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，通過依次層疊耐磨損性優(yōu)異的Ti和Al的復(fù)合氮化物層、潤(rùn)滑性優(yōu)異的Al、Ti、Cr的復(fù)合氮化物層、韌性和耐崩裂性優(yōu)異的Nb或V的氮化物層及耐氧化性優(yōu)異的Al、Ti、Si的復(fù)合氮化物層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(rùn)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切削材料的加工中。
【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(rùn)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，需要對(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)于高硬度被切 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(rùn)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(guó)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(rùn)滑性、韌性（耐 沖擊性）及耐氧化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?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Tip xAlxN構(gòu)成，其中 0? 5彡X彡0? 7,所述薄層B由AlmTiyCrzN構(gòu)成，其中0? 3彡y彡0? 6,0〈z彡0? 3,所述薄 層C由MeN構(gòu)成，其中Me為Nb或V，所述薄層D由AUiaSibN構(gòu)成，其中0. 3彡a彡0. 7， 0〈b〈0. 1。
[0013] 所述納米多層結(jié)構(gòu)優(yōu)選從所述母材起按薄層A、薄層B、薄層C及薄層D的順序?qū)?置而成。
[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3nm?50nm。
[0015] 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。
[0016] 所述切削工具用硬質(zhì)涂層的平均厚度優(yōu)選為IU m?20ii m。
[0017] 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。
[0018]發(fā)明效果
[0019] 根據(jù)這樣的本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層，通過依次層疊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、潤(rùn)滑性優(yōu)異的Al、Ti、Cr的復(fù)合氮化物 層、韌性和耐崩裂性優(yōu)異且在高溫環(huán)境下潤(rùn)滑性得到提高的Nb或V的氮化物層及耐氧化性 優(yōu)異的Al、Ti、Si的復(fù)合氮化物層而成的納米多層結(jié)構(gòu)的反復(fù)層疊，能夠均勻地提高耐磨 損性、潤(rùn)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切削材料的加工中。
[0020] S卩，本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層以周期性地反復(fù)的方式層疊強(qiáng)化各個(gè)薄層的耐 磨損性、潤(rùn)滑性、韌性、耐氧化性的薄層，將各個(gè)薄層的功能極大化，從而能夠均衡地提高在 加工難切削材料時(shí)所需的耐磨損性、潤(rùn)滑性、韌性、耐氧化性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 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】
[0022] 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。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。
[0023] 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及薄層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)。
[0024] 所述薄層A是以提高耐磨損性和硬度為主要目的的薄層，其組成由 TihAl xN(C). 5 彡X彡 0? 7)構(gòu)成。
[0025] 在所述薄層A中，在Al的含量小于0. 5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，而在超過〇. 7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Al的含量?jī)?yōu)選為0.5以上0.7以下。
[0026] 所述薄層B是以提高潤(rùn)滑性為主要目的的薄層，由Al1I zTiyCrzN(C). 3彡y彡0. 6， 0〈z < 0. 3)的組成構(gòu)成。
[0027] 在所述薄層B中，Ti優(yōu)選為0.3以上0.6以下，其理由如下：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，而在超過0. 6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。
[0028] 另外，在所述薄層B中包含0. 3以下的Cr,在這樣包括Cr的情況下，能夠顯著提 高潤(rùn)滑性。但是，在Cr的含量超過0. 3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0. 3以下。
[0029] 所述薄層C是以提高韌性和耐崩裂性為主要目的的薄層，基本上由具備較高的破 壞韌性及耐崩裂性的NbN或VN構(gòu)成。這樣的薄層C在高溫的作業(yè)環(huán)境下相變化為V 2O5或 Nb2O5，由此提高潤(rùn)滑特性，在對(duì)柔性相對(duì)高的被切削材料進(jìn)行作業(yè)時(shí)，根據(jù)這樣的潤(rùn)滑特性 的提高而防止涂層與被切削材料一起被脫落出去，從而進(jìn)一步提高耐崩裂性和韌性。
[0030] 如上述，由NbN或VN構(gòu)成的薄層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)涂層在韌性、耐崩裂性、潤(rùn)滑性、耐磨損性的多個(gè)側(cè)面上具備均 高且均衡的特性。
