(57)【要約】【課題】高温雰囲気中で使用される基材の表面に対し、表面改質材の割れや基材に対する熱的悪影響を抑えて、高耐熱・高強度で耐久性に優れた高品質の表面改質を高速度で能率よく行える方法を提供する。【解決手段】金属からなる基材の被改質表面１ａに、多数個のセラミックスチップ２を相互に１〜５ｍｍの間隔を置いて、且つ且つセラミックスチップにて覆われる面積／セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が４０／６０〜９６／４の範囲になるように配列固定し、セラミックスチップ２間に構成される網状の隙間４に、連続的に溶加材の粉末３０を供給しつつレーザビーム６ａを照射することにより、溶加材を溶融肉盛りして隙間４を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる基材の被改質表面に、多数個のセラミックスチップを相互に０．５〜５ｍｍの間隔を置いて、且つセラミックスチップにて覆われる面積／セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が４０／６０〜９６／４の範囲になるように配列固定し、その配列したセラミックスチップ間に構成される網状の隙間に、連続的に溶加材を供給しつつレーザビームを照射することにより、溶加材を溶融肉盛りして該隙間を満たすことを特徴とするセラミックスによる表面改質方法。
【請求項２】
前記セラミックスチップは、底幅５〜１５ｍｍ、長さ５〜３０ｍｍ、厚さ３〜３０ｍｍのサイズを有し、基材の被改質表面の周辺部では長さを前記範囲で調整したチップを用いる請求項１に記載のセラミックスによる表面改質方法。
【請求項３】
前記セラミックスチップは、幅方向又は／及び長手方向の断面が台形をなす請求項１又は２に記載のセラミックスによる表面改質方法。
【請求項４】
前記セラミックスチップは、ＴｉＢ2、Ｃｒ3Ｃ2、Ｗ2Ｃ、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、サイアロン、コーディエライト、アルミナ−グラファイトより選ばれる少なくとも一種からなる請求項１〜３の何れかに記載のセラミックスによる表面改質方法。
【請求項５】
前記溶加材が融点１１５０℃以上の合金材料からなる請求項１〜４の何れかに記載のセラミックスによる表面改質方法。
【請求項６】
通電性を有する前記セラミックスチップの下面に高さ０．１〜０．５ｍｍの凸部を形成し、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを前記凸部で融着固定する請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックスによる表面改質方法。
【請求項７】
通電性を有しない前記セラミックスチップの周面に導電金属層を形成し、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを前記導電金属層で融着固定する請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックスによる表面改質方法。
【請求項８】
基材の被改質表面に底面が拡がった凹部を形成し、前記セラミックスチップを該凹部に嵌め込んで機械的に固定する請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックスによる表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高温雰囲気中等の苛酷な条件下で使用される各種の基材や部品において、その金属製の基材表面をセラミックスによって耐熱性、強度、耐焼付き性、耐クリープ性等を高度に改質するための表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、耐摩耗性等が要求される基材の表面改質手段として、その基材表面に耐摩耗性に優れる超硬材等よりなる表面改質材を電気溶接やガス溶接もしくはロウ付けにて接合する方法が採用されている。しかるに、前者の溶接による接合では、基材と表面改質材との線膨張係数の違いから、溶接時又は溶接後に多数のクラックが発生し易く、これによって改質表面の耐久性が低下する上、溶接部分で基材側の成分が表面改質材中に不純物として取り込まれることで、耐食性、耐摩耗性、強度等の諸物性に悪影響が及び、所期する改質性能を充分に発揮できないという問題があった。また、後者のロウ付けによる接合では、基材表面と表面改質材との間にロウ材が充分に行き渡らず、接合強度が不足して使用中に表面改質材の剥がれを生じ易く、満足な耐久性が得られないという難点があった。
