JPWO2014024780A1

JPWO2014024780A1 - 被覆方法及び装置、並びに被覆部材

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Publication number: JPWO2014024780A1
Application number: JP2014529462A
Authority: JP
Inventors: 秋田　秀樹; 秀樹秋田; 櫻井　茂行; 茂行櫻井; 小林　修一; 修一小林; 基司鈴木; 政幸志摩; 隆志菅原
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Tokyo University of Marine Science and Technology NUC
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Tokyo University of Marine Science and Technology NUC
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2016-07-25
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: JP6261047B2; WO2014024780A1

Abstract

基材Ｗの表面に被覆層３ａ１，３ａ２を形成する基材表面の被覆方法において、円筒状に形成して作製した被覆材２の環状の先端面を上記基材Ｗに接触させて、当該被覆材２を回転させつつ基材Ｗの表面に相対して移動させることによって、上記被覆材２を構成する材料を基材Ｗの表面に移着させて被覆層３ａ１，３ａ２を形成する。これにより、効率的に基材表面を被覆処理することができる。ひいては、摩擦摩耗特性等、被覆材２の材料に応じて基材Ｗの表面の特性を効果的に向上させることができる。

Description

本発明は基材表面に被覆層を形成する被覆方法及び装置、並びに被覆層を形成された被覆部材に関する。

金属の表面改質方法として、耐食性材料からなる円柱状の回転治具を金属基材の表面に押し当て、基材表面に対して相対運動させて摩擦攪拌を実施することによって、基材表面に耐食性材料からなる拡散層を形成する方法が提唱されている（特許文献１等参照）。

特開２００７−２２９７２１号公報

しかし、特許文献１の方法では中実の円柱状の回転治具の先端面を基材表面に接触させて回転させるが、この回転運動に起因する回転治具と基材との相対速度は、回転治具の先端面の中央部（回転中心付近）ではほぼゼロである。また、回転治具の先端面中央部で軟化する耐食性材料は、周囲で流動する耐食性材料に包囲されて行き場がない。そのため、回転治具の先端面が中央部で基材に凝着してしまう場合がある。回転治具が凝着してしまうと処理を中断せざるを得ず、効率が悪いばかりか歩留り低下の要因ともなり得る。

本発明は、効率的に基材表面を被覆処理することができる被覆方法及び装置、並びに被覆部材を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明は、基材の表面に被覆層を形成する基材表面の被覆方法において、円筒状に形成した被覆材の環状の先端面を前記基材に接触させて、当該被覆材を回転させつつ前記基材の表面に相対して移動させ、前記被覆材を前記基材の表面に移着させて前記被覆層を形成する。

第２の発明は、第１の発明において、前記基材として表面が曲面で形成された部材を選択し、当該基材の表面に対して前記被覆材の環状の先端面を二箇所で接触させ、回転する前記被覆材を前記二箇所の接触部を通る線に沿って前記基材の表面に相対して移動させる。

第３の発明は、第１の発明において、前記被覆材として前記基材の材料よりも軟質の材料を選択する。

第４の発明は、第１の発明において、単一の前記被覆材を異なる複数種の材料で作製する。

第５の発明は、第１の発明において、前記被覆材として前記基材の材料よりも硬質の材料を選択し、前記被覆材を加熱しながら前記被覆層を形成する工程を実施する。

第６の発明は、第１の発明において、前記基材の材料よりも硬質の材料からなる粒子を前記基材の材料よりも軟質の被覆材に分散させる。

第７の発明は、第１の発明において、異なる材料で作製した複数の被覆材を用いて前記被覆層を形成する。

第８の発明は、第１の発明に係る被覆方法で前記基材の表面に前記被覆層を形成して被覆部材を得る。

第９の発明は、基材の表面に被覆層を形成する基材表面の被覆装置において、円筒状に形成した被覆材と、この被覆材の環状の先端面を前記基材に接触させて、当該被覆材を回転させつつ前記基材の表面に相対して移動させる装置本体とを備え、前記被覆材を前記基材の表面に移着させて前記被覆層を形成する。

第１０の発明は、第９の発明において、前記装置本体は、前記基材を保持する回転面盤と、この回転面盤を回転させる基材用駆動装置と、前記被覆材を保持する回転アームと、この回転アームを回転させる工具用駆動装置と、前記回転アームを前記回転面盤の回転軸方向に移動させる送り装置とを備えている。

第１１の発明は、第９の発明において、前記被覆材を加熱する加熱装置を備えている。

本発明によれば、効率的に基材表面を被覆処理することができる。

本発明の第１の実施形態に係る被覆装置の模式図である。本発明の第１の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。図２中の矢印Ａ方向から見た模式図である。本発明の第２の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。本発明の第３の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。本発明の第４の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。本発明の第５の実施形態に係る被覆装置の模式図である。本発明の被覆方法の適用対象の他の例を表す模式図である。本発明の被覆方法の適用対象の更に他の例を表す模式図である。耐摩耗性の評価試験の結果を示す図である。すべり軸受試験の結果を示す図である。

