(57)【要約】薄板状または層状の微細組織を有する硬質被膜によって一方の側面が被覆されたブレードを有する切断工具を開示する。この被膜は均一かつ滑らかに磨耗し、切断工具の刃先を滑らかに保持する傾向にある。さらに、刃先の一方の側面のみを被覆することによって、刃先は自生発刃性を呈する。被膜は好ましくは実質的にもしくは完全にタングステンを含有しない炭化タングステンから形成される少なくとも１層を備える。
2005521495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の第１材料から作製される刃先を有し、この刃先はその一方の側面のみが前記１つまたは複数の第１材料よりも実質的に硬い被膜で被覆されている自生発刃性切断工具において、前記被膜が、前記刃先の被覆された側面と実質的に平行に配列された層状または薄板状の微細組織を有することを特徴とする切断工具。
【請求項２】
前記被膜は、実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の工具。
【請求項３】
前記被膜は多層被膜であり、前記被膜の最上層は、実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の工具。
【請求項４】
前記被膜は異なる硬度の層を含む多層被膜であり、前記層の少なくとも１つは最硬質層であることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項５】
前記被膜は異なる硬度の層を含む多層被膜であり、その最硬質層は、実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の工具。
【請求項６】
前記最硬質層は前記被膜の最上層であることを特徴とする請求項４または５に記載の工具。
【請求項７】
前記最硬質層は前記被膜の中間層であることを特徴とする請求項４または５に記載の工具。
【請求項８】
前記最硬質層は前記被膜の基層であることを特徴とする請求項４または５に記載の工具。
【請求項９】
前記被膜は、タングステンの層、炭化タングステンの層、および／またはタングステンと０．０００５から０．５重量％の範囲内のフッ素で合金化された炭化タングステンとの混合物の層を含むことを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１つに記載の工具。
【請求項１０】
前記被膜は、タングステンの層、および実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有せず、０．０００５から０．５重量％の範囲内のフッ素で合金化された炭化タングステンの層を含むことを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１つに記載の工具。
【請求項１１】
前記被膜はタングステンの基層を有することを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つ、または請求項４ないし７のいずれか１つに従属する請求項９または１０に記載の工具。
【請求項１２】
前記複数の層は、前記刃先から前記被膜の最上層に向かって硬度が順次増大する順序に配置されることを特徴とする請求項３、４、または５に記載の工具。
【請求項１３】
前記被膜またはその最上層は０．３以下のＷＣ／Ｃｏに対する摩擦係数を有することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項１４】
前記被膜は、大気圧よりも低い圧力でかつ３５０℃よりも高い温度、好ましくは４５０℃から５５０℃の温度の真空室内において、化学蒸着によって生成されていることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項１５】
前記被膜は１から２５μｍ、好ましくは３から１２μｍの全厚みを有することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項１６】
前記被膜の露出された表面は０．８μ以下、好ましくは０．５μｍ以下の粗さＲａを有することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項１７】
前記被膜またはその最上層は少なくとも２０００ｋＧ／ｍｍ2、好ましくは少なくとも２５００ｋＧ／ｍｍ2、さらに好ましくは少なくとも２９００ｋＧ／ｍｍ2の微小硬度を有することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項１８】
前記被膜の露出された表面は、前記刃先の被覆された表面と実質的に平行となる方向において研削または研摩されることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の工具。
【請求項１９】
ｉ）１つまたは複数の第１材料から作製される刃先を提供する工程と、
ｉｉ）前記刃先の一方の側面のみを前記１つまたは複数の第１材料よりも実質的に硬い被膜で被覆する工程と
を含む自生発刃性切断工具を製造する方法において、
