JP6871494B2

JP6871494B2 - 発色方法

Info

Publication number: JP6871494B2
Application number: JP2019095329A
Authority: JP
Inventors: 直樹安岡
Original assignee: 株式会社ヤスオカ
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: JP2020190010A

Description

本発明は、発色方法に関する。

チタンやステンレス鋼に対して、レーザー光を照射することにより発色させる方法、特に、レーザー光の照射条件の調整により、様々な色に発色させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、Ｓｎを含む材料で構成された基材を発色させる技術は知られていなかった。

特開２００４−８２４９３号公報

本発明の目的は、Ｓｎを含む材料で構成された基材を好適に発色させることができる発色方法を提供すること、特に、Ｓｎを含む材料で構成された基材を、様々な色に発色させることが可能な発色方法を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（３）の本発明により達成される。
（１）Ｓｎを含む材料で構成された基材に、レーザー光を照射して、前記基材に凹部を形成するとともに、前記レーザー光の発色による発色部を前記凹部内に形成することを特徴とする発色方法。

（２）前記レーザー光は、ナノ秒レーザーである上記（１）に記載の発色方法。

（３）前記レーザー光の基本波長は、１．００μｍ以上１．０８μｍ以下である上記（１）または（２）に記載の発色方法。

本発明によれば、Ｓｎを含む材料で構成された基材を好適に発色させることができる発色方法を提供すること、特に、Ｓｎを含む材料で構成された基材を、様々な色に好適に発色させることが可能な発色方法を提供することができる。

実施例１で得られた発色体を示す写真である。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細な説明をする。
《発色方法》
まず、本発明の発色方法、すなわち、発色体の製造方法について説明する。

本発明の発色方法は、Ｓｎを含む材料で構成された基材を発色させる方法であり、Ｓｎを含む材料で構成された基材に、レーザー光を照射して発色させることを特徴とする。言い換えると、Ｓｎを含む材料で構成された基材に、レーザー光を照射して発色させるレーザー光照射工程を有する。

従来では、チタンやステンレス鋼に対して、レーザー光を照射することにより発色させる方法が知られていたが、Ｓｎを含む材料で構成された基材に対して、レーザー光を照射して発色させる方法は、知られていなかった。

これに対し、本発明は、Ｓｎを含む材料で構成された基材に、レーザー光を照射することにより、好適に発色させることができる方法である。

本発明において、上記のような優れた効果が得られるのは、以下のような理由によるものと考えられる。すなわち、Ｓｎは各種金属の中でも融点が比較的低い材料であり、所定の条件でレーザー光を照射することにより、基材を構成するＳｎを好適に溶融、再結晶させることができるとともに、表面状態を調整することができる。また、レーザー光の照射によって温度上昇することにより、酸化被膜（酸化亜鉛を含む材料で構成された被膜）を好適に形成することができる。このように、例えば、Ｓｎの結晶粒径、表面状態、酸化被膜等の条件を調整することにより、金属Ｓｎを含む領域と酸化被膜との界面、大気と酸化被膜との界面、酸化被膜が積層体である場合におけるこれらの層間の界面等で、好適に光を屈折、反射させることができ、所望の色調を得ることができる。

基材は、レーザー光を照射する部位（変色部が形成される部位）がＳｎを含む材料で構成されたものであればよいが、例えば、Ｓｎを含む材料で構成された板材を冷間延伸して得られたものであってもよい。

これにより、例えば、基材のレーザー光が照射される部位におけるＳｎの平均結晶粒径や表面状態（例えば、最大高さＳｚ等）を、後述するような条件に好適に調整することができる。

基材のレーザー光が照射される部位におけるＳｎの平均結晶粒径は、１００μｍ以上４０００μｍ以下であるのが好ましく、２００μｍ以上３０００μｍ以下であるのがより好ましく、３００μｍ以上２０００μｍ以下であるのがさらに好ましい。

これにより、レーザー光照射後における当該部位のＳｎの平均結晶粒径や表面状態（例えば、最大高さＳｚ等）、形成される酸化被膜の厚さ等をより好適に制御することができ、好適に発色した発色部を容易に形成することができる。

本発明では、基材は、少なくともレーザー光を照射する部位がＳｎを含む材料で構成されたものであればよく、Ｓｎを含まない材料で構成された部位を有するものであってもよい。例えば、レーザー光が照射される基材は、Ｓｎを含まない材料で構成された基部と、当該基部上に設けられＳｎを含む材料で構成された表面層とを有するものであってもよい。

