(57)【要約】【課題】表層部の任意の箇所が著しく強化されると共に空孔及びクラック等の欠陥が抑制された、高品質で安価な表面強化金属部材及びその製造装置、並びに金属の表面強化方法を提供する。【解決手段】被強化材である母材金属１０の任意の箇所にレーザ光５を走査させながら照射し、母材金属１０の表層部が溶融した溶融部１１を形成し、さらに母材金属１０の溶融部１１から溶融部１１が再凝固した溶融再凝固部１２にかけて微細粒子７を高速投射することにより、分散強化と加工硬化を同時に実施する。これにより、溶融再凝固部１２に母材金属１０よりも高強度の微細粒子７が分散される。また、溶融再凝固部１２に微細粒子７を高速投射することにより、結晶構造にひずみを導入することができると共に、溶融再凝固部１２に存在する微細な空孔及びクラック等の欠陥を穴埋めすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材金属の表層部の少なくとも一部に、前記母材金属よりも高強度の粒子が分散されると共に前記母材金属の結晶構造に歪みを有する強化部を有することを特徴とする表面強化金属部材。
【請求項２】
前記母材金属は穴または溝を有し、前記強化部は、前記穴または前記溝の内部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の表面強化金属部材。
【請求項３】
前記粒子は、粒径０．０５ｍｍから５ｍｍの金属または金属酸化物またはセラミックスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面強化金属部材。
【請求項４】
被強化材である母材金属を設置するテーブル、
レーザ発振器から出射されたレーザ光を前記母材金属の表面に集光して照射するレーザ照射手段、
前記母材金属よりも高強度の粒子を前記母材金属の表面に投射する粒子投射ノズル、及び前記母材金属の表面に対し、レーザ光を追尾しながら前記粒子が投射されるように前記レーザ照射手段と前記粒子投射ノズルを連動させる走査手段を備えたことを特徴とする表面強化金属部材の製造装置。
【請求項５】
前記粒子投射ノズルは、前記母材金属の表層部がレーザ光により溶融した溶融部から前記溶融部が再凝固した溶融再凝固部にかけて、前記粒子を投射することを特徴とする請求項４記載の表面強化金属部材の製造装置。
【請求項６】
被強化材である母材金属の表面の任意の箇所にレーザ光を走査させながら照射し、前記母材金属の表層部が溶融した溶融部を形成する第１のステップ、及び
前記第１のステップに続いて、前記母材金属の前記溶融部から前記溶融部が再凝固した溶融再凝固部にかけて、母材金属よりも高強度の粒子を投射する第２のステップを含み、
前記母材金属の前記任意の箇所の表層部を強化することを特徴とする金属の表面強化方法。
【請求項７】
前記粒子として、前記母材金属よりも高融点の金属または金属酸化物またはセラミックスを用いたことを特徴とする請求項６記載の金属の表面強化方法。
【請求項８】
前記母材金属の前記任意の箇所は、前記母材金属に設けられた穴または溝の内部であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の金属の表面強化方法。
【請求項９】
前記粒子として、粒径０．０５ｍｍから５ｍｍの金属または金属酸化物またはセラミックスを用いたことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の金属の表面強化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表層部の任意の箇所が強化された表面強化金属部材及びその製造装置、並びに金属の表面強化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属の強化方法には様々な手法があり、代表的なものとして分散強化と加工硬化（強化）がある。分散強化とは、母材金属よりも高強度の金属またはセラミックス等の微細粒子を母材金属中に分散させる手法である。例えば金属部材を成型する鋳造において、溶融金属中に微細粒子を添加することにより、成型される金属部材中に微細粒子を分散させる手法が知られている。また、特許文献１では、母材金属の表面に微細粒子を層状に配置し、レーザ等の熱源で溶融させることにより、母材金属の表層部に微細粒子を分散させている。
【０００３】
