JPH04143086A - 表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【卒業上の利用分野】

この発明は、サブストレート（基板）上に材料表面を提
供する方法に関する。

【従来の技術】

サブストレート上に所定材料の表面を構成する先行手法
は、サブストレートに対して消費部材を押し着け、この
部材とサブストレート面の境界面に所定の径路に沿う相
対運動を与えて熱を発生させることによって材料がこの
径路に沿ってサブストレート上に圧着されるように構成
されている。以下この種の方法を既発表型の方法と呼ぶ
。 ［０００２］ 既発表型の先行手法は、標準的に、円形断面の消費部材
を用い、これを、サブストレート面との間の摩擦熱によ
って有効に可塑化し圧送してサブストレート面上に圧着
していくように所定の径路に沿って適当な速度でサブス
トレート上を回転及び横行させている。 我々はＥＰ−Ａ−０３３７６９１で、二型の方法の種々
な改良点について述べているが、これらの方法及びその
他の先行手法の適用に伴う問題点の一つは、析出のエツ
ジ部において消費部材とサブストレート間の接着力が相
当に弱まることである。これは、サブストレートのこれ
らの部分が消費部材と接している時間が消費部材の中心
部にサブストレートの部分が曝されている時間に比べて
短くなることに起因している。この有効接着手段の欠陥
は、析出の約２５％迄が削減されることになり得ること
を意味している。 摩擦溶接に関するＶａｖｉｌｏｖとＶｏ　ｉ　ｎｏｕの
文献（１９６４年）のＰ、７及び８に、消費部材ワイヤ
またはストリップは、材料が圧着されている間振動させ
られる摩擦表面処理法が発表されている。この方法は、
上述の接着力における変動の問題を免れない。 ［０００３］

