專利名稱：刀具的鑲?cè)械闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有涂層的硬質(zhì)合金切削鑲?cè)?，該切削鑲?cè)芯哂幸粋€基底，此基底的孔隙度(按照標(biāo)題為“硬質(zhì)合金中表觀氣孔度的標(biāo)準(zhǔn)測定方法”的ASTM Designation B276-86(美國材料試驗學(xué)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(jié)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(nèi)延伸。
在此之前，已存在Kennametal KC850帶有涂層的切削鑲?cè)?KC850是美國賓西法尼亞州Latrobe的Kennametal公司生產(chǎn)的切削鑲?cè)械淖陨虡?biāo))，該切削鑲?cè)芯哂幸粋€孔隙度為C03/C05的基底，此基底具有一個表面粘結(jié)劑富集區(qū)。這種粘結(jié)劑的富集是一種分層式的粘結(jié)劑富集，它意味著粘結(jié)劑的富集形成了明顯的金屬粘結(jié)劑層。Nemeth等人的論文“高刃口強(qiáng)度的標(biāo)號為KC850的肯納硬質(zhì)合金的顯微結(jié)構(gòu)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?cè)?進(jìn)行了描述。根據(jù)Smith等人的標(biāo)題為“具有三層涂層的硬質(zhì)合金燒結(jié)體”的美國專利No.4,035,541,“Kennametal KC850”帶涂層的切削鑲?cè)芯哂蠺iC-TiCN-TiN的三相涂層。
本發(fā)明是一種切削鑲?cè)?，它包括一個前傾面和一個側(cè)面，在前傾面和側(cè)面的交界處有一個切削刃口。該切削鑲?cè)芯哂幸粋€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(jié)硬質(zhì)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(dá)約12％重量百分比的鉭，高達(dá)約6％重量百分比的鈮，高達(dá)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(nèi)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(gòu)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?cè)械囊粋€特定實施例的等角視圖；圖2是圖1所示的切削鑲?cè)醒?-2線的剖面圖；圖3是SNG433型切削鑲?cè)械囊粋€特定實施例的等角視圖；以及圖4是圖3所示的切削鑲?cè)醒?-4線的剖面圖。
參照附圖，圖1示出了總的用標(biāo)號10代表的本發(fā)明的可轉(zhuǎn)換角度的切削鑲?cè)械囊粋€特定實施例。該切削鑲?cè)?0具有一個在前傾面14與側(cè)面16的交界處的切削刃口12。盡管圖1中所示的切削鑲?cè)?0是一種帶有珩磨切削刃口的SPGN432型切削鑲?cè)?，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?cè)小?br> 圖2表示沿著圖1的2-2切面截取的在切削鑲?cè)?0的切削刃口12處的剖面?？偟挠蓸?biāo)號18表示的基底具有一個非粘結(jié)劑富集區(qū)20，即構(gòu)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(jié)劑富集區(qū)22。外部粘結(jié)劑富集區(qū)22是一種非分層型的粘結(jié)劑富集區(qū)。換句話說，粘結(jié)劑富集區(qū)22在本質(zhì)上通常是均勻的。這與分層的粘結(jié)劑富集區(qū)不同，在分層的粘結(jié)劑富集區(qū)中，粘結(jié)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(jié)硬質(zhì)合金表面附近形成的粘結(jié)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(zhì)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(jié)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(jié)合的方式或者以與鎢結(jié)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(nèi)高達(dá)12％重量百分比的鉭，高達(dá)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(nèi)，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(nèi)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(gòu)成粘結(jié)劑富集區(qū)22的主要組分。
在粘結(jié)劑富集區(qū)22內(nèi)，粘結(jié)劑(例如，鈷)含量應(yīng)達(dá)到最大值，該最大值約在125％至300％之間。粘結(jié)劑富集的更為優(yōu)選的范圍是大約在主體內(nèi)粘結(jié)劑含量的150％至300％之間。粘結(jié)劑富集的最為優(yōu)選的范圍是，它大約為基底內(nèi)主體鈷濃度的200％至300％。
