JP6002784B2 - 刃物 - Google Patents

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Description

この発明は、鋼または超硬合金を母材として構成され、すくい面および逃げ面の少なくとも一方に被膜が形成された木材または樹脂用の刃物に関するものである。
例えば特許文献１に開示のように、木材用刃物は、すくい面または逃げ面の何れか一面に、クロムの窒化物からなる硬質被膜を形成することで、耐摩耗性などを改善することが行われている。クロムの窒化物からなる硬質被膜は、工具鋼等の母材単体では達成できない耐摩耗性などが得られるものの、含水率が高い木材を切削する場合にクロム成分が溶出し易いから、侵食によって期待するほどの耐久性が得られないことがある。そこで、特許文献２の木材用刃物のように、クロムまたはクロムの窒化物からなる基礎被膜上に、クロムの酸化物からなる主被膜をコーティングしたものが提案されている。
特開平２−２５２５０１号公報 国際公開２００９／１３１１５９号
前述したクロムの酸化物からなる主被膜は、含水率が高い木材を切削してもクロム成分が溶出し難く耐食性に優れている。しかしながら、前記主被膜は、靱性や密着性などの性質がクロムの窒化物からなる基礎被膜よりも劣るので欠け易く、総合的な耐久性の向上が求められている。
すなわち本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、より耐久性に優れた木材または樹脂用の刃物を提供することを目的とする。
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の刃物は、
鋼または超硬合金を母材として構成され、すくい面および逃げ面の少なくとも一方に被膜が形成された木材または樹脂用の刃物において、
前記被膜は、組織中の酸素濃度が高い高酸素領域と、該高酸素領域よりも組織中の酸素濃度が低い低酸素領域とが、該被膜の厚み方向に周期的に現れたクロム酸窒化物からなる周期構造層を備えたことを要旨とする。
請求項１に係る発明によれば、周期構造層によって、クロム酸化物単体の層と比べて被膜の靱性や密着性を改善することができると共に、クロム窒化物単体の層と比べて被膜の耐食性を改善することができる。また、周期構造層は、酸素濃度が高い高酸素領域を有しているので、温度が上昇した際に原子の拡散を抑制し得るから、酸化や結晶粒の粗大化を防止でき、組織の微細化を図り得ると共に、被膜の耐熱性を向上し得る。
請求項２に係る発明では、前記低酸素領域は、前記高酸素領域と比べて組織中の窒素濃度が高く、
前記周期構造層は、前記高酸素領域および前記低酸素領域に合わせて窒素濃度が前記厚み方向に周期的に高低するよう形成されたことを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、周期構造層の組織全体として、窒素と酸素とのバランスをとることで、被膜の靱性、硬さ、強度を向上させることができる。
請求項３に係る発明では、前記周期構造層は、その断面組織に、前記高酸素領域および低酸素領域によって透過型電子顕微鏡で観察可能な縞状のコントラストが形成されたことを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、透過型電子顕微鏡によって高酸素領域および低酸素領域を縞状のコントラストとして観察できるから、品質の確認を簡単に行うことができる。
請求項４に係る発明では、前記高酸素領域および低酸素領域は、１ｎｍ〜１５０ｎｍの周期で現れるよう形成されたことを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、周期構造層を効率よく形成し得る。
請求項５に係る発明では、前記高酸素領域および低酸素領域を含めた全体の組成を、(Ｃｒ１−ａＸａ)Ｎ１−ｂＯｂと表したクロム酸窒化物からなる前記周期構造層において、Ｘとして、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗから選ばれた少なくとも１つの元素を含むと共に、０≦ａ≦０．５かつ０＜ｂ＜０．６としたことを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、Ｘで示す元素を添加することで、被膜の高硬度化、組織の微細化などが期待でき、更なる耐摩耗性および強度等の向上を図り得る。被削材に応じて、添加する元素を調整することで、更なる寿命の向上を図り得る。
本発明に係る刃物によれば、周期構造層が、クロム窒化物とクロム酸化物との両方の利点を合わせもっているので、刃物の耐久性をより向上させることができる。
