(57)【要約】【課題】キャビテーションピーニングを利用した表面処理において、凸曲面よりなる被処理面を処理する場合であっても、十分な気泡崩壊を発生させて、十分な表面処理効果を達成する。【解決手段】噴流中心軸Ｃ上の被処理物２よりも上流側に渦流発生治具５を備え、キャビテーション噴流３を渦流発生治具５の外周側面５ａに沿って流すことによって、キャビテーション噴流３の流れを渦流４に変換する。又は噴流中心軸Ｃ上の被処理物２よりも下流側に渦流堰止治具６を備え、キャビテーション噴流３を渦流堰止治具６の堰止面６ａで堰き止めることによって、キャビテーション噴流３に含まれている渦流４が下流側に流されるのを抑制する。渦流発生治具５又は渦流堰止治具６によって被処理面２ａの近傍に渦流４を集めて、渦流４内のキャビテーション気泡を被処理面２ａの近傍で崩壊させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸曲面よりなる被処理面を有する被処理物にキャビテーション噴流を衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力により該被処理面を処理する方法であって、
噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、
及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、
のうちのいずれか一方又は両方を用い、
前記渦流発生機能及び／又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記被処理物が前記噴流中心軸から離れた両側に複数個配置されており、
前記渦流発生治具によって、複数個の前記被処理物の各前記被処理面の近傍に前記渦流を集めることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
凸曲面よりなる被処理面を有する被処理物にキャビテーション噴流を衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力により該被処理面を処理する装置であって、
前記キャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルと、
前記噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、
及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、
のうちのいずれか一方又は両方を備え、
前記渦流発生機能及び／又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする表面処理装置。
【請求項４】
前記渦流発生治具及び／又は前記渦流堰止治具の前記被処理面と対向する前記表面が、前記被処理面の軸芯方向の曲率に沿って成形されていることを特徴とする請求項３に記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面処理方法及び表面処理装置に関し、詳しくはキャビテーションピーニングを利用して凸曲面よりなる被処理面を処理する表面処理方法及び表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料や半導体材料等の表面の強化、洗浄や残留応力の改善等を目的として、キャビテーションピーニングを利用した表面処理が行われている。また、キャビテーションピーニングの処理効率を高めるための技術として、キャビテーションをより多く発生させる噴射ノズルや、広い面積を処理するために、噴射ノズルを多数配置した技術が開示されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００３】
キャビテーションは、流動している水などの液体の圧力が局部的に低下して、液体の飽和蒸気圧まで圧力が減少した結果、液体が気泡になる現象である。多くの場合、水中に溶け込んでいる微細な気泡などがキャビテーション核となって、噴流の高速領域（低圧領域）でキャビテーション気泡となる。液体の圧力が低下することで発生したキャビテーション気泡は、流速の低下により液体の圧力が再び高くなれば、液体の表面張力等の影響も受けて、崩壊する。この気泡崩壊は、数マイクロ秒オーダの短時間で起こる。このため、気泡崩壊時には、数百から数千気圧にも達する衝撃圧力が発生する。
【０００４】
キャビテーションピーニングによる表面処理では、キャビテーション気泡の崩壊時に発生する衝撃圧力を利用して、被処理物の表面の強化等を行う。すなわち、図１４に示すように、噴射ノズル７１から噴射する液体のキャビテーション噴流（キャビテーション気泡を含む水等の液体の噴流）７３を被処理物７２の表面に衝突させる。被処理物７２に衝突した後のキャビテーション噴流７３は被処理面７２ａに沿って流れ、その過程でキャビテーション噴流７３の流速が低下する。これにより、キャビテーション噴流７３の圧力が上昇し、気泡崩壊が起こる。そして、このとき発生する衝撃圧力により被処理面７２ａの強化等を行う。
【０００５】
ここで、キャビテーション噴流７３の径（すなわち噴射ノズル７１の噴射口の口径）に対して、被処理物７２の曲率半径が大きいほど、被処理物７２に衝突した後のキャビテーション噴流７３の流速低下領域が長くなり、良好な処理効率を確保することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１０８５９６号公報
【特許文献２】特許第３８０３７３４号公報
【特許文献３】特開２００７−２６０５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、キャビテーションピーニングによる表面処理において、表面の強化等をより効率的に行うためには、被処理物の被処理面の近傍でより多くのキャビテーション気泡を崩壊させて、そのとき発生する衝撃圧力をより多く被処理面に付与することが重要となる。
【０００８】
ところが、図１５に示すように、被処理物８２の被処理面８２ａが凸曲面で、しかもその曲率半径が小さい場合、被処理物８２に衝突した後のキャビテーション噴流８３の流速が、被処理面８２ａの近傍で、気泡崩壊が起こる程度まで低下しないことがある。
【０００９】
例えば、被処理面８２ａが５ｍｍ程度よりも小さい曲率半径の凸曲面である場合、被処理物８２に衝突した後のキャビテーション噴流８３の一部は、気泡崩壊が起こる程度まで流速を低下させることなく、被処理面８２ａから離れて流れ去ってしまう。そうすると、気泡崩壊が十分に起こらず、被処理面８２ａの強化等の処理が不十分となる。
【００１０】
なお、この場合であっても、処理時間を長くすれば、被処理面８２ａの十分な強化等を図れることもあるが、これでは処理効率の低下を招く。また、被処理面８２ａの小さな曲率半径に合わせて、噴射ノズル８１の噴射口の口径を小さくすると、処理領域も小さくなり、やはり処理効率の低下を招く。
