(57)【要約】【課題】高周波振動用ホーンに生じる繰返しの伸縮に対し，表面の硬化層が剥離しにくくし、ホーンの伸縮による振動ストロークが減少することを抑制でき、振動が阻害されないようにする。【解決手段】高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動を行ない、その先端４ａ側にてキャビテーション泡を発生させる金属製の高周波振動用ホーン４であって、その先端側の外周面４ｂおよび端面４ｃに浸炭処理による皮膜を形成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させる金属製の高周波振動用ホーンであって、その先端側の外周面および端面に浸炭処理による皮膜を形成したことを特徴とする高周波振動用ホーン。
【請求項２】
前記ホーンの浸炭処理による先端部分の皮膜は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、前記ホーンの母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされている請求項１記載の高周波振動用ホーン。
【請求項３】
前記皮膜の硬度は、Ｈｖ６００以上、８５０以下である請求項１記載の高周波振動用ホーンの製造方法。
【請求項４】
前記ホーンのストロークは、１０μｍ以上、１５０μｍ以下である請求項１記載の高周波振動用ホーン。
【請求項５】
請求項１記載の高周波振動用ホーンを製造する方法であって、前記ホーンの先端部の表面を低温プラズマ法により浸炭処理することを特徴とする高周波振動用ホーンの製造方法。
【請求項６】
前記ホーンの先端側を除く部分にマスキングを施し、前記ホーンの先端側にのみ低温プラズマ処理によって浸炭処理を施す請求項５記載の高周波振動用ホーンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させてショットピーニング等を行う金属製の高周波振動用ホーンおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ショットピーニング等の技術に関し、鋼球等を被処理物に噴射することが一般的に行われていた。これに対し、近年ではジェット流体噴射によるキャビテーション技術を利用するショットピーニング等も提案されている。
【０００３】
近年、本願出願人においては、高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動、例えば超音波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させてショットピーニングを行う技術を提案した（例えば、特許文献１参照）。ここでは、金属製の高周波振動用ホーン、すなわち超音波振動子のホーンを適用している。
【０００４】
ところで、このホーンは例えばチタン合金等の金属によって構成しているが、このホーンの先端を液体中で振動させると、ホーンの先端部にてキャビテーション泡が発生し、このキャビテーション泡によってホーン先端部分が壊食され易い。
【０００５】
この対策として、ホーンの先端部にセラミックス部品などをねじ込む方式が適用されているが、ホーンのストロークが数十μｍ〜１００μｍなどになると、セラミックス部分がホーンの伸びに追随できないために破損する問題が生じる。
【０００６】
一方、摺動材、ボルト、ナット等の締結材、耐食容器、メガネフレーム、医用・歯科用材料等の分野では、チタン合金にプラズマ処理を施して耐摩耗性等を改善する技術が提案されている（例えば、特許文献２，３，４等参照）。ただし、これらの技術では、部品の全体に浸炭処理を施している。
【特許文献１】特開２００３−２２０５２３号公報
【特許文献２】特開平７−９０５４２号公報
【特許文献３】特開２００１−１５２３１６号公報
【特許文献４】特開２００２−８８４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
チタン合金等によって構成されたホーンの全体に浸炭処理を施すと、ホーン全体の硬度が高まり、弾性係数が変化し、ホーンの振動と伸びを阻害する。すなわち、ホーン全体のストロークが設定値以下に減少し、ストロークが小さくなる変化が生じる。そのため、所定のストロークの振動による効果が得られなくなる。
【０００８】
一方、ホーンの壊食は、ホーン先端部に発生するキャビテーションによって生じるので、先端部のみ硬化することが望ましい。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ホーンに生じる繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくく、ホーンの伸縮による振動ストロークが減少することを抑制でき、振動が阻害されないようにした高周波振動用ホーンおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させる金属製の高周波振動用ホーンであって、その先端側の外周面および端面に浸炭処理による皮膜を形成したことを特徴とする高周波振動用ホーンを提供する。
【００１１】
請求項２に係る発明では、前記ホーンの浸炭処理による先端部分の皮膜は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、前記ホーンの母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされている請求項１記載の高周波振動用ホーンを提供する。
【００１２】
請求項３に係る発明では、前記皮膜の硬度がＨｖ６００以上、８５０以下である高周波振動用ホーンの製造方法を提供する。
