JP2008229836A

JP2008229836A - 炭化珪素単結晶からなる切削工具

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Publication number: JP2008229836A
Application number: JP2008028354A
Authority: JP
Inventors: Akiko Tomita; 彰子冨田; Ichiro Koike; 一郎小池; Shinji Hayashi; 真司林; Wataru Aoki; 渉青木
Original assignee: BTT KK; IT TECHNO KK; MAXIS SHINTO Inc; MAXIS-SHINTO Inc
Current assignee: BTT KK; IT TECHNO KK; MAXIS SHINTO Inc; MAXIS-SHINTO Inc
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】
本発明は、高硬度で耐摩耗性に優れ、高温でも化学的に安定で工具寿命が長く、鋼材等の高硬度の工作物の超精密加工が可能な程度に鋭利な切刃を有する切削工具を提供することを課題としている。
【解決手段】
旋削加工又は中ぐり加工又は平削り加工等に使用される各種バイト、もしくはフライス加工に使用されるエンドミル又はフライスカッタ、もしくは穴加工に使用されるドリル、リーマー等の穴あけ工具、もしくはチップ交換式切削工具等の切刃部の一部又は全体が、炭化珪素の単結晶で構成される。
【選択図】図１２

Description

本発明は、炭化珪素（以下、単に「ＳｉＣ」ということもある。）の単結晶が使用されて、すくい面等の切刃の構成面が特定の結晶面に限定されることによって、高硬度で、化学的に安定であり、工作物の仕上面を高精度に切削できる切削工具に関するものである。

近年、パソコンやネットワークが普及し、情報通信機器等の機能の高速・高精細化が要求されるに伴い、光学レンズや電子部品、精密機械部品を成形する金型においても、高精度な切削加工面を転写できること、複雑な形状に加工できること等の高度な加工技術が求められている。

従来、金型を作成するには、多種類の工作機械（切削加工・放電加工・研削加工等）を使用して、多工程による分割型（割型）で設計・製作されることが一般的であった。この金型作成方法では、多大な時間とコストを要していた。しかし、近年、主軸の回転数及び送りの高速化を実現した高速加工機の開発、コンピュータによるＮＣ（数値制御）加工技術の向上、工具材料の開発やコーテッド工具のコーティング技術の向上等によって、切削加工機及び切削工具は著しく高性能化し、焼入れ鋼等の高硬度被削材（工作物）の直彫り加工が可能となった。最近の金型加工では、従来の放電加工から直彫り加工に移行し、加工工数及びコストが削減され、生産のリードタイムの短縮化が図られている。

ボールエンドミル等の前記金型加工で多用される切削工具の工具材料としては、高速度工具鋼（ハイス）、超硬合金及びサーメット等の母材表面を炭窒化チタン、チタン窒化アルミニウム等のセラミックコーティングで被覆されたコーテッド工具が挙げられる。しかし、ハイスでは硬度が小さく高速切削に適さず、超硬合金では、工作物が鋼材の場合には、超硬合金の構成成分である炭化タングステン、炭化チタン等の炭素が鋼材に含まれる炭素成分と親和性を示し、磨耗が大きい。また、前記コーテッド工具は、加工時に強い衝撃や熱サイクルが加わると母材と被覆材との密着性が低下するため工具寿命は非常に短く、加工途中で工具交換をして交換前後で誤差を生じるため、加工後の金型の精度が不良となる等の問題があった。

そこで、新たに立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体を工具材料とする切削工具の開発が行われた。例えば、ｃＢＮ焼結体からなるボールエンドミルは、前記コーテッド工具よりも工具寿命は延びて、高硬度の鋼材も切削可能となった。しかし、ｃＢＮ焼結体は多結晶であるために、高硬度で耐摩耗性はあるが、靭性が低いので非常に脆く、切込み深さを大きくできない。このため、前工程で精度不良や取残し量が僅かでも発生していると、切削加工工程で前記ボールエンドミルは容易に欠損して扱いづらかった。

また、金型加工において、成形品の表面粗さを極力小さくするために、切削加工面の面粗度、即ち仕上面精度を高める必要がある。例えばプリンタ等の精密機器に搭載されている光学系の走査レンズは、高精度な自由曲面のプラスチックレンズであり、射出成形される。当該走査レンズ用の金型を加工する場合には、円筒面や非球面のような複雑な形状に切削すると同時に、切削加工面を鏡面にまで達成する必要がある。特許文献１では、金型を鏡面加工するために単結晶ダイヤモンドバイトを使用している。単結晶ダイヤモンドは、原子間距離の小さい緻密なダイヤモンド構造を有するため、単結晶ダイヤモンドを切削工具として用いれば、切刃は非常に鋭利となって、切削加工面の超精密加工が可能である。しかし、単結晶ダイヤモンド工具は工作物が非鉄金属であれば殆ど問題ないが、鋼材等、工作物が鉄を含有する場合には、単結晶ダイヤモンド工具の磨耗が非常に大きい。当該工具の磨耗の理由としては、通常の切削温度である７００ないし１１００℃の高温下において（１）工作物の切削で生じた新生面との接触によるダイヤモンドの黒鉛化、（２）雰囲気酸素で酸化した工作物によるダイヤモンドの酸化、（３）切れ刃近傍における工作物との炭化物形成が考えられている。従って、切削工具の磨耗が大きいだけでなく、工作物の切削面にも変質等の悪影響を与える可能性があるため、単結晶ダイヤモンドを切削工具として、鋼材等の金型の鏡面加工を行うのは不適である。

以上のように、高硬度、高靭性で耐摩耗性、耐欠損性に優れ、高温でも工作物によらず化学的に安定で、高硬度の鋼材からなる金型等の高精度の超精密切削加工を可能にする工具が強く求められているにもかかわらず、今まで無かった。
特開２００１−７９８５４号公報

本発明は、高硬度で耐摩耗性に優れ、高温でも化学的に安定で工具寿命が長く、鋼材等の高硬度の工作物の超精密加工が可能な程度に鋭利な切刃を有する切削工具を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するための請求項１の発明は、旋削加工又は中ぐり加工又は平削り加工等に使用される各種バイト、もしくはフライス加工に使用されるエンドミル又はフライスカッタ、もしくは穴加工に使用されるドリル、リーマ等の穴あけ工具、もしくはチップ交換式切削工具等の工作機械を用いて工作物を切削加工するために使用される切削工具において、当該切削工具の切刃部の一部又は全体が炭化珪素の単結晶であることを特徴としている。

工作機械を用いて切削加工を行う際には、加工形態に応じて用いられる切削機械及び切削工具が異なる。また、工作物の材質、加工する部分の形状や加工面積によっても多種の切削工具が使い分けられている。工作物の材質を選ばず、工作物の多様な加工部分をあらゆる加工形態で切削加工できるためには、優れた特性を持つ切削工具材料の存在が大きな鍵になる。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、第３周期１４族の珪素（Ｓｉ）原子及び１４族第２周期の炭素（Ｃ）原子からなる二元化合物であり、Ｓｉ（又はＣ）原子のまわりに最近接の４個のＣ（又はＳｉ）原子がそれぞれｓｐ³混成軌道で共有結合した正四面体構造を基本構造としている。当該基本構造は、Ｓｉ原子がＣ原子よりも原子半径が大きいために原子間距離は若干異なるが、ダイヤモンド単結晶の基本構造において、Ｃ原子の正四面体構造の中心に位置するＣ原子をＳｉ原子に置き換えた構造と同じである。このため、ＳｉＣ単結晶はダイヤモンド単結晶に近い高硬度の性質を持つ。２万気圧の高圧条件下で耐えられる程度に強靭でもある。また、Ｓｉ原子とＣ原子は、ダイヤモンド単結晶のＣ原子同士の原子間距離に近い距離で緻密に配列されている。更に、高温条件下で化学的に不活性であり、１６００℃付近までは空気雰囲気中で安定であるので、切削温度範囲（７００ないし１１００℃）内では他元素と殆ど反応しない。約８００℃付近で雰囲気空気中で酸化するが、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）の保護膜によりＳｉＣ表面が完全に覆われるので、それ以上の酸化が抑制される。

