專利名稱：帶金剛石涂層的切削刀具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形切削刀具及其制造方法。特別是涉及一種如鉆頭、端銑刀或鉸刀等帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具以及這些切削刀具的制造方法，其中在切削刀具選定的切割表面上金剛石涂層具有改進(jìn)的附著性能。
背景技術(shù)：
過去已經(jīng)有帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，例如鉆頭。在這一方面，Anthony等人的美國專利US 5,022,801號、題目為“帶CVD金剛石涂層的麻花鉆”中披露了一種帶金剛石涂層的麻花鉆，其基體上帶有一些槽，槽中填有在化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石涂層過程中所沉積上的金剛石。Anthony等人的專利中沒有表明要求在鉆頭的大部分區(qū)域有金剛石涂層，而是只要求在切削棱上有金剛石涂層。槽起到防止磨損的作用，一旦附近的材料磨損掉了它還起到輔助切削棱的作用。
Omori等人的美國專利US 5,370,944號、題目為“帶金剛石涂層的硬質(zhì)材料及其制造過程”在它的實施例4中披露了制造麻花鉆的不同處理方法，其中基體在金剛石涂敷之前先進(jìn)行了熱處理。在一種處理方法中，金剛石涂敷之前，基體先在1350℃和100乇的壓力下、在氮氣氣氛中進(jìn)行60分鐘的熱處理。在第二種處理方法中，金剛石涂敷之前，基體先在1350℃和100乇的壓力下、在一氧化碳?xì)夥罩羞M(jìn)行60分鐘的熱處理。在另一種處理方法中，金剛石涂敷之前，基體先在1300℃和100個大氣壓下、在氮氣氣氛中進(jìn)行60分鐘的熱處理。在另一種處理中，金剛石涂敷之前，基體先在1300℃和100個大氣壓下、在氮氣氣氛中進(jìn)行60分鐘的熱處理；并且在涂敷處理后，金剛石涂層被部分打磨到選定的表面粗糙度。在所有那些實施例中，金剛石涂層處理都是用微波等離子體CVD處理的。
還有一些專利涉及帶有金剛石或其他硬質(zhì)鑲塊的如鉆頭那樣的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具。例如Bunting等人的美國專利US 4 762 445、題目為“復(fù)合式燒結(jié)麻花鉆”中展示了一種嵌入在鉆頭坯料上的偏置并相對對置的金剛石鑲塊。Cerutti等人的美國專利US 5 273 557、題目為“帶有熱穩(wěn)定的金剛石或CBN塊切削部分的麻花鉆”涉及一種帶有槽的旋轉(zhuǎn)鉆頭，黃銅合金在700℃以上的液相下將金剛石塊固定在該槽中。Omori等人的美國專利US 5 137 398、題目為“帶有金剛石涂層燒結(jié)體的鉆頭”示出一種帶有可拆卸鑲塊的麻花鉆，鑲塊嵌入在鉆頭主體軸向前端的槽中。Ishikawa等人的美國專利US 5 123 217、題目為“用于加工硬性和脆性材料的鉆頭”中展示了一種切削頭上帶有硬質(zhì)鑲塊的鉆頭。Suzuki等人的美國專利US 5 071 294、題目為“拋光鉆”中示出一種鉆頭，它的凹槽中安裝有金剛石片。Nakamura等人的美國專利US 5 020 394、題目為“多晶金剛石帶槽刀具及其制造過程”中顯示了一種鉆頭，它在選定區(qū)域上帶有金剛石涂層。
上述的所有方法都沒有顯示出這樣的結(jié)果即在再燒結(jié)處理期間(金剛石涂敷處理之前)可保持基體的尺寸公差，使得帶金剛石涂層的基體在涂敷金剛石的過程中保持它的尺寸公差?？梢岳斫?，帶金剛石涂層旋轉(zhuǎn)切削刀具保持它的公差，例如尺寸一致性，這一點很重要。
這樣，就非常有必要提供一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，如鉆頭、端銑刀、絲錐、牙鉆、锪鉆或者鉸刀，以及其制造方法。
也就非常有必要提供一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，如鉆頭、端銑刀、絲錐、牙鉆、锪鉆或者鉸刀，以及其制造方法，其中帶金剛石涂層的旋轉(zhuǎn)切削刀具有尺寸一致性，其上的金剛石涂層也有良好的附著性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具及其制造方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具及其制造方法，該切削刀具上的金剛石涂層具有良好的附著性。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具及其制造方法，該切削刀具具有尺寸一致性而且其金剛石涂層具有良好的附著性。
本發(fā)明一方面是提供一種帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，它包括一個軸向前切削面、一個凹槽、和一個槽棱面。該切削刀具包括一個由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒組成的基體。該基體有第一基體區(qū)域，它有一個表面，形成了軸向前切割表面和槽棱面。第一基體區(qū)域的表面附近帶有相對較大的硬質(zhì)顆粒，在該處的相對較大的硬質(zhì)顆粒的尺寸大于基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒。第一基體區(qū)域有不規(guī)則表面。金剛石涂層在第一基體區(qū)域的該表面上，基體還有一個形成凹槽的第二基體區(qū)域。