本被覆方法は、第一の工程として、基材を被覆する材料を円筒状に形成して被覆材を作製した後、第二の工程として、被覆材の環状の先端面を基材に接触させて、当該被覆材を回転させつつ基材Ｗの表面に相対して移動させることにより、被覆材を基材の表面に移着させて基材表面に被覆層を形成するものである。本方法により基材に被覆層を形成したものを被覆部材と称する。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る被覆装置の模式図である。

図１に示した被覆装置は、被覆材（被覆具）２によって基材Ｗの表面に被覆層を形成する装置である。被覆材２は、基材Ｗを被覆する材料を円筒状に形成して作製したものである。「円筒」とは、その軸心と直交する断面が円環になる中空の形状であって外周面と内周面が同心の円柱である形状をいう。また、「円筒状に形成する」とは、被覆材２における被覆処理に用いられる部分、具体的には処理中に基材Ｗの表面に接触し得る基材Ｗとの対向部分が円筒状であることをいう。したがって、基材Ｗとの接触が想定されない部分（基材Ｗと反対側の部分）については、例えば中実の形状、断面が環状とならない形状であっても良い。また、被覆材の材料には、一例としてはリン青銅、高力黄銅等銅合金等が挙げられるが、摺動性、耐食性、表面強度等、基材Ｗに付加したい性質によって様々な材料が選択され得る。但し、本実施の形態においては、常温で基材Ｗの材料よりも軟質の材料を被覆材の材料として選択する。一方、被改質物である基材Ｗの材質は、一例としてはアルミニウム合金、ＳＣ材（炭素鋼材）、鋳鉄、ＳＣＭ材（クロムモリブデン鋼鋼材）等といった汎用材が挙げられるが、これらを含めて種々の金属材料が対象となり得る。本実施の形態では、断面が円形の丸棒状の基材Ｗの外周面に被覆材の材料で被覆層を形成する場合を例として説明する。

図１に示した被覆装置は、装置本体１、及び装置本体１に装着する被覆材２を備えている。装置本体１は、基材Ｗの表面に相対して被覆材２を移動させるものであり、具体的には、基材Ｗと被覆材２を自転させつつ、被覆材２の環状の先端面を基材Ｗに接触させて当該被覆材２を構成する材料を基材Ｗの表面に沿って基材Ｗの軸方向に移動させる機械である。この装置本体１０は、基材Ｗを回転させる旋盤部１０、被覆材２を動作させるボール盤部２０、及びベース３０を有している。

旋盤部１０は、基部１１、基材Ｗを保持する回転面盤１２、この回転面盤１２を回転させる基材用駆動装置１３、及び回転面盤１２との間に介在させた基材Ｗを回転面盤１２側に芯押しする芯押し機１４を備えている。基部１１はベース３０上に固定されており、回転面盤１２は基部１１に対して回転自在に取り付けられていて、その回転軸は芯押し機１４に向かって水平に延在している。特に図示していないが、回転面盤１２の盤面には、基材Ｗの一端の外周面を把持するチャック装置が備えられている。芯押し機１４はベース３０上に固定されており、基材Ｗの芯（軸心）を押して基材Ｗの他端を支持する。すなわち、基材Ｗは、回転面盤１２のチャック装置に一端が把持され、芯押し機１４によって他端が支持されることで、回転面盤１２の回転軸と同心上に保持される。基材用駆動装置１３は、基部１１に取り付けられていて、回転面盤１２の回転軸に直接、若しくは減速機、ギア又はプーリ等の駆動伝達機構を介して出力軸が連結されている。基材用駆動装置１３の駆動速度は可変である。

ボール盤部２０は、基部２１と、被覆材２を保持する回転アーム（スピンドル）２２と、この回転アーム２２を回転させる工具用駆動装置２３と、基部２１、回転アーム２２、工具用駆動装置２３及び被覆材２を回転面盤１２の回転軸方向へ移動させる送り機構部２４とを備えている。基部２１はベース３０上の回転面盤１２の回転軸方向に延在するレール（図示せず）上に搭載されている。送り機構部２４は基部２１に螺合した例えばボールねじであり、両端はベース３０に対して軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。特に図示していないが、この送り機構部２４は回転面盤１２の駆動軸に対して変速機を介して連結されていて、ベース３０に備えられた設定手段（図示せず）の設定に従った変速比で回転面盤１２の回転速度が伝達されることにより、回転面盤１２の回転数に応じた一定の速度で回転する。工具用駆動装置２３は基部２１によって支持されており、下方に延びる回転アーム２２を設定に従った方向及び回転数で回転させる。回転アーム２２の先端には、被覆材２が同心上に固定されている。回転アーム２２の回転軸と回転面盤１２の回転軸の互いの延長線は直交している。回転アーム２２の回転数は回転面盤１２や送り機構部２４の回転数に対して大きい。また、特に図示していないが、工具用駆動装置２３は、当該工具用駆動装置２３を上下動させる機構を介して基部２１に接続されていて、当該機構によって工具用駆動装置２３、回転アーム２２及び被覆材２の上下位置が調整される構成である。工具用駆動装置２３の駆動速度は可変である。

