JP2006320907A

JP2006320907A - 粉体および被膜を用いたマイクロレーザピーニング処理およびマイクロレーザピーニング処理部品

Info

Publication number: JP2006320907A
Application number: JP2005143417A
Authority: JP
Inventors: Muneharu Kutsuna; 宗春沓名; Kiyotaka Saito; 清隆斉藤
Original assignee: SAITO KOGYO KK; Kutsuna Muneharu
Current assignee: SAITO KOGYO KK; Kutsuna Muneharu
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】自動車などの輸送機器や回転機械の部品であるベアリング、軸受けなど回転摩耗や粘着摩耗等を受ける摺動面の耐摩耗性および耐焼付き性を改善するレーザピーニング処理法を提供する。
【解決手段】各種金属材料及び樹脂部品１の表面に樹脂、金属、セラミックス、潤滑材、硬化材などの粉体および皮膜２を付着させた後、その上にレーザ吸収増強皮膜３を設けさらにその上にレーザ干渉膜を形成しその上から、短パルス高ピーク出力のレーザを集光して、レーザピーニング処理する。被加工物表面に微細なくぼみが生じ、そのくぼみに潤滑油溜まりができ、潤滑性や摺動性、耐摩耗性を向上させる。また、その表面では異物粉体が表面層に埋め込まれた改質層が形成する。その結果、表面には大きな圧縮残留応力の導入、表面積の拡大、組織の硬化、組織の微細化、表面直下の空洞の消滅など表面層の改質効果が起こる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種金属製品・部品、金属鋳物、溶接継手などの機械的性質、疲労強度、耐摩耗性、耐摺動性などを改善する新しい１つの方法を提案するものであり、その応用分野は多岐にわたり、工具、機械製品、輸送機器、高速回転装置、事務機器、医療機器など関連し、軸受け部材、ベアリンブ、摺動部品、ピストン、ブッシュ、シャフト、ローラーなどの機械部品および金属部材や、乗物用の動力機械の部品、動力機械器具、水力機械器具、表面処理用機械要素の寿命の著しい向上をもたらす技術に関するものである。

現在、ピストン、ブッシュ、クランクシャフトなど乗物用の動力機械の部品、ローラー、シャフト、コンベヤなど動力機械器具、ピストン、シリンダー、ベアリング、軸受けなど回転摩耗や粘着摩耗等の起こる摺動面は潤滑油を注ぎ摩擦係数を低下させ、リン酸被膜処理や酸化被膜処理のメッキ処理や金属コーティングの表面コーティング処理により特殊な被膜を作り焼付きや表面摩耗を防止している。また、セラミックス粉体や二硫化モリブデンなどの固体潤滑材を塗布し、潤滑油溜まりを表面に形成し耐摩耗性や耐焼付き性の向上を計っている。しかし、機械製品の高性能化、高速回転を促進するためにさらに耐摩耗性や耐焼付き性の向上が望まれている。本発明はレーザ粉体ピーニング処理あるいは超音波レーザ多重ピーニング処理を用いて、その回転面や摺動面に無数の微細なくぼみを発生させ、回転抵抗をより面接触から点接触にすることによりその摺動特性や耐摩耗性を改善する技術を提供するものである。

近年、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽金属製鋳造品が電子機器や輸送機器製品の軽量化のために多く利用されているが、その表面は耐摩耗性や耐引かき性が低く、その表面に各種コーティングを施し、又は、半凝固状態でダイキャスティングするなどの処理により品質の向上を計っている。また、表面近傍や鋳造品内部に各種欠陥があると歩留まりが大きく低下する。また、塑性加工、溶接、鋳造など熱加工をした各種金属製品や溶接継手などはその表面形状、例えば、鋳造材の凹凸部などが十分滑らかでなく、後加工を必要としたり、その表面近傍に引張残留応力を残したり、材質の劣化を起こしたりする。

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部は溶接の引張の残留応力により腐食環境下で応力腐食割れなどが発生しやすい。ニッケル超合金は融点直下の高温加熱で粒界脆化を起こすなど、各種金属を高温に加熱すると金属組織的にも強度的にもいろいろな問題が生じる。
ジュラルミンのような熱処理型のアルミニウム合金やマグネシウム合金は融点も低く、溶接の熱によりその熱影響部は容易に軟化するのが現状であり、その継手効率（母材強度に対する溶接継手の強度の比）は５０％から約９０％であり、それを１００％迄に高めることが困難である。どうしても１００％にする時は溶接後、熱処理を構造物に対して実施している。

新交通システムとして地下鉄内でも手軽に持ち運びできるマグネシウム合金製３つ折り超軽量自転車があるが、このフレームの溶接部では熱影響部が軟化する問題があり、ショットピーニングなどにより、強化されることが望まれている。
これらは高度な機能が要求される航空機、原子力プラント、自動車、高速列車、宇宙機器、救命機器などの構造物では大きな問題となる。これら製品や構造物の部品性能の向上が
ひいては製品の性能向上および寿命の延長に繋がる。

