(57)【要約】【課題】良好に被処理物の表面に微粒子の噴射による肉厚の皮膜を容易に形成できる表面処理装置を提供する。【解決手段】略円筒状に形成した誘導加熱コイル２１０の内周側に区画した略筒状の処理室２１１内に被処理物１０１を配置し、電力供給装置から誘導加熱コイル２１０に所定の周波数の電力を供給して被処理物１０１を誘導加熱しつつ、処理室２１１の軸方向における延長線上に略位置して配設した噴射手段３２０の噴射ノズル３２１から微粒子を噴射し、被処理物１０１を表面処理する。微粒子を噴射しても被処理物１０１の表面の冷却が抑制される状態で微粒子を噴射できる。所定温度に加熱している被処理物１０１の表面への微粒子の噴射により、被処理物１０１の表面に微粒子が良好に結合し、肉厚で良好な皮膜層が短時間で形成できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物に加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する表面処理装置であって、
内周側に前記被処理物が配置される略筒状の処理室を区画する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被処理物を誘導加熱する共振手段と、
前記誘導加熱コイルの処理室の軸方向における延長線上に略位置して配設され前記処理室に向けて前記微粒子を噴射させる噴射手段と、
を具備したことを特徴とした表面処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面処理装置であって、
内部に前記誘導加熱コイルおよび前記噴射手段を収容する収容空間を有する加熱室と、
この加熱室の収容空間内の酸素濃度を調整する雰囲気調整手段と、を具備した
ことを特徴とした表面処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面処理装置であって、
前記共振手段および前記噴射手段を制御して、前記誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給させて前記被処理物を所定の温度まで加熱させ、前記被処理物が所定の温度に加熱された後に前記噴射手段から前記微粒子を噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給させる制御手段を具備した
ことを特徴とした表面処理装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面処理装置であって、
前記被処理物は、磁性材料であり、
前記微粒子は、金属を主成分とする金属粒子および金属酸化物粒子のうちの少なくともいずれか一方である
ことを特徴とした表面処理装置。
【請求項５】
被処理物に加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する表面処理方法であって、
内周側に略筒状の処理室を区画し共振手段から所定の周波数の電力が供給される誘導加熱コイルの前記処理室内に前記被処理物を表面処理される面が前記処理室の軸方向に略直交する状態に配設し、
前記誘導加熱コイルへ前記所定の周波数の電力を供給して前記被処理物を所定の温度に誘導加熱し、
この所定の温度に誘導加熱された前記被処理物の表面処理される面に前記微粒子を噴射させる
ことを特徴とする表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物を誘導加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する表面処理装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば鋼材に金属粒子を噴射して表面処理する表面処理方法として、各種構成が知られている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照）。
特許文献１に記載のものは、ステンレス鋼の表面にＣｒをショットピーニング処理してＣｒ富化層を形成する。この後、真空雰囲気で加熱してＭｎを蒸発除去し、表面のＣｒ富化層のＣｒ濃度を高めている。
特許文献２に記載のものは、鋼上に耐酸化性に優れた保護皮膜を形成する金属の粉末、またはこの金属を含む合金の粉末、またはこれらの混合物をショット材として、鋼表面上にショットピーニング処理してショット材を付着させる。この後、大気雰囲気中、あるいは低酸素雰囲気中で加熱し、酸化物の保護皮膜を形成する。
特許文献３に記載のものは、コイルに高周波電流を流して処理対象物の表面を所定の温度に誘導加熱し、処理対象物とコイルとを相対的に移動させて加熱した処理対象物の表面に粒子を噴射し、処理対象物の表面と粒子の熱化学反応により化合物層を形成させて粒子を結合させる。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３３１６７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２９８８７８号公報
