CN103934484B - 刀具工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，该初期磨损层具有由网状连接的凹部和由凹部包围的隆起部（31）构成的表面构造。隆起部（31）的平均宽度设为5～50nm。初期磨损层的物理参数与位于初期磨损层下方的无机固体材料的物理参数不同，且在初期磨损层和无机固体材料之间不具有固相界面。

Description

刀具工具
技术领域
本发明涉及一种刀具工具，特别是涉及机械耐久性优异且能够进行高精度的加工的刀具工具。
背景技术
关于设于刀具工具的前端的切削刃，已知有将其刃口(刀尖)加工成怎样的形状会很大程度上左右其性能。对图1(a)所示的切削刃刃口11，若如图1(b)所示地通过研磨等使刃口锐利化，则虽然增加了锋利度，但如图1(c)所示地在使用时容易引起刃口的崩刃12，使机械耐久性劣化。需要说明的是，图1(c)中向下的箭头表示“使用刀具工具”。
另一方面，为了增大切削刃刃口的强度，设置被称为刻面及倒棱的倒角(以下称为刻面)(例如，参照日本特开2004－58168号公报)。图1(d)表示在图1(b)所示的切削刃刃口11’的一面形成有刻面13的例子，图1(e)表示在切削刃刃口11’的两面形成有刻面14的例子。例如，如图1(e)所示，若在切削刃刃口11’形成刻面14，则如图1(f)所示在使用时不易产生崩刃，不易损伤。需要说明的是，图1(f)中向下的箭头表示“使用刀具工具”。
但是，即使在切削刃刃口形成刻面，也能以将加工成平面或加工成曲面等的形状、角度及宽幅等设计为最佳值。这是因为，在使用刀具工具时向加工装置的安装误差及加工装置的晃动等事前不知道的因素较多。即使事前知道这些使用条件，进行最佳设计也不简单。
若不使刻面形状最优化，则即使是图2(a)所示地形成有刻面14的切削刃刃口15，也会如图2(b)所示地在刃口产生裂纹16，如图2(c)所示地由裂纹16产生崩刃17。这样的崩刃一个接一个地产生，结果，切削刃刃口如图2(d)所示地产生作为刀具工具的功能劣化，不能使用的严重问题。另外，可以预想到刻面形状的最佳值根据被加工材料的种类及加工条件的不同而不同。
发明内容
鉴于这样的状况，本发明的目的在于提供一种即使不进行刻面的宽度及角度、曲率半径等的最优化，机械耐久性也优异且能够进行高精度的加工的刀具工具。
本发明第一方面的刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，初期磨损层具有由网状连接的凹部和由凹部包围的隆起部构成的表面构造，隆起部的平均宽度设为5～50nm，初期磨损层的物理参数与位于初期磨损层下方的无机固体材料的物理参数不同，且在初期磨损层和无机固体材料之间不具有固相界面。
本发明第二方面的刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，初期磨损层具有由网状连接的凹部和由凹部包围的隆起部构成的表面构造，隆起部的平均宽度设为5～50nm，初期磨损层的杨氏模量比位于初期磨损层下方的无机固体材料的杨氏模量小，且在初期磨损层和无机固体材料之间不具有固相界面。
本发明第三方面的刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，初期磨损层具有由网状连接的凹部和由凹部包围的隆起部构成的表面构造，隆起部的平均宽度设为5～50nm，初期磨损层的密度比位于初期磨损层下方的无机固体材料的密度小，且在初期磨损层和无机固体材料之间不具有固相界面。
