复合烧结碳化物旋转切削工具及旋转切削工具坯料

摘要

本发明提供了一种复合制品，其包括复合旋转切削工具和复合旋转切削工具坯料，以及制造该制品的方法。该复合制品包括伸长部分，该伸长部分包括第一区域，该第一区域由第一烧结碳化物构成；和第二区域，该第二区域自体结合至第一区域，并由第二烧结碳化物构成。第一烧结碳化物和第二烧结碳化物中的至少一种为混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括：烧结碳化物分散相和烧结碳化物连续相。该烧结碳化物分散相和烧结碳化物连续相中的至少一种包含至少0.5重量％的立方碳化物，基于包含立方碳化物的相的重量。

说明书

技术领域

本发明一般涉及旋转切削工具及旋转切削工具坯料(blank)，其具有 复合构造，该复合构造包括不同的组成和/或显微组织的区域，本发明还涉 及相关方法。本发明更具体地涉及具有复合构造的多级烧结碳化物(硬质合 金)旋转切削工具和用于旋转切削工具的坯料，其中至少一个区域包括混合 (hybrid)烧结碳化物，该烧结碳化物(cemented carbide)包含立方碳化物 (cubic carbide)，本发明更具体地还涉及制造旋转切削工具和旋转切削工 具坯料的方法。本发明的旋转切削工具适用于多种通常应用，例如，适用于 钻孔、铰孔(reaming)、锥形扩孔(countersinking)、平底扩孔(counterboring)和 端铣。

背景技术

烧结碳化物旋转切削工具(即，驱动旋转的切削工具)通常在切削加工 中使用，例如，钻孔、铰孔、锥形扩孔、平底扩孔、端铣和攻螺纹(tapping)。 传统上，所述工具是利用非混合密实的(solid)整体式构造(monolithic  construction)制造的。该工具的生产工艺包括固结冶金粉末(由粒状陶瓷和 金属粘结剂组成)以制成一坯块。该坯块然后受到烧结以形成具有整体式构 造的圆柱形工具坯料。如本文所用，术语“整体式构造”指的是，工具是由 密实材料构成的，诸如烧结碳化物，其在工具内部的任何工作体积处具有基 本上同样的特性。在烧结之后，该工具坯料经过适当的切削加工以制成旋转 切削工具的切削刃以及其他特定几何形状的特征。旋转切削工具包括比如钻 头、端铣刀、铰刀和丝锥。

由烧结碳化物构成的旋转切削工具适于许多工业应用场合，包括诸如金 属、木料和塑料等结构材料的切削和成形。烧结碳化物制备的工具在工业上 是很重要的，因为拉伸强度、耐磨损性和韧性的组合，其为这些材料的特性。 如本领域公知的，烧结碳化物材料包括至少两相：至少一种硬陶瓷成分和一 种较软的金属粘结剂基质。硬陶瓷成分可以比如是周期表中IVB到VIB族 之内的元素的碳化物。常用的例子是碳化钨。粘结剂可以是金属或金属合金， 典型是钴、镍、铁或这些金属的合金。粘结剂在三维上互连的基质内将陶瓷 成分的区域“胶结(cements)”。烧结碳化物可以通过固结至少一种粉末状陶 瓷成分和至少一种粉末状金属粘结剂的冶金粉末混合物(blend)而制造。

烧结碳化物的物理和化学性质部分取决于用于制造材料的冶金粉末的 各个成分。烧结碳化物的性质是由比如陶瓷成分的化学组成、陶瓷成分的颗 粒尺寸、粘结剂的化学组成和粘结剂与陶瓷成分的比值来确定的。通过改变 冶金粉末混合物中的成分及成分比例，可以制备出，诸如钻头和端铣刀这样 的烧结碳化物旋转切削工具，使其带有符合具体应用的独特性质。

旋转切削工具的整体式构造从本质上地限制了切削工具的性能和应用 范围。作为一项范例，图1(a)和1(b)分别图示了麻花钻头20的侧视和端视 图，此钻头具有用于在诸如木材、金属和塑料的构造材料中生成和精修 (finishing)孔眼的典型设计。麻花钻头20包括凿尖(chisel edge)21，其用于实 现最初的切入工件。钻头20的割嘴(cutting tip)24随在凿尖21之后并随着孔 眼的钻进而去除大部分材料。割嘴24的外围26精修孔眼。在切削过程期间， 从钻头中心到钻头外围，切削速度显著变化。这一现象示于图2(a)和图2(b) 之中，该图以图形方式比较了典型麻花钻头的割嘴上在内径(D1)、外径(D3) 和中径(D2)处的切削速度。在图2(a)中，外径(D3)是1.00英寸且直径D1和 D2分别是0.25和0.50英寸。图2(b)表明当麻花钻头以每分钟200转操作时 在三个不同的直径处的切削速度。如图2(a)和(b)中所示，在旋转切削工具切 削刃上不同点处测定的切削速度将随着离开工具的旋转轴的距离而增大。

由于切削速度上的这些变化，具有整体式构造的钻头和其它旋转切削工 具在工具的切削表面的中心到外边缘的范围内的不同点处将不会经受均匀 磨损，且还可能会发生该工具切削刃的破碎(chipping)和/或开裂。另外，在 钻切表面硬化的材料时，凿尖一般用以穿透表层，而钻头主体的其余部分从 表面硬化材料的较软芯部上去除材料。因此，用于钻切表面硬化的材料的整 体式构造的常规非混合钻头的凿尖的磨损速率将比切削刃的其余部分快得 多，导致这种钻头的工作寿命较短。在两种情况下，由于常规非混合烧结碳 化物钻头的整体式构造，必须经常重新研磨切削刃，这样就对钻头的工作寿 命施加了明显的限制。经常重新研磨和工具的变化还会导致正在使用的机床 过多的停工时间。

其它类型的具有整体式构造的旋转切削工具也具有类似的缺陷。例如， 专门设计的一些钻头通常用于同时进行多种作业。这种钻头的实例包括分级 钻头(step drill)和阶梯钻头(subland drill)。分级钻头是通过在钻头直径 上磨出一或多个台阶而制成的。这种钻头用于钻出多直径孔眼。阶梯钻头可 以用以完成诸如钻削、锥形扩孔和/或平底扩孔等多种作业。如普通的麻花 钻头，具有通常的非混合整体式烧结碳化物构造的分级和阶梯钻头的服务寿 命可能由于在钻头不同切削刃直径处所经受的切削速度的巨大差别而受到 严重局限。

整体式旋转切削工具的局限性也在端铣刀方面举例说明。通常，由于切 削工具的端部不受支承，而且端铣刀的长度-直径比通常较大(通常大于 2∶1)，所以，端铣被认为是一种无效的金属去除技术。这造成端铣刀的过 度弯曲并对于可能采用的切削深度和进给速率产生严重的限制。

为了处理与整体式构造旋转切削工具相关的问题，一直尝试制备在不同 部位处具有不同性质的旋转切削工具。比如，具有脱碳表面的烧结碳化物钻 头在美国专利第5609447号和第5628837号中予以阐述。在披露于这些专利 之中的方法中，整体式烧结碳化物构造的碳化物钻头在保护性环境中被加热 到600-1100℃之间。这种制备硬化钻头的方法具有很大的局限性。首先，钻 头的硬化表面层极薄并可能相当块地被磨掉而暴露下面的较软烧结碳化物。 其次，一旦当钻头被重新修整(redress)，硬化表面层就完全丧失了。第三， 脱碳工序，其是一种附加处理工序，大大地增加了成品钻头的成本。

通过使用“复合”构造，减少了整体式烧结碳化物旋转切削工具相关的局 限性，例如美国专利6511265(“’265专利”)公开的，其在此全文引入作为 参考。该’265专利公开了包括至少第一区域和第二区域的复合旋转切削工 具。该’265专利的工具可由烧结碳化物制成，其中，该复合旋转切削工具的 第一区域包括第一烧结碳化物，其自体结合至(autogenously bonded to)该工具 的第二区域，其中第二区域包括第二烧结碳化物。该第一烧结碳化物和第二 烧结碳化物在至少一种特性上有所区别。该特性可以为，例如，弹性模量， 硬度，耐磨性，断裂韧性，拉伸强度，耐腐蚀性，热膨胀系数，或者热传导 系数。该工具内的烧结碳化物区域可以以同轴方式设置或者以其它方式设置 从而能有利地定位该区域，从而能利用其特殊的性质。

