專利名稱：刀具的鑲刃的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種帶有涂層的硬質合金切削鑲刃，該切削鑲刃具有一個基底，此基底的孔隙度(按照標題為“硬質合金中表觀氣孔度的標準測定方法”的ASTM Designation B276-86(美國材料試驗學會的規(guī)定B276-86))大于C00并小于或等于C02，其中，具有一個不分層的，即，大體均勻的粘結劑富集區(qū)，該富集區(qū)由靠近基底的周邊表面處開始并向內延伸。
在此之前，已存在Kennametal KC850帶有涂層的切削鑲刃(KC850是美國賓西法尼亞州Latrobe的Kennametal公司生產的切削鑲刃的注冊商標)，該切削鑲刃具有一個孔隙度為C03/C05的基底，此基底具有一個表面粘結劑富集區(qū)。這種粘結劑的富集是一種分層式的粘結劑富集，它意味著粘結劑的富集形成了明顯的金屬粘結劑層。Nemeth等人的論文“高刃口強度的標號為KC850的肯納硬質合金的顯微結構特點和切削性能”(第十屆Plansee研討會會刊，Reutte,Tyrol,Austria,Metalwerke Plansee A.G.(1981).pp.613-627)對“Kennametal KC850帶涂層的刀具(或鑲刃)進行了描述。根據(jù)Smith等人的標題為“具有三層涂層的硬質合金燒結體”的美國專利No.4,035,541,“Kennametal KC850”帶涂層的切削鑲刃具有TiC-TiCN-TiN的三相涂層。
本發(fā)明是一種切削鑲刃，它包括一個前傾面和一個側面，在前傾面和側面的交界處有一個切削刃口。該切削鑲刃具有一個涂層和一個基底，其中，涂層粘附在基底上?；资且环N碳化鎢基燒結硬質合金，它具有如下所述的體積成份，即約在3％至12％重量百分比之間的鈷，高達約12％重量百分比的鉭，高達約6％重量百分比的鈮，高達約10％重量百分比的鈦，余量為鎢和碳。其中存在著一個從基底的周邊表面附近開始并向內延伸的不分層的鈷富集區(qū)。該不分層的富集區(qū)具有A孔隙度。整個基底具有大于C00且小于或等于C02的孔隙度。
下面是對構成本專利申請的一個部分的附圖的簡單說明

圖1是一個SPGN432型切削鑲刃的一個特定實施例的等角視圖；圖2是圖1所示的切削鑲刃沿2-2線的剖面圖；圖3是SNG433型切削鑲刃的一個特定實施例的等角視圖；以及圖4是圖3所示的切削鑲刃沿4-4線的剖面圖。
參照附圖，圖1示出了總的用標號10代表的本發(fā)明的可轉換角度的切削鑲刃的一個特定實施例。該切削鑲刃10具有一個在前傾面14與側面16的交界處的切削刃口12。盡管圖1中所示的切削鑲刃10是一種帶有珩磨切削刃口的SPGN432型切削鑲刃，但申請人的意圖是，本發(fā)明包括其它類型的具有或不具有珩磨刃口的切削鑲刃。
圖2表示沿著圖1的2-2切面截取的在切削鑲刃10的切削刃口12處的剖面?？偟挠蓸颂?8表示的基底具有一個非粘結劑富集區(qū)20，即構成基底的中心部分(或主體部分)的區(qū)域，以及一個靠近基底的外周邊界24和26的外部(或周邊)粘結劑富集區(qū)22。外部粘結劑富集區(qū)22是一種非分層型的粘結劑富集區(qū)。換句話說，粘結劑富集區(qū)22在本質上通常是均勻的。這與分層的粘結劑富集區(qū)不同，在分層的粘結劑富集區(qū)中，粘結劑形成了一層位于另一層的頂部上的多個層，如Kobori等人在題為“在燒結硬質合金表面附近形成的粘結劑富集層”(粉末和粉末冶金，Vol.34,No.3,pp.129-133(April1987))的文章中所討論的那樣。
