TWI597374B - Hard coating and hard coating member - Google Patents

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TWI597374B TW105125613A TW105125613A TWI597374B TW I597374 B TWI597374 B TW I597374B TW 105125613 A TW105125613 A TW 105125613A TW 105125613 A TW105125613 A TW 105125613A TW I597374 B TWI597374 B TW I597374B
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Description

硬質被膜及硬質被膜被覆構件 發明領域
本發明係有關於一種具有優異的耐熱性、耐熔接性之硬質被膜及硬質被膜被覆構件，特別是有關於一種具有優異的耐磨耗性及耐熔接性之硬質被膜，其係將AlCr氮化物之A層、TiAl氮化物之奈米等級厚度的B層及TiSi氮化物之奈米等級厚度的C層之奈米薄膜(nanolayer)的交替層交替層積而成之具有優異的耐熱性、耐熔接性之硬質被膜。
發明背景
在鑽孔器(drill)、端銑刀、銑刀(fraise)、切削刀具等的切削工具、成形螺絲攻(thread forming tap)、軋製工具(rolling tool)、沖壓模具等的非切削工具等的各種加工工具、或被要求耐磨耗性之摩擦零件等的各種工具構件，已提案揭示一種藉由在超硬合金製或高速度工具鋼製的母材表面塗附硬質被膜，來提升耐磨耗性和耐久性。
相對於此，專利文獻1及非專利文獻1係提案揭示一種經施行TiAlN系/TiCrN系的硬質被膜之鑽孔器。又，專利文獻2係提案揭示一種經施行由AlCrN系及TiSiN系的多層結構所構成的硬質被膜之鑽孔器。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利國際公開2013/000557號
專利文獻2：日本專利特開2008-534297號公報
非專利文獻
非專利文獻1:O.Durdnd-Drouhin, A.E.Santana, A.Karimi, V.H.Derflinger, A.Schutze著、TiAl(Si)N單層及多層薄膜的機械性質及失敗模式(Mechanical properties and failure models of TiAl(Si)N single and multilayer thin films)」、表面及塗附技術(Surface and Coatings Technology)、(瑞士)、網路科學(Elsevier Science)、2003年、163-164卷、第260-266頁
但是，但是上述專利文獻1及非專利文獻1所記載的鑽孔器，被使用在碳鋼和鑄鐵的開洞加工時，有無法充分地得到耐磨耗性之問題。又，在上述專利文獻2所記載的鑽孔器，被使用在合金鋼和不鏽鋼的開洞加工時，因為耐熔接性不充分，所以有無法得到充分的性能之問題。
本發明係將以上的情形作為背景而進行，其目的係提供一種硬質被膜被覆工具，其在碳鋼、鑄鐵等的切削能夠得到耐磨耗性且在合金鋼、不鏽鋼等的切削能夠得到耐熔接性。
本發明者等在將以上的情形作為背景而重複各種研究之中，發現以下的事實：將由AlCr氮化物所構成之A層、由TiAl氮化物所構成之B層及由TiSi氮化物所構成之C層之奈米薄膜交替層，以成為總膜厚20μm以下的方式使其交替層積而成之硬質被膜，使用在工具時，在碳鋼和鑄鐵的切削能夠得到耐磨耗性，在合金鋼和不鏽鋼的切削能夠得到耐熔接性。本發明係基於如此的見解而進行。
亦即，作為第1發明要旨，係：(a)一種用以被覆在母材表面之硬質被膜；(b)前述硬質被膜係藉由物理蒸鍍法而構成A層與奈米薄膜交替層交替層積且形成0.5~20μm之總膜厚，其中該奈米薄膜交替層係由B層及C層交替層積而成；(c)前述A層係以組成式為[Al1-UCrU]N且原子比U為0.20~0.80表示之AlCr氮化物，而且具有50~1000nm的厚度；(d)前述B層係以組成式為[Ti1-WAlW]N且原子比W為0.30~0.85表示之TiAl氮化物，而且具有1~100nm的厚度；(e)前述C層係以組成式為[Ti1-YSiY]N且原子比Y為0.05~0.45表示之TiSi氮化物，而且具有1~100nm的厚度；(f)前述奈米薄膜交替層係具有50~1000nm的厚度。
