Report

大面積電子ビーム照射による金型表面の高能率平滑化および表面改質岡田晃

A. Okada

1．はじめにを発生させる．そして磁場が最大となる瞬間にアノード電子ビームを用いた加工は，一般的にはビームを細くにパルス電圧を印加する．ペニング効果によりチャンバー絞って高エネルギー密度とした上で，精密切断や高機能精内に発生した電子がアノードに向かい移動するが，同時密溶接等に利用されている．本研究で使用する電子ビームにローレンツ力を受けるため電子は螺旋運動を行う．走照射装置では特別な工夫によって，大面積の比較的均一な行距離を伸ばした電子がチャンバー内の Ar 原子との衝高エネルギー密度電子ビームを発生させることができる．

突を繰り返すことによって，アノード付近にプラズマ（ア一方で放電加工は金型の放電加工は金型の加工に広くノードプラズマ）が発生する．そのプラズマ領域が最大用いられるが，実際には放電加工面をそのまま使用するとなる瞬間にカソードにパルス電圧を印加すると，カソーことはまれであり，表面粗さの低減，マイクロクラック

ド付近に電気二重層が形成されることにより電界強度がや白層等の表面欠陥層の除去，形状精度改善のために最増加し，陰極から放出された電子が高い電界によって加終的には手磨き仕上げが行われる．一部，簡単な形状の速される．この電子の電流密度は次のラングミュア式に場合はロボットによる研磨が行われている例もあるが，従って，アノードプラズマにあるイオン電流密度およびほとんどの金型は複雑な形状をしているため研磨によるイオンと電子の質量比によって決定される．

仕上げの自動化は難しい．そして，この手磨き工程は熟J e = J i (M/m) 1/2

練者の技能に頼るところが多く，また長時間を要するこ

ここで，J e，J i，M ，ｍ はそれぞれ電子電流密度，イオとから，その高能率化が従来からの課題となっている．

ン電流密度，イオン質量，および電子質量である．この

そこで，本研究では大面積電子ビーム照射による金型式からアノードプラズマのイオン電流密度，すなわちアの表面仕上げについて検討を行った．また加工法では，ノードプラズマ量とイオン質量が大きい場合，電子ビー電子ビーム照射面に母材組織と異なる薄い再凝固層が形ムの電流密度を高くすることが可能となる．

成されるため，その表面特性を向上できる可能性がある．

また，アノードプラズマの存在は電子ビームの寿命を長金型寿命に関連すると考えられる耐食性や撥水性などのくする効果も有する．すなわち，一般に電子ビームは電子表面特性についても評価を行った．

間のクーロン反発力により電子が散乱する傾向にあるが，アノードプラズマを通過することにより電子間のクーロン

2．大面積電子ビーム照射装置

力を遮蔽することで，直進性を向上させることができる．

図 1 は，本研究で試作した大面積電子ビーム照射装置

また，ビームの照射を短パルス状とすることによって，材を模式的に示す．電子ビームは通常真空状態で使用され料表面での熱拡散の影響を減少させる利点も有する．

るが，この装置においては，予め（5 ～ 15）× 10-2Pa 程以上のようなメカニズムによって，ビームを絞ること度の Ar ガスをチャンバー内に混入しておく．はじめに，なく金属材料表面を溶融するに十分なエネルギー密度でチャンバー外部に設けたソレノイドコイルによって磁場の電子ビーム照射が可能であり，本装置においては，最大で直径 60mm のビームを得ることができる．
図 2 は，大面積電子ビームのエネルギー密度分布を示

図1

大面積電子ビーム照射装置
図2*岡山大学大学院自然科学研究科 准教授-36-

大面積電子ビームにおけるエネルギー密度分布

す．カソードの直径は 100mm であるためビームの直径もほぼ 100mm となっている．図より明らかなように，いずれの電子ビーム発生条件の場合にも中心のエネルギー密度が最も高く，中心からの距離が増加するとともに減少することが分かる．しかしながら，半径 30mm までは，中心部の 80％以上あり半径 30mm 以内ではほぼ均一であると見なすことができる．
表1

電子ビーム照射条件

Energy density Ed

J/cm2

1.4-10.7

Acceleration voltage VkV

30

Number of irradiation N

shots

1-50

Pulse duration tpμs

2-3Pulse frequency Fp

Hz0.2

Beam diameter Dbmm60

図4

照射回数による表面粗さの変化

次に，図 5 は，電子ビーム１パルスあたりのエネルギー密度を変化させた場合の照射面の様子を示す．照射回数は全て 30 回としている．図より明らかなように，エネルギー密度の小さい 1.4 J/cm2 の場合においては，表面が溶融した形跡が観察できる．2.1 J/cm2 になると表面の溶融

