BR102015018142B1

BR102015018142B1 - Ferramenta de corte revestida e pastilha de corte

Info

Publication number: BR102015018142B1
Application number: BR102015018142-6A
Authority: BR
Inventors: Johnson Lars; Pilemalm Robert; Rogström Lina
Original assignee: Sandvik Intellectual Property Ab
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2022-04-05
Also published as: US20160032444A1; KR20160014541A; RU2695686C2; EP2987890B1; RU2015131332A3; CN105312600A; BR102015018142A2; US9758859B2; JP6842233B2; KR102436934B1; EP2987890A1; RU2015131332A; JP2016030330A

Abstract

FERRAMENTA DE CORTE REVESTIDA E MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UMA FERRAMENTA DE CORTE REVESTIDA. A presente invenção está correlacionada a uma ferramenta de corte revestida, compreendendo um substrato e um revestimento sobre o substrato, em que o revestimento compreende uma camada que consiste de TixZryAl (1-x-y)N, onde 0 0,3, 0,2 0,8 e 0,1(1-x-y)0,7. A divulgação se refere ainda a um método de produção da dita ferramenta de corte revestida e a uma pastilha de corte, que também faz parte da ferramenta de corte revestida.

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção está correlacionada a uma ferramenta de corte revestida para usinagem de metal, tal como, usinagem com formação de cavacos, compreendendo um substrato e um revestimento sobre o substrato, e a um método de produção da dita ferramenta de corte revestida.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[0002] As ferramentas de corte, tais como, pastilhas de corte, ferramentas de usinagem, ferramentas de perfuração, etc., podem ser usadas para usinagem de material com formação de cavacos, por exemplo, usinagem de metais. Essas ferramentas são normalmente feitas de um material durável, tal como, carbeto cementado, nitreto de boro cúbico ou aço de alta velocidade. Para melhorar as propriedades da ferramenta, por exemplo, as propriedades de desgaste, essas ferramentas são normalmente providas de um revestimento superficial. Esses revestimentos podem ser depositados na ferramenta por meio de deposição química a vapor (CVD) ou deposição física a vapor (PVD).

[0003] Diferentes tipos de revestimentos superficiais têm sido usados até o presente momento, por exemplo, TiN, TiAlN. Durante a usinagem de metal com uma ferramenta de corte revestida, a temperatura na vizinhança da aresta de corte da ferramenta irá aumentar, devido ao cisalhamento e atrito do material usinado. A temperatura, desse modo, pode se tornar bastante alta no revestimento, ou seja, de 1100°C ou mais. Um composto de TiAlN cúbico, normalmente, se decompõe em TiN cúbico e AlN cúbico à temperatura de 800-900°C, e após isso, o AlN cúbico se transforma em AlN de wurtzita hexagonal a uma temperatura de cerca de 1000°C, que é uma fase menos desejável. No documento de patente EP 2628826 A1, é divulgado um revestimento de múltiplas camadas de camadas alternadas de ZrAlN e TiN. Esse tipo de revestimento foi desenvolvido para proporcionar uma alta estabilidade térmica do revestimento, a fim de prover uma alta dureza, mesmo que submetido a essas altas temperaturas.

[0004] É imaginado ainda desenvolver revestimentos superficiais com aperfeiçoadas propriedades quando submetidos a altas temperaturas. Especificamente, é desejável a provisão de revestimentos tendo uma baixa probabilidade de decomposição em fases menos desejáveis a elevadas temperaturas, por exemplo, fases de AlN hexagonal. Portanto, é imaginada a provisão de uma ferramenta de corte revestida com um revestimento tendo uma composição que seja relativamente estável sob elevadas temperaturas.

RESUMO DA INVENÇÃO

[0005] Portanto, o objetivo da presente invenção é proporcionar uma ferramenta de corte revestida com aperfeiçoadas propriedades durante uma operação de usinagem. Especificamente, constitui um objetivo da invenção, proporcionar uma ferramenta de corte com um revestimento tendo uma composição que seja mais estável em elevadas temperaturas.

