JP5066703B2

JP5066703B2 - 金属材料や半導体材料等の表面改質法とそのための表面改質装置

Info

Publication number: JP5066703B2
Application number: JP2005080280A
Authority: JP
Inventors: 均祖山
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006255865A

Description

本発明は、キャビテーションの圧潰衝撃力を利用して、金属材料や半導体材料の疲労強度を向上させたり、残留応力を発生させたり、ゲッタリングによりクリーン化したりするなどの表面改質をするに際して、キャビテーションの制御と、圧潰衝撃力の大きさを強化し、これによって効率良く表面改質を行う方法やそのための表面改質装置に関する。

本発明は、特に歯車、シャフト、バネ、金型等の機械構造物を含む金属材料や半導体材料の表面層の性質をピーニングなどにより改善する分野、これらの材料を洗浄する分野、半導体材料ウエーハに侵入する不純物をウエーハ裏面に捕獲するゲッタリングしてクリーン化する分野などに利用すると好適な技術である。

キャビテーションは、図１に示すように、液体の流速が増大するに伴い、圧力が低下し、液体の飽和蒸気圧まで圧力が減少した結果、液体が気泡になる現象である。多くの場合、水中に溶け込んでいる微細な気泡（キャビテーション核と呼ぶ）などが、高速領域（低圧領域）でキャビテーション気泡となる。その気泡は、速度が低下すると、圧力が回復するためと、液体の表面張力等の影響により、キャビテーション気泡が崩壊（気体から液体に相変化）する。この気泡の崩壊・再膨張時が、数マイクロ秒オーダの短時間で生じるために、数万気圧にも達する高圧が発生し衝撃波を発生することが知られている。そのうえ、気泡が崩壊した後も、キャビテーション気泡がキャビテーション核から発生しているためと、気泡の発達時に気泡内部が低圧のために気泡内に周囲の液体から気体を引き出すために、残留気泡が残る。

このようにキャビテーションは、気泡の崩壊時に局所的な高衝撃力を生じるので、ポンプやバルブ、スクリューなどの流体機械に騒音や振動や壊食などの害悪をもたらすものとされていた。このため、流体機械の分野では、キャビテーションがもたらす悪害を防ぐための研究が盛んに行われている。一方、近年は当該キャビテーションの衝撃力のエネルギーの大きさに注目し、このエネルギーを有効利用しようとの発想による研究が進みはじめている。その一例が、キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる有効利用である。それはキャビテーション気泡の崩壊による衝撃力を金属材料や半導体材料等に当てることによって、ピーニング処理してその表面改質をすることである。以下は、キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる有効利用の具体的事例である。

キャビテーションの圧潰衝撃力を利用して、金属材料の残留応力改善する方法（特許第３１６２１０４号、特許第２９５７９７６号）。
キャビテーションの圧潰衝撃力を利用して、機械部品等の表面改質をしたり、洗浄することを特徴とする表面処理法（特開２００３−６２４９２号）。
キャビテーションの圧潰衝撃力を利用して、半導体材料ウエーハに侵入する不純物をウエーハ裏面に捕獲するゲッタリング技術（特開２０００−２５２２８７号）。
加圧容器を用いて、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力を高めて洗浄やピーニングを行う方法（特開２０００−２６３３３７号）。
大気中でキャビテーション噴流を生成するノズル（特開平１０−１１３８７１号、特開２０００−２０２３２６号）
被加工面に噴流カバーを被せて、キャビテーション噴流ならびに低速噴流を充填してピーニングを施工する例（特開平７−３２８８５７号）。

これら先行技術は、キャビテーション・ショットレス・ピーニングにより金属材料の残留応力を改善したり、表面改質をしたり、洗浄したり、半導体材料ウエーハの不純物をウエーハ裏面にゲッタリングするものであり、それなりに効果が認められる。しかし、気泡の崩壊による衝撃力を利用することから、常に必要な強さの衝撃力が得られるとは限らない欠点がある。つまり先行技術では、キャビテーションの制御やその衝撃力の大きさの制御までは考慮されておらず、ショットを用いたピーニングに比べて、必ずしも充分なキャビテーション気泡による圧潰衝撃力が得られていないことに対する不満があった。

