JPWO2008090662A1 - Metal surface treatment method - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単かつ容易に、しかも能率よく、種々の母材金属の表面に種々の金属を合金状態として確実に接合する。【解決手段】金属の表面処理方法は、母材金属１の表面に、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２をショットピーニングして、母材金属１の表面に異種金属膜３を設けるショットピーニング工程と、ショットピーニング工程で異種金属膜３を設けた母材金属１の表面に電子ビーム４を照射して異種金属膜３と母材金属１とを結合する電子線照射工程とからなる。【選択図】図１Kind Code: A1 Various types of metals are reliably bonded in an alloy state to the surface of various base metals simply and easily and efficiently. A surface treatment method of a metal includes shot metal peening of different metal particles 2 which are different from the base metal 1 on the surface of the base metal 1, and dissimilar metal film 3 on the surface of the base metal 1. A shot peening process in which the dissimilar metal film 3 is provided in the shot peening process; Consists of. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、母材金属の表面に異種金属を接合して金属表面を処理する方法に関する。 The present invention relates to a method for treating a metal surface by bonding a dissimilar metal to the surface of a base metal.
金属は、表面処理をして、その表面状態を用途に最適な状態に処理している。たとえば、表面を硬化し、あるいは摩擦係数を小さくして耐摩耗性を向上し、さらに、表面に絶縁層を設けて金属表面を絶縁している。金属の表面処理方法として、メッキ、溶射、浸炭等の方法が開発されている。メッキは、種々の薬品を使用することから廃液処理に手間がかかる欠点がある。また、溶射は、金属粉末を溶融状態に加熱して母材金属の表面に吹き付けるので装置が大がかりとなり、簡単に表面処理するのが難しい。また、浸炭は、特定の元素しか母材金属に浸透できず、また処理にも手間がかかる欠点がある。これらの表面処理の欠点を解消する方法として、母材金属の表面に金属粉末を供給し、金属粉末に電子ビームを照射して金属粉末を母材金属に合金化する方法が開発されている。（特許文献１参照）
特許文献１は、母材金属の表面にモリブデンを主とする金属粉末層を設け、この金属粉末層にレーザーあるいは電子ビームを照射して、粉末層を融点以上に加熱する方法を記載する。この方法は、モリブデンを主とする金属の接合界面近傍で良好な接合境界層を形成して、母材金属の表面に金属粉末層の金属を接合する。この方法は、母材金属の表面にモリブデンを含む金属粉末層を特定の厚さに均一に設けるのが難しい。金属粉末層が均一に設けられないと、電子ビームを照射して理想的な状態で表面層を設けることができない。金属粉末層の厚さにむらがあると、電子ビームの照射エネルギーの調整が難しい。金属粉末層の厚さによって、これを母材金属に接合するための電子ビームのエネルギー密度が異なるからである。さらに、この特許文献１は、モリブデンを主とする金属の粉末を溶射して母材金属の表面に吹き付ける技術も記載している。この方法は、表面部が融点以上に加熱された粒子が母材金属の表面に衝突して、母材金属の表面にモリブデンを主とする金属が溶接される。ただ、溶射による表面処理は、モリブデンなどの金属を強く母材金属の表面に結合するのが難しい。
本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、簡単かつ容易に、しかも能率よく、種々の母材金属の表面に種々の金属を確実に接合できる金属の表面処理方法を提供することにある。 The present invention has been developed for the purpose of solving this drawback. An important object of the present invention is to provide a metal surface treatment method capable of reliably joining various metals to the surfaces of various base metals simply, easily and efficiently.
本発明の請求項１の金属の表面処理方法は、母材金属１の表面に、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２をショットピーニングして、母材金属１の表面に異種金属膜３を設けるショットピーニング工程と、ショットピーニング工程で異種金属膜３を設けた母材金属１の表面に電子ビーム４を照射して異種金属膜３と母材金属１とを結合する電子線照射工程とからなる。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項２の金属の表面処理方法は、電子線照射して異種金属膜３と母材金属１とを合金状態に結合する。
本明細書において、「合金状態」とは、母材金属と異種金属とが合金となる状態に加えて、母材金属と異種金属とが電子ビームのエネルギーで互いに溶融状態となって結合された状態を含む意味に使用する。In the metal surface treatment method according to
In this specification, the “alloy state” means that the base metal and the dissimilar metal are combined in a molten state with the energy of the electron beam in addition to the state in which the base metal and the dissimilar metal are alloyed. Used to mean including state.
本発明の請求項３の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、母材金属１の表面に、母材金属１より融点の低い金属粒である異種金属粒２をショットピーニングした後、電子線照射工程において、電子ビーム４を照射して異種金属粒２を溶融して異種金属膜３を母材金属１に結合する。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項４の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、母材金属１の表面に、母材金属１より融点の高い金属粒である異種金属粒２をショットピーニングした後、電子線照射工程において、電子ビーム４を照射して母材金属１を溶融して異種金属膜３を母材金属１に結合する。
According to the metal surface treatment method of
本発明の請求項５の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、異なる金属からなる複数の異種金属粒２を母材金属１の表面に噴射する。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項６の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、平均粒径の異なる金属粒を母材金属１の表面に噴射する。
The metal surface treatment method according to
本発明の請求項７の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程で異種金属膜３を設けた母材金属１の表面に、電子線照射工程で電子ビーム４を照射して異種金属膜３と母材金属１とを結合して母材金属１の表面に表面層５を設けると共に、ショットピーニング工程と電子線照射工程とを複数回繰り返して、複数の表面層５を積層する。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項８の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、ショットピーニングに使用する異種金属粒２が、Ｗ、Ｃ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｆ及びフッ化物、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｓ及び硫化物、Ｔａ、Ｖの少なくとも何れかを含んでいる。
According to the metal surface treatment method of
本発明の請求項９の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、ショットピーニングに使用する異種金属粒２を、複数金属の合金と金属を含む化合物としている。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項１０の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、ショットピーニングに使用する異種金属粒２の平均粒径を、０．０３μｍ以上としている。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項１１の金属の表面処理方法は、ショットピーニング工程において、ショットピーニングに使用する異種金属粒２の平均粒径を、５００μｍ以下としている。
In the metal surface treatment method according to an eleventh aspect of the present invention, in the shot peening step, the average particle diameter of the
本発明の請求項１２の金属の表面処理方法は、母材金属１を、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、鉄合金、アルミ合金、銅合金、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｆ及びフッ化物、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｓ及び硫化物、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖを含む金属、銀合金、金合金、カルシウム合金、コバルト合金、クロム合金、マグネシウム合金、マンガン合金、ニッケル合金、ニオブ合金、タンタル合金、チタン合金、バナジウム合金、焼結金属のいずれかとしている。
According to the metal surface treatment method of
本発明の請求項１３の金属の表面処理方法は、電子線照射工程において、異種金属膜３を設けた母材金属１に、真空中又は気体中で電子ビーム４を照射する。
In the metal surface treatment method of the thirteenth aspect of the present invention, in the electron beam irradiation step, the
さらに、本発明の請求項１４の金属の表面処理方法は、電子線照射工程で電子ビーム４を照射して異種金属膜３と母材金属１とを結合して、母材金属１の表面に表面層５を設けた後、表面層５の表面を研磨工程で研磨する。
Furthermore, in the metal surface treatment method according to
さらに、本発明の請求項１５の金属の表面処理方法は、母材金属１の表面に、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２を母材金属１に向かって加速して衝突させて、エネルギービームのエネルギーで消失するバインダ６を介して付着して母材金属１の表面に金属粉末層９を設ける仮膜工程と、仮膜工程で金属粉末層９を設けた母材金属１の表面に電子ビーム又はレーザービーム４からなるエネルギービームを照射し、バインダ６を消失して金属粉末層９と母材金属１とを結合して表面層５を設けるビーム照射工程とからなる。
Furthermore, in the metal surface treatment method according to
本発明の請求項１６の金属の表面処理方法は、ビーム照射工程の後、表面層５の表面を研磨工程で研磨する。
In the metal surface treatment method according to
また、本発明の請求項１７の金属の表面処理方法は、研磨工程において、表面層５に研磨粒をショットブラストして研磨する。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項１８の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を加圧流体のエネルギーで加速する。
In the metal surface treatment method according to
本発明の請求項１９の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を電界及び／又は磁界で加速する。
According to the metal surface treatment method of the nineteenth aspect of the present invention, the
本発明の請求項２０の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、母材金属１より融点の低い異種金属粒２を母材金属１の表面に衝突させる。
In the metal surface treatment method according to claim 20 of the present invention, the
本発明の請求項２１の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、母材金属１より融点の高い異種金属粒２を母材金属１の表面に衝突させる。
In the metal surface treatment method according to claim 21 of the present invention, the
本発明の請求項２２の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異なる金属からなる複数種の異種金属粒２を母材金属１の表面に衝突させる。
In the metal surface treatment method according to the twenty-second aspect of the present invention, a plurality of types of
本発明の請求項２３の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、平均粒径の異なる異種金属粒２を母材金属１の表面に衝突させる。
In the metal surface treatment method according to claim 23 of the present invention, the
本発明の請求項２４の金属の表面処理方法は、ビーム照射工程において、金属粉末層９と母材金属１とを合金状態に結合する。
In the metal surface treatment method according to claim 24 of the present invention, the
本発明の請求項２５の金属の表面処理方法は、仮膜工程とビーム照射工程とを複数回繰り返して、母材金属１の表面に複数の表面層５を積層して設ける。