本發(fā)明另一方面是提供一種帶金剛石涂層的旋轉(zhuǎn)切削刀具，它包括一個主沖撞面，和一個副沖撞面。該切削刀具包括由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒組成的基體，基體帶有形成主沖撞面的第一基體區(qū)域。該第一基體區(qū)域在主沖撞面附近帶有相對較大的硬質(zhì)顆粒，它們的體積大于基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒。主沖撞面帶有不規(guī)則的表面?；w還有一個形成副沖撞面的第二基體區(qū)域，第二基體區(qū)域的硬質(zhì)顆粒體積與基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆?；旧洗笮∠嗤?。副沖撞表面的粗糙度低于第一基體區(qū)域。帶金剛石涂層是在主沖撞面上。
在本發(fā)明的另一方面是提供一種帶金剛石涂層的旋轉(zhuǎn)切削刀具的制造方法，該切削刀具有主沖撞面和副沖撞面。該方法包括以下步驟提供一種由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒組成的燒結(jié)基體；然后從基體上去掉材料以形成帶有主沖撞面的第一基體區(qū)域；再在一定溫度和氣氛下，燒結(jié)基體一定時間，以便在基體的表面產(chǎn)生顆粒增長；然后從基體上移去材料形成帶有副沖撞面的第二基體區(qū)域；接著在基體上牢牢沉積金剛石涂層，其中在主沖撞面上金剛石涂層的附著力大于在副沖撞面上的金剛石涂層的附著力。
本發(fā)明的另一方面是提供一種帶金剛石涂層的旋轉(zhuǎn)切削刀具的制造方法，其中該切削刀具帶有主沖撞面和副沖撞面。該方法包括以下步驟提供一種由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒組成的燒結(jié)基體；然后從基體上去掉材料而形成帶有主沖撞面的第一基體區(qū)域；然后在一定溫度和氣氛下再燒結(jié)基體一定時間，以便在基體的表面產(chǎn)生顆粒增長；在基體上牢牢沉積金剛石涂層；然后從帶金剛石涂層的基體上移去材料以形成帶有副沖撞面的第二基體區(qū)域，其中主沖撞面上帶有金剛石涂層，副沖撞面上不帶金剛石涂層。
附圖簡介下面簡單說明作為本申請一個構(gòu)成部分的附圖。


圖1是用于制造麻花鉆的燒結(jié)坯料的立體圖；圖2是圖1所示的燒結(jié)坯料的立體圖，該坯料的部分材料已被磨去，以便形成麻花鉆的帶槽部分的外徑以及軸向前端切削面的一部分；圖3是圖2所示的燒結(jié)坯料的立體圖，該坯料的部分材料已被磨去，以便形成麻花鉆的軸向前端切削面的剩余部分；圖4是圖3所示的結(jié)構(gòu)再燒結(jié)后的立體圖，其部分材料已被磨去以便形成麻花鉆的凹槽。
實施例參看附圖，圖1顯示了用于制造麻花鉆也即細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具的大致呈圓柱形的燒結(jié)基體坯料，整體標(biāo)注為10。應(yīng)當(dāng)理解到，雖然具體實施例是一個麻花鉆，本發(fā)明可以覆蓋其他類型的旋轉(zhuǎn)切削刀具，例如，絲錐、牙鉆、锪鉆、鉸刀或端銑刀中的每一個都是涵蓋在本發(fā)明范圍內(nèi)的切削刀具。
在此后的描述中將會表明，將移去材料作為最后處理步驟的本發(fā)明實施例特別適于制造幾何形狀復(fù)雜的主體。更具體地說，由于最后步驟包括通過切削或類似方法移去材料，這一過程保證了在生產(chǎn)幾何形態(tài)或形狀復(fù)雜的主體時所必須的尺寸一致性和尺寸誤差。
再參看圖1，基體10帶有相對的軸向前端12和后端14。基體10沿整個長度方向上有大體圓柱形表面16，因而基體10的整體幾何形狀為圓柱形。
制造基體10的典型材料是用鈷粘結(jié)的碳化鎢。其他典型材料包括帶有以簡單碳化物或固溶體形式存在的其他碳化物(例如，TaC,NbC,TiC,VC)的碳化鎢基材料。鈷的含量可以在重量百分比大約0.2到20之間，雖然更典型的范圍是重量百分比大約在5到16之間。用于制作麻花鉆或者其他細(xì)長形切削刀具(例如端銑刀或鉸刀)的典型碳化鎢-鈷(或者，碳化鎢基底/鈷)混合物，包括下列混合物并具有以下性能。
混合物No.1包括重量百分比約為11.0到12.0的鈷，以Ta(Nb)C形式存在的重量百分比大約為1.2到2.6的鉭和重量百分比大約為0.2到0.6的鈮，以TiC形式存在的重量百分比不超過0.4的鈦，以及剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.1來說，碳化鎢的平均粒度約在1到6微米(μm)之間，孔隙率大約為A06、B00、C00(按美國材料試驗標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)規(guī)范B 276-86)，密度約在每立方米14000到14400公斤之間(Kg/m3)，洛氏硬度約為89.4到90.2之間，磁飽和度約在88％到98％之間，其中100％對應(yīng)于大約202微特斯拉立方米每公斤的鈷(μTm3/kg)(約為160高斯立方厘米每克的鈷(高斯-cm3/gm))，矯頑磁力大約是135到185奧斯特，橫向斷裂強度大約是2.8千兆帕斯卡(GPa)。
