JP5576788B2 - 木材用刃物 - Google Patents

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Description

この発明は、木材用刃物に関し、更に詳細には、木材や木質系材料の切削・粉砕に供され、少なくともすくい面または逃げ面にクロムまたは窒化クロム系の硬質基礎被膜層が形成された木材用刃物に関するものである。
木材や木質系材料系の複合材料を粉砕するための粉砕刃や、切削加工するのに使用される丸鋸等の回転切削用工具その他プレーナナイフ等の平削り用工具等には、その基材として軸受鋼や工具鋼、超硬合金等が選択的に採用されている。これら粉砕刃および切削刃等の木材用刃物には、切れ味の改善や切削寿命の持続と向上を目的として、そのすくい面または逃げ面に窒化クロム(ＣｒＮ)等を含有した硬質基礎被膜層を施す処理がＰＶＤ処理法等により広く実施されている。
例えば、特許文献１には、高速度工具鋼やその他超硬合金等を基材とする木材用刃物において、その逃げ面またはすくい面の何れか一方の面に窒化クロムの硬質基礎被膜層を形成して、切刃の経時的な摩耗を抑制する提案がなされている。
特開平２−２５２５０１号公報
ところが近年では、環境に対する関心の高まりから、木材用刃物の更なる耐久性の向上および長寿命化が求められる傾向にあり、木材用刃物の耐摩耗性・耐食性の飛躍的な向上が期待されている。また、従来例の如く、窒化クロムの硬質基礎被膜層をコーティングした木材用刃物は、乾燥した木質系材料に対する優れた効果は発揮するものの、含水率の高い被削材に対する効果は期待できなかった。すなわち、被削材の含水率が高くなると、硬質基礎被膜層におけるクロム成分の溶出が促進されてしまい、浸食による摩耗量(刃先後退量)が増大する難点があった。
そこで本発明は、従来の木材用刃物に内在する前記問題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、木材や木質材料に対し、乾燥状態に拘らず高い耐摩耗性・耐食性を備えた木材用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、請求項１に係る木材用刃物は、
超硬合金、軸受鋼または工具鋼からなる基材の少なくともすくい面または逃げ面に、クロム物質および窒化クロム系物質を含むグループから選択された少なくとも１つを有する硬質基礎被膜層がコーティングされ、前記硬質基礎被膜層に、酸化クロム系物質を有する硬質主被膜層がコーティングされ、前記硬質主被膜層の膜厚は、０.２μｍ〜５.０μｍに設定され、前記硬質基礎被膜層の膜厚は、０.０７５μｍ〜１０.０μｍに設定された木材用刃物において、
前記硬質基礎被膜層および硬質主被膜層が交互に複数積層され、全ての被膜層の膜厚の合計が７.０μｍ〜１５.０μｍに設定されていることを特徴とする。
本発明に係る木材用刃物によれば、木材や木質材料に対し、乾燥状態に拘らず耐摩耗性・耐食性を向上して、製品寿命を延ばし得る。
実施例１に係る超硬替刃を示す図であって、(ａ)は超硬替刃をすくい面側から見た全体図を示し、(ｂ)は(ａ)のＡ−Ａ線断面図を示す。 実施例２に係る超硬替刃を示す図であって、(ａ)は超硬替刃をすくい面側から見た全体図を示し、(ｂ)は(ａ)のＢ−Ｂ線断面図を示す。 実施例３に係るプレーナナイフを示す図であって、(ａ)は薄い硬質主被膜層が形成された超硬替刃の断面図を示し、(ｂ)は厚い硬質主被膜層が形成されたプレーナナイフの断面図を示す。 変更例に係る超硬替刃を示す断面図である。 実験例１の実験結果を示す試料１および２の刃先断面図である。 実験例２の実験結果を示す試料１〜３の刃先断面図である。 実験例３の実験結果を示す試料１〜４の刃先断面図である。 実験例４の実験結果を示す試料１〜３の刃先断面図である。 実験例５の実験結果を示す試料１〜６の刃先断面図である。 実験例６の実験結果を示すグラフであって、硬質基礎被膜層の膜厚に対する剥離面積を示す。 実験例７の実験結果を示すグラフであって、硬質基礎被膜層の膜厚に対するチッピング幅の割合および刃先後退量を示す。 実験例８の実験結果を示す試料１および２の刃先断面図である。 実験例９の実験結果を示す試料１および２の刃先断面図である。 実験例９の切削動力を比較した実験結果を示すグラフであって、(ａ)は送り速度が２ｍ／ｍｉｎの場合を示し、(ｂ)は送り速度が４ｍ／ｍｉｎの場合を示す。
次に、本発明に係る木材用刃物につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下説明する。
