WO2004046399A1

WO2004046399A1 - 超音波衝撃処理機および超音波衝撃処理装置

Info

Publication number: WO2004046399A1
Application number: PCT/JP2003/014752
Authority: WO
Inventors: Tomonori Tominaga; Tadashi Ishikawa; Kazuki Takashima; Yakichi Higo
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2004-06-03
Also published as: JP2004169104A; AU2003284422A1; JP4319830B2

Abstract

本発明は、ナノ結晶組織を有すると共に、各種の特性を有する表面層を得るための、またこれらの表面層を効率的に得るための、また高い疲労性能を得るための超音波衝撃処理機および超音波衝撃処理装置を提供するものであり、超音波を発生させるトランスデューサーと、該トランスデューサーでの前方に取り付けられ、超音波を前方に導くためのウエーブガイドと、該ウエーブガイドの先端に取り付けられ、前記超音波により振動するピンと該ピンを回転させるピン回転手段と、該ピンを保持するホルダーとを備えたヘッドとからなる超音波衝撃処理機である。好ましくは、前記ウエーブガイドに複数のトランスデューサーが設けられ、あるいは、前記ヘッドのピンは、硬さ、材質、形状を調整されたものである。またこの機器に、回転、移動する手段を設け、あるいは金属粉供給手段、加熱手段、シールドガス供給手段を設けた超音波衝撃処理装置である。

Description

明細書超音波衝撃処理機および超音波衝撃処理装置

技術分野 .

本発明は、金属材料の表面に、超音波により作動する物体による打撃で衝撃を与え、これによって金属材料の表層の形状および特性を改善するための超音波衝撃処理機およびこれを組み込んだ超音波衝撃処理装置に関し、特に超音波衝撃処理によるナノ結晶構造化を効率的に行なえる機器および装置に関する。背景技術

金属材料の表面層の結晶組織をナノメータ（ n m、 1 0—⁹m) を単位として用いるのが適当なサイズ、例えば 1 ◦ 0 nm以下に微細化した、いわゆるナノ結晶組織を得ることにより、従来には得られなかった優れた性質、例えば超高強度などの特性を得ることができることが知られている。

このナノ結晶組織をもつ金属材料を得る各種の方法が報告されている（例えば、ラスミス（LASMIS) 著金属材料の表面ナノ結晶化一新研究の背景にある概念の報告（SurfaceNanocrystallisation ( SNC) of the Metallic Materials - Presentation of the Concept behind a New Approach) 材料科学 (Mater. Sc i. rechnol. ) 、第 1 5卷、第 3号 1 9 9 9参照）が、例えば、金属材料を一且ァモルファス状態とし、次いで低温熱処理を行なう方法がある。また、アモルファス状態とするには、金属材料を高速急冷あるいはスパッタ製膜などの方法があるが、この場合、広く一般の形状の成形体や構造体をうるには制約がある。また、この他に、金属材料の粉末をボールミルなどで処理し、材料表面に強加工を施すことにより材料をアモルファス化し、次いでこれを熱処理することにより、ナノ結晶構造を有する金属粉末を得る方法がある。この金属粉末を高温で加圧成形し、或いはさらに溶接などの処理を行なって構造体とすることができる。

しかしながら、この高温の過程を経ることによってナノ^晶構造が消失し、ナノ結晶組織の特性を生かした成形体や構造体を得ることは困難である。

ところで、材料の表面に超音波衝撃処理を施すことにより、表面に塑性変形を与え、表面の結晶組織を改善し、或いは残留応力を開放することが知られており、例えば、金属材料の溶接部に超音波衝撃処理を施し、溶接部の残留応力を開放し、ボイドゃ異常粒界のような微小欠陥を低減することが提案されている（例えば、米国特許第 6， 3 3 8 , 7 6 5号公報、特開平 1 0— 2 9 6 4 6 1号公報参照）。しかしながら、従来の超音波衝撃処理は、このように疲労強度の向上、微小欠陥の軽減などが主体であり、金属材料表層の材料特性が改善されるとしてもそれは副次的で、その範囲、程度などがばらつきの多い状況であり、目的に合わせて主体的にコントロールして改善するまでには到っていない。そして、超音波衝撃処理機としては、超音波を発生させるトランスデューサー、超音波を先端に導くためのウェーブガイド、その先端部に設けられ、超音波により振動する衝撃用のピンを収納するへッド部を備えた機器、（例えば、米国特許公開第 2 0 0 2 0 0 1 4 0 0号明細書参照。）或いは、被ピー-ング材に局所的な表面硬化、残留応力を付与するために、ピーニング用のパンチと、このパンチを回転駆動する駆動手段と、回転しているパンチを被ピーニング材に打ちつけるパンチング手段を有する装置で、回転するパンチで被ピーニング材をパンチする方法が提案されている（例えば、特開 2 0 0 2— 1 7 9 6 3 2号公報参照。）。発明の開示

発明者らは、上述のようなナノ結晶構造を有する成形体や構造体を得る上での問題点に鑑み、金属材料の成形体や構造物に対してナノ結晶構造の形成を自由度が大きく可能にする条件とそれを可能にする新しい方法を検討した結果、金属材料の表面層にショットピーユングなどの冷間加工を振動性状をコントロールして行なうことにより、表面層を強加工し、同時に、この金属材料の処理を雰気および温度をコントロールすることによつて表面層にナノ結晶を析出させることができる方法を開発した。そしてこの手段として、超音波衝撃処理が適切であることを知見した。

上述のように、従来の超音波衝撃処理機器は、比較的小型であるため人手により処理することも可能であり、所要の箇所のみを処理できるという利点がある反面、処理範囲が狭く、広い範囲を効率的に処理するには不適当である。また、従来の超音波衝撃処理機器は、表面の形状と残留応力を変えて疲労強度や静的強度を向上させることを主な目的としたものであり、材料の表層をナノ結晶構造化すると共に、さらに材質を改善し、優れた特性を得るためには、超音波衝撃処理に使用する機器の検討が必要である。

本発明は、ナノ結晶組織を有する共に、各種の特性を有する表面層を得るための、またこれらの表面層を効率的に得るための超音波衝撃処理機および装置を提供するものである。なお、ここで、装置とは、この超音波衝撃処理機を組み合わせたもの、および、超音波衝撃処理機と他の装置および/または他の手段とを組み合わせたものを意味するものとする。本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、

( a ) 超音波衝撃処理を多軸的に施すことによってナノ結晶化を促進すること、（ b ) 処理表面の温度制御が可能な構成とすることにより、超音波衝撃処理によりえられる処理対象の諸特性を選択できるようにすること、（ c ) 少なくとも処理表面の雰囲気を制御可能な構造とし、酸化物層の形成を抑制し、良好な金属表面状態とすると共に、さらには合金層の形成を可能とすること、（ d ) 処理対象物に対して金属成分を供給可能な構造とし、表層にもとの処理対象金属（母材）が持たない成分を含んだ合金層を形成可能とすること、を狙いとしている。その要旨とするところは、以下のとおりでめる。

( 1 ) 超音波を発生させるトランスデューサ一と、該トランスデューサ一の前方に取り付けられ、超音波を前方に導くためのウェーブガイドと、該ウェーブガイドの先端に取り付けられ、前記超音波により振動するピンと該ピンを回転させるピン回転手段と該ピンを保持するホルダーとを備えたへッドとからなる超音波衝撃処理機。

( 2 ) 前記ウェーブガイドに複数のトランスデューサ一が設けられていることを特徴とする（ 1 ) 記載の超音波衝撃処理機。

( 3 ) 前記複数のトランスデューサ一は、それぞれ互いに位相が異なることを特徴とする（ 2 ) 記載の超音波衝撃処理機。

( 4 ) 前記ヘッドのピンの先端形状が、凸状又は凹状の曲面を有することを特徴とする（ 1 ) 〜（ 3 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機。

