CN1805821A - 具有钎焊超硬刀坯的涂层刀具 - Google Patents

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Abstract

涂层刀具(20)包括具有凹槽(24)的刀体(22)。所述刀具还包括使用钎焊合金钎焊到凹槽(24)中的多晶立方氮化硼刀坯(25)。钎焊合金的液相线温度至少约900℃。在刀具上涂覆有涂层(30)。

Description

具有钎焊超硬刀坯的涂层刀具
                       发明背景
本发明涉及使用超硬刀坯的涂层刀具。更具体地，本发明涉及使用例如钎焊多晶立方氮化硼刀坯的涂层刀具。
目前，使用超硬刀坯作为提供切削刃的切削元件的涂层刀具已为人所知。这些刀具包括具有槽口或凹槽的刀体。超硬刀坯采用钎焊合金钎焊到槽口或凹槽中，这样，在超硬刀坯与刀体之间形成钎焊接头。
在一种可选择方案中，超硬刀坯包括其上存在超硬材料层(例如多晶立方氮化硼)的支撑体(如钴粘结碳化钨)。作为另一种可选择方案，超硬刀坯完全由超硬材料构成。在材料去除过程中，超硬层(或超硬材料)确定切削刃，该切削刃与工件材料接触，将工件材料去除，起切削元件的作用。
材料去除操作期间，在超硬材料切削刃与工件材料的接触点产生热(并且有时产生相当多的热量)。当工件材料较硬例如是D3工具钢时更是如此。这种材料的硬度达到Rockwell C 60(AISI D3)的水平，其中，淬火硬度可在约64-66 Rockwell C之间，回火硬度在约54-61Rockwell C之间。
由于会产生过多的热量，使用具有钎焊超硬刀坯的涂层刀具存在超硬刀坯从刀体脱焊的缺点。换言之，在超硬刀坯与工件材料的接触点处产生的热量传过超硬刀坯，结果引起钎焊接头处的温度达到钎焊合金熔化(或软化)的程度，从而降低了钎焊接头的剪切强度。钎焊接头剪切强度的下降削弱了钎焊接头，结果，作用在超硬刀坯上的切削力可能使超硬刀坯与刀体分离。
通过使用具有钎焊超硬刀坯的刀具进行的干切削过程，例如对碳/碳复合材料、磨料增强的聚合物材料以及各种木质材料进行机加工去除材料时，也会产生较高的切削温度。如前所述，较高的切削温度会导致钎焊接头处的温度较高。钎焊接头处的较高温度则可能导致钎焊合金软化或熔化，降低剪切强度，结果，在施加在超硬刀坯上的切削力的影响下，会引起超硬刀坯与刀体脱离或分离。
根据切削温度所采取的施加在刀具上切削力的大小、钎焊接头处的温度、钎焊合金的液相线温度以及钎焊合金的剪切强度显示对超硬刀坯在材料去除操作期间保持在刀具凹槽中的能力有影响。当钎焊接头处的温度达到某一水平时，钎焊接头的剪切强度开始下降。当钎焊接头的剪切强度比抵抗施加在超硬刀坯上切削力的作用以保持其整体性所必需的强度低时，超硬刀坯会与刀体分离。人们可以意识到，超硬刀坯与刀体早期(或灾难性)分离或脱离是不希望出现的结果。
因此，希望提供一种涂层刀具，该刀具采用钎焊超硬刀坯作为提供切削刃的切削元件，其中，刀体与超硬刀坯之间的钎焊接头能够承受在材料去除操作期间产生的热量。
还希望提供一种涂层刀具，该刀具采用钎焊超硬刀坯作为提供切削刃的切削元件，其中，通过使用能够在材料去除操作期间存在于钎焊接头处的温度下保持充分剪切强度的钎焊合金(即高温钎焊合金)，以保持钎焊接头的整体性，从而使刀体与超硬刀坯之间的钎焊接头能够承受在材料去除操作期间产生的热量。
还希望提供一种涂层刀具，该刀具采用钎焊超硬刀坯作为提供切削刃的切削元件，其中，通过使用高温钎焊合金，加之通过超硬刀坯的几何形状和设计降低钎焊接头暴露在过高温度下的程度，以在材料去除操作期间保持钎焊接头的整体性，从而使刀体与超硬刀坯之间的钎焊接头能够承受在材料去除操作期间产生的热量。
此外，还希望提供一种涂层刀具，该刀具采用钎焊超硬刀坯作为提供切削刃的切削元件，其中，通过超硬刀坯的几何形状和设计降低钎焊接头暴露在过高温度下的程度，以在材料去除操作期间保持钎焊接头的整体性，从而使刀体与超硬刀坯之间的钎焊接头能够承受在材料去除操作期间产生的热量。
最后，希望提供一种涂层刀具，该刀具采用钎焊超硬刀坯作为提供切削刃的切削元件，其中，通过使用高温钎焊合金以及有助于避免钎焊接头暴露在过高温度下的涂层设计，使刀体与超硬刀坯之间的钎焊接头能够承受在材料去除操作期间产生的热量。
                       发明概述
本发明的一种形式是包括具有凹槽的刀体的涂层刀具。该刀具还包括使用钎焊合金钎焊到所述凹槽中的多晶立方氮化硼刀坯。所述钎焊合金的液相线温度至少约900℃。在所述刀具上涂覆有涂层。
本发明的另一种形式是包括具有凹槽的刀体的涂层刀具，其中，使用钎焊合金将超硬刀坯钎焊到凹槽中。所述钎焊合金的液相线温度至少约900℃，其中，所述钎焊合金选自于包括含镍和金的镍金钎焊合金、含铜和金的铜金钎焊合金以及含银和钯的银钯钎焊合金的组。在所述刀具上涂覆有涂层。
本发明的又一种形式是在材料去除操作中用于从工件中去除材料的涂层刀具，其中，所述涂层刀具在选定切削深度对工件进行走刀。所述刀具包括具有凹槽的刀体。多晶立方氮化硼刀坯具有前刀面、切削刃和从切削刃延伸远离该切削刃的杆臂(leg)。所述刀坯采用钎焊合金被钎焊到凹槽中，由此，在所述刀体与所述多晶立方氮化硼刀坯之间存在钎焊接头。该钎焊接头位于距所述多晶立方氮化硼刀坯的前刀面约1.5-4.9毫米处，而且，所述杆臂长度至少约为所述切削深度的1.7倍。在刀具上涂覆有涂层。
本发明的又一种形式是在材料去除操作中用于从工件中去除材料的涂层刀具。所述刀具包括具有凹槽的刀体。超硬刀坯具有前刀面和切削刃，所述刀坯采用钎焊合金被钎焊到所述凹槽中，由此，在所述刀体与所述刀坯之间存在钎焊接头。所述钎焊合金具有液相线温度。所述超硬刀坯在材料去除操作期间在工件上走刀，结果，切削力作用于所述超硬刀坯上，并且在所述超硬刀坯的切削刃处产生热。所述钎焊接头位于距切削刃选定距离处，这样，钎焊接头处的温度低于钎焊合金的液相线温度，因此，钎焊接头在材料去除操作期间具有充分的剪切强度将超硬刀坯保持在凹槽中。刀具上存在涂层。
