金属セラミックス複合材料へのレーザピーニングの適用と工具材料への応用
東京工業大学 工学院機械系准教授 青野 祐子（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016224）
キーワード：レーザピーニング，金属セラミックス複合材料，切削工具

LP 技術のこれまでの主な適用先は，原子炉屋航空機部

１．研究の目的と背景
金属セラミックス複合材料は，金属をバインダーとして品などの大型の機械構造材料であり，主にステンレス鋼や硬質なセラミックスを焼結した材料であり，その代表例はアルミニウム合金などの金属材料であった 1)．そこで，本超硬合金である．超硬合金は，炭化タングステン（WC）

研究では，金属セラミックス複合材料への LP の効果の基粉末を，コバルト（Co）などの金属を数％混合して焼結礎的な検証を行った．さらに切削工具への応用可能性につした硬質焼結材料であり，切削工具や，金型材料として広いても検討を行った．

く産業界で用いられている．このような材料の組織は，セラミックス相と金属相に明確に分離している．材料特性は

２．実験方法
実験装置の概要 2)

当然この組織に大きく依存し，超硬合金の場合，WC 相が2・1硬さを担う一方で，Co 相を増やすことでじん性が得られ

LP の光源として，Nd＋:YAG レーザ（PrecisionII9100,る．したがって，硬さとじん性はトレードオフの関係にあContinuum）の第二高調波を用いた．本装置は，Q スイり，用途に応じた組成調整や粒径制御が必要である．

ッチによりパルス幅約 9ns，繰返周波数 10Hz のパルス発切削工具として利用する場合，工具寿命を決めるのは主振を実現している．レーザ光は，ミラー，平凸レンズを介に耐摩耗性と耐欠損性であるが，前者は硬度に，後者はじして，ガラス水槽内に設置された試料の表面に照射される．

ん性に由来することから，その両立は難しい．そこで，現試料は精密自動ステージに接続しており，ステージ走査に在は被削材にあわせて設計されたより硬質なセラミックより改質面を創成した．照射間隔は 200m となるように薄膜を表面にコーティングした，コーティング工具の需要調整した．また，アブレーションによる飛散物により水のが高くなっている．

透過率が低下することで，LP の効率が低減することを防本研究では，じん性の高い，つまり Co 含有量の比較的高い超硬合金を母材として，レーザピーニング（laserぐため，処理中はチューブポンプにより水を循環し，メンブレンフィルターによりろ過した．

peening: LP）によりその表面を改質し硬度を上げること

本研究では耐摩耗性の向上を目的としているため，マイで耐摩耗性を改善する手法を提案する．本手法は，超硬合

クロビッカース試験による硬さ試験を評価指標とした．

金を母材としてより高硬度の表面を構成するという点で，

LP 後，表面の熱影響層をダイヤモンドペーストによって上述の気相合成によるセラミックコーティングと類似す

研 磨 し， マイ クロ ビッ カース 硬 さ試 験機 （ HM-124S,る．しかし，メリットとして超硬合金自身を表面改質するAKASHI）により測定を行った．また，メカニズム考察ことにより達成するため，界面での不整合が起こりにくい．のため，X 線回折法による応力評価，ナノインデンテーシ即ち，物理的，化学的連続性を保持するために，表面改質ョン法による硬さ評価等も行った．さらに，本研究の結果された高硬度層の剥離の抑制が期待される．また，真空環を切削工具先端に適用し，切削試験時の耐摩耗性を外径旋境や，材料ガス，ターゲット材料が不要であるため，産業削により評価した．

応用におけるコストメリットも大きい．

チューブポンプ
発振器

ミラー

平凸レンズ
波長板
カメラ
ダイクロイックミラー

水試料
図 1 レーザピーニング光学系

X-Z ステージ

偏光BS

フィルター

2・2

試料

じん性の高い超硬合金を母材とするため，試料として，Co を 10wt%含有した WC/Co 超硬合金を使用した．この材料の電子顕微鏡像を図２に示す．WC 相（明部）と Co相（暗部）が明確に分離しており，複合的な材料であることがわかる．Co 含有量は 10wt%を基本とし，金属含有量が LP の効果へ及ぼす影響を検討するため，Co 量の異な1μm

る WC/Co 超硬合金も用意した．全ての試料について，厚さ 5mm の板を使用し，初期の表面状態は研削面とした．

図2

WC/Co10wt%の反射電子像．白色部が WC
粒，黒色部が Co バインダー

ただし，LP 前の試料の硬さの評価は，研削時の加工変質層を除去し，LP 後のものと同等に比較を行うため，ダイ硬さが増加することで表面のじん性は低下しており，LPヤモンドペーストによる研磨を施した．
切削試験用の工具には，同じく Co 含有量 10wt%の外径の衝撃による除去，脱落も発生していると予想される．こ旋削用チップを使用した．チップの頂角は 55°，逃げ角の結果より，改質と除去のバランスによって表面の硬さを7°で，LP による形状変化の影響を抑えるために，チッ向上する最適な照射条件が存在する．
一方で，図 3(b)のスポット径を変化させた実験結果ついプブレーカーのない単純な形状を採用した．ては，99m と 400m で硬さは最大となる．単発で照射時の表面除去量は 800m のときが最大であったことから，３．実験結果
3・1

