JP3073630B2 - 極低炭素鋼材の強化方法 - Google Patents
極低炭素鋼材の強化方法Info
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- JP3073630B2 JP3073630B2 JP05205543A JP20554393A JP3073630B2 JP 3073630 B2 JP3073630 B2 JP 3073630B2 JP 05205543 A JP05205543 A JP 05205543A JP 20554393 A JP20554393 A JP 20554393A JP 3073630 B2 JP3073630 B2 JP 3073630B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、極低炭素鋼材を熱歪等
の問題を生じることなく高強度化するための方法に関す
る。ここで、極低炭素鋼材とは、鋼板その他の未加工材
およびこれらをプレス等により加工した加工材を含むも
のである。
の問題を生じることなく高強度化するための方法に関す
る。ここで、極低炭素鋼材とは、鋼板その他の未加工材
およびこれらをプレス等により加工した加工材を含むも
のである。
【０００２】
【従来の技術】軽量でしかも強度の高いプレス成形品を
得る技術として、薄鋼板等のプレス成形品にレーザやプ
ラズマ等の高密度エネルギーを照射して線状に溶融し、
この溶融部分を焼き入れ組織（焼入れ硬化部）とするこ
とにより、プレス成形品の強度を向上させる技術が、特
開平４−７２０１０号として提案されている。この技術
は焼入れ硬化能の高い材料、すなわち通常炭素含有量が
０．０５ｗｔ％以上の材料に適用でき、熱歪による形状
不良等の問題から通常の焼入処理ができない薄鋼板のプ
レス成形品の強度を高め、軽量でしかも強度の高いプレ
ス成形品を得ることができる。
得る技術として、薄鋼板等のプレス成形品にレーザやプ
ラズマ等の高密度エネルギーを照射して線状に溶融し、
この溶融部分を焼き入れ組織（焼入れ硬化部）とするこ
とにより、プレス成形品の強度を向上させる技術が、特
開平４−７２０１０号として提案されている。この技術
は焼入れ硬化能の高い材料、すなわち通常炭素含有量が
０．０５ｗｔ％以上の材料に適用でき、熱歪による形状
不良等の問題から通常の焼入処理ができない薄鋼板のプ
レス成形品の強度を高め、軽量でしかも強度の高いプレ
ス成形品を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年プレス
成形品の高強度化・軽量化の要請は益々高まる傾向にあ
り、このような要請に応えるためには、薄鋼板をより複
雑な形状にプレス加工し、材料の強度を向上させる必要
がある。このようなプレス形状の複雑化に対しては、衝
撃液圧成形法や爆発成形法等の高エネルギー速度加工法
を用いるという加工技術面からの対応も考えられるが、
これらの加工方法は生産性が低く、コスト高を招くとい
う欠点がある。したがって、プレス形状の複雑化に対応
するためには、プレス加工性に優れた高ｒ値の極低炭素
鋼板を用いる必要がある。しかし、この種の鋼板は焼入
れ硬化能が低いため、上述のようなレーザ焼入れを行っ
ても、プレス成形品を高強度化することができないとい
う問題がある。すなわち、鋼材の焼入れ性は一般に炭素
当量（例えば、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６）に
よって規定されるが、極低炭素鋼（一般に、炭素含有
量：０．００５ｗｔ％未満）はＭｎ、Ｓｉ等によりＣｅ
ｑを増加させても焼入れ硬化せず、本質的に焼入れ性が
低い。このため、上記のレーザ焼入れ技術を用いても強
度の向上はほとんど望めない。
成形品の高強度化・軽量化の要請は益々高まる傾向にあ
り、このような要請に応えるためには、薄鋼板をより複
雑な形状にプレス加工し、材料の強度を向上させる必要
がある。このようなプレス形状の複雑化に対しては、衝
撃液圧成形法や爆発成形法等の高エネルギー速度加工法
を用いるという加工技術面からの対応も考えられるが、
これらの加工方法は生産性が低く、コスト高を招くとい
う欠点がある。したがって、プレス形状の複雑化に対応
するためには、プレス加工性に優れた高ｒ値の極低炭素
鋼板を用いる必要がある。しかし、この種の鋼板は焼入
れ硬化能が低いため、上述のようなレーザ焼入れを行っ
ても、プレス成形品を高強度化することができないとい
う問題がある。すなわち、鋼材の焼入れ性は一般に炭素
当量（例えば、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６）に
よって規定されるが、極低炭素鋼（一般に、炭素含有
量：０．００５ｗｔ％未満）はＭｎ、Ｓｉ等によりＣｅ