【０００３】
一方、本出願人は先に、表面改質手段として、基材表面に、多数の表面改質材を相互間並びに基材表面に対して隙間を置いて配列し、これらの隙間に、ガスバーナーによるパウダー溶射等でロー付け組成物からなる充填材（ロウ材）の溶融物を流し込んで充填することにより、表面改質材同士ならびに表面改質材と基材を接合する方法を提案している（特許文献１）。この表面改質手段では、多数の表面改質材とその相互間の隙間を満たす溶加材とからなる表面改質層により、基材の表面改質すべき表面全体が三次元的に密に覆われた状態になるため、優れた改質性能と改質表面の耐久性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６９４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記提案に係る表面改質手段は、特に高温雰囲気中で使用される各種の器材や部品に対しては適用困難であった。これは、例えば１２００℃といった高温下での使用では、前記充填材（ロウ材）として融点が１３００℃以上といった高融点のものが必要であるが、ガスバーナーを熱源とするパウダー溶射等では熱源のエネルギー密度が低いために該充填材を溶融できないことによる。また、ＴＩＧ（タングステン−不活性ガス）溶接でも、エネルギー密度がアルゴンアークでは１５．０ｋＷ／ｃｍ2 前後、プラズマアークでは５０〜１００ｋＷ／ｃｍ2 程度であるため、上記高融点のロウ材を確実に溶融させる上で溶接速度を高められず、施工能率が悪くなると共に、アークでは必然的にロウ材の溶け込み幅が大きくなることから、表面改質材相互の間隔を狭く設定できず、それだけ基材表面における表面改質材の面積比率が低くなって充分な表面改質作用を発揮できず、且つ溶接長さ当たりの入熱量が大きくなるため、基材との線膨張係数の違いによる表面改質材の割れや基材に対する熱的悪影響を生じ易くなる。一方、高耐熱性を付与する表面改質では、表面改質材としてセラミックスを使用する必要があるが、高融点のロウ材を溶融させる際の高温が表面改質材に及ぶと、伝熱性の低いセラミックスでは加熱部分から非加熱部分への温度勾配が非常に大きくなって割れを生じ易くなる。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑み、高温雰囲気中等の苛酷な条件下で使用される金属製の基材表面を改質する手段として、表面改質材にセラミックスを用い、該基材表面に高耐熱・高強度で耐久性に優れた高品質の表面改質層を高速度で能率よく形成できると共に、その形成過程で表面改質材の割れや基材に対する熱的悪影響を生じにくい方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るセラミックスによる表面改質方法は、多数個のセラミックスチップを相互に０．５〜５ｍｍの間隔を置いて、且つセラミックスチップにて覆われる面積／セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が４０／６０〜９６／４の範囲になるように配列固定し、その配列したセラミックスチップ間に構成される網状の隙間に、連続的に溶加材を供給しつつレーザビームを照射することにより、溶加材を溶融肉盛りして該隙間を満たすことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、上記請求項１の表面改質方法において、前記セラミックスチップは、底幅５〜１５ｍｍ、長さ５〜３０ｍｍ、厚さ３〜３０ｍｍのサイズを有し、基材の被改質表面の周辺部では長さを前記範囲で調整したチップを用いるものとしている。
【０００９】
請求項３の発明は、上記請求項１又は２の表面改質方法において、前記セラミックスチップは、幅方向又は／及び長手方向の断面が台形をなすものとしている。
【００１０】
請求項４の発明は、上記請求項１〜３のいずれかの表面改質方法において、前記セラミックスチップは、ＴｉＢ2、Ｃｒ3Ｃ2、Ｗ2Ｃ、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、サイアロン、コーディエライト、アルミナ−グラファイトより選ばれる少なくとも一種からなるものとしている。
【００１１】
請求項５の発明は、上記請求項１〜４のいずれかの表面改質方法において、前記溶加材が融点１１５０℃以上の合金材料からなるものとしている。
【００１２】
請求項６の発明は、上記請求項１〜５の何れかの表面改質方法において、通電性を有する前記セラミックスチップの下面に高さ０．１〜０．５ｍｍの凸部を形成し、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを前記凸部で融着固定するものとしている。
【００１３】
請求項７の発明は、上記請求項１〜５の何れかの表面改質方法において、通電性を有しない前記セラミックスチップの周面に導電金属層を形成し、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを前記導電金属層で融着固定するものとしている。
【００１４】
請求項８の発明は、上記請求項１〜５の何れかの表面改質方法において、基材の被改質表面に凹部を形成し、前記セラミックスチップを該凹部に嵌め込んで機械的に固定するものとしている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明に係る表面改質方法によれば、金属製の基材の被改質表面が、相互間に特定間隔（０．５〜５ｍｍ）を置いて配列した多数個のセラミックスチップと、その配列間の網状に連続する隙間を埋めた溶加材の溶融固化物とで構成される表面改質層にて密に覆われることになる。そして、該表面改質層は、表面改質材のセラミックスが個々に独立した小サイズのチップに分離し、各チップにおける応力分散がよい上、その応力変形及び熱変形が周囲に存在する溶加材の溶融固化物の靱性によって吸収されるので、負荷の増減変化や温度変化による割れを生じにくいものとなる。しかも、前記隙間を埋める溶加材の溶融固化物が特定幅で網状に連続しているから、多数のセラミックスチップが該溶融固化物によって一まとめに拘束され、もって表面改質層全体が強固に一体化すると共に、該表面改質層と基材との高い接合強度が得られ、加えて基材の被改質表面を覆うセラミックスチップの面積比率が特定範囲にあるため、該セラミックスによる耐熱及び断熱作用、耐焼付き性、耐クリープ性等が充分に発揮される。従って、この表面改質後の基材は、高温雰囲気中で圧縮荷重や摩擦を受けるような苛酷な使用環境でも、充分な強度を保ち得る高耐熱性及び高耐久性を具備するものとなる。
【００１６】
そして、この表面改質方法では、セラミックスチップの相互間の隙間を溶加材の溶融固化物で埋めるに際し、レーザ肉盛溶接の手法により、該隙間に連続的に溶加材を供給しつつレーザビームを照射することで、溶加材を溶融肉盛りして該隙間を満たすようにしている。このように熱源としてレーザビームを用いることにより、前記隙間が０．５〜５ｍｍと狭いにも関わらず、その照射スポット径を該隙間の幅に合わせて高いエネルギー密度で加熱できるから、溶加材が非常に高融点であっても高速度で能率よく接合を行える上、溶加材の溶け込み幅が小さく、且つガス溶接やアーク溶接に比較して長さ当たりの入熱量が格段に少ないので、セラミックスチップの割れや基材に対する熱的悪影響を生じにくく、高品位の表面改質層を形成できる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、前記セラミックスチップが特定サイズであるため、応力分散性が高く、負荷の増減変化や温度変化による割れをより生じにくくなる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、前記セラミックスチップの幅方向又は／及び長手方向の断面が台形をなすから、チップ間の隙間を埋める溶加材の溶融固化物の幅方向断面が楔形になり、これによって該溶融固化物によるセラミックスチップの拘束力が著しく増大する。従って、セラミックスチップが溶加材に対する濡れ性に乏しい材質であっても、溶加材の溶融固化物による充分な固着強度が得られる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、前記セラミックスチップが特定材質からなるため、高温雰囲気中での耐圧縮荷重強度及び耐摩耗性がより向上する。
【００２０】
請求項５の発明によれば、前記溶加材が融点１１５０℃以上の合金材料からなるため、高温に晒される基材表面の改質層用として高い適性を発揮できる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、セラミックスチップとして通電性を有するものを使用する場合に、その下面に特定高さの凸部を設け、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを極めて容易に固定できる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、セラミックスチップとして通電性を有しないものを使用する場合に、その周面に導電金属層を設け、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを極めて容易に固定できる。
【００２３】
請求項８の発明によれば、基材の被改質表面に凹部を形成し、該凹部にセラミックスチップを嵌め込んで機械的に固定することにより、基材に対して該セラミックスチップを確実に固定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面改質方法を段階的に示し、（ａ）は基材の被改質表面上にセラミックスチップを配列載置した状態の縦断側面図、（ｂ）はセラミックスチップ相互間の隙間を溶加材の溶融物で満たして接合する途上の縦断側面図、（ｃ）は接合終了時の縦断側面図、（ｄ）は表面研磨後の縦断側面図である。
【図２】同表面改質方法に使用するセラミックスチップを例示し、（ａ）は幅方向断面が台形をなすセラミックスチップの斜視図、（ｂ）は直方体形状のセラミックスチップの斜視図である。
【図３】同表面改質方法によって改質された表面改質層の構成例を示し、（ａ）は圧縮荷重のみを受ける表面改質層の平面図、（ｂ）は圧縮荷重及び摩擦を受ける表面改質層の平面図である。
【図４】基材の被改質表面に対するセラミックスチップの第一固定方式を示し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図５】同第二固定方式を示し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図６】同第三固定方式を示し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係るセラミックスによる表面改質方法の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２６】
この表面改質方法では、まず図１（ａ）に示すように、金属製の基材１の被改質表面１ａ上に、セラミックスチップ２の多数個を相互に一定の隙間４を置いて配列固定する。次に図１（ｂ）に示すように、配列したセラミックスチップ２，２間に構成される網状の隙間４に、連続的に溶加材供給管５より溶加材の粉末３０を供給しつつ、レーザ加工ヘッド６から出射するレーザビーム６ａを照射することにより、該隙間４を溶加材の溶融物３ａで満たして凝固させる。これにより、図２（ｃ）に示すように、基材１の被改質表面１ａ上に、多数個のセラミックスチップ２と、その配列間の網状の隙間４を埋めた溶加材の溶融固化物３とで構成される表面改質層７が形成される。なお、この表面改質層７では通常、溶融固化物３の余盛り部分３ｂが該隙間４に沿って表面より畝状に突出した状態になるが、用途等より必要とあらば、後加工として表面全体を研磨して溶融固化物３の余盛り部分３ｂを除去することにより、図１（ｄ）に示すように表面改質層７の表面を平坦化させる。
【００２７】
