JPS6050154A - レ−ザビ−ムによる表面処理方法 - Google Patents
レ−ザビ−ムによる表面処理方法Info
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- JPS6050154A JPS6050154A JP15701383A JP15701383A JPS6050154A JP S6050154 A JPS6050154 A JP S6050154A JP 15701383 A JP15701383 A JP 15701383A JP 15701383 A JP15701383 A JP 15701383A JP S6050154 A JPS6050154 A JP S6050154A
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- JP
- Japan
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- laser beam
- alloy
- atmosphere
- titanium
- surface treatment
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- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
この発明はレーザビームによる熱処理方法に関するもの
で、特にチタンやチタン合金の表面硬化に好適な熱処理
方法に係る。
で、特にチタンやチタン合金の表面硬化に好適な熱処理
方法に係る。
従来より、チタン及びチタン合金は、軽量で耐熱性に優
れていることがら、航空機工業の分野において、例えば
ロケットの外殻やジェ・７ト機のエンジンケース等に比
較的よく用いられている材料である。ところで、これら
材料をそのままの表面状態で、チタン同士が直接接触す
る摩擦部等に使用した場合には、焼付が生じ、その耐久
性が著しく低下するという欠点のあることが知られてい
る。
れていることがら、航空機工業の分野において、例えば
ロケットの外殻やジェ・７ト機のエンジンケース等に比
較的よく用いられている材料である。ところで、これら
材料をそのままの表面状態で、チタン同士が直接接触す
る摩擦部等に使用した場合には、焼付が生じ、その耐久
性が著しく低下するという欠点のあることが知られてい
る。
この対策として、その表面に窒化処理を施して硬度を増
加させ、沸騰塩酸や硫酸に対する耐食性と共に耐摩耗性
を向上することが行われている。この表面の窒化処理方
法としては、イオン窒化、アンモニアガス窒化、塩浴窒
化等が公知である。しかしながら、これら窒化処理方法
においては、いずれも数時間ないし数十時間という処理
時間を要し、作業能率及びエネルギー効率が著しく悪い
という欠点を有している。また、被処理部品の一部のみ
を窒化処理することができないというのも大きな欠点の
一つである。
加させ、沸騰塩酸や硫酸に対する耐食性と共に耐摩耗性
を向上することが行われている。この表面の窒化処理方
法としては、イオン窒化、アンモニアガス窒化、塩浴窒
化等が公知である。しかしながら、これら窒化処理方法
においては、いずれも数時間ないし数十時間という処理
時間を要し、作業能率及びエネルギー効率が著しく悪い
という欠点を有している。また、被処理部品の一部のみ
を窒化処理することができないというのも大きな欠点の
一つである。
この発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、チ
タン及びチタン合金を短時間で能率良く表面硬化するこ
とができ、しかも被処理９１％品の一部分だけを硬化す
ることも可能なレーザビームによる表面処理方法を提供
することにある。
タン及びチタン合金を短時間で能率良く表面硬化するこ
とができ、しかも被処理９１％品の一部分だけを硬化す
ることも可能なレーザビームによる表面処理方法を提供
