JP2024025855A - Roughening method of ferrous material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄鋼材料に対して焼き入れおよびレーザ粗面化を行う鉄鋼材料の粗面化方法に関する。 The present invention relates to a method for roughening a steel material by hardening and laser roughening the steel material.
近年、種々の目的により、対象物に対して、硬度が高い粗面を形成する手法が求められている。例えば、特許文献１には、対象物の表面に対して、ブラスト処理を行うことにより所定表面粗さの凹凸下地を形成した後、焼き入れを行うことにより焼き入れ硬化層を形成する方法が提案されている。 In recent years, a method of forming a rough surface with high hardness on an object has been required for various purposes. For example, Patent Document 1 proposes a method in which a rough base with a predetermined surface roughness is formed by performing blasting on the surface of an object, and then a quenched hardened layer is formed by quenching. has been done.
しかしながら、特許文献１に係る発明のようにブラスト処理による凹凸下地の形成後に対象物に対して焼き入れを行う場合、焼き入れ時の熱影響により、凹凸下地の形状が変形してしまうという問題がある。 However, when hardening the object after forming an uneven base by blasting as in the invention according to Patent Document 1, there is a problem that the shape of the uneven base is deformed due to the thermal effect during hardening. be.
この問題を解決する方法としては、焼き入れ時の対象物への熱影響を小さくすることにより、熱による凹凸形状の変形を抑制する方法が考えられるが、この場合には、対象物に対して十分な焼き入れを行うことができず、高硬度の粗面を形成することができない。 One possible way to solve this problem is to suppress the deformation of the uneven shape due to heat by reducing the thermal effect on the object during hardening. Sufficient hardening cannot be performed, and a rough surface with high hardness cannot be formed.
また別の方法としては、先に焼き入れを行い、焼き入れを行った領域に対してブラスト処理を行う方法も考えられる。しかし、焼き入れ後の硬い領域に対してブラスト処理を行ったとしても対象物の表面を十分に粗面化することができない。 Another method may be to first perform hardening and then perform blasting on the hardened area. However, even if blasting is performed on the hard areas after hardening, the surface of the object cannot be sufficiently roughened.
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、焼き入れ後の高硬度な鉄鋼材料に対して、レーザ粗面化を行うことで、高硬度な粗面を形成することにある。 The present invention has been made in view of the above problem, and its purpose is to form a highly hard roughened surface by performing laser roughening on a hardened steel material. It is in.
本発明の鉄鋼材料の粗面化方法は、次の工程ａおよび工程ｂを行うことを特徴とする。
ａ）焼き入れ可能な鉄鋼材料に対して焼き入れを行う工程、
ｂ）前記鉄鋼材料における前記焼き入れを行った領域に対してレーザ光の照射により粗面化を行う工程。
The method for roughening a steel material of the present invention is characterized by performing the following steps a and b.
a) a process of hardening a hardenable steel material;
b) A step of roughening the hardened region of the steel material by irradiating it with laser light.
本発明の鉄鋼材料の粗面化方法の好ましい条件としては、次の（１）～（４）が挙げられる。
（１）前記工程ｂにおけるレーザ光の照射条件は、パワー密度が５．４×１０７～９．９×１０７Ｗ／ｃｍ２であり、作用時間が３．３×１０－６～１．０×１０－５ｓである。
（２）前記工程ａにおいて、前記焼き入れはレーザ光の照射により行われる。
（３）前記工程ａにおけるレーザ光の照射条件は、パワー密度が１．９×１０７～２．３×１０７Ｗ／ｃｍ２であり、作用時間が４．８×１０－６～９．６×１０－６ｓである。
（４）前記工程ａおよび前記工程ｂにおけるレーザ光の照射に使用する装置は、同一の装置である。
Preferred conditions for the method for roughening a steel material of the present invention include the following (1) to (4).
(1) The laser beam irradiation conditions in step b are that the power density is 5.4×10 7 to 9.9×10 7 W/cm 2 and the working time is 3.3×10 −6 to 1.5×10 7 W/cm 2 . It is 0×10 −5 s.
(2) In the step a, the hardening is performed by irradiation with laser light.
(3) The laser beam irradiation conditions in step a are that the power density is 1.9×10 7 to 2.3×10 7 W/cm 2 and the working time is 4.8×10 −6 to 9. It is 6×10 −6 s.
(4) The devices used for laser light irradiation in step a and step b are the same device.
本発明によれば、鉄鋼材料の表面に高硬度な粗面を形成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to form a highly hard rough surface on the surface of a steel material.
以下に、本発明に係る鉄鋼材料の粗面化方法の一実施形態について説明する。一実施形態に係る鉄鋼材料の粗面化方法は、例えば以下の工程ａおよび工程ｂを含む。 An embodiment of the method for roughening a steel material according to the present invention will be described below. A method for roughening a steel material according to one embodiment includes, for example, the following steps a and b.
