JP7016866B2 - Surface-coated cubic boron nitride sintered body and cutting tool equipped with this - Google Patents

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Description

本発明は、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体およびこれを備える切削工具に関する。本出願は、2017年5月29日に出願した日本特許出願である特願2017-105583号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。 The present invention relates to a surface-coated cubic boron nitride sintered body and a cutting tool comprising the same. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-105583 filed on May 29, 2017. All the contents of the Japanese patent application are incorporated herein by reference.

従来、立方晶窒化硼素(以下、「cBN」ともいう。)焼結体を用いた切削工具が知られている。たとえば、特開2015-209354号公報(特許文献1)には、cBN焼結体にバイアス電圧を印加し、ArイオンによりcBN焼結体の表面に対してエッチングを行なった後に、当該表面に被膜を形成することにより切削工具を製造する技術が開示されている。 Conventionally, a cutting tool using a cubic boron nitride (hereinafter, also referred to as "cBN") sintered body is known. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-209354 (Patent Document 1) applies a bias voltage to a cBN sintered body, etches the surface of the cBN sintered body with Ar ions, and then coats the surface. A technique for manufacturing a cutting tool by forming a cutting tool is disclosed.

特開2015-209354号公報JP 2015-209354A

本開示の一態様に係る表面被覆立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素焼結体である基材と、基材に接して基材を被覆する被膜とを備える。基材中の立方晶窒化硼素と被膜との界面において、Fe含有量は1at%以下であり、W含有量は1at%以下であり、かつO含有量は2at%以下である。 The surface-coated cubic boron nitride sintered body according to one aspect of the present disclosure includes a base material which is a cubic boron nitride sintered body and a coating film which is in contact with the base material and covers the base material. At the interface between the cubic boron nitride in the substrate and the coating film, the Fe content is 1 at% or less, the W content is 1 at% or less, and the O content is 2 at% or less.

図1は、本実施形態に係る切削工具の構成の一例を示す部分断面図である。FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of the configuration of a cutting tool according to the present embodiment. 図2は、試料No.2における立方晶窒化硼素と被膜との界面を示す200万倍のTEM像(明視野像(bright-field image))である。FIG. 2 shows the sample No. It is a 2 million times TEM image (bright-field image) showing the interface between the cubic boron nitride and the coating film in 2. 図3は、試料No.2における立方晶窒化硼素と被膜との界面を示す200万倍のTEM像(HAADF像(high-angle annular dark field image))である。FIG. 3 shows the sample No. It is a 2 million times TEM image (HAADF image (high-angle annular dark field image)) showing the interface between the cubic boron nitride and the film in 2.

[本開示が解決しようとする課題]
ところで近年、切削速度の高速化および難削材に対する切削性能の向上の要求が高まっている。しかしながら、従来の切削工具では、切削速度を速めた場合または難削材を切削するときに被膜が剥離しやすく、上記の要求を十分に満たすことができない。
[Issues to be resolved by this disclosure]
By the way, in recent years, there has been an increasing demand for higher cutting speeds and improved cutting performance for difficult-to-cut materials. However, with a conventional cutting tool, the coating film tends to peel off when the cutting speed is increased or when cutting a difficult-to-cut material, and the above requirements cannot be sufficiently satisfied.

以上の点に鑑み、本開示では、被膜の耐剥離性に優れた表面被覆立方晶窒化硼素焼結体およびこれを備える切削工具を提供する。 In view of the above points, the present disclosure provides a surface-coated cubic boron nitride sintered body having excellent peeling resistance of a coating film and a cutting tool provided with the same.

[本開示の効果]
上記によれば、被膜の耐剥離性に優れた表面被覆立方晶窒化硼素焼結体および切削工具を提供することができる。
[Effect of this disclosure]
According to the above, it is possible to provide a surface-coated cubic boron nitride sintered body and a cutting tool having excellent peeling resistance of the coating film.

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

〔1〕本開示に係る表面被覆立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素焼結体である基材と、基材に接して基材を被覆する被膜とを備える。基材中の立方晶窒化硼素と被膜との界面において、Fe含有量は1at%以下であり、W含有量は1at%以下であり、かつO含有量は2at%以下である。 [1] The surface-coated cubic boron nitride sintered body according to the present disclosure includes a base material which is a cubic boron nitride sintered body and a coating film which is in contact with the base material and covers the base material. At the interface between the cubic boron nitride in the substrate and the coating film, the Fe content is 1 at% or less, the W content is 1 at% or less, and the O content is 2 at% or less.

基材である立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と結合剤とからなる。基材と被膜との密着性は、基材中の立方晶窒化硼素の結晶と被膜の結晶との格子定数の差に影響される。一般に、被膜の結晶の格子定数は、立方晶窒化硼素の結晶の格子定数よりも大きい。ここで、FeおよびWの少なくとも一方は、界面に存在すると、被膜の結晶中に入り込み、当該結晶の格子定数を増大させる。その結果、立方晶窒化硼素の結晶と被膜の結晶との格子定数の差がさらに大きくなり、基材と被膜との密着性が低下する。しかしながら、上記の構成によれば、立方晶窒化硼素の結晶と被膜の結晶との格子定数の差に起因する密着性の低下を抑制できる。 The cubic boron nitride sintered body, which is a base material, is composed of cubic boron nitride and a binder. The adhesion between the substrate and the coating is affected by the difference in lattice constant between the crystals of cubic boron nitride and the crystals of the coating in the substrate. In general, the lattice constant of the crystal of the coating is larger than the lattice constant of the crystal of cubic boron nitride. Here, when at least one of Fe and W is present at the interface, it penetrates into the crystal of the coating film and increases the lattice constant of the crystal. As a result, the difference in lattice constant between the cubic boron nitride crystal and the film crystal becomes larger, and the adhesion between the substrate and the film decreases. However, according to the above configuration, it is possible to suppress a decrease in adhesion due to a difference in lattice constant between the crystal of cubic boron nitride and the crystal of the coating film.

Feは、被膜を形成する際に用いる治具に含まれることが多く、基材の表面に付着しやすい。また、基材は、WC粉末を焼結させた超硬合金にろう付けされて使用されることが多い。そのため、超硬合金にろう付けされた後に基材の表面に被膜を形成する場合に、超硬合金に含まれるWが基材の表面に付着しやすい。FeまたはWが基材と被膜との界面に存在すると、FeまたはWが被膜の結晶中に入り込むことによって、当該結晶の格子定数が大きくなり、基材と被膜との密着性が低下しやすい。しかしながら、上記の構成によれば、基材中の立方晶窒化硼素の結晶と被膜の結晶との格子定数の差に起因する密着性の低下を抑制できる。 Fe is often contained in a jig used when forming a film, and easily adheres to the surface of the base material. Further, the base material is often used by being brazed to a cemented carbide obtained by sintering WC powder. Therefore, when a film is formed on the surface of the base material after being brazed to the cemented carbide, W contained in the cemented carbide tends to adhere to the surface of the base material. When Fe or W is present at the interface between the base material and the coating film, Fe or W penetrates into the crystal of the coating film, so that the lattice constant of the crystal becomes large and the adhesion between the base material and the coating film tends to decrease. However, according to the above configuration, it is possible to suppress a decrease in adhesion due to a difference in lattice constant between the crystals of cubic boron nitride in the substrate and the crystals of the coating.

また、立方晶窒化硼素と被膜との界面に酸化物が存在すると、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が低下しやすい。しかしながら、上記の構成によれば、酸化物による立方晶窒化硼素と被膜との密着性の低下を抑制できる。 Further, if an oxide is present at the interface between the cubic boron nitride and the coating film, the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film tends to decrease. However, according to the above configuration, it is possible to suppress the deterioration of the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film due to the oxide.

以上により、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が向上し、被膜の耐剥離性が向上した表面被覆立方晶窒化硼素焼結体を実現できる。 As a result, it is possible to realize a surface-coated cubic boron nitride sintered body in which the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film is improved and the peeling resistance of the coating film is improved.

〔2〕Fe含有量とW含有量との合計含有量が0.05at%以上である層の厚みは5nm以下である。これにより、FeおよびWの少なくとも一方に起因した密着性の低下を抑制でき、基材と被膜との密着性がさらに向上する。 [2] The thickness of the layer in which the total content of the Fe content and the W content is 0.05 at% or more is 5 nm or less. As a result, it is possible to suppress a decrease in adhesion caused by at least one of Fe and W, and the adhesion between the base material and the coating film is further improved.

〔3〕上記表面被覆立方晶窒化硼素焼結体において、被膜は多結晶体である。被膜における界面から10nm以内の領域は、平均粒径が10nm以下の結晶粒からなる。これにより、被膜における界面近傍領域の粒界が増加し、界面に生じる応力を緩和させることができ、被膜の耐剥離性がさらに向上する。また、粒界が増加することにより、粒界において塑性変形および亀裂の進展を阻止する作用が高められる。さらに、衝撃を受けた場合であっても、被膜が剥離しにくくなり、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体の耐衝撃性が向上する。 [3] In the surface-coated cubic boron nitride sintered body, the coating is a polycrystal. The region within 10 nm from the interface in the film is composed of crystal grains having an average particle size of 10 nm or less. As a result, the grain boundaries in the region near the interface in the coating film are increased, the stress generated at the interface can be relaxed, and the peeling resistance of the coating film is further improved. Further, by increasing the grain boundaries, the action of preventing plastic deformation and crack growth at the grain boundaries is enhanced. Further, even when an impact is applied, the coating film is less likely to peel off, and the impact resistance of the surface-coated cubic boron nitride sintered body is improved.

〔4〕上記界面におけるAr含有量は1at%以下である。一般に、基材の表面にArイオンを照射して、クリーニングする処理が行なわれる。このとき、Arが基材の表面に付着し、基材と被膜との界面に残る場合がある。Arが界面に多く存在すると、被膜の結晶性が悪化するとともに、界面の応力が増大することにより、基材と被膜との密着性が低下する。しかしながら、上記の構成によれば、界面におけるAr含有量が1at%以下であるため、基材と被膜との密着性が向上する。 [4] The Ar content at the interface is 1 at% or less. Generally, the surface of the base material is irradiated with Ar ions to perform a cleaning process. At this time, Ar may adhere to the surface of the base material and remain at the interface between the base material and the coating film. When a large amount of Ar is present at the interface, the crystallinity of the coating film deteriorates and the stress at the interface increases, so that the adhesion between the base material and the coating film decreases. However, according to the above configuration, since the Ar content at the interface is 1 at% or less, the adhesion between the base material and the coating film is improved.