( 5 ) 前記ヘッドのピンが、処理対象物の性状に応じてその硬さと化学組成を制御されていることを特徴とする（ 1 ) 〜（ 4 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機。

( 6 ) 前記へッドのピンの先端部が、多数のワイヤー状体からなることを特徴とする（ 1 ) 〜（ 5 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機。

( 7 ) (1) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、該超音波衝撃処理装機をその軸の周りに回転させる手段とを備えたことを特徴とする超音波処理装置。

( 8 ) (1) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、該超音波衝撃処理装機を移動させる手段とを備えたことを特徴とする超音波処理装置。

( 9 ) (1) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、該超音波衝撃処理装機を移動させる手段とを備えたことを特徴とする超音波処理装置。

( 1 0 ) (1) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 1 1 ) (1) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、少なくとも処理対象箇所を加熱する'加熱手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 1 2 ) ( 1 ) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 1 3 ) (1) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理

( 1 4) (1) 〜（ 6 ) のいずれ力 1項に記載の超音波衝撃処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えたことを特徴とする特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 1 5 ) ( 1 ) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱手段と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えたことを特徴とする特徴とする超音波衝擊処理装置。

( 1 6 ) ( 1 ) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝擊処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱初段と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置

( 1 7 ) 前記加熱手段が電磁誘導加熱手段であり、かつ電磁シールドを備えていることを特徴とする（ 1 1 ) 、（ 1 3 ) 、（ 1 5 ) 、 ( 1 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理装置。

( 1 8 ) ( 1 ) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機の複数機が、各超音波処理機の軸方向が互いに異なるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 1 9 ) ( 1 ) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機の複数機が、各超音波処理機の軸方向が互いに平行となるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 2 0 ) 前記超音波処理装置の前記複数超音波衝撃処理機は、各超音波衝撃処理機のトランスデューサー、ウェーブガイド、ピンのいずれか 1つが、他の超音波処理機のそれと異なる性状のものであることを特徴とする（ 1 8 ) 又は（ 1 9 ) に記載の超音波衝撃処理装

( 2 1 ) ( 7 ) ~ ( 1 7 ) のいずれか 1項に記載の超音波処理装置の複数の装置が、各超音波衝撃処理装置の軸方向が互いに異なるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。 ( 2 2 ) ( 7 ) 〜（ 1 7 ) いずれか 1項に記載の超音波処理装置の複数の装置が、各超音波衝撃処理装置の軸方向が互いに平行とになるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 2 3 ) 前記超音波処理装置の前記複数超音波衝撃処理装置は、各超音波衝撃処理装置のトランスデューサー、ウェーブガイド、ピンのいずれか 1つが、他の超音波処理装置のそれと異なる性状のものであることを特徴とする（ 2 1 ) または（ 2 2 ) に記載の超音波衝撃処理装置。

( 2 4) ( 1 ) 〜（ 6 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝擊処理機が、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

( 2 5 ) ( 7 ) 〜（ 1 7 ) のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理装置が、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明の超音波衝擊処理機の構成概要を示す断面概略図である。

図 2は、本発明の超音波衝撃処理機のへッドの他の例を示す断面概略図である。

図 3は、本発明の複数のトランスデューサーを備えた超音波衝撃処理機の構成を示す概略図である。

図 4 ( a ) は、本発明の複数のトランスデューサーを備えた超音波衝撃処理機のウェーブガイドへのトランスデューサ一の配置例を示した模式図である。

図 4 ( b ) は、本発明の複数のトランスデューサーを備えた超音波衝擊処理機の複数設けたトランスデューサ一の位相のずれを説明する図である。

図 5 ( a ) は、本発明の超音波衝撃処理機のピンの先端形状が凸面形状である例を示した図である。

図 5 ( b ) は、本発明の超音波衝撃処理機のピン先端形状が凹面形状である例を示す図である。

図 6は、本発明の超音波衝撃処理機による表層の合金層の形成過程を示す模式図である。

図 7 ( a ) は、本発明の超音波衝撃処理機のピンの先端の一例を示す概略図であり、超音波衝擊処理機に組み込まれた状態を示す。

図 7 ( b ) は、本発明の超音波衝撃機のピンの先端の一例を示す概略図であり、先端をワイヤー状体で形成したピンを示す。

図 8は、超音波衝撃処理機を回転可能とする本発明の超音波衝撃処理装置の概略図である。

図 9 ( a ) は、超音波衝撃処理機を処理方向に移動可能とした本発明の超音波衝撃処理装置を示す側面模式図である。

図 9 ( b ) は、超音波衝撃処理機を処理方向に移動可能とした本発明の超音波衝撃処理装置の平面模式図である。

図 1 0は、超音波衝撃処理機を回転/移動可能とした本発明の超音波衝撃処理処理装置の他の例を示した概略図である。

図 1 1 は、金属粉を供給する手段およびシールドガス供給手段を備えた本発明の超音波衝撃処理装置を示す概略図である。

図 1 2 ( a ) は、加熱する手段を備えた本発明の超音波衝撃処理装置を示す一部断面を含む概略図である。

図 1 2 ( b ) は、図 1 2 ( a ) の A _ A，視概略図である。

図 1 3 ( a ) は、超音波衝撃処理機或いは超音波衝撃処理装置を複数配置した本発明の超音波衝撃処理装置の構成を示す正面概略図である。図 1 3 ( b ) は、超音波衝撃処理機或いは超音波衝撃処理装置を複数配置した本発明の超音波衝撃処理装置の構成を示す上面概略図である。

図 1 3 ( c ) は、超音波衝搫処理機或いは超音波衝撃処理装置を複数配置した本発明の超音波衝撃処理装置の成を示す側面概略図である。

図 1 4 ( a ) は、超音波衝擊処理機或いは超音波衝撃処理装置を複数配置した本発明の超音波衝撃処理装置の他の例の構成を示す正面概略図である。

図 1 4 ( b ) は、超音波衝撃処理機或いは超音波衝撃処理装置を複数配置した本発明の超音波衝撃処理装置の他の例の構成を示す上面概略図である。

図 1 4 ( c ) は、超音波衝擊処理機或いは超音波衝擊処理装置を複数配置した本発明の超音波衝擊処理装置の他の例の構成を示す側面概略図である。

図 1 5は、超音波衝撃処理装機或いは超音波衝撃処理装置を、口ポットアームに搭載した本発明の超音波衝撃処理装置を示す概略図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の超音波衝撃機および超音波衝撃装置は、前述のように、下記の（ a ) 〜（ d ) を可能とすると共に、広範囲の面積を効率的に処理できるようにしたものである。（ a ) 超音波衝撃処理を多軸的に施すことによってナノ結晶化を促進すること、すなわち、一軸方向の加工では、ナノ結晶構造を得ることは困難であり、複数方向からの強加工が必要である。（ b ) 処理表面の温度制御が可能な構成とすることにより、超音波衝撃処理によりえられる表層の諸特性を選択できるようにすること、すなわち、高温での処理では、変形は大きいが残留応力は小さく、逆に、低温での処理では、変形は小さいが残留応力は大きく付与される。このことから、高温では深さ方向の加工の範囲が広くなり、低温では狭くなる。しかし、温度が高すぎると、強加工により細かくされた金属粒が再び成長してしまい、大きくなつてしまうことがある。従ってナノ結晶化の度合い、ナノ結晶組織周辺の組織の状況が変化するので、特性の所要に応じて条件を選択することができる。（ C ) 少なくとも処理表面の雰囲気を制御可能な構造とし、酸化物層の形成を抑制し、良好な金属表面状態とすると共に、さらには合金層の形成を可能とすること、すなわち、処理表面の雰囲気が酸化雰囲気であると、ナノ結晶層が形成されても、同時に酸化層が形成されるために、処理効果が低下する。また、処理中に材料の表面で生成した酸化物が表層部に巻き込まれ、表面欠陥となるばかりか耐食性を損なうことにもなる。さらに、合金層と処理部の母材部との界面に酸化物が存在すると、一体性、密着性に劣る処理結果となってしまうことがある。雰囲気制御を可能とすることにより、このような表面材質の低下を回避できるばかりでなく、雰囲気を特定の雰囲気、例えば窒素雰囲気、とすることによって表層に窒素浸透させ、特性の改善を図るという積極的な処理を行なうこともできる。（ d ) 処理対象物に対して合金成分を供給可能な構造とし、表層に合金層を形成可能とすること、すなわち、超音波衝撃処理と同時に処理箇所に金属材料の粉末を供給する、或いは、ピン自体を特定の金属材料とすることによって、衝撃を与えると同時に金属粉末或いはピンの小片を処理対象物の表面に供給し、表層を所望の合金層とすることができる。これによつて、表面に形成されるナノ層を元の処理対象母材部と異なる成分構成を持つ合金層とし、例えば、普通鋼で製作されて使用中の橋梁の表面だけをステンレス鋼化して耐食性を向上させるなど、—材料表面に新しい機能を付与することもできる。

