JPS6037176B2 - 表面合金化および熱処理方法 - Google Patents

表面合金化および熱処理方法

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JPS6037176B2
JPS6037176B2 JP52100210A JP10021077A JPS6037176B2 JP S6037176 B2 JPS6037176 B2 JP S6037176B2 JP 52100210 A JP52100210 A JP 52100210A JP 10021077 A JP10021077 A JP 10021077A JP S6037176 B2 JPS6037176 B2 JP S6037176B2
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
    • B23K35/286—Al as the principal constituent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 多くの工業的用途においては、安価で軽量の材料がコア
を構成している物品を製造することが望ましい。
このような材料は典型的にはアルミニウムを含む非同素
金属である。非同素金属とかはこではＲｃ２５以下の硬
度を有する変態によらないで硬化しうる金属を意味する
。このような物品の表面はまたコァ材料自体によって与
えられない物理的性質を持たなければならない。このよ
うな物理的特性としては高い硬度、高い強度、高温耐摩
耗性および耐食性がある。非同素金属のコアに影響を及
ぼすことなく精密に選択された表面ゾーンにおいてこの
ような性質を得るためにある形態の新しい表面処理技術
が開発されなければならない。
すなわち、これは現在既知の表面処理技術の適用では十
分経済的に達成できない。既知の処理技術には次のもの
が含まれる。‘ａ）浸炭または窒化により表面ゾーンを
浸潤すること、｛ｂ｝表面ゾーンの凝固相をより硬いも
のに変態させること、（ｃ’被膜を付着させること、（
ｄ’物品全体を合金化または熱処理すること。窒化と浸
炭は鉄系基体には適用されるが、非鉄系材料には適用で
きない。変態硬化は鉄系基体ではきわめて有効に適用さ
れるが、アルミニウムその他の非同素材料には適用でき
ない。付着した被膜は高価であり耐久性が不十分である
。物品全体の処理はェネルギの浪費であり、生産性が低
くかつコアと表面ゾーン間の特性の差を得ることができ
ない。たとえば、アルミニウム物品などの場合には、先
行技術では主として物品全体の析出硬化が使用された。
この方法は高いコスト、変形および低い生産性を含む多
くの理由により不満足である。アルミニウムの表面領域
処理に関する研究はほとんどまたは全く行なわれておら
ず、またこのような表面処理技術における因子の１つと
して高度に集中されたェネルギビームを利用することに
関する研究はｒ打なわれてし、ない。高い強さのェネル
ギ熱源は溶接、切削、穿孔の目的で、ある場合には鉄系
材料の表面硬化の目的で使用されてきた。
高ェネルギビームは鉄系物品の非常に浅い表面領域を溶
融するために使用することができ、これにより溶融材料
がェネルギビ−ムを除去したときにより硬い相に変態し
、物品が自己急冷媒質としての役割をする。しかしなが
ら、鉄系材料を表面硬化するために高ェネルギビームを
使用する技術は、非鉄系特に非同素材料に適用される場
合とは完全に異なっている。高ェネルギビームの使用に
よりアルミニウムのような非同素金属に制御され深さま
でかつ制御された割合で合金成分を導入する概念に関す
る研究はほとんどまたは全く行われていない。
このような研究の不足は、このようなビームの有用性は
アルミニウムに適用したとき次の理由により制限される
という既存の概念に起因するものと考えられる。すなわ
ち、‘ａにのような材料では溶融により硬化変態相が得
られないこと、‘ｂ）炉熱処理による過去の経験では多
