(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材と導電板との間に、高融点の高機能粒子とロウ材からなる、あるいは低融点の高機能粒子を主体とする中間層を配置し、これらを加圧手段を備えた対向する通電ローラを用いて加圧及び通電加熱し、前記母材の表面に前記高機能粒子を接合することを特徴とする金属材料の表面被覆方法。
【請求項２】
金属母材と導電板との間に、高融点の高機能粒子とロウ材からなる、あるいは低融点の高機能粒子を主体とする中間層を配置し、これらを加圧と同時に成形も行う対向する電極を用いて加圧及び通電加熱し、前記母材の表面に前記高機能粒子を接合することを特徴とする金属材料の表面被覆方法。
【請求項３】
前記中間層は、導電箔からなる袋内に前記高機能粒子を所定厚みで充填してベッド状とし、前記金属母材上に配置されている請求項１又は２記載の金属材料の表面被覆方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、母材表面に使用条件からくる環境特性を向上させる高機能粒子を融着させる金属材料の表面被覆方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料に皮膜を付与する表層被覆法として、可燃性ガス等で溶融させた金属を高圧の空気によって対象物の表面に当てるようにした溶射法、レーザー光を被溶接物の表面に集光させ高エネルギー密度を得て接合するレーザー溶接法及び溶接材と被溶接物との間に発生するアークの熱でこれらを溶かして溶接を行うアーク溶接法等が一般的に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶射法は接着強度が弱く、被覆膜がポーラス状になり易く、密度が小さく、耐蝕性等の特性が得難く、更に、被覆膜の厚さにも限度がある等の問題があった。そして、レーザー溶接法は母材表面を溶融して溶着するため母材が割れ易く、更には、設備費が高く、取扱も複雑であるという問題があった。更に、アーク溶接法も、レーザー溶接法と同じく凝固割れ、高温割れ、低温割れ等が発生して得られる硬度に限界があるという問題があった。
また、金属材料の表面被覆は母材より優れた機能を表面又は表層に強い接合力で付加することで、母材の質を損なわず経済的に改質しなければならない。ところが前述の従来法によると母材の特性を損なわず改質皮膜を付与すると接着力が弱く、皮膜層の密度が小さくなるという問題があった。
更に、逆に改質皮膜の溶着を強くすると母材に溶着のための急激な熱負荷を与えて割れの発生を増長させていた。更に、硬度等の機能を強化すればするほど割れの発生は多くなり、皮膜硬さ等の特性付与に限界があった。また、皮膜の厚みにも同じように限界があった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、要求される機能を強化した金属材料の表面被覆方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の金属材料の表面被覆方法は、金属母材と導電板との間に、高融点の高機能粒子とロウ材からなる、あるいは低融点の高機能粒子を主体とする中間層を配置し、これらを加圧手段を備えた対向する通電ローラを用いて加圧及び通電加熱し、前記母材の表面に前記高機能粒子を接合するように構成されている。なお、高機能粒子とは、ステライト、タングステンカーバイト（ＷＣ）、ホウ素モリブデン（ＭｏＢ）等のような耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等の高機能を有するものをいう。また、前記導電板には、導電箔を含む。
請求項２記載の金属材料の表面被覆方法は、金属母材と導電板との間に、高融点の高機能粒子とロウ材からなる、あるいは低融点の高機能粒子を主体とする中間層を配置し、これらを加圧と同時に成形も行う対向する電極を用いて加圧及び通電加熱し、前記母材の表面に前記高機能粒子を接合するように構成されている。請求項３記載の金属材料の表面被覆方法は、請求項１又は２記載の方法において、前記中間層は、導電箔からなる袋内に前記高機能粒子を所定厚みで充填してベッド状とし、前記金属母材上に配置されて構成されている。なお、前記金属母材に接する側の導電箔には低融点のものを使用するのが好ましい。
【０００５】
【作用】
請求項１〜３記載の金属材料の表面被覆方法においては、接合しようとする金属母材上に、高機能粒子を含む中間層を配置し、その上に導電板を被せて加圧及び通電加熱するようにしているので、前記導電板を使用しないで金属母材上に高機能粒子を含む中間層を配置した場合に比較して、高機能粒子や場合によっては含まれるロウ材が、飛散したり、加圧・通電加熱する部材に付着することを防止できる。
そして、接合しようとする高機能粒子を含む中間層の上に導電板を乗せた状態で加圧することによって、中間層に含まれるロウ材が、あるいは高機能粒子に低融点のものを使用する場合には該高機能粒子が溶けて、前記金属母材の表面に接合されるが、この場合導電板を介して通電することによって通電密度が平均化され、中間層が均一に加熱される。ここで、高機能粒子の接合が完了した後は、導電板は除去することも可能であるが、薄い場合にはそのままの状態で高機能材料として使用できる。
