用于切削工具的多层薄膜以及包含其的切削工具的制造方法与工艺

本公开涉及一种用于切削工具的多层薄膜，并且更具体地，涉及一种用于切削工具的多层薄膜，其中每个具有几纳米到几十纳米厚度的超晶格薄膜以A-B-C-D或A-B-C-B的形式被堆叠，其能够实现较小的质量变化和优异的耐磨性。

背景技术：
从二十世纪八十年代，为了开发用于具有高硬度的切削工具的材料，已经提出了各种基于TiN的多层膜系统。例如，通过交替地和重复地堆叠TiN或VN形成的几纳米厚度的多层膜提供了由在层之间具有与每个单层的晶格参数的差异无关的、带有共格界面的单晶格参数的所谓的超晶格形成的涂层，并且在这种情况下，与一般的每个单层的硬度相比，能够实现两倍或更高的硬度。因此，已经有将这种现象应用于用于切削工具的薄膜的各种尝试。在这些超晶格涂层中改善的物理性质的原理已经被描述为强化机制(诸如，Koehler模型、Hall-Petch关系、以及共格应变模型)。通过控制A和B之间的晶格参数的差异、A和B之间的弹性模量的差异、或根据A和B材料交替沉积的堆叠期间，实现了这些强化机制。通常，很难通过两种材料的交替堆叠应用两个或更多的强化机制的机制。具体地，在多个批次之间以及一批中的多层薄膜的堆叠期间具有严重偏差的批量生产条件下，难以制造出具有优异的耐磨性、具有均匀质量的多层薄膜。因此，在通过交替堆叠如美国专利第5,700,551号所公开的两种或更多种材料的多层薄膜的形成中，照惯例常见的是，如图1所示，层被堆叠使得在弹性周期(实线)和晶格周期(虚线)彼此一致。然而，在这种情况下，很难同时利用上述各种强化机制，使得在改善多层薄膜的耐磨性上存在限制。此外，组成通过交替堆叠形成的多层薄膜的每个薄膜通常具有非常小的大约几纳米到几十纳米的厚度，当这样形成的多层薄膜被长时间暴露于在切割期间产生的高温环境中时，使得在相邻薄膜之间也存在局限性，其在于通过构成薄膜的部件的相互扩散，多层薄膜的物理性质被恶化。

技术实现要素：
技术问题本公开的目的是在由超晶格形成的多层薄膜的形成中提供一种用于切削工具的多层薄膜，该多层薄膜通过调整多层薄膜的晶格周期和弹性周期具有与传统的超晶格涂层相比改进的耐磨性，使得两种或多种薄膜强化机制对多层薄膜起作用；以及提供一种涂有该多层薄膜的切削工具。本发明的另一个目的是提供一种多层薄膜，其中，构成多层薄膜的薄层间的相互扩散被阻止，并且多层薄膜的强化效果与传统方法相比可以因此持续很长时间；以及提供一种涂有多层薄膜的切削工具。技术方案为了解决上述技术问题，本公开提供一种用于切削工具的多层薄膜，其中，各自以薄层A、B、C和D顺序地堆叠的单元薄膜被堆叠一次以上，其中薄层之间的弹性模量k满足关系kA、kC>kB、kD或kB、kD>kC、kA，以及薄层之间的晶格参数L满足关系LA>LB、LD>LC或LC>LB、LD>LA。在根据本公开的多层薄膜中，优选的是，晶格参数L的最大值和最小值之间的差异为20％或更小。在根据本公开的多层薄膜中，薄层B和D的组成元素可以与邻近于薄层B和D的薄层A和C的组成元素相同，或可以包括薄层A和C的组成元素中的至少一种。在根据本公开的多层薄膜中，多层薄膜的平均晶格周期λL可以是它的平均弹性周期λk的两倍大。在根据本公开的多层薄膜中，单元薄膜可以具有4nm至50nm的厚度。在根据本公开的多层薄膜中，薄层B和D可以由相同材料形成。此外，本公开提供了一种包括该多层薄膜的切削工具。有益效果通过控制构成多层薄膜的薄层之间的晶格参数的差异以及根据本公开的弹性模量的差异形成的多层薄膜可以同时满足用于强化薄膜的强化条件(诸如，弹性模量的大的差异、单元薄膜间的晶格参数的差异的最小化、以及各层之间的热膨胀系数的差异的最小化)，使得因此形成的多层薄膜还可以具有改进的物理性质。此外，根据本公开的多层薄膜使薄层之间的组成差异最小化，并且因此阻止了层之间的相互扩散，由此即使是在高温下的切割环境中也可有利地保持多层薄膜的物理性质很长时间。此外，根据本公开的多层薄膜通过应用两个或多个强化机制具有改进的物理性质，使得即使批次之间具有较大的薄膜厚度的差异，质量变化也是小的。因此，多层薄膜在生产率方面也是有利的。附图说明图1示出了传统的超晶格多层薄膜中的弹性周期和晶格周期之间的关系。图2示出了在根据本公开的超晶格多层薄膜中的弹性周期和晶格周期之间的关系。图3示出了根据本公开的多层薄膜中的薄层间的组成差异。图4是示出了根据基于(Ti1-xAlx)N的薄膜中铝含量的晶格参数的变化的曲线图。图5是示出了根据本公开的示例1的多层薄膜和根据比较例的多层薄膜的车削性能测试结果的照片。图6是示出了根据本公开的示例1的多层薄膜和根据比较例的多层薄膜的铣削性能测试结果的照片。图7是示出了根据本公开的示例2的多层薄膜和根据比较例的多层薄膜的切削性能测试结果的照片。具体实施方式在下文中，将基于其示例性实施方式详细描述本公开，但是本发明构思不限于下面的实施方式。本发明人发现，当弹性周期和晶格周期在单元薄膜的堆叠中被调整为彼此不同而不是使两个周期彼此一致时，两个或多个强化机制(即，Koehler模型机制和Hall-Petch关系机制)可以有效地起作用，特别是在层压超晶格薄膜上，并且因此改善了多层薄膜的耐磨性，并且在与单个强化机制主要起作用于其上的多层薄膜相比的大批量生产中也减小了质量变化，并且最终完成了本发明。根据本公开的多层薄膜是多层薄膜，其中，各自以薄层A、B、C和D顺序地堆叠的单元薄膜被堆叠一次以上，其中，薄层之间的弹性模量k满足关系kA、kC>kB、kD或kB、kD>kC、kA，并且薄层之间的晶格参数L满足关系LA>LB、LD>LC或LC>LB、LD>LA。图2示出了根据本公开的超晶格多层薄膜中弹性周期和晶格周期之间的关系的示例。如图2所示，可以看出，根据本公开的超晶格多层薄膜与图1的不同之处在于，弹性周期(实线)大约是晶格周期(虚线)的两倍大，并且弹性周期和晶格周期因此彼此不一致。在与弹性模量相关的Koehler模型中，描述了当薄膜A和B的厚度变得足够小以至小于或等于对应于大约100个原子层的厚度的20纳米至30纳米时产生的强化效应，这是一种难以产生位错的临界厚度。另一方面，在Hall-petch模型中，其描述了由于晶格参数的差异区分的材料周期，描述了在较低的水平(即，几纳米)产生的强化效应。本发明的概念是弹性周期和晶格周期被调整为相互不一致，使得可以产生两种强化效果。而且，当晶格参数L的最大值和最小值之差大于20％时，难...