特開 2024-135414 セラミックス系材料の変質層形成方法、変質層形成装置、加工方法及び加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135414

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】セラミックス系材料の変質層形成方法、変質層形成装置、加工方法及び加工装置

(51)【国際特許分類】

   C04B 41/80 20060101AFI20240927BHJP

   C04B 35/565 20060101ALI20240927BHJP

   C04B 35/80 20060101ALI20240927BHJP

   B23K 26/352 20140101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

C04B41/80 Z

C04B35/565

C04B35/80 600

B23K26/352

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023046081

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】591106462

【氏名又は名称】茨城県

(74)【代理人】

【識別番号】100154357

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 晃弘

(72)【発明者】

【氏名】早乙女 秀丸

(72)【発明者】

【氏名】曽我部 雄二

(72)【発明者】

【氏名】安藤 亮

(72)【発明者】

【氏名】飯村 修志

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168CB07

4E168DA02

4E168DA32

4E168DA40

4E168DA43

4E168FB05

4E168GA04

4E168JA15

4E168JA16

4E168JB04

(57)【要約】

【課題】セラミックス系材料の表面の加工性を改善することを可能にする新たな方法を提供する
【解決手段】一実施形態に係るセラミックス系材料の加工方法は、セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以上の所定出力のレーザーを照射する工程と、レーザーの照射により形成された表面の変質層を除去する加工を行う工程とを含む。例えばセラミック系材料は、ＳｉＣ系材料である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス系材料の変質層形成方法であって、
前記セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、
加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射する工程と
を含む、
方法。

【請求項2】

前記セラミックス系材料は、セラミックス基複合材料又はモノリシックセラミックス材料である、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記セラミックス系材料は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料及びＳｉＣセラミックス材料を含むＳｉＣ系材料である、
請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記セラミックス系材料は、ＳｉＣ系材料であり、
前記所定温度は、１００℃以上の温度であり、
前記所定出力は、２Ｗ以上７．５Ｗ以下の出力である、
請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記所定温度は、１００℃以上３００℃以下の温度であり、
前記所定出力は、２．５Ｗ以上５Ｗ以下の出力であり、
前記レーザーは、波長１０６４ｎｍ、周波数１０ｋＨｚ、走査速度１００ｍｍ／ｓの赤外線パルスレーザーである、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記レーザーを照射する工程は、酸素含有雰囲気中で行われる、
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

セラミックス系材料の加工方法であって、
前記セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、
加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射する工程と、
前記レーザーの照射により形成された前記表面の変質層を除去する加工を行う工程と
を含む、
方法。

【請求項8】

セラミックス系材料の変質層形成装置であって、
前記セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する加熱部と、
前記加熱部により加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射するレーザー照射部と
を備える、
変質層形成装置。

【請求項9】

前記セラミックス系材料は、セラミックス基複合材料又はモノリシックセラミックス材料である、
請求項８に記載の変質層形成装置。

【請求項10】

前記セラミックス系材料は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料及びＳｉＣセラミックス材料を含むＳｉＣ系材料である、
請求項８に記載の変質層形成装置。

【請求項11】

前記セラミックス系材料は、ＳｉＣ系材料であり、
前記所定温度は、１００℃以上の温度であり、
前記所定出力は、２Ｗ以上７．５Ｗ以下の出力である、
請求項８に記載の変質層形成装置。

【請求項12】

前記所定温度は、１００℃以上３００℃以下の温度であり、
前記所定出力は、２．５Ｗ以上５Ｗ以下の出力であり、
前記レーザーは、波長１０６４ｎｍ、周波数１０ｋＨｚ、走査速度１００ｍｍ／ｓの赤外線パルスレーザーである、
請求項１１に記載の変質層形成装置。

【請求項13】

前記レーザー照射部は、酸素含有雰囲気中で前記表面にレーザーを照射するように設けられている、
請求項８に記載の変質層形成装置。

【請求項14】

セラミックス系材料の加工装置であって、
請求項８から１３のいずれか一項に記載の変質層形成装置と、
前記変質層形成装置による前記レーザーの照射により形成された前記表面の変質層を除去する加工を行うための機械加工装置と
を備える、
加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セラミックス系材料の変質層形成方法、変質層形成装置、加工方法及び加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、航空機のエンジンなどにおける高温構造部材に、ニッケル基超合金（例えばInconel（登録商標））が用いられてきているが、特に航空宇宙産業では、機体の軽量化を図り、燃費改善及び長寿命化を図ることに対する強い要望がある。そこで、複合材料が研究開発され、特に、セラミックス基複合材料（ＣＭＣ：Ceramic Matrix Composites）の更なる研究開発が行われている。セラミックス基複合材料には、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料（ＳｉＣ/ＳｉＣ複合材料）、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）などがある。