図１(ａ)は、実施例１に係る木材用刃物１０をすくい面１６側から見た全体図であり、図１(ｂ)は、木材用刃物１０のＡ−Ａ線断面図である。実施例１では、木材用刃物として、替刃式ミーリングカッターや替刃式ルータービット等に設けられる超硬替刃１０が採用されている。この超硬替刃１０は、超硬合金を材質とする薄板状の基材１２を本体とし、該基材１２の長手方向の両縁部に切刃部１４,１４が形成され、超硬替刃１０を反転することで両切刃部１４,１４を切削に使用し得るようになっている。超硬替刃１０のすくい面１６には、図１(ｂ)に拡大して示すように、ＰＶＤ処理により窒化クロム(ＣｒＮ)を有する硬質基礎被膜層１８がコーティングされている。前記硬質基礎被膜層１８は、例えば、前記基材１２側を第１層１８ａとして、第１層１８ａ〜第５層１８ｅまでの５層構造をなしている。
この硬質基礎被膜層１８の全体の膜厚は、約０.０７５μｍ〜１０.０μｍの範囲内に設定されている。硬質基礎被膜層１８が０.０７５μｍよりも小さいと、基材１２を適切に保護し得なくなると共に、後述の実験例で示すように、硬質主被膜層２０(後述)との密着性確保が困難となる。また、硬質基礎被膜層１８の膜厚が１０.０μｍよりも大きいと、切削時または刃付け(刃研ぎ)時に該硬質基礎被膜層１８のチッピングが発生し易くなる。なお、基材１２の逃げ面２２側は、刃付けの際に硬質基礎被膜層１８が研削されて除去されるので、該硬質基礎被膜層１８は逃げ面２２において断面として切刃部(刃先)に残るものの、被膜としては残存していない。
前記硬質基礎被膜層１８の最外層である第５層１８ｅの外面には、酸化クロム系物質(Ｃｒ−Ｏ)を有する硬質主被膜層２０がコーティングされている。この硬質主被膜層２０は、薄膜のクロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)の層で構成されている。実施例１では、硬質主被膜層２０は１つの層から構成され、その膜厚は約０.２μm〜５.０μｍの範囲に設定される。硬質主被膜層２０の膜厚が０.２μｍより小さくなると、後述の実験例で示すように、耐摩耗性・耐食性の向上が図り得なくなり、また、硬質主被膜層２０の膜厚を５.０μｍより大きくすれば、硬質主被膜層２０の切削時や刃付け時のチッピングが発生し易くなってしまう。このように、硬質基礎被膜層１８上に更に硬質主被膜層２０をコーティングすることで、木材や木質材料に対し、乾燥状態に拘らず極めて良好な耐摩耗性・耐食性が発揮される。なお、硬質主被膜層２０も、刃付けの際の研削により基材１２の逃げ面２２に断面として切刃部に残るものの、被膜としては残存していない。実施例１では、硬質基礎被膜層１８を５層構造とし、硬質主被膜層２０を１層としたが、この被膜構造に限定される訳ではなく、硬質基礎被膜層１８を４層以下または６層以上としたり、硬質主被膜層２０を２層以上とすることも可能である。
次に、木材用刃物の実施例２について、以下説明する。図２(ａ)は、実施例２に係る木材用刃物３０をすくい面３４側から見た全体図であり、図２(ｂ)はＢ−Ｂ線断面図である。実施例２の木材用刃物としては、実施例１と同様に、替刃式ミーリングカッターや替刃式ルータービット等に設けられる超硬替刃３０が採用されている。この超硬替刃３０は、超硬合金からなる基材３２を備え、該基材３２のすくい面３４に窒化クロムからなる硬質基礎被膜層３６がコーティングされている。この硬質基礎被膜層３６は、例えば、２層構造(基材３２側から第１層３６ａ,第２層３６ｂ)をなしている。
前記硬質基礎被膜層３６の最外層である第２層３６ｂの外面には、酸窒化クロム(ＣｒＮＯ)からなる硬質主被膜層３８が形成されている。この硬質主被膜層３８は、例えば３層構造をなし、前記硬質基礎被膜層３６上にコーティングされる第１層３８ａは、酸素と窒素のガス雰囲気における酸素濃度５％としてＰＶＤコーティングした酸窒化クロムで構成される。また、前記第１層３８ａ上に積層される第２層３８ｂおよび最も外側の第３層３８ｃは、何れも、酸素と窒素のガス雰囲気における酸素濃度を１０％としてＰＶＤコーティングした酸窒化クロムで構成される。すなわち、実施例２では、硬質主被膜層３８が、酸素濃度の異なる酸窒化クロムの層を複数積層して構成される。なお、前記硬質基礎被膜層３６の全体の膜厚は、実施例１と同様に、約０.０７５μｍ〜１０.０μｍの範囲内に設定され、硬質主被膜層３８の全体の膜厚も、約０.２μｍ〜５.０μｍの範囲内に設定される。また、刃付けの際の研削により、基材３２の逃げ面４０に、硬質基礎被膜層３６および硬質主被膜層３８が断面として切刃部に残るものの、被膜としては残存していない。なお、実施例２では、硬質基礎被膜層３６を２層構造とし、硬質主被膜層３８を３層構造としたが、この被膜構造は適宜変更してもよい。
次に、実施例３の木材用刃物５０,５１について説明する。実施例３では、図３(ａ)および(ｂ)に示すように、木材用刃物として２種のプレーナナイフ５０,５１が採用されている。プレーナナイフ５０,５１の基材５２は、高速度工具鋼で形成され、そのすくい面５４には、窒化クロムからなる硬質基礎被膜層５６がＰＶＤ処理により１層だけコーティングされている。また、両プレーナナイフ５０,５１の硬質基礎被膜層５６,５６には、膜厚の異なる硬質主被膜層５８,６０が１層だけコーティングされている。この硬質主被膜層５８,６０は、実施例１と同様にクロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)で構成される。
