金属的表面处理方法

专利名称：金属的表面处理方法
技术领域：
本发明涉及在母材金属的表面上接合异种金属以对金属表面进行处理 的方法。
背景技术：
金属经过表面处理，将其表面状态处理至适于用途的最佳状态。例如， 将表面固化或者降低摩擦系数以提高耐磨耗性，进而在表面上设置绝缘层 以将金属表面绝缘。作为金属的表面处理方法，开发了镀覆、喷镀、渗碳 等方法。镀覆由于使用各种药品，因此具有废液处理麻烦的缺点。另外， 喷镀由于将金属粉末加热至熔融状态后吹拂至母材金属的表面，因此装置 为大型，难以简单地进行表面处理。另外，渗碳具有仅特定的元素可渗透 至母材金属、而且处理也麻烦的缺点。作为消除这些表面处理缺点的方法， 开发了下述方法向母材金属的表面提供金属粉末，向金属粉末照射电子 束，从而将金属粉末合金化至母材金属中(参照专利文献l)。
专利文献l:日本特开2000-216310号公报
专利文献1记载了下述方法在母材金属的表面设置以钼为主的金属 粉末层，然后对该金属粉末层照射激光或电子束，将粉末层加热至熔点以 上。该方法在以钼为主的金属的接合界面附近形成良好的接合边界层，在 母材金属的表面上接合金属粉末层的金属。该方法难以在母材金属的表面 上以特定的厚度均匀地设置含有钼的金属粉末层。金属粉末层未均匀地设 置时，无法照射电子束以在理想的状态下设置表面层。当金属粉末层的厚 度具有不均时，难以调整电子束的照射能量。其原因在于，根据金属粉末 层的厚度不同，用于将其接合于母材金属的电子束的能量密度不同。进而， 该专利文献1还记载了喷镀以钼为主的金属粉末并吹拂至母材金属表面的 技术。该方法中，表面部被加热至熔点以上的粒子冲撞于母材金属的表面， 将以钼为主的金属悍接在母材金属的表面上。但是，利用喷镀进行的表面 处理难以将钼等金属牢固地结合在母材金属的表面上。

发明内容
本发明以解决该缺点为目的而开发。本发明的重要目的在于提供能够 简单且容易、且效率良好地将各种金属可靠地接合于各种母材金属的表面
的金属表面处理方法。
本发明第1方面的金属表面处理方法具有以下工序喷丸处理(Shot
peening)工序，其中在母材金属1的表面上用作为与母材金属1不同的金 属粒子的异种金属粒子2进行喷丸处理，从而在母材金属1的表面上设置 异种金属膜3;电子射线照射工序，其中对通过喷丸处理工序设置了异种金 属膜3的母材金属1的表面照射电子束4，从而将异种金属膜3和母材金属
1结合o
本发明第2方面的金属表面处理方法中，照射电子射线，将异种金属 膜3和母材金属1结合成合金状态。
本说明书中，"合金状态"的含义是指除了母材金属和异种金属成为合
金的状态之外，还包括母材金属和异种金属利用电子束的能量相互以熔融 状态而结合的状态。
本发明第3方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中在母材金 属1的表面上用作为熔点低于母材金属1的金属粒子的异种金属粒子2进 行喷丸处理后，在电子射线照射工序中照射电子束4以将异种金属粒子2 熔融，从而将异种金属膜3结合于母材金属1。
本发明第4方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中在母材金 属1的表面上用作为熔点高于母材金属1的金属粒子的异种金属粒子2进 行喷丸处理后，在电子射线照射工序中照射电子束4以将母材金属1熔融， 从而将异种金属膜3结合于母材金属1上。
本发明第5方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中将由不同 金属构成的多个异种金属粒子2喷射于母材金属1的表面。
本发明第6方面的金属表面处理法方法中，在喷丸处理工序中将平均 粒径不同的金属粒子喷射于母材金属1的表面。
本发明第7方面的金属表面处理方法中，在电子射线照射工序中对通 过喷丸处理工序设置了异种金属膜3的母材金属1的表面照射电子束4,将
10异种金属膜3和母材金属1结合，在母材金属1的表面上设置表面层5,并 且将喷丸处理工序和电子射线照射工序重复多次，从而层叠多个表面层5。
本发明第8方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中，喷丸处 理中所使用的异种金属粒子2含有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 F和氟化物、Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 S和硫 化物、Ta、 V中的至少任一种。
本发明第9方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中，使喷丸 处理中所使用的异种金属粒子2形成含有多个金属的合金和金属的化合物。
本发明第10方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中，使喷丸 处理中所使用的异种金属粒子2的平均粒径为0.03pm以上。
本发明第ll方面的金属表面处理方法中，在喷丸处理工序中，使喷丸 处理中所使用的异种金属粒子2的平均粒径为500pm以下。
本发明第12方面的金属表面处理方法中，使母材金属1为含有Fe、 Al、 Cu、铁合金、铝合金、铜合金、Ag、 Au、 Ba、 Ca、 Co、 F和氟化物、 Mg、 Mn、 Ni、 Nb、 Pt、 S和硫化物、Ta、 Ti、 V的金属、银合金、金合金、 转合金、钴合金、铬合金、镁合金、锰合金、镍合金、铌合金、钽合金、 钛合金、钒合金、烧结金属中的任一种。
本发明第13方面的金属表面处理方法中，在电子射线照射工序中，在 真空中或气体中对设有异种金属膜3的母材金属1照射电子束4。
本发明第14方面的金属表面处理方法中，在电子射线照射工序中照射 电子束4以将异种金属膜3和母材金属1结合，从而在母材金属1的表面 上设置表面层5，然后利用研磨工序研磨表面层5的表面。
本发明第15方面的金属表面处理方法具有以下工序临时膜工序，其 中将作为与母材金属1不同的金属粒子的异种金属粒子2向着母材金属1 加速，使其冲撞于母材金属1的表面，并借助通过能量束的能量而消失的 粘合剂6附着于母材金属1的表面，从而在母材金属1的表面上设置金属 粉末层9;束照射工序，其中对通过临时膜工序设置了金属粉末层9的母材 金属1的表面照射由电子束或激光束4构成的能量束，使粘合剂6消失， 将金属粉末层9和母材金属1结合，从而设置表面层5。
本发明第16方面的金属表面处理方法中，在束照射工序后，利用研磨工序研磨表面层5的表面。
本发明第17方面的金属表面处理方法中，在研磨工序中，用研磨粒子 对表面层5进行喷砂处理(shotblast)来进行研磨。
本发明第18方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，用加压流 体的能量来加速异种金属粒子2。
本发明第19方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，用电场和 /或磁场来加速异种金属粒子2。
本发明第20方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，使熔点低 于母材金属1的异种金属粒子2冲撞于母材金属1的表面。
本发明第21方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，使熔点高 于母材金属1的异种金属粒子2冲撞于母材金属1的表面。
本发明第22方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，使由不同 金属构成的多种异种金属粒子2冲撞于母材金属1的表面。
本发明第23方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，使平均粒 径不同的异种金属粒子2冲撞于母材金属1的表面。
本发明第24方面的金属表面处理方法中，在束照射工序中，将金属粉 末层9和母材金属1结合成合金状态。
本发明第25方面的金属表面处理方法中，将临时膜工序和束照射工序 重复多次，从而在母材金属1的表面层叠设置多个表面层5。
本发明第26方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，加速并使 其冲撞于母材金属1的表面的异种金属粒子2含有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 Ta、 V、 F、 S及这些等金属的氟化物、硫化物、氮化物、碳化物、硼化物中的至少 任一种。
