BRPI0908918B1

BRPI0908918B1 - Corpo revestido de material de elevada resistência

Info

Publication number: BRPI0908918B1
Application number: BRPI0908918-7A
Authority: BR
Inventors: Hendrikus van den Berg; Volkmar Sottke; Hartmut Westphal
Original assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2024-01-16
Also published as: US8394513B2; RU2010141751A; WO2009112116A1; CN101970716A; KR20100126363A; JP5832748B2; EP2250299A1; ES2524310T3; CA2717188C; MX2010009889A; CN101970716B; KR101612752B1; CA2717188A1; DE102008013966A1; RU2501887C2; EP2250299B1; CN103484832A; CN103484832B; BRPI0908918A2; JP2011513594A

Abstract

corpo revestido de material de elevada resistência. a presente invenção refere-se a um corpo revestido de material de elevada resistência com várias camadas depositadas pelo processo de cvd, caracterizado pelo fato de que a camada exterior é feita de ti1-xaixn, de ti1-xaixc e/ou de ti1-xaixcn com 0,65 (menor igual)x (menor igual)0,9 e, de preferência, 0,7 (menor igual)x (menor igual)0,9, e pelo fato de que essa camada exterior se caracteriza por tensões de compressão entre 100 e 1.100 mpa e, de preferência, entre 400 e 800 mpa, e ainda pelo fato de que por baixo dessa camada exterior existe uma camada de ticn ou de al2o3.

Description

A presente invenção refere-se a um corpo revestido de material de elevada resistência com pelo menos uma camada de material de elevada resistência depositada pelo processo de CVD (deposição química a vapor).

As ferramentas de corte utilizadas para a usinagem com levantamento de aparas estão sujeitas a requisitos elevados relativamente a sua estabilidade estrutural e a sua estabilidade sob carga, de modo especial em se tratando da usinagem de materiais mais tenazes ou mais duros, como, por exemplo, aços temperados ou endurecidos, através de torneamento a velocidades de corte elevadas. O material da ferramenta de corte tem de ser particularmente resistente à abrasão, o que já levou a que, desde cedo, as superfícies de corpos de substrato de metais duros ou de cermet tenham sido cobertas com um revestimento, que, em uma primeira fase, era de carboneto, de nitreto ou de carbonitreto de titânio, tendo mais tarde também sido utilizadas camadas de óxido de alumínio como camadas de proteção contra o desgaste. São igualmente conhecidas camadas de proteção contra o desgaste com várias camadas feitas de diversos materiais de elevada resistência. Assim, e como camadas de proteção contra o desgaste, são já conhecidas, por exemplo, camadas de óxido de alumínio, depostas sobre uma ou mais camadas intermédias, como, por exemplo, camadas de carbonitreto de titânio ou de nitreto de titânio.

Da patente WO 03/085152 A2 é já conhecida a utilização de uma camada de Ti-AI-N, que pode ser produzida como camada monofásica com teores de alumínio de até 60% pelo processo de PVD. No entanto, se os teores de alumínio forem mais elevados, obtém-se uma mistura de nitre- tos cúbicos e hexagonais de titânio alumínio e, se as percentagens de alumínio forem ainda mais elevadas, se obtém a estrutura wurtzita hexagonal mais macia e que já não é resistente ao desgaste.

Também é sabido que, pelo processo de CVD assistido por plasma, podem ser produzidas camadas monofásicas de material de elevada resistência de Th.xAlx-N com x= 0,9. Nesse caso, porém, essas camadas apresentam a desvantagem de sua composição não ter uma homogeneidade suficiente e de terem um teor de cloro relativamente elevado.

