JPH0480376A - Method of alloying metal surface - Google Patents
Method of alloying metal surfaceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は金属表面合金化方法に関する。[Detailed description of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a method for alloying metal surfaces.
（従来の技術）
母材の表面に合金化要素を膜状に形成し、これに表面か
ら電子ビームを照射して溶融し、母材表面を合金化して
、硬度、耐摩耗、耐腐食、耐熱などの特性を改良する方
法は、すでによく知られている。(Prior technology) Alloying elements are formed in the form of a film on the surface of a base material, which is irradiated with an electron beam from the surface and melted, thereby alloying the surface of the base material to improve hardness, wear resistance, corrosion resistance, and heat resistance. Methods for improving properties such as these are already well known.
従来ではこのような合金化方法に使用される電子ビーム
は、連続ビームであって、パワー密度部／ａｌ＞を上げ
るために、これを径が１＋ｕ＋以下になるように絞って
照射するようにしている。Conventionally, the electron beam used in such an alloying method is a continuous beam, and in order to increase the power density part /al>, it is focused and irradiated so that the diameter is 1+u+ or less. There is.
（発明が解決しようとする課題）
しかしこのような連続する電子ビームを使用するときは
、ビーム径が小さいため、大面積を一括処理するのには
不向きであり、スキャン処理のための機構を設けなけれ
ばならない。そのためどうしても低速処理とならざるを
得ない。(Problem to be solved by the invention) However, when using such a continuous electron beam, the beam diameter is small, so it is not suitable for processing a large area at once, and a mechanism for scanning processing is required. There must be. Therefore, slow processing is inevitable.
またこの方法では、ビームを照射しつつある過程におい
て、合金化すべき表層部具外の場所、たとえば母材全体
へ熱が逃げていってしまうため、熱効率が極めて悪い、
しかもそのため母材に、ひずみ、変質などの熱的悪影響
を与えてしまうようになる。In addition, in this method, during the process of irradiating the beam, heat escapes to places outside the surface layer parts to be alloyed, such as the entire base material, so the thermal efficiency is extremely low.
Moreover, this causes adverse thermal effects such as distortion and alteration on the base material.
この発明は、電子ビームによって合金化するにあたり、
スキャン処理を必要とせず、しかも高いエネルギー効率
による照射を可能とすることを目的とする。In this invention, when alloying with an electron beam,
The purpose is to enable irradiation with high energy efficiency without requiring scanning processing.
（ｍ１題を解決するための手段）
この発明は、母材上に合金化要素を付着させ、これにパ
ルス電子ビームを照射して、合金化要訓および母材の表
層を溶融して、その表層を合金イ１することを特徴とす
る。(Means for solving problem m1) This invention attaches an alloying element onto a base material, irradiates it with a pulsed electron beam, melts the alloying element and the surface layer of the base material, and It is characterized by the surface layer being made of alloy A1.
（作用）
パルス電子ビームで照射すると、これが短パ）Ｌスであ
るため、与えられたエネルギーはほとんと逃げることな
く、断熱的に合金化すべき部分を力１熱する。(Function) When irradiated with a pulsed electron beam, since this is a short path, the applied energy hardly escapes and heats the part to be adiabatically alloyed.
またパルス電子ビームは大きな面積の面状ビームとして
発生できるので、単発照射で大面積。In addition, the pulsed electron beam can be generated as a planar beam with a large area, so a single irradiation can cover a large area.
括合金化処理ができる。Capable of bracket alloying treatment.
（実施例）
この発明の詳細な説明する。第１図はパルス電子ビーム
を発生するための構成の一例を示し、これはエネルギー
蓄積コンデンサ１に蓄えられた電気エネルギーを、スイ
ッチ２を用いてパルス放電させる。(Example) This invention will be explained in detail. FIG. 1 shows an example of a configuration for generating a pulsed electron beam, in which electrical energy stored in an energy storage capacitor 1 is discharged in pulses using a switch 2. In FIG.
放電エネルギーは、パルス成形部３．出力スイッチ４に
より、高電圧、短パルスへと波形成形される。そしてア
ノード５、カソード６からなる電子ビームダイオード部
７（真空）に印加する。The discharge energy is supplied to the pulse forming section 3. The output switch 4 shapes the waveform into a high voltage, short pulse. Then, the electron beam is applied to an electron beam diode section 7 (vacuum) consisting of an anode 5 and a cathode 6.
