JP7157408B2 - 鉄系焼結体とそのレーザーマーキング方法並びに製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年11月7日出願の日本出願第2017-214263号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
金属粉末を原料に用いた焼結体については、発明者らの焼結製品工場において、市販のレーザーマーカー装置等を用いて、焼結製品の表面に直接レーザー光を照射し、二次元コードを有する識別マークを形成する方法が、製品の出荷情報管理用に検討されている。
識別マークの読み取り不能または不調が起こると、収集データや情報の欠落が発生する。すると、出荷品管理、生産管理、トレーサビリティや品質・工程管理において、管理システムの信頼性や健全性が損なわれ、製造現場において本来の目的や機能を十分に発揮することができない。
したがって、その可読性は100%であること、あるいは100%に限りなく近いという高く安定した品質が求められる。
しかしながら、従来の方法によって形成された識別マークの可読性には、改善の余地がある。
本開示によれば、コードリーダー等による可読性の良い識別マークを形成するための鉄系焼結体のレーザーマーキング方法、製造方法及び鉄系焼結体を提供することができる。
以下、本開示の実施形態の概要を列記して説明する。
第2のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーが0.05 J/mm2未満の場合には、前記凹部の外周縁部に堆積した再析出物または再付着物を十分除去できない、あるいは表面の平坦化が十分になされない可能性がある。より好ましくは0.10J/mm2以上である。0.50 J/mm2を超える場合には、前記凹部以外の表面部分が黒色化する可能性があり、明部となるべき部分が暗くなるため、第1のレーザー光で形成した前記凹部との区別が付き難くなるから、好ましくない。より好ましくは0.30J/mm2以下である。
e=p×t ・・・(式1)
ここで、t=1/(r×v)より、
e=p/(r×v)・・・(式2)
式2より、eの値の範囲は、p、r、およびvの値によって決まることから、eについて好適な範囲を実現するために必要なp、r、およびvの好適な範囲を規定する。
また、第2のレーザー光の平均出力pが10W未満の場合には、パワーが弱いために前記凹部の外周縁部に堆積した再析出物または再付着物を除去できない可能性があるため、表面の平坦化に不適であり、好ましくない。より好ましくは13W以上である。25Wを超える場合には、パワーが強いために前記凹部以外の部分が黒色化する可能性があり、第1のレーザー光で形成するドットとの区別が付き難くなるので好ましくない。より好ましくは20W以下である。
第2のレーザー光の走査速度vが1700mm/s未満の場合には、速度が遅いために前記凹部以外の部分が黒色化する可能性があり、第1のレーザー光で形成した前記凹部との区別が付き難くなり好ましくない。より好ましくは2000mm/s以上である。走査速度が3000mm/sを超える場合には、速度が速いために前記凹部の外周縁部に堆積した再析出物または再付着物を、十分に除去できない可能性があるので好ましくない。より好ましくは、2700mm/s以下である。
第2のレーザー光のスポット径rが0.010mm未満の場合には、単位面積あたりの照射エネルギーeが大きくなり、前記凹部以外の表面部分が黒色化する可能性があり、第1のレーザー光で形成した前記凹部との区別が付き難くなり、スポット径rが0.060mmを超える場合には、単位面積あたりの照射エネルギーeが小さくなるため、前記凹部の外周縁部に堆積した再析出物または再付着物を、十分に除去できない可能性があるので、好ましくない。
すなわち、圧粉成形体に前記第1の識別マークを形成するレーザーマーキング方法は、本発明の形態に係る鉄系焼結体へのレーザーマーキング方法と同一の方法とすることがより好ましい。それによって圧粉成形体の段階でのコードリーダーの可読性が良く、焼結後も消失や劣化しにくい識別マークとすることができる。
