(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面に、金属材料の一次被覆層を溶射法等を用いて形成し、その後、前記一次被覆層の小領域を局部的に誘導子を用いて誘導加熱し、前記一次被覆層を溶融させると共にその誘導子を前記一次被覆層に沿って相対的に移動させることによってその溶融部を一次被覆層に沿って移動させてゆき、前記溶融部に作用する電磁攪拌力を利用して、前記一次被覆層に存在していた気孔及び酸化物を除去し、緻密な二次被覆層とする方法において、少なくとも前記一次被覆層の溶融時における誘導電流の電流浸透深さを前記一次被覆層の厚さの１．５倍以上とすることを特徴とする金属被覆層の形成方法。
【請求項２】
母材の表面に、金属材料の一次被覆層を溶射法等を用いて形成し、その後、前記一次被覆層の小領域を局部的に誘導子を用いて誘導加熱し、前記一次被覆層を溶融させると共にその誘導子を前記一次被覆層に沿って相対的に移動させることによってその溶融部を一次被覆層に沿って移動させてゆき、前記溶融部に作用する電磁攪拌力を利用して、前記一次被覆層に存在していた気孔及び酸化物を除去し、緻密な二次被覆層とする方法において、前記誘導子を、移動方向に対して前段誘導子と後段誘導子に電気的に分割し、その後段誘導子による誘導電流の電流浸透深さを前記一次被覆層厚さの１．５倍以上とし、更に、前記前段誘導子と後段誘導子が加熱対象に対して付与する電力配分を、前記前段誘導子で前記一次被覆層をその融点ないしは融点近くまで昇温させ、融点ないしは融点近くまで昇温した一次被覆層を前記後段誘導子で溶融処理することができるように設定し、更に、前記前段誘導子が加熱対象に供給する単位表面積当たりの電力密度を、一次被覆層の敏速な加熱が可能なよう高く設定し、前記後段誘導子が加熱対象に供給する単位表面積当たりの電力密度を、溶融した一次被覆層に加わる電磁攪拌力が許容値以下となるように低く設定したことを特徴とする金属被覆層の形成方法。
【請求項３】
前記前段誘導子と後段誘導子を共通の電源装置に対して並列に接続し、それぞれのコイル巻数、コイル幅、前、後段誘導子に対面する加熱対象のインピーダンス比等を調整することで、前、後段誘導子に対する所望の電力配分及び電力密度を得ることを特徴とする請求項２記載の金属被覆層の形成方法。
【請求項４】
前記母材が金属管であり、一次被覆層がその金属管の外周面に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の金属被覆層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属管、金属条材等の母材表面に、耐摩耗性、耐熱性、耐食性等を付与するための金属被覆層を形成する方法に関し、特に、金属材料の溶射等によって一次被覆層を形成し、次いでその一次被覆層を溶融処理して緻密な金属被覆層（二次被覆層）とする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、母材表面に形成した溶射被覆層（一次被覆層）を再溶融することにより、溶射被覆層中に含まれていた気孔やガスを取り除くとともに金属酸化物をスラグに変えて溶融部の表面に浮き上がらせて緻密な被覆層（二次被覆層）を形成し、且つ母材に確実に結合させることが行われている。この溶射被覆層の再溶融処理を行うための加熱方法としては、ガス炎による加熱、誘導加熱、炉による加熱等があり、そのうち、ガス炎による加熱が簡便に実施できるので広く使用されていた。
【０００３】
最近、ボイラーチューブ等の溶射被覆層の再溶融処理方法として、環状の誘導子で溶射被覆層の長手方向の小領域を局部的に誘導加熱し、溶射被覆層を溶融させると共に前記誘導子をボイラーチューブの長手方向に沿って相対的に移動させ、これによって、溶射被覆層に生じた溶融部を溶射被覆層に沿って移動させてゆき、溶射被覆層全体に再溶融処理を施す方法が、溶融部に電磁攪拌力が作用し、気孔の少ない良好な被覆層を形成できるため、ガス炎による加熱に取って変わりつつある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来は溶射被覆層厚さが１〜２ｍｍ程度であり、この程度の厚さの溶射被覆層に対しては誘導加熱で良好な再溶融処理を行うことができたが、溶射被覆層の厚さを３〜５ｍｍと厚くすると次のような問題の生じることが判明した。すなわち、図１１に示すように、金属管１の表面の溶射被覆層２を環状の誘導子３で加熱して溶融部４を形成し、その誘導子３を金属管１の長手方向に移動させて再溶融処理を行った場合、再溶融処理後の被覆層５の表面に凹み６が生じることがあった。また、図１２に示すように、金属管１を回転させながら、誘導子３で誘導加熱して再溶融処理を行うことがあるが、その場合には、再溶融処理後の被覆層５の表面にらせん状の凹み７が生じ、また、終端にくびれ８が生じることがあった。なお、このくびれ８は、金属管１を回転させない場合にも生じていた。このような凹み６、７、くびれ８等は、被覆層５の表面の平滑度を低下させ、製品品質を低下させるので、重大な欠陥であり、可及的に低減させる必要があった。