[0006] Portanto, a invenção está correlacionada a uma ferramenta de corte revestida compreendendo um substrato e um revestimento sobre o substrato, em que o revestimento compreende uma camada que consiste de

, onde

.

[0007] A composição do revestimento irá diminuir a probabilidade de decomposição de AlN em fases menos desejáveis sob elevadas temperaturas, por exemplo, fases de AlN hexagonal. Assim, é obtida uma composição de revestimento mais estável sob elevadas temperaturas, especificamente, a uma temperatura de cerca de 1100°C.

[0008] O revestimento pode compreender uma camada que consiste de

, onde x>0,05, preferivelmente, x>0,1. O revestimento pode compreender uma camada que consiste de

, onde x<0,25, preferivelmente, x<0,2. Desse modo, a estabilidade da composição é ainda aumentada.

[0009] O revestimento pode compreender uma camada que consiste de

, onde y<0,6, preferivelmente, y<0,4. Desse modo, as composições tendo as vantagens aqui divulgadas podem ser obtidas com menores quantidades de Zr.

[00010] O revestimento pode compreender uma camada que consiste de

, onde y>0,3 ou y^0,4. Desse modo, a estabilidade da composição é ainda mais aumentada. As composições de alto teor de Zr podem proporcionar melhor resistência a um processo de decomposição espinodal, em que TiN, AlN e ZrN podem se tornar separados.

[00011] A camada de

pode apresentar uma estrutura cristalina cúbica. Desse modo, as propriedades de corte da ferramenta de corte podem ser melhoradas, tais como, a vida útil e as propriedades de desgaste.

[00012] A camada de

pode apresentar uma microestrutura colunar. Desse modo, a resistência ao desgaste de cratera do revestimento pode ser aperfeiçoada, como, também, a dureza do revestimento. Alternativamente, a camada de

pode apresentar uma estrutura nanocristalina ou amorfa.

[00013] Um difratograma de raios X da camada de

pode apresentar um pico dominante do plano (200), isto é, o pico (200) pode ser o pico mais alto no difratograma de raios X. Desse modo, grãos de cristais são predominantemente orientados numa direção (200), na direção de crescimento da camada de revestimento.

[00014] A camada de

pode ser depositada pela técnica de PVD, por exemplo, evaporação por arco voltaico ou pulverização catódica. Desse modo, a camada pode ser provida de esforços compressivos, melhorando a tenacidade da camada de revestimento. Através da evaporação por arco voltaico, a velocidade da deposição pode ser melhorada e o grau de ionização pode também ser aperfeiçoado, produzindo camadas mais densas, uma adesão aperfeiçoada e uma aperfeiçoada cobertura geométrica da camada de revestimento sobre o substrato. A camada de TixZryAl(1-x-y)N pode ser depositada usando uma fonte de deposição a arco, a qual compreende um catodo, um anodo e meios magnéticos, que possibilitam conduzir linhas de campo magnético da superfície alvo para o anodo em curta conexão. Esse tipo de fonte de deposição é ainda descrito no documento de patente US 2013/0126347 A1. Desse modo, a camada pode ser provida com uma estrutura cristalina cúbica e uma microestrutura colunar sobre a faixa de composição reivindicada. O documento de patente US 2013/0126347 A1 ensina que o estado de ionização na câmara pode melhorar os parâmetros de revestimento, por exemplo, velocidade de deposição e qualidade do revestimento.

[00015] O revestimento pode compreender uma camada de adesão e a camada de

por cima da camada de adesão. Em uma modalidade, o revestimento pode consistir somente de uma camada de adesão, e a camada de

no topo da camada de adesão. A camada de adesão pode ser uma camada de Ti, TiN, Cr, CrN ou de qualquer outro metal de transição ou nitreto metálico de transição, preferivelmente, tendo uma espessura na faixa de 1-200 nm, tal como, 5-10 nm.

