特許 7504363 コーティング方法

(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】

(24)【登録日】2024-06-14

(45)【発行日】2024-06-24

(54)【発明の名称】コーティング方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 4/123 20160101AFI20240617BHJP

   B05D 1/02 20060101ALI20240617BHJP

   B05D 7/24 20060101ALI20240617BHJP

   B05D 3/06 20060101ALI20240617BHJP

   B23K 26/342 20140101ALI20240617BHJP

   C23C 24/10 20060101ALI20240617BHJP

   C23C 26/00 20060101ALI20240617BHJP

   C23C 4/08 20160101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

C23C4/123

B05D1/02 Z

B05D7/24 301A

B05D7/24 303C

B05D3/06 Z

B23K26/342

C23C24/10 B

C23C26/00 E

C23C4/08

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020181182

(22)【出願日】2020-10-29

(65)【公開番号】P2022013563

(43)【公開日】2022-01-18

【審査請求日】2023-06-02

(31)【優先権主張番号】P 2020112686

(32)【優先日】2020-06-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390001801

【氏名又は名称】大阪富士工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100141852

【弁理士】

【氏名又は名称】吉本 力

(72)【発明者】

【氏名】辰巳 佳宏

(72)【発明者】

【氏名】安積 一幸

(72)【発明者】

【氏名】林 良彦

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 康喜

(72)【発明者】

【氏名】小泉 保行

(72)【発明者】

【氏名】森本 健斗

(72)【発明者】

【氏名】塚本 雅裕

(72)【発明者】

【氏名】阿部 信行

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 雄二

【審査官】菅原 愛

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０９０６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２４１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】塚本 雅裕，戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)革新的設計生産技術 高付加価値設計・製造を実現するレーザーコーティング技術の研究開発，生産と技術，日本，2018年07月10日，Vol. 70, No. 3, 上巻，page.5-7

【文献】浅野 孝平，マルチレーザビーム照射法によるレーザクラッディング技術に関する研究，レーザ加工学会誌，日本，2019年10月，Vol.26, No.3，page.173-180

【文献】塚本 雅裕，戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)革新的設計生産技術「高付加価値設計・製造を実現するレーザーコーティング技術の研究開発，Optronics，日本，2017年04月10日，No.424，page.174-177

【文献】【OPIE'17】阪大ら，青色・近赤外マルチカラーレーザーコーティング装置開発，OPTRONICS ONLINE，2017年04月13日，https://optronics-media.com/news/20170413/46399/

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ ４／１２３

Ｂ０５Ｄ １／０２

Ｂ０５Ｄ ７／２４

Ｂ０５Ｄ ３／０６

Ｂ２３Ｋ ２６／３４２

Ｃ２３Ｃ ２４／１０

Ｃ２３Ｃ ２６／００

Ｃ２３Ｃ ４／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法であって、
純銅又は銅合金を含む溶材を前記対象物に向けて噴射しつつ、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いて前記溶材をレーザービームで溶融させて前記対象物の表面に固着させることにより、前記対象物の表面を金属膜でコーティングし、
前記レーザークラッディングでは、少なくとも青色レーザー及び近赤外レーザーを含む重畳したレーザービームを照射することにより前記溶材を溶融させ、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させることにより、前記対象物の表面をコーティングする前記金属膜の色又は膜厚を変化させることを特徴とするコーティング方法。

【請求項2】

対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法であって、
純銅又は銅合金を含む溶材を前記対象物に向けて噴射しつつ、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いて前記溶材をレーザービームで溶融させて前記対象物の表面に固着させることにより、前記対象物の表面を金属膜でコーティングし、
前記溶材は、粉末状であり、粒径が２０～３８μｍの第１粉末と、粒径が５～２０μｍの第２粉末を含むことを特徴とするコーティング方法。

【請求項3】

前記対象物の表面が、ステンレス鋼を含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコーティング方法。

【請求項4】

前記溶材における前記第２粉末の含有量が、前記第１粉末の含有量よりも少ないことを特徴とする請求項２に記載のコーティング方法。

【請求項5】

前記溶材における前記第２粉末の含有量が２０～４０ｗｔ％であり、前記第１粉末の含有量が６０～８０ｗｔ％であることを特徴とする請求項４に記載のコーティング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、銅が抗菌性能を有することが知られている。これは、銅などの金属が、「微量金属作用」と呼ばれる作用を有することによるものである。「微量金属作用」とは、水などに溶け出した微量の金属イオンが細菌類の働きを抑える効果を有するという、特定の金属にのみ表れる作用である。例えば、ステンレス鋼の表面上では約４８時間残留するウイルスが、銅の表面上では４時間程度しか残留しないという実験データも得られている。

