(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具であって、
前記ファセット表面に、網状に連なる凹部と、前記凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、
前記隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、
前記初期摩耗層の物性値は、前記初期摩耗層の下に位置する前記無機固体材料の物性値とは異なっており、かつ前記初期摩耗層と前記無機固体材料との間に固相界面を有さないことを特徴とする刃物工具。
【請求項２】
非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具であって、
前記ファセット表面に、網状に連なる凹部と、前記凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、
前記隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、
前記初期摩耗層のヤング率は、初期摩耗層の下に位置する前記無機固体材料のヤング率よりも小さく、かつ前記初期摩耗層と前記無機固体材料との間に固相界面を有さないことを特徴とする刃物工具。
【請求項３】
非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具であって、
前記ファセット表面に、網状に連なる凹部と、前記凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、
前記隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、
前記初期摩耗層の密度は、前記初期摩耗層の下に位置する前記無機固体材料の密度よりも小さく、かつ前記初期摩耗層と前記無機固体材料との間に固相界面を有さないことを特徴とする刃物工具。
【請求項４】
非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具であって、
前記ファセット表面に、網状に連なる凹部と、前記凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、
前記隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、
前記初期摩耗層の硬度は、前記初期摩耗層の下に位置する前記無機固体材料の硬度よりも小さく、かつ前記初期摩耗層と前記無機固体材料との間に固相界面を有さないことを特徴とする刃物工具。
【請求項５】
非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具であって、
前記ファセット表面に、網状に連なる凹部と、前記凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、
前記隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、
前記初期摩耗層はアモルファス構造を有し、前記初期摩耗層の下に位置する前記無機固体材料は結晶構造を有し、前記無機固体材料と前記初期摩耗層との境界領域では前記無機固体材料から前記初期摩耗層に向かって結晶構造からアモルファス構造へ徐々に変化している構造を有していることを特徴とする刃物工具。
【請求項６】
非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具であって、
前記ファセット表面に、前記切れ刃エッジ使用時の応力集中部分を速やかに摩耗させ、前記ファセットの形状を最適化するための、前記無機固体材料よりも摩耗し易い厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、
前記初期摩耗層の物性値は、前記初期摩耗層の下に位置する前記無機固体材料の物性値とは異なっており、かつ前記初期摩耗層と前記無機固体材料との間に固相界面を有さないことを特徴とする刃物工具。
【請求項７】
請求項１乃至６記載のいずれかの刃物工具において、
前記初期摩耗層はガスクラスターイオンビームの照射によって形成されたことを特徴とする刃物工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は刃物工具に関し、特に機械的耐久性に優れ、高精度の加工を行うことができる刃物工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
