特許 6975263 金属粉末の粒子の表面処理方法及びこの方法によって得られる金属粉末粒子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6975263

(24)【登録日】2021年11月9日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】金属粉末の粒子の表面処理方法及びこの方法によって得られる金属粉末粒子

(51)【国際特許分類】

   B22F 1/00 20060101AFI20211118BHJP

   B22F 1/02 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   B22F1/00 G

   B22F1/00 K

   B22F1/00 N

   B22F1/00 R

   B22F1/02 D

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2019-571332(P2019-571332)

(86)(22)【出願日】2018年6月21日

(65)【公表番号】特表2020-524750(P2020-524750A)

(43)【公表日】2020年8月20日

(86)【国際出願番号】EP2018066615

(87)【国際公開番号】WO2019007699

(87)【国際公開日】20190110

【審査請求日】2019年12月23日

(31)【優先権主張番号】17180199.6

(32)【優先日】2017年7月7日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】506425538

【氏名又は名称】ザ・スウォッチ・グループ・リサーチ・アンド・ディベロップメント・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】ミコ，シラ

(72)【発明者】

【氏名】バザン，ジャン−リュック

【審査官】 中西 哲也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−２８７２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４７４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２８０９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０５０３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２８０８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０５８７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５０６０５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５１２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１３−００１３３９５（ＫＲ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０４８７４７９１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粉末状態の金属材料の表面処理方法であって、
金または白金材料の複数の粒子によって形成される粉末（３０）を得るステップと、
前記金または白金粉末粒子（３０）に対して、前記粒子の外面に向かって単価又は多価イオンであって炭素または窒素のイオンビーム（１４）を当てることによってイオン注入プロセスを施すステップとを有し、
前記イオンビームは、単価又は多価イオンのイオン源によって作られ、
前記粒子は半径（Ｒ）を有する球形である
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記金または白金粉末（３０）の前記粒子が、前記イオン注入プロセスの継続時間全体にわたって攪拌される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

用いられる前記金または白金粉末（３０）の前記粒子においては、全ての前記粒子の５０％が１〜２μｍである粒径を有し、前記金または白金粉末（３０）の前記粒子の粒径が５０μｍを超えない
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記イオン注入プロセスがＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記単価又は多価イオンが１５０００〜３５０００Ｖの電圧の下で加速される
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項6】

イオン注入量は、１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷イオン・ｃｍ^-2である
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記イオンは、前記粒子の半径（Ｒ）の１０％に対応する深さまで、前記金または白金粉末を形成する前記粒子に浸透する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。

【請求項8】

セラミックス外層（２６）と金または白金コア（２４）を有する複数の粒子によって構成している粉末状態の材料であって、
前記粒子は、半径（Ｒ）を有する球形であり、
前記セラミックス外層（２６）は、前記粒子の前記コア（２４）を形成する前記金または白金の炭化物又は窒化物に対応しており、
この炭化物又は窒化物は、炭素又は窒素イオンと前記金または白金原子が結合したものであり、
セラミックス材料の濃度は、前記セラミックス外層（２６）の外面から特定の深さまで増加し、この特定の深さを超えると減少してゼロとなる
ことを特徴とする材料。

【請求項9】

前記粒子の５０％は、１〜２μｍである粒径を有し、前記粒子の粒径は、５０μｍを超えない
ことを特徴とする請求項８に記載の材料。

【請求項10】

前記セラミックス材料の濃度は、前記セラミックス外層（２６）の外面から前記粒子の前記半径（Ｒ）の長さの５％の箇所まで増加し、そして、前記粒子の前記半径（Ｒ）の長さの１０％の箇所まで減少し、この箇所においてはゼロである
ことを特徴とする請求項８〜９のいずれか一項に記載の材料。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粉末状の金属材料の粒子を表面処理する方法、そして、この方法を用いることによって得られる金属粉末粒子に関する。本発明に係る方法によって得られる金属粉末粒子は、金属射出成形法（ＭＩＭ）としてよく知られている射出成形法のような粉末冶金法、プレス法、又は三次元レーザープリンティングのような付加的製造法を用いて固体部品を製造することに用いられることが意図されている。本発明は、さらに、セラミックス表面及び金属コアを有する金属粉末の粒子に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン注入法においては、例えば、電子サイクロトロン共鳴タイプの単価又は多価のイオン源を用いて、被処理物体の表面に衝突させる。このような設備は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）と呼ばれる。