前記被膜は、前記刃先の被覆された側面と実質的に平行に配列される層状または薄板状の微細組織を有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記被膜は、実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記被膜は多層被膜であり、前記被膜の最上層は実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記被膜は異なる硬度の層を含む多層被膜であり、前記層の少なくとも１つは最硬質層であることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２３】
前記被膜は異なる硬度の層を含む多層被膜であり、その最硬質層は、実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記最硬質層は前記被膜の最上層であることを特徴とする請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記最硬質層は前記被膜の中間層であることを特徴とする請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記最硬質層は前記被膜の基層であることを特徴とする請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記被膜は、タングステンの層、炭化タングステンの層、および／またはタングステンと０．０００５から０．５重量％の範囲内のフッ素で合金化された炭化タングステンとの混合物の層を含むことを特徴とする請求項２２ないし２６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２８】
前記被膜は、タングステン層、および実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有せず、０．０００５から０．５重量％の範囲内のフッ素で合金化された炭化タングステンの層を含むことを特徴とする請求項２２ないし２６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２９】
前記被膜はタングステンの基層を有することを特徴とする請求項２２ないし２５のいずれか１つ、または請求項２２ないし２５のいずれか１つに従属する請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記複数の層は、前記刃先から前記被膜の最上層に向かって硬度が順次増大する順序に配置されることを特徴とする請求項２１、２２、または２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記被膜またはその最上層は０．３以下のＷＣ／Ｃｏに対する摩擦係数を有することを特徴とする請求項１９ないし３０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３２】
前記被膜は、大気圧よりも低い圧力でかつ３５０℃よりも高い温度、好ましくは４５０℃から５５０℃の温度の真空室内において、化学蒸着によって成膜されることを特徴とする請求項１９ないし３１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３３】
前記被膜は１から２５μｍ、好ましくは３から１２μｍの全厚みに成膜されることを特徴とする請求項１９ないし３２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３４】
成膜後の前記被膜の露出された表面は０．８μ以下、好ましくは０．５μｍ以下の粗さＲａを有することを特徴とする請求項１９ないし３３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３５】
前記被膜またはその最上層は少なくとも２０００ｋＧ／ｍｍ2、好ましくは少なくとも２５００ｋＧ／ｍｍ2、さらに好ましくは少なくとも２９００ｋＧ／ｍｍ2の微小硬度を有することを特徴とする請求項１９ないし３４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３６】
前記被膜が成膜された後、前記被膜の露出された表面は、前記刃先の被覆された表面と実質的に平行となる方向において研削または研摩されることを特徴とする請求項１９ないし３５のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄板状または層状の１つまたは複数の硬質被膜が設けられたブレードを有する自生発刃性（セルフシャープニング）ナイフおよび他の切断工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナイフブレードまたは同様の切断工具の刃先の尖鋭さは一般的な切断工具のみならず家庭用ナイフおよび工業用ナイフの両方にとっても重要な特性である。
【０００３】
軟質材料から作製される刃先が早く鈍化するように、ブレードの材料の硬度はブレードの刃先の尖鋭さを維持する能力に影響を与える重要な一因であることが長い間にわたって知られている。一方、ナイフブレードは薄い帯片またはシートとして作製されることが多く、その刃先は使用時において脆性破壊または欠損を避けるためにいくらかの柔軟性を有していなければならない。最も硬い材料が典型的には脆弱でかつ破損しやすいように、硬度と柔軟性または靭性の２つの特性は互いに矛盾することが多い。
【０００４】
歴史的に、これらの２つの特性の最良の組合せを達成するために、焼入れ、熱処理、または合金化を含む種々の技術が用いられてきた。
