BRPI0913221B1

BRPI0913221B1 - camada de revestimento rígido e método para formação da mesma

Info

Publication number: BRPI0913221B1
Authority: BR
Inventors: Yamamoto Kenji; Albir A Layyous
Original assignee: Iscar Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2019-12-03
Also published as: EP2295616A1; EP2295616B1; BRPI0913221A2; US20110086233A1; PL2295616T3; KR20110018417A; CN102057073A; JP2009293111A; IL209811A0; WO2009150887A1; IL209811A; KR101211256B1; DE112009001396T5; CN102057073B; JP4388582B2; EP2295616A4; PT2295616T; ES2730880T3; US8460803B2

Abstract

camada de revestimento rígido e método para formação da mesma é revelada uma camada de revestimento rígido cristalina sem rachaduras, que exibe ao mesmo tempo ambas alta rigidez e excelente resistência ao desgaste. também é revelado um método para formação da camada de revestimento rígido. uma camada de revestimento rígido cristalina (3) revestindo um substrato (2) é formada por um método pvd, e contém si e c como componentes essenciais, enquanto contém um elemento m (que constitui um ou mais elementos selecionados dentre os elementos do grupo 3a, elementos do grupo 4a, elementos do grupo 5a, elementos do grupo 6a, b, al e ru) e n como componentes opcionais. a camada de revestimento rígido cristalina (3) apresenta a composição que se segue: sixc1-x-yznymz (onde 0,4 = x = 0,6, 0 = y = 0,1 e 0 = z = 0,2).

Description

“CAMADA DE REVESTIMENTO RÍGIDO E MÉTODO PARA FORMAÇÃO DA MESMA” Campo Técnico [001] A presente invenção se refere a uma camada de revestimento rígido que é usada nas aplicações que requerem excelente resistência ao desgaste, tais como, ferramentas de corte e elementos deslizantes. A presente invenção também se refere a um método para formação de uma camada de revestimento rígido.

Antecedentes da Invenção [002] Uma vez que SiC (carboneto de silício) possui uma rigidez igual ou superior a 40 gPa e espera-se que seja aplicado às ferramentas de corte e semelhantes, ele possui uma excelente resistência à oxidação e ao desgaste na forma de cerâmicas de alta compressibilidade. Vide, por exemplo, Publicação de Pedido de Patente Japonês aberto ao público número 2007-90483 como Documento de Patente 1 e Knotek e outros “Amorphous SiC PVD Coatings”, Diamond and Related Materials, 2 (1993), páginas 528-530 como Documento Diferente de Patente 1). Nos parágrafos [0031], [0035] na primeira e segunda modalidades, etc. do Documento de Patente 1, os íons em grupos são excitados de um corpo sinterizado com SiC por emprego de um método de pulverização catódica de magnétron RF ou semelhante e os íons em grupo gerados são depositados em um substrato para formar uma camada de revestimento de SiC sobre uma superfície do substrato. No Documento diferente de Patente 1, uma camada de revestimento de SiC é formada por emprego de um método de galvanização com íon por pulverização catódica de magnétron.

Descrição da Invenção Problema Técnico [003] Contudo, uma vez que as camadas de revestimento de SiC reveladas no Documento de Patente 1 e Documento Diferente de Patente 1 são amorfas, as camadas de revestimento de SiC amorfas não possuem rigidez e resistência ao desgaste suficientemente altas. Embora o Documento Diferente de Patente 1 descreva que a camada de revestimento de SiC amorfa é cristalizada quando tratada com aquecimento em uma temperatura alta, o Documento de Patente 1 também descreve que a camada de revestimento SiC apresenta um problema onde rachaduras são geradas na camada de revestimento de SiC quando a camada de revestimento de SiC é cristalizada. Tal camada de revestimento de SiC que possui rachaduras não é apropriada para uso prático.

[004] A presente invenção foi realizada em vista desta situação e um objetivo da presente invenção é prover uma camada de revestimento rígido não apresentando rachaduras e possuindo ambas rigidez alta e resistência ao desgaste superior. Outro objetivo da presente invenção é prover um método para formação da camada de revestimento rígido.

Solução Técnica [005] Tendo analisado anteriormente os problemas revelados acima, os inventores verificaram que uma película de SiC cristalina pode ser formada sem causar rachaduras por controle das condições de formação do revestimento de um método PVD e assim completaram a presente invenção. É observado que, na presente invenção, “cristalina(o)” é entendida(o) como possuindo largura plena da metade máxima de um pico SiC igual ou inferior a 3° medida entre 34° e 36° do ângulo de difração quando a difração de raio x (XRD) é realizada usando um raio CuKa. Cristalinos(a) na presente invenção incluem não apenas os revestimentos substancialmente considerados como sendo o cristal de SiC, porém também os revestimentos formando uma estrutura de composto possuindo o cristal de SiC e o SiC amorfo.

[006] Isto é, a camada de revestimento rígido de acordo com a reivindicação 1 da presente invenção é uma camada de revestimento rígido que é formada por uso de um método PVD e reveste um substrato predeterminado. A camada de revestimento rígido possui uma composição de SixCi-x-y-zNyMz (onde 0,4 < x < 0,6, 0 < y < 0,1 e 0 < z < 0,2), onde Si e C são os componentes essenciais e um elemento M (pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 3A, elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A, elementos do grupo 6A, B, Al e Ru) e N são componentes opcionais e uma largura plena da metade máxima de um pico de SiC medida entre 34° e 36° do ângulo de difração sendo igual ou inferior a 3° quando a difração e raio x (XRD) é realizada por uso de um raio CuKa.

[007] Por uso de uma camada de revestimento de SiC cristalina como um revestimento rígido para revestimento do substrato, a rigidez da camada de revestimento rígido e resistência ao desgaste superior são muito melhoradas. Por dopagem de N em uma quantidade dentro da faixa acima especificada para a camada de revestimento rígida, apenas o módulo de Young da camada de revestimento rígida pode ser diminuído enquanto se mantém a rigidez da camada de revestimento rígido. Isto aumenta a quantidade de deformação elástica quando tensão externa é aplicada à camada de revestimento rígido, assim suprimindo a ocorrência de rachadura ou semelhante na camada de revestimento rígido. Uma vez que o elemento M se liga fortemente ao C e N, isto é, elementos não metálicos, rigidez da camada de revestimento rígido pode se melhorada por dopagem do elemento M na camada de revestimento rígido dentro de uma faixa específica.

[008] Na camada de revestimento rígido de acordo com a reivindicação 1, a camada de revestimento rígido de acordo com a reivindicação 2 da presente invenção é caracterizada pelo fato de que a estrutura cristalina de SixC1-x-y-zNyMz pertence a um sistema de cristal cúbico.

[009] Esta estrutura pode melhorar a rigidez da camada de revestimento rígido. A camada de revestimento rígido de acordo com a reivindicação 3 da presente invenção é formada por um método PVD. A camada de revestimento rígido de acordo com a reivindicação 3 possui uma estrutura onde pelo menos uma primeira camada de revestimento e pelo menos uma segunda camada de revestimento são colocadas em camadas alternadas. A primeira camada de revestimento é uma camada de revestimento rígida que é formada sobre a superfície do substrato predeterminado e reveste o substrato. A primeira camada de revestimento é fabricada de um nitreto, um carbonitreto ou um carboneto que contém pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A e elementos do grupo 6A como um componente essencial e contém pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 3A, Si, Al e B como um componente opcional. A segunda camada de revestimento possui uma composição de SixC1-x-y-zNyMz (onde 0,4 < x < 0,6, 0 < y < 0,1 e 0 < z < 0,2), onde Si e C são os componentes essenciais e onde os elementos M (pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 3A, elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A e elementos do grupo 6A, B, Al e Ru) e N são componentes opcionais. Uma largura plena da metade máxima de um pico de SiC medida entre ângulos de difração de 34° e 36° é igual a ou inferior a 3° quando a difração e raio x (XRD) é realizada por uso de um raio CuKa.

[010] Quando comparado à segunda camada de revestimento rígido, o composto químico constituindo as primeiras camadas de revestimento possui adesividade superior ao substrato. Assim, com a configuração acima, a adesividade entre o substrato e a camada de revestimento rígido é melhorada. Adicionalmente, quando a presente invenção é aplicada às ferramentas de corte, a deformação do substrato por força externa é reduzida uma vez que a primeira camada de revestimento possui uma rigidez maior que aquela das ligas rígidas ou aço para ferramenta de alta velocidade usado para ferramentas de corte. Como resultado, é possível prevenir a rachadura ou descascamento de toda a camada de revestimento rígido e assim excelente durabilidade pode ser obtida. A rigidez de toda a camada de revestimento rígido é muito melhorada, em razão da estrutura interfacial ser introduzida dentro da camada de revestimento rígido quando a camada de revestimento rígido é construída de modo a possuir uma estrutura de múltiplas camadas possuindo duas ou mais camadas da primeira película e da segunda película.