In the metal surface treatment method according to claim 25 of the present invention, the provisional film process and the beam irradiation process are repeated a plurality of times, and a plurality of
本発明の請求項２６の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、加速して母材金属１の表面に衝突させる異種金属粒２が、Ｗ、Ｃ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｖ、Ｆ、Ｓ、及びこれ等の金属のフッ化物、硫化物、窒化物、炭化物、ホウ化物の少なくとも何れかを含んでいる。
According to the metal surface treatment method of claim 26 of the present invention, the
本発明の請求項２７の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、二硫化モリブデンと硫化タングステンと窒化硼素のいずれかを含む異種金属粒２を母材金属１の表面に加速して衝突させる。
According to the metal surface treatment method of claim 27 of the present invention, the
本発明の請求項２８の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、複数金属の合金と金属を含む化合物である異種金属粒２を母材金属１の表面に加速して衝突させる。
In the metal surface treatment method according to the twenty-eighth aspect of the present invention, the
本発明の請求項２９の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、平均粒径を０．０３μｍ以上とする異種金属粒２を母材金属１の表面に加速して衝突させる。
According to the metal surface treatment method of claim 29 of the present invention, the
本発明の請求項３０の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、平均粒径を５００μｍ以下とする異種金属粒２を母材金属１の表面に加速して衝突させる。
In the metal surface treatment method according to claim 30 of the present invention, the
本発明の請求項３１の金属の表面処理方法は、母材金属１を、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、鉄合金、アルミ合金、銅合金、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖを含む金属、銀合金、金合金、カルシウム合金、コバルト合金、クロム合金、マグネシウム合金、マンガン合金、ニッケル合金、ニオブ合金、タンタル合金、チタン合金、バナジウム合金、焼結金属、Ｆ、Ｓ、及びこれ等の金属のフッ化物、硫化物、窒化物、炭化物、ホウ化物のいずれかとしている。
According to the metal surface treatment method of claim 31 of the present invention, the
本発明の請求項３２の金属の表面処理方法は、ビーム照射工程において、金属粉末層９を設けた母材金属１に、真空中又は気体中でエネルギービームを照射する。
According to the metal surface treatment method of
本発明の請求項３３の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を付着するバインダ６に水溶性又は有機溶媒溶解性のバインダ６を使用する。
In the metal surface treatment method according to a thirty-third aspect of the present invention, a water-soluble or organic solvent-
本発明の請求項３４の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を母材金属１に付着するバインダ６にオイルを使用する。
In the metal surface treatment method according to a thirty-fourth aspect of the present invention, oil is used for the
本発明の請求項３５の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を母材金属１に付着するバインダ６に、糖類又はセルローズ類を使用する。
In the metal surface treatment method according to a thirty-fifth aspect of the present invention, saccharides or celluloses are used for the
本発明の請求項３６の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を母材金属１に付着するバインダ６に、アラビアゴム、トラガント、ガラヤゴム、カラメル、デンプン、可溶性デンプン、デキストリン、αデンプン、アルギン酸ナトリウム、ゼラチン、ローカストピーンガム、カゼインなどであり、半合成品では、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチル化デンプンナトリウム塩、ヒドロキシエチル化デンプン、デンプンリン酸エステルナトリウム塩、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース、アセチルセルロース、エステルガムのいずれかからなる天然物、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ナトリウム塩、水溶性共重合体、部分けん化酢酸ビニルとビニルエーテルの共重合体、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸及びそのエステルまたは塩の重合体または共重合体、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ビニルピロリドン−酢酸ビニル共重合体、ポリ酢酸ビニル、クマロン樹脂、石油樹脂、フェノール樹脂のいずれかからなる合成物のいずれかを単独であるいは複数種を混合したものを使用する。
According to the metal surface treatment method of claim 36 of the present invention, in the temporary membrane process, the
本発明の請求項３７の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、異種金属粒２を母材金属１に付着するバインダ６に、紫外線を照射して硬化する照射硬化樹脂を使用する。
In the metal surface treatment method according to a thirty-seventh aspect of the present invention, in the provisional film process, a radiation curing resin is used that cures the
本発明の請求項３８の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、母材金属１の表面にバインダ６を塗布し、異種金属粒２をバインダ６の塗布された母材金属１の表面に加速して衝突させて金属粉末層９を設ける。
In the metal surface treatment method according to the thirty-eighth aspect of the present invention, in the temporary film forming step, the
本発明の請求項３９の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、母材金属１の表面に異種金属粒２を加速して衝突させると共に、バインダ６と異種金属粒２の両方を母材金属１の表面に向かって加速して金属粉末層９を設ける。
In the metal surface treatment method according to claim 39 of the present invention, the
本発明の請求項４０の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、粉末状のバインダ６と異種金属粒２とを母材金属１の表面に静電力で付着し、その後、加熱してバインダ６でもって異種金属粒２を母材金属１の表面に結合して金属粉末層９を設ける。
According to the metal surface treatment method of claim 40 of the present invention, in the temporary film forming step, the
本発明の請求項４１の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、紫外線硬化型のバインダ６を介して異種金属粒２を母材金属１の表面に付着し、紫外線硬化型のバインダ６に紫外線を照射してバインダ６を硬化させて母材金属１の表面に金属粉末層９を設ける。
According to the metal surface treatment method of claim 41 of the present invention, the
本発明の請求項４２の金属の表面処理方法は、仮膜工程において、金属粉末層９の表面にコーティング剤を噴霧する。
According to the metal surface treatment method of claim 42 of the present invention, a coating agent is sprayed on the surface of the
本発明の請求項１にかかる金属の表面処理方法は、簡単かつ容易に、しかも能率よく、種々の母材金属の表面に種々の金属を確実に接合できる特徴がある。それは、本発明の表面処理方法が、母材金属の表面に異種金属粒をショットピーニングして異種金属膜を設け、異種金属膜を設けた母材金属の表面に電子ビームを照射して異種金属膜と母材金属とを結合するからである。とくに、本発明の表面処理方法は、母材金属の表面にショットピーニングで異種金属膜を設けて、その表面に電子ビームを照射することを特徴とする。ショットピーニングは、メッキして異種金属膜を設ける方法のように廃液を処理する必要がない。また、溶射に比較して簡単な装置で能率よく異種金属膜を設けることができる。さらに、異種金属粒をショットピーニングして設けられる異種金属膜は、ショットピーニングする異種金属粒の粒径で膜厚をコントロールできる。大きな粒径の異種金属粒がショットピーニングされると、母材金属の表面に大粒径の異種金属粒が付着されて、異種金属膜の膜厚が厚くなるからである。このため、本発明の表面処理方法は、異種金属粒の粒径で異種金属膜の膜厚を自由にコントロールして、用途に最適な表面処理膜を設けることができる。さらに、異種金属粒をショットピーニングする方法は、母材金属の表面に均一な膜厚で異種金属膜を設けることができる。それは、ショットピーニングで形成される異種金属膜は、母材金属の表面に異種金属粒が単層に付着するからである。ショットピーニングで母材金属の表面に噴射される異種金属粒は、母材金属には付着されるが、先に付着している異種金属粒には付着しない。このため、母材金属の表面に異種金属粒を不均一に噴射しても、母材金属の表面には単層に異種金属粒が付着されて、均一な膜厚の異種金属膜が設けられる。このことは、電子ビームを照射して異種金属膜と母材金属とを結合する方法において特に大切である。それは、一定のエネルギー密度で母材金属の表面を走査する電子ビームが、均一な膜厚の異種金属膜を、均一な条件で母材金属と接合させるからである。母材金属の表面に照射される電子ビームは、異種金属膜の膜厚で最適なエネルギー密度が変化する。厚い異種金属膜は、照射する電子ビームのエネルギー密度を高く、薄い異種金属膜は、照射する電子ビームのエネルギー密度を低くして、理想的な状態で結合される。厚い異種金属膜に低エネルギー密度の電子ビームを照射すると、異種金属膜の金属と母材金属とが完全に結合されない。反対に、薄い異種金属膜に高エネルギー密度の電子ビームを照射すると、異種金属膜が熱で消失する。本発明の表面処理方法は、母材金属の表面にショットピーニングで異種金属膜を設けることから、異種金属膜を均一に、また用途に最適な膜厚として設けることができ、この均一な膜厚の異種金属膜に電子ビームを照射して、異種金属と母材金属とを理想的な状態で結合して、確実に接合できる。
The metal surface treatment method according to
さらに、本発明の金属の表面処理方法は、潤滑性、耐摩耗性、耐腐食性、離形性など種々の特性を持った金属表面とすることができるので、これらの目的に応じた製品の金属表面に適用することができる。 Furthermore, since the metal surface treatment method of the present invention can be made into a metal surface having various properties such as lubricity, wear resistance, corrosion resistance, and releasability, a product according to these purposes can be obtained. It can be applied to metal surfaces.
さらにまた、本発明の請求項１５にかかる金属の表面処理方法は、簡単かつ容易に、しかも能率よく、種々の母材金属の表面に種々の金属を確実に接合できる特徴がある。それは、本発明の表面処理方法が、母材金属と異なる金属粒である異種金属粒を加速して衝突させて、エネルギービームのエネルギーで消失するバインダを介して母材金属の表面に金属粉末層を設けて、金属粉末層を設けた母材金属の表面に電子ビーム又はレーザービームからなるエネルギービームを照射し、バインダを消失して金属粉末層と母材金属とを結合するからである。 Furthermore, the metal surface treatment method according to the fifteenth aspect of the present invention is characterized in that various metals can be reliably bonded to the surface of various base metals easily and easily and efficiently. In the surface treatment method of the present invention, a metal powder layer is formed on the surface of the base metal through a binder that accelerates and collides with dissimilar metal grains that are different from the base metal, and disappears with the energy of the energy beam. This is because the surface of the base metal provided with the metal powder layer is irradiated with an energy beam composed of an electron beam or a laser beam, and the binder disappears to bond the metal powder layer and the base metal.