キャビテーション気泡の発生・発達・崩壊・圧潰衝撃力の発生は、キャビテーション核の存在、液体の流速、液体の低圧とその変化、充分な低圧持続時間、流れ場の形状、など多くの要素が複雑に影響して生ずる現象である。したがって、キャビテーションを制御したり、衝撃力を意識的に強化することは困難なことである。発明者は、研究により得られた下記のような技術的知見を背景としてキャビテーションを制御しその衝撃力の強化を図って本発明を開発したものである。

（１）キャビテーションは、その流れ場の状態によって複雑に変化流動する。キャビテーションは、その流れ場の形状により、バブルキャビテーションになったり、渦キャビテーションになったり、シートキャビテーションになったり、クラウドキャビテーションになったりする。また、その成長段階においてもその流速、圧力、乱流、時間、距離、気体量などの変化によってキャビテーションの状態は変化する。これを制御するのは、大変である。

（２）キャビテーション気泡を多く発生すべく、液体に周囲核（気泡）を供給すると、キャビテーション気泡が崩壊し衝撃力が発生するに際して、キャビテーション気泡内の気体が多すぎて、気泡の崩壊が緩慢になり、衝撃力が極端に弱まる。このように気泡内の気体により衝撃力が弱まる現象はクッション効果と呼ばれている。また特開平７−３２８８５６号では、流入核をノズル本体の減圧加速部あるいは噴出孔と減圧加速部の接続部に供給するとしているが、この場合には、減圧により流入核が急速に成長して、衝撃力を生じるキャビテーションにはなり得ない。キャビテーション核は、減圧加速部あるいは噴出孔と減圧加速部の接続部ではなく、ノズルの主流に流入させるべきである。

（３）一度キャビテーションを発生させ崩壊させた後に残存する残留微細気泡は、液体中に存在する微細気泡の総和を変えることなく、当該微細気泡のサイズを大きくしてキャビテーション核となしたものである。このようなキャビテーション核を素にしたキャビテーションは、圧潰衝撃力が増大し、衝撃力が及ぼす領域も拡大することが解った。すなわち、残留微細気泡をキャビテーション核とした場合、圧潰衝撃力の強い（加工能力が大きい）キャビテーションを発生させるのに適している。

（４）強力な圧潰衝撃力を有するキャビテーションは、流体の渦中心部に生じる。たとえばバタフライ弁下流などの渦に生じる渦キャビテーションが圧潰時に強力な衝撃力を生じている。このような渦キャビテーションが、流体機械に致命的損傷を生じることが判明している。キャビテーション衝撃力を活用する場合には、この渦キャビテーションを発生させれば、強力な圧潰衝撃力を得ることができる。

（５）気泡が崩壊した後も、キャビテーション気泡がキャビテーション核から発生しているためと、気泡の発達時に気泡内部が低圧のために気泡内に周囲の液体から気体を引き出すために、残留気泡が残る。

（６）キャビテーション噴流は、一般のウオータージェットと衝撃力の発生機構が全く異なり、加工に関する支配因子が大きく異なるので、単に高速水噴流の噴射圧力を大きくしても、必ずしも噴流の加工能力は増大しない。

本発明者は、このようにキャビテーションの発生、発達、崩壊、衝撃力発生のメカニズムを解明し、キャビテーションエネルギーの有効利用の研究を進めているうち、キャビテーションを制御し衝撃力を強化するための技術知見を得て、ショットを用いたピーニングに劣らない金属材料の強度向上のための表面改質を開発したものである。

