JPWO2004096473A1 - 高速加工工具 - Google Patents

Abstract

課題：耐摩耗性及び潤滑性が改善された高速加工用部品、及び該部品を用いた乾式での高速加工方法を提供する。特に、高速切削部品及び高速切削方法を提供する。解決手段：超硬合金を母材とする加工用部品にハロゲン元素をイオン注入し、被加工材に１５０ｍ／分以上の速度で接触させることにより、該部品の耐摩耗性や潤滑性を改善することができる。加工用部品がＴｉ含有コーティング層を有する場合にも、同様にして耐摩耗性や潤滑性を改善することができる。これらの部品を含む切削工具を用いると、切削油なしで高速の乾式切削が可能となる。本発明の加工用部品を被加工材と高速で接触させることにより、該部品が被削材と接触する面に自己潤滑膜を生成することができる。

Description

本発明は、耐摩耗性、潤滑性、耐欠損性に優れ、高速加工用途に使用できる部品に関する。また、該部品を含む加工工具、その工具を用いた高速加工方法、特に乾式切削方法にも関する。

近年、生産性の向上の観点から加工速度の高速化が望まれており、例えば切削の分野でも高速切削が求められている。高速切削の対象も拡大しており、熱処理硬化後の熱間鍛造型やダイスカスト型などの高硬度材への適用も求められている。
従来の切削方法では、潤滑作用の促進と刃先冷却を目的として切削油が用いられており、高速切削では特に切削油が必要とされてきた。しかし、切削油を使用すると異臭、汚れ、及び油煙の発生等により作業環境の悪化を招き、廃油処理に伴い環境汚染の問題が生じるだけでなく、工具の腐食が生じることもある。そこで、切削油を用いない乾式切削が望まれており、そのためには耐摩耗性、耐欠損性、潤滑性、及び耐熱性を有する切削工具の開発が必要となる。そして、高速域でも上記の特性を有することが望ましい。
乾式切削のための工具としては、硬質材料に硬度の高い被膜を予め形成させ耐久性を向上させた工具が報告されている。例えば、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ−Ｃ系のコーティングを施した高速度工具鋼（特開平１１−３００５１８号公報を参照）、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＳｉＣ、及びＡｌ_２Ｏ_３といった成分の被覆層を有する超硬合金（特開２０００−３３６４８９号公報及び特開２００１−２９３６１１号公報を参照）が挙げられる。これらの被覆層の形成には、ＣＶＤやＰＶＤといった方法が用いられている。さらに、タングステンカーバイドにＣｌやＳといった元素をイオン注入して耐摩耗性を向上させる試みも為されている（米国特許第５０３８６４５号明細書を参照）。
しかし、母材に被覆を施す従来の方法では、母材とは異なる材質である被覆層を成膜する結果、両者の間で剥離が起こりやすい。接着性を高めるため複数の層を形成させる方法も試みられているが、工程が複雑になる。さらに、高硬度の被覆層を形成しても靱性が低く、被切削材によっては欠損が発生して工具寿命が充分ではない場合がある。それに加え、高硬度被覆層で被削体を切削すると切屑が被覆層に付着するため、高速域での切削抵抗が充分に低減されないという問題が生じる。タングステンカーバイドのイオン注入では中速域（例えば、切削速度９１ｍ／分まで）の条件で耐摩耗性の改善がみられるものの、その性能は被覆工具には及ばない。
このような問題のため、現在の鋼の切削加工速度は切削油を用いた場合でも最大で１５０〜２００ｍ／ｍｉｎとすることが多く、乾式切削では１００／ｍｉｎ以下とすることが多い。従って、高速域での乾式切削が困難であるのが実状である。

本発明は上記のような事情に鑑みなされたものであり、高速域での耐摩耗性、耐欠損性、潤滑性、切削抵抗、及び耐熱性が改善された加工用部品、特に高速切削工具を提供することを目的とする。さらに本発明の加工用部品を用いた高速加工方法、特に高速での乾式切削方法を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意研究の結果、加工用部品の表層にハロゲン元素を添加して被加工材を高速で接触させると、該ハロゲン元素の酸化促進効果に伴って耐摩耗性や潤滑性といった特性が改善されることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明によれば、加工用部品及び被加工材を高速で摩擦させて界面反応を起こし、それにより加工用部品表面を修飾して摩耗特性を改善することができる。従って、修飾表面が摩耗した場合には適宜高速処理を行うことにより、修飾表面を再生することができる。本発明の加工工具を使用すると、その優れた潤滑性により、潤滑油を使用することなく高速加工が可能となる。
