JPH0617227A - 複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製切削工具

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JPH0617227A
JPH0617227A JP19618392A JP19618392A JPH0617227A JP H0617227 A JPH0617227 A JP H0617227A JP 19618392 A JP19618392 A JP 19618392A JP 19618392 A JP19618392 A JP 19618392A JP H0617227 A JPH0617227 A JP H0617227A
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JP
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coated
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cutting
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JP19618392A
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Masao Kawamura
正雄 河村
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Mitsubishi Materials Corp
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Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 いかなる切削に対しても優れた切削性能を示
す複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製切削工具に関す
る。 【構成】 超硬合金基体の表面にTi(CxNy)[た
だし、x+y=1]で表されかつx:0→1、y:1→
0となるように変化させたC濃度増加層、前記C濃度増
加層の上に被覆された炭化チタン層、前記炭化チタン層
の上に被覆されたTi(CxNy)[ただし、x+y=
1]で表されかつx:1→0、y:0→1となるように
変化させたN濃度増加層、前記N濃度増加層の上に最外
層として被覆された窒化チタン層からなる複合傾斜硬質
層を、周期的に繰り返し被覆してなる複合傾斜硬質層積
層被覆超硬合金製切削工具。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、チップ、ドリル、エ
ンドミルなど、いかなる切削に対しても優れた切削性能
を示す複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製切削工具に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、結合相形成成分として、鉄族金
属のうち1種または2種以上を含有し、さらに必要に応
じて周期律表の4a、5a、および6a族金属の炭化
物、窒化物、炭窒化物を0.5〜30重量%含有し、残
りが炭化タングステン(以下、WCと記す、)および不
可避不純物からなる超硬合金基体(以下、超硬合金基体
という)の表面に、TiC層、TiN層およびTiCN
層からなる複数層で構成された複数硬質層を被覆してな
る硬質層積層被覆超硬合金製切削工具は知られている。
【0003】これらの硬質層積層被覆超硬合金製切削工
具の複数硬質層は、その積層順序が付着強度に大きく影
響を及ぼし、付着強度を向上させるための1例として、
先ず、超硬合金基体の表面に最も付着強度の優れている
TiN層を最内層として被覆し、そのTiN層の上にT
iCN層−TiC層−TiCN層の順序に周期的に繰り
返し被覆し、高級品イメージを出すために最外層として
黄金色のTiN層を被覆した硬質層積層被覆超硬合金製
切削工具などが提案されている(特開昭61−1705
59号公報など参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記TiCN
層−TiC層−TiCN層の順序で周期的に繰り返し被
覆した積層硬質層は、厚さが増加するにつれて硬質層の
結晶粒は粗大化し、したがって靭性が低下し、そのた
め、一層過酷な条件の切削に対して十分な切削性能およ
び使用寿命が得られない。
【0005】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
積層硬質層の厚さが増加しても結晶粒は粗大化せずした
がって靭性が低下せず、一層過酷な条件の切削に用いた