本发明第四方面的刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，所述初期磨损层具有由网状连接的凹部和由所述凹部包围的隆起部构成的表面构造，所述隆起部的平均宽度设为5～50nm，初期磨损层的硬度比位于初期磨损层下方的无机固体材料的硬度小，且在初期磨损层和无机固体材料之间不具有固相界面。
本发明第五方面的刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，初期磨损层具有由网状连接的凹部和由凹部包围的隆起部构成的表面构造，隆起部的平均宽度设为5～50nm，初期磨损层具有非晶构造，位于初期磨损层下方的无机固体材料具有晶体构造，在无机固体材料和初期磨损层的边界区域具有从无机固体材料向初期磨损层，从晶体构造逐渐向非晶构造变化的构造。
本发明第六方面的刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有用于使切削刃刃口使用时的应力集中部分快速磨损，使刻面的形状最优化的、比无机固体材料更容易磨损的厚度5nm以上的初期磨损层，初期磨损层的物理参数与位于初期磨损层下方的无机固体材料的物理参数不同，且在初期磨损层和无机固体材料之间不具有固相界面。
本发明第七方面，在上述第一～第六方面中的任一方面的基础上，初期磨损层通过气体团簇离子束的照射而形成。
根据本发明，能够得到机械耐久性优异且能够进行高精度的加工的刀具工具。
附图说明
图1是用于说明对切削刃刃口形成刻面的效果的图，(a)表示切削刃刃口，(b)表示锐利化后的刃口，(c)表示崩刃的刃口，(d)表示在一面形成刻面的切削刃刃口，(e)表示在两面形成刻面的切削刃刃口，(f)表示在使用时不易产生崩刃的刃口；
图2是用于说明未使刻面最优化的情况下的崩刃的产生的图，(a)表示形成刻面后的切削刃刃口，(b)表示产生了裂纹的刃口，(c)表示产生了崩刃的刃口，(d)表示功能劣化的刃口；
图3中的(a1)～(a5)是用于说明切削刃刃口的局部作为裂缝及崩刃而脱离的模式的图，图3中的(b)、(c)是用于说明切削刃刃口的局部作为裂缝及崩刃而脱离的模式的照片，图3中的(d)、(e)是用于说明切削刃刃口的局部作为裂缝及崩刃而脱离的模式的示意图；
图4中的(a1)～(a7)是用于说明切削刃刃口的局部以纳米级单位逐次脱离的模式的图，图4中的(b)、(c)、(f)是用于说明切削刃刃口的局部以纳米级单位逐次脱离的模式的照片，图4中的(d)、(e)是用于说明切削刃刃口的局部以纳米级单位逐次脱离的模式的示意图；
图5中的(a1)～(a4)是用于说明在初期磨损层与基底材料之间具有固相界面的情况下的初期磨损层的剥落的图，图5中的(b)、(c)是用于说明在初期磨损层与基底材料之间具有固相界面的情况下的初期磨损层的剥落的照片，图5中的(d)是用于说明在初期磨损层与基底材料之间具有固相界面的情况下的初期磨损层的剥落的示意图；
图6中的(a)是用于说明本发明中的初期磨损层的构造和磨损的机制的照片，图6中的(b)、(c)、(d)、(e)、(f)是用于说明本发明中的初期磨损层的构造和磨损的机制的图；
图7中的(a)是表示本发明中的初期磨损层的构造和磨损的情形的照片，图7中的(b)、(c)、(d)、(e)是表示本发明中的初期磨损层的构造和磨损的情形的图；
图8是表示刀具工具的形状例的图，(a)是形成刻面前的刀具工具的形状例，(b)是形成刻面后的刀具工具的形状例；
图9是表示刀具工具的其它形状例的图，(a)是直线状切削刃，(b)是圆盘状切削刃，(c)是旋转立铣刀状切削刃；
图10中的(a)、(b)、(d)是表示气体团簇离子束照射前后的切削刃刃口的状态的照片，图10中的(c)、(e)是表示气体团簇离子束照射前后的切削刃刃口的状态的图；
