BR112021014871A2 - Revestimento de ferramenta de alto desempenho para endurecimento por pressão de chapas metálicas de aço de resistência ultra-alta revestidas e não revestidas - Google Patents

Abstract

revestimento de ferramenta de alto desempenho para endurecimento por pressão de chapas metálicas de aço de resistência ultra-alta revestidas e não revestidas. ferramenta revestida para estampagem a quente de chapas metálicas revestidas ou não revestidas, em particular para estampagem a quente de chapas metálicas revestidas com alsi ou zn, compreendendo uma superfície de substrato revestido para estar em contato com a chapa metálica revestida ou não revestida, em que o revestimento na superfície de substrato revestido é um revestimento de multicamadas que compreende uma ou mais camadas inferiores e uma ou mais camadas superiores, em que as camadas inferiores são depositadas mais próximas à superfície do substrato do que as camadas superiores, ao passo que: - as camadas inferiores são projetadas para fornecer capacidade de suporte de carga, - as camadas superiores são projetadas para fornecer resistência à descamação, - pelo menos uma camada superior (camada 5) é depositada tendo uma estrutura de multinanocamadas formada por subcamadas do tipo a, b e c, sendo que os ditos três tipos de subcamadas são nanocamadas depositadas alternadamente entre si formando uma sequência do tipo ?a/b/c/a/b/c/a?, em que pelo menos duas sequências de uma nanocamada a, uma nanocamada b e uma nanocamada c são depositadas formando a estrutura de multinanocamadas - em que:- a nanocamada do tipo a é composta por pelo menos 90 % em átomos de cromo e nitrogênio, - - a nanocamada do tipo b é composta por pelo menos 90 % em átomos de titânio, alumínio e nitrogênio, - - a nanocamada do tipo c é composta por pelo menos 90 % em átomos de vanádio, carbono e nitrogênio, e - - a espessura da camada da pelo menos uma camada superior (camada 5) não é inferior a 0,5 µm e não é superior a 15 µm.

Description

"REVESTIMENTO DE FERRAMENTA DE ALTO DESEMPENHO PARA

ENDURECIMENTO POR PRESSÃO DE CHAPAS METÁLICAS DE AÇO DE RESISTÊNCIA ULTRA-ALTA REVESTIDAS E NÃO REVESTIDAS" Campo Técnico

[0001] A presente invenção se refere a um revestimento a ser aplicado em superfícies de ferramentas, especialmente ferramentas de modelagem (no presente texto, também chamadas de matrizes), as quais são usadas para endurecimento por pressão, também conhecido como estampagem a quente, de chapas metálicas não revestidas e revestidas com AlSi ou Zn, por exemplo, de aço de resistência ultra- alta (UHSS), das quais o tipo mais comum é 22MnB5 USIBOR. No presente documento, o formato WorldAutoSteel é usado para definir os diferentes tipos de aço, como UHSS, AHSS ou LSS. O dito documento usa o tipo de metalurgia, resistência à elasticidade mínima (MPa) e resistência à tração mínima (MPa) a fim de identificar os diferentes tipos de aço. Geralmente, os aços com níveis de resistência à elasticidade que excedem 550 MPa e resistências à tração que excedem 780 MPa são chamados de UHSS. Uma ferramenta de modelagem é uma ferramenta ou acessório de máquina assim conformado, que transmite um perfil ou contorno predeterminado a uma peça de trabalho, desse modo, a peça de trabalho é reconformada sem adicionar ou remover material, e sua massa permanece inalterada. Além disso, a presente invenção se refere a um método para aplicar o revestimento inventivo a um substrato. Estado da Técnica

[0002] O uso de aços de alta resistência (AHSS) e UHSS avançados na indústria automotiva tem aumentado constantemente nas últimas décadas. Os AHSS são uma série de aços de alta resistência contendo fases microestruturais além de ferrita, perlita ou cementita - por exemplo, martensita, bainita, austenita e/ou austenita retida em quantidades suficientes para produzir propriedades mecânicas únicas. A maior parte dos AHSS têm uma microestrutura multifásica e, tipicamente seu nível de resistência à elasticidade excede 550 MPa. O uso desses tipos de aços na fabricação das partes estruturais de um carro (por exemplo, no assim chamado “Corpo em Branco” (Body-In White (BIW)) ou chassi) resulta em uma diminuição considerável do peso total de um carro, visto que, nesse caso, as partes estruturais supracitadas podem ser produzidas com o uso de chapas metálicas mais finas enquanto se mantém um alto nível de resistência. Uma vantagem óbvia é a produção de carros que têm menos consumo de combustível e, ao mesmo tempo, são mais seguros no caso de um acidente, visto que UHSS têm absorção de energia de impacto consideravelmente superior em comparação com os aços de baixa resistência (LSS). O LSS é um grupo de aço que exibe uma resistência à tração abaixo de 270 MPa, exemplos dos quais são aços macios e livres de interstícios.

[0003] No entanto a modelagem das chapas metálicas de UHSS e AHSS é desafiadora e resulta em desgaste massivo das matrizes de modelagem, particularmente em desgaste abrasivo contínuo das matrizes e/ou desgaste adesivo, por exemplo, em transferência de material maciço das chapas metálicas para a superfície das matrizes. Em ambos os casos, a qualidade das partes produzidas é consideravelmente afetada.

