TWI428452B - So that the cutting tool with excellent life of the mechanical structure of steel and its cutting method - Google Patents

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Description

使切削工具具優異壽命之機械結構用鋼及其切削方法 發明領域
本發明係有關於使切削工具具優異壽命之機械結構用鋼及其切削方法。
 發明背景
近年來，鋼朝高強度化進展，但相反地產生切削性下降之問題。因此，對於能一面保持強度一面不使切削功率下降之鋼的需求提高。
先前，為提高鋼之被削性，有作為成分添加Pb或S之方法，但Pb存有對環境造成負擔之問題，S則有添加量增大時使機械性質劣化之問題。
又，亦可視需要活用藉由添加Ca、使鋼中氧化物軟質化，而於切削中附著於工具面上，藉此保護工具之所謂belag。然而，belag之活用，其切削條件及成分之限制很多，並非一般所使用者。
於如此之背景中，有人揭示新成分組成之快削鋼或切削方法。
於專利文獻1揭示一種機械結構用鋼，其藉由將機械結構用鋼之成分規定於特定範圍，而於寬廣之切削速度域中具有良好之被削性，且兼具高衝擊特性及高降伏比。
於專利文獻2揭示一種間斷切削中之工具壽命優異之機械結構用鋼之切削方法，其藉由將特定成分組成之機械結構用鋼於與特定工具之機械結構用鋼之接觸時間及非接觸時間，以切削速度為50m/分以上進行切削，而於工具面上生成氧化物為主體之保護膜。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1　日本特開2008-13788號公報
專利文獻2　日本特開2008-36769號公報
然而，先前之技術具有如下問題點。
專利文獻1記載之發明中，藉由調整Al及其他氮化物生成元素與N之添加量，且進行適當之熱處理，而將對被削性有害之固溶N抑制於低。又，適量確保藉由高溫脆化使被削性提高之固溶Al、及藉由高溫脆化效果與劈開性之結晶結構使被削性提高之AlN。其結果，可獲得對於低速至高速之寬廣切削速度域優異之被削性。
然而，其僅規定鋼材成分，具體的切削方法及切削條件並未揭示。
專利文獻2記載之發明，於抑制工具摩耗上具有效果之保護膜之生成，有必要使來自大氣之氧朝工具與被削材之接觸面擴散。因此，在機械結構用鋼及切屑係連續性地與工具接觸，難以使來自大氣之氧朝工具與被削材之接觸面擴散之連續切削之樣式中，無法獲得使工具壽命提高之效果。
又，切削速度小於50m/分時效果較小。進而，切削油等之潤滑油之使用亦限制在最小限度。
因此，在機械結構用零件之製造中被常用之鑽孔加工或旋削等之、難以使來自大氣之氧朝工具與被削材之接觸面擴散之連續切削中，無法延長工具壽命。
機械結構用鋼中，進行鑽孔加工、旋削或抽頭加工等之連續切削，及端銑刀加工或滾銑刀加工等之間斷切削等各種切削加工，伴隨於此，切削速度亦成為寬廣範圍。進而，切削環境亦有使用切削油、乾、半乾及富氧化等各式各樣。然而，於全部之切削條件中並未提出延長工具壽命之手法。
本發明係鑑於上述之問題點而完成者，其目的係提供一種無關連續切削或間斷切削等之樣式，於寬廣之切削速度區域中，進而於使用切削油、乾、半乾及富氧化等各種切削環境下，工具壽命優異之機械結構用鋼及其切削方法。
本發明者們為解決前述問題進行銳意研究，結果發現以下之新發現。
(a)　增加鋼材成分之Al量、且使用由1300℃下之標準生成自由能比Al2 O3 之標準生成自由能大之金屬氧化物被覆之工具進行切削時，鋼中之固溶Al與工具表面之金屬氧化物起化學反應，於工具面上形成Al2 O3 被膜，藉由該Al2 O3 被膜可獲得優異之潤滑性與工具壽命。
(b)　即使使用由1300℃下之標準生成自由能比Al2 O3 之標準生成自由能大之金屬氧化物被覆之工具進行切削，固溶Al量較少時，亦無法獲得對工具賦予耐摩耗性之充分厚度之Al2 O3 被膜，工具壽命不提高。具體而言，固溶Al有0.05質量%以上時，可獲得充分厚度之Al2 O3 被膜。
(c)　即使鋼材中之固溶Al係0.05質量%以上之情形，以藉由1300℃下之標準生成自由能係Al2 O3 之標準生成自由能以下之金屬氧化物被覆之工具進行切削之情形、或以於工具表層不含氧化物之工具進行切削之情形，不引起Al2 O3 形成之化學反應，工具壽命不提高。
本發明係基於上述發現，進而進行詳細檢討之結果所獲得者，其要旨如下。
(1)　一種機械結構用鋼，其特徵在於：該鋼以質量%計含有C：0.01~1.2%，Si：0.005~3.0%，Mn：0.05%~3.0%，P：0.0001~0.2%，S：0.0001~0.35%，Al：0.05~1.0%，及N：0.0005~0.035%，且滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，剩餘部分由Fe及不可避免之雜質所構成；並且藉由以切削工具進行切削，而於該切削工具之表面形成Al2 O3 被膜，該切削工具係於與被削材接觸之面被覆有1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能的金屬氧化物。
(2)　如前述(1)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有Ca：0.0001~0.02%。
(3)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Ti：0.0005~0.5%，Nb：0.0005~0.5%，W：0.0005~1.0%，V：0.0005~1.0%，Ta：0.0001~0.2%，Hf：0.0001~0.2%，Cr：0.001~3.0%，Mo：0.001~1.0%，Ni：0.001~5.0%，及Cu：0.001~5.0%。
(4)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Mg：0.0001~0.02%，Zr：0.0001~0.02%，及Rem：0.0001~0.02%。
(5)　如前述(3)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Mg：0.0001~0.02%，Zr：0.0001~0.02%，及Rem：0.0001~0.02%。