图11中的(a)、(b)是表示气体团簇离子束照射后的切削刃刃口的状态的照片，图11中的(c)、(d)是表示气体团簇离子束照射后的切削刃刃口的状态的图；
图12(a)是表示气体团簇离子束照射后的切削刃刃口的状态的照片，图12(b)是表示气体团簇离子束照射后的切削刃刃口的状态的图；
图13是表示刻面为曲面的例子的图，(a)是没有刻面的切削刃刃口，(b)是刻面全由曲面构成的例子，(c)是刻面是由两个平面部和连接这些平面部的曲面部构成的例子，(d)是刻面由三个曲面部构成，曲面部稍为凹面的例子；
图14是表示在切削加工试验中形成的槽形状的图；
图15是表示切削加工试验的试验结果的表；
图16是表示本发明的刀具工具的使用后的刻面形状的图，(a)是刀具工具使用前的刻面的形状，(b)是对超硬合金进行切削加工后的刻面的形状，(c)是对铜进行切削加工后的刻面的形状，(d)是对铝进行切削加工后的刻面的形状。
具体实施方式
首先，对实现本发明的过程及本发明的要点进行说明。
在切削刃刃口形成刻面的情况下，通常大多是在首先形成锋利的刃口后，除去该刃口的一部分而形成。关于使用硬质材料的刀具工具，由于利用其硬度，故而刻面也以母材的硬质材料自身形成。另外，有时也会在切削刃刃口进行涂敷以提高耐久性，但在该情况下，涂敷有耐磨损性比母材更优异的材料。作为该耐磨损性优异的材料的性质，大多具有硬度高、杨氏模量大、密度大等性质中的至少一种。
这样，在现有的技术中，为了提高切削刃刃口的机械耐久性，认为必须提高切削刃刃口自身的耐磨损性。
对此，本发明通过在形成于切削刃刃口的刻面形成容易磨损的层即初期磨损层，从而提高切削刃刃口自身的机械耐久性。本发明的技术本质上为与现有技术中所使用的提高切削刃刃口自身的耐磨损性的技术不同的方法。
接着，对为什么在刻面形成初期磨损层即可提高切削刃刃口自身的机械耐久性进行说明。
在未形成刻面的切削刃刃口，在处于切削刃刃口的微裂纹等产生应力集中，以此为起点而产生损伤。若在切削刃刃口形成刻面，则即使存在微裂纹也会缓和应力集中，因此，不易产生损伤。切削刃刃口的磨损损伤以以这种应力集中部位为起点而脱落的方式产生，该应力集中部位脱落的结果，缓和应力集中，因此，脱落停止，该部位不再磨损。关于形成有刻面的切削刃刃口，若这种磨损进一步发展，则切削刃刃口的形状有时会钝化，但也有时会变得锋利。另外，往往即使整体钝化，也会局部形成锋利的部位，在磨损发展的情况下的切削刃刃口的形状取决于应力集中的方式，因此，难以笼统地预想会成为怎样的形状。但是，在以缓和应力集中的方式磨损的情况下，切削刃刃口变得锋利也好，钝化也好，由于难以产生应力集中，因此，磨损的发展变得非常缓慢。
接着，对切削刃刃口的磨损损伤的形态进行详细研究。图3(a1)～图3(a5)表示切削刃刃口作为裂缝及崩刃而损伤的模式的例子。在形成于切削刃刃口的刻面14(参照图3(a1))如图3(a2)所示地产生裂纹16，从这里起如图3(a3)所示地开始裂缝。这种裂缝18及崩刃大多会再次形成锐利的刃口19。由该裂缝18新形成的锐利的刃口19容易受到应力集中，如图3(a4)、(a5)所示，会诱发进一步的裂缝18’及崩刃。这样，即使切削刃刃口的刻面14的损伤发展，也不会缓和应力集中，因此，损伤会继续发展，刀具工具的寿命即将结束。另外，图3(b)、(c)的照片分别是从上方(从前端)观察到的与图3(a1)、图3(a5)所示的状态对应的刻面14的图，图3(d)、(e)分别是在图3(b)、(c)用虚线表示的部分的剖面形状的示意图。
