JPH0480376A - 金属表面合金化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

括合金化処理ができる。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

次にレンジＲ部分の溶融の可否を推定する。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

【図面の簡単な説明】

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、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、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。