JP2008512564A - 熱処理アセンブリおよび方法 - Google Patents

Abstract

この発明は、熱処理アセンブリを提供する。熱処理アセンブリは、レーザ（２２）と、基板（２４）と、工具（２６）とを含む。レーザは、基板および工具に向けられるレーザエネルギを放出する。基板はレーザエネルギを吸収して、基板を変性させる熱エネルギを基板内に生成する。工具は、基板に対し取外し可能に接触するよう配置され、基板から熱エネルギを取除くように熱伝導して、基板の変性を制限する。好ましくは、工具は基板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、より好ましくは銅材料、金材料、銀材料またはアルミニウム材料である。

Description

発明の背景
１ 技術分野
この発明は、レーザエネルギによって基板の規定領域を変性させるための熱処理アセンブリおよび方法に関する。

２ 関連技術
当業者には、レーザを採用してレーザエネルギを用いて基板を処理するさまざまな熱処理アセンブリが公知である。レーザによる基板処理の１つの欠点は、レーザがビームとしてレーザエネルギを一旦放出すると、そのエネルギを処理されるべき領域に制限することが困難なことである。基板によって一旦吸収されたレーザエネルギは、レーザエネルギに直接露出された領域を超えた領域へと、基板の材料により伝導される傾向がある。この伝導は、処理領域を正確に制御することを困難にする。公知のレーザ処理システムはまた、レーザエネルギの付与を所望の領域に制御しようと試みて、被処理領域に対して比較的狭い光ビームをも採用する。そのような細ビームのアプローチは一般に、領域を上下左右に走査するパターンにおいて多数のパス（ラスタリングとして知られる）が行なわれることを必要とする。このアプローチは、特に走査されるべき領域が多数ある場合には、複雑であってコストがかかり、しかも、境界近傍の意図した対象領域を超えるレーザエネルギの伝導の制御に関わる問題を回避していない。

従来技術の方法に従って処理された基板１０および１２の断面を図１および図２に示す。基板１０および１２は、レーザで処理された後に、目視のために切断および実装されて基板１０および１２の変性が観察された。基板１０および１２の各々は、水平表面１４と垂直表面１６とを含む。基板１０および１２は、垂直表面１６を硬化させずに水平表面１４を硬化させるように処理された。レーザエネルギは、水平表面１４に集中されたが、一旦基板１０および１２がレーザエネルギを吸収すると、発生された熱は水平表面１４から垂直表面１６に伝導された。熱エネルギの伝導は垂直表面１６の硬化をもたらしたが、これは基板１０および１２の有用性に反する。図１および図２に示すように、処理領域は水平表面１４から垂直表面１６に向かって下向きに傾斜する。

図１における基板１０は、たとえば、鋼のピストンであって、硬化されるべき水平表面１４は鋼のピストン上の溝であってもよい。鋼のピストンの垂直表面１６は、繰返し応力を与えられると、疲労しやすく、所望領域を超えた熱の伝導によって熱処理および硬化された結果としての故障が生じ得る。先行技術の図２は、処理されるべき水平表面１４を有する基板１２として鉄のスクレーパリングが設けられる別の例を示す。ここでも、熱エネルギは水平表面１４から垂直表面１６に伝導され、垂直表面１６は不都合に硬化された。上述のものと同じ理由から、垂直表面１６が硬化されることは不利益である。

関連技術方法およびアセンブリのさらなる不利点とは、基板が処理後に歪む傾向があることである。基板の表面領域は応力を有するので、領域の処理は応力を増大させ基板が歪む可能性がある。たとえば、ピストンリングはピストンリングの形状の結果としての応力を有する。ピストンリングが関連技術の方法およびアセンブリによって処理された場合、ピストンリングは曲がりかつ歪む傾向がある。

発明の要約
この発明は、基板の規定領域を変性させるための熱処理アセンブリを提供する。アセンブリは、露出された規定領域に向かってレーザエネルギを放出するように機能するレーザレーザと、工具とを含む。工具は、基板に対して取外し可能に接触し、かつ規定領域に隣接するように配置される。工具は、基板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、基板がレーザエネルギを吸収した結果として生じる熱エネルギを規定領域から取除くように熱伝導する。

この発明はまた、レーザからのレーザエネルギによって基板の規定領域を変性させるための方法をも提供する。方法は、基板を設けるステップと、工具を設けるステップと、工具を基板に対して取外し可能に接触して配置するステップとを含む。工具は、規定領域からレーザエネルギを取除くように熱伝導し、規定領域を超える基板の変性を制限する。