另一方面，图4(a1)～(a7)表示切削刃刃口由于裂缝及崩刃而损伤，而是逐渐磨损的逐次磨损模式的例子。在该模式中，产生切削刃刃口的表面层的原子以纳米级单位逐次脱离的现象。在力作用于切削刃刃口的刻面14(参照图4(a1))的情况下，应力最大的部分以1原子～数10nm直径程度的小单位逐渐脱离的情形示于图4(a2)～(a6)。若产生该纳米级单位下的脱离，则该部分成为平滑的形状，故而不易产生应力集中，不易磨损。另外，若继续使用刀具工具，则在其它场所会产生同样的纳米级单位的脱离。反复如此，切削刃刃口的形状发生变化。在实际的例子中，在切削刃刃口形成两个刻面，若使用将其前端刃口的曲率半径设为0.5μm程度的刀具工具，则刻面的对称性瓦解，切削刃刃口比初期锋利，其曲率半径成为0.1μm程度。另外，在切削刃刃口完全看不到裂缝及崩刃。
这样，图4(a1)所示的初期的刻面形状发生变化，如图4(a7)所示，成为进一步缓和应力集中的稳定的形状，在刀具工具使用中自动形成适合该使用条件的刻面形状。另外，图4(b)、(c)的照片分别是从上方观察到的与图4(a1)、图4(a7)所示的状态对应的刻面14的图，图4(d)、(e)分别是在图4(b)、(c)中用虚线表示的部分的剖面形状的示意图。另外，图4(f)的照片是将图4(b)的局部(图4(b)中由四角包围的部分)放大的图。
如上，为了提高切削刃刃口的机械耐久性，重要的条件是，避免产生图3中说明的裂缝及崩刃的损伤模式，且进入产生图4中说明的逐次磨损的状态。为了从刀具工具的使用初期抑制裂缝及崩刃，进行逐次磨损模式，起初就要明确关键是预先形成容易磨损的初期磨损层。另外，为了成为自动形成适合使用条件的刻面形状的状况，我们经过深入研究，结果明确以下两点非常重要。
(a)在初期磨损层和基底材料之间没有固相界面
(b)初期磨损层的表面具有由连接成网状的凹部、和由该凹部包围的隆起部形成的表面构造
图5(a1)～(a4)是表示在切削刃刃口的刻面14，与上述(a)条件相反，在初期磨损层21和基底材料22之间具有固相界面23的情况下的状况的图。产生这种固相界面23的典型方法是通过蒸镀等成膜法形成初期磨损层21。这样，若在初期磨损层21和基底材料22之间形成固相界面23，则如图5(a2)～(a4)所示，固相界面23因为应力集中而使裂痕24容易扩散，容易产生膜剥落25，因此，会受到初期磨损层21自身剥落等大损伤。由此，不会产生初期磨损层21的逐次磨损，不会自动形成适合缓和应力集中的刻面形状。图5(b)、(c)的照片是从刻面14的上方观察到的在刻面14的表面通过成膜形成初期磨损层21的状态及初期磨损层21剥落后的状态的照片，图5(d)是对图5(c)进行绘图的图。在图5(d)中，部分26表示初期磨损层21剥落的部分。另外，在膜剥落部位形成锐利的刃口等，再次形成应力集中部位。由于这样，因此，若在初期磨损层21和基底材料22之间具有固相界面23，则不会自动生成耐久性高的切削刃刃口形状。
在刀具工具使用中，对为了自动生成适合其使用条件的刻面形状而必须的另一条件(b)进行研究。图6(a)表示初期磨损层的表面构造的SEM(扫描式电子显微镜)图像。可知，在其表面具有宽度为数10nm程度的隆起部。在SEM图像上描绘有其隆起部的示意图。另外，观察隆起部31的剖面，如图6(b)所示的示意图那样地在与基底的材料之间没有固相界面。另外，作为该隆起部31的特性，具有如下至少一个，即：与基底材料的特性相比，硬度小；与基底材料的特性相比，杨氏模量小；与基底材料的特性相比，密度小。没有固相界面，材料特性发生变化是指，在初期磨损层和基底材料之间至少具有材料特性连续地逐渐发生变化的区域。需要说明的是，从图6(c)到图6(f)的箭头表示图6(a)的虚线部分的截面。
