JPH0459967A - レーザ表面改質方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、金属材料、セラミック材料等の改質対象物の
表面にレーザを照射して、この改質対象物の表層部を部
分的に改質するためのレーザ表面改質方法に関する。

（従来の技術） 近年、製品の高機能化、高付加価値化に対する要求が高
まっており、この要求に伴い新素材開発への期待が高ま
っている。また材料の表面改質は、基材の素材を損なう
ことなく、新しい機能を付加することか出来、複合効果
が有効に得られることから特に期待されている。

材料表面を改質する改質方法には、以下の種々の方法が
提案されている。

０表面に物理的蒸着（真空蒸着、スパッタリング、イオ
ンブレーティングなど材料を蒸発させて表面に堆積させ
る）法によりコーティング層を設ける。

■化学的蒸着（熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、など主に気
相同士の反応で材料表面に析出堆積させる）法によりコ
ーティング層を設ける。

■溶射、肉盛など液相にした材料を表面に凝固堆積させ
てコーティング層を設ける。

■特定の元素を浸透させて（炭素−浸炭、窒素−窒化、
ＡＩ−アルミナイジング、イオン注入など）表面層の状
態を変化させる。

■材料の表面を加熱などして状態を変化させる。

表面改質方法は、一般に表面のみ加熱するなどして改質
を行うため材料全体に影響が及びにくい。

このため、元の材料特性を招なうことなく表面の特性の
みを向上することが出来る。

なかでも、加熱源としてレーザーを用いると、他の熱源
と比較して高密度エネルギが得られるため、表面改質が
容易に行えるのみならず、急熱、急冷も容易である。

従って、これまでに困難であった非平衡過程を伴う表面
改質の可能性も可能と考えられている。

特に炭酸レーサー（ＣＯ２レーレーサ、連続で大出力発
振が可能であり期待されている。これらの観点からレー
ザーを熱源として用いた表面改質は近年脚光を浴びてい
る。

ところで、レーザーの他の特徴として制御性の容易さが
挙げられる。レーザーはレンズ、ミラて容易に集光、反
射か出来るため、改質対象物である材料表面の任意の箇
所にレーサー光を照射することが可能である。この特徴
を生かして材料表面の部分的改質も可能である。

しかしながら、そのためには、レーザの位置制御など複
雑な制御系が必要であり、また用途に応じて制御プログ
ラムを変更する必要があった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような理由により、材料の表層部の部分的な改質
を容易に行う方法が切望されていた。

本初発明は上記事実を考慮し、レーザーを用いて材料の
表層部を部分的に容易に改質することが出来るレーザ表
面改質方法を提供することが目的である。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため請求項（１）記載の発明では、
改質対象物の表面にパターン化された薄層を形成し、こ
のパターン化された薄層が形成された改質対象物の表面
全体にレーザを照射して加熱し改質対象物の表層部を部
分的に改質するこ止を特徴としている。

請求項（２）記載の発明では、パターン化された薄層が
レーサの熱吸収率の高い化合物であることを特徴として
いる。

請求項（３）記載の発明では、パターン化された薄層が
レーザの反射率の高い材料層あることを特徴としている
。

請求項（４）記載の発明では、パターン化された薄層が
改質対象物の表面を粗の状態にして形成したことを特徴
としている。

請求項（５）記載の発明では、改質対象物と化合物を形
成するガス雰囲気中でレーザを改質対象物の表面全体に
照射することを特徴としている。

請求項（６）の発明では、パターン化された薄層が形成
された改質対象物ヘレーザを照射した後に、この改質対
象物を急冷することを特徴とじている 請求項（７）の発明では、改質対象物の表面に、加熱に
より薄層を形成した後、この薄層の表面にパターン化さ
れたレーザの熱吸収率の高い化合物層を形成した後に、
レーザを全体に照射して、化合物層の下部の薄層を優先
的に加熱して、薄層の化合物層を形成することを特徴と
するレーザ表面改質方法。

