JP2008255400A - Metal surface working method - Google Patents

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Seisuke Kano
誠介 加納
Masayasu Sato
正健 佐藤
Hirofumi Shimura
洋文 志村
Hiroyuki Niino
弘之 新納
Kaoru Itagaki
薫 板垣
Satoyuki Togashi
智行 富樫
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ITAGAKI KINZOKU KK
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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ITAGAKI KINZOKU KK
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal surface working method having relatively simple processes, by which stable color which does not change depending on the viewing direction or angle can be developed without utilizing the interference of light. <P>SOLUTION: A method for irradiating a metal surface with laser is changed. Concretely, a process for irradiating the metal surface with a laser beam having a wavelength in an infrared region and a high frequency of repetition, preferably a wavelength of about 1 μm and a frequency of repetition of 30 kHz under such condition that the energy density in atmosphere is ≥100 mj/cm<SP>2</SP>, preferably ≥400 mj/cm<SP>2</SP>is repeated several times so that scanning spots are overlapped. Preferably, a color is formed by repeating the process at least three times with this energy density. Then, after forming an oxide film having a thickness of at least ≥50 nm, preferably ≥100 nm on the metal surface, the metal surface is irradiated several times with a weak laser beam having an energy density of <400 mj/cm<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属表面加工方法に関し、例えば、金属表面に熱を加えることにより表面に着色する加工方法に関する。   The present invention relates to a metal surface processing method, for example, a processing method for coloring a surface of a metal by applying heat to the surface.

一般に、金属を電気炉などで加熱すると酸化し虹色や金色、黒色などに金属表面が着色されることは知られている。加熱の方法として、接合切断に用いるガストーチやプラズマ、レーザ、電子線などがあることも知られている。   In general, it is known that when a metal is heated in an electric furnace or the like, the metal surface is oxidized and colored in rainbow, gold, black, or the like. It is also known that there are a gas torch, plasma, laser, electron beam, etc. used for bonding cutting as a heating method.

中でもレーザは、エネルギー制御がしやすく、かつ、局所的な加熱が大気中で可能であることから、金属表面に着色加工をしやすい。そして、その手法とメカニズムについていくつかの提案がなされている。例えば、金属表面に微細な溝を刻み、溝の上部と底部の光の反射による干渉色を得ることにより恰も着色しているかのように見せる方法(例えば特許文献1)や、金属表面に酸化膜を形成し、その酸化膜と酸化膜の下にある金属母材表面との光の干渉によって様々な色を見せる方法(例えば特許文献2及び3)が知られている。   Among them, the laser is easy to control the energy and can easily color the metal surface because local heating is possible in the air. Several proposals have been made for the method and mechanism. For example, a method (for example, Patent Document 1) in which fine grooves are carved on a metal surface and an interference color by reflection of light at the top and bottom of the groove is obtained to make it appear as if wrinkles are colored, or an oxide film on the metal surface There is known a method (for example, Patent Documents 2 and 3) in which various colors are formed by interference of light between the oxide film and the surface of the metal base material under the oxide film.

特に、特許文献1は、金属表面にレーザで微細な凹凸を形成する技術に関し、レーザによる表面のアブレージョンや熱による変形などを有効に利用するものである。なお、特許文献1では、この微細な凹凸に反応性ガスとの反応による膜形成とその膜と金属母材表面の反射光の干渉による虹色発色についても言及されている。   In particular, Patent Document 1 relates to a technique for forming fine irregularities on a metal surface with a laser, and effectively uses surface ablation by laser or deformation by heat. Patent Document 1 also mentions the formation of a film by reaction with a reactive gas on the fine irregularities and the rainbow color development by interference of reflected light from the surface of the film and the metal base material.

また、特許文献2には、レーザによる着色ならびにパターンニング方法に関し、レーザの照射条件を変えることによって多彩な色(具体的には、青色やオレンジ色)を発現可能であることが開示されている。この着色方法においても、金属母材とその上に形成する酸化皮膜との間の光の干渉により発色していることが明記されている。   Further, Patent Document 2 discloses that various colors (specifically, blue and orange colors) can be expressed by changing laser irradiation conditions with regard to laser coloring and patterning methods. . Also in this coloring method, it is specified that the color is developed by the interference of light between the metal base material and the oxide film formed thereon.