ＳｉＣ単結晶の上記の特性を切削工具に適用する方法としては、超硬合金等の別の材質の母材で切削工具を成形し、当該切削工具の表面にＳｉＣ分子を化学的或いは物理的に蒸着させて、薄いＳｉＣ単結晶膜を切削工具に積層させる方法がある。しかし、当該方法によって得られたＳｉＣ単結晶膜でコーティングされた切削工具を実際に使用すると、母材からＳｉＣ単結晶膜が剥離して容易に刃先が損傷するばかりか、薄膜ではＳｉＣ単結晶の特性が十分に発揮されず、望ましい切削工具は得られていなかった。

請求項１の発明によれば、ＳｉＣ単結晶を切削工具の切刃部の一部又は全体に用いることによって、ＳｉＣ単結晶の特性が十分に発揮されるので、以下の効果が期待できる。即ち、（１）高硬度で耐摩耗性に優れる。（２）高圧に耐えられる。（３）切削温度条件下でも化学的に安定で工作物と反応しないので、工作物の種類を選ばない。特に、ダイヤモンド単結晶工具では磨耗の大きい鋼材に対しても切削可能である。（４）断続切削では切刃が繰り返し加熱・冷却されるが、熱的衝撃による疲労破壊やサーマルクラックが生じにくく耐熱衝撃性に優れる。（５）Ｓｉ原子とＣ原子との原子間距離が小さく、緻密に配列されているため、切刃の稜線は滑らかで刃先は非常に鋭利になるので、切削加工後の研削加工を省略できる程度にまで工作物を高精度に切削できる。（６）切刃が鋭利であるため、工作物を切削しても切削抵抗が低いため発熱しにくく、切削温度を低減できるので耐熱性の低い工作物でも切削できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記切削工具の切刃部は、本体の切刃装着部位に炭化珪素単結晶が接着又は固定されて形成されていることを特徴としている。

ＳｉＣ単結晶の高硬度、化学的安定性、高精度の特性は、切削工具の切刃部で発揮されれば足りるため、切削工具が比較的大きい場合、本体部もＳｉＣ単結晶で成形すると、ＳｉＣ単結晶は硬く、高価であるので、前記切削工具を成形するのに膨大な時間と費用がかかってしまう。請求項２の発明によれば、切刃部のみをＳｉＣ単結晶で成形し、当該切刃部を別の材料で成形された本体の切刃装着部位に接着又は、ねじ等で機械的に固定させることによって、時間や費用を抑えながらＳｉＣ単結晶の特性が発揮された切刃部を有する切削工具を作成できる。請求項２の発明では、ろう付けバイトやチップ交換式切削工具のように、元々切刃部（チップ）と本体であるシャンクが分離されている切削工具に限らない。ソリッドバイト、ドリル、或いはエンドミルのように、刃部、首部、シャンク部等の各部全体が、本来は同一材料で一体成形されるような切削工具でも良い。この場合は、一体成形された切削工具の切刃部周辺を所定の形状に切り取り、当該切取り部分を切刃装着部位として、対応した形状のＳｉＣ単結晶を代わりに装着することによって、切刃部のみをＳｉＣ単結晶にした切削工具が得られる。また、チップ交換式バイトやフライス等のチップ交換式工具で用いられるチップにおいては、超硬合金等の基台の上面に平板状のＳｉＣ単結晶が接着されて当該ＳｉＣ単結晶板の稜線が切刃となっているもの、又は、超硬合金等で形成されたチップにおいて、すくい面側のチップのコーナ部のみに、対応する形状に加工されたＳｉＣ単結晶が装着されているものでもよい。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記切削工具の切刃部は、全体が炭化珪素単結晶によって一体成形されていることを特徴としている。

請求項３の発明によれば、工具全体をＳｉＣ単結晶で構成することにより、切刃部が本体部と一体成形されるので、微細な型彫りを行うボールエンドミル等の小さい切削工具の場合には特に、切刃部と本体を個々に成形して接着により一体化させるよりも製作しやすく、切刃部と本体との接合部が存在しないので切刃部の強度も維持される。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明において、前記切削工具の切刃部を構成する複数面のうち一つは、六方晶の炭化珪素単結晶における｛０００１｝面、又は当該｛０００１｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であり、残りの面の一つは、｛１−１００｝面、又は当該｛１−１００｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であることを特徴としている。

ＳｉＣ単結晶には、多様な結晶多形（ポリタイプ）が存在するが、半導体デバイス分野で利用され、量産が可能である六方晶のＳｉＣ単結晶を使用する。一般的に、単結晶には異方性があるため、用いる結晶面（結晶方向）によって性質が異なる。一方、切削工具の切刃は隣り合う面同士の稜線であるため、２面以上の複数面から構成される。例えば、バイトの切刃はすくい面、横（主）逃げ面、及び前（副）逃げ面の３面から構成される。切刃の性質や仕上面の精度は当該各構成面で決まる。請求項４の発明によれば、六方晶のＳｉＣ単結晶を使用し、当該ＳｉＣ単結晶の各結晶面において、切刃を構成する複数面のうちの一つに｛０００１｝ジャスト面又はそのオフ面、残りの面のうちの一つに｛１−１００｝ジャスト面又はそのオフ面を用いる。これにより、前記ジャスト面を用いた場合には、原子ステップの数が最少で高さも極めて小さくなるので、工作物の平坦性の向上や、当該工作物と切刃との化学反応の抑制を期待できる。また、ジャスト面には劈開性があるので、貝殻状には割れにくく、切削時に原子層が剥離しても再び同じジャスト面が現れるので、多結晶体の工具材料からなる切刃よりも有利である。また、切刃の構成面にオフ面を用いた場合には、当該オフ面下近傍に存在して前記オフ面に加わる力 (負荷) を受ける原子数が増して原子結合密度が増すので、前記オフ面の前記負荷に対する強度も増す。従って、切刃の構成面を前記ジャスト面又はそのオフ面に特定し、結晶構造を考慮した切刃を成形することによって、結晶構造的に切刃として優れた特性を具備する切削工具が得られる。

請求項５の発明は、請求項４に記載の発明において、前記切刃部の構成面のうち、すくい面が六方晶の炭化珪素単結晶の｛０００１｝面、又は当該｛０００１｝面のオフ面であることを特徴としている。

請求項５の発明によれば、強度等、上記の「切刃としての適性」を最も発揮する｛０００１｝ジャスト面又はそのオフ面を、切刃の構成面の中で切削加工時に最も大きな負荷がかかり、切刃として重要な役割を果たすすくい面に充てることによって、より優れた切刃を有する切削工具が得られる。

請求項６の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明において、前記切削工具の切刃部を構成する複数面のうち一つは、立方晶の炭化珪素単結晶における｛１００｝面、又は当該｛１００｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であり、残りの面の一つは、｛１１１｝面、又は当該｛１１１｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であることを特徴としている。

請求項６は、立方晶の炭化珪素単結晶を選択し、しかもＳｉＣ単結晶の｛１００｝ジャスト面、又はそのオフ面と、｛１１１｝ジャスト面、又はそのオフ面とで切削工具の切刃部の複数面のうち２面を構成したものであって、結晶面を特定することによる切削工具としての利点は、請求項３に記載の立方晶のＳｉＣ単結晶において切削工具の切刃部として特定の結晶面を選択した場合とほぼ同様である。

また、請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記切刃部の構成面のうちすくい面が、立方晶の炭化珪素単結晶の｛１００｝面、又は当該｛１００｝面のオフ面であることを特徴としている。

請求項７の発明は、立方晶のＳｉＣ単結晶において、｛１００｝ジャスト面又はそのオフ面を、切刃部のすくい面としたものであって、この結晶面の配置が切刃として優れている理由は、請求項５の六方晶のＳｉＣ単結晶の場合とほぼ同様である。

本発明によれば、ＳｉＣ単結晶を用いることによって、高硬度で、高温でも化学的に安定であり工作物との反応による磨耗が殆ど無く、工作物の仕上面を鏡面にまで高精度に切削可能な切刃を具備した切削工具が得られる。

以下、最良の実施形態を挙げて本願発明について更に詳細に説明する。まず、切削工具が具備すべき特性とＳｉＣ単結晶の工具材料としての適性を説明する。次に、ＳｉＣ単結晶の結晶面（ジャスト面）及び当該結晶面を傾斜させたオフ面について説明し、切削工具の切刃の構成面として上記結晶面を用いた効果について説明する。また、ＳｉＣ単結晶を切刃として用いた切削工具を例示する。