尽管’265专利中公开的发明解决了整体式烧结碳化物旋转切削工具的 某些局限性，该’265专利的实施例主要包括碳化钨。由于在钻孔、端铣和类 适应用中使用旋转切削工具时，一般会遇到较高的剪切应力，有利地是使用 具有极高强度水平的烧结碳化物品级(grade)，例如，使用碳化钨的烧结 碳化物。然而，这些品级可能不适用于切削加工钢合金，这是由于在钢制工 件中的铁和旋转切削工具中的碳化钨之间可能会发生反应。用于切削加工钢 的工具可以在整体式常规品级烧结碳化物中含有0.5％或者更高的立方碳化 物。然而，在该工具中添加立方碳化物通常会导致工具强度的降低。

因而，存在在切削工具不同区域上具有不同特性的钻头和其它旋转切削 工具的需要，该特性例如为高强度和硬度，并且其不与工件产生化学反应。

发明内容

根据本发明，提供了一些非限制性的实施方式，其涉及一种复合制品 (article)，其可以选自复合旋转切削工具和旋转切削工具坯料。该复合制品可 以包括伸长部分(elongate portion)。该伸长部分可以包括第一区域和第二 区域，其中第一区域包括第一烧结碳化物，第二区域自体结合至第一区域并 包括第二烧结碳化物。第一烧结碳化物和第二烧结碳化物中的至少一个为混 合烧结碳化物。该混合烧结碳化物包括烧结碳化物分散相和烧结碳化物连续 相。烧结碳化物分散相和烧结碳化物连续相中的至少一个包括至少0.5重量 ％立方碳化物，基于包括立方碳化物的相的重量。

本文公开的其它一些非限制的实施方案涉及复合制品，其为包括伸长部 分的钻头、钻头坯料、端铣刀、丝锥和丝锥坯料之一。该伸长部分可以包括 第一区域和第二区域，其中第一区域包括第一烧结碳化物，第二区域自体结 合至第一区域并包括第二烧结碳化物。第一烧结碳化物和第二烧结碳化物中 的至少一个为混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括烧结碳化物不连续相 和烧结碳化物连续相，其中烧结碳化物分散相和烧结碳化物连续相中的至少 一个包括至少0.5重量％立方碳化物，基于包括立方碳化物的混合烧结碳化 物的相的总重量。在一些实施方式中，第一烧结碳化物的化学耐磨性与第二 烧结碳化物的化学耐磨性不同。

本发明的一些附加的非限制性的实施方式涉及一种生产制品的方法，该 制品选自复合旋转切削工具和复合旋转切削工具坯料，其中该方法包括，制 备混合烧结碳化物混合物。该混合烧结碳化物混合物可以包括第一烧结碳化 物品级的烧结颗粒和第二烧结碳化物品级的未烧结颗粒。在一种实施方式 中，第一烧结碳化物品级和第二烧结碳化物品级中的至少一种可以包含至少 0.5重量％立方碳化物，基于该具体烧结碳化物品级的总重量。该混合烧结 碳化物混合物可以放置在模具空隙的第一区域内，且不同的冶金粉末可以放 置在空隙的第二区域内。在一种实施方式中，该混合烧结碳化物混合物的至 少一部分可以与冶金粉末接触。该方法的实施方式可以包括固结该混合烧结 碳化物混合物和该冶金粉末从而形成坯块(compact)，然后过压烧结该坯块。

附图说明

通过结合附图，可以更好的理解本文公开的合金，制品和方法的特征和 优点，其中：

图1(a)图示了的麻花钻头的侧视图，该麻花砖头具有通常设计，其用 于在构造材料中生成和精修孔，该构造材料例如为木材，金属和塑料；

图1(b)图示了图1(a)中所示的的麻花钻头的端视图；

图2(a)是图例，其图示了沿着常规非混合麻花钻头的切削刃的三个直径 D1、D2和D3；

图2(b)为图表，其图示了常规非混合麻花钻头在直径D1、D2和D3处 的切削速度；

图3(a)-(d)是一些新型坯料的剖面视图，该坯料用于制备按照本发明构 造出的复合旋转切削工具，而其中图3(a)和3(b)图示了第一实施方式，图3(b) 是以透视图的方式表示在图3(a)之中的坯料的剖面端视图；

图4是现有技术的常规非混合烧结碳化物品级的显微照片，基于碳化物 和钴，并且没有立方碳化物；

图5是现有技术的常规非混合烧结碳化物品级的显微照片，基于碳化物 和钴，其中包括立方碳化物；

图6示意性地图示了用于确定混合烧结碳化物分散相的邻接率 (contiguity ratio)的步骤；

图7是混合烧结碳化物的显微照片，其中分散相包括立方碳化物，同时 连续相相对不包括立方碳化物；

图8是混合烧结碳化物的显微照片，其中分散相相对不包括立方碳化 物，同时连续相包括立方碳化物；

图9是复合烧结碳化物旋转切削工具的一种实施方式的截面的显微照 片，该切削工具包括第一区域和第二区域，其中第一区域包括常规的非混合 烧结碳化物，第二区域包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括立方碳 化物作为分散相；

图10是复合烧结碳化物旋转切削工具的一种实施方式的截面的显微照 片，该切削工具包括第一区域和第二区域，其中第一区域包括混合烧结碳化 物，该混合烧结碳化物包括立方碳化物作为连续相，第二区域包括常规非混 合烧结碳化物品级；

图11是复合烧结碳化物旋转切削工具的一种实施方式的截面的显微照 片，该切削工具包括第一区域和第二区域，其中第一区域包括混合烧结碳化 物，该混合烧结碳化物包括立方碳化物作为连续相，第二区域包括混合烧结 碳化物，该混合烧结碳化物包括立方碳化物作为分散相；和

图12是复合烧结碳化物旋转切削工具的一种实施方式的截面的显微照 片，该切削工具包括第一区域和第二区域，其中第一区域包括基于碳化钨、 立方碳化物、和钴的常规非混合烧结碳化物品级，第二区域包括混合烧结碳 化物，该混合烧结碳化物在分散相中包括立方碳化物，并且在连续相中基本 没有立方碳化物内含物；

基于下文对本发明一些非限制性实施方式的详细描述，读者将会理解上 述的细节以及其他问题。

发明详述

在本发明非限制性的实施方式中，除了在实际实施例或者其它特别指出 的地方，所有的数字代表的数量以及特征均应该被理解为在所有例子通过术 语“大约”而修饰。由此，除非有相反的表示，在下文中给出的所有数字参数 均为近似值，其可根据人们想要在本发明的工具、工具坯料、和方法中获得 的所需性质而改变。至少，并且不是试图限制与权利要求范围等同的应用， 每个数字参数应该至少被解释为是根据所报道的有效数字以及通过应用常 规取舍方法获得的。

任何的专利，公开物，或者其它公开资料，全文或者部分，只要其不与 本文提出的已有定义、综述、或其它公开材料相冲突，在此引入作为参考。 因此，且达到所需的程度，本文所述的内容能够取代任何在此引入的冲突材 料。本文引入作为参考的任何材料，或者其一部分，其与本文所述的定义、 综述或其它公开材料相冲突，在本文中，仅将其中一部分范围引入，该范围 为在引入材料和现有公开材料之间不存在冲突的部分。

本发明提供了具有复合构造的旋转切削工具和切削工具坯料，而不是整 体式构造的常规的非混合旋转切削工具。如本文所述，旋转切削工具是具有 至少一个切削刃的切削工具，其被驱动旋转并与工件接触从而从工件上除去 材料。如本文所述，具有“复合”构造的旋转切削工具是指具有至少两个区域 的旋转切削工具，该两个区域在化学组成和/或显微组织上不同，并且在至 少一种特征或者材料性质上有所不同。该特征或者材料性质可以选自，例如， 化学耐磨性、耐腐蚀性、硬度、抗拉强度、机械耐磨性、断裂韧性、弹性模 量、热膨胀系数、和热传导系数。可根据本发明构造的复合旋转切削工具的 实施方式包括，钻头和端铣刀，以及能够用于例如，材料的钻孔、铰孔、锥 形扩孔、平底扩孔、端铣和攻螺纹的其它旋转切削工具。

根据一些实施方式，本发明提供了一种复合旋转切削工具，其具有至少 一个切削刃，如螺旋定向切削刃，并且包括至少两个烧结碳化物区域，它们 自体结合到一起，并在至少一个特征或者材料性质上相互不同。如本文所述， “自体结合”是指以下结合，其在烧结碳化物或者另一材料的区域之间发生而 不添加填充金属或者其他熔剂。

在本文公开的复合旋转切削工具和复合旋转切削工具坯料的实施方式 中，这些工具或者坯料的至少一个区域包括混合烧结碳化物。一种混合烧结 碳化物包括烧结碳化物连续相和烧结碳化物分散相。在一些实施方式中，混 合烧结碳化物的烧结碳化物连续相和烧结碳化物分散相中的至少一个包括 至少0.5重量％立方碳化物，基于包括该立方碳化物的相的总重量。