膜厚の薄い硬質主被膜層５８が施されたプレーナナイフ５０(図３(ａ)参照)では、硬質基礎被膜層５６の膜厚が約２.２μｍ、硬質主被膜層５８の膜厚が約０.４μｍに設定されている。一方、厚い硬質主被膜層６０が施されたプレーナナイフ５１(図３(ｂ)参照)は、硬質基礎被膜層５６の膜厚が約２.３μｍ、硬質主被膜層６０の膜厚が約０.７μｍに設定されている。但し、何れの硬質主被膜層５８,６０についても、膜厚が０.２μｍ〜５.０μｍの範囲内であれば変更可能である。また、硬質基礎被膜層５６,５６についても、膜厚が０.０７５μｍ〜１０.０μｍの範囲内で変更し得る。なお、プレーナナイフ５０,５１は、逃げ面６２,６２を再研磨することで再刃付けをし、再使用に供されるので、該プレーナナイフ５０,５１の逃げ面６２,６２に、硬質基礎被膜層５６および硬質主被膜層５８,６０はコーティングされていない。また、実施例３の各被膜層５６,５８,６０の被膜構造に限定される訳でなく、被膜構造は適宜変更可能である。
(変更例)
なお、硬質基礎被膜層および硬質主被膜層の被膜構造としては、上記実施例で示したものに限られる訳ではない。例えば、硬質基礎被膜層および硬質主被膜層を交互に複数積層するようにしてもよい。図４は、変更例に係る木材用刃物７０を示す断面図である。この木材用刃物は、替刃式ミーリングカッターや替刃式ルータービット等に用いられる超硬替刃７０であって、該超硬替刃７０は、超硬合金で形成された基材７２を本体とする。また、図４に拡大して示すように、基材７２のすくい面７８に、硬質基礎被膜層７４および硬質主被膜層７６が交互に複数積層されて構成される。すなわち、基材７２のすくい面７８上には、窒化クロム(ＣｒＮ)で構成される硬質基礎被膜層７４が第１層として形成され、該硬質基礎被膜層７４の上面に、第２層としてクロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)で構成される硬質主被膜層７６が形成される。更に、第３層として窒化クロムの硬質基礎被膜層７４が形成され、該第３層上に、最も外側の第４層としてクロム酸化物の硬質主被膜層７６がコーティングされている。
図４に関する上記の変更例は、硬質基礎被膜層と硬質主被膜層とを交互に複数積層するものであるが、各被膜層は何れも単層で構成されている。しかし、このように各被膜層が単層であることは要件でなく、各被膜層を多層のものとしてもよい。また硬質基礎被膜層と硬質主被膜層の全てが多層である必要はなく、単層と多層とが交互に、または法則性のないランダムな組合せとなってもよい。
例えば図示しないが、多層の室化クロム(ＣｒＮ)で構成される硬質基礎被膜層と、多層のクロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)で構成される硬質主被膜層とを、交互に基材７２のすくい面７８に複数積層する場合がこれである。なお前述した如く、全ての硬質基礎被膜層と硬質主被膜層との夫々が全ての多層になっている必要はなく、特定の被膜層だけが多層になっていてもよい。
更に、クロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)の被膜層を多層とする場合、第１層、第２層、第３層…における酸素濃度が異なっていてもよい。すなわち、第１層、第２層、第３層…にクロム酸化物をＰＶＤコーティングする際の酸素とクロムのガス雰囲気下における酸素濃度を各層で異ならせて実施してもよい。
ここで、変更例に係る超硬替刃７０では、全ての硬質基礎被膜層７４および硬質主被膜層７６における膜厚の合計は、約１５.０μｍ以下となるように設定されている。膜厚の合計が１５.０μｍより大きくなると、切削時や刃付け時にチッピングが生じ易くなるからである。このように、硬質基礎被膜層７４および硬質主被膜層７６を交互に積層することで、切削時や刃付け時に刃カケが生じたとしても、硬質基礎被膜層７４または硬質主被膜層７６が層単位で剥離するに留まり、大きな(深い)刃カケが生ずるのを抑制することができる。また、変更例に係る被膜構造においても、実施例１〜３と同様な優れた耐摩耗性・耐食性効果を発揮し得る。なお、基材７２の逃げ面８０には、刃付けの際の研削により、硬質基礎被膜層７４および硬質主被膜層７６が断面として切刃部(刃先)に残るものの、被膜としては残存していない。
