JP7635579B2 - 表面処理方法及び表面処理システム - Google Patents

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Description

本開示は、表面処理方法及び表面処理装置に関する。
特許文献１は、電子ビームの照射によって金型表面を平滑にする表面処理方法を開示する。
特開２００４－１０８６号公報
特許文献１の方法では、電子ビームによりワークの表面が溶融することでワークの表面が平滑化されると考えられる。このため、ワークの表面状態を電子ビームによって溶融しやすい形状に制御することができれば、ワークの粗さを効率良く除去できる可能性がある。本開示は、電子ビームの照射によってワークを効率良く平滑にできる技術を提供する。
本発明者は、ブラスト加工が溶融とは異なる原理で表面状態を制御できる点に着目し、電子ビームを照射する前にブラスト加工を行うと、電子ビームの照射のみを行った場合と比較して、ワークの表面粗さの低減率（電子ビーム照射前後でのワークの粗さの減少割合）が大きくなることを見出した。
すなわち、本開示の一側面に係る表面処理方法は、ワークの表面にブラスト加工を行うブラスト加工工程と、ワークのブラスト加工済の表面に電子ビームを照射する電子ビーム照射工程とを備える。この表面処理方法によれば、電子ビームの照射のみを行った場合と比較してワークの表面粗さの低減率が大きくなるため、電子ビームの照射によってワークを効率良く平滑にできる。
一実施形態においては、ワークは金属粉末の焼結品であってもよい。一実施形態においては、ワークは積層造形品であってもよい。焼結品又は積層造形品の表面は、粗さが比較的大きくなる傾向にある。この表面処理方法は、焼結品又は積層造形品の表面であっても効率良く平坦にできる。
一実施形態においては、ワークのブラスト加工済の表面は、粗さ曲線要素の平均長さが７７０．８０μｍ未満であってもよい。この場合、表面処理方法は、ワークの表面粗さの低減率を２０％以上とすることができる。
本実施形態の他の側面に係る表面処理システムは、ワークにブラスト加工を行うブラスト加工装置と、ワークに電子ビームを照射する電子ビーム照射装置と、ブラスト加工装置及び電子ビーム照射装置を制御する制御部とを備える。そして、制御部は、ブラスト加工装置を制御してワークの表面にブラスト加工を行わせ、また、電子ビーム照射装置を制御してブラスト加工済のワークの表面に電子ビームを照射させる。この表面処理システムは、上述した表面処理装置と同様に、電子ビームの照射のみを行った場合と比較して、電子ビームの照射によってワークを効率良く平滑にできる。
本開示によれば、電子ビームの照射によってワークを効率良く平滑にできる。
実施形態に係る表面処理方法の一例を示すフローチャートである。 ブラスト加工装置の一例を示す概要図である。 電子ビーム照射装置の一例を示す概要図である。 実施形態に係る表面処理システムの一例を示すブロック図である。 ワークに対して行う電子ビームの照射の一例である。 表面粗さの評価結果を示す表である。 ＲＳｍ（粗さ曲線要素の平均長さ）とＲｚ（最大高さ粗さ）低減率との相関を示す散布図である。 電子ビーム照射の前後のワークの断面観察結果である。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。「上」「下」「左」「右」の語は、図示する状態に基づくものであり、便宜的なものである。
［表面処理方法］
図１は、実施形態に係る表面処理方法の一例を示すフローチャートである。図１に示す表面処理方法は、ワークの表面を平滑化する方法である。ワークは、表面処理が行われる対象物である。ワークは、例えば、鉄、アルミニウム、チタニウム、ステンレス、銅合金又は炭素鋼などの金属によって形成される。ワークは、金属粉末の焼結品であってもよい。焼結品は、金属粉末を粉末冶金によって焼結することで製造される。ワークは、積層造形品であってもよい。積層造形品は、金属粉末にレーザ光を繰り返し照射して製造される。ワークは、鋳造品であってもよい。切削加工品であってもよい。ワークは、鍛造品であってもよい。
図１に示されるように、表面処理方法は、ブラスト加工工程（ステップＳ１０）及び電子ビーム照射工程（ステップＳ２０）を備える。ブラスト加工工程は、ブラスト加工装置によって行われる。電子ビーム照射工程は、電子ビーム照射装置によって行われる。最初に、各工程において使用される装置例の概要を説明する。
［ブラスト加工装置］
図２は、ブラスト加工装置の一例を示す概要図である。ブラスト加工は、研磨材を投射することでワークの表面を研削する加工方法である。研磨材の材質は、金属（例えば、鉄、亜鉛、ステンレス）、セラミック（例えば、アルミナ、炭化ケイ素、ジルコン）、ガラス、樹脂（例えば、ナイロン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂）、植物由来物（例えば、くるみ、ピーチ）など種々の材質から選択される。研磨材の形状は、球状、多角形状、円柱状など種々の形状から選択される。例えば、金属の粒子の場合、ショットと呼ばれる球状粒子、グリッドと呼ばれる、鋭角部を有する多角形状粒子、カットワイヤと呼ばれる、円柱形状または円柱形状の角部を丸くした粒子、を選択できる。
