JP2018069328A - Friction stir welding tool - Google Patents

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博香 青山
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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a friction stir welding tool having long life.SOLUTION: A friction stir welding tool includes base material and a coating film for covering a surface of the base material. The coating film includes a compound layer consisting of a composition of TiMCN(where M is one or more elements (however, Ti is excluded) selected from a group consisting of a 4-group element, a 5-group element, a 6-group element in a periodic table, Al, Si, and B, and x and y satisfy 0.2≤x≤1, and 0≤y≤1), and the compound layer has an elastic recovery rate of 52% or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用ツールに関する。   The present invention relates to a friction stir welding tool.

1991年の英国において、アルミニウム合金などの金属材料(被接合材)同士を接合する摩擦撹拌接合技術が確立された。本技術は、接合を目的とする金属材料同士の接合面において、先端に小径突起部が形成された円柱状の摩擦撹拌接合用ツールを押圧しながら回転させることにより、摩擦熱を発生させて、当該摩擦熱により接合部分の金属材料を軟化させて塑性流動させることにより、金属材料同士を接合するという技術である。   In the United Kingdom in 1991, a friction stir welding technique for joining metal materials (materials to be joined) such as aluminum alloys was established. This technology generates frictional heat by rotating while pressing a cylindrical friction stir welding tool having a small-diameter protrusion formed at the tip on the joining surface between metal materials intended for joining, This is a technique of joining metal materials by softening and plastically flowing the metal material of the joint portion by the frictional heat.

「接合部分」とは、金属材料を突き合わせたり、金属材料を重ねて設置させたりすることにより、それらの金属材料の接合が所望される接合界面部分をいう。この接合界面付近において金属材料が軟化されて塑性流動が起こり、その金属材料が攪拌されることでその接合界面が消滅し、接合が行なわれる。さらに、同時にその金属材料に動的再結晶が起こるので、この動的再結晶により接合界面付近の金属材料が微粒化することとなり、金属材料同士を高強度に接合することができる。   The “joining portion” refers to a joining interface portion where joining of metal materials is desired by abutting metal materials or placing metal materials in an overlapping manner. In the vicinity of the bonding interface, the metal material is softened to cause plastic flow. When the metal material is stirred, the bonding interface disappears and bonding is performed. Furthermore, since dynamic recrystallization occurs simultaneously in the metal material, the metal material in the vicinity of the bonding interface is atomized by the dynamic recrystallization, and the metal materials can be bonded with high strength.

このような摩擦撹拌接合用ツールに関し、基材の表面に被膜を設けて、工具特性を向上させる技術が開発されている。たとえば、特開2013−000773号公報(特許文献1)には、基材の表面に、特徴的な熱浸透率と特徴的な結晶構造とを有する被膜を設けた摩擦撹拌接合用ツールが開示されている。この摩擦撹拌接合用ツールによれば、耐摩耗性に加え、耐剥離性および耐チッピング性が向上される。   With regard to such a friction stir welding tool, a technique has been developed in which a coating is provided on the surface of a base material to improve tool characteristics. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-000773 (Patent Document 1) discloses a friction stir welding tool in which a coating having a characteristic heat permeability and a characteristic crystal structure is provided on the surface of a base material. ing. According to this friction stir welding tool, in addition to wear resistance, peeling resistance and chipping resistance are improved.

特開2013−000773号公報JP2013-000773A

ところで、被接合材の接合加工時において、摩擦撹拌接合用ツールのうち、被削材との接触部分は、高温に曝されるとともに、回転方向に捩じられる大きな負荷が加えられる。このため、従来の摩擦撹拌接合用ツールにおいては、接触部分に欠損および/または亀裂の発生といった不具合が生じる場合があり、結果的に十分な長寿命が発揮されないという問題があった。   By the way, at the time of joining of the workpieces, a portion of the friction stir welding tool in contact with the workpiece is exposed to a high temperature and a large load that is twisted in the rotational direction is applied. For this reason, in the conventional friction stir welding tool, there are cases where defects such as defects and / or cracks occur at the contact portion, and as a result, there is a problem that a sufficiently long life cannot be exhibited.

本開示では、長寿命を有する摩擦撹拌接合用ツールを提供することを目的とする。   It is an object of the present disclosure to provide a friction stir welding tool having a long life.

本開示の一態様に係る摩擦撹拌接合用ツールは、基材と、基材の表面を被覆する被膜とを備える摩擦撹拌接合用ツールであって、被膜は、Tix1-xy1-y(Mは、周期表の4族元素、5族元素、6族元素、Al、SiおよびBからなる群より選ばれる1種以上の元素(ただしTiは除く)であり、0.2≦x≦1、および0≦y≦1を満たす)の組成からなる化合物層を含み、化合物層は52%以上の弾性回復率を有する。 A friction stir welding tool according to one embodiment of the present disclosure is a friction stir welding tool including a base material and a coating that covers a surface of the base material, and the coating is Ti x M 1-x Cy N 1-y (M is one or more elements selected from the group consisting of group 4 elements, group 5 elements, group 6 elements, Al, Si and B in the periodic table (excluding Ti), 0.2 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1), and the compound layer has an elastic recovery rate of 52% or more.

上記によれば、長寿命を有する摩擦撹拌接合用ツールを提供することができる。   According to the above, a friction stir welding tool having a long life can be provided.

図1は、一実施形態に係る摩擦撹拌接合用ツールの一例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a friction stir welding tool according to an embodiment.

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。なお、本明細書において「A〜B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described. In the present specification, the notation in the form of “A to B” means the upper and lower limits of the range (that is, A or more and B or less), and there is no unit description in A, and the unit is described only in B The unit of A and the unit of B are the same.

〔1〕本開示の一態様に係る摩擦撹拌接合用ツールは、基材と、基材の表面を被覆する被膜とを備える摩擦撹拌接合用ツールであって、被膜は、Tix1-xy1-y(Mは、周期表の4族元素、5族元素、6族元素、Al、SiおよびBからなる群より選ばれる1種以上の元素(ただしTiは除く)であり、0.2≦x≦1、および0≦y≦1を満たす)の組成からなる化合物層を含み、化合物層は52%以上の弾性回復率を有する。 [1] A friction stir welding tool according to an aspect of the present disclosure is a friction stir welding tool including a base material and a coating that covers a surface of the base material, and the coating is Ti x M 1-x C y N 1-y (M is one or more elements selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, Al, Si and B in the periodic table (excluding Ti), 0.2 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1), and the compound layer has an elastic recovery rate of 52% or more.

摩擦撹拌接合用ツールを用いた接合時には、被接合材との接触部分に大きな負荷(応力)が加わり、これにより接触部分には変形が引き起こされる。摩擦撹拌接合用ツールが被膜を備える場合、上記接触部分は、基材と該基材の表面を被覆する被膜とから構成されることとなる。通常、基材は被膜よりも靱性に優れ、被膜は基材よりも硬度に優れる傾向がある。このため、従来の摩擦撹拌接合用ツールにおいては、基材の変形に被膜が追随できずに、被膜が塑性変形してしまい、これに伴い、被膜の欠損や亀裂の発生が引き起こされる傾向にあった。   At the time of joining using the friction stir welding tool, a large load (stress) is applied to the contact portion with the material to be joined, thereby causing deformation of the contact portion. When the friction stir welding tool is provided with a coating, the contact portion is composed of a substrate and a coating that covers the surface of the substrate. Usually, the substrate tends to have better toughness than the coating, and the coating tends to have better hardness than the substrate. For this reason, in the conventional friction stir welding tool, the coating cannot follow the deformation of the base material, and the coating is plastically deformed. It was.

これに対し、上記摩擦撹拌接合用ツールによれば、被膜は、上記特徴的な組成からなり、かつ52%以上の弾性回復率を有する化合物層を有する。このような化合物層は、高い硬度、高い耐熱性、化学安定性に加え、高い靱性を有することができる。このため、上記化合物層を有する被膜は、基材の変形に十分に追随することができる。したがって、上記摩擦撹拌接合用ツールによれば、従来のような被膜の欠損や亀裂の発生が抑制され、もって長寿命を有することができる。   On the other hand, according to the friction stir welding tool, the coating film has a compound layer having the characteristic composition and having an elastic recovery rate of 52% or more. Such a compound layer can have high toughness in addition to high hardness, high heat resistance, and chemical stability. For this reason, the film which has the said compound layer can fully follow the deformation | transformation of a base material. Therefore, according to the tool for friction stir welding, the occurrence of coating defects and cracks as in the conventional case is suppressed, and thus a long life can be obtained.

