JP6823303B2 - 処理対象物の表面改質方法及び処理品の生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子ピーニング処理による表面改質技術に関する。

硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料（以下、単に焼結複合材料とも称する）の一つである超硬合金は、ダイヤモンドやセラミックスに次ぐ高い硬度を有しており、工具鋼などに比べて優れた耐摩耗性が期待できるため、金型・機械部品や切削工具などに幅広く用いられている。なお、図６に示すように、超硬合金の硬さや靭性といった基本的な特性は、セラミックスやサーメットなどの脆性材料と、工具鋼などの延性を示す延性材料との中間的な位置づけとなっている。

超硬合金の特性は、ＷＣ（炭化タングステン、タングステンカーバイド）粒子の粒径（ＷＣ粒径）やＣｏ含有量によって異なり、図７に示すように、一般的にはＷＣ粒径が小さいほど、Ｃｏ含有量が少ないほど高硬度で低靭性となる。市販の超硬合金はＷＣ粒径が０．２〜１０μｍ、Ｃｏ含有量が０〜３０ｗｔ％の範囲となっており、これらを制御することで、幅広い特性の材種を得ることができる。

超硬合金は、上述のように、工具鋼などに比べて優れた耐摩耗性を有するため、切削工具、摺動部品をはじめとする機械部品、金型や圧延ロールなど多くの用途があり、ＷＣ粒径やＣｏ含有量を制御（調整）することで、用途に適した材種が使い分けられている。

ここで、超硬合金の高い硬度、強度や耐摩耗性を期待して、超硬合金を金型の材質として用いることが、特許文献１や特許文献２等において提案されている。

特開平１１−１２４６４９号公報 特開２００５−１５２９６１号公報

これまで、金型の材料としては、例えば、ダイス鋼（高合金工具鋼、ＳＫＤ）、高速度工具鋼（ＳＫＨ）などが主として用いられていた。

金型を用いるプレス加工等で容易に理解されるように、製造される部品は金型の転写のため、金型の特性として、変形し難い（ヤング率：縦弾性係数が大きい）、耐摩耗性が高いことなどが要求される。

かかる観点からすると、超硬合金は、ヤング率（縦弾性係数）も高く、耐摩耗性も優れており、上述した金型に対する要求に適合している材料であると言える。

しかし、超硬合金を金型や機械部品として用いる場合には、使用時に繰り返し荷重を受ける。とりわけ、超硬合金は優れた耐摩耗性を期待して採用されることから、付与される負荷は大きく、金型・機械部品が破損してしまうことがしばしば問題となる。

金型・機械部品が本来の期待通りに摩耗が進行して使用限界（寿命）に到る場合、その損傷は漸近的かつ連続的に増加するため、ある程度の摩耗を許容したり、寿命を予測したりすることが比較的容易である。

この一方で、チッピング（欠け）や割れ、破壊といった現象が生じた場合、生じた途端に金型・機械部品が使用できなくなることに加え、チッピング（欠け）や割れ、破壊といった現象はマクロ的或いは外観的には突発的に生じたように見えるため、寿命予測が困難な場合が多い。

チッピング（欠け）や割れ、破壊といった現象には抗折力、疲労特性（亀裂の発生や進展）が関与していると考えられ、抗折力や疲労特性を把握することは、金型・機械部品を破壊させずに効果的に超硬合金を活用することや、超硬合金を使用した金型・機械部品の性能安定化・性能向上を目指す場合において極めて重要である。

ところで、金型は、工業製品を成形するのに用いられる部材であるが、例えば、製造工程の最終段階で使用されるものは、製品形状を転写した複雑な形状を模している（有している）。

例えば、噛合い部分が銅合金などの金属でできた金属ファスナーの製造工程では、噛合い部分となる銅合金に凸と凹の形状を付与するために、フォーミングパンチやフォーミングダイなどの金型が使用されている。これらの部品は、銅合金を冷間で加工するという過酷な条件下で使用されるため、金型の材質として、耐摩耗性の向上を目的として超硬合金が用いられている。

しかし、製品形状を転写した複雑な形状を有する金型においては、局所的な応力集中が起こり易く、亀裂が発生し易い状態となっていると共に、その状態で長期に亘って連続的に繰り返し荷重を受けながら使用されるといった使用態様である。

また、超硬合金のような高強度材料に対しては、研削や切削などの機械加工による形状付与が困難なために、放電加工により形状が付与されることも多い。この場合には、放電加工時の熱履歴によって発生したマイクロクラックが初期欠陥となる。

いずれにしても、金型や機械部品の破損は、表面を起点として生じ、破損に到る場合がある。このような事象に対しては、疲労特性の中でも、特に、表面亀裂に対する疲労亀裂進展特性を改善することが重要となる。

