专利名称：金刚石涂层刀具及其制备方法
技术领域：
本发明涉及具有粘合良好的金刚石涂层的刀具，该涂层是沉积在刀具上的，和制造这种产品的方法。特别是涉及用于成屑加工(Chip forming machining)的金刚石涂层切削刀具及其制备方法。
近年来，化学气相沉积(CVD)金刚石涂层已经应用到各种基体材料的切削刀具中，这些刀具用于与单点焊接多晶金刚石(PCD)包尖刀具(tipped tool)相同的用途中(见“Advanced Cutting Tool Mate-rials，”Kennametal Inc.(1988)第1，2，77-86，94-98，101和102页)。而CVD金刚石涂层刀具为机械工人提供多切削刃的嵌入或不嵌入断屑槽结构的刀片，由于涂层粘合性差，刀具的加工效果前后不一致导致了在大多数工业应用中，CVD金刚石涂层刀具在与PVD刀具竞争中的失败。
已经采用各种方法用CVD法在各种表面上形成金刚石涂层(例如，热灯丝(hot filament)，直流等离子流，和微波等离子体)，其中对如甲烷(CH4)等气体进行热分解。但是，用低压气相合成法形成的金刚石涂层一般对基体有较低的粘合强度。因此，希望得到是一个涂层后的基体，其中涂层对基体有足够的粘合性，使涂层在基体上保持一定的时间，即在工件材料加工过程中逐渐磨损掉涂层所花费的时间。在涂层磨掉之前涂层的早期脱落或过早脱落会引起不可预见的和不一致的刀具寿命，这对大多数PCD包尖刀具的使用者是不能接受的。此外，为了与PCD刀具竞争，金刚石涂层应该足够厚使得每个切削刃至少能提供PCD刀具磨损寿命的百分之四十。
解决这个问题的一个方法在1991年11月26日发表的美国专利No.5,068,148中提出，美国专利5,068,148说明书提出了生产金刚石涂层刀具件的一种方法，其中硬质合金基体经化学侵蚀除去基体最外层部分存在的钴。这样的侵蚀步骤可以产生降低切削刀具的韧性和耐磨性的内部的连通气孔，但是没有化学侵蚀，由于基体表面的制备不好引起的涂层脱落可能降低刀具的性能(例如，在表面上存在太多的钴)。美国专利5,068,148说明书要求在化学侵蚀之前在真空中或在非氧化气氛中在1000℃-1600℃之间的某一温度下对底材基体进行30到90分钟的热处理。如果热处理温度超过1600℃，基体的硬质颗粒变得疏松，基体的表面变得非常粗糙，因此该基体不能用于制造刀具件。
在欧洲专利申请No.0,518,587中提出的另一种方法中，为了改善金刚石涂层的粘合性，烧结碳化钨的表面也要进行侵蚀。
在考查了市场上现有的金刚石涂层硬质合金刀具后，发明者相信，在使用侵蚀步骤改善金刚石的粘合性时(在Rockwell A压痕粘合性试验中达到60到100kg)，侵蚀优先从表面和在表面下附近除去大量的钴。这导致恰好在基体表面之下的产生内部连通气孔，产生了弱化的结构，削弱了金刚石涂层在加工过程中保持附着在刀具上的能力，从而导致涂层的脱落，特别是在间歇加工操作过程中。
1993年4月20日发表的美国专利No.5,204,167提出了一种金刚石涂层烧结体，其中，与在基体内部相比，表面层上的再结晶碳化钨的平均尺寸更细，美国专利5,204,167说明书提出金刚石膜与基体间粘合性的提高是因为在金刚石沉积起始步骤中产生的石墨用于基体表面脱碳层的重新碳化，所以在表面层与金刚石膜之间的界面处形成的石墨减少。
这样的方法留下了在涂层和基体之间提供高的强度的未解决的问题。
在传统的PCD切削刀具设计中流行的实践要求对于有色的和非金属的工件的车削和铣削，刀具要有锋利的切削刃。在加工过程中，使用锋利的刀刃可提供较低的切削刀具受力，且工件光洁度有要求的特性，例如，低的表面粗糙度。
理想地，金刚石涂层切削刀片应该提供可与传统PCD刀具进行商业竞争的相同的工件表面特性。目前限制认可金刚石涂层刀具的另一个因素是难以提供可接受的表面光洁度，特别是在精加工中。传统的PCD刀具常含有可以把金刚石颗粒粘合在一起的金属粘合剂，如钴。在经过适当的研磨时，PCD可提供基本光滑的切削表面并赋予工件基体光滑的表面。相反，金刚石涂层不含有粘合相。它们在微观程度上一般具有粗糙的、有刻面的表面。在切削操作中这样的微观粗糙度导致了粗糙的工件光洁度。在以前的方法中，金刚石涂层越纯(或越完好)，即，SP3粘合的成分越多，SP2粘合的(石墨的)成分越少，涂层上的刻面越多。通过增加石墨成分的量可以使这样的涂层更光滑，但是结果导致耐磨性和刀具寿命降低。虽然用活性材料和化合物进行化学抛光或用金刚石磨料进行机械抛光可产生光滑的金刚石表面，但仍有许多改进的途径。
因此，理想的是在切削刀片基体上提供高纯度的金刚石涂层，该涂层在使用时有良好的粘合性，优选地将取得可与传统的PVD刀具相比的工件表面光洁度。
直到本发明为止，对于在三维形状上，如切削刀具上始终如一地提供高粘合性能的金刚石涂层，提高高纯度的光滑表面和有小刻面的金刚石涂层的简单有效的技术仍然存在着未解决的需求。
根据本发明的产品涉及金刚石涂层刀具，优选的是用于材料的成屑加工的切削刀具。
该刀具具有金属陶瓷基体，金刚石涂层紧密粘合在这种基体上。金属陶瓷基体有金属粘合剂粘合在一起的硬质颗粒，在基体表面上，有大的硬质颗粒。这些大的硬质颗粒为基体提供了不规则的表面。金刚石涂层对不规则的基体表面有强粘合性。当刀具是用于材料的成屑加工的切削刀具时，基体有侧面和前倾面并在侧面与前倾面连接处形成切削刃。金刚石涂层紧密粘合到这些表面的每个表面上。根据本发明，优选的是基体的特征为在靠近金刚石涂层粘合的不规则表面处的基体区域内不存在内部连通的气孔。