Sempre que para a produção de camadas de material de elevada resistência de Th-xAIxN fossem utilizados os processos de PVD ou de CVD assistido por plasma, sua utilização estava limitada a temperaturas inferiores a 700°C. Isso apresenta a desvantagem de se tornar difícil revestir componentes com geometrias complicadas. O processo PVD é um processo direcionado, que, quando utilizado para o revestimento de geometrias complexas, produz revestimentos irregulares. O processo CVD assistido por plasma exige uma homogeneidade elevada do plasma, na medida em que a densidade de potência do plasma influencia diretamente a percentagem atômica de Ti/AI da camada. O processo de PVD utilizado na indústria não permite produzir camadas monofásicas de Tii.xAlx-N cúbico com uma percentagem elevada de alumínio. Por outro lado, também não é possível obter uma separação de TiAI com um processo de CVD convencional a temperaturas acima de 1.000°C, uma vez que a essas temperaturas tão elevadas o Ti^xAIxN metaestável se decompõe em nitreto de titânio e em nitreto hexagonal de alumínio. Por fim, o método descrito na Patente US 6.238.739 B1, que permite produzir camadas de Tii-XAIXN com x entre 0,1 e 0,6 a temperaturas entre 550°C e 650°C por meio de um processo CVD térmico não assistido por plasma, obriga a teores de alumínio mais reduzidos, com x<0,6. No processo descrito nessa patente a mistura de gás utilizada é cloreto de alumínio e de titânio, bem como NH3 e H2. Também no caso desse revestimento há que contar com teores de cloro elevados, de até uma percentagem atômica de 12 %. Para melhorar a resistência ao desgaste e a resistência à oxidação, a Patente WO 2007/003648 A1 propõe a produção de um corpo revestido com um material de elevada resistência com um sistema de uma ou mais camadas pelo processo de CVD, que contém, pelo menos, uma camada de material de elevada resistência de TivxAlxN, para o que o corpo é revestido em um reator, a temperaturas de 700°C a 900°C, pelo processo de CVD sem excitação do plasma, e para o que, como precursores, devem ser utilizados halogenetos de titânio, halogenetos de alumínio e compostos reativos de nitrogênio, misturados a temperaturas mais elevadas. O resultado é ou um corpo com uma camada monofásica de material de elevada resistência de Ti^xAIxN com NaCI com uma estrutura cúbica com um coeficiente de estequiometria x > 0,75 a x = 0,93, ou uma camada multifásica, cuja fase principal é de Tii.xAlxN com NaCI com uma estrutura cúbica com um coeficiente de estequiometria de x > 0,75 a x = 0,93 e cuja fase adicional tem uma estrutura wurtzita e/ou uma estrutura de TiNxNaCI. A percentagem atômica do teor de cloro está compreendida entre 0,05 e 0,9 %. Desse documento também já é sabido que a camada ou as camadas de material de elevada resistência de Ti^xAIxN podem conter um peso de componentes amorfos de até 30 % da camada. O valor da dureza das camadas obtidas se situa entre 2.500 HV e 3.800 HV.

A fim de melhorar a aderência de uma camada de material de elevada resistência de Tii.xAlxN perante uma maior resistência ao desgaste, a Patente DE 10 2007 000 512, ainda não divulgada, propõe além disso que o sistema de camadas depositado sobre um corpo de substrato seja constituído por uma camada de ligação de nitreto de titânio, carbonitreto de titânio ou carboneto de titânio, seguida de uma camada de gradiente de fase e, por fim, de uma camada exterior, constituída por uma camada de material de elevada resistência de Ti^xAIxN com uma ou mais fases. De seu lado voltado para a camada de ligação, a camada de gradiente de fases é constituída por uma mistura de fases de TiN/h-AIN e, à medida que a espessura da camada vai aumentando, apresenta uma percentagem de fase de fcc-TiAIN cada vez maior, com uma percentagem de mais de 50% e, consequentemente, uma diminuição simultânea da percentagem das fases de TiNede h-AIN.

Os revestimentos referidos acima apresentam a desvantagem de se caracterizarem por uma vida útil reduzida em caso de cortes interrompidos, como, por exemplo, a fresagem, o torneamento e a perfuração com interrupção do corte, de modo especial sempre que forem utilizados agentes de lubrificação e de refrigeração durante o corte.

Assim, essa invenção tem por objetivo a criação de um corpo revestido de um material de elevada resistência caracterizado por uma maior resistência térmica e por um menor ciclo de fadiga.

Esse objetivo é satisfeito através do corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com a reivindicação 1. Esse corpo se caracteriza pelo fato de que a camada exterior é feita de Ti1_xAlxN, de Th_ XAIXC e/ou de Tii.xAlxCN com 0,65 <x <0,9 e, de preferência, 0,7 <x <0,9, e pelo fato de que essa camada exterior se caracteriza por tensões de compressão entre 100 e 1.100 MPa e, de preferência, entre 400 e 800 MPa, e ainda pelo fato de que por baixo dessa camada exterior existe uma camada de TICN ou de AI2O3.

Uma camada de Ti^AIxN, de TiVxAlxC ou de Th-xAIxCN, depositada pelo processo de CVD, mostrou ser extremamente resistente à formação e ao alastramento de fissuras detectadas em outros revestimentos de acordo com o estado da técnica, já conhecidos e utilizados. Por comparação com o TiCN e 0 AI2O3, os metais duros, cermets ou cerâmicas utilizados como corpo base de substrato caracterizam-se por coeficientes de retificação menores, pelo que, durante o arrefecimento de temperaturas de revestimento de cerca de 900°C, no caso do TiCN, e de cerca de 1.000°C, no caso do AI2O3, ocorrem tensões de tração nessas camadas de material de resistência elevada que, em parte, se atenuam através da formação de estruturas com fissuras. O nitreto cúbico de titânio alumínio e o carbonitreto de titânio alumínio apresentam como sistema de cristais metaestável, após o arrefecimento das temperaturas de revestimento, tensões de compressão entre 100 e 1.100 MPa e, de preferência, entre 400 e 800 MPa, não formando qualquer estrutura com fissuras, o que, globalmente, faz com que essa combinação de camadas referidas na reivindicação 1 evidencie ser a mais resistente ao desgaste. Através da combinação das resistências elevadas ao desgaste já conhecidas do TICN, aliadas à capacidade de transmissão de calor reduzida e à resistência à oxidação elevada do AI2O3, com o revestimento de nitreto de titânio alumínio ou de carbonitreto de titânio alumínio, igualmente muito resistentes à abrasão e à oxidação, como camada exterior com tensões próprias de compressão, a aptidão para o corte é significativamente melhorada em aplicações que exigem ciclos de fadiga e ciclos térmicos elevados. Exemplos disso são a fresagem e o torneamento e perfuração com interrupções ou com seções de corte que registrem alterações, de modo especial sempre que forem utilizados agentes de lubrificação e de refrigeração.