【0003】

ＥＣＲイオン源は、電子サイクロトロン共鳴を用いてプラズマを発生させる。特定の体積の低圧気体が、電子サイクロトロン共鳴に対応する周波数で注入されるマイクロ波によってイオン化され、この電子サイクロトロン共鳴は、イオン化されるその特定の体積の気体内に位置する領域に与えられる磁場によって定められる。マイクロ波は、イオン化されるこの特定の体積の気体中に存在する自由電子を加熱する。これらの自由電子は熱攪拌の影響下で気体の原子又は分子と衝突し、そのイオン化を発生させる。用いられる気体のタイプに対応するイオンが発生する。この気体は、純粋であることができ、また、化合物であることができる。また、固体又は液体物質から得られる蒸気であることができる。ＥＣＲイオン源は、単価イオン、すなわち、イオン化傾向が１であるイオン、又は多価イオン、すなわち、イオン化傾向が１よりも大きいイオンを発生させることができる。

【0004】

本特許出願に添付されている図１に、ＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプの多価イオン源を図示している。ＥＣＲ多価イオン源は、全体として参照符号１を付しており、イオン化される特定の体積の気体４とマイクロ波６が導入される注入ステージ２と、プラズマ１０が中で発生する磁気閉じ込めステージ８と、及び高電圧が間に印加されるアノード１２ａとカソード１２ｂを用いてプラズマ１０のイオンを抽出し加速させることを可能にする抽出ステージ１２とを備えている。ＥＣＲ多価イオン源１の出力において発生する多価イオンビーム１４は、被処理部品１８の表面１６に衝突し、被処理部品１８の体積内の比較的深くまで浸透する。

【0005】

被処理物体の表面に衝突させてイオン注入をすると多くの効果が発揮される。例えば、被処理物体が作られている材料の微細構造を改変すること、耐食性を向上させること、摩擦特性を向上させること、そしてより一般的には、機械的特性を向上させることである。このような窒素イオン注入による銅及び青銅の硬度の増加に注目していくつかの研究が行われている。また、銅内に窒素又はネオンを注入すると、その銅の疲労強度が向上することが証明されている。同様に、窒素注入は、低量（１×１０¹⁵や２×１０¹⁵イオン・ｃｍ^-2）でも、銅のせん断弾性率を大きく変化させるのに十分であることをいくつかの研究が示している。

【0006】

このように、被処理物の表面に衝突させることによるイオン注入が、科学的、技術的及び工業的な観点から非常に有利であることがわかる。それにもかかわらず、今まで行われてきた研究は、被処理物が固体である場合にしか関連していない。

【0007】

しかし、このような固体物体は、伝統的な機械加工技術（ドリル加工、ミリング加工、ボーリング加工）を用いて与えられることがある形状や幾何学的構成によって制限される。

【0008】

したがって、現状の技術において、想定される形状に関する制限がほぼなく、かつ、機械的特性が著しく改善される物体が必要とされている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目的は、物理的及び化学的特性を変化させ向上させつつ、幾何学的形状が実質的に制限されないような物体の製造が可能になるような、金属材料の表面処理方法を提案することによって、上記の必要性を満たすことである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

このために、本発明は、金属材料の表面処理方法に関し、この方法は、金属材料の複数の粒子によって形成される粉末を得るステップと、及び単価又は多価イオンビームを前記粒子の表面に当てるステップとを有し、前記イオンビームは、単価又は多価イオン源によって作られ、これによって、粒子は全体として球形である。