以下、本発明を、実施例の図面を参照しながら説明する。

図 1 は、本発明の超音波衝撃処理機の概要を示す断面図である。図 1 において、超音波衝撃処理機 1は、超音波を発信するトランスデューサー 2 と、その前方に取り付けられ、トランスデューサー 2で発生した超音波を先端部に導き、振動を増幅させるウェーブガイド 3 と、ウェーブガイド 3の先端、すなわち、処理対象物と対向する側、に取り付けられたへッド 4 とから構成される。

ヘッド 4は、その先端に 1又は複数の孔 5が設けられ、この孔に上下方向に挿入された棒状のピン 6 と、このピンをその上方で回転可能の保持するピン回転手段 5 0、ピン 6の上端とウェーブガイド 3の先端とに間に設けられた空間 8 とを含んで収納するホルダー 9 とからなり、ホルダー 9は、環状の金具 1 0により、ウェーブガイド 3の外周に着脱可能に接続されており、ピンを含めて取替え可能となっている。必要に応じて、ピンの径、本数、配列、材質、形状などを、変更し交換することができる。

なお、ウェーブガイドの中間部には、その外周を間隙を持って囲む樹脂製の力パー 1 1 を設けており、この間隙にはウェーブガイドおよび振動部を有するへッドを冷却、潤滑する潤滑冷却材を保持するための多孔体 1 2を充填することができる。その場合、力パー 1 1の下端部とウェーブガイド 3 と間には、開口部 1 3が設けられており、潤滑冷却材はこの開口部を経てヘッドへ供給される。なお、この冷却構造は、必須ではなく、必要に応じて設けられる。また、トランスデューサー 2を冷却するために、水冷や空冷の冷却層を設けても良い。

トランスデューサー 2は、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換するものであり磁歪式トランスデューサー或いは圧電式トランスデューサーなどを利用できる。前者は大容量化が可能であり、広範囲の音響負荷に対して高い安定度で作動するが、重く、冷却が必要である。一方、後者は、容量は小さいが効率は高く、発熱が少なく冷却を軽減できる。また、可搬性に優れる。しかし、逆に、音響負荷に対しての安定度は低い。従って、処理の目的によってこれらを適宜選択することができる。

また、ヘッドのピンは、一本の場合でも良いが、二本以上を一列或いは複数列に配列するようにすることができる。

トランスデューサー 2が超音波を発信すると、生じた超音波はこれに接続されたウエーブガイド 3を伝わり、ウェーブガイドの径が絞られていることによつて速度が変性される。超音波はウェーブガイド 3の先端にから、ヘッド 4に至り、ピン 6を振動させる。この振動により、ピンの先端が処理対象 1 4を打撃することによって衝撃処理される。

この超音波衝撃処理は、振幅 2 0〜60 _μ ιη、周波数 1 5 k H z〜 6 0 k Hz , 出力 0 . 2〜 1 K Wの超音波を用いて行なうのが一般的でめる。

次に、超音波衝撃処理機のピン回転手段 5 0は、ピン 6 自体をホルダー内で回転させるためのもので、例えば、図 1に示すように、ピン 6上部に歯車 5 1 を設け、隣合うピンの歯車と嚙み合わせルー方、ホルダーの外周部に固定したモーター等の回転手段 5 2の回転軸に歯車 5 3を設け、これとピンの歯車とをかみ合わせる構成とし、モーターの回転によってピンを回転させることができる。また、図 2は、本発明の超音波衝擊処理機のへッド部の他の例を示す断面概略図であるが、図 2に示すように、ホルダーのピンが揷通する孔 5の周辺には、この孔を囲むようコイル 5 4が埋め込まれている。一方、ピンの上端近傍には、ブラシ 5 5が取り付けられている。電源（図示しない）から、ブラシとコイルに通電することにより、金属材料で構成されるピンはそれ自身がモータ一となり、回転する。

なお、ピンの回転手段は、上記の手段に限ることなく適宜選択できる。

ピンを回転させることによって、処理面に広がりをもたせることができ、また、処理面に対して複数軸（ピン）で応力を与えることができるため結晶粒の微細化を促進することができる。すなわち、ピンを揺動させて処理するのと同じような効果を期待することができる

次に、図 3は、本発明の超音波衝撃処理機の実施例の概要を示す図である。

図 3において、超音波衝撃処理機 1のウエーブガイド 3に、複数のトランスデューサー 2、 2，、 2 " が設けられている。これにより複数方向の振動を先端に与えることができる。従って、処理面に対して複数のベクトル（荷重軸）をもって応力を与えることができ、結晶粒の微細化が効率よくできる。また、複数の荷重軸の応力のサイクルがいずれも同程度であること、或いは、配置によっては、軸の方向を完全に 3方向に分けることができるので、結晶粒の微細化効果がより向上する。なお、図 3では、 3つのトランスデューサ一を設けているが、これを 2つ或いは、 4つ以上の複数個とすることも可能である。

図 4 ( a ) は、ウェーブガイドに 3つのトランスデューサーを配置した状況を模式的に示したものであるが、さらに、図 4 ( b ) に示すように、特にそれらの振動数が同じである場合には、このように複数設けたトランスデューサ一の位相がずれるように配置することも好ましい。また、超音波の周波数をトランスデューサーごとにずれるようにしても良い。

これによつて、処理面に対して複数の荷重軸で応力を与えることができ、結晶粒の微細化ができる。また、複数の荷重軸の応力のサィクルがいずれも同程度であること、或いは軸の方向を完全に角度をずらして分けることができるので、結晶粒の微細化効果がより向上する。

図 5 ( a ) 、図 5 ( b ) は、本発明の超音波衝撃処理機における、ピンの先端形状の例を示したものである。図 5 ( a ) は凸状、図 5 ( b ) は凹状の曲面の先端形状を有するピン 6を示している。基本的に、先端形状が凸形状を持つピン 6によって打撃を与えると、処理対象物の表面には塑性変形による溝が形成される。しかし、デザィンの要請によつて処理対象物が曲面を持っている場合には、大きな溝を形成するのは意匠上好ましくない場合がある。そのような場合、形成される塑性変形の形状をピンの先端形状を変更することによって変えることができる。例えば、盛り上がった表面を処理する'には、凹状の先端形状のピンを使用すると、処理対象物に目立つ疵を与えることがなく好適である。ピンの先端形状の凹凸曲面の曲率は、処理対象箇所の面形状の曲率に近いものとすることもできるが、表面形状を意図して変えようとする場合は、処理対象箇所の曲率と大きく異なるは曲率とすることができる。例えば、薄板の板端部の処理を行なう場合に、先端形状が凹状のピンを用いて板端の角を落とし、応力集中を低減することもできる。このように、処理対象物、或いは処理箇所の表面形状に応じて曲率を変え、適切に交換することができる。