Ｓｎを含む材料で構成された部位（レーザー光が照射される領域）におけるＳｎの含有率は、５０質量％以上であるのが好ましく、８０質量％以上であるのがより好ましく、９０質量％以上であるのがさらに好ましい。

このようにＳｎの含有率が高いものであると、本発明による効果がより顕著に発揮される。

基材のレーザー光が照射される領域が、Ｓｎ以外の成分を含む材料で構成されたものである場合、当該領域の構成材料としては、例えば、Ｓｎとともに、少なくとも１種のＳｎ以外の他の金属元素とを含む合金等が挙げられる。また、前記領域は、単体金属としてのＳｎまたはＳｎを含む合金に加え、他の成分（例えば、非金属成分等の不純物等）を含んでいてもよい。

基材のＳｎを含む材料で構成された部位（レーザー光が照射される領域）におけるＳｎ以外の構成成分としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｒ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｉｎ等が挙げられる。

ただし、基材のレーザー光が照射される領域におけるＴｉ、ＣｒおよびＮｉの含有率の和が、１．０質量％以下であるのが好ましく、０．５質量％以下であるのがより好ましく、０．１質量％以下であるのがさらに好ましい。

このような材料は、従来においては、発色が特に難しい材料であった。これに対し、本発明では、このような材料で構成された基材でも好適に発色させることができる。すなわち、基材が上記のような材料で構成されたものであることにより、本発明による効果がより顕著に発揮される。

特に、このような効果は、基材のレーザー光が照射される領域におけるＴｉの含有率、Ｃｒの含有率およびＮｉの含有率が、いずれも、５０ｐｐｍ以下の場合にさらに顕著に発揮される。

また、基材は、表面がＳｎを含まない材料で構成されたものであってもよい。より具体的には、例えば、Ｓｎを含む材料で構成された部位と、当該部位の表面を被覆する、樹脂材料のようにレーザー光の照射により容易に除去することが可能な材料で構成された部位（例えば、膜）とを有するものであってもよい。

レーザー光が照射される基材の形状・大きさは、特に限定されない。
例えば、基材の形状としては、板状、シート状、球状、ブロック状等が挙げられる。

レーザー光の照射時において、前記基材は、酸素を含む雰囲気中（例えば、大気中）に置かれるものであるのが好ましい。

これにより、酸化被膜を含む部位としての変色部をより好適に形成することができる。また、レーザー光の照射時における雰囲気の調整が不要または簡便となり、発色体の生産性向上の観点からも有利である。

基材に照射するレーザー光は、パルスレーザーであるのが好ましく、特に、ナノ秒レーザーであるのがより好ましい。

これにより、レーザー光を照射した際には基材のレーザー光の照射部位の表面付近をより好適に温度上昇させることができるとともに、レーザー光の照射を中断、終了した際には、より好適に温度低下させることができ、必要以上に長時間にわたって溶融状態が維持されることがより好適に防止される。したがって、基材のレーザー光の照射部位の表面付近をより好適に溶融、再結晶化させることができるとともに、当該部位に酸化被膜をより好適に形成することができる。その結果、基材の所望の部位に、より好適な変色部を形成することができる。また、ナノ秒レーザー（ナノ秒パルスレーザー）は、通常、ピコ秒レーザー（ピコ秒パルスレーザー）よりも、装置が安価で入手が容易である。したがって、発色体の生産コストの低減や安定供給等の観点からも有利である。

ナノ秒レーザー（ナノ秒パルスレーザー）は、パルス幅がナノ秒オーダーのレーザー光であればよいが、ナノ秒レーザー（ナノ秒パルスレーザー）のパルス幅は、５ナノ秒以上５００ナノ秒以下であるのが好ましく、１０ナノ秒以上３００ナノ秒以下であるのがより好ましく、２０ナノ秒以上１５０ナノ秒以下であるのがさらに好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。

なお、パルスレーザーとしては、ピコ秒レーザー（ピコ秒パルスレーザー）を用いてもよい。これにより、微妙な色調の制御をより好適に行うことができる。

基材に照射するレーザー光（発色部の形成に用いるレーザー光）の基本波長は、１．００μｍ以上１．０８μｍ以下であるのが好ましく、１．０２μｍ以上１．０７μｍ以下であるのがより好ましい。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。

レーザー光のパワーは、１Ｗ以上４０Ｗ以下であるのが好ましく、２Ｗ以上３０Ｗ以下であるのがより好ましく、３Ｗ以上２５Ｗ以下であるのがさらに好ましい。

これにより、基材の表面荒れ等をより好適に防止しつつ、より好適に発色した発色部を形成することができる。また、発色部の形成に要するエネルギーをより効率よく抑制することができる。