【特許文献３】特開２００６−７０３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２に記載のような従来の表面処理方法では、ショットピーニング処理の際に、噴射する粒子と被処理物との結合が十分に得られず、肉厚の皮膜が形成できない問題がある。
一方、特許文献３に記載のような加熱してショットピーニング処理する従来の表面処理方法では、粒子を噴射する際に、処理面が加熱されていないので、噴射により急激に被処理物の表面が冷却され、十分な肉厚で皮膜が形成できない。また、噴射による冷却を見越して被処理物を高く加熱することも考えられるが、噴射条件や余剰に加熱する条件などの制御が困難で、良好な被処理物と粒子との結合が得られにくい。さらには、過剰に加熱することによる被処理物への熱負荷の増大やエネルギ損失の増大などの不都合を生じるおそれもある問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、良好に被処理物の表面に微粒子の噴射による肉厚の皮膜が容易に得られる表面処理装置およびその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に記載の表面処理装置は、被処理物に加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する表面処理装置であって、内周側に前記被処理物が配置される略筒状の処理室を区画する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被処理物を誘導加熱する共振手段と、前記誘導加熱コイルの処理室の軸方向における延長線上に略位置して配設され前記処理室に向けて前記微粒子を噴射させる噴射手段と、を具備したことを特徴とする。
【０００７】
この発明では、誘導加熱コイルの内周側に区画された略筒状の処理室内に被処理物を配置し、共振手段にて誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して被処理物を誘導加熱しつつ、処理室の軸方向における延長線上に略位置して配設した噴射手段から微粒子を噴射して、被処理物を表面処理する。
このことにより、微粒子を噴射しても被処理物の表面の冷却が抑制される状態で微粒子を噴射できる。すなわち、被処理物を誘導加熱しつつ微粒子を噴射できる。したがって、所定温度に加熱されている被処理物の表面に微粒子が噴射されることで、良好に被処理物の表面に微粒子との結合した皮膜層が肉厚で良好に短時間で形成できる。
【０００８】
そして、本発明では、内部に前記誘導加熱コイルおよび前記噴射手段を収容する収容空間を有する加熱室と、この加熱室の収容空間内の酸素濃度を調整する雰囲気調整手段と、を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、誘導加熱コイル噴射手段を収容する加熱室の収容空間内を、雰囲気調整手段により酸素濃度を調整可能としている。
このため、被処理物と微粒子との結合による皮膜層として、例えば酸素が存在する雰囲気として酸化物の層を形成させたり、不活性ガスなどで置換して酸素の存在量を低減して還元雰囲気として合金の層を形成させたりするなど、所望とする特性の皮膜層を短時間で容易に形成できる。
【０００９】
また、本発明では、前記共振手段および前記噴射手段を制御して、前記誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給させて前記被処理物を所定の温度まで加熱させ、前記被処理物が所定の温度に加熱された後に前記噴射手段から前記微粒子を噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給させる制御手段を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、制御手段により、共振手段を制御して誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給させて被処理物を所定の温度まで加熱させた後、噴射手段を制御して微粒子を噴射させるとともに、共振手段を制御して被処理物が所定の温度に維持される状態に誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給させる。
このことにより、微粒子の噴射による被処理物の表面の冷却を防止でき、所定の温度での被処理物と微粒子との適切な結合による肉厚の良好な皮膜層を形成できる。
【００１０】
