專利名稱：切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切削刀具，其具有改善的切控制能力、表面精加工性能，和/或改進的涂覆粘著性。本發(fā)明進一步涉及一種有涂層的切削刀具，該刀具帶有一低鈷基體且壽命長。
更具體地就切控制性能來說，本發(fā)明涉及一種切削刀具，一種制造該切削刀具的方法，其前刀面具有的、微觀外形特征提供了切屑的控制性能，不再需要斷屑器。更具體地，切削刀具的這一前刀面具有合適的表面粗糙度，以便提供切屑控制性能。
關(guān)于改善表面精加工性能方面，本發(fā)明涉及這樣一種切削刀具，及制造該切刀具的方法，這種切削刀具具有切削加工工件的能力能加工一光滑的加工面。更具體地說，本發(fā)明涉及一種帶光滑側(cè)面的切削刀具，以便在工件的表面獲得一理想的光滑加工表面。
此外，本發(fā)明涉及一種其上帶有一涂覆層的切削刀具，該涂覆層例如是單獨一層通過物理汽相淀積(PVD)而沉積的涂覆層或者多層涂覆層，其中至少一層是通過PVD沉積的，且該涂覆層具有改進的粘結(jié)性。
一些切削加工操作，例如車螺紋、切槽、或切割，具有產(chǎn)生長切屑線或“鳥巢”的傾向。與短的C形/圖形6形狀的切屑或短圈相比，生產(chǎn)這種長切屑線是不理想的。
一些材料難于不產(chǎn)生長切屑線而切削加工。換句話說，由于這些材料的自身性質(zhì)，導(dǎo)致了對這些材料無論怎樣切削加工都有產(chǎn)生長切屑線的傾向。這些材料包括鈦合金，鋁合金和低碳鋼。
早期的切削刀具為了折斷切屑，在其前刀面上帶有特殊的斷屑結(jié)構(gòu)或幾何形狀。例如，美國專利No.4710 069描述了一種切削刀具，該切削刀具提供有帶有許多與切屑切斷面相配合的許多凹陷處的結(jié)構(gòu)斷屑器。
盡管這種結(jié)構(gòu)斷屑器可以被制作為滿意的形狀，但帶有這種結(jié)構(gòu)斷屑器的切削刀具的典型幾何形狀可能是復(fù)雜的。對于這種切削刀具的生產(chǎn)，需要設(shè)計復(fù)雜的壓實器來生產(chǎn)這一復(fù)雜的幾何形狀。而制造這種具有復(fù)雜幾何形狀的壓實器是昂貴的。
使用這種帶有結(jié)構(gòu)斷屑器的切削刀具特別需要有一張許多不同形式的切削刀具的清單，根據(jù)特定的應(yīng)用場合來確定每種帶不同結(jié)構(gòu)斷屑器的切削刀具。使用者清理出許多不同形式的切削刀具是很昂貴的。為了制造這些刀具而保留許多不同形式的制造這些結(jié)構(gòu)斷屑器幾何形狀的壓實器也是很昂貴的。
許多加工場合要求已加工的工件表面有一定的光潔度或平滑度。為達到這一目的，早期的切削刀具需要經(jīng)過打磨或拋光而提供一相對光滑的前刀面和刀具側(cè)面。盡管這種工序安排生產(chǎn)出具有滿意的表面光滑度的工件，但卻沒有有效的切屑控制能力，除非切削刀具包含有一結(jié)構(gòu)斷屑器。在這種具有光滑的前刀面和刀具側(cè)面的典型切削刀具中，缺乏有效的切屑控制會導(dǎo)致長切屑線的產(chǎn)生。
過去，象TiAlN這樣的涂層已被應(yīng)用于象硬質(zhì)合金、金屬陶瓷這樣的切削刀具的基體上，例如，通過象陰極真空噴鍍、電離鍍膜和陰極電弧等物理氣相沉積(PVD)工藝方法。這些基體已提供了一相對光滑的表面，如已經(jīng)過拋光處理，模壓處理、或噴丸處理。迄今為止，當(dāng)涂層的厚度增加時，PVD涂層的附著力減小。為了保持在基體上合適的附著力，PVD涂層厚度必須小于約6微米。在TiAlN PVD涂層情況下，使用切削刀具時，涂層厚度不超過約5微米仍能保持其在基體上合適的附著力。由于與使用PVD噴涂TiC或立方氮化硼涂層有關(guān)的高殘余壓力，這種涂層在其實用的任何厚度下，即對于商業(yè)上實用的切削刀具足夠的且具有合適粘附強度的厚度還沒有得到應(yīng)用。
過去，人們已經(jīng)使用結(jié)合利用化學(xué)氣相沉積(CVD)和PVD工藝施加的多層涂層結(jié)構(gòu)。該多層涂層結(jié)構(gòu)的一個例子包括一通過CVD施加的TiN基層，一通過CVD施加的TiCN中間層，和通過PVD工藝施加的TiN頂層，對于基體在其表面層有粘結(jié)劑富集層。這種復(fù)合層結(jié)構(gòu)是Santhanam et al的題目為BINDER ENRICHED CVD AND PVDCOATED CUTTING TOOL并轉(zhuǎn)讓給本專利申請代理人的美國專利US5250 367的一個主題。在美國專利No.5250367中，基體含有一重量百分比含量為3-12的塊狀鈷，其中重量百分比含量為5-8和5.5-7是更優(yōu)選的鈷含量范圍。具體實施例包括重量百分比是10.5、8.5和9.5的鈷含量。Santhanam et al的題目為METHOD OF MACHININGVSING COATED CUTTING TOOLS，轉(zhuǎn)讓給本專利申請代理人的美國專利NO.5325747披露了一種帶有一基體的切削刀具，該刀具基體上帶有一層或多層通過CVD施加的涂層和由PVD施加的TiN外涂層。在基體為WC-CO材料的情況下，鈷的重量百分比含量為3-12，更優(yōu)選的重量百分比含量為5-7和5.7到6.3。具體實施例為Co的重量百分比含量為6.0、8.5、9.75、10、10.5和11.5。Santhanam et al題目為CVD AND PVD COATED CUTIING TOOLS，并轉(zhuǎn)讓給本專利申請代理人的美國專利No.5364209中披露了一種具有一至少帶有一內(nèi)CVD施加層和外PVD施加層的基體的切削刀具。在該基體是WC-Co的情況下，粘合劑(鈷)的重量百分比范圍為5-15，更優(yōu)選的重量百分比范圍為7-13和8-12。Yoshimura的題目為SURFACE-COATEDTOOL MEM BER OF TUNGSTEN CARBIDE BASED CEMENTEDCARBIDE的美國專利No.5066553中披露了基體的再燒結(jié)以達到由CVD施加的涂層的更好的粘附性。
現(xiàn)在已很清楚地看到早期的切削刀具具有的缺陷。這些缺陷與切削刀具的切屑控制性能有關(guān)，與切削刀具的表面精加工性能有關(guān)，且與涂層與切削刀具基體的粘附力有關(guān)。
最好是提供一種改進的切削刀具，通過該切削刀具前刀面的微觀外形且利用或不利用一結(jié)構(gòu)斷屑器，但最好不利用結(jié)構(gòu)斷屑器來提供對切屑的控制。通過提供這樣一種切削刀具，人們可以通過降低生產(chǎn)壓實器的成本來降低生產(chǎn)成本，所述壓實器將粉末材料壓成切削刀具的形狀。這種切削刀具也可通過減少生產(chǎn)者必須列入清單的壓實器的數(shù)量來降低生產(chǎn)成本。由于使用者必須列入清單的切削刀具數(shù)量的減少，這種切削刀具也將降低與銷售和分配切削刀具有關(guān)的成本。
最好是提供一種改進的切削刀具，該刀具通過其前刀面的微觀外形且不使用結(jié)構(gòu)斷屑器以及在工件上提供一光滑的加工面來提供對切屑的控制。這樣一種切削刀具不僅具有切屑控制能力而且導(dǎo)致被加工工件光滑的表面。
最好提供一種改進的切削刀具，其帶有一與基體有改善的粘附力的PVD涂層，而且其帶有一較厚的PVD涂層，其允許使用新的由PVD施加的粘合涂層，如，TiC，氧化鋁、立方氮化硼。
最好提供一種改進的切削刀具，其具有一其上帶有一涂層的低鈷基體，且使用壽命長。
按本發(fā)明的一種形式，本發(fā)明是一帶涂層的切削刀具，該切削刀具包括一基體，一在該基體表面的PVD涂層。該PVD涂層的粘附力通過洛氏A刻痕附著力載荷測試大于或等于80kg。