すなわち、超硬合金やサーメット等の硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料は、割れや欠けなどが生じ易く靭性が低いといった問題があるため、実際のところ金型等への適用は難しいといった実情があるが、その一方で、負荷（例えば、プレス荷重など）の大きい加工や高精度の製品など、超硬合金金型の需要の増大が期待される場面も今後増えるものと考えられ、超硬合金の特性改善の取り組みは重要である。

また、上述したような焼結複合材料に高い靭性や高い抗折力を付与することができれば、金型や機械部品以外の切削工具等に利用される場合にも折損等を抑制することができるため、加工費削減、チップ交換のためのライン停止時間の削減など、製造コストの低減や生産効率の向上に貢献することができる。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、比較的簡単かつ低コストでありながら、処理対象物の破壊靭性や抗折力などの特性を改善することができる処理対象物の表面改質方法、及び当該表面改質方法により破壊靭性や抗折力などの特性が改善された焼結複合材料（処理品）の生産方法を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る処理対象物の表面改質方法は、
ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットを処理対象物として、
当該処理対象物に対して、当該処理対象物より硬度の低いＨｖ５００以下であって、ステンレス鋼、銅、二硫化モリブデン、鉄、ニッケル、クロムの何れか、或いはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことを特徴とする。

また、本発明に係る処理対象物の表面改質方法は、
ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットを処理対象物として、
当該処理対象物に対して、当該処理対象物より硬度の低い、タングステン、モリブデン、或いは比重９ｇ／ｃｍ ^３ 以上の金属材料の何れか、またはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことを特徴とする。

当該本発明において、前記微粒子メディアは、ＪＩＳ Ｒ６００１（２０１７年）規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に従った♯８０００〜♯１２００に基づく平均粒径（φ１．２μｍ程度〜φ９．５μｍ程度）を有することを特徴とすることができる。

また、本発明に係る処理品の生産方法は、
硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料からなる処理品の生産方法であって、
前記焼結複合材料が、ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットであり、
これらより硬度の低いＨｖ５００以下であって、ステンレス鋼、銅、二硫化モリブデン、鉄、ニッケル、クロムの何れか、或いはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことで処理品を生産することを特徴とする。

また、本発明に係る処理品の生産方法は、
硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料からなる処理品の生産方法であって、
前記焼結複合材料が、ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットであり、
これらより硬度の低い、タングステン、モリブデン、或いは比重９ｇ／ｃｍ３以上の金属材料の何れか、またはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことで処理品を生産することを特徴とする。

本発明に係る処理品の生産方法において、前記微粒子メディアは、ＪＩＳ Ｒ６００１規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に従った♯８０００〜♯１２００に基づく平均粒径を有することを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストでありながら、処理対象物の破壊靭性や抗折力などの特性を改善することができる処理対象物の表面改質方法、及び当該表面改質方法により破壊靭性や抗折力などの特性が改善された焼結複合材料（処理品）の生産方法を提供することができる。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る実験結果（超硬合金に微粒子ピーニングを行った場合の抗折力と破壊靱性値ＫＩＣ）を示す図であり、（Ｂ）は同上実施の形態に係る実験結果（超硬合金に微粒子ピーニングを行った場合の圧縮残留応力と破壊靱性値ＫＩＣの関係）を示す図である。 高硬度のセラミックスメディアを用いた微粒子ピーニング処理後において超硬合金の表面に表面欠陥となる比較的大きな傷が複数点在している様子を示す表面観察結果を示す図（レーザ顕微鏡写真）である。 同上実施の形態に係る実験結果（メディアを変更して微粒子ピーニング処理をした後のそれぞれの圧縮残留応力の測定結果）を示す図である。 硬度の低い延性金属製のメディアを用いた微粒子ピーニング処理後において超硬合金の表面に表面欠陥となる傷がほとんど存在しない様子を示す表面観察結果を示す図（レーザ顕微鏡写真）である。 微粒子ピーニング処理においてメディアの粒子径（サイズ）が処理対象物（被処理物）に付与される応力分布へ与える影響を説明する図である。 一般的な超硬合金の硬さと靭性の特性の一例を示す図である。 一般的な超硬合金のＷＣ粒径とＣｏ含有量に応じた特性の違いを説明するための図である。 微粉研磨材の粒度分布を示す図（ＪＩＳ Ｒ６００１−２微粉：２０１７年 電気抵抗試験方法）。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

上述したように、超硬合金やサーメット等の硬質化合物（金属の炭化物や窒化物など）の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料の一つである超硬合金は、ヤング率（縦弾性係数）も高く、耐摩耗性も優れており、金型に対する要求に適合している材料であると言えるが、割れや欠けなどが生じ易く靭性が低いといった問題があるため、実際のところ金型等への適用は難しいといった実情がある。
その一方で、負荷（例えば、プレス荷重など）の大きい加工や高精度の製品など、超硬合金金型の需要の増大が期待される場面も今後増えるものと考えられ、超硬合金の特性改善の取り組みは重要である。