くの非同素金属が硬化されうる硬度レベルに限度がある
ことが示されたこと、‘ｃ｝如何にして変形を生じない
局部ゾーンを深く硬化するかに関する研究に対する一般
的要望がないこと、‘ｄ’通常は浅い非摩耗性表面であ
る一般的要望に対する別の技術、たとえば、基体を変形
せずかつ使用上非常に融通性のあるプラズマスプレィ技
術の有効性に関する研究不足。かくして、高度に集中さ
れたェネルギビームの有用性はアルミニウムなどを含む
用途には考慮されなかった。特にアルミニウムに関して
は、現在の技術では次の欠点のうちの１つ以上が生じう
る。
‘ａ｝硬化処理の結果として物品が高度に変形しうろこ
と、‘ｂ｝処理すべき部分の表面形状が不規則であり、
したがって均一な処理ができないことまたは物品が異な
る断面部分を有し、各異なる断面部分が硬化処理に別様
に応答して非均一性を生ずること、‘ｃ）アルミニウム
物品の硬化コストが高価な装置または労力を必要とする
ために比較的高いこと、‘ｄ’熱処理の方法が浅い均一
な硬化層を正確に達成できないこと、｛ｅ’処理の方法
が所定表面にわたって表面硬化の選択的な精密パターン
を達成できないこと、｛０先行技術の方法は大型物品の
小区域を経済的に硬化しえないこと、‘ｇ洗行技術の方
法は複雑な物品内部の小区域を硬化しえないこと、｛ｈ
ー先行技術の方法は隣接部分を損傷することなく使用し
えないこと、‘ｉ｝先行技術の方法では急冷が困難であ
ること、‘ｉ｝先行技術の方法はきわめて高い量および
速度の生産に適応しえないこと。したがって、上記諸問
題を解決しかつ非同素材料の表面処理技術を改良して適
切な制御によりすべての所望の物理的性質の達成を容易
にするところの、アルミニウム物品などの表面処理方法
に対する要望が存在する。この発明の主目的は、経済性
の向上を特に特徴とし、処理方法に起因する変形を解消
または低減し、不規則なかつ断面形状の異なる物品に適
し、かつ先行技術の処理には通常感′○しない種々の金
属基体の加工に有効な、金属物品の表面硬化を達成する
改良方法を提供することである。
この発明の別の目的は、本質的に局部的な鋳込みを構成
し、非同素金属物品の精密に選択した露出ゾーンを処理
して前記ゾーンに従来得られなかった物理的性質を高い
生産性速度で達成する方法を提供することである。
この発明の別の目的は、適当な割合の合金成分の存在に
おける制御された再溶融により非同素金属の選択表面ゾ
ーンの物理的特性を改良する汎用方法を提供することで
あり、これらの特性は所望の用途に応じて向上される。
この発明の別の目的は、幅と深さが制御された合金富化
表面領域を一体化することにより金属を硬化することで
ある。上記目的を達成する方法は以下の要件から構成さ
れる。
｛ａ｝物品との界面において少なくとも１０，０００ワ
ット／地のェネルギレベルを提供する高度に集中された
ェネルギビームを使用し、ビームは有効により大きい制
御ゾーンをカバーするために広げられまたは振動させら
れかつ必要に応じて基体の限定ゾーンを急速に溶融し、
溶融金属中に乱流を発生して合金化を促進するために使
用され、‘ｂ｝集中ェネルギビームを比較的急速に移動
させ、前記限定ゾーンからビームが除去されたとき、周
囲の非同素材料の魂体が伝導により加熱されたゾーンを
急冷するようにし、｛ｃ漠中ェネルギビームと非同素物
品の界面に１種以上の合金剤を提供し、ビーム加熱ゾ−
ンが前記合金剤で飽和され、必要に応じて、合金化ゾー
ンと基金属間の金属結合を助長する金属間化合物が形成
されるようにし、‘ｄーェネルギビームとしてレーザを
使用し、レーザビームのパワーレベルをビームの移動速
度に関して調整し、所定深さのビーム加熱ゾーンを与え
、‘ｅ）合金剤はプラズマ、ブラシなどにより予めスプ
レィされたおよび／または基金属上に適正な樹脂と共に
供給された粉末金属材料として供給され、あるいはビー
ムと基金属の界面に隣接するビーム中へ合金用ワイヤま
たはフオィルを送給することによって供給され、これに