表 1 に電子ビーム照射条件を示す．１回の照射は 2 ～ 3が顕著になり，平滑になっているように見える．さらにマイクロ秒であり，それを 0.2Hz の繰り返し数で照射する．
照射試料は，金型材として広く利用される SKD11 であり，エネルギー密度の高い条件では，放電面とは全く異なった表面を形成していることがわかる．図 6 はエネルギー照射前の放電加工面の表面粗さは約 6m mRz となっている．

密度による照射面の表面粗さおよび光沢度の変化を示す．

主にビームのエネルギー密度および照射回数の条件を変化

光沢度の測定は，JIS(Z8741) に準拠した測定により行い，させて，まず最適照射条件について検討を行った．照射実

測定角は金属の測定に適するといわれる 60°とした．こ験は直径 10mm の銅の丸棒電極を用いて作成した放電加工の場合完全鏡面の光沢度は 1000 となる．表面粗さはエネ面をビームの中央において照射を行った．

ルギー密度 1 ～ 4J/cm2 においては，エネルギー密度の増加とともに減少し，6 ～ 7J/cm2 において約 0.7m mRz で最3．表面の平滑化小となる．エネルギー密度がそれ以上高くなると粗さは

図 3 はエネルギー密度 4.2J/cm2 の条件において，照射若干増加する．いっぽう，光沢度は表面粗さとよく対応回数を変化させた場合の照射面の変化を示す．また，表面粗さの変化を図 4 に示す．この場合，１回の照射で溶した変化を示しており，表面粗さが最小となる場合に光沢度は最大となることがわかる．

融の跡が顕著に見られ，数回の照射で平滑がかなり進行以上の結果から，最適な電子ビーム照射条件においてしていることが分かる．ただし，照射回数が 10 回以上には，照射時間わずか数分で直径 60mm の大面積を一括しなると照射面の様子はほとんど変化しない．このとき表て表面粗さ 1m mRz 以下の鏡面に仕上げることができるこ

面粗さもほとんど変化しないことを確認している．とが明らかとなった．

図3

照射回数による大面積電子ビーム照射面の変化

-37-

図5

ビームのエネルギー密度による大面積電子ビーム照射面の違い
少し，かつ表面の凹凸が減少していることが確認できる．
いっぽう，研削面に対して電子ビームを照射した面においては，白層はほとんど確認できないほど薄い．従って，放電面に電子ビームを照射した後に確認できる白層は，放電加工によって形成された白層が除去されずに残っているものであるといえる．本加工法では１パルスの電子ビーム照射時間は 2 ～ 3 μ s と非常に短かいため，材料表面での熱拡散の影響が少なく，材料内部への電子ビームの侵入もほとんどないと考えられるため，材料の溶融・蒸発除去が極表面のみで行われていると推測される．
次に，照射に伴う表面の除去量について検討を行った．
ここでは，照射面半分を薄いステンレス板で覆い，照射図6後の断面形状を測定することで，電子ビーム照射によるエネルギー密度による表面粗さと光沢度の変化除去量を計測した．これまでの最適条件で照射を行った場合の結果を図 8 に示す．照射領域と非照射領域の境界

4．表面平滑化メカニズム
照射断面の観察を行い，本加工法における平滑化のメカニズムについて考察を行った．図 7 の写真は，左から放電には大きな盛り上がりが形成されているが，これはステ加工面，放電加工面に電子ビームを照射した面，および研と非照射面の表面の位置をみると，照射面では粗さが向削面に電子ビームを照射した面である．照射前の放電加工上するとともに，約１μ m が均一に除去されていること

面を見ると再凝固層（白層）が形成されている．これに対が確認できる．多少照射エネルギー密度の大きい条件でし，電子ビーム照射後にはその白層の厚さが数ミクロン減も数μ m の厚さが均一に除去されるものと推測される．

図7ンレス板を設けていた影響によると考えられる．照射面断面観察結果-38-すると，傾斜角θが小さい 45°以下では，予測値とほぼ一致しており，1 μ mRz 以下の粗さが得られている．注
目すべきはそれ以上の傾斜角の場合である．この場合予測値よりもかなり小さい粗さを達成できており，75°までほぼ 1 μ mRz の値が得られた．さらに，90°の場合では原理的には平滑化されないと考えられるが，実際にはその値が半分程度に改善されている．実用を考慮した場
合，サイズが小さく，極端に大きい傾斜をもたない金型
図8

