CN1190914A - 切削刀具 - Google Patents

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文森特·J·查奇科斯凯
阿哈龙·尹斯派克托
爱德华·J·奥列西
约翰·J·普里齐
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Abstract

一种带涂层切削刀具,包括一具有一粗糙表面基体,其表面粗糙度在15微英寸Ra和125微英寸Ra之间。通过物理气相沉积在该粗糙的基体表面上施加一涂层。具有一低钴基体并具有长刀具寿命的带涂层切削刀具也被讨论。

Description

切削刀具
本发明涉及一种切削刀具，其具有改善的切控制能力、表面精加工性能，和/或改进的涂覆粘着性。本发明进一步涉及一种有涂层的切削刀具，该刀具带有一低钴基体且寿命长。
更具体地就切控制性能来说，本发明涉及一种切削刀具，一种制造该切削刀具的方法，其前刀面具有的、微观外形特征提供了切屑的控制性能，不再需要断屑器。更具体地，切削刀具的这一前刀面具有合适的表面粗糙度，以便提供切屑控制性能。
关于改善表面精加工性能方面，本发明涉及这样一种切削刀具，及制造该切刀具的方法，这种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。更具体地说，本发明涉及一种带光滑侧面的切削刀具，以便在工件的表面获得一理想的光滑加工表面。
此外，本发明涉及一种其上带有一涂覆层的切削刀具，该涂覆层例如是单独一层通过物理汽相淀积(PVD)而沉积的涂覆层或者多层涂覆层，其中至少一层是通过PVD沉积的，且该涂覆层具有改进的粘结性。
一些切削加工操作，例如车螺纹、切槽、或切割，具有产生长切屑线或“鸟巢”的倾向。与短的C形/图形6形状的切屑或短圈相比，生产这种长切屑线是不理想的。
一些材料难于不产生长切屑线而切削加工。换句话说，由于这些材料的自身性质，导致了对这些材料无论怎样切削加工都有产生长切屑线的倾向。这些材料包括钛合金，铝合金和低碳钢。
早期的切削刀具为了折断切屑，在其前刀面上带有特殊的断屑结构或几何形状。例如，美国专利No.4710 069描述了一种切削刀具，该切削刀具提供有带有许多与切屑切断面相配合的许多凹陷处的结构断屑器。
尽管这种结构断屑器可以被制作为满意的形状，但带有这种结构断屑器的切削刀具的典型几何形状可能是复杂的。对于这种切削刀具的生产，需要设计复杂的压实器来生产这一复杂的几何形状。而制造这种具有复杂几何形状的压实器是昂贵的。
使用这种带有结构断屑器的切削刀具特别需要有一张许多不同形式的切削刀具的清单，根据特定的应用场合来确定每种带不同结构断屑器的切削刀具。使用者清理出许多不同形式的切削刀具是很昂贵的。为了制造这些刀具而保留许多不同形式的制造这些结构断屑器几何形状的压实器也是很昂贵的。
许多加工场合要求已加工的工件表面有一定的光洁度或平滑度。为达到这一目的，早期的切削刀具需要经过打磨或抛光而提供一相对光滑的前刀面和刀具侧面。尽管这种工序安排生产出具有满意的表面光滑度的工件，但却没有有效的切屑控制能力，除非切削刀具包含有一结构断屑器。在这种具有光滑的前刀面和刀具侧面的典型切削刀具中，缺乏有效的切屑控制会导致长切屑线的产生。
过去，象TiAlN这样的涂层已被应用于象硬质合金、金属陶瓷这样的切削刀具的基体上，例如，通过象阴极真空喷镀、电离镀膜和阴极电弧等物理气相沉积(PVD)工艺方法。这些基体已提供了一相对光滑的表面，如已经过抛光处理，模压处理、或喷丸处理。迄今为止，当涂层的厚度增加时，PVD涂层的附着力减小。为了保持在基体上合适的附着力，PVD涂层厚度必须小于约6微米。在TiAlN PVD涂层情况下，使用切削刀具时，涂层厚度不超过约5微米仍能保持其在基体上合适的附着力。由于与使用PVD喷涂TiC或立方氮化硼涂层有关的高残余压力，这种涂层在其实用的任何厚度下，即对于商业上实用的切削刀具足够的且具有合适粘附强度的厚度还没有得到应用。
过去，人们已经使用结合利用化学气相沉积(CVD)和PVD工艺施加的多层涂层结构。该多层涂层结构的一个例子包括一通过CVD施加的TiN基层，一通过CVD施加的TiCN中间层，和通过PVD工艺施加的TiN顶层，对于基体在其表面层有粘结剂富集层。这种复合层结构是Santhanam et al的题目为BINDER ENRICHED CVD AND PVDCOATED CUTTING TOOL并转让给本专利申请代理人的美国专利US5250 367的一个主题。在美国专利No.5250367中，基体含有一重量百分比含量为3-12的块状钴，其中重量百分比含量为5-8和5.5-7是更优选的钴含量范围。具体实施例包括重量百分比是10.5、8.5和9.5的钴含量。Santhanam et al的题目为METHOD OF MACHININGVSING COATED CUTTING TOOLS，转让给本专利申请代理人的美国专利NO.5325747披露了一种带有一基体的切削刀具，该刀具基体上带有一层或多层通过CVD施加的涂层和由PVD施加的TiN外涂层。在基体为WC-CO材料的情况下，钴的重量百分比含量为3-12，更优选的重量百分比含量为5-7和5.7到6.3。具体实施例为Co的重量百分比含量为6.0、8.5、9.75、10、10.5和11.5。Santhanam et al题目为CVD AND PVD COATED CUTIING TOOLS，并转让给本专利申请代理人的美国专利No.5364209中披露了一种具有一至少带有一内CVD施加层和外PVD施加层的基体的切削刀具。在该基体是WC-Co的情况下，粘合剂(钴)的重量百分比范围为5-15，更优选的重量百分比范围为7-13和8-12。Yoshimura的题目为SURFACE-COATEDTOOL MEM BER OF TUNGSTEN CARBIDE BASED CEMENTEDCARBIDE的美国专利No.5066553中披露了基体的再烧结以达到由CVD施加的涂层的更好的粘附性。
现在已很清楚地看到早期的切削刀具具有的缺陷。这些缺陷与切削刀具的切屑控制性能有关，与切削刀具的表面精加工性能有关，且与涂层与切削刀具基体的粘附力有关。
最好是提供一种改进的切削刀具，通过该切削刀具前刀面的微观外形且利用或不利用一结构断屑器，但最好不利用结构断屑器来提供对切屑的控制。通过提供这样一种切削刀具，人们可以通过降低生产压实器的成本来降低生产成本，所述压实器将粉末材料压成切削刀具的形状。这种切削刀具也可通过减少生产者必须列入清单的压实器的数量来降低生产成本。由于使用者必须列入清单的切削刀具数量的减少，这种切削刀具也将降低与销售和分配切削刀具有关的成本。
最好是提供一种改进的切削刀具，该刀具通过其前刀面的微观外形且不使用结构断屑器以及在工件上提供一光滑的加工面来提供对切屑的控制。这样一种切削刀具不仅具有切屑控制能力而且导致被加工工件光滑的表面。
最好提供一种改进的切削刀具，其带有一与基体有改善的粘附力的PVD涂层，而且其带有一较厚的PVD涂层，其允许使用新的由PVD施加的粘合涂层，如，TiC，氧化铝、立方氮化硼。
