JP3091058B2 - 炭素鋼材の強化方法 - Google Patents
炭素鋼材の強化方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、炭素鋼材を熱歪等の問
題を生じることなく高強度化するための方法に関する。
ここで、炭素鋼材とは、鋼板その他の未加工材およびこ
れらをプレス等により加工した加工材を含むものであ
る。
題を生じることなく高強度化するための方法に関する。
ここで、炭素鋼材とは、鋼板その他の未加工材およびこ
れらをプレス等により加工した加工材を含むものであ
る。
【従来の技術】近年プレス成形品の高強度化・軽量化の
要請は益々高まる傾向にあるが、高強度材は形状凍結性
等の面で問題を生じるため、材料自体の高強度化には限
界がある。プレス成形品の強度は薄鋼板を複雑な形状に
プレス加工することにより向上させることができる。し
かし、炭素鋼板を必要な強度が得られるような複雑な形
状にプレス加工するには、衝撃液圧成形法や爆発成形法
等の高エネルギー速度加工法を用いる必要があり、これ
らの加工方法は生産性が低く、コスト高を招くという欠
点がある。
要請は益々高まる傾向にあるが、高強度材は形状凍結性
等の面で問題を生じるため、材料自体の高強度化には限
界がある。プレス成形品の強度は薄鋼板を複雑な形状に
プレス加工することにより向上させることができる。し
かし、炭素鋼板を必要な強度が得られるような複雑な形
状にプレス加工するには、衝撃液圧成形法や爆発成形法
等の高エネルギー速度加工法を用いる必要があり、これ
らの加工方法は生産性が低く、コスト高を招くという欠
点がある。
【０００２】一方、軽量でしかも強度の高いプレス成形
品を得る技術として、薄鋼板等のプレス成形品にレーザ
やプラズマ等の高密度エネルギーを照射して線状に溶融
し、この溶融部分を焼入れ組織（焼入れ硬化部）とする
ことにより、プレス成形品の強度を向上させる技術が、
特開平４−７２０１０号として提案されている。この技
術は焼入れ硬化能の高い材料、すなわち通常炭素含有量
が０．０５ｗｔ％以上の材料に適用でき、熱歪による形
状不良等の問題から通常の焼入処理ができない薄鋼板の
プレス成形品の強度を高め、軽量でしかも強度の高いプ
レス成形品を得ることができる。
品を得る技術として、薄鋼板等のプレス成形品にレーザ
やプラズマ等の高密度エネルギーを照射して線状に溶融
し、この溶融部分を焼入れ組織（焼入れ硬化部）とする
ことにより、プレス成形品の強度を向上させる技術が、
特開平４−７２０１０号として提案されている。この技
術は焼入れ硬化能の高い材料、すなわち通常炭素含有量
が０．０５ｗｔ％以上の材料に適用でき、熱歪による形
状不良等の問題から通常の焼入処理ができない薄鋼板の
プレス成形品の強度を高め、軽量でしかも強度の高いプ
レス成形品を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】鋼材の焼入れ硬化能
は、一般に炭素当量（例えば、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４
＋Ｍｎ／６）によって規定されるが、上記のレーザ処理
材の強度上昇も焼入れ硬化能と同様に炭素当量によって
支配される。上記特開平４−７２０１０号によれば、例
えば、炭素含有量が０．０５ｗｔ％の鋼材を用いて、長
さ方向に平行に３本のレーザ焼入れ硬化部を形成したＪ
ＩＳ５号試験片の引張強度は、未処理試験片に対して約
２０％の強度上昇が認められる。しかし、炭素含有量の
低い鋼材、例えば炭素含有量が０．０３ｗｔ％の鋼材で
は、上記と同様のレーザ焼入れ硬化部を形成したＪＩＳ
５号試験片は、未処理試験片に対して僅か２％程度の強
度上昇が認められるに過ぎない。このように特開平４−
７２０１０号の技術は、炭素含有量が比較的低い材料で
は強度増加率が低く、事実上適用できないという問題が
ある。また、炭素含有量が高い鋼材でも強度増加率は高
々２０％程度であり、それ以上の高強度化は達成できな
い。
は、一般に炭素当量（例えば、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４
＋Ｍｎ／６）によって規定されるが、上記のレーザ処理
材の強度上昇も焼入れ硬化能と同様に炭素当量によって
支配される。上記特開平４−７２０１０号によれば、例
えば、炭素含有量が０．０５ｗｔ％の鋼材を用いて、長
さ方向に平行に３本のレーザ焼入れ硬化部を形成したＪ