本发明第27方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将含有二 硫化钼、硫化钨及氮化硼中任一种的异种金属粒子2加速并使其冲撞于母 材金属1的表面。
本发明第28方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将作为含 有多个金属的合金和金属的化合物的异种金属粒子2加速并使其冲撞于母 材金属1的表面。
12本发明第29方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将平均粒 径为0.03pm以上的异种金属粒子2加速并使其冲撞于母材金属1的表面。
本发明第30方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将平均粒 径为500pm以下的异种金属粒子2加速并使其冲撞于母材金属1的表面。
本发明第31方面的金属表面处理方法中，使母材金属1为含有Fe、 Al、 Cu、铁合金、铝合金、铜合金、Ag、 Au、 Ba、 Ca、 Co、 Mg、 Mn、 Ni、 Nb、 Pt、 Ta、 Ti、 V的金属、银合金、金合金、钙合金、钴合金、铬合 金、镁合金、锰合金、镍合金、铌合金、钽合金、钛合金、钒合金、烧结 金属、F、 S及这些等金属的氟化物、硫化物、氮化物、碳化物、硼化物中 的任一种。
本发明第32方面的金属表面处理方法中，在束照射工序中，在真空中 或气体中对设有金属粉末层9的母材金属1照射能量束。
本发明第33方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，附着异种 金属粒子2的粘合剂6使用水溶性或有机溶剂溶解性的粘合剂6。
本发明第34方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将异种金 属粒子2附着于母材金属1的粘合剂6使用油。
本发明第35方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将异种金 属粒子2附着于母材金属1的粘合剂6使用糖类或纤维素类。
本发明第36方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将异种金 属粒子2附着于母材金属1的粘合剂6单独使用下述材料中的任一种或者 使用下述材料中的多种混合而成的混合物，所述材料为阿拉伯树胶、黄 蓍胶、刺树胶梧桐、焦糖、淀粉、可溶性淀粉、糊精、a-淀粉、藻酸钠、明 胶、刺槐豆胶、酪蛋白等；由木质磺酸盐、羧甲基纤维素钠盐、甲基纤维 素、羟乙基纤维素、羧甲基化淀粉钠盐、羟乙基化淀粉、淀粉磷酸酯钠盐、 羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、乙酰基纤维素、酯胶中 的任一种构成的天然物得到的半合成品；由聚乙烯醇、聚乙烯基甲基醚、
聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠盐、水溶性共聚物、部分皂化乙酸乙烯酯和乙烯 基醚的共聚物、丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸及其酯或盐的聚合物或共聚 物、聚乙二醇、聚环氧乙垸、聚乙烯吡咯烷酮、乙烯基吡咯烷酮-乙酸乙烯 酯共聚物、聚乙酸乙烯酯、香豆酮树脂、石油树脂、酚醛树脂中的任一种构成的合成物。
本发明第37方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将异种金 属粒子2附着于母材金属1的粘合剂6使用通过照射紫外线而固化的照射 固化树脂。
本发明第38方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将粘合剂 6涂布在母材金属1的表面，将异种金属粒子2加速并使其冲撞于涂布有粘 合剂6的母材金属1的表面，从而设置金属粉末层9。
本发明第39方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，将异种金 属粒子2加速并使其冲撞于母材金属1的表面，同时将粘合剂6和异种金 属粒子2这两者向着母材金属1的表面加速，从而设置金属粉末层9。
本发明第40方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，通过静电 力将粉末状的粘合剂6和异种金属粒子2附着在母材金属1的表面上，之 后进行加热，用粘合剂6将异种金属粒子2结合在母材金属1的表面，从 而设置金属粉末层9。
本发明第41方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，借助紫外 线固化型的粘合剂6将异种金属粒子2附着在母材金属1的表面上，对紫 外线固化型的粘合剂6照射紫外线以使粘合剂6固化，从而在母材金属1 的表面上设置金属粉末层9。
本发明第42方面的金属表面处理方法中，在临时膜工序中，向金属粉 末层9的表面喷雾涂布剂。
本发明第1方面的金属表面处理方法具有可简单且容易、且效率良好 地将各种金属可靠地接合于各种母材金属表面的特征。这是由于，本发明 的表面处理方法用异种金属粒子在母材金属的表面上进行喷丸处理以设置 异种金属膜，然后对设有异种金属膜的母材金属的表面照射电子束，从而 将异种金属膜与母材金属结合。特别是，本发明的表面处理方法具有利用 喷丸处理在母材金属的表面设置异种金属膜，然后对该表面照射电子束的 特征。喷丸处理并不像进行镀覆以设置异种金属膜的方法那样需要处理废 液。另外，与喷镀相比，能够用简单的装置效率良好地设置异种金属膜。 而且，用异种金属粒子进行喷丸处理而设置的异种金属膜可以利用喷丸处 理中使用的异种金属粒子的粒径来控制膜厚。其原因在于，当用较大粒径
14的异种金属粒子进行喷丸处理时，大粒径的异种金属粒子附着在母材金属 的表面，从而使异种金属膜的膜厚增厚。因此，本发明的表面处理方法可 以利用异种金属粒子的粒径来自由地控制异种金属膜的膜厚，从而可以设 置最适于用途的表面处理膜。而且，用异种金属粒子进行喷丸处理的方法 能够以均匀的膜厚在母材金属的表面上设置异种金属膜。这是由于，利用 喷丸处理形成的异种金属膜是异种金属粒子以单层附着于母材金属的表 面。利用喷丸处理喷射于母材金属表面上的异种金属粒子附着在母材金属 上，但不会附着在之前附着的异种金属粒子上。因此，即便将异种金属粒 子不均匀地喷射于母材金属的表面，异种金属粒子也以单层附着在母材金 属的表面上，从而可以设置均匀膜厚的异种金属膜。这在照射电子束以结 合异种金属膜和母材金属的方法中是特别重要的。其原因在于，以恒定能 量密度扫描母材金属表面的电子束使均匀膜厚的异种金属膜在均匀的条件 下与母材金属相接合。照射于母材金属表面的电子束根据异种金属膜的膜 厚不同，最佳能量密度发生改变。较厚的异种金属膜提高所照射的电子束 的能量密度，较薄的异种金属膜降低所照射的电子束的能量密度，从而以 理想的状态相结合。当对较厚的异种金属膜照射低能量密度的电子束时， 异种金属膜的金属与母材金属不能完全地结合。相反，对较薄的异种金属 膜照射高能量密度的电子束时，异种金属膜由于热量而消失。本发明的表 面处理方法由于利用喷丸处理在母材金属的表面设置异种金属膜，因此可 以均匀地、且以最适于用途的膜厚来设置异种金属膜，对该均匀膜厚的异 种金属膜照射电子束，以理想的状态结合异种金属和母材金属，从而可以 可靠地将它们接合。
而且，本发明的金属表面处理方法由于可以制成具有润滑性、耐磨耗 性、耐腐^fe性、脱模性等各种特性的金属表面，因此可以适用于对应这些 目的的制品的金属表面。
另外，本发明第15方面的金属表面处理方法具有能够简单且容易、而 且效率良好地将各种金属可靠地接合于各种母材金属的表面的特征。其原 因在于，本发明的表面处理方法使作为与母材金属不同的金属粒子的异种 金属粒子加速、冲撞，借助通过能量束的能量而消失的粘合剂在母材金属 的表面上设置金属粉末层，对设有金属粉末层的母材金属的表面照射由电子束或激光束构成的能量束，使粘合剂消失，从而将金属粉末层和母材金 属结合。
特别是，本发明第15方面的表面处理方法除了用通过能量束而消失的 粘合剂附着异种金属粒子以在母材金属的表面上设置金属粉末层之外，还 通过加速异种金属粒子以使其冲撞于母材金属的表面，由此设置金属粉末 层。冲撞于该母材金属表面的异种金属粒子接触于母材金属的表面，没有 空隙地紧密排列。以该状态附着异种金属粒子而成的金属粉末层中，各种 异种金属粒子相互接近，可减少异种金属粒子之间的粘合剂，另外，还可 减少异种金属粒子和母材金属表面之间的粘合剂。向着母材金属加速、冲 撞于母材金属的表面的异种金属粒子由于动能而侵入未固化或固化了的粘 合剂内。异种金属粒子侵入粘合剂内的深度用异种金属粒子的动能来规定。 异种金属粒子的动能与冲撞于母材金属的速度的平方和质量之积成比例。 质量用体积和密度之积来规定。金属制的异种金属粒子的密度大，即便是 小粒径，质量也很大，从而动能增大。利用大的动能而冲撞于母材金属表 面的异种金属粒子深深地侵入母材金属表面的粘合剂。深深侵入粘合剂的 异种金属粒子与母材金属的表面相接触，紧密集合排列于表面，以紧密结 合的状态成为金属粉末层。