在一個優(yōu)選實施例中，基底18是一種碳化鎢基硬質合金基底，它含有至少為70％重量百分比的碳化鎢，更為優(yōu)選的是，它含有至少占80％重量百分比的碳化鎢。粘結劑最好為鈷或鈷合金，同時，最好其體積濃度為3％至12％重量百分比。更優(yōu)選的鈷的體積含量在約5％至約8％重量百分比之間。最優(yōu)選的是，鈷的體積含量在約5.6％至約7.5％重量百分比之間。
基底18還含有固溶體碳化物和/或碳氮化物的形成元素，例如鈦，鉿，鋯，鈮，鉭和釩，在這些元素中最好選擇鈦，鈮和鉭，它們或者單獨存在或者以相互結合的方式或者以與鎢結合的方式存在。這些元素最好能以碳化物，氮化物和/或碳氮化物的形式加入到混合物中，更好的是以氮化物的形式，而最佳的是以碳化鉭(鈮)和氮化鈦的形式加入到混合物中。這些元素的濃度最好在下述范圍內高達12％重量百分比的鉭，高達10％重量百分比的鈦，及高速4％重量百分比的鈮。更為優(yōu)選的是，鉭含量和鈮含量的總和在約3％至約7％重量百分比之間，而鈦含量在約0.5％至約5％重量百分比之間。最優(yōu)選的是鉭和鈮含量的總和在約5.0％至約5.9％重量百分比之間，鈦含量在約1.7％至約2.3％重量百分比之間。
在基底18的主體區(qū)域20內，這些元素(即，鈦，鉿，鋯，鈮，鉭和釩)至少在一定程度上而且最好是大部分地在基底內與碳化鎢形成固溶體碳化物和/或固溶體碳氮化物。在富集區(qū)22中，這種固溶體碳化物和/或固溶體碳氮化物已全部或部分地被耗盡，從而碳化鎢和鈷構成粘結劑富集區(qū)22的主要組分。
在粘結劑富集區(qū)22內，粘結劑(例如，鈷)含量應達到最大值，該最大值約在125％至300％之間。粘結劑富集的更為優(yōu)選的范圍是大約在主體內粘結劑含量的150％至300％之間。粘結劑富集的最為優(yōu)選的范圍是，它大約為基底內主體鈷濃度的200％至300％。
粘結劑富集區(qū)22最好延伸到基底周邊表面24和26?；蛘呤?，可在鄰接這些外周邊界(24,26)處存在著一個薄層，在該薄層中由于在燒結基底過程中的蒸發(fā)，鈷含量已被降低，從而粘結劑(例如，鈷)富集區(qū)22延伸到基底18的周邊表面(24,26)附近。粘結劑富集區(qū)的厚度最好高達50微米(μm)。
粘附在基底18的外周邊界24和26上的是由括號29表示的硬涂層，它最好具有利用化學汽相淀積(CVD)或者CVD與物理汽相淀積(PVD)的組合技術施加的一個或多個層。MTVD(中溫CVD)技術可用于施加一個涂層，例如碳氮化鈦層。這些層可包含一個基底層30，一個中間層32和一個外層34。盡管圖2中所示的這些層具有不同的厚度，但應當理解，這僅是為了進行說明。每一層(30,32,34)的厚度依切削鑲刃的特定用途而定。
基底層30被直接沉積在基底18的表面(24,26)上?；讓?0的厚度最好在約3微米(μm)和約6μm之間變化。盡管基底層的組分也可以變化，但優(yōu)選的組分可包括，例如，碳化鈦，碳氮化鈦及氮化鈦。中間層32直接沉積到基底層30的表面上。中間層32的厚度在約2μm與約5μm之間變化。盡管中間層(一層或多層)的組分是可以變化的，但優(yōu)選的組分可包括碳氮化鈦，氮化鈦，碳化鈦，氧化鋁，氮化鈦鋁及它們的組合物。外層34直接沉積在中間層32的表面上。外層34的厚度在約1.5μm和約4μm之間變化。雖然外層的組分是可以變化的，但其優(yōu)選組分可包括氮化鈦，碳氮化鈦，氮化鈦鋁以及氧化鋁。
盡管在上面的描述中提到了用于涂層的適當?shù)倪x擇物，但優(yōu)選的涂覆方案是采用碳化鈦作為基底層，碳氮化鈦作為中間層，并用氮化鈦作為外層。
Smith等人的美國專利No.4,035,541公開了一種可用于圖2所示切削鑲刃的三層涂層。此外，例如下述文獻中所描述的那種方法，可通過CVD和PVD的結合實施所述的涂覆方案，這些文獻是，Santhanam等人的美國專利No.5,250,367，其題目為“粘結劑富集的由CVD和PVD涂覆的切削鑲刃”；Santhanam等人的美國專利No.5,266,388，其題目為“粘結劑富集的經(jīng)涂覆的切削鑲刃”。申請人在這里引用Smith等人的美國專利No.4,025,541,Santhanam等人的美國專利No.5,250,367及Santhanam等人的美國專利No.5,266,388作為參考文獻。