本发明的又一种形式是制备涂层刀具的方法，其包括如下步骤：提供具有凹槽的刀体；使用液相线温度至少约900℃的钎焊合金将多晶立方氮化硼刀坯钎焊到所述凹槽中；采用四氯化钛和氯化铝气体腐蚀所述多晶立方氮化硼刀坯；以及通过化学气相沉积对刀具进行涂覆。
本发明的又一种形式是在车丝操作中通过使用涂层刀具从工件中去除材料的方法，所述工件包括硬度约50-65 Rockwell C的铁基合金，所述方法包括：提供包括具有凹槽的刀体的涂层刀具，其中，采用钎焊合金将超硬刀坯钎焊到凹槽中，形成钎焊接头，其中所述钎焊合金的液相线温度至少约900℃，所述钎焊合金选自于包括含镍和金的镍金钎焊合金，含铜和金的铜金钎焊合金，含金、铜和镍的金铜镍钎焊合金，含银、钛和铜的银钛铜钎焊合金以及含银和钯的银钯钎焊合金的组；并且，采用所述涂层刀具对工件进行多次走刀，其中，每次走刀去除工件材料的量基本上等于或少于前次走刀中的去除材料量。
                       附图简述
下面是构成本专利申请一部分的附图的简要说明：
图1是一种涂层刀具的一个实施方案的等比例视图，所述涂层刀具包括带有凹槽(或槽口)的刀体和钎焊在所述凹槽中的多晶立方氮化硼刀坯，其中，所述刀坯完全由多晶立方氮化硼构成。
图2是图1的涂层刀具沿图1中2-2剖面线的截面视图；
图3是一种涂层刀具的另一个实施方案(即车丝工具)的等比例视图，所述涂层刀具包括凹槽和钎焊在该凹槽中的多晶立方氮化硼刀坯，其中，所述刀坯包含附着在钴粘结碳化钨层上的多晶立方氮化硼层，而且，所述涂层是多层涂层；
图4是图3的涂层刀具沿图3中4-4剖面线的截面视图，展示出其中的多层涂层设计和钎焊接头；
图5A是图4中的车丝工具的侧视示意图，其展示出在材料去除期间将出现的温度梯度；
图5是涂层车丝工具一部分的顶视示意图，其展示出多晶立方氮化硼刀坯的选定尺寸；
图6是图5中涂层刀具的侧视示意图，展示多晶立方氮化硼刀坯的选定尺寸；
图7是一种涂层刀具的截面视图，其中，所述刀体带有凹槽，多晶立方氮化硼刀坯钎焊在凹槽中，其中，所述刀坯完全由多晶立方氮化硼构成，并且，所述涂层是多层涂层；
图8是一种涂层开槽工具的等比例视图，其中，所述工具的几何形状具有TOP NOTCH(TOP NOTCH为Kennametal Inc注册商标)设计；以及，
图9是一种涂层车丝工具的等比例视图，其中，所述工具的几何形状具有TOP NOTCH(TOP NOTCH为Kennametal Inc注册商标)设计。
                       发明详述
参照附图，图1和2说明的是一般标记为刀具20的涂层刀具的一个实施方案。刀具20包括具有槽口或凹槽24的刀体22。所述刀体22可以采用多种材料制造，但是一种优选材料是钴粘结碳化钨，其中，所述钴在粘结碳化钨中占约6重量％，所述碳化钨在粘结碳化钨中占约94重量％。所述槽口24位于所述刀体20的一个棱角处，但是，应该意识到所述槽口可以位于与之相对的棱角或者所述刀体22的所有四个棱角处。
多晶立方氮化硼(PcBN)刀坯25在槽口24内被钎焊在刀体22上。PcBN刀坯25包括其上存在多晶立方氮化硼层27的碳化物支撑体26。尽管此后将给出PcBN的具体组成，但是，典型的PcBN刀头是立方氮化硼与另一种材料如碳化钛或某些其他合适的粘结剂材料的混合物。钎焊接头28在所述刀体22与所述PcBN刀坯25的连接处。下面介绍具体的钎焊合金。本申请优选的钎焊合金是一种高温钎焊合金，其液相线温度(即：合金完全处于液态的最低温度)至少约900℃，而且，甚至更优选液相线温度至少约1000℃。例如表1所示的钎焊合金是有用的高温钎焊合金。但是，由下面的讨论将明显看出，从减少钎焊接头在材料去除操作期间暴露在过高温度的多晶立方氮化硼刀坯的设计和几何性质角度考虑，可适当使用液相线温度较低的钎焊合金。
刀具上涂覆有涂层30。该涂层也以单层形式示出。但是，典型地，所述涂层可以包括不止一层，这一点从下面的具体涂层设计中将明显看出。
参照图3和4，所示出的是一般标记为40的涂层刀具的另一个实施方案。刀具40是车丝工具的一个例子。刀具40包括具有凹槽44和孔45的刀体42。由前面对刀具20的刀体22的讨论可知，所述刀体42可以采用包括钴粘结碳化钨在内的多种材料制造。多晶立方氮化硼刀坯46被钎焊在所述槽口44内。PcBN刀坯46包括PcBN层48和钴粘结碳化钨支撑体50。所述PcBN层48附着在支撑体50上。所述PcBN刀坯46具有前刀面52和侧刀面54(Flank surface)，其中，前刀面52与侧刀面54相交形成切削刃56。与图1和2中的刀具20相似，PcBN层的组成可以根据具体用途加以改变。PcBN层的一个具体组成是KD050，其中，KD050的组成中约含50％(体积)的立方氮化硼和约50％(体积)的碳化钛。支撑体50根据应用场合也可以包含多种组成中的任何一种。
所述PcBN刀坯46上涂覆有多层涂层。在图3所示的具体实施方案中，所述涂层包括六层，而且，涂层设计的涂覆采用开始时首先制备基体表面然后向基体表面涂覆涂层的下述步骤进行：(1)采用四氯化钛和氯化铝气体腐蚀基体表面；(2)在约900℃下，采用CVD涂覆氮化钛涂层(涂层56)，达到涂层厚度约0.5-3微米，优选厚度为约1微米；(3)在约880℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层(涂层58)，达到涂层厚度约1-10微米，优选厚度为约3微米；(4)在约1000℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层(涂层60)，达到涂层厚度约0.5-5微米，优选厚度为约1微米；(5)在约1000℃下，采用CVD涂覆钛的碳氮氧化物和钛铝的碳氮氧化物的结合层[梯度层](涂层62)，达到涂层厚度约0.3-5微米，优选厚度为约1微米；(6)在约1000℃下，采用CVD涂覆氧化铝涂层(涂层64)，达到涂层厚度约1-10微米，优选厚度为约4微米；以及(7)在约1000℃下，采用CVD涂覆氮化钛-碳氮化钛涂层(涂层66)，达到涂层厚度约0.5-6微米，优选厚度为约2微米。
