专利名称：硬质合金工具及其制备方法
技术领域：
本发明涉及硬质合金切削工具的制备方法，以及硬质合金切削工具本身。
背景技术：
硬质合金(例如，具有钴粘结剂的碳化钨基材料)刀头中存在具有非分层粘结剂富集的表面区，例如，Nemeth等的美国专利4,610,931(和美国再公告专利34,180)以及Grab等的美国专利5,955,186均对此进行了介绍。
Yohe的美国专利4548786公开了一种制备存在表面粘结剂富集的硬质合金刀头的方法，其中，在加热过程中，不含氮的脱蜡坯件暴露在具有氮分压的气氛中。Lindskog等的PCT专利出版物98/16665公开了一种存在表面粘结剂富集的硬质合金刀头，该合金刀头的制备方法中部分采用了氮气氛。Uchino等的欧洲专利0 569 696涉及含有锆和/或铪并且在切削刃下方存在表面粘结剂富集的硬质合金刀头。Gustafson等的欧洲专利0 603 143公开了一种制备具有分层粘结剂富集区的涂覆硬质合金的方法，所述方法包括在惰性气氛(或者真空)中烧结含氮的压实体，之后，以特定速度冷却。
Kennametal KC850级涂覆刀头(KC850是Kennametal公司出品的刀头的注册商标，该公司在美国Pennsylvania的Latrobe)存在分层粘结剂富集区。1981年Metalwerke Plansee A.G.在奥地利Tyrol的Reutte召开了Tenth Plansee Seminar。本次会议的论文集第613-627页的Nemeth等的文章“The Microstructural Features and CuttingPerformance of The High Edge Strength Kennametal KC850”介绍了Kennametal KC850级刀头。在1987年的Funtai oyobi Funtai Yakin第34卷第3期129-132页发表的Kobori等的论文“Binder EnrichedMayer Formed Near the Surface of Cemented Carbide”介绍了分层粘结剂富集。
其它论文讨论了硬质合金中粘结剂富集区的出现。这些论文包括Schwarzkopf等在1988年第A105/106期的Materials Science andEngineering的225-231页的文章“Kinetics of CompositionalModification of(W，Ti)C-WC-Co Alloy Surfaces”，Gustafson等在1993-1994年第12期的Int.J.of Refactory Metals & HardMaterials的129-136页的文章“Binder-Phase Enrichment byDissolution of Cubic Carbides”，Suzuki等在1981年第45卷第1期的Nippon Kinzoku Gakkaishi的第95-99页的文章“The B-Free LayerFormed Near the surface of Sintered WC-B-Co Alloy ContainingNitrogen”，以及Suzuki等在1981年第22卷第11期的Transactionsof the Japan Institute of Metals的第758-764页的文章“The B-FreeLayer Formed Near the Surface of Vacuum-Sintered WCOBOCo AlloysContaining Nitrogen”。
虽然一些上述论文、专利以及产品公开或者包括了展现充分性能的刀头，但是，仍然需要发展制备具有更优性能的产品的方法(以及产品本身)。在这一点上，理想的是提供在多数情况下至少具有一种部分分压的气氛中烧结坯体，以便控制粘结剂富集区的方法(以及所获得的产品)。这种方法将在切削刃强度与基体变形抗力之间提供最佳平衡。这种方法也能够使同一炉次的所有部件具有特别一致的粘结剂富集区深度。
也很理想的是提供一种方法，以及所获得的产品，所述方法中，在粘结剂富集区，特别是在核心孔隙率高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00基体中，没有碳的析出。没有这种碳析出将加强涂层与基体之间的结合。
提供一种具有一种非分层粘结剂富集(或者基本上是非分层粘结剂富集，这意味大部分粘结剂富集呈非分层型，只有微量(或少量)的分层粘结集富剂)的表面区，并且其中固溶强化得到加强的烧结态硬质合金很有利。在这一点上，具有存在位于钴原子间隙处的氮原子的烧结(钴)碳化钨基体有利于固溶强化。对于存在具有高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00的孔隙率的本体区域的基体而言，尤其存在这种固溶强化的提高。在这种情形下，氮的原子半径(约0.75埃)比碳的原子半径(约0.91埃)小。
直接在含氮的基体表面上涂覆涂层，特别是含氮涂层(例如，氮化钛或碳氮化钛)将会很有利。当将氮化钛涂层涂覆在存在具有不高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00的孔隙率的本体区域的基体表面上时，氮的存在会促进氮化钛形核。当将碳氮化钛涂层涂覆在存在具有高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00的孔隙率的本体区域的基体表面上时，碳和氮的存在会有助于促进碳氮化钛形核。
可以认为，在具有钴富集表面区的烧结(钴)碳化钨基体的钴粘结剂中存在附加的氮，能够提高基体与含氮涂层，例如，氮化钛或碳氮化钛的化学亲和力。可以相信，这种化学亲和力的提高会导致涂层与基体的结合力的提高。
可以相信，在邻近基体表面的钴中存在的氮量的增加应能够降低在涂层与基体界面处形成脆性的η相的可能。形成η相可能性的降低允许使用碳含量更低的基体。
可以相信，基体中含氮量较高也会导致碳化钨晶粒尺寸的减小。N/(C+N)比值的增加会导致碳化钨晶粒尺寸的减小。组织中的碳化钨相含量应随着N/(C+N)比值的增加而增至最大。
因此，可以看到存在一种认识，即提供具有更高含氮量的的烧结态烧结(钴)碳化钨基体将很有利。氮含量较高将会提高涂层(特别是例如氮化钛和碳氮化钛涂层)与基体的结合强度。邻近基体表面的钴粘结剂中的氮含量较高能够降低在涂层-基体界面处形成脆性的η相的可能。含氮量较高会减小碳化钨晶粒尺寸。
典型地，必须使用不同组成的原料粉末制备或者存在粘结剂富集表面区的烧结态基体或者不存在粘结剂富集表面区的烧结态基体。将会感到，与储存(和/或制备)仅仅一种组成的原料粉末的成本相比，储存(和/或制备)两种或多种不同组成的原料粉末的成本更高。从生产的角度看，提供一种利用单一种原料粉末选择性制备或者存在粘结剂富集表面区的商品级的烧结态基体或者不存在粘结剂富集表面区的商品级的烧结态基体的方法将会很有利。
发明简述本发明的一种形式是包含碳化钨基基体的具有前刀面和侧刀面以及位于它们交接面处的切削刃的涂覆刀头。所述基体具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的高于C00的孔隙率等级。所述基体存在不发生任何碳析出的非分层粘结剂富集表面区。在至少部分所述基体上存在涂层。
本发明的另一种形式是一种涂覆碳化钨基刀头的制备方法，其中，对原料粉末进行混合，压制成生坯，并且然后进行脱蜡处理。对脱蜡后的生坯进行烧结加热步骤、烧结保温步骤以及控制冷却步骤，其中，所有这些步骤全部在具有分压的气氛中进行，而且，至少在部分烧结加热步骤和烧结保持步骤期间，所述气氛包含氮分压。然后，采用一种或多种涂层对烧结态的基体进行涂覆。
本发明的再一种形式是一种通过在至少含有分压的气氛中烧结粉末压实体制备的烧结(钴)碳化钨基基体。所述基体具有在其交接面处存在切削刃的前刀面和侧刀面。所述基体具有从切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一向内朝向整个基体延伸并与之相邻的非分层钴富集区，所述整个基体的孔隙率大于C00。钴富集区没有出现任何碳的析出，而且，其最大钴含量约为整体钴含量的125-300％。
本发明的又一种形式是一种通过在至少含有一种分压的气氛中烧结原料粉末压实体制备的烧结(钴)碳化钨基基体，其中，所述原料粉末含有下述组元钴、钨、碳、钛、铌和钽，所述基体包括由前刀面、侧刀面以及位于前刀面和侧刀面交界处的切削刃确定的外周面；所述基体具有非分层钴富集区，所述钴富集区自与切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一相邻处开始，并且由此向内朝向整体区域延伸，所述整体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的大于C00的孔隙率；所述钴富集区至少部分地不含固溶碳化物和/或固溶碳氮化物；所述钴富集区没有任何碳的析出；以及，所述钴富集区的钴含量约为整体区域钴含量的125-300％。
