WO2023286411A1 - 切削工具 - Google Patents

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WO2023286411A1
WO2023286411A1 PCT/JP2022/018201 JP2022018201W WO2023286411A1 WO 2023286411 A1 WO2023286411 A1 WO 2023286411A1 JP 2022018201 W JP2022018201 W JP 2022018201W WO 2023286411 A1 WO2023286411 A1 WO 2023286411A1
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WO
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coating
flank
cutting
cutting edge
rake face
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/018201
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English (en)
French (fr)
Inventor
高司 小川
恭也 山田
Original Assignee
兼房株式会社
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Publication date
Application filed by 兼房株式会社 filed Critical 兼房株式会社
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Priority to JP2023535141A priority patent/JPWO2023286411A1/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
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    • B23C5/16—Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • B23C5/20—Milling-cutters characterised by physical features other than shape with removable cutter bits or teeth or cutting inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27G—ACCESSORY MACHINES OR APPARATUS FOR WORKING WOOD OR SIMILAR MATERIALS; TOOLS FOR WORKING WOOD OR SIMILAR MATERIALS; SAFETY DEVICES FOR WOOD WORKING MACHINES OR TOOLS
    • B27G13/00—Cutter blocks; Other rotary cutting tools
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C2224/00—Materials of tools or workpieces composed of a compound including a metal
    • B23C2224/13—Chromium nitride
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23C2228/10—Coating

Definitions

  • One aspect of the present disclosure relates to a cutting tool with a surface coating.
  • Surface-coated cutting tools are used, for example, for cutting non-ferrous metals and their alloys, wood, woody materials or resins.
  • Cutting tools are, for example, woodworking cutters and router bits used when cutting wood and wood-based composite materials.
  • This cutting tool is provided with a cutting edge made of, for example, steel such as tool steel or bearing steel, or cemented carbide as a base material.
  • the rake face or flank face of the blade may be coated with a hard, wear-resistant and corrosion-resistant coating for the purpose of improving sharpness and maintaining and extending cutting life.
  • the coating is made of, for example, a chromium nitride, such as CrN, and is applied to the substrate, for example, by a PVD process.
  • a hard coating made of chromium nitride can provide wear resistance that cannot be achieved with a base material such as tool steel alone.
  • the chromium component is likely to elute. As a result, the surface coating may be eroded and the expected durability may not be obtained. Therefore, conventional cutting tools have been proposed in which a hard base coating made of chromium nitride is coated with a main coating made of, for example, chromium oxide or chromium oxynitride.
  • Japanese Patent No. 5576788 describes a multi-layer coating.
  • the multilayer structure includes a hard basecoat layer that is coated on the rake face or the flank face and a hard maincoat layer that is coated on the hard basecoat layer.
  • the hard base coat layer is made of a chromium nitride such as CrN, for example.
  • the hard main coating layer is made of a material such as chromium oxide (Cr 2 O 3 ) or chromium oxynitride (CrNO) that has higher corrosion resistance than the hard base coating layer.
  • Japanese Patent No. 6002784 describes a coating in which the oxygen concentration of the hard main coating layer is varied in the thickness direction. This coating increases the toughness and heat resistance of the hard main coating layer.
  • the coating wears out. Chipping, in which the film is finely chipped due to shock, vibration, etc., occurs. The film near the cutting edge on the rake face or flank tapers and cracks occur. If the cutting edge is damaged due to wear, chipping, film cracking, etc., it becomes impossible to maintain a sharp cutting edge. Chipping and film cracking progress, for example, from the base material toward the surface layer of the film that covers the flank or rake face. Chipping may progress to areas close to the cutting edge. Alternatively, film cracking may occur across the rake face or flank face. In such a case, the cutting edge is damaged and the wear resistance and corrosion resistance effects of the coating cannot be sufficiently obtained. Conventionally known coating structures have room for various improvements in order to sufficiently suppress cutting edge damage.
  • cutting tools have conventionally been desired to have a configuration that can maintain the sharpness of the cutting edge for a long period of time.
  • the sharpness of the cutting edge is maintained by suppressing damage to the coating in the region near the cutting edge.
  • the cutting tool is used for cutting work materials made of nonferrous metals and their alloys, wood, woody materials, or resins.
  • a coating is provided that covers the substrate.
  • the coating is a columnar structure provided on the flank face at the cutting edge where the rake face and the flank face intersect and standing up from the base material.
  • the constituent material of the coating includes one or more of chromium nitrides, oxynitrides, oxides, carbides, carbonates, carbonitrides and carbonitrides.
  • the chromium-containing coating provided on the flank can increase the durability of the cutting tool.
  • the advancing direction can be regulated in the erecting direction of the columnar structure. Therefore, chipping and film cracking can be prevented from spreading over a wide area of the coating on the flank, and the thickness of the coating on the flank is less likely to become thin. This helps maintain the sharpness of the cutting edge.
  • a second coating is provided overlying the coating.
  • the second coating includes one or more of chromium nitrides, oxynitrides, oxides, carbides, carbonates, carbonitrides and carbonitrides. Therefore, by providing the second coating with a material having higher wear resistance and corrosion resistance than the coating, for example, wear and corrosion can be suppressed.
  • the coating on the substrate side can control chipping and film cracking on the flank face.
  • the outer second coating can suppress wear, corrosion, etc. of the flank. This can further suppress damage to the cutting edge adjacent to the flank.
  • a coating is formed on the substrate to include columnar structures standing on the surface of the substrate.
  • the constituent material of the coating includes one or more of chromium nitrides, oxynitrides, oxides, carbides, carbonates, carbonitrides and carbonitrides.
  • a coating is formed over the rake face and the flank face. Remove part or all of the coating on the rake face to sharpen the cutting edge where the rake face and flank face intersect.
  • flank and rake faces it is possible to increase the durability of the flank and rake faces by coatings that are provided on the flank and rake faces and that contain a chromium material. Moreover, when chipping or film cracking progresses in the film, the progressing direction can be restricted to the erecting direction of the columnar structure. Therefore, it is possible to suppress the spread of chipping and film cracking to the flank or rake face. Furthermore, when finishing the cutting edge sharply, part or all of the coating covering the rake face is removed. This makes it possible to sharpen the cutting edge without removing the film covering the flank. The flank is therefore a coating with a columnar structure even after the cutting edge has been sharpened. Therefore, chipping of the cutting edge adjacent to the flank and damage due to film cracking direction can be suppressed. Thus, the sharp state of the cutting edge can be maintained for a long time.
  • FIG. 1 is a perspective view of a cutting tool according to a first example; FIG. It is a cross-sectional schematic diagram of the cutting edge of a blade body.
  • 4 is a table showing various conditions of coatings provided on test products and comparative products.
  • 3 is a photograph of a flank cross-section of a test product 20 observed with an electron microscope.
  • 10 is a photograph of the flank cross section of Comparative Product 30 observed with an electron microscope.