ＩＳ５号試験片の引張強度は、未処理試験片に対して約
２０％の強度上昇が認められる。しかし、炭素含有量の
低い鋼材、例えば炭素含有量が０．０３ｗｔ％の鋼材で
は、上記と同様のレーザ焼入れ硬化部を形成したＪＩＳ
５号試験片は、未処理試験片に対して僅か２％程度の強
度上昇が認められるに過ぎない。このように特開平４−
７２０１０号の技術は、炭素含有量が比較的低い材料で
は強度増加率が低く、事実上適用できないという問題が
ある。また、炭素含有量が高い鋼材でも強度増加率は高
々２０％程度であり、それ以上の高強度化は達成できな
い。
【０００４】本発明はこのような従来の問題に鑑みなさ
れたもので、炭素鋼材を熱歪等の問題を生じることなく
高強度化することができ、従来にも増して軽量且つ高強
度の鋼材を得ることを可能にする方法を提供しようとす
るものである。
れたもので、炭素鋼材を熱歪等の問題を生じることなく
高強度化することができ、従来にも増して軽量且つ高強
度の鋼材を得ることを可能にする方法を提供しようとす
るものである。
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明はレーザ照射による鋼材の溶融部に外部
から炭素を添加することにより、炭素鋼或いは高炭素鋼
を焼入れした場合に得られると同様の焼入れ組織を有す
る溶融凝固部を形成することで炭素鋼材の高強度化を図
ろうとするものである。
るため、本発明はレーザ照射による鋼材の溶融部に外部
から炭素を添加することにより、炭素鋼或いは高炭素鋼
を焼入れした場合に得られると同様の焼入れ組織を有す
る溶融凝固部を形成することで炭素鋼材の高強度化を図
ろうとするものである。
【０００５】すなわち本発明は、Ｃ：０．００５ｗｔ％
以上を含有する炭素鋼材にレーザを適当な間隔で線状に
照射しつつ、該レーザ照射部に、炭化水素系ガスおよび
酸化炭素系ガスからなる群の中から選ばれる１種または
２種以上を含むガスを供給することにより、レーザ照射
により形成される溶融部に前記ガス成分中の炭素を添加
し、炭素が富化されたビード状の溶融凝固部を適当な間
隔で線状に形成することを特徴とする炭素鋼材の強化方
法である。本発明法におけるレーザ照射は、強度を効果
的に高め且つ熱歪の発生を抑えるために深溶込みの溶融
形状となるように実施すること、具体的には、溶融部の
アスペクト比（溶け込み深さＨ／溶け込み幅Ｗ）が０．
５以上になるように実施することが好ましい。
以上を含有する炭素鋼材にレーザを適当な間隔で線状に
照射しつつ、該レーザ照射部に、炭化水素系ガスおよび
酸化炭素系ガスからなる群の中から選ばれる１種または
２種以上を含むガスを供給することにより、レーザ照射
により形成される溶融部に前記ガス成分中の炭素を添加
し、炭素が富化されたビード状の溶融凝固部を適当な間
隔で線状に形成することを特徴とする炭素鋼材の強化方
法である。本発明法におけるレーザ照射は、強度を効果
的に高め且つ熱歪の発生を抑えるために深溶込みの溶融
形状となるように実施すること、具体的には、溶融部の
アスペクト比（溶け込み深さＨ／溶け込み幅Ｗ）が０．
５以上になるように実施することが好ましい。
【０００６】レーザとしては、ＣＯ2レーザ、ＣＯレー
ザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、エキシマレー
ザ等、熱加工に使用できる任意のレーザ方式を適用でき
る。レーザ照射部に供給するガスは、炭化水素（Ｃ
mＨn）系ガスおよび酸化炭素（ＣＯm）系ガスからなる
群の中から選ばれる１種または２種以上を含むガスであ
ればよく、したがって、供給されるガスは炭化水素（Ｃ
mＨn）系ガスまたは／および酸化炭素（ＣＯm）系ガス
のみからなるガスを供給してもよいし、また、これらと
希ガス（例えばＡｒ、Ｈｅ等）等との混合ガスを供給し
てもよい。上記炭化水素（ＣmＨn）系ガスとしてはメタ
ン（ＣＨ4）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、エタン（Ｃ
2Ｈ6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、エチレン（ＣＨ2＝Ｃ
Ｈ2）等を、また、酸化炭素（ＣＯm）系ガスとしてはＣ
Ｏ，ＣＯ2等を用いることができ、これらのガスを単独
で或いは２種以上混合して用いることができる。また、
２種以上混合する場合は、炭化水素系ガスまたは酸化炭
