JPWO2017057456A1 - Coated tool - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/36—Carbonitrides
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/40—Oxides
Abstract
一態様の被覆工具は、基体と、基体の表面に位置する被覆層とを備え、さらに、第1面、第2面、第3面及び切刃とを備え、被覆層は、第1層と第2層とを有し、第1層は、炭窒化チタンを含有し、第2層よりも基体の近くに位置し、第2層は、酸化アルミニウムを含有し、第3面のX線回折分析において検出される各結晶面に帰属されるピークを基に算出される配向係数Tc(hkl)について、配向係数Tc(330)が配向係数Tc(110)よりも大きい。The coating tool according to one aspect includes a base and a coating layer positioned on the surface of the base, and further includes a first surface, a second surface, a third surface, and a cutting edge, and the coating layer includes the first layer, The first layer contains titanium carbonitride and is located closer to the substrate than the second layer, the second layer contains aluminum oxide, and X-ray diffraction of the third surface Regarding the orientation coefficient Tc (hkl) calculated based on the peaks attributed to each crystal plane detected in the analysis, the orientation coefficient Tc (330) is larger than the orientation coefficient Tc (110).
Description
本態様は、基体の表面に被覆層を有する被覆工具に関する。 This embodiment relates to a coated tool having a coating layer on the surface of a substrate.
従来から、基体の表面に、単層又は複数層の被覆層が位置する被覆工具が知られている。近年、切削加工の高能率化が進んでおり、重断続切削のような大きな衝撃が切刃にかかる切削加工に上記の被覆工具が用いられる機会が増えている。このような過酷な切削条件においては、被覆層に大きな衝撃が加わるため、被覆層のチッピングや剥離が発生しやすくなる。そのために、被覆層の耐欠損性を向上させることが求められている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a coating tool in which a single layer or a plurality of coating layers is located on the surface of a substrate is known. In recent years, the efficiency of cutting has been improved, and the above-described coated tool is increasingly used for cutting in which a large impact such as heavy interrupted cutting is applied to the cutting edge. Under such severe cutting conditions, since a large impact is applied to the coating layer, chipping and peeling of the coating layer are likely to occur. Therefore, it is required to improve the fracture resistance of the coating layer.
被覆工具において耐欠損性を向上させる技術として、特許文献1〜5に記載の技術が知られている。特許文献1(特許平6−316758号公報)には、酸化アルミニウム層の粒径と層厚を適正化するとともに、(012)面における組織化係数(Texture Coefficient:配向係数)を1.3以上とすることが開示されている。特許文献2(特開2003−025114号公報)には、酸化アルミニウム層の(012)面における組織化係数を2.5以上とすることが開示されている。特許文献3(特開平10−204639号公報)には、中間層の直上に位置する酸化アルミニウム層が、異なるX線回折パターンを示す2層以上の層を積層してなるように形成されることが開示されている。
As techniques for improving fracture resistance in a coated tool, techniques described in
また、特許文献4(特開2013−132717号公報)には、酸化アルミニウム層の(006)面の配向係数を1.8以上と高め、かつ(104)面と(110)面とのピーク強度比I(104)/I(110)を所定の範囲に制御することが開示されている。特許文献5(特開2009−202264号公報)には、酸化アルミニウム層の(104)面と(012)面とのピーク強度比I(104)/I(012)を、酸化アルミニウム層の下側の第一面よりも第二面で大きくすることが開示されている。 Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-132717) discloses that the orientation coefficient of the (006) plane of the aluminum oxide layer is increased to 1.8 or more, and the peak intensity between the (104) plane and the (110) plane. It is disclosed that the ratio I (104) / I (110) is controlled within a predetermined range. Patent Document 5 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-202264) describes the peak intensity ratio I (104) / I (012) between the (104) plane and the (012) plane of the aluminum oxide layer, below the aluminum oxide layer. It is disclosed that the second surface is larger than the first surface.
今般において、被覆層には、より高い耐摩耗性及び耐欠損性が求められている。特に、酸化アルミニウム層に発生しやすい微小チッピングを抑制し、これが引き金になって進行する摩耗を抑制して、酸化アルミニウム層の耐摩耗性を更に改善することが求められている。 In recent years, higher wear resistance and fracture resistance are required for coating layers. In particular, there is a demand for further improving the wear resistance of the aluminum oxide layer by suppressing minute chipping that is likely to occur in the aluminum oxide layer, thereby suppressing the abrasion that proceeds as a trigger.
一態様の被覆工具は、基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備え、さらに、第1面と、該第1面の反対に位置する第2面と、前記第1面と前記第2面との間に位置する第3面と、前記第1面と前記第2面との交稜部に切刃とを備え、前記被覆層は、第1層と第2層とを有し、前記第1層は、炭窒化チタン層を含有し、前記第2層よりも前記基体の近くに位置し、前記第2層は、酸化アルミニウムを含有し、前記第1層よりも前記基体から遠くに位置している。 The coating tool according to one aspect includes a base and a coating layer positioned on the surface of the base, and further includes a first surface, a second surface opposite to the first surface, the first surface, and the first surface. A third surface located between the second surface and a cutting edge at an intersection of the first surface and the second surface; and the covering layer has a first layer and a second layer. The first layer contains a titanium carbonitride layer and is located closer to the base than the second layer, and the second layer contains aluminum oxide and the base more than the first layer. Located far from.