最好提供一种改进的切削刀具，其具有一其上带有一涂层的低钴基体，且使用寿命长。
按本发明的一种形式，本发明是一带涂层的切削刀具，该切削刀具包括一基体，一在该基体表面的PVD涂层。该PVD涂层的粘附力通过洛氏A刻痕附着力载荷测试大于或等于80kg。
下面是对构成本专利申请一部分的图的简单说明。
图1是本发明带涂层切削刀具的第一个实施例的透视图；
图2是沿图1中的断面线2-2的切削刀具的横截面图；
图3是本发明带涂层的切削刀具的第二个实施例的顶视图；
图4是图3所示的切削刀具的侧视图；
图5是沿图3中的断面线5-5截取的图3切削刀具的横截面图；
图6是本发明不带涂层的切削刀具的第三个实施例的透视图；
图7是沿图6中截面线7-7截取的图6切削刀具的横截面图；
图8是本发明带有涂层的切削刀具的第四个实施例的透视图，其中，基体的侧表面具有凹凸不平的微观外形，带涂层的侧表面的微观外形也是凹凸不平的；
图9是沿图8中截面线9-9截取的图8切削刀具的横截面图；
图10是本发明带有涂层的切削刀具的第五个实施例的透视图，其中基体的侧表面具有凹凸不平的微观外形，带涂层后的侧表面具有光滑的微观外形，而基体的前刀面和带有涂层的刀具具有凹凸不平的微观外形；
图11是沿图10中截面线11-11截取的图10中切削刀具的横截面图；
图12是本发明带有涂层的切削刀具的第六个实施例的透视图，其中基体的前刀面具有凹凸不平的微观外形，带涂层后的前刀面的表面具有光滑的微观外形，基体的侧面和带涂层刀具具有一光滑的微观外形；
图13是沿图12中截面线13-13截取的图12中切削刀具的横截面图；
图14是本发明带涂层切削刀具的第七个实施例的透视图，其中在基体上带有多层涂层；
图15是沿图14中截面线15-15截取的图14中切削刀具的横截面图；
图16是本发明带涂层的切削刀具的第八个实施例的透视图，其中基体的侧面和前刀面具有粗糙不平的微观外形，带涂层后的侧面和前刀面具有光滑的微观外形；
图17是沿图16中截面线17-17截取的图16中切削刀具的横截面图；
图18是切削刀具样品CN82的图解顶视图，该图标记出切削刀具的四个角，和测量表面粗糙度的位置；
图19是“鸟巢”形切屑的照片，这种形状的切屑是由未带涂层的WC-Co切削刀具(未带涂层K11)切削383.2铝合金工件时形成的；
图20A是“鸟巢”形切屑的照片，这种切屑是用包括一涂覆单层TiAlN的磨削状态基体的WC-Co切削刀具切削383.2铝合金工件时形成的；
图20B是短的理想形切屑的照片，这种切屑是由包括一涂覆单层TiAlN的再烧结基体的WC-Co切削刀具切削383.2铝合金工件时形成的；
图21A是鸟巢形切屑的照片，这种切屑是由带有一涂覆多层TiN/TiCN/TiN涂层结构的磨削状态的基体的WC-Co切削刀具切削铝合金工件时形成的；以及
图21B是短的理想形切屑的照片，该切屑是由涂覆有多层TiN/TiCN/TiN涂层结构的WC-Co切削刀具切削383.2铝合金工件时形成的，其中基体在涂覆工序前被再烧结。
图1和图2描述了本发明总体上用20表示的切削刀具的第一特定实施例。切削刀具20包括一带有前刀面24和侧面26的基体22。该切削刀具基体也可如那些在美国国家切削刀具标准-标准刀具-识别系统，ANSI B212.4-1986中规定的那样制成任何标准形状和尺寸。刀具的前刀面也可具有各种不同的断屑器结构(未示出)，以便有利于切屑的断开和去除。
基体22可选择适合切屑刀具基体使用的许多可能的基体材料。基体材料种类包括工具钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷材料、陶瓷复合材料、多晶金刚石和多晶立方氮化硼作为切削刀具基体的可选择材料。
在硬质合金种类中，一种基体是钴钨硬合金合成物。在这些合成物中，随着碳化钨组成的基本平衡钴含量的重量百分比在约0.2-20范围内，可选择地，包括钨、钛、钽、锆、铪和/或铌的碳化物和碳氮化物。
在金属陶瓷的种类中，有含有钴和/或镍粘合金属的碳氮化钛基材料。这些金属陶瓷包括由Kennametal Inc of Latrobe，Pennsylvania(本专利申请的受让人)销售的下列等级的金属陶瓷：KT125，KT150，KT175以及KT195。
在陶瓷材料的种类中，有氮化硅基，或氧化铝基，含有或不含有如呈须状或颗粒状的碳化硅和碳化钛的强化添加物的陶瓷材料。
在陶瓷复合材料的种类中有须状加强陶瓷材料。这类复合材料的例子包括碳化硅须状物和/或在矾土矿中的碳化钛须状物。
涂覆层28覆盖基体22的前刀面24和侧面26。根据切削刀具的具体应用场合和具体的基体可以使用涂覆层28，也可不必使用。在使用涂层的情况下，涂覆层结构有许多变化。
可以通过物理气相沉积技术涂覆一层或多层涂层。其中一个例子是通过PVD施加的TiAlN或TiN涂层。多层涂层的例子是如Santhanam等的美国专利No.5250367提及的TiN-TiCN-TiN涂层结构。该美国专利披露了包括CVD和PVD工艺技术结合起来形成的涂层结构，或者如Quinto等的美国专利披露的那样完全由PVD工艺技术施加的多层涂层结构。
可替换地或除TiAlN以外，可用于切削刀具的涂层包括硬质合金、氮化物、碳氮化物、和锆、钛、铪和它们的合金的硼化物、矾土、立方氮化硼、氮化硅、以及一薄膜多晶金刚石层。
关于基体22，其前刀面24包括一微观粗糙表面。基体22的周边缘30在前刀面24和侧面26的汇合处。侧面26具有一相对光滑的表面。
涂层28在第一实施例(图2)是单层。涂层28覆盖在基体22上，因而完全涂覆后的切削刀具20显示出一外露的前刀面34和侧面36。外露的前刀面34具有微观不平的表面。与该前刀面相比，外露的侧面36显示出一相对光滑的表面。外露的周边缘38在前刀面34和侧面36的汇合处。
对于基体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单位测量，其范围在1 5微米英寸Ra和125微英寸Ra之间。这一表面粗糙度较好的范围在25微英寸Ra和125微英寸Ra之间。最好的范围在40微英寸Ra和80微英寸Ra之间。
最好是，如按Shefficld Proficorder Spectre单位测量，外露的光滑侧面36的粗糙度比25微英寸Ra小。更好是比15微英寸Ra小。
图1和2所示的切削刀具的具体实施例，由于基体前刀面的表面粗糙度，所以在基体的前刀面的涂层具有好的粘附性。由于带涂层的前刀面的表面粗糙度，该切削刀具具有好的切屑控制能力。由于带有涂层的侧面光滑的表面，所以这一实施例也显示出良好的工件表面加工特性。
参见图3至5，这些图描述了总体上由42表示的本发明切削刀具的第二个具体实施例。切削刀具42包括一带有一前刀面46和一侧面48的基体44(看图5)。一涂覆层50覆盖在前刀面46和侧面48之上。现有的用于切削刀具42的基体和涂层的类型与用于切削刀具20的一样。
基体44包括一周边缘54，该周边缘54位于前刀面46和侧面48的汇合处。基体44有一周边粗糙表面部分56，即，微观粗糙不平的表面部分，该部分从基体44的周边缘54向内延伸。而具有一微观粗糙不平表面的结构断屑器58从周边粗糙表面部分56的内缘向内延伸。