[011] Na presente invenção, a invenção de acordo com a reivindicação 4 e reivindicação 5 se refere a um método para formação de uma camada de revestimento rígido de acordo com a reivindicação 1 e reivindicação 2, e simultaneamente, a invenção de acordo com a reivindicação 4 e reivindicação 5 se refere a um método para formação de uma segunda camada de revestimento compondo a camada de revestimento rígido da reivindicação 3.

[012] Isto é, um método de acordo com a reivindicação 4 da presente invenção se refere ao método de formação de uma camada de revestimento rígido sobre uma superfície de um substrato, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento rígido possui uma composição de SixC1-x-y-zNyMz (onde 0,4 < x < 0,6, 0 < y < 0,1 e 0 < z < 0,2) sobre a superfície do substrato predeterminado, onde M é pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 3A, elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A, elementos do grupo 6A, B, Al, e Ru; e uma largura plena da metade máxima de um pico de SiC medida entre 34° e 36° de ângulo de difração é igual ou menor que 3° quando a difração de raio x (XRD) é realizada usando um raio CuKa, e onde a camada de revestimento rígido é formada sobre a superfície do substrato por emprego de um método PVD onde o substrato é mantido a uma temperatura predeterminada entre 400°C e 800°C e uma tensão de polarização predeterminada de -30 a -300 V sendo aplicada ao substrato.

[013] Este método permite que a camada de revestimento rígido cristalino possuindo alta rigidez seja formada sem causar rachaduras uma vez que a película é formada por emprego do método PVD, mantendo o substrato na temperatura predeterminada e aplicando a tensão de polarização predeterminada.

[014] A invenção de acordo com a reivindicação 5 da presente invenção emprega um método de pulverização catódica de magnétron, e pode obter um efeito significativo de formação de uma camada de revestimento rígido cristalino possuindo alta rigidez e alguma rachadura.

[015] A invenção de acordo com a reivindicação 6 da presente invenção se refere a um método de formação de primeira camada de revestimento compondo a camada de revestimento rígido da reivindicação 3 da presente invenção. Isto é, o método de acordo com a reivindicação 6 da presente invenção para formação de uma camada de revestimento rígido é caracterizado pelo fato de que uma camada de revestimento rígido adicional é formada sendo constituída de um nitreto, um carbonitreto, ou um carboneto contendo pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5â e elementos do grupo 6A como um componente essencial e pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 3A, Si, Al e B como um componente opcional. No presente documento, a “camada de revestimento rígido adicional” corresponde à primeira camada de revestimento.

[016] Este método permite a formação da camada de revestimento rígido adicional (primeira camada de revestimento) possuindo uma excelente adesividade ao substrato.

[017] A invenção de acordo com a reivindicação 7 da presente invenção é caracterizada pelo fato de que, no método de acordo com a reivindicação 6 para formação de uma camada de revestimento rígido, uma operação para formação da camada de revestimento rígido adicional e uma operação para formação de uma camada de revestimento rígido são repetidas altemativamente várias vezes.

[018] Este método permite a formação da camada de revestimento rígido possuindo a rigidez mais alta, uma vez que muito mais estruturas interfaciais são introduzidas no interior da camada de revestimento rígido.

Efeitos da Invenção [019] De acordo com a reivindicação 1 e reivindicação 2, uma vez que a camada de revestimento de SiC possuindo alta rigidez e não apresentando rachaduras é formada sobre o substrato, pode ser obtida excelente resistência ao desgaste. De acordo com a reivindicação 3 uma camada de revestimento rígido possuindo excelente adesividade pode se obtida, uma vez que a primeira camada de revestimento é formada sobre a superfície do substrato e uma vez que a película de SiC como a segunda camada de revestimento possuindo alta rigidez é formada sobre a primeira camada de revestimento. Adicionalmente, a rigidez de toda a camada de revestimento rígido pode ser adicionalmente aperfeiçoada quando se obtém a estrutura na qual pelo menos as duas primeiras camadas de revestimento e pelo menos as duas segundas camadas de revestimento são colocadas em camadas.

[020] Por emprego de cada método de acordo com a reivindicação 4 e reivindicação 5, para formação de uma camada de revestimento rígido, a camada de revestimento rígido cristalino possuindo uma alta rigidez e excelente resistência ao desgaste pode ser formada sem causar rachaduras. Por emprego do método de acordo com a reivindicação 6 para formação de uma camada de revestimento rígido, a camada de revestimento rígido pode ser formada possuindo excelente adesividade ao substrato, uma vez que é formada a camada de revestimento rígido adicional, isto é, a primeira camada de revestimento. Por emprego do método de acordo com a reivindicação 7 para formação de uma camada de revestimento rígido, a camada de revestimento rígido pode ser formada possuindo uma alta rigidez em razão da estrutura de múltiplas camadas possuindo várias camadas de revestimento rígido e as camadas de revestimento rígido adicionais.

Breve Descrição dos Desenhos [021] A figura 1A é uma vista esquemática, em seção transversal, de um elemento possuindo uma camada de revestimento rígido de acordo com a primeira modalidade da presente invenção;

[022] A figura 1B é uma vista esquemática, em seção transversal, de um elemento possuindo uma camada de revestimento rígido de acordo com a segunda modalidade da presente invenção; e [023] A figura 1C é uma vista esquemática, em seção transversal, de um elemento possuindo uma camada de revestimento rígido de acordo com a terceira modalidade da presente invenção.

[024] A figura 2 é um diagrama esquemático de um aparelho de revestimento rígido em múltiplas camadas da invenção; e [025] A figura 3 é um gráfico XRD de uma amostra na qual um revestimento de TiAIN e um revestimento de SiC de cristal cúbico são formados sobre a superfície de um substrato composto de carboneto fortificado.

Explicação dos Números de Referência 1A, 1B, 1C elemento 2 substrato 3 camada de revestimento rígido (estrutura de camada simples) 4 primeira camada de revestimento 5 segunda camada de revestimento 6 camada de revestimento rígido (estrutura de camada dupla) 7 camada de revestimento rígido (estrutura de múltiplas camadas) 10 câmara 12 mecanismo de fornecimento de gás 14 estágio 16 aquecedor 18 fonte de vapor de pulverização catódica 22 fonte de vapor de arco voltaico 24 fornecimento de energia de polarização 26 fornecimento de energia de pulverização catódica 28 fornecimento de energia de arco voltaico 100 aparelho de formação de camada de revestimento complexa Melhor Modo de Realizar a Invenção Primeira Modalidade [026] A figura 1A é uma vista em seção esquemática de um elemento 1A possuindo uma camada de revestimento rígido de acordo com a primeira modalidade da presente invenção. O elemento 1A possui uma estrutura na qual a superfície de um substrato 2 é revestida por uma camada de revestimento rígido 3.

[027] Um material metálico, tal como, liga à base de ferro e carboneto fortificado, cerâmica e metal e cerâmicas são apropriadamente usados como o substrato 2. Especificamente, o carboneto fortificado pode ser preferivelmente usado como o substrato 2 quando o elemento 1A for empregado como uma ferramenta de corte.

[028] A camada de revestimento rígido 3 possui uma estrutura de camada simples. A camada de revestimento rígido 3 possui uma composição de SixC1-x-y-zNyMz (onde 0,4 < x < 0,6, 0 < y < 0,1 e 0 < z < 0,2) apresentando Si (silício) e C (carbono) como componentes essenciais e N (nitrogênio) e um elemento M como componentes opcionais. O elemento M é pelo menos um elemento selecionado dos elementos do grupo 3A, elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A e elementos do grupo 6A, B, Al, e Ru na Tabela Periódica.

[029] A camada de revestimento rígido 3 é cristalina. É observado que “cristalina” é entendida como possuindo uma largura plena da metade máxima (FWHM) de um pico de SiC igual ou menor a 3° medida entre (2θ) 34° e 36° do ângulo de difração, quando a difração de raio x (XRD) é medida por emprego de um raio CuKa. “Cristalina” inclui não apenas aquelas substancialmente consideradas como sendo o cristal de SiC, porém também uma organização complexa na qual o cristal de SiC e o SiC amorfo coexistem. Para sermos mais específicos, o pico medido entre 34° e 36° corresponde a um pico para uma face [111] de um cristal cúbico de SiC. A camada de revestimento rígido 3 fabricada de SixC1-x-y-zNyMz mostra alta rigidez se a estrutura de cristal de SixC1-x-y-zNyMz pertencer ao sistema de cristal cúbico.

