硬質(zhì)皮膜被覆工具及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐磨損性和耐崩裂性優(yōu)異的硬質(zhì)皮膜被覆工具及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -直以來，在被切削材的切削加工中，使用的是在超硬合金的基體表面形成有TiC 膜、TiN膜、TiCN膜、Al 2OJ莫等單層或多層的硬質(zhì)皮膜的表面被覆工具。將這樣的表面被覆 工具用于因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金（〇 3冬少：注冊商標(biāo)）等Ni基耐熱合金、耐熱 不銹鋼等難切削性合金的切削加時，由于切削造成的難切削性合金的加工硬化，導(dǎo)致在刃 部發(fā)生崩裂，由于熔敷在刃部的難切削性合金反復(fù)脫離，導(dǎo)致硬質(zhì)皮膜剝離，或在硬質(zhì)皮膜 的剝離時還發(fā)生基體母材的破壞。因此，期望一種具有不僅耐磨損性優(yōu)異而且耐崩裂性也 優(yōu)異的硬質(zhì)皮膜的切削工具。
[0003] 日本特開平9-262705號公開了一種被覆切削工具，由第一層和第二層構(gòu)成，所述 第一層是在WC基超硬合金制基體的表面，以具有粒狀結(jié)晶組織的TiN膜和基體成分的反應(yīng) 固溶體所構(gòu)成的，所述第二層是以柱狀晶TiCN膜和基體成分的反應(yīng)固溶體所構(gòu)成的。但 是，日本特開平9-262705號因?yàn)樵蠚馐褂肨iCl 4氣、N2氣和112氣，并以920°C形成TiN膜， 所以原料氣與基體過剩地反應(yīng)，基體中的W過剩地擴(kuò)散而在第一層之下形成脆化層，因而 可知耐崩裂性劣化。
[0004] 日本專利第3503658號公開了一種被覆切削工具，其由在WC基超硬合金制基體的 表面，由TiC膜或TiCN膜構(gòu)成的下層、由柱狀晶TiCN膜構(gòu)成的中層、及由TiC膜或TiCNO 膜構(gòu)成的上層所構(gòu)成，下層、中層和上層的任一個中，基體中的Co均含有0. 01~6質(zhì)量％。 但是，下層、中層和上層所含Co的量過多，因此硬質(zhì)皮膜的硬度低，耐磨損性不充分。另外， Co和W從基體過剩地擴(kuò)散，因此形成脆化層，因而可知耐崩裂性劣化。
[0005] 日本特開2011-36988號公開了一種被覆超硬合金工具，其在WC基超硬合金制基 體的表面被覆第一層（TiC膜）和第二層（柱狀晶TiCN膜）而成，從基體擴(kuò)散到第一層 中的Cr含量CrjP Co含量Co 別以質(zhì)量％計(jì)，滿足0. 1彡Cr 0. 6,和0. 6彡Cr u/ CouS 1. 6的條件。但是，在日本特開2011-36988號中，因?yàn)樵蠚馐褂肨iCl 4氣、CH 4氣 和4氣，在930°C以上形成第一層的TiC膜，所以基體成分向第一層的擴(kuò)散過多，可知耐崩 裂性劣化。
[0006] 日本特開2008-87150號公開了一種被覆切削工具，其是在WC基超硬合金制基體 的表面，按順序形成有TiN膜、柱狀晶TiCN膜[在平行于基體表面的方向上測定的平均 粒徑為0.05~0.5 ym，使用CuK a射線的（422)面的X射線衍射峰處于20 = 121. 5~ 122.6°的范圍內(nèi)。]、氧化鋁膜和TiN膜。在柱狀晶TiCN膜中，CV(C+N)為0.70~0.90。 在日本特開2008-87150號中，因此在基體上直接形成TiN膜，所以基體成分向第一層的擴(kuò) 散多，耐崩裂性差。此外，柱狀晶TiCN膜用的原料氣含有TiCl 4氣、CH3CN氣、H2氣和C2H6 氣，但不含隊(duì)氣，因此均勻而微細(xì)的柱狀的TiCN晶粒無法生長，發(fā)生粗大化，成為耐崩裂性 的劣化的原因。