[00016] O revestimento pode apresentar uma resistência adesiva de pelo menos 50 kg, preferivelmente, de pelo menos 100 kg, mais preferivelmente, de pelo menos 150 kg, conforme procedimento de avaliação de teste de indentação de Rockwell C., descrito na norma VDI 3198, mas em que a carga da indentação pode ser variada dentro da faixa de 50150 kg. A carga de indentação com a qual o revestimento passa no teste de indentação, de acordo com o critério descrito na norma VDI 3198, pode ser tomada como a resistência adesiva do revestimento. O revestimento pode ser um revestimento de múltiplas camadas, compreendendo ainda uma ou mais camadas selecionadas do grupo que consiste de TiN, TiAlN, TiSiN, TiSiCN, TiCrAlN, e CrAlN, ou combinações das mesmas. O revestimento pode compreender uma ou mais camadas, tendo uma composição compreendendo pelo menos um primeiro elemento selecionado do grupo que consiste de Ti, Al, Cr, Si, V, Nb, Ta, Mo e W, e um segundo elemento selecionado do grupo que consiste de B, C, N e O. O revestimento pode apresentar uma espessura superior a 0,5 μm, e/ou inferior a 20 μm, preferivelmente, inferior a 10 μm. Desse modo, as propriedades do revestimento podem ser otimizadas para específicas necessidades de aplicação.

[00017] A camada de

pode apresentar uma espessura superior a 5 nm, e/ou inferior a 20 μm, preferivelmente, inferior a 10 μm. Desse modo, o revestimento pode ser formado substancialmente por uma camada de TiZrAlN, ou mediante combinação de uma ou mais camadas de TiZrAlN com outras camadas de revestimento.

[00018] O substrato pode compreender carbeto cementado ou nitreto de boro policristalino cúbico. Estes materiais são materiais duros com satisfatórias propriedades de corte, adequadas para ferramentas de corte. A ferramenta de corte pode se apresentar na forma de uma pastilha de corte, uma ferramenta de fresagem ou uma ferramenta de perfuração, preferivelmente, a ser usada em usinagem de material com formação de cavacos, como, por exemplo, usinagem de metais.

[00019] Outro objetivo da invenção é proporcionar um método de produção de uma ferramenta de corte, com um revestimento tendo uma composição mais estável sob elevadas temperaturas.

[00020] Portanto, a invenção se refere ainda a um método de produção de uma ferramenta de corte revestida, compreendendo a provisão de um substrato, e deposição de um revestimento compreendendo uma camada que consiste de

, onde

.

[00021] A camada pode ser depositada por meio do procedimento de PVD, preferivelmente, por meio de evaporação por arco voltaico.

[00022] A camada pode ser depositada usando uma fonte de deposição a arco, a qual compreende um catodo, um anodo e meios magnéticos, que possibilitam conduzir linhas de campo magnético da superfície alvo para o anodo em curta conexão. Esse tipo de fonte de deposição é ainda descrito no documento de patente US 2013/0126347 A1. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 mostra um diagrama de fase pseudoternária, de TiN-ZrN-AlN, indicando exemplos das composições reivindicadas; A figura 2 mostra um difratograma de raios X, de três composições de revestimento conforme aqui divulgado; A figura 3 mostra um difratograma de raios X, correlacionado a revestimentos depositados e já submetidos ao cozimento, de duas diferentes composições.

DEFINIÇÕES

[00023] As composições conforme definidas nas reivindicações podem compreender inevitáveis impurezas (por exemplo, menos de 1-3% (at.)), substituindo quaisquer dos elementos metálicos Ti, Zr e Al, e/ou N, ao mesmo tempo em que são mantidos os vantajosos efeitos da invenção, sem que haja afastamento do intervalo reivindicado. Assim, por exemplo, N pode ser substituído pelos elementos O, C ou B, em níveis inferiores a 1-3% (at).

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES DA INVENÇÃO

[00024] Uma modalidade de uma ferramenta de corte revestida é divulgada, tendo um substrato de carbeto cementado e um revestimento sobre o substrato, compreendendo uma camada de

. Essa camada é referida no texto como uma camada de TiZrAlN. A quantidade de Ti na composição (isto é, x), está dentro do intervalo 0<x<0,3, preferivelmente, onde x>0,05, mais preferivelmente, onde x>0,1. A quantidade de Zr na composição (isto é, y) está dentro do intervalo 0,2<y<0,8. A quantidade de Al na composição (isto é, 1-x-y) está dentro do intervalo 0,1<(1-x-y)<0,7. A camada de TiZrAlN apresenta uma estrutura cristalina cúbica e uma microestrutura colunar.

