JPS62270717A - 鋳鉄のレ−ザ−焼入れ方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ焼入れ方法に関し、詳しくは楕円形のレ
ーザビームを被加工物に照射することによりチル化を防
止し深い焼入れ硬化層を得ることのできる鋳鉄のレーザ
焼入れ方法に関する。

［従来の技術］ レーザビーｌ、は、集光することにより１０３〜１０’
Ｗ／ｃｍ２の高エネルギー密度となり、このビームを余
尺表面に短時間照射すると、材料表面近傍のみが急速に
加熱される。この際加熱速度が早いのでレーザ照射部以
外は昇温せず、表面と内部との間の急峻な温度勾配が形
成されるなめ、急速な熱伝導により自己焼入れされる。

この短時間照射という条件は、レーザビームを移動させ
たり、パルス出力のビームを照射することにより達成さ
れる。

レーザ発振器から取り出されるレーザビームのエネルギ
ー分布は大別するとシングルモード（ＴＥＭｏｏ）とマ
ルチモード（ＴＥＭｍｎ）に分けられる。

シングルモードのエネルギー分布は、第７図にその横断
面１および縦断面２を示したように、早鐘型である。こ
のシングルモードによってｉ１鉄を熱処理すると、第８
図に被加工物の断面を示したように、表面は硬く脆いチ
ル化部３に覆われ、その下をマルテンサイト変態により
硬化した焼入れ硬化部４が生成し母材５と接している。

このようにシングルモードの場合は、ビーム中心部はエ
ネルギー密度が高いため硬化表面の中心領域と周辺部で
温度差が著しく、焼入れ深さが均一にならず、中心部は
チル化部３が多く、焼入れ硬化部４は浅く組織が不均一
になるという欠点を有する。

また、従来のマルチモードのエネルギー密度分布は、第
９図の横断面６、ｘ−Ｘ方向およびＹ−Ｙ方向の縦断面
７ａ、７ｂに示すように、はぼ均一で平坦な形をしてい
る。しかし、マルチモードのビームの横断面６の形状は
従来円形のものしか存在しないので、マルチモードによ
って鋳鉄を熱処理すると、第１０図に被加工物の断面を
示したように、チル化部３の生成を完全に防止すること
は出来ずまた焼入れ部硬化４も深くすることが出来ない
という欠点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ このように従来の鋳鉄のレーザ焼入れでは、表面が硬く
て脆いチル化層で覆われるため割れ易く、焼入れ層も充
分な深さが得られない０本発明は従来の鋳鉄のレーザ焼
入れの前記のような問題点に鑑みてなされたもので、チ
ル化を完全に防止し、充分な深さの焼入れ硬（ヒ層が得
られる鋳鉄のレーザ焼入れ方法を提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の鋳鉄のレーザ焼入れ方法は、被加工物に略々楕
円形のレーザビームを照射すると共に、前記楕円形の長
軸方向に前記レーザビームを走査することを要旨とする
。

［作用コ レーザ発振器から取り出された断面円形のレーザビーム
は反射鏡により屈折集光され、反射鏡ないしは照射ヘッ
ドからの距離により被処理物の表面に楕円形のレーザビ
ームが照射°される。なお、本発明ではビームのエネル
ギー分布の平坦なマルチモードを採用した。被処理物の
表面はエネルギー吸収を良くするため予め難燃性の吸収
剤が塗布されているので、レーザビームが被処理物の表
面に吸収されて、表面温度が急激に上昇する。被処理物
の表面に楕円形のレーザビームが照射されると同時に、
照射ヘッドまたは被処理物が所定の速度で移動され、レ
ーザビームは楕円形の長軸方向に走査される。レーザビ
ームの走査により、レーザビームの取り除かれた部分で
は、表面の熱が処理部の内部へ熱伝導により放散され、
表面が急速に冷却され、自己焼入れが行なわれる。レー
ザビームの走査速度（＋＝／ｗｉｎ）、楕円の形状、パ
ワーを適当に選んでやると、表面はチル化しないで深い
焼入れ硬化層が得られる。これは進行方向にビームが細
長いため熱が被処理物の表面に滞留する時間が長いため
と思われる。