〔5〕上記表面被覆立方晶窒化硼素焼結体において、被膜の厚みは0.3μm以上10μm以下である。これにより、被膜による耐摩耗性の向上等の効果をより顕著に発揮することができる。 [5] In the surface-coated cubic boron nitride sintered body, the thickness of the coating film is 0.3 μm or more and 10 μm or less. As a result, the effect of improving the wear resistance of the coating can be more remarkable.

〔6〕上記表面被覆立方晶窒化硼素焼結体において、被膜は、Al,Ti,CrおよびSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、CおよびNからなる群より選択される少なくとも1種の元素とからなる少なくとも1種の化合物を含む。これにより、被膜の硬度、耐摩耗性、耐酸化性が向上する。 [6] In the surface-coated cubic boron nitride sintered body, the coating film is at least one element selected from the group consisting of Al, Ti, Cr and Si, and at least selected from the group consisting of C and N. Contains at least one compound consisting of one element. This improves the hardness, wear resistance, and oxidation resistance of the coating film.

〔7〕本開示に係る切削工具は、上記表面被覆立方晶窒化硼素焼結体を備える。上記切削工具によれば、被膜の耐剥離性が向上する。これにより、切削工具の寿命を長期化することができる。 [7] The cutting tool according to the present disclosure includes the surface-coated cubic boron nitride sintered body. According to the above-mentioned cutting tool, the peeling resistance of the coating film is improved. As a result, the life of the cutting tool can be extended.

[本願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。なお以下の実施の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「AlCrN」と記載されている場合、AlCrNを構成する原子数の比はAl:Cr:N=0.5:0.5:1に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。
[Details of Embodiments 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 in the following embodiments, the same reference numerals represent the same parts or equivalent parts. Further, when a compound or the like is represented by a chemical formula in the present specification, it is intended to include all conventionally known atomic ratios when the atomic ratio is not particularly limited, and is not necessarily limited to those in the stoichiometric range. For example, when described as "AlCrN", the ratio of the number of atoms constituting AlCrN is not limited to Al: Cr: N = 0.5: 0.5: 1, and includes all conventionally known atomic ratios.

〈切削工具〉
図1は、本実施形態に係る切削工具の構成の一例を示す部分断面図である。図1に示されるように、切削工具100は、台金101と、台金101の所定の領域にろう付け層102を介して固定された表面被覆cBN焼結体10とを備える。
<Cutting tools>
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of the configuration of a cutting tool according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the cutting tool 100 includes a base metal 101 and a surface-coated cBN sintered body 10 fixed to a predetermined region of the base metal 101 via a brazing layer 102.

切削工具100の形状および用途は特に制限されない。たとえばドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、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、クランクシャフトのピンミーリング加工用チップなどを挙げることができる。 The shape and use of the cutting tool 100 are not particularly limited. For example, drills, end mills, replaceable cutting tips for drills, replaceable cutting tips for end mills, replaceable cutting tips for milling, replaceable cutting tips for turning, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, cranks. Examples include shaft pin milling chips.

台金101の形状および材料は特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。たとえば、台金101は、WC(炭化タングステン)と結合材(たとえば、Co)とを混合して焼結した超硬合金である。 The shape and material of the base metal 101 are not particularly limited, and conventionally known ones can be used. For example, the base metal 101 is a cemented carbide obtained by mixing and sintering WC (tungsten carbide) and a binder (for example, Co).

表面被覆cBN焼結体10は、基材11と、基材11に接して基材11を被覆する被膜12とを備える。基材11は、台金101にろう付け層102を介して固定される。ろう付け層の材料(ろう材)は、接合強度や融点を考慮し適宜選択すればよく、800℃以上の融点を有する材料(たとえば、Agを主成分とする材料)が好ましい。 The surface-coated cBN sintered body 10 includes a base material 11 and a coating film 12 that is in contact with the base material 11 and covers the base material 11. The base material 11 is fixed to the base metal 101 via the brazing layer 102. The material (brazing material) of the brazing layer may be appropriately selected in consideration of the bonding strength and the melting point, and a material having a melting point of 800 ° C. or higher (for example, a material containing Ag as a main component) is preferable.

被膜12は、基材11の表面を被覆するとともに、台金101の表面にまで延在し、切削工具100のすくい面100aおよび逃げ面100bを構成する。なお、被膜12は、基材11の全面を被覆することが好ましいが、基材11の一部がこの被膜12で被覆されていなかったり、被膜12の構成が部分的に異なっていたりしたとしても本発明の範囲を逸脱するものではない。 The coating film 12 covers the surface of the base material 11 and extends to the surface of the base metal 101 to form the rake face 100a and the flank surface 100b of the cutting tool 100. It is preferable that the coating film 12 covers the entire surface of the base material 11, but even if a part of the base material 11 is not covered with the coating film 12, or the composition of the coating film 12 is partially different. It does not deviate from the scope of the present invention.

《基材》
基材11は、cBNと結合材とを含むcBN焼結体である。cBN焼結体は、cBNと結合材とを含む限り他の成分を含んでもよく、また使用する原料や製造条件等に起因する不可避不純物を含み得る。cBNは、cBN焼結体にたとえば40~75体積%含まれている。
"Base material"
The base material 11 is a cBN sintered body containing cBN and a binder. The cBN sintered body may contain other components as long as it contains cBN and a binder, and may also contain unavoidable impurities due to the raw materials used, production conditions, and the like. cBN is contained in the cBN sintered body, for example, in an amount of 40 to 75% by volume.

結合材は、cBN同士を互いに結合する作用を示すものであれば特に限定されず、従来公知の結合材をいずれも採用できる。結合材は、たとえば、元素の周期表の第4族元素(Ti、ZrまたはHf等)、第5族元素(V、NbまたはTa等)および第6族元素(Cr、MoまたはW等)のうちの少なくとも1つの元素と、C、N、B及びOのうちの少なくとも1つの元素とを含む化合物、かかる化合物の固溶体、または、アルミニウム化合物であることが好ましい。結合材は、上記化合物、上記化合物の固溶体、および、アルミニウム化合物のうちの2種以上を含んでもよい。 The binder is not particularly limited as long as it exhibits an action of binding cBNs to each other, and any conventionally known binder can be used. The binder is, for example, a group 4 element (Ti, Zr or Hf, etc.), a group 5 element (V, Nb or Ta, etc.) and a group 6 element (Cr, Mo, W, etc.) in the periodic table of elements. It is preferably a compound containing at least one of these elements and at least one of C, N, B and O, a solid solution of such a compound, or an aluminum compound. The binder may contain two or more of the above compound, the solid solution of the above compound, and the aluminum compound.

《被膜》
被膜12は、多結晶体である。被膜12は、基材11の直上に物理蒸着法により形成され、基材11と接して基材11を被覆する。被膜12は、たとえば、Al、Ti、CrおよびSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、CおよびNからなる群より選択される少なくとも1種の元素とからなる少なくとも1種の化合物を含む。当該化合物としては、たとえばTiAlN、AlCrN、TiAlSiN、TiSiN、TiCN等を挙げることができる。被膜12としてこのような化合物を選択することにより、被膜12の硬度が向上するとともに、耐摩耗性および耐酸化性が向上する。被膜12の耐摩耗性が向上することに伴い、切削抵抗が増大しにくく、摩耗が発達しにくくなる。
《Capsule》
The coating film 12 is a polycrystal. The coating film 12 is formed directly above the base material 11 by a physical vapor deposition method, and is in contact with the base material 11 to cover the base material 11. The coating film 12 is, for example, at least one compound composed of at least one element selected from the group consisting of Al, Ti, Cr and Si and at least one element selected from the group consisting of C and N. including. Examples of the compound include TiAlN, AlCrN, TiAlSiN, TiSiN, TiCN and the like. By selecting such a compound as the coating film 12, the hardness of the coating film 12 is improved, and the wear resistance and oxidation resistance are improved. As the wear resistance of the coating film 12 is improved, the cutting resistance is less likely to increase and the wear is less likely to develop.

被膜12の厚みは、0.3~10μmであることが好ましい。これにより、被膜による効果を顕著に発揮することができる。当該効果には、硬度、耐摩耗性、耐酸化性、耐反応性、耐チッピング性の向上が含まれる。被膜12の厚みが0.3μm未満であると、これらの効果が十分に発揮されない場合があり、10μmを超えると、被膜12における残留応力のためにチッピングが生じやすくなる。被膜12の厚みの下限は、より好ましくは0.5μmであり、さらに好ましくは1μmである。被膜12の厚みの上限は、より好ましくは8μmであり、さらに好ましくは6μmであり、特に好ましくは4μmである。 The thickness of the coating film 12 is preferably 0.3 to 10 μm. As a result, the effect of the coating film can be remarkably exhibited. The effects include improvements in hardness, wear resistance, oxidation resistance, reactivity resistance, and chipping resistance. If the thickness of the coating film 12 is less than 0.3 μm, these effects may not be sufficiently exhibited, and if it exceeds 10 μm, chipping is likely to occur due to the residual stress in the coating film 12. The lower limit of the thickness of the coating film 12 is more preferably 0.5 μm, still more preferably 1 μm. The upper limit of the thickness of the coating film 12 is more preferably 8 μm, further preferably 6 μm, and particularly preferably 4 μm.

なお、被膜12の表面上に、第2被膜として、1層または2層以上の薄膜が形成されてもよい。このような薄膜としては、たとえば4族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する膜等が挙げられる。 A thin film having one layer or two or more layers may be formed as the second coating on the surface of the coating 12. Examples of such a thin film include a film having any material of a nitride, a carbide, a carbonitride, and an oxide of a group 4 element.

《立方晶窒化硼素と被膜との界面》
基材11と被膜12との界面のうち、立方晶窒化硼素と被膜12の界面において、Fe含有量は1at%以下であり、W含有量は1at%以下であり、かつO含有量は2at%以下である。
<< Interface between cubic boron nitride and coating >>
Of the interface between the substrate 11 and the coating 12, the Fe content is 1 at% or less, the W content is 1 at% or less, and the O content is 2 at% at the interface between the cubic boron nitride and the coating 12. It is as follows.

