JP5645398B2

JP5645398B2 - 表面処理装置及び表面処理方法

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Publication number: JP5645398B2
Application number: JP2009280657A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　達也; 達也伊藤; 雄高亀山; 将一菊池; 潤小茂鳥; 剣吾深沢; 佳孝三阪; 川嵜　一博; 一博川嵜
Original assignee: Neturen Co Ltd; Keio University
Current assignee: Neturen Co Ltd; Keio University
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: JP2010163686A

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及び表面処理方法に関し、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及び表面処理方法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及び表面処理方法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、前記被処理物を冷却する冷却部と、前記不活性ガス導入部から不活性ガスを導入し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、前記冷却部により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する。

チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記被処理物を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記所定温度範囲において前記被処理物に向けて前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、前記被処理物に不活性ガスを吹き付けて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする。

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、このチャンバ内に中性ガスを導入する中性ガス導入部と、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中性ガスと共に前記投射材を噴射させる投射材噴射部と、前記被処理物を冷却する冷却部と、前記中性ガス導入部から中性ガスを導入して前記チャンバ内を前記中性ガスに置換させ、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中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、前記冷却部により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する。

チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記チャンバ内を中性ガスに置換する置換工程と、前記被処理物を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記所定温度範囲において前記被処理物に向けて前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、前記被処理物に中性ガスを吹き付けて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする。

チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガス又は中性ガスに置換する置換工程と、前記被処理物を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記所定温度範囲において前記被処理物に向けて前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、前記被処理物に冷却液を吹き付けて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする。

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に向けて投射材又は不活性ガスを噴射する噴射ノズル（投射材噴射部／不活性ガス噴射部）１４０と、冷却水ＣＬを噴射する水冷機構（水冷部）１７０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。さらにチャンバ１１０には、外部から内部を操作するためにグローブ１１３が設けられている。

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。

チャンバ１１０内には、噴射ノズル１４０が設けられ、支持台１２０に向けられたノズル１４１を備えている。噴射ノズル１４０には、電磁弁１４２を介してアルゴンガス等の不活性ガスを供給するガスボンベ１６０及び流量弁・圧力調整弁１６１に接続されている。流量弁・圧力調整弁１６１では、不活性ガスの噴射速度として例えば数十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（例えば、０．５ＭＰａ）として制御してもよい。

流量弁・圧力調整弁１６１は、さらに粒子フィーダ１５０に接続されたフィーダライン１５１に接続されている。フィーダライン１５１には粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４が設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｐが供給されている。

水冷機構１７０は、チャンバ１１０内に設けられた噴射ノズル１７１と、この噴射ノズル１７１に冷却水ＣＬを供給する冷却水供給装置１７２が設けられている。

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、電磁弁１４２、粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４、冷却水供給装置１７２の制御を行い、被処理物Ｗの加熱、投射材Ｐの噴射速度・噴射量、不活性ガスの噴射量、冷却水ＣＬの噴射量・噴射タイミング等を調整する。

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から不活性ガスのみを噴射し、チャンバ１１０内の空気を排気口１１１から排出し、不活性ガスに置換する。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２〜４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せる。

次に、ノズル１４１から投射材Ｐ及び不活性ガスを噴射させてショットピーニング処理を行う。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Ｐの噴射（ＦＰＰ）により、投射材Ｐが被処理物Ｗの表面に衝突する。

次に、放冷或いはノズル１４１から不活性ガスのみを被処理物Ｗに噴射して冷却を行う。

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Ｐとして噴射させることで、耐食性が向上することとなる。

なお、表面処理装置１００では、ショットピーニング処理と加熱処理とを同時に行うため、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。

なお、冷却工程においては、冷却水供給装置１７２を用いて噴射ノズル１７１から冷却水ＣＬを噴射し、被処理物Ｗを冷却してもよい。この場合、後述するように被処理物Ｗの各部の硬度を放冷又はガス冷却（空冷）した場合に比べ、制御することができる。