刃物工具の先端に設けられた切れ刃に関しては、そのエッジ（刃先）をどのような形状に加工するかが性能を大きく左右することが知られている。図１Ａに示したような切れ刃エッジ１１に対し、図１Ｂに示したようにエッジを研磨等で先鋭化すると切れ味は増すが、使用時に図１Ｃに示したようにエッジの欠け１２が起こりやすくなり、機械的耐久性が劣化することはよくある。
【０００３】
一方、切れ刃エッジの強度を増大させるために、ファセットやチャンファと呼ばれる面取り（以下、ファセットと言う）を設けることが行われている（例えば、特許文献１参照）。図１Ｄは図１Ｂに示した切れ刃エッジ１１’の１面にファセット１３を形成した例を示したものであり、図１Ｅは切れ刃エッジ１１’の２面にファセット１４を形成した例を示したものである。例えば、図１Ｅに示したように切れ刃エッジ１１’にファセット１４を形成すると、図１Ｆに示したように使用時に欠けが生じにくく、損傷しにくいものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５８１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、切れ刃エッジにファセットを形成するといっても、平面にするか、曲面にするかなどの形状、角度や幅などを最適値に設計することは困難である。なぜなら、刃物工具を使用する際の加工装置への取り付け誤差や加工装置のブレなどが事前にはわからないことが多いからである。たとえ、そのような使用条件が事前にわかったからといっても最適設計をすることは簡単ではない。
【０００６】
ファセット形状を最適化しないと、図２（１）に示したようにファセット１４が形成されている切れ刃エッジ１５であっても、図２（２）に示したようにエッジにクラック１６が入り、クラック１６から図２（３）に示したように欠け１７が生じる。このような欠けは次々に起こっていき、その結果、切れ刃エッジは図２（４）に示したようになり、刃物工具としての機能が劣化し、使えなくなるという重大な問題が生じる。なお、ファセット形状の最適値は被加工材の種類や加工条件によっても異なることが予想される。
【０００７】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、ファセットの幅や角度、曲率半径等の最適化を行わなくても、機械的耐久性に優れ、高精度の加工を行うことができる刃物工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明によれば、非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、初期摩耗層の物性値は、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料の物性値とは異なっており、かつ初期摩耗層と無機固体材料との間に固相界面を有さないものとされる。
【０００９】
請求項２の発明によれば、非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、初期摩耗層のヤング率は、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料のヤング率よりも小さく、かつ初期摩耗層と無機固体材料との間に固相界面を有さないものとされる。
【００１０】
請求項３の発明によれば、非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、初期摩耗層の密度は、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料の密度よりも小さく、かつ初期摩耗層と無機固体材料との間に固相界面を有さないものとされる。
【００１１】
請求項４の発明によれば、非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、初期摩耗層の硬度は、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料の硬度よりも小さく、かつ初期摩耗層と無機固体材料との間に固相界面を有さないものとされる。
【００１２】
請求項５の発明によれば、非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとされ、初期摩耗層はアモルファス構造を有し、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料は結晶構造を有し、無機固体材料と初期摩耗層との境界領域では無機固体材料から初期摩耗層に向かって結晶構造からアモルファス構造へ徐々に変化している構造を有しているものとされる。
【００１３】
