切削工具用硬質(zhì)涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及切削工具用硬質(zhì)涂層，通過按薄層A-B-C-D的順序?qū)盈B與母材之間的緊貼性和耐磨損性優(yōu)異的Ti和Al的復(fù)合氮化物層(薄層A)、耐磨損性優(yōu)異且在高溫環(huán)境下提高耐氧化性的Al和Ti并且Si、Cr、Nb中的一種以上的復(fù)合氮化物層(薄層B)、耐磨損性優(yōu)異的Al和Ti的復(fù)合氮化物層(薄層C)及抑制裂縫擴(kuò)展且潤滑性優(yōu)異的Al和Cr的氮化物層(薄層D)而形成的納米多層結(jié)構(gòu)的反復(fù)層疊，能夠均勻地提高耐磨損性、潤滑性、韌性、耐崩裂性、耐氧化性等的在切削工具用硬質(zhì)涂層中所需的各種特性，因此適合用于難切削材料的加工。
【專利說明】切削工具用硬質(zhì)涂層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用于切削工具，并形成在超硬合金、金屬陶瓷、高速鋼、立銑刀、鉆 頭、CBN等這樣的硬質(zhì)的母材上的硬質(zhì)涂層，具體地，涉及構(gòu)成為包括薄層A、薄層B、薄層C 及薄層D的納米多層結(jié)構(gòu)或它們的反復(fù)層疊結(jié)構(gòu)，與以往的多層薄膜結(jié)構(gòu)相比，耐磨損性、 潤滑性、韌性及耐氧化性均得到提高的切削工具用硬質(zhì)涂層。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)逐漸被精密化、高速化及大量生產(chǎn)化，要求對(duì)切削工具提高切削性能并 改善壽命。特別是，在進(jìn)行對(duì)高硬度被切削材料的高速切削加工及對(duì)導(dǎo)熱性低的難切削材 料的切削加工時(shí)，在與被切削材料摩擦的切削工具的末端局部地發(fā)生約900°C以上的高熱， 而通過在切削工具的切削面形成耐氧化性和耐磨損性優(yōu)異的硬質(zhì)涂層，從而能夠提高切削 工具的壽命。
[0003] 以往，為了提高切削性能并改善壽命，在超硬合金、金屬陶瓷、立銑刀、鉆頭類等的 母材上形成TiN、A1 203、TiAIN、AlTiN、AlCrN等具備了耐磨損性、耐氧化性或耐沖擊性等的 單層硬質(zhì)涂層或?qū)⑦@些硬質(zhì)涂層層疊2層以上而成的多層硬質(zhì)涂層，從而對(duì)高硬度被切削 材料或難切削材料的要求進(jìn)行了應(yīng)對(duì)。
[0004] 但是，最近被切削材料逐漸被高硬度化，而且對(duì)導(dǎo)熱性低且與工具的熔敷較嚴(yán)重 的難切削材料的加工需求也變高。特別是在不銹鋼、耐熱合金鋼、球墨鑄鐵等的情況下，由 于導(dǎo)熱率低于一般的鋼，在切削加工時(shí)，切削熱不能通過芯片而被排出，而是集中在切削工 具的邊緣部，由此因切削工具與被切削材料的化學(xué)反應(yīng)，在切削工具的邊緣部容易發(fā)生磨 損、熔敷及脫落現(xiàn)象，切削工具的壽命急劇減少。
[0005] 因此，僅通過上述組成的單層或多層的結(jié)構(gòu)，越來越難以應(yīng)對(duì)需要均勻地具備優(yōu) 異的耐磨損性、耐氧化性、潤滑性等特性的用來進(jìn)行難切削材料及鑄鐵的加工的切削工具 的需求。
[0006] 由此，最近試圖通過有規(guī)則地反復(fù)層疊物性不同的2種以上的納米級(jí)的薄膜的方 法來提高切削性能。
[0007] 例如，在韓國注冊(cè)專利公報(bào)第876366號(hào)中公開了如下的薄膜結(jié)構(gòu)：通過物理氣相 沉積（PVD)，在作為超硬合金工具的刀片、立銑刀、鉆頭或金屬陶瓷工具上，為了提高緊貼力 及200面的晶體取向而沉積下層，接著為了提高耐沖擊性和耐崩裂性而沉積作為中間層的 (Ti，Al)N多層薄膜，然后形成最上層，從而提高最上層的耐磨損性和耐氧化性，而所述最上 層具備如下結(jié)構(gòu)：由TiAlN或AlTiSiN構(gòu)成，并由組成各不相問的A層、B層、C層及D層構(gòu) 成，并且這些層交替地層疊。
[0008] 通過上述的多層結(jié)構(gòu)，能夠提高耐磨損性及耐氧化性，但為了均勻地改善耐磨損 性、耐沖擊性（韌性）、耐崩裂性等在切削作業(yè)中所需的各種特性，需要研制新的結(jié)構(gòu)的硬 質(zhì)涂層。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 所要解決的技術(shù)課題