混合物No.2包括重量百分比大約在10.0到10.6之間的鈷，以Ta(Nb)C形式存在的重量百分比大約在4.7到5.7之間的鉭以及重量百分比大約在3.0到3.8之間的鈮，以TiC形式存在的重量百分比大約在3.0到3.8之間的鈦，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.2來說，碳化鎢的平均粒度為大約1到6μm之間，孔隙率為A06、B00、C00(按美國材料試驗標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)規(guī)范B 276--86，題目為“粘結(jié)碳化物中表觀孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”)，密度約在12700到13100Kg/m3之間，洛氏硬度約為90.7到91.3之間，磁飽和度約在80％到100％之間，矯頑磁力大約是140到180奧斯特，橫向斷裂強度大約是2.4GPa。
混合物No.3包括重量百分比大約8.5的鈷，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.3來說，碳化鎢的平均粒度為大約2.5μm，密度約在14600到14800Kg/m3之間，維氏硬度約為1370到1430 HV30之間，磁飽和度約在79.2％到94.4％之間，矯頑力大約是130到170奧斯特，橫向斷裂強度大約是3.0GPa。
混合物No.4包括重量百分比大約11.5的鈷，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.4來說，碳化鎢的平均粒度大約為1到4μm之間，密度約在12690到12890Kg/m3之間，維氏硬度約為1300到1400 HV30之間，磁飽和度約在79.2％到93.8％之間，矯頑力大約是110到170奧斯特，橫向斷裂強度大約是2.25GPa。
混合物No.5包括重量百分比大約6.0的鈷，重量百分比為1.6的Ta(Nb)C，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.5來說，碳化鎢的平均粒度大約為1μm，密度約在14800到14900Kg/m3之間，維氏硬度約為1640到1740 HV30之間，磁飽和度約在79.2％到94.0％之間，矯頑力大約是210到270奧斯特，橫向斷裂強度大約是2.6GPa。
混合物No.6包括重量百分比大約在14.7到15.3之間的鈷，以Ta(Nb)C形式存在的、重量百分比不大于約0.1的鉭和重量百分比不大于約0.1的鈮，以TiC形式存在的、不大于約0.1的鈦，以碳化釩形式存在的、重量百分比大約在0.2到0.4之間的釩，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.6來說，碳化鎢的平均粒度小于大約1微米(μm)，孔隙率大約為A06、B01、C00(按美國材料試驗標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)規(guī)范B 276--86)，密度約在13800到14000Kg/m3之間，洛氏硬度約為91.0到91.8之間，磁飽和度約在80％到88％之間，矯頑力大約是280到320奧斯特，橫向斷裂強度大約是3.5GPa。
混合物No.7包括重量百分比大約在9.7到10.3的鈷，以Ta(Nb)C形式存在的、重量百分比不大于約0.1的鉭和重量百分比不大于0.1的鈮，以TiC形式存在的、不大于約0.1的鈦，以碳化釩形式存在的、重量百分比大約在0.1到0.3之間的釩，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.7來說，碳化鎢的平均粒度大約小于1μm，孔隙率大約為A06、B01、C00(按美國材料試驗標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)規(guī)范B 276--86)，密度約在14400到14600Kg/m3之間，洛氏硬度約為91.5到92.9之間，磁飽和度約在80％到98％之間，矯頑力大約是250到350奧斯特，橫向斷裂強度大約是3.1GPa。
混合物No.8包括重量百分比大約9.5的鈷，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.8來說，碳化鎢的平均粒度大約為0.8μm，密度約在14500到14600Kg/m3之間，維氏硬度約為1520到1580 HV30之間，磁飽和度約在79.2％到93.8％之間，矯頑力大約是225到265奧斯特，橫向斷裂強度大約是3.6GPa。
混合物No.9包括重量百分比大約在8.6到9.4的鈷，以Ta(Nb)C形式存在的、重量百分比大約在0.3到0.5之間的鉭和重量百分比不大于0.2的鈮，以TiC形式存在的、不大于約0.4的鈦，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.9來說，碳化鎢的平均粒度大約在1到10μm，密度約在14300到14600Kg/m3之間，洛氏硬度約為88.9到90.1之間，磁飽和度約在88％到98％之間，矯頑力大約是100到160奧斯特，橫向斷裂強度大約是2.4GPa。