また、上述したような焼結複合材料に高い靭性や高い抗折力を付与することができれば、金型や機械部品以外の切削工具等に利用される場合にも折損等を抑制することができるため、加工費削減、チップ交換のためのライン停止時間の削減など、製造コストの低減や生産効率の向上に貢献することができる。

このような観点より、超硬合金等の高硬度の焼結複合材料の特性として、破壊靭性と抗折力の改善が重要であると考える。

ここで、破壊靭性は、亀裂の進展に関する物性で、疲労破壊など繰り返し応力が作用する部材の長寿命化に関与しており、金属材料と同様に圧縮残留応力の付与が有効と考えられる。
一方、抗折力は曲げ応力など最大荷重に対する壊れ難さである。

一般に、超硬合金やサーメットをはじめとする高硬度を有する焼結複合材料は塑性変形が起き難いため、従来型のショット・ピーニング（衝突させる粒子のサイズが例えばφ０．８ｍｍ程度の比較的大きなサイズのメディアを用いたショット・ピーニング技術）による処理では残留応力の付与は困難であることは確認されている（図１（Ａ）の符号ｂ、図３の材料番号９（ＳＰ）の欄を参照）。

ここで、超硬合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅｓ）とは、周期表 第４，５，６族に属する９種類の金属（チタン＜Ｔｉ＞，バナジウム＜Ｖ＞，クロム＜Ｃｒ＞，ジルコニウム＜Ｚｒ＞，ニオブ＜Ｎｂ＞，モリブデン＜Ｍｏ＞，ハフニウム＜Ｈｆ＞，タンタル＜Ｔａ＞，タングステン＜Ｗ＞）の炭化物粉末を鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）などの鉄族金属を用いて焼結結合した合金の総称であるが，タングステンカーバイド（ＷＣ）とＣｏを組合せたＷＣ−Ｃｏ系合金の特性は非常に優れており，一般的にはＷＣ−Ｃｏ系合金のことを指す。広義の意味ではサーメットやセラミックス，焼結ダイヤモンドなどの超硬質工具材料を包括する場合もあるが，ここではＷＣ−Ｃｏ系合金のことを超硬合金とする。超硬合金は開発されてから１００年余りと、比較的新しい材料であるが，これまでにＷＣとＣｏの組合せに勝る合金は誕生していないとも言われている。超硬合金の主成分は硬質粒子であるＷＣ粒子であり、粒子の間を占めるＣｏはＷＣ粒子の結合材として使用されている。

また、サーメットとは、金属の炭化物や窒化物など硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した複合材料。定義上は超硬合金と呼ばれる炭化タングステン (ＷＣ) を主成分としたものも含まれるが、これを別のものとして扱うことが多い。名称はｃｅｒａｍｉｃｓ（セラミックス）とｍｅｔａｌ（金属）からの造語である。これは、１９５９年にセラミックスよりは靭性の点が少し大きい工具材料として開発された。
サーメットの特性としては、全般的に耐熱性や耐摩耗性が高い反面、脆く欠けやすい。主に切削工具の材料として使われるほか、化学プラントの機械の部品や、高温用のノズルなどにも用いられている。
組成 （ｗｔ％）の一例としては、ＴｉＣ_−２０ＴｉＮ_−１５ＷＣ_−１０Ｍｏ２Ｃ_−５Ｎｉが挙げられる。

なお、切削工具材質としてのサーメットとしては、主に炭化チタン（ＴｉＣ）や炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）などのチタン化合物をニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ）で結合したものが多く用いられる。こうしたチタン系のサーメットは、超硬合金と比べて鉄との親和性が低く、鋼の仕上げ切削においてとくに有効とされる。そのほか、硬質化合物としては炭化ニオブ（ＮｂＣ）なども用いられる。

しかし、本発明者等は、微粒子ピーニング（ＷＰＣ処理）により、平均粒径：数十μｍ程度（φ１４μｍ（♯８００）〜５７μｍ（♯２４０）（或いは７０μｍ）程度）の微粒子メディアを処理対象物（被処理物）に衝突させることにより、超硬合金であっても、表面層に変形をもたらすことが可能となり、超硬合金への圧縮残留応力の付与が可能であることを確認した。

超硬合金（一般的な超硬合金ＴＨ１０、例えば、硬度：８００−１８００Ｈｖ程度、９２−９３ＨＲＡ程度））に微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）を行った場合の実験結果（効果）を、図１に示す。
図１中の符号の説明は以下の通りである。なお、硬度は測定が困難な場合も多く、公称値として記載してある。また、♯３００などにおける“♯“は、ＪＩＳ Ｒ６００１（２０１７年）規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に従った篩い目のサイズ（番手或いは番）であり、本明細書において、単に♯〜と称するときは、これと同じ意味とする。
また、本明細書において平均粒径は、ＪＩＳ Ｒ６００１ 微粉（２０１７年）規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に基づいた平均粒径（累積高さ５０％点の粒子径）を意味する（図８参照）。言い換えると、ＪＩＳ Ｒ６００１ 微粉（２０１７年）規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に従ったメッシュにより分級された場合の平均粒径を意味する。