本実施形態において、工程ａでは焼き入れ可能な鉄鋼材料に対して焼き入れを行う。続いて、工程ｂでは、工程ａにおいて焼き入れを行った領域に対してレーザ光の照射により粗面化（以下、「レーザ粗面化」とも言う）を行う。本実施形態に係る鉄鋼材料の粗面化方法は、工程ａおよび工程ｂの順に行うことを特徴とする。 In this embodiment, in step a, hardenable steel material is hardened. Subsequently, in step b, the area hardened in step a is roughened by irradiation with laser light (hereinafter also referred to as "laser surface roughening"). The method for roughening a steel material according to the present embodiment is characterized in that step a and step b are performed in this order.
本実施形態に係る鉄鋼材料の粗面化方法によると、工程ａでは鉄鋼材料の表面において焼き入れを行った領域を硬化させ、工程ｂでは焼き入れを行った領域に粗面を設ける。このように、焼き入れを行った領域にレーザ粗面化を行うことで高硬度な粗面を形成することができる。 According to the method for roughening a steel material according to the present embodiment, in step a, the hardened region on the surface of the steel material is hardened, and in step b, a roughened surface is provided in the hardened region. In this way, by performing laser roughening on the hardened region, a highly hard roughened surface can be formed.
本明細書において「焼き入れ可能な鉄鋼材料」は、例えば機械構造用炭素鋼鋼材（ＳＣ材）、炭素工具鋼鋼材（ＳＫ材）、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ材）、球状黒鉛鋳鉄品材（ＦＣＤ材）、合金工具鋼鋼材（ＳＫＳ材、ＳＫＤ材、ＳＫＴ材）、中空鋼鋼材（ＳＫＣ材）、高速度工具鋼鋼材（ＳＫＨ材）、高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ材）、ばね鋼鋼材（ＳＵＰ材）、耐熱鋼材（ＳＵＨ材）、およびステンレス鋼材（ＳＵＳ材）などの一般的に焼き入れ可能であることが知られている鉄鋼材料を指す。例えば、焼き入れ可能な鉄鋼材料は、上述した鉄鋼材料などから１つ以上を選択することができるし、上述した鉄鋼材料以外についても、焼き入れ可能な鉄鋼材料として当業者に既知のものであれば適宜選択することができる。なお、ＳＣ材はＪＩＳＧ４０５１、ＳＫ材はＪＩＳＧ４４０１、ＳＣＭ材はＪＩＳＧ４０５３、ＦＣＤ材はＪＩＳＧ５５０２、ＳＫＳ材、ＳＫＤ材及びＳＫＴ材はＪＩＳＧ４４０４、ＳＫＨ材はＪＩＳＧ４４０３、ＳＵＪ材はＪＩＳＧ４８０５、ＳＵＰ材はＪＩＳＧ４８０１、ＳＵＨ材はＪＩＳＧ４３１１、並びにＳＵＳ材はＪＩＳＧ４３０３等において規定されており、化学成分等を含む全ての特徴が本明細書に組み込まれる。また、焼き入れ可能な鉄鋼材料は、前処理が施されたものであってもよい。 In this specification, "hardenable steel materials" include, for example, carbon steel materials for machine structures (SC materials), carbon tool steel materials (SK materials), chromium molybdenum steel materials (SCM materials), spheroidal graphite cast iron materials ( FCD material), alloy tool steel material (SKS material, SKD material, SKT material), hollow steel material (SKC material), high speed tool steel material (SKH material), high carbon chromium bearing steel material (SUJ material), spring steel Refers to steel materials that are generally known to be hardenable, such as steel materials (SUP materials), heat-resistant steel materials (SUH materials), and stainless steel materials (SUS materials). For example, one or more of the above-mentioned steel materials can be selected as the hardenable steel material, and steel materials other than the above-mentioned steel materials may also be known to those skilled in the art as hardenable steel materials. It can be selected as appropriate. In addition, SC material is JISG4051, SK material is JISG4401, SCM material is JISG4053, FCD material is JISG5502, SKS material, SKD material and SKT material is JISG4404, SKH material is JISG4403, SUJ material is JISG4805, SUP material is JISG4801, S UH material is defined in JIS G4311, and SUS material is defined in JIS G4303, etc., and all characteristics including chemical components etc. are incorporated into this specification. Further, the hardenable steel material may be one that has been pretreated.
本実施形態において、工程ａは任意の焼き入れ方法により行うことができる。例えば、レーザ光の照射による焼き入れ（以下、「レーザ焼き入れ」とも言う）でもよいし、高周波を利用した焼き入れ（以下、「高周波焼き入れ」とも言う）でもよい。 In this embodiment, step a can be performed by any hardening method. For example, hardening by irradiation with laser light (hereinafter also referred to as "laser hardening") or hardening using high frequency (hereinafter also referred to as "induction hardening") may be used.