乗物用の動力機械の部品、動力機械器具、ベアリング、軸受けなど回転摩耗や粘着摩耗等を受ける摺動面の耐摩耗性および耐焼付き性の向上により、今まで不十分であった金属部品のより高速回転、無潤滑化および長寿命化をはかる。さらに、軽金属製鋳造品の表面の
耐摩耗性や耐引かき性を向上し、品質の向上、表面近傍や鋳造品内部に各種欠陥の除去、歩留の向上を計る。また、熱加工した各種金属製品や溶接継手の表面形状を滑らかにし、その表面近傍の引張残留応力を圧縮残留応力に変えることにより、疲労強度の向上を計り、その材質の劣化を防止する。

腐食環境下で発生しやすい金属製品（例：溶接継手）の応力腐食割れを防止し、高温加熱で粒界脆化を起こす各種金属の材料学的問題を解決する。また、熱処理系のアルミニウム合金やマグネシウム合金の溶接熱影響部の軟化を防止し、その継手効率の向上を計る。
これらは高度な機能が要求される航空機、原子力プラント、自動車、高速列車、宇宙機器、救命機器などの構造物では大きな問題となる。これら製品や構造物の部品性能の向上が
ひいては製品の性能向上および寿命の延長に繋がる。

図１の示すように、鉄鋼材料、鋳物材、非鉄金属ダイキャスト鋳物、チタン合金、アルミニウム合金やマグネシウム合金、ニッケル合金、銅合金、銀、金の金属材料及び樹脂製品である被加工物１に金属粉体、炭化物や酸化物のセラミックス粉体、触媒金属、半導体、水素貯蔵合金、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドの粉体、ｃBNの粉体、超硬合金、アモルファス合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデンン、金属間化合物、又は、フッ素系樹脂の固体潤滑材、又は、硬化材２を塗布、メッキ処理、溶射、溶着又は超音波ピーニングにより付着させ、その上に被加工物を衝撃波から守る皮膜としてグラファイト、黒色ペンキあるいは離型材などを塗布したレーザ吸収増強被膜３を設け、さらに、その上に水、油、ガラスまどのレーザ干渉膜４をおき、ナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザ５を用いて集光光学系６を通して集光し、被加工物１の表面にレーザピーニング処理をするレーザ粉体ピーニング処理、又は、レーザ皮膜ピーニング処理を施す。この場合、プラズマ数ギガＰa圧の発生による衝撃効果を高めるために水や油のレーザ干渉膜やフィルムなどの干渉膜４を用いる場合もある。その結果、図２に示すように被加工物７表面にミクロンオーダーの微細なディンプル、くぼみが微細塑性加工の結果複数生じ、その表面では異物粉体が表面層に埋め込まれた改質層８が形成する。その結果、表面には大きな圧縮残留応力の導入、表面積の拡大、組織の硬化、組織の微細化、表面直下の空洞の消滅など表面層の改質効果が起こる。
また、図１に示すようにレーザビームおよび集光光学系を位置（A）から位置（Ｂ）や位置（Ｃ）にコンピュータ制御で揺動、又は、オシレーションさせることにより、被加工物表面や凹凸部を全面あるいは局部的にレーザピーニングでき、効率的、局部的に表面処理してこれらの表面改質効果をもたらすことができる。

図１で粉体、固体潤滑材、又は、硬化材２の代わりに被膜を用いるレーザ被膜ピーニング処理では、図３に示すように被加工物９表面にリン酸被膜処理や酸化被膜処理の表面処理、金属メッキ処理、溶射、溶着の金属コーティング、セラミックコーティング処理を施した被膜10を設けた後、その上にビーム吸収増強型被膜としてグラファイト、黒色ペンキ、フィルムあるいは離型材を塗布又は供給したビーム吸収増強被膜11を設け、さらにその上にレーザ干渉膜１２を設け、ナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザ1３を用いて集光光学系1４を通して集光し、被加工物９表面にレーザピーニング処理をするレーザ被膜ピーニング処理を施す。そして、図４に示すように、その表面にミクロンオーダーの微細なくぼみの改質層16を生成すると同時に上述の被膜層を打込む表面処理方法である。この場合も、プラズマの発生による衝撃効果を高めるためにレーザを透過する水や油の干渉液やフィルムなどの干渉膜1２（図３中）を用いる場合もある。
図１において１被加工物、２固体潤滑材および硬化材、３ビーム吸収増強被膜、４透過レーザ干渉膜、５レーザビーム、６集光光学系を示す。図２において、７被加工物、８微小ディンプル下の固体潤滑材および硬化材を示し、図３において、９被加工物，１０メッキ処理、金属コーティング、セラミックコーティング処理を施した被膜、11ビーム吸収増強被膜、１２レーザ干渉膜、1３レーザビーム、1４集光光学系を示す。図４において、15被加工物、16レーザピーニングされた微小ディンプル表面の改質層を示す。

本発明で用いる固体潤滑材および硬化材２の表面に塗布するビーム吸収増強被膜６及び11にはレーザの吸収を向上させ、かつ被加工物を衝撃波から守る保護被膜としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離型材を塗布した被膜、例えば、透明なフィルム、ナイロン膜、金属被膜あるいはガラス被膜などを用いる。