  • 4 is a photograph of the flank cross section of Comparative Product 40 observed with an electron microscope. It is the photograph which observed the cutting edge of the specimen 20 after cutting with the electron microscope. It is the photograph which observed the cutting edge of the comparative product 30 after cutting with the electron microscope. It is the photograph which observed the cutting edge of the comparative product 40 after cutting with the electron microscope.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the cutting edge of the test piece 20 before and after cutting;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the cutting edge of comparative product 30 before and after cutting;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a cutting edge of a comparative product 40 before and after cutting;
  • FIG. 10 is a side view of a cutting tool according to a second embodiment; It is a cross-sectional schematic diagram of the cutting edge of a blade body. 4 is a table showing various conditions of coatings provided on test products and comparative products. It is the photograph which observed the flank cross section of the test article 70 with the electron microscope. It is the photograph which observed the flank cross section of the test article 80 with the electron microscope.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of a cutting edge of a specimen 80 before and after cutting
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a cutting edge of a comparative product 90 before and after cutting
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the cutting edge of the comparative product 100 before and after cutting;
  • a cutting tool according to the present disclosure is used for cutting a work material.
  • Work materials are, for example, nonferrous metals such as aluminum and copper, alloys thereof, wood, woody materials, or resins.
  • the technology of the present disclosure is applicable to cutting tools such as flat blades such as planer blades, cutters, tipped saws, router bits, knives, and corner chisels. Alternatively, it can be applied to replacement blades for these cutting tools.
  • a blade body provided in a cutting tool has a base material and a film that covers the base material.
  • the base material is provided using a steel material such as tool steel, bearing steel, stainless steel, cemented carbide, or the like.
  • the coating covers at least the flank face of the substrate.
  • the rake face of the substrate may or may not be coated with a film. In other words, a coating is formed that covers the flank face or covers both the flank face and the rake face.
  • the cutting tool of the first embodiment is a replaceable blade 1 as shown in FIGS.
  • the replaceable blade 1 is attached to, for example, a replaceable blade type milling cutter for woodworking, a replaceable blade type router bit, or the like.
  • the replaceable blade 1 has a rectangular plate-shaped blade body 2 .
  • the blade body 2 is provided with a through hole 6 penetrating in the plate thickness direction.
  • the blade body 2 is attached to the tool body by fitting the through hole 6 to the blade attachment portion of the tool body and screwing.
  • the blade body 2 has a flat flank 3 and a rake face 4 .
  • the flank face 3 and the rake face 4 intersect at a blade angle 5a to form a straight cutting edge 5 at the intersection.
  • the blade angle 5a is an acute angle, for example 50° to 60°.
  • a film 14 covering the base material 10 is formed on the flank face 3 and the rake face 4 .
  • the coating 14 has a flank coating 15 that covers the base flank 11 and a rake face coating 16 that covers the base rake face 12 .
  • the flank coating 15 is applied to the substrate flank 11 as shown in FIG.
  • the lower limit of the film thickness 15a of the flank coating 15 is, for example, 3 ⁇ m, 5 ⁇ m, and 7 ⁇ m.
  • the upper limit of the film thickness 15a is, for example, 12 ⁇ m, 15 ⁇ m, and 20 ⁇ m.
  • the film thickness 15a is within the range of each combination of the illustrated lower limit and upper limit.
  • the film thickness 15a is preferably 5-12 ⁇ m.
  • the lower limit of the film thickness 15a is set to a film thickness at which the film functions.
  • the upper limit of the film thickness 15a is set in order to reduce the film forming time and manufacturing cost.
  • chipping and film cracking from the base material cutting edge 13 toward the flank coating 15 progress along the extending direction of the columnar structure. Therefore, chipping and film cracking progress along the direction of the arrow shown in the flank coating 15 in the figure. That is, chipping and film cracking do not spread in a direction substantially parallel to the flank 3, for example.
  • the upper layer of the rake face coating 16 is removed from the rake face 4 during the manufacturing process of the replaceable blade 1 .
  • the rake face 4 is a plane substantially parallel to the substrate rake face 12 at a film thickness (distance) 16 a from the substrate rake face 12 .
  • the film thickness 16a may be set to 0 ⁇ m and the entire rake face coating 16 may be removed.
  • the coating 64 and the second coating 65 shown in FIG. 14 include one or more of chromium nitrides, oxynitrides, oxides, carbides, carbonates, carbonitrides and carbonitrides.
  • the coating 64 and the second coating 65 are made of, for example, chromium nitride (CrN), chromium oxynitride (CrNO), chromium oxide (CrO), chromium carbide (CrC), chromium carbonate (CrCO), chromium carbonitride ( CrCN), chromium carbonate nitride (CrCNO), and the like.
  • the coating 64 and the second coating 65 each have a one-layer structure composed of one or more chromium materials.
  • the coating 64 and the second coating 65 preferably have different types of chromium materials and different mixing ratios, but may have the same type of chromium materials and/or the same mixing ratio.
  • the second coating 65 shown in FIG. 14 has a columnar structure rising from the coating 64 at the flank coating 66 .
  • the second coating 65 may have a grain structure composed of a plurality of grains for which a clear columnar structure cannot be discerned in the flank coating 66 .
  • the grain size of the particles of the second coat 65 is, for example, 50 to 150% of the grain size of the grains forming the coat 64 .
  • chipping and film cracking from the base material cutting edge 63 toward the flank coating 66 progresses along the extending direction of the columnar structure of the coating 64 . Therefore, chipping and film cracking progress along the direction of the arrow shown in the coating 64 of the flank coating 66 in the drawing.
  • a method for manufacturing a coating-coated cutting tool first forms a substrate having a substrate flank and a substrate rake (step 1).
  • a coating material containing a chromium material is prepared. If a second coating is to be applied, additional material containing another chromium material is prepared (step 2).
  • a coating containing a chromium material is applied to the substrate flank and substrate rake by PVD processing (step 3).
  • the coating is grown in a columnar shape in a direction to stand up against the substrate flank and the substrate rake face. That is, crystals are grown such that the grain size is larger than that of film formation by conventional PVD and the crystals extend longer in a predetermined direction.
  • the base material 47 of the comparative product 40 is coated with the film 41.
  • the flank coating 42 coated on the substrate flank 48 is formed with a film thickness 42a of 7.8 ⁇ m.
  • the flank coating 42 has a grain structure that is smaller in diameter than the particles forming the flank coating 22 (see FIG. 4) and whose longitudinal direction cannot be clearly determined.
  • the flank 44 exposes the tip of the grain structure. All of the coating on the rake face 45 was removed by grinding (see FIG. 9).
  • a cutting test was conducted in which laminated red pine lumber was cut with a cutter (cutting diameter of 35 mm) to which the replaceable blade 1 was attached.
  • the cutting conditions are as follows: rotation speed 7714 rpm, feed speed of the work material 0.643 m / min, cutting depth of the cutting tool into the work material in the radial direction of 9 mm, cutting depth of the cutting tool in the axial direction of 9 mm, 150 m of the work material was cut.
  • the sharpness of the cutting edge 5 after cutting was evaluated from the results of observing the state of the cutting edge 5 after cutting and the results of measuring changes in the cutting edge line before and after cutting.
  • the change in the cutting edge line was evaluated based on the cutting edge recession amount of the rake face 4 and the roundness radius of the cutting edge 5 .
  • the rake face 25a has crater wear formed along the cutting edge 26a due to wear, and the cutting edge 26a extends linearly.
  • the cutting edge 26a made of the coating 21 is subject to chipping and film cracking in the columnar direction, and the chipping and film cracking do not spread in the direction of the flank 24a.
  • the film thickness is maintained and the cutting edge shape is maintained.
  • the cutting edge recession amount of the rake face is about 9 ⁇ m.