【発明の要約】

この発明の一つの観点によれば、既発表型の方法は、熱
発生ステップが、消費部材とサブストレート間の相対運
動として、その両者間の相対運動の方向が直線または軌
道型の繰返し運動成分が加えられることで特徴付けられ
ている。 我々は、これに付加的な直線または軌道性の繰返し運動
を可動部材及びサブストレート間の相対運動に付与して
、サブストレートをより一層均−に消費部材に曝すよう
にすることによって、表面強度をより一層均等にするこ
とができることを実現した。 ［０００４］ 消費部材の断面が正方形または長方形であることが望ま
しい。この事によってサブストレート上に遥かに協力で
均一性の高い接着層が定着されることになった。但し、
消費部材を波形または曲線形として、不必要な接着また
は偏れに対する抵抗力を増加させることもできる。 提案実施例においては、消費部材はサブストレートに関
して横方向の合成方向に平行に繰返し線形往復運動して
いる。このことは、消費部材に曝されているサブストレ
ートの面積の実質１００％が均一に曝されることを確実
にする。この場合には更に、材料表面をサブストレート
内に設けられている溝の中に埋め込ませることもできる
。この場合、溝は相当深くすることができる。 ［０００５］ 別のアレンジメントでは、消費部材のサブストレートに
関する合成横方向（但し直交ではない）に、繰返し直線
往復運動で消費部材をサブストレートに対して相対的に
動かすことができる。 この発明は、サブストレート上の広い表面が定着される
場合に特に有効である。例えば、２５０ｍｍ迄の幅を有
する表面は単一操作で定着可能である。更に正方形また
は長方形の消費部材を使用することによって、先行型の
回転円断面積のものを用いた場合に比べて消費部材の取
扱いが簡易化される。 消費部材は、固体材料部材または、ＥＰ−Ａ−０３３７
６９１で述べられているように、中に別の材料の挿入を
備え、その挿入材をサブストレート上に定着させていく
外方ボディの形を取ることができる。 ［０００６］ 消費部材及び／又はサブストレートは、金属性のもので
も可塑性のものでも差支えない。この方法は、金属マト
リックス複合体（ＭＭＣ）の定着にも使用可能である。 ＭＭＣは、部品の剛性支援、強度増強、振動減衰、熱膨
張の抑制、及び耐摩耗性の増進を可能にする。 ＭＭＣ用に適するセラミックスの例は、炭化ケイ素−５
ｉＣ１窒化ケイ素−８ｉＮ６、炭化ホウ素−ＢＣ１２酸
化チタン−ＴｉＯ，２、窒化ホウ素−ＢＮ、アルミナ−
Ａ１２０３、窒化アルミニウム−ＡＩＮ、ジルコニア−
ＺｒＯ２（変換強化）、シリカ−３ｉ○２、並びにセラ
ミックスの複合物、即ち、シアロン−８ｉ３Ｎ４／ＡＩ
Ｎ／Ａｌ２Ｏ３、及びセラミックスの混合物、例えば、
コランダム−Ａ１２０３＋Ｓｉ○２、である。 ［０００７］ 別な用途として、この発明は、緩衝（遷移）層を提供す
るために用いられる。 例えば、オーステナイト・ステンレス鋼は、低合金鋼ま
たはマルテンサイト鋼成分に対して、事後（ステライト
）コバルトベース合金に対する析出／粘着特性を可能に
するために提供することができる。 この発明は、場合に応じて、水、その他の流体下で適用
することができる。 であっても差支えはない。同種でない材料の場合、特に
一方の材料の他の材料上での流れが悪い場合には、偏位
が無視できる材料から汚染または酸化物を除去するチャ
ンスが殆どなくなる。このために、しばしば異種の金属
または合金をジヨイントするために適すると認められる