A fim de manter a qualidade das partes fabricadas, são necessários intervalos de manutenção frequentes das matrizes de modelagem. A geração e o desenvolvimento de rachaduras por fadiga na matriz podem reduzir consideravelmente a vida útil de uma matriz cara. Isso resulta em produtividade inferior e custos de produção excessivos.

[0004] Em casos de uso de processos de modelagem a frio, uma maneira de minimizar os danos na matriz é usar diferentes tratamentos de superfície, que podem aprimorar o desempenho das matrizes de modelagem. Uma das técnicas mais comuns e industrialmente práticas é usar diferentes métodos de nitretação como plasma ou nitretação de baixa pressão a fim de endurecer a superfície da ferramenta. Isso é feito por meio da difusão de nitrogênio nas áreas de subsuperfície do aço, resultando em uma resistência aprimorada ao desgaste abrasivo e, em muitos casos, também ao desgaste adesivo. Adicionalmente, por meio da introdução de estresse de compressão na superfície, a resistência a rachaduras por fadiga é aumentada. O estresse de compressão surge devido às alterações de volume resultantes da introdução de nitrogênio e/ou carbono e devido aos efeitos térmicos. Como uma solução alternativa, vários revestimentos duros e resistentes ao desgaste à base de nitretos, carbonetos, óxidos ou uma combinação deles foram desenvolvidas e usados industrialmente. O uso desses revestimentos isoladamente ou combinados com soluções de nitretação pode aumentar consideravelmente o desempenho de matrizes de modelagem usadas na modelagem a frio, por exemplo, de chapas metálicas de UHSS e HSS não revestidas ou chapas metálicas cuja resistência total a ser atingida não seja tão alta (por exemplo, menos de 1000 MPa).

[0005] A empresa sueca Plannja apresentou um processo de modelagem, chamado endurecimento por pressão ou estampagem a quente a ser usado, por exemplo, para a modelagem de materiais de chapa revestidos ou para a modelagem de materiais de chapa em geral, cuja resistência total a ser atingida é superior a 1000 MPa (por exemplo, entre 1000 MPa e 2000 MPa ou entre 1250 MPa e 2000 MPa). Nesse tipo de processo de modelagem, uma chapa de aço quente brilhante é modelada e bruscamente arrefecida simultaneamente na mesma matriz. Todo o processo de modelagem, incluindo a etapa de extinção, é feito em poucos segundos, por exemplo, 8-12 segundos. Como resultado de tal extinção rápido da parte de produto modelada a quente, uma estrutura martensítica é formada, exibindo uma resistência total de até 2000 MPa. Nos últimos anos, o uso de tais partes de aço endurecido por pressão (PHS) na indústria automotiva, como por exemplo, pilares A e B, para-choques, trilhos do teto e balancim, túneis e outros, aumentou drasticamente de 3 milhões em 1987 para 250 milhões em 2015.

[0006] Algumas vantagens do uso de processos de estampagem a quente em comparação com os processos de modelagem a frio são: - uma eliminação da recuperação elástica, que geralmente é vista em chapas de AHSS estampadas a frio, - um processo de modelagem de uma etapa, - e excelente soldabilidade das partes de PHS devido ao uso de ligas de baixo teor de carbono.

[0007] A fim de evitar a corrosão das partes de PHS, os materiais de chapa geralmente são revestidos com revestimentos de AlSi ou Zn antes da condução de processos de estampagem a quente.

[0008] No entanto, algumas dificuldades surgem durante o uso desse processo. O nível de desgaste abrasivo e adesivo das matrizes em um processo de estampagem a quente é visivelmente superior ao que ocorre em um processo de modelagem a frio. Uma razão é a alta temperatura de modelagem de cerca de 800 °C bem como uma taxa de extinção muito alta de >27 graus/segundo. Isso significa que o material de chapa apresenta uma mudança muito rápida de temperatura (por exemplo, uma mudança de uma temperatura de cerca de 800 °C ou mais para uma temperatura de cerca de 150 °C em cerca de 20 segundos ou menos), ao passo que, durante essa mudança de temperatura, o material de chapa permanece em contato com a matriz (ferramenta de modelagem) que é usada para sua modelagem. Acredita-se que a alta temperatura de modelagem resulte em um contato entre a matriz e o revestimento de AlSi ou Zn semifundido do material de chapa revestido (por exemplo, chapa USIBOR), o que leva a uma transferência de material considerável das chapas para a superfície da matriz. Além disso, altas taxas de extinção resultam na formação de uma camada de AlSiFeO muito dura na superfície das partes produzidas, o que causa o desgaste abrasivo da matriz. Outro modo de falha comum das matrizes revestidas em um processo de estampagem a quente é um processo chamado descamação. A descamação é um tipo de desgaste causado pela adesão entre superfícies deslizantes. Quando um material descama, uma parte dele é empurrada com a superfície de contato, especialmente se houver uma grande quantidade de força comprimindo as superfícies. A descamação é causada por uma combinação de atrito e adesão entre as superfícies, seguida por deslizamento e ruptura da estrutura de cristal. A descamação leva primeiro a um acúmulo de material na ferramenta de modelagem e, por fim, resulta em uma separação do material acumulado, incluindo partes da ferramenta de modelagem, como partes do revestimento. Problema a ser resolvido

