(57)【要約】【課題】十分な硬化層深さが得られる上、硬化処理後にフラットな表面形状が得られる、レーザによる金属製ワークの表面硬化処理方法を提供する。【解決手段】金属製ワークの表面硬化処理方法は、ワーク1の表面における硬化処理すべき面（被硬化処理領域）10に、前記被硬化処理領域10に対して所定速度で相対移動するレーザ光照射源2からレーザ光3を照射して、前記被硬化処理領域10を加熱溶融させた後、自己冷却させることにより、前記被硬化処理領域10に硬化層12を形成するものである。前記被硬化処理領域10に、前記レーザ光照射源2の相対移動方向Aに沿ってのびる複数の溝11を互いに隣接して平行に並ぶように予め形成しておく。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製ワークの表面における硬化処理すべき所定領域に、前記所定領域に対して所定速度で相対移動するレーザ光照射源からレーザ光を照射して、前記所定領域を加熱溶融させた後、自己冷却させることにより、前記所定領域に硬化層を形成する金属製ワークの表面硬化処理方法であって、
前記所定領域に、前記レーザ光照射源の相対移動方向に沿ってのびる1つまたは互いに隣接して平行に並ぶ複数の溝を予め形成しておくことを含んでいる、金属製ワークの表面硬化処理方法。
【請求項２】
前記溝を横断面略Ｖ形の溝とする、請求項１記載の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【請求項３】
前記横断面略Ｖ形の溝を、溝角度が９０°以下であって、２つの溝側面それぞれのレーザ照射方向に対する角度が４５°以下であるものとする、請求項２記載の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【請求項４】
前記溝を横断面略円弧形の溝とする、請求項１記載の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【請求項５】
前記溝を０.５〜１.５ｍｍの溝深さを有するものとする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【請求項６】
前記所定領域のうち前記レーザ光の照射による溶融の程度が他の部分と比べて相対的に大きい所定の一部のみに、前記溝を予め形成しておく、請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザを利用した金属製ワークの表面硬化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車部品のカムシャフトや、工作機械のボールネジ、主軸といった鋼材製の軸系ワークの場合、機械的強度や耐摩耗性等が要求される部分に対して、表面硬化処理を施すことが一般的に行われている。
【０００３】
このような表面硬化処理の一つとして、レーザによる焼入れが挙げられる。レーザ焼入れは、鋼材等よりなるワークの表面の硬化処理すべき領域にレーザ光を短時間照射することにより、照射箇所を変態点以上の温度まで加熱してオーステナイト化させた後、自己冷却、すなわち、ワーク内部への熱拡散によって急冷させることにより、ワークの表層部を焼入れ組織（マルテンサイト組織）にするものである（例えば、下記の特許文献１参照）。
このレーザ焼入れによる表面硬化処理は、一般に大気中で行うことができ、また、冷却装置や冷却材が不要であり、さらに、複雑な形状の部品への適用や、極小部品、深溝、穴側面、穴底面への処理が可能であるといった点で有利である。
しかしながら、一般的なレーザ焼入れの場合、高周波焼入れやその他の熱硬化処理に比べて、十分な硬化層深さが得られず、硬化処理を行っても負荷可能な荷重が限られるといった問題があった。
【０００４】
そこで、十分な硬化層深さが得られる硬化処理方法として、金属製ワークの表面を部分的に溶融させて硬化層を形成する再溶融硬化処理が知られている。例えば、下記の特許文献２には、レーザを利用した再溶融硬化処理方法が開示されている。
図９〜図１１を参照して上記方法を説明すると、まず、図９に示すように、金属製ワーク(100)表面の硬化処理すべき領域(101)に、同領域(101)に対して所定速度で所定方向に相対移動するレーザ発振器（図示略）からレーザ光(3)を照射する。