【0003】

セラミックス基複合材料は、セラミックスの長所である高耐熱性、高剛性、高耐摩耗性などの特徴を有していて、セラミックスマトリックスがセラミックス繊維と複合化して、セラミックスの欠点である低靭性が改善された材料である。しかし、このセラミックス基複合材料は、その硬さゆえに、切削機械加工が困難であり、これまで難削材であるが故に主に研削表面加工が行われる程度であった。そこで、セラミックス基複合材料の加工性を改善することが種々研究されている。

【0004】

そのようなセラミックス基複合材料の加工方法の一例を特許文献１は開示する。特許文献１の記載によれば、そこに開示されているセラミックスマトリックス複合材の加工方法は、被加工材の表面にレーザーの照射部を走査して照射し、この照射部における被加工材の表面に劣化層(脆化した表層部)を形成するステップと、エンドミルによって前記照射部に形成された劣化層を順に除去するステップとを有し、前記劣化層は、前記照射部を連続発振レーザーの照射により所定温度まで加熱するとともにパルス発振レーザーの照射により亀裂を形成することにより形成されるものである。そして、上記所定温度については、セラミックスマトリックス複合材の表面に熱変成層を形成しうる温度であり、例えば、ポリマー原料からなるＳｉＣ繊維やマトリックスは、耐熱性の低いグレードのものは１３００℃から１４００℃程度以上で熱分解を開始し、熱変成層が形成される、と記載されている。このように、特許文献１の方法は、連続発振レーザーの照射により１３００℃を超えるような所定温度まで加熱するとともに、パルス発振レーザーの照射によりセラミックスマトリックス複合材の表面に亀裂を形成することにより劣化層を形成し、照射部に形成された劣化層をエンドミルで順に除去する加工に向けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４－１７２１２７号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】安藤亮、曽我部雄二、早乙女秀丸、飯村修志、レーザー照射によるＳｉＣ表面の軟質化に関する研究、日本セラミックス協会年会講演予稿集(Ｗｅｂ)、２０２２

【非特許文献2】曽我部雄二、安藤亮、早乙女秀丸、飯村修志、レーザー照射によってＳｉＣ表面に形成される変質層に関する研究、セラミックス基礎科学討論会予稿集(Ｗｅｂ)、２０２２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１の方法は、セラミックスマトリックス複合材つまりセラミックス基複合材料の表面へのレーザー（例えばレーザー出力は５０Ｗ）の照射により物理的にそこに亀裂を生じさせるものであり、亀裂つまりクラックを有する劣化層の除去ステップの後にまで、その亀裂が残っている可能性が危惧される。それ故、そのような亀裂が残らないように劣化層を除去するステップが行われることが望まれ、機械加工性の面でなお課題を有している。

【0008】

一方、本発明者らは、例えばＳｉＣ/ＳｉＣ複合材料の後加工の困難さを改善することを目指して、ＳｉＣセラミックス単体であるモノリシックＳｉＣに、特許文献１の方法よりも低出力でレーザー照射を行い、そのレーザーが照射された表面を化学的に変質させることができることを見出し、報告している（非特許文献１、非特許文献２参照）。しかし、この報告した方法は、仕上げ加工に足りる変質層を得ることを可能にするが、例えば荒加工のためには変質できる領域の更なる拡大が望まれる。

【0009】

本開示の目的は、セラミックス系材料の表面の加工性を改善することを可能にする新たな方法及び装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の第１態様は、
セラミックス系材料の変質層形成方法であって、
前記セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、
加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射する工程と
を含む、
方法
を提供する。

【0011】

上記第１態様の上記構成によれば、前記セラミック系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、加熱された前記セラミック系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射する工程とにより、セラミックス系材料の表面に変質層を形成することができる。このように形成される変質層は、それまでの表面よりも低い硬さを有し得る。そして、このような硬さの低下は、非特許文献１又は非特許文献２で報告したようにレーザーの照射のみによる場合に比べて、セラミック系材料のより深い領域にまで及ぶ。したがって、上記第１態様の上記構成によれば、セラミックス系材料の加工性を高めることができる。

【0012】

本開示の第２態様は、
セラミックス系材料の加工方法であって、
前記セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、
加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射する工程と、
前記レーザーの照射により形成された前記表面の変質層を除去する加工を行う工程と
を含む、
方法
を提供する。