【０００５】
本発明者等は、誘導加熱による再溶融処理の際の上記した問題点を解決すべく、被覆層表面に凹みやくびれ等が生じる原因を検討し、次の事項を見出した。すなわち、被覆層が厚くなり、従ってそれを溶融させた溶融部の厚さが厚くなると、溶融金属が流れやすくなり、そのため電磁攪拌力が過度に作用して溶融金属に好ましくない流れを生じさせており、また、被覆層の厚さが厚くなるため被覆層を溶融させるために要する電力を増加させねばならず、それに伴って電磁攪拌力自体も大きくなっており、この点からも溶融金属に好ましくない流れを生じさせてしまい、これらの結果、被覆層表面の平滑度を低下させていた。従って、溶融部に作用する電磁攪拌力を溶融部の厚さに応じて過度にならないよう抑制することによってこれらの問題点を解決できる。一方、溶融部に作用する電磁攪拌力は、適用される全誘導電流の内、溶融部に流れる誘導電流の密度（特に表層の誘導電流密度）の大きさに依存しており、従って、この誘導電流密度を小さく抑制すればよく、また、誘導電流密度は誘導子によって供給される被覆層の単位面積当りの電力密度に比例するので、結局、電力密度を低く抑制すればよい。
【０００６】
しかしながら、単に電力密度を低くするのみでは、被覆層の加熱、溶融に時間がかかり、処理速度（一次被覆層に対する誘導子の相対的な移動速度）を低下させなければならないとか、誘導子の長さを長くしなければならないといった問題が生じる。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みて為されたもので、母材表面に形成した一次被覆層を誘導加熱によって再溶融処理して緻密な金属被覆層を形成するに際し、被覆層表面に凹みやくびれ等の欠陥が生じることを防止して表面平滑度の高い金属被覆層を形成することの可能な、また、処理速度が速く、且つ／或いは、短い誘導子を使用可能な金属被覆層の形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願第一の発明は、母材表面に溶射等によって形成した一次被覆層を誘導加熱によって再溶融処理するに際し、少なくとも前記一次被覆層の溶融時における誘導電流の電流浸透深さを前記一次被覆層の厚さの１．５倍以上とすることを特徴とする。このように、電流浸透深さを一次被覆層厚さの１．５倍以上とすると、従来行われているように電流浸透深さが、一次被覆層厚さと同程度か或いは浅い場合に比べて、単位面積当りの電力密度を一定とした場合における、母材を流れる誘導電流（その誘導電流による発熱熱量も一次被覆層に伝達され溶融に使用される）が大きくなり、その分、一次被覆層の誘導電流密度が小さくなり、ひいては表層の誘導電流密度が小さくなる。これによって溶融層に作用する電磁攪拌力が小さくなり、従来厚い被覆層を処理する際に生じていた被覆層の凹み、くびれ等を防止できる。
【０００９】
また、電流浸透深さを一次被覆層厚さの１．５倍以上とした本発明では、従来のような電流浸透深さが小さい場合と違って、表層の誘導電流密度（最大電磁攪拌力に対応）を、電磁攪拌力が被覆層表面に凹みやくびれが生じないような一定の大きさに抑制しさえすれば、電力密度を高めても凹み等が生じないことから、大電力を適用して処理速度を大きくできるとか、誘導子を短くできるといった効果が得られる。
【００１０】
本願第二の発明は、一次被覆層を誘導加熱によって再溶融処理するための誘導子を、移動方向に対して前段誘導子と後段誘導子に電気的に分割し、その後段誘導子による誘導電流の電流浸透深さを前記一次被覆層厚さの１．５倍以上とし、更に、前記前段誘導子と後段誘導子が加熱対象に対して付与する電力配分を、前記前段誘導子で前記一次被覆層をその融点ないしは融点近くまで昇温させ、融点ないしは融点近くまで昇温した一次被覆層を前記後段誘導子で溶融処理することができるように設定し、更に、前記前段誘導子が加熱対象に供給する単位表面積当たりの電力密度を、一次被覆層の敏速な加熱が可能なよう高く設定し、前記後段誘導子が加熱対象に供給する単位表面積当たりの電力密度を、溶融した一次被覆層に加わる電磁攪拌力が許容値以下となるように低く設定したことを特徴とする。なお、ここで、金属条材が合金の場合には溶融相の存否を分ける固相線の温度を以て融点とする。本願第二の発明ではこの構成により、電磁攪拌力の悪影響を受けない固相状態の一次被覆層を、短い前段誘導子で敏速に融点ないしは融点近くまで昇温させることができ、また、融点ないしは融点近くまで昇温した一次被覆層を後段誘導子が低い電力密度で加熱、溶融させるため、溶融部の誘導電流密度が小さく、従って電磁攪拌力も小さく抑制されており、被覆層の凹み、くびれ等を防止しながら、所望の溶融処理を行うことができる。