工具の表面改質方法および工具
【課題】表面硬さが比較的高い素材に対して強化粒子を移着させることができる工具の表面改質方法および工具を提供すること。
【解決手段】ショットＳが超硬合金の仮焼結材から構成されるので、工具Ｗの表面に到達したショットＳを粉砕させ、ショットＳを構成していた各タングステンカーバイトの粒子のそれぞれを工具Ｗの表面に衝突させることができる。よって、ショットＳに大きな運動エネルギーを与えた状態で、工具Ｗの表面に到達させつつ、粉砕により、粒子径の小さなタングステンカーバイトの粒子を衝突させ、工具Ｗの表面に食い込む際の抵抗を小さくできる。その結果、比較的硬度が高い工具Ｗであっても、その表面に効率的にタングステンカーバイトの粒子を移着させることができる。
【解決手段】ショットＳが超硬合金の仮焼結材から構成されるので、工具Ｗの表面に到達したショットＳを粉砕させ、ショットＳを構成していた各タングステンカーバイトの粒子のそれぞれを工具Ｗの表面に衝突させることができる。よって、ショットＳに大きな運動エネルギーを与えた状態で、工具Ｗの表面に到達させつつ、粉砕により、粒子径の小さなタングステンカーバイトの粒子を衝突させ、工具Ｗの表面に食い込む際の抵抗を小さくできる。その結果、比較的硬度が高い工具Ｗであっても、その表面に効率的にタングステンカーバイトの粒子を移着させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具の表面改質方法および工具に関し、特に、表面硬さが比較的高い素材に対して強化粒子を移着させることができる工具の表面改質方法および工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金やマグネシウム合金は、軽量化が要求される各種の分野、例えば、自動車や鉄道車両、航空機などに広く使用されている。これらアルミニウム合金等は、軽量である一方、強度が比較的低いため、その機械的強度を高めるための種々の技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ブラスト装置により投射された強化粒子（純タングステンやタングステン合金などの粒子）を、アルミニウム合金の表面に衝突させることで、アルミニウム合金の表面に強化粒子を分散（移着）させ、機械的強度を高める技術が開示される。この技術によれば、処理対象の形状によらず、その表面に強化粒子層を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８５３３９号（例えば、段落００４８，００５３及び第１図（Ａ）など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の技術では、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの表面硬さが比較的低い素材に処理対象が限定されるという問題点があった。即ち、ダイス鋼やハイス鋼などの表面硬さが比較的高い素材に対しては、上述した技術では、強化粒子を移着させることが困難となる。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、表面硬さが比較的高い素材に対して強化粒子を移着させることができる工具の表面改質方法および工具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の工具の表面改質方法によれば、ショットピーニングにより工具の表面に投射されるショットが、超硬合金の仮焼結材から構成されるので、比較的硬度が高い工具の表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【０００８】
即ち、比較的硬度が高い工具の表面にショットを投射する場合、ショットの粒子径が小さいと、ショットに十分な運動エネルギーを付与することができない（即ち、投射されたショットの運動エネルギーは重量に比例する）ので、ショットを工具の表面に移着させることができない。一方、ショットの粒子径が大きくなるに従い、ショットが工具の表面に食い込む際の抵抗が急増するので、現実的なショットの投射最大速度では、工具の表面に移着させることが困難となる。よって、純タングステンカーバイトやタングステンカーバイト合金を投射する従来技術では、比較的硬度が高い工具の表面に移着させることが困難となる。
【０００９】
これに対し、請求項１では、ショットが超硬合金の仮焼結材から構成されるので、工具の表面に到達したショットを粉砕させ、ショットを構成していた各タングステンカーバイトの粒子のそれぞれを工具の表面に衝突させることができる。
【００１０】
即ち、投射時には、ショットの粒子径を大きくしておけるので、そのショットに大きな運動エネルギーを与えた状態で、工具の表面に到達させることができる。一方、工具の表面に到達すると、粉砕により、粒子径の小さなタングステンカーバイトの粒子として、衝突させることができ、その結果、工具の表面に食い込む際の抵抗を小さくできる。このように、大きな運動エネルギーを付与しつつ、粒子径が小さくされた状態で衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具であっても、その表面に効率的にタングステンカーバイトの粒子を移着させることができる。
【００１１】
請求項２記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、仮焼結材の平均粒子径を８００μｍ以下としたので、投影面積を小さくして、空気抵抗を抑制することで、投射速度を高くすることができる。一方、仮焼結材の平均粒子径を１４０μｍ以上としたので、粒子の重量を確保することができる。よって、超硬合金に比べて比重の小さな仮焼結材であっても、投射速度および重量を確保して、運動エネルギーを大きくすることができる。その結果、比較的硬度が高い工具の表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００１２】
請求項３記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1又は２に記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、仮焼結材の総重量に対し、コバルト（Ｃｏ）を１６ｗｔ％以下としたので、コバルトによる結合力が高くなり過ぎることを抑制することができる。よって、ショットを確実に粉砕させ、粒子径が小さくされた状態でタングステンカーバイト（ＷＣ）を工具の表面に衝突させることができる。即ち、工具の表面へ食い込む際の抵抗を小さくすることができる。一方、仮焼結材の総重量に対し、コバルトを３ｗｔ％以上としたので、コバルトによる結合力を確保することができる。よって、工具の表面に到達する前にショットが粉砕され、衝突速度が低下することを抑制することができる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、工具の表面にショットを衝突させることができる。その結果、比較的硬度が高い工具の表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００１３】
請求項４記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を仮焼結材が有するので、工具の表面に到達する前にショットが粉砕されることを抑制することができる。よって、粉砕により投射速度が低下することを抑制できる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、ショットを工具の表面に衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具であっても、その表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００１４】