特許を受けようとする第１発明は、上流路に予備キャビテーション発生器を設け、その下流路に残留微細気泡ができる所定の流路間隔をおいて、渦キャビテーションが発生する渦発生器を設けておき、前記予備キャビテーション発生器により予備キャビテーションを発生させた後、当該予備キャビテーション気泡が流路間隔で圧潰して生じた残留微細気泡をキャビテーション核として含む液体となし、これを流路間隔に満たしたうえ、このキャビテーション核を含む液体を前記渦キャビテーションを発生する渦発生器に流入・噴出させるが、当該渦発生器により発生するキャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するようになすとともに、当該渦発生器の噴流の寸法を、当該渦が分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法になすことにより生じる大きな渦キャビテーションを発生させ、当該渦キャビテーションを金属材料または半導体材料に当て、渦キャビテーション気泡の崩壊により生じる衝撃力により、表面改質を行うようにしたことを特徴とする金属材料や半導体材料の表面改質法である。

当該第１発明は、キャビテーションの圧潰衝撃力の金属材料の高強度化や半導体ウェーハのクリーン化などの表面改質へ有効利用を目的として、強力な衝撃力を生じる渦キャビテーションを発生させる方法に関する発明である。当該強力な衝撃力を生じる大きな渦キャビテーションを発生させるためには、第１に強力な衝撃力を生じるキャビテーションの素となるキャビテーション核が必要であり、第２に強力な衝撃力を生じる大きな渦キャビテーションが必要であるとの新しい発想により開発されたものである。

本発明では、予備キャビテーション発生器で予備キャビテーションを生じさせて崩壊させた後にできる残留微細気泡をキャビテーション核として用いる。キャビテーション核を通常の水中に含まれるキャビテーション核からわずかに大きくすることにより、衝撃力が増大し、衝撃力が及ぼす領域も拡大する。なお空気を直接、渦に混入するのは、気体を過度に混入させるのでクッション効果を生じるだけである。適度なキャビテーション核の供給により、通常ならばキャビテーションが発生しない渦においてもキャビテーションを発生できるので、渦キャビテーションの崩壊が激しく生じ、衝撃力が著しく大きくなる。

本発明では、渦キャビテーションの発生に必要な渦の発生には、キャビテーション噴流の流速差を生じる渦発生器を用いる。本発明の渦発生器は、流速が速い領域と、流速が遅い領域を、ある寸法で生じるように設計されている。流速が速い領域から流速の遅い領域に回りこむことにより渦が発生する。この際流速が速い領域と、流速が遅い領域の速度差が小さいと、一様な流れとなり、乱流渦のような微小な渦しか発生せず、大きな渦すなわち圧潰衝撃力が大きい渦キャビテーションは発生しない。当該大きい渦キャビテーションが発生する渦発生器は、適度な速度差と寸法を持った渦発生器であって、その噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するものであり、当該渦発生器の噴流の寸法が、渦の分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法になすように制御する。これにより生じる大きな渦キャビテーションが当該渦キャビテーションを金属材料または半導体材料に当て、渦キャビテーション気泡の崩壊により生じる衝撃力により、表面改質を行うようにしたことを特徴とする金属材料や半導体材料の表面改質法である。

本発明は、大きな渦キャビテーションを発生させ、その大きな渦キャビテーション気泡の崩壊により生じる強い衝撃力により、金属材料や半導体材料の疲労強度を向上させたり、残留応力を発生させたり、ゲッタリングによりクリーン化したりする等の表面改質を効率よく行う方法である。しかも本発明を行った場合の効果である予備キャビテーション発生器を設置した場合の加工能力は、予備キャビテーション発生器がない場合に比べて１０倍以上大きくなる。また、その表面改質効果は、材料の疲労強度を従来よりも２倍以上大きくできる。

