BRPI0908924B1 - Corpo revestido de material de elevada resistência - Google Patents
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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 cvd em que sobre uma camada de ti1-xa1xn e/ou de ti1-xalxc e/ou de ti1-xalxcn foi depositada uma camada de al2o3 como camada externa.
Description
A presente invenção refere-se a um corpo revestido de material de elevada resistência com várias camadas de material de elevada resistência depositadas pelo processo CVD.
As ferramentas de corte utilizadas para a usinagem com levantamento de aparas estão sujeitas a requisitos elevados relativamente à sua estabilidade estrutural e à 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, eram 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, carbonitreto de titânio ou 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, já só 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, se podem produzir camadas monofásicas de material de elevada resistência de Tii-XAIX-N N monofásicos 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 Tii-XAIXN fossem utilizados os processos PVD ou CVD assistido por plasma, sua utilização estava limitada a temperaturas inferiores a 700°C. Isso apresenta a desvantagem de se tomar 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 na percentagem atômica de Ti/AI da camada. O processo PVD utilizado na indústria não permite produzir camadas monofásicas de Th-xAlx-N cúbico com uma percentagem elevada de alumínio. Por outro lado, também não é possível obter uma separação de TiAI com um processo CVD convencional em temperaturas acima de 1.000°C, uma vez que nessas temperaturas tão elevadas, o Tii-XAIXN meta- estável 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 Th-xAlxN com x entre 0,1 e 0,6 em 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 revestimen-to 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 CVD, que contém, pelo menos, uma camada de material de elevada resistência de Th-xAIxN, para o que o corpo é revestido em um reator, em temperaturas de 700°C a 900°C, pelo processo 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-i-xAlxN com NaCI com uma estrutura cúbica com um coeficiente de este- quiometria x > 0,75 a x = 0,93, ou uma camada multifásica, cuja fase principal é de
Th-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 HVe 3.800 HV.
A fim de melhorar a aderência de uma camada de material de elevada resistência de Th.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 externa, constituída por uma camada de material de elevada resistência de
Tii-xAlxN 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, conseqüentemente, uma diminuição simultânea da percentagem das fases de TiN e de h-AIN.
Além da resistência à abrasão e à oxidação de uma camada depositada sobre um corpo de um metal duro, de cermet ou de substrato, para essa ferramenta poder ser utilizada em usinagem com levantamento de aparas e, de modo especial, em caso de velocidades de corte elevadas, também a resistência térmica do revestimento se reveste de grande importância. Na zona da aresta de corte de um dispositivo de corte são geradas, durante do torneamento de peças de materiais duros, temperaturas que são claramente superiores a 1.000°C. A essas temperaturas, os coeficientes de expansão diferentes que ocorrem afetam consideravelmente os substratos entre as várias camadas. Isso dá azo à criação de tensões entre as várias camadas e sempre que, em virtude da transmissão do calor, a temperatura elevada é transportada desde a camada externa até ao corpo de substrato, em casos mais graves, dá também azo a um desprendimento do revestimento, o que faz com que o dispositivo de corte deixe de poder ser utilizado.
Assim, essa invenção tem por objetivo a criação de um corpo revestido de um material de elevada resistência cujo revestimento, mediante a seleção de camadas individuais, se caracterize por um melhor efeito isolador térmico relativamente ao transporte do calor.
Esse objetivo é satisfeito através de um corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com a reivindicação 1. O corpo revestido de material de elevada resistência tem várias camadas, em que sobre uma camada de Tii.xAlxN e/ou uma camada de TÍ!.XAIXC e/ou uma camada de Tii-XAIXCN com x = 0,65 a 0,95 é depositada uma camada de AI2O3 como camada externa.
A utilização de uma camada de Tii.xAlxN, de Tii-XAIXC ou de Tii_ XAIXCN em vez de a camada de TiCN, que, de acordo com 0 estado da técnica, é geralmente utilizada, apresenta a vantagem de essa capacidade de transmissão de calor à camada situada por baixo da camada de AI2O3 sofrer uma redução de cerca de 80%, pelo que a camada de Tii.xAlxN, de Tii.xAlxC ou de Tii.xAlxCN constitui um melhor isolamento térmico para o corpo do substrato. A camada externa de AI2O3 também é mais resistente à oxidação e, quando comparada com uma camada externa de TiCN, é cerca de 50% mais dura, do que resulta, por conseguinte, uma maior resistência ao desgaste.
Além disso, verificou-se, surpreendentemente, que uma camada intermédia de TÍ!.XAIXN, de Tii.xAlxC ou de
Tii-XAIXCN, quando comparada com uma camada intermédia de TiN ou de TiCN, não se caracteriza por qualquer sensibilidade à fissuração, de modo que a rede de fissuras típica que, de acordo com o estado da técnica, surge, com todas suas desvantagens, não se forma. É de modo especial em camadas interrompidas que a maior resistência à formação de fissuras melhora sua durabilidade.
