BR102012015472A2

BR102012015472A2 - artigo revestido dotado de revestimentos que contÊm Ítrio aplicados por deposiÇço fÍsica de vapor e mÉtodo para a fabricaÇço do mesmo

Info

Publication number: BR102012015472A2
Application number: BRBR102012015472-2A
Authority: BR
Inventors: Wangyang Ni; Ronald M Penich; Yixiong Liu
Original assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2013-07-09
Also published as: GB2492885A; DE102012013161B4; JP2013019052A; US8475943B2; CA2781225A1; US20130011692A1; GB201212174D0; DE102012013161A1; FR2977590A1; KR20130006347A; CN102862338A

Abstract

ARTIGO REVESTIDO DOTADO DE REVESTIMENTOS QUE CONTÊM ÍTRIO APLICADOS POR DEPOSIÇçO FÍSICO DE VAPOR E MÉTODO PARA A FABRICAÇçO DO MESMO. Um artigo revestido (20, 100) tem um substrato (22, 102) e um esquema de revestimento (24, 106) que tem uma região de revestimento por PVD (110). A região de revestimento por PVD (110) contém alumínio, ítrio, nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. A soma dos teores de alumínio e ítrio está entre cerca de 3% atômico e cerca entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos. Há também um método para fabricar o artigo revestido (20,100) que inclui etapas de fornecer o substrato (22,102) e depositar o esquema de revestimento acima (24,106) com a região de revestimento por PVD (110).

Description

“ARTIGO REVESTIDO DOTADO DE REVESTIMENTOS QUE CONTEM ITRIO APLICADOS POR DEPOSIÇÃO FÍSICA DE VAPOR E MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DO MESMO”

Antecedentes da invenção

A invenção refere-se a um artigo revestido, em que o artigo revestido compreende um substrato e um esquema de revestimento no substrato. Esses artigos revestidos são úteis em aplicações resistentes ao desgaste tal como, por exemplo, sem limitação, corte de metal, formação de metal e aplicações tribológicas para estender a vida útil de partes de desgaste. De modo mais específico, a invenção se refere a tal artigo revestido em que o esquema de revestimento inclui uma região de revestimento por PVD. A região de revestimento por PVD compreende uma ou mais camadas de revestimento aplicadas por técnicas de deposição física de vapor (PVD), e em que pelo menos uma camada de revestimento contém ítrio. A camada de revestimento pode ter uma espessura maior que cerca de 100 nanômetros, ou a camada de revestimento pode ser, sem limitação, uma nanocamada(s) em que a espessura é menor ou igual a cerca de 100 nanômetros. A região de revestimento por PVD tem uma alta dureza de modo a fornecer propriedades de desgaste apropriadas.

Processos de Deposição Física de Vapor (PVD) (geralmente chamados apenas de processos de filmes finos) são processos de deposição atomísticos nos quais o material é vaporizado a partir de uma fonte sólida na forma de átomos, transportados na forma de um vapor através de um ambiente de vácuo ou gasoso (ou plasma) de baixa pressão para o 20 substrato onde se condensa. De modo típico, processos de PVD são usados para depositar filmes com espessura na faixa de alguns nanômetros a milhares de nanômetros; contudo, os mesmos também podem ser usados para formar revestimentos de multicamadas, depósitos de composição graduados, depósitos muito espessos e estruturas independentes. Processos de PVD podem ser usados para depositar filmes de elementos e ligas, assim como 25 compostos, com o uso de processos de deposição reativa. Em processos de deposição reativa, compostos são formados pela reação do material depositante com o ambiente de gás, tal como nitrogênio (por exemplo, nitreto de titânio, TiN). Ver Donald M. Mattox. Handbook of Phvsical Vapor Deposition (PVD) Processing, Society of Vacuum Coaters, Albuquerque, Novo México (1998), pp. 3-4.

Produtos revestidos comerciais que têm uma camada de revestimento rígido de

PVD são conhecidos a seguir. A Tabela 1 abaixo descreve a química, dureza e outras propriedades.

