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工具の表面に固体潤滑剤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】
超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着したショットＳを投射して工具Ｗの表面に衝突させる。ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は比重が大きいため、ショットＳ全体での運動エネルギーを確保することができる。よって、表面硬さが比較的高い工具Ｗに対して、その表面に固定潤滑剤をより確実に移着させることができる。また、ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は硬度が高いため、表面硬さが比較的高い工具Ｗの表面に衝突した際の粉砕を抑制できる。よって、工具Ｗの表面に衝突する際に、その表面へ固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で押圧することができ、その結果、工具Ｗの表面に固体潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【解決手段】
超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着したショットＳを投射して工具Ｗの表面に衝突させる。ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は比重が大きいため、ショットＳ全体での運動エネルギーを確保することができる。よって、表面硬さが比較的高い工具Ｗに対して、その表面に固定潤滑剤をより確実に移着させることができる。また、ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は硬度が高いため、表面硬さが比較的高い工具Ｗの表面に衝突した際の粉砕を抑制できる。よって、工具Ｗの表面に衝突する際に、その表面へ固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で押圧することができ、その結果、工具Ｗの表面に固体潤滑剤をより確実に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工具の表面に固体潤滑剤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】
機械部品の摺動部では、液体潤滑剤を使用して、摺動部の表面（摺動面）の潤滑を行うことが一般的であるが、液体潤滑剤を使用できない場合には、固体潤滑剤により摺動面を被覆することも行われる。
【０００３】
固体潤滑剤を摺動面に被覆する方法としては、例えば、固体潤滑剤の粒子単体をショットピーニングして、摺動面に固体潤滑剤の皮膜を形成する技術（特許文献１）、鋼球などの硬質粒子と固体潤滑剤粒子との混合粒子をショットピーニングして、摺動面に固体潤滑剤の皮膜を形成すると共に、摺動面に圧縮残留応力を付与する技術（特許文献２）、或いは、鋼球の表面に軟質金属を被覆した粒子をショットピーニングして、摺動面に軟質金属の皮膜を形成する技術（特許文献３）などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１００５９号（例えば、段落００１０，００２２など）
【特許文献２】特開２００４−２５５５２２号（例えば、段落００１０３及び第１図など）
【特許文献３】特開２００９−１８５３３９号（例えば、段落０００９及び第１図など）
【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、いずれも機械部品のように表面硬さが比較的低い素材を処理対象とするものであり、焼入れ硬化処理が施されたダイス鋼もしくは高速度工具鋼、又は、窒化等により表面硬化処理が施された鉄鋼などを素材とし、表面硬さが比較的高い工具に対しては、その表面に固体潤滑剤を移着させることが困難であるという問題点があった。
【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工具の表面に固体潤滑剤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、超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着したショットを投射して工具の表面に衝突させる。これにより、超硬合金製の粒子により工具の表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、同時に、固体潤滑剤を工具の表面に移着させることができる。
【０００８】
この場合、投射されるショットの運動エネルギーはその重量に比例するところ、ショットの核となる超硬合金製の粒子は比重が大きい（例えば、鉄系材料の約２倍）ため、ショット全体での運動エネルギーを確保することができる。よって、表面硬さが比較的高い工具に対して、その表面に固定潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【０００９】
また、ショットの核となる超硬合金製の粒子は硬度が高いため、表面硬さが比較的高い工具であっても、その表面に衝突した際に核となる粒子が粉砕されることを抑制できる。よって、工具の表面に衝突する際に、その表面へ固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で押圧することができ、その結果、工具の表面に固体潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【００１０】
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、超硬合金製の粒子の平均粒子径が５０μｍ〜２００μｍの範囲に設定され、比較的小径であるので、工具の表面に形成される凹凸を小さくして、表面粗さの向上を図ることができる。一方で、このように超硬合金製の粒子を比較的小径に設定しても、その比重が大きく運動エネルギーを確保できるので、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。
【００１１】
なお、このような粒子径が比較的小径の粒子の使用は、鉄系材料製の粒子を使用する従来の方法では、運動エネルギーを確保することができないことから、その使用が不可能であった。即ち、上記比較的小径のショットは、本発明のように、ショットの核として超硬合金製の粒子を使用することで、始めて使用可能となったものであり、これにより、工具の表面への加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着と、工具の表面粗さの向上とを同時に達成することができる。
【００１２】
請求項３記載の工具の表面改質方法によれば、請求項２記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、超硬合金製の粒子の比重が１３．５〜１４．４の範囲に設定されるので、超硬合金製の粒子の平均粒子径が上記のように比較的小径とされる場合であっても十分な運動エネルギーを確保して、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。また、超硬合金製の粒子の比重を上記のように設定することで、一般的に市販される粒子を利用することができるので、材料の入手を容易とできる。
【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、超硬合金製の粒子の表面に固着される固体潤滑剤の厚みが０．５μｍ〜２０μｍの範囲に設定されるので、工具の表面への固体潤滑材の移着を効率的に行うことができる。
【００１４】
即ち、固定潤滑剤の厚みが小さ過ぎると、１のショットから工具の表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少なくなる。一方、固体潤滑剤の厚みが大き過ぎると、超硬合金製の粒子によって固体潤滑剤が工具の表面に押圧された際に、固体潤滑剤が側方へ逃げてしまう。よって、いずれの場合も、個体潤滑材を必要量だけ工具の表面に移着させるためには、多数のショットを衝突させる必要が生じ、非効率である。これに対し、上記のように、固体潤滑剤が一定以上の厚みを有することで、１のショットから工具の表面に移着可能な固体潤滑剤の量を確保できる一方、固体潤滑剤の厚みを一定以下に抑えることで、超硬合金製の粒子によって工具の表面へ押圧された固体潤滑剤を側方へ逃げ難くできる。よって、工具の表面へ固体潤滑剤を効率的に移着させることができる。