  • the cutting edge 26a after the cutting test maintains a sharp state with an extremely small roundness radius compared to the cutting edge 26 before the cutting test.
  • the cutting edge recession amount of the rake face is about 12 ⁇ m.
  • the cutting edge 46a after the cutting test has a rounded shape with a larger radius than the cutting edge 46 before the cutting test, and the sharp cutting edge of the coating is lost.
  • test piece 20 with a columnar structure had a small cutting edge recession amount on the rake face even after 150 m cutting, and maintained a sharp cutting edge.
  • Comparative product 30 with an intermediate structure had a chipped cutting edge after cutting for 150 m, and had a rounded shape and lost a sharp cutting edge.
  • Comparative product 40 with a granular structure had more chipping of the cutting edge than comparative product 30, and the sharp cutting edge was damaged more.
  • a cutting test was conducted to cut laminated red pine lumber with a router bit 50 (cutting diameter 12 mm).
  • the cutting conditions are as follows: 18000 rpm rotation speed, 0.643 m/min feed speed of the work material, 3 mm depth of cut in the radial direction of the cutting tool into the work material, depth of cut in the axial direction of the cutting tool was set to 10 mm, and the work material was cut by 150 m.
  • Specimen 70 was also subjected to a 400m cut test, which is longer than normal tool life.
  • the sharpness of the cutting edge 58 after cutting was evaluated from the results of observing the state of the cutting edge 58 after cutting and the results of measuring changes in the cutting edge line before and after cutting.
  • the change in cutting edge line was evaluated based on the cutting edge recession amount of the rake face and the roundness radius of the cutting edge 58 .
  • test samples 70 and 80 and comparative samples 90 and 100 were prepared.
  • the test product 70 is the router bit 50 (see FIG. 13) of the second embodiment.
  • the blade body of the test product 80 corresponds to the blade body 2 (see FIG. 2) of the first embodiment.
  • Comparative products 90 and 100 are router bits in which the same substrate as test product 70 is coated with a conventional coating structure.
  • the test product 70 and the comparative product 90 are coated with a coating made of chromium nitride (CrN) and a second coating made of chromium oxide (Cr 2 O 3 ).
  • Test product 80 and comparative product 100 are coated only with a coating made of chromium nitride (CrN) and are not coated with a second coating made of chromium oxide (Cr 2 O 3 ). All the coatings on the rake faces of test products 70 and 80 and comparative products 90 and 100 were removed by grinding.
  • CrN chromium nitride
  • Cr 2 O 3 chromium oxide
  • the base material 78 of the specimen 70 is coated with the coating 71 and the second coating 72 .
  • the coating 71 of the flank coating 73 that covers the substrate flank 79 is formed with a film thickness 73a of 5.3 ⁇ m.
  • the second coating 72 covering the coating 71 of the flank coating 73 is formed with a thickness 73b of 2.7 ⁇ m. That is, the total thickness 73c of the flank coating 73 is 8 ⁇ m, and the ratio of the thickness 73a of the coating 71 to the thickness 73b of the second coating 72 is approximately 2:1.
  • the coating 71 in the flank coating 73 has a columnar structure that rises from the substrate flank 79 in a direction substantially orthogonal to the substrate flank 79 .
  • the columnar structure extends in the thickness direction with the same length as the film thickness 73a.
  • the second coating 72 is composed of an intermediate structure of a columnar structure having a length in the thickness direction shorter than that of the particles of the coating 71 and a granular structure having a grain size smaller than that of the particles of the coating 71 .
  • the tip of the grain structure of the second coating 72 is exposed on the flank 75 .
  • the base material 87 of the test product 80 is coated with the film 81.
  • the flank coating 82 coated on the substrate flank 88 is formed with a film thickness 82a of 7.5 ⁇ m.
  • the flank coating 82 is a columnar structure extending in a direction slanted at approximately 60° with respect to the substrate flank 88 .
  • the columnar particles extend in the thickness direction with the same length as the film thickness 82a.
  • the tip of the columnar structure is exposed on the flank 84 .
  • the base material 98 of the comparative product 90 is coated with the coating 91 and the second coating 92 .
  • the coating 91 of the flank coating 93 coated on the substrate flank 99 is formed with a film thickness 93a of 5.3 ⁇ m.
  • the second coating 92 covering the coating 91 of the flank coating 93 is formed with a thickness 93b of 2.7 ⁇ m. That is, the total thickness 93c of the flank coating 93 is 8 ⁇ m, and the ratio of the thickness 93a of the coating 91 to the thickness 93b of the second coating 92 is approximately 2:1.
  • the coating 91 in the flank coating 93 has a granular structure in which the longitudinal direction cannot be clearly determined.
  • the second coating 92 is composed of a granular structure having a grain size larger than that of the coating 91 .
  • the tip of the grain structure of the second coating 92 is exposed on the flank 95 .
  • the base material 107 of the comparative product 100 is coated with the film 101 .
  • the flank coating 102 coated on the substrate flank 108 is formed with a film thickness 102a of 3.5 ⁇ m.
  • the grains constituting the flank coating 102 are grains that are smaller than the columnar grains of the flank coating 82 (see FIG. 17) and cannot be clearly distinguished in the longitudinal direction.
  • the flank 104 exposes the tips of granular particles.
  • the rake face 76a formed crater wear along the cutting edge 77a due to wear, and the cutting edge 77a clearly extended linearly.
  • chipping or film cracking occurs, it occurs in the columnar direction of the flank coating 73 schematically shown in the figure, and the columnar particles fall off in order from the tip while maintaining the sharpness of the cutting edge 77a. Therefore, chipping and film cracking do not spread in the direction of the flank 75a. The film thickness is maintained before and after chipping and film cracking, and the cutting edge shape is maintained.
  • the rake face 76b was worn to form crater wear along the cutting edge 77b, and the cutting edge 77b extended linearly. Chipping and film cracking do not spread in the direction of the flank 75b. The film thickness is maintained and the cutting edge shape is maintained.
  • the cutting edge recession amount of the rake face (76, 76a) is about 6 ⁇ m.
  • the cutting edge 77a after the cutting test maintains a sharp state with an extremely small radius of roundness compared to the cutting edge 77 before the cutting test.
  • the cutting edge recession amount of the rake face (76, 76b) is about 15 ⁇ m.
  • the cutting edge 77b after the cutting test has a slightly rounded shape with an enlarged radius of roundness compared to the cutting edge 77 before the cutting test.
  • the rake face 85a formed a recess along the cutting edge 86a due to wear, and the cutting edge 86a maintained a state of extending substantially linearly. ing. Chipping and film cracking do not spread in the direction of the flank 84a. The film thickness is maintained, and the cutting edge shape is generally maintained.
  • the cutting edge recession amount of the rake face (85, 85a) is about 8 ⁇ m.
  • the cutting edge 86a after the cutting test maintains a sharper state than the cutting edge 86 before the cutting test.
  • the rake face 96a has a recess formed along the cutting edge 97a due to wear.
  • the coating of the flank 95a is cracked with the base material of the cemented carbide of the cutting edge 97a as the apex.
  • the cutting edge 97a has a rounded shape in which the flank 95a side is rounded. That is, the sharp cutting edge of the coating is not maintained.
  • chipping or film cracking occurs, granular particles located at the cutting edge 97a fall off as schematically shown in the figure. As a result, chipping and film cracking spread in the cutting direction, and the entire cutting edge 97a has a uniformly rounded shape.