参照图5和6，所示出的是一般标记为76的车丝工具中的PcBN刀坯70钎焊到刀体74凹槽72中的布置。所述PcBN刀坯70包括PcBN层78和钴粘结碳化钨支撑体80。在所述PcBN刀坯70与确定槽口72的刀体表面之间存在钎焊接头82。PcBN刀坯70具有前刀面84和侧刀面86。所述前刀面84与所述侧刀面86相交形成切削刃88。出于说明性目的，将涂层自图5和6中去掉。
一种优化钎焊接头承受在切削操作期间存在于钎焊接头处温度的能力的方法是使钎焊接头距PcBN刀坯(即切削刃)与工件材料接触点的距离最佳。PcBN刀坯的尺寸决定接触点与钎焊接头之间的距离。对于包括存在于钴粘结碳化钨支撑体上的PcBN层的超硬刀坯而言，根据通过接触点与钎焊接头之间的距离对钎焊接头热保护的程度与增大PcBN层尺寸或增大支撑体尺寸(或者同时增大PcBN层尺寸和支撑体尺寸)的成本之间的平衡，来选择超硬刀坯的这些尺寸。当超硬刀坯为PcBN整体块时，则PcBN块的尺寸(并且因此其成本)针对通过接触点与钎焊接头之间的距离对钎焊接头热保护程度进行平衡考虑。
图5A是展示在材料去除操作期间涂层刀具76中将出现的温度梯度线Tmax以及T1-T5的示意图。最高温度(Tmax)位于PcBN刀坯70的切削刃与工件材料之间的接触点处。温度梯度线T1，T2，T3，T4和T5代表的是在距接触点不同距离处的5个不同温度。人们可能意识到，当进一步远离接触点时，温度下降。所述温度梯度满足如下关系：T1＞T2＞T3＞T4＞T5。
所述钎焊接头82包括所述PcBN刀坯70与刀体74中存在的所述凹槽72之间的连接，其中，所述钎焊接头82有两个主要部分。一个部分是在PcBN刀坯与凹槽的底面(或图5A中的水平面)之间，而另一个部分则是在PcBN刀坯与背面(或图5A中的垂直面)之间。这些温度梯度线表明在靠近接触点的位置，所述钎焊接头82暴露在更高的温度下，而且，当进一步远离所述接触点时，温度下降。通过选择影响相对于切削刃钎焊接头的位置的PcBN刀坯的某种尺寸，人们可以选择钎焊接头处存在的温度，或者至少向钎焊接头提供某种程度的热保护。对于包括支撑体和PcBN层的超硬刀坯而言，由于支撑体是超硬刀坯两种组分中最便宜的组分，因此，通常增加支撑体的厚度。支撑体厚度增加的程度取决于切削温度和特定钎焊合金的性能(例如液相线温度和剪切强度)。支撑体应足够厚，以使钎焊接头处存在的温度(在图5A中大约是T5)低于钎焊合金的液相线温度，并且，使钎焊合金拥有充分的剪切强度，以保持钎焊接头的完整性，从而能够抵抗将施加在PcBN刀坯上的切削力作用将PcBN刀坯保留在刀体上。
在图5和6所示的一个实施方案中，PcBN刀坯70的长度″a″为0.190英寸(4.82毫米)；PcBN层78的厚度″d″为0.030英寸(0.76毫米)；支撑体80的厚度″c″为0.160英寸(4.1毫米)；PcBN刀坯70的总厚度″b″为0.190英寸(4.83毫米)。PcBN刀坯70的杆臂长度为尺寸″e”，其大约0.220英寸(5.59毫米)。
参照图7，所示出的是一般标记为90的涂层刀具的截面视图，其中，所述刀具90具有钎焊到刀体96凹槽94中的PcBN刀坯92。所述PcBN刀坯92完全由多晶立方氮化硼构成。一个完全由多晶立方氮化硼构成的示例性PcBN刀坯92是Element Six公司以品名AMBORITE(Grade AMB 90)销售的PcBN材料，其中，所述AMBORITE(Grade AMB90)PcBN材料含有约90％(体积)的立方氮化硼和约10％(体积)的包括氮化铝、二硼化钛和碳化硅之和。AMBORITE(Grade AMB 90)PcBN材料的涂层设计包括：在约970-1000℃下实施的化学气相沉积涂层设计，其起始层为氧化铝，之后为碳氮化钛层，之后为钛的碳氮氧化物层，之后，为钛铝的碳氮氧化物层，之后，是一厚层氧化铝，然后再是氮化钛层，之后为碳氮化钛层，最后是氮化钛层。所述厚氧化铝层的厚度约5-6微米。位于较厚氧化铝层下面的各层厚度约3微米，位于较厚氧化铝层上面的各层厚度则约2.5微米。
下面介绍另一个适合刀具90采用的涂层设计(用括弧98表示)：该涂层设计的涂覆步骤如下：(1)采用四氯化钛和氯化铝气体腐蚀基体表面；(2)在约1000℃下，采用CVD涂覆氧化铝涂层(涂层100)，涂层厚度约0.5-10微米，优选厚度为约1微米；(3)在约1000℃下，采用CVD涂覆氮化钛涂层(涂层102)，涂层厚度约0.5-6微米，优选厚度为约1微米；(4)在约990℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层(涂层104)，涂层厚度约0.5-8微米，优选厚度为约2微米；(5)在约1000℃下，采用CVD涂覆钛的碳氮氧化物和钛铝的碳氮氧化物的结合层[梯度的](涂层106)，涂层厚度约0.5-6微米，优选厚度为约1微米；(6)在约1000℃下，采用CVD涂覆氧化铝涂层(涂层108)，涂层厚度约0.5-12微米，优选厚度为约4微米；以及(7)在约1000℃下，采用CVD涂覆氮化钛-碳氮化钛-氮化钛涂层(涂层110)，涂层厚度约0.5-6微米，优选厚度为约2微米。
图8示出了一般标记为116的涂层刀具。涂层刀具116具有超硬刀坯118。刀具116是标记为TOP NOTCH工具的开槽工具。
图9示出了一般标记为120的涂层刀具。涂层刀具120具有超硬刀坯122。刀具120是标记为TOP NOTCHS工具的车丝工具。
下面的表1示出的是用于将多晶立方氮化硼刀坯钎焊到刀具刀体上的典型钎焊合金。
                      表1有用的钎焊合金的实例
  钎焊合金   组成(重量百分数)   液相线(℃)   固相线(℃)   熔点(℃)   剪切强度(磅)
  金-铜   50％Au50％Cu   969   954   954   13752