なお、実施例１〜３および変更例では、硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４の被膜組成として窒化クロム(ＣｒＮ)を採用したが、酸化物を除いたクロム(Ｃｒ)および／または窒化クロム系物質を含むものであれば、窒化クロムの他、例えば、ＣｒＢＮ、ＣｒＣＮ、ＣｒＡＩＮ、ＣｒＳｉＮ，ＣｒＴｉＮ等を硬質基礎被膜層として採用することができる。また、実施例１〜３および変更例では、木材用刃物として替刃式ミーリングカッターや替刃式ルータービット等の超硬替刃１０,３０,７０またはプレーナナイフ５０,５１を例に説明したが、木材または木質系材料用の粉砕刃や切削刃であれば、チッパーナイフやチップソー、フィンガージョイントカッター等、何れの刃物であってもよい。更に、実施例１〜３および変更例では、すくい面１６,３４,５４,７８に硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４および硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６を形成したが、逃げ面２２,４０,６２,８０に被膜層を形成したり、すくい面１６,３４,５４,７８および逃げ面２２,４０,６２,８０の両面に被膜層を形成してもよい。特に、粉砕刃の場合には、すくい面および逃げ面の両面にコーティングすることが望ましい。また、基材１２,３２,５２,７２の全体に両被膜層をコーティングすることも可能である。
次に、本発明に係る木材用刃物の切削性能を確認するべく、以下に示すように、各種の被膜構造をなす試料を種々の木材用刃物で作成して切削実験を行なった。試料の作成に際しては、アーク放電型イオンプレーティング装置(図示せず)によりＰＶＤ処理を実施し、超硬合金または高速度工具鋼の基材に単層または多層の硬質基礎被膜層を形成する。そして、硬質基礎被膜層を形成した超硬替刃または高速度工具鋼の基材に対し、クロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)または酸窒化クロム(ＣｒＮＯ)の硬質主被膜層を単層または多層構造をなすようコーティングした。実験例１〜７では、基材のすくい面にコーティングをし、実験例８では、基材のすくい面および逃げ面にコーティングをし、実験例９では、基材の逃げ面にコーティングをした。処理条件は、以下の通りである。
蒸発源 ：クロム(Ｃｒ)
アーク放電電流値：１５０Ａ
バイアス電圧 ：−４０〜−１００Ｖ
チャンバー内圧力：２.６６Ｐａ
基板温度 ：４００℃
(実験例１)
実験例１では、クロム酸化物からなる硬質主被膜層をコーティングした場合の耐摩耗性・耐食性効果を確認する実験を行なった。すなわち、硬質基礎被膜層のみをコーティングした超硬替刃(試料１)と、硬質基礎被膜層および硬質主被膜層をコーティングした超硬替刃(試料２)とを作成し、夫々切削実験を行なった。試料１および２の被膜構造を以下に示す。なお、各試料の膜種は、エネルギー分散形Ｘ線分析装置で解析した(以下の実験例でも同様である)。何れの試料の超硬替刃においても、コーティングした被膜の合計膜厚は、７.０μｍ〜７.５μｍの範囲内に設定した。また、何れの試料も、基材の寸法は２０ｍｍ×１２ｍｍ×１.５ｍｍである。
Figure 0005576788
上記試料１および２を用いて、被削材としてのスギに対する切削実験を行なった。切削条件は以下の通りである。
機械：ＮＣルーター
被削材：スギ(含水率30〜80%)
切削工具：ルータービット(切削径45mm)
送り速度：1m/min
回転数：6000RPM
切込み量：20mm
切削材長：77.5m
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、７７.５ｍ切削後の各試料の刃先断面形状を図５に示す。なお、すくい面後退量およびすくい面摩耗帯幅は、夫々、図５の符号ａおよび符号ｂで示す摩耗量である(以下の実験例１〜８においても同様である)。
上記実験結果より、刃先後退量は、硬質主被膜層をコーティングしていない試料１が大きく、硬質主被膜層をコーティングした試料２の刃先後退量は小さくなっていることが分かる。また、すくい面摩耗帯幅についても、試料１は大きく、試料２は極めて小さな値を示している。また図５より、試料１は、すくい面の硬質基礎被膜層が摩耗して、丸みを帯びた断面形状をなしているのに対し、試料２は、すくい面の被膜(硬質基礎被膜層および硬質主被膜層)が残存し、シャープな断面形状が保たれている。本実験例の結果から明らかなように、硬質主被膜層をコーティングした試料２に係る超硬替刃は、極めて良好な耐摩耗性および耐食性を発揮していることが分かる。
(実験例２)
次に、実験例１での試料１,２に、膜厚の大きい硬質主被膜層(クロム酸化物)をコーティングした試料３を加えて切削実験を行なった。試料２の硬質主被膜層の膜厚は約０.７μｍであるのに対し、試料３の硬質主被膜層の膜厚は約２.０μｍである。試料１〜３の被膜構造を以下に示す。なお、何れの試料も、全体の膜厚は、約７.０〜７.５μｍの範囲に設定され、基材の寸法は２０ｍｍ×１２ｍｍ×１.５ｍｍである。
Figure 0005576788
上記試料１〜３を用いて、含水率の高いヒノキに対する切削実験を行なった。切削条件は、以下の通りである。
機械：ＮＣルーター
被削材：ヒノキ(含水率50〜90%)
