氮化钛铝硬质皮膜、硬质皮膜包覆工具及它们的制造方法技术

一种形成于基体上的具有柱状晶体组织的氮化钛铝层，其具有fcc结构的含有高Al的TiAlN及fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，所述含有高Al的TiAlN具有由(Tix1，Aly1)N表示的组成(其中x1和y1是分别满足按原子比计x1＝0.005～0.1及y1＝0.995～0.9的数字)，所述含有高Ti的TiAlN具有由(Tix2，Aly2)N表示的组成(其中x2和y2是分别满足按原子比计x2＝0.5～0.9且y2＝0.5～0.1的数字)，并且含有高Al的TiAlN被网状的含有高Ti的TiAlN所围绕。

Titanium nitride hard film, hard film coating tool and their manufacturing method

A titanium nitride layer with a columnar crystalline structure formed on the substrate with a fcc structure containing a high Al TiAlN and fcc structure containing a high Ti TiAlN. The TiAlN containing a high Al is composed of (Tix1, Aly1) N (X1 and TiAlN are full at atomic ratio = 0.005 to 0.1 and 0.995 to 0. respectively. 9 of the number), the TiAlN containing a high Ti has a composition expressed by (Tix2, Aly2) N (where x2 and Y2 are the numbers that satisfy the atomic ratio x2 = 0.5 to 0.9 and y2 = 0.5 to 0.1, respectively), and the TiAlN of a high Al is surrounded by a high Ti.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氮化钛铝硬质皮膜、硬质皮膜包覆工具及它们的制造方法
本专利技术涉及具有优异的耐磨性和抗氧化性的氮化钛铝硬质皮膜、硬质皮膜包覆工具和它们的制造方法。
技术介绍
以往，在耐热合金钢与不锈钢的切削加工中，使用包覆了单层或多层TiAlN、TiC、TiN、Ti(CN)、Al2O3等的硬质皮膜的切削工具。随着这种硬质皮膜包覆工具的使用条件逐渐变得严苛，例如，在低碳钢的高速切削的情况下，在切削中切削工具的刀尖温度显著上升。在变为高温的刃部有如下问题：硬质皮膜的晶体结构变化而硬度降低，随着前刀面受到月牙洼磨损，导致寿命缩短。为了解决这样的问题，进一步期望得到具有在高温下的优异的耐磨性和抗氧化性的硬质皮膜的切削工具。JP2001-341008A公开了如下的包覆切削工具：作为原料气体使用卤化钛气体、卤化铝气体和NH3气体，通过在700～900℃下的热CVD方法，在WC基硬质合金基体的表面形成了包含0.01～2％的氯的具有面心立方晶体结构(fcc结构)的氮化钛铝硬质皮膜。但是，已经发现，由于JP2001-341008A的氮化钛铝硬质皮膜由微细的颗粒状晶体组织构成，因此当在高温下使用时，抗氧化性降低，导致寿命缩短。JP2008-545063A公开了一种硬质皮膜包覆工具，该硬质皮膜包覆工具具有氮化钛铝硬质皮膜，该皮膜在基体的表面通过热CVD方法形成，且组成由Ti1-xAlxN(0.75<x≤0.93)表示，具有晶格常数为0.412～0.405nm的fcc结构，或该硬质皮膜包覆工具具有多相皮膜，该多相皮膜具有作为主相的氮化钛铝，也具有其他相。但是，已经发现，因为JP2008-545063A的氮化钛铝硬质皮膜也由颗粒状晶体组织构成，当在高温下使用时，其抗氧化性降低，导致寿命缩短。JP2014-129562A公开了一种工具，该工具使用图14所示的CVD装置100来包覆了氮化钛铝硬质皮膜。CVD装置100具备装载了多个基体102的多个支架103、覆盖支架103的反应容器104、围绕反应容器104的控温装置105、具有两个入口106、107的导入管108和排气管109。氮化钛铝硬质皮膜具有下述结构：由TiAlN、AlN或TiN的硬质颗粒构成的第一单位层和第二单位层交替层叠于WC基硬质合金基体的表面。