JP2001329382A - 耐チッピング性を向上させる表面処理方法 - Google Patents

耐チッピング性を向上させる表面処理方法

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JP2001329382A
JP2001329382A JP2000149527A JP2000149527A JP2001329382A JP 2001329382 A JP2001329382 A JP 2001329382A JP 2000149527 A JP2000149527 A JP 2000149527A JP 2000149527 A JP2000149527 A JP 2000149527A JP 2001329382 A JP2001329382 A JP 2001329382A
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昭弘 後藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐チッピング性を効果的に向上させる表面処
理方法を提供する。 【解決手段】 切削工具60を構成する超硬母材60c
のすくい面60aに放電表面処理方法によって被膜層6
0dを形成する。この被膜層60dを構成する被膜材料
のヤング率は、超硬母材のヤング率よりも小さい。ま
た、この被膜層60dの膜厚は10〜30μmである。
また、この被膜層60dは、傾斜性組織に形成されてい
る。さらに、この被膜層60dを形成後に、ショットピ
ーニング的効果を付与する工程を実施している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、切削工具や金型等
の耐チッピング性を向上させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】切削工具で金型等を加工する場合に切削
工具の刃先にチッピングが生じ易いという問題がある。
また、金型で冷間鍛造等を実施する場合に、チッピング
が生じ易いという問題がある。このチッピングは材料の
強度が低いために発生する。チッピングを防止するに
は、「材料の強度」を「材料にかかるせん断力」より大
きくすることが必要とされる。
【0003】例えば、切削工具に生じるチッピングを防
止する方法として、従来から以下の3つの方法が提案さ
れている。まず、「刃先の強度」を向上させる方法とし
て、(1)工具母材自体を靭性の高い材種に変更するこ
と、(2)工具形状を変更すること、が提案されてい
る。また、「刃先にかかるせん断力」を低減させる方法
として、(3)切削条件を変更すること、が提案されて
いる。しかしながら、(1)および(2)については、
工具費が増加するという問題がある。また、(3)につ
いては、加工時間が増加するという問題がある。
【0004】また、工具表面をPVD処理またはCVD
処理する方法が提案されている。PVD処理では、工具
表面に密着性に優れるコーティング(例えばTiAIN
皮膜)を1〜5μm皮膜する。このPVD処理をする
と、切刃の耐磨耗性が向上して潤滑性が付与されるため
に、切刃に微小クラックが発生するのを抑制する。ただ
し、膜厚が1〜5μmと薄いため、耐チッピング性を向
上する効果はほとんど得られない。CVD処理では、超
硬合金の表面に、Ti系化合物被膜とAlを交互
に積層する。このCVD処理によると、2〜15μmの
多層コーティングが得られる。このCVD処理で形成さ
れる膜厚が10μm以上の場合には、耐チッピング性を
向上させる効果が多少は得られるものの、その効果は非
常に不十分である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、耐チッ
ピング性を効果的に向上させることができる方法を理論
的および実験的に詳細に検討したところ、放電加工によ
る表面処理を施すことによって耐チッピング性を効果的
に向上させることができることを見出した。
【0006】
【課題を解決するための手段および作用と効果】本発明
に係る耐チッピング性を向上させる表面処理方法(耐チ
ッピング性向上方法)は、硬質母材の耐チッピング性を
向上させるにあたって、被膜材料を有する電極と前記硬
質母材との間に放電を発生させて前記硬質母材の表面に
被膜層を形成する放電表面処理方法を選択することを特