請求項（８）の発明は、上記請求項（１）乃至請求項（
７）記載のレーザ表面改質方法により表面が改質された
改質対象物である。

（作用） 請求項（１）記載の発明によれば、改質対象物の表面に
、パターン化された薄層を形成する。

このパターン化された薄層は、例えば改質したい部分と
、改質を必要としない部分とが分けられたパターンとな
っている。改質対象物の表面に薄層を形成した状態で、
改質対象物の表面全体にレーザを照射する。この際、レ
ーザは光学系等により拡散されたレーザ光でも良く、ま
たレーザを改質対象物の表面上で、こまかい位置制御な
しに走査することにより、改質対象物の表面全体にレー
ザ光を照射する。

これにより、薄層の下部の改質対象物または、薄層が形
成されていない改質対象対象物の表面が改質される。従
って、レーサーを用いて材料の表層部を部分的に容易に
改質することか出来る。

請求項（２）の発明によれば、パターン化された薄層が
熱吸収率の高い化合物であり、この化合物を改質対象物
の表面に形成した後、改質対象物の表面全体にレーサを
照射する。

化合物としては、基材金属よりレーザの吸収率の高いも
のであれば、種類を問わないが、例えば、酸化物、炭化
物、窒化物等が挙げられる。

予め表面改質を必要とする表面にこれらの化合物層をス
パッタリング、真空蒸着、溶射、粉末塗装などの方法で
形成したのち全面にレーザを照射すると、化合物層を形
成した部分のみレーザが選択的に吸収され化合物層下部
の改質対象物が選択的に加熱され改質される。

レーザの吸収率を変化させる方法として、化合物層形成
の他に、吸収率の異なる金属層を形成しても良い。

請求項（３）の発明によれば、パターン化された薄層が
改質対象物よりレーザの反射率の高い材料層であり、こ
の材料層改質対象物の表面に形成した後、改質対象物全
体にレーザを照射する。

これにより、材料層で覆われていない改質対象物は選択
的に加熱され改質される。

請求項（４）の発明によれば、パターン化された薄層が
改質対象物の表面をパターンして組の状態にする。この
状態でレーザ照射する。粗の状態の表面は反射率が低下
するので、表面が粗の状態の部分以外の部分に選択的に
レーザが照射されて加熱され改質される。

請求項（５）の発明によれば、改質対象物と化合物を形
成するガス雰囲気中でレーザを表面全体に照射する。材
料層または表面が粗の状態とされた部分以外の改質対象
物の表面が選択的に加熱されて改質される。

請求項（６）の発明によれば、パターン化された薄層を
形成した後にレーザを照射し、急冷する。

パターン化された薄層が、レーザの吸収率の高い層を形
成した後、改質対象物の表面全体にレザを照射し、この
層下部の改質対象物を優先的に加熱した後に急冷する。

これにより、レーザ吸収率の高い層の下部が優先的に加
熱されて改質される。

パターン化された薄層が、レーザの反射率の高い層であ
る場合、改質対象物の表面全体にレーサを照射し、この
薄層て覆われている改質対象物以外の改質対象物の表面
を選択的に加熱し改質する。

パターン化された薄層か、粗の状態に形成された改質対
象物の表面ではレーザの反射率が低くなり、粗の状態の
改質対象物のレーザの吸収率が多くなった表面を加熱し
た後に急冷する。

これにより、粗の状態の改質対象物が改質される。

請求項（７）の発明によれば、レーザの吸収率の高いパ
ターン化された化合物を形成した後、し−ザを表面全体
に照射する。化合物層下部の改質対象物は、優先的に加
熱されて改質される。

また、請求項（１）乃至請求項（７）の発明によって改
質された対象物は、部分的な改質が容易になる。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１実施例 第１図を用いて第１実施例について説明する。

改質対象物である金属材料１の表面にパターン化された
薄層３を形成した後、レーザー照射装置５によりレーザ
光７を金属材１１の表面に全体的に照射する。この場合
レーザを光学系等により拡散して一回で全面照射しても
よく、レーザを適当な条件て薄層３の表面上で走査する
ことによって全面照射しても良い。

このパターン化された薄層３として、レーザ光７の吸収
率が金属材料１より高い化合物層であるとすると、この
化合物の下部はレーザ光７にょって優先的かつ選択的に
加熱される。この加熱によって化合物層３の下部（第１
図において斜線部４）か溶融あるいは蒸発し、表層部が
改質される。

