(57)【要約】【課題】鋼材の表面の酸化を防止し、強度低下等の悪影響を回避可能な表面改質方法および表面改質装置を提供することを目的とする。【解決手段】表面改質装置１には、レーザ照射用の照射口７が設けられて工具鋼Ｗの表面を覆う覆い部材４と、この覆い部材４の内部に不活性ガスを供給するガスボンベＢと、照射口７を通してレーザ光を工具鋼Ｗに照射するレーザ照射装置の照射ノズル２とが備えられている。表面改質を行う際には、工具鋼Ｗ上に覆い部材４を載せ（覆い工程）、ガスボンベＢから覆い部材４の内部に不活性ガスを導入しつつ、照射ノズル２から覆い部材４の照射口７を通してレーザ光を照射する（照射工程）。これにより工具鋼Ｗの表面が改質処理される。このとき、工具鋼Ｗの表面が不活性ガス雰囲気下とされているから、鋼材表面の酸化による強度低下等の悪影響が回避される。【選択図】図１
2010196130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の表面にレーザを照射して表面改質を行う方法であって、
レーザ照射用の照射口を備える覆い部材によって前記鋼材の表面を覆う覆い工程と、
前記覆い部材の内部に不活性ガスを導入しつつ前記照射口を通して前記鋼材の表面にレーザ光を照射する照射工程と、
を含む鋼材の表面改質方法。
【請求項２】
前記不活性ガスとして空気より重い不活性ガスを使用する、請求項１に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項３】
前記鋼材が金型に使用される工具鋼である、請求項１または請求項２に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項４】
鋼材の表面にレーザを照射して表面改質を行うための装置であって、
レーザ照射用の照射口を備えて前記鋼材の表面を覆う覆い部材と、
前記覆い部材の内部に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記照射口を通してレーザ光を前記鋼材に照射するレーザ照射装置と、
を備える鋼材の表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の表面改質方法および表面改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
刃物、治具、金型等の材料として広く用いられる鋼材は、用途により表面硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性、靭性等、種々の特性が求められる。このため、これらの特性を得ることを目的として、レーザ照射等による表面改質が行われることが多い（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−９５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、鋼材に対して上記のようなレーザによる表面改質を施すと、レーザ照射時に鋼材の表面が酸化し、強度が低下してしまうことがあった。このような事態が生じると、表面改質を施す意味がなくなってしまうため、改善が望まれていた。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、鋼材の表面の酸化を防止し、強度低下等の悪影響を回避可能な表面改質方法および表面改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を解決するための手段として、本発明の表面改質方法は、鋼材の表面にレーザを照射して表面改質を行う方法であって、レーザ照射用の照射口を備える覆い部材によって前記鋼材の表面を覆う覆い工程と、前記覆い部材の内部に不活性ガスを導入しつつ前記照射口を通して前記鋼材の表面にレーザ光を照射する照射工程と、を含むものである。
【０００５】
また、本発明の表面改質装置は、鋼材の表面にレーザを照射して表面改質を行うための装置であって、レーザ照射用の照射口を備えて前記鋼材の表面を覆う覆い部材と、前記覆い部材の内部に不活性ガスを供給するガス供給部と、前記照射口を通してレーザ光を前記鋼材に照射するレーザ照射装置と、を備えるものである。
【０００６】
本発明の表面改質方法および装置は、工具鋼により形成された樹脂成型金型やプレス金型等に好適に適用することができる。特に、コネクタ製造用の金型部品であるコアピンに対して本発明を適用することにより、コアピンの強度向上・折れトラブルの解消に寄与することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、鋼材の表面に不活性ガスを存在させた状態でこの鋼材の表面にレーザ照射を行うことができる。これにより、鋼材表面の酸化を防止して強度低下等の悪影響を回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