徴とする。本発明によれば、硬質母材の表面に高硬度の
被膜層を充分な厚みとなるまで形成し得るので、耐チッ
ピング性を効果的に向上させることができる。従って、
本発明によると、チッピングの発生を防止しながら、切
削工具等の材質を従来のものから代える必要がなく、ま
た、切削条件を高能率なものに維持できる。
【0007】前記耐チッピング性向上方法においては、
前記被膜層を前記硬質母材からなる切削工具のすくい面
に形成することが好ましい。本発明によれば、切削工具
において、チッピングを発生させる要因であるせん断力
がかかるすくい面に被膜層を形成しているため、切削工
具の耐チッピング性をより効果的に向上させることがで
きる。
【0008】前記耐チッピング性向上方法においては、
前記被膜層を構成する前記被膜材料のヤング率を前記硬
質母材のヤング率より小さくすることが好ましい。本発
明によれば、被膜材料のヤング率を硬質母材のヤング率
より小さくしているため、被膜材料の方が硬質母材より
靭性が高くなる。従って、耐チッピング性をより効果的
に向上させることができる。
【0009】前記耐チッピング性向上方法においては、
前記被膜層の膜厚を10〜30μmにすることが好まし
い。本発明によれば、被膜の膜厚を10〜30μmとし
ているため、硬質母材にまですくい面磨耗が容易に進行
しない。従って、耐チッピング性をより一層向上させる
ことができる。
【0010】前記耐チッピング性向上方法においては、
前記被膜層の表面から内部に向かって、前記硬質母材の
構成成分の割合が漸増する傾斜性組織に形成することが
好ましい。本発明によれば、被膜層を傾斜性組織として
いるため、応力を受けた際のひずみ量の差によって硬質
母材と被膜の間に剥離が生じにくくなる。従って、高い
耐チッピング性を長期にわたって維持できる。
【0011】前記耐チッピング性向上方法においては、
前記硬質母材の表面に前記被膜層を形成後、ショットピ
ーニング的効果を付与する工程を実施することが好まし
い。本発明では、硬質母材の表面にショットピーニング
的効果を与えることで被膜層を形成しているため、被膜
層が圧縮応力層に形成されるので、耐チッピング性をよ
り一層に向上させることができる。
【0012】前記耐チッピング性向上方法においては、
前記硬質母材を、超硬合金、サーメット、セラミック
ス、ハイスのいずれか1つとすることが好ましい。本発
明によれば、超硬合金、サーメット、セラミックス、ハ
イスで形成される切削工具、金型等の耐チッピング性を
向上させることができる。
【0013】本発明の他の態様として、請求項1から7
に記載の耐チッピング性向上方法によって切削工具また
は金型の硬質母材の表面に被膜層を形成してもよい。本
発明に係る切削工具または金型によれば、請求項1から
7に記載の耐チッピング性向上方法による作用効果と同
様の作用効果を奏することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】(実施の形態1)本発明の実施の
形態に係る放電表面処理方法に使用する放電加工装置の
構成について図1を用いて説明する。図1は、放電表面
処理装置の構成図である。図1に示す放電表面処理装置
20は、エンドミル(被処理材)22、このエンドミル
22を保持する保持装置26、この保持装置26をモー
タ36に連結された回転軸37を介して回転させるとと
もにZ軸駆動機構34によって矢印Z方向にスライドさ
せるZ軸駆動装置30、前記エンドミル22に改質層を
形成する圧粉体電極24、この圧粉体電極24を保持す
る電極保持装置28等を備えている。前記エンドミル2
2と前記圧粉体電極24は加工槽38内に配置されてい
る。この加工槽38内は、放電加工液40で満たされて
いる。また、この加工槽38は、Xテーブル42および
Yテーブル44上に載置され、X軸駆動機構46および
Y軸駆動機構48によってX軸およびY軸の方向に移動
可能となっている。このため、加工槽38内に配置され
た電極保持装置28もX軸およびY軸方向に移動可能と
なっている。
【0015】また、図1に示す放電表面処理装置20
は、前記エンドミル22の刃先が前記圧粉体電極24に
沿って動くように制御する制御装置50、この制御装置
50に送信するための前記エンドミル22と前記圧粉体
電極24との間の極間距離を検出する極間検出回路5
4、前記エンドミル22と前記圧粉体電極24との間に