  • the cutting edge recession amount of the rake face (96, 96a) is about 15 ⁇ m.
  • the cutting edge 97a after the cutting test has a rounded shape with a larger radius than the cutting edge 97 before the cutting test. That is, the sharp cutting edge of the coating is lost.
  • the rake face 105a and the flank face 104a wear after the 150-m cutting test of the comparative product 100.
  • the coating is cracked and lacks the coating as the cutting edge 106a.
  • the cutting edge recession amount of the rake face (105, 105a) is about 12 ⁇ .
  • the cutting edge 106a after the cutting test is worn.
  • the coating is cracked and lacks the coating as the cutting edge 106a.
  • the sharp cutting edge of the coating is lost compared to the cutting edge 106 before the cutting test.
  • test pieces 70 and 80 with a columnar structure had a small cutting edge retreat amount on the rake face even after 150 m cutting, and the sharp cutting edge of the coating was maintained. It was found that the test piece 70 in which the columnar film was coated with the oxide film had a smaller cutting edge recession amount on the rake face than the test piece 80 without the oxide film.
  • the comparative product 90 in which the film having a granular structure was coated with an oxide film, had a chipped cutting edge after cutting for 150 m, and had a rounded shape and lost its sharp cutting edge.
  • Comparative product 100 which is a conventionally known product with a granular structure, had a sharper cutting edge of the coating than comparative product 90 due to film cracking and abrasion in the flank direction of the coating. It was found that the amount of recession of the cutting edge on the rake face of test product 70 after cutting 150 m was less than half that of comparative product 100, and that the sharp cutting edge of the coating was relatively maintained even after cutting 400 m.

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Abstract

替刃（１）は、非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂を材料とする被削材を切削加工するために用いられる。基材（１０）を被覆する被膜（１４）が設けられる。被膜（１４）は、すくい面（４）と逃げ面（３）が交差する切れ刃（５）において逃げ面（３）に設けられ、かつ基材（１０）から起立する柱状構造である。被膜（１４）の構成材料は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含む。

Description

切削工具
　本開示の１つの形態は、表面被膜付き切削工具に関する。表面被膜付き切削工具は、例えば非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂の切削加工に用いられる。
　切削工具は、例えば木材や木質材料系の複合材料を切削加工する際に用いられる木工用のカッタ、ルータービットである。この切削工具には、例えば工具鋼や軸受鋼等の鋼、あるいは超硬合金を基材とする刃体が設けられる。刃体のすくい面または逃げ面には、切れ味の改善や切削寿命の持続と向上を目的として硬質で耐摩耗性、耐食性の高い被膜を設ける場合がある。被膜は、例えばＣｒＮ等のクロム窒化物を材料にして、例えばＰＶＤ処理法によって基材に被覆される。
　クロム窒化物を材料とする硬質の被膜は、工具鋼等の基材単体では達成できない耐摩耗性等を得ることができる。しかしながら、例えば含水率が高い木材を切削する場合にはクロム成分が溶出し易い。そのため表面被膜が侵食されて期待する耐久性が得られない場合がある。そこで、クロム窒化物を材料とする硬質の基礎被膜の上に、例えばクロム酸化物、クロム酸窒化物等を材料とする主被膜を被覆する切削工具が従来提案されている。
　特許第５５７６７８８号公報には、多層構造の被膜が記載されている。多層構造は、すくい面または逃げ面に被覆される硬質基礎被膜層と、硬質基礎被膜層に被覆される硬質主被膜層とを含む。硬質基礎被膜層は、例えばＣｒＮ等のクロム窒化物を材料とする。硬質主被膜層は、例えばクロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）やクロム酸窒化物（ＣｒＮＯ）等の硬質基礎被膜層よりも耐食性の高い材料で構成される。特許第６００２７８４号公報には、硬質主被膜層の酸素濃度を厚み方向に変化させた被膜が記載されている。この被膜によって、硬質主被膜層の靭性や耐熱性を高くしている。
　切削工具で被削材を切削する際、切れ刃では、下記の問題が生じる。例えば、被膜が摩耗する。衝撃や振動等によって被膜が細かく欠けるチッピングが発生する。すくい面あるいは逃げ面の切れ刃近くの被膜が先細りして膜割れが発生する。摩耗やチッピング、膜割れ等によって切れ刃が損傷すると鋭利な切れ刃を維持できなくなってしまう。チッピングや膜割れは、例えば基材から逃げ面またはすくい面を被覆する被膜の表層に向かって進行する。チッピングが切れ刃に近い領域に進行する場合がある。あるいは膜割れがすくい面または逃げ面に亘って発生する場合がある。このような場合、切れ刃が損傷して被膜が有する耐摩耗性や耐食性の効果を十分に得ることができなくなってしまう。従来知られている被膜構造では、切れ刃の損傷を十分に抑制するために種々改良の余地があった。
　したがって切削工具において、切れ刃の鋭利さを長時間維持できる構成が従来望まれている。例えば切れ刃に近い領域の被膜の損傷を抑制することで切れ刃の鋭利さを維持する。