作動条件の範囲が限定されることになる。 この問題は、摩擦表面加工の場合に特に顕著となり、消
費部材その他の成分が析出されつつある部品の表面から
移される材料が事実上なくなってしまうことになる。 ［０００８］ 過去に於いては、表面がグリース除去にまたは機械加工
されて、ある種の汚染が除去されたが、例えば金属及び
合金上に自然に形成される酸化物の層は除去されなかっ
た。別の提案では、一方の表面に適当な中間材料をメツ
キして、それに析出材料または摩擦溶接される成分が接
続されるこの方法もまた、接続に第３の材料を導入する
という点で不満足である。 消費部材とサブストレートのいずれか一方の表面力板清
浄剤の処理で汚染が除去され、また、清浄剤は、少くと
も、表面処理終了後に除去されることが望ましい。 ［０００９］ 一例として、清浄剤は、摩擦運動そのものによって活性
化される。 活性剤は、粉末、ペースト、液体、またはガス雰囲気で
構成され、自然酸化物その他の表面汚染を削減または消
去するために部品の表面層をエツチングまたは分解する
ため使用される。 適当なペーストの一例は、スチールの酸素ガス溶接で使
われるような、フラックス化合物、Ｍｕｒｅｘ　　Ａｌ
ｕｍｉｎｕｍ　　Ｗｅｌｄｉｎｇ　　５ａｆｆｉｖｅＦ
ｌｕｘである。このフラックスはサブストレートの上に
塗り込めることが望ましい。摩擦表面処理の温度上昇に
よってフラックスが活性化され、化学的に表面に作用す
るが、摩擦表面構成作動が進行するに従って、接続され
るべき部品間の障害物として残らない分散される。この
フラックスの有利な作用は、アルミニウム合金を同種の
アルミニウム・プレート上に摩擦表面構成によって析出
させる極端な場合に関して説明されている。この場合イ
ンタフェース領域は、もはや、サブストレート材に対し
て摩擦表面構成に先立ってどこにフラックス・ペースト
が塗布されたかが明らかではない。 ［００１０］ 第２の場合として、この表面処理を摩擦表面化工程に先
立って実行して、適当な手段によって、その表面を、表
面化工程が完了する迄に有意的な汚染または酸化を生じ
ないように保護する。例えば、表面化される材料が適当
な化学薬品でエツチングされ、次いで摩擦溶接されるか
、もしくは、エツチング液の存在下、または、代替的に
、保護流体層（オイルまたは水のような）または不活性
ガスのようなガスによる保護またはアルゴン、窒素等の
無反応ガスの存在下で表面化が行われる。ステンレスス
チールとニッケルベースの合金に対してはフッ化ナトリ
ウムが用いられる。フラックスまたはエツチング液の目
的は、一つの成分力板形成されている可塑化された中間
層に直接寄与していない場合でも、摩擦溶接または摩擦
表面処理がより有効になり、接着力が増加するように材
料上の汚染または酸化層を削減することである。 ［００１１］ 可塑化された材質（消費部材によって主として発生され
る）は、充分な温度と圧力並びに相対運動によって活性
材（摩擦工程中にも残存している場合）が高信頼性ジヨ
イントを生ずるように分散される。 実施例は、アルミニウムおよびその合金、及びじん（靭
性）のある酸化被膜を有する同種材料の摩擦表面処理に
対するフラックスの使用例である。 この発明は、更に、サブストレートの凸面に材料表面を
構成するのに適用できる。例えば、サブストレートでピ
ストンの構成もできる。 代表的には、消費部材が固定位置で繰返し振動を行い、
サブストレートがこの消費部材を横切って動かされる。 ピストンのようにサブストレートが円筒構造である場合
は、サブストレートは単純に回転される。 ［００１２］