本発明に係る周期構造層の断面組織を透過型電子顕微鏡で観察した写真である。 本発明に係る周期構造層をオージェ電子分光装置によって分析した結果を示すグラフである。 実施例の蒸着装置を概略的に示す説明図である。 実験１を行った後の刃先断面形状を示す図であって、(ａ)は実施例１を示し、(ｂ)は比較例１を示し、(ｃ)は比較例２を示す。 実施例２の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。 実施例３の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。 実施例４の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。 実施例５の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。 比較例３の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。 比較例４の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。 比較例１３の被膜のロックウェルの圧痕を示す写真である。
本発明に係る刃物は、工具鋼、刃物鋼、軸受鋼、ステンレス鋼などの鋼または超硬合金を単体またはこれらを複合した複合材を母材として構成され、すくい面および逃げ面の少なくとも一方に被膜が形成される。すなわち、木材用刃物には、すくい面または逃げ面の何れか一方、あるいはすくい面および逃げ面の両方に亘って形成された被膜によって刃先の耐久性の向上が図られている。また、刃物は、例えば母材の逃げ面となる側にコーティングされた被膜を、刃付けの際に研磨等により除去して、被膜が逃げ面に断面として切れ刃の刃先に残るものの、逃げ面の全体を覆うように層状に残存しない構成であってもよい。なお、本発明を適用可能な刃物としては、鉋刃等の平刃、カッター、チップソー、ルータービット、ナイフ、角のみ、これらの替刃等が挙げられ、木材または樹脂の切削などの処理に好適に使用できる。なお、母材としては、サーメットを用いてもよい。
前記被膜は、組織中の酸素濃度が高い高酸素領域と低い低酸素領域とが周期的に現れたクロム酸窒化物からなる周期構造層を少なくとも備えている。被膜は、一群の周期構造層だけで構成したり、複群の周期構造層を積層して構成したり、周期構造層とは異なる金属組成物からなる他の層と組み合わせて構成することができ、全体の膜厚が０．２μｍ〜１５μｍ程度の範囲で形成される。被膜は、０．２μｍより薄くなると、有効な母材の保護効果が得られず、１５μｍより厚くなると、チッピングが発生し易くなる弊害が生じる。周期構造層と組み合わせる他の層としては、クロム、チタン、アルミニウム等の元素を１種類以上含む金属、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸化物などの少なくとも１種の層を挙げることができる。本発明で云う金属層とは、Ｘ線回折において金属および／または合金のピークが現れることを指し、窒素および／または酸素を若干含んでいることがある。本発明で云う窒化物層とは、Ｘ線回折において窒化物のピークが現れることを指し、該窒化物層の組織としては酸素を若干含んでいることがある。また、本発明で云う酸化物層とは、Ｘ線回折において酸化物のピークが現れることを指し、該酸化物層の組織としては窒素を若干含んでいることがある。被膜は、周期構造層を表面に露出させても、周期構造層を他の層で覆ってもよい。また、被膜において、周期構造層と他の層とを交互に積層しても、所要数の他の層毎に周期構造層を積層してもよく、周期構造層と他の層との積層構造は特に限定されない。
前記周期構造層は、組織中の酸素濃度が高い高酸素領域と、該高酸素領域よりも組織中の酸素濃度が低い低酸素領域とが、被膜(周期構造層)の厚み方向に周期的に現れたクロム酸窒化物から構成される。周期構造層は、該周期構造層を構成する単層のクロム酸窒化物の組織が、酸素濃度の疎密を周期的に有しているものであり、酸素濃度が高く設定されたクロム酸窒化物の層と、酸素濃度が低く設定されたクロム酸窒化物の層とが、積層されたものではない。周期構造層では、高酸素領域および低酸素領域が、１ｎｍ〜１５０ｎｍの周期で現れるように形成される。なお、前記周期は、周期構造層を形成するのに当たって、実用的(工業的)に効率よく形成し得る範囲であって、実験的には前記範囲外の周期で高酸素領域および低酸素領域が現れる周期構造層を形成することは可能である。周期構造層において、高酸素領域は、該周期構造層の厚み方向に１ｎｍ〜１５０ｎｍの間隔で現れ、隣り合う高酸素領域で挟まれる低酸素領域の厚み方向の幅が１ｎｍ〜１５０ｎｍとなっている。同様に周期構造層において、低酸素領域は、該周期構造層の厚み方向に１ｎｍ〜１５０ｎｍの間隔で現れ、隣り合う低酸素領域で挟まれる高酸素領域の厚み方向の幅が１ｎｍ〜１５０ｎｍとなっている。なお、高酸素領域および低酸素領域は、前記周期の範囲内で略一定の間隔で現れたり、間隔が不規則に現れてもよい。つまり、本発明で云う周期とは、高酸素領域と低酸素領域との繰り返し間隔が一定であることに限定するものではなく、ある範囲での高酸素領域および低酸素領域の夫々の間隔を云う。