ｑを増加させても焼入れ硬化せず、本質的に焼入れ性が
低い。このため、上記のレーザ焼入れ技術を用いても強
度の向上はほとんど望めない。
【０００４】本発明はこのような従来の問題に鑑みなさ
れたもので、プレス成形性に優れた極低炭素鋼材を熱歪
等の問題を生じることなく高強度化することができ、従
来にも増して軽量且つ高強度の鋼材を得ることを可能に
する方法を提供しようとするものである。
れたもので、プレス成形性に優れた極低炭素鋼材を熱歪
等の問題を生じることなく高強度化することができ、従
来にも増して軽量且つ高強度の鋼材を得ることを可能に
する方法を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明はレーザ照射による鋼材の溶融部に外部
から炭素を添加することにより、炭素鋼を焼入れした場
合に得られると同様の焼入れ組織を有する溶融凝固部を
形成することで極低炭素鋼材の高強度化を図ろうとする
ものである。すなわち本発明は、Ｃ：０．００５ｗｔ％
未満を含有する極低炭素鋼材にレーザを適当な間隔で線
状に照射しつつ、該レーザ照射部に、炭化水素系ガスお
よび酸化炭素系ガスからなる群の中から選ばれる１種ま
たは２種以上を含むガスを供給することにより、レーザ
照射により形成される溶融部に前記ガス成分中の炭素を
添加し、炭素が富化されたビード状の溶融凝固部を適当
な間隔で線状に形成することを特徴とする極低炭素鋼材
の強化方法である。
るため、本発明はレーザ照射による鋼材の溶融部に外部
から炭素を添加することにより、炭素鋼を焼入れした場
合に得られると同様の焼入れ組織を有する溶融凝固部を
形成することで極低炭素鋼材の高強度化を図ろうとする
ものである。すなわち本発明は、Ｃ：０．００５ｗｔ％
未満を含有する極低炭素鋼材にレーザを適当な間隔で線
状に照射しつつ、該レーザ照射部に、炭化水素系ガスお
よび酸化炭素系ガスからなる群の中から選ばれる１種ま
たは２種以上を含むガスを供給することにより、レーザ
照射により形成される溶融部に前記ガス成分中の炭素を
添加し、炭素が富化されたビード状の溶融凝固部を適当
な間隔で線状に形成することを特徴とする極低炭素鋼材
の強化方法である。
【０００６】本発明法におけるレーザ照射は、強度を効
果的に高め且つ熱歪の発生を抑えるために深溶込みの溶
融形状となるように実施すること、具体的には、溶融部
のアスペクト比（溶け込み深さＨ／溶け込み幅Ｗ）が
０．５以上になるように実施することが好ましい。レー
ザとしてはＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレ
ーザ、ガラスレーザ、エキシマレーザ等、熱加工に使用
できる任意のレーザ方式を適用できる。
果的に高め且つ熱歪の発生を抑えるために深溶込みの溶
融形状となるように実施すること、具体的には、溶融部
のアスペクト比（溶け込み深さＨ／溶け込み幅Ｗ）が
０．５以上になるように実施することが好ましい。レー
ザとしてはＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレ
ーザ、ガラスレーザ、エキシマレーザ等、熱加工に使用
できる任意のレーザ方式を適用できる。
【０００７】レーザ照射部に供給するガスは、炭化水素
（ＣmＨn）系ガスおよび酸化炭素（ＣＯm）系ガスから
なる群の中から選ばれる１種または２種以上を含むガス
であればよく、したがって、供給されるガスは炭化水素
（ＣmＨn）系ガスまたは／および酸化炭素（ＣＯm）系
ガスのみからなるガスを供給してもよいし、また、これ
らと希ガス（例えばＡｒ、Ｈｅ等）等との混合ガスを供
給してもよい。上記炭化水素（ＣmＨn）系ガスとしては
メタン（ＣＨ4）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、エタン（Ｃ2Ｈ
6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、エチレン（ＣＨ2＝ＣＨ2）等
を、また、酸化炭素（ＣＯm）系ガスとしてはＣＯ，Ｃ
Ｏ2等を用いることができ、これらのガスを単独で或い
は２種以上混合して用いることができる。２種以上混合
する場合は、炭化水素系ガスまたは酸化炭素系ガスの２
種以上を混合したものでもよいし、また、炭化水素系ガ
スの１種以上と酸化炭素系ガスの１種以上を混合したも
のでもよい。
（ＣmＨn）系ガスおよび酸化炭素（ＣＯm）系ガスから
なる群の中から選ばれる１種または２種以上を含むガス
であればよく、したがって、供給されるガスは炭化水素
（ＣmＨn）系ガスまたは／および酸化炭素（ＣＯm）系
ガスのみからなるガスを供給してもよいし、また、これ
らと希ガス（例えばＡｒ、Ｈｅ等）等との混合ガスを供
給してもよい。上記炭化水素（ＣmＨn）系ガスとしては
