專利名稱：涂覆碳化物絲錐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及切削刀具。更具體地，本發(fā)明涉及用于對鋼及其他鐵基合金進行攻絲的涂覆碳化物絲錐。
背景技術：
眾所周知，切削刀具產(chǎn)生的高溫足于會限制刀具的壽命，因而降低了有用的切削速度。存在各種用來制造切削刀具的材料。切削刀具通常采用稱作高速鋼的一類工具鋼制造。雖然高速鋼具有優(yōu)異的強度和韌性，但是，與更耐高溫的材料相比，它們只具有較低的溫度抗力。燒結碳化鎢由于具有較高的硬度和包括高切削溫度下保持硬度能力在內(nèi)的高溫穩(wěn)定性，因此，其比工具鋼例如高速鋼更適于制造切削刀具的材料。典型地，采用燒結碳化物制造的切削刀具可以在比由高速鋼制造的刀具至少高出三倍的切削速度下使用，而且刀具的壽命更長。但是，燒結碳化鎢的斷裂韌性和強度均比高速鋼低，這就限制其在某些機加工操作中使用。一種用來產(chǎn)生內(nèi)部螺紋線的加工操作叫做攻絲。目前存在兩種攻絲方法。主要的攻絲方法是通過切削和去除孔壁的材料產(chǎn)生V形螺旋螺紋?；蛘?，內(nèi)部螺紋通過移動材料形成內(nèi)部螺旋螺紋來產(chǎn)生。然而，成形絲錐比切削絲錐所需動力高的多，而且在螺紋的內(nèi)徑處產(chǎn)生不完美的螺紋頂部。為此，切削絲錐通常比成形絲錐更為優(yōu)選。與例如在車削、磨削、鉆削和鉸孔中使用的其他大部分切削刀具不同，攻絲工具的橫截面較弱，另外其切削刃也較弱。為此，根據(jù)現(xiàn)有技術由燒結碳化物制造的絲錐僅僅具有非常有限的用途。當使用當前設計的碳化物絲錐時，即使對于相對容易加工的材料例如鋼， 切削刃也容易發(fā)生碎裂或破斷，致使刀具無法使用。為此，現(xiàn)有技術的碳化物絲錐被限制用于對甚至比鋼更容易切削的材料，例如鋁和鑄鐵進行攻絲。鋼和其它鐵基合金是要求螺紋的裝配件最常使用的材料。因此，如果切削刃發(fā)生碎裂和破斷的問題得到克服，則由燒結碳化鎢制造的絲錐將會比由高速鋼制造的絲錐更具優(yōu)勢。含有采用超過約3重量％的其他碳化物如碳化鉭、碳化鈦和碳化鈮合金化的碳化鎢的燒結碳化物當用作切削鋼和其他鐵基合金的工具材料時，具有很高的耐磨性。然而，這類碳化物強度和韌性不足，難以用作絲錐材料?；蛘?，主要包含采用濃度超過10重量％的鈷粘結的碳化鎢的一類燒結碳化物強度高，但是在加工鋼時其耐磨性低，因此，不適合作為攻絲鋼的工具材料。

發(fā)明內(nèi)容
簡言之，根據(jù)本發(fā)明，提供由包含采用約12-16重量％鈷粘結的碳化鎢的工具材料制造并且采用金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物涂覆的的絲錐，其中， 所述金屬選自于一種或多種下述兀素招、娃和周期表中的IVa, Va,和VI a族過渡金屬。


由下面參照附圖所做的詳細描述，本發(fā)明更多的特征，以及由此得到的優(yōu)點將清晰可見。所述附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的涂覆碳化物絲錐的透視圖；圖2是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出一個單層的耐磨涂層；圖3是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出一個由多個或交替的耐磨層構成的涂層；圖4是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出一個單層耐磨內(nèi)涂層和一個單層減摩外涂層；圖5是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出一個由多個或交替的耐磨涂層構成的內