放電を発生させる電力を供給する電源装置56等を備え
ている。前記制御装置50は、エンドミル22の刃先の
長さ、刃先の軌跡移動に関する数値データを記憶するメ
モリ、CPUを備えている。
【0016】次に、以上のように構成された放電表面処
理装置20の動作について説明する。まず、圧粉体電極
24を固定した状態で、エンドミル22の刃先が圧粉体
電極24に対し所定の放電間隙となるように、エンドミ
ル22をZ軸駆動装置30およびZ軸駆動機構34によ
ってZ方向にスライドおよびZ方向の軸を中心に回転さ
せることでエンドミル22の位置を制御する。その後、
放電加工液40中において、エンドミル22と圧粉体電
極24との間に電源装置56によって電力を供給して両
者間に放電を発生させる。
【0017】このとき、制御装置50は、Z軸駆動装置
30およびZ軸駆動機構34に対し、エンドミル22の
刃先を圧粉体電極24に沿って移動させるための指令信
号(刃先の軌跡移動を指令する)を送信する。そして、
前記指令信号を受信したZ軸駆動装置30およびZ軸駆
動機構34によって、刃先が圧粉体電極24に沿うよう
にエンドミル22を移動させる。また、制御装置50
は、X軸駆動機構46、Y軸駆動機構48に対し、エン
ドミル22と圧粉体電極24との間の極間距離を所定値
に維持するため、極間制御信号を送信する。そして、前
記極間制御信号を受信したX軸駆動機構46およびY軸
駆動機構48によって、Xテーブル42、Yテ−ブル4
4をXおよびY方向に移動させることで前記エンドミル
22と前記圧粉体電極24との極間距離を一定に維持す
る。上記に示した放電表面処理装置20によって、エン
ドミル22の刃先に被膜層を形成することができる。即
ち、この放電によって圧粉体電極24が消耗し、この圧
粉体電極24の成分であるTiCを中心とした高硬度
(2000〜2500mHV)の被膜層を充分な厚みと
なるまでエンドミル22の刃先に形成することができ
る。
【0018】(実施の形態2)本発明の実施の形態に係
る放電表面処理方法によって、切削工具の刃先のすくい
面に被膜層を形成する場合について説明する。図2に切
削工具の刃先を示した図を示す。図2において60は切
削工具、60aは切削工具の刃先のすくい面、60bは
切削工具の刃先の逃げ面である。また、60cは超硬母
材、60dは被膜層である。切削工具60のすくい面6
0aは、すくい面60aに対して垂直に作用する垂直力
62と、すくい面60aに対して平行に作用する摩擦力
64との2つの力の合力で刃先にチッピングを発生させ
る直接の目安となるせん断力66を受けている。このた
め、このせん断力を受けているすくい面60aに対し、
チッピングの発生を防止する対策を施す必要がある。本
発明の実施の形態に係る放電表面処理方法では、切削工
具60の刃先のすくい面60aに被膜層60dを形成し
ているため、チッピングの発生をより効果的に防止する
ことができる。また、切削工具60の刃先のすくい面6
0aのみの局部処理であれば、放電加工による処理であ
るため、数十秒から数分で表面処理をすることができ
る。
【0019】(実施の形態3)本発明の実施の形態に係
る放電表面処理方法によって、超硬母材のヤング率より
も小さいヤング率の被膜材料によって被膜層を形成する
場合について説明する。エンドミル22とTi系の圧粉
体電極24との間の放電を発生させると、超硬母材のヤ
ング率(45000〜57000kg/mm)よりも
小さいヤング率(32000〜35000kg/m
)のTiC(炭化チタン)を主成分とする被膜層を
エンドミル22の刃先に形成することができる。これ
は、放電加工液40が油であるため、放電の熱で分解し
た油の成分のC(炭素)と電極中のTi(チタン)が熱
により化学反応を起こしてTiCとなるからである。こ
のように、母材である超硬のヤング率よりも小さいヤン
グ率の被膜材料を被覆すると、耐チッピング性をより向
上させることができる。以下、母材である超硬のヤング
率よりも小さいヤング率の被膜材料を被覆すると、耐チ
ッピング性をより向上させることができる理由を説明す
る。
【0020】セラミックス材料に対して引張り試験を行
うと、図3に示すような応力とひずみの関係が得られ
る。横軸72はひずみεを示し、縦軸74は応力σを示
す。応力σを大きくしていくと、塑性変形の始まる降伏
点前で破断が生じ、80に示す時点で脆性破壊と呼ばれ
る現象が生じる。この脆性破壊を生じにくくさせるには