符号ａ：未処理（微粒子ピーニングなどの処理を行っていない母材（超硬合金）そのもの）
符号ｂ：従来型ショット・ピーニング処理（メディアの材質：Ｓｔｅｅｌ（鋳鋼）、粒径：φ０．８ｍｍ（＝８００μｍ）程度、硬度：８００Ｈｖより低い）
符号ｃ：Ｓｔｅｅｌ直圧式（メディアの材質：鋳鋼、平均粒径：♯２８０により分級（φ４８μｍ程度）、硬度：８００Ｈｖより低い、直圧式については下記参照）による微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）
符号ｄ：Ｓｔｅｅｌ重力式（メディアの材質：鋳鋼、平均粒径：♯２８０により分級（φ４８μｍ程度）、硬度：８００Ｈｖより低い、重力式については下記参照）による微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）
符号ｅ：Ｃｅｒａｍｉｃｓ（メディアの材質：ＳｉＯ_２、平均粒径：♯２８０により分級（φ４８μｍ程度）、硬度：９００Ｈｖ程度）による微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）

なお、図１において、直圧式とは、メディアのショット形式の一つであり、加圧タンク内のメディアは圧縮エアーにより直接的に加圧されて噴射ノズルに送られ、その先端から、例えば２００ｍ/ｓｅｃ以上の高速で比較的強力に噴射され、処理対象物の表層面へ高い効果が得られる方式である。

図１における重力式もメディアのショット形式の一つであるが、噴射ノズル内に流れる圧縮エアーが流れる際に略直交方向にて発生する負圧により、上部にあるメディア貯留タンクから噴射ノズルへメディアを引き込み、その圧縮エアーと共に噴射ノズル先端から噴射する方式である。直圧式に比べエネルギは小さいが、最表面の改質に優れるといった特徴がある。

図１に示された結果から、超硬合金に対してＷＰＣ処理を施すことにより得られる効果として、
（１）図１（Ａ）より、従来型のショット・ピーニングによる処理では、圧縮残留応力の増加は認められないが、ＷＰＣ処理では、圧縮残留応力の増加、それに伴う破壊靭性（図１のＫＩＣ）の向上を確認することができた。
（２）図１（Ａ）より、ＷＰＣ処理では、抗折力（図１のσ）の向上を確認することができた。
（３）図１（Ｂ）より、破壊靭性の向上は、圧縮残留応力の増加と比例関係にある。

以上のように、微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）による表面改質処理を施すことで、超硬合金に対しても破壊靭性及び抗折力を向上させることができることを確認することができた。なお、メディアの噴出エネルギが比較的大きい直圧式の微粒子ピーニング処理の方が、メディアの噴出エネルギが比較的小さい重力式に較べて、破壊靭性がより改善されていることも確認できた。

このような実験を通じて、本発明者等は、以下のような従来知られていない新たな知見を得るに至った。
すなわち、これまで、疲労強度向上を目的とした微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）を施す場合には、処理対象物より高硬度のメディアを用い、処理対象物の表面に歪を与えて圧縮残留応力を高めることが従来の考え方或いはアプローチ手法であった。

このため、ＷＰＣ処理による超硬合金への表面処理でも、より高硬度なメディア（ガラスビーズ、ＳｉＯ_２などのセラミックス）が使用されてきた。

しかしながら、セラミックスのような高硬度メディアを使用した場合、図１の符号ｅ（：Ｃｅｒｍｉｃｓ）から解るように、抗折力の低下が観察されることを発明者等は確認した。

また、表面観察を行なったところ、図２から解るように、処理対象物（被処理物）の表面１に比較的大きな欠陥（傷）２が複数点在していることが観察され、上述した抗折力の低下の要因として、高硬度メディアが衝突することによる表面欠陥の存在が関与しているとの知見を得るに至った。

また、ｂ：従来型ショット・ピーニング、その他の材料ｃ、ｄ（スチール（鋳鋼））をメディアとして微粒子ピーニング処理をした場合についても表面観察をした結果、これらのｂ、ｃ、ｄにおいても、表面に欠陥があることが確認された。

このため、図１において、ｃ、ｄ（スチール（鋳鋼）メディア）において抗折力が向上したのは、残留応力が増加した分の向上分と、表面損傷による低下分と、が拮抗している或いは相殺（相反するものが互いに影響し合って、その効果などが差し引きされること）しているものと考えられる。