切削工具：ルータービット(切削径45mm)
送り速度：1m/min
回転数：6000RPM
切込み量：20mm
切削材長：30m
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、３０ｍ切削後の各試料の刃先断面形状を図６に示す。
上記実験結果より、刃先後退量およびすくい面摩耗帯幅の何れも、硬質主被膜層を形成した試料２および３が小さくなっていることが分かる。特に、硬質主被膜層の膜厚を大きくした試料３が最も小さな値を示している。また、図６より、試料１は、すくい面の硬質基礎被膜層が摩耗して、丸みを帯びた断面形状をなしているのに対し、試料２および３は、すくい面の被膜(硬質基礎被膜層および硬質主被膜層)が残存しており、シャープな断面形状が保たれている。実験例２の結果から明らかなように、含水率が高い被削材に対しても、クロム酸化物をコーティングした試料２および３に係る超硬替刃は、極めて良好な耐摩耗性・耐食性を発揮することが分かる。また、硬質主被膜層の膜厚が大きい程、耐摩耗性・耐食性効果がより向上するといえる。
(実験例３)
実験例３では、硬質主被膜層として酸窒化クロム(試料２,３)またはクロム酸化物(試料４)を採用して対比実験を行なった。また、酸窒化クロムを採用したものについては、硬質主被膜層を形成する際の酸素と窒素のガス雰囲気における酸素濃度を相違させた２種類の試料(試料２,３)を用意した。更に、比較のため、硬質基礎被膜層のみをコーティングした超硬替刃も作成した(試料１)。本実験例で使用される試料１〜４の被膜構造を以下に示す。なお、何れの試料も、全体の膜厚は約７.０μｍ〜７.５μｍの範囲に設定し、基材の寸法は２０ｍｍ×１２ｍｍ×１.５ｍｍである。
Figure 0005576788
これら試料１〜４を用いて、乾燥したスプルース集成材に対する切削実験を行なった。切削条件は、以下の通りである。
機械：ＮＣルーター
被削材：スプルース集成材
切削工具：ルータービット(切削径45mm)
送り速度：1m/min
回転数：6000RPM
切込み量：20mm
切削材長：90m
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、９０ｍ切削後の各試料の刃先断面形状を図７に示す。
上記実験結果より、刃先後退量は、硬質主被膜層をコーティングしていない試料１が最も大きく、試料２〜４の刃先後退量は小さいことが分かる。同じ酸窒化クロムからなる硬質主被膜層をコーティングした試料２,３では、ＰＶＤコーティング時のガス雰囲気における酸素濃度の高い試料３の方が、刃先後退量,すくい面摩耗量共に小さくなっている。また、すくい面摩耗帯幅については、試料４が最も小さな値を示している。図７より、何れの試料１〜４もシャープな形状を留めているものの、特に試料３および４は、非常にシャープな断面形状が残存している。この実験例３の結果から分かるように、酸窒化クロムまたはクロム酸化物の硬質主被膜層をコーティングした超硬替刃は、乾燥材に対して良好な耐摩耗性・耐食性を発揮することが分かる。また、酸窒化クロムの硬質主被膜層をコーティングした場合、酸素濃度が高い程、耐摩耗性・耐食性効果が向上することが分かる。
以上の実験例１〜３の結果から、クロム酸化物からなる硬質主被膜層をコーティングした超硬替刃は、含水率の高い被削材および乾燥した被削材の何れにも優れた耐摩耗性・耐食性を発揮することが分かる。一方、酸窒化クロムからなる硬質主被膜層をコーティングした超硬替刃では、乾燥した被削材に対して良好な耐摩耗性・耐食性を発揮することが分かる。しかも、酸窒化クロムをコーティングする場合、酸素濃度に応じて耐摩耗性・耐食性も向上することが確認された。
(実験例４)
上記実験例１〜３では、超硬合金からなる基材を有する超硬替刃を用いたが、実験例４では、基材を高速度工具鋼で形成したプレーナナイフを用いて切削実験を行なった。実験例１〜３と同様に、試料の作成に際しては、アーク放電型イオンプレーティング装置により、高速度工具鋼で構成された基材のすくい面に窒化クロム(ＣｒＮ)の硬質基礎被膜層を形成する。そして、この硬質基礎被膜層に対し、以下の条件でクロム酸化物(Ｃｒ２Ｏ３)の硬質主被膜層を膜厚が異なるようコーティングし、２種の試料(試料２および３)を作成した。また、比較用として、硬質基礎被膜層のみをコーティングした試料(試料１)も作成した。本実験例で用いられる試料１〜３の被膜構造を以下に示す。
Figure 0005576788
上記試料１〜３を用いて、乾燥させたスプルースに対する切削実験を行なった。切削条件は以下の通りである。
機械：ＮＣ横軸切削機械
被削材：スプルース乾燥材
切削工具：カッター(切削径125mm)
送り速度：5m/min
回転数：6000RPM
切込み量：0.5mm
切削材長：1000m
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、切削実験後の各試料の刃先断面形状を図８に示す。