とくに、本発明の請求項１５にかかる表面処理方法は、エネルギービームで消失するバインダで異種金属粒を付着して、母材金属の表面に金属粉末層を設けることに加えて、異種金属粒を加速し、これを母材金属の表面に衝突させて金属粉末層を設けている。この母材金属の表面に衝突される異種金属粒は、母材金属の表面に接触して隙間なく密に並べられる。この状態に異種金属粒を付着してなる金属粉末層は、各々の異種金属粒が互いに接近して異種金属粒の間のバインダを少なくでき、また異種金属粒と母材金属表面との間のバインダも少なくできる。母材金属に向かって加速されて母材金属の表面に衝突する異種金属粒は、運動のエネルギーで未硬化の、又は硬化したバインダ内に侵入する。異種金属粒がバインダ内に侵入する深さは、異種金属粒の運動のエネルギーで特定される。異種金属粒の運動のエネルギーは、母材金属に衝突する速度の二乗と質量の積に比例する。質量は体積と比重の積で特定される。金属製の異種金属粒は比重が大きく、小さい粒径であっても質量が大きく、運動のエネルギーが大きくなる。大きな運動のエネルギーで母材金属の表面に衝突する異種金属粒は、母材金属表面のバインダに深く侵入する。バインダに深く侵入する異種金属粒は、母材金属の表面に接触し表面に並ぶように密に集合して、密結合する状態で金属粉末層となる。 In particular, in the surface treatment method according to claim 15 of the present invention, the dissimilar metal particles are attached to the surface of the base metal by attaching the dissimilar metal particles with a binder that disappears with an energy beam and providing a metal powder layer on the surface of the base metal. The metal powder layer is provided by accelerating and colliding with the surface of the base metal. The dissimilar metal particles colliding with the surface of the base metal are in close contact with the surface of the base metal and are closely arranged without gaps. In this state, the metal powder layer formed by adhering different metal particles can reduce the binder between the different metal particles as the different metal particles approach each other, and between the different metal particles and the base metal surface. Binder can also be reduced. The dissimilar metal particles that are accelerated toward the base metal and collide with the surface of the base metal penetrate into the uncured or hardened binder with the energy of kinetics. The depth at which the different metal particles enter the binder is specified by the energy of the movement of the different metal particles. The energy of the kinetics of the dissimilar metal grains is proportional to the product of the square of the velocity colliding with the base metal and the mass. Mass is specified by the product of volume and specific gravity. Dissimilar metal particles made of metal have a large specific gravity, and even a small particle size has a large mass and a large kinetic energy. Dissimilar metal grains that collide with the surface of the base metal with large kinetic energy penetrate deeply into the binder on the surface of the base metal. The dissimilar metal particles that penetrate deeply into the binder come into contact with the surface of the base metal and are closely gathered so as to be aligned with the surface, forming a metal powder layer in a tightly coupled state.
本発明の方法によらず、異種金属粒をバインダに混合して撹拌し、これを母材金属に表面に塗布して異種金属膜を設けることもできる。しかしながら、この方法で設けられる異種金属膜は、図１９に示すように、金属粉末粒子９２が凝集して大小様々な凝集粒体９０を形成し、この凝集粒体９０は不均一で、密度の粗い状態で、しかも母材金属９１の表面に密着することなくバインダ９６を介して母材金属９１に付着される。この状態の異種金属膜９３にエネルギービームが照射されると、エネルギービームのエネルギーと凝集した凝集粒体の大きさや部位により表面状態が著しく異なる状態となる。すなわち、母材金属の表面に凝集した凝集粒体が接近する部分は、エネルギービームで凝集粒体が溶解されて合金層を形成して凸部となり、また、凝集粒体が表面に接近して存在しない部分は、エネルギービームが母材金属の表面に照射されて、母材金属を溶融してえぐり取り、飛散して凹部とする。したがって、エネルギービームを照射後の母材金属の表面は、凹凸状となり、また疎らな合金層が形成されて均一で良好な表面処理はできない。この表面状態の母材金属が摩擦面に使用されると、接触する相手材を攻撃して、相手材を著しく破損させる弊害が発生する。
Regardless of the method of the present invention, the dissimilar metal particles may be mixed with the binder and stirred, and this may be applied to the surface of the base metal to form the dissimilar metal film. However, in the dissimilar metal film provided by this method, as shown in FIG. 19, the
これに対して、本発明の請求項１５にかかる表面処理方法の仮膜工程で設けられる異種金属膜は、異種金属粒を母材金属の表面に高密度に集合した状態で設けられる。それは、本発明が、異種金属粒を母材金属に向かって加速し、これを母材金属の表面に衝突させて金属粉末層を設けるからある。母材金属の表面に衝突した異種金属粒は、衝突の衝撃で分散して凝集することなく、母材金属の表面に密結合される。加速して母材金属の表面に衝突される異種金属粒は、未硬化のバインダ内に侵入して母材金属の表面に密結合される。また、異種金属粒は硬化したバインダの表面に衝突しても、運動のエネルギーでバインダ内に侵入して、母材金属の表面に密結合される。硬化したバインダの硬度が、母材金属に比較して十分に小さいからである。 On the other hand, the dissimilar metal film provided in the temporary film process of the surface treatment method according to claim 15 of the present invention is provided in a state in which dissimilar metal particles are gathered at a high density on the surface of the base metal. This is because the present invention accelerates the dissimilar metal particles toward the base metal and collides them with the surface of the base metal to provide a metal powder layer. The dissimilar metal particles colliding with the surface of the base metal are closely bonded to the surface of the base metal without being dispersed and aggregated by the impact of the collision. The dissimilar metal particles that are accelerated and collide with the surface of the base metal penetrate into the uncured binder and are closely bonded to the surface of the base metal. Further, even if the different metal particles collide with the surface of the hardened binder, they enter the binder with kinetic energy and are tightly coupled to the surface of the base metal. This is because the hardness of the cured binder is sufficiently smaller than that of the base metal.
以上の状態、すなわち異種金属粒を母材金属の表面に密結合している金属粉末層に照射されるエネルギービームは、異種金属粒を溶融して母材金属の表面と熱結合してなる表面層を形成する。 In the above state, that is, the energy beam irradiated to the metal powder layer in which the dissimilar metal particles are closely bonded to the surface of the base metal, the surface formed by melting the dissimilar metal particles and thermally bonding with the surface of the base metal Form a layer.
また、本発明の請求項１５の表面処理方法は、バインダでもって母材金属の表面に異種金属粒からなる金属粉末層を設けることから、母材金属の表面に厚く金属粉末層を設けることができ、さらに金属粉末層にエネルギービームを照射する工程では、金属粉末層の飛散量を少なくできることから、母材金属の表面に要求される膜厚の表面処理膜を設けることができる特徴がある。 In the surface treatment method according to claim 15 of the present invention, since a metal powder layer made of different metal particles is provided on the surface of the base metal with a binder, a thick metal powder layer can be provided on the surface of the base metal. In addition, since the amount of scattering of the metal powder layer can be reduced in the step of irradiating the metal powder layer with the energy beam, a surface treatment film having a required film thickness can be provided on the surface of the base metal.
さらにまた、本発明の請求項１５の表面処理方法は、メッキのように廃液を処理する必要がなく、また、溶射による表面処理方法に比較する簡単な装置で能率よく表面処理方法できる特徴もある。さらに、異種金属粒を加速し、これを衝突させて設けられる金属粉末層は、異種金属粒の粒径で膜厚をコントロールすることもできる。大きな粒径の異種金属粒を母材金属の表面に加速、衝突させてバインダを介して金属粉末層を設けると、大粒径の異種金属粒によって金属粉末層の膜厚を厚くできる。このため、本発明の表面処理方法は、異種金属粒の粒径で金属粉末層の膜厚を自由にコントロールして、用途に最適な表面処理膜を設けることができる。さらに、異種金属粒を母材金属の表面に加速し、衝突させてバインダで付着する方法は、立体的に凹凸のある母材金属の表面にも、均一な膜厚で金属粉末層を設けることができる。 Furthermore, the surface treatment method according to claim 15 of the present invention does not require the treatment of waste liquid as in the case of plating, and also has a feature that the surface treatment method can be efficiently performed with a simple apparatus as compared with the surface treatment method by thermal spraying. . Furthermore, the metal powder layer provided by accelerating and colliding different metal particles can control the film thickness by the particle size of the different metal particles. When a metal powder layer is provided through a binder by accelerating and colliding with a metal particle surface having a large particle diameter, the film thickness of the metal powder layer can be increased by the metal particle having a large particle diameter. For this reason, the surface treatment method of this invention can control the film thickness of a metal powder layer freely with the particle size of a dissimilar metal particle, and can provide the surface treatment film | membrane optimal for a use. Furthermore, the method of accelerating different types of metal particles on the surface of the base metal, causing them to collide, and adhering with a binder is to provide a metal powder layer with a uniform film thickness on the surface of the base metal that is three-dimensionally uneven. Can do.
とくに、本発明の請求項１４と請求項１６の金属の表面処理方法は、異種金属膜と母材金属とを結合し、または金属粉末層と母材金属とを結合して表面層を設けた後、表面層の表面を研磨工程で研磨し、さらに、本発明の請求項１７の表面処理方法は、研磨工程において、表面層に研磨粒をショットブラストする。ショットブラストして研磨された表面層は、平滑面となって摩擦抵抗をより小さくできる。また、平滑面となるので、表面層に接触する被接触面の摩耗も少なくできる。とくに、この方法によると、エネルギービームを走査して発生するビームの照射痕を平滑化して、適正な面粗さに整えて綺麗な表面に仕上げることができる。とくに、この方法は、エネルギービームを照射してできる照射痕を研磨して所定の平滑度にコントロールして、理想的な表面度にできる。互いに滑り合う状態で接触する滑り面は完全な平滑面とが理想であるとは限らない。たとえば、平滑度を０．０１μｍとする滑り面を互いに接触させると、接触面は真空状態となってほとんど滑らせることができなくなる。このことから、摩擦係数を最小値にコントロールするには、母材金属表面が有する摩擦係数と、その表面粗さが重要になる。このことから、エネルギービームを照射して、ビームを走査することで、エネルギービームの照射痕ができる本発明の方法は、その後の研磨工程で表面の粗さをコントロールして最適な表面粗さに調整できる。このため、本発明の表面処理方法は、ビーム照射工程の後に研磨工程を設け、この研磨工程で仕上げる表面粗さをコントロールして、理想的な滑り面にできる特徴がある。
In particular, in the metal surface treatment method according to
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための金属の表面処理方法を例示するものであって、本発明は、表面処理方法を以下の方法や条件に特定しない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the examples shown below exemplify a metal surface treatment method for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify the surface treatment method as the following methods or conditions.