【0003】

病院や公共施設などにおいては、不特定多数の人が手で触れる部分に抗菌処理を施すことが好ましい。例えば病室、会議室又はトイレなどで用いられるドアノブは、不特定多数の人が頻繁に握る部分であるため、ドアノブを介して菌が不特定多数の人に感染しやすい。そこで、ドアノブなどの対象物を銅で製造することが考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１７／１７０８９０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、対象物を銅で製造した場合には、コストが高くなるだけでなく、重量も比較的大きくなるといった問題がある。そこで、対象物の表面に銅粉末を蒸着させることにより、対象物の表面をコーティングすることも考えられる。しかしながら、蒸着では対象物との接合が冶金的接合ではないため、密着力が弱く、耐久性に問題が生じるおそれがある。

【0006】

一方で、上記特許文献１には、レーザーを用いた加工技術が提案されている。対象物の表面に対して、レーザーを用いた加工技術によりコーティングを施すことも考えられるが、通常のレーザー加工技術では、滑らかなコーティングを施すことが困難である。コーティング表面が滑らかでなければ、コーティング処理後に表面を研磨するなどの作業が必要になるため、作業効率が低下する原因にもなる。

【0007】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、純銅又は銅合金を含む溶材を用いて、耐久性が高く、かつ滑らかなコーティングを施すことができるコーティング方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明に係るコーティング方法は、対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法であって、純銅又は銅合金を含む溶材を前記対象物に向けて噴射しつつ、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いて前記溶材をレーザービームで溶融させて前記対象物の表面に固着させることにより、前記対象物の表面を金属膜でコーティングする。

【0009】

このような構成によれば、溶材をレーザービームで溶融させて対象物の表面に固着させることにより、対象物の表面に耐久性が高い金属膜のコーティングを施すことができる。特に、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いることにより、対象物の表面に与える熱の影響を抑制しつつ、純銅又は銅合金を含む薄い金属膜で対象物の表面をコーティングすることができるため、凹凸が少なく、滑らかなコーティングを施すことができる。

【0010】

（２）前記レーザークラッディングでは、少なくとも青色レーザーを含むレーザービームを照射することにより、前記溶材を溶融させてもよい。

【0011】

このような構成によれば、銅に対して光吸収率が高い青色レーザーを用いてレーザークラッディングを行うことができる。これにより、純銅又は銅合金を含む溶材を効率よく溶融させて対象物の表面に固着させることができる。

【0012】

（３）前記レーザークラッディングでは、少なくとも青色レーザー及び近赤外レーザーを含む重畳したレーザービームを照射することにより前記溶材を溶融させてもよい。

【0013】

このような構成によれば、青色レーザーに近赤外レーザーを重畳することにより、青色レーザーのみの場合よりも高出力でレーザークラッディングを行うことができる。したがって、純銅を含む溶材を用いた場合であっても、溶材を効率よく溶融させて対象物の表面に固着させることができる。

【0014】

（４）前記レーザークラッディングでは、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させることにより、前記対象物の表面をコーティングする前記金属膜の色又は膜厚を変化させてもよい。

【0015】

このような構成によれば、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させるだけで、対象物の表面をコーティングする金属膜の色又は膜厚を容易に変化させることができる。

【0016】

（５）前記対象物の表面上でのレーザービームの走査速度が、３０００ｍｍ／ｓｅｃ以上であってもよい。

【0017】

このような構成によれば、一般的な走査速度よりも速い最適な走査速度で対象物の表面上にレーザービームを走査させてレーザークラッディングを行うことにより、対象物の表面をコーティングする金属膜の色又は膜厚を良好に変化させることができる。

【0018】

（６）前記対象物の表面が、ステンレス鋼を含む材料により形成されていてもよい。

【0019】

このような構成によれば、ステンレス鋼を含む材料により対象物の表面を形成することで製造コストを抑えつつ、その表面に純銅又は銅合金を含む溶材を用いてコーティングを良好に施すことができる。

