JP2000254790A

JP2000254790A - 金属の表面処理方法

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Publication number: JP2000254790A
Application number: JP11060771A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Karasawa; 武柄沢; Atsuo Mori; 敦雄毛利
Original assignee: Niigata Prefecture
Current assignee: Niigata Prefecture
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で簡単に金属の表面に形成された酸化
皮膜の厚さを調節して該金属に任意の色としたり多色模
様付を行ったりすることができる実用性に秀れた金属の
表面処理方法を提供するものである。【解決手段】金属１の表面に形成されている酸化皮膜
２をレーザ光３で除去することで該酸化皮膜２の厚さを
調節して該金属１を任意の色に見えるようにするもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属の表面処理方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】金属の
カラー化には、塗装，メッキ，コーティング等の着色技
術による方法が主流であるが、最近、カラーステンレス
やカラーチタン等の光の干渉を利用した発色方法を採用
したカラー金属が実用化され、日用品や建材等に普及し
てきている。

【０００３】このカラー金属は、図１に図示したよう
に、金属１の表面にインコ法等の化学着色処理若しくは
陽極酸化処理を行って該金属１の表面に酸化皮膜２を形
成したもので、図２に図示したように、該酸化皮膜２の
厚さを調節することにより、酸化皮膜２の表面で反射す
る外光４と，酸化皮膜２を透過し金属１の表面で反射す
る外光４'との双方の光路差に起因する光の干渉作用を
調節して特定の波長領域を弱めることで、該金属１がグ
リーンやブルーやマゼンダやゴールド等に見えるもので
ある。図中符号５は化学着色処理を行う為に使用する硫
酸−クロム酸溶液である。

【０００４】ところで、上記原理を応用することで金属
１の表面に多くの色の異なる模様を形成する方法として
下記のような技術が提案されている。

【０００５】具体的には、図３に図示したように、先ず
金属１の表面に下地色を着色する為に化学着色処理若し
くは陽極酸化処理を行って薄い酸化皮膜２を形成し、続
いて、該金属１の所望模様部分以外にマスキング６を設
け、該マスキング６が設けられた金属１に再び化学着色
処理若しくは陽極酸化処理を行って前記酸化皮膜２に厚
さの厚い部分（符号２ａ）、即ち、下地色とは異なる着
色部を形成し、以下、上記マスキングの工程と上記化学
着色処理若しくは陽極酸化処理の工程とを繰り返すこと
により酸化皮膜２の厚さの厚い部分を順次形成して金属
１に多くの色の異なる模様を形成する方法である（以
下、従来例という）。

【０００６】しかし、この従来例では、マスキングの工
程と化学着色処理若しくは陽極酸化処理の工程とを色の
数だけ何度も繰り返さねばならず、工程が繁雑であり、
しかも、細かい模様の形成が困難で、コストも高く、酸
等の廃棄物も生じるという問題点がある。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決するもので、
短時間で簡単に金属の表面に形成された酸化皮膜の厚さ
を調節して該金属に任意の色としたり多色模様付を行っ
たりすることができる実用性に秀れた金属の表面処理方
法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】添付図面を参照して本発
明の要旨を説明する。

【０００９】金属１の表面に形成されている酸化皮膜２
をレーザ光３で除去することで該酸化皮膜２の厚さを調
節して該金属１を任意の色に見えるようにすることを特
徴とする金属の表面処理方法に係るものである。

【００１０】また、請求項１記載の金属の表面処理方法
において、金属１としてカラーステンレスを採用したこ
とを特徴とする金属の表面処理方法に係るものである。

【００１１】また、カラーステンレスやカラーチタンの
表面に形成されている酸化皮膜２をレーザ光３で除去す
ることで該酸化皮膜２の厚さを調節して該金属１を任意
の色に見えるようにすることを特徴とする金属の表面処
理方法に係るものである。

【００１２】また、請求項１〜３いずれか１項に記載の
金属の表面処理方法において、レーザ光３として波長３
００ｎｍ以下のレーザ光３を採用したことを特徴とする
金属の表面処理方法に係るものである。

【００１３】また、請求項１〜３いずれか１項に記載の
金属の表面処理方法において、レーザ光３として波長１
５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のレーザ光３を採用したこ
とを特徴とする金属の表面処理方法に係るものである。

