JP5177534B2 - Surface coated cutting tool - Google Patents

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Description

本発明は、超硬合金からなる基材上に被覆層を形成した表面被覆切削工具に関する。   The present invention relates to a surface-coated cutting tool in which a coating layer is formed on a substrate made of a cemented carbide.

従来より、表面被覆切削工具の寿命を向上させることが求められており、その対策の一つとして超硬合金などの基材と被覆層との密着性を向上させる試みが多数提案されている。   Conventionally, it has been demanded to improve the life of surface-coated cutting tools, and as one of countermeasures there have been proposed many attempts to improve the adhesion between a base material such as cemented carbide and a coating layer.

たとえば特許文献1および特許文献2においては、基材を構成するCo等の成分を被覆層中に拡散させることにより、基材と被覆層との密着性を向上させることが提案されている。しかし、このように基材の構成成分が被覆層中に拡散したり、あるいは基材の構成成分と被覆層を形成するためのガス成分とが反応すると、基材の最表面にη層と呼ばれる極薄層が形成されたり、基材と被覆層との界面領域に基材成分による厚い拡散層が形成される。そして、このような極薄層や拡散層が形成されると、それらの近辺領域で基材が脆化するという現象が発生し、これにより基材と被覆層との密着性が低下するという問題があった。   For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is proposed to improve the adhesion between the substrate and the coating layer by diffusing components such as Co constituting the substrate into the coating layer. However, when the component of the base material diffuses into the coating layer in this way, or when the component of the base material reacts with the gas component for forming the coating layer, it is called the η layer on the outermost surface of the base material. An ultrathin layer is formed, or a thick diffusion layer is formed by the base material component in the interface region between the base material and the coating layer. And when such an ultra-thin layer or diffusion layer is formed, the phenomenon that the base material becomes brittle in the vicinity region thereof, thereby causing a problem that the adhesion between the base material and the coating layer decreases. was there.

一方、特許文献3においては、基材と被覆層との密着性を向上させるために、基材に接する被覆層の最下層をCoの金属間化合物で構成することが提案されている。この提案により、基材と被覆層との密着性をある程度向上させることが可能であるものの、昨今の切削加工技術においては表面被覆切削工具に対して極めて高度な性能が要求されており、基材と被覆層との密着性をさらに高めることにより工具寿命を向上させることが要求されている。   On the other hand, Patent Document 3 proposes that the lowermost layer of the coating layer in contact with the substrate is composed of an intermetallic compound of Co in order to improve the adhesion between the substrate and the coating layer. Although it is possible to improve the adhesion between the base material and the coating layer to some extent by this proposal, in recent cutting technology, extremely high performance is required for the surface-coated cutting tool. It is required to improve the tool life by further improving the adhesion between the coating layer and the coating layer.

また一方、上記のような被覆層を化学蒸着法により形成すると、その形成時において基材の最表面に上述の通りη層と呼ばれる極薄層が形成される。このη層の生成は、基材と被覆層との密着性を低下させるという問題があるため、このη層を形成させない方法が種々検討されたところ、η層を全く形成させないよりも0.1〜2μmの厚みでη層を形成させる方が基材と被覆層との密着性が向上するとの提案がなされている(特許文献4)。   On the other hand, when the coating layer as described above is formed by a chemical vapor deposition method, an ultrathin layer called an η layer is formed on the outermost surface of the substrate as described above. Since the generation of this η layer has a problem of lowering the adhesion between the base material and the coating layer, various methods for not forming this η layer have been studied. It has been proposed that the adhesiveness between the substrate and the coating layer is improved by forming the η layer with a thickness of ˜2 μm (Patent Document 4).

しかしながら、この提案によっても、基材と被覆層との密着性をある程度向上させることが期待されるものの、昨今の切削加工技術においては表面被覆切削工具に対して極めて高度な性能が要求されており、基材と被覆層との密着性をさらに高めることにより工具寿命を向上させることが要求されている。
特開平09−262705号公報 特開2000−355777号公報 特開平07−237011号公報 特許第3460565号公報
However, even though this proposal is expected to improve the adhesion between the base material and the coating layer to some extent, the recent cutting technology demands extremely high performance for surface-coated cutting tools. It is required to improve the tool life by further improving the adhesion between the substrate and the coating layer.
JP 09-262705 A JP 2000-355777 A Japanese Patent Laid-Open No. 07-237011 Japanese Patent No. 3460565

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基材と被覆層との密着性が向上した表面被覆切削工具を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool having improved adhesion between a substrate and a coating layer.

本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する1層以上の被覆層とを備えるものであって、該基材は、該被覆層と接する表面部にWとCoとの複炭化物を主成分とする、厚みが0.005μm以上0.1μm未満の基材表面層を有し、該被覆層のうち該基材と接する最下層は、Coを含む層であることを特徴とする。   The surface-coated cutting tool of the present invention comprises a base material made of a cemented carbide and one or more coating layers covering the base material. The base material has W on the surface portion in contact with the coating layer. A base material surface layer having a thickness of 0.005 μm or more and less than 0.1 μm, mainly composed of a double carbide with Co, and the lowest layer in contact with the base material of the coating layer is a layer containing Co. It is characterized by that.

ここで、上記最下層は、Coとともに炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましく、0.005μm以上0.1μm以下の厚みを有することが好ましい。   Here, the lowermost layer preferably contains at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine together with Co, and has a thickness of 0.005 μm to 0.1 μm. Is preferred.

また、上記被覆層は、上記最下層上に形成される1層以上の硬質層を含み、該硬質層は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。また、該硬質層の少なくとも一層は、Ti、Zr、およびHfからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。   Further, the coating layer includes one or more hard layers formed on the lowermost layer, and the hard layers are composed of IVa group element, Va group element, VIa group element, Al, and Si in the periodic table. It is preferably composed of a compound comprising at least one element selected from the group consisting of and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine. Further, at least one of the hard layers has at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, and Hf, and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine. It is preferable that it is comprised by the compound which consists of.

また、上記硬質層は、化学蒸着法により形成されるTiCNを主成分とする層を含むことが好ましく、またα−アルミナまたはκ−アルミナを含む層を含むことが好ましい。   The hard layer preferably includes a layer mainly composed of TiCN formed by a chemical vapor deposition method, and preferably includes a layer including α-alumina or κ-alumina.

また、上記最下層と上記硬質層との間には、組成傾斜層が形成され、該組成傾斜層は、上記最下層の組成から上記硬質層の組成へと厚み方向にその組成が変化する層であることが好ましい。   In addition, a composition gradient layer is formed between the lowermost layer and the hard layer, and the composition gradient layer is a layer whose composition changes in the thickness direction from the composition of the lowermost layer to the composition of the hard layer. It is preferable that

また、上記基材は、炭化タングステン、鉄系金属、および第3成分を含む超硬合金であって、該第3成分は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物、および/または周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であることが好ましい。   The base material is a cemented carbide containing tungsten carbide, an iron-based metal, and a third component, and the third component is a group IVa element, a group Va element, a group VIa element, an Al element in the periodic table. And a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of Si and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen and boron, and / or group IVa element of the periodic table , Va group element, VIa group element, Al, and Si are preferably at least one element selected from the group consisting of Si and Si.

本発明の表面被覆切削工具は、上記の通りの構成を有することにより、基材と被覆層との密着性が飛躍的に向上したものである。   Since the surface-coated cutting tool of the present invention has the above-described configuration, the adhesion between the base material and the coating layer is dramatically improved.

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する1層以上の被覆層とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップ等として極めて有用である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
<Surface coated cutting tool>
The surface-coated cutting tool of the present invention comprises a substrate made of a cemented carbide and one or more coating layers that coat the substrate. The surface-coated cutting tool of the present invention having such a configuration is, for example, a drill, an end mill, a milling edge-changing cutting tip, a turning edge-changing cutting tip, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, or a crank. It is extremely useful as a cutting edge exchangeable cutting tip for shaft pin milling.

