JPH0258357B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、装飾的な模様を着色した鋼板の製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

ステンレス鋼等の含クロム合金鋼は種々の方法
で着色されている。例えば特開昭51−120939号公
報等には化成処理によりステンレス鋼の表面に干
渉被膜を作り、青、金、赤、紫、緑に着色する方
法が示されている。しかしながら従来の着色方法
は鋼板の全面を一色に着色するものであり、模様
に着色したものではない。特願昭60−222770号は
本発明者等による着色模様鋼板の製造方法であ
り、酸化性酸もしくはその塩の水溶液に接した状
態の含クロム合金鋼に、穿孔遮蔽板を通してレー
ザー光を照射し、含クロム合金鋼の表面にレーザ
ー光を照射した部分と非照射部分を作り、次に酸
化処理により照射部分と非照射部分を色分け着色
する方法であるが、この方法は穿孔遮蔽板を使用
するために、精密な模様や微妙な色調よりなる色
分け模様鋼板の製造に際しては、操作が煩瑣であ
つた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、模様や色調を精密に制御することが
可能であり、且操作が容易な色分け模様鋼板の製
造方法に関する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は酸化力を有する酸もしくはその塩の水
溶液を合金鋼表面に接した状態でレーザー光を照
射することを特徴としている。接液方法として
は、浸漬、スプレーあるいは塗布などの方法が適
宜選択される。酸化性酸もしくはその水溶液に接
した状態の含クロム鋼表面にレーザー光を照射す
ると、公知の直接照射からは予見し得ない全く新
しい表面化学反応が生じることは、本発明者らに
よつて発見され、すでにその一部に関しては特許
出願がなされている（特願昭60−120967）。すな
わちこの特願昭60−120967は、溶液に硝酸、クロ
ム酸もしくはその塩等の水溶液を用い、合金鋼が
溶液と接した状態でレーザー光を照射すると、照
射された部分でクロムが表面に濃化する事を要旨
としたものである。この現象は、硝酸または硝酸
塩、クロム酸またはクロム酸塩、過マンガン酸ま
たは過マンガン酸塩等の１種以上を含む水溶液の
場合に限られ、通常の塩酸や硫酸等の非酸化性酸
では起らないが、起つてもその濃化程度は僅かで
ある。一方例えば硝酸塩のごとき酸化性酸の金属
塩の水溶液を用いて上記のごとくにレーザー光を
照射すると、金属塩からの金属イオンの析出は殆
ど起らないで、照射された部分の合金鋼の表面に
は、合金鋼中の特定成分の顕著な濃化が起きる。

本発明ではコンピユータで制御してレーザー光
を照射するが、第１図はそのフローチヤートであ
る。合金鋼上に描かせる画像データをキーボー
ド、マウス、イメージスキヤナー等によりコンピ
ユータに入力する。これらの連続的な画像データ
をレーザー光束の照射断面積に応じて分割し、照
射し得る画像に変換する。この際に目的とする
色、濃淡に従つてレーザー光の照射量を適宜選択
する。すなわち、非照射部との色の違いを大きく
したい時にはレーザー光の照射量を多くし、逆に
色の違いを小さくしたい時にはレーザー光の照射
量を少なくする。レーザー光の照射量の制御は、
連続発振レーザー光を使用する場合は各照射部へ
の照射時間を制御することにより、又パルスレー
ザー光を使用する場合は照射パルス数あるいはレ
ーザー光のエネルギーを制御することによつて行
なう。照射面上の照射光束の断面形状や断面の大
きさは、通常は入射レーザー光の光束と同じとす
るが、この形状や大きさは、合金鋼の表面に画く
画像に適するように適宜選択する。コンピユータ
によるレーザー光の照射の制御にあつては、先ず
合金鋼の表面に画く画像に適するようにレーザー
光の断面の形状や大きさを選定するが、この選定
に基づき描かれる画像の画素の形状や大きさも対
応して決まるため、以後は原図の各画素の濃淡
を、第１図で示したキーボードや、マウスやイメ
ージキヤナーで読みとり、画像データとしてコン
ピユータに入力する。これらの画像データーは、
CAD利用レーザー照射システムにより、例えば
Ｘ−Ｙステージを動かし又レーザー光の照射量を
制御して、原図の画素に対応する位置の合金鋼の
表面に、原図の画素の濃淡に対応する量のレーザ
ー光を照射して、必要な照射位置まで照射面を移
動するように、レーザー光の照射を制御するもの
である。

