金属表面改質方法
【課題】窪部位を有する金型の成形面あるいは大きい部品の全面を均一に表面改質することが難しい。
【解決手段】チャンバ１の中を真空に近い状態にする。アノード電極５Ｂの中にアルゴンガスを供給する。電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力のアルゴンガスをアノード電極５Ｂと被照射体６との間に介在させる。電子の加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐと電子の減速空間Ｇが存在し得る範囲内でカソード電極５Ａと被照射体６との間の距離を可能な限り短くする。アノード電極５Ｂに電圧を供給してプラズマ空間Ｐにプラズマを発生させる。カソード電極５Ａと被照射体６との間に電圧を供給して電子ビームを発生させて被照射体６の選択された被照射面に電子ビームを照射する。
【解決手段】チャンバ１の中を真空に近い状態にする。アノード電極５Ｂの中にアルゴンガスを供給する。電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力のアルゴンガスをアノード電極５Ｂと被照射体６との間に介在させる。電子の加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐと電子の減速空間Ｇが存在し得る範囲内でカソード電極５Ａと被照射体６との間の距離を可能な限り短くする。アノード電極５Ｂに電圧を供給してプラズマ空間Ｐにプラズマを発生させる。カソード電極５Ａと被照射体６との間に電圧を供給して電子ビームを発生させて被照射体６の選択された被照射面に電子ビームを照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製の被照射体に電子ビームを照射して被照射体の表面を改質する金属表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製の被照射体の表面に電子ビームを照射して被照射体の表面を改質する表面改質方法が知られている。電子ビームによる金属表面改質方法には、大きく分けて特許文献１に代表的に示される方式と特許文献２に代表的に示される方式がある。本発明では、説明の便宜上、特許文献１に開示されるような電子ビームの特徴から“大面積照射方式”という。また、例えば、特許文献２に開示されるような表面改質方法を操作上の特徴から“走査線方式”という。
【０００３】
大面積照射方式は、粒子線束の断面積が大きく比較的低エネルギ密度で大きな電流の電子ビームを照射する。大面積照射方式では、電子ビームが低エネルギ密度であるので、被照射体を表面から数μｍを超えて侵食させない。そのため、被照射体の表面全面に均一に改質できる利点がある。改質層の特性は、被照射体の材質によって異なるが、基本的には金属製品の耐久性を向上させる。被照射体の表面には、研磨による凹凸が実質的に存在しない。
【０００４】
走査線方式は、粒子線束を集束して断面積が小さく高エネルギ密度の電子ビームを走査しながら照射する。走査線方式には、電子ビームの照射方向を操作できる利点がある。ただし、表面から２０μｍ〜３０μｍの深さまで侵食するので、表面に走査線の痕跡が残り、広範囲に均質な改質面を得ることが難しい。また、広い領域を改質させるためには、長時間を要する。そのため、金型または大きい部品の表面の改質に不向きである。
【０００５】
特許文献３は、比較的平坦な表面を有する金属製の被照射体の表面の改質に適する大面積照射方式の表面改質方法を開示する。適正な電子ビームの照射は、次のプロセスでなる。清浄なチャンバの中を真空引きして希ガスを供給する。ソレノイドで磁場を形成しアノード電極に所定の電圧パルスを印加してプラズマを発生させる。カソード電極とコレクタ（被照射体）との間に電圧パルスを印加して電子ビームを発生させる。数回の電子ビームの照射の後でチャンバの中に残留する滓を除去する。
【０００６】
大面積照射方式において被照射体の表面を均一に改質させるために必要な電子ビームのエネルギ密度は、１Ｊ／ｃｍ２以上である。被照射体の表面を改質させるために、電子を高速で被照射体に衝突させる必要がある。したがって、磁場を通して電子を加速させるためにカソード電極から被照射体との間までにある程度の距離が必要である。また、電子が散乱しないように、電子を収束させるプラズマを発生する環状のアノード電極が設けられる。
【０００７】
電子ビームは、見掛け上、真直ぐに照射されている。したがって、電子ビームは、被照射体の平坦面に照射される。被照射面に溝、段差、または窪み（以下、窪部位と総称する）が存在する場合、窪部位の側面と底縁部位に電子ビームが当たりにくいので、窪部位の側面あるいは底縁部位は、表面が改質されないまま残されてしまう。大面積照射方式では、電子ビームの粒子線束の断面積が大きいので、電子ビームが側面に当たるように照射方向を偏向することが難しい。
【０００８】
特許文献４は、カソード電極とアノード電極とを兼用させることによってカソード電極と被照射体との間の距離を短くし、大面積照射方式において被照射体に形成されている窪部位の側面に電子ビームを照射する方法を提案している。特許文献４の発明は、被照射体における平坦面と底面との差が数ｍｍ以上ある窪部位の側面に電子ビームを照射できるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献２】特開２００８−９１２３０号公報
【特許文献３】特開２００６−３４４３８７号公報
【特許文献４】特開２０１０−１００９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電子の速度が遅いと電子が十分な力で被照射面まで届きにくく、電子ビームが表面に当たっても改質層を得ることができない。放出される電子に必要な速度を与えるためには、カソード電極と被照射体との間に加速空間が必要である。カソード電極と被照射体との間の距離が十分にないと、電子の多くが被照射面に必要な力を持って到達することができず、均質に良好な改質面を得ることが難しい。
【００１１】
照射時間が短い電子ビームを一度照射しただけでは改質面を均一に得ることができないので、電子ビームを何度も繰返し照射し続ける必要がある。電子は、凹凸の突部位に向かう傾向にあるので、被照射面に窪部位がある場合は、窪部位の突部位（エッジ）に集中的に当たる。そのため、電子ビームの照射回数を多くすると、高速で電子がエッジに衝突し続けることによって、エッジが形状を失って被照射体が致命的損傷を受ける。
【００１２】