特に、請求項１記載の金属材料の表面被覆方法においては、加圧、通電加熱が対向する通電ローラによって行われるので、電力を部分的に集中しながら、連続的に比較的長い金属材料に対して高機能粒子の接合を行える。
また、請求項２記載の金属材料の表面被覆方法においては、加圧と同時に成形も行うので、一旦、金属母材に接合すると曲げ加工を行い難い材質であっても、あるいは複雑な形状をした金属母材の表面であっても、電極をこれらの形状に合わせて製作することによって接合ができ、より複雑な形状の高機能粒子を接合した製品を作ることができる。
そして、請求項３記載の金属材料の表面被覆方法においては、導電箔からなる袋内に均一厚みで中間層を配置しているので、その取扱いが容易であり、更に作業を行う場合には、中間層が充填された袋ごと金属母材の上に乗せることによって、加圧・通電加熱の工程が行える。そして、加熱により袋の温度が上昇すると箔が溶けて中間層が露出し、その中間層に含まれるロウ材が、あるいは高機能粒子に低融点のものを使用する場合には該高機能粒子が溶けて、金属母材の表面に接合される。
なお、金属母材に接する側の導電箔に低融点のものを使用すると、低い温度で導電箔が溶けて金属母材と中間層が接するようになる。
【０００６】
【実施例】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の第１の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図、図２は本発明の第２の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図、図３は本発明の第３の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図、図４は本発明の第４の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図である。
【０００７】
図１に示す本発明の第１の実施例に係る金属材料の表面被覆方法について説明する。
先ず、母材の一例である軟質薄鋼板１０（厚み２．０ｍｍ×幅５０ｍｍ×長さ３００ｍｍ）の上面に、高機能粒子の一例である耐磨耗性に優れたステライト粒子７５％とロウ材の一例であるアモルファス粒子２５％との混合粒子を厚み２００μｍ×幅２０ｍｍで均一に敷いて中間層１１を形成し、該中間層１１の上部に導電板の一例であるステンレス箔１２（厚み１００μｍ×幅２０ｍｍ×長さ３００ｍｍ）を重ねる。このように重ねられた鋼板１０を０．５ｍ／ｍｉｎの速度で、上下に配置されている通電ローラ１４、１５間に送って、通電加熱及び加圧を行う。このとき、通電ローラ１４、１５間には、２ＫＡの電流が流され、４０ｋｇｆの加圧が加わるように調整されている。この工程では、中間層１１の上部にステンレス箔１２を重ねているので、ステライト粒子やアモルファス粒子が飛散したり、通電ローラ１４、１５等に付着することはない。そして、通電ローラ１４、１５間に電流を流しているので、ジュール熱が発生して通電ローラ１４、１５付近のアモルファス粒子が溶融し始め（場合によっては、鋼板１０の一部も溶融し）、更に対向する通電ローラ１４、１５で加圧して鋼板１０とステライト粒子とを接合させ、それと同時に通電ローラ１４、１５を通過した後は急激に溶融部分が冷却されて緻密な組成が形成される。この場合、熱は鋼板１０の上下に略均一にかかるので割れは生じない。
このようにして連続的に鋼板１０の表面に高機能粒子のステライト粒子を接合することができ、その表面の硬度はＨＫ  ８３１Ｋｇ・ｆ／ｍｍ２  であった。
そして、鋼板１０にステライト粒子を接合させた複合材料を使用する場合には、ステンレス箔１２を付けたまま使用してもよいし、ステンレス箔１２を剥がして使用してもよい。
更に、前記実施例と同じ条件で高機能粒子の他の例である耐磨耗性に優れた高融点のホウ素モリブデン（ＭｏＢ）粒子７５％とロウ材のアモルファス粒子２５％との混合粒子を使用して鋼板の表面を被覆した場合、被覆面がＨＫ  １３０６Ｋｇ・ｆ／ｍｍ２  の硬度を有する薄鋼板となった。
以上のように安価な金属母材を、耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等に優れた粒子で被覆して、安価で高機能を備えた金属材料にすることができる。
【０００８】
次に、本発明の第２の実施例に係る金属材料の表面被覆方法について説明する。図２に示すように予め高融点の高機能粒子とロウ材の粒子とを十分に混合した後、厚みを均一にして導電箔（ステンレス箔、アルミ箔、銅箔、ニッケル箔、鉛箔、錫箔、あるいはその他の金属箔、合金箔等からなる）の袋１８ａに収納されている中間層１９を軟質薄鋼板２１の上部に重ねる。なお、高機能粒子とロウ材の粒子とが厚みを均一にして袋１８ａに収納されているので、取扱及び取付けが容易である。
そして、中間層１９が重ねられている鋼板２１を、第１の実施例と同じ条件で通電ローラ１４、１５に送る。通電ローラ１４、１５に流されている電流によりジュール熱が発生して袋１８ａが熱により溶けて中の粉末粒子が現れ、そしてロウ材、場合によっては鋼板２１の一部が溶融して鋼板２１の表面に接合され、更に、通電ローラ１４、１５で加圧して高機能粒子を鋼板２１に強く接合させる。そして、通電ローラ１４、１５を通過した後は急激に溶融部分が冷却されて緻密な組成が形成される。このようにして、鋼板２１の表面に高機能粒子を接合させることができる。