【００１５】
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、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（即ち、運動エネルギー）を確保して、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤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、ショットの投射速度（即ち、運動エネルギー）が過大となり、超硬合金製の粒子の衝突により工具の表面が削り取られてしまう、即ち、固体潤滑剤の移着された箇所が消失することを抑制することができる。
【００１６】
請求項６記載の工具の表面改質方法によれば、請求項１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、固体潤滑剤の超硬合金製の粒子の表面への固着は、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に投射することで行われるので、メッキ処理により固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に固着させる場合と比較して、設備コストを削減することができる。
【００１７】
請求項７記載の工具の表面改質方法によれば、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の奏する効果に加え、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着により、耐摩耗性や潤滑性が向上された工具を得ることができるだけでなく、焼入れ硬化処理が施された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、また、表面硬化処理が施された鉄鋼から工具を構成することで、耐摩耗性がより向上された工具を得ることができる。なお、表面硬さが比較的低い素材を処理対象とする従来技術では、処理表面の潤滑性を向上させることができても、工具自体の剛性や耐摩耗性を確保することができない。
【００１８】
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、従来のように、ショットの核として鋼球を使用する技術では不可能であり、本発明のように、超硬合金製の粒子をショットの核に適用したことで、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および耐磨耗性の向上と潤滑性とが同時に達成された工具を得ることができる。
【００１９】
請求項８記載の工具によれば、請求項１から７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、処理表面の耐磨耗性と潤滑性との向上を図ることができる。特に、請求項７のように、工具を焼入れ硬化処理が施されたダイス鋼または高速度工具鋼から構成する場合には、工具自体の剛性の向上を図ることができる。また、工具を表面硬化処理が施された鉄鋼から構成する場合には、工具の耐摩耗性の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】（ａ）は、固体潤滑剤の厚み及び超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具の表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表であり、（ｂ）は、ショットの投射圧および超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具の表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表である。
【図３】本願処理品の加工数と無処理品の加工数とを図示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
なお、本実施の形態では、後述するように、ショットＳが超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着（被覆）して構成される。また、工具Ｗは、おねじを転造加工するための転造工具（ねじ転造平ダイス）であり、焼入れ硬化処理が施された高速度工具鋼から構成される。
【００２４】
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。
【００２５】
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、超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着して構成される。なお、固体潤滑剤としては、二硫化モリブデンまたは窒化ホウ素が例示され、本実施形態では、二硫化モリブデンが採用される。
【００２６】
このように構成されたショットＳがノズル１７から投射され工具Ｗに衝突されると、超硬合金製の粒子により工具Ｗの表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、同時に、固体潤滑剤を工具Ｗの表面に移着（浸透拡散）させることができる。その結果、工具Ｗの表面の耐摩耗性を向上させることができると共に、潤滑性（摺動性）を向上させることができる。
【００２７】
この場合、投射されるショットＳの運動エネルギーはその重量に比例するところ、ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は比重が大きい（例えば、鉄系材料の約２倍）ため、ショットＳ全体での運動エネルギーを確保する（大きくする）ことができる。よって、表面硬さが高い工具Ｗに対して、その表面に固定潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【００２８】
また、ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は硬度が高いため、処理対象が、表面硬さの高い工具Ｗであっても、その表面に衝突した際に核となる粒子（超硬合金製の粒子）が粉砕されることを抑制できる。よって、工具Ｗの表面に衝突する際に、その表面へ固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で押圧する（工具Ｗの表面と超硬合金製の粒子との間に挟み込む）ことができ、その結果、工具Ｗの表面に固体潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【００２９】
ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は、平均粒子径が５０μｍ以上かつ２００μｍ以下の範囲に設定され、小径であるので、工具Ｗの表面に形成される凹凸を小さくして、表面粗さの向上を図ることができる。一方で、このように超硬合金製の粒子を小径に設定しても、その比重が大きく運動エネルギーを確保できるので、工具Ｗの表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。
【００３０】
なお、このような粒子径が小径の粒子の使用は、鉄系材料製の粒子を使用する従来の方法では、運動エネルギーを確保することができないことから、その使用が不可能であった。即ち、粒子径を大きくすれば、その分、粒子の質量が大きくなり、運動エネルギーを確保できるが、工具Ｗの表面に形成される凹凸が大きくなり、処理表面の表面粗さの悪化を招く。
【００３１】
これに対し、本発明では、ショットＳの核として超硬合金製の粒子を使用することで、上記のようにショットＳの小径化が可能となり、これにより、工具Ｗの表面への加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着と、工具Ｗの表面粗さの向上とを同時に達成することができる。
【００３２】
