(57)【要約】【課題】  処理対象物と粒子との結合力を向上させるとともに、処理対象物の表面の硬度を上げて処理対象物の変形を抑制し、粒子による被覆層の寿命を向上させることができる表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置を提供する。【解決手段】  表面処理材１は、処理対象物２の表面２ａを加熱するとともにこの表面２ａに粒子３を噴射して、この表面２ａが処理された部材である。表面処理材１は、処理対象物２と、粒子３と、化合物層４とから構成されている。処理対象物２は、炭素鋼などの鉄系金属材料であり、粒子３と化合物層４とを備えている。粒子３は、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材系粒子及びスズなどの金属系粒子である。化合物層４は、処理対象物２と粒子３とを熱化学反応させて形成した金属間化合物であり、処理対象物２と粒子３とを結合させて処理対象物２と粒子３との密着性及び結合性を向上させる。【選択図】      図１
2006070320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象物の表面を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子を噴射して、この処理対象物の表面が処理された表面処理材であって、
前記処理対象物の表面に分散する前記粒子とこの処理対象物とを結合させるために、この処理対象物とこの粒子とを熱化学反応させて形成した化合物層を備えること、
を特徴とする表面処理材。
【請求項２】
請求項１に記載の表面処理材において、
前記化合物層は、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子と前記処理対象物とを熱化学反応させて形成されていること、
を特徴とする表面処理材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の表面処理材において、
前記化合物層は、前記処理対象物の表面が軽金属以外の金属、セラミックス又は樹脂の表面であるときに、これらの金属、セラミックス又は樹脂と前記粒子とを熱化学反応させて形成されていること、
を特徴とする表面処理材。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の表面処理材において、
前記処理対象物の表面を硬化させた硬化処理層を備え、
前記化合物層は、前記硬化処理層と前記粒子とを熱化学反応させて形成されていること、
を特徴とする表面処理材。
【請求項５】
請求項４に記載の表面処理材において、
前記硬化処理層は、前記処理対象物の表面を熱処理又はショットピーニング処理して形成されていること、
を特徴とする表面処理材。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面処理材において、
前記化合物層は、前記処理対象物の表面が鉄道用車輪のフランジ面又は鉄道用レールの頭側面であるときに、この鉄道用車輪又はこの鉄道用レールと前記粒子とを熱化学反応させて形成されていること、
を特徴とする表面処理材。
【請求項７】
処理対象物の表面を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子を噴射して、この処理対象物の表面を処理する表面処理方法であって、
前記処理対象物の表面に分散する前記粒子とこの処理対象物とを結合させるために、この処理対象物とこの粒子とを熱化学反応させる熱化学反応工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項８】
請求項７に記載の表面処理方法において、
前記熱化学反応工程は、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子と前記処理対象物とを熱化学反応させる工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の表面処理方法において、
前記熱化学反応工程は、前記処理対象物の表面が軽金属以外の金属、セラミックス又は樹脂の表面であるときに、これらの金属、セラミックス又は樹脂と前記粒子とを熱化学反応させる工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項１０】
請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、
前記熱化学反応工程の前又は後に、前記処理対象物の表面を熱処理して硬化させる硬化処理工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項１１】
請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、
前記熱化学反応工程の前に、前記処理対象物の表面をショットピーニング処理して硬化させる硬化処理工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項１２】
請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、
前記熱化学反応工程の前に、前記処理対象物の表面を熱処理して硬化させるために、この処理対象物の表面を所定の加熱温度で加熱する加熱工程を含み、
前記熱化学反応工程の後に、前記処理対象物の表面を硬化させるために、この処理対象物の表面を冷却する冷却工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項１３】
請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、
前記熱化学反応工程は、前記処理対象物の表面が鉄道用車輪のフランジ面又は鉄道用レールの頭側面であるときに、この鉄道用車輪又はこの鉄道用レールと前記粒子とを熱化学反応させる工程を含むこと、
を特徴とする表面処理方法。
【請求項１４】
処理対象物の表面を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子を噴射して、この処理対象物の表面を処理する表面処理装置であって、
前記処理対象物と前記粒子とを熱化学反応させるために、この処理対象物の表面を加熱する加熱手段と、
前記処理対象物の表面に前記粒子を分散させるために、この処理対象物の表面にこの粒子を噴射する噴射手段と、
を備える表面処理装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の表面処理装置において、
前記噴射手段は、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子を前記処理対象物の表面に噴射すること、
を特徴とする表面処理装置。
【請求項１６】
請求項１４又は請求項１５に記載の表面処理装置において、
前記処理対象物の性質及び／又は前記粒子の性質に応じて、前記加熱手段の加熱温度を制御する温度制御手段を備えること、
を特徴とする表面処理装置。
【請求項１７】
請求項１４から請求項１６までのいずれか１項に記載の表面処理装置において、
前記噴射手段が噴射する圧縮気体の種類を選択する圧縮気体選択手段を備えること、
を特徴とする表面処理装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の表面処理装置において、
前記噴射手段は、前記粒子を不活性ガスとともに噴射し、
前記圧縮気体選択手段は、前記不活性ガスの種類を選択すること、
を特徴とする表面処理装置。
【請求項１９】
請求項１４から請求項１８までのいずれか１項に記載の表面処理装置において、
前記処理対象物の表面に沿って前記噴射手段を駆動する駆動手段と、
前記処理対象物の表面と前記噴射手段との距離を検出する距離検出手段と、
前記距離検出手段の検出結果に基づいて前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを備えること、
を特徴とする表面処理装置。
【請求項２０】
請求項１４から請求項１９までのいずれか１項に記載の表面処理装置において、
前記噴射手段は、前記処理対象物の表面が鉄道用車輪のフランジ面又は鉄道用レールの頭側面であるときに、この鉄道用車輪のフランジ面又はこの鉄道用レールの頭側面に前記粒子を噴射すること、
を特徴とする表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、処理対象物の表面を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子を噴射して、この処理対象物の表面が処理された表面処理材、この処理対象物の表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】
ショットピーニング処理装置によって固体潤滑材や軟質金属などを処理対象物の表面に噴射して、固体潤滑材や軟質金属などをこの処理対象物の表面にコーティングする表面処理装置が知られている。従来の表面処理装置は、処理対象物の表面と振動板との間でショット粒子を往復させてこの処理対象物の表面にショット粒子を繰り返し衝突させる超音波ショットピーニング処理装置と、処理対象物の表面を加熱する加熱装置と、処理対象物にシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、超音波ショットピーニング処理装置を直線状のガイドレールに沿って移動させる移動装置などを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来のショットピーニング処理装置では、処理対象物の表面に対して加熱装置を昇降させて加熱温度を調整した後に、超音波ショットピーニング処理装置及び加熱装置などを移動装置によって移動させながらこの処理対象物の表面にショット粒子を繰り返し衝突させている。このような従来のショットピーニング処理装置では、処理対象物の表面を改質してこの処理対象物の表面に僅かな合金層を形成するとともに、処理対象物と合金層との界面からこの処理対象物の内部にナノ結晶組織を形成して、処理対象物に耐磨耗性や耐食性を付与している。
【０００３】
【特許文献１】特開2004-169100号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の表面処理装置では、処理対象物の表面にショット粒子を衝突させたときに発生する発熱が不十分であると、処理対象物の表面に十分な膜厚で密着性の良好な表面層を形成することができないという問題点があった。また、従来の表面処理装置では、処理対象物の表面温度を調整するために加熱装置を昇降させる昇降装置が必要になり、装置が複雑になり高価になってしまう問題点があった。さらに、従来の表面処理装置では、処理対象物と振動板との間でショット粒子を往復させながらこのショット粒子を加熱するため、ショット粒子が溶融して振動板などに付着してしまう問題点があった。
【０００５】