なおりソード６はコールドカソードで、その材料として
は、高融点金属フォイルのエツジ、チーズブレータ、カ
ーボンフェルト、ベルベットなどからなり、カソード基
板の全面に一様に取り付けられている。The sword 6 is a cold cathode made of high melting point metal foil edge, cheese breaker, carbon felt, velvet, etc., and is uniformly attached to the entire surface of the cathode substrate.
またアノード５は、パルス電子ビーム８が透過可能な金
属薄膜、金属メツシュ、金属多孔体などによって構成さ
れである。The anode 5 is made of a metal thin film, a metal mesh, a metal porous body, etc. through which the pulsed electron beam 8 can pass.
カソード６とアノード５との間にパルス電圧を印加する
と、カソード６からの電界放出、並びにそれに伴って発
生するカソード表面プラズマより、面状（シャワー状）
のパルス電子ビーム８が均一に発生するにれを台９の上
にある母材１０の表層１２に照射する。When a pulse voltage is applied between the cathode 6 and the anode 5, field emission from the cathode 6 and accompanying cathode surface plasma generate a planar (shower-like)
The pulsed electron beam 8 uniformly irradiates the surface layer 12 of the base material 10 on the table 9.
母材１０の表層１２には１合金化要素（元素、合金、化
合物等）１１が、塗布、メツキ、溶射、ＰＶＤ （蒸着
、スパッタ、ブレーティング等）、ＣＶＤ等の手法によ
り付着されである。An alloying element (element, alloy, compound, etc.) 11 is attached to the surface layer 12 of the base material 10 by a method such as coating, plating, thermal spraying, PVD (vapor deposition, sputtering, blating, etc.), CVD, or the like.
次にこの発明方法の仕様について説明する。例として、
母材１０にアルミニウムを、合金化要素１１にニッケル
（層厚１０μ口）を選び、合金化要素１１をメツキまた
は粉末塗布によって母材１０の表面に付着させる。Next, the specifications of this invention method will be explained. As an example,
Aluminum is selected as the base material 10 and nickel (layer thickness: 10 μm) is selected as the alloying element 11, and the alloying element 11 is attached to the surface of the base material 10 by plating or powder coating.
またパルス電子ビームとして、加速電圧１００ＫＶ（電
子ビームエネルギー１００ＫｅＶ） 、ビーム電流１６
０ＫＡ、パルス幅１００ｎｓ、照射面積１０ａｎＸ１０
ａｎとするそのとき、電流密度１．６ＫＡ／ａｄ 、照
射エネルギー／パルス＝１．６ＫＪ、照射エネルギー密
度Ｅ＝１６Ｊ／ａｌとなる。In addition, as a pulsed electron beam, the acceleration voltage is 100 KV (electron beam energy is 100 KeV), and the beam current is 16
0KA, pulse width 100ns, irradiation area 10anX10
At that time, the current density is 1.6 KA/ad, the irradiation energy/pulse is 1.6 KJ, and the irradiation energy density E is 16 J/al.
次にこれらの条件の下に、電子ビーム照射時の状況を、
第２図を参照して概略推定する。今冬値を次のように設
定する。Next, under these conditions, the situation during electron beam irradiation is as follows.
A rough estimation will be made with reference to FIG. This winter value is set as follows.
ｔｌ：合金化要素の厚さ・・・１０μ謄ｔ２：母材中の
電子のレンジ
Ｒ：電子のレンジ（飛程）
ρ、二合金化要素の密度・・・８．９ｇ／ｆｆｌρ２：
母材の密度・・・２．７ｇ／ａＪｃ１：合金化要素の比
熱・・・０．５Ｊ／ｇ、ＫＣ２＝母材の比熱・・・０．
９Ｊ／ｇ、にλ１：合金化要素の熱伝導率・・・０．９
４Ｗ＃ｍ、にλ２：母材の熱伝導率・・・２．３８Ｗ／
国、ＫＴ１：合金化要素の融点・・・１４５５℃Ｔ２：
母材の融点・・・６６０℃
ｑｌ：合金化要素の融解熱・・・３０１Ｊ／ｇｑ２：母
材の融解熱・・・３５３Ｊ／ｇａ２：母材の温度伝導率
・・・λ２／ｃ２ρ２電子の実用レンジ（密度Ｘレンジ
）ρＲは、ｐ Ｒ＝４１２Ｅｅ（ｍｇ／ａｄ）。tl: Thickness of alloying element...10μ t2: Range of electrons in base material R: Range (range) of electrons ρ, Density of alloying element...8.9g/fflρ2:
Density of base material...2.7g/aJc1: Specific heat of alloying element...0.5J/g, KC2=Specific heat of base material...0.