被加工物表面が平坦でなく、球状であったり、円筒状であったり、表面に凹凸があったり、溶接継手のように両端に止端部があるような場合には図５に示すように、被加工物17表面に、金属粉体、炭化物や酸化物のセラミックス粉体、ダイヤモンドの粉体、ｃBN の粉体、超硬合金の粉体、アモルファス合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデンン、金属間化合物およびフッ素系樹脂などの固体潤滑材や硬化材23をキャリヤガス22アルゴンなどと噴射ノズル21を用いて高速で表面に噴射すると同時に、その上からビーム吸収増強被膜あるいは帯状またはフィルム状のレーザ吸収増強被膜19を作る必要があるので、送給装置24をノズル上部近傍に設けて19を加工部に供給することにより固体潤滑材や硬化材18を覆いその直後に、その噴射された箇所にナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザを用いてレーザ粉体ピーニング処理をする。
図５において、17被加工物、18噴射された粉体、固体潤滑材や硬化材、19レーザ吸収増強被膜、20レーザビーム、21噴射ノズル、22キャリヤガス、アルゴンなど、23噴射する粉体、固体潤滑材や硬化材、24レーザ吸収増強被膜送給装置である。

用いるレーザの種類は、レーザ透過干渉膜、水、油およびフィルムなど干渉液・膜を十分透過できる波長のレーザ（例えば、水を干渉液とする時は波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザの２倍波あるいは波長１，０６３ｎｍのガラスレーザ）で、パルス幅が数ｎｓ〜数１０ｎｓの幅で、そのパルスエネルギーが約数１００ｍＪから数Ｊで、そのピーク出力が数百メガＷから数ギガＷのレーザがあれば、水を用いて数１０Ｈｚから数１００Ｈｚでレーザピーニング処理を行うことが可能である。なお、照射するレーザビームはレンズなどで集光され、非加工物の表面では約ｍｍ以下に絞られたレーザビームを用いる必要がある。なお、これらのレーザ照射条件は材質の違いや利用目的の違いにより大きく異なる。水や油の干渉液の層は５ｍｍ以下の厚みでもよく、流水を用いることも可能である。またレーザ干渉膜としてはレーザを透過する写真フィルムのような干渉膜も利用できる。特にレーザ粉体ピーニングで用いる帯状フィルムは１０ミクロンから５００ミクロンの厚さで数ｍｍの幅を持つコイル状のものを利用できる。また、レーザを透過するガラスなども利用できる。

金属コーティングなどの表面処理加工を施した金属部材表面や、金属間化合物およびフッ素系樹脂、又は、固体潤滑材および硬化材を塗布した金属部材表面に、超音波ピーニング処理を施す場合には、その打撃針の先端で被加工物表面層に軽く溝加工を行った後、レーザピーニング処理でより深くまでディンプルを生じるようにピーニングする。この超音波レーザ多重ピーニング処理するときは、その表面を改質する表面処理法図１および図３に於いて用いる集光光学系は多点化、Ｘ−Ｙガルバノミラー利用などの方法により、高速移動を行うように工夫し、コンピュータ制御することにより、時間あたりの処理速度を高めることも可能である。

材料表面を浸炭あるいは浸窒処理した部材、金属あるいはセラミックコーティングした
部材、および金属、セラミックスなどの微粒子粉体を噴射した部材などの表面では粉体がディンプル中に散在し、直後にレーザピーニングできないことがある。このような場合は、超音波ピーニング処理してこれらの粉体をより表面に埋め込み、その後、通常にレーザ粉体ピーニングをレーザ吸収増強型被膜やレーザ干渉膜を用いてピーニングする必要がある。またはコイル状フィルムなどのレーザ干渉膜を用いて、粉体噴射部の粉体を押さえてレーザピーニングをする必要がある。この場合も必要があれば、被加工物を衝撃波から守る皮膜としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離型材などのレーザ吸収増強型被膜をフィルムの下部に塗布しつつ実施することで改質処理が可能となる。

レーザ粉体ピーニング処理あるいは超音波レーザ多重ピーニング処理では、図６に示すクランクシャフトなどの機械部品25の回転部摺動面26に、無数の微細な数μｍ〜数１０μｍのくぼみ27を形成することにより、摩耗し易い摺動面を改質および形状保持を計り、回転抵抗に対してより面接触から点接触にする移行することおよびディンプル中に潤滑油が溜まり、機械部品の摺動特性や耐摩耗性を改善できるばかりでなく、回転抵抗が低くなることにより、今まで以上に高速回転が可能になる。

レーザ被膜ピーニング処理、レーザ粉体ピーニング処理あるいは超音波レーザ多重ピーニング処理法を用いて、金属や樹脂やセラミックス表面に無数の微細なくぼみをつけ、又、金属や樹脂やセラミックスなどへの異物埋め込む加工および溝加工をすることにより、金属や樹脂製品の表面改質のみならず。溝加工、パターニング、模様付け、エッジ加工、バリ取り加工、不純物除去、ディンプル加工などの彫刻・除去加工を行うことができ、製品の表面形状を変えたり、微細な模様をつけたりする加工も可能となる。できたディンプルに減摩剤を塗布すれば、板材の塑性加工に対する成形性を向上させることが可能になり、深しぼり性を向上できる。また、ディンプルに潤滑油を塗れば、上述のように回転を容易にし、耐摩耗性、耐焼付き性を向上できる。

