JP2017115178A - 工具の表面改質方法および工具 - Google Patents

Abstract

【課題】表面の硬度を高め、且つ残留応力を付与することによって耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を向上した工具の表面改質方法および工具を提供する。【解決手段】ショットピーニング装置は、超硬合金粒子３０と硬質粒子４０をノズルの投射口付近で混合し、圧縮空気に乗せて投射する。超硬合金粒子３０は硬質粒子４０を粉砕する。硬質粒子４０の粉砕粒４１は、外形形状において縁部に鋭角な部分を有し、工具１の転造成形面５に食い込んで、すぐには剥がれ落ちない。超硬合金粒子３０は、工具１の表層部に衝突し、転造成形面５を叩く。表層部は塑性変形して加工硬化を得られ、且つ圧縮残留応力が付与される。超硬合金粒子３０は、粉砕粒４１に衝突すると、粉砕粒４１を工具１の表層部内に押し込む。工具１の表層部は、粉砕粒４１の押し込みによって塑性変形し、更なる加工硬化を得られ、且つ更なる圧縮残留応力が付与される。【選択図】図２

Description

本発明は、ワークを加工する工具の表面改質方法および工具に関する。

ワークを加工するための工具は、表面に欠けや摩耗などが生じ、ワークの加工品に所定の加工寸法が得られなくなると、工具寿命として交換が求められる。工具寿命を延ばすには、工具表面を改質して硬度を高め、且つ圧縮の残留応力を付与することによって、耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させることが有効である。表面改質の手段の一つとして、工具の表面にショットピーニング処理を施すことが知られている。ショットピーニング処理は、表面の欠陥や傷など応力集中が起きやすい部分を滑らかにし、且つ表面に残留応力を付与することができる。例えば、特許文献１に記載の金属材料は、３種類の投射材を用いて３回のショットピーニング処理を施すことで、表面の残留応力を、表面から一定の深さに至る内部まで一様に分布させている。ショットピーニング処理によって表面を改質した金属材料は、耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を高めることができる。

特開２００１−２２５２６９号公報

しかしながら、例えば高速度鋼などを母材とする工具は、もともとの硬さが７００〜１０００ＨＶである。高速度鋼に対し、超硬合金等の投射材でショットピーニング処理を行った場合、高速度鋼の硬さと超硬合金の硬さとの差異が小さいため、高速度鋼に付与できる残留応力は比較的小さい。故に、高速度鋼を母材とする工具の表面をショットピーニング処理によって改質し、１０００ＨＶ以上の硬さを得ることは難しかった。

本発明の目的は、表面の硬度を高め、且つ残留応力を付与することによって耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を向上した工具の表面改質方法および工具を提供する。

本発明の第一態様によれば、ワークを加工するための金属製の工具の表面を改質する工具の表面改質方法であって、投射ノズルから噴射する媒体に投射材を乗せて前記工具の母材の表面に投射するショットピーニング装置の前記投射ノズルに前記投射材の第一導入口と第二導入口を設け、前記第一導入口から投入する前記投射材として超硬合金粒子を投入し、前記第二導入口から投入する前記投射材としてセラミックスを主成分に含む硬質粒子を投入し、前記投射ノズル内で前記超硬合金粒子と前記硬質粒子を混合し、前記媒体に乗せて、前記母材の表面に投射することを特徴とする工具の表面改質方法が提供される。

超硬合金粒子は、ショットピーニング装置によって硬質粒子と混合して母材の表面に投射されることで、硬質粒子を破砕する。硬質粒子の粉砕粒は、外形形状において縁部に鋭角な部分を有し、母材に食い込む。更に超硬合金粒子は、母材に食い込んだ粉砕粒を母材内に叩き込む。これにより、粉砕粒は母材の表面から内部へ向けて深くに食い込み、母材内に埋設される。硬質粒子の埋設によって工具は硬さを高め、耐疲労性と耐摩耗性を向上することができる。また、超硬合金粒子が母材の表層部に残留応力を付与するので、工具は、耐欠損性を向上することができる。

ショットピーニング装置は、予め硬質粒子と超硬合金粒子を混合した投射材を投射するのではなく、投射ノズル内で硬質粒子と超硬合金粒子を混合して投射する。このため、投射前の硬質粒子の破砕が抑えられるので、ショットピーニング装置は、硬質粒子に十分なエネルギーを付与して投射することができる。

第一態様において、前記第一導入口と前記第二導入口は、前記投射ノズルから前記媒体を噴射する投射口の近傍に設けてもよい。ショットピーニング装置は、超硬合金粒子と硬質粒子を投射口から投射する直前に混合することで、硬質粒子の投射ノズル内での破砕を防ぐことができる。故に、ショットピーニング装置は、より確実に、硬質粒子に十分なエネルギーを付与して投射することができる。

第一態様において、前記超硬合金粒子は、粒径が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下でコバルトを１２〜１６ｗｔ％含有し、前記硬質粒子は、粒径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であってもよい。硬質粒子の粒径が０．５ｍｍ未満の場合、ショットピーニング装置は、硬質粒子に十分なエネルギーを付与できず、母材に食い込ませることが難しい。また、硬質粒子の破砕粒は、比較的小さくなる。粉砕粒は、母材の表面付近に食い込んでも内部深くには食い込みにくくなるので、母材の硬さを十分に高めることが難しい。硬質粒子の粒径が１．０ｍｍより大きい場合、硬質粒子の破砕粒は、比較的大きくなる。粉砕粒は、母材に食い込みにくくなるため、母材の硬さを十分に高めることが難しい。

超硬合金粒子の粒径が０．１ｍｍ未満の場合、ショットピーニング装置は、超硬合金粒子が軽くなるので十分なエネルギーを付与できず、母材に十分な残留応力を付与することが難しい。超硬合金粒子の粒径が０．５ｍｍより大きい場合、ショットピーニング装置は、超硬合金粒子が重くなるので十分な投射速度を与えられず、硬質粒子を適切な大きさに粉砕することが難しい。