本发明的又一种形式是一种涂覆刀头，所述涂覆刀头包括基本充分致密的基体，所述基体通过在含有氮分压的气氛中烧结原料粉末压实体制备而成。所述原料粉末包括下述组元含量为3-12重量％的选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，最多约95重量％钨，最多约7重量％碳，以及最多约13重量％的下述组元钛、钽、铌、铪、锆以及钒中之一种或多种。所述基体具有前刀面和侧刀面，而且，在前刀面和侧刀面交界面处存在切削切削刃。所述基体存在深度基本均匀的非分层的粘结集富剂区，所述钴富集区自与切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一相邻处开始，并且由此向内朝向整体区域延伸。粘结剂富集区的含氮量高，而且，基体的整体区域的含氮量也高。在切削刃以及基体的前刀面和侧刀面之一或者两个之中的至少一部分上存在涂层。
本发明的又一种形式是一种涂覆硬质合金刀头的制备方法，其包括下述步骤将原料粉末混合形成原料粉末混合物，其中，所述粉末含有下述组元选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，钨，碳，以及下述组元钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；将原料粉末混合物压制成刀头生坯；对所述刀头生坯进行脱蜡形成脱蜡的刀头生坯；在基本上整个烧结加热步骤期间，在具有第一种氮分压的气氛中，将脱蜡后的刀头生坯从约脱蜡最高温度至少烧结加热至孔隙闭合温度，以便形成预烧结刀头坯体；在基本上整个烧结保持步骤期间，在具有第二种氮分压的气氛中，在烧结保持温度下对所述预烧结刀头坯体进行烧结保持，以便形成烧结后的刀头坯体，其中，第二种氮分压高于第一种氮分压；将烧结后的刀头坯体从烧结温度冷却至低于共晶温度的目标温度，以便形成烧结态的刀头基体，所述刀头基体存在具有非分层粘结剂富集区的外周面，所述钴富集区自与该外周面相邻处开始，并且由此向内朝向基体的整体区域延伸；以及，采用包含一个或多个覆层的涂层对烧结态的刀头基体进行涂覆，所述涂层包括位于基体表面上的基础层，而且，所述基础层包含含氮的材料。
本发明的再一种形式是一种选择性制备或者存在粘结剂富集表面区的烧结态基体或者不存在粘结剂富集表面区的烧结态基体的方法，所述方法包括下述步骤对原料粉末进行混合，所述原料粉末不存在有效量的氮，但是含有选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，钨，碳，以及下述组元钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；将原料粉末混合物压制成刀头生坯；对所述刀头生坯进行脱蜡形成脱蜡的刀头生坯；在基本上整个烧结加热步骤期间，在具有第一种氮分压的气氛中，将脱蜡后的刀头生坯从约脱蜡最高温度至少烧结加热至孔隙闭合温度，以便形成预烧结刀头坯体；在基本上整个烧结保持步骤期间，在具有第二种氮分压的气氛中，在烧结保持温度对所述预烧结刀头坯体进行烧结保持，以便形成烧结后的刀头坯体，而且，其中，第二种氮分压可以选择性地高于、等于或者低于第一种氮分压；将烧结后的刀头坯体从烧结温度冷却至低于共晶温度的目标温度，以便形成烧结态的刀头基体，其中，当第二种氮分压高于第一种氮分压时，所述烧结态的刀头基体不存在粘结剂富集表面区，而当第二种氮分压等于或者低于第一种氮分压时，所述烧结态的刀头基体存在粘结剂富集表面区；以及采用包含一个或多个覆层的涂层对烧结态的刀头基体进行涂覆。
附图简述下面是对构成本专利申请的一部分的附图的简要描述
图1是SPGN 432型刀头具体实施方案的立体图；图2是沿图1中的截面线2-2的图1刀头的横截面图；图3是SNG 433型刀头具体实施方案的立体图；图4是沿图3中的截面线4-4的图3刀头的横截面图；图5是展示相对于整体钴浓度的钴浓度分布图，所述分布图是采用能量散射X射线线扫描分析(EDX)技术，在距离根据本发明的实施例1制备的烧结态刀头基体的外周面不同选择距离(单位微米)处的测量结果；图6是展示接近根据本发明的实施例1制备的烧结态刀头基体表面的显微组织的光学显微照片(放大倍数1500X)；以及图7是展示接近根据本发明的实施例6制备的烧结态刀头基体表面的显微组织的光学显微照片(放大倍数1500X)；图8是展示接近根据实施例1制备的烧结态刀头基体拐角处显微组织的光学显微照片(放大倍数1200X)；图9是展示接近根据本发明的实施例X207-1制备的烧结态刀头基体表面的显微组织的光学显微照片，照片中的距离标识为10微米；图10是展示接近根据本发明的实施例X207-2制备的烧结态刀头基体表面的显微组织的光学显微照片，照片中的距离标识为10微米；以及图11是展示接近根据本发明的实施例X207-3制备的烧结态刀头基体表面的显微组织的光学显微照片，照片中的距离标识为10微米。
发明详述参照附图，图1是一般标记为20的可分度刀头的具体实施方案。刀头20在位于前刀面24和侧刀面26的接合处(或者交界面处)存在切削刃22。虽然图1所示的刀头是具有珩磨切削刃的SPGN型刀头，本申请人预计本发明包括具有或者没有珩磨切削刃的其他类型的刀头。
如图2所示，刀头20的两个基本组件是基体30和涂层32，其中，涂层32(如括号所示)可以包括一个或者多个薄层。基体30存在相交形成基体切削刃(或者拐角)40的前刀面36和侧刀面38。前刀面36和侧刀面38包含基体30的外周面。基体30存在粘结剂富集区42，该富集区42始于基体外周面处，并且，从前刀面36向内延伸距离“A”(参见图2)，从侧刀面38向内延伸距离“B”。虽然在图1和图2的具体实施方案中，粘结剂富集区自外周面开始延伸，但是，本申请人预计在某些情形下，粘结剂富集区可以自邻近基体外周面处(不在外周面处[例如，稍低于外周面处])开始向内延伸。
在图1和图2的具体实施方案中，距离“A”和“B”基本相等，但是，依据应用场合不同，距离“A”和“B”的大小可以不总是相等。粘结剂富集区自切削刃处向内延伸距离“C”，图示表明距离“C”大于距离“A”或者距离“B”，然而，本申请人预计情况可以不总如此。在其它情形下，距离“A”和“B”中的每一个均可以大于距离“C”，或者距离”A”和”B”中的一个或另一个可以大于距离“C”。
粘结剂富集区42可以包含非分层型粘结剂富集或者基本非分层型粘结剂富集。基本非分层型粘结剂富集意味着大部分富集是非分层型，但也存在少量分层型粘结剂富集。非分层型粘结剂富集从本质上讲一般是均匀的。非分层粘结剂富集与分层粘结剂富集的不同之处在于分层粘结剂富集时粘结剂以一层压一层的形式形成多层。分层粘结剂富集是较早述及的Kobori等的文章和Nemeth等的文章所讨论的内容，在此引入这些文章作为参考。
在一个优选实施方案中，基体30是碳化钨基硬质合金材料，其含有至少约70重量％碳化钨，更优选含有至少约80重量％碳化钨。粘结剂优选是钴或者钴合金，然而，粘结剂可以包括铁和/或镍及其合金。当粘结剂是钴(或者钴合金)时，优选整个基体的钴浓度，即基体本体区域中的钴浓度为约3-12重量％。更优选整个基体的钴浓度为约5-8重量％。甚至更优选整个基体的钴浓度为约5.6-7.5重量％。应该意识到刀头中的具体钴含量取决于刀头的具体应用。
基体30最优选含有固溶碳化物和/或固溶碳氮化物。更具体地，固溶碳化物和/或固溶碳氮化物形成元素(例如，钛、钽、铌、铪、锆、钒)互相之间和/或钨形成这些固溶体。更优选的固溶碳化物和/或固溶碳氮化物形成元素是钛、钽和铌。优选钽含量与铌含量之和为约3-7重量％，钛含量为约0.5-5重量％。最优选地，钽含量与铌含量之和为约5.0-5.9重量％，钛含量为约1.7-2.3重量％。
在一个具体实施方案中，原料粉末混合物不合有任何有效量的氮，其中，有效量的氮指的是能够引起出现任何可量测(或者可察觉)的粘结剂富集的氮的最低含量。因此，由该实施方案，在烧结期间形成任何碳氮化物，并且可能在烧结态的基体30中存在的氮的唯一来源是烧结期间基体所处的气氛中的氮。然而，如下文所述，另一个具体实施方案在原料粉末中含有氮。
在粘结剂富集区，固溶碳化物和/或碳氮化物完全贫乏，或者在某些情况下部分贫乏，这样，碳化钨和钴构成了粘结剂富集区组成的大部分(而且，在某些情况下是全部)。一般认为，固溶碳化物和/或碳氮化物较少会导致切削刃强度(或韧性)的提高。
粘结剂富集区典型地也不含任何自由碳，原因在于在粘结剂富集区不存在任何碳薄片(即碳刺入或者碳析出)。在粘结剂富集区存在碳析出可能会造成涂层与基体结合性能的下降，因此，不存在碳析出是理想的。
在粘结剂富集区，粘结剂(例如，钴或者钴合金)浓度优选达到最大值，该值约为基体本体区域，即整个基体中的粘结剂浓度的125-300重量％。更优选的粘结剂富集区的粘结剂最大浓度范围约为整个基体中的粘结剂浓度的150-300重量％。最优选的粘结剂富集区的粘结剂最大浓度范围约为整个基体中的粘结剂浓度的200-250重量％。
粘结剂富集区优选自基体外周面开始并且由此向内延伸。然而，在某些情形下，与外周面相邻处可能存在一个由于粘结剂蒸发而导致粘结剂浓度下降(或者甚至消除)的薄层。在这种情况下，粘结剂富集区自靠近外周面处开始并且由此向内延伸。本申请人认为粘结剂富集区始于外周面邻近的特征意味着粘结剂富集区在外周面处开始或者在其附近开始。
粘结剂富集区的厚度可以在外周面(例如，前刀面、侧刀面和/或切削刃)处或其附近开始向内延伸最多约50微米的距离。粘结剂富集区厚度的一个优选范围是约5-50微米。更优选范围为约10-40微米。最优选范围为约20-30微米。在选择粘结剂富集区优选深度时，典型地应该平衡考虑基体的变形抗力和切削刃强度。随着粘结剂富集区深度的增加，切削刃强度提高，但变形抗力下降。
