(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材となる金属成形体の表面に皮膜層を有している複合成形体の製造方法であって、
前記皮膜層が、基材となる金属成形体と異なる構成材料または同じ構成材料からなるものであり、
前記金属成形体表面に対して、連続波レーザーを使用して２０００mm／sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する工程と、
前工程においてレーザー光が照射された前記金属成形体表面上に、溶射法により皮膜層を形成する工程を有している、複合成形体の製造方法。
【請求項２】
前記基材となる金属成形体が、鉄、鉄合金、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、タングステンおよびタングステン合金から選ばれるものである、請求項１記載の複合成形体の製造方法。
【請求項３】
前記皮膜層となる構成材料が、金属、セラミックス、サーメットおよび樹脂から選ばれるものである、請求項１または２記載の複合成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射法を使用した、金属成形体を含む複合成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属成形体の表面に他の材料からなる皮膜層を形成する方法として、溶射法が採用されている。
また溶射法により皮膜層を形成するための金属成形体の前処理として、サンドブラスト処理が汎用されている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１０６８９１号公報
【特許文献２】特開２００５−３１４７３２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２８４１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、金属成形体と溶射法により形成された皮膜層との結合強度が高められた複合成形体を得ることができる、複合成形体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、
基材となる金属成形体の表面に皮膜層を有している複合成形体の製造方法であって、
前記皮膜層が、基材となる金属成形体と異なる構成材料または同じ構成材料からなるものであり、
前記金属成形体表面に対して、連続波レーザーを使用して２０００mm／sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する工程と、
前工程においてレーザー光が照射された前記金属成形体表面上に、溶射法により皮膜層を形成する工程を有している、複合成形体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の製造方法によれば、基材となる金属成形体と皮膜層が高い接合強度で接合された複合成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）は本発明の製造方法で得られた複合成形体の側面図、（ｂ）は（ａ）の複合成形体で使用している金属成形体の斜視図。
【図２】（ａ）は本発明の製造方法で得られた複合成形体（別実施形態）の側面図、（ｂ）は（ａ）の複合成形体で使用している金属成形体の斜視図。
【図３】本発明の製造方法における連続波レーザー照射工程の説明図。
【図４】本発明の製造方法における連続波レーザー照射工程（別実施形態）の説明図。
【図５】本発明の製造方法における連続波レーザー照射工程（さらに別実施形態）の説明図。
【図６】レーザー光の連続照射パターンの説明図。
【図７】（ａ）は図６に示すＤ−Ｄ間の矢印方向から見たときの断面図、（ｂ）は図６に示すＤ−Ｄ間の矢印方向から見たときの別実施形態の断面図。
【図８】（ａ）は図６に示すＡ−Ａ間の矢印方向から見たときの断面図、（ｂ）は図６に示すＢ−Ｂ間の矢印方向から見たときの断面図、（ｃ）は図６に示すＣ−Ｃ間の矢印方向から見たときの断面図。
【図９】実施例で使用した基材である金属成形体の斜視図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は実施例の複合成形体の製造方法を示す図であり、（ｃ）、（ｄ）は基材と皮膜層間の接合強度の測定方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の製造方法で得られる複合成形体１は、図１（ａ）または図２（ａ）に示すとおり、基材である金属成形体１０と皮膜層２０が、高い接合強度で一体化されたものである。