そして、前記第3面のX線回折分析において、(HKL)が、(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)及び(330)の結晶面の全てを(HKL)、いずれか1つの結晶面を(hkl)とし、前記第3面において検出される各結晶面に帰属されるピークのピーク強度をIとし、各結晶面の標準回折強度をI0とし、{I(hkl)/I0(hkl)}/〔(1/7)×Σ{I(HKL)/I0(HKL)}〕で配向係数Tc(hkl)を表したとき、配向係数Tc(330)が、配向係数Tc(110)よりも大きい。In the X-ray diffraction analysis of the third surface, (HKL) is all the crystal planes of (012), (104), (110), (113), (024), (116) and (330). (HKL), any one crystal plane is (hkl), the peak intensity of the peak attributed to each crystal plane detected on the third plane is I, and the standard diffraction intensity of each crystal plane is I 0. And the orientation coefficient Tc (hkl) is represented by {I (hkl) / I 0 (hkl)} / [(1/7) × Σ {I (HKL) / I 0 (HKL)}] Tc (330) is larger than the orientation coefficient Tc (110).
一実施形態の被覆工具として、切削工具(以下、単に工具とする)1について図面を用いて説明する。工具1は、図2に示すように、基体2と、この基体2の表面に位置する被覆層3とを備えている。被覆層3は、炭窒化チタンを含有する第1層4と、酸化アルミニウムを含有する第2層5とを有しており、複数の層が積層された構成となっている。第1層4は、第2層5よりも基体2の近くに位置しており、第2層5は、第1層4よりも基体2から遠くに位置している。このとき、第2層5が第1層4に接していてもよく、また、第1層4と第2層5との間に別の層が位置していてもよい。
A cutting tool (hereinafter simply referred to as a tool) 1 will be described with reference to the drawings as a coated tool according to an embodiment. As shown in FIG. 2, the
第1層4の構成は特に限定されるものではないが、本実施形態における第1層4は2つの層が積層された構成となっている。具体的には、基体2の側に位置して、MT(Moderate Temperature)−炭窒化チタンを含有する領域4aと、この領域の上に位置して、HT−炭窒化チタンを含有する領域4bとが積層された構成となっている。第1層4の厚みとしては、例えば、6〜13μmに設定できる。このとき、MT−炭窒化チタンの粒径としては、例えば、0.08μm以下に設定できる。
The configuration of the
第2層5における酸化アルミニウムの構成は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、α型結晶構造となっている。第2層5の厚みとしては、例えば、1〜15μmに設定できる。特に3〜8μmである場合には、第2層5における密着力及び耐摩耗性のバランスを良好なものにできる。このとき、α型結晶構造における酸化アルミニウムの粒径としては、例えば、1μm以下に設定できる。
The configuration of aluminum oxide in the
工具1は、図1に示すように、第1面6と、第1面6の反対に位置する第2面7と、第1面6と第2面7との間に位置する第3面8とを有しており、四角板形状である。したがって、本実施形態においては、第1面6と第3面8とが交わっている。以下、図1に合わせて第1面6を上面、第2面7を下面、第3面8を側面といってもよい。
As shown in FIG. 1, the
第3面8は、少なくとも一部が、いわゆる逃げ面として機能する。また、第1面6は、少なくとも一部が、切削により生じた切屑をすくい取る、いわゆるすくい面としての機能を有している。
At least a part of the
第1面6と第3面8とが交わる交稜部の少なくとも一部には、切刃11が位置している。切刃11は、一般的には、すくい面と逃げ面とが交わる部分に位置する。切刃11を被削材に当てることによって被削材の切削加工を行なうことができる。なお、本実施形態の被覆工具は切削工具であるが、被覆工具としては、切削工具以外にも、掘削工具及び刃物などの各種の用途へ応用が可能であり、これらの場合においても優れた機械的信頼性を有することができる。
The
本実施形態の工具1は、第3面8のX線回折分析において検出され、各結晶面に帰属されるピークの強度を基に算出される配向係数Tc(hkl)に関して、配向係数Tc(330)が、配向係数Tc(110)よりも大きい。
The
ここで、配向係数Tcは、{I(hkl)/I0(hkl)}/〔(1/7)×Σ{I(HKL)/I0(HKL)}〕によって表わされる値である。このとき、(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)及び(330)の結晶面の全てが(HKL)とされ、いずれか1つの結晶面が(hkl)とされる。第3面8において検出される各結晶面に帰属されるピークの強度がIとされ、各結晶面の標準回折強度がI0とされる。I0(HKL)及びI0(hkl)は、JCPDSカードNo.00−010−0173に記載された数値を用いればよい。Here, the orientation coefficient Tc is a value represented by {I (hkl) / I 0 (hkl)} / [(1/7) × Σ {I (HKL) / I 0 (HKL)}]. At this time, all of the crystal planes of (012), (104), (110), (113), (024), (116) and (330) are set to (HKL), and any one crystal plane is ( hkl). The intensity of the peak attributed to each crystal face detected on the
本実施形態において、Σ{I(HKL)/I0(HKL)}は、{I(012)/I0(012)}+{I(104)/I0(104)}+{I(110)/I0(110)}+{I(113)/I0(113)}+{I(024)/I0(024)}+{I(116)/I0(116)}+{I(330)/I0(330)}を意味している。In this embodiment, Σ {I (HKL) / I 0 (HKL)} is {I (012) / I 0 (012)} + {I (104) / I 0 (104)} + {I (110) ) / I 0 (110)} + {I (113) / I 0 (113)} + {I (024) / I 0 (024)} + {I (116) / I 0 (116)} + {I (330) / I 0 (330)}.
配向係数Tcは、JCPDSカードで規定された標準データに対する比率で求められることから、各結晶面の配向度合いを表す指標とみなすことができる。 Since the orientation coefficient Tc is obtained as a ratio to the standard data defined by the JCPDS card, it can be regarded as an index representing the degree of orientation of each crystal plane.