従来の表面処理装置では、処理対象物などの種類に応じて任意のシールドガスを選択することができないため、処理対象物が変わる度にシールドガス供給装置のガスタンクを交換する必要があり作業に手間がかかるという問題点があった。また、従来の表面処理装置では、処理対象物の表面が曲面である場合に、超音波ショットピーニング装置と処理対象物の表面との間の距離が変化するため、この処理対象物の表面に表面層を均一に形成することができない問題点があった。さらに、従来の表面処理装置では、表面処理可能な領域が振動板を収容するホルダによって覆われる範囲に制限されており、ホルダによって覆うことができる幅以下の処理対象物に制限されてしまう問題点があった。
【０００６】
この発明の課題は、処理対象物と粒子との結合力を向上させるとともに、処理対象物の表面の硬度を上げて処理対象物の変形を抑制し、粒子による被覆層の寿命を向上させることができる表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、処理対象物（２）の表面（２ａ）を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子（３）を噴射して、この処理対象物の表面が処理された表面処理材であって、前記処理対象物の表面に分散する前記粒子とこの処理対象物とを結合させるために、この処理対象物とこの粒子とを熱化学反応させて形成した化合物層（４）を備えることを特徴とする表面処理材（１）である。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の表面処理材において、前記化合物層は、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子と前記処理対象物とを熱化学反応させて形成されていることを特徴とする表面処理材である。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の表面処理材において、前記化合物層は、前記処理対象物の表面が軽金属以外の金属、セラミックス又は樹脂の表面であるときに、これらの金属、セラミックス又は樹脂と前記粒子とを熱化学反応させて形成されていることを特徴とする表面処理材である。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の表面処理材において、前記処理対象物の表面を硬化させた硬化処理層（１８）を備え、前記化合物層は、前記硬化処理層と前記粒子とを熱化学反応させて形成されていることを特徴とする表面処理材である。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項４に記載の表面処理材において、前記硬化処理層は、前記処理対象物の表面を熱処理又はショットピーニング処理して形成されていることを特徴とする表面処理材である。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面処理材において、前記化合物層は、前記処理対象物の表面が鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ2）又は鉄道用レール（Ｒ）の頭側面（Ｒ2）であるときに、この鉄道用車輪又はこの鉄道用レールと前記粒子とを熱化学反応させて形成されていることを特徴とする表面処理材である。
【００１３】
請求項７の発明は、処理対象物（２）の表面（２ａ）を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子（３）を噴射して、この処理対象物の表面を処理する表面処理方法であって、前記処理対象物の表面に分散する前記粒子とこの処理対象物とを結合させるために、この処理対象物とこの粒子とを熱化学反応させる熱化学反応工程（＃１０２；＃２０３；＃３０２：＃４０２）を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項７に記載の表面処理方法において、前記熱化学反応工程は、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子と前記処理対象物とを熱化学反応させる工程を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項７又は請求項８に記載の表面処理方法において、前記熱化学反応工程は、前記処理対象物の表面が軽金属以外の金属、セラミックス又は樹脂の表面であるときに、これらの金属、セラミックス又は樹脂と前記粒子とを熱化学反応させる工程を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、前記熱化学反応工程の前又は後に、前記処理対象物の表面を熱処理して硬化させる硬化処理工程（＃２００；＃３０３）を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、前記熱化学反応工程の前に、前記処理対象物の表面をショットピーニング処理して硬化させる硬化処理工程（＃２００）を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、前記熱化学反応工程の前に、前記処理対象物の表面を熱処理して硬化させるために、この処理対象物の表面を所定の加熱温度で加熱する加熱工程（＃４００）を含み、前記熱化学反応工程の後に、前記処理対象物の表面を硬化させるために、この処理対象物の表面を冷却する冷却工程（＃４０３）を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００１９】
請求項１３の発明は、請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載の表面処理方法において、前記熱化学反応工程は、前記処理対象物の表面が鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ2）又は鉄道用レール（Ｒ）の頭側面（Ｒ2）であるときに、この鉄道用車輪又はこの鉄道用レールと前記粒子とを熱化学反応させる工程を含むことを特徴とする表面処理方法である。
【００２０】
請求項１４の発明は、処理対象物（２）の表面（２ａ）を加熱するとともにこの処理対象物の表面に粒子（３）を噴射して、この処理対象物の表面を処理する表面処理装置であって、前記処理対象物と前記粒子とを熱化学反応させるために、この処理対象物の表面を加熱する加熱手段（８）と、前記処理対象物の表面に前記粒子を分散させるために、この処理対象物の表面にこの粒子を噴射する噴射手段（１０）とを備える表面処理装置（５）である。
【００２１】
請求項１５の発明は、請求項１４に記載の表面処理装置において、前記噴射手段は、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子を前記処理対象物の表面に噴射することを特徴とする表面処理装置である。
【００２２】
請求項１６の発明は、請求項１４又は請求項１５に記載の表面処理装置において、前記処理対象物の性質及び／又は前記粒子の性質に応じて、前記加熱手段の加熱温度を制御する温度制御手段（１６）を備えることを特徴とする表面処理装置である。
【００２３】
請求項１７の発明は、請求項１４から請求項１６までのいずれか１項に記載の表面処理装置において、前記噴射手段が噴射する圧縮気体の種類を選択する圧縮気体選択手段（１３）を備えることを特徴とする表面処理装置である。
【００２４】
請求項１８の発明は、請求項１７に記載の表面処理装置において、前記噴射手段は、前記粒子を不活性ガスとともに噴射し、前記圧縮気体選択手段は、前記不活性ガスの種類を選択することを特徴とする表面処理装置である。
【００２５】
請求項１９の発明は、請求項１４から請求項１８までのいずれか１項に記載の表面処理装置において、前記処理対象物の表面に沿って前記噴射手段を駆動する駆動手段（１４）と、前記処理対象物の表面と前記噴射手段との距離を検出する距離検出手段（１５）と、前記距離検出手段の検出結果に基づいて前記駆動手段を制御する駆動制御手段（１６）とを備えることを特徴とする表面処理装置である。
【００２６】
請求項２０の発明は、請求項１４から請求項１９までのいずれか１項に記載の表面処理装置において、前記噴射手段は、前記処理対象物の表面が鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ2）又は鉄道用レール（Ｒ）の頭側面（Ｒ2）であるときに、この鉄道用車輪のフランジ面又はこの鉄道用レールの頭側面に前記粒子を噴射することを特徴とする表面処理装置である。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によると、処理対象物と粒子との結合力を向上させるとともに、処理対象物の表面の硬度を上げて処理対象物の変形を抑制し、粒子による被覆層の寿命を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る表面処理材を模式的に示す部分断面図であり、図１（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、図１（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
【００２９】
図１に示す表面処理材１は、処理対象物２の表面２ａを加熱するとともにこの処理対象物２の表面２ａに粒子３を噴射して、この処理対象物２の表面２ａが処理された部材である。表面処理材１は、図１に示すように、処理対象物２と、粒子３と、化合物層４とから構成されている。
【００３０】
処理対象物２は、表面２ａが処理される母材であり、軽金属以外の鉄、銅、ニッケルなどの金属、セラミックス又は樹脂などである。処理対象物２は、例えば、炭素鋼などの鉄系金属材料を所定の形状に加工して形成されており、処理対象物２の表面２ａには図１（Ｂ）に示すように粒子３と結合層４などが形成されている。
【００３１】
粒子３は、処理対象物２の表面２ａに分散する部材である。粒子３は、摩擦係数を略一定範囲内に低減して摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材（摩擦低減材）などである。粒子３は、処理対象物２の表面２ａを被覆するコーティング材であり、この表面２ａに被覆層を形成する。粒子３は、例えば、表面２ａの硬さよりも硬さが小さく、摩擦係数を上げないような材質であって、大きさが2μm〜50μm程度の固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂粒子系又はこれらを複数混合した粒子である。粒子３は、速度1000m/s以下で表面２ａに多数噴射されて処理対象物２の表面を被覆している。このような固体潤滑材系粒子としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ボロンナイトライド又はグラファイト（黒鉛）などを使用することが好ましい。金属系粒子としては、アルミニウム、スズ、ニッケル、チタン、金、銀、銅、インジウム、はんだ、鉛、亜鉛又はこれらの合金などを使用することが好ましい。特に、スズなどの軟質金属は、二硫化モリブデンと混合して使用した場合には、二硫化モリブデンを処理対象物２の表面２ａに保持するバインダとして機能するとともに、処理対象物２から二硫化モリブデンが脱落したときには単独で摩擦係数の上昇を抑制する機能を有する。セラミックス系粒子としては、アルミナなどを使用することが好ましく、合成樹脂系粒子としては四フッ化エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン (PTFE))又はフェノール樹脂などを使用することが好ましい。