さらに、特許文献3でも、金属表面へのレーザ照射による酸化皮膜形成でのパターン着色(カラーマーキング)方法が提案されている。この方法によれば、着色した色を再加熱による還元作用により変化させることが可能である。特許文献3においても発色の原理は、金属母材表面と酸化皮膜の光の干渉によることが明記されている。そして、金属材料としては、ステンレス鋼やNi−Cr合金、チタンなどを挙げ、これらの表面に形成する膜として厚さ100−200オングストロームの酸化膜又はチッ化膜を挙げている。なお、発色効果を高める方法として、レーザ照射面を電気炉によって加熱することが示されている。また、使用するレーザの波長域は赤外から可視域としている。   Further, Patent Document 3 also proposes a pattern coloring (color marking) method for forming an oxide film by laser irradiation on a metal surface. According to this method, the colored color can be changed by a reducing action by reheating. Patent Document 3 also clearly states that the color development principle is due to the interference of light between the surface of the metal base material and the oxide film. Examples of the metal material include stainless steel, Ni—Cr alloy, and titanium, and examples of the film formed on the surface include an oxide film or a nitride film having a thickness of 100 to 200 Å. As a method for enhancing the coloring effect, it is shown that the laser irradiation surface is heated by an electric furnace. In addition, the wavelength range of the laser used is in the infrared to visible range.

特開平6−212451号公報JP-A-6-212451 特開平7−61198号公報JP-A-7-61198 特開2004−250786号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-250786

しかしながら、何れの特許文献による金属表面加工方法でも、光の干渉を利用して虹色発色させる、若しくは光の当たり方によって色の見え方を異ならせるに過ぎない。また、これらで実現される酸化皮膜の厚さは非常に薄く、膜が破損(物理的な破損や酸化膜の厚さの経時的変化)しやすいという欠点がある。よって、例えば物の識別マークとして着色を施したい場合等には上述の加工方法は不適切である。   However, in any metal surface processing method according to any patent document, rainbow color is developed by using interference of light, or the appearance of color is varied depending on how the light strikes. Further, the thickness of the oxide film realized by these is very thin, and there is a drawback that the film is easily damaged (physical damage or change with time in the thickness of the oxide film). Therefore, for example, when it is desired to color an object as an identification mark, the above-described processing method is inappropriate.

また、特許文献3では、色をコントロールする目的で様々なガスを用いて電気炉内で再加熱や還元雰囲気による再加工を行わなければならないので、余分な工程が増え、プロセスが煩雑な上にガスの管理が必要である。また、加熱に弱い製品(電気製品等)の表面への着色加工が不可能である。   Also, in Patent Document 3, since various gases must be used for the purpose of color control and reheating or reprocessing in a reducing atmosphere must be performed in an electric furnace, the number of extra steps is increased and the process is complicated. Gas management is required. Further, it is impossible to color the surface of a product (electric product or the like) that is vulnerable to heating.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、光の干渉によらず、見る方向や角度によって色が異ならない安定的な発色を実現し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工方法を提供するものである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and realizes a stable color development that does not vary in color depending on the viewing direction and angle, regardless of light interference, and has a relatively simple process. Is to provide.

上記課題を解決するために、本発明では、金属表面へのレーザ照射方法を変更している。具体的には、レーザ光として赤外域の光を高い繰り返し数、好ましくは波長1μm程度で繰り返し30kHzの光を、大気中でエネルギー密度100mJ/cm2以上、好ましくは400mJ/cm2以上のエネルギー密度で走査スポットが重なるように照射する行為を数回重ねる、好ましくはこのエネルギー密度で3回以上重ねて色を形成している。 In order to solve the above problems, the present invention changes the laser irradiation method on the metal surface. Specifically, the laser beam is an infrared light having a high repetition rate, preferably a light with a wavelength of about 1 μm and a repetition rate of 30 kHz, and an energy density of 100 mJ / cm 2 or more, preferably 400 mJ / cm 2 or more. In this case, the irradiation is performed several times so that the scanning spots overlap each other, preferably three times or more at this energy density to form a color.

そして、金属表面への酸化膜形成を少なくとも50nm以上、好ましくは100nm以上形成した上で、さらにエネルギー密度400mJ/cm2未満の弱いレーザ光を数回照射する。 Then, after forming an oxide film on the metal surface at least 50 nm or more, preferably 100 nm or more, a weak laser beam having an energy density of less than 400 mJ / cm 2 is further irradiated several times.

また、金属表面への酸化膜形成を加速させるため、酸素ガスを金属試験片に吹きかけながらレーザ照射を行ってもよい。酸素ガスは金属表面近傍に容器や筒などで囲いを作って漂わせてもよい。なお、酸素濃度が大気中の酸素濃度より高い方が、早く酸化層を形成することができる。   Further, in order to accelerate the formation of an oxide film on the metal surface, laser irradiation may be performed while oxygen gas is blown onto the metal test piece. Oxygen gas may be drifted by making an enclosure in the vicinity of the metal surface with a container or a cylinder. Note that an oxide layer can be formed earlier when the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the atmosphere.