工作機械に用いられる切削工具が具備すべき特性（条件）について説明する。切削加工では、工作物又は切削工具を数ｍ／ｍｉｎないし数百ｍ／ｍｉｎの周速で回転させて、工作物を送りながら切削していくため、当該切削工具の刃先先端は高温高圧となる。このため、切削工具は、高温高圧条件下で工作物を高精度で滞りなく切削加工するために以下の特性を具備する必要がある。即ち、高硬度で耐摩耗性が高いこと、高靭性で耐欠損性が高いこと、断続切削では切刃が繰り返し加熱・冷却されるので、耐熱衝撃性に優れていること、高圧に耐えられること、高温条件下で化学的に安定であること等が挙げられる。これらの特性は、切削工具を構成する工具材料の特性に他ならない。上記の諸特性をより多く具備する工具材料が優れた工具材料であり、優れた工具材料を用いた切削工具は、工作物の材質を問わず高精度な加工が可能で、工具寿命の長い優れた切削工具であると言える。従来の工具材料には、高速度工具鋼（ハイス）、超硬合金、サーメット、コーテッド品、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド（単結晶、焼結体）等があるが、各材料にはそれぞれ長所と短所があり、上記の諸特性を全て具備するものはないので、通常、切削加工の際は作業目的に応じて工具材料を選択しなければならない。

次に、ＳｉＣ単結晶について説明する。ＳｉＣは、第３周期１４族のＳｉ原子及び第２周期１４族のＣ原子からなる二元化合物であり、各原子のまわりに異なる４個の最近接原子がそれぞれｓｐ³混成軌道で共有結合した正四面体構造を基本構造として、Ｓｉ原子とＣ原子の電気陰性度の差により約１２％のイオン性を有する共有結合結晶である。Ｓｉ原子とＣ原子との結合長（原子間距離）は０．１８９ｎｍである。基本構造のＳｉＣの正四面体を配列する方法は六方最密充填構造と立方晶系構造の２通りあるが、六方最密充填構造に配列した場合には、ｃ軸方向（[ ０００１] 方向）に対して積層構造（層の繰返し周期）の異なるものが多数存在するので、ＳｉＣには多様な結晶多形（ポリタイプ）が存在する。各ポリタイプは、基本構造であるＳｉＣの正四面体の配列の向きと層の繰返し周期が異なるだけなので、隣り合うＳｉ原子とＣ原子の原子間距離は多形によらず、密度も全てのポリタイプで同じである。ＳｉＣ単結晶のポリタイプのうち、発生確率が高いのは、３Ｃ−ＳｉＣ，４Ｈ−ＳｉＣ，６Ｈ−ＳｉＣ，１５Ｒ−ＳｉＣである。特に、六方晶の４Ｈ−ＳｉＣ及び６Ｈ−ＳｉＣは、パワーデバイスや青色発光素子等の窒化ガリウム基板として多く使用されていて、量産が可能である。また、３Ｃ−ＳｉＣはＳｉを基板に用いて、厚さ３００μｍで１００ｍｍの直径を有する基板が作製できる。このため、本発明では、六方晶及び立方晶のＳｉＣ単結晶の単結晶を用いる。

次に、ＳｉＣ単結晶の切削工具材料としての適性について、ダイヤモンド単結晶と比較して説明する。ダイヤモンド単結晶は、第２周期１４族の炭素（Ｃ）原子から構成される共有結合結晶で、１個のＣ原子のまわりに最近接の４個のＣ原子がそれぞれｓｐ³混成軌道で共有結合した正四面体の基本構造から構成された立方晶系のダイヤモンド構造となっている。即ち、ＳｉＣ単結晶の基本構造は、ダイヤモンド単結晶の基本構造の正四面体の中心のＣ原子をＳｉ原子に置き換えただけである。また、ダイヤモンド単結晶のＣ原子同士の結合長（原子間距離）は０．１５４ｎｍであるので、ＳｉＣ単結晶のＳｉ原子とＣ原子の原子間距離との差はわずか０．０３５ｎｍである。ＳｉＣ単結晶とダイヤモンド単結晶の基本構造が酷似するため、ＳｉＣ単結晶はダイヤモンド単結晶と類似の性質を有する。一方、ダイヤモンド単結晶とは異なる性質も有する。ＳｉＣ単結晶における工具材料として適した特性について、以下に挙げる。

まず、硬度では、ダイヤモンド単結晶が修正モース硬度で最高値１５、ＳｉＣ単結晶では１３であり、ＳｉＣ単結晶は非常に高硬度である。次に、仕上面精度については、ダイヤモンド単結晶はＣ原子の原子間距離が小さくＣ原子が緻密に配列されているため、ダイヤモンド単結晶を切断し、その稜線を微視的に見ると、原子ステップとテラスの階段構造になっており、当該原子ステップ高さは非常に小さい。従って、ダイヤモンド単結晶の切削工具は、その稜線が非常に滑らかな鋭い切刃によって、鏡面加工のような高精度の超精密切削加工が可能である。一方、ＳｉＣ単結晶のＳｉ原子とＣ原子の原子間距離も非常に小さく、ＳｉＣ単結晶の各原子は、非常に小さい原子間距離で緻密に配列されている。ＳｉＣ単結晶を切削すると、原子ステップは非常に小さく、例えば、六方晶の＜０００１＞方向の原子ステップ高さは約０．２５ｎｍであるので、金属加工においては十分に滑らかな稜線であると言える。従って、ＳｉＣ単結晶を切刃として用いれば、極めて鋭利な刃先を有する切刃となって、ダイヤモンド単結晶と同様に高精度な超精密切削加工が可能となる。また、ＳｉＣ単結晶工具の切刃が非常に鋭利であるために工作物の切削抵抗が軽減されて、切削工具と工作物との摩擦による発熱が抑えられ、切削温度の上昇が抑制される。

化学的安定性においては、ＳｉＣ単結晶工具はダイヤモンド単結晶や超硬合金等からなる従来の切削工具よりも優れている。ダイヤモンド単結晶は７００℃程度で酸化したり、切削温度条件下では切りくず面と仕上面は熱活性化する新生面であるために、接触により黒鉛化したり、切刃と工作物との界面近傍で工作物と炭化物を形成する等、切削温度範囲（７００ないし１１００℃）では化学的に不安定で、工作物や雰囲気酸素と反応してしまう。特に、鋼材等の高硬度の金属を切削する場合には、非鉄金属よりも切削温度が高くなるだけでなく、鋼材の炭素との親和性によって、ダイヤモンド単結晶工具の磨耗が著しい。また、超硬合金の切削工具では、工作物が鋼材の場合には、超硬合金の構成成分である炭化タングステン、炭化チタン等の炭素が鋼材と親和性を示すので、切刃の磨耗が非常に大きい。しかし、ＳｉＣ単結晶は高圧高温条件下でも化学的に不活性である。即ち、２万気圧程度の高圧に耐えられるほど強靭であり、また、１６００℃付近までは空気雰囲気中でも化学的に安定であり、切削温度範囲内では他元素と殆ど反応しない。また、約８００℃以上で雰囲気空気中でＳｉＣ単結晶は酸化するが、酸化によりＳｉＯ₂が生成する。当該ＳｉＯ₂は緻密な保護膜となってＳｉＣ表面を完全に覆うので、それ以上の酸化が抑制されるため、ＳｉＣ単結晶は耐酸化性に優れている。更に、ＳｉＣ単結晶は、４９０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の比較的大きい熱伝導率を有し、かつ５．１×１０^-6［Ｋ^-1］の金属より低い熱膨張率を有するので、熱衝撃に高い耐性がある。このため、断続切削では切刃が繰り返し加熱・冷却されて、熱衝撃による疲労破壊やサーマルクラックが生じ易くなるが、ＳｉＣ単結晶は耐熱衝撃性を有するので、工具の損傷は発生しにくい。以上より、ＳｉＣ単結晶は、硬度、化学的安定性、耐熱衝撃性、及び仕上面精度等、切削工具材料として要求される諸特性を十分に具備しており、優れた切削工具材料であるといえる。