(6)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(7)　如前述(3)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(8)　如前述(4)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(9)　如前述(5)之機械結構用鋼，其中前述鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(10)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中前述1300℃下之標準生成自由能之值大於Al2 O3 之標準生成自由能的金屬氧化物為Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn之氧化物，或是含有此等元素中之2種以上金屬元素之氧化物。
(11)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中與被削材接觸之面被覆有前述金屬氧化物之切削工具係藉由PVD處理及CVD處理中之任一者來製作。
(12)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中被覆於前述切削工具之金屬氧化物被膜之厚度為50nm以上且小於1μm。
(13)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其係於前述切削中使用切削油等潤滑油。
(14)　如前述(13)之機械結構用鋼，其中前述切削油等之潤滑油係水不溶性切削油劑。
(15)　如前述(1)或(2)之機械結構用鋼，其中前述切削係連續切削。
(16)　一種機械結構用鋼之切削方法，其特徵在於：藉由與被削材接觸之面被覆有1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物的切削工具切削機械結構用鋼，且該機械結構用鋼以質量%計含有：C：0.01~1.2%，Si：0.005~3.0%，Mn：0.05%~3.0%，P：0.0001~0.2%，S：0.0001~0.35%，Al：0.05~1.0%，及N：0.0005~0.035%，且滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，剩餘部分由Fe及不可避免之雜質所構成。
(17)　如前述(16)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有Ca：0.0001~0.02%。
(18)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Ti：0.0005~0.5%，Nb：0.0005~0.5%，W：0.0005~1.0%，V：0.0005~1.0%，Ta：0.0001~0.2%，Hf：0.0001~0.2%，Cr：0.001~3.0%，Mo：0.001~1.0%，Ni：0.001~5.0%，及Cu：0.001~5.0%。
(19)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Mg：0.0001~0.02%，Zr：0.0001~0.02%，及Rem：0.0001~0.02%。
(20)　如前述(18)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Mg：0.0001~0.02%，Zr：0.0001~0.02%，及Rem：0.0001~0.02%。
(21)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(22)　如前述(18)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(23)　如前述(19)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(24)　如前述(20)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
(25)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述於1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能的金屬氧化物為Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn之氧化物，或是含有此等元素中之2種以上金屬元素之氧化物。
(26)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述與被削材接觸之面被覆有金屬氧化物之切削工具係藉由PVD處理及CVD處理中之任一者來製作。
(27)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述被覆於切削工具之金屬氧化物被膜之厚度為50nm以上且小於1μm。
(28)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其係於前述之切削中使用切削油等潤滑油。
(29)　如前述(28)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述切削油等潤滑油係水不溶性切削油劑。
(30)　如前述(16)或(17)之機械結構用鋼之切削方法，其中前述切削係連續切削。
根據本發明，可提供一種無關連續切削或間斷切削等之樣式，於寬廣之切削速度區域中、進而於使用切削油、乾、半乾及富氧化等各種切削環境下，於工具面上藉由化學反應形成Al2 O3 被膜，藉此可獲得優異之潤滑性與工具壽命之機械結構用鋼及其切削方法。
圖式簡單說明
第1(a)~(c)圖係將固溶Al之量不同之鋼材，使用藉由均質處理於表層實施Fe3 O4 被膜之高速鋼製鑽孔器進行切削後之工具刀鋒附近之SEM-EDS像。
第2(a)~(c)圖係將固溶Al之量不同之鋼材，使用藉由均質處理於表層實施Fe3 O4 被膜之高速鋼製鑽孔器進行切削後之工具刀鋒之剖面圖。
第3(a)~(c)圖係將固溶Al之量不同鋼材，使用於TiAlN塗層之表層實施TiO2 被膜之工具進行切削後之工具刀鋒之剖面圖。
 用以實施發明之形態
以下，就本發明之實施形態進行詳細說明。