着色する酸化処理の方法としては、レーザー光
が照射されたクロム濃化部分と、レーザー光が照
射されなかつた部分が別の色に着色できる化学処
理の方法が適当である。本発明の方法でレーザー
光を照射した含クロム鋼板を大気中で、たとえば
約700℃に加熱すると、クロム濃化部分と他の部
分を別の色に着色することができる。もちろん、
この温度と時間とは、必要とする色に応じて任意
に選ぶことができる。又CrO₃およびH₂SO₄を主
成分とする溶液中に鋼板を浸漬しても、クロム濃
化部分と他の部分を別の色に着色することができ
る。

含クロム合金鋼がクロムを７％以上含有するク
ロム鋼またはニツケルクロム鋼の場合には、レー
ザー光の照射によつて顕著なクロム濃化が起きる
ために、クロム濃化部分と非照射部分を別の色に
着色することができる。

〔作用〕

酸化性酸もしくはその塩の水溶液に接した状態
の含クロム鋼にレーザー光を照射した場合に表面
のクロムが濃化かるメカニズムを以下第２図を用
いて説明する。第２図のＡは、クロム系ステンレ
ス鋼（SUS430）を10％硝酸の水溶液に浸漬し、
ガラス製窓を通して外部より鋼表面にレーザー光
を照射（2.2J.照射時間3nsec×６回）した後、引
上げて水洗し、その表面の組成をオージエ電子分
光（AES）によつて測定した結果で、比較のた
め無処理の結果を図中にＢで示した。図から分か
るように、レーザー光照射によつて表面のクロム
が著しく濃化し、その濃度は原子濃度にして２倍
以上の約28原子％にもなつている。これはレーザ
ー光の照射によつて本来存在した合金表面被膜が
瞬間的に破壊され、母相の鉄の選択的溶解が起こ
り、同時に溶液の酸化力によつて短時間（0.1秒
以下）に新しい酸化膜（不働態被膜）が再生さ
れ、結果的にクロムの濃化した表面被膜が形成さ
れるものであることを示している。上記の現象
は、クロムを５〜６重量％含むクロム鋼を硝酸水
溶液でレーザー光を照射した場合にも起り、レー
ザー光が照射された部分の表面クロム濃度は
SUS410（13％クロム鋼）の表面クロム濃度と同
等以上となる。

酸化力のある水溶液中の含クロム鋼にレーザー
光を照射すると、クロム以外にもニツケル、チタ
ン、モリブデン、ニオブ、珪素が照射部の表面に
濃化してくる。

本発明に用いられる水溶液は酸化力のある酸も
しくはその塩であつて、通常は硝酸、硝酸ナトリ
ウム、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、亜硝
酸、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム等の硝酸
系水溶液、クロム酸、クロム酸アンモニウム、ク
ロム酸ナトリウム、重クロム酸、重クロム酸ナト
リウムあるいは重クロム酸アンモニウム等のクロ
ム酸系水溶液、及び過マンガン酸、過マンガン酸
カリ等の水溶液が用いられる。而して硝酸塩の場
合は前記のアルカリ金属塩やアンモニウム塩の他
に、ニツケル、鉄、クロム等の金属塩を用いても
よい。また水溶液の濃度は特に規定する必要はな
いが、濃度が低く過ぎると酸化力がなくなるた
め、例えば硝酸系では２％以上、望ましくは５％
以上がよい。クロム酸、過マンガン酸でも５％以
上が望ましい。