  金-铜-镍   35％Au62％Cu3％Ni   1028   973   973   12844
  金-铜   37.5％Au62.5％Cu   1015   940   940   13023
  Bau-4金-镍   82％Au18％N i   948   948   948   21686
  Bau-6金-镍-钯   70％Au22％Ni8％Pd   1045   1006   1006   26670
  银-钯   95％Ag5％Pd   995   970   970   未测
在上述表1中，剪切强度的单位是磅，其是通过将0.5英寸的方形碳化物钎焊在碳化物组件上并且对这些碳化物组件间的钎焊接头(即：碳化物-碳化物钎焊接头)进行纯剪切试验所获得的结果。对钎焊接头连续加载直至失效，所给出结果是钎焊接头失效时的载荷(单位：磅)。
由下面的讨论可明显看出：表2提供的是充分了解下面表3-7所示涂层设计所必需的信息。表3-7包括可用于本发明的多晶立方氮化硼刀具的涂层设计实施例。在这些实施例中，所述刀具使用的是多晶立方氮化硼的所述KD050组成。KD050组成包含约50％(体积)的立方氮化硼和约50％(体积)的碳化钛。表3-7中的各表给出了一个系列涂层设计的详细信息。
参照表3-7，左手一列是刀具编号，并列出了多晶立方氮化硼层的组成。所述PcBN的组成是上述的KD050或KD120。
仍然参照表3-7，名称为“涂层设计”的列给出了涂覆在PcBN刀坯上的各种涂层设计(或布置)，该涂层设计自邻近基体的涂层开始。下面的表2中给出了各缩写的含义。
                   表2
     表3和4所列涂层设计中各缩写的含义
 缩写   含义
 N   高温(970-1000℃)CVD涂覆氮化钛
 CN   高温(970-1000℃)CVD涂覆碳氮化钛
 MT   中温(870-890℃)CVD涂覆碳氮化钛
 A   在970-1000℃下CVD涂覆氧化铝
 OCN   在970-1000℃下CVD涂覆TiOCN层，该层是α-氧化铝改性层
 TiAlOCN   在970-1000℃下CVD涂覆TiAlOCN层
 MT-N   中温(870-890℃)CVD涂覆氮化钛
关于名称为“厚度”的一列，该列给出了三个厚度测量值(单位：微米)。第一个厚度测量值代表从基体到氧化铝层之间各层的总厚度。第二个厚度测量值代表氧化铝层的厚度。第三个厚度测量值代表位于氧化铝层之上的各层厚度。
关于标记为“钎焊合金”的一列，这是用来将PcBN刀坯钎焊到刀体的凹槽中的钎焊合金。这些钎焊合金对应的是上述表1所列的钎焊合金。
                                表3
                       第一系列刀具的涂层设计
  刀具编号(MCT8686)/PcBN组成   涂层设计   厚度(微米)   钎焊合金
  10KD050   N/CN/OCN/A/N   4.0/7.6/2.7   镍-金
                                    表4
                           第二系列刀具的涂层设计
  刀具编号(MCT8787)/PcBN  组成   涂层设计   厚度(微米)   钎焊合金
  8KD050   CN/OCN/TiAlOCN/A/N   3.3/7.0/2.4   镍-金
  10KD050   C/CN/OCN/TiAlOCN/A/N   5.2/7.0/4.0   镍-金
  17KD050   C/CN/OCN/TiAlOCN/A/N   3.5/4.4/3.4   镍-金
  19KD050   MT-N/MT/CN/OCN/TiAlOCN/A/N   3.4/9.2/2.2   镍-金
                                    表5
                           第三系列刀具的涂层设计
  刀具编号(MCT9610)PcBN组成   涂层设计   厚度(微米)   钎焊合金
  2/KD050   MT-N/MT/CN/OCN/TiAlONC/A/N   5.9/4.0/3.1   银-钯
  3/KD050   CN/OCN/TiAlOCN/A/N/CN/N   3.8/6.0/2.4   银-钯
  5/KD050   MT-N/MT/CN/OCN/TiAlONC/A/N   9.4/4.4/3.1   铜-金
                                 表6
                        第四系列刀具的涂层设计
  刀具编号(MCT9319)PcBN组成   涂层设计   厚度(微米)   钎焊合金
  6/KD050   MT-N/MT/CN/OCN/TiAlOCN/A/N   2.9/5.0/3.8   铜-金
  14/KD050   CN/OCN/TiAlOCN/A/N/CN/N   4.8/10.5/2.5   铜-金
                                   表7
                          第五系列刀具的涂层设计
  刀具编号PcBN组成   涂层设计   厚度(微米)   钎焊合金
  1/KD050   MT-N/MT/CN/OCN/TiAlOCN/A/N   3.4/3.8/2.4   银-钯
  2/KD050   MT-N/MT/CN/OCN/TiAlOCN/A   3.5/2.1   银-钯