より基金属が合金剤と同時に溶融されるようにし、｛ｆ
’基体としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使
用しかつアルミニウムと金属間化合物を形成するための
親和力を有する合金剤を使用する。この発明の一般的概
念は、非同素金属（十分に高い熱伝導度を持つもの）か
ら構成された物品の外面領域に沿った処理ゾーンにおい
て、物品の残部に悪影響を及ぼすことなく向上した物理
的性質を得ることである。
処理ゾーンはコスト低減のために物品全体に比較してき
わめて小さいものであるように配置されるご この方法
は本質的に加熱と冷却からなる。加熱は高ェネルギビー
ムを集中し、このビ−ムを、物品界面で測定した所定の
走査速度およびェネルギレベルで、物品の表面の限定ゾ
−ンに向けて指向させることからなり、これにより前記
ゾーンの金属を十分に速い速度で溶融し、これにより物
品の残部を加熱効果から隔離する。冷却は高ヱネルギビ
ームを前記ゾーンから除去するとともに、前記物品の質
量をビーム加熱ゾーンに関して適当な割合にし、これに
より自己急袷速度を与えるようにすることからなり、こ
れにより微粒組織および過飽和固溶体が得られる。過飽
和固港体は金属の制御された希釈のために各合金成分を
前記ゾーン内へ拡散させることによりまたは過飽和のた
めに最低レベルの固有合金成分を有する合金化基金属を
選択することによって得られる。このような方法を実施
することによって得られる最も注目すべき利点は、アル
ミニウムのような比較的経済的な軽量材料を利用する能
力であり、かつ高価な材料の使用を隔離することにより
物理的性質の向上を選択した小麦面ゾーンに限定する能
力であり、これによりすぐれたコスト／性能比・が得ら
れる。
表面合金化 一般的概念を使用する重要な方法態様の１つは物品上に
合金化表面ゾーンを与える。
表面合金化は物品の選択外面ゾーンならびに前記ゾーン
に予めまたは同時に置かれた合金剤を急速に溶融するこ
とによって達成される。合金剤はビームの作用に起因す
る熱的活性により溶融基金属に混入する。高ェネルギビ
−ムを急速に除去すると、自己急冷作用により金属間化
合物が分布した微粒状固港体合金が生成する。このよう
な均質表面合金領域の生成は新規なものである。その理
由は、少なくともある研究者はこのような高熱伝導性非
同素金属は高ェネルギビーム露出の結果として強度を失
なうと考えたからである。またある他の研究者はビーム
加熱ゾーンは自己急冷を可能にするに十分に限定されな
いと考えたかもしれない。ビーム加熱ゾーンは、必要な
加熱速度および自己急冷速度をぎせいにすることなく、
きわめて正確に限定され、隔離され、制御されうろこと
が見出された。表面合金化を実施する好適な態様につい
て詳細に説明するために、第１〜６図を参照する。
｛１｝ 本方法の最初の準備段階は、高ェネルギビーム
による急速加熱に感応し、容易に溶融し、かつ自己急冷
のための冷却中熱を良好に伝導する基材料を選択するこ
とである。多種類の金属材料を使用することができるが
、この態様は好適にはアルミニウム合金から本質的にな
る基金属で実施される。基材料は少なくとも０．２＆ａ
ｌ／仇・ｓｅｃ・℃の熱伝導度を持つべきである。十分
な熱伝導度を持つ他の非同素金属としてはマグネシウム
、銅、亜鉛、チタンがある。‘２’この好適な基金属は
固綾体および金属間化合物を形成するために基金属と親
和力を持つ合金成分の選択および作用によって表面合金
化される。
アルミニウムまたはアルミニウム合金の場合には、合金
成分は銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、ジル
コニウム、バナジウム、マグネシウム、亜鉛、クロム、
コバルト、マンガンおよびチタンからなるグループから
選択することができる。このような合金成分の２種以上
を添加してもよい。銅はアルミニウム合金を硬化するの
に最も有効な合金成分の１つである。ニッケルは合金状
