CN102016121B - 切削工具用多层硬膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种切削工具用多层硬膜，提供一种在切削工具上区分组成比与膜结构各不同的基层、中间层、顶层连续沉积，从而可以降低在高速切削加工时所发生的剥离以及工具磨损现象的切削工具用多层硬膜。

Description

切削工具用多层硬膜
技术领域
本发明涉及一种膜，其形成在刀片、立铣刀、钻头等硬质合金以及金属陶瓷刀具等切削工具(可转位刀片)的表面上，尤其涉及一种切削工具用多层硬膜，其具有组成比与膜结构分别不同的基层、中间层以及顶层并连续沉积，从而可以提高耐磨性以及耐氧化性。
背景技术
一般，为了提高耐磨性，在切削工具/耐磨性工具上利用物理汽相沉积(vapor deposition)法的电弧法(arc process)与溅射法等沉积TiN，TiCN，TiAlN等N系涂层硬质合金，该些膜中，高温中的耐磨性最优秀以及最近在金属切削领域最引人注目的是TiAlN涂层硬质合金。
但是，TiAlN膜虽然其硬度高、耐磨性优秀，但与TiN、TiCN膜相比，其耐冲击性较弱，不适合用于施加冲击的工作条件或者中低速条件，TiN、TiCN根据加工条件有可能发生同样的情况。
根据沉积方法以及沉积因素的变化，可以提高耐磨性以及耐冲击性，但很难提高所有性能。一般，耐磨性与耐冲击性是物性相反的，因此很难同时得以改善，根据各膜的适用领域或者用途来决定膜的物性，但是，在实际加工时，一般同时要求耐磨性与耐冲击性，因此，在各种加工条件以及加工物沉积具有适当的物性的膜是不可能的。
根据所述必要性，如本申请人于2003年6月30申请的大韩民国专利申请第200343513号公报，最近提出了能够减少因机械冲击的破损率的2次性方法，该方法并不试图改善膜本身的物性，而是在耐磨性优秀的TiAlN膜结合润滑性优秀的TiN膜或者其他膜从而减少因机械冲击的破损率。
但是，在此情况，除沉积主膜的蒸发源之外还需要用于沉积润滑膜的另一个蒸发源，由于减少了蒸发源，因此存在需要沉积时间长的问题，没有改善膜本身的根本物性，所以切削时发生工具的破损。
为了解决所述问题，由本申请人的大韩民国专利授权第100622912号“耐冲击以及耐磨性出色的TiAiN系多层硬膜”已被授权，但具有提高耐磨性以及耐氧化性有限制的缺点。
另外，最近的工业技术动向是为提高生产性要求高速加工化，根据此动向，代替TiN与TiCN，一般使用具有进一步提高的耐氧化性的TiAlN膜的切削工具。
而且，由于切削加工速度逐渐高速化，也持续开发膜，例如，美国专利US5580653中，为了改善耐氧化性，提出对AiTiN膜结构添加Si元素的单膜，在美国专利US6586122中，提出第二膜结构为根据Si含量的高低以两种膜为一个周期的多层膜结构。
但是，在此处含有Si元素的膜与没有含有Si元素的膜相比具有相当高的压缩应力，因此存在脆性较强的问题，并且，由于该压缩应力高，因此将含有Si元素的膜直接沉积在切削工具上时，容易发生剥离现象。
为了解决所述问题，在切削工具上沉积未含有Si元素的膜，为了提高耐磨性与耐氧化性，提出Si元素比各不同的多层膜技术。
但是，所述技术是在PVD涂层装置内必须设置两个以上Si含量不同的对象物源，并且，添加Si的对象物的费用高，因此存在经济效应差的问题。
因此，实现以下多层膜结构，即只设置一个Si元素的对象物或者只设置一个添加了Cr元素的对象物，不但经济效果好，而且重要的是提高了所述引用文件所要求的耐磨性与耐剥落性的多层膜结构以及在此基础上同时提高耐磨性与耐氧化性的多层膜结构。
发明内容
本发明为解决所述问题点而提出的，其目的在于提供一种用于可转位刀片的多层硬膜，通过在刀片上以各不相同的组成比和膜结构顺序沉积基层、中间层以及顶层，从而可以减低在高速切削加工中所发生的剥离、工具磨损现象。
本发明的另一目的在于，提供一种提高耐磨性与耐氧化性的切削工具用多层硬膜，将组成比各不同的A层、B层、C层以及D层以A/B/C/D或者A/D/C/B的顺序作为一个沉积周期来沉积。
