硬涂层、硬涂布的工具以及它们的生产方法技术

一种硬涂层，其包括由基于fcc的氮化钛铝涂层形成的下层，和由具有hcp晶系的氮化铝涂层形成的上层，所述上层具有柱状晶体结构，所述柱状晶体具有0.05‑0.6μm的平均横剖面直径，并且所述上层中(002)晶面的X‑射线衍射峰值Ia(002)与(100)晶面的X‑射线衍射峰值Ia(100)的比例满足Ia(002)/Ia(100)≥6的关系。

Hard Coating, Hard Coating Tools and Their Production Method

A hard coating consists of a lower layer formed by an aluminium titanium nitride coating based on FCC and an upper layer formed by an aluminium nitride coating having an HCP crystal system. The upper layer has a columnar crystal structure, the columnar crystal has an average cross-section diameter of 0.05 to 0.6 um, and the X-ray diffraction peak Ia (002) and X-ray diffraction peak Ia (100) of the (002) crystal plane in the upper layer. The ratio satisfies the relationship between Ia(002)/Ia(100)>6.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硬涂层、硬涂布的工具以及它们的生产方法
本专利技术涉及具有优异的耐崩裂性和涂层粘附力的硬涂层、硬涂布的工具以及它们的生产方法。
技术介绍
具有TiAlN、TiC、TiN、Ti(CN)、Al2O3等的单层或多层硬涂层的切割工具常规上用于切割耐热合金钢、不锈钢等。这种硬涂布的工具的使用条件已经越来越苛刻；例如，在湿式切割不锈钢的情况下，在切割操作期间，出现工作组件和切削刃的熔融以及熔融的组件的剥落。这种熔融和剥落的重复造成硬涂层的剥落和崩裂，使得工具寿命缩短。为了解决这种问题，期望提供具有优异的耐崩裂性和涂层粘附力的硬涂层，和具有这种硬涂层的硬涂布元件，比如切割工具、模具等。JP2002-273607A公开了具有氮化铝涂层的涂布的切割工具，其在基于WC的硬质合金基板的表面上通过热CVD方法在700-980℃的温度下形成，使用AlCl3气体和NH3气体作为起始材料气体。但是，JP2002-273607A的涂布的切割工具的氮化铝涂层通过将通过混合AlCl3气体、NH3气体、N2气体和H2气体获得的单组分起始材料气体提前引入CVD熔炉而形成。因为起始材料气体中的AlCl3气体和NH3气体的反应性极强，它们的反应在到达工作组件之前发生，形成具有粗晶粒结构的氮化铝涂层，其中(002)晶面的X-射线衍射峰值Ia(002)与(100)晶面的X-射线衍射峰值Ia(100)的比例Ia(002)/Ia(100)为约3。因此，已经发现JP2002-273607A的具有氮化铝涂层的硬涂层具有低的耐崩裂性和涂层粘附力，遭受短的寿命。JP2005-297142A公开了具有通过热CVD方法形成的氮化铝或碳氮化铝涂层作为最外层的硬涂布的工具。但是，JP2005-297142A的硬涂布的工具的氮化铝涂层具有粒状晶体结构，因为其通过将必然包含HCl气体的单组分起始材料气体供应进入到CVD熔炉中而形成。因此，已经发现具有这种氮化铝涂层的硬涂层具有低的耐崩裂性和涂层粘附力，遭受短的寿命。专利技术目的因此，本专利技术的目的是提供具有优异的耐崩裂性和涂层粘附力的长寿硬涂层、硬涂布的工具和它们的生产方法。
技术实现思路