また、コバルトを１２〜１６ｗｔ％含有する超硬合金粒子は、母材との衝突によって割れたり欠けたりしにくいので、球形を保ち、母材には食い込みにくい。超硬合金粒子は、０．１〜０．５ｍｍの粒径を維持することで、母材の表面改質に十分なエネルギーを保持したまま母材表面に衝突し、硬質粒子を効率よく母材内に分散させて叩き込むことができる。

第一態様において、前記投射材は、前記超硬合金粒子に対する前記硬質粒子の含有率が、２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であってもよい。硬質粒子の含有率が２０ｗｔ％未満の場合、母材に食い込む硬質粒子の粉砕粒の量が少なくなる。粉砕粒は、母材の硬さを十分に高めることが難しい。硬質粒子の含有率が６０ｗｔ％より多い場合、硬質粒子の量が多くなり、超硬合金粒子が硬質粒子を十分に粉砕することが難しくなる。また、超硬合金粒子と硬質粒子との衝突が増え、粉砕粒を母材内に叩き込むエネルギーを保持した状態の超硬合金粒子が母材の表面に到達しにくくなる。故に超硬合金粒子は硬質粒子の粉砕粒を十分に母材内に埋設しにくい。従って、超硬合金粒子に対する硬質粒子の含有量が２０〜６０ｗｔ％であれば、超硬合金粒子は、硬質粒子を効率よく破砕し、且つ破砕粒を母材内に分散させて食い込ませることができる。

第一態様において、前記ショットピーニング装置は、０．３ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下の噴射圧で前記媒体を噴射してもよい。媒体の噴射圧が０．３ＭＰａ未満の場合、超硬合金粒子は十分なエネルギーを得られない。故に超硬合金粒子は、硬質粒子を十分に粉砕することが難しい。また、超硬合金粒子は、母材に十分な残留応力を付与することが難しい。噴射圧が０．３ＭＰａ以上であれば、超硬合金粒子は硬質粒子を十分に粉砕し、且つ母材に十分な残留応力を付与できる。もっとも、母材の表面改質において、噴射圧は０．９ＭＰａ以下であれば必要十分である。故に、０．９ＭＰａより大きな噴射圧は過剰な噴射圧といえる。

第一態様では、前記ショットピーニング装置で前記母材の表面を改質した後、更に、前記母材の表面に対し、前記母材の表面から内部へ向けて窒素を浸透させる窒化処理を施してもよい。第一態様の表面改質方法は、硬質層に加えて窒素拡散層を形成することで母材の硬さをより高め、耐疲労性と耐摩耗性を更に向上することができる。また、窒化物の形成によって残留応力が高まるので、第一態様の表面改質方法は、耐欠損性も更に高めることができる。

第一態様において、前記窒化処理では、前記母材の表面から内部へ向けて少なくとも４０μｍ以上の深さに窒素を浸透させてもよい。窒化処理によって形成される窒素拡散層は、４０μｍ以上の深さを有する。即ち、窒素拡散層は、母材の表面から内部へ向けて硬質層よりも深くに達して形成される。従って第一態様の表面改質方法は、硬質層に加えて窒素拡散層を形成することで、耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を高めることができる。

本発明の第二態様によれば、ワークを加工するための金属製の工具であって、前記工具の母材の表層部に、セラミックスを主成分とし、外形形状において縁部に鋭角な部分を有する複数の硬質粒子が前記母材内に分散して埋設された硬質層を備え、前記母材は表面に複数の微細な凹みを有することを特徴とする工具が提供される。硬質層は、硬質粒子を分散して埋設することで硬さを高めることができ、耐疲労性、耐摩耗性を向上できる。なお、主成分とは、硬質粒子中の主材料の含有量が５０ｗｔ％以上であることを指す。

第二態様において、前記硬質層の硬さは１０００ＨＶ以上であってもよい。硬質層は１０００ＨＶ以上の硬さを有するので、ワークを加工するための工具の表層部を構成する層として十分な耐疲労性と耐摩耗性を確保することができる。

第二態様において、前記硬質層は、１０μｍ以下の厚みを有してもよい。硬質層は最大で１０μｍの深さに達する。故に硬質層は十分な硬さを得ることができ、耐疲労性、耐摩耗性を十分に確保できる。

第二態様において、前記表層部は、前記母材内に窒化物を含む窒素拡散層を備えてもよい。工具は、硬質層に加えて窒素拡散層を形成することで母材の硬さをより高め、耐疲労性と耐摩耗性を向上することができる。また、窒素拡散層には窒化物が形成されるので、工具は、窒化物の形成によって残留応力が高まる。故に工具は、耐欠損性も高めることができる。

第二態様において、前記窒素拡散層は、前記母材の表面から内部へ向けて少なくとも４０μｍ以上の深さを有してもよい。母材の表面から４０μｍ以上の深さを有する窒素拡散層は、硬質層よりも深くに達する。故に工具は、硬質層に加えて窒素拡散層を有することで母材の硬さをより高め、耐疲労性と耐摩耗性を更に向上することができる。

ショットピーニング装置１０の概略的な構成を示す図である。 転造成形面５における工具１の表層部の様子を模式的に示す断面図である。 投射材のセラミックス含有量と硬質層２の硬さとの関係を示すグラフである。 噴射圧と硬質層２の硬さとの関係を示すグラフである。 超硬合金粒子３０の粒径と硬質層２の硬さとの関係を示すグラフである。 硬質粒子４０の粒径と硬質層２の硬さとの関係を示すグラフである。 超硬合金粒子３０のコバルト含有量とショットピーニング処理前後の粒径との関係を示すグラフである。 超硬合金粒子３０のコバルト含有量と硬さとの関係を示すグラフである。 表面改質の有無と加工数との関係を示すグラフである。 工具１の断面を電子顕微鏡で撮影した写真である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。まず、図１を参照し、ショットピーニング装置１０の概略的な構成について説明する。ショットピーニング装置１０は、例えば圧縮空気１９の力でノズル１４から投射材を投射し、処理対象のワークにショットピーニング処理を施す公知の装置である。本実施形態では、工具１の表面を改質する手段の一例としてショットピーニング装置１０を用い、工具１にショットピーニング処理を施す。工具１は、ショットピーニング装置１０が処理対象とするワークの一例である。

