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最新のトライボロジーと金型・成形分野への応用展開〔事例 8〕「タフラット処理」の特徴とプレス・鍛造金型への適用効果㈱オカノブラスト

岡野俊之＊

近年、プレス・鍛造加工においては、高張力鋼板やを行っている。この手法では、金属の表面近傍に高いアルミ合金など難成形材の利用増加をはじめ、加工部圧縮残留応力を付与し、ナノ結晶・微細結晶層を有す品の高精度化、高品質化、形状の複雑化で金型の使用る加工硬化層が得られる。また、表面の凹凸形状を高環境はますます厳しくなっている。また、モノづくり精度に制御し自在に選択できるという優れた特徴があのグローバル化や競争力強化に伴い、コスト低減も強る。金型への適用事例としては、プレス・鍛造金型やく要求されている。そのため、金型寿命を向上させる

ダイカスト金型の寿命延長、樹脂・ゴム金型の離型性技術開発ニーズは非常に高い。なかでもコーティング改善、コーティング皮膜の密着性向上などがあり、そ業界では、現在も新しい膜種が多数開発されており、れぞれ多数採用され実績を上げている。

要求特性に合わせた選定で金型の高機能化に貢献してそこで、本稿ではタフラット処理の概要と主な効果や特徴を解説し、プレス・鍛造金型とダイカスト金型いる。
このような背景のもと、当社でもショットピーニン
グの一種である WPC 処理と精密ラッピング（鏡面仕上げ）を複合させた表面改質技術「タフラット処理」における適用事例について紹介する。

タフラット処理の概要
タフラット処理は、第 1 工程の WPC 処理と第 2＊Toshiyuki Okano：専務取締役〒599−8247 堺市中区東山 648
TEL（072）234−0999

工程の精密ラッピングを複合させた表面改質技術であ

第 1 工程WPC 処理理は、20〜200μm の球形粒子を高速衝突させて熱処る。図 1 に処理模式図を示す。第 1 工程の WPC 処

第 2 工程精密ラッピング
微粒子

理および鍛錬効果により金型表面を強化する工程であ弾性研磨材る。第 2 工程の精密ラッピングは、0．
1〜0．
8 mm の弾性研磨材を基材表面に滑走させ、微小切削により所定の表面粗さに仕上げるための工程である。第 1 および第 2 工程ともに、被加工材の硬さ、加工履歴、表面粗さや形状を十分に考慮し、使用する研磨材の材高強度な表面に改質

表面粗さを自在に制御

質や粒径、投射速度など、加工条件を精細に選定して施工することが非常に重要である。

タフラット処理の効果
1．高い圧縮残留応力の付与
図 1 タフラット処理工程の模式図

０５０

第 1 工程の WPC 処理では、球形粒子を基材に高特集最新のトライボロジーと金型・成形分野への応用展開速衝突させることで、表面は複雑かつ大きく塑性変形

加工硬化層は表面から 30μm 程度であるため、靱性して伸びようとする。しかし、下地に拘束されて十分を損なうことなく優れた耐摩耗性・疲労特性の向上にに伸びることができない。そのため、表層には高い圧貢献できる。
3．滑らかな微小ディンプルの形成

縮残留応力が発生する。
ここで、一般的に使用されている金型材 SKH51 お

一般に、研削や研磨で仕上げた金型表面には砥石やよび SKD11 の熱処理品と各熱処理品にタフラット処ペーパーによる条痕が直線状となる。一方、タフラッ理を施工した残留応力分布を図 2 に示す。このグラト処理では、第 1 工程の WPC 処理と第 2 工程の精フに示されたとおり、熱処理品はともに表層から内部密ラッピングにより滑らかな凹凸形状が得られる。こにわたり−100 MPa 程度の残留応力分布であるのにの形成された滑らかな微小ディンプルは、要求される

対し、タフラット処理品は、表層に−1，300 MPa 以特性に応じておおよそ円弧径 0．
5〜20μm および深さ上と非常に高いピーク値をもつ残留応力分布が得られ0．
1〜5．
0μm の範囲で高精度に制御できる。ている。表面近傍に付与された高い圧縮残留応力は、ここで、金型材 SKD11 の熱処理後に研磨した表面クラックの発生と進展を抑制できるため、破断に至ると同材料にタフラット処理を施工した表面の走査電子までの疲労強度を大きく改善し、金型の寿命向上を実顕微鏡（SEM）観察像を図 5 に示す。金型の摺動面に現することができる。