上記実験結果より、刃先後退量は、硬質主被膜層をコーティングしていない試料１が最も大きく、試料２、試料３の順で刃先後退量が小さくなっているのが分かる。また、すくい面摩耗帯幅についても、試料１が最も大きく、試料２，試料３の順で小さくなっている。但し、硬質主被膜層の膜厚が大きい試料３では、試料２に比べ、チッピングが多く発生していたことが確認された。また、図８より、試料２および３は、刃先後退量が非常に小さく、シャープな断面形状を残している。実験例４の結果から明らかなように、高速度工具鋼を基材とするプレーナナイフに対しても、硬質主被膜層をコーティングした場合に優れた耐摩耗性・耐食性効果を発揮することが確認された。また、本実験例においても、耐摩耗性・耐食性効果は、硬質主被膜層の膜厚に比例して向上することが確認された。
(実験例５)
そこで、実験例５では、硬質主被膜層の膜厚の好適な範囲を確認するため、膜厚を異ならせた複数の試料を作成して切削実験を行なった。本実験例で用いられる試料は、超硬合金を基材とする超硬替刃に単層の硬質基礎被膜層(窒化クロム)をコーティングし、更に、クロム酸化物からなる硬質主被膜層を各種の膜厚でコーティングした(試料２〜６)。また、対比のため、硬質基礎被膜層のみをコーティングした超硬替刃も作成した(試料１)。試料１〜６の被膜構造を以下に示す。なお、何れの試料も、全体の膜厚は約７.５μｍに設定してある。
Figure 0005576788
上記試料１〜６を用いて、含水率の高いヒノキに対する切削実験を行なった。切削条件は以下の通りである。
機械：ＮＣルーター
被削材：ヒノキ(含水率50〜90%)
切削工具：ルータービット(切削径45mm)
送り速度：1m/min
回転数：6000RPM
切込み量：20mm
切削材長：30m
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、切削実験後の各試料の刃先断面形状を図９に示す。
上記実験結果より、刃先後退量およびすくい面摩耗帯幅は、何れも、硬質主被膜層の膜厚が大きくなるに従って小さくなることが分かる。特に、図９から明らかなように、試料５および６については、極めてシャープな断面形状が残存している。一方、試料２のように、硬質主被膜層が余りに小さいと、刃先後退量およびすくい面摩耗帯幅が大きくなり、刃先断面形状も丸みを帯びていることが分かる。従って、硬質主被膜層はある程度の厚み(少なくとも約０.２μｍ以上)が必要であると思われる。但し、硬質主被膜層の膜厚を大きくするに従い、切削時や刃付け時でのチッピングが発生し易くなることから、好適な硬質主被膜層の膜厚は、約０.２μｍ〜５.０μｍの範囲に設定される。
(実験例６)
実験例６では、硬質基礎被膜層の膜厚が硬質主被膜層の密着性に対して及ぼす影響を調べる実験を行なった。本実験例においても、超硬替刃に窒化クロムの硬質基礎被膜層をコーティングし、更に、クロム酸化物からなる硬質主被膜層をコーティングした。試料としては、硬質主被膜層の膜厚を一定(４.０μｍ)とすると共に、硬質基礎被膜層の膜厚を異ならせた３種類の超硬替刃を作成した(試料２〜４)。また、対比のため、基材に硬質主被膜層(膜厚４.０μｍ)のみをコーティングした超硬替刃(試料１)も作成した。試料１〜４の被膜構造を以下に示す。
Figure 0005576788
 上記試料１〜４を用いてロックウェル硬さ試験機で設けた圧痕の観察を行ない、デジタルマイクロスコープにて、各試料の表面の剥離面積を測定した。その測定結果を図１０のグラフに示す。
図１０に示すように、硬質基礎被膜層の膜厚が０.０μm〜０.０７５μｍまでは、剥離面積が高い値で推移し、余り変化がないことが分かる。一方、膜厚が０.０７５μｍを越えると、剥離面積が大きく減少を始めることが分かる。従って、硬質基礎被膜層の膜厚の下限値は、約０.０７５μｍ以上であることが望ましいといえる。
(実験例７)
実験例７では、硬質基礎被膜層の膜厚が耐欠損性(チッピング)に与える影響を調べる実験を行なった。本実験例では、超硬替刃に窒化クロムの硬質基礎被膜層のみを形成し、該硬質基礎被膜層の膜厚を異ならせた５種類の超硬替刃を作成した。試料１〜５の被膜構造を以下に示す。
Figure 0005576788
上記試料１〜５を用いて、乾燥したスプルース集成材に対する切削実験を行なった。切削条件は以下の通りである。
機械：ＮＣルーター
被削材：スプルース集成材
切削工具：ルータービット(切削径45mm)
送り速度：1m/min
回転数：6000RPM
切込み量：20mm
切削材長：60m
上記切削実験後のすくい面の刃先後退量を各試料毎に測定した。また、各試料の切削刃長(切削に供された切刃の長さ)に対するチッピング幅の割合を算出した。その結果を図１１のグラフに示す。図１１から分かるように、刃先後退量は硬質基礎被膜層の膜厚に比例して小さくなるのに対し、チッピング幅の割合は、膜厚に比例して大きくなっている。特に、膜厚が１０.０μｍを越えると、チッピング幅の割合が急激に大きくなっているのが分かる。一方、刃先後退量は膜厚が１０.０μｍを越えると、その減少度合が小さくなっている(傾きが緩やかになっている)。従って、硬質基礎被膜層の膜厚としては、約１０.０μｍ以下とすることが望ましいといえる。
