技术领域

本发明涉及包含基材上的耐磨涂层的切割工具的实施方案。基材包含黏 合剂(binder)中的金属碳化物，其中黏合剂包含钌。在一个实施方案中，切割 工具进一步包含有碳氮化铪(hafnium carbon nitride)的耐磨涂层。在一个特定 的实施方案中，切割工具包含基材上的碳氮化铪耐磨涂层，所述基材包括黏 合剂中的碳化钨(WC)，所述黏合剂包括钴和钌。这些实施方案尤其可以用于 难以机械加工材料的机械加工，这些材料例如但不限于，钛和钛合金、镍和 镍合金、超合金以及其他特殊材料。

背景

切割插入物(cutting insert)常见的破损(failure)模式是因热冲击引起的开 裂。热冲击在更难机械加工的过程中甚至更常见，这些过程如，诸如高生产 率的机械加工过程和具有高热硬度的材料的机械加工。为了降低切割插入物 内的热累积，冷却剂被用在机械加工操作中。然而，在机械加工操作中使用 冷却剂会促进热循环，其也会促进因热冲击引起切割插入物的破损。

热循环也会发生在铣削应用(milling application)中，其中当实际切割工 件材料时，铣削刀具变热，而当不切割工件材料时，那么铣削刀具就会冷却。 这种加热和冷却的热循环导致切割插入物内明显的温度梯度，并导致插入物 的不同部分的膨胀差异，从而在切割插入物内产生内应力并萌生裂纹。需要 研制一种新型碳化物切割插入物，其不仅能够在高热硬度机械加工过程中维 持有效的切割性能，而且能够通过阻止热开裂而改善工具使用寿命。

切割插入物或切割工具的使用寿命还随着烧结碳化物的磨损性能变化。 增加切割工具使用寿命的一种方式是使用由强度、硬度和耐磨性/耐腐蚀性 都被改进的材料制成的切割插入物。用于这种应用的包含烧结碳化物基材的 切割插入物基于以下事实被预期：烧结碳化物提供了强度、断裂韧性和耐磨 性(这些特性对钻孔钻头或钻头有效地发挥作用特别重要)的非常有吸引力的 组合。烧结碳化物是金属基质的组合物，其包含作为硬颗粒或分散相的一种 或多种过渡金属的碳化物和作为黏合剂或连续相的钴、镍或铁(或这些金属 的合金)。在可能的不同硬颗粒-黏合剂组合中，包含作为硬颗粒的碳化钨(WC) 和作为黏合剂相的钴的烧结碳化物最普遍地用于机械加工操作用的切割工 具和插入物。

除了其他特性之外，烧结碳化物的整体特性取决于两个微结构参数，即 平均硬颗粒粒径和硬颗粒和/或黏合剂的重量分数或体积分数。一般而言， 硬度和耐磨性随着粒径的减小和/或黏合剂含量的减小而提高。另一方面， 断裂韧性随着粒径的增大和/或黏合剂含量的增大而提高。因此，当为任何 应用选择烧结碳化物级别时，在耐磨性与断裂韧性存在折衷方案。当耐磨性 增大时，断裂韧性通常减小，且反之亦然。

此外，可以向黏合剂中添加合金添加剂。有限数目的烧结碳化物切割工 具或切割插入物在黏合剂中添加了钌。黏合剂可以另外包含其他合金化合物 如TiC和TaC/NbC，以改善用于特定应用的基材的特性。

钌(Ru)是铂族成员且是具有约2500℃的熔点的硬的、有光泽的白色金 属。钌在室温下不会失去光泽，且可以用作有效的硬化剂，从而形成极耐磨 的合金。已经发现了用在切割工具或切割插入物中的烧结碳化物的钴黏合剂 中的钌改善了抗热开裂性并显著减少了沿着边缘和进入切割工具或切割插 入物主体内的裂纹扩展。通常在市场上可购得的切割工具和切割插入物可以 包括在烧结碳化物基材的黏合剂相中浓度在约3wt％到30wt％的范围内的 钌。