レーザビームの走査速度は、０．１ｍ／ｍｉｎよりも速
く、０．２ｍ／ｓｉｎより遅いことが好ましい。

走査速度がＱ、１ｍ／ｗｉｎより遅いとチル化が著しく
なり被処理物への入熱量が過大となり表面部が酸化熔融
して形状が崩れる。走査速度が０．２ｍ／１１１ｎより
速いと深い焼入れ硬化層が得られず、焼きムラが生じ均
一な焼入れ組織とならず、硬度低下や不均一の原因とな
る。

レーザビームの楕円の形状としては、長軸が２１〜２８
ＩＩＩ＠、短軸が６〜ｉｏａｍであることが好ましい、
長軸がこれより短くなると、チル化層が増加し焼入れ硬
化層も浅くなる。長軸がこれより長いとチル化層が増加
し焼入れ硬化層が得られない。

レーザビームのパワーは１．８ｋＷより大きく、２、Ｏ
ｋＷより小さいことが好ましい、パワーが１゜８ｋＷよ
り小さいと光分深い焼入れ硬化層が得られない、また、
パワーが２．０ｋＷ以上になると、処理部のチル化が激
しくなるからである。

［実施例］ 本発明の実施例のついて詳細に説明し本発明の効果を明
らかにする。

第１図は本発明に使用されるレーザ加工機の集光光学系
の概略を示す斜視図である。第１図において図示しない
レーザ発振器で得られた断面円形のレーザビーム１０は
、凹面状の第１の反射鏡１２により屈折され第２の反射
鏡１４に当てられる。

第２の反射［１４で屈折集光されたレーザビームは照射
ヘッド１６から被処理物１８表面に照射される。被処理
物１８に照射されるレーザビーム１０の形状は、照射ヘ
ッド１６からの距離によって第２図に示すような楕円状
ビーム断面形２０が得られる。第２図においてａは長軸
の長さｌｌ１ｍ、ｂは短−軸の長さ１を示す。

（実施例１） 得られた楕円状ビーム２０の内、長軸ａが２８１−１短
軸すが１０１１１−のものを用い、鋳鉄を被処理物とし
て長軸方向にレーザビームを移動させ、種々のパワーお
よび走査速度で被処理物を照射し、焼入れ組織を検査し
た。結果を第３図（Ｃ）に示す。

なお、比斂のために比較例１として短軸すは１０糟面の
ままで長軸ａを３ｍｌ１１にしたもの、比較例２として
短軸すは１０＋ｍのままで長軸ａを９ｍｍにしたものに
ついても、鋳鉄を被処理物として長軸方向にレーザビー
ムを移動させ、種々のパワーおよび走査速度で被処理物
を照射し、焼入れ組織を検査した。

その結果をそれぞれ第３図（Δ）および（Ｂ）に示す。

レーザビームの走査速度はいずれも０．１０．０゜２０
および０．３０１１１／彌ｉｎの３種類について行った
。また、図において下の横軸はパワー密度（出力／ビー
ム断面ｍ）Ｗ／ａｍ２、上の横軸はパワーｋＷを示す、
縦軸は被処理物の焼入れ部深さｍａ＋を示す。

第３図（Ａ）において比較例１は、かなり高いパワー密
度になるまで焼入れ硬化層は得られず、得られた焼入れ
硬化層は非常に浅く、それより高いパワー密度では被処
理物は総てチル化してしまう。

また、第３１２（Ｂ）において比較例２は、比較的低い
パワー密度で硬化層が得られ、順次硬ｆヒ層の深さは増
加するが、１１１１１６に満たない深さまで硬化して後
はチル化してしまう、これに対して第３図（Ｃ）の本発
明例では、低いパワー密度でチル化しないでＩＩ−以上
の深い焼入れ硬化層が得られた。

さらに、比較例４として比較例１で用いたビームの長軸
ａおよび短軸すの値を大きくした相似形のビームについ
て、同様に被加工物上を走査し、被加工物の硬化層の厚
さを測定し第４図に示す、第４図から明らかなように、
ビーム進行方向に対して偏平なビームは、パワーの低い
場合は焼入れ硬化層が出来ないかあるいは出来ても非常
に薄い。