【実施例】

図ＩＡは、金属サブストレート１の上に矩形の消費金属
部材２を示している。 部材２は、線形、往復ホルダ（図示されていない）内に
保持されて矢印３で示されている方向に線形に往復でき
、他方のサブストレート１は矢印４の方向に線形に移動
する。図ＩＡに見られるように、この運動の組合わせに
よって、サブストレート１上に定着される細長い長方形
５の析出が生ずる。 標準的には、消費部材２は、振幅０．５〜３ｍｍ、周波
数３０〜２００Ｈｚで矢印３の方向に動かされる。消費
部材２の長手方向の寸法は、在来型のロータリ消費部材
に比べて大きく、例えば１００ｍｍを超えてもよい。こ
の例では、析出５を受けるサブストレート１の実質的に
すべての部分が消費部材２に均等に曝される。 換言すれば、全インタフェースにわたって実質的に−様
な゛′表面化作用°′が提供される。 ［００１３］ 図ＩＢは、消費部材２が横力向４に対して実質２５°の
方向６で前後に直線的に動かされるアレンジメントを示
している。 図ＩＣは、消費部材２が、横方向４に対して実質６５°
の矢印７の方向にその長手方向の寸法に沿って直線的に
往復運動をする第３のアレンジメントを示している。 図ＩＢ及びＩＣの方法は、消費部材２に対してサブスト
レート１が完全に均等に曝されることにはならないこと
が理解されるであろう。これらのいずれの場合にも、中
心領域のいずれの側にも消費部材２に対して中心領域が
曝される時間の数分の１しか曝されない狭い領域８が存
在する。ただし、場合によっては、これはそれ程問題に
ならずに、これ迄の円形断面消費部材使用と対照的に、
所望の型の消費部材２を使用できるようになるという利
点によって充分にカバーされる。 正方形その他の断面積も使用可能ではある力へ通常は長
方形消費部材が好まれる。図２Ａ−２Ｃは消費部材の３
つの異なる型を示している。図２Ａは、異種金属１０．
１１の２つの長方形ブロックが相互に接着されて形成さ
れているバイメタルの消費部材を示している。 ［００１４］ 図２Ｂは、相互に接着されている３板の金属ブロック１
２〜１４で構成されている３重層消費部材を示している
。材料ブロック１２〜１４は金属でも非金属でも差し支
えない。　図２Ｃは、セラミック等の粉末を保持するキ
ャビティ１７を規定している二つの金属のような固体外
方部材１５．１６で構成されている消費部材を示してい
る。 図２Ａ〜２Ｃに示されているそれぞれの消費部材は、図
ＩＡに示されているのと同様な方法の場合に、図２の矢
印４によって示されているサブストレート１の運動方向
で図２で示されているように向けられている。 図３は、波形の消費部材の別の形状の断面を示している
。これは、望ましくない曲げに対する消費部材の抵抗力
を同寸法の長方形部材に比べて増強する。多くの場合に
、サブストレート１は消費部材２に対して平面となって
いるであろうが、場合によってはサブストレート１が溝
１８（図４）を備えていることも有り得る。例えば厚さ
１５ｍｍのサブストレートは１〜５ｍｍもしくはこれを
超えた深さの溝１８を持ち得る。溝１８の底は、図ＩＡ
に示されている方法を用いて、正確に均一に表面構成さ
れる。

