(57)【要約】【課題】切れ味および寿命の点で優れた効果を発揮できる木材切削用刃物を提供する。【解決手段】木材切削用刃物は、逃げ面および掬い面のいずれか一面または両面に組成の異なった２つの層（ａ層とｂ層）の硬質皮膜が被覆され、硬質皮膜のａ層は金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下であり、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満であり、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として化合物中に存在し、硬質皮膜のｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌが４０％越え７５％以下であり、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満であり、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、かつ、ｂ層が前記刃物母材の表面直上にある。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼、高クロム合金工具鋼等の工具鋼および超硬合金のいずれかを刃物母材とする木材切削用刃物であって、逃げ面および掬い面のいずれか一面または両面に組成の異なった２つの層（ａ層とｂ層）の硬質皮膜が被覆されており、前記硬質皮膜のａ層は金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下であり、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満であり、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として化合物中に存在し、前記硬質皮膜のｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌが４０％越え７５％以下であり、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満であり、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、かつ、前記ｂ層が前記刃物母材の表面直上にあることを特徴とする木材切削用刃物。
【請求項２】
請求項１記載の木材切削用刃物において、前記ａ層、ｂ層が前記刃物母材にそれぞれ一層以上交互に被覆されていることを特徴とする木材切削用刃物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は木材切削に利用される回転切削用刃物および平削り用刃物等の木材切削用刃物に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材切削用刃物においても切れ味の改善、切削寿命の更なる延長を目的に、刃先への各種材料の被覆が行われるようになってきており、これまでにも多くの提案が見られる。
【０００３】
例えば、特願平１−７５８８９号（特開平２−２５２５０１号公報参照）、特願平２−２５７８６４号（特開平４−１３５１０７号公報参照）において、高速度工具鋼、高クロム合金工具鋼等の工具鋼および超硬合金のいずれかを刃物母材とし、逃げ面または掬い面のいずれか１面に、ＣｒＮ、Ｃｒ２ＮまたはＣｒＮとＣｒ２Ｎの混合物からなるクロム窒化物（以下、単に「クロム窒化物」と記す）に被覆層を厚さ０．５〜６．０μｍ（特願平１−７５８８９号）または０．２〜６．０μｍ（特願平２−２５７８６４号）だけ設けた木材切削用刃物（回転切削用刃物または平削り用刃物）が開示されており、かかる被覆層を設けた木材切削用刃物は、被覆層側刃先の摩耗が抑えられ、従来の被覆層無しのものに比較して、切れ味および寿命に優れた効果が発揮されることが知られている。
【特許文献１】特開平２−２５２５０１号公報
【特許文献２】特開平４−１３５１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の公開公報に記載の被覆層を設けた木材切削用刃物は、被覆層側刃先の摩耗が抑えられ、従来の被覆層無しのものに比較して、切れ味および寿命に優れた効果が発揮されるものであるが、これらの木材切削用刃物よりも切れ味および寿命がさらに優れた木材切削用刃物に対する強い要請がある。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、切れ味および寿命の点で従来例よりも優れた効果を発揮できる木材切削用刃物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ところで、木材切削用刃物の切れ味および寿命は、一般に木材の切削肌の欠陥（目違い、毛羽立ち、逆目ぼれ）等の発生具合で判断される。一方、これは刃物の側からみれば刃先摩耗によって評価することができる。
【０００７】
この点に関し、前述の従来の技術では、クロム窒化物を被覆し相応の効果が得られるが、本発明では更に優れた木材切削刃物を開発すべく、種々切削試験を繰り返し硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性および密着性に及ぼす、様々な元素の影響および皮膜の層構造について詳細な検討を行った結果、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下ＴｉＳｉ系窒化物等と記す）と、ＴｉとＡｌを主成分とした窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下ＴｉＡｌ系窒化物等と記す）に含まれる金属成分を特定値内に制限した皮膜を、それぞれ一層以上交互に被覆し、その際、上述のＴｉＡｌ系窒化物等の皮膜を母材表面直上にし、かつＴｉＳｉ系窒化物等の微細組織構造が、Ｔｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物中に、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として存在するように成膜することで、摩耗の進行をより効果的に抑制することができることを知り、本発明を完成した。