請求項５記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1から４のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、タングステンカーバイトの粒子の移着により、耐摩耗性が向上された工具を得ることができるだけでなく、ダイス鋼または高速度工具鋼から工具を構成することで、剛性が確保された工具を得ることができる。なお、アルミニウム合金を処理対象とする従来技術では、処理表面の耐摩耗性が向上しても、工具自体の剛性を確保することができない。
【００１５】
即ち、このような比較的硬度が高い素材の工具を表面改質の対象とすることは、従来の純タングステンカーバイトやタングステンカーバイト粒子を投射する技術では不可能であり、本発明のように、超硬合金の仮焼結材からショットを構成したことで、初めて対象とすることが可能となったものであり、これにより、工具自体の剛性の確保と加工面（処理表面）の耐磨耗性の向上とが同時に達成された工具を得ることができる。
【００１６】
請求項６記載の工具の表面改質方法によれば、請求項２から５のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、ショットの投射圧を重力式および直圧式の両者において０．１ＭＰａ以上とするので、ショットの投射速度を確保して、工具の表面へのタングステンカーバイトの移着を確実に行うことができる。一方、ショットの投射圧を、重力式の場合は０．６ＭＰａ以下であって直圧式の場合は０．３ＭＰａ以下とするので、１のタングステンカーバイトが衝突した後、次の投射により別のタングステンカーバイトが同じ箇所に再度衝突した際に、その箇所が削り取られてしまう、即ち、タングステンカーバイトの移着した箇所が消失することを抑制することができる。
【００１７】
請求項７記載の工具によれば、請求項１から６のいずれかに記載の工具の表面改質方法により表面が改質されるので、加工面（処理表面）の耐磨耗性を確保して、耐久性の向上を図ることができる。特に、請求項５のように、工具をダイス鋼または高速度工具鋼から構成する場合には、工具自体の剛性を確保して、加工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施に使用される一実施の形態におけるショットピーニング装置の概要模式図である。
【図２】ショットの粒子径および投射圧と工具の処理表面の硬度との関係を図示する表である。
【図３】本願処理品の切削長さと無処理品の切削長さとを図示するグラフである。
【図４】工具Ｗの断面を電子顕微鏡により撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、ショットピーニング装置１について説明する。図１は、本発明の実施に使用される一実施の形態におけるショットピーニング装置１の概要模式図である。
【００２０】
図１に示すように、ショットピーニング装置１は、ショットＳをノズル１７から処理対象物（以下「工具Ｗ」と称す）に投射することで、その工具Ｗの表面改質を行うための装置であり、ショットＳを収容するホッパ１３が収容口を上方へ向けて配設される。
【００２１】
なお、本実施の形態では、後述するように、ショットＳが超硬合金の仮焼結材から構成される。また、工具Ｗは、切削加工に用いるエンドミルであり、高速度工具鋼から構成される。
【００２２】
ホッパ１３の取出し口には、配管を介して、加圧タンク１４が接続され、加圧タンク１４の下流側にはミキサ１６が接続される。また、加圧タンク１４及びミキサ１６には、圧縮空気の供給源として構成されるエア供給源１５が接続される。よって、ホッパ１３に収容されたショットＳは、加圧タンク１４から、圧縮空気と共に、ミキサ１６へ圧送されると共に、ミキサ１６から、圧縮空気と共に、ノズル１７へ圧送される。これにより、ノズル１７から工具ＷへショットＳが投射される。
【００２３】
次いで、ショットＳの詳細構成について説明する。ショットＳは、超硬合金製の仮焼結材から構成される。即ち、ショットＳは、タングステンカーバイト（ＷＣ）及びコバルト（Ｃｏ）に対し、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）又はニオブ炭化物（Ｎｂ炭化物）などの一部または全部を混合し、所定の粒子径（例えば、２０μｍ〜８００μｍ）に造粒したものを、真空雰囲気（例えば、１．３Ｐａ〜１３Ｐａ）中において、焼結温度以下の温度（例えば、７００℃〜１２００℃）で加熱し、タングステンカーバイトの粒子間をコバルトの固相結合により固着させて得られた、比重６．５〜８．０の仮焼結材として構成される。
【００２４】
このように、ショットＳは、超硬合金製の仮焼結材から構成されるので、工具Ｗの表面にショットＳが到達すると、ショットＳが粉砕され、その結果、ショットＳを構成していた各タングステンカーバイトの粒子（強化粒子）のそれぞれを工具Ｗの表面に衝突させることができる。
【００２５】
よって、投射時には、ショットＳの粒子径を大きくして、そのショットＳに大きな運動エネルギーを与えた状態で、工具Ｗの表面に到達させることができる。一方、工具Ｗの表面に到達すると、粉砕により、粒子径の小さなタングステンカーバイトの粒子として、衝突させることができ、工具Ｗの表面に食い込む際の抵抗を小さくできる。このように、大きな運動エネルギーを付与しつつ、粒子径が小さくされた状態で衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具Ｗであっても、その表面に効率的にタングステンカーバイトの粒子を移着させることができる。
【００２６】
ショットＳを構成する仮焼結材は、その平均粒子径を、１４０μｍ〜８００μｍの範囲に設定することが好ましい。仮焼結材として構成したことで、比重が比較的小さくなるため、投射の際の空気抵抗の影響が大きくなるところ、平均粒子径を８００μｍ以下とすることで、投影面積を小さくして、空気抵抗を抑制することができ、その結果、投射速度を高くすることができる。一方、平均粒子径を１４０μｍ以上とすることで、空気抵抗の影響を抑制しつつ、粒子の重量を確保することができる。
【００２７】
これにより、比重が比較的小さくなる仮焼結材であっても、投射速度および重量の両者を確保して、運動エネルギーを大きくすることができる。その結果、比較的硬度が高い工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００２８】
なお、タングステンカーバイトは、ショットＳ（仮焼結材）を仮焼結する前の状態において、その粒子径が、０．５μｍ〜１０μｍとされる。このタングステンカーバイトの粒子径は、表面改質の処理対象となる工具Ｗの素材に応じて適宜変更される。
【００２９】
仮焼結材の各成分は、総重量に対し、３ｗｔ％〜１６ｗｔ％がコバルト（Ｃｏ）、０ｗｔ％〜１０ｗｔ％がチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）又はニオブ炭化物（Ｎｂ炭化物）の内の一部または全部とされ、残部がタングステンカーバイト（ＷＣ）とされる。なお、チタン、タンタル及びニオブ炭化物の含有量はこれら３成分の合計ｗｔ％を最大で１０ｗｔ％とする趣旨であり、それら３成分の比率は問わない。また、これら３成分を含まない（即ち、チタン、タンタル及びニオブ炭化物の含有量をそれぞれ０ｗｔ％とする）組成としても良い。
【００３０】
このように、ショットＳ（仮焼結材）の総重量に対し、コバルトを１６ｗｔ％以下とすることで、コバルトによる結合力を抑制することができる。よって、ショットＳを確実に粉砕させ、粒子径が小さくされた状態（即ち、コバルトにより結合されていた各タングステンカーバイトの粒子にそれぞれを分解した形）でタングステンカーバイトを工具Ｗの表面に衝突させることができる。よって、工具Ｗの表面へ食い込む際の抵抗を小さくすることができる。
【００３１】
一方、ショットＳ（仮焼結材）の総重量に対し、コバルトを３ｗｔ％以上とすることで、コバルトによる結合力を最低限確保することができる。よって、工具Ｗの表面に到達する前にショットＳが粉砕され、衝突速度が低下することを抑制することができる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、工具Ｗの表面にショットＳを衝突させることができる。その結果、比較的硬度が高い工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００３２】