〔2〕上記摩擦撹拌接合用ツールにおいて、Mは、SiまたはBの少なくとも一方を含む。これにより、化合物層の弾性回復率がさらに向上する。   [2] In the friction stir welding tool, M includes at least one of Si and B. This further improves the elastic recovery rate of the compound layer.

〔3〕上記摩擦撹拌接合用ツールにおいて、化合物層は六方晶型結晶構造を含まない。上記化合物層が六方晶型結晶構造を含む場合、化合物層の硬度が低下する傾向がある。換言すれば、六方晶型結晶構造を含まない化合物層は、高い硬度を有することができる。   [3] In the friction stir welding tool, the compound layer does not include a hexagonal crystal structure. When the compound layer includes a hexagonal crystal structure, the hardness of the compound layer tends to decrease. In other words, a compound layer that does not include a hexagonal crystal structure can have high hardness.

〔4〕上記摩擦撹拌接合用ツールにおいて、化合物層は2μm以上16μm以下の厚さを有する。これにより、化合物層の剥離を十分に抑制しつつ、上記効果を好適に発揮することができる。   [4] In the friction stir welding tool, the compound layer has a thickness of 2 μm to 16 μm. Thereby, the said effect can be exhibited suitably, fully suppressing peeling of a compound layer.

〔5〕上記摩擦撹拌接合用ツールにおいて、被膜は、基材と化合物層との間に中間層を含み、中間層は4μm以下の厚さを有する。これにより、化合物層の特性と中間層の特性との両特性を相乗的に発揮することができる。   [5] In the friction stir welding tool, the coating includes an intermediate layer between the substrate and the compound layer, and the intermediate layer has a thickness of 4 μm or less. Thereby, both the characteristics of the compound layer and the characteristics of the intermediate layer can be exhibited synergistically.

〔6〕上記摩擦撹拌接合用ツールにおいて、基材は、16GPa以上のビッカース硬度と、7.0MPa・m1/2以下の破壊靱性値とを有する。上記摩擦撹拌接合用ツールがこのような基材を備える場合、被膜の特性が顕著に反映されることとなる。 [6] In the friction stir welding tool, the base material has a Vickers hardness of 16 GPa or more and a fracture toughness value of 7.0 MPa · m 1/2 or less. When the friction stir welding tool includes such a base material, the characteristics of the coating are remarkably reflected.

[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の一実施形態(以下「本実施形態」と記す)について説明する。ただし、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。また、本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されるものではない。たとえば「TiCN」と記載されている場合、TiCNを構成する原子数の比はTi:C:N=1:0.5:0.5に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described. However, this embodiment is not limited to these. In the drawings used for describing the following embodiments, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. Further, in the present specification, when a compound or the like is represented by a chemical formula, when the atomic ratio is not particularly limited, it includes any conventionally known atomic ratio, and is not necessarily limited to a stoichiometric range. For example, when “TiCN” is described, the ratio of the number of atoms constituting TiCN is not limited to Ti: C: N = 1: 0.5: 0.5, and any conventionally known atomic ratio is included.

〈摩擦撹拌接合用ツール〉
図1を用いながら、本実施形態の摩擦撹拌接合用ツールについて説明する。図1は、一実施形態に係る摩擦撹拌接合用ツールの一例を示す断面図である。本開示の摩擦撹拌接合用ツール1(以下「ツール1」ともいう)は、基材2と、基材2の表面を被覆する被膜3とを備える。
<Friction stir welding tool>
The friction stir welding tool of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a friction stir welding tool according to an embodiment. The friction stir welding tool 1 of the present disclosure (hereinafter also referred to as “tool 1”) includes a base material 2 and a coating 3 that covers the surface of the base material 2.

基材2は、小径(たとえば直径2〜8mm)のプローブ部4と、大径(たとえば直径4〜20mm)の円柱部5とを備えた形状を有し、円柱部5の上方部分には、ホルダーにチャックされるためのチャック部7が設けられている。かかるチャック部7は、たとえば円柱部5の側面の一部が削られることにより形成することができる。また、プローブ部4から拡がる部分(接合加工時に被接合材と接する部分)のことをショルダー部6ともいう。   The base material 2 has a shape including a probe portion 4 having a small diameter (for example, a diameter of 2 to 8 mm) and a cylindrical portion 5 having a large diameter (for example, a diameter of 4 to 20 mm). A chuck portion 7 is provided for being chucked by the holder. Such a chuck portion 7 can be formed, for example, by cutting a part of the side surface of the cylindrical portion 5. Further, the portion that expands from the probe portion 4 (the portion that contacts the material to be joined at the time of joining processing) is also referred to as a shoulder portion 6.

このような構成を有するツール1は、たとえば点接合(FSJ:Friction Spot Joining)用途、および線接合(FSW:Friction Stir Welding)用途等に極めて有用に用いることができる。   The tool 1 having such a configuration can be used extremely usefully for, for example, a point joining (FSJ) application, a line joining (FSR) application, and the like.

具体的には、FSJ用途においては、上下に積層、もしくは突き合わされた2つの被接合材において、接合対象部分にプローブ部4を押圧もしくは挿入させ、その状態でツール1を回転させる。そして、回転するプローブ部4を押圧しながら、その場所でプローブ部4を引き続き回転させることにより、被接合材同士を接合する。一方、FSW用途においては、上下に積層、もしくは突き合わされた2つの被接合材のうち、接合対象部分にプローブ部4を押圧もしくは挿入させ、その状態でツール1を回転させる。そして、回転するプローブ部4を当該積層もしくは突き合わされた部分に対して直線状に移動させることにより、被接合材同士を接合する。   Specifically, in the FSJ application, the probe unit 4 is pressed or inserted into a portion to be joined in two materials to be joined that are stacked or abutted vertically, and the tool 1 is rotated in that state. Then, while pressing the rotating probe portion 4, the probe portion 4 is continuously rotated at that location, thereby joining the materials to be joined together. On the other hand, in the FSW application, the probe unit 4 is pressed or inserted into the joining target portion of the two materials to be joined that are stacked or butted together vertically, and the tool 1 is rotated in that state. And the to-be-joined materials are joined by moving the rotating probe part 4 linearly with respect to the said laminated | stacked or faced part.

図1では、基材2にチャック部7が設けられる場合を示したが、チャック部7は設けられていなくてもよい。また図1では、基材2のうちの接触部分(プローブ部4およびショルダー部6)の表面のみに被膜3が設けられているが、被膜3の構成はこれに限られない。たとえば基材2の表面の全てに設けられていてもよく、チャック部7を除く表面の全域に設けられていてもよい。   Although FIG. 1 shows the case where the chuck portion 7 is provided on the base material 2, the chuck portion 7 may not be provided. Moreover, in FIG. 1, although the film 3 is provided only in the surface of the contact part (the probe part 4 and the shoulder part 6) of the base materials 2, the structure of the film 3 is not restricted to this. For example, it may be provided on the entire surface of the substrate 2, or may be provided on the entire surface except for the chuck portion 7.

ただし、基材2が高温になることを防止する観点からは、基材2のうちの接触部分(プローブ部4およびショルダー部6)の表面のみ、またはチャック部7を除く表面の全域に、被膜が設けられていることが好ましく、基材2のうちの接触部分(プローブ部4およびショルダー部6)の表面のみに設けられていることがより好ましい。摩擦により生じた熱が、被膜3が設けられていない部分からホルダーに放出されやすくなるため、基材2が高温になりにくくなり、もって基材2の変形を抑制することができるとともに、基材2の耐摩耗性の低下を抑制することができるためである。   However, from the viewpoint of preventing the base material 2 from becoming high temperature, the coating is applied only on the surface of the contact portion (probe portion 4 and shoulder portion 6) of the base material 2 or on the entire surface except the chuck portion 7. Is preferably provided, and more preferably provided only on the surface of the contact portion (probe portion 4 and shoulder portion 6) of the substrate 2. Since heat generated by friction is easily released from the portion where the coating 3 is not provided to the holder, the base material 2 is unlikely to become high temperature, and thus deformation of the base material 2 can be suppressed, and This is because a decrease in wear resistance of No. 2 can be suppressed.