特許を受けようとする第２発明は、上流路に予備キャビテーション発生器を設け、その下流路に残留微細気泡ができる所定の流路間隔をおいて渦キャビテーションが発生する渦発生器を配設し、発生した大きな渦キャビテーションが金属材料または半導体材料に当るように構成してなる金属材料や半導体材料の表面改質装置において、前記予備キャビテーション発生器は、流路に凹みを設けるか、流路に突起を設けるか、流路にオリフィスを設ける又は流路に超音波振動子を設けるか、のいずれかであって、予備キャビテーションが発生するように構成したものであり、前記予備キャビテーション発生器の下流路には、予備キャビテーションが発生した後、当該予備キャビテーション気泡が圧潰して残留微細気泡ができるだけの流路間隔を設け、渦キャビテーションが発生する渦発生器は、キャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するものであり、且つ渦発生器の噴流の寸法が、渦の分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法となし、発生した大きな渦キャビテーションが金属材料または半導体材料に当るように構成したことを特徴とする金属材料や半導体材料の表面改質装置である。

当該第２発明は、前記金属材料や半導体材料の表面改質を行う方法を実施するための表面改質装置である。当該表面改質装置の基本構成は、流路に設けた予備キャビテーション発生器と所定の流路間隔を設けて配設された渦発生器と、渦キャビテーションが当るように配設した金属材料または半導体材料とで構成されている。当該予備キャビテーション発生器は、予備キャビテーションを発生させるためのものであり、予備キャビテーション発生器の下流路に設けた所定の流路間隔は、キャビテーションの素となる残留微細気泡をキャビテーション核として含む液体となすためのものであり、大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器は、圧潰時に強力な衝撃力を生じる渦キャビテーションをつくるためのものである。この両者を組み合わせることにより金属材料や半導体材料の表面改質を効率的におこなうことのできる装置を具現化したものである。

本発明は、上流路に予備キャビテーション発生器を設け、その下流路に所定の流路間隔をもって流速差を生じる渦発生器を設けるが、当該予備キャビテーション発生器として、流路に凹みを設けるか、流路に突起を設けるか、流路にオリフィスを設けるか又は流路に超音波振動子を設けて、キャビテーション核が発生するようにした金属材料や半導体材料の表面改質装置である。

上記は第２発明の表面改質装置を構成する予備キャビテーション発生器の実施態様を明確にしたものである。予備キャビテーション発生器の形態には、a)流路に凹みを設けたもの、b)流路に突起を設けたもの、ｃ）流路にオリフィスを設けたもの、d)流路に超音波振動子を設けたものがある。当該予備キャビテーション発生器の大きさ、および位置により、渦発生器に流入する残留気泡（キャビテーション核）の大きさと量を制御する。

特許を受けようとする第３発明は、大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器は、流路に曲がり管部を設けるか、流路にテーパ部を設けるか、流路に流れが収縮するステップを設けるか、流路に流れが拡大するステップを設けるか、流路にオリフィスを設けるか、流路の流れ部にじゃま板を設けるか、複数個の流れの合流を用いるか、２種類の流速の異なる流れの合流を用いるか、複数個の流速の異なる流れの合流を用いるか、これらのうちの単体若しくは複数を複合することにより構成されたものであり、大きな渦キャビテーションが発生するようにしたことを特徴とする第２発明に記載する金属材料や半導体材料の表面改質装置である。

当該第３発明は、第２発明の表面改質装置を構成する渦発生器の実施態様を明確にしたものである。本発明の渦発生器は、流速が速い領域と、流速が遅い領域を、ある寸法で生じるように設計されていて、流速が速い領域から流速の遅い領域に回りこむことにより渦が発生する。このような機能を発揮する渦発生器の形態には、(a)流路に曲がり管部を用いた場合、(b)流路にテーパ部を用いた場合、(c)流路に流れが収縮するステップを用いた場合、(d)流路に流れが拡大するステップを用いた場合、(e)流路にオリフィスを用いた場合、(f)流路に流れ部にじゃま板を設けた場合あるいは複数個の流れの合流を用いた場合、(g)流路に２種類の流速の異なる流れの合流を用いた場合、(h)流路に複数個の流速の異なる流れの合流を用いた場合であり、水中および大気中に設置して使用する。以上を単体もしくは複合して渦発生器を構成する。また(i)流路に流れを管などに導入して管内に渦を発生させた場合や、(j)流路に管を水中に設置した場合には流れが周囲の水を引き込んで渦を発生する。