前記凹部の深さが70μm未満だとその暗さが目立たず、深さが200μmを超えると析出物又は付着物により、前記凹部の外周縁部も暗くなるため好ましくない。また、前記凹部の外周縁部の凸部の高さが300μmを超えると、前記凹部の周辺部分も暗くなり、ドットが暗部としてクリアに認識できなくなるため好ましくない。
これによって前記凹部が暗部として安定し、その結果コードリーダーの可読性が安定する。
以下、図面を参照しつつ、本実施形態に係る鉄系焼結体および圧粉成形体のレーザーマーキング方法、前記凹部および凸部の測定方法、コードリーダーによる可読性の評価方法、並びに鉄系焼結体の製造工程の詳細について具体例を説明する。
図面は特に記載がない限り、説明を明確にするための概略図である。よって、部材の大きさや位置関係等は、誇張したり見やすい比率で記載されたりしている。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。なお、図面の参照や説明の都合において必要に応じて上下左右の方向や位置関係を示す用語を用いるが、それらの用語の使用は発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本開示の技術的範囲が制限されるものではない。
図1は、本発明の実施形態に係る鉄系焼結体の製造工程を説明するフロー図である。
鉄系焼結体の原料から完成品までの製造工程は、主として金属粉末10aに潤滑剤10bを添加する混合工程20、圧粉成形体を作製するプレス成形工程30、圧粉成形体を焼結する焼結工程40、得られた焼結体に識別マークを形成する識別マーク形成工程41、その後焼結体を再度圧縮することにより寸法精度を高めるサイジング工程50及び熱処理工程60などから成る。
これにより、第1工程で生じる前記凹部4の外周縁部の再析出物または再付着物を除去し、前記凹部4以外の表面部分を平坦化することができる。
本実施形態では第2のレーザー光の走査軌跡6として、前記識別マーク用のエリア1の長辺方向に往復する形態としたが、前記識別マーク用のエリア1全体を走査できる方法であれば特に限定されない。短辺方向での往復でも良いし、往復走査とせずに同方向に繰り返す操作であっても良い。
図7Aは図6Aの表面に対して第2工程を施した後の鉄系焼結体の表面を表す平面図、図7Bは図7AにおけるS5-S6断面を表す断面図である。
その際に、第2のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーを、第1のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーよりも小さくなるように設定する。その結果、凸部7の高さが減少すると同時に、前記凹部の暗部とそれ以外の部分の明部とのコントラストが明瞭になり、コードリーダーの可読性が良くなる。
第1および第2のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーを好適な範囲とするために、好ましい数値範囲は以下の通りである。
第1のレーザー光は、単位スポットあたりの平均出力が20W以上でかつ50W以下、スポット径が0.010mm以上でかつ0.060mm以下、走査速度が250mm/s以上でかつ320mm/s以下である。
第2のレーザー光は、単位スポットあたりの平均出力が10W以上でかつ25W以下、スポット径が0.010mm以上でかつ0.060mm以下、走査速度が1700mm/s以上でかつ3000mm/s以下である。
図8Aおよび図8Bは、前記凹部4の深さおよびその外周縁部の凸部7の高さの定義を説明する模式図である。このうち、図8Aは、前記識別マーク用のエリア1、その外周部分8、および前記凹部4を含む鉄系焼結体の表面を表す平面図であり、図8Bは、図8A中の直線L上に沿った前記凹部4とその周辺の表面凹凸プロファイルを表す図である。
図9は、鉄系焼結体の製造工程における識別マーク形成方法の別の態様を説明する フロー図である。
図1のフロー図との違いは、識別マークの形成を焼結工程40の後だけでなく、プレス成形工程30の後にも行うことであり、第1の識別マーク形成工程31と第2の識別マーク形成工程42以外の製造工程は図1と同じである。第1の識別マーク形成工程31は、プレス成形工程30後の圧粉成形体表面の第1のエリア9に、第1の識別マークを形成する工程である。その後、焼結工程40後の焼結体表面の第2のエリア10に、第2の識別マークを形成する。第2の識別マーク形成工程42は、本発明の実施形態に係るレーザーマーキング工程42aを含み、さらに第1工程42bおよび第2工程42cを含む。
