Многослойная тонкая пленка для режущего инструмента и режущий инструмент, содержащий такую пленку

Изобретение относится к многослойной тонкой пленке для режущего инструмента, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из четырех тонких слоев, уложены в стопу более одного раза. Многослойная тонкая пленка обладает улучшенными физическими свойствами по сравнению с обычными пленками благодаря регулировке периода модуля упругости и периода постоянной решетки между четырьмя тонкими слоями. Отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из стопы следующих друг за другом тонких слоев А, В, С, и D, уложены в стопу более одного раза. Соотношение модуля упругости между тонкими слоями удовлетворяет условиям k_A, k_C>k_B, k_D или k_B, k_D>k_C, k_A, и соотношение постоянной L решетки между тонкими слоями удовлетворяет условиям L_A>L_B, L_d>L_C или L_C>L_B, L_d>L_A. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл., 2 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к многослойной тонкой пленке для режущего инструмента, более конкретно, к многослойной тонкой пленке для режущего инструмента, в которой тонкие пленки со сверхрешеткой, каждая из которых имеет толщину от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров, уложены в стопу в виде A-B-C-D или А-В-С-В, что обеспечивает меньшее изменение качества и превосходную износостойкость.

Уровень техники

С конца 80-х годов двадцатого века было предложено множество систем многослойных пленок на основе TiN для разработки материалов для режущего инструмента, имеющих высокую твердость.

Например, многослойная пленка, образованная путем попеременной и неоднократной укладки в стопу TiN или VN толщиной несколько нанометров, обеспечивает покрытие, созданное из так называемой сверхрешетки, имеющей одну постоянную решетки с когерентными межфазными границами между слоями, несмотря на различие постоянной решетки каждого отдельного слоя. В этом случае возможно реализовать твердость, которая в два или более раз выше обычной твердости каждого отдельного слоя. Соответственно, были предприняты разные попытки применить этот феномен к тонким пленкам для режущих инструментов.

Принцип улучшения физических свойств в данных покрытиях из сверхрешеток был описан, как механизм упрочнения, например, в соответствии с моделью Келера, соотношением Холла-Петча и моделью когерентной деформации. Эти механизмы упрочнения осуществляют путем регулировки различия постоянной решетки между А и В, различий модуля упругости между А и В или периода укладки в стопу при попеременном нанесении материалов А и В.

В общем, применить два или большее число механизмов упрочнения при помощи попеременной укладки в стопу двух материалов сложно. В частности, трудно изготовить многослойную тонкую пленку, имеющую превосходную износостойкость, с однородным качеством в условиях массового производства с его сильными девиациями периода укладки в стопу многослойной тонкой пленки, как между партиями, так и в пределах одной партии.

Поэтому, при образовании многослойной тонкой пленки путем попеременной укладки в стопу двух или более материалов, как раскрыто в патенте US 5700551, обычно слои укладывают так, что период модуля упругости (сплошная линия) и период постоянной решетки (пунктирная линия) совпадают друг с другом, как показано на фиг. 1. Однако оказалось, что в данном случае одновременно использовать вышеупомянутые разные механизмы упрочнения трудно, так что существует ограничение в отношении увеличения износостойкости многослойной тонкой пленки.

Кроме того, каждая тонкая пленка, составляющая многослойную тонкую пленку, образованную путем попеременной укладки в стопу, обычно имеет очень небольшую толщину, составляющую приблизительно от нескольких нанометров до десятков нанометров, поэтому также существует ограничение в том отношении, что физические свойства многослойной тонкой пленки ухудшаются из-за взаимной диффузии компонентов, составляющих тонкую пленку, между смежными тонкими пленками, когда сформированную таким образом многослойную тонкую пленку в течение длительного времени подвергают воздействию высокой температуры, развивающейся во время обработки резанием.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема

Задачей настоящего изобретения является, при образовании многослойной тонкой пленки, образованной из сверхрешетки, создание многослойной тонкой пленки для режущего инструмента, имеющей увеличенную износостойкость по сравнению с обычными покрытиями из сверхрешетки, путем регулировки периода постоянной решетки и периода модуля упругости многослойной тонкой пленки, так что на многослойную тонкую пленку действуют два или большее число механизмов упрочнения тонкой пленки, а также режущего инструмента, покрытого такой многослойной тонкой пленкой.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании многослойной тонкой пленки, в которой предотвращена взаимная диффузия между тонкими слоями, составляющими многослойную тонкую пленку, и, таким образом, эффект упрочнения многослойной тонкой пленки может сохраняться в течение более длительного времени по сравнению с обычными пленками, а также режущего инструмента, покрытого такой многослойной тонкой пленкой.