【0011】

本発明の好ましい態様によれば、
− 前記単価又は多価イオン源は、ＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプのものである。
− 前記前記金属粉末の前記粒子は、前記イオン注入プロセスの持続時間全体にわたって攪拌される。
− 前記金属粉末の前記粒子においては、全ての前記粒子の実質的に５０％が１〜２μｍである粒径を有し、前記金属粉末の前記粒子の粒径が５０μｍを超えない。
− 前記金属材料は、金及び白金からなる群から選択される貴金属である。
− 前記金属材料が、マグネシウム、チタン及びアルミニウムからなる群から選択される非貴金属である。
− イオン化される前記材料は、炭素、窒素、酸素及びアルゴンからなる群から選択される。
− 前記単価又は多価イオンが１５０００〜３５０００Ｖの電圧の下で加速される。
− イオン注入量は、１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷イオン・ｃｍ^-2である。
− イオンの最大注入深さは、１５０〜２００ｎｍである。

【0012】

本発明は、さらに、セラミックス表面及び金属コアを有する金属粉末の粒子に関し、より詳細には、金属粉末の粒子を形成する金属の炭化物又は窒化物に対応する表面を有する金属粉末の粒子に関する。

【0013】

これらの特性のおかげで、本発明は、粉末状態の金属材料を処理する方法であって、前記粉末を形成する粒子は、深い箇所においてはその元の金属構造を保持する一方、表面から特定の深さまでは、金属粉末粒子と衝突する単価又は多価イオンは、金属の結晶構造の格子の欠陥を充填し、そして、金属材料の原子と結合して、セラミックス、すなわち、周囲温度で固体であり有機でも金属でもない材料、を形成するような方法を提供する。

【0014】

なお、金属粉末粒子は、イオン注入処理後に、射出成形、プレスのような粉末冶金法や三次元レーザープリンティングのような付加的製造法で用いる準備ができていることに留意すべきである。また、金属粉末粒子の表面がセラミックス、特に、前記粒子を形成する金属の炭化物及び／又は窒化物に変わるので、前記金属粉末粒子の機械的及び物理的特性、特に、硬度、耐食性又は摩擦特性、が改善する。このような金属粉末粒子の機械的及び物理的特性の改善は、このような金属粉末を用いて固体部品を作っても保持される。

【0015】

好ましくは、金属粉末を形成する粒子は、イオン注入処理の持続時間全体にわたって攪拌され、その結果、前記粒子は、その実質的に球形の表面全体にわたって均質な形態で注入ビームのイオンに曝される。

【0016】

なお、従来技術において、「サーメット」と呼ばれるセラミックス−金属タイプの材料を得るために通常用いられる方法の１つは、金属とセラミックス粉末を可能なかぎり均質に混合し、これによって、金属層で被覆されたセラミックス粒子を作ることを伴う。しかし、この方法は、金属層の厚み、及び金属層とセラミックスコアとの間の界面の品質をどのように正確に制御するかという課題を発生させる。

【0017】

図面を参照しながら本発明に係る方法の一例である実施形態についての以下の詳細な説明を読むことによって、本発明の他の特徴及び利点を理解することができる。この実施形態は、説明のためにのみ提供されるものであり、本発明の範囲を限定することを意図しているものではない。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】上で言及しており、ＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプの多価イオン源の概略図である。

【図2】Ｃ⁺炭素イオンビームが衝突した半径が約１μｍである金粒子Ａｕの断面図である。

【図3】本発明の範囲内で用いられているＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプの多価イオン源の概略図である。

【図4】図４Ａは、半径が約１μｍである白金粒子Ｐｔ内におけるＣ⁺炭素イオンの注入プロファイルを示している。図４Ｂは、半径が約１μｍである実質的に球形の白金粒子Ｐｔの平面における拡大図であり、この粒子内におけるＣ⁺炭素イオンの浸透軌跡を示している。

【図5】図５Ａは、半径が約１μｍである白金粒子ＰｔにおけるＮ⁺窒素イオンの注入プロファイルを示している。図５Ｂは、半径が約１μｍである白金粒子Ｐｔの平面における拡大図であり、この粒子内におけるＮ⁺窒素イオンの浸透軌跡を示している。