素系ガスの２種以上を混合したものでもよいし、また、
炭化水素系ガスの１種以上と酸化炭素系ガスの１種以上
を混合したものでもよい。
ザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、エキシマレー
ザ等、熱加工に使用できる任意のレーザ方式を適用でき
る。レーザ照射部に供給するガスは、炭化水素（Ｃ
mＨn）系ガスおよび酸化炭素（ＣＯm）系ガスからなる
群の中から選ばれる１種または２種以上を含むガスであ
ればよく、したがって、供給されるガスは炭化水素（Ｃ
mＨn）系ガスまたは／および酸化炭素（ＣＯm）系ガス
のみからなるガスを供給してもよいし、また、これらと
希ガス（例えばＡｒ、Ｈｅ等）等との混合ガスを供給し
てもよい。上記炭化水素（ＣmＨn）系ガスとしてはメタ
ン（ＣＨ4）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、エタン（Ｃ
2Ｈ6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、エチレン（ＣＨ2＝Ｃ
Ｈ2）等を、また、酸化炭素（ＣＯm）系ガスとしてはＣ
Ｏ，ＣＯ2等を用いることができ、これらのガスを単独
で或いは２種以上混合して用いることができる。また、
２種以上混合する場合は、炭化水素系ガスまたは酸化炭
素系ガスの２種以上を混合したものでもよいし、また、
炭化水素系ガスの１種以上と酸化炭素系ガスの１種以上
を混合したものでもよい。
【０００７】また、これらガスの供給方法としては、レ
ーザビームと同軸にガスを供給するセンターガス方式の
センターガス（またはその一部）として供給するのが比
較的容易であるが、レーザ照射部（キーホール）内にガ
スを供給できる方式であればその方法は問わず、例えば
アフターガスとして供給することもできる。
ーザビームと同軸にガスを供給するセンターガス方式の
センターガス（またはその一部）として供給するのが比
較的容易であるが、レーザ照射部（キーホール）内にガ
スを供給できる方式であればその方法は問わず、例えば
アフターガスとして供給することもできる。
【０００８】
【作用】本発明の作用を図１に基づき説明する。図１は
ガスをセンタガス方式でレーザ照射部に供給する場合の
例を示している。集光レンズ１（例えば、ＺｎＳｅレン
ズ）で集光したレーザビーム２（通常、エネルギー密
度：１０4〜１０7Ｗ／ｃｍ2）を炭素鋼材３に照射する
と、照射部は瞬時に溶融・蒸発し、キーホール４と呼ば
れる溶融孔を形成する。このキーホール４内は鋼を構成
する主な原子である鉄の蒸発粒子と励起・電離状態にあ
る鉄原子から構成されており、その温度は５０００℃〜
１００００℃にも達する。通常のレーザ溶接ではセンタ
ーガス５としてＡｒ、Ｈｅ等の希ガスが用いられている
が、本発明ではこのセンターガス５として炭化水素系ガ
スまたは／および酸化炭素系ガスを含むガスを供給す
る。供給されたこれらのガスは、例えば下式に示すよう
にキーホール内で熱分解して主に励起状態にある炭素と
なり、溶融部６に侵入する。 ＣＨ4→Ｃ*＋４Ｈ2／２ ＣＯ2→Ｃ*＋２Ｏ2／２ 但し、Ｃ*は励起状態にある炭素原子
ガスをセンタガス方式でレーザ照射部に供給する場合の
例を示している。集光レンズ１（例えば、ＺｎＳｅレン
ズ）で集光したレーザビーム２（通常、エネルギー密
度：１０4〜１０7Ｗ／ｃｍ2）を炭素鋼材３に照射する
と、照射部は瞬時に溶融・蒸発し、キーホール４と呼ば
れる溶融孔を形成する。このキーホール４内は鋼を構成
する主な原子である鉄の蒸発粒子と励起・電離状態にあ
る鉄原子から構成されており、その温度は５０００℃〜
１００００℃にも達する。通常のレーザ溶接ではセンタ
ーガス５としてＡｒ、Ｈｅ等の希ガスが用いられている
が、本発明ではこのセンターガス５として炭化水素系ガ
スまたは／および酸化炭素系ガスを含むガスを供給す
る。供給されたこれらのガスは、例えば下式に示すよう
にキーホール内で熱分解して主に励起状態にある炭素と
なり、溶融部６に侵入する。 ＣＨ4→Ｃ*＋４Ｈ2／２ ＣＯ2→Ｃ*＋２Ｏ2／２ 但し、Ｃ*は励起状態にある炭素原子
【０００９】このようにレーザ照射による溶融部には炭
素が富化されしかも溶融部が急速に凝固・冷却されるた
め、炭素鋼或いは高炭素鋼を焼入れした場合に得られる
と同様の焼入れ組織を有する溶融凝固部が形成され、こ
の溶融凝固部は硬さおよび強度が母材に較べて大幅に増
加する。したがって、少なくとも強度が必要とされる炭