本专利技术的硬涂层包括由基于fcc的氮化钛铝涂层形成的下层和由具有hcp晶系的氮化铝涂层形成的上层；上层具有柱状晶体结构；柱状晶体具有0.05-0.6μm的平均横剖面直径；并且上层中(002)晶面的X-射线衍射峰值Ia(002)与(100)晶面的X-射线衍射峰值Ia(100)的比例满足Ia(002)/Ia(100)≥6的关系。在本专利技术的硬涂层中，在X-射线衍射角2θ为36°至39°的范围内，下层的(111)晶面和上层的(101)晶面的合并X-射线衍射峰值It(111)Ia(101)与Ia(100)的比例优选地满足It(111)Ia(101)/Ia(100)≥1.5的关系。这种结构进一步改善硬涂层的层间粘附力。在本专利技术的硬涂层中，X-射线衍射峰值It(111)Ia(101)与下层的(200)晶面的X-射线衍射峰值It(200)的比例优选地满足It(111)Ia(101)/It(200)≥1.5的关系。这种结构进一步改善了硬涂层的层间粘附力。在本专利技术的硬涂层中，30％或更多的晶格条纹优选地在下层和上层之间的界面中是连续的。这种结构进一步改善了硬涂层的层间粘附力。本专利技术的硬涂布的工具包括在基板形成的上述硬涂层。上述硬涂层具有优异的耐崩裂性和涂层粘附力，提供具有长寿命的工具。本专利技术通过化学气相沉积法生产上述硬涂层的方法包括(1)使用混合气体A1和混合气体B1作为第一起始材料气体用于形成下层，所述混合气体A1包括包括TiCl4气体、AlCl3气体、N2气体和H2气体，所述混合气体B1包括N2气体、NH3气体和H2气体；和(2)使用混合气体A2和混合气体B2作为第二起始材料气体用于形成上层，所述混合气体A2包括AlCl3气体、N2气体和H2气体，所述混合气体B2包括NH3气体、N2气体和H2气体。本专利技术通过化学气相沉积法生产上述硬涂层的方法包括(1)将由混合气体A1和混合气体B1组成的第一起始材料气体供应至包含基板的化学气相沉积装置，以形成下层，所述混合气体A1包括TiCl4气体、AlCl3气体、N2气体和H2气体，所述混合气体B1包括N2气体、NH3气体和H2气体；并且然后(2)将由混合气体A2和混合气体B2组成的第二起始材料气体供应至化学气相沉积装置，所述混合气体A2包括AlCl3气体、N2气体和H2气体，所述混合气体B2包括NH3气体、N2气体和H2气体。优选地，第一起始材料气体由混合气体A1和混合气体B1组成，所述混合气体A1具有包括按体积计0.02-0.31％的TiCl4气体、按体积计0.15-0.8％的AlCl3气体和按体积计3-40％的N2气体，余量为H2气体的组成，所述混合气体B1具有包括按体积计0.4-1.9％的NH3气体和按体积计2-26％的N2气体，余量为H2气体的组成，其中TiCl4气体、AlCl3气体、NH3气体、N2气体和H2气体的总量为按体积计100％，混合气体A1中的H2气体与混合气体B1中H2气体的体积比H2(A1)/H2(B1)为1-5；且第二起始材料气体由混合气体A2和混合气体B2组成，所述混合气体A2具有包括按体积计0.5-1.4％的AlCl3气体和按体积计10.6-30.6％的N2气体，余量为H2气体的组成，所述混合气体B2具有包括按体积计0.6-0.95％的NH3气体和按体积计10.6-30.6％的N2气体，余量为H2气体的组成，其中AlCl3气体、NH3气体、N2气体和H2气体的总量为按体积计100％，混合气体A2中的H2气体与混合气体B2中的H2气体的体积比H2(A2)/H2(B2)为0.3-3。在本专利技术的方法中，使用包括围绕旋转轴O旋转的第一管道和第二管道的化学气相沉积装置；第一管道具有第一喷嘴，且第二管道具有第二喷嘴；第一喷嘴的开口和旋转轴O之间的距离H1大于第二喷嘴的开口和旋转轴O之间的距离H2；以及混合气体A1、A2可相继从第一喷嘴喷射，且混合气体B1、B2可相继从第二喷嘴喷射；或混合气体B1、B2可相继从第一喷嘴喷射，且混合气体A1、A2可相继从第二喷嘴喷射。距离H1与距离H2的比例(H1/H2)优选地在1.5-3的范围内。优选地，3-6kPa的形成压力和750-900℃的形成温度用于形成下层，且3-5kPa的形成压力和750-850℃的形成温度用于形成上层。技术效果因为本专利技术的硬涂层包括由基于fcc的氮化钛铝涂层形成的下层，和由具有hcp晶系的氮化铝涂层形成的上层，所述上层具有柱状晶体结构，所述柱状晶体具有0.05-0.6μm的平均横剖面直径，并且上层中(002)晶面的X-射线衍射峰值Ia(002)与(100)晶面的X-射线衍射峰值Ia(100)的比例满足Ia(002)/Ia(100)≥6的关系，例如，使用具有这种硬涂层的工具的切割操作，由于工作组件的粘着产生较少的硬涂层的崩裂和剥落，从而展示了明显的耐崩裂性和涂层粘附力。附图说明图1(a)为显示实施例1的硬涂布的工具的横截面的扫描电子显微照片(SEM照片)(放大率：10,000倍)。