图6(c)～(f)是示意性地表示对隆起部31施力的情况下的变化的图。在对隆起部前端施力的情况下，例如由于硬度比基底小，隆起部前端如图6(d)所示地发生弹性变形或塑性变形而缓和应力集中。需要说明的是，图6(c)(d)的斜向箭头表示“力”。尽管如此，若强烈施力，则隆起部前端的一部分如图6(e)所示地以纳米级单位逐渐脱离。隆起部前端仅施力最大的部分脱离，因此，发生变形以缓和应力集中。若这种情况反复发生，则典型地，隆起部前端在外观上如图6(f)所示地变化成带有圆弧的形状。
图7(a)是表示与图6(a)相同的照片的图，图7(b)～(e)是表示隆起部31如上述所述地变化，且进一步磨损的情形的图。若继续使用刀具工具，则如图7(e)所示，隆起部、即初期磨损层自身不再磨损，在施力最大的部分露出基底材料。此时，沿在切削刃刃口施加的应力分布，磨损顺畅地进行，因此，切削刃刃口成为平滑的形状，不产生裂纹，且不产生裂缝及崩刃。这样，适合刀具工具的使用条件的刻面形状在使用中自动形成。另外，强烈施力的表面的初期磨损层消失，发挥了材料本来的耐磨损性。
以下，对本发明的实施方式进行说明。
例如，如图8(a)所示，本实施方式的刀具工具40在块状的材料形成切削刃41，典型地，具有前刀面42和后刀面43。图8(b)所示的刀具工具40’在图8(a)的刀具工具40形成有刻面44。另外，如分别在图9(a)～(c)所示的直线状切削刃51、圆盘状切削刃52、旋转立铣刀状切削刃53那样地，只要形成有切削刃，则刀具工具可以为任意形态。
作为原材料，只要是硬质的非金属的无机固体材料，则能够使用任意的材料，但典型的有单晶体金刚石、无粘合剂cBN(立方氮化硼)、多晶体金刚石烧结体、cBN烧结体、碳化钨烧结体(也称超硬合金)、氧化铝烧结体及氧化锆烧结体等陶瓷材料等。另外，单晶硅及玻璃等脆性材料也能够作为刀具工具材料而使用。另外，在本发明中，“非金属的无机固体材料”是指“含有硬质的无机固体材料的材料”，作为无机固体材料并非完全排除含有金属。这是由于，作为切削刃而起作用的主体如果是非金属的无机固体材料，则可以发挥本发明的作用效果。例如，在碳化钨烧结体中，使硬质的非金属的无机固体材料即碳化钨粒子具有以钴等金属为粘合剂而结合的构造，作为切削刃起作用的主体变成碳化钨粒子。
作为形成切削刃的方法，通过激光加工及金属丝放电加工等对刀具工具的外形进行整理后，通过研磨等形成切削刃。在单晶体金刚石及无粘合剂cBN这样的硬材料中，大多采用被称为旋刮研磨的方法。
作为典型例，通过激光加工从无粘合剂cBN原材料切出长2mm、高宽都是1mm。然后，通过金刚石砂轮对各面进行研削以整理形状，切削刃部分通过旋刮车床进行研磨精加工。刀尖角设为65度，切削刃刃口前端的曲率半径设为约50nm。
对该切削刃刃口形成刻面。作为刻面形成方法，能够采用通过浸渍金刚石研磨膏的旋刮车床对切削刃刃口以倒角的方式进行研磨的方法。作为其它的方法，通过对切削刃刃口照射气体团簇离子束(GCIB)也能够实现。该情况下的典型的条件为作为原料气体使用氩气、加速电压20kV、照射剂量能够使用3×1018ions/cm2。作为原料气体，只要是形成气体团簇的气体，则不作特别限定。关于加速电压及照射剂量也能够在设计事项的范围变化。
图10(a)的照片是对气体团簇离子束照射前的切削刃刃口61从上方进行SEM观察的照片，图10(b)的照片是将图10(a)放大的照片。另外，图10(d)的照片是表示气体团簇离子束照射后的切削刃刃口61的状态的照片。需要说明的是，从图10(b)向图10(d)的箭头表示“照射GCTB”。另外，图10(c)、(e)分别表示从侧面观察图10(b)、(d)的形状。由图10(d)的照片可知，在切削刃刃口61形成有两个刻面62。图11与图10(d)、(e)相同，是用照片及相对照片的绘图对气体团簇离子束照射后的切削刃刃口61的状态进行表示的图，图12(a)是将图11(a)的照片放大的图。另外，图12(b)是对图12(a)的照片的局部(刻面)进行绘图的图。从图12(a)、(b)可知，刻面的局部成为曲面。