【００１４】また、請求項１〜５いずれか１項に記載の
金属の表面処理方法において、レーザ光３の受光部エネ
ルギー密度を３０［ｍｊ／（ｐｕｌｓ・ｃｍ²）］以上
２００［ｍｊ／（ｐｕｌｓ・ｃｍ²）］以下に設定した
ことを特徴とする金属の表面処理方法に係るものであ
る。

【００１５】また、請求項１〜６いずれか１項に記載の
金属の表面処理方法において、レーザ光３として、Ａｒ
Ｆ，ＫｒＦ，ＡｒＣｌ，ＫｒＣｌ，ＸｅＢｒ若しくはＦ
₂を発振源とするエキシマレーザ光３を採用したことを
特徴とする金属の表面処理方法に係るものである。

【００１６】また、請求項１〜７いずれか１項に記載の
金属の表面処理方法により、酸化皮膜２の厚さを任意に
変化させ、各部を任意の色に見えるようにすることで金
属１の表面に模様を形成することを特徴とする金属の表
面処理方法に係るものである。

【００１７】

【発明の作用及び効果】本発明は繰り返した実験の結果
得られた作用効果を請求項としてまとめたものである。

【００１８】所定厚の金属１の酸化皮膜２を除去して該
酸化皮膜２の厚さを薄くしていくと、当然のことながら
該酸化皮膜２を透過する外光４'の光路が変化する為、
該金属１若しくは酸化皮膜２の表面で反射される光４・
４'は波長によっては強められたり弱められたりし、必
然的に該金属１の色が変化することになる。

【００１９】しかし、酸化皮膜２は極めて薄く（市販の
カラーステンレスでは０.４０μｍ以下程度）、また、
金属１の色と酸化皮膜２との関係も、市販のグリーンの
カラーステンレスの酸化皮膜２を除去して色を変えた場
合、グリーンでは０.２３μｍ、ブルー（１）では０.２
０μｍ、マゼンダでは０.１９μｍ、ゴールドでは０.１
５μｍ程度（製品によって厚さは異なる。尚、ブルーは
２箇所の異なる酸化皮膜２の厚さによって発色する為、
以下、酸化皮膜２が厚い方をブルー（１）、薄い方をブ
ルー（２）とする。）で、着色場所や着色部分を所望通
りとする為には、酸化皮膜２を均一且つ極めて薄く除去
しなければならない。

【００２０】従って、例えば、切削工具による切削やエ
ッチング等の手段によって酸化皮膜２を薄く除去するこ
とは理論上は可能ではあるが、現実的には無理である。

【００２１】この点、レーザ光３は、波長や照射時間や
エネルギー密度によって簡単に照射エネルギーを細かく
コントロールすることができ、酸化皮膜２を均一且つ極
めて薄く除去することができる。

【００２２】従って、金属１の酸化皮膜２をレーザ光３
で除去して該酸化皮膜２の厚さを調節することで該金属
１を任意の色に変えることができる。

【００２３】よって、レーザ光３の照射で金属１の酸化
皮膜２を部分的に任意の厚さとしていくことにより、該
金属１の表面に簡単に模様を形成していくことができ
る。

【００２４】また、酸化皮膜２は、特定波長，特定エネ
ルギー密度においては照射パルス数に応じて削れ、必然
的に酸化皮膜２の厚さが変化し、干渉色も変化した。

【００２５】本発明は上述のようにするから、短時間で
簡単に金属の表面に形成された酸化皮膜の厚さを調節し
て該金属を任意の色としたり多色模様付を行ったりする
ことができる実用性に秀れた金属の表面処理方法とな
る。

【００２６】また、金属１に形成される模様は元々耐食
性に秀れた酸化皮膜２そのものであるから、メッキや塗
装等と異なり長寿命である。

【００２７】また、この模様の形成工程は、従来法と異
なりマスキング５や該マスキング５を除去する為の薬液
等の廃棄物を生成しない。

【００２８】また、金属１の表面にいつでも模様の形成
を行える為、工程の自由度が高くなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図４，５は本発明の一実施例を図
示したものであり、以下に説明する。

【００３０】本実施例は、金属１の表面に形成されてい
る酸化皮膜２をレーザ光３で除去する（削る）ことで該
酸化皮膜２の厚さを調節して該金属１を任意の色に見え
るようにし、該任意の色によって金属１の表面に模様を
形成するものである。