【Ｏ○１５】 この手法の一つの応用例が図５に示されており、この図
では、この方法がピストン上に金属マトリックス複合材
の表面を形成するために用いられている。図５Ｂは間隔
を置いて周辺に配置されている複数個の摩耗パッド２０
を有するピストン１９を示している。図５Ａは摩耗パッ
ド２０の断面部を示している。摩耗パッド２０は、化合
すると金属マトリックス複合体を形成する材料によって
構成されている消費部材（図には示されていない）を使
用することによって形成され、この化合は、図ＩＡに示
されているのと同様な手法を用いる表面定着工程中に行
われる。図５Ｃに示されているように、金属マトリック
ス複合体（ＭＭＣ）層２１もまたピストン１９の前面上
に構成される。最後に、ＭＭＣ析出は、番号１００で図
示されている消費部材でピストン１９の回りの環状溝２
２の中に定着される。部材１００がピストン表面に対し
て接線方向に、溝２２の中で直線的に振動している方向
、ピストン１９は軸回りにゆっくり回転させられる。Ｍ
ＭＣ析出は、次いで、３本の環状溝２２’　　（Ｆｉｇ
５Ｃ及び５Ｄ）を生ずるように機械加工される。ＭＭＣ
表面を形成するためにこの手法を用いることは、例えば
ピストンを運転等から取り出すことが著しく時間と経費
の負掬になる大型船舶用ピストンの場合には、特に適し
ている長期継続摩耗表面の構成へと導くことになる。 特開平４−１４３０８６　（１Ｑ） ［００１６］ 図６は、表面２３が周辺回りと、ブレーキ・ディスクの
ようなディスク２４のそれぞれの側面に定着されるもう
ひとつの方法を説明している。この場合には、ディスク
２４は、ディスク２４の面上に圧着されている一対の消
費部材２６の間で矢印２５の方向に回転される。それぞ
れの消費部材２６はくさび形をしており図に示されてい
るように軌道運動で動かされる。 図７は図６と類似である力板この場合には、消費部材２
６は矢印２７で示されているように直線往復運動で動か
される。 くさび形消費部材２６の使用は、均一析出を行うために
はラジアル内面がラジアル外面よりも短くなければなら
ないので、ディスクの表面構成を行う場合に重要である
。 ［００１７］ 図８Ａと８Ｂは、ブレードまたはプレート２８のスタッ
ク、　（この例では複数のセラミック・セパレータ２９
で分離されている）上に材料表面を定着させることを可
能にする装置を説明している。この装置は、その間にプ
レート２８とセパレータ２９が重ねられている４側御組
のクランプ３０、　（図８Ａ）サポート３１（図８Ｂ）
の上に乗っているプレートとセパレータから成っている
。消費部材３２は、任意の適当な形状を取り得るが、図
に示されているように長方形断面でプレート２８の上面
と接触させられており、矢印３３の方向に直線往復し、
プレートの曝露エツジ上に析出３４が定着される。この
往復運動の間消費部材とプレートは矢印１０１で示され
ている相対直線運動を行ってプレート上に均一な析出が
定着される。一つの用途として、この手法は、熱交換器
の製造に使用され得る。 ［００１８］ 上記の直線及び軌道運動を行わせるのに必要な装置は、
ＧＢ−Ａ−１３９１６１６に述べられているような、適
当に改造された摩擦溶接装置で作られ得るであろうが、
我々は、この用途に特に適する新ツールを考案した。ツ
ールの一例は図９と１０に示されており、シャフト４５
の溝４５′　　に噛み合っている駆動ピン４１を有する
回転駆動シャフト４０を含み、ボール・プレート・ベア
リング４２を介して回転できる様に装着されている。図
１の部材２と類似の消費部材４３が、＝４８２− メイン・シャフト４５の穴４４内にルーズに配置されて
おり、穴４４はシャフト４５の軸と同軸に配置されてい
る。シャフト４５はベアリング４６を介してスライダ・
ホルディング・ユニット４７に装着されている。シャフ
ト４５の端末４８は、それぞれにスピンドル４９′　、
５０“　に装着されている一対の補助ギヤー４９．５０
と噛み合うギヤーを規定している。 ［００１９］ 二対のカム、５１Ａ、５１Ｂ、及び５２Ａ、５２Ｂは、
それぞれに、ギヤー４９．５０の一つに固定されギヤー
４８の回転によって回転させられ、それぞれのスライダ
５３Ａ、５３Ｂを、矢印５４の方向に直線上に前後に動
かす。この前後運動は消費部材４３をも線形に動かす。 スライダ５３Ｂはバランシング・プレートを構成して、
それぞれに対応するカムの作用に応答してプレート５３
Ａと反対方向へ線形に動く。 スライダ５３Ａは一対の開口１０２，１０３を備え、そ
の一つ一つの中にスライディング・ブロック１０４（図
１ＯＡ及びＩＯＢ参照）が装着されている。それぞ゛れ
のブロック１０４は一つの開口を備え、その中にそれそ
゛れのカム５１Ａ５２Ａがしっかり取り付けられている
。ブロック１０４の垂直寸法は対応する開口の寸法より
／Ｊ轄いが、ブロックと開口の水平寸法は実質的に等し
い。従って、図１０Ａで見られるように、カム５１Ａの
時計方向運動の最初の部分の間は、ブロック１０４は右
へ押され、スライダ５３を右へ動かす。次いで、ブロッ
ク１０４は、スロット１０２の中を下方に動かされ、ス
ライダ５３Ａは動かない。カムが更に回転するとスライ
ダの左側の運動（図１０Ｂ）を生じ、最後にカムが全回
転を完了するとブロック１０４は、スライダ５３Ａを動
かすことなく、スロット１０２内を上方へ移動する。開
口１０３内のブロックに関しても対応する運動が生ずる
。 ［００２０１ ブロック１０４′　の対応するペアは、スライダ５３Ｂ
の開口１０２’　　、１０３内で動くように取り付けら
れ、スライダ５３Ｂの運動のバランスを取る。 図１１．１２は、消費部材に軌道運動を与えることを可
能にするもうひとつの装置を説明している。 図１１に示されている装置は、スピンドル（図には示さ
れていない）を回転させるための用途に結合されている
駆動シャフト５５を含み、このシャフトは、スラスト・
ベアリング５６と駆動ピン５７を介してメインシャフト
５８に装着されている。シャフト５９は、シャフト５８
内に、偏心的に装着され、穴６０を備えこれを通して消
費部材６１が延びている。シャフト５９はベアリング６
２を介してメインシャフト５８内で回転できるように支
持されている。

