切削工具用硬涂膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于切削工具并且形成在如硬質(zhì)合金或者金屬陶瓷等硬質(zhì)基材上的硬涂膜。更具體而言，本發(fā)明涉及具有下述結(jié)構(gòu)的硬涂膜:在如硬質(zhì)合金等硬質(zhì)基材上相鄰地形成的下層和在下層上形成的上層交替層積。上層具有包含薄層A、薄層B、薄層C和薄層D的納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)，或者具有其重復(fù)層積的結(jié)構(gòu)，使得與通常的多層結(jié)構(gòu)相比韌性和耐磨性均得到改善。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)趨向于精密度、速度和大批量生產(chǎn)，存在改善切削工具的切削性能和壽命的需求。特別是，在對(duì)高硬度工件進(jìn)行高速切削的過(guò)程中或者在切削具有低熱導(dǎo)性的難切割材料時(shí)，在受工件摩擦的插入體的末端局部產(chǎn)生至少900°C的高熱。通過(guò)在插入體的切削表面形成具有極好的耐氧化性和耐磨性的硬涂膜，可以延長(zhǎng)切削工具的壽命。
[0003]通常，具有耐磨性、耐氧化性或者耐沖擊性等的如TiN、Al203、TiAlN、AlTiN或者AlCrN等單層硬涂膜或者至少兩個(gè)這樣的層層積而成的多層硬涂膜形成在硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立銑刀或者鉆頭等的基材上，以滿足高硬度工件或者難切削材料的有關(guān)要求。
[0004]不過(guò)，工件硬度在增加，并且加工具有低熱導(dǎo)性且具有與工具熔著的嚴(yán)重趨勢(shì)的難切削材料的要求也在增加，因此僅通過(guò)開(kāi)發(fā)具有新物理性質(zhì)的薄膜組合物或者通過(guò)使用簡(jiǎn)單的多層結(jié)構(gòu)將變得更加難以回應(yīng)這樣的要求。
[0005]因此，近來(lái)已更多地嘗試通過(guò)將兩個(gè)以上具有不同物理性質(zhì)的納米級(jí)薄膜規(guī)則地、重復(fù)地層積的方法來(lái)改善切削性能。
[0006]例如，韓國(guó)專利876366號(hào)公開(kāi)了一種薄膜結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)用下述方式形成的結(jié)構(gòu)改善了頂層的耐蝕性和耐氧化性:在插入體、立銑刀、鉆頭或者金屬陶瓷工具(其是硬質(zhì)合金工具)上沉積底層，使用物理氣相沉積(PVD)以改善粘合性以及(200)面的晶體取向，并依次沉積(Ti，A1)N多層薄膜(即中間層)和隨后的由A層、B層、C層和D層構(gòu)成的頂層，它們由TiAlN或者AlTiSiN構(gòu)成并具有彼此不同的組成。
[0007]通過(guò)這樣的多層結(jié)構(gòu)，可以改善耐磨性和耐氧化性，但需要開(kāi)發(fā)具有新結(jié)構(gòu)的硬涂膜以改善切削工藝所需的各種性質(zhì)，例如耐磨性、耐沖擊性(韌性)和耐崩裂性。
[0008]為此，本發(fā)明人，如韓國(guó)專利1284766號(hào)所披露的，公開(kāi)了一種形成在基材的表面上的硬涂膜，該切削工具用硬涂膜的特征在于具有第一層和第二層交替層積的結(jié)構(gòu)，第一層由AlhCrJ^OJ < X < 0.7)構(gòu)成，第二層由納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)或者納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)重復(fù)層積至少兩次的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)包含厚度為3nm?20nm的薄層A、薄層B、薄層C和薄層D，薄層A由Al I—a-bTiaSibN (0.3仝a仝0.7,0仝b仝0.1)構(gòu)成，薄層B和薄層D由T i1-xAlxN(0.3 < X < 0.7)構(gòu)成，薄層C由Al1-zCrzN(0.3 < z < 0.7)構(gòu)成，薄層A中的鋁(Al)含量與薄層B中的鋁(Al)含量不同。
[0009]通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，得到了具有改善的韌性(耐沖擊性)、耐崩裂性和潤(rùn)滑性的硬涂膜，但仍需要在耐磨性方面進(jìn)一步改善的硬涂膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問(wèn)題
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種切削工具用硬涂膜，所述硬涂膜在韌性(耐沖擊性)、耐崩裂性和潤(rùn)滑性等方面得到總體改善，特別是具有顯著改善的耐磨性，因此能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)切削工具的壽命。
[0012]技術(shù)方案
[0013]為了克服上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種切削工具用硬涂膜，所述硬涂膜形成在基材的表面上，并具有第一層和第二層交替層積至少兩次的結(jié)構(gòu)，其中，第一層由組成為T(mén)i1-aAla(0.3<a<0.7)的TiAl氮化物構(gòu)成;第二層具有納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)或者納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)重復(fù)層積至少兩次的結(jié)構(gòu)，所述納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)包含厚度為3nm?20nm的薄層A、薄層B、薄層C和薄層D，其中薄層A由組成為Al1-b—cTibSic(0.3<b<0.7，0<c<0.1)的AlTiSi氮化物構(gòu)成，薄膜B和薄膜D由組成為T(mén)i1-dAld(0.3 < cK 0.7)的TiAl氮化物構(gòu)成，薄膜C由組成為Al1-eCre3(0.3 Se <0.7)的AlCr氮化物構(gòu)成，薄層A中的鋁(Al)含量與薄層B中的鋁含量不同，第一層中的氮含量大于第二層中的氮含量。