すなわち、図１（Ａ）において、ｃ、ｄのメディア（Ｓｔｅｅｌ（鋳鋼））（直圧式、重力式）が抗折力のレベルが高いのは、微粒子ピーニング処理により残留圧縮応力が大きく増加されていると共に、符号ｅ（Ｃｅｒｍｉｃｓ：材質ＳｉＯ_２）の場合ほど表面欠陥が少ないために、表面損傷による低下分が少なく、符号ｅ（Ｃｅｒｍｉｃｓ：ＳｉＯ_２）に比べて、抗折力が高いレベルに維持されているものと考えられる。

以上のことから、従来の考え方或いはアプローチ手法とは全く異なる或いは逆行するような考え方の下、超硬合金やサーメット等の焼結複合材料である処理対象物に対して、当該処理対象物より硬度が低い延性金属材料（延性を有する金属材料）をメディアとして用いて微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）を行なうと、超硬合金やサーメット等の焼結複合材料であっても、圧縮残留応力を大幅に増加させることができるため、破壊靭性や抗折力を改善することができるという知見を得た。

しかしながら、表面欠陥の発生を効果的に抑制しながら、同時に残留圧縮応力を高めることができればより優れたものとなり得る。

このため、本発明者等は、種々の検討・実験等を行ない、それにより、処理対象物（被処理物）である超硬合金（例えば、硬度：８００−１８００Ｈｖ程度、９２−９３ＨＲＡ程度）より硬度が低く、かつ、高密度の（比重の大きな）金属材料の一つであるＷ（タングステン：平均粒径φ４μｍ：硬度：１００〜３５０Ｈｖ程度、比重１９．３ｇ／ｃｍ^３）（以下、比重については単位を省略）をメディアとして投射（ショット）することが、極めて有益であるという知見を得るに至った。

処理対象物（被処理物）である超硬合金より硬度の低い延性金属材料である各種のメディアを用いて微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）を行なった場合の残留応力の測定結果を図３に示す。

なお、図３で例示し、実験で用いたメディアの材質、平均粒径、硬度などは、以下の通りである。硬度については、測定が困難な場合も多く、公称値として記載してある。
符号１：Ｓｎ（材質：すず）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：Ｈｖ５０程度

符号２：Ｍｏ（二硫化モリブデン：ＭｏＳ_２）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：不明
符号３：ＳＵＳ（ステンレス鋼）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：５００Ｈｖ程度
符号４：ＳＰ（大きなサイズのスチール（鋳鋼）をメディアとして用いた従来型ショット・ピーニング）、（平均粒径）φ０．８ｍｍ程度、硬度：３００Ｈｖ程度

符号５：ＳＳ（鋳鋼）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：３００Ｈｖ程度
符号６：Ｈ（ハイス鋼、ハイスピード鋼、高速度工具鋼）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：１０００Ｈｖ程度
符号７：Ｂ（ＳｉＯ_２：比較データ）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：９００Ｈｖ程度
符号８：Ｎｉ（ニッケル）、（平均粒径）♯２８０により分級されたサイズ＝φ４８μｍ程度、硬度：２００Ｈｖ程度
符号９：Ｗ（タングステン）、（平均粒径）♯３０００により分級されたサイズ＝φ４μｍ程度、硬度：２５０Ｈｖ程度

図３によれば、処理対象物（被処理物）である超硬合金より硬度の低い、延性金属材料（例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、鋳鋼、Ｈ（ハイス鋼）、Ｎｉ（ニッケル）など）のメディア（平均粒径φ４８μｍ程度）を用いた微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）であれば、超硬合金表面に対して圧縮残留応力を付与することできることを確認できた。ただし、これらのメディア（平均粒径φ４８μｍ程度）による微粒子ピーニング処理後の表面には、前述同様の欠陥（傷）がある程度存在した（図２参照）。

この一方で、高比重（高密度）のＷ（タングステン：平均粒径φ４μｍ程度：硬度：２５０Ｈｖ程度）をメディアとした場合には、一般的な超硬合金（ＴＨ１０、硬度：８００−１８００Ｈｖ程度）に対して行った場合の圧縮残留応力は、−１６００ＧＰａと従来手法と比較して非常に大きなものとなることを確認した。

ただし、硬度は熱処理条件や組織によって幅が大きいため、上記以外の硬度であっても、同様の作用効果を奏することができる場合もあるものと考えられる。

更に、Ｗ（タングステン：平均粒径φ４μｍ程度：硬度：２５０Ｈｖ程度）をメディアとした場合の処理対象物の表面観察の結果を図４に示す。
図４の表面観察から、図２（ガラスビーズやセラミックス系の高硬度の材料をメディアとした場合）と比較して、処理対象物の表面１に表面欠陥（傷）２）は観察されず、処理対象物（被処理物）より硬度の低いメディアを用いた微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）によれば、表面欠陥の生成を抑制することができることが解る。