することにある。
上記目的に沿うレーザビームによる表面処理方法は、窒
素の存在する雰囲気下において、チタン又はチタン合金
の表面にレーザビームを照射し、溶融させることを特徴
とするものとなる。
素の存在する雰囲気下において、チタン又はチタン合金
の表面にレーザビームを照射し、溶融させることを特徴
とするものとなる。
上記の結果、チタン等の溶融部表面近傍に瞬時にＴｉＮ
層が形成され、表面硬化を行うことが可能となる。
層が形成され、表面硬化を行うことが可能となる。
またこの発明の好ましい実施態様においては、その雰囲
気に窒素に加えてさらに酸素を含有させである。
気に窒素に加えてさらに酸素を含有させである。
その結果、処理後に良好な表面状態を得るための最適施
工条件（レーザ出力、焦点はずし距離等）を広範囲なも
のとすることが可能となる。
工条件（レーザ出力、焦点はずし距離等）を広範囲なも
のとすることが可能となる。
なお、本発明方法においては、チタン及びチタン合金そ
のものの表面処理を行う場合のほか、例えば他の材料の
表面にチタン層又はチタン合金層を形成し、これら層の
処理を行う場合も含まれるものであることはもちろんで
ある。
のものの表面処理を行う場合のほか、例えば他の材料の
表面にチタン層又はチタン合金層を形成し、これら層の
処理を行う場合も含まれるものであることはもちろんで
ある。
次にこの発明の具体的な実施例につき詳細に説明する。
まずアルゴン（Ａｒ） 、窒素（Ｎ２）及び空気の各雰
囲気下において、チタン金属表面にレーザビームの照射
を行った。この場合、レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧパ
ルスレーザを用い、パルスエネルギ２０ Ｊ／Ｐ、パル
ス幅３．６ ｍＳ、焦点はずし距離ｆｄ＝＋３０ｔ＋＋
（試片表面がビーム焦点より下方３０ｍ１に位置する状
態）でテストを行っている。
囲気下において、チタン金属表面にレーザビームの照射
を行った。この場合、レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧパ
ルスレーザを用い、パルスエネルギ２０ Ｊ／Ｐ、パル
ス幅３．６ ｍＳ、焦点はずし距離ｆｄ＝＋３０ｔ＋＋
（試片表面がビーム焦点より下方３０ｍ１に位置する状
態）でテストを行っている。
上記によって得られた溶融部近傍の金属組織の顕微鏡（
ＳＥＭ）写真を第１図（ａｌ （ｂｌ （Ｃ１に示す。
ＳＥＭ）写真を第１図（ａｌ （ｂｌ （Ｃ１に示す。
図のように、Ａｒ雰囲気下における溶融部第１図（ａ）
においては針状のマルテンサイト組織が観察され、他方
Ｎ２及び空気雰囲気下における溶融部（第１図（ｂｌ
（Ｃ１）においては、上記と同様なマルテンサイトと共
に、さちにその表面に約１０μｍ程度のデンドライト状
の白色層が観察された。
においては針状のマルテンサイト組織が観察され、他方
Ｎ２及び空気雰囲気下における溶融部（第１図（ｂｌ
（Ｃ１）においては、上記と同様なマルテンサイトと共
に、さちにその表面に約１０μｍ程度のデンドライト状
の白色層が観察された。
ところで、上記試片におけるその表面での硬度分布を測
定した結果を第２図に示すが、図のように溶融部表面の
硬度は、Ｎ２＆び空気雰囲気下のものにおいては著しく
向上し、他方Ａｒ雰囲気下のものにおいてはほとんど変
化していない。このように、Ｎ２及び空気雰囲気下にお
ける溶融部の硬度が上昇するのは、上記したプントライ
Ｉ・状の白色層の存在に起因するものと考えられるが、
次にこの白色層がＴｉＮであることを明らかにしたので
、その点について説明する。第３図（ａｌ （ｂｌ ４
こ上記各溶融部近傍でのＸ線波長分散型分析器（ＸＭＡ
）によるＴｉ及びＮの分析結果を示す。図のようにいず
れの場合にも表面層近傍においてＮ量が著しく増加して
おり、このことから上記白色層がＴｉＮであることが明
らかである。なお、この点についてはＸ線デイクラクト
メータを用いての確認も実施している。また、第３図（