レーザピーニングする際に、三角形、四角形、多角形、円形、楕円形などの穴を多数設けた金属製またはセラミックス製のマスクを用いて、ピーニング処理する箇所としない箇所を区別してレーザピーニングすれば、精密機械部品の摺動面に摺り合わせ加工のキサゲ模様と同様な形状の微小なくぼみを、被加工物表面に形成することができ、所望の表面状態に加工することができる。キサゲ模様と同様な形状の微小なくぼみを、被加工物表面に多数形成するために、レーザピーニング処理時にレーザビームをＸ−Ｙスキャナー装置にて使用し、ビーム操作をコンピュータ制御にて用いて高速操作することにより、所用のディンプル、くぼみを複数形成するようにしたレーザピーニング処理ができるので、自動化が可能となる。現在、熟練技能者が行っているキサゲ加工を自動化できる。
この処理に用いるマスクは厚さ０．１ｍｍから５ｍｍの高硬度の金属製およびセラミックス製のマスクを利用できる。

レーザ粉体ピーニング、レーザ皮膜ピーニング、超音波レーザ多重ピーニングの効果は幅広く、次のような効果が期待できる。
金属や樹脂の部材表面に、各種異物、金属、セラミックス、金属間化合物、炭化物、窒化物の粉体や被膜を埋め込みまたは付着させ、かつ微小なディンプルを無数に生成することにより、他のレーザピーニング処理よりも大きな塑性変形が生じ、被加工物の表面に大きな圧縮残留応力を導入できる。これにより、製品または部品の強靭化、耐摩耗性や耐摺動性の向上のみならず、製品の疲労強度や寿命の向上、耐食性、耐熱性の向上が可能となる。
また、ディンプルの形状および分布をミクロ的に制御できるので、表面をキサゲ加工のようにマクロ的な凹凸部をより微細な凹凸部に変え、より平滑にできる。逆に、ミクロンオーダーの適度な大きさの凹凸部をベアリングや軸受けなどの機械部品の摺動面に形成させ、潤滑油や減摩剤を溜める為のくぼみとすれば、製品の耐摩耗性、耐摺動性、焼付き特性を改善できる。
照射部周囲は塑性変形により圧縮残留応力が誘起されるので、これにより亀裂の進展が困難になり、製品の疲労亀裂、応力腐食割れ、クリープ変形の進展が抑制される。
金属や樹脂に塑性変形が誘起されると同時に、ミクロ的には金属や樹脂の内部に転位が増殖され、転位密度が著しく増加するので、静的強度の向上および靭性も向上する。また、半凝固状態の鋳造物のような金属部品にピーニングしたときは金属組織が微細化し、強靭化が可能となる。
被加工物表面に金属製またはセラミックス製マスクを用いて、ピーニング処理により微細なディンプルを形成する部分と形成しない部分を明確に分けることができ、これをＸ−Ｙビームスキャナーおよびコンピュータ制御により、各種パターンを表現できるので、製品の表面の性能を多様化できる。例えば、ダル加工のような光学的に反射率の高い部分と低い部分にパターン化できる。
ピーニングを部品のエッジ加工やバリ取り加工に用いれば、その部品端部（エッジ）にディンプルを形成（圧縮残留応力付与）したり、エッジを丸み帯びた形状にしたり、エッジ部を硬化させたり、バリなどの不純物を除去することができる。
鋳造物に適用すれば、表面の凹凸を滑らかにできるとともに、表面近傍の組織中にある、鋳物巣、微細な亀裂、欠陥を押しつぶすことが可能でその表面性能を向上できる。
地球資源の有効利用に大きく寄与する。現在、各種金属は構造物として、部品として広く利用されているが、これらの構造物に適用すれば、その強度の向上、応力腐食割れに対する防止効果、疲労寿命の向上、亀裂の進展防止などより、製品そのものの寿命を向上し、金属材料の消耗を大きく押さえることができるので、限定された埋蔵量の各種金属を有効に長く活用できる。
９）各種溶接適用製品である自動車、船舶、建築物、橋梁、化学容器、パイプライン、化学プラント、ポンプ機器類の機械部品、電機製品、各種機械類などの溶接部は繰り返し荷重を使用中に受けやすく、疲労や応力腐食割れを受けやすいが、これらの溶接継手にレーザ粉体ピーニング、レーザ被膜ピーニング又は超音波レーザ多重ピーニングを施せば、これら溶接製品の寿命を３倍にも１０倍にも延命することができる。
１０）機械部品の回転部摺動面に、無数の微細な数μｍ〜数１０μｍのくぼみを形成することにより、摩耗し易い摺動面の改質、硬化、又は軟化のみならず、接触面積を低減でき、形状保持を長時間にわたり可能にすることから、回転抵抗に対して従来の面接触から点接触に移行でき、著しく回転抵抗を低減でき、今まで以上に高速回転が可能になる。また、ディンプル中に潤滑油が溜まり、それにより機械部品の摺動特性や耐摩耗性を改善できる。