[0009] É necessário que haja uma solução para a condução de processos de estampagem a quente evitando falha das ferramentas de modelagem, o que adequadamente aumenta a resistência de uma ferramenta de modelagem contra o desgaste adesivo e abrasivo em temperaturas até 800 °C e superiores, em particular temperaturas acima de 700 °C. Existem revestimentos que aumentam a resistência contra o desgaste abrasivo em uma determinada faixa de temperatura, assim como revestimentos que aumentam a resistência contra o desgaste adesivo em uma faixa de temperatura particular. No entanto, é desafiador conseguir um revestimento com uma alta resistência contra o desgaste adesivo e abrasivo para temperaturas até 800 °C e até mesmo superiores, em particular temperaturas acima de 700 °C. Objetivo da invenção

[0010] Um objetivo da presente invenção é fornecer uma solução para melhorar o desempenho de ferramentas de modelagem usadas para estampagem a quente e, desse modo, aumentar a vida útil da ferramenta, especialmente para o caso de ferramentas de modelagem usadas na estampagem a quente de materiais de chapa revestidas com AlSi e Zn ou não revestidas (como chapas USIBOR). Solução do problema de acordo com a presente invenção – Descrição da presente invenção

[0011] A presente invenção propõe o fornecimento de um revestimento a ser usado para revestir ferramentas de modelagem que se destinam a ser usadas em processos de modelagem a quente como descrito na reivindicação 1.

[0012] A presente invenção revela um sistema de revestimento que fornece resistência ao desgaste abrasivo e adesivo aprimorada a ser aplicado a um substrato como, por exemplo, um substrato de aço, mas sem limitação ao mesmo, a ser usado como uma ferramenta de modelagem, especialmente adequada para processos de endurecimento por pressão. O sistema de revestimento inventivo é um sistema de multicamadas. Ele compreende pelo menos uma camada superior (doravante também chamada de multinanocamada de topo ou camada de topo ou camada 5, conforme mostrado na figura 1 e figura 5) contendo CrN, TiAlN e VCN, mas sem limitação à mesma. A dita camada de topo é caracterizada por um teor mínimo de carbono em relação ao teor de nitrogênio considerando o perfil de teor de carbono e nitrogênio por toda a camada. Essa camada de topo se destina principalmente a fornecer resistência à descamação. O sistema de revestimento inventivo pode compreender camadas adicionais, em particular, pelo menos uma camada para fornecer a capacidade de suporte de carga necessária, que é necessária para resistir à combinação de carga mecânica e choque térmico durante a etapa de modelagem e extinção no processo de estampagem a quente.

[0013] Em geral, outras camadas podem ser fornecidas no revestimento para atingir outros aprimoramentos em relação a diferentes propriedades de revestimento, como adesão ao substrato, coesividade na estrutura do revestimento, módulo de dureza (HIT) e elástico (EIT). Além disso, o revestimento deve ser resistente às temperaturas às quais ele será tipicamente exposto durante o processo de modelagem a quente como mencionado acima. Portanto alguns testes foram realizados em temperaturas que podem tipicamente ocorrer em processos de estampagem a quente como pode ser mostrado em vários testes (temperaturas entre 800 °C e 950 °C).

[0014] O sistema de revestimento inventivo pode preferencialmente ser depositado com o uso de um método de PVD, como por exemplo, pulverização magnetrônica ou arco catódico. Descrição das figuras Figura 1 Ilustração esquemática de uma modalidade do sistema de revestimento inventivo Figura 2 Ilustração esquemática de um método possível de deposição de uma modalidade do sistema de revestimento inventivo Figura 3 Esquerda: Micrografia de Microscópio Eletrônico de Varredura (SEM) do revestimento da invenção obtida por BSE Direita: Micrografia de SEM de detector InLens do revestimento da invenção Figura 4 Ilustração esquemática de como uma esfera revestida com PVD oscila dentro da camada de AlSi no topo da chapa USIBOR por todo o teste de SRV de alta temperatura

Implementação da presente invenção

[0015] Apresenta-se um sistema de revestimento inventivo a ser aplicado a uma ferramenta de modelagem usada em endurecimento por pressão. O dito revestimento pode ser um revestimento de monocamada ou multicamadas, que é, então, depositado na superfície de um substrato, por exemplo, um substrato de aço relacionado a ferramentas de modelagem e membros de modelagem. O sistema de revestimento inventivo compreende pelo menos uma camada (no presente texto, chamada de camada de topo ou camada 5).

[0016] A camada de topo em si (Camada 5 na Fig. 1) é um sistema de multicamadas (também chamada de multicamada superior), preferencialmente multinanocamadas (no contexto da descrição da presente invenção também chamada de pilha de camadas de topo). A pilha de camadas de topo é feita de pelo menos três diferentes tipos de camadas, por exemplo, camadas do tipo A, camadas do tipo B e camadas do tipo C depositadas formando uma sequência …A/B/C/A/B/C/A….

[0017] De acordo com uma modalidade preferencial da presente invenção, a pilha de camadas de topo é depositada e formada de camadas do tipo A principalmente compreendendo nitreto de cromo ou que consiste em nitreto de cromo CrN, camadas do tipo B principalmente compreendendo nitreto de alumínio e titânio ou que consiste em nitreto de alumínio e titânio TiAlN, e camadas do tipo C principalmente compreendendo carbonitreto de vanádio ou que consiste em carbonitreto de vanádio VCN.

