ファイバーレーザ加工により表面改質したステンレス鋼の冷間鍛造加工時における溶着改善に関する研究開発
富山大学 都市デザイン学部教授

材料デザイン工学科

会田 哲夫（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016228）

キーワード：ステンレス鋼，冷間鍛造，テクスチャ

1. 研究の目的と背景を小型旋盤に固定した状態で回転させ，その上方からファ

現在，ステンレス鋼の需要生産量は増加傾向にあり，そイ バ ー レ ー ザ ー 加 工 機 に て 50Hz ～ 500Hz ， 送 り 量の小型加工品の大量生産時には冷間鍛造が主に用いられ0.5mm/rev ～ 2mm/rev ， 出 力 0.5kW ～ 4kW ， 回 転 数ている 1⁾．近年ではプレス機や潤滑油の発展によって，こ250rpm～1000rpm と変化させて作製した．表面テクスチ

2の冷間鍛造に一層期待が高まっている ⁾．メリットとしてャの観察は，デジタルマイクロスコープを用いて供試材のは，工程数が少なく省コスト，生産効率が高いことが挙げ

上部，中部，下部における周囲長さ，面積の測定した各寸られる．しかしながらこの手法は金型内部や供試材表面に法を Fig.1 に示す．

発生する凝着，かじり等の表面欠陥がある．従来のステンレス鋼の冷間鍛造では，熱伝導率の低さ故に，ある条件下においてステンレス鋼部品として強度の低下や製品本来の性能を発揮できない，かじりや凝着の発生が問題視されている 2)．
他方，熱処理やコーティングに代表されるような表面改質技術の一種として、表面テクスチャが注目されている．
Fig.1 供試材・テクスチャ拡大図

これは，動圧の発生，潤滑油の供給，摩耗粉・異物の排出やトラップ等のメリットが挙げられ，レーザーに代表される表面微細加工技術の進歩やナノスケールからマクロス

2.2.

ケールの加工プロセスにおける摺動要素(トライボ要素)

Fig.1 に本実験で使用した供試材の鍛造前後の寸法，デの改善・応用開発への強いニーズがある

3-5)

．

複合化サーボプレス機械

ィンプル状表面テクスチャの拡大図を示す．使用する供試

そこで本研究では，トライボ特性の向上が期待されるデ材はフェライト系ステンレス鋼に当たる SUS430 であり，ィンプル状表面テクスチャを供試材 SUS430 に作製し，表表面は化成皮膜処理を施した．鍛造前の寸法は外径 13mm，面テクスチャの効果の評価，また鍛造後の供試材表面を観内径 6 ㎜，長さ 28.5mm．鍛造後は，上部外径 13.2mm，察することで，表面テクスチャ付与の影響評価を行った．

下部外径 9.15mm 内径 5.1mm 長さ 48.1mm となる.この供試材上下部の寸法より断面積を算出し，断面減少率を2. 実験方法
2.1.

ファイバーレーザー加工

本実験で使用したファイバーレーザー加工機は，株式会
社 IHI 検査計測製のレーザー波長 1070～1080nm，連続発振（CW）でディンプル状の凹表面テクスチャは供試材70％とした．

の時の出力変化によるテクスチャの形状への影響を示す．
出力を増加させるとテクスチャの幅(a)，深さが増加する傾向があった．周波数を増加させると，溝と溝の間隔(d)や溝の長さ(c)が狭くなり，テクスチャの個数が増加する傾向にある．Fig.4 では出力 0.5kW，送り 0.5mm/rev における回転数，周波数変化によるテクスチャの形状への影響を示す．回転数を増加させると，テクスチャの個数が減少し，テクスチャの長さが増す傾向にある．Fig.5 では，出力Fig.2 テクスチャの有無による鍛造前後の試料外観

0.5kW，回転数 500rpm の時の送りおよび周波数の変化に

本実験では金型内部の温度を測る際に，金型下部に熱電よるテクスチャの形状への影響を示す．送り量を増加させ対を取り付けた．また荷重変化はサーボプレス機械に接続

ると，溝の間隔(b)が広くなり，テクスチャの個数が増加しされている PC の解析ソフトを用いて記録した．実験条件ている．

は主に表面テクスチャ付与の有無，潤滑油，金型の断面減a) 0.5kWb) 1kWc) 2kWd) 4kW少率をそれぞれ変化させて実施した．使用した試料表面テクスチャは，送り量 1mm/rev，周波数 100Hz を用い，皮膜処理とレーザー加工の前後付与による影響を調査した．

2.3.