As reivindicações dependentes descrevem aperfeiçoamentos desta invenção.

Assim, a camada de Tii.xAlxN, de Ti^xAIxC ou de Th.xAlxCN tanto pode ter uma só fase e apresentar uma estrutura cúbica, como pode ter várias fases e, além de apresentar uma fase principal cúbica, apresentar outra fase de estrutura wurtzita e/ou de TiN em estrutura de NaCI.

A camada de nitreto de titânio alumínio ou de carbonitreto de titânio alumínio referida pode conter um peso de componentes amorfos de até 30 % da camada. O ideal será a percentagem atômica do teor de cloro da camada de nitreto de titânio alumínio ou de carbonitreto de titânio alumínio estar compreendida entre 0,01 e 3 %.

Segundo outra forma de realização dessa invenção, a camada exterior também pode ser constituída por uma camada múltipla, feita de camadas individuais sempre de 1 nm a 5 nm de espessura, com a mesma composição ou com composições diferentes e, de preferência, com composições alternantes. As camadas individuais são camadas de carbonitreto de titânio alumínio e de nitreto de titânio alumínio, estando a espessura total dessas camadas, que formam a camada exterior, compreendida entre 1 μm e 5 μm.

Através da presença de uma atmosfera gasosa alternante durante o revestimento pode ser criado um gradiente em cada camada individual, que faz com que o teor de carbono aumente ou diminua, de dentro para fora, sempre de forma parcial. A espessura total de todas as camadas depositadas sobre o corpo de substrato de metal duro, de cermet ou de uma cerâmica deve estar compreendida entre 5 μm e 25 μm.

No âmbito dessa invenção, a camada de nitreto de titânio alumínio ou de carbonitreto de titânio alumínio pode conter um teor máximo de nitreto hexagonal de alumínio de 25%. 5 Para produção do corpo revestido de material de elevada resis tência de acordo com essa invenção é introduzido um corpo de metal duro ou de cermet, a temperaturas de revestimento de 700°C a 900°C, em uma atmosfera gasosa que, além dos gases de transporte, contém cloreto de titânio, metano e amoníaco, para a deposição de TiCN, ou cloreto de alumí- 10 nio e dióxido de carbono, para deposição de óxido de alumínio. Depois de concluída uma camada de ligação sobre um dos substratos referidos ou sobre uma camada base de TiCN, sobre a qual é depositada uma camada de AI2O3, é introduzido cloreto de alumínio, cloreto de titânio, amoníaco e eteno na atmosfera gasosa para deposição da última camada exterior. As 15 espessuras preferenciais das camadas estão compreendidas entre 2 e 5 μm. A espessura total de todas as camadas está compreendida entre 2 e 10 μm e, de preferência, entre 3 e 7 μm.

Claims

1. Corpo revestido de material de elevada resistência tendo uma pluralidade de camadas aplicadas por um processo de CVD, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada exterior compreende Tii- xAl x N, Tii- xAl xC e/ou Tii- xAl xCN onde 0,65 < x < 0,9, preferencialmente 0,7 < x < 0,9, e pelo fato de que a camada exterior contém AIN hexagonal em uma quantidade de até 25% e possui tensões de compressão entre 100 a 1.100 MPa, preferencialmente, entre 400 a 800 MPa, em que uma camada de TiCN ou Al2O3 é disposta por baixo da camada exterior.

2. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de TÍI-XAIXN, de TÍI-XAIXCOU ou de Tii-xAlxCN possui uma só fase e apresenta uma estrutura cúbica, como pode ter várias fases e, além de apresentar uma fase principal cúbica, apresentar outra fase de estrutura wurtzita e/ou de TiN.

3. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada exterior contém um peso de componentes amorfos de até 30 %.

4. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a percentagem atômica do teor de cloro está compreendida entre 0,01 e 3 %.

5. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada exterior compreende uma pluralidade de camadas, em que cada uma possui uma espessura de 1 a 5 nm e possui uma composição selecionada entre Ti1-xAIxN, Ti1-xAlxC e Ti1-x-AlxCN e em que a camada exterior tem uma espessura total de 1 μm a 5 μm.

6. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a espessura total de todas as camadas depositadas sobre um corpo de substrato feito de metal duro, de cermet ou de uma cerâmica está compreendida entre 5 μm e 25 μm.

7. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de Ti1-xAIxN, de Ti1- xAIxCou de Ti1-xAIxCN contém um teor máximo de nitreto hexagonal de alumínio de 25%.