專利名稱：切削工具的dlc鍍膜制程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與切削工具有關(guān)，特別是關(guān)于一種以氣相沉積(vapor depositicm)方式進 行切削工具的DLC鍍膜制程。
背景技術(shù)：
一般切削工具(cutting tools)可區(qū)分為一柄部以及一刃部，柄部用于供機械夾 持，刃部供對工件進行切削加工作業(yè)。其中，由于刃部為進行切削加工的主要部
位，必需要具備相比于工件更高的硬度以及較好的機械性質(zhì)，例如低摩擦系數(shù)、
潤滑能力，以達到順利切削進行加工的目的。為提高切削工具的刃部的機械性質(zhì)， 習(xí)知方式是在切削工具的刃部表面鍍上一層硬度較高的薄膜，以達到提高切削工 具的刃部硬度的目的。
為了提高切削工具的耐磨性，習(xí)用鍍膜制程的處理步驟大致如下首先，以
燒結(jié)碳化鎢合金為母材制作切削工具主體，并置于真空爐內(nèi)，以鋯(Zr)以及鉿(Hf) 作為耙材，并以電弧沉積(arcdeposition)方式進行鍍膜，同時通入含碳氣體與氮氣 進行反應(yīng)。習(xí)用鍍膜制程通過上述步驟使鋯(Zr)、鉿(Hf)、碳(C)以及氮(N)以超微 細離子顆粒的型態(tài)披覆于切削工具，以達到提高切削工具的機械性質(zhì)的目的。
然而，電弧沉積(arcdeposition)在鍍膜制程時，為了促進碳、氮離子可以與鋯、 鉿離子充分反應(yīng)并在刀具表面形成致密且高硬度的多晶薄膜，必須要在鍍膜沉積 時輔以高溫加熱，加熱溫度可達450'C，不僅需耗時在真空中加熱，而且溫度太高 又會降低刀具底材的機械性質(zhì)，因此制程溫度的控制較不容易。若制程溫度控制 不當(dāng)，則不能使薄膜形成適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶相且附著力也會下降，并致使薄膜硬度降低， 或者使薄膜具有較大的殘留應(yīng)力，容易造成薄膜產(chǎn)生剝離脫落的問題，具有鍍膜 附著力不佳的缺點。若制程溫度過高，更會影響切削工具母材的機械性質(zhì)。另外， 以電弧沉積進行鍍膜，特別是使用陰極電弧沉積(cathodic arc deposition)時，在鍍 膜制程中會伴隨著金屬液滴(metal droplet)的產(chǎn)生，致使薄膜表面變得粗糙，導(dǎo)致 摩擦系數(shù)提高以及散熱較差的問題產(chǎn)生，進而導(dǎo)致切削工具的排屑不良從而降低 使用壽命。再者，若附加一過濾器(filter)進行電弧沉積，雖然可以減少金屬液滴的 產(chǎn)生，但是，由于過濾器價格較為昂貴，且沉積速率大幅降低，并且因為在鍍膜 過程中離子的飛行距離增加又可能會遇到阻礙，導(dǎo)致薄膜的附著力降低，因此并不能完全解決習(xí)知工藝的缺陷。
此外，習(xí)用電弧沉積制程需要先在切削工具表面制備一附著度高的鍵植層
(under-layer)的程序，以利于后續(xù)硬膜層的附著，具有制程步驟較繁瑣的缺點。
綜上所述，習(xí)用切削工具的鍍膜制程還具有上述缺點有待改進。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種切削工具的DLC鍍膜制程， 其具有耐磨耗以及表面平滑的特色。
本發(fā)明的次一目的在于提供一種切削工具的DLC鍍膜制程，其具有簡化制程 步驟的特色。
為達到上述目的，本發(fā)明所提供的一種切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在 于包含下列各步驟a)提供一切削工具以及一真空腔，所述切削工具的刃徑在 3.175mm以下，所述真空腔具有一真空管路，通過所述真空管路將所述真空腔抽 成真空狀態(tài)；b)提供一碳源，再以氣相沉積方式對所述切削工具表面進行沉積， 以形成一類鉆碳薄膜。