[0010] 為了解決如上述的問題點(diǎn)，本發(fā)明提供整體地提高了耐磨損性、潤滑性、韌性（耐 沖擊性）、耐崩裂性等的切削工具用硬質(zhì)涂層。
[0011] 解決課題的手段
[0012] 為了解決如上述的課題，在本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層中，該硬質(zhì)涂層形成于 母材的表面，所述硬質(zhì)涂層構(gòu)成為按薄層A-B-C-D的順序?qū)盈B薄層A、薄層B、薄層C及薄層 D而成的納米多層結(jié)構(gòu)或?qū)⒃摷{米多層結(jié)構(gòu)反復(fù)層疊兩次以上而成的結(jié)構(gòu)，所述薄層A由 Ti xAl1J構(gòu)成，其中0. 5彡X彡0. 7,所述薄層B由AlmTiyMezN構(gòu)成，其中0. 4彡y彡0. 7， 0〈z彡0. 1，Me為Si、Cr、Nb中的1種以上，所述薄層C由AlJVaN構(gòu)成，其中0. 5彡a彡0. 7， 所述薄層D由AlbCivbN構(gòu)成，其中0. 5彡b彡0. 7。
[0013] 所述薄層A、薄層B、薄層C及薄層D的平均厚度分別優(yōu)選為3nm?50nm。
[0014] 所述薄層A、薄層B、薄層C及薄層D的平均厚度分別優(yōu)選為20nm?40nm。
[0015] 所述切削工具用硬質(zhì)涂層的平均厚度優(yōu)選為I U m?20 ii m。
[0016] 所述切削工具用硬質(zhì)涂層在900°C下進(jìn)行30分鐘的熱化處理后的熱硬度優(yōu)選為 35GPa以上。
[0017] 發(fā)明效果
[0018] 根據(jù)這樣的本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層，通過按薄層A-B-C-D的順序?qū)盈B與母 材之間的緊貼性和普遍地耐磨損性優(yōu)異的Ti和Al的復(fù)合氮化物層（薄層A)、根據(jù)Si, Cr, Nb的固溶強(qiáng)化效果而使得薄膜硬度上升，從而耐磨損性優(yōu)異且在高溫環(huán)境下這些固溶元素 快速形成氧化物而進(jìn)一步大大提高耐氧化性的Al和Ti并且Si、Cr、Nb中的一種以上的復(fù) 合氮化物層（薄層B)、耐磨損性優(yōu)異的Al和Ti的復(fù)合氮化物層（薄層C)及抑制裂縫擴(kuò)展 且潤滑性優(yōu)異的Al和Cr的氮化物層（薄層D)而形成的納米多層結(jié)構(gòu)的反復(fù)層疊，能夠均 勻地提高耐磨損性、潤滑性、韌性、耐崩裂性、耐氧化性等的在切削工具用硬質(zhì)涂層中所需 的各種特性，因此能夠恰當(dāng)?shù)赜糜陔y切削材料的加工。
[0019] 即，本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層按薄層A-B-C-D的順序納米層疊而形成，以周 期性地反復(fù)的方式層疊強(qiáng)化各個(gè)薄層的硬度、耐氧化性及潤滑性的薄層，從而將各個(gè)薄層 的功能極大化，能夠均衡地提高在難切削材料加工時(shí)所需的耐磨損性、潤滑性、韌性、耐崩 裂性及耐氧化性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是概略性地圖示本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層的結(jié)構(gòu)的截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員（以下， 稱為"技術(shù)人員'）能夠容易地實(shí)施本發(fā)明。但是本發(fā)明可通過各種不同的形態(tài)來體現(xiàn)，其 范圍不限于在此說明的實(shí)施例。另外，應(yīng)該理解，在所附的圖中，為了幫助對(duì)本發(fā)明的理解， 將膜或區(qū)域的大小或厚度擴(kuò)大而表示。
[0022] 圖1是概略性地圖示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的切削工具用硬質(zhì)涂層的結(jié)構(gòu)的 截面圖。如圖1所示，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的切削工具用硬質(zhì)涂層具備將在母材上依次層 疊薄層A、薄層B、薄層C、薄層D而構(gòu)成的納米多層結(jié)構(gòu)再反復(fù)層疊兩次以上而形成的結(jié)構(gòu)。