なお、以上の実施例において、袋１８ａの上に更に薄い金属板を配置し、袋が破れた場合に、高機能粒子が通電ローラに付着するのを防止することも可能である。
【０００９】
更に、図３に示す本発明の第３の実施例に係る金属材料の表面被覆方法について説明する。
先ず、ダイ電極２５の上部に、中央に溝２３が設けられている金属製の部材２２を配置し、その溝２３の底面２４に高融点の高機能粒子とロウ材粒子とを所定比で混合した混合粒子を均一厚みに設けて中間層２３ａを形成する。その中間層２３ａの上から底面２４と略同じ幅の導電箔２７を載せる。その後、上方の所定形状に加工されたパンチ電極２６を下げて部材２２の溝２３に嵌入させ、導電箔２７の上から所定圧で加圧する。そして、ダイ電極２５及びパンチ電極２６に所定量の電流を流すとジュール熱が発生し、部材２２の底部２４ａ及びロウ材が溶融する。その後冷却すると部材２２の溝２３の底面２４に高機能粒子が強く接合された複合材となる。
【００１０】
そして、図４に示す本発明の第４の実施例に係る金属材料の表面被覆方法について説明する。
先ず、ダイ電極３０のブロック電極３１の中央に配置され、所定大きさに成形されている調整電極３２の高さを調整する。その高さ調整された調整電極３２の上部に、中央に溝を有する部材３３を載せる。この場合、部材３３の両側面はブロック電極３１に当接している。そして、部材３３の溝３４の底面３５及び両側壁３６、３６ａに高融点の高機能粒子とロウ材粒子とを所定比で混合された混合粒子を均一厚みに設けて中間層３７を形成する。その中間層３７を導電箔３８で密着させて覆う。その後、調整電極３２の直上に配置され、所定形状に成形されているパンチ電極３９を下げて部材３３の溝３４に嵌入させ、導電箔３８の上から所定圧で加圧する。なお、パンチ電極３９の両側面は導電箔３８に当接している。そして、ブロック電極３１及び調整電極３２とパンチ電極３９との間に所定量の電流を流すとジュール熱が発生して部材３３とロウ材が溶融し、その後冷却すると部材３３の溝３４の底面３５及び両側壁３６、３６ａに高機能粒子が接合される。特に、部材３３の溝３４の底面３５は、調整電極３２及びパンチ電極３９で加圧されているので高機能粒子が強く接合される。
以上の前記実施例においては、高融点の高機能粒子を使用したのでロウ材を用いたが、高機能粒子が低融点の場合はロウ材は省いてよい。
また、導電板としてステンレス箔を使用したが、アルミ箔、鉛箔又は錫箔のような低融点金属箔や、銅箔、ニッケル箔等のような比較的高融点金属箔を使用することも可能である。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の金属材料の表面被覆方法は、金属母材と導電板との間に、高融点の高機能粒子とロウ材からなる、あるいは低融点の高機能粒子を主体とする中間層を配置し、これらを通電加熱及び加圧して母材の表面に高機能粒子を接合させるので、金属母材が割れることなく金属母材の表面に高機能粒子を強く接合することができる。従って、安価な金属製母材の表面に、耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等の優れた機能を有する高機能粒子を制限なく目的に応じて接合させることにより、簡単に、しかも安価で高機能を備えた複合材料の製造が可能となる。
また、導電板を使用しているので、高機能粒子やロウ材等が、飛散したり、加圧・通電加熱する部材に付着することを防止できる。更にこの導電板を介して通電することによって通電密度が平均化され、中間層が均一に加熱されるので、品質に優れた複合材料の製造ができる。
特に、請求項１記載の金属材料の表面被覆方法は、加圧、通電加熱が対向する通電ローラによって行われるので、電力を部分的に集中しながら、連続的に比較的長い金属材料に対して高機能粒子の接合を行うことができる。
また、請求項２記載の金属材料の表面被覆方法は、加圧と同時に成形も行うので、複雑な形状のものであっても高機能粒子を接合した製品を作ることができる。そして、請求項３記載の金属材料の表面被覆方法は、導電箔の袋内に均一厚みで中間層を配置しているので、その取扱いが容易であり、更に加圧・通電加熱の工程作業も簡単になるので、作業効率や作業精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る金属材料の表面被覆方法の説明図である。
【符号の説明】
１０：鋼板（金属母材）、１１：中間層、１２：ステンレス箔、１４：通電ローラ、１５：通電ローラ、１８ａ：袋、１９：中間層、２１：鋼板（金属母材）、２２：部材（金属母材）、２３：溝、２３ａ：中間層、２４：底面、２４ａ：底部、２５：ダイ電極、２６：パンチ電極、２７：導電箔、３０：ダイ電極、３１：ブロック電極、３２：調整電極、３３：部材（金属母材）、３４：溝、３５：底面、３６：側壁、３６ａ：側壁、３７：中間層、３８：導電箔、３９：パンチ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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