基体44进一步包括一微观粗糙的中心表面部分60。该中心表面部分60由结构断屑器58划界。
涂层50(看图5)覆盖在基体44的外面而形成带有涂层的切削刀具42，该切削刀具42有一外露的前刀面64和一外露的侧面66。在带涂层切削刀具42的外露的前刀面64和侧面66的汇合处有一周边缘70。
有一微观凹凸不平的外露的周边前刀面部分72，其从周边缘70向内延伸。然后，一外露的结构断屑器74从微观粗糙的周边外露前刀面部分72向内延伸。结构断屑器74有一微观粗糙的表面。该外露的前刀面64进一步包括一具有粗糙表面的中心部分76。该切削刀具42包含有一中心孔78。
基体的前刀面部分(56、58、60)的粗糙度与外露的前刀面部分(72、74、76)的粗糙度与上述描述的粗糙的前刀面24的粗糙度相同。基体22的侧面48的粗糙度和外露的侧面的粗糙度与上面描述的光滑侧面36的粗糙度相同。在另外的选择方案中，前刀面中心部分76可具有相对光滑的表面。
图3到5所述的实施例提供了一种切削刀具，由于基体前刀面的表面粗糙度该刀具的涂覆层与基体的前刀面有良好的粘附性。且由于该切削刀具有带涂层的前刀面的表面粗糙度，该切削刀具具有良好的切屑控制特性。由于带涂层的侧面的光滑表面，该切削刀具具有良好的工件表面精加工特性。
参见图6和图7，描述了一总体上由90表示的不带涂层的切削刀具。该不带涂层的切削刀具90可由适合于不带涂层条件下使用的任何切削刀具材料来制造。
该不带涂层切削刀具90包括一前刀面92和一侧面94。前刀面92具有一微观粗糙的表面。周边缘96在前刀面92和侧面94的汇合处。粗糙前刀面92的粗糙度与上述的粗糙前刀面24的粗糙度相同。侧面94的粗糙度与上面所述的光滑侧面36的粗糙度相同。
由于这种刀具前刀面的粗糙的表面，图6和图7所示的不带涂层的切削刀具具有良好的切屑控制特性，且由于该切削刀具光滑的侧面，这种刀具提供了光滑的工件表面。
图8和图9描述了本发明切削刀具的另一具体实施例，总体上由100表示。该切削刀100具有一带有前刀面104和侧面106的基体102。所述前刀面104是粗糙不平的，即，具有粗糙不平的表面微观外形。该基体的侧面106也具有粗糙不平的微观外形。切削刀具100包括一覆盖在基体102表面的涂层108。带涂层切削刀具的前刀面110具有粗糙不平的微观外形，且带涂层的切削刀具的侧面112也具有凹凸不平的微观外形。带涂层的前刀面和侧面(110，112)的表面粗糙度与上面描述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。
图8和图9所示的切削刀具，由于基体的前刀面和侧面具有粗糙不平的表面，所以这种刀具的涂层与前刀面和侧面具有良好的粘附性。由于带涂层前刀面的表面粗糙度，这种刀具提供了良好的切屑控制性能，但由于其带涂层的侧面的表面粗糙，工件表面光滑度比较差。
图10和11描述了本发明切削刀具的另一具体实施例，总体上由120来表示。切削刀具120有一带前刀面124和侧面126的基体122。前刀面124是粗糙不平的，即它具有一凹凸不平的表面微观外形。侧面126也具有一粗糙的微观外形。切削刀具100包括一覆盖在基体122表面上的涂覆层128。带涂层切削刀具的前刀面130有一凹凸不平的微观外形。基体122的前刀面和侧面(124，126)的表面粗糙度和带涂层的前刀面130的表面粗糙度与上面描述的粗糙前刀面24的粗糙度相同。
带涂层切削刀具的侧面132具有一光滑的微观外形。为了在带涂层刀具的侧面得到光滑的微观外形，该侧面必须经过磨光或其它处理来使其表面光滑。鉴于基体的侧面具有粗糙不平的微观外形这一事实，这种处理尤为必要。带涂层侧面132的表面粗糙度与上面描述的光滑侧面36的表面粗糙度相同的。
图10和11所示的切削刀具，由于基体的前刀面和侧面的表面粗糙度，这种切削刀具具有涂层与基体的前刀面和侧面有良好的粘附性这一优点。由于带涂层前刀面的表面粗糙度，这种切削刀具也表现出良好的切屑控制性。由于带涂层侧面光滑的表面，该切削刀具进一步提供了良好的工件表面加工特性。
图12和13描述了本发明切削刀具的另一具体实施例，总体上由140来表示。切削刀具140有一带前刀面144和侧面146的基体142。前刀面144是粗糙的，即其具有一粗糙的表面微观外形。侧面126有一光滑的微观外形。切削刀具140包括覆盖在基体142表面的涂层148。该带涂层的切削刀具的前刀面150具有一光滑的微观外形。带涂层的切削刀具的侧面152也具有一光滑的微观外形。为了在带涂层刀具的前刀面上获得光滑的微观外形，该前刀面必须要经过磨光处理或其它处理而得到这一光滑表面。鉴于基体的前刀面具有一粗糙的微观外形这一事实，这种处理尤其必要。
基体的前刀面144的表面粗糙度与上面描述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。基体侧面146的表面粗糙度和带涂层后的前刀面和侧面(150、152)的表面粗糙度与上面描述的光滑侧面36的表面粗糙度是相同的。
由于基体的前刀面的表面粗糙度，图12和13所示的切削刀具提供了良好的涂层与基体的前刀面的粘附性。由于带涂层侧面光滑的表面，这种切削刀具提供了良好的工件表面精加工性能。由于带涂层切削刀具前刀面的表面光滑度，这种切削刀具也提供了减小在带涂层的前刀面上形成边缘的倾向。
图14和15描述了本发明切削刀具的另一具体实施例，总体上由160表示。切削刀具160具有一带前刀面164和侧面166的基体162。前刀面164是粗糙的，即，其具有一粗糙的表面微观外形。侧面166具有光滑的表面微观外形。切削刀具160包括覆盖在基体162表面上的多层涂层。这些涂层包括一基层168，一中间层170，和一顶层172。带涂层切削刀具的前刀面174具有一粗糙的表面微观外形。该带涂层的切削刀具的侧面172具有光滑的表面微观外形。
基体前刀面164和带涂层前刀面174的表面粗糙度与上面描述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。基体侧面166与带涂层侧面176的表面粗糙度与上面描述的光滑侧面36的表面粗糙度相同。
由于基体前刀面表面粗糙度，以及叠加在上面的涂层的表面粗糙度，图14和15的切削刀具显示出涂层与基体的前刀面良好的粘附性。由于外露的带涂层前刀面的表面粗糙度，这种切削刀具表现出良好的切屑控制性能。由于带涂层的侧面的表面光滑度，这种切削刀具具有良好的工件表面精加工性能。
图16和17描述了本发明切削刀具的另一具体实施例，总体上由180表示。切削刀具180有一带一前刀面184和一侧面186的基体182。前刀面184是粗糙不平的，即其有一粗糙的表面微观外形。侧面186也具有一粗糙的微观外形。基体182的前刀面和侧面(184，186)的表面粗糙度与上述的粗糙前刀面24的表面粗糙度是相同的。