図２は本実施形態において基材Ｗと被覆材２とが接触した状態を基材Ｗの軸心方向から見た模式図、図３は図２中の矢印Ａ方向から見た模式図である。

被覆材２は、回転アーム２２によって一定の荷重Ｆで基材Ｗの外周面に対して当該基材Ｗの法線方向に押し付けられる。荷重Ｆは、基材Ｗに対する被覆材２の接触圧力が被覆材２を構成する材料の降伏強度以上となる値とすることが好ましい。そして、被覆材２及び基材ＷをＲ１，Ｒ２方向に一定速度で自転させるとともに、回転アーム２２を下して荷重Ｆで基材Ｗの外周面に被覆材２を押し付けつつ被覆材２をＸ方向に一定速度で移動させる。この場合、被覆材２が円筒状であってその先端面が基材Ｗの外周面に対して微小な接触部Ｐ１，Ｐ２で接触して回転するため、荷重Ｆを大きくしなくても基材Ｗと被覆材２との間に局所的な接触圧力が作用し、高い接触圧力、剪断力によって被覆材２の先端部が接触部Ｐ１，Ｐ２で塑性流動を起こし基材Ｗの表面に被覆材の一部が移着（冷間溶着）する。この結果、被覆材を基材Ｗの外周面に移着させて基材表面に被覆材の材料による被覆層３ａ１，３ａ２（図３参照）を形成することができる。例えばこれら被覆層３ａ１，３ａ２がリン青銅等の銅合金である場合には、基材Ｗの外周面の摩擦摩耗特性が大きく向上する。また、被覆材２は円筒状で先端面が環状であるため、接触部Ｐ１，Ｐ２に被覆材２の基材Ｗとの相対速度がゼロとなる箇所は存在せず、軟化した被覆材を小さな接触部Ｐ１，Ｐ２が拘束することもない。したがって、被覆材２の基材Ｗへの凝着、ひいては被覆処理の中断を抑制し効率的に被覆処理を行うことができ、安定した歩留りを確保することができる。

また、被覆材２の先端面は高面圧と剪断力を受けて摩耗するが、溶着による摩耗以外は発生せず極めて効率が良い。また、基材Ｗと被覆材２の接触部Ｐ１，Ｐ２で発生する摩擦熱以外の発熱がないため、スパッタリング等の手法に比べて基材Ｗの歪みや変形、劣化等が発生し難い。さらに、図１の被覆装置は汎用の工作機械をベースにして容易に作製することができ、焼結、鋳込み、溶射等の工程を行う他のコーティング方法と異なり大掛かりな設備を要しないことも大きなメリットである。例えば、被覆処理を大気中で行えるため、アーク式イオンプレーティング法のように真空チャンバーや複数の処理室等の高価で大掛かりな設備を要することがなく、低廉に基材Ｗに皮膜処理を施すことができる。

このとき、前述したように被覆材２と基材Ｗの互いの軸心は直交し、被覆材２の先端面が環状であり、また基材Ｗとして表面が曲面で形成された部材を選択しているため、被覆材２は基材Ｗに対して二箇所の接触部Ｐ１，Ｐ２で局所的に接触（本実施の形態では線接触）する。接触部Ｐ１，Ｐ２は、被覆材２の軸心を挟んでそれぞれ芯押し機１４側及び回転面盤１２側に位置する。接触部Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線は基材Ｗの軸心方向、言い換えれば基材Ｗに対する被覆材２の移動方向に沿っているため、先行して移動する接触部Ｐ１に追従して接触部Ｐ２が移動する。そのため、接触部Ｐ１で被覆層３ａ１を形成した後、当該被覆層３ａ１や被覆材２が冷える前に接触部Ｐ２でさらに摩擦攪拌することができる。したがって、一般的に移着させ難い材料でも被覆層３ａ１，３ａ２を良好に形成することができる。

加えて、被覆材２は接触部Ｐ１，Ｐ２の発熱により基材Ｗに移着して消耗するが、単純な形状であるため作製も簡単で交換も容易である。また、発熱は基本的に接触部Ｐ１，Ｐ２のみで発生し装置全体を高熱に晒すことがないため、被覆材２や基材Ｗを保持するために高熱・高荷重に耐え得る特殊な装置を必要としないこともメリットである。

また、本実施の形態によれば、被覆材２を中空の円筒状に形成したことにより、中実に形成した場合に比べて低荷重で所望の摩擦熱を発生させることができ、被覆層３ａ１，３ａ２の減耗を抑制することができる。根拠は次の通りである。

本願発明者等は、中空の円筒状に形成した被覆材と中実の円柱状に形成した被覆材を用いて被覆材形状が及ぼす影響を調査すべく試験した。試験では、被覆材及び基材の回転速度、基材に対する被覆材の移動速度、基材に対する被覆材の荷重、基材及び被覆材の材質等の条件を全て同一とし、処理時の摩擦温度、基材の寸法変化等を調べた。その結果、同一条件下では、中実の被覆材を用いた場合に比べて中空の被覆材を用いた場合の方が、処理時に高い摩擦温度が生じ易いことが分かった。また、処理後の基材の寸法変化（直径の変化）を測定した結果、微視的にではあるが、中実の被覆材を用いた場合には処理前に比べて基材の直径が減少し、中空の被覆材を用いた場合には増加した。この寸法変化は摩擦温度の調査結果に整合していて、中空の被覆材に比べて中実の被覆材では被覆層が磨滅し易く、また被覆材の材料が移着し難いものと考えられる。