[030] De modo a tornar cristalina a camada de revestimento rígido 3, a razão atômica x de Si é ajustada entre 0,4 e 0,6. N é adicionado a uma camada de revestimento rígido 3 se for necessário. N é solubilizado sólido em SixC1-x e ocupa um sítio de C. É possível reduzir apenas módulo de Young enquanto mantendo a rigidez da camada de revestimento rígido 3 por ajuste da razão atômica y de N a 0 < y < 0,1 e por fabricar a composição da camada de revestimento rígido 3 como SixC1-x-yNy. Se o módulo de Young da camada de revestimento rígido 3 diminuir, a rachadura é evitada em uma camada de revestimento rígido 3, uma vez que uma deformação elástica da camada de revestimento rígido 3 aumenta quando uma tensão externa é aplicada a mesma. A rigidez da camada de revestimento rígido 3 diminui uma vez que a camada de revestimento rígido 3 se torna amorfa se a razão atômica y de N exceder a 0,1. Portanto, a razão atômica y é ajustada igual ou inferior a 0,1 quando N for adicionado à camada de revestimento rígido 3. Mais preferivelmente, a razão atômica y de N é ajustada para ser igual ou inferior a 0,05.

[031] O elemento M se liga firmemente aos elementos não metal C e N. A rigidez da camada de revestimento rígido 3 pode ser aperfeiçoada por fabricação da composição da camada de revestimento rígido 3 SixC1-x-yMz, onde a razão atômica z do elemento M é ajustada dentro de 0 < z < 0,2. A rigidez da camada de revestimento rígido 3 diminui se a razão atômica z do elemento M exceder 0,2.

Portanto, a razão atômica z é ajustada igual ou inferior a 0,2 se o elemento M for adicionado à camada de revestimento rígido 3. Mais preferivelmente, a razão atômica z do elemento M é ajustada igual ou inferior a 0,05. Preferivelmente, os elementos M são B, Cr, V e Ti. Entre estes elementos o B é o mais preferível.

[032] Dois efeitos, isto é, um efeito de N adicionado à camada de revestimento rígido 3 e um efeito do elemento M adicionado à camada de revestimento rígido 3, podem ser obtidos por doping ambos o N e o elemento M no SixC1-x para ajustar a composição da camada de revestimento rígido 3 como SixC1-x-y-zNyMz.

[033] É preferível que, em SixC1-x-y-zNyMz, a quantidade total (y + z) da razão atômica y de N e a razão atômica z do elemento M sejam ajustadas para igual ou inferior a 0,1 a fim de manter a camada de revestimento rígido 3 da estrutura de cristal cúbico.

[034] A espessura da camada de revestimento rígido 3 é determinada apropriadamente de acordo com a aplicação pretendida do elemento 1A. Por exemplo, se o elemento 1A for aplicado a uma ferramenta de corte tal como uma peça de inserção, uma perfuração e uma fresa de topo é preferível que a espessura da camada de revestimento rígido 3 seja igual ou superior a 0,5 pm. Se o elemento 1A for usado como um gabarito e uma ferramenta para uma matriz de fundição e um instrumento de punção, é preferível que a espessura da camada de revestimento rígido 3 seja igual ou superior a 1 pm. É preferível que a espessura da camada de revestimento rígido 3 seja igual ou inferior a 5 pm do ponto de vista de aperfeiçoamento da produtividade em um processo de revestimento explicado como se segue.

[035] A camada de revestimento rígido 3 é formada por emprego de um método PVD empregando um componente da composição de uma camada de revestimento rígido 3 pretendida. No método PVD, um alvo composto de um componente predeterminado é sempre utilizado. O alvo usado no presente documento, não inclui necessariamente todos os componentes a serem incluídos na composição da camada de revestimento rígido 3 pretendida. Alguns componentes podem ser gás fornecido a uma atmosfera de processamento. “Uso de um componente da composição de uma camada de revestimento rígido 3 pretendida” significa que o componente da composição da camada de revestimento rígido 3 está incluindo no alvo de pulverização catódica ou no gás.

[036] O método PVD descrito acima pode ser um método de galvanização com arco voltaico de íon usando um alvo de SiC ou um método que funde e evapora Si por uso de um feixe de elétrons em uma atmosfera hidrocarbônica. Um método de pulverização catódica de magnétrons pode ser usado para promover a cristalização da camada de revestimento rígido 3 por radiação com íon. Para aquela finalidade, um método de pulverização catódica de magnétrons desequilibrado é especificamente preferível. No método de pulverização catódica de magnétrons desequilibrado, a radiação do íon para o substrato 2 é melhorada por rompimento intencional do equilíbrio dos magnetos dispostos no lado posterior do alvo de pulverização catódica. O método para formação da camada de revestimento da presente invenção será explicado abaixo por exemplificação do método de pulverização catódica de magnétron.

[037] No método de pulverização catódica de magnétron para formação de uma camada de revestimento rígido 3 é empregada um alvo de pulverização catódica contendo pelo menos Si que é o componente essencial da composição da camada de revestimento rígido 3, isto é, SixC1-x-y-zNyMz. Outro alvo de pulverização catódica ou gás é usado como uma fonte de outros componentes não contidos no pulverização catódica alvo que contém pelo menos Si. Se o alvo de pulverização catódica contendo pelo menos Si contiver um ou ambos de C e N, gás contendo C e gás contendo N podem ser usados em conjunto. A estrutura geral do aparelho de pulverização catódica de magnétron que pode ser usado apropriadamente quando da formação da camada de revestimento rígido 3 será explicada em detalhes nas modalidades descritas a seguir.

[038] Será explicado um exemplo específico para formação da camada de revestimento rígido cristalino 3 possuindo uma composição de SixC1-x (onde 0,4 < x < 0,6) sobre a superfície do substrato 2. Primeiro, a temperatura do substrato 2 é mantida em uma faixa predeterminada de 400°C a 800°C sob uma atmosfera descomprimida predeterminada e o estado do substrato ao qual a tensão de polarização predeterminada em uma faixa de -30 V a -300 V é aplicada é mantido. Neste estado, a camada de revestimento rígido 3 é formada sobre a superfície do substrato 2 por emprego do método de pulverização catódica de magnétron com um alvo de pulverização catódica que é um corpo sinterizado possuindo a composição de SixC1-x.

[039] Uma camada de revestimento de SixC1-x amorfa provavelmente será formada se a temperatura do substrato 2 estiver abaixo de 400°C quando da formação da camada de revestimento rígido 3. Por outro lado, se a temperatura do substrato 2 exceder 800°C, a possibilidade de causar deterioração térmica no substrato 2 aumenta. Portanto, a temperatura do substrato 2 é mantida a uma faixa predeterminada de 400°C a 800°C.

[040] A fim de acelerar a cristalização da camada de revestimento rígido 3, é preferível ajustar a temperatura do substrato 2 para igual ou superior a 500°C. Do ponto de vista de prevenção de deterioração térmica do substrato 2 é preferível manter a temperatura do substrato 2 igual ou inferior a 700°C.

[041] Os íons gerados pelo método de pulverização catódica de magnétron não podem ser completamente acelerados e não podem se chocar contra o substrato 2 se um valor absoluto da tensão de polarização aplicada ao substrato for inferior a 30 V. Neste caso, uma camada de revestimento de SixC1-x amorfa será formada. Por outro lado, se a tensão de polarização possuindo um valor absoluto excedendo 300 V for aplicada ao substrato 2, a camada de revestimento de SixC1-x a ser formada se torna amorfa e é amolecida em razão do impacto dos íons durante o processo de formação de camada de revestimento rígido ser muito forte. Além disto, existe um problema de que a taxa de formação de camada de formação da camada de revestimento rígido diminui em razão da temperatura do substrato 2 se elevar e um efeito de cauterização dos íons aumenta.

[042] Não é necessário utilizar o corpo sinterizado possuindo a composição de SixC1-x como o alvo de pulverização catódica quando da formação da camada de revestimento rígido 3 com a composição de SixC1-x. Por exemplo, é possível realizar o método de pulverização catódica de magnétron por emprego de um alvo de pulverização catódica que é um alvo sinterizado fabricado apenas de Si, e fornecimento do gás contendo carbono (por exemplo, acetileno (C2H2) e metano (CH4) etc.) como uma fonte de C na atmosfera de processo da pulverização catódica.