この場合、超硬合金製の粒子は、その比重が１３．５以上かつ１４．４以下の範囲に設定されるので、超硬合金製の粒子の平均粒子径が上記のように小径（５０μｍ〜２００μｍ）とされる場合であっても十分な運動エネルギーを確保して、工具Ｗの表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。また、超硬合金製の粒子の比重を上記（１３．５〜１４．４）のように設定することで、一般的に市販される粒子を利用することができるので、材料の入手を容易とできる。
【００３３】
一方、超硬合金製の粒子の表面に固着される固体潤滑剤は、その厚みが０．５μｍ以上かつ２０μｍ以下の範囲に設定されるので、工具Ｗの表面への固体潤滑材の移着を効率的に行うことができる。
【００３４】
即ち、固定潤滑剤の厚みが小さ過ぎると、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少なくなる。一方、固体潤滑剤の厚みが大き過ぎると、超硬合金製の粒子によって固体潤滑剤が工具Ｗの表面に押圧された際に、固体潤滑剤が側方へ逃げてしまい、無駄になる。よって、いずれの場合も、個体潤滑材を必要量だけ工具Ｗの表面に移着させるためには、多数のショットＳを衝突させる必要が生じ、非効率である。
【００３５】
これに対し、上記のように、固体潤滑剤が０．５μｍ以上の厚みを有することで、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量を確保できる一方、固体潤滑剤の厚みを２０μｍ以下に抑えることで、超硬合金製の粒子によって工具Ｗの表面へ押圧された固体潤滑剤を側方へ逃げ難くできる。よって、工具Ｗの表面へ固体潤滑剤を効率的に移着させることができる。
【００３６】
ショットＳの工具Ｗへの投射は、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。
【００３７】
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（即ち、運動エネルギー）を確保して、工具Ｗの表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤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、ショットＳの投射速度（即ち、運動エネルギー）が過大となり、超硬合金製の粒子の衝突により工具Ｗの表面が削り取られてしまう、即ち、固体潤滑剤の移着された箇所が消失することを抑制することができる。
【００３８】
なお、ショットＳは、固体潤滑剤の超硬合金製の粒子の表面への固着が、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に投射することで行われるので、メッキ処理により固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に固着させる場合と比較して、固着作業を行うための設備に要する設備コストを削減することができる。
【００３９】
次いで、図２を参照して、ショットＳを工具Ｗへ投射して工具Ｗの表面改質を行う第１の試験および第２の試験の試験結果について説明する。まず、図２（ａ）を参照して、第１の試験について説明する。図２（ａ）は、第１の試験の試験結果を示す表であって、固体潤滑剤の厚み及び超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具Ｗの表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表である。
【００４０】
第１の試験では、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、投射圧は、０．２ＭＰａに固定した。工具Ｗは、ＳＫＤ１１により構成した。ショットＳは、固体潤滑剤として、二硫化モリブデンを使用し、粒子径が２０μｍ〜２３０μｍの超硬合金製の粒子に対し、それぞれ固体潤滑剤の厚みを０．１μｍ〜２５．０μｍとした合計２０種類のショットＳを使用した。なお、超硬合金製の粒子は、比重が１４．０とされる。
【００４１】
また、図２（ａ）に示す固体潤滑剤の移着量比とは、粒子径が１８０μｍの超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を１０．０μｍの厚みで固着して構成されたショットＳ（以下「基準ショットＳ」と称す）を工具Ｗに投射した場合に、その工具Ｗの表面に移着された固体潤滑剤の移着量を１００とし、その移着量に対して他の１９種類のショットＳにおける移着量を比べた際の率を意味する。なお、工具Ｗへの投射時間は、基準ショットＳを含む２０種類の各ショットＳにおいて、同一（３０秒）である。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、固体潤滑剤の厚み（以下「厚み」と称す）が０．１μｍの場合、超硬合金製の粒子の粒子径（以下「粒子径」と称す）２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が１５〜２５となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「厚み」が小さ過ぎ、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少ないことに起因する。よって、基準ショットＳと投射時間を同一とした本試験では、固体潤滑剤を工具Ｗの表面に十分に移着させることができない結果となった。
【００４３】
一方、「厚み」が２５．０μｍの場合、「粒子径」２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が３０〜６０となり、「厚み」が０．１μｍの場合よりも増加しているが、基準ショットＳに対しては、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「厚み」が大き過ぎるため、超硬合金製の粒子によって固体潤滑剤が工具Ｗの表面に押圧された際に、固体潤滑剤が側方へ逃げてしまうことに起因する。よって、基準ショットＳと投射時間を同一とした本試験では、固体潤滑剤を工具Ｗの表面に十分に移着させることができない結果となった。
【００４４】
「粒子径」が２０μｍの場合、「厚み」１．０μｍ、１０．０μｍ及び１５．０μｍにおいて、移着量比が３５、５０及び４０となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が小さ過ぎ、その質量を確保できないため、ショットＳを十分な運動エネルギーを有した状態で工具Ｗの表面に衝突させることができないことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００４５】
一方、「粒子径」が２３０μｍの場合、「厚み」１．０μｍ、１０．０μｍ及び１５．０μｍにおいて、移着量比が５５又は６０となり、「粒子径」が２０μｍの場合よりも増加しているが、基準ショットＳに対しては、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が大き過ぎ、その質量の増加に伴って、十分な投射速度を付与することができなくなったため、運動エネルギーが不足したことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
「粒子径」が８０μｍ又は１８０μｍであって「厚み」が１．０μｍ及び１５．０μｍの場合、並びに、「粒子径」が８０μｍであって「厚み」が１０．０μｍの場合は、移着量比が６５〜９０となり、十分な量の固体潤滑剤が工具Ｗの表面に移着された。なお、これらの場合、基準ショットＳに対して、移着量比が減少するが、これは、基準ショットＳに対して、「粒子径」が同一であっても、「厚み」が小さい分、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少ない、若しくは、「厚み」が同一であっても、「粒子径」が小さい分、運動エネルギーが小さい、又は、両者の原因に起因する。
【００４６】
このように、「粒子径」が所定値よりも小さくされる場合および大きくされるには、ショットＳに運動エネルギーを十分に与えることができず、移着量比が不十分となる。また、「厚み」が所定値よりも小さくされる場合には、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が不足し、移着量比が不十分となる一方、「厚み」が所定値よりも大きくされる場合には、衝突時に固体潤滑剤が側方へ逃げてしまい、移着量比が不十分となる。