【図6】図６Ａは、半径が約１μｍである金粒子Ａｕ内におけるＣ⁺炭素イオンの注入プロファイルを示している。図６Ｂは、半径が約１μｍである略球形の金粒子Ａｕの平面における拡大図であり、この粒子内におけるＣ⁺炭素イオンの浸透軌跡を示している。

【図7】図７Ａは、半径が約１μｍである金粒子ＡｕにおけるＮ⁺窒素イオンの注入プロファイルを示している。図７Ｂは、半径が約１μｍである金粒子Ａｕの平面内における拡大図であり、この粒子内におけるＮ⁺窒素イオンの浸透軌跡を示している。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明は、全体として見ると、金属粉末の粒子に対して、その金属粉末の粒子の表面にイオンを注入するための処理プロセスによって処理するという創造性のある考えに基づいている。約１５０００〜３５０００Ｖの電圧で大きく加速した単価又は多価イオンを金属粉末の粒子に衝突させることによって、前記イオンは、金属の結晶構造の格子の欠陥を充填し始め、そして、金属材料の原子と結合してセラミックスを形成することが観察された。金属粉末粒子の表面から特定の深さまで、これらの金属粉末粒子は、セラミックス、例えば、この粒子を形成する金属の炭化物又は窒化物、に変えられる。好ましいことに、前記金属粉末粒子がセラミックス表面層を備えるようになって、機械的及び物理的特性、特に、硬度、耐食性又は摩擦特性、が改善される。このような金属粉末粒子がセラミックス表面層を備えることによる機械的及び物理的特性の改善は、前記金属粉末が、射出成形、プレス、付加的製造又は他の技術のような粉末冶金技術によって固体部品を作るために用いられても保持される。用語「付加的製造技術」は、本明細書では、材料の添加による固体部品の製造を伴うものと理解される。付加的製造技術の場合、基礎原料を徐々に追加することによって固体部品を作るが、伝統的な製造技術では、原材料を基材として用い、材料を徐々に取り除くことによって所望の最終部品を得る。

【0020】

図２は、金粒子Ａｕの断面図である。この金粒子は、全体として参照符号２０を付しており、半径Ｒが約１μｍである実質的に球形である。前記金粒子２０は、参照符号２２で示しているＣ⁺炭素イオンビームを用いて衝突される。図２に示しているように、金粒子２０は、純金によって作られているコア２４と、主に金炭化物によって構成している外層ないし外殻２６とを有する。

【0021】

前記外層２６の厚みｅは、金粒子２０の半径Ｒの約１０分の１、すなわち、約１００ｎｍである。この外層２６のほとんどは、セラミックス材料である金炭化物によって構成している。本発明によれば、セラミックス材料の濃度は、金粒子２０の外面２８から前記金粒子２０の半径Ｒの約５％、すなわち、約５０ｎｍ、の箇所まで増加し、そして、金粒子２０の半径Ｒの約１０分の１の箇所まで減少し、この箇所においては実質的にゼロである。

【0022】

本発明に係る方法のおかげで、例として、コアが元の金属によって構成している一方で、粒子のコアを完全に包囲する外層が、粒子に衝突するイオンと金属原子とが結合することによって発生する炭化物又は窒化物のようなセラミックス材料によって構成しているような金又は白金によって作られている粒子が得られる。

【0023】

本発明によれば、この方法は、被処理金属材料の複数の粒子によって形成される粉末を用いる。この金属材料は、金及び白金からなる群から選択される貴金属であることができるが、これに限定されない。また、マグネシウム、チタン及びアルミニウムからなる群から選択される非貴金属であることができる。

【0024】

必要に応じて金属を選択した後、金属粉末粒子３０に対して、ＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプの単価又は多価イオン源によって発生する単価又は多価イオンビーム１４を前記粒子の外面に当てることによるイオン注入プロセスを施す（図３参照）。