これらは、図1のレーザーマーキング工程41a、第1工程41b、第2工程41cと実質同一の工程である。なお、前記第1のエリア9と前記第2のエリア10は同じ場所であってもよいし異なる場所であってもよい。
第3のレーザー光により、圧粉成形体表面の前記第1のエリア9に、所定深さのドット状の第1の凹部を複数個形成する1-1工程31bと、第4のレーザー光により、前記第1の凹部以外の前記第1のエリア9内表面を平坦化する1-2工程31cとを含み、第3のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーが、第4のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーよりも大きいことがより好ましい。
前記第3のレーザー光は、単位面積あたりの照射エネルギーが1.0 J/mm2以上で7.0 J/mm2以下であり、前記第4のレーザー光は、単位面積あたりの照射エネルギーが0.05 J/mm2以上で0.50 J/mm2以下であることがより好ましい。
図10Cは、第2の識別マークが形成された鉄系焼結体を説明する斜視図である。
図10Bを参照し、鉄系焼結体G12は、第1の識別マークC0が図9に示す焼結工程40を経ることによって消失または劣化して薄くなった鉄系焼結体である。
図10Cを参照し、鉄系焼結体G13は第2の識別マークC1が形成された鉄系焼結体であり、図9に示す第2の識別マーク形成工程42によって作製される。
図11は、鉄系焼結体表面に形成された識別マークの一例の拡大写真である。前記識別マーク用のエリア1において、黒く見える部分が暗部(セルの内側に形成されたドット状の凹部)に相当し、これらが二次元コード2を形成している。この例の場合、第1のレーザー光をセルの内部で渦巻き状ではなく、直線状に往復させて走査したため、暗部のドットは四角形状になっている。このような二次元コードは、市販のコードリーダー(バーコードリーダー、QRコードリーダーなど)によって読み取ることができる。しかしながら、レーザー加工条件によっては、暗部と明部とのコントラストが明瞭でない状態が生じ得る。そうなると、コードリーダーは、二次元コードの情報を認識できずに反応しなかったり、エラー表示が出たり(いずれも認識不可)、誤った情報を認識したり(誤認識)して、読み取り不良となる。
図1および図9に示した鉄系焼結体の製造工程において、プレス成形工程30、焼結工程40、サイジング工程50、および熱処理工程60の各工程について以下に詳細を説明する。
プレス成形工程30は、金属粉末10aに潤滑剤10bを添加した原料粉末を、プレス成形して圧粉成形体を作製する工程である。
圧粉成形体は、焼結製品の中間製品であり、焼結製品に対応した形状に成形される。
金属粉末10aの材質は、鉄系材料が挙げられる。鉄系材料とは、鉄又は鉄を主成分とする鉄合金のことである。鉄合金としては、例えば、Ni,Cu,Cr,Mo,Mn,C,Si,Al,P,B,N及びCo から選択される1種以上の添加元素を含有するものが挙げられる。
鉄系材料の粉末、特に鉄粉を主体とする場合は、合金成分としてCu,Ni,Moなどの金属粉末を添加することが好ましい。
なお、原料粉末は、上述の金属粉末を主体とするが、微量な不可避の不純物を含むことは許容される。
Cの含有量は、原料粉末を100質量% とするとき、例えば0質量%超2質量%以下、更に0 .1 質量% 以上1質量%以下とすることが挙げられる。
潤滑剤としては、例えば、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウムなどの金属石鹸、ステアリン酸アミドなどの脂肪酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミドなどの高級脂肪酸アミドなどが挙げられる。
潤滑剤10bの含有量は、潤滑性の向上効果を得る観点から、0 .1 質量%以上、更に0 .5質量% 以上が好ましい。