以上のことから、被覆材の形状は中実の円柱状に比べて中空の円筒状が好ましいことを本願発明者等は知見した。したがって、被覆材２を円筒状（中空）とすることで、中実にした場合に比べて低荷重で所望の摩擦熱を発生させることができ、効果的に被覆材の材料を基材に移着させて被覆層３ａ１，３ａ２を形成しつつ、被覆層３ａ１，３ａ２の減耗を抑制することができる。この点も被覆材２を円筒状にしたことで得られる大きなメリットである。

ここで、耐摩耗性の評価試験の結果を図１０に示す。同図に示したグラフは、摺動試験時の摩擦係数の経時変化を示している。評価試験は、市販の往復揺動試験機によって高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ２）製のディスクに対して試験片を往復摺動させることにより実施した。用意した試験片は、標準試験片及び発明試験片１，２の３種である。標準試験片は、浸炭処理を施したクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）製の円柱状の部材である。発明試験片１は、標準試験片を基材として銅（Ｃｕ）製の被覆材で被覆処理した被覆部材である。発明試験片２は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を基材として銅製の被覆材で被覆処理した被覆部材である。また、試験片及びディスク間にかかる荷重は一定時間置きに一定値ずつ上げていった。試験条件をまとめると次の通りである。

〔試験条件〕
標準試験片（φ１０×Ｌ１０）：ＳＣＭ４２０（浸炭処理）
発明試験片１（φ１０×Ｌ１０）：ＳＣＭ４２０（浸炭処理）＋Ｃｕ被膜
発明試験片２（φ１０×Ｌ１０）：Ｓ４５Ｃ＋Ｃｕ被膜
ディスク：ＳＵＪ２
揺動周波数：２００Ｈｚ
揺動距離：０．２ｍｍ
潤滑：メカニカス（０．２５ｍｌ）
サイクル数：異常発生まで
荷重ステップ幅：１００Ｎ
荷重は試験片を４００往復摺動させる毎にステップ幅だけ上昇させた。

図１０の標準試験片及び発明試験片１の比較から分かる通り、同じ材料でも本実施形態を適用して被覆処理を施すことによって限界面圧特性が明らかに向上している。また、同図には表していないが、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を被覆処理した発明試験片２に至っては、限界荷重が１４００Ｎまで向上した。これは銅合金製の試験片の限界荷重と同程度であり、本実施形態によるＣｕ被膜の極めて高い有効性が確認された。また、異常摩耗前の摩擦係数の挙動については、本実施形態による被膜の有無に関わらず同じ傾向であった。発明試験片１，２の場合でも、異常摩耗前には被膜が消耗してディスクに対して基材が摺動する状態になったものと考えられる。

また、すべり軸受試験の結果を図１１に示す。同図に示したグラフは、荷重変動に対する摩擦係数の変化を示している。すべり軸受試験は、揺動型の試験機によってブッシュ（φ２２×φ３０×Ｌ２０）に対して試験片を回転摺動させることにより実施した。用意した試験片は標準試験片及び発明試験片の２種である。標準試験片は、高周波焼き入れを施したＳ４５Ｃ製の円柱状の試験片である。発明試験片は、標準試験片を基材として銅（Ｃｕ）製の被覆材で被覆処理した被覆部材である。標準試験片はＬｉグリースを塗布した状態で、発明試験片は無給脂状態で、それぞれブッシュに対して摺動させた。試験条件をまとめると次の通りである。

〔試験条件〕
標準試験片：Ｓ４５Ｃ（高周波焼き入れ）
発明試験片：Ｓ４５Ｃ（高周波焼き入れ）＋Ｃｕ被膜
ブッシュ寸法：φ２２ｍｍ×φ３０ｍｍ×Ｌ２０ｍｍ
相対摺動速度：０．０２ｍ／ｓｅｃ
回転揺動角度：９０°
潤滑剤：Ｌｉグリース（標準試験片のみ）
荷重：最大１００Ｍｐａ
但し、荷重は１５分間隔で５Ｍｐａずつ上昇させた。

図１１から分かる通り、試験開始時は標準試験片の摩擦係数はグリースの影響で低くなっているが、荷重が５０Ｍｐａに到達したあたりから急激に上昇している。それに対し、発明試験片は、荷重が５０Ｍｐａ以上の条件下でも摩擦係数が低い値で維持され、試験条件の荷重範囲では特に摩擦係数の上昇は見られなかった。また、試験後の発明試験片の表面状態を確認しても異常摩耗は認められなかった。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材Ｗの軸心方向から見た模式図であり、第１の実施形態の図３に対応する図である。この図において第１の実施形態と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、第一の工程において単一の被覆材を異なる複数種の材料で作製しておく点である。本実施の形態における被覆材２Ａは２種類の被覆材によって構成されており、当該被覆材２Ａの軸心を通る平面で区分された半円筒状の領域２Ａ１，２Ａ２がそれぞれ第一及び第二の材料で形成されている。領域２Ａ１，２Ａ２を合わせた被覆材２Ａの全体の形状は第１の実施の形態の被覆材２と同様である。第一の材料は、例えば常温で基材Ｗに対して軟質の材料である。一方、第二の材料は、例えば常温で基材Ｗの材料よりも高硬度で、単独では基材Ｗを相手材として塑性流動を起こし難い材料である。第一及び第二の材料の組み合わせは特に限定されないが、本実施の形態では、第一の材料としてアルミニウム合金や銅合金等のバインダーの役割をする材料を選択し、第二の材料としてＳｉＣ（炭化ケイ素）やタングステンカーバイド等の耐摩耗性に優れたセラミック材料を選択している。その他の構成及び工程については第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が得られる。すなわち、第二の材料が基材Ｗよりも高硬度であっても、第一の材料のバインダー効果によって基材Ｗの表面に接触部Ｐ１，Ｐ２で被覆層３ｂ１，３ｂ２を形成することができる。被覆層３ｂ１，３ｂ２は、それぞれリン青銅等の第一の材料にタングステンカーバイト等の第二の材料が分散された態様となり、高い摩擦摩耗特性を発揮する。