【００３２】
化合物層４は、処理対象物２の表面２ａに分散する粒子３とこの処理対象物２とを結合させるために、この処理対象物２とこの粒子３とを熱化学反応させて形成した部分である。化合物層４は、例えば、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子３と処理対象物２とを熱化学反応させて形成されている。化合物層４は、例えば、処理対象物２の表面２ａが軽金属以外の金属、セラミックス又は樹脂の表面であるときには、これらの金属、セラミックス又は樹脂と粒子３とを熱化学反応させて形成される。例えば、化合物層４は、固体潤滑材系粒子である二硫化モリブデンと軟質金属系粒子であるスズとを混合した粒子３を、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに噴射したときに、主としてスズと軽金属以外の金属とが熱化学反応して形成された金属間化合物及び／又は合金層である。このような金属間化合物及び／又は合金層は、二硫化モリブデンと軽金属以外の金属とを結合させて、処理対象物２と二硫化モリブデンとの密着性及び結合性を向上させる。
【００３３】
次に、この発明の第１実施形態に係る表面処理方法について説明する。
図２は、この発明の第１実施形態に係る表面処理方法の工程図である。図３は、この発明の第１実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、図３（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、図３（Ｂ）は加熱工程中の部分断面図であり、図３（Ｃ）は噴射工程中の部分断面図であり、図３（Ｄ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。以下では、固体潤滑材系粒子である二硫化モリブデン３ａと軟質金属系粒子であるスズ３ｂとを混合した粒子３を、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに噴射してこの表面２ａを処理する場合を例に挙げて説明する。
【００３４】
図２に示す表面処理方法は、処理対象物２の表面２ａを加熱するとともにこの処理対象物２の表面２ａに粒子３を噴射して、この処理対象物２の表面２ａを処理する方法である。この表面処理方法は、加熱工程＃１００と、噴射工程＃１０１と、化合物層形成工程１０２とを含む。
【００３５】
加熱工程＃１００は、処理対象物２の表面２ａを加熱する工程である。図３（Ｂ）に示すように、処理対象物２の処理条件に応じて表面２ａが所定の加熱温度に達するまで加熱される。
【００３６】
図２に示す噴射工程＃１０１は、処理対象物２の表面２ａに粒子３を噴射する工程である。図３（Ｃ）に示すように、処理対象物２の表面２ａが所定の加熱温度に達すると、二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとを混合した粒子３が、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに噴射され、表面２ａに衝突した二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂの一部がこの表面２ａに付着する。このときに、処理対象物２の表面２ａが所定の加熱温度に加熱され僅かに軟化しているため、二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂが表面２ａに衝突すると微細な凹凸が形成されて、この処理対象物２の表面積が僅かに増加し表面２ａに対する二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂの残留性が向上する。また、表面２ａに衝突した二硫化モリブデン３ａが処理対象物２内に入り込みこの表面２ａに付着するとともに、表面２ａに衝突したスズ３ｂが潰れてこの表面２ａに付着する。その結果、図３（Ｃ）に示すように、処理対象物２の表面２ａに二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとが分散する。
【００３７】
図２に示す熱化学反応工程＃１０２は、処理対象物２の表面２ａに分散する粒子３とこの処理対象物２とを結合させるために、この処理対象物２とこの粒子３とを熱化学反応させる工程である。処理対象物２の表面２ａが所定の加熱温度に加熱されているため、図３（Ｄ）に示すように低融点であるスズ３ｂが溶融すると、二硫化モリブデン３ａとの間の空隙部が溶融したスズ３ｂによって埋まり、二硫化モリブデン３ａがスズ３ｂに保持された状態になる。また、軽金属以外の金属である処理対象物２とスズ３ｂとの反応性が高いため、スズ３ｂと処理対象物２とが接触する部分においてこれらが熱化学反応し、これらの金属間化合物及び／又は合金層が容易に生成される。同様に、二硫化モリブデン３ａと処理対象物２とが接触する部分、及び二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとが接触する部分についても、これらが僅かに熱化学反応して反応物が析出される。その結果、処理対象物２、二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂが互いにこれらの化合物によって結合されて、二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂが処理対象物２の表面２ａに密着しこれらの残留性が向上する。また、数nm〜数十nmの微小な結晶組織を有し降伏強さが大きく靭性の高い優れた力学的性質を備えるナノ結晶組織層が化合物層４の下層に形成されることが期待される。
【００３８】
図２に示す加熱工程＃１００〜熱化学反応工程＃１０２は、必要に応じて繰り返される。例えば、１回の加熱工程＃１００〜熱化学反応工程＃１０２では表面２ａを十分に処理できない場合には、図３（Ｄ）に示す状態から処理対象物２が再加熱されて、二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂが再噴射される。その結果、溶融状態のスズ３ｂの表面を二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂがさらに被覆するため、スズ３ｂによって保持される二硫化モリブデン３ａが増加して、表面２ａを覆う二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂによる被覆層が厚膜化する。また、複数回の加熱工程＃１００によってスズ３ｂと処理対象物２との熱化学反応が促進されて、化合物層４が厚膜化しこの化合物層４の硬度が向上する。なお、最終回の熱化学反応工程＃１０２後に処理対象物２を加熱して表層のスズ３ｂを溶融させることによって、下層の二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂとの密着性及び結合性が強化される。
【００３９】
次に、この発明の第１実施形態に係る表面処理装置について説明する。
図４は、この発明の第１実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
図４に示す表面処理装置５は、処理対象物２の表面２ａを加熱するとともにこの処理対象物２の表面２ａに粒子３を噴射して、この処理対象物２の表面２ａを処理する装置である。表面処理装置５は、図４に示すように、駆動装置６と、位置検出装置７と、加熱装置８と、温度検出装置９と、噴射装置１０と、圧縮気体供給装置１１と、ガス収容装置１２と、圧縮気体選択装置１３と、駆動装置１４と、距離検出装置１５と、制御装置１６と、設定装置１７などを備えている。表面処理装置５は、表面２ａを加熱装置８によって加熱して噴射装置１０によって表面２ａに粒子３を噴射し、図１及び図３に示すようにこの表面２ａを粒子３によって被覆して表面改質する。
【００４０】
駆動装置６は、処理対象物２を駆動する手段である。駆動装置６は、図４に示すように、処理対象物２が円盤状であるときに、この処理対象物２の中心軸を回転中心Ｏとして矢印方向にこの処理対象物２を回転駆動する。駆動装置６は、処理対象物２を支持する支持部６ａと、この支持部６ａを回転するモータ６ｂなどを備えている。
【００４１】
位置検出装置７は、処理対象物２の位置を検出する手段である。位置検出装置７は、モータ６ｂの回転数に基づいて処理対象物２の回転位置（回転角度）を検出し、この検出結果を回転位置情報として制御装置１６に出力するエンコーダなどである。
【００４２】
加熱装置８は、処理対象物２と粒子３とを熱化学反応させるために、この処理対象物２の表面２ａを加熱する手段である。加熱装置８は、例えば、Ｕ字状に巻かれたコイルに高周波電流を流して表面２ａに誘導電流を発生させ、この誘導電流の抵抗熱によって表面２ａを加熱する高周波加熱装置である。加熱装置８は、噴射装置１０が圧縮気体を噴射すると加熱処理後の表面２ａが冷却されるため、表面２ａを所定の加熱温度よりも若干高い加熱温度で所定の時間だけ加熱する。加熱装置８は、例えば、最大加熱温度900°Ｃ、最大処理時間５分程度で連続加熱する。
【００４３】
温度検出装置９は、処理対象物２の表面２ａの温度を検出する手段であり、処理対象物２の表面温度を検出し、この検出結果を温度情報として制御装置１６に出力する温度センサなどである。
【００４４】
噴射装置１０は、処理対象物２の表面２ａに粒子３を分散させるために、この処理対象物２の表面２ａに粒子３を噴射する手段である。噴射装置１０は、ショット粒子を投射するショットピーニング処理装置などを利用して、粒子３を不活性ガスなどの圧縮気体とともに表面２ａに投射する。噴射装置１０は、粒子３を収容する粒子収容部１０ａと、粒子収容部１０ａからノズル部１０ｃに粒子３を供給する供給管路１０ｂと、圧縮気体とともに粒子３を噴射するノズル部１０ｃと、ノズル部１０ｃから噴射されて表面２ａに衝突した粒子３を受け止めて回収する粒子回収部１０ｄと、粒子回収部１０ｄから粒子収容部１０ａに粒子３を回収する回収管路１０ｅを備えている。
【００４５】
圧縮気体供給装置１１は、粒子３を噴射する圧縮気体を噴射装置１０に供給する手段である。圧縮気体供給装置１１は、アルゴンガス、ヘリウムガス、炭酸ガスなどの不活性ガス（キャリアガス）を所定の圧力に圧縮して、噴射装置１０のノズル部１０ｃに供給するコンプレッサなどを備えている。
【００４６】
ガス収容装置１２は、圧縮気体供給装置１１によって圧縮される不活性ガスを収容する手段であり、不活性ガス毎に収容するガスタンク１２ａなどを備えている。ガス収容装置１２には、アルゴンガス、ヘリウムガス、炭酸ガスなどの不活性ガスをそれぞれ収容するガスタンク１２ａが着脱自在に設置されている。
【００４７】
圧縮気体選択装置１３は、噴射装置１０が噴射する圧縮気体の種類を選択する手段である。圧縮気体選択装置１３は、不活性ガスの種類を選択可能なように、ガスタンク１２ａから圧縮気体供給装置１１に不活性ガスを導く管路を開閉する開閉弁１３ａなどを備えている。
【００４８】
駆動装置１４は、処理対象物２の表面２ａに沿って噴射装置１０を駆動する手段である。駆動装置１４は、例えば、表面２ａが曲面であるときに、この表面２ａと所定の間隔をあけてノズル部１０ｃから粒子３が噴射するように、このノズル部１０ｃを駆動する駆動機構部を備えている。
【００４９】