《基材》
基材2は、摩擦撹拌接合用ツールの基材として従来公知のものを特に限定なく用いることができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、工具鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、サイアロン、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、立方晶型窒化硼素粒子が分散した硬質材料等を挙げることができる。
"Base material"
The base material 2 can use a conventionally well-known thing as a base material of the tool for friction stir welding without limitation. For example, cemented carbide (for example, WC base cemented carbide, including WC, including Co, or further including carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) High-speed steel, tool steel, ceramics (such as titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, sialon, and mixtures thereof), cubic boron nitride sintered body And diamond sintered bodies, hard materials in which cubic boron nitride particles are dispersed, and the like.

特に、ツール1が、16GPa以上のビッカース硬度と、7.0MPa・m1/2以下の破壊靱性値とを有する基材2を備える場合、被膜3の特性は、ツール1の特性に顕著に反映されることとなるため、ツール1の顕著な長寿命化が可能となる。基材2は、より好ましくは、16〜25GPaのビッカース硬度と、4.0〜7.0MPa・m1/2の破壊靱性値とを有する。 In particular, when the tool 1 includes the base material 2 having a Vickers hardness of 16 GPa or more and a fracture toughness value of 7.0 MPa · m 1/2 or less, the characteristics of the coating 3 are significantly reflected in the characteristics of the tool 1. As a result, the tool 1 can have a significantly long service life. The base material 2 more preferably has a Vickers hardness of 16 to 25 GPa and a fracture toughness value of 4.0 to 7.0 MPa · m 1/2 .

基材2のビッカース硬度は、JIS R1610:2003に準拠して測定される。また基材2の破壊靱性値は、JIS R1607:2010に準拠して測定される。具体的には、まず、基材2の表面を露出させ、さらに該表面をダイヤモンド砥粒を用いて鏡面研磨する。次に、基材2の鏡面に対し、ダイヤモンド製の圧子を用いてビッカース硬さ試験を実施する。これにより、ビッカース硬度(GPa)が測定される。また、圧子圧入法(IF法:Indentation-Fracture Method)を用いることにより、ビッカース硬度硬さ試験後の基材2における圧子痕の大きさ、および亀裂の長さから、破壊靱性(MPa・m1/2)が求められる。 The Vickers hardness of the base material 2 is measured according to JIS R1610: 2003. Moreover, the fracture toughness value of the base material 2 is measured in accordance with JIS R1607: 2010. Specifically, first, the surface of the substrate 2 is exposed, and the surface is further mirror-polished using diamond abrasive grains. Next, a Vickers hardness test is performed on the mirror surface of the substrate 2 using a diamond indenter. Thereby, Vickers hardness (GPa) is measured. In addition, by using an indentation-fracture method (IF method), the fracture toughness (MPa · m 1 ) can be determined from the size of the indenter mark and the crack length in the substrate 2 after the Vickers hardness hardness test. / 2 ) is required.

上記ビッカース硬度および破壊靱性値を満たす基材2としては、超硬合金を挙げることができる。特に好ましい超硬合金としては、WC粒子と結合材とを含む超硬合金を挙げることができる。超硬合金におけるWC粒子の含有割合は87〜95質量%が好ましく、結合材としてCoを含むことが好ましく、さらにCrを含むことがより好ましい。このような超硬合金は、硬度と靱性との両特性のバランスに優れるためである。WC粒子の平均粒径は特に制限されず、たとえば0.2〜2.0μmとすることができる。なお超硬合金は、本発明の効果を示す限り、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいてもよい。   An example of the base material 2 that satisfies the above Vickers hardness and fracture toughness values is cemented carbide. A particularly preferable cemented carbide may be a cemented carbide containing WC particles and a binder. The content ratio of the WC particles in the cemented carbide is preferably 87 to 95% by mass, preferably includes Co as a binder, and more preferably includes Cr. This is because such a cemented carbide has an excellent balance of both hardness and toughness. The average particle size of the WC particles is not particularly limited, and can be set to 0.2 to 2.0 μm, for example. In addition, the cemented carbide may contain an abnormal phase called free carbon or η phase in the structure as long as the effect of the present invention is exhibited.

《被膜》
被膜3は、上述のように、少なくとも基材2のプローブ部4およびショルダー部6を被覆していればよい。
<Coating>
The coating 3 only needs to cover at least the probe portion 4 and the shoulder portion 6 of the substrate 2 as described above.

被膜3の厚さは特に制限されず、たとえば2〜22μmとすることができる。被膜3の厚さが2μm未満の場合、後述する化合物層の厚さが不十分となり、所望の効果が十分に発揮されない傾向がある。被膜3の厚さが22μmを超える場合、被膜3自体が自壊してしまう恐れがある。   The thickness in particular of the film 3 is not restrict | limited, For example, it can be set to 2-22 micrometers. When the thickness of the coating 3 is less than 2 μm, the thickness of the compound layer described later becomes insufficient, and the desired effect tends not to be sufficiently exhibited. When the thickness of the coating 3 exceeds 22 μm, the coating 3 itself may be destroyed.

被膜3の厚さは、次のようにして求めることができる。まず、上述のように、ツール1の任意の位置を切断し、被膜3の断面を含む試料を作製する。作製された断面をSEMで観察し、観察画像に被膜3の厚さ方向の全域が含まれるように倍率を調整する。そして、その厚さを5点以上測定し、その平均値を被膜3の厚さとする。以下詳述する各層の厚さも、同様の方法により計測することができる。   The thickness of the coating 3 can be determined as follows. First, as described above, an arbitrary position of the tool 1 is cut to prepare a sample including a cross section of the coating 3. The produced cross section is observed with an SEM, and the magnification is adjusted so that the entire area of the coating 3 in the thickness direction is included in the observed image. Then, the thickness is measured at five or more points, and the average value is defined as the thickness of the coating 3. The thickness of each layer described in detail below can also be measured by the same method.

被膜3は、以下の化合物層を含む限り、他の層を含んでいてもよい。他の層としては、基材2と化合物層との間に設けられる中間層、および被膜3の最表面を構成する表面層等が挙げられる。
《化合物層》
被膜3に含まれる化合物層は、以下(1)および(2)を満たす。
(1)Tix1-xy1-y(Mは、周期表の4族元素、5族元素、6族元素、Al、SiおよびBからなる群より選ばれる1種以上の元素(ただしTiは除く)であり、0.2≦x≦1、および0≦y≦1を満たす)の組成からなる;
(2)52%以上の弾性回復率を有する。
As long as the film 3 includes the following compound layers, the film 3 may include other layers. Examples of the other layers include an intermediate layer provided between the substrate 2 and the compound layer, and a surface layer constituting the outermost surface of the coating 3.
<Compound layer>
The compound layer included in the coating 3 satisfies the following (1) and (2).
(1) Ti x M 1-x Cy N 1-y (M is one or more elements selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, Al, Si and B in the periodic table) (Excluding Ti) and satisfying 0.2 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1);
(2) It has an elastic recovery rate of 52% or more.

上記(1)に関し、たとえばMが2種の元素である場合、2種の元素の合計原子比が(1−x)となる。   Regarding (1) above, for example, when M is two elements, the total atomic ratio of the two elements is (1-x).

上記(2)に関し、弾性回復率はナノインデンテーション法により求められる。具体的には、まず、ツール1の被膜3が設けられた位置において、被膜3の最表面の面方向に対して6°の傾斜を有する面(傾斜面)が得られるように研磨する。得られた傾斜面内に含まれる化合物層の表面に対し、化合物層の膜厚の1/10以下の押し込み深さ(h)になるように制御された押し込み荷重を負荷し、ナノインデンテーション法による測定を実施する。そして当該試験における最大押し込み深さ(hmax)、および荷重除荷後の押し込み深さ(hp)を測定する。測定された各値を下記式に導入することにより、化合物層の弾性回復率(%)が算出される。
弾性回復率(%)={(hmax−hp)/hmax}×100。
Regarding (2) above, the elastic recovery rate is determined by the nanoindentation method. Specifically, first, polishing is performed so that a surface (inclined surface) having an inclination of 6 ° with respect to the surface direction of the outermost surface of the coating 3 is obtained at the position where the coating 3 of the tool 1 is provided. A nanoindentation method is applied to the surface of the compound layer included in the obtained inclined surface by applying a controlled indentation load so that the indentation depth (h) is 1/10 or less of the film thickness of the compound layer. Perform measurement by And the maximum indentation depth (hmax) in the said test and the indentation depth (hp) after load unloading are measured. By introducing each measured value into the following formula, the elastic recovery rate (%) of the compound layer is calculated.
Elastic recovery rate (%) = {(hmax−hp) / hmax} × 100.