在本产品的一个优选的实施方案中，金属陶瓷基体是碳化钨基(即，＞50w/o WC)的硬质合金，所说的硬质颗粒包括碳化钨颗粒。
优选地，金属粘合剂形成碳化钨基硬质合金的约0.2到20w/o，金属粘合剂从钴、钴合金、铁、铁合金、镍、镍合金中选择。
在一个更优选的实施方案中，金属粘合剂钴，或钴合金，钴形成碳化钨基硬质合金的约0.5到7wt％，最优选的是约1.0到约7wt％。
优选的是金刚石涂层对基体表面的平均粘合强度至少为45kg，更优选的是至少60kg，最优选的是至少80kg(用Rockwell A压痕试验)。
切削刀具的前倾面上的金刚石涂层优选地有约5到约100μm的平均厚度，为了以合理的制造成本获得可接受的刀具寿命，对用于A 380和A 390等铝合金的连续的和间歇的精车加工的刀具，优选的是具有约22到约50μm的厚度。
对于一个优选的选择方案，特别是用于精加工，紧密粘合在前倾面上的金刚石涂层要明显保留其所沉积的粗糙的表面状态，优选的是有大于35微英寸的表面粗糙度Ra，而与侧面紧密粘合的金刚石涂层要比较光滑。
根据本发明的产品优选的是用一种也是根据本发明的方法制备，该方法包括下列步骤1.在一定温度、一定气氛下把金属陶瓷的基体烧结一定的时间，使基体表面的晶粒长大到足以为基体前倾面提供大于25微英寸的表面粗糙度Ra，而且减少该表面上的金属粘合剂的浓度。优选的是在烧结过程中产生的表面粗糙度Ra大于30微英寸，更优选的是至少40微英寸。使用的气氛，优选的是氮气，分压为约0.3到约50torr，优选的是约0.3到5torr，更优选的是约0.3到2.0torr，最优选的是约0.3到0.7torr。
2.然后在这些表面上通过附着沉积，气相沉积涂覆金刚石。优选地，在金刚石沉积过程中基体温度在700℃和875℃之间，更优选地是在约750℃到约850℃之间。
控制该过程使得在金刚石涂层和基体之间的平均粘合强度大于45kg，优选的是至少60kg，更优选的是至少80kg，这些数据是用Rockwell A压痕技术确定。
优选地，在烧结步骤之后，用金刚石刻划将要涂覆的基体表面为金刚石涂层的制备创造成核位置。
在本发明的另一个优选的实施方案中，优选的是通过抛光侧面来降低刀具侧面上的金刚石的粗糙度。
在本发明另外一个优选的实施方案中，在上述的烧结工序进行之前，金属陶瓷的基体至少已经明显致密化的(即预烧结)且表面处于磨光状态。
在看到与下面简单说明的图联系起来的本发明的详细叙述，本发明的这些方面和其它方面将会更清楚。
图1A表示根据本发明的切削刀具基体的一个实施方案。
图1B表示在根据本发明涂层以后，通过图1A的切削刀具基体垂直于切削切削刃的局部断面。
图2-11是在本发明的方法和产品的一个优选的实施例中，表示切削刀具在各阶段的二次电子像(SEI)的扫描电子显微镜(SEM)的显微照片。(除了图10是放大1000倍的，其它所有的图都是放大2000倍的)图12表示用浸满金刚石磨料的旋转的毛刷进行的一个任选的抛光工序。
根据本发明，图1A表示根据本发明涂层的可转位切削刀片基体的一个优选的实施方案。该刀片有前倾面30和侧面50。在前倾面30和侧面50的交界处是切削刃70。取决于使用要求，切削刃70或者是锐利的、珩磨的、倒棱的，或者是倒棱并珩磨的。珩磨可以是用于切削刀具工业中的任何形式的或尺寸珩磨。优选地，切削刃口有一个圆角的珩磨，优选的是约0.0005到0.0015英寸。切削刀具基体也可以制成任何标准形状和尺寸(例如，SNGN-422和TPGN-322(见ANSI B212.4-1986))。在刀片的前倾面上也可以有各利断屑槽结构(未表示)以促进刀屑的断裂和排除。其中断屑槽结构将要涂层，这些结构的部分或全部可以是处于模压状态的(即未研磨)。
根据本发明，图1B表示通过涂层切削刀具80的局部断面，刀具80由带有紧密粘合在其前倾面30，侧面50和切削刃70的金刚石涂层的金属陶瓷基体10组成，见图1A。基体10的底面可以用金刚石涂覆也可以不涂覆。
本发明所用的基体是有硬质颗粒和把所说的硬质颗粒粘合在一起的金属粘合剂的金属陶瓷。金属陶瓷可以是任何以前用于切削刀具技术中的金属陶瓷，包括碳氮化钛基和碳化钨基组合物。用于这些组合物的金属粘合剂包括钴，钴合金，镍，镍合金，铁和铁合金。
优选的是把碳化物基(＞50w/o WC)硬质合金用于该基体。这样的组合物应该有约0.5到约20w/o，优选的是1.0到7w/o的钴或钴合金金属粘合剂。这样的组合物含有硬质碳化钨颗粒，也可以含有其它硬质颗粒，包括其它元素的碳化物、氮化物和碳氮化物及钨和其它元素的碳化物固溶体和碳氮化物固溶体。这样的元素可以包括Ti，Hf，Zr，Ta，Nb，V，Mo和Cr。在一个优选的实施方案中，Ti，Hf，Zr，Ta，Nb，V，Mo和Cr的存在限制在小于1w/o，更优选的是小于0.6w/o，从而使该硬质合金基体基本上由碳化钨和钴或钴合金(如Co-W合金)组成。
例如，申请人已经发现，当下列两种碳化钨基硬质合金组合物用作基体原料时，本发明具体提供了良好的粘合效果合金AW+C+5.7～6.3w/o的Co，不超过0.1w/oTa，最多0.