ｂｌに示すように、空気雰囲気下での溶融部表面では、
０量が著しく増加しているが、これは、溶融部表面にま
ずＴｉＮが形成され、このＴｉＮがその後の冷却過程に
おいて下方へとブトライト状に成長し、−力量上表面に
おいては酸化によってＴｉＮの一部がＴｉＯ□、に変化
し、表面にＴｉＯ２が形成されるためである。このよう
に材料表面がＴｓｃ）２にて覆われた場合には、酸化性
酸に対する耐食性が著しく向上するため、好ましい。
定した結果を第２図に示すが、図のように溶融部表面の
硬度は、Ｎ２＆び空気雰囲気下のものにおいては著しく
向上し、他方Ａｒ雰囲気下のものにおいてはほとんど変
化していない。このように、Ｎ２及び空気雰囲気下にお
ける溶融部の硬度が上昇するのは、上記したプントライ
Ｉ・状の白色層の存在に起因するものと考えられるが、
次にこの白色層がＴｉＮであることを明らかにしたので
、その点について説明する。第３図（ａｌ （ｂｌ ４
こ上記各溶融部近傍でのＸ線波長分散型分析器（ＸＭＡ
）によるＴｉ及びＮの分析結果を示す。図のようにいず
れの場合にも表面層近傍においてＮ量が著しく増加して
おり、このことから上記白色層がＴｉＮであることが明
らかである。なお、この点についてはＸ線デイクラクト
メータを用いての確認も実施している。また、第３図（
ｂｌに示すように、空気雰囲気下での溶融部表面では、
０量が著しく増加しているが、これは、溶融部表面にま
ずＴｉＮが形成され、このＴｉＮがその後の冷却過程に
おいて下方へとブトライト状に成長し、−力量上表面に
おいては酸化によってＴｉＮの一部がＴｉＯ□、に変化
し、表面にＴｉＯ２が形成されるためである。このよう
に材料表面がＴｓｃ）２にて覆われた場合には、酸化性
酸に対する耐食性が著しく向上するため、好ましい。
次に上記のようなＴｉＮ層を形成するための好ましいレ
ーザ照射条件について説明する。レーザ照射後の照射部
表面形状に影響を及ぼす大きな因子としては、レーザエ
ネルギと焦点はずし距離「ｄとがある。第４図に、Ｎ２
．雰囲気下においてレーザはＪ′シ距離を変化させた場
合の溶融部の形状の変化を示すが、溶融部の形体は、図
のように焦点はずし距離を大きくするに従って、次第に
次のように変化していく。すなわち、（１１大のあいた
形状（同図＋１１１、）１タイプ） 、＋２）表面に凹
凸を有し平面形状が不規則で不良のものく同図（ｂ）、
Ｒタイプ） 、＋３１平面状は円形で良好ではあるが中
央部に突出部を有するもの（同図（Ｃ１、Ｃタイプ）（
４）円形の平面形状を有すると共に平滑な表面を有する
最適形状のもの（同図（ｄ）、Ｓタイプ）、＋５１表面
溶融が均一になされず、表面に小さな凹凸を有するもの
（同図ｔｅｌ、１タイプ）、という順序である。第５図
に、Ｎｚ雰囲気下における、レーザを１パルス照射した
場合に得られる溶融部の表面形状に及ぼす、焦点はずし
距離と、１パルス当たりのエネルギとの影響を示す。図
のように、レーザエネルギを増加させると、各タイプの
領域を示す限界の焦点はずし距離は次第に大きくなって
いく。このことから、平滑な表面を得るためには、各エ
ネルギに対しである程度の焦点はずし距離、すなわち照
射エネルギ密度の選択が必要となることが明らかである
。そこで、Ｉ −０，００４Ｂ／ （τ・πＤ）（ＫＷ
／ｄ） （ただし、■はパワー密度、Ｅは１パルス当た
りのエネルギ（、Ｊ／′Ｐ）、τはパルス幅（Ｓ）、ｌ
）はｄ−ｆｄ／ｆであってｄは焦点でのビーム径ｍ、ｆ
はレンズ焦点距離（ｍ）、ｆｄは焦点はずし距離（ｍｌ
）である）という近似式によって平均のパワー密度を概
算し、この概算パワー密度と焦点外し距離との関係で上
記した平滑な表面の得られるＳタイプの範囲を整理した
。その結果を第６図に示す。同図から平滑な表面の得ら
れる最適パワー密度は焦点はずし距離にかかわらず約０
、９〜１．７５ ＣＫＷ／１ｍ２）の範囲内であること
が明らかである。
ーザ照射条件について説明する。レーザ照射後の照射部
表面形状に影響を及ぼす大きな因子としては、レーザエ