本実施形態の工程ａにおいてレーザ焼き入れを用いる場合、レーザ光を鉄鋼材料の表面に走査して焼き入れを行うことができる。レーザ光の照射条件は、主にパワー密度と作用時間により調節することができる。本明細書において「パワー密度」は、出力／スポット面積（レーザスポットの半径２×π）により算出される。また、本明細書において「作用時間」は、任意の点をレーザ光のスポットが通り過ぎるのに必要な時間として定義され、レーザスポットの直径／走査速度により算出される。レーザ焼入れにおける通常のレーザ光の照射条件では、パワー密度を８．３×１０６～２．７×１０７Ｗ／ｃｍ２および作用時間を４．８×１０－６～３．８×１０－５ｓとすることができるが、この範囲に限定されない。パワー密度が８．３×１０６Ｗ／ｃｍ２未満では、十分な焼き入れができずに高硬度の焼き入れ硬化層の形成が難しくなるおそれがあり、パワー密度が２．７×１０７Ｗ／ｃｍ２超では、過剰に結晶化が進む等によって靭性の低下や割れ等が生じるおそれがある。また、作用時間が４．８×１０－６ｓ未満でも、十分な焼き入れができずに高硬度の焼き入れ硬化層の形成が難しくなるおそれがあり、作用時間が３．８×１０－５ｓ超でも、過剰に結晶化が進む等によって靭性の低下や割れ等が生じるおそれがある。好ましくは、パワー密度が１．５×１０７～２．６×１０７Ｗ／ｃｍ２および作用時間が４．８×１０－６～１．９×１０－５ｓであり、より好ましくは、パワー密度が１．９×１０７～２．３×１０７Ｗ／ｃｍ２および作用時間が４．８×１０－６～９．６×１０－６ｓである。 When laser hardening is used in step a of this embodiment, hardening can be performed by scanning the surface of the steel material with laser light. Laser light irradiation conditions can be adjusted mainly by power density and duration. In this specification, "power density" is calculated by output/spot area (radius of laser spot 2 x π). Further, in this specification, "action time" is defined as the time required for a laser beam spot to pass through an arbitrary point, and is calculated by the diameter of the laser spot/scanning speed. Under normal laser beam irradiation conditions for laser hardening, the power density is 8.3×10 6 to 2.7×10 7 W/cm 2 and the working time is 4.8×10 −6 to 3.8×10 − 5 s, but is not limited to this range. If the power density is less than 8.3 x 10 6 W/cm 2 , sufficient quenching may not be possible and it may be difficult to form a hardened layer with high hardness. If it exceeds /cm 2 , there is a risk that toughness will decrease or cracks will occur due to excessive crystallization. Furthermore, if the working time is less than 4.8×10 -6 s, sufficient quenching may not be possible and it may become difficult to form a hardened layer with high hardness . Even if it exceeds s, there is a risk that toughness may deteriorate or cracks may occur due to excessive crystallization. Preferably, the power density is 1.5×10 7 to 2.6×10 7 W/cm 2 and the action time is 4.8×10 −6 to 1.9×10 −5 s, more preferably, The power density is 1.9×10 7 to 2.3×10 7 W/cm 2 and the working time is 4.8×10 −6 to 9.6×10 −6 s.
本実施形態の工程ａにおいて高周波焼き入れを用いる場合、周知の一般的な方法を利用することができ、高硬度の焼き入れ硬化層を得ることができればその条件も特に限定されない。 When induction hardening is used in step a of this embodiment, a well-known general method can be used, and the conditions are not particularly limited as long as a hardened layer with high hardness can be obtained.
本実施形態の工程ａでは鉄鋼材料の表面全体または鉄鋼材料の表面の一部に対して焼き入れを行うことができる。また、工程ｂの「焼き入れを行った領域」は、工程ａの焼き入れを行った領域の少なくとも一部に対応する。 In step a of this embodiment, the entire surface of the steel material or a part of the surface of the steel material can be hardened. Further, the "hardened region" in step b corresponds to at least a portion of the hardened region in step a.
本実施形態の工程ａでは特に詳述していないが、焼き入れ後に鉄鋼材料を冷却する工程を含んでもよい。冷却は、例えば熱伝導による冷却、空気冷却、およびこれらの組み合わせなどを含む。また、冷却時間は適宜設定することができる。 Although not particularly detailed in step a of this embodiment, it may include a step of cooling the steel material after quenching. Cooling includes, for example, conduction cooling, air cooling, and combinations thereof. Moreover, the cooling time can be set as appropriate.
本実施形態の工程ｂのレーザ光による粗面化では、鉄鋼材料の表面にレーザ光を照射することにより、該表面に凹凸形状を形成する。凹凸形状は特に限定されず、凸一つあたりの断面形状は、半円形、半楕円形、三角形、四角形、その他多角形、不定形な幾何学形状などのあらゆる形状を取り得る。 In the surface roughening using laser light in step b of this embodiment, an uneven shape is formed on the surface of the steel material by irradiating the surface with laser light. The shape of the convexes and convexities is not particularly limited, and the cross-sectional shape of each convexity can be any shape such as a semicircle, a semiellipse, a triangle, a quadrilateral, other polygons, and an irregular geometric shape.