窪部位を有する部品として、例えば図２に示される射出成形機の可塑化スクリュがある。可塑化スクリュの溝１００には、エッジ２００と底縁部位３００が存在する。電子の速度が速いと電子は曲がりにくく窪部位の底面４００に当りやすくなるが、エッジ２００に与える衝撃が大きい。電子の速度が低いと電子が底面４００に到達しにくく、むしろエッジ２００に集中しやすくなる。何れにしても、結果的に、電子ビームの照射回数を重ねると、エッジ２００の形状が壊れて製品価値を失う。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みて、被照射体に損傷を与えずに窪部位が存在する被照射面を広く均一に改質することができる改良された電子ビームによる金属表面改質方法を提供することを目的とする。その他の本発明による利点は、具体的な実施の形態の説明においてその都度説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の表面改質方法は、上記課題を解決するために、密閉されたチャンバの中を真空に近い状態にして、アノード電極の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給するとともに、電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力の希ガスをアノード電極と被照射体との間に介在させ、電子の加速空間とプラズマ空間と希ガスによる電子の減速空間とが存在し得る範囲内でカソード電極と被照射体との間の距離を可能限り短くし、被照射体の選択された被照射面が均一に改質されるまで所定のエネルギの電子ビームを所定回数繰返し被照射面に照射するようにする。
【００１５】
特に、本発明の表面改質方法は、選択された被照射面が改質された後に改質された被照射面と改質されていない被照射面とが電子ビームの照射領域で２分の１以上重複するように被照射体を回転させて次の被照射面を選択するようにする。
【発明の効果】
【００１６】
電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させる比較的圧力（密度）が高いアルゴンガスによる減速空間Ｇを電子が通過する。電子の速度が低下するが、被照射体を可能な限りカソード電極に近付けるので電子は必要な力を持って被照射体に到達する。このとき、電子ビームのエネルギが変わらない。
【００１７】
電子ビームを照射すると、電子が凹凸の突部位に当りやすい。照射時間が短い電子ビームを繰返し照射すると、表面の材料が溶融して面粗さが消失して平滑化する。面粗さがなくなると、面粗さが残されている面粗さの突側に電子が当たるようになり、すでに平滑化されている表面には殆んど当たらなくなる。低エネルギ密度の電子ビームであるため、電子ビームの照射回数に関わらず、すでに改質されている被照射体の表面では、数μｍ以上侵食しない。
【００１８】
したがって、照射工程の初期段階において先に平坦面と窪部位のエッジに改質層が形成され、改質層の広がりとともに窪部位の側面と底縁部位にも電子ビームが当たるようになる。電子の速度を低下させて照射時間の短い大面積の電子ビームを繰返し照射し続けることによって、窪部位のエッジの形状を喪失することなく、広い被照射面の全面に均等に改質層が形成される。本発明の表面改質方法によると、電子ビームを必要回数繰返して照射することができ、窪部位を有する金型または大きい部品であってもより容易に均質に改質することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の表面改質方法を実施することができる電子ビーム照射装置の右側面図である。
【図２】被照射体として射出成形機の混練スクリュを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、金属表面改質を実施するための電子ビーム照射装置の全体構成を模式的に示す。本発明では、断面積１０ｍｍ２以上を大面積という。また、１０ｋＶ〜３０ｋＶを低エネルギとし、１０ｋＡ〜３０ｋＡを高電流という。金属表面改質を実施するための電子ビーム照射装置は、主に、チャンバ１と、移動装置２と、真空装置３と、希ガス供給装置４と、電子ビーム発生装置５と、で構成される。
【００２１】
チャンバ１は、被照射体６を収容する手段である。チャンバ１は、電子ビーム照射装置の前面で被照射体６を出し入れするために開口している。チャンバ１には、開口部位を閉鎖してチャンバ１の中を密閉する密封扉１Ａが設けられている。チャンバ１は、耐真空構造である。チャンバ１は、基台１Ｂの上に設置されている。
【００２２】
移動装置２は、水平１軸方向と、水平１軸方向（Ｘ軸）に直交する他の水平１軸方向（Ｙ軸）と、鉛直方向（Ｚ軸）と、に被照射体６を移動させる手段である。移動装置２は、Ｘ軸方向に移動する移動体１０と、Ｙ軸方向に移動する移動体２０と、Ｚ軸方向に上下動する昇降装置３０と、を備える。実施の形態の移動装置２では、移動体２０の上に移動体１０が搭載され、移動体１０の上に昇降装置３０が設置される。昇降装置３０の上に被照射体６を載置するテーブル４０が設けられる。
【００２３】
移動体１０は、図示しないモータによってＸ軸方向に移動する。移動体１０の上に昇降装置３０を介して設けられるテーブル４０に直接または冶具によって被照射体６を取り付けて固定することができる。移動体２０は、モータによってＹ軸方向に移動する。移動体１０と移動体２０は、図示しない移動制御装置で制御される。昇降装置３０は、移動体１０と移動体２０を制御する移動制御装置で制御するようにすることができる。
【００２４】
真空装置３は、密閉されたチャンバ１の中を真空に近い状態にする手段である。真空装置３は、真空ポンプによってチャンバ１の中の空気を抜く、いわゆる真空引きをしてチャンバ１の中を減圧する。実施の形態の真空ポンプは、スクロールポンプ３Ａとターボ分子ポンプ３Ｂでなる。チャンバ１の中の空気を抜いた後は、流量調整弁３Ｃ，３Ｄを絞ってチャンバ１の中の真空に近い状態を保持する。真空ポンプは、電子ビームを照射している間稼動しており、チャンバ１の排気をして、チャンバ１の中の真空に近い状態を維持している。
【００２５】
希ガス供給装置４は、チャンバ１の中に希ガスを供給する手段である。希ガス（不活性ガス）は、長周期表第１８族元素であるヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンを示す。電子ビームによる表面改質方法で実績のある希ガスは、アルゴンガスである。希ガス供給装置４は、液化アルゴンを封入したボンベ４Ａと、チャンバ１に接続する配管４Ｂと、バルブ４Ｃと、を含んでなる。電子ビーム照射装置は、チャンバ１の中のガス圧を０．０３Ｐａ〜０．１Ｐａにすることができるように設計されている。
【００２６】
実施の形態の電子ビーム照射装置には、チャンバ１の外に密閉空間４Ｄが設けられている。密閉空間４Ｄには、図示しない管路を通して窒素ガスが供給される。密閉空間４Ｄの中にカソードのギャップスイッチ（点火スイッチ）が存在する。密閉空間４Ｄの中の窒素ガスは、ギャップスイッチの表面に炭化物が付着することを防止する。
【００２７】
電子ビーム発生装置５は、電子銃であるカソード電極５Ａと、環状のアノード電極５Ｂと、被照射体６に通電するコレクタ５Ｃと、磁場を形成するソレノイド５Ｄと、を含んでなる。コレクタ５Ｃは、テーブル４０である。テーブル４０は、チャンバ１にグランドライン５Ｅでアースする。
【００２８】
