切削工具用硬涂膜的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于切削工具并且形成在如硬质合金或者金属陶瓷等硬质基材上的硬涂膜。更具体而言，本发明涉及具有下述结构的硬涂膜:在如硬质合金等硬质基材上相邻地形成的下层和在下层上形成的上层交替层积。上层具有包含薄层A、薄层B、薄层C和薄层D的纳米级多层结构，或者具有其重复层积的结构，使得与通常的多层结构相比韧性和耐磨性均得到改善。
【背景技术】
[0002]随着工业趋向于精密度、速度和大批量生产，存在改善切削工具的切削性能和寿命的需求。特别是，在对高硬度工件进行高速切削的过程中或者在切削具有低热导性的难切割材料时，在受工件摩擦的插入体的末端局部产生至少900°C的高热。通过在插入体的切削表面形成具有极好的耐氧化性和耐磨性的硬涂膜，可以延长切削工具的寿命。
[0003]通常，具有耐磨性、耐氧化性或者耐冲击性等的如TiN、Al203、TiAlN、AlTiN或者AlCrN等单层硬涂膜或者至少两个这样的层层积而成的多层硬涂膜形成在硬质合金、金属陶瓷、立铣刀或者钻头等的基材上，以满足高硬度工件或者难切削材料的有关要求。
[0004]不过，工件硬度在增加，并且加工具有低热导性且具有与工具熔着的严重趋势的难切削材料的要求也在增加，因此仅通过开发具有新物理性质的薄膜组合物或者通过使用简单的多层结构将变得更加难以回应这样的要求。
[0005]因此，近来已更多地尝试通过将两个以上具有不同物理性质的纳米级薄膜规则地、重复地层积的方法来改善切削性能。
[0006]例如，韩国专利876366号公开了一种薄膜结构，其中通过用下述方式形成的结构改善了顶层的耐蚀性和耐氧化性:在插入体、立铣刀、钻头或者金属陶瓷工具(其是硬质合金工具)上沉积底层，使用物理气相沉积(PVD)以改善粘合性以及(200)面的晶体取向，并依次沉积(Ti，A1)N多层薄膜(即中间层)和随后的由A层、B层、C层和D层构成的顶层，它们由TiAlN或者AlTiSiN构成并具有彼此不同的组成。
[0007]通过这样的多层结构，可以改善耐磨性和耐氧化性，但需要开发具有新结构的硬涂膜以改善切削工艺所需的各种性质，例如耐磨性、耐冲击性(韧性)和耐崩裂性。
[0008]为此，本发明人，如韩国专利1284766号所披露的，公开了一种形成在基材的表面上的硬涂膜，该切削工具用硬涂膜的特征在于具有第一层和第二层交替层积的结构，第一层由AlhCrJ^OJ < X < 0.7)构成，第二层由纳米级多层结构或者纳米级多层结构重复层积至少两次的结构构成，所述纳米级多层结构包含厚度为3nm?20nm的薄层A、薄层B、薄层C和薄层D，薄层A由Al I—a-bTiaSibN (0.3仝a仝0.7,0仝b仝0.1)构成，薄层B和薄层D由T i1-xAlxN(0.3 < X < 0.7)构成，薄层C由Al1-zCrzN(0.3 < z < 0.7)构成，薄层A中的铝(Al)含量与薄层B中的铝(Al)含量不同。
[0009]通过上述结构，得到了具有改善的韧性(耐冲击性)、耐崩裂性和润滑性的硬涂膜，但仍需要在耐磨性方面进一步改善的硬涂膜。
【发明内容】
[0010]技术问题
[0011]本发明的目的是提供一种切削工具用硬涂膜，所述硬涂膜在韧性(耐冲击性)、耐崩裂性和润滑性等方面得到总体改善，特别是具有显著改善的耐磨性，因此能够进一步延长切削工具的寿命。
[0012]技术方案
[0013]为了克服上述问题，本发明提供了一种切削工具用硬涂膜，所述硬涂膜形成在基材的表面上，并具有第一层和第二层交替层积至少两次的结构，其中，第一层由组成为Ti1-aAla(0.3<a<0.7)的TiAl氮化物构成;第二层具有纳米级多层结构或者纳米级多层结构重复层积至少两次的结构，所述纳米级多层结构包含厚度为3nm?20nm的薄层A、薄层B、薄层C和薄层D，其中薄层A由组成为Al1-b—cTibSic(0.3<b<0.7，0<c<0.1)的AlTiSi氮化物构成，薄膜B和薄膜D由组成为Ti1-dAld(0.3 < cK 0.7)的TiAl氮化物构成，薄膜C由组成为Al1-eCre3(0.3 Se <0.7)的AlCr氮化物构成，薄层A中的铝(Al)含量与薄层B中的铝含量不同，第一层中的氮含量大于第二层中的氮含量。
[0014]而且，在本发明的硬涂膜中，在第一层中，相对于金属物质的总氮含量可以为(TiAl)1-xNx(0.4< X < 0.6);在第二层中，相对于金属物质的总氮含量可以为(AlTiCrSi)1-yNy(0.1 <y <0.5)o