しかも、後段誘導子が一次被覆層に付与すべき熱量は小さくて良いので、低電力密度でも処理時間をさほど必要とせず、また誘導子の長さをあまり必要としない。このため、第二の発明でも、被覆層の凹み、くびれ等を生じることなく敏速な溶融処理が可能となり、また、誘導子全体の長さを短くできるといった効果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、母材の表面に、金属材料の一次被覆層を溶射法等を用いて形成し、その後、前記一次被覆層の小領域を局部的に誘導子を用いて誘導加熱し、前記一次被覆層を溶融させると共にその誘導子を前記一次被覆層に沿って相対的に移動させることによってその溶融部を一次被覆層に沿って移動させてゆき、前記溶融部に作用する電磁攪拌力を利用して、前記一次被覆層に存在していた気孔及び酸化物を除去し、緻密な二次被覆層とする方法に関する。
【００１２】
本発明において用いる母材の形態、材質等は特に限定されるものでなく、表面に金属被覆層を形成する必要のあるものであれば任意である。例えば、母材の形態としては、管体、棒材、Ｈ型材、Ｌ型材等の任意断面の条材、平板等を挙げることができ、また、材質としては、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼、鋳鋼、鋳鉄、Ｎｉ基合金、Ｃｕ基合金等を挙げることができる。母材の表面に形成する被覆層の材料としては、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、あるいはこれらにＷＣ、Ｃｒ3 Ｃ2 、ＴｉＢ2 等の硬質材微粒子を配合したもの等を挙げることができる。又、被覆層の材料には、再溶融が円滑に行えるよう、Ｂ、Ｓｉなどのフラックス生成成分を配合して自溶性を具備させておくことが望ましい。母材に対して金属材料の一次被覆層を形成する方法は、溶射法が一般的であるが、それ以外にも圧密法、遠心堆積法、スラリー塗布法等を採用しうる。一次被覆層の厚さは、所期の厚さの被覆層（二次被覆層）が最終的に得られるように定めるものであり、本発明は如何なる厚さの被覆層にも適用しうるが、従来、凹みやくびれの発生といった問題を生じていた２ｍｍを越えるような厚膜被覆に適用して前記効果を得ることに特段の意義がある。
【００１３】
上記したように、本発明では一次被覆層の溶融処理のために、一次被覆層の小領域を局部的に誘導子を用いて誘導加熱し、その誘導子を前記一次被覆層に沿って相対的に移動させることによって、一次被覆層の全長を溶融処理する。ここで使用する誘導子の形状は、一次被覆層及び母材の形状に応じて適宜定めればよく、例えば、母材が管体等の条材でその外周面に一次被覆層が形成されている場合には、その条材を取り囲むように配置された環状の誘導子（１周巻きないしは複数巻き）を用い、母材が管体でその内周面に一次被覆層が形成されている場合には、その管体内に、内周面に対向して配置された環状の誘導子を用い、又、管体の内外面に形成した一次被覆層に対してその内外に配置された誘導子で溶融処理を行うこともできるが、管体や棒材の場合には、管体や棒材をその軸線を中心として回転させ、円周方向に均等な処理が施されるようにすることが好ましい。母材が板材であって、その板面に一次被覆層が形成されている場合には、誘導子としてその平面にほぼ平行な面内に配置される線状、Ｕ字状ないしは渦巻き状の誘導子を、あるいは、板材を短辺方向に取り囲んだ環状の誘導子を用いればよい。
【００１４】
次に、誘導子で加熱される小領域の大きさ、誘導子による供給電力、誘導子と一次被覆層との相対的移動速度等を、母材の代表例である管体を例に採って説明する。図３は母材（金属管）１０の外周面に形成している一次被覆層１１を溶融加熱する場合を概略的に示すものであり、母材１０の周囲に環状の誘導子１２（長さＬ）を配置している。この誘導子１２を用いて一次被覆層１１を溶融処理するには、その誘導子１２に通電して一次被覆層１１の誘導子１２に対向する小領域（長さＬの領域）を誘導加熱しながら、その誘導子１２を母材１０に対して相対的に移動させる（移動速度Ｖ）。ここで、誘導子１２が加熱対象（一次被覆層及びその下の母材）の単位面積当たりに供給する電力密度Ｐe を円周方向、長手方向ともに均一とすると、一次被覆層１１上に想定した単位面積部分１１ａが、誘導子１２の下を通過する際、継続して一定の電力密度Ｐe を受けて昇温してゆき、誘導子１２を通り過ぎた時点で加熱されなくなり、温度が低下してゆく。この温度変化を時間軸に対して、簡単化して記録したのが図４のグラフに実線で示す特性線１４であり、時間ｔ0 で単位面積部分１１ａに対する加熱が開始され、時間ｔ1 で融点Ｔm に到達し、時間ｔ2 （＝Ｌ／Ｖ）で、単位面積部分１１ａが誘導子１２を通り抜けて加熱が終了する（その時の到達温度はＴe ）。従って、時間ｔ1 〜時間ｔ2 間で一次被覆層が溶融処理され、気孔の除去などが行われる。なお、誘導子による加熱中（時間ｔ0 〜時間ｔ2 ）の昇温特性は、厳密には、温度による放熱量の変化、誘導電流密度の変化、相変化に要する熱量等によって、必ずしも直線状とはならないが、特性線１４では、簡略化して直線で示した。