本実施形態によれば、配向係数Tc(330)が配向係数Tc(110)よりも大きい。これによって、第2層5の結晶構造が特定のひずみを有するものとなるため、第2層5の耐摩耗性が向上し、工具1が長期間にわたって使用可能となる。
According to the present embodiment, the orientation coefficient Tc (330) is larger than the orientation coefficient Tc (110). Thereby, since the crystal structure of the
これは、Tc(330)がTc(110)よりも大きいことによって、第2層5を構成する酸化アルミニウム粒子の靭性が高くなるため、第2層5の厚み方向(工具1の表面に垂直な方向)にかかる衝撃に対して、第2層5を構成する酸化アルミニウムの結晶がしなり易くなることが理由として考えられる。酸化アルミニウム粒子の靭性が高くなることによって、破壊に対する耐性が高くなる。そのため、第2層5の表面に発生する微小チッピングが抑制されて、微小チッピングに起因する摩耗の進行を抑制することができるものと思われる。
This is because when Tc (330) is larger than Tc (110), the toughness of the aluminum oxide particles constituting the
第2層5における酸化アルミニウムの結晶のアスペクト比が3以上である場合には、酸化アルミニウムの結晶がしなり易くなるため、酸化アルミニウム粒子の靭性をより高めることができる。
When the aspect ratio of the aluminum oxide crystal in the
Tc(330)が1.1〜5である場合には、第2層5の耐摩耗性が特に高くなる。Tc(330)が1.1以上である場合には、第2層5を構成する酸化アルミニウムの結晶がさらにしなり易くなるため、第2層5が破壊されにくくなる。また、Tc(330)が5以下である場合には、被覆層3における第2層5の下方に隣接する層に対する第2層5の密着性が高められるため、第2層5が剥離するおそれを小さくできる。Tc(330)の特に望ましい範囲は1.1〜3である。
When Tc (330) is 1.1 to 5, the wear resistance of the
また、Tc(110)が0.1〜3である場合には、第2層5の耐摩耗性が高められる。
Moreover, when Tc (110) is 0.1-3, the abrasion resistance of the
以下、第2層5における配向係数Tc(hkl)の測定方法について説明する。第2層5のX線回折分析は、一般的なCuKα線を用いたX線回折分析の装置を用いて測定する。X線回折チャートから第2層5の各結晶面のピーク強度を求めるにあたり、JCPDSカードのNo.00−010−0173に記載された各結晶面の回折角を確認して、検出されたピークの結晶面を同定し、そのピーク強度を測定する。
Hereinafter, a method for measuring the orientation coefficient Tc (hkl) in the
また、X線回折分析にて検出されるピークの同定はJCPDSカードを用いて行なうが、被覆層3に存在する残留応力などによってピークの位置がずれることがある。そのために、検出されたピークが第2層5のピークであるかどうかを確認するには、第2層5を研磨した状態でX線回折分析を行ない、研磨される前後で検出されるピークを比較する。この差異によって、第2層5のピークであることを確認することができる。
Moreover, although the peak detected by X-ray diffraction analysis is identified using a JCPDS card, the peak position may be shifted due to residual stress or the like existing in the
Tc(hkl)は、工具1の表面側から第2層5をX線回折分析した場合において検出される各結晶面に帰属されるピークの強度を測定すればよい。まず、第2層5が露出するように被覆層3を研磨する。第2層5が被覆層3における最外層である場合には、研磨は不要である。
Tc (hkl) may be determined by measuring the intensity of the peak attributed to each crystal plane detected when the
第2層5が露出した状態で、被覆層3に対してX線回折分析を行なう。この分析によって得られた各結晶面でのピーク強度を測定することによって、配向係数Tc(hkl)が算出される。なお、被覆層3を研磨する際には、第2層5の一部(例えば、第2層5の厚みの20%以下)が除去されてもよい。
X-ray diffraction analysis is performed on the
研磨は、ダイヤモンド砥粒を用いたブラシ加工、弾性砥石による加工、又はブラスト加工などで行なえばよい。 Polishing may be performed by brush processing using diamond abrasive grains, processing by an elastic grindstone, or blast processing.