包含烧结碳化物基材的切割插入物可以包含表面上的单层或多层涂层 以增强其切割性能。用于涂覆烧结碳化物切割工具的方法包括化学气相沉积 (CVD)、物理气相沉积(PVD)和金刚石涂层。由于切割工具上CVD涂层的众 所周知的优势，CVD最经常用于将涂层施用于切割插入物。

PVD涂覆技术的实例，Leyendecker等人在美国专利第6,352,627号中 公开了一种PVD涂覆方法和设备，其基于磁控溅射涂覆技术来在切割插入 物上形成耐高温薄膜或涂层，该方法可以在涂覆操作过程中输送三个连续电 压电源，这促进了最优化增强的离子化过程，即使所提供的基材表面如因为 表面被烧结、研磨处理或喷磨(jet abrasion)处理而是粗糙的，该离子化过程 也会得到基材上良好的涂层黏附。

CVD涂覆技术的示例，punola等人在美国专利第5,462,013号中公开了 一种CVD涂覆装置，该装置采用了独特的技术来控制CVD反应器中的不同 涂覆区域处的气态反应物流的反应性。因此，所产生的CVD涂层极大地改 善了组成和厚度的均匀性。

硬金属涂层在具有通常的碳化物基材的切割插入物方面的研制和应用 的实例，来自位于One Teledyne Place，LaVergne，Tennessee，USA 37086 的Stellram，Allegheny Technologies Company的Leverenz和Bost(且他们也 是本发明的受让人)在最近授权的美国专利第6,929,851号中描述了表面蚀刻 技术，该技术用于增强包括通常的碳化物基材上的HfCN涂层的CVD或PVD 涂层。硬金属涂层在具有通常的碳化物基材的切割插入物方面的研制和应用 的其它实例是1981年的Hale的美国专利第4,268,569号、2002年的Leverenz 等人的美国专利第6,447,890号、2003年的Schier的美国专利第6,617,058 号、2004年的Leverenz等人的美国专利第6,827,975号以及2005年的 Westphal和Sottke的美国专利第6,884,496号。

需要研制一种可以满足高热硬度机械加工操作的要求、同时延长工具寿 命并减少热开裂破损的碳化物切割插入物。

概述

本发明涉及切割工具和切割插入物，它们包含基材和基材上的至少一种 耐磨涂层，所述基材包含金属碳化物颗粒和黏合剂。在一个实施方案中，耐 磨涂层包含碳氮化铪，且黏合剂包含钌。在另一个实施方案中，耐磨涂层基 本上由碳氮化铪组成。本发明的切割工具可以包含单层耐磨涂层或多层耐磨 涂层。包含碳氮化铪的耐磨涂层可以具有1微米到10微米的厚度。在各实 施方案中，切割工具包含烧结碳化物基材与包含铁、镍和钴中的至少一种的 黏合剂。

正如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一个(a)”和“该 (the)”包括复数对象，除非上下文中另外清楚表明。因而，例如，提到“耐磨 涂层”可以包括多于一层的涂层或多层涂层。

除非另作表明，使用在本发明说明书和权利要求中的表示成分、时间、 温度等量的所有数值应被理解为在所有情形中由术语“约”修饰。因此，除非 相反地表明，否则下面的说明书和权利要求中提到的数值参数都可以是根据 由本发明寻求获得的期望的特性改变的近似值。至少且并不试图限制权利要 求范围的等价物的原理的应用，每一个数值参数应该至少根据所报导的有效 数字的位数和通过应用通常的四舍五入技术来进行解释。尽管提到本发明的 宽范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实施例中提到的数值被尽可能 精确地报告。然而，任何数值可以固有地包含某些因它们各自的试验测量中 存在的标准偏差而必然产生的误差。