切削刀具180包括一覆盖在基体182表面的涂层188。带涂层的切削刀具的前刀面190有一光滑的微观外形。带涂层的切削刀具的侧面192也具有光滑的微观外形。为了在带涂层切削刀具的前刀面和侧面上获得这种光滑的微观外形，这些表面必须经过磨光处理或其它处理来使其表面光滑。鉴于基体的前刀面和侧面具有粗糙的微观外形这一事实，这种处理尤其是必须的。带涂层的前刀面和侧面(190，192)的表面粗糙度与已描述的光滑侧面36的粗糙度是相同的。
由于基体的前刀面和侧面的粗糙表面，图16和17所述的切削刀具的涂层与基体的前刀面和侧面有良好的粘附性。由于带涂层前刀面的表面光滑度，这种切削刀具具有减小在带涂层的前刀面上形成边缘的倾向。由于切削刀具带涂层的侧面的表面光滑度，这种切削刀具具有良好的工件表面光滑度。
关于这种切削刀具的生产，基体最好由传统的粉末冶金工艺制造。更具体地，基体中的粉末组分混合并压成一未烧结坯块。这一未烧结的坯块随后被加热处理，例如通过烧结，以便形成一基本上完全致密的基体(在带涂层的切削刀具情况下)，或者不带涂层的切削刀具。另外，通过同时加热和加压，例如通过热压，粉末混和物可被形成基本上完全致密的物体。可是，形成一带有可选择粗糙表面的基体所必须的压实工艺有许多变化方法。
制造基本上完全致密的基体的烧结工艺的一种变化方法是使用一压实器，该压实器将粉末压成一未烧结压实体，而这就在未烧结压实体中形成了必须的表面粗糙度。通过在该未烧结压实体中提供合适等级和尺寸的表面粗糙度，便形成一种烧结状态的基体，在该基体表面的选定位置提供了具有合适的表面粗糙度。对热压工艺过程使用带有必需的表面粗糙度的压实器也是可行的。
如果烧结状态(或基本上完全致密)的刀具的表面太粗糙，刀具上仅仅不理想的粗糙位置可以被研磨、抛光，激光抛光，或经其它精加工而产生必要等级的光洁度。对于刀具侧面，这种必要的光滑度等级可足以在切削时产生一光滑的工件表面光洁度，仍然使刀具整体的前刀面保持粗糙不平，以便产生理想的切屑流控制。对于前刀面，光滑度的等级可足以减小在该前刀面上形成边缘的倾向。基体的侧面可以是粗糙的，以便改善涂层在基体侧表面的粘附性。
根据刀具材料和切削应用场合，该刀具可被用于上述条件下。换言之，该刀具可在未涂覆的条件下使用。然而，更通用地，这种刀具被用作由CVD和PVD方法施加的保护防锈涂层的基体，然后被应用于切削场合。
本领域技术人员已知的涂覆工艺参数是这样的，即刀具的前刀面和侧面的粗糙度特性与进行涂覆操作前的基体的粗糙度特性是没有变化的。于是，通常对于典型的CVD和PVD涂覆工艺过程，带涂层的刀具的表面粗糙度是下层基体表面粗糙度和沉积涂覆层厚度的函数。一般说来，当涂层厚度增加时，不考虑基体的下层表面粗糙度，涂层的表面粗糙度也趋于增加。这就会导致外露的涂层表面多少比基体的表面粗，可是，这种基体前刀面的表面粗糙度的增加并不损害理想的切屑控制性能。基体表面粗糙度的增加对涂层与基体的粘附性并未产生消极影响，相反一般增加这种粘附性。
然而，刀具带涂层侧面表面粗糙度的增加会对由刀具形成的工件表面光洁度产生不利影响。因此，为了使涂层的光滑度成为可接受的表面光滑度涂覆后处理操作，如抛光、磨光、或激光抛光刀具的一些侧表面的整个表面可能是必需的。这样在切削操作时提供了可接受的光滑的工件表面加工。
带涂层的前刀面表面粗糙度的增加会产生形成边缘这一问题，即，来自切屑的材料会焊在切削刀具的前刀面上。为了减少形成边缘这一潜在问题，涂覆后处理操作，如抛光、磨光或激光抛光刀具的一些前刀面的整个表面可能是必须的，以便使涂层的表面光滑度成为可接受的表面光滑度，这样，就减小了形成边缘这种情况的潜在可能性。形成边缘是与工件材料有关的一个问题，然而前刀面的光滑性减小切屑的控制性能，由于基体前刀面的表面粗糙度，以使涂层具有良好的粘附性。
基本加工过程的另一种变形是在基体的初始加工处理后采用附加的再烧结步骤。再烧结的目的是增加基体如碳化钨表面的颗粒度以便形成一粗糙的不规则表面。这种不规则的表面使表面具有必要的粗糙度。这一工艺过程是悬而未决的于1993年11月30日申请的申请号为No.08/159,272，题目为DIAMOND COATED TOOLAND PROCESS FOR MAKING的美国专利申请的一个主题，它已转让给该申请的受让人。因此上述的美国专利申请在此被插入并供参考。
在这种结合烧结碳化钨基体使用再烧结的变形中，烧结碳化钨基烧结碳化物基体的表面由通过钴或钴合金粘结起来的碳化钨硬颗粒组成，钴不仅在碳化钨颗粒之间，而且由于在真空烧结状态下钴和碳化钨的润湿特性，一些钴也覆盖在基体表面上的碳化钨颗粒之上。
按照本发明，如上所述的烧结后并抛光基体在一定的时间、温度和保护气氛条件下再烧结，从而引起颗粒的增大和粘合剂从其表面耗尽。时间和温度的选择使得在再烧结基体的表面颗粒足够长大以便在粗糙前刀面24上产生上面描述的范围内的表面粗糙Ra。
达到所需表面粗糙度需要的再烧结时间取决于初始材料和烧结条件。当温度增加时，再烧结时间就减少。对于一些烧结碳化钨成分，已经发现在1510℃(2750°F)的温度2到3小时的再烧结时间就足以提供所需的表面粗糙度。如果在第一次再烧结处理后没有产生理想的表面粗糙度，基体可被再次烧结，直到产生理想的表面粗糙度。
相信在再烧结处理期间保护气氛对获得涂层与基体良好的粘结性也是重要的。相信如果在这种处理期间使用氮气保护气氛，在最终粗糙表面上的钴量将会减少。应当控制氮气分压以便允许钴从表面上挥发。在再结晶期间应当通过来自基体块的补充钴来将表面再润湿减至最小。
因此，最有益的氮分压多半是基体组分的函数。在再烧结操作过程期间，也可以控制或改变氮分压而控制基体块上钴的挥发量和挥发速度。相信可以使用0.3到50乇、较好0.3到5乇，最好0.3到2乇的氮气氛。理论上氮气氛允许在基体表面颗粒的外表面上的钴挥发，然后足够的钴留在表面碳化钨颗粒之间使它们保持与基体的剩余部分牢固地粘接在一起。钴的挥发伴随着表面碳化钨颗粒的增长，造成表面粗糙。
完成再烧结过程后，可通过物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺，或者包括物理气相沉积工艺的组合工艺来涂覆基体。使用前刀具在这种条件下可被CVD或PVD涂覆。如果直接涂覆再烧结状态的刀具，刀具侧面涂层的最外层表面在与工件相接触的区域最好通过磨光、抛光、激光抛光或者类似方法使其光滑，以便切削时该刀具能切削加工出最光滑的工件表面光洁度。
关于带涂层切削刀具的表面粗糙度，前刀面的粗糙度范围与上面描述的粗糙前刀面24的粗糙度范围相同。如上所述，在保留粗糙前刀面原封不动的情况下，对刀具侧表面进行研磨、磨光、抛光或激光抛光使其侧表面光滑。典型地，该侧面经过抛光使得该侧表面粗糙度与上述光滑侧面36的粗糙度范围相同。
对原始基体加工过程的另一种变形是在前刀面表面的选择位置进行研磨、EDM(放电加工)、或激光侵蚀，使在烧结的基体上具有一表面粗糙度。对于前面所述的所有变形，如果烧结状态基体的侧面表面足够光滑，就不需进一步处理。典型地，如果切削刀具被涂覆，只是在侧面的涂层将被磨光、抛光或激光抛光以达到必需的光洁度。
然而切削刀具，尤其是那些由烧结碳化钨制成的切削刀具一般通过冷压和真空烧结工艺(即，在约10-2到10-3乇的压力)生产制造，应当明白任何通用的工艺技术均可用来制得本发明的原始烧结基体。