次に、表面処理装置１００を用いた最適な表面処理条件を検討する。処理条件としては、置換ガスを変えたもの、温度パターンを変えたものについてそれぞれ行う。また、被処理材ＷとしてＳ４５Ｃを用いた。

置換ガスについては、不活性ガスとしてアルゴンガスと窒素ガスを用いた。また、比較例として大気について調べた。図２に示すように、アルゴンを用いた場合は、表面に投射材Ｐが十分な厚さで移着している。窒素ガスを用いた場合についても、図３に示すように表面に投射材Ｐが十分な厚さで移着している。なお、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、移着を阻害する酸化スケールはほとんど生成されない。したがって、不活性ガスを用いた場合は、投射材Ｐ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。

これに対し、図４に示すように大気中に投射を行った場合は酸化スケール中に投射材Ｐが散在しており、投射材Ｐの移着率が低く、表面粗さの低減・機械的特性の維持を図ることができない。

なお、図２はアルゴン−Ｃｒ９００−ＦＰＰ１０秒−放冷、図３は窒素−Ｃｒ９００−ＦＰＰ１０秒−放冷、図４は大気−Ｃｒ９００−ＦＰＰ１０秒−放冷という条件下で処理されたものである。

図５〜図８は表面処理後の表面における元素分析を行ったものであって、図５，６はＣｒマッピング、図７，８は酸素マッピングを示している。図５に示すようにアルゴンガスで置換した場合は十分なＣｒ層が形成され、図６に示すように大気のままの場合はほとんどＣｒ層が見られない。図７に示すようにアルゴンガスで置換した場合は酸化層が薄く、図８に示すように大気のままの場合は厚い酸化層が見られる。

なお、図５はアルゴン−Ｃｒ９００、図６は大気−Ｃｒ９００、図７はアルゴン−Ｃｒ９００、図８は大気−Ｃｒ９００という条件下で処理されたものである。

なお、移着とは、投射された粒子と被処理材が衝突（接触）した際に、投射材の一部が被処理材に付着する現象、すなわち、投射材主元素が被処理材に移ることを意味する。

具体的には、アルゴン雰囲気下では、図９Ａに示すように、加熱時に表面に酸化物が形成されない状態で投射が行われた後、冷却されると表面から一定の厚さに粒子移着層（Ｃｒ及びＣｒ_２Ｏ_３）となる。

一方、大気雰囲気下では、図９Ｂに示すように、加熱時に表面に酸化物が形成され、投射が行われた後、冷却されると酸化層の上に薄く粒子移着層（Ｃｒ_２Ｏ_３）が形成されることとなる。

また、図１０Ａ〜図１０Ｃは、温度条件について変えた場合を示している。すなわち、加熱温度としては図１０Ａに示す５００℃以上で本現象が認められるが、量産するにあたり、装置等の効率を考慮すれば図１０Ｂに示す７００℃以上が好ましく、それ以上の図１０Ｃに示す９００℃であればさらに好ましい。したがって、条件等により適宜選択することができる。

さらに図１１に示すように、条件を中性ガスである窒素雰囲気下で行った場合のビッカース硬度について比較すると、窒素ガス、大気のいずれも未処理の場合に比べて硬度は増しているが、窒素ガスによる表面処理を行ったものは脱炭により硬度が低下する。なお、後述するように水冷処理を施せば、焼入れ効果が生じ、脱炭による表面硬さの低下を抑制することができる（図３３〜３５参照）。したがって、不活性ガスや中性ガスでも大気中と同程度まで硬度は上昇させることは可能である。

さらにまた図１２Ａは結晶構造解析を行った場合を示している。大気中では、被処理物Ｗの酸化物（Ｆｅ_２Ｏ_３，ＦｅＯ）、及び、投射材Ｐと被処理物Ｗの複酸化物（ＦｅＣｒ_２Ｏ_４）が形成され、アルゴンガス雰囲気中では、投射材Ｐの酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３，ＦｅＣｒ_２Ｏ_４）が形成される。なお、室温下での投射も比較のために示している。図１２Ａからも判るように、投射材ＰのＣｒ化合物の比率が不活性ガス（アルゴン）が大きいことは明らかである。また、図１２Ｂは図１２Ａを成分ごとに集約したものである。