図２に示されるブラスト加工装置１０は、直圧式（加圧式）のブラスト加工装置１０である。図２に示されるように、ブラスト加工装置１０は、貯留容器２０及びノズル３０を含む。貯留容器２０は、内部に研磨材を貯留する空間を画成し、研磨材を貯留する。貯留容器２０には、外部から研磨材が供給される。例えば、作業者が貯留容器２０に研磨材を供給してもよい。貯留容器２０は、ブラスト加工に使用した研磨材の一部を再使用してもよい。この場合、貯留容器２０は、後述する分級機構１４からブラスト加工に使用した研磨材を供給される。貯留容器２０は、定量供給部２１及び配管１３を介してノズル３０に接続される。定量供給部２１は、貯留容器２０に貯留された研磨材を配管１３へ送り出す装置であり、一例としてスクリューフィーダである。
配管１３には、気体を供給する気体供給源１２が接続される。気体供給源１２は、例えば、中圧力（一例として０．１ＭＰａ～０．６ＭＰａ）の気体を供給するコンプレッサ又はガスボンベ、低圧力（一例として０．０１ＭＰａ～０．１ＭＰａ）の気体を供給するファン又はブロアなどの送風機などがある。本実施形態では、コンプレッサによって圧縮空気を供給する。気体供給源１２から配管１３に供給された気体は、定量供給部２１によって送り出された研磨材をノズル３０へと搬送する。
ノズル３０は、貯留容器２０から供給された研磨材を気体と共に噴射する。ノズル３０は、処理室３１内に収容され、配管１３を介して、貯留容器２０から供給された研磨材と気体とが混合した固気二相流が供給される。ノズル３０は、処理室３１内に配置されたワークＷに向けて、研磨材を気体と共に噴射する。これにより、ワークＷにブラスト加工が行われる。ワークＷはテーブル（不図示）に支持され、テーブル駆動機構によって位置が調整されてもよい。
処理室３１の下部は、分級機構１４を介して貯留容器２０に接続される。処理室３１の下部に落下した研磨材及びワークＷの切粉は、集塵機（不図示）に吸引されて分級機構１４を通過する。分級機構１４は、再使用可能な研磨材とその他の微粉（砕けた研磨材及びワークＷの切粉など）とに分級する。その他の微粉は集塵機に回収される。分級機構１４の下部は、貯留容器２０の上部に接続される。再使用可能な研磨材は、分級機構１４から貯留容器２０へ供給される。研磨材を再使用しない場合、ブラスト加工装置１０は、分級機構１４を備えなくてもよい。
ブラスト加工装置１０は、制御装置１１によって制御される。制御装置１１は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）として構成される。制御装置１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（RandomAccess Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリと、タッチパネル、マウス、キーボード、ディスプレイなどの入出力装置と、ネットワークカードなどの通信装置とを含むコンピュータシステムとして構成されてもよい。制御装置１１は、メモリに記憶されているコンピュータプログラムに基づくプロセッサの制御のもとで各ハードウェアを動作させることにより、制御装置１１の機能を実現する。
［電子ビーム照射装置の構成］
図３は、電子ビーム照射装置の一例を示す概要図である。図３に示される電子ビーム照射装置４０は、電子ビームＥＢをワークＷに照射して、ワークＷの表面処理を行う装置である。図３に示されるように、電子ビーム照射装置４０は、真空チャンバ４１、カソード５０、アノード５１、一対のソレノイド６０、及びステージ７０を含む。
真空チャンバ４１は、電子ビームＥＢが照射されるワークＷ及び電子ビームＥＢの発生源を内部に格納する。電子ビームが照射されるワークＷは、真空チャンバ４１内のステージ７０に載置される。電子ビームＥＢの発生源であるカソード５０は、ステージ７０と対向するように真空チャンバ４１の内部に配置される。ステージ７０とカソード５０との間には、環状のアノード５１が配置される。ステージ７０、カソード５０及びアノード５１は、真空チャンバ４１の内部において、一軸上に並ぶように配置される。一対のソレノイド６０それぞれは、環状の部材である。第１のソレノイドがカソード５０を囲むように真空チャンバ４１の外部に配置され、第２のソレノイドがアノード５１を囲うように真空チャンバ４１の外部に配置される。
真空チャンバ４１には、ロータリーポンプ及びターボポンプなどの真空ポンプ（不図示）が接続される。真空チャンバ４１は、電子ビームＥＢの照射を行う際には予め真空引きされる。真空引きされた真空チャンバ４１に、外部からＡｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスが導入され、真空チャンバ４１内は、５～１５×１０－２Ｐａ程度の不活性ガス雰囲気に保たれる。
真空チャンバ４１内に格納されるカソード５０及びアノード５１には、パルス電圧を印加する電源（不図示）が接続される。ソレノイド６０には、カソード５０及びアノード５１に接続される電源とは別の電源（不図示）が接続される。