Tabela 1 - Propriedades de Revestimentos de PVD Comercialmente Conhecidos e, Inserções de Corte Revestidas

Nome do Re¬ Química Camadas Dureza (GPa) Módulo de vestimento Young (GPa) TiN TiN camada única 24,8 551 de revestimento Multi TiN/TiCN TiN/TiCN múltiplos con- 30,1 545 juntos de cama¬ das de revesti¬ mento alterna¬ das de TiN e TiCN TiAIN (Ti55% atômico camada única 27,6 552 AI45% atômi- de revestimento co)N TiN/AITiN (Ti60% atômico múltiplos con¬ 28,5 541 AI40% atômi- juntos de cama¬ co)N das de revesti¬ mento alterna¬ das de TiN e AITiN AITiN (Ti37% atômico camada única 25,2 359 AI63% atômi- de revestimento co)N AICrN (Cr37% atômico camada única 29,4 514 AI63% atômi- de revestimento co)N Na Tabe a 1, a química do esquema de revestimento é descrita em percentagem atômica dos elementos, exceto para nitrogênio. A dureza e o Módulo de Young são descritos em GPa (gigapascals) e foram medidos por uma técnica de nanoendentação. De modo específico, a dureza e o Módulo de Young foram obtidos com o uso da técnica de nanoendentação pelo procedimento padrão ISO 14577-1 com o endentação definido em 0,25 mícron.

No contexto de aplicações de corte de metal e todas as outras coisas iguais, uma camada de revestimento com dureza mais alta tipicamente aumenta a vida útil de ferramenta da inserção de corte revestida, e uma dureza mais baixa tipicamente diminui a vida útil de ferramenta da inserção de corte revestida. Essa correlação também parece proceder para aplicações de formação de metal e tribológicas (por exemplo, partes de desgaste).

A Patente N0 U.S. 6.033.768 de Muenz et al. refere-se a um material rígido para uso com ferramentas de corte, especialmente para uso na usinagem livre de refrigerante e livre de lubrificante de metais como aços para matrizes ou ligas de alumínio. De acordo com 15 Muenz et al., ítrio é adicionado na faixa de 0,1 a 4,0% atômico, de modo preferencial na faixa de 1,5 a 2,0% atômico a ligas de TiAIN ternário ou nos seguintes revestimentos em multicamadas: TiAIN/CrN, TiAIN/ZrN, TiAIN/TiN, TiAIN/MoN, e TiAIN/WN. Para atingir o objetivo, em Muenz et al. o ítrio deve ser distribuído de modo desigual por toda a camada de material rígido na direção de crescimento do revestimento. Usar o que Muenz et al. denomina “condi20 ções de deposição preferidas”, a composição de revestimento de nitreto é 40% atômico de titânio, 56% atômico de alumínio, 2% atômico de ítrio, e 2% atômico de cromo.

O Pedido de Patente Publicado PCT WO 2009/110829 por Johansson et al. referese a uma ferramenta de corte revestida em que o revestimento inclui pelo menos uma camada estruturada cúbica de (Ti1-(Xfz)SixMez)N em que 0,04 < x < 0,20, e0<z<0,10em que Me é um ou mais dentre Y, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Fe e Zn, de modo preferencial Y, Nb, Mo e Fe. O Pedido de Patente Publicado United States N0 US 2010/0129168 A1 por Waki et al. refere-sa a uma camada de revestimento que tem uma primeira camada e uma segunda camada. A primeira camada compreende Ti1^b-C-Ci AlgWbSicMdíC^x N) em que M é pelo me5 nos um selecionado dentre Nb, Mo, Ta, Hf e Y. A segunda camada compreende Ti Ale. SifMg(C1-XN) em que M’ é pelo menos um selecionado dentre Nb, Mo, Ta, Hf e Y.

Seria altamente desejável fornecer um artigo revestido que tem um revestimento rígido que demonstra propriedades melhoradas em que o artigo revestido é útil em aplicações resistentes ao desgaste tais como, por exemplo, corte de metal, formação de metal e aplica10 ções tribológicas para estender a vida útil de partes de desgaste. Seria adicionalmente altamente desejável fornecer tal artigo revestido que tem revestimento rígido aplicado por deposição física de vapor que demonstra tais propriedades melhoradas.

Seria ainda mais altamente desejável fornecer tal artigo revestido que tem uma região de revestimento por PVD que demonstra propriedades melhoradas (por exemplo, uma dureza mais alta) e em que a região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. Seria ainda mais altamente desejável fornecer tal artigo revestido que tem uma região de revestimento por PVD que demonstra propriedades melhoradas (por exemplo, um tamanho de grão menor) e em que a região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. Seria ainda mais altamente desejável fornecer tal artigo revestido que tem uma região de revestimento por PVD que demonstra propriedades melhoradas e em que a região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício.