素鋼材の部位に対して、上記レーザ照射を適当な間隔で
線状に実施すれば、当該部位に焼入れ組織を有する線状
の溶融凝固部が形成され、その部位の強度を著しく増加
させることができる。また、鋼材全体に対して上記レー
ザ照射を適当な間隔で線状に実施すれば、鋼材全体の強
度を上昇させ得ることは言うまでもない。通常、上記線
状の溶融凝固部はすじ状または格子状等に適当な間隔で
形成される。
素が富化されしかも溶融部が急速に凝固・冷却されるた
め、炭素鋼或いは高炭素鋼を焼入れした場合に得られる
と同様の焼入れ組織を有する溶融凝固部が形成され、こ
の溶融凝固部は硬さおよび強度が母材に較べて大幅に増
加する。したがって、少なくとも強度が必要とされる炭
素鋼材の部位に対して、上記レーザ照射を適当な間隔で
線状に実施すれば、当該部位に焼入れ組織を有する線状
の溶融凝固部が形成され、その部位の強度を著しく増加
させることができる。また、鋼材全体に対して上記レー
ザ照射を適当な間隔で線状に実施すれば、鋼材全体の強
度を上昇させ得ることは言うまでもない。通常、上記線
状の溶融凝固部はすじ状または格子状等に適当な間隔で
形成される。
【００１０】また、溶融部のアスペクト比（溶け込み深
さＨ／溶け込み幅Ｗ）を０．５以上とすることにより、
強度をより効果的に高め、しかも熱歪の発生を効果的に
抑えることができる。溶融凝固部の硬さおよび鋼材の強
度は炭化水素系ガスや酸化炭素系ガスと他のガス（通常
は希ガス）との混合比率を変えることにより調整できる
が、レーザ出力および処理速度を一定とした場合には、
ノズル高さやノズル直径或いは使用すべきガス（炭化水
素系ガスまたは酸化炭素系ガス）の種類や流量によって
も調整できる。また、鋼材の強度は上述したガスの混合
比率等だけでなく、溶融凝固部の間隔等を選択すること
によっても調整できる。
さＨ／溶け込み幅Ｗ）を０．５以上とすることにより、
強度をより効果的に高め、しかも熱歪の発生を効果的に
抑えることができる。溶融凝固部の硬さおよび鋼材の強
度は炭化水素系ガスや酸化炭素系ガスと他のガス（通常
は希ガス）との混合比率を変えることにより調整できる
が、レーザ出力および処理速度を一定とした場合には、
ノズル高さやノズル直径或いは使用すべきガス（炭化水
素系ガスまたは酸化炭素系ガス）の種類や流量によって
も調整できる。また、鋼材の強度は上述したガスの混合
比率等だけでなく、溶融凝固部の間隔等を選択すること
によっても調整できる。
【００１１】本発明が対象とする鋼材は、Ｃ：０．００
５ｗｔ％以上の炭素鋼材であり、この炭素鋼材には、必
要に応じてＭｎ，Ｓｉ，Ｐにより強化した鋼材、粒界強
化のためにＢを添加した鋼材等、あらゆる種類の炭素鋼
材が含まれる。また、鋼材（加工材、未加工材）の種類
も鋼板に限らず、管、条材、線材等のあらゆる種類のも
のに適用することができる。また、表面にめっき（電気
めっきまたは溶融めっき等）を施した鋼板等の鋼材にも
適用でき、めっきの種類は問わない。
５ｗｔ％以上の炭素鋼材であり、この炭素鋼材には、必
要に応じてＭｎ，Ｓｉ，Ｐにより強化した鋼材、粒界強
化のためにＢを添加した鋼材等、あらゆる種類の炭素鋼
材が含まれる。また、鋼材（加工材、未加工材）の種類
も鋼板に限らず、管、条材、線材等のあらゆる種類のも
のに適用することができる。また、表面にめっき（電気
めっきまたは溶融めっき等）を施した鋼板等の鋼材にも
適用でき、めっきの種類は問わない。
【００１２】
〔実施例１〕素材鋼板の成分組成がＣ：０．０１〜０．
２０ｗｔ％、Ｓｉ：０．０２ｗｔ％、Ｍｎ：０．６９ｗ
ｔ％で、板厚が１．４ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板
に対し、ＣＯ2レーザを用いて線状のレーザ照射を実施
した。このレーザ照射は、センターガスとしてＡｒ（比
較例）、ＣＨ4（本発明例）、ＣＨ4＋Ａｒ混合ガス（本
発明例）を用い、下記の照射条件で実施した。 レーザ出力：３．０ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：２５４ｍｍ 焦点位置：−０．５ｍｍ アスペクト比：１．４ ノズル直径：３ｍｍ ノズル高さ：５ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、ＣＨ4、ＣＨ4＋Ａｒ（Ａ
ｒ：２５vol％、ＣＨ4：７５vol％） センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