<基材>
本発明の基材は、超硬合金からなるものである。このような超硬合金は、この種の表面被覆切削工具の基材として用いられる従来公知のものを特に限定することなく使用することができる。たとえば、WCとCoとを主成分として含むWC基超硬合金をこのような超硬合金として挙げることができる。このようなWC基超硬合金は、さらにTi、Ta、Nb、V、Cr、Zr等の炭化物、窒化物、炭窒化物等を含むことができる。
<Base material>
The base material of the present invention is made of a cemented carbide. As such a cemented carbide, a conventionally known one used as a base material for this type of surface-coated cutting tool can be used without any particular limitation. For example, a WC-based cemented carbide containing WC and Co as main components can be cited as such a cemented carbide. Such a WC-based cemented carbide can further include carbides such as Ti, Ta, Nb, V, Cr, and Zr, nitrides, carbonitrides, and the like.

そして、本発明のこのような基材は、特に炭化タングステン、鉄系金属、および第3成分を含む超硬合金であって、該第3成分は、周期律表のIVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物、および/または周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であることが好ましい。このような組成の基材を用いることにより、耐摩耗性と靭性とを兼備することができるという効果が得られる。   Such a base material of the present invention is a cemented carbide containing tungsten carbide, an iron-based metal, and a third component in particular, and the third component is a group IVa element (Ti, Zr) of the periodic table. , Hf, etc.), Group Va elements (V, Nb, Ta, etc.), Group VIa elements (Cr, Mo, W, etc.), Al, and Si, and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, A compound comprising at least one element selected from the group consisting of oxygen and boron, and / or at least selected from the group consisting of Group IVa, Va, VIa, Al, and Si in the periodic table One element is preferred. By using the base material having such a composition, an effect that both wear resistance and toughness can be obtained is obtained.

ここで、上記鉄系金属(2種以上含まれる場合はその合計量)は、基材全体の重量に対して3重量%以上25重量%以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が14重量%であり、その下限が3.5重量%である。3重量%未満では耐欠損性が著しく低下する場合があり、25重量%を超えると耐塑性変形性が低下する場合がある。なお、鉄系金属として2種以上の元素を含む場合は、それらの配合比は特に限定されない。   Here, the iron-based metal (the total amount when two or more types are included) is preferably 3% by weight or more and 25% by weight or less with respect to the weight of the entire base material, and more preferably the upper limit is 14%. The lower limit is 3.5% by weight. If it is less than 3% by weight, the fracture resistance may be significantly reduced, and if it exceeds 25% by weight, the plastic deformation resistance may be lowered. In addition, when 2 or more types of elements are included as an iron-type metal, those compounding ratios are not specifically limited.

また、上記第3成分(2種以上含まれる場合はその合計量)は、基材全体の重量に対して0.5重量%以上25重量%以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が10重量%であり、その下限が1重量%である。0.5重量%未満では高温特性が低下する場合があり、25重量%を超えると破壊強度が低下する場合がある。第3成分として2種以上の元素を含む場合は、それらの配合比は特に限定されない。   In addition, the third component (the total amount when two or more types are included) is preferably 0.5% by weight or more and 25% by weight or less with respect to the weight of the entire base material, and more preferably the upper limit thereof. The lower limit is 1% by weight. If it is less than 0.5% by weight, the high temperature characteristics may be deteriorated, and if it exceeds 25% by weight, the fracture strength may be deteriorated. In the case where two or more elements are included as the third component, their blending ratio is not particularly limited.

なお、本発明において「鉄系金属」とは、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属をいう。また、Cr、V、およびZrについては、Co中に固溶している場合、または金属元素として単独で存在している場合は、このような鉄系金属として扱うものとする。ただし、Crについては、その含有量を0.3重量%未満とすることが好ましい。Crがこの範囲を超えて含有されると濡れ性を悪化させ空孔を発生させる原因となる。   In the present invention, “iron-based metal” refers to at least one metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Further, Cr, V, and Zr are treated as such iron-based metals when dissolved in Co or when present alone as a metal element. However, the content of Cr is preferably less than 0.3% by weight. If the Cr content exceeds this range, the wettability is deteriorated and voids are generated.

<基材表面層>
本発明の基材は、被覆層と接する表面部(すなわち被覆層との界面部)にWとCoとの複炭化物を主成分とする、厚みが0.005μm以上0.1μm未満の基材表面層を有する。このように基材の表面部において特定の厚みを有する基材表面層を形成したことにより、切削工具としての強度が飛躍的に向上したとともにこの基材表面層上に被覆層を積層させると基材と被覆層との密着性が飛躍的に向上したものとなる。
<Substrate surface layer>
The base material of the present invention is a base material surface having a thickness of 0.005 μm or more and less than 0.1 μm mainly composed of a double carbide of W and Co at the surface portion in contact with the coating layer (ie, the interface portion with the coating layer). Has a layer. By forming a base material surface layer having a specific thickness on the surface portion of the base material in this way, the strength as a cutting tool has been dramatically improved and a coating layer is laminated on the base material surface layer. The adhesion between the material and the coating layer is greatly improved.

この基材表面層の厚みが、0.005μm未満の場合、基材と被覆層との密着性向上の効果が低く、一方0.1μm以上となる場合も基材と被覆層との密着性向上の効果が低くなるとともにさらに強度が低下する場合もある。このように特定範囲の厚みを有する基材表面層を形成させた場合にのみ特異的に優れた効果が示される詳細なメカニズムは未だ十分に解明できていないが、恐らく基材表面層の厚みがこの範囲となる場合に被覆層とこの基材表面層との間で化学的な相互拡散が生じることによりこれら両者の密着性が向上するものと推測される。すなわち、基材表面層の厚みが0.005μm以下であるとこの相互拡散が有効に生じないと考えられる。一方、基材表面層の厚みが0.1μmを超えると、基材中においてこの基材表面層と基材表面層以外の部分との界面においてその界面部分の密着性が低下し、その結果として基材と被覆層との密着性が低下するものと推測される。   When the thickness of the substrate surface layer is less than 0.005 μm, the effect of improving the adhesion between the substrate and the coating layer is low, while when the thickness is 0.1 μm or more, the adhesion between the substrate and the coating layer is improved. In some cases, the effect is further reduced and the strength is further reduced. Although the detailed mechanism that shows a specific excellent effect only when a substrate surface layer having a specific range of thickness is formed in this way has not yet been fully elucidated, the thickness of the substrate surface layer is probably When it falls within this range, it is presumed that chemical interdiffusion occurs between the coating layer and the substrate surface layer, thereby improving the adhesion between them. That is, it is considered that this mutual diffusion does not effectively occur when the thickness of the substrate surface layer is 0.005 μm or less. On the other hand, when the thickness of the substrate surface layer exceeds 0.1 μm, the adhesion of the interface portion at the interface between the substrate surface layer and the portion other than the substrate surface layer in the substrate decreases, and as a result It is presumed that the adhesion between the substrate and the coating layer is lowered.

このような基材表面層の厚みは、より好ましくはその上限が0.09μm、さらに好ましくは0.08μm、その下限が0.007μm、さらに好ましくは0.01μmである。このような基材表面層の厚みは、SEM(走査型電子顕微鏡)、TEM(透過型電子顕微鏡)等とEDS(蛍光X線元素分析)、EPMA(電子線マイクロアナライザ)等とを組み合わせる方法や、カロテスト(簡易精密膜厚測定機)で被覆層と基材との界面を露出させた後村上氏試薬でエッチング処理を行ない、それを金属顕微鏡で観察する等により測定することができ、また組成等の同定はX線回折により行なうことができる。   The upper limit of the thickness of the substrate surface layer is more preferably 0.09 μm, still more preferably 0.08 μm, and the lower limit is 0.007 μm, more preferably 0.01 μm. The thickness of such a substrate surface layer can be determined by combining SEM (scanning electron microscope), TEM (transmission electron microscope), etc. with EDS (fluorescent X-ray elemental analysis), EPMA (electron beam microanalyzer), etc. After the interface between the coating layer and the substrate was exposed with a Calotest (simple precision film thickness measuring instrument), the etching process was performed with Mr. Murakami's reagent, and this can be measured by observing it with a metal microscope. Etc. can be identified by X-ray diffraction.

なお、このような基材表面層は、基材全面の表面部(後に被覆層が形成された場合にその界面部となる部分の全面)に形成されていることが好ましいが、基材の表面部において(被覆層と接する界面部において)部分的に基材表面層が形成されていない場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。   In addition, it is preferable that such a base material surface layer is formed in the surface part of the whole surface of a base material (the whole surface which becomes an interface part when a coating layer is formed later). Even if the substrate surface layer is not partially formed in the part (at the interface part in contact with the coating layer), it does not depart from the scope of the present invention.

