JPH093585A - 硬質ロール材切削用超硬合金および被覆超硬合金 - Google Patents

硬質ロール材切削用超硬合金および被覆超硬合金

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JPH093585A
JPH093585A JP17953695A JP17953695A JPH093585A JP H093585 A JPH093585 A JP H093585A JP 17953695 A JP17953695 A JP 17953695A JP 17953695 A JP17953695 A JP 17953695A JP H093585 A JPH093585 A JP H093585A
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JP
Japan
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cemented carbide
hard
carbide
titanium
cutting
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JP17953695A
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Masaki Kobayashi
正樹 小林
Jun Watanabe
潤 渡辺
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Tungaloy Corp
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Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 結合相Coを極力少なくさせたにも拘らず、
板状晶WCを多量に含有させることにより、従来の超硬
合金に対比して、靱性を大幅に改善させ、かつ硬さも向
上させて、結果として切削時における耐摩耗性、耐チッ
ピング性、耐欠損性に優れた硬質ロ−ル材切削用超硬合
金および被覆超硬合金の提供を目的とするものである。 【構成】 Coを主成分とする金属または合金の結合相
を2〜7重量%と、残りが炭化タングステンの硬質相、
または炭化タングステンに周期律表の4a,5a,6a
族元素の炭化物,炭窒化物およびこれらの相互固溶体の
中の1種以上でなる立方晶系化合物を30重量%以下含
有する硬質相と不可避不純物からなる超硬合金におい
て、該超硬合金の断面組織における該炭化タングステン
は、該炭化タングステンの全体量に対して、アスペクト
比が3〜20の板状晶炭化タングステンを30体積%以
上含有していることを特徴とする硬質ロ−ル材切削用超
硬合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高硬度と高靱性を兼備
した硬質ロ−ル材切削用超硬合金および被覆超硬合金に
関し、特にチルドロ−ル,グレインロ−ルなど圧延用硬
質ロ−ル材を切削するための硬質ロ−ル材切削用超硬合
金および被覆超硬合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】硬質ロ−ル材切削用超硬合金は、高硬度
であることと同時に、高靭性であることを求められてい
る。従来、超硬合金の硬さを向上させるには、硬質相で
ある炭化タングステン(以下、「WC」と記す)の粒子
を微細にするか、結合相であるCo量を減少させる方法
が取られている。しかし、WCを微細化すれば硬さは増
すものの、靱性が低下し、チッピングによる異常摩耗を
誘起し易くなるという問題がある。一方、Co量を減少
させても硬さは上昇するものの、靱性が低下し、さらに
は焼結し難くなり、巣孔増大による硬さと強度の低下を
引き起こし、耐摩耗性が著しく劣化するという問題があ
る。
【0003】これらの問題を改善しようとして提案され
ている代表的なものの内、切削工具用としては、特開平
1−191760号公報があり、一方、板状晶WCに関
連するものとしては、特公昭47−23049号公報,
特公昭47−23050号公報,特開昭57−3400
8号公報,特開平2−47239号公報,特開平2−5
1408号公報,特開平2−138434号公報,特開
平2−274827号公報および特開平5−33965
9号公報がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】切削工具用超硬合金の
先行技術としての、特開平1−191760号公報に
は、Coの結合相を2〜5.5wt%と、残りが平均粒
径0.3〜1.2μmでなるWCの硬質相、またはT
i,Ta,Nb,VおよびCrの炭化物のうちの1種以
上を0.2〜2wt%と平均粒径0.3〜1.2μmで
なるWCとからなる硬質相で構成されたTi合金切削用