这是因为：(1)第一原料气体和第二原料气体(混合气体)在相反方向上(180°)，从距导入管108的中心以相同距离设置的喷嘴喷出至炉内，且(2)原料气体与本专利技术不同。已经知晓，基于层之间由于组成不同而导致的热膨胀系数差，在高温下使用时会产生层间剥离，并且由于晶体结构为微粒组织，因此在高温下使用时抗氧化性大幅度降低，导致寿命缩短。因此，本专利技术的第一目的是提供具有优异的耐磨性和抗氧化性的长寿命的氮化钛铝硬质皮膜。本专利技术的第二目的是提供包覆了这种氮化钛铝硬质皮膜的工具。本专利技术的第三目的是提供用于制造所涉及的氮化钛铝硬质皮膜和硬质皮膜包覆工具的方法。
技术实现思路
本专利技术的氮化钛铝硬质皮膜，其特征在于，其具有柱状晶体组织，并且具有fcc结构的含有高Al的TiAlN及fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，所述含有高Al的TiAlN具有由(Tix1，Aly1)N表示的组成(其中x1和y1是分别满足按原子比计x1＝0.005～0.1及y1＝0.995～0.9的数字)；所述含有高Ti的TiAlN具有由(Tix2，Aly2)N表示的组成(其中x2和y2是分别满足按原子比计x2＝0.5～0.9且y2＝0.5～0.1的数字)，并且所述含有高Al的TiAlN被所述网状的含有高Ti的TiAlN所围绕。本专利技术的硬质皮膜包覆工具，其为在基体上形成氮化钛铝硬质皮膜而成，其特征在于，所述氮化钛铝硬质皮膜具有柱状晶体组织，并且具有fcc结构的含有高Al的TiAlN及fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，所述含有高Al的TiAlN具有由(Tix1，Aly1)N表示的组成(其中x1和y1是分别满足按原子比计x1＝0.005～0.1及y1＝0.995～0.9的数字)；所述含有高Ti的TiAlN具有由(Tix2，Aly2)N表示的组成(其中x2和y2是分别满足按原子比计x2＝0.5～0.9且y2＝0.5～0.1的数字)，并且所述含有高Al的TiAlN被所述网状的含有高Ti的TiAlN所围绕。本专利技术的硬质皮膜包覆工具优选地具有由柱状晶体构成的碳氮化钛皮膜作为所述氮化钛铝硬质皮膜的底层。利用这种结构，该硬质皮膜的耐磨性进一步提高，提供了具有更长寿命的工具。在上述氮化钛铝硬质皮膜中，所述含有高Al的TiAlN优选地具有2～50nm的平均纵向截面直径和10～300nm的平均横向截面直径。并且，所述柱状晶体优选地具有0.1～1.2μm的平均横向截面直径。本专利技术的用于通过化学气相沉积法形成氮化钛铝硬质皮膜的方法的特征在于：(1)作为原料气体，使用由TiCl4气体、AlCl3气体、N2气体和H2气体构成的混合气体A以及由NH3气体、N2气体和H2气体构成的混合气体B；(2)旋转配置于距旋转轴不同距离的第一喷嘴和第二喷嘴；(3)使所述混合气体A和所述混合气体B分开从所述第一喷嘴和第二喷嘴喷出。本专利技术的用于通过化学气相沉积法制造具有氮化钛铝硬质皮膜的硬质皮膜包覆工具的方法的特征在于：(1)作为原料气体，使用由TiCl4气体、AlCl3气体、N2气体和H2气体构成的混合气体A和由NH3气体、N2气体和H2气体构成的混合气体B；(2)旋转配置于距所述旋转轴不同距离的第一喷嘴和第二喷嘴；(3)在所述第一喷嘴和第二喷嘴的周围配置工具基体；(4)使所述混合气体A和所述混合气体B分开从所述第一喷嘴和第二喷嘴喷出。优选地，将所述混合气体A和B的总量作为按体积计100％，所述混合气体A的组成设为按体积计0.02～0.31％的TiCl4气体、按体积计0.15～0.8％的AlCl3气体、按体积计3～40％的N2气体及其余为H2气体，所述混合气体B的组成设为按体积计0.4～1.9％的NH3气体、按体积计2～26％的N2气体及其余为H2气体，并且所述混合气体A中的H2气体与所述混合气体B中H2气体的体积比H2(A)/H2(B)是1～5。从所述第一喷嘴的喷出口至所述旋转轴的距离H1比从所述第二喷嘴的喷出口至所述旋转轴的距离H2长，且可以从所述第一喷嘴喷出所述混合气体A，从所述第二喷嘴喷出所述混合气体B；或可以从所述第一喷嘴喷出所述混合气体B，从所述第二喷嘴喷出所述混合气体A。从所述第一喷嘴的喷出口至所述旋转轴的距离H1与从所述第二喷嘴的喷出口至所述旋转轴的距离H2的比例H1/H2在1.5～3的范围内。在本专利技术的制造方法中，优选反应压力为3～6kPa，且反应温度为750～830℃。