【０００５】
米国特許第６，１０５，２６１号明細書には、実質的に刃先を規定する比較的高い耐摩耗性を有する第１硬質層とその第１層の片側に配置される低耐摩耗性の材料の第２軟質層を有する自生発刃性ブレードが記載されている。硬質層の厚みは０．３μｍから１．５ｍｍの間である。この米国特許において提示されている実施例には、プラスチックへの被膜蒸着のみならず、数枚の鋼薄板の圧延、ホットプレス、およびダイヤモンドや他の硬質材料を含む粉体の焼結などの金属加工または機械的処理によって製造されるナイフブレードが含まれている。機械的処理は典型的には硬質材料の比較的厚い層を生成し、良好なブレードの尖鋭さを達成することができない。
【０００６】
硬質被膜を有するナイフブレードを製造する試みがなされている。米国特許第６，１０９，１３８号明細書には、素地内の粒状物質で片側が被覆された刃先を有するナイフブレードが記載されている。この素地は粒状物質よりも柔らかく、被膜は極めて多数の粒状物が素地から突出しており、これによってブレードの刃先に切断先端部を規定すると述べられている。このナイフブレードは、刃先の保持特性を向上させ、例えば、家庭用キッチンナイフなどの具体的な用途を見出している。しかし、この種の被膜を有するナイフはそれらの用途を制限する多くの欠点を有している。この被覆プロセスでは、薄い被膜を生成することができない。被膜の厚みは典型的には２５〜３０μｍである。被膜は実質的に軟質の金属素地内に不規則に分布した硬質粒子からなり、従って、この被膜は被膜層の厚み内において連続する自生発刃性刃先を形成するように機能しない。これはこのような厚い硬質被膜層を有するブレードにおいて達成することができる尖鋭さを制限する。さらに、素地から突出する硬質材料の離散粒子によって形成される刃先は滑らかな切断作用をもたらさず、その代わりに被切断材料を張力によって引き裂くように作用する。これは典型的には、例えば、外科メスの純粋に圧縮性の切断作用と比較して、大きな力を刃先に作用させる必要がある。これらの被膜は通常「蒸着されたまま」の状態で用いられる。換言すれば、被膜自身にいかなる追加的な機械加工、すなわち、後段機械加工も行なわない。このような被膜は典型的には粗い表面形態を有している。この表面粗さおよびその結果として被膜と被切断材料間の大きくなる摩擦は切断作用をさらに阻害するように働く。従って、この種の被膜が設けられた切断工具は（切断よりもむしろ引き裂きをもたらす）制限された尖鋭さと粗い表面形態の両方によってそれらの用途が制限される。
【０００７】
コバルトまたは他の軟質金属素地内の炭化タングステン粒子からなる硬質被膜を有するブレードを作製する種々の試みによって、いわゆる「自生発刃効果」は被膜の構造と特性に強く依存することが明らかになっている。例えば、コバルト素地内に炭化タングステンを含む被膜を堆積させる高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射プロセスは自生発刃効果をもたらし、実際に用いられている。対照的に、ＷＣ／Ｃｏ被膜を堆積するのに用いられるプラズマ溶射として知られる同様の被覆プロセスは自生発刃効果をもたらさない。ＨＶＯＦ溶射被膜とプラズマ溶射被膜は両方ともコバルト素地内の炭化タングステン粒子からなり、類似の溶射方法によって生成されるが、切断工具を生成するそれらの性能に差が現れている。このことから、自生発刃効果を得るのは容易または当然のことではないことがわかる。実際、自生発刃効果をもたらす被膜の製造は硬度、多孔度、および微細構造のような被膜特性に強く依存し、広範囲に及ぶ実験と分析を必要とする。
【０００８】
欧州特許第０５６７３００号明細書には、素材の表面から被膜の外面に延在する柱状結晶構造を有する硬質被膜が記載されている。しかし、柱状構造被膜における磨耗と破砕の機構は刃先の尖鋭さに対して最適の構造を与えない。柱状被膜は微細な結晶柱とそれらの群の破砕によって磨耗し、被膜層内における発刃作用をもたらさない。その結果、刃先の尖鋭さは被膜の厚みによって定められる。
【０００９】
これらの技術はブレードの刃先の保持特性を高めるが、一般的に滑らかでかつ鋭い外科メスに類似のブレードを形成することはできない。これは、ブレードが不規則な刃先によって剥ぎ取られ易いかまたは引き裂かれ易い（ティシュペーパのような）薄い紙および同様の材料を切断するのに用いられるときに、特に重要である。
【００１０】
米国特許第５，７９９，５４９号明細書には、両側が少なくとも４００Å、典型的には約２０００Åの厚みを有する非晶質ダイヤモンドの被膜によって被覆された剃刀ブレードが記載されている。この被膜は薄いブレードに剛性と硬直性を与える。しかし、サブミクロンの厚み（４００Åは０．０４μｍに等しく、２０００Åは０．２μｍに等しい）を有してブレードの両側に形成されるこの被膜はブレードが用いられるときに自生発刃効果をもたらさない。
【００１１】