ソレノイド６０に電圧が印加されると、ソレノイド６０は、真空チャンバ４１の内部のアノード５１近傍に磁場を発生させる。アノード５１近傍に発生した磁場が最大になるとき、アノード５１にパルス電圧が印加される。電圧が印加されたアノード５１に向かって、真空チャンバ４１内の電子は移動する。この時、ソレノイド６０によってアノード５１近傍には磁場が発生しているため、電子は、ローレンツ力によって螺旋を描きながら移動する。この電子は、ガス分子との衝突を繰り返し、電子と衝突したガス分子は、陽イオンと電子に電離する。陽イオン及び電子は、ガスとさらに衝突を繰り返し、それぞれカソード５０及びアノード５１の近傍に、プラズマが形成される。
アノード５１近傍に形成されたプラズマが最大になるとき、カソード５０へパルス電圧が印加される。このとき、カソード５０とカソード５０近傍のプラズマとの間の電位差は最大になる。これにより、カソード５０から放出された電子は、カソード５０及びカソード５０近傍のプラズマが発生する電場によって、アノード５１の方向へ加速して、電子ビームＥＢを生成する。電子ビームＥＢは、環状のアノード５１を通過して、ステージ７０に載置されたワークＷに照射される。
以下、再び図１を参照し、表面処理方法について説明する。最初にブラスト加工工程（ステップＳ１０）として、ブラスト加工装置１０によってワークの表面に対してブラスト加工が行われる。これにより、ワーク表面が物理的に切削される。
次に、電子ビーム照射工程（ステップＳ２０）として、電子ビーム照射装置４０によって、ワークのブラスト加工済の表面に電子ビームが照射される。ワークの表面の微小な凹凸は、電子ビームの照射によって溶融され、平滑にされる。具体的には、微小な凸部が電子ビームによって溶融され、溶融された金属が微小な凹部に流入することで、ワークの表面は平滑にされる。
［表面処理システム］
図１に示される表面処理方法は、表面処理システムにより実行されてもよい。図４は、実施形態に係る表面処理システムの一例を示すブロック図である。図４に示されるように、表面処理システム９０は、ブラスト加工装置１０、電子ビーム照射装置４０及び制御部８０を備える。制御部８０は、一例としてＰＬＣとして構成され、ブラスト加工装置１０及び電子ビーム照射装置４０と通信可能に接続される。制御部８０は、上述したコンピュータシステムとして構成されてもよい。制御部８０は、ブラスト加工装置１０及び電子ビーム照射装置４０を制御する。ブラスト加工装置１０は、制御部８０の制御によってワークＷにブラスト加工を行い、電子ビーム照射装置４０は、制御部８０の制御によってブラスト加工が行われたワークＷに電子ビームの照射を行う。このように、表面処理システム９０は、ブラスト加工装置１０及び電子ビーム照射装置４０それぞれを制御し、図１に示される表面処理方法を実行できる。
［実施形態のまとめ］
本実施形態に係る表面処理方法では、ワークＷのブラスト加工済の表面に電子ビームが照射される。ワークＷのブラスト加工済の表面は、１００μｍ以上の凹凸が物理的に切削される。１００μｍ以上の凹凸は、１００μｍ未満の凹凸と比べて電子ビームの照射による溶融速度が遅くなる傾向にある。このため、ワークＷのブラスト加工済の表面は、電子ビームによって溶融しやすい形状を有するといえる。つまり、本実施形態に係る表面処理方法は、ブラスト加工を行うことで、ワークＷの表面を電子ビームによって溶融しやすい形状に制御できる。これにより、電子ビームの照射のみを行った場合と比較して、ワークの表面粗さの低減率が大きくなる。よって、本実施形態に係る表面処理方法は、電子ビームの照射によってワークを効率良く平滑にできる。
また、本実施形態に係る表面処理方法は、表面粗さが比較的高い焼結品又は積層造形品をワークＷとする場合であっても、電子ビームの照射のみを行った場合と比較して電子ビーム照射工程の時間を短縮できる。さらに、本実施形態に係る表面処理方法は、ブラスト加工によってワークＷの表面に形成された欠陥を電子ビームによって除去することもできる。
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記の例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。例えば、ブラスト加工装置１０は、直圧式（加圧式）のブラスト加工装置に限定されず、重力式（吸引式）のエアブラスト装置又は遠心式のブラスト装置でもよい。
以下、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例について説明する。本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
［ワークの作製］
ワークＷとして、一辺が５０ｍｍの略立方体の積層造形品を用意した。ワークＷは、Ａｒｃａｍ社製の金属粉末Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ ＥＬＩ ｐｏｗｄｅｒを積層造形して得た。積層造形は、Ａｒｃａｍ社製の積層造形装置Ａｒｃａｍ Ａ２Ｘを用いた。同一のワークＷを１６個用意した。
次に、１６個のワークＷのうち１５個のワークＷに対して、図２に示されるブラスト加工装置１０を用いて、それぞれ設定されたブラスト条件でブラスト加工を行った。ブラスト条件は、投射材の種類が鉄鋼グリッド又は鉄鋼ショット、投射材の硬さの下限値が４５０ＨＶ～８００ＨＶ、粒度が０．２ｍｍ～２．５ｍｍとした。これにより、ブラスト加工済の１５個のワークＷと、ブラスト未処理の１個のワークを得た。