メタン（ＣＨ4）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、エタン（Ｃ2Ｈ
6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、エチレン（ＣＨ2＝ＣＨ2）等
を、また、酸化炭素（ＣＯm）系ガスとしてはＣＯ，Ｃ
Ｏ2等を用いることができ、これらのガスを単独で或い
は２種以上混合して用いることができる。２種以上混合
する場合は、炭化水素系ガスまたは酸化炭素系ガスの２
種以上を混合したものでもよいし、また、炭化水素系ガ
スの１種以上と酸化炭素系ガスの１種以上を混合したも
のでもよい。
【０００８】また、これらガスの供給方法としては、レ
ーザビームと同軸にガスを供給するセンターガス方式の
センターガス（またはその一部）として供給するのが比
較的容易であるが、レーザ照射部（キーホール）内にガ
スを供給できる方式であればその方法は問わず、例えば
アフターガスとして供給することもできる。
ーザビームと同軸にガスを供給するセンターガス方式の
センターガス（またはその一部）として供給するのが比
較的容易であるが、レーザ照射部（キーホール）内にガ
スを供給できる方式であればその方法は問わず、例えば
アフターガスとして供給することもできる。
【０００９】
【作用】本発明の作用を図１に基づき説明する。図１は
ガスをセンタガス方式でレーザ照射部に供給する場合の
例を示している。集光レンズ１（例えば、ＺｎＳｅレン
ズ）で集光したレーザビーム２（通常、エネルギー密
度：１０4〜１０7Ｗ／ｃｍ2）を極低炭素鋼材３に照射
すると、照射部は瞬時に溶融・蒸発し、キーホール４と
呼ばれる溶融孔を形成する。このキーホール４内は鋼を
構成する主な原子である鉄の蒸発粒子と励起・電離状態
にある鉄原子から構成されており、その温度は５０００
℃〜１００００℃にも達する。通常のレーザ溶接ではセ
ンターガス５としてＡｒ、Ｈｅ等の希ガスが用いられて
いるが、本発明ではこのセンターガス５として炭化水素
系ガスまたは／および酸化炭素系ガスを含むガスを供給
する。供給されたこれらのガスは、例えば下式に示すよ
うにキーホール内で熱分解して主に励起状態にある炭素
となり、溶融部６に侵入する。 ＣＨ4→Ｃ*＋４Ｈ2／２ ＣＯ2→Ｃ*＋２Ｏ2／２ 但し、Ｃ*は励起状態にある炭素原子
ガスをセンタガス方式でレーザ照射部に供給する場合の
例を示している。集光レンズ１（例えば、ＺｎＳｅレン
ズ）で集光したレーザビーム２（通常、エネルギー密
度：１０4〜１０7Ｗ／ｃｍ2）を極低炭素鋼材３に照射
すると、照射部は瞬時に溶融・蒸発し、キーホール４と
呼ばれる溶融孔を形成する。このキーホール４内は鋼を
構成する主な原子である鉄の蒸発粒子と励起・電離状態
にある鉄原子から構成されており、その温度は５０００
℃〜１００００℃にも達する。通常のレーザ溶接ではセ
ンターガス５としてＡｒ、Ｈｅ等の希ガスが用いられて
いるが、本発明ではこのセンターガス５として炭化水素
系ガスまたは／および酸化炭素系ガスを含むガスを供給
する。供給されたこれらのガスは、例えば下式に示すよ
うにキーホール内で熱分解して主に励起状態にある炭素
となり、溶融部６に侵入する。 ＣＨ4→Ｃ*＋４Ｈ2／２ ＣＯ2→Ｃ*＋２Ｏ2／２ 但し、Ｃ*は励起状態にある炭素原子
【００１０】このようにレーザ照射による溶融部には炭
素が富化されしかも溶融部が急速に凝固、冷却されるた
め、炭素鋼を焼入れした場合に得られると同様の焼入れ
組織を有する溶融凝固部が形成され、この溶融凝固部は
硬さおよび強度が母材に較べて大幅に増加する。したが
って、少なくとも強度が必要とされる極低炭素鋼材の部
位に対して、上記レーザ照射を適当な間隔で線状に実施
すれば、当該部位に焼入れ組織を有する線状の溶融凝固
部が形成され、その部位の強度を著しく増加させること
ができる。また、鋼材全体に対して上記レーザ照射を適
当な間隔で線状に実施すれば、鋼材全体の強度を上昇さ
せ得ることは言うまでもない。通常、上記線状の溶融凝
固部はすじ状または格子状等に適当な間隔で形成され
る。
素が富化されしかも溶融部が急速に凝固、冷却されるた
め、炭素鋼を焼入れした場合に得られると同様の焼入れ
組織を有する溶融凝固部が形成され、この溶融凝固部は
硬さおよび強度が母材に較べて大幅に増加する。したが
って、少なくとも強度が必要とされる極低炭素鋼材の部
位に対して、上記レーザ照射を適当な間隔で線状に実施
すれば、当該部位に焼入れ組織を有する線状の溶融凝固
部が形成され、その部位の強度を著しく増加させること
ができる。また、鋼材全体に対して上記レーザ照射を適
当な間隔で線状に実施すれば、鋼材全体の強度を上昇さ
せ得ることは言うまでもない。通常、上記線状の溶融凝
固部はすじ状または格子状等に適当な間隔で形成され
る。
【００１１】また、溶融部のアスペクト比（溶け込み深