欧州特許第０３８６６５８号明細書および米国特許第４，９４５，６４０号明細書には、尖鋭な刃先を有する工具用の耐摩耗性被膜とその製造方法が記載されている。この被膜は化学蒸着（ＣＶＤ）法によって堆積され、２から５μｍの厚みを有し、遊離タングステンとＷ2ＣもしくはＷ3Ｃとの混合物または遊離タングステンとＷ2ＣおよびＷ3Ｃとの混合物からなる。この被膜の全ての変形形態において、比較的軟質の金属タングステンの混合物が存在し、その結果、これらの被膜は典型的には中度の硬度、すなわち純炭化タングステンの硬度よりも実質的に低い硬度を有している。これらの被膜を堆積させる方法は欧州特許第０３２９０８５号明細書、欧州特許第０３０５９１７号明細書、米国特許第４，９１０，０９１号明細書、および米国特許第５，２６２，２０２号明細書にさらに詳細に記載されている。被膜は６フッ化タングステン、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、水素、およびアルゴンのガス状混合物から生成される。このプロセスにおいて、ＷＦ6と酸素含有ＤＭＥとの反応によって低揮発度のオキシフッ化タングステンが形成される。オキシフッ化タングステンは水素によって低減させるのが困難であり、被膜層内に埋められる。これは、被膜特性を改良するために、米国特許第５，２６２，２０２号明細書に記載されている追加的な熱処理を必要とする。これらの文献に記載されている被膜は比較的低硬度（３０００Ｈｖ未満、典型的には２３００Ｈｖ）の不均一な組織であり、その結果、自生発刃作用を達成することができない。米国特許第４，９４５，６４０号明細書および欧州特許第０３８６６５８号明細書に記載されているように、この被膜は尖鋭な刃先を有する工具の耐侵食性と耐摩耗性を改良するが、自生発刃効果をもたらさない。自生発刃効果がないので、この硬質被膜は切断工具の刃先の尖鋭さの保持に関する限られた改良しかもたらさない。
【００１２】
切断ブレードと被切断材料との間の摩擦を低減させる被膜は切断作用を改良するのに役立ち、また、低エネルギー量で材料を切断するのに役立つ。これは、例えば、低摩擦特性によって知られているＰＴＦＥの薄層によって被覆された剃刀ブレードによって実証されている。ＰＴＦＥ被膜は剃刀ブレードの尖鋭さを修正しないが、このブレードはより低い力で移動させることができ、従って、感触的な観点から切断作用を改良する。軟質のＰＴＦＥ被膜は剃刀ブレードによって毛を剃るような穏やかな切断用途には有用であるが、例えば、紙、プラスチック、食品などの切断のような機械ナイフが直面するさらに厳しい切断環境には適応できないであろう。これらの条件下において、軟質のＰＴＦＥ被膜は急速に磨耗かつ摩滅する。機械ナイフの切断作用に有利な被膜は低摩擦でかつ磨耗および摩滅に対して耐性を有する耐久性被膜である。
【００１３】
刃先の斜面の表面粗さおよび特に刃先の被膜の表面粗さも切断作用に影響を及ぼす。粗い斜面は張力引き裂き作用による切断をもたらす小さい鋸歯を有する粗い刃先を形成することが多い。例えば、滑らかな外科メスブレードの純粋な圧縮性の切断作用と比較して、粗い鋸歯ナイフは高い切断力と高い切断エネルギーを必要とする。鋸歯ナイフは滑らかな刃先を有するナイフよりも寿命が長いと見なされるが、デリケートな材料を切断するときの切断作用において特に劣っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の実施形態は、ブレードの刃先の保持特性を維持しながら、特に引き裂きまたは断裂によって容易に破損され得る軟質材料に対しても、切断を促進することができるように切断ブレードの構成をさらに改良することを意図している。
【００１５】
種々の被膜の磨耗機構に対する広範囲に及ぶ実験と顕微鏡観察によって、本発明者は最良の切断作用が最適な被膜組織と、硬度、厚み、および摩擦係数を含む被膜特性の組み合わせとを用いることによって達成され得ることを見出した。
【００１６】
ブレード材料よりも実質的に硬質の被膜が切断ブレードの磨耗率を低減させることがわかっている。ブレードの片側が硬質被膜を有するとき、この側の磨耗は被膜のない他の側の磨耗よりも著しく少ない。ブレードが種々の材料を切断するのに用いられると、微細な磨耗によって、ブレードの被覆されていない側から材料が徐々に脱落する。
【００１７】
その結果、ある程度用いた後、刃先は主にブレードの基材によって片側から支持される硬質被膜層からなる。この段階において、被膜の挙動は微細組織に依存する。軟質素地内の粒状材料からなる被膜はその素地が磨耗によって脱落し、素地から突出する粒状物が残って実質的に不均一な刃先を形成する。
【００１８】
柱状組織を有する硬質被膜は典型的には柱状の微細結晶間の境界に沿って破砕する。ブレードの基材が磨耗によって脱落して被膜の先端が不十分に支持された状態で残っていると、小さな微細結晶粒子が被膜から剥離する。この場合、刃先の尖鋭さは被膜層の厚みによって定められる。厚い被膜は典型的には十分な尖鋭さを与えず、その切断能力を改良するために、この種のブレードは被覆されていない側に鋸歯／波形を付す場合が多い。これも刃先を本質的に不均一にし、切断作用に悪影響を与える。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の態様によれば、１つまたは複数の第１材料から作製される刃先を有し、この刃先の一方の側面のみが前記１つまたは複数の第１材料よりも実質的に硬い被膜で被覆される自生発刃性切断工具であって、前記被膜が、刃先の被覆された側面と実質的に平行に配列される層状または薄板状の微細組織を有することを特徴とする切断工具が提供される。
【００２０】
本発明の第２の態様によれば、
ｉ）１つまたは複数の第１材料から作製される刃先を提供する工程と、
ｉｉ）刃先の一方の側面のみを前記１つまたは複数の第１材料よりも実質的に硬い被膜で被覆する工程と
を含む自生発刃性切断工具を製造する方法であって、前記被膜が、刃先の被覆された側面と実質的に平行に配列される層状または薄板状の微細組織を有することを特徴とする方法が提供される。