靭性(図3に示す部分の面積76:σ・ε/2)を大き
くする必要がある。なお、靭性とは、材料が破壊するの
に要する単位時間当たりの仕事である。チッピングもこ
の脆性破壊の一態様である。よって、チッピングを生じ
にくくするためには、靭性を大きくする必要がある。
【0021】被覆面と母材に加わる応力σ(荷重)は等
しい。よって、靭性(図3に示す部分の面積76:σ・
ε/2)を大きくするためには、ひずみεを大きくする
必要がある。ここで、応力σは、σ=E・ε(E:ヤン
グ率)で表される。よって、応力σが等しい場合には、
ヤング率Eが小さいほどひずみεが大きくなり、靭性が
高くなる。よって、母材のヤング率Eよりも被膜のヤン
グ率Eを小さくすれば、母材の靭性よりも被膜の靭性の
方が大きくなるため、耐チッピング性をより向上させる
ことができる。具体的には、母材である超硬のヤング率
は、45000〜57000kg/mmであるため、
被膜材料としては、TiCの他には、例えば、ZrC
(26000〜35500kg/mm)、VC(27
300〜27600kg/mm)、NbC(3450
0〜34600kg/mm)、TaC(29000〜
29100kg/mm)等を用いればよい。
【0022】(実施の形態4)本発明の実施の形態に係
る放電表面処理方法によって、被膜層を厚膜化する場合
について説明する。被膜層の厚さはパルス幅τに関係
しており、被膜層を厚膜化するためには、パルス幅τ
を長くすればよい。被膜層の厚さは、チッピングに対す
る効果を十分に得るためには、10μm以上であること
が望ましい。ただし、30μmを超えると切削時に母材
と被膜の間の熱膨張の差が大きくなり、亀裂が生じて剥
離しやすくなるため、30μm以下であることが望まし
い。
【0023】図4に被膜材料の弾性体モデルを示す。図
4に示すように、被膜材料84と超硬母材82にかかる
荷重86(=応力σ)が等しい場合は、σ=E・εであ
るから、超硬母材82よりも被膜材料84のヤング率E
が小さいと、超硬母材82よりも被膜材料84のひずみ
εが大きくなる。この結果、図4に示すように、被膜材
料84を弾性体とみなすことができる。弾性体は厚いほ
ど、被覆面上に受けた荷重86による衝撃を被膜材料8
4で吸収することができる。また、硬質母材にまですく
い面磨耗が容易に進行しない。従って、被膜材料84の
膜厚を厚くすると、耐チッピング性をより一層向上させ
ることができる。
【0024】(実施の形態5)本発明の実施の形態に係
る放電表面処理方法によって、超硬母材に傾斜性組織の
被膜層を形成する場合について図1および図5を用いて
説明する。図5は、図2に示す切削工具の刃先の拡大図
である。図1に示す圧粉体電極24を用いて、一定の放
電エネルギーで放電を発生させて表面処理をすると、図
5に示すように成分に傾斜性を有する被膜層60dを得
ることができる。即ち、被膜層60dの上面部60fで
は、ほぼTiCで形成され、被膜層60dと超硬母材6
0cとの接触面60eに向かうにつれてTiCの量が漸
減するとともに母材の量が漸増する。このため、被膜層
60dは、TiCが単独で形成されているより硬度変化
がなめらかな傾斜性組織となる。
【0025】このように、本実施の形態に係る放電表面
処理方法によれば、被膜層60dを傾斜性組織としてい
るため、ヤング率Eの差で生じる被膜層60dの特性と
硬質母材60cの特性が徐々に変化する。よって、ヤン
グ率Eの差で生じるひずみεの差が被膜層60dと硬質
母材60cの接触面60eの付近で大きくなることはな
い。このため、応力σを受けた際のひずみεの差によっ
て硬質母材60cと被膜層60dの間に剥離が生じるこ
とはない。従って、被膜層60dが傾斜性組織である
と、密着性、耐衝撃性が高くなり、また、熱膨張に対し
ても優れるため、チッピングが容易に発生しないように
なる。
【0026】(実施の形態6)本発明の実施の形態に係
る放電表面処理方法によって、被膜層を圧縮応力層に形
成する場合について説明する。電流値を限りなく0に近
い値に設定し、電圧だけ印加して処理時間を増加させる
と、ショットピーニング的効果が発生し、これによって
チッピングの発生を防止することができる。即ち、電流
値を限りなく0に近い値に設定し、電圧だけ印加して処
理時間を増加させると、母材と電極との極間には加工が
進行しない程度の小さな放電が発生する。この放電加工