上記の様な本発明の利点は、Ｔｉ酸化物相及び／又はＴｉ含有複合酸化物相（ただしＴｉの原子価が２価より大きく４価未満である）を含む自己潤滑層に起因すると考えられる。そして、該自己潤滑膜が高速域での加工工程においてインプロセスで生成及び再生しうる点にも特徴を有する。
即ち本発明の要旨は、硬質材料を母材とし、母材表面から１μｍ以内において、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素の濃度が０．２ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％の範囲にある高速加工用部品に存する。母材の外側にＴｉとＣ及び／又はＮとを含むコーティング層を有する場合には、コーティング層の表面から１μｍ以内において、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素の濃度が０．２ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％の範囲にある高速加工用部品にも存する。フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素は、イオン注入により添加できる。本発明の加工用部品を被加工材に対して１５０ｍ／分以上の速度で接触させ、高速加工用部品を製造することができる。
さらに本発明の要旨は、被加工材に対して１５０ｍ／分以上の速度で接触させる処理を行った上記の高速加工用部品にも存する。
また本発明の要旨は、被加工材と接する面に自己潤滑膜をさらに有する上記の高速加工用部品にも存する。自己潤滑膜は、被加工材に対して１５０ｍ／分以上の速度で接触させることにより生成する。自己潤滑膜の生成に用いる被加工材として、表層にＴｉを含有する材が挙げられる。自己潤滑膜はＴｉ酸化物及び／又はＴｉ含有複合酸化物を含有し、該酸化物及び／又は複合酸活物におけるＴｉの平均原子価が２価より大きく４価未満であり、自己潤滑膜中のＴｉの量をＴｉＯ_２に換算した場合、（換算ＴｉＯ_２重量／自己潤滑膜の重量）で表される重量比が５％以上である。
本発明の要旨は、上記の加工用部品を用いた高速加工方法にも存する。また、上記の加工用部品を含む高速切削工具にも存する。本発明の高速切削工具では、切り込み深さ１．０ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度４００ｍ／ｍｉｎ、及び切削距離５００ｍの条件で切削を行った後の工具逃げ面の摩耗幅Ｖ_Ｂを７０μｍ以下にすることができる。また、切削油を用いずに切削速度１５０ｍ／分以上で切削することができる。

図１は、切削工程のモデル図を示す。
図２は、イオン注入Ｐ１０工具、ＴｉＮコーティングＰ１０工具、及び未処理のＰ３０工具について、切削抵抗合力の切削速度依存性を示す。
図３は、イオン注入Ｐ１０工具、ＴｉＮコーティングＰ１０工具、及び未処理のＰ３０工具について、送り分力の切削速度依存性を示す。
図４は、イオン注入Ｐ１０工具について、摩擦係数の切削速度依存性を示す。
図５は、イオン注入Ｐ１０工具の摩耗試験の結果を示す。
図６は、Ｔｉ脱酸鋼の切削に使用したイオン注入Ｐ１０工具の断面観察の結果を示す。
図７は、Ｔｉ脱酸鋼の切削に使用したイオン注入Ｐ１０工具の断面についてＸＭＡにより元素分析を行った結果を示す。
図８は、切削後のＴｉＮコーティング工具（上段）及びイオン注入ＴｉＮコーティング工具（下段）の表面について測定したＸＰＳの結果を示す。
図９は、切削後のイオン注入ＴｉＮコーティング工具表層について４カ所で行った視野制限電子回折の結果を示す。
図１０は、イオン注入を行ったＴｉＣＮコーティング工具及びイオン注入を行わなかったＴｉＣＮコーティング工具について行った切削試験の結果を示す。
図１１は、イオン注入を行ったＴｉＣＮコーティング工具を用いて切削した後の工具逃げ面摩耗幅を示す。切削速度を５００ｍ／ｍｉｎ、切削距離を５００ｍ又は１０００ｍとした。
図１２は図１１の条件で切削した後の逃げ面摩耗状態を観察した断面図である。
図１３は、イオン注入を行ったＴｉＣＮコーティング工具についてＴｉ脱酸鋼を被削材として行った切削試験後、逃げ面と工具断面（挿入図）を観察した結果を示す。逃げ面の観察はレーザー顕微鏡により、工具断面の観察は光学顕微鏡により行った。挿入図の上図は縦２６ｍｍｘ横６０ｍｍの領域に対応し、下図は縦８０μｍｘ横１００μｍに対応する。
図１４は、イオン注入を行わなかったＴｉＣＮコーティング工具についてＡｌ脱酸鋼を被削材として行った切削試験後、逃げ面と工具断面（挿入図）を観察した結果を示す。逃げ面の観察はレーザー顕微鏡により、工具断面の観察は光学顕微鏡により行った。挿入図の上図は縦２６ｍｍｘ横６０ｍｍの領域に対応し、下図は縦８０μｍｘ横１００μｍに対応する。
詳細な説明
