【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は金属線材、特に自動車タ
イヤ等に使用する鋼細線のレーザによる熱処理法及びそ
の装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自動車タイヤ等に用いられる鋼細線は、
自動車の高速化或いはエンジンの高出力化に対応し、よ
り高張力化が要求されている。この要求を満たすために
、例えば直径０．３ｍｍの鋼線では少なくとも２８０Ｋ
ｇｆ／ｍｍ２ の高張力が必要であり、現状では３４０
Ｋｇｆ／ｍｍ２ のものが製造されている。さらには３
６０Ｋｇｆ／ｍｍ２ 超のものもあるが、このような高
い引っ張り強度を有する鋼細線にはもう一つの必要条件
である曲げ疲労強度が不足し、実用化を困難にしている
。
【０００３】この疲労強度は、鋼細線の表層を軟化処理
することのより改善されることが知られており、その表
層改質にレーザビームによる熱処理方法が提案されてい
る。レーザビームによる表面熱処理は、加工物の表層の
みに行なえることや短時間処理が可能である等の利点は
あるが、強い指向性と集中性を有するため、比較的広い
処理面積に均一なエネルギー分布を形成するのが難しい
。そのため集光光学系、例えば、デフォカスビーム方式
、分割ミラー線状ビーム方式、ビームスキャナー方式等
を用いることにより、均一分布が可能となる。しかしな
がら、この種の加工物に照射されるエネルギー密度は、
溶接や切断等に使用する場合に比べて低いことと、レー
ザビームの加工物表面での反射率いため、表面に光線吸
収物質を塗布する等の手段が必要であり、また、反射率
は入射角が小さいほど高くなるため、この入射角を調整
しなければならないという問題がある。
【０００４】一方、レーザビームを用いて鋼線や丸棒等
の加工物を熱処理する場合に、加工物の軸方向に略直角
な方向から、或いは軸方向からレーザビームを照射する
ことが、特開昭６１−１７０５２１号公報に開示されて
いる。しかし、前者の場合には加工物の円周方向に対し
てレーザビームの吸収が不均一となり、エネルギー効率
が低下する。そのため、加工物表面にレーザ吸収物質な
どをと塗布することにより、効率向上を期待し得るが、
この吸収物質の塗布は難しく、特に製造オンラインでの
塗布は工程の付加となり製造コストの上昇を来す。また
後者の場合は、レーザビームの入射角が小さいためその
反射率が増大しエネルギー利用効率が著しく低下する。
【０００５】この様な問題点を改良するために、本発明
者等は内面を鏡面にした円錐型或いは多角錐型のミラー
内に、レーザビームを中心軸に沿って入射し、ミラー内
を走行する加工物を多重反射で熱処理する方法を特開昭
６３−２６２４１４号公報及び特開平２−１０１１１２
号公報に提示した。すなわちミラー中心軸に沿って入射
されたレーザビームはミラー内面を多重反射しながらミ
ラー頂部近傍で収斂させ、効率良い熱処理を行うことが
できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した従来
技術の問題点を解消するものであり、且つ前記公報記載
のミラーを用いてレーザビームによる加工物、特に線径
１ｍｍ以下の鋼細線を熱処理するにあたり、レーザビー
ムの入射、処理条件を改良することにより、ミラー内に
導かれたレーザビームが内部で多重反射を繰り返しなが
ら先端部で収斂し、ー層エネルギー密度を高め、円周方
向により平均化したビーム群で効率のより良い表層熱処
理を行って、疲労強度を大幅に向上させる高速の熱処理
方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、次の構成を要旨とする。すなわち、（１）
頂角を５〜２０度とした内面が鏡面である多角錐型
或いは円錐型ミラーにおいて、頂点に設けた開口の穴径
を通過する線径より０．２〜２ｍｍ大きく形成せしめ、
前記ミラー内にその中心軸に沿って線径１ｍｍ以下の金
属線材を走行させると共に、該ミラー中心軸より偏向角
１０度以内のレーザビームを入射して、該レーザビーム
をミラー内面と走行線材表面との間で多重反射させるこ
とを特徴とする金属線材のレーザ熱処理法であり、（２
） 金属線材が重量％として、Ｃ：０．６〜１．２％， Ｓｉ；０．１〜０
．５％，Ｍｎ：０．２〜０．８％， Ｐ：０．０２％以下
、Ｓ：０．００２〜０．０２％，残部が実質的にＦｅよ
りなり、ブラスメッキをされ、２８０Ｋｇｆ／ｍｍ２
以上に引っ張り強度を有することを特徴とする前項記載
の金属線材のレーザ熱処理法、及び（３） 金属線材が重量％として、Ｃｒ：０．１〜０
．７％を含有することを特徴とする前項記載の金属線材