このような組成に加え、ショットＳを構成する仮焼結材は、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を有することが好ましい。ショットＳ（仮焼結材）がこの強度を有すれば、工具Ｗの表面に到達する前にショットＳが粉砕されることを抑制することができる。よって、粉砕により投射速度が低下することを抑制できる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、ショットＳを工具Ｗの表面に衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００３３】
なお、ショットＳ（仮焼結材）の強度試験は、ショットＳを圧力容器内に収容し、その圧力容器の圧力を６ｋｇｆ／平方ｃｍまで昇圧した後、圧力を開放し、ショットＳの状態を目視により確認することで行われる。目視による確認の結果、ショットＳが試験前と同じ形状を維持している（粒子が崩壊していない）場合に、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を有すると判断される。
【００３４】
この強度試験により、ショットＳ（仮焼結材）の崩壊強度の適否を正確に把握することができる。例えば、２枚の平板の間に粒子を挟んで、平板間で押圧することで、その粒子の崩壊強度を測定する形態も考えられるが、その形態では、押圧力が均等に作用せず、部分的に偏った荷重により粒子が崩壊する。また、仮焼結材を立方体などの形状に焼結し、それを試験片として、同様の試験（２枚の平板の間で押圧する試験）を行う形態も考えられるが、いずれの場合も、ショットピーニングにより投射された粒子の崩壊強度とは異なる強度を測定することとなる。これに対し、本実施の形態における強度試験によれば、ショットピーニングにより投射された粒子に近い状態を再現できるので、その崩壊強度をより正確に把握することができる。
【００３５】
ショットＳを工具Ｗに投射する場合、重力式のショットピーニング装置を使用してショットＳを投射する場合には、ショットＳの投射圧を０．１ＭＰａ〜０．６ＭＰａに設定し、図１に示す直圧式のショットピーニング装置１を使用してショットＳを投射する場合には、ショットＳの投射圧を０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａに設定する。なお、投射圧とは、ノズル１７からの投射圧力を意味する。
【００３６】
このように、ショットＳの投射圧を、重力式および直圧式の両者において０．１ＭＰａ以上とすることで、ショットＳの投射速度を確保して、工具Ｗの表面へのタングステンカーバイトの移着を確実に行うことができる。一方、ショットＳの投射圧を、重力式の場合は０．６ＭＰａ以下であって直圧式の場合は０．３ＭＰａ以下とすることで、付与される運動エネルギーが過大となり、１のタングステンカーバイトが衝突した後、次の投射により別のタングステンカーバイトが同じ箇所に再度衝突した際に、その箇所が削り取られてしまう、即ち、タングステンカーバイトの移着した箇所が消失することを抑制することができる。
【００３７】
次いで、図２を参照して、ショットＳを工具Ｗへ投射して行った工具Ｗの表面改質の試験結果について説明する。図２は、ショットＳの粒子径および投射圧に対する工具Ｗの処理表面の硬度との関係を図示する表である。
【００３８】
図２に示す表において、左欄の「粒子径（μｍ）」は、ショットＳを構成する仮焼結材の粒子径の値であり、上欄の「投射圧（ＭＰａ）」は、ショットＳの投射圧の値である。なお、ショットピーニング装置は、図１に示す直圧式のショットピーニング装置１ではなく、重力式のショットピーニング装置を使用した。
【００３９】
本試験では、総重量の８７ｗｔ％のタングステンカーバイト及び９ｗｔ％のコバルトに対し、チタン、タンタル及びニオブ炭化物を合計５ｗｔ％混合し、「粒子径」１００μｍ〜１０００μｍの４種類の粒子径に仮焼結した仮焼結材を使用した。その比重は７．２であり、上述した崩壊強度は各粒子径において同等であった。また、工具Ｗは、ダイス鋼から構成し、その硬度は、７００ＨＶであった。
【００４０】
図２に示すように、「粒子径」が１００μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ及び０．８ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、７５０ＨＶ、７６０ＨＶ、８００ＨＶ、８００ＨＶ及び８３０ＨＶとなり、表面改質前と比較して、増加した。「粒子径」の増加に伴って、工具Ｗの処理表面の硬度が増加するのは、投射される粒子の運動エネルギーが増加することに起因する。
【００４１】
この場合、工具Ｗの処理表面の硬度は、表面改質前に比較して、増加するが、その硬度の増加量が不十分であった。工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させるためには、ショットＳ（仮焼結材）に十分な運動エネルギーを付与しておく必要があるところ、「粒子径」が１００μｍでは、比重が比較的小さいことから、粒子の重量が不足するため、タングステンカーバイトを十分に移着させるために必要な運動エネルギーをショットＳに付与することができないことが判明した。特に、「投射圧」が０．２ＭＰａまでの範囲では、タングステンカーバイトの移着がほとんど認められなかった。
【００４２】
「粒子径」が１５０μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、９００ＨＶ、１０００ＨＶ、１３１０ＨＶ、１３３０ＨＶとなり、「粒子径」が７５０μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、８９０ＨＶ、１０２０ＨＶ、１２００ＨＶ、１２４０ＨＶとなり、両者共に表面改質前と比較して、増加した。
【００４３】
このように、「粒子径」が１５０μｍ及び７５０μｍの場合、工具Ｗの処理表面の硬度を十分に増加させられることが確認された。「粒子径」１００μｍの場合と比較して、粒子の重量が大きくなり、工具Ｗの処理表面にタングステンカーバイトを移着させるために必要な運動エネルギーをショットＳ（仮焼結材）に十分に付与することができた。
【００４４】
但し、この場合（「粒子径」＝１５０μｍ及び７５０μｍ）、「投射圧」が０．０５ＭＰａであると、工具Ｗの処理表面の硬度は十分に増加しないことが判明した。これは、「投射圧」が低く、投射速度が確保できなかったため、粒子に十分な運動エネルギーを付与できなかったことに起因する。
【００４５】
なお、「粒子径」７５０μｍの場合は、「粒子径」１５０μｍの場合に比較して、粒子の重量が大きくなるにも関わらず、工具Ｗの処理表面の硬度が同等か若干低くなった。これは、「粒子径」７５０μｍの粒子では、「粒子径」１００μｍの粒子に比較して、投影面積が大きくなり、空気抵抗が増加するため、投射速度の低下を招いた結果である。
【００４６】
また、「粒子径」が１５０μｍ及び７５０μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａの範囲では、その増加に伴い、工具Ｗの処理表面の硬度も増加する傾向であったのに対し、「投射圧」が０．８ＭＰａに達すると、工具Ｗの処理表面の硬度が減少した。これは、「投射圧」が高く、ショットＳの運動エネルギーが過大となったため、１のタングステンカーバイトが衝突した後、次の投射により別のタングステンカーバイトが同じ箇所に再度衝突した際に、その箇所が削り取られ、タングステンカーバイトの移着した箇所が消失したことに起因する。
【００４７】