[0018] Resultados especialmente bons foram atingidos usando revestimentos que têm uma pilha de camadas de topo que compreende camadas de CrN, TiAlN e VCN.

[0019] Assim, uma pilha de camadas de topo é preferencialmente projetada tendo camadas A, B e C que consistem em CrN, TiAlN e VCN, respectivamente.

[0020] Em tal caso, preferencialmente, a camada da pilha de camadas de topo mais próxima ao substrato é uma camada que compreende CrN, seguida por uma camada que compreende TiAlN, novamente seguida por uma camada que compreende VCN.

[0021] A invenção, no entanto, não deve ser entendida como estando limitada às modalidades preferenciais aqui descritas.

[0022] A pilha de camadas de topo do sistema de revestimento inventivo precisa compreender pelo menos um conjunto de camadas. Um conjunto de camadas no contexto da presente invenção deve ser entendido como uma sequência formada por três camadas individuais: uma camada A, uma camada B e uma camada C depositadas em sucessão.

[0023] É importante observar que, ao depositar as camadas individuais A, B e C em sucessão como mencionado acima, é possível que uma interface possa ser formada entre duas camadas individuais depositadas uma em contato com a outra. Tal interface entre duas camadas individuais pode compreender elementos das duas camadas individuais. Por exemplo, é possível que ao depositar uma camada B em uma camada A, um tipo de camada de interface entre as respectivas camada A e camada B seja formado compreendendo elementos da camada A, bem como da camada B. Dependeria do tipo de processo de revestimento usado para a deposição da pilha de camadas de topo.

[0024] Preferencialmente e de modo especialmente preferencial, no caso em que a espessura das camadas individuais A, B e C estão em escala nanométrica, a pilha de camadas de topo deve conter uma quantidade maior de conjuntos de camadas, tipicamente entre 25 e 600 camadas. A espessura de revestimento total da pilha de camadas de topo deve estar em uma faixa de 0,5 µm a 12 µm, preferencialmente entre 2 µm e 7 µm.

[0025] Os inventores constataram que um revestimento inventivo que compreende a dita camada de topo exibe características muito boas considerando a resistência ao desgaste adesivo e abrasivo. Além disso os inventores observaram que a composição da camada de topo é muito crítica para alcançar o desempenho ideal em termos de resistência à transferência de material da camada de AlSi ou Zn nas chapas USIBOR para a superfície da ferramenta. Nesse sentido, o teor de carbono é determinado na coexistência de resistência ao acúmulo e máxima resistência ao desgaste abrasivo.

[0026] A fim de aprimorar a adesão entre a camada de topo e o substrato da ferramenta de modelagem, uma camada de adesão (no presente texto, chamada de camada 1) pode ser depositada sobre o substrato. A dita camada de adesão compreende CrN e preferencialmente consiste em CrN. Ela é preferencialmente uma monocamada, que é depositada diretamente sobre o substrato. A espessura dessa camada que compreende CrN está entre 100 nm e 3 µm e é preferencialmente escolhida para estar entre 300 nm e 1,5 µm.

[0027] Ao depositar uma camada que compreende CrN e TiAlN adicional, o desempenho do sistema de revestimento inventivo pode ser ainda mais aprimorado. A dita camada (no presente texto, chamada de camada 2, ou segunda multicamada, – consultar Fig. 1) é uma multicamada e também pode ser um sistema de multinanocamadas (no presente texto, também chamada de pilha de CrN/TiAlN). A pilha de CrN/TiAlN é depositada preferencialmente na camada 1 ou também pode ser depositada diretamente na superfície do substrato. Preferencialmente, a camada 2 é depositada começando a deposição com uma camada que compreende CrN, preferencialmente que consiste em CrN. No topo da dita camada que compreende CrN, outra camada que compreende TiAlN é depositada. A dita camada que compreende TiAlN preferencialmente consiste em TiAlN. A pilha de CrN/TiAlN pode compreender um ou mais conjuntos formados por duas camadas (uma camada que consiste em CrN e uma camada que consiste em TiAlN).

[0028] Em outras palavras, a pilha de CrN/TiAlN compreende pelo menos um conjunto de CrN/TiAlN, mas não se limita a um conjunto de CrN/TiAlN. Preferencialmente, entre 5 e 130 conjuntos são depositados a fim de formar a camada contendo CrN e TiAlN (camada 2). A espessura da camada 2 pode estar na faixa de 150 nm a 4 µm e é preferencialmente escolhida para estar entre 600 nm e 3 µm. Essa camada é conhecida por exibir uma boa capacidade de suporte de carga (o que significa capacidade de suportar as cargas aplicadas ao substrato).

[0029] Os inventores constataram que os revestimentos inventivos que compreendem não apenas a camada 5, mas também que contêm as camadas 1 e 2, como descrito acima, são muito adequados para processos de estampagem. As ferramentas de modelagem revestidas dessa maneira podem exibir, em geral, boa resistência ao desgaste em processos de estampagem a quente em comparação com os revestimentos do estado da técnica.

[0030] A resistência do revestimento contra desgaste adesivo e abrasivo pode ser ainda mais aprimorada, com a adição de mais duas camadas ao sistema (no presente texto, chamada de camada 3, ou terceira multicamada, e camada 4, ou quarta multicamada). Surpreendentemente, os inventores constataram que nesse sistema, é benéfico adicionar uma camada (camada 3) contendo V e depositá-la sobre a camada 2.