1w/oTi，最多0.1w/oNb，0.3～0.5w/oCr，其余为其它杂质，Rockwell A硬度为92.6～93.4。矫磁力Hc为
250-320奥斯特，磁饱和度83～95％，平均WC晶粒尺寸1-5μm，孔隙比为A04，B00，C00或更好，密度为14.80～15.00g/cc。合金BW+C+2.3～2.9w/oCo，最多0.4w/oTa，最多0.1w/oTi，最多0.1w/oNb，0.3～0.5w/oCr，其余为其它杂质，RockwellA硬度为92.6～93.6，矫磁力Hc为290～440奥斯特，磁饱和度足以避免 相的形成，平均WC晶粒尺寸为1-6μm，孔隙比为A08，B00，C00或更好，密度为15.10～15.50g/cc。
图2表示2000倍的合金B原料基体的侧面的SEM显微照片。图3表示2000倍的同样材料的断面的SEM的显微照片。这两个显微照片表示了在烧结条件下的基体。在显微照片中可以注意到基体表面处的硬质晶粒平均尺寸(这里是WC)与内部大致相同。
而该材料是用冷压和真空(10-2～10-3torr)烧结技术制备的，应该清楚可以用任何传统技术获得本发明的原料，如冷压，冷压和烧结(真空烧结，压力烧结或热等静压及其任何组合)或热压。真空烧结碳化钨基硬质合金基体的表面由钴或钴合金粘合在一起的碳化钨硬质颗粒组成的。由于在真空烧结条件下Co和WC的润湿性能，钴不仅在碳化钨颗粒之间，而且还覆盖在基体表面上的某些碳化钨晶粒上。
典型地，为了提供基体的准确的尺寸控制，烧结的基体要全部或部分抛光(例如，可以把前倾面上的断屑槽结构保留其模压后的状态)。研磨和抛光这样的操作(这些操作可以在该阶段进行)会把钴涂抹在基体的表面上。合金B的磨光的前倾面表示于图4，图5表示通过磨光的合金B刀片的断面，其中可以注意到，与图2和图3相比，研磨降低了基体表面的粗糙度。
现在根据本发明，在一定的时间、温度和气氛条件下烧结上述的基体，使晶粒长大并从基体表面减少粘合剂。选定时间和温度应使得在基体表面发生足够的异常晶粒长大产生大于25微英寸的表面粗糙度Ra，优选的是大于30微英寸，更优选的是至少40微英寸。
图6和7通过重烧的合金B刀片的前倾面的表面形貌(图6)和断面的显微照片(图7)(2000倍)表明重烧工序的结果。图6和7表示表面可以有大晶粒和小晶粒的混合物。在表面处表示的大晶粒，优选的是包括具有长轴尺寸至少为10μm的晶粒，更优选的是至少15μm以产生要求的表面粗糙度。
烧结并磨光状态的和重烧状态的合金B基体的抛光断面的SEM能量散射线性扫描X-射线分析(EDS)表明在重烧过程中钴从基体中挥发。在重烧之前，EDS和光学金相显微照片表明烧结并磨光的基体(包括模压的断屑结构(未磨光)基体，例如，CPGM-21.51)在整个试样内钴含量约为2.7～2.8w/o(用X-射线荧光分析约2.9w/o)，钴在整个试样内具有分散的聚集处，试样具有A06到A10的孔隙比，典型的碳化钨晶粒尺寸为约1～6μm，在整个试样内有少数分散晶粒，最大约10μm。
在重烧以后，根据本发明，钴含量和钴聚集体(cobalt pool)的尺寸减小，孔隙比被改进，碳化钨晶粒尺寸增大，孔隙比为A02～A06(在靠近试样的表面区域，或试样中的其他区域没有观察到内部连通气孔)。碳化钨晶粒尺寸是不均匀的，尺寸范围为约1～11μm，在试样的表面处，大晶粒和/或大晶粒的出现几率更高。观察到最大为16～28μm的大晶粒。在该CPGM-21.51试样中，大晶粒产生在模压的表面上及磨光的表面上。在一个CPGN-422试样上，在整个试样内钴含量明显均匀地减小至约2w/o(EDS和X-射线荧光分析)。在一个CPGM-21.51试样中，在整个试样内钴含量明显均匀地减小至约0.5w/o。在这两个试样中，钴含量相对于平均数的变化也减小了，表明钴聚集体的尺寸减小(即，钴的更均匀分布)。从CPGN-422试样和CPGM-21.51试样中挥发的钴的量的不同表明钴蒸发量也是刀具表面积与体积的比值的函数。这个比值增大时，对于给定的重烧处理，钴蒸发量应该增大。
在约0.5torr的氮气氛下在2750°F(1510℃)进行3小时的重烧。获得要求的表面粗糙度所需要的时间取决于原料和烧结条件。随温度升高，烧结时间应该缩短。用合金B的烧结并磨光的基体，已经发现在1510℃(2750°F)重烧2～3个小时足以提供所需要的表面粗糙度。用合金A时，已经发现需要更长的时间。
如果在第一次重烧处理后不能产生要求的表面粗糙度，可以对基体进行再次重烧直至产生要求的表面粗糙度。