工程ｂは、レーザ光を鉄鋼材料の表面に照射することで行われる。レーザ光の照射条件は、主にパワー密度と作用時間により調節することができ、「パワー密度」および「作用時間」の定義は上述の通りである。工程ｂにおける通常のレーザ光の照射条件では、パワー密度を３．１×１０７～９．９×１０７Ｗ／ｃｍ２および作用時間を１．７×１０－６～１．０×１０－５ｓとすることができるが、この範囲に限定されない。パワー密度が３．１×１０７Ｗ／ｃｍ２未満では、鉄鋼材料の表面を十分に加工できず、粗面を形成することができないおそれがあり、パワー密度が９．９×１０７Ｗ／ｃｍ２超では、鉄鋼材料への入熱が大きくなり、歪み等が発生するおそれがある。また、作用時間が１．７×１０－６ｓ未満でも、鉄鋼材料の表面を十分加工することができず、粗面を形成することができないおそれがあり、作用時間が１．０×１０－５ｓ超でも、鉄鋼材料への入熱が大きくなり、歪み等が発生するおそれがある。好ましくは、パワー密度が５．４×１０７～９．９×１０７Ｗ／ｃｍ２および作用時間が３．３×１０－６～１．０×１０－５ｓである。 Step b is performed by irradiating the surface of the steel material with laser light. The irradiation conditions of laser light can be adjusted mainly by power density and working time, and the definitions of "power density" and "working time" are as described above. Under the normal laser beam irradiation conditions in step b, the power density is 3.1×10 7 to 9.9×10 7 W/cm 2 and the action time is 1.7×10 −6 to 1.0×10 − 5 s, but is not limited to this range. If the power density is less than 3.1 x 10 7 W/cm 2 , the surface of the steel material may not be sufficiently processed and a rough surface may not be formed. If it exceeds cm 2 , the heat input to the steel material will increase, and there is a risk that distortion etc. will occur. Furthermore, even if the action time is less than 1.7×10 −6 s, the surface of the steel material may not be sufficiently processed and a rough surface may not be formed . Even if it exceeds 5 seconds, the heat input to the steel material will increase, and there is a risk that distortion etc. will occur. Preferably, the power density is between 5.4×10 7 and 9.9×10 7 W/cm 2 and the working time is between 3.3×10 −6 and 1.0×10 −5 s.
本実施形態の粗面化方法により形成される鉄鋼材料の粗面化された硬化層は、例えば硬度と表面粗さにより特徴づけることができる。 The roughened hardened layer of the steel material formed by the surface roughening method of this embodiment can be characterized by, for example, hardness and surface roughness.
本実施形態において、鉄鋼材料の粗面化された硬化層の硬度は、例えばＪＩＳＺ２２４４－１に準ずるビッカース硬さ試験によって評価できる。本実施形態で得られる鉄鋼材料の粗面化された硬化層は、ビッカース硬さにおいて３５０ＨＶ以上の高硬度を有する。本実施形態において、鉄鋼材料の粗面化された硬化層の硬度は、例えばビッカース硬さにおいて３５０～１０００ＨＶ、好ましくは４５０ＨＶ以上、より好ましくは５５０ＨＶ以上とすることができる。粗面の硬度がビッカース硬さにおいて３５０ＨＶ未満では、硬度が十分ではないことが多い。また、ビッカース硬さの上限値を１０００ＨＶとしているがこれに限定されるものではない。 In the present embodiment, the hardness of the roughened hardened layer of the steel material can be evaluated, for example, by a Vickers hardness test according to JIS Z2244-1. The roughened hardened layer of the steel material obtained in this embodiment has a high Vickers hardness of 350 HV or more. In the present embodiment, the hardness of the roughened hardened layer of the steel material can be, for example, 350 to 1000 HV in terms of Vickers hardness, preferably 450 HV or more, and more preferably 550 HV or more. If the hardness of the rough surface is less than 350 HV in terms of Vickers hardness, the hardness is often insufficient. Further, although the upper limit of Vickers hardness is set to 1000 HV, it is not limited to this.
本実施形態において、鉄鋼材料の粗面化された硬化層の表面粗さは、例えばＪＩＳＢ０６０１：２０１３において規定される算術平均粗さ（Ｒａ）によって評価できる。本実施形態において得られた鉄鋼材料の粗面化された硬化層は、レーザ照射前の鉄鋼材料の硬度に関わらず、レーザ粗面化条件が同じであれば、略同一の表面粗さ（Ｒａ）となる。例えば、焼き入れ工程ａを行った後の鉄鋼材料に対してレーザ粗面化工程ｂを行ったときの鉄鋼材料の表面粗さ（Ｒａ）が、焼き入れ前の鉄鋼材料に対して同一条件によるレーザ粗面化工程ｂのみを行った鉄鋼材料の表面粗さ（Ｒａ）と比較して、±２０％以内の表面粗さ（Ｒａ）となる。これにより、狙い通りの表面粗さ（Ｒａ）を形成するためのレーザ粗面化条件の選定が容易となる。 In this embodiment, the surface roughness of the roughened hardened layer of the steel material can be evaluated, for example, by the arithmetic mean roughness (Ra) defined in JISB0601:2013. Regardless of the hardness of the steel material before laser irradiation, the roughened hardened layer of the steel material obtained in this embodiment has approximately the same surface roughness (Ra) as long as the laser roughening conditions are the same. ). For example, when laser roughening process b is performed on a steel material after hardening process a, the surface roughness (Ra) of the steel material is different from that of the steel material before hardening under the same conditions. The surface roughness (Ra) is within ±20% compared to the surface roughness (Ra) of the steel material subjected to only the laser roughening step b. This makes it easy to select laser roughening conditions for forming the targeted surface roughness (Ra).