上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟a)中的所述切削工具，預(yù)先用超聲波去除表 面油污并烘干水分。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟a)中的所述真空腔，抽真空至8xl(T3Pa。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟a)中的所述真空腔，具有一電漿產(chǎn)生器， 可對所述切削工具進行電漿離子清洗。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟a)中的所述真空腔，具有一電熱器，以 供對所述真空腔內(nèi)進行加熱。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟b)所述的氣相沉積方式，選自物理氣相 沉積以及化學(xué)氣相沉積其中的一種。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟b)所述的氣相沉積方式選用物理氣相沉 積方式進行時，所述碳源為以石墨為靶材原料，并通過一碳離子源蒸發(fā)器發(fā)射碳 離子。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟b)所述的氣相沉積方式，選用化學(xué)氣相 沉積方式進行時，所述碳源為選自以烷類氣體以及炔類氣體所構(gòu)成的族群中其中 的一種。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟b)的所述碳源選自C3H8、 CH4以及QH2
中的一種。
以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟b)的所述類鉆碳薄膜，具有鉆石鍵結(jié)。以上所述本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟b)的所述類鉆碳薄膜，具有石墨鍵結(jié)以 及鉆石鍵結(jié)。
采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明能在切削工具表面形成類鉆碳薄膜，具有高硬度 的切削功能。再者，鉆石結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)高，散熱速度快，此等機械性質(zhì)使類鉆碳 薄膜可延長切削工具的使用壽命。石墨結(jié)構(gòu)具有干式潤滑的作用，使切削工具的 摩擦系數(shù)約在O.l。使本發(fā)明相比于習(xí)用者，具有能夠提供切削工具高硬度、低摩 擦系數(shù)、高穩(wěn)定性的機械性質(zhì)，具有耐磨耗以及表面平滑的特色。另外，本發(fā)明 所提供的切削工具的DLC鍍膜制程屬低溫制程，不需加溫也可進行，不會影響切 削工具原有的機械性質(zhì)。此外，本發(fā)明以物理氣相沉積(physical vapor deposition; PVD)或化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)方式進行DLC鍍膜制程， 不需經(jīng)過制作鍵植層(under-layer)的程序即可使碳離子進行附著，可直接在切削工 具表面進行鍍膜制程，具有簡化制程步驟的特色。因此，本發(fā)明能在切削工具表 面形成類鉆碳(diamond-like carbon; DLC)薄膜，能夠提供切削工具高硬度、低摩 擦系數(shù)、高穩(wěn)定性的機械性質(zhì)，具有耐磨耗、表面平滑以及簡化制程步驟的特色。


圖1是本發(fā)明第一較佳實施例的鍍膜流程圖； 圖2是本發(fā)明第一較佳實施例的加工示意圖3是本發(fā)明第一較佳實施例的切削工具的結(jié)示意圖，其揭示薄膜的結(jié)構(gòu)； 圖4是本發(fā)明第一較佳實施例與各種切削工具的90%精度壽命比較表； 圖5是本發(fā)明第二較佳實施例的鍍膜流程圖； 圖6是本發(fā)明第二較佳實施例的加工示意圖7是本發(fā)明第二較佳實施例的切削工具的結(jié)構(gòu)示意圖，其揭示薄膜的結(jié)構(gòu)； 圖8是本發(fā)明第二較佳實施例與未鍍膜切削工具的磨耗比率比較表。
具體實施例方式
為了詳細說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及所達到的功效，現(xiàn)舉以下較佳實施例并配合附 圖說明如下。
如圖1 圖3所示，為本發(fā)明一種切削工具的DLC鍍膜制程的第一較佳實施 例，其鍍膜步驟如下