【００４７】
次いで、図２（ｂ）を参照して、第２の試験について説明する。図２（ｂ）は、第２の試験の試験結果を示す表であって、ショットＳの投射圧および超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具Ｗの表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表である。
【００４８】
第２の試験は、第１の試験と同様のショットピーニング装置１を使用し、第１の試験と同様の工具Ｗを処理対象とした。ショットＳは、第１の試験と同様の「粒子径」が２０μｍ〜２３０μｍの４種類の超硬合金製の粒子を使用し、それら４種類の超硬合金製の粒子の表面に固着される固体潤滑剤（二硫化モリブデン）の厚みを１５μｍに固定した。第２の試験では、それら各ショットＳの投射圧（以下「投射圧」と称す）を０．０５ＭＰａ〜０．３５ＭＰａの４段階に変化させ、１６種類の試験条件における固体潤滑剤の移着量を測定した。
【００４９】
第２の試験では、「粒子径」が１８０μｍであって「投射圧」が０．２５ＭＰａの試験条件におけるショットＳを「基準ショットＳ」とする。なお、工具Ｗへの投射時間は、基準ショットＳを含む１６条件において、同一（３０秒）である。
【００５０】
図２（ｂ）に示すように、「投射圧」が０．０５ＭＰａの場合、「粒子径」２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が２０〜４０となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「投射圧」が不足して、ショットＳを投射速度を確保できないため、ショットＳを十分な運動エネルギーを有した状態で工具Ｗの表面に衝突させることができないことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００５１】
一方、「投射圧」が０．３５ＭＰａの場合、「粒子径」２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が１５〜２５となり、「投射圧」が０．０５の場合よりも減少している。これは、「投射圧」が大き過ぎ、ショットＳの投射速度（即ち、運動エネルギー）が過大となったため、超硬合金製の粒子の衝突により工具Ｗの表面が削り取られてしまうことに起因する。即ち、工具Ｗの表面に固体潤滑剤が移着されても、別のショットＳ（超硬合金製の粒子）の衝突により、固体潤滑剤が移着されていた箇所が消失され、移着量が減少する結果となった。
【００５２】
「粒子径」が２０μｍの場合、「投射圧」０．１５ＭＰａ及び０．２５ＭＰａにおいて、移着量比が４０となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が小さ過ぎ、その質量を確保できないため、ショットＳを十分な運動エネルギーを有した状態で工具Ｗの表面に衝突させることができないことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００５３】
一方、「粒子径」が２３０μｍの場合、「投射圧」０．１５ＭＰａ及び０．２５ＭＰａにおいて、移着量比が６０となり、「粒子径」が２０μｍの場合よりも増加しているが、基準ショットＳに対しては、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が大き過ぎ、その質量の増加に伴って、十分な投射速度を付与することができなくなったため、運動エネルギーが不足したことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００５４】
「粒子径」が８０μｍ又は１８０μｍであって「投射圧」が０．１５ＭＰａの場合、及び、「粒子径」が８０μｍであって「投射圧」が０．２５ＭＰａの場合は、移着量比が７５〜８５となり、十分な量の固体潤滑剤が工具Ｗの表面に移着された。なお、これらの場合、基準ショットＳに対して、移着量比が減少するが、これは、基準ショットＳに対して、「粒子径」が同一であっても、「投射圧」が小さい分、運動エネルギーが小さい、若しくは、「投射圧」が同一であっても、「粒子径」が小さい分、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少ない、又は、両者の原因に起因する。
【００５５】
このように、「粒子径」が所定値より小さくされる場合および大きくされる場合には、ショットＳに運動エネルギーを十分に与えることができず、移着量比が不十分となる。また、「投射圧」が所定値よりも小さくされる場合にも、ショットＳに運動エネルギーを十分に与えることができず、移着量比が不十分となる一方、「投射圧」が所定値よりも大きくされる場合には、超硬合金製の粒子の衝突により工具Ｗの表面が削り取られてしまい、移着量比が不十分となる。
【００５６】
次いで、図３を参照して、表面改質後の工具Ｗを用いて行った転造試験の結果について説明する。この転造試験は、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）により、棒状の素材の外周面におねじを転造加工（セミドライ転造）し、その加工可能数を測定する試験である。
【００５７】
なお、表面改質は、平均粒子径が５０μｍの超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤（二硫化モリブデン）を３μｍの厚みで固着して構成されたショットＳを使用した。超硬合金製の粒子は、比重が１４．０とされる。また、ショットピーニング装置１のノズル１７からの投射圧力は０．３ＭＰａである。
【００５８】
図３は、本願処理品の加工数と無処理品の加工数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。
【００５９】
転造試験の結果、無処理品の加工可能数が７１００個であったのに対し、本願処理品の加工可能数は、１０５００個であり、本発明の表面改質を施した結果、工具Ｗの寿命が向上し、加工可能数が１．４８倍に増加することが確認された。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
上記実施の形態では、工具Ｗを焼入れ硬化処理が施された高速度工具鋼から構成す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、焼入れ処理が施されたダイス鋼や窒化等により表面硬化処理が施された鉄鋼などが例示される。或いは、焼入れ処理が施されていないダイス鋼または高速度工具鋼や表面硬化処理が施されていな鉄鋼などであっても良い。
【００６３】
上記実施の形態では、工具Ｗが転造工具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。他の工具としては、例えば、切削工具やバニッシングツールなどが例示される。
【００６４】
上記実施の形態では、ショットピーニング装置１として、直圧式で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、例えば、サイホン式や重力式であっても良く、或いは、他のタイプであっても良い。
【００６５】
上記実施の形態では、その説明を省略したが、超硬合金製の粒子の形状は、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】
【００６６】
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工具の表面に固体潤滑剤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】
機械部品の摺動部では、液体潤滑剤を使用して、摺動部の表面（摺動面）の潤滑を行うことが一般的であるが、液体潤滑剤を使用できない場合には、固体潤滑剤により摺動面を被覆することも行われる。
【０００３】