パワーの増加と共に、焼入れ硬化層はやや深くなるもの
の同時にチル化層が厚くなる０以上からチル化を防止し
深い焼き入れをするにはビーム進行方向に細長い楕円形
をしたビームが最も都合が良いことが明らかである。

（実施例２） 長軸ａが２８１１ＩＩ１１短軸すが１０ｍ＋ａ、長軸ａ
が２５＋ａ＋ａ短軸すが８１１Ｉｆｉ、および長軸ａが
２１ｍｍ短軸すが６Ｉの三捌類の楕円形ビームについて
、ビームの走査速度を０．１０ｎ／ｗｉｎ、　０．２０
ｍ／ｍｉｎ、０．３０ｍ／ｓｉｎの３種類に変えて、種
々のパワーでビームを被加工物に照射し、被処理部の焼
入れ深さを測定し、その結果を縦軸に被処理部の硬化深
さｌ、横軸をパワーｋＷとして第５図に示した。

第５図より出力が１．８ｋＷより低くなると充分な焼入
れ深さが得られない、逆に出力が２．０ｋＷを越えると
、被処理部がチル化してしまう、また、ビームの走査速
度が０．１０ｍ／Ｉｎ１ｎであるときに、最も焼入れ深
さが深く、と−１１の走査速度が上がると焼入れ深さが
浅くなり、ビームの走査速度が０　、３０　ｍ／　＋＊
ｉｎになると充分な力Ｚ入れ深さが得られない０以上の
結果より楕円の形状は長軸ａは２１〜２８ｍｍが、短軸
すは６〜１０ｍｍが適切であることが明らかとなった。

また、ビーム走査速度０゜１０〜０．２０ｍ／ｓｉｎ、
出力１．８〜２．ＯｋＷにおいて、チル化層のない深い
焼入れ硬化層が得られることが確認された。

第６図は出力２．０ｋＷ、ビーム走査速度０．１ｍ／ｍ
ａｎ、長軸ａ２８ｍｍ、短軸１ｏｎＩＩ１１の条件でレ
ーザビームを照射した被加工物の焼入れ断面組織と表す
顕微鏡写真である。第６図がら明らかなように、チル化
層が全く生成しないで、深さ１１以上の焼入れ硬化層が
得られた。この焼入れ硬化層は硬度が均一で、ビッカー
ス硬度で平均８００を越え、良好な耐摩耗性を備えてい
る。

［発明の効果コ 本発明は以上説明したように、鋳鉄のレーザ焼入れにお
いて、レーザビームを反射鏡で屈折集光して被加工物の
表面に楕円形として照射し、この楕円形の長軸方向にレ
ーザビームを移動することによって、被加工物の熱処理
を行うものであって、鋳鉄の表面をチル化させないで、
従来方法では実現できなかったような深さまで焼入れ硬
ｆヒ層ｆ：（′２くすることができる。また、この焼入
れ硬１ヒ層の硬度は高く耐摩耗性を備え、チル化部がな
いためｆｆｒ撃が加わっても亀裂が発生しない笠の優れ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用されるレーザ加工機の集光光学系
の概略を示す斜視図、第２図は第１図のレーザ加工機で
得られた楕円状ビーム断面図、第３図（Ａ　）（Ｂ　）
（Ｃ”）、第４図および第５図は種々の条件でレーザビ
ームを照射した場合のパワー密度と被加工物のチル化層
の深さおよび焼入れ硬化層の深さの関係を示す図、第６
図は被加工物の焼入れ断面ｍ繊を表す顕微鏡写真、第７
図はシングルモードのエルネギ−分布を示す図、第８Ｕ
ｊｉはシングルモードのビームで照射した場合の被加工
物の断面組織の模式図、第９（２１はマルチモードのエ
ルネギ−分布を示す図、第１０図はマルチモードのビー
ムを照射した場合の被加工物の断面組織の模式図である
。 ３・・・チルｆヒ層、４・・・焼入れ硬化層、１０・・
・レーザビーム、（１２，１４）・・・反射鏡、２０・
・・楕円状ビーム断面形 鋼１０ 第２図 第７図　　　　　　　　　　第９図 第８０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被加工物に略々楕円形のレーザビームを照射する
   と共に、前記楕円形の長軸方向に前記レーザビームを走
   査することを特徴とする鋳鉄のレーザ焼入れ方法。