【００１１】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、キャビテーションピーニングを利用した表面処理において、凸曲面よりなる被処理面を処理する場合であっても、十分な気泡崩壊を発生させて、十分な表面処理効果を達成することを解決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１３】
（１）上記課題を解決する請求項１に記載の表面処理方法は、凸曲面よりなる被処理面を有する被処理物にキャビテーション噴流を衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力により該被処理面を処理する方法であって、噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、のうちのいずれか一方又は両方を用い、前記渦流発生機能及び／又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする。
【００１４】
被処理面が凸曲面よりなる被処理物にキャビテーション噴流が衝突すると、衝突した後のキャビテーション噴流は被処理面に沿って流れる過程でその流速を低下させる。しかし、凸曲面よりなる被処理面の曲率半径が小さいと、キャビテーション噴流の一部は、気泡崩壊が起こる程度まで流速を低下させることなく、被処理面から離れて流れ去ってしまう場合がある。そうすると、十分な気泡崩壊が起こらない。
【００１５】
この点、請求項１に記載の表面処理方法では、渦流発生治具の渦流発生機能及び／又は渦流堰止治具の渦流堰止機能によって、被処理物の被処理面の近傍に渦流を集めて、渦流内のキャビテーション気泡を被処理面の近傍で崩壊させることが可能である。
【００１６】
渦流は液体の流速が速いため渦流内の圧力は低い状態となる。この圧力が液体の飽和蒸気圧まで低下することによって渦流内にキャビテーション気泡が発生する。渦流の流速は時間の経過とともに低下し、渦流が減衰するのにしたがって渦流内の圧力が高まるためキャビテーション気泡が崩壊する。
【００１７】
なお、渦流内のキャビテーション気泡には、渦流が形成される以前からキャビテーション噴流中に存在していた気泡、渦流の形成による圧力低下にともなってこの気泡の径が更に大きくなった気泡、及び渦流の形成にともなって新たに発生した気泡のいずれもが含まれる。
【００１８】
したがって、請求項１に記載の表面処理方法によると、被処理面が凸曲面よりなり、しかもその曲率半径が小さい場合であっても、被処理面の近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。よって、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を十分に被処理面に付与することができ、被処理面を確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
また、この表面処理方法では、キャビテーション噴流の流れの中に渦流発生治具を配置するという簡易な方法によって、効率良く渦流を発生させることができる。渦流発生治具の断面形状は、効率良く渦流を発生させることができる形状であれば特に限定されないが、円形、噴流中心軸方向に長軸をもつ楕円形、噴流中心軸上に頂角をもつ鋭角二等辺三角形等の断面形状とすることができる。
【００２０】
また、この表面処理方法では、キャビテーション噴流の下流側に渦流堰止治具を配置するという簡易な方法によって、効率良く渦流を堰き止めて、渦流を被処理物の近傍により長く滞留させることができる。渦流発生治具の断面形状は、被処理物の被処理面に沿って流れてきたキャビテーション噴流を渦流堰止治具の表面で漏れなく受け止めることができる形状であれば特に限定されないが、渦流堰止治具の表面（堰止面）の長さが、被処理物の直径よりも十分に大きく設定された板状の断面形状とすることが好ましい。
【００２１】
（２）請求項２に記載の表面処理方法は、請求項１に記載の表面処理方法において、前記被処理物が前記噴流中心軸から離れた両側に複数個配置されており、前記渦流発生治具によって、複数個の前記被処理物の各前記被処理面の近傍に前記渦流を集めることを特徴とする。
【００２２】
この表面処理方法では、単一の噴射ノズルから噴射されるキャビテーション噴流を分岐して、複数個の被処理物の表面処理を同時に行うことができるため、処理効率を向上させることが可能となる。また、複数個の噴射ノズルを必要としないため、設備費用の削減に寄与する。
【００２３】
（３）上記課題を解決する請求項３に記載の表面処理装置は、凸曲面よりなる被処理面を有する被処理物にキャビテーション噴流を衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力により該被処理面を処理する装置であって、前記キャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、のうちのいずれか一方又は両方を備え、前記渦流発生機能及び／又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする。
【００２４】
この表面処理装置により、被処理物の表面処理を施すことによる作用効果は、請求項１に記載の表面処理方法における作用効果と同様である。
【００２５】
（４）請求項４に記載の表面処理装置は、請求項３に記載の表面処理装置において、前記渦流発生治具及び／又は前記渦流堰止治具の前記被処理面と対向する前記表面が、前記被処理面の軸芯方向の曲率に沿って成形されていることを特徴とする。
【００２６】
この表面処理装置により、被処理物の表面処理を施すことによって、被処理物の被処理面が、被処理物の軸芯方向に曲率をもつ、すなわち、被処理物の軸芯方向に被処理物の断面形状が変化する棒状の被処理物であっても、渦流発生治具及び／又は渦流堰止治具の被処理面と対向する表面と、被処理物の被処理面との間隔が、被処理物の軸芯方向にわたって一定間隔に保たれるため、被処理物の被処理面の軸芯方向に均一な表面処理を施すことが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
したがって、本発明の表面処理方法及び表面処理装置によると、凸曲面よりなる被処理面を処理する場合であっても、十分な気泡崩壊を発生させて、十分な表面処理効果を達成することができる。
【００２８】
よって、例えば５ｍｍ程度以下の曲率半径の凸曲面よりなる被処理面に対しても、十分な表面処理効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の表面処理方法の原理を説明する断面模式図であって、（ａ）は噴射ノズルと被処理物との間に渦流発生治具が配置されている実施形態１、（ｂ）は被処理物の下流側に渦流堰止治具が配置されている実施形態２を示している。