＜実施形態１＞
以下、本発明を具体化した鋼材の表面改質装置および表面改質方法の実施形態１を図１によって説明する。
【０００９】
図１には、本実施形態の表面改質装置１の概略側面図を示した。この表面改質装置１は、被処理材であるステンレス系の工具鋼Ｗにレーザを照射して表面改質を行うためのものである。この表面改質装置１には、工具鋼Ｗにレーザを照射可能なレーザ照射装置の照射ノズル２が備えられている。レーザ照射装置としては、例えばＹＡＧレーザ装置を使用できる。
【００１０】
この照射ノズル２の吐出口の下方には、工具鋼Ｗをその上面に載置可能なステージ３が設けられている。このステージ３は、図示しない駆動機構によって工具鋼Ｗの表面に沿う２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動可能とされており、これにより、工具鋼Ｗを照射ノズル２に対して移動できるようになっている。
【００１１】
この表面改質装置１には、工具鋼Ｗの表面を覆う覆い部材４が設けられている。この覆い部材４は、天板部５と、この天板部５の周縁から下方に向かって延設される側板部６とを備えて下側に開放された容器状をなしている。天板部５の中央位置には、この天板部５を板厚方向（上下方向）に貫通する照射口７が開口されている。また、側板部６には、板厚方向に貫通するガス供給孔８が設けられ、ここには、覆い部材４の内部に不活性ガスを導入するためのバルブ付きのガスボンベＢ（本発明のガス供給部に該当する）が、ガス管９を介して接続されている。
【００１２】
次に、上記のように構成された表面改質装置１を使用して工具鋼Ｗの表面改質を行う方法について説明する。
【００１３】
まず、表面改質装置１のステージ３上に、工具鋼Ｗを、処理したい面を上側に向けて載置する。次に、工具鋼Ｗにおいてレーザを照射したい照射領域Ａ上に覆い部材４を載せる（覆い工程）。これにより、照射領域Ａの表面が覆い部材４の内壁面との間で不活性ガスを導入するための空間を確保しつつ覆い部材４によって覆われる。図１に示すように、工具鋼Ｗの表面が全面に渡って覆い部材４によって覆われている必要はなく、少なくとも照射領域Ａが覆われていれば良い。
【００１４】
次に、レーザ照射装置における照射ノズル２の位置を覆い部材４における照射口７の位置に整合するようにセットする。続いて、ガスボンベＢのバルブを開いて、覆い部材４の内部に不活性ガスを導入する。すると、覆い部材４の内壁面と工具鋼Ｗの表面とで囲まれた空間内に不活性ガスが満たされ、溢れた不活性ガスは上部の照射口７から覆い部材４の外部へ逃げる。これにより、工具鋼Ｗにおいて照射領域Ａの表面が不活性ガス雰囲気下となる。なお、不活性ガスとして、例えばアルゴン等の空気より重いガスを使用すれば、不活性ガスが覆い部材４の内壁面と工具鋼Ｗの表面とで囲まれた空間内において下部、すなわち工具鋼Ｗの表面上に溜まるため、好ましい。
【００１５】
この状態で、レーザ照射装置の照射ノズル２からレーザ光を照射する（照射工程）。照射ノズル２から射出されたレーザ光は覆い部材４の照射口７を通って工具鋼Ｗの表面に照射される。これにより工具鋼Ｗの表面が改質処理される。このとき、工具鋼Ｗにおいて照射領域Ａの表面が不活性ガス雰囲気下とされているから、鋼材表面の酸化による強度低下等の悪影響が回避される。
【００１６】
なお、ステージ３および覆い部材４を移動させて、照射ノズル２の工具鋼Ｗに対する相対位置を少しずつずらしながら板面方向に沿って走査させつつ照射を行うことによって、工具鋼Ｗの表面上の広範囲に渡って改質処理を行うことができる。
【００１７】
＜実施形態２＞
図２には、実施形態２の表面改質装置１０を示した。本実施形態の表面改質装置１０は、被処理材である工具鋼Ｗを内部に収容可能なボックス状のガス供給室１１（本発明の覆い部材に該当する）を備えている。このガス供給室１１の天井部１２にはレーザ照射のための照射口１３が貫通形成されている。また、ガス供給室１１の側壁部１４には、内部に不活性ガスを導入するためのバルブ付きのガスボンベＢが、ガス管１５を介して接続されている。また、ガス供給室１１の内部には、工具鋼Ｗをその上面に載置可能なステージ１６が設けられている。このステージ１６は、実施形態１と同様、図示しない駆動機構によって工具鋼Ｗの表面に沿う２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動可能とされている。
【００１８】
このガス供給室１１の上方には、工具鋼Ｗにレーザを照射可能なレーザ照射装置の照射ノズル１７が配されている。レーザ照射装置としては実施形態１と同様、例えばＹＡＧレーザ装置を使用できる。
【００１９】