また、ピンの材質は、処理対象物の性状および処理の目的に応じてその硬さと組成を調整されているものであることが好ましい。例えば、硬度の高い金属材料を処理する場合には、硬度の高い材質の 4752 ピンが好ましく、硬度の高くない材料を処理する場合は、硬度を低い材質のピンを使用することも可能である。これは、ピンは消耗品であるが、硬度の高い材科は一般的にコストが高いからである。

また、超音波衝撃処理において処理対象物の金属材料とピンの先端が接触する際に、ピンの一部は、剥離して磨耗する。この剥離したピンの材料は、処理対象物の表面に圧着される。また、条件がそろえば、対象物の金属材料と合金層を形成する。図 6は、この経過を説明する模式図である。すなわち、これによつて、処理対象物 1 4の材質とは異なる表面層を形成することができ、たとえば、対象物に耐食性や、耐磨耗性を付与或いは向上させることができる。つまり、このように合金を形成するという目的の場合、むしろ積極的に柔らかい材質のピンを用いて、ピンの損耗によつて合金成分を供給するということもができる。従って、ピンの材質、硬さ、組成をこのような観点からも調整されたものとし、必要に応じて取り替えるものである。

次に、図 7 ( a ) 、図 7 ( b ) は、本発明の超音波衝撃処理機で使用する実施例のピンの先端を示したものであり、図 7 ( a ) は、超音波衝撃処理機に組み込まれた状態、図 7 ( b ) は、先端をワイヤー状体 1 5で形成したピン 6の状態を示す模式図である。図 1〜 3、図 5 ( a ) 〜図 6において示したピンは、先端まで棒状に一体に形成された例を示したが、この例では、ピンの先端は多数のワイヤー状体 1 5で構成されている。このワイヤー状体は、ピン 6の先端に、径が 0 . 0 1〜 1 . 0 m mのワイヤー或いは小径の棒などを埋め込むことにより形成することができる。

ワイヤー状体の材質は、ピンの材質と同じとしても良いが、上述のように、処理対象物 1 4の金属材料と合金を形成する材料を選択してもよい。ピンの先端をこのようなワイヤー状体で構成することによって、広い面積に対して弱めの衝撃処理を行なうことができ、ショットプラスト処理の代替としても使用し得る。また、接触面積が広がること、ワイヤーはより損耗しやすい結果、表面層に合金成分を供給しやすくなることなどから、合金層を形成する場合に好適である。

なお、ワイヤー状体が磨耗した場合はピンと共に取り替えればよい。

このように本発明の超音波衝撃処理機 1 は、多様な機能を果たすことができるように構成されている。

次に従来の超音波処理装置、或いは上述の本発明の超音波衝撃処理機をより効率的に使用するための本発明の装置について説明する。以下の説明において、本体とは、特に断りのない限り、従来および本発明の超音波衝撃処理機を含めた、超音波衝撃処理機を意味するものとする。

本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理機と、この超音波衝撃処理機をその軸の周りに回転および z又は移動する手段を備えている。これにより超音波衝撃処理機のへッドを回転および Z又移動させながら処理対象物を超音波衝撃処理することができる。

図 8は、超音波衝撃処理機をその軸の周りに回転可能とすると共移動可能とした本発明の超音波衝撃処理装置を示す模式図であるなお、本発明の説明において、超音波衝撃処理機、或いは、超音波衝撃処理装置の軸、中心軸、中心軸線或いは軸方向とは；図 1に示すように、ウェーブガイド後端の水平断面の中心と、ウェーブガィドの先端又はホルダーの水平断面の中心を結ぶ線、又はその方向を言うものとする。

図 8において、超音波衝撃処理機 1 (本体 1 ) は、本体 1のトランスデューサー 2およびウェーブガイド 3の端部近傍の外周において固定されたベアリング 1 9を介してケーシング 1 8に回転可能に収納保持されており、本体 1 の少なくともへッド 4はケーシング外にある。一方、ケーシング 1 8のトランスデューサー側には、モーターなどの回転駆動装置 2 0が固定されており、その軸は、歯車 4 1 を介して本体 1 のトランスデューサー側端部と接続されている。駆動装置が回転するとケーシング内で本体 1がその軸を中心として回転する。これによつて、ヘッドが回転し、処理面を広げることができると共に、処理面に対して複数の荷重軸で衝撃を与え、作用する応力を多軸化することができる。

また、図 9 ( a ) 、図 9 ( b ) は、超音波衝撃処理機を対象物の処理方向に移動可能とした超音波衝撃処理装置を示す概略図であり図 9 ( a ) は、側面図、図 9 ( b ) は平面図である。この超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理機 1 と、これを移動させる手段とから構成される。図 9 ( a ) 、図 9 ( b ) において、図 8で示したように、本体 1はケーシング 1 8に収納されており、ガイドレール 21 ， 21の間に設けられ、これに沿って移動可能な架台 23の上に固定手段 2 4によって垂下保持されている。架台 2 3には、ガイドレールに沿って設けられたねじ山を有する動力シャフト 2· 2に螺合するナット 2 2 aが固定されており、モーターなどの駆動手段（図示せず ) により動力シャフトを回転させることにより架台 23をガイドレールに沿って移動させることができる。この装置を処理対象物の位 S に配置するか、処理対象物をこの装置の作動範囲に配置し、本体を処理対象物の処理部に位置させ、かつ移動させつつ処理を行なうことができる。図 8で説明したように、この装置において回転駆動装置 2 0により本体を回転させ、かつ移動させながら処理することができることは言うまでもない。これによつて上記のように、処理面を広げることができると共に、処理面に対して複数の荷重軸で衝撃を与え、応力を多軸化することができる。

なお、図 1 0は、本発明の回転および/又は移動可能とした本発明の超音波衝撃処理処理装置の他の例を示した概略図である。図 8 同様、ケーシング 1 8に本体 1が収納保持されている。そして、ケ —シングのトランスデューサ一の端部側の端部には、フレーム 2 5 が固定されており、このフレームに回転駆動装置 20が固定されている。また、フレームの一端には、把持用のハンドル 2 6が設けられている。すなわち、これによつて人手により支持し、移動させることによって処理対象物に対して作業し得る形とすることができ、既設の橋梁などの現場での作業や、機器をガイドレールに配置し難い場所での処理に好適であり、移動は人力となるが作業を適切に管理することにより、フレキシブルに上記と同様の効果をうることができる。

上述のように、本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理機とその軸の周りに回転させる手段とを備えても良いし、超音波衝撃処理機と移動手段とを組み合わせたものとしても良いし、あるは、超音波衝撃処理機とこれをその軸の周りに回転させる手段と、移動手段とを組み合わせたものとしてもよい。

また、本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理装機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段を備えたものである。図 1 1 は、金属粉を供給する手段を備えた本発明の超音波衝撃処理装置を示す概略図である。なお、図 1 1は、後述するシールドガス供給手段を併せて備えている例として示している。

超音波衝搫処理装機は、図 8で示したように、その外周に設けたベアリング 1 9を介してケーシング 1 8に回転可能の収納保持されている。ケーシング 1 8には金属粉供給管 2 8が設けられ、その先端開口部はピンの先端近傍に位置するように設けられている。金属粉供給管の他端は、例えば空気搬送装置などの金属供給装置（図示しない）に接続されており、金属粉タンク（図示しない）から金属粉が供給されるようになっている。この例では、金属粉供給管は、ケ一シング 18およびホルダー 9に支持されているが、ホルダーでの支持部 2 9にべァリング 30を介して金属粉供給管 2 8を回転可能に支持するようにすれば、超音波衝撃処理機 1 を回転させながら処理するようにすることもできる。また、金属粉供給管の強度によってはホルダーでの支持部 2 9を省略しても良い。