上記領域(101)のうちレーザ光が照射された箇所は、変態点以上の温度まで加熱させられてワーク(100)表面側が溶融させられ、レーザ発振器が通過してレーザ光の照射が終了すると、自己冷却により急冷させられ、それによって、図１０に示すように、溶融再凝固層(102a)とその下層側の焼入れ硬化層(102b)とよりなる硬化層(102)が形成される。溶融再凝固層(102a)では、溶融後に再凝固する過程で金属組織の粒径が小さくなり、それによって硬度が増大する。
ここで、ワーク(100)表面側の溶融再凝固層(102a)は、その中央部が山形に隆起するとともに、その両脇部が凹状に欠肉している。これは、溶融した金属が表面張力により膨張する等して大きく変形し、そのままの状態で急冷して再凝固することによるものである。
そのため、仕上げ工程として、硬化処理されたワーク(100)表面の領域(101)に研削加工を施して、図１１に示すように、ワーク(100)表面をフラットな状態にしている。仕上げ加工（研削加工）すべき量は、図１０に符号(103)で示す通り、比較的大きくなる。こうして得られた硬化層(102)は、一般的なレーザ焼入れによるものと比べて、より大きな深さが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−９９２１７号公報
【特許文献２】特開６−２４６４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したレーザによる再溶融硬化処理の場合、溶融した金属の表面張力による膨張等の変形が大きくなるため、硬化処理後のワーク表面の仕上げ加工量が多くなり、加工時間的に不利である。また、溶融による変形が大きすぎる場合、仕上げ加工での調整作業が増大する上、不良品の点数も増加してしまうという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、レーザによる金属製ワークの表面硬化処理方法として、十分な硬化層深さが得られる上、硬化処理後にフラットな表面形状が得られる方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は上記の目的を達成するために、以下の態様からなる。
【０００９】
１）金属製ワークの表面における硬化処理すべき所定領域に、前記所定領域に対して所定速度で相対移動するレーザ光照射源からレーザ光を照射して、前記所定領域を加熱溶融させた後、自己冷却させることにより、前記所定領域に硬化層を形成する金属製ワークの表面硬化処理方法であって、
前記所定領域に、前記レーザ光照射源の相対移動方向に沿ってのびる1つまたは互いに隣接して平行に並ぶ複数の溝を予め形成しておくことを含んでいる、金属製ワークの表面硬化処理方法。
【００１０】
２）前記溝を横断面略Ｖ形の溝とする、上記１）の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【００１１】
３）前記横断面略Ｖ形の溝を、溝角度が９０°以下であって、２つの溝側面それぞれのレーザ照射方向に対する角度が４５°以下であるものとする、上記２）の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【００１２】
４）前記溝を横断面略円弧形の溝とする、上記１）の金属製ワークの表面硬化処理方法。
【００１３】
５）前記溝を０.５〜１.５ｍｍの溝深さを有するものとする、上記１）〜４）のいずれか１つの金属製ワークの表面硬化処理方法。
【００１４】
６）前記所定領域のうち前記レーザ光の照射による溶融の程度が他の部分と比べて相対的に大きい所定の一部のみに、前記溝を予め形成しておく、上記１）〜５）のいずれか１つの金属製ワークの表面硬化処理方法。
【発明の効果】
【００１５】
