金属表面改質装置
【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の中に移動装置２と電子ビーム発生装置５を備える。移動装置２は、電子の加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐと減速空間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とを可能な限り短くするように被照射体６を位置させる。ラックピニオン機構７は、移動装置２に設けられる。移動体１０が移動するとラック７Ａが移動してピニオン７Ｂが回転する。ピニオン７Ｂの回転で回転冶具８の回転軸８Ａが回転する。回転軸８Ａの回転でチャック８Ｃに取り付けられている被照射体６が所定角度回転する。移動体１０の所定ピッチの移動でバー９が移動すると、本体８Ｄはバー９に対して相対的にスライドする。被照射体６は、アノード電極５Ｂの直下に留まる。
【解決手段】チャンバ１の中に移動装置２と電子ビーム発生装置５を備える。移動装置２は、電子の加速空間Ｓとプラズマ空間Ｐと減速空間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とを可能な限り短くするように被照射体６を位置させる。ラックピニオン機構７は、移動装置２に設けられる。移動体１０が移動するとラック７Ａが移動してピニオン７Ｂが回転する。ピニオン７Ｂの回転で回転冶具８の回転軸８Ａが回転する。回転軸８Ａの回転でチャック８Ｃに取り付けられている被照射体６が所定角度回転する。移動体１０の所定ピッチの移動でバー９が移動すると、本体８Ｄはバー９に対して相対的にスライドする。被照射体６は、アノード電極５Ｂの直下に留まる。
【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装置に関する。
【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金属表面改質装置が知られている。例えば、特許文献１に開示される金属表面改質装置が知られている。以下の説明では、特許文献１に開示される金属表面改質装置の表面改質方法を便宜上“大面積照射方式”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】
特許文献２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装置を開示する。大面積照射方式の表面改質装置は、主に、チャンバと、移動装置と、真空装置と、希ガス供給装置と、電源装置を含む電子ビーム発生装置と、を含んでなる。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
特許文献３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３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】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４３８７号公報
【特許文献３】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】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
また、電子の衝突の衝撃で溶融した被照射体の材料が飛散して被照射体の周囲に浮遊する。電子の衝突の衝撃が大きいと比較的大きい粒子が被照射面に落下して再凝固し、良質の改質層を得るための障害になる。また、原因が明確ではないが、粉状の微細な材料が滓となって被照射体の下側に回り込んで側面下側ないしは下面に付着する。電子ビームを数十回照射し続けて滓が蓄積すると、良質の改質層を得るための障害になるおそれがある。
【００１２】
そのため、電子ビームを数十回照射するたびに被照射体をチャンバから取り出して被照射体の表面を拭き磨きして滓を除去する作業が要求される。また、状況によって、チャンバの中を清掃する必要がある。一度被照射体をチャンバから取り出すと、チャンバの中を再度真空引きする必要がある。このような作業は、作業の負担と時間を増大させる。したがって、作業の負担の低減と作業の時間の短縮が望まれている。
【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とともに、作業効率を向上させる改良された電子ビームによる表面改質装置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】