固体潤滑剤を摺動面に被覆する方法としては、例えば、固体潤滑剤の粒子単体をショットピーニングして、摺動面に固体潤滑剤の皮膜を形成する技術（特許文献１）、鋼球などの硬質粒子と固体潤滑剤粒子との混合粒子をショットピーニングして、摺動面に固体潤滑剤の皮膜を形成すると共に、摺動面に圧縮残留応力を付与する技術（特許文献２）、或いは、鋼球の表面に軟質金属を被覆した粒子をショットピーニングして、摺動面に軟質金属の皮膜を形成する技術（特許文献３）などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１００５９号（例えば、段落００１０，００２２など）
【特許文献２】特開２００４−２５５５２２号（例えば、段落００１０３及び第１図など）
【特許文献３】特開２００９−１８５３３９号（例えば、段落０００９及び第１図など）
【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、いずれも機械部品のように表面硬さが比較的低い素材を処理対象とするものであり、焼入れ硬化処理が施されたダイス鋼もしくは高速度工具鋼、又は、窒化等により表面硬化処理が施された鉄鋼などを素材とし、表面硬さが比較的高い工具に対しては、その表面に固体潤滑剤を移着させることが困難であるという問題点があった。
【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工具の表面に固体潤滑剤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、超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着したショットを投射して工具の表面に衝突させる。これにより、超硬合金製の粒子により工具の表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、同時に、固体潤滑剤を工具の表面に移着させることができる。
【０００８】
この場合、投射されるショットの運動エネルギーはその重量に比例するところ、ショットの核となる超硬合金製の粒子は比重が大きい（例えば、鉄系材料の約２倍）ため、ショット全体での運動エネルギーを確保することができる。よって、表面硬さが比較的高い工具に対して、その表面に固定潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【０００９】
また、ショットの核となる超硬合金製の粒子は硬度が高いため、表面硬さが比較的高い工具であっても、その表面に衝突した際に核となる粒子が粉砕されることを抑制できる。よって、工具の表面に衝突する際に、その表面へ固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で押圧することができ、その結果、工具の表面に固体潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【００１０】
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、超硬合金製の粒子の平均粒子径が５０μｍ〜２００μｍの範囲に設定され、比較的小径であるので、工具の表面に形成される凹凸を小さくして、表面粗さの向上を図ることができる。一方で、このように超硬合金製の粒子を比較的小径に設定しても、その比重が大きく運動エネルギーを確保できるので、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。
【００１１】
なお、このような粒子径が比較的小径の粒子の使用は、鉄系材料製の粒子を使用する従来の方法では、運動エネルギーを確保することができないことから、その使用が不可能であった。即ち、上記比較的小径のショットは、本発明のように、ショットの核として超硬合金製の粒子を使用することで、始めて使用可能となったものであり、これにより、工具の表面への加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着と、工具の表面粗さの向上とを同時に達成することができる。
【００１２】
請求項３記載の工具の表面改質方法によれば、請求項２記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、超硬合金製の粒子の比重が１３．５〜１４．４の範囲に設定されるので、超硬合金製の粒子の平均粒子径が上記のように比較的小径とされる場合であっても十分な運動エネルギーを確保して、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。また、超硬合金製の粒子の比重を上記のように設定することで、一般的に市販される粒子を利用することができるので、材料の入手を容易とできる。
【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、超硬合金製の粒子の表面に固着される固体潤滑剤の厚みが０．５μｍ〜２０μｍの範囲に設定されるので、工具の表面への固体潤滑材の移着を効率的に行うことができる。
【００１４】
即ち、固定潤滑剤の厚みが小さ過ぎると、１のショットから工具の表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少なくなる。一方、固体潤滑剤の厚みが大き過ぎると、超硬合金製の粒子によって固体潤滑剤が工具の表面に押圧された際に、固体潤滑剤が側方へ逃げてしまう。よって、いずれの場合も、個体潤滑材を必要量だけ工具の表面に移着させるためには、多数のショットを衝突させる必要が生じ、非効率である。これに対し、上記のように、固体潤滑剤が一定以上の厚みを有することで、１のショットから工具の表面に移着可能な固体潤滑剤の量を確保できる一方、固体潤滑剤の厚みを一定以下に抑えることで、超硬合金製の粒子によって工具の表面へ押圧された固体潤滑剤を側方へ逃げ難くできる。よって、工具の表面へ固体潤滑剤を効率的に移着させることができる。
【００１５】
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、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（即ち、運動エネルギー）を確保して、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤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、ショットの投射速度（即ち、運動エネルギー）が過大となり、超硬合金製の粒子の衝突により工具の表面が削り取られてしまう、即ち、固体潤滑剤の移着された箇所が消失することを抑制することができる。
【００１６】
請求項６記載の工具の表面改質方法によれば、請求項１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、固体潤滑剤の超硬合金製の粒子の表面への固着は、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に投射することで行われるので、メッキ処理により固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に固着させる場合と比較して、設備コストを削減することができる。
【００１７】
請求項７記載の工具の表面改質方法によれば、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の奏する効果に加え、工具の表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着により、耐摩耗性や潤滑性が向上された工具を得ることができるだけでなく、焼入れ硬化処理が施された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、また、表面硬化処理が施された鉄鋼から工具を構成することで、耐摩耗性がより向上された工具を得ることができる。なお、表面硬さが比較的低い素材を処理対象とする従来技術では、処理表面の潤滑性を向上させることができても、工具自体の剛性や耐摩耗性を確保することができない。
【００１８】
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、従来のように、ショットの核として鋼球を使用する技術では不可能であり、本発明のように、超硬合金製の粒子をショットの核に適用したことで、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および耐磨耗性の向上と潤滑性とが同時に達成された工具を得ることができる。
【００１９】
