(57)【要約】【課題】金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法であって、前記金属製品の表面の一部を、１０〜５００Hzの周波数にて加振させ、合金元素を含有した振動端子で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、前記金属製品の表面の一部を、合金元素を添加した材質にすることを特徴とする局所的に合金化した金属製品の製造方法。なお、合金元素の添加は粉末を用いてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法であって、前記金属製品の表面の一部を、１０〜５００Hzの周波数にて加振させ、合金元素を含有した振動端子で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、前記金属製品の表面の一部を、合金元素を添加した材質にすることを特徴とする局所的に合金化した金属製品の製造方法。
【請求項２】
前記振動端子が棒状であり、該棒の先端部の断面積が０．０１ｍｍ2以上、１００ｍｍ2以下であることを特徴とする請求項１に記載の局所的に合金化した金属製品の製造方法。
【請求項３】
金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法であって、前記金属製品の表面の一部に、直径が０．００１ｍｍ〜５ｍｍの合金元素を含有する粉末を供給し、該粉末の上から、１０〜５００Hzの周波数にて加振させた振動端子で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、前記金属製品の表面の一部を、合金元素を添加した材質にすることを特徴とする局所的に合金化した金属製品の製造方法。
【請求項４】
前記振動端子での打撃処理を、３０℃以上の温度にて施すことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の局所的に合金化した金属製品の製造方法。
【請求項５】
前記振動端子での打撃処理を、不活性雰囲気中にて施すことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の局所的に合金化した金属製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋構造物、船舶、橋梁、自動車、産業機械、家庭電器製品、医療器械などの金属製品は、様々な分野で用いられて、他の材料に比べて強度とコスト面において優れており、産業上重要な役割を果たしている。
しかし、金属製品に要求される耐食性、耐酸性、耐磨耗性などの特性は、金属製品全体ではなく、表層部分のみに必要な特性であり、必ずしも、製品全体にこのような特性を持たせる必要はない。
【０００３】
そこで、鋼材表面にメッキ、スパッタリング、イオンプレーティングなどによって、表面を改質する方法が開発され、実用化されている。
しかし、メッキの場合、母材との境界から剥離することがあり、また、スパッタリングやイオンプレーティングは、高価な設備が必要となるうえ、真空チャンバー内で処理する必要があるため、適用できる対象物が限られていた。
なお、例えば、特許文献１に、溶接継手部に超音波振動を与えることによって、疲労強度を向上させる方法が開示されているが、振動を金属製品の表面の合金化に利用することは全く開示されていない。
また、特許文献３に用いる、超音波振動装置は、特殊な装置や電源を必要とするため、設備コストおよび操業コストが高いという問題点があった。
【特許文献１】米国特許第６,１７１,４１５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品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】
本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたもので、衝撃処理を用いて金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品およびその製造方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法であって、前記金属製品の表面の一部を、１０〜５００Hzの周波数にて加振させ、合金元素を含有した振動端子で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、前記金属製品の表面の一部を、合金元素を添加した材質にすることを特徴とする局所的に合金化した金属製品の製造方法。
（２）前記振動端子が棒状であり、該棒の先端部の断面積が０．０１ｍｍ2以上、１００ｍｍ2以下であることを特徴とする（１）に記載の局所的に合金化した金属製品の製造方法。
（３）金属製品の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法であって、前記金属製品の表面の一部に、直径が０．００１ｍｍ〜５ｍｍの合金元素を含有する粉末を供給し、該粉末の上から、１０〜５００Hzの周波数にて加振させた振動端子で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、前記金属製品の表面の一部を、合金元素を添加した材質にすることを特徴とする局所的に合金化した金属製品の製造方法。
（４）前記振動端子での打撃処理を、３０℃以上の温度にて施すことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の局所的に合金化した金属製品の製造方法。