又，第2發明要旨，係前述A層的膜厚TA與前述奈米薄膜交替層的膜厚TNL的比值TA/TNL為0.2~10。
又，第3發明要旨，係前述A層含有20at%以下之添加物α，該添加物α係選自由Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W所組成群組之至少1種元素所構成。
又，第4發明要旨，係前述B層含有10at%以下之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成。
又，第5發明要旨，係前述C層含有10at%以下之添加物γ，該添加物γ係選自由B、C、V、Y、Nb、Mo、及W所組成群組之至少1種元素所構成。
又，第6發明要旨，係前述硬質被膜係直接被覆在前述母材。
又，第7發明要旨，係前述硬質被膜係透過界面層而被覆在前述母材；前述界面層，係由與前述A層、前述B層、前述C層、或前述奈米薄膜交替層同樣的材料且以50~1000nm的厚度形成。
又，第8發明要旨，係一種硬質被膜被覆工具，其係使用從第1發明至第7發明的任一種硬質被膜被覆在前述母材的一部分或全部而成。
依照第1發明，一種用以被覆在母材表面之硬質被膜，其係藉由物理蒸鍍法，構成A層與奈米薄膜交替層交替層積且形成0.5~20μm之總膜厚，其中該奈米薄膜交替層係由B層及C層交替層積而成；前述A層係以組成式為[Al1-UCrU]N且原子比U為0.20~0.80表示之AlCr氮化物，而且具有50~1000nm的厚度；前述B層係以組成式為[Ti1-WAlW]N且原子比W為0.30~0.85表示之TiAl氮化物，而且具有1~100nm的厚度；前述C層係以組成式為[Ti1-YSiY]N且原子 比Y為0.05~0.45表示之TiSi氮化物；而且具有1~100nm的厚度；前述奈米薄膜交替層係具有50~1000nm的厚度；藉此，各層的結晶粒係被微細化且膜強度提升，同時具備優異的耐氧化性、高硬度、高韌性；此外，藉由A層與奈米薄膜交替層交替層積而成之交替積層結構來防止龜裂進行，會提升耐磨耗性、耐缺損性。其結果，能夠得到一種工具，其在切削碳鋼、鑄鐵等能夠得到耐磨耗性且在切削合金鋼、不鏽鋼等能夠得到耐熔接性。
依照第2發明，前述A層的膜層TA與前述奈米薄膜交替層的膜層TNL之比值TA/TNL為0.2~10，藉此，在碳鋼、鑄鐵等的切削能夠得到耐磨耗性，在合金鋼、不鏽鋼等的切削能夠得到耐熔接性。
依照第3發明，前述A層係含有20at%以下之添加物α，該添加物α係選自由Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W所組成群組之至少1種元素所構成，藉此，在A層中產生固溶強化而能夠提高AlCr氮化物的硬度，而且藉由切削時的高溫而能夠提升強度，同時在表面形成氧化物而能夠得到優異磨耗性，並且與耐熔接性的平衡變為良好而能夠得到較長的工具壽命。
依照第4發明，前述B層係含有10at%以下之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成，藉此，在B層中產生固溶強化而能夠提高TiAl氮化物的硬度且能夠得到優異的耐磨耗性。
依照第5發明，前述C層係含有10at%以下之添加物γ，該添加物γ係選自由B、C、V、Y、Nb、Mo、及W所組成群組之至少1種元素所構成，藉此，在C層中產生固溶強化而能夠提高TiSi氮化物的硬度且能夠得到優異的耐磨耗性。特別是V、Nb、Mo、及W，因為藉由切削時的高溫而能夠形成氧化物且得到自潤滑作用，所以能夠得到更長的工具壽命。
依照第6發明，前述硬質被膜係直接被覆在前述母材，藉此，前述硬質被膜與前述母材之間不需要界面層，所以容易製造。
依照第7發明，前述硬質被膜係透過界面層而被覆在前述母材，前述界面層係由與前述A層、前述B層、前述C層、或前述奈米薄膜交替層同樣的材料形成50~1000nm的厚度。因此，能夠進一步提高硬質被膜與母材之間的附著強度。
