JPH06511518A - 固体表面の処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 固体表面の処理方法およびその装置 技術分野 本発明は、表面の微小構造および／または構成／および／または組成に変化を作 り出す目的で、固体表面特に材料表面を処理する方法に関する。さらに、本発明 は、この表面処理を実施する装置にも関連している。

背景技術 科学技術の進歩の過程においては、機械工学における構成部品および機械に関し て非常に厳格な要求がなされる。非常に重要なことは、摩擦荷重を受ける構成部 品の信頼性および作動寿命の増大である。この改良を実現する１つの方法は、最 近の高度技術の硬い材料を用いて、構成部品の表面を被膜してやることである。

非常に様々な被膜方法によって、構成部品上に高強度の材料層を付加するやり方 は知られている。

特に知られた方法として、次のものがある。

＊ＰＶＤ（物理的蒸気沈着）方法 ＊ＣＶＤ（化学的蒸気沈着）方法 ＊　電気分解方法（メッキおよび化学沈着）＊　熱分散方法 ＊　機械的被覆方法 ＊　溶融金属中への浸漬による被覆 ＊　レーザ表面処理 ＊　イオン打ち込み、電子ビーム方法 これらの方法は、一方で、加工品すなわち層の材料を含まない層を与えるために 使用される。そこでは、原子または分子が構成部品材料内に打ち込まれる。レー ザビーム表面処理は、使用される方法によって、異なるプロセスをとる。その方 法では、加工品材料と共に被覆材料が含まれる。

発明の開示 本発明の目的は、特に高品質のすなわち特定の特性を有する材料表面層を得るの に適している。その方法は、幅広く適用可能である上に、少なくとも基本的には 知られているが、これまでまったく異なる技術分野に対して使用されなかった装 置の一部を用いて実現可能である。

上述の目的は、大量の高エネルギと高密度の短持続時間パルスによる、本発明の 固体表面、特に材料表面の処理方法によって達成される。その方法においては、 エネルギ蓄積装置内に蓄えられるエネルギが、エネルギ変換器に転送され、そこ で、固体表面に入射するインパルスがその固体の表面層と相互作用し、この極め て薄い層内に、基体材料に影響を及ぼすことなく微小構造の変化および／または 構成の変化および／または組成の変化を発生させるような方法で、固体の表面方 向に加速される気体および／または液体および／または固体形態のエネルギキャ リアに転送される。

パラメータを選択することによって、この発明は、次のものに適する。

−フラレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）または他の炭素分子鎖などの新材料の製造、 −ダイアモンド層などのように、新しくかつ特に非常に強くて硬い表面層の生成 、 −特別な材料、特にフラレン、ダイアモンド、またはボロン窒化物などの超硬材 料を導くこと、 −加工品材料のみから成る、または加工品材料と被覆材料から成る新しい表面層 を作り出すこと、 したがって、プラズマダイナミック加速器を用いた実験では、アルミニウムの表 面上にフラレン状の構造を持つ材料が作り出された。

また、アルミニウムの表面層内の不純物およびドーパントを分解した。さらに、 この処理中に、新たな非晶質構造がその表面層内に作り出された。

黒鉛粉末状態の添加材料を用いて本発明の方法で処理した後、純鉄の表面層は、 （元の材料のほぼ１０倍の堅さの）マーテンスイック（ｍａｒｔｅｎｓｉｃ）構 造または（元の材料のほぼ２０から２５倍の堅さの）加工品材料の非晶質構造を 持つ。この場合の処理は、被覆プロセスではなく、むしろ加工品材料の表面層の 変態化であり０、実際に（本発明の処理前の）元の処理材料と加工品の構造の両 方の変態化である。

短持続時間インパルスを発生する質量は、エネルギ変換器において加速されるプ ラズマ、およびさらに、処理される加工品上に作用を得ることを要求されるとき は、添加材料から成る。その添加材料ちまた、電磁界によってイオン化され、加 速されるか、プラズマ流によって引っ張り加速される。

この質量、すなわち添加材料を持つまたは持たないプラズマは、一般に加速され るだけでなく、その構造、その集合状態、およびその物理的かつ化学的特性も変 えられる。したがって、黒鉛粉末は、粉末、液滴、または気体状態の分子炭素に 変換され、それによって、例えばフラレンとともに観察されるような、炭素分子 構造となる。

同時に、加速された材料の励起およびイオン化が生ずる。

影響を及ぼされる加工品材料との相互作用中に、短持続インパルスを発生する材 料によってこの材料の短持続溶融および合金化が、行われ得る。この材料は、炭 素および純鉄に関するテストで証明されたように、例えば炭素がプラズマに加え られるときの場合のように、非晶質化プロセスを加速できる。