形成于切削刃刃口的刻面并非必须为多个，只要至少有一个即可。刻面可以为平面、也可以为曲面，或还可以为它们的组合。若刻面表面为曲面，则刻面能够与切削刃刃口平滑地连接，缓和切削刃刃口的应力集中并能够进一步提高机械耐久性。
图13表示曲面刻面的例子。图13(a)是作为比较，表示没有刻面的切削刃刃口61的图，图13(b)～(d)是表示曲面刻面的各种例子的图。在图13(b)中，刻面63全部由曲面构成。在图13(c)中，刻面64由两个平面部64a、64b和连接这些平面部64a、64b的曲面部64c构成。在图13(d)中，刻面65由三个曲面部65a～65c构成，曲面部65a、65b如图所示稍为凹面。在基于上述气体团簇离子束照射的刻面形成方法中，还有一重大特征是，能够容易将刻面表面如图13所示地形成平滑的三维曲面。
接着，在切削刃刃口的刻面表面形成初期磨损层。作为初期磨损层的形成方法，不能使用在基底材料和初期磨损层之间存在固相界面那样的形成方法。例如，通过CVD(ChemicalVaporDeposition：化学气相沉积)法对类金刚石碳进行成膜那样的方法会生成固相界面，因此不能采用。如上所述，这是由于若具有固相界面则会以其为起点剥落。另外还由于剥离部分会形成陡峭的台阶差及刃口而容易产生应力集中，因此，会促进切削刃刃口的崩刃及裂缝。
作为以避免生成固相界面的方式形成初期磨损层的方法，通过在材料表面照射气体团簇离子束能够实现作为深入研究的结果已非常明确。在现有的技术研究中，有如下见解，若在材料表面照射气体团簇离子束，则材料表面平坦化，作为其平坦化的效果，变得不易磨损。但是，在本发明起初就已明确，若通过气体团簇离子束照射形成某种隆起构造，则相反容易磨损。在形成隆起构造的同时，关于材料表面物质，通过使初期排列构造变化而不生成明确的固相界面。只要进行这样的气体团簇离子束照射即可，例如照射能量必须比原子间结合能量大。即，构成气体团簇的每个原子具有的能量只要在数eV以上即可，典型地，例如构成原子数为1000个，在各原子具有5eV以上的能量时，作为照射能量只要在5keV(加速电压5kV)以上即可。另外，原料气体的种类等其它条件并未特别限定。
但是，并非如上述只要不生成固相界面什么都可以，初期磨损层具有由连接成网状的凹部、和由凹部包围的隆起部构成的表面构造。隆起部的平均宽度设为5～50nm，初期磨损层的物理参数与位于初期磨损层下方的上述无机固体材料的物理参数不同。关于隆起部的平均宽度，若过小，则在变形以缓和应力集中前，构造变化饱和，不能发挥功能，因此，必须在5nm以上。相反，若隆起部的平均宽度过大，则难以缓和应力集中，实质上，与没有隆起部的构造一样会产生应力集中，因此，必须设为50nm以下。
作为这种初期磨损层的形成方法，与上述一样，能够采用在刻面表面照射气体团簇离子束的方法。这也可以在刻面形成时同时进行。作为该初期磨损层及无机固体材料的物理参数，可选择与机械耐久性相关的物理参数，具体而言，能够举出杨氏模量、密度、硬度等。作为其它的与机械耐久性相关的物理参数，也可以采用非晶度(晶体化度)、空隙率等。即，只要是初期磨损层自身的磨损速度变大的物理参数则可采用任何参数。
作为物理参数，在采用杨氏模量的情况下，初期磨损层的杨氏模量比位于初期磨损层下方的无机固体材料的杨氏模量小。作为物理参数，在采用密度及硬度的情况下，初期磨损层的密度及硬度比位于初期磨损层下方的无机固体材料的密度及硬度小。另外，在采用例如非晶度(晶体化度)作为物理参数的情况下，初期磨损层具有非晶构造，位于初期磨损层下方的无机固体材料具有晶体构造。在该情况下，在无机固体材料和初期磨损层的边界区域，具有从无机固体材料向初期磨损层从晶体构造逐渐向非晶构造变化的构造。此时，初期磨损层的非晶度比位于初期磨损层下方的无机固体材料的非晶度大。