Fe含有量およびW含有量は、透過型電子顕微鏡(TEM)付帯のエネルギー分散型X線分析器(EDS)を用いて、表面被覆cBN焼結体10の破断面の組織観察および元素分析を行なうことにより測定される。具体的には、TEM像にて基材11中の立方晶窒化硼素と被膜12との界面の法線方向に沿って当該界面を横断するラインを指定し、EDSを用いて、当該ラインに沿った元素の濃度分布変化を計測するラインスキャン測定を行なう。ここで、立方晶窒化硼素と被膜12との界面は、立方晶窒化硼素に含まれるBの濃度が基材11中の濃度の平均値の1/2となる位置である。 For the Fe content and W content, the microstructure and elemental analysis of the fracture surface of the surface-coated cBN sintered body 10 are performed using an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) attached to a transmission electron microscope (TEM). It is measured by. Specifically, a line crossing the interface along the normal direction of the interface between the cubic boron nitride in the substrate 11 and the coating film 12 is specified in the TEM image, and along the line using EDS. A line scan measurement is performed to measure the change in the concentration distribution of the element. Here, the interface between the cubic boron nitride and the coating film 12 is a position where the concentration of B contained in the cubic boron nitride is 1/2 of the average value of the concentration in the base material 11.

FeおよびWは、立方晶窒化硼素および被膜12を構成する元素に含まれない金属元素(異金属元素)であり、界面において検出される場合には界面付近に集中して存在することになる。Feは、被膜12を形成する際に用いられる治具に多く含まれている。Wは、WCを含む超硬合金によって台金101を構成した場合に、当該台金101に含まれる。そのため、治具から放出されたFeおよび台金101から放出されたWが基材11の表面に付着し、基材11と被膜12との界面に残存しやすい。 Fe and W are metallic elements (foreign metal elements) that are not contained in the elements constituting the cubic boron nitride and the coating film 12, and when detected at the interface, they are concentrated in the vicinity of the interface. Fe is abundantly contained in the jig used when forming the film 12. W is included in the base metal 101 when the base metal 101 is made of a cemented carbide containing WC. Therefore, Fe released from the jig and W released from the base metal 101 easily adhere to the surface of the base material 11 and easily remain at the interface between the base material 11 and the coating film 12.

Feが界面付近に集中して存在すると、ラインスキャン測定によって得られたFeの濃度分布においてピークが生じる。当該ピークは、ライン上の界面に対応する点を含む。ここでは、当該ピークの最大濃度(at%)を、界面におけるFeの含有量とする。同様の方法により、界面におけるWの含有量が求められる。 When Fe is concentrated near the interface, a peak occurs in the concentration distribution of Fe obtained by the line scan measurement. The peak includes points corresponding to the interface on the line. Here, the maximum concentration (at%) of the peak is defined as the Fe content at the interface. The W content at the interface is determined by the same method.

FeおよびWの少なくとも一方は、界面付近に存在する場合、被膜12の結晶に入り込み、被膜12を構成する結晶の格子定数を増大させる。これにより、基材11を構成する立方晶窒化硼素の結晶の格子定数と被膜12を構成する結晶の格子定数との差が大きくなり、立方晶窒化硼素と被膜12との密着性を低下させる。しかしながら、界面におけるFeおよびWの含有量を上記のように規定することにより、FeまたはWに起因した立方晶窒化硼素と被膜12との密着性の低下を抑制し、被膜12の耐剥離性を向上させることができる。 When at least one of Fe and W is present near the interface, it penetrates into the crystals of the coating 12 and increases the lattice constant of the crystals constituting the coating 12. As a result, the difference between the lattice constant of the crystals of cubic boron nitride constituting the base material 11 and the lattice constant of the crystals constituting the coating 12 becomes large, and the adhesion between the cubic boron nitride and the coating 12 is lowered. However, by defining the contents of Fe and W at the interface as described above, the deterioration of the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film 12 caused by Fe or W is suppressed, and the peeling resistance of the coating film 12 is improved. Can be improved.

界面におけるFe含有量は、より好ましくは0.5at%以下であり、さらに好ましくは0.3at%以下である。界面におけるW含有量は、より好ましくは0.5at%以下であり、さらに好ましくは0.3at%以下である。界面におけるFeおよびWの含有量の下限は、特に限定されるものではなく、理想的には0at%である。 The Fe content at the interface is more preferably 0.5 at% or less, still more preferably 0.3 at% or less. The W content at the interface is more preferably 0.5 at% or less, still more preferably 0.3 at% or less. The lower limit of the contents of Fe and W at the interface is not particularly limited, and is ideally 0 at%.

基材11中の立方晶窒化硼素と被膜12との界面における酸素(O)含有量(at%)は、2at%以下である。界面におけるO含有量は、FeおよびWと同様の方法により測定される。ただし、Oが界面付近に集中して存在しない場合、EDSのラインスキャン測定によって得られたO濃度分布においてピークが生じない。この場合、界面から被膜12側に2nm、立方晶窒化硼素側に2nmの合計4nmの区間のO含有量(at%)の平均値を界面のO含有量として求める。 The oxygen (O) content (at%) at the interface between the cubic boron nitride in the base material 11 and the coating film 12 is 2 at% or less. The O content at the interface is measured by the same method as for Fe and W. However, when O is not concentrated near the interface, no peak occurs in the O concentration distribution obtained by the line scan measurement of EDS. In this case, the average value of the O content (at%) in the section of 2 nm on the film 12 side and 2 nm on the cubic boron nitride side from the interface, for a total of 4 nm, is obtained as the O content of the interface.

立方晶窒化硼素と被膜12との界面におけるOの多くは酸化物として存在する。このような酸化物は、立方晶窒化硼素と被膜12との密着性を低下させる。しかしながら、立方晶窒化硼素と被膜12との界面におけるO含有量(at%)を上記のように規定することにより、界面の酸化物に起因した立方晶窒化硼素と被膜12との密着性の低下を抑制し、被膜12の耐剥離性を向上させることができる。 Most of O at the interface between cubic boron nitride and the film 12 exists as an oxide. Such an oxide reduces the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film 12. However, by defining the O content (at%) at the interface between the cubic boron nitride and the coating 12 as described above, the adhesion between the cubic boron nitride and the coating 12 due to the oxide at the interface is lowered. Can be suppressed and the peeling resistance of the coating film 12 can be improved.

界面におけるO含有量は、より好ましくは1at%以下であり、さらに好ましくは0.5at%以下であり、特に好ましくは0.3at%以下である。界面におけるO含有量(at%)の下限は特に限定されるものではないが、EDSの検出限界未満であることが好ましく、理想的には0at%である。 The O content at the interface is more preferably 1 at% or less, further preferably 0.5 at% or less, and particularly preferably 0.3 at% or less. The lower limit of the O content (at%) at the interface is not particularly limited, but is preferably below the detection limit of EDS, ideally 0 at%.

Fe含有量とW含有量との合計含有量が0.05at%以上である層(以下、「異金属元素層」ともいう。)の厚みは、5nm以下であることが好ましい。異金属元素層の厚みは、上述したTEM付帯のEDSを用いた分析結果に基づいて求められる。具体的には、EDSのラインスキャン測定によって得られたFeとWとの濃度分布の合成データにおいて、合計含有量が0.05at%以上となるライン長さを、異金属元素層の厚みとして求める。異金属元素層の厚みが5nm以下であることにより、FeおよびWの少なくとも一方に起因した密着性の低下を抑制でき、立方晶窒化硼素と被膜12との密着性がさらに向上する。異金属元素層の厚みは、より好ましくは3nm以下であり、さらに好ましくは2nm以下であり、特に好ましくは1nm以下である。異金属元素層の厚みの下限は特に限定されるものではなく、理想的には0nmである。 The thickness of the layer in which the total content of the Fe content and the W content is 0.05 at% or more (hereinafter, also referred to as “different metal element layer”) is preferably 5 nm or less. The thickness of the dissimilar metal element layer is determined based on the analysis result using the EDS incidental to the TEM described above. Specifically, in the synthetic data of the concentration distribution of Fe and W obtained by the line scan measurement of EDS, the line length at which the total content is 0.05 at% or more is determined as the thickness of the dissimilar metal element layer. .. When the thickness of the dissimilar metal element layer is 5 nm or less, the decrease in adhesion caused by at least one of Fe and W can be suppressed, and the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film 12 is further improved. The thickness of the dissimilar metal element layer is more preferably 3 nm or less, further preferably 2 nm or less, and particularly preferably 1 nm or less. The lower limit of the thickness of the dissimilar metal element layer is not particularly limited, and is ideally 0 nm.

立方晶窒化硼素と被膜12との界面におけるAr含有量は、好ましくは1at%以下であり、より好ましくは0.5at%以下であり、さらに好ましくは0.3at%以下である。基材11に被膜12を形成する前に、通常、基材11の表面にArイオンを照射してクリーニングする処理が行なわれる。そのため、Arイオンが基材11の表面に付着し、立方晶窒化硼素と被膜12との界面に残存しやすい。界面に残存するArイオンによっても、被膜における界面の結晶性が悪化するとともに、応力が増加するため、立方晶窒化硼素と被膜12との密着性が低下しやすい。そのため、界面におけるAr含有量を上記のように規定することにより、立方晶窒化硼素と被膜12との密着性をより向上させることができる。界面におけるAr含有量(at%)は、FeおよびWと同様にTEM付帯のEDSを用いた分析によって求められる。界面におけるAr含有量の下限は特に限定されるものではなく、理想的には0at%である。 The Ar content at the interface between the cubic boron nitride and the coating film 12 is preferably 1 at% or less, more preferably 0.5 at% or less, still more preferably 0.3 at% or less. Before forming the coating film 12 on the base material 11, a process of irradiating the surface of the base material 11 with Ar ions to clean the base material 11 is usually performed. Therefore, Ar ions adhere to the surface of the base material 11 and tend to remain at the interface between the cubic boron nitride and the coating film 12. Ar ions remaining at the interface also deteriorate the crystallinity of the interface in the film and increase the stress, so that the adhesion between the cubic boron nitride and the film 12 tends to decrease. Therefore, by defining the Ar content at the interface as described above, the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film 12 can be further improved. The Ar content (at%) at the interface is determined by analysis using EDS incidental to TEM as in Fe and W. The lower limit of the Ar content at the interface is not particularly limited, and is ideally 0 at%.