【００２１】
層状または薄板状の微細組織を有する被膜は刃先用の公知の被膜とは異なった挙動を呈する。ブレードの基材が磨耗して被膜の全てを十分に支持しなくなると、被膜の微細粒子が層状または薄板状の構造パターンに従って脱離する。これによりブレードの刃先に薄い被膜が残り、刃先の尖鋭さが高まる。層状または薄板状の微細組織は被膜層の厚み内においても発刃性をもたらし、実際の被膜層よりも鋭い刃先が得られる。この刃先は滑らかで外科メスの様であり、被切断材料を引き裂くまたは断裂させる鋸状ブレードと異なり、滑らかでかつクリアな切断をもたらす。
【００２２】
切断工具の磨耗の比較試験および分析によって、本発明者は１層の硬度が他の層の硬度よりも実質的に高い層状または薄板状の被膜の構造は刃先の尖鋭さをさらに改良するのに役立つことを見出した。この被膜構造は１つまたは複数の斜面を公知の研ぎ加工法によって被膜厚み内に形成させることができ、その結果、刃先の半径を被膜厚みよりも実質的に小さくすることができる。この被膜構造はさらに被膜厚み内において自生発刃性を発揮する刃先を形成することができる。これは低硬度の１つの被膜層（または複数の被膜層）が被膜内の最も硬い層と比較して最初に磨耗によって取り去られるときに生じる。その結果、最も硬い層が被膜から突出し、さらに尖鋭な刃先を形成する。被膜は連続し、工具の先端に沿って配列しているので、この刃先は連続し、かつ均一であり、従って、滑らかな切断作用をもたらす。連続的な磨耗によって、この層状被膜によって形成される刃先の尖鋭さが維持される。
【００２３】
被膜は、実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含んでもよい。複数の炭化タングステンの混合物とは、ＷＣ、Ｗ2Ｃ、Ｗ3Ｃ、およびＷ12Ｃの２つ以上の混合物を意味する。
【００２４】
被膜は多層被膜であり、被膜の最上層は実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは複数の炭化タングステンの混合物を含んでもよい。
【００２５】
被膜は異なる硬度の層を含む多層被膜であり、層の少なくとも１つは最硬質層であってもよい。
【００２６】
被膜は異なる硬度の層を含む多層被膜であり、その最硬質層は実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有しない炭化タングステンまたは炭化タングステンの混合物を含んでもよい。
【００２７】
最硬質層は被膜の最上層であってもよいし、中間層または基層であってもよい。
【００２８】
被膜は、タングステンの層、炭化タングステンの層、および／またはタングステンと０．０００５から０．５重量％の範囲内のフッ素で合金化された炭化タングステンとの混合物の層を含んでもよい。
【００２９】
被膜は、タングステンの層、および実質的にもしくは完全に金属タングステンを含有せず、０．０００５から０．５重量％の範囲内のフッ素と合金化された炭化タングステンの層を含んでもよい。
【００３０】
被膜はタングステンの基層を有してもよい。
【００３１】
多層被膜の層は、刃先から被膜の最上層に向かって硬度が順次増す順序で配置されてもよい。
【００３２】
被膜またはその最上層は０．３以下の超硬合金に対する摩擦係数を有してもよい。
【００３３】
被膜は、大気圧よりも低い圧力でかつ３５０℃よりも高い温度、好ましくは４５０℃から５５０℃の温度の真空室において、化学蒸着によって生成されてもよい。
【００３４】
被膜は１から２５μｍ、好ましくは３から１２μｍの全厚みを有してもよい。
【００３５】
被膜の露出された表面は０．８μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の粗さＲａを有してもよい。
【００３６】
被膜またはその最上層は少なくとも２０００ｋＧ／ｍｍ2、好ましくは少なくとも２５００ｋＧ／ｍｍ2、さらに好ましくは２９００ｋＧ／ｍｍ2の微小硬度を有してもよい。
【００３７】
種々の被膜厚みに対して本発明者によってなされた実験によれば、自生発刃作用を達成するには、被膜は十分な厚み、好ましくは少なくとも１から２μｍ、または可能であれば３μｍの厚みを有していなければならない。一方、１５〜２５μｍよりも厚い被膜厚みは一般的に十分な尖鋭さをもたらさない。従って、最適な被膜厚みはこの厚み範囲内である。
【００３８】
本発明者は、低摩擦係数を有する被膜および滑らかな表面を有する被膜は切断と共にブレードの移動を容易にし、さらに滑らかな切断作用と切断部の品質に貢献することも見出した。これは引き裂きまたは断裂によって容易に破損され得る紙のような軟質かつ脆弱な材料の切断に特に有用であると思われる。
【００３９】
本発明は種々の型式のナイフまたは切断工具、例えば、通常の家庭用ナイフ、紙を切断するために工業的に用いられるディスク状回転ナイフ、ギロチン式ナイフ、および種々の形状の切断工具に適用させることができる。本発明は金属、木材、および／または（とりわけ、プラスチック）を切断するための工具、例えば、鋸、かんな、ドリル、および他の機械加工用工具に適用させることができる。
【００４０】
ブレードは両面斜面（両刃）または片面斜面（片刃）のいずれかの形態を有することができる。片面斜面ブレードの場合、被膜はブレードの平坦側または斜面側の面に形成され、両面斜面ブレードの場合、いずれかの側の面に被覆することができる。
【００４１】