【００１３】
皮膜の硬度がＨｖ６００未満では、キャビテーション作用による壊食量が多くなり、また８５０を超えると薪炭処理表面に高周波振動によって微細なクラックが生じ易い。
【００１４】
請求項４に係る発明では、前記ホーンのストロークが１０μｍ以上、１５０μｍ以下である高周波振動用ホーンを提供する。
【００１５】
請求項５に係る発明では、請求項１記載の高周波振動用ホーンを製造する方法であって、前記ホーンの先端部の表面を低温プラズマ法により浸炭処理することを特徴とする高周波振動用ホーンの製造方法を提供する。
【００１６】
請求項６に係る発明では、前記ホーンの先端側を除く部分にマスキングを施し、前記ホーンの先端側にのみ低温プラズマ処理によって浸炭処理を施す高周波振動用ホーンの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ホーン先端部に発生するキャビテーションによって生じる壊食が確実に防止できるようになる。また、表面から内部へ連続的に硬度を変化させることにより、母材との境界面が生じないため、繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくくなる。さらに、表面硬化によってホーン表面の弾性係数が変化するがホーン先端部を部分的に硬化することにより、ホーンの伸縮が阻害されない。すなわち、振動が減少することを抑制でき、ホーンの所定のストローク振動による効果を維持することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る高周波振動用ホーンおよびその製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、ショットピーニング等に適用される高周波振動装置を示す説明図であり、図２は高周波振動用ホーンの製造方法を示す説明図である。図３は、作用効果を示すグラフである。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の高周波振動装置は、高周波電源１からの通電によって高周波振動を発生させる高周波振動発生装置２と、この高周波振動発生装置２の圧電セラミックス製振動子３に連結されて高周波振動をする細長なホーン４と、これらを支持してホーン４の先端面が被改質材５の表面に平行となる対向位置に配置させる支持装置６と、ホーン４と被改質材５の表面との間に液体７を介在させる容器等からなる液体保持装置８とを備えて構成されている。これにより、ホーン４と被改質材５の表面とは、液体７に浸漬された状態となる。
【００２０】
高周波振動発生装置２の振動子３は、超磁歪材料または圧電型セラミックッス材料を用いて構成され、この振動子３は高周波電源１から高周波電流を供給され、例えば超音波領域の高周波振動をする。高周波振動発生装置２のホーン４は被改質材５の表面（上面）に対峙した状態で配置される。
【００２１】
ホーン４の先端部である下面と被改質材５の表面と平行との間に例えば１０ｍｍ以下、望ましくは０．１〜数ｍｍ（例えば６ｍｍ）の間隔（ギャップ）δが設定されている。この状態で、ホーン４は上下方向（矢印ａ方向）に往復振動をする。また、ホーン４のストロークは、１０μｍ以上１５０μｍ以下とされている。
【００２２】
そして、ホーン４が高周波の往復振動を行うと、被改質材５の表面とホーン４の表面との間隙に介在している液体７に微細なキャビテーション気泡９が連続的に発生する一方、ホーン４の高周波往復振動によってその気泡９が次々に潰されるため、この気泡９は発生と崩壊とを連続的に繰り返す。
【００２３】
このホーン４の表面が液体の飽和蒸気圧以下となり、キャビテーション気泡９が生成される。ホーン４の表面に対向する被改質材５の表面も同様に液体の飽和蒸気圧以下となり、キャビテーション気泡９が生成される。
【００２４】
次に、ホーン４が瞬間的に下方に移動すると、キャビテーション気泡９が押し潰される。キャビテーション気泡９が押し潰される際には、数百メガパスカルの超高圧が瞬間的に発生し、衝撃波となって周囲に伝搬する。この衝撃波は、ホーン４の先端部４ａの端面と被改質材５の表面とに達し、各々に表面に対して大きな衝撃カを作用させ、相対する互いの面を高衝撃波にて打撃することになり、被改質材５の表面に高密度でキャビテーションによる衝撃力を形成させることができる。
【００２５】
このような構成において、ホーン４の先端部４ａには高衝撃力が作用し、上述したように、壊食のおそれが生じる。これに対し、本実施形態では、高周波振動発生装置２に連結されて液体７中で高周波振動を行ない、その先端４ａ側にてキャビテーション泡９を発生させる部分の先端側の外周面４ｂおよび端面４ｃに浸炭処理による皮膜１０が形成されている。
【００２６】
このホーン４の浸炭処理による先端部分の皮膜１０は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、ホーン４の母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされている。そして、皮膜１０の硬度は、例えばＨｖ６００以上８５０以下とされている。
【００２７】
このような構成によると、ホーン４の先端側の周面４ｂおよび端面４ｃに浸炭処理による皮膜１０が形成されているため、この部分に発生するキャビテーションによって生じる壊食を防止することができる。また、皮膜１０は、その表面から内部へ連続的に硬度を変化させることにより、ホーン４の母材との境界面が生じないため、繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくい。