距離検出装置１５は、処理対象物２の表面２ａと噴射装置１０との距離を検出する手段である。距離検出装置１５は、例えば、ノズル部１０ｃの先端部から光を照射して表面２ａで反射した反射光を受光し、表面２ａとノズル部１０ｃとの相対距離を測定してこの測定結果を距離情報として制御装置１６に出力する光センサなどである。
【００５０】
制御装置１６は、表面処理装置５の種々の動作を制御する手段である。制御装置１６は、例えば、位置検出装置７の検出結果に基づいて駆動装置６を制御したり、温度検出装置９の検出結果に基づいて加熱装置８を制御したり、距離検出装置１５の検出結果に基づいて駆動装置１４を制御したり、圧縮気体供給装置１１の動作を制御したり、開閉弁１３ａの開閉動作を制御したり、駆動装置１４の駆動速度（回転速度）を制御したりする。制御装置１６には、駆動装置６と、位置検出装置７と、加熱装置８と、温度検出装置９と、圧縮気体供給装置１１と、圧縮気体選択装置１３と、駆動装置１４と、距離検出装置１５などが接続されている。
【００５１】
設定装置１７は、処理対象物２の処理条件を設定する手段である。設定装置１７は、例えば、処理対象物２の性質及び／又は粒子３の性質に応じて加熱装置８の加熱温度を制御装置１６が制御するように、処理対象物２の最適な処理条件を入力するための入力装置などを備えている。
【００５２】
次に、この発明の第１実施形態に係る表面処理装置の動作を説明する。
図４に示す設定装置１７によって処理対象物２の処理条件が設定されると、この処理条件に応じて駆動装置６及び加熱装置８を制御装置１６が動作させる。先ず、処理対象物２の表面温度を温度検出装置９が検出し、処理条件に応じた加熱温度に表面２ａが達するように加熱装置８を制御装置１６が動作させる。その結果、図４に示す駆動装置６の駆動速度（回転速度）を制御装置１６が制御して、表面２ａが所定の加熱温度に達するまで駆動装置６が処理対象物２を回転中心Ｏ回りに矢印方向に連続して回転する。
【００５３】
設定装置１７によって設定された処理条件に応じて制御装置１６が開閉弁１３ａを開閉動作して、処理条件に適したガスタンク１２ａ内の不活性ガスが選択される。選択された不活性ガスを圧縮気体供給装置１１が圧縮してノズル部１０ｃに供給すると、ノズル部１０ｃから粒子３が噴射して、図３（Ｃ）に示すように表面２ａに粒子３が衝突する。このとき、図４に示す表面２ａとノズル部１０ｃの先端部との間の距離を距離検出装置１５が測定し、これらの間の距離が一定になるように制御装置１６が駆動装置１４を動作させる。このため、表面２ａの形状に応じてノズル部１０ｃが可動し、図３（Ｃ）に示すようにこの表面２ａにノズル部１０ｃが均一に粒子３を噴射する。その結果、加熱装置８によって表面２ａが所定の加熱温度で加熱されているため、図３（Ｄ）に示すように処理対象物２と粒子３とが熱化学反応して化合物層４を形成し、この化合物層４によって処理対象物２と粒子３とが結合される。
【００５４】
この発明の第１実施形態に係る表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、処理対象物２の表面２ａに分散する粒子３とこの処理対象物２とを結合させるために、この処理対象物２とこの粒子３とを熱化学反応させて化合物層４を形成する。このため、処理対象物２と粒子３との界面に化合物層４を生成させて、この化合物層４によって表面２ａを硬化させて表面２ａの変形を抑制することができる。また、化合物層４によって処理対象物２と粒子３とを密着させ表面２ａから粒子３が脱落するのを抑制することができる。その結果、処理対象物２の表面２ａを被覆する粒子３による被覆層の耐久性を向上させることができる。
【００５５】
(2) この第１実施形態では、固体潤滑材系粒子、金属系粒子、セラミックス系粒子、合成樹脂系粒子又はこれらを複数混合した粒子と処理対象物２とを熱化学反応させて化合物層４が形成されている。例えば、所定の温度に加熱された軽金属以外の金属の表面に、スズやアルミなどの金属系粒子と二硫化モリブデンなどの固体潤滑材系粒子とを混合して噴射すると、軽金属以外の金属と金属系粒子とを反応させて金属間化合物及び／又は合金層を容易に生成させることができる。その結果、金属間化合物及び／又は合金層からなる化合物層４によって固体潤滑材系粒子と軽金属以外の金属との密着性及び結合性を向上させることができる。
【００５６】
(3) この第１実施形態では、処理対象物２の表面２ａが軽金属以外の金属、セラミックス又は樹脂の表面であるときに、これらの金属、セラミックス又は樹脂と粒子３とを熱化学反応させて化合物層４が形成されている。二硫化モリブデンなどの固体潤滑材系粒子をアルミニウムなどの軽金属に噴射する場合には、固体潤滑材系粒子が軽金属に衝突したときに発生する熱によって軽金属と固体潤滑材系粒子とを熱化学反応させて化合物層を形成させ、この化合物層によって固体潤滑材系粒子を軽金属に結合させることができる。しかし、軽金属以外の金属に固体潤滑材系粒子を噴射した場合には、固体潤滑材系粒子が軽金属以外の金属に衝突したときに発生する熱だけでは、軽金属以外の金属と固体潤滑材系粒子とを熱化学反応させて化合物層を形成させることができない。この第１実施形態では、軽金属以外の金属と容易に熱化学反応するスズ３ｂをこの軽金属以外の金属に噴射することによって、化合物層４を簡単に形成することができる。
【００５７】
(4) この第１実施形態では、処理対象物２と粒子３とを熱化学反応させるために、この処理対象物２の表面２ａを加熱装置８が加熱し、この表面２ａに粒子３を分散させるために、この表面２に粒子３を噴射装置１０が噴射する。このため、処理対象物２と粒子３とを外部からの加熱によって熱化学反応させて、十分な膜厚の化合物層４を形成することができるとともに、処理対象物２と粒子３との密着性及び結合性を向上させることができる。また、所定の加熱温度に加熱された表面２ａに粒子３を噴射するため、表面２ａに微細な凹凸が形成されて処理対象物２の表面積を増加させることができる。その結果、予め表面２ａをショットピーニング処理する必要がなくなり、密着性が良好な被膜層３を表面２ａに簡単に形成することができる。さらに、従来の表面処理装置のような振動板を収容するホルダが不要になるため、図４に示すような薄板状の円盤の周面や幅の狭い板状体などであっても容易に表面処理することができる。
【００５８】
(5) この第１実施形態では、処理対象物２の性質及び／又は粒子３の性質に応じて、加熱装置８の加熱温度を制御装置１６が制御する。このため、処理対象物２や粒子３の材質、形状、大きさなどに応じて加熱温度を制御し、最適な条件で表面２ａを改質することができる。また、従来の表面処理装置のような加熱装置を昇降させるための特別の駆動装置などが不要になり、加熱温度を簡単に制御して表面２ａを効率的に加熱することができるとともに、表面処理装置５が安価になり構造をコンパクトにすることができる。
【００５９】
(6) この第１実施形態では、噴射装置１０が噴射する圧縮気体の種類を圧縮気体選択装置１３が選択する。このため、処理対象物２の性質や粒子３の性質に応じて粒子３の圧縮気体の種類を任意に選択することができるとともに、圧縮気体の種類が簡単に選択可能になり作業性を向上させることができる。
【００６０】
(7) この第１実施形態では、粒子３を不活性ガスとともに噴射装置１０が噴射し、圧縮気体選択装置１３がこの不活性ガスの種類を選択する。例えば、アルミニウムやチタンなどの金属系粒子を噴射する場合には、表面２ａにこれらの金属系粒子が衝突すると摩擦熱によって空気中の酸素と反応するおそれがある。この第１実施形態では、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスをキャリアガスとして利用することによって、金属と酸素との結合を抑えることができる。その結果、処理対象物２を不活性ガスなどのシールドガスなどによって覆うような高価な装置が不用になって表面処理装置５が簡単で安価な構造になるとともに、処理対象物２の性質や粒子３の性質に応じて任意のキャリアガスを選択することができる。
【００６１】
(8) この第１実施形態では、処理対象物２の表面２ａに沿って駆動装置１４が噴射装置１０を駆動して、表面２ａと噴射装置１０との距離を距離検出装置１５が検出し、距離検出装置１５の検出結果に基づいて駆動装置１４を制御装置１６が制御する。このため、表面２ａが曲面であってもこの表面２ａを略均一に処理することができる。
【００６２】
（第２実施形態）
図５は、この発明の第２実施形態に係る表面処理材を模式的に示す部分断面図であり、図５（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、図５（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。以下では、図１〜図４に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【００６３】
図５に示す処理対象物２は、例えば、炭素鋼などの鉄系金属材料を所定の形状に加工して形成されている。粒子３は、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材系粒子であり、化合物層４は固体潤滑材系粒子と処理対象物２とを熱化学反応させて形成されている。化合物層４は、例えば、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに固体潤滑材系粒子である二硫化モリブデンを噴射したときに、二硫化モリブデンと軽金属以外の金属とが熱化学反応して形成された化合物であり、二硫化モリブデンと軽金属以外の金属との密着性及び結合性を向上させている。
【００６４】
次に、この発明の第２実施形態に係る表面処理方法について説明する。
図６は、この発明の第２実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、図６（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、図６（Ｂ）は加熱工程中の部分断面図であり、図６（Ｃ）は噴射工程中の部分断面図であり、図６（Ｄ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。以下では、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに固体潤滑材系粒子である二硫化モリブデン３ａを噴射して、この表面２ａを処理する場合を例に挙げて説明する。
【００６５】
図６（Ｃ）に示すように、処理対象物２の表面２ａが所定の加熱温度に達すると、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに二硫化モリブデン３ａが噴射され、表面２ａに衝突した二硫化モリブデン３ａの一部がこの表面２ａに付着する。その結果、図６（Ｄ）に示すように、処理対象物２の表面２ａが所定の加熱温度に加熱されているため、二硫化モリブデン３ａと処理対象物２とが接触する部分が熱化学反応して、化合物が析出し化合物層４が形成される。その結果、二硫化モリブデン３ａと処理対象物２とが化合物層４によって結合されて、処理対象物２の表面２ａに二硫化モリブデン３ａが密着し二硫化モリブデン３ａの残留性が向上する。なお、１回の加熱工程＃１００〜熱化学反応工程＃１０２によって表面２ａを十分に処理できない場合には、図６（Ｄ）に示す状態から処理対象物２が再加熱されて、二硫化モリブデン３ａが再噴射される。その結果、表面２ａを覆う二硫化モリブデン３ａによる被覆層と化合物層４とが厚膜化する。
