(57)【要約】【課題】金属材料の所望の位置で局所的に結晶粒の大きさを制御し得る方法を提供すること。【解決手段】本発明の金属材料の結晶粒制御方法は、金属材料の所定の位置にレーザービームを照射することを含む。レーザービームの出力は２０Ｗ〜４０Ｗであり、エネルギー密度は４．２×１０７Ｗ／ｃｍ２〜８．４×１０７Ｗ／ｃｍ２であり、それぞれの所定の位置へのレーザービームの照射時間は２５秒以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の所定の位置にレーザービームを照射することを含み、
該レーザービームの出力が２０Ｗ〜４０Ｗであり、エネルギー密度が４．２×１０７Ｗ／ｃｍ２〜８．４×１０７Ｗ／ｃｍ２であり、該所定の位置への該レーザービームの照射時間が２５秒以下である、
金属材料の結晶粒制御方法。
【請求項２】
複数の所定の位置にそれぞれ前記レーザービームの照射条件を変えてスポット照射することにより、該所定の位置のそれぞれに異なる粒径を有する結晶粒を形成する、請求項１に記載の金属材料の結晶粒制御方法。
【請求項３】
前記レーザービームのビーム径が５０μｍ以下である、請求項１または２に記載の金属材料の結晶粒制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の結晶粒制御方法に関する。より詳細には、本発明は、金属材料の所望の位置で局所的に結晶粒の大きさを制御し得る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属および合金（以下、これらをまとめて「金属材料」という）は、輸送用機械および各種産業機器等の構造部材をはじめとして広く用いられている。金属材料の機械的性質および物理的性質は、材料中の結晶粒径や集合組織と極めて密接な関係があることが知られている。例えば、多結晶材料の強度および靭性は結晶粒のサイズが小さいほど向上し、電磁鋼板の磁気特性は磁区の大きさ（結晶粒の大きさ）および集合組織に依存して変化する。このため、結晶粒のサイズや方位の制御は材料設計上極めて重要である。
【０００３】
従来、例えば構造部材用途においては、強度、靭性および加工性などの機械的特性を向上させるために、金属材料の結晶粒を微細化する方法が知られている。結晶粒を微細化する代表的な方法としては、熱処理による方法、強加工により導入される歪を利用する方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。一方、フェライト系酸化物分散強化型鋼の高温クリープ強度の改善を目的として、粒界すべりを抑制するために結晶粒を大粒径化する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
近年、金属材料の用途の多様化に伴い、目的に応じた所望の特性を金属材料に付与することができる技術が望まれている。例えば、金属材料の所定の位置の結晶粒のみを選択的に微細化したり粗大化したりできれば、金属材料の用途が大きく広がることが期待される。しかし、上記従来技術はいずれも、金属材料の結晶粒のサイズを局所的に制御することはできない。
【特許文献１】特開２００３−７３７８７号公報
【特許文献２】特開２００４−６８１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、金属材料の所望の位置で局所的に結晶粒の大きさを制御し得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の金属材料の結晶粒制御方法は、金属材料の所定の位置にレーザービームを照射することを含む。レーザービームの出力は２０Ｗ〜４０Ｗであり、エネルギー密度は４．２×１０７Ｗ／ｃｍ２〜８．４×１０７Ｗ／ｃｍ２であり、それぞれの所定の位置へのレーザービームの照射時間は２５秒以下である。
【０００７】
好ましい実施形態においては、本発明の方法は、複数の所定の位置にそれぞれ上記レーザービームの照射条件を変えてスポット照射することにより、該所定の位置のそれぞれに異なる粒径を有する結晶粒を形成する。好ましい実施形態においては、上記レーザービームのビーム径は５０μｍ以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、非常に幅が狭いレーザービームを用いることにより、金属材料の所定の位置の結晶粒のみを選択的に照射することができる。その結果、目的に応じて任意の適切な位置の結晶粒サイズを選択的に変化させることができる。したがって、本発明の方法によれば、目的・用途に応じて適切な機械的特性および物理的特性を有する金属材料を簡便かつ安価に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の金属材料の結晶粒制御方法は、金属材料の所定の位置にレーザービームを照射することを含む。レーザービームのビーム径は、好ましくは５０μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ〜３０μｍであり、特に好ましくは３μｍ〜２０μｍであり、最も好ましくは５μｍ〜１０μｍである。このような非常に幅が狭いレーザービームを照射することにより、金属材料の特定の位置の結晶粒のみを選択的に照射することができる。このような非常に幅が狭いレーザービームは、レーザービームの波長等に応じて任意の適切な集光レンズを用いることにより得ることができる。レーザービームの波長としては、本発明の効果が得られる限りにおいて任意の適切な波長が採用され得る。１つの実施形態においては、レーザービームの波長は、好ましくは８００〜２０００ｎｍである。このような波長であれば、低コストで光源を得ることができる。別の実施形態においては、レーザービームの波長は、好ましくは４００〜８００ｎｍである。このような波長であれば、レーザービームが視認できるので、照射位置の調整が容易である。さらに、集光レンズの選択幅が広くなる。さらに別の実施形態においては、レーザービームの波長は、好ましくは１００〜４００ｎｍである。このような波長であれば、きわめて幅が狭いレーザービームを実現することができ、その結果、きわめて小さい領域で金属材料の結晶粒を制御することが可能となる。本発明に適用可能なレーザーの具体例としては、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザー、エキシマレーザー、半導体レーザー、Ｆ２レーザー等が挙げられる。
