JP7032833B2 - 切削方法、金属材料、金型、および金型の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、ダイヤモンド切削工具を用いた切削方法、金属材料、金型、および金型の製造方法に関する。

特許文献１は、機械加工後における鋼材の表面粗さを低減する方法を開示する。この方法は、鋼材の少なくとも表面にアトム窒化法により条件（ａ）および／または条件（ｂ）の下で、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を形成した後、固溶体層をダイヤモンド切削工具で機械加工する。条件（ａ）は、アトム窒化法を１０Ｐａ以下の圧力で行うことであり、条件（ｂ）は、アトム窒化法においてプラズマの電位を基準とする鋼材の電位を－３００～３００Ｖとすることである。

特開２０１８－１３５５９６号公報

アトム窒化法等により鋼材の表面に拡散窒化処理を施した場合であっても、窒素濃度が低ければ、ダイヤモンド切削工具の炭素原子が鋼材に侵入して、工具摩耗が生じる。そこで本開示者は、ダイヤモンド切削工具を用いた切削に適した拡散窒素濃度に関する条件を実験により求め、窒素濃度にもとづいた切削方法を考案するに至った。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、拡散窒化処理を施した金属材料をダイヤモンド切削工具により窒素濃度にもとづいて切削する方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本開示のある態様は、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有する金属材料の固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法に関する。この方法では、窒素濃度が所定の濃度以上である領域内で切削を行い、窒素濃度が所定の濃度未満となる領域の切削を行わない。

本開示の別の態様もまた、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有する金属材料の固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法である。この方法では、窒素濃度がピークを示す位置を切削した後、窒素濃度が所定の濃度未満となる領域に達する前に切削を終了する。

本開示の別の態様もまた、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有する金属材料の固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法に関する。この方法では、窒素濃度が第１濃度以上である領域内を切削可能範囲とし、第１濃度より高い第２濃度以上である領域内で切削を行う。

切削対象である金属材料の断面を示す図である。 アトム窒化処理した加工ワークを示す図である。 窒素濃度の分析結果を示す図である。 加工ワークの硬度の測定結果を示す図である。 表面からの距離が２０μｍであるときの観察画像を示す図である。 表面からの距離が３５μｍであるときの観察画像を示す図である。 表面からの距離が５７μｍであるときの観察画像を示す図である。 表面からの距離と逃げ面摩耗幅の関係を示す図である。 窒素濃度と逃げ面摩耗幅の関係を示す図である。

図１は、ダイヤモンド切削工具による切削対象である金属材料の断面を示す。金属材料１は、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層１０を少なくとも表面に有する。金属材料１は鉄系材料であり、実施形態では鋼材とするが、他の種類の金属であってもよい。実施形態は、固溶体層１０を少なくとも表面に有する金属材料１の固溶体層１０を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法を提供する。この切削は、鏡面加工であってよい。

固溶体層１０は、金属材料１の表面に、窒素原子を拡散固溶させることで形成される。固溶体層１０は、たとえば窒素原子を含む希薄気体内に金属材料１を配置し、その希薄気体に電子ビームを照射して励起することで形成されてよい。

固溶体層１０は、鉄の窒化物を実質的に含まないことが好ましい。固溶体層１０が鉄の窒化物を含むと、切削時にダイヤモンド切削工具の刃先が欠損する可能性がある。そこで鉄の窒化物を含まないように固溶体層１０を形成することで、ダイヤモンド切削工具の寿命を長くできるとともに、切削後における金属製品の表面粗さを小さくできる利点がある。

固溶体層１０は、特許文献１に開示されるアトム窒化法によって形成されてよい。アトム窒化法は、窒素原子を含むプラズマを用いて、窒素原子を金属材料１の表面から侵入、拡散させる方法である。アトム窒化法により形成される固溶体層１０は、鉄の窒化物を含まないため、好適な形成方法であると言える。