【００３１】金属１としては、市販のカラーステンレス
（例えば、ＳＵＳ３０４、ＢＡ（ブライトアニーリン
グ：鏡面仕上に近い光沢を有する）仕上げ等）やカラー
チタン等のカラー金属１を用いる。このカラー金属１の
表面には化学着色処理や陽極酸化処理によって酸化皮膜
２が形成されており、グリーンやブルーやマゼンダやゴ
ールド等の色に見えるようにされている。尚、カラース
テンレスの場合、酸化皮膜２の厚さが厚くなると共に、
ブルー（２）、ゴールド、マゼンダ、ブルー（１）、グ
リーン（最も厚い）の順に色が変わる。

【００３２】化学着色処理とは、カラーステンレスの場
合、硫酸等の溶液（インコ法と称される方法では硫酸−
クロム酸溶液）中に金属１を浸漬することにより、該金
属１の表面に金属酸化物や金属水酸化物の膜を形成する
もので、この金属酸化物や金属水酸化物の膜が前記酸化
皮膜２である。この酸化皮膜２は不動態で硬く、元々は
耐食性を目的に形成されていたものである。

【００３３】また、陽極酸化処理とは、カラーチタンの
場合、リン酸−硫酸や、リン酸−シュウ酸や、リン酸−
硫酸−過酸化水素等の溶液中において金属１に所定電圧
（１０〜２００Ｖ程度）の電圧を付与して金属１に酸化
皮膜を形成するものである。レーザ光３としては、波長
１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光や波長２４８ｎｍ
のＫｒＦエキシマレーザ光等を用いる。しかし、例えば
波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光では、良好
に酸化皮膜２を削ることはできなかった。レーザ光３は
波長が長いとアブレーション加工では熱による効果が強
くなる為、ＸｅＣｌエキシマレーザ光では波長が長すぎ
るものと考えられる。従って、波長３００ｎｍ以下のレ
ーザ光３、例えば波長１５７ｎｍのＦ₂レーザ光等でも
良好に酸化皮膜２を削ることができるものと考えられ
る。また、波長１５０ｎｍ未満では現時点においては大
気中ではレーザ光３の吸収が大きくて実用的ではなく、
真空中，希薄空気中若しくは特殊な気体中でなければレ
ーザ光３で酸化皮膜２を削ることができないのではない
かと考えられる。

【００３４】尚、波長１０６００ｎｍのＣＯ₂レーザ光
や１０６０ｎｍのＹＡＧ（ヤグ）レーザ光は、波長が長
すぎてアブレーション加工ではなく熱加工となってしま
い、酸化皮膜２と金属１表面が加熱され、熔融，蒸発し
てしまう。

【００３５】また、エキシマレーザ光とは、Ａｒ（アル
ゴン）やＫｒ（クリプトン）等の不活性ガスと、Ｆ（フ
ッ素）やＣｌ（塩素）等のハロゲンとを単独若しくは組
み合わせたものを発振源とするレーザ光３であり、使用
する不活性ガスやハロゲンの種類及び不活性ガスとハロ
ゲンとの組み合わせによって種々の波長のレーザ光３を
得ることができる。

【００３６】また、このレーザ光３の照射エネルギー
は、該レーザ光３で所定厚さに酸化皮膜２を削る為の制
御し易いエネルギー値に設定される。具体的には、レー
ザ光３の受光部におけるエネルギー密度が３０［ｍｊ／
（ｐｕｌｓ・ｃｍ²）］（＝ミリジュール／（パルス・
平方センチメートル）］以上２００［ｍｊ／（ｐｕｌｓ
・ｃｍ²）］以下となるように設定する。

【００３７】図４は、本実施例において使用した金属の
表面処理装置であり、符号７はレーザ光発振器、８はミ
ラー、９はレーザ光３のエネルギー密度を可変して、コ
ントロールし易くする為のビームエキスパンダ、10は金
属１に任意の形状の模様を付ける為のマスク、11はレー
ザ光３を収束する為のレンズ、12は前後左右に移動可能
なテーブルであり、レーザ光発振器７以外の部分が金属
１に模様を付ける加工部13で、該加工部13とレーザ光発
振器７とを接続することで金属１の表面に任意の色や模
様を形成することができる処理装置となる。尚、レーザ
光発振器７から発せられるレーザ光３のエネルギー密度
が上記数値範囲の場合にはビームエキスパンダ９を介さ
ずとも良い。