[0031] A camada 3 é um sistema de nanocamadas (no presente texto, chamadas de pilha de CrN/TiAlN/VN), que compreende pelo menos CrN, TiAlN e VN. A pilha de CrN/TiAlN/VN compreende conjuntos de três camadas, que são depositadas uma no topo da outra (consultar Fig. 1). Das ditas pelo menos três camadas, a camada que compreende CrN é a mais próxima do substrato. Essa camada preferencialmente consiste em CrN. No topo dessa camada, uma camada que compreende TiAlN é depositada, a qual preferencialmente consiste em TiAlN. No topo dessa camada, uma camada que compreende VN é depositada, a qual preferencialmente consiste em VN. A fim de formar um sistema de revestimento inventivo, pelo menos um conjunto é usado para formar a camada 3. Isso, no entanto, não é limitante. Tipicamente entre 4 e 80 conjuntos são depositados a fim de formar a camada contendo CrN, TiAlN e VN. A espessura da dita camada pode estar na faixa de 20 nm a 4 µm e é preferencialmente escolhida para estar entre 800 nm e 3 µm.

[0032] A camada 4 também é um sistema de multicamadas,

que é construído como a camada 3, mas o carbono é adicionado gradualmente a fim de transformar a camada de VN em uma camada de VCN, ou seja, na parte inferior da camada 4, a camada exibe um baixo teor de carbono, enquanto na parte superior da camada 4, a camada exibe um alto teor de carbono. Os inventores constataram que outros aprimoramentos da resistência ao desgaste podem ser alcançados com a adição de uma camada desse tipo entre a camada 3 e a camada 5.

[0033] A camada 4 é um sistema de nanocamadas (no presente texto, chamada de pilha de CrN/TiAlN/VN), compreendendo pelo menos CrN, TiAlN e VN, em que o carbono é adicionado gradualmente a fim de transformar a camada de VN em uma camada de VCN. A pilha de CrN/TiAlN/VCN compreende conjuntos de três camadas, que são depositadas uma no topo da outra (consultar Fig. 1). Das ditas pelo menos três camadas, a camada que compreende CrN é a mais próxima do substrato. Essa camada preferencialmente consiste em CrN. No topo dessa camada, uma camada que compreende TiAlN é depositada, a qual preferencialmente consiste em TiAlN. No topo dessa camada, uma camada que compreende VCN é depositada, a qual preferencialmente consiste em VCN. A fim de formar um sistema de revestimento inventivo, pelo menos um conjunto é usado para formar a camada 3. Isso, no entanto, não é limitante. Tipicamente entre 4 e 80 conjuntos são depositados a fim de formar a camada contendo CrN, TiAlN e VCN. A espessura da dita camada pode estar na faixa de 20 nm a 4 µm e é preferencialmente escolhida para estar entre 800 nm e 3 µm.

[0034] Os inventores também observaram que o revestimento inventivo funciona melhor quando o substrato da ferramenta de modelagem é pré-nitretado. O processo de nitretação pode ser realizado na mesma câmara de deposição ou em uma separada.

[0035] A fim de esclarecer a construção do sistema de revestimento inventivo, ele será descrito agora pelas modalidades. Uma modalidade da invenção será descrita a título de exemplo, que se destina a ser meramente ilustrativo e, portanto, não limitante.

[0036] De acordo com uma modalidade preferencial da presente invenção, que é mostrada na Figura 1, o sistema de multicamadas consiste em cinco diferentes camadas, que são depositadas no substrato de uma ferramenta de modelagem. Uma camada de CrN (nessa modalidade, chamada de camada 1) é depositada diretamente no substrato. No topo da camada 1, uma camada (nessa modalidade, chamada de camada 2) que consiste em CrN e TiAlN é depositada. No topo da camada 2, uma camada (nessa modalidade, chamada de camada 3) que consiste em CrN, TiAlN e VN é depositada. No topo da camada 3, uma camada (nessa modalidade, chamada de camada 4) que consiste em CrN, TiAlN e VCN com um perfil de teor de carbono gradiente é depositada na camada 3. A camada de topo (nessa modalidade, chamada de camada 5) consiste em CrN, TiAlN e VCN, com um teor de carbono constante por toda a camada. A espessura global do revestimento descrito nessa modalidade pode estar na faixa de 4 µm a 20 µm.

[0037] A soma da espessura do revestimento das camadas 4 e 5 preferencialmente representa 40 % a 50 % da espessura do revestimento total, mas não se limita a essa quantidade. Como se pode observar, as camadas 4 e 5 são camadas de carbonitreto.

[0038] A camada 4 é uma camada de transição de uma camada de nitreto puro (terceira camada) para uma camada de carbonitreto (quinta camada). Portanto, o nível de carbono aumenta e o nível de nitrogênio diminui através da espessura da camada 4, à medida que a distância entre a camada 4 e o substrato aumenta. Em relação a isso, a camada 4 é um composto de (CraTibAlcVd)(CxNy), em que x e y são preferencialmente ajustados como a seguir: 0≤x≤0,33 e 0,67≤y≤1. A razão de metal (isto é, a soma do teor de Cr, Ti, Al e V) para não metal (isto é, a soma do teor de C e N) é preferencialmente escolhida para ser 0,72≤/≤1,27. Além disso, o teor de elementos metálicos individuais de Cr, Ti, Al e V é preferencialmente ajustado como a seguir: 0,20≤a≤0,30, 0,05≤b≤0,15, 0,15≤c≤0,25 e 0,40≤d≤0,50 com a+b+c+d=1, preferencialmente 0,20≤a≤0,30, b=0,10, c=0,20 e 0,40≤d≤0,50 com a+b+c+d=1.