ここで、基材１の被改質表面１ａ上にセラミックスチップ２を配列する際、セラミックスチップ２相互の隙間４の間隔Ｇ〔図１（ａ）参照〕は、０．５〜５ｍｍに設定する。また、該被改質表面１ａのセラミックスチップにて覆われる面積／セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が４０／６０〜９６／４の範囲になるように設定する。この隙間４の間隔Ｇと上記の面積比率は、後述する本発明の作用効果を得る上で非常に重要な因子となる。
【００２８】
セラミックチップ２としては、図１で例示した幅方向断面が台形のものに限らず、長手方向断面が台形のもの、幅方向及び長手方向の断面が台形のもの、更に図２（ｂ）で示すような直方体形状のものも好ましく使用できる。このセラミックスチップ２のサイズは、特に制約されないが、図２（ａ）（ｂ）に示すように、底幅Ｗを５〜１５ｍｍの範囲、長さＬを５〜３０ｍｍの範囲、厚さＴを３〜３０ｍｍの範囲とすることが好ましい。なお、このようなセラミックチップ２は、基本的には同一寸法のものを用いるが、基材１の改質領域の端縁位置によって配列長さの過不足を生じる場合があるから、該改質領域の周辺部では長さＴを前記範囲で調整したものを用いることになる。
【００２９】
セラミックスチップ２の材質としては、被改質物の使用時の高温下で強度を維持できる材料であればよく、例えばＣｒＢ2、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2等の硼化物、Ｃｒ3Ｃ2、Ｗ2Ｃ、ＷＣ、ＳｉＣ等の炭化物、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＺｒＮ等の窒化物、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2等の酸化物、ＮｂＳｉ2、ＷＳｉ2、ＣｒＳｉ2等の珪化物、サイアロン〔Ｓｉ6-ZＡｌZＯZＮ8-Z、Ｓｉ6-Z(Ａｌ,Ｙ)ZＯZＮ8-Z]（０＞Ｚ＞６）、コーディエライト（ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2）、アルミナ−グラファイト等が挙げられる。そして、これらの中でも、ＴｉＢ2、Ｃｒ3Ｃ2、Ｗ2Ｃ、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、サイアロン、コーディエライト、アルミナ−グラファイトは、高硬度で且つ強度的にも優れる点から好適である。更に、断熱性や耐熱衝撃性に優れるＳｉ3Ｎ4、サイアロンは適用範囲が広いので、特に好適である。
【００３０】
なお、これらのセラミックスチップ２としては、材質が異なる複数種を併用してもよい。一方、基材１の金属材料としては、特に制約はないが、通常では一般的な耐熱鋼が使用される。
【００３１】
溶加材としては、一般に肉盛溶接用として知られる合金材料を使用できるが、特に１２５０℃前後の高温雰囲気中での使用に対応して、融点１１５０℃以上の合金材料が好ましく、更に融点１３５０℃以上の合金材料が推奨される。このような高融点の合金材料としては、特に制約されないが、例えば、ＨＫ４０（ASTM規格＝JIS SCH22）として知られる２５Ｃｒ−２０Ｎｉ−Ｆｅ合金（融点１４００℃）、２８Ｃｒ−４８Ｎｉ−５Ｗ−Ｆｅ合金（融点１３８０℃）の如きＣｒ−Ｎｉ系耐熱合金、ＵＭＣｏ５０（ベルギー国立冶金研究センター開発）として知られる２８Ｃｒ−５０Ｃｏ−Ｆｅ合金（融点１３８８℃）の如きＣｒ−Ｃｏ系耐熱合金、８０Ｃｒ−Ｆｅ合金（融点１６５０℃）如きＦｅ−Ｃｒ系耐熱合金等が挙げられる。また、溶加材の粉末３０のサイズは、特に制約されないが、平均粒度として２０〜２００μｍの範囲が好ましく、特に平均粒度２０〜１００μｍの球状粒子が流動性に優れる点から推奨される。
【００３２】
基材１の被改質表面１ａ上におけるセラミックスチップ２の配置は、該被改質表面１ａが圧縮荷重のみを受ける用途では図３（ａ）で示すような縦横配列でよい。一方、該被改質表面１ａが圧縮荷重に加えて摩擦を受ける用途では、高硬度のセラミックスチップ２による高い耐摩耗性を発現させるために、図３（ｂ）で示すように、摩擦方向ｆ１，ｆ２に対し、直交方向の各列におけるセラミックスチップ２の位置が順次に１ピッチ未満でずれる配列（図示は半ピッチずれの千鳥配列）として、荷重摺接物が幅方向のいずれの位置でもセラミックスチップ２上を擦過する配置にするのがよい。なお、この千鳥配列では、一列置きに改質領域の端縁位置で配列長さの過不足を生じるため、図示のように一列置きの配列両端に長さの短いセラミック２’を用いている。
【００３３】
本発明の表面改質方法では、基材１の被改質表面１ａ上に配列固定したセラミックスチップ２の相互間の隙間４を溶加材の溶融固化物３で埋める手段として、図１（ｂ）の如くレーザ肉盛溶接の技法を用いる。すなわち、レーザビーム６ａを熱源とすれば、レンズ等の光学系によるフォーカス調整により、照射スポットを前記隙間４の間隔Ｇに対応する０．５〜５ｍｍ径に容易に絞り込んで高いエネルギー密度で加熱できるから、溶加材が非常に高融点の合金材料であっても高速度で能率よく接合を行える上、溶加材の溶け込み幅が小さく、且つガス溶接やアーク溶接に比較して長さ当たりの入熱量が格段に少ないので、溶接におけるセラミックスチップ２の割れや基材１に対する熱的悪影響を生じにくく、高品位の表面改質層７を形成できる。
【００３４】
因みに、レーザビーム６ａのエネルギー密度は、１００ｋＷ／ｃｍ2 以上に容易に設定できる。そして、本発明の改質方法においてレーザビーム６ａによって隙間４を溶加材の溶融固化物３で埋める際、例えば半導体レーザを使用する場合、レーザ出力を０．３〜３ｋＷの範囲、照射面の移動速度を２０〜１０００ｍｍ／分の範囲で、それぞれ調整できる。なお、電子ビーム溶接でも高いエネルギー密度を設定できるが、高真空下で行うことから溶加材の供給が困難であり、肉盛溶接には適用困難である。
【００３５】
隙間４への溶加材の粉末３０の供給は、一般的なレーザ肉盛溶接と同様に、シールドガスを介してレーザビーム６ａの照射スポット内に送り込むことが推奨される。その供給位置は１か所でもよいが、隙間４の全体に均等に供給する上で、該照射スポット内に臨む複二カ所以上とすることが好ましい。なお、上述した実施形態では溶加材を粉末３０として供給しているが、該溶加材を棒状、帯状、線状等の形態で供給することも可能である。
【００３６】
この表面改質方法により、高温下で使用される基材１の被改質表面１ａは、図１（ｄ）で示すように、相互間に０．５〜５ｍｍの間隔Ｇを置いて配列した多数個のセラミックスチップ２と、その配列間の網状に連続する隙間４を埋めた溶加材の溶融固化物３とで構成される表面改質層７により、三次元的に密に覆われる。この表面改質層７は、表面改質材のセラミックスが個々に独立した小サイズのチップ２に分離し、各チップ２における応力分散がよい上、その応力変形及び熱変形が周囲に存在する溶加材の溶融固化物３の靱性によって吸収されるから、負荷の増減変化や温度変化による割れを生じにくいものとなる。しかも、この表面改質層７における溶加材の溶融固化物３が前記間隙Ｇに対応する０．５〜５ｍｍの特定幅で網状に連続しているから、多数のセラミックスチップ２が該溶融固化物３によって一まとめに拘束され、もって表面改質層７全体が強固に一体化すると共に、該表面改質層７と基材１との高い接合強度が得られる。加えて、基材１の被改質表面１ａのセラミックスチップにて覆われる面積／セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が４０／６０〜９６／４の特定範囲にあるため、該セラミックスによる耐熱及び断熱作用と、溶加材の溶融固化物３による固着強度とが共に充分に発揮される。従って、この表面改質後の基材１は、高温雰囲気中で圧縮荷重や摩擦を受けるような苛酷な使用環境でも、充分な強度を保ち得る高耐熱性及び高耐久性を具備するものとなる。
【００３７】
セラミックスチップ２の相互間の隙間４の間隔Ｇは、０．５ｍｍより狭くなると、溶加材を該隙間４の深部まで均一に溶け込ませることが困難になる上、表面改質層７と基材１との接合強度が不充分になる。逆に該隙間４の間隔Ｇが５ｍｍより広くなると、表面改質層７におけるセラミックスの面積比率及び体積比率が過少になるため、耐熱性及び耐摩耗性が不充分になる。また、基材１の被改質表面１ａを覆うセラミックスチップ２の上記の面積比率は、４０／６０未満ではセラミックスによる耐熱及び断熱作用が充分に発揮されず、逆に９４／４を越えると基材１の被改質表面１ａに対する表面改質層７の固着強度が不充分になる。