第2層5は単層の構成であってもよいが、本実施形態における第2層5は、第1酸化アルミニウム層5aと、第1酸化アルミニウム層5aの上に位置する第2酸化アルミニウム層5bとを有している。
Although the
このとき、第1酸化アルミニウム層5aの配向係数をTca(hkl)とするとともに、第2酸化アルミニウム層5bの配向係数をTcb(hkl)とした際に、Tca(330)がTcb(330)よりも小さい場合には、第2層5の密着性をより一層高めることができる。
At this time, when the orientation coefficient of the first aluminum oxide layer 5a is Tca (hkl) and the orientation coefficient of the second aluminum oxide layer 5b is Tcb (hkl), Tca (330) is more than Tcb (330). Is smaller, the adhesion of the
これは、第1酸化アルミニウム層5a及び第2酸化アルミニウム層5bのうち、基体2の近くに位置する第1酸化アルミニウム層5aの配向係数であるTca(hkl)が相対的に小さい場合には、第2層5全体がしなり易い一方で、第2層5に対して下方において隣接する層との熱膨張率の差が小さくなり、第2層5が剥離するおそれを小さくできるからである。
This is because when the first aluminum oxide layer 5a and the second aluminum oxide layer 5b have a relatively small Tca (hkl), which is the orientation coefficient of the first aluminum oxide layer 5a located near the
なお、I(hkl)が、第2層5を工具1の表面側からX線回折分析した場合において検出される各結晶面に帰属されるピークの強度を示していることから、第2層5が第1酸化アルミニウム層5a及び第2酸化アルミニウム層5bの2層構成である本実施形態においては、Tcb(hkl)とTc(hkl)とが概ね同じ値となる。
Since I (hkl) indicates the intensity of the peak attributed to each crystal plane detected when the
すなわち、第2層5が第1酸化アルミニウム層5a及び第2酸化アルミニウム層5bの2層構成において、Tca(330)がTc(330)よりも小さい場合には、第2層5の密着性をより一層高めることができる、と言い換えてもよい。Tca(330)の範囲は特に限定されるものではないが、例えば、0.5〜1.2に設定できる。
That is, when the
第2層5が第1酸化アルミニウム層5a及び第2酸化アルミニウム層5bを有している場合におけるTca(hkl)及びTcb(hkl)の測定は下記のように行なえばよい。
When the
まず、工具1の表面側に位置する第2酸化アルミニウム層5bが露出するように被覆層3を研磨する。第2酸化アルミニウム層5bが被覆層3における最外層である場合には、研磨は不要である。第2酸化アルミニウム層5bが露出した状態で、被覆層3に対してX線回折分析を行なう。この分析によって得られた各結晶面でのピーク強度を測定することによって、配向係数Tcb(hkl)が算出される。
First, the
次に、第2酸化アルミニウム層5bを研磨除去して第1酸化アルミニウム層5aを露出させる。具体的には、第2酸化アルミニウム層5bの厚みに応じて、第2層5の全体の厚みに対して60〜90%程度を研磨して、第1酸化アルミニウム層5aを露出させる。そして、第1酸化アルミニウム層5aが露出した状態で、被覆層3に対してX線回折分析を行なう。この分析によって得られた各結晶面でのピーク強度を測定することによって、配向係数Tca(hkl)が算出される。
Next, the second aluminum oxide layer 5b is polished and removed to expose the first aluminum oxide layer 5a. Specifically, according to the thickness of the second aluminum oxide layer 5b, about 60 to 90% of the entire thickness of the
本実施形態において、第1面6における配向係数をTc1(hkl)とする。このとき、Tc1(330)が、Tc(330)よりも小さい場合には、第1面6におけるすくい面でのクレータ摩耗の進行を抑制できる。
In the present embodiment, the orientation coefficient on the
Tc1(hkl)の測定は、Tc(hkl)の測定と同様に行なえばよい。具体的には、第2層5における第1面6に位置する部分が露出するように被覆層3を研磨する。第2層5における上記の部分が露出した状態で、被覆層3に対してX線回折分析を行なう。この分析によって得られた各結晶面でのピーク強度を測定することによって、配向係数Tc1(hkl)が算出される。
The measurement of Tc1 (hkl) may be performed in the same manner as the measurement of Tc (hkl). Specifically, the
第1面6における配向係数Tc1(104)が配向係数Tc(104)よりも小さい場合には、第1面6におけるすくい面でのクレータ摩耗の進行を抑制できる。
When the orientation coefficient Tc1 (104) on the
また、被覆層3が工具1の第1面6及び第3面8に位置している場合において、配向係数Tc(330)と配向係数Tc(110)との比率(Tc(330)/Tc(110))が、配向係数Tc1(330)と配向係数Tc1(110)との比率(Tc1(330)/Tc1(110))よりも大きい場合には、第1面6における第2層5のひずみと、第3面8における第2層5のひずみをともに適正化することができるため、第1面6におけるすくい面でのクレータ摩耗の進行の抑制と、第3面8における逃げ面での耐チッピング性の向上とを両立できる。
Further, when the
また、第3面8のX線回折分析において検出される各結晶面に帰属されるピークの強度I(hkl)のうち、I(116)及びI(104)の一方が最も強く、I(116)及びI(104)のもう一方が二番目に強い場合には、逃げ面を有する第3面8において微小チッピングに起因するフランク摩耗を抑制できる。
Of the peak intensities I (hkl) attributed to each crystal plane detected in the X-ray diffraction analysis of the
被覆層3における第1層4を構成するMT−炭窒化チタンを含有する領域4aは、アセトニトリル(CH3CN)ガスを原料として含み、成膜温度が780〜900℃と比較的低温で成膜した柱状結晶からなる。HT−炭窒化チタンを含有する領域4bは、成膜温度が950〜1100℃と高温で成膜した粒状結晶からなる。The
本実施形態においてHT−炭窒化チタンを含有する領域4bを被覆層3の厚み方向に沿って断面視した場合に、HT−炭窒化チタンを含有する領域4bの表面には第2層5に向かって先細りする三角形形状の突起が形成されている。このような突起を有している場合には、第1層4と第2層5との密着力が高まり、被覆層3の剥離やチッピングを抑えることができる。
In this embodiment, when the
被覆層3は、少なくとも第1層4及び第2層5を有していればよいが、本実施形態における被覆層3は、これらの層に加えて下層12、中間層13、上層14を有している。下層12は、第1層4よりも基体2の近くに位置している。中間層13は第1層4と第2層5との間に位置している。上層14は、第2層5の上に位置している。そのため、本実施形態における被覆層3は、下層12、第1層4、中間層13、第2層5、上層14の順に積層された構成となっている。