理想的是能够提供一种可以控制粘结剂富集区厚度的烧结态刀头的制备方法。通过调整处理参量(例如，气氛中氮分压大小、温度、持续时间)以及原料粉末的组成，可以控制在烧结态刀头基体的平表面(例如，前刀面和侧刀面)以及切削刃处的粘结剂富集区深度。
通过控制处理参量，也可以控制粘结剂富集区深度。也可以认为控制处理参量能够控制基体中的氮含量。通过控制氮含量，应该能够提供在基体的本体区域具有所要求的高氮含量并且在基体的粘结剂富集表面区具有所要求的高氮含量的基体。
如图1和2所示，与基体外周面结合的是一个具有三个薄层的硬涂层32。所述薄层包括直接与基体外周面结合的基础层52，与基础层52表面结合的中间层54，与中间层54表面直接结合的外层56。虽然图2表明每个所述薄层厚度不同，但是，应该理解的是，本申请人预计每个薄层的厚度、薄层的具体数目、以及每个薄层的组成可以依据刀头的具体应用场合进行变化。
一个优选的涂层示意包括涂覆在基体表面的4.5微米厚的碳氮化钛基础层，涂覆在基础层表面的8.5微米厚的氧化铝(α)中间层，以及涂覆在中间层表面的1.5微米厚的碳氮化钛和氮化钛外层，其中，所有上述薄层均采用化学气相沉积(CVD)法涂覆。另一个优选的涂层结构包括采用CVD法涂覆在基体表面的0.5微米厚的氮化钛基础层，采用中等温度化学气相沉积(MT-CVD)法涂覆在基础层表面的7微米厚的碳氮化钛层，采用CVD法涂覆在碳氮化钛MT-CVD层表面的0.5微米厚的碳氮化钛层，采用CVD法涂覆在CVD碳氮化钛层表面的4微米厚的氧化铝(κ)层，以及，采用CVD法涂覆在氧化铝层表面的1微米厚的氮化钛外层。
除上述各组成物质外，这些薄层的示例性的组成物包括采用物理气相沉积(PVD)法涂覆的氮化钛铝、采用PVD法涂覆的二硼化钛、碳化钛、以及其它适合用作刀头涂层的材料。这些覆层可以采用一种或多种已知技术进行涂覆，其中包括，但不受此所限，PVD，CVD和/或MT-CVD技术。
如图2所示，对于在铣削场合使用的刀头而言，优选粘结剂富集区42从基体30的前刀面36和侧刀面38处向内延伸。粘结剂富集区42一般与基体的前刀面36和侧刀面38平行。粘结剂富集区也从基体的切削刃40处向内延伸。
在其它材料去除场合例如车削中，优选粘结剂富集区仅仅存在于基体的前刀面处，即粘结剂富集区仅仅在刀头基体的前刀面处或其附近开始并且向内延伸。这种情况下，典型地是在密实化过程完成之后，采用磨削(或者类似方法)将粘结剂富集区从刀头基体的其它表面(例如，侧刀面)去除。
参照图3和4，一般标记为70的刀头具有四个侧刀面72，所述侧刀面与一个(顶部)前刀面74和另一个(底部)前刀面相交形成八个切削刃78。刀头70具有一般标记为79(见图4)的存在外周面的基体，其中，所述外周面包括前刀面80和磨削后的侧刀面82。基体79存在包括基体79大部分体积的内部整体区域84。基体79还存在从基体79的前刀面80处向内延伸的粘结剂富集区86。任何粘结剂富集区均不出现于侧刀面82整体区域附近的任何部分。
刀头70的基体79的组成与第一个实施方案的刀头20的基体30的组成基本相同。粘结剂富集区86中的粘结剂富集程度与第一个实施方案的刀头20的粘结剂富集区42中的粘结剂富集程度基本相同。基本的涂覆结构，如括号90所示，与第一个实施方案的刀头20的涂覆结构32基本相同，以获得基础层92、中间层94和外层96。
下述科学理论可能适用于本发明，但本申请人没有打算用该理论对本发明进行束缚或者限制。本申请人相信通过考虑原料粉末的组成以及其他处理参量(例如，保持温度和时间)，可以预测，并且，因此能够控制粘结剂富集区的深度，所述其它处理参量提供用于包括烧结加热、烧结保持和控制冷却步骤的烧结过程各阶段的具有预定氮分压的气氛。用于每个阶段的气氛中的氮分压大小可以通过使用Gbbs自由能进行计算来确定。所述计算能够确定使氮扩散进入坯体或者氮自坯体中逸出所必需的平衡氮分压的大小。通过提供具有由计算获得的氮分压的气氛，本申请人已能够控制在烧结过程的烧结加热阶段进入坯体的氮量，以及能够控制在烧结过程的烧结保持和控制冷却阶段氮自坯体中的逸出程度，以便基本控制烧结态刀头中的粘结剂富集区深度。现在简要讨论用来进行上述计算的公式。
参照计算的基本要素，其中，所有公式(1)-(8)中，“T”是温度(单位K)，下面给出的公式(1)表示反应中的Gibbs自由能的变化ΔG1°＝161700-45.54T.(1)下面给出的公式(2)表示反应中的Gibbs自由能的变化ΔG2°＝44600-3.14T. (2)上述这两个反应以及两个公式的组合得到公式(3)，下面给出的公式(3)表示反应中的Gibbs自由能的变化ΔG3°＝-72500+39.22T (3)下面的公式(4)表示反应达到平衡时的条件Δ ΔG3°＝-RT·lnKp＝-RT·ln([aC]2·[aTiN]2)/([aN2]·[aTiC]2)， (4)其中，Kp是平衡常数，ai是“i”组元的活度。ΔG°的数据取自1979年Pergamon Press出版的Kubaschewski等的名为“MetallurgicalThermo-Chemistry”的教材第五版。
进行近似，令(aTiN)/(aTiC)＝1，R＝2卡/Kmol，并且令上述方程式(3)和(4)相等，则获得下面的方程式(5)-72500+39.22T＝-2T·lnKp＝-2T·ln(aC2/aN2) (5)
从上述方程(5)可以获得下面的方程(6)Kp＝aC2/aN2＝exp[(72500/2T)-(39.22/2)] (6)根据下面的公式(7)aN2＝P°N2/P(＝1atm.)＝P°N2[单位大气压]因此，下面的公式(8)表示平衡分压P°N2＝aC2/Kp(8)这意味着在特定温度下，可以计算出平衡常数Kp。在进行烧结的硬质合金坯体中，碳的活度aC是一变量，但其变化范围在0.3-1之间。通过计算从最大脱蜡温度到烧结保持温度范围内的平衡氮分压，可以控制粘结剂富集区的形成及深度，因此，所述方法能够制备存在具有预先选择的深度的粘结剂富集区的烧结态刀头基体。
所述方法典型地包括下述处理阶段。
首先，采用例如球磨方法将粉末混合物与短效粘结剂一起充分搅拌(或者混合)。在一个实施方案中，原料粉末不含有效量的氮。在另一个实施方案中，原料粉末含有典型地作为添加剂如氮化钛加入的有效量的氮。然后，将粉末混合物压制成刀头生坯。所述刀头生坯具有不完全密度(例如，约55％)以及开放的孔隙率。
然后，通过从环境温度加热到最大脱蜡温度(典型地，在具有氢分压的气氛中，或者，有时在具有氢正压力的气氛中)，对所述刀头生坯进行脱蜡(或者脱除润滑剂)步骤，以便使短效粘结剂从所述坯体中蒸发掉，从而形成脱蜡的刀头坯体。本专利申请中，术语“分压”指的是小于一个大气压的压力，术语“正压力”指的是大于一个大气压的压力。虽然这些参量可以改变，但是，典型的加热速度为2.78℃/分，典型的最大脱蜡温度为约450℃。
作为下面一个任选步骤，可以在最大脱蜡温度下，对脱蜡的刀头坯体进行真空保持(例如，时间为10分钟)。
下一个步骤是通过以2.78℃/分的典型速度加热坯体，来对脱蜡的刀头坯体进行烧结加热步骤，其加热温度从最大脱蜡温度开始，经过坯体连续孔隙发生闭合的温度，再到典型地为约1483℃的最高烧结温度。虽然具体参量取决于原料粉末组成(以及，尤其是碳含量和，如果有，氮的含有程度)，但是，可以使全部或者，可能地，部分所述烧结步骤在具有选择的氮分压的气氛中，通过预先选择的温度范围，进行预定的时间。氮分压典型地可以为约15-70乇，然而，氮分压过高可能造成过多的氮扩散进入坯体中，从而对获得闭合连续孔隙的能力产生不利影响。烧结加热步骤之后，脱蜡的刀头坯体变成了含氮的预烧结刀头坯体，其中的氮典型的是预先选择的氮量。
本申请人相信通过在具有氮分压的气氛中加热脱蜡后的刀头坯体，氮能够扩散进入脱蜡后的刀头坯体中，条件是存在开放孔隙以及在坯体与气氛之间存在有利的氮浓度梯度，从而允许发生这种扩散。随着烧结加热步骤在氮分压下继续进行，氮继续扩散进入整个刀头坯体。一旦达到坯体中的连续开放孔隙发生闭合的温度，在预烧结刀头坯体的整个范围内氮含量一般是均匀的。
在原料粉末中不存在有效氮含量的实施方案中，在预烧结刀头坯体中存在的几乎所有的氮来自于烧结加热步骤中的气氛。在原料粉末中存在有效氮含量的实施方案中，只有部分在预烧结刀头坯体中存在的氮来自于烧结加热步骤中的气氛。典型地，氮与可能存在于预烧结刀头坯体中的碳氮化物形成元素，如钛、钽、铌、锆、铪和钒，形成固溶碳氮化物，其中，钛、钽和铌是优选的碳氮化物形成元素。
当原料粉末中含有氮时，烧结加热步骤期间，气氛中不含任何氮分压，或者，仅仅在该步骤的一部分存在氮分压是可能的。然而，在整个烧结加热步骤所述气氛应具有分压，以防止氮从坯体中发生不可控制的逸出。
通过改变烧结加热步骤的加热速度，也能够控制粘结剂(钴)富集表面区的深度。典型地，减小在氮分压下进行的烧结加热步骤的加热速度能够增加粘结剂富集表面区的深度。加大在氮分压下进行的烧结加热步骤的加热速度典型地能够减小粘结剂(钴)富集表面区的深度。
烧结加热步骤完成之后，对预烧结刀头坯体进行加热保持步骤，其中，将所述坯体在最高烧结温度下保持预定时间。对于所有，或者至少部分烧结保持步骤而言，气氛中含有氮分压。在烧结保持步骤期间，预烧结刀头坯体中的氮从坯体中逸出。可以认为氮的逸出有利于形成在坯体外周面处(或其附近)开始并且向内朝整个基体延伸的粘结剂富集区。