【0020】

（７）前記溶材は、粉末状であってもよい。この場合、前記溶材は、粒径が２０～３８μｍの第１粉末と、粒径が５～２０μｍの第２粉末を含むことが好ましい。

【0021】

このような構成によれば、対象物の表面に与える熱の影響を抑制しつつ、より良好な金属膜を対象物の表面に形成することができる。

【0022】

（８）前記溶材における前記第２粉末の含有量が、前記第１粉末の含有量よりも少ないことが好ましい。

【0023】

このような構成によれば、対象物の表面に与える熱の影響の抑制と対象物の表面に形成される金属膜の連続性とのバランスを、最適化することができる。

【0024】

（９）前記溶材における前記第２粉末の含有量が２０～４０ｗｔ％であり、前記第１粉末の含有量が６０～８０ｗｔ％であってもよい。

【0025】

このような構成によれば、対象物の表面に与える熱の影響の抑制と対象物の表面に形成される金属膜の連続性とのバランスを、さらに最適化することができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いることにより、純銅又は銅合金を含む溶材を用いて、耐久性が高く、かつ滑らかなコーティングを施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１実施形態に係るコーティング方法について説明するための概略図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係るコーティング方法について説明するための概略図である。

【図3】純銅の光吸収率と波長との関係を示したグラフである。

【図4】１１種類の実験結果について肉盛層の表面観察を行った結果を示す図である。

【図5】図４の各実験結果について肉盛層の断面観察を行った結果を示す図である。

【図6】対象物の表面にコーティングされた肉盛層の表面粗さの一例を示した図である。

【図7】実施例における表面観察の結果を示した図である。

【図8】実施例における断面観察の結果を示した図である。

【図9】実施例における成分分析の結果を示した図である。

【図10】比較例における表面観察の結果を示した図である。

【図11】比較例における断面観察の結果を示した図である。

【図12】比較例における成分分析の結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

１．コーティング方法の第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るコーティング方法について説明するための概略図である。この第１実施形態では、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いて、対象物１の表面１１に対するコーティングが行われる。

【0029】

レーザークラッディングには、熱源としてレーザービーム１０１が用いられる。ノズル１００から連続的に出射されるレーザービーム１０１は、対象物１の表面１１に対して垂直方向に照射される。レーザービーム１０１の焦点位置１０４は、対象物１の表面１１から離間した位置に設定されている。これにより、対象物１に対するレーザービーム１０１のパワー密度を低減し、非モルテンプール型のレーザークラッディングを実現することができる。

【0030】

ノズル１００からは、対象物１に向けて溶材１０２及びシールドガス１０３を連続的に噴射しつつ、レーザービーム１０１が出射される。溶材１０２は、純銅又は銅合金を含む粉末状の材料である。純銅は、９９．９％以上の純度を有しており、例えばタフピッチ銅、リン脱酸銅又は無酸素銅などを例示することができる。一方、銅合金は、銅を主な原料とした合金であり、青銅、ベリリウム銅、チタン銅、クロム銅、銅タングステン又は銅ニッケル合金などを例示することができる。なお、溶材１０２は、純銅又は銅合金のみからなるものであってもよいし、他の材料を含むものであってもよい。

【0031】

シールドガスとしては、例えばアルゴンガス又はヘリウムガスなどが用いられる。ノズル１００から噴射される溶材１０２は、対象物１の表面１１から離間した位置において、シールドガス１０３中でレーザービーム１０１により溶融され、対象物１の表面１１に付着した後に自然冷却されることにより凝固する。これにより、溶融プールを伴わずに、対象物１の表面１１に溶材１０２を固着させ、金属膜２からなる肉盛層（クラッディング層）により対象物１の表面１１をコーティングすることができる。

【0032】

２．コーティング方法の第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態に係るコーティング方法について説明するための概略図である。この第２実施形態においても、非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いて、対象物１の表面１１に対するコーティングが行われるが、第１実施形態とは異なるタイプの非モルテンプール型の一例として、マルチビーム型のレーザークラッディングが用いられる。

【0033】

熱源としては、複数のレーザービーム１１１が用いられる。対象物１の表面１１には、ノズル１１０からキャリアガスとともに溶材１１２が連続的に噴射される。溶材１１２は、第１実施形態と同様に、純銅又は銅合金を含む粉末状の材料である。溶材１１２は、対象物１の表面１１に対して垂直方向に噴射される。このとき、ノズル１１０からは、対象物１の表面１１に向けて複数の方向からレーザービーム１１１が照射される。図２では、２つの方向からレーザービーム１１１が照射されているが、３つ以上の方向からレーザービーム１１１が照射されてもよい。