ショットピーニング装置１０は、コンプレッサ１１、ノズル１４、ホッパ２１，２４、ケース（図示略）等を備える。コンプレッサ１１は圧縮空気１９を生成する公知の空気圧縮装置である。コンプレッサ１１は耐圧ホース１２を介してノズル１４に接続し、圧縮空気１９をノズル１４に供給する。コンプレッサ１１は、耐圧ホース１２の接続口に、流量制御弁１３を備える。流量制御弁１３は、耐圧ホース１２に送り出す圧縮空気１９の流量を調整し、投射材を乗せてノズル１４から噴射する圧縮空気１９の噴射圧を制御する。

ホッパ２１，２４は投射材を収容する公知の貯蔵槽である。ホッパ２１は、投射材として超硬合金粒子３０を収容する。ホッパ２１は供給管２２を介してノズル１４に接続し、超硬合金粒子３０をノズル１４に供給する。ホッパ２４は投射材として硬質粒子４０を収容する。ホッパ２４は供給管２５を介してノズル１４に接続し、硬質粒子４０をノズル１４に供給する。ホッパ２１，２４は夫々、供給管２２，２５との接続部に投射量制御弁２３，２６を備える。投射量制御弁２３，２６は夫々、供給管２２，２５に送り出す投射材の投射量を制御する。投射量制御弁２３，２６の制御によって、ショットピーニング装置１０は、ノズル１４から投射する超硬合金粒子３０と硬質粒子４０の混合比を調整できる。

ノズル１４は投射材を投射する筒状の部品である。ノズル１４はワークが収容されるケース内に配置される。ノズル１４の一端側はテーパ状に形成され、先端部分に投射口１７を開口する。ノズル１４の他端側は閉じられている。ノズル１４は、１本の導入管１８と、２つの導入口１５，１６を有する。導入管１８は、ノズル１４の軸に沿ってノズル１４内を延びる管である。導入管１８の一端は投射口１７の近くに配置され、投射口１７に向けられる。導入管１８の他端は、ノズル１４の他端からノズル１４外に引き出され、耐圧ホース１２に接続される。導入管１８は、コンプレッサ１１から供給される圧縮空気１９を投射口１７へ向けてノズル１４内で噴射する。圧縮空気１９は、導入管１８からの噴射方向に位置する投射口１７へ向かい、投射口１７からノズル１４外に噴出する。

導入口１５，１６は、ノズル１４の側面で、投射口１７の近傍に形成される。導入口１５，１６には、夫々、ホッパ２１，２４の供給管２２，２５が接続される。導入管１８を流れる圧縮空気１９が投射口１７からノズル１４外に噴射されるとき、ノズル１４内には負圧が生ずる。ホッパ２１，２４に収容される超硬合金粒子３０と硬質粒子４０は、負圧によって導入口１５，１６からノズル１４内に引き込まれる。超硬合金粒子３０と硬質粒子４０はノズル１４内で混合され、圧縮空気１９に乗って、投射口１７から投射される。

本実施形態の硬質粒子４０は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）またはアルミナ（酸化アルミニウム；Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックスからなる粒子、またはセラミックスを主成分とする粒子である。本実施形態ではアルミナ粒子を用いる。硬質粒子４０は、粒径が０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下のものが使用され、投射時に大きな運動エネルギーが与えられる。

本実施形態の超硬合金粒子３０は、例えば、タングステンカーバイド（ＷＣ）にコバルト（Ｃｏ）をバインダとして混合し、所定の粒径に造粒したもの焼結した超硬質合金の粒子である。超硬合金粒子３０はコバルトを１２〜１６ｗｔ％含有し、粒径が０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下のものが使用される。超硬合金粒子３０は、コバルトの混合によって結合力が維持されるので、粉砕、破砕されにくくなる。また、超硬合金粒子３０は、硬質粒子４０との硬さの差異が小さい。故に超硬合金粒子３０は、硬質粒子４０と混合されて投射されても摩耗が小さく、粒径を長期間維持できるので、再利用することができる。超硬合金粒子３０は、同じ粒径の硬質粒子４０の質量よりも重いため、上記のように硬質粒子４０よりも粒径の小さな粒子であっても、投射時に大きな運動エネルギーが与えられる。なお、超硬合金粒子３０は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ炭化物（Ｎｂ炭化物）などを混合してもよい。

上記構成のショットピーニング装置１０は、圧縮空気１９の流通によって生ずる負圧で投射材を吸引して投射する、いわゆる自吸式の装置である。投射材に圧力を印加し、圧縮空気とともに投射する、いわゆる直圧式のショットピーニング装置は、ノズル１４からの投射前に硬質粒子４０の粉砕を招く可能性があり、本発明における使用には適さない。

このようなショットピーニング装置１０を用いて表面改質を行う工具１は、例えば、円柱状の鋼材の外周面を塑性変形させてねじ山を転造するねじ転造平ダイスである。なお、工具１は一対に設けられるが、図１ではそのうちの一方の工具１を図示する。工具１は、例えば高速度工具鋼から略直方体状に形成される。工具１の一面は転造成形面５であり、ねじ山を転造加工するための歯形が形成される。高速度工具鋼を用いた母材表面のビッカース硬さ（以下、単に「硬さ」という。）は、通常、７００〜１０００ＨＶである。ショットピーニング処理は、歯形が形成された転造成形面５に施される。

工具１はケース内に配置され、歯形が形成された面にノズル１４の投射口１７が向けられる。コンプレッサ１１から送り出される圧縮空気１９は、流量制御弁１３の制御によって、０．３ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下の噴射圧で投射口１７から噴射される。ホッパ２１，２４から供給される投射材は、投射量制御弁２３，２６の制御によって、超硬合金粒子３０に対する硬質粒子４０の含有量が、２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下となるように調整される。