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高速加工用部品の母材は、被加工材の材質や加工形状に応じて適宜選択することができ、硬質材料が好ましい。硬質材料はＪＩＳ Ｂ ４０５３に規定される超硬質工具材料、セラミックス、及び超高圧焼結体を含み、溶融法によって作られる金属材料よりも硬い焼結材料を指す。例えば、合金工具鋼、炭素工具鋼、高速度工具鋼、粉末高速度工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックス、鍛造用型鋼、熱間ダイス鋼、冷間ダイス鋼、軸受鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、アルミニウム及びその合金、チタン及びその合金、モリブデン及びその合金、タングステン及びその合金を使用することができる。
母材にはコーティングを行ってもよいし、行わなくてもよい。コーティング層の材料としては、ＴｉとＣ及び／又はＮとを含む材料といった高硬度材料が好ましい。例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＡｌＣＮなどが挙げられる。上記の材料において、Ｔｉの一部が他の金属元素で置換されてもよい。また、複数のコーティング層を積層してもよい。
母材にコーティングを行わない場合、該母材表面から１０μｍ以内、好ましくは５μｍ以内、さらに好ましくは１μｍ以内の表層において、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素が添加される。母材にコーティングを行う場合には、該コーティング層の表面から１０μｍ以内、好ましくは５μｍ以内、さらに好ましくは１μｍ以内の表層において、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素が添加される。上記元素がコーティング層だけでなく母材に及んでもよい。上記元素の存在する領域が薄すぎると耐久性が悪くなり、厚すぎると元素の注入工程が煩雑となる。
フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素の濃度は０．２ｍｏｌ％以上、好ましくは０．５ｍｏｌ％以上、さらに好ましくは１ｍｏｌ％以上であり、２０ｍｏｌ％以下、好ましくは１０ｍｏｌ％以下、さらに好ましくは８ｍｏｌ％以下である。濃度が低すぎると潤滑性が改善され難くなり、高すぎると母材及び／又はコーティング層の結晶構造に損傷を与えることがある。ここでｘμｍ以内での該元素の濃度とは、ＸＰＳにより元素濃度の深さ方向の分布を測定し、元素濃度を深さに対してプロットした場合の、深さ０−ｘμｍの範囲における最大元素濃度をいう。
フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素の添加方法としては、イオン注入法が挙げられる。イオン注入にあたり各種公知の装置及び条件を使用することができ、イオン注入の表面濃度及びエネルギーは、上記の表層濃度を充たすよう母材及び／又はコーティング層に依存して選択することができる。例えば、表面濃度は１ｘ１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上、好ましくは１ｘ１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上であり、１ｘ１０^１８ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５ｘ１０^１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下である。加速エネルギーは２０ｋｅＶ以上、好ましくは３０ｋｅＶ以上、５００ｋｅＶ以下、好ましくは２００ｋｅＶ以下にすることができる。
上記以外の元素であっても、加工工程で酸化剤として寄与しうる状態で加工用部品の表層に含有される元素であれば、上記元素に代えて又は上記元素と併せて使用することができる。
母材には、さらにＴｉが含有されてもよい。Ｔｉの形態として特に制限はないが、例えば炭化チタン、金属Ｔｉ、酸化チタン、窒化チタンが挙げられる。これらのＴｉ化合物は少なくとも母材表層に存在すればよく、母材の特性に影響が生じなければＴｉ濃度に特に制限はない。例えば母材が超硬合金である場合、０．２ｍｏｌ％以上、好ましくは１．０ｍｏｌ％以上であり、３０ｍｏｌ％以下、好ましくは１５ｍｏｌ％以下にすることができる。