上記１）の金属製ワークの表面硬化処理方法にあっては、金属製ワークの表面における硬化処理すべき所定領域にレーザ光が照射されて十分な熱量が加えられると、その表面に近い部分、すなわち１つの溝が予め形成されている場合は同溝の開口縁に近い部分、複数の溝が予め形成されている場合は隣接する溝どうしの間の山状部分から先に溶融し、同部分の溶融した金属が溝の底部側へ指向性をもって流れ込む。そのため、レーザ照射源が通過した後、自己冷却によって溶融部分が再凝固した状態では、上記領域には、図１０に示す従来技術のような大きな変形は見られず、ほぼフラットな表面形状となる。
したがって、上記１）の方法によれば、金属製ワークの表面硬化処理後の仕上げ加工が容易となり、工数を軽減することができる上、得られる硬化層の深さは十分かつ表面からより均一なものとなるため、性能上優れた製品を得ることができる。
【００１６】
上記２）の金属製ワークの表面硬化処理方法によれば、ワーク表面の所定領域に予め形成される溝を横断面略Ｖ形の溝とするので、硬化処理後のワークの表面形状がフラットなものとなりやすい。
【００１７】
上記３）の金属製ワークの表面硬化処理方法によれば、ワーク表面の所定領域に予め形成される横断面略Ｖ形の溝を、溝角度が９０°以下であって、２つの溝側面それぞれのレーザ照射方向に対する角度が４５°以下であるものとするので、溝の一方の側面に照射されたレーザ光の反射光が、溝の他方の側面に照射され易くなり、したがって、反射による損失が軽減されて、ワークへの入熱量が増大し、より少ないレーザ出力での処理が可能となる。
【００１８】
上記４）の金属製ワークの表面硬化処理方法によれば、ワーク表面の所定領域に予め形成される溝を横断面略円弧形の溝とするので、硬化処理後のワークの表面形状がフラットなものとなりやすい。
【００１９】
上記５）の金属製ワークの表面硬化処理方法によれば、ワーク表面の所定領域に予め形成される溝の溝深さを０.５ｍｍ以上とすることにより、上記領域がレーザ光の照射により溶融されて平坦な状態になるまでの時間が十分に確保され、したがって、十分な焼入れ深さが得られ、かつ、溝深さを１.５ｍｍ以下とすることにより、上記領域をレーザ光の照射により溶融させて平坦にするために必要な熱量が多くなり過ぎない。
【００２０】
上記６）の金属製ワークの表面硬化処理方法によれば、金属製ワークの表面の所定領域のうちレーザ光の照射による溶融の程度が他の部分と比べて相対的に大きい所定の一部のみに、前記溝を予め形成しておくことにより、自己冷却により溶融部分が再凝固した後の所定領域がよりフラットな表面形状となり、上記１）の方法について言及した前記効果がより一層顕著に奏される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る金属製ワークの表面硬化処理方法の一工程を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、上記工程においてワーク表面の被硬化処理領域にレーザ光が照射される時の状態を示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】上記被硬化処理領域の硬化処理後の状態を示す断面図である。
【図４】上記被硬化処理領域の仕上げ加工後の状態を示す断面図である。
【図５】上記被硬化処理領域に形成される溝の変形例を示す断面図である。
【図６】この発明の第２の実施形態に係る金属製ワークの表面硬化処理方法の一工程を示すものであって、ワーク表面の被硬化処理領域にレーザ光が照射される時の状態を示す断面図である。
【図７】上記被硬化処理領域の硬化処理後の状態を示す断面図である。
【図８】上記被硬化処理領域の仕上げ加工後の状態を示す断面図である。
【図９】従来の金属製ワークの表面硬化処理方法において、ワーク表面の被硬化処理領域にレーザ光が照射される時の状態を示す断面図である。
【図１０】従来方法における被硬化処理領域の硬化処理後の状態を示す断面図である。
【図１１】従来方法における被硬化処理領域の仕上げ加工後の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明の実施形態を、図１〜図８を参照して説明する。
【００２３】
［第１の実施形態］
図１〜図５は、この発明の第１の実施形態を示すものである。
図１に示すように、この実施形態は、鋼製ワーク(1)の所定の面(10)に、この発明による硬化処理方法によって、硬化層を形成するものである。
