JP2016079473A

JP2016079473A - レーザ焼入れ方法

Info

Publication number: JP2016079473A
Application number: JP2014213118A
Authority: JP
Inventors: 裕彬本山; Hiroaki Motoyama
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】簡単かつ低コストで製品の焼入れ品質を一定に保つことができるレーザ焼入れ方法を提供する。【解決手段】鉄系材料製の部品ないし製品をレーザで焼入れする方法。前記部品ないし製品の焼入れ領域にレーザを照射して当該領域の表面を酸化させて黒色に変色させる予備照射工程、および前記黒色に変色した焼入れ領域にレーザを照射して焼入れ温度まで加熱する本照射工程を含む。【選択図】なし

Description

本発明はレーザ焼入れ方法に関する。さらに詳しくは、鉄系材料製の部品ないし製品をレーザで焼入れする方法に関する。

鉄系材料製の部品ないし製品（以下、単に「部品」ともいう）の機械的強度や耐摩耗性などを向上させるために、当該部品の所定の領域にレーザを照射して加熱処理（焼入れ）することが行われている。

レーザを利用したレーザ焼入れでは、焼入れを行うべき所定の領域である焼入れ領域をオーステナイト化温度（例えば、７００℃）以上にまで加熱するために、例えば切削面などのように吸光率が低い（反射率が高い）表面の場合は、例えば表面に凹凸がある焼結肌のように吸光率が高い（反射率が低い）場合に比べてかなり高い出力（例えば、４０００Ｗ／ｃｍ^２程度）でレーザを照射している。このため、反射光が周辺の光学系や治具類を損傷させてしまうことがある。また、反射光によって、本来焼入れをしたくない箇所にまで焼きが入ってしまうことがある。

これに対し、焼入れ領域の表面の吸光率を高めるために当該表面に吸収剤を塗布することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ熱処理方法では、熱処理を行うべき材料の表面に、例えば固形成分として黒鉛およびマイカを含む吸収剤を塗布して当該表面に平均粒径１μｍ以下の黒鉛‐無機酸化物混合粉末層を形成している。そして、前記黒鉛‐無機酸化物混合粉末層を形成することで、レーザ光の吸収効率が高まり、焼入れ時間の短縮が可能になる、としている。

特公昭６２−５４１６６号公報

しかし、吸収剤を材料表面に塗布する場合、特に隅部や狭い箇所では当該吸収剤を均一に塗布するのは難しく、塗布ムラが生じる虞がある。塗布ムラがあると、材料表面の吸光率にばらつきができ、加熱温度が均一でなくなるので、焼入れ品質が低下するという問題がある。また、吸収剤の塗布工程は煩雑であり、その分、コストアップにつながるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単にかつ低コストで部品の焼入れ品質を一定に保つことができるレーザ焼入れ方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係るレーザ焼入れ方法は、鉄系材料製の部品ないし製品をレーザで焼入れする方法であって、
前記部品ないし製品の焼入れ領域にレーザを照射して当該領域の表面を酸化させて黒色に変色させる予備照射工程、および
前記黒色に変色した焼入れ領域にレーザを照射して焼入れ温度まで加熱する本照射工程を含む。

上記発明によれば、簡単にかつ低コストで部品の焼入れ品質を一定に保つことができる。

本発明の一態様に係るレーザ焼入れ方法が適用される部品の一例の斜視説明図である。

〔本発明の実施形態の説明〕
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の一態様に係るレーザ焼入れ方法は、
（１）鉄系材料製の部品ないし製品をレーザで焼入れする方法であって、
前記部品ないし製品の焼入れ領域にレーザを照射して当該領域の表面を酸化させて黒色に変色させる予備照射工程、および
前記黒色に変色した焼入れ領域にレーザを照射して焼入れ温度まで加熱する本照射工程を含む。

本態様に係るレーザ焼入れ方法では、２段階に分けて部品の焼入れ領域をレーザで照射している。具体的に、第１段階である予備照射工程において、部品の焼入れ領域にレーザを照射して当該領域の表面を酸化させて黒色に変色させ、続く第２段階において、黒色に変色した焼入れ領域にレーザを照射して焼入れ温度まで加熱している。予備照射工程において予め表面を酸化させて黒色に変色させることで当該表面の吸光率を高くすることができ、その結果、本照射工程においてレーザの出力をそれほど高くしなくても焼入れ領域を焼入れ温度まで加熱することが可能となる。表面を酸化させるには、当該表面を１５０〜４５０℃程度に加熱すればよく、弱いレーザ出力で酸化させることができる。
レーザ出力を制御するだけで部品の焼入れを行うことができ、また、吸収剤を用いる必要がないので、従来技術に比べて、簡単にかつ低コストで部品を均一に焼入れすることができる。また、部品の隅部や狭い箇所のように吸収剤を塗布することが難しい領域にも均一に焼入れすることができる。