上記試験には、ナノインデンテーション試験機(「ENT−1100a」、株式会社エリオニクス製)とバーコビッチ型のダイヤモンド圧子が用いられる。なお、被膜3に化合物層以外の他の層が含まれる場合には、SEM観察等により、予め被膜3の構成を確認し、化合物層の位置を決定しておく。   For the above test, a nanoindentation tester (“ENT-1100a”, manufactured by Elionix Co., Ltd.) and a Barcovic diamond indenter are used. When the coating 3 includes a layer other than the compound layer, the configuration of the coating 3 is confirmed in advance by SEM observation or the like, and the position of the compound layer is determined.

上記(1)を満たす化合物層においては、Tiが原子比で20%以上含まれ、さらにCおよびNの少なくとも一方が含まれる。このような化合物層は硬度に優れることができるとともに、耐熱性、ならびに高温に対する化学安定性に優れることができる。なおMは、具体的には、第4族元素であるZr、Hf、第5族元素であるV、Nb、Ta、第6族元素であるCr、Mo、W、ならびに、Al、SiおよびBからなる群より選ばれる1種以上の元素である。Mが1種以上の元素からなる場合、各元素の合計量は原子比で80%未満となる。   In the compound layer satisfying the above (1), Ti is contained in an atomic ratio of 20% or more, and at least one of C and N is further contained. Such a compound layer can be excellent in hardness and excellent in heat resistance and chemical stability against high temperatures. Specifically, M is a group 4 element Zr, Hf, a group 5 element V, Nb, Ta, a group 6 element Cr, Mo, W, and Al, Si, and B. One or more elements selected from the group consisting of When M consists of one or more elements, the total amount of each element is less than 80% in atomic ratio.

ここで、一般的な化合物層の特性として、硬度(耐摩耗性)を高めようとすると靱性が低下してしまう傾向があり、靱性を高めようとすると硬度が低下してしまう傾向があることが知られている。   Here, as a general characteristic of the compound layer, there is a tendency that the toughness decreases when trying to increase the hardness (wear resistance), and there is a tendency that the hardness decreases when trying to increase the toughness. Are known.

しかし、本実施形態に係る化合物層は、上記(1)に加えて上記(2)を満たすことができる。換言すれば、本実施形態に係る化合物層は、高い硬度を維持しつつ、優れた靱性(粘り性)を有することができる。このように、本実施形態に係る化合物層においては、高い硬度と高い靱性との両立が可能となっている。   However, the compound layer according to the present embodiment can satisfy the above (2) in addition to the above (1). In other words, the compound layer according to the present embodiment can have excellent toughness (stickiness) while maintaining high hardness. Thus, in the compound layer according to the present embodiment, both high hardness and high toughness can be achieved.

本実施形態に係る化合物層が、硬度と靱性との両特性に優れることができる理由は明確ではないが、少なくとも、化合物層の特徴的な製造方法が関与していると推察される。   The reason why the compound layer according to this embodiment can be excellent in both properties of hardness and toughness is not clear, but it is presumed that at least a characteristic manufacturing method of the compound layer is involved.

すなわち、従来のPVD法においては、基材2上に任意の層を形成する際、基材2に印加されるバイアス電圧は、一定に維持される、または緩やかに連続的に変化する(たとえば、1時間かけて50Vから150Vまで変化させる)、のいずれかであった。これに対し、本実施形態に係る化合物層は、従来のPVD法とは異なり、基材2上に化合物層を形成する際、基材2に印加されるバイアス電圧は細かく変調される。   That is, in the conventional PVD method, when an arbitrary layer is formed on the base material 2, the bias voltage applied to the base material 2 is maintained constant or changes slowly and continuously (for example, The voltage was changed from 50 V to 150 V over 1 hour). On the other hand, unlike the conventional PVD method, the compound layer according to the present embodiment finely modulates the bias voltage applied to the substrate 2 when the compound layer is formed on the substrate 2.

バイアス電圧が細かく変調されるPVD法により、化合物層が作製された場合、その層は不均一に成長していく。不均一に成長した化合物層は、均一に成長した化合物層と比して、加えられる応力を緩和する能力に優れることができると考えられる。このため、化合物層の任意の位置に加えられた応力は化合物層の全体に拡散されることとなり、結果的に、化合物層の弾性回復率が高まるものと推察される。   When a compound layer is produced by the PVD method in which the bias voltage is finely modulated, the layer grows unevenly. It is considered that the compound layer grown non-uniformly can have an excellent ability to relieve applied stress as compared to the compound layer grown uniformly. For this reason, the stress applied to an arbitrary position of the compound layer is diffused throughout the compound layer, and as a result, it is presumed that the elastic recovery rate of the compound layer is increased.

以上のように、本実施形態に係る化合物層は、上記(1)の組成に依拠する特性(硬度、耐熱性、化学安定性等)と、上記(2)のような高い弾性回復率との両特性を相乗的に発揮することができる。このため、ツール1においては、被膜3による硬度、耐熱性、化学安定性等といった諸特性が付与されるのみならず、高い弾性回復率を有することに起因して従来のような欠損の発生や亀裂の発生が抑制されることとなる。   As described above, the compound layer according to this embodiment has characteristics (hardness, heat resistance, chemical stability, etc.) that depend on the composition of (1) above and a high elastic recovery rate as described in (2) above. Both characteristics can be exhibited synergistically. For this reason, in the tool 1, not only are various properties such as hardness, heat resistance, chemical stability, etc. provided by the coating 3, but also the occurrence of defects like the conventional one due to having a high elastic recovery rate. The generation of cracks will be suppressed.

したがって、ツール1は寿命に優れることができる。また、仮にツール1において、被膜3の表面に亀裂が発生した場合であっても、弾性回復率に優れる化合物層の存在に起因して、亀裂の内部への伸展が抑制される。なお化合物層において、弾性回復率の上限は特に制限されず、弾性回復率が大きいほど、高い靱性を有することができる。ただし、製造容易性を考慮すると70%を上限とすることができる。   Therefore, the tool 1 can be excellent in lifetime. Moreover, even if a crack is generated on the surface of the coating 3 in the tool 1, extension to the inside of the crack is suppressed due to the presence of the compound layer having an excellent elastic recovery rate. In the compound layer, the upper limit of the elastic recovery rate is not particularly limited, and the higher the elastic recovery rate, the higher the toughness. However, in consideration of manufacturability, 70% can be made the upper limit.

以上詳述した化合物層としては、上記化学式から理解されるように、Tix1-xCの組成からなる化合物層とTix1-xCNの組成からなる化合物層と、Tix1-xNの組成からなる化合物層とが挙げられる。また、化合物層の組成に関し、好ましくは0.2≦x≦0.7であり、より好ましくは0.3≦x≦0.7である。 As understood from the above chemical formula, the compound layer detailed above includes a compound layer composed of a composition of Ti x M 1-x C, a compound layer composed of a composition of Ti x M 1-x CN, and Ti x M And a compound layer having a composition of 1-xN . Further, regarding the composition of the compound layer, preferably 0.2 ≦ x ≦ 0.7, and more preferably 0.3 ≦ x ≦ 0.7.

化合物層の組成は、SEMまたはTEM付帯のEDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy)装置を用いることにより、確認することができる。具体的には、まず、上述のように、ツール1の任意の位置を切断し、被膜3の断面を含む試料を作製する。次に、被膜3の化合物層に関し、任意の領域を上記装置を用いて分析する。これにより、任意の領域に含まれる各元素の原子比を特定することができ、この原子比から化合物層の組成が決定される。   The composition of the compound layer can be confirmed by using an EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) apparatus attached to the SEM or TEM. Specifically, first, as described above, an arbitrary position of the tool 1 is cut to prepare a sample including a cross section of the coating 3. Next, regarding the compound layer of the coating 3, an arbitrary region is analyzed using the above apparatus. Thereby, the atomic ratio of each element contained in an arbitrary region can be specified, and the composition of the compound layer is determined from this atomic ratio.