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。 Further, in this specification, in order to facilitate understanding of the scope of claims, numbers corresponding to the members shown in the examples are indicated in the “claims” and “means for solving problems” sections. It is added to the members. However, the members shown in the claims are not limited to the members in the embodiments.
本発明の金属の表面処理方法は、図１に示すように、ショットピーニング工程で、母材金属１の表面に、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２をショットピーニングして、母材金属１の表面に異種金属膜３を設け、ショットピーニング工程で異種金属膜３を設けた母材金属１の表面に、図２に示す電子線照射工程で、電子ビーム４を照射して異種金属膜３と母材金属１とを結合する。
In the metal surface treatment method of the present invention, as shown in FIG. 1, in the shot peening process, the surface of the
［ショットピーニング工程］
母材金属１の表面に、図１に示すショットピーニング工程において、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２をショットピーニングして、母材金属１の表面に異種金属膜３を設ける。母材金属１は、用途に最適な金属、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、鉄合金、アルミ合金、銅合金、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｆ及びフッ化物、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｓ及び硫化物、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖを含む金属、銀合金、金合金、カルシウム合金、コバルト合金、クロム合金、マグネシウム合金、マンガン合金、ニッケル合金、ニオブ合金、タンタル合金、チタン合金、バナジウム合金、焼結金属等が使用される。ショットピーニングに使用する異種金属粒２には、Ｗ、Ｃ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｆ及びフッ化物、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｓ及び硫化物、Ｔａ、Ｖの少なくとも何れかを含むものを使用する。ショットピーニングは、複数の異なる異種金属粒を混合したものを使用することもできる。さらに、ショットピーニングに使用する異種金属粒２は、母材金属１より融点の低い金属粒を使用し、また、反対に母材金属２よりも融点の高い金属粒を使用する。さらに、母材金属１よりも融点の低い金属粒と高い金属粒の両方を混合したものを使用する。[Shot peening process]
In the shot peening process shown in FIG. 1,
異種金属粒２をショットピーニングして母材金属１に結合する方法は、異種金属粒２を母材金属１に勢いよく衝突させて、異種金属粒２の運動のエネルギーで母材金属１に物理的に結合させる。したがって、母材金属１と異種金属粒２には種々の金属を使用できる。
The method of shot peening the
ショットピーニング工程は、平均粒径を０．０３μｍないし５００μｍとする異種金属粒２を、噴射圧力０．３ＭＰａ以上、好ましくは０．５ＭＰａ以上で母材金属１の表面に向かって噴射する。母材金属１に噴射する異種金属粒２の平均粒径は、異種金属膜３の膜厚を特定する。したがって、母材金属１に噴射される異種金属粒２は、異種金属膜３の膜厚を考慮して最適値のものが使用されるが、好ましくは０．１μｍないし５０μｍ、さらに好ましくは０．３μｍないし１０μｍとする。さらに、異種金属粒２には、異種金属膜とならない搬送担体粒子の表面に、異種金属膜となる異種金属の微細金属粒子を付着しているものも使用できる。この異種金属粒２は、搬送担体粒子の平均粒径を１００μｍないし１ｍｍとし、微細金属粒子を０．０３μｍないし３０μｍとする。この異種金属粒２は、微細金属粒子を小さくして、すなわち薄い異種金属膜を効率よく母材金属１の表面に付着できる。それは、大きな搬送担体粒子の運動のエネルギーが大きく、これが微細金属粒子を母材金属１の表面に勢いよく衝突させるからである。
In the shot peening process, the
［電子線照射工程］
この工程は、異種金属膜３を設けている母材金属１の表面に電子ビーム４を照射し、電子ビーム４のエネルギーで異種金属膜３を局部加熱して母材金属１と結合する。図２は、電子線照射工程に使用する電子線照射装置１０を示す。この電子線照射装置１０は、異種金属膜３を設けた母材金属１を密閉チャンバー１１に入れ、密閉チャンバー１１を真空にして電子ビーム４を照射する。なお、密閉チャンバー１１は、目的に応じて窒素ガスなどの気体雰囲気下にしてもよい。電子ビーム４は、異種金属膜３を母材金属１に結合できる最適なエネルギー密度として、母材金属１の表面に照射される。電子線照射装置１０は、ヒーター１８を加熱して電子を放射する電子銃１２と、電子銃１２から放射される電子線を電子ビーム４に磁界で集束する集束コイル１３と、集束された電子ビーム４を磁界で母材金属１の表面に走査する偏向コイル１４とを備える。[Electron beam irradiation process]
In this step, the surface of the
電子銃１２は、ヒーター１８が加熱されて熱電子を放出するカソード１５と、カソード１５から放出される電子の数、すなわち電子ビーム４の電流値をコントロールするバイアス電極１６と、電子ビーム４を加速するアノード１７とを備える。カソード１５とバイアス電極１６は負電圧、アノード１７は高電圧の正電圧が電源１９から供給される。電子銃１２から放射される電子ビーム４は、集束コイル１３でもって母材金属１の表面に所定の面積のスポットに集束される。さらに、偏向コイル１４で電子ビーム４を走査して、母材金属１の全面に電子ビーム４を照射する。
The
電子ビーム４のエネルギーは、アノード１７の加速電圧と、バイアス電極１６の負電圧による電子ビーム４の電流値と、偏向コイル１４による走査速度とでコントロールできる。アノード１７の加速電圧を高くし、バイアス電極１６の負電圧を小さくし、電子ビーム４を集束するスポットの面積を小さくし、さらに電子ビーム４の走査速度を遅くして、照射領域のエネルギー密度を高くできる。
The energy of the
電子線照射装置１０が母材金属１の表面に照射する電子ビーム４のエネルギーは、異種金属膜３の材質と膜厚、さらに母材金属１の種類により最適値に設定される。電子ビームのエネルギーは、好ましくは異種金属膜３と母材金属１とを合金状態に結合する大きさとする。この方法では、図３に示すように、異種金属膜３と母材金属１とが合金状態に結合してなる表面層５が母材金属１の表面に形成される。
The energy of the
ただし、電子ビームのエネルギーは、母材金属１の表面に母材金属１より融点の低い金属粒である異種金属粒２をショットピーニングし、電子ビーム４を照射して異種金属膜３を溶融して異種金属膜３を母材金属１に結合する大きさにコントロールすることもできる。この方法では、図４に示すように、溶融する異種金属膜３が母材金属１の表面に結合して表面層５が形成される。
However, the energy of the electron beam is shot peened on the surface of the
また、電子線照射のエネルギーは、母材金属１の表面に母材金属１より融点の高い金属粒である異種金属粒２をショットピーニングし、電子ビーム４を照射して母材金属１を溶融して異種金属膜３を母材金属１に結合する大きさにコントロールすることもできる。この方法では、図５に示すように、溶融する母材金属１の表面に異種金属膜３が埋設される状態で結合してなる表面層５が、母材金属１の表面に形成される。
Further, the energy of electron beam irradiation is shot peening on the surface of the
さらに、ショットピーニング工程において、図６に示すように、平均粒径の異なる異種金属粒２を母材金属１の表面に噴射して、凹凸のある異種金属膜３を設けることができる。この異種金属膜３に電子ビームを照射すると、異種金属膜３は、図に示すように、表面に凹凸のある状態で母材金属１に結合されて、表面を凹凸面とする表面層５が形成される。
Furthermore, in the shot peening process, as shown in FIG. 6, different types of
さらに、図示しないが、ショットピーニング工程において、異なる金属からなる複数の異種金属粒を母材金属の表面に噴射して、異なる金属からなる異種金属膜を設けることもできる。この異種金属膜に電子ビームを照射すると、複数種の金属粒からなる表面層を母材金属の表面に形成できる。 Furthermore, although not shown, in the shot peening process, a plurality of different metal particles made of different metals can be sprayed onto the surface of the base metal to provide a different metal film made of different metals. When this dissimilar metal film is irradiated with an electron beam, a surface layer composed of a plurality of types of metal particles can be formed on the surface of the base metal.
さらに、本発明の表面処理方法は、ショットピーニング工程と電子線照射工程とを複数回繰り返して、母材金属１の表面に、複数の表面層５を積層することもできる。この方法は、図７に示すように、ショットピーニング工程で母材金属１の表面に設けた異種金属膜３に、電子線照射工程で電子ビームを照射して異種金属膜３と母材金属１とを結合して、母材金属１の表面に表面層５を設けた後、この表面層５の表面に異種金属粒２をショットピーニングして異種金属膜３を設け、さらに、この異種金属膜３に電子ビームを照射して異種金属膜３を表面層５に結合させて、母材金属１の表面に２層の表面層５を積層する。さらに、これらの工程を繰り返すことによって、多層の表面層を母材金属の表面に積層できる。このように、母材金属１の表面に複数の表面層５を積層する方法は、母材金属１の表面に厚い膜を形成できる。さらに、母材金属１の表面に積層される複数の表面層５は、同じ金属とすることも、異なる金属とすることもできる。同じ金属からなる表面層を母材金属の表面に積層する方法は、同一金属からなる厚膜の厚い表面層を母材金属の表面に形成できる。また、異なる金属からなる表面層を母材金属の表面に積層する方法は、性質の異なる複数の金属膜を積層状態で母材金属の表面に形成できる。
Furthermore, the surface treatment method of the present invention can also stack the plurality of surface layers 5 on the surface of the
本発明の金属の表面処理方法は、上述したショットピーニング工程と電子線照射工程を複数回繰り返し行うことができるので、母材金属の表面に形成される表面層全体の膜厚を厚くすることができる。したがって、この膜厚を調整することによって、種々広範囲な製品の金属表面を目的に応じて加工することができる。 In the metal surface treatment method of the present invention, since the above-described shot peening process and electron beam irradiation process can be repeated a plurality of times, the film thickness of the entire surface layer formed on the surface of the base metal can be increased. it can. Therefore, by adjusting this film thickness, the metal surface of various wide-ranging products can be processed according to the purpose.