即ち、本発明による金属表面加工方法は、金属表面にレーザ光を照射し、金属表面の少なくとも一部に着色加工を施す金属表面加工方法であって、エネルギー密度が400mJ/cm2 のレーザ光を前記金属表面に少なくとも3回の重ね回数で照射する工程を備えることを特徴とする。 That is, the metal surface processing method according to the present invention is a metal surface processing method for irradiating a metal surface with a laser beam and coloring at least a part of the metal surface, and applying a laser beam with an energy density of 400 mJ / cm 2. The method includes irradiating the metal surface with at least three overlapping times.

上記金属表面加工方法は、さらに、着色加工する金属の種類及び着色の種類に応じて、金属表面へのレーザ光の照射の重ね回数及びエネルギー密度を含むレーザ照射条件を設定する工程を備える。また、さらに、レーザ照射前に前記金属表面を鏡面研磨する工程を備えてもよい。さらに、レーザ光として、波長が1μmのパルスレーザを用いてもよい。   The metal surface processing method further includes a step of setting laser irradiation conditions including the number of times of laser beam irradiation on the metal surface and the energy density according to the type of metal to be colored and the type of coloring. Furthermore, you may provide the process of mirror-polishing the said metal surface before laser irradiation. Further, a pulse laser having a wavelength of 1 μm may be used as the laser light.

また、本発明では、レーザ光の照射は、金属表面に対して大気中下で実行される。
さらに、金属表面には、所定の元素が分散されるように処理され、所定の元素が存在する部分と存在しない部分とでは、レーザ光の照射によって異なる色が着色される。
Moreover, in this invention, irradiation of a laser beam is performed under air | atmosphere with respect to a metal surface.
Further, the metal surface is treated so that a predetermined element is dispersed, and a portion where the predetermined element exists and a portion where the predetermined element does not exist are colored with different colors by laser light irradiation.

さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。   Further features of the present invention will become apparent from the best mode for carrying out the present invention and the accompanying drawings.

本発明によれば、光の干渉によらず、見る方向や角度によって色が異ならない安定的な発色を実現し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize stable color development that does not vary in color depending on the viewing direction and angle, irrespective of light interference, and to realize metal surface processing with a relatively simple process.

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。   Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that this embodiment is merely an example for realizing the present invention and does not limit the present invention. In each drawing, the same reference numerals are assigned to common components.

<金属表面加工装置の構成>
図1は、本発明の実施形態による金属表面加工装置100の概略構成を示す図である。図1に示されるように、金属表面加工装置100は金属板6の表面に着色加工を施す装置であって、レーザ光7を発射するレーザ発振装置1と、レーザの出力や照射範囲や回数を制御するためのレーザ発振出力制御装置2と、設定された照射範囲に対応してレーザ照射を金属表面上で走査するためのガルバノスキャナー3と、金属板の表面にレーザを集光させるための集光レンズ4と、レンズ4へのレーザ光反射防止及びレンズ4の表面を保護するためのレンズ保護カバー5と、酸素ガスボンベ81と酸素ガスノズル82を有し、酸素ガス83を金属板6に吹き付けて金属表面の酸化を促進させるための酸化促進装置8と、を備えている。
<Configuration of metal surface processing equipment>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a metal surface processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the metal surface processing apparatus 100 is an apparatus that performs color processing on the surface of the metal plate 6, and includes a laser oscillation apparatus 1 that emits laser light 7, a laser output, an irradiation range, and a number of times. A laser oscillation output control device 2 for controlling, a galvano scanner 3 for scanning laser irradiation on the metal surface in accordance with the set irradiation range, and a collector for condensing the laser on the surface of the metal plate It has an optical lens 4, a lens protective cover 5 for preventing laser light reflection on the lens 4 and protecting the surface of the lens 4, an oxygen gas cylinder 81 and an oxygen gas nozzle 82, and blowing an oxygen gas 83 onto the metal plate 6. And an oxidation promoting device 8 for promoting oxidation of the metal surface.

金属表面加工装置100では、レーザ発振出力制御装置2に金属板6の表面に、例えば、描画データ等の着色する範囲及び色の種類を示すデータ入力される。そのデータに基づいてガルバノミラー3の走査範囲やレーザ光6を金属板6の表面のどこに何回照射するか等が決定される。   In the metal surface processing apparatus 100, for example, data indicating a coloring range and a color type such as drawing data is input to the laser oscillation output control apparatus 2 on the surface of the metal plate 6. Based on the data, the scanning range of the galvanometer mirror 3 and where and how many times the surface of the metal plate 6 is irradiated with the laser beam 6 are determined.