のレーザ熱処理法、そして（４） 頂角を５〜２０度とした内面が鏡面である多
角錐型或いは円錐型ミラーにおいて、頂点の穴径を通過
する線径より０．２〜２ｍｍ大きく形成し、前記ミラー
の底部に、金属線材通過開口を有し且つ煽り機構を設け
、該ミラー中心線に対して±１０度偏向し得るレーザビ
ームをミラー内に反射させる反射鏡を備えたことを特徴
とする金属線材のレーザ熱処理装置である。
【０００８】
【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図１は本発明
の円錐型ミラー１を用いたレーザ熱処理設備の一例を模
式的に示したものである。円錐型ミラー１は例えば銅板
を円錐状に加工し、その内面２は金等でのメッキ或いは
研磨して鏡面を形成し、入射されるレーザビームが反射
されやすいようにする。ミラー１は円錐型に限らず多角
錐型であっても良いが、その頂角θ（多角錐の場合には
内接する円錐の頂角を意味する。以下本発明を円錐ミラ
ーについて説明する。）は５〜２０度の範囲に構成する
。円錐ミラー１の頂部には熱処理された金属線材３を通
す出口４を設け、この穴径を、線材３の径より０．２〜
２ｍｍ大きくする。また該ミラー１の底部には、レーザ
ビームをミラー１内に照射する反射鏡５を、その面がミ
ラー１の軸線に対して基本的には４５度になるような位
置に設定し、該反射鏡５に煽り機構６（図２，３参照）
を付帯設置し、反射鏡５を前記設置角±１０度の範囲に
偏向可能にしている。
【０００９】図中７はレーザ発信器であり、該発信器７
より発射されたレーザビーム８は、ベンディングミラー
９，９を介して通口１０を経て反射鏡５に入射し、円錐
ミラー１の内部鏡面に達する。１１は金属線材３の駆動
装置であり、該線材がミラー１内で所定の速度で走行で
きるように調整できる。１２は反射鏡５に設けた線材３
の導入口、１３はミラー内を非酸化性雰囲気にするガス
導入口である。上記した煽り機構６の一例を図２及び図
３に示す。図２に示す煽り機構は、円錐ミラー１の底部
フランジ１ａ，１ｂに螺合等の手段で進退可能に設置し
た調整手段６ａ，６ｂを反射鏡５に取り付けたものであ
り、この調整手段６ａ及び６ｂは夫々単独に、或いは同
期して互いに進退逆方向に作動し、反射鏡５を設定位置
（ミラー１の中心軸に対して４５゜）から±１０度以内
に偏向可能に微調整できるようしている。ミラー１の中
心線Ｐ１ −Ｐ２ にレーザビーム８が投入され、該ビ
ームがミラー１の中心線と同軸に反射される反射鏡５の
設定状態は、ミラー１の中心線中Ｐ１ −Ｐ２ と反射
鏡５で構成する角α０ が４５度であり、この時のレー
ザビーム８が反射鏡５で反射してミラー１に投入される
角α１ は９０度になる。煽りを作る場合は調整装置６
ａ，６ｂによって反射鏡５の反斜面中心点Ｐ１ を軸と
してミラー５の回転Ｒを行うことによりレーザビームの
反射角α１ は９０度より小さくなり、その分の煽りα
が生じる。
【００１０】図３は他の煽り手段を示すものであって、
反射鏡５にレーザビームを入射するベンディングミラー
９の設定角度を制御し、反射角α２ を９０度より小さ
いな角α´２ にすることが出来る。但しこの場合、ミ
ラー９によって変化した角度に比例して、反射鏡５に入
射したレーザビーム８の中心が移動するので、煽りが大
きい場合にはミラー９の位置を、入射ビームの軸上で移
動（９´）し補正することが好ましい。
【００１１】このように構成した煽り機構を有する円錐
型ミラー１内には、導入口１２を通って導入された金属
線材３がミラー１中心軸に沿って所定の速度で走行し、
レーザビーム８により表層加工熱処理を受けてミラー頂
部の出口４より導出する。
【００１２】レーザビーム８は、煽り機構６を作動して
反射鏡１を偏向することにより、図４に示すように入射
偏向角αで、つまりミラー１の中心軸線Ｐ１−Ｐ２ と
平行する線より僅かに（軸線に対する角αを１０度以下
の範囲で）そらしてミラー内に入射すると、金属線材３
を回り込みながらミラーの内面間で多重反射を繰り返し
加工点Ｗであるミラー頂点部に達する。このように角α
と加工線材周面におけるエネルギー密度とは密接な関係
があり、角αに偏向入射したレーザビーム８を利用すれ
ば、図５に示すように、平行に入射されたレーザビーム
による熱処理加工に比べて、加工点である頂点近傍にお
いて、よりピークパワーの高い加工が可能となり、また
図６に示すように、入射偏向角αを１０度以下にするこ
とにより全周面に亘って均一な熱処理加工ができる。１
０度を越えるとレーザビームが頂点に達する前に逆方向
に進むためピ−クパワーが上がらなくなる。
【００１３】一方、金属線材の加工熱処理に必要な加工