非接触 3 次元形状測定機

ZYGO Corporation 製の非接触 3 次元形状測定器を用いて供試材表面に光を照射して生じた干渉縞の焦点深度を計測し，鍛造後のテクスチャの状態について算術平均粗さ，最大高さを測定した．測定方向に対して垂直に固定し，測定範囲は鍛造後曲率部の始点から供試材端面までとしFig. 3 出力変化によるテクスチャた．
測定条件は，対物レンズ 2.75 倍，ZOOM レンズ 1 倍，観察視野 6.05mm×6.05mm，サンプリング間隔 5.906µm，垂直分解能 0.005nm である．本測定においてディンプル状表面テクスチャは円筒状の供試材に付与し，且つ直径は1～2mm と大きいため特殊処理を行った．(a)Signal Over
Sampling 処理は，供試材の最高点を基準値として深さを正確に測る処理，(b)シリンダー平滑化－形状除去処理は，Fig. 4 回転数変化によるテクスチャ

円筒状態の供試材を解析により平滑化表示させる処理．
(c)Stich 処理は，観察視野を繋げる処理であり，本測定では供試材端面まで測定するために接合部 20%×測定視野3 回分の処理を行った．

3. 実験結果および考察
3.1.

ファイバーレーザー加工

Fig.3 は周波数 100Hz，回転数 500rpm，送り 1mm/rev

Fig. 5 送り量変化によるテクスチャ

Fig.6 に，出力変化による金属の溶融部分有無の面積，以上のことから，回転数，周波数，送り速度を変えるこおよび周囲長さを示す．4kW における溶融部分を含んだとで，テクスチャの個数や配列を変えることができ，より場合と含まなかった場合の面積の比較をすると，約 5000

潤滑しやすいテクスチャの形状の選択ができることがわ㎛ 2 差が出ていることがわかる．出力を上げることで，テかった．そこで，冷間鍛造加工用の供試材にはテクスチャ

クスチャの深さが深くなり，金属の溶融部分が増し，回転の条件として，出力：0.5kW，回転数：500rpm，周波数：による遠心力に伴い外径の寸法に影響が出ているといえ100Hz，送り速度：1mm/rev とした．この条件は Fig.5 かる．この事から，冷間鍛造加工する際に，荷重に影響が出らもわかるように，テクスチャが互い違いに配置されておると予測される．

り，冷間加工中に潤滑剤が途切れない可能性がある.

3.2.

複合化サーボプレス機械

Fig.9 に複合化成形サーボプレス機の実験における(潤滑剤－プレス油①，断面減少率‐70%(T0)，表面形状－通常時の荷重の変化，Fig.10 に断面減少率－70%(T0)時の金型内部温度の変化を示す．
Fig.6 出力変化による面積および周囲長さ

本実験では先行研究のかじり発生条件に倣い，Fig.9 の波形グラフの最大荷重点を抜粋して比較を行った．また次に，Fig.7 に回転数変化による面積，周囲長さを示す．

Fig.10 の波形グラフでは，使用した金型毎に熱電対の記録

回転数が高いほど，面積および周囲長さは大きくなる傾向

開始時間と複合化サーボプレス機実験の開始時間・終了時にある．500Hz では，回転数に関係なく面積，周囲長さは間を合わせることでピーク箇所を摘出し，それぞれの鍛造同じような結果となった．Fig.8 に送り量変化による面積，時の最大温度(以下，金型温度)を抜粋して比較を行った．