【００１５】
ここで、電力密度Ｐe を大きくすると、特性線１５で示すように昇温速度が早くなり、電力密度Ｐe を小さくすると、特性線１６で示すように昇温速度が遅くなる。従って、一次被覆層１１の材料物性に応じて、最終到達温度Ｔe を設定するとか、溶融処理時間（ｔ1 〜ｔ2 間）を適切な値に設定した場合、電力密度Ｐe の値に応じて誘導子１２の長さＬ及び処理速度Ｖが定まることとなり、また、逆に、処理速度Ｖ及び誘導子１２の長さＬを定めると、それに応じて必要な電力密度Ｐe が定まることとなる。電力密度Ｐe は長手方向に必ずしも一定とする必要はなく、誘導子１２を長手方向（移動方向）に分割し、それぞれの電力密度を変化させることで、誘導子の長さＬや処理速度Ｖを変えることもできる。一方、一次被覆層１１に加える電力密度Ｐe は、一次被覆層１１が溶融した時、その溶融部に過大な電磁攪拌力が作用しないように制限される。
【００１６】
本願第一の発明は、上記したように誘導子を一次被覆層に沿って相対的に移動させながら一次被覆層を誘導加熱する際に、少なくとも一次被覆層の溶融時における誘導電流の電流浸透深さを一次被覆層の厚さの１．５倍以上とすることを特徴とする。ここで、誘導電流の電流浸透深さとは、誘導電流密度Ｉ1 が、表面の誘導電流密度Ｉ0 の１／ｅの大きさとなる位置の、表面からの距離（深さ）を意味している。すなわち、図２に示すように、被加熱材２０を誘導子２１によって誘導加熱した際に、その被加熱材２０内を流れる誘導電流密度は、曲線２２で示すように、表面の誘導電流密度Ｉ0 から指数関数的に減少しており、誘導電流密度Ｉ1 が、表面の誘導電流密度Ｉ0 の１／ｅの大きさとなる位置の、表面からの距離（深さ）δが、誘導電流の電流浸透深さである。ここで、被加熱材２０の固有抵抗をρ（Ω−ｃｍ）、比透磁率をμ、誘導加熱の周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、電流浸透深さδ（ｃｍ）は、数式１で表される。因に、表面から電流浸透深さδまでの間に、被加熱材２０の吸収電力の約９０％が存在することとなる。
【００１７】
【数１】
0003846761.tif 000002
【００１８】
本願第一の発明は上記したように、母材表面の一次被覆層を誘導加熱して溶融させている時における誘導電流の電流浸透深さδを一次被覆層の厚さｄの１．５倍以上とするものである（図１参照）。ここで、上記した数式１に示すように、電流浸透深さδは固有抵抗ρの関数であり、この固有抵抗ρとしては、溶融状態にある一次被覆層１１の固有抵抗を採用する。なお、溶融状態にある一次被覆層１１の固有抵抗は、固相状態である母材１０の固有抵抗に比べると大きく、従って、厳密には母材１０内に生じる誘導電流密度は曲線２４から少しずれた曲線となるが、その差はさほど大きくなく、また、一次被覆層１１内の（特に表層の）誘導電流密度の大きさが、被覆層の凹み、くびれ等の発生に影響してるので、図１に示す曲線２４のように電流密度が変化すると仮定しても支障はない。
【００１９】
数式１から明らかなように、電流浸透深さδは、ρとｆの関数であり、そのうちρは、一次被覆層の材質によって定まる定数である。従って、本発明の実施に当たっては、誘導加熱を行うための周波数ｆを一次被覆層の厚さに応じて低く設定することで、電流浸透深さδを一次被覆層の厚さｄの１．５倍以上とすることができる。例えば、一次被覆層１１の材質をＳＦＮｉ４（自溶合金）とした場合、溶融時の固有抵抗ρは１１０μΩ−ｃｍ程度であるので、一次被覆層１１の厚さを０．４ｃｍとすると、電流浸透深さδを一次被覆層厚さの１．５倍以上とするには、周波数ｆを７．７ｋＨｚ以下とすればよい。
【００２０】
図１に曲線２４で示すように、電流浸透深さδを一次被覆層１１の厚さｄに比べてかなり大きくした電流分布を採用すると、母材１０の表層部分（一次被覆層１１に接する部分）にもかなりの誘導電流が流れており、この部分を発熱させ、それが一次被覆層１１の溶融にも利用される。従って、一次被覆層１１の溶融に必要な電力を、一次被覆層１１を流れる誘導電流のみで得る必要がなく、その分一次被覆層１１を流れる誘導電流を小さくできる。もし、電流浸透深さδを小さく、例えば、一次被覆層１１の厚さに等しくすると、誘導子１２で同じ電力密度Ｐe を供給すると仮定した時の電流密度分布は、図１に二点鎖線で示す曲線２５のようになり、曲線２４の場合と比べて一次被覆層を流れる電流の密度が大となる。この曲線２５では表層の誘導電流密度Ｉ0 ′が、曲線２４における表層の誘導電流密度Ｉ0 に比べてかなり大きくなっている。
【００２１】