【０００８】
ここに、本発明は、高速度工具鋼、高クロム合金工具鋼等の工具鋼および超硬合金のいずれかを刃物母材とする木材切削用刃物であって、逃げ面および掬い面のいずれか一面または両面に組成の異なった２つの層（ａ層とｂ層）の硬質皮膜が被覆されており、前記硬質皮膜のａ層は金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下であり、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満であり、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として化合物中に存在し、前記硬質皮膜のｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌが４０％越え７５％以下であり、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満であり、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、かつ、前記ｂ層が前記刃物母材の表面直上にあることを特徴とする木材切削用刃物を採用するものである。
【０００９】
また、前記ａ層、ｂ層が前記刃物母材にそれぞれ一層以上交互に被覆されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の木材切削用刃物は、従来例の切削刃物に比べ優れた耐酸化性、耐摩耗性を有すことから、木材切削加工において格段に長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
はじめに、請求項中記載の組成の異なった２つの層のうちの一方のａ層に関して、その構成要件について詳しく述べる。一般にＣｒＮ皮膜は、大気中で酸化テストを行うと、皮膜表面近傍にＣｒが外向拡散し、そこでクロム酸化物層を形成する。本発明者らの研究によれば、このことが耐酸化性向上の理由と考えられるが、この時、このクロム酸化層はより過酷な摩耗状況、すなわち高温雰囲気下に曝された場合、ポーラスな酸化物結晶を形成する。静的である酸化テストにおいては、最表面に形成されたクロム酸化層が、酸化の進行である酸素の内向拡散に対し、酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のクロム酸化層は、そのポーラスな構造から容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し十分な効果を発揮しない。
【００１２】
しかしながら、ＴｉＳｉ系窒化物等は皮膜自体の耐酸化性が極めて高いだけでなく、最表面に酸化保護膜となるＳｉを含有する非常に緻密な複合酸化物層が形成され、また、その直下には酸化保護膜の剥離原因となるポーラスなＴｉ酸化物が形成されないことを確認した。上記効果を得るには、Ｓｉが皮膜の金属成分のみの原子％で、１０％以上含有していなければならず、逆に６０％を越えて含有すると、皮膜の延性ないしは硬さの低下が顕著になり、切削刃物としての使用に耐えられなくなる。
【００１３】
ａ層に含まれるＢ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、ＴｉＳｉ系窒化物等の皮膜中において固溶強化元素として働き、皮膜の高硬度化に有効である。必要に応じＢ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上を微量添加することが望ましい。しかしながら、皮膜の金属成分のみの原子％で１０％以上添加すると、前述したＳｉ含有による耐酸化性向上効果が得られなくなる。よって、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、１種または２種以上で１０％未満とする。
【００１４】
更に、ａ層の微細組織は、Ｔｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物中に、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として存在する構造にすることで高硬度化が達成でき、著しく耐摩耗性に優れた皮膜が得られる。この様な構造を持つ皮膜、つまり、ａ層を形成するには、アーク放電方式イオンプレーティングや、スパッタリングといった物理蒸着法の違いや、同様の手法であっても成膜装置の基本的な仕様によって、その絶対値は異なるものの、被覆の際、基体に印加するバイアス電圧を−１０〜−１００Ｖといった比較的低い値にすることで達成できる。
【００１５】
他方のｂ層中のＡｌの役割は、皮膜の耐摩耗性および耐酸化性を向上させることである。皮膜中におけるＡｌ含有量が少ないほど、母材と皮膜の密着性は良好となるが、皮膜の金属成分のみの原子％で、Ａｌが４０％以下となると、皮膜の耐摩耗性、耐酸化性を向上させる効果が得られない。しかしながら、７５％を越えて含有すると、母材と皮膜の密着性が劣化するだけでなく、逆に皮膜の硬さも低下し、工具として必要な耐摩耗性が得られない。そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得るためには、ｂ層のＡｌ含有量を、皮膜の金属成分のみの原子％で、４０％越え７５％以下に調整することが重要である。