おいて、同図（a）の直線状の条痕と比較して、同図（b）

2．結晶粒微細化と表面硬さの上昇に示す滑らかな微小ディンプル形状は、介在している

WPC 処理は、100〜200 m/s 以上の微粒子高速衝潤滑剤や離型剤の保持性能が非常に高いため、油膜切突が実現できるため、基材表層部には、急速加熱・急速冷却による熱処理と鍛錬作用が繰り返し行われる。
そのため、基材表層部では、転位の増殖をはじめ、残留オーステナイトのマルテンサイト化や金属組織の微細化で加工硬化が生じる。同時に、疲労寿命を低下させる基材表面の加工変質層や点在する微細クラックも除去することができると言われている。
図 3、図 4 に金型材 SKD11 の熱処理品および熱処理品にタフラット処理を施工した各試料断面の結晶解析（EBSD）観察像とビッカース硬さ分布を示す。図3 のタフラット処理された EBSD 観察像では、表層にナノ結晶層および微細結晶層が生成されている。また、図 4 のビッカース硬さ分布においては、タフラット処理品の表面は 1，200 HV と熱処理品 740 HV

熱処理品と比較して 1．
5 倍以上の硬さが得られている。この

図 3 SKD11 の表層断面 EBSD 観察像
1,200−400
SKH51 熱処理品
SKH51 タフラット処理品
SKD11 熱処理品
SKD11 タフラット処理品−800−1,200020406080

表面からの深さ（μm）

図 2 SKH51 と SKD11 の残留応力分布100

ビッカース硬さ（HV）

残留応力（MPa）

0−1,600

タフラット処理品

SKD11 熱処理品

1,100SKD11 タフラット処理品

1,000900800700020406080
表面からの深さ（μm）

100

図 4 SKD11 の断面のビッカース硬さ分布型技術

第 ３４ 巻 第 ４ 号 ２０１９ 年 ４ 月号

０５１

（a）研磨品（b）タフラット処理 A（c）タフラット処理 B

図 5 SKD11 の表面 SEM 観察像

れによる焼付きの抑制や潤滑性・離型性など、トライ③ 窒化・浸炭処理のような拡散浸透法や各種コーボロジー特性に優れた表面性状を得ることができる。

ティングとの複合処理で、さらなる耐摩耗性・耐また、別条件で施工した同図（c）に示す凸部のない平久性・トライボロジー特性の向上を図ることがで滑なタフラット処理表面は、ドライおよびセミドライきる。

加工やコーティングの剥離抑制に有効な下地として活④ コーティングやめっきとは異なり、皮膜を形成しない表面改質技術であることから、剥離による用されている。

タフラット処理の特徴
タフラット処理は、第 1 および第 2 工程で使用する研磨材の材質や粒径、投射速度・投射量などの加工トラブルや性能低下がなく、長期間にわたり安定した効果が得られる。
⑤ マスキングが容易であるため、必要な個所のみへの施工も簡単に対応できる。

条件を自在に選定することができる。そのため、下記適用事例のような多数の優れた特徴がある。
① 超硬合金、マトリックスハイス、高速度工具鋼

1．プレスパンチや冷間・熱間工具鋼など、金型で使用される高硬プレスパンチの寿命向上には、刃先や微細形状部の度材料をはじめ、アルミ合金やチタン、インコネチッピング抑制、耐摩耗性やトライボロジー特性の改ルなど、幅広い材質に適用できる。

善が求められる。

② 寸法や形状変化がほとんどなく、微細・複雑形

図 6 にパーツフォーマ用プレスパンチ（材質 SKH状部、細孔内径部、トリム型や切削工具にある刃51、熱処理品 62 HRC）と同材料にタフラット処理を先のようなエッジ部にも施工できる。

施工したプレスパンチの寿命ショット数比較を示す。
熱処理品は、おおよそ 18，000 回で刃先折損やパンチ80,000端面に摩耗が発生していたのに対し、タフラット処理品は 4 倍以上の 75，000 回以上のショット数を実現しショット数