【0013】

上記第２態様の上記構成によれば、まず、前記セラミック系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する工程と、加熱された前記セラミック系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射する工程とにより、セラミックス系材料の表面に変質層を形成することができる。このように形成される変質層は、それまでの表面よりも低い硬さを有し得る。そして、このような硬さの低下は、非特許文献１又は非特許文献２で報告したようにレーザーの照射のみによる場合に比べて、セラミック系材料のより深い領域にまで及ぶ。したがって、その変質層を除去する加工を行う上記工程でのセラミックス系材料の加工性を高めることができる。

【0014】

本開示の第３態様は、
セラミックス系材料の変質層形成装置であって、
前記セラミックス系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱する加熱部と、
前記加熱部により加熱された前記セラミックス系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射するレーザー照射部と
を備える、
変質層形成装置
を提供する。

【0015】

上記第３態様の上記構成によれば、加熱部でセラミック系材料の表面を５００℃以下の所定温度に加熱し、レーザー照射部により、加熱された前記セラミック系材料の前記表面に１０Ｗ以下の所定出力のレーザーを照射し、それにより、セラミックス系材料の表面に変質層を形成することができる。このように形成される変質層は、それまでの表面よりも低い硬さを有し得る。そして、このような硬さの低下は、非特許文献１又は非特許文献２で報告したようにレーザーの照射のみによる場合に比べて、セラミック系材料のより深い領域にまで及ぶ。したがって、上記第３態様の上記構成によれば、セラミックス系材料の加工性を高めることができる。

【0016】

本開示の第４態様は、
セラミックス系材料の加工装置であって、
前述の変質層形成装置と、
前記変質層形成装置による前記レーザーの照射により形成された前記表面の変質層を除去する加工を行うための機械加工装置と
を備える、
加工装置
を提供する。

【0017】

上記第４態様の上記構成によれば、変質層形成装置により、セラミックス系材料の表面に変質層を形成することができる。このように形成される変質層は、それまでの表面よりも低い硬さを有し得る。そして、このような硬さの低下は、非特許文献１又は非特許文献２で報告したようにレーザーの照射のみによる場合に比べて、セラミック系材料のより深い領域にまで及ぶ。したがって、上記機械加工装置による変質層を除去する加工での、セラミックス系材料の加工性を高めることができる。

【0018】

上記第１態様から上記第４態様のそれぞれにおいて、前記セラミック系材料は、セラミックス基複合材料又はモノリシックセラミックス材料であるとよい。例えば、前記セラミックス系材料は、ＳｉＣ系材料であるとよい。なお、このＳｉＣ系材料は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料及びＳｉＣセラミックス材料を含むとよい。また、セラミックス系材料がＳｉＣ系材料であるとき、前記所定温度は、１００℃以上の温度であり、前記所定出力は、２Ｗ以上７．５Ｗ以下の出力であるとよい。更に好ましくは、セラミックス系材料がＳｉＣ系材料であるとき、前記所定温度は、１００℃以上３００℃以下の温度であり、前記所定出力は、２．５Ｗ以上５Ｗ以下の出力であり、前記レーザーは、波長１０６４ｎｍ、周波数１０ｋＨｚ、走査速度１００ｍｍ／ｓの赤外線パルスレーザーであるとよい。なお、前記レーザーを照射する工程は、酸素含有雰囲気中で行われるとよい。つまり、前記レーザー照射部は、酸素含有雰囲気中で、セラミック系材料、例えばＳｉＣ系材料の前記表面にレーザーを照射するように設けられているとよい。

【発明の効果】

【0019】

本開示の上記第１態様から上記第４態様のそれぞれによれば、上記構成を備えるので、セラミックス系材料の表面の加工性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】一実施形態に係る加工装置の概略構成図である。

【図2】図１の加工装置の一部の模式図である。

【図3】図１の加工装置における処理のフローチャートである。

【図4】試験方法を説明するための模式図である。

【図5】実験結果を示すグラフである。

【図6】実験結果を示すグラフである。

【図7】実験結果を示すグラフである。

【図8】実験結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る実施形態を添付図に基づいて説明する。同一の部品（又は構成）には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

【0022】

一実施形態に係る加工装置１０を図１及び図２に基づいて説明する。図１に、加工装置１０の概略構成図を示し、図２に、加工装置１０の一部の模式図を示す。

【0023】

加工装置１０は、セラミックス系材料の加工に用いられ、セラミックス系材料の加工装置である。加工装置１０は、変質層形成装置１２と、機械加工装置１４とを備える。なお、変質層形成装置１２は、機械加工装置１４から独立して、変質層形成装置単体として構成されてもよい。