　本開示の１つの特徴によると切削工具は、非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂を材料とする被削材を切削加工するために用いられる。基材を被覆する被膜が設けられる。被膜は、すくい面と逃げ面が交差する切れ刃において逃げ面に設けられ、かつ基材から起立する柱状構造である。被膜の構成材料は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含む。
　したがって逃げ面に設けられるクロムを含む被膜によって切削工具の耐久性を高めることができる。基材から逃げ面を被覆する被膜にチッピングや膜割れが発生する際、その進行方向を柱状構造の起立方向に規制できる。そのためチッピングや膜割れが逃げ面の被膜の広範囲に拡がることを抑制でき、逃げ面の被膜の厚みが薄くなり難い。これにより切れ刃の鋭利さを維持できる。
　本開示の他の特徴によると被膜を覆う第２被膜が設けられる。第２被膜は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含む。したがって、例えば被膜よりも耐摩耗性、耐食性の高い材料で第２被膜を設けることで、摩耗、腐食等を抑制できる。基材側の被膜は、逃げ面においてチッピングや膜割れを制御できる。そして外側の第２被膜は、逃げ面の摩耗、腐食等を抑制できる。これにより逃げ面に隣接する切れ刃の損傷をさらに抑制できる。
　本開示の他の特徴は、非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂を材料とする被削材を切削加工するための切削工具の製造方法に関する。基材の表面上で起立する柱状構造を含むように基材上に被膜を形成する。被膜の構成材料が、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含む。被膜をすくい面と逃げ面に亘って形成する。すくい面における被膜の一部または全部を除去してすくい面と逃げ面が交差する切れ刃を鋭利にする。
　したがって逃げ面とすくい面に設けられかつクロム材料を含む被膜によって逃げ面とすくい面の耐久性を高めることができる。しかもチッピングや膜割れが被膜内を進行する際、その進行方向を柱状構造の起立方向に規制できる。そのためチッピングや膜割れが逃げ面またはすくい面に拡がることを抑制できる。さらに切れ刃を鋭利に仕上げる際には、すくい面を被覆する被膜の一部または全部を除去する。これにより逃げ面に被覆される被膜を除去することなく切れ刃を鋭利にできる。そのため逃げ面は、切れ刃を鋭利に仕上げた後でも柱状構造を有する被膜である。そのため、逃げ面に隣接する切れ刃のチッピングや膜割れ方向による損傷を抑制できる。かくして切れ刃が鋭利な状態を長時間維持できる。
第１実施例に係る切削工具の斜視図である。 刃体の切れ刃の断面模式図である。 試験品および比較品に設けられた被膜の諸条件を示す表である。 試験品２０の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 比較品３０の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 比較品４０の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削後における試験品２０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削後における比較品３０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削後における比較品４０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削前後における試験品２０の切れ刃の断面図である。 切削前後における比較品３０の切れ刃の断面図である。 切削前後における比較品４０の切れ刃の断面図である。 第２実施例に係る切削工具の側面図である。 刃体の切れ刃の断面模式図である。 試験品および比較品に設けられた被膜の諸条件を示す表である。 試験品７０の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 試験品８０の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 比較品９０の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 比較品１００の逃げ面断面を電子顕微鏡で観察した写真である。 １５０ｍ切削後の試験品７０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 ４００ｍ切削後の試験品７０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削後における試験品８０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削後における比較品９０の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 切削後における比較品１００の切れ刃を電子顕微鏡で観察した写真である。 １５０ｍ切削する前後における試験品７０の切れ刃の断面図である。 ４００ｍ切削する前後における試験品７０の切れ刃の断面図である。 切削前後における試験品８０の切れ刃の断面図である。 切削前後における比較品９０の切れ刃の断面図である。 切削前後における比較品１００の切れ刃の断面図である。
　本開示に係る切削工具は、被削材を切削加工するために用いられる。被削材は、例えばアルミ、銅等の非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂を材料とする。本開示の技術は、例えば鉋刃等の平刃、カッタ、チップソー、ルータービット、ナイフ、角のみ等の切削工具に適用可能である。あるいはこれら切削工具の替刃等に適用可能である。
　切削工具に設けられる刃体は、基材と、基材を被覆する被膜を有する。基材は、工具鋼、軸受鋼、ステンレス鋼等の鋼材または超硬合金等を材料にして設けられる。被膜は、少なくとも基材の逃げ面を被覆する。基材のすくい面は、被膜に被覆されていても良く、被覆されていなくても良い。換言すると逃げ面を被覆、あるいは逃げ面とすくい面の両方に亘って被覆する被膜が形成される。
　本開示に係る第１実施形態の切削工具を図に基づいて説明する。図１，２に示すように第１実施例の切削工具は、替刃１である。替刃１は、例えば木工用の替刃式ミーリングカッタや替刃式ルータービット等に装着される。替刃１は、矩形板状の刃体２を有する。刃体２には、板厚方向に貫通する貫通孔６が設けられる。貫通孔６を工具本体の刃装着部に嵌合させてねじ留めすることで、刃体２が工具本体に装着される。刃体２は、平面に仕上げられた逃げ面３とすくい面４を有する。逃げ面３とすくい面４は、刃物角５ａで交差して交差部分に直線状の切れ刃５を形成する。刃物角５ａは鋭角であり、例えば５０°～６０°である。切れ刃５を所定の切込み深さで被削材に切込ませた状態で、替刃１を被削材に対して図示の切削方向に向けて相対的に移動させる。これにより切れ刃５が所定の切込み深さで被削材を切削する。
　図２に示すように逃げ面３とすくい面４には、基材１０を被覆する被膜１４が形成される。被膜１４は、基材逃げ面１１を被覆する逃げ面被膜１５と、基材すくい面１２を被覆するすくい面被膜１６を有する。
　図２に示す被膜１４は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物の１つまたは複数を含む。被膜１４は、例えばクロム窒化物（ＣｒＮ）、クロム酸窒化物（ＣｒＮＯ）、クロム酸化物（ＣｒＯ）、クロム炭化物（ＣｒＣ）、クロム炭酸化物（ＣｒＣＯ）、クロム炭窒化物（ＣｒＣＮ）、クロム炭酸窒化物（ＣｒＣＮＯ）等を含む。被膜１４は、１つまたは複数のクロム材料を構成材料とする１層構造である。