超硬合金粒子３０と硬質粒子４０は、負圧によってホッパ２１，２４から供給され、ノズル１４内で混合される。超硬合金粒子３０と硬質粒子４０は、圧縮空気１９に乗って、投射口１７から投射される。硬質粒子４０は、投射口１７の直前で超硬合金粒子３０と混合されて投射される。故に硬質粒子４０は、予め超硬合金粒子３０と混合された状態でノズル１４に輸送されて投射される場合と比べ、ノズル１４の内壁との衝突や超硬合金粒子３０との衝突による破砕が抑制される。従って硬質粒子４０は、投射時の運動エネルギーを維持することができる。

図２に示すように、ノズル１４から投射された超硬合金粒子３０と硬質粒子４０は、工具１の転造成形面５に衝突する。硬質粒子４０は、工具１との衝突で粉砕される。また、硬質粒子４０は、後から転造成形面５に到達した超硬合金粒子３０に衝突された場合、あるいは工具１に衝突する前に空中で超硬合金粒子３０と衝突した場合にも粉砕される。粉砕された硬質粒子４０は、外形形状において縁部に鋭角な部分を生ずる。硬質粒子４０の鋭角な部分は、転造成形面５に食い込む際の抵抗を小さくできる。よって、粉砕された硬質粒子４０の粉砕粒４１は、転造成形面５に突き刺さるように食い込んで、すぐには剥がれ落ちない。

超硬合金粒子３０は、工具１との衝突で転造成形面５を叩き、複数の微細な凹みを形成する。超硬合金粒子３０は、転造成形面５に略均一に複数の凹みを形成し、工具１に、いわゆる梨地状の表面加工を施す。工具１の表層部は塑性変形し、加工硬化を得られる。また、工具１の表層部には、圧縮残留応力が付与された硬質層２が形成される。

更に超硬合金粒子３０は、転造成形面５に食い込んだ硬質粒子４０の粉砕粒４１に衝突すると、粉砕粒４１を工具１の表層部内に押し込む。表層部内に押し込まれた粉砕粒４１は、転造成形面５から工具１の内部へ向けて、例えば１０μｍの深さに到達する。工具１の表層部は、粉砕粒４１が押し込まれることによって更に塑性変形し、更なる加工硬化を得られる。また、工具１の表層部には、粉砕粒４１の食い込みによって、より大きな圧縮残留応力が付与される。このように、ショットピーニング処理が施されることによって、工具１の表層部に形成される硬質層２は、１０００ＨＶ以上の硬さを得ることができる。

なお、工具１に向けて投射された超硬合金粒子３０は、ケース内下部に設けられる回収機構（図示略）によって回収され、硬質粒子４０と分別された後、ホッパ２１に還元される。

ショットピーニング処理による表面改質後、工具１には、窒化処理が施される。窒化処理は、窒素を含む雰囲気中に暴露し、加熱することで、工具１の表層部に窒素を浸透拡散させて硬化させる公知の処理である。窒化処理には、塩浴窒化処理、塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化、イオン窒化処理等が知られている。本実施形態の工具１には、例えば、イオン窒化処理を施すとよい。イオン窒化処理は、転造成形面５を曝した真空炉内に窒素と水素の混合ガスを満たし、グロー放電によって発生させたＮ＋イオンを工具１の表層部内に浸透させる処理である。イオン窒化処理によって、工具１の表層部には、窒素が浸透し拡散した窒素拡散層３が形成される。窒素拡散層３は、転造成形面５から工具１の内部へ向けて、例えば４０μｍ以上の深さを有する。窒素拡散層３の形成によって、工具１は硬度を更に向上させ、耐疲労性、耐摩耗性を高めることができる。また、工具１は、表層部には窒化物の生成によって圧縮残留応力が高められるので、耐欠損性を向上させることができる。故に工具１は、工具寿命を延ばすことができる。

上記のように転造成形面５における工具１の表層部に硬質層２および窒素拡散層３を形成するために行うショットピーニング処理および窒化処理の有効性について評価を行うため、評価試験を行った。

［実施例１］
まず、工具１の転造成形面５に施すショットピーニング処理の条件と、処理後に得られる転造成形面５の硬さとの関係について評価するための評価試験を行った。この評価試験では、工具１のサンプルを６３個用意した。評価試験に用いたサンプルは、ＪＩＳに規定するＳＫＨ５１高速度工具鋼鋼材を用い、 Ｌ５０ｍｍ×Ｂ５０ｍｍ×Ｈ１０ｍｍの寸法で作製したねじ転造平ダイスである。サンプルは、３個ずつ２１種に分類した。表面を改質する前のサンプルを＃２１とし、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じて＃２１の硬さを測定したところ、８９０ＨＶであった。なお、工具１の表層部の硬さは、１種あたり３個のサンプルに対して夫々ビッカース硬さを測定し、それらの平均値を算出して求めた。

次に、＃１〜＃２０のサンプル夫々の転造成形面５に対し、以下の（１）〜（４）の各条件を組み合わせ、ショットピーニング処理を施した。ショットピーニング装置１０には、新東工業株式会社製のエアノズル式ショットピーニング装置（ノズル等改良品）を用いた。
条件（１） 投射量制御弁２３，２６の制御によって、超硬合金粒子３０に対する硬質粒子４０の含有量を１０〜８０ｗｔ％の範囲で調整し、投射材におけるセラミックス含有量の違いによる評価を行った。
条件（２） 流量制御弁１３の制御によって、ショットピーニング装置１０の噴射圧を０．１〜１．０ＭＰａの範囲で調整し、噴射圧の違いによる評価を行った。
条件（３） タングステンカーバイドにコバルトを１６ｗｔ％含有させて、０．０５〜１．２ｍｍの範囲の粒径に造粒した超硬合金粒子３０を用意し、粒径の違いによる評価を行った。
条件（４） アルミナを用い、０．３〜１．２ｍｍの範囲の粒径に造粒した硬質粒子４０を用意し、粒径の違いによる評価を行った。
＃１〜＃２０の各サンプルには、夫々、ショットピーニング処理を４時間施した後、＃２１と同様に工具１の表層部の硬さの平均値を求めた。この評価試験の結果を表１に示す。