Техническое решение

Для решения вышеуказанной технической проблемы в настоящем изобретении предложена многослойная тонкая пленка для режущего инструмента, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из стопы следующих друг за другом тонких слоев А, В, С, и D, уложены в стопу несколько раз, причем соотношение модуля к упругости между тонкими слоями удовлетворяет условиям k_A, k_C>k_B, k_D или k_B, k_D>k_C, k_A, и соотношение постоянной L решетки между тонкими слоями удовлетворяет условиям L_A>L_B, L_D>L_C или L_C>L_B, L_D>L_A.

В многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению разница между максимальным значением и минимальным значением постоянной L решетки предпочтительно составляет 20% или менее.

В многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению элементы, составляющие тонкие слои В и D, могут быть такими же, как элементы, составляющие тонкие слои А и С, расположенные смежно с тонкими слоями В и D, или они могут содержать по меньшей мере один из элементов, составляющих тонкие слои А и С.

В многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению средний период λ_L постоянной решетки многослойной тонкой пленки может быть в два раза больше, чем ее средний период λ_k модуля упругости.

В многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению отдельная тонкая пленка может иметь толщину от 4 нм до 50 нм.

В многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению тонкие слои В и D могут быть образованы из одинакового материала.

Кроме того, настоящее изобретение относится к режущему инструменту, содержащему многослойную тонкую пленку.

Полезные эффекты

Многослойная тонкая пленка, образованная путем регулировки различия постоянной решетки между тонкими слоями, составляющими многослойную тонкую пленку, а также различия модуля упругости согласно настоящему изобретению, может одновременно удовлетворять условиям упрочнения для упрочнения тонкой пленки, например, большому различию модуля упругости, минимизации различия постоянной решетки между отдельными тонкими пленками и минимизации различия коэффициента теплового расширения между слоями, так что образованная таким образом многослойная тонкая пленка может иметь дополнительно улучшенные физические свойства.

Кроме того, многослойная тонкая пленка согласно настоящему изобретению позволяет минимизировать различия состава между тонкими слоями и, таким образом, предотвращает взаимную диффузию между слоями, тем самым обладая преимуществами, позволяющими сохранять физические свойства многослойной тонкой пленки в течение длительного времени, даже в условиях обработки резанием при высокой температуре.

Более того, многослойная тонкая пленка согласно настоящему изобретению имеет улучшенные физические свойства в результате применения двух или более механизмов упрочнения, так что изменения качества незначительны даже при большом различии в толщине тонкой пленки между партиями. Следовательно, эта многослойная тонкая пленка также обладает преимуществами в отношении эффективности производства.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано соотношение между периодом модуля упругости и периодом постоянной решетки в обычной многослойной тонкой пленке из сверхрешетки;

на фиг. 2 показано соотношение между периодом модуля упругости и периодом постоянной решетки в многослойной тонкой пленке из сверхрешетки согласно настоящему изобретению;

на фиг. 3 показаны различия состава между тонкими слоями в многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению;

на фиг. 4 показаны изменения постоянной решетки в зависимости от содержания алюминия в тонкой пленке на основе (Ti_1-xAl_x)N;

на фиг. 5 показаны фотографии, иллюстрирующие результаты испытаний эксплуатационных параметров при точении для многослойной тонкой пленки согласно примеру 1 осуществления настоящего изобретения, и многослойной тонкой пленки согласно сравнительному примеру;

на фиг. 6 показаны фотографии, иллюстрирующие результаты испытаний эксплуатационных параметров при фрезеровании для многослойной тонкой пленки согласно примеру 1 осуществления настоящего изобретения, и многослойной тонкой пленки согласно сравнительному примеру;

на фиг. 7 показаны фотографии, иллюстрирующие результаты испытаний эксплуатационных параметров при резании для многослойной тонкой пленки согласно примеру 2 осуществления настоящего изобретения и многослойной тонкой пленки согласно сравнительному примеру.