根据本发明，相信在烧结(或重烧)过程中的气氛对于获得粘合在基体上的良好的金刚石涂层也是重要的。如果在该处理过程中使用氮气气氛，相信在产生的粗糙表面上钴的量将达到最小。应该控制氮气分压使钴从表面挥发，而使从基体内部的额外的钴对表面的重新润湿最小而且优选的是避免在基体表面形成任何可看到的氮化物层。
因此，最有利的氮气分压可能是基体组成的函数。在重烧循环过程中也可以控制或变化氮气的分压来控制从基体内部挥发的钴的量和挥发速率。
相信应该使用0.3～50torr，优选的是0.3～5，更优选的是0.3～2torr的氮气压力。申请人用合金A在他们的炉子内用0.3～0.7torr的氮气压力取得了最好的结果。可以推论该氮气压力可以使基体表面上的晶粒的外表面上的钴挥发，而在碳化钨晶粒之间保留足够的钴使它们与基体的其它部分粘合良好。钴的表面挥发伴随着表面上的晶粒长大，导致表面粗糙化。
然后可以采用任何传统的方法(例如，金刚石磨料或金刚石研磨膏)有益地刻划切削刀具基体的前倾面和侧面，为金刚石涂层的制备创造成核位置。
然后用气相沉积技术(如热阴极法，DC等离子流或微波等离子法)进行基体的金刚石涂层。在金刚石涂层的应用中，优选的是在涂层过程中基体温度保持在700和850℃之间。低于约700℃，在金刚石涂层中形成太多的石墨从而使耐磨性明显降低。此外，涂覆的速率也会降低。高于大约875℃，在涂覆过程中，太多的钴从基体中扩散出来，金刚石对基体的粘合性受到有害的影响。已经发现更优选的是在约750℃到约850℃进行金刚石的涂覆。在这些温度下，可以使上述的有害条件最小并且可以获得合理的涂覆速率。
图8(2000倍)表示在根据本发明的切削刀具的侧面上沉积的未处理金刚石涂层的表面形貌。所示的粗糙的有小刻面的表面表示具有最少(如果有的话)sp2相(石墨)和从基体中扩散出的粘合剂的高纯金刚石涂层。该金刚石涂层是在CVD热阴极系统中产生的。
图9(2000倍)表示抛光后的在刀具侧面上的金刚石涂层。比较图8和图9，可以容易地看出抛光使金刚石涂层的表面形貌光滑的效果。为了改善表面光洁度(该光洁度可以传递到被加工的工件上)，要进行抛光以消除侧面上的金刚石涂层表面的较高的表面粗糙度。优选的是进行足够的抛光使靠近刀片边角的侧面的表面粗糙度Ra减小至少10微英寸。
再看图10-11，分别表示金刚石涂覆的/重烧的切削刀具界面的前倾面的断面。图10的放大倍数是1000，而图11的放大倍数是2000。这些图表示了由大的碳化钨表面晶粒产生的粗糙的基体的前倾面与涂层间的机械联锁。可以推论在碳化钨晶粒表面的钴量的最小化加强了硅化钨上金刚石的直接成核。加强的成核和机械联锁都改善了金刚石涂层的粘合性。
金属陶瓷刀片上金刚石涂层的粘合强度是内在的和外在的参数的复杂函数。它们包括表面粗糙度，表面的化学相容性，热膨胀系数的匹配，表面制备，成核密度和涂覆温度。在碳化物刀具上的多晶金刚石涂层中，金属陶瓷表面上的粘合剂的浓度显著降低粘合强度。为了得到良好的金刚石对基体的粘合，相信本发明的重烧工序可以达到产生足够的减少粘合剂(如钴)的目的，但是不能减少太多的钴使得表面WC颗粒对基体其余部分的粘合明显减弱。对于为了从基体表面除去钴而对基体表面进行侵蚀的需要，伴随形成在靠近基体表面区域内的连通气孔已经被避免。
提出的方法的有效性通过下面的进一步的实施例进行附加说明。
在另一个实验中，用30,000psi从合金B的粉末混合料中以片状压出SPGN-422型毛坯。然后用传统的硬质合金的真空烧结制度在1496℃(2725°F)对该毛坯进行30分钟烧结，然后把它们磨到SPGN-422的尺寸并按表I所列的重烧制度重新加热。重烧工序进行时的氮气气氛的分压约为0.5torr，氮气的加入是直接用风机使2.5-3.0升/分的氮气连续流过可透气的石墨外壳。在加热到重烧温过程中，氮气是在约538℃(1000°F)开始引入的，此后一直保持氮气的通入，直到在冷却过程中达到1149℃(2100°F)为止。此时用氦气代替氮气。
在重烧后，用标准的Sheffield Proficorder Spectre设备测定重烧刀具的表面粗糙度。在刀具上的两个位置进行测量。然后该刀具(1)超声清洗(在水中的微观清洗液中超声处理，用水漂洗，在丙酮中超声处理，最后在甲醇中超声处理)；(2)引入金刚石晶种(或者用0.25μm金刚石研磨膏进行手工研磨，或者在100ml丙酮中的0.5～3μm金刚石粉末的料浆中进行超声处理)；(3)在CVD热阴极系统中进行金刚石涂覆(在1％的甲烷和99％的氢的混合物中，在总气体压力为10torr下，基体温度约775到约850℃)产生约5到10μm厚的金刚石涂层。