したがって、この発明は、関連技術を特徴付ける欠点を克服するアセンブリおよび方法を提供する。特定的には、この発明は工具を利用して、基板から熱エネルギを取除くように熱伝導することによって基板の変性を制限する。したがって、熱エネルギは、意図せずに基板のさらなる領域を変性させることなく、規定領域を精密に変性させる。上述の関連技術の例に鑑みて、この発明は垂直表面の意図しない変性が殆どまたは全く生じないことを確実にする。所望領域のみが硬化されるので、基板が故障する可能性が減じられる。工具はまた、所望領域を変性させるのに必要な時間およびコストをも減じる。走査の間にレーザを精密に制御する必要はなく、光線レーザの１回のパスのみで領域を処理することができる。この発明はまた、工具が、処理の結果としての基板の歪みを最小化することを可能にする。

この発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照すれば、容易に理解されるであろう。

発明の詳細な説明
図３の２０は、熱処理アセンブリを概略的に示す。熱処理アセンブリ２０は、レーザ２２と、基板２４と、工具２６とを含む。レーザ２２は、基板２４および工具２６に向けられるレーザエネルギ２８を放出する。基板２４はレーザエネルギ２８を吸収し、熱エネルギは基板２４を変性させる。基板は、これらに限定されないが、エッチング、マーキング、アニーリング、析出硬化などのさまざまな態様で変性され得る。

レーザの種類に応じて、さまざまなレーザ２２がさまざまな波長を有するレーザエネルギ２８を放出する。レーザ２２は、固体レーザ、ガスレーザ、エキシマレーザ、色素レーザ、または半導体レーザであり得る。固定レーザの例は、これらに限定されないが、ルビーレーザと、ネオジム：イットリウム−アルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザを含む。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、典型的には、約１０６４ナノメートルの波長を有するレーザエネルギ２８を生成する。ガスレーザの例は、これらに限定されないが、ヘリウムレーザと炭酸ガスレーザとを含む。炭酸ガスレーザは、典型的には、約１０．６ミクロンの波長を有するレーザエネルギ２８を生成する。エキシマレーザの例は、これらに限定されないが、反応ガスおよび不活性ガスレーザを含む。色素レーザは、レーザ媒体として複合有機色素を用い、これに限定されないが、ローダミン６Ｇを含む。半導体レーザはダイオードレーザを含む。好ましい実施例においては、レーザ２２は、５００ワットから約１０キロワット、好ましくは５００ワットから５キロワット、より好ましくは８００ワットから２キロワットの出力を有するダイオードレーザである。ダイオードレーザはヌボニクス（Nuvonyx）およびロフィン・シナール（Rofin-Sinar）から商業的に入手可能である。

レーザ２２は、光ビーム（図示せず）かまたはレーザ光線３０のいずれかとしてレーザエネルギ２８を放出し得る。当業者には、光ビームが薄く狭いのに対し、光線３０はより広くより厚いことが理解される。レーザ光線３０は、光ビームと比較して、走査された場合により広い領域を包含することが可能であるが、たとえばガルボミラーであるビーム走査光学素子を用いて細いビームで同様の効果が得られる。好ましくは、レーザ２２はレーザ光線３０としてレーザエネルギ２８を放出する。レーザ光線３０は、５００ナノメートルから１０００ナノメートル、好ましくは６５０から９００ナノメートル、より好ましくは７５０から８５０ナノメートルの波長を有する。好ましいダイオードレーザ２２は、８０８ナノメートルの波長を有するレーザエネルギ２８を生成する。レーザ光線３０は、好ましくは０．１ミリメートルから１ミリメートルの幅と５ミリメートルから２０ミリメートルの長さとを有する。より好ましくは、レーザ光線３０は約２分の１ミリメートルの幅と約１０−１２ミリメートルの長さとを有する。

基板２４は、変性されるべき、レーザエネルギ２８に露出される規定領域３２を有する。たとえば、規定領域３２は基板２４の全面または面の一部のみを含み得る。規定領域３２はまた、図４および図５に示すように基板２４の露出された端縁３４をも含み得る。規定領域３２は、いかなる大きさおよび基板上のいかなる場所であってもよい。しかしながら、典型的には、変性されるべきではない対応の領域３３が、規定領域３２に隣接して存在する。好ましくは、基板２４は工具２６とは異なった材料で形成される。基板２４は変性されるべきいかなる種類の金属材料であってもよいが、基板２４は好ましくは鉄含有材料である。基板２４は、基板２４の用途に応じてさまざまな形状および寸法であり得る。基板２４の例は、これらの限定されないが、ピストンリング、電極、エンジンブロック、ブレーキロータなどを含む。図３は、外側表面３６を有し、概して矩形の形状を有する板としての基板２４を示す。表面３６は、そこに配置される複数の穴３８を規定する。図４は、外側表面３６を有し、概して矩形の形状を有するバーとしての基板２４を示す。