レーザー光がパルス光である場合、その周波数は、５ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下であるのが好ましく、１０ｋＨｚ以上６００ｋＨｚ以下であるのがより好ましく、３０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下であるのがさらに好ましい。

レーザー光のビーム径（基材の照射部位におけるレーザー光の直径）は、２μｍ以上３０μｍ以下であるのが好ましく、２μｍ以上２０μｍ以下であるのがより好ましく、２μｍ以上１０μｍ以下であるのがさらに好ましい。

これにより、発色部の形成効率をより優れたものとしつつ、形成される発色部のパターンの精度をより優れたものとすることができる。

レーザー光の前記基材上での走査速度（スキャン速度）は、５０ｍｍ／秒以上１０００ｍｍ／秒以下であるのが好ましく、７０ｍｍ／秒以上７００ｍｍ／秒以下であるのがより好ましく、１００ｍｍ／秒以上４００ｍｍ／秒以下であるのがさらに好ましい。

これにより、発色部の形成効率をより優れたものとしつつ、形成される発色部の発色性をより優れたものとすることができる。また、形成される発色部のパターンの精度をより優れたものとすることができる。

発色処理において照射するレーザー光のスキャンピッチは、１．０μｍ以上３００μｍ以下であるのが好ましく、２．０μｍ以上２００μｍ以下であるのがより好ましく、３．０μｍ以上１００μｍ以下であるのがさらに好ましい。

レーザー光の照射により変色部を形成すべき部位である基材の任意の部位におけるレーザー光の照射回数は、１回であっても複数回であってもよい。言い換えると、基材の同一箇所に、レーザー光を複数回照射してもよい。

これにより、基材のレーザー光が照射された部位におけるＳｎの平均結晶粒径や表面状態（例えば、最大高さＳｚ等）、酸化被膜の厚さ、構成等をより好適に調整することができ、所望の色調の変色部をより好適に形成することができる。

また、本工程においては、発色部を形成すべき各部位で、処理条件を同一にしてもよいし、処理条件を異なるものとしてもよい。

発色処理を施す各部位で、処理条件を異なるものとすることにより、例えば、異なる色調の発色部を有する発色体を得ることができる。その結果、例えば、発色体の審美性をより優れたものとすることができる。

発色部の色調は、例えば、段階的に変化するものであってもよいし、傾斜的に変化するものであってもよい。

発色部によるパターンは、いかなるものであってもよく、例えば、各種幾何学模様や、文字（数字を含む）、記号、図形（例えば、動物、漫画のキャラクター等を含む）やこれらから選択される２種以上の組み合わせ等が挙げられ、風景画、人物画等やこれらの模写等であってもよい。

レーザー光の照射により形成される酸化被膜の厚さは、特に限定されないが、５ｎｍ以上８００ｎｍ以下であるのが好ましく、１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であるのがより好ましく、１５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。

これにより、発色部の色調をより好適に調整することができるとともに、発色部が形成された発色体の耐久性をより優れたものとすることができる。

レーザー光が照射されて形成された発色部は、表面粗さについて所定の条件を満足するのが好ましい。すなわち、レーザー光が照射されて形成された発色部の表面においてＩＳＯ２５１７８に準じて測定される最大高さＳｚは、３０μｍ以上２００μｍ以下であるのが好ましく、３５μｍ以上１５０μｍ以下であるのがより好ましく、４０μｍ以上１２０μｍ以下であるのがさらに好ましい。
これにより、発色部の色調をより好適に調整することができる。

レーザー光が照射されて形成された発色部における金属Ｓｎの平均結晶粒径は、１００μｍ以上４０００μｍ以下であるのが好ましく、２００μｍ以上３０００μｍ以下であるのがより好ましく、３００μｍ以上２０００μｍ以下であるのがさらに好ましい。
これにより、発色部の色調をより好適に調整することができる。

本発明では、レーザー光の照射により、前記基材に凹部を形成するとともに、レーザー光の発色による発色部を前記凹部内に形成するのが好ましい。

前記凹部を形成する場合、当該凹部の深さは、１μｍ以上１０００μｍ以下であるのが好ましく、５μｍ以上８００μｍ以下であるのがより好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下であるのがさらに好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。