应该理解，本发明并不限于此处公开的特定的组成、组分或工艺步骤， 这些都可以变化。还应该理解，此处使用的术语仅仅是为了描述特定实施方 案，且并不期望是限制性的。

附图简述

图1是比较三种具有不同涂层的切割插入物机械加工因科内尔镍铬铁 合金(Inconel)718的工具磨损试验1的试验结果的柱形图(bar graph)；

图2是比较三种具有不同涂层的切割插入物机械加工不锈钢316的工具 磨损试验2的试验结果的柱形图；

图3是比较三种具有不同涂层的切割插入物机械加工钛6V的工具磨损 试验3的试验结果的柱形图；

图4a、4b和4c是三种具有不同涂层的切割插入物的显微照片，其显示 了热开裂试验1过程中形成的裂纹和磨损：以及

图5a、5b和5c是三种具有不同涂层的切割插入物的显微照片，其显示 了热开裂试验2过程中形成的裂纹和磨损。

发明描述

本发明的各实施方案包括切割工具和切割插入物，它们包含有烧结碳化 物的基材。烧结碳化物的黏合剂包含铁、镍和钴中的至少一种，且在本发明 的各实施方案中，黏合剂另外包含钌。钌可以以有效地对切割工具的特性产 生有益效果的任意量存在，诸如黏合剂中钌的浓度从1wt％到30wt％。在某 些实施方案中，黏合剂中钌的浓度可以从3wt％到30wt％、8wt％到20wt ％，或甚至从10wt％到15wt％。

本发明基于独特的发现，即对切割工具或切割插入物施加包含碳氮化铪 (HfCN)的特殊硬金属涂层能够减少金属加工过程中热开裂的萌生和扩展，所 述切割工具或切割插入物包含烧结碳化物，该烧结碳化物包括黏合剂相中的 钌。碳氮化铪涂层可以是基材上的单涂层或者基材上的多层涂层中的一层涂 层，比如第一涂层、中间涂层或者最终涂层。包括另外的涂层的切割工具的 各实施方案可以包括由PVD或者CVD施用的涂层，且可以包括含有选自周 期表的IIIA族、IVB族、VB族和VIB族中的金属的金属碳化物、金属氮化 物、金属硼化物和金属氧化物中的至少一种的涂层。例如，本发明的切割工 具和切割插入物上的涂层包括碳氮化铪，且还可以包括例如，单独的或者以 任一组合的氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、碳化钛(TiC)、氮化钛铝 (titanium aluminum nitride)(TiAlN)、氮化钛铝加碳(TiAlN+C)、氮化铝钛 (aluminum titanium nitride)(AlTiN)、氮化铝钛加碳(AlTiN+C)、氮化钛铝加碳 化钨/碳(TiAlN+WC/C)、氮化铝钛(AlTiN)、氮化铝钛加碳(AlTiN+C)、氮 化铝钛加碳化钨/碳(AlTiN+WC/C)、氧化铝(Al2O3)、α-氧化铝、二硼化钛 (TiB2)、碳化钨/碳(WC/C)、氮化铬(CrN)、氮化铝铬(AlCrN)、碳氮化铪 (HfCN)中的至少一种涂层。在某些实施方案中，任一涂层可以是1微米到 10微米厚；虽然在特定的应用中，可能优选的碳氮化铪涂层是2微米到6 微米厚。

在本发明切割插入物的某些实施方案中，包含氮化锆(ZrN)、碳氮化锆 (ZrCN)、氮化硼(BN)或者碳氮化硼(BCN)中的至少一种的涂层可以与碳氮化 铪涂层组合使用或者替代碳氮化铪涂层。在某些其他实施方案中，切割插入 物可以包括基本上由选自氮化锆(ZrN)、碳氮化锆(ZrCN)、氮化硼(BN)或者 碳氮化硼(BCN)的涂层组成的耐磨涂层。

施用于本发明的切割工具或者切割插入物的包含碳氮化铪的涂层、基本 上由碳氮化铪组成的涂层或者包含氮化锆、碳氮化锆、氮化硼或者碳氮化硼 涂层的涂层产生了具有增大的硬度、减少的摩擦、化学稳定性、耐磨性、抗 热开裂和延长的工具使用寿命的涂层。