さらに化合物層において、Mは、SiまたはBの少なくとも一方を含むことが好ましい。種々の検討により、この場合に化合物層の弾性回復率がさらに向上することが確認されている。具体的には、弾性回復率を60%以上とすることができる。この場合、ツール1はさらに長寿命を有することができる。   Further, in the compound layer, M preferably contains at least one of Si and B. Various studies have confirmed that the elastic recovery rate of the compound layer is further improved in this case. Specifically, the elastic recovery rate can be 60% or more. In this case, the tool 1 can have a longer life.

SiまたはBの少なくとも一方を含む化合物層において、弾性回復率が向上する理由は明確ではない。しかし、種々の検討結果から、立方晶型結晶構造が主である化合物層に、Siおよび/またはBが含まれることによって、化合物層の結晶構造に僅かな歪みが生じることが考えられる。このような適度な歪みの発生が、弾性回復率の向上に関係していると推察される。   The reason why the elastic recovery rate is improved in the compound layer containing at least one of Si and B is not clear. However, from various examination results, it is considered that slight distortion occurs in the crystal structure of the compound layer when Si and / or B is contained in the compound layer mainly having a cubic crystal structure. It is inferred that the occurrence of such moderate strain is related to the improvement of the elastic recovery rate.

化合物層におけるSiおよびBの合計含有割合は、原子比で20%以下であることが好ましい。20%を超えると、化合物層の結晶構造が、立方晶型結晶構造から六方晶型結晶構造へと変化し、これにより、被膜の硬度が低下することが懸念される。また上記合計含有割合の下限は特に制限されないが、これらの元素の添加による効果を十分に発揮させる観点から、原子比で0.5%以上であることが好ましく、2原子%以上であることがより好ましい。   The total content of Si and B in the compound layer is preferably 20% or less in terms of atomic ratio. If it exceeds 20%, the crystal structure of the compound layer changes from a cubic crystal structure to a hexagonal crystal structure, which may lead to a decrease in the hardness of the coating. Further, the lower limit of the total content is not particularly limited, but from the viewpoint of sufficiently exerting the effect of addition of these elements, the atomic ratio is preferably 0.5% or more, and is preferably 2 atomic% or more. More preferred.

さらに化合物層において、MはAlを含むことが好ましい。この場合、化合物層の耐酸化性を向上させることができる。化合物層におけるAlの含有割合は、原子比で30〜70%であることが好ましい。この場合、化合物層は硬度と耐酸化性との両特性のバランスに優れることができるため、さらなる長寿命化が可能となる。   Further, in the compound layer, M preferably contains Al. In this case, the oxidation resistance of the compound layer can be improved. The Al content in the compound layer is preferably 30 to 70% in terms of atomic ratio. In this case, since the compound layer can be excellent in the balance of both properties of hardness and oxidation resistance, the life can be further extended.

なかでも、Mは、AlおよびSiの2種である、またはAl、SiおよびBの3種であることが好ましい。この場合に、化合物層は特に弾性回復率に優れることができ、もって摩擦撹拌接合用ツールは、顕著な長寿命を有することができる。   Especially, it is preferable that M is two types, Al and Si, or three types, Al, Si and B. In this case, the compound layer can be particularly excellent in the elastic recovery rate, and the friction stir welding tool can have a remarkable long life.

また、化合物層の硬度の低下を避けて化合物層の高い硬度を維持する観点から、化合物層は六方晶型結晶構造を含まないことが好ましい。換言すれば、化合物層の結晶構造は、立方晶型結晶構造であることが好ましい。   From the viewpoint of avoiding a decrease in the hardness of the compound layer and maintaining a high hardness of the compound layer, the compound layer preferably does not contain a hexagonal crystal structure. In other words, the crystal structure of the compound layer is preferably a cubic crystal structure.

ここで化合物層が六方晶型結晶構造を有さないとは、X線回折装置を用いて化合物層を分析した場合に、六方晶型結晶構造が検出されないことを意味する。X線回折装置としては、たとえばリガク株式会社製の「SmartLab(登録商標)」を用いることができる。測定条件は、薄膜法を用いて、θ〜2θのX線入射角を2°とした。   Here, that the compound layer does not have a hexagonal crystal structure means that the hexagonal crystal structure is not detected when the compound layer is analyzed using an X-ray diffractometer. As the X-ray diffractometer, for example, “SmartLab (registered trademark)” manufactured by Rigaku Corporation can be used. The measurement conditions were a thin film method and an X-ray incident angle of θ to 2θ was 2 °.

特性X線 :Cu−Kα
スキャンスピード:0.2°/分
ステップ :0.05°
スキャン範囲 :20〜80°
スリット :PSA0.228。
Characteristic X-ray: Cu-Kα
Scanning speed: 0.2 ° / min Step: 0.05 °
Scan range: 20-80 °
Slit: PSA 0.228.

また化合物層は、2〜16μmの厚さを有することが好ましい。これにより、化合物層の剥離を十分に抑制しつつ、上記効果を好適に発揮することができる。化合物層のより好ましい厚さは、2.4〜15μmである。   The compound layer preferably has a thickness of 2 to 16 μm. Thereby, the said effect can be exhibited suitably, fully suppressing peeling of a compound layer. A more preferable thickness of the compound layer is 2.4 to 15 μm.

《中間層》
中間層は、基材と化合物層との間に存在する層である。このような中間層は、化合物層と基材2との密着性を向上させる機能を有することが好ましい。ただし、このような中間層の厚さは、4μm以下であることが好ましい。中間層の厚さが大きいと、化合物層による欠損や亀裂の抑制効果が抑えられる傾向があるためである。中間層の下限値は特に制限されないが、その効果を十分に発揮させる観点から、0.3μm以上であることが好ましい。
《Middle layer》
An intermediate | middle layer is a layer which exists between a base material and a compound layer. Such an intermediate layer preferably has a function of improving the adhesion between the compound layer and the substrate 2. However, the thickness of such an intermediate layer is preferably 4 μm or less. This is because if the thickness of the intermediate layer is large, the effect of suppressing defects and cracks by the compound layer tends to be suppressed. The lower limit value of the intermediate layer is not particularly limited, but is preferably 0.3 μm or more from the viewpoint of sufficiently exerting the effect.

《表面層》
表面層は、被膜3の耐凝着性を向上させる機能および/または色彩を発揮する機能を有することが好ましい。耐凝着性を向上させる機能を有する層としては、たとえばAlN層を挙げることができる。また色彩を発揮する機能を有する層としては、たとえばTiN層を挙げることができる。
<Surface layer>
The surface layer preferably has a function of improving the adhesion resistance of the coating 3 and / or a function of exhibiting color. Examples of the layer having a function of improving adhesion resistance include an AlN layer. Moreover, as a layer which has the function which exhibits a color, a TiN layer can be mentioned, for example.

〈摩擦撹拌接合用ツールの製造方法〉
本実施形態の摩擦撹拌接合用ツールは、以下の各工程を経ることにより製造することができる。
<Friction stir welding tool manufacturing method>
The friction stir welding tool of the present embodiment can be manufactured through the following steps.

《基材準備工程》
まず、本工程において基材を準備する。基材は市販の基材を所望の形状に加工することにより準備してもよく、基材の原料を焼結させて焼結体を製造することにより準備してもよい。焼結の方法は、従来公知の方法を用いることができる。
<< Base material preparation process >>
First, a base material is prepared in this step. The base material may be prepared by processing a commercially available base material into a desired shape, or may be prepared by sintering a raw material of the base material to produce a sintered body. A conventionally known method can be used as the sintering method.

《被膜形成工程》
次に、本工程において基材の表面に被膜を形成する。被膜が多層構造、たとえば中間層、上記化合物層および表面層を有する場合には、基材に接する層側から順に層を積層させていくことにより、所望の被膜を基材上に形成することができる。
<< Film formation process >>
Next, a film is formed on the surface of the substrate in this step. When the coating has a multilayer structure, for example, an intermediate layer, the compound layer and a surface layer, a desired coating can be formed on the substrate by laminating the layers in order from the layer side in contact with the substrate. it can.

