系介在物を強調しており、参照200記号でマークされている。形成されているマルテンサイトは、結合による木摺マルテンサイトである。図2は明らかに電気スパーク処理が非晶質の微細構造を作成しないことを明らかに示している。未処理表面X12Cr13の平均ユニバーサル硬度とナノインデンテーションで測定した平均プラスチック硬度（フィッシャースコープH100を使用）は以下のとおりであった
- ユニバーサル硬度：2260 MPaの±70 MPaと
- プラスチック硬度：2530 MPaの±80 MPa。
図1で示す処理は硬度の増加をもたらし、図1の所見と一致する。
- ユニバーサル硬度：4300 MPaの±700 MPaと
- プラスチック硬度：6300±1000MPa。
本発明によれば処理は、影響を受けるゾーンの所望の深さを達成するために繰り返すことができる。二つの通過は、マルテンサイトのアニーリング（焼き鈍し）を回避するために好ましい。問題となっている金属/鋼の焼鈍温度および冶金によっては、反復処理が適用される場合がある。
本発明によれば、局所処理からの結果として部分全体として加熱されることはない。これは、処理中・処理後の特に部分の寸法安定性を保証し、さらなる加工や仕上げ作業を避けることができるようにするものである。その結果、トライボロジー的に強調される部品/コンポーネントのセクションのみが処理されることが望ましい。窒化処理または浸炭等の熱処置が必要であり、これにより、トライボロジー用途向けの金属材料の選択の自由が広がる。
図4は、電気スパーク処理による結果を図解したものである。走査型電子顕微鏡（SEM）は、BRUKERからEDX-検出器「X-フラッシュ」と「Quantax 4000」ソフトウェアを装備したZEISS（ツァイスス）SEMスープラ40を用いて撮影したものである。左の列の画像は1000xの倍率（X =倍）で撮影されている。右側の列の対応する画像は5000倍の倍率で撮影されている。
一番上の行（1行目）での（SEM）写真は、空洞、インデントやディンプルのネットワークを示すものである。4行目のSEM写真では、一番上の行のSEM画像に重なった1つの要素のマッピングを示すものである。蛇紋石は、これらは要素から成り、X12Cr13鋼によって構成されていないため、要素は、シリコン（Si、2行目）、マグネシウム（Mg、3行目）と酸素（O、4行目）であった。蛇紋石の3つすべての優勢な要素は、圧子により蛇紋石がX12CrI3表面をドーピングしたことを証明する。図4はまた、ほぼすべての空洞が蛇紋石で満たされた様子を示す。
例を準備する際の詳細は、図4に示す「1.2-10 IIIT 1.2 PT501」は、以下の表1、の3列目にに要約されている。適したパラメータ範囲は、表1の2列目に要約されている。
図5は、N1ツール（参考文献10番を参照のこと）の例を示すものである。ローラー10は、好ましくはシャフトまたは適切な取付構造のツール10にツールを装着することのできるマンドレル12から構成され、処理される被加工物に押し付けることができる。それは炭化タングステンまたはニッケル、ニッケル/モリブデンまたはコバルトと結合炭化チタンベースなどの硬質合金製、少なくともツール10のロール11は合金製であることが好ましい。ローラー10は、高密度化工程（プレス工程2）に使用することができる。特に本発明によれば、器具N1として示されるローラーを使用することが好ましい。
図6は回転させることができる球状の先端21との緻密化工程用インストルメント20のさらなる一例を示している（ツールN2ともラベル付けされている）。ツール20は、好ましくは、シャフトまたは適切な取付構造のツール20にツールを装着することのできる22のマンドレルから構成され、処理される被加工物に押し付けることができる。さらに、少なくとも球状のツール20のボール/先端21は、ニッケル、ニッケル/モリブデンまたはコバルトと結合した炭化タングステンや炭化チタンベースなどの硬質合金製であることが好ましい。
図8は、N3ツールとして使用できる器機30のさらなる一例を示す図である。図示されている器機30は超音波圧子であり、被加工物の表面にディンプル/空洞/インデントを生成するために使用することができる圧子1の超音波装置20を備えている。特に、図示されている超音波圧子は、先端地点1が器機30の長手軸に沿って作動できるようにする。この作動（長手方向または軸方向の移動）は、空気圧メカニズムによって達成することができる。先端地点1の軸方向の作動は、以下のパラメータに従って行われる。作動周波数は、好ましくは50 Hzから50,000 Hzの間であること。好ましくは、周波数は50 Hzと1,000 Hzの間であるが、本発明によれば、電極の超音波作動も可能であり、すなわち、作動 > 20,000 Hzの周波数が可能である。軸方向（振動）振幅は0.005から0.5 mmの範囲であることが好ましい。軸方向のインデント荷重は10 gから3,000 g（0.1 Nから30 N）の範囲であることが好ましい。