時の気化爆発が生じたときの極間における圧力の衝撃に
よって、ショットピーニングにおける物理的な球状粉末
の衝撃と同様の衝撃が超硬母材に作用する。この衝撃に
よって、超硬母材の表面は加工硬化し、表面応力層が圧
縮方向に変化し、圧縮応力層が形成される。このよう
に、被膜層が圧縮応力層に形成されると、耐チッピング
性をより効果的に向上させることができる。
【0027】(実施の形態7)本発明の実施の形態に係
る放電表面処理方法によって表面処理を施したヘリカル
チップ(放電TiCコート)と、表面処理を施していな
いヘリカルチップ(ノーマル)について、以下の条件で
チッピングに対する試験を行った。 (条件1)切削長:約10m、回転数:716min
−1、径切込:1mm、周速:54.0m/min、Z
切込:3mm、送り速度:337mm/min、1刃送
り:0.47mm/刃、加工機:NCフライス盤、被削
材:SKD61、電極:TiC焼結体電極、処理時間:
1min (条件2)切削長:約10m、回転数:1194min
−1、径切込:1mm、周速:90.0m/min、Z
切込:3.3mm、送り速度:561mm/min、1
刃送り:0.47mm/刃、加工機:NCフライス盤、
被削材:SKD61、電極:TiC焼結体電極、処理時
間:1min この結果、条件1および条件2のいずれの場合にも、表
面処理を施していないヘリカルチップ(ノーマル)につ
いてはチッピングが発生したが、表面処理を施したヘリ
カルチップ(放電TiCコート)についてはチッピング
が発生しなかった。このように、本発明の実施の形態に
係る放電表面処理方法をヘリカルチップに適用すれば、
ヘリカルチップの耐チッピング性を向上させることがで
き、工具の長寿命化、工具費の低減を図ることができ
る。
【0028】(実施の形態8)また、本発明の実施の形
態に係る放電表面処理方法によって表面処理を施した打
ち抜きパンチ(放電TiCコート)と、表面処理を施し
ていない打ち抜きパンチ(ノーマル)について、以下の
条件でチッピングに対する試験を行った。条件は、放電
電流:I=1.4、パルス幅:ON=1.0、休止時
間:OFF=6.0、処理時間:端面10min、側面
10minである。なお、放電加工後の面粗さを改善す
るために人手による磨きを実施している。この結果、表
面処理を施していない打ち抜きパンチ(ノーマル)につ
いては50%の確率でチッピングが発生したが、表面処
理を施した打ち抜きパンチ(放電TiCコート)につい
てはチッピングが発生しなかった。このように、本発明
の実施の形態に係る放電表面処理方法を打ち抜きパンチ
に適用すれば、従来、打ち抜きパンチの端面にチッピン
グが発生した場合は、パンチ端面を引き下げ、パンチ長
さをシムで調整していたが、このような調整をする必要
がなくなる。
【0029】以上で説明した本発明の実施の形態に係る
放電表面処理方法によれば、PVDおよびCVD処理に
よる方法に比較して種々の有利な効果を得ることができ
る。例えば、PVDおよびCVD処理の場合は、被膜層
の厚さは約15μmが上限であるのに対し、放電加工に
よる表面処理の場合は、被膜層の厚さを30μmとする
ことも容易である。また、PVDおよびCVD処理に比
較して、被膜の密着性を強くすることができる。また、
PVDおよびCVD処理では、被膜層を傾斜性組織にす
ることが1回の処理では不可能であるのに対し、放電加
工による表面処理では、1回の処理で可能である。ま
た、表面処理の際の処理時間も短い(特に、すくい面の
みの局部処理の場合は、数十秒から数分程度)。また、
真空槽など特殊な装置を必要としないので面倒な洗浄も
不要であり、どの製造元の切削工具等であっても表面処
理を行うことが可能である。従って、PVDおよびCV
D処理に比較して、短時間に、容易に表面処理を行うこ
とができる。
【0030】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上記の実施の形態になんら限定されるも
のではなく、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変
更、改良を施した形態で実施することができる。例え
ば、本発明の実施の形態では超硬母材について説明をし
たが、母材は、サーメット、セラミックス、ハイス等で
あってもよい。即ち、従来、高速切削における耐酸化
性、耐塑性変形性、耐磨耗性、耐溶着性等にすぐれてい