根据本发明的方法，还可在粘合剂中混合异种金属粒子并进行搅拌， 然后将其涂布在母材金属表面上来设置异种金属膜。但是，通过该方法设 置的异种金属膜如图19所示，金属粉末粒子92凝集，形成大小各异的凝 集粒体90，该凝集粒体90是不均匀、密度不均的状态，而且不会密合于母 材金属91的表面，是借助粘合剂96附着在母材金属91上的。对该状态的 异种金属膜93照射能量束时，根据能量束的能量和所凝集的凝集粒体的大 小或部位的不同，表面状态呈显著不同的状态。即，凝集于母材金属表面 的凝集粒体所接近的部分由于能量束，凝集粒体被溶解，形成合金层，从 而成为凸部，另外，凝集粒体接近表面而不存在凝集粒体的部分是能量束 照射于母材金属的表面，将母材金属熔融挖去、飞散，从而成为凹部。因 此，照射能量束后的母材金属的表面成为凹凸状，而且形成粗糙的合金层， 无法进行均匀且良好的表面处理。当将该表面状态的母材金属用于摩擦面 时，会发生攻击所接触的对象材料、显著破坏对象材料的问题。与此相对，本发明第15方面的表面处理方法中通过临时膜工序所设置 的异种金属膜是以异种金属粒子高密度地集合于母材金属表面的状态设置 的。其原因在于，通过向着母材金属加速异种金属粒子，使其冲撞于母材 金属的表面，由此设置金属粉末层。冲撞于母材金属表面的异种金属粒子 由于冲撞的冲击而分散，不会产生凝集，可以紧密结合于母材金属的表面。 加速并使其冲撞于母材金属表面的异种金属粒子侵入未固化的粘合剂内， 紧密结合于母材金属的表面。另外，异种金属粒子即便冲撞于固化了的粘 合剂的表面，也会依靠动能而侵入粘合剂内，从而紧密结合于母材金属的 表面。其原因在于，固化了的粘合剂的硬度与母材金属相比是足够小的。
对上述状态、即异种金属粒子紧密结合于母材金属表面的金属粉末层 照射的能量束将异种金属粒子熔融，从而形成与母材金属的表面热结合而 成的表面层。
另外，本发明第15方面的表面处理方法由于利用粘合剂将由异种金属 粒子构成的金属粉末层设于母材金属的表面，因此可以在母材金属的表面 上厚厚地设置金属粉末层，而且，在对金属粉末层照射能量束的工序中， 由于可以减少金属粉末层的飞散量，因此具有可以在母材金属的表面上设 置所要求膜厚的表面处理膜的特征。
另外，本发明第15方面的表面处理方法具有不需要如镀覆那样处理废 液，而且能够用比利用喷镀的表面处理方法更为简单的装置效率良好地进 行表面处理的特征。而且，加速异种金属粒子、使其冲撞而设置的金属粉 末层还可通过异种金属粒子的粒径来控制膜厚。当将大粒径的异种金属粒 子加速、冲撞于母材金属的表面，并借助粘合剂来设置金属粉末层时，可 以利用大粒径的异种金属粒子来增厚金属粉末层的膜厚。因此，本发明的 表面处理方法可以利用异种金属粒子的粒径来自由地控制金属粉末层的膜 厚，可以设置最适于用途的表面处理膜。而且，将异种金属粒子加速、冲 撞于母材金属表面、并利用粘合剂进行附着的方法在具有立体凹凸的母材 金属的表面上也能够以均匀的膜厚设置金属粉末层。
特别是，本发明第14方面和第16方面的金属表面处理方法将异种金 属膜与母材金属结合或者将金属粉末层与母材金属结合而设置表面层后， 利用研磨工序研磨表面层的表面，本发明第17方面的表面处理方法在研磨
17工序中用研磨粒子对表面层进行喷砂处理。喷砂处理以进行研磨后的表面 层成为平滑面，可以进一步减小摩擦阻力。另外，由于成为平滑面，因此 还可减少接触于表面层的被接触面的磨耗。特别是，根据该方法，可以将 扫描能量束所产生的束的照射痕迹平滑化，调整为适当的表面粗糙度，制 成漂亮的表面。特别是，该方法可以研磨照射能量束所形成的照射痕迹， 控制至规定的平滑度，形成理想的表面度。以相互滑动的状态相接触的滑
动面并非一定限定于完全的平滑面。例如，当使平滑度为0.01pm的滑动面 相互接触时，接触面成为真空状态，基本无法滑动。由此，为了将摩擦系 数控制为最小值，母材金属表面所具有的摩擦系数及其表面粗糙度变得很 重要。由此，通过照射能量束并扫描束而产生能量束的照射痕迹的本发明 的方法可以通过之后的研磨工序来控制表面的粗糙度，从而调整至最佳的 表面粗糙度。因此，本发明的表面处理方法具有以下特征在束照射工序
之后设置研磨工序，利用该研磨工序控制最后的表面粗糙度，从而形成理 想的滑动面。


图1为表示本发明的一个实施例的金属表面处理方法的喷丸处理工序 的概略图。
图2为表示本发明的一个实施例的金属表面处理方法的电子射线照射 工序的概略图。
图3为表示本发明的一个实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图4为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图5为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图6为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图7为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图8为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的临时膜工序的概 略图。
图9为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的临时膜工序的概 略剖面图。
图10为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的临时膜工序的概略剖面图。
图11为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的临时膜工序的概 略剖面图。
图12为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的临时膜工序的概
略剖面图。
图13为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图14为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图15为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图16为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图17为表示本发明其它实施例的金属表面处理方法的概略剖面图。 图18为表示ball-on-disk磨耗试验的一例的概略立体图。 图19为表示以往的表面处理方法中在母材金属上设置异种金属膜的一 例的放大剖面图。
符号说明
1母材金属2异种金属粒子
3异种金属膜4电子束
5表面层6粘合剂
7喷嘴8导电容器
9金属粉末层10电子射线照射装置
11密闭腔12电子枪
13聚焦线圈14偏转线圈
15阴极16偏压电极
17阳极18加热器
19电源90凝集粒体
91母材金属92金属粉末粒子
93异种金属膜96粘合剂
具体实施例方式
以下根据

本发明的实施例。以下所示实施例是示例用于将本 发明的技术思想具体化的金属表面处理方法的例子，本发明并不将表面处理方法限定于以下的方法或条件。
另外，本说明书中，为了易于理解权利要求书的范围，将实施例所示 部件所对应的附图符号标记于"权利要求书"和"发明内容"中所示的部件。但 权利要求书所示的部件绝非限定于实施例的部件。
本发明的金属表面处理方法如图1所示，在喷丸处理工序中，在母材
金属1的表面上用作为与母材金属1不同的金属粒子的异种金属粒子2进 行喷丸处理，从而在母材金属1的表面上设置异种金属膜3，然后在图2所 示电子射线照射工序中对通过喷丸处理工序中设置了异种金属膜3的母材 金属1的表面照射电子束4，从而将异种金属膜3和母材金属1结合。 [喷丸处理工序]