なお、本実施の形態では、基材Ｗよりも高硬度の材料を第二の材料として選択し第一の材料をバインダーとする場合を例に挙げて説明したが、第一及び第二の材料の双方に基材Ｗよりも軟質な材料を選択することもできる。例えば、耐食性に優れた材料を第一の材料、摺動性に優れた材料を第二の材料として選択する等、２種類の軟質材量を混合した被覆層３ｂ１，３ｂ２を形成することができる。また、本実施の形態では２種類の材料で被覆材２Ａを構成した場合を例示したが、３種類以上の材料で被覆材を構成しても良い。また、本実施の形態のように複数の材料で被覆材を作製する場合、各材料が常時同時に被覆材の先端面に露出するように領域を区分することが望ましい。但し、各領域が等分量である必要は必ずしもない。

（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材Ｗの軸心方向から見た模式図であり、第１の実施形態の図３に対応する図である。この図において第１の実施形態と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、第一の工程において複数の被覆材を異なる単一の材料でそれぞれ作製しておき、これら複数の被覆材を用いて第二の工程を行う点である。図５では、材質の異なる２つの被覆材２Ｂ，２Ｃを用意した場合を例示している。被覆材２Ｂ，２Ｃの形状は、いずれも第１の実施の形態の被覆材２と同様である。例えば、被覆材２Ｂを構成する第一の材料は摺動性能に優れた銅合金であり、被覆材２Ｃを構成する第二の材料は耐食性に優れたＺｎや亜鉛合金である。第二の材料として、封孔作用のある樹脂を選択しても良い。

また、特に図示していないが、これら被覆材２Ｂ，２Ｃを用いる場合の被覆装置は、例えば図１の被覆装置において工具用駆動装置２３にもう１本の回転アーム２２を追加した構成、又は工具用駆動装置２３及び回転アーム２２をもう一式追加した構成とし、一方の回転アーム２２に被覆材２Ｂを、他方の回転アーム２２に被覆材２Ｃをそれぞれ取り付ける。但し、これら被覆材２Ｂ，２Ｃは各々の接触部Ｐ１，Ｐ２（四箇所の接触部Ｐ１，Ｐ２）が基材Ｗの軸心方向に並ぶようにする。被覆材２Ｂ，２Ｃの間隔は目的による。例えば両者の間のギャップを被覆材２Ｂ，２Ｃの外径程度、又はそれ以上離した場合、先行する被覆材２Ｂの接触部Ｐ１，Ｐ２で第一の材料による被覆層３ｃ１，３ｃ２が形成され、追従する被覆材２Ｃの接触部Ｐ１，Ｐ２で第二の材料による被覆層３ｄ１，３ｄ２が形成される。その結果、第一の材料による被覆層の上に第二の材料による被覆層が形成される。一方、例えば両者の間のギャップを被覆材２Ｂ，２Ｃの外径以下に近付けた場合、第２の実施の形態のように第一の材料と第二の材料が混合した被覆層が形成され得る。その他の構成及び工程については第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果に加え、異なる材料が混合した被覆層、又は材料の異なる複数の被覆層が層状になった多層被膜を基材Ｗの表面に形成することができる効果がある。異なる材料が混合した被覆層を形成する場合の効果は第２の実施の形態と同様である。他方、多層被膜を形成する場合、選択する材料の組み合わせによっては、混合してしまうと各材料の効果が発揮され難いようなときに各材料の特性を有効に基材Ｗに付与し得る効果がる。

なお、上記では被覆材２Ｂ，２Ｃをそれぞれ単一種の材料で形成した場合を例に挙げて説明したが、被覆材２Ｂ，２Ｃの少なくとも一方を第２の実施の形態のように異なる複数の材料で形成することもできる。また、２つの被覆材２Ｂ，２Ｃを用いる場合を例に挙げて説明したが、３つ以上の被覆材を用いることもできる。