本發明之機械結構用鋼及其切削方法，其特徵在於：於具有特定成分組成之機械結構用鋼之切削上，使用具有由特定之金屬氧化物構成之表層被膜之切削工具，於切削工具之表面形成Al2 O3 被膜。
首先，就機械結構用鋼之成分組成、及工具之表層被膜進行詳細說明。
於鋼鐵材料之切削加工中，被削材因由工具前端承受大的塑性變形，故由被削材生成分離切屑。於該塑性變形所使用之能量之95%程度係作為熱而發散。
因為一般切削速度係數10m/分以上，故塑性變形為變形速度係1000/秒以上之高變形速度變形，其結果熱擴散之時間並不充分。
切削中，因為高速下之大變形係集中於局部進行，故變形域之溫度上升，工具與鋼材之接觸面之溫度係從數100℃成為1000℃以上。進而，工具與鋼材之接觸面成為高壓狀態。
於高溫‧高壓下之接觸面，促進接觸面間之化學反應，工具面摩耗。該反應依照反應之種類而被稱為擴散摩耗或化學摩耗。
例如，將碳鋼以WC與Co為主成分之超硬合金工具進行切削時，超硬合金中之WC分解後，C朝碳鋼側擴散或CO流出至界面。Fe從碳鋼側朝超硬合金側擴散，於工具與被削材之界面附近形成複雜之反應生成物。
如此之反應生成物，由於一般較母材弱，且其周圍之結合相之強度降低，故容易與切屑一同被帶走，進行工具摩耗。
如此，先前於工具與鋼材之接觸面產生之化學反應係引起工具摩耗。本發明者們發現有效利用通常引起工具摩耗之化學反應，以防止工具摩耗之方法。
為提高切削工具之耐摩耗性，大多使用對母材為超硬合金或高速鋼等者實施硬質之陶瓷塗層者。
其中，一般以CVD處理進行塗層之Al2 O3 ，由於為硬質且耐氧化性優異，故可使工具壽命大幅提高。
因此，本發明者們銳意研究出藉由於切削中以化學反應於工具表面形成Al2 O3 被膜，而抑制工具摩耗之方法。
通常，鋼中，為防止結晶粒粗大化而添加Al作為脫氧元素、及/或AlN。由該等之目的而添加必要量以上之Al時，Al於鋼中成為固溶Al。
本發明者們將含有大量固溶Al之鋼材，使用由與氧之親和力之大小係小於Al之金屬元素構成之氧化物，即標準生成自由能較Al2 O3 之該值大之金屬氧化物被覆之工具進行切削時，以SEM-EDS或歐傑電子能譜法分析切削後之工具表面，藉此確認於工具與鋼材之接觸面產生化學反應，而於工具表層形成Al2 O3 被膜。
作為一例，於第1圖顯示將含有較多固溶Al之鋼材(0.12質量%Al-0.0050質量%N)、與不太含固溶Al之鋼材(0.03質量%Al-0.0050質量%N)，使用藉由被稱為均質處理之水蒸氣處理而於工具表層實施厚度5μm之Fe3 O4 被膜之高速鋼製鑽孔機進行切削後之工具刀鋒附近之工具面上，藉由SEM-EDS分析後之結果。第1圖係表示顏色越明亮，圖中所示之元素濃度越高。
第1(a)圖係未使用之工具。於工具表層藉由均質處理而存在標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之Fe3 O4 ，觀察到Fe與O。
第1(b)圖係切削含有多量固溶Al之鋼材之工具，於工具面上觀察到Al。將觀察到Al之區域藉由歐傑電子能譜法進行詳細分析，結果Al與O存在於相同位置，其組成係近似於Al2 O3 者。由此結果可知，於工具面上生成Al2 O3 。
第1(c)圖係切削不太含固溶Al之鋼材之工具。於刀鋒附近未觀察到O，觀察到Fe之濃度較高之區域。此表示藉由進行工具摩耗，表層之Fe3 O4 消失，母材種之高速鋼係露出，切屑係凝著之狀態。
第2圖係模式地顯示切削後之工具刀鋒附近之剖面結構。第2(a)圖係顯示未使用之工具。第2(b)圖係顯示切削包含較多固溶Al之鋼材後之工具。第2(c)圖係顯示切削不太含固溶Al之鋼材後之工具。紙面上側係工具表面側，紙面下側係工具母材側。
第2(b)圖係表示因固溶Al與Fe3 O4 22進行化學反應，而於Fe3 O4 被膜22上形成Al2 O3 被膜23，覆蓋工具表面之狀態。所形成之Al2 O3 被膜23係抑制工具摩耗。
另一方面，第2(c)圖係表示摩耗進行、Fe3 O4 被膜22消失，母材種之高速鋼21露出於表面，或切屑24一部分凝著之狀態。
作為另一例，第3圖係模式地顯示將含有較多固溶Al之鋼材(0.12質量%Al-0.0050質量%N)、及不太含固溶Al之鋼材(0.03質量%Al-0.0050質量%N)，藉由於實施了TiAlN塗層32之超硬合金工具31之表層經實施厚度200nm之TiO2 被膜33之工具進行切削後之工具刀鋒附近之剖面結構。
第3(a)圖係顯示未使用之工具。第3(b)圖係顯示切削含有較多固溶Al之鋼材後之工具。第3(c)圖係顯示切削不太含固溶Al之鋼材後之工具。
第3(b)圖係顯示藉由固溶Al與TiO2 進行化學反應，而於TiO2 被膜33上形成Al2 O3 被膜23，覆蓋工具表面之狀態。所形成之Al2 O3 被膜23係抑制工具摩耗。
第3(c)圖係顯示摩耗進行、TiO2 被膜33與TiAlN塗層32消失，母材種之超硬合金31係露出於表面、或切屑24係一部分凝著之狀態。
由以上之例可知，將含有較多固溶Al之鋼材，使用由標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物被覆之工具進行切削時，於工具表面形成Al2 O3 被膜。其結果，工具之耐摩耗性提高，抑制工具摩耗，故工具壽命提高。
上述係先前沒有之本發明者們之新發現。
獲得本發現以前，假想例如如第3圖所示，工具表層被膜係TiO2 等之較Fe3 O4 穩定之氧化物，即標準生成自由能小於Fe3 O4 之標準生成自由能之氧化物之情形，與固溶Al之化學反應不易產生，於工具表面未形成Al2 O3 被膜。
進而，於均質處理生成之Fe3 O4 被膜，厚度係約5μm較厚。因此，氧化物被膜係如第3圖之情形般較薄之情形，假想形成於工具表面之Al2 O3 被膜較薄，未能抑制工具摩耗。
本發明者們發現：即使工具係由藉由均質處理所形成之Fe3 O4 以外之氧化物被覆，被膜之厚度係200nm薄之情形，藉由將鋼材之成分組成最適化，且將工具以適當的表層被膜被覆，藉此形成Al2 O3 被膜而可抑制工具摩耗，此特別為新發現。
如此，藉由將特定之成分組成之鋼材，以被覆有特定之表層被膜之工具進行切削，可提高機械結構用鋼之切削中之工具壽命。
以下，說明規定於機械結構用鋼之切削所使用之工具之表層被膜之理由。
本發明之機械結構用鋼及其切削方法中之特徴，係使用在與被削材接觸之面被覆有1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物之切削工具之點，及藉由該切削工具進行切削時，於切削工具之表面形成Al2 O3 被膜之點。