このように、従来は、電流浸透深さδを浅く、一次被覆層１１の厚さ程度に設定していたことにより、表面の誘導電流密度Ｉ0 ′がきわめて大きくなっており、この誘導電流密度に応じた大きい電磁攪拌力が作用するため、被覆層の表面に凹みやくびれが発生していたが、本願第一の発明では、同一の電力密度とした場合、誘導電流密度が曲線２４のように分布しており、一次被覆層１１を流れる誘導電流密度を小さく、特に表層の誘導電流密度Ｉ0 を小さくでき、このためその部分に作用する電磁攪拌力が小さくなり、従来発生していたような被覆層表面の凹みやくびれの発生を防止できる。また、逆に、一次被覆層１１の表層の誘導電流密度Ｉ0 が許容最大値（電磁攪拌力によるへこみやくびれの発生を防止できる時の最大値）となるように供給電力密度を設定したとすると、本願第一の発明の場合が、電流浸透深さδを浅くした場合に比べて、供給電力密度を大きく設定でき、従って、一次被覆層１１の加熱速度（図４のグラフにおける特性線１４の勾配）を大きくでき、処理速度を早めるとか、誘導子１２の長さを短くできる等の利点が得られる。
【００２２】
本発明者が確認した結果、電力密度Ｐe を一定とした状態で、電流浸透深さδを一次被覆層１１の厚さｄに等しい値から大きくしていった際、一次被覆層の厚さｄの１．５倍程度に達するまでは、表層の誘導電流密度の値が急激に減少しており、このため、電流浸透深さδを一次被覆層の厚さｄの１．５倍以上に設定することで、表層の誘導電流密度Ｉ0 を効果的に小さくでき、その部分に作用する電磁攪拌力を減少させることができる。従って、本願第一の発明では、電流浸透深さδを一次被覆層の厚さｄの１．５倍以上とするという限定を採用する。なお、この電流浸透深さδは、大きくするほど、表層の誘導電流密度Ｉ0 を小さくすることは可能であるが、あまり大きくすると、発生熱量が一次被覆層１１の溶融以外に使用され（母材１０の深い部分の加熱に使用され）、一次被覆層１１の加熱効率が低下して好ましくない。この点を考慮すると、電流浸透深さδは、一次被覆層１１の厚さの５倍程度に留めることが好ましい。
【００２３】
次に、本願第二の発明では、上記したように誘導子を一次被覆層に沿って相対的に移動させながら一次被覆層を誘導加熱する方法おいて、図５に示すように、誘導子１２を、移動方向に対して前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂに電気的に分割し、その前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂが加熱対象（一次被覆層１１及び母材１０）に対して付与する電力配分を、前段誘導子１２ａで一次被覆層１１を、その融点ないしは融点近くまで昇温させ、融点ないしは融点近くまで昇温した一次被覆層１１を後段誘導子１２ｂで溶融処理することができるように設定し、更に、前段誘導子１２ａが加熱対象に供給する単位表面積当たりの電力密度Ｐeaを、一次被覆層の敏速な加熱が可能なよう高く設定し、後段誘導子１２ｂが加熱対象に供給する単位表面積当たりの電力密度Ｐebを、溶融した一次被覆層１１に加わる電磁攪拌力が許容値以下となるように低く設定したことを特徴とする。このように設定すると、一次被覆層１１上に想定した任意の単位面積部分１１ａが、誘導子１２の下を通過する際の温度変化は、たとえば図６のクラフに示す特性線３０のようになる。すなわち、時間ｔ0 で加熱が開始され、前段誘導子１２ａの下を通過する間（時間ｔ1 ＝Ｌa ／Ｖまで）は急速な加熱が行われ、前段誘導子１２ａの出口部分では融点Ｔm に接近した温度Ｔi に到達し、その後は、後段誘導子１２ｂによってゆっくりと昇温し、時間ｔ2 で融点Ｔm に到達し、時間ｔ3 （＝Ｌ／Ｖ）で加熱が終了する（最終到達温度はＴe ）。従って、時間ｔ2 〜時間ｔ3 間で一次被覆層が溶融処理され、気孔の除去などが行われる。
【００２４】
ここで、後段誘導子１２ｂによる一次被覆層１１の溶融処理時には、電力密度Ｐebを低く押さえて、溶融部に加わる電磁攪拌力が許容値以下となるようにしているので、被覆層表面に凹みやくびれを生じさせることなく処理が可能であり、その前の、一次被覆層１１が固相状態で電磁攪拌力を受けない時には、大電力密度Ｐeaを加えるので、短い前段誘導子１２ａで敏速に昇温させることができ、結局、比較的短い誘導子１２を用いて所定の処理が可能となる。もし、電力密度を前段、後段に分割しなければ、全体を後段の電力密度Ｐebで処理しなけれならず、その場合、昇温速度は低いので、誘導子１２の長さを長くするか、或いは処理速度Ｖを小さくしなければならない。本願第二の発明では、この問題点を解消できる。
【００２５】
本願第二の発明を効果的に実施するには、前段誘導子１２ａの出口での一次被覆層１１の温度Ｔi を、融点Ｔm としてもよいが、この段階では溶融が進まない方が良いので、前段誘導子１２ａの出口での温度Ｔi を、融点Ｔm の９０〜９５％程度の値（絶対温度比）に設定するのが良い。この温度から融点Ｔm 迄の昇温については、後段誘導子によってもさしたる時間を要しない。