ネルギと焦点はずし距離「ｄとがある。第４図に、Ｎ２
．雰囲気下においてレーザはＪ′シ距離を変化させた場
合の溶融部の形状の変化を示すが、溶融部の形体は、図
のように焦点はずし距離を大きくするに従って、次第に
次のように変化していく。すなわち、（１１大のあいた
形状（同図＋１１１、）１タイプ） 、＋２）表面に凹
凸を有し平面形状が不規則で不良のものく同図（ｂ）、
Ｒタイプ） 、＋３１平面状は円形で良好ではあるが中
央部に突出部を有するもの（同図（Ｃ１、Ｃタイプ）（
４）円形の平面形状を有すると共に平滑な表面を有する
最適形状のもの（同図（ｄ）、Ｓタイプ）、＋５１表面
溶融が均一になされず、表面に小さな凹凸を有するもの
（同図ｔｅｌ、１タイプ）、という順序である。第５図
に、Ｎｚ雰囲気下における、レーザを１パルス照射した
場合に得られる溶融部の表面形状に及ぼす、焦点はずし
距離と、１パルス当たりのエネルギとの影響を示す。図
のように、レーザエネルギを増加させると、各タイプの
領域を示す限界の焦点はずし距離は次第に大きくなって
いく。このことから、平滑な表面を得るためには、各エ
ネルギに対しである程度の焦点はずし距離、すなわち照
射エネルギ密度の選択が必要となることが明らかである
。そこで、Ｉ −０，００４Ｂ／ （τ・πＤ）（ＫＷ
／ｄ） （ただし、■はパワー密度、Ｅは１パルス当た
りのエネルギ（、Ｊ／′Ｐ）、τはパルス幅（Ｓ）、ｌ
）はｄ−ｆｄ／ｆであってｄは焦点でのビーム径ｍ、ｆ
はレンズ焦点距離（ｍ）、ｆｄは焦点はずし距離（ｍｌ
）である）という近似式によって平均のパワー密度を概
算し、この概算パワー密度と焦点外し距離との関係で上
記した平滑な表面の得られるＳタイプの範囲を整理した
。その結果を第６図に示す。同図から平滑な表面の得ら
れる最適パワー密度は焦点はずし距離にかかわらず約０
、９〜１．７５ ＣＫＷ／１ｍ２）の範囲内であること
が明らかである。
一方、空気雰囲気下において、焦点はずし距離と１パル
ス当たりのエネルギとが、溶融部の表面形状に及ぼす影
響についてのテスト結果を第７図に示す。図のように、
空気雰囲気下においてはＣタイプの領域は全く存在せず
−また平滑な表面の得られるＳタイプの領域は著しく広
くなっている。
ス当たりのエネルギとが、溶融部の表面形状に及ぼす影
響についてのテスト結果を第７図に示す。図のように、
空気雰囲気下においてはＣタイプの領域は全く存在せず
−また平滑な表面の得られるＳタイプの領域は著しく広
くなっている。
そのため、第８図に示すように、上記第６図と同様にし
てめた最適パワー密度は０．９〜４．３ （ＫＷ ／
朋” ）ときわめて広くなり、安定な表面処理が可能と
なる。
てめた最適パワー密度は０．９〜４．３ （ＫＷ ／
朋” ）ときわめて広くなり、安定な表面処理が可能と
なる。
第９図に上記方法によって得られた溶融部での硬化深さ
と、従来のイオン窒化法によって得られた硬化深さと対
比して示すが、と記方法によればきわめて大きな硬化深
さを得ることが可能となる。
と、従来のイオン窒化法によって得られた硬化深さと対
比して示すが、と記方法によればきわめて大きな硬化深
さを得ることが可能となる。
なお、この硬化深さをさらに増加させる必要のある場合
には、第１０図ｔａ）〜ｔｃ３に示すように複数回の照
射を（同図（ａ）は１回、同図（ｂｌは４回、同図（Ｃ
１は２０回照射したものを示している）行えばよく、同
図のように照射回数の増加に伴って窒化物ＴｉＮ生成領
域も増加する。この場合、ビーム照射条件が上記したＳ
タイプの領域内の条件であれば一１照射回数にかかわら
ず、その表面は平滑で良好な状態に保たれる。
には、第１０図ｔａ）〜ｔｃ３に示すように複数回の照
射を（同図（ａ）は１回、同図（ｂｌは４回、同図（Ｃ
１は２０回照射したものを示している）行えばよく、同
図のように照射回数の増加に伴って窒化物ＴｉＮ生成領
域も増加する。この場合、ビーム照射条件が上記したＳ
タイプの領域内の条件であれば一１照射回数にかかわら