依照第8發明，係使用第1發明至第7發明的任一種硬質被膜被覆在前述母材的一部分或全部而成之硬質被膜被覆工具，藉此，能夠得到一種工具，其在碳鋼和鑄鐵的切削能夠得到耐磨耗性且在合金鋼和不鏽鋼的切削能夠得到耐熔接性。
在此，較佳是前述硬質被膜被覆工具，係能夠適合應用在鑽孔器、銑刀等的旋轉切削工具、切削刀具等非旋轉的切削工具、或成形螺絲攻、軋製工具、沖壓模具等的非切削工具等各種硬質被膜被覆加工工具。但是，除了 此種加工工具以外，亦能夠應用作為在軸承構件等被要求耐磨耗性和耐氧化性之各種耐磨耗性硬質被膜被覆構件。
又，本發明的硬質被膜，較佳是藉由電弧離子噴鍍法、離子射束支援蒸鍍法、濺鍍法等的PVD法、及其它物理蒸鍍法而成膜。
而且，作為被覆本發明的硬質被膜之母材，係能夠適合使用超硬合金和高速度工具鋼，但是亦能夠採用金屬陶瓷(cermet)、陶瓷、多結晶鑽石、多結晶CBN等、各種工具材料。
10‧‧‧鑽孔器(硬質被膜被 覆工具、硬質被膜被覆構件)
22‧‧‧工具母材(母材)
24‧‧‧硬質被膜
30‧‧‧工具母材
32‧‧‧界面層
34‧‧‧A層
36‧‧‧B層
38‧‧‧C層
40‧‧‧奈米薄膜交替層
50‧‧‧電弧離子噴鍍裝置
54‧‧‧旋轉台
56‧‧‧偏壓電源
58‧‧‧處理室
59‧‧‧加熱器
60‧‧‧反應氣體供給裝置
62‧‧‧排氣裝置
64‧‧‧第1電弧電源
66‧‧‧第2電弧電源
68‧‧‧第3電弧電源
70‧‧‧第1蒸發源
74‧‧‧第2蒸發源
78‧‧‧第3蒸發源
O‧‧‧軸心
圖1係顯示本發明的一實施例之設置有硬質被膜的鑽孔器之正面圖。
圖2係顯示用以說明圖1的鑽孔器結構之從其前端側顯示之放大底面圖。
圖3係說明被覆在圖1的鑽孔器之硬質被膜的積層結構例之示意圖。
圖4係說明被覆在圖1的鑽孔器之硬質被膜的其它積層結構例之示意圖。
圖5係說明被覆在圖1的鑽孔器之硬質被膜的其它積層結構例之示意圖。
圖6係說明被覆在圖1的鑽孔器之硬質被膜的其它積層結構例之示意圖。
圖7係說明將圖1的硬質被膜成膜在工具母材上之物理蒸鍍裝置的一個例子之電弧離子噴鍍裝置之概略圖。
圖8係針對使構成硬質被膜之A層、B層、及C層的構成元素種類及比率、添加物種類及組成比率、及膜厚變化而成之試驗品1~試驗品50，各自顯示構成A層之AlCr氮化物的構成元素種類及比率之圖表。
圖9係針對圖8的試驗品1~試驗品50，各自顯示構成B層之TiAl氮化物的構成元素種類及比率之圖表。
圖10係針對圖8的試驗品1~試驗品50，各自顯示構成C層之TiSi氮化物的構成元素種類及比率之圖表。
圖11係針對圖8的試驗品1~試驗品50，各自顯示A層、B層、及C層的厚度、B層及C層的層積對數、奈米薄膜交替層的厚度、界面層的厚度、A層及奈米薄膜交替層的層積對數、硬質被膜的總膜厚之圖表。
圖12係針對圖8的試驗品1~試驗品50，各自顯示被膜硬度、磨耗寬度、切削距離、判定結果之圖表。
圖13係針對圖8的試驗品1~試驗品50之中的試驗品1、5、15、19、20、41、27，顯示隨著切削距離的増加之磨耗寬度的増加特性之圖。
用以實施發明之形態
以下，參照本發明的硬質被膜的一實施例而詳細地說明圖式。
實施例
圖1及圖2係顯示被覆有本發明的硬質被膜24之硬質被膜被覆工具或硬質被膜被覆構件的一個例子之鑽孔 器10之圖。圖1係從與軸心O為直角的方向觀看之正面圖，圖2係從設置有刀刃12之前端側觀看之放大底面圖。該鑽孔器10係2片刀刃的扭曲鑽孔器，在軸方向一體地具備柄部14及主體16，在主體16係形成有往軸心O的右旋轉扭曲而成之一對溝18。在主體16的前端係對應溝18設置有一對刀刃12，從柄部14側觀看，由於被往軸心O的右旋轉旋轉驅動，在藉由刀刃12進行切削加工孔穴之同時，切屑係通過溝18而被往柄部14側排出。
在主體16的前端面，隣接一對刀刃12之各自的刀腹面(flank face)20，係開口形成有一對從柄部14端面縱向通過柄部14及主體16之一對切削液導出孔22。又，在圖1，斜線部分係表示作為硬質被膜之硬質被膜24的塗佈部分。在本實施例，硬質被膜24係塗佈在鑽孔器10的一部分之主體16，但是塗佈在鑽孔器10全體亦無妨。