カソード電極５Ａとテーブル４０に通電する被照射体６との両極間に電子ビームを発生させるための電圧パルスを印加する高圧電源を含む電子ビーム発生用電源装置５Ｆが設けられる。また、カソード電極５Ａとアノード電極５Ｂとの間にプラズマ発生用電源装置５Ｇが設けられる。スイッチ５Ｈは、カソード電極５Ａの電源の接続を切り換える。
【００２９】
カソード電極５Ａは、断面円形の基盤にチタンでなる多数の針状の突起が設けられている。アノード電極５Ｂは、カソード電極５Ａの断面積より大きい内径を有するリング形状をしている。実施の形態の電子ビーム照射装置は、例えば、カソード電極５Ａの直径が９０ｍｍφで、アノード電極５Ｂの内径が１４０ｍｍφである。アノード電極５Ｂは、円環内に比較的存在期間の短いプラズマを生成する。プラズマの電離層は、カソード電極５Ａから放出される電子を収束する。
【００３０】
以下に、本発明の金属表面改質方法の好適な実施例を図１に示される電子ビーム照射装置を用いて説明する。本発明の表面改質方法は、具体的に複数の作業工程に置き換えて説明することができる。電子ビームを照射して改質される被照射体６の表面に生じる現象と形成される改質層の特性は、被照射体６の材質によって異なる。被照射体６の金属は、鉄、チタンのような非鉄金属、合金である。実施例では、被照射体６を図２に示す材質がＳＫＤ６１（熱間工具鋼，合金工具鋼）の可塑化スクリュとして説明する。
【００３１】
第１の工程では、チャンバ１の中のテーブル４０の上に被照射体６をセットして密封扉１Ａを閉鎖する。チャンバ１の中は、予め浄化されている。全体的に丸棒形状の可塑化スクリュの被照射体６は、横に寝かせるようにしてテーブル４０の上に載置される。図１に示される電子ビーム照射装置の場合では、被照射体６は、被照射体６の長手方向が電子ビーム照射装置の左右方向（Ｘ軸方向）に位置するように配置される。
【００３２】
第２の工程では、被照射体６をカソード電極５Ａから放出される電子ビームが被照射体６の選択された被照射面に当たる位置に配置する。具体的には、移動体１０と移動体２０を作動させてテーブル４０をＸ軸方向とＹ軸方向に移動させることによって被照射体６をアノード電極５Ｂの直下に位置させる。
【００３３】
第３の工程では、図１に示される電子の加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐと希ガスによる電子の減速空間Ｇとが存在し得る範囲内でカソード電極５Ａと被照射体６との間の距離を可能限り短くする。具体的には、昇降装置３０を作動させて移動体１０ないし被照射体６がチャンバ１の内壁と衝突しない限界の位置までテーブル４０を上昇させる。このとき、アノード電極５Ｂと被照射体６との間に所定の圧力のアルゴンガスが介在する減速空間Ｇを設ける。
【００３４】
カソード電極５Ａと被照射体６との間の距離が十分にないと、必要な加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐが存在し得ない。そうすると、電子が収束して必要な力を持って被照射体６に到達することができず、被照射面を高温にして衝撃を与えることによって被照射面に材料の溶出による改質変化を作用させる現象が発生せず、表面を良好に改質することができない。本発明では、カソード電極５Ａと被照射体６とは、加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐが存在し得る範囲で可能な限り短くする。その結果、被照射体６の原形を喪失することなく被照射面を良好に均質に改質できる。
【００３５】
第４の工程では、密閉されたチャンバ１の中を真空に近い状態にする。具体的に、真空装置３の真空ポンプを作動させてチャンバ１の空気を抜き、チャンバ１の中を０．０３Ｐａ程度の真空に近い状態にする。
【００３６】
第５の工程では、ソレノイド５Ｄを励起してチャンバ１の中のカソード電極５Ａと被照射体６との間の加速空間Ｓに磁場を形成する。カソード電極５Ａと被照射体６との間に形成される磁場によって、カソード電極５Ａから放出される電子が加速空間Ｓで要求される速度まで加速される。
【００３７】
第６の工程では、アノード電極５Ｂの円環の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給する。カソード電極５Ａから放出される電子は、プラズマ空間Ｐで収束されて被照射体６の被照射面に到達する。大面積照射方式の表面改質方法では、粒子線束の断面積が大きくエネルギ密度が比較的低いので、プラズマが存在しないと、電子が散乱して被照射体６の被照射面を改質することができない。
【００３８】
第７の工程では、電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力の希ガスをアノード電極５Ｂと被照射体６との間に介在させる。電子ビームのエネルギを変えずに電子の速度を低下させる希ガスは、プラズマを生成する希ガスと同一である必要はない。ただし、実用上は、プラズマを生成する希ガスと同一である。具体的には、アルゴンガスである。
【００３９】
電子ビーム照射装置としては、従前からアルゴンガスの圧力を０．０３Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲でプラズマ空間Ｐに供給できるように構成されている。しかしながら、従前、アルゴンガスの圧力が０．０６Ｐａを超えた場合に、結果として被照射面の全面に改質層が形成されなかった。均一な改質層を得るために有効なアルゴンガスの圧力は、０．０６Ｐａ以下でなければならず、特に、０．０５Ｐａが適することが知られていた。
【００４０】
ところが、本発明は、現在までの常識的な考えと全く異なる発想をして、アノード電極５Ｂのプラズマ空間Ｐと被照射体６との間に０．０６Ｐａ以上のアルゴンガスを介在させることによって、これまで表面改質ができないと考えられてきた速度まで電子の速度を低下させる。具体的に、図１に示される構成の電子ビーム照射装置において、アルゴンガスの圧力を０．０８５Ｐａまで高くする。
【００４１】
実施の形態の表面改質方法では、被照射体６を可能な限りカソード電極５Ａに近付ける。同時に、環状のアノード電極５Ｂ、詳しくは、アノード電極５Ｂの円環の中に生成されるプラズマ空間Ｐと被照射体６の間の減速空間Ｇに上記所要の圧力のアルゴンガスを介在させる。その結果、アルゴンガスの作用によって電子の速度が低下するが、カソード電極５Ａから放出される電子ビームのエネルギは減衰しないし、電子は必要な力を持って被照射面に到達する。
【００４２】
第８の工程では、被照射体の選択された被照射面の全面が均一に改質されるまで、所定のエネルギの照射時間が短い電子ビームを所定回数繰返し被照射面に照射する。所定のエネルギで電子ビームを発生させるためのカソード電極５Ａと被照射体６との間に印加される電圧パルスの条件等の照射条件は、従来から知られている照射条件と同じ範囲であって、具体的には、複数の先行技術が参照される。
【００４３】
被照射体６が棒状であって被照射体６の全面を改質する必要がある場合、選択されている被照射面全体に均一に改質層が形成された後に、すでに改質層が形成された被照射面と改質層が形成されていない被照射面との電子ビームの照射領域が十分に重なるように被照射体６を中心軸廻りに所定角度回転させて同じように選択された被照射面の全面が均一に改質されるまで電子ビームを照射する。