レーザーの光源については表面層のみを励起す
る必要から短時間に高エネルギーを集中できるパ
ルスレーザーが好ましく、ルビーレーザー、
YAGレーザー、ガラスレーザー、CO₂レーザー
などを用い、Ｑスイツチングしてピーク値が大き
く、パルス時間巾の短いものがよい。例えばパル
スレーザー光のパルス時間巾が200ｍsec以下で、
そのエネルギー密度が0.05ジユール以上あればよ
いが、目的とする表面濃化度を得るためには、照
射を繰返し行えばよい。表面濃化度は照射エネル
ギーに比例して増大することとなる。

レーザー光の照射をコンピユータで制御するシ
ステムを第３図に例示した。第３図は合金鋼５が
Ｘ−Ｙ移動ステージ３上にある酸化性酸又は塩の
水溶液中に置かれ、コンピユータ２により制御さ
れて移動し、レーザー光を照射する例を示してい
るが、鋼板を動かさないで、鏡群６やレンズ群７
の位置や方向をコンピユータで移動制御すること
によりレーザー光の照射部分を移動させることも
できる。照射するレーザー光の光束の断面形状
は、テレスコープレンズの使用等光学的方法によ
つても、所望の形状とすることができるが、レー
ザー光の強度分布が光軸に対して対象のときは、
光束の断面形状は真円に近いものとなるため、例
えば正方形の断面形状の光束を使用する場合は、
正方形のスリツトを通過させることによつても、
強度分布が均一に近い正方形の光束をうることが
できる。又レーザー光の光束の断面の大きさは、
レンズ等の位置を移動して、もしくはレンズ群の
種類を変化させてレーザー光の集光を調整して所
望の大きさとすることができる。上記の如く、照
射に使用するレーザー光の光束の断面の形状や大
きさは、鏡やレンズ等の移動や、複数の形状の異
なるスリツト群から適当なスリツトを選択するこ
とにより、所望のものが得られるが、こうした移
動方法や選択の方法を、CAD利用レーザー照射
システムに予め入力しておく事により、容易に再
現、制御して使用することができる。

着色するための酸化処理の方法としては、レー
ザー光の照射量が異なり従つてクロムの濃化の程
度が異なつた合金鋼表面の各々の部分が、クロム
の濃化の程度に応じて異なつた色に着色できる方
法で行う。含クロム鋼の着色には多くの方法があ
るが、上記のクロム濃化部分における濃化層の厚
みが薄いためにクロム濃化の影響が維持される着
色方法が適当である。含クロム鋼を加熱すると酸
化膜の厚みによつて干渉色に発色することは広く
知られている。本発明者らはクロム濃化部を模様
状に配した17％クロム鋼の鋼板を、大気中約700
℃に３分間加熱したところ、実施例１に示したご
とく、クロム濃化部は赤紫色に着色したが、照射
を受けなかつた部分は、青色に着色し美麗な色分
け模様鋼板をつくることができた。これは上記の
方法によるレーザー光の照射によるクロム濃化部
は非照射部に比べて、大気中に加熱した場合に発
生する酸化被膜の成長が遅いことを示すもので、
更に加熱時間、温度を変えることによつて照射部
と被照射部での色の組合せが異なる各種の色分け
模様鋼板の製造ができる。

着色する酸化処理の別の方法を実施例２に示し
た。SUS304（18−８ステンレス）鋼CrO₃及び
H₂SO₄を主成分とする約75℃の水溶液中に浸漬
すると、鋼板表面にクロムを含む被膜が形成さ
れ、浸漬時間の経過により被膜が厚くなり、上記
被膜は厚さによつて異つた干渉色を呈する事は公
知である。本発明者らは、本発明のレーザー光の
照射後の試料をCrO₃250ｇ／、H₂SO₄500ｇ／
の水溶液に75℃で10分間浸漬したところ、クロ
ム濃化部は金色、照射を受けなかつた部分は緑色
を呈し、色彩の異なる色分け模様鋼板を製造する
ことができた。この方法においてもやはり、浸漬
時間、温度などを変えることにより各種の色の組
合せが製造できる。

〔実施例〕

(1) コンピユータのキーボードより漢字のコード
を入力し、これを画像データに変換し、５％硝
酸中に浸漬したSUS304の鋼板の上に５mm角の
スポツトでコンピユータ制御によるパルス
YAGレーザー照射を行つた。照射後の鋼板を、
クロム酸：250ｇ／、硫酸：500ｇ／の溶液
中で、75℃、10分間処理により着色した。この
処理により30cm角の鋼板の表面にあざやかに漢
字を描くことができた。