基于气体团簇离子束照射的初期磨损层仅在刻面表面形成即可，但不必在前刀面及后刀面形成。在前刀面及后刀面也照射气体团簇离子束，也可以在切削刃整体形成初期磨损层。形成初期磨损层的刻面的宽度及长度等形状只要与在到目前为止的刀具工具中所使用的例子一致即可。关于初期磨损层的厚度，为了使隆起部构造有效地起作用，必须在其平均宽度以上，具体而言，只要设为5nm以上即可。另外，明确的是，作为初期磨损层的形成方法，不限定于气体团簇离子束照射，只要是为在上述作用中说明的结构的方法，任何方法都可以。
形成为上述结构的本实施方式的刀具工具，在处于切削刃刃口的刻面形成有初期磨损层，初期磨损层在使用刀具工具中从应力大的部位逐渐磨损，自动成为不产生应力集中的刻面形状。不使用本发明的刀具工具的话，磨损不逐渐发展，而是崩刃及裂缝从微裂纹及固相界面等应力集中部位发展。在本发明的刀具工具中，磨损发展到某种程度后，由于本来的具有耐磨损性的材料内部露出，因此，磨损难以再发展。这样，本发明的刀具工具即使不对设于切削刃刃口的刻面的宽度及长度、曲率半径等进行最优化，也能以宽泛的切削条件提高机械耐久性，生产性良好地实现机械耐久性高的刀具工具。
以下，使用下述所示的本发明的实施例1、现有例1、比较例1、比较例2来表示进行了切削加工试验的结果。
·实施例1：在包含刻面的切削刃刃口的整个表面形成有初期磨损层的刀具工具(初期磨损层的厚度为100nm)
·现有例1：相对于实施例1，没有初期磨损层的刀具工具
·比较例1：在包含刻面的切削刃刃口的整个表面，作为在初期磨损的层通过CVD法形成类金刚石碳，具有固相界面的刀具工具
·比较例2：相对于实施例1，使初期磨损层的隆起部的平均宽度比50nm大的刀具工具
刀具工具为图8(b)所示的形状，材料为无粘合剂cBN。使用该刀具工具在平削车床进行切削。通过SEM(ScanningElectronMicroscope：扫描式电子显微镜)对在钢材(日本工业标准SKD11)70形成有50条图14所示的宽300μm、深100μm、长5mm的槽71后的刀具工具的切削刃刃口的卷刃进行观察，通过光学显微镜观察被加工材表面的质地。结果示于图15的表中。
如表1所示可知，在现有例1及比较例1、2中，切削刃刃口产生卷刃，该卷刃集积而变化成较大的脱落，结果，被加工材的表面质地的粗糙度变大，变得模糊。与这些现有例1及比较例1、2相对，实施例1在切削刃刃口的刻面表面形成的初期磨损层逐渐磨损，以缓和应力集中的方式使刻面形状发生变化。作为其结果，可防止切削刃刃口的卷刃，被加工材的表面成为镜面，实现了高精度加工。
另外，即使在使用与实施例1相同的刀具工具使被加工材的材质变化为超硬合金、铜、铝等、或使切削速度发生变化、或者使刀具工具的安装精度发生变化的情况下，也能够得到相同的结果。使用刀具工具，以产生应力集中的缓和的方式使初期磨损层磨损以使切削刃刃口变形的情形示例于图16。图16(a)是表示刀具工具使用前的刻面80的形状的图，图16(b)～(d)是分别表示对超硬合金、铜、铝分别进行切削加工后的刻面81、82、83的形状的图。
如图16所示例，关于刀具工具的使用前后的形状变化，不仅是刻面从平面变化成曲面，而且还产生刻面为两面的进一步附加微细的倒角形状、或由两面变成一面、或刻面角度发生变化的情况。这表示，在实施例的刀具工具中，即使不对设于切削刃刃口的刻面宽度及长度、曲率半径等进行最优化，也能在宽泛的切削条件下提高机械耐久性(增大切削刃刃口强度)，生产性良好地实现机械耐久性高的刀具工具。