（５）前記振動端子での打撃処理を、不活性雰囲気中にて施すことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の局所的に合金化した金属製品の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、金属製品の表面の一部を合金化した金属製品の製造方法を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施の形態について、図１および図２を用いて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の局所的に合金化した金属製品の製造方法における第１の実施形態を示す図である。
図１において、１は金属製品、２は振動端子、３は合金層を示す。
まず、図１（a）に示すように、金属製品の表面１の一部を、振動端子２で打撃する。
本発明は、金属製品１の表面の一部を局所的に合金化した金属製品の製造方法であって、前記金属製品１の表面の一部を、１０〜５００Hzの周波数にて加振させ、合金元素を含有した振動端子で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、前記金属製品の表面の一部を、合金元素を添加した材質にすることを特徴とする。
まず、図１（a）に示すように、金属製品１の表面を、合金元素を含有した振動端子２で打撃する。
振動端子２に添加する合金元素は、用途に応じて選択でき、たとえば耐食性、耐弾性、耐レーダー性、耐酸性、耐電磁波性、耐磨耗性、美観性、意匠性、等の目的に応じて適宜選択することができる。
振動端子２の成分は、合金化したい目標成分に応じて、素地の化学成分に見合って調整することができる。例えば、金属製品の素地の希釈率を２０％以上、７０％以下として、成分設計して、振動端子の成分を決定することが好ましい。
【０００８】
次に、図１（b）に示すように、振動端子２によって、金属製品１の表面を打撃すると、その衝撃によって、振動端子の先端の合金層３が、衝撃処理中に、金属製品１の母材に凝着し、塑性流動を起こして入り込む。
その結果、振動端子２は衝撃処理中に順次消耗されるので、例えば、溶接のフィラーと同じように、連続して補給する装置を設けることが好ましい。
さらに、その上から、振動端子２で打撃を継続することによって、金属製品の表面１に薄い合金層３を形成することができ、これによって、金属製品に局所的に新たな表面性能を付加することができる。
金属製品２の母材は、衝撃処理により強加工を受けているので、合金化するために必要な温度が著しく低下しているために、衝撃処理による加工発熱程度の温度上昇でも、容易に合金化するのである。
【０００９】
振動装置を用いて、振動端子２の先端部を振動させながら金属製品１の表面を１０〜５００Hzの周波数にて加振させた振動端子２で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、金属製品１の表面の一部を局所的に合金化させることができる。
金属製品の表面を打撃することによって、合金化するメカニズムは、１０〜５００Hzの周波数にて加振させた振動端子２で、０．０１ｋW以上の仕事率にて打撃することによって、金属表面が加工発熱し、この加工発熱が逃げない断熱状態で加工することによって、合金化を促進する効果を生じるものと考えられる。
振動端子２の周波数の限定理由は、周波数を１０Hz以上とするのは、１０Hz未満では、打撃による熱の断熱効果が得られないからであり、また周波数を５００Hz以下とするのは、比較的入手が簡単な機械的な振動装置によって得られる周波数が５００Hz以下だからである。
振動端子２の仕事率を０．０１ｋＷ以上とするのは、０．０１ｋＷ未満では、打撃処理に要する処理時間が長くかかり過ぎるからである。
【００１０】
本発明においては、振動装置の種類は問わないが、例えば、シリンダに供給する圧縮空気の流れ方向を交互に切替えることによって、このシリンダを振動させる装置や、モータの先端にモータの回転軸から偏芯した重りを設けて回転させることによって、この重りを振動させる装置が好ましい。
このような、エア駆動やモータ駆動の振動装置およびその駆動源は比較的入手が容易であり、従来提案されていた超音波振動装置に比べて著しく設備コストおよび操業コストを低減することができる。
また、振動端子２は、図１に示すような棒状であり、該棒の先端部の断面積は小さ過ぎると衝撃処理の加工エネルギーを金属製品の母材に十分伝達できないので、端子の降伏強度を考慮して端子先端部の断面積は０．０１ｍｍ2以上とする一方で、断面積が大き過ぎると合金化効果が十分でないため、１００ｍｍ2以下にすることが好ましい。
なお、図１に示す実施形態では、振動端子２は単数であるが、複数の振動端子を設けてもよい。
【００１１】
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の局所的に合金化した金属製品の製造方法における第２の実施形態を示す図である。
図２において、１は金属製品、２は振動端子、３は合金層、４は合金粉末を示す。
まず、図２（a）に示すように、金属製品の表面１の一部に、直径が０．００１ｍｍ〜５ｍｍであって、合金元素を添加した金属粉末４を散布して供給しながら、振動端子２で打撃する。
金属粉末４の直径を０．００１ｍｍ〜５ｍｍとするのは、合金化反応を行うためには、金属粉末４の直径は小さい方が好ましいのでその上限を５ｍｍとし、細かすぎて処理中に飛散してしまっては歩留まりが悪くなるので、０．００１ｍｍを下限値とした。