基材である金属成形体１０は、用途に応じて公知の金属からなるものであり、例えば、鉄、各種ステンレス、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、マグネシウム、タングステンおよびそれらを含む合金、タングステンカーバイド、クロミウムカーバイドなどのサーメットから選ばれるものを挙げることができる。また、上記金属に対して、アルマイト処理、めっき処理などの表面処理を施した金属へも適応できる。
皮膜層２０は、金属、セラミックス、サーメットおよび樹脂から選ばれる構成材料からなるものである。
【０００９】
基材である金属成形体１０の表面に対して、連続波レーザーを使用して２０００mm／sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する工程について説明する。
図１（ｂ）または図２（ｂ）に示すとおり、基材である金属成形体１０の面（皮膜層形成面）１２に対して、連続波レーザーを使用して２０００mm／sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する。
この工程では、皮膜層形成面１２に対して高い照射速度でレーザー光を連続照射することで、ごく短時間で皮膜層形成面１２を粗面にすることができる。
金属成形体１０の皮膜層形成面１２は、図１（ｂ）に示すような平面でもよいし、曲面でもよいし、平面と曲面の両方を有しているものでもよいし、さらに凹凸を有している面でもよい。
図１（ｂ）の金属成形体１０は、皮膜形成面１２上において、長さ方向に向かって平行な多数本の直線１２ａが形成されるように照射している。
図２（ｂ）の金属成形体は、皮膜形成面１２が凹部１１を含んでおり、段差部も含めた高さの違う平面にわたって、長さ方向に向かって平行な多数本の直線（レーザー照射痕）１２ａが形成されるように照射している。
【００１０】
連続波レーザーの照射速度は、２０００〜２０，０００mm／secが好ましく、２，０００〜１８，０００mm／secがより好ましく、２，０００〜１５，０００mm／secがさらに好ましい。
連続波レーザーの照射速度が前記範囲であると、加工速度を高めることができ（即ち、加工時間を短縮することができ）、金属成形体１０と皮膜層との接合強度も高いレベルに維持することができる。
【００１１】
この工程では、下記要件（Ａ）、（Ｂ）であるときの加工時間が０．１〜３０秒の範囲になるようにレーザー光を連続照射することが好ましい。
（Ａ）レーザー光の照射速度が２０００〜１５０００mm／sec
（Ｂ）金属成形体の皮膜層形成面の面積が１００mm2
要件（Ａ）、（Ｂ）であるときの加工時間を上記範囲内にするとき、皮膜層形成面１２の全面を粗面化することができる。
【００１２】
レーザー光の連続照射は、例えば次のような方法を適用することができるが、皮膜層形成面１２を粗面化できる方法であれば特に制限されるものではない。
（I）図３、図４に示すように、皮膜層形成面（例えば長方形とする）１２の一辺（短辺または長辺）側から反対側の辺に向かって１本の直線または曲線が形成されるように連続照射し、これを繰り返して複数本の直線または曲線を形成する方法。
（II）皮膜層形成面１２の一辺側から反対側の辺に向かって連続的に直線または曲線が形成されるように連続照射し、今度は逆方向に間隔をおいての直線または曲線が形成されるように連続照射することを繰り返す方法。
（III）皮膜層形成面１２の一辺側から反対側の辺に向かって連続照射し、今度は直交する方向に対して連続照射する方法。
（IV）皮膜層形成面１２に対してランダムに連続照射する方法。
【００１３】
（I）〜（IV）の方法を実施するとき、レーザー光を複数回連続照射して１本の直線または１本の曲線を形成することもできる。
同じ連続照射条件であれば、１本の直線または１本の曲線を形成するための照射回数（繰り返し回数）が増加するほど皮膜層形成面１２に対する粗面化の程度が大きくなる。
【００１４】
（I）、（II）の方法において、複数本の直線または複数本の曲線を形成するとき、それぞれの直線または曲線が０．００５〜１ｍｍの範囲（図３に示すｂ１の間隔）で等間隔に形成されるようにレーザー光を連続照射することができる。
このときの間隔は、レーザー光のビーム径（スポット径）よりも大きくなるようにする、また、このときの直線または曲線の本数は、金属成形体１０の皮膜層形成面１２の面積に応じて調整することができる。
【００１５】
（I）、（II）の方法において、複数本の直線または複数本の曲線を形成するとき、それぞれの直線または曲線が０．００５〜１ｍｍの範囲（図３、図４に示すｂ１の間隔）で等間隔に形成されるようにレーザー光を連続照射することができる。
そして、これらの複数本の直線または複数本の曲線を１群として、これを複数群形成することができる。
このときの各群の間隔は０．０１〜１ｍｍの範囲（図４に示すｂ２の間隔）で等間隔になるようにすることができる。