圖3係放大說明鑽孔器10的硬質被膜24剖面之示意圖。在圖3，例如在超硬合金製的工具母材30上，係藉由物理蒸鍍法，透過以50~1000nm左右的厚度形成之界面層32而層積有硬質被膜24。該硬質被膜24係藉由物理蒸鍍法，構成A層34與奈米薄膜交替層40交替層積且形成0.5~20μm之總膜厚，其中該A層34形成為具有50~1000nm的厚度，該奈米薄膜交替層40係由1~100nm厚度的B層36及1~100nm厚度的C層38以成為50~1000nm的厚度交替層積而成之複層區域。
A層34，係組成式為[Al1-UCrU]N且原子比U為 0.20~0.80之AlCr氮化物，並且具有50~1000nm的厚度；該AlCr氮化物含有20at%以下之添加物α，該添加物α係選自由Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W所組成群組之至少一種元素所構成。亦即，A層34係組成式為[Al1-U-VCrU αV]N且原子比U為0.20~0.80、原子比V為0~0.20之AlCr氮化物。添加物α之特徵在於：產生固溶強化而提高AlCr氮化物的硬度，或藉由切削時的高溫，而在使AlCr氮化物的強度提升之同時，在AlCr氮化物表面形成氧化物而提高耐磨耗性。
B層36，係組成式為[Ti1-WAlW]N且原子比W為0.30~0.85之TiAl氮化物，並且具有1~100nm的厚度；該TiAl氮化物含有10at%以下之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成。亦即，B層36係以組成式為[Ti1-W-XAlW βX]N且原子比W為0.30~0.85、原子比X為0~0.10表示之TiAl氮化物。添加物β係產生固溶強化而提高TiAl氮化物的硬度且有助於提高耐磨耗性。
C層38，係組成式為[Ti1-YSiY]N且原子比Y為0.05~0.45之TiAl氮化物且具有1~100nm的厚度；該TiAl氮化物含有10at%以下之添加物γ，該添加物γ係選自由B、C、V、Y、Nb、Mo、及W所組成群組之至少1種元素所構成。亦即，C層38係以組成式為[Ti1-Y-ZSiY γZ]N且原子比Y為0.05~0.45、原子比Z為0~0.10表示之TiSi氮化物。添加物γ係產生固溶強化而提高TiSi氮化物的硬度且有助於提高耐磨耗性。又，因為上述添加物γ之中的V、Nb、Mo、及W 係藉由切削時的高溫而形氧化物且產生自潤滑作用，所以有助於工具壽命。
界面層32係能夠藉由與硬質被膜24同樣的物理蒸鍍法，以成為50~1000nm的厚度之方式且由與構成A層34之AlCr氮化物、構成B層36之TiAl氮化物、構成C層38之TiSi氮化物、或奈米薄膜交替層40同樣的奈米薄膜積層結構之材料(TiAl氮化物/TiSi氮化物)所構成而得到。在圖3，作為一個例子，界面層32係由與A層34同樣的材料亦即AlCr氮化物所構成。在奈米薄膜交替層40，B層36與C層38的積層數可為偶數亦可為3以上的奇數，其最上層或最下層可為B層36及C層38的任一者。又，在硬質被膜24，A層34與奈米薄膜交替層40的積層數可為偶數亦可為3以上的奇數，其最上層或最下層可為A層34及奈米薄膜交替層40的任一者。
圖4、圖5、圖6係各自表示硬質被膜24的其它構成例。相較於圖3，就圖4的硬質被膜24之A層34與奈米薄膜交替層40的積層數為奇數、及奈米薄膜交替層40內的B層36與C層38的積層數為奇數、及界面層32係由與B層36同樣的材料之TiAl氮化物所構成而言，乃是不同。相較於圖3，就圖5所顯示之硬質被膜24，介於工具母材30與硬質被膜24之間之界面層32係由與奈米薄膜交替層40同樣的奈米薄膜積層結構之材料(TiAl氮化物/TiSi氮化物)所構成而言，乃是不同。在圖6所顯示之硬質被膜24，相較於圖3，就硬質被膜24的最上層為奈米薄膜交替層40、及硬質被膜24不透過界面層32而直接層積在工具母材30上而言，乃是不同。
圖7係說明在鑽孔器10的製造所使用的電弧離子噴鍍裝置50之概略構成圖(示意圖)。電弧離子噴鍍裝置30係藉由物理蒸鍍法的一種之電弧離子噴鍍法，將界面層32、A層34、B層36、C層38成膜在具有與圖1及圖2所顯示的鑽孔器10同樣的形狀之工具母材30上。