【００４４】
電子が衝突したときに被照射体６の表面から溶融剥離した一部分の微細な材料の滓がチャンバ１の中を浮遊する。滓は、時間と共に自重によって自由落下する。このとき、原因が明確ではないが、滓が被照射体６の下方向に回り込んで被照射体６の側面下側と下面に付着する。滓は、粉塵に近い粉状である。被照射体６の表面に滓が付着した状態で放置すると容易に取り除くことができなくなる。また、滓が蓄積されて層が厚くなると、被照射面６の表面を覆って改質処理の障害になる。
【００４５】
実施の形態の表面改質方法では、選択されている被照射面全体に均一に改質層が形成された後に、すでに改質層が形成された被照射面と改質層が形成されていない被照射面とが少なくとも２分の１以上電子ビームの照射領域が重なるように棒状の被照射体６を所定角度回転させる。被照射体６が丸棒形状の場合は、９０度回転させる。
【００４６】
その結果、次の選択された被照射面を改質処理する過程で滓が取り除けなくなる前に滓が付着している表面が改質される。このとき、すでに改質されている表面では、平滑な改質層によって滓が付着しにくく、付着した滓は容易に拭き取ることができる。滓は、被照射体６の側面下側と下面に付着するので、一度に全面を照射できない可塑化スクリュのような形状の被照射体の表面を改質する場合に、滓が改質処理の障害にならない点で有効である。
【００４７】
特に、選択された被照射面が改質された後に改質された被照射面と改質されていない被照射面とが電子ビームの照射領域で３分の２以上重複するように被照射体を回転させて次の被照射面を選択すると、滓による障害を一層確実に防ぐことができる。例えば、図２に示される窪部位の形状が複雑である可塑化スクリュの場合は、中心軸Ｏ廻りに４５度回転させて電子ビームを照射する。
【００４８】
大面積照射方式の金属表面改質方法では、エネルギ密度が比較的低く、同じ面に繰返し電子ビームを照射しても数μｍ以上は改質が進行しないため、電子ビームの照射回数を増大させることによって境界線が全くわからない状態で全面に均質に数μｍの改質層を形成させることができる。
【００４９】
図２に示されるような長尺の被照射体６の全面を改質する場合は、カソード電極５Ａとアノード電極５Ｂで規定される照射面積に相応する領域で全周にわたって改質した後に被照射体６を長手方向に送り出して次の新しい被照射面をアノード電極５Ｂの直下に位置させる。図１に示される被照射体６の配置の場合は、移動体１０を所定ピッチ移動して被照射体６をＸ軸方向に送り出す。このとき、すでに改質されている表面と次の被照射面が部分的に重なるようにして、改質されない面ができないようにする。実施の形態の表面改質方法では、２０ｍｍピッチで送り出すようにしている。
【００５０】
図２に示される被照射体６の場合、選択された被照射面一面当たり電子ビームを７５回照射し、被照射体６を４５度ずつ回転して被照射面を変えながら回転方向に選択された被照射面８面で合計６００回電子ビームを照射した。その結果、形状の変形はなく、窪部位の側面と底縁部位を含めて全面が均等に改質された。被照射体６に形成された改質層の厚さはほぼ均一で約２μｍである。改質層は、主に熱間工具鋼に含まれるクロムが溶出して形成されている。表面に研磨では避けることができない僅かな凹凸も存在せず、耐熱性と耐磨耗性に優れる。改質層は、鍍金層と異なり、表面全体を均等に覆って剥離することがない。
【００５１】
大面積照射方式で電子ビームによる表面改質をされた射出成形機の可塑化スクリュには、高温による表面の損傷が生じにくい。また、炭化した溶融樹脂が可塑化スクリュの表面を覆うように残留し全体が黒くなる現象が発生しない。このような可塑化スクリュは、樹脂成形品に不純物を混入させることがない。また、射出成形において、清掃作業ないしは交換作業のような維持管理に要する作業の負担を低減し、費用と時間を削減して加工効率を向上させる。
【００５２】
被照射体６に与える有利な点は、被照射体６の材料によって異なる。例えば、被照射体６が超硬合金でなる金型の場合は、改質層が主に超硬合金に含まれる焼結バインダのコバルトが溶出して形成されているようである。そのため、表面に僅かな凹凸も存在せず、耐食性と耐磨耗性に優れる。その結果、このような金型は、離型性に優れる。また、金型の寿命がより長くなる。
【００５３】
本発明の表面改質方法は、電子の速度を低くするので、スパッタリングのときのように高温で溶融する材料な粒子がより飛散しにくい。そのため、飛散した粒子の再凝固による表面荒れが生じない。カソード電極５Ａから放出される電子ビームのエネルギは従来の照射条件と本質的に変わらないから、電子の速度を低下させることで被照射面が不良に変質したり、反対に被照射面に何も変化が生じないということがなく、被照射面に適正に均質な改質層が形成される。電子の衝突による衝撃を限界まで低減することで数百回に及ぶ電子ビームの照射を行なっても、被照射体における窪部位のエッジの形状が損傷しない。
【００５４】
以上に説明される実施の形態の表面改質方法は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で変形して実施することができる。例えば、プラズマを生成させるための希ガスの供給と電子の速度を低下させるために必要な圧力の高い希ガスの供給を同時に行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の電子ビームによる金属表面改質方法は、金属加工の技術分野において広く適用される。金属加工で適用される殆んどの金属材料の表面改質に有効である。特に、比較的深い窪部位を有する金型の成形面あるいは大きい部品の全面を表面改質することができる。本発明は、金属加工の発展に貢献する。
【符号の説明】
【００５６】
１ チャンバ
１Ａ 密封扉
１Ｂ 基台
２ 移動装置
３ 真空装置
３Ａ スクロールポンプ
３Ｂ ターボ分子ポンプ
４ 希ガス供給装置
４Ａ ボンベ
４Ｂ 配管
４Ｃ 供給口
４Ｄ 密閉空間
５ 電子ビーム発生装置
５Ａ カソード電極
５Ｂ アノード電極
５Ｃ コレクタ
５Ｄ ソレノイド
５Ｅ グランドライン
５Ｆ 電子ビーム発生用電源装置
５Ｇ プラズマ発生用電源装置
５Ｈ スイッチ
６ 被照射体
１０ 移動体
２０ 移動体
３０ 昇降装置
４０ テーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製の被照射体に電子ビームを照射して被照射体の表面を改質する金属表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製の被照射体の表面に電子ビームを照射して被照射体の表面を改質する表面改質方法が知られている。電子ビームによる金属表面改質方法には、大きく分けて特許文献１に代表的に示される方式と特許文献２に代表的に示される方式がある。本発明では、説明の便宜上、特許文献１に開示されるような電子ビームの特徴から“大面積照射方式”という。また、例えば、特許文献２に開示されるような表面改質方法を操作上の特徴から“走査線方式”という。