【図２】実施形態３に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図３】実施形態４に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図４】実施形態５に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図５】実施形態６に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図６】実施例１に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図７】実施例２に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図８】実施例３に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図９】実施例４に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図１０】実施例５に係る表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図１１】実施例１，２及び４、並びに比較例１及び２において、表面処理後の被処理面について、壊食領域の面積（処理面積）を測定した結果を示す図である。
【図１２】実施例３及び５、並びに比較例３及び４において、表面処理後の被処理面について、残留応力を測定した結果を示す図である。
【図１３】実施例３及び５、並びに比較例３及び４において、被処理物（丸棒）の全長にわたって表面処理が完了するまでに要した処理時間を示す図である。
【図１４】従来のキャビテーションピーニングを利用した表面処理方法を説明する断面模式図である。
【図１５】他の従来のキャビテーションピーニングを利用した表面処理方法を説明する断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の表面処理方法及び表面処理装置の具体的な実施形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の表面処理方法及び表面処理装置は、下記実施形態に限定されるものではない。本発明の表面処理方法及び表面処理装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００３１】
（実施形態１）
図１（ａ）に示す実施形態１に係る表面処理装置は、噴射ノズル１と、噴射ノズル１と被処理物２との間に配置された渦流発生治具５とを備えている。これら噴射ノズル１及び渦流発生治具５は、被処理物２と共に図示しない処理槽（水槽）内に満たされた水中に没入されている。
【００３２】
噴射ノズル１の噴流中心軸Ｃ上に、被処理物２の軸芯Ｏ、及び渦流発生治具５の軸芯Ｏ１が一直線状に配置されている。噴射ノズル１は、渦流発生治具５の噴流中心軸Ｃ上の衝突中心部Ｐ１を目がけて、所定の圧力でキャビテーション噴流３を噴射する。噴射ノズル１は、図示しない噴射ノズル移動装置により、噴射ノズル１から噴射するキャビテーション噴流３の噴流中心軸Ｃと垂直方向かつ被処理物２の長手方向（図１（ａ）において、紙面と垂直方向）に往復移動可能とされている。
【００３３】
被処理物２は、アルミ合金等の金属材料よりなり、半径ｒの丸棒（円柱）である。被処理物２の外周側面（円柱側面）が被処理面２ａとなる。被処理面２ａは、曲率半径ｒの凸曲面（円柱側面）よりなる。被処理物２は、図示しない回転駆動装置により、被処理物２の軸芯Ｏ周りに、正方向及び逆方向（図１（ａ）において、時計回り方向及び反時計回り方向）に回転可能とされている。
【００３４】
渦流発生治具５は、ステンレス等の金属材料よりなり、半径ｒ１の丸棒（円柱）である。上流側の渦流発生治具５が下流側の被処理物２を大きく遮蔽することがないように、渦流発生治具５の半径ｒ１は、被処理物２の半径ｒと同程度以下に設定されている。また、半径ｒ１を小さくしすぎると渦流発生治具５の渦流発生機能が著しく損なわれるため、半径ｒ１の下限値としては所望の渦流発生機能が得られる大きさを確保する必要がある。渦流発生治具５は、図示しない支持具により、被処理物２の噴流中心軸Ｃ上の衝突中心部Ｐと、渦流発生治具５の噴流中心軸Ｃ上の下流側の中心部Ｑ１との間隔がＤ１となるように配設されている。
【００３５】
ここに、被処理物２の形状や大きさとしては、所定の凸曲面よりなる被処理面２ａを有するものであれば、特に限定されない。本実施形態の表面処理装置によれば、被処理物２の被処理面２ａの近傍で多くのキャビテーション気泡を崩壊させることが可能であるため、従来、良好な処理効率を確保するのが困難とされてきた５ｍｍ程度よりも小さい曲率半径の凸曲面を有する被処理物２に適用することで、従来のキャビテーションピーニングと比べて良好な処理効率を確保することが可能となる。
【００３６】
好ましくは被処理面２ａを構成する凸曲面の曲率半径ｒが１ｍｍ〜５ｍｍである場合、より好ましくは曲率半径ｒが２ｍｍ〜４ｍｍである場合において、従来のキャビテーションピーニングに対して処理効率の改善効果が顕著となる。
【００３７】
なお、被処理面２ａを構成する凸曲面の曲率半径ｒが小さすぎると、これに合わせて渦流発生治具５の半径ｒ１も小さくする必要がある。渦流発生治具５の半径ｒ１が小さすぎると、渦流発生治具５の渦流発生機能が著しく損なわれると共に、渦流発生治具５によってキャビテーション噴流３の流速を低下させる効果も小さくなる。これにより、被処理面２ａ近傍でのキャビテーション気泡の崩壊が少なくなる。
【００３８】
一方、被処理面２ａを構成する凸曲面の曲率半径ｒが大きすぎると、渦流発生治具５が配置されていない場合であっても、被処理物２に衝突したキャビテーション噴流３は衝突後に流速が十分に低下するため、被処理面２ａ近傍でのキャビテーション気泡の崩壊が多くなる。したがって、渦流発生治具５を配置したことによって、より多くのキャビテーション気泡を崩壊させることが可能となったとしても、渦流発生治具５を配置したことによる処理効率の改善効果は顕著とはならない。
【００３９】
上記構成を有する表面処理装置を用いた本実施形態に係る表面処理方法について、以下説明する。
【００４０】
水中において、渦流発生治具５の噴流中心軸Ｃ上の衝突中心部Ｐ１から距離Ｌ１だけ離れた噴射ノズル１から衝突中心部Ｐ１を目がけて、所定の圧力で所定時間、キャビテーション噴流３を噴射する。このとき、被処理物２を回転させながらキャビテーション噴流３を噴射してもよいし、また、噴射ノズル１から噴射するキャビテーション噴流３の噴流中心軸Ｃと垂直方向かつ被処理物２の長手方向（図１（ａ）において、紙面と垂直方向）に噴射ノズル１を移動させながらキャビテーション噴流３を噴射してもよい。
【００４１】