为达成所述目的，根据本发明的一实施例的切削工具用多层硬膜，为了提高紧贴力以及面(200)的晶体取向，通过物理汽相沉积法在硬质合金的刀片、立铣刀、钻头或者金属陶瓷刀片上沉积基层，接着沉积作为中间层的(Ti、Al)N多层膜以提高耐冲击性以及耐剥落性，然后通过交替堆叠A层、B层、C层以及D层来形成顶层，其中：
[组成式1]：A、C层的膜组成比
[Ti(1-x)Alx][C(1-y)Ny]，0.3≤x≤0.5，0.5≤y≤1，
[组成式2]：B层的膜组成比
[Ti(1-q)Alq][C(1-r)Nr]，0.6≤q≤0.8，0.5≤r≤1，
[组成式3]：D层的膜组成比
[Al(1-(a+b))TiaMb]N；M[Si，Cr]
0.3≤a≤0.5，0.02≤b≤0.08
所述基层的膜组成由组成式1实现；中间层的膜结构是交替沉积由组成式1、2实现的A层/B层/C层的多层膜；顶层膜结构用于提高耐磨性以及耐氧化性，膜结构是将由组成式1、2、3实现且组成比分别不同的A层、B层、C层以A/B/C/D层或者A/D/C/B层的顺序交替沉积。
所述为基层膜的(Ti，Al)N单膜的厚度是0.05～0.7μm，所述为中间层的膜是交替沉积由组成式1、2实现的A/B/C层的多层膜，其厚度是1.0～20.0μm，沉积基周期为1.0～50.0nm范围的多层膜结构，在所述顶层膜结构中，A层与C层的膜组成比总是相同，在A层与C层之间必须交替沉积B层或D层中的一层，将A、B、C、D层为一个沉积周期(λ＝1.0～50nm)，顶层膜厚度为0.5～5um。
包括所述基层、所述中间层以及所述顶层的厚度在1.0～30.0μm范围。
本发明的特点及和优点通过根据附图的详细说明将会更加明确。本说明书以及权利要求范围中所使用的术语以及单词不得解释为通常的辞典上的概念，发明人为了以最佳的方法说明自己的发明，根据可适当定义术语的概念的原则，应解释为符合本发明的技术思想的含义及概念。
根据本发明的切削工具用多层硬膜，在切削工具或要求耐磨性的工具的表面沉积多层膜，先在基层沉积(Ti、Al)N单膜，接着在中间层沉积提高了耐冲击性以及耐剥落性的(Ti、Al)N多层膜，最后在顶层形成提高了耐磨性以及耐氧化性的(Al、Ti、Si)N多层膜，从而可以提高紧贴力以及稳定地排列晶体。
尤其，基层(Ti、Al)N单膜是用于提高紧贴力以及(200)面的晶体取向的层，组成式满足(Ti(1-x)Alx)(此处，原子比为0.3≤x≤0.5)，平均膜厚为0.05～0.7μm，为中间层的(Ti、Al)N多层膜用于提高耐冲击性以及耐剥落性，组成式将两种类膜相交替沉积为原则，一个膜组成式满足(Ti(1-z)Alz)N(此处，原子比为0.6≤z≤0.8)单膜，另一个膜组成式满足(Ti(1-q)Alq)N(此处，原子比为0.3≤q≤0.5)单膜，平均厚度为1.0～20.0μm，平均沉积周期(λ)为1.0～50.0nm。
为顶层的(Ai、Ti、Si)N多层膜用于提高耐磨性以及耐氧化性，膜结构是原则上将组成比分别不同的A层、B层、C层以A/B/C/D层或者A/D/A/B层的顺序交替沉积。组成比相同的A层与B层的组成式满足(Ti(1-x)Alx)N(此处，原子比为0.3≤x≤0.5)，C层的组成式满足(Ti(1-q)Alq)N(此处，原子比为0.6≤q≤0.8)，D层的组成式满足[Al(1-(a+b))TiaSib]N(此处，原子比为0.3≤a≤0.5，0.02≤b≤0.08)，平均膜厚为0.5～5.0μm，平均沉积周期(λ)为1.0～50.0nm。
由此，可以制造能够最小限度地减低在高速切削加工时所发生的剥离以及工具磨损现象的切削工具，其对工业利用上具有非常有效的效果。
具体实施方式
以下，详细说明根据本发明的切削工具用多层硬膜。
首先，在说明本发明时，为了明确本发明的要旨省略相关公知的功能或具体说明。
本发明的技术特征是区分基层、中间层以及顶层形成新的膜结构，所述基层用于提高紧贴力以及面(200)的晶体取向；所述中间层用于提高耐冲击性以及耐剥落性；所述顶层，用于提高耐磨性以及耐氧化性。