周囲長さを示す．周波数における面積および周囲長さに変化がないことから，0.5 ㎜/rev から 2mm/rev での送り速度に依存しないことがわかる．

Fig.9 荷重の変化

Fig.10 金型内部温度の変化

Fig.10 に，断面減少率 85%(T3)時における潤滑剤と表Fig.7 回転数変化による面積および周囲長さ面形状ごとのラム速度と a)最大荷重，b)金型温度との関係を示す．ラム速度は 100％の 197mm/sec とした．ラム速度が増加するにつれ，最大荷重および金型温度は低くなる傾向にあるが，ラム速度 50%(98.5mm/sec)時においてテクスチャを施したレーザー皮膜 2 種の供試材は，最大荷重，金型温度伴に減少している傾向にある．このことから，テクスチャを施した供試材はラム速度 50%(98.5mm/sec)

Fig.8 送り量変化による面積および周囲長さ時の冷間鍛造において，最もテクスチャのオイルポット効果が発揮されるのではないかと考えられる．

a)最大荷重b)金型温度

4. 結論
本研究では，SUS430 供試材にディンプル状表面テクスチャを作製し，表面テクスチャの効果の評価，また鍛造時の条件を変化させることで，冷間鍛造時やその供試材表面にどのような影響を及ぼすか調査した結果，以下のことが明らかになった.
⑴

Fig.10 潤滑剤・表面形状ごとのラム速度の関係(断面減少率 85%)a)最大荷重，b)金型温度

ャの個数や配列を変えることができ，より潤滑しやすいテクスチャの形状の選択ができる．
⑵

3.3.

非接触 3 次元形状測定機

Fig.11 に表面形状ごとの鍛造後表面の a)算術平均高さ，回転数，周波数，送り速度を変えることで，テクスチラム速度が増加するにつれ，最大荷重および金型温度は低くなる傾向にあるが，ラム速度 98.5mm/sec 時においてテクスチャを施したレーザー皮膜 2 種の供試材は，最大Sa，b)最大高さ，Sz，また Table 1 に測定表示された断面荷重，金型温度伴に減少する．

減少率 85%(T3)，潤滑剤－プレス油①条件における表面粗⑶さパラメータを示す．テクスチャごとに鍛造後表面の算術無と比較し算術平均高さ，Sa が 500nm 以上低くなった．

鍛造後表面はテクスチャ付与したものはテクスチャ平均高さ，Sa に大きな違いは見られないが，いずれも表面形状－通常(テクスチャ無し)時と比較して 500nm 以上

謝辞低くなった．また，最大高さ，Sz は 50Hz のみが突出して本研究は，公益財団法人天田財団の平成 28 年度一 般研

表面形状－通常(テクスチャ無し)時と比較して約究開発助成 AF-2016228 の支援を受けて実施した研究で20000nm 大きくなった．

あり，ここに記して，心より深く感謝の意を表する．
また本実験を遂行するにあたり，月星製作所(株) 太田昌幸氏，山本将之氏，富山県産業総合研究開発センター 清水孝晃氏，山岸英樹氏，富山大学工学部卒研生米谷拓稔君，伊藤龍希君，横江真吾君の多くの方々にご協力頂きました．
ここに厚く御礼申し上げます．

Fig.11 表面形状ごとの表面粗さ

参考文献
1）産業新聞，ISSF 総会 世界的に需要拡大続く，2018 年

Table 1 表面粗さパラメータ(断面減少率－T3，潤滑剤－プレス油①)

5 月 24 日刊行.
2）飯久保知人，図解入門よくわかるステンレスの基本と仕組み，(2010)．p.22.23，p.62，p.82，p.152.
3）井ノ原忠彦，㈱リプス・ワークス，プラスチック金型徹底ガイド レーザー微細加工とその応用，(2017), 12．
4)村田順司，鎌本繁夫，獅子原祐樹，泉貴士，遠山護，トライボジスト第 63 巻第 3 号(2018)，201-208.
5)安部洋平, 森謙一郎, 畑下文裕, 柴孝志, Witthaya
DAODON,塑性と加工(2015),56-658, 972-978.