「粒子径」が１０００μｍの場合、「投射圧」０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、８４０ＨＶ、１０００ＨＶ、１０２０ＨＶとなり、表面改質前からは、増加したが、「粒子径」７５０μｍの場合と比較して、硬度の増加量自体は減少した。これは、「粒子径」が１０００μｍでは、粒子の投影面積が大きくなり、空気抵抗が増加したため、投射速度が低下したことに起因する。
【００４８】
この場合（「粒子径」＝１０００μｍ）、「投射圧」が０．０５ＭＰａでは、工具Ｗの処理表面へのタングステンカーバイトの移着はほとんど認められなかった。「粒子径」が大きく、空気抵抗が増加する一方、「投射圧」が低いため、十分な投射速度を得ることができず、よって、タングステンカーバイトを移着させるために必要な運動エネルギーをショットＳ（仮焼結材）に付与することができないことに起因する。
【００４９】
また、この場合（「粒子径」＝１０００μｍ）、「投射圧」が０．８ＭＰａに達すると、工具Ｗの処理表面の硬度が減少した。これは、「粒子径」が１５０μｍ及び７５０μｍの場合と同様に、「投射圧」が高く、ショットＳの運動エネルギーが過大となったため、別のタングステンカーバイトの再衝突により、先のタングステンカーバイトの移着していた箇所が消失したことに起因する。
【００５０】
このように、工具Ｗの処理表面の硬度を増加させるためには、「粒子径」を所定値（１００μｍ以上かつ１５０μｍ以下の値）よりも大きくして、重量を確保しつつ、「粒子径」を所定値（７５０μｍ以上かつ１０００μｍ以下の値）よりも小さくして、空気抵抗を抑制し、かつ、「投射圧」を所定値（０．０５ＭＰａ以上かつ０．２ＭＰａ以下の値）よりも大きくして、粒子に十分な運動エネルギーを付与しつつ、「投射圧」を所定値（０．５ＭＰａ以上かつ０．８ＭＰａ以下の値）よりも小さくして、工具Ｗの処理表面が削り取られることを抑制する必要のあることが判明した。
【００５１】
次いで、図３を参照して、表面改質後の工具Ｗを用いて行った切削試験の結果について説明する。この切削試験は、本発明の表面改質が施された工具Ｗ（以下「本願処理品」と称す）を、被切削面に沿って往復直線移動させ（切削速度：５０ｍ／ｓｅｃ）、その加工刃（ボール刃）に生じる磨耗幅が基準幅以上となるまでに切削可能な切削長さを測定する試験である。
【００５２】
本願処理品は、高速度工具鋼製で、刃数が２枚、刃部の直径が１０ｍｍとされるスクエアエンドミルであり、その加工刃の全面（すくい面および逃げ面）に上述したショットＳの投射による表面改質が施される。ショットＳは、総重量の８９ｗｔ％のタングステンカーバイト及び６ｗｔ％のコバルトに対し、チタン、タンタル及びニオブ炭化物を合計５ｗｔ％混合し、６０μｍ〜１４０μｍに粒子径が分布した仮焼結材（平均粒子径１００μｍ）を使用した。その比重は７．２であり、崩壊強度は６ｋｇｆ／平方ｃｍ以上である。また、重力式のショットピーニング装置を使用し、投射圧力は０．５ＭＰａである。
【００５３】
図３は、本願処理品の切削長さと無処理品の切削長さとを図示するグラフである。なお、無処理品と本願処理品との相違点は、表面改質の有無のみであり、他の構成は同一であるので、その説明は省略する。
【００５４】
切削試験の結果、無処理品の切削長さが１２５０ｍであったのに対し、本願処理品の切削長さは、２４６０ｍであり、本発明の表面改質を施した結果、工具Ｗの耐摩耗性が向上し、切削長さが１．９７倍に増加することが確認された。これは、本願処理品の処理表面に、高硬度（例えば、１６００ＨＶ）のタングステンカーバイトが移着され、その処理表面（工具Ｗの加工面）に点在する硬質のタングステンカーバイト（強化粒子）がアブレシブ磨耗を低減させたことに起因する。
【００５５】
図４は、工具Ｗの断面を電子顕微鏡により撮影した写真であり、ＥＰＭＡ（Electron probe microanalysis）により工具Ｗの断面の元素組成を分析した結果が重ねて図示されている。なお、図４では、図４左側が工具Ｗの処理表面に対応する。即ち、ショットＳの投射方向は、図４左側から図４右側へ向かう方向となる。
【００５６】
ＥＰＭＡによる分析は、工具Ｗの処理表面付近を切断し、その切断した断面を鏡面研磨した後、走査ラインＬに沿って側定点を０．１μｍ毎に移動させつつ測定した。なお、測定結果は、測定点に対応する位置に、高速度工具鋼の分布が検出結果「Ｍａ」として、タングステンカーバイトの分布が検出結果「Ｍｂ」として、図４中に図示される。また、分析対象となる工具Ｗは、上述した切削試験に用いた本願処理品と同等である。
【００５７】
分析の結果、工具Ｗの内部（図４右側）側では、その素材となる高速度工具鋼の組成のみが確認される一方、工具Ｗの処理表面（図４左側）では、検出結果Ｍａの減少に伴い、検出結果Ｍｂが増加する箇所があり、タングステンカーバイトが移着していることが確認された。なお、このタングステンカーバイトの粒子径は２．５μｍであり、表層から約４μｍの深さまで没入されている。
【００５８】
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【００５９】
上記実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。特に、下限および上限を指定した数値範囲により特定される値は、その数値範囲内であれば、いずれの値を採用することも可能である。
【００６０】
上記実施の形態では、工具Ｗがダイス鋼や高速度工具鋼から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の材質を採用することは当然可能である。他の材質としては、例えば、炭素工具鋼や低合金工具鋼などが例示される。
【００６１】
上記実施の形態では、工具Ｗが切削工具（ボールエンドミルやスクエアエンドミル）として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の工具を採用する（本発明による表面改質の処理対象とする）ことは当然可能である。他のタイプとしては、例えば、転造工具やバニッシング工具などが例示される。
【００６２】
上記実施の形態では、図１では直圧式のショットピーニング装置１を説明し、各試験においては重力式のショットピーニング装置を使用する場合を説明したように、使用するショットピーニング装置の種類は使用者が適宜選択すれば良い。
【００６３】
上記実施の形態では、その説明を省略したが、ショット（粒子）の形状は、球形状であっても良く、或いは、鋭角形状であっても良い。
【符号の説明】
【００６４】
１ ショットピーニング装置
Ｓ ショット
Ｗ 工具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具の表面改質方法および工具に関し、特に、表面硬さが比較的高い素材に対して強化粒子を移着させることができる工具の表面改質方法および工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金やマグネシウム合金は、軽量化が要求される各種の分野、例えば、自動車や鉄道車両、航空機などに広く使用されている。これらアルミニウム合金等は、軽量である一方、強度が比較的低いため、その機械的強度を高めるための種々の技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ブラスト装置により投射された強化粒子（純タングステンやタングステン合金などの粒子）を、アルミニウム合金の表面に衝突させることで、アルミニウム合金の表面に強化粒子を分散（移着）させ、機械的強度を高める技術が開示される。この技術によれば、処理対象の形状によらず、その表面に強化粒子層を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８５３３９号（例えば、段落００４８，００５３及び第１図（Ａ）など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の技術では、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの表面硬さが比較的低い素材に処理対象が限定されるという問題点があった。即ち、ダイス鋼やハイス鋼などの表面硬さが比較的高い素材に対しては、上述した技術では、強化粒子を移着させることが困難となる。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、表面硬さが比較的高い素材に対して強化粒子を移着させることができる工具の表面改質方法および工具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の工具の表面改質方法によれば、ショットピーニングにより工具の表面に投射されるショットが、超硬合金の仮焼結材から構成されるので、比較的硬度が高い工具の表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【０００８】