此处，为了实现本发明，优选适用以物理汽相沉积法公知的电弧法或者溅射法。通过所述电弧法的装置结构中，将用于形成硬膜金属成份的对象物安装在各蒸发源，供给规定电流使对象物沉积在安装于旋转台的被涂布物，在该旋转台施加偏置电压。
并且，为了沉积复合氮化物膜，沉积时向装置内供给其他的氮(N)气。安装于各蒸发源的对象物列表示在表1。如表1所示，在每个组成式中满足每个组成比，安装被涂布物的工作台以蒸发源1，蒸发源2，蒸发源3，蒸发源4的顺序旋转。
并且，以旋转台为中心，蒸发源1与蒸发源3相面对设置，蒸发源2与蒸发源4相面对设置。
由此，为了沉积所述基层，利用蒸发源1与蒸发源3沉积(Ti、Al)N膜；为了沉积中间层，利用蒸发源1、2、3沉积Al元素含量比分别不同的(Ti、Al)N多层膜；为了沉积顶层，以蒸发源1、2、3、4的顺序进行沉积。
表1
Figure BPA00001248526700051
沉积条件是，首先为了除去被涂布物表面上的污染物以及氧化膜，向腔室内流入1000sccm的氩气，保持施加于被涂布物的电压为150～400v。
这种工序通常叫蚀刻工序。然后，持续将2000～3000sccm的氮气流入腔室内，并保持施加于被涂布物的电压为30～200V。此时，施加于各蒸发源的电流保持在80～150A内，将腔室内的压力保持在2.0～4.0Pa内。然后通过氮气冷却腔室内部。
所述沉积条件是，在沉积基层、中间层、顶层的膜时其条件皆相同，各层膜结构分别不同地被沉积。
a)在基层膜结构中，(Ti、Al)N单膜，通过Al元素，在(Ti、Al)N单膜成长相对刀片的倾斜面以及端面具有平行方向取向的面(200)，Al元素相对于Ti元素的比率小于0.3时，面(200)的取向不充分，超过0.5也发生(200)面的结晶性降低的现象。
膜厚度小于0.05μm时，面(200)的高取向性阻碍向顶层的硬质涂层晶体取向滞后效应，同时，还降低紧贴性。另外，被沉积为最大膜厚度0.7μm为止时，可以充分发挥晶体取向滞后效应以及提高紧贴性效果。
b)中间层膜结构中，Al元素比各不同的(Ti、Al)N多层膜，交替沉积弹性系数之差大的相互不同的单膜，从而可以提高耐冲击性以及韧性。即，Al元素比低的(Ti、Al)N单膜的弹性系数高于Al含量高的(Ti、Al)N单膜，并且，可以通过调节沉积周期控制因切削加工时发生的冲击工具破损以及剥落现象。膜厚度小于1.0μm时，有可能阻碍由基层生长的面(200)的晶体取向性，沉积周期小于1.0nm时，硬度值也有可能减低。
膜厚度大于10.0μm时，由于膜本身的高应力，有可能发生自发剥离，沉积周期高于50.0nm时，无法控制各膜之间发生位错以及移动，由此有可能发生硬度值减低。
c)在顶层膜结构中，依次沉积A/B/C/D层，将A层与C层作为弹性系数相对高的(Ti、Ai)N膜，将B层与D层作为弹性系数相对低的膜，从而可以同时提高耐磨性以及耐氧化性。
即，在B层或D层，将一个膜作为Al含量相对高的(Ti、Al)膜，将另一个膜作为含有Si或Cr元素的(Al、Ti、Si)N膜或者(Al、Ti、Cr)膜，以A/B/C/D层或者A/D/C/B层的顺序交替沉积。换言之，A层与C层的膜组成比为相同，B层与D层的膜组成比各不同，以此为一个周期。通过添加Si与Cr提高耐磨性以及高温耐氧化性的效果是通过各种文献已被公开。但是，与本发明不同，其添加比与膜结构分别不同。
在(Al、Ti、Si)N膜或者(Al、Ti、Cr)N膜组成比中，Si或者Cr元素比为0.02～0.08，包括基层与中间层的整体相对元素比为0.005～0.02以下，以最少量也可以大幅度提高硬度以及耐氧化性。
在整体各金属元素比中，Si或Cr的含量高于0.02时，由于高应力可能发生剥离现象或者降低硬度值。尤其，膜厚度超过10.0μm时也发生剥离现象，有可能破坏沉积结构。其理由与在中间层膜结构中设定沉积周期以及膜厚度范围的理由相同。
<实施例1>
如下表2所示，按照中间层与顶层的沉积周期实施切削性能评价。