混合物No.10包括重量百分比大約為11.0的鈷，重量百分比為8.0的Ta(Nb)C，重量百分比為4.0的TiC，剩余部分為碳化鎢。對于混合物No.10來說，碳化鎢的平均粒度大約在1到8μm，密度約在12950到13150Kg/m3之間，維氏硬度約為1330到1430 HV30之間，磁飽和度約在79.2％到93.6％之間，矯頑力大約是155到185奧斯特，橫向斷裂強度大約是2.5GPa。
可以理解，其他粘結(jié)材料可能也能采用。除鈷和鈷合金外，合適的金屬粘結(jié)劑包括鎳、鎳合金、鐵、鐵合金以及上述材料的任意組合(例如，鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和/或鐵合金)。
處理基體10的第一步是打磨原始的細(xì)長形基體的表面，圖1所示的基體10的表面已經(jīng)被打磨過了。
第二個基本步驟是從大致為圓柱形的基體10上的選定部分除去材料。圖2顯示的基體已經(jīng)被打磨過了，以便于從其軸向前部移去預(yù)定量的材料。由于圖2所示的結(jié)構(gòu)與基體坯料10不同，基體10在圖2所示的狀態(tài)下總體標(biāo)注為18。
通過橫向進(jìn)行打磨，將一定量的材料從基體的軸向前端移去，形成基體的較小直徑(即，切削直徑)部分20的外徑“A”，基體的該部分將形成麻花鉆的帶凹槽部分。在這一步驟中，沒有從基體的后部除去材料，其中后部將形成基體的較大直徑部分22，它將成為麻花鉆的柄。
這一處理過程還從基體的軸向前端磨去(或移去)材料，以形成軸向前端切削面的一部分。具體的說，這一步驟形成麻花鉆的切削棱24及側(cè)面26和28。這一形成切削棱的加工步驟還形成了表面30和32。
最后，這一步驟移去材料，形成基體的后端倒角，并在基體的直徑減小部分和直徑加大部分之間形成肩部34。
在加工細(xì)長形結(jié)構(gòu)18的下一步中是從軸向前端除去材料，以形成圖3所示的結(jié)構(gòu)。由于圖3所示的結(jié)構(gòu)和總體標(biāo)注為18的基體之間不同，在圖3中所示的基體總體標(biāo)注為36。通過這個第二磨削步驟移去材料，形成麻花鉆的短槽。圖3只顯示了一個短槽38。
上面的描述顯示了達(dá)到圖3所示結(jié)構(gòu)的某些基本步驟。然而，可以理解該處理過程可能采取任何數(shù)量的適當(dāng)步驟。采用上述基本步驟是為了描述上的方便，因而本發(fā)明的范圍并不僅僅局限于前述的具體處理步驟。
在這一處理階段，對圖3所顯示的狀態(tài)下的基體進(jìn)行再燒結(jié)工藝。在圖3所顯示的狀態(tài)下，基體36有足夠的質(zhì)量(或形體簡單性)以抵抗由于在高于材料液化的溫度下進(jìn)行的再燒結(jié)、即熱加工所帶來的不希望的尺寸變形。因而再燒結(jié)處理的結(jié)果是，圖3所示的基體的尺寸誤差不會改變，這樣，已被磨削到所需要的尺寸的結(jié)構(gòu)將保持其尺寸一致性，也就是說，在再燒結(jié)過程中，結(jié)構(gòu)將沒有尺寸變形，或者即使結(jié)構(gòu)有尺寸變形，這些變形也將使得最終結(jié)構(gòu)保持在預(yù)先設(shè)定的尺寸公差范圍內(nèi)。換句話說，在再燒結(jié)之后，切削棱、側(cè)面、短槽和帶凹槽部分(這些將成為帶凹槽的棱)的外徑將保持它們的尺寸一致性。
根據(jù)再燒結(jié)工藝，首先必須明白對于WC基/Co合金的情況，燒結(jié)基體的表面帶有由鈷或鈷合金粘結(jié)的碳化鎢(或者是簡單碳化物，或者是與其他碳化物的固溶體)硬質(zhì)顆粒。鈷不僅存在于碳化鎢顆粒之間，而且由于在真空燒結(jié)狀態(tài)下鈷和碳化鎢的潤濕性能，鈷還覆蓋了某些已燒結(jié)基體表面上的碳化鎢顆粒。此外已經(jīng)被打磨過的基體區(qū)域傾向帶有涂敷在基體表面上的鈷，以便覆蓋碳化鎢顆粒。
在恰當(dāng)?shù)臅r間、溫度和氣氛下，進(jìn)行再燒結(jié)過程，使得基體表面處的碳化鎢顆粒增大，同時鈷從該處消除(或蒸發(fā))。結(jié)果是產(chǎn)生的基體表面的表面粗糙度大于25微英寸，Ra，并且最好大于30微英寸，Ra，大于40微英寸，Ra，就更好了。
盡管下面將討論為已公開的國際專利申請No.PCT/US94/02346(國際公開號No.W095/15258)中的合金B(yǎng)，該專利為授予賓西法尼亞州、Latrobe的Kennametal公司的“帶金剛石涂層工具及其制造方法”[此處引用國際專利申請No.PCT/US94/02346(國際公開號No.WO95/15258)作為參考]，可以預(yù)期用于制造如麻花鉆等細(xì)長形切削刀具的典型混合物具有同樣的或相似的結(jié)果。更具體地說，前面作為制造鉆頭或鉸刀的典型基體會具有同樣的結(jié)果。
合金B(yǎng)組成如下重量百分比為2.3到2.9的鈷，重量百分比上限為0.4的鉭，重量百分比上限到0.1的鈮，其他的雜質(zhì)以及剩余部分為碳化鎢。合金B(yǎng)性能如下洛氏硬度為92.8到93.6，矯頑力(Hc)是290到440奧斯特之間，磁飽和度足以避免η相的形成，碳化鎢的平均粒度是1到6微米(μm)，孔隙率為A08、B00、C00或更好，密度在15.10到15.50grams/cm2之間。