【0025】

好ましくは、イオン化される材料は、炭素、窒素、酸素及びアルゴンからなる群から選択され、単価又は多価イオンは、１５０００〜３５０００Ｖの電圧の下で加速される。なお、これに限定されない。イオン注入量は１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷イオン・ｃｍ^-2である。

【0026】

金属粉末粒子３０は、全体として、半径Ｒを有する球形であり、前記粒子の約５０％の粒径が１〜２μｍであり、これによって、金属粉末粒子３０の粒径が５０μｍを超えないようにされる。好ましくは、金属粉末粒子３０は、イオン注入プロセスの継続時間全体にわたって攪拌され、これによって、前記粒子がその外面全体にわたって均質にイオンビーム１４に曝されることを確実にする。

【0027】

図４Ａは、半径が約１μｍである白金粒子Ｐｔ内におけるＣ⁺炭素イオンの注入プロファイルを示している。横軸は、白金粒子Ｐｔの半径Ｒに沿って延び、ここで、該横軸の原点は、白金粒子の外面に対応しており、２０００オングストロームの値は、白金粒子Ｐｔの半径Ｒの約２０％に対応している。縦軸は、特定の深さにおいて白金粒子Ｐｔに注入されるＣ⁺炭素イオンの数を示している。白金粒子Ｐｔ内に注入されるＣ⁺炭素イオンの数が白金粒子の外面から非常に迅速に増加して、５００オングストローム、すなわち、白金粒子の半径Ｒの約５％、に実質的に対応する深さにおいて１４×１０⁴ｃｍ^-2を超える最大値に達することがわかる。そして、Ｃ⁺炭素イオンの数は減少して、深さ約１０００オングストローム、すなわち、白金粒子Ｐｔの半径Ｒの約１０％、においてゼロに近づく。

【0028】

図４Ｂは、略球形の白金粒子Ｐｔの平面における拡大図であり、半径が約１μｍであり、各Ｃ⁺、Ｃ⁺⁺炭素イオン等の平均自由軌道を示している。白金粒子Ｐｔを浸透すると、この図４Ｂは、約１４×１０⁴原子・ｃｍ^-2の密度で描かれている。図４Ｂの横軸は、表面（０オングストローム）と２０００オングストロームとの間の白金粒子Ｐｔの深さを示している。図４Ｂの縦軸はＣ⁺炭素イオンビームの直径を示している。Ｃ⁺炭素イオンビームの中心は、−１０００オングストロームと＋１０００オングストロームの間の縦軸の高さに沿って中央に位置する。したがって、図４Ｂにおいて、Ｃ⁺炭素イオンビームの近似的な直径は約１５０ｎｍであり、白金粒子Ｐｔ内におけるＣ⁺炭素イオンの浸透深さは１００ｎｍをわずかに超えるにすぎないことがわかる。

【0029】

図５Ａは、半径Ｒが約１μｍである白金粒子ＰｔにおけるＮ⁺窒素イオンの注入プロファイルを示している。横軸は、白金粒子Ｐｔの半径Ｒに沿って延び、ここで、該横軸の原点は、白金粒子Ｐｔの外面に対応し、２０００オングストロームの値は、白金粒子Ｐｔの半径Ｒの約２０％に対応する。縦軸は、特定の深さにおいて白金粒子Ｐｔに注入されるＮ⁺窒素イオンの数を示している。白金粒子Ｐｔ内に注入されるＮ⁺窒素イオンの数は、白金粒子Ｐｔの外面から非常に迅速に増加し、実質的に５００オングストローム、すなわち、白金粒子Ｐｔの半径Ｒの約５％に対応する深さにおいて、１６×１０⁴ｃｍ^-2を超える最大値に達することがわかる。そして、Ｎ⁺窒素イオンの数は、白金粒子Ｐｔの外面から約１０００オングストロームの深さにおいて減少し、ゼロに近づく。すなわち、前記白金粒子Ｐｔの半径Ｒの約１０％である。