実施例を図７〜図１３で説明する。図７に示す自動車用アルミニウム合金製エンジンブロック28のシリンダー内面29へのレーザピーニングの適用が考えられる。図８はこのシリンダー内面30内径２０ｍｍ〜１０００ｍｍを被加工物としてレーザピーニングを適用する状況を示す。短パルス高ピーク出力数１００メガＷのレーザビーム31および集光光学系（放物面鏡）32を配置し、このシリンダー内面30に１〜２ミクロンのエンボス加工後、二硫化モリブデンン（潤滑材）を塗布、その上にレーザの吸収を向上させ、かつ被加工物を衝撃波から守る被膜としてグラファイトを約
０．１ｍｍ塗布し、その上にフィルムをレーザ干渉膜として置き、このレーザ干渉層を透してＱスイッチのＮｄ：YAGレーザの第２高調波をレーザパワー密度３．０ギガＷ/cm2, 繰り返し数毎秒１００回（１００Ｈｚ）、ビームスポット径（ワーク上でのビーム径）を0.5ｍｍとして照射する。シリンダー全周にわたって微細なディンプルを形成させるために、ビーム集光光学系（レンズ）32およびビームの方向を９０度偏向するためのプリズムミラー33をともに光学系回転装置34に保持させた上で回転しつつレーザ照射部35にレーザピーニングを実施する。この場合の加工光学系としては集光光学系（レンズ）３２およびプリズムミラー３３を用いないで、放物面鏡をプリズムミラーの代わりに用い、直接集光、および９０度偏向して被加工物に照射するシステムも利用できる。

この結果、被加工物のシリンダー内面３０には図８に示すようにシリンダー内面ピーニング処理部３５に無数の微小なディンプルが形成できる。また、このシリンダーが鋳造アルミニウム合金製の時は鋳造時に生じたシリンダー内面近傍の鋳造欠陥（鋳物巣、ポロシティ、微細割れなど）がピーニング時の衝撃波圧力により圧縮され消滅する可能性もある。またレーザピーニング部35には圧痕（ディンプル）が形成され、確かに塑性変形も生じる。このように、アルミニウム合金の表面にディンプルが形成されるので、組織を微細化し、加工硬化が生じるのみならず、エンジン動作時にはエンジンオイルがピストンヘッド外周部とこのシリンダー内面の間に供給されるので、これがディンプル内に溜まり、有効に潤滑油として長時間動作する。また、ピストンとシリンダーの接触面積がディンプの面積分低減できるので、面接触から点接触状態になり、往復運動時の接触抵抗が低減できるのでシリンダーの寿命が大きく改善される。

図９は鋼製ベアリングの模式図を示す。ベアリング外輪3６の中に軸受け（ベアリングレース）3７、ベアリング玉３９が組込まれており、レーザピーニングする場所は軸受け（ベアリングレース）３７の摺動面３８である。この面に対してレーザ粉体ピーニング、レーザ被膜ピーニングあるいは超音波レーザ多重ピーニングを実施する。
その結果、図１０に示すように軸受け3７の摺動面３８に微細なディンプル４０が生じ、その表面は異物の埋め込みにより著しく強じん化される。またディンプル（微小なくぼみ）中に潤滑油が溜まり、潤滑効果を高める効果がある。ベアリングの動作中、くぼみが多数できることにより軸受けの摺動面３８とベアリング玉３９の間の接触面積が著しく低下して、回転抵抗が低下し、発熱も減少するので、超高速回転が可能になる。また、耐摩耗性、耐焼付き性の向上も期待でき、著しく寿命の向上が期待できる。

図１１に示す自動車用または舶用エンジンに用いられる軸受け部品（ベアリング）４１やブッシュ（摺動材）の摺動面４２に対してレーザ粉体ピーニング、レーザ被膜ピーニングあるいは超音波レーザ多重ピーニングを実施する。その結果、図１１に示すように軸受け４１の摺動面４２に微細なディンプル
４６が形成され、その表面近傍は異物の埋め込みにより著しく強じん化される。またディンプル（微小なくぼみ）中に潤滑油が溜まり、軸受けの潤滑効果を高める効果がある。ベアリングの動作中、くぼみが多数できることにより軸受けの摺動面３８と回転体の間の接触面積が著しく低下して、回転抵抗が低下し、発熱も減少するので、超高速回転が可能になる。また、耐摩耗性、耐焼付き性の向上も期待でき、機械部品の寿命は著しく向上する。

