切削工具用硬质涂层的制作方法
【专利摘要】本发明涉及切削工具用硬质涂层，通过按薄层A-B-A-C的顺序层叠耐磨损性优异的Ti和Al的复合氮化物层(薄层A)、润滑性优异的Al和Cr的复合氮化物层(薄层B)及韧性和耐崩裂性优异且在高温环境下润滑性得到提高的Nb、V及Cr中的任意一种的氮化物层(薄层C)而形成的纳米多层结构的反复层叠，能够均匀地提高耐磨损性、润滑性、韧性、耐崩裂性等的在切削工具用硬质涂层中所需的各种特性，因此能够恰当地用于难切削材料的加工。
【专利说明】切削工具用硬质涂层
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用于切削工具，并形成在超硬合金、金属陶瓷、高速钢、立铣刀、钻 头、CBN等这样的硬质的母材上的硬质涂层，具体地，涉及构成为按薄层A-B-A-C的顺序层 叠薄层A、薄层B及薄层C而成的纳米多层结构或它们的反复层叠结构，与以往的多层薄膜 结构相比，耐磨损性、润滑性、韧性、耐崩裂性均得到提高的切削工具用硬质涂层。
【背景技术】
[0002] 随着工业逐渐被精密化、高速化及大量生产化，需要对切削工具提高切削性能并 改善寿命。特别是，在进行对高硬度被切削材料的高速切削加工及对导热性低的难切削材 料的切削加工时，在与被切削材料摩擦的切削工具的末端局部地发生约900°C以上的高热， 而通过在切削工具的切削面形成耐氧化性和耐磨损性优异的硬质涂层，从而能够提高切削 工具的寿命。
[0003] 以往，为了提高切削性能并改善寿命，在超硬合金、金属陶瓷、立铣刀、钻头类等的 母材上形成TiN、A1203、TiAIN、AlTiN、AlCrN等具备了耐磨损性、耐氧化性或耐冲击性等的 单层硬质涂层或将这些硬质涂层层叠2层以上而成的多层硬质涂层，从而对于高硬度被切 削材料或难切削材料的要求进行了应对。
[0004] 但是，目前被切削材料逐渐被高硬度化，而且对导热性低且与工具的熔敷较严重 的难切削材料的加工需求也变高，特别是在不锈钢、耐热合金钢、球墨铸铁等的情况下，由 于导热率低于一般的钢，在切削加工时，切削热不能通过芯片而被排出，而是集中在切削工 具的边缘部，由此根据切削工具与被切削材料的化学反应，在切削工具的边缘部容易发生 磨损、熔敷及脱落现象，切削工具的寿命急剧减少。
[0005] 因此，仅通过上述组成的单层或多层的结构，越来越难以应对需要均匀地具备优 异的耐磨损性、耐氧化性、润滑性等特性的这样的用来进行难切削材料及铸铁的加工的切 削工具的需求。
[0006] 由此，最近试图通过规则地反复层叠物性不同的2种以上的纳米级的薄膜的方法 来提高切削性能。
[0007] 例如，在韩国注册专利公报第876366号中公开了如下的薄膜结构：通过物理气相 沉积（PVD)，在作为超硬合金工具的刀片、立铣刀、钻头或金属陶瓷工具上，为了提高紧贴力 及200面的晶体取向而沉积下层，接着为了提高耐冲击性和耐崩裂性而沉积作为中间层的 (Ti，Al)N多层薄膜，然后形成最上层，从而提高最上层的耐磨损性和耐氧化性，而所述最上 层具备如下结构：由TiAIN或AlTiSiN构成，并由组成各不相问的A层、B层、C层及D层构 成，并且这些层交替地层叠的结构。
[0008] 通过上述的多层结构，能够提高耐磨损性及耐氧化性，但为了均匀地改善耐磨损 性、耐冲击性（韧性）、耐崩裂性等在切削作业中所需的各种特性，需要研制新的结构的硬 质涂层。
【发明内容】
[0009] 所要解决的技术课题
[0010] 为了解决如上述的问题点，本发明提供整体地提高了耐磨损性、润滑性、韧性（耐 冲击性）、耐崩裂性等的切削工具用硬质涂层。
[0011] 解决课题的手段
[0012] 为了解决如上述的课题，在本发明的切削工具用硬质涂层中，该硬质涂层形成于 母材的表面，所述硬质涂层构成为从所述母材起按薄层A-B-A-C的顺序层叠薄层A、薄层B 及薄层C而成的纳米多层结构或将该纳米多层结构反复层叠两次以上而成的结构，所述薄 层A由TihAlxN构成，其中0. 3彡x彡0. 7,所述薄层B由AlpyCryN构成，其中0. 3彡y彡0. 7， 所述薄层C由MeN构成其中Me为Nb、V、Cr中的任意一种。
[0013] 所述薄层A、薄层B及薄层C的平均厚度分别优选为3nm?50nm。
[0014] 所述薄层A、薄层B及薄层C的平均厚度分别优选为20nm?40nm。