パワーＡは、実験結果から加工時のレーザの投入パワー
ｐ、加工速度ｖの関係式である下式Ａ＝Ｃ・ｐ０．７ ／（ｄ・ｖ０．５ ）但し、Ｃは加
工時の定数、ｄは与えられた鋼線径においてで求めるこ
とができ、少なくとも５ｋＷ／ｃｍ２ とすることが好
ましく、この条件を満足するためには、円錐型ミラー１
の構成を特定する必要がある。即ち該ミラー１の頂角θ
を５度以上にすることによって上記レーザ集光パワーを
得ることができる。しかし、２０度を越えると該パワー
の周方向の均一性が得られなくなり、均一な熱処理が不
可能になる。また、ミラー１頂部の出口４の口径もレー
ザ集光パワーに影響する。本発明者の実験によると０．
３ｍｍの鋼線をレーザ出力５００Ｗ、ビーム径１０ｍｍ
で加工熱処理をする場合、頂部出口径を下記の通り変え
た時のエネルギーロスは同時に併記した通り、両者の径
差が大きくなるほど多くなる。出口径（ｍｍ） エネルギーロス（Ｗ）０．４
０．７０．５
１１．０１．０ ３０．３２．５ ８０．６その結果、出口径を加工する金属線材の径に対して０．
２〜２ｍｍ大きくなるようにした。即ち、０．２ｍｍ未
満ではエネルギーロスは小さくなるが実用上障害が生じ
、他方２ｍｍを超えるとエネルギーロスが大きく、加工
が不適切になるからである。
【００１４】本発明において、上記したレーザ熱処理に
際しては、ミラー内での鋼細線加工表面の酸化を防止す
るためにミラー内をＡｒなどの不活性ガス雰囲気にする
ことが好ましい。又、上記したレーザ熱処理装置を、金
属線材製造ラインのダイス間に設置すれば、加工を一層
容易に行うことができる。
【００１５】本発明は線径１ｍｍ以下で２８０Ｋｇｆ／
ｍｍ２ 以上の引っ張り強さを有する鋼細線を処理対象
とし、その成分を限定した理由は次の通りである。Ｃは
所望の引っ張り強度を付与するために含有し、０．６％
未満では強度不足となり、１．２％を超えると靭性が劣
化する。従って０．６〜１．２％に限定した。Ｓｉは脱
酸のために通常含有する元素であり、鋼の強度アップに
１％まで許容される。好ましくは０．８％である。Ｍｎ
は鋼の焼き入れ性を確保するために添加する。しかし０
．８％を超えると熱処理の作業性がれかする。Ｐ，Ｓは
靭性向上のために少ない方がよく、いずれも０．０２％
以下とする。尚Ｓを低くすることはブラスメッキの密着
性を向上できる。Ｃｒは必要に応じて添加するものであ
り、強度を向上するために０．１％以上添加する。しか
し０．７％を超えると熱処理作業性が低下する。尚、ブ
ラスメッキは、鋼細線の耐食性を向上し、タイヤなどに
使用する場合にゴムとの密着性を向上することができる
。
【００１６】
【実施例】図１に示した設備により線径０．３ｍｍの高
炭素鋼線を処理した。即ち、円錐型ミラー１内に、駆動
装置により８０ｍ／ｍｉｎ の速度で移動する前記鋼線
を挿通させ、レーザ発信器７から出力５００Ｗで発射し
たのレーザビーム（１１ｍｍφ）を反射鏡によりミラー
軸心に対して０．３度偏向させてミラー内に照射した。円錐型ミラーの頂角は１０度、出口径は１ｍｍとした。
【００１７】上記本発明の処理をした鋼細線は、断面ほ
ぼ１μｍの極表層に、円周方向に均一な焼鈍層が形成さ
れ、引っ張り強度３３０Ｋｇｆ／ｍｍ２ ，曲げ疲労強
度６０Ｋｇｆ／ｍｍ２ （７本束ねで行った）が得られ
た。これに対しレーザ処理を行わない鋼細線は引っ張り
強度は３３０Ｋｇｆ／ｍｍ２ と同等であったが、曲げ
疲労強度は３０Ｋｇｆ／ｍｍ２ であり本発明法処理材
が極めて優れていることが分かる。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザビ
ーム処理を行った鋼細線は、表層部がより均一に熱処理
され、曲げ疲労強度をより一層向上できて、タイヤ等に
使用される鋼線として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】【図１】本発明装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の煽り機構の一例を示す図である。
【図３】本発明の他の煽り手段の一例を示す図である。
【図４】本発明の円錐型ミラー内にレーザビーム照射状
況を示す概略図である。
【図５】本発明の円錐型ミラー内へのレーザビーム入射
角とエネルギー密度との関係を示す。
【図６】本発明の円錐型ミラー内へのレーザビーム入射
角と加工線材周面におけるエネルギー平均密度との関係
を示す。
【符号の説明】１：円錐型ミラー２：内面３：金属線材４：出口５：反射鏡６：煽り機構７：レーザ発信機８：レーザビーム９：ベンディングミラー１０：通口１１：駆動装置１２：線材導入口１３：ガス導入口