例示的な実施形態を取り上げて本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の真の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対するさまざまな変更を加えることができるであろう。本契約中の条件と説明は実例として述べられており、これに制限することを意図されているものではなく特に手法と装置が例として記述されているが、手法の工程は図示されている以外の異なる順序でまたは同時に実行される場合もある。当業者は、これらおよび他のバリエーションが請求に定める範囲とその等価物で（行われることが）可能であることを認識するであろう。

Claims (18)

  1. 金属性被加工物の表面処置のための手法であり、以下の工程から成る；
    電気スパーク電極により被加工物の表面を処理する電気スパーク処理、
    被加工物の材料は、フェライト、パーライト、および/またはオーステナイト鋼であり、かつその手法は、加工物の表面にマルテンサイト微細構造を有する薄層を形成するか、マルテンサイト微細構造への加工物の表面に薄い層に変換するものである。
  2. 電気スパーク電極が、BK8（ISO K30/40）、T5K10（ISO P30）、BK10OM（ISO M30）から選択されるWCCo型の結合されたカーバイドツール、または 95X18（X105CrMo17,1.4125に等しいGOST 5632）で代表される鋼からなる耐磨耗性合金から製造される、請求項１の手法。
  3. 被加工物処理前の初期表面粗さが、Ra（C.L.A.)= 0.01 to 1.6 μm であり、又は0.1 mから1.6 μmの間である、請求項１又は２の手法。
  4. 処理中に被加工物と電極との間の相対運動が提供され、又は、被加工物が最低0.1m /分から1m /分までの回転速度で回転する、請求項１〜３のいずれか一に記載の手法。
  5. 電極が、10rpmから1500rpmまでの回転速度でその長手方向軸の周りを回転する、請求項１〜４のいずれか一に記載の手法。
  6. 被加工物に接する電極の先端地点が、処理の間、40 Hzから50,000 Hz間の周波数で、長手方向軸の周りを前後に移動する、請求項１〜５のいずれか一に記載の手法。
  7. 電解質が電気スパーク電極と被加工物との間に設けられていない、請求項１〜６のいずれか一に記載の手法。
  8. i)表面を処理する電気スパークが電極表面での電気スパークから材料を沈殿させることなく、マルテンサイト微細構造への工作物の表面に薄い層を変換する、または
    ii)表面を処理する電気スパークが、加工物表面の薄い層をマルテンサイト微細構造に加え、さらに表面の電気スパーク電極から材料を沈殿させる、請求項１〜７のいずれか一に記載の手法。
  9. 電気スパーク処理に続き、被加工物の表面は、圧延またはプレス圧延により、ツール（N1、N2、N3）によって高密度化される、請求項１〜８のいずれか一に記載の手法。
  10. ツール（NI、N2、N3）の硬度は、60 HRC未満であることを特徴とする請求項９に記載の手法。
  11. 加工物を高密度化処理中に回転させるものであり、3 m/分から300 m/ mmの回転速度である、請求項９または１０に記載の手法。
  12. さらに（iii）被加工物の以前に処理された表面を鉱物粒子でドーピングする工程から成るものであり、ランダムな分布パターンの不規則な形状の空洞/ディンプル/インデントが表面に形成される、請求項１〜１１のいずれか一に記載の手法。
  13. 処理の前又処理中に被加工物が懸濁液中に浸漬もしくは懸濁液によって湿潤され、鉱物粒子が懸濁液中に提供される、請求項１２に記載される手法。
  14. 鉱物粒子が表面に孔又は凹凸を埋める圧子により被加工物の表面にインデントされる、請求項１２に記載される手法。
  15. 請求項１２〜１４のいずれか一に記載の手法であって、鉱物が次のコンポーネントのうちの少なくとも1つを含む手法：蛇紋石と石英。
  16. 請求項１０〜１５のいずれか一に記載の手法であって、鉱物が以下の群の少なくとも1つを含む手法：光学石英のSiO2+ Feが、焼成した蛇紋石、MG6[Si4010](OH)8、ユージアライト、Na12Ca6Zr3[Si3O9] [Si9(OH)3]2、バデレアイト、単斜晶のZrO2、ジルコニア、粉砕し、篩い分けおよび/又はマイクロメートルまたはナノメートルサイズまで粉砕された溶融ジルコニア、MgOおよび/またはCaOおよび/またはY2O3によってさらに安定化されたジルコニア、チタン磁鉄鉱。
  17. 金属被加工物の表面を処理するための装置であり、請求項１〜１６のいずれか一に記載の手法であり、その装置が以下から成るもの：
    被加工物の表面を処理する電気スパーク電極であり、被加工品の材料はフェライト、パーライトおよび/またはオーステナイトであり、その手法は、加工物の表面にマルテンサイト微細構造を有する薄層を作成するものである。
  18. 請求項１７に記載される装置であって、前記請求項１〜１６のいずれか一に記載の手法において高密度化処理および/または鉱物ドーピング用に、ツールN1からN3の少なくとも一つから成るもの。
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