（２）上記（１）のレーザ焼入れ方法において、前記予備照射工程において前記焼入れ領域を１５０〜４５０℃まで加熱し、前記本照射工程において当該焼入れ領域を７００〜１１００℃まで加熱するものとすることができる。この場合、予備照射工程において予め表面を酸化させて黒色に変色させることで当該表面の吸光率を高くすることができ、その結果、本照射工程においてレーザの出力をそれほど高くしなくても焼入れ領域を焼入れ温度まで加熱することが可能となる。

（３）上記（１）または（２）のレーザ焼入れ方法において、前記レーザを半導体レーザとすることができる。この場合、比較的安価であり、かつ装置を小型化することができる。

〔本発明の実施形態の詳細〕
以下、添付図面を参照しつつ、本発明のレーザ焼入れ方法の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の一態様に係るレーザ焼入れ方法が適用される部品の一例の斜視説明図である。
部品１は、自動車の変速機において使用されているギヤであり、一般にクラッチハブまたはシンクロハブと呼ばれているものである。部品１は、例えば鉄基粉末（鉄系材料）を成形、焼結することで作製することができる。部品１は、中央に円形の開口部２を有する円盤状の部品であり、その外周および前記開口部２の周縁に歯部３が形成されている。開口部２はリング状のボス部４の中央に形成されている。このボス部４は、他部品と接触、摺動する箇所であり、その表面は、機械的強度を向上させるために焼きを入れる焼入れ領域５とされている。

前記焼入れ領域５には、２段階の工程を経て焼きが入れられる。まず、第１段階の予備照射工程において、製品１の焼入れ領域５にレーザを照射して当該領域５の表面を酸化させて黒色に変色させる。このときのレーザの出力は、製品１の材質などにより異なるが、半導体レーザの場合、通常、２００〜２０００Ｗ／ｃｍ^２程度である。また、レーザの照射時間も部品１の材質などにより異なるが、通常、１〜１０秒程度である。かかるレーザを照射することで前記焼入れ領域５の表面の温度を、例えば１５０〜４５０℃程度に加熱して当該表面を酸化させる。酸化することで表面は黒色に変色し、吸光率が大きくなり、逆に反射率は小さくなる。酸化により表面を黒色に変色させることにより、例えば、１０〜５０％であった焼入れ領域５の吸光率を７０〜９０％程度に大きくすることができる。

なお、本明細書において「黒色」とは、文字通りの「黒」を意味するものではなく、鉄系材料が加熱により酸化することで呈する色のことであり、通常は薄い黒色を呈している。

ついで第２段階の本照射工程において、黒色に変色した焼入れ領域５にレーザを照射して焼入れ温度まで加熱する。予備照射工程において予め表面を酸化させて黒色に変色させることで当該表面の吸光率を高くすることができ、その結果、本照射工程においてレーザの出力をそれほど高くしなくても焼入れ領域５を焼入れ温度まで加熱することが可能となる。本照射工程におけるレーザの出力は、部品１の材質などにより異なるが、半導体レーザの場合、通常、４００〜４０００Ｗ／ｃｍ^２程度である。また、レーザの照射時間も部品１の材質などにより異なるが、通常、１〜１０秒程度である。かかるレーザを照射することで前記焼入れ領域５の表面の温度を、例えば７００〜１１００℃程度に加熱して当該焼入れ領域５をオーステナイト化させる。半導体レーザの場合、予備照射工程を経ずに焼入れ領域５をオーステナイト化させるまで加熱するには、通常、１０００〜１００００Ｗ／ｃｍ^２程度のレーザ出力が必要となるが、本実施形態によれば、予備照射工程において焼入れ領域５の吸光率を大きくしているので、レーザ出力を５０％程度小さくすることができる。その結果、従来よりも小容量のレーザ装置を用いてレーザ焼入れを行うことができる。

〔その他の変形例〕
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、製品の焼入れ領域を加熱するための加熱源として半導体レーザを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなどを用いることもできる。

また、前述した実施形態では、レーザ焼入れを行う対象としてクラッチハブを例示しているが、本発明のレーザ焼入れ方法は、レーザ照射により表面が酸化して変色する鉄系材料製の部品であれば、他の部品にも適用することができる。

１：部品
２：開口部
３：歯部
４：ボス部
５：焼入れ領域

Claims

鉄系材料製の部品ないし製品をレーザで焼入れする方法であって、
前記部品ないし製品の焼入れ領域にレーザを照射して当該領域の表面を酸化させて黒色に変色させる予備照射工程、および
前記黒色に変色した焼入れ領域にレーザを照射して焼入れ温度まで加熱する本照射工程を含む、レーザ焼入れ方法。
前記予備照射工程において前記焼入れ領域を１５０〜４５０℃まで加熱し、前記本照射工程において当該焼入れ領域を７００〜１１００℃まで加熱する、請求項１に記載のレーザ焼入れ方法。
前記レーザが半導体レーザである、請求項１または請求項２に記載の焼入れ方法。