下面是對構(gòu)成本專利申請一部分的圖的簡單說明。


圖1是本發(fā)明帶涂層切削刀具的第一個實施例的透視圖；圖2是沿圖1中的斷面線2-2的切削刀具的橫截面圖；圖3是本發(fā)明帶涂層的切削刀具的第二個實施例的頂視圖；圖4是圖3所示的切削刀具的側(cè)視圖；圖5是沿圖3中的斷面線5-5截取的圖3切削刀具的橫截面圖；圖6是本發(fā)明不帶涂層的切削刀具的第三個實施例的透視圖；圖7是沿圖6中截面線7-7截取的圖6切削刀具的橫截面圖；圖8是本發(fā)明帶有涂層的切削刀具的第四個實施例的透視圖，其中，基體的側(cè)表面具有凹凸不平的微觀外形，帶涂層的側(cè)表面的微觀外形也是凹凸不平的；圖9是沿圖8中截面線9-9截取的圖8切削刀具的橫截面圖；圖10是本發(fā)明帶有涂層的切削刀具的第五個實施例的透視圖，其中基體的側(cè)表面具有凹凸不平的微觀外形，帶涂層后的側(cè)表面具有光滑的微觀外形，而基體的前刀面和帶有涂層的刀具具有凹凸不平的微觀外形；圖11是沿圖10中截面線11-11截取的圖10中切削刀具的橫截面圖；圖12是本發(fā)明帶有涂層的切削刀具的第六個實施例的透視圖，其中基體的前刀面具有凹凸不平的微觀外形，帶涂層后的前刀面的表面具有光滑的微觀外形，基體的側(cè)面和帶涂層刀具具有一光滑的微觀外形；
圖13是沿圖12中截面線13-13截取的圖12中切削刀具的橫截面圖；圖14是本發(fā)明帶涂層切削刀具的第七個實施例的透視圖，其中在基體上帶有多層涂層；圖15是沿圖14中截面線15-15截取的圖14中切削刀具的橫截面圖；圖16是本發(fā)明帶涂層的切削刀具的第八個實施例的透視圖，其中基體的側(cè)面和前刀面具有粗糙不平的微觀外形，帶涂層后的側(cè)面和前刀面具有光滑的微觀外形；圖17是沿圖16中截面線17-17截取的圖16中切削刀具的橫截面圖；圖18是切削刀具樣品CN82的圖解頂視圖，該圖標記出切削刀具的四個角，和測量表面粗糙度的位置；圖19是“鳥巢”形切屑的照片，這種形狀的切屑是由未帶涂層的WC-Co切削刀具(未帶涂層K11)切削383.2鋁合金工件時形成的；圖20A是“鳥巢”形切屑的照片，這種切屑是用包括一涂覆單層TiAlN的磨削狀態(tài)基體的WC-Co切削刀具切削383.2鋁合金工件時形成的；圖20B是短的理想形切屑的照片，這種切屑是由包括一涂覆單層TiAlN的再燒結(jié)基體的WC-Co切削刀具切削383.2鋁合金工件時形成的；圖21A是鳥巢形切屑的照片，這種切屑是由帶有一涂覆多層TiN/TiCN/TiN涂層結(jié)構(gòu)的磨削狀態(tài)的基體的WC-Co切削刀具切削鋁合金工件時形成的；以及圖21B是短的理想形切屑的照片，該切屑是由涂覆有多層TiN/TiCN/TiN涂層結(jié)構(gòu)的WC-Co切削刀具切削383.2鋁合金工件時形成的，其中基體在涂覆工序前被再燒結(jié)。
圖1和圖2描述了本發(fā)明總體上用20表示的切削刀具的第一特定實施例。切削刀具20包括一帶有前刀面24和側(cè)面26的基體22。該切削刀具基體也可如那些在美國國家切削刀具標準-標準刀具-識別系統(tǒng)，ANSI B212.4-1986中規(guī)定的那樣制成任何標準形狀和尺寸。刀具的前刀面也可具有各種不同的斷屑器結(jié)構(gòu)(未示出)，以便有利于切屑的斷開和去除。
基體22可選擇適合切屑刀具基體使用的許多可能的基體材料?；w材料種類包括工具鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷材料、陶瓷復(fù)合材料、多晶金剛石和多晶立方氮化硼作為切削刀具基體的可選擇材料。
在硬質(zhì)合金種類中，一種基體是鈷鎢硬合金合成物。在這些合成物中，隨著碳化鎢組成的基本平衡鈷含量的重量百分比在約0.2-20范圍內(nèi)，可選擇地，包括鎢、鈦、鉭、鋯、鉿和/或鈮的碳化物和碳氮化物。
在金屬陶瓷的種類中，有含有鈷和/或鎳粘合金屬的碳氮化鈦基材料。這些金屬陶瓷包括由Kennametal Inc of Latrobe，Pennsylvania(本專利申請的受讓人)銷售的下列等級的金屬陶瓷KT125，KT150，KT175以及KT195。
在陶瓷材料的種類中，有氮化硅基，或氧化鋁基，含有或不含有如呈須狀或顆粒狀的碳化硅和碳化鈦的強化添加物的陶瓷材料。
在陶瓷復(fù)合材料的種類中有須狀加強陶瓷材料。這類復(fù)合材料的例子包括碳化硅須狀物和/或在礬土礦中的碳化鈦須狀物。
涂覆層28覆蓋基體22的前刀面24和側(cè)面26。根據(jù)切削刀具的具體應(yīng)用場合和具體的基體可以使用涂覆層28，也可不必使用。在使用涂層的情況下，涂覆層結(jié)構(gòu)有許多變化。
可以通過物理氣相沉積技術(shù)涂覆一層或多層涂層。其中一個例子是通過PVD施加的TiAlN或TiN涂層。多層涂層的例子是如Santhanam等的美國專利No.5250367提及的TiN-TiCN-TiN涂層結(jié)構(gòu)。該美國專利披露了包括CVD和PVD工藝技術(shù)結(jié)合起來形成的涂層結(jié)構(gòu)，或者如Quinto等的美國專利披露的那樣完全由PVD工藝技術(shù)施加的多層涂層結(jié)構(gòu)。
可替換地或除TiAlN以外，可用于切削刀具的涂層包括硬質(zhì)合金、氮化物、碳氮化物、和鋯、鈦、鉿和它們的合金的硼化物、礬土、立方氮化硼、氮化硅、以及一薄膜多晶金剛石層。
關(guān)于基體22，其前刀面24包括一微觀粗糙表面?；w22的周邊緣30在前刀面24和側(cè)面26的匯合處。側(cè)面26具有一相對光滑的表面。
涂層28在第一實施例(圖2)是單層。涂層28覆蓋在基體22上，因而完全涂覆后的切削刀具20顯示出一外露的前刀面34和側(cè)面36。外露的前刀面34具有微觀不平的表面。與該前刀面相比，外露的側(cè)面36顯示出一相對光滑的表面。外露的周邊緣38在前刀面34和側(cè)面36的匯合處。
對于基體22的粗糙前刀面24的粗糙度及外露的前刀面34的粗糙度；如按Shefficld Proficorder Spectre單位測量，其范圍在1 5微米英寸Ra和125微英寸Ra之間。這一表面粗糙度較好的范圍在25微英寸Ra和125微英寸Ra之間。最好的范圍在40微英寸Ra和80微英寸Ra之間。
最好是，如按Shefficld Proficorder Spectre單位測量，外露的光滑側(cè)面36的粗糙度比25微英寸Ra小。更好是比15微英寸Ra小。
圖1和2所示的切削刀具的具體實施例，由于基體前刀面的表面粗糙度，所以在基體的前刀面的涂層具有好的粘附性。由于帶涂層的前刀面的表面粗糙度，該切削刀具具有好的切屑控制能力。由于帶有涂層的側(cè)面光滑的表面，所以這一實施例也顯示出良好的工件表面加工特性。
參見圖3至5，這些圖描述了總體上由42表示的本發(fā)明切削刀具的第二個具體實施例。切削刀具42包括一帶有一前刀面46和一側(cè)面48的基體44(看圖5)。一涂覆層50覆蓋在前刀面46和側(cè)面48之上?，F(xiàn)有的用于切削刀具42的基體和涂層的類型與用于切削刀具20的一樣。
基體44包括一周邊緣54，該周邊緣54位于前刀面46和側(cè)面48的匯合處?；w44有一周邊粗糙表面部分56，即，微觀粗糙不平的表面部分，該部分從基體44的周邊緣54向內(nèi)延伸。而具有一微觀粗糙不平表面的結(jié)構(gòu)斷屑器58從周邊粗糙表面部分56的內(nèi)緣向內(nèi)延伸。
基體44進一步包括一微觀粗糙的中心表面部分60。該中心表面部分60由結(jié)構(gòu)斷屑器58劃界。
涂層50(看圖5)覆蓋在基體44的外面而形成帶有涂層的切削刀具42，該切削刀具42有一外露的前刀面64和一外露的側(cè)面66。在帶涂層切削刀具42的外露的前刀面64和側(cè)面66的匯合處有一周邊緣70。