Sumário da invenção

Em uma forma, a invenção é um artigo revestido que compreende um substrato, e um esquema de revestimento. O esquema de revestimento compreende uma região de re30 vestimento por PVD aplicada por deposição física de vapor em que a região de revestimento contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. A soma dos teores de alumínio e ítrio fica entre cerca de 3% atômico e cerca de 55% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos. O teor de ítrio fica 35 entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 5% atômico da somo do alumínio, do ítrio e dos outros elementos.

Em ainda outra forma do mesmo, a invenção é um método de aplicar uma camada de revestimento em um substrato que compreende as etapas de: fornecer um substrato; e depositar um esquema de revestimento no substrato em que o esquema de revestimento compreende uma região de revestimento por PVD depositada por deposição física de vapor. A região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um 5 elemento selecionado a partir do grupo que consiste em titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. A soma dos teores de alumínio e ítrio é maior ou igual a cerca de 3% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos e menor ou igual a cerca de 55% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos. O teor de ítrio é maior ou igual a cerca de 0,5% atômico da soma do alumínio, do 10 ítrio e dos outros elementos e menor ou igual a cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos.

Breve descrição dos desenhos

O que segue é uma descrição breve dos desenhos que formam uma parte deste pedido de patente:

A Figura 1 é uma vista isométrica de uma modalidade específica de uma inserção

de corte, que tem uma geometria de ferramenta de corte SNMA, que tem um esquema de revestimento da invenção depositado na mesma;

A Figura 2 é uma fotomicrografia em seção horizontal (com uma escala de 5 micrômetros) da superfície de fratura de uma camada de revestimento de (Ti57,3% atômico AI38,3% atômico Y4,4% atômico)N com uma camada de ligação de nitreto de titânio entre a camada de revestimento Ti-Al-Y-N e o substrato;

A Figura 3 é uma fotomicrografia em seção horizontal (com uma escala de 5 micrômetros) da superfície de fratura de uma camada de revestimento de (Ti55% atômico AI45% atômico)N, que não é um esquema de revestimento da invenção;

A Figura 4 é um espectro de difração de raios-X (XRD) que mostra o revestimento e

substrato de uma camada de revestimento de (Ti33,2% atômico AI59% atômico Y7,8% atômico)N em que a camada de revestimento tem uma estrutura amorfa;

A Figura 5 é um espectro de difração de raios-X (XRD) que mostra o revestimento e substrato de uma camada de revestimento (Ti37% atômico AI63% atômico)N com um tamanho de grão estimado igual a 15 nanômetros, e esse revestimento não é um revestimento da invenção;

A Figura 6 é uma plotagem que mostra a dureza (GPa) e a soma dos teores de alumínio e ítrio (em % atômica dos elementos, exceto para nitrogênio) para as camadas de revestimento de Ti-AI-Y-N;

A Figura 7 é uma fotografia que mostra a cratera de desgaste em uma ferramenta

de corte revestida de TiN/TiAIYN da invenção;

A Figura 8 é uma fotografia que mostra a cratera de desgaste em uma ferramenta de corte revestida de TiN/TiAIN em que esse esquema de revestimento não é um revestimento da invenção; e

A Figura 9 é uma vista esquemática do esquema de revestimento do Exemplo IN

n°67.

Descrição detalhada

A invenção refere-se a um artigo revestido em que o artigo revestido compreende um substrato e um esquema de revestimento. Tais artigos revestidos são úteis em aplicações resistentes ao desgaste tais como, por exemplo e sem limitação, corte de metal, formação de metal e aplicações tribológicas para estender a vida útil das partes de desgaste. 10 No contexto da invenção, o esquema de revestimento inclui uma região de revestimento por PVD, que compreende uma ou mais camadas de revestimento aplicada por técnicas de deposição física de vapor (PVD). A região de revestimento por PVD tem uma alta dureza de modo a fornecer propriedades de desgaste adequadas. As camadas de revestimento em uma região de revestimento por PVD pode ter uma espessura entre mais de cerca de 100 15 nanômetros a cerca de 10 micrômetros. As camadas de revestimento podem também ser, sem limitação, nanocamadas em que a espessura de cada camada é de menos de cerca de 100 nanômetros.

De modo mais específico, a invenção refere-se a um artigo revestido que compreende um substrato e um esquema de revestimento. O esquema de revestimento compreen20 de uma região de revestimento por PVD aplicada por deposição física de vapor em que a região de revestimento contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. A soma dos teores de alumínio e ítrio fica entre cerca de 3% atômico e cerca de 55% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elemen25 tos, exceto nitrogênio. O teor de ítrio fica entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos, exceto nitrogênio.