【0024】

変質層形成装置１２は、セラミック系材料である被処理物Ｗに変質層を形成するように構成されている。変質層形成装置１２は、加熱装置１６と、レーザー照射装置１８とを備える。加熱装置１６は、加熱部の一例である。レーザー照射装置１８は、レーザー照射部の一例である。これらの加熱装置１６及びレーザー照射装置１８は、被処理物Ｗの搬送方向Ｄに上流側から順に並べて配置されている。

【0025】

加工装置１０は、搬送手段である搬送装置２０を有している。搬送装置２０は、搬送方向Ｄにおいて、被処理物Ｗを搬送する。搬送方向Ｄにおいて、上流側から順に、変質層形成装置１２及び機械加工装置１４が設けられていて、より詳しくは、搬送方向Ｄにおいて、上流側から順に、加熱装置１６と、レーザー照射装置１８と、機械加工装置１４とが設けられている。

【0026】

搬送装置２０は、モーター２２による駆動力で、搬送方向Ｄに移動する移動テーブル２４を備えている。テーブル２４は、ここでは、水平方向に延びるように配置されるが、これに限定されない。テーブル２４には、治具２６を用いて被処理物Ｗが固定される。したがって、テーブル２４が移動することで、そこに固定された被処理物Ｗも一緒に移動する。なお、変質層形成装置１２が機械加工装置１４から独立して変質層形成装置単体として構成されるとき、搬送装置２０は、搬送方向Ｄにおいて加熱装置１６側からレーザー照射装置１８側に向けて被処理物Ｗを搬送するように、変質層形成装置１２に備えられることができる。なお、変質層形成装置１２での加熱装置１６からレーザー照射装置１８への被処理物Ｗの搬送、及び、変質層形成装置１２のレーザー照射装置１８から機械加工装置１４への被処理物Ｗの搬送のいずれか一方又は両方は、このような搬送装置２０により行われずに、例えば作業者の手作業により行われてもよい。

【0027】

さて、被処理物Ｗはセラミックス系材料である。セラミックス系材料は、セラミックス基複合材料又はモノリシックセラミックス材料を含み得る。例えば、セラミックス系材料は、ＳｉＣ系材料である。ＳｉＣ系材料には、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料、ＳｉＣセラミックス材料がある。ＳｉＣセラミックス材料は、例えばポリタイプＳｉＣである。具体的には、ＳｉＣ系材料の一例である、モノリシックＳｉＣ、例えば６Ｈ－ＳｉＣに相当する結晶構造を備えるモノリシックＳｉＣそのもの、又は、モノリシックＳｉＣをマトリックスとするＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料が被処理物Ｗとして加工装置１０で処理可能であり、例えば変質層形成装置１２での処理に供される。なお、セラミックス系材料には、炭素繊維強化炭素複合材料、所謂Ｃ／Ｃコンポジットも含まれるとよい。

【0028】

加工装置１０での各種処理、例えば上記変質層形成装置１２での後述する各処理は、大気中で行われる。つまり、変質層形成装置１２及び機械加工装置１４での各処理は、大気中を含む酸素含有雰囲気中で行われる。特に、変質層形成装置１２のレーザー照射装置１８でのレーザーの照射は、大気中を含む酸素含有雰囲気中で行われるとよい。酸素含有雰囲気は、大気と同程度の酸素濃度（約２０～２１％）を有するとよいが、その酸素濃度はこれに限定されない。酸素濃度は、後述する被処理物Ｗへの酸素導入に適する濃度であるとなおよい。これにより、例えば、変質層形成装置１２でＳｉＣ系材料を処理するとき、ＳｉＣ系材料のレーザーの照射領域に酸素を導入し、その酸素濃度を高めようとする。例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のヌープ硬度は２５００であり、石英（ＳｉＯ_２）のヌープ硬度は８２０であると知られていて、一般に、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の硬度は炭化ケイ素（ＳｉＣ）の硬度よりも低い。そこで、本開示の技術では、加熱及びレーザーの照射の組み合わせにより、ＳｉＣ系材料においてその表面の酸素濃度を高めることにより、ＳｉＣ系材料の表面の硬度を低下させ、加工性を向上させようとする。そして、その表面の硬度低下領域を好適に拡大するべく、変質層形成装置１２では、従来ない、加熱とレーザー照射を組み合わせる構成を備える。以下、加工装置１０、変質層形成装置１２などをより詳しく説明する。