60,000ている。これは、熱処理品と比較して、タフラット処
理品は、プレスパンチ表面に非常に高い圧縮残留応力40,000と均一なナノ結晶・微細結晶層が生成されて刃先折損やチッピングを抑制できていること、加工硬化により20,000表面硬さが上昇して耐摩耗性を向上させていること、
さらには、摺動部に滑らかな微小ディンプルが形成さ0
熱処理品

タフラット処理品

図 6 プレスパンチの寿命ショット数比較結果

０５２

れて潤滑性向上によるトライボロジー特性の改善や焼付きを抑制できていることが主要因としてあげられる。

特集

最新のトライボロジーと金型・成形分野への応用展開

120,000

160,000
熱処理品
タフラット処理品
ショット数

ショット数

120,000
80,00040,00080,00040,00000
熱処理品

タフラット処理品

図 7 冷間鍛造金型の寿命ショット数比較結果

ダイカスト金型

ダイカストピン図 8 ダイカスト金型とダイカストピンの寿命ショット数比較結果

2．冷間鍛造金型
冷間鍛造金型の寿命向上には、プレスパンチ同様に、 れた均一なナノ結晶・微細結晶層でヒートクラックの形状部のチッピング抑制、疲労強度向上、耐摩耗性向発生と進展を抑制できているためと考えられる。また、上、トライボロジー特性の改善などが求められる。

表面に形成された滑らかな微小ディンプルは、湯流

図 7 にトランスミッション部品であるスプライン

れ・湯回り性や離型剤の保持性能を向上させることが付中空シャフト用冷間鍛造金型（材質 SKD11、熱処できるため、不良率低減による生産性向上も合わせて理品 60 HRC）と同材料にタフラット処理を施工した実現することができる。

金型の寿命ショット数比較を示す。熱処理品は、微細さらに、タフラット処理とコーティングを施工した形状部の初期チッピングや平均 2 万回程度で割れやダイカストピンでは、熱処理品と比較して 3 倍以上摺動部の焼付きが発生していたのに対し、タフラットの寿命を実現している。これは、コーティングによる処理品は、5 倍以上の平均 11 万回のショット数を実耐溶損性の改善効果が主な要因である。タフラット処現している。これは、WPC 処理の効果と第 2 工程の理は、高い圧縮残留応力と高硬度を有する改質層が得

精密ラッピングで図 （5 c）に示した凸部のない平滑化られるため、コーティング皮膜の密着性や追従性の向によるトライボロジー特性の改善との相乗効果による上で長期間にわたり安定した効果に貢献している。

ものである。
3．ダイカスト金型☆

ダイカスト金型やダイカストピンの寿命向上には、

タフラット処理は、金属基材表面の高強度化と形成熱影響により発生するヒートクラックの抑制や耐溶損する凹凸構造を自由に制御できる表面改質技術である。

性の改善が効果的である。また、生産性向上には、鋳そのため、本稿で紹介した適用事例だけでなく、プラ造時の湯流れ性を改善し、湯じわ、剥がれ、ひけ巣なスチック・ゴム成形分野をはじめ、最近では医療・食どの不良率低減が有効である。

品分野などでも多数利用されており、その応用範囲は

図 8 に高融点アルミ合金用ダイカスト金型とダイ無限の可能性を秘めている。当社では、このような幅カストピンの寿命ショット数の比較結果を重ねて示す。 広い顧客ニーズに貢献できるよう、今後も技術の開材質は両者ともに SKD61、表面硬さ 900 HV の窒化処理品である。ダイカスト金型にはタフラット処理を、ダイカストピンにはタフラット処理後にコーティングを施工している。ダイカスト金型において、熱処理品は 58，000 回程度でヒートクラックが進展し欠けや割れが発生していたのに対し、タフラット処理品は 2倍以上の約 12 万回の寿命が得られている。これは、発・高度化に努めていく。
参 考 文 献
１）不二機販技術資料：精密ショットピーニング
２）加賀谷忠治：微粒子ピーニング（FPB）の開発動向と展望、精密工学会誌、Vol. 72、No. 9（2006）、pp．
1067−1070
３）江上登：FPB 処理による疲労特性の改善、精密工学会誌、Vol. 72、No. 9（2006）、pp. 1071−1074

金型表層部に付与された高い圧縮残留応力と、生成さ型技術

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