次に、六方晶のＳｉＣ単結晶における結晶面と異方性について説明する。上記のように、ＳｉＣ単結晶は切削工具とするのに適した材料であるが、一般的に、単結晶には異方性があり、当該単結晶の機械的、物理的、化学的、電磁気的、熱的等の性質は、結晶方向に大きく依存する。異方性は各結晶面内の原子の配列と面間距離（面間隔）に起因する。従って、同一の単結晶でも結晶面（結晶方向）によって性質が異なるので、工具材料の材質のみならず結晶構造も考慮して、特定の結晶面から切刃を構成すれば、より優れた特性を具備した切刃を作ることが可能となる。そこで、出願人は切刃部を特定の結晶面から構成することに着眼した。

次に、図１ないし図３を用いてＳｉＣ単結晶の結晶面におけるジャスト面とオフ面、及び切削工具の切刃の構成面として上記結晶面を用いた効果について説明する。図１ (ａ) は、六方格子Ｈにおける各結晶面、及びその一面である（０００１）面を[ １１−２０] 方向に沿って所定のオフ角度θ₁で傾斜させたオフ面Ｍ₁を示した図であり、同 (ｂ) は、六方格子Ｈにおける（１−１００）面を [０００１] 方向に沿って所定のオフ角度θ₂で傾斜させたオフ面Ｎ₁を示した図である。図２は、正方形のチップＧを用いたスローアウェイバイト１０（以下、単に「バイト１０」と言う。）における切刃Ｅの構成面を示した図である。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、スローアウェイバイト２０（以下、単に「バイト２０」と言う。）を用いて負又は正のすくい角ψ₁，ψ₂で被加工物Ｗ₀を旋削している状態を示すチップＧ₁，Ｇ₂の断面図である。なお、図２の符号１１はシャンク、１２は敷き金であり、図３の符号Ｆ₁，Ｆ₂はそれぞれチップＧ₁，Ｇ₂のすくい面である。まず、切刃Ｅの構成面について説明する。切削工具の切刃Ｅは隣り合う面同士の稜線であるため、少なくとも２面以上の複数面から構成される。例えば、図２に示されるように、バイト１０のチップＧにおける切刃Ｅは、すくい面Ｆ、横（主）逃げ面Ｓａから構成される横（主）切刃Ｅａ（Ｅ）、及び、前記すくい面Ｆと前（副）逃げ面Ｓｂから構成される前（副）切刃Ｅｂ（Ｅ）からなる。また、すくい面Ｆ、横（主）逃げ面Ｓａ、及び前（副）逃げ面Ｓｂの３面からはコーナ（ノーズ）Ｅｃ（Ｅ）が構成される。切削工具の良し悪しは切刃Ｅの性能で決まるので、切刃Ｅの構成面にＳｉＣ単結晶のどの結晶面を充てるかは重要な問題である。切刃Ｅの性能とは強度と被加工物Ｗ₀の仕上面精度が主に挙げられる。「強度」には、切削時に切刃Ｅが受ける力に耐え得る強さや、切削時に切刃Ｅが工作物の材質と化学反応しない不活性性がある。図３（ａ），（ｂ）に示すように、旋削を行って切込み深さＴ₀でバイト２０のチップＧ₁，Ｇ₂が送られれば、被加工物Ｗ₀に対して切削力Ｑ₁，Ｑ₂が働き、その反作用として、前記チップＧ₁，Ｇ₂の切刃Ｅ₁，Ｅ₂（図３においてはコーナＥｃ₁，Ｅｃ₂）には、切削力Ｑ₁，Ｑ₂とは方向と大きさが同じで向きが反対の切削抵抗Ｐ₁，Ｐ₂を受ける。また、当該切刃Ｅ₁，Ｅ₂にはそれぞれ当該切削抵抗Ｐ₁，Ｐ₂の互いに直角の３方向の３分力（主分力、背分力、送り分力）が作用する。従って、優れた性能を持つ切刃Ｅとは、切削加工時に高圧高温条件下（約２万気圧、７００ないし１１００℃）に晒されながら切削抵抗Ｐ₁，Ｐ₂を長時間受け続けても、欠損や損傷を生じない切刃である。また、上記の高圧高温条件下でも、被加工物Ｗ₀と容易に化学反応を起こして切削加工面に悪影響を及ぼしたり、切刃自身が磨耗して短時間で切削不可能にならないような化学的に安定な切刃でもある。更に、被加工物Ｗ₀の仕上面を研削加工無しで鏡面にまで切削加工する場合のために、極めて鋭利な切刃であれば望ましい。以上のような性能を持つ切刃Ｅを作るために、出願人は、六方晶ＳｉＣ単結晶の結晶面のうち｛０００１｝ジャスト面、｛１−１００｝ジャスト面、或いは各面のオフ面から切刃Ｅを構成することにした。

次に、図１を用いて、六方晶ＳｉＣ単結晶の｛０００１｝ジャスト面及び｛１−１００｝ジャスト面及び各面のオフ面について説明する。本発明で用いる六方晶のＳｉＣ単結晶のうち、ここでは６Ｈ−ＳｉＣを一例として説明する。６Ｈ−ＳｉＣは、ＳｉＣの基本構造である正四面体を六方最密充填構造で配列させて、積層方向であるｃ軸（［０００１］）方向の一周期中に６層のＳｉ−Ｃ単位層が含まれる結晶構造を有するＳｉＣ単結晶である。ここで、｛０００１｝面とは、六方格子の上面である（０００１）面又は底面（０００−１）面のどちらか一方の指数面を指す。｛１−１００｝面とは、六方格子の６側面である（１−１００）面、（１０−１０）面、（−１１００）面、（−１０１０）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面のうちの一つの指数面を指す。また、上記の各指数面をジャスト面といい、各ジャスト面を所定方向に沿って所定のオフ角度で傾斜させた結晶面をオフ面という。更に、＜０００１＞方向は［０００１］方向、又は［０００−１］方向を指し、＜１１−２０＞方向とは、［１１−２０］方向、又は［１−２１０］方向、又は［−２１１０］方向を指す。以下、｛０００１｝及び｛１−１００｝のジャスト面、オフ面をそれぞれＭ₀，Ｍ₁、及びＮ₀，Ｎ₁とする。

切削工具の切刃を構成する複数面のうちの一つを、｛０００１｝ジャスト面Ｍ₀又はオフ面Ｍ₁とし、残りの面のうちの一つを、当該ジャスト面Ｍ₀と垂直な面方位で隣り合う｛１−１００｝ジャスト面Ｎ₀、又はそのオフ面Ｎ₁とする理由を以下に示す。まず、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀では結晶面指数が最低であることから、当該ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀における原子ステップ高さは、Ｓｉ原子とその周りで最も近い位置にあるＳｉ原子との２原子間の高さであるため、原子ステップ高さを極めて小さくすることが出来る。６Ｈ−ＳｉＣの当該原子ステップ高さは約０．２５ｎｍである。このため、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀を用いて切刃Ｅを構成すれば、切刃Ｅの稜線は０．２５ｎｍの原子ステップ高さの段差を有する極めて滑らかな稜線となり、非常に鋭利な刃先が得られる。理想的なジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀ではない結晶面でも、当該結晶面からなる切刃Ｅの稜線は金属加工においては十分に滑らかであるといえるので、被加工物を高精度に切削可能である。また、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀はＳｉ原子とＣ原子との結合により形成されている面であるため、前記原子ステップ数は最少となる。原子ステップには未結合手を持つ原子が多く存在するため、前記原子ステップが少なければ未結合手を持ち容易に化学反応する原子が少ない。従って、最少の原子ステップからなるジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀上では化学反応が生じる確率が低く、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀から構成される切刃Ｅは化学的に安定である。更に、上記の通り、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀はＳｉ原子とＣ原子とが結合し合って形成している面であるので劈開性があり、原子層単位で剥離が生じる。このため、切削加工時に切刃Ｅに大きな衝撃がかかった場合に、切刃Ｅの構成面がジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀であれば原子層での剥離は起こっても、貝殻状に割れる可能性は非常に低い。また、切刃Ｅが原子層単位で剥離しても再び同じ指数面のジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀が現れるので、切削加工を中断させることなく、引き続き同じ結晶面で被加工物の切削を行うことが可能であり、結晶粒単位で磨耗していく多結晶体の工具材料からなる切削工具に比べて非常に有利である。