このような、化合物としては金属材料］よりレザの吸収
率の高いものであれば種類は問わない。

例えば酸化物、炭化物、窒化物などが挙げられる。

あらかじめ表面改質を必要とする金属表面の部分にこれ
らの化合物層３をスパッタリング、真空蒸着、溶射、粉
末塗装法などの方法で形成しても良い。

また、パターン化された薄層３として、吸収率の異なる
金属層例えば、レーザの反射率の高い金属層とすると、
この金属層の下部の薄層３の加熱は少なく、この金属以
外の部分すなわち第１図斜線６の部分が優先的、選択的
に加熱されて改質される。

また吸収率の異なる金属として同一金属の場合には、パ
ターン化して表面粗さを変えることによリレーサの吸収
率が異なることを利用して部分的に表面をＡｒスパッタ
、サンドブラストなどにより粗の状態にしても良い。

上記のように、パターン化された薄層を形成した後に、
レーザを全面に照射することにより、レザが選択的に吸
収された部分ては、金属が加熱、溶融、蒸発して部分的
に表面形状が変化して改質される。

また、上記改質対象物が合金の場合には、構成元素の蒸
気圧の差異により選択蒸発が生じるため組成的変化が生
しる。また基材を焼鈍や加熱により組織変化させ改質し
ても良い。また、れにこれらの改質方法において、レー
ザ照射を大気中など酸素雰囲気中で行えば、部分的に酸
化物を、窒素雰囲気中で行えば部分的に窒化物を形成す
ることが出来る。

なお、レーザ表面改質においては、表面のみ加熱される
ため改質後急冷されやすく、非平衡が形成されて目的と
する平衡層が形成されないことがある。この場合は、改
質対象物を変質させない範囲で改質対象物を加熱しても
良い。

第２実施例 第２実施例は、第２図に示されるように、改質対象物で
ある金属材料１１の表面にパターン化された薄層９を形
成した後、金属材ｔ、１と化合物を形成するガス雰囲気
中てレーザを金属材料の表面全体に照射する例である。

パターン化された薄層が反射率の高い金属層の場合と、
金属材料の表面を粗の状態にして反射率を低減した後に
金属と化合物を形成するガス雰囲気中てレーザを照射す
る 第３実施例 第３実施例は、第１実施例吉途中までは同じであるが、
レーザ照射部を照射後急冷する。

急冷する方法としては、他に金属材料表面部分にこの金
属材料よりレーザの反射率の臭い金属層あるいは化合物
層を形成した後、該金属全表面にレーザを照射し、該化
合物層以外の金属部分を優先的に加熱した後急冷する。

あるいは金属材１表面部分を、該金属より表面粗さを粗
にしてレーザの反射率を低減した後、該金属表面全体に
レーザを照射し、該粗面金属部分を優先的に加熱した後
急冷する。

急冷法には、レーザ照射後に冷却ガスを吹き付けたり、
金属材料を冷却構造としても良い。急冷により、金属あ
るいは、合金を高温の液相状態に保ち非晶質化あるいは
微品質化して表面改質も可能である。

この場合、合金の種類として、成分元素の混合エンタル
ピーが負値てかつ原子寸法が０．８以下である合金。あ
るいは、鉄、コバルトあるいはニッケルを主成分としボ
ロン、シリコンを含む合金が非晶質あるいは微品質化し
やすく望ましい。

また、急冷により結晶変態、特に結晶変態により硬化さ
せることにより部分硬化させることが出来る。その後、
Ａｒスパッタやサンドブラストなどにより微粒子を衝突
させ、非硬化部分のみを選択除去すると表面形状を変化
させることも可能である。

第４実施例 第４実施例は、第３図に示されるように、金属材料１７
の表面に、加熱により該金属と化合物を容易に形成する
金属あるいは化合物層］４を形成した後、金属層あるい
は化合物層の部分に、この金属層あるいは化合物層より
レーザの吸収率の高い化合物層あるいは金属層１３を形
成する。その後、表面全体にレーザ７を照射し、該化合
物層下部の金属部分を優先的に加熱し該金属の化合物層
を形成する方法である。