図１２にピストンリングへのレーザピーニングの適用例を示す。鋳鉄製ピストンリング４７の薄肉化が進んでいるが、そのためにはその外周や側面の摺動面４８の摺動抵抗を低減し、耐摩耗性を向上させる必要がある。そこで、図１２に示すようにＱスイッチのＮｄ：YAGレーザの第２高調波をレーザパワー密度３．０ギガＷ/cm2, 繰り返し数毎秒１００回（１００Ｈｚ）、ビームスポット径（ワーク上でのビーム径）を0.5ｍｍ〜１．０ｍｍとして照射すれば、摺動面４２に微細なディンプル４６が複数形成され、その表面近傍は異物の埋め込みにより著しく強じん化される。またディンプル（微小なくぼみ）中に潤滑油が溜まり、軸受けの潤滑効果を高める効果がある。
ピストンの動作中、くぼみが多数できることによりピストンリングの摺動面４８とピストンの間の接触面積が低下して、摺動抵抗が低下し、発熱も減少するので、超高速レシプロ運動が可能になる。また、耐摩耗性、耐焼付き性の向上も期待でき、ピストンの寿命は著しく向上する。

図１３にピストンへのレーザピーニングの適用例を示す。ピストン５２の摺動特性および耐摩耗性の向上のためにその外周部の摺動面５４にＱスイッチのＮｄ：YAGレーザ５５の第２高調波を集光光学系（レンズ）５６を通して、レーザパワー密度３．０ギガＷ/cm2, 繰り返し数毎秒１００回（１００Ｈｚ）、ビームスポット径（ワーク上でのビーム径）を0.5ｍｍ〜１．０ｍｍとして照射すれば、摺動面４２に微細なディンプル４６が複数形成され、その表面近傍は異物の埋め込みにより著しく強じん化される。またディンプル（微小なくぼみ）中に潤滑油が溜まり、ピストンの潤滑効果および摺動特性を向上させる効果がある。ピストンの動作中、くぼみが多数できることによりピストンの摺動面５４とエンジンブロック内面の間の接触面積が低下して、摺動抵抗が低下し、発熱も減少するので、超高速レシプロ運動が可能になる。また、耐摩耗性、耐焼付き性の向上も期待でき、ピストンの寿命は著しく向上する。

なお、被加工物の表面に塗布する固体潤滑材や硬化材のレーザ吸収率が非常に低い場合には図１４に示すように波長の異なる２種類のレーザ装置５７および５８を用いて、これをレーザ吸収率を改善することができる。この例はＱスイッチ短パルスYAGレーザ装置（波長＝１０６３ｎｍ）５７を光ファイバー５９で伝送し、これを波長５３２ｎｍのグリーンレーザ装置のレーザと出射ユニットで合成し、被加工物に照射することにより、
波長が短かいほどレーザ吸収率が向上し、プラズマの発生を容易にできる。このようなレーザピーニングシステムを利用することにより、銅、金、銀、アルミニウムなどの金属に対してピーニング加工を容易にできる。

レーザ粉体ピーニング処理の模式図レーザ粉体ピーニング処理後の被加工物の表面層の拡大図レーザ皮膜ピーニング処理の模式図レーザ皮膜ピーニング処理後の被加工物の表面層の拡大図噴射ノズルを用いたレーザ粉体ピーニング処理の模式図摺動面に微細なディンプル（くぼみ）をもつ回転機器部品自動車エンジンのシリンダー内面のレーザピーニングの適用例自動車エンジンのシリンダー内面のレーザピーニングの機構ベアリングの軸受け摺動面のレーザピーニング処理例レーザピーニング処理されるベアリングの軸受け摺動面軸受け摺動面のマイクロレーザピーニング処理ピストンリングのレーザピーニング適用例ピストンのレーザピーニング適用例ハイブリッド・レーザピーニングシステム

符号の説明

１被加工物
２固体潤滑材および硬化材
３レーザ吸収増強皮膜
４レーザ干渉膜
５レーザ
６集光光学系
７被加工物
８改質層
９被加工物
１０被膜
１１ビーム吸収増強皮膜
１２レーザ干渉膜
１３レーザ
１４集光光学系
１５被加工物
１６改質層
１７噴射ノズル
１８噴射された粉体（固体潤滑材や硬化材）
１９レーザ吸収増強皮膜
２０レーザビーム
２１噴射ノズル
２２キャリヤガス
２３固体潤滑材や硬化材
２４送給装置
２５機械部品
２６摺動面
２７レーザピーニング処理された表面
２８シリンダブロック(被加工物)
２９シリンダ内面部
３０シリンダ内面
３１レーザビーム
３２集光光学系
３３プリズムミラー
３４光学系回転装置
３５ピーニング部
３６ベアリング外輪
３７軸受け
３８軸受け摺動面
３９玉
４０微細なディンプル
４１溝付き軸受け
４２軸受け摺動面
４３高ピーク出力レーザ
４４集光レンズ
４５溝
４６処理された微小ディンプル
４７ピストンリング
４８レーザピーニングされるピストンリング摺動面
４９高ピーク出力レーザ
５０集光レンズ
５１ピーニング処理された面(微小ディンプル多数)
５２ピストンヘッド
５３コンロッド
５４ピーニング処理される摺動面
５５高ピーク出力レーザ
５６集光レンズ
５７短パルス高ピーク出力固体レーザ装置
５８Ｑスイッチグリーンレーザ装置
５９光ファイバ
６０ Qスイッチ
６１出射ユニット
６２被加工物