一方、加工硬化とは、母材金属の結晶構造にひずみを導入し圧縮残留応力を付与することにより、疲労強度及び耐摩耗性等を向上させるものである。具体的な手法として、母材金属表面に鉄等の金属またはセラミックス等の微細粒子を高速衝突させるショットピーニングが知られている。特許文献２に開示されたショットピーニング方法では、スチールショットの粒径を段階的に小さくすると共に投射速度を段階的に速くすることにより、大きい圧縮残留応力を金属製品に深く生じさせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１１８０８３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２５６３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような従来の分散強化と加工硬化の手法には、次のような課題があった。まず、鋳造時に微細粒子を添加する分散強化の手法では、金属部材全体に微細粒子が分散されるため、任意の箇所のみを強化することができず、部分的に強化する場合に比べて多くの微細粒子が必要となりコスト高となる。さらに、微細粒子を溶融金属中に添加することにより、溶融金属の流動性が悪くなり、鋳巣や成型不良といった鋳造欠陥が発生する。
【０００６】
また、特許文献１のように、母材金属表層に配置した微細粒子をレーザ等の熱源により金属表層に分散させる手法では、微細粒子を均一な層状に配置する前工程が容易でない。また、母材金属の平坦面以外の箇所、例えば穴または溝等の内部には微細粒子を配置することが困難であり、平坦面しか強化することができない。さらに、金属部材を溶融再凝固させる工法上、金属表層の凝固部に空孔またはクラックといった欠陥が発生する。また、微細粒子を母材金属表面に高速衝突させる加工硬化は、結晶構造にひずみを導入するだけであるため、分散強化に比べて強化量が小さい。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、金属部材の表層部の任意の箇所を、容易且つ低コストに著しく強化することが可能な金属の表面強化方法を提供することを目的とする。また、表層部の任意の箇所が著しく強化されると共に、空孔及びクラック等の欠陥が抑制された高品質で安価な表面強化金属部材及びその製造装置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】
【０００８】
本発明に係る表面強化金属部材は、母材金属の表層部の少なくとも一部に、母材金属よりも高強度の粒子が分散されると共に母材金属の結晶構造に歪みを有する強化部を有するものである。
【０００９】
また、本発明に係る表面強化金属部材の製造装置は、被強化材である母材金属を設置するテーブルと、レーザ発振器から出射されたレーザ光を母材金属の表面に集光して照射するレーザ照射手段と、母材金属よりも高強度の粒子を母材金属の表面に投射する粒子投射ノズルと、母材金属の表面に対し、レーザ光を追尾しながら粒子が投射されるようにレーザ照射手段と粒子投射ノズルを連動させる走査手段とを備えたものである。
【００１０】
また、本発明に係る金属の表面強化方法は、被強化材である母材金属の表面の任意の箇所にレーザ光を走査させながら照射し、母材金属の表層部が溶融した溶融部を形成する第１のステップと、第１のステップに続いて、母材金属の溶融部から溶融部が再凝固した溶融再凝固部にかけて、母材金属よりも高強度の粒子を投射する第２のステップを含み、母材金属の任意の箇所の表層部を強化するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る表面強化金属部材によれば、母材金属の表層部の少なくとも一部に、母材金属よりも高強度の粒子が分散されると共に母材金属の結晶構造に歪みを有する強化部を有しているので、母材金属の表層部の少なくとも一部が著しく強化されると共に、母材金属全体を強化した場合に比べて粒子の使用量を抑制することができ、低コスト化が図られ安価なものとなる。
【００１２】
また、本発明に係る表面強化金属部材の製造装置によれば、レーザ照射手段と粒子投射ノズルを連動させ、母材金属の表面に対しレーザ光を追尾しながら粒子が投射されるようにしたので、分散強化と加工硬化を同時に実施することが可能であり、母材金属の表層部の任意の箇所を容易且つ低コストに著しく強化することができる。さらに、レーザ光により溶融し再凝固した直後の軟化した箇所に粒子を投射することができるため、結晶構造に多量のひずみを導入することができると共に微細な空孔及びクラックの穴埋めを容易に行うことができ、欠陥が抑制された高品質で安価な表面強化金属部材を製造することが可能である。