以上のことから、残留圧縮応力（結晶への転位の導入）の付与は、超硬合金の表面に与える衝撃の分布（剪断力）が効果（影響）を与えていると考えられる。すなわち、図５（Ａ）に示すように、粒径の大きいメディアを用いるＳＰ（従来型のショット・ピーニング）は残留圧縮応力が増えないが（図１（Ａ）のｂ参照）、図５（Ｂ）に示すような微小粒径（平均粒径φ４μｍ程度）のメディアを用いる場合には、残留圧縮応力がより強く入ると考えられる（図１（Ａ）のｃ、ｄ参照）。

衝撃の分布（剪断力）はメディアが持つ運動量（運動エネルギー）の影響が大きいと考えられるので、微粒子ピーニング処理において、残留圧縮応力の付与には、比重の大きさが有効と考えられる。従って、Ｗ（タングステン）の他にも、モリブデン（比重１０．２８、硬度：１６０Ｈｖ程度）、鉛（比重１１．３）、金（比重１９）、白金（比重２１）など、比重９以上の金属材料（合金、延性金属、脆性金属を含む）にも効果があると考えられる。

一方で、表面損傷（欠陥）には、硬度の影響が大きいと考えられるので、延性材料が損傷を与えにくいと考えられる。従って、銅、スズ（Ｓｎ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）なども有効であると考えられる。

また、本実施の形態で用いたＷ（タングステン）は平均粒径がφ４μｍ程度と小さいので、噴出エアーに乗り難く、同一条件でも低速なため応力は入るが損傷し難い（粒径が小さいため生成される傷が非常に微小で抗折力に大きな影響を与える表面欠陥になり難い）などと考えられる。

すなわち、本実施の形態により、硬度の高い硬いセラミックスなどを用いて処理対象物の表面に歪を与えて圧縮残留応力を高めるといった従来の考え方或いはアプローチ手法とは全く異なる或いは逆行するような方向からのアプローチ（超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物より硬度の低い、延性金属材料（例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、鋳鋼、Ｈ（ハイス鋼）、Ｎｉ（ニッケル）など）をメディア（平均粒径がφ１４μｍ〜５７μｍ（或いは７０μｍ）程度）とした微粒子ピーニング処理）により、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物に対して圧縮残留応力を付与することでき、以って破壊靭性及び抗折力を改善することができる、という新たな知見を得ることができた。

加えて、本実施の形態により、硬度の高い硬いセラミックスなどを用いて処理対象物の表面に歪を与えて圧縮残留応力を高めるといった従来の考え方或いはアプローチ手法とは全く異なる或いは逆行するような方向からのアプローチ（超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物より硬度が低く、かつ、高比重（高密度）な（比重９以上の）金属材料（例えば、タングステン、モリブデン（比重１０．２８、硬度：１６０Ｈｖ程度）など）をメディア（平均粒径が、例えばφ１．２μｍ（♯８０００）〜φ９．５μｍ（♯１２００）程度）とした微粒子ピーニング処理）により、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物に対して表面欠陥の生成を効果的に抑制しながら圧縮残留応力を付与することができ、以って破壊靭性及び抗折力をより高いレベルで改善することができる、という新たな知見を得ることができた。

ただし、高比重な（比重９以上の）金属材料（例えば、タングステン、モリブデンなど）をメディアとして用いた場合に、その平均粒径が数十μｍ程度（平均粒径が、例えばφ１４μｍ〜５７μｍ（或いは７０μｍ）程度）であっても、残留応力の大幅な向上を見込めるため、延性金属の場合と同様に、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物に対して圧縮残留応力を付与することでき、以って破壊靭性及び抗折力を改善することができるものと考えられる。

以上、本実施の形態で例示したように、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物（被処理物）より硬度が低く、延性のある金属製の微粒子メディアを用いて微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）を行なうことで、超硬合金等の処理対象物（被処理物）に対して、大きな圧縮残留応力を付与することができるため、処理対象物（被処理物）の破壊靭性及び抗折力を効果的に改善することができる。

このため、超硬合金やサーメット等の硬質化合物（金属の炭化物や窒化物など）の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料であっても、高負荷が繰り返し作用されるような金型や機械部品等への適用が可能となると共に、金型や機械部品以外の切削工具等に利用される場合でも折損等を抑制することができるため、加工費削減、チップ交換のためのライン停止時間の削減など、製造コストの低減や生産効率の向上に貢献することができる。

また、本実施の形態で例示したように、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物より硬度が低く、かつ、高比重な（比重９以上の）或いは高密度の金属材料（例えば、タングステン、モリブデンなど）をメディア（平均粒径が数μｍ程度（φ１．２μｍ〜φ９．５μｍ程度）とした微粒子ピーニング処理）により、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物に対して表面欠陥の生成を効果的に抑制しながら圧縮残留応力を付与することができ、以って破壊靭性及び抗折力をより高いレベルで改善することができる。