態において高温でアルミニウムの軟化を防止する。シリ
コンは、金属間化合物を形成しないが、低シリコンコア
と耐摩耗性高シリコン表面とを生成するためにアルミニ
ウム合金において有用である。グラフアィトは、金属間
化合物を形成しないが、合金化した表面区域において高
温固体潤滑剤として有用である。マグネシウム用の合金
成分としては亜鉛、希土類金属、ジルコニウム、マンガ
ン、アルミニウムがある。鋼用の合金成分としては鉛、
亜鉛、アルミニウム、スズ、鉄、ニッケル、シリコン、
マンガン、ベリリウム、ジルコニウム、クロムがある。
‘３｝ 次の段階は合金成分を基金属の選択ゾーンに付
着させ、沈着させまたは前記ゾーンに隣接するビームに
さらすことである。
これを達成する一方法は適当な機構１２により基金属１
１上に合金層１０を沈着させることであり（第１図参照
）、前記機構には粉末合金金属のプラズマ流によるスプ
レィが含まれる。好適な態様は合金成分からなるワイヤ
を使用し、このワイヤをビームに送入することである（
第６図参照）。さらに別の方法は樹脂と粉末合金成分と
を混合し、この混合物がビームの通路中に置くことであ
る。合金成分がビームの影響を受けるように付着される
ならば、塗装法を使用することもできる。プラズマ技術
によりスプレィすべき合金成分は金属粉末の混合物であ
りうるしまたは独立した層として施すことができる。混
合粉末は典型的には非常に高い温度にさらされかつ噴射
速度さらされるが、この両条件はこの発明にとつて重要
ではない。合金層の深さは基金属の溶融ゾーンの所定合
金濃度を得るように制御されるべきである。
合金成分（基金属に添加したものでもまたは基金属固有
のものであっても）は再溶融にさし、して少なくとも飽
和固溶体を形成するために基金属溶融ゾーンを富化すべ
きである。一般に、表面合金化は処理した物品の用途に
応じて３つの物理的特性、すなわち、耐摩耗性、疲労寿
命および耐食性の１つの向上を主目的としている。物品
の処理ゾーンに最適の耐摩耗性を与えるためには、合金
成分は溶融基金属の前記ゾーンに１：１〜１：２０の重
量比で添加されるべきである。これは溶融基金属の厚さ
（深さ）に等しいかまたはその１／２０の厚さの合金被
膜を施すことによって大体に達成される。この範囲の比
により凝固にさし、して溶融ゾーン中の金属間化合物が
生成され、この化合物は高ェネルギビーム再溶融により
非同素基金属を硬化するためのこの発明の主要機構を構
成する。選択した表面処理ゾーンに最適の疲労寿命を与
えるためには、該比は１：１０〜１：２０の範囲内にあ
るべきであり、これにより合金含量が希薄になりかつ金
属間化合物の生成を回避するとともに析出硬化または時
効硬化を促進する。
選択した表面処理ゾーンの耐食性を向上するためには、
該比は２：１以上であるべきである。基金属が３９０ま
たは３５５のようなアルミニウム合金であるときには、
合金成分として実質的に純粋なアルミニウムを使用する
ことが好ましい。純アルミニウムは前記アルミニウム合
金より高い耐食性を有する。プラズマ沈着を実施するた
めの典型的な装置は第１３図に示されている。
この装置はガスァークチャンバ１６を含むプラズマガン
１５を使用し、チャンバ１６は真直なボア部分１７と発
散部分１８からなる出口スロートを有する。ガスは供給
源３１からガスチャンバ１６の左側部分に導入され、ア
ークはアーク電力供給源１９によりチャンバを横切って
発生される。金属粉末と耐火物粉末は粉末送給器２０か
らガンに導入され、子熱管２１へ運ばれ、子熱管は粉末
予熱電力源２２によって加熱される。粉末はついで軽度
に傾斜した（通路の中心線２５に関し２４において）通
路２３を介して出口スロート内の正確な位置に運ばれ、
真直ボア部分と発散部分の接合部に正確に入る。プラズ
マガンから流れは被覆すべき目標物品２６に指向される
。被覆すべき物品は可動支持体２７によって迫特され、
広い区域にわたって粉末が沈着されるようになっている