前記周期構造層は、クロム酸化物単体の層と比べて靱性や密着性が高く、クロム窒化物単体の層と比べての耐食性に優れている。また、周期構造層は、酸素濃度が高い高酸素領域を有しているので、温度が上昇した際に原子の拡散を抑制し得るから、酸化や結晶粒の粗大化を防止でき、組織の微細化を図り得ると共に、耐熱性が高い。
前記周期構造層は、高酸素領域および低酸素領域を含めた全体の組成が、(Ｃｒ１−ａＸａ)Ｎ１−ｂＯｂ(０≦ａ≦０．５かつ０＜ｂ＜０．６)と表される。周期構造層は、Ｘとして、Ｂ(ホウ素)、Ｃ(炭素)、Ａｌ(アルミニウム)、Ｓｉ(ケイ素)、Ｔｉ(チタン)、Ｖ(バナジウム)、Ｎｉ(ニッケル)、Ｃｕ(銅)、Ｙ(イットリウム)、Ｚｒ(ジルコニウム)、Ｎｂ(ニオブ)、Ｍｏ(モリブデン)、Ｔａ(タンタル)、Ｗ(タングステン)から選ばれた少なくとも１つの元素を組み合わせることができ、またこれらの元素を含まなくてもよい(ａ＝０)。ここで、周期構造層は、ａが０．５以上(ａ＞０．５)になると、クロム酸窒化物特有の良好な耐食性や靱性が失われる。周期構造層は、酸素が０．６以上(ｂ≧０．６)になると、Ｘ線回折において酸化物のピークが現れる本発明でいう酸化物となり、前述した組織構造(周期構造)のクロム酸窒化物からなる周期構造層による好適な耐久性が得られない。また、周期構造層は、酸素が含まれていないと(ｂ＝０)、周期構造を持たないただの窒化物となり、前述した周期構造のクロム酸窒化物からなる周期構造層による好適な耐久性が得られない。周期構造層にＸで示す前記元素を添加することで、被膜の高硬度化、組織の微細化などが期待でき、更なる耐摩耗性および強度等の向上を図り得る。被削材に応じて、添加する元素を調整することで、更なる寿命の向上を図り得る。
前記周期構造層は、低酸素領域が、高酸素領域と比べて組織中の窒素濃度が高くなっており、高酸素領域と低酸素領域との間で組織中の窒素濃度の関係が、酸素濃度の関係と逆になっている。すなわち、周期構造層は、高酸素領域および低酸素領域に合わせて窒素濃度が厚み方向に周期的に高低し、高酸素領域では組織中の酸素濃度が比較的高くて窒素濃度が低いのに対して、低酸素領域では組織中の酸素濃度が比較的低くて窒素濃度が高くなっている。すなわち、周期構造層は、組織全体として窒素と酸素とのバランスがとられているので、靱性、硬さ、強度を更に向上させることができる。
このように、周期構造層には、厚み方向と交差する方向に広がった高酸素領域と、同じく厚み方向と交差する方向に広がった低酸素領域とが、厚み方向に交互に形成されて、周期構造層の断面組織を透過型電子顕微鏡で観察した際に、図１に示すように、高酸素領域および低酸素領域が縞状のコントラストとして現れる。図１は、全体組成をＣｒ0.45Ｎ0.27Ｏ0.28と表せるクロム酸窒化物からなる周期構造層の断面組織を、透過型電子顕微鏡によって撮影した写真(明視野像)である。なお、図１は、後述する実施例の蒸着装置において、テーブル２２を２ｒｐｍで回転して周期構造層を形成した例である。図１の周期構造層では、高酸素領域が色が薄い部分として現れると共に、低酸素領域が色が濃い部分として現れ、高酸素領域と低酸素領域とが厚み方向(図１の上下方向)に周期的に現れるのが、高酸素領域と低酸素領域とがなす縞状のコントラストとして観察できる。すなわち、本発明に係る周期構造層は、その断面組織に、高酸素領域および低酸素領域によって透過型電子顕微鏡で観察可能な縞状のコントラストが形成されていると云える。このように、透過型電子顕微鏡によって高酸素領域および低酸素領域を縞状のコントラストとして観察できるから、品質の確認を簡単に行うことができる。なお、周期構造層におけるクロム、酸素および窒素の濃度の高低は、ＥＤＳ(エネルギー分散型Ｘ線分光分析)マッピングの結果と比較して特定している。
図２は、図１と同じ周期構造層を、オージェ電子分光装置を用い、周期構造層の表面をスパッタしながら深さ方向(周期構造層の厚み方向に対応)に分析を行った結果を示すグラフである。図２において、縦軸はクロム(Ｃｒ)、窒素(Ｎ)および酸素(Ｏ)の濃度(Concentration)を示し、横軸のエッチングタイム(Etching time)は周期構造層の表面からの深さと置き換えて考えることができるので、周期構造層は、その厚み方向に窒素の濃度と酸素の濃度とが相反するように増減を繰り返していることが判る。すなわち、図２によれば、周期構造層において、酸素濃度が高い高酸素領域と酸素濃度が低い低酸素領域とが厚み方向に周期的に現れる図１の観察結果と一致することが明らかである。