本発明の加工用部品がＴｉ含有コーティング層を有しない場合には、母材がＴｉを含有することが好ましく、母材表面から２０μｍ、好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは１μｍの表層において、Ｔｉを上記の濃度で存在させることができる。Ｔｉ濃度が低すぎると耐摩耗性、潤滑性、耐欠損性等の特性の改善が充分でないことがあり、Ｔｉ濃度が高すぎると母材の硬度や強度といった特性が損なわれることがある。ただし、Ｔｉを含有する被加工材を使用するといった方法で外部からＴｉを供給してもよい。ここで表面からｙμｍの表層におけるＴｉ濃度とは、表面からｙμｍ以内の領域における平均Ｔｉ濃度をいう。
加工用部品がコーティング層を有する場合、部品表面から２０μｍ、好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは１μｍの表層において、Ｔｉ濃度が０．２ｍｏｌ％以上、好ましくは１．０ｍｏｌ％以上であり、８０ｍｏｌ％以下、好ましくは６０ｍｏｌ％以下、より好ましくは３０ｍｏｌ％以下、さらに好ましくは１５ｍｏｌ％以下である。Ｔｉが上記濃度で存在する領域がＴｉ含有コーティング層であってもよい。
該フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される１種以上の元素を添加した加工用部品を高速で被加工材と接触させる表面処理により、耐摩耗性、耐欠損性、潤滑性、及び耐熱性等の特性を改善することができる。ここで高速とは、加工用部品と被加工材との相対速度が１５０ｍ／分以上、好ましくは２００ｍ／分以上、さらに好ましくは２５０ｍ／分以上であることをいう。相対速度に上限はないが、１０００ｍ／分以下である場合には、加工用部品の耐久性を保持しやすい。この高速での表面処理は、潤滑油なしで行うことができる。
加工用部品がＴｉ含有コーティング層を有さず、母材がＴｉを実質的に含まず、かつＴｉを含有しない被加工材に使用する場合には、加工用部品をＴｉ含有被加工材と予め高速接触させて（以下、この処理を「予備高速処理」と表記する）潤滑性を向上させておくことが好ましい。母材がＴｉを含有している場合には、予備高速処理をしなくても加工プロセス中に潤滑性を向上させることができる。ただし予備高速処理を行うことにより、使用開始直後から優れた特性が得られるだけでなく、潤滑性等の特性を最適化することができる。
加工用部品がＴｉ含有コーティング層を有する場合、予備高速処理なしで加工プロセス中に潤滑性の向上を図ることができる。ただし予備高速処理を行うことにより、使用開始直後から優れた特性が得られるだけでなく、潤滑性等の特性を最適化することができる。
被加工材に特に制限はないが、Ｔｉ脱酸鋼といったＴｉ含有材料である場合には潤滑性の向上において有利である。特に被加工材の表層にＴｉが存在すると、予備高速処理における潤滑性の付与及び加工プロセスにおける潤滑性の保持において有利である。
加工用部品に潤滑性を付与した後、被加工材との接触面が摩耗して潤滑性が低下した場合には、再度Ｔｉ含有被加工材と高速接触させて潤滑性を付与することもできる。界面反応にＴｉを供給するという観点からは、該Ｔｉ含有被加工材が少なくとも表層にＴｉを含有することが好ましい。
上記の処理によって耐摩耗性や潤滑性が改善される理由は必ずしも明らかではないが、加工用部品が被加工材と接触する面に形成される自己潤滑膜が寄与しているとも考えられる。ここで自己潤滑膜とは、加工用途に供する前に外部から付着させた被覆層（例えばＴｉ含有コーティング層）ではなく、加工用部品自体に由来した反応により生成する潤滑膜を指す。加工用部品がコーティング層を有する場合には、そのコーティング層の上に自己潤滑膜が形成され、コーティング層を有さない場合には、母材上に自己潤滑膜が形成される。
この様な過程で生成される潤滑膜は、従来の被覆層と異なり、摩耗が生じても随時再形成されて安定な性能を示すという利点がある。さらにコーティング層を形成する工程を省略することができ、保護層と母材との接着性も強化することができる。また、該自己潤滑膜は、被削材が加工用部品の表面に堆積することを抑制できる。
該自己潤滑膜の厚みには、本発明の効果を奏すれば特に制限はないが、例えば０．０５μｍ以上１０μｍ以下である。
該自己潤滑膜の成分としては、耐摩耗性、潤滑性等を付与する成分であれば特に制限はないが、負荷する面圧に応じて剪断変形可能である場合には、潤滑性が向上できるため好ましい。そのような成分としては、例えばＴｉＯ_ｘ（１＜ｘ＜２）で表されるＴｉ酸化物、各種のＭｏ酸化物、Ｗ酸化物、及びＮｂ酸化物が挙げられる。Ｔｉ酸化物相としては、Ｔｉ_ｎＯ_２ｎ−１（ｎ：整数）で表されるＭａｇｎｅｌｉ相が挙げられる。また、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂからなる群より選択される１種以上の元素を含有する複合酸化物も挙げられる。複合酸化物の場合、Ｓｉ及び／又はＭｎが含まれてもよく、例えばＭｎＴｉＯ_３であってもよい。自己潤滑膜が上記の相の１種類のみを含有してもよく、複数の種類を含有してもよい。