中間層および表面層は、従来公知のPVD法により製造される。PVD法としては、AIP法(真空アーク放電を利用して固体材料を蒸発させるイオンプレーティング法)、スパッタリング法が挙げられる。たとえば、AIP法を用いてTiN層を製造する場合、金属蒸発源であるTiターゲットと、反応ガスであるN2とを用いればよい。またスパッタリング法を用いてTiN層を製造する場合、金属蒸発源であるTiターゲットと、反応ガスであるN2と、Ar、Kr、Xe等のスパッタガスとを用いればよい。 The intermediate layer and the surface layer are produced by a conventionally known PVD method. Examples of the PVD method include an AIP method (ion plating method that evaporates a solid material using vacuum arc discharge) and a sputtering method. For example, when a TiN layer is manufactured using the AIP method, a Ti target that is a metal evaporation source and N 2 that is a reactive gas may be used. When a TiN layer is manufactured using a sputtering method, a Ti target that is a metal evaporation source, N 2 that is a reactive gas, and a sputtering gas such as Ar, Kr, or Xe may be used.

一方化合物層は、AIP法またはスパッタリング法といったPVD法であって、基材に印加されるバイアス電圧が細かく変調される手法により製造される。具体的には、化合物層を形成する際、基材に対し、一の値の電圧(第1電圧)が一定時間(第1印加時間)印加される第1印加工程と、該値と異なる他の一の値の電圧(第2電圧)が一定時間(第2印加時間)印加される第2印加工程とが交互に繰り返される。これにより、化合物層が不均一に成長し、上述のように、弾性回復率に優れた化合物層が作製されることとなる。   On the other hand, the compound layer is manufactured by a PVD method such as an AIP method or a sputtering method, in which a bias voltage applied to the substrate is finely modulated. Specifically, when the compound layer is formed, a first application step in which a voltage having a single value (first voltage) is applied to the substrate for a certain period of time (first application time), A second application step in which a voltage (second voltage) of one value is applied for a certain time (second application time) is alternately repeated. As a result, the compound layer grows unevenly, and as described above, a compound layer having an excellent elastic recovery rate is produced.

種々の検討に基づき、第1電圧と第2電圧との電圧差は、10V以上が好ましい。これにより、上記(1)および(2)を満たす化合物層を効率的に製造することができる。電圧差を大きくすると、化合物層の弾性回復率は向上する傾向にあるものの、電圧差を大きくし過ぎると、製造安定性の低下が懸念される。このため、基材に係る実際の電圧の安定性を確認して決定する必要がある。   Based on various studies, the voltage difference between the first voltage and the second voltage is preferably 10 V or more. Thereby, the compound layer which satisfy | fills said (1) and (2) can be manufactured efficiently. When the voltage difference is increased, the elastic recovery rate of the compound layer tends to be improved. However, when the voltage difference is increased too much, there is a concern that the production stability is lowered. For this reason, it is necessary to confirm and determine the stability of the actual voltage concerning a base material.

たとえばAIP法を用いた場合の好ましい製造条件は、以下のとおりである。
基材の温度:450〜550℃
ガス :N2ガス、CH4ガス等
真空容器内の圧力:1.5〜6Pa
バイアス電圧(第1電圧):−30〜−250V
バイアス電圧(第2電圧):−30〜−250V
アーク電流:100〜250A
第1電圧と第2電圧との差:10〜100V。
For example, preferable production conditions when the AIP method is used are as follows.
Substrate temperature: 450-550 ° C
Gas: N 2 gas, CH 4 gas, etc. Pressure in the vacuum vessel: 1.5-6 Pa
Bias voltage (first voltage): -30 to -250V
Bias voltage (second voltage): -30 to -250V
Arc current: 100-250A
Difference between the first voltage and the second voltage: 10 to 100V.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下の各検討においては、摩擦撹拌接合用ツールを製造し、各摩擦撹拌接合用ツールの特性を確認した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. In each of the following studies, a friction stir welding tool was manufactured, and the characteristics of each friction stir welding tool were confirmed.

〈検討1〉
《No.1の摩擦撹拌接合用ツールの製造》
以下のようして、No.1の摩擦撹拌接合用ツールが製造された。まず、超硬合金製の基材が準備された。基材の形状に関し、プローブ部の直径は4.2mmであり、高さは2.5mmであった。円柱部の直径は8mmであり、高さは15mmであった。また超硬合金の特性は以下のとおりである。
組成 :2.2質量%のCo、0.3質量%のCr、および残部がWC粒子
WC粒子の平均粒径:1.0μm。
<Examination 1>
<< No. 1 Manufacturing of friction stir welding tool >>
As follows, no. One friction stir welding tool was produced. First, a base material made of cemented carbide was prepared. Regarding the shape of the substrate, the probe portion had a diameter of 4.2 mm and a height of 2.5 mm. The cylindrical part had a diameter of 8 mm and a height of 15 mm. The characteristics of the cemented carbide are as follows.
Composition: 2.2% by mass of Co, 0.3% by mass of Cr, and balance of WC particles WC particles Average particle size: 1.0 μm.

上記基材に対し、以下の条件でイオンボンバードメントが実施された。これにより、基材の表面が清浄化された。
基材の温度 :550℃
ガス :Arガス
真空容器内の圧力:−1Pa
バイアス電圧 :−500V
処理時間 :20分。
Ion bombardment was performed on the base material under the following conditions. Thereby, the surface of the base material was cleaned.
Substrate temperature: 550 ° C
Gas: Pressure in Ar gas vacuum container: -1 Pa
Bias voltage: -500V
Processing time: 20 minutes.

イオンボンバードメント実施後の基材に対し、以下の条件で成膜処理が実施された。これにより、基材の表面に化合物層が成膜された。
基材の温度 :550℃
ガス :N2ガス
ターゲット :Ti(70原子%)、Al(30原子%)
真空容器内の圧力 :3.2Pa
バイアス電圧(第1電圧):−55V
第1印加時間 :1秒
バイアス電圧(第2電圧):−70V
第2印加時間 :1秒
アーク電流 :120A
処理時間 :90分
第1印加工程と第2印加工程とを交互に繰り返す。
A film formation process was performed on the base material after ion bombardment under the following conditions. Thereby, the compound layer was formed into a film on the surface of the base material.
Substrate temperature: 550 ° C
Gas: N 2 gas target: Ti (70 atomic%), Al (30 atomic%)
Pressure in the vacuum vessel: 3.2 Pa
Bias voltage (first voltage): -55V
First application time: 1 second Bias voltage (second voltage): -70V
Second application time: 1 second Arc current: 120 A
Processing time: 90 minutes The first application step and the second application step are alternately repeated.

化合物層からなる被膜を形成した後、被膜の表面に対し、アルミナ砥粒付の軟質メディアにより、ブラスト処理が実施された。処理時間は3分であった。   After forming the film composed of the compound layer, the surface of the film was blasted with a soft medium with alumina abrasive grains. The processing time was 3 minutes.

以上により、プローブ部における厚さが5μmであり、組成がTi0.7Al0.3Nである化合物層からなる被膜を有するNo.1の摩擦撹拌接合用ツールが製造された。 As described above, No. 1 having a film composed of a compound layer having a thickness of 5 μm in the probe portion and a composition of Ti 0.7 Al 0.3 N. One friction stir welding tool was produced.

《No.2〜No.15の摩擦撹拌接合用ツールの製造》
成膜条件(ターゲットの種類、ガスの種類、第1電圧、第2電圧、第1印加時間、第2印加時間、および処理時間)を変更し、表1に示す組成の化合物層を形成した以外は、No.1と同様の方法により、摩擦撹拌接合用ツールが製造された。表1に、各化合物層の組成、および成膜条件(第1電圧、第2電圧および各印加時間)を示す。なお、各摩擦撹拌接合用ツールにおける処理時間は、プローブ部における化合物層の厚さが5μmとなるように調整された。表1の「第1電圧(秒)/第2電圧(秒)」の欄には、第1電圧の値、第1電圧を印加した印加時間(秒)、第2電圧の値、および第2電圧を印加した印加時間(秒)が左側からこの順に記載されている。
<< No. 2-No. Production of 15 friction stir welding tools >>
Other than changing the film forming conditions (type of target, type of gas, first voltage, second voltage, first application time, second application time, and processing time) and forming a compound layer having the composition shown in Table 1 No. 1 was used to produce a friction stir welding tool. Table 1 shows the composition of each compound layer and the film forming conditions (first voltage, second voltage, and each application time). In addition, the processing time in each friction stir welding tool was adjusted so that the thickness of the compound layer in the probe portion was 5 μm. In the column of “first voltage (second) / second voltage (second)” in Table 1, the value of the first voltage, the application time (second) of applying the first voltage, the value of the second voltage, and the second The application time (seconds) during which the voltage is applied is described in this order from the left side.