A camada de Tii.xAlxCN, de Tii_xAlxC ou de Ti-|.XAIXN 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. O peso de componentes amorfos pode ser de até 30% da camada. A percentagem atômica do teor de cloro está compreendida entre 0,01 e 3%.
Segundo um aperfeiçoamento dessa invenção pode ser utilizada uma camada de TiN e/ou de TiCN como camada de ligação no corpo de substrato, feito de um metal duro, de um cermet ou de uma cerâmica, de modo que a seqüência de camadas, do interior para a externa, é ou TiN- TiAIC(N)-AI2O3 OU TiCN-TiAIC(N)-AI2O3.
Segundo essa invenção, entre a camada externa de AI2O3 e a camada de Tii.xAlxN, de Th..xAlxC ou de TH.XAIXCN também podem ser depositadas camadas de TiCN.
De preferência, a percentagem de alumínio, enquanto percentagem de metal deverá estar compreendida entre 70% e 90%. A espessura de camada de uma camada de Tii-XAIXN, de Ti-i-xAIxC ou de Ti-|.XAIXCN pode variar entre de 2 μm e 10 μm, e, de preferência, entre 3 μm e 7 μm. A camada anteriormente referida também pode conter uma percentagem de nitreto hexagonal de alumínio, que não pode ultrapassar os 25%.
De acordo com essa invenção, em vez de uma camada intermédia única também é possível depositar uma camada múltipla feita de uma ou mais camadas duplas ou triplas do tipo (TivxAlxN, Ti-|.XAIXC, Ti1.xAlxCN)n com n = número natural. Nesse caso, a camada alternada de TiAIN/TiAICN/TiAIC tem uma espessura total, resultante da soma das espessuras de cada camada individual, compreendida entre 1 nm e 5 nm. O ideal, porém, será a espessura total estar compreendida entre, pelo menos, 1 μm e 5 μm. A forma mais simples será ir depositando camadas individuais finas, com uma espessura de apenas alguns nm, de Tii.xAlxN, de Tii.xAlxCN ou de Th.xAlxC, umas a seguir às outras, até ser alcançada a espessura total pretendida, entre 1 μm e 5 μm. No entanto, também é possível optar por um sistema de camadas alternadas com a composição referida anteriormente, incluindo essas camadas, que tenha camadas com uma evolução do gradiente cuja percentagem de C aumente ou diminua para o lado de fora.
A camada de TiAIN, de TiAIC ou de TiAICN pode conter até 30% de componentes amorfos e teores de cloro com uma percentagem atômica de até 3%. Para sua produção, o corpo de substrato feito de um metal duro, de um cermet ou de uma cerâmica é revestido pelo processo de CVD, em temperaturas de revestimento entre 650°C e 900°C, sendo introduzidos na atmosfera gasosa cloretos de titânio e de alumínio, bem como amoníaco, para produção de uma camada de TiAIN. Depois da produção de uma primeira camada, com uma espessura entre 2 μm e 10 μm e, de preferência, entre 3 μm e 7 μm, é depositada de forma convencional, por meio do processo CVD, uma camada de AI2O3 com uma espessura mínima de 2 μm e uma espessura máxima de 10 μm.
Claims (5)
1. Corpo revestido de material de elevada resistência com diversas camadas depo-sitadas pelo processo CVD, CARACTERIZADO pelo fato de que sobre uma camada de Ti1- xAlxN e/ou uma camada de Ti1-xAlxC e/ou uma camada de Ti1-xAlxCN ser depositada uma camada de AI2O3 como uma camada externa, em que 0,65 < x < 0,95 e as camadas de Tii- xAlxN, Ti1-xAlxC ou Ti1-xAlxCN contem AlN hexagonal em uma quantidade menor ou igual a 25% e uma camada de TiN e/ou de TiCN sendo uma camada de ligação ao corpo de substrato que compreende metal duro, um cermet ou uma cerâmica.
2. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que entre a camada externa de Al2O3 e a camada de Ti1-xAlxN, a camada de Ti1-xAlxC ou a camada de Ti1-xAlxCN existe uma camada de TiCN.
3. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de Ti1-xAlxN, de Ti1- xAlxC ou de Ti1-xAlxCN tem 0,7 < x < 0,9.
4. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que por baixo da camada de Al2O3 existe uma camada múltipla constituída por uma ou mais camadas duplas ou triplas do grupo (Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxCN, Ti1-xAlxC)n.
5. Corpo revestido de material de elevada resistência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a espessura da camada de Tii-xAlxN, de Tii-xAlxC ou de Tii-xAlxCN está compreendida entre 1 μm a 5 μm e de que a espessura de eventuais outras camadas de ligação ou intermedias esta compreendida entre 1 μm a 5 μm.
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