　図２に示すように逃げ面被膜１５は、基材逃げ面１１に被覆される。逃げ面被膜１５の膜厚１５ａの下限は、例えば３μｍ、５μｍ、７μｍである。膜厚１５ａの上限は、例えば１２μｍ、１５μｍ、２０μｍである。膜厚１５ａは、例示した下限と上限の各組合せの範囲内である。膜厚１５ａは、好ましくは５～１２μｍである。膜厚１５ａの下限は、被膜が機能する膜厚に設定される。膜厚１５ａの上限は、製膜時間と製造コストを抑えるために設定される。
　図２に示す逃げ面被膜１５は、基材逃げ面１１から起立する柱状構造を有する。柱状構造は、被膜の厚み（膜厚）方向に沿って起立する複数の柱状の粒子が並列することで形成される。柱状構造は、膜厚１５ａと同じ長さを有することが好ましい。柱状構造は、例えば膜厚１５ａの５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上の長さであっても良い。柱状構造は、例えば基材逃げ面１１に対して６０°～１２０°の方向に向かって起立する。隣接する複数の柱状の粒子は、同じ傾斜角度で起立することが好ましい。例えば膜厚１５ａを７．５μｍとして柱状構造を構成する粒子の粒径（太さ）は、１～５μｍである。柱状構造の長さ、粒径、傾斜角度などは、刃体２の断面を電子顕微鏡で観察した写真（図４参照）から測定した。
　図２に示すように基材切れ刃１３から逃げ面被膜１５に向かうチッピングや膜割れは、柱状構造の延出方向に沿って進行する。そのためチッピングや膜割れは、図中の逃げ面被膜１５内に示される矢印の方向に沿って進行する。すなわちチッピングや膜割れは、例えば逃げ面３に略平行な方向に拡がらない。
　図２に示すようにすくい面被膜１６は、替刃１の製造過程で、すくい面４よりも上層が除去される。すくい面４は、基材すくい面１２からの膜厚（距離）１６ａで基材すくい面１２に対して略平行な平面である。すくい面４を仕上げることで切れ刃５が鋭利に形成される。膜厚１６ａを０μｍとしてすくい面被膜１６を全て除去する構成としても良い。
　本開示に係る第２実施形態の切削工具を図に基づいて説明する。図１３，１４に示すように第２実施例の切削工具は、例えば木工用のルータービット５０である。ルータービット５０は、円柱状であり、軸部５１の軸心５１ａを中心に回転させることで被削材を切削する。軸部５１の先端には、凹設されたチップシート５２に刃体５５がろう付けされる。刃体５５の回転方向前方には、切削加工で発生した切屑を排出するための切屑排出溝５３が設けられる。
　図１３，１４に示すように刃体５５は、逃げ面５６とすくい面５７を有する。逃げ面５６とすくい面５７は、刃物角５８ａで交差して交差部分に直線状の切れ刃５８を形成する。刃物角５８ａは鋭角であり、例えば５０°～６０°である。すくい面５７は、概ねルータービット５０の回転方向前方を向く。逃げ面５６は、概ねルータービット５０の径方向外方を向く。切れ刃５８を所定の切込み深さで被削材に切込ませた状態でルータービット５０を回転させる。ルータービット５０を被削材に対して図１４に示す切削方向に向けて相対的に移動させることで、切れ刃５８が所定の切込み深さで被削材を切削する。
　図１４に示すようにルータービット５０の逃げ面５６とすくい面５７は、基材逃げ面６１と基材すくい面６２に倣って平面である。基材逃げ面６１と基材すくい面６２は、刃物角５８ａで交差して交差部分に基材切れ刃６３を形成する。すくい面５７は、基材６０を被覆する被膜６４を含み、すくい面５７において被膜６４が露出している。逃げ面５６は、被膜６４と第２被膜６５を含む逃げ面被膜６６を有する。第２被膜６５が被膜６４を被覆し、逃げ面５６において第２被膜６５が露出している。
　図１４に示す被膜６４と第２被膜６５は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物の１つまたは複数を含む。被膜６４と第２被膜６５は、例えばクロム窒化物（ＣｒＮ）、クロム酸窒化物（ＣｒＮＯ）、クロム酸化物（ＣｒＯ）、クロム炭化物（ＣｒＣ）、クロム炭酸化物（ＣｒＣＯ）、クロム炭窒化物（ＣｒＣＮ）、クロム炭酸窒化物（ＣｒＣＮＯ）等が挙げられる。被膜６４と第２被膜６５は、それぞれ１つまたは複数のクロム材料を構成材料とする１層構造である。被膜６４と第２被膜６５は、クロム材料の種類や混合比率が異なることが好ましいが、クロム材料の種類または混合比率またはその両方が同じであっても良い。
　図１４に示すように逃げ面被膜６６において被膜６４は、膜厚６６ａで基材逃げ面６１を覆う。逃げ面被膜６６において第２被膜６５は、膜厚６６ｂで被膜６４を覆う。被膜６４の膜厚６６ａと第２被膜６５の膜厚６６ｂとの比は、例えば１：１～３：１であり、好ましくは１．５：１～２．５：１である。被膜６４の膜厚６６ａと第２被膜６５の膜厚６６ｂの和の全膜厚６６ｃの下限は、例えば３μｍ、５μｍ、７μｍである。全膜厚６６ｃの上限は、例えば１２μｍ、１５μｍ、２０μｍである。全膜厚６６ｃは、例示した下限と上限の各組合せの範囲内である。全膜厚６６ｃは、好ましくは５～１２μｍである。
　図１４に示す被膜６４は、逃げ面被膜６６において基材逃げ面６１から起立する柱状構造を有する。柱状構造は、基材逃げ面６１に垂直な方向に起立する複数の柱状の粒子が並列することで形成される。柱状構造は、被膜６４の膜厚６６ａと同じ長さを有することが好ましい。柱状構造は、例えば被膜６４の膜厚６６ａの５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上の長さであっても良い。柱状構造は、例えば基材逃げ面６１に対して６０°～１２０°の方向に向かって起立する。基材逃げ面６１に垂直な方向（９０°）に対して±３０°の範囲内である。隣接する複数の柱状の粒子は、同じ傾斜角度で起立することが好ましい。柱状構造を構成する粒子の粒径（太さ）は、例えば被膜６４の膜厚６６ａを５μｍとして１～３μｍである。柱状構造の長さ、粒径、傾斜角度などは、刃体５５の断面を電子顕微鏡で観察した写真（図１６参照）により測定した。
　図１４に示す第２被膜６５は、逃げ面被膜６６において被膜６４から起立する柱状構造を有する。あるいは第２被膜６５は、逃げ面被膜６６において明瞭な柱状構造を判別できない複数の粒子で構成された粒状構造であっても良い。第２被膜６５の粒子の粒径は、例えば被膜６４を構成する粒子の粒径に対して５０～１５０％の大きさである。
　図１４に示すように基材切れ刃６３から逃げ面被膜６６に向かうチッピングや膜割れは、被膜６４の柱状構造の延出方向に沿って進行する。そのためチッピングや膜割れは、図中の逃げ面被膜６６の被膜６４内に示される矢印の方向に沿って進行する。
　図１４に示すようにすくい面被膜６７は、すくい面５７よりも上層が除去される。すくい面５７は、基材すくい面６２からの膜厚（距離）６７ａで基材すくい面６２に対して略平行な平面である。これに代えてすくい面５７は、基材すくい面６２（膜厚６７ａが０μｍ）上に位置していても良い。あるいは、すくい面５７は、被膜６４内、被膜６４と第２被膜６５の境界面、第２被膜６５内の位置にあっても良い。すくい面５７を仕上げることで切れ刃５８が鋭利に形成される。すくい面５７は基材すくい面６２に対して平行ではなく、仕上げる量（除去する量）を少なくして刃角を大きくする方向に傾斜させてもよい。これにより仕上げ加工（研磨）が容易となる。すくい面被膜６７の全てを除去して、基材すくい面６２をすくい面５７としてもよい。すくい面５７の基材が先に摩耗するため、切れ刃５８が被膜６４と第２被膜６５で維持されて鋭利である。