The
下層12の材質としては、例えば、窒化チタン(TiN)、炭窒化チタン(TiCN)、炭酸窒化チタン(TiCNO)、窒化クロム(CrN)などが挙げられる。下層12は、これらの材質の1つのみによって構成されていてもよく、また、これらの材質のうち複数によって構成されていてもよい。下層12は、基体2と第1層4との接合性を高めるために用いられる場合があり、このような場合には、下地層とも呼ばれる。下層12の厚みは、例えば、0.1〜1μmに設定できる。
Examples of the material for the
中間層13は、例えば、チタン及び酸素を含有した層であり、具体的には、炭酸化チタン(TiCO)、酸窒化チタン(TiNO)、炭酸窒化チタン(TiCNO)、炭酸化アルミニウムチタン(TiAlCO)、炭酸窒化アルミニウムチタン(TiAlCNO)などを材質の一例として挙げることができる。特に図示しないが、中間層13は例えば下部中間層及び上部中間層の2層によって構成されていてもよい。中間層13が上記の構成である場合には、第2層5を構成する酸化アルミニウム粒子をα型結晶構造にさせ易い。α型結晶構造からなる第2層5は、硬度が高く、被覆層3の耐摩耗性を高めることができる。中間層13の厚みは、例えば、0.05〜1μmに設定できる。
The
なお、中間層13とは、第1層4と第2層5との間に位置する層であることを意味しており、必ずしも被覆層3の全体における厚み方向の中央を含む必要は無い。
The
上層14の材質としては、例えば、下層12と同様に窒化チタン(TiN)、炭窒化チタン(TiCN)、炭酸窒化チタン(TiCNO)、窒化クロム(CrN)などが挙げられる。上層14の厚みは、例えば、0.1〜3μmに設定できる。
Examples of the material of the
なお、各層の厚み及び各層を構成する結晶は、工具1の断面における電子顕微鏡写真(走査型電子顕微鏡(SEM)写真又は透過電子顕微鏡(TEM)写真)を観察することにより、測定することが可能である。また、本実施形態においては、被覆層3の各層を構成する結晶に関して、被覆層3の厚み方向における対象の結晶の長さに対する平均結晶幅の比が平均で0.3以下の状態である場合には、その結晶の形態が柱状であるとする。また、上記の比が平均で0.3を超える場合には、その結晶の形態が粒状であるとする。
The thickness of each layer and the crystals constituting each layer can be measured by observing an electron micrograph (scanning electron microscope (SEM) photograph or transmission electron microscope (TEM) photograph) in the cross section of the
基体2の材質としては、特に限定されるものではないが、例えば、超硬合金、Ti基サーメット及びセラミックスが挙げられる。超硬合金としては、例えば、炭化タングステン(WC)と、周期表第4、5、6族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも1種とを含有する硬質相を、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)等の鉄属金属を含有する結合相にて結合させたものが挙げられる。セラミックスとしては、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素(cBN)が挙げられる。Although it does not specifically limit as a material of the base |
基体2が、上記の材質のうち超硬合金又はTi基サーメットによって構成されている場合には、耐欠損性及び耐摩耗性を高めることができる。なお、用途によっては、基体2は、炭素鋼、高速度鋼及び合金鋼などの金属からなるものであっても良い。
In the case where the
次に、本実施形態に係る被覆工具の製造方法について、工具1の製造方法の一例を参考にして説明する。
Next, a method for manufacturing the coated tool according to the present embodiment will be described with reference to an example of a method for manufacturing the
まず、金属炭化物、窒化物、炭窒化物及び酸化物などから選択される無機物粉末に、金属粉末及びカーボン粉末等を適宜添加して、混合する。混合された上記の粉末を、公知の成形方法を用いて所定の形状に成形して成形体を作製する。成形方法としては、例えば、プレス成形、鋳込成形、押出成形及び冷間静水圧プレス成形などが挙げられる。上記の成形体を、真空中又は非酸化性雰囲気中にて焼成することによって基体2を作製する。なお、必要に応じて、基体2の表面に研磨加工又はホーニング加工を施してもよい。
First, metal powder, carbon powder, and the like are appropriately added to and mixed with an inorganic powder selected from metal carbide, nitride, carbonitride, oxide, and the like. The mixed powder is molded into a predetermined shape using a known molding method to produce a molded body. Examples of the molding method include press molding, cast molding, extrusion molding, and cold isostatic pressing. The
次に、基体2の表面に化学気相蒸着(CVD)法によって被覆層3を成膜する。
Next, the
まず、水素(H2)ガスに、0.5〜10体積%の四塩化チタン(TiCl4)ガスと、10〜60体積%の窒素(N2)ガスとを混合して、反応ガスとして用いられる第1混合ガスを作製する。第1混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を800〜940℃、チャンバ内の圧力を8〜50kPaとして、窒化チタン(TiN)を含有する下層12を成膜する。First, hydrogen (H 2 ) gas is mixed with 0.5 to 10% by volume of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas and 10 to 60% by volume of nitrogen (N 2 ) gas and used as a reaction gas. A first mixed gas is produced. The first mixed gas is introduced into the chamber, and the
次に、水素(H2)ガスに、0.5〜10体積%の四塩化チタン(TiCl4)ガスと、5〜60体積%の窒素(N2)ガスと、0.1〜3体積%のアセトニトリル(CH3CN)ガスとを混合して、第2混合ガスを作製する。第2混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を780〜880℃、チャンバ内の圧力を5〜25kPaとして、第1層4におけるMT−炭窒化チタンを含有する領域を成膜する。Next, in hydrogen (H 2 ) gas, 0.5 to 10 vol% titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas, 5 to 60 vol% nitrogen (N 2 ) gas, and 0.1 to 3 vol% Acetonitrile (CH 3 CN) gas is mixed to produce a second mixed gas. A region containing MT-titanium carbonitride in the