被膜12における界面から10nm以内の領域は、平均粒径が10nm以下の結晶粒により構成されることが好ましい。これにより、被膜12における界面近傍には粒界が増加する。その結果、基材11を構成する立方晶窒化硼素の結晶と被膜12を構成する結晶との格子定数の差から生じた応力が粒界によって緩和されやすくなり、被膜12の耐剥離性をさらに向上できる。また、粒界が増加することにより、粒界において塑性変形および亀裂の進展を阻止する作用が高められる。さらに、衝撃を受けた場合であっても、被膜が剥離しにくくなるため、表面被覆cBN焼結体10の耐衝撃性が向上する。被膜12における界面から10nm以内の領域の結晶粒の平均粒径は、より好ましくは5nm以下であり、さらに好ましくは3nm以下である。当該平均粒径は、結晶性を考慮して、1nm以上であることが好ましい。 The region within 10 nm from the interface in the film 12 is preferably composed of crystal grains having an average particle size of 10 nm or less. As a result, grain boundaries increase in the vicinity of the interface in the coating film 12. As a result, the stress generated by the difference in the lattice constants between the crystals of cubic boron nitride constituting the base material 11 and the crystals constituting the coating 12 is easily relaxed by the grain boundaries, and the peeling resistance of the coating 12 is further improved. can. Further, by increasing the grain boundaries, the action of preventing plastic deformation and crack growth at the grain boundaries is enhanced. Further, even when an impact is applied, the coating film is less likely to peel off, so that the impact resistance of the surface-coated cBN sintered body 10 is improved. The average particle size of the crystal grains in the region within 10 nm from the interface in the film 12 is more preferably 5 nm or less, and further preferably 3 nm or less. The average particle size is preferably 1 nm or more in consideration of crystallinity.

〈切削工具の製造方法〉
本実施形態の切削工具の製造方法は、たとえば、基材を準備する工程(以下、「基材準備工程」という)と、基材表面をクリーニングする工程(以下、「ボンバード工程」という)と、基材表面に被膜を形成する工程(以下、「成膜工程」という)とを備える。さらに、切削工具の製造方法は、ボンバード工程の前に実施される第1前処理工程と、成膜工程の前に実施される第2前処理工程とを備える。以下、各工程について詳述する。
<Manufacturing method of cutting tools>
The method for manufacturing a cutting tool of the present embodiment includes, for example, a step of preparing a base material (hereinafter referred to as "base material preparation step"), a step of cleaning the surface of the base material (hereinafter referred to as "bomberd process"), and a step of cleaning the base material surface. It is provided with a step of forming a film on the surface of the base material (hereinafter referred to as “deposition step”). Further, the method for manufacturing a cutting tool includes a first pretreatment step carried out before the bombard step and a second pretreatment step carried out before the film forming step. Hereinafter, each step will be described in detail.

《基材準備工程》
まず、公知の方法を用いて、cBN焼結体である基材を作製する。たとえば、cBN粒子と結合材の原料粉末とからなる混合物を高温高圧下で焼結させることにより、基材が作製される。
<< Substrate preparation process >>
First, a base material which is a cBN sintered body is produced by using a known method. For example, a substrate is produced by sintering a mixture of cBN particles and a raw material powder of a binder under high temperature and high pressure.

次に、得られた基材を所定形状に加工した後、台金にろう付けする。これにより、切れ刃部分が基材からなる切削工具(ただし、被膜を有していない)が得られる。 Next, the obtained base material is processed into a predetermined shape and then brazed to the base metal. As a result, a cutting tool whose cutting edge portion is made of a base material (however, it does not have a coating film) can be obtained.

《第1前処理工程》
基材準備工程によって得られた台金と基材との接合体をPVD(Physical Vapor Deposition)装置のチャンバ内に設置し、チャンバ内を真空ポンプで真空に排気する。このとき、チャンバ内のアウトガス(出ガス)による影響を低減するために、基材をたとえば650℃に加熱することが好ましい。
<< First pretreatment process >>
The joint body of the base metal and the base material obtained in the base material preparation step is installed in the chamber of the PVD (Physical Vapor Deposition) device, and the inside of the chamber is evacuated to vacuum by a vacuum pump. At this time, in order to reduce the influence of outgas (outgas) in the chamber, it is preferable to heat the base material to, for example, 650 ° C.

チャンバに接続された真空ポンプを用いて、チャンバ内の水分圧が1×10-3Pa以下、好ましくは5×10-4Pa以下となるまで減圧する。チャンバ内の水分圧は、チャンバ内を減圧しているときに測定される。チャンバ内の水分圧は、より好ましくは1×10-4Pa以下であり、さらに好ましくは5×10-5Pa以下である。チャンバ内の水分圧の下限は特に限定されるものではないが、真空ポンプを用いることにより1×10-5Pa程度まで容易に下げることができる。Using a vacuum pump connected to the chamber, the pressure in the chamber is reduced to 1 × 10 -3 Pa or less, preferably 5 × 10 -4 Pa or less. Moisture pressure in the chamber is measured while depressurizing the chamber. The water pressure in the chamber is more preferably 1 × 10 -4 Pa or less, still more preferably 5 × 10 -5 Pa or less. The lower limit of the water pressure in the chamber is not particularly limited, but it can be easily lowered to about 1 × 10 -5 Pa by using a vacuum pump.

なお、チャンバにガス精製装置を接続し、真空ポンプと併用してチャンバ内の水分圧を制御してもよい。ガス精製装置は、触媒または吸着剤を用いて水を除去する装置である。ガス精製装置を用いることにより、チャンバ内の水分圧を1×10-6Pa程度まで容易に下げることができる。A gas purification device may be connected to the chamber and used in combination with a vacuum pump to control the water pressure in the chamber. A gas purification device is a device that removes water using a catalyst or an adsorbent. By using the gas purification device, the water pressure in the chamber can be easily reduced to about 1 × 10 -6 Pa.

《ボンバード工程》
水分圧が1×10-3Pa以下に制限されたチャンバ内に不活性ガスを導入し、基材にバイアス電圧を印加して、不活性ガスイオンを基材の表面に照射する。これにより、基材の表面から酸化物等の不純物が除去され、基材の表面がクリーニングされる。不活性ガスイオンとしては、たとえばArイオンを用いることができる。
《Bomberd process》
An inert gas is introduced into the chamber where the water pressure is limited to 1 × 10 -3 Pa or less, and a bias voltage is applied to the substrate to irradiate the surface of the substrate with inert gas ions. As a result, impurities such as oxides are removed from the surface of the base material, and the surface of the base material is cleaned. As the inert gas ion, for example, Ar ion can be used.

このとき、チャンバ内の水分圧が5×10-3Pa以下(好ましくは、3×10-3Pa以下)になるまで、不活性ガスイオンを基材に照射する。チャンバ内の水分圧は、チャンバ内に不活性ガスが含まれる状態で測定される。チャンバ内の水分圧が低い状態になるまでボンバードを行なうことにより、立方晶窒化硼素表面の酸化膜を除去し、ボンバード中およびボンバード後に立方晶窒化硼素表面が再び酸化することを抑制することができる。チャンバ内の水分圧は、より好ましくは5×10-4Pa以下であり、さらに好ましくは2×10-4Pa以下である。At this time, the substrate is irradiated with the inert gas ion until the water pressure in the chamber becomes 5 × 10 -3 Pa or less (preferably 3 × 10 -3 Pa or less). Moisture pressure in the chamber is measured with the chamber containing an inert gas. By bombarding until the water pressure in the chamber becomes low, the oxide film on the surface of the cubic boron nitride can be removed, and the oxidation of the surface of the cubic boron nitride during and after the bombard can be suppressed. .. The water pressure in the chamber is more preferably 5 × 10 -4 Pa or less, still more preferably 2 × 10 -4 Pa or less.

基材に印加されるバイアス電圧は-100~-300Vである。特開2015-209354号公報に記載されているような高バイアス電圧条件(たとえば、-500V)では、不活性ガスイオンが台金およびチャンバ内の各種治具に衝突することにより、台金および治具から金属粒子(たとえば、Fe、W)が放出され、基材表面に堆積する現象(再スパッタ)が生じやすい。しかしながら、上記のようにバイアス電圧の絶対値を300V以下にすることにより、台金および治具から放出された金属粒子が基材表面に付着することを抑制できる。さらに、不活性ガスイオンが基材表面に残存することを抑制することができる。 The bias voltage applied to the substrate is -100 to -300 V. Under high bias voltage conditions (for example, -500V) as described in JP-A-2015-209354, inert gas ions collide with the base metal and various jigs in the chamber, resulting in the base metal and curing. Metal particles (for example, Fe, W) are released from the jig and are likely to be deposited on the surface of the substrate (respatter). However, by setting the absolute value of the bias voltage to 300 V or less as described above, it is possible to prevent the metal particles discharged from the base metal and the jig from adhering to the surface of the base material. Further, it is possible to prevent the inert gas ion from remaining on the surface of the substrate.

なお、バイアス電圧の絶対値を300V以下にすることにより、不活性ガスイオンの基材への照射エネルギーが減少するものの、チャンバ内の水分圧が上記のように低い状態に維持されているため、立方晶窒化硼素表面の酸化を十分に抑制することができる。 By setting the absolute value of the bias voltage to 300 V or less, the irradiation energy of the inert gas ion to the substrate is reduced, but the water pressure in the chamber is maintained at a low state as described above. Oxidation of the surface of cubic boron nitride can be sufficiently suppressed.

バイアス電圧の絶対値が100V未満であると、不活性ガスイオンの基材への照射エネルギーが低くなりすぎ、基材表面のクリーニングを十分に行なうことができない。そのため、バイアス電圧の絶対値は、100V以上に設定される。 If the absolute value of the bias voltage is less than 100 V, the irradiation energy of the inert gas ion to the substrate becomes too low, and the surface of the substrate cannot be sufficiently cleaned. Therefore, the absolute value of the bias voltage is set to 100 V or more.

チャンバ内の不活性ガスは0.6~1Paである。これにより、不活性ガスイオンが基材表面に残存することを抑制することができる。 The inert gas in the chamber is 0.6 to 1 Pa. This makes it possible to prevent the inert gas ions from remaining on the surface of the substrate.

