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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2016

研究論文

鋼材へのレーザ焼入れにおける表面粗さと板厚 の影響
津 本 宏 樹 ＊ 1、 清 水 彰 子 ＊ 1、 横 山

博 ＊ 1、 花 井 敦 浩 ＊ 2、 古 澤 秀 雄 ＊ 1

Effect of Surface Roughness and Plate Thickness
in Laser Quenching of SteelHiroki TSUMOTO *1 , Akiko SHIMIZU *1 , Hiroshi YOKOYAMA *1 ,Atsuhiro HANAI * 2 and Hideo FURUZAWA *1
Industrial Research Center * 1
レーザ焼入れにおいて、焼入れに影響を及ぼす因子とその影響度を明らかにするため、材料の表面粗さ（フライス仕上げ、研磨仕上げ等）および板厚が与える影響について検討をおこなった。結果、特定のレーザ照射条件において、硬化層の生成有無や温度など、表面粗さが鋼材の焼入れに影響を与えることが明らかとなった。また、同じレーザ照射条件であっても板厚によっては欠陥や不完全焼入れ層が形成され、熱歪みが顕著に現れることが分かった。

１．はじめにスクが使われており、波長は 1030nm である。レーザ

近年、レーザ装置の高出力化、高品質化、低コスト光は 15×1mm のライン状に成形されており（焦点距離化が進んだことにより、切断、溶接、微細加工など各種320mm）、走査速度は 300mm/分、焦点位置は試験片表

レーザ加工技術に関する研究が盛んに行われている1)。

面とし、試験片の固定にはバイスを用いた。よってレー鋼材の熱処理（特に焼入れ）においてもレーザを適用す

ザ照射面および裏面は接触物がない状態となる。試験片ることで、熱歪みが少ない、複雑形状への適用が可能、の材質は機械構造用炭素鋼（S50C）とし、表面仕上げ工程がクリーン、省エネルギーなどのメリットがあるとと板厚の組み合わせにより表１の 7 仕様を製作した。

2)言われている 。

サーモグラフィは、試験片表面のレーザ照射軌跡全体を

レーザ焼入れは、高周波焼入れなど従来の焼入れとは異なる手法であることから、本技術をより普及させる撮影できるように設置し、焼入雰囲気は大気雰囲気とした。

ためには、焼入れに際してどのような影響因子が存在し、表１

試験片仕様

その因子がどの程度焼入れに影響を与えるのかを明らか試験片大きさ[mm]にする必要がある。

番号(縦×横×板厚)

150×50×10250×50×10

350×50×10

450×50×10

550×50×4

フライス加工のまま

著者らはこれまでに、レーザ照射条件や焼入雰囲気がレーザ焼入れに及ぼす影響について研究をおこなってきた 3)4)。本研究では新たな影響因子として、レーザ照射面における試験片の表面粗さおよび試験片の板厚を取り上げ、焼入れにどのような影響を及ぼすのかを明らかにすることを目的とした。また、品質の予測手段としてサーモグラフィを用いて、レーザ照射時の試験片の表面温度を測定し、硬化層深さとの相関について検討した。

表面仕上げ方法
フライス加工のまま
耐水研磨紙(80 番)仕上げ
耐水研磨紙(400 番)仕上げ
バフ研磨（鏡面）仕上げ

650×50×2

フライス加工のまま

２．実験方法750×50×1

フライス加工のまま

レ ー ザ は 、 最 大 出 力 4000W の デ ィ ス ク レ ー ザ

2.2 実験条件

2.1 実験システム（Trump 社）を使用した。レーザの媒質には Yb:YAG

表面粗さおよび板厚の影響をみるため、レーザ出力と（Ytterbium doped Yttrium Aluminum Garnet）ディ試験片仕様を組み合わせ、表２(a)、(b)の条件で実験＊

1 産業技術センター 金属材料室

2 産業技術センター＊

金属材料室（現産業労働部産業振興課）

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した。サーモグラフィの放射率 ε については、ε=1.0 にライス加工）でのみ試験片表面のレーザ照射部が黒色に設定した。このため、サーモグラフィの温度表示は実温変色し、酸化スケールが生成した。条件 A1、A2 にお度ではなく、測定上の見かけの温度となっている。

ける実験後の試験片外観、断面組織およびレーザ照射中

表２(a)

実験条件のサーモグラフィ像を図３に示す。断面組織観察から表面粗さの影響

条件 A1 の表層には焼入れによる硬化層が生成していることが確認できた。

レーザ出力[W]

試験片番号1234500

A1A2A3A4600

A5A6A7A8800

A9A10A11A121000

A13A14A15A16(b)A13～A16A9～A12A5～A8板厚の影響
A2～A4

レーザ出力[W]試験片番号1567300

B1B2B3B4500

B5B6B7B8800

B9B10B11B12A1R2=0.97■：フライス◆：80 番△：400 番●：バフ研磨図２

サーモグラフィ温度と硬化層深さの関係

図３

試験片外観、断面組織、サーモグラフィ像

３．実験結果および考察
3.1 表面粗さの影響
まず、触針式表面粗さ測定機により、実際に実験に使用した試験片の表面粗さを測定した結果を図１に示す。
この結果から、試験片の表面性状はフライス加工で仕上げた仕様の凹凸が最も大きく、バフ研磨仕上げのものが最も平滑となっていることが分かる。
6.093

0.163
0.071

（上：条件 A1、下：条件 A2）

0.015

条件 A5～A8（レーザ出力 600W）において、レーザ照射中にサーモグラフィが記録したピーク温度の時間的変化を図４に示す。t=0 においてレーザ照射を開始し、
図１ 表面粗さ測定結果（数値は n=4 の平均値）