このとき、アセトニトリル(CH3CN)ガスの含有比率を成膜初期よりも成膜後期で高くすることによって、第1層を構成する炭窒化チタンの柱状結晶の平均結晶幅を基体2に近い側よりも基体2から離れた側のほうが大きい構成とすることができる。At this time, the average crystal width of the columnar crystals of titanium carbonitride constituting the first layer is closer to the
次に、第1層4におけるHT−炭窒化チタンを含有する領域を成膜する。本実施態様では、水素(H2)ガスに、1〜4体積%の四塩化チタン(TiCl4)ガスと、5〜20体積%の窒素(N2)ガスと、0.1〜10体積%のメタン(CH4)ガスとを混合して、第3混合ガスを作製する。第3混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を900〜1050℃、チャンバ内の圧力を5〜40kPaとして、上記の領域を成膜する。Next, a region containing HT-titanium carbonitride in the
次に、中間層13を作製する。水素(H2)ガスに、3〜15体積%の四塩化チタン(TiCl4)ガスと、3〜10体積%のメタン(CH4)ガスと、0〜25体積%の窒素(N2)ガスと、0.5〜2体積%の一酸化炭素(CO)ガスと、0〜3体積%の三塩化アルミニウム(AlCl3)ガスとを混合して、第4混合ガスを作製する。第4混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を900〜1050℃、チャンバ内の圧力を5〜40kPaとして、中間層13を成膜する。Next, the
中間層13は1つの層で構成されていても、2層以上の多層で構成されていてもよい。なお、中間層13を成膜する際に、窒素(N2)ガスの代わりにをアルゴン(Ar)ガスを用いてもよい。アルゴン(Ar)ガスを用いる場合においては、中間層13の表面に微細な凹凸を形成することができるため、次に成膜される第2層5中の酸化アルミニウム結晶の成長状態を調整し易くなる。The
そして、第2層5を成膜する。第2層5を成膜する際に、最初に酸化アルミニウムの結晶の核を形成してもよい。この核を形成した場合には、Tc(330)の制御が容易になる。また、核を形成した場合には、第2層5における酸化アルミニウム結晶の成長状態が容易に変えられるため、第2層5におけるTca(4010)も容易に制御できる。
Then, the
水素(H2)ガスに、5〜10体積%の三塩化アルミニウム(AlCl3)ガスと、0.1〜1体積%の塩化水素(HCl)ガスと、0.1〜5体積%の二酸化炭素(CO2)ガスとを混合して、第5混合ガスを作製する。第5混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を950〜1100℃、チャンバ内の圧力を5〜10kPaとして、上記の核を形成する。Hydrogen (H 2 ) gas, 5 to 10% by volume aluminum trichloride (AlCl 3 ) gas, 0.1 to 1% by volume hydrogen chloride (HCl) gas, and 0.1 to 5% by volume carbon dioxide (CO 2 ) gas is mixed to prepare a fifth mixed gas. The fifth mixed gas is introduced into the chamber, the film formation temperature is set to 950 to 1100 ° C., and the pressure in the chamber is set to 5 to 10 kPa to form the nucleus.
次に、水素(H2)ガスに、5〜15体積%の三塩化アルミニウム(AlCl3)ガスと、0.5〜2.5体積%の塩化水素(HCl)ガスと、0.5〜5体積%の二酸化炭素(CO2)ガスと、0.1〜1体積%の硫化水素(H2S)ガスとを混合して、第6混合ガスを作製する。第6混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を950〜1100℃、チャンバ内の圧力を5〜20kPaとして、第2層5を成膜する。Next, in hydrogen (H 2 ) gas, 5 to 15% by volume of aluminum trichloride (AlCl 3 ) gas, 0.5 to 2.5% by volume of hydrogen chloride (HCl) gas, and 0.5 to 5%. A sixth mixed gas is prepared by mixing volume% carbon dioxide (CO 2 ) gas and 0.1 to 1 volume% hydrogen sulfide (H 2 S) gas. The sixth mixed gas is introduced into the chamber, the film formation temperature is 950 to 1100 ° C., the pressure in the chamber is 5 to 20 kPa, and the
このとき、パルス電流を用いて0.1〜2分間おきにHClガスの流入/停止を繰り返してもよい。この場合には、第2層5における酸化アルミニウムの結晶の成長状態を調整し易いため、Tc(330)をTc(110)よりも大きくし易くなる。
At this time, the inflow / stop of HCl gas may be repeated every 0.1 to 2 minutes using a pulse current. In this case, since the growth state of the aluminum oxide crystal in the
このとき、例えば、第2層5における第1面6に位置する部分と第3面8に位置する部分のいずれか一方を研磨加工することによって、Tc(330)とTc1(330)との関係を調整することができる。
At this time, for example, the relationship between Tc (330) and Tc1 (330) is obtained by polishing one of the portion located on the
そして、上層(TiN層)を成膜する。水素(H2)ガスに、0.1〜10体積%の四塩化チタン(TiCl4)ガスと、10〜60体積%の窒素(N2)ガスとを混合して第7混合ガスを作製する。第7混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を960〜1100℃、チャンバ内の圧力を10〜85kPaとして、第7混合ガスを成膜する。Then, an upper layer (TiN layer) is formed. A seventh mixed gas is produced by mixing hydrogen (H 2 ) gas with 0.1 to 10% by volume of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas and 10 to 60% by volume of nitrogen (N 2 ) gas. . The seventh mixed gas is introduced into the chamber, the film formation temperature is set to 960 to 1100 ° C., the pressure in the chamber is set to 10 to 85 kPa, and the seventh mixed gas is formed.