(2) マウスにより、グラフイツクデサインをコン
ピユータに入力し、２％クロム酸溶液中に浸漬
したSUS304鋼板の上に２mm角のスポツトでコ
ンピユータ制御によるパルスYAGレーザー照
射を行つた。色の違いは照射パルス数により制
御した。照射後の試料を実施例(1)と同様の方法
で着色し、あざやかな模様付着色鋼板を作成し
た。

(3) イメージスキヤナーにより、紙に描かれたグ
ラフイツクデサインをコンピユータに入力し、
実施例(2)と同様の方法により模様付着色鋼板を
製造した。

(4) マウスによりグラフイツクデサインをコンピ
ユータに入力し、１％の過マンガン酸カリ溶液
中に浸漬した13Cr鋼板を、５mm角のスポツト
で連続YAGレーザーにより照射した。各点の
照射時間は0.1秒で行つた。照射後の鋼板を大
気中で800℃、１分間加熱し、酸化膜を成長さ
せた。この処理により、模様付着色鋼板を製造
することができた。

〔発明の効果〕

従来の鋼板表面の着色は、表面全体を一色に着
色するものであつたが、本発明の方法により鋼板
の表面を色分け模様に着色することができる。又
本発明の方法では、レーザー光で模様を描くに当
り、模様の形状を刳りぬいたスリツト（穿孔遮蔽
板）を使用しないために簡易に模様を描くことが
できる。更に本発明はコンピユータでレーザー光
の、光束の大きさや照射量等を制御するために、
細い線図や、多くの色相や、微妙な色調の相違か
らなる着色模様鋼板を容易に製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、コンピユータで制御してレーザー光
を照射するフローチヤート、第２図は、レーザー
光の照射による鋼表面のクロム濃化状態を示す図
で、Ａは硝酸中でのレーザー光の照射後の鋼板表
面のクロム濃化状態を、Ｂは照射前の状態を示し
ている。第３図はレーザー光の照射をコンピユー
タで制御するシステムを例示した図で、図中１：
レーザー発信装置、２：コンピユータ、３：Ｘ−
Ｙ移動ステージ、４：酸化性酸又は塩の水溶液、
５：含クロム合金鋼、６：鏡群、７：レンズ群で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化性酸もしくはその塩の水溶液に接した状
   態の含クロム合金鋼の表面に、コンピユータで制
   御して、レーザー光の光束を照射部分を移動して
   照射し、含クロム合金鋼の表面にレーザー光の照
   射量が異なる部分を作り、次に酸化処理により、
   照射量に相応した色分け着色をする着色模様鋼板
   の製造方法。 ２ 酸化性酸もしくはその塩の水溶液が、硝酸ま
   たは硝酸塩、クロム酸またはクロム酸塩あるいは
   過マンガン酸または過マンガン酸塩の１種以上を
   含む水溶液である特許請求の範囲第１項に記載の
   着色模様鋼板の製造方法。 ３ 含クロム合金鋼が、クロムを７重量％以上含
   有するクロム鋼またはニツケルクロム鋼である特
   許請求の範囲第１項または第２鋼に記載の着色模
   様鋼板の製造方法。 ４ 酸化処理が大気中での加熱による干渉色発色
   処理である特許請求の範囲第１項または第２項ま
   たは第３項に記載の着色模様鋼板の製造方法。 ５ 酸化処理がCrO₃およびH₂SO₄を含む溶液中
   への浸漬工程を含む干渉色発色処理である特許請
   求の範囲第１項または第２項または第３項に記載
   の着色模様鋼板の製造方法。 ６ コンピユータによる制御が、照射面上のレー
   ザー光を照射する位置、レーザー光の照射量、照
   射面上のレーザー光束の断面の形状及び大きさで
   ある特許請求の範囲第１項または第２項または第
   ３項または第４項または第５項に記載の着色模様
   鋼板の製造方法。