(nèi)涂層和一個單層減摩外涂層；圖6是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出一個單層耐磨內(nèi)涂層和多個或交替的減摩外涂層；圖7是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出一個由多個或交替的耐磨涂層構成的內(nèi)層和多個或交替的減摩外涂層；以及圖8是圖I絲錐切削刃處的橫截面視圖，其展示出基體、強化結合的金屬層、耐磨內(nèi)層、強化結合的金屬層以及減摩外層。
具體實施例方式現(xiàn)在參照圖1，對一般標記為10的根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的精密的燒結碳化物攻絲絲錐進行說明。絲錐10由通常稱作基體16 (圖2-8)的燒結碳化鎢圓柱狀坯體制造而成。該坯體的直徑使其尺寸大于絲錐10的最終尺寸，并且在表面42和44進行定尺切割?；w16的典型材料是采用鈷粘結的碳化鎢。鈷的量可以為約12-16重量％。此外，可以添加少量過渡金屬碳化物以限制晶粒長大，而且，基體16還可以含有低含量的可能在工藝期間引入的雜質(zhì)。加工基體16的第一步是采用例如在中心進行外圓縱向磨削(cylindrical traverse grinding)方法或者無中心切入磨(centerless infeed grinding)法將還體磨削至精確圓柱公差。在該步驟期間，柄表面46被磨削至指定尺寸，并且形成攻絲部分31的主直徑。此外，在該加工期間，或者作為一個附加工藝的結果，產(chǎn)生具有圓柱表面52的任選頸部49，并且在圓柱狀柄46與頸部49之間存在斜面48。此外，任選斜面24可以通過外圓磨削加工而成。柄46的直徑約等于螺紋名義直徑。應該意識到可以對柄作其他選擇。例如，在大直徑絲錐上，柄可以比螺紋名義直徑??；而對于小直徑絲錐，柄直徑可以比螺紋名義直徑大。此外，為了在使用期間對其進行驅(qū)動，絲錐在其柄最端部可以為方形。在下一個步驟，磨削出一個或多個凹槽50，以便與斜面30結合，提供切削刃，并且提供排除使用絲錐時形成的碎屑的途徑。如圖I所示，凹槽50呈筆直狀，并且其取向一般與絲錐10的軸平行。應該認識到凹槽可以有其它取向。例如，在絲錐進入部分，可以在與絲錐10的縱軸呈5-20角的方向磨削短凹槽，以便在使用期間迫使碎屑處于絲錐運動的前方?；蛘?，凹槽50可以為螺旋型，根據(jù)絲錐使用期間是否期望將碎屑排出孔或?qū)⑺樾纪浦两z錐運動的前方，來選擇螺旋的旋向。接下來的步驟中，在一個螺旋狀物上磨削攻絲體部分31，形成V型螺紋側面表面， 以及內(nèi)徑和外徑。隨后，通過磨削形成切削斜面30的形狀。V型螺紋側面表面和外徑復制出攻絲期間產(chǎn)生的內(nèi)部螺紋。切削斜面30逐步變細，以便能夠進入所攻絲的孔中。前面介紹的某些基本步驟給出了獲得圖I中絲錐10的工藝的特點。但是，應該意識到所述工藝可以采取任何數(shù)目的適合的步驟。采用上述基本步驟是為了便于描述。因此，本發(fā)明的范圍不限于上面給出的具體工藝步驟。下一個步驟是在絲錐10上涂覆包含金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物的耐磨層54,其中，所述金屬選自于一種或多種下述兀素招、娃和周期表中的IVa, VajP VIa族過渡金屬。耐磨層54可以作為單一層，或者多層或交替層沉積在基體16上。圖2示出的是涂覆在絲錐10的所有關鍵區(qū)包括螺紋31、斜面30和凹槽50的基體16上、由上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物構成的耐磨單層54。應該認識到涂層涂覆在除柄46之外的絲錐10的任何其他區(qū)域，柄46被遮蔽起來以避免被涂覆。