すなわち、本発明によれば、比較的簡単かつ低コストでありながら、超硬合金やサーメット等の硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料である処理対象物の破壊靭性や抗折力などの特性を改善することができる処理対象物の表面改質方法を提供することができる。また、当該表面改質方法により破壊靭性や抗折力などの特性が改善された焼結複合材料（例えば、超硬合金或いはサーメット等）を提供することができる。

ここで、微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）について説明する。
ＷＰＣ（Ｗｉｄｅ Ｐｅｅｎｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌｅａｎｉｎｇ）処理とは、「微粒子ピーニング」処理、「精密ショットピーニング」処理、「ＦＰＢ（Ｆｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ）」処理などと称される表面処理で、金属製品の表面に、微粒子を圧縮性の気体に混合して高速衝突させる表面改質処理である。

なお、ＷＰＣ処理としては、例えば、特許第５３４１９７１号に記載されている金属製品の熱処理方法（ＷＰＣ処理）を適用することができる。
具体的には、下記のような噴射装置からメディア（ショット、微小粒径サイズの小さい粒子）を噴射してＷＰＣ処理対象物に衝突させることにより行う。

〔噴射装置〕
本発明に係るＷＰＣ処理は、既知のブラスト装置によりメディア（ショット）を噴射して金属製品の表面に衝突させる。

例えば、空気式のブラスト装置としては各種の型式のものを使用することができるが，例えばショットの投入されたタンク内に圧縮空気を供給し，該圧縮空気により搬送されたショットを別途与えられた圧縮空気の空気流に乗せてブラストガンより噴射する直圧式のブラスト装置、タンクから落下したショットを圧縮空気に乗せて噴射する重力式のブラスト装置、圧縮空気の噴射により生じた負圧によりショットを吸引して圧縮空気と共に噴射するサクション式のブラスト装置等の各種のブラスト装置を使用することができる。

〔メディア（ショット）〕
本発明において使用されるメディア（ショット）は、処理対象物より低い硬度を有し、平均粒径が、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度からの範囲で目的に応じて近似粒度３種以上を混合したメディア（噴射装置から噴射され処理対象物に衝突される粒状物質）を使用することができる。近似粒度とは，上記範囲内の粒度を言う。
なお、本実施の形態のように、処理対象物（被処理物）が超硬合金或いはサーメットなどの高硬度焼結複合材料の場合には、超硬合金或いはサーメットより硬度が低く、図３に示したような延性金属材料からなるメディア（Ｓｎ（錫）、ＭｏＳ_２（二硫化モリブデン）、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、鋳鋼、ハイス鋼、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）など、平均粒径：数十μｍ程度（例えば、φ１４μｍ〜５７μｍ（或いは７０μｍ）程度））を用いて微粒子ピーニング（ＷＰＣ）処理を行なうことで、従来型のショット・ピーニングやＷＰＣ処理の考え方（処理対象物より硬いメディアを衝突させて圧縮残留応力を付与するといった考え方）では付与することができなかった圧縮残留応力を効果的に付与することができることが、今回の実験で解った。
更に、処理対象物（被処理物）が超硬合金或いはサーメットなどの高硬度焼結複合材料の場合には、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物より硬度が低く、かつ、高比重な（比重９以上の）金属材料（例えば、タングステン、モリブデンなど）をメディア（粒径が数μｍ程度（例えば、φ１．２μｍ〜φ９．５μｍ程度））とした微粒子ピーニング処理）により、超硬合金等の焼結複合材料である処理対象物に対して表面欠陥の生成を効果的に抑制しながら圧縮残留応力を付与することができ、以って破壊靭性及び抗折力をより高いレベルで改善することができることが、今回の実験で解った。

そして、上述したような噴射装置により、メディア（ショット）群を圧縮空気と混合し、噴射圧力０．３〜０．６ＭＰａ、噴射速度１００〜２００ｍ／秒、噴射距離１００ｍｍ〜２５０ｍｍで、０．１〜１秒の間欠噴射をする。すなわち、０、１〜１秒の噴射を、好ましくは、０．５秒〜５秒の間隔をおいて反復噴射して、ＷＰＣ処理の処理対象物（超硬合金等の焼結複合材料）の表面に、衝突させる。

上述してきたような微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）により、微粒子メディアを衝突させることで超硬合金の表面に残留応力を付与することができ、破壊靭性と抗折力などの特性を改善することができる。
すなわち、処理対象物より硬度の低い、延性金属材料或いは高密度（比重の大きな）金属材料の微粒子メディアを用いて微粒子ピーニング処理を施すことで、超硬合金やサーメット等の焼結複合材料に対して、抗折力を高めながら、破壊靭性も向上させることができる。