WC基超硬合金製切削工具について開示されている。同
公報のTi合金切削用WC基超硬合金製切削工具は、難
削材であるTi合金を切削する場合に切れ刃の摩耗が大
きく、短時間で寿命に至るという問題を、結合相である
Coの含有量を少なくし、かつ硬質相であるWCの平均
粒径を小さくすることで解決したものである。しかし、
これを表面部のみ高硬質にしてあるロ−ル材の切削工具
として実用すると、被削材の硬質なことと、さらには被
削材の表面におけるミクロ的特性や材質の変動から切削
工具の切れ刃が破損またはチッピングを起こし易いとい
う問題がある。
【0005】また、板状晶WCに関する先行技術として
の、特公昭47−23049号公報,特公昭47−23
050号公報,特開昭57−34008号公報,特開平
2−47239号公報,特開平2−51408号公報,
特開平2−138434号公報,特開平2−27482
7号公報および特開平5−339659号公報には、板
状晶WCの製造方法、板状晶WCを含有した超硬合金、
およびその超硬合金の製造方法について開示されてい
る。これら板状晶WCに関連する公報に開示されている
ものは、板状晶WCの生成量が少なく、それをそのまま
超硬合金に応用したとしても上述の特開平1−1917
60号公報に開示されている従来の超硬合金の特性とそ
れほど変りがないこと、また超硬合金自体に含有してい
る場合には板状晶WCの含有量が少ないことから、高硬
質なロ−ルを切削するための切削工具として用いると切
れ刃が破損またはチッピングを起こし易いという問題が
ある。
【0006】本発明は、上記のような問題点を解決した
もので、具体的には、結合相Coを極力少なくさせたに
も拘らず、板状晶WCを多量に含有させることにより、
従来の超硬合金に対比して、靱性を大幅に改善させ、か
つ硬さも向上させて、結果として切削時における耐摩耗
性、耐チッピング性、耐欠損性に優れた硬質ロール材切
削用超硬合金および被覆超硬合金の提供を目的とするも
のである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、硬質ロ−
ル材切削用超硬合金について、長年に亘り、硬さと靱性
を同時に向上させることによる工具寿命の延長を検討し
ていた所、板状晶WCを多量に含有させるとその目的が
達成されること、結合相Co量を最適化するとさらに寿
命延長が可能であると言う知見を得て、本発明を完成す
るに至ったものである。
【0008】本発明の硬質ロ−ル材切削用超硬合金は、
Coを主成分とする金属または合金の結合相を2〜7重
量%と、残りが炭化タングステンの硬質相、または炭化
タングステンに周期律表の4a,5a,6a族元素の炭
化物,炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の1種以
上でなる立方晶系化合物を30重量%以下含有する硬質
相と不可避不純物からなる超硬合金であって、該超硬合
金の断面組織における該炭化タングステンは、該炭化タ
ングステンの全体量に対して、アスペクト比が3〜20
の板状晶炭化タングステンを30体積%以上含有してい
ることを特徴とするものである。
【0009】本発明の超硬合金における結合相は、具体
的には、例えばCoの金属のみでなる場合、結合相に対
して50重量%以上がCoでなり、残りがNi,Cr,
Wの中の1種以上が固溶した合金でなる場合を挙げるこ
とができる。特に、Crは、焼結時のWC粒成長を抑制
して硬さを保持し、かつ結合相の硬さ,靱性,耐腐食性
を改善するので好ましい。この結合相量は、超硬合金全
体に対して2重量%未満になると靱性が低下し、また焼
結困難となって巣孔が発生するために硬さ,強度が低下
して、硬質ロール材切削時のチッピング摩耗や欠損を増
大させ、逆に7重量%を超え多くなると硬さが低下して
耐摩耗性が劣化するために、2〜7重量%と定めたもの
である。これらの内、Ni,Cr,Wの中の1種以上が
20重量%以下と、残りがCoからなる固溶合金でなる
結合相でなること、かつ超硬合金に対する結合相量が
3.5〜6.5重量%であることが好ましく、特に結合
相量が4〜6重量%でなることが好ましい。
【0010】本発明の超硬合金における硬質相は、WC
のみでなる場合、またはWCに30重量%以下の立方晶
系化合物を含有している場合があり、立方晶系化合物と
しては、具体的には、例えば(WTa)C,(WNb)
C,(WV)C,(WTi)C,(WTiTa)C,
(WTiTaV)(CN)などを挙げることができる。
この立方晶系化合物は、硬さや耐溶着性,耐酸化性を向
上させる効果を有するため、硬質ロール材の種類や切削
条件によつては摩耗を低減させるが、30重量%を超え
多くなると靱性が低下して、チッピング摩耗が増大する
ため、30重量%以下と定めたものである。被削材であ
るロ−ル材質により異なるが、硬質相中に立方晶系化合
物を存在させる場合には、硬質相に対して21重量%以
下が好ましく、特に高硬質のチルドロ−ルの場合には硬