さらに、本発明では、前記被処理物は、磁性材料であり、前記微粒子は、金属を主成分とする金属粒子および金属酸化物粒子のうちの少なくともいずれか一方である構成とすることが好ましい。
この発明では、被処理物として磁性材料を対象とし、微粒子として金属を主成分とする金属粒子と金属酸化物粒子とのうちの少なくともいずれか一方を用いる。
このように、誘導加熱しつつ磁性材料へ金属粒子や金属酸化物粒子を噴射して皮膜層を形成する構成で、肉厚の皮膜層を形成させることができ、特に好適である。
【００１１】
本発明に記載の表面処理方法は、被処理物に加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する表面処理方法であって、内周側に略筒状の処理室を区画し共振手段から所定の周波数の電力が供給される誘導加熱コイルの前記処理室内に前記被処理物を表面処理される面が前記処理室の軸方向に略直交する状態に配設し、前記誘導加熱コイルへ前記所定の周波数の電力を供給して前記被処理物を所定の温度に誘導加熱し、この所定の温度に誘導加熱された前記被処理物の表面処理される面に前記微粒子を噴射させることを特徴とする。
この発明では、誘導加熱コイルの内周側に区画された略筒状の処理室内に、被処理物を表面処理される面が被処理室の軸方向に略直交する状態に配置し、共振手段にて誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して被処理物を所定の温度に誘導加熱しつつ、被処理物の表面処理される面に微粒子を噴射して、被処理物を表面処理する。
このことにより、微粒子を噴射しても被処理物の表面の冷却が抑制され、所定温度に加熱されている被処理物の表面に微粒子が噴射されることで、良好に被処理物の表面に微粒子との結合した皮膜層が肉厚で良好に短時間で形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態における表面処理装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態における表面処理装置は、例えば異なる２つの周波数を用いて、被加熱物を誘導加熱処理する構成について説明するが、１つの周波数を用いて誘導加熱処理してもよく、さらには異なる周波数として２種類に限らず複数の周波数を重畳してもよい。また、被加熱物としては、表面に複数の凹凸を有する複雑な形状の例えば歯車やねじ、ボルト、ナットなどの他、シャフトのような筒状の部材、異なる材料が積層する複合材料など、いずれを対象とすることができる。図１は、本実施形態における表面処理装置の概略構成を示す回路図である。図２は、表面処理装置の表面処理部の概略構成を示すブロック図である。
【００１３】
〔表面処理装置の構成〕
図１において、１００は表面処理装置で、この表面処理装置１００は、被処理物１０１を誘導加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する装置である。ここで、被処理物１０１としては、例えば磁性材料である鋼材を対象とすることができる。特に、鉄（Ｆｅ）を主成分する鋼材が好適である。
そして、表面処理装置１００は、誘導加熱部２００と、表面処理部３００と、などを備えている。
【００１４】
誘導加熱部２００は、異なる２つの周波数を利用して被処理物１０１を誘導加熱する。この誘導加熱部２００は、被処理物１０１を誘導加熱する誘導加熱コイル２１０と、この誘導加熱コイル２１０に所定の異なる周波数の電力を供給して誘導加熱させる共振手段としての電力供給装置２２０と、を備えている。
誘導加熱コイル２１０は、電力供給装置２２０に直列に接続されている。この誘導加熱コイル２１０は、略円筒状に巻回、例えば３ターン巻回され、内周側に略円筒状の処理室２１１を区画する略円筒状に形成されている。そして、誘導加熱コイル２１０は、電力供給装置２２０から異なる周波数の交流電力が供給されて被処理物１０１を誘導加熱する。
また、電力供給装置２２０は、発振器２２１と、直列共振回路２２２Ａおよび並列共振回路２２２Ｂを備えた整合回路２２２と、を備えている。
【００１５】
そして、発振器２２１は、基本波が例えば１０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下の中周波の電圧方形波を供給する。この発振器２２１は、コンバータ２２１Ａと、変圧器である電圧形のインバータ２２１Ｂと、平滑コンデンサＣfと、を備えている。
コンバータ２２１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅを直流電源に変換する。この変換した直流電源は、平滑コンデンサＣfを介して適宜平滑されてインバータ２２１Ｂへ出力される。