圖2所示的單層耐磨涂層54的一個實例是碳氮化鈦。圖3示出的是上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物作為多層或交替層54a_d已涂覆其上的基體16。圖3所示的多層或交替層54a_d耐磨涂層的一個實例是氮化鈦和氮化鈦鋁。為了降低摩擦，可以在單層54上沉積任選頂部外層56。該外層56可以由二硫化鑰、二硫化鑰和過渡金屬或者它們的任意組合組成，或者作為單層通過共沉積形成，或者以包括碳、碳和過渡金屬碳化物、碳和過渡金屬、碳氮化物或者它們的任意組合的層的多層或交替層形式沉積。圖4示出的是在由上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物構成的先前已沉積的耐磨單層54上涂覆的作為單個單層的任選減摩外涂層56。圖5示出的是在先前已沉積由上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物構成的耐磨多層或交替層54a-d上涂覆的作為單層的任選減摩外涂層56。當減摩外涂層56作為單個單層沉積時，減摩涂層56可以由二硫化鑰；共沉積的二硫化鑰和過渡金屬；共沉積的碳和過渡金屬碳化物；共沉積的碳和過渡金屬；碳；和碳氮化物構成。圖4和5中示出的減摩外涂層 56的一個實例是共沉積的二硫化鑰和鈦。圖6示出的是在先前已沉積由上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物構成的單層54上涂覆的任選的多層減摩外涂層56a-d。圖7示出的是在先前已沉積由上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物構成的多層54a-d上涂覆的任選的多層減摩外涂層56a_d。當多層或交替層減摩外涂層56a_d作為多層涂覆時，可以作為由二硫化鑰和過渡金屬、碳和過渡金屬碳化物；以及碳和過渡金屬構成的交替層涂覆。一個這類減摩多層或交替層56a_d的實例是碳與鉻的交替層。上述金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物，或者由二硫化鑰；二硫化鑰和過渡金屬；碳；碳和過渡金屬碳化物；碳和過渡金屬；以及碳氮化物構成的上述減摩外涂層均可以采用目前眾所周知的方法進行涂覆，所述方法例如是物理氣相沉積(PVD)技術，任何高離子密度方法，比如離子鍍、磁控濺射、電弧蒸發(fā)等，或者使用能夠獲得令人滿意的CVD層的各種CVD方法的化學氣相沉積(CVD)技術。應該認識到單層54和/或多層或交替層54a_d可以具有變化的或者梯度化學組成。例如，涂層一開始為氮化鈦，之后可以引入碳，這樣，在最靠近外層56的表面處涂層為碳氮化鈦。此外，應該意識到本發(fā)明不受多層或交替層54a-d，56a_d的數(shù)目的限制，可以采用任意多個多層或交替層實施本發(fā)明。例如，耐磨層54可以包括氮化鈦和氮化鈦鋁兩個交替層54a，54b。在另一個實例中，減摩外涂層56可以包括碳與鉻兩個交替層56a，56b。為了提高耐磨層54或54a_d與基體16的結合性能，可以首先在基體16上涂覆金屬層58,如圖8所不。類似地，可以在所述任選的減摩層56或56a-d與耐磨內(nèi)層54或 54a-d之間涂覆金屬層60。用于涂層58，60的提高結合性能的金屬選自于一種或多種下述元素鋁、硅和周期表中的IVa，Va，和VIa族過渡金屬。實施了證實本發(fā)明涂覆碳化物絲錐切削有效性的試驗。在一個試驗中，通過以91 米/分鐘(300英尺/分鐘)的速度對33HRC AISI 4340鋼進行攻絲，測試了 M12x I. 25mm 螺距的涂覆碳化物絲錐。該碳化物涂覆絲錐由具有15%鈷的碳化鎢制造并且采用碳氮化鈦涂覆。實驗結果表明所述碳化物絲錐加工出1686個螺紋孔而磨損程度極小，相比之下，傳統(tǒng)的涂覆TiN的HSS絲錐在91米/分鐘(300英尺/分鐘)的同樣速度下只能夠產(chǎn)生158 個孔。