次に、切刃Ｅの構成面として各オフ面Ｍ₁，Ｎ₁を用いた場合について図４を用いて説明する。図４（ａ），（ｂ）は、六方格子Ｈの（０００１）ジャスト面Ｍ₀及びオフ面Ｍ₁において、ジャスト面Ｍ₀の単位面積Ａ及び当該ジャスト面Ｍ₀から垂直方向の微小厚さΔＤとから構成される体積Ｖの格子空間Ｌ₀と、前記オフ面Ｍ₁の単位面積Ａ及び当該オフ面Ｍ₁から垂直方向の微小厚さΔＤとから構成される体積Ｖの格子空間Ｌ₁をそれぞれ模式的に示した図である。単結晶の結晶面が当該結晶面に加えられた負荷（圧力）に耐え得るだけの強度を有する「強い」面であるためには、前記結晶面に加えられた力が前記結晶面を構成する原子に分散されて、個々の原子にかかる負荷が小さくなることが必要である。ここで、図４に示すように、圧力が加えられる結晶面を（０００１）ジャスト面Ｍ₀又はオフ面Ｍ₁とし、各面Ｍ₀，Ｍ₁における格子空間Ｌ₀，Ｌ₁を考えると、当該格子空間Ｌ₀，Ｌ₁が、体積Ｖ中に存在している原子数が最も多く、最大の原子結合密度になるような空間であれば、前記結晶面に加えられた圧力を最大原子結合密度で受けることになる。原子結合密度が大きければ、格子空間Ｌ内に存在する共有結合という「骨組み」も多くなるため、圧力が加えられても、当該「骨組み」によって補強されている原子同士は前記圧力を分散させて支え合うことができる。このため、より大きな原子結合密度を有する格子空間Ｌを構成する結晶面は高強度の面といえる。ここで、前記ジャスト面Ｍ₀の格子空間Ｌ₀よりも前記オフ面Ｍ₁の格子空間Ｌ₁の方が、内部に有する原子数が多く、原子結合密度が大きい。従って、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀よりもオフ面Ｍ₁，Ｎ₁（図１参照）の方に「強度」が得られることになるので、切削工具の切刃Ｅを構成する面としてオフ面Ｍ₁，Ｎ₁を用いると、強度の面で効果が期待できる。従って、最高強度の面となるオフ面をそれぞれＭ₁₀，Ｎ₁₀（いずれも図示せず）とすれば、当該オフ面Ｍ₁₀，Ｎ₁₀は、各オフ面Ｍ₁，Ｎ₁からの微小厚さΔＤに対して、最も原子数が多くなる結晶方位を有する面といえる。傾斜させる方向については、｛１−１００｝面においては、＜０００１＞方向に沿って傾斜させたオフ面Ｎ₁を用いればよい。一方、｛０００１｝面の傾斜させる方向については、＜１１−２０＞方向又は＜１−１００＞方向の単純な結晶方位指数の方向に限らず、ａ軸を中心にｃ軸から所定角度だけ回転させた方向に沿って傾斜させたオフ面Ｍ₁を用いても良い。オフ角度θ₁，θ₂の大きさについては、オフ角度θ₁，θ₂がある角度よりも小さい場合には、オフ面Ｍ₁，Ｎ₁はジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀と同一視できる。また、一定の方向に沿って、オフ角度θ₁，θ₂を大きくしていくと、より高強度のオフ面Ｍ₁，Ｎ₁が得られていくが、最高強度のオフ面Ｍ₁₀，Ｎ₁₀が得られるオフ角度θ₁₀，θ₂₀（いずれも図示せず）を境にして、再びオフ面Ｍ₁，Ｎ₁の強度が低下していく。即ち、オフ角度θ₁，θ₂を調節して、適当な強度を有するオフ面Ｍ₁，Ｎ₁を採用すればよいので、オフ角度θ₁，θ₂の大きさは問わない。例えば、８°以内のオフ角度θ₁で傾斜した｛０００１｝オフ面Ｍ₁の特性は、ジャスト面Ｍ₀と同一視できると同時に、前記８°以内のオフ角度θ₁であれば、出願人の有する研磨技術によりジャスト面Ｍ₀を正確に出すことも可能である。

上記のように、結晶面からの微小厚さΔＤに対して原子数が多くなる結晶方位を有する面が高強度の面になること、劈開のし易さ、結晶面同士の位置関係等を考慮すると、六方格子Ｈの結晶面のうち｛０００１｝面及び｛１−１００｝面が切刃の構成面として適当である。また、当該両結晶面を比較すると、｛０００１｝面の方が高強度であるといえる。切刃Ｅを構成する複数面のうち、切削加工時に切削抵抗によって最も負荷がかかるのはすくい面Ｆであるため、当該すくい面Ｆに｛０００１｝面を充てることで、より一層高強度の切刃Ｅを形成することが可能となる。また、ジャスト面Ｍ₀よりも前記原子結合密度が大きくなるように傾斜させたオフ面Ｍ₁をすくい面Ｆに用いれば、更に高強度が期待できる。

以上より、オフ角度θ₁，θ₂の大きさや傾斜させる方向によって、結晶面の特性を調節できるので、切削工具を作成する際には、切刃Ｅの用途や形状、加工し易さ等を考慮しつつ、それらの条件との兼ね合いで、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀、又は所定方向に沿って所定オフ角度θ₁，θ₂で傾斜させたオフ面Ｍ₁，Ｎ₁を選択し、選択した結晶面を切刃Ｅの構成面に充てることによって、ＳｉＣ単結晶の工具材料としての優れた特性が最大限に発揮された切刃Ｅが得られる。また、従来では被加工物Ｗ₀の材質等によって制限されていた切削方法や加工形態の幅が広がる。例えば、図３（ｂ）に示されるように、バイト２０で被加工物Ｗ₀を旋削加工する場合に、正のすくい角ψ₂の場合には、バイト２０の切れ味が良く、切削抵抗Ｐ₂が減少するものの、シャンク２１の先端のチップＧ₂が取付けられている部分は支持されていないので切刃Ｅ₂の刃先強度が低く、旋盤の剛性が低い場合や被加工物Ｗ₀が軟質で削りやすい場合のみの使用に限られていた。このため、図３（ａ）に示されるように、被加工物Ｗ₀が硬い場合や断続切削等の衝撃力が大きいときには、切削抵抗Ｐ₁が増加するがシャンク２１で支持されて刃先強度が確保される負のすくい角ψ₁のチップＧ₁を使用していた。しかし、本発明の切削工具は、すくい面Ｆをはじめとする切刃Ｅの各構成面が非常に高強度の結晶面で構成されているので、被加工物Ｗ₀が硬質材料の場合でも、負のすくい角ψ₁での切削に限定されることなく、正のすくい角ψ₂でも切削可能となって、切削方法の選択肢の幅が広がる。また、従来では、被加工物Ｗ₀の仕上面を鏡面加工のように高精度に加工するためには、切削加工の後に研削加工を実施する。特に、ダイヤモンド単結晶工具で切削不可能な被加工物Ｗ₀である場合には前記研削加工は不可欠である。しかし、ＳｉＣ単結晶からなる切削工具を用いれば、切削加工のみで研削加工後の仕上面よりも高精度な仕上面を得られる。このため、研削加工が難しい狭小部分や複雑形状部分においても、高精度な仕上面に加工できる。また、加工時間の短縮や加工費用の削減等の効果も期待できる。

上記の優れた特性を有するＳｉＣ単結晶を切刃部に使用した切削工具を用いると、鋼材、窒化チタン、酸化チタン、炭素繊維複合材料、窒化珪素やアルミナ系セラミックス等の高硬度の工作物や、アルミニウム合金やチタン合金等の耐熱性の低い工作物の切削加工、又は、高硬度の鋼材からなる金型の狭小部分や複雑形状部分の超精密加工等、従来では困難であった加工が可能となる。

次に、図５ないし図１０を用いてＳｉＣ単結晶を使用した切削工具を例示する。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれＳｉＣ単結晶からなる切刃部３１を装着した正面フライスカッタ３０の正面図及び側面図である。図６（ａ）は平板状のＳｉＣ単結晶からなる切刃部４１がボデー部４３の先端に固定されて、フラットドリルに類似のドリル４０の正面図であり、同（ｂ）は、当該切刃部４１の側面図である。図７（ａ），（ｂ）はそれぞれ刃部５４の先端部分がＳｉＣ単結晶からなる切刃部５１となっているリーマ５０の正面図及び側面図である。図８（ａ）は、ＳｉＣ単結晶の切刃部６１がすくい面部分に装着された二枚刃のエンドミル６０を示した正面図であり、同（ｂ）は、従来の二枚刃のエンドミル６０’の正面図である。図９（ａ）は、超硬合金等からなる基台７２のコーナ（ノーズ）部にＳｉＣ単結晶の切刃部７１が接着された正三角形状のスローアウェイチップ７０の外観図であり、同（ｂ）は、超硬合金等からなる基台８２の上面に全面にわたって平板状のＳｉＣ単結晶の切刃部８１が接着された正三角形状のスローアウェイチップ８０の外観図である。図１０は、全体が一体成形された小型のボールエンドミル９０がホルダ９１に取り付けられた状態を示す図である。