。物品２６はアーク電力供給源２８を介して特定の電位
に維持され、プラズマスプレイ粒子を受けるようになっ
ている。物品全体とプラズマジェットは真空ポンプ３０
により脱気されたチャンバ２９内に収容されている。■
第２図に示すように、次の段階は高ェネルギビームを
発生し、指向させかつ移動させることにより溶融するこ
とである。高ェネルギビームとはここでは処理すべき金
属との界面において１０，０００ワット／地を超える平
均電力密度を有する放射ヱネルギ（発生源に関係なく）
のコラムを意味する。この段階においては、十分な電力
の高ェネルギビーム３２を発生し、このビームを物品の
選択した露出ゾーン３３に指向させ、ついで所定路に沿
って特定速度で移動させ、これによりビームと合金層１
０の選択接触ゾーンを溶融するだけでなく、基金属１１
の隣接部分の所定部分３４も溶融する。ビームは２つの
ゾーン、すなわち、溶融しないで熱影響を受ける第一の
ゾーンと、第一のゾーン内の溶融する第二のゾーンとに
影響を及ぼす。レーザ光線は最初は反射によりやや妨害
されて露出アルミニウム表面に入る。この妨害は、‘ａ
｝熱が表面を分解したときに溶融キャビティが形成され
、これにより光線の集中が可能になることおよび（ｂ｝
粉末合金被覆を施すことによって低減される。レーザビ
ームは高ェネルギとの界面において物品に入るが、集中
されないビームの場合にはその強さの少なくとも一部が
物品内の反射、拡散および屈折によって失なわれる。し
かしながら、これは浅いビーム影響ゾーンの制御には有
利である。基金属の加熱速度は比較的速くし、｛ａ｝溶
融スポットプール内に乱流が発生されかつ｛ｂ’高ェネ
ルギピームの除去により急速冷却が促進されるようにし
なければならない。
基金属の吸収特性は基金属内へのビームの侵入を助長し
、これにより急速加熱を促進するために制御されなけれ
ばならない。これはしーザビームまたは電子ビームの使
用を必要とする。実験により、０．１５肋（０．００６
インチ）の厚さ３５を持つ沈着合金層１０（シリコン、
銅、ニッケルおよび炭素からなるもの）を溶融しかつ隣
接基金属１ １を０．６４凧（０．０２５インチ）の深
さ３６まで溶融するためには、物品にその界面３７にお
いて付与されるェネルギは約７０，０００ワット／地で
あり、界面におけるビームスポットの直径は２側（０．
０８インチ）でなければならないことが見出された。こ
れは装置３８（第９〜１１図に示されているもの）で発
生されるレーザビームによって得られる。表面合金化を
実施するための適正な高ェネルギレーザビームの限定は
重要である。ビームを発生する装置は３．２の／ｓｅｃ
（０．００５ｉが／ｓｅｃ）の商業的走査速度で急速加
熱および溶融を達成するために少なくとも１〜磯Ｗの電
力定格を持たなければならない。ＩＫＷより低い蟹力レ
ベルでは、ビーム速度を０．２５物／分（０．０１イン
チ／分）まで下げればよいが、この速度は商業的には実
施できない。ビーム３２は物品の外表面３７の平面から
距離４１の所にある点４０‘こ集東されるべきである。
すなわち、ビームは物品の外表面との界面には集東され
ず、前記界面において直径３９を有し、この直径は実際
には０．２５〜１２．７脚（０．０１〜０．５インチ）
の範囲である。高ェネルギビームの電力レベル、物品の
表面３７を横切るビームの走査速度または相対移動、お
よび界面におけるビームのスポットサイズの相互作用を
制御することが重要である。
さらに、以降に使用する「制御する」は、ビーム影響ゾ
ーンの所望の溶融速度および冷却速度を達成するために
、ビーム界面面積、走査速度およびビームェネルギレベ
ルを相関させることを意味する。界面におけるェネルギ
レベルは少なくとも１０，０００ワット／めであるべき
であり、界面におけるスポットサイズは０．５〜３２．
３松（０．０００８〜０．０５平方インチ）の範囲であ
る。線速度は２５４〜２５４仇吻／分（１０〜１００イ
ンチ／分）の範囲内にあるべきである。これらのパラメ