《弾性回復率の測定》
上述の方法に従って、各化合物層のhmaxおよびhpを測定し、これにより弾性回復率を求めた。その結果を表1に示す。
<Measurement of elastic recovery rate>
According to the above-mentioned method, hmax and hp of each compound layer were measured, and thereby the elastic recovery rate was obtained. The results are shown in Table 1.

《接合試験》
各摩擦撹拌接合用ツールを用いて、鋼板の点接合(FSJ)試験が実施された。接合条件を以下に示す。
被接合材 :1200MPa級 高張力鋼板(厚さ:1.5mm)を2枚重ねる
ツール回転数:1100rpm
接合荷重 :2000kgf
接合時間 :4秒。
《Joint test》
Using each friction stir welding tool, a steel plate spot joining (FSJ) test was performed. The joining conditions are shown below.
Joined material: 1200MPa class high-tensile steel plate (thickness: 1.5mm) 2 tools piled up: 1100rpm
Bonding load: 2000kgf
Joining time: 4 seconds.

上記接合を繰り返し、50スポット毎に接触部分における被膜の顕微鏡による観察が実施された。被膜における亀裂の発生が確認された時点で接合試験を停止し、停止までに作製されたスポット数を計測した。その結果を表1に示す。なお、表1において、スポット数の後ろに(*1)が示される摩擦撹拌接合用ツールにおいては、亀裂が発生せずに、被膜が摩耗して消失した時点で接合試験が停止され、その時のスポット数が示されている。   The above joining was repeated, and observation of the coating film at the contact portion with a microscope was performed every 50 spots. When the occurrence of cracks in the coating was confirmed, the joining test was stopped, and the number of spots produced until the stop was measured. The results are shown in Table 1. In Table 1, in the friction stir welding tool indicated by (* 1) after the number of spots, the joining test was stopped when the coating was worn and disappeared without cracking. The number of spots is shown.

Figure 2018069328
Figure 2018069328

《評価》
表1に示されるように、上記(1)および(2)を満たす化合物層を有するNo.1〜No.11の摩擦撹拌接合用ツールは、上記(1)および/または上記(2)を満たさないNo.12〜No.15の摩擦撹拌接合用ツールよりも多くのスポットを作製可能であった。すなわち、No.1〜No.11の摩擦撹拌接合用ツールは、長寿命を有することができた。
<Evaluation>
As shown in Table 1, No. 1 having a compound layer satisfying the above (1) and (2). 1-No. No. 11 which does not satisfy the above (1) and / or the above (2). 12-No. More spots could be made than 15 friction stir welding tools. That is, no. 1-No. Eleven friction stir welding tools could have a long life.

またNo.1〜No.11を比較し、弾性回復率が60%を超える場合に、さらに長寿命を有することが確認された。さらにNo.8〜No.11の結果から、化合物層がSiおよび/またはBを含む場合に、特に長寿命を有することが確認された。また、No.6とNo.8〜11とを比較し、Alを含むことが好ましいことが確認された。   No. 1-No. 11 was confirmed to have a longer life when the elastic recovery rate exceeds 60%. Furthermore, no. 8-No. From the result of 11, it was confirmed that the compound layer has a particularly long life when it contains Si and / or B. No. 6 and no. 8 to 11 were compared, and it was confirmed that Al was preferably contained.

〈検討2〉
《No.16〜No.20の摩擦撹拌接合用ツールの製造》
超硬合金製の基材として、以下の特性を有する超硬合金を用い、成膜条件(ターゲットの種類、ガスの種類、第1電圧、第2電圧、第1印加時間、第2印加時間、および処理時間)を変更し、表2に示す組成の化合物層を形成した以外は、No.1と同様の方法により、摩擦撹拌接合用ツールが製造された。
組成 :2.2質量%のCo、0.3質量%のCr、および残部がWC粒子
WC粒子の平均粒径:0.8μm
ビッカース硬度Hv:16.5GPa
破壊靱性K1c :6.4MPa・m1/2
<Examination 2>
<< No. 16-No. Manufacture of 20 friction stir welding tools >>
As a substrate made of cemented carbide, a cemented carbide having the following characteristics is used, and film formation conditions (type of target, type of gas, first voltage, second voltage, first application time, second application time, And treatment time), and a compound layer having the composition shown in Table 2 was formed. 1 was used to produce a friction stir welding tool.
Composition: 2.2% by mass of Co, 0.3% by mass of Cr, and balance of WC particles WC particles Average particle size: 0.8 μm
Vickers hardness Hv: 16.5 GPa
Fracture toughness K 1c : 6.4 MPa · m 1/2 .

《No.21〜No.23の摩擦撹拌接合用ツールの製造》
以下の方法により、基材と化合物層との間に中間層を形成した以外は、No.16〜No.20と同様の方法により、摩擦撹拌接合用ツールが製造された。なお処理時間を変更することにより、中間層の厚さを表2に示すように調整した。
基材の温度 :550℃
ガス :N2ガス
ターゲット :Ti
真空容器内の圧力:3.2Pa
バイアス電圧 :−100V
アーク電流 :120A。
<< No. 21-No. Production of 23 friction stir welding tools >>
Except that an intermediate layer was formed between the substrate and the compound layer by the following method, No. 16-No. In the same manner as in No. 20, a friction stir welding tool was manufactured. The thickness of the intermediate layer was adjusted as shown in Table 2 by changing the treatment time.
Substrate temperature: 550 ° C
Gas: N 2 gas target: Ti
Pressure in the vacuum vessel: 3.2 Pa
Bias voltage: -100V
Arc current: 120A.

《No.24およびNo.25の摩擦撹拌接合用ツールの製造》
超硬合金製の基材として、以下の特性を有する超硬合金を用いた以外は、No.16〜No.20と同様の方法により、摩擦撹拌接合用ツールが製造された。
組成 :4.0質量%のCo、0.3質量%のCr、および残部がWC粒子
WC粒子の平均粒径:0.9μm
ビッカース硬度Hv:15.2GPa
破壊靱性K1c :8.1MPa・m1/2
<< No. 24 and no. Production of 25 friction stir welding tools >>
As a base material made of cemented carbide, No. 1 was used except that a cemented carbide having the following characteristics was used. 16-No. In the same manner as in No. 20, a friction stir welding tool was manufactured.
Composition: 4.0% by mass of Co, 0.3% by mass of Cr, and balance of WC particles WC particles Average particle size: 0.9 μm
Vickers hardness Hv: 15.2 GPa
Fracture toughness K 1c : 8.1 MPa · m 1/2 .

《弾性回復率の測定》
上述の方法に従って、各化合物層のhmaxおよびhpを測定し、これにより弾性回復率を求めた。その結果を表2に示す。
<Measurement of elastic recovery rate>
According to the above-mentioned method, hmax and hp of each compound layer were measured, and thereby the elastic recovery rate was obtained. The results are shown in Table 2.

《接合試験》
各摩擦撹拌接合用ツールを用いて、鋼板の点接合(FSJ)を模擬した模擬的な接合試験が実施された。接合条件を以下に示す。
被接合材 :980MPa級 高張力鋼板(厚さ:4mm)1枚
ツール回転数:1450rpm
接合荷重 :1500kgf
接合時間 :4.5秒。
《Joint test》
Using each friction stir welding tool, a simulated joining test simulating spot joining (FSJ) of steel plates was performed. The joining conditions are shown below.
Joined material: 980 MPa class high-tensile steel plate (thickness: 4 mm) 1 tool rotation speed: 1450 rpm
Bonding load: 1500kgf
Joining time: 4.5 seconds.

上記模擬接合を繰り返し、50スポット毎に接触部分における被膜の顕微鏡による観察が実施された。被膜における亀裂の発生が確認された時点で接合試験を停止し、停止までに作製されたスポット数を計測した。その結果を表2に示す。なお、表2において、スポット数の後ろに(*1)が示される摩擦撹拌接合用ツールにおいては、亀裂が発生せずに、被膜が摩耗して消失した時点で接合試験が停止された。またスポットの後ろに(*2)が示される摩擦撹拌接合用ツールにおいては、被膜の剥離が生じた時点で接合試験が停止された。   The simulated joining was repeated, and the coating at the contact portion was observed with a microscope every 50 spots. When the occurrence of cracks in the coating was confirmed, the joining test was stopped, and the number of spots produced until the stop was measured. The results are shown in Table 2. In Table 2, in the friction stir welding tool in which (* 1) is shown after the number of spots, the joining test was stopped when the coating was worn and disappeared without cracking. In the friction stir welding tool indicated by (* 2) behind the spot, the joining test was stopped when the film peeled off.