【００６６】
この発明の第２実施形態には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。この第２実施形態では、軽金属以外の金属である処理対象物２と二硫化モリブデン３ａとを熱化学反応させて化合物層４を形成する。その結果、第１実施形態のようなスズ３ｂなどの軟質金属をバインダとして使用する必要がなくなり、二硫化モリブデン３ａと処理対象物２とをこの化合物層４によって結合させ、二硫化モリブデン３ａの残留性を向上させることができる。
【００６７】
（第３実施形態）
図７は、この発明の第３実施形態に係る表面処理材を模式的に示す部分断面図であり、図７（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、図７（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
図７に示す化合物層４は、硬化処理層１８と粒子３とを熱化学反応させて形成された部分である。硬化処理層１８は、処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させた部分である。硬化処理層１８は、例えば、炭素鋼（母材）を焼入れ焼もどしして表面２ａをオーステナイト状態まで加熱(Ａ1点以上に加熱)し、この炭素鋼をオーステナイト状態から急冷してマルテンサイトを得る表面焼入れによって形成されている。
【００６８】
次に、この発明の第３実施形態に係る表面処理方法について説明する。
図８は、この発明の第３実施形態に係る表面処理方法の工程図である。図９は、この発明の第３実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、図９（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、図９（Ｂ）は硬化処理工程後の部分断面図であり、図９（Ｃ）は加熱工程中の部分断面図であり、図９（Ｄ）は噴射工程中の部分断面図であり、図９（Ｅ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。以下では、固体潤滑材系粒子である二硫化モリブデン３ａと軟質金属系粒子であるスズ３ｂとを混合した粒子３を、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに噴射してこの表面２ａを処理する場合を例に挙げて説明する。
【００６９】
図８に示す表面処理方法は、硬化処理工程＃２００と、加熱工程＃２０１と、噴射工程＃２０２と、熱化学反応工程＃２０３とを含む。硬化処理工程＃２００は、処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させる工程である。硬化処理工程＃２００では、所定の焼入れ温度範囲に達するまで表面２ａを加熱した後に、表面２ａが水又は油によって冷却されて、表面２ａがオーステナイト状態から急冷される。その結果、図９（Ｂ）に示すように、表面２ａにマルテンサイト組織が得られ、表面２ａに硬化処理層１８が形成される。
【００７０】
図８に示す加熱工程＃２０１は、処理対象物２の表面２ａを加熱する工程である。図９（Ｃ）に示すように、硬化処理工程＃２００後の表面２ａを再加熱して、焼入れ後の処理対象物２の表面を焼もどしする。また、処理対象物２の処理条件に応じて表面２ａが所定の加熱温度まで加熱される。
【００７１】
図８に示す噴射工程＃２０２は、硬化処理層１８の表面に粒子３を噴射する工程である。図９（Ｄ）に示すように、硬化処理層１８の表面が所定の加熱温度に達すると、二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとを混合した粒子３が、軽金属以外の金属である処理対象物２の表面２ａに噴射される。その結果、図９（Ｄ）に示すように、硬化処理層１８の表面に衝突した二硫化モリブデン３ａが処理対象物２内に入り込むとともに、この硬化処理層１８の表面に衝突したスズ３ｂが潰れて、硬化処理層１８の表面に二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとが分散し付着する。
【００７２】
図８に示す熱化学反応工程＃２０３は、硬化処理層１８の表面に分散する粒子３とこの硬化処理層１８とを結合させるために、この硬化処理層１８とこの粒子３とを熱化学反応させる工程である。図９（Ｅ）に示すように、硬化処理層１８の表面が所定の加熱温度に加熱されているため、低融点であるスズ３ｂが溶融して、二硫化モリブデン３ａがスズ３ｂに保持された状態になる。また、スズ３ｂと処理対象物２とが熱化学反応してこれらの金属間化合物及び／又は合金層からなる化合物層４が生成され、二硫化モリブデン３ａと処理対象物２とがこの化合物層４によって結合される。その結果、硬化処理層１８の表面に二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂが密着しこれらの残留性が向上する。なお、図８に示す加熱工程＃２０１〜熱化学反応工程＃２０３は、図２に示す加熱工程１０１〜熱化学反応工程＃１０２と同様に必要に応じて繰り返される。
【００７３】
次に、この発明の第３実施形態に係る表面処理装置について説明する。
図１０は、この発明の第３実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
図１０に示す表面処理装置５は、冷却装置１９を備えており、この冷却装置１９は加熱装置８によって焼入れ温度に加熱された処理対象物２の表面２ａを冷却する手段である。冷却装置１９は、表面２ａに水又は油などの冷却剤１９ｂを噴射するノズル部１９ａなどを備えている。冷却装置１９は、制御装置１６に接続されており、温度検出装置９の検出結果に基づいて制御装置１６によって制御される。
【００７４】
次に、この発明の第３実施形態に係る表面処理装置の動作を説明する。
図１０に示す設定装置１７によって処理対象物２の処理条件が設定されると、処理対象物２を駆動装置６が矢印方向に連続して回転しながら、所定の焼入れ温度に達するまで加熱装置８が表面２ａを加熱する。その後に、表面２ａを冷却装置１９が冷却して、図９（Ｂ）に示すように表面２ａにマルテンサイト組織からなる硬化処理層１８が形成される。次に、図１０に示す設定装置１７によって設定された処理条件に応じて、所定の温度に達するまで加熱装置８が表面２ａを再加熱した後に、ガスタンク１２ａ内の不活性ガスが選択されてノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図９（Ｅ）に示すように、加熱装置８によって硬化処理層１８の表面が所定の加熱温度で加熱されているため、硬化処理層１８と粒子３とが熱化学反応して化合物層４を形成し、この化合物層４によって硬化処理層１８と粒子３とが結合される。
【００７５】
この発明の第３実施形態に係る表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
(1) この第３実施形態では、処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させて硬化処理層１８を形成している。その結果、表面２ａの硬度が増して表面２ａの変形を抑制することができるとともに、硬化処理層１８の上層に粒子３によって被覆層が形成されるためこの被覆層の耐久性を向上させることができる。
【００７６】
(2) この第３実施形態では、処理対象物２の表面２ａを焼入れ温度まで加熱装置８が加熱した後に、この表面２ａを冷却装置１９が冷却する。このため、処理対象物２と粒子３とを熱化学反応させるために使用する加熱装置８を熱処理に利用して、表面２ａに硬化処理層１８を簡単に形成することができる。
【００７７】
（第４実施形態）
図１１は、この発明の第４実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、図１１（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、図１１（Ｂ）は硬化処理工程中の部分断面図であり、図１１（Ｃ）は加熱工程中の部分断面図であり、図１１（Ｄ）は噴射工程中の部分断面図であり、図１１（Ｅ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。
【００７８】
図１１に示す硬化処理層１８は、処理対象物２の表面２ａをショットピーニング処理して硬化させた部分である。硬化処理層１８は、例えば、処理対象物２の硬さよりも硬さが大きく（硬さが400HV以上）粒子径が20μm〜400μm程度のショット粒子を速度50m/s〜1000m/sで処理対象物２の表面２ａに多数投射して形成される。このようなショット粒子としては、Al2O3，Zr2O3，SiC，SiNなどのセラミックス粒子、SKH(ハイス又は高速度鋼）、WC-Co(超硬合金)、鋳鋼、鉄鋼などの硬質粒子又はこれらを複数混合した粒子を使用することが好ましい。
【００７９】
次に、この発明の第４実施形態に係る表面処理方法について説明する。
図１１に示す表面処理方法は、図８に示す表面処理方法の硬化処理工程＃２００のみが異なる。図１１（Ｂ）に示す硬化処理工程は、図９（Ｂ）に示す処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させる硬化処理工程＃２００とは異なり、この表面２ａをショットピーニング処理して硬化させる工程である。この硬化処理工程は、図１１（Ｂ）に示すように、処理対象物２の表面２ａにショット粒子１８ａを投射してショットピーニング処理面を形成する冷間加工法による表面硬化処理工程である。この硬化処理工程では、ショット粒子１８ａを処理対象物２の表面２ａに多数投射して、適度な表面粗さを与えて凹部を形成し硬化処理層１８を形成する。
【００８０】
次に、この発明の第４実施形態に係る表面処理装置について説明する。
図１２は、この発明の第４実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
図１２に示す表面処理装置５は、ショットピーニング処理装置２０と圧縮気体供給装置２１とを備えている。ショットピーニング処理装置２０は、処理対象物２の表面２ａにショット粒子１８ａを投射する手段である。ショットピーニング処理装置２０は、図１２に示すように、ショット粒子１８ａを収容するショット粒子収容部２０ａと、ショット粒子収容部２０ａからノズル部２０ｃにショット粒子１８ａを供給する供給管路２０ｂと、圧縮気体とともにショット粒子１８ａを噴射するノズル部２０ｃと、ノズル部２０ｃから噴射されて表面２ａに衝突したショット粒子１８ａを受け止めて回収するショット粒子回収部２０ｄと、ショット粒子回収部２０ｄからショット粒子収容部２０ａにショット粒子１８ａを回収する回収管路２０ｅとを備えている。圧縮気体供給装置２１は、ショット粒子３を噴射する圧縮気体を噴射装置１０に供給する手段である。圧縮気体供給装置２１は、制御装置１６に接続されており制御装置１６によって制御される。
【００８１】
次に、この発明の第４実施形態に係る表面処理装置の動作を説明する。