被膜材料を堆積させるのに、種々の被覆技術、とりわけ、化学蒸着（ＣＶＤ）を用いることができる。
【００４２】
硬質被膜をナイフブレード上に生成させるのに、本発明者は国際公開第００／４７７９６号パンフレットに記載されているＣＶＤタングステンおよび炭化タングステン被膜を用いている。鋼に適用させる場合、このような被膜は一般的にニッケル、銅、または他の金属（好ましくは、フッ素に耐性を有する金属）からなる内側補助層、金属タングステンの層、および炭化タングステンを含むさらに硬質の層からなる。ＣＶＤプロセスによって、被膜は６フッ化タングステン（ＷＦ6）、水素（Ｈ2）、および酸素を含まない炭素含有ガス、例えば、プロパン（Ｃ3Ｈ8）から生成される。プロセス温度は３５０℃から６５０℃、好ましくは、４００℃から５５０℃の範囲内である。酸素を含まない前駆体と特に（国際公開第００／４７７９６号パンフレットに記載されているように）炭素含有ガスの革新的な熱的予備活性化を用いることによって、極めて緻密な微細結晶質組織と高硬度を有する被膜を形成させることができることが本方法の利点である。炭素含有ガスの熱的予備活性化は被膜組成を効果的に制御し、単一相の炭化タングステンとそれらの混合物、例えば、金属タングステンを含まない炭化タングステンのみの被膜層を生成し、高い硬度を得るように機能する。被膜の相組成はＸ線回折解析によって分析されている。ＣＶＤ炉内において生じるこのプロセスの広範囲に及ぶ実験と分析によって、被膜の相組成は主に熱予備活性化の温度、例えば、５００℃から８５０℃の範囲内の温度、炭化水素の圧力、および反応炉の一般的な圧力（０．１〜１５０ｋＰａ）に依存する。
【００４３】
炭化水素の予備活性化は広い範囲にわたるガス相における必要な濃度の炭化水素のラジカルとそれらのラジカルとフッ素との結合物を生成させる。国際公開第００／４７７９６号パンフレットに記載されているように、このプロセスは炭化物および／またはそれらの混合物をフッ素およびフッ化物−炭素組成物と合金化させることができる。最も活性に富む化学元素であるフッ素は炭化物の格子内に侵入するときに原子間結合を強める。硬度の増加を生じさせるのは炭化物内における原子間結合の強化である。
【００４４】
合金化効果に加えて、活性フッ素とフッ化物−炭素の組成物は微細な層状かつ非柱状組織を有する堆積物を形成する。堆積物の種々の層は合金化の非均一性によって異なる硬度を有する。
【００４５】
１μｍから２５μｍの範囲内の厚みと２５ＧＰａから４０ＧＰａの範囲内の硬度を有する被膜が施される。国際公開第００／４７７９６号パンフレットに記載されているＣＶＤプロセスは層ごとに硬度の異なる層状被膜組織を生成することが可能である。これは自生発刃効果を達成するために特に望ましい。この被膜は好ましくは低摩擦係数、典型的に超硬合金（ＷＣ／Ｃｏ）に対して０．３未満の摩擦係数を有する。広範囲に及ぶ実験によって、被膜組織、厚み、硬度、および摩擦係数のような被膜パラメータを本発明の利点が得られるように確定した。
【００４６】
本発明の実施形態の切断工具は以下の基材の１つから作製されるとよい。すなわち、超硬合金としても知られている硬質合金、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭素ー炭素組成材料などのセラミック、鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、工具鋼および高速度鋼、および鋳鉄のような種々の鉄含有合金、または以下に列挙される他の材料、すなわち、銅、銀、金、コバルト、ニッケル、珪素、タンタル、ニオブ、バナジウム、タングステン、モリブデン、炭素、ボロン、それらの合金、化合物、および混合物、およびチタニウム合金のような材料の１つから作製されるとよい。
【００４７】
切断工具が鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、工具鋼および高速度鋼、鋳鉄、チタニウム合金などの化学的に活性な基材から作製される場合、フッ化水素に対して化学的に耐性のある材料、例えば、以下に列挙される材料、すなわち、銅、銀、金、コバルト、ニッケル、ロジウム、レニウム、プラチナ、イリジウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、バナジウム、およびボロンから選択される材料からなる中間被膜を堆積するのが好ましい。０．１〜１５μｍ、好ましくは、０．５〜５μｍの厚みを有する中間被膜を、水溶液、溶融電解、化学蒸着または（例えば、マグネトロン溶射による）物理蒸着、または他の方法によって、堆積させるとよい。
【００４８】
好ましくは、ニッケル、銅、またはボロンの中間被膜を有する切断工具をＣＶＤ反応炉内に配置させ、まず、タングステンの内層を堆積させ、次いで、主に炭化タングステンまたはそれらの混合物、またはタングステンと炭素の混合物を堆積させる。ＣＶＤ被膜の全厚みは１μｍから２５μｍの範囲内であるとよく、内層と外層の厚みの比率は１：１から１：６００の範囲内にあるとよい。
【００４９】
被膜を刃先の片側に堆積させた後、他の側を研削または他の技術によって追加的に研ぐとよい。これによって、硬質被膜層と通例では鋼からなるブレード基材からなる刃先が形成される。使用中において、ブレードの基材は磨耗と摩滅によって取り去られ、硬質被膜の薄い層が残る。ブレードの基材が硬質被膜を支持するのに十分でないときに、被膜の微視的断片が典型的には被膜組織の層状パターンに従って脱離する。これによって、柱状組織を有する１つまたは複数の被膜では達成できない尖鋭さを有する滑らかな外科メスに類似のブレードを得ることができる。このブレードを用いることによって、刃先の尖鋭さを実際に高めることができる。