ながら、脆くて、チッピングが発生しやすいという欠点
のためにあまり使用されていなかったサーメット、セラ
ミックス等に本発明を適用することでこれらの材料の適
用範囲を拡大することができる。また、本発明の実施の
形態では、切削工具として、エンドミル、ヘリカルチッ
プ、打ち抜きパンチについて説明したが、本発明は、チ
ッピングの発生し得る切削工具全般について適用するこ
とができる。また、本発明の実施の形態では、切削工具
について説明したが、本発明は、金型のチッピング防止
についても適用することができる。例えば、冷間鍛造金
型の使用時に、金型先端の成形面には非常に強い圧力が
かかるため、チッピングが生じやすいが、本発明を金型
に適用することにより、チッピングの発生を防止するこ
とができる。また、加工の種類は、大荒加工、荒加工、
中仕上加工、仕上加工等、チッピングの発生し得る加工
全般について適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】放電表面処理装置の構成図
【図2】切削工具の刃先を示した図
【図3】応力とひずみの関係を示した図
【図4】被膜材料の弾性体モデル
【図5】切削工具の刃先の傾斜性組織を示した図
【符号の説明】
60…切削工具 60c…超硬母材 60d…被膜層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B23P 15/28 B23P 15/28 A C04B 41/87 C04B 41/87 N (72)発明者 渡辺 一樹 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 幸地 正信 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 毛呂 俊夫 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 後藤 昭弘 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 3C022 KK02 3C046 FF02 FF03 FF04 FF05 FF10 FF18 FF25 3C059 AA01 AB01 HA03 HA07 4E050 JA01 JA03 JB06 JB09 JC05 JD03 4K044 AA09 AB10 BA18 BB01 BC01 CA36 CA39 CA67

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 硬質母材の耐チッピング性を向上させる
    にあたって、被膜材料を有する電極と前記硬質母材との
    間に放電を発生させて前記硬質母材の表面に被膜層を形
    成する放電表面処理方法を選択することを特徴とする耐
    チッピング性を向上させる表面処理方法。
  2. 【請求項2】 前記被膜層を前記硬質母材から構成され
    る切削工具のすくい面に形成することを特徴とする請求
    項1に記載の耐チッピング性向上方法。
  3. 【請求項3】 前記被膜層を構成する前記被膜材料のヤ
    ング率を前記硬質母材のヤング率より小さくすることを
    特徴とする請求項1に記載の耐チッピング性向上方法。
  4. 【請求項4】 前記被膜層の膜厚を10〜30μmにす
    ることを特徴とする請求項1に記載の耐チッピング性向
    上方法。
  5. 【請求項5】 前記被膜層の表面から内部に向かって、
    前記硬質母材の構成成分の割合が漸増する傾斜性組織に
    形成することを特徴とする請求項1に記載の耐チッピン
    グ性向上方法。
  6. 【請求項6】 前記硬質母材の表面に前記被膜層を形成
    後、ショットピーニング的効果を付与する工程を実施す
    ることを特徴とする請求項1に記載の耐チッピング性向
    上方法。
  7. 【請求項7】 前記硬質母材を、超硬合金、サーメッ
    ト、セラミックス、ハイスのいずれか1つとすることを
    特徴とする請求項1から6に記載の耐チッピング性向上
    方法。
  8. 【請求項8】 請求項1から7に記載の耐チッピング性
    向上方法によって硬質母材の表面に被膜層が形成された
    切削工具または金型。
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