ここで、WとCoとの複炭化物とは、WSCoTU(式中、S、T、Uはそれぞれ独立して任意の正の数を表す)という一般式で示される化合物をいう。たとえばW3Co3C、W6Co6C、W4Co2C、W2Co4C、W9Co34、W10Co33.4等が挙げられる。しかしながら、これらの組成に関係なくいずれも同様の効果が示されるため、本発明においては特に組成を特定することなく単に「WとCoとの複炭化物」という表現を採用するものとする。このようなWとCoとの複炭化物は、この種の表面被覆切削工具の超硬合金基材において形成されるη層の組成と同一のものであり、本発明の基材表面層はこのη層の厚みを特定したものである。 Here, the double carbide of W and Co refers to a compound represented by the general formula W S Co T C U (wherein S, T, and U each independently represents an arbitrary positive number). . Examples thereof include W 3 Co 3 C, W 6 Co 6 C, W 4 Co 2 C, W 2 Co 4 C, W 9 Co 3 C 4 , and W 10 Co 3 C 3.4 . However, since the same effect is exhibited regardless of these compositions, in the present invention, the expression “double carbide of W and Co” is simply adopted without specifying the composition. Such double carbides of W and Co have the same composition as the η layer formed in the cemented carbide substrate of this type of surface-coated cutting tool, and the substrate surface layer of the present invention has this η The thickness of the layer is specified.

また、WとCoとの複炭化物を主成分とするとは、不可避不純物等の他の成分を少量(0.3重量%以下)含み得ることを意味する。   In addition, the main component being a double carbide of W and Co means that other components such as inevitable impurities can be contained in a small amount (0.3 wt% or less).

このような本発明の基材表面層は、たとえば以下のようにして基材の表面部に形成することができる。すなわち、まず基材を洗浄液を用いて各洗浄液毎に0.5〜6分間程度洗浄する(このような処理工程を洗浄工程というものとする)。洗浄液としては、エチルアルコール等のアルコール系洗浄液、塩酸、酒石酸等の酸系洗浄液、およびアルカリイオン水等のアルカリ系洗浄液等を挙げることができる。これらの洗浄液を各単独であるいは2種以上のものを組み合せて用いることができる。洗浄液として酸系洗浄液を用いると基材表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、それ以外の洗浄液を用いると基材表面層の厚みは薄くなる傾向を示す。また、洗浄時間を長くすると基材表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、洗浄時間を短くすると基材表面層の厚みは薄くなる傾向を示す。   Such a substrate surface layer of the present invention can be formed on the surface portion of the substrate as follows, for example. That is, the substrate is first cleaned for about 0.5 to 6 minutes for each cleaning solution using a cleaning solution (this processing step is called a cleaning step). Examples of the cleaning liquid include alcohol-based cleaning liquids such as ethyl alcohol, acid-based cleaning liquids such as hydrochloric acid and tartaric acid, and alkali-based cleaning liquids such as alkali ion water. These cleaning liquids can be used alone or in combination of two or more. When an acid cleaning liquid is used as the cleaning liquid, the thickness of the substrate surface layer tends to increase, and when the other cleaning liquid is used, the thickness of the substrate surface layer tends to decrease. Further, when the cleaning time is lengthened, the thickness of the substrate surface layer tends to increase, and when the cleaning time is shortened, the thickness of the substrate surface layer tends to decrease.

次いで、上記のような洗浄工程を経た基材を高温加熱処理する(このような処理工程を高温加熱工程というものとする)。この高温加熱工程は、たとえば1または2以上の気体を4〜50l/min.の流量で用いて、50hPa〜大気圧(1013hPa)の圧力条件下、850〜1300℃に0〜25分間、基材を保持する処理工程をいう。基材をこのように高温加熱処理することにより基材の表面部に所定の厚みの基材表面層を形成することができる。   Next, the base material that has undergone the above-described cleaning process is subjected to a high-temperature heat treatment (such a treatment process is referred to as a high-temperature heating process). This high temperature heating step is performed, for example, by adding 1 or 2 or more gases to 4 to 50 l / min. Is used at a flow rate of 50 hPa to atmospheric pressure (1013 hPa), and refers to a treatment step of holding the substrate at 850 to 1300 ° C. for 0 to 25 minutes. By subjecting the substrate to high-temperature heat treatment in this way, a substrate surface layer having a predetermined thickness can be formed on the surface portion of the substrate.

ここで、上記気体としては、Ar、H2、CH4、N2、CH3CN、TiCl4、CO等を挙げることができ、2以上を用いる場合は任意の分圧比とすることができる。一方、上記の圧力条件は、それを低くすると基材表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、高くすると(大気圧下)基材表面層の厚みが薄くなる傾向を示す。また、保持時間は短過ぎても長過ぎても基材表面層の厚みは厚くなる傾向を示す。以上の条件を適宜調節することにより基材表面層の厚みを制御することができる。 Here, examples of the gas include Ar, H 2 , CH 4 , N 2 , CH 3 CN, TiCl 4 , CO, and the like. When two or more gases are used, any partial pressure ratio can be set. On the other hand, when the pressure condition is lowered, the thickness of the substrate surface layer tends to increase, and when the pressure condition is increased (under atmospheric pressure), the thickness of the substrate surface layer tends to decrease. Moreover, even if holding time is too short or too long, the thickness of the substrate surface layer tends to be thick. The thickness of the substrate surface layer can be controlled by appropriately adjusting the above conditions.

上記のようにして基材の表面部に基材表面層を形成することができるが、基材表面層の厚みは後述の被覆層(特にその最下層)の形成条件によっても制御することが可能である。   Although the substrate surface layer can be formed on the surface portion of the substrate as described above, the thickness of the substrate surface layer can also be controlled by the formation conditions of the coating layer (especially the lowermost layer) described later. It is.

<被覆層>
本発明の表面被覆切削工具は、上記の基材を被覆する1層以上の被覆層を備える。ここで、被覆層が基材を被覆するとは、基材の全面を被覆するようにして形成されていても良いし、基材の一部分のみを被覆するようにして形成されていても良いことを意味する。しかし、被覆層の形成目的がそもそも切削工具の諸特性の向上にあることから、被覆層は基材の全面を被覆するかもしくは一部分を被覆する場合であっても切削性能の向上に寄与する部位の少なくとも一部分を被覆することが好ましい。
<Coating layer>
The surface-coated cutting tool of the present invention includes one or more coating layers that coat the above-described base material. Here, the coating layer covering the base material may be formed so as to cover the entire surface of the base material, or may be formed so as to cover only a part of the base material. means. However, the purpose of forming the coating layer is to improve various characteristics of the cutting tool in the first place. It is preferable to coat at least a part of.

このような本発明の被覆層の厚み(被覆層が2層以上の層を積層させて構成される場合は全体の厚み)は、0.5μm以上40μm以下であることが好ましい。その厚みが0.5μm未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されないことがあり、一方、40μmを超えてもそれ以上の諸特性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは40μm以上としても何等差し支えなく、本発明の効果は示される。このような被覆層の厚みの測定方法としては、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察することにより測定することができる。   The thickness of the coating layer of the present invention (when the coating layer is formed by laminating two or more layers) is preferably 0.5 μm or more and 40 μm or less. When the thickness is less than 0.5 μm, the effect of improving various properties such as wear resistance may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the thickness exceeds 40 μm, no further improvement in various properties is observed. Is not advantageous. However, as long as economic efficiency is ignored, the thickness may be 40 μm or more, and the effect of the present invention is shown. As a method for measuring the thickness of such a coating layer, for example, it is possible to measure by cutting a surface-coated cutting tool and observing the cross section using an SEM (scanning electron microscope).

このような本発明の被覆層は、少なくとも以下で述べるような最下層を含むとともに、硬質層や組成傾斜層を含むことができる。   Such a coating layer of the present invention includes at least a lowermost layer as described below, and can include a hard layer and a composition gradient layer.

