JP3091059B2 - 鋼材の強化方法 - Google Patents

鋼材の強化方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、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、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。
【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。
【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。
【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、鋼材をその炭素含有量に応じて、しかも熱
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、形成される溶融部がア
スペクト比0.5以上の深溶け込み溶融部となるよう鋼
材にレーザを適当な間隔で線状に照射しつつ、該レーザ
照射部にキャリアガスにより炭素微粉末を供給すること
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鋼材の強化方
法。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が必要であり、このため上記の
ように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。
【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炭素微粉末の粒径には基本
的な制約はないが、粒径が50μmを超えるとレーザ照
射条件によっては溶融部内に未溶融の炭素が残存し、溶
融凝固部の延性等を著しく低下させる場合があり、この
ため、使用する炭素微粉末は50μm以下の粒径のもの
が好ましい。また、炭素微粉末を溶融部に送給するキャ
リアガスに特に限定はないが、通常、Ar、He等の希
ガスや窒素等が使用できる。炭素微粉末のキャリアガス
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)内に炭素微粉末とそのキャリアガス
を供給できる方式であればその方法は問わない。
【0007】
【作用】本発明の作用を図1に基づき説明する。図1は
炭素微粉末とキャリアガスをセンターガス方式でレーザ
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
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、キャ
リアガス(センターガス)としてはAr、He等の希ガ
スが用いられ、このキャリアガスにノズル部に設けられ
た供給孔8から炭素微粉末7が供給される。供給された
炭素微粉末7はキーホール4内で励起状態の炭素とな
り、溶融部6に侵入する。
【0008】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。
【0009】また、本発明では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以上として
いるため、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
び鋼材の強度は炭素微粉末の供給量を調整することによ
り制御できるが、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
キャリア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炭素微粉末やキャリアガスの
供給条件等だけでなく、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。
【0010】本発明が対象とする鋼材には一般の炭素鋼
材、極低炭素鋼材が含まれ、また、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、Ti,Nbにより侵入型元素の少なくとも
一部を固定した極低炭素鋼材等、あらゆる種類の鋼材が
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。
【0011】
【実施例】
〔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。本発明例ではセンターガス中に炭素微粉末を供給
してレーザ照射を実施し、一方、比較例ではセンターガ
ス中に炭素微粉末を供給することなくレーザ照射を実施
した。レーザ照射条件は以下の通りである。 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 センターガス流量:10 l/min 炭素微粉末の供給量:2g/min
【0012】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、炭素微粉末の供給の有無に関係な
く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、本発明法の条件下で炭素微
粉末を供給した場合には炭素微粉末を供給しない場合に
較べてマイクロビッカース硬さが数十〜100程度高く
なっている。
【0013】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、炭素微粉末の供給の有無に関係なく母材の
炭素含有量が多いほど引張強さが高くなるが、本発明法
の条件下で炭素微粉末を供給した場合には炭素微粉末を
供給しない場合に較べて強度増加率が高くなっている。
炭素含有量が0.03wt%の鋼板では、炭素微粉末を
供給しない場合には強度増加率は僅かに2%程度である
が、炭素微粉末を供給した場合には強度増加率は約20
%である。また、炭素含有量が0.05wt%の鋼板に
ついて炭素微粉末を供給した場合には、強度増加率は約
25%にも達している。このように本発明法の条件下で
炭素微粉末を供給することにより炭素が溶融凝固部に侵
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。
【0014】〔実施例2〕成分組成がC:0.05wt
%、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を
用いNd−YAGレーザにより線状のレーザ照射を実施
した。本発明例ではセンターガス中に炭素微粉末を供給
してレーザ照射を実施し、一方、比較例ではセンターガ
ス中に炭素微粉末を供給することなくレーザ照射を実施
した。
【0015】本実施例ではレーザビーム径を0.4〜8
mm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H
v(測定荷重50gf)を測定した。引張試験は、JI
S5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 センターガス流量:20 l/min 炭素微粉末の供給量:5g/min
【0016】センターガスに炭素微粉末を供給した供試
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ってい
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も
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
ことが必要である
【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、センターガスに炭素微粉末を供給した場合には、
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、
極低炭素鋼材の別を問わず鋼材の強度を効果的に高める
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
件としたことにより、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。
【図面の簡単な説明】
【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
【図3】センターガスに炭素微粉末を供給した場合とし
ない場合について、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】センターガスに炭素微粉末を供給した場合とし
ない場合について、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
【符号の説明】
1…集光レンズ、2…レーザビーム、3…鋼材、4…キ
ーホール、5…キャリアガス、6…溶融部、7…炭素微
粉末、8…供給孔
───────────────────────────────────────────────────── 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 (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 形成される溶融部がアスペクト比0.5
    以上の深溶け込み溶融部となるよう鋼材にレーザを適当
    な間隔で線状に照射しつつ、該レーザ照射部にキャリア
    ガスにより炭素微粉末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鋼材の強化方法。
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