在图1所示的喷丸处理工序中，向母材金属1的表面用作为与母材金 属1不同的金属粒子的异种金属粒子2进行喷丸处理，从而在母材金属1 的表面上设置异种金属膜3。母材金属1可以使用最适于用途的金属，例如 可以使用含有Fe、 Al、 Cu、铁合金、铝合金、铜合金、Ag、 Au、 Ba、 Ca、 Co、 F和氟化物、Mg、 Mn、 Ni、 Nb、 Pt、 S和硫化物、Ta、 Ti、 V的金属、 银合金、金合金、钙合金、钴合金、铬合金、镁合金、锰合金、镍合金、 铌合金、钽合金、钛合金、钒合金、烧结金属等。喷丸处理中所使用的异 种金属粒子2使用含有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 F和氟化物、Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 S和硫化物、Ta、 V中至少任一种的粒子。喷丸处理还可使用混合了多个不同异种金属粒子 的粒子。而且，喷丸处理中所使用的异种金属粒子2使用熔点低于母材金 属l的金属粒子，或者相反地使用熔点高于母材金属2的金属粒子。而且， 还可混合使用熔点低于母材金属1的金属粒子和熔点高于母材金属1的金 属粒子这两者。
用异种金属粒子2进行喷丸处理以结合于母材金属1的方法是使异种 金属粒子2猛力地冲撞于母材金属1，利用异种金属粒子2的动能而物理地 结合于母材金属1。因此，母材金属1和异种金属粒子2可以使用各种金属。
喷丸处理工序以0.3MPa以上、优选0.5MPa以上的喷射压力将平均粒 径为0.03pm 500^im的异种金属粒子2向母材金属1的表面喷射。喷射于 母材金属1的异种金属粒子2的平均粒径规定异种金属膜3的膜厚。因此，喷射于母材金属1的异种金属粒子2可以考虑异种金属膜3的膜厚来使用 最佳值粒径的粒子，优选为0.1|im~50|im、更优选为0.3Mm 10|im。进而， 异种金属粒子2还可使用在不会形成异种金属膜的搬送载体粒子的表面上 附着有形成异种金属膜的异种金属的微细金属粒子的粒子。使该异种金属 粒子2的搬送载体粒子的平均粒径为100^im lmm、使微细金属粒子为 0.03pm~3(Him。该异种金属粒子2可以减小微细金属粒子、即高效地在母 材金属1的表面附着薄的异种金属膜。其原因在于，较大的搬送载体粒子 的动能大，其会使微细金属粒子猛力地冲撞于母材金属1的表面。 [电子射线照射工序〗
该工序对设有异种金属膜3的母材金属1的表面照射电子束4，利用电 子束4的能量局部加热异种金属膜3，从而与母材金属1结合。图2表示电 子射线照射工序中使用的电子射线照射装置10。该电子射线照射装置10将 设有异种金属膜3的母材金属1装入密闭腔11中，使密闭腔11形成真空， 照射电子束4。另外，密闭腔11还可根据目的形成氮气等的气体环境。电 子束4以能够将异种金属膜3结合于母材金属1的最佳能量密度照射于母 材金属1的表面。电子射线照射装置10具备加热加热器18并放射电子的 电子枪12、用磁场将由电子枪12放射的电子射线聚焦成电子束4的聚焦线 圈13、用磁场将聚焦的电子束4扫描于母材金属1表面的偏转线圈14。
电子枪12具备加热加热器18而释放出热电子的阴极15、控制由阴极 15释放的电子数量即电子束4的电流值的偏压电极16、加速电子束4的阳 极17。阴极15和偏压电极16由电源19提供负电压，阳极17由电源19提 供高电压的正电压。由电子枪12放射的电子束4通过聚焦线圈13聚焦于 母材金属1表面的规定面积的点上。进而，利用偏转线圈14扫描电子束4， 对母材金属1的整个面照射电子束4。
电子束4的能量可以利用阳极17的加速电压、由偏压电极16的负电 压所产生的电子束4的电流值、由偏转线圈14所产生的扫描速度来进行控 制。增高阳极17的加速电压、减小偏压电极16的负电压、减小聚焦电子 束4的点的面积、减慢电子束4的扫描速度，可以提高照射区域的能量密 度。
电子射线照射装置10照射于母材金属1表面的电子束4的能量根据异种金属膜3的材质和膜厚、以及母材金属1的种类来设定为最佳值。电子 束的能量优选为将异种金属膜3和母材金属1结合成合金状态的大小。通 过该方法，如图3所示，在母材金属1的表面上形成异种金属膜3和母材 金属1结合成合金状态而成的表面层5。
电子束的能量还可控制为用作为熔点低于母材金属1的金属粒子的异 种金属粒子2对母材金属1的表面进行喷丸处理，照射电子束4以熔融异 种金属膜3，从而将异种金属膜3结合于母材金属1的大小。该方法如图4 所示，熔融的异种金属膜3结合于母材金属1的表面而形成表面层5。
另外，电子射线照射的能量还可控制为用作为熔点高于母材金属1的 金属粒子的异种金属粒子2对母材金属1的表面进行喷丸处理，照射电子 束4以熔融母材金属1，从而将异种金属膜3结合于母材金属1的大小。该 方法如图5所示，在母材金属1的表面上形成异种金属膜3以埋设的状态 结合于炼融的母材金属1的表面而成的表面层5。
在喷丸处理工序中，如图6所示，可以将平均粒径不同的异种金属粒 子2喷射于母材金属1的表面，从而设置具有凹凸的异种金属膜3。当对该 异种金属膜3照射电子束时，异种金属膜3如图所示，以表面具有凹凸的 状态结合于母材金属l，形成表面为凹凸面的表面层5。
进而，虽未图示，但在喷丸处理工序中，还可将由不同金属构成的多 个异种金属粒子喷射于母材金属的表面，从而设置由不同金属构成的异种 金属膜。对该异种金属膜照射电子束时，可以在母材金属的表面上形成由 多种金属粒子构成的表面层。
进而，本发明的表面处理方法还可将喷丸处理工序和电子射线照射工 序重复多次，从而在母材金属1的表面上层叠多个表面层5。该方法如图7 所示，在电子射线照射工序中，对通过喷丸处理工序设置于母材金属1表 面上的异种金属膜3照射电子束，将异种金属膜3和母材金属1结合，在 母材金属1的表面设置表面层5，然后向该表面层5的表面用异种金属粒子 2进行喷丸处理，设置异种金属膜3，进而对该异种金属膜3照射电子束， 使异种金属膜3结合于表面层5，从而在母材金属1的表面上层叠2层表面 层5。进而，通过重复这些工序，可以将多层的表面层层叠在母材金属的表 面上。这样在母材金属1的表面上层叠多个表面层5的方法可以在母材金属1的表面上形成较厚的膜。进而，层叠于母材金属1表面的多个表面层5 可以是相同的金属，还可以是不同的金属。将由相同金属构成的表面层层 叠于母材金属表面的方法可以在母材金属的表面上形成由相同金属构成的 膜厚较厚的表面层。另外，将由不同金属构成的表面层层叠于母材金属表 面的方法可以以层叠状态将性质不同的多个金属膜形成于母材金属的表 面。
本发明的金属表面处理方法由于重复进行多次上述喷丸处理工序和电 子射线照射工序，因此可以增厚形成于母材金属表面上的整个表面层的膜 厚。因此，通过调整该膜厚，可以根据目的来加工各种广泛范围制品的金 属表面。
实施例1
(1) 喷丸处理工序
在作为母材金属1的纯铜或铜合金表面上用由二硫化钼构成的异种金 属粒子2进行喷丸处理。异种金属粒子2的平均粒径为l(Hmi、喷丸处理的 喷射压力为lMPa。通过该喷丸处理，在母材金属1的表面上设置二硫化钼 的异种金属膜3。
(2) 电子射线照射工序 将表面上设有二硫化钼的异种金属膜3的母材金属1放入密闭腔11内，
对密闭腔11进行排气以形成真空，对母材金属1的表面照射电子束4。电 子射线照射的条件如下设定。密闭腔11的真空度为7Pa以下。
电子朿的点的直径 0.3mm
加速电压 30kV
束电流 100mA
电子束的扫描面积 30mmx30mm
整个面的扫描时间 2秒
平行地扫描电子束4，对整个扫描面积均匀地照射电子射线时，可以在 母材金属1的表面上形成使铜和二硫化钼为合金状态的润滑性优异的表面 层。该表面层与仅用二硫化钼进行喷丸处理而附着于母材金属1的表面的 表面处理相比，铁与二硫化钼成为合金状态，牢固地结合，实现了极为优 异的润滑性和耐磨耗性。
23然后，将以上的喷丸处理工序和电子射线照射工序重复多次，从而可 以在母材金属1的表面上厚厚地设置与母材金属1的铁成为合金状态、牢 固结合的二硫化钼的表面层。
实施例2
(1) 喷丸处理工序
在母材金属1的Ti表面上用钨的异种金属粒子2进行喷丸处理。作为 异种金属粒子2的钨的平均粒径为20pm、喷丸处理的喷射压力为lMPa。 通过该喷丸处理，在母材金属1的表面上设置钨的异种金属膜3。
(2) 电子射线照射工序
将表面上设有钩的异种金属膜3的母材金属1放入密闭腔11内，对密 闭腔11进行排气以形成真空，对母材金属1的表面照射电子束4。电子射 线照射的条件如下设定。密闭腔11的真空度为7Pa以下。
电子束的点的直径 0.3mm
加速电压 30kV
束电流 110mA
电子束的扫描面积 30mmx30mm
整个面的扫描时间 1秒
平行地扫描电子束4，对整个扫描面积均匀地照射电子射线时，可以在 母材金属1的表面上形成使钛和钨为合金状态的耐磨耗性优异的表面层。 该表面层与仅用钨进行喷丸处理而附着于母材金属1的表面的表面处理相 比，钨与钛成为合金状态，牢固地结合，实现了极为优异的耐磨耗性。
然后，该方法中也将以上的喷丸处理工序和电子射线照射工序重复多 次，从而可以在母材金属的表面上厚厚地设置与母材金属的钛成为合金状 态、牢固结合的钨的表面层。