以上のようなボンバード工程を行なうことにより、治具や台金に含まれる金属原子、O、不活性ガスイオンが基材表面へ付着することを抑制することができる。 By performing the bombarding step as described above, it is possible to prevent metal atoms, O, and inert gas ions contained in the jig and the base metal from adhering to the surface of the substrate.

《第2前処理工程》
次に、真空ポンプを動作させてチャンバ内から不活性ガスを排気する。その後、チャンバ内の水分圧が2×10-4Pa以下、好ましくは1×10-4Paになるまで待機する。このとき、基材を500℃以上に加熱する。チャンバ内の水分圧は、より好ましくは3×10-5以下であり、さらに好ましくは2×10-5以下である。
<< Second pretreatment process >>
Next, the vacuum pump is operated to exhaust the inert gas from the chamber. Then, wait until the water pressure in the chamber becomes 2 × 10 -4 Pa or less, preferably 1 × 10 -4 Pa. At this time, the base material is heated to 500 ° C. or higher. The water pressure in the chamber is more preferably 3 × 10 -5 or less, still more preferably 2 × 10 -5 or less.

《成膜工程》
チャンバ内の水分圧が2×10-4Pa以下になった後、物理蒸着法により基材表面に被膜を形成する。物理蒸着法としては、従来公知の方法(アークイオンプレーティング法、スパッタリング法など)をいずれも採用することができる。
<< Film formation process >>
After the water pressure in the chamber becomes 2 × 10 -4 Pa or less, a film is formed on the surface of the base material by a physical vapor deposition method. As the physical vapor deposition method, any conventionally known method (arc ion plating method, sputtering method, etc.) can be adopted.

アークイオンプレーティング法では、被膜を構成することになる金属種を含むターゲット(金属蒸発源)とCH4またはN2等の反応ガスとを用いて、被膜を形成することができる。アークイオンプレーティング法により被膜を形成する条件としては、表面被覆cBN焼結体の被膜をアークイオンプレーティング法により形成する公知の条件を採用することができる。In the arc ion plating method, a film can be formed by using a target (metal evaporation source) containing a metal species that constitutes the film and a reaction gas such as CH 4 or N 2 . As a condition for forming a film by the arc ion plating method, a known condition for forming a film of a surface-coated cBN sintered body by the arc ion plating method can be adopted.

スパッタ法では、被膜を構成することになる金属種を含むターゲットとCH4またはN2等の反応ガスとAr、KrまたはXe等のスバッタガスとを用いて、被膜を形成することができる。スパッタ法により被覆層を形成する条件としては、表面被覆cBN焼結体の被膜をスパッタ法により形成する公知の条件を採用することができる。In the sputtering method, a film can be formed by using a target containing a metal species that constitutes the film, a reaction gas such as CH 4 or N 2 , and a subatter gas such as Ar, Kr or Xe. As a condition for forming the coating layer by the sputtering method, a known condition for forming a coating film of the surface-coated cBN sintered body by the sputtering method can be adopted.

スパッタ法の中でも、コンデンサによって充電した電力を瞬間的に投入して、ターゲット材を効率良くイオン化することが可能な高出力イオンパルスマグネトロンスパッタリング法(High Power Impulse Magnetron Sputtering:HiPIMS法)を用いることが好ましい。これにより、緻密な被膜を形成することができる。 Among the sputtering methods, it is possible to use the High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS method), which can instantaneously input the electric power charged by the capacitor to efficiently ionize the target material. preferable. This makes it possible to form a dense film.

上記のボンバード工程において、基材表面における治具や台金に含まれる金属原子、O、不活性ガスイオンが基材表面へ付着することを抑制しているため、立方晶窒化硼素と被膜との界面におけるこれらの原子の含有量を低減できる。また、成膜時の核発生と粒成長とが均一に起こるために、被膜における界面近傍の粒界が増加し、界面に生じる応力を緩和することができる。その結果、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が向上し、被膜の耐剥離性が向上する。 In the above bombarding process, since metal atoms, O, and inert gas ions contained in the jig and the base metal on the surface of the base material are suppressed from adhering to the surface of the base material, the cubic boron nitride and the coating film are used. The content of these atoms at the interface can be reduced. In addition, since nucleation and grain growth occur uniformly during film formation, the grain boundaries near the interface in the coating film increase, and the stress generated at the interface can be relieved. As a result, the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film is improved, and the peeling resistance of the coating film is improved.

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。試料No.1~9,12~15の切削工具は、上述の表面被覆cBN焼結体を備えている。試料No.10,11の切削工具は比較例である。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. Sample No. The cutting tools 1 to 9, 12 to 15 include the above-mentioned surface-coated cBN sintered body. Sample No. The cutting tools 10 and 11 are comparative examples.

〈試料No.1の切削工具〉
70体積%のcBNと残部の結合材(TiN,Ti,Al)との混合物を1400℃、5Paにて焼結させ、cBN焼結体である基材を作製した。この焼結体をWC基超硬合金からなる台金に接合し、ISO規格のDNGA150408の形状に成形した。接合には、Agを主成分とするろう材を用いた。
<Sample No. Cutting tool of 1>
A mixture of 70% by volume of cBN and the remaining binder (TiN, Ti, Al) was sintered at 1400 ° C. and 5 Pa to prepare a base material as a cBN sintered body. This sintered body was joined to a base metal made of WC-based cemented carbide and molded into an ISO standard DNGA150408 shape. For joining, a brazing material containing Ag as a main component was used.

次に、HiPIMS法を用いたPVD装置のチャンバ内に、基材と台金との接合体を設置した。 Next, a bonded body of the base material and the base metal was installed in the chamber of the PVD device using the HiPIMS method.

ここで、PVD装置について説明する。PVD装置のチャンバには真空ポンプが接続されており、チャンバ内を真空引き可能である。チャンバ内には、回転テーブルが設置されており、当該回転テーブルは、治具を介して基材を含む接合体がセットできるように構成されている。チャンバ内にセットされた基材は、チャンバ内に設置されているヒーターにより加熱することができる。またチャンバには、ボンバード工程および成膜工程に用いるガスを導入するためのガス配管が流量制御用のマスフローコントローラ(MFC:Mass Flow Controller)を介して接続されている。さらにチャンバ内には、ボンバード工程用のArイオンを発生させるためのタングステンフィラメント、必要な電源が接続された成膜工程用のスパッタ源が配置されている。そしてスパッタ源には、成膜に必要な蒸発源原料(ターゲット)がセット可能である。 Here, the PVD apparatus will be described. A vacuum pump is connected to the chamber of the PVD device, and the inside of the chamber can be evacuated. A rotary table is installed in the chamber, and the rotary table is configured so that a bonded body including a base material can be set via a jig. The base material set in the chamber can be heated by the heater installed in the chamber. Further, a gas pipe for introducing gas used in the bombarding process and the film forming process is connected to the chamber via a mass flow controller (MFC) for flow rate control. Further, in the chamber, a tungsten filament for generating Ar ions for the bombard process and a sputtering source for the film forming process to which the necessary power supply is connected are arranged. The evaporation source raw material (target) required for film formation can be set in the spatter source.

チャンバー内を真空ポンプで真空排気しながら、チャンバ内に設置されたヒーターにより基材を650℃で2時間加熱した。その後、チャンバ内の水分圧が1×10-3Pa以下になるまで加熱と真空引きとを継続した。チャンバ内の水分圧は、株式会社アルバック製のガス分析器「Qulee CGM-052」を使用して測定した。The substrate was heated at 650 ° C. for 2 hours by a heater installed in the chamber while evacuating the inside of the chamber with a vacuum pump. After that, heating and evacuation were continued until the water pressure in the chamber became 1 × 10 -3 Pa or less. The water pressure in the chamber was measured using a gas analyzer "Qulee CGM-052" manufactured by ULVAC, Inc.

そしてチャンバ内の水分圧が1×10-3Pa以下になったときに、ボンバード工程を開始し、Arイオンによる基材表面のクリーニングを60分間行なった。ボンバード開始前の水分圧は0.921×10-3Paであった。ボンバード工程では、Arガスをチャンバ内に導入し、チャンバ内の圧力を0.8Paに維持した。このとき、基材に-150Vのバイアス電圧を印加するとともに、タングステンフィラメントに電流を流すことによって、Arガス中でグロー放電を発生させた。Then, when the water pressure in the chamber became 1 × 10 -3 Pa or less, the bombard step was started and the surface of the substrate was cleaned with Ar ions for 60 minutes. The water pressure before the start of bombard was 0.921 × 10 -3 Pa. In the bombard process, Ar gas was introduced into the chamber to maintain the pressure in the chamber at 0.8 Pa. At this time, a bias voltage of −150 V was applied to the substrate and a current was passed through the tungsten filament to generate a glow discharge in Ar gas.

ボンバード中もチャンバ内の水分圧を測定し、水分圧が5×10-3Pa以下になるまでボンバードを継続した。ボンバード終了時の水分圧は4.92×10-3Paであった。ボンバード中の水分圧は、チャンバ内にArガスが入っている状態で測定された。The water pressure in the chamber was measured during the bombard, and the bombard was continued until the water pressure became 5 × 10 -3 Pa or less. The water pressure at the end of the bombard was 4.92 × 10 -3 Pa. Moisture pressure in the bombard was measured with Ar gas in the chamber.

その後、チャンバ内からArガスを排気し、チャンバ内の水分圧が2×10-4Pa以下になるまで待機した。このとき、基材の温度が500℃になるように温度制御した。After that, Ar gas was exhausted from the chamber, and the mixture was waited until the water pressure in the chamber became 2 × 10 -4 Pa or less. At this time, the temperature was controlled so that the temperature of the base material was 500 ° C.

そして、チャンバ内の水分圧が2×10-4Pa以下になったときに、以下の成膜条件に従って、基材の表面上に被膜を形成する成膜工程を開始し、被膜を形成した。成膜工程の開始時の水分圧(以下、「成膜開始時の水分圧」という。)は、1.94×10-4Paであった。Then, when the water pressure in the chamber became 2 × 10 -4 Pa or less, the film forming step of forming a film on the surface of the substrate was started according to the following film forming conditions to form the film. The water pressure at the start of the film forming process (hereinafter referred to as “moisture pressure at the start of film formation”) was 1.94 × 10 -4 Pa.