（１）の条件による評価
＃１，＃２，＃１１，＃１８，＃１９のサンプルは、粒径０．４ｍｍの超硬合金粒子３０に粒径０．６ｍｍの硬質粒子４０が１０〜８０ｗｔ％の範囲で含有されるように調整した投射材を、噴射圧０．７ＭＰａで４時間投射したものである。図３に示すように、硬質粒子４０の含有率を２０〜６０ｗｔ％に調整してショットピーニング処理を行ったサンプル＃２，＃１１，＃１８は、処理後の工具１の表層部の硬さが１０００ＨＶ以上であった。これに対し、硬質粒子４０の含有率が１０ｗｔ％のサンプル＃１と、８０ｗｔ％のサンプル＃１９は、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さが、ショットピーニング処理前のサンプル＃２１よりは向上したものの１０００ＨＶには満たなかった。

（１）の条件による評価によれば、硬質粒子４０の含有率が２０ｗｔ％未満の場合、工具１の転造成形面５に食い込む硬質粒子４０の粉砕粒４１の量が少なくなる。このため、工具１の表層部の硬さを１０００ＨＶ以上に高めることは難しいことが分かった。一方、硬質粒子４０の含有率が６０ｗｔ％より多い場合、硬質粒子４０の量が多くなり、超硬合金粒子３０が硬質粒子４０を十分に粉砕することが難しくなる。また、超硬合金粒子３０と硬質粒子４０との衝突が増え、粉砕粒４１を工具１の表層部に叩き込むエネルギーを保持した状態の超硬合金粒子３０が転造成形面５に到達しにくくなる。故に超硬合金粒子３０は硬質粒子４０の粉砕粒４１を十分に工具１の表層部内に埋設しにくく、工具１の表層部の硬さを１０００ＨＶ以上に高めることは難しいことが分かった。従って、超硬合金粒子３０に対する硬質粒子４０の含有量が２０〜６０ｗｔ％であれば、超硬合金粒子３０は硬質粒子４０を効率よく破砕し、且つ粉砕粒４１を工具１の表層部内に分散させて食い込ませることができることが分かった。

（２）の条件による評価
＃３〜＃５，＃１０，＃１７のサンプルは、粒径０．４ｍｍの超硬合金粒子３０に粒径０．６ｍｍの硬質粒子４０が４０ｗｔ％含有されるように調整した投射材を、噴射圧０．１〜１．０ＭＰａの範囲で４時間投射したものである。図４に示すように、噴射圧を０．２ＭＰａ以上でショットピーニング処理を行ったサンプル＃４，＃５，＃１０，＃１７は、処理後の工具１の表層部の硬さが１０００ＨＶ以上であった。また、噴射圧が０．１〜０．３ＭＰａの範囲では、噴射圧が高くなるほど工具１の表層部の硬さを向上できるが、噴射圧０．３ＭＰａ以上になると、処理後の工具１の表層部の硬さは１０５０ＨＶ以上となるものの、ほぼ一定の硬さとなった。これに対し、噴射圧０．１ＭＰａでショットピーニング処理を行ったサンプル＃３は、処理後の工具１の表層部の硬さが１０００ＨＶには満たなかった。

（２）の条件による評価によれば、噴射圧が０．３ＭＰａ以上であれば、超硬合金粒子３０は硬質粒子４０を十分に粉砕し、且つ工具１の表層部に十分な残留応力を付与できることが分かった。そして、噴射圧が０．３ＭＰａ以上あれば、ショットピーニング処理による表面改質の効果を十分に得られることが分かった。噴射圧が０．３ＭＰａ未満の場合、超硬合金粒子３０は十分なエネルギーを得られない。故に超硬合金粒子３０は、硬質粒子４０を十分に粉砕することが難しい。また、超硬合金粒子３０は、母材に十分な残留応力を付与することが難しい。もっとも、工具１の表面改質において、噴射圧は０．９ＭＰａ以下であれば必要十分である。故に、０．９ＭＰａより大きな噴射圧は過剰な噴射圧といえる。

（３）の条件による評価
＃６，＃７，＃１０，＃１４，＃１５のサンプルは、粒径が０．０５〜１．２ｍｍの範囲の超硬合金粒子３０に粒径０．６ｍｍの硬質粒子４０が４０ｗｔ％含有されるように調整した投射材を、噴射圧０．７ＭＰａで４時間投射したものである。図５に示すように、粒径が０．１〜０．４ｍｍの範囲の超硬合金粒子３０を用いてショットピーニング処理を行ったサンプル＃７，＃１０は、処理後の工具１の表層部の硬さが１０００ＨＶ以上であった。これに対し、超硬合金粒子３０の粒径が０．０５ｍｍのサンプル＃６と、０．６ｍｍのサンプル＃１４と、１．２ｍｍのサンプル＃１５は、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さが、ショットピーニング処理前のサンプル＃２１よりは向上したものの１０００ＨＶには満たなかった。

（３）の条件による評価によれば、超硬合金粒子３０の粒径が０．１ｍｍ未満の場合、超硬合金粒子３０の質量が軽く、ショットピーニング装置１０は超硬合金粒子３０に十分なエネルギーを付与できない。なお、＃１６のサンプルは、粒径が０．０５ｍｍの超硬合金粒子３０を用い、噴射圧を１．０ＭＰａに高めてショットピーニング処理を行ったものであるが、処理後の工具１の表層部の硬さを１０００ＨＶ以上にすることはできなかった。故に、粒径が０．１ｍｍ未満の超硬合金粒子３０は、工具１の表層部に十分な残留応力を付与することが難しいことが分かった。一方、超硬合金粒子３０の粒径が０．４ｍｍより大きい場合、超硬合金粒子３０が重くなるので、ショットピーニング装置１０は十分な投射速度を与えられない。このため、硬質粒子４０を適切な大きさに粉砕することが難しい。よって、超硬合金粒子３０の粒径が０．１〜０．４ｍｍであれば、ショットピーニング装置１０は、超硬合金粒子３０に十分なエネルギーと投射速度を与えられることが分かった。なお、図５のグラフによれば、ショットピーニング装置１０は、超硬合金粒子３０の粒径が０．５ｍｍであっても十分に、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さを１０００ＨＶ以上にすることができることが分かる。従って、超硬合金粒子３０は、粒径が０．１〜０．５ｍｍであれば、硬質粒子４０を十分に粉砕し、且つ工具１の表層部に十分な残留応力を付与できることが分かった。