实施例：
为了证明本发明提供的优点和益处，下文陈述许多实施例，以及这些实施例的试验结果。
对于下文陈述的所有实施例，除非另有说明，否则初始基体都是下列成分和性能的钴钨硬合金：重量百分比含量为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和其它杂质，余量为WC。烧结状态基体的其它性能为洛氏硬度在92.8到93.6范围内，抗磁力Hc’在290到440奥斯特之间，磁饱和度足以避免η相位的形成，平均WC颗粒尺寸在1-6微米之间，孔隙率额定值为A08，B00，C00或更好，密度为15.10到15.50克/立方厘米。
对于所有的这些实施例，所使用的切削刀具是SPG-422型(0.0005英寸半径珩磨头)刀具，它不带结构断屑器。
对于那些经过再烧结的实施例，在2750°F，约0.5乇氮气氛、三个小时进行再烧结，从而生产出大于45微英寸Ra的表面粗糙度。由于再烧结过程期间表面的钴挥发，烧结状态且经研磨的基体的再烧结一般会导致在再烧结基体中钴含量的减少。
对于那些经过抛光的实施例，使用一种尼龙刷对每边进行两分钟抛光，所述的尼龙刷的硬毛被注入120目钻石研磨砂并以1000rpm速度转动。这种毛刷可从Jason.Inc.of Cleveland.ohio获得。
为了评价各种涂层与切削刀具基体的粘附力，使用刻痕粘附载荷试验对下列实施例，即，EB46、CN88、CN89、EB56、CO07、CO08、EB66、EQ87和CQ88进行涂层粘附力测试。在这一方面，使用一洛氏硬度测量计，使洛氏硬度计的圆锥形金刚石压头在15kg、30kg、45kg、60kg和100kg的选择载荷范围，通过这样的刻痕粘附力测试来确定涂层与基底之间的粘附力。粘附力被定义为使涂层不结合和/或剥落的最小载荷。在刀具的两个地方进行测量。测量值“100+”表示在载荷为100kg时涂层仍没有不结合或剥落，这些测试使用的最大载荷为100kg。
下面对这些实施例进行描述。
实施例EB46由基本烧结状态烧结碳化钨基体(basic as-Sintered cemented fungsten carbide substrate)通过在CC800反应器中4小时PVD处理而施加一TiAlN涂层形成的，所述CC800来源于德国Cemecon GmbH of Aachen。这种反应器使用磁控电子管阴极真空喷镀处理来施加TiAIN。TiAlN涂层有约3.5微米的厚度。这一例子显示了通过PVD在研磨状态基体上施加单一薄层涂层的本发明的一实施例。
实施例CN88由基本烧结研磨基体经过上述的再烧结处理，然后与实施例EB46一样涂覆厚度约为3.5微米的TiAlN涂层。实施例CN88是本发明在施加较薄TiAlN涂层之前基体经过再烧结的一个实施例。
实施例CN89与实施例CN88相同。
实施例EB56由基本烧结研磨烧结碳化钨基体在德国Cemecon GmbH of Aachen的CC800反应器中通过PVD处理10小时施加TiAlN涂层得到的。所述TiAlN涂层厚约10.5微米。这一实施例是本发明通过PVD在研磨基体上施加较厚单一涂层的实施例。
实施例CO07由基本基体经过再烧结(如上所述)然后与实施例EB56一样施加厚度约10.5微米的TiAlN涂层而得到。实施例CO07是本发明在施加较厚TiAlN涂层前基体经受再烧结的一实施例。
实施例CO08与实施例CO07相同。
实施例EB66由基本烧结研磨烧结碳化钨基体与由CVD和PVD一起施加的多层涂层构成。涂层结构包括：由CVD施加的约1.0微米厚的TiN基层；由CVD施加的约4.0微米厚的TiCN中间层；以及由PVD施加的约4.0微米厚的TiN顶层。这一实施例提供了本发明的通过CVD和PVD在研磨基体上施加多层涂层的一实施例。
实施例CQ87由基本基体经过再烧结(如上所述)然后如实施例EB66一样施加相同的多层涂层而成。实施例CQ87是本发明在施加多层涂层之前使基体经过再烧结的一个实施例。
实施例CQ88与实施例CQ87相同。
在表I到III中列出了刻痕载荷试验结果，单位为千克(kg)。对于每个切削工具进行两次测试。较高的刻痕试验结果表示较好的涂层粘附性。
表I
带有3.5μm TiAlN PVD涂层基体的刻痕载荷试验结果
实施例 基体状态 损坏时刻痕载荷(kg)
EB46 研磨 45，  60
CN88 再烧结 100+， 100+
CN89 再烧结 100+， 100+
表II
带有10.5μm TiAlN PVD涂层基体的刻痕载荷试验结果
实施例 基体状态 损坏时刻痕载荷(kg)
EB56 研磨 30，  30
CO07 再烧结 60，  60
CO08 再烧结 100+，100+
表III
带有CVD-PVD涂层的基体的刻痕载荷试验结果
实施例 基体状态 损坏时刻痕载荷(kg)
EB66 研磨 60，  60
CQ87 再烧结 45，  60
CQ88 再烧结 45+，  45+
对现有技术切削刀具(KC730)的三个样品进行刻痕粘附力载荷测试，通过在离子镀敷在包含重量百分比约为6％的钴的烧结碳化物基体上进行离子镀敷而在三个试样上涂覆约3.5μm厚的TiN，对三个切削刀具的每一个，每个切削刀具的两个测量结果为30kg，45kg。
看表I，刻痕载荷结果显示对于有较薄层(约3.5μm)PVDTiAlN涂层的切削刀具，那些具有在涂覆前和初始烧结后再烧结基体的切削刀具载荷粘附力大大增加。在这一点上，与刻痕粘附载荷测量值为45kg和60kg的样品EB46相比，每个样品NOS，CN88和CN89都显示了100+kg的刻痕载荷结果。表I的结果与KC730切削刀具的结果相比显示出当在涂覆之前大体上完全致密的基体再烧结时较薄TiAlN涂层(样品CN88和CN89)的粘附力比比较例的传统切削刀具(KC730)的粘附力增加2到3倍以上。
看表II，刻痕载荷结果显示，通过PVD技术在研磨刀具上施加的较厚TiAlN涂层(约10.5μm)的粘附力约与传统切削刀具(KC730)的按照刻痕载荷试验测量的粘附力相同。当在涂覆前大体上完全致密的基体再烧结后，较厚PVD涂层的粘附力比传统的KC730切削刀具的粘附力大大提高。
看表III，刻痕载荷结果显示，对于多层涂层(CVD-TiN/CVD-TiCN/PVD-TiN)在具有磨削基体的切削刀具与具有再烧结基体的切削刀具之间，刻痕粘附载荷试验结果没有大的差异。
总之，很明显对于具有单一层TiAlN的切削刀具，无论是约3.5μm厚还是约10.5μm厚，研磨状态基体的再烧结大大改善了涂层粘附强度。带CVD-PVD涂层的切削刀具的研磨状态基体的再烧结看起来似乎没有大大改善涂层与基体的粘附力。
上述切削刀具的一些样品，以及两种传统的切削刀具在下列条件下用于车削383.2铝合金(百分之十一的硅)：速度为2500sfm，进给量每转0.005英寸，切削深度0.025英寸，液体冷却。下面在表IV中列出这些车削试验的结果。
表IV
切屑成形试验结果
实施例 基体状态 切屑特性
不带涂层基体 研磨状态不带涂层 “鸟巢”(图19)长连续切屑线
KC730切削刀具 研磨状态 “鸟巢”长连续切屑线