他方、取り扱われる加工品の表面は、黒鉛で覆われる。その後、高圧パルスでの 処理によってダイアモンド層の形成が行われる。高圧パルスは、添加物と共にま たは添加物なしに、処理されるべき材料本体の表面に入射される高温かつ高密度 のプラズマ質量によって発生させられる。

本発明の処理によって、極めて硬い耐摩耗表面が得られるだけでなく、これらの 表面にこの方法では従来得られなかった特定の品質を与えること、とりわけ、例 えば黒鉛からダイアモンド状の超硬炭素構造、いわゆるフラレンへの変態化など の材料変態を得ることが可能とされることが特に重要である。

方法パラメータは意識的にそれぞれ所望の層特性に適合させられ得る。

この処理を実現するための特に有利な装置は、圧縮機コイルを持つ同軸プラズマ 加速機から構成される。この種の装置は、短時間の間（これはマイクロ秒からミ リ秒の範囲にあることを意味する）２０．０ＯＯＫまでの温度を持つにバール範 囲の高圧を与える。そこでは、異粒子が非常に高速に引っ張り加速される。周知 の被覆方法は、これらの速度範囲に僅かでも達しないので、これらの速度範囲は 、現実の被覆方法での速度を明らかに遥かに越えるものである。

本発明の方法を実行するためにそのような電磁気体ダイナミック加速機を使用す ることによって、非常に短い処理時間と高出力密度が得られる。

本発明の方法を実現するのに適する、したがって新規なやり方で使用されるプラ ントは、電熱加速機とレール加速機によって代表される。これらの異なる型の加 速機で、表面処理のそれぞれの要求、特に材料、要求される圧力、およびそれぞ れのプラズマの温度および流速における要求を考慮することが可能となる。

図面の簡単な説明 第１図は、加工品に影響を与えるための加速器の機能原理の説明図である。

第２図は、試験装置の概略構成図である。

第３図は、プラズマダイナミック加速器の原理を示す図である。

第４図は、外側電極を通る気体注入部および中心電極を通る付加材料注入部を持 つプラズマダイナミック加速器の断面図である。

第５図は、収束発散圧縮機コイルを持つプラズマダイナミック加速器を示す図で ある。

第６図は、電熱加速器の概略構成図である。

第７図は、ターゲツト材を持つレール加速器の概略説明図である。

第８図は、固体面の処理に対するこの発明に係る方法の変形例の概略を示す図で ある。

発明を実施するための最良の形態 第１図は、本発明の方法を実現する目的で、材料の表面処理に使用される加速器 の機能原理の説明図である。

この概略説明図は、エネルギ変換器の仕事のみが、使用され得る様々な加速器シ ステムにおいて異なる方法で実行されることを明確にさせる。本発明に必要な大 量の高エネルギおよび高密度の短継続時間インパルスは、これらの異なる加速器 システムを用いて得られる。特定の加速器システムの選択は、与えられる特別な 仕事に従って行われる。

代表的なシステムの全体が、第２図に示されている。第２図は、プラズマ加速器 から成る加速器システムを示している。その加速器は、真空タンク、および外部 エネルギ蓄積装置を形成するイグナイトロンスイッチを持つ容量バンク内に組み 込まれている。

プラズマ加速器自体は、２つの主要部品、すなわち同軸加速器および圧縮機コイ ルから構成される。圧縮機コイルを持つこの同軸加速器は、エネルギ変換器を表 している。

第３図は、圧縮機コイルを持つプラズマダイナミック加速器の原理説明図である 。同軸部は、棒状の中心電極および環状断面の外側電極から構成されている。圧 縮機コイルは、その外側電極の後部に絶縁した状態で取り付けられており、電流 戻り部（バックストラップ）を介して外部電極に導電的に接続されている。加速 器全体は、容量、インダクタンスおよび抵抗から成る電気回路として見ることが できる。エネルギ蓄積システムへのスイッチが閉じられると、時間変化放電電流 がそのシステムを通して流れる。エネルギキャリアであり、かつ金属フォイルの 蒸気化およびイオン化によってまたは気体のイオン化によって電流放電の開始時 に発生されるプラズマによって、中心電極と外側電極の間が導電接続される。そ のようなプラズマダイナミック加速器は、米国特許第３．９２７，１１９号およ び第３，９１６，７６１号にさらに詳細に示されている。