本発明の金属表面改質装置は、上記課題を解決するために、電子の加速空間（Ｓ）とプラズマ空間（Ｐ）と希ガスによる減速空間（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）とを可能な限り短くするように被照射体（６）を位置させるとともに水平１軸方向に所定ピッチ毎に移動する移動装置（２）を備え、移動装置（２）に設けられるラックピニオン機構（７）と、ラックピニオン機構（７）のピニオン（７Ｂ）と実質同軸に設けられる回転軸（８Ａ）と回転軸（８Ａ）を回転可能に支持する回転軸受（８Ｂ）と回転軸（８Ａ）に設けられ被照射体（６）を保持するチャック（６Ｃ）とを含んでなり移動装置（２）の所定ピッチの移動に対して相対的にスライドする回転冶具（８）と、を設ける。
【発明の効果】
【００１５】
比較的圧力（密度）が高いアルゴンガスによる減速空間Ｇが存在するので、電子ビームのエネルギを変えずに電子の速度が低下する。同時に、被照射体が可能な限りカソード電極の近くに配置されている。低エネルギ密度の電子ビームを照射するため、照射時間が短い電子ビームの照射回数を増大させることによって窪部位の側面と底縁部位も均質に改質させることができる。その結果、窪部位のエッジの形状を喪失させずに被照射体の全面を均一に改質させることができる。
【００１６】
本発明の金属表面改質装置では、電子の速度を低下させるので、被照射体の材料の大きな粒子が殆んど飛散せず、飛散した材料が被照射面に付着して再凝固するおそれがない。特に、被照射体を水平１軸方向にピッチ送りすると同時に被照射体を所定角度回転させることによって新しい被照射面をアノード電極に対向配置できるので、被照射体の側面下側ないし下面に付着する微細な滓を除くことができる。
【００１７】
したがって、照射時間が短い電子ビームを数百回以上繰返し照射し続けても被照射面に溶融した材料の粒が固着して表面が荒れることがない。また、被照射体の側面下側ないし下面に付着した滓が良好な改質層の障害にならない。そのため、照射工程を中断して被照射体を拭き磨きしたり、チャンバの中を清掃したりすることがなく、窪部位を有する金型あるいは大型の被照射体の表面改質を行なうことができる。その結果、作業の負担の低減と作業の時間の短縮し、作業効率を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の金属表面改質装置の右側面図である。
【図２】本発明の金属表面改質装置における回転冶具の斜視図である。
【図３】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】
【００１９】
図１は、金属表面改質を実施するための金属表面改質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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
真空装置３は、チャンバ１の中を浄化する手段を兼用する。真空装置３は、電子ビームを照射している間稼働してチャンバ１のガスを排出し、チャンバ１の中を真空に近い状態に維持している。真空装置３は、チャンバ１のガスを排出しているときに、浮遊する材料の滓をチャンバ１から吸い出す。
【００２５】
実施の形態の表面改質処理装置では、被照射体６の材料の大きい粒子が殆んど飛散しない。微細な材料の滓は比重が小さいので、暫らくの間はチャンバ１の中を舞っているが、やがて落下する。滓は、真空装置３によって多くの滓がチャンバ１の外に排出される。したがって、照射工程中、チャンバ１の中は比較的清浄な状態が維持されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
ラックピニオン機構７は、移動装置２に設けられる。実施の形態の金属表面改質装置では、ラックピニオン機構７のラック７Ａは、テーブル４０の上に敷設される。ラック７Ａは、移動体１０が水平１軸方向（Ｘ軸）に移動するときに、テーブル４０と共にＸ軸方向に移動する。ラック７Ａと噛合うピニオン７Ｂは、回転冶具８の回転軸８Ａに結合する。ラックピニオン機構７によって、移動体１０の移動に同期して被照射体６を所定角度回転させることができる。
【００３２】
ラックピニオン機構７は、モータと回転角度割出装置を不要にして金属表面改質装置の構成を簡単にする。特に、チャンバ１の中に回転角度割出装置を含む制御モータを設置することが困難である電子ビームによる金属表面改質装置では、電子ビームを直接受けても重大な損傷を受けにくい機械的構造のラックピニオン機構７は、極めて有益である。
【００３３】
回転冶具８は、回転軸８Ａと、回転軸受８Ｂと、チャック８Ｃと、本体８Ｄと、を含んでなる。回転冶具８は、図２に詳しく示される。回転冶具８は、ラック７Ａにピニオン７Ｂが噛合うように移動体１０に独立してテーブル４０の上に取り付けられる。
【００３４】
テーブル４０には、Ｘ軸方向に沿って水平に図１に示される金属製のバー９が固定されている。本体８Ｄにバー９が貫通するように回転冶具８を取り付ける。本体８Ｄとバー９との間に図示しない軸受が設けられ、本体８Ｄとバー９との間は、ラックピニオン機構７の動作を阻害しない小さい摩擦抵抗を有する。したがって、回転冶具８は、バー９によって支持される。移動体１０の所定ピッチの移動にともなってテーブル４０とバー９が移動すると、回転冶具８は、バー９に対して相対的にスライドすることによって、結果的に移動せずに同じ位置に留まることができる。