[0039] A camada 5 é um composto de carbonitreto com uma composição constante de (CraTibAlcVd)(CxNy) com 0,4≤x/y≤0,6 e 0,65≤/≤1,1, preferencialmente x/y=0,5, e /=0,72. O teor dos elementos metálicos individuais de Cr, Ti, Al e V é escolhido como a seguir: 0,20≤a≤0,30, 0,05≤b≤0,15, 0,15≤c≤0,25 e 0,40≤d≤0,50, preferencialmente, a=0,20, b=0,10, c=0,20 e d=0,50.

[0040] As camadas 1, 2 e 3 são compostos de camadas de nitreto. Essas camadas são nitretos estequiométricos com uma razão de metal para não metal de 1.

[0041] A fim de depositar o sistema de revestimento descrito nessa modalidade, três diferentes materiais alvo de Cr, TiAl e V foram usados em uma câmara de deposição Oerlikon Balzers INNOVA, conforme mostrado na Figura 2. Além dos materiais alvo de Cr e V elementares, o alvo TiAl foi preparado metalurgicamente em pó, a fim de exibir uma razão de peso de Al para Ti de ~2. A fim de produzir as camadas 1 a 3, gás nitrogênio puro estava presente na câmara. Na transição para a camada 4, gás acetileno foi adicionalmente purgado na câmara. O fluxo de acetileno foi aumentado gradualmente enquanto o nível de gás nitrogênio foi mantido constante. Visto que o gás acetileno mostra uma reatividade muito alta, o gás precisa ser introduzido na câmara o mais próximo possível do substrato a ser revestido. Visto que o objetivo era gerar um alto teor de carbono no revestimento, o gás acetileno foi liberado na proximidade imediata do substrato. O mesmo vale para O, que também mostra uma alta reatividade. A situação é, no entanto, diferente para N, que pode ser introduzido na câmara sem tais disposições especializadas, visto que é menos reativo do que o gás acetileno. O dito método resultou em camada de gradiente 4 começando como nitreto puro e terminando como um carbonitreto. O fluxo de gás acetileno foi mantido constante por toda a camada 5, então uma camada de carbonitreto com composição constante foi formada como uma camada de topo. A fim de formar um revestimento com as propriedades e estrutura desejadas, uma polarização negativa de substrato de 60 V foi usada através das primeiras três camadas. A polarização negativa de substrato foi aumentada para 100 V durante a camada de gradiente 4. Ela permaneceu constante a -100 V através da camada 5.

[0042] No âmbito da presente invenção, as propriedades e estrutura da solução de revestimento descrita nessa modalidade foram testadas. Micrografias de Microscópio Eletrônico de Varredura (SEM) obtidas com o método convencional, bem como o método In-Lens, são mostrados na Figura 3. No topo da camada 1 de fundo que é uma camada densa sem características de CrN, uma nanocamada de CrN/TiAlN foi depositada. Os módulos de dureza (HIT) e elástico (EIT) dessa camada foram ~27 GPa e 300 GPa, respectivamente. O período de bicamada dessa nanocamada é medido como 35 nm. Na camada 3, uma nanocamada de CrN/TiAlN/VN é depositada. As propriedades mecânicas são medidas como 29 GPa para HIT e 340 GPa para EIT. A espessura total de todas as três nanocamadas juntas é estimada como 55 nm. Por fim, as camadas contendo C de topo de 4 e 5 têm HIT e EIT de 24 GPa e 250 GPa, respectivamente. A presença de C nessas duas camadas resultou em um refinamento da estrutura de nanocamada, de uma maneira que a espessura de três CrN/TiAlN/VCN é diminuída pela metade, ~22 nm.

[0043] A resistência dos revestimentos ao desgaste adesivo, que é definido como a transferência e acúmulo de AlSi ou Zn das chapas USIBOR revestidas para a superfície do revestimento de PVD, é medida com um método de teste inovador em um testador de SRV em temperaturas elevadas de ~730 °C. Nesse método inovador, uma esfera de aço de 100Cr6 com um diâmetro de 10 mm foi revestida com um revestimento inventivo de PVD. Como contraparte, uma chapa USIBOR revestida com AlSi de formato redondo, que foi cortada com um diâmetro de 21 mm, foi fixada em um suporte adequado para uso em temperaturas elevadas. A chapa USIBOR foi,

então, aquecida por meio de uma mesa resistivamente aquecida, que estava em contato com o suporte da chapa.

A temperatura na chapa USIBOR brilhante foi medida por meio de um termopar secundário como 730 °C em comparação com a temperatura do ponto de ajuste do testador de SRV, que era 900 °C.

A temperatura alcançada de 730 °C na chapa USIBOR foi elevada o suficiente para levar a camada de AlSi a seu nível semilíquido, idêntico à prática real na aplicação industrial e adequado para os estudos de resistência ao acúmulo.

A fim de representar as condições reais da aplicação de estampagem a quente AlSi-USIBOR, parâmetros de teste como o tempo de contato entre a esfera e a chapa USIBOR, a força vertical aplicada na esfera e sua frequência vibracional foram ajustados de uma maneira que garante que a esfera revestida sempre esteja dentro da profundidade da camada de AlSi e nunca toque o aço 22MnB5 subjacente.