さＨ／溶け込み幅Ｗ）を０．５以上とすることにより、
強度をより効果的に高め、しかも熱歪の発生を効果的に
抑えることができる。溶融凝固部の硬さおよび鋼材の強
度は炭化水素系ガスや酸化炭素系ガスと他のガス（通常
は希ガス）との混合比率を変えることにより調整できる
が、レーザ出力および処理速度を一定とした場合、ノズ
ル高さやノズル直径或いは使用すべきガス（炭化水素系
ガスまたは酸化炭素系ガス）の種類や流量によっても調
整できる。また、鋼材の強度は上述したガスの混合比率
等だけでなく、溶融凝固部の間隔等を選択することによ
っても調整できる。
さＨ／溶け込み幅Ｗ）を０．５以上とすることにより、
強度をより効果的に高め、しかも熱歪の発生を効果的に
抑えることができる。溶融凝固部の硬さおよび鋼材の強
度は炭化水素系ガスや酸化炭素系ガスと他のガス（通常
は希ガス）との混合比率を変えることにより調整できる
が、レーザ出力および処理速度を一定とした場合、ノズ
ル高さやノズル直径或いは使用すべきガス（炭化水素系
ガスまたは酸化炭素系ガス）の種類や流量によっても調
整できる。また、鋼材の強度は上述したガスの混合比率
等だけでなく、溶融凝固部の間隔等を選択することによ
っても調整できる。
【００１２】本発明が対象とする鋼材は、Ｃ：０．００
５ｗｔ％未満の極低炭素鋼材であり、このような極低炭
素鋼材は本発明法による強化前の状態では優れたプレス
成形性を示す。また、この極低炭素鋼材には、Ｔｉ，Ｎ
ｂにより侵入型元素を総てまたは部分的に固定し、必要
に応じてＭｎ，Ｓｉ，Ｐにより強化した鋼材、粒界強化
のためにＢを添加した鋼材等、あらゆる極低炭素鋼材が
含まれる。また、鋼材（加工材、未加工材）の種類も鋼
板に限らず、管、条材、線材等のあらゆる種類のものに
適用することができる。また、表面にめっき（電気めっ
きまたは溶融めっき等）を施した鋼板等の鋼材にも適用
でき、めっきの種類は問わない。
５ｗｔ％未満の極低炭素鋼材であり、このような極低炭
素鋼材は本発明法による強化前の状態では優れたプレス
成形性を示す。また、この極低炭素鋼材には、Ｔｉ，Ｎ
ｂにより侵入型元素を総てまたは部分的に固定し、必要
に応じてＭｎ，Ｓｉ，Ｐにより強化した鋼材、粒界強化
のためにＢを添加した鋼材等、あらゆる極低炭素鋼材が
含まれる。また、鋼材（加工材、未加工材）の種類も鋼
板に限らず、管、条材、線材等のあらゆる種類のものに
適用することができる。また、表面にめっき（電気めっ
きまたは溶融めっき等）を施した鋼板等の鋼材にも適用
でき、めっきの種類は問わない。
【００１３】
〔実施例１〕素材鋼板の成分組成がＣ：０．００２６ｗ
ｔ％、Ｓｉ：０．１６ｗｔ％、Ｍｎ：０．６９ｗｔ％、
Ｎｂ：０．０１９ｗｔ％、Ｔｉ：０．０２３ｗｔ％、
Ｂ：０．０００５ｗｔ％で、板厚が１．４ｍｍの合金化
溶融亜鉛めっき鋼板に対し、ＣＯ2レーザを用いて線状
のレーザ照射を実施した。この実施例ではセンターガス
として、ＡｒとＣＨ4との混合比率（［ＣＨ4／（ＣＨ4
＋Ａｒ）］×１００）を０〜１００％まで種々変化させ
たものを用いた。そのレーザ照射条件は以下の通りであ
る。 レーザ出力：３．０ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：２５４ｍｍ 焦点位置：−０．５ｍｍ アスペクト比：１．４ ノズル直径：５ｍｍ ノズル高さ：７ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、Ａｒ＋ＣＨ4、ＣＨ4 センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
ｔ％、Ｓｉ：０．１６ｗｔ％、Ｍｎ：０．６９ｗｔ％、
Ｎｂ：０．０１９ｗｔ％、Ｔｉ：０．０２３ｗｔ％、
Ｂ：０．０００５ｗｔ％で、板厚が１．４ｍｍの合金化
溶融亜鉛めっき鋼板に対し、ＣＯ2レーザを用いて線状
のレーザ照射を実施した。この実施例ではセンターガス
として、ＡｒとＣＨ4との混合比率（［ＣＨ4／（ＣＨ4
＋Ａｒ）］×１００）を０〜１００％まで種々変化させ
たものを用いた。そのレーザ照射条件は以下の通りであ
る。 レーザ出力：３．０ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：２５４ｍｍ 焦点位置：−０．５ｍｍ アスペクト比：１．４ ノズル直径：５ｍｍ ノズル高さ：７ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、Ａｒ＋ＣＨ4、ＣＨ4 センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
【００１４】レーザ照射によって得られらビード状の溶
融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重５０