次に、図３に示される電子ビーム照射装置４０を用いて、１６個全てのワークＷの表面に電子ビームＥＢを照射した。図５は、ワークに対して行う電子ビームの照射の一例である。図５に示されるように、電子ビームＥＢの照射前後の表面状態を比較するためにマスク材Ｍを用いた。マスク材Ｍは、２５ｍｍ四方の開口を有する銅製のマスクである。マスク材Ｍで覆われた状態のワークＷに電子ビームＥＢを照射した。電子ビームＥＢの照射条件は、パルス幅を２μｓ、パルス周波数を０．１２５Ｈｚ、エネルギー密度を１５Ｊ／ｃｍ２、パルス照射回数を５０回とした。
［表面粗さの確認］
ブラスト加工済の１５個のワークＷ（実施例）と、ブラスト未処理のワークＷ（比較例）について、電子ビーム照射前後の表面粗さを確認した。表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）に規定される、最大高さ粗さＲｚ（μｍ）及び粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍ（μm）を用いて評価した。最大高さ粗さＲｚ（μｍ）は、ワークＷの表面の粗さ曲線から最も高い点と最も低い点の差分である。粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍ（μm）は、ワークＷの表面の粗さ曲線の基準長さにおける輪郭曲線要素の長さの平均値である。さらに、電子ビームＥＢの照射前後の最大高さ粗さＲｚ（μｍ）を用いて、最大高さ粗さＲｚ低減率（％）を算出した。最大高さ粗さＲｚ低減率（％）は、電子ビームＥＢの照射がワークＷの表面を平滑化する割合であり、以下の数式で算出した。
最大高さ粗さＲｚ低減率（％）＝（１－電子ビームの照射後の最大高さ粗さＲｚ／電子ビームの照射前の最大高さ粗さＲｚ）×１００
表面粗さの評価結果を図６に示す。図６は、表面粗さの評価結果を示す表である。図６に示されるブラスト条件「１」は、ブラスト未処理のワークＷについての表面粗さの評価結果（比較例）である。図６に示されるブラスト条件「２」～「１６」は、ブラスト加工済のワークＷについての表面粗さの評価結果（実施例）である。
ブラスト条件「１」に示されるように、ブラスト未処理のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において１７４．５１μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１３９．７５μｍに低減した（Ｒｚの低減率：２０％）。ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において３６７．３５μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において７５２．６６μｍに増加した。
ブラスト条件「２」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が１．４ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において５３．１９μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において４５．６８μｍに低減した（Ｒｚの低減率：１４％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において１０９１．５５μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１３２２．４８μｍに増加した。
ブラスト条件「３」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．７ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において５４．６６μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において２４．６５μｍに低減した（Ｒｚの低減率：５５％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において３９１．８６μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１２９１．２５μｍに増加した。
ブラスト条件「４」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．７ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において６５．９９μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において２７．９８μｍに低減した（Ｒｚの低減率５８％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において４３３．８９μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１０９８．８２μｍに増加した。