Em referência ao método, a invenção refere-se a um método de aplicar uma camada de revestimento a um substrato que compreende as etapas de: fornecer um substrato; e depositar um esquema de revestimento no substrato em que o esquema de revestimento 30 compreende uma região de revestimento por PVD depositada por deposição física de vapor; e a região de revestimento por PVD que contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício; e em que a soma dos teores de alumínio e ítrio são maiores ou iguais a cerca de 3% atômico da soma do alumínio, do ítrio e 35 dos outros elementos e menor ou igual a cerca de 55% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos, exceto nitrogênio, e o teor de ítrio é maior ou igual a cerca de

0,5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos e menor ou igual a cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos, exceto nitrogênio.

Em referência aos desenhos, a Figura 1 mostra uma inserção de corte revestida designada em geral como 20. A inserção de corte revestida 20 tem uma geometria SNMA; contudo, a inserção de corte revestida pode assumir qualquer geometria adequada. A inser5 ção de corte revestida 20 tem um substrato 22 e um esquema de revestimento 24. A inserção de corte revestida 20 tem superfície de flanco 28 e uma superfície inclinada 30 em que uma aresta de corte 32 está na junção das superfícies de flanco 28 e da superfície inclinada 30.

Conforme mencionado neste documento, a região de revestimento por PVD contém 10 alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. A adição de ítrio ao revestimento resulta em uma redução do tamanho de grão da região de revestimento por PVD. De modo típico, uma redução no tamanho de grão da camada de revestimento resulta em um aumento na dureza de acordo com a relação Hall-Petch. Contudo, há uma 15 precaução no que diz respeito ao fato de que a adição de ítrio a um revestimento com alto teor de alumínio, i.e., um teor de alumínio maior que cerca de 60 a cerca de 65% atômico dos outros elementos, exceto nitrogênio, pode resultar em um revestimento com uma microestrutura amorfa.

A Figura 2 é uma fotomicrografia em seção horizontal (com uma escala de 5 mi20 crômetros) da superfície de fratura de uma camada de titânio de (Ti57,3% atômico AI38,3% atômico Y4,4% atômico)N com uma camada de ligação de nitreto de titânio entre a camada de titânio de Ti-Al-Y-N e o substrato. É aparente a partir dessas fotomicrografias que a camada de revestimento de Ti-Al-Y-N tem um tamanho de grão reduzido. A redução no tamanho de grão resulta em um aumento da dureza, o que é uma propriedade desejável para 25 aplicações de desgaste. É claro, também deveria haver um entendimento que uma dureza mais alta é desejável para aplicações de formação de metal e aplicações tribológicas para estender a vida útil das partes de desgaste.

O tamanho de grão como mostrado na Figura 2 está em contraste ao tamanho de grão das camadas de revestimento de Ti-Al-N como mostrado na Figura 3. Quanto a isso, a 30 Figura 3 é uma fotomicrografia em seção horizontal (com uma escala de 5 micrômetros) da superfície de fratura de uma camada de revestimento de (Ti55% atômico AI45% atômico)N. O tamanho de grão da camada de revestimento de Ti-Al-N da Figura 3 é maior do que o tamanho de grão da camada de revestimento de Ti-Al-Y-N da Figura 2. Não seria esperado que o tamanho de grão maior na região de revestimento por PVD da Figura 2 fornecesse 35 uma dureza tão alta quanto o tamanho de grão menor no revestimento mostrado na Figura

2.

Como mencionado acima, a adição de ítrio a um revestimento com um alto teor de alumínio, i.e., um teor de alumínio maior do que cerca de 60 a cerca de 65% atômico dos outros elementos, exceto nitrogênio, pode levar a uma microestrutura amorfa. Quanto a isso, a Figura 4 é um espectro de difração de raios-X (XRD) que mostra o revestimento e substrato de uma camada de revestimento de (Ti33,2% atômico AI59% atômico Y7,8% atômico)N 5 em que a camada de revestimento tem uma estrutura amorfa. Na Figura 4, o substrato é carboneto cimentado. Isso está em contraste com o tamanho de grão de uma camada de revestimento de Ti-Al-N tal como mostrada pela Figura 5. A Figura 5 é um espectro de difração de raios-X (XRD) que mostra o revestimento e substrato de uma camada de revestimento de (Ti37% atômico AI63% atômico)N com um tamanho de grão estimado igual a 15 na10 nômetros. Na Figura 5, o substrato é carboneto de tungstênio com uma Iigante de cobalto.