自己潤滑膜のＴｉは本発明の加工用部品から供給されてもよく、被削材から供給されてもよい。加工用部品がコーティング層を有する場合、Ｔｉはコーティング層から供給でき、加工用部品がコーティング層を有さない場合、Ｔｉは母材から供給できる。
Ｔｉ酸化物及び／又はＴｉ複合酸化物が自己潤滑膜中に含有される場合、Ｔｉの平均原子価は２価より大きく４価未満でありうる。加工用部品がＴｉ含有コーティング層を有さない場合には、自己潤滑膜中のＴｉの量をＴｉＯ_２に換算した重量（以下、換算ＴｉＯ_２重量とする）が自己潤滑膜中に占める割合：
換算ＴｉＯ_２重量／自己潤滑膜の重量×１００ （％）
を５％以上、好ましくは１０％以上にすることができる。Ｔｉ含有コーティング層を有する場合には、換算ＴｉＯ_２重量の割合を１０％以上、好ましくは２０％以上、さらに好ましくは４０％以上とすることができる。換算ＴｉＯ_２重量の上限に特に制限はなく、自己潤滑膜がＴｉ化合物のみで構成されてもよい。ただし、被削材に由来する成分の混入等により、換算ＴｉＯ_２重量の割合は９０％以下、例えば８０％以下となることが多い。
本明細書で、自己潤滑膜の重量は実施例３の通り求めた値を用いる。つまり、ＸＰＳでＷ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，及びＴｉについて測定を行い、それぞれＷＣ、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ，Ａｌ_２Ｏ_３，及びＴｉＯ_２として存在すると仮定してそれらの重量の総和を求め、その値を自己潤滑膜の重量とする。換算ＴｉＯ_２重量とは、全てのＴｉがＴｉＯ_２として存在すると仮定した場合のＴｉＯ_２の重量を指す。
高速で摩擦させることにより自己潤滑膜が生成する機構は必ずしも明確ではないが、例えば母材表層に高圧力の負荷が印加された環境下では、母材中のハロゲン元素が１価の負イオンに還元されるのに伴いＴｉを酸化し、上記のＴｉ中間酸化物層が形成されているとも考えられる。
本発明において高速加工とは、加工部品と被加工材との相対速度が１５０ｍ／分以上、好ましくは２００ｍ／分以上、さらに好ましくは２５０ｍ／分以上での加工を指す。本発明の加工部品を使用すれば、潤滑油を使用せずに乾式加工（例えば、乾式切削）を行うことができる。
本発明の高速加工用部品は、被加工材と高速で接触して摩擦を生じる部位であれば何れの器具にも使用することができる。例えば、ドリル、フライス、シェービングカッタ、ホブ、エンドミルといった切削工具、熱間鍛造型及び冷間鍛造型といった各種の金型、及び摺動部品に使用することができる。切削工具に使用した場合、耐久性を改善して長寿命にすることができ、加工精度の向上も図ることができる。
本発明の切削工具では、工具逃げ面上に自己潤滑膜が形成されるため、摩耗が抑制される。切削工具の交換又は再研削は工具の逃げ面摩耗幅Ｖ_Ｂが２００〜３００μｍに達した時点で行われるのが通例であり、Ｖ_Ｂは摩耗の程度を示す良い指標となる。本発明の切削工具では、切り込み深さ１．０ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度４００ｍ／ｍｉｎ、及び切削距離５００ｍの条件で乾式切削を行った場合の摩耗幅を７０μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下にすることができる。また、切削速度Ｖｍ／ｍｉｎ及び切削距離５００ｍの条件で乾式切削を行った後の摩耗幅Ｖ_Ｂμｍについて、本発明の工具では
Ｖ_Ｂ ≦Ｖ_Ｂ０＋０．０６３７５・Ｖ
（ただしＶは１００ｍ／ｍｉｎ以上５００ｍ／ｍｉｎ以下であり、Ｖ_Ｂ０は３０μｍである）
の条件を充足しうる。この様に、高い切削速度Ｖでも摩耗幅Ｖ_Ｂが抑制されているため、切削工具を長寿命化することができる。なお、上記の摩耗幅の測定のための乾式切削条件は実施例１及び５に記載の通りである。

以下実施例により、本発明をより詳細に説明するが、本発明が以下の実施例によって限定されるものではない。
＜被削材＞
実施例で使用した被削材はＡｌ脱酸鋼及びＴｉ脱酸鋼である。これらの鋼は、１００ｋｇ高周波誘導炉によってＳ４５Ｃ組成の鋼を溶製し、５０ｋｇ鋼塊に分注の際にＴｉ及びＡｌで脱酸処理し、鋼塊を熱間圧延によってφ７５ｍｍとし、焼きならし処理をすることによって作成した。その化学組成は表１の通りである。脱酸処理にＴｉを用いると、鋼材中のＴｉ濃度が高くなることがわかる。

＜切削工具の作成＞