（４）の条件による評価
＃８〜＃１３のサンプルは、粒径０．４ｍｍの超硬合金粒子３０に粒径が０．３〜１．２ｍｍの範囲の硬質粒子４０が４０ｗｔ％含有されるように調整した投射材を、噴射圧０．７ＭＰａで４時間投射したものである。図６に示すように、粒径が０．４〜１．１ｍｍの範囲の硬質粒子４０を用いてショットピーニング処理を行ったサンプル＃９〜＃１２は、処理後の工具１の表層部の硬さが１０００ＨＶ以上であった。これに対し、硬質粒子４０の粒径が０．３ｍｍのサンプル＃８と、１．２ｍｍのサンプル＃１３は、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さが、ショットピーニング処理前のサンプル＃２１よりは向上したものの１０００ＨＶには満たなかった。

（４）の条件による評価によれば、硬質粒子４０の粒径が０．４ｍｍ未満の場合、ショットピーニング装置１０は、この大きさの硬質粒子４０に十分なエネルギーを付与できない。このため、硬質粒子４０が工具１の転造成形面５に衝突しても食い込みにくく、超硬合金粒子３０に押し込まれる前に、転造成形面５から剥がれ落ちてしまう。また、粒径が０．４ｍｍ未満であるので、硬質粒子４０の粉砕粒４１は比較的小さくなる。粉砕粒４１は、工具１の転造成形面５付近に食い込んでも表層部内深くには食い込みにくくなるので、工具１の表層部の硬さを十分に高めることが難しい。なお、図６のグラフによれば、ショットピーニング装置１０は、硬質粒子４０の粒径が０．５ｍｍであっても十分に、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さを１０００ＨＶ以上にすることができることが分かる。＃９のサンプルによれば、粒径０．４ｍｍの硬質粒子４０を用いた場合、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さは１００５ＨＶである。しかし、処理後に超硬合金粒子３０を回収する際の分別の手間を考慮すると、硬質粒子４０の粒径は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

一方、硬質粒子４０の粒径が１．１ｍｍより大きい場合、硬質粒子４０の粉砕粒４１は、比較的大きくなる。この場合、粉砕粒４１は工具１の転造成形面５に食い込みにくくなるため、工具１の表層部の硬さを十分に高めることが難しい。なお、図６のグラフによれば、ショットピーニング装置１０は、硬質粒子４０の粒径が１．０ｍｍであっても十分に、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さを１０００ＨＶ以上にすることができることが分かる。＃１２のサンプルによれば、粒径１．１ｍｍの硬質粒子４０を用いた場合、ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さは１０００ＨＶ丁度である。ショットピーニング処理後の工具１の表層部の硬さをより確実に１０００ＨＶ以上とするには、硬質粒子４０の粒径は１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

［実施例２］
次に、超硬合金粒子３０に含有するコバルトの含有量で、ショットピーニング処理に適した含有量について評価するため、評価試験を行った。この評価試験では、コバルトの含有量を１０〜１８ｗｔ％の範囲で調整した粒径０．７ｍｍ未満の超硬合金粒子３０を造粒した。ショットピーニング処理前に、コバルトの含有量ごとに、超硬合金粒子３０の粒径を測定し、粒径分布を調べた。そして超硬合金粒子３０のみを投射材とし、コバルトの含有量ごとに噴射圧０．６ＭＰａで４時間投射を行った後、超硬合金粒子３０を回収し、ショットピーニング処理後の粒径を測定して粒径分布を調べた。この評価試験の結果を図７のグラフに示す。

コバルトを１８ｗｔ％含有する超硬合金粒子３０のうち、粒径が０．５ｍｍ以上の粒子は、ショットピーニング処理前には存在したが、処理後にはなくなった。粒径が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満の粒子は、全体に占める割合がショットピーニング処理後に減少した。粒径が０．３ｍｍ未満の粒子は、全体に占める割合がショットピーニング処理後に増加した。同様に、コバルトを１０ｗｔ％含有する超硬合金粒子３０のうち、粒径が０．６ｍｍ以上の粒子は、ショットピーニング処理前には存在したが、処理後にはなくなった。粒径が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ未満の粒子は、全体に占める割合がショットピーニング処理後に減少した。粒径が０．３ｍｍ未満の粒子は、全体に占める割合がショットピーニング処理後に増加した。一方、コバルトを１２〜１６ｗｔ％含有する超硬合金粒子３０は、ショットピーニング処理後に、粒径が０．５ｍｍ以上の粒子がわずかに減少し、粒径が０．２ｍｍ未満の粒子がわずかに増加する傾向にはあるものの、粒径分布に大きな変化はみられなかった。

図８に示すように、コバルト含有量が１０ｗｔ％の超硬合金粒子３０の硬さは、１３５０ＨＶである。また、コバルト含有量が１８ｗｔ％の超硬合金粒子３０の硬さは、１１５０ＨＶである。コバルト含有量が１２，１４，１６ｗｔ％の超硬合金粒子３０の硬さは、夫々、１３００，１２３０，１２００ＨＶである。超硬合金粒子３０の硬さは、コバルトの含有量に対し、ほぼ反比例する。

実施例２の評価試験の結果によれば、コバルト含有量が１０ｗｔ％の超硬合金粒子３０は、コバルト含有量が１２〜１６ｗｔ％の超硬合金粒子３０と比べて硬いが靱性が低く、工具１との衝突によって粉砕されやすいことが分かった。また、コバルト含有量が１８ｗｔ％の超硬合金粒子３０は、コバルト含有量が１２〜１６ｗｔ％の超硬合金粒子３０と比べて柔らかく、摩耗しやすいため、粒径を長期間維持しにくいことが分かった。コバルトを１２〜１６ｗｔ％含有する超硬合金粒子３０は、工具１との衝突によって割れたり欠けたりしにくいので、球形を保ち、硬質粒子４０とは違って工具１の表層部に食い込みにくい。従って、超硬合金粒子３０は、粒径を維持することで、工具１の表面改質に十分なエネルギーを保持したまま転造成形面５に衝突し、硬質粒子４０を効率よく表層部内に分散させて叩き込むことができる。