硬さ向上効果このスポット径による違いは，フルエンスの低下による効2)

レーザの出力とスポット径，および走査回数を変化させ果の減少ではなく，照射範囲が大きくなったことによる疑て LP を実施し，マイクロビッカース硬さを測定した結果似的な走査回数の向上の影響が大きい．これは，45m やを図 3 に示す．いずれも 6 点を測定した平均値と標準誤99m と比べて，400m，800m では硬さが最大となる差を示している．LP により硬さは最大約 50HV 向上してまでの走査回数が少ないこととも整合性がある．つまり，おり，LP による硬さ向上効果があることが示された．

スポット径 800m では，1 ショットあたりの照射範囲が

図 3(a)より，100mJ まで出力の増加とともに硬さも向広く，より大面積に改質部を生成するために，同じ照射間上しているが，100mJ と 150mJ では効果はほぼ変わらな隔で処理を行った場合，ある地点での影響をうける照射回かった．また，走査回数についても同様に，50 回までは数が多くなる．さらにスポット径を拡大した場合，フルエ回数を重ねることによる効果向上が見られるがそれ以降ンスが低下することにより，硬さの向上が見られなくなるは同程度か減少に転じている．これは，本実験では超硬合と予想される．
LP の深さ方向への効果を検証するため，ダイヤモンドさせているため，改質した層を次の照射で除去しながらプペーストによる研磨とマイクロビッカース硬さ試験を繰ロセスが進行していることが原因と考えられる．さらに，り返した．なお，マイクロビッカース硬さ試験機における

1740

1740

1730

1730

1720
1710
1700
1690

10mJ
50mJ
100mJ
150mJ

1680
1670

02040
走査回数60(a)照射エネルギによる違い
図380

マイクロビッカース硬さ(HV)

マイクロビッカース硬さ（HV）

金の試料表面に直接レーザ光を照射してプラズマを発生

1720
1710
1700
1690

45m
99m
400m
800m

1680
1670

02040
走査回数60(b)スポット径による違い

WC/Co10wt%表面のマイクロビッカース硬さへの LP 効果

80圧痕の深さは約 30m である．LP 条件は，上述の LP 効果の検討において，硬さ向上の効果が大きかった照射エネ

1740

した．
図 4 に得られた結果を示す．
深さ 100m 程度まで，母材からの硬さの向上効果が見られ，さらに圧痕の深さが30m 程度であることを考慮すると，実際には 100m 以上が改質されていると推察される．
3・2

金属セラミックス複合材料の LP メカニズム 3)

金属セラミックス複合材料における，LP の効果発現メカニズムを解明するため，LP 前後での試料の断面の反射

マイクロビッカース硬さ（HV)

ルギ 100mJ，スポット径 99m，走査回数 50 回の条件と

1730
1720
1710
1700
1690
LP前のビッカース硬さ

1680

電子像を撮影した．その結果，レーザが照査される最表面050100
表面からの深さ（m)にはサブミクロンの厚さで溶融層が見られることがわか図4った．しかし，マイクロビッカース試験機による硬さ試験

150

深さ方向の硬さ分布

は，ダイヤモンドペーストで最表面を研磨したのち，約30m の押込み深さで実施していることから，この溶融層りも深い層については，粒径や WC と Co の量的な比率に明らかな変化は認められなかった．この結果より，金属セラミックス複合材料は，融点の大きく異なるセラミックス（WC）と金属（Co）の二相材料ではあるが，金属相の優先的な蒸発による組成比変化や，LP の衝撃波によるセラミックス粒子の微細化が硬さ向上の原因ではないと考え

硬さ増加量（HV）による影響はほぼ無いとみなせる．一方で，この溶融層よらえる．
また，大気中において，水中と同条件でレーザを照射し，その硬さの変化を比較した．水中では，45HV の向上があ走査回数ったが，大気中では逆に 5HV 程度硬さは減少した．プラ

図5Co 含有量による LP 効果の違い

ズマが自由に拡散し衝撃波が発生しない大気中でのレーAs- received
10

硬さが向上した原因が，衝撃波によるピーニング効果であることを示唆している．

相対頻度

つまり，本結果は，水中でのレーザ照射により超硬合金の次に，複合材料の各相への LP の影響を検討した．Coの含有量が異なる超硬合金に LP を実施した結果を図 5 に推察した．また，各相について，X 線回折装置により，2D法による残留応力測定を実施した．その結果，わずかであ604402205

んど変化を受けず，Co 相の加工硬化により全体として硬1015202530350401010088066044022005101520253035040

インデンテーション硬さ (GPa)