ず、その表面は平滑で良好な状態に保たれる。
この発明のレーザビームによる表面処理方法は」−記の
ように構成されたものであり、したがってこの発明方法
によれば、チタン及びチタン合金を短時間で能率よく表
面硬化することができ、しかも被処理部品の一部分だけ
を硬化することが可能となる。
ように構成されたものであり、したがってこの発明方法
によれば、チタン及びチタン合金を短時間で能率よく表
面硬化することができ、しかも被処理部品の一部分だけ
を硬化することが可能となる。
しかも、その雰囲気に酸素を含有させた場合には、良好
な被処理表面を得るための最適施工条件をより一層広範
囲なものとすることが可能となる。
な被処理表面を得るための最適施工条件をより一層広範
囲なものとすることが可能となる。
第１図（ａ） （ｂ） ［０）はレーザビームを照射し
た溶融部の金属組織を示す顕微鏡写真、第２図はその硬
度分布の測定結果を示すグラフ、第３図は」−記溶融部
でのＸ線波長分散型分析器による１゛ｉ及びＮの分析結
果を示すグラフ、第４図はし〜ザビームを照射した溶融
部の各種形状の金属組織を示す顕微鏡写真、第５図は窒
素雰囲気下において溶融部の表面に及ぼす焦点はずし距
離とビームエネルギとの影響を示すグラフ、第６図は前
回においてモ滑な表面の得られる領域におけるパワー密
度と焦点はずし距離との関係を示すグラフ、第７図は空
気雰囲気下における第５図と同様な関係を示すグラフ、
第８図は空気雰囲気下における第６図と同様な関係を示
すグラフ、第９図は本発明方法と従来法とによってそれ
ぞれ得られる表面硬化深さを対比して示すグラフ、第１
０図はレーザビームを繰り返し照射した場合の金属組織
を示す顕微鏡写真である。 特許出願人 荒 １）吉 間 開 検線 朗 同 片山を二 第１図 第２図 □ｊシ＊ 隋修ζ御中ｔ（二・メン−いｙ」巨ヒ難 （
り？７／ｒγ（ン（ａ） 表面ケ・知ｙ２紘 （娃） 妻面７７伽”ＩＥ紘 Ｚ［相］ｍン 第８図 魚、臭ｌ寥丁”し距＃ ｆＸ （ｆｙＬ〜第９図 一−ｉｉ ）ｔ＋ｈｔｎ 距−’Ｗｒｋ、Ｚ（ツー１１
１１−乙：）・第１０図 １と巳 弓ヨ門門ヨ固−■■■ を口 ４回
た溶融部の金属組織を示す顕微鏡写真、第２図はその硬
度分布の測定結果を示すグラフ、第３図は」−記溶融部
でのＸ線波長分散型分析器による１゛ｉ及びＮの分析結
果を示すグラフ、第４図はし〜ザビームを照射した溶融
部の各種形状の金属組織を示す顕微鏡写真、第５図は窒
素雰囲気下において溶融部の表面に及ぼす焦点はずし距
離とビームエネルギとの影響を示すグラフ、第６図は前
回においてモ滑な表面の得られる領域におけるパワー密
度と焦点はずし距離との関係を示すグラフ、第７図は空
気雰囲気下における第５図と同様な関係を示すグラフ、
第８図は空気雰囲気下における第６図と同様な関係を示
すグラフ、第９図は本発明方法と従来法とによってそれ
ぞれ得られる表面硬化深さを対比して示すグラフ、第１
０図はレーザビームを繰り返し照射した場合の金属組織
を示す顕微鏡写真である。 特許出願人 荒 １）吉 間 開 検線 朗 同 片山を二 第１図 第２図 □ｊシ＊ 隋修ζ御中ｔ（二・メン−いｙ」巨ヒ難 （
り？７／ｒγ（ン（ａ） 表面ケ・知ｙ２紘 （娃） 妻面７７伽”ＩＥ紘 Ｚ［相］ｍン 第８図 魚、臭ｌ寥丁”し距＃ ｆＸ （ｆｙＬ〜第９図 一−ｉｉ ）ｔ＋ｈｔｎ 距−’Ｗｒｋ、Ｚ（ツー１１
１１−乙：）・第１０図 １と巳 弓ヨ門門ヨ固−■■■ を口 ４回
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、窒素の存在する雰囲気下において、チタン又はチタ
ン合金の表面にレーザビームを照射し、溶融させること
を特徴とするレーザビームによる表面処理方法。 ２、上記雰囲気が、さらに酸素を含有することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のレーザビームによる熱