第４図は、外側電極を通る気体注入部および中心電極を通る付加材料すなわち添 加物注入部を持つプラズマダイナミック加速器の概略図である。エネルギ蓄積装 置としては、誘導性蓄積装置または容量性蓄積装置が用いられる。エネルギ蓄積 装置システムからのエネルギが供給されるエネルギ変換器は、分配される電気エ ネルギを、エネルギキャリア（プラズマ）の熱および／または運動および／また は化学エネルギに変換する。エネルギキャリアとして気体が使用された場合には 、この気体は付加エネルギによって非常に容易に高温に加熱され、高圧かつ高密 度にすることができる。特に、気体がイオン化させられ、プラズマが生ずる。こ のプラズマは、エネルギキャリアとして作用するよう、および／または他の付加 材料に運動エネルギを与え、そしてこれらをプラズマ流と共に運び、最終的にそ れらをターゲツト材の非常に薄い表面層と相互作用させるように使用される。特 に、この非常に薄い層の構成および構造が所望の方法で影響を及ぼされるように して、ターゲツト材に作用するインパルスの持続期間、温度、密度および圧力を 、選択することが可能である。しかし、熱的影響の深さは、この極薄層に制限さ れる。

この相互作用を行うのに、エネルギ蓄積装置、エネルギ変換器、および付加材料 を持つまたは持たないエネルギキャリア、およびターゲツト材が、ターゲツト材 表面層の処理を実行するために、特定のやり方で配列される必要がある。このた め、エネルギ蓄積装置およびエネルギ変換器の物理パラメータの適切な設計は、 エネルギキャリアおよびこのキャリアに場合によっては付加され得る材料の適切 な選択と共に、非常に重要である。これらは、エネルギ変換器に関するターゲツ ト材の選択および配列に関係づけられる。これらの点は、使用されるエネルギ変 換器の型とは基本的に独立している。

第５図は、収束発散圧縮機コイルを持つプラズマダイナミック加速器の具体例を 示す図である。これは、出力部において実質的に平行なプラズマ流を発生させる ことを可能とし、プラズマジェットの温度、密度および流速の有効な分散を保証 する。この場合、固体表面、詳細には加工品表面の処理は、特に定形である。最 も大きな可能表面の定形処理は、特にこの方法で行われる。ターゲツト材は、圧 縮機コイルを持つ同軸加速器の内側または外側に適切な方法で置かれる。インパ ルスの持続時間、振幅、密度および化学組成は、それぞれの位置の関数として変 化するので、ターゲツト材の位置の選択は、所定の仕事を行うために非常に重要 である。

圧縮機コイルを持つ同軸加速器は、適切に供給された全エネルギおよびインパル スの対応する持続時間で動作させられる。したがって、プラズマ加速器の構成部 品の浸食および摩耗は避けられる。それは、異材料によって犯されないターゲツ ト材の精細な処理を可能とする。

圧縮機コイルを持つプラズマ加速器の材料の摩耗および蒸発は、プラズマ流にさ らされる加速器の構成部品がこの目的に適する材料からなるとき、この処理材料 の導入に対して働く。さらに、同軸加速器は、圧縮機コイルなしに動作可能であ る。この構造においては、特に、圧縮機コイルを持つ構造と同様に、エネルギ供 給の振幅および時間行程が、（短持続時間プラズマパルスが加工品に衝突する時 間に）取り扱われる材料の位置に処理材料を持つまたは持たない短持続時間プラ ズマパルスのパラメータに対して、決定的に重要である。エネルギ供給が一定に 保持されるなら、同軸加速器の長さが、特に、処理材料の構造変化に影響を及ぼ す（これは、レールガンなどの他の電磁加速器のも同様にして適用できる）。実 験において、圧縮コイルを持つ同軸加速器の（スタート時に）後端にある処理材 料などの黒鉛ダストの導入は、純鉄ターゲットの表面の堅さを最大限大きくする 。同様の依存性が、レールガンなどの他の電磁加速器にも存在する。

第６図は、エネルギ変換器として同様に使用され得る電熱加速器の半分の断面を 示している。それは、外部電気エネルギ蓄積装置、すなわち続く実際の加速管内 の排気室と呼ばれる高圧室を構成する。

電気導電性材料が、排気室内の２つの電極間に置かれる。電気蓄積装置が放電さ れると、システム内に電流が流れ始め、エネルギが室内の材料に加えられる。そ の強い電流インパルスが、（ターゲツト材を取り扱うことを意図している材料で もある）その材料を自然に蒸発させる。そして軸方向に広がる熱い高圧プラズマ が、発生される。その後、ターゲツト材が、電熱加速器のバレルの内側またはバ レルの外側の室から適切な距離に位置付けられ、プラズマ流にさらされる。ター ゲツト材の導入方法および特にターゲツト材の室からの距離は、エネルギ蓄積装 置および電熱加速器のパラメータに依存する。この方法では、特に、電熱加速器 に供給され、かつ応答的にパルス持続時間を設定されるエネルギによっても、特 別な表面特性を導く、有益なコーティングおよび／またはターゲツト材との相互 作用が得られる。この目的に対して、その材料は、電子加速器の内側または外側 に適切な方法で配置される。この電熱加速器は、特に、異材料によって犯されな いターゲツト材の精細な処理を得るために、加速器の構成部品の浸食および摩耗 を避けるため、適切な全供給エネルギおよび対応するパルス持続時間で動作させ られ得る。