請求項８記載の工具によれば、請求項１から７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、処理表面の耐磨耗性と潤滑性との向上を図ることができる。特に、請求項７のように、工具を焼入れ硬化処理が施されたダイス鋼または高速度工具鋼から構成する場合には、工具自体の剛性の向上を図ることができる。また、工具を表面硬化処理が施された鉄鋼から構成する場合には、工具の耐摩耗性の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】（ａ）は、固体潤滑剤の厚み及び超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具の表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表であり、（ｂ）は、ショットの投射圧および超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具の表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表である。
【図３】本願処理品の加工数と無処理品の加工数とを図示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
なお、本実施の形態では、後述するように、ショットＳが超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着（被覆）して構成される。また、工具Ｗは、おねじを転造加工するための転造工具（ねじ転造平ダイス）であり、焼入れ硬化処理が施された高速度工具鋼から構成される。
【００２４】
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。
【００２５】
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、超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着して構成される。なお、固体潤滑剤としては、二硫化モリブデンまたは窒化ホウ素が例示され、本実施形態では、二硫化モリブデンが採用される。
【００２６】
このように構成されたショットＳがノズル１７から投射され工具Ｗに衝突されると、超硬合金製の粒子により工具Ｗの表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、同時に、固体潤滑剤を工具Ｗの表面に移着（浸透拡散）させることができる。その結果、工具Ｗの表面の耐摩耗性を向上させることができると共に、潤滑性（摺動性）を向上させることができる。
【００２７】
この場合、投射されるショットＳの運動エネルギーはその重量に比例するところ、ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は比重が大きい（例えば、鉄系材料の約２倍）ため、ショットＳ全体での運動エネルギーを確保する（大きくする）ことができる。よって、表面硬さが高い工具Ｗに対して、その表面に固定潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【００２８】
また、ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は硬度が高いため、処理対象が、表面硬さの高い工具Ｗであっても、その表面に衝突した際に核となる粒子（超硬合金製の粒子）が粉砕されることを抑制できる。よって、工具Ｗの表面に衝突する際に、その表面へ固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で押圧する（工具Ｗの表面と超硬合金製の粒子との間に挟み込む）ことができ、その結果、工具Ｗの表面に固体潤滑剤をより確実に移着させることができる。
【００２９】
ショットＳの核となる超硬合金製の粒子は、平均粒子径が５０μｍ以上かつ２００μｍ以下の範囲に設定され、小径であるので、工具Ｗの表面に形成される凹凸を小さくして、表面粗さの向上を図ることができる。一方で、このように超硬合金製の粒子を小径に設定しても、その比重が大きく運動エネルギーを確保できるので、工具Ｗの表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。
【００３０】
なお、このような粒子径が小径の粒子の使用は、鉄系材料製の粒子を使用する従来の方法では、運動エネルギーを確保することができないことから、その使用が不可能であった。即ち、粒子径を大きくすれば、その分、粒子の質量が大きくなり、運動エネルギーを確保できるが、工具Ｗの表面に形成される凹凸が大きくなり、処理表面の表面粗さの悪化を招く。
【００３１】
これに対し、本発明では、ショットＳの核として超硬合金製の粒子を使用することで、上記のようにショットＳの小径化が可能となり、これにより、工具Ｗの表面への加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着と、工具Ｗの表面粗さの向上とを同時に達成することができる。
【００３２】
この場合、超硬合金製の粒子は、その比重が１３．５以上かつ１４．４以下の範囲に設定されるので、超硬合金製の粒子の平均粒子径が上記のように小径（５０μｍ〜２００μｍ）とされる場合であっても十分な運動エネルギーを確保して、工具Ｗの表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤の移着を確実に行うことができる。また、超硬合金製の粒子の比重を上記（１３．５〜１４．４）のように設定することで、一般的に市販される粒子を利用することができるので、材料の入手を容易とできる。
【００３３】
一方、超硬合金製の粒子の表面に固着される固体潤滑剤は、その厚みが０．５μｍ以上かつ２０μｍ以下の範囲に設定されるので、工具Ｗの表面への固体潤滑材の移着を効率的に行うことができる。
【００３４】
即ち、固定潤滑剤の厚みが小さ過ぎると、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少なくなる。一方、固体潤滑剤の厚みが大き過ぎると、超硬合金製の粒子によって固体潤滑剤が工具Ｗの表面に押圧された際に、固体潤滑剤が側方へ逃げてしまい、無駄になる。よって、いずれの場合も、個体潤滑材を必要量だけ工具Ｗの表面に移着させるためには、多数のショットＳを衝突させる必要が生じ、非効率である。
【００３５】
これに対し、上記のように、固体潤滑剤が０．５μｍ以上の厚みを有することで、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量を確保できる一方、固体潤滑剤の厚みを２０μｍ以下に抑えることで、超硬合金製の粒子によって工具Ｗの表面へ押圧された固体潤滑剤を側方へ逃げ難くできる。よって、工具Ｗの表面へ固体潤滑剤を効率的に移着させることができる。
【００３６】
ショットＳの工具Ｗへの投射は、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。
【００３７】
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（即ち、運動エネルギー）を確保して、工具Ｗの表面への超硬合金製の粒子の衝突による加工硬化や圧縮残留応力の付与および固体潤滑剤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、ショットＳの投射速度（即ち、運動エネルギー）が過大となり、超硬合金製の粒子の衝突により工具Ｗの表面が削り取られてしまう、即ち、固体潤滑剤の移着された箇所が消失することを抑制することができる。
【００３８】
なお、ショットＳは、固体潤滑剤の超硬合金製の粒子の表面への固着が、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に投射することで行われるので、メッキ処理により固体潤滑剤を超硬合金製の粒子の表面に固着させる場合と比較して、固着作業を行うための設備に要する設備コストを削減することができる。
【００３９】
次いで、図２を参照して、ショットＳを工具Ｗへ投射して工具Ｗの表面改質を行う第１の試験および第２の試験の試験結果について説明する。まず、図２（ａ）を参照して、第１の試験について説明する。図２（ａ）は、第１の試験の試験結果を示す表であって、固体潤滑剤の厚み及び超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具Ｗの表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表である。