Figure 2018069328
Figure 2018069328

《評価》
No.16〜No.20を比較し、化合物層の厚さは、1.6μmよりも大きく、17.5μmよりも小さいことが好ましいことが確認された。このことから、化合物層の好ましい範囲は2〜16μmであると言える。
<Evaluation>
No. 16-No. 20, it was confirmed that the thickness of the compound layer is preferably larger than 1.6 μm and smaller than 17.5 μm. From this, it can be said that the preferable range of the compound layer is 2 to 16 μm.

またNo.21〜No.23を比較し、中間層の厚さが4.5μmの場合にスポット数の減少が見られた。このことから、被膜が中間層を有する場合、中間層の厚さは4μm以下であることが好ましいと言える。   No. 21-No. 23, a decrease in the number of spots was observed when the thickness of the intermediate layer was 4.5 μm. From this, it can be said that when the coating has an intermediate layer, the thickness of the intermediate layer is preferably 4 μm or less.

また、基材が16GPa以上のビッカース硬度と、7.0以下の破壊靱性値とを有するNo.16およびNo.18の各結果から、化合物層の厚さが上記範囲内であることによる寿命の長期化が顕著であることが分かった。一方、基材が上記条件を満たさないNo.24およびNo.25の各結果から、化合物層の厚さが上記範囲内であることによる寿命の長期化は、前者と比して顕著でないことが分かった。このことから、基材が16GPa以上のビッカース硬度と、7.0以下の破壊靱性値とを有する場合のほうが、効率的に寿命が向上する傾向があることが確認された。   Moreover, the base material has a Vickers hardness of 16 GPa or more and a fracture toughness value of 7.0 or less. 16 and no. From each of the 18 results, it was found that the increase in the lifetime due to the thickness of the compound layer being within the above range was remarkable. On the other hand, no. 24 and no. From each result of 25, it was found that the increase in the lifetime due to the thickness of the compound layer being in the above range is not remarkable as compared with the former. From this, it was confirmed that when the substrate has a Vickers hardness of 16 GPa or more and a fracture toughness value of 7.0 or less, the lifetime tends to be improved efficiently.

〈検討3〉
《No.26およびNo.27の摩擦撹拌接合用ツールの製造》
超硬合金製の基材として、以下の特性を有する超硬合金を用い、成膜条件(ターゲットの種類、ガスの種類、第1電圧、第2電圧、第1印加時間、第2印加時間、および処理時間)を変更し、表3に示す組成の化合物層を形成した以外は、No.1と同様の方法により、摩擦撹拌接合用ツールが製造された。
組成 :2.5質量%のCo、0.2質量%のCr、および残部がWC粒子
WC粒子の平均粒径:1.1μm。
<Examination 3>
<< No. 26 and no. Production of 27 tools for friction stir welding >>
As a substrate made of cemented carbide, a cemented carbide having the following characteristics is used, and film formation conditions (type of target, type of gas, first voltage, second voltage, first application time, second application time, And the treatment time), and a compound layer having the composition shown in Table 3 was formed. 1 was used to produce a friction stir welding tool.
Composition: 2.5% by mass of Co, 0.2% by mass of Cr, and balance of WC particles WC particles Average particle size: 1.1 μm.

《弾性回復率の測定》
上述の方法に従って、各化合物層のhmaxおよびhpを測定し、これにより弾性回復率を求めた。その結果を表3に示す。
<Measurement of elastic recovery rate>
According to the above-mentioned method, hmax and hp of each compound layer were measured, and thereby the elastic recovery rate was obtained. The results are shown in Table 3.

《接合試験》
各摩擦撹拌接合用ツールを用いて、鋼板の点接合(FSJ)を模擬した模擬的な接合試験が実施された。接合条件を以下に示す。
被接合材 :980MPa級 高張力鋼板(厚さ:4mm)1枚
ツール回転数:1500rpm
接合荷重 :1480kgf
接合時間 :6秒。
《Joint test》
Using each friction stir welding tool, a simulated joining test simulating spot joining (FSJ) of steel plates was performed. The joining conditions are shown below.
Material to be joined: 980 MPa class high-tensile steel plate (thickness: 4 mm) 1 tool rotation speed: 1500 rpm
Bonding load: 1480kgf
Joining time: 6 seconds.

上記模擬接合を繰り返し、50スポット毎に接触部分における被膜の顕微鏡による観察が実施された。被膜における亀裂の発生が確認された時点で接合試験を停止し、停止までに作製されたスポット数を計測した。その結果を表3に示す。   The simulated joining was repeated, and the coating at the contact portion was observed with a microscope every 50 spots. When the occurrence of cracks in the coating was confirmed, the joining test was stopped, and the number of spots produced until the stop was measured. The results are shown in Table 3.

《結晶構造の確認》
X線回折装置(「SmartLab(登録商標)」、リガク株式会社製)を用いて、上述の方法より化合物層に六方晶型結晶構造が存在するかどうかを確認した。その結果を表3に示す。表3中「有」は六方晶型結晶構造が検出されたことを意味し、「無」は六方晶型結晶構造が検出されなかったことを意味する。
<Confirmation of crystal structure>
Using an X-ray diffractometer (“SmartLab (registered trademark)”, manufactured by Rigaku Corporation), whether or not a hexagonal crystal structure exists in the compound layer was confirmed by the method described above. The results are shown in Table 3. In Table 3, “Yes” means that a hexagonal crystal structure was detected, and “No” means that no hexagonal crystal structure was detected.

Figure 2018069328
Figure 2018069328

《評価》
No.26およびNo.27を比較し、No.26のほうが多くのスポット形成が可能であった。このことから、化合物層が六方晶型結晶構造を含まないことが好ましいことが分かった。
<Evaluation>
No. 26 and no. 27 and No. 27. 26 was capable of forming more spots. From this, it was found that the compound layer preferably does not contain a hexagonal crystal structure.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments and examples described above but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.

1 摩擦撹拌接合用ツール
2 基材
3 被膜
4 プローブ部
5 円柱部
6 ショルダー部
7 チャック部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Friction stir welding tool 2 Base material 3 Coating 4 Probe part 5 Column part 6 Shoulder part 7 Chuck part.

Claims (6)

基材と、前記基材の表面を被覆する被膜とを備える摩擦撹拌接合用ツールであって、
前記被膜は、Tix1-xy1-y(Mは、周期表の4族元素、5族元素、6族元素、Al、SiおよびBからなる群より選ばれる1種以上の元素(ただしTiは除く)であり、0.2≦x≦1、および0≦y≦1を満たす)の組成からなる化合物層を含み、
前記化合物層は52%以上の弾性回復率を有する、摩擦撹拌接合用ツール。
A friction stir welding tool comprising a base material and a coating film covering the surface of the base material,
The coating is Ti x M 1-x Cy N 1-y (M is one or more selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, Al, Si and B in the periodic table) Including a compound layer composed of an element (excluding Ti, satisfying 0.2 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1),
The friction stir welding tool, wherein the compound layer has an elastic recovery rate of 52% or more.
前記Mは、SiまたはBの少なくとも一方を含む、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール。   The friction stir welding tool according to claim 1, wherein M includes at least one of Si and B. 前記化合物層は六方晶型結晶構造を含まない、請求項1または請求項2に記載の摩擦撹拌接合用ツール。   The friction stir welding tool according to claim 1 or 2, wherein the compound layer does not include a hexagonal crystal structure. 前記化合物層は2μm以上16μm以下の厚さを有する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合用ツール。   The friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound layer has a thickness of 2 µm to 16 µm. 前記被膜は、前記基材と前記化合物層との間に中間層を含み、
前記中間層は4μm以下の厚さを有する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合用ツール。
The coating includes an intermediate layer between the substrate and the compound layer,
The friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the intermediate layer has a thickness of 4 µm or less.
前記基材は、16GPa以上のビッカース硬度と、7.0MPa・m1/2以下の破壊靱性値とを有する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合用ツール。 The friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 5, wherein the base material has a Vickers hardness of 16 GPa or more and a fracture toughness value of 7.0 MPa · m 1/2 or less.
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