图1(b)为显示实施例1的硬涂布的工具的横截面的扫描电子显微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬涂层，所述硬涂层包括由基于fcc的氮化钛铝涂层形成的下层和由具有hcp晶系的氮化铝涂层形成的上层；所述上层具有柱状晶体结构，所述柱状晶体具有0.05‑0.6μm的平均横剖面直径，并且所述上层中(002)晶面的X‑射线衍射峰值Ia(002)与(100)晶面的X‑射线衍射峰值Ia(100)的比例满足Ia(002)/Ia(100)≥6的关系。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.07 JP 2016-1349841.一种硬涂层，所述硬涂层包括由基于fcc的氮化钛铝涂层形成的下层和由具有hcp晶系的氮化铝涂层形成的上层；所述上层具有柱状晶体结构，所述柱状晶体具有0.05-0.6μm的平均横剖面直径，并且所述上层中(002)晶面的X-射线衍射峰值Ia(002)与(100)晶面的X-射线衍射峰值Ia(100)的比例满足Ia(002)/Ia(100)≥6的关系。2.根据权利要求1所述的硬涂层，其中在X-射线衍射角2θ为36°至39°的范围内，所述下层的(111)晶面和所述上层的(101)晶面的合并X-射线衍射峰值It(111)Ia(101)与所述Ia(100)的比例满足It(111)Ia(101)/Ia(100)≥1.5的关系。3.根据权利要求1或2所述的硬涂层，其中在X-射线衍射角2θ为36至39°的范围内，所述下层的(111)晶面和所述上层的(101)晶面的合并X-射线衍射峰值It(111)Ia(101)与所述下层的(200)晶面的X-射线衍射峰值It(200)的比例满足It(111)Ia(101)/It(200)≥1.5的关系。4.根据权利要求1-3中任一项所述的硬涂层，其中在所述下层和所述上层之间的界面中，30％或更多的晶格条纹是连续的。5.一种硬涂布的工具，所述硬涂布的工具具有在基板上形成的根据权利要求1-4中任一项所述的硬涂层。6.一种用于通过化学气相沉积法生产根据权利要求1-4中任一项所述的硬涂层的方法，所述方法包括：(1)使用混合气体A1和混合气体B1作为第一起始材料气体用于形成所述下层，所述混合气体A1包括TiCl4气体、AlCl3气体、N2气体和H2气体，所述混合气体B1包括N2气体、NH3气体和H2气体；以及(2)使用混合气体A2和混合气体B2作为第二起始材料气体用于形成所述上层，所述混合气体A2包括AlCl3气体、N2气体和H2气体，所述混合气体B2包括NH3气体、N2气体和H2气体。7.根据权利要求6所述的用于生产硬涂层的方法，其中，所述第一起始材料气体由混合气体A1和混合气体B1组成，所述混合气体A1具有包括按体积计0.02-0.31％的TiCl4气体、按体积计0.15-0.8％的AlCl3气体和按体积计3-40％的N2气体，余量为H2气体的组成，所述混合气体B1具有包括按体积计0.4-1.9％的NH3气体和按体积计2-26％的N2气体，余量为H2气体的组成，其中TiCl4气体、AlCl3气体、NH3气体、N2气体和H2气体的总量为按体积计100％，所述混合气体A1中的H2气体与所述混合气体B1中的H2气体的体积比H2(A1)/H2(B1)为1-5；且所述第二起始材料气体由混合气体A2和混合气体B2组成，所述混合气体A2具有包括按体积计0.5-1.4％的AlCl3气体和按体积计10.6-30.6％的N2气体，余量为H2气体的组成，所述混合气体B2具有包括按体积计0.6-0.95％的NH3气体和按体积计10.6-30.6％的N2气体，余量为H2气体的组成，其中AlCl3气体、NH3气体、N2气体和H2气体的总量为按体积计100％，所述混合气体A2中的H2气体与所述混合气体B2中的H2气体的体积比H2(A2)/H2(B2)为0.3-3。8.根据权利要求6或7所述的用于生产硬涂层的方法，其中，使用包括围绕旋转轴O旋转的第一管道和第二管道的化学气相沉积装置；所述第一管道具有第一喷嘴；所述第二管道具有第二喷嘴；所述第一喷嘴的开口和所述旋转轴O之间的距离H1大于所述第二喷嘴的开口和所述旋转轴O之间的距离H2；且所述混合气体A1、A2相继从所述第一喷嘴喷射，并且所述混合气体B1、B2相继从所述第二喷嘴喷射。9.根据权利要求6或7所述的用于生产硬涂层的方法，其中，使用包括围绕旋转轴O旋转的第一管道和第二管道的化学气相沉积装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：福永有三，今井真之，
申请(专利权)人：三菱日立工具株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP