JPH0135077B2 - - Google Patents

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JPH0135077B2
JPH0135077B2 JP12096785A JP12096785A JPH0135077B2 JP H0135077 B2 JPH0135077 B2 JP H0135077B2 JP 12096785 A JP12096785 A JP 12096785A JP 12096785 A JP12096785 A JP 12096785A JP H0135077 B2 JPH0135077 B2 JP H0135077B2
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steel
laser
aqueous solution
acid
corrosion resistance
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JP12096785A
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Shigeyoshi Maeda
Masahiro Yamamoto
Hiroyasu Komata
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は合金鋼の表面を改質して、耐食性、接
着性(金属及び有機物との接合)、耐摩耗性、塗
装性、溶接性、装飾性等の機能を向上せしめる方
法に関するものであり、広く化学工業、機械工
業、自動車産業、製缶工業等、当該合金鋼が素材
として用いられる広範囲の産業分野に適用可能な
新技術である。すなわち本発明は酸化力を有する
酸もしくはその塩の水溶液に接した状態の合金鋼
の表面に水溶液層を通して外部より高エネルギー
のレーザー光を照射し、それによつて引き起され
る表面化学反応を利用して該合金鋼表面に特定の
合金成分を濃化させ、合金鋼の表面を改質せしめ
る方法である。
(従来の技術) レーザー光を鋼表面に照射し表面を改質する方
法についてはすでに種々の方法があり、例えば高
出力のCO2レーザーを直接照射して鋼表面を高温
に加熱し、それによつて焼き入れや、被覆金属を
表面に合金化することと、あるいは表面層近傍の
急熱、急冷による非晶質化等が知られている(例
えば梅原博行「レーザーによる表面処理、工業材
32(3)31(1984))。
また特開昭56−116886号公報では軟鋼表面にパ
ルスレーザーを直接照射し、表面を活性化するこ
とによつて化成処理性を向上させる方法がある。
(発明が解決しようとする問題点) 上記公知の方法がいずれもレーザー光を金属表
面もしくは特定金属を被覆した金属表面に直接照
射する方法であるのに対し、本発明は特定の水溶
液層を介してレーザー光を照射し、その際に生起
する高温化学反応によつて合金鋼に含まれる特定
元素を表面に濃化せしめることにより、表面を改
質して耐食性、接着性、耐摩耗性、溶接性、装飾
性等の特性を向上する方法である。
(問題点を解決するための手段) このため、本発明は酸化力を有する酸もしくは
その塩の水溶液を合金鋼表面に接した状態でレー
ザー光を照射することを特徴とする合金鋼の表面
改質法である。接液方法としては浸漬、スプレー
あるいは塗布などの方法が被処理材の形状(鋼板
か連続鋼帯か)に応じて適宜選択される。
水溶液に接した状態の金属表面にレーザー光を
照射すると公知の直接照射からは予見し得ない全
く新しい表面化学反応が生じることは、本発明者
らによつて発見され、すでにその一部に関しては
特許出願がなされている(特願昭59−53541号)。
この特願昭59−53451号の(特開昭60−197879号)
の発明は特定金属イオンの水溶液に接したステン
レス鋼表面にレーザーを照射すると、溶液中の金
属イオンが表面に析出する事実に基づき構成され
たもので、いわばレーザーメツキとでも称すべき
ものである。例えば塩化ニツケル溶液中にてレー
ザー光を照射するとニツケルが表面に析出し、
SUS430(Cr系)の表面をSUS304(Cr−Ni系)類
以の表面に転換することができる。本発明者らは
この事実を発見して以来、種々の溶液及び種々の
金属にて詳細な実験を行なつた結果、用いられる
水溶液によつては同じくレーザー照射を行なつた
場合でも全く異なる現象が起ることを見い出し
た。すなわち溶液に硝酸、クロム酸もしくはその
塩等の水溶液を用いると、合金鋼中の特定成分、
例えばステンレス鋼ではクロムが表面に著しく濃
化することを知見した。この現象は、硝酸やクロ
ム酸塩、過マンガン酸等の酸化力のある酸の場合
に限られ、通常の塩酸や硫酸等の非酸化性酸では
起らないか、起つても、その濃化程度はわずかで
ある。一方例えば硝酸塩水溶液の如き酸化性酸の
金属塩では金属イオンの析出は殆んど起らない代
りに合金鋼中の特定成分の表面濃化が顕著に起
る。本発明は上記の新知見に基づいてなされたも
ので、前記した特願昭59−53541号と異なり、水
溶液が金属イオンを含むことは必須要件ではな
い。
本発明者らは水溶液が酸化力を有するかどうか
で、全く異なる結果(ない場合;金属イオンの析
出、ある場合;合金成分の表面濃化)を与えるも
のである。
(作用) そのメカニズムを電気化学的手法にて調べた結
果、レーザー光の照射によつていずれの溶液の場
合も本来存在した合金表面皮膜が瞬間的に破壊さ
れるが、酸化力のある溶液の場合、母相の鉄の選
択的溶解が起ると同時に、溶液の酸化力によつて
短時間(0.1秒以下)に新しい酸化膜(不働態皮
膜)が再生され、結果的に合金成分の濃化した表
面皮膜が形成されるものであることがわかつた。
以下に本発明について図面を用いて説明する。
図中のAは、クロム系ステンレス鋼(原板
SUS430、17%Cr)を10%硝酸水溶液に浸漬し、
ガラス製窓を通して外部より鋼表面にレーザー光
を照射(2.2ジユール、照射時間3×10-9sec×6
回)した後、引上げて水洗し、その表面の組成を
オージエ電子分光(AES)によつて測定した結
果で、比較のため無処理の結果を図面中にBとし
て示してある。図面からわかるように、レーザー
光照射によつて表面のクロムが著しく濃化し、そ
の濃度は原子濃度にして2倍以上の約28原子%に
もなつている。ステンレス鋼の耐食性が表面数10
Åの厚さの不働態皮膜に依存していること並びに
その耐食性は含有するクロム濃度に比例すること
はよく知られており、この結果は水溶液中でのレ
ーザー光照射によつて低級クロム鋼を高級クロム
鋼に転換することが可能なことを示している。事
実本来の分類ではステンレス鋼の範疇に入らない
5〜6wt%クロム鋼を硝酸水溶液中にてレーザー
照射すると、その表面クロム濃度は13%Crステ
ンレス鋼の表面クロム濃度と同等以上のものが得
られる。従つて当然ながら、耐食性の著しい向上
がみられ、例えば17%Cr鋼(SUS430)ではその
耐食性(硫酸溶液中での不働態皮膜破壊時間で評
価)は無処理材に比べて7〜10倍にも向上する。
クロム含有量の異なる合金鋼並びにレーザー処理
条件(トータルエネルギー及び溶液濃度)を変え
て種々調べた結果、耐食性はレーザー照射後に形
成される表面皮膜のクロム原子濃度にそのまま比
例することが明らかとなつた。
レーザー照射によつて表面濃化する鋼中の合金
元素はクロムの他にもニツケル、チタン、モリブ
デン、シリコン等がある。
上記合金元素の鋼中濃度及びその成分構成は本
発明においては何ら規定される必要はないが、例
えばステンレス鋼の如き耐食性の観点から最低
13wt%のクロム濃度を必要とする合金鋼でも、
本発明を適用すれば、13Crに相当する耐食性を
得るには母材のクロム濃度は5〜6wt%でよい。
また本来のステンレス鋼例えばSUS410(13Cr)、
SUS430(17Cr)、SUS434(18Cr−1Mo)等のフエ
ライト系またはSUS304(13Cr 8Ni)、SUS316
(18Cr−12Ni−2.5Mo)、SUS321(13Cr−8Ni−
Ti)等のオーステナイト系ではクロム、ニツケ
ルの他、チタン、モリブデン及びニオブが表面に
濃化するので水溶液中のレーザー処理はその本来
の耐食性を更に向上させることができる。耐食性
の点から表面濃化して効果を発揮する合金元素は
クロム、ニツケル、チタン、モリブデン等あり、
シリコンは耐食性の向上に加えて塗装性、高分子
接着剤との接着性向上に効果がある。
本発明に用いられる水溶液は酸化力のある酸も
しくはその塩であつて通常は硝酸、硝酸ナトリウ
ム、硝酸アンモン、硝酸カリ、亜硝酸、亜硝酸ソ
ーダ、亜硝酸カリ等の硝酸系水溶液、クロム酸、
クロム酸アンモン、クロム酸ソーダ、重クロム
酸、重クロム酸ナトリウムあるいは重クロム酸ア
ンモン等のクロム酸系水溶液、及び過マンガン
酸、過マンガン酸カリ等の水溶液が用いられる。
而して硝酸塩の場合は前記のアルカリ金属塩、ア
ンモニウム塩の他にニツケル、鉄、クロム等の金
属塩を用いてもよい。また水溶液の濃度は特に規
定する必要はないが、濃度が低く過ぎると酸化力
がなくなるため、例えば硝酸系では2%以上、望
ましくは5%以上がよい。クロム酸、過マンガン
酸でも5%以上が望ましい。
レーザーの光源については表面層のみを励起す
る必要から短時間に高エネルギーを集中できるパ
ルスレーザーが好ましく、ルビーレーザー、
YAGレーザー、ガラスレーザー、CO2レーザー
などを用い、Qスイツチングしてピーク値が大き
く、パルス時間幅の短いものがよい。例えばパル
スレーザー光のパルス時間幅が200msec以下で、
そのエネルギー密度が0.05ジユール以上あればよ
いが、勿論目的とする表面濃化度を得るために、
照射を繰返すことは任意である。
また、表面濃化度は照射エネルギーに比例して
増大するので高速で走行する鋼帯表面全体を処理
するためには、パルス繰返し周波数の高いレーザ
ーが有効であることは云うまでもない。
以下に本発明の実施例を述べる。
(実施例) 実施例 1 17wt%Cr鋼(SUS430)の表面を研磨した後、
5%HNO3溶液に浸漬し、ガラス窓を通して、ル
ビーパルスレーザー(λ=0.695μm)を照射し
た。照射条件はエネルギーとして1.8ジユール、
パルス幅20×10-9secくり返し照射回数10回であ
る。引上げて水洗乾燥後、オージエ電子分光法に
よつて表面の組成を測定した。最表面の皮膜組成
(脱出深さから約30Åの厚みの平均)は原子パー
セントとしてCr28at%、Fe20at%、O52at%の値
が得られた。Cr28at%はバルク重量%に換算す
ると58wt%に相当し、Crが表面に3倍強濃縮し
たことを示す。従つて耐食性が飛躍的に向上し、
1規定硫酸中に浸漬した時の電位変化から求めら
れる不働態破壊時間は、レーザー処理なし(浸漬
のみ)が2分であつたのに、レーザー処理によつ
て13分と著しく向上した。
実施例 2 7wt%Cr鋼の表面を研磨した後、5%硝酸アン
モン溶液に浸漬し、ガラス窓を通してYAGレー