[0023] 所述薄層A和薄層C是以提高與母材之間的緊貼性、耐磨損性及硬度為主要目的 的薄層，其組成分別由Ti xAVxN (0. 5彡X彡0. 7)和AlJVaN (0. 5彡a彡0. 7)構(gòu)成。
[0024] 所述薄層A和薄層C以0. 5至0. 7的比率分別包括Ti和A1，并由Ti含量較多的 Ti和Al的復(fù)合氮化物和Al含量較多的Al和Ti的復(fù)合氮化物構(gòu)成。在TiAlN中，如果Ti 元素的含量多于Al元素的含量，則韌性增加，相對(duì)地硬度減少，如果Al元素的含量多于Ti 元素的含量，則硬度增加，韌性減少。
[0025] 因此，薄層A和薄層C由韌性強(qiáng)的Ti和Al的復(fù)合氮化物和硬度強(qiáng)的Ti和Al的 復(fù)合氮化物構(gòu)成，將該薄層A和薄層C以在中間隔著薄層B或薄層D的方式交替層疊，從而 形成韌性和硬度均衡地得到提高的硬質(zhì)涂層。
[0026] 另外，在薄層A中，在Ti的含量超過0. 7的情況下（在Al的含量小于0. 3的情況 下），原子的半徑比Ti小的Al被替代，被固溶的量減少，因此薄膜的耐磨損性及硬度下降， 在切削加工時(shí)，在高溫的環(huán)境下容易形成TiO 2氧化物，薄膜內(nèi)部的Ti元素被擴(kuò)散到外部， 導(dǎo)致由Ti元素的耗盡引起的高溫硬度下降，因此是不理想的。
[0027] 另外，在薄層B中，在Al的含量超過0. 7的情況下（在Ti的含量小于0. 3的情況 下），通過形成6方晶M結(jié)構(gòu)的相（phase)，導(dǎo)致脆性增加，耐磨損性下降，縮短工具的壽 命，因此是不理想的。
[0028] 因此，在薄層A和薄層B中，優(yōu)選將Ti和Al的含量限制為分別不超過0. 7。
[0029] 這樣，由Ti和Al的復(fù)合氮化物構(gòu)成的薄層A和薄層C與其他組成的薄膜一起形 成納米級(jí)的多層，從而本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層具備在耐磨損性、韌性、耐崩裂性、潤 滑性的多個(gè)方面均勻地高且均衡的特性。
[0030] 另外，薄層A與其他薄層相比，壓縮殘余應(yīng)力低，與母材之間的緊貼力高，因此優(yōu) 選形成在母材上。與此相反地，薄層B和薄層C作為高硬度功能層，根據(jù)各個(gè)元素的固溶強(qiáng) 化效果而具備較高的壓縮殘余應(yīng)力（一般在PVD薄膜的情況下，薄膜硬度越高，壓縮殘余應(yīng) 力也越高），因此在將這樣的薄層B和薄層C形成在母材上的情況下，根據(jù)母材與薄層之間 的壓縮應(yīng)力之差而導(dǎo)致硬質(zhì)涂層的緊貼力下降，因此是不理想的。
[0031] 所述薄層B是以提高耐磨損性和耐氧化性為主要目的的薄層，由 AlmTiyMezMOj彡y彡0.7,0〈z彡0? l，Me是Si、Cr、Nb中的1種以上）的組成構(gòu)成。
[0032] 在所述薄層B中，Ti優(yōu)選為0.4以上0.7以下，其理由如下：在Ti的含量小于0.4 的情況下，通過形成6方晶M結(jié)構(gòu)的相（phase)，導(dǎo)致脆性增加，耐磨損性下降，縮短工具的 壽命，而在超過0. 7的情況下，原子的半徑比Ti小的Al被替代，被固溶的量減少，因此薄膜 的硬度及耐磨損性下降，在切削加工時(shí)，在高溫的環(huán)境下容易形成TiO 2氧化物，薄膜內(nèi)部的 Ti元素被擴(kuò)散到外部，導(dǎo)致由Ti元素的耗盡引起的高溫硬度下降。
[0033] 另外，在所述薄層B中包括0. 1以下的Si、Cr、Nb中的1種以上，在這樣包括Si、 Cr、Nb中的1種以上的情況下，在高溫的切削環(huán)境下形成包括Al 2O3氧化層的Si2O3Xr2O 3或 Nb2O3等的雙性氧化物，能夠顯著提高硬質(zhì)涂層的耐氧化性。這樣，Si、Cr、Nb中的1種以上 固溶強(qiáng)化到AlTiN結(jié)晶結(jié)構(gòu)，能夠提高薄膜的耐氧化性及硬度（特別是熱硬度）。
[0034] 但是，在Si、Cr、Nb中的1種以上的含量超過0. 1的情況下，在形成粗大的薄膜組 織的同時(shí)，在進(jìn)行切削加工時(shí)如果暴露于高溫的環(huán)境，則形成Cr2N等的偏析，導(dǎo)致耐磨損性 下降，縮短工具的壽命，因此其含量?jī)?yōu)選限定為〇. 1以下。
