粘结剂富集的有化学和物理气相沉积涂覆的切削刀具制造技术

提供了一种具有粘结剂富集基质的涂层切削刀具。该涂层至少包括一层化学气相沉积（ＣＶＤ）层和一层物理气相沉积（ＰＶＤ）层。该ＰＶＤ层具有剩余压应力。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及有涂层的切削刀具领域，特别涉及有涂层的镶块切削刀具。该镶块在使用时可以承受反复地冲击，例如在铣削作业或其它断续切削操作时受到的冲击。在各种金属切削的加工中，就切削镶块而言，铣削加工是最需要的操作。铣削包括以恒速除去间歇的切屑。刀头反复地进入工件进行切削并脱离工件，因此它不但承受机械的冲击还承受热冲击。这些冲击的大小依赖于切削的长度以及切削间的时间间隔。进刀和退刀参数也可以决定在刀具材料中产物的机械冲击的强度。当切削速度增加时，这些条件变坏。在铣削作业中所使用的硬质合金切削镶块经常出现大量与切削刃相垂直的平行热裂纹。这些热裂纹本身不会限制刀具的寿命。然而，镶块也可能出现与切削刃平行的裂纹。这些裂纹被认为是同所施加的机械冲击引起的。热裂纹和机械裂纹的交叉可以导致刃口形成缺损并使刀具过早地损坏。解决特定切削刃的几何形状的刃口缺损问题的最常见的方法是设计带有更高钴粘结剂含量的硬质合金基质。这种解决方法降低了刃口缺损，但又导致了另外的问题即切削刃的变形和/或侧面磨损。过去，各种等级的硬质合金(不论是带涂层的还是不带涂层的)一直用于铣削应用中。不带涂层的铣削镶块的实例包括K2885镶块和K2884镶块，它们分别是含钴重量百分约为10.5%和8.5%的碳化钨基硬质合金刀具，并且两者都含各种不同水平的固溶碳化物形成元素钽，铌和钛。带涂层的铣削镶块的实例包括KC710镶块和KC720镶块，它们经物理气相沉积涂覆了一层残余压应力高的氮化钛层的碳化钨基硬质合金刀具。用于KC710和KC720刀具的基质分别含约8.5%和11.5%重量比的钴，并含有不同含量的固溶碳化物形成元素。众所周知，PVD(物理气相沉积)涂层可用不同的技术涂覆到硬质合金基质上，例如离子涂镀法、磁力溅射法以及电弧蒸镀法。另外，每种技术都有很多改型。已经观察到这些技术及其改型导致PVD涂层刀具有不同的特性。根据沉积涂层所使用的恰当的技术，使得可能对诸如涂层硬度、剩余应力、与基质的作用或粘结等性质起正反作用。这些PVD技术和生成涂层的特性以及PVD涂层与化学气相沉积(CVD)涂层的比较情况被描述在以下文献中1.Buhl等人，“钢的氮化钛涂层”，Thin Solid Films，Vol.80(1981)265-270页;2.Buhl等人，美国专利No.4，448，802(前述的本申请)使用的Balzers AG公司的离子喷镀技术和设备);3.Munz等人，“一种在刀具上形成降低摩擦的硬氮化钛涂层的高效溅射方法”，Thin Solid Films，Vol.96(1982)79-86页;4.Munz等人，美国专利No.4，426，267;5.Kamacki等人，在用CVD和PVD方法涂覆氮化钛的硬质合金刀头中剩余应力及其在抗损坏方面效杲的比较，Surfacing Journal International，Vol.1，No.3(1986)82-86页;6.Wolfe等人，“硬涂层在碳化物铣削刀具中的作用”，Journal of Vacuum Science Technology，A3(1986)2747-2754页;7.Quinto等人，“用物理气相沉积和化学气相沉积涂覆的硬涂层的高温显微硬度”，Thin Solid Films，Vol.153(1987)19-36页;8.Jindal等人，“在碳化钨-钴基质上化学气相沉积和物理气相沉积硬涂层的附着力的测量”，Vol.54(1987)361-375页;9.Jindal等人，“硬涂层显微硬度与负荷的关系”，Surface and coatings Technology，Vol 36(1988)683-694页;10.Rickerby等人，“物理气相沉积硬涂层的方法和系统参数和结构和特性之间的相互关系”，ThinSolid Films，Vol.157(1988年2月)195-222页;11.Quinto等人，“化学气相沉积和物理气相沉积碳化物刀具的机械性能、结构和其它性能”，Materials Science and Engineering，A105/106(1988)443-452页。