このように構成された大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器は、適度な速度差と寸法をもった渦発生器であって、キャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するものであり、その寸法が、渦の分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法にするようにしたことを特徴とする金属材料や半導体材料の表面改質装置である。

即ち、大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器は、適度な速度差と寸法をもった渦発生器である。本発明の渦発生器は、流速が速い領域と、流速が遅い領域を、ある寸法で生じるように設計されている。流速が速い領域から流速の遅い領域に回りこむことにより渦が発生するのである。流速が速い領域と、流速の遅い領域の速度差が小さいと、一様な流れとなり、乱流渦のような微小な渦しか発生せず、大きな渦すなわち圧潰衝撃力が大きい渦キャビテーションは発生しない。一方、速度差が大きすぎて、遅い速度領域の流速が遅すぎる場合、渦が細長くなり、やがて分裂し、大きな渦にはならない。すなわち、高速度領域、低速度領域ともに適度な場合（流速比が２５：１〜８：１が好ましい条件で、１０：１がベスト）に大きな渦キャビテーションを発生できるのである。

また渦発生器の寸法は、速度比に対して小さすぎると、渦が流れ方向に引き伸ばされて大きくならない。一方、渦発生器の寸法が大きすぎると、流れ方向に対して扁平な渦となり、やがて小さな渦に分解して大きな渦を形成できない。渦発生器の寸法が適度な場合に渦が大きく発達し、強力な渦キャビテーションを発生できるのである。

本発明は、液体中に予備キャビテーションを発生させた後に当該予備キャビテーション気泡を圧潰して残留微細気泡を発生させることにより、液体中に存在する微細気泡の総和を変えることなく、当該微細気泡のサイズを大きくしてキャビテーション核となし、当該キャビテーション核を含む液体となし、当該キャビテーション核を含む液体を渦発生器に流入して、大きな渦を発生させてその渦の中心部に渦キャビテーション気泡を生じさせ、その気泡の崩壊時に強い衝撃力が発生するようにしたことを特徴とする加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法でもある。

当該発明は、加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法の原理を明らかにした発明である。崩壊時に強い衝撃力を発生させるための第１の特徴は、予備キャビテーション気泡を圧潰して残留した微細気泡をキャビテーション核として用いることである。これは、空気の量を変えずに残留微細気泡（キャビテーション核）のサイズを大きくコントロールすることである。第２の特徴は、大きな渦キャビテーション気泡を生じさせることである。流体の渦中心部に生じさせキャビテーション気泡は崩壊時には、激しく崩壊し、強い衝撃的圧力を発生させる。本発明は、崩壊時に強い衝撃力を発生させるために上記のような２つの特徴ある手段を組み合わせ、その相乗効果によって加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法を実現したものである。

第１発明は、崩壊時に強い衝撃力を発生させるために、予備キャビテーション気泡を圧潰して残留微細気泡をキャビテーション核として用いるとともに、気泡の崩壊時に強い衝撃的圧力を発生させる大きな渦キャビテーション気泡を生じさせるようにしたものである。本発明は、このようにキャビテーション・ショットレス・ピーニングにおいて、前記２つの手段を組み合わせ、その相乗効果によって衝撃力を著しく大きいものにする。その結果、キャビテーション気泡の崩壊により生じる強い衝撃力により、効率良く表面改質を行うことができるようになる。尚、ここに表面改質とは、金属材料や半導体材料の疲労強度を向上させたり、残留応力を発生させたり、ゲッタリングによりクリーン化したりすることである。

しかも本発明を行った場合の効果である加工能力は、単に普通にキャビテーション・ショットレス・ピーニングを行った場合に比較して大幅に大きくなるし、その表面改質効果を従来よりも数倍大きくすることができた。