２０ｗｔ％、Ｓｉ：０．０２ｗｔ％、Ｍｎ：０．６９ｗ
ｔ％で、板厚が１．４ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板
に対し、ＣＯ2レーザを用いて線状のレーザ照射を実施
した。このレーザ照射は、センターガスとしてＡｒ（比
較例）、ＣＨ4（本発明例）、ＣＨ4＋Ａｒ混合ガス（本
発明例）を用い、下記の照射条件で実施した。 レーザ出力：３．０ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：２５４ｍｍ 焦点位置：−０．５ｍｍ アスペクト比：１．４ ノズル直径：３ｍｍ ノズル高さ：５ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、ＣＨ4、ＣＨ4＋Ａｒ（Ａ
ｒ：２５vol％、ＣＨ4：７５vol％） センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
【００１３】レーザ照射によって得られらビード状の溶
融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重５０
ｇｆ）を測定した。また、各試験条件により図２に示す
ようなＪＩＳ５号試験片に３本のビード状の溶融凝固部
を引張方向と平行に形成させたものを作成し、各試験片
の引張強さを測定した。図３に鋼板（母材）の炭素含有
量と溶融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖの関係を
示す。これによれば、Ａｒ、ＣＨ4、ＣＨ4＋Ａｒのいず
れをセンターガスとして用いた場合でも、母材の炭素含
有量が多いほど溶融凝固部のマイクロビッカース硬さは
高くなるが、ＣＨ4を用いた場合にはＡｒを用いた場合
に較べてマイクロビッカース硬さが約１００程度高くな
っている。また、ＣＨ4＋Ａｒを用いた場合でも、ＣＨ4
のみを用いた場合に近い硬さとなっている。
融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重５０
ｇｆ）を測定した。また、各試験条件により図２に示す
ようなＪＩＳ５号試験片に３本のビード状の溶融凝固部
を引張方向と平行に形成させたものを作成し、各試験片
の引張強さを測定した。図３に鋼板（母材）の炭素含有
量と溶融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖの関係を
示す。これによれば、Ａｒ、ＣＨ4、ＣＨ4＋Ａｒのいず
れをセンターガスとして用いた場合でも、母材の炭素含
有量が多いほど溶融凝固部のマイクロビッカース硬さは
高くなるが、ＣＨ4を用いた場合にはＡｒを用いた場合
に較べてマイクロビッカース硬さが約１００程度高くな
っている。また、ＣＨ4＋Ａｒを用いた場合でも、ＣＨ4
のみを用いた場合に近い硬さとなっている。
【００１４】図４に鋼板（母材）の炭素含有量とＪＩＳ
５号試験片による引張強さおよび未処理材に対する強度
増加率との関係を示す。これによれば、図３に示される
結果と同様、Ａｒ、ＣＨ4、ＣＨ4＋Ａｒのいずれをセン
ターガスとして用いた場合でも、母材の炭素含有量が多
いほど引張強さが高いが、ＣＨ4およびＣＨ4＋Ａｒを用
いた場合にはＡｒを用いた場合に較べて強度増加率が１
０〜２０％程度高い値を示している。炭素含有量が０．
０３ｗｔ％の鋼板では、Ａｒをセンターガスとして用い
た場合には強度増加率は僅かに２％程度であるが、ＣＨ
4をセンターガスとして用いた場合には強度増加率は約
２３％である。また、ＣＨ4＋Ａｒをセンターガスとし
て用いた場合には強度増加率は約１９％である。また、
炭素含有量が０．０５ｗｔ％の鋼板についてＣＨ4をセ
ンターガスとして用いた場合には、強度増加率は約３０
％にも達している。また、ＣＨ4＋Ａｒをセンターガス
として用いた場合でも、強度増加率は約２５％である。
このようにセンターガスとしてＣＨ4またはその混合ガ
スを用いることにより、ＣＨ4が熱分解した結果生じる
Ｃが溶融凝固部に侵入し、凝固組織が母材に較べて高炭
素のマルテンサイト組織となることで硬度と引張強さが
増加したことが判る。
５号試験片による引張強さおよび未処理材に対する強度
増加率との関係を示す。これによれば、図３に示される
結果と同様、Ａｒ、ＣＨ4、ＣＨ4＋Ａｒのいずれをセン
ターガスとして用いた場合でも、母材の炭素含有量が多