Осуществление изобретения

Ниже настоящее изобретение описано более подробно на основании примерных вариантов его осуществления, при этом сущность изобретения не ограничена описанными ниже вариантами осуществления.

Авторы настоящего изобретения установили, что, если период модуля упругости и период постоянной решетки в стопе отдельных тонких пленок отрегулированы так, что они не совпадают, а отличаются друг от друга, то могут эффективно действовать два или более механизмов упрочнения (то есть механизм в соответствии с моделью Келера и механизм в соответствии с соотношением Холла-Петча), в частности на ламинированной тонкой пленке из сверхрешетки, следовательно, по сравнению с многослойной тонкой пленкой, на которой в основном действует только один механизм упрочнения, износостойкость многослойной тонкой пленки увеличивается, а также уменьшаются изменения качества при массовом производстве. В результате, авторы подготовили данное изобретение.

Многослойная тонкая пленка согласно настоящему изобретению представляет собой многослойную тонкую пленку, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из стопы следующих друг за другом тонких слоев А, В, С, и D, уложены в стопу несколько раз, причем соотношение модуля к упругости между тонкими слоями удовлетворяет условиям k_A, k_C>k_B, k_D или k_B, k_D>k_C, k_A, а соотношение постоянной L решетки между тонкими слоями удовлетворяет условиям L_A>L_B, L_d>L_C или L_C>L_B, L_D>L_A.

На фиг. 2 показан пример соотношения между периодом модуля упругости и периодом постоянной решетки в многослойной тонкой пленке из сверхрешетки согласно настоящему изобретению. Как показано на фиг. 2, многослойная тонкая пленка из сверхрешетки согласно настоящему изобретению отличается от показанной на фиг. 1 тем, что имеет период модуля упругости (сплошная линия), приблизительно в два раза больший, чем период постоянной решетки (пунктирная линия), то есть период модуля упругости и период постоянной решетки не совпадают друг с другом.

В модели Келера, относящейся к модулю упругости, описано, что эффект упрочнения создается, когда толщина тонких пленок А и В становится достаточно малой для того, чтобы быть меньше или равной величине от 20 нм до 30 нм, что соответствует толщине приблизительно 100 атомных слоев, представляющей собой критическую толщину, при которой трудно создать дислокацию. С другой стороны, в модели Холла-Петча, которая описывает период материала, отличающийся вследствие различия в постоянной решетки, описано, что эффект упрочнения создается на низком уровне, то есть в периоде, составляющем несколько нанометров. Идея изобретения состоит в том, что период модуля упругости и период постоянной решетки регулируют, чтобы они не соответствовали друг другу, так что можно создать два эффекта упрочнения.

Кроме того, если различие между максимальным значением и минимальным значением постоянной L решетки составляет больше 20%, образовать сверхрешетку трудно. Следовательно, предпочтительно отрегулировать постоянную решетки так, чтобы по возможности создать различие, составляющее 20% или менее.

В многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению отдельная тонкая пленка образована из четырех слоев, и укладка в стопу в каждой отдельной тонкой пленке может быть выполнена в следующем порядке: A-B-C-D или А-В-С-В. Это означает, что второй слой и четвертый слой могут быть образованы из разных материалов или одинакового материала.

Кроме того, в объем правовой охраны настоящего изобретения входит различие между средним периодом модуля упругости и средним периодом постоянной решетки, и предпочтительно средний период модуля упругости может быть в два раза больше, чем средний период постоянной решетки.

Как показано на фиг. 3А, если градиент концентрации между уложенными в стопу тонкими слоями (слой А - слой С) велик, то сила, вызывающая диффузию, увеличивается, поэтому вероятность взаимной диффузии при длительном воздействии условий резания при высокой температуре становится выше. С другой стороны, как показано на фиг. 3В, если градиент концентрации между уложенными в стопу тонкими слоями (слой А - слой В, слой В - слой С) мал, то сила, вызывающая диффузию, уменьшается, следовательно, взаимная диффузия может быть замедлена.

Соответственно, чтобы снизить, насколько возможно, различия состава между смежными уложенными в стопу тонкими слоями, в многослойной тонкой пленке согласно настоящему изобретению элементы, составляющие ее тонкие слои В и D, могут быть такими же, как элементы, составляющие тонкие слои А и С, которые расположены смежно с тонкими слоями В и D, или они могут содержать по меньшей мере один из элементов, составляющих тонкие слои А и С.