【００４０】
第１の試験では、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、投射圧は、０．２ＭＰａに固定した。工具Ｗは、ＳＫＤ１１により構成した。ショットＳは、固体潤滑剤として、二硫化モリブデンを使用し、粒子径が２０μｍ〜２３０μｍの超硬合金製の粒子に対し、それぞれ固体潤滑剤の厚みを０．１μｍ〜２５．０μｍとした合計２０種類のショットＳを使用した。なお、超硬合金製の粒子は、比重が１４．０とされる。
【００４１】
また、図２（ａ）に示す固体潤滑剤の移着量比とは、粒子径が１８０μｍの超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を１０．０μｍの厚みで固着して構成されたショットＳ（以下「基準ショットＳ」と称す）を工具Ｗに投射した場合に、その工具Ｗの表面に移着された固体潤滑剤の移着量を１００とし、その移着量に対して他の１９種類のショットＳにおける移着量を比べた際の率を意味する。なお、工具Ｗへの投射時間は、基準ショットＳを含む２０種類の各ショットＳにおいて、同一（３０秒）である。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、固体潤滑剤の厚み（以下「厚み」と称す）が０．１μｍの場合、超硬合金製の粒子の粒子径（以下「粒子径」と称す）２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が１５〜２５となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「厚み」が小さ過ぎ、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少ないことに起因する。よって、基準ショットＳと投射時間を同一とした本試験では、固体潤滑剤を工具Ｗの表面に十分に移着させることができない結果となった。
【００４３】
一方、「厚み」が２５．０μｍの場合、「粒子径」２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が３０〜６０となり、「厚み」が０．１μｍの場合よりも増加しているが、基準ショットＳに対しては、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「厚み」が大き過ぎるため、超硬合金製の粒子によって固体潤滑剤が工具Ｗの表面に押圧された際に、固体潤滑剤が側方へ逃げてしまうことに起因する。よって、基準ショットＳと投射時間を同一とした本試験では、固体潤滑剤を工具Ｗの表面に十分に移着させることができない結果となった。
【００４４】
「粒子径」が２０μｍの場合、「厚み」１．０μｍ、１０．０μｍ及び１５．０μｍにおいて、移着量比が３５、５０及び４０となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が小さ過ぎ、その質量を確保できないため、ショットＳを十分な運動エネルギーを有した状態で工具Ｗの表面に衝突させることができないことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００４５】
一方、「粒子径」が２３０μｍの場合、「厚み」１．０μｍ、１０．０μｍ及び１５．０μｍにおいて、移着量比が５５又は６０となり、「粒子径」が２０μｍの場合よりも増加しているが、基準ショットＳに対しては、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が大き過ぎ、その質量の増加に伴って、十分な投射速度を付与することができなくなったため、運動エネルギーが不足したことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
「粒子径」が８０μｍ又は１８０μｍであって「厚み」が１．０μｍ及び１５．０μｍの場合、並びに、「粒子径」が８０μｍであって「厚み」が１０．０μｍの場合は、移着量比が６５〜９０となり、十分な量の固体潤滑剤が工具Ｗの表面に移着された。なお、これらの場合、基準ショットＳに対して、移着量比が減少するが、これは、基準ショットＳに対して、「粒子径」が同一であっても、「厚み」が小さい分、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少ない、若しくは、「厚み」が同一であっても、「粒子径」が小さい分、運動エネルギーが小さい、又は、両者の原因に起因する。
【００４６】
このように、「粒子径」が所定値よりも小さくされる場合および大きくされるには、ショットＳに運動エネルギーを十分に与えることができず、移着量比が不十分となる。また、「厚み」が所定値よりも小さくされる場合には、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が不足し、移着量比が不十分となる一方、「厚み」が所定値よりも大きくされる場合には、衝突時に固体潤滑剤が側方へ逃げてしまい、移着量比が不十分となる。
【００４７】
次いで、図２（ｂ）を参照して、第２の試験について説明する。図２（ｂ）は、第２の試験の試験結果を示す表であって、ショットＳの投射圧および超硬合金製の粒子の粒子径に対する工具Ｗの表面への固体潤滑剤の移着量比の関係を図示する表である。
【００４８】
第２の試験は、第１の試験と同様のショットピーニング装置１を使用し、第１の試験と同様の工具Ｗを処理対象とした。ショットＳは、第１の試験と同様の「粒子径」が２０μｍ〜２３０μｍの４種類の超硬合金製の粒子を使用し、それら４種類の超硬合金製の粒子の表面に固着される固体潤滑剤（二硫化モリブデン）の厚みを１５μｍに固定した。第２の試験では、それら各ショットＳの投射圧（以下「投射圧」と称す）を０．０５ＭＰａ〜０．３５ＭＰａの４段階に変化させ、１６種類の試験条件における固体潤滑剤の移着量を測定した。
【００４９】
第２の試験では、「粒子径」が１８０μｍであって「投射圧」が０．２５ＭＰａの試験条件におけるショットＳを「基準ショットＳ」とする。なお、工具Ｗへの投射時間は、基準ショットＳを含む１６条件において、同一（３０秒）である。
【００５０】
図２（ｂ）に示すように、「投射圧」が０．０５ＭＰａの場合、「粒子径」２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が２０〜４０となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「投射圧」が不足して、ショットＳを投射速度を確保できないため、ショットＳを十分な運動エネルギーを有した状態で工具Ｗの表面に衝突させることができないことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００５１】
一方、「投射圧」が０．３５ＭＰａの場合、「粒子径」２０μｍ、８０μｍ、１８０μｍ及び２３０μｍにおいて、移着量比が１５〜２５となり、「投射圧」が０．０５の場合よりも減少している。これは、「投射圧」が大き過ぎ、ショットＳの投射速度（即ち、運動エネルギー）が過大となったため、超硬合金製の粒子の衝突により工具Ｗの表面が削り取られてしまうことに起因する。即ち、工具Ｗの表面に固体潤滑剤が移着されても、別のショットＳ（超硬合金製の粒子）の衝突により、固体潤滑剤が移着されていた箇所が消失され、移着量が減少する結果となった。
【００５２】
「粒子径」が２０μｍの場合、「投射圧」０．１５ＭＰａ及び０．２５ＭＰａにおいて、移着量比が４０となり、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が小さ過ぎ、その質量を確保できないため、ショットＳを十分な運動エネルギーを有した状態で工具Ｗの表面に衝突させることができないことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００５３】
一方、「粒子径」が２３０μｍの場合、「投射圧」０．１５ＭＰａ及び０．２５ＭＰａにおいて、移着量比が６０となり、「粒子径」が２０μｍの場合よりも増加しているが、基準ショットＳに対しては、固体潤滑剤が工具Ｗの表面に十分に移着されていない。これは、「粒子径」が大き過ぎ、その質量の増加に伴って、十分な投射速度を付与することができなくなったため、運動エネルギーが不足したことに起因する。よって、固体潤滑剤を超硬合金製の粒子で工具Ｗの表面に押圧する効果を得ることができず、その移着を十分に行うことができない結果となった。