属于元素周期表中族IVB至VIB的过渡金属是相对较强的碳化物形成 物。这些过渡金属中的某些形成的碳化物的特征为立方晶体结构，而其它过 渡金属形成的碳化物的特征为六方晶结构。该立方碳化物与六方碳化物相比 更坚固。形成立方碳化物的族IVB至VIB的过渡金属为Ti、V、Cr、Zr、 Nb、HF和Ta。钨和钼的碳化物具有六方晶结构，其中钨是碳化物形成物中 最弱的。该立方碳化物是相互可溶的并且在较宽的组成范围内彼此形成固溶 体。另外，立方碳化物对于WC和Mo₂C具有显著的溶解性。另一方面， WC通常对于任何立方碳化物都没有溶解性。

基于WC作为硬和分散的相和Co作为金属粘结相的烧结碳化物提供了 强度、耐磨性和断裂韧性的最佳组合。在利用WC/Co烧结碳化物工具对钢 合金的切削加工期间，由切削加工钢产生的钢切屑保持与WC/Co烧结碳化 物接触。在高温下与铁接触时，WC是相对不稳定的，因而在钢的切削加工 期间，可能会发生WC/Co旋转工具的凹陷坑(cratering)和弱化。

已经认识到，添加立方碳化物至WC/Co整体式旋转切削工具的烧结碳 化物中会降低旋转工具中的WC与钢中的Fe的相互作用，因此在用于切削 加工钢合金时，延长了工具的寿命。然而，立方碳化物添加到这些工具中同 样会引起工具强度的降低，因而可致使该工具不适合某些切削加工应用。

在本发明复合旋转工具或旋转工具坯料的实施方式中，包含立方碳化物 的混合烧结碳化物的提供改善了化学耐磨性，同时不会明显降低工具的强 度。如本文所述，“化学磨损”可互换性地指的是腐蚀磨损且是指以下磨损， 即其中在材料和工件和/或环境之间发生明显的化学或电化学反应，导致了 材料的磨损。例如，当该工具用于切削加工钢合金时，由于碳化钨与铁切屑 的扩散和化学反应，化学磨损可以在旋转切削工具上观察到。

在一种实施方式中，旋转切削工具的两个自体结合的烧结碳化物区域之 一可以包括常规非混合品级烧结碳化物。一种常规非混合品级烧结碳化物可 以包括一种或多种类型的过渡金属碳化物颗粒和粘结金属或金属合金。在一 种非限制性的实施例中，常规非混合品级烧结碳化物可以包括碳化钨硬质颗 粒，该碳化钨硬质颗粒嵌入在钴粘结剂中。常规非混合品级碳化钨-钴(即 WC-Co)烧结碳化物的一种实例如图4中所示。该图4中示出的烧结碳化物 是通过压实和烧结Firth Grade 248烧结碳化物粉末混合物制备的，该混合物 可以从ATI Firth Sterling，Madison，Alabama获得。Firth Grade 248烧结碳化 物粉末混合物包括约11重量％钴粉末和89重量％碳化钨颗粒(或粉末)。 通过压实和烧结Firth Grade 248粉末混合物生产的烧结碳化物包括嵌入在连 续钴粘结相中的碳化钨颗粒的非连续相。另一种常规非混合品级烧结碳化物 如图5所示。图5中的烧结碳化物由Firth Grade T-04烧结碳化物粉末混合 物生产(同样可以通过ATI Firth Sterling，Madison，Alabama公司得到)。Firth  Grade T-04烧结碳化物粉末混合物包括：12重量％的钴粉末；总量为6重量 ％的碳化钛，碳化钽，和碳化铌颗粒；以及82重量％的碳化钨颗粒。通过 压实和烧结Firth Grade T-04粉末混合物生产的烧结碳化物包括嵌入在连续 钴粘结相中的非连续相，该非连续相包括碳化钨颗粒和碳化钛、碳化钽、和 碳化铌固溶体。

如上文所述，本发明的一种实施方式涉及一种复合物，其包括含有混合 烧结碳化物的第一区域，该混合烧结碳化物包括至少0.5重量％的立方碳化 物，基于包括该立方碳化物的相的重量，该第一区域自体结合至含有常规非 混合烧结碳化物的第二区域。在另一种实施方式中，两个自体结合的烧结碳 化物区域中的每个均含有混合烧结碳化物，同时两个混合烧结碳化物中的每 个均包括至少0.5重量％的立方碳化物，基于包括该立方碳化物的混合烧结 碳化物相的重量。相对于例如仅基于碳化钨和钴的烧结碳化物，每个混合烧 结碳化物可以具有改良的化学耐磨损性，所述混合烧结碳化物包括含至少 0.5％立方碳化物的相(基于该相的总重量)。例如，当工具包括与工件接触的 区域，该区域包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括连续和/或非连 续相，该相包括至少0.5％立方碳化物(基于含该立方碳化物的相的总重量) 时，与钢工件接触时会出现的、由于化学磨损导致的烧结碳化物工具的凹陷 坑的发生被显著减少。因此，在混合烧结碳化物中含有立方碳化物可以提高 包括含有混合烧结碳化物的区域的工具的化学耐磨性。同样，与例如由常规 非混合品级WC-Co烧结碳化物制成的工具相比，该工具的混合烧结碳化物 区域的强度由于立方碳化物的存在也不会显著降低。

本发明的一些实施方式的一些方面可以通过参考图3(a)和(b)中所示的 旋转切削工具坯料30而得到更好的理解。图3(a)是横剖面视图，其中旋转 切削工具坯料30沿着包括坯料中心轴的平面切成断面。图3(b)是横剖面视 图，其中旋转切削工具坯料30横向于工具中心轴切成断面。旋转切削工具 坯料30是大体圆柱形的烧结坯块，具有两个共轴设置的、自体结合的烧结 碳化物区域。然而，对于本技术领域人员来说，显而易见是，本发明实施方 式的以下讨论也可以适合于制造具有更复杂几何形状和/或多于两个区域的 复合旋转切削工具和旋转切削工具坯料。因而，以下讨论不是意在限制本发 明，而只是例示本发明某些非限制性实施方案。

旋转切削工具坯料30可以包括第一区域31，其可以为包括第一烧结碳 化物的芯部区域。在一种非限制性的实施方式中，芯部区域可以包括提供最 高可能的强度的常规非混合品级WC-Co烧结碳化物。该第一区域31的第一 烧结碳化物与包括第二碳化物的第二区域32结合，该第二区域可以为外部 区域。该外部区域可以包括混合烧结碳化物，其中连续和分散相中的至少一 种包括至少0.5％立方碳化物(基于包括该立方碳化物的具体相的重量)， 从而提供增强的化学耐磨性，同时与同样的不含有立方碳化物的烧结碳化物 相比，不会显著地失去强度和机械耐磨性。如图3(a)和3(b)中所示，第一区 域31和第二区域32可以同轴设置。该第一和第二区域31和32可以自体结 合。

如上文所述，本文公开的实施方式包括一个或多个含有混合烧结碳化物 的区域。尽管常规非混合烧结碳化物为一种复合材料，其通常包括遍及分散 和嵌入在连续粘结相中的过渡金属碳化物颗粒，混合烧结碳化物可以包括至 少一种常规非混合烧结碳化物品级的区域(或者，本文可以互换性的使用， “相”)，该常规非混合烧结碳化物品级遍及分散或者嵌入到第二常规非混合 烧结碳化物品级的连续相中，因此形成了一种复合物，其包括第一烧结碳化 物非连续相和第二烧结碳化物连续相。混合烧结碳化物例如在美国专利 NO.7384443(“’433专利”)公开，其在此全文引入作为参考。每种混合烧结 碳化物的非连续烧结碳化物相和连续烧结碳化物相通常，且独立地，包括一 种或多种过渡金属的碳化物颗粒，该过渡金属例如为：钛、钒、铬、锆、铪、 钼、铌、钽、和钨。混合烧结碳化物的两相也分别包括连续金属粘结相(或， 更简单地，连续金属粘结剂)，其将在混合烧结碳化物的具体相中的所有碳 化物颗粒粘结到一起或者胶结起来。混合烧结碳化物的每种烧结碳化物的连 续金属粘结相可以包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁、或铁合金。任选地， 合金元素例如，举例来说，钨、铬、钼、碳、硼、硅、铜、锰、钌、铝和银 可以存在于混合烧结碳化物的粘结相中或者存在于混合烧结碳化物的两个 烧结碳化物中，以相对较少的浓度来增强不同的性能。当涉及到本文所述的 混合烧结碳化物时，术语“分散相”和“非连续相”是可以相互替代使用的。