いほど引張強さが高いが、ＣＨ4およびＣＨ4＋Ａｒを用
いた場合にはＡｒを用いた場合に較べて強度増加率が１
０〜２０％程度高い値を示している。炭素含有量が０．
０３ｗｔ％の鋼板では、Ａｒをセンターガスとして用い
た場合には強度増加率は僅かに２％程度であるが、ＣＨ
4をセンターガスとして用いた場合には強度増加率は約
２３％である。また、ＣＨ4＋Ａｒをセンターガスとし
て用いた場合には強度増加率は約１９％である。また、
炭素含有量が０．０５ｗｔ％の鋼板についてＣＨ4をセ
ンターガスとして用いた場合には、強度増加率は約３０
％にも達している。また、ＣＨ4＋Ａｒをセンターガス
として用いた場合でも、強度増加率は約２５％である。
このようにセンターガスとしてＣＨ4またはその混合ガ
スを用いることにより、ＣＨ4が熱分解した結果生じる
Ｃが溶融凝固部に侵入し、凝固組織が母材に較べて高炭
素のマルテンサイト組織となることで硬度と引張強さが
増加したことが判る。
【００１５】〔実施例２〕成分組成がＣ：０．０７ｗｔ
％、Ｓｉ：０．１１ｗｔ％、Ｍｎ：１．６５ｗｔ％で板
厚１．６ｍｍの冷延鋼板に、センターガスとしてＡｒ
（比較例）とＣ4Ｈ10（本発明例）をそれぞれ用いて、
Ｎｄ−ＹＡＧレーザにより線状のレーザ照射を実施し
た。この際、レーザビーム径を０．４〜８ｍｍの範囲で
変え、溶融凝固部のアスペクト比（溶け込み深さＨ／溶
け込み幅Ｗ）が異なる試験片を作成し、それらの引張強
さ、熱歪およびマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重
５０ｇｆ）を測定した。引張試験は、ＪＩＳ５号試験片
に図２に示すような３本の線状の溶融凝固部を形成して
行った。また、熱歪の測定は３００（ｌ）×２５（ｗ）
ｍｍの試験片に３本の溶融凝固部を形成して試験片の長
手方向での反り量（ｈ）を測定し、ｈ／ｌ×１００
（％）で評価した。なお、レーザ照射条件は以下の通り
である。 レーザ出力：２．５ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：１２７ｍｍ 焦点位置：０〜２０ｍｍ 鋼板上でのレーザビーム径：０．４〜８ｍｍ ノズル直径：５ｍｍ ノズル高さ：７〜２７ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、Ｃ4Ｈ10 センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
％、Ｓｉ：０．１１ｗｔ％、Ｍｎ：１．６５ｗｔ％で板
厚１．６ｍｍの冷延鋼板に、センターガスとしてＡｒ
（比較例）とＣ4Ｈ10（本発明例）をそれぞれ用いて、
Ｎｄ−ＹＡＧレーザにより線状のレーザ照射を実施し
た。この際、レーザビーム径を０．４〜８ｍｍの範囲で
変え、溶融凝固部のアスペクト比（溶け込み深さＨ／溶
け込み幅Ｗ）が異なる試験片を作成し、それらの引張強
さ、熱歪およびマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重
５０ｇｆ）を測定した。引張試験は、ＪＩＳ５号試験片
に図２に示すような３本の線状の溶融凝固部を形成して
行った。また、熱歪の測定は３００（ｌ）×２５（ｗ）
ｍｍの試験片に３本の溶融凝固部を形成して試験片の長
手方向での反り量（ｈ）を測定し、ｈ／ｌ×１００
（％）で評価した。なお、レーザ照射条件は以下の通り
である。 レーザ出力：２．５ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：１２７ｍｍ 焦点位置：０〜２０ｍｍ 鋼板上でのレーザビーム径：０．４〜８ｍｍ ノズル直径：５ｍｍ ノズル高さ：７〜２７ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、Ｃ4Ｈ10 センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
【００１６】センターガスとしてＣ4Ｈ10を用いた供試
材の未処理材に対する強度増加率および熱歪とアスペク
ト比との関係を図５に示す。これによれば、アスペクト
比０．５未満の表面溶融タイプの溶融凝固部を有する鋼
板では強度増加率が相対的に小さいのに対し、アスペク
ト比が０．５以上になると強度増加率が大きくなる。ま
た、アスペクト比０．５未満の表面溶融タイプでは熱歪
による変形が大きいのに対し、アスペクト比０．５以上
の深溶込みタイプでは熱変形が適切に抑えられている。