電弧離子噴鍍裝置50係例如具備下列等：旋轉台54，其係保持複數個工件亦即被覆硬質被膜24前之形成有刀刃12、溝18等之複數支工具母材30，且在大略垂直的旋轉中心周圍將其旋轉驅動；偏壓電源56，其係對工具母材30施加負的偏壓電壓；處理室58，其係作為將工具母材30等收容在內部之處理容器；加熱器59，其係設置在處理室58內；反應氣體供給裝置60，其係將預定反應氣體供給至處理室58內；排氣裝置62，其係使用真空泵等將處理室58內的氣體排出且減壓；第1電弧電源64；第2電弧電源66；及第3電弧電源68。旋轉台54係構成以上述旋轉中心作為中心之圓筒形狀或多角柱形狀，且以前端往上方突出的姿勢將複數本工具母材30保持在外周部。又，反應氣體供給裝置60係具備積存氬氣(Ar)之槽體及積存氮氣之槽體，且在形成界面層32、A層34、B層36、C層38時供給氮氣。
第1電弧電源64、第2電弧電源66及第3電弧電源68，係任一者均是藉由將由蒸鍍材料所構成之第1蒸發源70、第2蒸發源74、第3蒸發源78作為陰極，在與陽極72、76、80之間選擇性地流通預定電弧電流使其電弧放電，來使蒸發材料從該等第1蒸發源70、第2蒸發源74、第3蒸發源 78選擇性地蒸發，蒸發後的蒸發材料係成為正離子而被覆在被施加負(-)的偏壓電壓之工具母材30上。以能夠得到界面層32、A層34、B層36、C層38之方式、使預定組成蒸發之方式、選擇第1電弧電源64、第2電弧電源66及第3電弧電源68之方式設定之同時，規定電弧電流、偏壓電壓，同時規定400~550℃的溫度、2~10Pa的真空度等的成膜條件。針對上述界面層32、A層34、B層36、C層38的厚度，係能夠藉由控制成膜時間來調整。
例如，第1蒸發源70係由組成式為[Al1-UCrU]N且原子比U為0.20~0.80、添加物α為20at%以下的AlCr氮化物所構成。第2蒸發源74係由組成式為[Ti1-WAlW]N且原子比W為0.30~0.85、添加物β 10at%以下的TiAl氮化物所構成。第3蒸發源78係由組成式為[Ti1-YSiY]N且原子比Y為0.05~0.45、添加物γ為10at%以下的TiSi氮化物所構成。將界面層32形成在工具母材30上時，能夠藉由第1電弧電源64使AlCr氮化物從第1蒸發源70蒸發，或者能夠藉由第2電弧電源66使TiAl氮化物從第2蒸發源74蒸發。將A層32形成在工具母材30上時，能夠藉由第1電弧電源64使AlCr氮化物從第1蒸發源70蒸發。將奈米薄膜交替層40形成在工具母材30上時，係藉由交替地設置藉由第2電弧電源66使TiAl氮化物從第2蒸發源74蒸發之區間、及藉由第3電弧電源68使TiSi氮化物從第3蒸發源78蒸發之區間，而將由TiAl氮化物所構成之奈米薄膜等級的B層34及由TiSi氮化物所構成之奈米薄膜等級的C層36交替層積。藉由此種動作的選擇，能夠將 例如圖3所顯示的硬質被膜24層積在工具母材30上。
為了確認耐磨耗性及耐熔接性，本發明者係使用圖7的電弧離子噴鍍裝置50，在具有與圖1及圖2所顯示的鑽孔器10同樣的形狀之超硬合金製的工具母材30上形成圖3顯示之硬質被膜24，來製造使其界面層32、A層34、B層36、C層38的組成比率(at%)及膜厚(nm)、奈米薄膜交替層40內的B層36及C層38的層積對數、奈米薄膜交替層40的厚度、A層32及奈米薄膜交替層40的層積對數，如圖8、圖9、圖10、圖11顯示的方式不同之50種類的試驗品1~試驗品50。而且，依照以下所顯示的被膜硬度(維氏硬度)測定方法各自測定該等的試驗品1~試驗品50的被膜硬度，同時依照以下所顯示之切削試驗條件且使用試驗品1~試驗品50，依照以下顯示的測定方法測定各自切削後的磨耗寬度及切削距離且判定切削性能。圖12係顯示該等評價結果。又，在圖8、圖9、圖10、圖11所顯示之組成值單位為at%(原子%)。
(被膜硬度測定方法)
依照維氏硬度試驗法(JISG0202、Z2244)，在硬度記號HV0.025表示的條件下測定試驗品1~試驗品50的硬質被膜之HV值(維氏硬度)。
(切削試驗條件)
被削材：S50C
切削速度：100m/min.