烧结保持步骤的持续时间、最高烧结温度、烧结加热步骤期间的氮分压大小，以及烧结保持步骤期间的氮分压大小中的每一种均对控制粘结剂富集区的深度有影响。烧结保持步骤的结果是具有可控深度的非分层粘结剂富集区的刀头烧结体。
通过控制烧结保持步骤和烧结加热步骤的参量，应该相信，以能够控制整个基体区域和粘结剂富集表面区中的氮浓度，以及控制粘结剂富集表面区的深度。如此处所述，本申请人坚信粘结剂(钴)富集表面区中存在氮具有某些优点。
作为选择，本申请人预计在烧结保持步骤期间，一旦预烧结的刀头坯体达到液相阶段，可以对坯体进行压力烧结或者热等静压烧结(HIPPING)。
烧结保持步骤完成之后，对刀头烧结体进行控制冷却，以特定冷却速度，从最高烧结温度冷却至低于共晶温度的目标温度。在控制冷却期间，气氛不应该是真空，而应该具有某种气体如氩气或氮气的分压，这样，不会发生氮气的不可控逸出。然而，优选在整个或者部分控制冷却阶段，气氛中的氮分压典型地与烧结保持期间的氮分压相同。典型的冷却速度为约1.0℃/分，典型的共晶温度为约1316℃，典型的目标温度为约1150℃，其中，所述目标温度处于控制冷却结束时。
本申请人相信在控制冷却期间，有很少或者没有氮从基体逸出，这样，粘结剂富集区的深度和大小就不会改变。本申请人也相信冷却速度较小(例如，约1.0℃/分)能够允许碳在粘结剂富集区均匀扩散，这样，在粘结剂富集区就不存在碳的析出(即碳的刺入)。控制冷却步骤的结果是基本完全致密的烧结态刀头基体。
接下来，有一个炉内冷却步骤，该步骤中，基本完全致密的烧结态刀头基体被炉冷至环境温度。典型的炉冷气氛是氦。
某些情况下，需要对完全致密的烧结态刀头基体的一个或多个表面(或区域)进行磨削，以便将粘结剂富集区去除。再有，依据具体情况，可以在具有至少一种分压如氮分压的气氛中，对磨后的基体进行热处理，例如真空烧结或烧结，即再烧结。对于某些类型的刀头而言，再烧结后的刀头基体可能有一个或者多个表面(例如，侧刀面)的至少一部分进行了磨削。
烧结态刀头基体或者磨削(或者磨削后再烧结或者磨削-再烧结-磨削)的基体典型地采用耐磨涂层涂覆，形成涂覆刀头。涂覆方法可以是已知技术包括CVD，PVD和MTCVD中的任何一种或者它们的组合。涂层本身可以包含具有如前所述各种组成的一个或多个薄层。
本发明通过下面的实施例进一步描述。提供这些实施例的唯一目的是为了描述本发明。这些实施例不是打算用来约束或者限制本发明的范围，因为本发明的真实精神和范围在附后列出的权利要求书中给出。
从所有具有存在表面粘结剂富集区的显微组织的实施例中，应该注意到粘结剂富集区基本不存在任何固溶碳化物和任何固溶碳氮化物，因此，碳化钨和钴基本上是粘结剂富集区的唯一组元。此外，在粘结剂富集区中不存在自由碳，即没有碳的刺入或者碳的析出。
实施例1实施例1中，原料粉末混合物包含下述组元6重量％钴，2.7重量％钽，2.0重量％钛，0.8重量％铌，该原料粉末混合物的余下部分是钨和碳，其中，将碳的含量调整为6.18重量％。所述原料粉末混合物除了可能微量存在的之外，不含任何氮。所述微量充分小，以至原料粉末中不含任何有效量的氮，其中，原料粉末中的氮(即使存在)不能以可量测(或可感知)的方式促进粘结剂富集区的形成。
将5公斤(kg)的本发明实施例1的粉末混合物同21公斤5/16英寸直径的硬质合金球团一起装入7.5英寸内径×9英寸的钢球磨罐中。将庚烷加到罐的顶部，以使罐被充分填满。在环境温度下以52转/分(rpm)的转数对混合物进行旋转达40小时。然后，从罐中倒出混合物浆液并加以烘干，添加石蜡作为短效粘结剂，并且，将所述粉末制成颗粒状，以提供充分的流动性。然后，将所述颗粒状的粉末压制成SNG 433型切削(车削)刀头生坯，即原料粉末的压实体，该压实体具有不完全密度以及开放的孔隙。
在氢分压下，将所述刀头生坯从环境温度加热至约450℃进行加热(脱蜡)处理，以形成脱蜡的刀头坯体。在所述脱蜡步骤期间，短效粘结剂从刀头生坯中蒸发掉。
在真空中，将脱蜡的刀头坯体在约450℃保持10分钟。
真空保温步骤之后，进行烧结加热步骤，该步骤中，通入流动的氮气，以便在对脱蜡的刀头坯体进行加热的整个过程中，气氛具有约70乇的氮分压，所述加热过程是以约2.78℃/分的速度从约450℃加热到约1483℃的最高烧结温度。脱蜡的刀头坯体转变成预烧结刀头坯体。
烧结加热步骤之后是烧结保持步骤。在烧结保持步骤一开始，氮分压降至约15乇，温度在约1483℃下保持约90分钟。预烧结刀头坯体转变成基本完全致密的烧结态刀头坯体。
烧结保持步骤之后是控制冷却步骤。在控制冷却步骤，氮分压保持在约15乇，并且，对烧结态刀头坯体以约1.0℃/分的速度冷却至约1150℃，该温度低于约1315℃的共晶温度。
下一个步骤是在氦分压下进行的炉冷步骤，该步骤中，烧结态刀头坯体被炉冷至38℃的环境温度。上述处理步骤获得的产品是烧结态刀头基体。
如图5和6所示，烧结态刀头基体的显微组织存在基本非分层的粘结剂富集区，该粘结剂富集区始于基体外周面处并且由此向内延伸约30微米的距离。在这一点上，几乎所有富集是非分层型粘结剂富集，只存在微量的分层型粘结剂富集。参照图5中的钴分布图，粘结剂富集区中的钴浓度最大值为约整个基体钴浓度的200-250％。参照图5中的光学显微照片，粘结剂富集区的孔隙级别为C00。整个基体的孔隙级别为C02。
如图8所示，根据实施例1的步骤制备的烧结态刀头基体拐角处的显微组织存在基本非分层的粘结剂(即钴)富集区，该粘结剂富集区始于基体拐角处并且由此向内延伸约20微米的距离。尽管图8所示的特定基体与图5和6代表的基体不完全相同，但是，本申请人认为粘结剂富集区中的钴浓度最大值应该为约整个钴含量的200-250％。
实施例1A
制备出具有与实施例1相同组成的粉末混合物，采用与实施例1相同的方式对其进行压制和处理，只是在控制冷却期间氮分压为70乇。分析表明存在基本非分层的粘结剂富集区，该粘结剂富集区始于基体外周面处并且由此向内延伸至约29微米的深度。粘结剂富集区的表观孔隙率为C00，整个基体的表观孔隙率为C02。
实施例2在实施例2中，由与实施例1相同的粉末混合物压制出SNG 432型刀头生坯。其处理步骤与实施例1中的处理步骤相同，只是烧结保持步骤的时间为约45分钟。基本非分层的粘结剂富集区的深度为约23微米，粘结剂富集区中的钴浓度最大值为约整个基体钴浓度的200-250％。粘结剂富集区的孔隙级别为C00。整个基体的孔隙级别为C02。
实施例2A制备出与实施例2相同的粉末混合物，并且采用与实施例2相同的方式对其进行处理，只是控制冷却步骤在氮分压为70乇的条件下进行。存在基本非分层的粘结剂富集区，该粘结剂富集区始于基体表面处并且由此向内延伸至约23微米的深度。粘结剂富集区的表观孔隙率为C00，整个基体的表观孔隙率为C02。
实施例3，3A和3B在实施例3，3A和3B中，由与实施例1相同的粉末混合物压制出刀头生坯。所述刀头生坯的处理方法与实施例1相同，只是烧结加热步骤、烧结保持步骤，以及控制冷却步骤期间，氮气氛保持在70乇。在买施例3，3A和3B中，每个所述烧结态刀头基体均存在基本非分层的粘结剂富集区，该粘结剂富集区始于基体外周面处并且由此向内分别延伸至约10，10和10.4微米的深度。对于每个所述基体而言，粘结剂富集区的孔隙级别为C00，整个基体的孔隙级别为C02。
实施例3C和3D制备出具有与实施例3相同组成的粉末混合物，并且采用与实施例3相同的方式对其进行处理，只是控制冷却速度为11.1℃/分。实施例3C和3D均存在粘结剂富集区，该粘结剂富集区始于基体外周面处并且由此向内分别延伸至约10微米和13微米的深度。每个实施例中，粘结剂富集区的表观孔隙率为C00，整个基体的表观孔隙率为C02。
实施例6在实施例6中，采用与实施例1相同的方法对与实施例1相同的粉末混合物进行处理，以获得烧结态刀头基体。对所述烧结态刀头基体进行磨削，使前刀面和侧刀面均为磨削后表面。在1483℃下，对磨削后的烧结态刀头基体进行真空再烧结，时间为约45分钟。
所获得的产物是具有磨削表面的再烧结的磨削刀头基体。所述再烧结的磨削刀头基体存在基本非分层的粘结剂富集区，该粘结剂富集区始于磨削表面的外周面处并且由此向内延伸至约30微米的深度。粘结剂富集区中的钴浓度最大值为约200-250％。参照图7，光学显微照片表明粘结剂富集区的孔隙级别为C00，整个基体的孔隙级别为C02。
实施例1057A至实施例1059C采用与实施例1相同的原料粉末制备出附加的实施例1057A-C，实施例1058A-C，实施例1059A-C，其中，1057A-C，1058A-C和1059A-C的碳含量分别为6.24重量％，6.21重量％和6.18重量％。
对于实施例1057A，1057B，1058A，1058B，1059A和1059B而言，处理过程包括下述步骤在具有氢正压力的气氛中以2.78℃/分的速度加热至450℃的脱蜡步骤；在具有15乇氮分压(实施例1057-59A)或者70乇氮分压(实施例1057-59B)的气氛中从450℃到1483℃的烧结加热步骤；在具有15乇氮分压的气氛中，1483℃保持45分钟的烧结保持步骤；在具有15乇氮分压的气氛中，以11.1℃/分的速度从1483℃到1149℃的控制冷却步骤；以及炉冷至环境温度的步骤。各实施例的处理过程相同，只是实施例1057-59A的烧结加热步骤在具有15乇氮分压的气氛中进行，而实施例1057-59B的烧结加热步骤在具有70乇氮分压的气氛中进行。买施例1057A-1059B中的每一个均具有C00的核心孔隙率。下面的表I给出了距离非分层粘结剂富集区表面的深度(单位微米)。