【0029】

変質層形成装置１２の加熱装置１６は、被処理物Ｗ、例えば被処理物Ｗの表面ＷＳを加熱する構成を有する。加熱装置１６での加熱は、被処理物Ｗを５００℃以下の所定温度に加熱するように行われる。ここでは、加熱装置１６は、赤外線ヒーターを備え、その赤外線ヒーターの加熱は、被処理物Ｗを５００℃以下の所定温度に加熱するように制御される。ただし、加熱装置１６は、赤外線ヒーターを備えることに限定されず、例えば、被処理物Ｗに直接接して加熱する加熱板（ホットプレート）を備えて構成されてもよい。所定温度の加熱板、つまり、加温された加熱板を所定時間以上、被処理物Ｗに接するようにする、例えば押し付けることで、被処理物Ｗを所定温度により正確に加熱することができる。加熱板の加熱は、温度制御のために電気加熱式であるとよいが、これに限定されない。例えば、被処理物Ｗの加熱のために、高周波加熱が用いられてもよい。なお、この加熱装置１６での加熱は、レーザー照射装置１８でのレーザー照射に先立って行われ、予備加熱（プレヒート）と称されてもよく、この場合、加熱装置１６は予備加熱装置と称されてもよい。加熱装置１６による被処理物Ｗの加熱温度は、つまり、加熱された被処理物Ｗの温度、例えば表面温度は５００℃以下であるとよく、好ましくは１００℃以上であるとよく、更に好ましくは１００℃以上３００℃以下であるとよい。この温度は、この範囲に限定されず、被処理物Ｗに応じて実験に基づいて定められるとよい。

【0030】

変質層形成装置１２のレーザー照射装置１８は、被処理物Ｗ、例えば被処理物Ｗの表面ＷＳに、特に、加熱装置１６により所定温度に加熱された表面ＷＳに、所定出力のレーザーを照射する構成を備えている。所定出力は、２０Ｗ以下であり得、ここでは１０Ｗ以下である。本実施形態では、レーザー照射装置１８は、レーザーを発生する装置を備え、赤外領域の波長帯（７８０ｎｍ～１６μｍ）の赤外線レーザーを発生するように構成されている。例えば、レーザー照射装置１８は、赤外線レーザー源を有する。そして、レーザー照射装置１８は、レーザーの周波数つまりパルス幅も調整できて、パルスレーザーを照射することができるとよい。このパルスレーザーの照射は、被処理物Ｗへ照射されるレーザーをパルスレーザーであることに限定するものではないが、連続レーザーを照射するときよりも、被処理物Ｗへの熱影響を低く抑えるように採用されるとよい。なお、例えば、レーザー照射装置１８でのレーザーの波長は１０６４ｎｍであるとよい。また、レーザーの出力は、例えば１Ｗ以上１０Ｗ以下の範囲の出力であり得、好ましくは、２Ｗ以上１０Ｗ以下の出力であり、より好ましくは２Ｗ以上７．５Ｗ以下の出力であるとよく、更に好ましくは２．５Ｗ以上５Ｗ以下の出力であるとよい。そして、レーザーの周波数は、例えば１ｋＨｚ～１００ｋＨｚまでの種々の周波数でありえ、具体的には１０ｋＨｚ以上７５ｋＨｚ以下であるとよく、例えば１０ｋＨｚであってもよい。しかし、レーザーの出力及び周波数のそれぞれは、被処理物Ｗに応じて実験に基づいて定められるとよい。なお、レーザー照射装置１８は、レーザーの走査時間も調整する機能を備えているとよい。

【0031】

機械加工装置１４は、変質層形成装置１２により変質層が表面ＷＳを含む領域に形成された被処理物Ｗを機械加工するように構成されている。機械加工装置１４は、ここでは、回転軸線２８Ａ周りに回転する回転工具２８を備える。回転工具２８は、回転軸線２８Ａが搬送方向Ｄに略直交して水平面に略平行に延びるように構成されている。ここでは回転工具２８であるカッターは、回転軸線２８Ａが搬送方向Ｄに略直交して水平面に略平行に延びる側フライスカッターであり、その周方向に切れ刃が形成されている。ただし、回転工具２８は、そのような工具に限定されない。回転工具２８は、回転軸線２８Ａが搬送方向Ｄに略直交して水平面にも略直交する工具であってもよく、例えば正面フライスカッター、エンドミルなどであってもよい。機械加工装置１４は、平面研磨、平面研削及び切削のいずれかに適した回転工具２８を備えるとよい。例えば、回転工具２８は、グラインダーであってもよい。なお、機械加工装置１４で用いられる工具は、回転工具２８に限定されず、旋盤用工具など種々の工具が用いられることができる。