【0034】

各レーザービーム１１１は、溶材１１２の噴射経路に対して外側から、当該噴射経路に徐々に近付くように斜めに照射される。各レーザービーム１１１は、同一の照射位置１１３に集光するように連続的に照射される。照射位置１１３は、例えば対象物１の表面１１上、又は表面１１の直上方に設定されており、この照射位置１１３に向かって溶材１１２が噴射される。これにより、溶材１１２を優先的に溶融させ、対象物１の溶融を最小限に抑制することができる。レーザービーム１１１により溶融された溶材１１２は、対象物１の表面１１に付着した後に自然冷却されることにより凝固する。これにより、溶融プールを伴わずに、対象物１の表面１１に溶材１１２を固着させ、金属膜２からなる肉盛層（クラッディング層）により対象物１の表面１１をコーティングすることができる。

【0035】

３．レーザービームの照射方法
上記のような第１実施形態及び第２実施形態のいずれにおいても、対象物１の表面１１に対するレーザービーム１０１，１１１の照射方法を最適化することにより、溶材１０２，１１２を効率よく溶融させて対象物１の表面１１に固着させ、又は、対象物１の表面１１をコーティングする金属膜２の色又は膜厚を変化させることができる。

【0036】

まず、レーザービーム１０１，１１１は、少なくとも青色レーザーを含むことが好ましい。具体的には、４３０～４９０ｎｍ、より好ましくは４３５～４８０ｎｍの波長域で青色レーザーを照射可能な青色半導体レーザー装置が用いられる。このような青色半導体レーザー装置を１つ又は複数設けて、各装置から１点に集光するように青色レーザーを出射させることにより、０．２～０．５ｍｍ程度（例えば約０．３ｍｍ）の集光径で青色レーザーを照射することができる。

【0037】

ただし、レーザービーム１０１，１１１には、青色レーザーが含まれていなくてもよいし、青色レーザーに加えて他の波長のレーザーが含まれていてもよい。例えば、少なくとも青色レーザー及び近赤外レーザーを含む重畳したレーザービームが照射されてもよい。この場合、上記のような青色半導体レーザー装置に加えて、８００～２５００ｎｍの波長域で近赤外レーザーを照射可能な近赤外半導体レーザー装置が用いられる。このような近赤外半導体レーザー装置を１つ又は複数設けて、各装置から１点に集光するように近赤外レーザーを出射させることにより、０．５～１．０ｍｍ程度（例えば約０．６ｍｍ）の集光径で近赤外レーザーを照射することができる。

【0038】

青色レーザーの集光位置と近赤外レーザーの集光位置は、同じ位置であってもよいし、異なる位置であってもよい。異波長のレーザー光を１点に集光するためのマルチカラーレーザーコーティングヘッドを使用すれば、青色レーザーと近赤外レーザーを重畳して共通の１点に集光させることができる。この場合、青色半導体レーザー装置及び近赤外半導体レーザー装置の各出力を個別に制御することにより、レーザークラッディング時の青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させることが可能である。

【0039】

図３は、純銅の光吸収率と波長との関係を示したグラフである。図３における横軸は波長であり、各波長における純銅の光吸収率が縦軸に示されている。この図３に示すように、純銅は、波長が短い光に対して高い光吸収率を有している。純銅を含む溶材を用いた場合には、光吸収率が高い波長のレーザービームを照射するほど、効率よく溶材を溶融させることができる。

【0040】

図３に示すように青色レーザーの波長における純銅の光吸収率は、約６０％である。これに対して、近赤外レーザーの波長における純銅の光吸収率は、約１０％である。したがって、純銅に対する光吸収率が高い青色レーザーを含むレーザービームを照射することにより、純銅を含む溶材を効率よく溶融させることができる。また、青色レーザーの出力を十分に高めることができない場合には、青色レーザー及び近赤外レーザーを含む重畳レーザービームを照射することにより、青色レーザーだけでは不足する出力を近赤外レーザーで補い、溶材を効率よく溶融させることができる。

【0041】

なお、銅合金においても同様に、波長が短い光に対して光吸収率が高くなる傾向があるが、純銅と比べると銅合金は各波長に対する光吸収率が高い。そのため、銅合金を含む溶材を用いた場合には、近赤外レーザーのみを照射するだけで溶材を十分効率よく溶融させることができる場合がある。