以上の実験例５〜７の結果から、硬質主被膜層の膜厚としては、約０.２μm〜５.０μｍの範囲で設定することが望ましいといえる。一方、硬質基礎被膜層の膜厚については、約０.０７５μｍ〜１０.０μｍの範囲に設定することが望ましいといえる。
(実験例８)
これまでの実験例では、硬質主被膜層がムク木材および集成材に対して良好な耐摩耗性・耐食性を発揮することが確認された。そこで、実験例８では、木質ボード(ＭＤＦ(Medium Density Fiberboard))に対する切削性能を比較する実験を行なった。すなわち、硬質基礎被膜層のみをコーティングした超硬替刃(試料１)と、硬質基礎被膜層および硬質主被膜層をコーティングした超硬替刃(試料２)とを作成し、夫々について木質ボードに対する切削実験を行なった。試料１および２の被膜構造を以下に示す。なお、何れの試料の超硬替刃においても、コーティングした被膜の合計膜厚が約３.０μｍとなるようにし、すくい面および逃げ面の両面にコーティングを行なった。
Figure 0005576788
上記試料１および２を用いて木質ボードの端面を切削し、各試料の刃先について、木質ボードにおける密度の高い表層部(表面)側を切削した箇所の摩耗量と、木質ボードにおける密度の低い中央部(内部)側を切削した箇所の摩耗量とを測定した。切削条件は以下の通りである。
機械：ＮＣ横軸切削機械
被削材：木質ボード(南洋材)
切削工具：カッター(切削径125mm)
送り速度：4m/min
回転数：6000RPM
切込み量：0.5mm
切削材長：1000m
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、切削実験後の各試料の刃先断面形状を図１２に示す。なお、図１２の左欄は、木質ボードの表層部側(ＭＤＦ表層部)の結果を示し、図１２の右欄は、木質ボードの中心部(ＭＤＦ中心部)の結果を示している。
上記実験結果より、木質ボードの表層部および中心部の何れも、試料１は、刃先後退量およびすくい面摩耗帯幅ともに大きな値を示していることが分かる。特に、試料１のすくい面摩耗帯幅は、木質ボードの表層部側で大きくなっている。一方、硬質主被膜層をコーティングした試料２は、試料１に比べて刃先後退量およびすくい面摩耗帯幅ともに小さな値を示している。なお、何れの試料も、木質ボードの表層部側で摩耗量が大きくなっている。これは、木質ボードの表層部は密度が高く、切削時の負荷が大きくなるからであると考えられる。また、図１２に示されるように、試料１の刃先は、丸みを帯びた形状となっているのに対し、試料２の刃先は、シャープな断面形状を残している。実験例８の結果より、硬質主被膜層は、木質ボードに対しても優れた耐摩耗性・耐食性を発揮し得ることが確認された。
(実験例９)
実験例１〜７では、すくい面にコーティングをし、実験例８では、すくい面および逃げ面にコーティングをして切削実験を行なったが、実験例９では、コーティングを逃げ面にのみした場合の切削性能を調べる実験を行なった。また、今回の実験では、木材用刃物としてチップソーを採用し、超硬チップの逃げ面にコーティングを施した。すなわち、超硬チップの逃げ面に硬質基礎被膜層のみをコーティングした試料１と、超硬チップの逃げ面に硬質基礎被膜層および硬質主被膜層をコーティングした試料２とを作成し、夫々切削実験を行なった。試料１および２の被膜構造を以下に示す。なお、本実験で使用されるチップソーは、外径１８０ｍｍ、刃厚２.６ｍｍ、本体厚１.８ｍｍ、穴径２５.４ｍｍ、歯数２４となっており、何れの試料もコーティングの膜厚は約３.０μｍとした。
Figure 0005576788
上記試料１および２を用いて、被削材としてのヒノキに対し切削を行なった。切削条件は以下の通りである。
機械：ＮＣ横軸切削機械
被削材：ヒノキ(含水率50〜90%)
切削工具：チップソー(切削径180mm)
送り速度：2m/min
回転数：6800RPM
切込み量：2.0mm
上記実験により、以下の結果を得た。
Figure 0005576788
 また、１５０ｍ、３００ｍ、４５０ｍ切削後の各試料の刃先断面形状を図１３に示す。なお、刃先(逃げ面)後退量および逃げ面摩耗帯幅は、夫々、図１３の符号ｃおよび符号ｄで示す摩耗量である。
更に、上記の実験でヒノキを４５０ｍ切削した試料１および２に対し、切削動力を比較する実験も行なった。この実験では、被削材としてスプルース乾燥材を採用した。この実験での切削条件は、以下の通りである。
回転数：6800RPM
送り速度：2m/minまたは4m/min
切込み量：2mm
この結果を図１４に示す。なお、図１４のグラフにおいて、実線は試料１を示し、破線は試料２を示している。