<最下層>
本発明において上記被覆層のうち基材(基材表面層)と接する最下層は、Coを含む層であることを特徴とする。このような最下層を形成することにより、上記基材表面層の形成と相俟って被覆層全体が基材に対して極めて強力な密着性を有したものとなる。これは恐らく、基材表面層とこの最下層との間で前述のような化学的な相互拡散が生じることによりこれら両者の密着性が向上するためではないかと考えられる。そして、本発明の表面被覆切削工具はこのように被覆層と基材とが極めて高い密着性を有することから、耐摩耗性等の諸特性が向上し、以って工具寿命が飛躍的に延長されたものである。
<Lower layer>
In the present invention, the lowermost layer in contact with the substrate (substrate surface layer) among the coating layers is a layer containing Co. By forming such a lowermost layer, combined with the formation of the substrate surface layer, the entire coating layer has extremely strong adhesion to the substrate. This is probably because the chemical interdiffusion as described above occurs between the substrate surface layer and the lowermost layer, thereby improving the adhesion between them. The surface-coated cutting tool of the present invention thus has extremely high adhesion between the coating layer and the substrate, so that various properties such as wear resistance are improved, and the tool life is greatly extended. It has been done.

ここで、最下層の厚みは特に限定されないが、0.005μm以上0.1μm以下の厚みを有することとすることが好ましい。その厚みが0.005μm未満である場合は強力な密着性を得ることができない場合があり、またその厚みが0.1μmを超えると最下層自体が脆性を帯びるため基材との密着性が低下する場合がある。このような最下層の厚みは、より好ましくはその上限が0.09μmであり、その下限が0.006μmである。なお、このような最下層の厚みは、基材表面層の厚みを測定する方法と同様の方法により測定することができ、また組成等の同定は、EPMA−EDS(電子線マイクロアナライザ−エネルギー分散型蛍光X線分析)により確認することができる。   Here, the thickness of the lowermost layer is not particularly limited, but preferably has a thickness of 0.005 μm or more and 0.1 μm or less. If the thickness is less than 0.005 μm, strong adhesion may not be obtained, and if the thickness exceeds 0.1 μm, the lowermost layer itself becomes brittle and the adhesion to the substrate is reduced. There is a case. More preferably, the upper limit of the thickness of the lowermost layer is 0.09 μm and the lower limit is 0.006 μm. In addition, the thickness of such a lowermost layer can be measured by the same method as the method of measuring the thickness of the substrate surface layer, and the identification of the composition and the like is performed by EPMA-EDS (electron beam microanalyzer-energy dispersion). Type fluorescent X-ray analysis).

一方、本発明の最下層を形成する方法は特に限定されないが、「Coを含有する原料を用いて形成する」ことが好ましい。ここで「Coを含有する原料を用いて形成する」とは、このような最下層を構成するCoの全量が基材からの拡散物ではないことを示している。このようにCoを含有する原料を用いて最下層を形成する方法としては、たとえばCoを含んだ原料ガスを用いる化学蒸着法(CVD法)やCo粒子やCo製ブラシを用いて行なわれる機械的加工法等を挙げることができる。これらの方法において、Coを含んだ原料ガス、Co粒子、およびCo製ブラシが各々「Coを含有する原料」となる。   On the other hand, the method for forming the lowermost layer of the present invention is not particularly limited, but “forming using a raw material containing Co” is preferable. Here, “forming using a raw material containing Co” indicates that the total amount of Co constituting such a lowermost layer is not a diffused material from the base material. As a method of forming the lowermost layer using a raw material containing Co as described above, for example, a chemical vapor deposition method (CVD method) using a raw material gas containing Co, a mechanical method performed using Co particles or a Co brush is used. A processing method etc. can be mentioned. In these methods, a source gas containing Co, Co particles, and a brush made of Co are each “a source containing Co”.

これらの方法についてさらに詳細に説明すると、まずCVD法では、100〜1000℃程度の密閉容器(ジェネレータ構造)中でCoを昇華させ、それを水素、塩化水素、アルゴン、窒素、またはこれらの2以上の混合ガスをキャリアガスとして1〜100リットル/分で5〜200分間(本発明ではこの時間をキープ時間と記す)CVD成膜装置に導入することにより基材直上(基材表面層の直上)に最下層を形成することができる。   These methods will be described in more detail. First, in the CVD method, Co is sublimated in a sealed container (generator structure) of about 100 to 1000 ° C., and then hydrogen, hydrogen chloride, argon, nitrogen, or two or more of these are used. 1 to 100 liters / minute as a carrier gas for 5 to 200 minutes (this time is referred to as keep time in the present invention) and introduced into a CVD film forming apparatus (directly above the substrate surface layer). The lowermost layer can be formed.

また、機械的加工法では、Co粒子を用いる場合(すなわちドライブラスト等のブラスト法を適用する場合)、粒径が10〜500μmのCo粒子を用いて、常温、圧力0.01〜5MPa(雰囲気は大気)の条件下3秒〜20分間程度処理することにより、基材直上に最下層を形成することができる。一方、Co製ブラシを用いる場合(すなわちブラシ加工法を適用する場合)、ブラシ径(Co製の毛の部分)がφ0.5〜5mmのCo製ブラシを用いて、回転数500〜5000rpm、切り込み1〜10mmの条件下、1秒〜20分間処理することにより、基材直上に最下層を形成することができる。   In the mechanical processing method, when Co particles are used (that is, when a blasting method such as drive last is applied), Co particles having a particle size of 10 to 500 μm are used at room temperature and a pressure of 0.01 to 5 MPa (atmosphere). Can be formed for 3 seconds to 20 minutes under the condition of (atmosphere) to form the lowermost layer directly on the substrate. On the other hand, when a Co brush is used (that is, when the brush processing method is applied), using a Co brush with a brush diameter (Co hair portion) of φ0.5 to 5 mm, the rotation speed is 500 to 5000 rpm and the incision is made. By treating for 1 second to 20 minutes under the condition of 1 to 10 mm, the lowermost layer can be formed immediately above the substrate.

ここで、このような最下層の組成としては、Coを含む限りCoのみで構成されていても良いし、Coとともに他の成分が含まれていても良い。このような他の成分としては、たとえば炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を挙げることができる。これらの元素を含む場合、基材表面層および被覆層中の他の層との密着力が向上するという効果を示すことができる。これらの他の元素は、Coとともに成膜されるものであっても良いし、他の被覆層や基材から拡散してくるものであっても良い。   Here, the composition of the lowermost layer may be composed of only Co as long as it contains Co, or may contain other components together with Co. Examples of such other components include at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine. When these elements are contained, the effect that the adhesive force with the base-material surface layer and the other layer in a coating layer improves can be shown. These other elements may be formed together with Co, or may be diffused from other coating layers or base materials.

このような最下層におけるCoの含有量は、1重量%以上、好ましくは基材内部に含有されるCo量の半分以上の量であることが好適であり、EPMA−EDSによって同定することができる。また、上記のような他の成分(2成分以上の場合はその合計)の含有量は、EPMA−EDSにおける各元素のKα線によって同定することができ、Coの原子%に対する他の成分の原子%の比(他の成分の原子%/Co原子%)として表わした場合に0.1以上50以下とすることが好ましい。   The content of Co in such a lowermost layer is preferably 1% by weight or more, preferably more than half of the amount of Co contained in the substrate, and can be identified by EPMA-EDS. . In addition, the content of other components as described above (the total when there are two or more components) can be identified by the Kα ray of each element in EPMA-EDS, and the atoms of other components relative to the atomic percent of Co. % (Atomic% of other components / Co atomic%), it is preferably 0.1 or more and 50 or less.

本発明においては、上記のような他の成分の中でも特に塩素を含むことが好ましい。これにより基材(基材表面層)との密着性が特に優れたものとなるからである。このような塩素は、最下層をCVD法で形成する際に用いられるガスに含まれる塩素に由来するものであっても良いし、他の被覆層をCVD法で形成する際の反応ガスに含まれる塩素が拡散してきたものであっても良い。この点、他の被覆層がCVD法で形成される場合はその形成条件を調節することによりこのように塩素を最下層に拡散させることが可能であるが、物理的蒸着法(PVD法)により形成された他の被覆層や基材から最下層に塩素が拡散することはない。   In the present invention, it is particularly preferable to contain chlorine among the other components as described above. This is because the adhesion to the substrate (substrate surface layer) is particularly excellent. Such chlorine may be derived from chlorine contained in the gas used when the lowermost layer is formed by the CVD method, or may be included in the reaction gas when other coating layers are formed by the CVD method. It may be the one that has been diffused. In this regard, when other coating layers are formed by the CVD method, it is possible to diffuse chlorine into the lowermost layer by adjusting the formation conditions, but by physical vapor deposition (PVD method) Chlorine does not diffuse from the other formed coating layers or base materials to the bottom layer.