类似EB46切削刀具(3.5μm TiAlN涂层) 研磨状态 “鸟巢”长连续切屑线
类似CN88切削刀具(3.5μm TiAlN涂层) 再烧结 短圈切屑(图20B)
类似EB66切削刀具(CVD-PVD涂层结构) 研磨状态 “鸟巢”(图21A)长连续切屑线
类似CQ87切削刀具(CVD-PVD涂层结构) 再烧结 短圈切屑(图21B)
看表IV，车削383.2铝合金的测试结果显示出已烧结状态的基体的使用提供了大大改善的切屑成形性能。使用再烧结切削刀具，无论其具有单一薄层(约3.5微米)的TiAlN涂层还是具有多层涂层结构，都会形成短圈形式的切屑。短圈型的切屑是理想的切屑形式。
将图20A与图20B相比较，带单一薄层的TiAlN显示了一引人注目的形式，图20A所示的照片表示一种不理想的长连续切屑线形式。这与表示了一种紧密的短线圈形式的切屑的图20B形成了鲜明的对照。
图21A和21B也表示出研磨状态基体带CVD-PVD涂层的切削刀具与再烧结状态基体带CVD-PVD涂层的切削刀具的切屑成形之间有很大的区别。图21A是使用研磨状态基体带涂层的切削刀具车削时产生的长切屑线的照片。而图21B是使用再烧结状态基体带涂层的切削刀具车削时产生的紧密、短圈型切屑的照片。
具有再烧结状态基体的切削刀具车削时产生的短圈切屑形状与传统的不带涂层K11基体切削刀具和传统的带涂层KC730切削刀具车削时产生的切屑形状形成对照。图19是表示当使用不带涂层的K11基体切削刀具车削时产生的长连续切屑线的照片。很明显车削383.2铝合金时，再烧结状态基体的切削刀具，其中前刀面具有必要的表面粗糙度，提供了比研磨状态基体的切削刀具优越得多的切屑成形性能。
申请人相信，带有必需的前刀面粗糙度的切削刀具特别适合于加工所谓的“粘性”工件材料。这些工件材料包括铝基合金、磁性材料合金，铜基合金、黄铜合金，以及低碳钢合金，例如：AISI 1008和AISI 1045钢。
也使用了实施例EB46和CN82在上述条件下进行的对383.2铝合金的车削试验。这些试验结果在下列表V中列出。图18是切削刀具A-CN82(3.5μm TiAlN涂层再烧结)的示图，以便描述包括角2和4的切削刀具的四个角。涂覆后对切削刀具侧面的角4进行抛光。该切削刀具的其余部分不抛光。
表V
切削刀具的表面粗糙度特性和工件表面光洁度
刀具材料 涂覆前表面状态 刀具表面 涂覆后抛光
A-EB46 研磨状态 前刀面侧面 不不
A-CN82(角2) 再烧结 前刀面侧面 不不
A-CN82(角4) 再烧结 前刀面侧面 不是
刀具材料 涂层表面粗糙度(μ英寸Ra) 涂层表面粗糙度(μ英寸Rtm) 工件表面光洁度(μ英寸Ra) 切屑特性
A-EB46 9(r)11(f) 142(r)165(f) 42±7 长连续切屑
A-CN82(角2) 55(r)80(f) 354(r)387(f) 48±4 短圈
A-CN82(角4) 54(r)8(f) 348(r)55(f) 31±2 短圈
在上述表V记录的涂层表面粗糙度中，“(r)”表示切削刀具前刀面的粗糙度，“(f)”表示切削刀具侧面的粗糙度。
看表V，具有再烧结基体并带薄PVD TiAlN涂层(CN82)的切削刀具形成短圈形切屑，与具有磨削状态基体并带有薄PVDTiAlN涂层的切削刀具形成对比。那些具有再烧结基体且其涂层不被抛光的表面的涂层表面粗糙度最大。例如，研磨状态带涂层的切削刀具的前刀面和侧面分别具有9和11微英寸Ra(142和165微英寸Rtm)的表面粗糙度。这与具有再烧结基体且其涂层不经过抛光的表面粗糙度为54和60微英寸Ra(348和387微英寸Rtm)形成对比。
对具有再烧结基体的切削刀具的侧面抛光确实使表面光滑；因而使表面粗糙度降低。样品CN82相对角之间的对比表明抛光使涂层的表面粗糙度从60降到8微英寸Ra(387到55微英寸Rtm)。
对侧面的抛光也导致一较光滑的工件表面光洁度。在这一方面，研磨状态切削刀具加工的工件表面光洁度为42±7微英寸，再结晶状态切削刀具加工的工件表面光洁度为48±4微英寸Ra，这些表面光洁度与具有抛光侧面的切削刀具(CN82/角4)加工的表面光洁度为31±2微英寸形成对比。
下面描述的实施例，即，实施例EB46-Al，CN89-RL，CN89-RLB，EB56-AH，CO08-RH、CO08-RHB、EB66-A，CQ87-R和CQ87-RB用于在下列条件下车削304不锈钢：速度800sfm，每转进给量0.008英寸，切削涂度0.060英寸，液流冷却，15°导角。
实施例EB46-AL由基本烧结状态烧结碳化钨基体通过PVD处理四小时施加约3.5微米厚的TiAlN涂层而成。这一实施例提供了本发明的通过PVD给研磨状态基体施加单一薄层涂层的实施例。
实施例CN89-RL由基本基体经再烧结，然后施加与实施例EB46相同的约3.5微米厚的TiAlN涂层而成。实施例CN89-RL是本发明在由PVD施加单一薄层涂层前基体经受再烧结的一个实施例。
实施例CN89-RLB由基本基体在施加与实施例EB46相同的约3.5微米厚的TiAlN涂层之前经受再烧结而成的。然后实施例CN89-RLB经受侧面抛光。实施例CN89-RLB是本发明基体再烧结、涂覆单一PVD涂层，带涂层切削刀具侧面抛光的一个实施例。
实施例EB56-AH由基本烧结状态烧结碳化钨基体通过PVD10小时处理施加约10.5微米厚的TiAlN涂层而成。这一实施例提供了本发明通过PVD施加较厚的单层涂层的一个实施例。
实施例CO08-RH是由基本基体在施加与实施例EB56-AH相同的约10.5微米厚的TiAlN涂层前经受再烧结而成的。实施例CO08-RH是本发明在PVD施加较厚TiAlN涂层前基体经受再烧结的一个实施例。
实施例CO08-RHB是由基本基体在施加与实施例EB56-AH相同的约10.5微米厚的TiAlN涂层之前经受再烧结而成的。然后，该带涂层切削刀具的侧面进行抛光。实施例CO08-RHB是本发明在施加TiAlN涂层前基体经过再烧结，然后带涂层切削刀具的侧面被抛光的一实施例。
实施例EB66-A由基本烧结状态烧结碳化钨基体通过CVD和PVD的结合处理施加多层涂层而成。该涂层结构包括：由CVD施加约1.0微米厚的TiN基层；由CVD施加约4.0微米厚的TiCN中间层，由PVD施加约4.0微米厚的TiN顶层。这一实施例提供了本发明由CVD和PVD在研磨状态基体上施加多层涂层的一实施例。
实施例CQ87-R由基本基体在通过CVD和PVD施加与实施例EB66-A相同的多层涂层前经过再烧结而成。实施例CQ87-R是本发明在施加多层涂层前基体经受再烧结的一个实施例。
实施例CQ87-RB由基本基体在通过CVD和PVD施加与实施例EB66-A相同的多层涂层前经受再烧结而成。然后该切削刀具的侧面被抛光。实施例CQ87-RB是本发明在施加多层涂层前基体经过再烧结，然后带涂层的切削刀具的侧面被抛光的一个实施例。
对304不锈钢进行车削试验的结果在表VI到表VIII中列出。
看表的左方栏，刀具的“状态”的标记有下列含义。标记“A”表示切削刀具在涂覆过程前有一研磨状态基体。标记“R”表示切削刀具在涂覆过程前研磨状态的基体经过再烧结。标记“R&B”表示切削刀具在涂覆过程前研磨状态基体经过再烧结，切削刀具带涂层的侧面被抛光。