有一微觀凹凸不平的外露的周邊前刀面部分72，其從周邊緣70向內(nèi)延伸。然后，一外露的結(jié)構(gòu)斷屑器74從微觀粗糙的周邊外露前刀面部分72向內(nèi)延伸。結(jié)構(gòu)斷屑器74有一微觀粗糙的表面。該外露的前刀面64進一步包括一具有粗糙表面的中心部分76。該切削刀具42包含有一中心孔78。
基體的前刀面部分(56、58、60)的粗糙度與外露的前刀面部分(72、74、76)的粗糙度與上述描述的粗糙的前刀面24的粗糙度相同?；w22的側(cè)面48的粗糙度和外露的側(cè)面的粗糙度與上面描述的光滑側(cè)面36的粗糙度相同。在另外的選擇方案中，前刀面中心部分76可具有相對光滑的表面。
圖3到5所述的實施例提供了一種切削刀具，由于基體前刀面的表面粗糙度該刀具的涂覆層與基體的前刀面有良好的粘附性。且由于該切削刀具有帶涂層的前刀面的表面粗糙度，該切削刀具具有良好的切屑控制特性。由于帶涂層的側(cè)面的光滑表面，該切削刀具具有良好的工件表面精加工特性。
參見圖6和圖7，描述了一總體上由90表示的不帶涂層的切削刀具。該不帶涂層的切削刀具90可由適合于不帶涂層條件下使用的任何切削刀具材料來制造。
該不帶涂層切削刀具90包括一前刀面92和一側(cè)面94。前刀面92具有一微觀粗糙的表面。周邊緣96在前刀面92和側(cè)面94的匯合處。粗糙前刀面92的粗糙度與上述的粗糙前刀面24的粗糙度相同。側(cè)面94的粗糙度與上面所述的光滑側(cè)面36的粗糙度相同。
由于這種刀具前刀面的粗糙的表面，圖6和圖7所示的不帶涂層的切削刀具具有良好的切屑控制特性，且由于該切削刀具光滑的側(cè)面，這種刀具提供了光滑的工件表面。
圖8和圖9描述了本發(fā)明切削刀具的另一具體實施例，總體上由100表示。該切削刀100具有一帶有前刀面104和側(cè)面106的基體102。所述前刀面104是粗糙不平的，即，具有粗糙不平的表面微觀外形。該基體的側(cè)面106也具有粗糙不平的微觀外形。切削刀具100包括一覆蓋在基體102表面的涂層108。帶涂層切削刀具的前刀面110具有粗糙不平的微觀外形，且?guī)繉拥那邢鞯毒叩膫?cè)面112也具有凹凸不平的微觀外形。帶涂層的前刀面和側(cè)面(110，112)的表面粗糙度與上面描述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。
圖8和圖9所示的切削刀具，由于基體的前刀面和側(cè)面具有粗糙不平的表面，所以這種刀具的涂層與前刀面和側(cè)面具有良好的粘附性。由于帶涂層前刀面的表面粗糙度，這種刀具提供了良好的切屑控制性能，但由于其帶涂層的側(cè)面的表面粗糙，工件表面光滑度比較差。
圖10和11描述了本發(fā)明切削刀具的另一具體實施例，總體上由120來表示。切削刀具120有一帶前刀面124和側(cè)面126的基體122。前刀面124是粗糙不平的，即它具有一凹凸不平的表面微觀外形。側(cè)面126也具有一粗糙的微觀外形。切削刀具100包括一覆蓋在基體122表面上的涂覆層128。帶涂層切削刀具的前刀面130有一凹凸不平的微觀外形?；w122的前刀面和側(cè)面(124，126)的表面粗糙度和帶涂層的前刀面130的表面粗糙度與上面描述的粗糙前刀面24的粗糙度相同。
帶涂層切削刀具的側(cè)面132具有一光滑的微觀外形。為了在帶涂層刀具的側(cè)面得到光滑的微觀外形，該側(cè)面必須經(jīng)過磨光或其它處理來使其表面光滑。鑒于基體的側(cè)面具有粗糙不平的微觀外形這一事實，這種處理尤為必要。帶涂層側(cè)面132的表面粗糙度與上面描述的光滑側(cè)面36的表面粗糙度相同的。
圖10和11所示的切削刀具，由于基體的前刀面和側(cè)面的表面粗糙度，這種切削刀具具有涂層與基體的前刀面和側(cè)面有良好的粘附性這一優(yōu)點。由于帶涂層前刀面的表面粗糙度，這種切削刀具也表現(xiàn)出良好的切屑控制性。由于帶涂層側(cè)面光滑的表面，該切削刀具進一步提供了良好的工件表面加工特性。
圖12和13描述了本發(fā)明切削刀具的另一具體實施例，總體上由140來表示。切削刀具140有一帶前刀面144和側(cè)面146的基體142。前刀面144是粗糙的，即其具有一粗糙的表面微觀外形。側(cè)面126有一光滑的微觀外形。切削刀具140包括覆蓋在基體142表面的涂層148。該帶涂層的切削刀具的前刀面150具有一光滑的微觀外形。帶涂層的切削刀具的側(cè)面152也具有一光滑的微觀外形。為了在帶涂層刀具的前刀面上獲得光滑的微觀外形，該前刀面必須要經(jīng)過磨光處理或其它處理而得到這一光滑表面。鑒于基體的前刀面具有一粗糙的微觀外形這一事實，這種處理尤其必要。
基體的前刀面144的表面粗糙度與上面描述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的?；w側(cè)面146的表面粗糙度和帶涂層后的前刀面和側(cè)面(150、152)的表面粗糙度與上面描述的光滑側(cè)面36的表面粗糙度是相同的。
由于基體的前刀面的表面粗糙度，圖12和13所示的切削刀具提供了良好的涂層與基體的前刀面的粘附性。由于帶涂層側(cè)面光滑的表面，這種切削刀具提供了良好的工件表面精加工性能。由于帶涂層切削刀具前刀面的表面光滑度，這種切削刀具也提供了減小在帶涂層的前刀面上形成邊緣的傾向。
圖14和15描述了本發(fā)明切削刀具的另一具體實施例，總體上由160表示。切削刀具160具有一帶前刀面164和側(cè)面166的基體162。前刀面164是粗糙的，即，其具有一粗糙的表面微觀外形。側(cè)面166具有光滑的表面微觀外形。切削刀具160包括覆蓋在基體162表面上的多層涂層。這些涂層包括一基層168，一中間層170，和一頂層172。帶涂層切削刀具的前刀面174具有一粗糙的表面微觀外形。該帶涂層的切削刀具的側(cè)面172具有光滑的表面微觀外形。
基體前刀面164和帶涂層前刀面174的表面粗糙度與上面描述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。基體側(cè)面166與帶涂層側(cè)面176的表面粗糙度與上面描述的光滑側(cè)面36的表面粗糙度相同。
由于基體前刀面表面粗糙度，以及疊加在上面的涂層的表面粗糙度，圖14和15的切削刀具顯示出涂層與基體的前刀面良好的粘附性。由于外露的帶涂層前刀面的表面粗糙度，這種切削刀具表現(xiàn)出良好的切屑控制性能。由于帶涂層的側(cè)面的表面光滑度，這種切削刀具具有良好的工件表面精加工性能。
圖16和17描述了本發(fā)明切削刀具的另一具體實施例，總體上由180表示。切削刀具180有一帶一前刀面184和一側(cè)面186的基體182。前刀面184是粗糙不平的，即其有一粗糙的表面微觀外形。側(cè)面186也具有一粗糙的微觀外形。基體182的前刀面和側(cè)面(184，186)的表面粗糙度與上述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。
切削刀具180包括一覆蓋在基體182表面的涂層188。帶涂層的切削刀具的前刀面190有一光滑的微觀外形。帶涂層的切削刀具的側(cè)面192也具有光滑的微觀外形。為了在帶涂層切削刀具的前刀面和側(cè)面上獲得這種光滑的微觀外形，這些表面必須經(jīng)過磨光處理或其它處理來使其表面光滑。鑒于基體的前刀面和側(cè)面具有粗糙的微觀外形這一事實，這種處理尤其是必須的。帶涂層的前刀面和側(cè)面(190，192)的表面粗糙度與已描述的光滑側(cè)面36的粗糙度是相同的。