〔正面フライスカッタ３０〕
まず、切刃部の一部にＳｉＣ単結晶が使用される切削工具としては、例えば、図５に示されるように、皿（円柱）状の外周側面と端面に数個の切刃部３１を有する正面フライスカッタ３０がある。当該正面フライスカッタ３０は、所定形状に加工されたチップ状のＳｉＣ単結晶が切刃部３１として本体部３３の所定位置（切刃装着部位）に直接接着されたものでも良いし、後述のＳｉＣ単結晶のスローアウェイチップが切刃部３１として楔止めやねじ止め等で前記切刃装着部位に固定されたものでも良い。当該切刃部３１の形状は、従来のチップの形状と同じでよい。例えば、図５では各コーナ部が球面状に面取りされた略長方形のチップとなっていて、すくい面Ｆ₃及び当該すくい面Ｆ₃と直交する逃げ面Ｓ₃は、それぞれＳｉＣ単結晶の｛０００１｝面及び｛１−１００｝面で構成されている。上記の通り、ジャスト面Ｍ₀，Ｎ₀でもオフ面Ｍ₁，Ｎ₁でも良い。なお、図５の符号３２はシャンク部である。
〔ドリル４０〕
次に、図６に示されるように、ＳｉＣ単結晶の切刃部４１を有するフラットドリルに類似のドリル４０がある。当該ドリル４０は超硬合金等でシャンク部４２（図６では図示せず）及びボデー部４３が一体成形され、当該ボデー部４３の先端部分には平板状のＳｉＣ単結晶の切刃部４１を差し込めるようにスリットが形成されている。前記切刃部４１は略ホームベース形状の平板であって、図６（ａ）に示されるように、長方形の平板の一端側のみを更に薄く切削した後に、当該一端側の二つの角を切り落として切刃Ｅ₄としたものである。成形前の長方形の前記平板として、上面が｛０００１｝ジャスト面Ｍ₀、短手方向の端面が｛１−１００｝ジャスト面Ｎ₀又はオフ面Ｎ₁に特定されるように切り出されたものを用いれば、前記ドリル４０のすくい面Ｆ₄は｛０００１｝オフ面Ｍ₁、逃げ面Ｓ₄は｛１−１００｝ジャスト面Ｎ₀又はオフ面Ｎ₁になる。切刃部４１はボデー部４３先端の前記スリットに差し込まれて固定される。このため、当該ドリル４０は、丸棒の先端が平たく尖った形状のフラットドリルに類似の機能を果たすことが可能である。
〔リーマ５０〕
また、図７に示されるように、刃部５４の先端部分がＳｉＣ単結晶からなる切刃部５１となっているリーマ５０がある。従来のリーマは、超硬合金等で刃部５４とシャンク部５２が一体成形され、前記刃部５４の外周部に縦方向に形成された複数の溝の各縁部を切刃としているが、図７に示されたリーマ５０の場合には、従来のリーマの刃部５４に形成されている複数の切刃部のみが略中間部から先端まで切り取られて、当該切取り部分に対応する形状に加工されたＳｉＣ単結晶の切刃部５１が代わりに装着されており、被加工物を切削する刃部５４の先端部がＳｉＣ単結晶の切刃部５１に置き換わって切刃Ｅ₅を形成している。当該切刃部５１において、すくい面Ｆ₅は｛０００１｝ジャスト面Ｍ₀又はそのオフ面Ｍ₁とする。逃げ面Ｓ₅は、当該逃げ面Ｓ₅と前記すくい面Ｆ₅とのなす角度に応じて、すくい面Ｆ₅の結晶面に対応させながら逃げ面Ｓ₅を｛１−１００｝ジャスト面Ｎ₀又はそのオフ面Ｎ₁に決めれば良い。
〔エンドミル６０〕
更に、切刃部のすくい面部分にＳｉＣ単結晶が装着された複数刃のエンドミルがある。図８（ａ），（ｂ）にはそれぞれ二枚刃の本発明のエンドミル６０、及び従来の二枚刃のエンドミル６０’を示す。当該エンドミル６０は、従来のエンドミル６０’と同様に、超硬合金等で切刃部６１’は、首部やシャンク部（いずれも図示せず）と共に一体成形されたものである。しかし、異なる点は、切刃部６１’が、すくい面Ｆ₆’を含むように所定形状に切り取られ、その代わりに当該切取り部分の形状に合わせて加工されたＳｉＣ単結晶の切刃部６１が装着されて、被加工物を切削する切刃部６１’がＳｉＣ単結晶の切刃部６１に置き換わっている点である。前記切刃部６１のすくい面Ｆ₆及び逃げ面Ｓ₆は、ＳｉＣ単結晶の結晶面と対応させるために、曲面ではなく平らであることが望ましい。当該すくい面Ｆ₆及び逃げ面Ｓ₆のなす角度によって、オフ角度θ₁，θ₂を調節して切刃部６１の構成面と前記結晶面を対応させればよい。
〔スローアウェイチップ７０，８０〕
図９に示されるように、一部分がＳｉＣ単結晶に置き換わったチップ交換式工具におけるスローアウェイチップ（以下、単に「チップ」と言う。）がある。当該チップとしては、例えば、図９（ａ）に示されるチップ７０は、超硬合金等の従来から使用される工具材料で正三角形や正方形等の形状に成形された基台７２において、当該基台７２の上面側のコーナ部分のみが薄片状に切除されて、その代わりに当該切除部分に対応するように加工された薄片状のＳｉＣ単結晶の切刃部７１が接着されている。また、図９（ｂ）に示されるチップ８０は、前記基台７２と同様にして成形された基台８２の上面に、当該上面と同一形状に加工された平板状のＳｉＣ単結晶の切刃部８１が接着されたものである。上記の各チップ７０，８０は、ＳｉＣ単結晶の切刃部７１，８１を有し、コーナ部周辺のすくい面Ｆ₇，Ｆ₈及び逃げ面Ｓ₇，Ｓ₈がＳｉＣ単結晶に置き換わったものとなっている。なお、チップ７０，８０の中央の取付け穴の有無は問わない。また、上記の各切削工具において、所定の形状に加工されたＳｉＣ単結晶の切刃部を本体部又は刃部の一部に接着する場合には、銀ロウ等の接着材料を用いればよい。一方、チップ交換式工具におけるチップとしては、上記のように別材料の基台を用いるのではなく、全体がＳｉＣ単結晶のみで成形されたものでも良い。当該チップは、切刃部全体がＳｉＣ単結晶である切削工具の一例である。
〔小型のボールエンドミル９０〕
また、微細加工又は狭小部分の加工等で用いられる小型のボールエンドミルやドリル等の切削工具の場合には、当該切削工具自体が小さいので、ＳｉＣ単結晶を切り出して、切削工具全体を一体成形するのが好ましい。その理由は、一体成形された切削工具は、各々別々に成形された切刃部と本体部とを接着等により一体化させた切削工具に比べて製作し易く、切刃部と本体との接合部分がないので、切刃部の強度も確保されるからである。図１０に示される小型のボールエンドミル９０は、ＳｉＣ単結晶で一体成形されている。当該ボールエンドミル９０は、従来の小型のボールエンドミルと同様に、ホルダ９１等の保持器具に保持された状態で、立形フライス盤等の工作機械に取り付けられて用いられる。前記ボールエンドミル９０は、ＳｉＣ単結晶からなる細い丸棒（円柱）の一端側に二枚刃が形成された形状で、当該二枚刃のすくい面Ｆ₉はいずれも当該丸棒の軸方向に平行でかつ軸心を通る平面上に形成されている。このため、ボールエンドミル９０の軸方向に直交する方向を、ＳｉＣ単結晶の＜０００１＞方向に一致させてＳｉＣ単結晶を切削し、前記ボールエンドミル９０を成形すれば、前記すくい面Ｆ₉を｛０００１｝面にすることができる。しかし、一体成形により切削工具を製作する際は、切刃部を特定の結晶面で構成させることは難しいので、厳密な結晶面の特定をしなくても、負荷の最も大きいすくい面として容易に劈開する結晶方位を避けることによって、十分に高硬度で優れた特性を発揮する切削工具が得られる。