本专利技术人认为提供最好的PVD涂层的技术是在上述Buhl等人利用Balzers AG公司的离子喷镀技术和设备的专利及论文中所描述的技术。这个信念是基于他们对不同种类的PVD涂层刀具的分析得出的。分析表明在PVD氮化钛涂层中，用Balzers公司的离子喷镀PVD涂层可得到最高的硬度和最高的剩余压应力。这些特性导致了切削刀具具有比其它PVD涂层的切削刀具耐磨性高并且降低了刃口缺损以及损坏的敏感性。KC710和KC720上的PVD氮化钛涂层就是用上述Balzers PVD技术涂镀的。另外，粘结剂富集的各类切削刀具也已经用于铣削应用中。这些镶块包括KD850镶块和KC950镶块。KC850镶块含有C-型孔率的钴富集碳化钨基硬质合金基质，其中钴的总体含量约为5.9%(重量)，另外还有固溶碳化物形成元素。KC 850镶块还含有基质上的CVD(化学气相沉积)层，共三层里层为碳化钛层;中间层为碳氮化钛层以及外层为氮化钛层。该CVD三层涂层在美国专利No.4，035，541中已有说明。KC950镶块含有A型孔率钴富集的碳化钨基的硬质合金基质。其中钴总体含量约为6.0%(重量)，另外还有固溶碳化物形成元素。KC950镶块还含有由内层为碳化钛、中间层为氧化铝和外层为氮化钛构成的CVD涂层。在镶块KC850镶块和KC950镶块中钴的富集是在硬质合金基质的边缘区域内并可能伴随着固溶碳化物的缺乏。在富集区内的钴浓度最大值一般是在钴的总体含量的150-300%范围内。KC950内的富集机理述于美国专利No.4，610，931中。(KC950、KC850、KC、KC710、KC720、K、K2885和K2884是Kennametal Inc.为其硬质合金各类切削镶块的商标名，并在本文中使用)。CVD涂层的特征在于剩余拉伸应力和由于在CVD涂层和硬质合金基质的热膨胀系数差造成的热裂化。因此CVD涂层刀具比PVD涂层刀具更容易形成刃口缺损。虽然前述的先有技术中的各类切削镶块已经商品化，但是总需要进一步解决前述的与铣削有关的问题，包括无论是由于早期刃口缺损引起的有限的切削刃口寿命问题，还是由于形变和/或侧面磨损引起的有限的切削刃口寿命问题。本申请人现在公开一种硬质合金切削镶块。该镶块有硬的耐热涂层;涂层改进了镶块的韧度、刃口的强度、抗热和机械冲击、抗形变以及耐磨损等综合性能。申请人证明了一种金属切削镶块有以钴富集的边缘区域的基质并涂有包括CVD内层和PVD外层涂层的硬耐热涂层的这种金属切削镶块在铣削AISI4140型钢时不但改善了切削刃口的寿命和刀具性能的一致性，同时还出人意料地提供了耐磨性和附加的抗刃口缺损的能力。本专利技术提供了一种切削刀具，它有前刀面和侧面，并在前刀面和侧面的结合部有切削刃。该切削刀具有粘结在基质上的涂层。基质是由金属碳化物颗粒用粘结材料粘结而成的。粘结剂的浓度在靠近基质边缘的区域比远离基质边缘区域的浓度高。涂层有很多层，包括化学气相沉积(CVD)层和物理气相沉积(PVD)层。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削刀具包括：前刀面和侧面、在所说的前刀面和侧面的结合部有切削刃、所说的切削刀具有涂层和基质，其中，所说的涂层粘结在所说的基质上；其特征是：所说的基质是一种由粘结材料把硬的耐热颗粒粘合在一起的硬质合金；所说的粘结材料在靠近所说基 质边缘区域的浓度比远离该区域的要高；所说的涂层有多层；所说的多层涂层包括化学气相沉积层（ＣＶＤ层）和物理气相沉积层（ＰＶＤ层），所说的物理气相沉积层处于剩余压应力的状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿T三萨纳姆，乔P格拉布，凯E安德考非尔，拉V高德斯，丹T奎恩托，浦C金达尔，
申请(专利权)人：钴碳化钨硬质合金公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]