另一种涂层设计包括如下步骤：(1)采用四氯化钛和氯化铝气体腐蚀刀坯表面；(2)在约900℃下，采用CVD涂覆氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-3.0微米，优选厚度为约1微米；(3)在约880℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约1.5-10.0微米，优选厚度为约4微米；(4)在约1000℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-5微米，优选厚度为约1微米；(5)在约1000℃下，采用CVD涂覆钛的碳氮氧化物结合层，涂层厚度约0.1-4微米，优选厚度为约0.3微米；(6)在约1000℃下，采用CVD涂覆钛铝的碳氮氧化物层，涂层厚度约0.1-4.0微米，优选厚度为约0.5微米；(7)在约1000℃下，采用CVD涂覆氧化铝涂层，涂层厚度约1-10微米，优选厚度为约4.0微米；以及(8)在约1000℃下，采用CVD涂覆氮化钛-碳氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-8微米，优选厚度为约2微米。所述多晶立方氮化硼的组成是KD050。所使用的钎焊合金为铜-金或者银-钯。
另一种涂层设计包括如下步骤：(1)采用CVD(880℃)涂覆氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-3微米，优选厚度为约1微米；(2)采用中等(moderate)温度的CVD(880℃)涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约1-10微米，优选厚度为约2微米；(3)采用高温CVD(1000℃)涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-6微米，优选厚度为约1微米；(4)在约1000℃下，采用CVD涂覆钛的碳氮氧化物结合层，涂层厚度约0.1-4.0微米，优选厚度为约0.3微米；(5)在约1000℃下，采用CVD涂覆钛铝的碳氮氧化物层，涂层厚度约0.1-4.0微米，优选厚度为约0.5微米；以及(6)采用CVD(990℃)涂覆氧化铝涂层，涂层厚度约1-10微米，优选厚度为约2微米。所述多晶立方氮化硼的组成是KD050。所使用的钎焊合金为银-钯。
申请人进一步设想使用包含至少一个涂层的涂层设计，所述至少一个涂层包括选自钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铝和硅中之一种或多种的氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物、碳氮氧化物或者碳氧化物。作为可能的涂层，该涂层设计包括采用物理气相沉积涂覆的钛铝的氮化物层。
在实验中，申请人已发现当涂层刀具使用高温钎焊合金，特别是同时采用包含MT-TiN/MT-TiCN/HT-TiCN/TiOCN/TiAlOCN/Al2O3以及MT-TN/MT-TiCN/HT-TiCN/TiOCN/TiAlOCN/Al2O3/HT-TiCN/HT-TiN的层的涂层设计时，其展示出优异的性能。根据该情况，申请人已发现在硬车削硬钢如D3工具钢时，所获结果非常好。
申请人也已发现具有涂层例如钛铝的氮化物或氧化铝的涂层刀具采用本文公开的超硬刀坯的设计和几何形状，不管使用何种将超硬刀坯钎焊在刀体上的钎焊合金，也都具有改善的性能。这显示超硬刀坯的设计和几何形状已减轻了钎焊接头在刀具与工件材料接触点处产生的温度下的暴露程度。
当使用这些刀具(即车丝刀具)时获得优异结果的一种具体车丝方法是一种恒定体积车丝方法。在该方法中，进刀深度持续减小，这样，对于每次进刀，所去除的工件材料的体积恒定。为了获得这种恒定体积，可以采用每次走刀的进刀量公式：累计深度＝起始切削深度(doc)×(走刀次序数)1/2，以获得每次走刀的切削深度。下面的表8给出了这种方法的一个例子，其示出了开始四次进刀。需要按照计算确定另外的进刀，以获得0.0789英寸的外螺纹深度。
                                          表8
                             恒定体积车丝方法的示例性计算结果
                                [8螺距外螺纹深度0.0789英寸]
  走刀编号   第一次计算值   第一次计算值   进刀时的进刀切削深度
  1   .0798的25％＝.0197   NA   .0197
2 .0197·21/2＝.0278 .0278-.0197＝.0082 .0082
3 0.197·31/2＝0.341 .0341-.0278＝.0063 .0063
4 0197·41/2＝.0394 .0394-.0341＝.0053 .0053
恒定体积车丝方法可以被描述为在使用涂层刀具在车丝操作中从包括硬度约50-65 Rockwell C的铁基合金的工件中去除材料的方法。该方法具有如下步骤：提供包括具有凹槽的刀体的涂层刀具，其中，使用液相线温度至少约900℃的钎焊合金将超硬刀坯钎焊到所述凹槽中，形成钎焊接头，所述钎焊合金选自于包括含镍和金的镍金钎焊合金，含铜和金的铜金钎焊合金，含金、铜和镍的金铜镍钎焊合金，含银、钛和铜的银钛铜钎焊合金以及含银和钯的银钯钎焊合金的组；并且，采用所述涂层刀具对工件进行多次走刀，其中，每次走刀去除工件材料的体积量基本上等于前次走刀中的去除材料体积量。
尽管恒定体积车丝方法是一种优选的车丝方法，但是，申请人设想一次或多次车丝走刀去除材料的体积量可以比按所述公式计算的值低，或者比前次走刀去除材料的体积量低。因此，这一方法包括如下步骤：采用涂层刀具对工件进行多次走刀，其中，每次走刀去除工件材料的体积量基本上等于或低于前次走刀中的去除材料体积量。
申请人指出，存在一个由相同发明人在与本专利申请同样日期提交的美国专利申请，该专利申请的名称为“具有钎焊超硬刀坯的无涂层刀具(UNCOATED CUTTING TOOL USING BRAZED-IN SUPERHARDBLANK)”。