なお、金属粉供給管を本体に取り付けて配置せず、離れた位置に配置してフレーム等を介して本体と連結する構成としても良い。

この装置を用いることにより、超音波衝撃処理において処理対象箇所に合金形成用の金属粉を供給することができ、処理対象の金属材料（母材）とは異なる組成の合金表面層を形成し、母材表面の材質特性を目的に添って改善することができる。

また、この場合、前述のピンからの金属成分の供給を期待しないで済むために、ピンの硬度を高く設定して損耗を少なくすることもできる。また、前述のピンの材質を選択することによって表面層に合金層を形成する場合とは異なり、自由に合金用の金属を選択することができるので、表面層の成分調整の自由度が向上する。

また、本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理装機と、処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えることを特徴とする。図 1 1 は、シールドガスを供給する手段を備えた本発明の超音波衝撃処理装置を示す概略図である。

超音波衝撃処理装機は、図 8で示したように、その外周に設けたベアリング 1 9を介してケーシング 1 8に回転可能の収納保持されている。図 1 1においてケーシング 1 8にはシールドガス供給管 3 1が設けられ、その先端開口部はピンの先端近傍に位置するように設けられている。シールドガス供給管の他端は、例えばアルゴンガス、ヘリウムガス、炭酸ガスなどの不活性ガスのタンク（図示しない）に接続されており、不活性ガスタンクからシールドガスが供給されるようになつている。この例では、シールドガス供給管は、ケ一シングにおいて支持されているが、ホルダー 9でも支持するようにしても良く、その際、支持部をベアリング（図示しない）を介して回転可能にシールドガス供給管 3 1を支持するようにすれば、超音波衝撃処理機を回転させながら処理するようにすることもできるなお、シールドガス供給管を本体に取り付けて配置せず、離れた位置、たとえば処理対象物への処理移動方向の前方、に配置してフレーム等を介して本体と連結する構成としも良い。

この装置を用いることにより、超音波衝撃処理において処理対象箇所の雰囲気を調整する'ことができるので、処理に伴う処理対象箇所の温度上昇や、後述するような加熱処理に伴って生じる金属酸化物の生成を抑制することができ、表面改質層の純度が向上し、また、表面改質層の厚さを実質的に厚くすることができる。

また、本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理装機と、処理対象箇所を加熱する手段を備えることを特徴とする。図 1 2 ( a ) 、図 1 2 ( b ) は、処理対象箇所を加熱する手段を備えた本発明の超音波衝撃処理装置を示す、図 1 2 ( a ) は、一部断面を含む概略図、図 1 2 ( b ) は、その A— A，視概略図である。

超音波衝擊処理装機は、図 8で示したように、その外周に設けたベアリング 1 9を介してケーシング 1 8に回転可能の収納保持されている。図 1 2 ( a ) において加熱手段 3 3は、一端をケーシング 1 8 の外周に固定された支持体 3 2 の他端において、本体 1 のへッド 4の近傍ないしはそれより下方に位置し、処理対象物に近接するように支持されている。加熱手段は、処理対象物の少なくとも処理箇所を所定の温度に加熱し得るものであれば良い。図 1 2 ( a ) 、図 1 2 ( b ) の例においては誘導加熱コイルを設けている。加熱手段 3 3 と本体のへッド 4 との間には、電磁シールド材 3 4が設けられている。電磁シールド材 3 4は、その一端がケーシング 1 8の外周に固定部 3 5により固定支持されており、他端は本体 1のへッド 4の下端まで伸びている。

また、固定部 3 5を、例えばシリンダ一など、昇降可能になものとして電磁シールド材 3 4を支持することが好ましい。これによつて、たとえはシールドを下降させた状態で加熱すれば、ヘッド部およびピンの加熱を抑制しつつ、処理対象箇所の加熱を先行させることができる。また、シールドを上昇させた状態で加熱することによつて、必要に応じて処理対処箇所およびピンを同時に加熱することができる。

なお、加熱装置や溶接などの熱源を本体に取り付けて配置せず、本体とはやや離れた位置、たとえば処理対象物への処理移動方向の前方、に配置してフレーム等を介して本体と連結する構成としも良い

このように、本発明の装置を用いて処理すると、処理箇所の加熱を超音波衝撃処理に先行あるいは同時に行なえるので、処理箇所の処理温度を適宜選択することができ、表面硬化、組織の微細化、残留応力の付与など、それぞれの効果を選択的に、また効率的に向上させることができる。

本発明の超音波衝撃処理装置においては、上述した金属粉供給手段、シールドガス供給手段、加熱手段は、それぞれ単独で備える例を説明したが、これらの手段を複数組み合わせて超音波衝撃処理機に備えるようにしても良い。

すなわち、金属粉供給手段とシールドガス供給手段、加熱手段と金属粉供給手段、シールドガス供給手段と加熱手段、金属粉供給手段およびシールドガス供給手段と加熱手段を超音波衝撃処理機に備えた装置とすることができる。また、上記手段らを超音波衝撃処理機とは離れた位置に配置して連結した構造の装置としても良い。本発明の装置は、上述したように、処理対象の金属材料の表面層をナノ結晶構造とすると共に、各種の合金層を形成したり、微細な組織構造としたり、形状を改善したり、また応力状態を改善することができる。これによつて、耐磨耗性、耐食性、疲労特性などを改善するなど、広範囲の特性の改善を可能とすることができる。

さらに、本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理機又は超音波衝擊処理装置を複数配置したことを特徴としている。

図 1 3 ( a ) 、図 1 3 ( b ) 、図 1 3 ( c ) は、超音波衝撃処理機、あるいは本発明の超音波衝擊処理装置を複数配置した超音波衝撃処理装置の構成を示す図 1 3 ( a ) は正面の、図 1 3 ( b ) は上面の、図 1 3 ( c ) は側面のそれぞれ概略図である。

ガイドレール 2 1， 2 1 の間に移動可能に架台 2 3が設けられており、この架台には、それぞれケーシング 1 8、 1 8 ' に収納された 2台の超音波衝撃処理機 1 , 1 ' が、ケーシング 1 8、 1 8 ' に設けた支持体 3 6、 3 6 ' を介して、固定部材 3 7、 3 7 ' によつて架台 2 3に固定されている。その際、図 1 3 ( a ) 〜図 1 3 ( c ) から判るように、超音波衝擊処理機 1 ， 1 ' の中心軸線が角度 0 をなすように配置されている。そしてこれらの複数の装置によって、ほぼ同じ場所を集中的に処理することができる。すなわち、一台の中に複数のトランスデューサーを配置する場合と異なり、振動系を別個にして同一エリアを処理するため、振動の干渉が少なく、効率よく複数軸で応力を処理対象部に与えることができる。

なお、固定部材 3 7および 3 7 ' のいずれか一方又は双方を、支持体 3 6， 3 6 ' に対して角度可変に支持固定可能な部材とすることも好ましい。これによつて角度を自在に設定すること、また角度方向に動作させながらの処理も可能となる。

さらに、架台 2 3に対して固定部材 3 7， 3 7 ' を移動可能な構造とすることも好ましい。例えば、架台にガイドレールと、それぞれ独立の動力シャフトとを設け、これに動力シャフトのねじ山に螺合するナツトを固定部材に設ける構成とすれば、動力シャフトを回転させることによって、超音波衝撃処理機 1、 1 ' の間隔を任意に選択できるようにすることができる。

なお、架台 23には、ガイドレールに沿って設けられたねじ山を有する動力シャフト 2 2に螺合するナット 2 2 aが固定されており、動力シャフトが回転することによって架台は、ガイドレールに沿つて移動することができる。

また、複数の超音波衝撃処理機、あるいは本発明の超音波衝擊処理装置を配置した本発明の装置の他の例は、複数の複数の超音波衝撃処理機、あるいは本発明の超音波衝撃処理装置を、その軸が処理対象物の処理方向に対して互いに平行になるよう配置した構成の超音波衝撃処理装置である。これは、図 1 4 ( a ) 〜（ c ) において