於切削中，工具與鋼材之接觸面係成為高溫、高壓之環境，於工具與鋼材之間產生化學反應。
藉由與被削材接觸之面係由1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物被覆之工具，切削本發明之機械結構用鋼時，鋼材中之固溶Al與工具表層之金屬氧化物係產生化學反應，於工具表面形成Al2 O3 被膜。
Al2 O3 被膜由於為硬質，故作為保護膜而起作用，具有抑制工具摩耗、使工具壽命提高之效果。
進而，Al2 O3 被膜係顯示與鋼中之MnS系介在物之親和性較大，於工具面上選擇性地附著MnS系介在物之效果，故賦予潤滑性。
切削中之工具與鋼材之接觸面之溫度，從數100℃到達1000℃以上。於本發明之範圍進行切削時，觀察生成之切屑之結果，發現未看到溶融之痕跡。由此認為接觸面之溫度未達至熔點。
因此，金屬氧化物之標準生成自由能係使用1300℃之值。
標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物，係較Al2 O3 容易被還原而成為金屬之氧化物。
作為1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物，例如可列舉：Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn等之氧化物，及包含其等元素中之2種以上之金屬元素之氧化物。
所謂金屬氧化物之「1300℃下之標準生成自由能」，係可藉由記載於「第3版鋼鐵便覽 第I巻基礎，昭和56年6月20日發行，編者：社團法人日本鋼鐵協會，發行：丸善股份有限公司，14~15頁」之表1‧1之數學式而求得。
作為一例，如下求出Al2 O3 、NiO之1300℃下之標準生成自由能ΔG。
(a) Al2 O3 之1300℃下之標準生成自由能
ΔG=-1121.94+0.21630×(1300+273)=-782(KJ)
(b) NiO之1300℃下之標準生成自由能
ΔG=-465.74+0.16646×(1300+273)=-204(KJ)
金屬氧化物包含2種以上之金屬元素之情形之標準生成自由能，並未示於上述表1‧1。此時，使用各金屬元素之氧化物中標準生成自由能較小之氧化物之值。
例如，包含Ni與Cr之金屬氧化物NiCrO之情形，因為Cr2 O3 之標準生成自由能較NiO之標準生成自由能小，故使用Cr2 O3 之標準生成自由能。
如此之金屬氧化物，可生成於以工具鋼、高速鋼、超硬合金、金屬陶瓷、或陶瓷等作為母材之工具之表層。又，可於以該等作為母材之工具上，生成於塗層有包含TiN、TiC、TiCN、TiAlN、Al2 O3 等中之1種或其等之組合之硬質物質之工具之表層。
作為於工具表層生成Fe3 O4 膜之方法，有藉由水蒸氣處理生成Fe3 O4 膜之均質處理。該方法限定適用於工具鋼或高速鋼等之鋼鐵材料之工具，對於機械結構用鋼之切削上常用之超硬合金、金屬陶瓷、陶瓷及於工具上塗層有硬質物質者並不適用。
因此，本發明之金屬氧化物，宜為藉由均質處理生成之Fe3 O4 膜以外。
於實施金屬氧化物上使用PVD處理或CVD處理等之情形，不僅於工具鋼、高速鋼、超硬合金、金屬陶瓷或陶瓷等為母材之工具之表層，亦可如第3圖之例般於多層塗層之上進而形成Al2 O3 被膜。因此，對於使用均質處理之情形，可使耐摩耗性飛躍性地提高。因此，金屬氧化物宜藉由CVD處理、或離子鍍等之PVD處理而成膜。
進而，使用PVD處理之情形，因為於塗層膜導入壓縮殘留應力，故強度提高，進而耐摩耗性提高。因此，以PVD處理進行成膜更佳。
於切削中與固溶Al反應而獲得對工具賦予耐摩耗性之充分厚度之Al2 O3 被膜，被覆於工具之金屬氧化物之厚度宜為10nm以上。較佳為50nm以上。
被覆於工具之金屬氧化物之厚度較10nm小時，無法獲得對工具賦予耐摩耗性之充分厚度之Al2 O3 被膜，無法提高工具壽命。
厚度係10μm以上時，因為容易發生被膜之剝離、或於工具容易產生缺口或碎屑，故宜小於10μm。較佳厚度為小於5μm，進而較佳厚度為小於3μm，進而較佳厚度為小於1μm。
金屬氧化物之厚度小於500nm之情形時，可以歐傑電子能譜法進行測定，500nm以上之情形時可以FE-SEM進行測定。
形成Al2 O3 被膜之化學反應，由於在工具表層之金屬氧化物與鋼材之間產生，故不需要大氣中之氧。因此，不僅乾切削、油霧潤滑等之半乾切削及富氧化氛圍下之切削，即使藉由切削油等之潤滑油、或用以冷却之Ar及N2 等之惰性氣體而成為容易與大氣遮斷之狀態，亦具有效果，可於寬廣環境下適用。
特別是使用切削油等之潤滑油時，進而潤滑性提高、工具壽命提高。
切削油大體分為不水溶性切削油劑與水溶性切削油劑，但使用潤滑效果較高之不水溶性切削油劑，進而潤滑性提高、工具壽命提高。
形成Al2 O3 被膜之化學反應，由於不需要大氣中之氧，故對於機械結構用鋼及切屑與工具連續性接觸，來自大氣之氧難以朝工具與被削材之接觸面擴散之鑽孔加工、旋削或抽頭加工等之連續切削，特別有效。
於端銑頭加工或滾銑刀加工等之間斷切削中，亦同樣可提高工具壽命。
以下，就限定機械結構用鋼之成分組成之理由進行說明。以下，「%」表示「質量%」。
C係對鋼材之基本強度造成較大影響。C含量小於0.01%時，無法獲得充分強度。C含量超過1.2%時，由於析出較多硬質之碳化物，故被削性顯著下降。因此，為獲得充分強度與被削性，C含量為0.01~1.2%，較佳為0.05~0.8%。
Si一般作為脫氧元素而添加，但亦有進行肥粒鐵之強化及回火，而賦予軟化阻力之效果。Si含量小於0.005%時，無法獲得充分之脫氧效果。Si含量超過3.0%時，韌性、延性變低，被削性劣化。因此，Si含量為0.005~3.0%，較佳為0.01~2.2%。
Mn係具有固溶於母材、確保淬火性之提高與淬火後之強度，同時與鋼材中之S結合，生成MnS系硫化物，改善被削性之效果。Mn含量小於0.05%時，鋼材中之S與Fe結合而成為FeS，鋼變脆。Mn含量超過3.0%時，質地之硬度變大、加工性下降。因此，Mn含量為0.05~3.0%，較佳為0.2~2.2%。
P係使被削性良好。P含量小於0.0001%時，無法得到其效果。P含量超過0.2%時，使韌性大為劣化，同時於鋼中質地之硬度變大，不僅冷軋加工性，熱軋加工性及鑄造特性亦下降。因此，P含量為0.0001~0.2%，較佳為0.001~0.1%。
S係與Mn結合，作為MnS系硫化物而存在。MnS係使被削性提高。S小於0.0001%時，無法獲得其效果。S含量超過0.35%時，韌性及疲勞強度顯著下降。因此，S含量為0.0001~0.35%，較佳為0.001~0.2%。