用带有Rockwell A刻度的Brale锥形金刚石压头的Rockwell硬度试验机，在选定的负载范围内15kg，30kg，45kg，60kg和100kg，用压痕粘合性试验确定金刚石涂层和碳化物表面之间的粘合性。粘合强度定义为涂层解离和/或剥落时的最小负载。在刀具上的两个位置进行测量。
典型的重烧条件，产生的基体表面粗糙度和相应的粘合性值总结于表I。在重烧过程中基体重量变化(减小)证明了在重烧过程中钴从试样中挥发。重量变化比越高，钴减小的越多。在这些实施例中，可接受的粘合性结果是在重量比为1.0030到1.0170，同时表面粗糙度为27到61微英寸时取得的。这些重量变化比表明，在重烧前有约2.7w/o的钴的基体中，在重烧后，钴含量减少至约2.4到1.0w/o。当要求增加表面粗糙度以改善基体表面和金刚石涂层之间的粘合时，优选的是重量变化比应该尽可能小，并与为取得与涂层的良好粘合所必须的表面粗糙度的水平相匹配。
一般地，具有较高的基体表面粗糙度表现出较高的粘合强度。在1454℃(2650°F)下仅烧结1小时的试样没有足够的表面粗糙度，没有足够的涂层与基体的粘合性，比根据本发明的较长时间烧结的试样的重量减少(即钴的减少)要小的多。
在另一个实验中，用与以前的实验类似的方法制备的涂层刀具用金属切削试验进行评价。一般地，具有较高的基体表面粗糙度的试样表现出改进了的性能。在另外一个实验中，(表示于表II)，烧结并磨光的合金B基体和烧结并磨光的合金A基体的附加试样用象以前一样的0.5torr氮气气氛如表II所示进行重烧。试样608A3和608A4的基体重量变化比分别是1.0088和1.0069。列于表II的其它试样没有测量由于重烧产生的重量变化。从表中可以看出，为了获得要求的表面粗糙度和要求的压痕粘合性值，合金A基体经过了两次重烧。可以认为，对于那些在由于加入铬(一种晶粒长大抑制剂)的合金B中和/或较高钴含量的合金A中获得的基体，为了获得等效的表面粗糙度和压痕粘合性值，较长的重烧时间是必要的。这些试样上的金刚石涂层在前倾面的角上厚度为约25μm(在SPGN-422型刀片上，21mg的重量变化近似等价于25μm的涂层厚度)。
发明者惊喜地发现，根据本发明的金刚石涂层切削刀具，在A380和A390型铝合金的车削加工中，表现出耐磨寿命至少为PCD包尖刀具寿命的40％，更优选的是约60％，损坏机理为磨蚀(不剥落)，在这些材料的间歇车削加工中也有类似的寿命和损坏模式。据发明者所知，生产出在这些材料的间歇车削加工中一直能抗剥落的金刚石涂层切削刀具，这还是第一次。这样就可以取得一致的刀具寿命并可预测刀具的寿命，这是金刚石涂层刀具与PCD包尖刀具进行商业竞争的必要步骤。上述加工试验结果是用厚度为约25μm的金刚石涂层进行的，厚度是在靠近合金B型刀片基体的角上的前倾面上测量的。
表I重烧对粗糙度和粘合性的影响
*自发剥落**由于重烧过程(重烧前重量/重烧后重量)
表II<
>E＝SPGN-422型的合金B级起始基体A＝TPGN-322型的合金B级起始基体F & G＝SPGN-422型中的合金A级起始基体*第一个数来自靠近前倾面的中心处第二个数来自靠近刀刃处本发明的侧面的一个任选的但也是优选的抛光是用浸满金刚石磨料(例如400目磨料)的旋转的硬毛刷进行的。合适的毛刷可以从Osborn Manufacturing/Jason，Inc.，of Cleveland，Ohio.购买。
现在看图12，如果需要抛光，刷毛100与切削刀具200的侧面190紧密接触。在与刷毛接触时，刀具200可以旋转也可以不旋转。如图12所示，可以把切削刀具200固定在一个旋转的底座210上使刀具可以绕其轴线旋转，该轴与刷毛100的旋转轴垂直，从而使刷毛扫过每个侧面190(位置A)。另外，(没有表示)在抛光时保持刀具方向固定(不旋转)可以顺序地抛光每一个刀具侧面或角，然后在完成抛光时，把刀具转到要抛光的下一个角。
在另一个可供选择的方法中(表示于图12的位置B)，可以把刀具200倒过来插入顺时针旋转的毛刷的右下部分。用这种方法，可以抛光刀具的侧面而不会使涂层切削刀具的切削刃变圆。
做为一个实施例，用直径8英寸的毛刷，浸满400目的金刚石磨料，旋转速度为1000rpm，对几种金刚石涂层刀片进行抛光15分钟。在沉积后的和抛光后的条件下用Sheffield Proficorder Spectre仪器测定金刚石涂层的表面粗糙度参数。粗糙度数据到于表III，这些数据表明通过抛光可明显降低涂层的粗糙度参数。这里，Ra表示平均粗糙度，Rtm表示峰与谷的最大值，后者通过抛光减小得更明显。