Diversos exemplos foram preparados com o uso de técnicas de PVD para aplicar a região de revestimento por PVD como uma parte do esquema de revestimento no substrato. A região de revestimento por PVD foi depositada com o uso do método de PVD assistido por plasma de arco catódico dentro dos seguintes parâmetros. As temperaturas de deposição 15 variaram entre 400 0C e cerca de 600 °C. A região de revestimento por PVD foi aplicada em uma atmosfera de nitrogênio em que a pressão de nitrogênio variou entre cerca de 1E-2 a 5E-2 (1 x 10"2 a 5 x 10'2) mbar (milibar). A polarização de substrato variou entre cerca de -40 Volts a cerca de -100 Volts.

Os exemplos específicos e algumas das propriedades são descritas abaixo nas se20 guintes Tabela A até a Tabela C. As composições são descritas em % atômico dos elementos presentes na região de revestimento por PVD, exceto o nitrogênio. Na Tabela A, a dureza e o Módulo de Young são descritos em GPa (gigapascals) e foram medidos pela técnica de nanoendentação pelo procedimento padrão ISO 14577-1:2002 intitulado Método de Teste Materiais Metálicos- Testes de Endentações Instrumentados para Dureza e Parâmetros 25 de Material - Parte 1. A profundidade do endentação foi estabelecido em 0,25 micrôns.

Tabela A

Composição e Propriedades Selecionadas de Revestimentos de Camada Única

Exem¬ Nome do Ti (% Al (% atô¬ Y(% Al + Y Dureza Módulo Espessura plo Revesti¬ atô¬ mica) atô¬ (% (GPa) de (micrômetros) mento mica) mica) atô¬ Young mica) (GPa) IN TiAIYN 57,3 38,3 4,4 42,7 32,4 459 3,4 n°51 R AITiYN 33,2 59 7,8 66,8 22,6 277 4,2 n°206 R n°94 AICrYN Cr = 58,4 7,3 65,7 26,5 401 3,9 34,3 Ti = 0 A tabela A descreve dados sobre exemplos em que a região de revestimento por PVD compreende uma camada de revestimento única. Tabela B

Composição e Propriedades Selecionadas de Revestimentos de Camadas Múltiplas

Exem¬ Nome do Ti (% Al (% Y(% Al + Dureza Módulo Espessura plo Revesti¬ atômica) atô¬ atô¬ Y(% (GPa) de Young (micrômetros) mento mica) mica) atô¬ (GPa) mica) IN TiAIYN 60,2 35,7 4,1 39,8 32 473 4,2 n°67 IN TiAIYN 56,4 39,6 4 43,6 34,1 483 4,3 n°99 IN TiAIYN 92,7 6,5 0,8 7,3 30,6 515 4,8 n°135 IN AITiYN 92 7 1 8 31,1 497 3,7 n°100 IN 2AITÍYN 93,2 5,9 0,8 6,7 30,6 494 4,9 n°115 IN AITiYN 89,9 8,9 1,2 10,1 31,8 489 4,0 n°101 IN AITiYN 86,1 12,3 1,6 13,9 33 456 4,7 n°103 IN TiAISiYN 62,8 31,1 2,6 33,7 34,6 466 4,0 n°87 Si = 3,4 R TiAICrYN Ti = 12,9 53,9 5,4 59,3 30,1 512 4,3 n°214 Cr = 27,8 A Tabela B descreve dados sobre exemplos em que a região de revestimento por PVD compreende camadas de revestimento múltiplas. Em referência à Figura 9, esse dese5 nho é um desenho esquemático que mostra o esquema de revestimento da inserção de corte revestida designada como Exemplo IN n°67 na Tabela B. A inserção de corte é em geral designada como 100. A inserção de corte 100 tem um substrato 102, que tem uma superfície 104, e um esquema de revestimento (suporte 106) na superfície 104. O esquema de revestimento 106 contém uma camada de revestimento base 108 de nitreto de titânio. Uma 10 região de revestimento mostrada pelo suporte 110 está em cima da camada de revestimento base 108. A região de revestimento 110 compreende catorze conjuntos de camadas de revestimento alternadas (ver suporte 114 para cada conjunto). Cada conjunto 114 compreende uma primeira camada de revestimento de titânio-alumínio-ítrio e nitrogênio 118 e uma segunda camada de revestimento de titânio-alumínio-ítrio e nitrogênio 120, que tem um teor 15 de titânio mais alto. O balanço (ver suporte 124) da região de revestimento 110 compreende treze conjuntos de camadas de revestimento alternadas (118, 120). O esquema de revestimento 106 tem uma camada de revestimento de topo 126 que compreende titânio-alumínioítrio e nitrogênio, que está na camada de revestimento mais externa da região de revestimento 110.