如上文所述，可包含在本文公开的复合制品的区域中的混合烧结碳化物 的一个方面是，混合烧结碳化物的烧结碳化物连续相和烧结碳化物非连续相 之中的至少一个包括至少0.5重量％的立方碳化物，其中该重量百分比基于 包含该立方碳化物的混合烧结碳化物的相的总重量。

在本发明复合工具和坯料的一些实施方式中，用于复合物中的一些混合 烧结碳化物的烧结碳化物分散(非连续)相具有低的邻接率。复合结构中的 分散相邻接程度可以根据经验由邻接率C_t表征。C_t可以通过使用定量金相 照片技术确定，其描述于Underwood，Quantitative Microscopy， 279-290(1968)，在此其引入作为参考。用于测量C_t的技术在’443专利中充 分公开，其在此全文引入作为参考。如本领域技术人员所公知的，该技术由 以下组成：确定已知长度的无规定向的线与具体结构特征构成的交叉 (intersection)的数量，该已知长度的无规定向的线置于材料显微组织的显 微照片上。计数该线与分散相/分散相交叉构成的交叉的总数(N_Lαα)，同样 地计算分散相/连续相界面的交叉数量(N_Lαβ)。图6示意性地图示了步骤， 即通过这些步骤获得N_Lαα和N_Lαβ的值。在图6中，52通常表示复合物，其 在连续β相56中包括α相的分散相54。邻接率C_t通过公式C_t＝2N_Lαα/(N_Lαβ+ 2N_Lαα)计算得出。

邻接率是非连续(分散)相区域与其它非连续(分散)相区域接触的表 面面积的平均百分比的量度。在分散区域的分布从完全分散(C_t＝0)至完全 聚集(C_t＝1)变化时，该比率可以从0变化至1。该邻接率描述了在不考虑 分散相区域的体积分数或者大小的情况下分散相的邻接程度。然而，一般情 况下，对于较大体积分数的分散相，分散相的邻接率也可能会更高一些。

在具有硬烧结碳化物分散相的混合烧结碳化物的情况下，分散相的邻接 率越低，裂纹将会扩散通过邻接的硬质相区域的可能性越低。该裂纹过程可 以为重复过程，具有累积效应从而导致复合烧结碳化物旋转工具的整体韧性 的降低。在本发明复合烧结碳化物旋转切削工具或者旋转切削工具坯料的一 种实施方式中，该工具或者坯料区域中包括的混合烧结碳化物可以包括烧结 碳化物分散相，通过上述方法测量，其具有不高于0.48的邻接率。

在本发明复合烧结碳化物旋转切削工具或者旋转切削工具坯料的一些 实施方式中，复合物区域中包括的混合烧结碳化物可以包括约2至约40体 积％的分散相的烧结碳化物品级。在另一种实施方式中，该烧结碳化物分散 相可以为混合烧结碳化物体积的2至50％。在另一种实施方式中，该烧结碳 化物分散相可以为混合烧结碳化物体积的2至30％。在其它实施方式中，可 能期望地是，该混合烧结碳化物的烧结碳化物分散相为混合烧结碳化物体积 的6至25％。

在一种实施方式中，第一区域31中的烧结碳化物和第二区域32中的烧 结碳化物(包括混合烧结碳化物的分散烧结碳化物相和连续烧结碳化物相)， 可以包括陶瓷组分，该陶瓷组分由元素周期表中IVB至VIB族的一种或多 种元素的碳化物构成。

该陶瓷组分优选占每个区域中烧结碳化物总重量的大约60到大约98的 重量％。陶瓷组分颗粒嵌入在金属粘结材料的基质之内，该金属粘结材料基 质优选占每个区域中总烧结碳化物的大约2到大约40重量％。粘结剂优选 为Co、Co合金、Ni、Ni合金、Fe和Fe合金中的一种或多种。粘结剂任选 地还可以含有比如诸如W、Cr、Ti、Ta、V、Mo、Nb、Zr、Hf和C这些元 素，含量可以高达这些元素在粘结剂中的溶解极限。此外，粘结剂可以含有 高达5重量百分比的诸如Cu、Mn、Ag、Al和Ru的元素。在复合旋转切削 工具或者旋转切削工具坯料的一种实施方式中，第一烧结碳化物的粘结剂和 第二烧结碳化物的粘结剂可以独立地进一步包括至少一种合金添加剂，其选 自于钨、铬、钼、碳、硼、硅、铜、锰、钌、铝和银。本领域技术人员应该 认识到烧结碳化物的任意或者全部组分可以以元素形式、化合物和/或中间 合金加入。本发明实施方式中使用的烧结碳化物的性质可以针对特定应用而 定制，其通过改变陶瓷组分的化学组成、陶瓷组分的颗粒尺寸、粘结剂的化 学组成、和粘结剂含量与陶瓷组分含量的重量比中的一种或其任意组合。

在某些实施方式中，在本文公开的复合制品的区域中包括的混合烧结碳 化物的分散相和连续相中的至少一个包括至少0.5重量％立方碳化物，基于 包括立方碳化物的混合烧结碳化物的相的总重量，或者换句话说，基于包括 该立方碳化物的相的重量。在一些其它实施方式中，在本文公开的复合制品 的区域中包括的混合烧结碳化物的分散相和连续相中的至少一个包括至少 1.0重量％立方碳化物，基于包括立方碳化物的混合烧结碳化物的相的重量。 在一种实施方式中，混合烧结碳化物的分散相和连续相中的至少一个包括 5％或更多立方碳化物，基于包括立方碳化物的相的总重量。在其它的实施 方式中，混合烧结碳化物的分散相和连续相中的至少一个包括0.5％至30％、 1％至25％、5％至25％或约6％重量的立方碳化物，基于包括立方碳化物的 混合烧结碳化物的相的总重量。

如本文所述，“立方碳化物”是指过渡金属碳化物，其具有立方密堆积晶 体结构。该晶体结构也可以是指面心立方晶格，和具有cF8Pearson Symbol 和B1Strukturbericht标识的岩盐晶体结构。在一种实施方式中，本发明复合 制品区域中的混合烧结碳化物的立方碳化物内含物可以包括一种或多种过 渡金属的碳化物，该过渡金属选自于元素周期表中的IV和V族。在另一种 实施方式中，该立方碳化物内含物可以包括TiC、TaC、NbC、VC、HfC、 和ZrC的一种或多种。在另一种实施方式中，该立方碳化物内含物可以包括 TiC、TaC和NbC的一种或多种。在另一种实施方式中，该立方碳化物内含 物可以包括TiC。在另一种实施方式中，该立方碳化物内含物可以包括不同 立方碳化物的固溶体。

如上文所述，在本发明的实施方式中，复合烧结碳化物旋转切削工具或 旋转切削工具坯料可以包括至少第一区域和第二区域。复合旋转切削工具或 坯料的第一区域包括第一烧结碳化物，其自体结合至包括第二烧结碳化物的 第二区域。在一些实施方式中，第一烧结碳化物和第二烧结碳化物中的至少 一种包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括至少0.5重量％的立方碳 化物，基于包括立方碳化物的混合烧结碳化物的相的重量。在另一种实施方 式中，第一区域可以基本上不含有立方碳化物且第二区域包括混合烧结碳化 物，该混合烧结碳化物包括至少0.5％立方碳化物，基于含有立方碳化物的 相的重量。在另一种实施方式中，复合旋转切削工具或坯料的超过一个区域 可包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括至少0.5重量％的立方碳化 物，每个立方碳化物的含量基于包括立方碳化物的混合烧结碳化物的相的重 量。

如上文所述，混合烧结碳化物包括烧结碳化物第一品级的分散相和烧结 碳化物第二品级的连续相。在本文的复合烧结碳化物旋转切削工具或者旋转 切削工具坯料的一种实施方式中，基本上所有的混合烧结碳化物的立方碳化 物可位于混合烧结碳化物的连续相中，其中所述切削工具或坯料包括含有混 合烧结碳化物的区域，该混合烧结碳化物包括至少0.5％立方碳化物，基于 包括立方碳化物的相的重量。在另一种实施方式中，基本上所有的混合烧结 碳化物的立方碳化物可以定位在混合烧结碳化物的非连续(分散)相中。在 另一种实施方式中，混合烧结碳化物的分散相和连续相都包括至少0.5重量 ％立方碳化物，基于每种单独相的重量。关于本发明复合烧结碳化物旋转切 削工具或坯料的区域，混合烧结碳化物的组成和/或性质可以根据需要定制 从而提供具有所需机械性能的复合烧结碳化物旋转切削工具或坯料，所述本 发明的旋转切削工具或坯料包括混合烧结碳化物，其中该混合烧结碳化物包 括至少0.5％立方碳化物，基于含有该立方碳化物的相的重量。