N係與Al、Ti、V或Nb等結合，生成氮化物或碳氮化物，抑制結晶粒之粗大化。N含量小於0.0005%時，抑制結晶粒之粗大化之效果不充分。N含量超過0.035%時，抑制結晶粒之粗大化之效果飽和，且使熱軋延性顯著劣化，壓延鋼材之製造極為困難。因此，N為0.0005~0.035%，較佳為0.002~0.02%。
Al係本發明中最重要之元素。
Al係作為脫氧元素，使鋼材之內部品質提高。同時，因為固溶Al於切削中於工具面上與工具表層之金屬氧化物產生化學反應，而形成Al2 O3 被膜，故潤滑性與工具壽命提高。
Al含量小於0.05%時，無法充分生成有效提高工具壽命之固溶Al。Al含量超過1.0%時，大量生成高熔點且硬質之氧化物，使切削時之工具摩耗增大。因此，使Al含量為0.05~1.0%，較佳為超過0.1~0.5%。
N存在於鋼中時生成AlN。因N之原子量係14，Al之原子量係27，故例如若添加0.01%N，則27/14倍，即N之約2倍的0.02%之固溶Al減少。其結果，本發明之著眼點之工具壽命之提高之效果下降。
固溶Al因為必須為0.05%以上，故若N不為0%，則有必要考慮N量而添加Al量。
即，Al量與N量有必要滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%較佳為滿足[Al%]-(27/14)×[N%]>0.1%。
於本發明之機械結構用鋼中，除上述之各成分外，為提高被削性，亦可添加Ca。
Ca係脫氧元素，藉由使Al2 O3 等硬質氧化物低熔點化而軟質化，抑制工具摩耗。Ca含量小於0.0001%時，無法獲得被削性提高效果。Ca含量超過0.02%時，於鋼中生成CaS，被削性下降。因此，添加Ca之情形，使其含量為0.0001~0.02%，較佳為0.0004~0.005%。
於本發明之機械結構用鋼，使形成碳氮化物，有必要高強度化之情形，除上述之各成分外，亦可添加Ti：0.0005~0.5%、Nb：0.0005~0.5%、W：0.0005~1.0%、及V：0.0005~1.0%之1種或2種以上之元素。
Ti係形成碳氮化物，有助於抑制沃斯田鐵粒之成長及強化之元素。Ti係於有必要高強度化之鋼、及要求低變形之鋼上，作為用以防止粗大粒之整粒化元素而使用。Ti亦係脫氧元素，藉由形成軟質氧化物而使被削性提高。
Ti含量小於0.0005%時，無法獲得其效果。Ti含量超過0.5%時，則析出成為熱軋破裂之原因之未固溶之粗大碳氮化物，損及機械性質。因此，添加Ti之情形，使其含量為0.0005~0.5%，較佳為0.01~0.3%。
Nb係形成碳氮化物，有助於藉由二次析出硬化之鋼之強化、抑制及強化沃斯田鐵粒之成長。Nb係於有必要高強度化之鋼及要求低變形之鋼中，作為防止粗大粒之整粒化元素而使用。
Nb含量小於0.0005%時，無法獲得高強度化之效果。Nb含量超過0.5%時，則析出成為熱軋破裂之原因之未固溶之粗大碳氮化物，損及機械性質。因此，添加Nb之情形，使其含量為0.0005~0.5%，較佳為0.005~0.2%。
W係形成碳氮化物，可藉由二次析出硬化而強化鋼。W含量小於0.0005%時，無法獲得高強度化之效果。W含量超過1.0%時，則析出成為熱軋破裂之原因之未固溶之粗大碳氮化物，損及機械性質。因此，添加W之情形，使其含量為0.0005~1.0%，較佳為0.01~0.8%。
V係形成碳氮化物，藉由二次析出硬化可強化鋼。V係於有必要高強度化之鋼中適當添加。V含量小於0.0005%時，無法獲得高強度化之效果。V含量超過1.0%時，析出成為熱軋破裂之原因之未固溶之粗大的碳氮化物，損及機械性質。因此，添加V之情形，使其含量為0.0005~1.0%，較佳為0.01~0.8%。
本發明之機械結構用鋼中，進而有必要高強度化之情形，除了上述之各成分外，亦可添加Ta：0.0001~0.2%及/或Hf：0.0001~0.2%。
Ta係有助於藉由二次析出硬化之鋼之強化、抑制及強化沃斯田鐵粒之成長。Ta係於有必要高強度化之鋼及要求低變形之鋼中，作為用以防止粗大粒之整粒化元素而使用。
Ta含量小於0.0001%時，無法獲得高強度化之效果。Ta含量超過0.2%時，因成為熱軋破裂之原因之未固溶之粗大的析出物，損及機械性質。因此，添加Ta之情形，使其含量為0.0001~0.2%，較佳為0.001~0.1%。
Hf係有助於沃斯田鐵粒之成長之抑制及強化。Hf係於有必要高強度化之鋼、及要求低變形之鋼中，作為用以防止粗大粒之整粒化元素而使用。Hf含量小於0.0001%時，無法獲得高強度化之效果。Hf含量超過0.2%時，因成為熱軋破裂之原因之未固溶之粗大析出物，損及機械性質。因此，添加Hf之情形，使其含量為0.0001~0.2%，較佳為0.001~0.1%。
本發明之機械結構用鋼中，藉由脫氧調整進行硫化物形態控制之情形，除上述之各成分外，亦可添加Mg：0.0001~0.02%、Zr：0.0001~0.02%、及Rem：0.0001~0.02%中之1種或2種以上之元素。
Mg係脫氧元素，於鋼中生成氧化物。進行Al脫氧之情形，將有害於被削性之Al2 O3 改質成較軟質且微細分散之MgO或Al2 O3 ‧MgO。又，該氧化物容易成為MnS之核，具有使MnS微細分散之效果。
Mg含量小於0.0001%時，無法獲得該等效果。
Mg係生成與MnS之複合硫化物，將MnS球狀化。Mg含量超過0.02%時，促進單獨之MgS生成，被削性劣化。因此，添加Mg之情形，使其含量為0.0001~0.02%，較佳為0.0003~0.0040%。
Zr係脫氧元素，於鋼中生成氧化物。該氧化物認為是ZrO2 。該氧化物因為成為MnS之析出核，故具有增加MnS之析出位置，使MnS均一分散之效果。又，Zr亦具有固溶於MnS，生成複合硫化物，使其變形能下降，於壓延及熱軋鍛造時抑制MnS形狀之延伸之作用。如此，Zr係有效減低異方性之元素。
Zr含量小於0.0001%時，無法獲得該等之效果。Zr含量超過0.02%時，良率極端變差，又，ZrO2 及ZrS等之硬質化合物係大量生成，被削性、衝擊值及疲勞特性等機械性質下降。因此，添加Zr之情形，使其含量為0.0001~0.02%，較佳為0.0003~0.01%。
Rem(稀土類元素)係脫氧元素，生成低熔點氧化物，抑制鑄造時之注口堵塞。Rem係與MnS固溶或結合，使其變形能下降，於壓延及熱軋鍛造時抑制MnS形狀之延伸。如此，Rem係有效減低異方性之元素。