本発明に係る周期構造層の製造方法の一例を簡単に説明する。前記周期構造層は、ＰＶＤ(物理蒸着)によって形成することができ、ＰＶＤの中でもアークイオンプレーティング法が適している。例えば、周期構造層は、酸素および窒素が導入されたチャンバー内でＰＶＤ処理を行う際に、クロムの蒸発源に対して、被膜を施す母材を近づけたり遠ざかるように相対的に変位させることで、蒸発源に近づいた際に低酸素領域を優先して形成することができ、蒸発源から遠ざかった際に高酸素領域を優先して形成することができる。また、酸素および窒素が導入されたチャンバー内でＰＶＤ処理を行う際に、酸素と窒素との割合を経時的に変化させるように管理することで、周期構造層や周期構造を持たない層(例えば金属や窒化物や酸化物)を選択して形成することができる。このように、本発明に係る周期構造層および他の層は、蒸発源との相対的な位置関係や、酸素と窒素との割合などの管理によって、１バッチのＰＶＤ処理において簡単に形成することができる。
次に、本発明に係る木材用刃物につき、実施例を挙げて以下に説明する。
実施例では、図３に示すようなアークイオンプレーティング装置(単に蒸着装置という)１０を用いて被膜が形成される。蒸着装置１０は、ヒータ１４によって加熱されたチャンバー１２に、窒素および酸素を含むプロセスガスが供給される。チャンバー１２には、アーク電源１６に接続された蒸発源となるクロムのカソード１８が配設されると共に、該カソード１８の両側にアノード２０が配設される。また、チャンバー１２には、垂直な軸周りに回転するテーブル２２が配設され、このテーブル２２に載置された母材ホルダ２４の側面に母材２６が取り付けられる。蒸着装置１０は、所要濃度で窒素および酸素が導入されたチャンバー１２において、テーブル２２を回転させながらアーク放電することで、母材２６に所要の被膜を形成するよう構成される。すなわち、実施例の周期構造層(Ｃｒ−Ｎ−Ｏ)は、テーブル２２の回転に伴って母材２６がカソード１８に近づいた際に低酸素領域が優先して形成され、テーブル２２の回転に伴って母材２６がカソード１８から遠ざかった際に高酸素領域が優先して形成される。すなわち、テーブル２２の回転によって高酸素領域と低酸素領域との周期をある程度制御することが可能である。また、蒸着装置１０によれば、プロセスガスの酸素濃度を高くすることで、クロム酸化物からなる層(Ｃｒ−Ｏ)を形成し得ると共に、プロセスガスの窒素濃度を高くすることで、クロム窒化物からなる層(Ｃｒ−Ｎ)を形成し得る。なお、母材ホルダ２４をテーブル２２に対して垂直な軸周りに回転させて、母材ホルダ２４を自転させると共にテーブル２２を公転させてもよい。
前記蒸発装置１０によって母材２６に被膜を形成し、本発明に係る周期構造層を備えた被膜がすくい面に形成された実施例と、本発明に係る周期構造層を備えていない被膜がすくい面に形成された比較例との夫々を得た。以下の実験において、実施例および比較例の木材用刃物によって木材を切削して、各例のすくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を検証した。ここで、すくい面後退量とは、切削前の切れ刃(すくい面と逃げ面とで作る稜)から、切削後の切れ刃がどれだけ後退したかを示す寸法であり(図４(ａ)のａ参照)、該すくい面後退量が小さい程、被膜の耐久性に優れていると云える。また、すくい面摩耗帯幅とは、切削後のすくい面が切削前のすくい面よりどれだけ凹んだかを、切削後の切れ刃からの凹んだ部分の幅で表した寸法であり(図４(ａ)のｂ参照)、該すくい面摩耗帯幅が小さい程、被膜の耐久性に優れていると云える。また、表３〜６に示す条件において、被膜の層構造の欄では、上側に記載された層が被膜において母材側に位置すると共に、下側に記載された層が被膜において表側に位置している。また、周期構造の有無とは、クロム酸窒化物からなる層(Ｃｒ−Ｎ−Ｏ)が、高酸素領域と低酸素領域とが周期的に現れる構造になっているか否かを示す。更に、回転数とは、実施例の蒸着装置１０で周期構造層を形成する際のテーブル２２の回転数を示し、酸素濃度とは、実施例の蒸着装置１０で周期構造層を形成する際のチャンバー１２内の窒素と酸素との混合ガスにおける酸素濃度を示す。更にまた実施例および比較例において形成したクロム酸化物からなる層は、三酸化二クロム(Ｃｒ２Ｏ３)である。
［実験１］
実験１では、表１に示す条件の被膜を備えた超硬合金を母材としたルータービット用の超硬替刃を形成し、ＮＣルーターにおいて、当該超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４５ｍｍ)によって湿ったヒノキ(含水率４０％〜６０％)を切削した。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被切削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被切削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で１５ｍの切削距離に亘って被切削材を切削した。そして、切削後に、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を測定した。その結果を表１に示す。
Figure 0006002784
表１に示す結果より、クロム酸窒化物からなる被膜である実施例１および比較例２は、クロム窒化物からなる被膜である比較例１と比べて、すくい面摩耗帯幅が改善され、水分を多く含むヒノキを切削した場合であっても、クロムの溶出を抑制し得ると考えられる。高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例１は、周期構造がない比較例２と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善されており、クロム酸窒化物からなる層は、周期構造を有することで、耐摩耗性および耐食性を向上し得ることが確認できる。
［実験２］
実験２では、表２に示す条件の被膜を備えた超硬合金を母材としたルータービット用の超硬替刃を形成し、ＮＣルーターにおいて、当該超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４５ｍｍ)によって欧州アカマツ集成材を切削した。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被切削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被切削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で４５ｍの切削距離に亘って被切削材を切削した。そして、切削後に、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を測定した。その結果を表２に示す。
Figure 0006002784
表２に示す結果より、クロム酸窒化物からなる周期構造層である実施例２〜５は、クロム窒化物からなる被膜である比較例３と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善される。高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例２〜５は、周期構造がない比較例４と比べて、すくい面摩耗帯幅が改善されており、クロム酸窒化物からなる層は、周期構造を有することで、耐摩耗性および耐食性を向上し得ることが確認できる。また、実施例２〜５から判るように、テーブル２２の回転数に由来して高酸素領域と低酸素領域とがなす周期が異なるが、周期の違いによってすくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅があまり影響を受けない。
［実験３］
実験３では、表３に示す条件の被膜を備えた高速度工具鋼(ＳＫＨ５１)を母材としたカッター用のナイフを形成し、ＮＣ加工機において、当該ナイフを取り付けたカッター(刃先径１２５ｍｍ)によってスプルースを切削した。カッターの回転数は、６０００ｒｐｍで、被切削材を５ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被切削材に０．５ｍｍ切り込ませた状態で１０００ｍの切削距離に亘って被切削材を切削した。そして、切削後に、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を測定した。その結果を表３に示す。
Figure 0006002784
表３に示す結果より、クロム酸窒化物からなる周期構造層を被膜に有する実施例６〜９は、クロム窒化物からなる被膜である比較例５と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善される。高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例６〜９は、周期構造がない比較例６と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善されており、クロム酸窒化物からなる層は、周期構造を有することで、耐摩耗性および耐食性を向上し得ることが確認できる。また、実施例６〜９から判るように、テーブル２２の回転数に由来して高酸素領域と低酸素領域とがなす周期が異なるが、周期の違いによってすくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅があまり影響を受けない。
［実験４］
実験４では、表４に示す条件の被膜を備えた超硬合金を母材としたルータービット用の超硬替刃を形成し、ＮＣルーターにおいて、当該超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４５ｍｍ)によってスプルース集成材を切削した。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被切削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被切削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で９０ｍの切削距離に亘って被切削材を切削した。そして、切削後に、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を測定した。その結果を表４に示す。
Figure 0006002784
表４に示す結果より、クロム酸窒化物からなる周期構造層を被膜に有する実施例１０〜１１は、クロム窒化物からなる被膜である比較例７と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善される。高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例１０〜１１は、周期構造がない比較例８と比べて、すくい面後退量が改善されており、クロム酸窒化物からなる層は、周期構造を有することで、耐摩耗性および耐食性を向上し得ることが確認できる。また、実施例１１から判るように、被膜の最表面にクロム酸化物からなる層を形成することで、周期構造層が最表面に露出する被膜よりもすくい面摩耗帯幅が改善される。
［実験５］
実験５では、表５に示す条件の被膜を備えた超硬合金を母材としたルータービット用の超硬替刃を形成し、ＮＣルーターにおいて、当該超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４５ｍｍ)によって欧州アカマツ集成材を切削した。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被切削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被切削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で１２０ｍの切削距離に亘って被切削材を切削した。そして、切削後に、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を測定した。その結果を表５に示す。
Figure 0006002784
表５に示す結果より、クロム酸窒化物からなる周期構造層を被膜に有する実施例１２〜１４は、クロム窒化物からなる被膜である比較例９と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善される。高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例１２〜１４は、周期構造がない比較例１０と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善されており、クロム酸窒化物からなる層は、周期構造を有することで、耐摩耗性および耐食性を向上し得ることが確認できる。また、実施例１３および１４から判るように、周期構造層とクロム窒化物等の他の層とを交互に積層することで、交互に積層しない実施例１２と比べてすくい面後退量が改善される。
［実験６］
実験６では、表６に示す条件の被膜を備えた超硬合金を母材としたルータービット用の超硬替刃を形成し、ＮＣルーターにおいて、当該超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４５ｍｍ)によって欧州アカマツ集成材を切削した。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被切削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被切削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で１２０ｍの切削距離に亘って被切削材を切削した。そして、切削後に、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅を測定した。その結果を表６に示す。
Figure 0006002784
表６に示す結果より、クロム酸窒化物からなる周期構造層を被膜に有する実施例１５〜１８は、クロム窒化物からなる被膜である比較例１１と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善される。高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例１５〜１８は、周期構造がない比較例１２と比べて、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅が改善されており、クロム酸窒化物からなる層は、周期構造を有することで、耐摩耗性および耐食性を向上し得ることが確認できる。また、実施例１６〜１８から判るように、周期構造層にクロムの他に元素を加えることによって、すくい面後退量またはすくい面摩耗帯幅が改善される場合もある。
［実験７］
実験７は、表２に示した実施例２〜５および比較例３〜４の被膜について、ロックウェルによる圧痕から被膜(層)の密着性および靱性を検証した。ここで、比較例１３として、実施例２〜５と同じ母材上にクロム酸化物からなる被膜(Ｃｒ0.388Ｎ０．００２Ｏ０．６１)を、２．５μｍの厚みで形成したものについても、被膜(層)の密着性および靱性を検証した。なお、ロックウェル圧子を６０ｋｇｆの荷重で被膜に押し付けた。その結果を図５〜図１１に示す。図５〜図８および図１０に示すように、クロム酸窒化物からなる実施例２〜５および比較例４の被膜によれば、図１１に示すクロム酸化物からなる比較例１３の被膜と比べて、圧痕周辺の破壊や剥離の面積が非常に小さいことが判る。すなわち、クロム酸窒化物からなる実施例２〜５の被膜は、クロム酸化物からなる比較例１３の被膜と比べて密着性および靱性に非常に優れていると云える。また、図５〜図８に示すように、高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例２〜５の被膜によれば、図１０に示す周期構造を有していない比較例４と比べて、圧痕周辺の破壊や剥離の面積が小さいことが判る。すなわち、高酸素領域と低酸素領域とがなす周期構造を有する実施例２〜５の被膜は、周期構造を有していない比較例４の被膜と比べて密着性および靱性に優れていると云える。
このように、周期構造層は、クロム酸化物単体の層と比べて靱性や密着性を改善することができると共に、クロム窒化物単体の層と比べて耐食性を改善することができる。このように、周期構造層は、クロム窒化物とクロム酸化物との両方の利点を合わせもっているので、木材用刃物の耐久性をより向上させることができる。なお、実施例では、酸素濃度２０％でしか示していないが、酸素濃度５％〜３０％で周期構造が確認されている。

Claims (5)

  1. 鋼または超硬合金を母材として構成され、すくい面および逃げ面の少なくとも一方に被膜が形成された木材または樹脂用の刃物において、
    前記被膜は、組織中の酸素濃度が高い高酸素領域と、該高酸素領域よりも組織中の酸素濃度が低い低酸素領域とが、該被膜の厚み方向に周期的に現れたクロム酸窒化物からなる周期構造層を備えた
    ことを特徴とする刃物。
  2. 前記低酸素領域は、前記高酸素領域と比べて組織中の窒素濃度が高く、
    前記周期構造層は、前記高酸素領域および前記低酸素領域に合わせて窒素濃度が前記厚み方向に周期的に高低するよう形成された請求項１記載の刃物。
  3. 前記周期構造層は、その断面組織に、前記高酸素領域および低酸素領域によって透過型電子顕微鏡で観察可能な縞状のコントラストが形成された請求項１または２記載の刃物。
  4. 前記高酸素領域および低酸素領域は、１ｎｍ〜１５０ｎｍの周期で現れるよう形成された請求項１〜３の何れか一項に記載の刃物。
  5. 前記高酸素領域および低酸素領域を含めた全体の組成を、(Ｃｒ１−ａＸａ)Ｎ１−ｂＯｂと表したクロム酸窒化物からなる前記周期構造層において、Ｘとして、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗから選ばれた少なくとも１つの元素を含むと共に、０≦ａ≦０．５かつ０＜ｂ＜０．６とした請求項１〜４の何れか一項に記載の刃物。
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