（１）ショットピーニング工程
母材金属１である純銅又は銅合金の表面に、二硫化モリブデンからなる異種金属粒２をショットピーニングする。異種金属粒２の平均粒径は１０μｍ、ショットピーニングの噴射圧力は１ＭＰａとする。このショットピーニングで、母材金属１の表面に二硫化モリブデンの異種金属膜３を設ける。
（２）電子線照射工程
表面に二硫化モリブデンの異種金属膜３を設けた母材金属１を密閉チャンバー１１に入れ、密閉チャンバー１１を排気して真空として、母材金属１の表面に電子ビーム４を照射する。電子線照射の条件は以下のように設定する。密閉チャンバー１１の真空度は７Ｐａ以下とする。
電子ビームのスポットの直径…０．３ｍｍ
加速電圧…………………………３０ｋＶ
ビーム電流………………………１００ｍＡ
電子ビームの走査面積…………３０ｍｍ×３０ｍｍ
全面の走査時間…………………２秒(1) Shot peening process On the surface of pure copper or copper alloy which is the
(2) Electron Beam Irradiation Step
Electron beam spot diameter: 0.3 mm
Acceleration voltage ………………………… 30kV
Beam current …………………… 100mA
Scanning area of electron beam …… 30mm × 30mm
Scanning time for the entire surface ………………… 2 seconds
電子ビーム４を平行に走査して、全走査面積に均一に電子線照射すると、母材金属１の表面に銅と二硫化モリブデンを合金状態とする潤滑性に優れた表面層ができる。この表面層は、単に二硫化モリブデンをショットピーニングして母材金属１の表面に付着した表面処理に比較して、鉄と二硫化モリブデンとが合金状態となって強く結合し、極めて優れた潤滑性と耐摩耗性を実現する。
When the
さらに、以上のショットピーニング工程と、電子線照射工程を複数回繰り返して、母材金属１の表面に、母材金属１の鉄と合金状態となって強く結合している二硫化モリブデンの表面層を厚く設けることができる。
Further, the surface layer of molybdenum disulfide that is strongly bonded to the surface of the
（１）ショットピーニング工程
母材金属１のＴｉ表面に、タングステンの異種金属粒２をショットピーニングする。異種金属粒２であるタングステンの平均粒径は２０μｍ、ショットピーニングの噴射圧力は１ＭＰａとする。このショットピーニングで、母材金属１の表面にタングステンの異種金属膜３を設ける。
（２）電子線照射工程
表面にタングステンの異種金属膜３を設けた母材金属１を密閉チャンバー１１に入れ、密閉チャンバー１１を排気して真空として、母材金属１の表面に電子ビーム４を照射する。電子線照射の条件は以下のように設定する。密閉チャンバー１１の真空度は７Ｐａ以下とする。
電子ビームのスポットの直径…０．３ｍｍ
加速電圧…………………………３０ｋＶ
ビーム電流………………………１１０ｍＡ
電子ビームの走査面積…………３０ｍｍ×３０ｍｍ
全面の走査時間…………………１秒(1) Shot peening process The
(2) Electron Beam Irradiation Step
Electron beam spot diameter: 0.3 mm
Acceleration voltage ………………………… 30kV
Beam current …………………… 110mA
Scanning area of electron beam …… 30mm × 30mm
Scanning time for the entire surface ………………… 1 second
電子ビーム４を平行に走査して、全走査面積に均一に電子線照射すると、母材金属１の表面にチタンとタングステンを合金状態とする耐摩耗性に優れた表面層ができる。この表面層は、単にタングステンをショットピーニングして母材金属１の表面に付着した表面処理に比較して、タングステンとチタンとが合金状態となって強く結合し、極めて優れた耐摩耗性を実現する。
When the
さらに、この方法も、以上のショットピーニング工程と、電子線照射工程を複数回繰り返して、母材金属の表面に、母材金属のチタンと合金状態となって強く結合しているタングステンの表面層を厚く設けることができる。 Furthermore, this method also repeats the above shot peening process and electron beam irradiation process a plurality of times, and the tungsten surface layer is strongly bonded to the surface of the base metal in an alloy state with titanium of the base metal. Can be provided thick.
（１）ショットピーニング工程
母材金属１にＳＫＤ−１１を使用し、ＳｉＣからなる異種金属粒２をショットピーニングする。異種金属粒２の平均粒径は３μｍ、ショットピーニングの噴射圧力は１ＭＰａとする。このショットピーニングで、母材金属１の表面にＳｉＣの異種金属膜３を設ける。
（２）電子線照射工程
表面にＳｉＣの異種金属膜３を設けた母材金属１を密閉チャンバー１１に入れ、密閉チャンバー１１を排気して真空として、母材金属１の表面に電子ビーム４を照射する。電子線照射の条件は以下のように設定する。密閉チャンバー１１の真空度は７Ｐａ以下とする。
電子ビームのスポットの直径…０．３ｍｍ
加速電圧…………………………３０ｋＶ
ビーム電流………………………１００ｍＡ
電子ビームの走査面積…………３０ｍｍ×３０ｍｍ
全面の走査時間…………………２秒(1) Shot peening process SKD-11 is used for the
(2) Electron Beam Irradiation Step The
Electron beam spot diameter: 0.3 mm
Acceleration voltage ………………………… 30kV
Beam current …………………… 100mA
Scanning area of electron beam …… 30mm × 30mm
Scanning time for the entire surface ………………… 2 seconds
電子ビーム４を平行に走査して、全走査面積に均一に電子線照射すると、母材金属１の表面にＳＫＤ−１１とＳｉＣを合金状態とする表面層ができる。この表面層と、母材金属であるＳＫＤ−１１の摩擦係数をボールオンディスク試験方法で測定すると、母材金属と、得られた表面層の摩擦係数は、１：０．２となった。このことから、摩擦係数の低い表面層が得られたことがわかる。
When the
また、本発明の金属の表面処理方法は、図８に示すように、仮膜工程で、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２を母材金属１に向かって加速して衝突させて、エネルギービームのエネルギーで消失するバインダ６を介して付着して母材金属１の表面に金属粉末層９を設け、仮膜工程で金属粉末層９を設けた母材金属１の表面に、図２に示すビーム照射工程で、電子ビーム４又はレーザービームからなるエネルギービームを照射して金属粉末層９と母材金属１とを結合することもできる。
In addition, as shown in FIG. 8, the metal surface treatment method of the present invention accelerates and collides
［仮膜工程］
母材金属１の表面に、図８に示す仮膜工程において、母材金属１と異なる金属粒である異種金属粒２をバインダ６で付着して金属粉末層９を設ける。異種金属粒２は、母材金属１に向かって加速し、母材金属１の表面に衝突させて、バインダ６で母材金属１の表面に付着する。[Temporary membrane process]
On the surface of the
母材金属１は、用途に最適な金属、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、鉄合金、アルミ合金、銅合金、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖを含む金属、銀合金、金合金、カルシウム合金、コバルト合金、クロム合金、マグネシウム合金、マンガン合金、ニッケル合金、ニオブ合金、タンタル合金、チタン合金、バナジウム合金、焼結金属、Ｆ、Ｓ、及びこれ等の金属のフッ化物、硫化物、窒化物、炭化物、ホウ化物等が使用される。
The
異種金属粒２には、Ｗ、Ｃ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｖ、Ｆ、Ｓ、及びこれ等の金属のフッ化物、硫化物、窒化物、炭化物、ホウ化物の少なくとも何れかを含むものを使用する。金属粉末層９の異種金属粒２は、複数の異なる異種金属粒を混合したものを使用することもできる。さらに、金属粉末層９の異種金属粒２は、母材金属１より融点の低い金属粒を使用し、また、反対に母材金属２よりも融点の高い金属粒を使用することもできる。さらに、母材金属１よりも融点の低い金属粒と融点の高い金属粒の両方を混合したものを使用することもできる。母材金属表面の摩擦抵抗を小さくし、さらに耐摩耗性を向上するには、異種金属粒として二硫化モリブデンと、硫化タングステンと、窒化硼素のいずれかを使用し、あるいはこれ等の混合物を使用する。
異種金属粒２の金属粉末層９を母材金属１に設けるには、母材金属１の表面にバインダ６を塗布し、バインダ６を設けた母材金属１の表面に向かって異種金属粒２を加速して、これを母材金属１の表面に衝突させる。母材金属１の表面に衝突する異種金属粒２は、運動のエネルギーでバインダ６の内部に侵入して、母材金属１の表面に密結合して金属粉末層となる。
In order to provide the
異種金属粒２は、加圧流体のエネルギーで加速され、あるいは電界で加速されて、母材金属１の表面に衝突される。異種金属粒２を加速する加圧流体は、加圧空気又は加圧液体である。加圧空気で異種金属粒２を加速するには、ショットピーニングが適している。ショットピーニングは、加圧された空気で異種金属粒２を加速して、母材金属１の表面に衝突させる。ショットピーニングは、あらかじめバインダ６を塗布している母材金属１の表面に異種金属粒２を加速して衝突させる。ショットピーニングで加速して母材金属１に衝突される異種金属粒２は、未硬化なバインダ６中に侵入し、あるいは硬化したバインダ中に侵入して、母材金属１の表面に密結合して金属粉末層９を形成する。この方法は、空気の圧力を０．３ＭＰａ以上、好ましくは０．５ＭＰａ以上として、異種金属粒２を母材金属１の表面に向かって加速する。空気圧は、バインダを未硬化な状態とするか、あるいは硬化した状態とするかで変化させる。未硬化なバインダに向かって異種金属粒を加速する空気圧は、硬化したバインダに異種金属粒を加速する空気圧よりも低くできる。それは、未硬化なバインダは、異種金属粒をスムーズに内部に侵入でき、硬化したバインダは異種金属粒を内部に侵入させるのに、大きな運動のエネルギーを必要とするからである。バインダは硬化しても母材金属よりも硬度が低く、流体で加速された異種金属粒を内部に侵入させて、母材金属の表面に密結合できる。
The
加圧された液体で異種金属粒を加速するには、図９に示すように、異種金属粒２を液状ないしペースト状のバインダ６に混合し、異種金属粒２を混合しているバインダ６を加圧してノズル７から噴射して、異種金属粒２を母材金属１の表面に衝突させる。バインダ６と一緒に母材金属１に向かって加速される異種金属粒２は、バインダ６よりも比重が大きく、バインダ６よりも大きな運動のエネルギーでバインダ６内に侵入して、母材金属１の表面に付着されて金属粉末層９となる。
In order to accelerate the dissimilar metal particles with the pressurized liquid, as shown in FIG. 9, the
図１０と図１１は、異種金属粒２を電界で加速して母材金属１の表面に衝突させる。図１０の方法は、異種金属粒２と母材金属１とに高電圧を印加する。異種金属粒２は、ノズル７から帯電して噴射される。帯電した異種金属粒２は、静電界に加速されて母材金属１に衝突する。この方法は、バインダ６を塗布している母材金属１の表面に、バインダ６が未硬化な状態で、電界で加速された異種金属粒２を衝突させて金属粉末層９を設ける。この方法は、バインダと異種金属粒の両方を電界で加速して母材金属の表面に衝突させて、金属粉末層を設けることもできる。
10 and 11,
図１１の方法は、異種金属粒２を混合しているバインダ６に母材金属１を浸漬し、バインダ６を充填している導電容器８と母材金属１とに電圧を印加する。バインダ６に混合される異種金属粒２は帯電し、静電力で母材金属１の表面に向かって加速される。