渦流発生治具５の衝突中心部Ｐ１にキャビテーション噴流３が衝突すると、衝突した後のキャビテーション噴流３は、渦流発生治具５の外周側面（円柱側面）５ａに沿って流れ、その過程でキャビテーション噴流３の流速が若干低下する。また、キャビテーション噴流３が、渦流発生治具５の外周側面５ａの下流側へ流れる過程でキャビテーション噴流３の流れが外周側面５ａから剥離して、キャビテーション噴流３の一部は渦流４となる。
【００４２】
渦流４内は圧力が低い状態であるためキャビテーション気泡が発生する。渦流４が下流側に流される間に時間が経過して渦流４が減衰し、渦流４が減衰するのにしたがって圧力が高まるためキャビテーション気泡が崩壊する。渦流４が減衰する位置が被処理物２の被処理面２ａの近傍となるように、被処理物２の衝突中心部Ｐと、渦流発生治具５の下流側の中心部Ｑ１との間隔Ｄ１が設定されていることにより、被処理物２の被処理面２ａに広い処理領域２ｂが形成される。
【００４３】
噴射ノズル１から噴射するキャビテーション噴流３の圧力、噴射ノズル１の噴射口から渦流発生治具５の衝突中心部Ｐ１までの距離Ｌ１、被処理物２の衝突中心部Ｐと渦流発生治具５の下流側の中心部Ｑ１との間隔Ｄ１、及び処理時間等は、被処理物２の材料や被処理面２ａに対する処理の種類等に応じて適宜設定可能である。
【００４４】
例えば、被処理物２が半径ｒが１ｍｍ〜５ｍｍのアルミ合金丸棒よりなり、渦流発生治具５が半径ｒ１が１ｍｍ〜５ｍｍのステンレス丸棒よりなり、被処理物２の被処理面２ａの強化を目的として処理する場合は、キャビテーション噴流３の圧力：１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度、噴射ノズル１の噴射口から渦流発生治具５の衝突中心部Ｐ１までの距離Ｌ１：１０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、被処理物２の衝突中心部Ｐと渦流発生治具５の下流側の中心部Ｑ１との間隔Ｄ１：１ｍｍ〜３ｍｍ程度、被処理物３の長さ１ｍｍ当たりの処理時間：５秒〜３０秒程度とすることができる。
【００４５】
したがって、本実施形態に係る表面処理方法によると、被処理物２の上流側に配置された渦流発生治具５によって、被処理物２の形状や大きさに左右されずに、被処理物２の上流側の被処理面２ａの近傍に、渦流４によるキャビテーション気泡を発生させることができる。このため、被処理物２の被処理面２ａが凸曲面よりなり、しかもその曲率半径ｒが小さい場合であっても、被処理面２ａの近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。よって、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を被処理面２ａの広い処理領域２ｂに付与することができ、被処理面２ａを確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。
【００４６】
（実施形態２）
図１（ｂ）に示す実施形態２に係る表面処理装置は、噴射ノズル１と、被処理物２の下流側に配置された渦流堰止治具６とを備えている。これら噴射ノズル１及び渦流堰止治具６は、被処理物２と共に図示しない処理槽（水槽）内に満たされた水中に没入されている。
【００４７】
噴射ノズル１の噴流中心軸Ｃ上に、被処理物２の軸芯Ｏ、及び渦流堰止治具６の堰止面６ａの中心Ｐ２が一直線状に配置されている。噴射ノズル１は、被処理物２の噴流中心軸Ｃ上の衝突中心部Ｐを目がけて、所定の圧力でキャビテーション噴流３を噴射する。噴射ノズル１は、図示しない噴射ノズル移動装置により、噴射ノズル１から噴射するキャビテーション噴流３の噴流中心軸Ｃと垂直方向かつ被処理物２の長手方向（図１（ｂ）において、紙面と垂直方向）に往復移動可能とされている。
【００４８】
被処理物２の材質、形状、好ましい寸法及び動作は、実施形態１で示した被処理物２と同じであるため説明を省略する。
【００４９】
渦流堰止治具６は、ステンレス等の金属材料よりなる板であり、渦流堰止治具６の堰止面６ａが噴流中心軸Ｃに対して垂直となるように配置されている。被処理物２の被処理面２ａに沿って流れてきたキャビテーション噴流３を渦流堰止治具６の堰止面６ａで漏れなく受け止めるために、渦流堰止治具６の堰止面６ａの半分の長さｂ２は、被処理物２の半径ｒよりも十分に大きく設定されている。渦流堰止治具６は、図示しない支持具により、被処理物２の噴流中心軸Ｃ上の下流側の中心部Ｑと、渦流堰止治具６の堰止面６ａの中心Ｐ２との間隔がＤ２となるように配設されている。
【００５０】
上記構成を有する表面処理装置を用いた本実施形態に係る表面処理方法について、以下説明する。
【００５１】
水中において、被処理物２の衝突中心部Ｐから距離Ｌ２だけ離れた噴射ノズル１から衝突中心部Ｐを目がけて、所定の圧力で所定時間、キャビテーション噴流３を噴射する。このとき、被処理物２を回転させながらキャビテーション噴流３を噴射してもよいし、また、噴射ノズル１から噴射するキャビテーション噴流３の噴流中心軸Ｃと垂直方向かつ被処理物２の長手方向（図１（ｂ）において、紙面と垂直方向）に噴射ノズル１を移動させながらキャビテーション噴流３を噴射してもよい。
【００５２】
被処理物２の衝突中心部Ｐにキャビテーション噴流３が衝突すると、衝突中心部Ｐの近傍でキャビテーション噴流３の一部のキャビテーション気泡が崩壊し、被処理物２の上流側の被処理面２ａに狭い処理領域２ｂが形成される。なお、被処理物２の衝突中心部Ｐの近傍では、キャビテーション噴流３の流速が十分に低下していないため、キャビテーション気泡が崩壊し難い。このため、衝突中心部Ｐの近傍は、衝突中心部Ｐの両側に形成される処理領域２ｂよりも表面処理が進み難い部分となっている。
【００５３】
衝突中心部Ｐに衝突した後のキャビテーション噴流３は、被処理物２の被処理面２ａに沿って流れ、その過程でキャビテーション噴流３の流速が若干低下する。また、キャビテーション噴流３が、被処理物２の被処理面２ａの下流側へ流れる過程でキャビテーション噴流３の流れが被処理面２ａから剥離して、キャビテーション噴流３の一部は渦流４となる。
【００５４】
渦流４内は圧力が低い状態であるためキャビテーション気泡が発生する。渦流４は時間の経過とともに減衰し、渦流４の減衰するのにしたがって圧力が高まるためキャビテーション気泡が崩壊する。渦流４が減衰する位置が被処理物２の被処理面２ａの近傍となるように、渦流堰止治具６の堰止面６ａで下流側へ流れ去ろうとする渦流４を堰き止めると共に、渦流堰止治具６の堰止面６ａにキャビテーション噴流３が衝突して反射することによって、更なる渦流４を発生させる。これにより、被処理物２の下流側の被処理面２ａに広い処理領域２ｂが形成される。
【００５５】
噴射ノズル１から噴射するキャビテーション噴流３の圧力、噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の衝突中心部Ｐまでの距離Ｌ２、被処理物２の下流側の中心部Ｑと渦流堰止治具６の堰止面６ａの中心Ｐ２との間隔Ｄ２、及び処理時間等は、被処理物２の材料や被処理面２ａに対する処理の種類等に応じて適宜設定可能である。