合金B(yǎng)的再燒結(jié)過程是在氮氣氣氛下、66.5Pa(0.5乇)、2750°F(1510℃)處理3個小時?？梢岳斫?，獲得一定的表面粗糙度所需要的時間可以是不同的。一般說來，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)時間減少。最好的氣氛是氮氣氣氛，其中氮氣的分壓使得鈷能夠蒸發(fā)，同時使基體整體中的碳化鎢被鈷再濡濕達(dá)到最小。還應(yīng)當(dāng)避免在表面上形成氮化物層。氮氣的分壓范圍在39.9Pa(0.3乇)到6650Pa(50乇)之間，最好范圍在39.9Pa(0.3乇)到665Pa(5乇)之間，而在39.9Pa(0.3乇)到266Pa(2乇)之間就更好了。
再燒結(jié)之后，合金B(yǎng)的微觀結(jié)構(gòu)按以下方式發(fā)生變化。在表面周圍區(qū)域鈷的含量象鈷池區(qū)一樣降低。包括表面周圍區(qū)域，試樣整體上鈷重量百分含量降低約0.5。
在表面周圍孔隙率得以提高?？紫堵适茿02和A06，在表面周圍沒有相互聯(lián)結(jié)的孔隙，在試樣的其他部分同樣沒有。
碳化鎢的粒度也增加了，具體地說，碳化鎢的粒度不是均勻的，范圍在1到11微米。在表面周圍地區(qū)大的顆粒以及大顆粒出現(xiàn)的頻率更高，含有的顆粒大到16微米到28微米。
在已公開的國際專利申請No.PCT/JS94/02346(國際公開號WO95/15258)的表格Ⅱ中顯示了合金B(yǎng)的表面粗糙度，該專利為授予賓西法尼亞州、Latrobe的Kennametal公司的“帶金剛石涂層工具及其制造方法”，表格Ⅱ表明表面粗糙度大約在38微英寸，Ra，到68微英寸，Ra，之間。
申請人希望發(fā)生上述那些變化，也就是說，在對本專利申請中前面所說明的所有具體合金進(jìn)行燒結(jié)時，都會產(chǎn)生表面附近的顆粒長大、表面附近的粘結(jié)劑金屬減少的變化。這樣，所有這些合金都帶有恰當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?，以提高金剛石涂層在它上面的附著力?br> 對基體36處理工藝的下一步是，除去材料以形成帶凹槽部分，該部分包括有螺旋狀的凹槽。圖4中顯示了所形成的結(jié)構(gòu)，整體標(biāo)注為40?；w40有相對的軸向前端42和后端44。鉆頭40的軸向后端44附近是柄46。基體40還包括帶凹槽部分49，它包含鉆頭的凹槽50。帶凹槽部分49從鉆頭的肩部48延伸到軸向前端42處。槽棱面52介于相鄰槽50之間。圖4顯示基體的軸向前部包括切削棱24、側(cè)面26和28以及表面，其中圖4只顯示了一個短槽38。
麻花鉆基體的表面粗糙度依具體的范圍或區(qū)域而改變。槽棱面52、切削棱24、側(cè)面(26、28)以及短槽38形成了第一基體區(qū)域。第一基體區(qū)域的粗糙度至少25微英寸，Ra，最好至少35微英寸，Ra，達(dá)到至少40微英寸，Ra，就更好了。
第一基體區(qū)域帶有一個形成主沖撞面的表面區(qū)域，換句話說，這些結(jié)構(gòu)，也就是槽棱面、切削棱、側(cè)面和短槽所形成的表面區(qū)域上金剛石涂層具有最好的附著性是至關(guān)重要的。這是因為這些表面區(qū)域?qū)τ跐M意的切削操作是很重要的。盡管柄46的表面和肩部48并非第一基體區(qū)域的一部分，它們的四周也具有上述的表面粗糙度。
麻花鉆基體40的其他區(qū)域形成第二基體區(qū)域，更具體地說，槽50形成第二基體區(qū)域。帶有較大的硬質(zhì)顆粒和較少含量的粘結(jié)金屬的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被打磨掉(移去)而形成凹槽，這樣，第二基體區(qū)域的表面粗糙度小于第一基體區(qū)域的表面粗糙度。
第二基體區(qū)域的表面上金剛石涂層的良好附著性并不關(guān)鍵。這是因為凹槽的表面對于鉆頭的滿意切削影響不大。因而很顯然在第一基體區(qū)域的表面(即主沖撞面)金剛石涂層的良好附著遠(yuǎn)比在第二基體區(qū)域(即副沖撞面)的表面部分重要。
此時，基體40已經(jīng)可以進(jìn)行金剛石涂敷了。在進(jìn)行涂敷之前，作為一種可選擇的處理步驟，基體40的選定表面可以用金剛石刮擦，以增加金剛石的晶核形成點。金剛石一般刮擦在第一基體區(qū)域上。金剛石刮擦可以是采用0.25微米的金剛石磨削膏對該區(qū)域進(jìn)行手工刮擦，或者是通過在100毫升的丙酮中加入0.5微米到3微米的金剛石顆粒形成的稀漿中進(jìn)行聲處理。聲處理過程包括配制金剛石顆粒和丙酮的稀漿、對稀漿進(jìn)行超聲振蕩，然后將部件浸沒在正在振蕩的稀漿中，以便于金剛石顆粒沖撞部件的表面。