原料粉末に有機バインダーを含有しないことで、圧粉成形体に含まれる金属粉末の割合を多くできる。このため、プレス成形の圧力を低くしても、緻密な圧粉成形体が得られ易い。更に、圧粉成形体を後工程で脱脂する必要もない。
その理由は、水アトマイズ粉や還元粉は、粒子表面に凹凸が多く形成されていることから、成形時に粒子同士の凹凸が噛み合って、圧粉成形体の保形力を高められるからで
ある。一般に、ガスアトマイズ粉では、表面に凹凸の少ない粒子が得られ易いのに対し、水アトマイズ粉又は還元粉では、表面に凹凸が多い粒子が得られ易い。
金属粉末の平均粒径とは、ふるい分け試験方法(JIS Z8815)の乾式ふるい分け試験法により測定した質量粒度分布における累積質量が、50%となる粒径(D50)のことである。金属粉末の平均粒径が上記範囲内であれば、粉末の流動度が良いため取り扱い易くプレス成形が行い易い。
プレス成形工程30には、完成品である焼結製品に対応した形状に成形できる成形装置(成形用金型) が用いられる。図10Aに例示する圧粉成形体G01(スプロケット)では、すべての部分を成形時に一体に形成している。
圧粉成形体G01 の軸方向両端面は、上下のパンチでプレスされる面である。圧粉成形体G01の内周面と外周面は内外のダイとの摺接面である。成形工程におけるプレス成形の加圧力は、例えば400 MPa以上1000MPa以下とすることが挙げられる。
焼結工程40は、圧粉成形体を焼結させる工程である。焼結工程には、温度雰囲気制御が可能な焼結炉(図示略)が用いられる。焼結条件は、圧粉成形体の材質などに応じて、焼結に必要な条件を適宜設定すればよい。
焼結温度は、主たる金属粉末の融点以下(例えば1400℃ 以下)に設定され、例えば1000℃ 以上に設定することが好ましい。焼結温度は、1100℃以上又は1200℃以上であってもよい。
焼結時間は、例えば15分以上150分以下、或いは20分以上60分以下とすることが挙げられる。
サイジング工程50は、圧粉成形体を焼結した後の中間素材(焼結体)を再度圧縮することにより、焼結体の寸法精度を高める工程である。
サイジングに用いるプレス成形機は、例えば、ロボットアームなどにより焼結体がセットされる下型と、セットされた焼結体を上方からプレスする上型とを有する、ターンテーブル方式のプレス成形機よりなる。
サイジングにおけるプレス成形の加圧力は、焼結製品の種類によって異なるが、例えば250MPa以上800MPa以下とすることが挙げられる。
熱処理工程60は、サイジング後の焼結体に所定の熱処理を行うことにより、焼結体の表面を硬化させる工程である。
熱処理工程に用いる熱処理装置は、連続式及びバッチ式のいずれでもよい。バッチ式の熱処理装置は、焼結体に浸炭焼き入れを施す焼き入れ炉と、焼き入れ後の焼結体を焼き戻す焼き戻し炉などが含まれる。熱処理装置の浸炭方式は、ガス浸炭、真空浸炭、イオン浸炭のいずれであってもよい。
焼結製品として、スプロケットの製造工程を例にとって実施例を示す。
(実施例I)
Fe-2質量%Cu-0.8質量%Cの組成の金属粉末100質量部に対し、潤滑剤(ステアリン酸亜鉛)0.5質量部を添加した原料粉末を、成形装置を用いて加圧力500MPaで製品形状にプレス成形し、圧粉成形体を得た。さらに焼結炉で焼結温度1100℃、焼結時間30分で処理し、鉄系焼結体を得た。
実施例Iと同様の原料粉末を、成形装置を用いて加圧力500MPaで製品形状にプレス成形した後、得られた圧粉成形体の表面に、レーザーマーカー装置(パナソニック社製FAYbレーザーマーカー MP-M500)を用いて、表2に示す条件にて、第1の識別マーク(複数のドット状の第1の凹部を有する二次元コードを含む)をレーザーマーキングした。成形後の圧粉成形体の第1の識別マークをコードリーダーの可読性を評価した後、焼結炉で焼結温度1100℃、焼結時間30分で処理し、得られた鉄系焼結体の表面に、実施例Iと同様に、レーザーマーカー装置を用いて、第2の識別マークを形成した。第2の識別マークのレーザーマーキング条件は、表2のすべての試料について、実施例Iにおける表1中の試料No.I―4と同じ条件とした。その後、焼結後の鉄系焼結体での第1の識別マークおよび第2の識別マークのコードリーダー可読性を、各試料について実施例Iと同様のn数、方法でそれぞれ評価した。