《成膜条件》
ターゲット:Ti0.5Al0.5(粉末冶金)
パルス電力:45kW
パルス幅:0.2ms
平均電力:7.0kW
バイアス電圧:-40V
基材温度:430℃
Ar分圧:0.45Pa
反応ガス:N2(遷移モードで成膜するように反応ガスの分圧を調整した)。
<< Film formation conditions >>
Target: Ti 0.5 Al 0.5 (powder metallurgy)
Pulse power: 45kW
Pulse width: 0.2ms
Average power: 7.0kW
Bias voltage: -40V
Base material temperature: 430 ° C
Ar partial pressure: 0.45Pa
Reaction gas: N 2 (the partial pressure of the reaction gas was adjusted so as to form a film in the transition mode).

〈試料No.2,3,10,12,13の切削工具〉
チャンバ内の水分圧が5×10-4Paを下回ったときにボンバード工程を開始する点、およびチャンバ内の水分圧が1×10-4Paを下回ったときに成膜工程を開始する点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.2の切削工具を作製した。
<Sample No. 2,3,10,12,13 cutting tools>
The point where the bombard process is started when the moisture pressure in the chamber is less than 5 × 10 -4 Pa, and the point where the film formation process is started when the moisture pressure in the chamber is less than 1 × 10 -4 Pa. Except for the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 2 cutting tools were manufactured.

チャンバ内の水分圧が3×10-4Paを下回ったときにボンバード工程を開始する点、およびチャンバ内の水分圧が5×10-5Paを下回ったときに成膜工程を開始する点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.3の切削工具を作製した。The point at which the bombard process is started when the moisture pressure in the chamber is below 3 × 10 -4 Pa, and the point at which the film formation process is started when the moisture pressure in the chamber is below 5 × 10 -5 Pa. Except for the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 3 cutting tools were produced.

チャンバ内の水分圧が2×10-3Paを下回ったときにボンバード工程を開始する点、およびチャンバ内の水分圧が5×10-4Paを下回ったときに成膜工程を開始する点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.10の切削工具を作製した。The point where the bombard process is started when the moisture pressure in the chamber is less than 2 × 10 -3 Pa, and the point where the film formation process is started when the moisture pressure in the chamber is less than 5 × 10 -4 Pa. Except for the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 10 cutting tools were made.

チャンバ内の水分圧が1×10-4Paを下回ったときにボンバード工程を開始する点、およびチャンバ内の水分圧が3×10-5Paを下回ったときに成膜工程を開始する点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.12の切削工具を作製した。The point where the bombard process is started when the moisture pressure in the chamber is less than 1 × 10 -4 Pa, and the point where the film formation process is started when the moisture pressure in the chamber is less than 3 × 10 -5 Pa. Except for the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. Twelve cutting tools were made.

チャンバ内の水分圧が5×10-5Paを下回ったときにボンバード工程を開始する点、およびチャンバ内の水分圧が2×10-5Paを下回ったときに成膜工程を開始する点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.13の切削工具を作製した。The point at which the bombard process is started when the moisture pressure in the chamber is below 5 × 10 -5 Pa, and the point at which the film formation process is started when the moisture pressure in the chamber is below 2 × 10 -5 Pa. Except for the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. Thirteen cutting tools were made.

試料No.2,3,10のそれぞれにおける、ボンバード開始時の水分圧、ボンバード終了時の水分圧および成膜開始時の水分圧は、後述する表1に記したとおりである。 Sample No. The water pressure at the start of the bombard, the water pressure at the end of the bombard, and the water pressure at the start of film formation in each of 2, 3 and 10 are as shown in Table 1 described later.

〈試料No.4,5,11の切削工具〉
ボンバード工程において基材に印加するバイアス電圧を-100Vとした点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.4の切削工具を作製した。ボンバード工程において基材に印加するバイアス電圧を-250Vとした点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.5の切削工具を作製した。ボンバード工程において基材に印加するバイアス電圧を-500Vとした点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.11の切削工具を作製した。
<Sample No. 4, 5, 11 cutting tools>
Except for the fact that the bias voltage applied to the substrate in the bombard step was -100 V, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 4 cutting tools were produced. Except for the fact that the bias voltage applied to the substrate in the bombard step was -250V, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 5 cutting tools were produced. Except for the fact that the bias voltage applied to the substrate in the bombard step was −500 V, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. Eleven cutting tools were made.

〈試料No.6の切削工具〉
以下の成膜条件に従って成膜工程を行なった点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.6の切削工具を作製した。
<Sample No. 6 cutting tools>
Except for the fact that the film forming step was performed according to the following film forming conditions, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 6 cutting tools were produced.

《成膜条件》
ターゲット:Al0.6Cr0.4(粉末冶金)
パルス電力:30kW
パルス幅:2.0ms
平均電力:6.0kW
バイアス電圧:-45V
基材温度:430℃
Ar分圧:0.45Pa
反応ガス:N2(遷移モードで成膜するように反応ガスの分圧を調整した)。
<< Film formation conditions >>
Target: Al 0.6 Cr 0.4 (powder metallurgy)
Pulse power: 30kW
Pulse width: 2.0 ms
Average power: 6.0kW
Bias voltage: -45V
Base material temperature: 430 ° C
Ar partial pressure: 0.45Pa
Reaction gas: N 2 (the partial pressure of the reaction gas was adjusted so as to form a film in the transition mode).

〈試料No.7の切削工具〉
以下の成膜条件に従って成膜工程を行なった点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.7の切削工具を作製した。
<Sample No. 7 cutting tools>
Except for the fact that the film forming step was performed according to the following film forming conditions, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 7 cutting tools were produced.

《成膜条件》
ターゲット:Ti0.45Al0.45Si0.1(粉末冶金)
パルス電力:45kW
パルス幅:0.2ms
平均電力:7.0kW
バイアス電圧:-40V
基材温度:430℃
Ar分圧:0.45Pa
反応ガス:N2(遷移モードで成膜するように反応ガスの分圧を調整した)。
<< Film formation conditions >>
Target: Ti 0.45 Al 0.45 Si 0.1 (powder metallurgy)
Pulse power: 45kW
Pulse width: 0.2ms
Average power: 7.0kW
Bias voltage: -40V
Base material temperature: 430 ° C
Ar partial pressure: 0.45Pa
Reaction gas: N 2 (the partial pressure of the reaction gas was adjusted so as to form a film in the transition mode).

〈試料No.8の切削工具〉
以下の成膜条件に従って成膜工程を行なった点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.8の切削工具を作製した。
<Sample No. 8 cutting tools>
Except for the fact that the film forming step was performed according to the following film forming conditions, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 8 cutting tools were produced.

《成膜条件》
ターゲット:Ti0.8Si0.2(粉末冶金)
パルス電力:45kW
パルス幅:0.1ms
平均電力:6.0kW
バイアス電圧:-30V
基材温度:430℃
Ar分圧:0.50Pa
反応ガス:N2(遷移モードで成膜するように反応ガスの分圧を調整した)。
<< Film formation conditions >>
Target: Ti 0.8 Si 0.2 (powder metallurgy)
Pulse power: 45kW
Pulse width: 0.1 ms
Average power: 6.0kW
Bias voltage: -30V
Base material temperature: 430 ° C
Ar partial pressure: 0.50 Pa
Reaction gas: N 2 (the partial pressure of the reaction gas was adjusted so as to form a film in the transition mode).

〈試料No.9の切削工具〉
以下の成膜条件に従って成膜工程を行なった点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.9の切削工具を作製した。
<Sample No. 9 cutting tools>
Except for the fact that the film forming step was performed according to the following film forming conditions, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 9 cutting tools were manufactured.

《成膜条件》
ターゲット:Ti(粉末冶金)
パルス電力:60kW
パルス幅:10.0ms
平均電力:8.0kW
バイアス電圧:-40V
基材温度:550℃
Ar分圧:0.50Pa
反応ガス:N2,CH4(遷移モードで成膜するように各反応ガスの分圧を調整した)。
<< Film formation conditions >>
Target: Ti (powder metallurgy)
Pulse power: 60kW
Pulse width: 10.0ms
Average power: 8.0kW
Bias voltage: -40V
Base material temperature: 550 ° C
Ar partial pressure: 0.50 Pa
Reaction gas: N 2 , CH 4 (the partial pressure of each reaction gas was adjusted so as to form a film in the transition mode).

〈試料No.14の切削工具〉
被膜の形成にアークイオンプレーティング法を用い、以下の成膜条件に従って成膜工程を行なった点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.14の切削工具を作製した。
<Sample No. 14 cutting tools>
Except for the fact that the arc ion plating method was used to form the film and the film formation step was performed according to the following film formation conditions, the sample No. Sample No. 1 under the same conditions as 1. 14 cutting tools were made.

《成膜条件》
ターゲット:Ti0.5Al0.5(粉末冶金)
アーク電流:80A
バイアス電圧:-100V
基材温度:430℃
2分圧:3.0Pa
〈試料No.15の切削工具〉
被膜の形成にアークイオンプレーティング法を用い、試料No.14と同じ成膜条件で成膜工程を行なった点を除いて、試料No.13と同じ条件で試料No.15の切削工具を作製した。
<< Film formation conditions >>
Target: Ti 0.5 Al 0.5 (powder metallurgy)
Arc current: 80A
Bias voltage: -100V
Base material temperature: 430 ° C
N 2 voltage divider: 3.0 Pa
<Sample No. 15 cutting tools>
The arc ion plating method was used to form the film, and the sample No. Except for the fact that the film forming step was performed under the same film forming conditions as in No. 14. Sample No. 13 under the same conditions as No. 13. Fifteen cutting tools were made.

〈ボンバード処理条件およびターゲット材〉
表1に、試料No.1~15の各々における、ボンバード工程の条件と成膜時に用いたダーゲットとを示す。
<Bomberd treatment conditions and target material>
Table 1 shows the sample No. The conditions of the bombard process and the target used at the time of film formation in each of 1 to 15 are shown.