図１２に示す設定装置１７によって処理対象物２の処理条件が設定されると、処理対象物２を駆動装置６が矢印方向に連続して回転しながら、ショットピーニング処理装置２０がショット粒子１８ａを処理対象物２の表面２ａに投射して、図１１（Ｂ）に示すようにこの表面２ａに硬化処理層１８を形成する。次に、図１２に示す設定装置１７によって設定された処理条件に応じて、処理対象物２を駆動装置６が矢印方向に連続して回転しながら、所定の温度に達するまで加熱装置８が表面２ａを加熱し、ガスタンク１２ａ内の不活性ガスが選択されてノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図１１（Ｅ）に示すように、硬化処理層１８と粒子３とが熱化学反応して化合物層４を形成し、この化合物層４によって硬化処理層１８と粒子３とが結合される。
【００８２】
この発明の第４実施形態に係る表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置には、第１実施形態〜第３実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第４実施形態では、処理対象物２の表面２ａをショットピーニング処理して硬化させて硬化処理層１８を形成している。その結果、表面２ａに微細な凹凸が形成されて処理対象物２の表面積を増加させることができるため、この硬化処理層１８と粒子３との密着性を向上させることができる。
【００８３】
（第５実施形態）
図１３は、この発明の第５実施形態に係る表面処理方法の工程図である。図１４は、この発明の第５実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、図１４（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、図１４（Ｂ）は加熱工程中の部分断面図であり、図１４（Ｃ）は噴射工程中の部分断面図であり、図１４（Ｄ）は熱化学反応工程後の部分断面図であり、図１４（Ｅ）は硬化処理工程後の部分断面図である。なお、図１３に示す工程のうち図２に示す工程と同様の工程については対応する番号を付して詳細な説明を省略する。
【００８４】
図１３に示す硬化処理工程＃３０３は、処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させる工程であり、図８に示す硬化処理工程＃２００とは異なり熱化学反応工程＃３０２の後に表面２ａを熱処理して硬化させる。図１０に示す処理対象物２を駆動装置６が矢印方向に回転しながら、粒子３によって被覆された被覆層の表面を所定の焼入れ温度に達するまで加熱装置８が加熱する。このとき、被覆層などが劣化しないような焼入れ温度及び焼入れ時間によって加熱装置８がこの被覆層の表面を加熱するように、制御装置１６が加熱装置８を制御する。その後、被覆層の表面を冷却装置１９が冷却して、図１４（Ｅ）に示すように処理対象物２の表面２ａにマルテンサイト組織からなる硬化処理層１８が形成される。この第５実施形態には、第３実施形態及び第４実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。この第５実施形態では、熱化学反応工程＃３０２後の硬化処理工程＃３０３によって処理対象物２が加熱される。このため、熱化学反応工程＃３０２によって生成された表層のスズ３ｂが溶融し、下層の二硫化モリブデン３ａ及びスズ３ｂとの密着性及び結合性を強化させることができる。
【００８５】
（第６実施形態）
図１５は、この発明の第６実施形態に係る表面処理方法の工程図である。図１６は、この発明の第６実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、図１６（Ａ）は表面処理前の断面図であり、図１６（Ｂ）は加熱工程中の断面図であり、図１６（Ｃ）は噴射工程中の断面図であり、図１６（Ｄ）は熱化学反応工程後の断面図であり、図１６（Ｅ）は冷却工程中の断面図である。なお、図１５に示す工程のうち図２に示す工程と同様の工程については対応する番号を付して詳細な説明を省略する。
【００８６】
図１５に示す加熱工程＃４００は、処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させるために、この処理対象物２の表面２ａを所定の加熱温度で加熱する工程である。その結果、図１６（Ｂ）に示すように、所定の加熱温度（焼入れ温度）に達するまで表面２ａを加熱してこの表面２ａを熱処理し硬化させ、この表面２ａに硬化処理層１８が形成される。図１５に示す冷却工程＃４０３は、処理対象物２の表面２ａを硬化させるためにこの表面２ａを冷却する工程である。図１６（Ｄ）に示すように、粒子３によって被覆された処理対象物２に水や油などの冷却剤１９ｂを噴射してこの処理対象物２を冷却し、この表面２ａに硬化処理層１８が形成される。
【００８７】
次に、この発明の第６実施形態に係る表面処理装置について説明する。
図１７は、この発明の第６実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
図１７に示す噴射装置１０は、水又は油などの冷却剤１９ｂと粒子３とを分離する分離部１０ｆを備えており、分離部１０ｆは粒子回収部１０ｄが回収した粒子３と冷却剤１９ｂとの混合物を粒子３と冷却剤１９ｂとに分離して、粒子３を粒子収容部１０ａに戻すとともに冷却剤１９ｂを冷却装置１９に戻す。冷却装置１９は、粒子３を噴射するノズル部１０ｃと並列に、冷却剤１９ｂを噴射するノズル部１９ａを備えている。
【００８８】
次に、この発明の第６実施形態に係る表面処理装置の動作を説明する。
図１７に示す設定装置１７によって処理対象物２の処理条件が設定されると、処理対象物２を駆動装置６が矢印方向に連続して回転するとともに、図１６（Ｂ）に示すように所定の焼入れ温度に達するまで加熱装置８が表面２ａを加熱する。次に、図１７に示す設定装置１７によって設定された処理条件に応じてガスタンク１２ａ内の不活性ガスが選択され、ノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図１６（Ｃ）に示すように、表面２ａが粒子３によって被覆されるとともに、図１６（Ｄ）に示すように処理対象物２と粒子３とが熱化学反応して化合物層４が形成される。また、図１６（Ｅ）に示すように、粒子３によって被覆された被覆層の表面を図１７に示す冷却装置１９が冷却して、処理対象物２の表面２ａにマルテンサイト組織からなる硬化処理層１８が形成される。
【００８９】
この発明の第６実施形態に係る表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置には、第３実施形態〜第５実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第６実施形態では、熱化学反応工程＃４０２の前に、処理対象物２の表面２ａを熱処理して硬化させるためにこの表面２ａを所定の加熱温度で加熱するとともに、熱化学反応工程＃４０２の後に、この表面２ａを硬化させるためにこの表面２ａを冷却する。その結果、処理対象物２と粒子３とを化合部層４によって結合させる処理工程と、硬化処理層１８を形成するための熱処理工程とを略同時に行うことができるため、表面処理に要する時間を短縮化することができる。
【００９０】
（第７実施形態）
図１８は、この発明の第７実施形態に係る表面処理装置の正面図である。図１９は、この発明の第７実施形態に係る表面処理装置の側面図であり、図１９（Ａ）は加熱装置の側面図であり、図１９（Ｂ）は噴射装置の側面図であり、図１９（Ｃ）は冷却装置の側面図である。
【００９１】
図１７及び図１８に示す車輪Ｗは、摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ2が表面処理された鉄道用部材であり、鉄道用レールと回転接触する鉄道用車輪である。車輪Ｗは、レールＲの頭頂面と接触して摩擦抵抗を受ける踏面Ｗ1と、鉄道車両が急曲線を通過するときに外軌側のレールの頭側面と接触して摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ2を備えている。フランジ面Ｗ2は、図１９に示すように、粒子３と、化合物層４と、硬化処理層１８などを備えている。
【００９２】
表面処理装置５は、フランジ面Ｗ2を加熱するとともにこのフランジ面Ｗ2に粒子３を噴射して、このフランジ面Ｗ2を処理する装置である。表面処理装置５は、一対の車輪Ｗのそれぞれに対応して配置されており、以下では一方の側の表面処理装置について説明し、他方の側の表面処理装置については説明を省略する。表面処理装置５は、図１８及び図１９に示すように、加熱装置８と、温度検出装置９と、噴射装置１０と、圧縮気体供給装置１１と、ガス収容装置１２と、圧縮気体選択装置１３と、制御装置１６と、設定装置１７と、冷却装置１９と、回転装置２２と、回転検出装置２３などを備えている。
【００９３】
回転装置２２は、車輪Ｗを回転させる装置であり、回転体２２ａ，２２ｂと、回転駆動部２２ｃと、昇降駆動部２２ｄなどを備えている。回転体２２ａ，２２ｂは、車輪Ｗと回転接触するローラであり、レールＲの端部Ｒ3と端部Ｒ4との間のレール分断部Ｒ5に配置されている。回転駆動部２２ｃは、回転体２２ａ，２２ｂの外周面を車輪Ｗの踏面Ｗ1に接触させた状態でこれらの回転体２２ａ，２２ｂを回転駆動させる装置である。昇降駆動部２２ｄは、回転体２２ａ，２２ｂを昇降駆動させる装置であり、車輪Ｗを表面処理するときには回転体２２ａ，２２ｂを上昇させて踏面Ｗ1に接触させ、車輪Ｗの表面処理を終了したときには回転体２２ａ，２２ｂを下降させて踏面Ｗ1から離間させる。回転駆動部２２ｃ及び昇降駆動部２２ｄは、制御装置１６に接続されており制御装置１６によって制御される。回転検出装置２３は、車輪Ｗの回転を検出する手段である。回転検出装置２３は、例えば、回転体２２ａ，２２ｂの回転数に基づいて車輪Ｗの回転位置（回転角度）を検出し、この検出結果を回転位置情報として制御装置１６に出力するエンコーダなどである。
【００９４】
次に、この発明の第７実施形態に係る表面処理装置の動作を説明する。
図１８に示すように、レールＲに沿って車輪Ｗが転がりながら移動してレール分断部Ｒ5に位置したときに、回転装置２２を制御装置１６が動作させる。その結果、昇降駆動部２２ｄが回転体２２ａ，２２ｂを上昇させて車輪Ｗと接触させるとともに、設定装置１７によって設定された処理条件に応じて、回転駆動部２２ｃが回転体２２ａ，２２ｂを回転させて車輪Ｗを矢印方向に回転させる。
【００９５】
化合物層４をフランジ面Ｗ2に形成する場合には、図１８に示す設定装置１７によって設定された処理条件に応じて、回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させる。そして、図１９（Ａ）に示すように、フランジ面Ｗ2の全周が所定の加熱温度に達するまで加熱装置８がフランジ面Ｗ2を加熱すると、処理条件に適したガスタンク１２ａ内の不活性ガスが選択される。その結果、図１９（Ｂ）に示すように、ノズル部１０ｃが粒子３を噴射して、フランジ面Ｗ2に化合物層４が形成され車輪Ｗと粒子３とが化合物層４によって結合される。
【００９６】
