(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製部材の表面に皮膜を形成する皮膜形成方法であって、
皮膜となる原材料粉末を前記金属製部材の表面に塗布する工程と、
前記金属製部材に対して直流電源の負極のみを電気的に接続する工程と、
磁界を発生させ、前記負極が電気的に接続された前記金属製部材における前記原材料粉末が塗布された部位に電磁力による振動を付与することで、該原材料粉末から皮膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする皮膜形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の皮膜形成方法において、前記電磁力による振動の付与を、コロナ放電によって行うことを特徴とする皮膜形成方法。
【請求項３】
請求項２記載の皮膜形成方法において、前記金属製部材として鉄系合金からなるものを選定するとともに、誘導周波数を３０ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚとして前記コロナ放電を行うことを特徴とする皮膜形成方法。
【請求項４】
請求項２記載の皮膜形成方法において、前記金属製部材としてアルミニウム系合金からなるものを選定するとともに、誘導周波数を６０ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚとして前記コロナ放電を行うことを特徴とする皮膜形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の皮膜形成方法において、前記金属製部材に対して前記負極を電気的に接続し、前記金属製部材を１００〜１８０℃に予熱した後、前記原材料粉末が塗布された部位に電磁力による振動を付与することを特徴とする皮膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製部材の表面に粉末を塗布し、この粉末から皮膜を設ける皮膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製部材の表面を改質する手法の１種として、コーティングが広汎に採用されるに至っている。すなわち、金属製部材の表面に異質の皮膜を設ければ、該表面には、金属製部材の材質に関わらず、皮膜の材質に基づく特性が発現する。例えば、特許文献１には、鉄系合金からなる部材の表面に酸化皮膜を設け、これにより絶縁性、耐熱性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【０００３】
皮膜を形成する公知の手法としては、メッキ、溶射、イオンプレーティング、スパッタリング、物理的気相成長（ＰＶＤ）、化学的気相成長（ＣＶＤ）等が挙げられる。しかしながら、メッキや溶射には、形成された皮膜と下地との接合力がさほど強固ではないために皮膜が比較的剥離し易いという不具合が顕在化している。また、ＰＶＤ及びＣＶＤには、皮膜の形成に長時間を要するとともに、ワークを処理チャンバ内に収容するためにワークの形状が制限されてしまうという不都合がある。
【０００４】
そこで、特許文献２では、Ａｌ又はＡｌ系合金の表面を溶融させる一方、所定の条件下にＣｕ−Ｓｉ系合金ワイヤから合金成分を添加してＡｌ−Ｃｕ系合金化層を設けることが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２３３４６０号公報
【特許文献２】特開平５−１４８６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＡｌやＡｌ系合金からなるワークの表面には、大気中の酸素と結合して自発的に生成した酸化物膜（不動態）が存在する。この種の酸化物膜が存在するワークでは、皮膜を形成することに困難を伴う。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、各種の金属からなるワークに対して皮膜を形成することが極めて容易な皮膜形成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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、金属製部材の表面に皮膜を形成する皮膜形成方法であって、
皮膜となる原材料粉末を前記金属製部材の表面に塗布する工程と、
前記金属製部材に対して直流電源の負極のみを電気的に接続する工程と、
磁界を発生させ、前記負極が電気的に接続された前記金属製部材における前記原材料粉末が塗布された部位に電磁力による振動を付与することで、該原材料粉末から皮膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【０００９】
直流電源の負極のみが電気的に接続した状態で磁界を発生させ、これにより電磁力による振動を付与すると、負極を接続することなく電磁力による振動を付与した場合に比して、原材料粉末の構成原子の金属製部材への拡散が容易となる。この拡散により、皮膜が形成される。
【００１０】
このように拡散が容易となる理由は、直流電源の負極のみが電気的に接続されると酸化物膜に負電荷が供給され、このために酸化物膜に対する還元作用が機能し、その結果、金属製部材の表面が活性化されるためであると推察される。