本领域公知的，烧结碳化物中存在立方碳化物会导致烧结碳化物强度的 中度降低。除此之外，如上所述，最强的烧结碳化物品级，其基于WC和 Co，并不一定适合用于切削加工钢。这是因为钢一般在切削加工时产生长的 连续切屑，该切削与工具的烧结碳化物接触。钢中的铁是潜在的碳化物形成 元素，并且在切削切屑与碳化物之间的接触会导致WC从工具扩散到刚切屑 的表面内并且与铁产生化学作用。WC从烧结碳化物切削工具的迁移会导致 切削工具弱化并且在切削工具切削表面上引起凹陷的形成。立方碳化物向烧 结碳化物工具中的添加减轻了碳化物的迁移和凹陷效应，但是并没有引起工 具强度的中度降低。然而，如本文所教导的，由于工具中立方碳化物的存在 引起的强度降低可以通过在工具中包括混合烧结碳化物和在混合烧结碳化 物显微组织中设置(disposing)全部或部分立方碳化物来最小化。通过包括 至少0.5重量％的立方碳化物在混合烧结碳化物显微组织的相中，可以改良 旋转切削工具的化学耐磨性，同时与以下旋转切削工具相比，不会显著地降 低工具强度，所述旋转切削工具基于仅包括碳化钨硬颗粒作为分散相的烧结 碳化物。

通过在工具的混合烧结碳化物中设置立方碳化物，工具强度上的降低将 会被最小化，同时当用于切削加工钢时工具的凹陷将会降低切。虽然本文给 出的复合旋转切削工具的实施方式具有有限数量个包含烧结碳化物的区域， 但是应该理解的是，本文的旋转切削工具可以包括任意数量的烧结碳化物的 区域，包括含混合烧结碳化物(含有立方碳化物)的区域，且每个区域可以被 配制为具有所需的性质。

再次参见图3(a)和(b)，旋转切削工具坯料30的第一或芯部区域31可在 界面33处自体结合至(autogenously bonded to)第二或外部区域32。界面33 在图3(a)和(b)中示为圆柱形的，但应该理解的是，本发明的复合旋转切削工 具和坯料中的烧结碳化物区域的界面形状并不局限于圆柱形构型。在界面 33处在区域31和32之间的自体结合可以是通过，例如从芯部区域31到外 部区域32在三维上延伸(反之亦然)的粘结剂基质形成的。两个区域中粘结剂 对陶瓷成分的比例可以是相同或不同的，可以在区域之间变动以影响区域的 相对特性，且可以在混合烧结碳化物的连续相和分散相之间改变。只作为范 例来看，复合工具坯料30相邻区域之中粘结剂对陶瓷成分的比例可以有1 至10重量百分比的差别。本发明复合旋转切削工具和工具坯料的不同区域 中烧结碳化物的特性可以针对具体应用定制。

本领域技术人员，在考虑了本发明的说明书之后将会理解，本发明经过 改进的旋转切削工具和工具坯料可以被构造为带有不同烧结碳化物的多个 区域或层以便从工具的中心区域到其周边形成一或多种特性的量值的分级 式进展。因而，比如，麻花钻头可以配有烧结碳化物的多个共轴设置的区域， 而其中每个这样的区域比相邻的、更加接近中心设置的区域具有连续增大的 硬度和/或化学耐磨性。在一种实施方式中，复合旋转切削工具或工具坯料 的至少第一或外部区域可以包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包含至 少0.5重量％的立方碳化物，基于包括该立方碳化物的混合烧结碳化物的相 的重量，同时内部区域可以包含常规非混合烧结碳化物，该非混合烧结碳化 物基于，例如但不限于，分散在连续钴粘结剂中的碳化钨颗粒。或者，本文 中公开的旋转切削工具和工具坯料的非限制性实施方式可以被设计为具有 其他复合构型，其中工具或坯料的不同区域相互具有不同的具体特性。另外 一些可替换构型的非限制性范例示于图3(c)和3(d)之中。应该理解的是，根 据本发明，特殊的钻头类型，例如，但不限于分级钻头和阶梯钻头将会受益 于本发明的复合构造，其通过本文公开的非限制性的麻花钻头构造进行示 例。

图3(c)表示本发明的一种实施方式，其作为圆柱形坯料是特别有用的， 该圆柱形坯料可以用来制成用于钻削表面硬化材料的钻头。为了钻削表面硬 化材料，钻尖一般用以穿透表层，而钻头主体则从较软芯部去除材料。在该 非限制性实施方式中，第一区域34和第二区域35设置在坯料的第一和第二 端部处。第一端部将变成钻头的尖端，而第二端部将变成会被固紧在机床卡 盘(chuck)之中的端部。为了切削钢，在一种实施方式中，第一区域34可以 包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包括至少0.5重量％立方碳化物， 基于含有该立方碳化物的混合烧结碳化物的相的总重量。当用于钻削钢工件 时，立方碳化物的存在改良了钻头的化学耐磨性。该至少0.5重量％立方碳 化物可以存在于包括在第一区域34中的混合烧结碳化物的分散和/或连续相 中。

再次参考图3(c)，在本发明的复合旋转切削工具或坯料的一种实施方式 中，该至少0.5重量％立方碳化物被包含在混合烧结碳化物的分散相中，该 混合烧结碳化物包括在第一区域34中。第一区域34中包括的混合烧结碳化 物的连续相包括硬质和机械耐磨的烧结碳化物如，举例来说，分散在钴合金 粘结剂中的具有平均颗粒尺寸0.3-1.5μm的碳化钨颗粒。在该实施方式中， 在第一区域34中，钴合金粘结剂为混合烧结碳化物连续相的约6-15重量％。 该坯料的第二区域35可以包括常规非混合烧结碳化物，该常规非混合烧结 碳化物例如由钴合金粘结剂中的碳化钨颗粒(1.0-10μm平均颗粒尺寸)构成， 其中在第二区域35中粘结剂为常规非混合烧结碳化物的约2-6重量％。该第 一区域34自体结合至第二区域35。第二区域35与第一区域34相比，具有 增强的弹性模量，从而在对钻头施加压力时抵抗挠曲，该钻头由图3(c)中所 示的坯料制成。

示于图3(d)之中的实施方式结合了图3(a)和3(c)的实施方式的特征。割 嘴36包括两个区域，芯部区域37和外部区域38，其中各区域包括不同品 级的烧结碳化物。芯部和外部区域37和38同轴设置并自体结合至第三区域 39。区域38可以在组成上类似于图3(c)所示坯料的区域34，并包括含至少 0.5重量％立方碳化物的混合烧结碳化物(基于包含该立方碳化物的相的重 量)，从而当由该坯料制成的工具用于切削加工钢时降低凹陷。然而，由于 立方碳化物内含物设置在混合烧结碳化物中，立方碳化物的存在并不会显著 地降低由该工具坯料制成的旋转切削工具的强度或机械耐磨性。区域37可 以包括常规非混合品级烧结碳化物，其提供高强度且例如在钴合金粘结剂中 包含碳化钨颗粒(例如，0.3-1.5μm平均颗粒尺寸)，其中该粘结剂为芯部 区域37中烧结碳化物的约6-15重量％。区域39可以在组成上类似于图3(c) 的区域35，从而在对由工具坯料制成的钻孔工具施加压力时抵抗挠曲。

在一种实施方式中，本发明的复合制品可以包括其中含有至少一种常规 非混合烧结碳化物的区域，其中含有至少一种混合烧结碳化物的区域，该混 合烧结碳化物包括烧结碳化物分散相和烧结碳化物连续相。只要复合制品的 混合烧结碳化物的一个相包括至少0.5％立方碳化物(基于相的重量)，各非混 合烧结碳化物，以及复合制品的混合烧结碳化物的各烧结碳化物分散和连续 相，可以独立包括：至少一种过渡金属碳化物，其选自碳化钛、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；和粘结剂， 其包括至少一种选自钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金的材料。在复合 制品的一种实施方式中，该至少一种过渡金属碳化物包括碳化钨。在其它实 施方式中，碳化钨具有0.3-10微米的平均颗粒尺寸。在其它实施方式中，复 合制品的不同粘结相的一个或多个包含至少一种合金添加剂，其选自钨、铬、 钼、碳、硼、硅、铜、锰、钌、铝和银。在本发明的复合制品的其它实施方 式中，常规非混合烧结碳化物品级、混合烧结碳化物的烧结碳化物分散相和 混合烧结碳化物的烧结碳化物连续相，分别各自含有2-40重量％的粘结剂和 60-98重量％的金属碳化物。