Tabela C

Composição e Propriedades Selecionadas de Revestimentos de Nanocamadas Exem¬ Nome Ti (% Al (% Y(% Al + Dureza Módulo Espessura plo do Re¬ atô¬ atô¬ atô¬ Y(% (GPa) de (micrômetros) vesti¬ mica) mica) mica) atô¬ Young mento mica) (GPa) IN TiAIYN 91,8 7,4 0,8 8,2 28 486 4,6 n°113 IN TiAIYN 86,5 11,9 1,6 13,5 31,6 512 4,1 n°114 IN AITiYN 90,9 8,1 1 9,1 31,4 505 5,1 n°116 IN AITiYN 84 14,1 1,9 16 30,9 501 3,2 n°117 IN AITiYN 74,1 23,2 2,7 25,9 33,8 482 5,3 n°104 IN AITiYN 74,5 24 1,5 25,5 31,7 461 5,3 n°105 IN AITiYN 46,5 50,3 3,2 53,5 27 337 4 n°106 R AITiYN 45,8 50,8 3,4 54,2 28 424 2,9 n°259 R AITiYN 51,8 46,9 1,3 48,2 31,3 521 3,8 n°265 A Tabela C descreve dados sobre exemplos em que a região de revestimento por PVD compreende nanocamadas.

A Figura 6 é uma plotagem que mostra a dureza (GPa) e a soma das porcentagens atômicas dos teores de alumínio e ítrio para as camadas de revestimento de Ti-AI-Y-N. Como é aparente a partir da plotagem, existe uma faixa da fração de Al+Y em que a dureza do revestimento é maximizada.

Testes de corte foram desempenhados para avaliar o desempenho de corte das inserções de corte revestidas que tem um esquema de revestimento que inclui as camadas de revestimento que contêm ítrio. Uma inserção de corte revestida da invenção com um esquema de revestimento que contém um TiN/TiAIYN foi comparada com uma inserção de corte revestida convencional com um esquema de revestimento de TiN/TiAIN. A inserção de corte revestida convencional tinha um esquema de revestimento de multicamadas de TiNTiAIN, que era um esquema de revestimento padrão fornecido por Kennametal Inc. de Latrobe, Pennsylvania 15650 sob a designação “VF”. As condições/parâmetros de corte são como seguem: a operação de usinagem estava girando; o estilo da inserção de corte era SNMA120408; o material da peça de trabalho era aço 4140; a velocidade era de 201,17 metros de superfície por minuto (660 pés de superfície por minuto), a alimentação em centímetros por revolução era de 0,031 (0,012 polegada por revolução), e a profundidade do corte era de 1,5 milímetros (0,06 polegadas). O modo de falha para a rotação era de desgaste de cratera igual a 0,1 milímetro (0,004 polegada).

Em referência aos resultados, a vida de ferramenta para a inserção de corte revestida convencional com um esquema de revestimento de TiN/TiAIN era igual a 16,8 minutos. A vida de ferramenta para a inserção de corte revestida da invenção com um esquema de revestimento de TiN/TiAIYN era igual a 26,6 minutos. Ademais, a Figura 7 é uma fotografia que mostra o desgaste de cratera na inserção de corte revestida de TiN/TiAIYN. A Figura 8 é uma fotografia que mostra o desgaste de cratera da inserção de corte revestida de TiN/TiAIN. É aparente a partir de uma inspeção visual das Figuras 7 e 8 que a inserção de 5 corte revestida de TiN/TiAIYN da invenção experimenta menos desgaste de cratera do que a inserção de corte revestida de TiN/TiAIN convencional.

Testes de metais adicionais foram desempenhados em que inserções de corte revestidas da invenção foram comparadas com inserções de corte revestidas convencionais. A inserção de corte revestida convencional tinha um esquema de revestimento de TiN-TiAIN 10 em multicamadas, que era um esquema de revestimento padrão fornecido por Kennametal Inc. de Latrobe, Pennsylvania 15650 sob a designação “VF”. As condições/parâmetros de corte são como seguem: a operação de usinagem estava em rotação; o estilo da inserção de corte era SNMA120408; o material da peça de trabalho era aço 4140; a velocidade era de 201,17 metros de superfície por minuto (660 pés de superfície por minuto), a alimentação 15 em centímetros por revolução era de 0,031 (0,012 polegada por revolução), e a profundidade do corte era de 1,5 milímetros (0,06 polegadas). O modo de falha para a rotação era de desgaste de cratera igual a 0,1 milímetro (0,004 polegada).