[0031] 所述薄層D是以提高耐氧化性為主要目的的薄層，其具體組成由 Al 1IbTiaSibN(C). 3 彡 a 彡 0? 7,0〈b〈0. 1)構(gòu)成。
[0032] 在所述薄層D中，Ti的含量?jī)?yōu)選為0. 3以上0. 7以下，其理由如下：在Ti的含量 小于〇. 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，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D中包括小于0. 1的Si,這是因?yàn)樵谝孕∮?. 1的少量（適量） 添加Si的情況下，非晶質(zhì)的Si3N4相沿著結(jié)晶質(zhì)的AlTiN相的晶界而形成，將結(jié)晶質(zhì)相的粒 子微細(xì)化，因此提高硬度及耐磨損性，效果理想。并且，在高溫切削加工時(shí)，非晶質(zhì)的Si3N4 相形成SiO2氧化物，起到防止內(nèi)部元素?cái)U(kuò)散到外部的作用，從而能夠提高切削工具的壽命。
[0034] 但是，在所述薄層D中，在Si的含量超過0. 1的情況下，非晶質(zhì)的Si3N4相增加，自 身硬度下降，另外結(jié)晶質(zhì)的AlTiN相的粒子微細(xì)化效果下降，因此有可能導(dǎo)致耐磨損性下 降，因此是不理想的。
[0035] 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。
[0036] 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 強(qiáng)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。
[0037] 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 均厚度為分別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。
[0038] 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述薄層A、薄層B、薄層C、薄層D依次層疊而構(gòu)成 了 A-B-C-D的納米多層結(jié)構(gòu)，但是其構(gòu)成方式不限于此，也可以構(gòu)成為A-D-C-B、B-A-D-C、 D-A-C-B等各種形態(tài)。
[0039] 但是，在本發(fā)明的切削工具用硬質(zhì)涂層形成為影響各個(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)的情況下， 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)選構(gòu)成為薄層A-B-C-D的納米多層結(jié)構(gòu)。
[0040] 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 y m?20 i! m的平均厚度。
[0041] 如上述，本發(fā)明的特征在于，通過將TiAIN、AlTiCrN、AlTiSiN系薄層和NbN或VN 薄層作為組合而形成納米多層結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)涂層整體的耐磨損性、潤(rùn)滑性、韌性、耐 崩裂性及耐氧化性等的均勻的提高。
[0042][實(shí)施例]
[0043] 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-10wt% 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 AlTiCr靶，對(duì)薄層C使用了 Nb或V靶，對(duì)薄層D使用了 AlTiSi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°C?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。
[0044] 本實(shí)施例通過上述的涂覆方法，將作為耐磨損層的TiAlN膜、作為潤(rùn)滑層的 AlTiCrN膜、作為韌性層的NbN膜或VN膜、作為耐氧化層的AlTiSiN膜以28?3Inm的平均 厚度依次層疊而形成了納米多層結(jié)構(gòu)，并且反復(fù)形成這樣的納米多層結(jié)構(gòu)而完成了總厚度 為3. 4?3. 6 ii m的本發(fā)明的實(shí)施例的切削工具用硬質(zhì)涂層。
[0045] 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程度為止。
[0046] 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)。
[0047][表1]
[0048]

【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?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TipxAlxN構(gòu)成，其中0. 5 < X < 0. 7， 所述薄層B由AUiyCrzN構(gòu)成，其中0. 3彡y彡0. 6,0〈z彡0. 3,所述薄層C由MeN構(gòu)成， 其中Me為Nb或V，所述薄層D由AlnbTiaSi bN構(gòu)成，其中0· 3彡a彡0· 7,0〈b〈0. 1。
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， 所述納米多層結(jié)構(gòu)從所述母材起按薄層A、薄層B、薄層C及薄層D的順序?qū)盈B而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2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。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2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。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2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。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2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)】B32B15/01GK104321460SQ201380023044
【公開日】2015年1月28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(guó)冶金株式會(huì)社