【０００３】
大面積照射方式は、粒子線束の断面積が大きく比較的低エネルギ密度で大きな電流の電子ビームを照射する。大面積照射方式では、電子ビームが低エネルギ密度であるので、被照射体を表面から数μｍを超えて侵食させない。そのため、被照射体の表面全面に均一に改質できる利点がある。改質層の特性は、被照射体の材質によって異なるが、基本的には金属製品の耐久性を向上させる。被照射体の表面には、研磨による凹凸が実質的に存在しない。
【０００４】
走査線方式は、粒子線束を集束して断面積が小さく高エネルギ密度の電子ビームを走査しながら照射する。走査線方式には、電子ビームの照射方向を操作できる利点がある。ただし、表面から２０μｍ〜３０μｍの深さまで侵食するので、表面に走査線の痕跡が残り、広範囲に均質な改質面を得ることが難しい。また、広い領域を改質させるためには、長時間を要する。そのため、金型または大きい部品の表面の改質に不向きである。
【０００５】
特許文献３は、比較的平坦な表面を有する金属製の被照射体の表面の改質に適する大面積照射方式の表面改質方法を開示する。適正な電子ビームの照射は、次のプロセスでなる。清浄なチャンバの中を真空引きして希ガスを供給する。ソレノイドで磁場を形成しアノード電極に所定の電圧パルスを印加してプラズマを発生させる。カソード電極とコレクタ（被照射体）との間に電圧パルスを印加して電子ビームを発生させる。数回の電子ビームの照射の後でチャンバの中に残留する滓を除去する。
【０００６】
大面積照射方式において被照射体の表面を均一に改質させるために必要な電子ビームのエネルギ密度は、１Ｊ／ｃｍ２以上である。被照射体の表面を改質させるために、電子を高速で被照射体に衝突させる必要がある。したがって、磁場を通して電子を加速させるためにカソード電極から被照射体との間までにある程度の距離が必要である。また、電子が散乱しないように、電子を収束させるプラズマを発生する環状のアノード電極が設けられる。
【０００７】
電子ビームは、見掛け上、真直ぐに照射されている。したがって、電子ビームは、被照射体の平坦面に照射される。被照射面に溝、段差、または窪み（以下、窪部位と総称する）が存在する場合、窪部位の側面と底縁部位に電子ビームが当たりにくいので、窪部位の側面あるいは底縁部位は、表面が改質されないまま残されてしまう。大面積照射方式では、電子ビームの粒子線束の断面積が大きいので、電子ビームが側面に当たるように照射方向を偏向することが難しい。
【０００８】
特許文献４は、カソード電極とアノード電極とを兼用させることによってカソード電極と被照射体との間の距離を短くし、大面積照射方式において被照射体に形成されている窪部位の側面に電子ビームを照射する方法を提案している。特許文献４の発明は、被照射体における平坦面と底面との差が数ｍｍ以上ある窪部位の側面に電子ビームを照射できるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献２】特開２００８−９１２３０号公報
【特許文献３】特開２００６−３４４３８７号公報
【特許文献４】特開２０１０−１００９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電子の速度が遅いと電子が十分な力で被照射面まで届きにくく、電子ビームが表面に当たっても改質層を得ることができない。放出される電子に必要な速度を与えるためには、カソード電極と被照射体との間に加速空間が必要である。カソード電極と被照射体との間の距離が十分にないと、電子の多くが被照射面に必要な力を持って到達することができず、均質に良好な改質面を得ることが難しい。
【００１１】
照射時間が短い電子ビームを一度照射しただけでは改質面を均一に得ることができないので、電子ビームを何度も繰返し照射し続ける必要がある。電子は、凹凸の突部位に向かう傾向にあるので、被照射面に窪部位がある場合は、窪部位の突部位（エッジ）に集中的に当たる。そのため、電子ビームの照射回数を多くすると、高速で電子がエッジに衝突し続けることによって、エッジが形状を失って被照射体が致命的損傷を受ける。
【００１２】
窪部位を有する部品として、例えば図２に示される射出成形機の可塑化スクリュがある。可塑化スクリュの溝１００には、エッジ２００と底縁部位３００が存在する。電子の速度が速いと電子は曲がりにくく窪部位の底面４００に当りやすくなるが、エッジ２００に与える衝撃が大きい。電子の速度が低いと電子が底面４００に到達しにくく、むしろエッジ２００に集中しやすくなる。何れにしても、結果的に、電子ビームの照射回数を重ねると、エッジ２００の形状が壊れて製品価値を失う。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みて、被照射体に損傷を与えずに窪部位が存在する被照射面を広く均一に改質することができる改良された電子ビームによる金属表面改質方法を提供することを目的とする。その他の本発明による利点は、具体的な実施の形態の説明においてその都度説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の表面改質方法は、上記課題を解決するために、密閉されたチャンバの中を真空に近い状態にして、アノード電極の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給するとともに、電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力の希ガスをアノード電極と被照射体との間に介在させ、電子の加速空間とプラズマ空間と希ガスによる電子の減速空間とが存在し得る範囲内でカソード電極と被照射体との間の距離を可能限り短くし、被照射体の選択された被照射面が均一に改質されるまで所定のエネルギの電子ビームを所定回数繰返し被照射面に照射するようにする。
【００１５】
特に、本発明の表面改質方法は、選択された被照射面が改質された後に改質された被照射面と改質されていない被照射面とが電子ビームの照射領域で２分の１以上重複するように被照射体を回転させて次の被照射面を選択するようにする。
【発明の効果】
【００１６】
電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させる比較的圧力（密度）が高いアルゴンガスによる減速空間Ｇを電子が通過する。電子の速度が低下するが、被照射体を可能な限りカソード電極に近付けるので電子は必要な力を持って被照射体に到達する。このとき、電子ビームのエネルギが変わらない。
【００１７】
電子ビームを照射すると、電子が凹凸の突部位に当りやすい。照射時間が短い電子ビームを繰返し照射すると、表面の材料が溶融して面粗さが消失して平滑化する。面粗さがなくなると、面粗さが残されている面粗さの突側に電子が当たるようになり、すでに平滑化されている表面には殆んど当たらなくなる。低エネルギ密度の電子ビームであるため、電子ビームの照射回数に関わらず、すでに改質されている被照射体の表面では、数μｍ以上侵食しない。