發(fā)明者還考慮到，在帶金剛石涂層之前，作為一個可供選擇的處理步驟，可以通過機械、化學(xué)或電化學(xué)處理，從基體的選定表面上除去鈷。最好從第二基體區(qū)域(它代表副沖撞面)除去鈷，以增加金剛石涂層在基體的該區(qū)域上的附著性能。Svensson的美國專利No.5 380 408“蝕刻處理”披露了一種在硫酸、磷酸和水的混合物中進(jìn)行的電化學(xué)蝕刻處理，以便從硬質(zhì)材料的表面去掉粘結(jié)相。歐洲專利No.0 337 696“表面涂敷的粘結(jié)碳化物及其制造過程”提到了采用機械過程(滾磨，擦光，或其他類似方法)、化學(xué)過程(浸入硝酸、鹽酸、氫氟酸、硫酸等酸類中)或電化學(xué)過程，以便從基體的表面區(qū)域去掉粘結(jié)劑。日本專利公開No.2-217398(1990.8.30公開)“金剛石薄層的涂敷方法”披露了一種電解打磨方法，以便從基體的表面去掉粘結(jié)劑。
關(guān)于金剛石涂敷，可以采用蒸汽沉積技術(shù)，例如，熱絲、直流(DC)等離子噴射，微波等離子或電弧噴射技術(shù)。在已公開的國際專利No.PCT/US94/02346(國際公開No.WO95/15258)中有進(jìn)行金剛石涂敷的一種適當(dāng)技術(shù)，該專利為授予賓西法尼亞州、Latrobe的Kennametal公司的“帶金剛石涂層工具及其制造方法”。
其中，在該金剛石涂敷專利中，涂敷時基體溫度最好保持在700℃到875℃之間。當(dāng)溫度低于700℃時，金剛石涂層中會形成太多的石墨，使得耐磨性大大降低。并且，還降低了涂敷速度。當(dāng)溫度高于875℃時，涂敷過程中，太多的鈷從基體中擴散出來，給金剛石在基體上的附著帶來不良影響?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，帶金剛石涂層時的溫度在大約750℃到850℃最好。
第一基體區(qū)域上表面粗糙度的增加，使得金剛石涂層在第一基體區(qū)域上的附著性能增加，超過它在第二基體區(qū)域上的附著性能。如前所述，第一基體區(qū)域形成麻花鉆的主沖撞面。金剛石涂層在第一基體區(qū)域的表面部分具有最大的附著力，則該麻花鉆的使用效果將和在整個表面上都附著良好的麻花鉆基本上相同。而且，由于基體有足夠的質(zhì)量(或形體簡單性)來抵抗在液相或高于液相的溫度下進(jìn)行再燒結(jié)時的變形，麻花鉆的主切削面具有尺寸一致性。
申請人考慮到第二種實現(xiàn)本發(fā)明的方法。這時，在該方法中，開始時基體的形狀如同圖1所示，即，是一個表面打磨過的圓柱形坯料。下一個基本步驟包括從大致為圓柱體的基體上的選定部分除去材料，使得基體的狀況成為象圖2所示的那樣。如同在第一種方法中那樣，磨削步驟從基體的軸向前端除去一定量的材料，形成基體的直徑較小部分的外徑，該部分將成為麻花鉆的帶凹槽部分。這一步驟中，留下基體的后端沒有磨削，以便形成基體的直徑較大的部分，這一部分將形成麻花鉆的柄。
這一步驟還從基體的軸向前部磨去(或除去)材料，以便形成軸向前切削面的一部分。這一步驟形成麻花鉆的切削棱和側(cè)面。形成切削棱的這一加工步驟同樣形成類似于在第一個實施例中表面30和32那樣的表面。
對該細(xì)長形結(jié)構(gòu)的下一步加工是從軸向前端除去材料，以便產(chǎn)生類似于圖3所示的結(jié)構(gòu)，通過該第二磨削步驟除去材料形成了麻花鉆的短槽。此時，鉆頭將成為類似于圖3所示的結(jié)構(gòu)。
在這一處理階段對基體進(jìn)行再燒結(jié)處理。象圖3所示的實施例那樣，基體有足夠的質(zhì)量(或形體簡單性)來對抗在材料的液相溫度之上所進(jìn)行的再燒結(jié)即熱加工過程中的任何尺寸變形的可能。這樣基體中的尺寸誤差不會改變，已經(jīng)被磨削到所要求尺寸的結(jié)構(gòu)將保持其尺寸一致性。換句話說，在再燒結(jié)處理之后，切削棱、側(cè)面、短槽、和帶凹槽部分的外徑(它將成為槽棱面)都將保持它們的尺寸一致性。而其他旋轉(zhuǎn)切削刀具中，在再燒結(jié)之前，將磨削(或形成)主沖撞面以便使再燒結(jié)過程中的整體質(zhì)量達(dá)到最小。
再燒結(jié)過程完成后，麻花鉆基體的表面粗糙度至少是25微英寸，Ra，最好至少35微英寸，Ra，達(dá)到至少40微英寸，Ra，就更好了。再燒結(jié)后基體表面的微觀結(jié)構(gòu)與第一實施例再燒結(jié)后相似。其表面微觀結(jié)構(gòu)包括比坯料中大的顆粒粒度，比坯料中大的鈷含量，并且沒有互聯(lián)的孔隙。
下一步，是對再燒結(jié)的基體進(jìn)行金剛石涂敷。金剛石涂敷的操作與第一種方法中的操作類似，無須在此贅述。金剛石涂敷步驟的最后結(jié)果是形成一個帶金剛石涂層的基體，它的主沖撞面已經(jīng)被磨削并涂敷上金剛石，副沖撞面還沒有被磨削。
金剛石涂敷步驟完成后，從基體上去除材料而形成麻花鉆的副沖撞面，即凹槽。這一步驟的最后結(jié)果是形成的麻花鉆，其主沖撞面帶有金剛石涂層，其副沖撞面已經(jīng)被打磨以去掉金剛石涂層。
作為一個選擇性步驟，在金剛石涂層沉積之前，副沖撞面對應(yīng)的表面上可以加以屏蔽，這樣金剛石就不會沉積在那兒了。這一選擇性步驟的好處是，避免金剛石涂層干擾去掉材料形成副沖撞面時的操作。更具體地說，沒有金剛石涂層使得去掉材料更加容易而且不會增加金剛石污染其他表面區(qū)域的機會。
對于主沖撞面來說，這種表面具有的表面粗糙度有利于金剛石涂層的良好附著。此外，主沖撞面的鈷含量大于坯料的鈷含量。
副沖撞面帶有一個已打磨的表面。副沖撞面表面上的鈷含量和碳化鎢粒度基本上與坯料相同，因為打磨深度大于再燒結(jié)后出現(xiàn)的表面微觀結(jié)構(gòu)的深度。