いずれのケースにおいても、第1の識別マーク形成の後に、第2の識別マークを形成することによって、第1の識別マークと第2の識別マークを共存させることにより、管理できる情報の選択肢を増やすことができる。また、第1の識別マークが製造工程中に不良になったり、焼結後に消失したり、劣化したりする場合でも、鉄系焼結体に必要な識別マークを第2の識別マークによって確保することができる。
2 二次元コード
3 セル
4 凹部
5、6 走査軌跡
7 凸部
8 外周部分
9 第1のエリア
10第2のエリア
a 凹部の最底部
b 凸部の最頂部
c 境界
d 凹部の深さ
h 凸部の高さ
H 縦の長さ
W 横の長さ
L、L1、L2、L3 直線
C0、C1 識別マーク
G01 圧粉成形体
G10、G11、G12、G13 鉄系焼結体
Claims (6)
- 第1のレーザー光により、鉄系焼結体表面の識別マーク用のエリアに、所定深さのドット状の凹部を複数個形成する第1工程と、
第2のレーザー光により、前記ドット状の凹部以外の前記識別マーク用のエリアの表面を平坦化する第2工程と、を含み、
前記第1のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーが、前記第2のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーよりも大きく、
前記第1工程は、前記識別マーク用のエリア内の一部領域であるセルの内部を、前記第1のレーザー光を外側から内側へ向かって、円形状または多角形状の渦巻き状に回転させて、複数回照射する工程を含む、鉄系焼結体のレーザーマーキング方法。 - 前記第1のレーザー光は、単位スポットあたりの平均出力が20W以上でかつ50W以下、スポット径が0.010mm以上でかつ0.060mm以下、走査速度が250mm/s以上でかつ320mm/s以下であり、
前記第2のレーザー光は、単位スポットあたりの平均出力が10W以上でかつ25W以下、スポット径が0.010mm以上でかつ0.060mm以下、走査速度が1700mm/s以上でかつ3000mm/s以下である、請求項1に記載の鉄系焼結体のレーザーマーキング方法。 - 前記第1のレーザー光は、単位面積あたりの照射エネルギーが1.0J/mm 2 以上でかつ7.0J/mm 2 以下であり、
前記第2のレーザー光は、単位面積あたりの照射エネルギーが0.05J/mm 2 以上でかつ0.50J/mm 2 以下である、請求項1に記載の鉄系焼結体のレーザーマーキング方法。 - 圧粉成形体の表面の第1のエリアに、第1の識別マークを形成する工程と、
前記圧粉成形体を焼結してなる鉄系焼結体の表面の第2のエリアに、第2の識別マークを形成する工程と、を含み、
前記第2の識別マークは、第1のレーザー光により、前記第2のエリアに、所定深さのドット状の凹部を複数個形成する第1工程と、
第2のレーザー光により、前記ドット状の凹部以外の前記第2のエリアの表面を平坦化する第2工程と、を含み、
前記第1のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーが、前記第2のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーよりも大きいレーザーマーキング方法によって形成される、鉄系焼結体の製造方法。 - 前記第1の識別マークの形成方法が、レーザーマーキング方法である請求項4に記載の鉄系焼結体の製造方法。
- 前記第1の識別マークの形成方法が、第3のレーザー光により、前記圧粉成形体の表面の前記第1のエリアに所定深さのドット状の第1の凹部を複数個形成する1-1工程と、
第4のレーザー光により、前記ドット状の第1の凹部以外の前記第1のエリアの表面を平坦化する1-2工程と、を含み、
前記第3のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーが、前記第4のレーザー光の単位面積あたりの照射エネルギーよりも大きい請求項4または請求項5に記載の鉄系焼結体の製造方法。
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