In the method of FIG. 11, the
さらに、図１２は、磁界で異種金属粒２を母材金属１の表面に加速して衝突する方法を示す。この図の方法は、異種金属粒２を電界と磁界の両方で加速して母材金属１の表面に衝突させる。この方法は、異種金属粒２をノズル７から帯電して噴射させる。噴射される異種金属粒２は、磁界で加速され、また磁界で集束されて母材金属１の表面に衝突される。この方法は、ノズル７から噴射される異種金属粒２を磁界でビーム状に集束して母材金属１の表面に衝突できる。したがって、異種金属粒２のビームを母材金属１の表面に走査して母材金属１の表面全面に、加速された異種金属粒２を衝突することができる。
Further, FIG. 12 shows a method of accelerating and colliding
バインダ６は、エネルギービームの照射で消失する。すなわち、バインダ６は、電子ビームやレーザービームのエネルギーで異種金属粒２を母材金属１に溶融状態に結合するに先だって、異種金属粒２を母材金属１に仮結合するものである。したがって、バインダ６は、電子ビームやレーザービームの照射で異種金属粒２を母材金属１に溶融して結合するまで、異種金属粒２を母材金属１に結合すれば足りる。バインダ６は、エネルギービームで消失するが、必ずしもバインダの全ての成分を完全に消失する必要はない。エネルギービームでバインダに含まれる成分の一部、たとえは、バインダにシリコンを含有し、このシリコンを異種金属粒と母材金属との合金成分に含ませることもできる。
The
バインダ６は、水溶性又は有機溶媒溶解性のものであって、たとえば、糖類やセルローズ類を使用する。さらに具体的には、バインダ６には、アラビアゴム、トラガント、ガラヤゴム、カラメル、デンプン、可溶性デンプン、デキストリン、αデンプン、アルギン酸ナトリウム、ゼラチン、ローカストピーンガム、カゼインなどであり、半合成品では、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチル化デンプンナトリウム塩、ヒドロキシエチル化デンプン、デンプンリン酸エステルナトリウム塩、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース、アセチルセルロース、エステルガムのいずれかからなる天然物、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ナトリウム塩、水溶性共重合体、部分けん化酢酸ビニルとビニルエーテルの共重合体、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸及びそのエステルまたは塩の重合体または共重合体、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ビニルピロリドン−酢酸ビニル共重合体、ポリ酢酸ビニル、クマロン樹脂、石油樹脂、フェノール樹脂のいずれかからなる合成物のいずれかを単独であるいは複数種を混合したものを使用する。さらに、バインダ６には、紫外線を照射して硬化する照射硬化樹脂を使用することもでき、また、オイルのように異種金属粒を付着する作用のある液体も使用できる。潤滑油のオイルは、粘度を高くして金属粉末層を厚く、また、粘度を低くして金属粉末層を薄くできる。オイルは、接着剤のように硬化しないが、その粘着力で異種金属粒を母材金属の表面に付着する。
The
仮膜工程は、粉末状のバインダ６と異種金属粒２とを母材金属１の表面に静電力で付着し、その後、加熱してバインダ６で異種金属粒２を母材金属１の表面に結合して金属粉末層９を設けることもできる。このバインダ６には、加熱すると溶融するホットメルトのバインダを使用する。ホットメルトのバインダは、加熱して溶融した後、冷却して異種金属粒２を母材金属１の表面に結合する。粉末のバインダ６と異種金属粒２とを静電力で母材金属１の表面に向かって加速すると、異種金属粒２の比重がバインダ６よりも大きく、異種金属粒２の運動のエネルギーが大きくなる。したがって、バインダ６と異種金属粒２の粉末を静電力で加速して母材金属１の表面に付着すると、重い異種金属粒２が軽いバインダ６の内部に侵入して、母材金属１の表面に密結合して金属粉末層９となる。
In the temporary film forming step, the
バインダ６を介して母材金属１の表面に結合される金属粉末層９は、バインダ６の粘度と、バインダ６を塗布する膜厚で、金属粉末層９の膜厚をコントロールできる。バインダ６の粘度を高くして金属粉末層９の膜厚を厚くできる。また、母材金属１の表面に塗布する塗膜を厚くして、金属粉末層９の膜厚を厚くすることもできる。バインダ６の粘度は、溶剤での希釈量でコントロールできる。バインダ６は、溶剤量を多くして薄く希釈して粘度を低くできる。
The
仮膜工程は、平均粒径を０．０３μｍないし５００μｍとする異種金属粒２を母材金属１の表面に向かって加速して衝突させる。異種金属粒２の平均粒径は、金属粉末層９の膜厚に影響を与える。母材金属１に噴射される異種金属粒２は、金属粉末層９の膜厚を考慮して最適値のものが使用されるが、好ましくは０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．３μｍ以上であって、好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とする。
In the temporary film forming process, the
さらに、異種金属粒には、金属粉末層とならない搬送担体粒子の表面に、金属粉末層となる異種金属の微細金属粒子を付着しているものも使用できる。この異種金属粒は、搬送担体粒子の平均粒径を１００μｍないし１ｍｍとし、微細金属粒子を０．０３μｍないし３０μｍとする。この異種金属粒は、微細金属粒子を小さくして、すなわち薄い金属粉末層を効率よく母材金属の表面に付着できる。それは、大きな搬送担体粒子の運動のエネルギーが大きく、これが微細金属粒子を母材金属の表面に勢いよく衝突させるからである。 Further, as the dissimilar metal particles, those in which fine metal particles of dissimilar metal that becomes the metal powder layer are attached to the surface of the carrier particles that do not become the metal powder layer can be used. In this dissimilar metal particle, the average particle diameter of the carrier particles is 100 μm to 1 mm, and the fine metal particle is 0.03 μm to 30 μm. The foreign metal particles can make fine metal particles small, that is, a thin metal powder layer can be efficiently attached to the surface of the base metal. This is because the kinetic energy of the large carrier particles is large, which causes the fine metal particles to collide with the surface of the base metal vigorously.
［ビーム照射工程］
この工程は、金属粉末層９を設けている母材金属１の表面に電子ビーム又はレーザービームからなるエネルギービームを照射し、エネルギービームのエネルギーで金属粉末層９を局部加熱して母材金属１と結合する。図２は、ビーム照射工程に使用する電子線照射装置１０を示す。この電子線照射装置１０は、金属粉末層９を設けた母材金属１を密閉チャンバー１１に入れ、密閉チャンバー１１を真空にして電子ビーム４を照射する。なお、密閉チャンバー１１は、目的に応じて窒素ガスなどの気体雰囲気下にしてもよい。電子ビーム４は、金属粉末層９を母材金属１に結合できる最適なエネルギー密度として、母材金属１の表面に照射される。電子線照射装置１０は、ヒーター１８を加熱して電子を放射する電子銃１２と、電子銃１２から放射される電子線を電子ビーム４に磁界で集束する集束コイル１３と、集束された電子ビーム４を磁界で母材金属１の表面に走査する偏向コイル１４とを備える。[Beam irradiation process]
In this step, the surface of the
電子銃１２は、ヒーター１８が加熱されて熱電子を放出するカソード１５と、カソード１５から放出される電子の数、すなわち電子ビーム４の電流値をコントロールするバイアス電極１６と、電子ビーム４を加速するアノード１７とを備える。カソード１５とバイアス電極１６は負電圧、アノード１７は高電圧の正電圧が電源１９から供給される。電子銃１２から放射される電子ビーム４は、集束コイル１３でもって母材金属１の表面に所定の面積のスポットに集束される。さらに、偏向コイル１４で電子ビーム４を走査して、母材金属１の全面に電子ビーム４を照射する。
The
電子ビーム４のエネルギーは、アノード１７の加速電圧と、バイアス電極１６の負電圧による電子ビーム４の電流値と、偏向コイル１４による走査速度とでコントロールできる。アノード１７の加速電圧を高くし、バイアス電極１６の負電圧を小さくし、電子ビーム４を集束するスポットの面積を小さくし、さらに電子ビーム４の走査速度を遅くして、照射領域のエネルギー密度を高くできる。
The energy of the
電子線照射装置１０が母材金属１の表面に照射する電子ビーム４のエネルギーは、金属粉末層９の材質と膜厚、さらに母材金属１の種類により最適値に設定される。電子ビームのエネルギーは、好ましくは金属粉末層９と母材金属１とを合金状態に結合する大きさとする。この方法では、図１３に示すように、金属粉末層９と母材金属１とを合金状態に結合してなる表面層５が母材金属１の表面に形成される。
The energy of the
ただし、電子ビーム４のエネルギーは、母材金属１の表面に母材金属１より融点の低い金属粒である異種金属粒２をショットピーニングし、電子ビーム４を照射して金属粉末層９を溶融して金属粉末層９を母材金属１に結合する大きさにコントロールすることもできる。この方法では、図１４に示すように、溶融する金属粉末層９が母材金属１の表面に結合して表面層５が形成される。
However, the energy of the
また、電子線照射のエネルギーは、母材金属１の表面に母材金属１より融点の高い金属粒である異種金属粒２をショットピーニングし、電子ビーム４を照射して母材金属１を溶融して金属粉末層９を母材金属１に結合する大きさにコントロールすることもできる。この方法では、図１５に示すように、溶融する母材金属１の表面に金属粉末層９が埋設される状態で結合してなる表面層５が、母材金属１の表面に形成される。
Further, the energy of electron beam irradiation is shot peening on the surface of the
さらに、仮膜工程において、図１６に示すように、平均粒径の異なる異種金属粒２を母材金属１の表面に噴射して、凹凸のある金属粉末層９を設けることができる。この金属粉末層９に電子ビームを照射すると、金属粉末層９は、図に示すように、表面に凹凸のある状態で母材金属１に結合されて、表面を凹凸面とする表面層５が形成される。
Furthermore, in the temporary film process, as shown in FIG. 16,
さらに、図示しないが、仮膜工程において、異なる金属からなる複数の異種金属粒を母材金属の表面に噴射して、異なる金属からなる金属粉末層を設けることもできる。この金属粉末層に電子ビームを照射すると、複数種の金属粒からなる表面層を母材金属の表面に形成できる。 Furthermore, although not shown, in the temporary film process, a plurality of different metal particles made of different metals can be sprayed onto the surface of the base metal to provide a metal powder layer made of different metals. When this metal powder layer is irradiated with an electron beam, a surface layer composed of a plurality of types of metal particles can be formed on the surface of the base metal.
