切削工具用硬質(zhì)涂層的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及切削工具用硬質(zhì)涂層，通過(guò)按薄層A-B-A-C的順序?qū)盈B耐磨損性?xún)?yōu)異的Ti和Al的復(fù)合氮化物層(薄層A)、潤(rùn)滑性?xún)?yōu)異的Al和Cr的復(fù)合氮化物層(薄層B)及韌性和耐崩裂性?xún)?yōu)異且在高溫環(huán)境下潤(rùn)滑性得到提高的Nb、V及Cr中的任意一種的氮化物層(薄層C)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。
【專(zhuān)利說(shuō)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)成為按薄層A-B-A-C的順序?qū)?疊薄層A、薄層B及薄層C而成的納米多層結(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、耐崩裂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(guò)在切削工具的切削面形成耐氧化性和耐磨損性?xún)?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(lèi)等的 母材上形成TiN、A1203、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，目前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(guò)芯片而被排出，而是集中在切削工 具的邊緣部，由此根據(jù)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(guò)上述組成的單層或多層的結(jié)構(gòu)，越來(lái)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)滑性等特性的這樣的用來(lái)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(guò)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(lái)提高切削性能。
[0007] 例如，在韓國(guó)注冊(cè)專(zhuān)利公報(bào)第876366號(hào)中公開(kāi)了如下的薄膜結(jié)構(gòu)：通過(guò)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TiAIN或AlTiSiN構(gòu)成，并由組成各不相問(wèn)的A層、B層、C層及D層構(gòu) 成，并且這些層交替地層疊的結(jié)構(gòu)。
[0008] 通過(guò)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(wèn)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）、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)成為從所述母材起按薄層A-B-A-C的順序?qū)盈B薄層A、薄層B 及薄層C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TihAlxN構(gòu)成，其中0. 3彡x彡0. 7,所述薄層B由AlpyCryN構(gòu)成，其中0. 3彡y彡0. 7， 所述薄層C由MeN構(gòu)成其中Me為Nb、V、Cr中的任意一種。
[0013] 所述薄層A、薄層B及薄層C的平均厚度分別優(yōu)選為3nm?50nm。
[0014] 所述薄層A、薄層B及薄層C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1Um?20iim。
[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(guò)按薄層A-B-A-C的順序?qū)盈B耐磨 損性?xún)?yōu)異的Ti和A1的復(fù)合氮化物層（薄層A)、潤(rùn)滑性?xún)?yōu)異的A1和Cr的復(fù)合氮化物層（薄 層B)及韌性和耐崩裂性?xún)?yōu)異且在高溫環(huán)境下潤(rùn)滑性得到提高的Nb、V及Cr中的任意一種 的氮化物層（薄層C)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)涂層以周期性地反復(fù)的方式層疊強(qiáng)化耐磨損性、潤(rùn) 滑性、韌性和耐崩裂性的薄層，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、韌性和耐崩裂性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)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(shuō)明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員（以下， 稱(chēng)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(guò)各種不同的形態(tài)來(lái)體現(xiàn)，其 范圍不限于在此說(shuō)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按薄層 A-B-A-C的順序?qū)盈B薄層A、薄層B、薄層C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是將以提高耐磨損性和硬度為主要目的的薄層，其組成由 TihAlJ^. 3彡x彡0? 7)構(gòu)成。
[0024] 在所述薄層A中，在A1的含量小于0. 3的情況下，原子的半徑比Ti小的A1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Ti02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(guò)〇. 7的情況下，通過(guò)形成6方晶B4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A1的含量?jī)?yōu)選為0.3以上0.7以下。
[0025] 所述薄層B是以提高潤(rùn)滑性為主要目的的薄層，由AlpyCryNO). 3彡y彡0. 7)的組 成構(gòu)成。
[0026] 在所述Cr的含量小于0. 3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，耐磨損性下降，縮短工具的 壽命，在超過(guò)0. 7的情況下，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Cr的含量?jī)?yōu)選為 0. 3?0. 7。
[0027] 所述薄層C是以提高韌性和耐崩裂性為主要目的的薄層，基本上由破壞韌性及耐 崩裂性?xún)?yōu)異的NbN，VN或CrN構(gòu)成。這樣的薄層C在高溫的作業(yè)環(huán)境下相變化為Nb205,V205 或Cr203，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)，通過(guò)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。
[0028] 如上述，由NbN，VN或CrN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)涂層具備在韌性、耐崩裂性、潤(rùn)滑性、耐磨損性的多個(gè)側(cè) 面上均勻地高的特性。
[0029] 另外，所述薄層A、薄層B及薄層C的平均厚度分別優(yōu)選為3nm?50nm。
[0030] 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(guò)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（mixingzone)，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(guò)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。
[0031] 在僅使所述薄層A、薄層B、薄層C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。
[0032] 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述薄層A、薄層B及薄層C以形成薄層A-B-A-C的納 米多層結(jié)構(gòu)的方式體現(xiàn)，在這樣薄層A、薄層B及薄層C形成薄層A-B-A-C的納米多層結(jié)構(gòu) 的情況下，與薄層A-B-C等這樣的以其他形態(tài)層疊的納米多層結(jié)構(gòu)相比，縮短彼此不同的 彈性系數(shù)之差及格子常數(shù)之差的周期，因此能夠?qū)⑻岣吣湍p性的效果極大化。
[0033] 具備如上述的納米多層結(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1?20ym的平均厚度。
[0034] 如上述，本發(fā)明的特征在于，通過(guò)將TiAIN，AlCrN，TiAIN系薄層和NbN，VN，CrN中 的任一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(rùn)滑性、韌 性、及耐崩裂性等的均勻的提高。
[0035][實(shí)施例]
[0036] 本發(fā)明在包括超硬合金、金屬陶瓷、高速鋼、立銑刀、鉆頭類(lèi)等的硬質(zhì)母材表面上， 利用作為物理氣相沉積法（physicalvapordeposition: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AlCr 靶，對(duì)薄層C使用了Nb，V或Cr靶。將初期真空壓力減壓為8. 5xl(T5T〇rr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。
[0037] 本實(shí)施例通過(guò)上述的涂覆方法，以20nm的平均厚度，以薄膜A-B-A-C的順序?qū)盈B 作為耐磨損層的TiAIN膜（薄膜A)、作為潤(rùn)滑層的AlCrN膜（薄膜B)、作為韌性層的由NbN、 VN及CrN中的任意一種來(lái)構(gòu)成的膜（薄膜C)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3. 4?3. 6ym的本發(fā)明的實(shí)施例的切削工具用硬質(zhì)涂層。
[0038] 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（physicalvapordeposition:PVD)，因此可將薄膜厚度最大形成為20iim程度為止。
[0039] 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)。
[0040]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)成為從所述母材起按薄層A-B-A-C的順序?qū)盈B薄層A、薄層B及薄層 C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^AlJ構(gòu)成，其中0. 3彡X彡0. 7,所述薄層B由Al^Ci^N構(gòu)成，其中0. 3彡y彡0. 7,所 述薄層C由MeN構(gòu)成，其中Me為Nb、V、Cr中的任意一種。
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及薄層C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及薄層C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)】C23C14/14GK104271792SQ201380023064
【公開(kāi)日】2015年1月7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