なお、本発明の最下層は、不可避不純物を除き、Co以外の金属成分を含有しないことが好ましい。Co以外の金属成分は最下層の脆化を助長する傾向を示すためである。   In addition, it is preferable that the lowermost layer of this invention does not contain metal components other than Co except for an inevitable impurity. This is because metal components other than Co tend to promote embrittlement in the lowermost layer.

<硬質層>
本発明の被覆層は、上記最下層上に形成される1層以上の硬質層を含むことが好ましく、この硬質層(2層以上形成される場合はその各層)は、周期律表のIVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。
<Hard layer>
The coating layer of the present invention preferably includes one or more hard layers formed on the lowermost layer, and this hard layer (each layer when two or more layers are formed) is a group IVa in the periodic table. At least one element selected from the group consisting of elements (Ti, Zr, Hf, etc.), group Va elements (V, Nb, Ta, etc.), group VIa elements (Cr, Mo, W, etc.), Al, and Si; It is preferably composed of a compound comprising at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine.

上記のような化合物としては、たとえばTiC、TiN、TiCN、TiNO、TiCNO、TiB2、TiO2、TiBN、TiBNO、TiCBN、ZrC、ZrO2、HfC、HfN、TiAlN、AlCrN、CrN、VN、TiSiN、TiSiCN、AlTiCrN、TiAlCN、ZrCN、ZrCNO、Al23、AlN、AlCN、ZrN、ZrO2、TiO2、TiZrCN、TiAlC、NbC、NbN、NbCN、Mo2C、WC、W2C、TaN、TaCN、TaC、HfO2、HfN等を挙げることができる。なお、これらの化合物に塩素が含まれる場合、塩素は侵入型として含まれていてもよいし置換型として含まれていてもよく、また化合物を形成していてもよい。 The compounds as described above, for example TiC, TiN, TiCN, TiNO, TiCNO, TiB 2, TiO 2, TiBN, TiBNO, TiCBN, ZrC, ZrO 2, HfC, HfN, TiAlN, AlCrN, CrN, VN, TiSiN, TiSiCN, AlTiCrN, TiAlCN, ZrCN, ZrCNO, Al 2 O 3, AlN, AlCN, ZrN, ZrO 2, TiO 2, TiZrCN, TiAlC, NbC, NbN, NbCN, Mo 2 C, WC, W 2 C, TaN, TaCN , TaC, HfO 2 , HfN and the like. In addition, when chlorine is contained in these compounds, chlorine may be contained as an interstitial type, may be contained as a substitution type, and may form a compound.

なお、本発明において上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合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のみに限定されるものではない。たとえば単に「TiCN」と記す場合、「Ti」と「C」と「N」の原子比は50:25:25の場合のみに限られず、また「TiN」と記す場合も「Ti」と「N」の原子比は50:50の場合のみに限られない。これらの原子比としては従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。   In the present invention, when the compound is represented by the chemical formula as described above, it is assumed that all the conventionally known atomic ratios are included unless the atomic ratio is particularly limited, and are not necessarily limited to those in the stoichiometric range. . For example, when simply describing “TiCN”, the atomic ratio of “Ti”, “C”, and “N” is not limited to 50:25:25, and also when “TiN” is described, “Ti” and “N” The atomic ratio is not limited to 50:50. These atomic ratios include all conventionally known atomic ratios.

上記のような硬質層を構成する化合物のうち、より好ましくは、Ti、Zr、およびHfからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を選択することが好適である。これらの化合物からなる層を硬質層の少なくとも一層として含むことが好ましく、特に上記の最下層の直上に形成することが好ましい。これにより、最下層と硬質層との密着性を特に強力なものとすることができるからである。   Of the compounds constituting the hard layer as described above, more preferably, at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, and Hf, and a group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine It is preferable to select a compound comprising at least one element selected. It is preferable to include a layer made of these compounds as at least one layer of the hard layer, and it is particularly preferable to form the layer directly above the lowermost layer. This is because the adhesion between the lowermost layer and the hard layer can be made particularly strong.

また、本発明の硬質層の少なくとも一層は、上記のような化合物としてα−アルミナ(結晶構造がα型のアルミナ)またはκ−アルミナ(結晶構造がκ型のアルミナ)を含む層とすることが好ましい。これにより、被覆層の耐摩耗性を一層向上させることができる。   Further, at least one layer of the hard layer of the present invention is a layer containing α-alumina (alumina having a crystal structure of α type) or κ-alumina (alumina having a crystal structure of κ type) as the above compound. preferable. Thereby, the abrasion resistance of a coating layer can be improved further.

ここで、α−アルミナまたはκ−アルミナを含む層とは、このようなアルミナを50重量%以上含有することを意味し、より好ましくは不可避不純物を除きこのようなアルミナのみによって構成されることをいう。なお、アルミナの結晶構造は、X線回折法(XRD)により同定することができる。   Here, the layer containing α-alumina or κ-alumina means containing 50% by weight or more of such alumina, and more preferably composed of only such alumina excluding inevitable impurities. Say. The crystal structure of alumina can be identified by X-ray diffraction (XRD).

このような硬質層の厚み(硬質層1層当りの厚み)は、0.3μm以上20μm以下とすることが好ましく、より好ましくはその下限を0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上、その上限を15μm以下、さらに好ましくは10μm以下とすることが好適である。この硬質層の厚みが0.3μm未満の場合、十分に耐摩耗性等の諸特性を向上させることができない場合があり、20μmを超えても大幅に特性を改善することがないため工業的に好ましくない場合がある。   The thickness of such a hard layer (thickness per hard layer) is preferably 0.3 μm or more and 20 μm or less, more preferably the lower limit is 0.5 μm or more, further preferably 1 μm or more, and the upper limit is It is suitable that it is 15 μm or less, more preferably 10 μm or less. When the thickness of the hard layer is less than 0.3 μm, various properties such as wear resistance may not be sufficiently improved, and even if the thickness exceeds 20 μm, the properties are not significantly improved. It may not be preferable.

なお、本発明の硬質層は、CVD法により形成されることが好ましい。これにより上記の最下層がCVD法により形成される場合にはこの最下層に連続して硬質層を形成することができ、これらの密着性を向上させることができるため特に好適である。このようなCVD法としては、従来公知の方法を特に限定することなく使用することができ、条件等が限定されることはない。たとえば、800〜1050℃程度の成膜温度を採用することができ、使用するガスとしてもアセトニトリル等のニトリル系のガス等従来公知のガスを特に限定することなく使用することができる。   In addition, it is preferable that the hard layer of this invention is formed by CVD method. Thereby, when the lowermost layer is formed by the CVD method, a hard layer can be continuously formed on the lowermost layer, and the adhesion can be improved. As such a CVD method, a conventionally known method can be used without any particular limitation, and the conditions and the like are not limited. For example, a film forming temperature of about 800 to 1050 ° C. can be adopted, and a conventionally known gas such as a nitrile gas such as acetonitrile can be used as the gas to be used without any particular limitation.

そして、特に本発明の被覆層は、硬質層として化学蒸着法、好ましくはMT−CVD法により形成されるTiCNを主成分とする層を含むことが好ましい。CVD法による熱の適用に基づく基材のダメージを低減させつつ、耐摩耗性に優れる炭窒化チタン(TiCN)を主成分とする層を形成させることができるからである。ここで、TiCNを主成分とする層とは、TiCNを90重量%以上含む層を意味し、好ましくは不可避不純物を除きTiCNのみにより構成されることを意味する。また、上記MT−CVD(moderate temperature CVD)法とは、上記で説明したような通常のCVD法が約950〜1050℃で成膜が行なわれることが多いのに対して、約800〜950℃という比較的低温で行なう方法をいう。   And it is preferable that especially the coating layer of this invention contains the layer which has as a main component TiCN formed by a chemical vapor deposition method, preferably MT-CVD method as a hard layer. This is because a layer mainly composed of titanium carbonitride (TiCN) having excellent wear resistance can be formed while reducing damage to the substrate based on the application of heat by the CVD method. Here, the layer containing TiCN as a main component means a layer containing 90% by weight or more of TiCN, and preferably includes only TiCN except for inevitable impurities. Further, the MT-CVD (moderate temperature CVD) method is generally performed at about 950 to 1050 ° C., while the normal CVD method as described above is often performed at about 950 to 1050 ° C. This is a method performed at a relatively low temperature.