为了进行切削试验，利用了Z10系列的、直径30mm的双片式可转位球刀片。切削条件设定为，圆周速度317m/min，旋转数4,000rpm，传送速度3,000mm/min，轴向深度0.3mm，半径方向深度0.5mm，所用被削材是被热处理过的SKD11种，表面硬度值大致为50(HRC值)，不使用切削油。
为了立铣床切削试验，利用了Z10系列的直径6mm的双片式球头立铣刀。切削条件设定为，圆周速度376m/min，旋转数20,000rpm，传送速度3,500mm/min，轴向深度0.3mm，半径方向深度1.2mm，所用被削材是被热处理过的SKD11种，表面硬度值大致为50(HRC值)，不使用切削油。
如以下表2所示，顶层膜结构的AlTiSiN多层结构与AlTiCrN多层结构的耐磨性没有很大的差别，但是，由各多层结构的沉积周期的耐磨性上有明显的差别。
此理由如在一般文献中也可以了解，当沉积周期超过预定临界点时，可以确认耐磨性会显著降低。
因此，根据适当组合沉积周期的范围与膜结构，可以确认在要求高速加工的切削条件下尤其耐磨性显著提高。
表2
Figure BPA00001248526700081
如表3所示，根据基层的适用与否确认剥离的发生与否，以及示出根据中间层的剥离结构的切削性能的结果。基层的功能是，沉积TiAlN单膜提高中间层与顶层的紧贴力，取向面(200)的优先生长面，提高耐磨性以及耐氧化性的作用。中间层的功能是加强耐剥落性与韧性，切削条件与前述实施例1相同。
在本实施例所重视的部分是在韧性方面可以确认其效果。为了进行极限传送切削试验，利用了Z10系列的直径30mm的双片式球刀片。切削条件设定为，圆周速度317m/min，旋转数4,000rpm，传送速度3,000mm/min，轴向深度0.3mm，半径方向深度0.5mm，所用被削材是被热处理过的SKD11种，表面硬度值大致为50(HRC值)，在表面内部穿设孔使之停止。并测量引线部的破损以及被加工到剥落时点位置的距离。
其结果，在没有基层的C3与C4样品上发现剥离现象，并在没有中间层的C1与C2样品上发生因剥落其工具寿命缩短的结果。
表3
Figure BPA00001248526700091
本发明并不限定于所述实施例，可以设想，本领域的技术人员可在本发明的精神和范围内设计对本发明的各种修改及变形，这种变形例或者修改例应属于本发明的权力要求范围。

Claims (3)

1.一种切削工具用多层硬膜，基层通过物理汽相沉积法沉积在硬质合金的刀片、立铣刀、钻头或者金属陶瓷刀片上，以提高紧贴力以及面(200)的晶体取向；中间层为(Ti，Al)N多层膜，随后被沉积，以提高耐冲击性以及耐剥落性；然后顶层通过交替堆叠A层、B层、C层以及D层而形成，其中：
[组成式1]：A、C层的膜组成比
[Ti(1-x)Alx]N，0.3≤x≤0.5，
[组成式2]：B层的膜组成比
[Ti(1-q)Alq]N，0.6≤q≤0.8，
[组成式3]：D层的膜组成比
[Al(1-(a+b))TiaMb]N；M为Si或Cr；
0.3≤a≤0.5，0.02≤b≤0.08，
所述基层的膜组成由组成式1实现；作为中间层的多层膜是通过交替沉积组成式1、2所实现的A层/B层/C层而形成的；顶层的膜结构通过以A/B/C/D层或者A/D/C/B层的顺序交替堆叠组成式1、2、3所实现的组成比的A层、B层、C层、D层而形成。
2.根据权利要求1所述的切削工具用多层硬膜，其特征在于：
作为基层的单层膜的厚度是0.05～0.7μm；
作为中间层的膜，多层膜的厚度是1.0～20.0μm，所述多层膜是交替沉积组成式1、2所实现的A/B/C层而形成；多层膜结构的堆积周期在1.0～50.0nm的范围内；
在顶层的膜结构中， A层与C层的膜组成比相同，以A/B/C/D或者A/D/C/B层的顺序交替堆叠的顶层具有λ＝1.0～50nm的堆积周期；顶层的厚度为0.5～5μm。
3.根据权利要求1所述的切削工具用多层硬膜，其特征在于：
包括所述基层、所述中间层以及所述顶层的膜厚度在1.0～30.0μm范围内。 
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