Figure 0007016866000001
Figure 0007016866000001

〈立方晶窒化硼素と被膜との界面の分析方法〉
試料No.1~15の切削工具のそれぞれについて、基材と被膜との界面に垂直な方向に破断した分析用サンプルを作製した。破断面は、集束イオンビーム(Focused Ion Beam)を照射して平滑化した後、破断面の法線方向に沿った厚みが100nmとなるように、Arイオンビームを用いたイオンミリング装置によって分析用サンプルの破断面を研磨した。これは、分析用サンプルの厚みによる、O含有量の測定値のばらつきを抑制するためである。
<Analysis method of the interface between cubic boron nitride and the coating>
Sample No. For each of the cutting tools 1 to 15, analytical samples were prepared which were broken in the direction perpendicular to the interface between the base material and the coating film. The fracture surface is smoothed by irradiating it with a focused ion beam, and then analyzed by an ion milling device using an Ar ion beam so that the thickness along the normal direction of the fracture surface is 100 nm. The fracture surface of the sample was polished. This is to suppress the variation in the measured value of the O content depending on the thickness of the sample for analysis.

分析用サンプルの破断面の研磨直後(研磨終了後の5分以内)にサンプルをTEM装置に導入し、立方晶窒化硼素と被膜との界面付近のTEM像を取得するとともに、立方晶窒化硼素と被膜との界面を横断するようにEDSによるラインスキャン測定を行なった。分析装置として以下を用いた。 Immediately after polishing the fracture surface of the analytical sample (within 5 minutes after polishing is completed), the sample is introduced into the TEM device to acquire a TEM image near the interface between the cubic boron nitride and the coating, and the cubic boron nitride. A line scan measurement by EDS was performed so as to cross the interface with the coating film. The following was used as an analyzer.

《分析装置》
・TEM:日本電子株式会社製「JEM-2100F/Cs」
(Csコレクタ:CEOS社製「CESCOR」)
(TEM観察条件:加速電圧200kV、プローブサイズ0.13nm)
・EDS:日本電子株式会社製「JED2300 Series ドライSD60GV検出器」
(ラインスキャン条件:加速電圧200kV、測定点間隔0.25nm(ただし、結果出力時にビニングをかけるために0.5nmとなる))。
"Analysis equipment"
・ TEM: "JEM-2100F / Cs" manufactured by JEOL Ltd.
(Cs collector: CEOS "CESCOR")
(TEM observation conditions: acceleration voltage 200 kV, probe size 0.13 nm)
・ EDS: "JED2300 Series Dry SD60GV Detector" manufactured by JEOL Ltd.
(Line scan conditions: Acceleration voltage 200 kV, measurement point interval 0.25 nm (however, it will be 0.5 nm due to binning at the time of result output)).

まず、TEM像において、立方晶窒化硼素と被膜との界面の法線方向に沿って当該界面を横断する長さ200nmのラインを指定し、EDSを用いて、当該ラインに沿った元素の濃度分布変化を計測するラインスキャン測定を行なった。測定元素は、立方晶窒化硼素の校正元素であるB、N、膜の構成元素に加え、Fe,W,OおよびArとした。そして、Bの濃度が基材中の濃度の平均値の1/2となる点を界面上の点として特定した。 First, in the TEM image, a line having a length of 200 nm that crosses the interface along the normal direction of the interface between the cubic boron nitride and the coating is specified, and the concentration distribution of the elements along the line is specified using EDS. A line scan measurement was performed to measure the change. The measurement elements were Fe, W, O and Ar in addition to B and N, which are calibration elements of cubic boron nitride, and the constituent elements of the film. Then, a point where the concentration of B is 1/2 of the average value of the concentration in the substrate was specified as a point on the interface.

次に、立方晶窒化硼素中において検出されたB、N以外の元素の濃度は、測定におけるバックグラウンドレベル(検出限界)であると仮定し、立方晶窒化硼素中のこれらの元素のそれぞれの濃度の平均値を算出し、これらの値をラインスキャンの測定結果から除外し、測定した元素の濃度を再計算した。再計算したラインスキャン測定結果における界面近傍におけるFe、Wの濃度分布のピーク(界面上の点を含むピーク)の最大濃度を、界面におけるFe、Wの含有量(at%)とした。 Next, assuming that the concentration of the elements other than B and N detected in the cubic boron nitride is the background level (detection limit) in the measurement, the concentration of each of these elements in the cubic boron nitride is assumed. The average values of were calculated, these values were excluded from the measurement results of the line scan, and the measured elemental concentrations were recalculated. The maximum concentration of the peak (peak including points on the interface) of the concentration distribution of Fe and W near the interface in the recalculated line scan measurement result was defined as the content (at%) of Fe and W at the interface.

試料No.1~15の切削工具では、FeおよびWの少なくとも一方が界面において検出された。 Sample No. For cutting tools 1-15, at least one of Fe and W was detected at the interface.

さらに、EDSを用いたラインスキャン測定結果から、界面におけるO含有量(at%)を評価した。ラインスキャン測定においてO濃度分布のピークが界面にみられる場合には、FeおよびWと同様に、そのピークの最大濃度を界面におけるO含有量(at%)とした。一方、ラインスキャン測定においてO濃度分布のピークが界面にみられない場合には、界面から被膜側に2nm、立方晶窒化硼素側に2nmの合計4nmの区間のO含有量(at%)の平均値を界面におけるO含有量(at%)とした。 Furthermore, the O content (at%) at the interface was evaluated from the line scan measurement results using EDS. When the peak of the O concentration distribution was observed at the interface in the line scan measurement, the maximum concentration of the peak was defined as the O content (at%) at the interface, as in Fe and W. On the other hand, when the peak of the O concentration distribution is not seen at the interface in the line scan measurement, the average O content (at%) in the section of 2 nm from the interface to the coating side and 2 nm to the cubic boron nitride side for a total of 4 nm. The value was taken as the O content (at%) at the interface.

さらに、EDSを用いたラインスキャン測定結果から、界面におけるAr含有量(at%)を評価した。 Furthermore, the Ar content (at%) at the interface was evaluated from the line scan measurement results using EDS.

〈異金属元素層の厚み〉
上記のラインスキャン測定結果において、FeおよびWの合計含有量が0.05at%以上となるライン長さを、FeおよびWを含む層(異金属元素層)の厚みとして計測した。
<Thickness of dissimilar elemental layer>
In the above line scan measurement result, the line length in which the total content of Fe and W is 0.05 at% or more was measured as the thickness of the layer (different metal element layer) containing Fe and W.

〈界面近傍の被膜の平均粒径〉
500万倍のTEM像において、被膜における界面から10nmの位置における結晶粒の平均粒径を測定した。具体的には、高分解能TEM像において格子像を撮影し、結晶方位の違いと粒界の存在により結晶粒を区別し、1つのサンプルについて30個の結晶粒の幅を計測し、平均値を平均粒径とした。
<Average particle size of the film near the interface>
In a 5 million times TEM image, the average grain size of the crystal grains at a position 10 nm from the interface in the coating film was measured. Specifically, a lattice image is taken in a high-resolution TEM image, crystal grains are distinguished by the difference in crystal orientation and the presence of grain boundaries, the widths of 30 crystal grains are measured for one sample, and the average value is calculated. The average grain size was used.

〈被膜の厚み〉
ワイヤ放電加工によって刃先部分を切り出し、切り出した部分を樹脂に埋め込んだ。その後、イオンミリング法に基づいてCP(クロスセクションポリッシャ)加工により被膜の断面を露出させ、倍率15000倍のSEM像を観察した。刃先の先端から1mm以内の領域の5点における被膜の厚みを測定し、平均値を取った。
<Thickness of coating>
The cutting edge part was cut out by wire electric discharge machining, and the cut out part was embedded in resin. Then, the cross section of the coating film was exposed by CP (cross section polisher) processing based on the ion milling method, and an SEM image at a magnification of 15,000 times was observed. The thickness of the coating film was measured at 5 points in the region within 1 mm from the tip of the cutting edge, and the average value was taken.

〈切削試験〉
試料No.1~15の各々の切削工具を用いて、下記の条件にて断続切削する切削試験を実施し、チッピングが生じるまでの切削時間を工具寿命として求めた。工具寿命は、被膜の剥離性と相関しており、剥離性が優れるほど長くなる。そのため、工具寿命を確認することにより、被膜の剥離性を評価することができる。
<Cutting test>
Sample No. Using each of the cutting tools 1 to 15, a cutting test of intermittent cutting was carried out under the following conditions, and the cutting time until chipping occurred was determined as the tool life. The tool life correlates with the peelability of the coating, and the better the peelability, the longer the tool life. Therefore, the peelability of the coating film can be evaluated by checking the tool life.

《切削条件》
被削材:浸炭焼入鋼SCM415H-5V、HRC62(直径100mm×長さ300mm、被削材の軸方向に5本のV溝あり)
切削速度:V=130m/min.
送り:f=0.1mm/rev.
切込み:ap=0.2mm
湿式/乾式:乾式。
《Cutting conditions》
Work material: Carved and hardened steel SCM415H-5V, HRC62 (diameter 100 mm x length 300 mm, with 5 V-grooves in the axial direction of the work material)
Cutting speed: V = 130 m / min.
Feed: f = 0.1 mm / rev.
Notch: ap = 0.2 mm
Wet / Dry: Dry.

〈結果〉
表2は、試料No.1~15の切削工具の各々について、FeおよびWの界面における含有量と、界面におけるOおよびArの含有量と、異金属元素層の厚みと、被膜における界面から10nmの位置における平均粒径と、被膜の厚みと、工具寿命との測定結果を示す。
<result>
Table 2 shows the sample No. For each of the cutting tools 1 to 15, the content at the interface between Fe and W, the content of O and Ar at the interface, the thickness of the dissimilar metal element layer, and the average particle size at a position 10 nm from the interface in the coating. , The measurement result of the thickness of the coating and the tool life is shown.

Figure 0007016866000002
Figure 0007016866000002

試料No.1~9,12~15の切削工具では、工具寿命が20分以上となり、被膜の耐剥離性に優れることが確認された。 Sample No. It was confirmed that the cutting tools of 1 to 9, 12 to 15 had a tool life of 20 minutes or more and were excellent in peeling resistance of the coating film.

試料No.1~9,12~15では、ボンバード処理において基材に印加されるバイアス電圧の絶対値が300V以下に制限されるため、チャンバ内の治具から放出されるFeの量が低減されるとともに、基材に接続された超硬合金から放出されるWの量が低減される。これにより、立方晶窒化硼素と被膜との界面において、Fe含有量が1at%以下であり、W含有量が1at%以下であることが確認された。 Sample No. In 1 to 9, 12 to 15, the absolute value of the bias voltage applied to the base material in the bombard treatment is limited to 300 V or less, so that the amount of Fe released from the jig in the chamber is reduced and the amount of Fe is reduced. The amount of W emitted from the cemented carbide connected to the substrate is reduced. As a result, it was confirmed that the Fe content was 1 at% or less and the W content was 1 at% or less at the interface between the cubic boron nitride and the coating film.