Пример 1

Перед образованием многослойной тонкой пленки из сверхрешетки, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых образована из четырех тонких слоев, неоднократно уложена в стопу из двух или более слоев, была нанесена монослойная тонкая пленка, и был измерен модуль упругости каждого тонкого слоя, составляющего отдельную тонкую пленку, чтобы подтвердить модуль упругости каждого тонкого слоя. Результаты приведены в таблице 1.

Для нанесения отдельной тонкой пленки было использовано дуговое ионное осаждение, которое является одним из способов физического осаждения из паровой фазы (PVD). Первоначальное вакуумметрическое давление было понижено до 8,5×10^-5 торр или ниже, затем в качестве химически активного газа был введен N2 и осуществлено нанесение при следующих условиях: давление химически активного газа 40 миллиторр или ниже (предпочтительно от 10 до 35 миллиторр), температура от 400 до 600°C, напряжение смещения подложки от -30 до -150 В.

Постоянную решетки каждой отдельной тонкой пленки, составляющей многослойную тонкую пленку, можно получить, используя после образования монослойной тонкой пленки рентгеновский дифракционный анализ, но в варианте осуществления настоящего изобретения постоянную решетки каждой отдельной тонкой пленки определяли, используя существующие эксперименты, а также полученные из теории атомные, ионные и ковалентные радиусы. В частности, постоянную решетки рассчитывали, количественно применяя ковалентный радиус к кубической структуре В1 в соответствии с атомным отношением.

Как показано на фиг. 4, в случае тонкой пленки на основе (Ti_1-xAl_x)N постоянная решетки проявляет тенденцию, с увеличением содержания алюминия, уменьшаться приблизительно линейно. Следовательно, постоянную решетки тонкой пленки на основе (Ti_1-xAl_x)N можно получить из приведенного ниже уравнения 1.

Уравнение 1

Постоянная решетки: a=4,24-0,125x (где x - молярное отношение алюминия)

В примере 1 настоящего изобретения многослойную тонкую пленку на основе TiAlN, образованную способом согласно настоящему изобретению, сравнивали с многослойной тонкой пленкой на основе TiAlN, образованной обычным способом. При нанесении применили дуговое ионное осаждение, которое является одним из способов физического осаждения из паровой фазы (PVD). Первоначальное вакуум метрическое давление было снижено до 4 мПа или ниже, и на подложке при напряжении -600 В осуществили ионную очистку. В качестве активного газа ввели N₂, в качестве инертного газа использовали Ar и Kr. Упругость осаждения составила от 500 до 700 мПа, мощность катода и скорость вращения стола была установлена соответственно в пределах от 2000 до 14000 Вт и от 0,5 до 3 об/мин, чтобы контролировать период укладки в стопу. Нанесение осуществили при следующих условиях: температура внутри камеры составила от 400 до 600°C, напряжение смещения подложки - от -60 до -150 В.

Структура укладки в стопу и состав многослойной тонкой пленки соответствовали приведенным в таблице 2. Отдельные тонкие пленки, каждая из которых была образована из четырех тонких слоев, неоднократно, всего 200 раз, уложили в стопу так, что период отдельной тонкой пленки, образованной из четырех тонких слоев, составил от 10 до 20 нм, и, таким образом, получили многослойную тонкую пленку, конечная толщина которой составила от 2,5 до 3,5 мкм. В этом случае в качестве подложки для фрезерования применили материал Р30 Grade А30 (номер изделия SPKN1504EDSR-SM), поставляемый компанией Korloy, а в качестве подложки для точения - материал М30 Grade РР9030 (номер изделия CNMG120408-HS), поставляемый компанией Korloy.

Оценку эксплуатационных параметров при резании для многослойной пленки, нанесенной, как описано выше, осуществили путем фрезерования и точения. При испытании фрезерованием в качестве обрабатываемой детали использовали SKD11 (ширина: 100 мм, длина 300 мм), резание осуществили в сухих условиях со скоростью резания 250 м/мин, подача на зуб составила 0,2 мм, подача - 2 мм. Эксплуатационные параметры при фрезеровании оценили, сравнив состояние износа после обработки 900 мм. Результаты показаны на фиг. 5.