【００１６】
Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、ＴｉＡｌ系窒化物等の皮膜中において固溶強化元素として働き、皮膜の高硬度化に有効である。そのため、必要に応じＢ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上を微量添加することが望ましい。しかしながら皮膜の金属成分のみの原子％で１０％以上添加すると、母材と皮膜の密着性が低下する。そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得るためには、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは１種または２種以上で１０％未満とする。
【００１７】
上述のように、本発明においては母材との密着性、皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス良く有すｂ層を母材表面直上に被覆し、その上に著しく耐酸化性、耐摩耗性に優れるａ層を被覆することが極めて重要であり、その結果、刃先近傍の被覆層の摩耗の進行を効果的に抑制し、長期間に亘って切れ味および寿命を向上させることができる。
【００１８】
また、母材表面直上にｂ層を被覆した後、ａ層ならびにｂ層をそれぞれ交互に積層した多層皮膜によっても同様の効果が得られる。また、各層は必要に応じて窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかに調整でき、それらを被覆した木材切削用刃物についても同様の効果が得られる。本発明の木材切削用刃物は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆母材への熱影響、刃物の疲労強度、皮膜の密着性、およびａ層とｂ層の整合性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング等の被覆母材側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法であることが望ましい。
【００１９】
本発明はスローアウエイ式鉋刃には勿論のこと、逃げ面または掬い面にいずれかから成型加工または再研磨される鉋刃等の、木材切削用の刃物に幅広く応用できる。
（実施例）
次に、比較例および従来例とともに本発明の実施例をさらに具体的に説明する。
【００２０】
本発明と比較例の硬質皮膜の形成は、次のように行なった。すなわち、小型アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２ガス、ＣＨ４ガス、Ａｒ／Ｏ２混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被覆基体温度４００°Ｃ、反応ガス圧力３．０Ｐａの条件下にて、被覆基体である超硬合金製木材加工用刃物に、全皮膜の厚みが４μｍとなるように成膜を行った。なお、本発明の実施例の全てと、比較例５１〜５８については、−３０Ｖのバイアス電圧を印加し成膜したが、比較例５９については、−２００Ｖのバイアス電圧を印加し成膜した。また、従来例については、全て−１００Ｖのバイアス電圧を印加し成膜した。
【００２１】
表１に本発明の実施例、表２に比較例、表３に従来例の硬質皮膜に関する詳細およびそれらの切削結果を示す。本発明の硬質皮膜のａ層中のＳｉ３Ｎ４ならびにＳｉの有無についてはＸＰＳにて確認を行い、Ｓｉ３Ｎ４ならびに（もしくは）Ｓｉの存在が認められた皮膜については表中に記した。なお、表１〜３に関する説明は後述する。
【００２２】
なお、表１中のＴｉ、Ｓｉ、Ａｌ等の直後の数字は、直前の元素の原子％を表すものであり、例えば、Ｔｉ７７Ｓｉ２３は、組成が原子％７７のＴｉと原子％２３のＳｉであることを意味する。また、表１、２中ではＳｉ３Ｎ４をＳｉ３Ｎ４と表記している。さらに、表３中ではＣｒ２ＮをＣｒ２Ｎと表記している。
【００２３】
【表１】
2007290180.tif 000002
【００２４】
【表２】
2007290180.tif 000003
【００２５】
【表３】
2007290180.tif 000004
【００２６】
次に、切削について説明すると、前述のように形成されて得られた硬質皮膜被覆した木材加工用刃物を用い、次の切削条件にて、刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となるまで加工を行い、その時の加工時間を工具寿命とした。使用した刃物は替え刃式カッターで、呼称カマオス、刃物外径Φ７５ｍｍの２枚刃（１７×１２×厚み１．５ｍｍ）を用いた。評価に使用した機械はプレカットマシン（株式会社平安コーポレーション製プレカットマシンＦＫシリーズ）を用いた。回転する主軸にオス・メス専用の替刃式カッターを取り付けて、木造住宅部材としての腰掛アリ継ぎ、大入れアル継ぎ、腰掛カマ継ぎ、根太彫りから一般平ホゾなどの加工を行った。切削は、回転数９０００ＲＰＭ，送り速度２ｍ／ｍｉｎ．で行った。
【００２７】
表１、表２および表３より明らかなように、本発明の実施例は、比較例ならびに従来例と比べて、工具寿命が著しく向上しており、木材の切削加工に十分対応することがわかる。比較例５２は、皮膜の組成については本発明に含まれるものであるが、皮膜の層構造が異なるため、木材の切削において、皮膜の剥離が早期に生じ、非常に短寿命となった。比較例５９は、皮膜の組成、層構造については本発明に含まれるものであるが、ａ層には、Ｓｉ相のみしか存在していないため、十分な皮膜硬さが得られず本発明例に比べ短寿命となった。また、比較例５７のようにｂ層のＡｌ含有量が著しく多い場合は、切削中に母材とｂ層の界面より剥離が生じ、極端な短寿命となった。