【0030】

図４Ａと５Ａを比較すると、Ｎ⁺窒素イオンは、Ｃ⁺炭素イオンよりも小さい程度まで白金粒子Ｐｔの結晶格子に浸透していることがわかる。

【0031】

図５Ｂは、実質的に球形の白金粒子Ｐｔの平面における拡大図であり、その半径は約１μｍであり、白金粒子Ｐｔに浸透するときの各Ｎ^＋、Ｎ^＋＋窒素イオン等の平均自由軌道を示している。この図５Ｂは、約１６×１０^４原子・ｃｍ^−２の密度で描かれている。図５Ｂの横軸は、表面（０オングストローム）と２０００オングストロームとの間の白金粒子Ｐｔの深さを示している。図５Ｂの縦軸はＮ^＋窒素イオンビームの直径を示している。Ｎ^＋イオンビームの中心は、−１０００オングストロームと＋１０００オングストロームの間の縦軸の高さに沿って中央に位置する。したがって、図５Ｂにおいて、Ｎ^＋イオンビームの近似的な直径は約１５０ｎｍであり、白金粒子Ｐｔ内におけるＮ^＋イオンの浸透深さは１００ｎｍよりわずかに小さいことがわかる。したがって、Ｎ^＋イオンは、Ｃ^＋イオンよりも白金粒子に浸透する度合いが小さいことは明らかである。

【0032】

図６Ａは、金粒子Ａｕ内におけるＣ⁺炭素イオンの注入プロファイルを示し、その半径Ｒは約１μｍである。横軸は、金粒子Ａｕの半径Ｒに沿って延び、ここで、前記横軸の原点は、金粒子Ａｕの外面に対応し、２０００オングストロームの値は、金粒子Ａｕの半径Ｒの約２０％に対応する。縦軸は、与えられた深さにおいて金粒子Ａｕに注入されるＣ⁺炭素イオンの数を示している。金粒子Ａｕ内に注入されるＣ⁺炭素イオンの数は、金粒子Ａｕの外面から非常に迅速に増加し、５００オングストロームの深さ、すなわち、金粒子Ａｕの半径Ｒの約５％の箇所で１２×１０⁴ｃｍ^-2を超える最大値に達することがわかる。そして、イオンの数は減少し、金粒子Ａｕの外面よりも中の約１０００ｎｍの箇所でゼロに近づく。すなわち、粒子の半径Ｒの長さの約１０％の箇所である。

【0033】

図６Ｂは、半径が約１μｍであるような実質的に球形の金粒子Ａｕの平面における拡大図であり、各Ｃ⁺、Ｃ⁺⁺炭素イオン等が金粒子Ａｕ内に浸透するときのそれらの平均自由軌道を示している。この図６Ｂは、イオン密度が約１２×１０⁴原子・ｃｍ^-2である場合のものである。図６Ｂの横軸は、金粒子Ａｕの深さを表面（０オングストローム）と２０００オングストロームの間で示している。図６Ｂの縦軸は、Ｃ⁺炭素イオンビームの直径を示している。Ｃ⁺イオンビームの中心は、−１０００オングストロームと＋１０００オングストロームの間の縦軸の高さの中間に位置している。したがって、図６Ｂにおいて、Ｃ⁺イオンビームの近似的な直径が約１５０ｎｍであり、金粒子Ａｕ内におけるＣ⁺イオンの浸透深さは１００ｎｍをわずかに超えることがわかる。

【0034】

図７Ａは、半径が約１μｍである金粒子ＡｕにおけるＮ⁺窒素イオンの注入プロファイルを示している。横軸は、金粒子Ａｕの半径Ｒに沿って延び、ここで、前記横軸の原点は、金粒子Ａｕの外面に対応しており、２０００オングストロームの値は、金粒子Ａｕの半径Ｒの約２０％に対応している。縦軸は、特定の深さにおいて金粒子Ａｕに注入されるＮ⁺窒素イオンの数を示している。金粒子Ａｕ内に注入されるＮ⁺窒素イオンの数は、金粒子Ａｕの外面から非常に迅速に増加して、５００オングストローム、すなわち、金粒子Ａｕの半径Ｒの約５％の箇所、の深さにおいて、１４×１０⁴ｃｍ^-2を超える最大値に達することがわかる。そして、Ｎ⁺窒素イオンの数が減少し、金粒子Ａｕの外面下の約１０００ｎｍ、すなわち、粒子の半径Ｒの長さの約１０％の箇所、において、ゼロに近づく。