[0035] 所述薄層D是以提高硬質(zhì)涂層的潤滑性和韌性（耐沖擊性）并抑制裂縫擴(kuò)展為主 要目的的薄層，其具體組成由Al bCivbN (0. 5彡b彡0. 7)構(gòu)成。
[0036] 在所述薄層D中，Al的含量?jī)?yōu)選為0. 5以上0. 7以下，其理由如下：在Al的含量 小于〇. 5的情況下，即在Cr的含量為0. 5以上的情況下，在形成粗大的薄膜組織的同時(shí)， 在進(jìn)行切削加工這樣的伴隨高溫的作業(yè)時(shí)，形成Cr2N的偏析，導(dǎo)致耐磨損性下降，縮短工具 的壽命，因此是不理想的，而在Al的含量超過0. 7的情況下，即在Cr的含量為0. 3以下的 情況下，絕緣性變高，在裝置的特性上難以進(jìn)行DC沉積，并且形成hcp-AlCrN而并非形成 fcc-AlCrN，由此脆性增加，韌性和耐磨損性下降，縮短工具的壽命，因此是不理想的。
[0037] 另外，所述薄層A，薄層B，薄層C，薄層D的平均厚度分別優(yōu)選為3nm?50nm。
[0038] 這是因?yàn)槿缦略颍阂话慵{米多層的周期越減小，越抑制電位的生成和移動(dòng)，從而 硬化薄膜，在薄層的厚度小于3nm而過薄的情況下，抑制電位的生成和移動(dòng)的納米多層之 間的界限不明確，并根據(jù)兩層之間的相互擴(kuò)散而形成混合區(qū)域（mixing zone)，導(dǎo)致硬度及 彈性系數(shù)下降，因此優(yōu)選形成為不小于3nm，在超過50nm的情況下，容易導(dǎo)致電位的生成及 移動(dòng)，因此不僅硬度及彈性系數(shù)下降，而且形成不一致（misfit)電位，從而減少整合變形能 量，導(dǎo)致降低強(qiáng)化效果的現(xiàn)象，因此是不理想的。
[0039] 在僅使所述薄層A、薄層B、薄層C、薄層D的厚度不同的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可知，在平 均厚度分別為20nm?40nm時(shí)，各個(gè)薄層之間的界面能夠獲得抑制由塑性變形引起的電位 (dislocation)移動(dòng)的優(yōu)異的界面強(qiáng)化效果，因此最為優(yōu)選。
[0040] 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，依次層疊具備普遍優(yōu)異的緊貼力、耐磨損性、韌性的特 性的薄層A、通過根據(jù)固溶元素而實(shí)現(xiàn)的固溶強(qiáng)化效果而提高耐磨損性和耐氧化性的薄層 B、作為追加性地彌補(bǔ)耐磨損性的功能層的薄層C、作為提高薄層A-B-C的韌性和潤滑性的 層而起作用的薄層D而形成了 A-B-C-D的納米多層結(jié)構(gòu)，在形成這樣的薄層A-B-C-D的納 米多層結(jié)構(gòu)的情況下，相互彌補(bǔ)各個(gè)薄層所具備的缺點(diǎn)，能夠均衡地提高耐磨損性、耐氧化 性、韌性及潤滑性。
[0041] 特別是，通過影響各個(gè)薄層的耐磨損性和韌性的各層的薄膜硬度（及殘余應(yīng)力） 周期性地被波動(dòng)（oscillation)而層疊的結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)提高顯示彼此相對(duì)的特性的耐磨 損性和韌性，因此本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層優(yōu)選體現(xiàn)為薄層A-B-C-D的納米多層結(jié) 構(gòu)。
[0042] 具備這樣的納米多層結(jié)構(gòu)或?qū)⒃摷{米多層結(jié)構(gòu)反復(fù)層疊兩次以上的結(jié)構(gòu)的本發(fā) 明的切削工具用硬質(zhì)涂層優(yōu)選具備I U m?20 ii m的平均厚度。
[0043] 如上述，本發(fā)明的特征在于，通過將TiAIN、AlTiMeN(Me為Si、Cr、Nb中的一種以 上）、AlTiN、AlCrN系薄層依次層疊而形成納米多層結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)涂層整體的耐磨損 性、潤滑性、韌性、耐崩裂性、及耐氧化性等的均勻的提高。
[0044] [實(shí)施例]