【００５０】
代替的にまたは追加的に、切断作用をさらに改良するために、被切断材料を擦るように作用するブレードの被覆表面の粗さを取除くように追加的に研摩または研削することができる。この追加的な研摩または研削は研磨されたブレードが滑らかに移動し、切断に必要な力を低減させることができるように刃先に沿って一方向に行なうとよい。
【００５１】
本発明を用いて作製された尖鋭さが高められた滑らかな外科メスに類似のブレード刃先は、容易に破損され得る軟質材料、例えば、薄いトイレットペーパをブレードが切断するときに、特に有利である。また、この外科メスに類似のブレードを得るために、研ぎプロセスは被膜または基材のバリおよび突出領域を取除くように研ぎ工具を刃先に沿って移動させるドレッシングまたは研ぎ加工の工程を含むべきであることも本発明者によって見出されている。
【００５２】
本発明をさらによく理解するために、および本発明がいかに実施されるかを示すために、以下の実施例および添付の図面を参照するとよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下に示す実施例は本発明を特にＣＶＤ被膜の使用と関連して説明するものである。しかし、これらの実施例は本発明の範囲をそれらの具体的なプロセスに制限するものではない。何故なら、他のプロセスも必要な特性を有することがあり得るからである。
【実施例１】
【００５４】
一連の試験ブレードを以下の仕様を有するマルテンサイト系ステンレス鋼から作製した。
【００５５】
０．３５％の炭素
１２．５％のクロム
硬度：５４Ｒｃ
寸法：１２０ｍｍ×２５ｍｍ（主エッジ角：１５°／側）
【００５６】
次いで、ブレードの片側のみを以下のようにハーダイド（Hardide）(登録商標）によって被覆した。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
Hardide（登録商標）−Ｈ被膜は０．５μｍ厚みの金属タングステンの補助層と５または１０μｍ厚みのＷ2Ｃの層を有している。Hardide（登録商標）−Ｍは０．５μ厚みの金属タングステンの補助層、１０μｍ厚みの金属タングステンと炭素の層、および２μｍ厚みのＷ2Ｃの最硬質上層を有している。
【００５９】
次いで、ブレードの被覆されていない側を精密ブレードホーニングジグを用いて２０°の角度で３２０グリットの油砥石でホーニング加工した。
【００６０】
［評価方法］
これらブレードをＩＳＯ８４４２．５に準じる尖鋭さと寿命のための切断試験に供した。１０ｍｍ幅のマニラカードの帯片を切断するように規定されたＩＳＯ切断試験機にブレードを取り付けた。カードは９５％のセルロース繊維を含み、残りはシリカである。後者の効果は切断中の磨耗率を増加させることにある。ブレードを５０Ｎの負荷の下で５０ｍｍ／秒の速度で４０ｍｍの距離にわたって前後にサイクル運動させた。サイクル毎のカードの切断量を記録した。この切断量はブレードの尖鋭さの尺度である。最初、全てのブレードに６０サイクルの運動を与えた。
【００６１】
初期の６０サイクルの運動の後、結果を検討し、ブレード５と７をさらに全サイクル数が１０６０になるまでサイクル運動させた。
【００６２】
結果をまとめて表２と図１に示す。比較のため、１５／２０μｍのＣｏ／ＷＣ溶射被膜と標準的なマルテンサイト系ステンレス鋼の代表的な図も示す。
【００６３】
【表２】
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【００６４】
種々のブレードの寿命性能はHardide（登録商標）−Ｈ被膜および多層被膜が刃先の保持に関して良好であることを示している。硬質被膜はブレードの自生発刃作用を生成し、それらの尖鋭さは切断回数と共に大きくなる。添付の図１の曲線ｂ５およびｂ７は切断回数に伴う切断深さの増大を示している。
【００６５】
刃先の基部の金属側が磨耗によって取り去られるにつれて、被膜が先端に露出し、ブレードを徐々に尖鋭にする。しかし、ある時間の後、被膜は部分的に崩壊し、破砕されて鈍化した先端、すなわち、刃先をもたらす。次いで、自生発刃手順は著しいサイクル数にわたって繰り返される。
【００６６】
これらの結果を他の被膜、例えば、典型的なＷＣ／Ｃｏ溶射被膜と比較すると、Hardide（登録商標）被膜が尖鋭さに関して良好であることが明らかである。約１８／２０μｍ厚みの炭化タングステン／コバルト被膜を有するよく知られたキッチンナイフは約１８〜２０ｍｍの初期尖鋭さを呈するのみであり、概略的に同一レベルで保たれる。一方、Hardide（登録商標）被膜を有するナイフはさらに良好な初期尖鋭さを呈し、この尖鋭さは試験期間の全体にわたってさらに高いレベルで維持される。
【実施例２】
【００６７】
ステンレス鋼から作製された一組の家庭用ナイフをニッケル層、タングステン層、および炭化タングステン層からなるＣＶＤ被膜で被覆した。これらのナイフを各ナイフの片側をマスクして真空室内に配置した。被膜は３つの異なる厚みで生成した。すなわち、３本のブレードは６μｍ厚みとし、３本のブレードは９μｍ厚みとし、３本のブレードを１３μ厚みとした。被膜および鋼のバリおよび突出部を除去するように研ぎ工具を刃先に沿って移動させるエッジドレッシングのような研削によって、ブレードの他の側を研いだ。生じた被膜は０．２のＷＣ／Ｃｏに対する摩擦係数を有していた。