由于基體的前刀面和側(cè)面的粗糙表面，圖16和17所述的切削刀具的涂層與基體的前刀面和側(cè)面有良好的粘附性。由于帶涂層前刀面的表面光滑度，這種切削刀具具有減小在帶涂層的前刀面上形成邊緣的傾向。由于切削刀具帶涂層的側(cè)面的表面光滑度，這種切削刀具具有良好的工件表面光滑度。
關(guān)于這種切削刀具的生產(chǎn)，基體最好由傳統(tǒng)的粉末冶金工藝制造。更具體地，基體中的粉末組分混合并壓成一未燒結(jié)坯塊。這一未燒結(jié)的坯塊隨后被加熱處理，例如通過燒結(jié)，以便形成一基本上完全致密的基體(在帶涂層的切削刀具情況下)，或者不帶涂層的切削刀具。另外，通過同時加熱和加壓，例如通過熱壓，粉末混和物可被形成基本上完全致密的物體?？墒?，形成一帶有可選擇粗糙表面的基體所必須的壓實工藝有許多變化方法。
制造基本上完全致密的基體的燒結(jié)工藝的一種變化方法是使用一壓實器，該壓實器將粉末壓成一未燒結(jié)壓實體，而這就在未燒結(jié)壓實體中形成了必須的表面粗糙度。通過在該未燒結(jié)壓實體中提供合適等級和尺寸的表面粗糙度，便形成一種燒結(jié)狀態(tài)的基體，在該基體表面的選定位置提供了具有合適的表面粗糙度。對熱壓工藝過程使用帶有必需的表面粗糙度的壓實器也是可行的。
如果燒結(jié)狀態(tài)(或基本上完全致密)的刀具的表面太粗糙，刀具上僅僅不理想的粗糙位置可以被研磨、拋光，激光拋光，或經(jīng)其它精加工而產(chǎn)生必要等級的光潔度。對于刀具側(cè)面，這種必要的光滑度等級可足以在切削時產(chǎn)生一光滑的工件表面光潔度，仍然使刀具整體的前刀面保持粗糙不平，以便產(chǎn)生理想的切屑流控制。對于前刀面，光滑度的等級可足以減小在該前刀面上形成邊緣的傾向。基體的側(cè)面可以是粗糙的，以便改善涂層在基體側(cè)表面的粘附性。
根據(jù)刀具材料和切削應(yīng)用場合，該刀具可被用于上述條件下。換言之，該刀具可在未涂覆的條件下使用。然而，更通用地，這種刀具被用作由CVD和PVD方法施加的保護防銹涂層的基體，然后被應(yīng)用于切削場合。
本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的涂覆工藝參數(shù)是這樣的，即刀具的前刀面和側(cè)面的粗糙度特性與進行涂覆操作前的基體的粗糙度特性是沒有變化的。于是，通常對于典型的CVD和PVD涂覆工藝過程，帶涂層的刀具的表面粗糙度是下層基體表面粗糙度和沉積涂覆層厚度的函數(shù)。一般說來，當(dāng)涂層厚度增加時，不考慮基體的下層表面粗糙度，涂層的表面粗糙度也趨于增加。這就會導(dǎo)致外露的涂層表面多少比基體的表面粗，可是，這種基體前刀面的表面粗糙度的增加并不損害理想的切屑控制性能?；w表面粗糙度的增加對涂層與基體的粘附性并未產(chǎn)生消極影響，相反一般增加這種粘附性。
然而，刀具帶涂層側(cè)面表面粗糙度的增加會對由刀具形成的工件表面光潔度產(chǎn)生不利影響。因此，為了使涂層的光滑度成為可接受的表面光滑度涂覆后處理操作，如拋光、磨光、或激光拋光刀具的一些側(cè)表面的整個表面可能是必需的。這樣在切削操作時提供了可接受的光滑的工件表面加工。
帶涂層的前刀面表面粗糙度的增加會產(chǎn)生形成邊緣這一問題，即，來自切屑的材料會焊在切削刀具的前刀面上。為了減少形成邊緣這一潛在問題，涂覆后處理操作，如拋光、磨光或激光拋光刀具的一些前刀面的整個表面可能是必須的，以便使涂層的表面光滑度成為可接受的表面光滑度，這樣，就減小了形成邊緣這種情況的潛在可能性。形成邊緣是與工件材料有關(guān)的一個問題，然而前刀面的光滑性減小切屑的控制性能，由于基體前刀面的表面粗糙度，以使涂層具有良好的粘附性。
基本加工過程的另一種變形是在基體的初始加工處理后采用附加的再燒結(jié)步驟。再燒結(jié)的目的是增加基體如碳化鎢表面的顆粒度以便形成一粗糙的不規(guī)則表面。這種不規(guī)則的表面使表面具有必要的粗糙度。這一工藝過程是懸而未決的于1993年11月30日申請的申請?zhí)枮镹o.08/159,272，題目為DIAMOND COATED TOOLAND PROCESS FOR MAKING的美國專利申請的一個主題，它已轉(zhuǎn)讓給該申請的受讓人。因此上述的美國專利申請在此被插入并供參考。
在這種結(jié)合燒結(jié)碳化鎢基體使用再燒結(jié)的變形中，燒結(jié)碳化鎢基燒結(jié)碳化物基體的表面由通過鈷或鈷合金粘結(jié)起來的碳化鎢硬顆粒組成，鈷不僅在碳化鎢顆粒之間，而且由于在真空燒結(jié)狀態(tài)下鈷和碳化鎢的潤濕特性，一些鈷也覆蓋在基體表面上的碳化鎢顆粒之上。
按照本發(fā)明，如上所述的燒結(jié)后并拋光基體在一定的時間、溫度和保護氣氛條件下再燒結(jié)，從而引起顆粒的增大和粘合劑從其表面耗盡。時間和溫度的選擇使得在再燒結(jié)基體的表面顆粒足夠長大以便在粗糙前刀面24上產(chǎn)生上面描述的范圍內(nèi)的表面粗糙Ra。
達到所需表面粗糙度需要的再燒結(jié)時間取決于初始材料和燒結(jié)條件。當(dāng)溫度增加時，再燒結(jié)時間就減少。對于一些燒結(jié)碳化鎢成分，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在1510℃(2750°F)的溫度2到3小時的再燒結(jié)時間就足以提供所需的表面粗糙度。如果在第一次再燒結(jié)處理后沒有產(chǎn)生理想的表面粗糙度，基體可被再次燒結(jié)，直到產(chǎn)生理想的表面粗糙度。
相信在再燒結(jié)處理期間保護氣氛對獲得涂層與基體良好的粘結(jié)性也是重要的。相信如果在這種處理期間使用氮氣保護氣氛，在最終粗糙表面上的鈷量將會減少。應(yīng)當(dāng)控制氮氣分壓以便允許鈷從表面上揮發(fā)。在再結(jié)晶期間應(yīng)當(dāng)通過來自基體塊的補充鈷來將表面再潤濕減至最小。
因此，最有益的氮分壓多半是基體組分的函數(shù)。在再燒結(jié)操作過程期間，也可以控制或改變氮分壓而控制基體塊上鈷的揮發(fā)量和揮發(fā)速度。相信可以使用0.3到50乇、較好0.3到5乇，最好0.3到2乇的氮氣氛。理論上氮氣氛允許在基體表面顆粒的外表面上的鈷揮發(fā)，然后足夠的鈷留在表面碳化鎢顆粒之間使它們保持與基體的剩余部分牢固地粘接在一起。鈷的揮發(fā)伴隨著表面碳化鎢顆粒的增長，造成表面粗糙。
完成再燒結(jié)過程后，可通過物理氣相沉積工藝、化學(xué)氣相沉積工藝，或者包括物理氣相沉積工藝的組合工藝來涂覆基體。使用前刀具在這種條件下可被CVD或PVD涂覆。如果直接涂覆再燒結(jié)狀態(tài)的刀具，刀具側(cè)面涂層的最外層表面在與工件相接觸的區(qū)域最好通過磨光、拋光、激光拋光或者類似方法使其光滑，以便切削時該刀具能切削加工出最光滑的工件表面光潔度。
關(guān)于帶涂層切削刀具的表面粗糙度，前刀面的粗糙度范圍與上面描述的粗糙前刀面24的粗糙度范圍相同。如上所述，在保留粗糙前刀面原封不動的情況下，對刀具側(cè)表面進行研磨、磨光、拋光或激光拋光使其側(cè)表面光滑。典型地，該側(cè)面經(jīng)過拋光使得該側(cè)表面粗糙度與上述光滑側(cè)面36的粗糙度范圍相同。
對原始基體加工過程的另一種變形是在前刀面表面的選擇位置進行研磨、EDM(放電加工)、或激光侵蝕，使在燒結(jié)的基體上具有一表面粗糙度。對于前面所述的所有變形，如果燒結(jié)狀態(tài)基體的側(cè)面表面足夠光滑，就不需進一步處理。典型地，如果切削刀具被涂覆，只是在側(cè)面的涂層將被磨光、拋光或激光拋光以達到必需的光潔度。