レーザ発振装置1は、加工の種類によって400mJ/cm2 以上のエネルギー密度のレーザ光とそれ未満のエネルギー密度の光とを選択的に発射できるようになっているのが好ましい。即ち、着色加工の種類によって、400mJ/cm2のレーザ光の照射回数と、それ未満のレーザ光の照射回数を制御し、所望の着色を金属表面に施すようにする。また、レーザ光として、赤外領域から紫外領域まで波長の光を用いることができるが、1μm程度の赤外域の光で、10kHz(より好ましくは30kHz)以上のパルスレーザ光を用いるのが好ましい。1μm程度の赤外域の光は、金属表面にマーキングするための現存するレーザ装置によって実現することができるので、本発明は、現存する装置を用いて好適な着色加工を実現することができるのである。 The laser oscillation device 1 is preferably configured to selectively emit laser light having an energy density of 400 mJ / cm 2 or more and light having an energy density lower than 400 mJ / cm 2 depending on the type of processing. That is, depending on the type of coloring process, the number of laser light irradiations of 400 mJ / cm 2 and the number of laser light irradiations less than that are controlled to give the desired color to the metal surface. As the laser light, light having a wavelength from the infrared region to the ultraviolet region can be used, but it is preferable to use pulsed laser light of 10 kHz (more preferably 30 kHz) or more with light in the infrared region of about 1 μm. Since the light in the infrared region of about 1 μm can be realized by an existing laser device for marking on a metal surface, the present invention can realize a suitable coloring process using the existing device. .

<着色加工の手順>
図2は、図1に示される金属表面加工装置100を用いて金属板6の表面に対する着色加工の手順を説明するためのプロセス図である。まず、着色加工の対象である金属板(金属片)6が用意される(プロセスP1)。着色加工の対象となる金属板6としては、例えばステンレス鋼等の鉄系金属や銅、クロム合金やニッケル合金等を用いることができる。また、金属原料に所定の元素(インジウム、スズ、亜鉛やチタン等)を混ぜて作製した合金を用いたり、金属表面に所定の元素を分散(例えば、PVD、CVDやイオン注入法等によって)させた金属を用いてもよい。このような合金や表面に元素分散させた金属を用いれば、通常酸化膜生成が困難なアルミニウム等の表面にも着色加工することができる。
<Coloring process>
FIG. 2 is a process diagram for explaining the procedure of coloring processing on the surface of the metal plate 6 using the metal surface processing apparatus 100 shown in FIG. First, a metal plate (metal piece) 6 to be colored is prepared (process P1). As the metal plate 6 to be colored, for example, an iron-based metal such as stainless steel, copper, a chromium alloy, a nickel alloy, or the like can be used. Also, use an alloy prepared by mixing a metal material with a predetermined element (indium, tin, zinc, titanium, etc.), or disperse a predetermined element on the metal surface (for example, by PVD, CVD, ion implantation, etc.) Alternatively, a metal may be used. If such an alloy or a metal with elements dispersed on the surface is used, it is possible to color the surface of aluminum or the like, which is usually difficult to produce an oxide film.

続いて、プロセス1で用意された金属板6の加工表面を鏡面研磨する(プロセス2)。鏡面加工した方が金属表面に吸収されるエネルギーを均一にすることができ、きれいに仕上げることができる。ただし、このプロセス2は必須のものではなく、鏡面仕上げをしなくても着色加工することはできる。さらに、用意された金属板を洗浄して、金属板に付着した塵や油、研磨くず等を取り除く(プロセス3)。   Subsequently, the processed surface of the metal plate 6 prepared in Process 1 is mirror-polished (Process 2). The mirror finish can make the energy absorbed by the metal surface uniform, and can be finished finely. However, this process 2 is not essential and can be colored without a mirror finish. Further, the prepared metal plate is washed to remove dust, oil, polishing debris, etc. adhering to the metal plate (process 3).

また、必要に応じて酸素ガスフローを準備し、金属板6に対して酸素ガスを噴射する(プロセス4)。酸素ガスは、酸化膜生成を促進するために噴射されるものであるので、プロセス4も必須のプロセスではない。そして、パルスレーザを立ち上げ、金属板6の厚さに応じて光学系を調整し(レンズ4から金属板6の表面までの距離を所定距離に合わせる)する。また、どの位のエネルギー密度で何回レーザ照射するか等のレーザ照射条件を決定する(プロセス5)。酸化の進み具合によって色が異なってくるので、所望の色によってレーザ光のエネルギー密度や照射回数が異なってくるのである。   Moreover, an oxygen gas flow is prepared as needed, and oxygen gas is injected with respect to the metal plate 6 (process 4). Since the oxygen gas is injected to promote the generation of the oxide film, the process 4 is not an essential process. Then, the pulse laser is started up and the optical system is adjusted according to the thickness of the metal plate 6 (the distance from the lens 4 to the surface of the metal plate 6 is adjusted to a predetermined distance). In addition, the laser irradiation conditions such as how many times the energy density is irradiated with the laser are determined (process 5). Since the color varies depending on the progress of oxidation, the energy density and the number of irradiations of the laser beam vary depending on the desired color.