旋轉速度：5305min-1
進給量：0.18mm/rev.
加工深度：30mm停止
位移量：無位移
切削液：水溶性切削油
(磨耗寬度的測定方法)
重複進行孔穴加工至鑽孔器前端刀刃的切削距離到達50m為止，使用附比例尺的實體顯微鏡，實測在切削距離到達50m時之鑽孔器的前端第二面的被膜磨耗寬度亦即鄰接刀刃之基材的露出寬度且顯示在圖12的※1。
(切削距離的測定方法及合格判定方法)
基於切削試驗條件(旋轉速度：5305min-1、進給量：0.18mm/rev、加工深度：30mm)、及鑽孔器的磨耗寬度到達0.2mm為止之孔穴加工數(總加工深度)，算出鑽孔器前端刀刃的切削距離且顯示在圖12的※2。該切削距離為小於50m時，判定為不合格判定且將×記號顯示在圖12的※3，50m以上時判定為合格且將○記號顯示在圖12的※3。
如圖12所顯示，相較於對應比較例品之試驗品1~試驗品6，對應實施例品之試驗品7~試驗品50的被膜硬度為2990~3490(HV0.025)，能夠得到較高的被膜硬度。
又，如圖12所顯示，對應比較例品之試驗品1~試驗品6，因為磨耗寬度到達0.2mm為止之切削距離小於合格判定值50m，所以判定為不合格。試驗品1不具備B層36及C層38的交替層之奈米薄膜交替層40，而且界面層32的膜厚大於1000nm。試驗品2之A層34的厚度大於1000nm。試驗品3不具備A層34且B層36的膜厚TB及C層38的膜厚TC大於 100nm，而且奈米薄膜交替層40的厚度大於1000nm且總膜厚大於20μm。試驗品4之A層34的膜厚TA較薄且小於50nm，而且界面層32的膜厚大於1000nm。試驗品5不具備A層34，而且B層36的膜厚TB厚度較薄且小於1nm。試驗品6之A層34的膜厚TA較薄且小於50nm，而且B層36的膜厚TB及C層38的膜厚TC小於1nm，界面層32的膜厚小於50nm且總膜厚小於0.5μm。
但是，對應實施例品之試驗品7~試驗品50，因為磨耗寬度到達0.2mm為止之切削距離為合格判定值50m以上，所以判定為合格。又，硬質被膜24的最上層為奈米薄膜交替層40且積層數為奇數之圖4所顯示的鑽孔器，即便除了無界面層32以外，係與圖3同樣之圖5所顯示之鑽孔器、無界面層32且硬質被膜24的積層數為奇數而且奈米薄膜交替層40的積層數為偶數之圖6所顯示之鑽孔器，亦能夠得到與圖12同樣的結果。亦即，不管有無界面層32、硬質被膜24的最上層或最下層為A層34或奈米薄膜交替層40、硬質被膜24的積層數為偶數或奇數、奈米薄膜交替層40的積層數為奇數或偶數，均能夠得到與圖12同樣的結果。
在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50，A層34的組成範圍係例如圖8的試驗品7、13所顯示，Al為20~80at%的範圍內，Cr為80~20at%的範圍內，添加物α為Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W且在0~20at%的範圍內。亦即，A層34的適合組成，係組成式為[Al1-U-VCrU αV]N且原子比U為0.20~0.80、原子比V為0~0.20表示之AlCr氮化 物。又，A層34的膜層TA之適合範圍，係例如圖11的試驗品7、及試驗品15所顯示，為50~1000nm。
又，在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50，B層36的組成範圍係例如圖9的試驗品8、19所顯示，Ti為15~69at%的範圍內，Al為85~30at%的範圍內，添加物β為B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W之中的至少1個元素且0~10at%的範圍內。亦即，B層36的適合組成，係組成式為[Ti1-W-XAlW βX]N且原子比W為0.30~0.85、原子比X為0~0.10表示之TiAl氮化物。又，B層36的膜厚TB的適合範圍，係例如圖11的試驗品15、25所顯示，為1~100nm。