【００２６】
前記したように、後段誘導子１２ｂの電力密度Ｐebは、溶融部に加わる電磁攪拌力が許容値以下となるように、従って、表層での誘導電流密度が許容値以下となるように設定するが、その際、電流浸透深さδは表層での誘導電流密度に影響している。すなわち、図１で説明したように、同じ電力密度Ｐebに対しても、電流浸透深さδが異なると変化しており、換言すれば、表層での誘導電流密度を同じとした場合に、電流浸透深さδを大きくすることで、電力密度Ｐebを大きく設定できる。従って、本願第二の発明の実施に当たっても、後段誘導子１２ｂによる電流浸透深さδを、一次被覆層１１の厚さの１．５倍以上とする。一方、前段誘導子１２ａでは電磁攪拌力による悪影響は生じないので、表層の誘導電流密度を小さく押さえる必要はなく、従って、電流浸透深さδは一次被覆層１１の加熱効率を考慮して、一次被覆層１１の厚さにほぼ等しく設定すればよい。ただし、前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂを共通の電源装置に接続する場合には、印加周波数が同一となり、電流浸透深さδは同一となるので、たとえば、前段と後段の所要時間が最小となるように浸透深さ（即ち印加周波数）を選定すればよい。
【００２７】
なお、図５では、前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂを近接させた状態としているが、両者は必ずしも近接させて配置する必要はなく、適当に間隔をあけて配置してもよい。間隔をあけた場合の方が、両誘導子１２ａ、１２ｂの干渉作用が回避され、好ましい。
【００２８】
前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂとは、共通の電源装置により稼働させるようにすれば電源装置コストが小さくて済み、一方、それぞれ別個の電源装置で稼働させるようにすれば、ぞれぞれ、所望の印加周波数（電流浸透深さ）、所望の電力密度に設定することができて生産速度の向上が容易になる。多くの場合、共通の電源装置で十分対応できるので、以下、共通の電源装置を使用する場合における電力配分並びに電力密度の設定について説明する。
【００２９】
図７は、管体からなる母材１０の外周面に形成した一次被覆層１１を溶融処理するための誘導子１２を、前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂに分割し、且つそれらを共通の電源装置３５に接続して使用する場合の例を示すものである。この実施例では前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂが共に、母材１０を取り囲んで配置された環状のものであり、電源装置３５に対して並列に接続されている。ここで、前段誘導子１２ａ、後段誘導子１２ｂのコイル巻数をＮa 、Ｎb 、コイル幅をＦa 、Ｆb 、前、後段誘導子に対面する加熱対象のインピーダンス比（詳細は後述）をβ、加熱電力をＰ0 とすると、前段誘導子１２ａ、後段誘導子１２ｂに配分される電力Ｐa 、Ｐb 及びその比λ1 は、数式２、数式３、数式４となる。
【００３０】
【数２】
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【００３１】
【数３】
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【００３２】
【数４】
0003846761.tif 000005
【００３３】
また、前段誘導子１２ａ、後段誘導子１２ｂに対面する一次被覆層１１の単位表面積当たりの電力密度Ｐea、Ｐeb及びその比λ2 は、数式５、数式６、数式７となる。
【００３４】
【数５】
0003846761.tif 000006
【００３５】
【数６】
0003846761.tif 000007
【００３６】
【数７】
0003846761.tif 000008
【００３７】
以上の数式２〜７を基にして、前、後段誘導子のそれぞれのコイル巻数、コイル幅、前、後段誘導子に対面する加熱対象のインピーダンス比等を調整することで、前、後段誘導子に対する所望の電力配分（Ｐa ／Ｐ0 、Ｐb ／Ｐ0 ）、電力密度Ｐea、Ｐeb等を得ることができる。例えば、図６に示すグラフに線３０で示す昇温特性を得る場合、前段誘導子１２ａの出口温度が適正値（Ｔi ）となるようにするには、昇温温度が電力Ｐa 、Ｐb に比例するものとして、数式２を用いて、コイル巻数Ｎa 、Ｎb 、インピーダンス比βを設定すればよい。すなわち、前段誘導子１２ａの出口温度Ｔi を、融点Ｔm の９５％程度に、最終温度Ｔe の９０％程度に設定する場合には、