請求項６の発明によれば、非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、切れ刃エッジ使用時の応力集中部分を速やかに摩耗させ、ファセットの形状を最適化するための、無機固体材料よりも摩耗し易い厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層が形成され、初期摩耗層の物性値は、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料の物性値とは異なっており、かつ初期摩耗層と無機固体材料との間に固相界面を有さないものとされる。
【００１４】
請求項７の発明では請求項１乃至６のいずれかの発明において、初期摩耗層はガスクラスターイオンビームの照射によって形成されたものとされる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、機械的耐久性に優れ、高精度の加工を行うことができる刃物工具を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】切れ刃エッジに対するファセット形成の効果を説明するための図。
【図２】ファセットが最適化されていない場合の欠けの発生を説明するための図。
【図３】切れ刃エッジが割れや欠けとして脱離するモードを説明するための図及び写真。
【図４】切れ刃エッジがナノレベル単位で逐次的に脱離するモードを説明するための図及び写真。
【図５】初期摩耗層と下地材料との間に固相界面がある場合の初期摩耗層の剥がれを説明するための図及び写真。
【図６】この発明における初期摩耗層の構造と摩耗のメカニズムを説明するための図及び写真。
【図７】この発明における初期摩耗層の構造と摩耗の様子を示す図及び写真。
【図８】刃物工具の形状例を示す図。
【図９】刃物工具の他の形状例を示す図。
【図１０】ガスクラスターイオンビーム照射前後の切れ刃エッジの状態を示す写真及び図。
【図１１】ガスクラスターイオンビーム照射後の切れ刃エッジの状態を示す写真及び図。
【図１２】ガスクラスターイオンビーム照射後の切れ刃エッジの状態を示す写真及び図。
【図１３】ファセットが曲面となっている例を示す図。
【図１４】切削加工試験において形成した溝形状を示す図。
【図１５】切削加工試験の試験結果を示す表。
【図１６】本発明による刃物工具の使用後のファセット形状を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、最初に、この発明に至った過程及びこの発明のポイントについて説明する。
【００１８】
切れ刃エッジにファセットを形成する場合、通常はシャープエッジを初めに形成した後、そのエッジの一部を除去して形成していることが多い。硬質材料を用いた刃物工具に関しては、その硬さを利用しているので、ファセットも母材の硬質材料そのもので形成されている。また、切れ刃エッジにコーティングをして耐久性を向上させることが行われている場合もあるが、この場合は母材よりも耐摩耗性に優れた材料をコーティングしている。この耐摩耗性に優れた材料の性質としては、硬度が高いこと、ヤング率が大きいこと、密度が大きいことなどの性質を少なくとも一つ持っていることが多い。
【００１９】
このように、従来の技術では切れ刃エッジの機械的耐久性を向上させるためには、切れ刃エッジ自身の耐摩耗性を向上させることは必須なことであると考えられていた。
【００２０】
これに対して、本発明は切れ刃エッジに形成されたファセットに摩耗しやすい層である初期摩耗層を形成することによって、切れ刃エッジ自身の機械的耐久性を向上させようとするものである。本発明の技術は、従来技術で用いられていた切れ刃エッジ自身の耐摩耗性を向上させようとする技術とは本質的に異なるアプローチである。
【００２１】
次に、なぜ、ファセットに初期摩耗層を形成すると、切れ刃エッジ自身の機械的耐久性が向上するかについて説明する。
【００２２】
ファセットを形成しない切れ刃エッジでは、切れ刃エッジにあるマイクロクラック等に応力集中が起こり、それを起点にして損傷が起こる。切れ刃エッジにファセットを形成すると、マイクロクラックがあったとしても応力集中が緩和されるので損傷が起こり難くなる。切れ刃エッジの摩耗損傷はこのような応力集中箇所を起点に脱落していくように起こり、その応力集中箇所が脱落した結果、応力が緩和されるので脱落が止まり、その個所は摩耗しなくなる。ファセットを形成した切れ刃エッジに関しては、このような摩耗が進行すると、切れ刃エッジの形状は鈍化する場合もあるが、シャープになる場合もある。さらには、全体的には鈍化しても、部分的にシャープな箇所が形成されることも多い、摩耗が進行した場合の切れ刃エッジの形状は、応力集中の仕方によるので、一概にどういう形になっていくのかを予想することは難しい。しかしながら、応力集中を緩和するように摩耗した場合は、切れ刃エッジがシャープになるにしろ、鈍化するにしろ、応力集中が起こり難くなるのであるから摩耗の進行は非常に遅くなることになる。