盡管，副沖撞面上不帶有金剛石涂層，但是，申請人相信該部分不帶有金剛石涂層并不會對細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具的工作帶來負(fù)面影響。最重要的原因是，副沖撞面并不進(jìn)行任何切削，這樣，也就無須保持它的銳利和尺寸一致性。盡管副沖撞面也會磨損，在旋轉(zhuǎn)切削刀具的通常使用壽命中，該表面不大可能被磨掉。
上述第二種方法的優(yōu)點是，在金剛石涂敷過程種，避免了主沖撞面被鈷污染。
參看圖4B，它示出本發(fā)明麻花鉆的另一個實施例，整體標(biāo)注為60。麻花鉆60帶有相對的軸向前端62和軸向后端64。麻花鉆60的軸向前部66帶有凹槽72和槽棱面70。麻花鉆的軸向后部包括柄68。金剛石涂敷在槽棱面、鉆頭的軸向前端附近的切削面、和柄上?？梢圆捎蒙鲜鰞煞N基本方法中的任一種進(jìn)行金剛石涂敷。
這樣，本發(fā)明顯然達(dá)到了那些目的。就是說，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具以及它的制造方法。本發(fā)明還提供了一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具及其制造方法，該切削刀具的金剛石涂層具有良好的附著性。最后本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具及其制造方法，該切削刀具具有良好的金剛石涂層附著性和尺寸一致性。
此處引用文中所標(biāo)明的所有專利和其他文件作為參考。
參照此處所披露的本發(fā)明實施例或操作，本發(fā)明的其他實現(xiàn)方法對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員將是顯而易見的，實例和例子只應(yīng)視為是說明性的，本發(fā)明真正的范圍和精神由后附權(quán)利要求來指明。
權(quán)利要求
1.一種帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，它包括軸向前切削面、凹槽和槽棱面，該切削刀具包括基體，該基體包括由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒；該基體上有作為一個表面的第一基體區(qū)域，第一基體區(qū)域形成軸向前切削面和槽棱面，第一基體區(qū)域在其表面附近帶有相對較大的硬質(zhì)顆粒，這些相對較大的硬質(zhì)顆粒的粒度大于基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒，第一基體區(qū)域有不規(guī)則的表面，金剛石涂敷在第一基體區(qū)域的表面上；基體上有形成凹槽的第二基體區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，第二基體區(qū)域帶有的硬質(zhì)顆粒尺寸與基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆?；旧洗笮∠嗤?，第二基體區(qū)域有表面粗糙度低于第一基體區(qū)域的表面粗糙度的表面，第二基體區(qū)域的表面帶有金剛石涂層，金剛石涂層在第一基體區(qū)域上的附著力大于它在第二基體區(qū)域上的附著力。
3.如權(quán)利要求2所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，在第一基體區(qū)域表面附近，鈷的含量小于基體內(nèi)部的鈷含量，在第二基體區(qū)域表面附近的鈷含量與基體內(nèi)部的鈷含量基本相同。
4.如權(quán)利要求1所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，基體的硬質(zhì)顆粒包括碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化釩和固溶體中的一種或多種；基體中包括重量百分比大約為5到16的金屬粘結(jié)劑；金屬粘結(jié)劑從鈷、鐵、鎳及它們的合金中選出。
5.如權(quán)利要求1所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，在第一基體區(qū)域表面附近，鈷的含量小于基體內(nèi)部的鈷含量。
6.如權(quán)利要求1所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，基體上金剛石涂層的平均厚度大約在2微米到100微米之間。
7.一種帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，它有主沖撞面和副沖撞面，該切削刀具包括基體，該基體包括由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒；該基體上有形成主沖撞面的第一基體區(qū)域，第一基體區(qū)在主沖撞面附近有相對較大的硬質(zhì)顆粒，這些相對較大的硬質(zhì)顆粒的粒度大于基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒，主沖撞面有不規(guī)則的表面；基體上有形成副沖撞面的第二基體區(qū)域，第二基體區(qū)域帶有的硬質(zhì)顆粒尺寸與基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒基本上大小相同，副沖撞面的表面粗糙度低于第一基體區(qū)域的表面粗糙度；在主沖撞面上有金剛石涂層。