如圖2所示，對于一個用于銑削的切削鑲刃，最好是粘結劑富集區(qū)22位于外周邊界的下面，這些外周邊界與切削鑲刃10的前傾面14及側面16平行。在其它應用中，例如車削，可以預期，富集區(qū)將只存在于前傾面之下，而從其它面上除去了(例如，通過研磨)富集區(qū)。關于這個問題，圖3和圖4中所示的一種是SNG433型切削鑲刃的切削鑲刃40具有這樣的顯微結構，在這種結構中，只在前傾面的下面存在富集區(qū)。
參照圖3和圖4，切削鑲刃40具有四個側面42，它們與一個前傾面44及與前傾面44相對的另一個前傾面(未示出)相交，從而形成八個切削刃口48。切削鑲刃40具有一個總的由標號49表示的基底，它具有位于前傾面處的外周邊界52和位于側面處的外周邊界54?；?9具有一個主體部分50，它包括基底49的主要部分以及一個靠近前傾面處的外周邊界52的粘結劑富集層56。在包括靠近外周邊界54的體積在內的主體部分49中不存在粘結劑富集。
切削鑲刃40的基底49與切削鑲刃10具有基本上相同的組分。切削鑲刃40的粘結劑富集的情況與切削鑲刃10的也基本上相同。切削鑲刃40的基本涂覆方案(如括號59所示)也與切削鑲刃10基本相同。關于這個問題，切削鑲刃40具有一個基底涂層60，一個中間涂層62和一個外涂層64。
現(xiàn)將利用下面的例子對本發(fā)明作進一步的描述，該例子僅用于說明的目的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制?，F(xiàn)將結合對比例No.1至No.3對本發(fā)明的例子No.1進行說明。
對于本發(fā)明的例子和比較例而言，基底粉末含有約5.8％重量百分比的鈷，約5.2％重量百分比的鉭，約2.0％重量百分比的鈦，余量為鎢和碳。鈦是以氮化鈦的形式添加的。鉭是以碳化鉭的形式添加的。鎢是以碳化鎢的形式添加的，而鎢和碳是以金屬鎢的形式和碳黑的形式添加的?；旌衔镏屑尤氩煌潭鹊奶迹缦旅娴谋恝袼颈恝窀骼械募犹剂?
在每一個例子中將5公斤(kg)混合料加到一個7.5英寸內徑×9英寸的鋼制球磨罐中，并加入21kg3/8英寸直徑的硬質合金球及庚烷，填滿到罐的頂部。在環(huán)境溫度下以每分鐘52轉(rmp)的速度轉動混合物40小時。將每一批料的料漿干燥，加入石蠟作為短效粘結劑，并對粉末進行造粒以提供足夠的流動性。將?；姆勰褐瞥蒘NG433型切削鑲刃坯料，并在真空中于2650°F(1456℃)的溫度下燒結30分鐘。然后令這些切削鑲刃基底在爐內冷卻。
此后研磨前傾面并將切削鑲刃坯料在真空中于2650°F(1456℃)的溫度下再加熱約60分鐘，隨后進行控制冷卻，冷卻速度為100°F(56℃)/小時，直到2100°F(1149℃)。下面的表Ⅱ表示在再加熱之后所得基底的性質。
表Ⅱ比較例和本發(fā)明例的組分和物理性質
然后將切削鑲刃坯料進行周邊研磨和珩磨，使得所獲得的基底在前傾面上有鈷的富集，而側面沒有鈷的富集。此后根據(jù)美國專利No.4,035,541對切削鑲刃坯料進行三相涂覆?；讓訛橥ㄟ^CVD施加的碳化鈦，厚度為4.5微米(μm)。中間層為通過CVD施加的、厚度為3.5μm的碳氮化鈦。頂層為通過CVD施加的、厚度為3.0μm的氮化鈦。
按照下列試驗程序對比較例和本發(fā)明例做車削性能試驗工件材料AISI4340鋼(300BHN)(300布氏硬度)車削條件450表面英尺/分鐘(sfm)〔137.2表面米/分鐘〕或者550sfm〔167.8表面米/分鐘〕，進給量為0.02英寸/轉(ipr)〔0.0508厘米/轉〕以及0.1英寸(0.254厘米)的切削深度(doc)。