その後、必要に応じて、成膜した被覆層3の表面における切刃11が位置する部分を研磨加工する。このような研磨加工を行なった場合には、切刃11への被削材の溶着が抑制され易くなるため、さらに耐欠損性に優れた工具1となる。
Thereafter, if necessary, the portion where the
まず、6質量%の平均粒径1.2μmの金属コバルト粉末と、0.5質量%の平均粒径2μmの炭化チタン粉末と、5質量%の平均粒径2μmの炭化ニオブ粉末とを含有し、残部が平均粒径1.5μmのタングステンカーバイト粉末である混合粉末を作製する。プレス成形を利用して上記の混合粉末を工具形状(CNMG120408)に成形した成形体を作製する。成形体に脱バインダ処理を施した後に、1500℃、0.01Paの真空中において、1時間焼成して基体2を作製した。その後、作製した基体2にブラシ加工を施し、工具1において切刃11となる部分にRホーニングを施した。
First, it contains 6% by mass of metallic cobalt powder having an average particle size of 1.2 μm, 0.5% by mass of titanium carbide powder having an average particle size of 2 μm, and 5% by mass of niobium carbide powder having an average particle size of 2 μm. Then, a mixed powder in which the balance is tungsten carbide powder having an average particle diameter of 1.5 μm is prepared. A compact is produced by molding the above mixed powder into a tool shape (CNMG120408) using press molding. After the binder was removed from the molded body, it was fired in a vacuum of 1500 ° C. and 0.01 Pa for 1 hour to prepare a
次に、上記の基体2に対して、化学気相蒸着(CVD)法により、表1の成膜条件で被覆層3を成膜した。なお、試料No.1〜10については、第2層を成膜した後に第3面8に位置する部分に研磨加工を行なった。表1、2において、各化合物は化学記号で表記した。
Next, the
また、表1には、HClガスの流入方法が、「パルス」及び「通常」と表記されている。「パルス」とは、パルス電流を用いて1分間おきにHClガスの流入/停止が繰り返される方法を意味している。「通常」とは、ポンプを用いて停止されることなくHClガスが流入される方法を意味している。 In Table 1, the inflow method of HCl gas is described as “pulse” and “normal”. “Pulse” means a method in which inflow / stop of HCl gas is repeated every other minute using a pulse current. “Normal” means a method in which HCl gas is introduced without being stopped using a pump.
上記試料について、まず、被覆層3における第1面6に位置する部分において、被覆層3に対して研磨することなくCuKα線によるX線回折分析を行なった。この分析及びJCPDSカードで規定された標準データに基づいて、被覆層3における第1面6に位置する部分α型結晶構造のAl2O3の(330)面、(110)面、(104)面及び(116)面の各結晶面の配向係数Tc(hkl)を算出した。For the sample, first, X-ray diffraction analysis using CuKα rays was performed on the portion of the
次に、被覆層3における第3面8に位置する部分において、被覆層3に対して研磨することなくCuKα線によるX線回折分析を行ない、第2層の表面側におけるピーク(表においては、表面側又は表面側ピークと記載)の同定と、各ピークの強度を測定した。また、表面側におけるピークについて、最も強いピークと2番目に強いピークとを確認するとともに、(330)面、(110)面、(104)面及び(116)面の各結晶面の配向係数Tcb(hkl)を算出した。このとき、Tcb(hkl)はTc(hkl)と同値である。
Next, X-ray diffraction analysis by CuKα rays is performed on the portion of the
また、被覆層3における第3面8に位置する部分において、第2層の全体の厚みに対して60〜90%程度を研磨して第2層5の厚みを研磨前の10〜40%にした上で、X線回折分析を行ない、第2層における基体2の側の部分を残した状態で基体2の側におけるピーク(表中、基体側と記載)を測定し、このピークの同定と、各ピークの強度を測定した。得られた各ピークのピーク強度を用いて、(330)面、(110)面、(104)面及び(116)面の各結晶面の配向係数Tca(hkl)を算出した。
Moreover, in the part located in the
なお、上記X線回折測定は、任意の3つの試料について測定し、その平均値で評価した。また、上記工具1の破断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察し、各層の厚みを測定した。結果を表2〜4に示した。
In addition, the said X-ray-diffraction measurement measured about three arbitrary samples, and evaluated it with the average value. Moreover, the fracture surface of the said
次に、得られた切削工具1を用いて、下記の条件において、連続切削試験及び断続切削試験を行ない、耐摩耗性及び耐欠損性を評価した。結果は表4に示した。
(連続切削条件)
被削材 :クロムモリブデン鋼材(SCM435)
工具形状:CNMG120408
切削速度:300m/分
送り速度:0.3mm/rev
切り込み:1.5mm
切削時間:25分
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:走査型電子顕微鏡にて刃先ホーニング部分を観察し、実際に摩耗している部分において、第1面6における逃げ面でのフランク摩耗の幅と、第3面8におけるすくい面でのクレータ摩耗の幅とを測定した。
(断続切削条件)
被削材 :クロムモリブデン鋼 4本溝入り鋼材(SCM440)
工具形状:CNMG120408
切削速度:300m/分
送り速度:0.3mm/rev
切り込み:1.5mm
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:欠損に至る衝撃回数を測定。Next, using the obtained
(Continuous cutting conditions)
Work Material: Chromium Molybdenum Steel (SCM435)
Tool shape: CNMG120408
Cutting speed: 300 m / min Feeding speed: 0.3 mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Cutting time: 25 minutes Others: Use of water-soluble cutting fluid Evaluation item: The edge honing portion is observed with a scanning electron microscope, and the width of flank wear on the flank face of the
(Intermittent cutting conditions)
Work Material: Chromium Molybdenum Steel Four Grooved Steel (SCM440)
Tool shape: CNMG120408
Cutting speed: 300 m / min Feeding speed: 0.3 mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Others: Use of water-soluble cutting fluid Evaluation item: Measures the number of impacts leading to defects.