【００２３】
次に、切れ刃エッジの摩耗損傷の形態について、詳しく検討する。図３Ａは切れ刃エッジが割れや欠けとして損傷するモードの例を示したものである。切れ刃エッジに形成したファセット１４に図３Ａ（２）に示したようにクラック１６が入り、そこから図３Ａ（３）に示したように割れていく。このような割れ１８や欠けは、鋭いエッジ１９を再び形成することが多い。この割れ１８によって新たに形成した鋭いエッジ１９は、応力集中を受けやすく、図３Ａ（４），（５）に示したように、さらなる割れ１８’や欠けを誘発する。このようにして、切れ刃エッジのファセット１４の損傷が進行しても、応力集中が緩和されることがないので損傷が進行し続けていき、刃物工具の寿命がすぐに来てしまうことになる。なお、図３Ｂ，Ｃの写真はそれぞれ図３Ａ（１），図３Ａ（５）に示した状態に対応するファセット１４を上方から（先端から）観察したものであり、図３Ｄ，Ｅはそれぞれ図３Ｂ，Ｃを横から見た状態を示したものである。
【００２４】
一方、図４Ａは切れ刃エッジが割れや欠けによって損傷するのではなく、徐々に摩耗していく逐次摩耗モードの例を示したものである。このモードでは、切れ刃エッジの表面層の原子がナノレベル単位で逐次的に脱離する現象が起こっている。切れ刃エッジのファセット１４に応力が作用した場合、応力が一番大きくなった部分が１原子〜数１０ｎｍ径程度の小さな単位で徐々に脱離していく様子を図４Ａ（２）〜（６）は示している。このナノレベル単位での脱離が起こると、その部分が滑らかな形状になるので、応力集中が起こり難くなり、摩耗しにくくなる。さらに、刃物工具の使用を続けていくと、別の場所で同様なナノレベル単位の脱離が起こっていく。これを繰り返して、切れ刃エッジの形状が変化していく。実際の例では、切れ刃エッジに２つのファセットを形成し、その先端エッジの曲率半径を０．５μｍ程度とした刃物工具を使用していくと、ファセットの対称性が崩れて切れ刃エッジは初期よりも尖っていき、その曲率半径は０．１μｍ程度となった。また、切れ刃エッジに割れや欠けは全く見られなかった。
【００２５】
このように、図４Ａ（１）に示した初期のファセット形状が変化して、図４Ａ（７）に示したように、より応力緩和が起こる安定的な形状になっていき、刃物工具使用中にその使用条件に適したファセット形状が自動形成されるのである。なお、図４Ｂ，Ｃの写真はそれぞれ図４Ａ（１），図４Ａ（７）に示した状態に対応するファセット１４を上方から観察したものであり、図４Ｄ，Ｅはそれぞれ図４Ｂ，Ｃを横から見た状態を示したものである。また、図４Ｆの写真は図４Ｂを拡大したものである。
【００２６】
以上のように、切れ刃エッジの機械的耐久性を高めるためには、図３で説明したような割れや欠けが起こる損傷モードが起こらないようにして、図４で説明したような逐次摩耗が起こる状態にすることが重要な条件である。刃物工具の使用初期から割れや欠けを抑制し、逐次摩耗モードが進行するようにするために、あらかじめ摩耗しやすい初期摩耗層を形成することが鍵であることを初めて明らかにした。さらには、使用条件に適したファセット形状が自動形成されるような状況になるためには、次の２つのことが重要であることを我々は鋭意検討した結果、明らかにした。
（ａ）初期摩耗層と下地材料との間に固相界面がないこと
（ｂ）初期摩耗層の表面が、網状に連なる凹部と、当該凹部によって囲まれている隆起部とが形成されている表面構造を有していること
【００２７】
図５Ａは、切れ刃エッジのファセット１４において、（ａ）の条件に反し、初期摩耗層２１と下地材料２２との間に固相界面２３がある場合の状況を示したものである。このような固相界面２３を生じてしまう典型的な方法は、初期摩耗層２１を蒸着などの成膜法によって形成する場合である。このように初期摩耗層２１と下地材料２２との間に固相界面２３が形成されると、図５Ａ（２）〜（４）に示したように、固相界面２３は応力集中によって亀裂２４が伝播しやすく、膜剥がれ２５を起こしやすいことから、初期摩耗層２１自体が剥がれてしまうなどの大きな損傷を受ける。これによって、初期摩耗層２１の逐次摩耗が起こらなくなり、応力を緩和するのに適切なファセット形状が自動形成されなくなる。図５Ｂ，Ｃの写真はファセット１４の表面に初期摩耗層２１を成膜により形成した状態及び初期摩耗層２１が剥がれてしまった状態をファセット１４の上方から観察したものであり、図５Ｄは図５Ｃをスケッチしたものである。図５Ｄ中、部分２６は初期摩耗層２１が剥がれている部分を示す。また、膜剥がれ箇所には鋭いエッジ等が形成され、応力集中箇所が再び形成されてしまう。このようになるので、初期摩耗層２１と下地材料２２との間に固相界面２３があると、耐久性が高い切れ刃エッジ形状が自動生成されないのである。