【００３５】
図２に示される実施の形態では、ピニオン７Ｂを片持支持する構成であるが、ピニオン７Ｂに回転軸８Ａを貫通させて、ピニオン７Ｂを挟んで両側に回転軸受８Ｂと本体８Ｄを設けることができる。このとき、ラック７Ａを挟んで平行に２本のバーを設けて、２本のバーで回転冶具８を支持する。平行な２本のバーで回転冶具８を支持することで、回転冶具８をより安定して設置することができ、比較的質量の大きい被照射体６を取り付けることができる。
【００３６】
回転軸８Ａは、ピニオン７Ｂと同軸に設けられる。回転軸８Ａは、移動体１０が所定ピッチ（単位移動量）移動するのにともなってラック７ＡがＸ軸方向に移動するとき、ピニオン７Ｂの回転によって所定角度回転する。回転軸８Ａは、ピニオン８Ｂと所定のギア比で噛合う減速ギアのような別の回転ギアと同軸に設けることができる。本発明では、ピニオン７Ｂの回転軸に回転軸８Ａが直結して両者が完全に同軸である場合と、別の回転ギアを介在させてピニオン７Ｂの回転軸と回転軸８Ａが平行である場合と、を含めて両者が“実質同軸”であるとする。
【００３７】
回転軸受８Ｂは、回転軸８ＡをＹ軸廻り（Ｂ軸方向）に回転可能に軸支する。チャック８Ｃは、回転軸８Ａの一端に直結して設けられる。チャック８Ｃは、被照射体６を締め付けて保持する。
【００３８】
ラックピニオン機構７のラック７Ａとピニオン７Ｂのギア比は、移動体１０が所定ピッチ送り出される毎に回転軸が所定角度回転するように決められている。移動体１０の送りピッチは、被照射体６の大きさと形状および電子ビームの照射面積に依存する。実施の形態の金属表面改質装置では、例えば、被照射体６が図３に示される可塑化スクリュであるとき、移動体１０をＸ軸方向に２０ｍｍ移動させる毎に回転軸８ＡがＢ軸方向に反時計回りに４５度回転するように決められている。
【００３９】
実施の形態の金属表面改質装置では、ラックピニオン機構７と回転冶具８とは、実質的に被照射体６に付着した微細な材料粉による滓を除去する作用を有する点で重要である。移動体１０を送り出すと、被照射体６が所定ピッチＸ軸方向に移動する。同時に、被照射体６がＢ軸方向に所定角度回転して新しい被照射面がアノード電極５Ｂの直下の電子ビームの照射領域に位置する。したがって、滓が付着している被照射体６の側面下側が電子ビームに曝される位置に配置される。その結果、次の照射工程で電子ビームによって被照射体６に付着した滓が除かれる。
【００４０】
以下に、本発明の金属表面改質装置の動作を複数の作業工程に従って説明する。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３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。
【００４１】
被照射体６をチャンバ１の中の回転冶具８のチャック８Ｃに締め付けて固定する。チャンバ１の中は、予め浄化されている。被照射体６を回転冶具８に取り付けたら、密閉扉１Ａを閉鎖する。全体的に丸棒形状の可塑化スクリュの被照射体６は、回転冶具８から横に延伸するように回転冶具８に取り付けられる。図１は、被照射体６を被照射体６の長手方向が電子ビーム照射装置の前後方向（Ｙ軸方向）に位置するように配置した例を示す。
【００４２】
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を作動させて被照射体６をアノード電極５Ｂの直下に位置させる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
実施の形態の金属表面処理装置では、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。
【００５２】
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。
【００５３】
電子の速度を低下させるので、被照射体６の材料の大きな粒子が殆んど飛散していない。微細な材料の滓は、チャンバ１の中を舞って自由落下する。電子ビームを照射している間に真空装置３を常に稼働させてチャンバ１の中を真空に近い状態に維持する。真空装置３は、チャンバ１の中のガスを排出するときに、浮遊する材料の滓をチャンバ１から吸い出す。したがって、チャンバ１の中は、照射時間が短い電子ビームの照射を数百回繰返しても、チャンバ１の中を清掃する必要がない。
【００５４】
実施の形態の金属表面改質装置では、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。
【００５５】