工具２６は、銅材料と、金材料と、銀材料と、アルミニウム材料とのうちの少なくとも１つを含む。好ましくは、工具２６は、銅材料またはアルミニウム材料を含み、最も好ましくは銅材料を含む。工具２６は、基板２４の用途に応じてさまざまな形状および寸法を有し得る。典型的には、工具２６は、規定領域３２および変性されないままであるべき領域３３の寸法に応じて寸法が決められる。換言すれば、規定領域３２と処理されるべきではない領域３３との間の境界に対して工具２６が取外し可能に接触する限り、工具２６は基板２４の形状に応じて異なった形状を有し得る。

工具２６は、基板２４の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。熱伝導率における差は、工具２６が基板２４内で生じた熱を規定領域３２から取除くように熱伝導することを可能にする。好ましくは、工具２６の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫよりも高く、より好ましくは２００Ｗ／ｍＫよりも高い。銅材料は４００Ｗ／ｍＫの熱伝達率を有し、アルミニウム材料は２３５Ｗ／ｍＫの熱伝達率を有する。

工具２６が基板２４から熱エネルギを効率的に取除くように熱伝導するためには、工具２６はレーザエネルギ２８を殆どまたは全く吸収してはならない。工具２６は基板２４よりも高い反射率を有し、好ましくは１０００ナノメートルの波長で６５％以上の反射率を有する。銅材料は１０００ナノメートルの波長で９０％の反射率を有し、アルミニウム材料は１０００ナノメートルの波長で７１％の反射率を有する。工具２６は好ましくは、レーザエネルギ２８が基板２４によって吸収されるのを防ぐために、基板２４の外側表面に平行な外側表面を有する。工具２６の平行な表面は、基板２４からレーザエネルギ２８を反射させる。

動作においては、工具２６は、基板２４に対して取外し可能に接触し、かつ規定領域３２に隣接して配置される。レーザ２２は、基板２４および工具２６に向けてレーザエネルギ２８を放出する。レーザ２２は、規定領域３２を渡って走査される。光ビーム型のレーザが用いられる場合は、レーザ２２はレーザが全面を走査するまで、すなわちラスタリングするまで、所望領域を渡って繰返し走査される。これに代えて、かつ好ましくは、レーザ光線型のレーザが用いられる場合は、レーザ２２は１度のパスで走査され、かつ規定領域３２を包含するだけでなく、工具２６によって遮蔽される隣接領域３３にも重なり得るレーザ光線３０が、単一のパスで規定領域３２を包含するのに十分に長いことが好ましい。しかしながら、レーザ２２は規定領域３２を包含するのに多数のパスを走査してもよい。

基板２４に到達したレーザエネルギ２８は、基板２４の付与領域（規定領域３２）において吸収されて、熱エネルギを生成する。規定領域３２を超えて隣接領域３３に重なる付与されたレーザエネルギ２８は、上に存在する工具２６によって反射または遮蔽されるので、隣接領域３３はレーザエネルギ２８の直接的な付与による影響を受けない。基板２４は、処理前微細構造（すなわち、レーザエネルギ２８に露出される前の微細構造）を有する。規定領域３２の加熱は、露出の後で微細構造における所望の変化を生じさせる（すなわち、規定領域３２は、基板２４の残りの処理前微細構造とは異なった処理後微細構造を有する）のに対し、隣接領域３３の微細構造は、基板２４に対する熱エネルギ２８の最初の付与から変化していない。熱エネルギの付与の結果、熱エネルギ２８が規定領域３２において発生すると、熱には、基板２４を通って、より温度が低く低エネルギヒートシンクとしての役割を果たす隣接領域３３に熱伝導される自然な傾向がある。しかしながら、この伝導経路は、隣接領域３３に対して取外し可能に工具２６を配置することにより分断される。工具２６は、基板２４の熱伝導率、および特に隣接領域３３の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するように選択され、熱が隣接領域３３に近づくにつれて、それが工具２６により基板２４から除去されることにより、熱エネルギによる変性から隣接領域が保護される。この発明はこうして、隣接領域３３に対して取外し可能に接触して配置された場合に、規定領域３２と隣接領域３３との間の境界領域から熱エネルギを取除くように熱伝導する工具２６を用いることにより、基板２４を通る熱エネルギの伝導経路を精密に制御し、これにより付与されるレーザエネルギの効果を規定された領域３２のみに制限する。