实施例3
(1)喷丸处理工序 母材金属1使用SKD-ll，用由SiC构成的异种金属粒子2进行喷丸处 理。异种金属粒子2的平均粒径为3pm、喷丸处理的喷射压力为lMPa。通过该喷丸处理，在母材金属1的表面上设置SiC的异种金属膜3。 (2)电子射线照射工序
将表面上设有SiC的异种金属膜3的母材金属1放入密闭腔11内，对 密闭腔11进行排气以形成真空，对母材金属1的表面照射电子束4。电子 射线照射的条件如下设定。密闭腔11的真空度为7Pa以下。
电子束的点的直径 0.3mm
加速电压 30kV
束电流 100mA
电子束的扫描面积 30mmx30mm
整个面的扫描时间 2秒
平行地扫描电子束4，对整个扫描面积均匀地照射电子射线时，可以在 母材金属1的表面上形成使SKD-ll和SiC为合金状态的表面层。利用 ball-on-disk试验方法来测定该表面层和作为母材金属的SKD-ll的摩擦系 数时，母材金属与所得表面层的摩擦系数为1: 0.2。由此可知，获得了摩 擦系数低的表面层。
另外，本发明的金属表面处理方法也可以如图8所示，在临时膜工序 中，将作为与母材金属1不同的金属粒子的异种金属粒子2向着母材金属1 加速并使其冲撞，并借助通过能量束的能量而消失的粘合剂6发生附着， 从而在母材金属1的表面上设置金属粉末层9，在图2所示的束照射工序中， 对通过临时膜工序设有金属粉末层9的母材金属1的表面照射由电子束4 或激光束构成的能量束，从而将金属粉末层9与母材金属1结合。
在图8所示的临时膜工序中，在母材金属1的表面上通过粘合剂6附 着作为与母材金属1不同的金属粒子的异种金属粒子2，从而设置金属粉末 层9。异种金属粒子2向着母材金属1加速，使其冲撞于母材金属1的表面， 通过粘合剂6附着于母材金属1的表面。
母材金属1可以使用最适于用途的金属，例如可以使用含有Fe、 Al、 Cu、铁合金、铝合金、铜合金、Ag、 Au、 Ba、 Ca、 Co、 Mg、 Mn、 Ni、 Nb、 Pt、 Ta、 Ti、 V的金属、银合金、金合金、钙合金、钴合金、铬合金、 镁合金、锰合金、镍合金、铌合金、钽合金、钛合金、钒合金、烧结金属、
25F、 S及这些等金属的氟化物、硫化物、氮化物、碳化物、硼化物等。
异种金属粒子2使用含有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 Ta、 V、 F、 S及这些等金 属的氟化物、硫化物、氮化物、碳化物、硼化物中至少任一种的粒子。金 属粉末层9的异种金属粒子2还可混合使用多个不同的异种金属粒子。进 而，金属粉末层9的异种金属粒子2还可以使用熔点低于母材金属1的金 属粒子，还可相反地使用熔点高于母材金属2的金属粒子。进而，还可混 合使用熔点低于母材金属1的金属粒子和熔点高于母材金属1的金属粒子 这两者。为了减小母材金属表面的摩擦阻力并提高耐磨耗性，作为异种金 属粒子，使用二硫化钼、硫化钨、氮化硼中的任一种或者它们的混合物。
为了在母材金属1上设置异种金属粒子2的金属粉末层9，在母材金属 1的表面上涂布粘合剂6，向着设有粘合剂6的母材金属1的表面加速异种 金属粒子2，使其冲撞于母材金属1的表面。冲撞于母材金属1表面的异种 金属粒子2通过动能而侵入粘合剂6的内部，紧密结合于母材金属1的表 面，成为金属粉末层。
异种金属粒子2被加压流体的能量加速或者被电场加速，冲撞于母材 金属1的表面。加速异种金属粒子2的加压流体为加压空气或加压液体。 利用加压空气加速异种金属粒子2时，喷丸处理是适合的。喷丸处理利用 加压的空气加速异种金属粒子2，使其冲撞于母材金属1的表面。喷丸处理 将异种金属粒子2加速并使其冲撞于预先涂布有粘合剂6的母材金属1的 表面。利用喷丸处理加速并使其冲撞于母材金属1的异种金属粒子2侵入 未固化的粘合剂6中，或者浸入固化了的粘合剂中，紧密结合于母材金属l 的表面，形成金属粉末层9。该方法使空气压力为0.3MPa以上、优选为 0.5MPa以上，将异种金属粒子2向着母材金属1的表面加速。空气压力根 据粘合剂的未固化状态或者固化了的状态而变化。向着未固化的粘合剂加 速异种金属粒子的空气压力可以低于向着固化了的粘合剂加速异种金属粒 子的空气压力。其原因在于，未固化的粘合剂可以使异种金属粒子顺畅地 侵入到内部，而固化了的粘合剂在使异种金属粒子侵入内部时需要更大的 动能。粘合剂即便固化，其硬度也比母材金属低，可以使被流体加速的异 种金属粒子侵入内部，紧密结合于母材金属的表面。利用加压的液体加速异种金属粒子时如图9所示，将异种金属粒子2 混合于液态或糊状的粘合剂6中，对混合有异种金属粒子2的粘合剂6加 压，从喷嘴7中喷射，使异种金属粒子2冲撞于母材金属1的表面。与粘 合剂6 —起向着母材金属1被加速的异种金属粒子2比粘合剂6的密度大， 通过大于粘合剂6的动能而浸入粘合剂6内，附着于母材金属1的表面， 成为金属粉末层9。
图10和图11为用电场加速异种金属粒子2使其冲撞于母材金属1的 表面。图10的方法对异种金属粒子2和母材金属1施加高电压。异种金属 粒子2从喷嘴7中带电地喷射。带电的异种金属粒子2被静电场加速，冲 撞于母材金属1。该方法通过以粘合剂6未固化的状态使被电场加速的异种 金属粒子2冲撞于涂布有粘合剂6的母材金属1的表面，由此设置金属粉 末层9。该方法还可用电场加速粘合剂和异种金属粒子两者，并冲撞于母材 金属的表面，由此设置金属粉末层。
图11的方法为在混合有异种金属粒子2的粘合剂6中浸渍母材金属1， 对填充有粘合剂6的导电容器8和母材金属1施加电压。混合于粘合剂6 中的异种金属粒子2带电，依靠静电力向着母材金属1的表面加速。
图12表示用磁场将异种金属粒子2加速并使其冲撞于母材金属1的表 面的方法。该图的方法为用电场和磁场两者来加速异种金属粒子2，使其冲 撞于母材金属1的表面。该方法从喷嘴7中带电地喷射异种金属粒子2。所 喷射的异种金属粒子2被磁场加速或者被磁场聚焦，冲撞于母材金属1的 表面。该方法可以利用磁场将从喷嘴7中喷射的异种金属粒子2聚焦成束 状，冲撞于母材金属1的表面。因此，将异种金属粒子2的束扫描于母材 金属1的表面，可以将加速的异种金属粒子2冲撞于母材金属1的整个表 面。
粘合剂6由于能量束的照射而消失。S卩，粘合剂6是在通过电子束或 激光束的能量将异种金属粒子2以熔融状态结合于母材金属1之前，将异 种金属粒子2暂时结合于母材金属1。因此，粘合剂6只要将异种金属粒子 2结合于母材金属l直至通过电子束或激光束的能量将异种金属粒子2以熔 融状态结合于母材金属1就足够了。粘合剂6虽然通过能量束而消失，但 没有必要使粘合剂的所有成分都完全地消失。以能量束含有在粘合剂中的成分的一部分，例如可以在粘合剂中含有硅，也可以在异种金属粒子和母 材金属的合金成分中含有该硅。
粘合剂6为水溶性或有机溶剂溶解性，例如使用糖类或纤维素类。更 具体地，粘合剂6单独使用下述材料中的任一种或者使用下述材料中的多
种混合而成的混合物，所述材料为阿拉伯树胶、黄蓍胶、刺树胶梧桐、
焦糖、淀粉、可溶性淀粉、糊精、a-淀粉、藻酸钠、明胶、刺槐豆胶、酪蛋 白等；由木质磺酸盐、羧甲基纤维素钠盐、甲基纤维素、羟乙基纤维素、 羧甲基化淀粉钠盐、羟乙基化淀粉、淀粉磷酸酯钠盐、羟丙基纤维素、羟 丙基甲基纤维素、乙基纤维素、乙酰基纤维素、酯胶中的任一种构成的天 然物得到的半合成品；由聚乙烯醇、聚乙烯基甲基醚、聚丙烯酰胺、聚丙 烯酸钠盐、水溶性共聚物、部分皂化乙酸乙烯酯和乙烯基醚的共聚物、丙 烯酸、甲基丙烯酸、马来酸及其酯或盐的聚合物或共聚物、聚乙二醇、聚 环氧乙烷、聚乙烯吡咯垸酮、乙烯基吡咯烷酮-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙酸 乙烯酯、香豆酮树脂、石油树脂、酚醛树脂中的任一种构成的合成物。进 而，粘合剂6还可使用通过照射紫外线而发生固化的照射固化树脂，另外， 如油那样，还可使用具有附着异种金属粒子的作用的液体。润滑油的油可 以增高粘度、增厚金属粉末层，还可以降低粘度、减薄金属粉末层。油虽 然不像粘结剂那样固化，但通过其粘合力将异种金属粒子附着在母材金属 的表面上。
临时膜工序还可以依靠静电力将粉末状的粘合剂6和异种金属粒子2 附着于母材金属1的表面，之后进行加热，利用粘合剂6将异种金属粒子2 结合于母材金属1的表面，从而设置金属粉末层9。该粘合剂6使用加热即 熔融的热熔融粘合剂。热熔融粘合剂在加热熔融后冷却，将异种金属粒子2 结合于母材金属1的表面。利用静电力将粉末的粘合剂6和异种金属粒子2 向着母材金属1的表面加速时，异种金属粒子2的密度大于粘合剂6，异种 金属粒子2的动能增大。因此，利用静电力加速粘合剂6和异种金属粒子2 的粉末以附着于母材金属1的表面时，重的异种金属粒子2侵入轻的粘合 剂6的内部，紧密结合于母材金属1的表面，成为金属粉末层9。