プロセス5で決定したレーザ照射条件で金属板6の表面に対してレーザ照射する(プロセス6)。エネルギー密度が低すぎると、金属表面に不導体膜のような酸化物が形成されてしまい、それ以上レーザを照射しても金属表面における酸化が進まなくなってしまう。このような場合、従来の光の干渉による虹色着色は可能だが、見る角度によって色が異ならない安定的な着色は実現できない。そこで、最初の何回か(好ましくは着色する色によって3〜4回)は400mJ/cm2 以上のエネルギー密度でレーザ照射するのが好ましい。 Laser irradiation is performed on the surface of the metal plate 6 under the laser irradiation conditions determined in the process 5 (process 6). If the energy density is too low, an oxide such as a non-conductive film is formed on the metal surface, and oxidation on the metal surface will not proceed even if laser irradiation is performed further. In such a case, the conventional iridescent coloring by light interference is possible, but stable coloring in which the color does not vary depending on the viewing angle cannot be realized. Therefore, it is preferable to perform laser irradiation at an energy density of 400 mJ / cm 2 or more for the first several times (preferably 3 to 4 times depending on the color to be colored).

以上のような加工によって、金属板6の表面の指定した領域・部分に、50nm或いはそれ以上の厚さの酸化膜(酸化層)を形成することができる。この程度の厚さの酸化膜であれば、破損の可能性は非常に低くなる。   By the processing as described above, an oxide film (oxide layer) having a thickness of 50 nm or more can be formed in a specified region / part of the surface of the metal plate 6. If the oxide film has such a thickness, the possibility of breakage is very low.

[実施例1]
図1の金属表面加工装置100を使用し、鏡面研摩したSUS304に大気中にてYVO4レーザのパルス光を照射し、茶、紫、オレンジ、紺、緑などの色を発色させた。このとき照射するレーザのエネルギー密度は400mJ/cm2以上であり、これを30kHzの繰り返し数で発振させながらミラー(ガルバノスキャナー3)により走査させた。これを3〜4回繰り返すことにより表面に着色加工した。
[Example 1]
Using the metal surface processing apparatus 100 of FIG. 1, the mirror-polished SUS304 was irradiated with YVO4 laser pulse light in the atmosphere to develop colors such as brown, purple, orange, amber and green. The energy density of the laser irradiated at this time was 400 mJ / cm 2 or more, and the laser was scanned with a mirror (galvano scanner 3) while oscillating at a repetition rate of 30 kHz. By repeating this 3 to 4 times, the surface was colored.

この着色加工の結果が表1の(1)及び(2)に示されている。結果(1)及び(2)は、それぞれ茶と青を着色する加工例を示したものである。   The results of this coloring process are shown in (1) and (2) of Table 1. Results (1) and (2) show processing examples for coloring brown and blue, respectively.

Figure 2008255400
Figure 2008255400

[実施例2]
図1の金属表面加工装置100を使用し、鏡面研摩したSUS304に大気中にてエネルギー密度は400mJ/cm2以上の光を30kHzの繰り返し数で発振させながらミラー(ガルバノスキャナー3)により走査させることを3〜4回繰り返した後に、400mJ/cm2未満のエネルギー(表では、mWとなっているので注意を要する)を同様に照射させることで、鮮やかに茶、紫、オレンジ、紺、緑などの色を発色させた。なお、2回の重ね照射では、酸化膜の厚さが充分ではなく、所望の色を出すことができない。よって、3回以上重ねて照射することが望ましい。
[Example 2]
Using the metal surface processing apparatus 100 shown in FIG. 1, a mirror polished SUS304 is scanned with a mirror (galvano scanner 3) while oscillating light with an energy density of 400 mJ / cm 2 or more at a repetition rate of 30 kHz in the atmosphere. After repeating 3 to 4 times, by irradiating energy less than 400 mJ / cm 2 (must be noted in the table, attention is required) in the same way, vividly brown, purple, orange, amber, green, etc. The color of was developed. Note that the thickness of the oxide film is not sufficient in the two times of repeated irradiation, and a desired color cannot be obtained. Therefore, it is desirable to irradiate three or more times.

この着色加工の結果が表1の(3)乃至(6)に示されている。結果(3)乃至(6)は、それぞれオレンジ、紫、青緑、若草色を着色する加工例を示したものである。   The results of this coloring process are shown in Tables (3) to (6). Results (3) to (6) show examples of processing for coloring orange, purple, blue-green, and young grass color, respectively.