又，在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50，C層38的組成範圍係例如圖10的試驗品14、16所顯示，Ti為55~94.5at%的範圍內，Si為5~45at%的範圍內、添加物γ為B、C、V、Y、Nb、Mo、及W之中的至少1個元素且0~10at%的範圍內。亦即，C層38的適合組成，係組成式為[Ti1-Y-ZSiY γ]N且原子比Y為0.05~0.45，原子比Z為0~0.10表示之TiSi氮化物。又，C層38的膜厚TC的適合範圍，係例如圖11的試驗品14、15所顯示，為1~100nm。
又，在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50，奈米薄膜交替層40的厚度範圍係例如圖11的試驗品7、27、28所顯示，為50~1000nm。又，A層34的膜厚TA與奈米薄膜交替層40的膜厚TNL之比值TA/TNL為0.2~10的範圍。
而且，在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50，界面層32的厚度範圍係例如圖11的試驗品10、11所顯 示，為50~1000nm。
又，在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50，硬質被膜24的總合厚度範圍，係例如圖11的試驗品7、25所顯示，為0.5~20μm。
而且，在圖12之對應實施例品之試驗品7~試驗品50中，在將層積B層36及C層38而成之奈米薄膜交替層40之重複數目亦即一對B層36及C層38之對數，係例如試驗品27、43所顯示，為1~100。又，在將A層34及奈米薄膜交替層40層積而成之硬質被膜24之重複數目亦即一對A層34及奈米薄膜交替層40之對數，係例如試驗品7、15所顯示，為2~199。
圖13係試驗品1~試驗品50之中，針對對應比較例品之試驗品1、5與實施例品之試驗品15、19、20、41、27，顯示在前述切削試驗之隨著切削距離的増加而磨耗寬度的増加特性。相較於對應實施例品之試驗品15、19、20、41、27，對應比較例品之試驗品1、5的磨耗寬度増加率為非常大。
依照本實施例，被覆工具母材30表面之硬質被膜24，因為係藉由物理蒸鍍法而構成A層34與奈米薄膜交替層40交替層積且形成0.5~20μm之總膜厚，其中該奈米薄膜交替層40係由B層36及C層38以奈米等級厚度交替層積而成；A層34係以組成式為[Al1-UCrU]N且原子比U為0.20~0.80表示之AlCr氮化物，而且具有50~1000nm的厚度，B層36係以組成式為[Ti1-WAlW]N且原子比W為0.30~0.85表示之TiAl 氮化物，而且具有1~100nm的厚度，C層38係以組成式為[Ti1-YSiY]N且原子比Y為0.05~0.45表示之TiSi氮化物，而且具有1~100nm的厚度，奈米薄膜交替層40係具有50~1000nm的厚度，所以能夠得到在碳鋼、鑄鐵等的切削能夠得到耐磨耗性且在合金鋼、不鏽鋼等的切削能夠得到耐熔接性之鑽孔器10。
又，依照本實施例，因為A層34的膜厚TA與奈米薄膜交替層40的膜層TNL之比值TA/TNL為0.2~10，所以能夠得到在碳鋼、鑄鐵等的切削能夠得到耐磨耗性且在合金鋼、不鏽鋼等的切削能夠得到耐熔接性之工具。
而且，依照本實施例，因為A層34係以20at%以下的比率含有選自由Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W所組成群組之至少1種元素所構成之添加物α，藉由在A層34中產生固溶強化而能夠提高AlCr氮化物的硬度，而且藉由切削時的高溫而強度提升之同時，能夠在表面形成氧化物而得到優異的耐磨耗性且與耐熔接性的平衡變為良好，使得鑽孔器10能夠得到較長的工具壽命。
又，依照本實施例，因為B層36係以10at%以下的比率含有選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成之添加物β，藉由在B層36中產生固溶強化，能夠提高TiAl氮化物的硬度且鑽孔器10能夠得到優異的耐磨耗性。
而且，依照本實施例，因為C層38係以10at%以下的比率含有選自由B、C、V、Y、Nb、Mo、及W所組成 群組之至少1種元素所構成之添加物γ，藉由在C層38中產生固溶強化而能夠提高TiSi氮化物的硬度且鑽孔器10能夠得到優異的耐磨耗性。特別是因為V、Nb、Mo、及W係藉由切削時的高溫而形成氧化物且能夠得到自潤滑作用，所以鑽孔器10能夠得到更長的工具壽命。