Rem含量之總量小於0.0001%時，無法獲得該等之效果。Rem含量超過0.02%時，大量生成Rem之硫化物，被削性惡化。因此，添加Rem之情形，使其含量為0.0001~0.02%，較佳為0.0003~0.015%。
本發明之機械結構用鋼中，使被削性提高之情形，除上述之各成分外，亦可添加Sb：0.0001~0.015%、Sn：0.0005~2.0%、Zn：0.0005~0.5%、B：0.0001~0.015%、Te：0.0003~0.2%、Se：0.0003~0.2%、Bi：0.001~0.5%及Pb：0.001~0.5%之1種或2種以上之元素。
Sb係使肥粒鐵適度脆化，使被削性提高。Sb含量係0.0001%時，無法獲得其效果。Sb含量超過0.015%時，Sb之微偏析變過多，衝擊值大幅下降。因此，添加Sb之情形，使其含量為0.0001~0.015%，較佳為0.0005~0.012%。
Sn係使肥粒鐵脆化，延長工具壽命，且使表面粗糙度提高。Sn含量小於0.0005%之情形，無法獲得其效果。Sn含量超過2.0%時，其效果飽和。因此，添加Sn之情形，使其含量為0.0005~2.0%，較佳為0.002~1.0%。
Zn係使肥粒鐵脆化，延長工具壽命，且使表面粗糙度提高。Zn含量小於0.0005%之情形，無法獲得其效果。即使超過0.5%添加Zn，其效果亦飽和。因此，添加Zn之情形，使其含量為0.0005~0.5%，較佳為0.002~0.3%。
B固溶之情形，於晶界強化及淬火性具有效果，析出之情形，作為BN析出，被削性提高。B含量小於0.0001%時，無法獲得其等之效果。B含量超過0.015%時，其效果飽和，BN過多析出，故損及鋼之機械性質。因此，添加B之情形，使其含量為0.0001~0.015%，較佳為0.0005~0.01%。
Te係使被削性提高。又，藉由生成MnTe或與MnS共存，具有使MnS之變形能下降，抑制MnS形狀之延伸之作用。如此，Te係有效減低異方性之元素。
Te含量小於0.0003%時，無法獲得其等之效果。Te含量超過0.2%時，不僅其效果飽和，且熱軋延性下降，容易成為瑕疵之原因。因此，添加Te之情形，使其含量為0.0003~0.2%，較佳為0.001~0.1%。
Se係使被削性提高之元素。又，藉由生成MnSe或與MnS共存，具有使MnS之變形能下降，抑制MnS形狀之延伸之作用。如此，Se係有效減低異方性之元素。
Se含量小於0.0003%時，無法獲得其等之效果。Se含量超過0.2%時，其效果飽和。因此，添加Se之情形，使其含量為0.0003~0.2%，較佳為0.001~0.1%。
Bi係使被削性提高。Bi含量小於0.001%時，無法獲得其效果。Bi含量超過0.5%時，不僅被削性提升效果飽和，且熱軋延性下降，容易成為瑕疵之原因。因此，添加Bi之情形，使其含量為0.001~0.5%，較佳為0.005~0.3%。
Pb係使被削性提高。Pb含量小於0.001%之情形，無法獲得其效果。即使超過0.5%添加Pb，不僅被削性提高效果飽和，且熱軋延性下降、容易成為瑕疵之原因。因此，添加Pb之情形，使其含量為0.001~0.5%，較佳為0.005~0.3%。
本發明之機械結構用鋼中，於淬火性之提高或回火使軟化阻力提高，對鋼材進行強度賦予之情形，除上述成分外，亦可添加Cr：0.001~3.0%及/或Mo：0.001~1.0%。
Cr係提高淬火性，且回火、賦予軟化阻力。Cr係添加於有必要高強度化之鋼中。Cr含量小於0.001%時，無法獲得其等之效果。Cr含量超過3.0%時，生成Cr碳化物，鋼脆化。因此，添加Cr之情形，使其含量為0.001~3.0%，較佳為0.01~2.0%。
Mo係回火、賦予軟化阻力，且使淬火性提高。Mo係添加於有必要高強度化之鋼中。Mo含量小於0.001%時，無法獲得其等之效果。Mo含量超過1.0%時，其效果飽和。因此，添加Mo之情形，使其含量為0.001~1.0%，較佳為0.01~0.8%。
本發明之機械結構用鋼中，於使肥粒鐵強化之情形，除上述之各成分外，可添加Ni：0.001~5.0%及/或Cu：0.001~5.0%。
Ni係強化肥粒鐵，使延性提高。Ni於淬火性提高及耐蝕性提高上亦有效。Ni含量小於0.001%時，無法獲得其效果。Ni含量超過5.0%時，於機械性質之點上效果飽和，被削性下降。因此，添加Ni之情形，使其含量為0.001~5.0%，較佳為0.05~2.0%。
Cu係強化肥粒鐵，使淬火性及耐蝕性提高。Cu含量小於0.001%時，無法獲得其效果。Cu含量超過5.0%時，於機械性質之點上效果飽和。因此，添加Cu之情形，使其含量為0.001~5.0%，較佳為0.01~2.0%。
Cu係特別使熱軋延性下降，容易成為壓延時之瑕疵之原因，故宜與Ni同時添加。
於本發明之機械結構用鋼中，為提高被削性，除上述各成分外，亦可添加Li：0.00001~0.005%、Na：0.00001~0.005%、K：0.00001~0.005%、Ba：0.00001~0.005%及Sr：0.00001~0.005%之1種或2種以上之元素。
Li於鋼中成為氧化物，藉由形成低熔點氧化物而抑制工具摩耗。Li含量小於0.00001%之情形，無法獲得其效果。Li含量超過0.005%時，效果飽和，且引起耐火物之溶損等。因此，添加Li之情形，使其含量為0.00001~0.005%，較佳為0.0001~0.0045%。
Na於鋼中成為氧化物，藉由形成低熔點氧化物而抑制工具摩耗。Na含量小於0.00001%時，無法獲得其效果。Na含量超過0.005%時，效果飽和，且引起耐火物之溶損等。因此，添加Na之情形，使其含量為0.00001~0.005%，較佳為0.0001~0.0045%。
K於鋼中成為氧化物，藉由形成低熔點氧化物而抑制工具摩耗。K含量小於0.00001%時，無法獲得其效果。K含量超過0.005%時，效果飽和，且引起耐火物之溶損等。因此，添加K之情形，使其含量為0.00001~0.005%，較佳為0.0001~0.0045%。
Ba於鋼中成為氧化物，藉由形成低熔點氧化物而抑制工具摩耗。Ba含量小於0.00001%時，無法獲得其效果。Ba含量超過0.005%時，效果飽和，且引起耐火物之溶損等。因此，添加Ba之情形，使其含量為0.00001~0.005%，較佳為0.0001~0.0045%。
Sr於鋼中成為氧化物，藉由形成低熔點氧化物而抑制工具摩耗。Sr含量小於0.00001%時，無法獲得其效果。Sr含量超過0.005%時，效果飽和，且引起耐火物之溶損等。因此，添加Sr之情形，使其含量為0.00001~0.005%，較佳為0.0001~0.0045%。