さらに、プラズマ流と接触している電熱加速器の構成部品は、処理材料が、摩耗 および／または蒸発によって、または類似の消散プロセスによって、発生させら れる材料から作られる。高圧室の壁は、例えば、炭素を含むプラズマによる鉄表 面処理をして、特にこの材料から作られる。ターゲツト材の処理中に全く特別な 特性を発生させるのに適切な別の材料を、プラズマを軸方向に加速する過程、さ らにはプラズマの発生中に、実際のエネルギキャリアであるプラズマに加えるこ ともできる。

第７図は、エネルギ変換器として同様に使用されるレール加速器を示している。

この加速器は、例えば、全く異なる用途ではあるが、ヨーロッパ特許出願第８９ ，９００，５９０号に記載されている。

このレール加速器は、２つの平行レールを持つレール加速器から、または２以上 のレール対を持つレール加速器のいずれかから構成される。エネルギキャリアは 、フォイルの蒸発およびイオン化によって、または気体の注入によって若しくは 電熱加速器によるプラズマの注入によって、あるいは、しかし電極および／また は絶縁器の浸食によって、このレール加速器内に発生させられる。持続時間、温 度並びに圧力および密度にしたがって、特別な特性が発生させられるように、固 体すなわち加工材料表面を処置することが適切であるその短持続時間および高密 度のパルスを、加速器の内側または加速器の外側に発生させるために、加速器の 長さが、適切な方法でエネルギ供給源のパラメータに適合させられる。

すべての上述の加速器に対して、高エネルギプラズマが容量バンクの電流サージ 放電による気体のイオン化によって発生させられ、高速に加速され、ｋバール範 囲の高圧になるまで圧縮される。エネルギキャリアを表すこのプラズマは、その 後、付加材料と共にまたは付加材料を伴わずに、処理されるべき加工品を打つ。

インパルスのパラメータは、それぞれの加工品材料の非常に薄い表面層にのみ影 響を与えるよう制限されるように選択される。すべての上述の方法とは対照的に 、基体材料は熱的に影響を受けない。

材料表面処理の別の方法は、エネルギ変換器として、渦電流加速器を用いている 。この加速器は、容量電池蓄積システムから電流が供給される平板コイルを有す る。それによって生ずる時間的に変化する電磁界は、コイル上に（絶縁されて） ある導電性円盤すなわち板内に短絡電流を発生する。その小板は、平板コイルの 面と垂直に、２ｋｍ／秒に加速される。処理材料は、加速器の周囲にあり、それ もまた加速されるべき板上に置かれている材料から成る。その板と処理材料の分 離は、加速器の後でその板を支持し、しかし処理材料は支持していない装置によ ってなされる。

この「渦電流」原理は、粉末または液体および特に溶融処理材料を加速するため の本発明の特別な実施例において使用される。この装置は、特に１０００度Ｋを 越える温度を持つ非常に熱い液体溶融材料を１００ｍ／秒以上の高速に加速する ために適している。これまでは、この目的に対して適切な加速器が存在しなかっ た。この装置の特別な設計は、処置されるべき材料が、処理材料と共にまたは処 理材料を伴わずに、表面方向に加速されることにある。その際、この表面は、冷 却速度を速めるために適当な方法で冷却される。

したがって、本発明の方法の利点は、次の通りである。

＊　処理される位置において非常に高出力密度。

＊　プラズマ流の大きな値の圧力、温度、および速度（およそ５０ｋｍ／秒）、 渦電流電磁加速器に対しては、２ｋｍ／秒まで。

＊　加工品表面での極端に短い相互作用時間、したがって、表面処理中における 基体材料の熱的負荷の回避。

＊　例えば、ダイアモンドおよびフラレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）などの炭素変 態の発生など、新材料変態を作り出すための適切なパラメータ管理。

＊　非常に短い相互作用時間のために、特に、さらに液体窒素による冷却と結合 して、加工品表面の非常に速い冷却速度。

＊　非平衡位相を発生するための可能性。

本発明の方法原理またはこの原理の変形を用いて、新材料が加工品表面に発生さ れ得、この材料を分離でき、したがって分割して隔離できることが、特に重要で ある。ヘリウムプラズマ流内の黒鉛粉末とアルミニウムターゲットとの衝撃中に 行われた実験では、その黒鉛が、いわゆるフラレン、すなわちダイアモンド状の 炭素分子鎖として特定される炭素分子鎖を持つ新材料に変換された。