レーザ照射中は常に試験片表面のレーザ照射部において次に、サーモグラフィ温度とレーザ焼入れにより生成ーザ照射を開始してから一定時間の後、急激に上昇し、された有効硬化層深さ（ビッカース硬さが 450 HV とな

その後ほぼ一定の値を示した。昇温は試験片表面が最もる試験片表面からの距離）の関係を図２に示す。硬化

粗い条件である A5（フライス加工仕上げ）が一番早く、層が生成された条件においては、表面の仕上げ方法に関最も平滑な条件である A8（バフ研磨仕上げ）が一番遅

係なくサーモグラフィ温度と有効硬化層深さにはほぼ線かった。

ピーク温度が記録されていた。試験片の表面温度は、レ形の関係が得られた。レーザ出力が最も低い実験条件で表面粗さの大きい方がレーザ照射部の温度が上がりある A1～A4（レーザ出力 500W）では、条件 A1（フやすく（図４）、その影響はレーザ出力が低い条件にお30

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いては、硬化層の生成有無にも関連している（図２、３）ことから、低入熱でのレーザ焼入れを検討する場合には、表面粗さを考慮した条件設定が必要になると考えられる。

A5
A6
A8A7

図４

サーモグラフィピーク温度の時間的変化
図６3.2 板厚の影響

試験片外観、断面組織、サーモグラフィ像（上：条件 B6、下：条件 B7）

実験条件 B5～B8（レーザ出力 500W）における試験片の断面硬さ分布を図５に示す。レーザ照射条件、表面仕上げが同じであるにも関わらず、断面硬さ分布はそれぞれ異なっており、特に条件 B7、B8 では条件 B5、B6 と比較して表面近傍の硬さが低く、硬さ分布も安定しない結果となった。
B5B6B8B7図７図５

断面硬さ分布（レーザ出力 500W）

試験片外観、断面組織、サーモグラフィ像（上：条件 B9、下：条件 B10）

条件 B6、B7 における実験後の試験片外観、断面組

次に、条件 B5～B8 におけるサーモグラフィのピー織およびレーザ照射中のサーモグラフィ像を図６に示

ク温度の時間変化を図８に示す。レーザ照射条件は全す。条件 B7 の断面組織を見ると、条件 B6 と比べて硬て同じであるが、板厚が薄いほど最高温度が高く、かつ化層の生成が不均一（不完全焼入層が生成）になっておレーザ照射終了（t=約 8.5）後の冷却も十分になされてり、このことが硬さが低くなった原因であると考えられいないことから、これらが図６、７における欠陥や不完る。

全焼入層生成の要因になっていると考えられる。

条件 B9、B10（レーザ出力 800W）における実験後今回、板厚の薄い試験片で不完全焼入層が生成したの試験片外観、断面組織およびレーザ照射中のサーモグが、要因は母材内部の熱伝導のみでは焼入れに必要な冷ラフィ像を図７に示す。どちらも焼入れによる硬化層却速度が得られなかったためと推察される。よって、板が生成されているが、条件 B10 では表層部に過熱によ厚の小さな試験片において良好な焼入硬化層を得るためると思われる欠陥が観察された。には、油など外部媒体による付加的な冷却方法も検討す

また、条件 B1～B4（レーザ出力 300W）ではいずれも硬化層は生成されていなかった。

る必要がある。

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図９において条件 B10（板厚 4mm）ではレーザ照射B8前後で表面のうねりはほとんど変化していないが、条件B7B11（板厚 2mm）では、試験片はレーザ照射面側に上B6B5凸に変形していることがわかる。一般的にレーザ焼入れは熱歪みが小さいと言われているが、板厚が小さくなると試験片の剛性も低くなり、熱歪みが顕著に現れると考えられる。

図８

サーモグラフィピーク温度の時間的変化（レーザ出力 500W）

レーザ焼入れによる熱歪みの影響をみるため、レー４．結び
今回、試験片の表面粗さおよび板厚がレーザ焼入れに与える影響について検討をおこなった結果、以下の事が明らかとなった。

ザ照射前後での試験片表面のうねりを非接触式三次元表(1)表面粗さの違いによる焼入れへの影響は、レーザ出面性状測定機により測定した。条件 B10、B11 におけ力が小さい条件において特に顕著に表れ、表面粗さる測定結果を図９に示す。うねりの測定方向はレーザが大きい方がレーザ照射部の温度が上がりやすく、走査方向と同一であり、データはカットオフ値焼きが入りやすい傾向であった。

λ C=0.8mm のガウシアンフィルタにより短波長成分を(2)同じレーザ照射条件であっても、試料の板厚によって焼入状態は変わり、板厚が薄くなると過熱による遮断したものを用いた。

欠陥や冷却速度の低下による不完全焼入層が発生した。
(3)板厚が薄くなると、レーザ焼入れによる熱歪みが顕著に現れた。歪みの方向はレーザ照射面側に凸となる方向であった。

謝辞
本研究にあたり、レーザ焼入れ試験片の作製にご協力いただいた株式会社齋藤工業に深く感謝いたします。

文献
1）特許庁：平成 22 年度特許出願技術動向調査報告書（概要）レーザ加工技術，26(2011)2）富士高周波工業株式会社：レーザ焼入れ研究所スペ
シャルレポート vol.1，1(2012)3）津本，古澤，斉藤，花井：あいち産業科学技術総合センター研究報告，2，44(2014)4）津本，清水，横山，花井：あいち産業科学技術総合
図９

表面うねり

（上：条件 B10、下：条件 B11）

センター研究報告，4，22(2015)