材の未処理材に対する強度増加率および熱歪とアスペク
ト比との関係を図５に示す。これによれば、アスペクト
比０．５未満の表面溶融タイプの溶融凝固部を有する鋼
板では強度増加率が相対的に小さいのに対し、アスペク
ト比が０．５以上になると強度増加率が大きくなる。ま
た、アスペクト比０．５未満の表面溶融タイプでは熱歪
による変形が大きいのに対し、アスペクト比０．５以上
の深溶込みタイプでは熱変形が適切に抑えられている。
【００１７】従来、金属材の機械特性や耐熱性等の改善
を目的としてレーザ照射を利用した表面改質技術が知ら
れ、これらの技術では金属材をＡｃ3点直上の温度に加
熱するか或いは溶融させている。しかし、これら従来の
技術はいずれも金属材の表面近傍を薄く処理するだけで
あり、溶融させる場合でも表面溶融タイプのレーザ処理
であって、そのレーザ処理層のアスペクト比は０．５未
満である。上記の試験結果によれば、このようなアスペ
クト比０．５未満の表面溶融タイプのレーザ処理では本
発明法としての一応の効果は得られるものの、鋼材の高
強度化および熱歪の抑制が必ずしも十分でなく、高強度
化および熱歪の抑制を効果的に達成するためにはアスペ
クト比を０．５以上とすることが好ましいことが判る。
を目的としてレーザ照射を利用した表面改質技術が知ら
れ、これらの技術では金属材をＡｃ3点直上の温度に加
熱するか或いは溶融させている。しかし、これら従来の
技術はいずれも金属材の表面近傍を薄く処理するだけで
あり、溶融させる場合でも表面溶融タイプのレーザ処理
であって、そのレーザ処理層のアスペクト比は０．５未
満である。上記の試験結果によれば、このようなアスペ
クト比０．５未満の表面溶融タイプのレーザ処理では本
発明法としての一応の効果は得られるものの、鋼材の高
強度化および熱歪の抑制が必ずしも十分でなく、高強度
化および熱歪の抑制を効果的に達成するためにはアスペ
クト比を０．５以上とすることが好ましいことが判る。
【００１８】本実施例中の代表的な処理例と変態焼入れ
処理を行った例について、熱歪、マイクロビッカース硬
さＨｖおよび強度増加率の結果を表１に示す。同表によ
れば、センターガスとしてＣ4Ｈ10ガスを用いた場合に
は、深溶込み溶融および表面溶融いずれのタイプにおい
ても大幅な硬度の増加が認められるが、表面溶融タイプ
では溶融体積が十分でないため、深溶込み溶融タイプに
比較して強度増加率が小さく、しかも、熱歪みも大きく
なっている。
処理を行った例について、熱歪、マイクロビッカース硬
さＨｖおよび強度増加率の結果を表１に示す。同表によ
れば、センターガスとしてＣ4Ｈ10ガスを用いた場合に
は、深溶込み溶融および表面溶融いずれのタイプにおい
ても大幅な硬度の増加が認められるが、表面溶融タイプ
では溶融体積が十分でないため、深溶込み溶融タイプに
比較して強度増加率が小さく、しかも、熱歪みも大きく
なっている。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【発明の効果】以上述べた本発明によれば、炭素鋼材を
効果的に高強度化することができ、従来にも増して軽量
且つ高強度の鋼材を得ることが可能となる。また、特に
アスペクト比が０．５以上の深溶込み溶融部が形成され
るようなレーザ照射条件とすることにより、強度をより
効果的に高めることができるとともに、形状不良等の原
因となる熱歪みの発生を効果的に抑えることができ、よ
り高強度でしかも寸法精度の高い鋼材を得ることができ
る。
効果的に高強度化することができ、従来にも増して軽量
且つ高強度の鋼材を得ることが可能となる。また、特に
アスペクト比が０．５以上の深溶込み溶融部が形成され
るようなレーザ照射条件とすることにより、強度をより
効果的に高めることができるとともに、形状不良等の原
因となる熱歪みの発生を効果的に抑えることができ、よ
り高強度でしかも寸法精度の高い鋼材を得ることができ
る。
【図１】本発明の実施状況の一例を示す説明図
【図２】本発明の実施例の引張試験に用いた試験片を示
す平面図
す平面図
【図３】センターガスとしてＡｒを用いた場合とＣＨ4
を用いた場合について、母材の炭素含有量と溶融凝固部
のマイクロビッカース硬さＨｖとの関係を示すグラフ
を用いた場合について、母材の炭素含有量と溶融凝固部
のマイクロビッカース硬さＨｖとの関係を示すグラフ
【図４】センターガスとしてＡｒを用いた場合とＣＨ4
を用いた場合について、母材の炭素含有量と試験片の引