[043] Mesmo se o alvo de pulverização catódica incluir todos os componentes, um gás incluindo componentes específicos pode ser fornecido à atmosfera do processo de pulverização catódica para conduzir o método de pulverização catódica de magnétron. Neste caso, é possível formar a camada de revestimento rígido 3 possuindo uma composição diferente da composição do alvo de pulverização catódica. Por exemplo, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego de um alvo de pulverização catódica que é um alvo sinterizado com uma composição de SiC (onde x = 0,5 em SixC1-x) e fornecimento de um gás contendo carbono à atmosfera de pulverização catódica como a fonte de C. Deste modo, pode ser formada a camada de revestimento rígido 3 com uma composição de SixC1-x (0,4 < x < 0,5).

[044] A fim de obter a camada de revestimento rígido 3 possuindo uma composição de SixCi-x-y-zNy (0 < y < 0,1) por adição de N, por exemplo, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego de um corpo sinterizado de SixC1-x-y-zNy como um alvo de pulverização catódica. Alternativamente, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego de um corpo sinterizado de SiC como um alvo de pulverização catódica e fornecimento de gás N2 como uma fonte de N à atmosfera de processamento. Adicional e altemativamente, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego de um alvo de pulverização catódica composto de Si e por fornecimento do gás contendo carbono como a fonte de C e o gás N2 como a fonte de N.

[045] A fim de formar a camada de revestimento rígido 3 possuindo uma composição de SixC1-x-zMz (0 < z < 0,2) por adição do elemento M, por exemplo, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego de um alvo de pulverização catódica de corpo sinterizado de SixC1-x-zMz. Alternativamente, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego do alvo de pulverização catódica do corpo sinterizado de SixC1-x e o alvo de pulverização catódica fabricado do elemento M simultaneamente. Adicional e altemativamente, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego do alvo de pulverização catódica fabricado de Si e o alvo de pulverização catódica fabricado do elemento M, e fornecendo o gás contendo carbono como a fonte de C à atmosfera de processamento.

[046] A fim de formar a camada de revestimento rígido de cristal 3 possuindo a composição de SixC1-x-y-zNyMz (onde 0 <y < 0,1 e 0 < z < 0,2) por adição de N e do elemento M, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por fornecimento de gás N2 como a fonte de N à atmosfera de processamento no método mencionado anteriormente para formação da película composta de SixC1-x-zMz (0 < z < 0,2). Altemativamente, o método de pulverização catódica de magnétron pode ser realizado por emprego de um corpo sinterizado de SixCi-x-y-zNyMz como um alvo de pulverização catódica.

Segunda Modalidade [047] A figura 1B é uma vista esquemática, em seção transversal, do elemento iB possuindo uma camada de revestimento rígido de acordo com a segunda modalidade da invenção. O elemento 1B possui uma estrutura na qual a superfície do substrato 2 é revestida com uma camada de revestimento rígido 6. A camada de revestimento rígido 6 possui uma estrutura de camada dupla apresentando uma primeira camada de revestimento 4 formada sobre a superfície do substrato 2 e uma segunda camada de revestimento 5 provida sobre a primeira camada de revestimento 4.

[048] O substrato 2 incluído no elemento 1B é o mesmo que o substrato 2 incluído no elemento 1A (mostrado na figura 1A). A segunda camada de revestimento 5 incluída na camada de revestimento rígido 6 é substancialmente a mesma que a camada de revestimento rígido 3 incluída no elemento 1A (mostrado na figura 1A). Isto é, o elemento 1B pode ser considerado como possuindo uma estrutura na qual uma camada que corresponde à primeira camada de revestimento 4 é interposta entre o substrato 2 incluído no elemento 1A e a camada de revestimento rígido 3. Uma explicação detalhada do substrato 2 e da segunda camada de revestimento 5 será omitida a seguir no presente documento [049] A primeira camada de revestimento 4 é composta de nitreto, carbonitreto ou carboneto, que contém, pelo menos, um dos elementos selecionados entre os elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A, elementos do grupo 6A como componentes essenciais e contém, pelo menos, um dos elementos selecionados entre os elementos do grupo 3A, Si, Al, e B como componentes opcionais. A primeira camada de revestimento 4 descrita acima possui uma adesividade excelente ao substrato 2 em relação à segunda camada de revestimento 5. A segunda camada de revestimento 5 possui uma melhor adesividade à primeira camada de revestimento 4 em relação ao substrato 2. Consequentemente, a camada de revestimento rígido 6 mostra excelente adesividade ao substrato 2 uma vez que a primeira camada de revestimento 4 é provida sobre a superfície do substrato 2. Isto é, o elemento 1B pode ser dito como sendo o elemento cuja adesividade é aperfeiçoada entre o substrato 2 e a camada de revestimento rígido 3 no elemento 1A mencionado anteriormente. Ferramentas de corte, gabaritos e ferramentas, elementos de fricção exibem uma excelente durabilidade quando a configuração do elemento 1B é aplicada aos mesmos.

[050] É preferível que a primeira camada de revestimento 4 seja de nitreto possuindo pelo menos um de Ti e Cr como componente essencial e possuindo pelo menos um dos elementos selecionados entre Y, Al e Si como componentes opcionais. Para sermos mais específicos, é preferível que a primeira camada de revestimento 4 seja constituída de um dentre TiN, CrN, TiC, TiAlN, CrAlN, TiCrAlN, TiCrAlSiN, TiAlSiN e TiCrAlSiYN. Entre estes nitretos, CrN, TiAlN, CrAlN, TiCrAlN, TiCrAlSiN, TiAlSiN e TiCrAlSiYN, cada um dos quais contendo Cr ou Al, são apropriados para aplicação às ferramentas de corte. Isto se deve ao fato de que se a primeira camada de revestimento 4 for formada de um composto de Ti e componentes opcionais e se a primeira camada de revestimento não incluir Al, a resistência à oxidação da primeira camada de revestimento 4 diminui e ocorre a degradação por oxidação, assim diminuindo a capacidade de corte de uma ferramenta de corte que utiliza a primeira camada de revestimento 4.

[051] Se a primeira camada de revestimento 4 for muito fina, o efeito de adesividade aperfeiçoada ao substrato 2 pode substancialmente não ser obtido. Portanto, é preferível que a espessura da primeira camada de revestimento 4 seja igual ou superior a 5 nm. Conforme mostrado no elemento 1B na figura 1B, se apenas uma camada da primeira camada de revestimento 4 for formada sobre a superfície do substrato 2 e se apenas uma camada da segunda camada de revestimento 5 for formada sobre a primeira camada de revestimento 4, será preferível que a espessura da primeira camada de revestimento 4 seja igual ou superior a 1 pm e é mais preferível que a espessura da primeira camada de revestimento 4 seja igual ou superior a 2 pm. Contudo, se a espessura da primeira camada de revestimento 4 exceder 7 pm, a primeira camada de revestimento 4 provavelmente descascará devido ao estresse da primeira camada de revestimento 4. Portanto, é preferível que a espessura da primeira camada de revestimento 4 seja igual ou inferior a 7 pm. A espessura da segunda camada de revestimento 5 é a mesma que a espessura da camada de revestimento rígido 3 formada no elemento 1A descrito acima.

[052] Um método de galvanização com arco voltaico de íon usando um alvo possuindo a composição da primeira camada de revestimento 4 é apropriado para formação da primeira camada de revestimento 4 sobre a superfície do substrato 2. A segunda camada de revestimento 5, que é uma camada de revestimento de SixC1-x-y-zNyMz é formada sobre a primeira camada de revestimento 4 por emprego do método de pulverização catódica de magnétron. Neste caso é preferível usar um aparelho de formação de camada de revestimento que pode realizar seletivamente o método de pulverização catódica de magnétron ou um método de galvanização com arco voltaico de íon para o substrato 2 montado em sua câmara. A taxa de deposição pode ser aumentada por emprego de tal aparelho de formação de camada de revestimento, uma vez que a segunda camada de revestimento 5 pode ser formada sem mover o substrato 2 após formação da primeira camada 4. É observado que um método CVD pode ser também usado para formar a primeira camada de revestimento 4.

Terceira Modalidade [053] A figura 1C é uma vista esquemática, em seção transversal, de um elemento possuindo uma camada de revestimento rígido de acordo com a terceira modalidade da presente invenção. O elemento 1C possui uma estrutura na qual a superfície do substrato 2 é revestida por uma camada de revestimento rígido 7. A camada de revestimento rígido 7 possui uma estrutura de múltiplas camadas onde a primeira camada de revestimento 4 e a segunda camada de revestimento 5 são alternativamente laminadas. A primeira camada de revestimento 4 e a segunda camada de revestimento 5 incluídas na camada de revestimento rígido 7 são substancialmente as mesmas que a primeira camada de revestimento 4 e a segunda camada de revestimento 5 respectivamente, as quais estão incluídas na camada de revestimento rígido 6 formada no elemento 1B descrito acima. A primeira camada de revestimento 4 possuindo excelente adesividade sobre o substrato 2 é formada sobre a superfície do substrato 2. Uma vez que a composição e qualquer estrutura de cristal da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 e materiais, etc. para produção dos mesmos foram descritos acima, assim doravante no presente documento os mesmos serão omitidos.