質相中の立方晶系化合物の含有量は、10重量%以下が
好ましい。
【0011】本発明の超硬合金における硬質相として存
在するWCは、超硬合金中に存在するWC全体の30体
積%以上が板状晶WCでなり、この板状晶WCを具体的
に説明すると、超硬合金の断面組織におけるWCのアス
ペクト比(1つの結晶の最大長さ/最小長さ)が3〜2
0でなる板状晶WCからなる。この板状晶WCのアスペ
クト比が3未満及び20を超えると靱性向上効果が低
く、一方、板状晶WCの全WCに対する含有割合が30
体積%未満では、硬さ及び靱性の改善効果が少ない。特
に、板状晶WCのアスペクト比が4〜8、全WCに対す
る板状晶WCの含有割合が50体積%以上であることが
好ましい。
【0012】また、板状晶WCを含有している本発明の
超硬合金は、Cu−Kα線によるX線回折を行った場合
に、WC結晶における(101)結晶面のピークをh
(101)と表わし、(001)結晶面のピークをh
(001)と表わしたとき、h(001)/h(10
1)≧0.5でなることが好ましいことである。これら
の中でも、h(001)/h(101)が0.5未満で
は、(001)面の成長が不十分であるため、得られる
超硬合金の硬さ及び靱性の向上が少なく、したがって、
この比は、0.6以上であることが特に好ましい。
【0013】以上詳述してきた本発明の超硬合金の表面
に、炭化チタン,窒化チタン,炭窒化チタン,炭窒酸化
チタン,窒化アルミニウム・チタン,炭窒化アルミニウ
ム・チタン,炭窒酸化アルミニウム・チタン,酸化アル
ミニウムの中の1種の単層又は2種以上の複層で構成さ
れた硬質膜を2〜10μm被覆して被覆超硬合金とする
ことは、硬質ロ−ル材切削時における耐摩耗性がさらに
向上するので好ましい。この被覆超硬合金における硬質
膜は、具体的には、TiN,TiC,Ti(CNO)の
単層膜、TiN−(AlTi)Nの2層膜,TiC−T
i(CN)−TiNの3層膜,TiN−Ti(CN)−
TiC−Al23−TiNの5層膜、さらにはこれらの
組合わせによる複層膜などを例示として挙げることがで
きる。この硬質膜の厚みは、2μm未満では硬質膜によ
る耐摩耗性向上が少なく、逆に10μmを超えて厚くな
ると脆弱な硬質層によりチッピング摩耗が増大するため
に、2〜10μmと定めたものである。
【0014】本発明の超硬合金は、W元素と鉄族元素の
1種以上とC元素とからなる複合炭化物固溶体、または
W元素とTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,C
r元素の中の1種以上と鉄族元素の1種以上とC元素と
からなる複合炭化物固溶体、もしくはこの複合炭化物固
溶体の前駆体を作製した後、この複合炭化物固溶体およ
び/または複合炭化物固溶体の前駆体を、従来の超硬合
金を作製するための出発物質の中に添加し、さらに複合
炭化物固溶体および/または複合炭化物固溶体の前駆体
の添加量に対応した最適な炭素源を添加して板状晶WC
を晶出させるようにする以外は、従来の超硬合金の製造
方法と同様にして作製することができる。また、この本
発明の超硬合金の表面に硬質膜を被覆して被覆超硬合金
とする場合における被覆方法は、従来から行われている
化学蒸着法(CVD法),イオンプレ−ティング法,ア
−クイオンプレ−ティング法に代表される物理蒸着法
(PVD法)またはプラズマCVD法などを挙げること
ができる。
【0015】ここで述べた複合炭化物固溶体は、具体的
には、A33C,A394,A24C,A66C,A3
(WX)94,A2(WX)4C,A3(WX)3C,A6
(WX)6C,でなり、(但し、AはCo,Ni,Fe
の中の1種以上の鉄族元素を表わし、Wはタングステン
元素を表わし、XはTi,Zr,Hf,V,Nb,T
a,Mo,Crの中の1種以上の元素を表わし、Cは炭
素元素を表わす)さらに具体的に例示すると、Co33
C,Co394,Co24C,Co66C,Ni39
4,N 33C,Co3(WTi)94,Co3(WZ
r)94,Co3(WV)94,Co2(WTi)4C,
Co2(WV)4C,Co2(WNb)4C,Co3(WT
i)3C,Co3(WTiTa)3C,Co3(WTiV)
3C,Co6(WTi)6C,Ni3(WTi)94,Ni
3(WMo)94,(CoNi)3(WTi)3Cを挙げ
ることができる。
【0016】
【作用】本発明の硬質ロ−ル材切削用超硬合金は、結合
相が主として靭性と強度を高める作用をし、硬質相が主
として硬さおよび耐摩耗性を高める作用をし、硬質相中
に含有されている多量の板状晶WCが硬さ,靱性,強度
を顕著に高める作用をし、少量の結合相と多量の板状晶
WCを含有する硬質相との相互作用により切削時におけ
る耐摩耗性と耐チッピング性,耐欠損性を顕著に改善す
る作用をしているものである。
【0017】
【実施例1】市販されている平均粒径が1.2μmの
W,1.0μmのCo,0.02μmのカ−ボン(以
下、「C」と略す)の各粉末を用いて、重量%で91.