［実施例３］
次に、本実施形態に係る工具１の表面を改質する処理を行ったことの効果を確認するため、評価試験を行った。この評価試験では、実施例１と同様に、工具１のサンプルを９個用意した。サンプルは３個ずつ３種類に分類した。＃３１のサンプルは、表面を改質する前のサンプルである。＃３２と＃３３のサンプルには、夫々、実施例１と同様に、ショットピーニング処理を施した。ショットピーニング処理では、＃３２と＃３３のサンプルに対し、コバルトを１６ｗｔ％含有する粒径０．４ｍｍの超硬合金粒子３０に、粒径０．６ｍｍのアルミナからなる硬質粒子４０が４０ｗｔ％含有されるように調整した投射材を、噴射圧０．７ＭＰａで４時間投射した。更に、＃３３のサンプルには、窒化処理を施した。窒化処理では、＃３３のサンプルに対するイオン窒化処理を施し、転造成形面５から５０μｍの深さに達する窒素拡散層３を形成した。なお、ＪＩＳ Ｇ ０５６２に準じて窒素拡散層３の深さを測定し、窒素拡散層３の形成を確認した。

＃３１〜＃３３のサンプルを用い、夫々、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）からなるＭ８×１．２５のねじの転造加工を行い、各サンプルの寿命を調べた。転造後のねじの寸法を測定し、公差を含めて所定の寸法精度が得られなくなったときの加工数を、各サンプルの寿命とした。なお、加工数における１００未満の数は、切り捨てるものとする。この評価試験の結果を図９のグラフに示す。

表面改質を行わなかった＃３１のサンプルは、寿命と判断されたときの加工数が、平均値で４５０００個であった。また、寿命に至るまでの加工数のばらつき（最大加工数と最小加工数との差分）が６４００個もあった。これに対し、ショットピーニング処理のみを施した＃３２のサンプルでは、寿命と判断されたときの加工数が平均値で４７５００個となり、２５００個分増加した。また、寿命に至るまでの加工数のばらつきは４５００個となり、１９００個分減少した。更に、窒化処理を施した＃３３のサンプルでは、寿命と判断されたときの加工数が平均値で６００００個に増え、＃３１に対して１５０００個分増加した。そして、寿命に至るまでの加工数のばらつきは２７００個となり、＃３１に対して３７００個分減少した。

超硬合金粒子３０と硬質粒子４０が適切に配合されたショットピーニング処理を施し、硬質層２を形成することによって、工具１は、表面改質がなされない場合と比べて表層部の硬さが一様に向上し、且つ残留応力が一様に付与される。加えて、表層部に窒素を一様に拡散させる窒化処理を施し、窒素拡散層３を形成することによって、工具１は、硬さと残留応力を更に向上させることができる。故に工具１は、表面改質がなされない場合と比べ、耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を安定して高めることができ、寿命を大きく延ばし、且つ加工数のばらつきを抑制することができることが分かった。

［実施例４］
硬質粒子４０の粉砕粒４１が、工具１の硬質層２に埋設されたことを確認するため、ＥＰＭＡ（Electron probe microanalysis）による分析を行った。工具１の断面の電子顕微鏡写真と、ＥＰＭＡによる分析結果を図１０に示す。なお、図１０において、工具１の転造成形面５は紙面左側に位置し、紙面右方向が、表層部の内部方向である。従って、ショットピーニング処理において投射材を投射した方向は、紙面左側から右側へ向かう方向である。ＥＰＭＡによる分析は、工具１の転造成形面５付近を切断し、断面を鏡面研磨した後、走査ラインＳに沿って側定点を０．１μｍずつ移動させながら測定した。測定点に対応する位置におけるアルミニウムの検出結果は、Ａｌとして電子顕微鏡写真に重ねて示す。

ＥＰＭＡの分析結果によれば、工具１の硬質層２内に、アルミニウムが検出されている。電子顕微鏡写真では、アルミニウムが検出された位置に、粉砕粒４１が埋設されている状態を観察することができる。転造成形面５付近にはアルミニウムが検出されておらず、粉砕粒４１は、明らかに転造成形面５よりも工具１の内部側に埋設されている。工具１の断面の電子顕微鏡写真と、ＥＰＭＡによる分析結果に基づけば、ショットピーニング処理によって工具１の表層部内に硬質粒子４０の粉砕粒４１が叩き込まれることによって、硬質層２が形成されることを確認できた。

なお、工具１の転造成形面５には、ショットピーニング処理によって、梨地状の複数の微細な凹みが形成されている。金属表面において、このような複数の微細な凹みは、例えば、ショットピーニング処理の痕跡として見受けられることが多い。金属表面にショットピーニング処理を施した場合、表層部に残留応力が付与されるので、金属は、耐欠損性を向上することができる。

以上、説明したように、超硬合金粒子３０は、ショットピーニング装置１０によって硬質粒子４０と混合して工具１の転造成形面５に投射されることで、硬質粒子４０を破砕する。硬質粒子４０の粉砕粒４１は、外形形状において縁部に鋭角な部分を有し、工具１に食い込む。更に超硬合金粒子３０は、工具１に食い込んだ粉砕粒４１を、工具１の表層部内に叩き込む。これにより、粉砕粒４１は工具１の転造成形面５から表層部内へ向けて深くに食い込み、表層部内に埋設される。硬質粒子４０の埋設によって工具１は硬さを高め、耐疲労性と耐摩耗性を向上することができる。また、超硬合金粒子３０が工具１の表層部に残留応力を付与するので、工具は、耐欠損性を向上することができる。