したがって、以上のことから、表面処理を不活性ガス雰囲気下で投射を行うことが表面性状及び機械的性質の両面から良いことが判る。なお、不活性ガスとしてアルゴンガス、窒素ガスはいずれも同様の結果が得られる。

一方、温度パターンを変えたものは、図１３〜図１５は昇温、ＦＰＰ（ショットピーニング処理）、冷却について、時間パターンを変えた例を示している。図１３は、昇温１０秒、ＦＰＰ１０秒の後、放冷を行うパターン、図１４は、昇温１０秒、ＦＰＰ５秒の後、放冷を行うパターン、図１５は、昇温１０秒、ＦＰＰ１０秒の後、不活性ガスの噴射で急冷を行うパターンを示している。

図１３のパターンと図１４のパターンによって、表面の様子をＦＰＰの時間を長短について比較する。図２はアルゴンガス雰囲気下でＦＰＰ１０秒、図１６はアルゴンガス雰囲気下でＦＰＰ５秒としたものである。図４は大気雰囲気下でＦＰＰ１０秒、図１７は大気雰囲気下でＦＰＰ５秒としたものである。

なお、図１６はアルゴン−Ｃｒ９００−ＦＰＰ５秒−放冷、図１７は大気−Ｃｒ９００−ＦＰＰ５秒−放冷、図１８はアルゴン−Ｃｒ９００−ＦＰＰ１０秒−急冷、図１９は大気−Ｃｒ９００−ＦＰＰ１０秒−急冷という条件下で処理されたものである。

図２と図１６とは、いずれも表面側からＣｒ移着層とフェライト層が観察され、不活性雰囲気で加熱した場合、大気中のように酸化スケールは形成しないため、図２に示すように長時間投射した場合の方が粒子移着層が厚くなるから良い。Ｃｒ移着層は上述したように機械的性能が向上するが、フェライト層は硬度が低く、再度焼き入れする必要があることを考えると、薄いほうが望ましい。このため、フェライト層が薄い図１６、すなわちＦＰＰ５秒が望ましいことが判る。

図４と図１７とは、いずれも表面側から酸化スケール層が観察され、図４の方が酸化スケール層が厚い。酸化スケール層は上述したように表面性状が悪く、かつ、Ｃｒの移着を阻害するため、酸化スケール層は薄いほうが望ましい。このため、酸化スケール層が薄い図１７、すなわちＦＰＰ５秒が望ましいことが判る。

次に、図１３のパターンと図１５のパターンによって、表面の様子を放冷と急冷について比較する。図２はアルゴンガス雰囲気下で放冷、図１８はアルゴンガス雰囲気下で急冷としたものである。図４は大気雰囲気下で放冷、図１７は大気雰囲気下で急冷としたものである。

図２と図１８とは、いずれも表面側からＣｒ層が観察される。一方、図４は酸化スケール層が観察されるが、図１７は酸化スケール層が観察されない。これは急冷の際に、表面の酸化スケール層が吹き飛ばされたためと考えられる。

これらの関係を示したものが、図２０である。表面処理装置１００は、被処理物Ｗの機械的性質を向上させ、表面性状を向上させることから、処理雰囲気はアルゴン又は窒素等の不活性ガス・中性ガスで行い、ＦＰＰは短時間、冷却はガス噴射による急冷が望ましいことが判る。

次に、図２１に示すように処理温度Ｔを変えたものについて説明する。大気中及びアルゴンガス雰囲気のそれぞれで、Ｔ＝５００℃，７００℃，９００℃で表面処理を行った場合において、図２２は光学顕微鏡での観察結果、図２３は電子顕微鏡での観察結果である。