【００１８】
したがって、照射工程の初期段階において先に平坦面と窪部位のエッジに改質層が形成され、改質層の広がりとともに窪部位の側面と底縁部位にも電子ビームが当たるようになる。電子の速度を低下させて照射時間の短い大面積の電子ビームを繰返し照射し続けることによって、窪部位のエッジの形状を喪失することなく、広い被照射面の全面に均等に改質層が形成される。本発明の表面改質方法によると、電子ビームを必要回数繰返して照射することができ、窪部位を有する金型または大きい部品であってもより容易に均質に改質することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の表面改質方法を実施することができる電子ビーム照射装置の右側面図である。
【図２】被照射体として射出成形機の混練スクリュを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、金属表面改質を実施するための電子ビーム照射装置の全体構成を模式的に示す。本発明では、断面積１０ｍｍ２以上を大面積という。また、１０ｋＶ〜３０ｋＶを低エネルギとし、１０ｋＡ〜３０ｋＡを高電流という。金属表面改質を実施するための電子ビーム照射装置は、主に、チャンバ１と、移動装置２と、真空装置３と、希ガス供給装置４と、電子ビーム発生装置５と、で構成される。
【００２１】
チャンバ１は、被照射体６を収容する手段である。チャンバ１は、電子ビーム照射装置の前面で被照射体６を出し入れするために開口している。チャンバ１には、開口部位を閉鎖してチャンバ１の中を密閉する密封扉１Ａが設けられている。チャンバ１は、耐真空構造である。チャンバ１は、基台１Ｂの上に設置されている。
【００２２】
移動装置２は、水平１軸方向と、水平１軸方向（Ｘ軸）に直交する他の水平１軸方向（Ｙ軸）と、鉛直方向（Ｚ軸）と、に被照射体６を移動させる手段である。移動装置２は、Ｘ軸方向に移動する移動体１０と、Ｙ軸方向に移動する移動体２０と、Ｚ軸方向に上下動する昇降装置３０と、を備える。実施の形態の移動装置２では、移動体２０の上に移動体１０が搭載され、移動体１０の上に昇降装置３０が設置される。昇降装置３０の上に被照射体６を載置するテーブル４０が設けられる。
【００２３】
移動体１０は、図示しないモータによってＸ軸方向に移動する。移動体１０の上に昇降装置３０を介して設けられるテーブル４０に直接または冶具によって被照射体６を取り付けて固定することができる。移動体２０は、モータによってＹ軸方向に移動する。移動体１０と移動体２０は、図示しない移動制御装置で制御される。昇降装置３０は、移動体１０と移動体２０を制御する移動制御装置で制御するようにすることができる。
【００２４】
真空装置３は、密閉されたチャンバ１の中を真空に近い状態にする手段である。真空装置３は、真空ポンプによってチャンバ１の中の空気を抜く、いわゆる真空引きをしてチャンバ１の中を減圧する。実施の形態の真空ポンプは、スクロールポンプ３Ａとターボ分子ポンプ３Ｂでなる。チャンバ１の中の空気を抜いた後は、流量調整弁３Ｃ，３Ｄを絞ってチャンバ１の中の真空に近い状態を保持する。真空ポンプは、電子ビームを照射している間稼動しており、チャンバ１の排気をして、チャンバ１の中の真空に近い状態を維持している。
【００２５】
希ガス供給装置４は、チャンバ１の中に希ガスを供給する手段である。希ガス（不活性ガス）は、長周期表第１８族元素であるヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンを示す。電子ビームによる表面改質方法で実績のある希ガスは、アルゴンガスである。希ガス供給装置４は、液化アルゴンを封入したボンベ４Ａと、チャンバ１に接続する配管４Ｂと、バルブ４Ｃと、を含んでなる。電子ビーム照射装置は、チャンバ１の中のガス圧を０．０３Ｐａ〜０．１Ｐａにすることができるように設計されている。
【００２６】
実施の形態の電子ビーム照射装置には、チャンバ１の外に密閉空間４Ｄが設けられている。密閉空間４Ｄには、図示しない管路を通して窒素ガスが供給される。密閉空間４Ｄの中にカソードのギャップスイッチ（点火スイッチ）が存在する。密閉空間４Ｄの中の窒素ガスは、ギャップスイッチの表面に炭化物が付着することを防止する。
【００２７】
電子ビーム発生装置５は、電子銃であるカソード電極５Ａと、環状のアノード電極５Ｂと、被照射体６に通電するコレクタ５Ｃと、磁場を形成するソレノイド５Ｄと、を含んでなる。コレクタ５Ｃは、テーブル４０である。テーブル４０は、チャンバ１にグランドライン５Ｅでアースする。
【００２８】
カソード電極５Ａとテーブル４０に通電する被照射体６との両極間に電子ビームを発生させるための電圧パルスを印加する高圧電源を含む電子ビーム発生用電源装置５Ｆが設けられる。また、カソード電極５Ａとアノード電極５Ｂとの間にプラズマ発生用電源装置５Ｇが設けられる。スイッチ５Ｈは、カソード電極５Ａの電源の接続を切り換える。
【００２９】
カソード電極５Ａは、断面円形の基盤にチタンでなる多数の針状の突起が設けられている。アノード電極５Ｂは、カソード電極５Ａの断面積より大きい内径を有するリング形状をしている。実施の形態の電子ビーム照射装置は、例えば、カソード電極５Ａの直径が９０ｍｍφで、アノード電極５Ｂの内径が１４０ｍｍφである。アノード電極５Ｂは、円環内に比較的存在期間の短いプラズマを生成する。プラズマの電離層は、カソード電極５Ａから放出される電子を収束する。
【００３０】
以下に、本発明の金属表面改質方法の好適な実施例を図１に示される電子ビーム照射装置を用いて説明する。本発明の表面改質方法は、具体的に複数の作業工程に置き換えて説明することができる。電子ビームを照射して改質される被照射体６の表面に生じる現象と形成される改質層の特性は、被照射体６の材質によって異なる。被照射体６の金属は、鉄、チタンのような非鉄金属、合金である。実施例では、被照射体６を図２に示す材質がＳＫＤ６１（熱間工具鋼，合金工具鋼）の可塑化スクリュとして説明する。
【００３１】
第１の工程では、チャンバ１の中のテーブル４０の上に被照射体６をセットして密封扉１Ａを閉鎖する。チャンバ１の中は、予め浄化されている。全体的に丸棒形状の可塑化スクリュの被照射体６は、横に寝かせるようにしてテーブル４０の上に載置される。図１に示される電子ビーム照射装置の場合では、被照射体６は、被照射体６の長手方向が電子ビーム照射装置の左右方向（Ｘ軸方向）に位置するように配置される。
【００３２】
第２の工程では、被照射体６をカソード電極５Ａから放出される電子ビームが被照射体６の選択された被照射面に当たる位置に配置する。具体的には、移動体１０と移動体２０を作動させてテーブル４０をＸ軸方向とＹ軸方向に移動させることによって被照射体６をアノード電極５Ｂの直下に位置させる。
【００３３】