具体的に、移動体１０をＸ軸方向に所定ピッチ送り出す。移動体１０の移動によってテーブル４０が移動してテーブル４０の上に設けられているラック７Ａとバー９がＸ軸方向に所定ピッチ移動する。ラック７Ａが移動すると、ラックピニオン機構７によって回転冶具８の回転軸８Ａが回転して被照射体６がＢ軸廻りに所定ピッチに対応する所定角度回転する。
【００５６】
回転冶具８の本体８Ｄは、ラックピニオン機構７の動作を阻害しない小さい摩擦抵抗でバー９に支持されているので、回転冶具８は、Ｘ軸方向に移動するバー９に対して相対的にスライドすることによって同じ位置に留まる。その結果、新しく選択された被照射面がアノード電極５Ｂの直下の電子ビームの照射領域に位置する。
【００５７】
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。
【００５８】
本発明の金属表面改質装置では、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小さい所定ピッチで移動体１０を水平１軸方向（図１ではＸ軸方向）に送り出しながら被照射体６を所定角度回転させるようにラックピニオン機構７のギア比を決めている。図２に示されるように、被照射体６が丸棒形状の場合は、９０度回転させる。
【００５９】
前の照射工程の被照射面と次の照射工程の被照射面とが電子ビームの照射領域で少なくとも２分の１以上重複するように被照射体６が所定角度回転されるとき、連続する照射工程の間に滓が付着している側面下側と下面が改質処理される。このとき、すでに改質されている表面が側面下側ないし下面に位置するようになる。
【００６０】
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。
【００６１】
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、被照射体６を中心軸Ｏ廻りに４５度回転するように、より小さいピッチで移動体１０を水平１軸方向（Ｘ軸方向）に送り出す。
【００６２】
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。
【００６３】
図３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２０を所定ピッチ移動して被照射体６をＹ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。
【００６４】
図３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の照射時間の短い電子ビームの照射回数（ショット数）を７５回、ラックピニオン機構７のギア比を所定ピッチ２０ｍｍで回転角度４５度になるように設定し、すでに改質層が形成された照射領域と次に選択される照射領域とが３分の２以上重なるように被照射体６を送り出すようにして電子ビームを照射した。その間に、被照射体６の拭き磨きとチャンバ１の中の清掃を一度も行なわなかった。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。
【００６５】
標準的な大きさのチャンバ１を有する電子ビームによる金属表面改質装置における真空引きは、大体７分〜１０分を要する。また、被照射体６の拭き磨きは、２０分〜３０分を要する。図３に示される可塑化スクリュの全面を改質処理する場合で、作業時間を２時間以上短縮することができた。
【００６６】
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。
【００６７】
例えば、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。
【００６８】
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。
【００６９】
以上に説明される実施の形態の金属表面改質装置は、すでにいくつかの変形例が挙げられているが、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、回転冶具の回転軸の回転軸受を本体の中に収容する構成にすることができる。また、例えば、ラックをＹ軸方向に沿って設置してＹ軸方向の移動に同期して棒状の被照射体をＡ軸廻りに所定角度回転する構成にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の電子ビームによる金属表面改質装置は、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】
【００７１】
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
７ ラックピニオン機構
７Ａ ラック
７Ｂ ピニオン
８ 回転冶具
８Ａ 回転軸
８Ｂ 回転軸受
８Ｃ チャック
８Ｄ 本体
９ バー
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装置に関する。