表I实施例1057A至1059B中粘结剂富集区的深度
表I表明当烧结加热步骤在具有较高氮分压(70乇与15乇相比)的气氛中进行时，粘结剂富集区的深度增加(23微米与15.7微米相比)。
实施例1057C，1058C和1059C采用与实施例1057B-1059B相同的方法进行处理，只是脱蜡在具有氢分压的气氛中进行，控制冷却步骤以0.94℃/分的速度进行。下面的表II给出了粘结剂富集区的深度(单位微米)以及整个基体的孔隙率。表II的结果表明尽管上述参量的差异不会改变粘结剂富集的深度，但是，却导致了在氢分压下进行的脱蜡步骤期间形成的具有C型孔隙率的整体基体的稳定。
表II实施例1057B-1059C的孔隙率及富集深度
实施例TC1198-TC1211制备出6个附加刀头实施例(TC1209，TC1211，TC11205，TC1207，TC11198和TC1200)，并且将它们与市售刀头进行性能对比实验。对于所述实施例中的每一个而言，原料粉末与实施例1相同，其中，碳含量调整至如表III所示的水平。
表III实施例TC1198-TC1211的组成及性能
将上述粉末混合物压制成CNMG432-MG型刀头的生坯。所述刀头生坯具有约55％的不完全密度和开放的孔隙。
根据下述步骤对所有生坯压实体进行处理(1)一个两步的脱蜡步骤，包括(a)在氢分压下，以2.78℃/分的速度从18℃加热至400℃，并且在400℃保持120分钟，以及(b)在氢分压下，以2.78℃/分的速度从400℃加热至510℃，并且在510℃保持120分钟；(2)一个包括在70乇的氮分压下，以2.78℃/分的速度从510℃加热至1470℃的烧结加热步骤；(3)一个在15乇的氮分压下，1470℃保持90分钟的烧结保持步骤；(4)一个在15乇的氮分压下，以0.94℃/分的速度从1470℃冷却至1150℃的控制冷却步骤；以及(5)一个在氦分压下，从1150℃冷却至38℃的炉冷步骤；以及(6)采用CVD对基体进行涂覆，以使覆层具有厚4.5微米的碳氮化钛内层，厚8.5微米的氧化铝中间层，以及厚1.5微米的碳氮化钛/氮化钛外层。上面的表III给除了通过肉眼观察确定的粘结剂富集区距基体外周平面的厚度(微米)，以及整个基体的孔隙率，即核心孔隙率。
上述表IV给出了此处所述实施例进行开槽钢棒试验的结果。表IV列出了根据第一套参量实施的开槽钢棒车削试验获得的平均工具寿命(单位分)，以及根据第二套参量实施的开槽钢(AISI 41L50)棒车削试验获得的平均工具寿命(单位分)。第一套测试参量包括每分钟450表面英尺的速度。进刀量开始时为0.015英寸/转(ipr)，并且，按照每100次回跳(impact)增加0.005英寸的增量增至0.050英寸/转。切削深度为0.100英寸。车削为干切削。第二套测试参量包括每分钟750表面英尺的速度。进刀量开始时为0.015英寸/转(ipr)，并且，按照每100次回跳增加0.005英寸的增量增至0.050英寸/转。切削深度为0.100英寸。车削为干切削。
表IV中也列出了两种为了本试验目的标记为KMT A和KMT B的商品级刀头的性能结果。对于KMT A刀头，基体存在深度约25微米、最高钴含量约为整体钴含量的200％的非分层钴(粘结剂)富集区，并且具有的整体孔隙率为A00-B00-C00。KMT A刀头的涂覆方案包括厚约2微米的碳氮化钛基础层，厚约4微米的氮化钛中间层，以及厚约1.5微米的氧化铝外层，其中，上述三个薄层均采用CVD技术涂覆。
对于KMT B刀头，基体存在深度约20微米、最高钴含量约为整体含量的300％的非分层粘结剂富集区，并且具有的整体孔隙率为C04-C06。KMT B刀头的涂覆方案包括厚4.5微米的碳化钛基础层，厚3.5微米的碳氮化钛中间层，以及厚3微米的氮化钛外层，其中，上述所有薄层均采用CVD技术涂覆。
表IV下面列出了实施例TC1209，TC1211，TC1205，TC1207，TC1198以及TC1200的工具寿命和失效模式。表IV列出了整个基体孔隙率，三次独立试验中每一次的结果(单位分钟)和工具寿命判据，以及平均工具寿命(单位分钟)。车削试验在AISI 4340钢工件上进行，其中，车削速度为每分钟500表面英尺，进刀量为0.014英寸/转，切削深度为0.100英寸，而且，车削为干切削，即无冷却剂。工具寿命判据包括侧面磨损(fw)0.015英寸；最大侧面磨损(mfw)0.030英寸；刀尖磨损(nw)0.030英寸；切口深度(dn)0.030英寸；月牙洼磨损深度(cr)0.004英寸。
表IV对AISI4340钢件车削试验的结果
实施例TC1247A-TC1247C制备出附加实施例TC1247A-TC1247C，TC1248A-TC1248C，以及TC1249A-TC1249C，其中，原料粉末混合物包含如下组成(重量％)6.0钴，2.59钽，2.00钛，0.91铌，余者为钨和碳，其中，对碳的含量进行调整，使实施例TC1247A-C，TC1248A-C，以及TC1249A-C中的碳含量分别为6.15重量％，6.10重量％和6.17重量％。所述原料粉末混合物含有0.63重量％氮化钛，这相当于含有0.5重量％钛，因此，在用于所述实施例的原料粉末混合物中存在有效量的氮。
所述实施例的处理包括下述步骤一个在氢分压下进行的两步脱蜡步骤，包括以5.36℃/分的速度从环境温度加热至400℃，然后保持30分钟，之后，以5.36℃/分的速度从400℃加热至510℃，然后保持15分钟；一个在具有70乇的氮分压的气氛中，从510℃加热至1468℃的烧结加热步骤；一个在具有15乇(实施例TC1247A，TC1248A和TC1249A)、45乇(实施例TC1247B，TC1248B和TC1249B)或者70乇(实施例TC1247C，TC1248C和TC1249C)的氮分压的气氛中，1468℃下保温的烧结保持步骤；一个在具有15乇(实施例TC1247A，TC1248A和TC1249A)、45乇(实施例TC1247B，TC1248B和TC1249B)或者70乇(实施例TC1247C，TC1248C和TC1249C)的氮分压的气氛中，以0.94℃/分的速度从1468℃冷却至1149℃(低于共晶温度)的控制冷却步骤；以及一个在氦气氛中，从1149℃冷却至环境温度的炉冷步骤。
下面的表V给出了原料粉末混合物中的碳含量(单位重量％)，烧结保持步骤中的氮分压(单位乇)，粘结剂富集区的深度(单位微米)，以及实施例TC1247，TC1248和TC1249中整个基体的孔隙率。
表V实施例TC1247-49的性能
回顾上述结果，可以发现对于含有一些氮的原料粉末混合物而言，烧结保持步骤期间的氮分压越高，粘结剂富集区的深度越小。这些结果也表明即使烧结保持步骤在不同的氮分压下进行，整个基体的孔隙率基本保持不变。最后，所述结果还表明原料粉末混合物中的碳含量对粘结剂富集区的深度有影响。
实施例TC1247D，TC1248D和TC1249D具有分别与实施例TC1247A，TC1248A和TC1249A相同的原料粉末混合物组成。根据如下步骤对上述实施例进行处理(1)一个包括在氢分压(例如5-30乇)下，从环境温度加热至593℃并且保持15分钟的脱蜡步骤；(2)一个在真空(75微米汞柱或者更低)中从593℃到1121℃并且保持10分钟的烧结加热步骤；(3)也在真空中从1121℃到1288℃并且保持10分钟的再一个烧结加热步骤；(4)在15乇的氩气氛中从1288℃到1482℃的烧结加热步骤；(5)在15乇的氩气氛中，在1482℃保持45分钟的烧结保持步骤；以及(6)以277℃/分的冷却速度从1482℃冷却到52℃的冷却步骤。表IV给出了原料粉末中的碳含量(单位重量％)，粘结剂富集区的深度(单位微米)，以及整体孔隙率。
表VI实施例1247D-1249D的性能
这些结果表明与在具有氮分压的气氛下的处理过程相比，当处理过程包括真空时，粘结剂富集区的深度变小。
对一炉次的组成相同，但形状和尺寸均不相同的5821刀头坯体进行试验，以确定取自炉次不同位置的坯体在富集程度和整个基体的孔隙率上的一致性。原料粉末混合物的组成含有下述组元6.0重量％钴，2.61重量％钽，2.00重量％钛，0.88重量％铌，余者为钨和碳，其中，对碳的含量进行调整，使其等于6.13重量％。所述方法包括制备与实施例TC1198-TC1211相同的基体的步骤。
从取自整个炉次不同位置的烧结态刀头取样分析，结果表明粘结剂富集区的深度仅仅在23-26微米之间变化，整个基体的孔隙率仅仅在A00-B00-C04和A00-B00-C06之间变化。取自整个炉次不同位置的烧结态刀头基体的这些性能具有极好的一致性。
对于本专利申请中给出的上述实施例而言，原料粉末混合物的组成采用各组成元素的重量百分比表示。然而，实际上，典型的是某些所述元素将以化合物粉末的形式存在。例如，钨-钛碳化物粉末向粉末混合物中提供钨，钛和碳，钽-铌碳化物粉末向粉末混合物中提供钽，铌和碳，粘结(钴)碳化钨粉末向粉末混合物中提供钨，钴和碳。
如上所述，本申请人相信氮在基体本体区域以及粘结剂富集表面区中的存在应该具有某些优势。下述科学理论可能适用于制备烧结态粘结(钴)碳化钨基体的方法，但是本申请人不打算受到采用该可能的科学理论进行的下述解释的限制。所述基体存在基本非分层的钴富集表面区，而且，本申请人相信其在整体区域以及粘结剂富集区拥有更高(或者是希望高)的氮含量。
本申请人相信，为了在烧结态基体，尤其是在粘结剂富集表面区中获得更高的含氮量，在烧结保持步骤期间应该保持高的氮分压。这种高的氮分压应该能够阻止，或者至少限制氮原子从粘结剂(如，钴)中逸出。