[0015]另外，在本发明的硬涂膜中，在交替层积第一层和第二层时，氮含量的差异可以以规则的间隔受到控制。
[0016]而且，在本发明的硬涂膜中，第一层的厚度与第二层的厚度之比(T1ZiT2)可以为至少0.1并小于1.0;第一层和第二层的交替层积结构的厚度可以为1.Ομπι?20.Ομπι。
[0017]另外，在本发明的硬涂膜中，所述纳米级多层结构可以具有依次层积的薄层A、B、C和D 0
[0018]有益效果
[0019]与通常的硬涂膜不同，在本发明的切削工具用硬涂膜中，通过使用TiAlN类单层作为交替/重复层积的单层，可以获得与通常的硬涂膜相比具有改善的耐磨性的硬涂膜。
[0020]而且，通过将由单层构成的第一层中的氮含量设置成高于由多层薄膜构成的第二层中的氮含量并且周期性这样重复，耐冲击性、耐崩裂性、润滑性以及特别是耐磨性得到改善，使得切削工具的寿命在各种环境中延长。
【附图说明】
[0021]图1是示意性描绘本发明的硬涂膜的结构的剖视图。
[0022]图2是用于说明在用于形成本发明的实施方式的涂层的涂布炉内的待涂布的目标和材料的布置的示意图。
[0023]图3是显示本发明的实施例和比较例的硬薄膜的结构和组成的表格。
[0024]图4是显示根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的成分分析结果的表格。
[0025]图5是显示根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的抗裂性(韧性)的评价结果的表格。
[0026]图6是显示根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的碳钢铣削试验的结果的表格。
[0027]图7是显示根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的合金钢铣削试验的结果的表格。
[0028]图8显示了根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的合金钢组3隔板铣削试验。
[0029]图9是显示根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的碳钢钻孔试验的结果的表格。
[0030]图10是显示根据本发明的实施例和比较例制备的硬薄膜的合金钢钻孔试验的结果的表格。
【具体实施方式】
[0031]在下文中，将参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明。不过，本发明的下述示例性实施方式可以以不同形式修改，本发明的范围不限于下述实施方式。提供本发明的实施方式是为了向本领域普通技术人员更好地解释本发明。而且，会理解的是，附图中的区域或者膜的尺寸或者厚度可能被夸大以更好地理解本发明。
[0032]图1是示意性描绘本发明的用于切削工具的物理气相沉积(PVD)硬涂膜的结构的剖视图。如所示的，本发明的硬涂膜的特征在于具有形成在基材上的第一层(下层)和形成在第一层上的第二层(耐摩层)交替层积的结构。
[0033]第一层是主要目的是改善韧性(耐冲击性)的薄膜，其组成的特征在于，其由组成为Ti^AlJOJ < a < 0.7)的TiAl氮化物构成。在进行切削操作时，在切削工具上形成高温和高压环境。当铝(Al)的含量(a)低于0.3时，Al的固溶体强化效果降低，从而在高温高压环境中容易发生原子间滑动，使得容易发生磨损和崩裂。结果，工具的寿命降低。当铝含量超过0.7时，晶体结构从f cc-TiAIN变为hcp-AlTiN，因此，由于脆性增加使得耐磨性降低并且容易发生崩裂和损伤等，所以工具的寿命降低。因此，铝(Al)的含量(a)理想地为0.3?0.7。
[0034]另外，第一层的单位厚度理想地为Ο.ΟΙμηι?ΙΟμπι。
[0035]第二层是主要改善耐磨性的薄膜，特征在于具有纳米级多层结构或者纳米级多层结构重复层积至少两次的结构，所述纳米级多层结构包含层厚度为3nm?20nm的薄层Α、薄层B、薄层C和薄层D。通常，随着纳米级多层间的间隔减小，位错的产生和移动得到抑制，使得薄膜得到强化。当薄层的厚度小于3nm于是过薄时，在纳米级多层之间并抑制位错的产生和移动的边界变得模糊，使得通过这两层之间的相互扩散形成了混合区。结果，硬度和弹性模量降低，因此有利的是厚度不小于3nm。当厚度超过20nm时，位错的产生变得更容易，并且位错的移动变得更容易。因此，硬度和弹性模量降低，并且由于形成失配位错，共格应变能有所降低，这可能伴随强化效果的降低。因此，厚度理想地为3n