また、立方晶のＳｉＣ単結晶においても、図１１（ａ），（ｂ）にそれぞれ示されるような（１００）ジャスト面Ｙ₀、又は当該（１００）ジャスト面Ｙ₀に対して所定角度オフしたオフ面と、（１１１）面Ｕ₀、及び当該（１１１）面Ｕ₀に対して所定角度オフしたオフ面とで、切削工具の切刃部を構成する複数面のうちの２面を構成すると、六方晶のＳｉＣ単結晶について詳細に既述したのとほぼ同一の結晶構造理論によって、切刃としての強度を高めることができる。特に、「切刃」としての特性を最も発揮し易い（１００）ジャスト面Ｙ₀又は当該（１００）ジャスト面Ｙ₀に対して所定角度オフしたオフ面を切刃のすくい角として選択することが望ましい。

上記のことを図１２及び図１３に模式的に示してある。図１２には、立方格子の（１００）ジャスト面Ｙ₀及び（１１１）面Ｕ₀を含んで構成される格子空間Ｌ₀₀が模式的に示され、図１３には、立方格子の（１００）ジャスト面Ｙ₀のオフ面Ｙ₁及び（１１１）面Ｕ₀を含んで構成される格子空間Ｌ₀₁が模式的に示されている。なお、図１３において、θ₀は、（１００）ジャスト面Ｙ₀に対するオフ面Ｙ₁のオフ角度を示す。

ＳｉＣ単結晶からなる切削工具の仕上面精度（加工面の面粗度）について評価し、従来の超硬合金からなる切削工具と比較した。以下に評価方法及び結果を示す。ＳｉＣ単結晶（６Ｈ−ＳｉＣ）を、結晶面に考慮しながらダイヤモンドホイールを用いて切り出し、正面フライスカッタ３０’に装着するためのチップ３１’を製作した。当該チップ３１’は、一辺が１３．５ｍｍの正方形で、厚さが４ｍｍの平板状のチップであり、正方形の四隅を僅かに切り取った形状を有する。当該チップ３１’の切刃を構成する結晶面は、すくい面Ｆ₃’は（０００１）面を［１１−２０］方向に沿って８°傾斜させたオフ面であり、横（主）逃げ面は（１−１００）面のジャスト面、前（副）逃げ面は（１１−２０）面のジャスト面である。被加工物Ｗ₁は、ウッディホルム社製スウェーデン鋼の「ＳＴＡＶＡＸ（硬度ＨＲＣ５２）」の角材を用いた。フライス盤（牧野ライス製作所製「立形マシニングセンタＶ５６」）を使用し、正面フライスカッタ３０’（日立ツール株式会社製簡易カッタβ４５「ＫＢ０８０Ｒ−３２」）の本体部３３’に周方向に等間隔をおいて前記チップ３１’を３枚装着して前記被加工物Ｗ₁の正面フライス加工を行った。図１４は、当該正面フライス加工を実施している状態を示す図である。図１４の符号Ｂは正面フライスカッタ３０’の回転方向であり、符号Ｘは被加工物Ｗ₁の送り方向である。当該正面フライス加工条件は、周速は５０［ｍ／ｍｉｎ］、送り速度は１００［ｍｍ／ｍｉｎ］、加工時間は３〔ｍｉｎ〕であった。加工終了後に、前記被加工物Ｗ₁の加工面の面粗度を、表面粗さ形状測定機（東京精密株式会社製「Ｓｕｒｆｃｏｍ１３０Ａ」）にて測定した。その結果を図１５（ａ）に示す。

比較例として、超硬合金からなるスローアウェイチップ（日立ツール株式会社製フライス切削用インサート「ＳＮＮＦ１３Ｔ３ＴＮ」）を使用し、当該スローアウェイチップを上記と同一の正面フライスカッタ３０’に３枚装着し、上記と同一のフライス盤を使用して、上記と同一の被加工物Ｗ₁の正面フライス加工を行った。当該正面フライス加工条件は、回転数は５０［ｍ／ｍｉｎ］、送り速度は１００［ｍｍ／ｍｉｎ］、加工時間は３〔ｍｉｎ〕であった。また、加工終了後に、被加工物Ｗ₁の加工面の面粗度を上記と同様に測定した。その結果を図１５（ｂ）に示す。

図１５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、ＳｉＣ単結晶及び超硬合金のチップを用いて正面フライス加工を上記の条件で実施した場合の被加工物Ｗ₁の加工面の面粗度の測定結果であり、前記加工面の１０ｍｍの範囲における面粗度を示したものである。ここで、１０ｍｍの範囲における粗さ曲線の最大山高さと最大谷深さの差を「最大高さ粗さ」とすれば、図１５（ｂ）に示されるように、超硬合金のチップを用いた場合の被加工物Ｗ₁の加工面の「最大高さ粗さ」は、１０μｍに達した。一方、図１５（ａ）に示されるように、ＳｉＣ単結晶のチップ３１’を用いた場合の被加工物Ｗ₁の加工面の「最大高さ粗さ」は、１．６μｍ程度に留まることが分かった。加工面の測定場所を変えて複数箇所で表面粗さを測定しても、前記「最大高さ粗さ」は同様の数値を示した。この結果、ＳｉＣ単結晶のチップ３１’を用いて加工を行うと、超硬合金の通常のチップを用いた場合よりも被加工物Ｗ₁の加工面は遥かに高精度になることがわかった。また、通常、被加工物Ｗ₁の加工面を高精度加工するためには、切削加工の後に研削加工を実施するが、当該研削加工を実施しても、加工面の面粗度は平均３ないし４μｍである。本測定の結果によれば、ＳｉＣ単結晶のチップ３１’を用いた切削加工のみで、研削加工後の加工面よりも高精度な加工面を得られることが分かった。

図１６〜図１９に示されるように、ＳｉＣ単結晶（６Ｈ−ＳｉＣ）を、切削面を考慮しながらダイヤモンドホイールを用いて切り出して、ＳｉＣチップ１０１を製作し、旋盤用バイトホルダー１０３の先端の超硬チップ１０２の先端切刃部に前記ＳｉＣチップ１０１を接着して、旋盤用バイト１００を形成している。図１６は、先端部にＳｉＣチップ１０１を接着した超硬チップ１０２の斜視図であり、図１７（ａ）は、被加工物Ｗ₂を回転させて、ＳｉＣチップ１０１が接着された旋盤用バイト１００を用いて、被加工物Ｗ₂の斜面部Ｗ₂aで加工している状態の斜視図であり、図１７（ｂ）は、切屑１０４の拡大断面図であり、図１８は、同様の状態を下方から見た図であり、図１９は、旋削状況を示すための図であって、図１８のＳｉｃチップ１０１の先端部の拡大図である。当該ＳｉＣチップ１０１は、（底辺×高さ×厚さ）が（４×５×２ｍｍ）の二等辺三角形状をなしていて、先端の切刃Ｅ₆は、半径１ｍｍの円弧状（ノーズ状）に形成されて、母材である超硬チップ１０２の先端刃先部に接着される。当該ＳｉＣチップ１０１の切刃Ｅ₆を構成するすくい面Ｆ₁₀は（０００１）ジャスト面のオフ面である。被加工物Ｗ₂は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）で成形された動力伝達用プーリーであって、その斜面部Ｗ₂a の旋削加工を行った。被加工物Ｗ₂の旋削面である斜面部Ｗ₂aには浸炭焼入れされて、５８〜６２ＨＲＣの硬度を有して、厚さ０．４ｍｍの焼入れ層が形成されている。旋盤加工の条件としては、被加工物Ｗ₂の回転速度（周速）は１２０［ｍ／ｍｉｎ］であり、被加工物Ｗ₂の斜面に沿ったバイト１００の送り量（Ｋ）は、被加工物Ｗ₂の１回転に対して０．０８［ｍｍ］であり、切込み深さ（Ｔ₁) は０．２［ｍｍ］で、森精機株式会社製のＮＣ旋盤を使用した。