第２発明、第３発明は、第１発明を実施するための金属材料や半導体材料の表面改質装置である。当該表面改質装置の基本構成は、上流路に設けた予備キャビテーション発生器と、その下流路に所定の流路間隔を設けて配設された大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器と、渦キャビテーションが当るように配設した金属材料または半導体材料とで構成されている。これによって、強い衝撃力を有するキャビテーションを安定的に発生させることができることになり、効率良く表面改質を行うことができるのである。

また、当該表面改質装置は、強い衝撃力を有するキャビテーションを安定的に発生させることができ、高い加工能力を有するものとなる。

本発明は、崩壊時に強い衝撃力を発生させるために、空気の量を変えずに残留微細気泡（キャビテーション核）のサイズを大きくコントロールすることと、大きな渦キャビテーションを起こすことを組み合わせ、その相乗効果によって強い衝撃力によって加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法を行うことが出来るのである。

本発明は、上流路に予備キャビテーション発生器として直径１.２ｍｍのオリフィスを設け、その下流路に残留微細気泡ができこれがキャビテーション核として含む液体となる１００ｍｍの流路間隔をおいて大きな渦の出来る渦発生器として直径１ｍｍのオリフィスを設けておき、当該渦発生器で大きな渦キャビテーションを発生させ、当該渦キャビテーションが金属材料または半導体材料に当るように構成しておき、上流路より予備キャビテーション発生器に流入速度１５m/ｓで流入させ、予備キャビテーションを発生させた後、当該予備キャビテーション気泡が圧潰して残留微細気泡をキャビテーション核として含む液体となし、これを流路間隔に満たしたうえ、このキャビテーション核を含む液体を渦発生器に流入して走査速度１mm/ｓで噴出させるが、その際当該渦発生器により発生するキャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するようになすとともに、当該渦発生器の噴流の寸法を、当該渦が分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法になすことにより大きな渦キャビテーションを発生させ、当該渦キャビテーションをステンレス鋼に当るように構成し、渦キャビテーション気泡の崩壊により生じる強い衝撃力によりステンレス鋼を加工した。そのうえで加工したステンレス鋼について平面曲げ疲労試験をおこなった。
すると、本発明を実施して加工したステンレス鋼の疲労寿命が、単にキャビテーション・ショットレス・ピーニングをしただけの場合に比較して、２０％以上向上した。

以下、本発明にかかる金属材料や半導体材料の表面改質を行う方法と、そのための表面改質装置を図示実施例に基づいて説明する。
図１は、キャビテーション核からの発生・発達・崩壊と残留気泡の生成を示す原理図であり、図２は、本発明の金属材料や半導体材料の表面改質を行う方法と、そのための表面改質装置の実施例を示す構成説明図である。また、図３の（a）（b）(c）（d）は予備キャビテーション発生器の形態例を示す構成説明図であり、図４の（a）（b）(c）（d）(e)（f)（g）（h）（i）（j）は、渦発生器の形態例を示す構成説明図である。更に、図５の（a）（b）(c）は、渦発生器における流速の影響を示す説明図であり、図６の（a）（b）(c）は、渦発生器における寸法の影響を示す説明図である。