ｇｆ）を測定した。また、各試験条件により図２に示す
ようなＪＩＳ５号試験片に３本のビード状の溶融凝固部
を引張り方向と平行に形成させたものを作成し、各試験
片の引張強さを測定した。図３にセンターガス中のＡｒ
とＣＨ4の混合比率と溶融凝固部の硬さＨｖとの関係を
示す。これによれば、センターガス中のＣＨ4が０％
（Ａｒ：１００％）の場合には溶融凝固部の硬さはＨｖ
１５０であり、母材（硬さＨｖ：１００）よりもＨｖ５
０程度上昇したに過ぎない。これに対して、センターガ
ス中のＣＨ4の比率が増加するとともに、溶融凝固部の
硬さが著しく上昇する。そして、ＣＨ4の混合比率が１
０％程度でも溶融凝固部の硬さが大幅に増加し、Ｈｖ３
５０にも達している。
融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重５０
ｇｆ）を測定した。また、各試験条件により図２に示す
ようなＪＩＳ５号試験片に３本のビード状の溶融凝固部
を引張り方向と平行に形成させたものを作成し、各試験
片の引張強さを測定した。図３にセンターガス中のＡｒ
とＣＨ4の混合比率と溶融凝固部の硬さＨｖとの関係を
示す。これによれば、センターガス中のＣＨ4が０％
（Ａｒ：１００％）の場合には溶融凝固部の硬さはＨｖ
１５０であり、母材（硬さＨｖ：１００）よりもＨｖ５
０程度上昇したに過ぎない。これに対して、センターガ
ス中のＣＨ4の比率が増加するとともに、溶融凝固部の
硬さが著しく上昇する。そして、ＣＨ4の混合比率が１
０％程度でも溶融凝固部の硬さが大幅に増加し、Ｈｖ３
５０にも達している。
【００１５】図４および図５に、センターガスを１００
％Ａｒとした場合（図４）と１００％ＣＨ4とした場合
（図５）のそれぞれの凝固組織の顕微鏡拡大写真を示
す。これらの写真によれば、Ａｒガス１００％の場合に
は不規則な結晶粒界を呈したフェライトが主体であり、
わずかにベーナイトが観察される。一方、ＣＨ4ガス１
００％の場合には、溶融凝固部はマルテンサイトのみか
らなる焼入れ組織となっている。図６にセンターガス中
のＡｒとＣＨ4の混合比率と上記ＪＩＳ５号試験片によ
る引張強さとの関係を示す。これによれば、図３で得ら
れた実験結果と同様に、センターガス中のＣＨ4の割合
が増加するにつれて、溶融凝固部の引張強さが増加し、
ＣＨ4の混合比率が１０％程度でも母材に対して強度が
約２０％上昇している。
％Ａｒとした場合（図４）と１００％ＣＨ4とした場合
（図５）のそれぞれの凝固組織の顕微鏡拡大写真を示
す。これらの写真によれば、Ａｒガス１００％の場合に
は不規則な結晶粒界を呈したフェライトが主体であり、
わずかにベーナイトが観察される。一方、ＣＨ4ガス１
００％の場合には、溶融凝固部はマルテンサイトのみか
らなる焼入れ組織となっている。図６にセンターガス中
のＡｒとＣＨ4の混合比率と上記ＪＩＳ５号試験片によ
る引張強さとの関係を示す。これによれば、図３で得ら
れた実験結果と同様に、センターガス中のＣＨ4の割合
が増加するにつれて、溶融凝固部の引張強さが増加し、
ＣＨ4の混合比率が１０％程度でも母材に対して強度が
約２０％上昇している。
【００１６】このようにセンターガス中にＣＨ4を混合
し或いはセンターガスそのものにＣＨ4を用いることに
より、ＣＨ4が熱分解した結果生じるＣが溶融凝固部に
侵入し、凝固組織がマルテンサイト組織となることで硬
度と引張強さが増加したことが判る。なお、図３および
図６に示されるように溶融凝固部の硬さおよび引張強さ
はＣＨ4と希ガスの混合比率を変えることにより調整で
きることが判る。
し或いはセンターガスそのものにＣＨ4を用いることに
より、ＣＨ4が熱分解した結果生じるＣが溶融凝固部に
侵入し、凝固組織がマルテンサイト組織となることで硬
度と引張強さが増加したことが判る。なお、図３および
図６に示されるように溶融凝固部の硬さおよび引張強さ
はＣＨ4と希ガスの混合比率を変えることにより調整で
きることが判る。
【００１７】〔実施例２〕成分組成がＣ：０．００２６
ｗｔ％、Ｓｉ：０．２１ｗｔ％、Ｍｎ：１．３７ｗｔ
％、Ｔｉ：０．０５５ｗｔ％、Ｂ：０．０００８ｗｔ％
で板厚１．６ｍｍの冷延鋼板に、センターガスとしてＡ
ｒとＣ4Ｈ10をそれぞれ用いてＮｄ−ＹＡＧレーザによ
り線状のレーザ照射を実施した。この際、レーザビーム
径を０．４〜８ｍｍの範囲で変え、溶融凝固部のアスペ
クト比（溶け込み幅Ｗ／溶け込み深さＨ）が異なる試験
片を作成し、それらの引張強さ、熱歪およびマイクロビ
ッカース硬さＨｖ（測定荷重５０ｇｆ）を測定した。引
張り試験は、ＪＩＳ５号試験片に図２に示すような３本
の線状の溶融凝固部を形成して行った。また、熱歪の測
定は３００（ｌ）×２５（ｗ）ｍｍの試験片に３本の溶
融凝固部を形成して試験片の長手方向での反り量（ｈ）
を測定し、ｈ／ｌ×１００（％）で評価した。なお、レ
ーザ照射条件は以下の通りである。 レーザ出力：２．５ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：１２７ｍｍ 焦点位置：０〜２０ｍｍ 鋼板上でのレーザビーム径：０．４〜８ｍｍ ノズル直径：５ｍｍ ノズル高さ：７〜２７ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、Ｃ4Ｈ10 センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
ｗｔ％、Ｓｉ：０．２１ｗｔ％、Ｍｎ：１．３７ｗｔ
％、Ｔｉ：０．０５５ｗｔ％、Ｂ：０．０００８ｗｔ％
で板厚１．６ｍｍの冷延鋼板に、センターガスとしてＡ
ｒとＣ4Ｈ10をそれぞれ用いてＮｄ−ＹＡＧレーザによ
り線状のレーザ照射を実施した。この際、レーザビーム
径を０．４〜８ｍｍの範囲で変え、溶融凝固部のアスペ
クト比（溶け込み幅Ｗ／溶け込み深さＨ）が異なる試験
片を作成し、それらの引張強さ、熱歪およびマイクロビ
ッカース硬さＨｖ（測定荷重５０ｇｆ）を測定した。引
張り試験は、ＪＩＳ５号試験片に図２に示すような３本
の線状の溶融凝固部を形成して行った。また、熱歪の測
定は３００（ｌ）×２５（ｗ）ｍｍの試験片に３本の溶
融凝固部を形成して試験片の長手方向での反り量（ｈ）
を測定し、ｈ／ｌ×１００（％）で評価した。なお、レ
ーザ照射条件は以下の通りである。 レーザ出力：２．５ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：１２７ｍｍ 焦点位置：０〜２０ｍｍ 鋼板上でのレーザビーム径：０．４〜８ｍｍ ノズル直径：５ｍｍ ノズル高さ：７〜２７ｍｍ センターガスの種類：Ａｒ、Ｃ4Ｈ10 センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
【００１８】センターガスとしてＣ4Ｈ10を用いた供試
材の引張強さ（未処理材に対する引張強さの増加率）お
よび熱歪とアスペクト比との関係を図７に示す。同図に
よれば、アスペクト比０．５未満の表面溶融タイプの溶
融凝固部を有する鋼板では、未処理材に対する引張強度
の増加率が相対的に小さい。これに対して、アスペクト
比が０．５以上になると、未処理材に対する引張強さの
増加率が大きくなる。また、アスペクト比０．５未満の
表面溶融タイプでは熱歪による変形が大きいのに対し、
アスペクト比０．５以上の深溶込みタイプでは熱変形が
適切に抑えられている。
材の引張強さ（未処理材に対する引張強さの増加率）お
よび熱歪とアスペクト比との関係を図７に示す。同図に
よれば、アスペクト比０．５未満の表面溶融タイプの溶
融凝固部を有する鋼板では、未処理材に対する引張強度
の増加率が相対的に小さい。これに対して、アスペクト
比が０．５以上になると、未処理材に対する引張強さの
増加率が大きくなる。また、アスペクト比０．５未満の
表面溶融タイプでは熱歪による変形が大きいのに対し、
アスペクト比０．５以上の深溶込みタイプでは熱変形が
適切に抑えられている。
【００１９】従来、金属材の機械特性や耐熱性等の改善
を目的としてレーザ照射を利用した表面改質技術が知ら
れているが、これらの技術はいずれも表面溶融タイプの
レーザ処理であり、そのレーザ処理層のアスペクト比は
０．５未満である。上記の試験結果によれば、このよう
なアスペクト比０．５未満の表面溶融タイプのレーザ処
理では本発明法としての一応の効果は得られるものの、
鋼材の高強度化および熱歪の抑制が必ずしも十分でな
く、高強度化および熱歪の抑制を効果的に達成するため
にはアスペクト比を０．５以上とすることが好ましいこ
とが判る。
を目的としてレーザ照射を利用した表面改質技術が知ら
れているが、これらの技術はいずれも表面溶融タイプの
レーザ処理であり、そのレーザ処理層のアスペクト比は
０．５未満である。上記の試験結果によれば、このよう
なアスペクト比０．５未満の表面溶融タイプのレーザ処
理では本発明法としての一応の効果は得られるものの、
鋼材の高強度化および熱歪の抑制が必ずしも十分でな
く、高強度化および熱歪の抑制を効果的に達成するため
にはアスペクト比を０．５以上とすることが好ましいこ
とが判る。
【００２０】本実施例中の代表的な処理例と変態焼入れ
処理を行った例について、熱歪、マイクロビッカース硬
さＨｖおよび引張強度増加率の結果を表１に示す。同表
によれば、センターガスとしてＣ4Ｈ10ガスを用いた場
合には、深溶込み溶融および表面溶融いずれのタイプに
おいても大幅な硬度の増加が認められるが、表面溶融タ
イプでは溶融体積が十分でないため、深溶込み溶融タイ
プに比較して引張強さの増加率が小さく、しかも、熱歪
みも大きくなっている。
処理を行った例について、熱歪、マイクロビッカース硬
さＨｖおよび引張強度増加率の結果を表１に示す。同表