【００１３】
また、本発明に係る金属の表面強化方法によれば、母材金属の溶融部から溶融部が再凝固した溶融再凝固部にかけて粒子を投射することにより、分散強化と加工硬化を同時に実施することが可能であり、母材金属の表層部の任意の箇所を、容易且つ低コストに著しく強化することができる。さらに、溶融部が再凝固した直後の軟化した溶融再凝固部に粒子を投射するようにしたので、結晶構造に多量のひずみを導入することができると共に微細な空孔及びクラックの穴埋めを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る表面強化金属部材の製造装置及び金属の表面強化方法を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る金属の表面強化方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る金属の表面強化方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る表面強化金属部材を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る表面強化金属部材及びその製造装置、並びに金属
の表面強化方法について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る表面強化金属部材の製造装置及び金属の表面強化方法を説明する図である。
【００１６】
本実施の形態１に係る表面強化金属部材は、被強化材である母材金属１０の平坦な表層部の少なくとも一部に、他の部分よりも強化された強化部である溶融再凝固部１２を有している。溶融再凝固部１２は、母材金属１０の表層部の任意の箇所に分散強化と加工硬化を施すことにより形成され、母材金属１０よりも高強度の粒子である微細粒子７が分散されると共に、母材金属１０の結晶構造に歪みを有している。
【００１７】
図１に示すように、表面強化金属部材の製造装置１は、レーザ発振器２、全反射ミラー３、レンズ４、微細粒子投射ノズル６、走査手段（図示省略）、及びテーブル８を備えている。レーザ照射手段であるレーザ発振器２、全反射ミラー３、及びレンズ４は、筐体（図示省略）に保持されており、母材金属１０の表面１０ａにレーザ光５を集光し照射する。なお、レーザ照射手段の構成はこれに限定されるものではなく、複数のレンズを備えていてもよい。
【００１８】
レーザ発振器２から出射されたレーザ光５は、全反射ミラー３で下方向に曲げられ、レンズ４により集光され母材金属１０の表面１０ａに照射される。なお、レーザの種類は特に限定されるものではなく、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、炭酸ガスレーザ等の気体レーザ、半導体レーザまたは液体レーザ等、任意のレーザを用いることができる。
【００１９】
微細粒子投射ノズル６は、微細粒子供給手段（図示省略）から供給された微細粒子７を母材金属１０の表面１０ａに高速投射する。微細粒子供給手段としては、圧縮空気によるエアー噴射、または羽根車回転による遠心力投射により微細粒子７を高速投射する装置が用いられる。投射の速度は、母材金属１０及び微細粒子７の種類、または要求される強化量等によって異なり、例えば３０ｍ／ｓｅｃから数百ｍ／ｓｅｃの範囲で適宜設定される。
【００２０】
母材金属１０は、特に限定されるものではないが、例えば鉄、ニッケル、モリブデン、銅、ステンレス等である。微細粒子７としては、母材金属１０より高強度且つ高融点の金属または金属酸化物またはセラミックスが好適であり、例えば酸化トリウム、酸化マグネシウム、アルミナ、シリカ、炭化チタン、酸化ケイ素等が用いられる。また、微細粒子７の大きさは、０．０５ｍｍから５ｍｍ程度のものが好適である。０．０５ｍｍよりも小さい場合は結晶構造にひずみを与えることが難しく、５ｍｍより大きい場合は母材金属１０の表面１０ａを破壊することがある。また、微細粒子７の形状は、特に限定されるものではなく、球形の他、角を有する形状であってもよい。
【００２１】
走査手段は、図１中、矢印Ａで示すように、母材金属１０の表面１０ａに対し、レーザ光５を追尾しながら微細粒子７が投射されるように、レーザ照射手段と微細粒子投射ノズル６を連動させて走査させる。この走査手段により、微細粒子投射ノズル６は、母材金属１０の表層部がレーザ光により溶融した溶融部１１から溶融部１１が再凝固した溶融再凝固部１２にかけて、微細粒子７を投射することができる。また、母材金属１０を設置するテーブル８は、母材金属１０の固定手段を有し、水平方向及び垂直方向に移動可能であると共に、水平方向に対し任意の角度回転させることも可能である。走査手段とテーブル８を調整することにより、母材金属１０とレーザ光５の集光点の相対的な位置関係と角度を変化させることができる。
【００２２】
次に、本実施の形態１に係る金属の表面強化方法について説明する。まず、第１のステップとして、被強化材である母材金属１０の表面の任意の箇所にレーザ光５を走査させながら照射し、母材金属１０の表層部が溶融した溶融部１１を形成する。続いて第２のステップとして、母材金属１０の溶融部１１から溶融部１１が再凝固した溶融再凝固部１２にかけて微細粒子７を高速投射し、母材金属１０の任意の箇所の表層部を強化する。
【００２３】
第２のステップにおいて溶融部１１に高速投射された微細粒子７は、高速投射時の慣性とレーザ光５による入熱溶融で生まれた流動により溶融部１１の内部まで混入する。微細粒子７が混入した母材金属１０の溶融部１１は、周囲からの吸熱により凝固するため、溶融再凝固部１２には微細粒子７が分散された状態となり、母材金属１０の分散強化が達成される。
【００２４】
また、微細粒子７の高速投射は溶融部１１のみでなく溶融再凝固部１２にも実施され、溶融再凝固部１２に高速投射された微細粒子７は、溶融再凝固部１２の結晶構造にひずみを導入し、点欠陥、線欠陥、面欠陥等の各種格子欠陥を生成する。このひずみの導入により母材金属１０の加工硬化が達成される。
【００２５】
なお、溶融再凝固部１２は、レーザ光５による入熱で溶融した後、周囲からの吸熱で再凝固したものであるため、微細粒子７を投射する前の溶融再凝固部１２には微細な空孔及びクラック等の欠陥が存在しているが、微細粒子７を高速投射し塑性変形させることにより空孔及びクラックを即座に穴埋めすることができる。すなわち、溶融部１１から溶融再凝固部１２にかけて微細粒子７を投射することにより、溶融部１１のみに投射する場合に比べて欠陥が抑制される。
【００２６】
以上のように、本実施の形態１に係る表面強化金属部材の製造装置１並びに金属の表面強化方法によれば、母材金属１０の表層部の任意の箇所に対して分散強化と加工硬化を同時に実施することが可能であり、母材金属１０の表層部の任意の箇所を容易且つ低コストに著しく強化することができる。また、微細粒子７の高速投射を溶融部１１から溶融再凝固部１２にかけて実施することにより、母材金属１０の溶融再凝固時に発生する微細な空孔及びクラック等を穴埋めすることができ、欠陥のない高品質な表面強化金属部材が得られる。
【００２７】
特に、溶融再凝固部１２は、溶融部１１が再凝固した直後で軟化しているため、常温の母材金属１０に微細粒子７を高速投射する場合に比べて結晶構造に多量のひずみを容易に導入することが可能であり、微細な空孔及びクラックの穴埋めも容易に行える。また、強化したい箇所にだけ選択的に分散強化を実施することができるため、微細粒子７の使用量を抑制することができ低コスト化が図られる。
【００２８】
また、母材金属１０を鋳造で成型する場合であっても、成型後の加工で分散強化を実施するため、鋳造の際の溶融金属に微細粒子を添加する場合に比べて鋳造性が良く、欠陥のない母材金属１０が得られる。また、微細粒子を母材金属の表面に均一な層状で配置する前工程が必要な従来方法に比べ、前工程が必要なく容易に分散強化を実施することができ、加工時間の短縮化が図られる。これらのことから、本実施の形態１によれば、母材金属１０の表層部の任意の箇所が著しく強化され、空孔及びクラック等の欠陥が抑制された高品質で安価な表面強化金属部材が得られる。
【００２９】
実施の形態２．
図２及び図３は、本発明の実施の形態２に係る金属の表面強化方法を説明する図であり、図４は、本実施の形態２に係る表面強化方法により強化された表面強化金属部材を示す断面図である。各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。なお、本実施の形態２に係る表面強化金属部材の製造装置は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用し、各部の説明は省略する。
【００３０】
本実施の形態２に係る金属の表面強化方法は、上記実施の形態１と同様に、被強化材である母材金属１０の任意の箇所にレーザ光５を走査させながら照射し、母材金属１０の表層部が溶融した溶融部１１を形成する第１のステップと、母材金属１０の溶融部１１から溶融部１１が再凝固した溶融再凝固部１２にかけて微細粒子７を高速投射する第２のステップを含んでいる。