【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金属表面改質装置が知られている。例えば、特許文献１に開示される金属表面改質装置が知られている。以下の説明では、特許文献１に開示される金属表面改質装置の表面改質方法を便宜上“大面積照射方式”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】
特許文献２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装置を開示する。大面積照射方式の表面改質装置は、主に、チャンバと、移動装置と、真空装置と、希ガス供給装置と、電源装置を含む電子ビーム発生装置と、を含んでなる。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
特許文献３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３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】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４３８７号公報
【特許文献３】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】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
また、電子の衝突の衝撃で溶融した被照射体の材料が飛散して被照射体の周囲に浮遊する。電子の衝突の衝撃が大きいと比較的大きい粒子が被照射面に落下して再凝固し、良質の改質層を得るための障害になる。また、原因が明確ではないが、粉状の微細な材料が滓となって被照射体の下側に回り込んで側面下側ないしは下面に付着する。電子ビームを数十回照射し続けて滓が蓄積すると、良質の改質層を得るための障害になるおそれがある。
【００１２】
そのため、電子ビームを数十回照射するたびに被照射体をチャンバから取り出して被照射体の表面を拭き磨きして滓を除去する作業が要求される。また、状況によって、チャンバの中を清掃する必要がある。一度被照射体をチャンバから取り出すと、チャンバの中を再度真空引きする必要がある。このような作業は、作業の負担と時間を増大させる。したがって、作業の負担の低減と作業の時間の短縮が望まれている。
【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とともに、作業効率を向上させる改良された電子ビームによる表面改質装置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】
本発明の金属表面改質装置は、上記課題を解決するために、電子の加速空間（Ｓ）とプラズマ空間（Ｐ）と希ガスによる減速空間（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）とを可能な限り短くするように被照射体（６）を位置させるとともに水平１軸方向に所定ピッチ毎に移動する移動装置（２）を備え、移動装置（２）に設けられるラックピニオン機構（７）と、ラックピニオン機構（７）のピニオン（７Ｂ）と実質同軸に設けられる回転軸（８Ａ）と回転軸（８Ａ）を回転可能に支持する回転軸受（８Ｂ）と回転軸（８Ａ）に設けられ被照射体（６）を保持するチャック（６Ｃ）とを含んでなり移動装置（２）の所定ピッチの移動に対して相対的にスライドする回転冶具（８）と、を設ける。
【発明の効果】
【００１５】
比較的圧力（密度）が高いアルゴンガスによる減速空間Ｇが存在するので、電子ビームのエネルギを変えずに電子の速度が低下する。同時に、被照射体が可能な限りカソード電極の近くに配置されている。低エネルギ密度の電子ビームを照射するため、照射時間が短い電子ビームの照射回数を増大させることによって窪部位の側面と底縁部位も均質に改質させることができる。その結果、窪部位のエッジの形状を喪失させずに被照射体の全面を均一に改質させることができる。
【００１６】
本発明の金属表面改質装置では、電子の速度を低下させるので、被照射体の材料の大きな粒子が殆んど飛散せず、飛散した材料が被照射面に付着して再凝固するおそれがない。特に、被照射体を水平１軸方向にピッチ送りすると同時に被照射体を所定角度回転させることによって新しい被照射面をアノード電極に対向配置できるので、被照射体の側面下側ないし下面に付着する微細な滓を除くことができる。
【００１７】
したがって、照射時間が短い電子ビームを数百回以上繰返し照射し続けても被照射面に溶融した材料の粒が固着して表面が荒れることがない。また、被照射体の側面下側ないし下面に付着した滓が良好な改質層の障害にならない。そのため、照射工程を中断して被照射体を拭き磨きしたり、チャンバの中を清掃したりすることがなく、窪部位を有する金型あるいは大型の被照射体の表面改質を行なうことができる。その結果、作業の負担の低減と作業の時間の短縮し、作業効率を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の金属表面改質装置の右側面図である。