冷卻劑TrimSol Regular(20％)
鑲刃型號SNG-433，具有進行過半徑珩磨(0.003英寸)(0.0076厘米)的預加工刃口。
鑲刃壽命的判斷標準最大側面磨損=0.030英寸(0.076厘米)均勻側面磨損=0.015英寸(0.038厘米)缺口=0.030英寸(0.076厘米)月牙洼磨損(深度)=0.004英寸(0.010厘米)刀尖磨損=0.030英寸(0.076厘米)切口深度=0.030英寸(0.076厘米)同時還按照以下程序對比較例和本發(fā)明例的車削性能進行了試驗工件材料AISI1045鋼(210BHN)車削條件750sfm(228.8表面米/分鐘)0.020ipr(0.0508厘米/轉)0.1英寸(0.254厘米)切削深度(doc)冷卻劑TrimSol Regular(20％)鑲刃型號SNG-433型，并且進行過徑向珩磨(0.003英寸)(0.0076厘米)以預加工刃口。
鑲刃壽命的判斷標準最大側面磨損=0.030英寸(0.076厘米)均勻側面磨損=0.015英寸(0.038厘米)缺口=0.03英寸(0.076厘米)月牙洼磨損(深度)=0.004英寸(0.010厘米)刀尖磨損=0.030英寸(0.076厘米)切口深度=0.030英寸(0.076厘米)根據(jù)下述的開槽棒(41L50鋼)車削試驗程序對比較例和本發(fā)明例進行沖擊強度試驗速度350sfm(106.8表面米/分鐘)
切削深度=0.1英寸(0.254厘米)進給量=起始進給量為0.015英寸/轉(0.038厘米/轉)，然后每經(jīng)過100次沖擊進給量增加0.005英寸/轉(0.0127厘米/轉)，直到經(jīng)過800次沖擊，這時的進給量已到0.050英寸/轉(0.127厘米/轉)，或者直到發(fā)生斷裂，哪種情況先發(fā)生到哪種情況為止。
下面的表Ⅲ給出了比較例No.1至No.4和本發(fā)明例No.1的試驗結果。
表Ⅲ比較例No.1至No.3和本發(fā)明例No.1的鑲刃壽命及刃口強度試驗結果<
表Ⅲ中的孔隙度額定值是指按照ASTM規(guī)定B276-86中標題為“硬質合金中表觀氣孔度的標準測試方法”的方法進行測定的。粘結劑富集的深度是通過利用放大倍數(shù)為1500X的金相顯微鏡對樣品的斷面進行光學檢驗而確定的。
刃口強度表示在經(jīng)由上述開槽桿試驗直到發(fā)生斷裂或當試驗在達到800次沖擊而終止時的沖擊次數(shù)。車削試驗的結果反映了在上述試驗過程中以分鐘計算的切削鑲刃的壽命。
表Ⅲ中的數(shù)據(jù)非常清楚地表明，本發(fā)明例No.1具有極佳的開槽棒刃口強度(800次沖擊)。同時在車削1045和4340鋼時也具有非常好的工具壽命。本發(fā)明例No.1的總體金屬切削性能優(yōu)于其它所有的例子(即，比較例No.1至No.3和“kennametal KC850”有涂層的切削鑲刃)。
更具體地說，本發(fā)明例No.1的刃口強度相當于高碳的比較例No.2和No.3的刃口強度，并優(yōu)于低碳的比較例No.1的刃口強度。本發(fā)明例No.1也具有與高碳合金“Kennametal KC850”有涂層的切削鑲刃相當?shù)娜锌趶姸取?br> 在具有優(yōu)異的刃口強度的同時，本發(fā)明例No.1與其它高碳的例子相比也表現(xiàn)出優(yōu)異的1045鋼刀具壽命。本發(fā)明例No.1具有的刀具壽命為13.1分鐘，與之相比，比較例No.2為10.7分鐘，比較例No.3為5.6分鐘，而“Kennametal KC850”有涂層的切削鑲刃的壽命為5.3分鐘。本發(fā)明例No.1的4340鋼刀具壽命也優(yōu)于其它(800次沖擊)刃口強度的高碳例子(例如，比較例No.2,No.3以及“KennametalKC850”有涂層的切削鑲刃)。盡管本發(fā)明例No.1的4340和1045鋼刀具壽命僅相當于或稍低于低碳比較例No.1，但本發(fā)明例No.1具有優(yōu)異的刃口強度，它可經(jīng)受800次沖擊，而比較例No.1僅經(jīng)受得住635次沖擊。