、 3台の超音波衝擊処理機 1， 1 ' 1 " の中心軸が互いに平行となるように配置されるものである。超音波衝撃処理機 1， 1，、 1 " をそれぞれ収納したケーシング 1 8， 1 8，， 1 8 " は、その外周に設けられた支持体 3 6 , 3 6，， 3 6 " を介して、固定部材 3 7 、 3 7，、 3 7 " によって架台 2 3に固定されている。その際、図 1 4 ( a ) 〜図 1 4 ( c ) から判るように、超音波衝搫処理機 1， 1 ' の中心軸は、処理方向に対して、互いに平行になるように配置されている。この場合は、複数個のピンの処理範囲はそのままでは重ならないのが通常なため、処理が均一にまんべんなくなるように

、移動は' 2方向に行ないながら、表面を平滑に処理していくように機器を構成し、コントロールすることが好ましい。

なお、上述のように、複数の超音波衝撃処理機を架台 2 3に固定する際に、角度可変に支持可能な固定部材 3 7， 3 7 ' 3 7 " を用いた構成とすれば、超音波衝撃処理機相互の中心軸が互いに平行となるように配置した超音波衝撃処理装置とすることができると共に、必要に応じて互いに角度をなして配置した超音波衝撃処理装置とすることもできる。また、上記のように、架台 2 3に対して固定部材 3 7， 3 7 ' 3 7 " を移動可能な構造とすることも好ましく、移動可能とすることによって、複数の超音波衝撃処理機を平行かつ所望の間隔に設定した超音波衝撃処理装置とすることができる。

複数の超音波衝擊処理機を中心軸の角度を持って配置した装置を用い、或いはさらに超音波衝撃処理機の動作条件、例えばトランスデューサー位相、ピンの形状、ウェーブガイドの性状など、をそれぞれ異なる条件とし、中心軸が交わる位置に処理対象箇所を位置させて処理を行なうことによって、処理面に対して複数の荷重軸で応力を与えることができ、結晶粒の微細化ができる。また、複数軸の応力のサイクルがいずれも同程度であり、あるいは、軸の方向を完全に角度をずらして分けることができるので、結晶粒の微細化効果がより向上する。

また、複数の超音波衝撃処理機を中心軸が平行となるように配置した装置を用い、或いはさらに超音波衝撃処理機の動作条件、例えばトランスデューサー位相、ピンの形状、ウェーブガイドの性状などをそれぞれ異なる条件とし、処理を行なうことにより、大きな出力を用いなくても広い面積を処理でき、或いは大きな出力の機器を用いた場合よりも平面的な均一性を確保することができる。また、必要に応じて、処理条件の異なった処理を同時に行なうことができる。

上記複数の超音波衝撃処理機を備えた超音波衝撃処理装置は、従来の超音波衝撃処理機のほか、これまで説明した本発明の超音波衝撃処理機および超音波衝撃処理装置装置を用いて構成することができることは言うまでもない。例えば、超音波衝撃処理機を複数のトランスデューサーを備えたもの、或いはピンの先端形状をワイヤー状体としたものなどとすることも好ましく、また、金属粉供給手段或いは加熱手段などを備えた超音波衝撃処理装置を複数配置するなど、処理の必要に応じて選択配置することが好ましい。また、異なる機能を持つ超音波衝撃処理機又は超音波衝撃処理装置を複数組み合わせて配置することも可能である。複数の超音波衝撃処理機、超音波衝撃処理装置を配置することによって、上記効果を一層広範囲のものとすることができる。

また、本発明の超音波衝撃処理装置は、超音波衝撃処理装機或いは超音波衝撃処理装置をロボットアームに搭載したものである。図

1 5は、超音波衝擊処理装機或いは超音波衝撃処理装置を、ロボットアームに搭載した超音波衝撃処理装置を示す概略図である。

ケーシング 1 8に収納された超音波衝撃処理機 1 は、ケーシング 1 8に設けられた継手 3 8によりロポットアーム 3 9に搭載され、ロボット制御装置 4 0により制御されて超音波衝撃処理を行なうものである。

これにより、超音波衝撃処理を自動化して行なうことができ、極めて効率的に表面改質等を行なうことができる。実施例本発明の超音波衝撃処理装機又は、本発明の超音波衝撃処理装置を、実施例により具体的に説明する。

本発明の超音波衝撃処理機は、図 1に示したような構成であり、 2 7 k H z , 出力 6 0 0 Wの金属トランスデューサーを備えたもので、振幅 2 0〜 4 0 μ mの鉛直振動をピンに発生させる。超高強度鋼製のピンはで H v 8 0 0の硬さを備えており、 3本が 2 0 mmの間に配列されている。また、ピンの回転は、へッドの外側に設けたモーターによりおこなった。この超音波衝撃処理装機を基本機器とした上で、本発明の機器又は各装置を用い、それらの構成や処理条件等を変えて、各種の金属材料の処理を行なった。金属材料として 1 . 2 mm (厚） X l m (幅） X L (長さ）の板を用いた。

処理後の金属材料の表面を調査し、処理幅の大きさ（mm) 、処理表面の硬さ（H v ) を測定すると共に、処理後の金属材料より試験片を切り出し、顕微鏡観察によってナノ結晶組織層や、酸化層の厚さを調査した。さらに、表面ナノ層の成分を E PMA面分析により調査した。また、これらの結果を総合評価した。それらの結果を、上述の処理条件とともに、表 1に示す。

また、処理対象金属および添加した金属の成分組成を表 2に示した。なお、表 1 中の「合金化指標」とは、合金化の効率を表すものであり、処理対象母材中の化学成分を A%、添加した成分を8 %、形成された合金層中の化学成分を C %としたとき、合金化指標を X %とすると、 Y= (Α + Β ) ノ 2、 X = C/ Y X 1 0 0 (%) とする。

(比較例 1 ) 図 1に示した超音波衝撃処理機（基本機器）を用い、ピンを回転させることなく鋼板を処理した。なお、処理速度は、 5 0 c /m i n とした。表面層にはナノ結晶層は、全く形成されなかつた。 (比較例 2 ) 比較例 1 と同様に、基本機器を用い、ピンを回転させることなくアルミ板を処理した。なお、処理速度は 1 0 0 c mZm i n とした。

表面層にはナノ結晶層は、全く形成されなかった。

(実施例 1 ) 図 1に示した超音波衝撃処理機（基本機器）を用い、ピンを 1 0 0回転/ s e c程度で回転させつつ、鋼板を処理した（以下の実施例においても、ピンを回転させる場合は、ピンの回転速度は、 1 0 0回転/^/ 5 6 じとした）。また、処理速度は 5 0 c mZ m i n とした。（以下の実施例でも、鋼板の場合は、処理速度は 5 0 c m/m i n とした。 )

表面層には 45 μιηのナノ結晶層が形成され処理効率も良好であつた。

(実施例 2 ) 実施例 1 と同様の機器を用い、ピンを回転させつつァルミ板を処理した。処理速度は比較例と同様、 1 0 0 c m/m i n である。（以下の実施例でも、アルミ板の場合は、処理速度は 1 0 0 c m/m i n とした。 )

表面層には 35 μ m以上のナノ結晶層が形成され、処理効率も良好であった。

(実施例 3 ) 実施例 1 と同様の機器を用い、ピンを回転させつつ鋼板を処理した。このとき、機器を 5 c m/ s e cでウィービング（左右又は前後に振ること）させつつ処理した。表面層には 35 z m 以上のナノ結晶層が形成され、処理効率も良好であった。