又，依照本實施例，圖6所顯示的硬質被膜24，因為係直接被覆在工具母材30，在硬質被膜24與工具母材30之間不需要界面層，所以容易製造。
而且，依照本實施例，圖3、圖4、圖5所顯示之硬質被膜24，係透過界面層32而被覆在工具母材30，界面層32係能夠由與A層34、B層36、或奈米薄膜交替層40同樣的材料形成50~1000nm的厚度。因此，能夠進一步提高在質被膜24與工具母材30之間的附著強度。
又，使用本實施例的鑽孔器10時，因為係使用硬質被膜24被覆一部分而成之硬質被膜被覆工具，所以在碳鋼、鑄鐵等的切削能夠得到耐磨耗性且在合金鋼、不鏽鋼等的切削能夠得到耐熔接性。
以上，基於圖式而詳細地說明了本發明的實施例，但是該等到底是一實施形態，本發明係能夠基於該業者的知識而以經施加各種變更、改良的態樣實施。
24‧‧‧硬質被膜
30‧‧‧工具母材
32‧‧‧界面層
34‧‧‧A層
36‧‧‧B層
38‧‧‧C層
40‧‧‧奈米薄膜交替層

Claims (14)

  1. 一種硬質被膜，係用以被覆在母材表面之硬質被膜，其特徵在於：前述硬質被膜係藉由物理蒸鍍法，構成A層與奈米薄膜交替層交替層積且形成0.5~20μm之總膜厚，其中該奈米薄膜交替層係由B層及C層交替層積而成；前述A層係以組成式為[Al1-UCrU]N且原子比U為0.20~0.80表示之AlCr氮化物，而且具有50~1000nm的厚度，前述B層係以組成式為[Ti1-WAlW]N且原子比W為0.30~0.85表示之TiAl氮化物，而且具有1~100nm的厚度，前述C層係以組成式為[Ti1-YSiY]N且原子比Y為0.05~0.45表示之TiSi氮化物，而且具有1~100nm的厚度，前述奈米薄膜交替層係具有50~1000nm的厚度。
  2. 如請求項1之硬質被膜，其中前述A層的膜層TA與前述奈米薄膜交替層的膜層TNL之比值TA/TNL為0.2~10。
  3. 如請求項1之硬質被膜，其中前述A層係含有20at%以下之添加物α，該添加物α係選自由Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  4. 如請求項2之硬質被膜，其中前述A層係含有20at%以下之添加物α，該添加物α係選自由Si、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  5. 如請求項1之硬質被膜，其中前述B層係含有10at%以下 之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  6. 如請求項2之硬質被膜，其中前述B層係含有10at%以下之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  7. 如請求項3之硬質被膜，其中前述B層係含有10at%以下之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  8. 如請求項4之硬質被膜，其中前述B層係含有10at%以下之添加物β，該添加物β係選自由B、C、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  9. 如請求項1至8項中任一項之硬質被膜，其中前述C層係含有10at%以下之添加物γ，該添加物γ係選自由B、C、V、Y、Nb、Mo、及W所組成群組之至少1種元素所構成。
  10. 如請求項1至8項中任一項之硬質被膜，其中前述硬質被膜係直接被覆在前述母材。
  11. 如請求項9之硬質被膜，其中前述硬質被膜係直接被覆在前述母材。
  12. 如請求項1至8項中任一項之硬質被膜，其中前述硬質被膜係透過界面層而被覆在前述母材，前述界面層係由與前述A層、前述B層、前述C層、或前述奈米薄膜交替層同樣的材料形成50~1000nm的厚度。
  13. 如請求項9之硬質被膜，其中前述硬質被膜係透過界面層而被覆在前述母材，前述界面層係由與前述A層、前述B層、前述C層、或前述奈米薄膜交替層同樣的材料形成50~1000nm的厚度。
  14. 一種硬質被膜被覆構件，其特徵在於：使用如請求項1至13項中任一項之硬質被膜被覆在前述母材的一部分或全部而成。
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