場合にも使用寿命の長い硬質層被覆超硬合金製切削工具
を得るべく研究を行った結果、Ti(CxNy)[ただ
し、x+y=1]で表されかつ厚さ方向に向かってx:
0→1、y:1→0となるように変化する傾斜硬質層
(以下、C濃度増加層という)、前記C濃度増加層の上
に被覆された炭化チタン層、前記炭化チタン層の上に被
覆されTi(CxNy)[ただし、x+y=1]で表さ
れかつ厚さ方向に向かってx:1→0、y:0→1とな
るように変化する傾斜硬質層(以下、N濃度増加層とい
う)、前記N濃度増加層の上に被覆された窒化チタン層
からなる複合傾斜硬質層を周期的に繰り返し積層被覆し
てなる硬質層、または窒化チタン層の上に前記複合傾斜
硬質層を周期的に繰り返し積層被覆してなる硬質層は、
積層被覆して厚さが増加しても結晶粒は粗大化せずした
がって靭性が低下せず、前記一層過酷な条件の切削に十
分耐え得ることができるという知見を得たのである。
【0006】この発明は、かかる知見にもとづいて成さ
れたものであって、(1) Ti(CxNy)[ただ
し、x+y=1]で表されかつ厚さ方向に向かってx:
0→1、y:1→0となるように変化する傾斜硬質層、
前記C濃度増加層の上に被覆された炭化チタン層、前記
炭化チタン層の上に被覆されTi(CxNy)[ただ
し、x+y=1]で表されかつ厚さ方向に向かってx:
1→0、y:0→1となるように変化する傾斜硬質層、
前記N濃度増加層の上に被覆された窒化チタン層からな
る複合傾斜硬質層を、超硬合金基体の表面に周期的に繰
り返し積層被覆してなる複合傾斜硬質層積層被覆超硬合
金製切削工具、(2) 超硬合金基体の表面に被覆して
なる窒化チタン層の上に前記複合傾斜硬質層を周期的に
繰り返し積層被覆してなる複合傾斜硬質層積層被覆超硬
合金製切削工具、に特徴を有するものである。
【0007】この発明の複合傾斜硬質層積層被覆超硬合
金製切削工具における複合傾斜硬質層は、イオンプレー
ティング装置等の物理蒸着装置を用いて形成することが
できる。前記物理蒸着装置に導入する反応ガスは、図1
のグラフに示されるように、最初、窒素ガス:100
%、炭化水素ガス:0%となるように導入し、即座に、
物理蒸着の進行にともなって、炭化水素ガスの導入量を
連続的に増加させながらかつこれに反比例するように窒
素ガス導入量を連続的に減少させながら供給してC濃度
増加層を形成し、さらに続けて窒素ガス:0%、炭化水
素ガス:100%となるように一定時間導入してTiC
層を形成し、さらに続けて炭化水素ガスの導入量を連続
的に減少させながらかつこれに反比例するように窒素ガ
ス導入量を連続的に増加させながら供給してN濃度増加
層を形成し、最後に窒素ガス:100%、炭化水素ガ
ス:0%となるように一定時間導入してTiN層を形成
することにより被覆する。
【0008】かかる反応ガス供給を繰り返すことにより
C濃度増加層−TiC層−N濃度増加層−TiN層から
なる複合傾斜硬質層が積層被覆される。図1のグラフで
は、窒素ガス導入量および炭化水素ガス導入量を直線的
に連続して変化させているがこれに限定されるものでは
なく、曲線的に連続して変化させてもよい。
【0009】このようにして得られたこの発明の複合傾
斜硬質層積層被覆超硬合金製切削工具における複合傾斜
硬質層は、図2に示されるごとくなる。前記C濃度増加
層およびN濃度増加層をTi(CxNy)[ただし、x
+y=1]で表すと、xおよびyの値は、0≦x≦1お
よび0≦y≦1の範囲内の値をとり、C濃度増加層はT
i(CxNy)[ただし、x+y=1]においてx:0
→1、y:1→0となるように厚さ方向に変化し、一
方、N濃度増加層はTi(CxNy)[ただし、x+y
=1]においてx:1→0、y:0→1となるように厚
さ方向に変化する。
【0010】C濃度増加層は、超硬合金基体に形成され
た最内層の窒化チタン層に接する面がx=0、y=1と
なって実質的にTiNとなるために窒化チタン層に対す
る付着性が優れ、一方、中間層の炭化チタン層に接する
面がx=1、y=0となって実質的にTiCとなるため
に中間層の炭化チタン層に対する付着性が優れることに
なる。
【0011】また、N濃度増加層は、中間層の炭化チタ
ン層に接する面がx=1、y=0となって実質的にTi
Cとなるために炭化チタン層に対する付着性が優れ、一
方、最外層の窒化チタン層に接する面がx=0、y=1
となって実質的にTiNとなるために窒化チタン層に対
する付着性が優れることになる。
【0012】前記複合傾斜硬質層の厚さは、全体で30
μm以下であることが好ましい。30μmを越えると切
削時に基体との間に熱膨脹の差が大きくなり、結晶粒が
粗大化し、亀裂が生じて剥離しやすくなる。一方、前記
複合傾斜硬質層が0.5μm未満では硬質層剥離抑制効
果が十分でないために0.5μm以上であることが好ま
しい。
【0013】図2では、前記複合傾斜硬質層を超硬合金