【００５６】
例えば、被処理物２が半径ｒが１ｍｍ〜５ｍｍのアルミ合金丸棒よりなり、被処理物２の被処理面２ａの強化を目的として処理する場合は、キャビテーション噴流３の圧力：１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ程度、噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の衝突中心部Ｐまでの距離Ｌ２：１０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、被処理物２の下流側の中心部Ｑと渦流堰止治具６の堰止面６ａの中心Ｐ２との間隔Ｄ２：１ｍｍ〜３ｍｍ程度、被処理物３の長さ１ｍｍ当たりの処理時間：５秒〜３０秒程度とすることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態に係る表面処理方法によると、被処理物２の下流側に配置された渦流堰止治具６によって、下流側へ流れ去ろうとする渦流４を堰き止めると共に、更なる渦流４を発生させることができるため、被処理物２の下流側の被処理面２ａの近傍に、渦流４によるキャビテーション気泡を発生させることができる。このため、被処理物２の被処理面２ａが凸曲面よりなり、しかもその曲率半径ｒが小さい場合であっても、被処理面２ａの近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。よって、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を被処理面２ａの広い処理領域２ｂに付与することができ、被処理面２ａを確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。
【００５８】
（実施形態３）
図２に示す実施形態３係る表面処理装置は、実施形態１に示した渦流発生治具５、及び実施形態２に示した渦流堰止治具６の両方を備えている。
【００５９】
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態１及び２と同様であるため説明を省略する。
【００６０】
本実施形態においては、被処理物２の上流側では実施形態１と同様の表面処理方法を実施すると共に、被処理物２の下流側では実施形態２と同様の表面処理方法を実施する。これにより、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を被処理物２の被処理面２ａの上流側及び下流側に形成された広い処理領域２ｂに付与することができ、被処理面２ａを確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。すなわち、本実施形態の作用効果は、実施形態１及び２の作用効果を兼ね備えたものとなる。
【００６１】
（実施形態４）
図３に示す実施形態４に係る表面処理装置は、実施形態１における渦流発生治具５の形状を変更したものである。
【００６２】
すなわち、本実施形態に係る表面処理装置における渦流発生治具７は、ステンレス等の金属材料よりなり、噴流中心軸Ｃの方向に長軸をもつ楕円形の断面形状を呈している。渦流発生治具７の短軸の長さは、実施形態１で示した円形の断面形状よりなる渦流発生治具５の直径（半径ｒ１の２倍）と同程度の長さであり、渦流発生治具７の短軸の長さは、実施形態１で示した渦流発生治具５の直径の１．５倍程度の長さである。
【００６３】
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００６４】
本実施形態においては、渦流発生治具７の断面形状が楕円形であるため、実施形態１で示した渦流発生治具５と比較すると、渦流発生治具７がキャビテーション噴流３の抵抗になり難い。したがって、キャビテーション噴流３が、渦流発生治具７の外周側面７ａに沿って流れる過程でのキャビテーション噴流３の流速の低下が小さい。また、実施形態１で示した渦流発生治具５と比較すると、キャビテーション噴流３の流れが渦流発生治具７の外周側面７ａから剥離し難く、渦流４の形成が若干少ない。
【００６５】
また、実施形態１で示した渦流発生治具５と比較すると、渦流発生治具７がキャビテーション噴流３の流れを遮り難いため、キャビテーション噴流３が被処理物２の衝突中心部Ｐ及びその近傍まで届き易く、被処理物２の被処理面２ａに形成される処理領域２ｂを衝突中心部Ｐに近づけることが可能となる。
【００６６】
このような本実施形態に係る表面処理装置は、渦流発生治具７がキャビテーション噴流３の抵抗になり難いため、噴射ノズル１から噴射されるキャビテーション噴流３の流速が小さい場合に好適に利用できる。その他の作用効果は実施形態１と同様である。
【００６７】
（実施形態５）
図４に示す実施形態５に係る表面処理装置は、複数個の被処理物２の表面処理を同時に行うための装置であり、被処理物２の個数と配置を変更したものである。
【００６８】
すなわち、本実施形態に係る表面処理装置においては、２個の被処理物２の表面処理を同時に行うために、各被処理物２を、渦流発生治具８の下流側で、かつ噴流中心軸Ｃを挟んで噴流中心軸Ｃから等間隔に配置すると共に、各被処理物２の各軸芯Ｏ同士を結ぶ線が噴流中心軸Ｃに対して垂直となるように配置している。したがって、被処理物２の軸芯Ｏと渦流発生治具８の軸芯Ｏ２とを結ぶ線は、噴流中心軸Ｃに対して角度θの傾きを有している。例えば、被処理物２と渦流発生治具８の大きさが同程度である場合には、角度θを２５°〜４５°の範囲で適宜設定するとよい。なお、被処理物２の材質、形状、好ましい寸法及び動作は、実施形態１で示した被処理物２と同じであるため説明を省略する。
【００６９】
渦流発生治具８は、ステンレス等の金属材料よりなり、半径ｒ２の丸棒（円柱）である。渦流発生治具８の軸芯Ｏ２は噴流中心軸Ｃ上に配置されている。渦流発生治具８の半径ｒ２は、被処理物２の半径ｒと同程度以上となっている。
【００７０】
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００７１】
本実施形態においては、実施形態１で示した表面処理方法と同様に、キャビテーション噴流３が、渦流発生治具８の外周側面８ａに沿って流れる過程でキャビテーション噴流３の流速が若干低下する。また、キャビテーション噴流３が、渦流発生治具８の外周側面８ａの下流側へ流れる過程でキャビテーション噴流３の流れが外周側面８ａから剥離して、キャビテーション噴流３の一部は渦流４となる。
【００７２】
渦流４は、渦流発生治具８の上方の外周側面８ａの下流側及び下方の外周側面８ａの下流側の２箇所で形成される。上方の渦流４が、噴流中心軸Ｃの上方に配置した被処理物２の被処理面２ａの近傍で減衰すると共に、下方の渦流４が、噴流中心軸Ｃの下方に配置した被処理物２の被処理面２ａの近傍で減衰するように、渦流発生治具８に対して各被処理物２が配置されている。