表III抛光对金刚石涂层刀具表面粗糙度参数的影响表面粗糙度刀具代号 表面条件Ra Rtm微英寸 微英寸A 沉积后 51 341抛光后 39 268B 沉积后 91 641抛光后 58 333C 沉积后 40 277抛光后 35 227D 沉积后 88 547抛光后 59 330E 沉积后 44 300抛光后 35 223使用浸满碳化硅颗粒的毛刷的尝试是不成功的。在抛光后粗糙度参数没有变化。用更剧烈的条件可以在较短时间内完成提出的金刚石抛光过程，如在刷毛中用更粗的PCD颗粒，用更高的转速等。
用下列实验进一步表明抛光操作对金属切削性能的有利的作用。用上述的方法抛光三个SPGN-422金刚石涂层刀具的每一个的一个角(在抛光操作中刀具不旋转)。在其余角上的金刚石涂层原封不动保持其沉积后的状态。为了对比，在相同的切削试验中使用一个传统的PCD刀具。该车削试验中的金属切削条件如下工件材料为A390铝(约18％的硅)，速度为2500表面英尺/分，进刀速度为每转0.005英寸，切削深度为0.025英寸。使用刀具进行两分钟系列切削直至刀具损坏，即磨损0.010英寸的切削刃厚度或磨掉金刚石涂层到达基体。在每一次两分钟切削后，用便携式表面光洁度仪测定工件表面光洁度。(A Federal Products Corp.Pocket SurfREAS-2632型，用金刚石探头测量表面微粗糙度。)结果总结于表IV，列出了在直至刀具损坏的试验过程中测定的工件粗糙度范围。由抛光的金刚石涂层刀具提供的工件表面光洁度明显优越并接近由PCD刀具提供的光洁度。这些金刚石涂层刀具适用于要求表面粗糙度一般小于80微英寸的精加工操作。但是，如表IV所表示的，如果需要，可以控制抛光，使刀具材料C产生小于50微英寸的工件表面粗糙度，这与PCD刀具产生的工件表面粗糙度相同。
表IV抛光对由金刚石涂层刀具提供的工件表面光洁度的影响刀具材料表面条件 工件粗糙度Ra的范围微英寸PCD 抛光后30→44A 沉积后51→108抛光后44→75B 沉积后70→179抛光后38→73C 沉积后55→83抛光后35→40表IV表明在抛光前后工件粗糙度减少7-106Ra。
在另一个实验中，沉积后的金刚石涂层刀具在损坏时(在总切削时间为46分钟后，刚好磨掉涂层到达基体，测得磨损区域为0.0163英寸)产生范围在184和221微英寸之间的工件粗糙度(Ra)。对该刀具上的磨损区域进行上述的抛光过程。在该处理后，该刀具产生范围在60和67微英寸之间的工件表面光洁度(Ra)。再一次说明抛光工序对刀具性能有利。
发明者已经发现，为了用400目的毛刷赋予涂层光滑的表面，抛光时间可以在仅仅几分钟的量级。如果可以接受更粗的抛光(如120目)，抛光时间可以缩短。抛光也可以分两步或更多步进行，第一个快速的阶段，用粗的(如120目)毛刷除去最明显的粗糙部分，然后在第二个缓慢的阶段中，用细毛刷(如400目)为金刚石涂层表面提供最终的要求的表面光洁程度。
尽管本发明通过最优选的实施方案，即用于车削及铣削等金属切削加工中的金刚石涂层可转位刀片来叙述，但本发明并不仅仅局限于用于金属切削的可转位刀片。
本发明可以用于圆形刀具(如钻头和端面铣刀)和其它切削刀具，这些是不能转换位置的。除了铝及其合金以外，根据本发明的切削刀具还可以用于其它材料，如铜，锌和黄铜合金，木材，碎料板，尼龙，丙烯酸类树脂，酚醛树脂材料，塑料，复合材料，陶瓷生坯和金属陶瓷，骨和牙。
本发明还可用于耐磨部件，如电子设备的TAB粘合器，模具和冲压机等应用。
本发明还可以用于碳化钨—钴硬质合金刀片，用在采矿和建筑工具和土壤以及岩石钻探工具中。
以上详细叙述进行本发明的最好的方法，熟悉本发明涉及的技术的哪些人会认识到实践用下列权利要求书所定义的本发明的各种不同的设计和实施方案。
权利要求
1.用于材料的成屑加工的金刚石涂层切削刀具，包括有由金属粘合剂粘合在一起的硬质颗粒的金属陶瓷基体；其中，所说的金属陶瓷基体中，与基体内部区域的硬质颗粒相比，基体表面上有相对较大的硬质颗粒，为所说的基体提供了不规则的表面；金刚石涂层沉积在所说的不规则的基体表面上并对其有较强的粘合性；其中，粘合在不规则的基体表面上的金刚石涂层在Rockwell A压痕试验中具有大于45kg的平均粘合强度；其中，所说的基体有前倾面和侧面并且在所说的前倾面和侧面的交界处形成切削刃；其中，所说的金刚石涂层紧密粘合在所说的侧面和所说的前倾面上。
2.根据权利要求1的金刚石涂层切削刀具，其中，所说的金属陶瓷是碳化钨基硬质合金，所说的硬质颗粒包括碳化钨颗粒。
3.根据权利要求2的金刚石涂层切削刀具，其中，所说的金属粘合剂占所说的碳化钨基硬质合金的约0.2到约20w/o，所说的粘合剂选自钴，钴合金，铁，铁合金，镍和镍合金。
4.根据权利要求3的金刚石涂层切削刀具，其中，金属粘合剂选自钴和钴合金，并且其中的钴约占所说的碳化钨基硬质合金的0.5到7w/o。