張強さおよび未処理材に対する強度増加率との関係を示
すグラフ
を用いた場合について、母材の炭素含有量と試験片の引
張強さおよび未処理材に対する強度増加率との関係を示
すグラフ
【図５】レーザ照射による溶融部のアスペクト比と試験
片の未処理材に対する強度増加率および熱歪との関係を
示すグラフ
片の未処理材に対する強度増加率および熱歪との関係を
示すグラフ
１…集光レンズ、２…レーザビーム、３…炭素鋼材、４
…キーホール、５…センターガス、６…溶融部
…キーホール、５…センターガス、６…溶融部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樺沢 真事 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 真保 幸雄 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 津山 青史 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 角田 浩之 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−116820（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−171618（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−52265（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−179776（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C21D 1/09,1/34 C23C 8/20,8/22
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｃ：０．００５ｗｔ％以上を含有する炭
素鋼材にレーザを適当な間隔で線状に照射しつつ、該レ
ーザ照射部に、炭化水素系ガスおよび酸化炭素系ガスか
らなる群の中から選ばれる１種または２種以上を含むガ
スを供給することにより、レーザ照射により形成される
溶融部に前記ガス成分中の炭素を添加し、炭素が富化さ
れたビード状の溶融凝固部を適当な間隔で線状に形成す
ることを特徴とする炭素鋼材の強化方法。 - 【請求項２】 レーザ照射による溶融部を、アスペクト
比が０．５以上の深溶込み溶融部とすることを特徴とす
る請求項１に記載の炭素鋼材の強化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05205539A JP3091058B2 (ja) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | 炭素鋼材の強化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05205539A JP3091058B2 (ja) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | 炭素鋼材の強化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0741843A JPH0741843A (ja) | 1995-02-10 |
| JP3091058B2 true JP3091058B2 (ja) | 2000-09-25 |
Family
ID=16508572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05205539A Expired - Fee Related JP3091058B2 (ja) | 1993-07-29 | 1993-07-29 | 炭素鋼材の強化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3091058B2 (ja) |
-
1993
- 1993-07-29 JP JP05205539A patent/JP3091058B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0741843A (ja) | 1995-02-10 |
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