由于本专利技术的氮化钛铝硬质皮膜具有柱状晶体组织，且具有fcc结构的含有高Al的TiAlN和fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，并且具有高Al的TiAlN被网状的含有高Ti的TiAlN围绕的微观组织，因此在使用这种具有氮化钛铝硬质皮膜的切削工具进行切削加工时，工具刀尖部即使变成高温也能够抑制从fcc结构到hcp结构的相变，从而能够发挥显著优异的耐磨性及耐氧化性。附图说明图1是示出实施例1的硬质皮膜包覆工具的截面的扫描电子显微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化钛铝硬质皮膜，其特征在于，其具有柱状晶体组织，并且具有fcc结构的含有高Al的TiAlN及fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，所述含有高Al的TiAlN具有由(Tix1，Aly1)N表示的组成，其中x1和y1是分别满足按原子比计x1＝0.005～0.1及y1＝0.995～0.9的数字；所述含有高Ti的TiAlN具有由(Tix2，Aly2)N表示的组成，其中x2和y2是分别满足按原子比计x2＝0.5～0.9且y2＝0.5～0.1的数字，并且所述含有高Al的TiAlN被所述网状的含有高Ti的TiAlN所围绕。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.25 JP 2015-2295051.一种氮化钛铝硬质皮膜，其特征在于，其具有柱状晶体组织，并且具有fcc结构的含有高Al的TiAlN及fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，所述含有高Al的TiAlN具有由(Tix1，Aly1)N表示的组成，其中x1和y1是分别满足按原子比计x1＝0.005～0.1及y1＝0.995～0.9的数字；所述含有高Ti的TiAlN具有由(Tix2，Aly2)N表示的组成，其中x2和y2是分别满足按原子比计x2＝0.5～0.9且y2＝0.5～0.1的数字，并且所述含有高Al的TiAlN被所述网状的含有高Ti的TiAlN所围绕。2.根据权利要求1所述的氮化钛铝硬质皮膜，其特征在于，所述含有高Al的TiAlN具有2～50nm的平均纵向截面直径和10～300nm的平均横向截面直径。3.根据权利要求1或2所述的氮化钛铝硬质皮膜，其特征在于，所述柱状晶体的平均横向截面直径为0.1～1.2μm。4.一种硬质皮膜包覆工具，其为在基体上形成氮化钛铝硬质皮膜而成，其特征在于，所述氮化钛铝硬质皮膜具有柱状晶体组织，并且具有fcc结构的含有高Al的TiAlN及fcc结构的网状的含有高Ti的TiAlN，所述含有高Al的TiAlN具有由(Tix1，Aly1)N表示的组成，其中x1和y1是分别满足按原子比计x1＝0.005～0.1及y1＝0.995～0.9的数字；所述含有高Ti的TiAlN具有由(Tix2，Aly2)N表示的组成，其中x2和y2是分别满足按原子比计x2＝0.5～0.9且y2＝0.5～0.1的数字，并且所述含有高Al的TiAlN被所述网状的含有高Ti的TiAlN所围绕。5.根据权利要求4所述的硬质皮膜包覆工具，其特征在于，所述含有高Al的TiAlN具有2～50nm的平均纵向截面直径和10～300nm的平均横向截面直径。6.根据权利要求4或5所述的硬质皮膜包覆工具，其特征在于，所述柱状晶体的平均横向截面直径为0.1～1.2μm。7.一种氮化钛铝硬质皮膜的制造方法，其为通过化学气相沉积法形成氮化钛铝硬质皮膜的方法，其特征在于，所述方法包括：(1)作为原料气体，使用由TiCl4气体、AlCl3气体、N2气体和H2气体构成的混合气体A以及由NH3气体、N2气体和H2气体构成的混合气体B；(2)旋转配置于距旋转轴不同距离的第一喷嘴和第二喷嘴；(3)使所述混合气体A和所述混合气体B分开从所述第一喷嘴和第二喷嘴喷出。8.根据权利要求7所述的氮化钛铝硬质皮膜的制造方法，其特征在于，将所述混合气体A和B的总量作为按体积计100％，所述混合气体A的组成设为按体积计0.02～0.31％的TiCl4气体、按体积计0.15～0.8％的AlCl3气体、按体积计3～40％的N2气体及其余为H2气体，所述混合气体B的组成设为按体积计0.4～1.9％的NH3气体、按体积计2～26％的N2气体及其余为H2气体，并且所述混合气体A中的H2气体与所述混合气体B中的H2气体的体积比H...

【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