【００２８】
さらに、表面硬化によってホーン４表面の弾性係数が変化するがホーン４の先端部のみを部分的に硬化したことにより、ホーン４の伸縮が阻害されない。すなわち、振動が減少することを抑制できるようになる。
【００２９】
次に、図２および図３によって高周波振動用ホーンの製造方法およびその作用について説明する。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態の方法では、真空炉１１内に例えば上下にて対向する１対の電極１２，１３が設けられ、これらの電極１２，１３がプラズマ電源装置１４に接続されている。
【００３１】
真空炉１１には真空ポンプ１５およびガス供給装置１６が接続されており、真空炉１１内の真空度調整および反応ガス（例えばＣＨ４、Ｃ３Ｈ８、Ｈ２、Ａｒ等）の供給等が行われるようになっている。
【００３２】
真空炉内では、下部電極１３上にホーン４が図１と上下逆の配置で垂直に設置され、上向きのホーン４の先端部４ａが、上部電極１２に所定距離をあけて対向している。
【００３３】
施工時においては、ホーン４の先端部４ａ側を除く部分が、マスキング用導電性ケース１７によってマスキングされる。そして、真空炉１１内が反応ガス雰囲気とされ、プラズマ電源装置１４から電極１２，１３に高圧電流が供給される。
【００３４】
これにより、ホーン４の先端部４ａの表面に対し、プラズマ１８が発生し、マスキングされていないホーン４の先端部４ａ側にのみ低温プラズマ処理による浸炭処理が施される。すなわち、低温プラズマ法の浸炭処理が行われる。
【００３５】
この結果、上述したように、ホーン４の先端部４ａ側の外周面４ｂおよび端面４ｃに浸炭処理による皮膜１０が形成される。
【００３６】
このホーン４の浸炭処理による先端部分の皮膜１０は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、ホーン４の母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされている。
【００３７】
図３は、実施例として、チタン合金製ホーン（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）に上記の低温プラズマ法による浸炭処理を施した場合の試験結果を示している。この図３の縦軸にビッカース硬度（Hvq0.245N）を表し、横軸に表面からの深さ（μｍ）を示している。
【００３８】
試料ａは、薪炭処理温度が８５０℃、処理時間が１時間の場合である。試料ｂは、薪炭処理温度が７５０℃、処理時間が２時間の場合である。試料ｃは、薪炭処理が温度８１０℃、処理時間が２時間の場合である。試料ｄは、薪炭処理が温度６９０℃、処理時間が３時間の場合である。
【００３９】
また、皮膜の硬度がＨｖ６００未満では、キャビテーション作用による壊食量が多くなり、また８５０を超えると薪炭処理表面に高周波振動によって微細なクラックが生じ易いことが認められた。
【００４０】
図３に示すように、各試料とも、ホーン４の表面からの深さが５０μｍ以上の内部では通常のチタン合金同様に、硬度が３００Ｈｖ程度であるが、表面硬度は６００以上、８５０Ｈｖ程度（平均的に７００Ｈｖ）であり、表面硬度が極めて高くなっていることが確認された。
【００４１】
また、ホーン４の浸炭処理による先端部分の皮膜１０は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、ホーン４の母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造となっていることが確認された。
【００４２】
以上の結果、本実施形態によれば、ホーン４先端部に発生するキャビテーションによって生じる壊食を確実に防止することができる。また、表面から内部へ連続的に硬度を変化させることにより、母材との境界面が生じないため、繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくいものが実現できる。
【００４３】
さらに、表面硬化によってホーン４表面の弾性係数が変化するが、本実施形態によれば、ホーン４の先端部４ａを部分的に硬化することにより、ホーンの伸縮が阻害されないため、ホーン４の振動が減少することを抑制でき、ホーン４全体の硬度を高める場合と異なり、ホーン４の振動と伸びを阻害することがない。すなわち、ホーン全体のストロークは設定値以下に減少することがなく、ストロークが小さくなる変化が生じない。したがって、ホーン４の所定のストローク振動による効果を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態によるショットピーニング等に適用される高周波振動装置を示す説明図。
【図２】本発明の実施形態による高周波振動用ホーンの製造方法を示す説明図。
【図３】本発明の実施形態による作用効果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４５】
１  高周波電源
２  高周波振動発生装置
３  振動子
４  ホーン
４ａ  ホーンの先端部
４ｂ  外周面
４ｃ  端面
５  被改質材
６  支持装置
７  液体
８  液体保持装置
９  キャビテーション気泡
１０  皮膜
１１  真空炉
１２  電極
１３  電極
１４  プラズマ電源装置
１５  真空ポンプ
１６  ガス供給装置
１７  マスキング用導電性ケース
１８  プラズマ
【図１】
2006102635.tif 000003
【図２】
2006102635.tif 000004
【図３】
2006102635.tif 000005