[054] A “estrutura de múltiplas camadas” é uma estrutura na qual o número total de camadas da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 é igual ou superior a três. Em razão disto é preferível formar a segunda camada de revestimento 5 possuindo uma excelente resistência ao desgaste como uma camada de superfície superior quando o elemento 1C é aplicado às ferramentas de corte sendo preferível que o número total de camadas da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 na camada de revestimento rígido 7 seja um número mesmo igual ou superior a 4. Uma vez que a camada de revestimento rígido 7 possui uma estrutura na qual muitas estruturas interfaciais são introduzidas, a rigidez da camada de revestimento rígido 7 é melhorada e a resistência ao desgaste é aperfeiçoada. Portanto, as ferramentas de corte ou semelhantes apresentando o elemento 1C possuem excelente durabilidade.

[055] É preferível que a espessura individual da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 seja suficientemente menor que a espessura completa da camada de revestimento rígido 7. A rigidez da camada de revestimento rígido 7 pode ser melhorada por formação de muitas estruturas interfaciais dentro da camada de revestimento rígido 7. É preferível que ambas as espessuras da primeira camada de revestimento 4 e da espessura da segunda camada de revestimento 5 estejam dentro da faixa de 5 nm a 500 nm, e mais preferivelmente dentro da faixa de 10 nm a 30 nm. A espessura da primeira camada de revestimento 4 não precisa ser a mesma que aquela da segunda camada de revestimento 5. Se várias primeiras camadas de revestimento 4 forem formadas, a espessura de cada primeira camada de revestimento não precisa ser a mesma. Também, se várias segundas camadas de revestimento 5 forem formadas, a espessura de cada segunda camada de revestimento 5 não será a mesma. A composição de cada uma das várias primeiras camadas de película 4 não precisa ser a mesma. A composição de cada uma das várias segundas camadas de revestimento 5 também não precisa ser a mesma. É preferível que a composição, a espessura e o número de laminações da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 sejam estabelecidos apropriadamente, de modo a reduzir um estresse interno dentro da camada de revestimento rígido 7 causado em razão da estrutura de várias camadas.

[056] Conforme explicado anteriormente, é preferível que a primeira camada de revestimento 4 seja formada emprego do método de galvanização com arco voltaico de íon e a segunda camada de revestimento 5 seja formada por emprego do método de pulverização catódica de magnétron. A camada de revestimento rígido 7 é obtida por formação da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 por um número de vezes predeterminado.

EXEMPLOS

[057] Os exemplos da invenção serão explicados a seguir. É observado que a invenção não está limitada aos exemplos que se seguem. Nos exemplos que se seguem as amostras possuindo as estruturas dos elementos 1B e 1C são fabricadas e avaliadas.

Formação de uma camada de revestimento rígido sobre a superfície de um substrato Linhas gerais do aparelho de formação da camada de revestimento [058] A figura 2 é um diagrama esquemático de um aparelho de formação de camada de revestimento complexa 100 usado para formar a primeira camada de revestimento 4 e a segunda camada de revestimento 5 sobre o substrato. O aparelho de formação de camada de revestimento complexa 100 inclui uma câmara 10, uma bomba a vácuo (não mostrada nos desenhos), um mecanismo de fornecimento de gás 12, um estágio 14, um aquecedor 16, uma fonte de vapor de pulverização catódica de magnétron desequilibrada (produzida por Kobe Steel, Ltd., número do modelo: UBMS202) 18 (doravante referida como fonte de vapor de pulverização catódica 18), um tipo de descarga de cátodo de fonte de evaporação 22 de galvanização com um arco voltaico de íon (doravante referida como uma fonte de evaporação de arco voltaico 22), um fornecimento de tensão de polarização 24, um fornecimento de energia de pulverização catódica 26 e fornecimento de energia de arco voltaico 28.

[059] Ar, N2, CH4 etc. são providos do mecanismo de fornecimento de gás 12 para o interior da câmara 10 dependendo do processo de formação de camada de revestimento a ser realizado. É observado que MFC 1 a MFC4 mostrados na figura 2 são controladores de fluxo de massa. O interior da câmara 10 recebe vácuo e é ajustado a um nível de vácuo de grau necessário pela bomba de vácuo não mostrada nos desenhos. Os substratos 2, nos quais a primeira camada de revestimento 4 e a segunda camada de revestimento 5 são formadas são montados no estágio 14. O substrato 2 montado no estágio 14 é aquecido pelo aquecedor 16. Um alvo de pulverização catódica para formação da segunda camada de revestimento 5 é anexado à fonte de vapor de pulverização catódica 18. Por exemplo, o alvo de pulverização catódica de composto de SixC1-x é anexado a uma das fontes de vapor de pulverização catódica 18 e o alvo de pulverização catódica obtido do elemento M é anexado a outra das fontes de vapor de pulverização catódica 18. Um alvo composto de metal ou liga para formação da primeira camada de revestimento 4 é anexado à fonte de evaporação de arco voltaico 22.

[060] A tensão de polarização é aplicada ao estágio 14 pela fonte de tensão de polarização 24. Mais especificamente, a tensão de polarização é aplicada ao substrato 2 montado no estágio 14. O potencial da fonte de vapor de pulverização catódica 18 é controlado pela fonte de energia de pulverização catódica 26, de modo que os íons, átomos ou clusters sejam gerados da fonte de vapor de pulverização catódica 18. O potencial elétrico da fonte de evaporação de arco voltaico 22 é controlado pela fonte de energia de arco voltaico 28, de modo que os átomos, íons ou clusters são gerados da fonte de evaporação de arco voltaico 22.

[061] É observado que o aparelho de formação de camada de revestimento complexa 100 inclui, adicionalmente, uma fonte de íon do tipo de filamento 42, um fornecimento de corrente alternada 44 para realização de um aquecimento de corrente alternada para a fonte de íon 42 e uma fonte de energia de corrente contínua 46 para causar descarga elétrica da fonte de íon 42. A fonte de íon 42 não é empregada neste exemplo.

Fabricação de Amostras 1 a 25 [062] As amostras 1 a 25 apresentam as estruturas mostradas na figura 1B. A Tabela 1 mostra as composições das amostras fabricadas. Alvos de pulverização catódica possuindo razões de composição diferentes de Si e C (referidos como “alvos de SiC” em conjunto, doravante) foram montados nas fontes de vapor de pulverização catódica 18. Os alvos compostos de TiAl foram montados para as fontes de vapor de arco voltaico 22. Como o substrato 2, foram usados um substrato polido em espelho (Tipo JIS P) fabricado de carboneto fortificado e uma fresa de topo de esfera com duas estrias possuindo um diâmetro de 10 mm e sendo fabricado do mesmo carboneto fortificado que o substrato polido em espelho. Estes foram montados no estágio 14. É observado que o alvo SiC, SÍ0,3Cq,7 é empregado na amostra 1, Sio,4Co,6 é empregado na amostra 2, Sio,5Co,5 é empregado nas amostras 3 e 6 a 25, Sio,6Co,4 é empregado nas amostras 4 e Sio,7Co,3 é empregado na amostra 5, respectivamente.

[063] Após a pressão no interior da câmara 10 ser evacuada para 1 x 10-3 Pa ou menos, o substrato 2 foi aquecido a 55o°C pelo aquecedor 16. Após isto, foi realizada a limpeza por pulverização catódica usando íons de Ar (para limpeza da superfície do substrato 2). Então, gás N2 foi fornecido ao interior da câmara 10, de modo que a pressão interna se tornou de 4 Pa. Com esta pressão interna mantida, uma corrente elétrica de 150A foi provida do fornecimento de energia do arco voltaico 28 para a fonte de evaporação 22 para gerar a descarga de arco voltaico. Desta forma, uma camada de revestimento de TiAlN como a primeira camada de revestimento foi formada sobre a superfície do substrato 2.