規定領域３２が、図３における穴３８を囲むもの、および図４における隣接する面の角におけるものなどの露出端縁３４を含む場合、工具２６は露出端縁３４に直接隣接して、かつ好ましくは垂直表面４６と接触して配置され得る。工具２６の材料の比較的高い伝導率は、基板から熱エネルギを取除くように熱伝導する役割を果たし、熱エネルギが端縁３４および垂直表面４６において蓄熱されることを防ぎ、これらの領域を熱エネルギによる変性から防ぐ。

図３に示す実施例において、工具２６は、基板２４の穴３８に取外し可能に挿入されるおよび／または埋込まれる４つの金属棒４０を含む。板の規定領域３２は、板の外側表面３６である。棒２６は、穴３８の壁に直接接触して配置され、熱を穴３８の壁面から取除くように熱伝導して、これらの表面を付与される熱エネルギによる変性から遮蔽する。板の遮蔽されない表面３６は、付与される熱エネルギによって加熱および変性され、その結果、熱エネルギによって硬化された熱影響領域３６が生じる一方、穴３８の影響されない領域はそれらの加熱前の当初の状態を保つので、こうして熱影響領域３６よりも低い硬度を有し得る。

図５は、図３の線５−５に沿った断面図である。図５は、処理後の基板２４のマイクログラフを示す。基板２４は、水平表面４４として示される処理される規定領域３２と、基板２４の処理されない残り部分３３とを有する。規定領域３２が変性した微細構造を有す
る一方、残り部分３３の微細構造は同じである。さらに、工具２６が垂直表面４６から熱を取除くように熱伝導するので、基板２４の垂直表面４６は変性されていない。変性領域３２は、端縁３４および工具２６と基板２４との接触部に向かって上向きに傾斜する。

図４に示す実施例においては、工具２６は矩形のバーを受けるよう形成されたスロット２４を有する。バーの規定領域３２はバーの露出面である一方、側面は処理されるべきでない領域３３である。工具２６は熱を側面から取除くように熱伝導して、他の面の変性を制限する。

図６は、図４の線６−６に沿った断面図である。図６は、処理後の基板２４のマイクログラフを示す。ここでも、規定領域３２は水平表面４４であって、工具２６は垂直表面４６と接触する。変性領域３２は水平表面４４に制限されている一方、垂直表面４６は工具によって遮蔽され、付与される熱によって影響されていない。示されるように、変性領域は端縁３４および基板２４と工具２６との間の接触部に向かって上向きに湾曲する。

レーザ２２が基板２４と工具２６とを走査した後で、基板２４と工具２６とは分離される。基板２４は次いで、基板２４に対する特定の要件に応じて仕上げられ得る。この発明の１つの利点は、基板材料として高品質の合金に代えて低品質の合金を用い得ることである。これは、高品質合金の特性を必要とする基板の領域の特性を、これらの領域の標的を定めた熱処理によって向上させることができる一方で、周りの領域は影響されないままであるからである。さらに、基板のある領域では高い硬度が必要となる一方で、そのような高い硬度が、所望の高硬度領域に直接隣接する領域においては不利である用途もあろう。この発明に従うと、レーザ熱エネルギの標的を定めた付与によって、所望領域において高硬度特性を生じさせることができる一方で、隣接する低硬度領域は工具による遮蔽によって熱エネルギによる修正から保護される。

もちろん、上記の教示に鑑みてこの発明のさまざまな修正例および変形例が可能である。この発明を、添付の特許請求の範囲において、特定的に説明される以外の態様で実施することが可能である。

従来技術の方法を用いて処理された基板の断面図である。 従来技術の方法を用いて処理された別の基板の断面図である。 概して棒状の工具を有するこの発明に従った熱処理アセンブリの斜視図である。 概して矩形の工具を有する熱処理アセンブリの斜視図である。 変性した水平表面を有する図３に示す基板の断面図である。 変性した水平表面を有する図４に示す基板の断面図である。

Claims (33)