《発色体》
次に、前述した本発明の発色方法を用いて得られる発色体、すなわち、発色部を有する物品について、説明する。

本発明に係る発色体は、いかなる用途のものであってもよいが、例えば、装飾性が求められる物品であるのが好ましい。また、本発明に係る発色体は、耐久性が求められる物品であるのが好ましい。

このような物品としては、例えば、置物等のインテリア、エクステリア用品、宝飾品、時計、メガネ、ネクタイピン、カフスボタン、指輪、ネックレス、ブレスレット、アンクレット、ブローチ、ペンダント、イヤリング、ピアス等の装身具等の装飾品；ライター；自動車；ゴルフクラブ等のスポーツ用品；銘板；パネル；賞杯；各種容器等や、これらの構成部品等が挙げられる。

本発明に係る発色体は、その少なくとも一部に上記のような方法で形成された発色部を有していればよく、発色部が設けられていない部位を有していてもよい。

本発明に係る発色体の大きさや形状も、特に限定されず、通常、発色体の用途等により決定されるものである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

例えば、本発明の発色方法では、前述した以外の工程を有していてもよい。このような工程としては、例えば、基材に対する洗浄処理（例えば、水洗浄、酸洗浄、アルカリ洗浄、有機溶媒洗浄等）、研削、研磨等の機械加工、エッチング等の化学処理等の前処理や、発色体に対する洗浄処理（例えば、水洗浄、酸洗浄、アルカリ洗浄、有機溶媒洗浄等）、研削、研磨等の機械加工、エッチング等の化学処理等の後処理等が挙げられる。

以下、本発明を実施例、比較例および参考例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、特に温度条件を示していない処理、測定については、２５℃で行った。

［１］発色体の製造
（実施例１）
まず、厚さ１．５ｍｍの金属Ｓｎ製の板材を用意した。この板材中における金属Ｓｎの含有率は９９．９９９質量％以上であり、Ｔｉの含有率、Ｃｒの含有率およびＮｉの含有率は、いずれも、１ｐｐｍ以下であった。

次に、この板材を冷間圧延により、８００μｍの厚さに延伸し、以下の処理における基材として用いた。このようにして得られた基材中におけるＳｎの平均結晶粒径は、１５００μｍであった。

次に、大気中において、基本波長：１．０６μｍ、パルス幅：１５０ナノ秒、周波数：３５０ｋＨｚ、パワー：１２．４Ｗのナノ秒レーザー（ナノ秒パルスレーザー）を用いて、レーザー光のビーム径（基材の照射部位におけるレーザー光の直径）が３０μｍ、基材上での走査速度（スキャン速度）が３５０ｍｍ／秒、レーザー光のスキャンピッチが１０μｍとなるように、基材の発色部を形成すべき領域にレーザー光を照射し、発色部が形成された発色体を得た。このとき、形成すべき発色部の色に応じて、各部位でのレーザー光の照射回数を調整した。

（比較例１）
まず、厚さ１．５ｍｍの金属Ｓｎ製の板材を用意した。この板材中における金属Ｓｎの含有率は９９．９９９質量％以上であり、Ｔｉの含有率、Ｃｒの含有率およびＮｉの含有率は、いずれも、１ｐｐｍ以下であった。

次に、大気中において、基本波長：１．０６μｍ、パルス幅：４５ナノ秒、周波数：４７０ｋＨｚ、パワー：１３．２Ｗのナノ秒レーザー（ナノ秒パルスレーザー）を用いて、レーザー光のビーム径（基材の照射部位におけるレーザー光の直径）が３０μｍ、基材上での走査速度（スキャン速度）が２００ｍｍ／秒、レーザー光のスキャンピッチが１３μｍとなるように、基材の発色部を形成すべき領域にレーザー光を照射した。

（参考例１）
基材としてＳＵＳ３０４の板材（厚さ：１０００μｍ）を用いた以外は、前記比較例１と同様にしてレーザー光の照射を行った。

［２］評価
前記実施例、比較例および参考例でレーザー光による処理を施した物品について、目視による観察を行った。

その結果、実施例および参考例では、目標とする各色の変色部を形成することができたのに対し、比較例では、目的とする変色部を形成することができなかった。実施例１で得られた変色体の写真を図１に示す。

Claims

Ｓｎを含む材料で構成された基材に、レーザー光を照射して、前記基材に凹部を形成するとともに、前記レーザー光の発色による発色部を前記凹部内に形成することを特徴とする発色方法。
前記レーザー光は、ナノ秒レーザーである請求項１に記載の発色方法。
前記レーザー光の基本波長は、１．００μｍ以上１．０８μｍ以下である請求項１または２に記載の発色方法。