粘結(jié)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(jié)基底過程中的蒸發(fā)，鈷含量已被降低，從而粘結(jié)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(jié)劑富集區(qū)的厚度最好高達(dá)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(xué)汽相淀積(CVD)或者CVD與物理汽相淀積(PVD)的組合技術(shù)施加的一個或多個層。MTVD(中溫CVD)技術(shù)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(yīng)當(dāng)理解，這僅是為了進(jìn)行說明。每一層(30,32,34)的厚度依切削鑲?cè)械奶囟ㄓ猛径ā?br> 基底層30被直接沉積在基底18的表面(24,26)上。基底層30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(dāng)?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?cè)械娜龑油繉?。此外，例如下述文獻(xiàn)中所描述的那種方法，可通過CVD和PVD的結(jié)合實施所述的涂覆方案，這些文獻(xiàn)是，Santhanam等人的美國專利No.5,250,367，其題目為“粘結(jié)劑富集的由CVD和PVD涂覆的切削鑲?cè)小?；Santhanam等人的美國專利No.5,266,388，其題目為“粘結(jié)劑富集的經(jīng)涂覆的切削鑲?cè)小?。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(xiàn)。
如圖2所示，對于一個用于銑削的切削鑲?cè)?，最好是粘結(jié)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?cè)?0的前傾面14及側(cè)面16平行。在其它應(yīng)用中，例如車削，可以預(yù)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(guān)于這個問題，圖3和圖4中所示的一種是SNG433型切削鑲?cè)械那邢麒側(cè)?0具有這樣的顯微結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)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?cè)?0具有四個側(cè)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?cè)?0具有一個總的由標(biāo)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(cè)面處的外周邊界54。基底49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(jié)劑富集層56。在包括靠近外周邊界54的體積在內(nèi)的主體部分49中不存在粘結(jié)劑富集。
切削鑲?cè)?0的基底49與切削鑲?cè)?0具有基本上相同的組分。切削鑲?cè)?0的粘結(jié)劑富集的情況與切削鑲?cè)?0的也基本上相同。切削鑲?cè)?0的基本涂覆方案(如括號59所示)也與切削鑲?cè)?0基本相同。關(guān)于這個問題，切削鑲?cè)?0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(jìn)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。現(xiàn)將結(jié)合對比例No.1至No.3對本發(fā)明的例子No.1進(jìn)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(nèi)徑×9英寸的鋼制球磨罐中，并加入21kg3/8英寸直徑的硬質(zhì)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(zhuǎn)(rmp)的速度轉(zhuǎn)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(jié)劑，并對粉末進(jìn)行造粒以提供足夠的流動性。將?；姆勰褐瞥蒘NG433型切削鑲?cè)信髁希⒃谡婵罩杏?650°F(1456℃)的溫度下燒結(jié)30分鐘。然后令這些切削鑲?cè)谢自跔t內(nèi)冷卻。
此后研磨前傾面并將切削鑲?cè)信髁显谡婵罩杏?650°F(1456℃)的溫度下再加熱約60分鐘，隨后進(jìn)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(zhì)。
表Ⅱ比較例和本發(fā)明例的組分和物理性質(zhì)
然后將切削鑲?cè)信髁线M(jìn)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(cè)面沒有鈷的富集。此后根據(jù)美國專利No.4,035,541對切削鑲?cè)信髁线M(jìn)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?qū)Ρ容^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(jìn)給量為0.02英寸/轉(zhuǎn)(ipr)〔0.0508厘米/轉(zhuǎn)〕以及0.1英寸(0.254厘米)的切削深度(doc)。
冷卻劑TrimSol Regular(20％)
鑲?cè)行吞朣NG-433，具有進(jìn)行過半徑珩磨(0.003英寸)(0.0076厘米)的預(yù)加工刃口。
鑲?cè)袎勖呐袛鄻?biāo)準(zhǔn)最大側(cè)面磨損=0.030英寸(0.076厘米)均勻側(cè)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?qū)Ρ容^例和本發(fā)明例的車削性能進(jìn)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(zhuǎn))0.1英寸(0.254厘米)切削深度(doc)冷卻劑TrimSol Regular(20％)鑲?cè)行吞朣NG-433型，并且進(jìn)行過徑向珩磨(0.003英寸)(0.0076厘米)以預(yù)加工刃口。