硬化処理層１８をフランジ面Ｗ2に形成した後にこの硬化処理層１８の表面に化合物層４を形成する場合には、図１８に示す回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させる。そして、図１９（Ａ）に示すように所定の焼入れ温度範囲に達するまで加熱装置８がフランジ面Ｗ2の全周を加熱し、図１９（Ｃ）に示すように冷却装置１９が冷却剤１９ｂを噴射してフランジ面Ｗ2を冷却する。その結果、図１９（Ｃ）に示すようにフランジ面Ｗ2の全周に硬化処理層１８が形成される。次に、回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させ、図９（Ｃ）に示すように硬化処理層１８の表面を所定の加熱温度に達するまで加熱装置８が再加熱するとともに、図９（Ｄ）に示すようにノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図９（Ｅ）に示すように、硬化処理層１８の表面に化合物層４が形成され、粒子３と硬化処理層１８とが化合物層４によって結合される。
【００９７】
化合物層４をフランジ面Ｗ2に形成した後に硬化処理層１８をフランジ面Ｗ2に形成する場合には、図１８に示す回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させながら、図１９（Ａ）に示すようにフランジ面Ｗ2を所定の加熱温度に達するまで加熱装置８が加熱するとともに、図１９（Ｂ）に示すようにノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、フランジ面Ｗ2に粒子３が衝突し、このフランジ面Ｗ2に化合物層４が形成され、車輪Ｗと粒子３とが化合物層４によって結合される。次に、図１８に示す回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させ、粒子３によって被覆されたフランジ面Ｗ2を加熱装置８が所定の焼入れ温度範囲に達するまで加熱する。その後に、冷却装置１９が冷却剤１９ｂを噴射して粒子３によって被覆されたフランジ面Ｗ2を冷却すると、図１４（Ｅ）に示すようにフランジ面Ｗ2が熱処理されてフランジ面Ｗ2に硬化処理層１８が形成される。
【００９８】
化合物層４及び硬化処理層１８をフランジ面Ｗ2に略同時に形成する場合には、図１８に示す回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させながら、図１９（Ａ）に示すように所定の焼入れ温度範囲に達するまで加熱装置８がフランジ面Ｗ2の全周を加熱する。次に、図１９（Ｂ）に示すように、ノズル部１０ｃが粒子３を噴射するとともに、図１９（Ｃ）に示すように冷却装置１９が冷却剤１９ｂを噴射してフランジ面Ｗ2を冷却する。その結果、図１６（Ｅ）に示すように、フランジ面Ｗ2が熱処理されてフランジ面Ｗ2に硬化処理層１８が形成されるとともに、この硬化処理層１８の表面に化合物層４が形成され、硬化処理層１８と粒子３とが化合物層４によって結合される。
【００９９】
なお、図１８に示すように、フランジ面Ｗ2で反射して粒子回収部１０ｄ内に回収された粒子３及び冷却剤１９ｂは回収管路１０ｅを通じて吸引されそれぞれ回収される。フランジ面Ｗ2の表面処理を終了する場合には、回転駆動部２２ｃが回転体２２ａ，２２ｂの回転を停止させて昇降駆動部２２ｄが回転体２２ａ，２２ｂを下降させると、車輪Ｗが回転体２２ａ，２２ｂから離間する。そして、表面処理後の車輪ＷがレールＲに沿って転がりながら移動してレール分断部Ｒ5から離れると、次の車輪Ｗがレール分断部Ｒ5に位置し同様の表面処理動作が繰り返される。
【０１００】
この発明の第７実施形態に係る表面処理材、表面処理方法及び表面処理装置には、第１実施形態〜第６実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第７実施形態では、フランジ面Ｗ2に化合物層４を形成し、車輪Ｗと粒子３とをこの化合物層４によって結合する。このため、フランジ面Ｗ2が受ける摩擦抵抗が緩和されるため、鉄道車両が急曲線を通過するときにフランジ面Ｗ2とレールＲの頭側面とが激しく接触しても、フランジ面Ｗ2が磨耗するのを低減することができる。例えば、規定の走行距離を列車が走行した後に電車区などの車両基地で車両を停車させて表面処理をすることができる。また、従来の鉄道用車輪のように踏面Ｗ1の形状の変化を防止するために、車輪Ｗを定期的に削正して踏面Ｗ1の形状を整える大規模な作業が必要なくなるため、保守コストを低減することができるとともに、脱線の防止に役立てることができる。
【０１０１】
（第８実施形態）
図２０は、この発明の第８実施形態に係る表面処理装置の正面図である。図２１は、この発明の第８実施形態に係る表面処理装置のショットピーニング処理装置の側面図である。以下では、図１８及び図１９に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【０１０２】
図２０に示す表面処理装置５は、ショットピーニング処理装置２０と圧縮気体選択装置２１とを備えている。ショットピーニング処理装置２０が退避位置から駆動を開始して、ショット粒子回収部２０ｄの先端開口部がフランジ面Ｗ2と密着する。回転装置２２が車輪Ｗを回転させた状態でショットピーニング処理装置２０が供給管路２０ｂからノズル部２０ｃにショット粒子１８ａを供給すると、図２１に示すようにノズル部２０ｃからフランジ面Ｗ2にショット粒子１８ａが投射されて硬化処理層１８が形成される。次に、回転装置２２が車輪Ｗを連続して回転させ、図１１（Ｃ）に示すように硬化処理層１８の表面を所定の加熱温度に達するまで加熱装置８が加熱するとともに、図１１（Ｄ）に示すようにノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図１１（Ｅ）に示すように、硬化処理層１８の表面に化合物層４が形成され、粒子３と硬化処理層１８とが化合物層４によって結合される。なお、図２１に示すように、フランジ面Ｗ2で反射してショット粒子回収部２０ｄ内に回収されたショット粒子１８ａは回収管路２０ｅを通じて吸引され回収される。この第８実施形態には、第１実施形態〜第７実施形態の効果と同様の効果がある。
【０１０３】
（第９実施形態）
図２２は、この発明の第９実施形態に係る表面処理装置の正面図である。図２３は、この発明の第９実施形態に係る表面処理装置の側面図であり、図２３（Ａ）は加熱装置の側面図であり、図２３（Ｂ）は噴射装置の側面図であり、図２３（Ｃ）は冷却装置の側面図である。
【０１０４】
図２２及び図２３に示すレールＲは、摩擦抵抗を受ける頭側面Ｒ2が表面処理された鉄道用部材であり、鉄道用車輪を案内しこの鉄道用車輪と回転接触する鉄道用レールである。レールＲは、図１８及び図１９に示す車輪Ｗを直接支持し踏面Ｗ1と接触して摩擦抵抗を受ける頭頂面（頭部上面）Ｒ1と、鉄道車両が急曲線を通過するときにフランジ面Ｗ2と接触して摩擦抵抗を受ける頭側面Ｒ2とを備えている。頭側面Ｒ2は、図２３に示すように、粒子３と、化合物層４と、硬化処理層１８などを備えている。
【０１０５】
表面処理装置５は、頭側面Ｒ2を加熱するとともにこの頭側面Ｒ2に粒子３を噴射して、この頭側面Ｒ2を処理する装置である。図１９に示す表面処理装置５は、一対のレールＲのそれぞれに対応して配置されており、以下では一方の側の表面処理装置について説明し、他方の側の表面処理装置については説明を省略する。表面処理装置５は、図２２及び図２３に示すように、加熱装置８と、温度検出装置９と、噴射装置１０と、圧縮気体供給装置１１と、ガス収容装置１２と、圧縮気体選択装置１３と、制御装置１６と、設定装置１７と、冷却装置１９などを備えている。表面処理装置５は、原動機又は人力によって走行する保線作業車などに搭載されており、頭側面Ｒ2と接触した状態でレールＲの長さ方向に沿って移動する。
【０１０６】
次に、この発明の第９実施形態に係る表面処理装置の動作を説明する。
頭側面Ｒ2に化合物層４を形成する場合には、図２２に示す設定装置１７によって設定された処理条件に応じて、表面処理装置５が矢印方向に移動しながら図２３（Ａ）に示すように加熱装置８が所定の加熱温度で頭側面Ｒ2を加熱し、処理条件に適したガスタンク１２ａ内の不活性ガスが選択される。その結果、図２３（Ｂ）に示すように、ノズル部１０ｃが粒子３を噴射して、頭側面Ｒ2に化合物層４が形成されレールＲと粒子３とが化合物層４によって結合される。
【０１０７】
硬化処理層１８を頭側面Ｒ2に形成した後に化合物層４を硬化処理層１８の表面に形成する場合には、図２２に示す表面処理装置５が矢印方向に移動しながら、図２３（Ａ）に示すように加熱装置８が所定の焼入れ温度範囲に達するまで頭側面Ｒ2を加熱する。その後に、図２３（Ｃ）に示すように、冷却装置１９が冷却剤１９ｂを噴射して頭側面Ｒ2を冷却すると、頭側面Ｒ2に硬化処理層１８が形成される。次に、表面処理装置５が最初の位置に戻り矢印方向に再度移動を開始すると、図９（Ｃ）に示すように硬化処理層１８の表面を所定の加熱温度に達するまで加熱装置８が再加熱するとともに、図９（Ｄ）に示すようにノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図９（Ｅ）に示すように、硬化処理層１８の表面に粒子３が衝突して、この硬化処理層１８の表面に化合物層４が形成され、この硬化処理層１８と粒子３とがこの化合物層４によって結合される。
【０１０８】
化合物層４を頭側面Ｒ2に形成した後に硬化処理層１８を頭側面Ｒ2に形成する場合には、図２２に示す表面処理装置５が矢印方向に移動しながら図２３（Ａ）に示すように加熱装置８が所定の加熱温度に達するまで頭側面Ｒ2を加熱するとともに、図２３（Ｂ）に示すようにノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、頭側面Ｒ2に粒子３が衝突し、この頭側面Ｒ2に化合物層４が形成される。次に、表面処理装置５が最初の位置に戻り矢印方向に再度移動を開始すると、粒子３によって被覆された被覆層の表面を所定の焼入れ温度範囲に達するまで加熱装置８が加熱する。その後に、図１４（Ｅ）に示すように冷却装置１９が冷却剤１９ｂを噴射して被覆層の表面を冷却し、頭側面Ｒ2が熱処理されて頭側面Ｒ2に硬化処理層１８が形成される。
【０１０９】
化合物層４及び硬化処理層１８を頭側面Ｒ2に略同時に形成する場合には、図２２に示す表面処理装置５が矢印方向に移動しながら図２３（Ａ）に示すように加熱装置８が所定の焼入れ温度範囲に達するまで頭側面Ｒ2を加熱する。次に、図２３（Ｂ）に示すように、ノズル部１０ｃが粒子３を噴射するとともに、図２３（Ｃ）に示すように冷却装置１９が冷却剤１９ｂを噴射して頭側面Ｒ2を冷却する。その結果、図１６（Ｅ）に示すように、頭側面Ｒ2が熱処理されて頭側面Ｒ2に硬化処理層１８が形成されるとともに、この硬化処理層１８の表面に化合物層４が形成され、この硬化処理層１８と粒子３とがこの化合物層４によって結合される。なお、頭側面Ｒ2で反射して粒子回収部１０ｄ内に回収された粒子３及び冷却剤１９ｂは回収管路１０ｅを通じて吸引されそれぞれ回収される。
【０１１０】
この発明の第９実施形態に係る表面処理材の表面処理装置には、第１実施形態〜第６実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第９実施形態では、頭側面Ｒ2に化合物層４を形成し、レールＲと粒子３とをこの化合物層４によって結合する。このため、鉄道車両が急曲線を通過するときに発生する頭側面Ｒ2の磨耗を低減することができる。
【０１１１】
（第１０実施形態）
図２４は、この発明の第１０実施形態に係る表面処理装置の正面図である。図２５は、この発明の第１０実施形態に係る表面処理装置のショットピーニング処理装置の側面図である。以下では、図２２及び図２３に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【０１１２】