然而切削刀具，尤其是那些由燒結(jié)碳化鎢制成的切削刀具一般通過冷壓和真空燒結(jié)工藝(即，在約10-2到10-3乇的壓力)生產(chǎn)制造，應(yīng)當(dāng)明白任何通用的工藝技術(shù)均可用來制得本發(fā)明的原始燒結(jié)基體。
實施例為了證明本發(fā)明提供的優(yōu)點和益處，下文陳述許多實施例，以及這些實施例的試驗結(jié)果。
對于下文陳述的所有實施例，除非另有說明，否則初始基體都是下列成分和性能的鈷鎢硬合金重量百分比含量為2.3到2.9的Co；最多到0.4重量百分比含量的Ta；最多到0.1重量百分比含量的Ti；最多到0.1重量百分比含量的Nb和其它雜質(zhì)，余量為WC。燒結(jié)狀態(tài)基體的其它性能為洛氏硬度在92.8到93.6范圍內(nèi)，抗磁力Hc’在290到440奧斯特之間，磁飽和度足以避免η相位的形成，平均WC顆粒尺寸在1-6微米之間，孔隙率額定值為A08，B00，C00或更好，密度為15.10到15.50克/立方厘米。
對于所有的這些實施例，所使用的切削刀具是SPG-422型(0.0005英寸半徑珩磨頭)刀具，它不帶結(jié)構(gòu)斷屑器。
對于那些經(jīng)過再燒結(jié)的實施例，在2750°F，約0.5乇氮氣氛、三個小時進行再燒結(jié)，從而生產(chǎn)出大于45微英寸Ra的表面粗糙度。由于再燒結(jié)過程期間表面的鈷揮發(fā)，燒結(jié)狀態(tài)且經(jīng)研磨的基體的再燒結(jié)一般會導(dǎo)致在再燒結(jié)基體中鈷含量的減少。
對于那些經(jīng)過拋光的實施例，使用一種尼龍刷對每邊進行兩分鐘拋光，所述的尼龍刷的硬毛被注入120目鉆石研磨砂并以1000rpm速度轉(zhuǎn)動。這種毛刷可從Jason.Inc.of Cleveland.ohio獲得。
為了評價各種涂層與切削刀具基體的粘附力，使用刻痕粘附載荷試驗對下列實施例，即，EB46、CN88、CN89、EB56、CO07、CO08、EB66、EQ87和CQ88進行涂層粘附力測試。在這一方面，使用一洛氏硬度測量計，使洛氏硬度計的圓錐形金剛石壓頭在15kg、30kg、45kg、60kg和100kg的選擇載荷范圍，通過這樣的刻痕粘附力測試來確定涂層與基底之間的粘附力。粘附力被定義為使涂層不結(jié)合和/或剝落的最小載荷。在刀具的兩個地方進行測量。測量值“100+”表示在載荷為100kg時涂層仍沒有不結(jié)合或剝落，這些測試使用的最大載荷為100kg。
下面對這些實施例進行描述。
實施例EB46由基本燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)碳化鎢基體(basic as-Sintered cemented fungsten carbide substrate)通過在CC800反應(yīng)器中4小時PVD處理而施加一TiAlN涂層形成的，所述CC800來源于德國Cemecon GmbH of Aachen。這種反應(yīng)器使用磁控電子管陰極真空噴鍍處理來施加TiAIN。TiAlN涂層有約3.5微米的厚度。這一例子顯示了通過PVD在研磨狀態(tài)基體上施加單一薄層涂層的本發(fā)明的一實施例。
實施例CN88由基本燒結(jié)研磨基體經(jīng)過上述的再燒結(jié)處理，然后與實施例EB46一樣涂覆厚度約為3.5微米的TiAlN涂層。實施例CN88是本發(fā)明在施加較薄TiAlN涂層之前基體經(jīng)過再燒結(jié)的一個實施例。
實施例CN89與實施例CN88相同。
實施例EB56由基本燒結(jié)研磨燒結(jié)碳化鎢基體在德國Cemecon GmbH of Aachen的CC800反應(yīng)器中通過PVD處理10小時施加TiAlN涂層得到的。所述TiAlN涂層厚約10.5微米。這一實施例是本發(fā)明通過PVD在研磨基體上施加較厚單一涂層的實施例。
實施例CO07由基本基體經(jīng)過再燒結(jié)(如上所述)然后與實施例EB56一樣施加厚度約10.5微米的TiAlN涂層而得到。實施例CO07是本發(fā)明在施加較厚TiAlN涂層前基體經(jīng)受再燒結(jié)的一實施例。
實施例CO08與實施例CO07相同。
實施例EB66由基本燒結(jié)研磨燒結(jié)碳化鎢基體與由CVD和PVD一起施加的多層涂層構(gòu)成。涂層結(jié)構(gòu)包括由CVD施加的約1.0微米厚的TiN基層；由CVD施加的約4.0微米厚的TiCN中間層；以及由PVD施加的約4.0微米厚的TiN頂層。這一實施例提供了本發(fā)明的通過CVD和PVD在研磨基體上施加多層涂層的一實施例。
實施例CQ87由基本基體經(jīng)過再燒結(jié)(如上所述)然后如實施例EB66一樣施加相同的多層涂層而成。實施例CQ87是本發(fā)明在施加多層涂層之前使基體經(jīng)過再燒結(jié)的一個實施例。
實施例CQ88與實施例CQ87相同。
在表I到III中列出了刻痕載荷試驗結(jié)果，單位為千克(kg)。對于每個切削工具進行兩次測試。較高的刻痕試驗結(jié)果表示較好的涂層粘附性。
表I帶有3.5μm TiAlN PVD涂層基體的刻痕載荷試驗結(jié)果
表II帶有10.5μm TiAlN PVD涂層基體的刻痕載荷試驗結(jié)果
表III帶有CVD-PVD涂層的基體的刻痕載荷試驗結(jié)果
對現(xiàn)有技術(shù)切削刀具(KC730)的三個樣品進行刻痕粘附力載荷測試，通過在離子鍍敷在包含重量百分比約為6％的鈷的燒結(jié)碳化物基體上進行離子鍍敷而在三個試樣上涂覆約3.5μm厚的TiN，對三個切削刀具的每一個，每個切削刀具的兩個測量結(jié)果為30kg，45kg。
看表I，刻痕載荷結(jié)果顯示對于有較薄層(約3.5μm)PVDTiAlN涂層的切削刀具，那些具有在涂覆前和初始燒結(jié)后再燒結(jié)基體的切削刀具載荷粘附力大大增加。在這一點上，與刻痕粘附載荷測量值為45kg和60kg的樣品EB46相比，每個樣品NOS，CN88和CN89都顯示了100+kg的刻痕載荷結(jié)果。表I的結(jié)果與KC730切削刀具的結(jié)果相比顯示出當(dāng)在涂覆之前大體上完全致密的基體再燒結(jié)時較薄TiAlN涂層(樣品CN88和CN89)的粘附力比比較例的傳統(tǒng)切削刀具(KC730)的粘附力增加2到3倍以上。
看表II，刻痕載荷結(jié)果顯示，通過PVD技術(shù)在研磨刀具上施加的較厚TiAlN涂層(約10.5μm)的粘附力約與傳統(tǒng)切削刀具(KC730)的按照刻痕載荷試驗測量的粘附力相同。當(dāng)在涂覆前大體上完全致密的基體再燒結(jié)后，較厚PVD涂層的粘附力比傳統(tǒng)的KC730切削刀具的粘附力大大提高。
看表III，刻痕載荷結(jié)果顯示，對于多層涂層(CVD-TiN/CVD-TiCN/PVD-TiN)在具有磨削基體的切削刀具與具有再燒結(jié)基體的切削刀具之間，刻痕粘附載荷試驗結(jié)果沒有大的差異。
總之，很明顯對于具有單一層TiAlN的切削刀具，無論是約3.5μm厚還是約10.5μm厚，研磨狀態(tài)基體的再燒結(jié)大大改善了涂層粘附強度。帶CVD-PVD涂層的切削刀具的研磨狀態(tài)基體的再燒結(jié)看起來似乎沒有大大改善涂層與基體的粘附力。
上述切削刀具的一些樣品，以及兩種傳統(tǒng)的切削刀具在下列條件下用于車削383.2鋁合金(百分之十一的硅)速度為2500sfm，進給量每轉(zhuǎn)0.005英寸，切削深度0.025英寸，液體冷卻。下面在表IV中列出這些車削試驗的結(jié)果。
表IV切屑成形試驗結(jié)果