Ｐa ／Ｐ0 ＝０．９０
となるように、数式２からコイル巻数Ｎ1 、Ｎ2 、インピーダンス比βを設定すればよい。なお、数式２から求めるものは目安であり、正確には、数値計算（ＦＥＭ等）や、実負荷試験で求めるとよい。
【００３８】
また、後段誘導子１２ｂでは、過大な電磁攪拌力が作用しないよう、電力密度Ｐebを小さく押さえ、ゆっくりと昇温させ、また、必要な攪拌時間を与えることが必要であり、このため、電力密度Ｐebを正確に設定することが好ましい。この電力密度Ｐebの設定は数式６を用いて行うことができる。
【００３９】
ここで、インピーダンス比β及び後段誘導子１２ｂのコイル巻数Ｎb が、前段誘導子１２ａの出口温度及び後段誘導子１２ｂによる電力密度Ｐebに及ぼす影響をグラフ化して示すと、図８、図９のようになる。図８、図９において、縦軸に示すｕは、最終温度Ｔe に対する出口温度Ｔi の比率、すなわち、
ｕ＝Ｔi ／Ｔe 
であり、また、Ｐeb′は、全電力Ｐ0 を１巻のコイルで供給する場合の電力密度に対する後段誘導子１２ｂによる電力密度Ｐebの比率、すなわち、
Ｐeb′＝Ｐeb／（Ｐ0 ／πＤＦ）
である。図８は前段誘導子１２ａのコイル巻数Ｎa を１、図９はコイル巻数Ｎa を２とした場合のものである。
【００４０】
図８、図９から分かるように、前段誘導子１２ａのコイル巻数Ｎa を小さくし、後段誘導子１２ｂのコイル巻数Ｎb を大きくすることで、前段誘導子１２ａの電力配分を大きくして前段誘導子の出口温度Ｔi を高めることができ、また、後段誘導子１２ｂによる電力密度Ｐebを低くすることができる。また、インピーダンス比βを大きくすることでも同様な傾向が得られる。従って、コイル巻数Ｎa 、Ｎb やインピーダンス比βの調整により所望の昇温特性を得ることができる。特に、コイル巻数Ｎb を大きくした場合には電力密度Ｐebが小さくなり、且つその変化が少なくなるので、電力密度Ｐebをこまかく設定でき、好ましい。
【００４１】
上記した数式２〜７で使用したインピーダンス比βは、
β＝（後段誘導子のコイル１巻き当たりのインピーダンスＺb ）／（前段誘導子のコイル１巻き当たりのインピーダンスＺa ）
とした。
【００４２】
ここで、加熱対象を含んだコイルの等価回路は、図１０に示すように表すことができ、従って、インピーダンスＺa 、Ｚb は、コイル自体のインピーダンス（Ｒc 、Ｘc ）、加熱対象のインピーダンス（Ｒ、Ｘ）、コイルと加熱対象との間の空隙のインピーダンス（Ｘg ）を含んだものとなる。このうち、加熱対象のインピーダンス（Ｒ、Ｘ）はそれぞれ加熱対象の抵抗率の平方根（√ρ）に比例しており、且つその抵抗率ρは、加熱対象（一次被覆層１１）が固相の場合よりも液相の場合の方がかなり大きいので、他のファクタを同じとすれば、後段誘導子１２ｂにおけるインピーダンスＺb が前段誘導子１２ａにおけるインピーダンスＺa よりもかなり大きく、従って、インピーダンス比βは、１よりも少し大きい値となる。空隙のインピーダンス（Ｘg ）は、空隙の面積に比例しており、この空隙の面積は適宜変更できるので、この空隙の面積を変えることでインピーダンス比βを自在に変えることができる。例えば、図７に示すように、前段誘導子１２ａよりも後段誘導子１２ｂの空隙を大きくすることで、インピーダンス比βを大きく、例えば、４〜６にもできる。ただし、空隙の面積を大きくすると、加熱効率が低下するので、その効率も考慮して空隙の幅を定めることとなる。更に、コイル幅ＦA 、ＦB を変えてもインピーダンスは変化する（コイル幅を小さくすると、インピーダンスは大となる）ので、コイル幅ＦA 、ＦB を変えることによってもインピーダンス比βを調整できる。従って、前記したように、前段誘導子１２ａ、後段誘導子１２ｂの巻数やコイル幅等の設定時には、このインピーダンス比βを適当な値となるように調整することで、所望の昇温特性を得るように設定することができる。
【００４３】
【実施例】
図７に示すように、管体からなる母材１０に対する誘導子１２として、前段誘導子１２ａと後段誘導子１２ｂに分割し、且つ共通の電源装置３５に並列に接続する構成のものを、母材１０のサイズを、外径５２ｍｍ、肉厚６ｍｍとし、数式２〜７を基にして設計し、次の仕様を得た。
0003846761.tif 000009
【００４４】
この仕様の誘導子１２では、インピーダンス比β＝６であり、従って、図９において、この誘導子１２によるｕ（＝Ｔi ／Ｔ0 ）及びＰeb′［＝Ｐeb／（Ｐ0 ／πＤＦ）］は、それぞれ点Ｐ、Ｑで示す値となる。
【００４５】