図２４に示す表面処理装置５は、ショットピーニング処理装置２０と圧縮気体選択装置２１などを備えている。レールＲに沿って表面処理装置５が矢印方向に移動すると、ショットピーニング処理装置２０が供給管路２０ｂからノズル部２０ｃにショット粒子１８ａを供給し、図２５に示すようにノズル部２０ｃから内側頭頂面Ｒ2にショット粒子１８ａが投射されて硬化処理層１８が形成される。次に、図９（Ｃ）に示すように硬化処理層１８の表面を所定の加熱温度に達するまで加熱装置８が加熱するとともに、図９（Ｄ）に示すようにノズル部１０ｃが粒子３を噴射する。その結果、図９（Ｅ）に示すように、硬化処理層１８の表面に粒子３が衝突して、この硬化処理層１８の表面に化合物層４が形成され、この硬化処理層１８と粒子３とがこの化合物層４によって結合される。なお、頭側面Ｒ2で反射してショット粒子回収部２０ｄ内に回収されたショット粒子１８ａは回収管路２０ｅを通じて吸引され回収される。この第１０実施形態には、第１実施形態〜第９実施形態の効果と同様の効果がある。
【０１１３】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この第１実施形態〜第６実施形態では、処理対象物２を回転させながら加熱装置８及び噴射装置１０などによって表面処理しているが、加熱装置８及び噴射装置１０などを回転させながら処理対象物２を表面処理することもできる。また、この第１実施形態〜第１０実施形態では、二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとを混合した粒子３を噴射したり、二硫化モリブデン３ａのみからなる粒子３を噴射したりしているが、これらの粒子３に限定するものではない。例えば、セラミックスの処理対象物２にセラミックス粒子を噴射したり、粒子３に潤滑油を混合して噴射したりすることもできる。さらに、この第１実施形態〜第１０実施形態では、ショットピーニング装置などを噴射装置１０として利用して粒子３を噴射する場合を例に挙げて説明したが、スプレー装置などを噴射装置１０として利用して粒子３を噴射することもできる。
【０１１４】
(2) この第１実施形態〜第１０実施形態では、処理対象物２、車輪Ｗ及びレールＲなどを加熱装置８によって加熱した後にこれらに噴射装置１０によって粒子３を噴射しているが、処理対象物２、車輪Ｗ及びレールＲなどに粒子３を噴射した後にこれらを加熱装置８によって加熱することもできる。また、この第１実施形態〜第１０実施形態では、二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとを混合した粒子３を１本のノズル部１０ｃから噴射しているが、二硫化モリブデン３ａとスズ３ｂとをそれぞれ個別にノズル部から噴射することもできる。例えば、第１のノズル部からスズ３ｂを噴射して処理対象物２の表面でこのスズ３ｂを溶融させた後に、第２のノズル部から二硫化モリブデン３ａを噴射することもできる。さらに、この第１実施形態〜第１０実施形態では、摩擦低減材などからなる粒子３を噴射する場合を例に挙げて説明したが、防錆剤などの粒子を噴射することもできる。
【０１１５】
(3) この第３実施形態〜第１０実施形態では、冷却装置１９によって冷却剤１９ｂを噴射して処理対象物２、車輪Ｗ及びレールＲを冷却しているが、冷却装置１９と併用又は冷却装置１９を省略してノズル部１０ｃから噴射する圧縮気体によって処理対象物２、車輪Ｗ及びレールＲなどを冷却することもできる。また、この第３実施形態〜第１０実施形態では、処理対象物２、車輪Ｗ及びレールＲを高周波焼入れにより熱処理して硬化処理層１８を形成する場合や、ショットピーニング処理などの下地処理（素地粗し）によって硬化処理層１８を形成する場合を例に挙げて説明したがこれらに限定するものではない。例えば、浸炭や窒化などの他の熱処理によって硬化処理層１８を形成することもできる。
【０１１６】
(4) この第４実施形態、第８実施形態及び第１０実施形態では、ショットピーニング処理後に硬化処理層１８を加熱して粒子３を噴射しているがこれに限定するものではない。例えば、ショットピーニング処理後の硬化処理層１８がショット粒子１８ａとの衝突によって所定の加熱温度に達している場合には、この硬化処理工程後の加熱工程を省略して、この衝突時に発生する熱によって粒子３と硬化処理層１８とを熱化学反応させることもできる。また、この第６実施形態〜第１０実施形態では、粒子３を噴射した後に冷却剤１９ｂを噴射する場合を例に挙げて説明したが、冷却剤１９ｂを噴射して冷却しながら粒子３を噴射することもできる。
【０１１７】
(5) この第７実施形態〜第１０実施形態では、鉄道用部材として鉄道用車輪及び鉄道用レールを例に挙げて説明したがこれらに限定するものではない。例えば、相対運動によって摩擦抵抗を受けるパンタグラフのピン及びピンブッシュなどの他の鉄道用部材や、オイルレスシールなどのシール材又は軸受などの鉄道用部材以外の機械部品や、自動車などで使用されるコネクションロッド、コンロッド、トランスミッション、エンジンピストン、ピストンリング又はシリンダなどの摺動部材についてもこの発明を適用することができる。また、この第７実施形態〜第１０実施形態では、車輪Ｗのフランジ面Ｗ2又はレールＲの頭側面Ｒ2を表面処理する場合を例に挙げて説明したが、これらの箇所とは別に又はこれらの箇所とともに踏面Ｗ1又は頭頂面Ｒ1を表面処理することもできる。さらに、この第７実施形態〜第１０実施形態では、表面処理装置５によって車輪ＷやレールＲを硬化処理する場合を例に挙げて説明したが、車輪ＷやレールＲを予め前工程で熱処理やショットピーニング処理した後にこの表面処理装置５によって表面処理することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】この発明の第１実施形態に係る表面処理材を模式的に示す部分断面図であり、（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る表面処理方法の工程図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、（Ｂ）は加熱工程中の部分断面図であり、（Ｃ）は噴射工程中の部分断面図であり、（Ｄ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。
【図４】この発明の第１実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
【図５】この発明の第２実施形態に係る表面処理材を模式的に示す部分断面図であり、（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
【図６】この発明の第２実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、（Ｂ）は加熱工程中の部分断面図であり、（Ｃ）は噴射工程中の部分断面図であり、（Ｄ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。
【図７】この発明の第３実施形態に係る表面処理材を模式的に示す部分断面図であり、（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
【図８】この発明の第３実施形態に係る表面処理方法の工程図である。
【図９】この発明の第３実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、（Ｂ）は硬化処理工程後の部分断面図であり、（Ｃ）は加熱工程中の部分断面図であり、（Ｄ）は噴射工程中の部分断面図であり、（Ｅ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。
【図１０】この発明の第３実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
【図１１】この発明の第４実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、（Ｂ）は硬化処理工程中の部分断面図であり、（Ｃ）は加熱工程中の部分断面図であり、（Ｄ）は噴射工程中の部分断面図であり、（Ｅ）は熱化学反応工程後の部分断面図である。
【図１２】この発明の第４実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
【図１３】この発明の第５実施形態に係る表面処理方法の工程図である。
【図１４】この発明の第５実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の部分断面図であり、（Ｂ）は加熱工程中の部分断面図であり、（Ｃ）は噴射工程中の部分断面図であり、（Ｄ）は熱化学反応工程後の部分断面図であり、（Ｅ）は硬化処理工程後の部分断面図である。
【図１５】この発明の第６実施形態に係る表面処理方法の工程図である。
【図１６】この発明の第６実施形態に係る表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の断面図であり、（Ｂ）は加熱工程中の断面図であり、（Ｃ）は噴射工程中の断面図であり、（Ｄ）は熱化学反応工程後の断面図であり、（Ｅ）は冷却工程中の断面図である。
【図１７】この発明の第６実施形態に係る表面処理装置の側面図である。
【図１８】この発明の第７実施形態に係る表面処理装置の正面図である。
【図１９】この発明の第７実施形態に係る表面処理装置の側面図であり、（Ａ）は加熱装置の側面図であり、（Ｂ）は噴射装置の側面図であり、（Ｃ）は冷却装置の側面図である。
【図２０】この発明の第８実施形態に係る表面処理装置の正面図である。
【図２１】この発明の第８実施形態に係る表面処理装置のショットピーニング処理装置の側面図である。
【図２２】この発明の第９実施形態に係る表面処理装置の正面図である。
【図２３】この発明の第９実施形態に係る表面処理装置の側面図であり、（Ａ）は加熱装置の側面図であり、（Ｂ）は噴射装置の側面図であり、（Ｃ）は冷却装置の側面図である。
【図２４】この発明の第１０実施形態に係る表面処理装置の正面図である。
【図２５】この発明の第１０実施形態に係る表面処理装置のショットピーニング処理装置の側面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１  表面処理材
２  処理対象物
２ａ  表面
３  粒子
３ａ  二硫化モリブデン
３ｂ  スズ
４  化合物層
５  表面処理装置
６  駆動装置
７  位置検出装置
８  加熱装置
９  温度検出装置
１０  噴射装置
１０ｃ  ノズル部
１１  圧縮気体供給装置
１２  ガス収容装置
１２ａ  ガスタンク
１３  圧縮気体選択装置
１３ａ  開閉弁
１４  駆動装置
１５  距離検出装置
１６  制御装置
１７  設定装置
１８  硬化処理層
１９  冷却装置
１９ａ  ノズル部
１９ｂ  冷却剤
２０  ショットピーニング処理装置
２０ａ  ノズル部
２１  圧縮気体供給装置
２２  回転装置
２３  回転検出装置
Ｗ  車輪
Ｗ1  踏面
Ｗ2  フランジ面
Ｒ  レール
Ｒ1  頭頂面（表面）
Ｒ2  頭側面（表面）
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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