本実施形態において、鉄鋼材料の粗面化方法において使用する装置として、各工程を実施可能な任意の装置を用いることができる。例えば、工程ａおよび工程ｂでは、同一のレーザ装置を使用することができる。これにより、工程数が大きく削減され、大幅な時間短縮が可能となる。なお、レーザ装置は、市販されている装置を用いることができるし、自作した装置を用いることもできる。 In this embodiment, any device capable of carrying out each step can be used as the device used in the method for roughening a steel material. For example, the same laser device can be used in step a and step b. This greatly reduces the number of steps and makes it possible to significantly shorten the time. Note that as the laser device, a commercially available device can be used, or a self-made device can also be used.
本実施形態において、工程ａで用いる焼き入れ装置は、レーザ装置以外の焼き入れ装置であってもよく、例えば、高周波焼き入れ装置等を使用することができる。 In this embodiment, the hardening device used in step a may be a hardening device other than a laser device, and for example, an induction hardening device or the like can be used.
以下に、本発明を適用した実施例およびその比較例について説明する。本実施例は、本発明について例示するものであり、発明の範囲を限定するものではない。 Examples to which the present invention is applied and comparative examples thereof will be described below. This example illustrates the present invention and does not limit the scope of the invention.
実施例１
鉄鋼材料としてＳ４５Ｃを用意し、連続発振（ＣＷ）レーザ装置を用いてレーザ光によるレーザ焼き入れを行った。焼き入れ時のレーザ光の照射条件はパワー密度を２．１×１０７Ｗ／ｃｍ２、作用時間を６．４×１０－６ｓとした。続いて、焼き入れを行った領域に対して、上記の装置と同一の連続発振（ＣＷ）レーザ装置を用いてレーザ光によるレーザ粗面化を行い、鉄鋼材料の粗面化を行った。粗面化時のレーザ光の照射条件はパワー密度を７．７×１０７Ｗ／ｃｍ２、作用時間を５．０×１０－６ｓとした。
Example 1
S45C was prepared as a steel material, and laser hardening was performed using a continuous wave (CW) laser device. The laser beam irradiation conditions during hardening were a power density of 2.1×10 7 W/cm 2 and an action time of 6.4×10 −6 s. Subsequently, the hardened region was subjected to laser roughening using a laser beam using the same continuous wave (CW) laser device as the above-mentioned device, thereby roughening the surface of the steel material. The laser beam irradiation conditions during surface roughening were a power density of 7.7×10 7 W/cm 2 and an action time of 5.0×10 −6 s.
実施例２
粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を５．４×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 2
The surface of a steel material was roughened in the same manner as in Example 1, except that the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening was set to 5.4×10 7 W/cm 2 .
実施例３
粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を３．１×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 3
The surface of a steel material was roughened in the same manner as in Example 1, except that the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening was set to 3.1×10 7 W/cm 2 .
実施例４
焼き入れ時のレーザ光の照射条件のパワー密度を１．５×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 4
The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1, except that the power density of the laser beam irradiation conditions during hardening was set to 1.5×10 7 W/cm 2 .
実施例５
焼き入れ時のレーザ光の照射条件のパワー密度を１．５×１０７Ｗ／ｃｍ２とし、粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を５．４×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 5
The power density of the laser beam irradiation conditions during hardening is 1.5×10 7 W/cm 2 , and the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening is 5.4×10 7 W/cm 2 . The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1 except for the following.
実施例６
焼き入れ時のレーザ光の照射条件のパワー密度を１．５×１０７Ｗ／ｃｍ２とし、粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を３．１×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 6
The power density of the laser beam irradiation conditions during hardening is 1.5 x 10 7 W/cm 2 , and the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening is 3.1 x 10 7 W/cm 2. The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1 except for the following.
実施例７
焼き入れ時のレーザ光の照射条件のパワー密度を８．３×１０６Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 7
The surface of the steel material was roughened in the same manner as in Example 1, except that the power density of the laser beam irradiation conditions during hardening was 8.3×10 6 W/cm 2 .
実施例８
焼き入れ時のレーザ光の照射条件のパワー密度を８．３×１０６Ｗ／ｃｍ２とし、粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を５．４×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 8
The power density of the laser beam irradiation conditions during hardening is 8.3×10 6 W/cm 2 , and the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening is 5.4×10 7 W/cm 2 . The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1 except for the following.
実施例９
焼き入れ時のレーザ光の照射条件のパワー密度を８．３×１０６Ｗ／ｃｍ２とし、粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を３．１×１０７Ｗ／ｃｍ２としたこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 9
The power density of the laser beam irradiation conditions during hardening is 8.3 × 10 6 W/cm 2 , and the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening is 3.1 × 10 7 W/cm 2. The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1 except for the following.
実施例１０
高周波焼き入れ装置を用いて高周波を利用した焼き入れを行ったこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 10
The surface of a steel material was roughened by the same method as in Example 1, except that hardening was performed using high frequency using an induction hardening device.
実施例１１
鉄鋼材料としてＳＵＪ２を使用したこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 11
The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1 except that SUJ2 was used as the steel material.
実施例１２
鉄鋼材料としてＳＫＤ６１を使用したこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Example 12
The surface of the steel material was roughened in the same manner as in Example 1 except that SKD61 was used as the steel material.