【図２】本発明の金属表面改質装置における回転冶具の斜視図である。
【図３】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】
【００１９】
図１は、金属表面改質を実施するための金属表面改質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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
真空装置３は、チャンバ１の中を浄化する手段を兼用する。真空装置３は、電子ビームを照射している間稼働してチャンバ１のガスを排出し、チャンバ１の中を真空に近い状態に維持している。真空装置３は、チャンバ１のガスを排出しているときに、浮遊する材料の滓をチャンバ１から吸い出す。
【００２５】
実施の形態の表面改質処理装置では、被照射体６の材料の大きい粒子が殆んど飛散しない。微細な材料の滓は比重が小さいので、暫らくの間はチャンバ１の中を舞っているが、やがて落下する。滓は、真空装置３によって多くの滓がチャンバ１の外に排出される。したがって、照射工程中、チャンバ１の中は比較的清浄な状態が維持されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
ラックピニオン機構７は、移動装置２に設けられる。実施の形態の金属表面改質装置では、ラックピニオン機構７のラック７Ａは、テーブル４０の上に敷設される。ラック７Ａは、移動体１０が水平１軸方向（Ｘ軸）に移動するときに、テーブル４０と共にＸ軸方向に移動する。ラック７Ａと噛合うピニオン７Ｂは、回転冶具８の回転軸８Ａに結合する。ラックピニオン機構７によって、移動体１０の移動に同期して被照射体６を所定角度回転させることができる。
【００３２】
ラックピニオン機構７は、モータと回転角度割出装置を不要にして金属表面改質装置の構成を簡単にする。特に、チャンバ１の中に回転角度割出装置を含む制御モータを設置することが困難である電子ビームによる金属表面改質装置では、電子ビームを直接受けても重大な損傷を受けにくい機械的構造のラックピニオン機構７は、極めて有益である。
【００３３】
回転冶具８は、回転軸８Ａと、回転軸受８Ｂと、チャック８Ｃと、本体８Ｄと、を含んでなる。回転冶具８は、図２に詳しく示される。回転冶具８は、ラック７Ａにピニオン７Ｂが噛合うように移動体１０に独立してテーブル４０の上に取り付けられる。
【００３４】
テーブル４０には、Ｘ軸方向に沿って水平に図１に示される金属製のバー９が固定されている。本体８Ｄにバー９が貫通するように回転冶具８を取り付ける。本体８Ｄとバー９との間に図示しない軸受が設けられ、本体８Ｄとバー９との間は、ラックピニオン機構７の動作を阻害しない小さい摩擦抵抗を有する。したがって、回転冶具８は、バー９によって支持される。移動体１０の所定ピッチの移動にともなってテーブル４０とバー９が移動すると、回転冶具８は、バー９に対して相対的にスライドすることによって、結果的に移動せずに同じ位置に留まることができる。
【００３５】
図２に示される実施の形態では、ピニオン７Ｂを片持支持する構成であるが、ピニオン７Ｂに回転軸８Ａを貫通させて、ピニオン７Ｂを挟んで両側に回転軸受８Ｂと本体８Ｄを設けることができる。このとき、ラック７Ａを挟んで平行に２本のバーを設けて、２本のバーで回転冶具８を支持する。平行な２本のバーで回転冶具８を支持することで、回転冶具８をより安定して設置することができ、比較的質量の大きい被照射体６を取り付けることができる。
【００３６】
回転軸８Ａは、ピニオン７Ｂと同軸に設けられる。回転軸８Ａは、移動体１０が所定ピッチ（単位移動量）移動するのにともなってラック７ＡがＸ軸方向に移動するとき、ピニオン７Ｂの回転によって所定角度回転する。回転軸８Ａは、ピニオン８Ｂと所定のギア比で噛合う減速ギアのような別の回転ギアと同軸に設けることができる。本発明では、ピニオン７Ｂの回転軸に回転軸８Ａが直結して両者が完全に同軸である場合と、別の回転ギアを介在させてピニオン７Ｂの回転軸と回転軸８Ａが平行である場合と、を含めて両者が“実質同軸”であるとする。
【００３７】
回転軸受８Ｂは、回転軸８ＡをＹ軸廻り（Ｂ軸方向）に回転可能に軸支する。チャック８Ｃは、回転軸８Ａの一端に直結して設けられる。チャック８Ｃは、被照射体６を締め付けて保持する。
【００３８】
ラックピニオン機構７のラック７Ａとピニオン７Ｂのギア比は、移動体１０が所定ピッチ送り出される毎に回転軸が所定角度回転するように決められている。移動体１０の送りピッチは、被照射体６の大きさと形状および電子ビームの照射面積に依存する。実施の形態の金属表面改質装置では、例えば、被照射体６が図３に示される可塑化スクリュであるとき、移動体１０をＸ軸方向に２０ｍｍ移動させる毎に回転軸８ＡがＢ軸方向に反時計回りに４５度回転するように決められている。