【００３８】
一方、セラミックスチップ２としては、既述のように、底幅Ｗを５〜１５ｍｍの範囲、長さＬを５〜３０ｍｍの範囲、厚さＴを３〜３０ｍｍの範囲とすることが推奨される。すなわち、これら底幅Ｗ，長さＬ，厚さＴのいずれかが大き過ぎては圧縮荷重を受けた際の応力分散が悪くなって割れを生じ易くなる。逆に底幅Ｗ，長さＬ，厚さＴのいずれかが小さ過ぎては、耐熱性及び耐摩耗性が不充分になり、また接合部の長さが増すことで作業能率も低下する。
【００３９】
なお、セラミックスチップ２として幅方向又は／及び長手方向の断面が台形のものを使用すれば、チップ２間の隙間４を埋める溶加材の溶融固化物３の幅方向断面が図１（ｄ）で示すように楔形になるから、該溶融固化物３によるセラミックスチップ２の拘束力が著しく増大する。従って、セラミックスチップ２が溶加材に対する濡れ性に乏しい材質であっても、該セラミックスチップ２の剥離や抜落を確実に防止できる。しかして、上記拘束力の面からは、少なくとも幅方向の断面が表面側で狭く底面側で広い台形であることが推奨される。このような幅方向の断面が台形のセラミックスチップ２における底幅Ｗと頂部幅Ｄ〔図２（ａ）参照）の比は、Ｄ／Ｗとして０．６〜０．９程度とするのがよい。
【００４０】
この表面改質方法では、基材１とセラミックスチップ２との接合強度は実質的に溶加材による接合にて担われる。従って、その前段階での基材１の被改質表面１ａに対するセラミックスチップ２の固定は、接合時の位置ずれを防止するための仮止め程度でよく、該セラミックスチップ２の性状等に応じて種々の固定方式を採用できる。例えば、次の第一〜第三の固定方式は、特に操作的に簡単で確実に固定できる方法として推奨される。
【００４１】
第一の固定方式は、セラミックスチップ２が通電性のある炭化物や硼素化物である場合に、図４（ａ）（ｂ）で示すように、その下面側に畝状等の凸部２１を設けておき、該セラミックスチップ２を基材１の被改質表面１ａ上に載置した状態で、その上面側と基材１との間で所要強度の通電Ｅを行うことにより、凸部２１の先端部分の抵抗発熱で基材１に融着させる方法である。この場合の凸部２１の高さＳは、０．１〜０．５ｍｍ程度とするのがよく、低過ぎては融着力が不足し、逆に高過ぎてはチップ２の下面と基材１の被改質表面１ａとの間に隙間を生じ、表面改質層７の耐剥離強度が低下する。
【００４２】
第二の固定方式は、セラミックスチップ２が窒化物等の通電性のないものである場合に、図５（ａ）（ｂ）で示すように、その周面に導電金属層２２を設けておき、該セラミックスチップ２を基材１の被改質表面１ａ上に載置した状態で、導電金属層２２を通して基材１との間で所要強度の通電Ｅを行うことにより、下面側部分の該導電金属層２２のを前記同様に基材１に融着させる方法である。なお、導電金属層２２は、セラミックスチップ２の周面にメッキ法や溶射法により、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｗ等の導電性のよい金属からなる厚さ５０〜５００μｍ程度の層を形成すればよい。
【００４３】
第三の固定方式は、基材１の被改質表面１ａに凹部を形成しておき、該凹部にセラミックスチップ２を嵌め込んで機械的に固定する方法である。この場合、図６（ａ）（ｂ）で示すように、基材１の被改質表面１ａの凹部を蟻溝１１とし、セラミックスチップ２として幅方向断面が台形状のものを用い、該蟻溝１１にセラミックスチップ２を溝側端からスライド嵌合させ、所定の嵌合位置で蟻溝１１の両側縁部を加締る方法が特に簡易である。この加締る方法以外の機械的固定手段としては、例えば、凹部にセラミックスチップ２を嵌め込んだのち、該凹部とセラミックスチップとの隙間に楔状の金属片を打ち込み又は圧入する方法もある。なお、この機械的固定を行う場合の凹部の深さは１〜１０ｍｍ程度がよい。また、この場合、前記したセラミックスチップ２の相互間の間隔Ｇならびにセラミックスの面積比率は、基材１の被改質表面１ａ位置が基準となる。
【００４４】
実施例１
＜基材＞  幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１２．５ｍｍの耐熱鋼板からなり、被