【００１１】
このように、本発明によれば、酸化物膜を有する金属製部材に容易且つ簡便に皮膜を設けることができる。しかも、この皮膜は、金属製部材から剥離し難く、損傷も生じ難い。
【００１２】
ワークは、金属からなる部材であれば如何なる形状・寸法のものであってもよく、その材質も特に限定されるものではない。材質の好適な例としては、Ｆｅ、鋼材等のＦｅ系合金、Ａｌ、Ａｌ系合金、Ｃｕ、Ｃｕ系合金、Ｍｇ、Ｍｇ系合金等を挙げることができる。
【００１３】
なお、本発明には、金属製部材に対して直流電源の負極のみを電気的に接続する工程の後に原材料粉末を塗布する工程を行う場合も含まれる。すなわち、本発明において、これらの２工程は順不同で実施される。
【００１４】
電磁力による振動の付与は、グロー放電等によって行うようにしてもよいが、コロナ放電によって行うことがより好ましい。コロナ放電には、局所的な電磁振動付与が容易である、発振周波数を容易に制御可能である等の利点があるからである。しかも、その結果として局所加熱が可能となるので、熱処理炉等の大規模設備が不要となる上、皮膜形成に要する時間も短期化する。すなわち、この場合、皮膜形成コストを低廉化することができるとともに、皮膜の形成効率も向上する。
【００１５】
金属製部材として鉄系合金からなるものを選定した場合、誘導周波数は３０ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚとして前記コロナ放電を行うことが好ましい。一方、アルミニウム系合金からなる金属製部材に皮膜を形成する場合の好ましい誘導周波数は、６０ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚである。これにより、金属製部材に孔食が発生したり、過度のエネルギ集中が起こったりすることを回避することができる。
【００１６】
いずれの場合においても、金属製部材に対して負極を電気的に接続した後、該金属製部材を１００〜１８０℃に予熱することが好ましい。これにより、コロナ放電等の電磁力による振動付与時に皮膜形成が促進される。すなわち、皮膜を一層効率よく形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、直流電源の負極のみを金属製部材に電気的に接続し、この状態で電磁力による振動を付与することで、該金属製部材の表面に塗布された原材料粉末の構成原子を金属製部材に拡散させるようにしている。この場合、前記構成原子の拡散が、負極を接続することなく電磁力による振動を付与した場合に比して容易となる。しかも、この拡散によって形成された皮膜は、金属製部材から剥離し難い。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、酸化物膜が存在する金属製部材に対し、剥離し難い皮膜を低エネルギ、ひいては低コストで効率よく形成することができるという効果が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る皮膜形成方法につき、Ｆｅ系合金からなるワークに対して皮膜を設ける場合を例示して好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
本実施の形態に係る皮膜形成方法は、原材料粉末をワークの表面に塗布する第１工程と、前記ワークに対して直流電源の負極のみを電気的に接続する第２工程と、負極が電気的に接続された前記ワークにおける原材料粉末が塗布された部位に電磁力による振動を付与する第３工程とを有する。
【００２１】
図１に示すように、ワーク１０は、Ｆｅ系合金からなる下地１２と、Ｆｅ系合金が大気中の酸素と結合して自発的に生成した酸化物膜１４とを有する。第１工程に先立ち、この酸化物膜１４の表面に清浄剤を塗布することが好ましい。この場合、後述する第３工程において、皮膜が比較的容易に形成されるようになるからである。
【００２２】
そして、第１工程において、図２に示すように、このワーク１０の酸化物膜１４上に原材料粉末を塗布する。なお、後述するリード線１６をワーク１０に接続するべく、該ワーク１０には、原材料粉末を塗布しない露呈箇所を設ける。
【００２３】
ここで、原材料粉末の塗布は、例えば、該原材料粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤１８を塗布することによって行うことができる。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。又は、エポキシ樹脂等をバインダとする溶液と原材料粉末とを混合したペーストを塗布するようにしてもよい。
【００２４】
原材料粉末としては、ワーク１０に対して付与しようとする特性が発現する物質が選定される。例えば、超硬合金製皮膜を形成する場合、ＷＣ粉末及びＣｏ粉末の混合物を選定すればよい。
【００２５】
Ｆｅ系合金からなるワーク１０には、上記したように、その表面に酸化物膜１４が存在する。従って、塗布剤１８ないしペーストには、酸化物膜１４を還元することが可能な還元剤、例えば、炭素等を混合することが好ましい。
【００２６】
原材料粉末を含む以上のような塗布剤１８ないしペーストを、スプレー塗布法や刷毛塗り法等の公知の手法で塗布した後、ワーク１０の露呈箇所にリード線１６を接続する。
【００２７】