本发明还包括涂覆基材的方法。本发明方法的各实施方案包括通过 CVD或者PVD将上述涂层施用于烧结碳化物基材上，其中烧结碳化物基材 包含硬颗粒和黏合剂，且所述黏合剂包含钌。该方法可以包括在涂覆基材之 前处理基材。涂覆之前的处理包括电解抛光、喷丸处理(shot peening)、微喷 (microblasting)、湿喷(wet blasting)、打磨(grinding)、刷涂(brushing)、喷磨(jet abrading)和压缩空气喷射(compressed airblasting)中的至少一种。任何涂覆 (CVD或者PVD)的碳化物切割插入物上的预涂覆表面处理可以降低基材的 钴覆盖效果(cobalt capping effect)。预涂覆表面处理的例子包括湿喷(美国专 利第5,635,247号和第5,863,640号)、打磨(美国专利第6,217,992B1号)、电 解抛光(美国专利第5,665,431号)、刷涂(美国专利第5,863,640号)等。不合 适的预涂覆表面处理可以使得包含黏合剂中的钌的基材上的CVD或者PVD 涂层黏附力差，因而导致CVD或者PVD涂层的过早失效。这主要归因于以 下事实：即CVD和PVD涂层是薄的，且由于钴覆盖引起的表面不规则在包 含钌的碳化物基材中更明显。

该方法的实施方案可以包括任选的涂覆的碳化物切割插入物的涂覆后 表面处理，可以进一步改善耐磨涂层的表面质量。存在许多涂覆后表面处理 的方法，例如，喷丸处理，日本专利第02254144号(其以引用方式并入)，其 基于具有球形颗粒形状且粒径在10μm-2000μm范围的小金属颗粒的快速喷 射。涂覆后表面处理的另一个实例是压缩空气喷射，欧洲专利第1,198,609B1 号(其以引用方式并入)，其采用范围在1μm-100μm的非常细粒径的无机喷 射剂，如Al2O3。涂覆后处理的另一个实例是刷涂，美国专利第6,638,609B2 号(其以引用方式并人)，其采用包含SiC颗粒的尼龙草刷。还可以将轻微的 湿喷用作涂覆后表面处理以形成光滑的涂层，美国专利第6,638,609B2号(其 以引用方式并入)。通常，包含黏合剂中的钌的涂覆插入物上的表面处理可 以改善涂层表面的特性，这些表面处理诸如但不限于喷射、喷丸处理、压缩 空气喷射或刷涂。

在方法和切割插入物两者的各实施方案中，基材中的烧结碳化物可以包 含属于周期表IVB族到VIB族的一种或多种元素的金属碳化物。优选地， 烧结碳化物包含选自碳化钛、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钽、 碳化钼、碳化铌和碳化钨中的至少一种过渡金属碳化物。碳化物颗粒优选构 成了各区域中的烧结碳化物材料总重量的约60wt％至约98wt％。碳化物颗 粒被嵌入在黏合剂的基质内，黏合剂优选构成了烧结碳化物总重量的约2wt ％至约40wt％。

烧结碳化物的黏合剂包含钌以及钴、镍、铁中的至少一种。黏合剂还可 以包含如，诸如钨、铬、钛、钽、钒、钼、铌、锆、铪和碳的元素，最多达 黏合剂中的这些元素的溶解度极限值。另外，黏合剂可以包含最多5wt％的 诸如铜、锰、银和铝的元素。本领域的技术人员将认识到，可以元素形式、 作为化合物和/或作为母合金(master alloy)来引入烧结硬颗粒材料的任何成 分或全部成分。

实施例

下面的实施例用于进一步描述本发明的关于切割插入物性能测试的一 些细节，所述切割插入物包含具有CVD涂层的基材，所述基材包含黏合剂 中的钌。

实施例1-磨损测试结果(GX20基材)