改質表面が幅４３ｍｍ，長さ８７ｍｍで、被改質表面の周囲に高さ７ｍｍの
突縁部を有する。
＜セラミックスチップ＞  ＴｉＢ2（硼素化チタン）からなり、幅方向の断面が底幅
７ｍｍで上端幅６ｍｍの台形、長さ２５ｍｍ、厚さ７ｍｍのチップ。下面の
長手方向両側に高さ０．２ｍｍの畝状の凸部を有する。
上記基材の被改質表面に、上記セラミックスチップの１２個を相互間に縦横共３ｍｍの間隔を置いて図３（ａ）の如く縦横配列（３×４列）で載置し、通電を行うことにより、各セラミックスチップを基材に固定した（被改質表面に対するセラミックスの面積比率：５７．８％）。そして、レーザ肉盛溶接装置（半導体レーザ）を用い、該基材上のセラミックスチップ間の隙間に、溶加材としてＵＭＣｏ５０（前出）の平均粒度５０μｍの粉末をシールドガス（アルゴン）を介して３方向から連続的に供給しつつ、レーザビーム（出力１ｋＷ，照射スポット径３ｍｍ）を照射することにより、該隙間を溶加材の溶融物で満たすようにして、溶接速度３００ｍｍ／分で肉盛溶接方式による接合を行って表面改質層を形成した。そして、この表面改質層の表面をダイアモンド砥石によって研磨することにより、表面から突出した溶加材の余盛り部分をセラミックスチップの表層部を含めて除去して該表面改質層の表面を平坦化した。
【００４５】
実施例２
セラミックスチップとして、前記実施例１と同じもの１０個と、長さが１１ｍｍと異なる以外は同様のもの４個とを用い、実施例１と同様の基材の被改質表面に、これらセラミックスチップを相互間に縦横共３ｍｍの間隔を置いて図３（ｂ）の如く千鳥配列で載置し、各セラミックスチップの上面と基材との間に実施例１と同様にして通電を行うことにより、各セラミックスチップを基材に固定した（被改質表面に対するセラミックスの面積比率：５２．３％）。そして、実施例１と同じレーザ肉盛溶接装置を用い、該基体上のセラミックスチップ間の隙間に、実施例１と同様にしてＵＭＣｏ５０の粉末を供給しつつレーザビームの照射を行うことにより、表面改質層を形成したのち、その表面を実施例１と同様に研磨して平坦化した。
【００４６】
実施例３
セラミックスチップとして、材質がＳｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）からなり、底幅８ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１０ｍｍで且つ幅方向断面が台形（上端幅６ｍｍ）のもの１２個を用いると共に、基材として、実施例１と同様の基材の被改質表面に全長にわたって底幅８．５ｍｍの蟻溝４本を平行に設けたものを用い、その各蟻溝に溝側端からセラミックスチップをスライド嵌合させて所定位置に配置したのち、各セラミックスチップの両側の溝縁部を加締ることにより、各セラミックスチップを実施例１と同様の縦横配列で固定した。その縦横配列におけるセラミックスチップ相互の間隔は、基材の被改質表面の位置で縦横共に３ｍｍに設定している（被改質表面に対するセラミックスの面積比率：５７．８％）。そして、以降は実施例１と同様にしてＵＭＣｏ５０の粉末を供給しつつレーザビームの照射を行うことにより、表面改質層を形成したのち、その表面を実施例１と同様に研磨して平坦化した。
【符号の説明】
【００４７】
１          基材
１ａ        被改質表面
１１        蟻溝（凹部）
２，２’    セラミックスチップ
２１        凸部
２２        導電被覆層
３          溶融固化物
３０        溶加材の粉末
４          隙間
６ａ        レーザビーム
７          表面改質層
ｆ１，ｆ２  摩擦方向
Ｇ          セラミックスチップの間隔
Ｌ          セラミックスチップの長さ
Ｔ          セラミックスチップの厚さ
Ｗ          セラミックスチップの底幅
【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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