本開示者は、アトム窒化処理した固溶体層１０をダイヤモンド切削工具で切削し、工具摩耗と窒素濃度との関係を調べた。
図２（ａ）は、アトム窒化処理した加工ワークを示し、図２（ｂ）は、加工ワーク２１のＡ－Ａ断面を示す。加工ワーク２１の材質はＳＵＳ４２０Ｊ２の生材である。加工ワーク２１は、中心に孔２２を設けられた直径５０ｍｍの円板形状を有し、実験中、機械加工装置の主軸が孔２２に取り付けられて、回転させられる。ダイヤモンド切削工具は、機械加工装置の送り機構により、回転する加工ワーク２１の表面２３に対して相対的に動かされ、加工ワーク２１の表面２３を切削する。

なお本実験では、同条件でアトム窒化処理した加工ワーク２１を複数用意し、１つの加工ワークを表面から深さ方向に切断して、表面からの窒素濃度を測定した。
図３は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による窒素濃度の分析結果を示す。分析結果に示されるように、窒素原子は表面から侵入するため、表面の窒素濃度が高く、表面から深くなるにつれて窒素濃度が低くなる。本実験で使用した加工ワーク２１のアトム窒化処理条件によると、固溶体層１０の表面は、窒素原子が飽和に固溶した状態となっており、表面からの距離（深さ）が約５０μｍより下方で、窒素濃度がほぼ０重量パーセントとなっている。なお窒素濃度のプロファイル、つまり窒素濃度と表面からの距離（深さ）の関係は窒化処理条件に依存し、たとえば処理時間を長くすることで、固溶体層１０を深く形成できる。なお処理時間を長くすると飽和領域は広がるが、飽和領域における最大の窒素濃度（ピーク濃度）は変わらない。

窒素濃度が６重量パーセントを超えると、鉄の窒化物が生成されることが知られている。鉄の窒化物は、切削中にダイヤモンド切削工具を欠損させる可能性を高める。そこで加工ワーク２１は、固溶体層１０の窒素濃度が６重量パーセント以下となるようにアトム窒化処理されている。

図４は、加工ワーク２１の硬度の測定結果を示す。実験では、工具摩耗を観察すると同時に、表面硬度を微小硬度計を用いて測定した。この測定結果から、窒化処理を施すことで、表面近傍の硬度が高くなっていることが確認される。また図３の窒素濃度プロファイルを参照すると、窒素濃度の低下とともに、硬度も低下することが確認される。高い表面硬度は、金属材料１を金型等に使用する際に好適である。

実験では、加工ワーク２１の表面を複数回に分けて一層ずつ切削し、微分干渉顕微鏡により工具摩耗を観察した。実験における切削条件は、以下のとおりである。
切込量（一層分） ： ２～３μｍ
一回転ごとの工具送り量 ： ５μｍ
回転速度 ： ８０ｒｐｍ
平均切削速度 ： １０ｍ／分
切削長さ ： １８８ｍ／層
工具摩耗の観察にあたり、表面から約１０μｍの深さを前加工により除去して、切削面を滑らかにした。

図５～図７は、微分干渉顕微鏡によるすくい面と逃げ面の観察画像を示す。これらの図では、上側にすくい面の観察画像を、下側に逃げ面の観察画像を合成している。微分干渉顕微鏡は、ノマルスキープリズムによって光源からの光を２分割して試料を照明し、試料から反射された２つの観測光を合成する際に生じる干渉を利用して、試料表面の凹凸を強調する。微分干渉顕微鏡の撮影画像において、すくい面および／または逃げ面のエッジに明るさの変化が観察されると、すくい面および／または逃げ面に摩耗が生じたことが示される。

図５は、表面からの距離が２０μｍであるときの観察画像を示す。この観察画像において、すくい面および逃げ面のエッジに明るさの強弱は発生しておらず、摩耗が生じていない。

図６は、表面からの距離が３５μｍであるときの観察画像を示す。この観察画像では、逃げ面のエッジが明るくなっており、この箇所近傍に摩耗が発生している。なお表面からの距離が３５μｍ未満であるときには、エッジ部分に明るさの強弱は発生していなかったため、表面からの距離３５μｍの位置から摩耗が発生し始めたことが観察された。なお摩耗は刃先の先端から進むため、すくい面側より逃げ面側の摩耗の方が先に観察されやすい。

図７は、表面からの距離が５７μｍであるときの観察画像を示す。この観察画像では、すくい面および逃げ面のエッジの明るさが変化し、すくい面および逃げ面に大きな摩耗が生じていることが観察される。