基体に直接被覆しているが、図3のグラフに示されるよ
うに、最初、窒素ガスのみを一定時間導入してTiN層
を形成し、ついで図1のような反応ガス導入を行って図
4に示されるような複合傾斜硬質層を周期的に繰り返し
周期的に積層被覆してもよい。
【0014】
【実施例】つぎに、この発明の複合傾斜硬質層積層被覆
超硬合金製切削工具を実施例に基づいて具体的に説明す
る。
【0015】実施例1 原料粉末として、それぞれ平均粒径:3μmのCo粉
末、TiC粉末、TaC粉末、WC粉末を用意し、これ
ら粉末を、Co粉末:9重量%、TiC粉末:1重量
%、TaC粉末:2重量%、残り:WC粉末となるよう
に配合し、混合したのち、圧粉体に成型し、この圧粉体
を通常の条件で焼結して焼結体を製造し、この焼結体を
研削してISO規格TNGA160408の形状を有す
るWC基超硬合金製チップを作製した。
【0016】つぎに、このWC基超硬合金製チップを通
常のイオンプレーティング装置内の上方に装着し、一
方、前記イオンプレーティング装置内の下方には、Ti
金属を充填した。かかる状態で前記イオンプレーティン
グ装置内を1×10-5Torrの真空に保持し、昇温速
度:6℃/min.で700℃に昇温させ、つづいて、
この温度に保持しながら、5×10-2TorrのArガ
ス雰囲気に保持してボンバードクリーニングした。
【0017】さらに、Ti金属を通電等により加熱蒸発
させるとともにイオンプレーティング装置内の圧力を
2.0×10-4Torrに維持し、窒素ガスの供給を減
らすと共にアセチレンガスを導入し、窒素ガスとアセチ
レンガスの混合比が反比例するようにかつ連続的に変化
させながら最終的に窒素ガス供給量が0となるように供
給して物理蒸着を行い、前記WC基超硬合金製チップの
表面に厚さ:0.5μmのTi(CxNy)[ただし、
x+y=1]においてx:0→1、y:1→0となるよ
うに厚さ方向に変化させたC濃度増加層を被覆し、さら
に、つづいてアセチレンガスのみを導入し、厚さ:0.
5μmのTiC層を形成し、さらに、引き続いて窒素ガ
スとアセチレンガスの混合比を反比例するようにかつ連
続的に変化させながら最終的にアセチレンガス供給量が
0となるように供給して物理蒸着を行い、厚さ:1.0
μmのTi(CxNy)[ただし、x+y=1]におい
てx:1→0、y:0→1となるように厚さ方向に変化
させたN濃度増加層を被覆し、最後に窒素ガスのみを供
給し、このような操作を3回繰り返すことによりWC基
超硬合金製チップの表面に、(C濃度増加層−TiC層
−N濃度増加層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC
層−N濃度増加層−TiN層)−(C濃度増加層−Ti
C層−N濃度増加層−TiN層)の順に複合傾斜硬質層
を周期的に繰り返し形成し、本発明複合傾斜硬質層積層
被覆チップ1(以下、本発明被覆チップ1という)を作
製した。
【0018】実施例2 最初、供給口より窒素ガスのみを一定時間供給して実施
例1で用意したWC基超硬合金製チップの表面に厚さ:
0.5μmのTiN層を形成し、つづいて、実施例1の
操作を施すことによりWC基超硬合金製チップの表面
に、TiN層−(C濃度増加層−TiC層−N濃度増加
層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N濃度増
加層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N濃度
増加層−TiN層)の順に複合傾斜硬質層を周期的に繰
り返し形成し、本発明複合傾斜硬質層積層被覆チップ2
(以下、本発明被覆チップ2という)を作製した。
【0019】従来例1 一方、比較のために、実施例1で作製したISO規格T
NGA160408の形状を有するWC基超硬合金製チ
ップを実施例1と同様にボンバードクリーニングしたの
ち、窒素ガス、窒素ガス:アセチレンガス=1:1の混
合ガス、およびアセチレンガスの3種類のガスを段階的
に流すことにより、前記WC基超硬合金製チップの表面
に厚さ:0.5μmのTiN層、厚さ:0.5μmのT
iCN層、厚さ:0.5μmのTiC層、厚さ:0.5
μmのTiCN層および厚さ:0.5μmのTiN層を
TiN層−(TiCN層−TiC層−TiCN層−Ti
N層)−(TiCN層−TiC層−TiCN層−TiN
層)−(TiCN層−TiC層−TiCN層−TiN
層)の順に複合傾斜硬質層を周期的に繰り返し形成し従
来硬質層複合被覆チップ(以下、従来被覆チップとい
う)を作製した。
【0020】これら本発明被覆チップ1〜2および従来
被覆チップについて、下記の条件で連続切削試験および
断続切削試験を実施し、それらの結果を表1に示した。 1 連続乾式切削試験 (1) 高速切削試験 被削材:SNCM439(ブリネル硬さ:250)、 切削速度:210m/min、 送り:0.25mm/rev.、 切込み:1.5mm、 の条件で連続乾式切削し、20分切削後のクレーター摩