6W−5.2Co−3.2Cの配合組成に秤量し、ステ
ンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボ−ルと共
に挿入して24時間混合粉砕後、乾燥して得た混合粉末
を黒鉛製ルツボに挿入し、真空中で1100℃×1時間
の加熱処理を施して、複合炭化物固溶体を含有した混合
粉末Mpを得た。X線回折によるMp粉末の組成は、重
量%で約40Co3W9C4−10Co2W4C−20
W2C−20WC−10Wで、平均粒径は1.0μmで
あった。
【0018】次に、上記W,Co,C,混合粉末Mpお
よび市販されている平均粒径が1.0μmのWC,1.
7μmのCr3C2,4.5μmの黒鉛(表中、「G」
と記す),1.0μmの(WTi)Cの複合炭化物(重
量比でWC/TiC=70/30),1.0μmのTa
Cの各粉末を用いて、表1に示す配合組成に秤量し、ス
テンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボ−ルと
共に挿入し、48時間混合粉砕後、乾燥して混合粉末を
得た。 これらの粉末を金型に充填し、2ton/cm
2の圧力でもって約5.5×9.5×29mmの圧粉成
形体を作製し、アルミナとカ−ボン繊維からなるシ−ト
上に設置し、雰囲気圧力10Paの真空中で、表1に併
記した温度でもって1時間加熱保持して、本発明品1〜
5および比較品1〜5を得た。
【0019】こうして得た本発明品1〜5および比較品
1〜5の超硬合金の試料を#230のダイヤモンド砥石
で湿式研削加工し、各試料の1面を1μmのダイヤモン
ドペ−ストでラップ加工した後、ラップ面について電子
顕微鏡にて組織写真を撮り、画像処理装置にて、結合
相,立方晶系化合物,全WCの重量割合およびWCの平
均粒径,全WCに対する板状晶WCの割合を測定し、そ
の結果を表2に記載した。次いで、各試料について、C
uタ−ゲット、Niフィルタ−を用いたX線回折法によ
り、WCの(001)結晶面と(101)結晶面のピ−
ク強度を測定し、そのピ−ク強度比h(001)/h
(101)を計算し、その結果を表2に併記した。
【0020】一方、本発明品1〜5および比較品1〜5
の超硬合金の試料を#230のダイヤモンド砥石で湿式
研削加工し、3.0×8.0×25mmの形状に作製
し、JIS法による抗折力を測定して、その結果を表3
に示した。また、各試料の1面を1μmのダイヤモンド
ペ−ストでラップ加工した後、ビッカ−ス圧子を用いた
荷重:196Nでの硬さおよび破壊靱性値K1C(IM
法)を測定し、その結果を表3に併記した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【実施例2】実施例1で得た、本発明品1,2,3およ
び比較品1,2,3の混合粉末を用いて、JIS−B4
120に記載のSNGN120408形状用の金型でも
って、実施例1と同様の方法および条件でプレス成形、
加熱焼結、湿式研削加工により、SNGN120408
形状の切削工具用チップを得た。こうして得たチップを
用いて、被削材:チルドロ−ル(HRC=60),切削
速度:15m/min,切込み:1.5mm,送り:
0.3mm/revの条件で乾式旋削試験を行い、欠損
または平均逃げ面摩耗幅が0.45mmとなるまでの寿
命時間を求めた。その結果は、本発明品1が21mi
n,本発明品2が26min,本発明品3が17min
でそれぞれ寿命となったのに対し、比較品1が13mi
n,比較品2が15min,比較品3が5minでそれ
ぞれ寿命となった。
【0025】
【実施例3】実施例1で得た、本発明品4,5および比
較品4,5の混合粉末を用いて、実施例2と同様にして
SNGN120408形状の切削工具用チップを得た。
こうして得たチップを用いて、被削材:グレ−ンロ−ル
(HRC=47),切削速度:20m/min,切込
み:1.5mm,送り:0.7mm/revの条件で乾