さらに、これらの実験によって、本発明によって非晶質表面層を作り出すことが 可能であることが確認された。したがって、銅材料のヘリウムプラズマとの衝撃 により、非常に薄い表面層が溶かされる。液体窒素を用いてターゲツト材を積極 的に冷却（１０°に／ｓの冷却速度）してやることによって、この表面が非常に 急速に固体化され、非晶質表面が形成される。

ヘリウム−ダイアモンド粉末プラズマでダイアモンド粉末を散布した純鉄表面の 衝撃は、非常に硬い表面層の形成を可能にさせる。

その表面層の堅さは、高度のダイアモンド粒子を持つ高純度のダイアモンド粉末 を用いる場合、より一層増すことができる。

本発明によって与えられる装置によって、特にプラズマダイナミック加速器によ って、高密度プラズマを広げることにより非常に小さな粒子の溶融流（微小分散 ）を作り出すことも可能である。電源を用いるプラズマダイナミック加速器との 関連で、および端部に強い軸方向磁界を有する特別な形状の圧縮機コイルと組み 合わせて使用することによって、例えば中心電極を介して射出される溶融材料流 の決定的避は分かれが生ずる。圧縮機コイルによる可能な磁界形状によって、最 小の可能な粒子径を得られる理想の状況が与えられる。微小粒子の急速固体化の ために、適切に冷却された衝撃壁が設けられる。

これまでに説明した処理方法のそれぞれは、＊　同一のまたは他のパラメータで 繰り返され得る。

＊　同時にまたは連続的にここに述べられた他の処理方法と組合わされ得る。

＊　例えば、パルス化プラズマジェットと、または同時にまたは連続的にここに 述べられた他の方法のいずれかと、ここに述べられなかった処理方法と組合わさ れ得る。

連続処理は、給電線の誘導率などの電気パラメータを調節することによって、同 じエネルギ源を用いて実行されるのが好ましい。

第８図は、固体すなわち材料の表面処理に関する本発明のすべての実施例の要約 を示している。これは、次のステップに分けられる。

￥　エネルギ供給 ＊　変換器（加速器）のエネルギ変換および結合＊　加速器媒体（プラズマ材料 ） ＊　処理材料（被覆する材料） ＊　ターゲツト材（幾何学的配置、処理および環境のシーケンスを含む） 本発明に係る方法は、個別の単一段階の繰り返しとの組み合わせから、または繰 り返しを持たない組み合わせから構成される。第８図の段階の分類化は、本発明 の及ぶ範囲を示している。

第１図 第２図 第５図 第３図 添加材および気体の中央注入 第４図 第６図 第７図 国際調査報告 フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＰＴ、　Ｓ Ｅ）、ＪＰ、　ＲＵ、　ＵＳ（７２）発明者　シュミツトート−マス、カールハ インツゲー ドイツ連邦共和国、デー−５ｏｏｏ　ミュンヘン１９．ゾフィー−シュテーレー シュトラーセ　１２　デー （７２）発明者　シュベーラ−、ヨゼフドイツ連邦共和国、デー−８３０９ライ ヒエルトシュハウゼン、ハウプトシュトラーセ

Claims (43)