На фиг. 5 видно, что во время обработки SKD11 износ в основном происходит, как износ в виде лунки. Эти фотографии также подтверждают, что в примерах с 1-1 по 1-9 по сравнению с примерами для сравнения с 1-10 по 1-12 свойства в отношении износа в виде лунки улучшены.

При испытании точением в качестве обрабатываемой детали использовали STS316, точение осуществили во влажных условиях со скоростью резания 200 м/мин, подача на зуб составила 0,25 мм, подача - 1,5 мм. Эксплуатационные параметры при точении оценили, сравнив состояние износа после непрерывной обработки в течение 3 минут. Результаты показаны на фиг. 6.

На фиг. 6 видно, что во время обработки STS316 износ в основном происходит, как износ в виде лунки. Эти фотографии также подтверждают, что в примерах с 1-1 по 1-9 по сравнению с примерами для сравнения с 1-10 по 1-12 свойства в отношении износа в виде лунки улучшены.

Пример 2

В примере 2 настоящего изобретения многослойную тонкую пленку на основе AlCrN, образованную способом согласно настоящему изобретению, сравнили с многослойной тонкой пленкой на основе AlCrN, образованной обычным способом.

Структура укладки в стопу и состав многослойной тонкой пленки соответствовали приведенным в таблице 3. Отдельные тонкие пленки, каждая из которых образована из четырех тонких слоев, неоднократно, всего 180 раз, уложили в стопу так, что средний период постоянной решетки составил от 5 до 10 нм, а период модуля упругости составил от 10 до 20 нм, и, таким образом, получили многослойную тонкую пленку, конечная толщина которой составила от 2,5 до 3,5 мкм. В этом случае в качестве подложки, на которую нанесли многослойную тонкую пленку, использовали материал М30 Grade РР9030 (номер изделия CNMG120408-HS), поставляемый компанией Korloy.

При оценке эксплуатационных параметров при резании для многослойной тонкой пленки, нанесенной, как описано выше, в качестве обрабатываемой детали использовали SM45C (диаметр: 100 мм, высота: 120 мм), а резание осуществили в сухих условиях со скоростью резания 250 м/мин, подача на зуб составила 0,25 мм, подача - 1,5 мм. Состояние износа сравнили после обработки торца 30 раз. Результаты показаны на фиг. 7.

Как видно на фиг. 7, примеры 2-1 и 2-2 настоящего изобретения показывают улучшенный износ в виде лунки по сравнению со сравнительным примером 2-3.

Другими словами, очевидно, что многослойная тонкая пленка из сверхрешетки, уложенная в стопу с применением регулировки периода модуля упругости и периода постоянной решетки согласно настоящему изобретению, показывает повышенную износостойкость в сравнении с остальными случаями.

Промышленная применимость

Многослойная пленка согласно настоящему изобретению может быть использована соответствующим образом в качестве пленки для режущего инструмента.

1. Многослойная тонкая пленка для режущего инструмента, содержащая отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из стопы следующих друг за другом тонких слоев А, В, С и D, состоящих из нитридов металлов и уложенных в стопу более одного раза, причем соотношение модуля k упругости тонких слоев удовлетворяет условиям k_A, k_C>k_B, k_D или k_B, k_D>k_C, k_A, а соотношение постоянной L решетки тонких слоев удовлетворяет условиям L_A>L_B, L_D>L_C или L_C>L_B, L_D>L_A.

2. Многослойная тонкая пленка по п. 1, в которой разница между максимальным значением и минимальным значением постоянной L решетки составляет 20% или менее.

3. Многослойная тонкая пленка по п. 1, в которой нитриды металлов, составляющие тонкие слои В и D, являются такими же, как нитриды металлов, составляющие тонкие слои А и С, расположенные смежно с тонкими слоями В и D, или содержат по меньшей мере один из нитридов металлов, составляющих тонкие слои А и С.

4. Многослойная тонкая пленка по п. 1, в которой средний период λ_L постоянной решетки многослойной тонкой пленки в два раза больше, чем ее средний период λ_k модуля упругости.

5. Многослойная пленка по п. 1 или 2, в которой отдельная тонкая пленка имеет толщину от 4 нм до 50 нм.

6. Многослойная тонкая пленка по п. 1 или 2, в которой тонкие слои В и D образованы из одинакового нитрида металла.

7. Режущий инструмент, покрытый многослойной пленкой по п. 1 или 2.