[0015] 所述切削工具用硬质涂层的平均厚度优选为1Um?20iim。
[0016] 所述切削工具用硬质涂层在900°C下进行30分钟的热化处理后的热硬度优选为 35GPa以上。
[0017] 发明效果
[0018] 根据这样的本发明的切削工具用硬质涂层，通过按薄层A-B-A-C的顺序层叠耐磨 损性优异的Ti和A1的复合氮化物层（薄层A)、润滑性优异的A1和Cr的复合氮化物层（薄 层B)及韧性和耐崩裂性优异且在高温环境下润滑性得到提高的Nb、V及Cr中的任意一种 的氮化物层（薄层C)而形成的纳米多层结构的反复层叠，能够均匀地提高耐磨损性、润滑 性、韧性、耐崩裂性等的在切削工具用硬质涂层中所需的各种特性，因此能够恰当地用于难 切削材料的加工。
[0019] 即，本发明的切削工具用硬质涂层以周期性地反复的方式层叠强化耐磨损性、润 滑性、韧性和耐崩裂性的薄层，将各个薄层的功能极大化，从而能够均衡地提高在加工难切 削材料时所需的耐磨损性、润滑性、韧性和耐崩裂性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是概略性地图示本发明的切削工具用硬质涂层的结构的截面图。
【具体实施方式】
[0021] 下面，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明，以使本领域技术人员（以下， 称为"技术人员'）能够容易地实施本发明。但是本发明可通过各种不同的形态来体现，其 范围不限于在此说明的实施例。另外，应该理解，在所附的图中，为了帮助对本发明的理解， 将膜或区域的大小或厚度扩大而表示。
[0022] 图1是概略性地图示根据本发明的优选实施例的切削工具用硬质涂层的结构的 截面图。如图1所示，本发明的优选实施例的切削工具用硬质涂层具备将在母材上按薄层 A-B-A-C的顺序层叠薄层A、薄层B、薄层C而构成的纳米多层结构再反复层叠两次以上而形 成的结构。
[0023]所述薄层A是将以提高耐磨损性和硬度为主要目的的薄层，其组成由 TihAlJ^. 3彡x彡0? 7)构成。
[0024] 在所述薄层A中，在A1的含量小于0. 3的情况下，原子的半径比Ti小的A1被替 代，被固溶的量减少，因此薄膜的耐磨损性及硬度下降，在切削加工时，在高温的环境下容 易形成Ti02氧化物，薄膜内部的Ti元素被扩散到外部，导致由Ti元素的耗尽引起的高温 硬度下降，而在超过〇. 7的情况下，通过形成6方晶B4结构的相（phase)，导致脆性增加，耐 磨损性下降，缩短工具的寿命，因此A1的含量优选为0.3以上0.7以下。
[0025] 所述薄层B是以提高润滑性为主要目的的薄层，由AlpyCryNO). 3彡y彡0. 7)的组 成构成。
[0026] 在所述Cr的含量小于0. 3的情况下，绝缘性变高，在装置的特性上难以进行DC沉 积，并且形成hcp-AlCrN而并非形成fcc-AlCrN，由此脆性增加，耐磨损性下降，缩短工具的 寿命，在超过0. 7的情况下，形成粗大的薄膜组织的同时，在进行切削加工这样的伴随高温 的作业时，形成Cr2N的偏析，导致耐磨损性下降，缩短工具的寿命，因此Cr的含量优选为 0. 3?0. 7。
[0027] 所述薄层C是以提高韧性和耐崩裂性为主要目的的薄层，基本上由破坏韧性及耐 崩裂性优异的NbN，VN或CrN构成。这样的薄层C在高温的作业环境下相变化为Nb205,V205 或Cr203，由此提高润滑特性，在对柔性相对高的被切削材料进行作业时，通过这样的润滑特 性的提高而防止涂层与被切削材料一起被脱落出去，从而进一步提高耐崩裂性和韧性。
[0028] 如上述，由NbN，VN或CrN构成的薄层C与其他组成的薄膜一起形成纳米级的多 层，从而本发明的切削工具用硬质涂层具备在韧性、耐崩裂性、润滑性、耐磨损性的多个侧 面上均匀地高的特性。
[0029] 另外，所述薄层A、薄层B及薄层C的平均厚度分别优选为3nm?50nm。
[0030] 这是因为如下原因：一般纳米多层的周期越减小，越抑制电位的生成和移动，从而 硬化薄膜，在薄层的厚度小于3nm而过薄的情况下，抑制电位的生成和移动的纳米多层之 间的界限不明确，并根据两层之间的相互扩散而形成混合区域（mixingzone)，导致硬度及 弹性系数下降，因此优选形成为不小于3nm，在超过50nm的情况下，容易导致电位的生成及 移动，因此不仅硬度及弹性系数下降，而且形成不一致（misfit)电位，从而减少整合变形能 量，导致降低强化效果的现象，因此是不理想的。