看标有“刀具寿命Q损坏形式”的这一排，刀具寿命以分钟测量。如果切削刀具仍然能用，即，车削40分钟后，刀具没有达到预选的失效指标，停止试验，该刀具的寿命为记录为40.0+没有发生失效。如果切削刀具达到预选的失效状态的一个指标，那么在这一时间失效的刀具寿命以分钟记录，同时记录详细的失效形式。下面描述失效形式。
当均匀侧面磨损达0.075英寸时出现均匀侧面磨损(“fw”)失效形式。当最大的局部侧面磨损达0.030英寸时，出现最大的局部侧面磨损(“mw”)失效形式。当测量前刀面表面，其最大月牙洼深度达0.004英寸时，出现最大月平洼深度(“Cr”)失效形式。当切割深度凹槽达到0.030英寸时，出现最大的切割深度凹槽(“dn”)失效形式。当切屑尺寸达到0.030英寸时出现最大的切屑(“Ch”)失效形式。标记“bk”意思是切削刀具破裂。
看标作“40分钟状态”的一排，这一排反映出假定切削刀具在测试中正好车削到第40分钟这一刻时该切削刀具在车削第40分钟结束时的状态。这一排表示在千分之一英寸条件下磨损状态和程度。
角剥落参数是一数字参数，它评价涂层角剥落的程度。侧面剥落参数是一数字参数，它评价涂层侧面剥落的程度。对于这两个参数，参数“5”表示涂层没有剥落。参数“3”表示有引人注意的剥落。参数“1”表示有严重的涂层剥落。参数“4”介于参数“5”和“3”之间，参数“2”介于参数“3”和“1”之间。
切屑流动参数是一数字参数，它表示切屑流损坏涂层的程度。参数“5”表示没有因为切屑流动引起的损坏。参数“3”表示有明显的由于切屑流引起的损坏。参数“1”表示有严重的切屑流损害。参数“4”介于切屑“5”和“3”之间。参数“2”介于“3”和“1”之间
表VI
基体带3.5μmTiAlN PVD涂层的切削刀具车削304不锈钢时的测试结果
实施例 EB46-AL CN89-RL CN89-RLB
状态 A R R&B
刀具寿命及失效形式 40.0+ 10.0fw 2.0ch
在40分钟时状态 1.8(fw)4.1(mw) - -
角剥落参数 3 5 5
侧面剥落参数 4 5 5
切屑流动参数 5 5 4
平均表面光洁度(μ英寸Ra) 114 124 100
高表面光洁度(μ英寸Ra) 133 124 108
低表面光洁度(μ英寸Ra) 102 124 87
表VII
基体带10.5μm TiAlN PVD涂层的切削刀具车削304不锈钢时的测试结果
实施例 EB56-AH CO08-RH CO08-RHB
状态 A R R&B
刀具寿命及失效形式 40.0+ 14.0+(mw) 20.0bk
在40分钟时状态 11.2(fw)15.4(mw) - -
角剥落参数 1 5 5
侧面剥落参数 2 5 5
切屑流动参数 5 3 3
平均表面光洁度(μ英寸Ra) 89 148 108
高表面光洁度(μ英寸Ra) 113 191 114
低表面光洁度(μ英寸Ra) 76 85 100
表VIII
基体带CVD-PVD涂层的切削刀具车削304不锈钢时的测试结果
实施例 EB66-A CQ87-R CQ87-RB
状态 A R R&B
刀具寿命与失效形式 40.0+ 40.0ch 40.0+
40分钟时的状态 1.7(fw)3.2(mw) 2.6(fw)5.2(mw) 4.8(fw)11(mw)
角剥落参数 4 5 5
侧面剥落参数 5 5 5
切屑流动参数 4 1 2
平均表面光洁度(英寸Ra) 85 123 46
高表面光洁度(英寸Ra) 94 137 53
低表面光洁度(英寸Ra) 82 88 35
传统KC730切削刀具的刀具寿命是2分钟并且失效形式是碎裂。角剥落参数是2，侧面剥落参数是5，切屑流动损害参数是4。传统的不带涂层K11切削刀具的刀具寿命是0.4分钟，失效形式为破裂。切屑流动损害参数是4。
现在看图VI，具有研磨状态基体并带单一薄层(3.5微米)TiAlN PVD涂层的切削刀具在车削304不锈钢时的刀具寿命远比传统的切削刀具以及具有再烧结基体的切削刀具的寿命长。研磨状态切削刀具(EB46-AL)的刀具寿命是40+分钟与另两种刀具的10分钟和2分钟形成对比。与具有研磨状态基体的切削刀具相比，具有再烧结基体的切削刀具具有最好的角剥落参数、侧面剥落参数、以及切屑流动损坏参数。使用带再烧结状态基体的切削刀具，工件的平均表面加工粗糙度更高，即，更粗。对具有烧结状态基体的切削刀具的侧面进行抛光有助于减少工件加工表面的粗糙度。
现在看表VII，具有研磨状态基体并带单一厚层(10.5微米)PVD TiAlN涂层的切削刀具在车削304不锈钢时的刀具寿命远比传统切削刀具长。具有再烧结基体并有单一厚层PVD TiAlN涂层的切削刀具远比传统切削刀具的寿命长，但比研磨状态切削刀具的寿命短。再烧结切削刀具比研磨切削刀具的角剥落参数和侧面剥落参数好。研磨状态切削刀具具有最好的切屑流动损坏参数。研磨状态切削刀具导致最光滑的工件表面加工。再烧结切削刀具提供最粗糙的工件表面加工。抛光减小工件表面粗糙度(CO08-RHB)。
现在看图VIII，带多层涂层的切削刀具的寿命比传统切削刀具的寿命长。再烧结切削刀具具有优异的角剥落参数和侧面剥落参数。研磨状态切削刀具具有最好的切屑流动损害参数，而其它切削刀具具有较次的参数。再烧结切削刀具经过磨光产生具有最光滑加工表面的工件。再烧结切削刀具产生具有最粗糙加工表面的工件。
现在再看表VI到VIII，具有低钴(2.9重量百分比)基体的切削刀具在车削304不锈钢时表现出杰出的刀具寿命。更具体地，实施例EB46-AL(研磨状态低钴基体/3.5μmTiAlN PVD涂层)具有40.0+分钟的刀具寿命而不失效。实施例EB56-AH(研磨状态低钴基体/10.5μm TiAlN PVD涂层)具有40.0+分钟的刀具寿命而无刀具失效。实施例EB66-A(研磨状态低钴基体/CVD-PVD涂层)具有40.0+分钟刀具寿命而无失效。实施例CQ87-R(再烧结低钴基体/CVD-PVD涂层)具有40.0分钟刀具寿命伴随着碎裂失效。实施例CQ87-RB(再烧结且抛光低钴基体/CVD-PVD涂层)具有40.0+分钟的刀具寿命而无失效。很清楚，使用低Co-Wc基体带任何一涂层结构均会导致刀具寿命优于相比较的传统切削刀具(KC730和不带涂层K11)。
这里在说明书中描述的涂层结构可用于具有富含粘结剂外周层的基体。当使用富含粘结剂的基体时，这些涂层结构应当具有与相对于在说明书中描述的低钴基体存在的优点和有益效果相同的优点和有益效果。
当考虑了在这里披露的本发明的详细说明和实验数据后，本领域技术人员可以很容易明白本发明的其它具体实施例。应当指出说明书和具体实施例仅被作为示范，本发明的真正范围及其精神将由下列权利要求书来指出。

Claims (36)

1.一种带涂层切削刀具包括：
一基体；以及
在该基体表面上的一PVD涂层，当用洛氏A刻痕粘附力载荷试验测量时；该PVD涂层具有超过或等于80kg的粘附力。
2.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，当用洛氏A刻痕载荷粘附力载荷试验测量时，所述PVD涂层的粘附力大于或等于100kg。