Claims

鉄鋼材料、鋳物材、非鉄金属ダイキャスト鋳物、チタン合金、アルミニウム合金やマグネシウム合金、ニッケル合金、銅合金、銀、金、樹脂の金属及び樹脂の製品表面に、リン酸皮膜処理や酸化被膜処理の表面処理加工、メッキ処理、溶射、溶着の金属コーティングや表面処理を施し、金属粉体、硫化物や酸化物の潤滑材、炭化物や酸化物のセラミックス粉体、触媒金属、半導体、水素貯蔵合金、カーボンナノファイバー、ダイヤモンドの粉体、ｃBNの粉体、超硬合金の粉体、アモルファス合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデンン、金属間化合物、又は、フッ素系樹脂の固体潤滑材及び硬化材を塗布し、その上にレーザの吸収を増強し、かつ被加工物を衝撃波から守る被膜としてグラファイト、黒色ペンキ、フィルムあるいは離型剤を塗布したレーザ吸収増強被膜を設け、ナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザを用いてレーザピーニング処理をするレーザ被膜ピーニング処理、又は、レーザ粉体ピーニング処理を施すことにより、その表面にミクロンオーダーの微細なくぼみを複数生成すると同時に上述の固体潤滑材及び硬化材を打込む表面処理法
鉄鋼材料、鋳物材、非鉄金属ダイキャスト鋳物、チタン合金、アルミニウム合金やマグネシウム合金、ニッケル合金、銅合金、銀、金、樹脂の金属及び樹脂の製品表面に、リン酸皮膜処理や酸化被膜処理の表面処理加工、メッキ処理、溶射、溶着の金属コーティングや表面処理を施し、金属粉体、硫化物や酸化物の潤滑材、炭化物や酸化物のセラミックス粉体、触媒金属、半導体、水素貯蔵合金、カーボンナノファイバー、ダイヤモンドの粉体、ｃBN の粉体、超硬合金の粉体、アモルファス合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデンン、金属間化合物およびフッ素系樹脂の固体潤滑材や硬化材を、アルゴンや窒素ガスのキャリヤガスに混合して、噴射ノズルを用いて高速で被加工物の表面に噴射すると同時にこれら固体潤滑材や硬化材の上に、帯状フィルムのレーザ吸収増強被膜を被膜供給機より供給した後に、その噴射された箇所にナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザを用いてレーザ被膜ピーニング処理、又は、レーザ粉体ピーニング処理をすることにより、その表面にミクロンオーダーの微細なくぼみを複数生成すると同時に上述の固体潤滑材や硬化材を打込む表面処理法
メッキ処理した金属表面や樹脂表面、又は溶射処理した金属表面や樹脂表面に、金属粉体、硫化物や酸化物の潤滑材、炭化物や酸化物のセラミックス粉体、触媒金属、半導体、水素貯蔵合金、カーボンナノファイバー、ダイヤモンドの粉体、ｃBNの粉体、超硬合金の粉体、アモルファス合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデンン、金属間化合物、およびフッ素系樹脂、又は、固体潤滑材および硬化材を塗布または噴射すると同時またはその直後に、その噴射部にナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザを用いてレーザピーニング処理をするレーザ被膜ピーニング処理、又は、レーザ粉体ピーニング処理を行い、その表面にくぼみを複数成形することにより、金属製品表面の機能を、飛躍的に向上させる表面処理法。
半凝固過程にある金属部材の表面を窒素ガスや、キャリヤガス雰囲気内において、ナノ秒オーダーの短パルス高ピーク出力１メガＷ以上のレーザを用いてレーザピーニング処理であるレーザ被膜ピーニング処理、又は、レーザ粉体ピーニング処理を行い、凝固する組織の微細化、組織変化、表面の改質、表面窒化、高性能化、又は、鋳物巣などの欠陥除去を行う表面処理法。
リン酸皮膜処理や酸化被膜処理の表面処理加工、メッキ処理、溶射、溶着の金属コーティングや表面処理を施し、金属粉体、硫化物や酸化物などの潤滑材、炭化物や酸化物のセラミックス粉体、触媒金属、半導体、水素貯蔵合金、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドの粉体、ｃBNの粉体、超硬合金、アモルファス合金、ニッケル超合金、二硫化モリブデンン、金属間化合物、およびフッ素系樹脂、又は、固体潤滑材および硬化材を塗布した金属部材表面に、超音波ピーニング処理した後、被加工物を衝撃波から守る皮膜としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離型材のレーザ吸収増強被膜を塗布した後、超音波ピーニングを施し、レーザピーニング処理する超音波レーザ多重ピーニング処理をすることにより、その表面を改質する表面処理法