本発明に係る金属材料や半導体材料の表面改質装置は、図２に示すように、上流路に予備キャビテーション発生器１を設け、その下流路に残留微細気泡ができこれがキャビテーション核として含む液体となる所定の流路間隔２をおいて大きな渦の出来る渦発生器３を設けておき、渦発生器３に流入・噴出させて大きな渦キャビテーション５，５を発生させ、当該渦キャビテーション５，５が金属材料または半導体材料６に当るように構成するものである。このような表面改質装置を設けて、予備キャビテーション発生器１により予備キャビテーションを発生させた後、当該予備キャビテーション気泡を圧潰して残留微細気泡をキャビテーション核４として含む液体となし、これを流路間隔２に満たしたうえ、このキャビテーション核４を含む液体を渦発生器３に流入・噴出させて大きな渦キャビテーションの発生する渦発生器によりに生じさせたキャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するようになすことによって生ずる大きな渦キャビテーションであって、当該渦が分裂しない大きな渦キャビテーションを発生させ、当該渦キャビテーションの中心部に渦キャビテーション気泡を生じさせ、これを金属材料または半導体材料に当てるように構成し、渦キャビテーション気泡の崩壊により生じる強い衝撃力７により金属材料または半導体材料の表面部結晶を微細化させ、表面疲労強度を向上させたり、残留応力を発生させたり、ゲッタリングによりクリーン化したりする金属材料や半導体材料の表面を改質する方法である。

キャビテーション噴流の加工能力として、予備キャビテーション発生器を設置した場合は、予備キャビテーション発生器がない場合に比べて１０倍以上大きくなるし、表面改質効果として、材料の疲労強度を従来よりも２倍以上大きくなる。

図３は表面改質装置を構成する予備キャビテーション発生器の形態例を示す構成説明図である。当該予備キャビテーション発生器は、予備キャビテーションが発生するものであればいずれの構成でもよい。図３にはa）流路に凹みを設けたもの、b)流路に突起を設けたもの、ｃ）流路にオリフィスを設けたもの、d)流路に超音波振動子を設けたものが示されている。当該予備キャビテーション発生器の大きさ、および位置により、渦発生器に流入する残留気泡（キャビテーション核）の大きさと量を制御することができる。

図４は表面改質装置を構成する渦発生器の形態例を示す構成説明図である。当該渦発生器は、流速が速い領域と、流速が遅い領域を、ある寸法で生じるように多様な形態で設計されていて、流速が速い領域から流速の遅い領域に回りこむことにより渦が発生するものである。特に、大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器というのは、適度な速度差と寸法をもった渦発生器である必要がある。

このような機能を発揮する渦発生器の形態としては、図４に示すように(a)流路に曲がり管部を用いた場合、(b)流路にテーパ部を用いた場合、(c)流路に流れが収縮するステップを用いた場合、(d)流路に流れが拡大するステップを用いた場合、(e)流路にオリフィスを用いた場合、(f)流路に流れ部にじゃま板を設けた場合あるいは複数個の流れの合流を用いた場合、(g)流路に２種類の流速の異なる流れの合流を用いた場合、(h)流路に複数個の流速の異なる流れの合流を用いた場合であり、水中および大気中に設置して使用する。以上を単体もしくは複合して渦発生器を構成するものであり、(i)流路に流れを管などに導入して管内に渦を発生させた場合や、(j)流路に管を水中に設置した場合には流れが周囲の水を引き込んで渦を発生するものであれば良い。

次に大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器とは、適度な速度差と寸法をもった渦発生器である。実験によると、適度な流速差というのは、キャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するものである。図５の（a)に示すように、流速が遅い領域の速度差が小さいと一様な流れとなり、乱流渦のような微小な渦しか発生せず、大きな渦すなわち圧潰衝撃力が大きい渦キャビテーションは発生しない。一方、図５の（ｂ）に示すように、速度差が大きすぎて、遅い速度領域の流速が遅すぎる場合は、渦が細長くなり、やがて分裂し、大きな渦にはならない。

また、その適度な寸法というのは、渦の分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法にすることが必要である。図６の(ｂ)に示すように、渦発生器の寸法は、速度比に対して小さすぎると、渦が流れ方向に引き伸ばされて大きくならないし、渦発生器の寸法が大きすぎると、流れ方向に対して扁平な渦となり、やがて小さな渦に分解して大きな渦を形成できない。渦発生器の寸法が適度な場合に渦が大きく発達し、強力な渦キャビテーションを発生できるのである。