によれば、センターガスとしてＣ4Ｈ10ガスを用いた場
合には、深溶込み溶融および表面溶融いずれのタイプに
おいても大幅な硬度の増加が認められるが、表面溶融タ
イプでは溶融体積が十分でないため、深溶込み溶融タイ
プに比較して引張強さの増加率が小さく、しかも、熱歪
みも大きくなっている。
【００２１】
【表１】
【００２２】〔実施例３〕成分組成がＣ：０．００２３
ｗｔ％、Ｓｉ：０．１５ｗｔ％、Ｍｎ：１．４０ｗｔ
％、Ｎｂ：０．０１５ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５５ｗｔ％
で板厚１．４ｍｍの冷延鋼板に、ＣＯ2レーザにより線
状のレーザ照射を実施した。この実施例では、ＡｒとＣ
Ｏとの混合比率［ＣＯ／（ＣＯ＋Ａｒ）］×１００％を
０％，５０％，１００％とした３種類のセンターガスを
用いた。そのレーザ照射条件は以下の通りである。 レーザ出力：３．０ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：２５４ｍｍ 焦点位置：−０．５ｍｍ アスペクト比：１．２ ノズル直径：３ｍｍ ノズル高さ：５ｍｍ センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
ｗｔ％、Ｓｉ：０．１５ｗｔ％、Ｍｎ：１．４０ｗｔ
％、Ｎｂ：０．０１５ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５５ｗｔ％
で板厚１．４ｍｍの冷延鋼板に、ＣＯ2レーザにより線
状のレーザ照射を実施した。この実施例では、ＡｒとＣ
Ｏとの混合比率［ＣＯ／（ＣＯ＋Ａｒ）］×１００％を
０％，５０％，１００％とした３種類のセンターガスを
用いた。そのレーザ照射条件は以下の通りである。 レーザ出力：３．０ｋＷ 処理速度：３ｍ／ｍｉｎ 集光レンズの焦点距離：２５４ｍｍ 焦点位置：−０．５ｍｍ アスペクト比：１．２ ノズル直径：３ｍｍ ノズル高さ：５ｍｍ センターガス流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
【００２３】レーザ照射によって得られらビード状の溶
融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重５０
ｇｆ）を測定した。また、図２に示すようなＪＩＳ５号
試験片に３本のビード状の溶融凝固部を引張り方向と平
行に形成させたものを作成し、各試験片の引張強さから
未処理材に対する強度増加率を測定した。表２にその結
果を示す。同表によれば、レーザ照射部にＣＯを供給す
ることにより、Ａｒガス単独の場合に較べて溶融凝固部
の硬度および材料の強度が大幅に増加し、また、センタ
ーガス中のＣＯの混合比率を高めることにより、上記特
性が向上することが判る。
融凝固部のマイクロビッカース硬さＨｖ（測定荷重５０
ｇｆ）を測定した。また、図２に示すようなＪＩＳ５号
試験片に３本のビード状の溶融凝固部を引張り方向と平
行に形成させたものを作成し、各試験片の引張強さから
未処理材に対する強度増加率を測定した。表２にその結
果を示す。同表によれば、レーザ照射部にＣＯを供給す
ることにより、Ａｒガス単独の場合に較べて溶融凝固部
の硬度および材料の強度が大幅に増加し、また、センタ
ーガス中のＣＯの混合比率を高めることにより、上記特
性が向上することが判る。
【００２４】
【表２】
【００２５】
【発明の効果】以上述べた本発明によれば、プレス成形
性に優れた極低炭素鋼材を効果的に高強度化することが
でき、従来にも増して軽量且つ高強度の鋼材を得ること
が可能となる。また、特にアスペクト比が０．５以上の
深溶込み溶融部が形成されるようなレーザ照射条件とす
ることにより、強度をより効果的に高めることができる
とともに、形状不良等の原因となる熱歪みの発生を効果
的に抑えることができ、より軽量且つ高強度でしかも寸
法精度の高い鋼材を得ることができる。
性に優れた極低炭素鋼材を効果的に高強度化することが
でき、従来にも増して軽量且つ高強度の鋼材を得ること
が可能となる。また、特にアスペクト比が０．５以上の
深溶込み溶融部が形成されるようなレーザ照射条件とす
ることにより、強度をより効果的に高めることができる
とともに、形状不良等の原因となる熱歪みの発生を効果
的に抑えることができ、より軽量且つ高強度でしかも寸
法精度の高い鋼材を得ることができる。
【図１】本発明の実施状況の一例を示す説明図
【図２】本発明の実施例の引張試験に用いた試験片を示
す平面図
す平面図
【図３】レーザ照射部に供給するガス中のＣＨ4の混合
比率と溶融凝固部の硬さＨｖとの関係を示すグラフ
比率と溶融凝固部の硬さＨｖとの関係を示すグラフ
【図４】センターガスとして１００％Ａｒを用いた場合
の溶融凝固部の金属組織を示す顕微鏡拡大写真