3.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述PVD涂层在刀具侧面具有至少约3微米的厚度。
4.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述PVD涂层在刀具前刀面具有至少约3微米的厚度。
5.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述涂层包括TiAlN。
6.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述涂层包括矾土。
7.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述涂层包括TiC。
8.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体包括硬质合金和粘结剂，所述基体包括一富含粘结剂的外周层。
9.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述基体具有一实质上均匀的微观结构。
10.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述涂层包括立方氮化硼。
11.如权利要求1所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述基体具有一前刀面和一侧面，在该前刀面和侧面汇合处的边缘，所述基体含有0.2到2.9重量百分比的Co组份，其余主要是WC。
12.如权利要求11所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述基体包含约2.3到约2.9之间的重量百分比的Co。
13.一种带涂层切削刀具包括：
一基体；
一该基体表面的PVD涂层，在选定的前刀面或侧面之一上，该PVD涂层具有至少6微米的厚度；当用洛氏A刻痕粘附力载荷试验测量时，该PVD涂层具有大于或等于60kg的粘附力。
14.如权利要求13所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述基体包括一硬质合金和一粘结剂金属，且该基体在靠近其外周的位置具有一粘结剂富含层。
15.如权利要求13所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述基体有一实质上均匀的微观结构。
16.如权利要求13所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述的PVD涂层具有6到15微米的厚度，且当用洛氏A刻痕粘附力载荷试验测量时，该涂层的粘附力等于或大于60kg。
17.如权利要求16所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述PVD涂层具有从6到12微米的厚度。
18.一种带涂层切削刀具包括：
一具有一前刀面和一侧面的基本上完全致密的基体，该基体的前刀面的表面粗糙度为15微英寸Ra和125微英寸Ra之间；以及
一通过物理气相沉积施加的外涂层，使得切削刀具提供一带涂层的前刀面和侧面。
19.一种如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体侧表面具有从15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度。
20.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述带涂层前刀面具有从15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度，且带涂层侧面具有从15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度。
21.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述带涂层前刀面具有从15微英寸Ra到125微英寸Ra的表面粗糙度，且所述带涂层侧面的表面粗糙度比带涂层前刀面的表面粗糙度低，为小于25微英寸Ra。
22.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，带涂层前刀面的表面粗糙度小于25微英寸Ra，带涂层侧面的表面粗糙度小于25微英寸Ra。
23.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体侧面的表面粗糙度比前刀面的表面粗糙度小，为小于25微英寸Ra。
24.如权利要求23所述的带涂层切削刀具，其特征在于，带涂层前刀面的表面粗糙度为15微英寸Ra和125微英寸Ra之间，且带涂层侧面的表面粗糙度小于带涂层前刀面的表面粗糙度，为小于25微英寸Ra。
25.如权利要求23所述的带涂层切削刀具，其特征在于，带涂层前刀面的表面粗糙度小于25微英寸Ra，且带涂层侧面的表面粗糙度小于25微英寸Ra。
26.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体组分包括：0.2到2.9重量百分比的Co；其余主要由碳化钨组成。
27.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，通过再烧结烧结状态基体而得到粗糙的前刀面。
28.如权利要求27所述的带涂层切削刀具，其特征在于，再烧结是在氮气氛中进行的。
29.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体是一陶瓷材料。
30.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体是一强化陶瓷材料。
31.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体是一金属陶瓷。
32.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体是多晶金刚石。
33.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，基体是多晶立方氮化硼。
34.如权利要求18所述的带涂层切削刀具，其特征在于，所述基体包括一硬质合金和一粘结剂金属，且该基体具有一富含粘结剂外周层。
35.如权利要求34所述的带涂层切削刀具，其特征在于，当由洛氏A刻痕粘附力载荷试验测量时，所述PVD涂层具有大于或等于60kg的粘附力。
36.如权利要求35所述的带涂层切削刀具，进一步在PVD层和基体之间包括至少一层由化学气相沉积施加的涂层。
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