[実施例3]
図1の金属表面加工装置100を使用し、SUS304の他にSUS316やSUS310、SUS430、SUS416、SUS403、SS400、Crめっき材に大気中にて上記レーザ光をエネルギー密度は400mJ/cm2程度で数回照射することにより、赤(酸化鉄)、黄(酸化クロム)、緑(酸化クロム、酸化ニッケル)などを基調とした着色領域を金属表面に形成した。このように、本発明の金属表面加工方法を用いれば、同じ加工方法であっても金属成分が異なれば発色が異なってくるのである。
[Example 3]
1 is used. In addition to SUS304, SUS316, SUS310, SUS430, SUS416, SUS403, SS400, and the above-mentioned laser light is applied to the Cr plating material in the atmosphere at an energy density of about 400 mJ / cm 2. By irradiating twice, colored regions based on red (iron oxide), yellow (chromium oxide), green (chromium oxide, nickel oxide) and the like were formed on the metal surface. As described above, when the metal surface processing method of the present invention is used, even if the same processing method is used, the color development is different if the metal component is different.

[実施例4]
図1の金属表面加工装置100を使用し、鏡面研摩したSUS304に大気中にて酸素ガスを吹き付けながら(0.1Mpa)、エネルギー密度400mJ/cm2程度の光を30kHzの繰り返し数で照射後、それよりも弱いエネルギー密度のレーザ光を照射することによって、前述の条件よりも低いエネルギーで茶、紫、オレンジ、紺、緑などの色を発色させた。
[Example 4]
Using the metal surface processing apparatus 100 of FIG. 1, after irradiating light with an energy density of about 400 mJ / cm 2 at a repetition rate of 30 kHz while blowing oxygen gas to the mirror-polished SUS304 in the atmosphere (0.1 Mpa), By irradiating laser light with a weaker energy density, colors such as brown, purple, orange, amber, and green were developed with an energy lower than that described above.

この着色加工の結果が表1の(7)及び(8)に示されている。結果(7)及び(8)は、紫と緑を着色する加工例を示したものである。なお、特に緑を着色加工する場合には、1400mWのレーザの照射回数を半減させて色出しすることができた(全体でも1/2〜2/3の時間)。   The results of this coloring process are shown in (7) and (8) of Table 1. Results (7) and (8) show processing examples for coloring purple and green. In particular, in the case of coloring green, the number of times of irradiation with a laser of 1400 mW was reduced by half, and the color could be produced (total time of 1/2 to 2/3).

<まとめ>
以上説明したように、本発明は、着色部の見る方向や光の当たる方向によって色が変わらない着色でありながら、塗布する方法と異なり容易に剥離することが困難な着色層を形成する技術であり、作業現場に用いる表示・プレートなどとして用いることが極めて有用なものである。
<Summary>
As described above, the present invention is a technique for forming a colored layer that is difficult to peel off unlike the application method, although the color does not change depending on the viewing direction of the colored portion or the direction of light. Yes, it is extremely useful to be used as a display / plate used at the work site.

そして、本発明は、装飾工芸品(例えば、プレート)や機械部品(例えば、自動車やオートバイの部品)などに応用可能であり、特に機械部品の一部に応用することで、他の既製品と差別化が可能となる。また、各種プレートなど個体の識別に応用が可能であり、これまでの単一色のパターンニングでは区別が困難であった、もしくは、区別のために長くなる標記が簡素化でき、また、パターンによる誤認を減少させることが可能である。さらには、機能性酸化物を形成させることにより、複数の光で異なる発色を行うことも可能であり、バーコードなどに変わる新たな識別ツールを提供することができる。   The present invention can be applied to decorative crafts (for example, plates) and machine parts (for example, parts of automobiles and motorcycles). Especially, by applying to a part of machine parts, Differentiation becomes possible. In addition, it can be applied to individual identification such as various plates, and it has been difficult to distinguish with conventional single-color patterning, or a long mark for simplification can be simplified. Can be reduced. Furthermore, by forming a functional oxide, it is possible to perform different colors with a plurality of lights, and it is possible to provide a new identification tool that changes to a barcode or the like.

本発明では、金属表面、特に鉄系金属やクロム合金やニッケル合金などの表面にレーザ光を、表面に十分な厚さの酸化層が形成されるような光エネルギー密度での照射を行い、この酸化層にさらにレーザ光によるエネルギー照射を行う。これにより、光の当たり方や光の種類によらない着色酸化層を形成する着色加工を実現することができる。ここで、十分な酸化層とは酸化膜の厚さが50nm程度もしくはそれ以上の厚さであることが好ましく、これを3回から4回のレーザ光走査で形成可能なエネルギー密度で実施することを特徴とする。その後にもレーザ光照射を行うことが好ましいが、この場合にはエネルギー密度をそれまで比較して下げることが望ましい。さらに、本発明によれば、酸化層形成において局所的に高いエネルギー密度の照射を必要としないため、表面の熱ひずみなどによる微細な割れの形成が抑制され、耐久性の高い酸化着色層を形成可能である。   In the present invention, laser light is irradiated on a metal surface, particularly a surface of an iron-based metal, a chromium alloy, a nickel alloy, or the like, and irradiation is performed with a light energy density that forms an oxide layer with a sufficient thickness on the surface. The oxide layer is further irradiated with energy by laser light. Thereby, the coloring process which forms the colored oxide layer irrespective of how to hit light and the kind of light is realizable. Here, the sufficient oxide layer preferably has an oxide film thickness of about 50 nm or more, and this is performed at an energy density that can be formed by three to four laser beam scans. It is characterized by. After that, it is preferable to perform laser beam irradiation, but in this case, it is desirable to lower the energy density as compared to that. Furthermore, according to the present invention, irradiation with a high energy density is not required for forming an oxide layer, so that formation of fine cracks due to surface thermal strain is suppressed, and a highly durable oxidized colored layer is formed. Is possible.