在本文公开的复合制品的实施方式中，第一区域和第二区域的至少一个 基本上不含有立方碳化物，然而第一和第二区域的另一个含有混合烧结碳化 物，该混合烧结碳化物包含至少0.5重量％的立方碳化物，基于含有该立方 碳化物的混合烧结碳化物的相的重量。在其它实施方式中，基本上混合烧结 碳化物中的所有立方碳化物包含在混合烧结碳化物的烧结碳化物分散相中。 在其它实施方式中，基本上混合烧结碳化物中的所有立方碳化物包含在混合 烧结碳化物的烧结碳化物连续相中。在其它实施方式中，立方碳化物可以同 时包含在混合碳化物的连续和分散相中，其浓度均为至少0.5％，基于混合 烧结碳化物的各单独的相的重量。

本发明的复合烧结碳化物旋转切削工具和工具坯料的一个优点是使工 具和坯料的区域的特性满足不同应用场合的灵活性。另一个优点是降低的化 学磨损和/或凹陷，这是由于在复合制品中存在混合烧结碳化物，该混合烧 结碳化物包括至少0.5重量％立方碳化物。当本发明的工具用于切削加工钢 时，得到降低的化学磨损和/或凹陷。另外，在混合烧结碳化物中设置全部 或基本全部的立方碳化物不会显著地降低工具的强度或机械耐磨性。本发明 的特定复合坯料各个烧结碳化物区域的厚度、几何形状和/或各种物理性质 可以加以选择以适应由坯料制成的旋转切削工具的具体应用。因而，比如， 可以提高在使用期间经历显著弯曲的旋转切削工具的一个或多个烧结碳化 物区域的弹性模量；可以提高具有切削表面并承受大于其他切削刃区域的切 削速度的一个或多个烧结碳化物区域的硬度和/或机械耐磨性；以及/或者可 以加强在使用期间受到化学磨损的烧结碳化物的区域的化学耐磨性。

现在参考图1中麻花钻头的非限制性实施方式，旋转切削工具或旋转切 削工具坯料20可以包含伸长部分22。在一种非限制性实施方式中，伸长部 分22可以限定切削刃25。在另一个非限制性实施方式中，伸长部分22上 的切削刃25可以围绕伸长部分的表面28螺旋定向。

本发明复合烧结碳化物旋转切削工具或旋转切削工具坯料的一种非限 制性实施方式包括伸长部分，其中第一区域和第二区域之一为芯部区域，第 一区域和第二区域中的另一个为外部区域，同时其中第一和第二区域同轴设 置。在一种实施方式中，外部区域可以包含混合烧结碳化物，该混合烧结碳 化物包含至少0.5重量％的立方碳化物，基于包括该立方碳化物的混合烧结 碳化物的相的总重量。在另一种实施方式中，第一区域可以覆盖第二区域的 至少一部分，同时该第一区域可以包括混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物 包含至少0.5重量％的立方碳化物，相对于包括该立方碳化物的混合烧结碳 化物的相的总重量。

在一些实施方式中，其中复合烧结碳化物旋转切削工具用于切削加工 钢，旋转切削工具的外部区域可以包括混合烧结碳化物显微组织，该显微组 织包含至少0.5重量％的立方碳化物，基于包括该立方碳化物的混合烧结碳 化物的相的总重量。在一种非限制性实施方式中，其中外部区域包括混合烧 结碳化物显微组织，该显微组织包含至少0.5重量％的立方碳化物，内部区 域可以为基本上不含有立方碳化物的烧结碳化物的常规非混合品级。在一种 实施方式中，包括立方碳化物或者基本上不包括立方碳化物的烧结碳化物的 常规非混合品级可以为以下品级，其包括分散在钴粘结剂中的碳化钨硬颗 粒。然而，应该理解的是，烧结碳化物的任何其它常规非混合品级的使用包 含在本发明的权利要求书的范围内，其可以由本领域技术人员挑选从而在本 发明旋转切削工具或旋转切削工具坯料的每个区域中达到特定的性质。然 而，在任何所述实施方式中，该工具或坯料的至少一个区域包括混合烧结碳 化物，该混合烧结碳化物在其连续和/或分散相中包含至少0.5重量％立方碳 化物，基于包括立方碳化物的具体相的重量。

如上文所述，本文公开的复合烧结碳化物旋转切削工具和旋转切削工具 坯料包括伸长部分。所述工具和坯料包括，但不限于，钻头，钻头坯料，端 铣刀，端铣刀坯料，丝锥和丝锥坯料。在一些实施方式中，钻头，钻头坯料， 端铣刀，端铣刀坯料，丝锥和丝锥坯料中的一种可以在第一区域中包括第一 烧结碳化物和在第二区域中包括第二烧结碳化物。第一烧结碳化物和第二烧 结碳化物中的至少一种为混合烧结碳化物。该混合烧结碳化物包含烧结碳化 物非连续相和烧结碳化物连续相，其中混合烧结碳化物的烧结碳化物非连续 相和烧结碳化物连续相至少之一包括至少0.5重量％的立方碳化物，基于包 含该立方碳化物的相的总重量，同时其中，第一烧结碳化物的化学耐磨性与 第二烧结碳化物不同。

涉及到化学耐磨性的性质，化学磨损通常被认为是腐蚀磨损，其被定义 为“与环境的化学或电化学反应显著的磨损”。参见ASM，Materials  Engineering Dictionary，J.R.Davis，Ed.，ASM international，Fifth printing(2006 年1月)，第98页。在使用基于碳化钨和钴的常规非混合烧结碳化物旋转切 削工具切削加工钢时，会发生工具的化学磨损，这是由于WC具有扩散到与 工具接触的钢切削屑中的趋向，同时碳化物与钢中的铁反应(铁是碳化物形 成元素)。混合烧结碳化物的混合显微组织中的立方碳化物的加入降低了工 具的化学磨损，并在用于切削加工钢时，降低或消除了工具的凹陷，该混合 烧结碳化物被包含在本文的复合烧结碳化物工具和坯料的第一和第二区域 中的至少一个内。然而，由于立方碳化物内含物存在于混合烧结碳化物的显 微组织中，工具的强度不会显著的降低。

不希望被任何具体的科学理论限制，认为添加至少0.5％立方碳化物(基 于包含立方碳化物的相的重量)能够通过改变碳化钨对于铁的稳定性，降低 或消除凹陷。钛和钽是强于钨的碳化物形成元素。钢合金中的铁也是碳化物 形成元素。当具有仅含有碳化钨的烧结碳化物品级的旋转工具用于钻孔或切 削加工钢时，铁与碳化钨反应形成碳化铁，从而导致工具的凹陷。认为，通 过与碳化钨的合金化，立方碳化物改变了碳化钨相对于铁的稳定性。在碳化 钨与立方碳化物合金化后，铁具有与该碳化钨更低的反应趋向，甚至在本发 明实施方式的低含量时，本文的复合旋转工具的凹陷被随后降低和消除了。

另外，当立方碳化物存在于本文公开的旋转工具的烧结碳化物的混合显 微组织中时，复合旋转工具的强度的降低被最小化。在一种非限制性的实施 方式中，当立方碳化物存在于混合烧结碳化物的分散相中时，与现有技术的 在非混合烧结碳化物品级中包含立方碳化物的旋转工具相比，工具强度的降 低被最小化了。然而，应该理解的是，在本文公开的实施方式中，当立方碳 化物存在于混合烧结碳化物的分散相、连续相或者两个相中时，在混合烧结 碳化物显微组织中包含立方碳化物的复合旋转工具强度的降低是最小的，同 时，该混合显微组织中的立方碳化物的位置取决于复合旋转工具的部位所需 的性质。在考虑了本发明的说明书的情况下，不需要通过过多实验，本领域 技术人员就应该知晓或者本领域一般技术人员就能够确定本文公开的复合 旋转工具的实施方式中达到局部性质的设计参数。

本发明的复合旋转切削工具和切削工具坯料的实施方式可以通过本技 术领域中已知的适当工艺方法制成，但优选采用如以下进一步描述的干袋等 静压方法(dry bag isostatic method)。该干袋方法特别适宜，因为它允许以许 多不同构型来制作复合旋转切削工具和工具坯料，其非限制性范例已经提供 于图3(a)-(d)之中。示于图3(c)和(d)之中的构型非常难以采用以下方法制作 (若并非不可能的话)，所述方法为其他粉末固结技术，诸如模具压制、挤压 和湿袋等静压。