【0032】

上記構成を備える加工装置１０における処理つまり加工方法について図３のフローチャートに基づいて説明する。

【0033】

加工装置１０では、被処理物Ｗは、搬送装置２０で搬送方向Ｄに搬送される。搬送方向Ｄにおいて機械加工装置１４よりも上流側に位置する変質層形成装置１２で、まず変質層の形成処理の工程（図３のステップＳ３０１）が行われる。変質層の形成処理の工程（ステップＳ３０１）では、変質層形成方法が実行され、具体的には、被処理物Ｗを加熱する工程（図３のステップＳ３０３）と、その次の、加熱された被処理物Ｗにレーザーを照射する工程（図３のステップＳ３０５）が行われる。レーザーの照射が行われる被処理物Ｗの表面ＷＳの照射領域つまり照射部は、加熱装置１６により加熱された表面を含むとよい。

【0034】

つまり、変質層ＡＬの形成処理の工程では、まず、加熱装置１６により被処理物Ｗを加熱する工程（図３のステップＳ３０３）が行われる。これにより、被処理物Ｗは、少なくともその表面ＷＳは５００℃以下の所定温度に加熱される。図２では、加熱装置１６から被処理物Ｗに供給される熱Ｈが模式的に示されている。

【0035】

そして、加熱装置１６により加熱された被処理物Ｗは、搬送装置２０により搬送方向Ｄに更に送られ、レーザー照射装置１８に至る。レーザー照射装置１８では、所定出力、所定周波数のレーサー光を用いて、所定の走査速度で被処理物Ｗに対してレーザーＬＢの照射を行う工程（図３のステップＳ３０５）が行われる。これにより、変質層形成装置１２において、後述するように被処理物Ｗの表面に変質層ＡＬを形成することができる。なお、レーザーの照射が行われる被処理物Ｗは、特にその表面の照射領域は、所定温度に維持された状態であるとよい。つまり、加熱された被処理物Ｗは、概ね所定温度に維持された状態で、特にレーザーの照射が行われる表面領域が概ね所定温度を有している状態で、その表面領域つまり上記照射領域にレーザーの照射が行われるとよい。なお、加熱装置１６による被処理物Ｗの加熱は、被処理物Ｗの照射領域となり得る表面ＷＳを所定温度に加熱するように行われるが、この所定温度はある程度の温度幅を有してもよい。例えば、所定温度は、所定温度を中心にしてプラスマイナス２０℃などの許容温度幅を有するとよい。

【0036】

更に、変質層ＡＬが形成された被処理物Ｗは、搬送装置２０で搬送方向Ｄに送られ、機械加工装置１４に至る。そして、機械加工装置１４では、レーザーの照射により形成された表面の変質層ＡＬを除去する加工を行う工程（図３のステップＳ３０７）が行われる。より具体的には、この工程では、変質層ＡＬを除去するように被処理物Ｗに対して機械加工が行われる。

【0037】

以下に、上記変質層形成装置１２での変質層の形成に関する実験結果を示す。

【0038】

（実験例１）
６Ｈ－ＳｉＣに相当する結晶構造を備えるモノリシックＳｉＣの試験片を被処理物Ｗとした。その被処理物Ｗを加熱装置１６の一例であるホットプレートに載置し、これによりその被処理物Ｗの表面ＷＳを含む領域を所定温度に加熱した。所定温度は、室温（ここでは２３℃）、５０℃、１００℃、２００℃、３００℃と変えた。なお、所定温度を室温とするとき、加熱装置１６での加熱は行わなかった。こうして加熱した状態にある被処理物Ｗの表面ＷＳを照射領域として、その照射領域にレーザー照射装置１８として「レーザーマーカー」(ＭＤ－Ｘ１５２０、株式会社キーエンス)を使用してレーザーを照射した。波長１０６４ｎｍの赤外線パルスレーザーの周波数と走査速度をそれぞれ１０ｋＨｚ、１００ｍｍ／ｓに固定し、所定出力だけを変えて試験片である被処理物Ｗにレーザーを照射した。なお、レーザーのスポットサイズは８０μｍとした。所定出力は、１．０Ｗ、２．５Ｗ、５．０Ｗと変えた。なお、比較のために、未加熱の被処理物Ｗの表面に同条件でレーザーを照射した試験片も作製した。