ブラスト条件「５」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が１．０ｍｍの鉄鋼ショットでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において４５．４３μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３４．３６μｍに低減した（Ｒｚの低減率：２４％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において８６０．９９μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１１８０．１８μｍに増加した。
ブラスト条件「６」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が２．５ｍｍの鉄鋼ショットでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において４５．３６μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３２．１９μｍに低減した（Ｒｚの低減率：２９％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において９２２．８８μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において９３７．１８μｍに増加した。
ブラスト条件「７」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が１．４ｍｍの鉄鋼ショットでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において４５．４５μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３５．６７μｍに低減した（Ｒｚの低減率：２２％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において１００９．３４μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において９５６．４３μｍに減少した。
ブラスト条件「８」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が０．６ｍｍの鉄鋼ショットでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において４７．０４μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３８．６２μｍに低減した（Ｒｚの低減率：１８％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において９５９．６９μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１２３４．１２μｍに増加した。
ブラスト条件「９」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が２．５ｍｍの鉄鋼ショットでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において３９．４５μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３５．２９μｍに低減した（Ｒｚの低減率：１１％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において１０２４．４１μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１４００．８９μｍに増加した。
ブラスト条件「１０」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．３ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において４４．０８μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において２７．９１μｍに低減した（Ｒｚの低減率：３７％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において５８２．９３μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１２９８．６７μｍに増加した。
ブラスト条件「１１」においては、ビッカーズ硬さが４５０ＨＶ、粒度が０．７ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において５３．０４μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において２８．４４μｍに低減した（Ｒｚの低減率：４６％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において６１０．６２μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１１１４．４２μｍに増加した。