比較例１
焼き入れを行わなかったこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Comparative example 1
The surface of the steel material was roughened by the same method as in Example 1 except that hardening was not performed.
比較例２
焼き入れを行わなかったこと、および粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を５．４×１０７Ｗ／ｃｍ２とした以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Comparative example 2
The roughening of the steel material was carried out in the same manner as in Example 1, except that hardening was not performed and the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening was 5.4 × 10 7 W/cm 2. We carried out masking.
比較例３
焼き入れを行わなかったこと、および粗面化時のレーザ光の照射条件のパワー密度を３．１×１０７Ｗ／ｃｍ２とした以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Comparative example 3
The roughening of the steel material was performed in the same manner as in Example 1, except that hardening was not performed and the power density of the laser beam irradiation conditions during surface roughening was 3.1 × 10 7 W/cm 2. We carried out masking.
比較例４
粗面化を行わなかったこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Comparative example 4
The surface of the steel material was roughened in the same manner as in Example 1 except that the surface was not roughened.
比較例５
ブラスト処理により粗面化を行ったこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Comparative example 5
The surface of the steel material was roughened in the same manner as in Example 1, except that the surface was roughened by blasting.
比較例６
レーザ粗面化を行った後に焼き入れを行ったこと以外は実施例１と同様の方法により、鉄鋼材料の粗面化を行った。
Comparative example 6
The surface of a steel material was roughened in the same manner as in Example 1, except that hardening was performed after laser roughening.
実施例１～１２に係る方法および比較例１～６に係る方法により、それぞれ鉄鋼材料の焼き入れおよび粗面化を行った。各実施例および各比較例において得られた鉄鋼材料について、表面粗さ（Ｒａ）とビッカース硬さの測定並びに評価を以下の通り行った。 Hardening and surface roughening of steel materials were performed by the methods according to Examples 1 to 12 and the methods according to Comparative Examples 1 to 6, respectively. Regarding the steel materials obtained in each Example and each Comparative Example, the surface roughness (Ra) and Vickers hardness were measured and evaluated as follows.
ＪＩＳＢ０６０１に準じて測定試験を行い、鉄鋼材料の粗面の表面粗さ（Ｒａ）を求めた。表面粗さの評価は、以下の指標に基づいて行った。なお、比較例１～４については評価を行っていない。
◎：比較例１～３のうち粗面化条件が同じものの表面粗さ（Ｒａ）と比較して、表面粗さ（Ｒａ）がその±１０％の範囲内にあり、かつ、表面粗さ（Ｒａ）が２５μｍ以上である。
〇：比較例１～３のうち粗面化条件が同じものの表面粗さ（Ｒａ）と比較して、表面粗さ（Ｒａ）がその±１０～２０％の範囲内にあり、かつ、表面粗さ（Ｒａ）が２５μｍ以上である。
△：比較例１～３のうち粗面化条件が同じものの表面粗さ（Ｒａ）と比較して、表面粗さ（Ｒａ）がその±２０％の範囲内であるが、表面粗さ（Ｒａ）が２５μｍ未満である。
×：比較例１～３のうち粗面化条件が同じものの表面粗さ（Ｒａ）と比較して、表面粗さ（Ｒａ）がその±２０％の範囲外である。
なお、表面粗さ（Ｒａ）が２５μｍ以上であることを評価基準としているのは、焼き入れと粗面化の順序が逆である比較例６（粗面化後に焼き入れを行う比較例）の表面粗さ（Ｒａ）１９μｍと比べて、３０％以上大きな表面粗さであるためである。
A measurement test was conducted according to JISB0601 to determine the surface roughness (Ra) of the rough surface of the steel material. Evaluation of surface roughness was performed based on the following index. Note that Comparative Examples 1 to 4 were not evaluated.
◎: Comparing the surface roughness (Ra) of Comparative Examples 1 to 3 with the same roughening conditions, the surface roughness (Ra) is within ±10% of that, and the surface roughness ( Ra) is 25 μm or more.
○: Compared to the surface roughness (Ra) of Comparative Examples 1 to 3 with the same roughening conditions, the surface roughness (Ra) is within the range of ±10 to 20%, and the surface roughness is The thickness (Ra) is 25 μm or more.
△: Compared with the surface roughness (Ra) of Comparative Examples 1 to 3 with the same roughening conditions, the surface roughness (Ra) is within ±20% of that, but the surface roughness (Ra) ) is less than 25 μm.
×: Compared to the surface roughness (Ra) of Comparative Examples 1 to 3 with the same roughening conditions, the surface roughness (Ra) is outside the range of ±20%.
In addition, the evaluation criterion is that the surface roughness (Ra) is 25 μm or more in Comparative Example 6 in which the order of hardening and roughening is reversed (comparative example in which hardening is performed after roughening). This is because the surface roughness is 30% or more greater than the surface roughness (Ra) of 19 μm.
ＪＩＳＺ２２４４－１に準じて測定試験を行い、鉄鋼材料の粗面のビッカース硬さを求めた。ビッカース硬さの評価は、以下の指標に基づいて行った。
◎：５５０ＨＶ以上である。
〇：４５０ＨＶ以上、５５０ＨＶ未満である。
△：３５０ＨＶ以上、４５０ＨＶ未満である。
×：３５０ＨＶ未満である。
A measurement test was conducted according to JIS Z2244-1 to determine the Vickers hardness of the rough surface of the steel material. Vickers hardness was evaluated based on the following index.