(実施例 4 ) 図 3に示すような複数のトランスデューサーを備えた超音波衝撃処理機を用いた。このときトランスデューサ一は垂直方向の 1台と、水平方向に 2台の計 3台を備えた装置を用いた。水平方向の 2つのトランスデューサ一の発振は、 2 0 k H z , 振幅は 2 μ mである。なお垂直方向のトランスデューサ一は上記基本機器のものであり、 2 7 k H z、振幅 2 0〜4 0 πιである。これによつて 3方向の振動をピンに与え、さらに、ピンを回転させつつ鋼板を処理した。表面層には 50μ mと厚いナノ結晶層が得られ、処理効率も良好であった。

(実施例 5 ) 垂直方向 1台、水平方向 2台の合計 3台のトランスデュ一サーを備えた実施例 4 と同様の超音波衝撃処理装置を用いた。しかしながらこのとき、、水平方向の 2台のトランスデューサ一の位相は、互いに 1 8 0度ずれたものとした。これによつて 3方向からの位相のずれた振動をピンに与え、さらに、ピンを回転させつつ鋼板を処理した。表面層には 52μ mと厚いナノ結晶層が得られ、処理効率も良好であった。

(実施例 6 ) 実施例 1 と同様の機器を 2台を、その中心軸が互いに 4 5 ° をなすように配置した超音波衝撃処理装置を用いて、鋼板の同一の処理対象箇所を処理した（図 1 3 ( a ) 〜図 1 3 ( c ) 参照 ) 。なお、ピンの干渉を避けるために、ピンは、基本のものより細い 3 m m径のものを用いた。ピンを回転させつつ、また、ピンの間に凹凸を作らないように約 1 m m程度の幅でウィービングしながら処理した。表面層には 50μ mと厚いナノ結晶層が得られたが処理幅が広く、処理効率は良好であった。

(実施例 7 ) 図 1 4 ( a ) 〜図 1 4 ( c ) に示すように複数の超音波衝撃処理機を平行に配置した超音波衝撃処理装置を用いたものである。この例では、 5台の基本機器を配置した超音波衝撃処理装置を配置した。この場合、直径 5 mmのピンが約 7mmの間隔で並んでいるため、ピンを回転させつつ、 3 m mほどの幅でウィービングしながら鋼板を処理した。

表面層には 4 0 /x mと厚いナノ結晶層が形成され、処理幅も大きく処理効率は良好であった。 P 聰嶋 14752

(実施例 8 ) 図 5 ( b ) に示したように、超音波衝撃処理装機のピンの先端形状を変えた例である。厚さ 1 . 2 mmの鋼板の端部を処理するために、ピンの先端形状を曲率半径が 7 mmの凹形状としたこのピンを、実施例 1 と同様、基本機器のヘッドに装着し、ピンを回転させつつ、鋼板の端部を処理した。端部の曲率が 3 mmとなり角が滑らかとなると共に、表面層にナノ結晶層を形成することができた。

(実施例 9 ) この実施例では、超音波衝擊処理機のピンの材質を変えて処理を行なった。ピンは、 N i — C r合金のものであり、硬さは 2 0 0 HVである。このピンを実施例 1 と同様、基本機器のへッドに装着し、ピンを回転させながら鋼板を処理した。

表面層にはナノ結晶層が形成されるとともに、表面の硬さが向上した。これは、図 6に示したように、ピンの成分が鋼板の表面層に移行し、 N i 一 C r の合金表面層が形成されたためである。

(実施例 1 0 ) この実施例は、図 1 1に示したような金属粉を供給する手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いて処理するものである。金属粉供給管から N i — C r合金粉を、 l O g /m i nで供給し、ピンを回転させながら鋼板を処理した。

表面層にはナノ結晶層が形成されると共に、表面の硬さが向上した。処理効率も良好であった。

(実施例 1 1 ) この実施例は、図 1 2 ( a ) 、図 1 2 ( b ) に示したような加熱手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いて処理するものである。電磁コイルで処理対象箇所の表面近傍のみを 5 0 0でに加熱し、ピンを回転させながら鋼板を処理した。

表面層には 5 0 と厚いナノ結晶層が形成されており、処理効率も良好であった。ただし、厚い酸化層が形成されていた。 PC蘭 00應 4752

(実施例 1 2 ) この実施例は、図 1 1および図 1 2 ( a ) 、図 1 2

( b ) に示すように、加熱手段および金属粉供給手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いて処理するものである。電磁コイルで処理対象箇所の表面近傍のみを 5 0 0 °Cに加熱するとともに、金属粉供給管から N i — C r合金粉を、 10 g /minで供給し、かつピンを回転させながら鋼板を処理した。

表面層には 4 0 μ mと厚いナノ結晶層が形成されており、かつ硬さも向上していた。処理効率も良好であった。ただし、厚い酸化層が形成されていた。

(実施例 1 3 ) この実施例は、実施例 1 2 と同様に、加熱手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いて処理するものである。この実施例では、電磁コイルで処理対象箇所の表面近傍のみを 5 0 0 °Cに加熱し、ピンを回転させながら鋼板を処理し、処理する際は、電磁シールドを降下させた状態とし、ピンの過熱を抑制した。

表面層には 9 0 μ ιηと極めて厚いナノ結晶層が形成されており、処理効率も良好であった。ただし、厚い酸化層が形成されていた。

(実施例 1 4 ) この実施例は、図 1 1 に示したようなシールドガス供給手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いて処理するものである。シールドガスとして C0₂ガスを用い、 2 0 リットル/分を供給し、ピンを回転させながら鋼板を処理じた。

表面層には 4 1 μ ιηと厚いナノ結晶層が形成されており、酸化層の形成もなく、処理効率も良好であった。

(実施例 1 5 ) この実施例は、実施例 1 4 と同様に、シールドガス供給手段を備えているが、さらに、金属粉供給手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いたものである。シールドガスとして C0₂ガス.を用い、 2 0 リツトル分を供給すると共に、金属粉供給管から N i 一 C r合金粉を、 1 0 g / m i nで供給し、ピンを回転させながら鋼板を処理した。

表面層には 3 5 μηιと厚いナノ結晶層が形成されており、合金層が形成され硬さが向上した。合金化指標も 9 4 (%) と高いものであった。また、酸化層の形成がなく処理効率も良好であった。

(実施例 1 6 ) この実施例は、実施例 1 4 と同様に、シールドガス供給手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いて処理するものである。シールドガスとして C0₂ガスを用い、 2 0 リットル分を供給し、ピンを回転させながらアルミ板を処理した。

表面層には 5 5 μ mと厚いナノ結晶層が形成されており、硬さが向上し、酸化層の形成がなく処理効率も良好であった。

(実施例 1 7 ) この実施例は、実施例 1 5 と同様に、シールドガス供給手段、揺動手段を備えているが、さらに、金属粉供給手段を備えた超音波衝撃処理装置を用いたものである。シールドガスとして C0₂ガスを用い、 2 0 リットル/分を供給すると共に、金属粉供給管からアルミ合金粉を、 1 0 g /m i nで供給し、ピンを回転させながらアルミ板を処理した。

表面層には 3 0 μιηと厚いナノ結晶層が形成されており、硬さが向上した。酸化層の形成がなく処理効率も良好であった。

表 1

文橡材料装置ピン雰囲気効率結果

A Aル

7/

強度材質径温度硬さ

材質タイフ。力"ス時間幅層厚層厚指標価 ( Pa) (形状） (,mm) CO (Hv)

(see) (nun) ( m) ( /iin) 、70ノ超高強麵

比 1 謝 (A1) 500 鉢タイフ。 5 20 なし 50 60 2.2 192 0 2 X っフノ°、ノ

例 2 アルミ (A2) 150 ィフ。〃 5 20 なし 50 30 2.7 58 0 2 X

1 n 9 q

oUU ΓΗΤ^ カノ "7。 ϋ ' レ OU OU ム o ΔΔΌ A 〇

2 アルミ (A2) 150 回転タイフ。 5 20 なし 50 30 2. 8 68 35 2 π

00 3 辆、 1

A丄、 OUU rnii^カノマ⁰ Λ lV、 l、j j ,

ソィソ on on

へ J') 'd^レ O en i

U 丄 0 a a ΑΛ

\J Ό. i7 Δ )

