【技術コラム】金型の寿命を延ばす方法とは？【キャビテーションウォータージェットピーニング｜CWJP】

高い寸法精度を求められる金型は、何度も繰り返して使ううちに寿命を迎えてしまいます。寿命となる要因として、変形・摩耗・割れやクラック・表面劣化などの発生があります。特に金型の割れやクラックなどの発生は大きな要因です。
本記事では、そのうちクラックによる短寿命化に対して、水のみを使用した表面処理技術「キャビテーションウォータージェットピーニング（CWJP）」で、金型寿命が延びた事例をご紹介します。

金型寿命と応力の関係

多くの劣化要因には、材料表面に発生する引張残留応力（材料を引き裂く方向の力）が関与しています。

熱処理や機械加工などの工程により、金型部品表層には引張残留応力が蓄積されます。金型を繰り返し使用することで、材料に疲労が蓄積し、微細な亀裂（マイクロクラック）が　発生します。

引張残留応力が存在すると、これらのマイクロクラックが成長・進展しやすくなり、最終的に破損や変形を引き起こす一因となります。

一方で、材料表面に圧縮残留応力（材料を内向きに押す力）を付与することで、亀裂の進展を抑制することができます。

このため、金型の耐久性・寿命を向上させるうえで、表層に適切な圧縮残留応力を付与することは極めて重要です。

圧縮応力を付与するための表面処理方法

現在、製造現場で採用されている、圧縮応力を付与する代表的な表面処理方法を４つご紹介します。

金型への表面処理工法

表面処理技術	特長	応力付与深さ	表面粗さ	角部変形	内径処理	環境配慮	処理時間	金型への実績例
ショットピーニング	投射されたメディア（球）によって圧縮応力を表層に付与	△	△	△	△	△	○	○
超音波ピーニング	超音波振動による工具の高速打撃によって応力付与が可能	△	△	△	○	○	△	△
レーザーピーニング	レーザーの衝撃波により深い層まで応力付与が可能	○	○	△	△	△	△	○
CWJP （キャビテーションウォータージェットピーニング）	高圧水を噴出させた際に発生する気泡が崩壊する際のGPa級の衝撃力により圧縮応力を付与	○	○	○	○	○	△	○

※当社調べ

CWJPのメリット

金型寿命向上におけるキャビテーションウォータージェットピーニング（CWJP）の主なメリットは、大きく分けて以下の２つがあります。

（１）金型エッジ部の変形が極めて少ない

金型にショットピーニングを処理した場合、メディアが当たって角が変形することがあります。

CWJPではショットなどのメディアを使用せず、水だけで処理をするため、エッジ部の変形を数μmに抑えて圧縮応力を付与することが可能です。

変形が抑えられることで、成形品の寸法精度が向上します。

（２）冷却流路の深穴・小径穴の応力腐食割れ対策

深穴・小径穴に他工法でピーニング処理をした場合、処理範囲が限定的になるなど困難なことが多いです。

CWJPはキャビテーション噴流が流れる先にも処理することができるため、金型の内部冷却流路へより強力な圧縮応力を付与できます。

また、ピーニングを行うキャビテーション（気泡）は非常に小さいため、小径穴の処理も可能です。冷却流路内の応力腐食割れが抑制されることで、金型寿命が延長します。

事例｜材質・圧縮応力・表面粗さの変化

以下は、キャビテーションウォータージェットピーニング（CWJP）を適用した事例です。
SKD材を中心とした工業用金型において、表面粗さと残留応力がどのように改善されたかをまとめています。

材質	表面粗さ[μm]				圧縮応力[MPa]
	未処理		処理後		処理前	処理後
	Ra	Rz	Ra	Rz	処理前	処理後
SKD61	0.968	5.364	0.806	4.848	-408	-877
SKD11	–	–	–	–	+50	-913
HAP5R	–	–	–	–	-393	-861
HAP10	2.73	35.65	2.16	35.95	-855	-948
HAP40	0.237	1.795	0.323	2.207	-338	-1113
HAP72	–	–	–	–	-1424	-1573
HPM31	–	–	–	–	-566	-946
YXR33	0.319	1.879	0.412	2.486	-578	-1038
MAS-1C	–	–	–	–	-310	-1451
VANADIS	2.21	36.69	1.89	31.14	-884	-1116
RD50	0.133	1.195	0.149	1.331	-1456	-1836

※表面粗さの変化はわずかで、鏡面仕上げへの影響も最小限です。

※ 圧縮応力は深さ方向にも数十μmにわたって分布しています。

寿命が倍増した実績｜ショット数の改善

代表的な金型部品では、処理前後で成形回数（ショット数）が明確に向上しており、CWJPの効果がわかります。

材質	部品	処理前	処理後	向上率
SKD11	金型	9,205ショット	12,652ショット	約1.4倍
SKD61	金型	10,000ショット	16,000ショット	1.6倍
粉末ハイス	金型	77,500ショット	212,000ショット	約3倍