【0039】

そのようにして作製した被処理物Ｗである試験片の材料特性として、ナノインデンテーションシステムＴＳ７７(Ｂｒｕｋｅｒ社)を用いて、レーザーを照射した表面ＷＳの押込み硬さを求めるとともに、押込み深さを測定した。圧子はバーコビッチ型とし、押込み荷重の最大値は５０００μＮとした。なお、図４に示すように、その押込み荷重で圧子ＩＮを試験片である被処理物Ｗの表面ＷＳに押し込み、圧子ＩＮを引く抜く過程の荷重変位曲線から算出した硬さを被処理物Ｗの押込み硬さとし、最大押込み荷重における圧子ＩＮの先端の到達深さＴＤを押込み深さとして測定した。算出した押込み硬さ（単位ＭＰａ）、及び、測定した押込み深さから弾性変形分を差し引いた接触深さ（単位ｎｍ）を、図５及び図６にそれぞれ示す。接触深さは、既知の演算式を用いて、測定した押込み深さに基づいて計算することで求めた。なお、図５では、横軸に加熱装置１６での加熱温度をとり、縦軸に押込み硬さをとり、その加熱温度に対して押込み硬さをプロットし、図６では、横軸に同加熱温度をとり、縦軸に接触深さとり、その加熱温度に対して接触深さをプロットした。

【0040】

図５に示すように、レーザーの出力を１Ｗとしたとき、いずれの加熱温度においても、押込み硬さの変化は実質的に認められなかった。これに対して、レーザーの出力を２．５Ｗとしたとき、加熱温度が室温及び５０℃のときは押込み硬さは概ね変化しなかったが、加熱温度が１００℃、２００℃、３００℃と変化するに従い、押込み硬さは加熱温度の上昇とともに低下した。レーザーの出力を５．０Ｗとしたときも、同様に、加熱温度が室温及び５０℃のときは押込み硬さは概ね変化しなかったが、加熱温度が１００℃、２００℃、３００℃と変化するに従い、押込み硬さは加熱温度の上昇とともに低下した。より詳しくは、レーザーの出力を２．５Ｗとして、加熱温度を室温、５０℃、１００℃、２００℃、３００℃としたとき、押込み硬さは、３０．１０ＭＰａ、３０．０７ＭＰａ、２４．１０ＭＰａ、１３．１９ＭＰａ、７．２９ＭＰａであった。同様に、レーザーの出力を５．０Ｗとして、加熱温度を室温、５０℃、１００℃、２００℃、３００℃としたとき、押込み硬さは、１７．５９ＭＰａ、１９．５６ＭＰａ、１６．１４ＭＰａ、７．９５ＭＰａ、７．９３ＭＰａであった。

【0041】

図６に示すように、レーザーの出力を１Ｗとしたとき、いずれの加熱温度においても、接触深さの変化は実質的に認められなかった。これに対して、レーザーの出力を２．５Ｗとしたとき、加熱温度が室温及び５０℃のときは接触深さは概ね変化しなかったが、加熱温度が１００℃、２００℃、３００℃と変化するに従い、接触深さは加熱温度の上昇とともに増大した。レーザーの出力を５．０Ｗとしたときも、同様に、加熱温度が室温及び５０℃のときは接触深さは概ね変化しなかったが、加熱温度が１００℃、２００℃、３００℃と変化するに従い、接触深さは加熱温度の上昇とともに増大した。より詳しくは、レーザーの出力を２．５Ｗとして、加熱温度を室温、５０℃、１００℃、２００℃、３００℃としたとき、接触深さは、２６９４．２ｎｍ、２６６２．７ｎｍ、２９６４．０ｎｍ、３９９１．１ｎｍ、５３２８．６ｎｍであった。同様に、レーザーの出力を５．０Ｗとして、加熱温度を室温、５０℃、１００℃、２００℃、３００℃としたとき、接触深さは、３４３６．４ｎｍ、３２８２．３ｎｍ、３６４１．５ｎｍ、５１１７．８ｎｍ、５１３４．０ｎｍであった。

【0042】

なお、加熱もレーザーの照射も行わなかったとき、同材料の試験片の押込み硬さは、３６４０３ＭＰａであり、接触深さは６３．６ｎｍであった。３００℃での加熱のみを行ってレーザーの照射を行わなかった同材料の試験片においても、このときと、ほぼ同じ押込み硬さ及び接触深さを有していた。

【0043】

このように、モノリシックＳｉＣの試験片を被処理物Ｗとしたとき、その被処理物Ｗを、１００℃以上３００℃以下の温度で加熱し、その後に、２．５Ｗ以上５Ｗ以下の出力で、周波数１０ｋＨｚ、走査速度１００ｍｍ／ｓ、波長１０６４ｎｍの赤外線パルスレーザーを照射をすることで、機械的性質、特に硬さの顕著な低下及び接触深さの増大が認められた。つまり、この条件での処理により、ＳｉＣ系材料の一種であるモノリシックＳｉＣの被処理物Ｗでは、硬さが大きく低下し、その硬さの低下は、加熱のみ又はレーザーの照射のみの場合に比して、より深い領域にまで及んだ。