【００２８】
刃物工具使用中に、その使用条件に適したファセット形状が自動生成されるために必要なもう一つの条件（ｂ）について検討する。図６Ａには、初期摩耗層の表面構造のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を示した。その表面には幅が数１０ｎｍ程度の隆起部があることがわかる。その隆起部の模式図をＳＥＭ像の上に描いてある。さらに、隆起部３１の断面を見てみると、図６Ｂに示した模式図のように下地の材料との間に固相界面がない。さらには、この隆起部３１の特性として、下地材料の特性よりも硬度が小さかったり、ヤング率が小さかったり、密度が小さかったり、といった特徴を少なくとも一つもっている。固相界面がなく、材料特性が変化しているということは、初期摩耗層と下地材料との間で少なくとも連続して徐々に材料特性が変化している領域があるということである。
【００２９】
図６Ｃ〜Ｆは、隆起部３１に応力が加わった場合の変化について、模式的に示したものである。隆起部先端に応力が加わった場合、例えば下地よりも硬度が小さいために、隆起部先端が図６Ｄに示したように弾性変形または塑性変形をして応力集中を緩和するようになる。それでも応力が強くかかると、隆起部先端の一部分が図６Ｅに示したように、ナノレベル単位で徐々に脱離していく。隆起部先端は、応力が一番大きく加わった部分だけが脱離するので、応力が緩和するように変形していくことになる。これが繰り返し起こると、典型的には隆起部先端は見かけ上は図６Ｆに示したように丸みを帯びるような形に変化していく。
【００３０】
図７Ａは図６Ａと同じ写真を示したものであり、図７Ｂ〜Ｅは隆起部３１が上記のように変化し、さらに摩耗していく様子を示したものである。刃物工具の使用を続けていくと、図７Ｅに示したように隆起部、すなわち初期摩耗層自体が摩耗してなくなっていき、一番応力のかかる部分では下地材料が露出するようになる。この時に、切れ刃エッジに加わる応力分布に沿って、きれいに摩耗が進行するので、切れ刃エッジはなめらかな形状となり、クラックは発生せず、割れや欠けは起こらない。このようにして刃物工具の使用条件に適したファセット形状が使用中に自動形成されるのである。また、強く応力がかかる表面の初期摩耗層はなくなり、材料本来の耐摩耗性を発揮するようになる。
【００３１】
以下、この発明の実施形態を説明する。
【００３２】
本実施形態による刃物工具４０は、例えば図８Ａに示したようにブロック状の材料に切れ刃４１を形成してあり、典型的にはすくい面４２と逃げ面４３を有する。図８Ｂに示した刃物工具４０’は図８Ａの刃物工具４０にファセット４４が形成されたものである。なお、図９Ａ〜Ｃにそれぞれ示した直線状切れ刃５１、円盤状切れ刃５２、回転エンドミル状切れ刃５３のように、切れ刃が形成してあれば、刃物工具の形態はどういうものであってもよい。
【００３３】
素材としては、硬質な非金属の無機固体材料ならば、どのようなものでも用いることができるが、典型的には単結晶ダイヤモンド、バインダレスｃＢＮ（立方晶ボロンナイトライド）、多結晶ダイヤモンド焼結体、ｃＢＮ焼結体、タングステンカーバイド焼結体（超硬合金とも呼ばれる）、アルミナ焼結体やジルコニア焼結体などのセラミックス材料などがある。また、単結晶シリコンやガラスなどの脆性材料も刃物工具素材として用いることができる。なお、本発明において“非金属の無機固体材料”とは、“硬質の無機固体材料を含んでいる材料”という意味であり、無機固体材料として金属の含有を完全に排除するものではない。これは、切れ刃として作用する主体が非金属の無機固体材料であるならば、本発明の作用効果が発揮されるものであるからである。例えば、タングステンカーバイド焼結体においては、硬質な非金属の無機固体材料であるタングステンカーバイド粒子をコバルトなどの金属をバインダーにして結合している構造をしており、切れ刃として作用する主体はタングステンカーバイド粒子となっている。
【００３４】
切れ刃を形成する方法としては、刃物工具の外形をレーザー加工やワイヤー放電加工などによって整えた後、研磨などによって切れ刃を形成する。単結晶ダイヤモンドやバインダレスｃＢＮのような硬い材料ではスカイフ研磨と呼ばれる方法を採用することが多い。
【００３５】
典型例としては、バインダレスｃＢＮ素材からレーザー加工によって、長さ２ｍｍ、縦横ともに１ｍｍに切り出す。その後、各面をダイヤモンド砥石により研削して形状を整え、切れ刃部分は、スカイフ盤により研磨仕上げを行う。刃先角は６５度とし、切れ刃エッジ先端の曲率半径は約５０ｎｍとする。
【００３６】