（第４の実施の形態）
図６は本発明の第４の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材Ｗの軸心方向から見た模式図であり、第１の実施形態の図３に対応する図である。この図において第１の実施形態と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、第一の工程において基材の材料よりも硬質の材料からなる粒子を被覆材２Ｄに分散させておく点である。すなわち、基材の材料よりも軟質のバインダーとしての第一の材料に硬質粒子（第二の材料）を予め分散させた材料によって被覆材２Ｄを作製する例である。バインダーとしては、例えばアルミニウム合金や銅合金等を選択することができ、硬質粒子としてはセラミックやハイス、超鋼等を選択することができる。その他の構成及び工程については第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果に加え、第一の材料のバインダー効果によって基材Ｗよりも硬質な粒子を含んだ被覆層３ｅ１，３ｅ２を接触部Ｐ１，Ｐ２で形成することができる。被覆層３ｅ１，３ｅ２は、それぞれリン青銅等の第一の材料にタングステンカーバイト等の第二の材料が分散された態様となり、高い摩擦摩耗特性を発揮する。

（第５の実施の形態）
図７は本発明の第５の実施形態に係る被覆装置の模式図であり、第１の実施形態の図１に対応する図である。この図において第１の実施形態と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、第一の工程において常温で基材の材料よりも硬質の材料を被覆材として選択し、被覆材２Ｅを加熱しながら第二の工程を行う点である。図７に示した被覆装置は、被覆材２Ｅを加熱する加熱装置４０を備えている。被覆材２Ｅを構成する材料は、ＣｒＮ（窒化クロム）やＷＣ（超鋼）等である。加熱装置４０の加熱方式は、回転中の被覆材２Ｅ（少なくとも接触部Ｐ１，Ｐ２近傍）を昇温させる機能を果たせば特に限定されないが、例えば非接触で対象金属を加熱できる高周波誘導加熱子、或いはレーザー等の光加熱装置を用いることができる。加熱装置４０は、接触部Ｐ１，Ｐ２との位置関係が変化しないように、例えばボール盤部２０の基部２１に固定する、或いは高さ調節装置を有する支持部材を介して工具用駆動装置２３に取り付けて被覆材２Ｅの摩耗に追従して高さが変化するようにすることが望ましい。その他の構成については第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が得られる。すなわち、加熱装置４０を作動させて被覆材２Ｅを加熱しながら皮膜処理を行うことによって被覆材２Ｅを基材Ｗよりも軟化させることができ、通常であれば基材Ｗに移着させ難い硬質な材料を基材Ｗに移着させて被覆層を形成させることができる。また、被覆材２Ｅよりも軟質な材料を基材Ｗとした場合にも本発明を適用することができる点に鑑みれば、基材Ｗの材料の選択の幅を広げることができる。

なお、図７では被覆装置に加熱装置４０を設ける場合を例に挙げて説明したが、加熱装置４０は被覆装置とは別置きの装置としても良い。

（その他）
上記の各実施の形態においては、断面が円形の丸棒を基材Ｗとして本被覆方法を行う場合を例に挙げて説明したが、基材Ｗは丸棒に限定されない。例えば、図８に示したように、クランクシャフトのベアリングを取り付けるクランクピン５１やクランクジャーナル５２の外周面も本被覆方法の対象となり得る。クランクピン５１を対象とする場合、クランクピン５１の軸心はクランクシャフトの軸心に対してずれているが、同図に示したようにクランクピン５１の軸心周りにクランクシャフトが回転するように被覆装置においてクランクシャフトを偏心させて把持することで、丸棒を基材Ｗとする場合と同様にして被覆処理を行うことができる。また、図１の装置では基材Ｗに対して被覆材２をＸ方向（基材Ｗの軸心方向）に移動させる場合を例に挙げて説明したが、図８に示したように、被覆材２に対して基材Ｗをその軸方向に移動させても良い。

また、基材Ｗの断面は円形に限られない。例えば、図９に示したように断面が楕円状の楕円軸も対象とし得る。この場合、基材Ｗの軸心を通る鉛直面と基材Ｗの断面との交点（接触部Ｐ１，Ｐ２）が基材Ｗの回転に伴って上下するので、被覆処理中は被覆材２を基材Ｗの回転に伴って上下に移動させるようにする。この場合、接触部Ｐ１，Ｐ２の追従方法は荷重制御で足りる。

その他、球状の部材を基材とすることも可能である。この場合、棒状の部材を基材とする場合に被覆材を基材の軸方向に移動させていたのに代えて、基材の中心周りに被覆材を円弧状に移動させることで同様の被覆処理を行うことができる。

また、上記の各実施の形態では、基材Ｗが汎用材である場合の被覆材の材料の選択を例示したが、被覆材の材料の選択は基材Ｗとの相対硬度にもよるので、基材Ｗによって各実施の形態の被覆方法で選択し得る被覆材の材料は当然変わってくる。また、各実施の形態では、被覆処理中に基材Ｗに対して被覆材をＸ方向に移動させる（接触部Ｐ１に接触部Ｐ２を追従させる）場合を例示したが、被覆材の基材Ｗに対する相対移動方向は逆向き（−Ｘ方向）であっても良いことは言うまでもない。また、基材Ｗに対する被覆層の形成回数について言及していないが、一回で（例えばＸ方向に一度だけ被覆材を移動させて）被覆処理を終えても良いし、同一箇所に複数回にわたって被覆層を形成しても良い。基材Ｗの同一箇所に複数回にわたって被覆層を形成する場合には、例えば二回目以降の被覆処理の際の被覆材の相対移動方向を一回目の被覆処理の際と同一方向（例えばＸ方向）にしても良いし、１回目はＸ方向、２回目は−Ｘ方向、３回目はＸ方向・・・といったように相対移動方向を変えて被覆材を往復させても良い。また、基材Ｗの外周面の全周に被覆層を形成するために基材Ｗを回転させながら被覆処理を行う場合を例に挙げて説明したが、部分的に被覆層を形成すれば足りる場合には、例えば、基材Ｗを停止させて直線状に被覆層を形成することや、基材Ｗの回転数をさらに低下させて螺旋状に被覆層を形成することも可能である。