【００３９】
実施の形態の金属表面改質装置では、ラックピニオン機構７と回転冶具８とは、実質的に被照射体６に付着した微細な材料粉による滓を除去する作用を有する点で重要である。移動体１０を送り出すと、被照射体６が所定ピッチＸ軸方向に移動する。同時に、被照射体６がＢ軸方向に所定角度回転して新しい被照射面がアノード電極５Ｂの直下の電子ビームの照射領域に位置する。したがって、滓が付着している被照射体６の側面下側が電子ビームに曝される位置に配置される。その結果、次の照射工程で電子ビームによって被照射体６に付着した滓が除かれる。
【００４０】
以下に、本発明の金属表面改質装置の動作を複数の作業工程に従って説明する。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３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。
【００４１】
被照射体６をチャンバ１の中の回転冶具８のチャック８Ｃに締め付けて固定する。チャンバ１の中は、予め浄化されている。被照射体６を回転冶具８に取り付けたら、密閉扉１Ａを閉鎖する。全体的に丸棒形状の可塑化スクリュの被照射体６は、回転冶具８から横に延伸するように回転冶具８に取り付けられる。図１は、被照射体６を被照射体６の長手方向が電子ビーム照射装置の前後方向（Ｙ軸方向）に位置するように配置した例を示す。
【００４２】
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を作動させて被照射体６をアノード電極５Ｂの直下に位置させる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
実施の形態の金属表面処理装置では、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。
【００５２】
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。
【００５３】
電子の速度を低下させるので、被照射体６の材料の大きな粒子が殆んど飛散していない。微細な材料の滓は、チャンバ１の中を舞って自由落下する。電子ビームを照射している間に真空装置３を常に稼働させてチャンバ１の中を真空に近い状態に維持する。真空装置３は、チャンバ１の中のガスを排出するときに、浮遊する材料の滓をチャンバ１から吸い出す。したがって、チャンバ１の中は、照射時間が短い電子ビームの照射を数百回繰返しても、チャンバ１の中を清掃する必要がない。
【００５４】
実施の形態の金属表面改質装置では、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。
【００５５】
具体的に、移動体１０をＸ軸方向に所定ピッチ送り出す。移動体１０の移動によってテーブル４０が移動してテーブル４０の上に設けられているラック７Ａとバー９がＸ軸方向に所定ピッチ移動する。ラック７Ａが移動すると、ラックピニオン機構７によって回転冶具８の回転軸８Ａが回転して被照射体６がＢ軸廻りに所定ピッチに対応する所定角度回転する。
【００５６】
回転冶具８の本体８Ｄは、ラックピニオン機構７の動作を阻害しない小さい摩擦抵抗でバー９に支持されているので、回転冶具８は、Ｘ軸方向に移動するバー９に対して相対的にスライドすることによって同じ位置に留まる。その結果、新しく選択された被照射面がアノード電極５Ｂの直下の電子ビームの照射領域に位置する。
【００５７】
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。
【００５８】
本発明の金属表面改質装置では、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小さい所定ピッチで移動体１０を水平１軸方向（図１ではＸ軸方向）に送り出しながら被照射体６を所定角度回転させるようにラックピニオン機構７のギア比を決めている。図２に示されるように、被照射体６が丸棒形状の場合は、９０度回転させる。
【００５９】
前の照射工程の被照射面と次の照射工程の被照射面とが電子ビームの照射領域で少なくとも２分の１以上重複するように被照射体６が所定角度回転されるとき、連続する照射工程の間に滓が付着している側面下側と下面が改質処理される。このとき、すでに改質されている表面が側面下側ないし下面に位置するようになる。
【００６０】
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。
【００６１】
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、被照射体６を中心軸Ｏ廻りに４５度回転するように、より小さいピッチで移動体１０を水平１軸方向（Ｘ軸方向）に送り出す。
【００６２】