この誘導子１２Ａによる溶融処理対象として、一次被覆層材質をＳＦＮｉ４（ＪＩＳ  Ｈ８３０３に規定のＮｉ基自溶性合金。融点：１０００±２０°Ｃ）とし、その厚さｄをそれぞれ１、２、３、４、５ｍｍとした試料１、２、３、４、５を用意した。そして、各試料に対して誘導子１２Ａを用い、且つ加工速度（誘導子１２Ａに対する試料の移動速度）を５ｍｍ／ｓとし、且つ表１に示す加工条件で溶融処理を行った。なお、被覆層１１の固有抵抗ρは１１０μΩ−ｃｍであるので、電流浸透深さδは、数式１から計算すると、周波数９．８ｋＨｚの時、δ＝５．３３ｍｍ、周波数４．５ｋＨｚの時、δ＝７．８６ｍｍとなる。この値から、被膜厚さｄに対する倍率（δ／ｄ）を求めたので、その値も表１に記載する。
【００４６】
各溶融処理時における各温度を測定し、また、後段誘導子１２ｂに対向する試料の単位表面積当たりの電力密度Ｐebを計算で求め、その結果も表１に記載する。更に、各溶融処理後の被覆層表面品質を目視検査し、その結果も表１に記載する。表１の品質欄における「○」は表面が平滑で良好な外観を呈していた場合を、「×」は表面に凹み或いはくびれが生じていた場合を示す。
【００４７】
【表１】
0003846761.tif 000010
【００４８】
表１から良く分かるように、いずれの試料に対する溶融処理においても、前段誘導子出口温度Ｔi は、融点にきわめて近い温度となっており、従って、コイル巻数２の短い前段誘導子１２ａによって一次被覆層１１を敏速に加熱、昇温させることができ、その後ろの後段誘導子１２ｂにおいて小さい電力密度で被覆層を加熱し、溶融処理している。このため、溶融部に作用する電磁攪拌力が小さくなり、良好な処理が行われている（テスト１〜３、６〜８）。しかしながら、テスト４、５では小さい電力密度で被覆層を加熱し、溶融処理しているにもかかわらず、表面品質が悪くなっている。これは、電流浸透深さの被覆層厚さに対する倍率が小さいため（１．３３及び１．０７）、表層の電流密度が高くなり、大きい電磁攪拌力が作用しているためと思われる。かくして、電流浸透深さの被覆層厚さに対する倍率を大きく（例えば、１．５倍以上に）することにより、電磁攪拌力を小さくして、表面品質の低下を防止できることが分かる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本願第一の発明は、少なくとも一次被覆層を誘導加熱して溶融させている時における誘導電流の電流浸透深さを一次被覆層の厚さの１．５倍以上とすることにより、一次被覆層の誘導電流密度を、特に表層の誘導電流密度を小さくでき、これによって溶融層に作用する電磁攪拌力を小さくして被覆層の凹み、くびれ等の発生を防止でき、良好な品質の金属被覆層を形成できるという効果を有している。
【００５０】
また、本願第二の発明は、一次被覆層を誘導加熱によって再溶融処理するための誘導子を、移動方向に対して前段誘導子と後段誘導子に電気的に分割し、前段誘導子を高電力密度、後段誘導子を低電力密度とすることで、一次被覆層を前段誘導子で融点ないしは融点近くまで敏速に昇温させ、後段誘導子では、溶融部に作用する電磁攪拌力を小さく押さえた状態で溶融処理することができ、良好な品質の金属被覆層を比較的短い誘導子を用いて、或いは処理速度を高くして、形成できるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】母材表面の一次被覆層を誘導子で誘導加熱する状態を説明する概略断面図及びその一次被覆層及び母材内における誘導電流密度分布を示すグラフ
【図２】一般的な被加熱材を誘導子で誘導加熱する状態を説明する概略断面図及びその被加熱材内における誘導電流密度分布を示すグラフ
【図３】管体からなる母材表面の一次被覆層を誘導子で加熱する状態を説明する概略断面図
【図４】図３に示す状態で一次被覆層を加熱する際の昇温特性を示すグラフ
【図５】管体からなる母材表面の一次被覆層を誘導子で且つ本願第二の発明を適用して加熱する状態を説明する概略断面図
【図６】図５に示す状態で一次被覆層を加熱する際の昇温特性を示すグラフ
【図７】管体からなる母材表面の一次被覆層を、共通の電源装置に接続された前段誘導子及び後段誘導子で加熱する状態を説明する概略断面図
【図８】図７に示す構成の前段誘導子、後段誘導子を用いた場合の、且つ前段誘導子の巻数を１とした場合の、後段誘導子の巻数Ｎb に対するｕ、Ｐeb′の関係を示すグラフ
【図９】図７に示す構成の前段誘導子、後段誘導子を用いた場合の、且つ前段誘導子の巻数を２とした場合の、後段誘導子の巻数Ｎb に対するｕ、Ｐeb′の関係を示すグラフ
【図１０】図７に示す構成の前段誘導子、後段誘導子のインピーダンスを説明する回路図
【図１１】従来の方法で管体外周の被覆層を処理する状態を示す概略側面図
【図１２】図１１とは異なる従来の方法で管体外周の被覆層を処理する状態を示す概略側面図
【符号の説明】
１０  母材（管体）
１１  一次被覆層
１２  誘導子
１２ａ  前段誘導子
１２ｂ  後段誘導子
３５  電源装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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