[0045] 本發(fā)明在包括超硬合金、金屬陶瓷、高速鋼、立銑刀、鉆頭類等的硬質(zhì)母材表面上， 利用作為物理氣相沉積法（physical vapor deposition:PVD)的電弧離子鍍，在WC-lOwt% Co的母材上涂覆形成了硬質(zhì)薄膜，在涂覆時(shí)，對(duì)薄層A使用了 TiAl靶，對(duì)薄層B使用了 AlTiSi靶、AlTiCr靶或TiAlNb靶，對(duì)薄層C使用了 AlTi靶，對(duì)薄層D使用了 AlCr靶。將 初始真空壓力減壓為8. 5 X KT5Torr以下，并作為反應(yīng)氣體而注入了 N2。用于進(jìn)行涂覆的氣 壓為30mTorr以下，優(yōu)選為20mTorr以下，涂覆溫度為400?550°C，在涂覆時(shí)施加的基板偏 壓為-20V?-150V。當(dāng)然，可根據(jù)裝置特性及條件，可采用與實(shí)施例不同的涂覆條件。
[0046] 本實(shí)施例通過上述的涂覆方法，以25nm?45nm的平均厚度依次層疊TiAlN膜、 AlTi (Si, Cr,Nb)N膜、AlTiN膜、AlCrN膜而形成了納米多層結(jié)構(gòu)，并反復(fù)形成這樣的納米多 層結(jié)構(gòu)而完成了總厚度為4. 2 y m?4. 5 y m的本發(fā)明的實(shí)施例的切削工具用硬質(zhì)涂層。
[0047] 當(dāng)然，根據(jù)需要，可在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例而形成的切削工具用硬質(zhì)涂層上追加 地形成各種形態(tài)的薄膜。另外，本發(fā)明的實(shí)施例的切削工具用硬質(zhì)涂層利用物理氣相沉積 法（physical vapor deposition:PVD)，因此可將薄膜厚度最大形成為20 iim程度。
[0048] 下面的表1分別表示關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例而形成的切削工具用硬質(zhì)涂層的 組成、靶組成比例、薄層平均厚度、總涂層厚度及層疊結(jié)構(gòu)。
[0049] [表 1]

【權(quán)利要求】
1. 一種切削工具用硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層形成于母材的表面，其特征在于， 所述硬質(zhì)涂層構(gòu)成為按薄層A-B-C-D的順序?qū)盈B薄層A、薄層B、薄層C及薄層D而成的 納米多層結(jié)構(gòu)或?qū)⒃摷{米多層結(jié)構(gòu)反復(fù)層疊兩次以上而成的結(jié)構(gòu)，所述薄層A由TixAlhN 構(gòu)成，其中〇. 5彡X彡0. 7,所述薄層B由AlmTiyMeJ構(gòu)成，其中0. 4彡y彡0. 7,0〈z彡0. 1， Me為Si、Cr、Nb中的1種以上，所述薄層C由AIJU構(gòu)成，其中0. 5彡a彡0. 7,所述薄 層D由AlbCivbN構(gòu)成，其中0. 5彡b彡0.7。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具用硬質(zhì)涂層，其特征在于， 所述薄層A、薄層B、薄層C及薄層D的平均厚度分別為3nm?50nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具用硬質(zhì)涂層，其特征在于， 所述薄層A、薄層B、薄層C及薄層D的平均厚度分別為20nm?40nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具用硬質(zhì)涂層，其特征在于， 所述切削工具用硬質(zhì)涂層的平均厚度為1 μ m?20 μ m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具用硬質(zhì)涂層，其特征在于， 所述切削工具用硬質(zhì)涂層在900°C下進(jìn)行30分鐘的熱化處理后的熱硬度為35GPa以 上。
【文檔編號(hào)】C23C14/14GK104302805SQ201380023101
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月2日
【發(fā)明者】樸帝勛, 康在勛, 安承洙, 金成賢, 李成九, 金正郁, 安鮮蓉, 樸東福 申請(qǐng)人:韓國冶金株式會(huì)社