さらに、本発明の表面処理方法は、仮膜工程とビーム照射工程とを複数回繰り返して、母材金属１の表面に、複数の表面層５を積層することもできる。この方法は、図１７に示すように、仮膜工程で母材金属１の表面に設けた金属粉末層９に、ビーム照射工程でエネルギービームを照射して金属粉末層９と母材金属１とを結合して、母材金属１の表面に表面層５を設けた後、この表面層５の表面にバインダ６を介して金属粉末層９を設け、さらに、この金属粉末層９にエネルギービームを照射して金属粉末層９を表面層５に結合させて、母材金属１の表面に２層の表面層５を積層する。さらに、これらの工程を繰り返すことによって、多層の表面層を母材金属の表面に積層できる。このように、母材金属１の表面に複数の表面層５を積層する方法は、母材金属１の表面に厚い膜を形成できる。さらに、母材金属１の表面に積層される複数の表面層５は、同じ金属とすることも、異なる金属とすることもできる。同じ金属からなる表面層を母材金属の表面に積層する方法は、同一金属からなる厚膜の厚い表面層を母材金属の表面に形成できる。また、異なる金属からなる表面層を母材金属の表面に積層する方法は、性質の異なる複数の金属膜を積層状態で母材金属の表面に形成できる。
Furthermore, the surface treatment method of the present invention can also laminate the plurality of surface layers 5 on the surface of the
本発明の金属の表面処理方法は、上述した仮膜工程とビーム照射工程を複数回繰り返し行うことができるので、母材金属の表面に形成される表面層全体の膜厚を厚くすることができる。したがって、この膜厚を調整することによって、種々広範囲な製品の金属表面を目的に応じて加工することができる。 In the metal surface treatment method of the present invention, the above-described temporary film process and beam irradiation process can be repeated a plurality of times, so that the thickness of the entire surface layer formed on the surface of the base metal can be increased. . Therefore, by adjusting this film thickness, the metal surface of various wide-ranging products can be processed according to the purpose.
以上の方法は、金属粉末層９に電子ビーム４を照射して、金属粉末層９を母材金属１の表面に結合するが、電子ビームに代わってレーザービームを照射して、金属粉末層を母材金属の表面に結合することもできる。すなわち、電子ビームのエネルギーに代わってレーザービームのエネルギーで金属粉末層を母材金属の表面に結合することもできる。レーザービームは、電子のエネルギーに代わって、電磁波のエネルギーで異種金属粒と母材金属の両方又は一方を溶融して、金属粉末層を母材金属の表面に強く結合する。
In the above method, the
［研磨工程］
研磨工程は、母材金属に金属粉末層を結合して設けられる表面層の表面を研磨して平滑とする。この研磨工程は本発明に必須の工程ではないが、表面層を研磨することで表面を所定の平滑度にコントロールしてより摩擦抵抗を小さくできる。また、表面層が接触する被接触面の摩耗も少なくできる。研磨工程は、母材金属の表面層に研磨粒をショットブラストして処理される。研磨粒にはシリコンカーバイト、シリカ、アルミナ、あるいはこれらの混合物である無機の微粉末、さらにＷ、Ｃ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｆ及びフッ化物、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｓ及び硫化物、Ｔａ、Ｖの少なくとも何れかを含む金属粒も使用できる。研磨工程でショットブラストに使用される研磨粒は平均直径を１μｍよりも大きく、また５０μｍよりも小さくする。[Polishing process]
In the polishing step, the surface of the surface layer provided by bonding the metal powder layer to the base metal is polished and smoothed. Although this polishing step is not an essential step in the present invention, the surface layer is polished to control the surface to a predetermined smoothness, thereby reducing the frictional resistance. Further, the wear of the contacted surface with which the surface layer contacts can be reduced. The polishing step is performed by shot blasting abrasive grains on the surface layer of the base metal. The abrasive grains include silicon carbide, silica, alumina, or an inorganic fine powder that is a mixture of these, W, C, B, Ti, Ni, Cr, Si, Mo, Ag, Au, Ba, Be, Ca, Metal grains containing at least one of Co, Cu, Fe, F and fluoride, Mg, Mn, Nb, Pt, S and sulfide, Ta, and V can also be used. Abrasive grains used for shot blasting in the polishing step have an average diameter larger than 1 μm and smaller than 50 μm.
（１）仮膜工程
鉄工具鋼（ＳＫＤ−１１）からなる母材金属の表面にペースト状のバインダを塗布する。バインダには、アラビアゴムを使用する。バインダが未硬化な状態で、異種金属粒として二硫化モリブデンの粉末をショットピーニングする。ショットピーニングされる二硫化モリブデンの粉末は、加圧空気でもって母材金属の表面に向かって加速され、母材金属の鉄工具鋼の表面に衝突して金属粉末層となる。異種金属粒の二硫化モリブデン粉末は、平均粒径を１０μｍ、ショットピーニングする空気の圧力を０．１ＭＰａとする。その後、バインダを硬化させる。この仮膜工程で、母材金属の表面に、膜厚を２００μｍとする二硫化モリブデンの金属粉末層を設ける。(1) Temporary film process A paste-like binder is apply | coated to the surface of the base metal which consists of iron tool steel (SKD-11). Gum arabic is used for the binder. Shot peening is performed with molybdenum disulfide powder as the dissimilar metal grains while the binder is uncured. The powder of molybdenum disulfide to be shot peened is accelerated toward the surface of the base metal with pressurized air, and collides with the surface of the base metal steel to form a metal powder layer. The dissimilar metal particles of molybdenum disulfide powder have an average particle size of 10 μm and a shot peening air pressure of 0.1 MPa. Thereafter, the binder is cured. In this temporary film forming step, a metal powder layer of molybdenum disulfide having a thickness of 200 μm is provided on the surface of the base metal.
（２）ビーム照射工程
バインダを硬化させた後、二硫化モリブデンの金属粉末層を設けた母材金属を密閉チャンバーに入れる。密閉チャンバーを排気して真空として、母材金属の表面に電子ビームを照射する。電子線照射の条件は、以下のように設定する。密閉チャンバーの真空度は７Ｐａ以下とする。
電子ビームのスポットの直径…０．３ｍｍ
加速電圧…………………………３０ｋＶ
ビーム電流………………………１００ｍＡ
電子ビームの走査面積…………３０ｍｍ×３０ｍｍ
全面の走査時間…………………８７秒(2) Beam irradiation step After the binder is cured, the base metal provided with a metal powder layer of molybdenum disulfide is placed in a sealed chamber. The sealed chamber is evacuated to a vacuum, and the surface of the base metal is irradiated with an electron beam. The conditions for electron beam irradiation are set as follows. The degree of vacuum in the sealed chamber is 7 Pa or less.
Electron beam spot diameter: 0.3 mm
Acceleration voltage ………………………… 30kV
Beam current …………………… 100mA
Scanning area of electron beam …… 30mm × 30mm
Scanning time for entire surface ………………… 87 seconds
電子ビームを平行に走査して、全走査面積に均一に電子ビームを照射すると、二硫化モリブデンと鉄工具鋼（ＳＫＤ−１１）とが溶融して結合し、母材金属の表面に潤滑性に優れた二硫化モリブデンの表面層ができる。その後、電子ビームを照射する状態で飛散して表面に付着する異種金属粒を擦って除去して表面粗さを調整する。 When the electron beam is scanned in parallel and the entire scanning area is uniformly irradiated with the electron beam, molybdenum disulfide and iron tool steel (SKD-11) are melted and bonded, and the surface of the base metal is lubricated. Excellent surface layer of molybdenum disulfide. Thereafter, the dissimilar metal particles scattered and adhered to the surface in a state where the electron beam is irradiated are rubbed and removed to adjust the surface roughness.