[00025] A camada de TiZrAlN é depositada mediante evaporação por arco voltaico sobre um substrato compreendendo carbeto cementado ou nitreto de boro policristalino cúbico. Opcionalmente, o revestimento compreende uma camada de adesão, de espessura de 5-10 nm, de Ti, TiN, Cr ou CrN, e a camada de TiZrAlN no topo da camada de adesão. A espessura do revestimento se dispõe entre 0.5-20 μm, tipicamente, abaixo de 10 μm. A camada de TiZrAlN pode ser uma camada em um revestimento de múltiplas camadas, tendo uma composição variável entre as diferentes camadas nas camadas múltiplas. Alternativamente, o revestimento pode consistir da camada de TiZrAlN, possivelmente, em combinação com uma camada de adesão.

[00026] A adesão do revestimento pode ser determinada por meio de um procedimento de teste de indentação de Rockwell C., conforme descrito na norma VDI 3198, mas em que a carga de indentação pode ser variada entre 50-150 kg. A carga de indentação quando o revestimento passa pelo procedimento de teste de indentação de acordo com o critério descrito na norma VDI 3198 é considerada como a resistência adesiva do revestimento. Usando esse método, o revestimento pode ter uma adesão de pelo menos 50 kg, preferivelmente, de pelo menos 100 kg, mais preferivelmente, de pelo menos 150 kg.

[00027] Na figura 1, é mostrado um diagrama de fase pseudoternária do sistema TiN-ZrN-AlN. Cada canto do gráfico corresponde ao componente puro de TiN, ZrN e AlN, conforme indicado no gráfico. Cada linha paralela ao respectivo lado oposto no gráfico indica intervalos de 10% do respectivo componente.

Exemplos

[00028] Na figura 1, são divulgados três exemplos de composições dentro da faixa reivindicada. A composição e espessura da camada de TiZrAlN em cada exemplo é mostrada na Tabela 1. Tabela 1 - Revestimentos de Amostras S1, S2 e S3

[00029] Os revestimentos de amostras foram todos depositados por duas unidades de catodo, uma com limite de Ti0,33Al0,67 e a outra com limite de Zr. Os substratos de carbeto cementado foram colocados em diferentes posições na câmara de deposição para obter uma variação da composição das camadas depositadas de TiZrAlN.

[00030] Os substratos foram revestidos em um Sistema Oerlikon Balzer, INNOVA, com a atualização “Advanced Plasma Optimizer”. Os substratos foram colocados interiormente à câmara de vácuo que foi equipada com duas unidades de catodo. A câmara foi bombeada descendentemente com alto vácuo (menos de 10-2 Pa). A câmara foi aquecida à temperatura de 350-500°C por meio de aquecedores localizados no interior da câmara, no presente caso, a uma temperatura de 400°C. Os substratos foram depois atacados quimicamente durante 25 minutos em uma descarga luminescente de argônio. Os catodos foram colocados lateralmente entre si nas câmaras. Os catodos foram providos de um anodo no formato de anel, colocado em volta dos mesmos (conforme divulgado no documento de patente US 2013/0126347 A1), com um sistema proporcionando um campo magnético com linhas de campo saindo da superfície alvo e entrando no anodo (ver o documento de patente US 2013/0126347 A1). A pressão da câmara (pressão de reação) foi estabelecida em 3,5 Pa de gás N2, e uma voltagem negativa de -30V (em relação às paredes da câmara) foi aplicada à unidade do substrato. Os catodos foram processados individualmente em um modo de descarga a arco de 160A, por 60 minutos. Na medida em que os dois catodos se evaporam a partir de diferentes materiais alvo, foi formado um gradiente de composição na amostra, de modo que as amostras do substrato colocadas próximo do alvo limite de Zr foram ricas em Zr, e as amostras colocadas próximas do alvo limite de Ti-Al foram mais ricas em Ti e Al.