インバータ２２１Ｂは、電圧形インバータで、コンバータ２２１Ａから出力される直流電源を、一定の周波数、例えば１０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下の電圧方形波の単相交流電力に変換する。具体的には、インバータ２２１Ｂは、スイッチング素子である図示しないトランジスタなどを有し、スイッチング素子のオンオフ制御により、フーリエ級数により第ｎ高調波（ｎ：奇数の自然数）が重畳した電圧方形波を出力させる。
【００１６】
また、直列共振回路２２２Ａは、発振器２２１から出力される交流電力の電圧方形波の基本波により、誘導加熱コイル２１０と直列共振して被処理物１０１を誘導加熱する。そして、直列共振回路２２２Ａは、リアクトルＬと、第１のコンデンサＣ１と、を備え、リアクトルＬと第１のコンデンサＣ１との直列回路を発振器２２１のインバータ２２１Ｂの出力側と誘導加熱コイル２１０との間に直列に接続して構成されている。
第１のコンデンサＣ１は、リアクトルＬを介して通過するインバータ２２１Ｂから出力される交流電力の電圧方形波の基本波で誘導加熱コイル２１０およびリアクトルＬとにより直列共振状態となり、被処理物１０１を誘導加熱させる。すなわち、第１のコンデンサＣ１は、静電容量が電圧方形波の基本波による共振周波数が例えば１０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下となる条件に設定されている。この第１のコンデンサＣ１は、リアクトルＬおよび誘導加熱コイル２１０の無効電力を補償する。ここで、周波数が１０ｋＨｚより低くなると、高調波も連動して低くなり、誘導加熱効果も弱くなり、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。一方、３０ｋＨｚより高くなると、高調波も連動して高くなり、誘導加熱効果も弱くなり、良好な誘導加熱が得られなくおそれがある。このことから、直列共振による共振周波数を１０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下に設定することが好ましい。
【００１７】
さらに、並列共振回路２２２Ｂは、発振器２２１から出力される交流電力の電圧方形波の高調波成分により、誘導加熱コイル２１０と並列共振して被処理物１０１を誘導加熱する。すなわち、基本波に対する第ｎ高調波で誘導加熱コイル２１０と並列して被処理物１０１を誘導加熱する。そして、並列共振回路２２２Ｂは、第２のコンデンサＣ２が直列共振回路２２２ＡのリアクトルＬおよび第１のコンデンサＣ１の接続点と、インバータ２２１Ｂの出力側および誘導加熱コイル２１０の接点との間に接続に誘導加熱コイル２１０に対して並列に接続され、直列共振回路２２２Ａと共有の第１のコンデンサＣ１と、第２のコンデンサＣ２と、にて構成されている。
この並列共振回路２２２Ｂは、インバータ２２１Ｂから出力される交流電力の電圧方形波の高調波成分である第ｎ高調波で第２のコンデンサＣ２と誘導加熱コイル２１０とにより並列共振状態となり、被処理物１０１を誘導加熱させる。ここで、直列共振回路２２２ＡのリアクトルＬおよび第１のコンデンサＣ１と、並列共振回路２２２Ｂを構成する第２のコンデンサＣ２と、誘導加熱コイル２１０との回路構成に対応するＬＣ等価回路において、インピーダンス（Ｘ）と周波数（ｆ）との特性は、以下に示す式(1)、(2)、(3)のようになる。なお、コンデンサＣ１，Ｃ２の等価コンデンサをＣとする。
【００１８】
〔式〕
第１共振：ｆｓ１＝１／２π×（（Ｌ０＋Ｌ）×Ｃ１）1/2……(1)
第２共振：ｆｐ＝１／２π×（Ｌ０×Ｃ）1/2……(2)
第３共振：ｆｓ２＝１／２π×（Ｌ×Ｃ２）1/2……(3)
【００１９】
これらの式(1)、(2)、(3)に示すように、ＬＣ等価回路においては、理論上３つの共振回路が構成され、周波数の低い側から、リアクトルＬ０，ＬおよびコンデンサＣ２の直列共振となる第１の共振周波数ｆｓ１、リアクトルＬ０およびコンデンサＣ１，Ｃ２の等価コンデンサＣの並列共振となる第２の共振周波数ｆｐ、および、リアクトルＬおよびコンデンサＣ２の直列共振となる第３の共振周波数ｆｓ２が存在する。
このことから、第１のコンデンサＣ１および第２のコンデンサＣ２との等価コンデンサの静電容量Ｃを、並列共振させる周波数が電圧方形波を構成する第ｎ高調波の周波数と対応する条件の値に設定する。具体的には、第１のコンデンサＣ１および第２のコンデンサＣ２との等価コンデンサの静電容量をＣとした場合、式(1)、(2)、(3)からＣ＝Ｃ１＊Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。このため、第１のコンデンサＣ１は直列共振のために静電容量が特定されることから、第２のコンデンサＣ２の静電容量を適宜設定し、第ｎ次の高調波に対応させればよい。
なお、第２のコンデンサＣ２は、誘導加熱コイル２１０の無効電力を補償する程度に設定されていればよく、高調波の交流電流にとって低いインピーダンスに設定されることとなる。
【００２０】
表面処理部３００は、図２に示すように、内部に内部空間３１１を有する加熱室３１０と、噴射手段３２０と、を備えている。