即ち、比較的硬度が高い工具の表面にショットを投射する場合、ショットの粒子径が小さいと、ショットに十分な運動エネルギーを付与することができない（即ち、投射されたショットの運動エネルギーは重量に比例する）ので、ショットを工具の表面に移着させることができない。一方、ショットの粒子径が大きくなるに従い、ショットが工具の表面に食い込む際の抵抗が急増するので、現実的なショットの投射最大速度では、工具の表面に移着させることが困難となる。よって、純タングステンカーバイトやタングステンカーバイト合金を投射する従来技術では、比較的硬度が高い工具の表面に移着させることが困難となる。
【０００９】
これに対し、請求項１では、ショットが超硬合金の仮焼結材から構成されるので、工具の表面に到達したショットを粉砕させ、ショットを構成していた各タングステンカーバイトの粒子のそれぞれを工具の表面に衝突させることができる。
【００１０】
即ち、投射時には、ショットの粒子径を大きくしておけるので、そのショットに大きな運動エネルギーを与えた状態で、工具の表面に到達させることができる。一方、工具の表面に到達すると、粉砕により、粒子径の小さなタングステンカーバイトの粒子として、衝突させることができ、その結果、工具の表面に食い込む際の抵抗を小さくできる。このように、大きな運動エネルギーを付与しつつ、粒子径が小さくされた状態で衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具であっても、その表面に効率的にタングステンカーバイトの粒子を移着させることができる。
【００１１】
請求項２記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、仮焼結材の平均粒子径を８００μｍ以下としたので、投影面積を小さくして、空気抵抗を抑制することで、投射速度を高くすることができる。一方、仮焼結材の平均粒子径を１４０μｍ以上としたので、粒子の重量を確保することができる。よって、超硬合金に比べて比重の小さな仮焼結材であっても、投射速度および重量を確保して、運動エネルギーを大きくすることができる。その結果、比較的硬度が高い工具の表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００１２】
請求項３記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1又は２に記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、仮焼結材の総重量に対し、コバルト（Ｃｏ）を１６ｗｔ％以下としたので、コバルトによる結合力が高くなり過ぎることを抑制することができる。よって、ショットを確実に粉砕させ、粒子径が小さくされた状態でタングステンカーバイト（ＷＣ）を工具の表面に衝突させることができる。即ち、工具の表面へ食い込む際の抵抗を小さくすることができる。一方、仮焼結材の総重量に対し、コバルトを３ｗｔ％以上としたので、コバルトによる結合力を確保することができる。よって、工具の表面に到達する前にショットが粉砕され、衝突速度が低下することを抑制することができる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、工具の表面にショットを衝突させることができる。その結果、比較的硬度が高い工具の表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００１３】
請求項４記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を仮焼結材が有するので、工具の表面に到達する前にショットが粉砕されることを抑制することができる。よって、粉砕により投射速度が低下することを抑制できる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、ショットを工具の表面に衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具であっても、その表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００１４】
請求項５記載の工具の表面改質方法によれば、請求項1から４のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、タングステンカーバイトの粒子の移着により、耐摩耗性が向上された工具を得ることができるだけでなく、ダイス鋼または高速度工具鋼から工具を構成することで、剛性が確保された工具を得ることができる。なお、アルミニウム合金を処理対象とする従来技術では、処理表面の耐摩耗性が向上しても、工具自体の剛性を確保することができない。
【００１５】
即ち、このような比較的硬度が高い素材の工具を表面改質の対象とすることは、従来の純タングステンカーバイトやタングステンカーバイト粒子を投射する技術では不可能であり、本発明のように、超硬合金の仮焼結材からショットを構成したことで、初めて対象とすることが可能となったものであり、これにより、工具自体の剛性の確保と加工面（処理表面）の耐磨耗性の向上とが同時に達成された工具を得ることができる。
【００１６】
請求項６記載の工具の表面改質方法によれば、請求項２から５のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、ショットの投射圧を重力式および直圧式の両者において０．１ＭＰａ以上とするので、ショットの投射速度を確保して、工具の表面へのタングステンカーバイトの移着を確実に行うことができる。一方、ショットの投射圧を、重力式の場合は０．６ＭＰａ以下であって直圧式の場合は０．３ＭＰａ以下とするので、１のタングステンカーバイトが衝突した後、次の投射により別のタングステンカーバイトが同じ箇所に再度衝突した際に、その箇所が削り取られてしまう、即ち、タングステンカーバイトの移着した箇所が消失することを抑制することができる。
【００１７】
請求項７記載の工具によれば、請求項１から６のいずれかに記載の工具の表面改質方法により表面が改質されるので、加工面（処理表面）の耐磨耗性を確保して、耐久性の向上を図ることができる。特に、請求項５のように、工具をダイス鋼または高速度工具鋼から構成する場合には、工具自体の剛性を確保して、加工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施に使用される一実施の形態におけるショットピーニング装置の概要模式図である。
【図２】ショットの粒子径および投射圧と工具の処理表面の硬度との関係を図示する表である。
【図３】本願処理品の切削長さと無処理品の切削長さとを図示するグラフである。
【図４】工具Ｗの断面を電子顕微鏡により撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、ショットピーニング装置１について説明する。図１は、本発明の実施に使用される一実施の形態におけるショットピーニング装置１の概要模式図である。
【００２０】
図１に示すように、ショットピーニング装置１は、ショットＳをノズル１７から処理対象物（以下「工具Ｗ」と称す）に投射することで、その工具Ｗの表面改質を行うための装置であり、ショットＳを収容するホッパ１３が収容口を上方へ向けて配設される。
【００２１】