ザー(λ=1.06μm)を照射した。照射条件はエ
ネルギーとして0.8ジユール、パルス幅15×
10-9sec、くり返し照射回数10回である。引上げ
て水洗乾燥後、オージエ電子分光法によつて表面
組成を測定した。表面組成は原子%として
Cr12at%(バルクの重量%で25wt%)に濃縮し、
その耐食性(不働態皮膜破壊時間)はレーザー処
理なし(浸漬)のみが15秒であつたのに本発明の
処理になるものは9分と著しく向上した。
実施例 3 SUS304(13Cr−8Ni)鋼をエメリー研磨紙で表
面研磨した後、実施例1と同様のレーザー処理を
行なつた。オージエ電子分光法で測定された表面
組成はCr20at%(41wt%)でCrが3倍強に濃縮
していた。孔食発生試験(0.1N FeCl3、25℃中
で1mA/cm2で定電流電解を10分間行ない、孔食
発生数(顕微鏡で測定)によるその耐食性は、レ
ーザー処理によつて平均15ケ/2×2cm2か6ケ/
2×2cm2に減少し著しく優れていた。
実施例 4 SUS304鋼をエメリー研磨紙で表面研磨後、2
%過マンガン酸カリ水溶液中にて実施例2と同様
の条件でレーザー処理を行なつた。0.1N FeCl3
溶液中での孔食発生数はレーザー処理によつて15
ケ/2×2cm2から7ケ/2×2cm2に減少し、耐食
性が著しく向上した。
実施例 5 17%Cr鋼を表面研磨後、5%CrO3水溶液中に
浸漬し、実施例2と同様の条件でレーザー処理し
た。1N−H2SO4中での活性化時間はレーザー処
理なし2.5分に比べて8分と著しく向上した。
実施例 6 SUS316(17Cr−10Ni−2Mo)鋼をエメリー研
磨紙で表面研磨後、実施例1と同様のレーザー処
理を行なつた。レーザー処理によつてCrの濃縮
(27at%)の他Moの濃縮(3at%)が認められた。
一方レーザー処理なしのものは表面にMoの存在
は認められない。孔食発生試験によるその耐食性
はレーザー処理なしの3ケ/2×2cm2から0ケ/
2×2cm2へと著しく向上した。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明の方法によりレーザー処理した
SUS430(17%Cr)の表面をオージエ分子分光法
によつて測定した濃度プロフイルAと、比較のた
めの無処理材の濃度プロフイルBを示す図であ
る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 酸化性酸もしくはその塩の水溶液に接した状
    態の合金鋼に、水溶液を通してレーザー光を照射
    し、該合金鋼中の合金成分を表面に濃化せしめる
    ことを特徴とする合金鋼の表面改質法。 2 酸化性酸もしくはその塩の水溶液が、硝酸ま
    たは硝酸塩、クロム酸またはクロム酸塩あるいは
    過マンガン酸または過マンガン酸塩の1種以上を
    含む水溶液である特許請求の範囲第1項に記載の
    合金鋼の表面改質法。
JP12096785A 1985-06-04 1985-06-04 合金鋼の表面改質法 Granted JPS61279617A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP12096785A JPS61279617A (ja) 1985-06-04 1985-06-04 合金鋼の表面改質法
US06/869,783 US4692191A (en) 1985-06-04 1986-06-02 Method of improving functions of surface of alloy steel by means of irradiation of laser beam, and alloy steel and structure made by the method
DE8686107537T DE3681503D1 (de) 1985-06-04 1986-06-03 Verfahren zur verbesserung der oberflaecheneigenschaften eines legierten stahles durch laserstrahlung und legierter stahl und nach diesem verfahren hergestellter gegenstand.
EP86107537A EP0204318B1 (en) 1985-06-04 1986-06-03 Method of improving functions of surface of alloy steel by means of irradiation of laser beam, and alloy steel and structure made by the method

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JP12096785A JPS61279617A (ja) 1985-06-04 1985-06-04 合金鋼の表面改質法

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JPS61279617A JPS61279617A (ja) 1986-12-10
JPH0135077B2 true JPH0135077B2 (ja) 1989-07-24

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