なお、本発明の硬質層は、上記のような各化合物の外、IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素のみによって構成された層を含むこともできる。   The hard layer of the present invention is composed only of at least one element selected from the group consisting of IVa group elements, Va group elements, VIa group elements, Al, and Si in addition to the above-described compounds. Layers can also be included.

本発明の硬質層の組成の同定は、EPMA−EDS(電子線マイクロアナライザ−エネルギー分散型蛍光X線分析)により確認することができる。   The identification of the composition of the hard layer of the present invention can be confirmed by EPMA-EDS (electron beam microanalyzer-energy dispersive X-ray fluorescence analysis).

<組成傾斜層>
本発明の被覆層において、上記最下層と上記硬質層との間には組成傾斜層を形成することができ、この組成傾斜層は上記最下層の組成から上記硬質層(該組成傾斜層上に複数の硬質層が形成される場合はこの組成傾斜層の直上の硬質層)の組成へと厚み方向にその組成が変化する層であることが好ましい。このような組成傾斜層を形成することにより、最下層と硬質層との密着性を高めることができる。このような組成傾斜層は、厚みを0.2μm以上2μm以下とすることが好ましく、より好ましくはその下限を0.3μm以上とし、その上限を1μm以下、さらに好ましくは0.8μm以下とすることが好適である。この組成傾斜層の厚みが0.2μm未満の場合、密着性を向上させることができない場合があり、2μmを超えても大幅に特性を改善することがないため工業的に好ましくない場合がある。
<Composition gradient layer>
In the coating layer of the present invention, a composition gradient layer can be formed between the lowermost layer and the hard layer, and the composition gradient layer is formed from the composition of the lowermost layer to the hard layer (on the composition gradient layer). When a plurality of hard layers are formed, a layer whose composition changes in the thickness direction to the composition of the hard layer immediately above the composition gradient layer is preferable. By forming such a composition gradient layer, the adhesion between the lowermost layer and the hard layer can be enhanced. Such a composition gradient layer preferably has a thickness of 0.2 μm or more and 2 μm or less, more preferably a lower limit of 0.3 μm or more, and an upper limit of 1 μm or less, more preferably 0.8 μm or less. Is preferred. If the thickness of the composition gradient layer is less than 0.2 μm, the adhesion may not be improved, and if it exceeds 2 μm, the characteristics are not significantly improved, which may be industrially undesirable.

このような組成傾斜層は、最下層および硬質層とは独立して形成する必要はなく、その形成方法にもよるが通常は最下層を形成後硬質層を形成するときにこれら両層の形成の途中段階で不可避的に形成されるものである。換言すれば、この組成傾斜層は、その観察条件により観察されたり観察されなかったりする程度のものであり、通常透過型電子顕微鏡(TEM)等による観察倍率を200万倍以上にする場合において観察されるものである。   Such a composition gradient layer does not need to be formed independently of the lowermost layer and the hard layer, but usually, depending on the forming method, both layers are formed when the hard layer is formed after the lowermost layer is formed. It is inevitably formed in the middle stage. In other words, the composition gradient layer is observed or not observed depending on the observation conditions, and is usually observed when the observation magnification by a transmission electron microscope (TEM) or the like is set to 2 million times or more. It is what is done.

なお、最下層および硬質層の境界部にこのような組成傾斜層が形成されるために、これら両層の境界部を明確に定めることができない場合は、このような組成傾斜層における厚み方向の中間点をこれら両層の境界部とみなし、各層の厚み等を測定するものとする。   In addition, since such a composition gradient layer is formed at the boundary between the lowermost layer and the hard layer, when the boundary between these two layers cannot be clearly defined, the thickness direction in such a composition gradient layer The intermediate point is regarded as the boundary between these layers, and the thickness of each layer is measured.

<製造方法>
本発明は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する1層以上の被覆層とを備える表面被覆切削工具の製造方法をも提供するものである。かかる製造方法は、基材を準備する工程(「基材準備工程」とも記す)と、上記で説明した基材表面層を形成する工程(「基材表面層形成工程」とも記す)と、該被覆層のうち該基材と接する最下層として、Coを含む層を形成する工程(「最下層形成工程」とも記す)とを少なくとも含む。そして、この最下層形成工程は、上記で既に説明したようなCoを含有する原料を用いて実施されることが好ましく、上記のようなCVD法や機械的加工法等が含まれる。
<Manufacturing method>
This invention also provides the manufacturing method of the surface coating cutting tool provided with the base material which consists of a cemented carbide, and the 1 or more coating layer which coat | covers it. Such a production method includes a step of preparing a base material (also referred to as “base material preparation step”), a step of forming the base material surface layer described above (also referred to as “base material surface layer forming step”), A step of forming a layer containing Co as a lowermost layer in contact with the substrate of the coating layer (also referred to as a “lowermost layer forming step”) is included. And this lowermost layer formation process is preferably implemented using the raw material containing Co as already described above, and includes the CVD method and the mechanical processing method as described above.

なお、本発明の製造方法は、上記のような工程を含む限り他の工程を含んでいても差し支えない。たとえば、硬質層を形成する工程等が含まれる。このような硬質層を形成する工程(「硬質層形成工程」とも記す)は、CVD法により実行されることが好ましい。   In addition, as long as the manufacturing method of this invention includes the above processes, it does not interfere even if it includes another process. For example, the process etc. which form a hard layer are included. The step of forming such a hard layer (also referred to as “hard layer forming step”) is preferably performed by a CVD method.

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。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

<基材準備工程>
以下の表1に記載した超硬合金を用い、形状がCNMA120408(JIS B4120 1998)である刃先交換型切削チップを成形することにより基材A〜Cを得た。表1に記載されている成分の残部は炭化タングステン(WC)であり、すなわちこれらの超硬合金は炭化タングステン、鉄系金属、および第3成分を含むものである。なお、たとえば基材Bにおける「(Ti,Ta,Nb,Cr,Zr)C」は金属成分がTi,Ta,Nb,Cr,Zrである炭化物が5.1重量%含有されていることを示す(他の基材においても各表記はこれと同様の意味を示す)。
<Base material preparation process>
Substrates A to C were obtained by molding a cutting edge-exchangeable cutting tip having a shape of CNMA120408 (JIS B4120 1998) using the cemented carbide described in Table 1 below. The balance of the components listed in Table 1 is tungsten carbide (WC), i.e., these cemented carbides contain tungsten carbide, an iron-based metal, and a third component. For example, “(Ti, Ta, Nb, Cr, Zr) C” in the base material B indicates that 5.1% by weight of carbide whose metal component is Ti, Ta, Nb, Cr, Zr is contained. (Each notation also has the same meaning in other substrates).

Figure 0005177534
Figure 0005177534

<基材表面層形成工程>
上記で準備された基材A〜Cの各基材に対して、表2記載の洗浄工程を実施した。表2中、「酸系洗浄液」とは酒石酸、塩酸等を示し、「アルカリ系洗浄液」とは水酸化ナトリウム、アルカリイオン水等を示し、「アルカリ系+酸系洗浄液」とはアルカリ系洗浄液で洗浄後に酸系洗浄液で洗浄すること(この場合の洗浄時間は各対応する洗浄液毎の洗浄時間を「+」の符号を挟んで記載してある)を示し、「エチルアルコール」とはアルコール系洗浄液を示す。
<Base material surface layer forming step>
The cleaning process described in Table 2 was performed on each of the base materials A to C prepared above. In Table 2, “acid-based cleaning solution” refers to tartaric acid, hydrochloric acid, etc., “alkaline-based cleaning solution” refers to sodium hydroxide, alkaline ionized water, etc., and “alkali-based + acid-based cleaning solution” refers to an alkaline cleaning solution. It indicates that the cleaning is performed with an acid-based cleaning solution after cleaning (the cleaning time in this case indicates the cleaning time for each corresponding cleaning solution with a “+” sign), and “ethyl alcohol” is an alcohol-based cleaning solution. Indicates.