ワーク(1)の硬化処理すべき面（被硬化処理領域）(10)の上方には、レーザ発振器（レーザ照射源）(2)が対向状に配置されている。レーザ発振器(2)は、図示しない送り装置によって、ワーク(1)の被硬化処理面(10)の長さ方向に沿う所定方向(A)に所定速度で相対移動させられるようになっている。レーザ発振器(2)としては、エネルギー分布が矩形形状のものが使用されている。
【００２４】
ワーク(1)の被硬化処理面(10)には、その長さ方向に沿ってのびる複数の溝(11)が互いに隣接して平行に並ぶように予め形成されている。これらの溝(11)の形成手段は特に限定されないが、例えばワーク(1)が軸系のものであれば、旋盤の突っ切りバイト等を使用してワーク(1)表面を切削加工することにより形成することができる。
ワーク(1)の被硬化処理面(10)に形成される複数の溝(11)は、図２に詳しく示すように、横断面Ｖ形の溝よりなる。各溝(11)は、溝角度(B)が９０°以下であって、２つの溝側面(11a)(11b)それぞれのレーザ光(3)照射方向に対する角度(B1)(B2)が４５°以下となされている。また、各溝(11)の溝深さ(C)は、０.５〜１.５ｍｍとなされている。
なお、図示は省略したが、形成する溝の数は、ワークの被硬化処理領域のサイズ等によって適宜設定され、場合によっては１つでもよい。
【００２５】
そして、レーザ発振器(2)を所定速度で図１の符号(A)で示す方向に相対移動させながら、ワーク(1)の被硬化処理面(10)に対して、レーザ発振器(2)からレーザ光(3)を９０°の角度で照射させる。この際、レーザ発振器(2)の移動速度および照射するレーザ光(3)の出力等については、所望の硬化層が得られるように適宜設定しておく。
レーザ光(3)が照射されると、ワーク(1)の被硬化処理面(10)は、レーザ光(3)のエネルギーによって変態点以上の温度まで加熱される。特に、この実施形態では、図２に示すように、被硬化処理面(10)に形成された各溝(11)の一方の溝側面(11a)に照射されたレーザ光(3)が、反射して他方の溝側面(11b)に照射されるので、レーザ光(3)の照射による加熱が効率的に行われる。
【００２６】
レーザ光(3)の照射によって加熱されると、ワーク(1)の被硬化処理面(10)は、その表面に近い部分、すなわち、隣接する溝(11)どうしの間の山状部分から先に溶融していく。同部分の溶融した金属（鋼）は、各溝(11)の底部側へと指向性を持って流動する。
そして、レーザ発振器(2)が通過してレーザ光(3)の照射が終了すると、被硬化処理面(10)の照射箇所(10a)が、自己冷却、すなわち、ワーク(1)内部への熱拡散によって急冷させられる。これにより、図３に示すように、ワーク(1)の被硬化処理面(10)に、溶融再凝固層(121)とその下層側の焼入れ硬化層(122)とよりなる硬化層(12)が形成される。溶融再凝固層(121)は、その両端部がやや隆起しているが、その他の部分はほぼフラットな表面形状を有するものとなされている。
【００２７】
最後に、仕上げ工程として、硬化処理されたワーク(1)表面の硬化領域(10)に研削加工を施して、図４に示すように、ワーク(1)表面をフラットな状態とする。仕上げ加工（研削加工）すべき量は、図３に符号(4)で示す通りであって、図１０に示す従来技術の場合の仕上げ加工量(103)と比べて大幅に軽減される。
こうして得られた硬化層(12)は、図１１に示す従来技術の方法により得られた硬化層(102)と比べて、より一層十分な深さが得られる上、表面からの深さもほぼ均一したものとなる。
よって、この実施形態の表面硬化処理方法によれば、ワークの被硬化処理面(10)に対して、所望の機械的強度や耐摩耗性等を付与することができ、優れた性能を有する製品が得られる。
【００２８】
図５は、ワークの被硬化処理面(10)に予め形成される溝の変形例を示したものである。同図に示す溝(11X)は、横断面円弧形の溝よりなる。また、上記溝(11X)の溝深さ(C)は、図２に示す横断面Ｖ形の溝(11)の場合と同様である。