【0035】

図７Ｂは、半径が約１μｍである略球形の金粒子Ａｕの平面における拡大図であり、各Ｎ^＋、Ｎ^＋＋窒素イオン等が金粒子Ａｕ内に浸透するときのそれらの平均自由軌道を示している。この図７Ｂは、イオン密度が約１４×１０^４原子・ｃｍ^−２である場合のものである。図７Ｂの横軸は、金粒子Ａｕの深さを表面（０オングストローム）と２０００オングストロームの間で示している。図７Ｂの縦軸は、Ｎ^＋窒素イオンビームの直径を示している。Ｎ^＋窒素イオンビームの中心は、−１０００オングストロームと＋１０００オングストロームの間の縦軸の高さに沿って中央に位置する。したがって、図７Ｂにおいて、Ｎ^＋窒素イオンビームの近似的な直径は約１５０ｎｍであり、金粒子Ａｕ内におけるＮ^＋イオンの浸透深さは約１００ｎｍであることがわかる。したがって、Ｎ^＋窒素イオンがＣ^＋イオンよりも金粒子Ａｕ内に浸透しにくいことは明らかである。

【0036】

本発明が上記実施形態に限定されるものではなく、添付の請求の範囲によって定められる本発明の範囲を逸脱せずに当業者によって種々の単純な代替形態や改変が考えられることは明らかである。具体的には、ＥＣＲ電子サイクロトロン共鳴タイプのイオン注入プロセスについて、好ましい例の形態で記載しているが、本発明の範囲を制限するものではなく、他の熱間プラズマ生成プロセス、例えば、誘導、又はマイクロ波発生器によって発生する強力磁場を用いるプロセスを考えることができることを理解することができるであろう。また、窒素によって注入される平均直径が２．０μｍであるサファイア粒子に対して透過型電子顕微鏡によって行われる付加的な測定によって、イオン注入後のサファイア粒子が、厚みが約１５０〜２００ｎｍであるセラミックス外殻を有することが確認されることに留意すべきである。また、粒子の体積全体に対する照射される粒子の体積の比は、約１４％であることに留意すべきである。出願人の観点からは、本発明に係るイオン注入法によって得られる粉末は真の複合材料ではない。具体的には、複合材料は、その広く受け入れられている意味においては、２つの異なる材料、すなわち、マトリックスと補強材、を組み合わせたものである。本明細書の場合、単一の材料に対してイオンが衝突して表面における化学構造が改変したものについてのみ説明が関連する。したがって、この材料については、不均質材料と呼ぶことが好ましい。最後に、本発明によれば、ＥＣＲイオン源は、単価イオン、すなわち、イオン化傾向が１であるイオン、又は多価イオン、すなわち、イオン化傾向が１よりも大きいイオン、を発生させることができることに留意すべきである。また、イオンビームは、すべてイオン化傾向が同じイオンを含むことができ、また、イオン化傾向が異なるイオンの混合物によって形成されていてもよいことに留意すべきである。

【符号の説明】

【0037】

１ ＥＣＲ多価イオン源
２ 注入ステージ
４ 被イオン化気体の体積
６ マイクロ波
８ 磁気閉じ込めステージ
１０ プラズマ
１２ 抽出ステージ
１２ａ 陽極
１２ｂ カソード
１４ 多価イオンビーム
１６ 表面
１８ 被処理部品
２０ 金粒子Ａｕ
Ｒ 半径
２２ Ｃ⁺炭素イオンビーム
２４ コア
２６ 外層ないし外殻
ｅ 厚み
２８ 外面
３０ 金属粉末粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】