【００５４】
「粒子径」が８０μｍ又は１８０μｍであって「投射圧」が０．１５ＭＰａの場合、及び、「粒子径」が８０μｍであって「投射圧」が０．２５ＭＰａの場合は、移着量比が７５〜８５となり、十分な量の固体潤滑剤が工具Ｗの表面に移着された。なお、これらの場合、基準ショットＳに対して、移着量比が減少するが、これは、基準ショットＳに対して、「粒子径」が同一であっても、「投射圧」が小さい分、運動エネルギーが小さい、若しくは、「投射圧」が同一であっても、「粒子径」が小さい分、１のショットＳから工具Ｗの表面に移着可能な固体潤滑剤の量が少ない、又は、両者の原因に起因する。
【００５５】
このように、「粒子径」が所定値より小さくされる場合および大きくされる場合には、ショットＳに運動エネルギーを十分に与えることができず、移着量比が不十分となる。また、「投射圧」が所定値よりも小さくされる場合にも、ショットＳに運動エネルギーを十分に与えることができず、移着量比が不十分となる一方、「投射圧」が所定値よりも大きくされる場合には、超硬合金製の粒子の衝突により工具Ｗの表面が削り取られてしまい、移着量比が不十分となる。
【００５６】
次いで、図３を参照して、表面改質後の工具Ｗを用いて行った転造試験の結果について説明する。この転造試験は、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）により、棒状の素材の外周面におねじを転造加工（セミドライ転造）し、その加工可能数を測定する試験である。
【００５７】
なお、表面改質は、平均粒子径が５０μｍの超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤（二硫化モリブデン）を３μｍの厚みで固着して構成されたショットＳを使用した。超硬合金製の粒子は、比重が１４．０とされる。また、ショットピーニング装置１のノズル１７からの投射圧力は０．３ＭＰａである。
【００５８】
図３は、本願処理品の加工数と無処理品の加工数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。
【００５９】
転造試験の結果、無処理品の加工可能数が７１００個であったのに対し、本願処理品の加工可能数は、１０５００個であり、本発明の表面改質を施した結果、工具Ｗの寿命が向上し、加工可能数が１．４８倍に増加することが確認された。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
上記実施の形態では、工具Ｗを焼入れ硬化処理が施された高速度工具鋼から構成す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、焼入れ処理が施されたダイス鋼や窒化等により表面硬化処理が施された鉄鋼などが例示される。或いは、焼入れ処理が施されていないダイス鋼または高速度工具鋼や表面硬化処理が施されていな鉄鋼などであっても良い。
【００６３】
上記実施の形態では、工具Ｗが転造工具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。他の工具としては、例えば、切削工具やバニッシングツールなどが例示される。
【００６４】
上記実施の形態では、ショットピーニング装置１として、直圧式で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、例えば、サイホン式や重力式であっても良く、或いは、他のタイプであっても良い。
【００６５】
上記実施の形態では、その説明を省略したが、超硬合金製の粒子の形状は、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】
【００６６】
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、超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着して構成され、
前記ショットピーニングにより、前記固体潤滑剤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】
前記超硬合金製の粒子は、平均粒子径が５０μｍ〜２００μｍ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】
前記超硬合金製の粒子は、比重が１３．５〜１４．４の範囲に設定されることを特徴とする請求項２記載の工具の表面改質方法。
【請求項４】
前記固体潤滑剤は、前記超硬合金製の粒子の表面に固着される厚みが０．５μｍ〜２０μｍの範囲に設定され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】
前記固体潤滑剤は、二硫化モリブデン又は窒化ホウ素から構成されると共に、その固体潤滑剤の前記超硬合金製の粒子の表面への固着は、前記固体潤滑剤が前記超硬合金製の粒子の表面に投射されることで行われることを特徴とする請求項１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】
前記工具は、焼入れ硬化処理が施されたダイス鋼もしくは高速度工具鋼、又は、表面硬化処理が施された鉄鋼から構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項８】
切削加工に用いられる切削工具または転造加工に用いられる転造工具として構成される工具であって、請求項１から７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、超硬合金製の粒子の表面に固体潤滑剤を固着して構成され、
前記ショットピーニングにより、前記固体潤滑剤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】
前記超硬合金製の粒子は、平均粒子径が５０μｍ〜２００μｍ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】
前記超硬合金製の粒子は、比重が１３．５〜１４．４の範囲に設定されることを特徴とする請求項２記載の工具の表面改質方法。
【請求項４】
前記固体潤滑剤は、前記超硬合金製の粒子の表面に固着される厚みが０．５μｍ〜２０μｍの範囲に設定され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】
前記固体潤滑剤は、二硫化モリブデン又は窒化ホウ素から構成されると共に、その固体潤滑剤の前記超硬合金製の粒子の表面への固着は、前記固体潤滑剤が前記超硬合金製の粒子の表面に投射されることで行われることを特徴とする請求項１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】
前記工具は、焼入れ硬化処理が施されたダイス鋼もしくは高速度工具鋼、又は、表面硬化処理が施された鉄鋼から構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項８】
切削加工に用いられる切削工具または転造加工に用いられる転造工具として構成される工具であって、請求項１から７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２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−６６９５３（Ｐ２０１３−６６９５３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５５９４（Ｐ２０１１−２０５５９４）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【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４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【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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