そして、上記のような横断面円弧形の複数の溝(11X)をワーク(1)の被硬化処理面(10)に予め形成した場合においても、横断面Ｖ形の溝(11)を形成した前述の場合と同様の作用効果が奏される。
【００２９】
［第２の実施形態］
図６〜図８は、この発明の第２の実施形態を示すものである。
この実施形態による金属製ワークの硬化処理方法では、図６に示すように、鋼等の金属製ワーク(1)の表面における硬化処理すべき領域（被硬化処理領域）(10)のうち所定の一部、すなわち、レーザ光(3)の照射による溶融の程度が他の部分と比べて相対的に大きい部分(10X)のみに、溝(11)を予め形成しておく。溝(11)の形状やサイズ等は、第１の実施形態と同じである。
被硬化処理領域(10)は、レーザ発振器(2)の相対移動方向（図１参照）に沿う長さを有しているとともに、同相対移動方向と直交する方向に沿う幅(W1)を有している。
溝(11)が予め形成される部分(10X)は、被硬化処理領域(10)の幅(W1)の一部分、具体的には、幅(W1)の両端部を除く中間部分となされている。好ましくは、溝(11)が予め形成される部分(10X)は、被硬化処理領域(10)の幅(W1)の５０％程度の幅(W2)を有するものとなされ、また、被硬化処理領域(10)の幅(W1)の中心位置から両端に向かって等距離だけ離れた位置までの範囲となされる。
【００３０】
そして、ワーク(1)の被硬化処理領域(10)にレーザ発振器（図示略）からレーザ光(3)を照射すると、被硬化処理領域(10)は、その表面に近い部分から先に溶融していく。特に、被硬化処理領域(10)のうち溝(11)が予め形成されている幅中間部分(10X)では、レーザ発振器から照射されるレーザ光(3)のエネルギー分布等により、両端部分と比べて溶融の程度が大きくなり、隣接する溝(11)どうしの間の山状部分の溶融した金属（鋼）が、各溝(11)の底部側へと指向性を持って流動する。
レーザ発振器が通過してレーザ光(3)の照射が終了すると、被硬化処理領域(10)の照射箇所が、自己冷却によって急冷させられる。これにより、図７に示すように、ワーク(1)の被硬化処理領域(10)に、溶融再凝固層(121)とその下層側の焼入れ硬化層(122)とよりなる硬化層(12)が形成される。この実施形態では、上記の通り、溝(11)を予備形成する部分(10X)が被硬化処理領域(10)のうち所定の一部のみとなされているため、第１の実施形態と比べて、溶融再凝固層(121)の両端部の隆起の程度がより小さくなり、ほぼフラットな表面形状を有する部分の割合がより大きくなっている。
【００３１】
その後、仕上げ工程として、硬化処理されたワーク(1)表面の硬化領域(10)に研削加工を施して、図８に示すように、ワーク(1)表面をフラットな状態とする。仕上げ加工量は、図７に符号(4X)で示す通りであって、図１０に示す従来技術の場合の仕上げ加工量(103)と比べて大幅に軽減され、また、図４に示す第１の実施形態の場合の仕上げ加工量(4)よりも更に少なくなっている。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明は、例えば自動車部品のカムシャフトや工作機械のボールネジ、主軸等の金属製ワークを表面硬化処理するための手段として、好適に用いられる。
【符号の説明】
【００３３】
(1)：ワーク
(10)：被硬化処理面、被硬化処理領域、硬化領域
(10X)：被硬化処理領域のうち溝を予め形成する部分
(11)(11X)：溝
(11a)(11b)：溝側面
(12)：硬化層
(121)：溶融再凝固層
(122)：焼入れ硬化層
(2)：レーザ発振器（レーザ照射源）
(3)：レーザ光
(4)(4X)：研削加工量
(A)：レーザ発振器の相対移動方向
(B)：溝角度
(B1)：一方の溝側面のレーザ光に対する角度
(B2)：他方の溝側面のレーザ光に対する角度
(C)：溝深さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2019214770.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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