ブラスト条件「１２」においては、ビッカーズ硬さが６００ＨＶ、粒度が０．７ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において５３．９８μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３７．３５μｍに低減した（Ｒｚの低減率：３１％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において７７０．８０μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１１５４．２１μｍに増加した。
ブラスト条件「１３」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．２ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において６３．０２μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において５１．６１μｍに低減した（Ｒｚの低減率：１８％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において７８１．９４μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１１３６．８６μｍに増加した。
ブラスト条件「１４」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．２ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において３８．１６μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において２４．３１μｍに低減した（Ｒｚの低減率：３６％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において４９６．２７μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１３１１．２８μｍに増加した。
ブラスト条件「１５」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．２ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において４９．５３μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において３８．９５μｍに低減した（Ｒｚの低減率：２１％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において８５２．９９μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１１９５．８５μｍに増加した。
ブラスト条件「１６」においては、ビッカーズ硬さが８００ＨＶより大きく、粒度が０．２ｍｍの鉄鋼グリッドでワークＷをブラスト加工した。ブラスト加工済のワークＷのＲｚは、電子ビームＥＢの照射前において３２．９０μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１６．１８μｍに低減した（Ｒｚの低減率：５１％）。一方、ＲＳｍは、電子ビームＥＢの照射前において２９９．６５μｍであり、電子ビームＥＢの照射後において１２４８．８０μｍに増加した。
図６に示されるように、ブラスト条件「２」～「１６」でブラスト加工済のワークＷは、電子ビームＥＢの照射後のＲｚが１６．１８μｍ～５１．６１μｍの範囲内である。これに対して、電子ビームＥＢの照射のみを行う、ワークＷ（ブラスト加工は未処理）は、電子ビームＥＢの照射後のＲｚが１３９．７５μｍである。よって、ブラスト加工が行われたワークＷの表面に電子ビームＥＢを照射することで、ワークＷの表面をより平滑にできることが確認された。
さらに、図６の結果に基づいて、電子ビームＥＢの照射前のＲＳｍと、電子ビームＥＢの照射によるＲｚの低減率との相関を確認した。図７は、ＲＳｍとＲｚの低減率との相関を示す散布図である。横軸は、電子ビームＥＢの照射前のＲＳｍであり、縦軸は、Ｒｚの低減率である。図７では、ブラスト条件に応じて、ブラスト無し（ブラスト条件「１」）、鉄鋼ショットでのブラスト加工（ブラスト条件「５」～「９」）、鉄鋼グリッドでのブラスト加工後のＲｚが４０μｍ未満（ブラスト条件「９」，「１６」）、鉄鋼グリッドでのブラスト加工後のＲｚが４０μｍ～５０μｍ（ブラスト条件「１０」，「１５」）、鉄鋼グリッドでのブラスト加工後のＲｚが５０μｍ～６０μｍ（ブラスト条件「２」，「３」，「１１」，「１２」）、鉄鋼グリッドでのブラスト加工後のＲｚが６０μｍ以上、の６つに分類してデータを示す。