鑲?cè)袎勖呐袛鄻?biāo)準(zhǔn)最大側(cè)面磨損=0.030英寸(0.076厘米)均勻側(cè)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?qū)Ρ容^例和本發(fā)明例進(jìn)行沖擊強(qiáng)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(jìn)給量=起始進(jìn)給量為0.015英寸/轉(zhuǎn)(0.038厘米/轉(zhuǎn))，然后每經(jīng)過100次沖擊進(jìn)給量增加0.005英寸/轉(zhuǎn)(0.0127厘米/轉(zhuǎn))，直到經(jīng)過800次沖擊，這時的進(jìn)給量已到0.050英寸/轉(zhuǎn)(0.127厘米/轉(zhuǎn))，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(jié)果。
表Ⅲ比較例No.1至No.3和本發(fā)明例No.1的鑲?cè)袎勖叭锌趶?qiáng)度試驗結(jié)果<
表Ⅲ中的孔隙度額定值是指按照ASTM規(guī)定B276-86中標(biāo)題為“硬質(zhì)合金中表觀氣孔度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”的方法進(jìn)行測定的。粘結(jié)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(jìn)行光學(xué)檢驗而確定的。
刃口強(qiáng)度表示在經(jīng)由上述開槽桿試驗直到發(fā)生斷裂或當(dāng)試驗在達(dá)到800次沖擊而終止時的沖擊次數(shù)。車削試驗的結(jié)果反映了在上述試驗過程中以分鐘計算的切削鑲?cè)械膲勖?br> 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(qiáng)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?cè)?。
更具體地說，本發(fā)明例No.1的刃口強(qiáng)度相當(dāng)于高碳的比較例No.2和No.3的刃口強(qiáng)度，并優(yōu)于低碳的比較例No.1的刃口強(qiáng)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?cè)邢喈?dāng)?shù)娜锌趶?qiáng)度。
在具有優(yōu)異的刃口強(qiáng)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?cè)械膲勖鼮?.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(qiáng)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?cè)?。盡管本發(fā)明例No.1的4340和1045鋼刀具壽命僅相當(dāng)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(qiáng)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(jìn)性能的切削鑲?cè)?，其性能?yōu)于比較例No.1至No.3以及“Kennametal KC850”帶涂層的切削鑲?cè)?。結(jié)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(qiáng)度和耐磨性，這些改進(jìn)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(xiàn)，在這里均作為參考文獻(xiàn)。
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(lǐng)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(quán)利要求書來表明。
權(quán)利要求
1．一種切削鑲?cè)校ㄒ粋€前傾面和一個側(cè)面，一個位于前傾面和側(cè)面的交界處的切削刃口；該切削鑲?cè)芯哂幸粋€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(zhì)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(dá)約12％重量百分比的鉭，高達(dá)約6％重量百分比的鈮，高達(dá)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(nèi)富集，該富集區(qū)從靠近基底的周邊表面處開始向內(nèi)延伸，富集區(qū)具有相當(dāng)于主體基底內(nèi)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(quán)利要求1所述的切削鑲?cè)校涮卣鳛?，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(dá)約0.4％重量百分比的鈮，其余量包括鎢，碳和氮。
3．如權(quán)利要求1所述的刀具，其特征為，富集區(qū)含有相當(dāng)于主體基底中的鈷的約為150％至300％的最大鈷含量。
4．如權(quán)利要求1所述的刀具，其特征為，富集區(qū)含有相當(dāng)于主體基底中鈷的約為200％至300％的最大鈷含量。
5．如權(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的刀具，其特征為，基底是通過燒結(jié)原料粉末的固結(jié)塊形成的。
8．如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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?cè)?它包括一個前傾面和一個側(cè)面,在前傾面和側(cè)面的交界處有一個切削刃口。該切削鑲?cè)芯哂幸粋€涂層和一個基底,其中,涂層粘附在基底上?；资翘蓟u基硬質(zhì)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(nèi)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(quán)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(zhì)合金公司