【００３８】また、マスク10には任意形状のレーザ光通
過部14が設けられ、レーザ光３が該レーザ光通過部14を
通過することによって任意断面形状となり、該レーザ光
３により金属１に任意形状の模様が設けられることにな
る。

【００３９】以下、本実施例における金属１の表面への
模様付方法について詳述する（図５参照）。

【００４０】先ず、表面に酸化皮膜２が形成された金属
１を用意する。

【００４１】続いて、金属１にレーザ光３を照射し、該
レーザ光３によって酸化皮膜２を部分的に削る。

【００４２】酸化皮膜２にレーザ光３が照射されると、
該レーザ光３によって酸化皮膜２にアブレーション加工
（レーザ光３を照射することで、表面を薄く急激に削り
取る加工）が行われ、酸化皮膜２が薄くなっていく。

【００４３】この際、照射するレーザ光３のショット数
（パルス数）や、レーザ光３の出力や、レーザ光３のＭ
値（縮小値）や、ビームエキスパンダ９等により、酸化
皮膜２の削る量を調節する。また、マスク10のレーザ光
通過部14の形状により模様の形状を決定する。

【００４４】上記工程により、金属１に任意の色，形状
の模様を形成することができる。

【００４５】本実施例は上述のようにするから、短時間
で簡単に金属１の表面に形成された酸化皮膜２の厚さを
調節して該金属１に任意の色としたり模様付を行ったり
することができる実用性に秀れた技術となる。

【００４６】以下、本発明の実験例について詳述する。

【００４７】材料としては、化学着色処理を行ったカラ
ーステンレス板（ＳＵＳ３０４、ＢＡ仕上げ）と陽極酸
化処理を行ったカラーチタン板（純チタン）とを使用し
た。成分分析結果を下記表１に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】金属の表面処理装置として、レーザ光発振
器７はＬｕｍｏｎｉｃｓ製ＰＭ８４８，エキシマ：Ａ
ｒＦ波長１９３ｎｍ，パルス幅：１０〜２０ｎｓｅ
ｃ，最高出力４００ｍｊを使用し、加工部13は住友重機
械工業(株)エキシマレーザ光加工システムを使用した。
Ｍ値（縮小率）は最小の３に設定するとともに、加工部
13の光路中にビームエキスパンダ９（２倍）を設置し
た。また光路中の窒素置換は行わなかった。出力は、安
定して発振できる１３０〜３００ｍｊとし、発振周波数
は１０ｐｐｓ（毎秒１０ショット）に固定した。

【００５０】マスク10は、６×１５ｍｍの矩形のものを
使用した。これにより２×５ｍｍの照射部を得た。色彩
と膜厚の測定では、テーブル12を移動させて大面積の照
射部を作成して測定試料とした。また、実験条件を下記
表２に示す。

【００５１】

【表２】

【００５２】色彩の測定は、ＩＣＳ(株)製ＣＣＭ装置
８０００型を使用し、ＣＩＥ三刺激値を求めることによ
り行った。

【００５３】酸化皮膜２の膜厚の測定は、(株)島津製作
所製紫外可視分光光度計ＵＶ−２５００ＰＣに鏡面反
射測定装置（入射角５°）を装着して反射スペクトルの
測定を行い、干渉パターンのピーク間隔より計算式を用
いて算出した。酸化皮膜２の膜の屈折率は、カラーステ
ンレスは酸化皮膜２組織がＦｅ₃Ｏ₄，Ｃｒ₂Ｏ₃各５０％
として両者の屈折率の平均をとり、また、カラーチタン
はルチルとアナターゼの平均をとった。