これは、部分的に表面改質する方法に関しては第１実施
例と同様であるが、予め改質対象物と合金あるいは化合
物を形成しやすい金属あるいは化合物層を形成しておき
、優先的加熱された部分の下部で選択的に合金や化合物
層を形成して改質する。

組み合わせとしては、改質対象物金属元素との生成エン
タルピが負値になる金属あるいは生成自由エネルギが負
値になる化合物が良い。例えば、改質対象物がＡＩの場
合、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｔなどの金属あるいは酸化Ｆｅなど
が改質対象物がＮｉの場合Ａｌ５Ｔｉ、Ｗなどが、改質
対象物がＴｉの場合ＡＩ、Ｎｉ、などが挙げられる。

なお、上記各実施例では、改質対象物として金属材料の
例について説明したが、これに限らずセラミック等の非
金属材料についても本発明を適用することが出来る。

次に、上記実施例のレーザ表面改質方法の実験例につい
て説明する。

第１実験例 Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ板の表面を直径１ｍｍの穴を島状に
１０個あけたステンレス薄板で覆った後に、スパッタリ
ングによりＴｉ０２層を穴部分のみに５００ｎｍ形成し
た。その後、出力１．ｋＷのＣＯ２レーザをＡｒガス雰
囲気中で、オツシレーションモード（１００Ｈｚ）にて
幅２０ｍｍに渡り走査した。その結果、Ｔｉｅ２層下部
のみが溶融し、表面改質された。

第２実験例 Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ板の表面に直径１ｍｍの穴を１００
個あけたステンレス薄板で覆った後スパッタリングによ
りＴｌＯ２層を穴部分のみに５００ｎｍ形成した。その
後、出力１ｋＷの炭酸レザーを第２図に示す方法てＮ２
雰囲気中で、オツシレーションモード（１，００Ｈｚ　
）にて幅２０ｍｍに渡り走査した。この結果、Ｔ　ｉ　
Ｏ、、形成層下部のみか加熱され、ＴｉＮ層を形成し、
表面改質された。

第３実験例 炭酸鋼板の表面を幅２ｍｍの縞状にステンレス薄板で覆
った後に、粒径５μｍ以下のＦｅｄ、粉末をエチルセル
ロースとテレピネオール混合液て混練したペーストを１
０μｍ以下の厚さに塗布した。１５０℃で１０分加熱し
て乾燥後にステンレス薄板を除去したところ幅２ｍｍの
Ｆｅｄ３層が形成されていた。

次いで、出力１　ｋ　ＷのＣＯ２レーザーをデフォーカ
スモードにして、炭素鋼板に全面照射した。

この直後にＡｒガスを吹き付は冷却した。この結果Ｆｅ
Ｏ３層下部の炭素鋼板はマルテンサイト変態している体
積が大きく、表面改質されていた。

第４実験例 上記第３実験例と同様な方法で作成した炭素鋼板に、ア
ルミナ微粒子を吹き付けたところ、表面改質された部分
は凸部となって縞状に残った。

第５実験例 １５ｗ％Ｃｒ４Ｂ−Ｎｉ合金板の表面を幅１ｍｍの縞状
にステンレス薄板で覆った後に、粒径５μｍ以下のＦｅ
ｄ３粉末をエチルセルロースとテレピネオール混合液て
混練したペーストを１０μｍ以下の厚さに塗布したとこ
ろ幅１ｍｍのＦｅＯ３層が形成された。次いで、出力１
ｋＷの炭酸ガスレーサーをデフォーカスモードにして６
００１’ｏｒｒＡ　ｒ中で、合金板に照射した。直後に
Ａｒガスを吹き付は冷却した。Ｆｅｄ３塗布層下部の合
金部では非晶質化し、表面改質されていた。

第６実験例 Ｎｉ板の表面にＴｔを真空蒸着により５０００ｍ体積し
た。次いて、直径１ｍｍの穴を１００個あけたステンレ
ス薄板で覆った後スパッタリングによりＴｉｅ、層を穴
部分にのみ５００ｎｍ形成した。その後、第３図に示さ
れるように出力１ｋＷの炭酸ガスレーザーでデフォーカ
スモードにして６０　ＯＴｏｒｒＡ　ｒ中で合金板に照
射した。