【００３１】
ただし、上記実施の形態１では、母材金属１０の平坦な表層部に対して強化加工を実施したが、本実施の形態２では、母材金属１０に設けられた穴１３（図２）または溝１４（図３）の内部に面した表層部に強化加工を実施し、穴１３または溝１４の内部に強化部を配置する。
【００３２】
本実施の形態２に係る表面強化金属部材は、図４に示すように、母材金属１０の穴１３または溝１４の内部の表層部に、母材金属１０よりも高強度の微細粒子７が分散されると共に母材金属１０の結晶構造に歪みを有する溶融再凝固部１２（強化部）を有している。なお、図２では、水平方向の断面形状が円形の穴１３を例に挙げたが、穴の形状は特に限定されるものではなく、水平方向の断面形状が楕円形、矩形、または多角形の穴であってもよく、貫通穴であっても貫通していない穴であってもよい。溝１４の形状についても同様である。
【００３３】
本実施の形態２において、穴１３の内部の表層部を強化加工する際には、図２中、矢印Ｂで示すように、レーザ照射手段と微細粒子投射ノズル６を穴１３の内周面に沿って円状に走査させながら、レーザ光５を追尾するように微細粒子７の高速投射を実施する。この円状の走査を上方向または下方向にずらしながら繰り返すことにより、穴１３の内部の表層部全体が強化される。
【００３４】
また、溝１４の内部の表層部を強化加工する際には、図３中、矢印Ｃで示すように、レーザ照射手段と微細粒子投射ノズル６を溝１４の内部に沿って水平方向に走査させながら、レーザ光５を追尾するように微細粒子７の高速投射を実施する。この水平方向の走査を上方向または下方向にずらしながら繰り返すことにより、溝１４の内部の表層部全体が強化される。
【００３５】
なお、穴１３または溝１４の内部表面は、テーブル８の水平面に対してほぼ直交しているため、微細粒子７は、穴１３または溝１４の内部表面の鉛直線から大きく傾いた斜め方向から投射されることになる。このような場合、上記実施の形態１のように、微細粒子７がほぼ鉛直方向から投射される場合に比べて、微細粒子７の衝突の威力は小さくなる。しかしながら、溶融再凝固部１２は常温の母材金属１０に比べて軟化しているため、微細粒子７を斜め方向から投射した場合でも、結晶構造にひずみを導入することが可能であると共に、微細な空孔及びクラックの穴埋めを行うことができる。
【００３６】
これに対し、従来の分散強化及び加工硬化の手法では、以下の理由で穴または溝の内部の表層部を局所的に強化することは困難であった。まず、鋳造での分散強化では、母材金属全体に微細粒子が分散するため、穴または溝の内部を局所的に強化することはできない。また、母材金属の被強化面に微細粒子を層状に配置し、レーザ等の熱源による溶融再凝固により微細粒子を分散させる手法では、穴または溝の内部に微細粒子を安定して層状配置することが困難である。さらに、常温での加工硬化の手法では、母材金属の穴または溝の内部表面に対し、鉛直線から大きく傾いた斜め方向から微細粒子が投射されることになり、母材金属の結晶構造にひずみを導入させることは困難である。
【００３７】
本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、母材金属１０の穴１３または溝１４の内部の表層部を局所的に強化することが可能であるため、穴１３または溝１４の内部の表層部が著しく強化されると共に空孔及びクラック等の欠陥が抑制された高品質で安価な表面強化金属部材が得られる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、母材金属の表層部の任意の箇所が強化された表面強化金属部材及びその製造装置、並びに金属の表面強化方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  製造装置、２  レーザ発振器、３  全反射ミラー、４  レンズ、５  レーザ光、６
微細粒子投射ノズル、７  微細粒子、８  テーブル、１０  母材金属、１０ａ  表面、１１  溶融部、１２  溶融再凝固部、１３  穴、１４  溝
【図１】
2018178214.tif 000003
【図２】
2018178214.tif 000004
【図３】
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【図４】
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