8.如權(quán)利要求7所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，在副沖撞面上有金剛石涂層，金剛石涂層在主沖撞面上的附著力大于它在副沖撞面上的附著力。
9.如權(quán)利要求7所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，旋轉(zhuǎn)切削刀具帶有軸向前切削棱、側(cè)面、凹槽和槽棱面；主沖撞面帶有軸向前切削棱、側(cè)面和槽棱面；副沖撞面有凹槽。
10.如權(quán)利要求7所述的帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具，其特征在于，在主沖撞面附近，鈷的含量小于基體內(nèi)部的鈷含量，在副沖撞面附近的鈷含量與基體內(nèi)部的鈷含量基本相同。
11.一種制造帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具的方法，其中，切削刀具包括主沖撞面和副沖撞面，該方法包括以下步驟提供一個燒結(jié)的基體，它包含由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒；然后從基體上去掉材料，形成帶有主沖撞面的第一基體區(qū)域；再在一定溫度和氣氛下，燒結(jié)基體一定時間，以便在基體的表面造成顆粒增長；然后從基體上移去材料，形成帶有副沖撞面的第二基體區(qū)域；接著在基體上牢牢沉積金剛石涂層，其中，在主沖撞面上金剛石涂層的附著力大于在副沖撞面上的金剛石涂層的附著力。
12.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于，基體的硬質(zhì)顆粒包括碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化釩和固溶體中的一種或多種；基體中包括重量百分比大約為5到16的金屬粘結(jié)劑；金屬粘結(jié)劑選自鈷、鐵、鎳及它們的合金。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在主沖撞面附近，鈷的含量小于再燒結(jié)基體內(nèi)部的鈷含量。在副沖撞面附近，鈷的含量與再燒結(jié)基體內(nèi)部的碳化鈷含量基本相同。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在金剛石涂層沉積之前減少副沖撞面上金屬粘結(jié)劑含量的步驟。
15.一種制造帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具的方法，其中，切削刀具包括主沖撞面和副沖撞面，該方法包括以下步驟提供一個燒結(jié)的基體，它包含由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒；然后從基體上去掉材料，形成帶有主沖撞面的第一基體區(qū)域；再在一定溫度和氣氛下，燒結(jié)基體一定時間，以便在基體的表面形成顆粒增長；接著在基體上牢牢沉積金剛石涂層；然后從帶金剛石涂層的基體上移去材料，形成帶有副沖撞面的第二基體區(qū)域，其中，在主沖撞面上帶有金剛石涂層，在副沖撞面上沒有金剛石涂層。
16.如權(quán)利要求14所述方法，其特征在于，主沖撞面的表面粗糙度至少為25微英寸Ra。
17.如權(quán)利要求14所述方法，其特征在于，在再燒結(jié)的基體上附著的金剛石涂層的平均厚度大約在2微米到100微米之間。
18.如權(quán)利要求15所述方法，還包括在金剛石涂層沉積之前，在副沖撞面對應(yīng)的基體表面加以屏蔽的步驟。
全文摘要
一種帶金剛石涂層的細(xì)長形旋轉(zhuǎn)切削刀具及其制造方法。切削刀具(40)包括軸向前切削面(42)、凹槽(50)和槽棱面(52)。該切削刀具包括由金屬粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的硬質(zhì)顆粒組成的基體?；w上有不規(guī)則表面的第一基體區(qū)域,形成軸向前切削面(24,26,28)和槽棱面(52)。第一基體區(qū)域在其表面附近帶有相對較大的硬質(zhì)顆粒,其粒度大于基體內(nèi)部的硬質(zhì)顆粒。金剛石涂敷在第一基體區(qū)域的表面上?；w帶有形成凹槽的第二基體區(qū)域。
文檔編號B23P15/32GK1218427SQ97194651
公開日1999年6月2日 申請日期1997年2月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月15日
發(fā)明者德克·卡默邁爾, 阿哈隆·英斯派克特, 沃爾夫?qū)げ栃?申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司