未処理のＰ１０種相当品工具（組成：ＷＣ−ＴｉＣ（ＴａＣ）３０％−Ｃｏ１０％、住友電工社製、形状：ＴＮＵＮ３３１（三角型チップ）、型番：ＳＴ１０Ｐ）、ＴｉＮコーティングを行ったＰ１０種相当品工具（Ｐ１０種相当品工具にＴｉＣＮ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＮの順で多層コーティングを行ったもの、三菱マテリアル社製、形状：Ｐ１０工具と同等、型番：ＵＥ６００５）、及びＴｉＣＮコーティングを行ったＰ１０種相当品工具（Ｐ１０種相当工具品にＴｉＣ及びＴｉＮの超薄膜を交互に蒸着したもの、住友電工社製、形状：ＴＮＵＮ３３１、型番：Ｋ２９Ｊ）に塩素を用いてイオン注入を行った。イオン注入の条件は、何れも１００ｋｅＶ及び１ｘ１０^１７ｉｏｎ／ｃｍ^２とした。イオン注入は、すくい面のみに行った。ＸＰＳで測定した最大塩素濃度は５ｍｏｌ％であった。
コーティングを行っていないＰ１０種相当品工具のＴｉ濃度は２３ｍｏｌ％であり、コーティングを行った工具の表面Ｔｉ濃度は５０ｍｏｌ％であった。なお、コーティング膜厚は１−５μｍであった。
＜実施例１＞ 非コーティング工具の切削抵抗試験
イオン注入を行ったＰ１０工具及びイオン注入を行わずＴｉＮコーティングを行ったＰ１０工具について、低速から高速域での乾式切削試験を行い切削抵抗を測定した。比較のため、幅広い切削用途に用いられるＰ３０工具（イオン注入や被覆処理をしていない未処理品、組成 ＷＣ−ＴｉＣ（ＴａＣ）８％−Ｃｏ１０％、三菱マテリアル社製、形状：Ｐ１０工具と同等、型番：ＵＴ２０Ｔ）についても併せて試験を行った。切削条件は、以下の通りであった。
切り込み深さ Ｄｃ：１．０ｍｍ
送り ｆ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
被削材 表１のＡｌ脱酸鋼及びＴｉ脱酸鋼
切削速度 同一の工具で１０ｍ／分から３００ｍ／分まで増加
切削時に工具に加わる力や自己潤滑膜の生成について、図１に示す。
図２に、切削抵抗合力（Ｒ）の切削速度依存性を示す。何れの工具も中速域（４０〜１００ｍ／ｍｉｎ）に極大値を有し、高速になるにつれて減少するが、イオン注入工具は高速域で特徴的な挙動を示した。
まず２０から５０ｍ／ｍｉｎでは、イオン注入工具の方がＴｉＮコーティング工具と比較して切削抵抗合力が大きく、しかも速度の増加に伴う抵抗合力の上昇の割合も大きいことがわかる。しかし切削速度をさらに上げると、イオン注入工具の方が低いＲを示した。つまり中速域の結果とは異なり、高速域ではイオン注入工具の方が高い潤滑性が得られることがわかる。例えば３００ｍ／ｍｉｎにおけるイオン注入工具でのＲの値は、ＴｉＮコーティング工具の値から１２％減少した。
Ｐ３０種相当工具と本発明の工具を比較すると、中速域でも有利な効果が得られる。切削速度５０ｍ／ｍｉｎ以上では、Ｐ３０種工具と比較して本発明の工具ではＲが約２０％低下した。
同様の現象は、送り分力（Ｆｓ；図３）でも観測された。切削速度３００ｍ／ｍｉｎにおいて、本発明の工具では、ＴｉＮコーティング工具と比較してＦｓを１０〜１５％削減することができた。Ｐ３０種相当工具と比較しても、切削速度５０ｍ／ｍｉｎ以上でＦｓを約２５％削減することができた。この様に、本発明により、コーティングを行わなくても母材にイオン注入を行うことにより、加工力を大きく減じることができる。
さらに、主分力（Ｆｃ）及び送り分力（Ｆｓ）から幾何学的に算出される工具−切屑接触面の摩擦係数（μ；図４）でも、高速域でイオン注入工具が優れた特性を示した。例えば３００ｍ／ｍｉｎにおける摩擦係数について、イオン注入工具の値がＴｉＮコーティング工具と比較して１０％減少し、耐摩耗性に優れていることを示している。Ｐ３０種相当工具と比較しても、切削速度５０ｍ／ｍｉｎ以上において摩擦係数が約１０％減少した。この様に、本発明により、工具−切削接触面の摩擦係数も低減することができる。
イオン注入工具の切削試験では、Ｔｉ濃度の異なる２種類の被削材（Ｔｉ脱酸鋼及びＡｌ脱酸鋼）を用いたが、Ｔｉ含有量が多い被削材（Ｔｉ脱酸鋼）の方が高い性能が得られた。この結果は、被削材にＴｉが存在すると本発明の切削工具の潤滑性がさらに向上することを示している。
＜実施例２＞ イオン注入を行った非コーティング工具の摩耗特性
Ｐ１０イオン注入工具について乾式切削による摩耗試験を行った。試験の条件は下記の通りである。
切削速度 Ｖ：５０〜２５０ｍ／分
切削距離 ５００ｍ
（切削時間は切削速度に依存し、例えばＶ＝５０ｍ／ｍｉｎでは１０分、２５０ｍ／ｍｉｎでは２分となる）
被削材：上記のＡｌ脱酸鋼及びＴｉ脱酸鋼
その他の条件は実施例１と同様にした。
試験後の工具すくい面摩耗深さ（ｋ_Ｔ）と逃げ面摩耗幅（Ｖ_Ｂ）を測定し、摩耗を評価した（図５）。図５に示す通り、Ｔｉ脱酸鋼を被削材とした方がｋ_Ｔ及びＶ_Ｂが小さく、摩耗特性が改善されることがわかる。
＜実施例３＞ イオン注入を行った非コーティング工具の自己潤滑膜の分析
実施例１と同様の切削に用いたイオン注入Ｐ１０工具について、生成した自己潤滑膜を光学顕微鏡により観察した（図６）。その結果、被削材との接触面に膜が形成されていることが観察された。