借助粘合剂6结合于母材金属1的表面的金属粉末层9可以通过粘合 剂6的粘度、涂布粘合剂6的膜厚来控制金属粉末层9的膜厚。增高粘合剂6的粘度可以增厚金属粉末层9的膜厚。另外，增厚涂布于母材金属1 的表面的涂膜，也可增厚金属粉末层9的膜厚。粘合剂6的粘度可以通过 利用溶剂进行稀释的量来控制。粘合剂6可以通过增多溶剂量稀释得较稀 来降低粘度。
临时膜工序将平均粒径为0.03pm 500Kim的异种金属粒子2向着母材 金属1的表面加速并使其冲撞。异种金属粒子2的平均粒径影响到金属粉 末层9的膜厚。喷射于母材金属1的异种金属粒子2可以考虑金属粉末层9 的膜厚来使用最佳值粒径的粒子，优选为O.lpm以上、更优选为0.3|im以 上，优选为5(Him以下、更优选为10nm以下。
进而，异种金属粒子还可使用在不会形成金属粉末层的搬送载体粒子 的表面上附着有形成金属粉末层的异种金属的微细金属粒子的粒子。使该 异种金属粒子的搬送载体粒子的平均粒径为100Mm lmm、使微细金属粒子 为0.03pm 3(Him。该异种金属粒子可以减小微细金属粒子，即可以高效地 母材金属的表面附着较薄的金属粉末层。其原因在于，较大的搬送载体粒 子的动能大，其使微细金属粒子猛力地冲撞于母材金属的表面。
该工序将由电子束或激光束构成的能量束照射于设有金属粉末层9的 母材金属1的表面，利用能量束的能量局部加热金属粉末层9以与母材金 属1结合。图2表示束照射工序中使用的电子射线照射装置10。该电子射 线照射装置10将设有金属粉末层9的母材金属1放入密闭腔11内，使密 闭腔ll形成真空，照射电子束4。另外，密闭腔ll还可根据目的形成氮气 等的气体环境。电子束4以可将金属粉末层9结合于母材金属1的最佳能 量密度照射于母材金属1的表面。电子射线照射装置10具备加热加热器18 并放射电子的电子枪12、用磁场将由电子枪12放射的电子射线聚焦成电子 束4的聚焦线圈13、用磁场将聚焦的电子束4扫描于母材金属1的表面的 偏转线圈14。
电子枪12具备加热加热器18而释放出热电子的阴极15、控制由阴极 15释放的电子数量即电子束4的电流值的偏压电极16、加速电子束4的阳 极17。阴极15和偏压电极16由电源19提供负电压，阳极17由电源19提 供高电压的正电压。由电子枪12放射的电子束4通过聚焦线圈13聚焦于母材金属1表面的规定面积的点上。进而，利用偏转线圈14扫描电子束4， 对母材金属1的整个面照射电子束4。
电子束4的能量可以利用阳极17的加速电压、由偏压电极16的负电 压所产生的电子束4的电流值、由偏转线圈14所产生的扫描速度来进行控 制。增高阳极17的加速电压、减小偏压电极16的负电压、减小聚焦电子 束4的点的面积、减慢电子束4的扫描速度，可以提高照射区域的能量密 度。
电子射线照射装置10照射于母材金属1表面的电子束4的能量根据金 属粉末层9的材质和膜厚、以及母材金属1的种类设定为最佳值。电子束 的能量优选为将金属粉末层9和母材金属1结合为合金状态的大小。通过 该方法，如图13所示，在母材金属1的表面上形成金属粉末层9和母材金 属1结合为合金状态而成的表面层5。
电子束4的能量还可控制为用作为熔点低于母材金属1的金属粒子的 异种金属粒子2对母材金属1的表面进行喷丸处理，照射电子束4以熔融 金属粉末层9，从而将金属粉末层9结合于母材金属1的大小。通过该方法， 如图14所示，熔融的金属粉末层9结合于母材金属1的表面，形成表面层
另外，电子射线照射的能量还可控制为用作为熔点高于母材金属1的 金属粒子的异种金属粒子2对母材金属1的表面进行喷丸处理，照射电子 束4以熔融母材金属1，从而将金属粉末层9结合于母材金属1的大小。通 过该方法，如图15所示，在母材金属1的表面上形成金属粉末层9以埋设 的状态结合于熔融的母材金属1表面而成的表面层5。
进而，在临时膜工序中，如图16所示，将平均粒径不同的异种金属粒 子2喷射于母材金属1的表面，从而可以设置具有凹凸的金属粉末层9。对 该金属粉末层9照射电子束时，金属粉末层9如图所示，以表面具有凹凸 的状态结合于母材金属l，形成表面为凹凸面的表面层5。
另外，虽未图示，但在临时膜工序中，还可将由不同金属构成的多个 异种金属粒子喷射于母材金属的表面，从而设置由不同金属构成的金属粉 末层。对该金属粉末层照射电子束时，可以在母材金属的表面形成由多种 金属粒子构成的表面层。
30进而，本发明的表面处理方法还可将临时膜工序和束照射工序重复多
次，在母材金属1的表面层叠多个表面层5。该方法如图17所示，在束照 射工序中，对通过临时膜工序设于母材金属1的表面的金属粉末层9照射 能量束，将金属粉末层9和母材金属1结合，在母材金属1的表面设置表 面层5，然后在该表面层5的表面上借助粘合剂6设置金属粉末层9，进而 对该金属粉末层9照射能量束，使金属粉末层9结合于表面层5，从而在母 材金属l的表面上层叠2层的表面层5。进而，通过重复这些工序，可以在 母材金属的表面上层叠多层的表面层。这样在母材金属1的表面层叠多个 表面层5的方法可以在母材金属1的表面上形成较厚的膜。进而，层叠于 母材金属1表面的多个表面层5可以是相同金属，也可以是不同金属。将 由相同金属构成的表面层层叠于母材金属表面的方法可以在母材金属的表 面上形成由相同金属构成的膜厚较厚的表面层。另外，在母材金属的表面 上层叠由不同金属构成的表面层的方法可以以层叠状态在母材金属的表面 上形成性质不同的多个金属膜。
本发明的金属表面处理方法由于可以将上述的临时膜工序和束照射工 序重复多次，因此可以增厚形成于母材金属表面的整个表面层的膜厚。因 此，通过调整该膜厚，可以根据目的来加工各种范围广泛的制品的金属表 面。
以上的方法是对金属粉末层9照射电子束4，将金属粉末层9结合于母 材金属1的表面，但也可以代替电子束而照射激光束，使金属粉末层结合 于母材金属的表面。即，也可以代替电子束的能量，利用激光束的能量将 金属粉末层结合于母材金属的表面。激光束不是通过电子的能量，而是通 过电磁波的能量将异种金属粒子和母材金属中的两者或一者熔融，从而将 金属粉末层牢固地结合于母材金属的表面。
研磨工序将在母材金属上结合金属粉末层而设置的表面层的表面进行 研磨，使其平滑。该研磨工序并非本发明必需的工序，通过研磨表面层， 将表面控制为规定的平滑度，可以进一步减小摩擦阻力。另外，表面层所 接触的被接触面的磨耗也可减小。研磨工序是用研磨粒子对母材金属的表 面层进行喷砂处理来处理。研磨粒子可以使用硅碳化物、二氧化硅、氧化铝或作为它们混合物的无机微粉，还可以使用含有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 F和氟化物、Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 S和硫化物、Ta、 V中至少任一种的金属粒子。研磨工序中喷砂处 理所使用的研磨粒子的平均直径大于lpm且小于5(Him。
实施例4
(1) 临时膜工序
在由铁工具钢(SKD-ll)构成的母材金属表面上涂布糊状的粘合剂。 粘合剂使用阿拉伯树胶。在粘合剂未固化的状态下，用作为异种金属粒子 的二硫化钼的粉末进行喷丸处理。喷丸处理中使用的二硫化钼的粉末靠加 压空气向着母材金属的表面加速，冲撞于母材金属的铁工具钢的表面，成 为金属粉末层。异种金属粒子的二硫化钼粉末的平均粒径为10pm、喷丸处 理的空气压力为O.lMPa。之后使粘合剂固化。通过该临时膜工序，在母材 金属的表面设置膜厚为200pm的二硫化钼的金属粉末层。
(2) 束照射工序
使粘合剂固化后，将表面设有二硫化钼的金属粉末层的母材金属放入 密闭腔内，对密闭腔进行排气以形成真空，对母材金属的表面照射电子束。 电子射线照射的条件如下设定。密闭腔的真空度为7Pa以下。
电子束的点的直径 0.3mm
加速电压 30kV
束电流 100mA
电子束的扫描面积 30mmx30mm
整个面的扫描时间 87秒
平行地扫描电子束，对整个扫描面积均匀地照射电子射线时，二硫化 钼与铁工具钢(SKD-ll)发生熔融而结合，在母材金属的表面上形成润滑 性优异的二硫化钼的表面层。之后，擦拭除去在照射电子束的状态下飞散 而附着于表面的异种金属粒子，调整表面粗糙度。
通过以上工序，可以形成约10pm的二硫化钼的表面层。该表面层中 SKD-ll的金属与二硫化钼成为合金状态而牢固地结合，达到极小的摩擦系 数，同时还实现了极为优异的耐磨耗性。通过以上方法进行了表面处理的铁工具钢与仅用二硫化钼进行喷丸处理的方法相比，可以极为牢固地结合 表面层。
通过以上方法进行了表面处理的铁工具钢的表面摩擦系数为极小的值。
实施例5