本文中通过引用并入此处指出的所有专利、专利申请、文章和其他文件。考虑此处公开的本发明的说明书或实践，本发明的其它实施方案对于本领域的专业人员将变得显而易见。目的在于应该认为此处述及的说明书和任何实施例仅仅是说明性的，下面的权利要求表明了本发明的真实精神和范围。

Claims (78)

1.一种涂层刀具，包括：
刀体，该刀体具有凹槽；
多晶立方氮化硼刀坯，该刀坯使用钎焊合金钎焊到所述凹槽中；
液相线温度至少约900℃的钎焊合金；以及
涂覆在刀具上的涂层。
2.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述涂层采用物理气相沉积涂覆。
3.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述涂层采用物理气相沉积与化学气相沉积的组合涂覆。
4.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述涂层采用化学气相沉积涂覆。
5.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含金和铜，并且，金含量为约30-60重量％，铜含量为约40-70重量％。
6.根据权利要求5的涂层刀具，其中，所述钎焊合金还包含镍，并且，镍含量为约2-7重量％。
7.根据权利要求6的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约35-40重量％金，约60-65重量％铜，约1-5重量％镍。
8.根据权利要求5的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约30-40重量％金和约60-70重量％铜。
9.根据权利要求5的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约50重量％金和约50重量％铜。
10.根据权利要求5的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含为约37.5重量％金和约62.5重量％铜。
11.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含金和镍，并且，金含量为约65-90重量％，镍含量为约15-25重量％。
12.根据权利要求11的涂层刀具，其中，所述钎焊合金还包含钯，并且，钯含量为约5-15重量％。
13.根据权利要求12的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含为约65-75重量％金，约20-25重量％镍，以及约5-10重量％钯。
14.根据权利要求13的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约70重量％金，约22重量％镍，以及约8重量％钯。
15.根据权利要求11的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约80-85重量％金，约15-20重量％镍。
16.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约90-98重量％银和约2-10重量％钯。
17.根据权利要求16的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约93-97重量％银和约3-7重量％钯。
18.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述钎焊合金的液相线温度至少约1000℃。
19.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述钎焊合金的液相线温度至少约940℃。
20.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氧化铝。
21.根据权利要求20的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛的碳氮氧化物层。
22.根据权利要求20的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛铝的碳氮氧化物层。
23.根据权利要求20的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层碳氮化钛。
24.根据权利要求20的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氮化钛。
25.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用物理气相沉积涂覆的至少一层钛铝的氮化物。
26.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述多晶立方氮化硼刀坯包括含有约50体积％立方氮化硼和约50体积％碳化钛的多晶立方氮化硼层。
27.根据权利要求26的涂层刀具，其中，所述多晶立方氮化硼刀坯进一步包括其上涂覆所述多晶立方氮化硼层的支撑体。
28.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述多晶立方氮化硼刀坯包含约90体积％立方氮化硼以及约10体积％氮化铝和二硼化钛和碳化硅。
29.根据权利要求1的涂层刀具，其中，所述涂层包括含选自钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铝和硅中之一种或多种的氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物、碳氮氧化物或者碳氧化物的至少一层。
30.一种涂层刀具，包括：
刀体，该刀体具有凹槽；
超硬刀坯，该刀坯使用钎焊合金钎焊到所述凹槽中；