[064] Para as amostras 1 a 21, após o gás N2 dentro da câmara 10 ser evacuado, gás Ar é introduzido na câmara 1o, de modo que a pressão dentro da câmara 10 se tornou de 0,6 Pa. Para as amostras 22 a 25, após o gás N2 dentro da câmara 10 ser exaurido, gás Ar e gás N2 foram fornecidos à câmara 10, de modo que a pressão dentro da câmara 10 se tornou de 0,6 Pa. A pulverização catódica de magnétron foi realizada com a tensão de polarização (isto é, tensão de polarização aplicada ao substrato 2) e a uma temperatura (isto é, a temperatura do substrato 2) conforme mostrada na coluna da condição de PVD da Tabela 1. Desta forma, a segunda camada de revestimento 5 (para sua composição, vide Tabela 1) possuindo uma espessura de cerca de 3 μιτι foi formada na primeira camada de revestimento 4. Foi observado que a composição da segunda camada de revestimento 5 mostrada na Tabela 1 é representada pelos valores de análise de composição obtidos por EDX, que serão descritos mais adiante.

Tabela 1 (*) Composição da segunda camada de revestimento SixCi-x-y-zNy Fabricação das amostras 26 a 47 [066] As amostras 26 a 47 possuem as estruturas mostradas na figura 1B. A Tabela 2 mostra as composições das amostras fabricadas. Um alvo de SiC (Si0,5C0,5) foi montado em uma das fontes de vapor de pulverização catódica 18. Um alvo incluindo o elemento M para formação da segunda camada de revestimento 5 (vide a tabela 2) foi montado na outra das fontes de vapor de pulverização catódica 18, por vez, de acordo com a composição necessária da segunda camada de revestimento 5. Adicionalmente, um alvo fabricado de TiAl foi montado na fonte de evaporação de arco voltaico 22. Como o substrato 2, foram usados um substrato polido em espelho (Tipo JIS P) fabricado de carboneto fortificado e uma fresa de topo de esfera com duas estrias possuindo um diâmetro de 10 mm e sendo fabricado do mesmo carboneto fortificado que o substrato polido em espelho. Estes foram montados no estágio 14.

[067] Após a pressão no interior da câmara 10 ser diminuída para 1 x 10-3 Pa ou menos, o substrato 2 foi aquecido a 550°C pelo aquecedor 16. Após isto, foi realizada a limpeza por pulverização catódica usando íons de Ar. Então, gás N2 foi fornecido ao interior da câmara 10, de modo que a pressão interna se tornou de 4 Pa. Neste estado, uma corrente elétrica de 150A foi fornecida do fornecimento de energia de arco voltaico 28 para a fonte de evaporação de arco voltaico 22 para gerar a descarga de arco voltaico. Desta forma, uma camada de revestimento de TiAlN como a primeira camada de revestimento foi formada sobre a superfície do substrato 2.

[068] Para as amostras 26 a 43, após o gás N2 dentro da câmara 10 ser exaurido, gás Ar foi introduzido na câmara 10, de modo que a pressão dentro da câmara 10 se tornou de 0,6 Pa. Para as amostras 44 a 47, após o gás N2 dentro da câmara 10 ser exaurido, gás Ar e gás N2 foram fornecidos à câmara 10, de modo que a pressão dentro da câmara 10 se tornou de 0,6 Pa. A pulverização catódica de magnétron foi realizada com a tensão de polarização e a uma temperatura conforme mostrada na coluna da condição de PVD da Tabela 2. Desta forma, a segunda camada de revestimento 5 (para sua composição, vide Tabela 2) possuindo uma espessura de cerca de 3 pm foi formada na primeira camada de revestimento 4. Foi observado que a composição da segunda camada de revestimento 5 mostrada na Tabela 2 é representada pelos valores de análise de composição obtidos por EDX, que serão descritos mais adiante.

Tabela 2 (*) Composição da segunda camada de revestimento SixCi-x-y-zNyMz Fabricação das amostras 48 a 61 [069] As amostras 48 a 61 apresentam as estruturas mostradas na figura 1B. A Tabela 3 mostra as composições de amostras fabricadas. Um alvo de SiC foi montado na fonte de vapor do pulverizador 18. Um alvo composto de metal ou liga mostrado na coluna da “primeira camada de revestimento” - “composição” da tabela 3 foi montado na fonte de evaporação de arco voltaico 22 conforme necessário. Como o substrato 2 foram usados um substrato polido em espelho (Tipo JIS P) fabricado de carboneto fortificado e uma fresa de topo de esfera com 2 estrias possuindo um diâmetro de 10 mm e fabricado de carboneto fortificado como o substrato polido em espelho. Estes foram montados no estágio 14.

[070] Após a pressão dentro da câmara 10 ter abaixado para 1 x 10-3 Pa ou menos, o substrato 2 foi aquecido a 550°C pelo aquecedor 16. Após isto, limpeza com o pulverizador usando íons de Ar foi realizada. Então, gás N2 foi fornecido à câmara 10, de modo que a pressão interna se tornou de 4 Pa. Com esta pressão interna mantida, uma corrente elétrica de 150A foi provida do fornecimento de energia de arco voltaico 28 para a fonte de evaporação de arco voltaico 22 de modo a gerar descarga de arco voltaico. Desta forma, a primeira camada de revestimento 4 que era composta de um nitreto, um carbonitreto ou carboneto indicada na Tabela 3 foi formada na superfície do substrato 2. Após o gás N2 dentro da câmara 10 ter exaurido, gás Ar foi introduzido na câmara 10, de modo que a pressão interna se tornou de 0,6 Pa. A pulverização catódica de magnétron foi realizada com a tensão de polarização de -80 V e com a temperatura do substrato 2 sendo de 550 °C, pelo que uma camada de revestimento de SiC possuindo uma espessura de cerca de 3 pm foi formada como a segunda camada de revestimento 5 sobre a primeira camada de revestimento 4. É observado que a composição da segunda camada de revestimento 5 mostra na Tabela 3 é representada pelos valores de análise da composição obtidos por EDX, sendo descritos mais tarde e era a mesma da composição do alvo de SiC.

Tabela 3 Fabricação das Amostras 62 a 75 [071] As amostras 62 a 75 possuem as estruturas mostradas na figura 1c. A Tabela 4 mostra as composições das amostras fabricadas. Um alvo de SiC foi montado na fonte de vapor de pulverização catódica 18. Um alvo fabricado de vários metais ou várias ligas mostrado na coluna da “primeira camada de revestimento” -“camada inferior” e na coluna da “primeira camada de revestimento - “camada intermediária” - “composição” na Tabela 4 foi montado na fonte de evaporação de arco voltaico 22 conforme necessário. Como o substrato 2 foram usados um substrato polido em espelho (Tipo JIS P) fabricado de carboneto fortificado e uma fresa de topo em esfera com duas estrias possuindo um diâmetro de 10 mm e fabricado de carboneto fortificado como o substrato polido em espelho. Estes foram montados no estágio 14.

[072] Após a pressão no interior da câmara 10 ser diminuída para 1 x 10-3 Pa ou menos, o substrato 2 foi aquecido a 550°C pelo aquecedor 16. Após isto, foi realizada a limpeza por pulverização catódica usando íons de Ar. Neste estado, uma corrente elétrica de 150A foi provida do fornecimento de energia de arco voltaico 28 para a fonte de evaporação de arco voltaico 22 para gerar a descarga de arco. Desta forma, uma camada de revestimento de TiAlN como a camada inferior foi formada na superfície do substrato 2. Após o gás N2 dentro da câmara 10 ter exaurido, gás Ar foi introduzido na câmara 10, de modo que a pressão interna se tornou de 0,6 Pa. A pulverização catódica de magnétron foi realizada com uma tensão de polarização de -80 V e com a temperatura do substrato 2 sendo de 550 °C, pelo que uma camada de revestimento de SiC possuindo uma espessura mostrada na coluna da “segunda camada de revestimento” na Tabela 4 foi formada como a segunda camada de revestimento 5 sobre a camada de revestimento de TiAlN formada anteriormente.

