切削工具用硬质涂层的制作方法

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-C-D的顺序层叠与母材之间的紧贴性和耐磨损性优异的Ti和Al的复合氮化物层(薄层A)、耐磨损性优异且在高温环境下提高耐氧化性的Al和Ti并且Si、Cr、Nb中的一种以上的复合氮化物层(薄层B)、耐磨损性优异的Al和Ti的复合氮化物层(薄层C)及抑制裂缝扩展且润滑性优异的Al和Cr的氮化物层(薄层D)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、耐氧化性等的在切削工具用硬质涂层中所需的各种特性，因此适合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，涉及构成为包括薄层A、薄层B、薄层C 及薄层D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、韧性及耐氧化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，要求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、A1 203、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，最近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，由此因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，最近试图通过有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TiAlN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。
[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按薄层A-B-C-D的顺序层叠薄层A、薄层B、薄层C及薄层 D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 xAl1J构成，其中0. 5彡X彡0. 7,所述薄层B由AlmTiyMezN构成，其中0. 4彡y彡0. 7， 0〈z彡0. 1，Me为Si、Cr、Nb中的1种以上，所述薄层C由AlJVaN构成，其中0. 5彡a彡0. 7， 所述薄层D由AlbCivbN构成，其中0. 5彡b彡0. 7。
[0013] 所述薄层A、薄层B、薄层C及薄层D的平均厚度分别优选为3nm?50nm。
[0014] 所述薄层A、薄层B、薄层C及薄层D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I U m?20 ii m。
[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-C-D的顺序层叠与母 材之间的紧贴性和普遍地耐磨损性优异的Ti和Al的复合氮化物层（薄层A)、根据Si, Cr, Nb的固溶强化效果而使得薄膜硬度上升，从而耐磨损性优异且在高温环境下这些固溶元素 快速形成氧化物而进一步大大提高耐氧化性的Al和Ti并且Si、Cr、Nb中的一种以上的复 合氮化物层（薄层B)、耐磨损性优异的Al和Ti的复合氮化物层（薄层C)及抑制裂缝扩展 且润滑性优异的Al和Cr的氮化物层（薄层D)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、耐氧化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按薄层A-B-C-D的顺序纳米层叠而形成，以周 期性地反复的方式层叠强化各个薄层的硬度、耐氧化性及润滑性的薄层，从而将各个薄层 的功能极大化，能够均衡地提高在难切削材料加工时所需的耐磨损性、润滑性、韧性、耐崩 裂性及耐氧化性。

【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依次层 叠薄层A、薄层B、薄层C、薄层D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和薄层C是以提高与母材之间的紧贴性、耐磨损性及硬度为主要目的 的薄层，其组成分别由Ti xAVxN (0. 5彡X彡0. 7)和AlJVaN (0. 5彡a彡0. 7)构成。
[0024] 所述薄层A和薄层C以0. 5至0. 7的比率分别包括Ti和A1，并由Ti含量较多的 Ti和Al的复合氮化物和Al含量较多的Al和Ti的复合氮化物构成。在TiAlN中，如果Ti 元素的含量多于Al元素的含量，则韧性增加，相对地硬度减少，如果Al元素的含量多于Ti 元素的含量，则硬度增加，韧性减少。
[0025] 因此，薄层A和薄层C由韧性强的Ti和Al的复合氮化物和硬度强的Ti和Al的 复合氮化物构成，将该薄层A和薄层C以在中间隔着薄层B或薄层D的方式交替层叠，从而 形成韧性和硬度均衡地得到提高的硬质涂层。
[0026] 另外，在薄层A中，在Ti的含量超过0. 7的情况下（在Al的含量小于0. 3的情况 下），原子的半径比Ti小的Al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TiO 2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，因此是不理想的。
[0027] 另外，在薄层B中，在Al的含量超过0. 7的情况下（在Ti的含量小于0. 3的情况 下），通过形成6方晶M结构的相（phase)，导致脆性增加，耐磨损性下降，缩短工具的寿 命，因此是不理想的。
[0028] 因此，在薄层A和薄层B中，优选将Ti和Al的含量限制为分别不超过0. 7。
[0029] 这样，由Ti和Al的复合氮化物构成的薄层A和薄层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耐磨损性、韧性、耐崩裂性、润 滑性的多个方面均匀地高且均衡的特性。
[0030] 另外，薄层A与其他薄层相比，压缩残余应力低，与母材之间的紧贴力高，因此优 选形成在母材上。与此相反地，薄层B和薄层C作为高硬度功能层，根据各个元素的固溶强 化效果而具备较高的压缩残余应力（一般在PVD薄膜的情况下，薄膜硬度越高，压缩残余应 力也越高），因此在将这样的薄层B和薄层C形成在母材上的情况下，根据母材与薄层之间 的压缩应力之差而导致硬质涂层的紧贴力下降，因此是不理想的。
[0031] 所述薄层B是以提高耐磨损性和耐氧化性为主要目的的薄层，由 AlmTiyMezMOj彡y彡0.7,0〈z彡0? l，Me是Si、Cr、Nb中的1种以上）的组成构成。