[0014]而且，在本發(fā)明的硬涂膜中，在第一層中，相對(duì)于金屬物質(zhì)的總氮含量可以為(TiAl)1-xNx(0.4< X < 0.6);在第二層中，相對(duì)于金屬物質(zhì)的總氮含量可以為(AlTiCrSi)1-yNy(0.1 <y <0.5)o
[0015]另外，在本發(fā)明的硬涂膜中，在交替層積第一層和第二層時(shí)，氮含量的差異可以以規(guī)則的間隔受到控制。
[0016]而且，在本發(fā)明的硬涂膜中，第一層的厚度與第二層的厚度之比(T1ZiT2)可以為至少0.1并小于1.0;第一層和第二層的交替層積結(jié)構(gòu)的厚度可以為1.Ομπι?20.Ομπι。
[0017]另外，在本發(fā)明的硬涂膜中，所述納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)可以具有依次層積的薄層A、B、C和D 0
[0018]有益效果
[0019]與通常的硬涂膜不同，在本發(fā)明的切削工具用硬涂膜中，通過(guò)使用TiAlN類單層作為交替/重復(fù)層積的單層，可以獲得與通常的硬涂膜相比具有改善的耐磨性的硬涂膜。
[0020]而且，通過(guò)將由單層構(gòu)成的第一層中的氮含量設(shè)置成高于由多層薄膜構(gòu)成的第二層中的氮含量并且周期性這樣重復(fù)，耐沖擊性、耐崩裂性、潤(rùn)滑性以及特別是耐磨性得到改善，使得切削工具的壽命在各種環(huán)境中延長(zhǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是示意性描繪本發(fā)明的硬涂膜的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0022]圖2是用于說(shuō)明在用于形成本發(fā)明的實(shí)施方式的涂層的涂布爐內(nèi)的待涂布的目標(biāo)和材料的布置的示意圖。
[0023]圖3是顯示本發(fā)明的實(shí)施例和比較例的硬薄膜的結(jié)構(gòu)和組成的表格。
[0024]圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的成分分析結(jié)果的表格。
[0025]圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的抗裂性(韌性)的評(píng)價(jià)結(jié)果的表格。
[0026]圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的碳鋼銑削試驗(yàn)的結(jié)果的表格。
[0027]圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的合金鋼銑削試驗(yàn)的結(jié)果的表格。
[0028]圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的合金鋼組3隔板銑削試驗(yàn)。
[0029]圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的碳鋼鉆孔試驗(yàn)的結(jié)果的表格。
[0030]圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和比較例制備的硬薄膜的合金鋼鉆孔試驗(yàn)的結(jié)果的表格。
【具體實(shí)施方式】
[0031]在下文中，將參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。不過(guò)，本發(fā)明的下述示例性實(shí)施方式可以以不同形式修改，本發(fā)明的范圍不限于下述實(shí)施方式。提供本發(fā)明的實(shí)施方式是為了向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更好地解釋本發(fā)明。而且，會(huì)理解的是，附圖中的區(qū)域或者膜的尺寸或者厚度可能被夸大以更好地理解本發(fā)明。
[0032]圖1是示意性描繪本發(fā)明的用于切削工具的物理氣相沉積(PVD)硬涂膜的結(jié)構(gòu)的剖視圖。如所示的，本發(fā)明的硬涂膜的特征在于具有形成在基材上的第一層(下層)和形成在第一層上的第二層(耐摩層)交替層積的結(jié)構(gòu)。
[0033]第一層是主要目的是改善韌性(耐沖擊性)的薄膜，其組成的特征在于，其由組成為T(mén)i^AlJOJ < a < 0.7)的TiAl氮化物構(gòu)成。在進(jìn)行切削操作時(shí)，在切削工具上形成高溫和高壓環(huán)境。當(dāng)鋁(Al)的含量(a)低于0.3時(shí)，Al的固溶體強(qiáng)化效果降低，從而在高溫高壓環(huán)境中容易發(fā)生原子間滑動(dòng)，使得容易發(fā)生磨損和崩裂。結(jié)果，工具的壽命降低。當(dāng)鋁含量超過(guò)0.7時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)從f cc-TiAIN變?yōu)閔cp-AlTiN，因此，由于脆性增加使得耐磨性降低并且容易發(fā)生崩裂和損傷等，所以工具的壽命降低。因此，鋁(Al)的含量(a)理想地為0.3?0.7。
[0034]另外，第一層的單位厚度理想地為Ο.ΟΙμηι?ΙΟμπι。
[0035]第二層是主要改善耐磨性的薄膜，特征在于具有納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)或者納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)重復(fù)層積至少兩次的結(jié)構(gòu)，所述納米級(jí)多層結(jié)構(gòu)包含層厚度為3nm?20nm的薄層Α、薄層B、薄層C和薄層D。通常，隨著納米級(jí)多層間的間隔減小，位錯(cuò)的產(chǎn)生和移動(dòng)得到抑制，使得薄膜得到強(qiáng)化。當(dāng)薄層的厚度小于3nm于是過(guò)薄時(shí)，在納米級(jí)多層之間并抑制位錯(cuò)的產(chǎn)生和移動(dòng)的邊界變得模糊，使得通過(guò)這兩層之間的相互擴(kuò)散形成了混合區(qū)。結(jié)果，硬度和彈性模量降低，因此有利的是厚度不小于3nm。當(dāng)厚度超過(guò)20nm時(shí)，位錯(cuò)的產(chǎn)生變得更容易，并且位錯(cuò)的移動(dòng)變得更容易。因此，硬度和彈性模量降低，并且由于形成失配位錯(cuò)，共格應(yīng)變能有所降低，這可能伴隨強(qiáng)化效果的降低。因此，厚度理想地為3n