本実験では、さらに、各層を切削するときの切削力の変化を測定するとともに、各層を切削した後の仕上げ面粗さを測定した。この結果、表面からの距離３５μｍ以上になると、切り込み方向の切削力が急激に上昇し、且つ仕上げ面粗さも大きくなることが測定された。このことは表面からの切削距離が３５μｍとなったときに、工具摩耗が進行し始めたことを意味する。

図８は、表面からの距離と逃げ面摩耗幅の関係を示す。逃げ面摩耗幅は、一層分（１８８ｍ）を切削したときの逃げ面における摩耗長さの最大値である。表面からの距離が３５μｍの位置から摩耗が進行していることが観察される。

図９は、窒素濃度と逃げ面摩耗幅の関係を示す。この関係は、図３に示す窒素濃度のプロファイルと図８に示す実験結果とから導き出され、窒素濃度が、所定の濃度未満となる領域で工具摩耗が発生し、所定の濃度以上である領域で工具摩耗が発生しないことが確認された。この閾値となる濃度は、後述するように窒素原子が飽和に固溶した領域の窒素濃度（ピーク濃度）にもとづいて定められる。金属材料１をダイヤモンド切削工具により切削する方法は、工具摩耗を回避または低減させる目的のために、窒素濃度が所定の濃度以上である領域内で切削を行い、窒素濃度が所定の濃度未満となる領域の切削を行わないことが好ましい。窒素濃度のプロファイルの観点から言えば、金属材料１の切削方法は、窒素濃度がピークを示す位置を切削してから、窒素濃度が所定の濃度未満となる領域に達する前に切削を終了することが好ましい。

炭素原子が固溶体層１０に侵入することによる工具摩耗を回避するためには、窒素濃度が約３．５重量パーセント以上である領域内で切削を行うことが好ましい（図９参照）が、僅かな工具摩耗を許容できる場合は、約３．５重量パーセントよりも低い窒素濃度以上である領域内で切削を行ってもよい。たとえば１８８ｍの切削長さに対して２μｍの逃げ面摩耗が許容できる場合、窒素濃度が約２重量パーセント以上である領域内で切削を行ってもよい。

本開示者は、工具摩耗を回避できる窒素濃度が、窒素原子が飽和に固溶した領域の窒素濃度の相対値として定まることを見いだした。図３に示すように、実験における飽和領域の窒素濃度は約５重量パーセントであり、したがって飽和領域の窒素濃度の７０パーセント（３．５重量パーセント／５重量パーセント）以上である領域内で切削を行うことで、工具摩耗を回避できる。同様に、１８８ｍの切削長さに対して２μｍの逃げ面摩耗が許容できる場合は、飽和領域の窒素濃度の４０パーセント（２重量パーセント／５重量パーセント）以上である領域内で切削を行うことで、工具摩耗を小さく抑えられる。

なお金属材料１をダイヤモンド切削工具により切削する方法は、工具摩耗を回避または低減させる目的のために、窒素濃度が第１濃度以上である領域内を切削可能範囲とし、窒素濃度が第１濃度未満となる領域を切削不可範囲としたうえで、第１濃度より高い第２濃度以上である領域内で切削を行ってもよい。上記したように第１濃度は飽和領域の窒素濃度にもとづいて定められ、飽和窒素濃度の７０パーセントである３．５重量パーセントに設定されてよい。図４に示すように、窒素濃度が高いほど表面硬度が高く、高い表面硬度は、金型等の表面に好適である。そのためダイヤモンド切削工具に摩耗を生じさせず、且つ高い表面硬度を確保するために、切削加工では、第１濃度より高い第２濃度以上である領域内で切削を行うことが好ましい。

実施形態の切削方法を実現するために、切削加工業者は、窒化処理業者に対して、被削材となる金属材料１の固溶体層１０の窒素濃度プロファイルを指定する。つまり最終的に仕上げる製品の仕上げ面における窒素濃度を指定したうえで、窒化処理業者に被削材の窒化処理を依頼する。窒化処理業者は、仕上げ面と被削材表面との距離に応じて、仕上げ面が指定された窒素濃度となるように窒化処理条件を定め、鉄の窒化物が存在しないように固溶体層１０を形成すればよい。