[0032] 在所述薄层B中，Ti优选为0.4以上0.7以下，其理由如下：在Ti的含量小于0.4 的情况下，通过形成6方晶M结构的相（phase)，导致脆性增加，耐磨损性下降，缩短工具的 寿命，而在超过0. 7的情况下，原子的半径比Ti小的Al被替代，被固溶的量减少，因此薄膜 的硬度及耐磨损性下降，在切削加工时，在高温的环境下容易形成TiO 2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。
[0033] 另外，在所述薄层B中包括0. 1以下的Si、Cr、Nb中的1种以上，在这样包括Si、 Cr、Nb中的1种以上的情况下，在高温的切削环境下形成包括Al 2O3氧化层的Si2O3Xr2O 3或 Nb2O3等的双性氧化物，能够显著提高硬质涂层的耐氧化性。这样，Si、Cr、Nb中的1种以上 固溶强化到AlTiN结晶结构，能够提高薄膜的耐氧化性及硬度（特别是热硬度）。
[0034] 但是，在Si、Cr、Nb中的1种以上的含量超过0. 1的情况下，在形成粗大的薄膜组 织的同时，在进行切削加工时如果暴露于高温的环境，则形成Cr2N等的偏析，导致耐磨损性 下降，缩短工具的寿命，因此其含量优选限定为〇. 1以下。
[0035] 所述薄层D是以提高硬质涂层的润滑性和韧性（耐冲击性）并抑制裂缝扩展为主 要目的的薄层，其具体组成由Al bCivbN (0. 5彡b彡0. 7)构成。
[0036] 在所述薄层D中，Al的含量优选为0. 5以上0. 7以下，其理由如下：在Al的含量 小于〇. 5的情况下，即在Cr的含量为0. 5以上的情况下，在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，因此是不理想的，而在Al的含量超过0. 7的情况下，即在Cr的含量为0. 3以下的 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，韧性和耐磨损性下降，缩短工具的寿命，因此是不理想的。
[0037] 另外，所述薄层A，薄层B，薄层C，薄层D的平均厚度分别优选为3nm?50nm。
[0038] 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（mixing zone)，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。
[0039] 在仅使所述薄层A、薄层B、薄层C、薄层D的厚度不同的情况下进行实验可知，在平 均厚度分别为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。
[0040] 在本发明的优选实施例中，依次层叠具备普遍优异的紧贴力、耐磨损性、韧性的特 性的薄层A、通过根据固溶元素而实现的固溶强化效果而提高耐磨损性和耐氧化性的薄层 B、作为追加性地弥补耐磨损性的功能层的薄层C、作为提高薄层A-B-C的韧性和润滑性的 层而起作用的薄层D而形成了 A-B-C-D的纳米多层结构，在形成这样的薄层A-B-C-D的纳 米多层结构的情况下，相互弥补各个薄层所具备的缺点，能够均衡地提高耐磨损性、耐氧化 性、韧性及润滑性。
[0041] 特别是，通过影响各个薄层的耐磨损性和韧性的各层的薄膜硬度（及残余应力） 周期性地被波动（oscillation)而层叠的结构，能够同时提高显示彼此相对的特性的耐磨 损性和韧性，因此本发明的切削工具用硬质涂层优选体现为薄层A-B-C-D的纳米多层结 构。
[0042] 具备这样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I U m?20 ii m的平均厚度。
[0043] 如上述，本发明的特征在于，通过将TiAIN、AlTiMeN(Me为Si、Cr、Nb中的一种以 上）、AlTiN、AlCrN系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、耐崩裂性、及耐氧化性等的均匀的提高。
[0044] [实施例]
[0045] 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（physical vapor deposition: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 AlTiSi靶、AlTiCr靶或TiAlNb靶，对薄层C使用了 AlTi靶，对薄层D使用了 AlCr靶。将 初始真空压力减压为8. 5 X KT5Torr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。
[0046] 本实施例通过上述的涂覆方法，以25nm?45nm的平均厚度依次层叠TiAlN膜、 AlTi (Si, Cr,Nb)N膜、AlTiN膜、AlCrN膜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4. 2 y m?4. 5 y m的本发明的实施例的切削工具用硬质涂层。
[0047] 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（physical vapor deposition:PVD)，因此可将薄膜厚度最大形成为20 iim程度。
[0048] 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。
[0049] [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按薄层A-B-C-D的顺序层叠薄层A、薄层B、薄层C及薄层D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TixAlhN 构成，其中〇. 5彡X彡0. 7,所述薄层B由AlmTiyMeJ构成，其中0. 4彡y彡0. 7,0〈z彡0. 1， Me为Si、Cr、Nb中的1种以上，所述薄层C由AIJU构成，其中0. 5彡a彡0. 7,所述薄 层D由AlbCivbN构成，其中0. 5彡b彡0.7。
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、薄层C及薄层D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、薄层C及薄层D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】C23C14/14GK104302805SQ201380023101
【公开日】2015年1月21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