也已發(fā)現(xiàn)只是在15米/分鐘(50英尺/分鐘)的較低速度下，傳統(tǒng)的涂覆TiN的 HSS絲錐才能夠產(chǎn)生數(shù)目相當?shù)目住Ｔ诒景l(fā)明的M12x I. 25碳化物絲錐的另一個實驗中，我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的絲錐在對JIS SCM440鋼攻絲時可以在80米/分鐘(262英尺/分鐘)的速度下使用。目前，采用傳統(tǒng)攻絲技術對SCM440鋼攻絲時，推薦速度僅為14米/分鐘(46英尺/分鐘)。在本文引入本文中引用的文件、專利和專利申請，作為參考。盡管已結合各種實施方案對本發(fā)明進行了具體描述，但是，應該理解這只是為了說明而不是進行限定，應該認為附后的權利要求范圍同當前技術的允許范圍一樣廣泛。
權利要求
1.一種涂覆碳化物絲錐，由采用12-16wt%鈷粘結的碳化鎢構成的基體制造并且采用第一個耐磨層涂覆，所述第一個耐磨層由金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物構成，其中所述金屬選自于一種或多種下述兀素招、娃和周期表中的IVa, Va和VIa族過渡金屬。
2.根據(jù)權利要求I的涂覆碳化物絲錐，還包括涂覆在所述第一個耐磨層上的第二個用于減摩的外涂層。
3.根據(jù)權利要求2的涂覆碳化物絲錐，其中，所述外涂層包含二硫化鑰；二硫化鑰和過渡金屬；或者它們的任意組合。
4.根據(jù)權利要求2的涂覆碳化物絲錐，其中，所述外涂層包含碳；碳和過渡金屬碳化物；或者它們的任意組合。
5.根據(jù)權利要求2的涂覆碳化物絲錐，其中，所述外涂層包含碳和過渡金屬；或者它們的任意組合。
6.根據(jù)權利要求2的涂覆碳化物絲錐，其中，所述外涂層包含碳氮化物。
7.根據(jù)權利要求2的涂覆碳化物絲錐，其中，所述外涂層共沉積而成，形成一個單一層，或者以多層或交替層形式沉積而成。
8.根據(jù)權利要求2的涂覆碳化物絲錐，其中，所述基體還包含用于限制晶粒長大的過渡金屬碳化物。
9.根據(jù)權利要求I的涂覆碳化物絲錐，其中所述耐磨層具有變化的或梯度的化學組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涂覆碳化物絲錐(10)，其包含基體(16)，所述基體(16)包括采用12-16重量％鈷粘結的碳化鎢，還添加少量過渡金屬碳化物以限制晶粒長大，而且，還可以含有少量可能在處理期間溶入的雜質(zhì)?；w(16)上涂覆有一個金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物層，所述金屬選自于一種或多種下述元素鋁、硅和周期表中的IVa，Va和VIa族過渡金屬。所述涂層可以包括一個單層(56)和/或任選具有不同化學組成的交替層。為了降低摩擦，可以在所述涂層上作為單層共沉積，或者以多層或交替層形式沉積一個包含二硫化鉬、二硫化鉬和過渡金屬或者它們的組合、碳、碳和過渡金屬碳化物或者它們的組合和/或碳氮化物的外頂層。本發(fā)明的涂覆碳化物絲錐(10)可以在比傳統(tǒng)絲錐至少快三倍的切削速度下使用而不會發(fā)生碎屑或破斷。
文檔編號C22C5/00GK102581394SQ20121001550
公開日2012年7月18日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權日2003年2月27日
發(fā)明者A·T·桑特納姆, W·E·亨德爾, 赤木貞之 申請人:株式會社彌滿和制作所, 鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司