◎: 550HV or more.
○: 450 HV or more and less than 550 HV.
Δ: 350HV or more and less than 450HV.
×: Less than 350 HV.
表１は実施例１～１２、比較例１～６に係る粗面化または焼き入れの結果をまとめた表である。 Table 1 is a table summarizing the results of surface roughening or hardening in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 6.
レーザ焼き入れ後にレーザ粗面化を行った実施例１に係る鉄鋼材料の粗面を撮影した写真を図１に示し、レーザ粗面化のみを行った比較例１に係る鉄鋼材料の粗面を撮影した写真を図２に示し、レーザ粗面化後にレーザ焼き入れを行った比較例６に係る鉄鋼材料の粗面を撮影した写真を図３に示す。 Figure 1 shows a photograph of the rough surface of the steel material according to Example 1, which was subjected to laser roughening after laser hardening, and the rough surface of the steel material according to Comparative Example 1, which was only subjected to laser roughening. The photograph taken is shown in FIG. 2, and the photograph taken of the rough surface of the steel material according to Comparative Example 6, which was laser hardened after laser roughening, is shown in FIG.
本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法における焼き入れ工程および／または粗面化工程の有無と順序による影響について評価する。 The influence of the presence or absence and order of the quenching step and/or surface roughening step in the method for roughening a steel material according to this example will be evaluated.
表１の結果から、実施例１～１２では高硬度な粗面を形成できていることが分かった。実際、図１に示すように、焼き入れを行った領域に対して凹凸形状を形成できていることが分かった。また、実施例１～１２は、焼き入れ前の鉄鋼材料に対して同一条件によるレーザ粗面化工程ｂのみを行った鉄鋼材料（比較例１～３のいずれか）の表面粗さ（Ｒａ）と比較して、略同一の大きさの表面粗さ（Ｒａ）の粗面を形成できることが分かった。なお、本実施例では厳密に評価を行っていることから一部の実施例において△評価を含むが、△評価でも概ね良好な結果である。 From the results in Table 1, it was found that Examples 1 to 12 were able to form highly hard and rough surfaces. In fact, as shown in FIG. 1, it was found that an uneven shape could be formed in the hardened region. In addition, Examples 1 to 12 show the surface roughness (Ra) of steel materials (any of Comparative Examples 1 to 3) in which only the laser roughening process b was performed under the same conditions on the steel materials before quenching. It was found that it is possible to form a rough surface with approximately the same surface roughness (Ra) as compared to the above. Note that in this example, evaluations are strictly performed, so some examples include Δ evaluations, but even Δ evaluations are generally good results.
一方、表１の結果から、比較例１～３のように鉄鋼材料に対して粗面化のみを行うと十分な硬度の粗面を形成できないこと、比較例４のように鉄鋼材料に対して焼き入れのみを行うと粗面を形成できないことが分かった。 On the other hand, from the results in Table 1, it is clear that if only surface roughening is performed on steel materials as in Comparative Examples 1 to 3, a rough surface with sufficient hardness cannot be formed, and that on steel materials as in Comparative Example 4. It was found that it was not possible to form a rough surface if only quenching was performed.
また、表１の結果から分かるように、比較例６のように鉄鋼材料に対して粗面化を行った後に焼き入れを行うと、同一条件によるレーザ粗面化工程ｂのみを行った鉄鋼材料（比較例１）の表面粗さ（Ｒａ）と比較して、表面粗さ（Ｒａ）が大きく低下しており、略同一の大きさの表面粗さ（Ｒａ）の粗面を形成できていない事が分かった。この原因は粗面化により形成した凹凸の形状が、後の焼き入れによって変化してしまうことにあり、図２～３を比較すると分かるように、粗面の凹凸形状が焼き入れによって大きく変化していることが分かる。 In addition, as can be seen from the results in Table 1, when quenching is performed after roughening the steel material as in Comparative Example 6, the steel material subjected to only the laser roughening process b under the same conditions Compared to the surface roughness (Ra) of (Comparative Example 1), the surface roughness (Ra) is significantly reduced, and a rough surface with approximately the same surface roughness (Ra) cannot be formed. I found out what happened. The cause of this is that the shape of the unevenness formed by roughening the surface changes due to subsequent hardening.As can be seen by comparing Figures 2 and 3, the shape of the unevenness of the roughened surface changes significantly due to hardening. I can see that
本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法における鉄鋼材料の適用範囲について評価する。 The scope of application of the steel material in the method for roughening the steel material according to this example will be evaluated.
表１の結果から、実施例１～１０においてＳ４５Ｃ、実施例１１においてＳＵＪ２、および実施例１２においてＳＫＤ６１の３種類の鉄鋼材料を使用し、いずれも高硬度な粗面を形成できていることが分かった。この結果から、本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法は、鉄鋼材料の種類によって特に制限を受けないことが示された。 From the results in Table 1, it can be seen that three types of steel materials, S45C in Examples 1 to 10, SUJ2 in Example 11, and SKD61 in Example 12, were able to form a high hardness rough surface. Do you get it. This result showed that the method for roughening the surface of a steel material according to this example is not particularly limited by the type of steel material.