表面除去厚さにおいては，試料の位置や傾きを全く調整することなく従来の手磨きによる金型加工面の研磨仕上げでは，研磨一括して平滑化が可能なことを示しており，有用な特性箇所による除去量の差が避けられず，場合によっては形であるといえる．

状精度の悪化を招くが，本手法においては，予めその除去量を把握しておけば，形状精度をほとんど悪化させる

6．耐食性の向上ことなく，平滑化が行えることになる．

図 11 は電子ビーム照射試料と未照射試料を約１年間放置しておいたものである．中央の丸い部分が放電加工面，5．傾斜面の平滑化特性その周囲が研削面である．未照射の場合，研削面には至る

これまでは電子ビーム照射方向に対して垂直な放電加ところに錆が発生しており，またもともと耐食性に優れて工について主に検討を行ってきたが，実際の金型への適いる放電加工面においてもミクロの錆の発生が見られる．

用を考慮した場合，傾斜した面に対しての検討が必要でこれに対し電子ビーム照射試料においては，錆の発生は確ある．そこで，傾斜面への照射における平滑化特性を調認できず，放電加工面，研削面ともに，光沢のある表面をべたるために照射面の傾斜角θを変化させて照射後の表面粗さを計測した．図 9 に示すように，傾斜角θの面に維持している．このことから表面の組織変化によって電子与えられるエネルギー密度 Ed は，もとのビームのエネ

そこで，電気化学測定システムを用いて電子ビーム照ルギー密度を Ed0 とすると，Ed= Ed0・cos θで与えら射面の耐食性の定量的な評価を行った．参照電極を銀れる．照射条件はこれまで良好な平滑化が可能であった/ 塩化銀電極，対向電極を白金とし，ポテンショスタット

Ed0=7.3J/cm2，N=30shots とした．
図 10 に結果を示す．図中破線で示す曲線は図５の垂直により１mV/s の電圧掃引速度のもとで，自然電位から最な照射面に対する表面粗さのエネルギー密度依存性から行った．電解液に 3%NaCl 水溶液を用いている．測定試

予測される表面粗さの結果を示している．実験値と比較

料は，SKD11 放電加工面，それに電子ビーム照射を行った面，ならびに研削面である．図 12 にその結果を示す．

ビーム照射面は高い耐食性を示すことがわかる．

高 1V まで電圧を変化させ，アノード分極電流の測定を

図 11
図9

傾斜面への大面積電子ビーム照射

図 10

傾斜面にビーム照射後の加工面粗さ

大気中に 1 年放置した電子ビーム照射サンプル

図 12-39-

アノード分極電解電流密度が起こり，それが耐食性を向上させるものと考えられる．

図より明らかなように，同じ電位で比較すると，電子ビーム照射面が電解電流密度の値が最も小さく，次いで放電加工面，研削面の順となっている．すなわち，本大面積8．金型への適用例

電子ビーム照射により平滑化とともに耐食性も大幅に向図 15 および図 16 は金型サンプルに対して大面積パルス上させることができることが明らかとなった．また撥水電子ビーム照射を行った場合の照射前後の写真である．前性も向上することを明らかにしている．このような特徴者においては照射条件をエネルギー密度 Ed=7.3J/cm2，照は金型の精度維持，保管にとって大きな利点となる．

射回数 N=30 回とし，ワーク材質は SKD61 である．後者
では，照射回数 50 回とした．ワーク材質は NAK80 である．

大面積電子ビーム照射により表面組織・構造が変化していずれにおいても照射後表面粗さは 2 ～ 3 μ m 以下に減少していた．また，図 17 に示すサンプルはサイズが 20 ×いることが予測され，それが前述の耐食性の向上をもたら50mm で表面の高低差 7mm，山のピッチ 27mm の超硬合したと考えられる．そこで電子ビーム照射面の観察・分析を行った．TEM による最表面の断面観察結果を図 13 に示金に対して大面積電子ビーム照射を行った例である．近年

す．写真中表面に見られる白い層は FIB による試料断面出が一部可能となっているが，超硬合金に対しては，未だそしの際に表面保護用に蒸着したカーボン層であり，この層のような加工は実現できていない．超硬合金の金型としての下側が EB 照射面となっている．断面写真を比較すると，の需要が高まる中で，本大面積電子ビーム照射による表面大面積電子ビーム照射を行うことにより結晶粒が微細化し仕上げが大いに期待できる．