このため、本実施の形態によれば、靭性が低いといった超硬合金の問題を解決できるため、ヤング率（縦弾性係数）が高く耐摩耗性も優れるといった超硬合金の特性を活かした用途、例えば、金型等の高負荷製品への適用も可能とすることができる。

また、超硬合金に破壊靭性や抗折力を付与することができるため、超硬チップ等に利用される場合にも折損等を抑制することができ、加工費削減、チップ交換のためのライン停止時間の削減など、製造コストの低減や生産効率の向上に貢献することができる。

なお、本実施の形態では、超硬合金やサーメットを代表的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、超硬合金やサーメット以外であっても、金属の炭化物や窒化物などの硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料やその他の処理対象物に対しても、本発明の考え方は適用可能である。

また、本実施の形態では、図３に示したように、処理対象物より硬度が低い延性金属材料（例えば、高速度工具鋼（ハイス鋼）、鋳鋼など）、或いは処理対象物より硬度が低い高密度な金属材料（例えば、タングステン）が前記焼結複合材料の表面改質効果が高いことが確認されたが、微粒子ピーニング処理（ＷＰＣ処理）に用いるメディアとしては、これらの何れかを単独で用いる場合に限らず、これらのうち少なくとも２つを組み合わせたもの（混合したもの）をメディアとして用いることができるものである。

ところで、本実施の形態では、処理対象物より硬度の低い延性金属材料を微粒子ピーニング処理における微粒子メディアとして説明したが、空気存在下において当該延性金属材料のままで存在することが難しい場合や微粒子ピーニング処理中に熱の影響等を受けて変化する場合もあるので、当該延性金属材料を主成分とする化合物（酸化物など）を微粒子メディアとすることもできるものである。

また、本実施の形態では、処理対象物より硬度が低く、かつ、高密度の金属材料を微粒子ピーニング処理における微粒子メディアとして説明したが、空気存在下において当該延性金属材料のままで存在することが難しい場合や微粒子ピーニング処理中に熱の影響等を受けて変化する場合もあるので、当該延性金属材料を主成分とする化合物（酸化物など）を微粒子メディアとすることもできるものである。

また、本実施の形態では、微粒子メディアについて、高速度工具鋼、ステンレス鋼、鋳鋼、銅、錫、二硫化モリブデンなどを例示的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらの金属を主成分とする化合物（酸化物など）の何れかを、本発明に係る微粒子メディアとすることがきると共に、またはこれらの少なくとも２つを混合したものを、本発明に係る微粒子メディアとすることがきる。

また、本実施の形態では、微粒子メディアについて、タングステン、モリブデン、或いは比重９ｇ／ｃｍ^３以上の金属材料などを例示的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらを主成分とする化合物（酸化物など）の何れかを、本発明に係る微粒子メディアとすることがきると共に、またはこれらの少なくとも２つを混合したものを、本発明に係る微粒子メディアとすることがきる。

本発明は、上述した発明の実施の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において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ 微粒子ピーニング処理の処理対象物（被処理物）（焼結複合材料）
２ 傷（表面欠陥）

Claims (6)

1. ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットを処理対象物として、
   当該処理対象物に対して、当該処理対象物より硬度の低いＨｖ５００以下であって、ステンレス鋼、銅、二硫化モリブデン、鉄、ニッケル、クロムの何れか、或いはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことを特徴とする処理対象物の表面改質方法。
2. ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットを処理対象物として、
   当該処理対象物に対して、当該処理対象物より硬度の低い、タングステン、モリブデン、或いは比重９ｇ／ｃｍ ^３ 以上の金属材料の何れか、またはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことを特徴とする処理対象物の表面改質方法。
3. 前記微粒子メディアは、ＪＩＳ Ｒ６００１規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に従った♯８０００〜♯１２００に基づく平均粒径を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の処理対象物の表面改質方法。
4. 硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料からなる処理品の生産方法であって、
   前記焼結複合材料が、ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットであり、
   これらより硬度の低いＨｖ５００以下であって、ステンレス鋼、銅、二硫化モリブデン、鉄、ニッケル、クロムの何れか、或いはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことで処理品を生産することを特徴とする処理品の生産方法。
5. 硬質化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した焼結複合材料からなる処理品の生産方法であって、
   前記焼結複合材料が、ＷＣ−Ｃｏ系合金或いはサーメットであり、
   これらより硬度の低い、タングステン、モリブデン、或いは比重９ｇ／ｃｍ３以上の金属材料の何れか、またはこれらを主成分とする化合物の何れか、またはこれらの少なくとも２つを混合した微粒子メディアを用いて噴射速度１００〜２００ｍ／秒の範囲で微粒子ピーニング処理を施すことで処理品を生産することを特徴とする処理品の生産方法。
6. 前記微粒子メディアは、ＪＩＳ Ｒ６００１規格の精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法）に従った♯８０００〜♯１２００に基づく平均粒径を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の処理品の生産方法。