更には、曲面を被覆対象として円筒状の被覆材を二箇所の接触部Ｐ１，Ｐ２で接触させて一方の接触部Ｐ１に他方の接触部Ｐ２を追従させて皮膜処理を行う場合を説明したが、被覆材の使用態様は他にもある。例えば、基材に対して一箇所で被覆材を接触させて被覆処理を行うこともできる。すなわち、被覆対象とする基材の表面の法線に対して被覆材の軸心を傾けて被覆材を一箇所で基材に接触させ、被覆材を自転させつつ基材の表面に沿って移動させていく。この場合、被覆対象は丸棒状、楕円棒状、球状の部材の外周面に限らず、各種曲面及び平面が対象となり得る。仮に中実の被覆材で同じ処理をした場合、処理の進展に伴って被覆材の角が削れて基材との接触領域が被覆材の直径の範囲で広がり、接触圧力が大きく変化し得る。それに対し、円筒状の被覆材の場合、摩耗が進んでも接触領域の拡大は被覆材の壁面の厚みで制限されるので、接触圧力の変動が少なく安定して被覆処理を継続することができる。

また、基材を被覆する材料を円筒状に形成して被覆材を作製する第一の工程を含む被覆方法を例に挙げて説明したが、被覆材を作成する第一の工程は必ずしも必要ない。例えば、予め被覆材がまとめて作成してある場合、被覆材を外注した場合等には、一連の被覆処理の工程において、第二の工程に先行して第一の工程が実施されない場合もある。また、例えば被覆材を何らかの市販品で代用できるような場合も第一の工程を省略し得る。

１装置本体
２，２Ａ−２Ｅ被覆材
３ａ１−３ｅ１，３ａ２−３ｅ２被覆層
１２回転面盤
１３基材用駆動装置
２２回転アーム
２３工具用駆動装置
２４送り装置
４０加熱装置
Ｐ１，Ｐ２接触部
Ｗ基材

【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は基材表面に被覆層を形成する被覆方法及び装置、並びに被覆層を形成された被覆部材に関する。
背景技術
［０００２］
金属の表面改質方法として、耐食性材料からなる円柱状の回転治具を金属基材の表面に押し当て、基材表面に対して相対運動させて摩擦攪拌を実施することによって、基材表面に耐食性材料からなる拡散層を形成する方法が提唱されている（特許文献１等参照）。
先行技術文献
特許文献
［０００３］
特許文献１：特開２００７−２２９７２１号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００４］
しかし、特許文献１の方法では中実の円柱状の回転治具の先端面を基材表面に接触させて回転させるが、この回転運動に起因する回転治具と基材との相対速度は、回転治具の先端面の中央部（回転中心付近）ではほぼゼロである。また、回転治具の先端面中央部で軟化する耐食性材料は、周囲で流動する耐食性材料に包囲されて行き場がない。そのため、回転治具の先端面が中央部で基材に凝着してしまう場合がある。回転治具が凝着してしまうと処理を中断せざるを得ず、効率が悪いばかりか歩留り低下の要因ともなり得る。
［０００５］
本発明は、効率的に基材表面を被覆処理することができる被覆方法及び装置、並びに被覆部材を提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００６］
上記目的を達成するために、第１の発明は、基材の表面に被覆層を形成する基材表面の被覆方法において、前記基材として表面が曲面で形成された部

【０００２】
材を選択し、当該基材の表面に対して前記被覆材の環状の先端面を二箇所で接触させたまま、当該被覆材を回転させつつ前記二箇所の接触部を通る線に沿って前記基材の表面に相対して移動させ、前記被覆材を前記基材の表面に移着させて前記被覆層を形成する。
［０００７］
第２の発明は、第１の発明において、前記基材を回転させながら、回転する前記被覆材を前記基材の表面に相対して移動させる。
［０００８］
第３の発明は、第１の発明において、前記被覆材として前記基材の材料よりも軟質の材料を選択する。
［０００９］
第４の発明は、第１の発明において、単一の前記被覆材を異なる複数種の材料で作製する。
［００１０］
第５の発明は、第１の発明において、前記被覆材として前記基材の材料よりも硬質の材料を選択し、前記被覆材を加熱しながら前記被覆層を形成する工程を実施する。
［００１１］
第６の発明は、第１の発明において、前記基材の材料よりも硬質の材料からなる粒子を前記基材の材料よりも軟質の被覆材に分散させる。
［００１２］
第７の発明は、第１の発明において、異なる材料で作製した複数の被覆材を用いて前記被覆層を形成する。
［００１３］
第８の発明は、第１の発明に係る被覆方法で前記基材の表面に前記被覆層を形成して被覆部材を得る。
［００１４］
第９の発明は、曲面で形成された基材の表面に被覆層を形成する被覆装置において、円筒状に形成した被覆材と、この被覆材の環状の先端面を前記基材に対して二箇所で接触させたまま、当該被覆材を回転させつつ前記二箇所の接触部を通る線に沿って前記基材の表面に相対して移動させる装置本体とを備え、前記被覆材を前記基材の表面に移着させて前記被覆層を形成する。
［００１５］
第１０の発明は、第９の発明において、前記装置本体は、前記基材を保持する回転面盤と、この回転面盤を回転させる基材用駆動装置と、前記被覆材を保持する回転アームと、この回転アームを回転させる工具用駆動装置と、前記回転アームを前記回転面盤の回転軸方向に移動させる送り装置とを備え