如上のように、本発明に係る金属材料や半導体材料等の表面改質を行う方法とそのための表面改質装置は、加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法に支えられている。当該加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法というのは、予備キャビテーション気泡を圧潰して残留した微細気泡をキャビテーション核として用いることによって、空気の量を変えずに残留微細気泡（キャビテーション核）のサイズを大きくコントロールすることと、大きな渦キャビテーション気泡を生じさせることを組み合わせ、その相乗効果によって崩壊時に強い衝撃力を発生させ、加工能力の高いキャビテーション・ショットレス・ピーニング法を実現したものである。

、キャビテーション核からの発生・発達・崩壊と残留気泡の生成を示す原理図である。本発明の金属材料や半導体材料の表面改質を行う方法と、そのための表面改質装置の実施例を示す構成説明図である。予備キャビテーション発生器の形態例を示す構成説明図である。渦発生器の形態例を示す構成説明図である。渦発生器における流速の影響を示す説明図である。渦発生器における寸法の影響を示す説明図である。

１：予備キャビテーション発生器
２：流路間隔
３：渦発生器
４：キャビテーション核
５：渦キャビテーション
６：金属材料または半導体材料
７：強い衝撃力

Claims

上流路に予備キャビテーション発生器を設け、その下流路に残留微細気泡ができる所定の流路間隔をおいて、渦キャビテーションが発生する渦発生器を設けておき、
前記予備キャビテーション発生器により予備キャビテーションを発生させた後、当該予備キャビテーション気泡が流路間隔で圧潰して生じた残留微細気泡をキャビテーション核として含む液体となし、これを流路間隔に満たしたうえ、このキャビテーション核を含む液体を前記渦キャビテーションを発生する渦発生器に流入・噴出させるが、
当該渦発生器により発生するキャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するようになすとともに、当該渦発生器の噴流の寸法を、当該渦が分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法になすことにより生じる大きな渦キャビテーションを発生させ、
当該渦キャビテーションを金属材料または半導体材料に当て、渦キャビテーション気泡の崩壊により生じる衝撃力により、表面改質を行うようにしたことを特徴とする金属材料や半導体材料の表面改質法。
上流路に予備キャビテーション発生器を設け、その下流路に残留微細気泡ができる所定の流路間隔をおいて渦キャビテーションが発生する渦発生器を配設し、発生した大きな渦キャビテーションが金属材料または半導体材料に当るように構成してなる金属材料や半導体材料の表面改質装置において、
前記予備キャビテーション発生器は、流路に凹みを設けるか、流路に突起を設けるか、流路にオリフィスを設ける又は流路に超音波振動子を設けるか、のいずれかであって、予備キャビテーションが発生するように構成したものであり、
前記予備キャビテーション発生器の下流路には、予備キャビテーションが発生した後、当該予備キャビテーション気泡が圧潰して残留微細気泡ができるだけの流路間隔を設け、
渦キャビテーションが発生する渦発生器は、キャビテーション噴流の流速差が、流速の速い領域と流速の遅い領域との流速比が２５：１〜８：１の範囲内で連続的に流速変化するものであり、且つ渦発生器の噴流の寸法が、渦の分裂しない大きな渦キャビテーションが形成可能な寸法となし、
発生した大きな渦キャビテーションが金属材料または半導体材料に当るように構成したことを特徴とする金属材料や半導体材料の表面改質装置。
大きな渦キャビテーションが発生する渦発生器は、流路に曲がり管部を設けるか、流路にテーパ部を設けるか、流路に流れが収縮するステップを設けるか、流路に流れが拡大するステップを設けるか、流路にオリフィスを設けるか、流路の流れ部にじゃま板を設けるか、複数個の流れの合流を用いるか、２種類の流速の異なる流れの合流を用いるか、複数個の流速の異なる流れの合流を用いるか、これらのうちの単体若しくは複数を複合することにより構成されたものであり、大きな渦キャビテーションが発生するようにしたことを特徴とする請求項２に記載する金属材料や半導体材料の表面改質装置。