また、金属表面着色加工に使用するレーザ光の波長は、赤外域から紫外域まで可能であるが、好ましくは1マイクロメートル程度の赤外域の光で1秒間に1000回(10kHz)以上の発振(好ましくは30kHz以上)が可能なレーザ光が好ましい。照射する光のエネルギー密度は400mJ/cm2以上で走査スポットが重なるように照射する行為を数回(好ましくは3回以上)重ねることが望ましい。これにより、強度的に充分な膜厚の酸化膜を短時間に形成し、見る方向によって色が異ならない着色加工を実現することができる。また、酸化物内の酸素欠陥が少なく、劣化が大気中照射の場合と比較して少ない着色層の形成が可能である。 The wavelength of the laser beam used for the metal surface coloring process can be from the infrared region to the ultraviolet region. Preferably, the laser beam oscillates 1000 times (10 kHz) or more per second with infrared light of about 1 micrometer ( Laser light capable of being preferably 30 kHz or higher is preferable. The energy density of the irradiated light is 400 mJ / cm 2 or more, and it is desirable to repeat the irradiation action several times (preferably three times or more) so that the scanning spots overlap. Thereby, an oxide film having a sufficient strength can be formed in a short time, and a coloring process in which the color does not vary depending on the viewing direction can be realized. In addition, it is possible to form a colored layer with less oxygen defects in the oxide and less deterioration than in the case of irradiation in air.

レーザ光を金属表面に照射する際に大気中で実施し、レーザ以外の熱源によるヒータ加熱や冷凍機などを使用した冷却など行わず、室温と同じ温度での加工を行うことを特徴とする着色加工で、レーザの発振状態を同じにするために、いつも同程度の室温条件になるように環境を整えることが望ましい。本発明によれば、加熱工程を実行するための電気炉が必要ないので、着色加工プロセスをシンプルにすることができる。また、加熱に弱い製品(電気製品等)の金属部分に簡単に着色加工することができる。   Coloring characterized in that it is performed in the atmosphere when irradiating a metal surface with laser light, and processing is performed at the same temperature as room temperature without performing heating using a heat source other than laser or cooling using a refrigerator, etc. In order to make the laser oscillation state the same during processing, it is desirable to arrange the environment so that the room temperature conditions are always the same. According to the present invention, since an electric furnace for performing the heating step is not required, the coloring process can be simplified. In addition, it is possible to easily color the metal part of a product (electric product or the like) that is vulnerable to heating.

また、照射するレーザ光のエネルギー密度や総エネルギー量を制御することによって金属表面に形成する酸化物の種類などを変化させ、その酸化物の組み合わせの違いによって異なる色を発現させる。好ましくは、レーザの照射時に金属表面近傍の酸素濃度を大気中よりも高濃度にし、酸化物の形成や異なる酸化物が生成されやすくなるようにしている。これにより、安定的にかつ短時間に着色加工を実行することができる。   In addition, by controlling the energy density and the total energy amount of the laser light to be irradiated, the kind of oxide formed on the metal surface is changed, and different colors are developed depending on the combination of the oxides. Preferably, at the time of laser irradiation, the oxygen concentration in the vicinity of the metal surface is set higher than in the atmosphere so that oxide formation and different oxides are easily generated. Thereby, a coloring process can be performed stably and in a short time.

さらに、生成する複数の酸化物は、同一の金属酸化物で異なる価数を持った酸化物や酸素欠陥のある酸化物ばかりでなく、異なる金属の酸化物やその酸素欠陥のある酸化物である。このために異なる色を発することができ、また、与えるエネルギー量によって異なる酸化物が形成されることを利用して、絵や文字やその他のパターンを描画することができるようになる。   Furthermore, the plurality of oxides to be generated are not only oxides having different valences with the same metal oxide and oxides having oxygen defects, but also oxides of different metals and oxides having oxygen defects. . For this reason, different colors can be emitted, and it is possible to draw pictures, characters and other patterns by utilizing the fact that different oxides are formed depending on the amount of energy applied.