また、ショットピーニング装置１０は、予め硬質粒子４０と超硬合金粒子３０を混合した投射材を投射するのではなく、ノズル１４内で硬質粒子４０と超硬合金粒子３０を混合して投射する。このため、投射前の硬質粒子４０の破砕が抑えられるので、ショットピーニング装置１０は、硬質粒子４０に十分なエネルギーを付与して投射することができる。

更に、ショットピーニング装置１０は、超硬合金粒子３０と硬質粒子４０を投射口１７から投射する直前に混合することで、硬質粒子４０のノズル１４内での破砕を防ぐことができる。故に、ショットピーニング装置１０は、より確実に、硬質粒子４０に十分なエネルギーを付与して投射することができる。

ショットピーニング処理によって形成される硬質層２は、硬質粒子４０を分散して埋設することで硬さを高めることができ、耐疲労性、耐摩耗性を向上できる。また、硬質層２は１０００ＨＶ以上の硬さを有するので、ねじを転造加工するための工具１の表層部を構成する層として十分な耐疲労性と耐摩耗性を確保することができる。硬質層２は最大で１０μｍの深さに達する。故に硬質層２は十分な硬さを得ることができ、耐疲労性、耐摩耗性を十分に確保できる。

また、工具１は、硬質層２に加えて窒素拡散層３を形成することで表層部の硬さをより高め、耐疲労性と耐摩耗性を向上することができる。また、窒素拡散層３には窒化物が形成されるので、工具１は、窒化物の形成によって残留応力が高まる。故に工具１は、耐欠損性も高めることができる。

窒化処理によって形成される窒素拡散層３は、４０μｍ以上の深さを有する。即ち、窒素拡散層３は、工具１の転造成形面５から表層部内へ向けて硬質層２よりも深くに達して形成される。従って工具１は、硬質層２に加えて窒素拡散層３が形成されることによって、耐疲労性、耐摩耗性、耐欠損性を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内での変更が可能である。上記実施形態では、本発明に係る表面改質方法が適用される工具の一例としてねじ転造平ダイスを説明したが、これに限らない。本発明は、ねじ転造平ダイスの代わりに転造丸ダイス、プラネタリ式ダイス等、種々の転造ダイスに適用されてもよい。また、本発明は歯車やスプライン等、ねじ以外の種々の部品を転造加工する転造ダイスにも適用されてもよい。

本実施形態では、硬質粒子４０としてアルミナ粒子を用いたが、これに限らず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）など、その他のセラミックス粒子を用いてもよい。また、硬質粒子４０は、セラミックスからなる粒子に限らず、セラミックスを主成分として含有する粒子であってもよい。

ショットピーニング装置１０は圧縮空気１９に硬質粒子４０と超硬合金粒子３０を乗せてノズル１４から投射したが、圧縮空気１９に限らず、不活性ガス等の気体や水等の液体をノズル１４から噴射する媒体として用い、投射材を投射してもよい。

工具１は、高速度工具鋼から形成したが、これに限らず、ダイス鋼から形成してもよいし、炭素工具鋼、低合金工具鋼など、他の鋼材から形成してもよい。

本実施形態では、ショットピーニング処理を施した工具１の表層部に更に窒化処理を施したが、窒化処理は行わなくてもよい。

なお、本発明においては、転造成形面５が工具の「表面」に相当する。ノズル１４が「投射ノズル」に相当する。圧縮空気１９が「媒体」に相当する。導入口１５，１６が、夫々、「第一導入口」，「第二導入口」に相当する。

１ 工具
２ 硬質層
３ 窒素拡散層
５ 転造成形面
１０ ショットピーニング装置
１４ ノズル
１５，１６ 導入口
１７ 投射口
１９ 圧縮空気
３０ 超硬合金粒子
４０ 硬質粒子
４１ 粉砕粒

Claims (12)

1. ワークを加工するための金属製の工具の表面を改質する工具の表面改質方法であって、
   投射ノズルから噴射する媒体に投射材を乗せて前記工具の母材の表面に投射するショットピーニング装置の前記投射ノズルに前記投射材の第一導入口と第二導入口を設け、
   前記第一導入口から投入する前記投射材として超硬合金粒子を投入し、
   前記第二導入口から投入する前記投射材としてセラミックスを主成分に含む硬質粒子を投入し、
   前記投射ノズル内で前記超硬合金粒子と前記硬質粒子を混合し、前記媒体に乗せて、前記母材の表面に投射することを特徴とする工具の表面改質方法。
2. 前記第一導入口と前記第二導入口は、前記投射ノズルから前記媒体を噴射する投射口の近傍に設けたことを特徴とする請求項１に記載の工具の表面改質方法。
3. 前記超硬合金粒子は、粒径が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下でコバルトを１２〜１６ｗｔ％含有し、
   前記硬質粒子は、粒径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であること
   を特徴とする請求項１または２に記載の工具の表面改質方法。
4. 前記投射材は、前記超硬合金粒子に対する前記硬質粒子の含有率が、２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であ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。
5. 前記ショットピーニング装置は、０．３ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下の噴射圧で前記媒体を噴射す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。
6. 前記ショットピーニング装置で前記母材の表面を改質した後、更に、前記母材の表面に対し、前記母材の表面から内部へ向けて窒素を浸透させる窒化処理を施す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。
7. 前記窒化処理では、前記母材の表面から内部へ向けて少なくとも４０μｍ以上の深さに窒素を浸透させることを特徴とする請求項６に記載の工具の表面改質方法。
8. ワークを加工するための金属製の工具であって、
   前記工具の母材の表層部に、セラミックスを主成分とし、外形形状において縁部に鋭角な部分を有する複数の硬質粒子が前記母材内に分散して埋設された硬質層を備え、
   前記母材は表面に複数の微細な凹みを有することを特徴とする工具。
9. 前記硬質層の硬さは１０００ＨＶ以上であることを特徴とする請求項８に記載の工具。
10. 前記硬質層は、１０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項８または９に記載の工具。
11. 前記表層部は、前記母材内に窒化物を含む窒素拡散層を備えたことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の工具。
12. 前記窒素拡散層は、前記母材の表面から内部へ向けて少なくとも４０μｍ以上の深さを有することを特徴とする請求項１１に記載の工具。