【００７３】
したがって、渦流発生治具８の上方と下方の２箇所で形成される各渦流４によるキャビテーション気泡を、各被処理物２の各被処理面２ａの近傍で崩壊させて、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を各被処理面２ａの処理領域２ｂに付与することができる。よって、本実施形態に係る表面処理方法によると、単一の噴射ノズル１によって、２個の被処理物２の表面処理を同時に行うことで、処理効率を向上させることが可能となる。また、複数個の噴射ノズル１を必要としないため、設備費用の削減に寄与する。
【００７４】
なお、渦流発生治具８の半径ｒ２を大きくすることによって、キャビテーション噴流３が、渦流発生治具８の外周側面８ａに沿って流れる過程でキャビテーション噴流３の流速を大きく低下させることができる。キャビテーション噴流３の流速の低下により液体の圧力が高くなれば、キャビテーション気泡が崩壊する。このキャビテーション気泡の崩壊位置を各被処理物２の各被処理面２ａの近傍とすることによって、被処理物２の被処理面２ａが凸曲面よりなり、しかもその曲率半径ｒが小さい場合であっても、被処理面２ａの近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。
【００７５】
（実施形態６）
図５に示す実施形態６に係る表面処理装置は、実施形態５と同様に２個の被処理物２の表面処理を同時に行うための装置であり、実施形態５で示した渦流発生治具８の形状を変更したものである。
【００７６】
すなわち、本実施形態に係る表面処理装置における渦流発生治具９は、ステンレス等の金属材料よりなり、鋭角二等辺三角形の断面形状を呈している。渦流発生治具９の頂角ａの角度は、底角ｂ及びｃよりも小さく、頂角ａ、底角ｂ及びｃには面取りによる曲面加工が施されている。渦流発生治具９の頂角ａは噴流中心軸Ｃ上にあり、底角ｂ及びｃが噴流中心軸Ｃに対して軸対称となるように配置されている。
【００７７】
噴流中心軸Ｃから底角ｂまでの距離、及び噴流中心軸Ｃから底角ｃまでの距離は、いずれも被処理物２の半径ｒと同程度以上となっている。
【００７８】
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態５と同様であるため説明を省略する。
【００７９】
本実施形態においては、実施形態５で示した表面処理方法と同様に、渦流発生治具９の上方と下方の２箇所で渦流４が形成される。すなわち、本実施形態の作用効果は、実施形態５の作用効果と同様である。
【００８０】
（その他の実施形態）
実施形態１〜６では、被処理物２の断面形状が円形である場合について説明したが、渦流４によるキャビテーション気泡が崩壊する時に発生する衝撃圧力は非常に強力であることから、被処理物の断面形状が矩形や板状である場合であっても、効率良く表面処理を施すことが可能である。
【００８１】
また、実施形態１〜６では、被処理物２の長手方向に断面形状が変化しない棒状の被処理物２を対象として説明したが、被処理物の被処理面が紙面に対して垂直方向にも曲率をもつ場合（すなわち、被処理物の長手方向に断面形状が変化する棒状の被処理物）を対象として表面処理を施すことも可能である。この場合、渦流発生治具５、７、８、９、及び渦流堰止治具６の被処理面と対向する表面が、被処理面の紙面に対して垂直方向の曲率に沿って成形された治具を用いればよい。
【００８２】
また、実施形態１〜６では、噴射ノズル１が、被処理物２の長手方向に往復移動可能とされている表面処理装置について説明したが、これとは逆に、噴射ノズル１が固定されており、被処理物２と、渦流発生治具５、７、８、９、及び渦流堰止治具６とが、被処理物２の長手方向に往復移動可能とされている表面処理装置を用いてもよい。
【００８３】
加えて、実施形態１〜６では、噴流に水を用いる例について説明したが、これに限定されることなく、油、エマルジョン（乳濁液）やその他の液体を用いてもよい。
【実施例】
【００８４】
（実施例１）
実施形態１で説明した表面処理装置を用いて、図６及び以下に示す条件で、被処理物２に表面処理を施した。なお、以降に説明する全ての実施例及び比較例において、キャビテーション噴流として水を使用した。
【００８５】
被処理物２：外径φ６ｍｍで長さ２０ｍｍのアルミ合金よりなる丸棒
渦流発生治具５０：外径φ６ｍｍのステンレスよりなる丸棒
噴射ノズル１の噴射口から渦流発生治具５０の外周側面５０ａまでの距離：７０ｍｍ
渦流発生治具５０の外周側面５０ａと被処理物２の被処理面２ａとの間隔：２ｍｍ
噴射ノズル１の噴射口の口径：φ２ｍｍ
キャビテーション噴流３の圧力：１０ＭＰａ
キャビテーションピーニング処理時間：１５分
被処理物２の回転：無し
噴射ノズル１の移動：無し
被処理物２の表面処理が終了した後に、被処理面２ａについて、壊食領域の面積（処理面積）を測定した。
【００８６】
（実施例２）
実施形態５で説明した表面処理装置を用いて、複数個の被処理物２に表面処理を施した。
【００８７】
図７に示すとおり、被処理物２が２個あることと、被処理物２の軸芯と渦流発生治具５０の軸芯とを結ぶ線が、噴流中心軸Ｃに対して３５°の角度で配置されていること以外の条件は、実施例１と同一の条件とした。
【００８８】
被処理物２の表面処理が終了した後に、被処理面２ａについて、壊食領域の面積（処理面積）を測定した。
【００８９】
（実施例３）
実施形態１で説明した表面処理装置を用いて、図８及び以下の条件で被処理物２を被処理物２の軸芯周り（図８の時計回り）に回転させると共に、噴射ノズル１を被処理物２の長手方向（図８において、紙面と垂直方向）に移動させること、及びキャビテーションピーニング処理時間の設定以外は、実施例１と同一の条件として、被処理物２に表面処理を施した。
【００９０】
被処理物２の回転速度：３ｒｐｍ
噴射ノズル１の移動速度：６ｍｍ／分
キャビテーションピーニング処理時間：全被処理面２ａの表面処理が終了するまで
被処理物２の全被処理面２ａの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないＸ線残留応力測定装置を用いて、被処理面２ａの残留応力を測定した。
【００９１】
（実施例４）
実施形態２で説明した表面処理装置を用いて、図９及び以下に示す条件で、被処理物２に表面処理を施した。
【００９２】
被処理物２：外径φ６ｍｍで長さ２０ｍｍのアルミ合金よりなる丸棒
渦流堰止治具６０：堰止面６０ａの長さが１００ｍｍのステンレスよりなる平板
噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離：７０ｍｍ
被処理物２の被処理面２ａと渦流堰止治具６０の堰止面６０ａとの間隔：２ｍｍ
噴射ノズル１の噴射口の口径：φ２ｍｍ
キャビテーション噴流３の圧力：１０ＭＰａ
キャビテーションピーニング処理時間：１５分
被処理物２の回転：無し
噴射ノズル１の移動：無し
被処理物２の表面処理が終了した後に、被処理面２ａについて、壊食領域の面積（処理面積）を測定した。