ータの適正な制御により基金属中の良好な温度分布およ
び良好なしーザ表面合金化が得られる。単パスから得ら
れる合金化表面層の深さ４２は所定走査速度で使用する
ェネルギ適用レベルに基本的に比例する。特定の表面合
金化材料または適用に対し走査速度と関係づけられる鰭
力レベルの正確な値は、合金被膜、基金属、および所望
の合金化表面層深さに依存する。合金化表面層すなわち
ビーム影響ゾーンの深さ４２は第３図に示されている。
単パスのゾーンは半球形の充填みそ１４３により断面が
示されており、このゾーンは金属間化合物を含む合金化
金属の固漆体を有する。得られる合金化ゾーンの上表面
４４は物品の原表面より高くなる。第４図は長手方向の
単パスの輪郭を示す。
物品の全表面は、｛１’非集東ビームの多バスを設定す
ることによりおよび■各パスの影響ゾーンをオーバラッ
プさせ、第５図に示すようにビーム影響ゾーン４５が多
数のオーバラップしたリプ４６，４７となって現われる
ようにすることにより、合金化表面層を与えることがで
きる。リブのオーバラップの間隔および程度は最４・ゾ
ーン深さ４８を設定するために変えることができる。各
パスが広い寸法で分離され、合金化リボンまたはランド
のパターンのみが物品上に現われるようにすることも可
能であり、このような合金のランド‘ま全表面に必要な
耐摩耗性を与えることができる。さらに、ビーム影響ゾ
ーンを集東ビーム（界面に集東された）にさらし、ェネ
ルギレベルを溶融と釣合せるために脈動させることもで
きる。レーザビームを発生する好適な装置は第９図に示
されており、密閉Ｃ０２ガス流回路６１を含み、ガスは
ブロワ６２により急速に移動させられ、熱交換器６３に
より熱が除去される。
レーザ放電は電極６４と６５間の流路に沿って軸万向に
起こる。レーザビーム放電は完全伝送ミラー６６により
前記軸方向に指向され、部分伝送ミラー６７によりレー
ザ発生器ハウジングから放射される。第１０図には、電
極６９と７０間の電気放電に対して横方向の流れ６８に
よりガスからし−ザビームを発生する装置が示されてい
る。
ミラー７１は部分伝送性である。第１１図には、電子ビ
ーム７２によりレーザを発生する装置が示されている。
サステ−ナ電極７３，７４は高真空中に離間配置されて
いる。電子発出器７５は膜７６を通して電極へ電子を送
る。ミラー７７，７８は協同してレーザを集め、部分伝
送ミラーを通して電子を伝送する。
‐第１２図には、レーザ発生装置８０からしー
ザピーム７９を被処理物品８１へ送る装置が示されてい
る。
ビームはミラー８２によって曲げられ、レンズ８３によ
って集められ、そこには８４において補助ガスが導入さ
れる。ビームオリフィス８５は物品界面におけるビーム
のスポットサイズを制御する。レーザによる表面合金化
は次のような場合に特に有用である。
｛ａ｝物品の表面が耐摩耗性、耐食性または耐熱性のた
めに特別の合金組成を必要とする場合、（ｂｉ表面の不
規則なパターンが特別の合金組成を必要とする場合、（
ｃ｝所要の合金含量が鋳造または鍛造状態では経済的に
得られない場合、｛ｄ｝物品表面の異なる個所で異なる
組成が必要な場合、【ｅ｝特殊な表面と基材料間に金属
結合が望ましい場合、【ｆ）基材料の熱影響ゾーンを最
少にすべき場合、（ｇ）過熱による隣接部品の変形およ
び損傷を低減するために表面合金化が最少の熱入力で達
成されなければならない場合、（ｈ）硬化表面層が高温
においても高い硬度を持つべき場合。この発明において
高ェネルギビームを発生するのに有用なさらに別の装置
が第１４図に示されている。
この装置は加熱フィラメントまたは間接加熱陰極８７か
ら得られる電子のビーム８６を伝送する電子ガンである
。制御電極８８はビーム電流および陽極８９の電圧を調
節し、これによりビームの電子の速度を調節する。陽極
電圧とビーム電流の積はビームの電力である。※東コイ
ル９川ま独立してビームのスポットサイズを制御し、ビ
ームのスポットサイズが種々の電圧値に対して調整され