式旋削試験を行い、平均逃げ面摩耗幅が0.45mmと
なるまでの寿命時間を求めた。その結果は、本発明品4
が27min,本発明品5が24minでそれぞれ寿命
となったのに対し、比較品4が19min,比較品5が
18minでそれぞれ寿命となった。
【0026】
【実施例4】実施例1で得た、本発明品3および比較品
3の切削工具用チップに、イオンプレ−ティング装置を
用いて、母材側から0.5μmのTiN,2.0μmの
Ti(CNO),0.5μmのTiNの計3μmを被覆
し、本発明品6および比較品6を得た。 こうして得た
被覆超硬合金チップを用いて、被削材:SKD11(H
RC=45),切削速度:50m/min,切込み:
1.0mm,送り量:0.5mm/revの条件で乾式
旋削試験を行い、平均逃げ面摩耗幅が0.35mmとな
るまでの寿命時間を求めた。その結果は、本発明品6が
25minで寿命となったのに対し、比較品6が17m
inで寿命となった。
【0027】
【発明の効果】本発明の硬質ロ−ル材切削用超硬合金お
よびその被覆超硬合金は、板状晶WCの含有してない超
硬合金または板状晶WCを少し含有している超硬合金で
なる従来の超硬合金またはその被覆超硬合金に対比し
て、ロ−ル材の中でも難削材である高硬質のチルドロ−
ルおよびグレ−ンロ−ルに代表される鋳鉄ロ−ル並びに
焼き入れロ−ルおよび調質ロ−ルに代表される鍛鋼ロ−
ルの切削に対し、耐摩耗性,耐チッピング性,耐欠損性
に優れており、顕著に長寿命となるという効果がある。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Coを主成分とする金属または合金の結
    合相を2〜7重量%と、残りが炭化タングステンの硬質
    相、または炭化タングステンに周期律表の4a,5a,
    6a族元素の炭化物,炭窒化物およびこれらの相互固溶
    体の中の1種以上でなる立方晶系化合物を30重量%以
    下含有する硬質相と不可避不純物からなる超硬合金にお
    いて、該超硬合金の断面組織における該炭化タングステ
    ンは、該炭化タングステンの全体量に対して、アスペク
    ト比が3〜20の板状晶炭化タングステンを30体積%
    以上含有していることを特徴とする硬質ロール材切削用
    超硬合金。
  2. 【請求項2】 上記炭化タングステンは、Cu−Kα線
    によるX線回折における(101)結晶面のピークをh
    (101)と表わし、(001)結晶面のピークをh
    (001)と表わしたとき、h(001)/h(10
    1)≧0.5であることを特徴とする請求項1記載の硬
    質ロール材切削用超硬合金。
  3. 【請求項3】 請求項1,または2記載の超硬合金の表
    面に、炭化チタン,窒化チタン,炭窒化チタン,炭窒酸
    化チタン,窒化アルミニウム・チタン,炭窒化アルミニ
    ウム・チタン,炭窒酸化アルミニウム・チタン,酸化ア
    ルミニウムの中の1種の単層または2種以上の複層で構
    成された硬質膜を2〜10μm被覆してなることを特徴
    とする硬質ロール材切削用被覆超硬合金。
JP17953695A 1995-06-22 1995-06-22 硬質ロール材切削用超硬合金および被覆超硬合金 Withdrawn JPH093585A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH116025A (ja) * 1997-04-25 1999-01-12 Sumitomo Electric Ind Ltd 超硬合金と、この超硬合金を母材とする被覆合金および被覆硬質工具
JP2010121735A (ja) * 2008-11-20 2010-06-03 Motoyama Eng Works Ltd

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