如以上所說明，根據本發明之機械結構用鋼及其切削方法，無關連續切削或間斷切削等之樣式，於寬廣切削速度區域中，藉由於切削中在工具面上藉由化學反應形成Al2 O3 被膜，可得到優異之潤滑性與工具壽命。
實施例
以下，使用實施例就本發明之效果進行具體說明。
將表1~8所示組成之鋼，於150kg真空熔解爐熔製後，於1250℃之溫度條件下藉由熱軋鍛造鍛伸成直徑為65mm之圓柱狀。接著，於1300℃加熱2小時後空冷，之後，進行正常化(於900℃加熱1小時後空冷)後，切出工具壽命評價用試驗片，供於試驗。
於切削工具使用TiAlN塗層超硬合金、高速鋼、超硬合金、TiCN塗層高速鋼及TiAlN塗層高速鋼之5種。對該等工具之表層實施表1~8所示之金屬氧化物被膜。
金屬氧化物被膜係藉由PVD製作之金屬氧化物，及藉由均質處理生成之Fe3 O4 。金屬氧化物被膜之厚度，於小於500nm之情形以歐傑電子能譜法進行測定，於500nm以上之情形以FE-SEM進行測定。
表1~8顯示實施於工具表層之金屬氧化物之1300℃下之氧化物生成自由能。
表1~8中之底線表示不滿足本發明之要件。
使用該等鋼及工具進行以下之5種試驗。
以表9所示之條件進行鑽孔器穿孔試驗，以至鑽孔器折損為止之開孔數作為評價指標，評價切削實施例及比較例之鋼材時之工具壽命。試驗係於不水溶性切削油劑、水溶性切削油劑及乾式(吹氣)之下進行。
以表10所示之條件進行鑽孔器穿孔試驗，以可切削至累積孔深1000mm為止之最大切削速度VL1000作為評價指標，評價切削實施例及比較例之鋼材時之工具壽命。試驗係於不水溶性切削油劑及乾式(吹氣)之下進行。
以表11所示條件進行長向旋削試驗，以10分鐘切削後之側面最大摩耗寬VB_max作為評價指標，評價切削實施例及比較例之鋼材時之工具壽命。試驗係於不水溶性切削油劑、水溶性切削油劑及乾式下進行。
以表12所示之條件進行抽頭加工試驗，將切削2000個後之咬部切刀之側面最大摩耗寬VB_max作為評價指標，評價切削實施例及比較例之鋼材時之工具壽命。試驗係於不水溶性切削油劑之下進行。
以表13所示之條件進行使用飛刀之齒輪切削加工模擬間斷切削試驗，以18m切削後之側面最大摩耗寬VB_max作為評價指標，評價切削實施例及比較例之鋼材時之工具壽命。試驗係於不水溶性切削油劑及乾式之潤滑條件下進行。
於表1~4顯示對TiAlN塗層超硬合金之母材實施各種金屬氧化物被膜之工具中，以表9之條件進行鑽孔器穿孔試驗之結果。
發明例之No.1~78係本發明之範圍，至折損為止之開孔數較大。即，可獲得優異之工具壽命。
比較例No.79~83由於鋼材之全Al含量脫離本發明之範圍，故工具壽命較發明例差。
比較例No.84係全Al含量在本發明之範圍，但由於未滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，故工具壽命較發明例差。
比較例No.85~87，工具表層之金屬氧化物之氧化物生成自由能係Al2 O3 之氧化物生成自由能之-782kJ以下，脫離本發明之範圍，故工具壽命較發明例差。
比較例No.88由於未對工具表層實施金屬氧化物被膜，故工具壽命較發明例差。
於表5顯示對母材係高速鋼者實施各種金屬氧化物被膜之工具中，以表10之條件進行鑽孔器穿孔試驗之結果。
發明例之No.89~97係本發明之範圍，VL1000較大。即，可獲得優異之工具壽命。
比較例No.98及99，由於鋼材之全Al含量脫離本發明之範圍，故工具壽命較發明例差。
比較例No.100係全Al含量在本發明之範圍，但不滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，故工具壽命較發明例差。
比較例No.101，工具表層之金屬氧化物之氧化物生成自由能係Al2 O3 之氧化物生成自由能之-782kJ以下，脫離本發明之範圍，故工具壽命較發明例差。
比較例No.102，由於未對工具表層實施金屬氧化物被膜，故工具壽命較發明例差。
於表6顯示對母材係超硬合金者實施各種金屬氧化物被膜之工具中，以表11之條件進行長向旋削試驗之結果。
發明例之No.103~116係本發明之範圍，側面最大摩耗寬VB_max較小，可獲得優異之工具壽命。
比較例No.117及118，由於鋼材之全Al含量脫離本發明之範圍，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.119係全Al含量在本發明之範圍，但由於不滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.120，工具表層之金屬氧化物之氧化物生成自由能係Al2 O3 之氧化物生成自由能之-782kJ以下，由於脫離本發明之範圍，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.121，由於未對工具表層實施金屬氧化物被膜，故工具壽命較發明例差。
於表7顯示對母材係TiCN塗層高速鋼者實施各種金屬氧化物被膜之工具中，以表12之條件進行抽頭加工試驗之結果。
發明例之No.122~133係本發明之範圍，側面最大摩耗寬VB_max較小，可獲得優異之工具壽命。
比較例No.134及135，由於鋼材之全Al含量脫離本發明之範圍，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.136係全Al含量在本發明之範圍，但由於不滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.137，由於工具表層之金屬氧化物之氧化物生成自由能係Al2 O3 之氧化物生成自由能之-782kJ以下，脫離本發明之範圍，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.138，由於對工具表層未實施氧化物被膜，故工具壽命較發明例差。
於表8顯示對母材係TiAlN塗層高速鋼者實施各種金屬氧化物被膜之工具中，以表13之條件進行齒輪切削加工模擬間斷切削試驗之結果。
發明例之No.139~150係本發明之範圍，側面最大摩耗寬VB_max較小，可獲得優異之工具壽命。
比較例No.151及152，由於鋼材之全Al含量脫離本發明之範圍，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.153係全Al含量在本發明之範圍，但由於不滿足[Al%]-(27/14)×[N%]≧0.05%，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.154，因為工具表層之金屬氧化物之氧化物生成自由能係Al2 O3 之氧化物生成自由能之-782kJ以下，脫離本發明之範圍，故摩耗寬較發明例大，工具壽命差。