[073] Subsequentemente, esta camada de revestimento de SiC foi revestida com um nitreto, um carbonitreto ou um carboneto mostrado na coluna da “primeira camada de revestimento” - “camada intermediária” na Tabela 4. A camada intermediária foi formada sob a condição que é a mesma que a usada para formar a camada de revestimento TiAlN como a camada inferior da primeira camada de revestimento 4. Após isto, as camadas de revestimento de SiC como as segundas camadas de revestimento 5 e as camadas intermediárias foram formadas até a espessura das camadas de revestimento alcançar 3 pm. Desta forma, a camada de revestimento rígido de múltiplas camadas 7 foi formada. Pode ser observado que a composição da segunda camada de revestimento 5 mostrada na Tabela 4 é representada pelos valores de análise da composição obtidos por EDX, que serão explicados mais adiante, e era a mesma que a composição do alvo de SiC. _________Tabela 4__________________________________________________________________ Avaliação das Amostras Avaliação da rigidez da camada de revestimento rígido formada e módulo de Young [074] A rigidez e o módulo de Young da camada de revestimento rígido 6 nas amostras 1 a 47 e da camada de revestimento rígido 7 formada sobre as amostras 62 a 75 foram obtidos por um método de nanoendentação. Um método de medição e um método de cálculo que foram empregados na presente invenção estavam de acordo com o padrão internacional (ISO14577-1 a ISO14577-44) relacionado à nanoendentação. Um endentador Berkovich fabricado de diamante foi usado na medição da nanoendentação e uma carga de endentação máxima foi ajustada de modo que uma profundidade de endentação fosse igual ou mais rasa que 1/10 da espessura das camadas de revestimento rígido 6 e 7 a serem medidas. A dureza obtida no presente documento foi uma HIT (dureza de endentação) definida pela International Organization for Standardization (ISO). As Tabelas 1, 2 e 4 mostram os resultados da medição. Foi observado que a rigidez da camada de revestimento rígido e o módulo de Young das amostras 48 a 61 não foram medidos.

Análise da composição da segunda camada de revestimento formada [075] A composição da segunda camada de revestimento 5 formada sobre o substrato 2 foi medida para cada amostra por meio de um analisador de raio x de energia dispersiva (EDX). As Tabelas 1 a 4 mostram os resultados da medição.

Análise da cristalinidade da segunda camada de revestimento formada [076] A cristalinidade da segunda camada de revestimento 5 formada sobre o substrato 2 foi analisada para cada amostra por difração de raio x (raio Cuka, 40 kV-40mA, θ-2θ, 1° fenda de divergência, 10 mm da fenda limite vertical de divergência, 1 ° da fenda de propagação, 0,15 mm de fenda de recepção, 0,8 mm da fenda de recepção monocromática). A figura 3 mostra um padrão de difração de raio x típica da camada de revestimento de SiC cristalina (cúbica). A segunda camada de película 5 seria determinada para ser cristalina se um uma largura plena da metade máxima de um pico de SiC (indicado como SiC na figura 3) fosse igual ou inferior a 3° medida em um ângulo de difração (2θ) de cerca de 35° (por exemplo, 34° a 36°) no padrão de difração de raio x. Foi observado que, se o pico de SiC cristalino (cúbico) for medido ao redor de 35° e se FWHM for igual ou superior a 2° e não superior a 3°, a segunda camada de revestimento 5 será definida para formar uma composição complexa incluindo o SiC cristalino (cúbico) e o SiC amorfo. Na presente invenção, tal segunda camada de revestimento 5 é cristalina. Por outro lado, se FWHM exceder 3°, tal segunda camada de revestimento 5 é determinada para ser amorfa. É observado que o gráfico XRD mostrado na figura 3 também mostra o pico de WC-Co, isto é, o substrato 2 e o pico da camada de revestimento de TiAlN formada como a primeira camada de revestimento 4.

Avaliação da adesividade da camada de revestimento rígido [077] A adesividade das camadas de revestimento rígido 6 e 7 formadas sobre o substrato 2 foi avaliada para cada uma das amostras 48 a 75 por um teste de raspagem. O teste de raspagem foi realizado por movimento de um endentador de diamante 200 pmR sobre a camada de revestimento em uma velocidade de movimento de 10 mm/min e uma taxa de aumento de carga de 100N/min. Para o valor de carga crítico, foi adotada uma carga crítica de força de fricção. As tabelas 3 e 4 mostram os resultados da avaliação.

Avaliação de resistência ao desgaste - primeiro teste de corte [078] Fresas de topo de esfera possuindo camadas de revestimento das amostras números 1 a 75 foram preparados e um teste de corte foi realizado sob condições descritas a seguir. O comprimento da área usada da camada de revestimento rígido 6 ou 7 a partir da ponta da fresa de topo de esfera foi medido após o teste e a resistência ao desgaste foi determinada insuficiente se o comprimento fosse igual ou mais longo que100 pm. Os resultados do teste após a realização do teste são mostrados nas Tabelas 1 a 4.

Peça de trabalho: SKD61 (HRC50) Velocidade de corte: 220 m/min.

Alimentação: 0,06 mm/dente Profundidade de corte axial: 5 mm Profundidade de corte radial: 0,6 mm Comprimento do corte: 100 m Ambiente do corte: corte a jusante, atmosfera seca (apenas sopro de ar). Resultado do Teste Amostras 1 a 25 [079] Na amostra 1, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que a quantidade de Si (x) da amostra 1 era inferior a 0,4. Na amostra 5, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que a quantidade de Si(x) excedeu 0,6. Na amostra 6, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que a tensão de polarização aplicada empregada quando da formação da segunda camada de revestimento 5 era de 0 V. Na amostra 12, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que a tensão de polarização aplicada era de -400V quando da formação da segunda camada de revestimento 5. Na amostra 13, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que a temperatura do substrato 2 era de 200°C que era muito baixa para cristalinizar a segunda camada de revestimento 5. Na amostra 14, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que o substrato 2 estava a 300°C o que era muito baixo para cristalinizar a segunda camada de revestimento 5. Na amostra 25, a segunda camada de revestimento 5 se tornou amorfa uma vez que a razão atômica y de N excedeu 0,1. Nestas amostras, a quantidade de desgaste era igual ou superior a 100 pm uma vez que a rigidez da segunda camada de revestimento 5 não era superior a 30 gPa conforme mostrado na Tabela 1. Na amostra 21, o substrato 2 apresentou deterioração térmica, uma vez que o substrato 2 foi aquecido a 800°C quando da formação da segunda camada de revestimento 5. Destes resultados acima, estas amostras foram determinadas como sendo exemplos comparativos, que não pertencem a presente invenção. As outras amostras mostradas na Tabela 1 foram determinadas como pertencendo às modalidades da presente invenção.

Amostras 26 a 47 [080] Na amostra 30, a quantidade de desgaste era igual ou superior a 100 pm uma vez que a razão atômica z do elemento M incluída na segunda camada de revestimento 5 excedeu 0,2 e uma vez que a rigidez da segunda camada de revestimento 5 foi reduzida para 31 gPa. Na modalidade mostrada na figura 1, a rigidez da segunda camada de revestimento 5 é de 36 a 44 gPa e a rigidez da segunda camada de revestimento 5 nas amostras 26 a 29 e 31 a 47 é de 43 a 50 gPa. Isto confirma que a rigidez da segunda camada de revestimento 5 tende a aumentar se o elemento M for adicionado. Também, a quantidade de desgaste foi mantida igual ou inferior a 43 pm. Destes resultados, a amostra 30 foi determinada como sendo um exemplo comparativo e as outras amostras foram determinadas como pertencendo as modalidades da presente invenção, conforme mostrado na Tabela 1.

Amostras 48 a 61 [081] Conforme mostrado na Tabela 3, as amostras 48 a 61 foram determinadas como pertencendo as modalidades. Na comparação das amostras 51 a 57 uma carga crítica era maior e a quantidade de desgaste era menor se a espessura da primeira camada de revestimento 4 fosse de 2 pm a 5 pm. Disto resulta que, quanto mais fina que 2 pm era a primeira camada de revestimento, menos a adesividade foi reduzida. Isto se deve ao fato de que existe um caso onde o substrato 2 não é suficientemente revestido com a primeira camada de revestimento 4, se a espessura da primeira camada de revestimento 4 não for suficientemente espessa devido à aspereza da superfície ou defeitos do substrato 2. Também disto resulta que a adesividade diminui quando a espessura da primeira camada de revestimento 4 excede 5 pm. Isto se deve ao fato de que existe um caso onde a deformação ou falha ocorre na primeira camada de revestimento 4 que é uma camada subjacente, o que resulta no descascamento da segunda camada de revestimento 5, se a espessura de uma camada possuindo uma rigidez mais baixa se tornar espessa em relação à espessura da segunda camada de revestimento 5 possuindo uma rigidez maior. É possível confirmar da Tabela 3 que a resistência ao desgaste é boa quando Al está contido na primeira camada de revestimento 4 como seu componente.

Amostras 62 a 75 [082] Conforme mostrado na Tabela 4, as amostras 62 a 75 foram determinadas como pertencendo as modalidades da presente invenção. A rigidez da segunda camada de revestimento 5 nas modalidades mostradas na Tabela 1 é de 36 a 44 gPa e a rigidez da camada de revestimento rígido 7 possuindo a estrutura de múltiplas camadas das amostras 62 a 75 é de 45 a 50 gPa; portanto, foi confirmado que a rigidez aumenta quando da formação da estrutura de múltiplas camadas da primeira camada de revestimento 4 e da segunda camada de revestimento 5 na estrutura de múltiplas camadas.