図2は、試料No.2における立方晶窒化硼素と被膜との界面を示す200万倍のTEM像(明視野像(bright-field image))である。図3は、試料No.2における立方晶窒化硼素と被膜との界面を示す200万倍のTEM像(HAADF像(high-angle annular dark field image))である。図2および図3に示されるように、界面にFe、Wおよび酸化物の層がほとんど見られず、被膜における界面近傍の結晶粒が小さいことがわかる。これは、立方晶窒化硼素の表面に存在するFe、W、O、Arが少ないことにより、成膜工程の際に、核発生と粒成長とが均一に起こるためである。すなわち、核発生がある場所に集中することが抑制されるとともに、粒成長しやすい場所と成長しにくい場所とが混在することも抑制される。 FIG. 2 shows the sample No. It is a 2 million times TEM image (bright-field image) showing the interface between the cubic boron nitride and the coating film in 2. FIG. 3 shows the sample No. It is a 2 million times TEM image (HAADF image (high-angle annular dark field image)) showing the interface between the cubic boron nitride and the film in 2. As shown in FIGS. 2 and 3, almost no layers of Fe, W and oxides are seen at the interface, and it can be seen that the crystal grains near the interface in the film are small. This is because the amount of Fe, W, O, and Ar present on the surface of cubic boron nitride is small, so that nucleation and grain growth occur uniformly during the film formation process. That is, the concentration in the place where the nucleus is generated is suppressed, and the coexistence of the place where the grain grows easily and the place where the grain grows hard is also suppressed.

界面におけるFe含有量が1at%以下であり、W含有量が1at%以下であることにより、FeおよびWが被膜の結晶中に入り込むことによる被膜中の結晶の格子定数の増大化を抑制できる。その結果、基材中の立方晶窒化硼素の結晶と被膜の結晶との格子定数差の増大を抑制でき、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が向上する。 When the Fe content at the interface is 1 at% or less and the W content is 1 at% or less, it is possible to suppress an increase in the lattice constant of the crystals in the film due to Fe and W entering the crystals of the film. As a result, it is possible to suppress an increase in the lattice constant difference between the crystals of cubic boron nitride in the substrate and the crystals of the coating, and the adhesion between the cubic boron nitride and the coating is improved.

さらに、試料No.1~9,12~15では、ボンバード開始前の水分圧が1×10-3Pa以下に制限されるとともに、ボンバード終了時の水分圧が5×10-3Pa以下に制限されている。これにより、立方晶窒化硼素と被膜との界面のO含有量が2at%以下に抑制され、Oに起因した立方晶窒化硼素と被膜との密着性の低下を抑制できる。Furthermore, the sample No. In 1 to 9, 12 to 15, the water pressure before the start of the bombard is limited to 1 × 10 -3 Pa or less, and the water pressure at the end of the bombard is limited to 5 × 10 -3 Pa or less. As a result, the O content at the interface between the cubic boron nitride and the coating film is suppressed to 2 at% or less, and the deterioration of the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film due to O can be suppressed.

以上のように、界面におけるFe,WおよびOの含有量を低くすることにより、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が向上し、試料No.1~9,12~15の切削工具における被膜の耐剥離性が向上したものと考えられる。 As described above, by lowering the contents of Fe, W and O at the interface, the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film is improved, and the sample No. It is considered that the peeling resistance of the coating film in the cutting tools 1 to 9, 12 to 15 was improved.

これに対し、試料No.10の切削工具では、工具寿命が2分と短いことが確認された。試料No.10では、ボンバード開始前の水分圧が1.98×10-3Paであり、ボンバード終了時の水分圧が7.93×10-3Paであるため、立方晶窒化硼素と被膜との界面におけるO含有量(at%)が2at%よりも高くなっている。その結果、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が低下し、工具寿命が短くなったものと考えられる。On the other hand, the sample No. It was confirmed that the tool life of 10 cutting tools was as short as 2 minutes. Sample No. At No. 10, the water pressure before the start of the bombard is 1.98 × 10 -3 Pa, and the water pressure at the end of the bombard is 7.93 × 10 -3 Pa. Therefore, at the interface between the cubic boron nitride and the coating film. The O content (at%) is higher than 2 at%. As a result, it is considered that the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film is lowered and the tool life is shortened.

試料No.11の切削工具でも、工具寿命が14分と短いことが確認された。試料No.11では、ボンバード工程において基材に印加されるバイアス電圧が500Vと高いために、チャンバ内の治具から放出されるFe、および基材に接合された超硬合金から放出されるWの量が増大する。そのため、立方晶窒化硼素と被膜との界面におけるFeおよびWの合計含有量が4.4at%と多くなった。これにより、FeおよびWによって立方晶窒化硼素の結晶と被膜の結晶との格子定数差が広がり、立方晶窒化硼素と被膜との密着性が低下し、工具寿命が短くなったものと考えられる。 Sample No. It was confirmed that even with 11 cutting tools, the tool life was as short as 14 minutes. Sample No. In No. 11, since the bias voltage applied to the base material in the bombard process is as high as 500 V, the amount of Fe discharged from the jig in the chamber and the amount of W discharged from the cemented carbide bonded to the base material are Increase. Therefore, the total content of Fe and W at the interface between the cubic boron nitride and the coating film was as high as 4.4 at%. As a result, it is considered that Fe and W widen the lattice constant difference between the cubic boron nitride crystal and the coating crystal, reduce the adhesion between the cubic boron nitride crystal and the coating, and shorten the tool life.

さらに、試料No.1~3,6~9,12~15では、工具寿命が30分以上となることが確認された。これは、異金属元素層の厚みが3nm以下であり、かつ界面近傍の被膜の平均粒径が5nm以下であることにより、立方晶窒化硼素と被膜との密着性がさらに向上したためと考えられる。そのため、異金属元素層の厚みを3nm以下とし、かつ界面近傍の被膜の平均粒径を5nm以下とすることが好ましいことが確認された。 Furthermore, the sample No. It was confirmed that the tool life was 30 minutes or more in 1 to 3, 6 to 9, 12 to 15. It is considered that this is because the thickness of the dissimilar metal element layer is 3 nm or less and the average particle size of the coating film near the interface is 5 nm or less, so that the adhesion between the cubic boron nitride and the coating film is further improved. Therefore, it was confirmed that it is preferable that the thickness of the dissimilar metal element layer is 3 nm or less and the average particle size of the coating film near the interface is 5 nm or less.

さらに、試料No.2,3,12,13,15では、工具寿命が40分以上となることが確認された。これは、界面近傍の被膜の平均粒径が3nm以下であることにより、立方晶窒化硼素と被膜との界面の応力が緩和しやすくなったためと考えられる。そのため、界面近傍の被膜の平均粒径を3nm以下とすることが好ましいことが確認された。 Furthermore, the sample No. In 2, 3, 12, 13, and 15, it was confirmed that the tool life was 40 minutes or more. It is considered that this is because the average particle size of the coating film near the interface is 3 nm or less, so that the stress at the interface between the cubic boron nitride and the coating film can be easily relaxed. Therefore, it was confirmed that it is preferable to set the average particle size of the coating film near the interface to 3 nm or less.

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たり、様々に変形す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 planned from the beginning that the configurations of the above-described embodiments and examples may be appropriately combined or modified in various ways.

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請求の範囲によって示され、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 this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the embodiments and examples described above, and is intended to include the meaning equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.

10 表面被覆cBN焼結体、 11 基材、 12 被膜、 100 切削工具、 100a すくい面、 100b 逃げ面、 101 台金、 102 ろう付け層。 10 Surface coated cBN sintered body, 11 base material, 12 coating, 100 cutting tool, 100a rake surface, 100b flank surface, 101 base metal, 102 brazing layer.

Claims (6)

立方晶窒化硼素焼結体である基材と、
前記基材に接して前記基材を被覆する被膜とを備え、
前記基材中の立方晶窒化硼素と前記被膜との界面において、Fe含有量は1at%以下であり、W含有量は1at%以下であり、かつO含有量は2at%以下であり、
前記Fe含有量と前記W含有量との合計含有量が0.05at%以上である層の厚みは5nm以下であり、
前記被膜の厚みは0.3μm以上10μm以下である、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体。
A base material that is a cubic boron nitride sintered body,
A coating that is in contact with the substrate and covers the substrate is provided.
At the interface between the cubic boron nitride in the substrate and the coating film, the Fe content is 1 at% or less, the W content is 1 at% or less, and the O content is 2 at% or less .
The thickness of the layer in which the total content of the Fe content and the W content is 0.05 at% or more is 5 nm or less.
A surface-coated cubic boron nitride sintered body having a coating thickness of 0.3 μm or more and 10 μm or less .
前記表面被覆立方晶窒化硼素焼結体は、WCを含む超硬合金によって構成された台金に固定される、請求項1に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体。 The surface-coated cubic boron nitride sintered body according to claim 1, wherein the surface-coated cubic boron nitride sintered body is fixed to a base metal composed of a cemented carbide containing WC . 前記被膜は多結晶体であり、
前記被膜における前記界面から10nm以内の領域は、平均粒径が10nm以下の結晶粒からなる、請求項1または請求項2に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体。
The coating is polycrystalline and is
The surface-coated cubic boron nitride sintered body according to claim 1 or 2, wherein the region within 10 nm from the interface in the coating is composed of crystal grains having an average particle size of 10 nm or less.
前記界面におけるAr含有量は1at%以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体。 The surface-coated cubic boron nitride sintered body according to any one of claims 1 to 3, wherein the Ar content at the interface is 1 at% or less. 前記被膜は、Al,Ti,CrおよびSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素と、CおよびNからなる群より選択される少なくとも1種の元素とからなる少なくとも1種の化合物を含む、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体。 The coating comprises at least one compound consisting of at least one element selected from the group consisting of Al, Ti, Cr and Si and at least one element selected from the group consisting of C and N. , The surface-coated cubic boron nitride sintered body according to any one of claims 1 to 4 . 請求項1から請求項のいずれか1項に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体を備えた切削工具。 A cutting tool comprising the surface-coated cubic boron nitride sintered body according to any one of claims 1 to 5 .
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