なお、図３、図４に示す連続照射方法に代えて、図５に示すように、連続照射開始から連続照射終了までの間、中断することなく連続照射する方法も実施することができる。
【００１６】
レーザー光の連続照射は、例えば次のような条件で実施することができる。
出力は４〜４０００Ｗが好ましく、５０〜２５００Ｗがより好ましく、１００〜２０００Ｗがさらに好ましく、２５０〜２０００Ｗがさらに好ましい。
ビーム径（スポット径）は５〜２００μmが好ましく、５〜１００μmがより好ましく、１０〜１００μmがさらに好ましく、１１〜８０μmがさらに好ましい。
さらに出力とスポット径の組み合わせの好ましい範囲は、レーザー出力とレーザー照射スポット面積（π×〔スポット径／２〕2）から求められるエネルギー密度（Ｗ／μm2）より選択することができる。
エネルギー密度（Ｗ／μm2）は、０．１Ｗ／μm2以上が好ましく、０．２〜１０Ｗ／μm2がより好ましく、０．２〜６．０Ｗ／μm2がさらに好ましい。
エネルギー密度（Ｗ／μm2）が同じであるとき、出力（Ｗ）が大きい方がより大きなスポット面積（μm2）に対してレーザー照射できることになるため、処理速度（１秒当たりのレーザー照射面積；mm2／sec）が大きくなり、加工時間も短くすることができる。
波長は３００〜１２００nmが好ましく、５００〜１２００ｎｍがより好ましい。
焦点位置は-１０〜+１０ｍｍが好ましく、−６〜＋６ｍｍがより好ましい。
【００１７】
連続波レーザーの照射速度、レーザー出力、レーザービーム径（スポット径）およびエネルギー密度との好ましい関係は、連続波レーザーの照射速度が２，０００〜１５，０００mm／secであり、レーザー出力が２５０〜２０００Ｗ、レーザービーム径（スポット径）が１０〜１００μmであり、前記レーザー出力とスポット面積（π×〔スポット径／２〕2）から求められるエネルギー密度（Ｗ／μm2）が０．２〜１０Ｗ／μm2の範囲である。
【００１８】
連続波レーザーは公知のものを使用することができ、例えば、YVO4レーザー、ファイバーレーザー（好ましくはシングルモードファイバーレーザー）、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、紫外線レーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。これらの中でもエネルギー密度が高められることから、ファイバーレーザーが好ましく、特にシングルモードファイバーレーザーが好ましい。
【００１９】
本発明の複合成形体の製造方法では、金属成形体１０の皮膜層形成面１２に対して、連続波レーザーを使用して２０００mm／sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射しているため、レーザー光が連続照射された部分は粗面化される。
このときの金属成形体１０の皮膜層形成面１２の状態の一実施形態を図６〜図８により説明する。
なお、連続波レーザーを使用して粗面化すると、サンドブラストでは充分に粗面化できないような形状または硬度（例えばタングステン）の金属成形体またはその部分に対しても使用することができるほか、マスキングも不要になる。
【００２０】
図６に示すとおり、レーザー光（例えば、スポット径１１μm）を連続照射して多数の線（図面では３本の線６１〜６３を示している。各線の間隔は５０μm程度。）を形成することで粗面化することができる。１本の直線への照射回数は１〜１０回が好ましい。
このとき、粗面化された皮膜層形成面１２を含む金属成形体１０の表層部は、図７（ａ）、図８（ａ）〜（ｃ）に示すようになっている。なお、「金属成形体１０の表層部」は、金属成形体１０の表面から粗面化により形成された開放孔（幹孔または枝孔）の深さ程度までの部分であり、金属成形体１０の表面から深さ５０〜５００μmまで程度の範囲である。
なお、１本の直線への照射回数が１０回を超える回数である場合には、粗面化のレベルをより高めることができ、複合成形体１において金属成形体１０と皮膜層２０の接合強度を高めることができるが、合計照射時間が長くなる。このため、目的とする接合強度と製造時間との関係を考慮して、１本の直線への照射回数を決めることが好ましい。１本の直線への照射回数が１０回を超える回数であるとき、好ましくは１０回超〜５０回以下、より好ましくは１５〜４０回、さらに好ましくは２０〜３５回である。
【００２１】
粗面化された皮膜層形成面１２を含む金属成形体１０の表層部は、図７、図８に示すように、皮膜層形成面１２側に開口部３１のある開放孔３０を有している。
開放孔３０は、厚さ方向に形成された開口部３１を有する幹孔３２と、幹孔３２の内壁面から幹孔３２とは異なる方向に形成された枝孔３３からなる。枝孔３３は、１本または複数本形成されていてもよい。