5.根据权利要求1的金刚石涂层切削刀具，其中，所说的金刚石涂层对所说的基体表面的平均粘合强度至少为60kg。
6.根据权利要求1的金刚石涂层切削刀具，其中，所说的金刚石涂层对所说的基体表面的平均粘合强度至少为80kg。
7.根据权利要求1的金刚石涂层切削刀具，其中，金刚石涂层紧密粘合在表面粗糙度Ra大于35微英寸的所说的前倾面上，金刚石涂层紧密粘合在表面已经磨光的侧面上。
8.根据权利要求1的金刚石涂层切削刀具，其中，粘合在所说的前倾面上的所说的金刚石涂层平均厚度约为5到100μm。
9.根据权利要求8的金刚石涂层切削刀具，其中，所说的厚度约为22到50μm。
10.根据权利要求1的金刚石涂层切削刀具，其中，所说的基体的特点是在靠近所说的不规则基体表面的基体区域内没有内部连通的气孔。
11.具有基本由硬质颗粒和金属粘合剂组成的金属陶瓷基体的金刚石涂层切削刀具的制造方法，所说的基体有前倾面、侧面和在所说的侧面和前倾面交界处的切削刃，所说的方法包括下列步骤在一定温度、一定气氛下对所说的金属陶瓷基体进行一段时间的烧结，使得在基体侧面和前倾面上产生足够的颗粒长大，为所说的基体的前倾面提供大于25微英寸的表面粗糙度Ra，并减小所说的表面上的金属粘合剂的浓度；然后通过气相沉积在所说的基体前倾面和侧面上紧密沉积一个金刚石涂层；其中，所说的金刚石涂层对所说的基体表面的平均粘合强度，由Rockwell A压痕试验确定，为大于45kg。
12.根据权利要求11的方法，其中，平均粘合强度至少为60kg。
13.根据权利要求11的方法，其中，平均粘合强度至少为80kg。
14.根据权利要求11的方法，其中，所说的金属陶瓷基本上完全致密化，并且在所说的烧结工序之前其表面处于磨光状态。
15.根据权利要求11的方法，其中，所说的金属陶瓷是碳化钨基硬质合金，所说的硬质颗粒包括碳化钨颗粒。
16.根据权利要求15的方法，其中，所说的金属粘合剂约占所说的碳化钨基硬质合金的0.2到20w/o，所说的金属粘合剂选自钴，钴合金，铁，铁合金，镍和镍合金。
17.根据权利要求16的方法，其中，所说的金属粘合剂选自钴和钴合金，并且其中，钴约占所说的碳化钨基硬质合金的0.5到7w/o。
18.根据权利要求11的方法，其中，与所说的前倾面粘合的所说的金刚石涂层的平均厚度约为5到100μm。
19.根据权利要求18的方法，其中，所说的厚度约为22到50μm。
20.根据权利要求11的方法，其中，控制所说的时间和温度为所说的基体前倾面提供大于30微英寸的Ra。
21.根据权利要求20的方法，其中，Ra至少为40微英寸。
22.根据权利要求11的方法，其中，所说的气氛为氮气气氛。
23.根据权利要求22的方法，其中，所说的气氛有约0.3到约50torr的压力。
24.根据权利要求11的方法，其中，所说的金刚石涂层的所说的沉积是在高于700℃但低于875℃下进行的。
25.根据权利要求11的方法，其中，进一步包括磨光使所说的侧面上的金刚石涂层的表面粗糙度降低的工序。
26.根据权利要求25的方法，其中，所说的磨光工序是通过抛光所说的侧面上的所说的金刚石涂层来进行的。
27.根据权利要求22的方法，其中，所说的气氛有0.3到5torr的压力。
28.根据权利要求22的方法，其中，所说的气氛有0.3到2torr的压力。
29.根据权利要求22的方法，其中，所说的气氛有0.3到0.7torr的压力。
30.一种金刚石涂层刀具，包括具有由金属粘合剂粘合在一起的硬质颗粒的金属陶瓷基体；其中，所说的金属陶瓷基体中，与在基体内部区域的所说的硬质颗粒相比，基体表面上有相对较大的硬质颗粒，为所说的基体提供了不规则的表面；沉积在所说的不规则的基体表面上的金刚石涂层，并对其具有较强的粘合性；其中，粘合在不规则基体表面上的所说的金刚石涂层在Rock-well A压痕试验中具有大于45kg的平均粘合强度。
31.根据权利要求30的金刚石涂层刀具，其中，所说的金属陶瓷是碳化钨基硬质合金，所说的硬质颗粒包括碳化钨颗粒。
32.根据权利要求31的金刚石涂层刀具，其中，所说的金属粘合剂约占所说的碳化钨基硬质合金的0.2到20w/o，所说的金属粘合剂选自钴，钴合金，铁，铁合金，镍和镍合金。
33.根据权利要求32的金刚石涂层刀具，其中，金属粘合剂选自钴和钴合金，其中钴约占所说的碳化钨基硬质合金0.5到7w/o。
34.根据权利要求30的金刚石涂层刀具，其中，金刚石涂层对所说的基体表面的所说的平均粘合强度至少为60kg。
35.根据权利要求30的金刚石涂层刀具，其中，金刚石涂层对所说的基体表面的所说的平均粘合强度至少为80kg。