うるようにする。偏向コイル９１はビームをその中立軸
位置から移動させ、物品９２上の任意の点へ指向させる
。物品の平面の×，Ｙ両方向にビームを偏向させるため
に４個のコイルが通常必要である。物品とガンは本質的
に同一の真空チャンバ９３を共有する。｛５） 最後に
、ビームの影響は物品の適正に溶融したゾーンから十分
に速い速度で除去されなければならず、物品の質量は溶
融ゾーンの体積に釣合わせられなければならず、物品金
属は、自己急冷を達成し、これにより金属間化合物の小
粒子または飽和固溶体を形成するために、適切な熱伝導
度を持つように選択されていなければならない。
物品が鋳物でありかつビーム影響ゾーンが３．２欄（１
／８インチ）以下であるところのほとんどすべての場合
に、質量は適正に釣合わせられる。熱処理 この発明に係る表面熱処理の主目的は、非同素金属物品
の表面耐摩耗性または疲労寿命を物品の変形を最小にし
て改良することである。
これは、非集東ビームの操作または集東ビームの振動に
より、両方とも別個の合金剤を使用することなく、物品
の選択ゾーンを再溶融しかつ自己急冷することによって
達成される。この硬化機構は結晶および粒子の微細化で
ある。この結果として、過飽和固溶体の形成を容易にす
る急冷により固綾体の硬化も増大する。第７図に示すよ
うに、熱処理は典型的な非同素基金属を再溶融するため
に少なくとも１０，０００ワット／地の電力レベルを有
する商工ネルギビーム５２を使用することによって行な
われる。
ェネルギはビームに集中され、物品の不処理表面と接触
したとき、十分なヱネルギが界面ゾーン５４を加熱して
溶融し、基金属はさらに大きな深さ５ふ典型的には約６
．４側（０．２５インチ）まで溶融される。このような
ビームはしーザまたは電子ビーム装置５３によって発生
することができる。ビームの移動速度を制御しかつ物品
５６の質量をビーム影響ゾーン５４に対して釣合わせる
ことにより、各ビーム影響ゾーンから高ェネルギビーム
を除去すると急冷が起こる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の好適な方法態様の一初期段階の略式
断面図である。 第２図は第１図の方法態様の次段階の略式断面図である
。第３図は第１，２図の段階の実施によって得られた生
成物の略式断面図である。第４図は第３図の４一４線断
面図である。第５図はオーバラップした多パスの結果を
示す第３図類似の断面図である。第６図は第一および第
三段階を同時に行なう別形態様を示す第２図類似の図で
ある。第７図は表面を合金化しなし、熱処理に向けられ
たこの発明の別形方法態様の略式断面図である。第８図
は第７図の方法による処理を受けた物品の一部分の拡大
図である。第９〜１１図はこの発明において有用な各種
レーザ発生装置の略図である。第１２図は物品にビーム
を指向させるためのレーザ集中装置の略図である。第１
３図は第１〜３図の方法と関連して使用しうるプラズマ
粉末被覆装置の一タイプの略図である。第１４図はこの
発明の実施に使用しうる電子ビーム装置の一タイプの略
図である。１０：合金層、１１：基金属、１２，１３：
汝着機構、１５：プラズマガン、１６：ガスアークチャ
ンバ、１９：アーク電力源、２０：粉末送給器、２２：
粉末子熱供給源、２６：物品、２８：アーク電力源、３
０：真空ポンプ、３１：ガス流供給源、３２：ビーム、
３３：露出ゾーン、４０：焦点、６１：ガス流回路、６
２：ブロワ、６３：熱交換器、６４，６５：電極、６６
，６７：ミフー、６８：ガス流、６９，７０：電極、７
１：ミラー、７２：電子ビーム、７３，７４：電極、７
６：膜、７７，７８：ミラー、７９：レーザビーム、８
１：物品。 上ＩＬ ・．１．」工Ｌ ‐三三． 」 Ｌ Ｉ．こ三． １・ ，．く生． １ １ ，．三三． ユニ ・‐白． ・【 −ウ２ １ ・ 一‐Ｅヨ− 」１「 ・．三ヨ． ［１Ｌ Ｉ．↓□． １１ 」．１１． 」１［ ，．・三三． １ １」 １．１こ三． 」 ユ」 ’．Ｌ二壬．