液相线温度至少约900℃的所述钎焊合金，其中，所述钎焊合金选自于包括含镍和金的镍金钎焊合金、含铜和金的铜金钎焊合金以及含银和钯的银钯钎焊合金的组；以及
涂覆在所述刀具上的涂层。
31.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层包括含选自钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铝和硅中之一种或多种的氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物、碳氮氧化物或者碳氧化物的至少一层。
32.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛的碳氮氧化物层。
33.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛铝的碳氮氧化物层。
34.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的碳氮化钛层。
35.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层采用物理气相沉积涂覆。
36.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层采用物理气相沉积与化学气相沉积的组合涂覆。
37.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层采用化学气相沉积涂覆。
38.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氮化钛。
39.根据权利要求30的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用物理气相沉积涂覆的至少一层钛铝的氮化物。
40.一种在材料去除操作中从工件中去除材料的涂层刀具，其中，所述涂层刀具以选定切削深度对工件进行走刀，所述切削工具包括：
刀体，该刀体具有凹槽；
具有前刀面和切削刃的多晶立方氮化硼刀坯，和从所述切削刃延伸离开的杆臂；
所述刀坯采用钎焊合金被钎焊到所述凹槽中，由此，在所述刀体与所述多晶立方氮化硼刀坯之间存在的钎焊接头；
所述钎焊接头位于距所述多晶立方氮化硼刀坯的前刀面约1.5-4.9毫米处，和所述杆臂长度至少约为切削深度1.7倍；以及
涂覆在刀具上的涂层。
41.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层包括含选自于钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铝和硅中之一种或多种的氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物、碳氮氧化物或者碳氧化物的至少一层。
42.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含金和铜，并且，金含量为约30-60重量％，铜含量为约40-70重量％。
43.根据权利要求42的涂层刀具，其中，所述钎焊合金还包含镍，并且，镍含量为约2-7重量％。
44.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含金和镍，并且，金含量为约65-90重量％，镍含量为约15-25重量％。
45.根据权利要求44的涂层刀具，其中，所述钎焊合金还包含钯，并且，钯含量为约5-15重量％。
46.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约90-98重量％银和约2-10重量％钯。
47.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约93-97重量％银和约3-7重量％钯。
48.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层采用物理气相沉积涂覆。
49.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层采用物理气相沉积与化学气相沉积的组合涂覆。
50.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层采用化学气相沉积涂覆。
51.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述钎焊合金的液相线温度至少约900℃。
52.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述钎焊合金的液相线温度至少约940℃。
53.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层包括在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氧化铝。
54.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氧化铝。
55.根据权利要求54的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛的碳氮氧化物层。
56.根据权利要求54的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛铝的碳氮氧化物层。
57.根据权利要求54的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层碳氮化钛。
58.根据权利要求54的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氮化钛。