続いて、洗浄工程を経た各基材に対して同じく表2記載の高温加熱工程を実施することにより、各基材の表面部(後に被覆層が形成された場合にはその界面部となる部分)にWとCoとの複炭化物を主成分とする基材表面層を形成した。その厚みを表7に示す。なお、表2中、高温加熱工程において使用した気体の「種類」の欄において、ある温度から異なった気体を導入する旨の記載がされているものについては、その異なった気体が導入された後の分圧比を「分圧比」の欄に示してある。また、「保持時間」とは、表2に記載した温度で保持する時間を示すが、「0」と表記されているものは温度が表2記載の温度に到達した時点で以下の最下層の形成を開始することを示す。   Subsequently, by performing the high-temperature heating process shown in Table 2 on each base material that has undergone the cleaning process, the surface portion of each base material (the portion that becomes the interface when a coating layer is formed later) ) To form a substrate surface layer mainly composed of double carbide of W and Co. The thickness is shown in Table 7. In Table 2, in the column of “type” of the gas used in the high-temperature heating process, for those described to introduce a different gas from a certain temperature, after the different gas is introduced The partial pressure ratio is shown in the “Partial pressure ratio” column. In addition, “holding time” indicates the time for holding at the temperature described in Table 2, but “0” indicates that the lowermost layer below when the temperature reaches the temperature described in Table 2. Indicates that formation begins.

Figure 0005177534
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<最下層形成工程>
上記のようにして基材表面層を形成した各基材に対して、以下の表3および表4に記載した最下層の形成方法1〜10のいずれかを適用することにより基材上(基材表面層上)の全面に最下層を形成した。すなわち、表3はCoを含有する原料としてCoを含んだ原料ガスを用いるCVD法により最下層を形成する方法(形成方法1〜5)を示しており、表4は機械的加工法により最下層を形成する方法を示している(形成方法6および7はCoを含有する原料としてCo粒子(粒径:50μm)を用いるドライブラスト法(常温、圧力0.2MPa、雰囲気は大気)を示し、形成方法8〜10はCoを含有する原料としてCo製ブラシ(ブラシ径:φ2mm)を用いたブラシ加工法(回転数:1500rpm、切り込み:3mm)を示している)。なお、表3の形成方法3のキャリアガスは、水素と塩化水素とからなる混合ガス(流量:水素2リットル/分、塩化水素0.5リットル/分)を用いたことを示す。
<Lower layer formation process>
By applying any one of the lowermost layer forming methods 1 to 10 described in Table 3 and Table 4 below to each substrate on which the substrate surface layer has been formed as described above (on the substrate) A lowermost layer was formed on the entire surface of the material surface layer. That is, Table 3 shows a method of forming the lowermost layer by a CVD method using a source gas containing Co as a raw material containing Co (formation methods 1 to 5), and Table 4 shows the lowermost layer by a mechanical processing method. (Formation methods 6 and 7 show a drive last method (normal temperature, pressure 0.2 MPa, atmosphere is air) using Co particles (particle size: 50 μm) as a raw material containing Co. Methods 8 to 10 are brush processing methods using a Co brush (brush diameter: φ2 mm) as a raw material containing Co (rotation speed: 1500 rpm, cutting: 3 mm). In addition, it shows that the carrier gas of the formation method 3 of Table 3 used the mixed gas (flow rate: hydrogen 2 liter / min, hydrogen chloride 0.5 liter / min) which consists of hydrogen and hydrogen chloride.

このようにして形成された最下層の厚みを後述の表7に示す。最下層の厚みは、カロテストで被覆層と基材との界面を露出させた後村上氏試薬でエッチング処理を行ない、それを金属顕微鏡で観察する方法により測定した。また、上記最下層の組成をEPMA−EDS(電子線マイクロアナライザ−エネルギー分散型蛍光X線分析)により確認したところ、後述のNo.1〜24の実施例の表面被覆切削工具の最下層はCoおよび塩素と、N、O、B、またはCのいずれか1種以上の元素とを含んでいることを確認した。たとえば、実施例No.1の最下層の組成は、塩素の原子%/Coの原子%が0.13であり、N、O、B、またはCのいずれか1種以上の元素の合計原子%/Coの原子%が2.3であった。また、実施例No.10の最下層の組成は、塩素の原子%/Coの原子%が0.24であり、N、O、B、またはCのいずれか1種以上の元素の合計原子%/Coの原子%が6.7であった。   The thickness of the lowermost layer thus formed is shown in Table 7 described later. The thickness of the lowermost layer was measured by a method in which the interface between the coating layer and the substrate was exposed by Calotest and then etched with Mr. Murakami's reagent and observed with a metal microscope. The composition of the lowermost layer was confirmed by EPMA-EDS (electron beam microanalyzer-energy dispersive X-ray fluorescence analysis). It was confirmed that the lowermost layer of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 24 contained Co and chlorine and one or more elements of N, O, B, or C. For example, Example No. The composition of the lowermost layer of 1 is that atomic% of chlorine / atomic% of Co is 0.13, and total atomic% of at least one element of N, O, B, or C / atomic% of Co is 2.3. In addition, Example No. The composition of the lowermost layer of 10 is: atomic% of chlorine / atomic% of Co is 0.24, and total atomic% of any one or more elements of N, O, B, or C / atomic% of Co is It was 6.7.

Figure 0005177534
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Figure 0005177534
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<硬質層形成工程>
上記のようにして基材上(基材表面層上)に最下層を形成した表面被覆切削工具の前駆体に対して、以下の表5に記載した硬質層aおよびbのそれぞれを該最下層上の全面に形成した。たとえば、表5中の硬質層aは、該最下層上に第2層として厚み0.3μmのTiNからなる層を形成し、その上に第3層として厚み2.5μmのTiCNからなる層を形成し、その上に第4層として厚み1.5μmのTiZrCNからなる層を形成し、その上に第5層として厚み1.0μmのTiCNOからなる層を形成し、その上に第6層として厚み2.0μmのκ−アルミナを含む層を形成し、その上に第7層として厚み0.5μmのTiNからなる層を形成したことを示す。硬質層bについても同様である。なお、表5中の「TiCN」はMT−CVD法により形成されるTiCNからなる層(すなわちTiCNを主成分とする層)を示し、「κ−Al23」はκ−アルミナを含む層(これに対し「α−Al23」はα−アルミナを含む層)を示す。また、硬質層bの第6層は、α−アルミナとジルコニウムとの混合物(ジルコニウム:0.5重量%)により構成されていることを示す。
<Hard layer forming process>
With respect to the precursor of the surface-coated cutting tool in which the lowermost layer is formed on the base material (on the base material surface layer) as described above, each of the hard layers a and b described in Table 5 below is changed to the lowermost layer. Formed on the entire upper surface. For example, in the hard layer a in Table 5, a layer made of TiN having a thickness of 0.3 μm is formed as the second layer on the lowermost layer, and a layer made of TiCN having a thickness of 2.5 μm is formed thereon as the third layer. And a layer made of TiZrCN with a thickness of 1.5 μm is formed as a fourth layer thereon, a layer made of TiCNO with a thickness of 1.0 μm is formed thereon as a fifth layer, and a layer as a sixth layer is formed thereon. It shows that a layer containing 2.0 μm thick κ-alumina was formed, and a layer made of TiN having a thickness of 0.5 μm was formed thereon as the seventh layer. The same applies to the hard layer b. In Table 5, “TiCN” indicates a layer made of TiCN formed by MT-CVD (that is, a layer mainly composed of TiCN), and “κ-Al 2 O 3 ” indicates a layer containing κ-alumina. (In contrast, “α-Al 2 O 3 ” indicates a layer containing α-alumina). Moreover, it shows that the 6th layer of the hard layer b is comprised with the mixture (zirconium: 0.5 weight%) of (alpha) -alumina and zirconium.

そして、このような硬質層の各層は、以下の表6に示した条件を採用したCVD法により形成した。   And each layer of such a hard layer was formed by CVD method which employ | adopted the conditions shown in the following Table 6.