また、導電性や光触媒性のある金属酸化物を同時に生成させるため、金属表面にインジウムやスズ、亜鉛やチタンなど複数の金属を膜状もしくは粒子状、又は金属化合物として存在させ(所定の元素を分散させる)、これにパルスレーザ光を照射させるようにしてもよい。パルスレーザを用いることによって、発振していないパルスの期間において、積極的に金属表面の熱を逃がすことができる。また、所定の元素を分散させる処理を金属に施すことにより、様々な色を金属表面に着けることができ、アルミニウムのような単体では着色することが困難な金属に対しても着色加工することができるようになる。   In addition, in order to simultaneously generate conductive and photocatalytic metal oxides, a plurality of metals such as indium, tin, zinc, and titanium are present on the metal surface as films or particles, or as metal compounds (predetermined elements are added). Or may be irradiated with pulsed laser light. By using a pulse laser, heat on the metal surface can be actively released during a period of a pulse that does not oscillate. In addition, by applying a treatment to disperse a predetermined element on a metal, various colors can be applied to the metal surface, and it is possible to color a metal that is difficult to color by itself, such as aluminum. become able to.

本発明の実施形態による金属表面加工装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the metal surface processing apparatus by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による金属表面加工方法のプロセス手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process procedure of the metal surface processing method by embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ発振装置
2 レーザ発振出力制御装置
3 ガルバノスキャナー
4 集光レンズ
5 レンズ保護カバー
6 金属板
7 レーザ光
81 酸素ガスボンベ
82 酸素ガスノズル
83 酸素ガス
11 電気配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser oscillation apparatus 2 Laser oscillation output control apparatus 3 Galvano scanner 4 Condensing lens 5 Lens protective cover 6 Metal plate 7 Laser beam 81 Oxygen gas cylinder 82 Oxygen gas nozzle 83 Oxygen gas 11 Electrical wiring

Claims (8)

金属表面にレーザ光を照射し、前記金属表面の少なくとも一部に着色加工を施す金属表面加工方法であって、
エネルギー密度が400mJ/cm2 以上のレーザ光を前記金属表面に少なくとも3回の重ね回数で照射する工程を備えることを特徴とする金属表面加工方法。
A metal surface processing method for irradiating a metal surface with laser light and performing a coloring process on at least a part of the metal surface,
A metal surface processing method comprising a step of irradiating the metal surface with laser light having an energy density of 400 mJ / cm 2 or more at least three times.
さらに、着色加工する金属の種類及び着色の種類に応じて、前記金属表面への前記レーザ光の照射の重ね回数及びエネルギー密度を含むレーザ照射条件を設定する工程を備えることを特徴とする請求項1に記載の金属表面加工方法。   The method further comprises a step of setting a laser irradiation condition including an energy density and the number of times the laser light is applied to the metal surface in accordance with the type of metal to be colored and the type of coloring. 2. The metal surface processing method according to 1. さらに、エネルギー密度400mJ/cm2 未満のレーザ光を前記金属表面に複数の重ね回数で照射する工程を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属表面加工方法。 The metal surface processing method according to claim 1, further comprising a step of irradiating the metal surface with a laser beam having an energy density of less than 400 mJ / cm 2 at a plurality of overlapping times. さらに、前記レーザ光の照射前に前記金属表面を鏡面研磨する工程を備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の金属表面加工方法。   The metal surface processing method according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step of mirror polishing the metal surface before the laser light irradiation. 前記レーザ光は、その波長が1μmのパルスレーザであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の金属表面加工方法。   The metal surface processing method according to claim 1, wherein the laser beam is a pulse laser having a wavelength of 1 μm. 前記レーザ光の照射は、金属表面に対して大気中下で実行されることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の金属表面加工方法。   6. The metal surface processing method according to claim 1, wherein the laser light irradiation is performed in the atmosphere on the metal surface. さらに、加工対象の金属表面に酸素ガスを吹き付ける工程を備え、
前記レーザ光の照射は、前記酸素ガスが吹き付けられた状態で実行されることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の金属表面加工方法。
Furthermore, a process of spraying oxygen gas on the metal surface to be processed is provided,
The metal surface processing method according to claim 1, wherein the laser light irradiation is performed in a state where the oxygen gas is sprayed.
前記金属表面には、所定の元素が分散されており、
前記所定の元素が存在する部分と存在しない部分とでは、前記レーザ光の照射によって異なる色が着色されることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の金属表面加工方法。
A predetermined element is dispersed on the metal surface,
The metal surface processing method according to any one of claims 1 to 7, wherein the portion where the predetermined element exists and the portion where the predetermined element does not exist are colored differently by the laser light irradiation.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014091846A (en) * 2012-11-01 2014-05-19 Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence Formation method and device of iron having corrosion resistance
JP2018526532A (en) * 2015-08-12 2018-09-13 ポスコPosco Steel plate coloring device and coloring method

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