看表IV，車削383.2鋁合金的測試結(jié)果顯示出已燒結(jié)狀態(tài)的基體的使用提供了大大改善的切屑成形性能。使用再燒結(jié)切削刀具，無論其具有單一薄層(約3.5微米)的TiAlN涂層還是具有多層涂層結(jié)構(gòu)，都會形成短圈形式的切屑。短圈型的切屑是理想的切屑形式。
將圖20A與圖20B相比較，帶單一薄層的TiAlN顯示了一引人注目的形式，圖20A所示的照片表示一種不理想的長連續(xù)切屑線形式。這與表示了一種緊密的短線圈形式的切屑的圖20B形成了鮮明的對照。
圖21A和21B也表示出研磨狀態(tài)基體帶CVD-PVD涂層的切削刀具與再燒結(jié)狀態(tài)基體帶CVD-PVD涂層的切削刀具的切屑成形之間有很大的區(qū)別。圖21A是使用研磨狀態(tài)基體帶涂層的切削刀具車削時產(chǎn)生的長切屑線的照片。而圖21B是使用再燒結(jié)狀態(tài)基體帶涂層的切削刀具車削時產(chǎn)生的緊密、短圈型切屑的照片。
具有再燒結(jié)狀態(tài)基體的切削刀具車削時產(chǎn)生的短圈切屑形狀與傳統(tǒng)的不帶涂層K11基體切削刀具和傳統(tǒng)的帶涂層KC730切削刀具車削時產(chǎn)生的切屑形狀形成對照。圖19是表示當(dāng)使用不帶涂層的K11基體切削刀具車削時產(chǎn)生的長連續(xù)切屑線的照片。很明顯車削383.2鋁合金時，再燒結(jié)狀態(tài)基體的切削刀具，其中前刀面具有必要的表面粗糙度，提供了比研磨狀態(tài)基體的切削刀具優(yōu)越得多的切屑成形性能。
申請人相信，帶有必需的前刀面粗糙度的切削刀具特別適合于加工所謂的“粘性”工件材料。這些工件材料包括鋁基合金、磁性材料合金，銅基合金、黃銅合金，以及低碳鋼合金，例如AISI 1008和AISI 1045鋼。
也使用了實施例EB46和CN82在上述條件下進行的對383.2鋁合金的車削試驗。這些試驗結(jié)果在下列表V中列出。圖18是切削刀具A-CN82(3.5μm TiAlN涂層再燒結(jié))的示圖，以便描述包括角2和4的切削刀具的四個角。涂覆后對切削刀具側(cè)面的角4進行拋光。該切削刀具的其余部分不拋光。
表V切削刀具的表面粗糙度特性和工件表面光潔度
在上述表V記錄的涂層表面粗糙度中，“(r)”表示切削刀具前刀面的粗糙度，“(f)”表示切削刀具側(cè)面的粗糙度。
看表V，具有再燒結(jié)基體并帶薄PVD TiAlN涂層(CN82)的切削刀具形成短圈形切屑，與具有磨削狀態(tài)基體并帶有薄PVDTiAlN涂層的切削刀具形成對比。那些具有再燒結(jié)基體且其涂層不被拋光的表面的涂層表面粗糙度最大。例如，研磨狀態(tài)帶涂層的切削刀具的前刀面和側(cè)面分別具有9和11微英寸Ra(142和165微英寸Rtm)的表面粗糙度。這與具有再燒結(jié)基體且其涂層不經(jīng)過拋光的表面粗糙度為54和60微英寸Ra(348和387微英寸Rtm)形成對比。
對具有再燒結(jié)基體的切削刀具的側(cè)面拋光確實使表面光滑；因而使表面粗糙度降低。樣品CN82相對角之間的對比表明拋光使涂層的表面粗糙度從60降到8微英寸Ra(387到55微英寸Rtm)。
對側(cè)面的拋光也導(dǎo)致一較光滑的工件表面光潔度。在這一方面，研磨狀態(tài)切削刀具加工的工件表面光潔度為42±7微英寸，再結(jié)晶狀態(tài)切削刀具加工的工件表面光潔度為48±4微英寸Ra，這些表面光潔度與具有拋光側(cè)面的切削刀具(CN82/角4)加工的表面光潔度為31±2微英寸形成對比。
下面描述的實施例，即，實施例EB46-Al，CN89-RL，CN89-RLB，EB56-AH，CO08-RH、CO08-RHB、EB66-A，CQ87-R和CQ87-RB用于在下列條件下車削304不銹鋼速度800sfm，每轉(zhuǎn)進給量0.008英寸，切削涂度0.060英寸，液流冷卻，15°導(dǎo)角。
實施例EB46-AL由基本燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)碳化鎢基體通過PVD處理四小時施加約3.5微米厚的TiAlN涂層而成。這一實施例提供了本發(fā)明的通過PVD給研磨狀態(tài)基體施加單一薄層涂層的實施例。
實施例CN89-RL由基本基體經(jīng)再燒結(jié)，然后施加與實施例EB46相同的約3.5微米厚的TiAlN涂層而成。實施例CN89-RL是本發(fā)明在由PVD施加單一薄層涂層前基體經(jīng)受再燒結(jié)的一個實施例。
實施例CN89-RLB由基本基體在施加與實施例EB46相同的約3.5微米厚的TiAlN涂層之前經(jīng)受再燒結(jié)而成的。然后實施例CN89-RLB經(jīng)受側(cè)面拋光。實施例CN89-RLB是本發(fā)明基體再燒結(jié)、涂覆單一PVD涂層，帶涂層切削刀具側(cè)面拋光的一個實施例。
實施例EB56-AH由基本燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)碳化鎢基體通過PVD10小時處理施加約10.5微米厚的TiAlN涂層而成。這一實施例提供了本發(fā)明通過PVD施加較厚的單層涂層的一個實施例。
實施例CO08-RH是由基本基體在施加與實施例EB56-AH相同的約10.5微米厚的TiAlN涂層前經(jīng)受再燒結(jié)而成的。實施例CO08-RH是本發(fā)明在PVD施加較厚TiAlN涂層前基體經(jīng)受再燒結(jié)的一個實施例。
實施例CO08-RHB是由基本基體在施加與實施例EB56-AH相同的約10.5微米厚的TiAlN涂層之前經(jīng)受再燒結(jié)而成的。然后，該帶涂層切削刀具的側(cè)面進行拋光。實施例CO08-RHB是本發(fā)明在施加TiAlN涂層前基體經(jīng)過再燒結(jié)，然后帶涂層切削刀具的側(cè)面被拋光的一實施例。
實施例EB66-A由基本燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)碳化鎢基體通過CVD和PVD的結(jié)合處理施加多層涂層而成。該涂層結(jié)構(gòu)包括由CVD施加約1.0微米厚的TiN基層；由CVD施加約4.0微米厚的TiCN中間層，由PVD施加約4.0微米厚的TiN頂層。這一實施例提供了本發(fā)明由CVD和PVD在研磨狀態(tài)基體上施加多層涂層的一實施例。
實施例CQ87-R由基本基體在通過CVD和PVD施加與實施例EB66-A相同的多層涂層前經(jīng)過再燒結(jié)而成。實施例CQ87-R是本發(fā)明在施加多層涂層前基體經(jīng)受再燒結(jié)的一個實施例。
實施例CQ87-RB由基本基體在通過CVD和PVD施加與實施例EB66-A相同的多層涂層前經(jīng)受再燒結(jié)而成。然后該切削刀具的側(cè)面被拋光。實施例CQ87-RB是本發(fā)明在施加多層涂層前基體經(jīng)過再燒結(jié)，然后帶涂層的切削刀具的側(cè)面被拋光的一個實施例。
對304不銹鋼進行車削試驗的結(jié)果在表VI到表VIII中列出。
看表的左方欄，刀具的“狀態(tài)”的標記有下列含義。標記“A”表示切削刀具在涂覆過程前有一研磨狀態(tài)基體。標記“R”表示切削刀具在涂覆過程前研磨狀態(tài)的基體經(jīng)過再燒結(jié)。標記“R&B”表示切削刀具在涂覆過程前研磨狀態(tài)基體經(jīng)過再燒結(jié)，切削刀具帶涂層的側(cè)面被拋光。
看標有“刀具壽命Q損壞形式”的這一排，刀具壽命以分鐘測量。如果切削刀具仍然能用，即，車削40分鐘后，刀具沒有達到預(yù)選的失效指標，停止試驗，該刀具的壽命為記錄為40.0+沒有發(fā)生失效。如果切削刀具達到預(yù)選的失效狀態(tài)的一個指標，那么在這一時間失效的刀具壽命以分鐘記錄，同時記錄詳細的失效形式。下面描述失效形式。