耗深さ(μm)および切刃の逃げ面摩耗幅VB が0.3
mmになるまでの時間(分)を測定した。
【0021】(2) 中低速切削試験 被削材:SNCM439(ブリネル硬さ:250)、 切削速度:150m/min、 送り:0.25mm/rev.、 切込み:1.5mm、 の条件で連続乾式切削し、切刃の逃げ面磨耗幅VB が
0.3mmになるまでの時間(分)を測定した。
【0022】2 断続乾式切削試験 被削材:SCM440(ブリネル硬さ:300)製で軸
方向外周に4本の溝の付いた円柱体、 切削速度:100m/min、 送り:0.21mm/rev.、 切込み:1.0mm、 の条件で乾式切削し、10個の試験切刃のうちの欠損が
発生した切刃数を測定した。
【0023】
【表1】
【0024】表1に示される結果から、本発明被覆チッ
プ1〜2は従来被覆チップに比べて切削特性が優れてい
ることが分かる。
【0025】実施例3 JIS規格B4104のK10に相当する組成を有し、
外径:10mmのドリルを用意し、このドリルの表面に
実施例1とまったく同様にして厚さ:0.5μmのC濃
度増加層を被覆し、さらに、つづいて厚さ:0.5μm
のTiC層を形成し、さらに、つづいて厚さ:0.5μ
mのN濃度増加層および厚さ:0.5μmのTiN層か
らなる硬質層をドリルの表面に(C濃度増加層−TiC
層−C濃度増加層−TiN層)−(C濃度増加層−Ti
C層−C濃度増加層−TiN層)−(C濃度増加層−T
iC層−C濃度増加層−TiN層)の順に被覆した複合
傾斜硬質層を有する本発明複合傾斜硬質層積層被覆ドリ
ル1(以下、本発明被覆ドリル1という)を作製した。
【0026】実施例4 実施例3で用意した外径:10mmのドリルの表面に実
施例2とまったく同様にして厚さ:0.5μmのTiN
層を形成し、つづいて、前記TiN層の上に実施例3と
まったく同様にして(C濃度増加層−TiC層−N濃度
増加層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N濃
度増加層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N
濃度増加層−TiN層)の順に被覆した複合傾斜硬質層
を有する本発明複合傾斜硬質層積層被覆ドリル2(以
下、本発明被覆ドリル2という)を作製した。
【0027】従来例2 一方、比較のために、実施例3で用意したJIS規格B
4104のK10に相当する組成を有し、外径:10m
mのドリルを実施例3と同様にボンバードクリーニング
したのち、前記WC基超硬合金製ドリルの表面に厚さ:
0.5μmのTiN層、厚さ:0.5μmのTiCN層
および厚さ:0.5μmのTiC層からなり、TiN層
−(TiCN層−TiC層−TiCN層−TiN層)−
(TiCN層−TiC層−TiCN層−TiN層)−
(TiCN層−TiC層−TiCN層−TiN層)の順
に複合傾斜硬質層を周期的に繰り返し形成し、従来硬質
層複合被覆ドリル(以下、従来被覆ドリルという)を作
製した。
【0028】これら本発明被覆ドリル1〜2および従来
被覆ドリルについて、下記の条件で穴明け試験を実施
し、それらの結果を表2に示した。 3 穴明け試験 被削材:厚さ:20mmのSCM440(ブリネル硬
さ:220)からなる厚板 切削速度:60m/min、 送り:0.2mm/rev.、 の条件で2500穴の貫通穴明けし、全切削長:50m
の穴明けを行い、ドリルのマージン部の摩耗量および刃
裏部の摩耗量を測定した。
【0029】
【表2】
【0030】表2に示される結果から、本発明被覆ドリ
ル1〜2は従来被覆ドリルに比べて磨耗が少なく、使用
寿命が長いことが分かる。
【0031】実施例5 JIS規格M20に相当する組成を有し、外径:6mm
のエンドミル用意し、このエンドミルの表面に実施例1
とまったく同様にして厚さ:0.5μmのC濃度増加
層、厚さ:0.5μmのTiC層、厚さ:0.5μmの
N濃度増加層および厚さ:0.5μmのTiN層からな
る硬質層を(C濃度増加層−TiC層−N濃度増加層−
TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N濃度増加層
−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N濃度増加
層−TiN層)の順に被覆した複合傾斜硬質層を有する
本発明複合傾斜硬質層積層被覆エンドミル1(以下、本
発明被覆エンドミル1という)を作製した。
【0032】実施例6 実施例5で用意したエンドミルの表面に厚さ:0.5μ
mのTiN層を形成し、つづいて、前記TiN層の表面
に実施例5とまったく同様にして厚さ:0.5μmのC
濃度増加層、厚さ:0.5μmのTiC層、厚さ:0.