36.根据权利要求30的金刚石涂层刀具，其中，所说的金刚石涂层有约5到100μm的平均厚度。
37.根据权利要求36的金刚石涂层刀具，其中，所说的厚度约为22到50μm。
38.根据权利要求30的金刚石涂层刀具，其中，所说的基体的特点是在靠近所说的不规则基体表面的基体区域内没有内部连通的气孔。
39.具有基本由硬质颗粒和金属粘合剂组成的金属陶瓷基体的金刚石涂层刀具的制造方法，所说的方法包括下列步骤在一定温度、一定气氛下对所说的金属陶瓷基体进行一段时间的烧结，使得在基体表面上产生足够的晶粒长大，为所说的基体的前倾面提供大于25微英寸的表面粗糙度Ra，并减小所说的表面上的金属粘合剂的浓度；然后通过气相沉积在所说的基体表面上紧密沉积一个金刚石涂层；其中，所说的金刚石涂层对所说的基体表面的平均粘合强度，由Rockwell压痕方法确定，为大于45kg。
40.根据权利要求39的方法，其中，平均粘合强度至少为60kg。
41.根据权利要求39的方法，其中，平均粘合强度至少为80kg。
42.根据权利要求39的方法，其中，所说的金属陶瓷基本上完全致密化，并且在所说的烧结工序之前其表面处于磨光状态。
43.根据权利要求39的方法，其中，所说的金属陶瓷是碳化钨基硬质合金，所说的硬质颗粒包括碳化钨颗粒。
44.根据权利要求43的方法，其中，所说的金属粘合剂约占所说的碳化钨基硬质合金的约0.2到20w/o，所说的金属粘合剂选自钴，钴合金，铁，铁合金，镍和镍合金。
45.根据权利要求44的方法，其中，所说的金属粘合剂选自钴和钴合金，其中钴约占所说的碳化钨基硬质合金的0.5到7w/o。
46.根据权利要求39的方法，其中，粘合在所说的基体表面上的所说的金刚石涂层具有约5到约100μm的平均厚度。
47.根据权利要求46的方法，其中，所说的厚度约为22到50μm。
48.根据权利要求39的方法，其中，控制所说的时间和温度为所说的基体表面提供大于30微英寸的Ra。
49.根据权利要求48的方法，其中，Ra至少40微英寸。
50.根据权利要求39的方法，其中，所说的气氛为氮气气氛。
51.根据权利要求50的方法，其中，所说的气氛有约0.3到约50torr的压力。
52.根据权利要求39的方法，其中，所说的金刚石涂层的所说的沉积是在高于700℃但低于875℃的温度下进行的。
53.根据权利要求39的方法，其中，进一步包括磨光使金刚石涂层表面粗糙度降低的工序。
54.根据权利要求53的方法，其中，所说的磨光工序是通过抛光所说的金刚石涂层进行的。
55.根据权利要求50的方法，其中，所说的气氛有0.3到5torr的压力。
56.根据权利要求50的方法，其中，所说的气氛有0.3到2torr的压力。
57.根据权利要求50的方法，其中，所说的气氛有0.3到0.7torr的压力。
58.根据权利要求11的方法，其中，在烧结所说的金属陶瓷基体之后并在沉积所说的金刚石涂层之前，进一步包括用金刚石刻划基体前倾面和侧面以形成金刚石成核位置的工序。
59.根据权利要求39的方法，其中，在烧结所说的金属陶瓷基体之后并在沉积所说的金刚石涂层之前，进一步包括用金刚石刻划基体表面以形成金刚石成核位置的工序。
60.根据权利要求11的方法，其中，所说的基体在所说的烧结工序之前基本上完全致密化并具有模压状态的表面。
61.根据权利要求39的方法，其中，所说的基体在所说的烧结工序之前基本上完全致密化并具有模压状态的表面。
62.用于材料的成屑加工的一种金刚石涂层刀具，包括具有由金属粘合剂粘合在一起的碳化钨颗粒的硬质合金基体，其中，所说的硬质合金基体的表面上有相对较大的碳化钨颗粒，从而在所说的基体上提供了不规则的表面；沉积在所说的不规则基体表面上的金刚石涂层，并对其具有较强的粘合强度；其中，所说的相对较大的碳化钨颗粒包括尺寸至少为10μm的颗粒；其中，所说的基体有前倾面和侧面并在前倾面与侧面的交界处形成切削刃，其中，所说的金刚石涂层紧密粘合在所说的前倾面和所说的侧面上。
全文摘要
一种金刚石涂层刀具(80)及其制造方法，该方法包括一个烧结工序。在该工序中，在一定气氛、一定温度下对刀具基体进行一段时间的烧结，促进表面的异常晶粒长大，产生粗糙的表面，在随后的通过气相沉积进行的金刚石涂层过程中，该粗糙表面可以做为沉积位置。该金刚石涂层刀具有大颗粒的基体表面，并在金刚石涂层与基体表面有高的粘合强度。
文档编号B23P15/28GK1136292SQ94194305
公开日1996年11月20日 申请日期1994年3月4日 优先权日1993年11月30日
发明者G·P·格拉布, W·M·麦拉格, E·J·奥莱斯, G·D·穆雷, C·E·巴尤尔, A·英斯派克托尔 申请人:钴碳化钨硬质合金公司