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。
【００６３】
図３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２０を所定ピッチ移動して被照射体６をＹ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。
【００６４】
図３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の照射時間の短い電子ビームの照射回数（ショット数）を７５回、ラックピニオン機構７のギア比を所定ピッチ２０ｍｍで回転角度４５度になるように設定し、すでに改質層が形成された照射領域と次に選択される照射領域とが３分の２以上重なるように被照射体６を送り出すようにして電子ビームを照射した。その間に、被照射体６の拭き磨きとチャンバ１の中の清掃を一度も行なわなかった。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。
【００６５】
標準的な大きさのチャンバ１を有する電子ビームによる金属表面改質装置における真空引きは、大体７分〜１０分を要する。また、被照射体６の拭き磨きは、２０分〜３０分を要する。図３に示される可塑化スクリュの全面を改質処理する場合で、作業時間を２時間以上短縮することができた。
【００６６】
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。
【００６７】
例えば、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。
【００６８】
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。
【００６９】
以上に説明される実施の形態の金属表面改質装置は、すでにいくつかの変形例が挙げられているが、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、回転冶具の回転軸の回転軸受を本体の中に収容する構成にすることができる。また、例えば、ラックをＹ軸方向に沿って設置してＹ軸方向の移動に同期して棒状の被照射体をＡ軸廻りに所定角度回転する構成にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の電子ビームによる金属表面改質装置は、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】
【００７１】
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
７ ラックピニオン機構
７Ａ ラック
７Ｂ ピニオン
８ 回転冶具
８Ａ 回転軸
８Ｂ 回転軸受
８Ｃ チャック
８Ｄ 本体
９ バー
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】
電子の加速空間とプラズマ空間と希ガスによる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を可能な限り短くするように前記被照射体を位置させるとともに水平１軸方向に所定ピッチ毎に移動する移動装置を備え、前記移動装置に設けられるラックピニオン機構と、ラックピニオン機構のピニオンと実質同軸に設けられる回転軸と前記回転軸を回転可能に支持する回転軸受と前記回転軸に設けられ前記被照射体を保持するチャックとを含んでなり前記移動装置の前記所定ピッチの移動に対して相対的にスライドする回転冶具と、を設けてなる電子ビームによる金属表面改質装置。
【請求項１】
電子の加速空間とプラズマ空間と希ガスによる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を可能な限り短くするように前記被照射体を位置させるとともに水平１軸方向に所定ピッチ毎に移動する移動装置を備え、前記移動装置に設けられるラックピニオン機構と、ラックピニオン機構のピニオンと実質同軸に設けられる回転軸と前記回転軸を回転可能に支持する回転軸受と前記回転軸に設けられ前記被照射体を保持するチャックとを含んでなり前記移動装置の前記所定ピッチの移動に対して相対的にスライドする回転冶具と、を設けてなる電子ビームによる金属表面改質装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−４９８８２（Ｐ２０１３−４９８８２Ａ）
【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２０１１−１８７６１８（Ｐ２０１１−１８７６１８）
【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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