なお、本実施の形態では、後述するように、ショットＳが超硬合金の仮焼結材から構成される。また、工具Ｗは、切削加工に用いるエンドミルであり、高速度工具鋼から構成される。
【００２２】
ホッパ１３の取出し口には、配管を介して、加圧タンク１４が接続され、加圧タンク１４の下流側にはミキサ１６が接続される。また、加圧タンク１４及びミキサ１６には、圧縮空気の供給源として構成されるエア供給源１５が接続される。よって、ホッパ１３に収容されたショットＳは、加圧タンク１４から、圧縮空気と共に、ミキサ１６へ圧送されると共に、ミキサ１６から、圧縮空気と共に、ノズル１７へ圧送される。これにより、ノズル１７から工具ＷへショットＳが投射される。
【００２３】
次いで、ショットＳの詳細構成について説明する。ショットＳは、超硬合金製の仮焼結材から構成される。即ち、ショットＳは、タングステンカーバイト（ＷＣ）及びコバルト（Ｃｏ）に対し、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）又はニオブ炭化物（Ｎｂ炭化物）などの一部または全部を混合し、所定の粒子径（例えば、２０μｍ〜８００μｍ）に造粒したものを、真空雰囲気（例えば、１．３Ｐａ〜１３Ｐａ）中において、焼結温度以下の温度（例えば、７００℃〜１２００℃）で加熱し、タングステンカーバイトの粒子間をコバルトの固相結合により固着させて得られた、比重６．５〜８．０の仮焼結材として構成される。
【００２４】
このように、ショットＳは、超硬合金製の仮焼結材から構成されるので、工具Ｗの表面にショットＳが到達すると、ショットＳが粉砕され、その結果、ショットＳを構成していた各タングステンカーバイトの粒子（強化粒子）のそれぞれを工具Ｗの表面に衝突させることができる。
【００２５】
よって、投射時には、ショットＳの粒子径を大きくして、そのショットＳに大きな運動エネルギーを与えた状態で、工具Ｗの表面に到達させることができる。一方、工具Ｗの表面に到達すると、粉砕により、粒子径の小さなタングステンカーバイトの粒子として、衝突させることができ、工具Ｗの表面に食い込む際の抵抗を小さくできる。このように、大きな運動エネルギーを付与しつつ、粒子径が小さくされた状態で衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具Ｗであっても、その表面に効率的にタングステンカーバイトの粒子を移着させることができる。
【００２６】
ショットＳを構成する仮焼結材は、その平均粒子径を、１４０μｍ〜８００μｍの範囲に設定することが好ましい。仮焼結材として構成したことで、比重が比較的小さくなるため、投射の際の空気抵抗の影響が大きくなるところ、平均粒子径を８００μｍ以下とすることで、投影面積を小さくして、空気抵抗を抑制することができ、その結果、投射速度を高くすることができる。一方、平均粒子径を１４０μｍ以上とすることで、空気抵抗の影響を抑制しつつ、粒子の重量を確保することができる。
【００２７】
これにより、比重が比較的小さくなる仮焼結材であっても、投射速度および重量の両者を確保して、運動エネルギーを大きくすることができる。その結果、比較的硬度が高い工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００２８】
なお、タングステンカーバイトは、ショットＳ（仮焼結材）を仮焼結する前の状態において、その粒子径が、０．５μｍ〜１０μｍとされる。このタングステンカーバイトの粒子径は、表面改質の処理対象となる工具Ｗの素材に応じて適宜変更される。
【００２９】
仮焼結材の各成分は、総重量に対し、３ｗｔ％〜１６ｗｔ％がコバルト（Ｃｏ）、０ｗｔ％〜１０ｗｔ％がチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）又はニオブ炭化物（Ｎｂ炭化物）の内の一部または全部とされ、残部がタングステンカーバイト（ＷＣ）とされる。なお、チタン、タンタル及びニオブ炭化物の含有量はこれら３成分の合計ｗｔ％を最大で１０ｗｔ％とする趣旨であり、それら３成分の比率は問わない。また、これら３成分を含まない（即ち、チタン、タンタル及びニオブ炭化物の含有量をそれぞれ０ｗｔ％とする）組成としても良い。
【００３０】
このように、ショットＳ（仮焼結材）の総重量に対し、コバルトを１６ｗｔ％以下とすることで、コバルトによる結合力を抑制することができる。よって、ショットＳを確実に粉砕させ、粒子径が小さくされた状態（即ち、コバルトにより結合されていた各タングステンカーバイトの粒子にそれぞれを分解した形）でタングステンカーバイトを工具Ｗの表面に衝突させることができる。よって、工具Ｗの表面へ食い込む際の抵抗を小さくすることができる。
【００３１】
一方、ショットＳ（仮焼結材）の総重量に対し、コバルトを３ｗｔ％以上とすることで、コバルトによる結合力を最低限確保することができる。よって、工具Ｗの表面に到達する前にショットＳが粉砕され、衝突速度が低下することを抑制することができる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、工具Ｗの表面にショットＳを衝突させることができる。その結果、比較的硬度が高い工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００３２】
このような組成に加え、ショットＳを構成する仮焼結材は、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を有することが好ましい。ショットＳ（仮焼結材）がこの強度を有すれば、工具Ｗの表面に到達する前にショットＳが粉砕されることを抑制することができる。よって、粉砕により投射速度が低下することを抑制できる。即ち、運動エネルギーを確保した状態で、ショットＳを工具Ｗの表面に衝突させることができるので、比較的硬度が高い工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させ易くすることができる。
【００３３】
なお、ショットＳ（仮焼結材）の強度試験は、ショットＳを圧力容器内に収容し、その圧力容器の圧力を６ｋｇｆ／平方ｃｍまで昇圧した後、圧力を開放し、ショットＳの状態を目視により確認することで行われる。目視による確認の結果、ショットＳが試験前と同じ形状を維持している（粒子が崩壊していない）場合に、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を有すると判断される。
【００３４】
この強度試験により、ショットＳ（仮焼結材）の崩壊強度の適否を正確に把握することができる。例えば、２枚の平板の間に粒子を挟んで、平板間で押圧することで、その粒子の崩壊強度を測定する形態も考えられるが、その形態では、押圧力が均等に作用せず、部分的に偏った荷重により粒子が崩壊する。また、仮焼結材を立方体などの形状に焼結し、それを試験片として、同様の試験（２枚の平板の間で押圧する試験）を行う形態も考えられるが、いずれの場合も、ショットピーニングにより投射された粒子の崩壊強度とは異なる強度を測定することとなる。これに対し、本実施の形態における強度試験によれば、ショットピーニングにより投射された粒子に近い状態を再現できるので、その崩壊強度をより正確に把握することができる。
【００３５】
ショットＳを工具Ｗに投射する場合、重力式のショットピーニング装置を使用してショットＳを投射する場合には、ショットＳの投射圧を０．１ＭＰａ〜０．６ＭＰａに設定し、図１に示す直圧式のショットピーニング装置１を使用してショットＳを投射する場合には、ショットＳの投射圧を０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａに設定する。なお、投射圧とは、ノズル１７からの投射圧力を意味する。
【００３６】