なお、複合成形体１において金属成形体１０と皮膜層２０の接合強度が維持できるのであれば、開放孔３０の一部が幹孔３２のみからなり、枝孔３３がないものでもよい。
【００２２】
粗面化された皮膜層形成面１２を含む金属成形体１０の表層部は、図７、図８に示すように、皮膜層形成面１２側に開口部のない内部空間４０を有している。
内部空間４０は、トンネル接続路５０により開放孔３０と接続されている。
【００２３】
粗面化された皮膜層形成面１２を含む金属成形体１０の表層部は、図７（ｂ）に示すように、複数の開放孔３０が一つになった開放空間４５を有していてもよいし、開放空間４５は、開放孔３０と内部空間４０が一つになって形成されたものでもよい。一つの開放空間４５は、一つの開放孔３０よりも内容積の大きなものである。
なお、多数の開放孔３０が一つになって溝状の開放空間４５が形成されていてもよい。
【００２４】
図示していないが、図８（ａ）に示すような２つの内部空間４０同士がトンネル接続路５０で接続されていてもよいし、図７（ｂ）に示すような開放空間４５と、開口孔３０、内部空間４０、他の開放空間４５がトンネル接続路５０で接続されていてもよい。
【００２５】
内部空間４０は、全てが開放孔３０および開放空間４５の一方または両方とトンネル接続路５０で接続されているものであるが、複合成形体１において金属成形体１０と皮膜層２０の接合強度が維持できるのであれば、内部空間４０のうちの一部が開放孔３０および開放空間４５と接続されていない閉塞状態の空間であってもよい。
【００２６】
このようにレーザー光を連続照射したときに図７、図８で示されるような開放孔３０、内部空間４０などが形成される詳細は不明であるが、所定速度以上でレーザー光を連続照射したとき、金属成形体１０の皮膜層形成面１２に一旦は孔や溝が形成されるが、溶融した金属が盛り上がって蓋をしたり、堰き止めたりする結果、開放孔３０、内部空間４０、開放空間４５が形成されるものと考えられる。
また、同様に開放孔３０の枝孔３３やトンネル接続路５０が形成される詳細も不明であるが、一旦形成された孔や溝の底部付近に滞留した熱によって、孔や溝の側壁部分が溶融する結果、幹孔３２の内壁面が溶融して枝孔３３が形成され、さらに枝孔３３が延ばされてトンネル接続路５０が形成されるものと考えられる。
なお、連続波レーザーに代えてパルスレーザーを使用したときには、金属成形体１０の皮膜層形成面１２には開放孔や溝が形成されるが、図７（ａ）、図８に示すような、開口部を有していない内部空間と、前記開放孔と前記内部空間を接続する接続通路は形成されない。
【００２７】
基材である金属成形体１０の表面に対して連続波レーザーを照射する工程は、未処理の金属成形体に対して適用するものあるが、必要に応じて、サンドブラスト、エッチングなどの他の粗面化方法で処理した後、さらに連続波レーザーを照射することもできる。
【００２８】
次の工程において、レーザー光が照射された金属成形体１０の皮膜形成面１２上に皮膜層２０を形成する。前記皮膜層２０の形成方法として溶射法を使用する。
【００２９】
溶射法は、皮膜層２０の構成材料に応じて、適宜公知の溶射法から選択することができる。
溶射法としては、燃焼ガスを使用したフレーム溶射、高速フレーム溶射、爆発照射、電気を使用したアーク溶射、プラズマ溶射、ＲＦプラズマ溶射、電磁加速プラズマ溶射、線爆溶射、電熱爆発粉体溶射法、レーザー光を使用したレーザー溶射、その他のレーザー・プラズマ溶射、コールドスプレーなどを適用することができる。
【００３０】
皮膜層２０の構成材料としては、金属、セラミックス、サーメットおよび樹脂から選ばれるものであり、溶射法を実施できるものである。
金属としては、銅、黄銅、リン青銅、アルミニウム青銅、錫、モリブデン、タングステン、ニッケル、ニッケル−アルミニウム、ニッケル−クロミウム、カーボンスチール、スチール、ステンレス、これらを含む合金（自溶合金も含む）などの公知の材料を使用することができる。
皮膜層２０の構成材料として使用する金属は、基材となる金属成形体の金属と同じものでもよい。
【００３１】
セラミックスとしては、ジルコニア、アルミナ、グレイアルミナ、アルミナ−チタニア、チタニア、クロミア、アルミナ−ジルコニウム、ムライト、スピネル、マグネシア−シリカ、ＲＣ（クロミア−シリカ−アルミナ）、ＲＡ（アルミナ−シリカ）、ＲＺＳ（ジルコニア−シリカ）、ＲＺ（ジルコニア−炭化カルシウム）などの公知の材料を使用することができる。
【００３２】
サーメットは、金属の酸化物、炭化物、硼化物などの無機化合物と結合剤としての金属からなるものであり、タングステンカーバイド、クロミウムカーバイドなどを使用することができる。
【００３３】