a)首先，提供多數(shù)切削工具10以及一真空腔20，各切削工具10的刃徑是在 3.175mm以下。本實施例中，切削工具10的刃徑為以2.45mm為例。各切削工具 10預(yù)先用超聲波去除表面油污，以提高離子在濺鍍時的附著力。再烘干附著于切 削工具10的水分，防止切削工具10濺鍍時形成氧化物，而在切削工具10表面形成凸起。然后將各切削工具10置入真空腔20內(nèi)。真空腔20具有一治具盤22、 一 真空管路24以及一氣體管路26。治具盤22用于承載各切削工具10，真空管路24 連接至一真空泵28，并將真空腔20抽真空至8xl0—3Pa。打開氣體管路26通入氬 氣(Ar)至8Pa，再以一直流電漿產(chǎn)生器30加直流電壓1000V點燃電漿(Plasma)，電 流為0.1A，進行電漿離子清洗10分鐘后，關(guān)閉直流電漿產(chǎn)生器30。
b)關(guān)閉氣體管路26，再以一碳離子源蒸發(fā)器32加直流脈沖電壓400V發(fā)射碳 離子作為碳源(carbon source),碳離子源蒸發(fā)器32是以石墨為靶材原料，以物理氣 相沉積(physical vapor deposition; PVD)對各切削工具10表面進行DLC鍍膜沉積 200分鐘，最后，破真空取出各切削工具10，各切削工具40可得到一類鉆碳薄膜 (diamond-like carbon film; DLC film)40，其厚度為0.6nm(如圖3所示)。若調(diào)整鍍 膜時間，薄膜40可得到不同薄膜厚度的類鉆碳薄膜。
經(jīng)由上述步驟，將薄膜40以拉曼光譜儀(RamanSpectroscopy)測量，可得知薄 膜40在1355cm"至1580cnT1處并未出現(xiàn)峰值，沒有石墨(SP、鍵結(jié)，只有鉆石(SP3) 鍵結(jié)。薄膜40以維克氏(Vickers'hardness tester)硬度計荷重10克測量而得的硬度 為5450Hv。
如圖4所示，當(dāng)用切削工具10實施切削時，槽寬會隨著刀具刃部的磨耗而發(fā) 生尺寸變化，取其與初始切削槽寬值的90%處為其精度壽命，并與未鍍膜切削工 具以及具有ZrHfCN鍍膜的切削工具相比較，可見類鉆碳薄膜對于切削工具在硬 度上的機械性質(zhì)有顯著的提升，具有耐磨耗的特色。再者，鉆石(SP"結(jié)構(gòu)在薄膜 40表面形成有類水晶表面的特色，能在進行切削加工作業(yè)時，減少阻力的形成， 具有低摩擦系數(shù)的特色。另外，本發(fā)明的制程溫度最高溫低為100'C而小于45(TC， 其相比于習(xí)用者最低制程溫度45(TC屬低溫制程。換言之，本發(fā)明在制程溫度控制 上較容易控制，其以較低的工作溫度即可使碳離子直接沉積在刀具表面，而不需 先沉積一層鍵植層(under-layer)，且碳離子的附著力也比習(xí)用者為佳，且不影響切
削工具的機械性質(zhì)，使切削工具io在機械性質(zhì)上具有較高的穩(wěn)定性。
由此，由于本發(fā)明是通過物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition; PVD)方式
進行DLC鍍膜制程，能在切削工具表面形成類鉆碳薄膜(diamond-like carbon film;
DLC film),其相比于習(xí)用者，能夠提供切削工具高硬度、低摩擦系數(shù)、高穩(wěn)定性
的機械性質(zhì)，具有耐磨耗以及表面平滑的特色。
如圖5 圖7所示，為本發(fā)明一種切削工具的DLC鍍膜制程的第二較佳實施
例，其鍍膜步驟如下
a)首先，提供多數(shù)切削工具50以及一真空腔60，各切削工具50的刃徑在3.175mm以下。本實施例中，切削工具50的刃徑為以0.25mm為例。各切削工具 50預(yù)先用超聲波去除表面油污，以提高離子在濺鍍時的附著力。再烘干附著于切 削工具50的水分，防止切削工具50濺鍍時形成氧化物，而在切削工具50表面形 成凸起。然后將各切削工具50置入真空腔60內(nèi)。真空腔60具有一治具盤62、 一 真空管路64以及一氣體管路66以及多個電熱管67。治具盤62用于承載各切削工 具50，真空管路64連接至一真空泵68，并將真空腔60抽真空至8xl0iPa。開啟 各電熱管67對真空腔60加熱至200°C ，打開氣體管路66通入氬氣(Ar)至8Pa，再 以一直流電漿產(chǎn)生器70加直流電壓1000V點燃電漿(Plasma)，電流為O.IA，進行 電漿離子清洗10分鐘后，關(guān)閉直流電漿產(chǎn)生器70。
b)通過氣體管路66將氬氣(Ar)抽出，并以烷類氣體或炔類氣體作為碳源 (carbon source)通入真空腔60至8Pa。其中，垸類氣體以及炔類氣體可選自C3H8、