表1〜4の結果によれば、Tc(330)がTc(110)と同じか又は小さい試料No.9〜11では、いずれも摩耗の進行が早く、かつ第2層5が衝撃によって剥離しやすいものであった。
According to the results in Tables 1 to 4, the sample No. Tc (330) is the same as or smaller than Tc (110). In Nos. 9 to 11, the wear progressed quickly and the
一方、Tc(330)がTc(110)よりも大きい試料No.1〜8では、第2層5の微小チッピングが抑制されるとともに、剥離もほとんど発生しなかった。特に、Tc(330)が1.1〜5である試料No.1〜5では、フランク摩耗の幅も小さかった。
On the other hand, the sample No. Tc (330) is larger than Tc (110). In 1 to 8, minute chipping of the
また、Tc1(330)がTc(330)よりも小さい試料No.1〜6では、クレータ摩耗の幅が小さく、Tca(330)がTcb(330)よりも小さい試料No.1〜4では、フランク摩耗の幅が小さかった。 In addition, the sample No. Tc1 (330) is smaller than Tc (330). In Nos. 1 to 6, sample widths of crater wear were small and Tca (330) was smaller than Tcb (330). In 1-4, the width of flank wear was small.
さらに、第2層5aの表面側のピークにおいて、(104)面及び(116)面が1番目と2番目に高いピークからなる試料No.1〜7に関しては、フランク摩耗の幅が小さく、衝撃回数も多くなった。また、Tc1(104)が、Tc(104)よりも小さい試料No.1〜6では、クレータ摩耗が小さく、かつ衝撃回数も多くなった。 Further, in the peak on the surface side of the second layer 5a, the sample No. 1 in which the (104) plane and the (116) plane consist of the first and second highest peaks. Regarding 1 to 7, the width of flank wear was small and the number of impacts was also increased. In addition, the sample No. Tc1 (104) is smaller than Tc (104). In 1 to 6, crater wear was small and the number of impacts was increased.
さらに、比率(Tc(330)/Tc(110))が比率(Tc1(330)/Tc1(110))よりも大きい試料No.1〜6では、さらに、クレータ摩耗が少なく、切刃11の欠損に至るまでの衝撃回数も多くなった。
Further, the sample No. 1 in which the ratio (Tc (330) / Tc (110)) is larger than the ratio (Tc1 (330) / Tc1 (110)). In Nos. 1 to 6, the crater wear was further reduced, and the number of impacts until the
1・・・切削工具(工具)
2・・・基体
3・・・被覆層
4・・・第1層
5・・・第2層
6・・・第1面
7・・・第2面
8・・・第3面
11・・切刃
12・・下層
13・・中間層
14・・上層
1 ... Cutting tool (tool)
2 ...
Claims (7)
さらに、前記被覆工具は、第1面と、該第1面の反対に位置する第2面と、前記第1面と前記第2面との間に位置する第3面と、前記第1面と前記第3面との交稜部に切刃とを備え、
前記被覆層は、第1層と第2層とを有し、
前記第1層は、炭窒化チタンを含有し、前記第2層よりも前記基体の近くに位置し、
前記第2層は、酸化アルミニウムを含有し、前記第1層よりも前記基体から遠くに位置し、
前記第3面のX線回折分析において、
(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)及び(330)の結晶面の全てを(HKL)、いずれか1つの結晶面を(hkl)とし、
前記第3面において検出される各結晶面に帰属されるピークの強度をIとし、
各結晶面の標準回折強度をI0とし、
{I(hkl)/I0(hkl)}/〔(1/7)×Σ{I(HKL)/I0(HKL)}〕で配向係数Tc(hkl)を表したとき、
配向係数Tc(330)が、配向係数Tc(110)よりも大きい被覆工具。The coating tool includes a substrate and a coating layer located on the surface of the substrate,
Further, the covering tool includes a first surface, a second surface positioned opposite to the first surface, a third surface positioned between the first surface and the second surface, and the first surface. And a cutting blade at the intersection of the third surface,
The covering layer has a first layer and a second layer,
The first layer contains titanium carbonitride and is located closer to the substrate than the second layer;
The second layer contains aluminum oxide and is located farther from the substrate than the first layer;
In the X-ray diffraction analysis of the third surface,
(012), (104), (110), (113), (024), (116) and (330) are all crystal planes (HKL), and any one crystal plane is (hkl).
The intensity of the peak attributed to each crystal plane detected on the third surface is I,
The standard diffraction intensity of each crystal plane is I 0 ,
When the orientation coefficient Tc (hkl) is represented by {I (hkl) / I 0 (hkl)} / [(1/7) × Σ {I (HKL) / I 0 (HKL)}],
A coated tool having an orientation coefficient Tc (330) larger than the orientation coefficient Tc (110).
前記第1酸化アルミニウム層における前記配向係数Tca(330)が、前記第2酸化アルミニウム層における前記配向係数Tcb(330)よりも小さい請求項1又は2に記載の被覆工具。The second layer has a first aluminum oxide layer and a second aluminum oxide layer located on the first aluminum oxide layer,
The coated tool according to claim 1 or 2, wherein the orientation coefficient Tca (330) in the first aluminum oxide layer is smaller than the orientation coefficient Tcb (330) in the second aluminum oxide layer.
Of the I of the peak intensity attributed to each crystal plane detected in the X-ray diffraction analysis of the third surface, one of I (116) and I (104) is the strongest, and I (116) and I ( The coated tool according to any one of claims 1 to 6, wherein the other of 104) is the second strongest.
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