加熱室３１０は、断熱材や耐火材などを用いて形成された加熱炉で、内部空間３１１内に誘導加熱コイル２１０が配設される。誘導加熱コイル２１０は、鉛直方向である上下方向に処理室２１１の軸方向が略沿う状態に配設されている。また、加熱室３１０内には、誘導加熱コイル２１０の処理室２１１内に被処理物１０１を載置させて配置させる図示しない台座部が配設されている。さらに、加熱室３１０には、例えば熱電対や輻射熱を測定するなど、被処理物１０１の温度を測定する図示しない温度センサなどが設けられている。
この加熱室３１０には、内部空間３１１内の酸素濃度を調整する図示しない雰囲気調整手段が設けられている。この雰囲気調整手段は、例えば内部空間３１１内に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを供給して内部空間３１１内の空気と置換させる構成や、内部空間３１１内を脱気する構成など、酸素濃度を適宜調整可能な各種構成が利用できる。
【００２１】
噴射手段３２０は、噴射ノズル３２１と、投射粒子供給部３２２と、圧縮ガス供給部３２３と、などを備えている。
噴射ノズル３２１は、加熱室３１０内に、誘導加熱コイル２１０の処理室２１１の軸方向における延長線上に略位置し、処理室２１１に向けて微粒子を噴射可能に配設されている。
投射粒子供給部３２２は、噴射ノズル３２１に接続され、噴射ノズル３２１へ微粒子を供給する。この投射粒子供給部３２２は、微粒子を収容する図示しないホッパと、このホッパに収容された微粒子を噴射ノズル３２１へ供給する図示しない微粒子供給部となどを備えている。
圧縮ガス供給部３２３は、噴射ノズル３２１に接続され、投射粒子供給部３２２から供給される微粒子を噴射ノズル３２１から噴射させるキャリアとしての圧縮ガスを噴射ノズル３２１へ供給する。圧縮ガスとしては、例えば空気や不活性ガスなど、適宜利用される。
ここで、微粒子としては、例えばクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属、あるいはクロム−ニッケル（Ｎｉ）や炭化タングステン（ＷＣ）−コバルト（Ｃｏ）などの合金、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やシリカ（ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）などのセラミックスである金属酸化物、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化珪素（ＳｉＮ）などのセラミックスである金属を含有する金属化合物などが例示できる。また、微粒子としては、例えば平均粒径が数μｍ〜数百μｍに調整されたものが利用される。そして、噴射させる速度としては、例えば数十ｍ／秒から数千ｍ／秒で噴射される。なお、噴射速度として制御するのみならず、噴射圧として制御してもよい。
【００２２】
また、表面処理装置１００には、図２に示すように、制御手段としての出力制御装置４００が設けられている。
出力制御装置４００は、電力供給装置２２０に接続され、誘導加熱コイル２１０へ供給する所定の周波数の電力を供給させる制御をする。すなわち、出力制御装置４００は、発振器２２１に接続され、発振器２２１から基本波が所定の周波数となる電圧方形波の交流電力を所定時間で出力させる制御をする。この出力制御装置４００には、例えば利用者による入力操作により、供給する電力の周波数を設定したり、電力の出力値を設定したり、供給する時間を設定したり、被処理物１０１の温度を設定したりするなど、電力の供給条件に関する設定事項を設定入力させる図示しない入力装置などを備えている。
また、出力制御装置４００は、噴射手段３２０に接続され、噴射ノズル３２１から微粒子を適宜噴射させる制御をする。例えば、出力制御装置４００は、投射粒子供給部３２２および圧縮ガス供給部３２３を制御して、投射粒子供給部３２２から微粒子を所定の量で噴射ノズル３２１へ供給させるとともに、圧縮ガス供給部３２３から所定の圧力で圧縮ガスを噴射ノズル３２１へ供給させ、噴射ノズル３２１から所定の噴射速度あるいは噴射圧で所定量の微粒子を所定時間で噴射させる制御をする。
【００２３】
〔表面処理装置の動作〕
次に、上記表面処理装置１００の動作について、図面を参照して説明する。
図３は、微粒子の噴射による表面処理の状況を概念的に示す説明図で、微粒子が衝突した状態を示す。図４は、表面処理の状況を概念的に示す説明図で、微粒子の成分が拡散した状態を示す。図５は、表面処理の状況を概念的に示す説明図で、ある程度の微粒子の噴射による微粒子の成分の拡散した状態を示す。図６は、表面処理の状況を概念的に示す説明図で、表面処理後の表面状態を示す。
【００２４】