【００６８】
ナイフを試験装置によって試験した。具体的には、ナイフに一定負荷を加えて往復運動させることによって、５０ｍｍ厚みのカードボードブロックを切断し、ブロックを切断するのに必要なストローク数を数えた。
【００６９】
試験されたナイフは全てカードボードの第１ブロックを略５ストロークで切断し、このストローク数はほぼ維持され、１００ブロックを切断する試験中に徐々に減少した。比較として、標準的な被覆されていない尖鋭なナイフは第１ブロックを２ないし３ストロークで切断したが、５番目のブロックを切断したときに、刃先が極めて急速に鈍化した結果、ストロークの数が７０ないし１００に増大した。
【００７０】
この試験は被膜が自生発刃性刃先をもたらすことを示している。
【実施例３】
【００７１】
２つのディスク状回転ナイフをニッケル層、タングステン層、および炭化タングステン層からなるＣＶＤ被膜で被覆した。ディスクを真空室に配置し、ナイフの片側に５μｍと１０μｍの２通りの厚みの被膜を施した。被膜の微小硬度は３７００Ｈｖであった。これらのディスク状ナイフを、その刃先をドレッシングし、刃先の他の側を研削することによって、研いだ。刃先の顕微鏡による観察によって、その刃先が滑らかな外科メスに類似の刃先であることがわかった。
【００７２】
ナイフの試験によって、被切断材料（ティシュペーパ）に損傷を与えることなく切断作用を高めることがわかった。標準的なブレードは通常再研ぎ加工を行なうために１２時間ごとに取り替えた。Hardide（登録商標）被覆ブレードは再研ぎ加工を行なうことなく１０週間連続的に使用したが、それらの尖鋭さと促進された切断作用はこの要求されている用途に対して適切に維持された。ブレードの連続作業は１００倍以上延びたが、これはブレードの自生発刃効果によるものである。
【実施例４】
【００７３】
スカイビングとして知られるプロセスによってプラスチック（ポリエチレン）の中実ブロックからポリエチレンフィルムを削り取るための切断工具を工具鋼から尖鋭な刃先を生成するような外形を有する１つまたは２つのコーナを備える長いバーとして作製した。材料とこのプロセスの摩滅性によって、工具は再研ぎ加工のために１日に数回交換しなければならなく、ブレードを継続的に使用できる最長の期間は約１日であった。急速に鈍化する以外に、従来のブレードはプラスチックブロック内の汚染物質によって生じる刃先の欠損によって傷つきやすかった。
【００７４】
４つの切断工具のバーの平坦側をＣＶＤ炭化タングステンで被覆した。被膜厚みは１．５μｍから８μｍの範囲内で変化させた。被膜は３６００Ｈｖの微小硬度と０．２のＷＣ／Ｃｏに対する摩擦係数を有していた。
【００７５】
試験を７ヶ月続け、その試験の全期間にわたって、Hardide（登録商標）被覆工具は一度だけ再研ぎ加工したが、他の切断工具は使用できなかった。これらの試験によって、工具の尖鋭さは通常の工具の寿命よりも少なくとも７０倍長く維持されることがわかった。
【実施例５】
【００７６】
平面を有するブレードを、そのブレードの平坦な側が硬質被膜を有するように、ＣＶＤ炭化タングステンで被覆した。ブレードの他の斜面側を研いだ。
【００７７】
この平面は、試験を停止させる前に、標準的なブレードが研ぎ加工を必要とする期間よりも３倍長い作業期間にわたってブレードの尖鋭さを維持した。この被覆ブレードはさらに長い作業期間にわたってその尖鋭さを維持することが期待される。
【実施例６】
【００７８】
工具鋼から作製された金属切断工具をその刃先の片側に多層ＣＶＤ炭化タングステンで被覆した。被膜は１μｍのニッケルの補助層、０．５μｍのタングステン層、および略１．５μｍ厚みの炭化タングステンと略０．５μｍ厚みのタングステンが交互に積層された全厚みが１０μｍの層からなる。この被膜は０．２のＷＣ／Ｃｏに対する摩擦係数を有していた。
【００７９】
この工具をアルミニウムの切断に用いた。試験によって、この工具が切断品質を高め、アルミニウムの削り屑の付着を低減させ、および尖鋭さを通常の被覆されていない工具の少なくとも４倍長く維持できることがわかった。次いで試験を停止したが、この被覆工具はアルミニウムの切断をさらに継続しながら、同時にその切断によって尖鋭さを維持し、切断部の品質の向上を確保することができることが期待される。
【００８０】
本発明の好ましい特徴は本発明の全ての態様に適応可能であり、いかなる組合せで用いられてもよい。
【００８１】
本明細書の説明および特許請求の範囲を通じて、「備える（comprise)」および「含む(contain)」という用語およびそれらの用語の変形、例えば、「備えている(comprising)」および「備える（comprises)」は「包含するが限定はされない」ことを意味し、他の構成部分、完全体、部分体、添加物、または工程を排除することを意図していない（すなわち、排除するものではない）。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】種々の被膜を有するナイフの切断性能を示すグラフである。
【図１】
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【国際調査報告】
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