在本发明用于生产复合旋转切削工具的方法的实施方式中，制备了混合 烧结碳化物混合物。一种制备混合烧结碳化物混合物的方法可以包括将第一 烧结碳化物品级的部分或者完全烧结的颗粒的至少之一与第二烧结碳化物 品级的未处理(green)和未烧结颗粒的至少之一混合，其中第一烧结碳化物品 级用作烧结坯块的混合烧结碳化物部分的分散相，第二烧结碳化物品级用作 烧结坯块的混合烧结碳化物部分的连续相。用于形成混合烧结碳化物的第一 烧结碳化物品级和第二烧结碳化物品级的至少一个包括至少0.5重量％的立 方碳化物，如上文所述，基于包含该立方碳化物的烧结碳化物品级的组分的 总重量。

在另一种实施方式中，混合烧结碳化物的第一烧结碳化物品级和第二烧 结碳化物品级中的至少一个包含至少1.0重量％的立方碳化物，基于包含该 立方碳化物的碳化物品级的组分的总重量。该混合烧结碳化物混合物置于模 具空腔(void)的第一区域中。冶金粉末可以放置于空腔的第二区域中，其中 混合烧结碳化物混合物的至少一部分与冶金粉末接触。该冶金粉末可以为烧 结碳化物粉末混合物，其包括与金属粘结剂颗粒或粉末混合的硬颗粒，该硬 颗粒例如，但不限于，碳化钨颗粒，该金属粘结剂颗粒或粉末例如，但不限 于，钴或者钴合金粉末。该混合烧结碳化物混合物和该冶金粉末可以固结从 而形成坯块，该坯块可以使用常规方法烧结。在一种非限制性的实施方式中， 该坯块使用过压烧结进行烧结。

用作混合烧结碳化物分散相的颗粒的部分或者完全烧结导致颗粒的强 化(与“未处理”颗粒相比)。分散相的强化颗粒在混合物向坯块固结的过程 中将会对破裂(collapse)具有增强的抗性。基于分散相的所需强度，分散相的 颗粒可以在约400-约1300℃温度范围内部分或完全烧结。该颗粒可以通过 不同的方法烧结，如，但不限于，氢气烧结和真空烧结。颗粒的烧结可导致 润滑剂的移除，氧化还原，致密化，和显微组织发展。混合前，分散相颗粒 的部分或完全烧结会导致在混合固结过程中，分散相破裂的减少。生产混合 烧结碳化物的该方法的实施方式允许形成具有较低分散相邻接率的混合烧 结碳化物。当至少一种烧结碳化物的颗粒在混合前部分或完全烧结时，该烧 结颗粒在混合后在固结的过程中不会破裂，且所得混合烧结碳化物的邻接也 相对低。一般而言，分散相烧结碳化物颗粒尺寸越大且连续烧结碳化物相颗 粒尺寸越小，任意体积分数的硬品级的邻接率就越低。

在一种非限制性的实施方式中，形成复合烧结碳化物切削工具或工具坯 料的方法包括，将混合烧结碳化物混合物放入到模具的第一区域中，其中该 混合物含有至少0.5％立方碳化物(基于含有该立方碳化物的混合烧结碳化 物相的总重量)。该模具可以为，例如，干袋橡胶模具(dry-bag rubber mold)。 用于形成常规烧结碳化物的冶金粉末可以放入模具空腔的第二区域中。基于 在旋转切削工具中所需不同烧结碳化物的区域的数量，该模具可以被分隔出 额外的区域，其中放入特殊的冶金粉末和/或混合烧结碳化物混合物，该混 合物包含至少0.5％立方碳化物，基于含有该立方碳化物的相的重量。应该 理解的是，为了获得其它特性，不含有立方碳化物的混合烧结碳化物可以被 包含在模具中并掺入到工具或工具坯料中，只要旋转切削工具或旋转切削工 具坯料的一个区域包括含至少0.5％立方碳化物的混合烧结碳化物，基于包 含该立方碳化物的混合烧结碳化物的相的重量。该模具可以分隔为多个区 域，其通过在模具的空腔中放置物理隔板以限定该两个或更多区域。该一种 或多种混合烧结碳化物混合物包括含至少0.5％的立方碳化物的相，同时包 括在模具的不同区域中的一种或多种冶金粉末被挑选以实现旋转切削工具 相应区域的所需性能，如上文所述。使在第一区域和第二区域中的材料的一 部分相互接触，同时该模具被等静压制来使冶金粉末致密化从而形成固结粉 末的坯块。该坯块然后烧结从而进一步致密化该坯块，固结该粉末，且在第 一、第二，和，如果存在，其它区域之间形成自体结合。该烧结坯块提供了 一种坯料，该坯料可以被机加工从而包括切削刃和/或其它具体旋转切削工 具几何形状的物理特征。所述特征对于本领域技术人员来说是已知的，在此 不具体指出了。

在一种非限制性的实施方式中，在过压烧结该坯块的步骤后，该坯块包 含混合烧结碳化物，该混合烧结碳化物包含烧结碳化物分散相和烧结碳化物 连续相。在一种实施方式中，混合烧结碳化物中的烧结碳化物分散相的邻接 率是不超过0.48。

在一种非限制性的实施方式中，在过压烧结该坯块的步骤后，混合烧结 碳化物中的基本上所有的立方碳化物都存在于混合烧结碳化物的烧结碳化 物分散相中。在另一种实施方式中，在过压烧结该坯块的步骤后，混合烧结 碳化物中的基本上所有的立方碳化物都存在于混合烧结碳化物的烧结碳化 物连续相中。在其它实施方式中，在过压烧结该坯块的步骤后，烧结碳化物 分散相为混合烧结碳化物的2-50体积％。

在一种非限制性的实施方式中，第一烧结碳化物品级的烧结颗粒可以为 部分烧结颗粒和完全烧结颗粒中的至少一种，且该混合烧结碳化物混合物的 制备包括，将包含2至低于40体积％的第一烧结碳化物品级的烧结颗粒和 高于60至98体积％的第二烧结碳化物品级的未烧结碳化物颗粒的材料混 合，其中该重量百分比基于烧结碳化物混合物的总重量。在另一种实施方式 中，烧结混合物包括烧结金属碳化物和粘结剂从而形成第一烧结碳化物品级 的烧结颗粒。在一种实施方式中，烧结该混合物可以包括在400℃至1300℃ 烧结该金属碳化物和粘结剂。

一种非限制性的用于制备混合烧结碳化物混合物的实施方式包括，将包 含2至30体积％的第一烧结碳化物品级的烧结颗粒和70至98体积％的第二 烧结碳化物品级的未烧结颗粒的材料混合，其中该重量百分比基于烧结碳化 物混合物的总重量。

在本文公开的一种非限制性实施方式中，第一烧结碳化物品级、第二烧 结碳化物品级和冶金粉末各自独立包括选自以下的金属碳化物：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，和 选自以下的粘结剂：钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金。一些实施方式 还包括，在粘结剂中包含至少一种合金添加剂，其中该合金添加剂选自钨、 铬、钼、碳、硼、硅、铜、锰、钌、铝和银。

一种制造根据本发明实施方式的复合旋转切削工具的非限制性方法还 可以包括从烧结坯块(即，坯料)上除去材料从而提供至少一个切削刃。一 种从坯块上除去材料的方法的非限制性实施方式可以包括切削加工该坯块 从而形成至少一个螺旋定向的凹槽，该凹槽限定出至少一个螺旋定向的切削 刃。在一种实施方式中，可以使用本领域技术人员已知的基于金刚石的磨轮 进行研磨而形成螺旋凹槽。其它的在旋转工具上形成凹槽的方法，其无论是 现在或将来被本领域技术人员知晓，均应在本发明公开的复合旋转工具的实 施方式的范围内。

在本发明形成复合制品的一种非限制性实施方式中，该模具可以包括干 袋橡胶模具(dry-bag rubber mold)，且进一步将烧结碳化物混合物和冶金粉末 固结以形成坯块包括等静压制该干袋橡胶模具从而形成坯块。一种非限制性 方法实施方式可以包括将该干袋橡胶模具的空腔物理分隔为至少第一区域 和第二区域。在一种实施方式中，物理分隔该空腔包括插入套管(sleeve) 至空腔中从而将空腔划分为第一区域和第二区域。在一些实施方式中，该套 管包括塑料、金属、或纸。在另一种非限制性实施方式中，在将烧结碳化物 混合物与冶金粉末放置到模具的空腔中后，通过将套管从空腔中移出，从而 烧结碳化物混合物的至少一部分与冶金粉末接触。在另一种实施方式中，将 烧结碳化物混合物的至少一部分与冶金粉末的接触包括将烧结碳化物混合 物和冶金粉末中的一种放置在空腔中从而沿着界面与烧结碳化物混合物和 冶金粉末中的另一种接触。