Stellram′s GX20TM为Allegheny Technologies，Inc.的商标，是包含钌的烧 结碳化物粉末。GX20TM可以用于制备根据ISO标准机械加工P45/K35材 料的粗级(rough grade)烧结碳化物。表1显示了Stellram′s GX20TM切割插入 物的基材的标称化学组成和特性。GX20TM金属粉末中的主要成分包含碳化 钨、钴和钌。

表1GX20TM基材的特性

  化学组成   (重量百分数)   WC    Co   Ru   平均粒   径   (μm)  横向断裂强度  (transverse rupture strength)  (N/mm2)   密度   (g/cm3)   硬度   (HRA)   89.1  9.5  1.4   2.5   3500   14.55   89.5

混合表1中的金属粉末，然后经72小时通过球磨湿法混合。干燥后， 在1吨/cm2-2吨/cm2的压力下，将混合的组合物压缩成设计的切割插入 物的密实料坯。在炉中烧结碳化钨切割插入物的密实料坯以封闭料坯内的孔 并在硬颗粒之间建立连结以增加强度和硬度。

具体地说，为了有效地降低烧结基材的微孔隙率(micro-porosity)并确保 GX20TM碳化物切割插入物烧结质量的一致性，在脱蜡、预烧结和低压氮气 (N2)烧结循环之后，烧结-HIP即高压烧结工艺用于引入压力相。GX20TM碳 化物切割插入物的烧结过程按下面的主要顺序步骤进行：

-以2℃/分钟的上升速度(ramping speed)在室温下开始脱蜡循环，直至 达到400℃，然后保持大约90分钟；

-预烧结循环分解Co、WC、Ti、Ta、Nb等的氧化物，以4℃/分钟的 上升速度开始预烧结循环，直至达到1200℃，然后在该温度下保持60分钟；

-然后在温度从1200℃上升至1400℃/1450℃(即烧结温度)的过程中， 在1350℃下引入低压氮气(N2)循环，然后在该烧结温度下保持约2托的低氮 气压力大约30分钟：

-然后当在烧结温度(即1400℃/1450℃)下开始烧结-HIP的过程，在 此过程中，引入氩气(Ar)压力并在30分钟内升至760psi，然后在该压力下 烧结-HIP过程再保持30分钟；以及最后

-进行冷却循环以使GX20碳化物切割插入物的被加热的料坯在炉内冷 却至室温。

这样获得的GX20TM碳化物切割插入物收缩至期望的烧结尺寸并成为无 孔的。在烧结过程之前，烧结的碳化钨切割插入物可以被研磨和边缘打磨。

然后，将三种不同的CVD多层涂层施用于GX20基材，正如表2详细 显示的。

表2：CVD涂层

用GX20TM作为碳化物基材的铣削插入物ADKT1505PDER-47用于工具 磨损测试。表3给出了工件材料和切割条件。

表3：工具磨损测试

  测试   工件材料   切割条件  磨损测试1   因科内尔镍铬铁   合金718   475HB   切割速度＝25米/分钟   给料速度(feed rate)＝0.08mm/齿   切割深度＝5mm  磨损测试2   不锈钢316   176HB   切割速度＝92米/分钟   给料速度＝0.10mm/齿   切割深度＝5mm  磨损测试3   钛6V   517HB   切割速度＝46米/分钟   给料速度＝0.10mm/齿   切割深度＝5mm

图1至图3显示了包括切割边缘处和刀尖半径(nose radius)处的磨损结 果分析的试验结果。图中显示的总机械加工时间表明了切割插入物超过工具 寿命的时间或者在机械加工过程中被破坏的时间。下面给出了分析。

在图1中。显示了机械加工因科内尔镍铬铁合金718的工件的结果。因 科内尔镍铬铁合金718的标称组成被认为是难以机械加工的工件材料。对具 有TiN-TiC-TiN涂层的切割插入物来说，仅仅在机械加工5.56分钟后，边缘 处的磨损就已经达到0.208mm且半径处的磨损达到了0.175mm。本发明的 具有多层TiN-HfCN-TiN涂层的切割插入物证明了在机械加工11.13分钟后， 仅在边缘处有0.168mm的磨损且在半径处有0.135mm的磨损的最佳性能。 具有TiN-Al2O3-TiCN-TiN涂层的切割插入物证明了与具有TiN-HfCN-TiN涂 层的切割插入物接近的性能。