請求項１から請求項３および請求項５において、材料表面を浸炭あるいは浸窒処理した部材、金属あるいはセラミックコーティングした部材、および金属、セラミックス、硫化物や酸化物の潤滑材の微粒子を、照射した部材の表面に、超音波ピーニング処理した後、被加工物を衝撃波から守る被膜としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離型材などのレーザ吸収増強被膜を塗布して、さらに、その上に水、油、溶融塩、フィルムなどのレーザ干渉膜を塗布して、レーザピーニング処理するレーザ被膜ピーニング処理、又は、レーザ粉体ピーニング処理、又は、超音波レーザ多重ピーニング処理することにより、その表面を改質する処理方法
請求項１から請求項４で示すレーザ粉体ピーニング処理あるいは超音波レーザ多重ピーニング処理を用いて、その回転面や摺動面に無数の微細なミクロンオーダーのくぼみを発生させ、回転抵抗をより面接触から点接触に変化させること、又は、潤滑油溜まりを作ることによりその摺動特性や耐摩耗生を改善した軸受け部材、ベアリンブ、摺動部品、ピストン、ブッシュ、シャフト、ローラーなどの機械部品、又は、金属部材や、乗物用の動力機械の部品、動力機械器具、水力機械器具、表面処理用機械要素。
請求項１から請求項６で示すレーザ被膜ピーニング処理、レーザ粉体ピーニング処理あるいは超音波レーザ多重ピーニング処理法を用いて、金属やセラミックス表面に複数の微細なくぼみを加工する、又は、金属やセラミックスなどへの異物埋め込む加工および溝加工をすることにより、金属製品の溝加工、パターニング、模様付け、超硬化処理、超強靱化処理、エッジ加工、バリ取り加工、不純物除去、ディンプル加工、圧縮残留応力付与を行う加工方法。
請求項１から請求項６で示すピーニング処理法を用いて、その表面を硬化処理、強靱化処理、長寿命化などの改質処理をした金型、金型表面、金型部品、機械加工用工具、加工用刃物工具類、ボルト・ナット、バルブ、スプリング、ギヤ、シャフト、ローラーカムフロア、チップ、ブローチ、リーマー、等の機械部品およびメガネフレーム、装飾品、医療用のインプラント製品、
請求項１および請求項６において、レーザピーニングする際に金属やセラミックス製のマスクを用いて、ピーニング処理する箇所としない箇所を区別してレーザピーニングするレーザ被膜ピーニング処理、レーザ粉体ピーニング処理あるいは超音波レーザ多重ピーニング処理法
請求項１０において、レーザピーニングする際に四角、多角形、円形、楕円形などの穴を多数設けた金属製またはセラミックス製のマスクを用いてレーザ照射し、精密機械の摺動面に摺り合わせ加工のキサゲ模様と同様な形状の微小なくぼみを、被加工物表面に形成することにより、形成されるディンプル、くぼみの形状を制御したレーザピーニング処理およびこの処理に用いる厚さ０．１ｍｍから５ｍｍの金属製およびセラミックス製のマスク
請求項１０および請求項１１において、レーザピーニングする際に四角、多角形、円形、楕円形などの穴を多数設けた金属製またはセラミックス製のマスクを用いてレーザ照射し、精密機械の摺動面に摺り合わせ加工のキサゲ模様と同様な形状の微小なくぼみを、被加工物表面に多数形成するために、レーザピーニング処理時にレーザビームをＸ−Ｙスキャナー装置およびコンピュータ制御を用いて高速操作することにより、所用のディンプル、くぼみを複数形成するようにしたレーザピーニング処理
シリンダー、シャフト、軸受けなどの機械部品の摺動面に硫化物や酸化物の潤滑材、金属またはセラミックコーティングした後、レーザピーニングする際に四角、多角形、円形、楕円形などの穴を多数設けた金属製またはセラミックス製のマスクを用いてレーザ照射し、精密機械の摺動面に摺り合わせ加工のキサゲ模様と同様な形状の微小なくぼみを、被加工物表面に形成することにより、形成されるディンプル、くぼみを、数μｍ〜数１０μｍ深さで複数形成するマイクロレーザピーニング処理方法。
粉体を加工部に噴射して行うレーザ粉体ピーニング処理で、レーザ干渉膜として使用するレーザを透過できる写真フィルムのような干渉膜で、その形状およびサイズは帯状で、
その厚さは１０ミクロンから５００ミクロンで、数ｍｍの幅を持つコイル状の固体干渉膜
クランクシャフトの摺動面、エンジンブロックのシリンダー内面、摺動面、又は、ベアリングの軸受け摺動面、ブッシュなどの軸受けの摺動面に硫化物や酸化物の潤滑材、二硫化モリブデンをコーティングした後、レーザ粉体ピーニングすることにより、微細なディンプル数μｍ〜数１０μｍ深さのくぼみを、複数形成するマイクロレーザピーニング処理方法、又は、この処理により表面改質された機械部品。
請求項１５において、四角、多角形、円形、楕円形などの穴を多数設けた金属製またはセラミックス製のマスクを用いてレーザ照射し、精密機械の摺動面に摺り合わせ加工のキサゲ模様と同様な形状の微小なくぼみを、被加工物表面に形成することにより、任意の形状のディンプル数μｍ〜数１０μｍ深さのくぼみを、無数に形成することにより機械部品の耐摩耗性、寿命などを向上させるマイクロレーザピーニング処理、又は、この処理により摺動面が表面改質された機械部品