1. 熱処理アセンブリであって、
   レーザエネルギを放出するように機能するレーザと、
   規定領域を有する基板とを含み、前記レーザエネルギに露出されて前記基板の前記規定領域が変性され、熱処理アセンブリはさらに、
   前記基板に対して取外し可能に接触し、かつ前記規定領域に隣接するように配置され、前記基板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有して、前記規定領域から熱エネルギを取除くように熱伝導する工具を含む、熱処理アセンブリ。
2. 前記基板は、前記工具とは異なった材料で形成される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記工具は１５０Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率を有する、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記工具は、前記基板よりも高い反射率を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記工具は、１０００ナノメートルの波長で６５％以上の反射率を有する、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記基板は、鉄含有材料としてさらに定義される、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記規定領域は、前記レーザエネルギに対する露出の結果として修正される微細構造を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記規定領域は、露出端縁をさらに含む、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記工具は、前記微細構造の変性を前記規定領域に制限し、かつ前記端縁近傍での熱エネルギの蓄積を防止するように、前記露出端縁に直接隣接して配置される、請求項８に記載のアセンブリ。
10. 前記規定領域は前記レーザエネルギを吸収し、かつ前記微細構造を修正する熱エネルギを生成する、請求項７に記載のアセンブリ。
11. 前記工具は、前記基板の前記外側表面と平行である外側表面を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
12. 前記工具は、銅材料と、金材料と、銀材料と、アルミニウム材料とのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
13. 前記レーザは、ダイオードレーザとしてさらに定義される、請求項１に記載のアセンブリ。
14. 前記ダイオードレーザは、前記レーザエネルギを生成するレーザ光線を放出する、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. 前記レーザ光線は、５００ナノメートルから１０００ナノメートルの波長を有する、請求項１４に記載のアセンブリ。
16. 前記レーザ光線は、０．１ミリメートルから１ミリメートルの幅と、５ミリメートルか
    ら２０ミリメートルの長さとを有する、請求項１５に記載のアセンブリ。
17. 前記レーザは、５００ワットから約１０キロワットの出力を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
18. レーザからのレーザエネルギによって基板の規定領域を変性させる方法であって、
    レーザエネルギに露出される規定領域を有する基板を設けるステップと、
    前記基板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する工具を設けるステップと、
    前記基板に対して取外し可能に接触し、かつ規定領域に隣接するように工具を配置して、規定領域から熱エネルギを取除くように熱伝導させ、かつ規定領域を超える基板の変性を制限するステップとを含む、方法。
19. レーザから基板および工具に向けてレーザエネルギを放出して、規定領域を変性させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 規定領域を渡ってレーザを走査するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. レーザを走査した後に、基板と工具とを分離するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. レーザを走査するステップは、単一のパスで前記規定領域を渡ってレーザを走査するステップとしてさらに定義される、請求項２０に記載の方法。
23. レーザエネルギを放出するステップは、ダイオードレーザからレーザ光線としてレーザエネルギを放出するステップとしてさらに定義される、請求項２０に記載の方法。
24. レーザ光線を放出するステップは、０．１ミリメートルから１ミリメートルの幅と５ミリメートルから２０ミリメートルの長さとを有するレーザ光線として放出するステップとしてさらに定義される、請求項２３に記載の方法。
25. レーザ光線を放出するステップは、５００ナノメートルから１０００ナノメートルの波長を有するレーザ光線として放出するステップとしてさらに定義される、請求項２３に記載の方法。
26. 前記レーザエネルギを放出するステップは、５００ワットから約１０キロワットの出力を有するレーザエネルギを放出するステップとしてさらに定義される、請求項１８に記載の方法。
27. 規定領域を有する基板を設けるステップは、工具が端縁近傍での熱エネルギの蓄熱を防止するように、工具に直接隣接する露出端縁を有する規定領域を設けるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
28. 工具を基板に対して取外し可能に接触して配置するステップは、工具を基板内に埋込むステップとしてさらに定義される、請求項１８に記載の方法。
29. 工具を設けるステップは、１５０Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率を有する工具を設けるステップとしてさらに定義される、請求項１８に記載の方法。
30. 工具を設けるステップは、基板よりも高い反射率を有する工具を設けるステップとしてさらに定義される、請求項１８に記載の方法。
31. 工具を設けるステップは、レーザ光線を反射させるために、１０００ナノメートルの波長で６５％以上の反射率を有する工具を設けるステップとしてさらに定義される、請求項３０に記載の方法。
32. 工具を設けるステップは、銅材料と、金材料と、銀材料と、アルミニウム材料とのうちの少なくとも１つを含む工具を設けるステップとしてさらに定義される、請求項１８に記載の方法。
33. 基板を設けるステップは、鉄含有材料として基板を設けるステップとしてさらに定義される、請求項１８に記載の方法。

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