樹脂としては、溶射法を適用できるものであればよく、ポリアミド系樹脂（ＰＡ６、ＰＡ６６等の脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド）、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂等のスチレン単位を含む共重合体、ポリエチレン、エチレン単位を含む共重合体、ポリプロピレン、プロピレン単位を含む共重合体、その他のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）などの熱可塑性樹脂を挙げることができる。
【００３４】
金属成形体１０の皮膜層形成面１２に対して、皮膜層２０の構成材料を溶射するときは、皮膜層形成面１２を除いた残部面をマスキングした状態で溶射する。
このように溶射法を適用したとき、前記構成材料は、皮膜層形成面１２の表層部に形成された開放孔３０、内部空間４０、開放空間４５、トンネル接続路５０内まで侵入した後、さらに積層されて、皮膜層２０が形成される。
このため、複合成形体１の金属成形体１０と皮膜層２０は、従来技術のようにサンドブラスト処理をした場合と比べると、より高い接合強度で接合されている。
【実施例】
【００３５】
実施例１〜４、比較例１〜４
＜レーザー照射工程：図１０（ａ）＞
基材となる金属成形体１０（30mm×30mm×3mm；図９参照）の一面の中央部付近の皮膜形成面１２（6mm×20mm）に対して、表１に示す条件で連続波レーザーを照射して（照射痕１２ａ）、多孔構造を有する粗面にした。
但し、比較例１〜４は、図１０（ａ）に示すレーザー照射工程は実施していない。
【００３６】
【表１】
0006353320.tif 000002
【００３７】
＜溶射工程：図１０（ｂ）＞
次に、連続波レーザーを照射した皮膜形成面１２に対して、表２に示す溶射方法により皮膜層２０（厚さ20μm）を形成した。なお、溶射には、基材金属のレーザー照射面の表面温度が１５０℃を超えないように冷風を吹き付けながら、かつ照射時間を調整しながら行った。
実施例および比較例とも、外観上は基材１０上に皮膜層２０が形成された複合成形体１が得られた。
【００３８】
次に、図１０（ｃ）に示すように、２つの複合成形体１の皮膜層２０同士を正対させた状態で、接着剤層２５を介して接着した。
次に、図１０（ｄ）に示すように、反対方向に引っ張ったときの結合力と接合強度を測定し、最終的な破壊状態を観察した。
結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
0006353320.tif 000003
【００４０】
実施例１〜４では、基材と皮膜層が高い結合強度で一体化されていた。
【００４１】
実験例
表３に示すとおり、金属成形体の同一加工面積に対して、連続波レーザーとパルスレーザーを使用したときの加工時間を評価した。
【００４２】
【表３】
0006353320.tif 000004
【００４３】
実験例１と比較実験例１、実験例２と比較実験例２の加工時間の対比から確認できるとおり、連続波レーザーを使用したときには、加工時間を大きく短縮できた。この加工時間の差は、工業的規模で大量生産するときには非常に大きな生産性の違いとなる。
パルスレーザーを使用して金属表面を粗面化する技術は知られているが、その技術を溶射法の前処理として適用したときには、本発明と比べると生産性の観点で大きく劣るものであり、さらに図７、図８の説明にも記載しているとおり、パルスレーザーを使用した場合には、図７（ａ）、図８のような多孔構造にすることはできない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の製造方法は、基材となる金属成形体と皮膜層が高い接合強度で接合された金属成形体を含む複合成形体を得ることができる。
本発明の製造方法で得られた複合成形体は、基材となる金属成形体と皮膜層の構成材料を選択して組み合わせることによって、例えば、各種スクリュー、各種シャフト、各種ブレード、ローラー、プレス型、ロータリーキルン、撹拌羽根、撹拌翼、サイクロン、エンジン部品、電気部品、機械部品、家具などに使用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  複合成形体
１０  基材
１２  皮膜層形成面
２０  皮膜層
【図１】
0006353320.tif 000005
【図２】
0006353320.tif 000006
【図３】
0006353320.tif 000007
【図４】
0006353320.tif 000008
【図５】
0006353320.tif 000009
【図６】
0006353320.tif 000010
【図７】
0006353320.tif 000011
【図８】
0006353320.tif 000012
【図９】
0006353320.tif 000013
【図１０】
0006353320.tif 000014