本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法の焼き入れ工程について評価する。 The quenching step of the method for roughening a steel material according to this example will be evaluated.
表１の結果から、実施例１のレーザ焼き入れ、および実施例１０の高周波焼き入れの両方において高硬度な粗面を形成できていることが分かった。この結果から、本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法は、焼き入れ方法によって特に制限を受けないことが示された。 From the results in Table 1, it was found that both the laser hardening in Example 1 and the induction hardening in Example 10 were able to form a highly hard rough surface. This result showed that the method for roughening the steel material according to this example is not particularly limited by the quenching method.
本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法の粗面化工程について評価する。 The roughening step of the method for roughening a steel material according to this example will be evaluated.
表１の結果から、実施例１～１２のレーザ粗面化では高硬度な粗面を形成できていたのに対して、比較例５のブラスト処理による粗面化では粗面を形成できていないことが分かった。これは、ブラスト処理では、高硬度の鉄鋼材料を十分加工することができなかったことが原因であると考えられる。この結果から、本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法は、レーザ粗面化工程が必要であることが示された。 From the results in Table 1, the laser roughening of Examples 1 to 12 was able to form a highly hard rough surface, whereas the roughening by blasting of Comparative Example 5 failed to form a rough surface. That's what I found out. This is thought to be due to the fact that high hardness steel materials could not be processed sufficiently by blasting. This result showed that the method for roughening the steel material according to this example requires a laser roughening step.
本実施例に係る鉄鋼材料の粗面化方法における焼き入れ条件とレーザ粗面化条件について評価する。 The hardening conditions and laser roughening conditions in the method for roughening a steel material according to this example will be evaluated.
表１の実施例４～９の結果から、レーザ焼き入れにおいては、レーザ光の照射条件のパワー密度を８．３×１０６Ｗ／ｃｍ２以上、作用時間を６．４×１０－６ｓとすることで最終的に高硬度の粗面を形成できることが分かった。また、好ましくはパワー密度を１．５×１０７Ｗ／ｃｍ２、より好ましくは２．１×１０７Ｗ／ｃｍ２とすることで、より高い硬度の粗面を形成できることが分かった。 From the results of Examples 4 to 9 in Table 1, in laser hardening, the power density of the laser beam irradiation condition is 8.3 × 10 6 W/cm 2 or more, and the working time is 6.4 × 10 -6 s. It was found that by doing so, it was possible to finally form a rough surface with high hardness. Furthermore, it has been found that a rough surface with higher hardness can be formed by setting the power density to preferably 1.5×10 7 W/cm 2 , more preferably 2.1×10 7 W/cm 2 .
続いて、表１の実施例１～１２の結果から、レーザ粗面化においては、レーザ光の照射条件のパワー密度を３．１×１０７Ｗ／ｃｍ２以上、作用時間を５．０×１０－６ｓとすることで、焼き入れ前の鉄鋼材料に対して同一条件によるレーザ粗面化工程ｂのみを行った鉄鋼材料（比較例１～３のいずれか）の表面粗さ（Ｒａ）と比較して、略同一の大きさの表面粗さ（Ｒａ）の粗面を形成できることが分かった。また、好ましくはパワー密度を５．４×１０７Ｗ／ｃｍ２、より好ましくは７．７×１０７Ｗ／ｃｍ２とすることで、比較例１もしくは比較例２の表面粗さ（Ｒａ）と比較してより近い大きさの表面粗さ（Ｒａ）の粗面を形成できることが分かった。 Next, from the results of Examples 1 to 12 in Table 1, in laser surface roughening, the power density of the laser beam irradiation conditions was 3.1×10 7 W/cm 2 or more, and the working time was 5.0× By setting the time to 10 -6 s, the surface roughness (Ra) of the steel material (any of Comparative Examples 1 to 3) obtained by performing only the laser roughening process b under the same conditions on the steel material before quenching. It was found that it is possible to form a rough surface with approximately the same surface roughness (Ra) as compared to the above. Furthermore, by setting the power density to preferably 5.4×10 7 W/cm 2 , more preferably 7.7×10 7 W/cm 2 , the surface roughness (Ra) of Comparative Example 1 or Comparative Example 2 can be improved. It was found that it is possible to form a rough surface with a surface roughness (Ra) that is closer to that of the conventional method.
本発明に係る鉄鋼材料の粗面化方法は、鉄鋼材料の表面に高硬度な粗面を形成できることから、鉄鋼、エネルギー、航空機、自動車等の産業分野において好適に幅広く利用することができる。 Since the method for roughening a steel material according to the present invention can form a highly hard rough surface on the surface of a steel material, it can be suitably and widely used in industrial fields such as steel, energy, aircraft, and automobiles.
Claims (5)
ｂ）前記鉄鋼材料における前記焼き入れを行った領域に対してレーザ光の照射により粗面化を行う工程と、を有することを特徴とする鉄鋼材料の粗面化方法。 a) a step of quenching a quenchable steel material;
A method for roughening a surface of a steel material, comprising the step of: b) roughening the hardened region of the steel material by irradiating it with a laser beam.
Priority Applications (1)
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