まず、表面処理部３００の加熱室３１０内の図示しない台座部上に被処理物１０１を被処理面が噴射手段３２０の噴射ノズル３２１に対向する状態に上方に向けて配設する。この被処理物１０１は、被処理面が噴射ノズル３２１の噴射方向となる鉛直方向に対して略直交する状態で配設される。
そして、出力制御装置４００にあらかじめ設定された供給条件に基づいて、電力供給装置２２０から誘導加熱コイル２１０へ所定の周波数の電力を供給させて被処理物１０１を誘導加熱する誘導加熱工程を実施する。
すなわち、出力制御装置４００で設定された供給条件に基づいて発振器２２１から基本波が所定の周波数となる電圧方形波の交流電力が出力されると、直列共振回路２２２ＡのリアクトルＬおよび第１コンデンサＣ１と誘導加熱コイル２１０とが電圧方形波の基本波で直列共振状態となり、被処理物１０１を誘導加熱する。また、電圧方形波の交流電力の出力により、並列共振回路２２２Ｂの第２のコンデンサＣ２および第１のコンデンサＣ１の等価コンデンサと誘導加熱コイル２１０とが電圧方形波の所定の第ｎ高調波で並列共振状態となり、被処理物１０１を誘導加熱する。そして、基本電力となる低周波側となる基本波による電力は発振器２２１の出力にて調整でき、高周波側となる高調波による電力は低周波側の電力のある一定の比率、すなわち高調波の共振周波数によって例えば２０％や３０％などと低周波側の電力に追随して制御される。このことから、共振周波数を励起する高周波により近づけることで高周波側の電力が占める比率を高く設定することが可能となる。すなわち、高周波側の電力を適宜調整できる。このように、１つの発振器２２１および１つの誘導加熱コイル２１０で、電圧方形波の基本波と第ｎ高調波との異なる周波数が重畳した電圧波形で誘導加熱することができる。
この誘導加熱工程における被処理物１０１の加熱では、出力制御装置４００は、加熱室３１０に設けられた温度センサからの信号に基づいて、被処理物１０１を所定の温度、すなわち表面処理する際の温度となるように、電力を供給する。
【００２５】
この誘導加熱工程の後、すなわち被処理物１０１が所定の温度となったことを出力制御装置４００が認識すると、出力制御装置４００は、被処理物１０１を誘導加熱しつつ微粒子を噴射して表面処理する表面処理工程を実施する。すなわち、出力制御装置４００は、投射粒子供給部３２２および圧縮ガス供給部３２３を制御し、噴射ノズル３２１から所定の噴射速度あるいは噴射圧で所定量の微粒子を所定時間で噴射させる制御をする。
この微粒子の噴射により、図３に示すように、微粒子１０が被処理物１０１の表面に衝突する。この衝突時や微粒子１０が被処理物１０１の表面に移着した部分から、図４に示すように、微粒子１０の成分が被処理物１０１に拡散し、拡散層１１が形成される。そして、微粒子１０が次々に衝突することで、図５に示すように、被処理物１０１の表面が拡散層１１で被覆されるように、微粒子１０の成分が拡散する。
そして、出力制御装置４００は、あらかじめ設定された所定の条件で微粒子１０を噴射させた後、電力供給装置２２０および噴射手段３２０を制御し、被処理物１０１の誘導加熱および微粒子１０の噴射を停止させ、被処理物１０１を冷却、例えば自然放冷させる。この冷却により、被処理物１０１の拡散層１１は、図６に示すように、被処理物１０１の成分と微粒子１０の複合酸化物の皮膜層１２と、その下層で被処理物１０１の成分が酸化した酸化物層１３とが形成され、被処理物１０１が表面処理される。
なお、表面処理工程、あるいは誘導加熱工程から表面処理工程までの一連の処理の際に、雰囲気調整手段を制御して、加熱室３１０内の内部空間３１１内がいわゆる還元状態となるように調整し、表面に形成される皮膜層１２として酸化物ではなく合金状態として形成させることができる。
【００２６】
〔表面処理装置の作用効果〕
上述したように、誘導加熱コイル２１０の内周側に区画された略筒状の処理室２１１内に被処理物１０１を配置し、電力供給装置２２０から誘導加熱コイル２１０に所定の周波数の電力を供給して被処理物１０１を誘導加熱しつつ、処理室２１１の軸方向における延長線上に略位置して配設した噴射手段３２０の噴射ノズル３２１から微粒子１０を噴射して、被処理物１０１を表面処理している。
このため、微粒子１０を噴射しても被処理物１０１の表面の冷却が抑制される状態で微粒子１０を噴射できる。すなわち、被処理物１０１を誘導加熱しつつ微粒子１０を噴射できる。したがって、所定温度に加熱されている被処理物１０１の表面に微粒子１０が噴射されることで、被処理物１０１の表面に微粒子１０とが良好に結合して得られる皮膜層１２が肉厚で短時間に形成できる。
【００２７】
そして、被処理物１０１として、磁性材料である鉄鋼材料などを用い、耐蝕性や耐摩耗性の付与などの所望する特性を得るために鉄鋼材料との結合・複合化が得られる材料であるクロムなどの金属を主成分とする金属粒子や金属化合物、あるいは金属酸化物粒子などを微粒子１０として噴射させる構成に適用している。このため、より良好な特性が得られる肉厚の安定した皮膜層１２を短時間で容易に形成でき、特に好適である。