Segundo Teste de Corte [083] Uma peça de inserção (tipo: CNMG 120408 TF, ADCT 1505 PDFR) fabricada de carboneto fortificado (o material da mesma sendo descrito posteriormente) foi empregada como o substrato 2 e foi ajustada dentro da câmara 10. Após a pressão dentro da câmara ser diminuída para ser igual ou inferior a 10 para 1 x 10-3 Pa, o substrato 2 foi aquecido pelo aquecedor de 16°C a 550°C. Após isto, uma limpeza por pulverização foi realizada usando íons Ar. Neste estado, uma corrente elétrica de 150A foi fornecida do fornecimento de energia de arco voltaico 28 para a fonte de evaporação de arco voltaico 22 de modo a gerar descarga de arco voltaico. Deste modo, uma camada de revestimento TiAlN como a camada inferior possuindo uma espessura de cerca de 1 pm foi formada na superfície do substrato 2. Após exaustão do gás N2 do interior da câmara 10, gás Ar foi introduzido na câmara 10, de modo que a pressão interna se tornou 0,6 Pa. A pulverização catódica de magnétron foi realizada com uma tensão de polarização de -80V e com a temperatura do substrato 2 sendo mantida a 600°C, pelo que, uma camada de revestimento de SiC (SÍ0.5C0.5) como a segunda camada de revestimento 5 possuindo uma espessura de cerca de 3 pm foi formada na camada de revestimento de TiAlN. Doravante, a peça de inserção assim fabricada será referida como “uma peça de inserção das modalidades”. Uma peça de inserção na qual uma camada de revestimento de TiAIN possuindo uma espessura de 4 pm foi formada no substrato 2 foi fabricada para fins de comparação (referida como uma “peça de inserção do exemplo comparativo”). Os testes de corte que se seguem 1 a 3 foram realizados por emprego destas peças de inserção. A vida útil da ferramenta da peça de inserção foi avaliada por um tempo no qual a peça de inserção seria usada para corte.

Teste de corte 1: Torneamento do Inconel (Marca Registrada) Peça de trabalho : Inconel 718 (35HRC) Modelo da ferramenta: CNMG 12408 TF

Material do substrato : WC + Co a 6% Condição de torneamento: corte a úmido (com refrigerante) Velocidade de corte: 25 m/min.

Alimentação: 0,08 mm/rev.

Profundidade do corte: 1 mm [084] No teste de corte 1, a vida útil da ferramenta da peça de inserção do exemplo comparativo foi de 9 minutos. Em contraste, a vida útil da ferramenta da peça de inserção da modalidade foi 13 minutos, que foi cerca de 1,44 vezes mais longa que a vida útil da ferramenta da peça de inserção do exemplo comparativo.

Teste de corte 2: Torneamento do aço inoxidável enrijecido Peça de trabalho: D2 (62HRC) Modelo da ferramenta: CNMG 120408 TF

Material do substrato: WC + Co a 6% Condição do corte: corte a úmido (com refrigerante) Velocidade de corte: 40 m/min.

Alimentação: 0,15 mm/rev.

Profundidade do corte: 0,3 mm [085] No teste de corte 2, a vida útil da ferramenta da peça de inserção do exemplo comparativo foi de 8 minutos. Em contraste, a vida útil da ferramenta da peça de inserção da modalidade foi de 14 minutos que foi cerca de 1,75 vezes mais longa que a vida útil da ferramenta da peça de inserção do exemplo comparativo.

Teste de corte 3: Aço inoxidável para corte por fresagem Peça de trabalho: AISI316 Modelo da ferramenta: ADCT 1505 PDFR

Material do substrato: WC + Co a 12% Condição do corte: corte a seco Velocidade de corte: 120 m/min.

Alimentação: 0,12 mm/rev.

Profundidade do corte: 4 mm [086] No teste de corte 3, a vida útil da ferramenta da peça de inserção do exemplo comparativo foi de 34 minutos. Em contraste, a vida útil da ferramenta da peça de inserção da modalidade foi de 53 minutos. Isto é, a vida útil da ferramenta da peça de inserção da modalidade foi cerca de1,56 vezes mais longa que a vida útil da ferramenta da peça de inserção do exemplo comparativo.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Camada de revestimento rígido (3, 6, 7) que é formada por um método PVD e reveste um substrato predeterminado (2) que é usada para uma ferramenta de corte ou uma ferramenta de uma matriz de fundição e um instrumento de punção, CARACTERIZADA pelo fato de que: a camada de revestimento rígido (3, 6, 7) compreende Si e C como componentes essenciais e um elemento M e N como componentes opcionais, o elemento M incluindo pelo menos um dos elementos selecionados dentre os elementos do grupo 3A, elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A, elementos do grupo 6A, B, Al e Ru, a camada de revestimento rígido (3, 6, 7) possui uma composição de SixC1-x-y-zNyMz, onde 0,4 < x < 0,6, 0 < y < 0,1 e 0 < z < 0,2, onde uma largura plena de metade máxima de um pico de SiC observada em um ângulo de difração entre 34° e 36° é igual ou menor que 0,8° quando a difração de raio x (XRD) é medida com um raio CuKa.

2. Camada de revestimento rígido (3, 6, 7), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que uma estrutura cristalina da SixC1-x-y-zNyMz pertence a um sistema de cristal cúbico.

3. Camada de revestimento rígido (6, 7) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que apresenta uma estrutura compreendendo pelo menos uma camada de uma primeira camada de revestimento (4) para revestimento de um substrato predeterminado (2) que é usada para uma ferramenta de corte ou uma ferramenta de uma matriz de fundição e um instrumento de punção, sendo formada sobre uma superfície do substrato predeterminado (2) e pelo menos uma camada de uma segunda camada de revestimento (5) alternadamente tendo camadas com pelo menos uma da primeira camada de revestimento (4), em que a primeira camada de revestimento (4) é composta de um nitreto, um carbonitreto ou um carboneto que contém pelo menos um elemento selecionado dentre os elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A e elementos do grupo 6A como um componente essencial e pelo menos um elemento selecionado dentre os elementos do grupo 3A, Si ,Al e B como um componente opcional, e a segunda camada de revestimento (5) é uma camada de revestimento rígido (3) como definida na reivindicação 1 ou 2.

4. Método para formação de uma camada de revestimento rígido (3, 6, 7) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 3 sobre uma superfície de um substrato predeterminado (2) que é usada para uma ferramenta de corte ou uma ferramenta de uma matriz de fundição e um instrumento de punção, a camada de revestimento rígido (3, 6, 7) apresentando uma composição de SixC1-x-y-zNyMz, onde 0,4 < x < 0,6, 0 < y < 0,1, e 0 < z < 0,2, onde M é pelo menos um elemento selecionado dentre os elementos do grupo 3A, elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A, elementos do grupo 6A, B, Al, e Ru; e uma largura plena de metade máxima de um pico de SiC observada em um ângulo de difração entre 34° e 36° é igual ou menor que 0,8° quando a difração de raio x é realizada por emprego de um raio CuKa, o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: manutenção do substrato (2) a uma temperatura predeterminada entre 500°C e 800°C, em que 0 < y < 0,02, ou entre 600°C e 800°C, em que 0,02 < y < 0,1, juntamente com aplicação simultânea de uma tensão de polarização predeterminada de -75V a -150V ao substrato (2) de modo a manter a tensão de polarização predeterminada; e formação da camada de revestimento rígido (3, 6, 7) sobre a superfície do substrato (2) por um método PVD.

5. Método para formação da camada de revestimento rígido (3, 6, 7), de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o método PVD é um método de pulverização catódica de magnétron.

6. Método para formação da camada de revestimento rígido (3, 6, 7), de acordo com a reivindicação 4 ou 5, CARACTERIZADO pelo fato de que antes da camada de revestimento rígido (3, 6, 7) ser formada, uma camada de revestimento rígido adicional é formada sendo constituída de um nitreto, um carbonitreto ou um carboneto, a camada de revestimento rígido adicional contendo pelo menos um elemento selecionado dentre os elementos do grupo 4A, elementos do grupo 5A e elementos do grupo 6A como um componente essencial e pelo menos um elemento selecionado dentre os elementos do grupo 3A, Si, Al e B como um componente opcional.

7. Método para formação da camada de revestimento rígido (3, 6, 7), de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de revestimento rígido adicional e a camada de revestimento rígido (3, 6, 7) são formadas alternadamente várias vezes.