7．表面の組織変化は放電加工でも特殊な放電条件のもとで金型の鏡面仕上げていることが確認できる．
また，図 14 は表面から約 6nm の点での EDX 分析結果である．照射前の結果と比較すると，照射後の試料ではCr と O のピークが少し高くなっていることが確認できる．このことから，大面積電子ビーム照射を行うことにより，試料表面では耐食性の高い Cr，あるいは Cr 酸化物の割合が増加しているといえる．
以上のことから大面積電子ビーム照射された SKD11 表面では，Cr および Cr 酸化物の増加，さらに結晶の微細化

図 13

図 14

図 15電子ビーム照射金型サンプル１

図 16電子ビーム照射金型サンプル２

図 17電子ビーム照射金型サンプル３

EB 照射前後の表面の TEM 観察像

EB 照射前後の表面の EDX 分析結果

-40-

さらに， 図 18 に示すサンプルは，130 × 190mm の大なく，大面積を一括して均一に平滑化できる．

きいサイズの SKD11 金型に対しての加工例である．照射（５）大面積電子ビーム照射による表面除去量は，一回の条件をエネルギー密度 Ed=7.3J/cm2，照射回数 N=30 回と照射での除去量は数十 nm レベルであり，大面積がし，ビームを走査しながら照射を行った．ビームの境界均一に除去される．したがって金型の表面形状精度やオーバーラップによる形跡は全く見られず，前面が均が悪化することなく，表面処理が行える．

一に光沢を帯びていることが分かる．

謝辞

本研究は，天田金属加工機械技術振興財団の研究開発助成（AF-2003014）のもとで行なわれました．ここに深く感謝いたします．

参考文献
1)

G.A.Mesyats, Explosive Electron Emission, URO-Press,(1998).

2)

P,Raharjo et.al.: Pulsed Electron Beam Technology for
Surface Modification of Dental Materials, Proc. of 6thInternational Conference on Modification of Materials

図 18

電子ビーム照射金型サンプル４

with Particle Beams and Plasma Flows, (2002) 679-682.
3)

9．結

岡田 晃ら : 大面積電子ビームによる金型加工面の高能率仕上げに関する研究（第 1 報）精密工学会誌，論69, 10 (2003) 1464-1468.

本研究では，大面積電子ビーム照射による新たな金型4)の仕上げ法を提案し，表面の平滑化に加え表面改質を同岡田 晃ら : 大面積電子ビームによる金型加工面の高能率仕上げに関する研究（第 2 報）精密工学会誌，時に行なう高能率表面処理法を確立するために，照射条71, 11 (2005) 1399-1403.

件と平滑化特性の相関，平滑化メカニズムの解明，照射面の組織変化，撥水性や耐食性などの表面特性の評価，

5)

A.Okada et.al.: High Efficiency Finishing Process forMetal Mold by Large-area Electron Beam Irradiation,傾斜面の平滑化等について体系的に検討を行った．

Precision Engineering,Vol.29, No.4, (2005) 449-455.

本研究で得られた結論は以下の通りである．
6)（１）大面積電子ビームのエネルギー密度が大きいほうがD.I.Proskurovsky, et.al.：Use of Low-energy, High-平滑化の効果が高い．また照射回数の増加とともに

current Electron Beams for Surface Treatment of

照射面の粗さは減少する．

Materials, Surface and Coating Technology, 96, 1 (1997)
117-122.

（２）大面積電子ビーム照射面にはごく薄い再凝固層が形7)成され，結晶粒の小さい組織へと変化する .

D.I.Proskurovsky, et.al.：Physical Foundations for（３）大面積電子ビーム照射によって撥水性，耐食性が向Surface Treatment of Materials with Low Energy, High上する．すなわち , 金型の表面特性として必要とされCurrent Electron Beams, Surface and Coating Technology,
125, 1-3 (2000) 49-56.

る耐食性や撥水性の改善を表面の平滑化と同時に行8)えるため，有用な表面処理法であることが示された．

Y.Uno, A.Okada, K.Uemura, P.Raharjo, S.Sano, Y.Zhanbo（４）傾斜面に対して大面積電子ビーム照射を行った場

and S.Mishima : A New Polishing Method of Metal Mold

合，試料表面の形状に倣ってある程度均一なエネル

with Large-area Electron Beam Irradiation, Materials

ギー密度で照射されるため，試料の傾きなどの調整

Processing Technology No.187-188(2007) 77-80.

-41-