【００５４】カラーステンレスにおける実験結果を下記
表３に示す。

【００５５】

【表３】

【００５６】エネルギー密度，照射回数の増加に伴い、
カラーステンレス板の色調は、グリーン、ブルー
（１）、マゼンダ、ゴールドへと変化した。カラーステ
ンレス板の色調は酸化皮膜２の膜厚に依存する。本実験
例の測定では、グリーンは０.２３μｍ、ブルーは０.２
０μｍ、マゼンダは０.１９〜０.１７μｍ、ゴールドは
０.１５〜０.１４μｍ程度の膜厚に対応する。この為、
酸化皮膜２の膜厚が厚いグリーンのカラーステンレス板
にレーザ光３を照射した場合は、酸化皮膜２の膜厚に対
応する色を発色することが可能となるが、ゴールドやブ
ルー（２）等の酸化皮膜２の膜厚が薄い場合には、多色
を発色させることは困難であると思われる。特にブルー
（２９においては、エネルギー密度，照射回数によら
ず、濃いブルーとなっただけであった。

【００５７】カラーチタンにおける実験結果を下記表４
に示す。

【００５８】

【表４】

【００５９】カラーチタンの場合、ショット数を多くす
ると若干の色調の変化が見られたが、やがて酸化皮膜２
の剥離が観察され、カラーステンレス程には明確な色調
の変化は見られなかった。また、酸化皮膜２の膜厚の測
定結果でも明確な変化は見られなかった。

【００６０】以上、実験例によれば、カラーステンレス
もカラーチタンも、レーザ光３の照射によって色が変化
することが確認された。

【００６１】唯、カラーステンレスとカラーチタンとの
結果の違いは、波長１９３ｎｍのレーザ光光に対する吸
収率，吸収係数の違いによるものと考えられる。

【００６２】カラーステンレスの酸化皮膜２（酸化鉄，
酸化クロム若しくは水酸化鉄，水酸化クロムを主体とす
る混合物）では、該酸化皮膜２に光エネルギーが吸収さ
れてアブレーションが生じ、該酸化皮膜２が削り取られ
ているものと考えられる。

【００６３】これに対し、カラーチタンの酸化皮膜２
（酸化チタン）では、該酸化皮膜２への吸収よりも透過
が主となり、ショット数を増加すると下地のチタンから
の膨張波で酸化皮膜２が剥離するのではないかと推測さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】化学着色処理の説明図である。

【図２】カラー金属１の説明断面図である。

【図３】従来例の金属の着色工程の説明図である。

【図４】本実施例の説明図である。

【図５】本実施例の金属の着色工程の説明図である。

【符号の説明】

１金属２酸化皮膜３レーザ光，エキシマレーザ光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属の表面に形成されている酸化皮膜を
レーザ光で除去することで該酸化皮膜の厚さを調節して
該金属を任意の色に見えるようにすることを特徴とする
金属の表面処理方法。
【請求項２】請求項１記載の金属の表面処理方法にお
いて、金属としてカラーステンレスを採用したことを特
徴とする金属の表面処理方法。
【請求項３】カラーステンレスやカラーチタンの表面
に形成されている酸化皮膜をレーザ光で除去することで
該酸化皮膜の厚さを調節して該金属を任意の色に見える
ようにすることを特徴とする金属の表面処理方法。
【請求項４】請求項１〜３いずれか１項に記載の金属
の表面処理方法において、レーザ光として波長３００ｎ
ｍ以下のレーザ光を採用したことを特徴とする金属の表
面処理方法。
【請求項５】請求項１〜３いずれか１項に記載の金属
の表面処理方法において、レーザ光として波長１５０ｎ
ｍ以上３００ｎｍ以下のレーザ光を採用したことを特徴
とする金属の表面処理方法。
【請求項６】請求項１〜５いずれか１項に記載の金属
の表面処理方法において、レーザ光の受光部エネルギー
密度を３０［ｍｊ／（ｐｕｌｓ・ｃｍ²）］以上２００
［ｍｊ／（ｐｕｌｓ・ｃｍ²）］以下に設定したことを
特徴とする金属の表面処理方法。
【請求項７】請求項１〜６いずれか１項に記載の金属
の表面処理方法において、レーザ光として、ＡｒＦ，Ｋ
ｒＦ，ＡｒＣｌ，ＫｒＣｌ，ＸｅＢｒ若しくはＦ₂を発
振源とするエキシマレーザ光を採用したことを特徴とす
る金属の表面処理方法。
【請求項８】請求項１〜７いずれか１項に記載の金属
の表面処理方法により、酸化皮膜の厚さを任意に変化さ
せ、各部を任意の色に見えるようにすることで金属の表
面に模様を形成することを特徴とする金属の表面処理方
法。