【0042】

４．実験結果
以下では、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させて対象物に対するレーザークラッディングを行い、対象物の表面に形成された肉盛層（金属膜からなるクラッディング層）の表面観察及び断面観察を行った結果について説明する。

【0043】

この実験におけるレーザークラッディングの条件は、下記表１の通りである。

【表1】

【0044】

このように、青色レーザーのスポット径（集光径）は０．２ｍｍ、近赤外レーザーのスポット径は１ｍｍとした。シールドガスの流速は１０Ｌ／ｍｉｎである。また、粉末状の溶材をノズルから噴射させるためのキャリアガスの流速は３Ｌ／ｍｉｎである。対象物としてはステンレス鋼により形成された円筒状のパイプ（外径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用い、回転させながらレーザークラッディングを行った。

【0045】

青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率としては、青色レーザーのみを出力する場合（青色１３０Ｗ／近赤外０Ｗ）と、青色レーザーの方が近赤外レーザーよりも高出力である場合（青色１３０Ｗ／近赤外１００Ｗ）と、青色レーザーよりも近赤外レーザーの方が高出力である場合（青色１３０Ｗ／近赤外２００Ｗ）と、近赤外レーザーのみを出力する場合（青色０Ｗ／近赤外２００Ｗ）とのそれぞれについて、粉末状の溶材の供給量（ｇ／ｍｉｎ）を「３．１」、「２」、「１」の３段階で変化させることにより、１１種類の実験結果を得た（下記表２参照）。

【表2】

【0046】

図４は、１１種類の実験結果について肉盛層の表面観察を行った結果を示す図である。この図４に示すように、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させることにより、対象物の表面をコーティングする肉盛層の色を変化させることができる。すなわち、図４の各列に示すように、溶材の供給量が同じであっても、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率が異なれば、肉盛層の色も異なることが分かる。このような結果は、粉末状の溶材の供給量（ｇ／ｍｉｎ）を「３」、「２」、「１」の３段階で変化させても同様であった。

【0047】

図５は、図４の各実験結果について肉盛層の断面観察を行った結果を示す図である。この図５に示すように、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させることにより、対象物の表面をコーティングする肉盛層の膜厚を変化させることができる。すなわち、図５の各列に示すように、溶材の供給量が同じであっても、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率が異なれば、肉盛層の膜厚も異なることが分かる。このような結果は、粉末状の溶材の供給量（ｇ／ｍｉｎ）を「３」、「２」、「１」の３段階で変化させても同様であった。

【0048】

なお、レーザービームの走査速度を変化させて実験を行ったところ、対象物の表面をコーティングする肉盛層の表面粗さは、レーザービームの走査速度にかかわらずほぼ一定であり、Ｒａ＝１０μｍ程度であった。このとき、レーザービームの走査速度を１０００～４０００ｍｍ／ｍｉｎで変化させたが、一般的な走査速度（１０００ｍｍ／ｍｉｎ程度）よりも速い速度で走査することにより、肉盛層の色及び膜厚を良好に変化させることができ、３０００ｍｍ／ｓｅｃ以上の走査速度であればより好ましいことが分かった。

【0049】

図６は、対象物の表面にコーティングされた肉盛層の表面粗さの一例を示した図である。この例では、上記肉盛条件で対象物の表面にコーティングされた肉盛層について、水平距離１３１５．３８μｍにおける表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を算出したところ、Ｒａ＝７．４４μｍであった。表面粗さを上記のような小さい値に抑えることができるため、レーザークラッディング後に、対象物の表面に形成された肉盛層を研磨する工程は不要である。

【0050】

５．対象物の具体例
対象物の表面に形成される銅皮膜（肉盛層）は抗菌性能を有するため、不特定多数の人が手で触れる部分などを対象物とすれば、その抗菌性能を効果的に発揮することができる。例えば、病室、会議室又はトイレなどで用いられるドアノブは、不特定多数の人が頻繁に握る部分であるため、ドアノブを対象物として、その表面に銅皮膜を形成すれば、細菌による院内感染又は集団感染などを効果的に抑制することができる。

【0051】

対象物の材料は任意であり、金属に限らず、樹脂などの金属以外の材料であってもよいが、上記実験結果のようにステンレス鋼を含む材料により対象物の表面が形成されていれば、当該表面にコーティングを良好に施すことができる。また、ステンレス鋼は安価であるため、対象物の表面又は全体をステンレス鋼で形成すれば、製造コストを抑えることができる。