図７に示されるように、ＲＳｍが小さくなるとＲｚの低減率が上昇する相関関係が確認された。そして、Ｒｚの低減率が２０％以上を実現するためには、ブラスト加工済であり、かつ、Ｒｓｍが７７０．８０μｍ未満という条件を満たす必要があることが確認された。また、ブラスト未処理のワークＷのＲＳｍと同程度のＲＳｍを有するブラスト加工済のワークＷ（ブラスト条件「３」，「４」，「１６」）は、ブラスト未処理のワークＷと比較して、何れも２倍以上のＲｚ低減率となった。このことから、ブラスト加工された表面は、今回評価したＲＳｍ以外のパラメータにおいて、電子ビームによって溶融しやすい形状に制御されている、と推測される。
［表面の断面観察］
図８は、電子ビーム照射の前後のワークの断面観察結果である。図８の（Ａ）～（Ｅ）は、電子ビームＥＢの照射前のワークＷの断面観察結果である。図８の（Ａ）はブラスト未処理のワークＷの観察結果（ブラスト条件「１」）、図８の（Ｂ），（Ｄ）はブラスト加工済のワークＷの観察結果（ブラスト条件「１２」）、図８の（Ｃ），（Ｅ）はブラスト加工済のワークＷの観察結果（ブラスト条件「１６」）である。図８の（Ａ）に示されるように、ブラスト未処理のワークＷでは、１００μｍ以下の微小な凹凸及び１００μｍより大きい凹凸が確認された。これに対して、図８の（Ｂ）～（Ｅ）に示されるように、ブラスト加工済のワークＷでは、１００μｍより大きい凹凸が存在していない。このため、ブラスト加工によって１００μｍより大きい凹凸が除去され、平坦化されていることが確認された。また、図８の（Ｄ），（Ｅ）に示されるように、ブラスト加工済のワークＷの表面には２０μｍ程度のき裂が確認された。
図８の（Ｆ）～（Ｈ）は、電子ビームＥＢの照射が行われた後の断面観察結果である。図８の（Ｆ）は、図８の（Ａ）に係るワークＷに電子ビームＥＢを照射した後の観察結果、図８の（Ｇ）は、図８の（Ｂ），（Ｄ）に係るワークＷに電子ビームＥＢを照射した後の観察結果、図８の（Ｈ）は、図８の（Ｃ），（Ｅ）に係るワークＷに電子ビームＥＢを照射した後の観察結果である。図８の（Ｆ）に示されるように、電子ビームＥＢ照射によって、電子ビームＥＢ照射前に確認された１００μｍ以下の微小な凹凸は除去された。一方、電子ビームＥＢを照射したとしても１００μｍより大きい凹凸は完全に除去されず、残存した。これにより、電子ビームＥＢの照射は、１００μｍより大きい凹凸を効率良く除去できないことが確認された。これに対して、図８の（Ｇ），（Ｈ）に示されるように、ブラスト加工済のワークＷは電子ビーム照射により極めて平坦化された。図８の（Ｂ）～（Ｅ）に示されるようなブラスト加工済の表面は、１００μｍより大きい凹凸が存在しないことから、電子ビームによって溶融しやすい形状を有しているといえることが確認された。
以上より、ブラスト加工は、電子ビームＥＢの照射が除去できない１００μｍより大きい凹凸を除去できること（つまり、電子ビームによって溶融しやすい形状に表面を制御できること）が確認された。このため、ブラスト加工を行った後に電子ビームＥＢの照射を行う表面処理方法は、ワークＷの表面を効率良く平滑にできることが確認された。また、電子ビームＥＢの照射は、ブラスト加工によるき裂を除去できることが確認された。
１０…ブラスト加工装置、４０…電子ビーム照射装置、８０…制御部、９０…表面処理システム、ＥＢ…電子ビーム、Ｗ…ワーク。

Claims (4)

  1. ワークの表面にブラスト加工を行うブラスト加工工程と、
    前記ワークのブラスト加工済の前記表面に電子ビームを照射する電子ビーム照射工程と、
    を備え、
    前記ワークは金属粉末の焼結品であり、かつ、積層造形品であり、
    前記ワークのブラスト加工済の前記表面は、１００μｍ以上の凹凸が物理的に切削され、かつ、粗さ曲線要素の平均長さが７７０．８０μｍ未満である、
    表面処理方法。
  2. 前記電子ビーム照射工程では、
    微小な凸部が前記電子ビームによって溶融され、溶融された金属が微小な凹部に流入することで、前記ブラスト加工工程によって物理的に切削された前記ワークの表面は、平滑にされ、
    前記電子ビームによって、前記ブラスト加工工程によって前記ワークの表面に形成された欠陥は、除去される、
    請求項１に記載の表面処理方法。
  3. ワークにブラスト加工を行うブラスト加工装置と、
    前記ワークに電子ビームを照射する電子ビーム照射装置と、
    前記ブラスト加工装置及び前記電子ビーム照射装置を制御する制御部と、
    を備え、
    前記ワークは金属粉末の焼結品であり、かつ、積層造形品であり、
    前記制御部は、
    前記ブラスト加工装置を制御して前記ワークの表面にブラスト加工を行わせ、前記ワークのブラスト加工済の前記表面を、１００μｍ以上の凹凸を物理的に切削し、かつ、粗さ曲線要素の平均長さを７７０．８０μｍ未満とし、
    また、前記電子ビーム照射装置を制御してブラスト加工済の前記ワークの前記表面に前記電子ビームを照射させる、
    表面処理システム。
  4. 前記制御部は、前記電子ビーム照射装置を制御して、
    微小な凸部を前記電子ビームによって溶融し、溶融された金属が微小な凹部に流入することで、前記ブラスト加工装置によって物理的に切削された前記ワークの表面を平滑にし、
    前記電子ビームによって、前記ブラスト加工装置によって前記ワークの表面に形成された欠陥を除去する、
    請求項３に記載の表面処理システム。
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