【００９３】
（実施例５）
実施形態２で説明した表面処理装置を用いて、図１０及び以下の条件で被処理物２を被処理物２の軸芯周り（図１０の時計回り）に回転させると共に、噴射ノズル１を被処理物２の長手方向（図１０において、紙面と垂直方向）に移動させること以外は、実施例４と同一の条件として、被処理物２に表面処理を施した。
【００９４】
被処理物２の回転速度：３ｒｐｍ
噴射ノズル１の移動速度：６ｍｍ／分
被処理物２の全被処理面２ａの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないＸ線残留応力測定装置を用いて、被処理面２ａの残留応力を測定した。
【００９５】
（比較例１）
渦流発生治具や渦流堰止治具を備えていない従来の表面処理装置を用いて、以下に示す条件で、被処理物２に表面処理を施した。
【００９６】
被処理物２：外径φ６ｍｍで長さ２０ｍｍのアルミ合金よりなる丸棒
噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離：１５ｍｍ
噴射ノズル１の噴射口の口径：φ０．７ｍｍ
キャビテーション噴流３の圧力：１０ＭＰａ
キャビテーションピーニング処理時間：１５分
被処理物２の回転：無し
噴射ノズル１の移動：無し
被処理物２の表面処理が終了した後に、被処理面２ａについて、壊食領域の面積（処理面積）を測定した。
【００９７】
（比較例２）
噴射ノズル１の噴射口の口径がφ２ｍｍであることと、噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離が７０ｍｍであること以外は、比較例１と同一の条件として、被処理物２に表面処理を施した。被処理物２の表面処理が終了した後に、被処理面２ａについて、壊食領域の面積（処理面積）を測定した。
【００９８】
（比較例３）
以下の条件で被処理物２を被処理物２の軸芯周りに回転させると共に、噴射ノズル１を被処理物２の長手方向に移動させること、噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離の設定、及びキャビテーションピーニング処理時間の設定以外は、比較例１と同一の条件として、被処理物２に表面処理を施した。
【００９９】
噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離：２３ｍｍ
被処理物２の回転速度：３ｒｐｍ
噴射ノズル１の移動速度：１ｍｍ／分
キャビテーションピーニング処理時間：全被処理面２ａの表面処理が終了するまで
被処理物２の全被処理面２ａの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないＸ線残留応力測定装置を用いて、被処理面２ａの残留応力を測定した。
【０１００】
（比較例４）
以下の条件で被処理物２を被処理物２の軸芯周りに回転させると共に、噴射ノズル１を被処理物２の長手方向に移動させること、及びキャビテーションピーニング処理時間の設定以外は、比較例２と同一の条件として、被処理物２に表面処理を施した。
【０１０１】
被処理物２の回転速度：３ｒｐｍ
噴射ノズル１の移動速度：６ｍｍ／分
キャビテーションピーニング処理時間：全被処理面２ａの表面処理が終了するまで
被処理物２の全被処理面２ａの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないＸ線残留応力測定装置を用いて、被処理面２ａの残留応力を測定した。
【０１０２】
（処理面積の評価）
実施例１，２及び４、並びに比較例１及び２において、表面処理後の被処理面２ａについて、壊食領域（キャビテーション気泡の崩壊により表面が損傷してボロボロになっている領域）の面積を測定した。その結果を図１１に示す。なお、図１１の縦軸は、比較例１の壊食領域の面積（処理面積）を１０とした指数で表記している。
【０１０３】
比較例１は、狭い領域でキャビテーション気泡の崩壊を生じさせるために、噴射口の口径φ０．７ｍｍの噴射ノズル１を用いて、被処理物２に噴射ノズル１から噴射されたキャビテーション噴流３を直接衝突させた場合であるが、当然ながら処理面積は小さい。また、キャビテーション噴流３が被処理物２の被処理面２ａに衝突した近傍のみに壊食痕が見られた。
【０１０４】
比較例２は、噴射口の口径φ２ｍｍの噴射ノズル１を用いて、被処理物２に噴射ノズル１から噴射されたキャビテーション噴流３を直接衝突させた場合であるが、キャビテーション噴流３が被処理物２の被処理面２ａに衝突した近傍に比較例１の壊食痕よりも更に小さな壊食痕が見られた。更に、被処理面２ａの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側には、キャビテーション噴流３が被処理物２の被処理面２ａに衝突した近傍の壊食痕よりも大きな壊食痕が見られた。このため、比較例２の処理面積は比較例１よりも大きく、比較例１の５倍程度となった。
【０１０５】
これに対して、実施例１では、被処理物２に噴射ノズル１から噴射されたキャビテーション噴流３が直接衝突しない。このため、噴流中心軸Ｃ上の被処理物２の被処理面２ａの近傍には壊食痕が見られないが、被処理面２ａの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側には、渦流発生治具５０により生じた渦流４の影響により、キャビテーション気泡の崩壊が盛んに生じたため、比較例２の側面の壊食痕よりも、広い領域に激しく壊食された壊食痕が見られた。このため、実施例１の処理面積は比較例１及び２よりも大きく、比較例１の１２倍程度となった。
【０１０６】
実施例２は、渦流発生治具５０の上方の下流側で発生したキャビテーション気泡、及び渦流発生治具５０の下方の下流側で発生したキャビテーション気泡を、それぞれ異なる被処理物２の被処理面２ａの近傍で崩壊させる場合である。実施例１では、被処理面２ａの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側に同じように壊食痕が見られたが、実施例２では、被処理面２ａの上方の側面及び下方の側面のうちの、噴流中心軸Ｃから遠い一側面にのみ壊食痕が見られた。実施例２における１個の被処理物２の処理面積は比較例１の７倍程度となった。
【０１０７】
実施例４は、被処理物２の下流側に配置された渦流堰止治具６０によって、下流側へ流れ去ろうとする渦流４を堰き止めて、渦流４によって発生したキャビテーション気泡を、被処理物２の被処理面２ａの近傍で崩壊させる場合である。比較例２と同様に、キャビテーション噴流３が被処理物２の被処理面２ａに衝突した近傍と、被処理面２ａの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側に、キャビテーション気泡の崩壊によって激しく壊食された壊食痕が見られた。更に、実施例４においては、比較例１及び２では見られなかった壊食痕として、被処理面２ａの下流側にも、やや弱く壊食された壊食痕が見られた。このため、実施例４の処理面積は比較例１及び２よりも大きく、比較例１の１２倍程度となった。