當(dāng)均勻側(cè)面磨損達0.075英寸時出現(xiàn)均勻側(cè)面磨損(“fw”)失效形式。當(dāng)最大的局部側(cè)面磨損達0.030英寸時，出現(xiàn)最大的局部側(cè)面磨損(“mw”)失效形式。當(dāng)測量前刀面表面，其最大月牙洼深度達0.004英寸時，出現(xiàn)最大月平洼深度(“Cr”)失效形式。當(dāng)切割深度凹槽達到0.030英寸時，出現(xiàn)最大的切割深度凹槽(“dn”)失效形式。當(dāng)切屑尺寸達到0.030英寸時出現(xiàn)最大的切屑(“Ch”)失效形式。標記“bk”意思是切削刀具破裂。
看標作“40分鐘狀態(tài)”的一排，這一排反映出假定切削刀具在測試中正好車削到第40分鐘這一刻時該切削刀具在車削第40分鐘結(jié)束時的狀態(tài)。這一排表示在千分之一英寸條件下磨損狀態(tài)和程度。
角剝落參數(shù)是一數(shù)字參數(shù)，它評價涂層角剝落的程度。側(cè)面剝落參數(shù)是一數(shù)字參數(shù)，它評價涂層側(cè)面剝落的程度。對于這兩個參數(shù)，參數(shù)“5”表示涂層沒有剝落。參數(shù)“3”表示有引人注意的剝落。參數(shù)“1”表示有嚴重的涂層剝落。參數(shù)“4”介于參數(shù)“5”和“3”之間，參數(shù)“2”介于參數(shù)“3”和“1”之間。
切屑流動參數(shù)是一數(shù)字參數(shù)，它表示切屑流損壞涂層的程度。參數(shù)“5”表示沒有因為切屑流動引起的損壞。參數(shù)“3”表示有明顯的由于切屑流引起的損壞。參數(shù)“1”表示有嚴重的切屑流損害。參數(shù)“4”介于切屑“5”和“3”之間。參數(shù)“2”介于“3”和“1”之間表VI基體帶3.5μmTiAlN PVD涂層的切削刀具車削304不銹鋼時的測試結(jié)果
<p>表VII基體帶10.5μm TiAlN PVD涂層的切削刀具車削304不銹鋼時的測試結(jié)果
表VIII基體帶CVD-PVD涂層的切削刀具車削304不銹鋼時的測試結(jié)果
傳統(tǒng)KC730切削刀具的刀具壽命是2分鐘并且失效形式是碎裂。角剝落參數(shù)是2，側(cè)面剝落參數(shù)是5，切屑流動損害參數(shù)是4。傳統(tǒng)的不帶涂層K11切削刀具的刀具壽命是0.4分鐘，失效形式為破裂。切屑流動損害參數(shù)是4。
現(xiàn)在看圖VI，具有研磨狀態(tài)基體并帶單一薄層(3.5微米)TiAlN PVD涂層的切削刀具在車削304不銹鋼時的刀具壽命遠比傳統(tǒng)的切削刀具以及具有再燒結(jié)基體的切削刀具的壽命長。研磨狀態(tài)切削刀具(EB46-AL)的刀具壽命是40+分鐘與另兩種刀具的10分鐘和2分鐘形成對比。與具有研磨狀態(tài)基體的切削刀具相比，具有再燒結(jié)基體的切削刀具具有最好的角剝落參數(shù)、側(cè)面剝落參數(shù)、以及切屑流動損壞參數(shù)。使用帶再燒結(jié)狀態(tài)基體的切削刀具，工件的平均表面加工粗糙度更高，即，更粗。對具有燒結(jié)狀態(tài)基體的切削刀具的側(cè)面進行拋光有助于減少工件加工表面的粗糙度。
現(xiàn)在看表VII，具有研磨狀態(tài)基體并帶單一厚層(10.5微米)PVD TiAlN涂層的切削刀具在車削304不銹鋼時的刀具壽命遠比傳統(tǒng)切削刀具長。具有再燒結(jié)基體并有單一厚層PVD TiAlN涂層的切削刀具遠比傳統(tǒng)切削刀具的壽命長，但比研磨狀態(tài)切削刀具的壽命短。再燒結(jié)切削刀具比研磨切削刀具的角剝落參數(shù)和側(cè)面剝落參數(shù)好。研磨狀態(tài)切削刀具具有最好的切屑流動損壞參數(shù)。研磨狀態(tài)切削刀具導(dǎo)致最光滑的工件表面加工。再燒結(jié)切削刀具提供最粗糙的工件表面加工。拋光減小工件表面粗糙度(CO08-RHB)。
現(xiàn)在看圖VIII，帶多層涂層的切削刀具的壽命比傳統(tǒng)切削刀具的壽命長。再燒結(jié)切削刀具具有優(yōu)異的角剝落參數(shù)和側(cè)面剝落參數(shù)。研磨狀態(tài)切削刀具具有最好的切屑流動損害參數(shù)，而其它切削刀具具有較次的參數(shù)。再燒結(jié)切削刀具經(jīng)過磨光產(chǎn)生具有最光滑加工表面的工件。再燒結(jié)切削刀具產(chǎn)生具有最粗糙加工表面的工件。
現(xiàn)在再看表VI到VIII，具有低鈷(2.9重量百分比)基體的切削刀具在車削304不銹鋼時表現(xiàn)出杰出的刀具壽命。更具體地，實施例EB46-AL(研磨狀態(tài)低鈷基體/3.5μmTiAlN PVD涂層)具有40.0+分鐘的刀具壽命而不失效。實施例EB56-AH(研磨狀態(tài)低鈷基體/10.5μm TiAlN PVD涂層)具有40.0+分鐘的刀具壽命而無刀具失效。實施例EB66-A(研磨狀態(tài)低鈷基體/CVD-PVD涂層)具有40.0+分鐘刀具壽命而無失效。實施例CQ87-R(再燒結(jié)低鈷基體/CVD-PVD涂層)具有40.0分鐘刀具壽命伴隨著碎裂失效。實施例CQ87-RB(再燒結(jié)且拋光低鈷基體/CVD-PVD涂層)具有40.0+分鐘的刀具壽命而無失效。很清楚，使用低Co-Wc基體帶任何一涂層結(jié)構(gòu)均會導(dǎo)致刀具壽命優(yōu)于相比較的傳統(tǒng)切削刀具(KC730和不帶涂層K11)。
這里在說明書中描述的涂層結(jié)構(gòu)可用于具有富含粘結(jié)劑外周層的基體。當(dāng)使用富含粘結(jié)劑的基體時，這些涂層結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有與相對于在說明書中描述的低鈷基體存在的優(yōu)點和有益效果相同的優(yōu)點和有益效果。
當(dāng)考慮了在這里披露的本發(fā)明的詳細說明和實驗數(shù)據(jù)后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易明白本發(fā)明的其它具體實施例。應(yīng)當(dāng)指出說明書和具體實施例僅被作為示范，本發(fā)明的真正范圍及其精神將由下列權(quán)利要求書來指出。
權(quán)利要求
1.一種帶涂層切削刀具包括一基體；以及在該基體表面上的一PVD涂層，當(dāng)用洛氏A刻痕粘附力載荷試驗測量時；該PVD涂層具有超過或等于80kg的粘附力。
2.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，當(dāng)用洛氏A刻痕載荷粘附力載荷試驗測量時，所述PVD涂層的粘附力大于或等于100kg。
3.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述PVD涂層在刀具側(cè)面具有至少約3微米的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述PVD涂層在刀具前刀面具有至少約3微米的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述涂層包括TiAlN。
6.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述涂層包括礬土。
7.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述涂層包括TiC。