CH4以及C2H2其中的一種，本實施例以C3Hs為例。在鍍膜期間，可通過加入氮氣
(N2)調(diào)整降低薄膜80的硬度并增加其延展性。以直流電漿產(chǎn)生器70加直流電壓 1200V點燃電漿，電流為0.1A，以化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD) 對各切削工具50表面進行DLC膜沉積120分鐘，關(guān)閉直流電漿產(chǎn)生器70與氣體 管路66，最后，破真空取出各切削工具50，各切削工具50可得到一類鉆碳薄膜 (diamond-like carbon film; DLC film)80，其厚度為0.7pm(如圖7所示)。
經(jīng)由上述步驟，將薄膜80以拉曼光譜儀(RamanSpectroscopy)測量，顯示薄膜 兼具石墨(SP勺結(jié)構(gòu)及鉆石(SP"結(jié)構(gòu)，再將薄膜80以維克氏(Vickers， hardness tester) 硬度計荷重10克測量而得的硬度為3920Hv。
如圖8所示，當(dāng)以厚度1.6mm的FR-4玻纖板三片印刷電路板(PCB)為基材實 施鉆孔作業(yè)，并各于鉆2500孔、5000孔與7500孔后，量測切削工具于端面的磨 耗比率(Flute wear)，并且與未鍍膜的切削工具進行比較。由圖表中可以得知未 鍍膜的切削工具在鉆2500孔后，其磨耗比率(Flutewear)已達到350/。。反觀切削工 具50在鉆7500孔后的磨耗比率(Flute wear)才達到29%，比未鍍膜切削工具還低， 可見類鉆碳薄膜對于切削工具的機械性質(zhì)有顯著的功能提升，具有耐磨耗的特色。 再者，鉆石(SP"結(jié)構(gòu)在薄膜80表面形成類水晶表面的特色，能在進行切削加工作 業(yè)時，減少阻力的形成。同時，石墨(SP、結(jié)構(gòu)則能提供干式潤滑的效果，能進一 步減少阻力的行程，使切削工具50具有低摩擦系數(shù)的特色。另外，本發(fā)明的制程 溫度最高溫為20(TC小于450°C，其相比于習(xí)用者最低制程溫度45(TC屬低溫制程。 換言之，本發(fā)明在制程溫度控制上較容易控制，其以較低的工作溫度即可使碳離 子直接沉積在刀具表面，而不需先沉積一層鍵植層(under-layer)，且碳離子的附著力也比習(xí)用者為佳，對于切削工具的機械性質(zhì)影響較少，使切削工具50在機械性 質(zhì)上具有較高的穩(wěn)定性。由此，由于本發(fā)明為以化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)方式進 行DLC鍍膜制程，能在切削工具表面形成類鉆碳薄膜(diamond-like carbon film; DLC film),其相比于習(xí)用者，能夠提供切削工具高硬度、低摩擦系數(shù)、高穩(wěn)定性 的機械性質(zhì)，具有耐磨耗以及表面平滑的特色。綜上所述，本發(fā)明經(jīng)由以上實施例可知，本發(fā)明經(jīng)由上述步驟以物理氣相沉 禾只(physical vapor deposition; PVD)或化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD) 的方式進行DLC鍍膜制程，能在切削工具表面形成類鉆碳薄膜(diamond-like carbon film; DLC film)。由于薄膜中有鉆石(SP"結(jié)構(gòu)以及石墨(SP"結(jié)構(gòu)鉆石結(jié) 構(gòu)薄膜硬度最高可達6000Hv以上，具有高硬度的切削功能。再者，鉆石結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱 系數(shù)高，散熱速度快，此等機械性質(zhì)使類鉆碳薄膜可延長切削工具的使用壽命。 石墨結(jié)構(gòu)具有干式潤滑的作用，使切削工具的摩擦系數(shù)約在O.l。本發(fā)明相比于習(xí) 用者，能夠提供切削工具高硬度、低摩擦系數(shù)、高穩(wěn)定性的機械性質(zhì)，具有耐磨 耗以及表面平滑的特色。另外，本發(fā)明所提供的切削工具的DLC鍍膜制程屬低溫 制程，不需加溫也可進行，不會影響切削工具原有的機械性質(zhì)。