非常明顯，本發(fā)明提供了一種具有改進性能的切削鑲刃，其性能優(yōu)于比較例No.1至No.3以及“Kennametal KC850”帶涂層的切削鑲刃。結合在上述的對鋼的被中斷的和連續(xù)的車削中所顯示出來的沖擊強度和耐磨性，這些改進的特性特別明顯。
在本申請中所援引的所有專利和其它文獻，在這里均作為參考文獻。
通過對這里所公開的本發(fā)明的說明書的研究或者對本發(fā)明的實踐，對熟悉本領域的人員來說，本發(fā)明的其它實施例是顯而易見的。上面的說明及所舉的例子僅用于說明的目的，本發(fā)明的真正范圍和主旨由下面的權利要求書來表明。
權利要求
1．一種切削鑲刃，包括一個前傾面和一個側面，一個位于前傾面和側面的交界處的切削刃口；該切削鑲刃具有一個涂層和一個基底，其中，涂層粘附在基底上；基底是碳化鎢基硬質合金，其具有如下所述的體積組分，即在約3％至約12％重量百分比之間的鈷，高達約12％重量百分比的鉭，高達約6％重量百分比的鈮，高達約10％重量百分比的鈦，余量包括鎢，氮和碳；其特征為，鈷的濃度在一個非分層的鈷富集區(qū)內富集，該富集區(qū)從靠近基底的周邊表面處開始向內延伸，富集區(qū)具有相當于主體基底內鈷的大約125％至300％的最大鈷濃度；以及主體基底具有大于C00并小于或等于C02的孔隙度。
2．如權利要求1所述的切削鑲刃，其特征為，基底具有如下的主體組分，即它包括在約5.6％至約7.5％重量百分比之間的鈷，在約5.0％至約5.5％重量百分比之間的鉭，在約1.7％至約2.3％重量百分比之間的鈦，可高達約0.4％重量百分比的鈮，其余量包括鎢，碳和氮。
3．如權利要求1所述的刀具，其特征為，富集區(qū)含有相當于主體基底中的鈷的約為150％至300％的最大鈷含量。
4．如權利要求1所述的刀具，其特征為，富集區(qū)含有相當于主體基底中鈷的約為200％至300％的最大鈷含量。
5．如權利要求1所述的刀具，其特征為，非分層的鈷富集區(qū)從周邊表面開始延伸的深度約在40微米和50微米之間。
6．如權利要求1所述的刀具，其特征為，基底具有一個如下的主體組分，即含有約5.8％重量百分比的鈷，約5.2％重量百分比的鉭，約2.0％重量百分比的鈦，其余量包括鎢和碳。
7．如權利要求1所述的刀具，其特征為，基底是通過燒結原料粉末的固結塊形成的。
8．如權利要求7所述的刀具，其特征為，原料粉末包括氮化鈦。
9．如權利要求7所述的刀具，其特征為，原料粉末包括碳化鉭。
10．如權利要求7所述的刀具，其特征為，原料粉末包括碳化鈮。
11．如權利要求7所述的刀具，其特征為，原料粉末包括碳化鎢。
12．如權利要求7所述的刀具，其特征為，原料粉末包括碳。
全文摘要
一種切削鑲刃,它包括一個前傾面和一個側面,在前傾面和側面的交界處有一個切削刃口。該切削鑲刃具有一個涂層和一個基底,其中,涂層粘附在基底上。基底是碳化鎢基硬質合金,其中有一個非分層的鈷富集區(qū),它從靠近基底周邊表面處開始向內延伸。主體基底具有大于COO并小于CO2的孔隙度。
文檔編號C22C29/08GK1233295SQ97198792
公開日1999年10月27日 申請日期1997年7月18日 優(yōu)先權日1996年10月15日
發(fā)明者喬治·P·格雷普 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司