9J/g, λ1: Thermal conductivity of alloying element...0.9
4W#m, λ2: Thermal conductivity of base material...2.38W/
Country, KT1: Melting point of alloying element...1455℃T2:
Melting point of base material...660℃ ql: Heat of fusion of alloying element...301 J/gq2: Heat of fusion of base material...353 J/ga2: Temperature conductivity of base material...λ2/c2ρ2 of electrons The practical range (density X range) ρR is pR=412Ee (mg/ad).
ｎ ” １．２６５ ０，０９５４ ｎ ｎ Ｅ５（Ｅ
ｅ：電子エネルギー（ＭｅＶ）
０．０１＜ Ｅｅ！＜３ＭｅＶ ）
となることが一般に知られている。n ” 1.265 0,0954 n n E5(E
e: Electron energy (MeV) 0.01< Ee! <3MeV).
この例で、電子の実用レンジは、
Ｅｅ＝０．ＩＭｅＶ より
ρＲ＝ρ１ｔ工＋ρ２ｔ ２＝＝ ０．０１３５ｇ／ａ
ｌとなる。ここでρＲは合金化要素と母材それぞれの実
用レンジの和になるので、上式のように示される。In this example, a practical microwave oven has Ee=0. From IMeV, ρR = ρ1t + ρ2t 2 = = 0.0135g/a
It becomes l. Here, ρR is the sum of the practical ranges of the alloying element and the base material, so it is expressed as in the above equation.
これより ｊｚ＝１７μ誼 （ｔ１＝１０μｍ）一方、
パルス幅時間内での熱拡散距離りは、電子ビームのパル
ス幅をτとすれば、概略Ｆ］であり、これを計算すると
、約３μｍとなる。From this, jz=17μm (t1=10μm) On the other hand,
The thermal diffusion distance within the pulse width time is approximately F], where τ is the pulse width of the electron beam, and when calculated, it is approximately 3 μm.
よって、レンジＲ＝２７μＩａ（ｔ１＋ｔ２＝２７μＩ
Ｉ＋）に対し、熱拡散距離りはパルス幅τが短いことに
より十分小さく、レンジＲに与えられたエネルギーは、
はとんど逃げることなく、断熱的に合金化すべきレンジ
Ｒ部分を、効率的に加熱することができるようになる。Therefore, range R=27μIa (t1+t2=27μI
I+), the thermal diffusion distance is sufficiently small due to the short pulse width τ, and the energy given to range R is
It becomes possible to efficiently heat the range R portion to be adiabatically alloyed without escaping.
次にレンジＲ部分の溶融の可否を推定する。Next, it is estimated whether or not the range R portion can be melted.
合金化要素のみの場合のレンジは、〜１５μｍと計算さ
れるので、おおよそ均一にエネルギーが与えられるとす
ると、厚さ１０μｍの合金化要素の層には、
のエネルギー密度が与えられる。The range for alloying elements alone is calculated to be ˜15 μm, so assuming a roughly uniform energization, a 10 μm thick layer of alloying elements would have an energy density of ˜15 μm.
一方、溶融に必要なエネルギー密度は、度を常温の２０
℃とすると、
ｔｘ （（Ｔ１ ２０） ・ｐ、ｃｘ ＋ ｑｘｐ１’
ｊ ＝９−１初期温
（Ｊ／ｃＪ）
であり、先に計算して得た１０．７ （Ｊ／ａｄ）より
小さいので、溶融可能であることが判明する。On the other hand, the energy density required for melting is 20 degrees below room temperature.
℃, tx ((T1 20) ・p, cx + qxp1'
j = 9-1 initial temperature (J/cJ), which is smaller than the previously calculated value of 10.7 (J/ad), which indicates that it can be melted.
またｔ２＋Ｌの層（２０μｍ） ニは、１６−１０．７
＝５．３ （Ｊ／ａＪ）が与えられる。この層の溶融に
必要なエネルギー密度は。Also, t2+L layer (20μm) D is 16-10.7
=5.3 (J/aJ) is given. What is the energy density required to melt this layer?
（ｔ２＋Ｌ）（（Ｔ２−２０） ’ ｐ２Ｃ２＋ （１
２ρｚ）＝５．０（Ｊ／ａｌ）であり、これは先の５，
３０／ａｈより小さいので、溶融可能であることが判明
する。(t2+L)((T2-20) ' p2C2+ (1
2ρz) = 5.0 (J/al), which is the same as the previous 5,
Since it is smaller than 30/ah, it is clear that it can be melted.