旋削結果は、旋削面は鏡面に仕上がる程度に良好であった。切屑１０４は、図１７に示されるように、細断されることなく細く繋がっていて、しかも熱変形のない状態であって、切屑１０４の断面の大きさは（幅×厚さ）＝（０．６×０．０６ｍｍ）であった。切屑１０４の幅が０．６ｍｍであることは、ＳｉＣチップ１０１の先端の切刃の半径（Ｒ）〔＝１ｍｍ〕と切込み深さ（０．２ｍｍ）に対応していて、切屑１０４の厚み（Ｚ）が０．０６ｍｍであることは１回転当たりの送り量（Ｋ）に対応していることから、切屑１０４の断面積は、ＳｉＣチップ１０１の切刃Ｅ₆が被加工物に０．２ｍｍだけ切り込んでいる位置から０．０８ｍｍだけ移動した位置までの面積とほぼ同じであることが分かる。一方、旋削面に関しては、加工面の「最大高さ粗さ」は、１．５μｍ程度であり、しかも旋削直後の加工面は殆ど熱がない状態であった。加工時に発熱が殆どないことは、加工負荷が少ないことを意味し、切屑１０４の塑性変形も殆ど無くて加工がスムーズに行われたことを示す。なお、図１７〜図１９において、Ｊは、旋盤用バイト１００の送り方向を示し、１０５は、ＳｉＣチップ１０１の円弧状の切刃Ｅ₆の中心を示す。

クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）で成形された動力伝達用プーリーは、硬度が高いために、従来は旋削加工では旋削が不可能な領域であったため、セラミック砥石を使用した研削加工により仕上加工が行われていて、非常に長い加工時間と特別の研削設備環境を必要としていたが、本発明に係るＳｉＣチップの使用により、旋削加工が可能となって、加工精度を確保したうえで、加工時間の短縮が図られる。

(ａ) は、六方格子Ｈにおける各結晶面、及びその一面である（０００１）ジャスト面Ｍ₀を[ １１−２０] 方向に沿って所定のオフ角度θ₁で傾斜させたオフ面Ｍ₁を示した図であり、 (ｂ）は、（１−１００）ジャスト面Ｎ₀を [０００１] 方向に沿って所定のオフ角度θ₂で傾斜させたオフ面Ｎ₁を示した図である。正方形のチップＧを用いたスローアウェイバイト１０における切刃Ｅの構成面を示した図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれ、スローアウェイバイト２０を用いて負又は正のすくい角ψ₁，ψ₂で被加工物Ｗ₀を旋削している状態を示すチップＧ₁，Ｇ₂の断面図である。（ａ）は、六方格子Ｈの（０００１）ジャスト面Ｍ₀及びオフ面Ｍ₁において、ジャスト面Ｍ₀の単位面積Ａ及び当該ジャスト面Ｍ₀から鉛直方向の微小厚さΔＤとから構成される体積Ｖの格子空間Ｌ₀を模式的に示した図であり、（ｂ）は、前記オフ面Ｍ₁の単位面積Ａ及び当該オフ面Ｍ₁から垂直方向の微小厚さΔＤとから構成される体積Ｖの格子空間Ｌ₁を模式的に示した図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれＳｉＣ単結晶からなる切刃部３１を装着した正面フライスカッタ３０の正面図及び側面図である。（ａ），（ｂ）は、それぞれ平板状のＳｉＣ単結晶からなる切刃部４１がボデー部４３の先端に固定されたフラットドリルに類似のドリル４０の正面図、及び側面図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれ刃部５４の先端部分がＳｉＣ単結晶からなる切刃部５１となっているリーマ５０の正面図及び側面図である。（ａ）は、ＳｉＣ単結晶の切刃部６１がすくい面部分に装着された二枚刃のエンドミル６０を示した正面図であり、（ｂ）は、従来の二枚刃のエンドミル６０’の正面図である。（ａ）は、超硬合金等からなる基台７２のコーナ部にＳｉＣ単結晶の切刃部７１が接着された正三角形状のスローアウェイチップ７０の外観図であり、（ｂ）は、超硬合金等からなる基台８２の上面に全面にわたって平板状のＳｉＣ単結晶の切刃部８１が接着された正三角形状のスローアウェイチップ８０の外観図である。全体が一体成形された小型のボールエンドミル９０がホルダ９１に取り付けられた状態を示す図である。（ａ），（ｂ）は、それぞれ立方晶の（１００）ジャスト面、及び（１１１）面を示す図である。立方格子の（１００）ジャスト面Ｙ₀及び（１１１）面Ｕ₀を含んで構成される格子空間Ｌ₀₀を模式的に示す図である。立方格子の（１００）ジャスト面Ｙ₀のオフ面Ｙ₁及び（１１１）面Ｕ₀を含んで構成される格子空間Ｌ₀₁を模式的に示す図である。正面フライスカッタ３０’にＳｉＣ単結晶又は超硬合金のチップを用いて正面フライス加工を実施している状態を示す図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれ、ＳｉＣ単結晶及び超硬合金のチップを用いて正面フライス加工を実施した場合の被加工物Ｗ₁の加工面の面粗度の測定結果である。先端部にＳｉＣチップ１０１を接着した超硬チップ１０２の斜視図である。（ａ）は、被加工物Ｗ₂を回転させて、ＳｉＣチップ１０１が接着された旋盤用バイト１００を用いて、被加工物Ｗ₂の斜面部Ｗ₂aで加工している状態の斜視図であり、（ｂ）は、切屑１０４の拡大断面図である。同様の状態を下方から見た図である。旋削状況を示すための図であって、図１８のＳｉｃチップ１０１の先端部の拡大図である。ＳｉＣ単結晶のチップを用いて、被加工物Ｗ₂である動力伝達用プーリーの斜面部を旋削加工した加工面の面粗度の測定結果である。

符号の説明

Ｅ：切刃
Ｆ：すくい面
Ｈ：六方格子
Ｍ₀：｛０００１｝ジャスト面
Ｍ₁：｛０００１｝オフ面
Ｎ₀：｛１−１００｝ジャスト面
Ｎ₁：｛１−１００｝オフ面
Ｐ₁,Ｐ₂：切削抵抗
Ｓ₃〜Ｓ₈ ：逃げ面
Ｓａ：横（主）逃げ面
Ｓｂ：前（副）逃げ面
Ｗ₀,Ｗ₁,Ｗ₂：被加工物
Ｙ₀：｛１００｝ジャスト面
Ｙ₁：｛１００｝オフ面
θ₀，θ₁，θ₂：オフ角度
３１，４１，５１，６１，７１，８１：ＳｉＣ単結晶からなる切刃部

Claims

旋削加工又は中ぐり加工又は平削り加工等に使用される各種バイト、もしくはフライス加工に使用されるエンドミル又はフライスカッタ、もしくは穴加工に使用されるドリル、リーマー等の穴あけ工具、もしくはチップ交換式切削工具等の工作機械を用いて工作物を切削加工するために使用される切削工具において、
当該切削工具の切刃部の一部又は全体が炭化珪素の単結晶であることを特徴とする炭化珪素単結晶からなる切削工具。
前記切削工具の切刃部は、本体の切刃装着部位に炭化珪素単結晶が接着又は固定されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶からなる切削工具。
前記切削工具の切刃部は、全体が炭化珪素単結晶によって一体成形されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶からなる切削工具。
前記切削工具の切刃部を構成する複数面のうち一つは、六方晶の炭化珪素単結晶における｛０００１｝面、又は当該｛０００１｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であり、残りの面の一つは、｛１−１００｝面、又は当該｛１−１００｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶からなる切削工具。
前記切刃部の構成面のうちすくい面が、六方晶の炭化珪素単結晶の｛０００１｝面、又は当該｛０００１｝面のオフ面であることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素単結晶からなる切削工具。
前記切削工具の切刃部を構成する複数面のうち一つは、立方晶の炭化珪素単結晶における｛１００｝面、又は当該｛１００｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であり、残りの面の一つは、｛１１１｝面、又は当該｛１１１｝面に対して所定オフ角度で傾斜したオフ面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶からなる切削工具。
前記切刃部の構成面のうちすくい面が、立方晶の炭化珪素単結晶の｛１００｝面、又は当該｛１００｝面のオフ面であることを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素単結晶からなる切削工具。