以上の工程で、約１０μｍの二硫化モリブデンの表面層ができる。この表面層は、ＳＫＤ−１１の金属と二硫化モリブデンとが合金状態となって強く結合し、極めて小さい摩擦係数にできると共に、極めて優れた耐摩耗性も実現する。以上の方法で表面処理された鉄工具鋼は、単に、二硫化モリブデンをショットピーニングする方法に比較して、表面層を極めて強固に結合できる。 With the above process, a surface layer of about 10 μm molybdenum disulfide is formed. In this surface layer, the metal of SKD-11 and molybdenum disulfide are strongly bonded in an alloy state, so that the friction coefficient can be made extremely small, and extremely excellent wear resistance is also realized. The steel tool steel surface-treated by the above method can bind the surface layer very firmly compared to the method of simply shot peening molybdenum disulfide.
以上の方法で表面処理された鉄工具鋼は、表面の摩擦係数が極めて小さい値となる。 The steel tool steel surface-treated by the above method has a very small surface friction coefficient.
実施例４で表面処理された表面層を、以下の研磨工程で研磨して最適な平滑度に仕上げる以外、実施例４と同様にして母材金属を表面処理する。この表面層は、研磨工程において、エネルギービームの照射痕が平滑化される。研磨工程は表面層に研磨粒をショットブラストして、表面を平滑に研磨する。ショットブラストによる研磨行程は、第１のショットブラストにおいて、平均直径５０μｍのシリコンカーバイトを０．５ＭＰａに加圧された空気で噴射し、第２のショットブラストにおいて２０μｍのシリコンカーバイトを１．２ＭＰａに加圧された空気で噴射して行う。さらに第３のショットブラストは、プラスチック粒子の表面にダイヤモンドの粉末を付着している粒体を１ＭＰａの空気で噴射して行う。 The base metal is surface-treated in the same manner as in Example 4 except that the surface layer subjected to the surface treatment in Example 4 is polished in the following polishing step and finished to an optimal smoothness. In the surface layer, the irradiation trace of the energy beam is smoothed in the polishing process. In the polishing step, abrasive grains are shot blasted on the surface layer to polish the surface smoothly. In the polishing process by shot blasting, silicon carbide having an average diameter of 50 μm is sprayed with air pressurized to 0.5 MPa in the first shot blast, and silicon carbide of 20 μm is 1.2 MPa in the second shot blast. Injected with pressurized air. Further, the third shot blasting is performed by injecting particles having diamond powder adhered to the surface of plastic particles with 1 MPa of air.
研磨された表面層は、ボールオンディスク摩耗試験における表面の摩擦係数が０．２７と、最も摩擦係数が小さいとされるＤＬＣの０．２に匹敵する極めて小さい値となる。 The polished surface layer has a surface friction coefficient of 0.27 in the ball-on-disk wear test, which is an extremely small value comparable to 0.2 of DLC, which is considered to have the smallest friction coefficient.
ただし、ボールオンディスク摩耗試験は、以下の条件で図１８に示すようにして行う。
［測定条件］
滑り速度‥０．１ｍ／ｓｅｃ
加重‥‥‥５Ｎ
測定時間‥９００ｓｅｃ
相手鋼球‥ＳＵＪ２（３／８インチ）However, the ball-on-disk wear test is performed as shown in FIG. 18 under the following conditions.
[Measurement condition]
Sliding speed: 0.1m / sec
Weight ... 5N
Measurement time 900sec
Counterpart steel ball SUJ2 (3/8 inch)
異種金属粒を二硫化モリブデンから二硫化タングステンとする以外、実施例４と同様にして母材金属の表面に約１０μｍの二硫化タングステンの表面層を設ける。この表面層は、ＳＫＤ−１１の金属と二硫化タングステンとが合金状態となって強く結合し、極めて小さい摩擦係数にでき、また、極めて優れた耐摩耗性も実現する。以上の方法で表面処理された鉄工具鋼は、単に、二硫化タングステンをショットピーニングする方法に比較して、表面層を極めて強固に結合できる。 A surface layer of tungsten disulfide of about 10 μm is provided on the surface of the base metal in the same manner as in Example 4 except that the dissimilar metal particles are changed from molybdenum disulfide to tungsten disulfide. In this surface layer, the metal of SKD-11 and tungsten disulfide are strongly bonded in an alloy state, so that the friction coefficient can be made extremely small, and excellent wear resistance is also realized. The steel tool steel surface-treated by the above method can bind the surface layer very firmly compared to the method of simply shot peening tungsten disulfide.
以上の方法で表面処理された鉄工具鋼も、表面の摩擦係数が極めて小さくなる。 The steel tool steel surface-treated by the above method also has a very small surface friction coefficient.
実施例６で表面処理された表面層を、実施例５と同様の研磨工程で研磨して最適な平滑度に仕上げる以外、実施例６と同様にして母材金属を表面処理する。この表面層は、研磨工程において、エネルギービームの照射痕が平滑化されて、表面の摩擦係数が０．３と、最も摩擦係数が小さいとされるＤＬＣの０．２に近い極めて小さい値となる。 The base metal is surface-treated in the same manner as in Example 6 except that the surface layer surface-treated in Example 6 is polished in the same polishing step as in Example 5 and finished to an optimal smoothness. In the polishing process, the surface of the surface layer is smoothed by the irradiation mark of the energy beam, and the friction coefficient of the surface is 0.3, which is an extremely small value close to DLC of 0.2, which is the smallest friction coefficient. .
異種金属粒を二硫化モリブデンから窒化硼素とする以外、実施例４と同様にして鉄工具鋼の表面に約１０μｍの窒化硼素の表面層を設ける。この表面層も、ＳＫＤ−１１の金属と窒化硼素とが合金状態となって強く結合し、極めて小さい摩擦係数にでき、また、極めて優れた耐摩耗性も実現する。以上の方法で表面処理された鉄工具鋼は、単に、窒化硼素をショットピーニングする方法に比較して、表面層を極めて強固に結合できる。 A surface layer of boron nitride of about 10 μm is provided on the surface of the iron tool steel in the same manner as in Example 4 except that the dissimilar metal particles are changed from molybdenum disulfide to boron nitride. In this surface layer, the metal of SKD-11 and boron nitride are combined in an alloy state and strongly bonded to each other, so that the friction coefficient can be made extremely small, and extremely excellent wear resistance can be realized. The steel tool steel surface-treated by the above method can bind the surface layer very firmly compared to the method of simply shot peening boron nitride.
以上の方法で表面処理された鉄工具鋼も、表面の摩擦係数が極めて小さい値となる。 The steel tool steel surface-treated by the above method also has a very small surface friction coefficient.
実施例８で表面処理された表面層を、実施例５と同様の研磨工程で研磨して最適な平滑度に仕上げる以外、実施例８と同様にして母材金属を表面処理する。この表面層は、研磨工程において、エネルギービームの照射痕が平滑化されて、表面の摩擦係数が０．３と、最も摩擦係数が小さいとされるＤＬＣの０．２に近い小さい値となる。 The base metal is surface-treated in the same manner as in Example 8, except that the surface layer surface-treated in Example 8 is polished in the same polishing step as in Example 5 to finish to an optimal smoothness. In the polishing step, the irradiation trace of the energy beam is smoothed in the polishing step, and the surface friction coefficient is 0.3, which is a small value close to DLC of 0.2, which is the smallest friction coefficient.
電子ビームに代わってレーザービームを照射する以外、実施例８と同様にして母材金属に約１０μｍの窒化硼素の表面層を設ける。この表面層も、単に窒化硼素をショットピーニングして母材金属の表面に付着した表面処理に比較して、ＳＫＤ−１１の金属と窒化硼素が溶融して合金状態となって強く結合し、極めて優れて小さい摩擦係数と極めて優れた耐摩耗性を実現する。 A surface layer of boron nitride of about 10 μm is provided on the base metal in the same manner as in Example 8 except that the laser beam is irradiated instead of the electron beam. Compared to the surface treatment in which boron nitride is simply shot peened with boron nitride and adhered to the surface of the base metal, this surface layer also melts and bonds strongly with the metal of SKD-11 and boron nitride. Excellent low coefficient of friction and very good wear resistance.
以上の実施例は、異種金属粒をバインダを介して母材金属の表面に金属粉末層を設けて、その金属粉末層にエネルギービームを照射して表面層を設け、その後に研磨工程で表面層を研磨するが、本発明は、バインダを使用することなく、異種金属粒をショットピーニングして母材金属の表面に付着し、これに電子線照射又はレーザービームからなるエネルギービームを照射して表面層を設けて、その後、エネルギービームの照射でできる照射痕を研磨して表面層の平滑度を最適値にコントロールすることもできる。 In the above embodiment, a metal powder layer is provided on the surface of a base metal through a binder with different metal particles, an energy beam is applied to the metal powder layer to provide a surface layer, and then the surface layer is subjected to a polishing process. In the present invention, without using a binder, different metal particles are shot peened to adhere to the surface of the base metal, and this is irradiated with an energy beam consisting of an electron beam or a laser beam. It is also possible to provide a layer and then polish the irradiation mark formed by irradiation with an energy beam to control the smoothness of the surface layer to an optimum value.
本発明は、母材金属を表面処理することで、母材金属単体では実現できず、またメッキ等の表面処理では実現できない耐摩耗性や小さい摩擦係数を実現して、種々の用途、とくに耐摩耗性や小さい摩擦抵抗が要求される種々の用途に理想的な状態で使用できる。 The present invention provides a wear resistance and a small friction coefficient that cannot be realized by a surface treatment such as plating by surface treatment of a base metal, and can be used for various applications, It can be used in an ideal state for various applications that require wear and small frictional resistance.
１…母材金属
２…異種金属粒
３…異種金属膜
４…電子ビーム
５…表面層
６…バインダ
７…ノズル
８…導電容器
９…金属粉末層
１０…電子線照射装置
１１…密閉チャンバー
１２…電子銃
１３…集束コイル
１４…偏向コイル
１５…カソード
１６…バイアス電極
１７…アノード
１８…ヒーター
１９…電源
９０…凝集粒体
９１…母材金属
９２…金属粉末粒子
９３…異種金属膜
９６…バインダDESCRIPTION OF
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