処理方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15701383A JPS6050154A (ja) | 1983-08-26 | 1983-08-26 | レ−ザビ−ムによる表面処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15701383A JPS6050154A (ja) | 1983-08-26 | 1983-08-26 | レ−ザビ−ムによる表面処理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6050154A true JPS6050154A (ja) | 1985-03-19 |
Family
ID=15640268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15701383A Pending JPS6050154A (ja) | 1983-08-26 | 1983-08-26 | レ−ザビ−ムによる表面処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6050154A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01286870A (ja) * | 1988-05-13 | 1989-11-17 | Hitachi Koki Co Ltd | プリントハンマ |
| WO2008019721A1 (de) * | 2006-08-18 | 2008-02-21 | Mg-Micro Galva Gmbh | Laseroxidieren von magnesium-, titan- oder aluminiumwerkstoffen |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5550453A (en) * | 1978-10-06 | 1980-04-12 | Hitachi Ltd | Heat treating method for zirconium alloy |
| JPS55100947A (en) * | 1978-12-22 | 1980-08-01 | Gen Electric | Zirconium alloy having oneebodied anticorrosive beta hardened surface zone |
| JPS56150183A (en) * | 1980-04-18 | 1981-11-20 | Hitachi Ltd | Method for hardening ti and ti alloy |
| JPS57198259A (en) * | 1981-05-28 | 1982-12-04 | Toshiba Corp | Surface treatment of titanium or titanium alloy |
-
1983
- 1983-08-26 JP JP15701383A patent/JPS6050154A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5550453A (en) * | 1978-10-06 | 1980-04-12 | Hitachi Ltd | Heat treating method for zirconium alloy |
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| WO2008019721A1 (de) * | 2006-08-18 | 2008-02-21 | Mg-Micro Galva Gmbh | Laseroxidieren von magnesium-, titan- oder aluminiumwerkstoffen |
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