第３の工程では、図１に示される電子の加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐと希ガスによる電子の減速空間Ｇとが存在し得る範囲内でカソード電極５Ａと被照射体６との間の距離を可能限り短くする。具体的には、昇降装置３０を作動させて移動体１０ないし被照射体６がチャンバ１の内壁と衝突しない限界の位置までテーブル４０を上昇させる。このとき、アノード電極５Ｂと被照射体６との間に所定の圧力のアルゴンガスが介在する減速空間Ｇを設ける。
【００３４】
カソード電極５Ａと被照射体６との間の距離が十分にないと、必要な加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐが存在し得ない。そうすると、電子が収束して必要な力を持って被照射体６に到達することができず、被照射面を高温にして衝撃を与えることによって被照射面に材料の溶出による改質変化を作用させる現象が発生せず、表面を良好に改質することができない。本発明では、カソード電極５Ａと被照射体６とは、加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐが存在し得る範囲で可能な限り短くする。その結果、被照射体６の原形を喪失することなく被照射面を良好に均質に改質できる。
【００３５】
第４の工程では、密閉されたチャンバ１の中を真空に近い状態にする。具体的に、真空装置３の真空ポンプを作動させてチャンバ１の空気を抜き、チャンバ１の中を０．０３Ｐａ程度の真空に近い状態にする。
【００３６】
第５の工程では、ソレノイド５Ｄを励起してチャンバ１の中のカソード電極５Ａと被照射体６との間の加速空間Ｓに磁場を形成する。カソード電極５Ａと被照射体６との間に形成される磁場によって、カソード電極５Ａから放出される電子が加速空間Ｓで要求される速度まで加速される。
【００３７】
第６の工程では、アノード電極５Ｂの円環の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給する。カソード電極５Ａから放出される電子は、プラズマ空間Ｐで収束されて被照射体６の被照射面に到達する。大面積照射方式の表面改質方法では、粒子線束の断面積が大きくエネルギ密度が比較的低いので、プラズマが存在しないと、電子が散乱して被照射体６の被照射面を改質することができない。
【００３８】
第７の工程では、電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力の希ガスをアノード電極５Ｂと被照射体６との間に介在させる。電子ビームのエネルギを変えずに電子の速度を低下させる希ガスは、プラズマを生成する希ガスと同一である必要はない。ただし、実用上は、プラズマを生成する希ガスと同一である。具体的には、アルゴンガスである。
【００３９】
電子ビーム照射装置としては、従前からアルゴンガスの圧力を０．０３Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲でプラズマ空間Ｐに供給できるように構成されている。しかしながら、従前、アルゴンガスの圧力が０．０６Ｐａを超えた場合に、結果として被照射面の全面に改質層が形成されなかった。均一な改質層を得るために有効なアルゴンガスの圧力は、０．０６Ｐａ以下でなければならず、特に、０．０５Ｐａが適することが知られていた。
【００４０】
ところが、本発明は、現在までの常識的な考えと全く異なる発想をして、アノード電極５Ｂのプラズマ空間Ｐと被照射体６との間に０．０６Ｐａ以上のアルゴンガスを介在させることによって、これまで表面改質ができないと考えられてきた速度まで電子の速度を低下させる。具体的に、図１に示される構成の電子ビーム照射装置において、アルゴンガスの圧力を０．０８５Ｐａまで高くする。
【００４１】
実施の形態の表面改質方法では、被照射体６を可能な限りカソード電極５Ａに近付ける。同時に、環状のアノード電極５Ｂ、詳しくは、アノード電極５Ｂの円環の中に生成されるプラズマ空間Ｐと被照射体６の間の減速空間Ｇに上記所要の圧力のアルゴンガスを介在させる。その結果、アルゴンガスの作用によって電子の速度が低下するが、カソード電極５Ａから放出される電子ビームのエネルギは減衰しないし、電子は必要な力を持って被照射面に到達する。
【００４２】
第８の工程では、被照射体の選択された被照射面の全面が均一に改質されるまで、所定のエネルギの照射時間が短い電子ビームを所定回数繰返し被照射面に照射する。所定のエネルギで電子ビームを発生させるためのカソード電極５Ａと被照射体６との間に印加される電圧パルスの条件等の照射条件は、従来から知られている照射条件と同じ範囲であって、具体的には、複数の先行技術が参照される。
【００４３】
被照射体６が棒状であって被照射体６の全面を改質する必要がある場合、選択されている被照射面全体に均一に改質層が形成された後に、すでに改質層が形成された被照射面と改質層が形成されていない被照射面との電子ビームの照射領域が十分に重なるように被照射体６を中心軸廻りに所定角度回転させて同じように選択された被照射面の全面が均一に改質されるまで電子ビームを照射する。
【００４４】
電子が衝突したときに被照射体６の表面から溶融剥離した一部分の微細な材料の滓がチャンバ１の中を浮遊する。滓は、時間と共に自重によって自由落下する。このとき、原因が明確ではないが、滓が被照射体６の下方向に回り込んで被照射体６の側面下側と下面に付着する。滓は、粉塵に近い粉状である。被照射体６の表面に滓が付着した状態で放置すると容易に取り除くことができなくなる。また、滓が蓄積されて層が厚くなると、被照射面６の表面を覆って改質処理の障害になる。
【００４５】
実施の形態の表面改質方法では、選択されている被照射面全体に均一に改質層が形成された後に、すでに改質層が形成された被照射面と改質層が形成されていない被照射面とが少なくとも２分の１以上電子ビームの照射領域が重なるように棒状の被照射体６を所定角度回転させる。被照射体６が丸棒形状の場合は、９０度回転させる。
【００４６】
その結果、次の選択された被照射面を改質処理する過程で滓が取り除けなくなる前に滓が付着している表面が改質される。このとき、すでに改質されている表面では、平滑な改質層によって滓が付着しにくく、付着した滓は容易に拭き取ることができる。滓は、被照射体６の側面下側と下面に付着するので、一度に全面を照射できない可塑化スクリュのような形状の被照射体の表面を改質する場合に、滓が改質処理の障害にならない点で有効である。
【００４７】
特に、選択された被照射面が改質された後に改質された被照射面と改質されていない被照射面とが電子ビームの照射領域で３分の２以上重複するように被照射体を回転させて次の被照射面を選択すると、滓による障害を一層確実に防ぐことができる。例えば、図２に示される窪部位の形状が複雑である可塑化スクリュの場合は、中心軸Ｏ廻りに４５度回転させて電子ビームを照射する。
【００４８】
大面積照射方式の金属表面改質方法では、エネルギ密度が比較的低く、同じ面に繰返し電子ビームを照射しても数μｍ以上は改質が進行しないため、電子ビームの照射回数を増大させることによって境界線が全くわからない状態で全面に均質に数μｍの改質層を形成させることができる。
【００４９】