該膜組成をＸＡＭにより測定した（図７）。図７に示すように、被削材との接触面近傍にＴｉ−Ｍｎ−Ｓｉ複合酸化物が生成していることがわかる。
なお図７では、該膜領域でＷ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＴｉについて測定を行い、それぞれＷＣ、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２として存在すると仮定して重量を計算し、その総和を１００％とした。そして、上記のように仮定した各化合物について求めた重量％の値を、図７中に各元素について表記した。例えばＴｉについて、
ＴｉＯ_２／（ＷＣ＋ＳｉＯ_２＋ＭｎＯ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＴｉＯ_２）×１００ （％）
で表される重量比を表記した。ただし、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＴｉは、実際にはＷＣ、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２と異なる形態で存在しうる。図７中における（ａＳｉＯ_２−ｂＭｎＯ−ｃＴｉＯ_２）という表記は、Ｓｉ／Ｍｎ／Ｔｉのモル比が概略ａ／ｂ／ｃであることを示す。
＜実施例４＞ イオン注入ＴｉＮコーティング工具の自己潤滑膜分析
イオン注入ＴｉＮコーティング工具を用いて実施例１と同様にして切削を行った後、自己潤滑膜についてＸＰＳにより元素分析を行い（図８）、結晶構造を制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）により調べた（図９）。図８には、イオン注入を行わなかったＴｉＮコーティング工具の結果も比較のため示した。図９の上段及び下段のスペクトルは同一の分析装置及び条件で測定しており、両者でピークの絶対強度を比較することができる。Ｔｉに由来するピークの強度を比較すると、イオン注入を行った工具では、行わなかった工具と比較して表面のＴｉ濃度が高いことがわかる。イオン注入を行わなかった工具ではＦｅ由来の強いピークが観測され、表層に被削材が堆積していることを示唆している。それに対し、本発明のイオン注入工具ではＴｉのピークが強く観測され、被削材の堆積が抑制されると共にＴｉ含有自己潤滑膜が形成されることを示唆している。
図８にはＴｉＯ_２とＴｉＮのピークのみ帰属を示したが、Ｔｉ原子価が２価より大きく４価未満であるＴｉ酸化物及び／又は複合酸化物相のＴｉのピークは、ＴｉＯ_２のピークより低束縛エネルギー側のショルダーになっていると推測される。そして、これらのＴｉ酸化物相が存在することは図９の電子回折より裏付けられる。
図９中には、回折パターンから同定した相も表記した。Ｔｉの原子価が２価より大きく４価未満であるＴｉ酸化物相（Ｍａｇｎｅｌｉ相を含む）が形成されることがわかる。図９の結果は、Ｔｉ酸化物相を含む自己潤滑膜が生成していることを示している。
＜実施例５＞ イオン注入を行ったＴｉＣＮコーティング工具の切削試験
イオン注入したＴｉＣＮコーティングＰ１０工具について、切り込み深さ（Ｄｃ）１．０ｍｍ、送り（ｆ）０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切削距離５００ｍの条件で切削を行い、摩耗特性を調べた（図１０）。被削材としては、前述のＡｌ脱酸鋼及びＴｉ脱酸鋼を用いた。比較のため、イオン注入を行わなかったＴｉＣＮコーティング工具についても試験を行った。
イオン注入を行わなかった場合、切削速度が３００ｍ／ｍｉｎを超えると摩耗幅Ｖ_Ｂが急増し、５００ｍ／ｍｉｎでは切削が困難となった。それに対し本発明のイオン注入工具では、切削速度が５００ｍ／ｍｉｎでも切削が可能であり、摩耗が抑制されていることがわかる。特に被削材がＴｉ脱酸鋼である場合には、切削速度が３００ｍ／ｍｉｎ以上でも摩耗幅の増加が緩慢であり、高速域である切削速度５００ｍ／ｍｉｎで５００ｍ切削後のＶ_Ｂが５７μｍに留まっている。工具の交換をＶ_Ｂ＝２００μｍで行うとしても、１７００ｍ以上の切削を行うことができると予想される。
切削速度５００ｍ／ｍｉｎにおける工具摩耗幅Ｖ_Ｂと切削距離との関係を図１１に示す。被削材がＡｌ脱酸鋼である場合、Ｖ_Ｂは切削距離の増加にほぼ比例して増加した。それに対しＴｉ脱酸鋼では、切削距離が５００ｍを超えるとＶ_Ｂの増加が鈍化することがわかる。切削距離５００ｍ〜１０００ｍの間のＶ_Ｂ増加量について比較すると、Ｔｉ脱酸鋼での値はＡｌ脱酸鋼での値の１／６にすぎない。