このように、ショットＳの投射圧を、重力式および直圧式の両者において０．１ＭＰａ以上とすることで、ショットＳの投射速度を確保して、工具Ｗの表面へのタングステンカーバイトの移着を確実に行うことができる。一方、ショットＳの投射圧を、重力式の場合は０．６ＭＰａ以下であって直圧式の場合は０．３ＭＰａ以下とすることで、付与される運動エネルギーが過大となり、１のタングステンカーバイトが衝突した後、次の投射により別のタングステンカーバイトが同じ箇所に再度衝突した際に、その箇所が削り取られてしまう、即ち、タングステンカーバイトの移着した箇所が消失することを抑制することができる。
【００３７】
次いで、図２を参照して、ショットＳを工具Ｗへ投射して行った工具Ｗの表面改質の試験結果について説明する。図２は、ショットＳの粒子径および投射圧に対する工具Ｗの処理表面の硬度との関係を図示する表である。
【００３８】
図２に示す表において、左欄の「粒子径（μｍ）」は、ショットＳを構成する仮焼結材の粒子径の値であり、上欄の「投射圧（ＭＰａ）」は、ショットＳの投射圧の値である。なお、ショットピーニング装置は、図１に示す直圧式のショットピーニング装置１ではなく、重力式のショットピーニング装置を使用した。
【００３９】
本試験では、総重量の８７ｗｔ％のタングステンカーバイト及び９ｗｔ％のコバルトに対し、チタン、タンタル及びニオブ炭化物を合計５ｗｔ％混合し、「粒子径」１００μｍ〜１０００μｍの４種類の粒子径に仮焼結した仮焼結材を使用した。その比重は７．２であり、上述した崩壊強度は各粒子径において同等であった。また、工具Ｗは、ダイス鋼から構成し、その硬度は、７００ＨＶであった。
【００４０】
図２に示すように、「粒子径」が１００μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ及び０．８ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、７５０ＨＶ、７６０ＨＶ、８００ＨＶ、８００ＨＶ及び８３０ＨＶとなり、表面改質前と比較して、増加した。「粒子径」の増加に伴って、工具Ｗの処理表面の硬度が増加するのは、投射される粒子の運動エネルギーが増加することに起因する。
【００４１】
この場合、工具Ｗの処理表面の硬度は、表面改質前に比較して、増加するが、その硬度の増加量が不十分であった。工具Ｗの表面にタングステンカーバイトを移着させるためには、ショットＳ（仮焼結材）に十分な運動エネルギーを付与しておく必要があるところ、「粒子径」が１００μｍでは、比重が比較的小さいことから、粒子の重量が不足するため、タングステンカーバイトを十分に移着させるために必要な運動エネルギーをショットＳに付与することができないことが判明した。特に、「投射圧」が０．２ＭＰａまでの範囲では、タングステンカーバイトの移着がほとんど認められなかった。
【００４２】
「粒子径」が１５０μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、９００ＨＶ、１０００ＨＶ、１３１０ＨＶ、１３３０ＨＶとなり、「粒子径」が７５０μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、８９０ＨＶ、１０２０ＨＶ、１２００ＨＶ、１２４０ＨＶとなり、両者共に表面改質前と比較して、増加した。
【００４３】
このように、「粒子径」が１５０μｍ及び７５０μｍの場合、工具Ｗの処理表面の硬度を十分に増加させられることが確認された。「粒子径」１００μｍの場合と比較して、粒子の重量が大きくなり、工具Ｗの処理表面にタングステンカーバイトを移着させるために必要な運動エネルギーをショットＳ（仮焼結材）に十分に付与することができた。
【００４４】
但し、この場合（「粒子径」＝１５０μｍ及び７５０μｍ）、「投射圧」が０．０５ＭＰａであると、工具Ｗの処理表面の硬度は十分に増加しないことが判明した。これは、「投射圧」が低く、投射速度が確保できなかったため、粒子に十分な運動エネルギーを付与できなかったことに起因する。
【００４５】
なお、「粒子径」７５０μｍの場合は、「粒子径」１５０μｍの場合に比較して、粒子の重量が大きくなるにも関わらず、工具Ｗの処理表面の硬度が同等か若干低くなった。これは、「粒子径」７５０μｍの粒子では、「粒子径」１００μｍの粒子に比較して、投影面積が大きくなり、空気抵抗が増加するため、投射速度の低下を招いた結果である。
【００４６】
また、「粒子径」が１５０μｍ及び７５０μｍの場合、「投射圧」０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａの範囲では、その増加に伴い、工具Ｗの処理表面の硬度も増加する傾向であったのに対し、「投射圧」が０．８ＭＰａに達すると、工具Ｗの処理表面の硬度が減少した。これは、「投射圧」が高く、ショットＳの運動エネルギーが過大となったため、１のタングステンカーバイトが衝突した後、次の投射により別のタングステンカーバイトが同じ箇所に再度衝突した際に、その箇所が削り取られ、タングステンカーバイトの移着した箇所が消失したことに起因する。
【００４７】
「粒子径」が１０００μｍの場合、「投射圧」０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、８４０ＨＶ、１０００ＨＶ、１０２０ＨＶとなり、表面改質前からは、増加したが、「粒子径」７５０μｍの場合と比較して、硬度の増加量自体は減少した。これは、「粒子径」が１０００μｍでは、粒子の投影面積が大きくなり、空気抵抗が増加したため、投射速度が低下したことに起因する。
【００４８】
この場合（「粒子径」＝１０００μｍ）、「投射圧」が０．０５ＭＰａでは、工具Ｗの処理表面へのタングステンカーバイトの移着はほとんど認められなかった。「粒子径」が大きく、空気抵抗が増加する一方、「投射圧」が低いため、十分な投射速度を得ることができず、よって、タングステンカーバイトを移着させるために必要な運動エネルギーをショットＳ（仮焼結材）に付与することができないことに起因する。
【００４９】
また、この場合（「粒子径」＝１０００μｍ）、「投射圧」が０．８ＭＰａに達すると、工具Ｗの処理表面の硬度が減少した。これは、「粒子径」が１５０μｍ及び７５０μｍの場合と同様に、「投射圧」が高く、ショットＳの運動エネルギーが過大となったため、別のタングステンカーバイトの再衝突により、先のタングステンカーバイトの移着していた箇所が消失したことに起因する。
【００５０】
このように、工具Ｗの処理表面の硬度を増加させるためには、「粒子径」を所定値（１００μｍ以上かつ１５０μｍ以下の値）よりも大きくして、重量を確保しつつ、「粒子径」を所定値（７５０μｍ以上かつ１０００μｍ以下の値）よりも小さくして、空気抵抗を抑制し、かつ、「投射圧」を所定値（０．０５ＭＰａ以上かつ０．２ＭＰａ以下の値）よりも大きくして、粒子に十分な運動エネルギーを付与しつつ、「投射圧」を所定値（０．５ＭＰａ以上かつ０．８ＭＰａ以下の値）よりも小さくして、工具Ｗの処理表面が削り取られることを抑制する必要のあることが判明した。
【００５１】
次いで、図３を参照して、表面改質後の工具Ｗを用いて行った切削試験の結果について説明する。この切削試験は、本発明の表面改質が施された工具Ｗ（以下「本願処理品」と称す）を、被切削面に沿って往復直線移動させ（切削速度：５０ｍ／ｓｅｃ）、その加工刃（ボール刃）に生じる磨耗幅が基準幅以上となるまでに切削可能な切削長さを測定する試験である。
【００５２】
本願処理品は、高速度工具鋼製で、刃数が２枚、刃部の直径が１０ｍｍとされるスクエアエンドミルであり、その加工刃の全面（すくい面および逃げ面）に上述したショットＳの投射による表面改質が施される。ショットＳは、総重量の８９ｗｔ％のタングステンカーバイト及び６ｗｔ％のコバルトに対し、チタン、タンタル及びニオブ炭化物を合計５ｗｔ％混合し、６０μｍ〜１４０μｍに粒子径が分布した仮焼結材（平均粒子径１００μｍ）を使用した。その比重は７．２であり、崩壊強度は６ｋｇｆ／平方ｃｍ以上である。また、重力式のショットピーニング装置を使用し、投射圧力は０．５ＭＰａである。
【００５３】
図３は、本願処理品の切削長さと無処理品の切削長さとを図示するグラフである。なお、無処理品と本願処理品との相違点は、表面改質の有無のみであり、他の構成は同一であるので、その説明は省略する。
【００５４】