ＴｉＯ２層下部は優先的に加熱され、Ｎｉ−Ｔｉ化合物
が形成されている。

第７実験例 Ｓｉ３Ｎ、セラミックス板２］の表面を直径１ｍｍの穴
を１．０個あけたステンレス薄板でｆｆ１−、た後に、
真空蒸着によりＣｕ層を穴部分のみに５００ｎｍ形成し
た。その後、第４図に示されるように出力１ｋＷの炭酸
ガスレーサーをＡｒ雰囲気中でオツシレーションモード
（１００Ｈｚ）て幅２Ｑｍｍに渡り走査した。その結果
、Ｃｕ形成層下部のみが蒸発し表面改質された。

第８実験例 ３ｉ３Ｎ４セラミツクス板の表面に真空蒸着によりＮｉ
を３００ｎｍ堆積した。次いで直径１ｍｍの穴を１０個
あけたステンレス薄板で覆った後にスパッタリングによ
りＴｉ０２層を穴部分のみに３００ｎｍ形成した。その
後、出力１．ｋＷの炭酸ガスレーザーにて幅２０ｍｍに
渡り走査した。

その結果、ＴｉＯ２層形成下部Ｓｉ、Ｎ４ては、還元さ
れたＳｉとＮ１が合金化し表面改質がなされた。

第９実験例 ＡＩＮセラミックス板の表面に真空蒸着によりＴ１を３
００ｎｍ堆積した。次いで直径１ｍｍの穴を１０あけた
ステンレス薄板で覆った後スパッタリングよりＴｉＯ２
層を穴部分のみに３００ｎｍ形成した。その後出力１ｋ
Ｗの炭酸ガスレーザーを真空雰囲気中で、オツシレーシ
ョンモードにて幅２ｍｍに渡り走査した。その結果、Ｔ
ｉＯ２層形成下部ＡＩＮでは、還元されたＡｌとＴｉが
合金化し表面改質がなされた。

第１０実験例 ＡＩＮセラミックス板の表面に真空蒸着によりＮｉとＴ
ｊをそれぞれ３００ｎｍ堆積した。次いで直径１ｍｍの
穴を１０個あけたステンレス薄板で覆った後にスパッタ
リングにより、ＴｉＯ２層を穴部分のみに３００ｎｍ形
成した。その後、出力３ｋｗの炭酸ガスレーザーを真空
雰囲気中で、インテグレーションミラーで２０ｍｍＸ２
０ｍｍの面積に同時に照射した。その結果、Ｔ　ｉ　Ｑ
２層形成下部ＡＩＮでは、還元されたＡ１とＮｉとＴｉ
が合金化し表面改質がなされた。

第１１実験例 上記第１０実験例と同様な方法により、ＡＩＮセタミッ
クス基板の表面に第５図に示されるように半導体回路形
状のマスキング２３（ステンレス薄板）を用いてＴ　ｉ
　Ｏ２層を形成した後、出力３ｋＷの炭酸ガスレーザー
を真空雰囲気中の条件で、インテグレーションミラーを
用いて２０ｍｍＸ２０ｍｍの面積に同時に照射した。そ
の結果、ＴｉＯ２層形成下部ＡＩＮでは、還元されたＡ
１とＮｉとＴｉの合金層を形成した。熱伝導率の大きい
、また耐電圧の高い放熱性の高い基板が容易に製造され
た。

第１２実験例 樹脂基板表面を、渦巻き形状に中抜き加］ニジたステン
レス薄板で覆った後、粒径５μｍ以下のＦｅ−Ｃｏ−Ｂ
−Ｓｉ合金粉末をエチルセルロースとテレピネオール混
合液で混練したペーストを１０μｍ以下の厚さに塗布し
た。１５０℃で１０分加熱して乾燥した後、ステンレス
薄板を除去したところ第６図に示されるように渦巻き状
に合金粉末層２５が形成されていた。次いで、出力１ｋ
Ｗの炭酸ガスレーザーをデフォーカスモードにして６０
０　ＴｏｒｒＡ　ｒ中でこの合金層に照射した。直後に
Ａｒガスを吹き付は冷却した。塗布合金層の合金は非晶
質化した良好な磁性を示した。