在制备选自复合旋转切削工具和复合旋转切削工具坯料的制品的方法 的某些实施方式中，第一烧结碳化物品级、第二烧结碳化物品级、和冶金粉 末可以各自独立含有2-40重量％的粘结剂和60-98重量％的过渡金属碳化 物。在另一种实施方式中，第一烧结碳化物品级、第二烧结碳化物品级、和 冶金粉末中的至少一种包括碳化钨颗粒，该碳化钨颗粒具有0.3-10μm的平 均颗粒尺寸。在这些实施方式中，第一烧结碳化物品级和第二烧结碳化物品 级中至少一种包括至少0.5％立方碳化物，基于该品级的总重量。

一种非限制性实施方式可以包括通过在5000-50000psi的压力下等静压 制模具而固结该烧结碳化物混合物和冶金粉末从而形成坯块。在一种非限制 性的实施方式中，过压烧结该坯块包括在300-2000psi的压力下在1350℃至 1500℃加热该坯块。

下文给出本发明复合旋转切削工具和旋转切削工具坯料的生产方法的 非限制性实施方式。

实施例1

图7为本发明旋转工具坯料的区域60的显微照片，该坯料包括混合烧 结碳化物，该混合烧结碳化物含有立方碳化物。图7中所示的区域包含混合 烧结碳化物品级，该混合烧结碳化物品级包括20体积％的Firth Grade T-04 烧结碳化物作为分散相62。Firth Grade T-04烧结碳化物包括6重量％的立方 碳化物TiC、TaC和NbC的固溶体，82重量％的WC，和12重量％的Co。 图7中所示旋转切削工具坯料的混合烧结碳化物区域包括80体积％的Firth  Grade 248烧结碳化物作为连续相64。Firth Grade 248烧结碳化物包含89重 量％的WC和11重量％的Co。分散相62的测量到的邻接率为0.26，且因此 低于0.48。所有的烧结碳化物粉末都是从ATI Firth Sterling，Madison， Alabama获得。

实施例2

实施例1的图7中所示的旋转工具坯料的混合烧结碳化物区域60通过 在真空中在800℃温度下预烧结Firth Grade T-04烧结碳化物颗粒(或粉末) 制备。该预烧结的Firth Grade T-04烧结碳化物颗粒包含图7中所示混合烧 结碳化物区域的分散相62。该预烧结颗粒与Firth Grade 248的未处理颗粒混 合从而形成混合烧结碳化物混合物。该混合烧结碳化物混合物放置到模具的 空腔中并通过机械压制在137.9MPa(20000psi)的压力压缩。应该理解的 是，等静压制可以用于得到相同的结果。该混合烧结碳化物坯块在烧结热等 静压(烧结-HIP)炉中在1400℃过压烧结。

实施例3

在图8的显微照片中观察到本发明含有混合烧结碳化物的工具坯料的 区域70，该混合烧结碳化物包含立方碳化物。图8中所示的混合烧结碳化 物包括20体积％的ATI Firth Sterling Grade 248烧结碳化物作为分散相72和 80体积％的ATI Firth Sterling Grade T-04烧结碳化物(包括6重量％立方碳 化物)作为连续相74。分散相的邻接率为0.40。该工具坯料的混合烧结碳 化物区域使用类似于实施例2的方法和条件制备。

实施例4

混合烧结碳化物混合物和常规非混合品级烧结碳化物冶金粉末被放置 在用于生产旋转切削工具坯料的模具空腔的分离的区域中，且沿界面相互接 触。类似于实施例2公开的工艺，实施常规非混合压实和烧结工艺用于提供 复合烧结碳化物旋转切削工具坯料，该坯料包括混合烧结碳化物的第一区 域，该混合烧结碳化物包含立方碳化物，同时其中该第一区域冶金结合至第 二区域，该第二区域由常规非混合烧结碳化物构成，该常规非混合烧结碳化 物没有包含任何实质含量的立方碳化物。复合烧结碳化物的显微组织80示 于图9中。Firth Grade 248烧结碳化物示于显微照片的左手侧，以82表示。 混合烧结碳化物示于显微照片的右手侧，以84表示。该混合烧结碳化物包 括80体积％的Firth Grade 248烧结碳化物作为连续相86，以及20体积％的 含有6％立方碳化物的Firth Grade T-04烧结碳化物作为分散相88。界面区域 89在图9中在常规非混合品级显微组织82和混合品级显微组织84之间是 明显的。

实施例5

混合烧结碳化物混合物和常规非混合烧结碳化物冶金粉末放置于适用 于生产旋转切削工具坯料的模具空腔的分离的区域中，并沿界面相互接触。 类似于实施例2公开的工艺，实施常规非混合压实和烧结工艺用于提供复合 烧结碳化物，该复合烧结碳化物包括混合烧结碳化物的第一区域，该混合烧 结碳化物包含立方碳化物，且该第一区域冶金结合至常规非混合烧结碳化物 的第二区域。复合烧结碳化物的显微组织90示于图10中。Firth Grade 248 常规非混合品级烧结碳化物显微组织92示于显微照片的右手侧。混合品级 显微组织94示于显微照片的左手侧，并包括20体积％的Firth Grade 248烧 结碳化物作为分散相96，以及80体积％的Firth Grade T-04烧结碳化物作为 连续相98。在制备样品中使用的Firth Grade T-04烧结碳化物粉末包含总量 6重量％的立方碳化物TiC、TaC、和NbC。在常规非混合品级显微组织92 和混合品级显微组织94之间的界面区域99是明显的。

实施例6

第一混合烧结碳化物混合物和第二混合烧结碳化物混合物被放置在用 于制备复合旋转切削工具坯料的模具空腔的分离的区域中，且沿界面相互接 触。类似于实施例2公开的工艺，实施常规非混合压实和烧结工艺用于提供 复合烧结碳化物旋转切削工具坯料，该坯料包括混合烧结碳化物的第一区 域，该第一区域自体结合至混合烧结碳化物的第二区域。复合烧结碳化物旋 转切削工具坯料的第一和第二混合烧结碳化物区域的显微组织100如图11 所示。显微组织100的右手侧为第一混合烧结碳化物显微组织101，同时显 微组织100的左手侧为第二混合烧结碳化物显微组织104。该第一混合烧结 碳化物包括80体积％的Firth Grade 248烧结碳化物作为连续相102和20体 积％的包含立方碳化物的Firth Grade T-04烧结碳化物作为分散相103。该第 二混合烧结碳化物包括20体积％的Firth Grade 248烧结碳化物作为分散相 105和80体积％的包含立方碳化物的Firth Grade T-04烧结碳化物作为连续 相106。图11中在第一混合品级烧结碳化物显微组织101和第二混合烧结 碳化物品级显微组织104之间的界面区域107是明显的。

实施例7

冶金粉末和混合烧结碳化物混合物被放置在用于制备复合旋转切削工 具坯料的模具空腔的分离的区域中，且沿界面相互接触。类似于实施例2公 开的工艺，实施常规非混合压实和烧结工艺用于提供复合烧结碳化物旋转切 削工具坯料，该坯料包括含有常规非混合烧结碳化物品级的第一区域，该第 一区域自体结合至第二区域，该第二区域包括混合烧结碳化物。复合烧结碳 化物旋转切削工具坯料的常规非混合烧结碳化物品级和混合烧结碳化物的 界面的显微组织110示于图12中。显微组织110的左手侧为常规非混合烧 结碳化物显微组织112，显微组织110的右手侧为混合烧结碳化物显微组织 114。常规非混合烧结碳化物为Grade T-04烧结碳化物，含有6重量％的立 方碳化物。该混合烧结碳化物含有20体积％的Grade T-04烧结碳化物作为 分散相116，和80体积％的Grade 248烧结碳化物作为连续相118。在常规 非混合品级显微组织112和混合品级显微组织114之间的界面区域119是明 显的。

应该理解的是，本说明书给出的本发明的各种方面仅是为了能更清楚的 理解本发明。对于本领域技术人员来说，某些方面是显而易见的，其不会更 有利于理解本发明，因而，这些方面没有给出也是为了使本说明书简便易懂。 虽然本发明已经结合某些实施例作了说明，但是本技术领域中的一般熟练人 员将在考查前述说明之前认识到可以采用本发明的许多修改和变更。本发明 的所有这些修改和变更都意欲为前述说明和后随的各项权利要求所包含。