切削試験の結果、無処理品の切削長さが１２５０ｍであったのに対し、本願処理品の切削長さは、２４６０ｍであり、本発明の表面改質を施した結果、工具Ｗの耐摩耗性が向上し、切削長さが１．９７倍に増加することが確認された。これは、本願処理品の処理表面に、高硬度（例えば、１６００ＨＶ）のタングステンカーバイトが移着され、その処理表面（工具Ｗの加工面）に点在する硬質のタングステンカーバイト（強化粒子）がアブレシブ磨耗を低減させたことに起因する。
【００５５】
図４は、工具Ｗの断面を電子顕微鏡により撮影した写真であり、ＥＰＭＡ（Electron probe microanalysis）により工具Ｗの断面の元素組成を分析した結果が重ねて図示されている。なお、図４では、図４左側が工具Ｗの処理表面に対応する。即ち、ショットＳの投射方向は、図４左側から図４右側へ向かう方向となる。
【００５６】
ＥＰＭＡによる分析は、工具Ｗの処理表面付近を切断し、その切断した断面を鏡面研磨した後、走査ラインＬに沿って側定点を０．１μｍ毎に移動させつつ測定した。なお、測定結果は、測定点に対応する位置に、高速度工具鋼の分布が検出結果「Ｍａ」として、タングステンカーバイトの分布が検出結果「Ｍｂ」として、図４中に図示される。また、分析対象となる工具Ｗは、上述した切削試験に用いた本願処理品と同等である。
【００５７】
分析の結果、工具Ｗの内部（図４右側）側では、その素材となる高速度工具鋼の組成のみが確認される一方、工具Ｗの処理表面（図４左側）では、検出結果Ｍａの減少に伴い、検出結果Ｍｂが増加する箇所があり、タングステンカーバイトが移着していることが確認された。なお、このタングステンカーバイトの粒子径は２．５μｍであり、表層から約４μｍの深さまで没入されている。
【００５８】
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【００５９】
上記実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。特に、下限および上限を指定した数値範囲により特定される値は、その数値範囲内であれば、いずれの値を採用することも可能である。
【００６０】
上記実施の形態では、工具Ｗがダイス鋼や高速度工具鋼から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の材質を採用することは当然可能である。他の材質としては、例えば、炭素工具鋼や低合金工具鋼などが例示される。
【００６１】
上記実施の形態では、工具Ｗが切削工具（ボールエンドミルやスクエアエンドミル）として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の工具を採用する（本発明による表面改質の処理対象とする）ことは当然可能である。他のタイプとしては、例えば、転造工具やバニッシング工具などが例示される。
【００６２】
上記実施の形態では、図１では直圧式のショットピーニング装置１を説明し、各試験においては重力式のショットピーニング装置を使用する場合を説明したように、使用するショットピーニング装置の種類は使用者が適宜選択すれば良い。
【００６３】
上記実施の形態では、その説明を省略したが、ショット（粒子）の形状は、球形状であっても良く、或いは、鋭角形状であっても良い。
【符号の説明】
【００６４】
１ ショットピーニング装置
Ｓ ショット
Ｗ 工具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具の表面にショットを投射するショットピーニングにより、前記工具の表面を改質する工具の表面改質方法において、
前記ショットは、超硬合金の仮焼結材から構成され、
前記ショットピーニングにより、前記仮焼結材の少なくともタングステンカーバイトを前記工具の表面に移着させることで、前記工具の表面を改質することを特徴とする工具の表面改質方法。
【請求項２】
前記仮焼結材は、平均粒子径が１４０μｍ〜８００μｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載の工具の表面改質方法。
【請求項３】
前記仮焼結材は、総重量に対し、３ｗｔ％〜１６ｗｔ％がＣｏとされ、０ｗｔ％〜１０ｗｔ％がＴｉ、Ｔａ又はＮｂ炭化物の内の一部または全部とされ、残部がＷＣとされることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具の表面改質方法。
【請求項４】
前記仮焼結材は、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項５】
前記工具は、ダイス鋼または高速度工具鋼から構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項６】
前記ショットを重力式のショットピーニング装置により投射する場合には、前記ショットの投射圧が０．１ＭＰａ〜０．６ＭＰａの範囲に設定され、前記ショットを直圧式のショットピーニング装置により投射する場合には、前記ショットの投射圧が０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａに設定されることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の工具の表面改質方法により表面が改質されていることを特徴とする工具。
【請求項１】
工具の表面にショットを投射するショットピーニングにより、前記工具の表面を改質する工具の表面改質方法において、
前記ショットは、超硬合金の仮焼結材から構成され、
前記ショットピーニングにより、前記仮焼結材の少なくともタングステンカーバイトを前記工具の表面に移着させることで、前記工具の表面を改質することを特徴とする工具の表面改質方法。
【請求項２】
前記仮焼結材は、平均粒子径が１４０μｍ〜８００μｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載の工具の表面改質方法。
【請求項３】
前記仮焼結材は、総重量に対し、３ｗｔ％〜１６ｗｔ％がＣｏとされ、０ｗｔ％〜１０ｗｔ％がＴｉ、Ｔａ又はＮｂ炭化物の内の一部または全部とされ、残部がＷＣとされることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具の表面改質方法。
【請求項４】
前記仮焼結材は、６ｋｇｆ／平方ｃｍ以下の圧力では崩壊しない強度を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項５】
前記工具は、ダイス鋼または高速度工具鋼から構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項６】
前記ショットを重力式のショットピーニング装置により投射する場合には、前記ショットの投射圧が０．１ＭＰａ〜０．６ＭＰａの範囲に設定され、前記ショットを直圧式のショットピーニング装置により投射する場合には、前記ショットの投射圧が０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａに設定されることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の工具の表面改質方法により表面が改質されていることを特徴とする工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−２２７１９（Ｐ２０１３−２２７１９Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２６６５（Ｐ２０１１−１６２６６５）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００１０３３６７）オーエスジー株式会社 (180)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００１０３３６７）オーエスジー株式会社 (180)
【Ｆターム（参考）】
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