この様な差異が生じる原因としては、工具逃げ面に形成する自己潤滑膜の性質の違いが挙げられる。自己潤滑膜は、図１２中にＢｅｌａｇと表記した領域に該当する。被削材としてＴｉ脱酸鋼といったＴｉ含有材を使用すると、Ｔｉ含有酸化物相を含む自己潤滑膜が形成され、切削仕上げ面の擦過から工具逃げ面を有効に保護していると推測される。
実施例５の切削試験に使用した工具について、逃げ面の表面をレーザー顕微鏡で観察し、工具断面を光学顕微鏡で観察した。
図１３は、イオン注入したＴｉＣＮコーティングＰ１０工具について、Ｔｉ脱酸鋼を被削材とし切削距離を５００ｍとする条件で上記試験を行った後、レーザー顕微鏡（走査型レーザー顕微鏡、レーザーテック社製、１ＬＭ２１Ｗ）及び光学顕微鏡で観察した結果を示す。逃げ面の表面に生じている斜面が、切削中に生成した自己潤滑膜を反映する。断面図で観察される濃い領域が、自己潤滑膜に対応すると考えられる。
図１４は、イオン注入を行わなかったＴｉＣＮコーティングＰ１０工具について、Ａｌ脱酸鋼を被削材とし切削距離を５００ｍとする条件で上記試験を行った後、レーザー顕微鏡及び光学顕微鏡で観察した結果を示す。図１４では、図１３と異なり、明瞭な自己潤滑膜の生成が認められない。これらの結果は、ハロゲンをイオン注入し、Ｔｉを含有する被削材を用いることによって、自己潤滑膜の生成が促進されることを示唆する。

本発明によれば、硬質材料である母材及び／又はＴｉ含有コーティング層にハロゲン元素をイオン注入し、さらに被加工材に高速で接触させることにより、耐摩耗性及び潤滑性に優れた高速加工用部品を得ることができる。該部品を用いた切削工具により、乾式の高速切削を行うことができる。

Claims (16)

1. 硬質材料を母材とし、母材表面から１μｍ以内において、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素の濃度が０．２ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％の範囲にある高速加工用部品。
2. 硬質材料を母材とし、母材の外側にＴｉとＣ及び／又はＮとを含むコーティング層を有し、コーティング層の表面から１μｍ以内において、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素の濃度が０．２ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％の範囲にある高速加工用部品。
3. コーティング層がＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＡｌＣＮからなる群より選択される１種以上を含有する請求項２に記載の部品。
4. フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素がイオン注入により添加された請求項１−３の何れかの部品。
5. 加工用部品表面から１μｍ以内において、Ｔｉの濃度が０．２ｍｏｌ％から８０ｍｏｌ％の範囲にある請求項１−４の何れかの部品。
6. 母材が超硬合金である請求項１−５の何れかに記載の部品。
7. 請求項１−６の何れかに記載の部品を被加工材に対して１５０ｍ／分以上の速度で接触させることにより製造した高速加工用部品。
8. 被加工材と接する面に自己潤滑膜をさらに有する請求項１−６の何れかに記載の部品。
9. 自己潤滑膜が被加工材に対して１５０ｍ／分以上の速度で接触させることにより生成した膜である請求項８に記載の部品。
10. 自己潤滑膜の生成に用いる被加工材が表層にＴｉを含有する請求項９に記載の部品。
11. 自己潤滑膜がＴｉ酸化物及び／又はＴｉ含有複合酸化物を含有し；該酸化物及び／又は複合酸活物におけるＴｉの平均原子価が２価より大きく４価未満であり；自己潤滑膜中のＴｉの量をＴｉＯ_２に換算した場合、（換算ＴｉＯ_２重量／自己潤滑膜の重量）で表される重量比が５％以上である請求項８−１０の何れかに記載の部品。
12. 請求項１−１１の何れかに記載の部品を物品と相対速度１５０ｍ／分以上の速度で接触させて該物品を加工する工程を含む、高速加工方法。
13. 請求項１−１１の何れかに記載の部品を含む高速切削工具。
14. 切り込み深さ１．０ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度４００ｍ／ｍｉｎ、及び切削距離５００ｍの条件で切削を行った後の工具逃げ面の摩耗幅Ｖ_Ｂが７０μｍ以下である請求項１３又は１４の高速切削工具。
15. 請求項１３又は１４に記載の切削工具により、切削油を用いずに切削速度１５０ｍ／分以上で物品を切削する工程を含む、切削方法。
16. 請求項１−６の何れかに記載の部品を被加工材に対して１５０ｍ／分以上の速度で接触させる工程を含む、高速加工用部品の製造方法。

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