【００１０】
レーザーの照射条件は、所望の結晶粒径が得られ、かつ、金属材料が溶融しない範囲で適切に設定され得る。例えば、レーザーの強度（例えば、出力、エネルギー密度）と照射時間とを調整することにより、照射位置に形成される結晶粒径を制御することができる。照射位置を移動させて所定の位置への照射を所定の条件で行うことにより、局所的に制御された結晶組織を得ることができる。１つの実施形態においては、レーザーの出力は、好ましくは２０Ｗ〜４０Ｗであり、さらに好ましくは２５Ｗ〜３５Ｗである。レーザーのエネルギー密度は、好ましくは４．２×１０７Ｗ／ｃｍ２〜８．４×１０７Ｗ／ｃｍ２であり、さらに好ましくは５．２×１０７Ｗ／ｃｍ２〜７．３×１０７Ｗ／ｃｍ２である。照射時間は、レーザー出力またはエネルギー密度に応じて変化し得る。例えば、レーザーの出力が２５Ｗ（５．２３×１０７Ｗ／ｃｍ２）である場合には、照射時間は好ましくは２５秒以下、さらに好ましくは５秒〜２２秒であり、レーザーの出力が３０Ｗ（６．１９×１０７Ｗ／ｃｍ２）である場合には、照射時間は好ましくは１３秒以下、さらに好ましくは２秒〜１２秒であり、レーザーの出力が３４Ｗ（７．１４×１０７Ｗ／ｃｍ２）である場合には、照射時間は好ましくは６秒以下、さらに好ましくは１秒〜５秒である。例えば、工業用純アルミニウムにファイバーレーザー（波長１０７６ｎｍ）を２５Ｗで２０秒間照射すると、照射位置に粒径約５０μｍの結晶粒が形成され、３０Ｗで９秒間照射すると、照射位置に粒径約２０μｍの結晶粒が形成される。このように、本発明によれば、非常に短時間で金属材料の結晶粒径（結果として、結晶組織）を制御することができる。なお、照射時間が長すぎると、金属材料が溶融してしまう場合がある。照射時間が短すぎると、金属材料の組織を有効に変化させることができない場合がある。さらに、本発明によれば、金属材料の所定の位置に、それぞれ照射条件を変えてレーザーをスポット照射することにより、該所定の位置のそれぞれに異なる粒径を有する結晶粒を形成することができる。その結果、特定の位置のみ異なる特性を有する金属材料を作成することができる。
【００１１】
本発明の方法において、金属材料の所定の位置にレーザービームを照射する手段としては、任意の適切な手段が採用され得る。代表例としては、金属材料とレーザービームを相対的に移動可能としながら照射する方法が挙げられる。より具体的には、金属材料を所定の台に載置してレーザービームを照射する方法が挙げられる。この場合、載置台を移動させてもよくレーザービームを照射する光源を移動させてもよい。移動手段は、例えばＸ−Ｙプロッターのように周知であるので、詳細な説明は省略する。
【００１２】
本発明の方法が適用され得る金属材料としては、鉄、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの合金が挙げられる。さらに、当該金属材料は、カーボン等の非金属材料を含んでいてもよい。
【００１３】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されない。
【実施例１】
【００１４】
工業用純アルミニウム（Ａ１０５０、冷間圧延材、厚み１ｍｍ）を１ｃｍ×１ｃｍに切り出し試料とした。この試料を、Ｘ−Ｙステージ上に移動可能に取り付けられたホルダーに固定した。レーザーとしてファイバーレーザー（ＩＰＧフォトニクスジャパン社製、商品名ＹＬＲ−ＳＭ−１００；波長１０７６ｎｍ）を用い、集光レンズ（シグマ光機株式会社製、商品名：ＹＡＧレーザー集光レンズ（トリプレット）、品番：ＹＴＬ−３０−３０ＰＹ１）およびミラー（シグマ光機株式会社製、商品名：４５°入射用誘多膜平面ミラー（レーザーライン誘多膜平面ミラー）、品番：ＴＦＭ−５０Ｃ０８−１０６４）を用いてビーム径を５μｍに調整した。
【００１５】
上記試料の１ヶ所に、レーザーを出力３０Ｗで９秒間照射した。照射位置には、粒径約２０μｍの結晶粒が形成された。次に、試料ホルダーを移動させて、試料の別の位置に同様の条件でレーザーを照射した。この操作を繰り返し、試料の任意に選択した５ヵ所にレーザーを照射し、局所的に制御された結晶組織を形成した。形成された結晶組織の結晶方位マップを図１に示す。
【実施例２】
【００１６】
レーザーを出力２５Ｗで２０秒間照射したこと以外は実施例１と同様にして、局所的に制御された結晶組織を形成した。照射位置には粒径約５０μｍの結晶粒が形成されたことを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により確認した。
【実施例３】
【００１７】
試料の２ヵ所にレーザーを出力２５Ｗで２０秒間照射し、３ヵ所にレーザーを出力３０Ｗで９秒間照射したこと以外は実施例１と同様にして、局所的に制御された結晶組織を形成した。２５Ｗのレーザーを照射した位置には粒径約５０μｍの結晶粒が形成され、３０Ｗのレーザーを照射した位置には粒径約２０μｍの結晶粒が形成されたことをＳＥＭにより確認した。
【００１８】
（参考例１）
レーザーのエネルギー密度を変化させて、アルミニウム試料が溶融するまでの照射時間を調べた。溶融までの照射時間とエネルギー密度との関係を図２に示す。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の金属材料の結晶粒制御方法によれば、例えば、特定の部分は非常に優れた機械的強度を有し、かつ、他の特定の部分は非常に優れた靭性を有する金属材料を作製することができる。本発明の方法を用いて得られる金属材料は、例えば内燃機関の摺動部に好適に利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例により金属材料に形成された結晶組織の結晶方位マップである。
【図２】金属材料が溶融するまでのレーザー照射時間とレーザーのエネルギー密度との関係を示すグラフである。
【図２】
2009097028.tif 000002
【図１】
2009097028.tif 000003