[0007]日本專利第4720283號公開了一種表面被覆切削工具，其在WC基超硬合金制工具 基體的表面蒸鍍有改性碳氮化鈦層。改性碳氮化鈦層是在具有0. 02~0. 5 ym的平均層 厚的TiCN薄膜上形成現(xiàn)有的TiCN層而成。TiCN薄膜用的原料氣由TiCl4、C 3H6、N2和112構(gòu) 成。存在如下情況，在緊鄰WC基超硬合金的工具基體C之上，作為第一層形成現(xiàn)有的TiCN 層（層厚：1 U m)，作為第二層形成TiCN薄膜，但現(xiàn)有的TiCN膜因?yàn)槟湍p性不良，與所述 基體的附著力低，所以工具壽命短。
[0008] 日本專利第4534790號公開有一種切削工具，其在工具基體的表面，作為下部層 形成具有3~20 ym的平均層厚的Ti化合物層（一層由改性TiCN層構(gòu)成。）、和作為上部 層形成具有1~15 y m的平均層厚的化學(xué)氣相沉積的氧化鋁層而成。改性TiCN層，是使用 通常的化學(xué)氣相沉積裝置，作為原料氣使用TiCl4、CH 3CN、C2H4、隊(duì)和H2，以基體溫度700~ 750°C，壓力25~40kPa的成膜條件形成。但是，根據(jù)本發(fā)明人的研宄結(jié)果可知，在日本專 利第4534790號中，與本發(fā)明所用的原料氣（C 2H6)相比，因?yàn)槭褂玫氖桥cWC基超硬合金制 基體的反應(yīng)性非常高的C2H 4，所以會從所述基體過剩地吸收W，使耐崩裂性劣化。另外可知， 與本發(fā)明中采用的TiCN層的原料氣的壓力（5~IOkPa)相比，成膜時的原料氣的壓力高達(dá) 25~40kPa，因此均勻而微細(xì)的柱狀結(jié)晶的TiCN晶粒子無法生長，發(fā)生粗大化，使耐崩裂性 劣化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明所要解決的課題
[0010] 因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種耐崩裂性和耐磨損性優(yōu)異的硬質(zhì)皮膜被覆工 具。
[0011] 本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種制造這種硬質(zhì)皮膜被覆工具的方法。
[0012] 用于解決課題的手段
[0013] 本發(fā)明的第一硬質(zhì)皮膜被覆工具的特征在于，是在由WC基超硬合金構(gòu)成的基體 上，直接通過化學(xué)氣相沉積法形成由碳氮化鈦層構(gòu)成的硬質(zhì)皮膜而成，
[0014] (a)所述碳氮化鈦層具有含有74~81質(zhì)量％的鈦、13~16質(zhì)量％的碳和6~10 質(zhì)量％的氮的組成，
[0015] (b)所述碳氮化鈦層具有由具有0. 01~0. 22 y m的平均橫截面直徑的柱狀晶粒構(gòu) 成的柱狀結(jié)晶組織，
[0016] (c)從所述基體向所述碳氮化鈦層內(nèi)的W的擴(kuò)散層的平均厚度處于30~200nm的 范圍內(nèi)，并且
[0017] (d)所述碳氮化鈦層的（422)面的X射線衍射峰位置2 0處于122. 7~123. 7° 的范圍內(nèi)。
[0018] 因?yàn)樘幱谏鲜鼋M成范圍內(nèi)且由2 0表示的C/N比在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，構(gòu)成碳氮化鈦 層的柱狀晶粒微細(xì)至平均橫截面直徑為0. 01~0. 22 y m，且W擴(kuò)散層處于平均厚度30~ 200nm的適當(dāng)范圍內(nèi)，所以碳氮化鈦層既抑制基體的脆化，又具有與基體充分的附著力，并 且在難切削材的切削中也發(fā)揮著優(yōu)異的耐崩裂性。
[0019] 所述碳氮化鈦層的平均厚度優(yōu)選為1~8 ym。
[0020] 在所述W擴(kuò)散層中，優(yōu)選結(jié)晶晶界以質(zhì)量比計(jì)具有由（Tix1, Wy1, Coz1) (C，N)(其 中，X1= 0? 20 ~0? 75,yi= 0? 2 ~0? 6,zi= 0? 05 ~0? 20,xJyJz1= 1。）表示的組成， 晶粒以質(zhì)量比計(jì)具有由（Tix2,Wy2,Coz2) (C，N)(其中，X2= 0? 55~1，y2= 0~0? 3,z2 = 0~0. 15,x2+y2+z2= 1。）表示的組成。如此，雖然在結(jié)晶晶界中W和Co擴(kuò)散，但W和Co 向晶粒內(nèi)的擴(kuò)散相比結(jié)晶晶界顯著被抑制。