【特許請求の範囲】
1. １．大量の高エネルギと高密度の短持続時間パルスによる、固体表面、特に材料 表面の処理方法において、エネルギ蓄積装置内に蓄えられるエネルギが、エネル ギ変換器に転送され、そこで、固体表面に入射するインパルスがその固体の表面 層と相互作用し、この極めて薄い層内に、基体材料に影響を及ぼすことなく微小 構造の変化および／または構成の変化および／または組成の変化を発生させるよ うな方法で、固体の表面方向に加速される気体および／または液体および／また は固体形態のエネルギキャリアに転送されることを特徴とする固体表面の処理方 法。
2. ２．電気エネルギがエネルギ蓄積装置に蓄えられ、この電気エネルギがエネルギ 変換器内でエネルギキャリアの熱的および／または運動的および／または化学的 エネルギに変換されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体表面の処 理方法。
3. ３．エネルギキャリアが、エネルギ変換器によって短時間に極めて高速度におよ び非常に高温にさらに高圧かつ高密度にされた、そして部分的なまたは全体のイ オン化によってプラズマに変換された気体から構成されることを特徴とする請求 の範囲第２項に記載の固体表面の処理方法。
4. ４．それぞれのエネルギキャリアが、前記固体の表面層と予め決められ得る方法 で相互作用する添加材料を加速するために使用され、固体に作用するパルスの持 続時間、パルスの温度、密度および圧力が、材料の確定された表面層に対応する 表面層微小構造および／または構成および／または組成が、目的的に影響を及ぼ されるような方法において、選択され、そして特に、高耐摩耗、高耐腐食および 熔融金属被覆、ガルパニック金属被覆の適用および／または物理的被覆手順によ る被覆の適用に対する良好な湿潤能力などの機械的処理に対する特別な属性など の特別な特性が確立されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のいず れか１項に記載の固体表面の処理方法。
5. ５．エネルギ変換器と固体との間の領域において付加材料が加えられ、対応する エネルギキャリアによって固体表面の方向に加速されることを特徴とする請求の 範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
6. ６．固体表面上に付加材料が与えられ、前記固体を打つインパルスによって固体 の表面層と相互作用させられることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の いずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
7. ７．そのトランスジェクトリ（ｔｒａｎｓｊｅｃｔｏｒｙ）に沿って変化する横 断面を有するインパルスが発生され、固体が表面層における要求される相互作用 によって可変的に調節可能であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項 のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
8. ８．メタンなどの炭素含有気体および／またはニトロ化を作り出すニトロ含有気 体が、エネルギキャリアの発生に使用され、またはエネルギキャリアに加えられ ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載の固体表 面の処理方法。
9. ９．エネルギキャリアによって必然的に引っ張り加速され、かつエネルギ変換器 内で作用する電磁力によっては加速されない材料が、エネルギキャリアに加えら れ、これらがエネルギキャリアを形成するプラズマによって引っ張り加速され、 同時に液体化または蒸気化され場合によってイオン化される好適な材料であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の固体表面の 処理方法。
10. １０．短パルスを形成するパラメータが、高加熱速度によっておよび／または高 冷加速度によって、予め決められ得る材料構成および粒子径が固体の表面層内に 発生させられるような、特に、非晶質表面層が急速固体化技術によって固体上に 発生されるような方法で、選択されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第 ９項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
11. １１．表面層の冷却速度を増すために処理前および／または処理中に、処理され るべき材料が、例えば液体窒素または液体ヘリウムの温度のような低温に維持さ れることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の固体表面の処理方法。
12. １２．表面反応とくに酸化を防止するために、エネルギ変換器において発生され るプラズマが貴気体から作られ、または貴気体が付加材料としてプラズマ中に注 入されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１項に記載 の固体表面の処理方法。
13. １３．結晶または非晶質構造の要素または化合物形態の固体粒子がプラズマ中に 導入され、打ち込み粒子の材料変化が生ぜず、したがって高エネルギインパルス の影響下で、機械的合金化特に普通合金化されない物質の機械的合金化が生ぜし められるような方法で、プラズマの短時間影響下で、好ましくは高不活性圧力に よって、表面層中に機械的に打ち込まれることを特徴とする請求の範囲第１項乃 至第１２項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
14. １４．固体の表面層中に打ち込まれるべき粒子が、フォイルに加えられ、特にフ ォイル上に平衡に分散させられ、さらに、粒子を担持するフォイルがプラズマ流 またはプラズマパルスにさらされ、そしてその作用によって破壊され、これらの 粒子が、プラズマによって加速され、表面層中へのプラズマと共にまたはプラズ マを伴わずに一定分布で打ち込まれ、すなわち機械的に合金化されることを特徴 とする請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方 法。