【０００３】
ている。
［００１６］
第１１の発明は、第９の発明において、前記被覆材を加熱する加熱装置を備えている。
発明の効果
［００１７］
本発明によれば、被覆材と基材との相対速度がゼロとなる箇所が存在せず、被覆材と基材が２カ所の小さな接触部でのみ接触するので、軟化した被覆材を拘束することがなく、低荷重で所望の摩擦熱を発生させることができ、被覆層の減耗を抑制することもできる。よって、効率的に基材表面を被覆処理することができる。
図面の簡単な説明
［００１８］
［図１］本発明の第１の実施形態に係る被覆装置の模式図である。
［図２］本発明の第１の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。
［図３］図２中の矢印Ａ方向から見た模式図である。
［図４］本発明の第２の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。
［図５］本発明の第３の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。
［図６］本発明の第４の実施形態に係る被覆装置に備えられた被覆材と基材とが接触した状態を基材の軸心方向から見た模式図である。
［図７］本発明の第５の実施形態に係る被覆装置の模式図である。
［図８］本発明の被覆方法の適用対象の他の例を表す模式図である。
［図９］本発明の被覆方法の適用対象の更に他の例を表す模式図である。
［図１０］耐摩耗性の評価試験の結果を示す図である。
［図１１］すべり軸受試験の結果を示す図である。
発明を実施するための形態
［００１９］
本被覆方法は、第一の工程として、基材を被覆する材料を円筒状に形成して被覆材を作製した後、第二の工程として、被覆材の環状の先端面を基材に接触させて、当該被覆材を回転させつつ基材Ｗの表面に相対して移動させることにより、被覆材を基材の表面に移着させて基材表面に被覆層を形成するものである。本方法により基材に被覆層を形成したものを被覆部材と称する

Claims

基材（W）の表面に被覆層（3a1,3a2;3b1,3b2;3c1,3c2,3d1,3d2;3e1,3e2）を形成する基材表面の被覆方法において、
円筒状に形成した被覆材（2;2A;2B,2C;2D;2E）の環状の先端面を前記基材に接触させて、当該被覆材を回転させつつ前記基材の表面に相対して移動させ、前記被覆材を前記基材の表面に移着させて前記被覆層を形成することを特徴とする被覆方法。
前記基材（W）として表面が曲面で形成された部材を選択し、当該基材の表面に対して前記被覆材（2;2A;2B,2C;2D;2E）の環状の先端面を二箇所で接触させ、回転する前記被覆材を前記二箇所の接触部（P1,P2）を通る線に沿って前記基材の表面に相対して移動させることを特徴とする請求項１の被覆方法。
前記被覆材として前記基材（W）の材料よりも軟質の材料を選択することを特徴とする請求項１の被覆方法。
単一の前記被覆材（2A）を異なる複数種の材料で作製することを特徴とする請求項１の被覆方法。
前記被覆材として前記基材（W）の材料よりも硬質の材料を選択し、前記被覆材（2E）を加熱しながら前記被覆層を形成する工程を実施することを特徴とする請求項１の被覆方法。
前記基材（W）の材料よりも硬質の材料からなる粒子を前記基材の材料よりも軟質の被覆材（2D）に分散させることを特徴とする請求項１の被覆方法。
異なる材料で作製した複数の被覆材（2B,2C）を用いて前記被覆層を形成することを特徴とする請求項１の被覆方法。
請求項１の被覆方法で前記基材（W）の表面に前記被覆層（3a1,3a2;3b1,3b2;3c1,3c2,3d1,3d2;3e1,3e2）を形成して得られた被覆部材。
基材（W）の表面に被覆層（3a1,3a2;3b1,3b2;3c1,3c2,3d1,3d2;3e1,3e2）を形成する基材表面の被覆装置において、
円筒状に形成した被覆材（2;2A;2B,2C;2D;2E）と、
この被覆材の環状の先端面を前記基材に接触させて、当該被覆材を回転させつつ前記基材の表面に相対して移動させる装置本体（1）とを備え、
前記被覆材を前記基材の表面に移着させて前記被覆層を形成する
ことを特徴とする被覆装置。
前記装置本体（1）は、前記基材を保持する回転面盤（12）と、この回転面盤を回転させる基材用駆動装置（13）と、前記被覆材を保持する回転アーム（22）と、この回転アームを回転させる工具用駆動装置（23）と、前記回転アームを前記回転面盤の回転軸方向に移動させる送り装置（24）とを備えていることを特徴とする請求項９の被覆装置。
前記被覆材を加熱する加熱装置（40）を備えたことを特徴とする請求項９の被覆装置。