[00031] As composições das amostras foram determinadas por meio de espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDX). A composição da amostra 1

da amostra 2

e a composição da amostra 3

.

[00032] A figura 2 mostra difratogramas de raios X para os três revestimentos divulgados na Tabela 1. Todas as amostras mostram uma estrutura cúbica de TiZrAlN. Todas as amostras apresentam um pico dominante a partir do plano (200). Além disso, picos de planos (111), (220) e (311) são visíveis. Existe um desvio na posição do pico (200) devido às mudanças nos parâmetros de rede entre os revestimentos.

[00033] As amostras foram tratadas a quente para avaliar o comportamento sob temperaturas elevadas. Isso foi feito mediante recozimento à temperatura de 1100°C por 2 horas. A estrutura dos revestimentos conforme depositados e revestimentos recozidos foram caracterizadas por difratometria de raios X, com configuração de Bragg- Brantano. A figura 3 mostra esses difratogramas de raios X para a amostra

conforme depositada e recozida e para amostra

. Para as amostras conforme depositadas, o pico (200) da fase cúbica de TiZrAlN é identificado em 2θ = 40,8° para a amostra (S3) e 2θ = 42,08° para a amostra (S1), enquanto outros picos (rotulados de ‘s’) são originados de fases no substrato de carbeto cementado. Para a amostra (S3) não ocorre nenhuma mudança evidente na estrutura antes e depois do recozimento. Um pequeno desvio de pico que ocorre no pico (200) pode ser atribuído ao alívio de tensão. Portanto, a composição é bastante estável. Após o recozimento do revestimento da amostra (S1), o pico cúbico (200) é assimétrico, devido à formação de outra fase cúbica, com o pico de difração (200) em menores ângulos. Isso corresponde a uma fase com um parâmetro de rede mais próximo daquele do ZrN. Assim, o revestimento apresenta uma microestrutura principalmente cúbica. A decomposição da composição nos revestimentos em fases menos desejáveis, como, por exemplo, a fase hexagonal w-AlN, é então baixa ou, pelo lenta.

Claims

1. Ferramenta de corte revestida compreendendo um substrato e um revestimento sobre o substrato, caracterizada pelo fato de que o revestimento compreende uma camada consistindo de

, onde 0<x<0,3, 0,4<y<0,8 e 0,1<(1-x-y)<0,7.

2. Ferramenta de corte revestida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que x>0,05, preferivelmente x>0,1.

3. Ferramenta de corte revestida, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que x<0,25, preferivelmente x<0,2.

4. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que y<0,6.

5. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a camada de

apresenta uma estrutura cristalina cúbica.

6. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a camada de

apresenta uma microestrutura colunar.

7. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que um difratograma de raios X da camada de

apresenta um pico dominante do plano (200).

8. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a camada de

é depositada pela técnica de PVD, tal como, evaporação por arco voltaico ou pulverização catódica.

9. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o revestimento compreende uma camada de adesão e a camada de

no topo da camada de adesão.

10. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o revestimento compreende uma adesão de pelo menos 50 kg, preferivelmente pelo menos 100 kg, mais preferivelmente pelo menos 150 kg, conforme avaliado por um teste de indentação de Rockwell.

11. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o revestimento é um revestimento de multicamadas que compreende adicionalmente uma ou mais camadas selecionadas a partir do grupo que consiste de TiN, TiAIN, TiSiN, TiSiCN, TiCrAIN, e CrAIN, ou combinação dos mesmos.

12. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o revestimento apresenta uma espessura superior a 0,5 μm, e/ou inferior a 20 μm, preferivelmente inferior a 10 μm.

13. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a camada de

apresenta uma espessura superior a 5 nm, e/ou inferior a 20 μm, preferivelmente inferior a 10 μm.

14. Ferramenta de corte revestida, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o substrato compreende carbeto cementado ou nitreto de boro policristalino cúbico.

15. Pastilha de corte, caracterizada pelo fato de ser incluída em uma ferramenta de corte conforme definida em qualquer uma das reivindicações anteriores.