在图2中，显示了用若干切割插入物机械加工不锈钢316的结果。具有 TiN-TiC-TiN涂层的切割插入物显示出在机械加工2.62分钟后，边缘处有 0.132mm的磨损且半径处有0.432mm的磨损。具有TiN-Al2O3-TiCN-TiN涂 层的切割插入物显示出在机械加工2.62分钟后，边缘处有0.069mm的磨损 且半径处有0.089mm的磨损。此外，具有TiN-HfCN-TiN涂层的切割插入 物证明了在机械加工5.24分钟(这是另两种切割插入物的时间的2倍)后，边 缘处有0.076mm的磨损且半径处有0.117mm的磨损。

在图3中，显示了机械加工钛6V的结果，钛6V也被认为是难以机械 加工的工件材料。具有TiN-TiC-TiN涂层的切割插入物仅仅在加工4.36分钟 后，就产生了经证明的边缘处的0.091mm的磨损和半径处的0.165mm的磨 损。具有TiN-Al2O3-TiCN-TiN涂层的切割插入物显示出在机械加工8.73分 钟后，边缘处有0.137mm的磨损且半径处有0.15mm的磨损。再次，具有 TiN-HfCN-TiN涂层的切割插入物证明了在机械加工8.73分钟后，边缘处有 0.076mm的磨损且半径处有0.117mm的磨损的最佳性能和使用寿命。

实施例2-热开裂试验结果(GX20TM基材)

通过CVD来涂覆包含GX20TM的基材的三种切割插入物。三种涂层是 三层的TiN-TiCN-Al2O3涂层、单层HfN(氮化铪)涂层和单层HfCN(碳氮化铪) 涂层。试验三个被涂覆的GX20TM基材的抗热开裂。

用于热开裂试验的切割条件显示在下面。

切割速度：Vc＝175m/分钟(热开裂试验1)

Vc＝220m/分钟(热开裂试验2)

给料速度：Fz＝0.25mm/齿

切割深度：DOC＝2.5mm

工件材料：具有300HB硬度的4140钢

通过图4和图5中的显微照片可以比较试验结果。图4的显微照片总结 了热开裂试验1并显示出具有HfN涂层的切割插入物在3次走刀(pass)机械 加工中产生了5条热裂纹(参见图4b)，而涂覆有HfCN的切割插入物显示出 最佳性能且在3次走刀中只产生1条热裂纹(参见图4c)。作为一般的比较， 具有三层TiN-TiCN-Al2O3涂层的切割插入物在3次走刀机械加工中产生了4 条热裂纹(参见图4a)。

图5中的显微照片总结了热开裂试验2的结果。在热开裂试验2中，切 割速度提高到每分钟220米。在只进行了1次走刀机械加工(参见图4b)后， 具有单层涂层HfN的切割插入物的边缘就遭到破坏。具有三层涂层 TiN-TiCN-Al2O3的切割插入物在2次走刀机械加工中产生了12条热裂纹(参 见图4a)。再次，具有单层涂层HfCN的切割插入物在2次走刀机械加工中 只产生了1条热裂纹。在热开裂试验1与热开裂试验2之间的比较中，具有 单层涂层HfCN的切割插入物与具有单层涂层HfN和三层涂层 TiN-TiCN-Al2O3的切割插入物相比较，性能上存在较大的差异，这在较高的 切割速度时变得很明显。

从磨损试验和热开裂试验中得到的结果直接表明，基于碳氮化铪的涂层 和以钌为特征的碳化物基材的独特组合证明了机械加工时的最佳性能。基于 碳氮化铪的涂层在多层涂层情形中可以是中间层涂层，或仅作为单层涂层。