15. １５．固体粒子が、固体表面を打つ際にプラズマの構成および／または組成に変 化を引き起こさせるように、短時間パルスのパラメータが選択されることを特徴 とする請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方 法。
16. １６．黒鉛粉末および／またはダイアモンド粉末の形態にある炭素が、付加材料 としてそれぞれのエネルギキャリアに加えられ、固体材料との相互作用によって 硬い表面層が形成され、例えば、炭素または黒船粉末のフラレンまたは他の炭素 構造への変態化によって、固体表面層の新規な特性が作り出されることを特徴と する請求の範囲第１５項に記載の固体表面の処理方法。
17. １７．固体の表面層が、インパルスによる衝撃処理前に熱化学処理を施され、特 に、炭素および窒素のような元素で表面層を濃縮させるために、炭素化またはニ トロ化されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１６項のいずれか１項に 記載の固体表面の処理方法。
18. １８．フラックスを用いることなく金属化されるべき表面の湿潤を可能とさせる 特に反応金属および／または塩化物などの特別な反応特性を持つ材料が、固体表 面層に導かれることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１７項のいずれか１項 に記載の固体表面の処理方法。
19. １９．大量の高エネルギおよび高密度の短時間パルス内での固体表面の処理方法 において、エネルギ蓄積装置に蓄えられるエネルギが、エネルギ変換器へ導かれ 、そこで、エネルギキャリアおよび／またはエネルギキャリアによって加速され る付加材料の衝撃によって新規な材料が生じ、この表面から分けられ、したがっ て分離した形態で得られるというような方法で、固体の表面方向に加速されるべ きエネルギキャリアに転送されることを特徴とする固体表面の処理方法。
20. ２０．例えば、フラレンまたはダイアモンド状の構造など固体表面から分割され 得る異なる特性を持つ物質が、例えば、黒鉛粉末または他の元素構造などの炭素 構造の変態化によって、固体表面に形成されることを特徴とする請求の範囲第１ ９項に記載の固体表面の処理方法。
21. ２１．高エネルギの短時間インパルスを用いることによって熔融流を微小分散さ せる方法において、熔融流を形成する材料が、エネルギキャリアまたはそのエネ ルギキャリアによって加速される付加材料を形成し、熔融流に対するエネルギ変 換器によって極めて小さな粒子径の粒子に転送される電気エネルギによって*** させられることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第２０項のいずれか１項に記 載の固体表面の処理方法。
22. ２２．前記微小粒子が衝撃壁として作用する冷却壁によって捕獲収集されること を特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体表面の処理方法。
23. ２３．前記熔融流が、気体プラズマと一緒にプラズマダイナミック加速機のコイ ル領域に導かれ、前記コイルは、強い軸方向磁界がその端部に存在し、それによ って強い径方向力が気体プラズマに作用し、方位角電流が流れ、この力が前記熔 融流に転送されるような方法で、形作られていることを特徴とする請求の範囲第 ２１項または第２２項に記載の固体表面の処理方法。
24. ２４．個々の方法ステップが、互いに何度も実行され、その際、異なる処理プロ セスを得るために、パラメータが未変化に維持されるか、連続方法ステップ中に 変形されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第２３項のいずれか１項に記 載の固体表面の処理方法。
25. ２５．エネルギ蓄積の電気パラメータ、エネルギ変換器へのエネルギ供給、さら にエネルギ変換器の構成パラメータと一緒のエネルギ変換器のパラメータは、固 体表面の規定できる形の処理が得られるようなやり方で互いに適合させられ、電 気および構成パラメータの機造が、特に、プラズマヘの適切な形のエネルギ供給 が、実際に付加材料と共にまたは付加材料を伴わずに、エネルギの持続時間およ び振幅に関して得られるように、作られていることを特徴とする請求の範囲第１ 項乃至第２４項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
26. ２６．材料が摩耗、腐食のような消散プロセスによって構成部品から分離され、 プラズマにそって引っ張られるように、その材料がエネルギ変換器の構成部品に 対して選択され、特に、プラズマ加速機に対して、圧縮機コイルと同様に中心電 極および外側電極の先端の形成が、例えば炭素またはチタン合金などの処理材料 を用いて行われ、電流導通部または絶縁器としてともに使用され、別の処理材料 と共にまたはその材料を伴わずに、プラズマと接触する他のエネルギ変換器の構 成部品に対して、対応する手段が取られることを特徴とする請求の範囲第１項乃 至第２５項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
27. ２７．固体、特に材料表面のプラズマ処理は、空間、特にパルス処理前に、処理 中にまたは処理後に、方法の実行を悪くする装置または処理表面の汚染が発生し ないように、ある種のテスト空間において実行され、この空間の大気は、インパ ルス処理が実行され得るような密度および温度を有し、その際、特に非常な低密 度が、表面処理プラズマについての影響を避けるために、例えば２７０Ｋよりも 低い温度および１０−３トール以下の圧力で与えられることを特徴とする請求の 範囲第１項乃至第２６項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
28. ２８．核形成または凝縮または混合プロセスなどの意図的プロセスは、実際に付 加材料と共にまたは付加材料を伴わずに、エネルギ変換器内で発生されるプラズ マ流と、空間に与えられ、特定の組成および特定の密度および温度を有する大気 との間の相互作用と関連して実行され、例えば、ヘリウムプラズマと、例えば炭 素含有または窒素含有大気との相互作用が発生し、炭素プラズマなどのプラズマ がヘリウム大気と相互作用させられることを特徴とする請求の範囲第２７項に記 載の固体表面の処理方法。
29. ２９．処理される材料の表面層に含まれ、そして少なくとも不純物またはドーパ ントとして作用する材料が境界つけられ、高エネルギ、短持統時間パルスの作用 中に、処理される固体の主要部を形成する材料内で分解されることを特徴とする 請求の範囲第１項乃至第２８項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
30. ３０．到達した状態が、適切な高冷却速度によって固定すなわち冷凍され、それ によって関連の表面層の特性の予め選択された変化が得られ、それにより、例え ばアルミニウムのマンガンおよびシリコン含有物が解放され、同時に非晶質構造 が作り出されることを特徴とする請求の範囲第２９項に記載の固体表面の処理方 法。
31. ３１．固体の分子または原子の構造の方向性配列を得るために、処理されるべき 固体の表面が、処理前、処理中および／または処理後に、電磁界によって影響を 及ぼされることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３０項のいずれか１項に記 載の固体表面の処理方法。
32. ３２．処理されるべき表面、例えばその表面の裏側に設けられている電流ループ が使用され、そのループを介して処理プロセス中にエネルギ蓄積装置からの電流 が導かれ、その結果、この回路のパラメータに依存して、時間変化するまたは処 理プロセスの時間スケールに比較して一定の電磁界である電磁界が確立されるよ うな処理プロセスヘの影響が及ぼされるように、強度および方向が工夫されてい る遷移電磁界が表面に発生されることを特徴とする請求の範囲第３１項に記載の 固体表面の処理方法。
33. ３３．処理されるべき材料の表面層が高い温度、特に固体の熔融点に近い温度に まで加熱され、それによって処理材料の浸透深さすなわち処理の層厚が大きくさ れ、および／または例えばダイアモンド結晶などの処理プラズマで実行される材 料の浸透が容易かつ制御され得ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３２ 項のいずれか１項に記載の固体表面の処理方法。
34. ３４．表面の加熱が、高エネルギパルスによって短時間に実行され、その後、処 理を実行する別のパルスを、そのような短時間加熱の時間スケール内に続けさせ 、適切な電磁加速機を組み合わせて使用することを特徴とする請求の範囲第３３ 項に記載の固体表面の処理方法。
35. ３５．請求の範囲第１項乃至第３４項のいずれか１項に記載の方法を実行するた め、プラズマダイナミック加速機を使用する装置において、同軸加速機と固体表 面との間の距離が、調節可能であり、使用される圧縮機コイルの形状が、固体表 面層の処理に必要な短持続時間プラズマパルスが得られるような方法で選択され ることを特徴とする固体表面の処理装置。
36. ３６．圧縮機コイルが処理されるべき固体表面に向かう方向にら旋状のテーパ形 状を有することを特徴とする請求の範囲第３５項に記載の固体表面の処理装置。
37. ３７．圧縮機コイルが収束／発散形状を有することを特徴とする請求の範囲第３ ５項に記載の固体表面の処理装置。
38. ３８．処理されるべき固体が、圧縮機コイルを持つ同軸加速機の内側または外側 に取り付けられており、インパルス持続時間と同様に圧縮機コイルを持つその加 速機に与えられる全エネルギが、加速機の構成部品の腐食および摩耗が避けられ 、したがって固体表面層の処理が異材料によって汚染されずに行われ得るような 方法で、選択されることを特徴とする請求の範囲第３５項乃至第３７項のいずれ か１項に記載の固体表面の処理装置。
39. ３９．エネルギキャリアに付加材料を付加するための手段が設けられ、これらが 好ましくはエネルギキャリアを形成するプラズマによって引っ張り加速され、こ の間に液化または蒸気化および場合によりイオン化される材料であり、しかも、 これらの手段が、この付加材料を同軸加速機ずなわち圧縮機コイルの領域内でか つ圧縮機コイルの端部にまたは圧縮機コイルの端部から一定の距離に導かせ、特 に付加材料が中心電極を介して圧縮機コイルを通して流れるプラズマ中に導かれ ることが可能であることを特徴とする請求の範囲第３５項乃至第３８項のいずれ か１項に記載の固体表面の処理装置。
40. ４０．請求の範囲第１項乃至第３４項のいずれか１項に記載の方法を実行するた めに、電熱加速機を用いた装置において、付加材料が、所望の場合には、プラズ マの発生中またはこのプラズマを固体表面に向かって加速中に、エネルギキャリ アを形成するプラズマに加え、さらに、固体が電熱加速機の内側または外側に設 置され、インパルス持続時間と同様に圧縮機コイルを持つその加速機に与えられ る全エネルギが、加速機の構成部品の腐食および摩耗が避けられ、したがって固 体表面層の処理が異材料によって汚染されずに行われ得るような方法で、選択さ れることを特徴とする固体表面の処理装置。
41. ４１．請求の範囲第１項乃至第３４項のいずれか１項に記載の方法を実行するた めの装置において、圧縮機コイルを持たないプラズマダイナミック加速機が使用 されることを特徴とする固体表面の処理装置。
42. ４２．内部電極および外部電極を備え、エネルギ蓄積装置に接続されている同軸 加速機が使用され、外部電極と同様に中心電極の形成が、加速されたプラズマが 流れる領域の横断面が一定に維持されるか、または特別に有益な方法で変化し、 そして増加減少するような方法で、行われることを特徴とする請求の範囲第４１ 項に記載の固体表面の処理装置。
43. ４３．請求の範囲第３５項乃至第３９項のいずれか１項に記載の同軸加速機が圧 縮機コイルを持たずに使用されることを特徴とする請求の範囲第４２項に記載の 固体表面の処理装置。