8.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體包括硬質(zhì)合金和粘結(jié)劑，所述基體包括一富含粘結(jié)劑的外周層。
9.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述基體具有一實質(zhì)上均勻的微觀結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述涂層包括立方氮化硼。
11.如權(quán)利要求1所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述基體具有一前刀面和一側(cè)面，在該前刀面和側(cè)面匯合處的邊緣，所述基體含有0.2到2.9重量百分比的Co組份，其余主要是WC。
12.如權(quán)利要求11所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述基體包含約2.3到約2.9之間的重量百分比的Co。
13.一種帶涂層切削刀具包括一基體；一該基體表面的PVD涂層，在選定的前刀面或側(cè)面之一上，該PVD涂層具有至少6微米的厚度；當(dāng)用洛氏A刻痕粘附力載荷試驗測量時，該PVD涂層具有大于或等于60kg的粘附力。
14.如權(quán)利要求13所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述基體包括一硬質(zhì)合金和一粘結(jié)劑金屬，且該基體在靠近其外周的位置具有一粘結(jié)劑富含層。
15.如權(quán)利要求13所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述基體有一實質(zhì)上均勻的微觀結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求13所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述的PVD涂層具有6到15微米的厚度，且當(dāng)用洛氏A刻痕粘附力載荷試驗測量時，該涂層的粘附力等于或大于60kg。
17.如權(quán)利要求16所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述PVD涂層具有從6到12微米的厚度。
18.一種帶涂層切削刀具包括一具有一前刀面和一側(cè)面的基本上完全致密的基體，該基體的前刀面的表面粗糙度為15微英寸Ra和125微英寸Ra之間；以及一通過物理氣相沉積施加的外涂層，使得切削刀具提供一帶涂層的前刀面和側(cè)面。
19.一種如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體側(cè)表面具有從15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度。
20.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述帶涂層前刀面具有從15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度，且?guī)繉觽?cè)面具有從15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度。
21.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述帶涂層前刀面具有從15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度，且所述帶涂層側(cè)面的表面粗糙度比帶涂層前刀面的表面粗糙度低，為小于25微英寸Ra。
22.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，帶涂層前刀面的表面粗糙度小于25微英寸Ra，帶涂層側(cè)面的表面粗糙度小于25微英寸Ra。
23.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體側(cè)面的表面粗糙度比前刀面的表面粗糙度小，為小于25微英寸Ra。
24.如權(quán)利要求23所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，帶涂層前刀面的表面粗糙度為15微英寸Ra和125微英寸Ra之間，且?guī)繉觽?cè)面的表面粗糙度小于帶涂層前刀面的表面粗糙度，為小于25微英寸Ra。
25.如權(quán)利要求23所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，帶涂層前刀面的表面粗糙度小于25微英寸Ra，且?guī)繉觽?cè)面的表面粗糙度小于25微英寸Ra。
26.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體組分包括0.2到2.9重量百分比的Co；其余主要由碳化鎢組成。
27.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，通過再燒結(jié)燒結(jié)狀態(tài)基體而得到粗糙的前刀面。
28.如權(quán)利要求27所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，再燒結(jié)是在氮氣氛中進行的。
29.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體是一陶瓷材料。
30.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體是一強化陶瓷材料。
31.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體是一金屬陶瓷。
32.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體是多晶金剛石。
33.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，基體是多晶立方氮化硼。
34.如權(quán)利要求18所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，所述基體包括一硬質(zhì)合金和一粘結(jié)劑金屬，且該基體具有一富含粘結(jié)劑外周層。
35.如權(quán)利要求34所述的帶涂層切削刀具，其特征在于，當(dāng)由洛氏A刻痕粘附力載荷試驗測量時，所述PVD涂層具有大于或等于60kg的粘附力。
36.如權(quán)利要求35所述的帶涂層切削刀具，進一步在PVD層和基體之間包括至少一層由化學(xué)氣相沉積施加的涂層。
全文摘要
一種帶涂層切削刀具,包括一具有一粗糙表面基體,其表面粗糙度在15微英寸Ra和125微英寸Ra之間。通過物理氣相沉積在該粗糙的基體表面上施加一涂層。具有一低鈷基體并具有長刀具壽命的帶涂層切削刀具也被討論。
文檔編號C23C14/14GK1190914SQ96195535
公開日1998年8月19日 申請日期1996年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月14日
發(fā)明者弗蘭克·B·巴塔利亞, 文森特·J·查奇科斯凱, 阿哈龍·尹斯派克托, 愛德華·J·奧列西, 約翰·J·普里齊 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司