【００１２】
なお、金属粉末を用いて、合金化を実施する場合には、振動端子は合金化しにくい高硬度鋼材、超硬、セラミックス、モリブデン、タングステン等の素材が望ましい。
また、金属粉末４に添加する合金元素は、用途に応じて選択でき、たとえば耐食性、耐弾性、耐レーダー性、耐酸性、耐電磁波性、耐磨耗性、美観性、意匠性、等の目的に応じて適宜選択することができる。
金属粉末の成分は、合金化したい目標成分に応じて、素地の化学成分に見合って調整することができる。例えば、金属製品の素地の希釈率を２０％以上、７０％以下として、成分設計して、粉末の成分を決定することが好ましい。
さらに、振動端子２による打撃を継続することによって、金属製品の表面１に薄い合金層３を形成することができ、これによって、金属製品に局所的に新たな表面性能を付加することができる。
なお、振動端子の周波数および仕事率は、第１の実施形態と同様であるので省略する。
【００１３】
＜第１および第２に共通の実施形態＞
本発明に用いる衝撃処理は、常温のまま実施しても十分合金化する場合もあるが、合金化が十分でない場合には、合金化反応を促進するために、当該部分を合金化が必要な温度まで加熱することが好ましい。
その際の温度も、通常合金化に必要な溶融温度よりもはるかに低い温度で合金化が達成できる、本発明に用いる衝撃処理時の温度は３０℃以上とすることが好ましい。
本発明においては、加熱の方法は問わないが、金属製品を誘導加熱や通電加熱によって局所的に加熱する方法が好ましい。
また、合金化する際に、窒素が侵入すると、コットレル雰囲気を形成して強度が上昇して、靭性が低下することがあり、好ましくないことも知見した。
さらに、発明者らは、衝撃処理を大気中で行うと、表層部の金属が大気中の酸素と反応して、酸化層が形成されてしまうため、合金化しても所定の機能が発揮できないこともあることを知見し、酸化層の最小化が課題であることを見出した。
【００１４】
そこで、合金層の厚みを確保し、合金化層の酸化層の厚みを極力抑制させるために、衝撃処理時の雰囲気を、大気から遮断することが好ましい。
酸素を遮断することによって、表面の酸化を防止することができるからである。
本発明においては、雰囲気の遮断方法は問わないが、振動端子の先端に、アルゴン、ヘリウム、ＣＯ2等の不活性ガスを吹付けて酸素分率が空気よりも低い環境に制御することが好ましい。これによって、酸化層は消滅し、かつ窒素侵入による脆化現象も防止できる。
本発明によれば、例えば、鋼構造物や鋼構造品などの金属製品として最終の形状に加工、組み立てされた後で、あらたな表面性能を付与することができるので、必要最小限で済むメリットがあるが、素材段階で本発明を適用し、構造物や鋼構造品などの金属製品に最終加工された後に、加工によって損なわれた領域のみを補修する形で適用することもできる。
なお、本発明は、金属製品の合金化して改質したい領域に局所的に適用しても良いし、金属製品全体に適用してもよい。
【００１５】
金属製品全体に適用する場合には、金属製品を構成する鋼板などの素材にあらかじめ、本発明の衝撃処理を施し、表面を合金化処理した素材を用いて金属製品を製造することが好ましい。
以上の金属製品の表面の一部を局所的に合金化する方法を用いることによって、局所的に新たな表面性能を付与した金属製品を製造することができる。
【実施例】
【００１６】
本発明の局所的に合金化した金属製品の製造方法を、実際の金属製品に適用した場合を想定した実験を行った結果を表１乃至表３に示す。
表１は、金属製品を構成する素材Ａ（Ａ１〜Ａ１０）、および、振動端子または金属粉末とする素材Ｂ（Ｂ１〜Ｂ７）の化学成分を示す。
表２は、衝撃処理の条件および試験結果を示す。
*１）加工種類は、表３に示すように、振動端子として連続供給可能な素材Ｂのピンを用いる場合Ｈ１と、素材Ｂを金属粉末として供給し表３に示す素材の振動端子ピンで衝撃処理する条件Ｈ２〜Ｈ５の場合を示す。また、それぞれの衝撃処理に供するピンの本数も併せて表３に示す。
*２）表２に示す処理時間は、金属表面１００ｍｍ2当たりの処理時間を示す。
*３）合金層の厚みは、素材Ａと素材Ｂの化学成分が混合している領域を表面からの厚みを示す。
*４）合金化の指標（％）は、素材Ａの化学成分をａ%、素材Ｂの化学成分をｂ%、合金層の化学成分をｃ%としたときに、合金化の指標をＸ（％）と定義すると、
Ｙ＝（ａ+ｂ）/2
Ｘ＝ｃ/Ｙ×１００（％）とする。
【００１７】
試験の結果、No.1〜No.18は、本発明の条件を満足しているので、合金化の指標（％）は、７０％を超えており、合金化が良好であり、表２に示す本発明の適用物に、発揮した性能の欄に示す表面性能を付加することができた。
【表１】
2005298880.tif 000003
【表２】
2005298880.tif 000004
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の局所的に合金化した金属製品の製造方法における第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の局所的に合金化した金属製品の製造方法における第２の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  金属製品
２  振動端子
３  合金層
４  金属粉末
【図１】
2005298880.tif 000006
【図２】
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