5μmのN濃度増加層および厚さ:0.5μmのTiN
層からなる硬質層を(C濃度増加層−TiC層−N濃度
増加層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N濃
度増加層−TiN層)−(C濃度増加層−TiC層−N
濃度増加層−TiN層)の順に被覆した複合傾斜硬質層
を有する本発明複合傾斜硬質層積層被覆エンドミル2
(以下、本発明被覆エンドミル2という)を作製した。
【0033】従来例3 一方、比較のために、実施例5で用意したJIS規格M
20に相当する組成を有し、外径:6mmのエンドミル
を実施例1と同様にボンバードクリーニングしたのち、
エンドミルの表面に厚さ:0.5μmのTiN層、厚
さ:0.5μmのTiCN層および厚さ:0.5μmの
TiC層、厚さ:0.5μmのTiCN層および厚さ:
0.5μmのTiN層からなり、TiN層−(TiCN
層−TiC層−TiCN層−TiN層)−(TiCN層
−TiC層−TiCN層−TiN層)−(TiCN層−
TiC層−TiCN層−TiN層)の順に硬質層を周期
的に繰り返し形成し、従来硬質層複合被覆エンドミル
(以下、従来被覆エンドミルという)作製した。
【0034】これら本発明被覆エンドミル1〜2および
従来被覆エンドミルついて、下記の条件でダウンカット
方式による鋼の湿式片削り試験を実施し、それらの結果
を表3に示した。 4 ダウンカット方式による鋼の湿式片削り試験 被削材 :S43C、 切削速度 :60m/min、 一刃当たりの送り:0.01mm/rev.、 切り込み深さ :15mm、 切り込み幅 :0.05mm、 の条件で湿式片削り試験を行い、エンドミルのマージン
部の摩耗量が0.2mm以上もしくは被削材垂直面の表
面粗さ(Rmax)が3.0μm以上となった時点を寿
命とし、この寿命に至までの時間を5分単位で測定し
た。
【0035】
【表3】
【0036】表3に示される結果から、本発明被覆エン
ドミル1〜2は従来被覆エンドミル比べて切削寿命が優
れていることが分かる。
【0037】
【発明の効果】前記実施例1〜3および従来例1〜3に
示される結果から、この発明の複合傾斜硬質層積層被覆
超硬合金製切削工具は、従来の硬質層複合被覆超硬合金
製切削工具に比べて使用寿命が長くかつ優れた性能を有
し、工業上優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製
切削工具を製造するために物理蒸着装置に窒素ガスおよ
び炭化水素ガスを導入する量を模型的に示したグラフで
ある。
【図2】この発明の複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製
切削工具の複合傾斜硬質層を模型的に示した断面図であ
る。
【図3】この発明の複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製
切削工具を製造するために物理蒸着装置に窒素ガスおよ
び炭化水素ガスを導入する量を模型的に示したグラフで
ある。
【図4】この発明の複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製
切削工具の複合傾斜硬質層を模型的に示した断面図であ
る。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ti(CxNy)[ただし、x+y=
    1]で表されかつ厚さ方向に向かってx:0→1、y:
    1→0となるように変化する傾斜硬質層(以下、C濃度
    増加層という)、前記C濃度増加層の上に被覆された炭
    化チタン層、前記炭化チタン層の上に被覆されTi(C
    xNy)[ただし、x+y=1]で表されかつ厚さ方向
    に向かってx:1→0、y:0→1となるように変化す
    る傾斜硬質層(以下、N濃度増加層という)、前記N濃
    度増加層の上に被覆された窒化チタン層からなる複合傾
    斜硬質層を、超硬合金基体の表面に周期的に繰り返し積
    層被覆してなることを特徴とする複合傾斜硬質層積層被
    覆超硬合金製切削工具。
  2. 【請求項2】 超硬合金基体の表面に被覆してなる窒化
    チタン層と前記窒化チタン層の上に前記複合傾斜硬質層
    を周期的に繰り返し積層被覆してなることを特徴とする
    複合傾斜硬質層積層被覆超硬合金製切削工具。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019171547A (ja) * 2018-03-29 2019-10-10 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具及びその製造方法
JP2019171546A (ja) * 2018-03-29 2019-10-10 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具及びその製造方法

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JP2019171547A (ja) * 2018-03-29 2019-10-10 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具及びその製造方法
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