【0052】

６．溶材の具体例
粉末状の溶材としては、任意の粒径を有する粉末を使用することができるが、粒径範囲の異なる複数種類の粉末を混合して使用することが好ましい。具体的には、粒径が２０～３８μｍの第１粉末と、粒径が５～２０μｍの第２粉末を混合して、溶材として使用してもよい。ここで、第１粉末は、粒径が２０～３８μｍの範囲外である粒子の粒度分布が、頻度として１５％以下、より好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下であり、２０～３８μｍの範囲外の粒子を僅かに含むものであってもよい。一方、第２粉末は、粒径が５～２０μｍの範囲外である粒子の粒度分布が、頻度として１５％以下、より好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下であり、５～２０μｍの範囲外の粒子を僅かに含むものであってもよい。

【0053】

本実施形態では、第２粉末の含有量が第１粉末の含有量よりも少ない溶材を用いる。より具体的には、溶材における第２粉末の含有量が２０～４０ｗｔ％であり、第１粉末の含有量が６０～８０ｗｔ％であることが好ましい。以下では、第２粉末の含有量が３０ｗｔ％であり、第１粉末の含有量が７０ｗｔ％である溶材を用いて行った実験結果について説明する。

【0054】

実施例として、粒径が２０～３８μｍの第１粉末と、粒径が５～２０μｍの第２粉末を混合することにより、粒径が５～３８μｍの範囲に分布する溶材を準備した。この溶材を用いて、非モルテンプール型のレーザークラッディングにより対象物（母材）の表面に金属膜からなる肉盛層を形成した。レーザー条件としては、波長が４５０ｎｍの青色レーザーを使用し、集光径を約０．５ｍｍとして、４ｍｍ／ｓｅｃの走査速度で対象物の表面に対する走査を行った。溶材の各粒子は純銅である。また、シールドガスとしてはアルゴンガスを使用し、対象物としてはＳＵＳ３０４を使用した。以上の条件で、レーザー出力を２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗ、４５Ｗ、５０Ｗ、６０Ｗ、７０Ｗ、８０Ｗに変化させ、各レーザー出力で得られた肉盛層の表面観察、並びに、肉盛層及び母材の断面観察を行うとともに、７０Ｗ、８０Ｗの各レーザー出力で得られた肉盛層及び母材の成分分析を行った。

【0055】

図７は、実施例における表面観察の結果を示した図である。図８は、実施例における断面観察の結果を示した図である。図９は、実施例における成分分析の結果を示した図である。

【0056】

表面観察の結果によると、図７Ｇ及び図７Ｈに示すように、レーザー出力が７０Ｗ以上の高出力であれば、外観が良好な肉盛層を形成することができる。また、図７Ｂ～図７Ｆに示すように、レーザー出力が３０Ｗ～６０Ｗの低出力の場合であっても、高出力の場合より外観は劣るものの、直線状の連続的な肉盛層を形成することができる。

【0057】

一方、断面観察の結果によると、図８Ｇ及び図８Ｈに示すように、レーザー出力が７０Ｗ以上の高出力であっても、希釈を生じることなく肉盛層を形成することができる。ここで、希釈とは、母材が溶融することによる溶材への母材の溶け込みを意味している。図８Ｇ及び図８Ｈにおける母材と肉盛層との境界線に着目すると、境界線は直線状に延びており、溶材への母材の溶け込みが生じていないことが分かる。この点については、図９Ａ及び図９Ｂのいずれにおいても、成分分析位置での検出強度に着目したときに、肉盛層では母材成分がほとんど検出されず、母材では溶材成分がほとんど検出されていないことからも、溶材への母材の溶け込みが生じていないことが分かる。また、図８Ｃ～図８Ｆに示すように、レーザー出力が４０Ｗ～６０Ｗの低出力の場合であっても、高出力の場合ほど十分ではないものの、肉盛層を形成することができる。

【0058】

次に、比較例として、粒径が２０～３８μｍの第１粉末のみからなる溶材を用いて、上記実施例と同様の条件で行った表面観察、断面観察及び成分分析の結果について説明する。図１０は、比較例における表面観察の結果を示した図である。図１１は、比較例における断面観察の結果を示した図である。図１２は、比較例における成分分析の結果を示した図である。