以上の結果を整理すると、レンジＲが合金化要素の厚さ
ｔｌより長く、熱拡散距離りに対して十分に長い条件の
パルス電子ビームを照射すると、合金化のための溶融が
可能となり、全エネルギーを溶融に有効に使って省エネ
ルギーかっ１０■ＸＩＯ■の大面積に単発照射で合金化
できることがわかる。Summarizing the above results, if the range R is longer than the thickness tl of the alloying element and the pulsed electron beam is irradiated with a sufficiently long thermal diffusion distance, melting for alloying becomes possible, and the entire It can be seen that energy can be used effectively for melting and alloying can be achieved over a large area of 10 x IO with a single irradiation.
（発明の効果）
以上詳述したようにこの発明によれば、照射したパルス
電子ビームの全エネルギーを加熱（溶融）に利用するこ
とができるし、かつエネルギーを局所化、集中して１合
金化処理ができるようになり、したがってエネルギー効
率が高く、省エネルギーとなるとともに、パルス電子ビ
ームは大きな面積の面状ビームが発生可能であることに
より、単発照射で大面積、−括合金化処理ができ、した
がって高速処理が可能となるといった効果を奏する。(Effects of the Invention) As detailed above, according to the present invention, the entire energy of the irradiated pulsed electron beam can be used for heating (melting), and the energy can be localized and concentrated to form a single alloy. In addition, the pulsed electron beam can generate a planar beam with a large area, so it is possible to process a large area with a single irradiation. Therefore, there is an effect that high-speed processing becomes possible.
第１図はこの発明の実施にあたって使用するパルス電子
ビーム発生装置の構成図、第２図は合金化状況を説明す
るための模型断面図である。
８・・・パルス電子ビーム、１０・・・母材、１１・・
・合金化要素、FIG. 1 is a block diagram of a pulsed electron beam generator used in carrying out the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a model for explaining the alloying situation. 8...Pulsed electron beam, 10...Base material, 11...
・Alloying elements,
Claims (1)
ムを照射して、前記合金化要素および母材の表層を溶融
して、その表層を合金化することを特徴とする 金属表面合金化方法。[Claims] The method is characterized in that an alloying element is attached onto a base material, and a pulsed electron beam is irradiated onto the alloying element to melt the surface layer of the alloying element and the base material, thereby alloying the surface layer. Metal surface alloying method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19097590A JPH0480376A (en) | 1990-07-19 | 1990-07-19 | Method of alloying metal surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19097590A JPH0480376A (en) | 1990-07-19 | 1990-07-19 | Method of alloying metal surface |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0480376A true JPH0480376A (en) | 1992-03-13 |
Family
ID=16266787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19097590A Pending JPH0480376A (en) | 1990-07-19 | 1990-07-19 | Method of alloying metal surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0480376A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008546911A (en) * | 2006-06-20 | 2008-12-25 | フォルシュングスツェントルム カールスルーエ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | NUCLEAR FUEL MEMBER / FURTHER / MARTENSITE STEEL OR AUSTENITE STEEL COVER FOR NUCLEAR FUEL AND METHOD FOR POST-PROCESSING A FeCrAl Protective Layer Suitable On High Temperatures |
| KR101258505B1 (en) * | 2011-03-21 | 2013-04-26 | 한국과학기술원 | Method of surface modification of nickel-based superalloy by electron beam induced surface alloying |
| CN104593782A (en) * | 2015-03-03 | 2015-05-06 | 沈阳理工大学 | Method for preparing alumel by adopting electron beam irradiation |
| CN111607760A (en) * | 2019-11-13 | 2020-09-01 | 哈尔滨理工大学 | A kind of Nb-W-Cr-Mo alloying method of M50 steel by pulse electron beam irradiation |
-
1990
- 1990-07-19 JP JP19097590A patent/JPH0480376A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008546911A (en) * | 2006-06-20 | 2008-12-25 | フォルシュングスツェントルム カールスルーエ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | NUCLEAR FUEL MEMBER / FURTHER / MARTENSITE STEEL OR AUSTENITE STEEL COVER FOR NUCLEAR FUEL AND METHOD FOR POST-PROCESSING A FeCrAl Protective Layer Suitable On High Temperatures |
| KR101258505B1 (en) * | 2011-03-21 | 2013-04-26 | 한국과학기술원 | Method of surface modification of nickel-based superalloy by electron beam induced surface alloying |
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| CN111607760A (en) * | 2019-11-13 | 2020-09-01 | 哈尔滨理工大学 | A kind of Nb-W-Cr-Mo alloying method of M50 steel by pulse electron beam irradiation |
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