図２に示されるような長尺の被照射体６の全面を改質する場合は、カソード電極５Ａとアノード電極５Ｂで規定される照射面積に相応する領域で全周にわたって改質した後に被照射体６を長手方向に送り出して次の新しい被照射面をアノード電極５Ｂの直下に位置させる。図１に示される被照射体６の配置の場合は、移動体１０を所定ピッチ移動して被照射体６をＸ軸方向に送り出す。このとき、すでに改質されている表面と次の被照射面が部分的に重なるようにして、改質されない面ができないようにする。実施の形態の表面改質方法では、２０ｍｍピッチで送り出すようにしている。
【００５０】
図２に示される被照射体６の場合、選択された被照射面一面当たり電子ビームを７５回照射し、被照射体６を４５度ずつ回転して被照射面を変えながら回転方向に選択された被照射面８面で合計６００回電子ビームを照射した。その結果、形状の変形はなく、窪部位の側面と底縁部位を含めて全面が均等に改質された。被照射体６に形成された改質層の厚さはほぼ均一で約２μｍである。改質層は、主に熱間工具鋼に含まれるクロムが溶出して形成されている。表面に研磨では避けることができない僅かな凹凸も存在せず、耐熱性と耐磨耗性に優れる。改質層は、鍍金層と異なり、表面全体を均等に覆って剥離することがない。
【００５１】
大面積照射方式で電子ビームによる表面改質をされた射出成形機の可塑化スクリュには、高温による表面の損傷が生じにくい。また、炭化した溶融樹脂が可塑化スクリュの表面を覆うように残留し全体が黒くなる現象が発生しない。このような可塑化スクリュは、樹脂成形品に不純物を混入させることがない。また、射出成形において、清掃作業ないしは交換作業のような維持管理に要する作業の負担を低減し、費用と時間を削減して加工効率を向上させる。
【００５２】
被照射体６に与える有利な点は、被照射体６の材料によって異なる。例えば、被照射体６が超硬合金でなる金型の場合は、改質層が主に超硬合金に含まれる焼結バインダのコバルトが溶出して形成されているようである。そのため、表面に僅かな凹凸も存在せず、耐食性と耐磨耗性に優れる。その結果、このような金型は、離型性に優れる。また、金型の寿命がより長くなる。
【００５３】
本発明の表面改質方法は、電子の速度を低くするので、スパッタリングのときのように高温で溶融する材料な粒子がより飛散しにくい。そのため、飛散した粒子の再凝固による表面荒れが生じない。カソード電極５Ａから放出される電子ビームのエネルギは従来の照射条件と本質的に変わらないから、電子の速度を低下させることで被照射面が不良に変質したり、反対に被照射面に何も変化が生じないということがなく、被照射面に適正に均質な改質層が形成される。電子の衝突による衝撃を限界まで低減することで数百回に及ぶ電子ビームの照射を行なっても、被照射体における窪部位のエッジの形状が損傷しない。
【００５４】
以上に説明される実施の形態の表面改質方法は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で変形して実施することができる。例えば、プラズマを生成させるための希ガスの供給と電子の速度を低下させるために必要な圧力の高い希ガスの供給を同時に行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の電子ビームによる金属表面改質方法は、金属加工の技術分野において広く適用される。金属加工で適用される殆んどの金属材料の表面改質に有効である。特に、比較的深い窪部位を有する金型の成形面あるいは大きい部品の全面を表面改質することができる。本発明は、金属加工の発展に貢献する。
【符号の説明】
【００５６】
１ チャンバ
１Ａ 密封扉
１Ｂ 基台
２ 移動装置
３ 真空装置
３Ａ スクロールポンプ
３Ｂ ターボ分子ポンプ
４ 希ガス供給装置
４Ａ ボンベ
４Ｂ 配管
４Ｃ 供給口
４Ｄ 密閉空間
５ 電子ビーム発生装置
５Ａ カソード電極
５Ｂ アノード電極
５Ｃ コレクタ
５Ｄ ソレノイド
５Ｅ グランドライン
５Ｆ 電子ビーム発生用電源装置
５Ｇ プラズマ発生用電源装置
５Ｈ スイッチ
６ 被照射体
１０ 移動体
２０ 移動体
３０ 昇降装置
４０ テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉されたチャンバの中を真空に近い状態にして、アノード電極の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給するとともに、電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力の希ガスを前記アノード電極と被照射体との間に介在させ、電子の加速空間とプラズマ空間と前記希ガスによる電子の減速空間とが存在し得る範囲内でカソード電極と前記被照射体との間の距離を可能限り短くし、前記被照射体の選択された被照射面が均一に改質されるまで所定のエネルギの電子ビームを所定回数繰返し前記被照射面に照射する金属表面改質方法。
【請求項２】
前記選択された被照射面が改質された後に改質された被照射面と改質されていない被照射面とが電子ビームの照射領域で２分の１以上重複するように前記被照射体を回転させて次の被照射面を選択するようにすることを特徴とする請求項１に記載の金属表面改質方法。
【請求項１】
密閉されたチャンバの中を真空に近い状態にして、アノード電極の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給するとともに、電子の速度を窪部位のエッジの形状を喪失させない速度まで低下させるために必要十分な圧力の希ガスを前記アノード電極と被照射体との間に介在させ、電子の加速空間とプラズマ空間と前記希ガスによる電子の減速空間とが存在し得る範囲内でカソード電極と前記被照射体との間の距離を可能限り短くし、前記被照射体の選択された被照射面が均一に改質されるまで所定のエネルギの電子ビームを所定回数繰返し前記被照射面に照射する金属表面改質方法。
【請求項２】
前記選択された被照射面が改質された後に改質された被照射面と改質されていない被照射面とが電子ビームの照射領域で２分の１以上重複するように前記被照射体を回転させて次の被照射面を選択するようにすることを特徴とする請求項１に記載の金属表面改質方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−４９８８０（Ｐ２０１３−４９８８０Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８７５７４（Ｐ２０１１−１８７５７４）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００１３２７２５）株式会社ソディック (197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００１３２７２５）株式会社ソディック (197)
【Ｆターム（参考）】
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