利用以下的研磨工序对实施例4中进行了表面处理的表面层进行研磨 以达到最佳平滑度，除此之外与实施例4同样地对母材金属进行表面处理。 该表面层在研磨工序中将能量束的照射痕迹平滑化。研磨工序是用研磨粒 子对表面层进行喷砂处理，将表面研磨至平滑。利用喷砂处理的研磨过程 如下进行在第1喷砂处理中，用加压至0.5MPa的空气喷射平均直径为 50nm的硅碳化物，在第2喷砂处理中，用加压至1.2MPa的空气喷射20pm 的硅碳化物。然后，用lMPa的空气将附着有金刚石粉末的粒体喷射于塑料 粒子的表面来进行第3喷砂处理。
经研磨的表面层的用ball-cm-disk磨耗试验测得的表面摩擦系数为0.27， 达到与认为是摩擦系数最小的DLC的0.2相匹敌的极小值。
ball-on-disk磨耗试验在以下条件下如图18所示进行。
滑动速度 0.1m/sec 加重 5N 测定时间 900sec 对手钢球 SUJ2 (3/8英寸)
实施例6
除了将异种金属粒子由二硫化钼改变为二硫化钨之外，与实施例4同 样地在母材金属的表面上设置约l(Him的二硫化钨的表面层。该表面层中 SKD-ll的金属与二硫化钨成为合金状态而牢固地结合，达到极小的摩擦系 数，还实现了极为优异的耐磨耗性。通过以上方法进行了表面处理的铁工 具钢与仅用二硫化钨进行喷丸处理的方法相比，可以极为牢固地结合表面 层。通过以上方法进行了表面处理的铁工具钢的表面摩擦系数也极小。
实施例7
除了利用与实施例5同样的研磨工序将实施例6中经表面处理的表面 层进行研磨以达到最佳平滑度之外，与实施例6同样地对母材金属进行表 面处理。该表面层在研磨工序中将能量束的照射痕迹平滑化，表面的摩擦 系数为0.3，达到与认为是摩擦系数最小的DLC的0.2相接近的极小值。
实施例8
除了将异种金属粒子由二硫化钼改变为氮化硼之外，与实施例4同样 地在铁工具钢的表面上设置约l(Him的氮化硼的表面层。该表面层中 SKD-ll的金属与氮化硼成为合金状态而牢固地结合，达到极小的摩擦系 数，还实现了极为优异的耐磨耗性。通过以上方法进行了表面处理的铁工 具钢与仅用氮化硼进行喷丸处理的方法相比，可以极为牢固地结合表面层。
通过以上方法进行了表面处理的铁工具钢的表面摩擦系数也为极小的值。
实施例9
除了利用与实施例5同样的研磨工序将实施例8中经表面处理的表面 层进行研磨以达到最佳平滑度之外，与实施例8同样地对母材金属进行表 面处理。该表面层在研磨工序中将能量束的照射痕迹平滑化，表面的摩擦 系数为0.3，达到与认为是摩擦系数最小的DLC的0.2相接近的较小的值。
实施例10
除了代替电子束而照射激光束之外，与实施例8同样地在母材金属上 设置约10pm的氮化硼的表面层。该表面层与仅用氮化硼进行喷丸处理而附 着于母材金属表面的表面处理相比，SKD-ll的金属与氮化硼瑢融成为合金 状态而牢固地结合，实现了极为优异的小摩擦系数和极为优异的耐磨耗性。
以上的实施例是借助粘合剂将异种金属粒子在母材金属的表面上设置成金属粉末层，对该金属粉末层照射能量束以设置表面层，之后利用研磨 工序研磨表面层，但本发明也可以不使用粘合剂，用异种金属粒子进行喷 丸处理而附着于母材金属的表面后，对其进行电子射线照射或者照射由激 光束构成的能量束以设置表面层，之后研磨由于能量束的照射所形成的照 射痕迹，将表面层的平滑度控制为最佳值。
本发明通过对母材金属进行表面处理，可以实现母材金属单质所无法 实现的、且镀覆等表面处理所无法实现的耐磨耗性和小摩擦系数，能够以 理想的状态用于各种用途、特别是用于要求耐磨耗性或小摩擦阻力的各种 用途。
权利要求
1.一种金属的表面处理方法，其具有下述工序喷丸处理工序，其中在母材金属(1)的表面上用作为与母材金属(1)不同的金属粒子的异种金属粒子(2)进行喷丸处理，从而在母材金属(1)的表面上设置异种金属膜(3)；电子射线照射工序，其中对通过喷丸处理工序设置了异种金属膜(3)的母材金属(1)的表面照射电子束(4)，从而将异种金属膜(3)和母材金属(1)结合。
2. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中照射电子射线， 将异种金属膜(3)和母材金属(1)结合成合金状态。
3. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其具有下述的电子射 线照射工序，其中在母材金属(1)的表面上用作为熔点低于母材金属(1) 的金属粒子的异种金属粒子(2)进行喷丸处理后，照射电子束(4)以将 异种金属粒子(2)熔融，从而将异种金属膜(3)结合于母材金属(1)上。
4. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其具有下述的电子射 线照射工序，其中在母材金属(1)的表面上用作为熔点高于母材金属(1) 的金属粒子的异种金属粒子(2)进行喷丸处理后，照射电子束(4)以将 母材金属(1)熔融，从而将异种金属膜(3)结合于母材金属(1)上。
5. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在喷丸处理工序 中，将由不同金属构成的多个异种金属粒子(2)喷射于母材金属(1)的 表面。
6. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在喷丸处理工序 中，将平均粒径不同的金属粒子喷射于母材金属(1)的表面。
7. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在电子射线照射 工序中，对通过喷丸处理工序设置了异种金属膜(3)的母材金属(1)的 表面照射电子束(4)，将异种金属膜(3)和母材金属(1)结合，在母材 金属(1)的表面上设置表面层(5)，并且将喷丸处理工序和电子射线照射 工序重复多次，从而层叠多个表面层(5)。
8. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在喷丸处理工序 中，喷丸处理中所使用的异种金属粒子(2)含有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 F和氟化物、Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 S和硫化物、Ta、 V中的至少任一种。
9. 根据权利要求1或7所述的金属的表面处理方法，其中在喷丸处理 工序中，喷丸处理中所使用的异种金属粒子(2)为含有多个金属的合金和 金属的化合物。
10. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在喷丸处理工序 中，喷丸处理中所使用的异种金属粒子(2)的平均粒径为0.03nm以上。
11. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在喷丸处理工序 中，喷丸处理中所使用的异种金属粒子(2)的平均粒径为500pm以下。
12. 根据权利要求l所述的金属的表面处理方法，其中，母材金属(1) 为含有Fe、 Al、 Cu、铁合金、铝合金、铜合金、Ag、 Au、 Ba、 Ca、 Co、 F 和氟化物、Mg、 Mn、 Ni、 Nb、 Pt、 S和硫化物、Ta、 Ti、 V的金属、银合 金、金合金、钙合金、钴合金、铬合金、镁合金、锰合金、镍合金、铌合 金、钽合金、钛合金、钒合金、烧结金属中的任一种。
13. 根据权利要求1所述的金属的表面处理方法，其中在电子射线照射 工序中，在真空中或气体中对设有异种金属膜(3)的母材金属(1)照射 电子束(4)。
14. 根据权利要求l所述的金属的表面处理方法，其中，在所述电子射 线照射工序中照射电子束(4)以将异种金属膜(3)和母材金属(1)结合， 从而在母材金属(1)的表面上设置表面层(5)，然后利用研磨工序研磨表 面层(5)的表面。
15. —种金属的表面处理方法，其具有下述工序临时膜工序，其中将作为与母材金属(1)不同的金属粒子的异种金属 粒子(2)加速，使其冲撞于母材金属(1)的表面，并借助通过能量束的 能量而消失的粘合剂(6)附着于母材金属(1)的表面，从而在母材金属 (1)的表面上设置金属粉末层(9);束照射工序，其中对通过临时膜工序设置了金属粉末层(9)的母材金 属(1)的表面照射由电子束或激光束(4)构成的能量束，使粘合剂(6) 消失，将金属粉末层(9)和母材金属(1)结合，从而设置表面层(5)。
16. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述束照 射工序后，利用研磨工序研磨表面层(5)的表面。
17. 根据权利要求14或16所述的金属的表面处理方法，其中，所述研 磨工序中用研磨粒子对所述表面层(5)进行喷砂处理。
18. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，用加压流体的能量来加速异种金属粒子(2)。
19. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，用电场和/或磁场来加速异种金属粒子(2)。
20. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，使熔点低于母材金属(1)的异种金属粒子(2)冲撞于母材金属(1)的表面。
21. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，使熔点高于母材金属(1)的异种金属粒子(2)冲撞于母材金属(1)的表面。
22. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，使由不同金属构成的多种异种金属粒子(2)冲撞于母材金属(1) 的表面。
23. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，使平均粒径不同的异种金属粒子(2)冲撞于母材金属(1)的表 面。
24. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述束照射 工序中，将金属粉末层(9)和母材金属(1)结合成合金状态。
25. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中将所述临时膜 工序和所述束照射工序重复多次，从而在母材金属(1)的表面上层叠设置 多个表面层(5)。
26. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述临时 膜工序中加速并使其冲撞于母材金属(1)的表面的异种金属粒子(2)含 有W、 C、 B、 Ti、 Ni、 Cr、 Si、 Mo、 Ag、 Au、 Ba、 Be、 Ca、 Co、 Cu、 Fe、 Mg、 Mn、 Nb、 Pt、 Ta、 V、 F、 S及这些等金属的氟化物、硫化物、氮化 物、碳化物、硼化物中的至少任一种。
27. 根据权利要求26所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，将含有二硫化钼、硫化钨和氮化硼中任一种的异种金属粒子(2) 加速并使其冲撞于母材金属(O的表面。
28. 根据权利要求15或25所述的金属的表面处理方法，其中在所述临 时膜工序中，将作为含有多个金属的合金和金属的化合物的异种金属粒子(2)加速并使其冲撞于母材金属(1)的表面。
29. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，将平均粒径为0.03pm以上的异种金属粒子(2)加速并使其冲撞 于母材金属(1)的表面。
30. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，将平均粒径为500pm以下的异种金属粒子(2)加速并使其冲撞于 母材金属(1)的表面。
31. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，所述母材金 属(1)为含有Fe、 Al、 Cu、铁合金、铝合金、铜合金、Ag、 Au、 Ba、 Ca、 Co、 Mg、 Mn、 Ni、 Nb、 Pt、 Ta、 Ti、 V的金属、银合金、金合金、熟合金、 钴合金、铬合金、镁合金、锰合金、镍合金、铌合金、钽合金、钛合金、 钒合金、烧结金属、F、 S及这些等金属的氟化物、硫化物、氮化物、碳化 物、硼化物中的任一种。
32. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述束照射 工序中，在真空中或气体中对设有金属粉末层(9)的母材金属(1)照射 能量束(4)。
33. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述临时 膜工序中附着异种金属粒子(2)的粘合剂(6)使用水溶性或有机溶剂溶 解性的粘合剂(6)。
34. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述临时 膜工序中将异种金属粒子(2)附着于母材金属(1)的粘合剂(6)使用油。
35. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述临时 膜工序中将异种金属粒子(2)附着于母材金属(1)的粘合剂(6)使用糖 类或纤维素类。
36. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述临时 膜工序中将异种金属粒子(2)附着于母材金属(1)的粘合剂(6)单独使 用下述材料中的任一种或者使用下述材料中的多种混合而成的混合物，所 述材料为阿拉伯树胶、黄蓍胶、剌树胶梧桐、焦糖、淀粉、可溶性淀粉、 糊精、a-淀粉、藻酸钠、明胶、刺槐豆胶、酪蛋白等；由木质磺酸盐、羧甲 基纤维素钠盐、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基化淀粉钠盐、羟乙基 化淀粉、淀粉磷酸酯钠盐、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维 素、乙酰基纤维素、酯胶中的任一种构成的天然物得到的半合成品；由聚 乙烯醇、聚乙烯基甲基醚、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠盐、水溶性共聚物、 部分皂化乙酸乙烯酯和乙烯基醚的共聚物、丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸 及其酯或盐的聚合物或共聚物、聚乙二醇、聚环氧乙垸、聚乙烯吡咯垸酮、 乙烯基吡咯垸酮-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙酸乙烯酯、香豆酮树脂、石油树 脂、酚醛树脂中的任一种构成的合成物。
37. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中，在所述临时 膜工序中将异种金属粒子(2)附着于母材金属(1)的粘合剂(6)使用通 过照射紫外线而固化的照射固化树脂。
38. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，将粘合剂(6)涂布在母材金属(1)的表面，将异种金属粒子(2) 加速并使其冲撞于涂布有粘合剂(6)的母材金属(1)的表面，从而设置 金属粉末层(9)。
39. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，将异种金属粒子(2)加速并使其冲撞于母材金属(1)的表面， 同时将粘合剂(6)和异种金属粒子(2)这两者向着母材金属(1)的表面加速，从而设置金属粉末层(9)。
40. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，通过静电力将粉末状的粘合剂(6)和异种金属粒子(2)附着在 母材金属(1)的表面上，之后进行加热，用粘合剂(6)将异种金属粒子(2)结合在母材金属(1)的表面，从而设置金属粉末层(9)。
41. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，借助紫外线固化型的粘合剂(6)将异种金属粒子(2)附着在母 材金属(1)的表面上，对紫外线固化型的粘合剂(6)照射紫外线以使粘 合剂(6)固化，从而在母材金属(O的表面上设置金属粉末层(9)。
42. 根据权利要求15所述的金属的表面处理方法，其中在所述临时膜 工序中，向金属粉末层(9)的表面喷雾涂布剂。
全文摘要
本发明的目的在于简单且容易、且效率良好地将各种金属以合金状态可靠地接合于各种母材金属的表面。本发明的金属表面处理方法具有以下工序喷丸处理工序，其中在母材金属(1)的表面上用作为与母材金属(1)不同的金属粒子的异种金属粒子(2)进行喷丸处理，从而在母材金属(1)的表面上设置异种金属膜(3)；电子射线照射工序，其中对通过喷丸处理工序设置了异种金属膜(3)的母材金属(1)的表面照射电子束(4)，从而将异种金属膜(3)和母材金属(1)结合。
文档编号C23C26/00GK101589174SQ200780050400
公开日2009年11月25日 申请日期2007年11月10日 优先权日2007年1月26日
发明者泽口一男 申请人:泽口一男;日本株式会社Ltt生物医药