【００２８】
そして、出力制御装置４００により、整合回路２２２を制御して誘導加熱コイル２１０に所定の周波数の電力を供給させて被処理物１０１を所定の温度まで加熱させた後、噴射手段３２０を制御して微粒子１０を噴射させるとともに、電力供給装置２２０の発振器２２１を制御して被処理物１０１が所定の温度に維持される状態に誘導加熱コイル２１０に所定の周波数の電力を供給させている。
このため、微粒子１０の噴射による被処理物１０１の表面の冷却を防止でき、所定の温度での被処理物１０１と微粒子１０との適切な結合による肉厚の良好な皮膜層１２を形成できる。
【００２９】
〔実施の形態の変形例〕
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などの種々の変更は本発明に含まれるものである。
【００３０】
すなわち、被処理物１０１を誘導加熱する誘導加熱部２００として、１電源１コイルタイプである１つの発振器２２１で異なる周波数の電力を供給する構成を例示したが、例えば２電源１コイルタイプである２つの発振器を用いて１つの誘導加熱コイル２１０に異なる周波数を重畳させた電力として供給させてもよい。
さらには、異なる周波数が重畳する構成に限らず、短時間で異なる周波数の電力が切り替わって供給する構成を適用してもよい。また、１つの周波数の電力を供給する構成でもよい。
なお、上記実施の形態のように、異なる複数の周波数で誘導加熱することで、表面から内部に亘って加熱できることから、被処理物が大型化してショットピーニング処理する面積が広くなっても、温度分布にむらが生じにくく、所望とする温度での皮膜層が得られるので、好ましい。
【００３１】
誘導加熱コイル２１０としては、略円筒状に形成したが、例えば角筒状など、被処理物１０１の形状に応じて適宜筒形状に形成したものを利用できる。
さらには、例えば軸方向で径寸法が異なる被処理物１０１の場合、誘導加熱コイル２１０も軸方向で径寸法が異なる筒形状に形成したものを利用すればよい。
そして、雰囲気調整手段を設けて、加熱室３１０内を適宜還元雰囲気に調整可能に説明したが、雰囲気調整手段を設けなくてもよい。
【００３２】
微粒子１０としては、上述した組成物に限られない。また、粒径なども適宜設定できる。
そして、噴射条件や誘導加熱する温度などの条件も、所望とする特性の皮膜層１２の肉厚や微粒子１０の組成、微粒子１０と被処理物１０１との結合性などに応じて適宜設定できる。
【００３３】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構成に変更するなどしてもよい。
【実施例１】
【００３４】
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例などの内容に何ら限定されるものではない。
【００３５】
被処理物１０１として、Ｓ４５Ｃ鋼を厚さ寸法６ｍｍ、直径１５ｍｍの円盤状に加工したものを用いた。
微粒子１０としては、３５０メッシュのクロム粒子を用いた。
そして、圧縮空気圧として、０．６ＭＰａ、噴射ノズル３２１から被処理物１０１までの距離である投射距離１００ｍｍで、被処理物１０１を常温、４００℃、６００℃、７５０℃、９００℃の各種温度に誘導加熱しつつ５秒間投射した。なお、誘導加熱部２００の出力条件は、熱電対を被処理物１０１に溶接し、熱履歴を測定しつつ調整した。この熱履歴を図７に示す。また、出力制御装置４００における電力の供給条件として、表１に示す条件の設定項目を利用し、測定する熱履歴に基づいて設定事項を適宜切り替えて誘導加熱した。
【００３６】
【表１】
2008127647.tif 000003
【００３７】
そして、各温度での表面処理後の被処理物１０１の断面を走査型電子顕微鏡により観察するとともに、エネルギ分散型Ｘ分析装置により元素分析を実施した。さらに、Ｘ線回折により、表面化合物を分析した。その結果、表面処理状態を模式的に図８ないし図１０に示す。また、Ｘ線回折の結果を、図１１のチャートに示す。なお、図１１は、比較として、Ｓ４５Ｃ鋼である被処理物１０１自体、および、クロム粒子である微粒子１０自体の分析結果も併せて示す。
さらに、処理後の各被処理物１０１をアノード分極測定による耐食性の評価を実施した。この耐食性の評価としては、対極に白金、参照電極として飽和カロメル電極、電解液に３％ＮａＣｌ溶液を用いた。なお、電解液は、試験前に３０分間窒素ガスにて脱気し、溶液中の溶存酸素濃度を低下させておいた。そして、処理後の各被処理物１０１を自然電位で１０分間保持したのち、速度１０ｍＶ／分で貴方向に電位を走査し、１００ｍＶ／に電位が達したところで試験終了とした。この耐食性の評価試験の結果を、図１２に示す。
【００３８】