[0031] 在仅使所述薄层A、薄层B、薄层C的厚度不同的情况下进行实验可知，在平均 厚度为分别20nm?40nm时，各个薄层之间的界面能够获得抑制由塑性变形引起的电位 (dislocation)移动的优异的界面强化效果，因此最为优选。
[0032] 在本发明的优选实施例中，所述薄层A、薄层B及薄层C以形成薄层A-B-A-C的纳 米多层结构的方式体现，在这样薄层A、薄层B及薄层C形成薄层A-B-A-C的纳米多层结构 的情况下，与薄层A-B-C等这样的以其他形态层叠的纳米多层结构相比，缩短彼此不同的 弹性系数之差及格子常数之差的周期，因此能够将提高耐磨损性的效果极大化。
[0033] 具备如上述的纳米多层结构或将该纳米多层结构反复层叠两次以上的结构的本 发明的切削工具用硬质涂层优选具备1?20ym的平均厚度。
[0034] 如上述，本发明的特征在于，通过将TiAIN，AlCrN，TiAIN系薄层和NbN，VN，CrN中 的任一薄层依次层叠而形成纳米多层结构，从而实现硬质涂层整体的耐磨损性、润滑性、韧 性、及耐崩裂性等的均匀的提高。
[0035][实施例]
[0036] 本发明在包括超硬合金、金属陶瓷、高速钢、立铣刀、钻头类等的硬质母材表面上， 利用作为物理气相沉积法（physicalvapordeposition:PVD)的电弧离子镀，在WC-lOwt% Co的母材上涂覆形成了硬质薄膜，在涂覆时，对薄层A使用了TiAl靶，对薄层B使用了AlCr 靶，对薄层C使用了Nb，V或Cr靶。将初期真空压力减压为8. 5xl(T5T〇rr以下，并作为反 应气体而注入了N2。用于进行涂覆的气压为30mTorr以下，优选为20mTorr以下，涂覆温 度为400?550°C，在涂覆时施加的基板偏压为-20V?-150V。当然，可根据装置特性及条 件，可采用与实施例不同的涂覆条件。
[0037] 本实施例通过上述的涂覆方法，以20nm的平均厚度，以薄膜A-B-A-C的顺序层叠 作为耐磨损层的TiAIN膜（薄膜A)、作为润滑层的AlCrN膜（薄膜B)、作为韧性层的由NbN、 VN及CrN中的任意一种来构成的膜（薄膜C)而形成了纳米多层结构，并反复形成这样的纳 米多层结构而完成了总厚度为3. 4?3. 6ym的本发明的实施例的切削工具用硬质涂层。
[0038] 当然，根据需要，可在根据本发明的实施例而形成的切削工具用硬质涂层上追加 地形成各种形态的薄膜。另外，本发明的实施例的切削工具用硬质涂层利用物理气相沉积 法（physicalvapordeposition:PVD)，因此可将薄膜厚度最大形成为20iim程度为止。
[0039] 下面的表1分别表示关于根据本发明的实施例而形成的切削工具用硬质涂层的 组成、靶组成比例、薄层平均厚度、总涂层厚度及层叠结构。
[0040]表1
【权利要求】
1. 一种切削工具用硬质涂层，该硬质涂层形成于母材的表面，其特征在于， 所述硬质涂层构成为从所述母材起按薄层A-B-A-C的顺序层叠薄层A、薄层B及薄层 C而成的纳米多层结构或将该纳米多层结构反复层叠两次以上而成的结构，所述薄层A由 Ti^AlJ构成，其中0. 3彡X彡0. 7,所述薄层B由Al^Ci^N构成，其中0. 3彡y彡0. 7,所 述薄层C由MeN构成，其中Me为Nb、V、Cr中的任意一种。
2. 根据权利要求1所述的切削工具用硬质涂层，其特征在于， 所述薄层A、薄层B及薄层C的平均厚度分别为3nm?50nm。
3. 根据权利要求1所述的切削工具用硬质涂层，其特征在于， 所述薄层A、薄层B及薄层C的平均厚度分别为20nm?40nm。
4. 根据权利要求1所述的切削工具用硬质涂层，其特征在于， 所述切削工具用硬质涂层的平均厚度为1 μ m?20 μ m。
5. 根据权利要求1所述的切削工具用硬质涂层，其特征在于， 所述切削工具用硬质涂层在900°C下进行30分钟的热化处理后的热硬度为35GPa以 上。
【文档编号】C23C14/14GK104271792SQ201380023064
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年5月2日
【发明者】朴帝勋, 康在勋, 安承洙, 金成贤, 李成九, 金正郁, 安鲜蓉, 朴东福 申请人:韩国冶金株式会社