図２２から判るように、大気中では、処理温度の増加に伴い，酸化スケール厚さが増加する。一方、アルゴンガス雰囲気中では処理温度の増加に伴い，脱炭層厚さが増加（硬さ低下）する。図２３から判るように、大気中では、処理温度によらず，Ｃｒの移着はほぼ認められず、アルゴンガス雰囲気中では処理温度の増加に伴い，Ｃｒ移着層の厚さが増加している。

図２４は、アルゴンガス雰囲気、処理温度９００℃、投射時間１０秒で表面処理を行った場合における深さ方向の分析（ＸＰＳ分析）を行ったものである。なお、深さ方向はエッチングに要した時間で示してある。すなわち、０〜２０００秒ではＣｒ_２Ｏ_３が形成、３０００〜６０００秒ではＣｒとＦｅの混合層が形成されている。すなわち、投射材Ｐは被処理物Ｗとは化学的に結合することなく存在している。

次に、図２５に示すようにショットピーニング時間ｔを変えたものについて説明する。大気中及びアルゴンガス雰囲気のそれぞれで、ｔ＝１０秒、３０秒、１００秒、３００秒で表面処理を行った場合において、図２６は光学顕微鏡での観察結果、図２７は電子顕微鏡での観察結果である。

図２６から判るように、大気中では、粒子投射時間によらず、酸化スケールが形成されている。なお、写真では、断面切断の際にはく離したため、厚さにばらつきがある。一方、アルゴンガス雰囲気中では、粒子投射時間の増加に伴い、脱炭層厚さが増加する。図２７から判るように、大気中では、３０秒以下ではＣｒの移着はほぼ認められず、１００秒以上の粒子投射でＣｒ移着層が形成される。一方、アルゴンガス雰囲気中では、粒子投射時間の増加に伴い，Ｃｒ移着層の厚さが増加する。なお、３００秒では表面凹凸が顕著となり，厚さが不均一となる。

図２８Ａは、被処理物Ｗの表面組織を分析したものである。大気中では、３０秒以下では表面にＣｒ元素はほぼ認められず、１００秒以上の粒子投射でＣｒ濃度が増加している。一方、アルゴンガス雰囲気中では、３０秒でＣｒ濃度は飽和している。

以上の各種観察から、表面処理において、アルゴンガス雰囲気下では、短時間でのＣｒ移着層形成に有効であることが判る。

図２８Ｂは、動電位分極測定を行い、電流密度値が１０ｍＡ／ｃｍ^２を示した際の電位値Ｅと被処理面におけるクロム濃度との関係を示している。クロム移着量の増加に伴い電位値Ｅは増加する傾向が認められ、被処理面に存在するクロムが耐食性の改善に寄与することがわかった。

次に、ＦＰＰ後の冷却方式を変えた場合の表面硬度の違いについて説明する。すなわち、図２９は、ＦＰＰ後に放冷（−０．５℃／秒）した場合の温度変化について示している。図３０は、処理後の光学顕微鏡写真を示している。図３１は、ＦＰＰ後にガス噴射による空冷（−７．６℃／秒）した場合の温度変化について示している。図３２は、処理後の光学顕微鏡写真を示している。図３３は、ＦＰＰ後に水冷（−１００℃／秒）した場合の温度変化について示している。図３４は、処理後の光学顕微鏡写真を示している。

このように冷却方式を変えた場合、図３５に示すように、各部の硬度に違いが生じる。すなわち、水冷とした場合に表面硬度が高く、その他の冷却方式では未処理の場合と差異が無いことがわかる。これは、水冷により脱炭が抑制されたためであると考えられる。

上述したように、表面処理装置１００によれば、不活性ガス・中性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Ｐを被処理物Ｗに吹き付けることで、投射材Ｐの移着率を高めることで機械的性能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。また、移着後は不活性ガス・中性ガスを被処理物Ｗに吹き付けることで、表面の付着物を除去し、表面性状を高めることができる。