【0059】

表面観察の結果によると、図１０Ａ～図１０Ｆに示すように、レーザー出力が６０Ｗ以下の低出力の場合に、直線状の肉盛層を形成することができないことが分かる。また、図１０Ｇに示すように、レーザー出力が７０Ｗの場合でも、十分に連続的な肉盛層が形成されているとは言い難い。

【0060】

一方、断面観察の結果によると、図１１Ｈに示すように、レーザー出力が８０Ｗの場合に、母材と肉盛層との境界線が直線状に延びておらず、溶材への母材の溶け込みが生じていることが分かる。この点については、図１２Ａにおいて、成分分析位置での検出強度に着目したときに、肉盛層では母材成分がほとんど検出されず、母材では溶材成分がほとんど検出されていない。これに対して、図１２Ｂにおいて、成分分析位置での検出強度に着目したときには、肉盛層で母材成分が検出され、母材で溶材成分が検出されていることからも、レーザー出力が８０Ｗの場合に、溶材への母材の溶け込みが生じていることが分かる。また、図１１Ａ～図１１Ｇに示すように、レーザー出力が７０Ｗ以下の場合には、溶材への母材の溶け込みは生じていないものの、レーザー出力が８０Ｗの場合のような十分な肉盛層を形成することができない。すなわち、いずれのレーザー出力であっても、溶材への母材の溶け込みを防止しつつ、十分な肉盛層を形成することができない。

【0061】

このような比較例と比べて、上記実施例のように第１粉末と第２粉末を混合した溶材を使用すれば、溶材への母材の溶け込みを防止しつつ、十分な肉盛層を形成することが可能である。すなわち、対象物（母材）の表面に与える熱の影響を抑制しつつ、より良好な金属膜（肉盛層）を対象物の表面に形成することができる。特に、溶材における第１粉末及び第２粉末の各含有量を適切に調整すれば、対象物の表面に与える熱の影響の抑制と対象物の表面に形成される金属膜の連続性とのバランスを、最適化することが可能である。

【0062】

７．作用効果
以上の実施形態では、溶材１０２，１１２をレーザービーム１０１，１１１で溶融させて対象物１の表面１１に固着させることにより、対象物１の表面１１に耐久性が高い金属膜２のコーティングを施すことができる。特に、第１実施形態及び第２実施形態のように非モルテンプール型のレーザークラッディングを用いることにより、対象物１の表面１１に与える熱の影響を抑制しつつ、純銅又は銅合金を含む薄い（例えば１００μｍ程度）金属膜２で対象物１の表面１１をコーティングすることができるため、凹凸が少なく、滑らかなコーティングを施すことができる。ただし、非モルテンプール型のレーザークラッディングは、第１実施形態及び第２実施形態に限られるものではなく、他の態様でレーザークラッディングを行うような構成であってもよい。

【0063】

また、銅に対して光吸収率が高い青色レーザーを用いてレーザークラッディングを行うことにより、純銅又は銅合金を含む溶材１０２，１１２を効率よく溶融させて対象物１の表面１１に固着させることができる。特に、青色レーザーに近赤外レーザーを重畳すれば、青色レーザーのみの場合よりも高出力でレーザークラッディングを行うことができるため、純銅を含む溶材１０２，１１２を用いた場合であっても、溶材１０２，１１２を効率よく溶融させて対象物１の表面１１に固着させることができる。さらに、青色レーザー及び近赤外レーザーの重畳比率を変化させるだけで、対象物１の表面１１をコーティングする金属膜２の色又は膜厚を容易に変化させることができる。

【0064】

また、一般的な走査速度よりも速い最適な走査速度（３０００ｍｍ／ｓｅｃ以上）で対象物１の表面１１上にレーザービームを走査させてレーザークラッディングを行うことにより、対象物１の表面１１をコーティングする金属膜２の色又は膜厚を良好に変化させることができる。

【0065】

また、ステンレス鋼を含む材料により対象物１の表面１１を形成することで製造コストを抑えつつ、その表面１１に純銅又は銅合金を含む溶材１０２，１１２を用いてコーティングを良好に施すことができる。

【符号の説明】

【0066】

１ 対象物
２ 金属膜
１１ 表面
１００ ノズル
１０１ レーザービーム
１０２ 溶材
１０３ シールドガス
１０４ 焦点位置
１１０ ノズル
１１１ レーザービーム
１１２ 溶材
１１３ 照射位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】