Figure 0005177534
Figure 0005177534

Figure 0005177534
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<表面被覆切削工具>
上記のようにして以下の表7に示すNo.1〜24の本発明の実施例の表面被覆切削工具を製造した。また、同様にして以下の表7に示すNo.1〜6の比較例の表面被覆切削工具を製造した。たとえば、表7のNo.1の表面被覆切削工具は、基材として表1記載の「基材A」を用い、その基材に対して表2記載の形成条件により厚み0.013μmの基材表面層を形成し、その基材表面層上に表3記載の形成条件1により厚みが0.008μmである最下層が形成され、その最下層上に硬質層として表5記載の「硬質層a」を形成したこと(すなわち最下層上に硬質層aの第2層を形成し、その上に順次第7層まで形成したこと)を示す。なお、No.1〜6の比較例の表面被覆切削工具は、基材表面層の厚みが本発明の規定外となるものである(No.1、4、5の比較例については最下層を形成しなかった)。
<Surface coated cutting tool>
As described above, No. 1 shown in Table 7 below. 1 to 24 surface-coated cutting tools of the examples of the present invention were produced. Similarly, No. 1 shown in Table 7 below. Surface-coated cutting tools of 1 to 6 comparative examples were manufactured. For example, in Table 7, No. The surface-coated cutting tool No. 1 uses “Substrate A” shown in Table 1 as a base material, and forms a base material surface layer having a thickness of 0.013 μm on the base material according to the forming conditions shown in Table 2. The bottom layer having a thickness of 0.008 μm was formed on the surface layer of the base material under the formation condition 1 described in Table 3, and the “hard layer a” described in Table 5 was formed as a hard layer on the bottom layer (that is, The second layer of the hard layer a was formed on the lowermost layer, and the seventh layer was sequentially formed on the second layer). In addition, No. In the surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 to 6, the thickness of the base material surface layer is not specified in the present invention (the lowermost layer was not formed in Comparative Examples Nos. 1, 4, and 5). ).

Figure 0005177534
Figure 0005177534

<性能評価>
上記のようにして得られた表面被覆切削工具について、下記条件で連続切削試験および断続切削試験を行なうことにより基材と被覆層との密着性の程度を評価した。その結果を以下の表8に示す。
<Performance evaluation>
The surface-coated cutting tool obtained as described above was subjected to a continuous cutting test and an intermittent cutting test under the following conditions to evaluate the degree of adhesion between the substrate and the coating layer. The results are shown in Table 8 below.

<連続切削試験の条件>
使用ホルダ:PCLNR2525−43(住友電工ハードメタル社製)
被削材:SCM435(HB=246)丸棒
切削速度:240m/min.
送り:0.26mm/rev.
切込み:2.0mm
湿式/乾式:湿式(水溶性油)
評価:すくい面側の摩耗が進行したことによる切れ刃欠損が生じるまでの時間(分)を求めた。時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示し、基材と被覆層との密着性が強力であることを示している。
<Conditions for continuous cutting test>
Holder used: PCLNR2525-43 (Sumitomo Electric Hardmetal)
Work material: SCM435 (HB = 246) round bar Cutting speed: 240 m / min.
Feed: 0.26 mm / rev.
Cutting depth: 2.0mm
Wet / dry: wet (water-soluble oil)
Evaluation: The time (minutes) until a cutting edge defect due to progress of wear on the rake face side was determined. The longer the time, the better the wear resistance, and the stronger the adhesion between the substrate and the coating layer.

<断続切削試験の条件>
使用ホルダ:PCLNR2525−43(住友電工ハードメタル社製)
被削材:SCM435(HB=246)角材
切削速度:220m/min.
送り:0.21mm/rev.
切込み:1.5mm
切削時間:2分間
湿式/乾式:乾式
評価:10切れ刃にて試験を行ない、欠損した切れ刃数を求めた。欠損した切れ刃数が少ないもの程、基材と被覆層との密着性が強力であることを示している。
<Conditions for intermittent cutting test>
Holder used: PCLNR2525-43 (Sumitomo Electric Hardmetal)
Work material: SCM435 (HB = 246) Square material Cutting speed: 220 m / min.
Feed: 0.21 mm / rev.
Cutting depth: 1.5mm
Cutting time: 2 minutes Wet / dry: Dry Evaluation: A test was performed with 10 cutting edges, and the number of missing cutting edges was determined. The smaller the number of missing cutting edges, the stronger the adhesion between the substrate and the coating layer.

Figure 0005177534
Figure 0005177534

表8より明らかなように、本発明の実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比し、基材と被覆層との密着性が強力であることが確認された。すなわち、基材表面層の厚みが本発明の規定外となる比較例1〜6の表面被覆切削工具は、いずれも基材と被覆層との密着性に劣っていた。したがって、実施例の表面被覆切削工具においてこのように優れた効果が示されるのは、被覆層と接する基材の表面部においてWとCoとの複炭化物を主成分とする厚みが0.005μm以上0.1μm未満の基材表面層を形成し、かつ被覆層のうち基材(基材表面層)と接する最下層としてCoを含む層を形成させたことに起因することは明らかである。   As is apparent from Table 8, it was confirmed that the surface-coated cutting tool of the example of the present invention had stronger adhesion between the base material and the coating layer than the surface-coated cutting tool of the comparative example. That is, all of the surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 to 6 in which the thickness of the base material surface layer was not specified in the present invention were inferior in adhesion between the base material and the coating layer. Therefore, in the surface-coated cutting tool of the example, such an excellent effect is shown in that the thickness mainly composed of double carbides of W and Co is 0.005 μm or more in the surface portion of the substrate in contact with the coating layer. It is clear that this is caused by forming a substrate surface layer of less than 0.1 μm and forming a Co-containing layer as the lowermost layer in contact with the substrate (substrate surface layer) among the coating layers.

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.

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説明ではなくて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。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

Claims (9)

超硬合金からなる基材とそれを被覆する1層以上の被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
前記基材は、前記被覆層と接する表面部にWとCoとの複炭化物を主成分とする、厚みが0.005μm以上0.1μm未満の基材表面層を有し、
前記被覆層のうち前記基材と接する最下層は、Coを含む層である、表面被覆切削工具。
A surface-coated cutting tool comprising a substrate made of a cemented carbide and one or more coating layers covering the substrate,
The base material has a base material surface layer having a thickness of 0.005 μm or more and less than 0.1 μm mainly composed of a double carbide of W and Co on a surface portion in contact with the coating layer;
The surface-coated cutting tool, wherein the lowermost layer in contact with the substrate of the coating layer is a layer containing Co.
前記最下層は、Coとともに炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む請求項1記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the lowermost layer contains at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine together with Co. 前記最下層は、0.005μm以上0.1μm以下の厚みを有する請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the lowermost layer has a thickness of 0.005 μm or more and 0.1 μm or less. 前記被覆層は、前記最下層上に形成される1層以上の硬質層を含み、
前記硬質層は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
The coating layer includes one or more hard layers formed on the lowermost layer,
The hard layer is composed of at least one element selected from the group consisting of group IVa elements, group Va elements, group VIa elements, Al, and Si in the periodic table, and carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine. The surface-coated cutting tool according to any one of claims 1 to 3, comprising a compound composed of at least one element selected from the group.
前記硬質層の少なくとも一層は、Ti、Zr、およびHfからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される請求項4記載の表面被覆切削工具。   At least one of the hard layers is composed of at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, and Hf and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, boron, and chlorine. The surface-coated cutting tool according to claim 4, wherein the surface-coated cutting tool is constituted by a compound comprising: 前記硬質層の少なくとも一層は、化学蒸着法により形成されるTiCNを主成分とする層である請求項4または5に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 4 or 5, wherein at least one of the hard layers is a layer mainly composed of TiCN formed by chemical vapor deposition. 前記硬質層の少なくとも一層は、α−アルミナまたはκ−アルミナを含む層である請求項4〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 4, wherein at least one of the hard layers is a layer containing α-alumina or κ-alumina. 前記最下層と前記硬質層との間には、組成傾斜層が形成され、
前記組成傾斜層は、前記最下層の組成から前記硬質層の組成へと厚み方向にその組成が変化する層である請求項1〜7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
A composition gradient layer is formed between the lowermost layer and the hard layer,
The surface-coated cutting tool according to any one of claims 1 to 7, wherein the composition gradient layer is a layer whose composition changes in the thickness direction from the composition of the lowermost layer to the composition of the hard layer.
前記基材は、炭化タングステン、鉄系金属、および第3成分を含む超硬合金であって、
前記第3成分は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物、および/または周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である請求項1〜8のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
The base material is a cemented carbide containing tungsten carbide, an iron-based metal, and a third component,
The third component includes at least one element selected from the group consisting of group IVa elements, group Va elements, group VIa elements, Al, and Si in the periodic table, and a group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, and boron. A compound comprising at least one element selected from the group consisting of at least one element and / or at least one element selected from the group consisting of group IVa element, group Va element, group VIa element, Al and Si in the periodic table. Item 9. The surface-coated cutting tool according to any one of Items 1 to 8.
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