第１３実験例 炭素鋼工具の刃先の表面を幅２ｍｍの縞状にステンレス
薄板で覆った後粒径５μｍ以下のＦｅ２Ｏ、粉末をエチ
ルセルロースとテレピネオール混合液で混練したペース
トを１０μｍ以下の厚さに塗布した。１５０℃で１０分
間加熱し乾燥した後にステンレス薄板を除去したところ
、幅２ｍｍのＦｅ２Ｏ３層が形成されていた。次いて、
出力１ｋＷの炭酸ガスレーザーをオツシレーションモー
ドにしてこの工具表面に照射した。直後にＡｒガスを吹
き付けて冷却した。Ｆｅ２Ｏ３塗布層下部の炭素鋼はマ
ルテンサイト変態している体積が大きく、表面改質され
ていた。表面改質部の硬さをビッカース硬さ計で測定し
たところ、平均４００Ｈｖの高い硬さを示し良好な工具
が得られた。

このように、上記各実施例及び実験例によれば、複雑な
制御や、用途に応じて制御プログラムを必要としないの
で、容易に改質対象物の表層部を部分的に改質すること
が出来る。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係るレーザ表面改質方法に
よれば、レーザを用いて、金属、セラミックスなどの材
料の表層部を部分的に容易に改質することが出来、また
優れた各種部品を提供することが出来るという優れた効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ表面改質方法で改質対象物
の表面を改質するための装置及び改質対象物を改質して
いる状態を示す説明図、第２図はガス雰囲気中でレーザ
を照射する状態を示す説明図、第３図は改質対象物の表
面に化合物を塗布した後にパターン化された薄層を形成
してレーザを照射している状態を示す説明図、第４図は
合金粉末を塗布した後にレーザを表面に照射している状
態を示す説明図、第５図は半導体回路形状の基板を示す
平面図、第６図は樹脂性基板表面を示す平面図である。 ］、１１、］７．１８・・・金属材料（改質対象物）３
．９．１３・・・化合物層 ７・・・レーザ光 １３・・・金属層 第１図 代ｔＡ弁理士三好秀和 第２図 第５図 、Ａｒがス 第４図 第６図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）改質対象物の表面にレーザを照射して改質対象物
   の表面を改質するレーザ表面改質方法であって、 前記改質対象物の表面にパターン化された薄層を形成し
   、このパターン化された薄層が形成された改質対象物の
   表面全体にレーザを照射して改質対象物の表層部を改質
   することを特徴とするレーザ表面改質方法。
2. （２）前記パターン化された薄層がレーザの熱吸収率の
   高い化合物であることを特徴とする請求項（１）記載の
   レーザ表面改質方法。
3. （３）前記パターン化された薄層がレーザの反射率の高
   い材料層であることを特徴とする請求項（１）記載のレ
   ーザ表面改質方法。
4. （４）前記パターン化された薄層を改質対象物の表面を
   粗の状態にして形成したことを特徴とする請求項（１）
   記載のレーザ表面改質方法。
5. （５）改質対象物と化合物を形成するガス雰囲気中でレ
   ーザを改質対象物の表面全体に照射することを特徴とす
   る請求項（３）又は請求項（４）記載のレーザ表面改質
   方法。
6. （６）パターン化された薄層が形成された改質対象物へ
   レーザを照射した後に、この改質対象物を急冷すること
   を特徴とする請求項（２）、（３）または（４）記載の
   レーザ表面改質方法。
7. （７）改質対象物の表面に、加熱により薄層を形成した
   後、この薄層の表面にパターン化されたレーザの熱吸収
   率の高い化合物層を形成し、レーザを全体に照射して、
   化合物層の下部の薄層を優先的に加熱することを特徴と
   するレーザ表面改質方法。
8. （８）請求項（１）乃至請求項（７）記載のレーザ表面
   改質方法により表面が改質された改質対象物。