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 非同素金属物品の選択された露出領域を該露出領域
    の物理的性質を向上するために処理する方法であつて、
    （ａ）少くとも０．２５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃の熱
    伝導度を有する前記物品用非同素金属を選択する段階、
    （ｂ）高エネルギビームを前記物品の露出領域に指向さ
    せ、前記物品をビーム影響ゾーンにおいて加熱すると共
    に該ビーム影響ゾーン内の溶融ゾーンにおいて前記物品
    を所定深さまで溶融する段階にして、前記ビームは前記
    物品との界面において少くとも１０，０００ワツト／ｃ
    ｍ＾２のエネルギを与える段階、（ｃ）前記物品に高エ
    ネルギビームを指向させる前又はそれと同時に溶融合金
    成分を前記溶融ゾーンにその溶融金属と混合させるべく
    導入する段階にして、前記合金成分は金属間化合物を有
    する固溶体を前記非同素金属と生成すると共に析出物粒
    子を生成するように該非同素金属に対する親和力を有す
    る材料からなつており、且つ前記導入される合金成分は
    該合金成分対前記溶融ゾーンにおける溶融非同素金属の
    比が１：１〜１：１０の範囲内にあるように釣合わされ
    ている段階、（ｄ）前記ビーム界面の面積、ビームのエ
    ネルギレベル、および前記物品に沿う前記ビームの変位
    速度を制御し、前記ビーム影響ゾーンを所定体積に限定
    して該ビーム影響ゾーンの所定急速加熱速度を確保する
    段階、及び（ｅ）前記物品の質量を前記ビーム影響ゾー
    ンの体積に対して釣合わせて該ビーム影響ゾーンから前
    記ビームの影響が除去されたときに該ビーム影響ゾーン
    の自己硬化急速冷却速度を与え、それによつて少くとも
    前記溶融ゾーンにおいて微粒の固溶硬化組織と微細析出
    物粒子を生成させる段階、を包含する前記方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、凝固前
    に前記溶融合金成分を前記溶融ゾーンの中へ完全に混合
    するために溶融金属の乱流状態を促進すべく前記ビーム
    の前記物品との界面および前記溶融ゾーンの深さがそれ
    ぞれ制御されることを特徴とする方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記金
    属物品はアルミニウム又はアルミニウム合金からなるこ
    とを特徴とする方法。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の方法において、前記物
    品の前記ビーム影響ゾーンより下の部分は、該ビーム影
    響ゾーンの深さの少くとも５倍の厚さを有していること
    を特徴とする方法。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、高エネ
    ルギビームは可視光線と同様に制御される線からなつて
    おり、前記ビームは前記露出領域表面の平面から外れた
    焦点を有しており、それにより前記ビームの前記領域と
    の界面の面積が少くとも０．０２ｍｍ＾２（０．０００
    ０３平方インチ）であるように制御されていることを特
    徴とする方法。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記ビ
    ームは中断されたビーム影響ゾーンを達成するか又は前
    記溶融ゾーンの制御された所定深さに影響を及ぼすよう
    に脈動されることを特徴とする方法。
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