この切れ刃エッジに対してファセットを形成する。ファセット形成方法として、切れ刃エッジをダイヤモンドペーストを含浸させたスカイフ盤にて面取りするように研磨する方法を採用することができる。別の方法としては、切れ刃エッジに対してガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を照射することでも実現できる。この場合の典型的条件は、原料ガスとしてアルゴンを用い、加速電圧２０ｋＶ、照射ドーズ量は３×１０１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２を用いることができる。原料ガスとしては、ガスクラスターを形成するものであれば、特に限定しない。加速電圧や照射ドーズ量に関しても設計事項的な範囲で変化させることができる。
【００３７】
図１０Ａの写真はガスクラスターイオンビーム照射前の切れ刃エッジ６１を上方からＳＥＭ観察したものであり、図１０Ｂの写真は図１０Ａを拡大したものである。また、図１０Ｄの写真はガスクラスターイオンビーム照射後の切れ刃エッジ６１の状態を示したものである。なお、図１０Ｃ，Ｅはそれぞれ図１０Ｂ，Ｄを横から見た形状を示している。図１０Ｄの写真より、切れ刃エッジ６１には２つのファセット６２が形成されていることがわかる。図１１は図１０Ｄ，Ｅと同じく、ガスクラスターイオンビーム照射後の切れ刃エッジ６１の状態を写真及び写真に対するスケッチで示したものであり、図１２Ａは図１１Ａの写真を拡大したものである。また、図１２Ｂは図１２Ａの写真をスケッチしたものである。図１２Ａ，Ｂよりファセットの一部が曲面となっていることがわかる。
【００３８】
切れ刃エッジに形成されるファセットは複数必要なわけではなく、少なくとも１つあればよい。ファセットは平面であっても曲面であっても、またはそれらの組み合わせであってもよい。ファセット表面が曲面的になっていると、ファセットが切れ刃エッジへ滑らかにつながっていくことができ、切れ刃エッジの応力集中を緩和して機械的耐久性をより高めることができる。
【００３９】
曲面ファセットの例を図１３に示す。図１３Ａは比較としてファセットのない切れ刃エッジ６１を示したものであり、図１３Ｂ〜Ｄは曲面ファセットの各種例を示したものである。図１３Ｂではファセット６３がすべて曲面で構成されている。図１３Ｃではファセット６４は２つの平面部６４ａ，６４ｂと、それら平面部６４ａ，６４ｂをつなぐ曲面部６４ｃによって構成されている。図１３Ｄではファセット６５は３つの曲面部６５ａ〜６５ｃによって構成されており、曲面部６５ａ，６５ｂは図に示したようにわずかな凹面となっている。上述したガスクラスターイオンビーム照射によるファセット形成方法では、ファセット表面を図１３に示したように、なめらかな３次元的な曲面とすることを容易に行うことができることも大きな特徴である。
【００４０】
次に、切れ刃エッジのファセット表面に初期摩耗層を形成する。初期摩耗層の形成方法としては、ファセット表面と初期摩耗層との間に固相界面が存在するような形成方法を採用することはできない。例えば、ダイヤモンドライクカーボンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法によって成膜するような方法は固相界面を生成してしまうので採用できないことになる。これは上述したように、固相界面があるとそれを起点として剥がれてしまうからである。さらには、剥離部分は急峻な段差やエッジを形成して応力集中を生じやすくなるので、切れ刃エッジの欠けや割れを促進してしまうからである。
【００４１】
固相界面が生成しないように初期摩耗層を形成する方法としては、ガスクラスターイオンビームを材料表面に照射することで実現できることが鋭意検討の結果として明らかとなった。従来の技術検討においては、ガスクラスターイオンビームを材料表面に照射すると、材料表面が平坦化し、その平坦化の効果として摩耗しにくくなるという知見であった。しかしながら、ガスクラスターイオンビーム照射によって、ある種の隆起構造を形成すると、逆に摩耗しやすくなることを本発明で初めて明らかにした。隆起構造を形成しつつ、材料表面物質に関して初期配列構造を変化させることによって明確な固相界面を生成させないのである。そのようなガスクラスターイオンビーム照射をすればよいのであり、例えば照射エネルギーは原子間結合エネルギーよりも大きくする必要がある。即ち、ガスクラスターを構成する個々の原子が有するエネルギーが数ｅＶ以上であればよく、典型的には例えば構成原子数が１０００個で、各原子が５ｅＶ以上のエネルギーを有するには、照射エネルギーとしては５ｋｅＶ（加速電圧５ｋＶ）以上であればよい。なお、原料ガスの種類など、その他の条件は特に限定はない。
【００４２】