　被膜で被覆された切削工具の製造方法は、先ず基材逃げ面と基材すくい面を有する基材を形成する（ステップ１）。クロム材料を含む被膜の材料を準備する。第２被膜を設ける場合は必要なら別のクロム材料を含む材料を追加準備する（ステップ２）。基材逃げ面と基材すくい面にＰＶＤ処理でクロム材料を含む被膜を被覆する（ステップ３）。基材逃げ面と基材すくい面に被覆される柱状構造の被膜を形成する際には、被膜を基材逃げ面と基材すくい面に対して起立する方向に向かって柱状に成長させる。すなわち従来のＰＶＤによる被膜形成よりも粒径が大きくかつ所定の方向に長く延出するように結晶を成長させる。
　逃げ面を被覆する被膜が、所定の長さになるまで柱状構造を成長させる（ステップ４）。被膜を第２被膜で被覆する場合は、基材逃げ面と基材すくい面に被膜を形成した後、被膜の上層に第２被膜を形成する。被膜形成後は、すくい面を平面状に研削して、すくい面を覆う被膜の上層の一部または全部を除去する（ステップ５）。これによりすくい面と逃げ面が交差する切れ刃が鋭利に仕上げられる。
　ステップ３のＰＶＤとしては、アークイオンプレーティング法を用いることができる。あるいはＰＶＤとして、例えばマグネトロンスパッタリング法を用いても良い。ステップ４について、ＣｒＮ、ＣｒＮＯ、ＣｒＯ、ＣｒＣ、ＣｒＣＯ、ＣｒＣＮ、ＣｒＣＮＯは、いずれも同様のＰＶＤ処理で粒径が大きく長い柱状構造に形成可能である。
　以下に、本開示に係る実施例について具体的な数字を用いて説明する。図３に示すように第１実施例に係る試験品２０、比較品３０、比較品４０を準備した。第１実施例の試験品２０は、第１実施形態の替刃１である。比較品３０，４０は、試験品２０と同じ超硬合金の基材に従来の被覆構造の被膜を被覆した替刃である。試験品２０、比較品３０、比較品４０には、クロム窒化物（ＣｒＮ）を材料とする１層の被膜が形成される。被膜はクロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）を含まない。
　図４に示すように試験品２０の基材２７には、被膜２１が被覆される。基材逃げ面２８に被覆される逃げ面被膜２２は、７．５μｍの膜厚２２ａで形成される。逃げ面被膜２２は、基材逃げ面２８から基材逃げ面２８に対して略直交する方向に起立する柱状構造である。逃げ面２４には柱状構造の先端が露出する。すくい面２５の被膜の全部を研削により除去した（図７参照）。
　図５に示すように比較品３０の基材３７には、被膜３１が被覆される。基材逃げ面３８に被覆される逃げ面被膜３２は、７．６μｍの膜厚３２ａで形成される。逃げ面被膜３２は、基材逃げ面３８に対して略直交する方向に延出する柱状構造を含むものの、膜厚３２ａの１０％程度の短い柱状構造である。そして柱状構造の隙間に柱状構造よりも粒径が小さい粒状構造が形成されている。逃げ面被膜３２は、柱状構造と粒状構造の中間構造になっている。逃げ面３４には柱状構造と粒状構造の両方の先端が露出する。すくい面３５の被膜の全部を研削により除去した（図８参照）。
　図６に示すように比較品４０の基材４７には、被膜４１が被覆される。基材逃げ面４８に被覆される逃げ面被膜４２は、７．８μｍの膜厚４２ａで形成される。逃げ面被膜４２は、逃げ面被膜２２（図４参照）を構成する粒子よりも粒径が小さくかつ明瞭な長手方向が判別できない粒状構造である。逃げ面４４には粒状構造の先端が露出する。すくい面４５の被膜の全部を研削により除去した（図９参照）。
　替刃１を取り付けたカッタ（切削径３５ｍｍ）によってアカマツ集成材を切削する切削試験を行った。切削条件は、回転数を７７１４ｒｐｍ、被削材の送り速度を０．６４３ｍ／ｍｉｎ、被削材への切削工具の径方向への切込みを９ｍｍ、切削工具の軸方向への切込みを９ｍｍとし、被削材を１５０ｍ切削した。そして切削後の切れ刃５の状態の観察結果と、切削前後の切れ刃線の変化の測定結果から、切削後の切れ刃５の鋭利さを評価した。切れ刃線の変化は、すくい面４の刃先後退量と、切れ刃５の丸み半径に基づいて評価した。
　図７に示すように試験品２０の切削試験後において、すくい面２５ａは摩耗によって切れ刃２６ａに沿ってクレータ摩耗が形成され、切れ刃２６ａは直線状に延出している。被膜２１からなる切れ刃２６ａは、柱状方向にチッピングや膜割れし、そのチッピングや膜割れは逃げ面２４ａの方向に拡がらない。膜厚は維持され、切れ刃形状が維持される。
　図１０に示すように試験品２０の切削試験後において、すくい面の刃先後退量が９μｍ程度である。切削試験後の切れ刃２６ａは、切削試験前の切れ刃２６と比較して、丸み半径の極めて小さい鋭利な状態を維持している。
　図８に示すように比較品３０の切削試験後において、すくい面３５ａと逃げ面３４ａは摩耗し、切れ刃３６ａの被膜３１の膜厚は維持されていない。
　図１１に示すように比較品３０の切削試験後において、すくい面の刃先後退量が１６μｍ程度である。切削試験後の切れ刃３６ａは、切削試験前の切れ刃３６と比較して、丸み半径が大きい丸みを帯びた形状になっており、被膜の鋭利な切れ刃が損なわれている。
　図９に示すように比較品４０の切削試験後において、すくい面４５ａと逃げ面４４ａは摩耗し、切れ刃４６ａの被膜４１の膜厚は維持されていない。
　図１２に示すように比較品４０の切削試験後において、すくい面の刃先後退量が１２μｍ程度である。切削試験後の切れ刃４６ａは、切削試験前の切れ刃４６と比較して、丸み半径が大きい丸みを帯びた形状になっており、被膜の鋭利な切れ刃が損なわれている。
　図７～１２に示すように柱状構造の試験品２０は、１５０ｍ切削後もすくい面の刃先後退量が少なく、鋭利な切れ刃が維持されることがわかった。中間構造の比較品３０は、１５０ｍ切削後において切れ刃が欠けて丸み形状を帯びて鋭利な切れ刃が損なわれた。粒状構造の比較品４０は、比較品３０よりも切れ刃の欠けが大きく、鋭利な切れ刃がより損なわれた。
　ルータービット５０（切削径１２ｍｍ）によってアカマツ集成材を切削する切削試験を行った。切削条件は、回転数を１８０００ｒｐｍ、被削材の送り速度を０．６４３ｍ／ｍｉｎ、被削材への切削工具の径方向への切込み深さを３ｍｍ、切削工具の軸方向への切込み深さを１０ｍｍとし、被削材を１５０ｍ切削した。試験品７０については、通常の工具寿命よりも長い４００ｍの切削試験も行った。そして切削後の切れ刃５８の状態の観察結果と、切削前後の切れ刃線の変化の測定結果から、切削後の切れ刃５８の鋭利さを評価した。切れ刃線の変化は、すくい面の刃先後退量と、切れ刃５８の丸み半径に基づいて評価した。
　図１５に示すように第２実施例に係る試験品７０，８０、比較品９０，１００を準備した。試験品７０は、第２実施形態のルータービット５０（図１３参照）である。試験品８０の刃体は、第１実施形態の刃体２（図２参照）に相当する。比較品９０，１００は、試験品７０と同じ基材に従来の被覆構造の被膜を被覆したルータービットである。試験品７０、比較品９０は、クロム窒化物（ＣｒＮ）を材料とする被膜と、クロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）材料とする第２被膜が被覆される。試験品８０、比較品１００は、クロム窒化物（ＣｒＮ）を材料とする被膜だけが被覆され、クロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）を材料とする第２被膜は被覆されない。試験品７０，８０、比較品９０，１００のすくい面の被膜の全部を研削により除去した。
　図１６に示すように試験品７０の基材７８には、被膜７１と第２被膜７２が被覆される。基材逃げ面７９に被覆される逃げ面被膜７３の被膜７１は、５．３μｍの膜厚７３ａで形成される。逃げ面被膜７３の被膜７１に被覆される第２被膜７２は、２．７μｍの膜厚７３ｂで形成される。すなわち逃げ面被膜７３の全膜厚７３ｃは８μｍであり、被膜７１の膜厚７３ａと第２被膜７２の膜厚７３ｂとの比は略２：１である。
　図１６に示すように逃げ面被膜７３において被膜７１は、基材逃げ面７９から基材逃げ面７９に対して略直交する方向に起立する柱状構造である。柱状構造は、膜厚７３ａと同じ長さで厚み方向に延出する。第２被膜７２は、被膜７１の粒子よりも厚み方向の長さが短い柱状構造と、被膜７１の粒子よりも粒径の小さい粒状構造の中間構造で構成される。逃げ面７５には第２被膜７２の粒状構造の先端が露出する。