【０１０８】
（残留応力の評価）
実施例３及び５、並びに比較例３及び４において、表面処理後の被処理面２ａについて、Ｘ線残留応力測定装置を用いて、被処理面２ａの残留応力を測定した。その結果を図１２に示す。
【０１０９】
比較例３では、被処理面２ａの全体にわたって実施例３及び５と同程度の１４０ＭＰａ程度の圧縮残留応力が発生した。比較例３においては、噴射ノズル１の噴射口の口径がφ０．７ｍｍと小さく、また、噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離が２３ｍｍと近いために、被処理面２ａの狭い領域に集中的に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が作用する。このため、被処理面２ａが激しく壊食するため、圧縮残留応力も大きい値となっている。
【０１１０】
比較例４においては、噴射ノズル１の噴射口の口径が比較例３よりも大きくφ２ｍｍであり、また、噴射ノズル１の噴射口から被処理物２の被処理面２ａまでの距離は比較例３よりも遠く７０ｍｍであるために、被処理面２ａの広い領域に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が作用する。このため、比較例３よりも被処理面２ａの壊食が弱く、比較例３よりも圧縮残留応力が小さい値となっている。
【０１１１】
これに対して、実施例３では、渦流発生治具５０により生じた渦流４の影響により、キャビテーション気泡の崩壊が盛んに生じるため、被処理面２ａの広い領域に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が激しく作用する。このため、実施例３では、被処理面２ａの圧縮残留応力が大きく１５０ＭＰａ程度となった。すなわち、実施例３の圧縮残留応力は、渦流発生治具５０を備えていない従来の表面処理装置を用いた比較例４の圧縮残留応力の２倍程度となった。
【０１１２】
実施例５では、渦流堰止治具６０によって、下流側へ流れ去ろうとする渦流４を堰き止めて、渦流４によって発生したキャビテーション気泡を、被処理面２ａの近傍で盛んに崩壊させることができるため、被処理面２ａの広い領域に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が激しく作用する。このため、実施例５では、被処理面２ａの圧縮残留応力が大きく１５０ＭＰａ程度となった。すなわち、実施例５の圧縮残留応力は、渦流堰止治具６０を備えていない従来の表面処理装置を用いた比較例４の圧縮残留応力の２倍程度となった。
【０１１３】
なお、上記の実施例とは別途に実施した他の実施例において、被処理物２の回転方向の違いが圧縮残留応力の値に及ぼす影響について検証したが、被処理物２の回転方向の違いが圧縮残留応力の顕著な差となることはなかった。  
【０１１４】
（処理時間の評価）
実施例３及び５、並びに比較例３及び４において、被処理物２の全長にわたって表面処理が完了するまでに要した処理時間を測定した。その結果を図１３に示す。
【０１１５】
比較例３では、４０分程度の長い処理時間を要した。比較例３においては、噴射ノズル１の噴射口の口径がφ０．７ｍｍと小さく、噴射ノズル１を動かさないで被処理物２の表面処理を行った場合の被処理面２ａの処理領域が狭いため、被処理物２の全長にわたって表面処理が完了するまでに長い処理時間を要した。
【０１１６】
比較例４の処理時間は、実施例３及び５と同程度の４分程度であった。比較例４においては、噴射ノズル１の噴射口の口径が比較例３よりも大きくφ２ｍｍであるため、噴射ノズル１を動かさないで被処理物２の表面処理を行った場合の被処理面２ａの処理領域が比較例３の処理領域よりも広い。このため、被処理物２の全長にわたって表面処理が完了するまでに要する処理時間は比較例３よりも短い。
【０１１７】
なお、比較例４において、噴射ノズル１を動かさないで被処理物２の表面処理を行った場合の被処理面２ａの処理領域は、図１１に示した比較例２の処理面積と同様である。また、実施例３において、噴射ノズル１を動かさないで被処理物２の表面処理を行った場合の被処理面２ａの処理領域は、図１１に示した実施例１の処理面積と同様である。したがって、比較例４の処理領域は、実施例３の処理領域の半分程度以下となっている。しかし、比較例４と実施例３の処理時間に顕著な差は見られなかった。
【０１１８】
これに対して、実施例３の処理時間は４分程度と短かった。前述の残留応力の評価で述べたとおり、実施例３の残留応力と比較例３の残留応力は近い値となっている。したがって、実施例３の表面処理方法は、比較例３の表面処理方法と比較して、１０分の１程度の短い処理時間で、被処理面２ａに比較例３と同等以上の残留応力を発生させることができる。すなわち、効率良く表面処理を施すことができる。
【０１１９】
実施例５の処理時間も実施例３と同様に４分程度と短かった。前述の残留応力の評価で述べたとおり、実施例５の残留応力と比較例３の残留応力は近い値となっている。したがって、実施例５の表面処理方法は、比較例３の表面処理方法と比較して、１０分の１程度の短い処理時間で、被処理面２ａに比較例３と同等以上の残留応力を発生させることができる。すなわち、効率良く表面処理を施すことができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１      …  噴射ノズル                ２      …  被処理物
２ａ    …  被処理面                  ２ｂ    …  処理領域
３      …  キャビテーション噴流      ４      …  渦流
５      …  渦流発生治具              ５ａ    …  外周側面
６      …  渦流堰止治具              ６ａ    …  堰止面
７      …  渦流発生治具              ７ａ    …  外周側面
８      …  渦流発生治具              ８ａ    …  外周側面
９      …  渦流発生治具              ９ａ    …  外周側面
５０    …  渦流発生治具              ５０ａ  …  外周側面
６０    …  渦流堰止治具              ６０ａ  …  堰止面
Ｃ      …  噴流中心軸                Ｏ      …  軸芯
Ｐ      …  衝突中心部                Ｑ      …  下流側の中心部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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