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有する金属材料の固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法である。この方法では、窒素濃度が所定の濃度以上である領域内で切削を行い、窒素濃度が所定の濃度未満となる領域の切削を行わない。窒素濃度にもとづいて切削領域を定めることで、ダイヤモンド切削工具の摩耗を抑制して、工具寿命を長くできる。

本開示の別の態様もまた、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有する金属材料の固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法である。この方法では、窒素濃度がピークを示す位置を切削した後、窒素濃度が所定の濃度未満となる領域に達する前に切削を終了する。窒素濃度にもとづいて切削領域を定めることで、ダイヤモンド切削工具の摩耗を抑制して、工具寿命を長くできる。

金属材料において、固溶体層の表面は、窒素原子が飽和に固溶した状態となっており、所定の濃度は、飽和領域の窒素濃度にもとづいて定められてよい。このとき所定の濃度は、飽和領域の窒素濃度の７０％以上の濃度に定められてよい。

本開示の別の態様もまた、窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有する金属材料の固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具により切削する方法である。この方法では、窒素濃度が第１濃度以上である領域内を切削可能範囲とし、第１濃度より高い第２濃度以上である領域内で切削を行う。窒素濃度にもとづいて切削可能範囲を設定しつつ、切削可能範囲で切削する領域を定めることで、ダイヤモンド切削工具の摩耗を抑制して、工具寿命を長くできる。

金属材料において、固溶体層の表面は、窒素原子が飽和に固溶した状態となっており、第１濃度は、飽和領域の窒素濃度にもとづいて定められてよい。このとき第１濃度は、飽和領域の窒素濃度の７０％以上の濃度に定められてよい。

１・・・金属材料、１０・・・固溶体層、２１・・・加工ワーク。

Claims (9)

1. 炭素原子が被削材に移動することで工具摩耗が生じるダイヤモンド切削工具により切削する方法であって、
   窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有し、前記表面は窒素原子が飽和に固溶した状態となっている金属材料の前記固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具で切削する際、
   窒素濃度が２重量パーセント以上である領域内で切削を行い、窒素濃度が２重量パーセント未満となる領域の切削を行わない、
   ことを特徴とする切削方法。
2. 炭素原子が被削材に移動することで工具摩耗が生じるダイヤモンド切削工具により切削する方法であって、
   窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有し、前記表面は窒素原子が飽和に固溶した状態となっている金属材料の前記固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具で切削する際、
   窒素濃度がピークを示す位置を切削した後、窒素濃度が２重量パーセント未満となる領域に達する前に切削を終了する、
   ことを特徴とする切削方法。
3. 炭素原子が被削材に移動することで工具摩耗が生じるダイヤモンド切削工具により切削する方法であって、
   窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有し、前記表面は窒素原子が飽和に固溶した状態となっている金属材料の前記固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具で切削する際、
   窒素濃度が２重量パーセント以上である領域内を切削可能範囲とし、２重量パーセントより高い濃度以上である領域内で切削を行う、
   ことを特徴とする切削方法。
4. 前記切削方法は、金属材料を鏡面加工する方法である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の切削方法。
5. 金属材料は、鉄系材料である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の切削方法。
6. 窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有し、前記表面は窒素原子が飽和に固溶した状態となっている金属材料であって、請求項１から５のいずれかの切削方法に供される、
   ことを特徴とする金属材料。
7. 炭素原子が被削材に移動することで工具摩耗が生じるダイヤモンド切削工具により切削され、
   窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有し、
   前記固溶体層には窒素濃度が２重量パーセント以上となる領域が存在する、
   ことを特徴とする金型。
8. 前記固溶体層には窒素濃度が２重量パーセント以上であって、飽和濃度以下となる領域が存在する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の金型。
9. 炭素原子が被削材に移動することで工具摩耗が生じるダイヤモンド切削工具により被削材を切削して金型を製造する方法であって、
   窒素原子が侵入型固溶原子として存在する固溶体層を少なくとも表面に有し、前記表面は窒素原子が飽和に固溶した状態となっている金属材料の前記固溶体層を、その表面からダイヤモンド切削工具で切削する際、
   窒素濃度がピークを示す位置を切削した後、窒素濃度が２重量パーセント未満となる領域に達する前に切削を終了する、
   ことを特徴とする金型の製造方法。

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