表１６の結果より、刃先後退量および逃げ面摩耗帯幅ともに硬質主被膜層をコーティングした試料２が小さいことが分かる。特に、試料２の逃げ面摩耗帯幅は、非常に小さな値となっている。また、図１３から明らかなように、試料１では、刃先が摩耗して丸みを帯びた形状を呈しているのに対し、試料２では、シャープな刃先断面形状が残存している。更に、図１４の結果から、何れの送り速度の場合でも、試料２の切削動力は、試料１に比べて１０％程度小さくなっている。すなわち、試料１は、摩耗により刃先断面形状が丸みを帯びたことで切削動力が増加したのに対し、試料２では、刃先断面形状がシャープな形状を維持して切削動力の上昇が抑えられたものと考えられる。このように実験例９では、逃げ面にのみコーティングした場合であっても、硬質主被膜層をコーティングした試料２に係るチップソーは、極めて良好な耐摩耗性・耐食性を発揮し得ることが確認された。
なお、上記の実施例および実験例では、基材１２,３２,５２,７２として超硬合金または高速度工具鋼を採用した場合を示したが、軸受鋼からなる基材を採用することも可能である。また、実施例および実験例では、基材１２,３２,５２,７２に対し硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４を直接コーティングし、また、硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４に対しても、硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６を直接コーティングしたものを採用した。しかしながら、密着性等の向上の観点から、基材１２,３２,５２,７２と硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４との間や、硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４と硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６との間に、ＴｉＮ等からなる別の被膜層(中間層)を介在させてもよい。すなわち、硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４や硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６を、夫々、基材１２,３２,５２,７２や硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４に対し間接的にコーティングしてもよい。
更に、硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４や硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６を多層とした場合に、夫々の硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４間や硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６間にＴｉＮ等からなる中間層を介在させてもよい。この場合、硬質基礎被膜層１８,３６,５６,７４および該被膜層間に介在する中間層を含めた全体の膜厚が、前述した約０.０７５μｍ〜１０.０μｍの範囲内にあることが望ましい。同様に、硬質主被膜層２０,３８,５８,６０,７６についても、中間層を含めた全体の膜厚が前述した約０.２μｍ〜５.０μｍの範囲内にあることが望ましい。更に、保護力等の向上の観点から、最外層(硬質主被膜層)にＴｉＮ等からなる別の被膜層(保護層)をコーティングすることも可能である。

Claims (1)

  1. 超硬合金、軸受鋼または工具鋼からなる基材(12,32,52,72)の少なくともすくい面(16,34,54,78)または逃げ面(22,40,62,80)に、クロム物質および窒化クロム系物質を含むグループから選択された少なくとも１つを有する硬質基礎被膜層(18,36,56,74)がコーティングされ、前記硬質基礎被膜層(18,36,56,74)に、酸化クロム系物質を有する硬質主被膜層(20,38,58,60,76)がコーティングされ、前記硬質主被膜層(20,38,58,60,76)の膜厚は、０.２μｍ〜５.０μｍに設定され、前記硬質基礎被膜層(18,36,56,74)の膜厚は、０.０７５μｍ〜１０.０μｍに設定された木材用刃物において、
    前記硬質基礎被膜層(74)および硬質主被膜層(76)が交互に複数積層され、全ての被膜層(74,76)の膜厚の合計が７.０μｍ〜１５.０μｍに設定されている
    ことを特徴とする木材用刃物。
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