59.根据权利要求40的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用物理气相沉积涂覆的至少一层钛铝的氮化物。
60.一种在材料去除操作中用于从工件中去除材料的涂层刀具，所述涂层刀具包括：刀体，所述刀体具有凹槽；具有前刀面和切削刃的多晶立方氮化硼刀坯，所述刀坯采用钎焊合金被钎焊到所述凹槽中，由此，在所述刀体与所述刀坯之间存在钎焊接头；所述钎焊合金具有液相线温度；所述刀坯在材料去除操作期间在工件走刀，结果，切削力作用于刀坯上，并且在所述刀坯的切削处产生热；所述钎焊接头位于距切削刃选定距离处，这样，所述钎焊接头处的温度低于所述钎焊合金的液相线温度，因此，所述钎焊接头在材料去除操作期间具有充分的剪切强度将所述刀坯保持在凹槽中；以及，刀具上存在的涂层。
61.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述涂层包括含选自于钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铝和硅中之一种或多种的氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物、碳氮氧化物或者碳氧化物的至少一层。
62.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述钎焊合金的液相线温度至少约940℃，并且，所述钎焊合金包含金和铜，并且，金含量为约30-60重量％，铜含量为约40-70重量％。
63.根据权利要求62的涂层刀具，其中，所述钎焊合金还包含镍，并且，镍含量为约2-7重量％。
64.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约50重量％金和约50重量％铜。
65.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约37.5重量％金和约62.5重量％铜。
66.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述钎焊合金的液相线温度至少约940℃，并且，所述钎焊合金包含金和镍，并且，金含量为约65-90重量％，镍含量为约15-25重量％。
67.根据权利要求66的涂层刀具，其中，所述钎焊合金还包含钯，并且，钯含量为约5-15重量％。
68.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述钎焊合金包含约80-85重量％金和约15-20重量％镍。
69.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛的碳氮氧化物层。
70.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的钛铝的碳氮氧化物层。
71.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层碳氮化钛。
72.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述涂层设计进一步包括采用化学气相沉积在比所述钎焊合金液相线温度低的温度下涂覆的至少一层氮化钛。
73.根据权利要求60的涂层刀具，其中，所述涂层包括采用物理气相沉积涂覆的至少一层钛铝的氮化物。
74.一种制备涂层刀具的方法，包括如下步骤：提供具有凹槽的刀体；使用液相线温度至少约940℃的钎焊合金将多晶立方氮化硼刀坯钎焊到所述凹槽中；采用四氯化钛和氯化铝气体腐蚀所述多晶立方氮化硼刀坯；以及通过化学气相沉积对刀具进行涂覆。
75.根据权利要求74的方法，其中，所述涂覆步骤包括如下步骤：在约900℃下，采用CVD涂覆氮化钛涂层；在约885℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约1-12微米；在约1000℃下，采用CVD涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-8微米；在约1000℃下，采用CVD涂覆钛的碳氮氧化物和钛铝的碳氮氧化物的结合层，涂层厚度约0.5-8微米；在约1000℃下，采用CVD涂覆氧化铝涂层，涂层厚度约0.5-12微米；以及，在约1000℃下，采用CVD涂覆氮化钛-碳氮化钛的涂层，涂层厚度约0.5-6微米。
76.根据权利要求74的方法，其中，所述涂覆步骤包括如下步骤：在约900℃下，采用CVD涂覆氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-5微米；在约885℃下，采用中温CVD涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约1-12微米；在约1000℃下，采用高温CVD涂覆碳氮化钛涂层，涂层厚度约0.5-8微米；以及，在约990℃下，采用CVD涂覆氧化铝涂层，涂层厚度约0.5-12微米。
77.一种在车丝操作中通过使用涂层刀具从工件中去除材料的方法，所述工件包括硬度约50-65 Rockwell C的铁基合金，所述方法包括：提供包括具有凹槽的刀体的涂层刀具，其中，采用钎焊合金将超硬刀坯钎焊到所述凹槽中，形成钎焊接头，所述钎焊合金的液相线温度至少约900℃，所述钎焊合金选自于包括含镍和金的镍金钎焊合金，含铜和金的铜金钎焊合金，含金、铜和镍的金铜镍钎焊合金，含银和钯的银钯钎焊合金以及含银和钯的银钯钎焊合金；并且，采用涂层刀具对所述工件进行多次走刀，其中，每次走刀去除工件材料的量基本上等于或少于前次走刀中的去除材料量。
77.根据权利要求78的方法，其中，所述走刀步骤包括采用所述涂层刀具对工件进行多次走刀，其中，每次走刀去除工件材料的量基本上等于前次走刀中的去除材料量。
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