比較例No.155，由於未對工具表層實施氧化物被膜，故工具壽命較發明例差。
以上就實施例進行說明。由實施例可知，本發明中，於鑽孔加工、長向旋削或抽頭加工等之連續切削、稱為齒輪切削加工模擬切削之間斷切削中，進而，於不水溶性切削油劑、水溶性切削油劑及乾式等任何潤滑狀態中，皆可獲得工具壽命之提高。
機械結構用鋼及其切削中，列舉之實施例僅為一例，本發明之旨趣不限定於此等之記載。
產業之可利用性
根據本發明，因為可提供一種無關連續切削或間斷切削等之樣式，於寬廣切削速度區域中，進而於使用切削油、乾、半乾及富氧化等各種切削環境下，可獲得優異之潤滑性與工具壽命之機械結構用鋼及其切削方法，故對機械產業之貢獻大。
21．．．高速鋼
22．．．Fe3 O4 被膜
23．．．Al2 O3 被膜
24．．．切屑(主Fe)
31．．．超硬合金
32．．．TiAlN塗層
33．．．TiO2 被膜
第1(a)~(c)圖係將固溶Al之量不同之鋼材，使用藉由均質處理於表層實施Fe3 O4 被膜之高速鋼製鑽孔器進行切削後之工具刀鋒附近之SEM-EDS像。
第2(a)~(c)圖係將固溶Al之量不同之鋼材，使用藉由均質處理於表層實施Fe3 O4 被膜之高速鋼製鑽孔器進行切削後之工具刀鋒之剖面圖。
第3(a)~(c)圖係將固溶Al之量不同鋼材，使用於TiAlN塗層之表層實施TiO2 被膜之工具進行切削後之工具刀鋒之剖面圖。

Claims (15)

  1. 一種機械結構用鋼之切削方法，其特徵在於：藉由與被削材接觸之面被覆有1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物的切削工具切削機械結構用鋼，且該機械結構用鋼以質量%計含有：C：0.01~1.2%，Si：0.005~3.0%，Mn：0.05%~3.0%，P：0.0001~0.2%，S：0.0001~0.35%，Al：0.05~1.0%，及N：0.0005~0.035%，且滿足〔Al%〕-(27/14)×〔N%〕≧0.05%，剩餘部分由Fe及不可避免之雜質所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有Ca：0.0001~0.02%。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Ti：0.0005~0.5%，Nb：0.0005~0.5%，W：0.0005~1.0%， V：0.0005~1.0%，Ta：0.0001~0.2%，Hf：0.0001~0.2%，Cr：0.001~3.0%，Mo：0.001~1.0%，Ni：0.001~5.0%，及Cu：0.001~5.0%。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Mg：0.0001~0.02%，Zr：0.0001~0.02%，及Rem：0.0001~0.02%。
  5. 如申請專利範圍第3項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素之1種或2種以上：Mg：0.0001~0.02%，Zr：0.0001~0.02%，及Rem：0.0001~0.02%。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%， Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
  7. 如申請專利範圍第3項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%， K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
  8. 如申請專利範圍第4項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%，Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
  9. 如申請專利範圍第5項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述機械結構用鋼以質量%計更含有以下元素中之1種或2種以上：Sb：0.0001~0.015%，Sn：0.0005~2.0%， Zn：0.0005~0.5%，B：0.0001~0.015%，Te：0.0003~0.2，Se：0.0003~0.2，Bi：0.001~0.5%，Pb：0.001~0.5%，Li：0.00001~0.005%，Na：0.00001~0.005%，K：0.00001~0.005%，Ba：0.00001~0.005%，及Sr：0.00001~0.005%。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述於1300℃下之標準生成自由能大於Al2 O3 之標準生成自由能之金屬氧化物為Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn之氧化物，或是含有此等元素中之2種以上金屬元素之氧化物。
  11. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述與被削材接觸之面被覆有金屬氧化物之切削工具係藉由PVD處理及CVD處理中之任一者來製作。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述被覆於切削工具之金屬氧化物被膜之厚度為50nm以上且小於1μm。
  13. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其係於前述切削中使用切削油等潤滑油。
  14. 如申請專利範圍第13項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述切削油等潤滑油係水不溶性切削油劑。
  15. 如申請專利範圍第1或2項之機械結構用鋼之切削方法，其中前述切削係連續切削。
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