　図１７に示すように試験品８０の基材８７には、被膜８１が被覆される。基材逃げ面８８に被覆される逃げ面被膜８２は、７．５μｍの膜厚８２ａで形成される。逃げ面被膜８２は、基材逃げ面８８に対して概ね６０°で傾斜する方向に延出する柱状構造である。柱状の粒子は、膜厚８２ａと同じ長さで厚み方向に延出する。逃げ面８４には柱状構造の先端が露出する。
　図１８に示すように比較品９０の基材９８には、被膜９１と第２被膜９２が被覆される。基材逃げ面９９に被覆される逃げ面被膜９３の被膜９１は、５．３μｍの膜厚９３ａで形成される。逃げ面被膜９３の被膜９１に被覆される第２被膜９２は、２．７μｍの膜厚９３ｂで形成される。すなわち逃げ面被膜９３の全膜厚９３ｃは８μｍであり、被膜９１の膜厚９３ａと第２被膜９２の膜厚９３ｂとの比は略２：１である。
　図１８に示すように逃げ面被膜９３において被膜９１は、明瞭な長手方向が判別できない粒状構造である。第２被膜９２は、被膜９１の粒子よりも粒径の大きい粒状構造で構成される。逃げ面９５には第２被膜９２の粒状構造の先端が露出する。
　図１９に示すように比較品１００の基材１０７には、被膜１０１が被覆される。基材逃げ面１０８に被覆される逃げ面被膜１０２は、３．５μｍの膜厚１０２ａで形成される。逃げ面被膜１０２を構成する粒子は、逃げ面被膜８２（図１７参照）の柱状の粒子よりも粒径が小さくかつ明瞭な長手方向が判別できない粒状である。逃げ面１０４には粒状の粒子の先端が露出する。
　図２０に示すように試験品７０の１５０ｍの切削試験後において、すくい面７６ａは摩耗によって切れ刃７７ａに沿ってクレータ摩耗が形成され、切れ刃７７ａは、明瞭に直線状に延出している。チッピングや膜割れが発生する場合、図で模式的に示す逃げ面被膜７３の柱状方向に発生し、かつ切れ刃７７ａの鋭利を保ちながら先端から順に柱状の粒子が脱落する。そのため逃げ面７５ａの方向にはチッピングや膜割れが拡がらない。チッピングや膜割れの前後で膜厚は維持され、切れ刃形状が維持される。
　図２１に示すように試験品７０の４００ｍの切削試験後において、すくい面７６ｂは摩耗によって切れ刃７７ｂに沿ってクレータ摩耗が形成され、切れ刃７７ｂは直線状に延出している。逃げ面７５ｂの方向にはチッピングや膜割れが拡がらない。膜厚は維持され、切れ刃形状が維持されている。
　図２５に示すように試験品７０の１５０ｍの切削試験後において、すくい面（７６，７６ａ）の刃先後退量が６μｍ程度である。切削試験後の切れ刃７７ａは、切削試験前の切れ刃７７と比較して、丸み半径の極めて小さい鋭利な状態を維持している。
　図２６に示すように試験品７０の４００ｍの切削試験後において、すくい面（７６，７６ｂ）の刃先後退量が１５μｍ程度である。切削試験後の切れ刃７７ｂは、切削試験前の切れ刃７７と比較して、丸み半径が拡大して少し丸みを帯びた形状になっている。
　図２２に示すように試験品８０の１５０ｍの切削試験後において、すくい面８５ａは摩耗によって切れ刃８６ａに沿って窪みが形成され、切れ刃８６ａは、概ね直線状に延出した状態を維持している。逃げ面８４ａの方向にはチッピングや膜割れが拡がらない。膜厚は維持され、切れ刃形状が概ね維持されている。
　図２７に示すように試験品８０の１５０ｍの切削試験後において、すくい面（８５，８５ａ）の刃先後退量が８μｍ程度である。切削試験後の切れ刃８６ａは、切削試験前の切れ刃８６と比較して、鋭利な状態が維持されている。
　図２３に示すように比較品９０の１５０ｍの切削試験後において、すくい面９６ａは摩耗によって切れ刃９７ａに沿って窪みが形成されている。しかし、切れ刃９７ａの超硬合金の基材を頂点にして逃げ面９５ａの被膜が膜割れしている。切れ刃９７ａは、切れ刃７７ａ（図２０参照）や切れ刃８６ａ（図２２参照）と比較して、逃げ面９５ａ側の角が取れて丸みを帯びた形状になっている。すなわち、被膜の鋭利な切れ刃は維持されていない。チッピングや膜割れが発生する場合、図で模式的に示すように切れ刃９７ａに位置する粒状の粒子が脱落する。そのためチッピングや膜割れが切削方向に拡がり、切れ刃９７ａ全体が一様に丸みを帯びた形状になる。
　図２８に示すように比較品９０の１５０ｍの切削試験後において、すくい面（９６，９６ａ）の刃先後退量が１５μｍ程度である。切削試験後の切れ刃９７ａは、切削試験前の切れ刃９７と比較して、丸み半径が大きい丸みを帯びた形状になっている。すなわち、被膜の鋭利な切れ刃が損なわれている。
　図２４に示すように比較品１００の１５０ｍの切削試験後において、すくい面１０５ａと逃げ面１０４ａは摩耗する。被膜が膜割れして切れ刃１０６ａとしての被膜が欠けている。
　図２９に示すように比較品１００の１５０ｍの切削試験後において、すくい面（１０５，１０５ａ）の刃先後退量が１２μ程度である。切削試験後の切れ刃１０６ａは摩耗している。被膜が膜割れして切れ刃１０６ａとしての被膜が欠けている。切削試験前の切れ刃１０６と比較して被膜の鋭利な切れ刃が損なわれている。
　図２０～２９に示すように柱状構造の試験品７０，８０は、１５０ｍ切削後もすくい面の刃先後退量が少なく、被膜の鋭利な切れ刃が維持されることがわかった。柱状被膜を酸化被膜で被覆した試験品７０は、酸化被膜を有しない試験品８０よりもすくい面の刃先後退量が小さいことがわかった。粒状構造の被膜を酸化被膜で被覆した比較品９０は、１５０ｍ切削後において切れ刃が欠けて丸み形状を帯びて鋭利な切れ刃が損なわれた。粒状構造の従来公知品である比較品１００は、被膜の逃げ面方向の膜割れ、摩耗により、比較品９０よりも被膜の鋭利な切れ刃が損なわれた。試験品７０は、１５０ｍ切削後のすくい面の刃先後退量が比較品１００の２分の１以下であり、しかも４００ｍ切削後も被膜の鋭利な切れ刃が比較的維持されることがわかった。
　添付の図面を参照して詳細に上述した種々の実施例は、本発明の代表例であって本発明を限定するものではありません。詳細な説明は、本教示の様々な態様を作成、使用および／または実施するために、当業者に教示するものであって、本発明の範囲を限定するものではありません。更に、上述した各付加的な特徴および教示は、改良された切削工具および／またはその製造方法と使用方法を提供するため、別々にまたは他の特徴および教示と一緒に適用および／または使用され得るものです。

Claims (3)

  1. 　非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂を材料とする被削材を切削加工するための切削工具であって、
    　基材を被覆する被膜を有し、前記被膜は、すくい面と逃げ面が交差する切れ刃において前記逃げ面に設けられ、かつ前記基材から起立する柱状構造であり、
    　前記被膜の構成材料は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含む切削工具。
  2. 　請求項１に記載の切削工具であって、
    　前記被膜を覆う第２被膜を有し、前記第２被膜は、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含む切削工具。
  3. 　非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂を材料とする被削材を切削加工するための切削工具の製造方法であって、
    　基材の表面上で起立する柱状構造を含むように前記基材上に被膜を形成し、前記被膜の構成材料が、クロムの窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物のいずれか１つまたは複数含み、前記被膜をすくい面と逃げ面に亘って形成し、
    　前記すくい面における前記被膜の一部または全部を除去して前記すくい面と前記逃げ面が交差する切れ刃を鋭利にする切削工具の製造方法。
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