【0044】

ここで、上記のように評価した被処理物Ｗのレーザーの照射領域とした表面ＷＳの元素分析を行った。元素分析は、卓上ＳＥＭ（ＴＭ４０００Ｐｌｕｓ、株式会社日立ハイテクノロジーズ)を用いて、加速電圧を５ｋＶとして、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により行った。この結果を表１に示す。ただし、図１に示す値は、計測システム上、総計で１００ａｔ％から極わずかにずれるときがある。なお、表１中、レーザー出力及び加熱温度がともに「なし」の被処理物Ｗは、加熱も、その後のレーザーの照射も行わなかった試験片に関するものである。

【0045】

【表1】

【0046】

表１に示す結果より、上記硬さの顕著な低下が認められた被処理物Ｗでは、つまり、２．５Ｗ又は５Ｗの出力での赤外線パルスレーザーの照射を行った被処理物Ｗでは、酸素濃度が増加していたことが理解できる。レーザー出力及び加熱温度がともに「なし」の被処理物Ｗの元素分析結果は、ＳｉＣそのもののそれに相当するが、特に硬さが低下した「３００度での加熱、その後の５．０Ｗでのレーザーの照射」を行った被処理物Ｗの元素分析結果は、Ｓｉ：Ｃ：Ｏが、３１．１９：５．５８：６３．２３（ａｔ％）であり、その表面ＷＳの元素は大きく変わっていて、変質層ＡＬが形成されていて、酸素導入が図られていて、ＳｉＯ_２の原子数濃度の比におおむね相当した。このように被処理物Ｗでの酸素導入された変質層の形成と、上記押込み硬さの低下、及び、接触深さの増加とは対応関係にあるであろう。この関係を図４に模式的に示している。

【0047】

このように、被処理物Ｗに所定温度での加熱と、その後のレーザーの照射とを行うことで、被処理物Ｗの表面に変質層ＡＬを形成し、その押込み硬さを低下させることができるだけでなく、接触深さを増大することもできた。おそらく、このように形成された変質層は、レーザーの照射のみにより形成された変質層よりも厚く、深い領域にまで及んでいるのであろう。この変質層の形成、押込み硬さの低下及び接触深さの増大は、被処理物の加工性を高めることに貢献し得る。

【0048】

（実験例２）
実験例１と同じく、６Ｈ－ＳｉＣに相当する結晶構造を備えるモノリシックＳｉＣの試験片を被処理物Ｗとした。その被処理物Ｗを加熱装置１６であるホットプレートに載置し、これによりその被処理物Ｗの表面ＷＳを所定温度に加熱した。所定温度は、室温（ここでは２３℃）、２００℃と変えた。なお、所定温度を室温とするとき、加熱装置１６での加熱は行わなかった。こうして加熱した状態にある被処理物Ｗの表面ＷＳを照射領域として、その照射領域に、同「レーザーマーカー」(ＭＤ－Ｘ１５２０、株式会社キーエンス)を使用してレーザーを照射した。波長１０６４ｎｍの赤外線パルスレーザーの周波数と走査速度をそれぞれ１０ｋＨｚ、１００ｍｍ／ｓに固定し、所定出力だけを変えて被処理物Ｗにレーザーを照射した。所定出力は、１．０Ｗ、１．５Ｗ、２．０Ｗ、２．５Ｗ、５．０Ｗ、７．５Ｗと変えた。こうして得られた被処理物Ｗの材料特性として、上記実験例１と同じ条件で、押込み硬さを求めるとともに、押込み深さを測定し、その押込み硬さ及び、その押込み深さに基づく計算により求めた接触深さのそれぞれを図７及び図８に示す。ただし、図７では、横軸にレーザーの出力をとり、縦軸に押込み硬さをとり、各加熱温度でのレーザーの出力に対する押込み硬さをプロットし、図８では、横軸にレーザーの出力をとり、縦軸に接触深さをとり、各加熱温度でのレーザーの出力に対する接触深さをプロットした。

【0049】

図７及び図８から明らかなように、加熱温度を２００℃とした場合、レーザーの出力を２Ｗ以上、特に２．５Ｗ以上とすることで、単にレーザーのみを照射した場合に比べて、硬さが大きく低下し、接触深さが増大した。

【0050】

以上、本発明に係る実施形態及びその変形例について説明したが、本発明はそれらに限定されない。本願の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、種々の置換、変更が可能である。

【符号の説明】

【0051】

１０ 加工装置
１２ 変質層形成装置
１４ 機械加工装置
１６ 加熱装置（加熱部）
１８ レーザー照射装置（レーザー照射部）
２０ 搬送装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】