粘结(钴)碳化钨的钴粘结剂中的氮活度可以根据下列方程进行计算N2(pN2)N(aN) (1A)ΔG＝ΔG°+RTlnK (2A)其中，PN2是氮分压，K是化学反应速度常数，G是Gibbs自由能。在平衡状态，ΔG＝0时，K可用下述方程表示K＝exp[-ΔG°/RT]＝aN/(pN2)1/2(3A)在某烧结温度(T)，例如烧结保持步骤的温度下，氮活度(aN)由氮分压决定。实际上，氮活度从a1至a2的增加程度可以通过下述方程，由氮分压从P1到P2的增量决定。
P2/P1＝(a2/a1)2(4A)例如，在恒定温度下，为了使在氮分压为15乇时进行的一次处理中的氮活度加倍，即a2/a1之值等于2，必须使氮分压增大4倍，达60乇，以满足方程(4A)。
实施例X207-1至X207-3实施例X207-1至X207-3中，原料粉末混合物包含下述组元6重量％钴，2.7重量％钽，2.0重量％钛，0.8重量％铌，该原料粉末混合物的余下部分是钨和碳。所述原料粉末混合物中的2.0重量％钛即约100％的钛来自于原料粉末混合物中的氮化钛，这样，原料粉末混合物中含有有效量的氮，其中，氮有助于粘结剂富集区的形成。
将5公斤(kg)的实施例X207-1至X207-3的粉末混合物同21公斤5/16英寸直径的硬质合金球团一起装入7.5英寸(19.05厘米)内径×9英寸(22.9厘米)的钢球磨罐中。将庚烷加到罐的顶部，以使罐被充分填满。在环境温度下以52转/分(rpm)的转数对混合物进行旋转达40小时。然后，从罐中倒出混合物浆液并加以烘干，添加石蜡作为短效粘结剂，并且，将所述粉末制成颗粒状，以提供充分的流动性。然后，将所述颗粒状的粉末压制成SNG 433型切削(车削)刀头生坯，即原料粉末的压实体，该压实体具有不完全密度以及开放的孔隙。
下面给出制备实施例X207-1至X207-3的总的过程参量。
对于X207-1至X207-3所有实施例而言，在氢分压下，将各刀头生坯从环境温度加热至约510℃(950华氏度)进行加热(脱蜡)处理，以形成脱蜡的刀头坯体。在脱蜡步骤期间，短效粘结剂从刀头生坯中蒸发掉。在真空中，将脱蜡的刀头坯体在约510℃保持10分钟。
真空保温步骤之后，进行烧结加热(或者烧结热)步骤，该步骤中，通入流动的氮气，以便在对脱蜡的刀头坯体进行加热的整个过程中，气氛具有氮分压(即表VII中的烧结加热氮分压[P1])，所述加热过程是以约2.78℃/分的速度从约510℃加热到约1483℃的最高烧结温度。烧结加热氮分压[P1]因实施例不同而异，下面在表VII中列出具体的氮分压大小。脱蜡的刀头坯体转变成预烧结刀头坯体。
烧结加热步骤之后是烧结保持步骤。在烧结保持步骤一开始，与表VII中列出的烧结保持氮分压(P2)相比，氮分压增大、保持相同或者下降，而且，温度在约1468℃(2675华氏度)下保持约90分钟。预烧结刀头坯体转变成基本完全致密的烧结态刀头坯体。
烧结保持步骤之后是控制冷却步骤。在控制冷却步骤，氮分压保持在约15乇，并且，对烧结态刀头坯体以约1.0℃/分(1.7华氏度/分)的速度冷却至约1150℃(2100华氏度)，该温度低于约1315℃的共晶温度。
下一个步骤是在氦分压下进行的炉冷步骤，该步骤中，烧结态刀头坯体被炉冷至38℃的环境温度。上述处理步骤获得的产品是烧结态刀头基体。
除了烧结加热氮分压和烧结保持氮分压(单位均为乇)之外，表VII给出了其它性能，包括基体本体区域的孔隙率，粘结剂富集表面区的深度(单位微米)，和粘结剂富集表面区中的最大钴含量。粘结剂富集表面区中的最大钴含量以本体区域中钴含量的百分数形式给出。本体区域的孔隙率根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)进行确定。
表VII实施例X207-1至X207-3的选择处理参量及性能
参见实施例X207-1至X207-3，可明显看出通过选择烧结保持氮分压和/或烧结加热氮分压，能够控制粘结剂富集表面区的深度。本申请人注意到即使当烧结保持氮分压(P2)高于烧结加热氮分压(P1)的4倍时，粘结剂富集仍会发生。对于实施例X207-1至X207-3而言，表面区中粘结剂富集的性质属于基本非分层的粘结剂富集。
实施例1059-4至1059-6实施例1059-4至1059-6具有与实施例1相同的组成，只是碳含量被调整为6.18重量％。分别采用与实施例X207-1至X207-3相同的方式对实施例1059-4至1059-6进行处理。表VIII示出了烧结加热步骤的氮分压(P1)和烧结保持步骤的氮分压(P2)，以及其它性能，包括基体本体区域的孔隙率，粘结剂富集表面区的深度(单位微米)，和粘结剂富集表面区中的最大钴含量。粘结剂富集表面区中的最大钴含量以本体区域中钴含量的百分数形式给出。本体区域的孔隙率根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)进行确定。
表VIII实施例1059-4至1059-6的选择处理参量和性能
参见实施例1059-4至1059-6，这些实施例表明通过调整烧结加热步骤和/或烧结保持步骤中的氮分压，能够控制(即以可察觉的方式改变)粘结剂富集区的深度。而且，实施例1059-4至1059-6证实采用具有相同组成的原料粉末，能够制备或者存在至少5微米深的粘结剂富集表面区或者不存在粘结剂富集表面区的烧结态基体。该方法的这种特性使得人们能够仅仅储备或者制备一种原料粉末混合物来获得两种不同的烧结态基体，其中，一种所述烧结态基体存在粘结剂富集表面区，而另一种所述烧结态基体则不存在粘结剂富集表面区。
取自炉次1723和炉次1660的实施例在下面的表IX中示出了取自炉次1723的六个实施例。采用与实施例1相同的方式对取自炉次1723的这些实施例进行处理，只是在烧结加热步骤期间的氮分压为70乇，在烧结保持步骤期间的氮分压为15乇，加热步骤的升温速度为1.11℃/分(2华氏度/分)。取自炉次1723的实施例的组成与实施例1相同，只是每个实施例的碳含量根据表IX列出的数值进行调整。实施例TC1206/RH-1723和TC1199/RH-1723包括具有至少一个在烧结步骤之前已磨削的表面的烧结态基体。与粘结剂富集区有关的性能由所述磨削表面确定。
下面的表IX列出了钴富集的深度(单位微米)，根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)确定的基体本体区域的孔隙率，磁饱和强度(高斯·厘米3/克)、矫顽力(Hc，单位奥斯特)，以及材料的密度(单位克/厘米3)。
表IX取自炉次1723的实施例的性能[P1＝70乇；P2＝15乇；烧结加热速度＝1.11℃/分]
取自炉次1660的六个实施例的处理方法与取自炉次1723的实施例相同，只是烧结加热步骤的升温速度更快，为2.78℃/分(5华氏度/分)。实施例TC1206/RH-1660和TC1199/RH-1660包括具有至少一个在烧结步骤之前已磨削的表面的烧结态基体。与粘结剂富集区有关的性能由所述磨削表面确定。下面的表X列出了钴富集的深度(单位微米)，根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)确定的基体本体区域的孔隙率，磁饱和强度(高斯·厘米3/克)、矫顽力(Hc，单位奥斯特)，以及材料的密度(单位克/厘米3)。
表X取自炉次1660的实施例的性能
参见取自炉次1723和炉次1660的实施例，可以明显看出当烧结加热步骤在氮分压中进行时，烧结加热步骤期间的升温速度对粘结剂富集的深度有影响。对于所有的实施例而言，烧结加热步骤期间的升温速度下降(1.11℃/分与2.78℃/分相比)时，钴富集的深度增加。
取自炉次1724的实施例取自炉次1724的六个实施例采用与取自炉次1660的实施例相同的方法处理，只是在烧结保持步骤期间的氮分压为1.5乇。实施例TC1206/RH-1724和TC1199/RH-1724包括具有至少一个在烧结步骤之前已磨削的表面的烧结态基体。与粘结剂富集区有关的性能由所述磨削表面确定。下面的表XI列出了钴富集的深度(单位微米)，根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)确定的整个基体的孔隙率，磁饱和强度(高斯·厘米3/克)、矫顽力(Hc，单位奥斯特)，以及材料的密度(单位克/厘米3)。
表XI取自炉次1724的实施例的性能
将取自炉次1724的实施例与取自炉次1660的实施例进行比较，发现粘结剂富集区的深度随着烧结保持步骤期间的氮分压的降低而增加。
总的说来，很明显本申请人已发明了一种新且有用的制备刀头的方法，以及刀头本身。通过计算各种温度下的平衡氮分压，本申请人能够控制在烧结态硬质合金刀头基体中形成的粘结剂富集区的深度。通过使用控制冷却步骤，本申请人也避免了碳在粘结剂富集区中的析出。本申请人也提供了具有一致的整体孔隙率的刀头基体。
通过计算在烧结加热步骤和烧结保持步骤中的氮活度，本申请人能够控制粘结剂富集区的深度。本申请人还相信人们能够控制(例如，提高)在包括本体区域和粘结剂富集区的烧结态基体中的氮含量。具有所希望高的氮含量的烧结态基体中的氮原子存在于钴原子的间隙中，这应该有利于固溶强化，对于存在具有高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00的孔隙率的本体区域的基体而言，更是如此。