此外，習(xí)用電弧沉積制程需要先在切削工具表面制備一附著度高的鍵植層 (under-layer)的程序，以利于離子進行附著。本發(fā)明以物理氣相沉積(physicalvapor deposition; PVD)或化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)方式進行DLC 鍍膜制程，不需經(jīng)過制作鍵植層(imder-layer)的程序即可使碳離子進行附著，可直 接在切削工具表面進行鍍膜制程，具有簡化制程步驟的特色。本發(fā)明上述實施例中所揭示的構(gòu)成組件及方法步驟，僅為舉例說明，并不能 用來限制本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍仍應(yīng)以權(quán)利要求書為準，其它等 效組件或步驟的替代或變化，均應(yīng)被涵蓋在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于包含下列各步驟a)提供一切削工具以及一真空腔，所述切削工具的刃徑在3.175mm以下，所述真空腔具有一真空管路，通過所述真空管路將所述真空腔抽成真空狀態(tài)；b)提供一碳源，再以氣相沉積方式對所述切削工具表面進行沉積，以形成一類鉆碳薄膜。
2、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟a)中的 所述切削工具，預(yù)先用超聲波去除表面油污并烘干水分。
3、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟a)中的 所述真空腔，抽真空至8xl(T3Pa。
4、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟a)中的 所述真空腔，具有一電漿產(chǎn)生器，可對所述切削工具進行電漿離子清洗。
5、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟a)中的 所述真空腔，具有一電熱器，以供對所述真空腔內(nèi)進行加熱。
6、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟b)所述 的氣相沉積方式，選自物理氣相沉積以及化學(xué)氣相沉積其中的一種。
7、 如權(quán)利要求6所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟b)所述 的氣相沉積方式選用物理氣相沉積方式進行時，所述碳源為以石墨為靶材原料， 并通過一碳離子源蒸發(fā)器發(fā)射碳離子。
8、 如權(quán)利要求6所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟b)所述 的氣相沉積方式，選用化學(xué)氣相沉積方式進行時，所述碳源為選自以垸類氣體以 及炔類氣體所構(gòu)成的族群中其中的一種。
9、 如權(quán)利要求8所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟b)的所 述碳源選自C3H8、 CH4以及C2H2中的一種。
10、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟b)的所述類鉆碳薄膜，具有鉆石鍵結(jié)。
11、 如權(quán)利要求1所述切削工具的DLC鍍膜制程，其特征在于步驟b)的所 述類鉆碳薄膜，具有石墨鍵結(jié)以及鉆石鍵結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切削工具的DLC鍍膜制程，其包含下列各步驟a)提供一切削工具以及一真空腔，切削工具的刃徑在3.175mm以下，真空腔具有一真空管路，通過真空管路將真空腔抽成真空狀態(tài)；b)提供一碳源，再以氣相沉積方式對切削工具表面進行沉積，以形成一類鉆碳薄膜。由此，本發(fā)明能夠提供切削工具高硬度、低摩擦系數(shù)、高穩(wěn)定性的機械性質(zhì)，具有耐磨耗、表面平滑以及簡化制程步驟的特色。
文檔編號C23C16/26GK101230447SQ20071000366
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者周鐘霖, 宋同慶, 張杰翔, 賴泰锽, 黃續(xù)鐔 申請人:環(huán)宇真空科技股份有限公司