しかしながら、上述のように固相界面を生成しなければ何でもよいわけではなく、初期摩耗層は、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部とよりなる表面構造を有するものとする。隆起部の平均幅は５〜５０ｎｍとし、初期摩耗層の物性値は、初期摩耗層の下に位置する上述した無機固体材料の物性値とは異なっているようにする。隆起部の平均幅に関しては、小さすぎると変形して応力緩和する前に構造変化が飽和し、機能が発揮できないので、５ｎｍ以上が必要である。逆に、隆起部の平均幅が大きすぎると、応力緩和し難くなり、実質的に隆起部がない構造と同様に応力集中が起こってしまうので、５０ｎｍ以下にする必要がある。
【００４３】
このような初期摩耗層の形成方法としては、上述と同様、ファセット表面にガスクラスターイオンビームを照射する方法を採用することができる。これは、ファセット形成時に同時に行うことも可能である。この初期摩耗層及び無機固体材料の物性値としては、機械的耐久性に関わる物性値を選択でき、具体的にはヤング率、密度、硬度などを挙げることができる。その他の機械的耐久性に関わる物性値として、アモルファス度（結晶化度）、空隙率などを採用してもよい。即ち、初期摩耗層自体の摩耗速度が大きくなるような物性値であればどのようなものでも採用できる。
【００４４】
物性値として、ヤング率を採用した場合、初期摩耗層のヤング率は初期摩耗層の下に位置する無機固体材料のヤング率よりも小さい。物性値として密度や硬度を採用した場合、初期摩耗層の密度や硬度は初期摩耗層の下に位置する無機固体材料の密度や硬度よりも小さい。また、例えばアモルファス度（結晶化度）を物性値として採用した場合、初期摩耗層はアモルファス構造を有し、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料は結晶構造を有するものとする。この場合、無機固体材料と初期摩耗層との境界領域では、無機固体材料から初期摩耗層に向かって結晶構造からアモルファス構造へ徐々に変化している構造を有する。このとき、初期摩耗層のアモルファス度は初期摩耗層の下に位置する無機固体材料のアモルファス度よりも大きいことになる。
【００４５】
ガスクラスターイオンビーム照射による初期摩耗層は、ファセット表面のみに形成されていればよいが、すくい面や逃げ面に形成されないようにする必要はない。ガスクラスターイオンビームをすくい面や逃げ面にも照射して、切れ刃に全体的に初期摩耗層を形成することもできる。初期摩耗層を形成するファセットの幅や長さ等の形状は、これまでの刃物工具で用いられている例に即したものであればよい。初期摩耗層の厚さに関しては、隆起部構造を有効に作用させるために、その平均幅以上が必要であり、具体的には５ｎｍ以上とすればよい。なお、初期摩耗層の形成方法としては、ガスクラスターイオンビーム照射に限定するものではなく、上述の作用で説明した構成となる方法であれば、いかなる方法でも良いことは明らかである。
【００４６】
上述のような構成とされた本実施形態の刃物工具は、切れ刃エッジにあるファセットに初期摩耗層が形成されており、初期摩耗層は刃物工具を使用中に応力が大きいところから徐々に摩耗が進行していき、応力集中を起こさないようなファセット形状に自動的になっていくことになる。本発明を用いないものは徐々に摩耗が進行するのではなくてマイクロクラックや固相界面等の応力集中箇所から欠けや割れが進行してしまうのである。本発明の刃物工具では、摩耗がある程度進むと、本来の耐摩耗性のある材料内部が露出してくるので、それ以上摩耗が進行し難くなる。このようにして、本発明の刃物工具は切れ刃エッジに設けたファセットの幅や長さ、曲率半径等の最適化を行わなくても、幅広い切削条件で機械的耐久性が向上し、機械的耐久性が高い刃物工具を生産性良く実現できる。
【００４７】
以下、下記に示す本発明の実施例１と、従来例１と、比較例１と、比較例２とを用いて、切削加工試験を行った結果を示す。
【００４８】
・実施例１：ファセットを含めた切れ刃エッジの表面全体に初期摩耗層を形成した刃物工
具（初期摩耗層の厚さは１００ｎｍ）
・従来例１：実施例１に対し、初期摩耗層をなしとした刃物工具
・比較例１：ファセットを含めた切れ刃エッジの表面全体に、初期に摩耗する層としてＣ
ＶＤ法によってダイヤモンドライクカーボンを形成し、固相界面を有するよ
うにした刃物工具
・比較例２：実施例１に対し、初期摩耗層の隆起部の平均幅を５０ｎｍよりも大きくした            刃物工具
【００４９】
刃物工具は図８Ｂに示した形状のものであり、素材はバインダレスｃＢＮとした。この刃物工具を用いて平削り盤にて切削加工を行った。鋼材（ＳＫＤ１１）７０に、図１４に示したような幅３００μｍ、深さ１００μｍ、長さ５ｍｍの溝７１を５０本形成した後の刃物工具の切れ刃エッジのチッピングをＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）にて観察し、被加工材表面のテクスチャを光学顕微鏡にて観察した。結果を図１５の表１に示す。