上記のように構成された表面改質装置１を使用して工具鋼Ｗの表面改質を行うためには、まず、工具鋼Ｗをガス供給室１１内に収容し、処理したい面を上側に向けてステージ１６上に載置する。これにより、工具鋼Ｗの表面全体が、覆い部材であるガス供給室１１によって覆われた状態となる（覆い工程）。そして、レーザ照射装置における照射ノズル１７の位置を照射口１３の位置に整合するようにセットする。
【００２０】
次に、ガスボンベＢのバルブを開いて、ガス供給室１１の内部に不活性ガスを導入する。すると、ガス供給室１１の内部に不活性ガスが満たされ、溢れた不活性ガスは上部の照射口１３からガス供給室１１の外部へ逃げる。これにより、工具鋼Ｗの表面が不活性ガス雰囲気下となる。この状態で、レーザ照射装置の照射ノズル１７からレーザ光を照射する（照射工程）。照射ノズル１７から射出したレーザ光は照射口１３を通って工具鋼Ｗの表面に照射される。これにより工具鋼Ｗの表面が改質処理される。このとき、工具鋼Ｗの表面が不活性ガス雰囲気下とされているから、鋼材表面の酸化による強度低下等の悪影響が回避される。
【００２１】
なお、ステージ１６を移動させて、照射ノズル１７の工具鋼Ｗに対する相対位置を少しずつずらしながら板面方向に沿って走査させつつ照射を行うことによって、工具鋼Ｗの表面上の広範囲に渡って改質処理を行うことができる。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２３】
＜実施例＞
１．試験片
幅６０ｍｍ、奥行１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの直方体形状の工具鋼を準備した。工具鋼の化学組成を表１に示す。この工具鋼の上面において幅方向中央部に、奥行き方向に延びる幅０．７ｍｍ、深さ０．５ｍｍのＶノッチを形成し、試験片とした。
【００２４】
【表１】
2010196130.tif 000003
【００２５】
２．試験方法
レーザ装置としてはＹＡＧレーザ加工機ＭＷ２０００（住友重機械工業（株）製）を使用した。照射条件はレーザ出力１．５ｋＷの連続波とし、レーザ移動速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ、焦点外し距離を３３〜３９ｍｍの間で変化させ、キャリアガスは流量５０Ｌ／ｍｍのアルゴンを用いた。レーザ照射はＶノッチ部に３回繰り返し照射を行った。各レーザ照射ごとに酸化皮膜を除去するためエメリー紙＃２０００を用いてＶノッチ底を軽く研磨した。
レーザ照射前、および照射後の試験片について抗折試験を行い、破壊応力を測定した。図３には、試験装置の概略図を示す。試験片Ｔに対して負荷速度１〜４ｋｇ／ｍｉｎで垂直荷重を与え、破断荷重を測定した。
【００２６】
＜比較例＞
キャリアガスを用いない他は上記実施例と同様にして、試験片を作成し、レーザを照射した。レーザ照射前、および照射後の試験片について破壊応力を測定した。
【００２７】
３．結果
実施例におけるレーザ照射前、および照射後の試験片についての破壊応力の測定結果を表すグラフを図４に、比較例におけるレーザ照射前、および照射後の試験片についての破壊応力の測定結果を表すグラフを図５に、それぞれ示した。
試験片の表面にキャリアガス（アルゴン）を供給しない比較例においては、レーザ照射によって試験片の表面が酸化し、強度が低下した。これに対し、試験片の表面にキャリアガス（アルゴン）を供給しつつレーザ照射を行った実施例では、試験片の表面の酸化が防止され、強度を向上させることができた。
【００２８】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、レーザ照射装置としてＹＡＧレーザ装置を使用したが、本発明によればレーザ装置の種類は上記実施形態の限りではなく、この種の鋼材を加工するために通常使用されるものを使用できる。
（２）上記実施形態では、処理対象として工具鋼を例示したが、工具鋼に限らず種々の鋼材に対して本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態１の表面改質装置の概略側面図
【図２】実施形態２の表面改質装置の概略側面図
【図３】実施例における試験装置の概略側面図
【図４】実施例におけるレーザ照射前、および照射後の試験片についての破壊応力の測定結果を表すグラフ
【図５】比較例におけるレーザ照射前、および照射後の試験片についての破壊応力の測定結果を表すグラフ
【符号の説明】
【００３０】
１、１０…表面改質装置
２、１７…照射ノズル（レーザ照射装置）
４…覆い部材
７、１３…照射口
１１…ガス供給室（覆い部材）
Ｂ…ガスボンベ（ガス供給部）
Ｗ…工具鋼（鋼材）
【図１】
2010196130.tif 000004
【図２】
2010196130.tif 000005
【図３】
2010196130.tif 000006
【図４】
2010196130.tif 000007
【図５】
2010196130.tif 000008