の溶融凝固部の金属組織を示す顕微鏡拡大写真
【図５】センターガスとして１００％ＣＨ4を用いた場
合の溶融凝固部の金属組織を示す顕微鏡拡大写真
合の溶融凝固部の金属組織を示す顕微鏡拡大写真
【図６】レーザ照射部に供給するガス中のＣＨ4の混合
比率と鋼板の引張強さとの関係を示すグラフ
比率と鋼板の引張強さとの関係を示すグラフ
【図７】レーザ照射による溶融部のアスペクト比と鋼板
の引張強さ（未処理材に対する引張強さの増加率）およ
び熱歪との関係を示すグラフ
の引張強さ（未処理材に対する引張強さの増加率）およ
び熱歪との関係を示すグラフ
１…集光レンズ、２…レーザビーム、３…極低炭素鋼
材、４…キーホール、５…センターガス、６…溶融部
材、４…キーホール、５…センターガス、６…溶融部
フロントページの続き (72)発明者 海津 享 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 樺沢 真事 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 津山 青史 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 角田 浩之 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−116820（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−171618（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−52265（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−179776（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C21D 1/09,1/34,6/00 C23C 8/22 B23K 26/00,26/18
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｃ：０．００５ｗｔ％未満を含有する極
低炭素鋼材にレーザを適当な間隔で線状に照射しつつ、
該レーザ照射部に、炭化水素系ガスおよび酸化炭素系ガ
スからなる群の中から選ばれる１種または２種以上を含
むガスを供給することにより、レーザ照射により形成さ
れる溶融部に前記ガス成分中の炭素を添加し、炭素が富
化されたビード状の溶融凝固部を適当な間隔で線状に形
成することを特徴とする極低炭素鋼材の強化方法。 - 【請求項２】 レーザ照射による溶融部を、アスペクト
比が０．５以上の深溶込み溶融部とすることを特徴とす
る請求項１に記載の極低炭素鋼材の強化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05205543A JP3073630B2 (ja) | 1992-12-25 | 1993-07-29 | 極低炭素鋼材の強化方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35901492 | 1992-12-25 | ||
| JP4-359014 | 1992-12-25 | ||
| JP05205543A JP3073630B2 (ja) | 1992-12-25 | 1993-07-29 | 極低炭素鋼材の強化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06340916A JPH06340916A (ja) | 1994-12-13 |
| JP3073630B2 true JP3073630B2 (ja) | 2000-08-07 |
Family
ID=26515110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05205543A Expired - Fee Related JP3073630B2 (ja) | 1992-12-25 | 1993-07-29 | 極低炭素鋼材の強化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3073630B2 (ja) |
-
1993
- 1993-07-29 JP JP05205543A patent/JP3073630B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06340916A (ja) | 1994-12-13 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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