このリード線１６は、直流電源２２の負極に電気的に接続されている。一方、直流電源２２の正極は、ワーク１０には接続されていない。すなわち、直流電源２２とワーク１０は、電気的に開回路を構成した状態となっている。
【００２８】
直流電源２２の発生電圧は、ワーク１０の寸法、特に表面積に応じて設定される。換言すれば、直流電源２２の発生電圧は、ワーク１０の単位面積当たりに印加される電圧が所定の範囲内、例えば、０．３〜３．０Ｖ／１０ｃｍ2となるように設定される。なお、ここでいう発生電圧とは、直流電源２２が印加可能な電圧のことであるが、実際にはワーク１０への通電はなされない。上記したように、直流電源２２とワーク１０とは電気的に閉回路を構成していないからである。
【００２９】
次に、直流電源２２の負極を電気的に接続した状態で、ワーク１０の予熱を行う。負極とワーク１０とを絶縁すると、この際にワーク１０が酸化されることがある。原材料粉末中に金属粉末が含まれている場合、この金属粉末の酸化も起こる。
【００３０】
なお、予熱は、ワーク１０の温度が１００〜１８０℃の範囲内となるまで行うことが好ましく、１１０〜１６０℃の範囲内とすることがより好ましい。
【００３１】
次に、第３工程において、原材料粉末（塗布剤１８ないしペースト）を塗布した部位に対し、電磁力による振動を付与する。本実施の形態において、この振動付与は、コロナ放電により実施される。コロナ放電には、局所的な振動付与が可能であり、これにより所定の部位を効率よく加熱することができるので熱処理炉のような大規模設備が不要となるとともに、周波数を制御することによってワーク１０に孔食が生じることを回避できるという利点がある。
【００３２】
すなわち、図３に示すように、ワーク１０における原材料粉末を塗布した部位、換言すれば、振動付与部位（加熱部位）に、発振器である誘電コイル２４を接近させる。そして、発振周波数を３０ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚとして発振を行う。３０ＭＨｚ未満であると放電が起こり難く、放電が起こったとしてもワーク１０に孔食が発生することがある。また、３．５ＧＨｚを超えると、ワーク１０の表面に過剰なエネルギ集中が起こることに起因して溶損が起こるようになることがある。
【００３３】
このコロナ放電に伴い、塗布剤１８ないしペーストから溶媒が揮発する。また、塗布剤１８ないしペーストに炭素等の還元剤が添加されている場合、酸化物膜１４が還元されて下地１２が露呈する。さらに、露呈した下地１２の内部に原材料粉末の構成原子が拡散する。
【００３４】
このように、原材料粉末から下地１２（ワーク１０）への拡散が起こる結果、図４に示すように、表面に皮膜２６が形成されたワーク１０が得られるに至る。
【００３５】
一般的な高周波加熱では、ワーク１０の温度は１０００℃付近まで達するのに対し、上記した範囲内の周波数でコロナ放電を行うと、ワーク１０の表面の温度は５００℃程度となる。このため、ワーク１０と皮膜２６との熱膨張係数が大きく相違する場合であっても、ワーク１０と皮膜２６との間に作用する引っ張り応力が小さくなる。このため、皮膜２６がワーク１０から剥離し難く、また、皮膜の損傷も起こり難い。
【００３６】
直流電源２２の負極とワーク１０とを接続することにより、上記したような比較的低温域で、原材料粉末の構成原子のワーク１０への拡散が起こる。この理由は、酸化物膜１４に対して直流電源２２から負電荷が供給され、これにより酸化物膜１４が還元され易くなる結果、下地１２の表面が活性化するためであると推察される。
【００３７】
なお、塗布剤１８ないしペーストに還元剤が添加されていない場合であっても、誘電コイル２４の周波数を３．５ＧＨｚまでの範囲内で高く設定することによって、前記の負電荷供給と相俟って、酸化物膜１４を還元することが可能である。すなわち、この場合においても、原材料粉末の構成原子をワーク１０に到達させることができる。
【００３８】
上記した実施の形態は、ワーク１０の材質としてＦｅ系合金を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、Ａｌ系合金であってもよい。この場合、酸化物膜１４がＦｅ系合金に比して化学的に安定であるので、誘電コイル２４の発振周波数を６０ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚ、より好ましくは数百ＭＨｚ〜３．５ＧＨｚに設定する。
【００３９】
また、Ａｌ又はＡｌ系合金からなるワーク１０に対して皮膜を形成する場合、原材料粉末にＳｉ又はＢの少なくともいずれか一方を含めることが好ましい。これらはワーク表面の酸化物膜１４と低融点化合物を形成するので、原材料粉末に含まれるその他の成分の構成原子がワーク１０に拡散することが容易となるからである。
【００４０】
いずれの場合においても、第１工程と第２工程の順序を入れ換えるようにしてもよい。すなわち、ワーク１０に対して直流電源２２の負極を電気的に接続した後、塗布剤１８ないしペーストを別部位に塗布するようにしてもよい。
【実施例１】
【００４１】
ＷＣ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ及びＣの各粉末を８６：１０．８：０．３：２：０．２：０．３：０．２：０．２（数字は重量比。以下同じ）の割合で混合し、原材料粉末とした。この原材料粉末を、エポキシ樹脂をバインダとする溶液に混合し、ペースト３０（図５参照）を調製した。