各温度での表面処理の結果、常温および約４００℃で微粒子１０を噴射した状態では、図８に示すように、被処理物１０１の表面に金属クロムの層１５が局所的に分布し、金属クロムの塊状部分も認められた。また、約６００℃および約７５０℃で表面処理したものでは、図９に示すように、クロム酸化物と鉄酸化物が混在した層１６が形成されているとともに、クロムと鉄との複合酸化物の層１７も一部認められた。そして、図１０に示すように、約９００℃で表面処理したものでは、最表面に鉄酸化物の層１８が形成され、その下層にクロムと鉄との複合酸化物の層１７が形成され、さらに下層に鉄酸化物の層１９が形成されていることが認められた。そして、約９００℃で表面処理した場合での表面処理により形成された層の厚さ寸法は、他の温度では１０μｍの厚さに到達していないものの、約３０μｍ程度の肉厚なものが得られた。
すなわち、所望とする肉厚に形成するためには、被処理物１０１を所望の温度に維持しておく必要があることがわかる。したがって、上述した実施形態のように、誘導加熱しつつ微粒子１０を噴射することで、被処理物１０１の表面が冷却されてしまうことによる不都合を防止できることがわかる。
【００３９】
また、表面の酸化物を特定するために実施した構造分析の結果、図１１に示すように、常温および約４００℃で処理したものは、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）に起因するピークが認められるものの、約６００℃、約７５０℃、約９００℃で処理したものは、ＦｅとＣｒのピーク強度が弱くなっている。そして、約７５０℃で処理したものは、ＦｅおよびＣｒに由来するピークが多少観察できる程度で、約９００℃で処理したものは、ＦｅおよびＣｒに由来するピークがほとんど観察できなかった。さらに、約７５０℃および約９００℃で処理したものは、クロム酸鉄（ＦｅＣｒ2Ｏ4）に起因するピークが認められた。
このことから、処理温度が低いうちは噴射する微粒子のＣｒは被処理物１０１の表面に金属Ｃｒとして存在するのに対し、処理温度が高くなると、ＦｅＣｒ2Ｏ4の複合酸化物が形成されて存在することが認められた。
【００４０】
さらに、図１２に示す電気化学測定の結果、処理温度が高くなるにしたがって、分極曲線が貴な側にシフトしており、耐食性が向上していることがわかった。特に、約９００℃処理した場合、比較例のステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）と同等の耐食性を示すことがわかった。
これは、高温処理により基材表面に形成されたＣｒ元素が存在し、保護層として機能することで、ステンレス鋼に匹敵する優れた耐食性が得られたものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面処理装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】上記一実施形態における表面処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】上記一実施形態における微粒子の噴射による表面処理の状況を概念的に示す説明図で、微粒子が衝突した状態を示す。
【図４】上記一実施形態における表面処理の状況を概念的に示す説明図で、微粒子の成分が拡散した状態を示す。
【図５】上記一実施形態における表面処理の状況を概念的に示す説明図で、ある程度の微粒子の噴射による微粒子の成分の拡散した状態を示す。
【図６】上記一実施形態における表面処理の状況を概念的に示す説明図で、表面処理後の表面状態を示す。
【図７】本発明を説明するための実施例における表面処理の熱履歴を示すグラフである。
【図８】本発明を説明するための実施例における４００℃加熱での概念的な表面状態を示す断面図である。
【図９】本発明を説明するための実施例における６００℃加熱での概念的な表面状態を示す断面図である。
【図１０】本発明を説明するための実施例における９００℃加熱での概念的な表面状態を示す断面図である。
【図１１】本発明を説明するための実施例におけるＸ線回折結果を示すチャートである。
【図１２】本発明を説明するための実施例におけるアノード分極測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…微粒子
１００…表面処理装置
１０１…被加熱物
２１０…誘導加熱コイル
２１１…処理室
２２０…共振手段としての電力供給装置
３１０…加熱室
３１１…収容空間
３２０…噴射手段
【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】
2008127647.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008127647.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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