Claims (7)

1.一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于，
在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，所述初期磨损层具有由网状连接的凹部和由所述凹部包围的隆起部构成的表面构造，
所述隆起部的平均宽度设为5～50nm，
所述初期磨损层的物理参数与位于所述初期磨损层下方的所述无机固体材料的物理参数不同，且在所述初期磨损层和所述无机固体材料之间不具有固相界面。
2.一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于，
在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，所述初期磨损层具有由网状连接的凹部和由所述凹部包围的隆起部构成的表面构造，
所述隆起部的平均宽度设为5～50nm，
所述初期磨损层的杨氏模量比位于初期磨损层下方的所述无机固体材料的杨氏模量小，且在所述初期磨损层和所述无机固体材料之间不具有固相界面。
3.一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于，
在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，所述初期磨损层具有由网状连接的凹部和由所述凹部包围的隆起部构成的表面构造，
所述隆起部的平均宽度设为5～50nm，
所述初期磨损层的密度比位于所述初期磨损层下方的所述无机固体材料的密度小，且在所述初期磨损层和所述无机固体材料之间不具有固相界面。
4.一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于，
在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，所述初期磨损层具有由网状连接的凹部和由所述凹部包围的隆起部构成的表面构造，
所述隆起部的平均宽度设为5～50nm，
所述初期磨损层的硬度比位于所述初期磨损层下方的所述无机固体材料的硬度小，且在所述初期磨损层和所述无机固体材料之间不具有固相界面。
5.一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于，
在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨损层，所述初期磨损层具有由网状连接的凹部和由所述凹部包围的隆起部构成的表面构造，
所述隆起部的平均宽度设为5～50nm，
所述初期磨损层具有非晶构造，位于所述初期磨损层下方的所述无机固体材料具有晶体构造，在所述无机固体材料和所述初期磨损层的边界区域具有从所述无机固体材料向所述初期磨损层，从晶体构造逐渐向非晶构造变化的构造。
6.一种刀具工具，在由非金属的无机固体材料构成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于，
在所述刻面表面形成有用于使所述切削刃刃口使用时的应力集中部分快速磨损，使所述刻面的形状最优化的、比所述无机固体材料更容易磨损的厚度5nm以上的初期磨损层，
所述初期磨损层的物理参数与位于所述初期磨损层下方的所述无机固体材料的物理参数不同，且在所述初期磨损层和所述无机固体材料之间不具有固相界面。
7.如权利要求1～6中的任一项所述的刀具工具，其特征在于，
所述初期磨损层通过气体团簇离子束的照射而形成。
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