可以相信存在具有不高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00的孔隙率的本体区域和具有所希望高的氮含量的粘结剂富集区的烧结态基体有助于在将作为薄层的氮化钛涂覆于基体表面期间促进氮化钛的形核。存在具有高于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的C00的孔隙率的本体区域和具有所希望高的氮含量的粘结剂富集区的烧结态基体有助于在将作为薄层的碳氮化钛涂覆于基体表面期间促进碳氮化钛的形核。
可以相信通过在钴粘结剂中提供附加的氮，能够提高基体与含氮涂层，例如氮化钛或碳氮化钛之间的化学亲和力。增加在邻近基体表面的钴中的可得氮量应能够降低在涂层与基体界面处形成脆性的η相的可能。
可以相信，基体中含氮量较高也会导致碳化钨晶粒尺寸的减小。N/(C+N)比值的增加会导致碳化钨晶粒尺寸的减小。组织中的碳化钨相含量应随着N/(C+N)比值的增加而增至最大。
此处列出的所有专利、专利申请、论文以及其它文件在此引入作为参考。
根据此处公开的本发明的说明书或者实施过程，本领域的专业人员可以明显发现本发明的其它实施方案。此处给出的说明书和任何实施例仅仅是被用来进行说明的，本发明的真实精神和范围由后面的权利要求书给出。
权利要求
1.一种涂覆刀头，包含一种通过在含有一种分压的气氛中烧结原料粉末压实体制备的基本完全致密的基体，而且，所述原料粉末含有下述组元一种选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，钨、碳，以及下述元素钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；所述基体具有前刀面、侧刀面以及位于前刀面和侧刀面交界处的切削刃；所述基体具有深度基本均匀的非分层粘结剂富集区，所述粘结剂富集区自与切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一相邻处开始，并且由此向内朝向整体区域延伸，所述整体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的大于C00的孔隙率；所述粘结剂富集区没有任何碳的析出；以及在切削刃以及基体的前刀面和侧刀面之一或者两个之中的至少一部分上存在的涂层。
2.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述原料粉末主要含有下述组元钴、钨、碳、钛、钽和铌。
3.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域具有介于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)等于或大于C02和等于或小于C08之间的孔隙率。
4.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述原料粉末含有约3-12重量％钴，最高约12重量％钽，最高约6重量％铌，最高约10重量％钛，最高约95重量％钨，以及最高约7重量％碳。
5.根据权利要求4的涂覆刀头，其中，一种含钛和氮的化合物向原料粉末最多提供约0.5重量％钛。
6.根据权利要求4的涂覆刀头，其中，一种含钛和氮的化合物能够向原料粉末提供高于0.5重量％但最多约2重量％的钛。
7.根据权利要求4的涂覆刀头，其中，一种含钛和氮的化合物向原料粉末最多提供约25重量％钛。
8.根据权利要求4的涂覆刀头，其中，一种含钛和氮的化合物能够向原料粉末提供高于25重量％但最多约100重量％的钛。
9.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述粘结剂富集区自切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一向内延伸最多约50微米的深度。
10.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述粘结剂富集区自切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一向内延伸约20-30微米的深度。
11.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，钴富集区的粘结剂含量为本体区域粘结剂含量的约125-300％。
12.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，钴富集区的粘结剂含量为本体区域粘结剂含量的约200-250％。
13.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述烧结过程包括加热温度高于孔隙闭合温度的烧结加热步骤，在高于所述孔隙闭合温度的温度下的烧结保持步骤，以及冷却至低于共晶温度的控制冷却步骤。
14.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域含有氮，而氮的唯一来源是烧结气氛。
15.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域含有氮，而氮的来源包括烧结气氛和原料粉末。
16.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述基体含有钨以及一种或多种选自于钽、铌、钛、铪、锆和钒的元素的固溶碳化物和/或固溶碳氮化物。
17.根据权利要求16的涂覆刀头，其中，所述粘结剂富集区至少部分缺乏所述的固溶碳化物和/或固溶碳氮化物。
18.根据权利要求16的涂覆刀头，其中，所述粘结剂富集区完全缺乏所述的固溶碳化物和/或固溶碳氮化物。
19.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述粘结剂富集区始于切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一处。
20.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述粘结剂富集区始于切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一附近。
21.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述涂层包括一个或多个薄层，而且，所述薄层采用选自于物理气相沉积、化学气相沉积和中温气相沉积中之一种或多种方法涂覆；每种所述涂覆薄层包含一种或多种选自于碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、氧化铝、二硼化钛以及氮化钛铝中的化合物。
22.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述钴富集区自前刀面和切削刃处延伸，而且，不存在从侧刀面延伸的钴富集区。
23.根据权利要求22的涂覆刀头，其中，所述侧刀面是已磨削的表面。
24.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述基体包含钨以及一种或多种选自于钽、铌、钛、铪、锆和钒的固溶碳化物和/或固溶碳氮化物；而且，所述粘结剂富集区至少部分缺乏所述的固溶碳化物和/或固溶碳氮化物。
25.根据权利要求1的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域存在第一种氮含量，所述粘结剂富集区存在第二种氮含量。
26.根据权利要求25的涂覆刀头，其中，所述第一种氮含量低于所述第二种氮含量。
27.根据权利要求25的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域中的氮源包括原料粉末和烧结气氛。
28.涂覆硬质合金刀头的制备方法，其包括下述步骤对原料粉末进行混合，形成原料粉末混合物，其中，所述粉末含有下述组元一种选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，钨、碳，以及下述元素钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；所述原料粉末混合物压制成刀头生坯体；对所述刀头生坯体进行脱蜡形成脱蜡的刀头生坯体；在至少具有一种分压的气氛中，将脱蜡后的刀头坯体从约脱蜡最高温度至少烧结加热至孔隙闭合温度，以便形成预烧结刀头坯体，其中，在至少部分烧结加热步骤期间，所述气氛含有氮分压，以便使氮扩散进入脱蜡后的刀头坯体；在至少具有一种分压的气氛中，在烧结保持温度下，对预烧结刀头坯体进行烧结保持，以便形成烧结的刀头坯体，其中，在至少部分烧结保持步骤期间，所述气氛含有一种氮分压，以便使氮从预烧结刀头坯体中逸出；在至少具有一种分压的气氛中，以可控速度将烧结后的刀头坯体从烧结温度冷却至低于共晶温度的目标温度，以便形成烧结态的刀头基体，所述烧结态的刀头基体具有存在非分层粘结剂富集区的外周面，所述非分层粘结剂富集区自该外周面附近开始，并且向内朝所述本体区域延伸；以及采用包含一个或多个薄层的涂层对烧结态的刀头基体进行涂覆。