A fim de cumprir o requisito mencionado, uma carga vertical de 10 N foi usada.

O tempo de contato entre a esfera revestida e a placa USIBOR revestida com AlSi foi ajustado para 1 min antes de o ciclo seguinte começar.

Uma representação esquemática do teste realizado é mostrada na Figura 4. Isso é feito a fim de simular o contato da ferramenta revestida com uma nova peça de chapa metálica em uma aplicação de estampagem a quente real.

Fazendo isso, o volume e a altura do acúmulo de AlSi em qualquer revestimento de PVD desejado foram medidos com o uso de um microscópio 3D confocal Nanofocus resultando em uma avaliação quantitativa e qualitativa da resistência ao acúmulo desse revestimento.

Dependendo do desempenho dos revestimentos testados, esse processo pode ser repetido até

20 vezes no mesmo ponto em uma esfera revestida, seguido pelas medições do microscópio Nanofocus. Com o uso desse método de teste único, o revestimento da invenção mostrou uma ordem de magnitude menor do volume de acúmulo em comparação com os revestimentos de AlCrN e TiAlN do estado da técnica convencionais depositados pelo método de PVD idêntico.

[0044] A resistência dos revestimentos ao desgaste abrasivo foi medida com o uso de um testador de pino no disco de temperatura elevada. A máxima temperatura alcançada nesse teste foi 800 °C. Em relação a isso, um revestimento inventivo de PVD foi aplicado a uma peça de formato redondo de Inconel, que era adequada para medição de temperatura elevada. Após alcançar a temperatura, uma esfera abrasiva feita de óxido de alumínio com um diâmetro de 6 mm entraria em contato com a amostra de Inconel revestida com PVD. A velocidade linear da esfera e seu tempo de contato total com a amostra revestida eram 2,64 cm/s e 10 minutos, respectivamente. Por fim, o perfil da trajetória foi medido com o uso de um microscópio 3D confocal Nanofocus resultando na medição do desgaste ocorrido no revestimento de PVD desejado.

[0045] Substrato revestido tendo um revestimento para fornecer resistência ao desgaste adesivo e abrasivo aprimorada, em que o revestimento tem uma estrutura de multicamadas que compreende uma multicamada depositada como multicamada superior, caracterizado pelo fato de que a multicamada superior é formada por subcamadas do tipo A, B e C, sendo os três tipos de subcamadas depositadas alternadamente entre si formando uma sequência do tipo …A/B/C/A/B/C/A…, caracterizados pelo fato de que: - a subcamada do tipo A é uma camada de nitreto de cromo, - a subcamada do tipo B é uma camada de nitreto de alumínio e titânio, - a subcamada do tipo C é uma camada de carbonitreto de vanádio.

[0046] Substrato de acordo com a declaração acima, sendo o substrato caracterizado por ser uma ferramenta de modelagem.

Claims (16)

REIVINDICAÇÕES

1. Ferramenta revestida para estampagem a quente de chapas metálicas revestidas ou não revestidas, em particular para estampagem a quente de chapas metálicas revestidas com AlSi ou Zn, compreendendo uma superfície de substrato revestido para estar em contato com a chapa metálica revestida ou não revestida, em que o revestimento na superfície de substrato revestido é um revestimento de multicamadas que compreende uma ou mais camadas inferiores e uma ou mais camadas superiores, em que as camadas inferiores são depositadas mais próximas à superfície do substrato do que as camadas superiores, caracterizada pelo fato de que: - as camadas inferiores são projetadas para fornecer capacidade de suporte de carga, - as camadas superiores são projetadas para fornecer resistência à descamação, - pelo menos uma camada superior (camada 5) é depositada tendo uma estrutura de multinanocamadas formada por subcamadas do tipo A, B e C, sendo que os ditos três tipos de subcamadas são nanocamadas depositadas alternadamente entre si formando uma sequência do tipo …A/B/C/A/B/C/A…, em que pelo menos duas sequências de uma nanocamada A, uma nanocamada B e uma nanocamada C são depositadas formando a estrutura de multinanocamadas - em que:- a nanocamada do tipo A é composta por pelo menos 90 % em átomos de cromo e nitrogênio, - - a nanocamada do tipo B é composta por pelo menos 90 % em átomos de titânio, alumínio e nitrogênio,

- - a nanocamada do tipo C é composta por pelo menos 90 % em átomos de vanádio, carbono e nitrogênio, e - - a espessura da camada da pelo menos uma camada superior (camada 5) não é inferior a 0,5 µm e não é superior a 15 µm.

2. Ferramenta revestida, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a soma das espessuras de camada de três nanocamadas A, B e C formando uma sequência está entre 15 nm e 300 nm, entre 15 nm e 200 nm.

3. Substrato revestido conforme definido na reivindicação 1 ou 2 caracterizado pelo fato de que, na pelo menos uma camada superior (camada 5), a razão média da fração de teor de carbono, x, entre a fração de teor de carbono, y, está na faixa de 0,4≤x/y≤0,6, quando se considera uma composição de elemento químico média em porcentagem atômica descrita por (CraTibAlcVd)(CxNy), em que a composição média é medida considerando uma extensão de espessura de camada de pelo menos 100 nm, em que os coeficientes a, b, c e d correspondem às frações de composição de Cr, Ti, Al, V, C e N, nas faixas 0,20≤a≤0,30, 0,05≤b≤0,15, 0,15≤c≤0,25 e 0,40≤d≤0,50, respectivamente, com a+b+c+d=1 e x+y=1, e em que os coeficientes  e  são fatores para indicação de estequiometria, em que 0,72≤/ ≤1,27.