【００４２】
その一方で、ＳＫＨ５４からなり、図５に示す形状・寸法の鍛造加工用パンチ３２の押圧加工部位３４を脱脂し、その後、該押圧加工部位３４に前記ペースト３０を１ｍｍの厚みで塗布した。
【００４３】
ペースト３０を風乾した後、リード線１６を介して直流電源２２の負極を鍛造加工用パンチ３２の露呈部分に電気的に接続した。なお、直流電源２２の発生電圧は、鍛造加工用パンチ３２の表面積１０ｃｍ2当たり１０Ｖとした。
【００４４】
２０秒後、鍛造加工用パンチ３２におけるペースト塗布部位に誘電コイル２４を接近させ、発振周波数を２４０ＭＨｚとして１５秒間、電磁力による振動を付与することで加熱した。６秒間静置した後、加熱した部位を冷却水で冷却した。
【００４５】
別の鍛造加工用パンチ３２に対して以上の操作を行い、その中の１本につきペースト塗布部位（振動付与部位）に対して０．２ｍｍを研削する仕上げ加工を行った後に破断して、断面観察を行った。その結果、鍛造加工用パンチ３２の表層に７０〜１００μｍの溶け込み部が認められ、さらに、その下方に、１００μｍ程度の変質部が認められた。すなわち、原材料粉末の構成原子が拡散することによって皮膜２６が形成されていた。また、その表面は、メッキや溶射によって設けられる皮膜に対して滑らかであり、ＪＩＳに規格される表面粗さの数値は１／３〜１／４程度であった。
【００４６】
一方、残余の１本を用いて鍛造加工を行ったところ、約４００００ショットを終了した時点で押圧加工部位３４にかじりが生じた。
【００４７】
比較のため、押圧加工部位３４に５μｍのＴｉＮコーティングが施された同一形状・寸法のＳＫＨ５４製鍛造加工用パンチ３２を使用し、鍛造加工を行った。この場合、かじりは約７０００ショットを終了した時点で発生した。すなわち、かじりが生じるまでのショット数、換言すれば、寿命が著しく短期化した。
【実施例２】
【００４８】
Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂ、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｎの各粉末を２０：８：６：２８：１５：３：３：０．２：６：４：３：３．８の割合で混合し、原材料粉末とした。この原材料粉末を、エポキシ樹脂、アセトン及びアルコールの混合溶液に添加してペーストとした。
【００４９】
このペーストを、ＳＫＨ５４からなり、図６に示す形状・寸法のＡＣ４Ａ製テストピース４０の頭頂部４２に対し、０．５ｍｍの厚みで直径が１０ｍｍとなるように塗布した。
【００５０】
ペーストを風乾した後、リード線１６を介して直流電源２２の負極をテストピース４０の露呈部分に電気的に接続した。なお、直流電源２２の発生電圧は、９０Ｖとした。
【００５１】
この状態で、テストピース４０を１２０℃となるまで予熱して２分間保持し、発振周波数を３００ＭＨｚとして１５秒間、電磁力による振動を付与することで加熱した。８秒間静置した後、加熱した部位を冷却水で冷却した。
【００５２】
ペースト塗布部位（振動付与部位）近傍を深さ方向に沿って破断し、断面観察を行った。その結果、塗布物の厚みが０．２ｍｍに減少していること、０．３ｍｍ程度の溶け込み部が形成されていること、さらに、該溶け込み部の下方に０．６〜０．７ｍｍ程度の変質部（拡散部）が形成されていることが認められた。すなわち、この場合においても、原材料粉末の構成原子が拡散することによって皮膜２６が形成されていた。
【００５３】
拡散部のブリネル硬度測定を行ったところ３５６であり、皮膜形成前のブリネル硬度が１５０であったのに対して約２００もの硬度上昇が認められた。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施の形態に係る皮膜形成方法が実施されるワーク（金属製部材）の深さ方向に沿う概略断面説明図である。
【図２】図１のワークに原材料粉末を塗布する一方、直流電源の負極を電気的に接続した状態を示す概略断面説明図である。
【図３】原材料粉末が塗布され、且つ直流電源の負極が電気的に接続されたワークに対し、コロナ放電を行うことで電磁力による振動を付与している状態を示す概略断面説明図である。
【図４】皮膜が形成されたワークの深さ方向に沿う概略断面説明図である。
【図５】皮膜を形成する鍛造加工用パンチ（Ｆｅ系合金製）の軸線方向に沿う概略全体側面図である。
【図６】皮膜を形成するテストピース（Ａｌ系合金製）の概略全体斜視図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…ワーク                          １２…下地
１４…酸化物膜                        １８…塗布剤
２２…直流電源                        ２４…誘電コイル
２６…皮膜                            ３０…ペースト
３２…鍛造加工用パンチ
【図１】
0004806291.tif 000002
【図２】
0004806291.tif 000003
【図３】
0004806291.tif 000004
【図４】
0004806291.tif 000005
【図５】
0004806291.tif 000006
【図６】
0004806291.tif 000007