A Tabela D abaixo descreve os resultados de teste.

Tabela D.

Comparação de Inserções de Corte Revestidas Convencionais com Inserções de

Corte Revestida da Invenção

Exemplo Vida de Ferramenta (minutos) TiN/TiAIN Convencional 14,5 AITiN Convencional 12,5 IN n°134 24,4 IN n°135 22,2 IN n°136 22,3 IN n°137 12,7 Tabela E

Composição e Propriedades Selecionadas de Revestimentos de Nanocamadas

Exemplo Dureza Módulo Espessura (GPa) de (micrômetro) Young (GPa) IN n°134 30,9 481 5 IN n°135 30,6 515 4,8 INn0136 33 478 5 INn0137 34,3 478 3,6 A composição do revestimento para os Exemplos INn°134 até INn°137 contém titâ

nio, alumínio, ítrio e nitrogênio. A soma dos teores de titânio, alumínio e ítrio são iguais a 100% atômico. A soma dos teores de alumínio e ítrio (em % atômica) está entre creca de 3% atômico e cerca de 55% atômico da soma (em % atômica) dos teores de alumínio, ítrio e titânio (em % atômica). O teor de ítrio (em % atômica) está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 5% atômico da soma dos teores de alumínio, ítrio e titânio (em % atômica).

É aparente a partir da observação da Tabela D que a maioria das inserções de cor

te revestidas da invenção, que têm um revestimento que contém ítrio, apresenta uma vida de ferramenta extremamente melhorada em relação às inserções de corte revestidas convencionais, que têm revestimentos que não contém ítrio.

É aparente a partir da descrição acima que a presente invenção fornece um artigo 10 revestido que tem um revestimento rígido que demonstra propriedades melhoradas em que o artigo revestido é útil em aplicações resistentes ao desgaste tais como, por exemplo, corte de metal, formação de metal, e aplicações tribológicas para estender a vida de partes de desgaste. É aparente a partir da descrição acima que a presente invenção fornece tal artigo revestido que tem um revestimento rígido aplicado por deposição física de vapor que de15 monstra tais propriedades melhoradas.

É aparente a partir da descrição acima que a presente invenção fornece tal artigo revestido que tem uma região de revestimento por PVD que demonstra propriedades melhoradas (por exemplo, uma dureza mais alta) e em que a região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. É aparente a partir da descrição acima que a presente invenção fornece tal artigo revestido que tem uma região de revestimento por PVD que demonstra propriedades melhoradas (por exemplo, um tamanho de grão menor) e em que a região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício. É aparente a partir da descrição acima que a presente invenção fornece tal artigo revestido que tem uma região de revestimento por PVD que demonstra propriedades melhoradas e em que a região de revestimento por PVD contém alumínio e ítrio e nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado do grupo de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício.

As patentes e outros documentos identificados no presente documento são incorporados por meio deste a título de referência. Outras modalidades da invenção serão aparentes àqueles versados na técnica a partir de uma consideração da especificação ou uma prática da invenção apresentada no presente documento. Intenciona-se que as especificações 35 e exemplos sejam apenas ilustrativos e não se destinam a ser Iimitantes sobre o escopo da invenção. O verdadeiro escopo e essência da invenção é indicada pelas reivindicações seguintes.

Claims

1. Artigo revestido que compreende: um substrato; um esquema de revestimento; o esquema de revestimento que compreende uma região de revestimento por PVD aplicada por deposição física de vapor em que a região de revestimento que contém alumínio, ítrio, nitrogênio e pelo menos um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício; e em que a soma dos teores de alumínio e ítrio estão entre cerca de 3% atômico e cerca de 55% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos, e sendo que o teor de ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos.

2. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que a soma dos teores de alumínio e ítrio está entre 25% atômico e cerca de 45% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos; sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 32 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

3. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 2, em que teor de ítrio está entre cerca de 1,5% atômico e cerca de 4,5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 32 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

4. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que a soma dos teores de alumínio e ítrio está entre cerca de 10% atômico e cerca de 15% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 33 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

5. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que a soma dos teores de alumínio e ítrio está entre cerca de 32% atômico e cerca de 45% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca dè 34 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

6. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 5, em que teor de ítrio está entre cerca de 2,5% atômico e cerca de 4,0% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 34 GPa1 conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

7. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que o outro elemento compreende titânio, e em que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos.

8. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que o outro elemento compreende titânio, e em que o titânio está entre cerca de 55% atômico e cerca de 87% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos; sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 34 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

9. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 7, em que o outro elemento compreende adicionalmente éter, cromo ou silício; e, quando o outro elemento for cromo, o cromo está entre cerca de 25% atômico e cerca de 40% atômico da soma do alumínio, do ítrio, do titânio e do cromo, e, quando o outro elemento for silício, o silício está entre cerca de 2% atômico e cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio, do titânio e do silício.

10. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 9, em que o silício está entre cerca de 3% atômico e cerca de 4% atômico da soma do alumínio, do ítrio, do titânio e do silício; sendo que o titânio está entre cerca de 60% atômico e cerca de 65% atômico da soma do alumínio, do ítrio, do titânio e do silício; sendo que o ítrio está entre cerca de 2% atômico e cerca de 3% atômico da soma do alumínio, do ítrio, do titânio e do silício; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 30% atômico e cerca de 35% atômico da soma do alumínio, do ítrio, do titânio e do silício.

11. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que o outro elemento compreende cromo, e em que o cromo está entre cerca de 25% atômico e cerca de 45% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos.

12. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que a região de revestimento tem uma dureza que varia entre cerca de 30 GPa e cerca de 35 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron, e sendo que o artigo revestido tem um Módulo de Young entre cerca de 450 GPa e cerca de 525 GPa, conforme medido por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

13. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que a região de revestimento por PVD que compreende uma camada de revestimento única que compreende titânio, alumínio, ítrio e nitrogênio; e sendo que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; sendo que o ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 4% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 7% atômico e cerca de 50% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 32 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

14. Artigo revestido de acordo com a reivindicação 1 em que a região de revestimento compreende camadas de revestimento múltiplas que compreendem titânio, alumínio, ítrio e nitrogênio; e sendo que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; sendo que o ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 4,5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 6% atômico e cerca de 45% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 30 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

15. Artigo revestido, de acordo com a reivindicação 1, em que a região de revestimento que compreende uma pluralidade de nanocamadas que compreendem titânio, alumínio, ítrio e nitrogênio; e sendo que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; sendo que o ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 4% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 7% atômico e cerca de 50% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 27 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

16. Método para aplicar uma camada de revestimento a um substrato que compreende as etapas de: fornecer um substrato; e depositar um esquema de revestimento no substrato em que o esquema de revestimento compreende uma região de revestimento por PVD depositada por deposição física de vapor; e sendo que a região de revestimento por PVD contém alumínio, ítrio, nitrogênio e peIo menos um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio, tungstênio e silício; e em que a soma dos teores de alumínio e ítrio é maior ou igual a cerca de 3% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos e menor ou igual a cerca de 55% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos, e sendo que o teor de ítrio é maior ou igual a cerca de 0,5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos e menor ou igual a cerca de 5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e dos outros elementos.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, em que depositar um esquema de revestimento compreende adicionalmente depositar uma região de revestimento por PVD na forma de uma camada de revestimento única; e sendo que a camada de revestimento compreende titânio, alumínio, ítrio e nitrogênio; e sendo que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; sendo que o ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 4% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 7% atômico e cerca de 50% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 32 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

18. Método, de acordo com a reivindicação 16, em que depositar um esquema de revestimento compreende adicionalmente depositar uma região de revestimento por PVD na forma de camadas de revestimento múltiplas, e sendo que as camadas de revestimento múltiplas compreendem titânio, alumínio, ítrio e nitrogênio; e sendo que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; sendo que o ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 4,5% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 6% atômico e cerca de 45% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 30 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577- 1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.

19. Método, de acordo com a reivindicação 16, em que depositar um esquema de revestimento compreende adicionalmente depositar uma região de revestimento por PVD na forma de nanocamadas, e sendo que as nanocamadas compreendem titânio, alumínio, ítrio e nitrogênio; e sendo que o titânio está entre cerca de 45% atômico e cerca de 95% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; sendo que o ítrio está entre cerca de 0,5% atômico e cerca de 4% atômico da soma do alumínio, do ítrio e do titânio; e sendo que a soma do alumínio e do ítrio está entre cerca de 7% atômico e cerca de 50% atômico da soma do alumínio, do ítrio, e do titânio; e sendo que a região de revestimento por PVD tem uma dureza maior ou igual a cerca de 27 GPa, conforme medida por uma técnica de nanoendentação por procedimento padrão ISO 14577-1:2002, com uma profundidade de endentação igual a 0,25 mícron.