なお、上述した説明では、被処理材ＷとしてＳ４５Ｃ、投射材ＰとしてＣｒを用いたが、その他の材質を用いてもよいことはもちろんである。

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。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］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、前記被処理物を冷却する冷却部と、前記不活性ガス導入部から不活性ガスを導入し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、前記冷却部により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。
［２］前記冷却部は、前記支持部に向けて前記不活性ガスを噴射させて冷却する不活性ガス噴射部を備え、前記制御部は、さらに前記不活性ガス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ことを特徴とする［１］に記載の表面処理装置。
［３］前記冷却部は、前記支持部に向けて冷却液を噴射するものであることを特徴とする［１］に記載の表面処理装置。
［４］チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記被処理物を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記所定温度範囲において前記被処理物に向けて前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、前記被処理物に不活性ガスを吹き付けて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
［５］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、このチャンバ内に中性ガスを導入する中性ガス導入部と、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中性ガスと共に前記投射材を噴射させる投射材噴射部と、前記被処理物を冷却する冷却部と、前記中性ガス導入部から中性ガスを導入して前記チャンバ内を前記中性ガスに置換させ、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中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、前記冷却部により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。
［６］前記冷却部は、前記支持部に向けて前記中性ガスを噴射させて冷却する中性ガス噴射部を備え、前記制御部は、さらに前記中性ガス噴射部から中性ガスのみを噴射させて前記被処理物を冷却させることを特徴とする［５］に記載の表面処理装置。
［７］チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記チャンバ内を中性ガスに置換する置換工程と、前記被処理物を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記所定温度範囲において前記被処理物に向けて前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、前記被処理物に中性ガスを吹き付けて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
［８］チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガス又は中性ガスに置換する置換工程と、前記被処理物を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記所定温度範囲において前記被処理物に向けて前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、前記被処理物に冷却液を吹き付けて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。

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付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（酸素）で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（酸素）で見た説明図。同表面処理装置における移着のメカニズム（アルゴン雰囲気）を示す説明図。同表面処理装置における移着のメカニズム（大気）を示す説明図。同表面処理装置における温度条件を変えた場合の被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における温度条件を変えた場合の被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における温度条件を変えた場合の被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の硬度を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の成分を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の成分を示すグラフ。同表面処理装置における温度パターンの一例を示すグラフ。同表面処理装置における温度パターンの別の例を示すグラフ。同表面処理装置における温度パターンのさらに別の例を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における置換ガス及び温度パターンによる表面性状の違いを比較する説明図。同表面処理装置における温度パターンの変更条件を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の深さ方向の結合エネルギーを示す説明図。同表面処理装置における温度パターンの変更条件を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を電子顕微鏡（Ｃｒ）で見た説明図。同表面処理装置における噴射時間とクロム濃度との関係を示す説明図。同表面処理装置における電位値とクロム濃度との関係を示す説明図。同表面処理装置における冷却条件を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における冷却条件を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における冷却条件を示すグラフ。同表面処理装置における被処理物の表面付近の断面を光学顕微鏡で見た説明図。同表面処理装置における冷却方式の違いによる被処理物の各部の硬度を示す説明図。

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…電磁弁、１５０…粒子フィーダ、１５１…フィーダライン、１５２〜１５４…粒子フィーダ調整弁、１６０…ガスボンベ、１６１…流量弁・圧力調整弁、１７０…水冷機構（冷却部）、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…被処理物、Ｐ…投射材。

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、
前記被処理物を冷却する冷却部と、
前記不活性ガス導入部から不活性ガスを導入し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、前記冷却部により前記被処理物を冷却させる制御部を具備し、
前記冷却部は、前記支持部に向けて前記不活性ガスを噴射させて冷却する不活性ガス噴射部を備え、
前記制御部は、さらに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被処理物を冷却させることを特徴とした表面処理装置。
チャンバ内に収容された被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記被処理物を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処理温度まで加熱する加熱工程と、
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ると共に、投射材噴射部から前記被処理物に向けて前記不活性ガスと共に前記投射材を投射し、前記被処理物の表面に移着させる移着工程と、
前記被処理物に前記不活性ガス噴射部から不活性ガスのみを噴射させて急速冷却する冷却工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。