切削工具用硬涂膜的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于切削工具并且形成在如硬質合金或者金屬陶瓷等硬質基材上的硬涂膜。更具體而言，本發(fā)明涉及具有下述結構的硬涂膜:在如硬質合金等硬質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的納米級多層結構，或者具有其重復層積的結構，使得與通常的多層結構相比韌性和耐磨性均得到改善。
【背景技術】
[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，在對高硬度工件進行高速切削的過程中或者在切削具有低熱導性的難切割材料時，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這樣的層層積而成的多層硬涂膜形成在硬質合金、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要求。
[0004]不過，工件硬度在增加，并且加工具有低熱導性且具有與工具熔著的嚴重趨勢的難切削材料的要求也在增加，因此僅通過開發(fā)具有新物理性質的薄膜組合物或者通過使用簡單的多層結構將變得更加難以回應這樣的要求。
[0005]因此，近來已更多地嘗試通過將兩個以上具有不同物理性質的納米級薄膜規(guī)則地、重復地層積的方法來改善切削性能。
[0006]例如，韓國專利876366號公開了一種薄膜結構，其中通過用下述方式形成的結構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層構成的頂層，它們由TiAlN或者AlTiSiN構成并具有彼此不同的組成。
[0007]通過這樣的多層結構，可以改善耐磨性和耐氧化性，但需要開發(fā)具有新結構的硬涂膜以改善切削工藝所需的各種性質，例如耐磨性、耐沖擊性(韌性)和耐崩裂性。
[0008]為此，本發(fā)明人，如韓國專利1284766號所披露的，公開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構，第一層由AlhCrJ^OJ < X < 0.7)構成，第二層由納米級多層結構或者納米級多層結構重復層積至少兩次的結構構成，所述納米級多層結構包含厚度為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)構成，薄層B和薄層D由T i1-xAlxN(0.3 < X < 0.7)構成，薄層C由Al1-zCrzN(0.3 < z < 0.7)構成，薄層A中的鋁(Al)含量與薄層B中的鋁(Al)含量不同。
[0009]通過上述結構，得到了具有改善的韌性(耐沖擊性)、耐崩裂性和潤滑性的硬涂膜，但仍需要在耐磨性方面進一步改善的硬涂膜。

【發(fā)明內容】

[0010]技術問題
[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，因此能夠進一步延長切削工具的壽命。
[0012]技術方案
[0013]為了克服上述問題，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構，其中，第一層由組成為Ti1-aAla(0.3<a<0.7)的TiAl氮化物構成;第二層具有納米級多層結構或者納米級多層結構重復層積至少兩次的結構，所述納米級多層結構包含厚度為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氮化物構成，薄膜B和薄膜D由組成為Ti1-dAld(0.3 < cK 0.7)的TiAl氮化物構成，薄膜C由組成為Al1-eCre3(0.3 Se <0.7)的AlCr氮化物構成，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，相對于金屬物質的總氮含量可以為(TiAl)1-xNx(0.4< X < 0.6);在第二層中，相對于金屬物質的總氮含量可以為(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，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構的厚度可以為1.Ομπι?20.Ομπι。
[0017]另外，在本發(fā)明的硬涂膜中，所述納米級多層結構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，通過使用TiAlN類單層作為交替/重復層積的單層，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，通過將由單層構成的第一層中的氮含量設置成高于由多層薄膜構成的第二層中的氮含量并且周期性這樣重復，耐沖擊性、耐崩裂性、潤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。
【附圖說明】
[0021]圖1是示意性描繪本發(fā)明的硬涂膜的結構的剖視圖。
[0022]圖2是用于說明在用于形成本發(fā)明的實施方式的涂層的涂布爐內的待涂布的目標和材料的布置的示意圖。
[0023]圖3是顯示本發(fā)明的實施例和比較例的硬薄膜的結構和組成的表格。
[0024]圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的成分分析結果的表格。
[0025]圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的抗裂性(韌性)的評價結果的表格。
[0026]圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的碳鋼銑削試驗的結果的表格。
[0027]圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的合金鋼銑削試驗的結果的表格。
[0028]圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的合金鋼組3隔板銑削試驗。
[0029]圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的碳鋼鉆孔試驗的結果的表格。
[0030]圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例制備的硬薄膜的合金鋼鉆孔試驗的結果的表格。
【具體實施方式】
[0031]在下文中，將參照附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進行詳細說明。不過，本發(fā)明的下述示例性實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施方式。提供本發(fā)明的實施方式是為了向本領域普通技術人員更好地解釋本發(fā)明。而且，會理解的是，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)硬涂膜的結構的剖視圖。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)交替層積的結構。
[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Ti^AlJOJ < a < 0.7)的TiAl氮化物構成。在進行切削操作時，在切削工具上形成高溫和高壓環(huán)境。當鋁(Al)的含量(a)低于0.3時，Al的固溶體強化效果降低，從而在高溫高壓環(huán)境中容易發(fā)生原子間滑動，使得容易發(fā)生磨損和崩裂。結果，工具的壽命降低。當鋁含量超過0.7時，晶體結構從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多層結構或者納米級多層結構重復層積至少兩次的結構，所述納米級多層結構包含層厚度為3nm?20nm的薄層Α、薄層B、薄層C和薄層D。通常，隨著納米級多層間的間隔減小，位錯的產(chǎn)生和移動得到抑制，使得薄膜得到強化。當薄層的厚度小于3nm于是過薄時，在納米級多層之間并抑制位錯的產(chǎn)生和移動的邊界變得模糊，使得通過這兩層之間的相互擴散形成了混合區(qū)。結果，硬度和彈性模量降低，因此有利的是厚度不小于3nm。當厚度超過20nm時，位錯的產(chǎn)生變得更容易，并且位錯的移動變得更容易。因此，硬度和彈性模量降低，并且由于形成失配位錯，共格應變能有所降低，這可能伴隨強化效果的降低。因此，厚度理想地為3n