るが Co 相は圧縮に，WC 相は引張に変化していた．以上の結果より，硬質で脆性を有する WC 相は LP によりほと806LP相対頻度の LP による硬化が，全体の硬さ向上の主な要因であるとWC0示す．Co 含有量が増加するに従い，硬さの増加量が増加していく傾向にあった．この結果から，金属相である Co

100Co

8累積 (%)

ーションによる表面の除去と熱の影響のみを取り出せる．

累積 (%)

ザ照射では，衝撃波によるピーニング効果はなく，アブレ

図6

ナノインデンテーション硬さの分布さ向上の効果が発現したと考えられる．
直接的に各相の硬さの変化を評価するため，ナノインデンテーションを使用し，Co 含有量 20wt%の超硬合金に対方，LP 前に 7GPa 付近に見られた Co のピークは，LP 後し，LP 前後のインデンテーション硬さの分布を計測した．

は 7 から 20GPa にかけて分散している．これは LP によ

この押込荷重は 10mN，押込深さは 150-300m である．

り Co 相の硬さが変化したためと考えられる．しかしなが結果を図 6 に示す．30GPa 付近に見られるピークは WCら，マイクロビッカースでの変化量ほどの明確な硬さ向上由来であり，LP の前後では大きな変化はみられない．一を示す結果は得られなかった．この原因として，LP は照未処理（横逃げ面）

未処理（ノーズ）

LP（横逃げ面）

LP（ノーズ）

摩耗幅（mm）

未処理（横逃げ面）

未処理（横逃げ面）

LP（横逃げ面）

LP（ノーズ）

切削時間（s）(a) 摩耗量

(b)逃げ面の光学顕微鏡像
図7

外径旋削による摩耗試験結果

射点の集合であるため，ナノインデンテーションのような面の硬さ向上が見られた．この効果発現は，主に金属相で微視的な評価では一様な硬さ変化は見られず，分布が大きある Co へのピーニング作用と考えられる．さらに，本手くなったこと，Co 相が深さ方向に薄くしか分布しておら法を超硬合金切削工具の逃げ面およびすくい面に適用し，ず，その下層に存在するはずの WC の影響が大きいため外径旋削による耐摩耗試験を実施した．LP による表面処に Co 相の硬さ変化の検出の感度が低いこと，あるいは理を施した場合，未処理の工具と比較して，横逃げ面およLP が WC と Co の粒界に何らかの作用を与えていること

びノーズ摩耗量がともに約半分となり，耐摩耗性向上に効が考えられ，今後，より詳細な分析を実施する予定である．

果があることを明らかにした．

3・3

謝

切削工具への応用 4)

前節の結果を踏まえ，チップ先端に LP を施した．処理

辞本研究は，公益財団法人天田財団

一般研究開発助成

条件は出力 100mJ，スポット径 400m，走査回数 30 回（AF-2016224）の助成により実施した．また，X 線回折，である．すくい面および逃げ面を処理しており，逃げ面に電子顕微鏡観察は東京工業大学大岡山分析部門に協力いついては横逃げ面に垂直に入射するよう処理しているた

ただいた．

め，先端ノーズ部に対しては大きい入射角となる．なお，

参考文献反対側の逃げ面も同様に処理したため，先端部については両側から LP されていることとなる．

1) Sano, Y., Akita, K., Masaki, K., Ochi, Y., Altenberger,改質前後のチップを用い，切削試験を実施した．被削材

I., Scholes, B., “Laser peening without coating as aとしてクロムモリブデン鋼（SCM435）を使用し，送り速surface enhancement technology”, JLMN-Journal of

度 0.1mm/rev，切込量 0.5mm，切削速度 110m/min とし

Lase Micro/Nanoengineering, Vol. 1, No. 3 (2006)

た．チップの横逃げ面およびノーズの摩耗量を図 7(a)に示

2)馬場 夏樹, 青野 祐子, 平田 敦. 無被覆レーザピーニ

す．また，130s の切削試験後の最終の逃げ面の光学顕微

ングによる超硬合金の表面硬度向上，2017 年度精密工

鏡写真を図 7(b)に示す．ノーズ先端，横切刃ともに，LP学 会 春 季 大 会 学 術 講 演 会 講 演 論 文 集 , pp. 783-784を実施することで摩耗量は半分程度となった．これは，ピーニングにより，表面の硬度改善により耐摩耗性が向上したためと考えられる．

(2017)
3)馬場夏樹, 青野祐子, 平田敦. レーザピーニングによる超硬合金硬さ向上のメカニズムの考察, 2018 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, pp. 643-644

４．結論(2018)

本研究では，工具材料への展開を見据えた金属セラミッ

4)青野祐子, 馬場夏樹, 平田敦. 切削工具応用に向けた超クス複合材料への LP の検証を実施した．その結果，硬合金のレーザピーニング処理,日本機械学会 2018 年

WC/Co10wt%の超硬合金において，最大 50HV 程度の表

度年次大会講演論文集, S0420201 (2018)