4. Substrato revestido, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que, na pelo menos uma camada superior (camada 5), a razão média da fração de teor de carbono entre a fração de teor de carbono, x/y, pode ser considerada como sendo constante devido à variação ao longo da espessura global da pelo menos uma camada superior (camada 5) ser de menos de 10 % do valor máximo.

5. Substrato revestido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que uma interface é formada entre duas subcamadas depositadas uma em contato com a outra, em que a interface compreende elementos das duas subcamadas.

6. Substrato revestido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a multicamada superior contém tipicamente entre 25 e 600 camadas, em que a espessura de revestimento total da multicamada superior está preferencialmente em uma faixa de 0,5 µm a 12 µm, mais preferencialmente entre 2 µm e 7 µm.

7. Substrato revestido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que uma camada de adesão é depositada, de preferência diretamente, sobre o substrato entre a multicamada superior e o substrato, em que a camada de adesão preferencialmente compreende CrN, mais preferencialmente a camada de adesão consiste em CrN.

8. Substrato revestido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que uma segunda multicamada é depositada sobre o substrato entre a multicamada superior e o substrato, preferencialmente entre a multicamada superior e a camada de adesão, conforme definido na reivindicação 6, em que a segunda multicamada preferencialmente compreende CrN e TiAlN.

9. Substrato revestido, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a segunda multicamada compreende entre 5 e 130 conjuntos formados por uma camada que consiste em CrN e uma camada que consiste em TiAlN, em que preferencialmente a espessura da segunda camada está na faixa de 150 nm a 4 µm, preferencialmente entre 600 nm e 3 µm.

10. Substrato revestido, de acordo com a reivindicação 8 ou 7, caracterizado pelo fato de que a terceira camada é depositada no topo da segunda camada, em que a terceira camada compreende V, preferencialmente a terceira camada é um sistema de nanocamadas compreendendo pelo menos CrN, TiAlN e VN.

11. Substrato revestido, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a terceira multicamada compreende entre 4 e 80 conjuntos a fim de formar a terceira camada que compreende CrN, TiAlN e VN, em que preferencialmente a espessura da terceira camada está na faixa de 20 nm a 4 µm, preferencialmente entre 800 nm e 3 µm.

12. Substrato revestido, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que uma quarta camada é depositada no topo da terceira camada, em que a quarta camada é uma camada de transição de uma camada de nitreto para uma camada de carbonitreto, em que o nível de carbono aumenta e o nível de nitrogênio diminui através da espessura da quarta camada à medida que a distância entre a quarta camada e o substrato aumenta.

13. Substrato revestido, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a quarta camada é um composto de (CraTibAlcVd)(CxNy), em que x e y são preferencialmente ajustados como a seguir: 0≤x≤0,33 e

0,67≤y≤1, em que a razão do metal, em particular a soma do teor de Cr, Ti, Al e V, para não metal, em particular a soma do teor de C e N, é preferencialmente escolhida para ser 0,72≤/≤1,27, em que os teores de elementos metálicos individuais de Cr, Ti, Al, e V são preferencialmente ajustados como a seguir: 0,20≤a≤0,30, 0,05≤b≤0,15, 0,15≤c≤0,25 e 0,40≤d≤0,50 com a+b+c+d=1, preferencialmente 0,20≤a≤0,30, b=0,10, c=0,20 e 0,40≤d≤0,50 com a+b+c+d=1.

14. Substrato revestido, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a multicamada superior é um composto de carbonitreto com uma composição constante de (CraTibAlcVd)(CxNy) com 0,4≤x/y≤0,6 e 0,65≤/≤1,1, preferencialmente x/y=0,5, e /=0,72, em que os teores de elementos metálicos individuais de Cr, Ti, Al e V são preferencialmente escolhidos como a seguir: 0,20≤a≤0,30, 0,05≤b≤0,15, 0,15≤c≤0,25 e 0,40≤d≤0,50, preferencialmente, a=0,20, b=0,10, c=0,20 e d=0,50.

15. Método para revestir um substrato revestido conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14 caracterizado pelo fato de que um método de PVD, em particular, pulverização magnetrônica ou arco catódico, é usado para revestir o substrato revestido.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que as seguintes etapas são realizadas durante o revestimento: - o substrato é pré-nitretado, em particular na câmara de deposição, - quando a camada 1, 2 e/ou 3 opcional é produzida, gás nitrogênio puro está presente na câmara de deposição, em que uma polarização de substrato negativa de 60 V é usada, - quando a camada 4 opcional é produzida, gás acetileno é adicionalmente purgado na câmara de deposição, em que o fluxo de acetileno é gradualmente aumentado enquanto o nível de gás nitrogênio é mantido constante, em que uma polarização de substrato negativa é aumentada de 60 V para 100 V, - o fluxo de gás acetileno é mantido constante através da multicamada superior, de modo que uma camada de carbonitreto com composição constante seja formada como a multicamada superior, em que uma polarização de substrato negativa de 100 V é mantida constante.