CO 〇

4 謝 (A1) 500 3方向振動平面 2方向振動〃 5 20 なし 50 60 2. 3 233 50 4

3方向振動

5 謝 (A1) 500 半凼 2方向振動〃 5 20 なし 50 60 2. 3 237 52 4 〇

(飾ずらし）

施

45度で正対，

6 謝 (A1) 500 2台で一箇所〃 3 20 なし 50 40 4 213 50 3 〇

ウイ -ゥ、 'イング、

例

回転タイフ。

7 耐 (A1) 500 ウイ-ゥ、'イング、〃 5 20 なし 50 150 110 235 40 4 〇

5台 TO使用

〃

8 謝 (A1) 500 回転タイフ。板端部処理 5 20 なし 50 60 1. 9 205 25 2 〇讓フ。 )

表 1のつづき

対象材料装置ピン雰囲気効率

処理処理処理ナノ合金化強度材質径温度

材質タイフ。力"ス長さ時間幅層厚層厚日価 (MPa) C形状）、誦) (。C) (Ην)

(cm) Ks.ec) (mm) ( m) ( μπι) (%)

9 酣 (A1) 5∞ 回転タイフ。ピンの硬さ 200Hv 合金 (B1) 5 20 なし 50 120 2. 3 283 20 3 70 〇

m^ m

10 麵 A1) 500 回転タイ, 合金粉 (B1)供給 5 20 なし 500 600 2. 3 292 30 4 85 〇

CO (凸タイフ' )

CO

11 耐 (A1) 500 回転タイ, // 5 500 なし 50 40 2.4 215 50 10 〇

12 麵 A1) 500 回転タイフ。合金粉 (B1)供給 II 5 500 なし 500 400 2.4 267 40 9 89 〇施

13 謝 (A1) 500 回転タイフ。加熱 +電磁シ-ルド' II 5 500 なし 50 40 2.4 218 90 11 〇

14 耐 (A1) 500 回転タイフ。 /, 5 500 co₂ 50 40 2.4 220 41 0 〇例

15 耐 (A1) 500 回転タイ合金粉 (B1)供給 11 5 500 co₂ 500 棚 2.4 300 35 0 94 〇

16 アルミ (A2) 150 回転タイフ。 11 5 500 co₂ 50 20 2. 9 70 55 0 〇

17 アルミ (A2) 150 回転タイフ' 合金粉 (B2)供給 II 5 500 co₂ 50 20 3. 0 95 30 0 96 〇

表 2 (質: マトリクス

部位記号材質 C Si Mn P S Al Ti Ni Cu Mg N Mo Cr Nb V Zn Fe 成分

A1 鋼材 Fe 0.10 0.26 1.18 0.006 0.003 0.026 0.009 0.003 0.02 0.12

母材残部

A2 アルミ合金 A1 0.30 0.61 残部 0.55 1.6 0.05 0.20

Ni-Cr

B1 Ni 0.02 0. 0 0.50 0.75 残部 0.05 15.0 0.90 7.0 添力 [I材合金

B2 アルミ合金 Al 残部 1.00 2.8 0.30

産業上の利用可能性

本発明の超音波衝撃処理機および超育波衝撃処理装置によれば、

( a ) 超音波衝撃処理を多軸的に施すことによつてナノ結晶化を促進すること、（ b ) 処理表面の温度制御を可能な構造とすることにより、超音波衝撃処理により得られる表層の諸特性を選択できるようにすること、（ c ) 少なくとも処理表面の雰囲気を制御可能な構造とし、酸化物層の形成を抑制し、良好な金属表面状態とすると共に、さらには合金層の良好な形成を可能とすること、（ d ) 処理対象物に対して金属成分を供給可能な構造とし、表層に元の母材と異なる成分構成の合金層を形成可能とする、等の効果を得ることができ、ナノ結晶組織を有する共に、各種の特性を有する表面層を効率的に得ることができる。

Claims

青求の範囲

1 . 超音波を発生させるトランスデューサ一と、該トランスデューサ一の前方に取り付けられ、超音波を前方に導くためのウェーブガイドと、該ウェーブガイドの先端に取り付けられ、前記超音波により振動するピンと該ピンを回転させるピン回転手段と該ピンを保持するホルダーとを備えたへッドとからなる超音波衝撃処理機。

2 . 前記ゥェ一ブガイドに複数のトランスデューサ一が設けられていることを特徴とする請求項 1に記載の超音波衝擊処理機。

3 . 前記複数のトランスデューサ一は、それぞれ互いに位相が異なることを特徴とする請求項 2に記載の超音波衝撃処理機。

4 . 前記ヘッドのピンの先端形状が、凸状又は凹状の曲面を有することを特徴とする請求項 1 〜 3のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機。

5 . 前記ヘッドのピンが、処理対象物の性状に応じてその硬さと化学組成を制御されていることを特徴とする請求項 1〜 4のいずれ力 1項に記載の超音波衝撃処理機。

6 . 前記ヘッドのピンの先端部が、多数のワイヤー状体からなることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機。

7 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、該超音波衝撃処理装機をその軸の周りに回転させる手段とを備えたことを特徴とする超音波処理装置。

8 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝擊処理機と、該超音波衝撃処理装機を移動させる手段とを備えたことを特徴とする超音波処理装置。

9 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、該超音波衝撃処理装機をその軸の周りに回転させかつ移動させる手段とを備えたことを特徴とする超音波処理装置。

1 0 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝擊処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 1 . 請求項;!〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 2 . 請求項:!〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 3 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 4 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えたことを特徴とする特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 5 . 請求項 1〜 6のいずれ力 1項に記載の超音波衝撃処理機と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱手段と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段を備えたことを特徴とする特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 6 . 請求項;!〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機と、処理対象箇所に金属粉を供給する手段と、少なくとも処理対象箇所を加熱する加熱初段と、少なくとも処理対象箇所にシールドガスを供給する手段とを備えたことを特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 7 . 前記加熱手段が電磁誘導加熱手段であり、かつ電磁シールドを備えていることを特徴とする請求項 1 1、 1 3、 1 5、 1 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理装置。

1 8 . 請求項：！〜' 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機の複数機が、各超音波処理機の軸方向が互いに異なるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

1 9 . 請求項:!〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機の複数機が、各超音波処理機の軸方向が互いに平行となるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

2 0 . 前記超音波処理装置の前記複数超音波衝撃処理機は、各超音波衝撃処理機のトランスデューサー、ウェーブガイド、ピンのいずれか 1つが、他の超音波処理機のそれと異なる性状のものであることを特徴とする請求項 1 8又は 1 9に記載の超音波衝撃処理装置

2 1 . 請求項 7〜 1 7のいずれか 1項に記載の超音波処理装置の複数の装置が、各超音波衝撃処理装置の軸方向が互いに異なるように配置されていることを特徴とする超音波衝擊処理装置。

2 2 . 請求項 7〜 1 7のいずれか 1項に記載の超音波処理装置の複数の装置が、各超音波衝擊処理装置の軸方向が互いに平行とになるように配置されていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。

2 3 . 前記超音波処理装置の前記複数超音波衝撃処理装置は、各超音波衝撃処理装置のトランスデューサー、ウェーブガイド、ピンのいずれ力、 1つは、他の超音波処理装置のそれと異なる性状のものであることを特徴とする請求項 2 1または 2 2に記載の超音波衝撃処理装置。

2 4 . 請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理機が、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする超音波衝擊処理装置。

2 5. 請求項 7〜 1 7のいずれか 1項に記載の超音波衝撃処理装置が、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする超音波衝撃処理装置。