29.根据权利要求28的方法，其中，所述脱蜡步骤包括在含氢分压的气氛中对刀头生坯体进行加热。
30.根据权利要求28的方法，其中，所述脱蜡步骤包括在含氢正压力的气氛中对刀头生坯体进行加热。
31.根据权利要求28的方法，其中，整个烧结加热步骤在具有氮分压的气氛中进行。
32.根据权利要求28的方法，其中，整个烧结保持步骤在具有氮分压的气氛中进行。
33.根据权利要求28的方法，其中，至少部分冷却步骤在具有氮分压的气氛中进行。
34.根据权利要求28的方法，其中，整个冷却步骤在具有氮分压的气氛中进行。
35.根据权利要求28的方法，还包括在进一步冷却步骤之后和涂覆步骤之前进行的下述步骤对所述烧结态的刀头基体的前刀面和侧刀面中至少一个的一部分进行磨削，以便将粘结剂富集区从所述前刀面和侧刀面中至少之一中的至少一部分去除，从而形成磨削基体；以及在真空中对所述磨削基体再烧结，以形成再烧结的磨削基体。
36.根据权利要求35的方法，还包括在所述再烧结步骤之后，对再烧结的磨削基体的侧刀面的至少一部分进行磨削的步骤。
37.根据权利要求28的方法，还包括在进一步冷却步骤之后和涂覆步骤之前进行的下述步骤对切削刃进行珩磨。
38.根据权利要求28的方法，其中，所述非分层粘结剂富集区基本不存在任何固溶碳化物和任何固溶碳氮化物，所以，碳化钨和钴基本构成了粘结剂富集区的全部。
39.根据权利要求28的方法，其中，所述非分层粘结剂富集区至少部分缺乏任何固溶碳化物和任何固溶碳氮化物。
40.根据权利要求28的方法，其中，所述基体本体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的大于C00的孔隙率，而且，所述粘结剂富集区基本没有碳的析出。
41.根据权利要求28的方法，其中，整个烧结加热步骤中的气氛含有氮分压。
42.根据权利要求28的方法，其中，整个烧结保持步骤中的气氛含有氮分压。
43.根据权利要求28的方法，其中，整个烧结加热步骤中的气氛含有第一种氮分压，整个烧结保持步骤中的气氛含有第二种氮分压，而且，所述第一种氮分压与所述第二种氮分压不同。
44.根据权利要求43的方法，其中，所述第二种氮分压大于所述第一种氮分压。
45.根据权利要求43的方法，其中，所述第二种氮分压至少是所述第一种氮分压的4倍。
46.根据权利要求28的方法，其中，所述基体本体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的不大于C00的孔隙率。
47.一种通过在具有至少一种分压的气氛中烧结原料粉末压实体制备的基体，其中，所述原料粉末含有下述组元钴、钨、碳、钛、铌和钽，所述基体包括由前刀面、侧刀面以及位于前刀面和侧刀面交界处的切削刃确定的外周面；所述基体具有非分层钴富集区，所述粘结剂富集区自与切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一相邻处开始，并且由此向内朝向整体区域延伸，所述整体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)的大于C00的孔隙率；所述钴富集区至少部分缺乏所述固溶碳化物和/或所述固溶碳氮化物；所述钴富集区没有任何碳的析出；以及所述钴富集区中的钴含量为本体区域钴含量的约125-300％。
48.根据权利要求47的基体，还包括在所述基体的外周面的至少一部分上的涂层。
49.根据权利要求47的基体，其中，所述切削刃是珩磨后的切削刃。
50.根据权利要求47的基体，其中，所述钴富集区基本不存在任何固溶碳化物和任何固溶碳氮化物，所以，碳化钨和钴基本构成了钴富集区的全部。
51.根据权利要求47的基体，其中，所述整体区域具有介于根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)等于或大于C02和等于或小于C08之间的孔隙率。
52.一种涂覆刀头，包括一种通过在含有氮分压的气氛中烧结原料粉末压实体制备的基本完全致密的基体，所述原料粉末含有下述组元含量约3-12重量％的选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，最多约95重量％钨、最多约7重量％碳，以及最多约13重量％的下述元素钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；所述基体具有前刀面、侧刀面以及位于前刀面和侧刀面交界处的切削刃；所述基体具有深度基本均匀的非分层粘结剂富集区，所述粘结剂富集区自与切削刃以及前刀面和侧刀面中至少之一相邻处开始，并且由此向内朝向整体区域延伸；所述粘结剂富集区存在第一种氮含量，所述基体的本体区域存在第二种氮含量，所述第一种氮含量高于所述第二种氮含量；以及在切削刃以及基体的前刀面和侧刀面之一或者两个之中的至少一部分上存在的涂层。
53.根据权利要求52的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)不大于C00的孔隙率。
54.根据权利要求53的涂覆刀头，其中，所述涂层包括在基体表面上的氮化钛基础层。
55.根据权利要求52的涂覆刀头，其中，所述基体的本体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)大于C00的孔隙率。
56.根据权利要求55的涂覆刀头，其中，所述涂层包括在基体表面上的碳氮化钛基础层。
57.根据权利要求52的涂覆刀头，其中，所述钴富集区自前刀面和切削刃处延伸，而且，不存在从侧刀面延伸的钴富集区。
58.根据权利要求57的涂覆刀头，其中，所述侧刀面是已磨削的表面。
59.涂覆硬质合金刀头的制备方法，其包括下述步骤对原料粉末进行混合，形成原料粉末混合物，其中，所述粉末含有下述组元一种选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂，钨、碳，以及下述元素钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；将所述原料粉末混合物压制成刀头生坯体；对所述刀头生坯体进行脱蜡形成脱蜡的刀头生坯体；在基本上整个烧结加热步骤期间，在具有第一种氮分压的气氛中，将脱蜡后的刀头生坯从约脱蜡最高温度烧结加热至至少孔隙闭合温度，以便形成预烧结刀头坯体；在基本上整个烧结保持步骤期间，在具有第二种氮分压的气氛中，在烧结保持温度对所述预烧结刀头坯体进行烧结保持，以便形成烧结后的刀头坯体，其中，所述第二种氮分压高于所述第一种氮分压；将烧结后的刀头坯体从烧结温度冷却至低于共晶温度的目标温度，以便形成烧结态的刀头基体，所述烧结态的刀头基体具有存在非分层粘结剂富集区的外周面，所述非分层粘结剂富集区自该外周面附近开始，并且向内朝所述本体区域延伸；以及采用包含一个或多个薄层的涂层对烧结态的刀头基体进行涂覆，所述一个或多个薄层包括基体表面上的基础层，而且，所述基础层包含含氮材料。
60.根据权利要求59的方法，其中，用于基础层的材料包括一种选自于氮化钛和碳氮化钛的材料。
61.根据权利要求59的方法，其中，所述基体的本体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)大于C00的孔隙率，而且，所述基础层包含碳氮化钛。
62.根据权利要求59的方法，其中，所述基体的本体区域具有根据ASTM规定B276-91(1996年再次批准)不大于C00的孔隙率，而且，所述基础层包含氮化钛。
63.根据权利要求59的方法，其中，所述冷却步骤在具有至少一种分压的气氛中以可控的速度进行。
64.根据权利要求59的方法，其中，所述第二种氮分压约是所述第一种氮分压的4倍。
65.一种选择性制备或者存在粘结剂富集表面区的烧结态基体或者不存在粘结剂富集表面区的烧结态基体的方法，所述方法包括下述步骤对原料粉末进行混合，所述原料粉末不存在有效量的氮，但是含有选自于钴、镍、铁及其合金中之一种或多种的粘结剂合金，钨，碳，以及下述组元钛、钽、铌、铪、锆和钒中之一种或多种；将原料粉末混合物压制成刀头生坯；对所述刀头生坯进行脱蜡形成脱蜡的刀头生坯；在基本上整个烧结加热步骤期间，在具有第一种氮分压的气氛中，将脱蜡后的刀头生坯从约脱蜡最高温度烧结加热至至少孔隙闭合温度，以便形成预烧结刀头坯体；在基本上整个烧结保持步骤期间，在具有第二种氮分压的气氛中，在烧结保持温度对所述预烧结刀头坯体进行烧结保持，以便形成烧结后的刀头坯体，而且，其中，第二种氮分压可以选择性地高于、等于或者低于第一种氮分压；将烧结后的刀头坯体从烧结温度冷却至低于共晶温度的目标温度，以便形成烧结态的刀头基体，其中，当第二种氮分压高于第一种氮分压时，所述烧结态的刀头基体不存在粘结剂富集表面区，而当第二种氮分压等于或者低于第一种氮分压时，所述烧结态的刀头基体存在粘结剂富集表面区；以及采用包含一个或多个薄层的涂层对烧结态的刀头基体进行涂覆。
全文摘要
一种涂覆的硬质合金工具(20，70)及其制备方法，其中，通过在具有至少一种分压，而且，部分时间具有氮分压的气氛中进行烧结，形成烧结态基体(30，79)。
文档编号C23C14/06GK1426488SQ01808542
公开日2003年6月25日 申请日期2001年3月20日 优先权日2000年3月24日
发明者刘一雄, D·A·波特比尔, G·P·格拉布, M·S·格里恩菲尔德 申请人:钴碳化钨硬质合金公司