【Ｏ○２１】 メインシャフト５８は、ベアリング６３を介してサポー
トアームまたはハウジング６４に装着され、フロント・
プレート６５もこのハウジングに取り付けられている。 スライダ・ユニットがフロント・プレート６５の中に取
り付けられており、フロント・プレート６５の中のスロ
ット６７内で第１スラグ６６が矢印６８の方向に動くこ
とができる。第２スライダ・プレート６９は、第１スラ
イダ６６によって規定されているスロット・７０内に、
スライダ６９が矢印７１の方向に動けるように装着され
ている。 メインシャフト５８が回転するに従って偏心的に取り付
けられているシャフト５９はメインシャフトの軸回りに
強制的に回転されることになり、この偏心的に取り付け
られているシャフトのこの運動は、スライダ６６．６９
と組み合されて消費部材６０に対して軌道運動を与える
のに利用される。

【図面の簡単な説明】

［図１］ 縦方向の線形往復運動、横方向に対して４５°未漢の角
度をなす縦方向線形運動、及び横方向に対して４５°を
超える角度をなしている横方向線形往復運動を各々説明
している。 ［図２］ ３種類の複合消費部材の断面図を説明している。

【図３】 波形消費部材の断面図を説明している。 ［図４］ 深い溝を有するサブストレートの断面図である。

【図５】 ピストン上の材料表面の処置を説明している。

【図６】 軌道運動をするくさび形消費部材を用いて円板上に表面
を設ける処置を説明している。

【図７】 消費部材が線形運動する場合に関する図６と同様な説明
である。

【図８】 それぞ゛れに、 平板堆積上に材料表面を構成する処置を示す平面図と断
面図である。

【図９】 工作物の直線運動を生じさせるツールを通る縦方向断面
図である。

【図１０】 図９のラインＡ−Ａで見た図である。

【図１１】 消費部材が軌道運動を発生させるツールを有する場合の
図９と同様な図である

【図１２】 図１１に示されているツールの端末立面図である。

【書類名】

【図１】 図面

【図２】

【図３】

【図４】 ［図６１

【図７】

【図９】 ↓

【図１２】

【図１１】

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】消費部材（２）をサブストレート（１）の
   上へ圧力を加えて押し付けること、及び、部材（２）と
   サブストレート（１）を径路に沿って相互に相対的に動
   かして、部材とサブストレート間のインタフェースに熱
   を発生させて径路に沿ってサブストレート上に材料を定
   着させることから成り、発熱ステップが、部材とサブス
   トレート間の相対運動に直線または軌道型の繰返し運動
   を与え、上記繰返し運動の成分（３）が、部材とサブス
   トレート間の相対運動の方向にあることを特徴とする、
   サブストレート（１）上に材料表面（５）を提供する表
   面処理方法。
2. 【請求項２】発熱ステップが、部材とサブストレート間
   の相対運動の方向と同じ方向の線形運動を与えることを
   特徴とする、請求項１の方法。
3. 【請求項３】消費部材（２）の断面が正方形または長方
   形であることを特徴とする請求項１または２の方法。
4. 【請求項４】消費部材が波形であることを特徴とする上
   記請求項のいずれかに記載の方法。
5. 【請求項５】材料がサブストレート中の溝（１８）内に
   定着されることを特徴とする上記請求項のいずれかに記
   載の方法。
6. 【請求項６】材料がサブストレートの凸面（１９）上に
   定着することを特徴とする、上記請求項のいずれかに記
   載の方法。
7. 【請求項７】サブストレートがピストン（１９）である
   ことを特徴とする、請求項６の方法。
8. 【請求項８】請求項５による場合に材料がサブストレー
   トの表面回りの環状溝（２２）内に定着されることを特
   徴とする、請求項６または７の方法。
9. 【請求項９】材料表面の構成に引続いてその表面が材料
   内に１個以上の環状溝（２２′）を作るために機械加工
   されることを特徴とする、請求項８の方法。
10. 【請求項１０】消費部材及びサブストレートの表面の一
    つ以上が汚染除去のために清浄剤処理され、その清浄剤
    が少くとも表面形成プロセスが完了した時に除去される
    ことを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法
    。
11. 【請求項１１】清浄剤が摩擦運動そのものによって活性
    化または励起されることを特徴とする、請求項１０の方
    法。
12. 【請求項１２】活性化剤が、粉末、ペースト、液体、も
    しくはガス雰囲気から成ることを特徴とする、請求項１
    ０または１１のいずれかに記載の方法。
13. 【請求項１３】摩擦表面構成プロセスの前に表面処理が
    行われて表面が適当な手段によって、表面構成プロセス
    が完了する迄、汚染または酸化の有意的な進行から防護
    されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか
    に記載の方法。
14. 【請求項１４】消費部材がサブストレート上に定着され
    る異った材料のインサートを含む外方ボディで形成され
    ることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方
    法。