[0021] 本發(fā)明的第二硬質(zhì)皮膜被覆工具，將上述碳氮化鈦層作為第一層，緊鄰其上具有 平均厚度為0. 5~4 y m的由氮化鈦層構(gòu)成的第二層，所述第二層具有含有76~85質(zhì)量％ 的鈦、10~14質(zhì)量％的碳和5~10質(zhì)量％的氮的組成，并且具有柱狀結(jié)晶組織。
[0022] 本發(fā)明的第一和第二硬質(zhì)皮膜被覆工具優(yōu)選為刀片。
[0023] 制造第一硬質(zhì)皮膜被覆工具的本發(fā)明的方法的特征在于，使WC基超硬合金所構(gòu) 成的基體的溫度為800~880°C，使用包含TiCl 4氣、N2氣、CH3CN氣、C2H6氣和H 2的原料氣， 在所述基體上直接通過化學(xué)氣相沉積法形成所述碳氮化鈦層。
[0024] 所述原料氣優(yōu)選由1~3體積％的TiCl4氣、5~30體積％的N2氣、0. 1~1. 5體 積％的CH3CN氣、0. 5~2. 5體積％的C2H6氣、和余量H 2氣構(gòu)成。所述原料氣也可以按照低 于C2H6氣的50體積％的比例含有CH 4氣。
[0025] 所述原料氣的壓力優(yōu)選為5~IOkPa。
[0026] 制造第二硬質(zhì)皮膜被覆工具的本發(fā)明的方法的特征在于，與所述第一硬質(zhì)皮膜 被覆工具同樣，將碳氮化鈦層作為第一層，緊鄰其上，通過化學(xué)氣相沉積法，形成具有含有 76~85質(zhì)量％的鈦、10~14質(zhì)量％的碳和5~10質(zhì)量％的氮的組成，且具有柱狀結(jié)晶 組織的平均厚度為0. 5~4 ym的由碳氮化鈦層構(gòu)成的第二層，這時使所述基體的溫度為 800~880°C，使用包含TiCl4氣、N 2氣、CH3CN氣和H2氣的原料氣。
[0027] 發(fā)明效果
[0028] (1)對于本發(fā)明的硬質(zhì)皮膜被覆工具而言，所述基體成分的W等從WC基超硬合金 制基體擴(kuò)散，停留在由化學(xué)氣相沉積法形成的碳氮化鈦層的膜生長方向的30~200nm的范 圍內(nèi)的結(jié)晶晶界部，相比以往，所述基體成分的擴(kuò)散顯著被抑制。因此，根據(jù)本發(fā)明，在Ni 基的耐熱合金或不銹鋼的難切削性合金的切削加工中，與以往相比，所述的基體和碳氮化 鈦層的附著力高，并且所述基體的脆化被抑制，能夠提供耐崩裂性和耐磨損性優(yōu)異、非常高 性能且長壽命的刀片，以及具備它的切削裝置和刀頭可換式旋轉(zhuǎn)切削工具。
[0029] (2)在本發(fā)明的硬質(zhì)皮膜被覆工具的制造方法中，由于使用必須含有與超硬合金 制基體的反應(yīng)性低的C 2H6和抑制與所述基體的反應(yīng)的化的原料氣，在所述基體上直接通過 化學(xué)氣相沉積法形成碳氮化鈦層，所以所述基體成分的W等向碳氮化鈦層擴(kuò)散被抑制，能 夠提供高性能的硬質(zhì)皮膜被覆工具。
【附圖說明】
[0030] 圖1是示意性地表示形成第一硬質(zhì)皮膜被覆工具的碳氮化鈦層時的原料氣中的 C2H 6氣和CH 3CN氣的濃度變化的圖表。
[0031] 圖2是示意性地表示形成第二硬質(zhì)皮膜被覆工具的碳氮化鈦的第一層和第二層 時的原料氣中的C 2H6氣和CH 3CN氣的濃度變化的圖表。
[0032] 圖3(a)是示意性地表示車削用刀片基體的平面圖。
[0033] 圖3(b)是表示物性評價用的刀片基體的平面形狀和側(cè)面形狀的示意圖。
[0034] 圖4(a)是表示實(shí)施例1的碳氮化鈦層（單層）的X射線衍射圖案的圖表。
[0035] 圖4(b)是表示在圖4(a)中放大了 121. 0~125. 0°的2 0的范圍的X射線衍射 圖案的圖表。
[0036] 圖5是表示實(shí)施例1的硬質(zhì)皮膜被覆刀片的斷裂面組織的掃描型電子顯微鏡照片