【００５０】
表１に示すように、従来例１及び比較例１，２においては、切れ刃エッジにチッピングが生じ、そのチッピングが集積して大きな欠落になるように変化しており、その結果、被加工材の表面テクスチャは粗さが大きくなり、曇りを生じている。これら従来例１及び比較例１，２に対して、実施例１は切れ刃エッジのファセット表面に形成した初期摩耗層が徐々に摩耗していき、応力を緩和するようにファセット形状が変化している。その結果として、切れ刃エッジのチッピングを防止し、被加工材の表面が鏡面となり、高精度加工が実現できていることがわかる。
【００５１】
また、実施例１と同様な刃物工具を用いて、被加工材の材質を超硬合金、銅、アルミニウム等に変化させたり、切削速度を変化させたり、あるいは刃物工具の取り付け精度を変化させたりした場合でも、同様な結果であった。刃物工具を使用し、応力緩和が起こるように初期摩耗層が摩耗して切れ刃エッジが変形していった様子を図１６に例示する。図１６Ａは刃物工具使用前のファセット８０の形状を示したものであり、図１６Ｂ〜Ｄは超硬合金、銅、アルミニウムをそれぞれ切削加工した後のファセット８１，８２，８３の形状をそれぞれ示したものである。
【００５２】
図１６に例示したように、刃物工具の使用前後の形状変化に関しては、ファセットが平面から曲面的に変化したものであるだけではなく、ファセットが２面だったものがさらに微細な面取り形状が付加されたり、２面あったものが１面となったり、ファセット角度が変化したりといったことが起こっていた。これは、実施例の刃物工具において、切れ刃エッジに設けたファセットの幅や長さ、曲率半径等の最適化を行わなくても、幅広い切削条件で機械的耐久性が向上（切れ刃エッジ強度が増大）し、機械的耐久性が高い刃物工具を生産性良く実現できることを示している。
【符号の説明】
【００５３】
１１，１１’  切れ刃エッジ                    １２  欠け
１３，１４  ファセット                        １５  切れ刃エッジ
１６  クラック                                  １７  欠け
１８，１８’  割れ                              １９  鋭いエッジ
２１  初期摩耗層                                ２２  下地材料
２３  固相界面                                  ２４  亀裂
２５  膜剥がれ                                  ２６  部分
３１  隆起部                                    ４０，４０’  刃物工具
４１  切れ刃                                    ４２  すくい面
４３  逃げ面                                    ４４  ファセット
５１  直線状切れ刃                              ５２  円盤状切れ刃
５３  回転エンドミル状切れ刃                    ６１  切れ刃エッジ
６２〜６５  ファセット                          ６４ａ，６４ｂ  平面部
６４ｃ  曲面部                                  ６５ａ，６５ｂ，６５ｃ  曲面部
７０  鋼材                                      ７１  溝
８０〜８３  ファセット
【要約】
【課題】機械的耐久性を向上させ、高精度の加工を行うことができるようにする。
【解決手段】非金属の無機固体材料からなる切れ刃エッジにファセットが形成されている刃物工具において、ファセット表面に、網状に連なる凹部と、凹部によって囲まれている隆起部３１とよりなる表面構造を有する厚さ５ｎｍ以上の初期摩耗層を形成する。隆起部３１の平均幅は５〜５０ｎｍとする。初期摩耗層の物性値は、初期摩耗層の下に位置する無機固体材料の物性値とは異なり、かつ初期摩耗層と無機固体材料との間に固相界面を有さないものとする。
【選択図】図７【図１】
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【図２】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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