ES2228372T3

ES2228372T3 - Util de corte con un recubrimiento resistente al desgaste, de varias capas.

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Publication number: ES2228372T3
Application number: ES00119554T
Authority: ES
Inventors: Helga Dr. Holzschuh
Original assignee: Walter AG
Current assignee: Walter AG
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2005-04-16
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: EP1113092A3; JP4159245B2; US6436519B2; ATE282723T1; EP1113092B1; DE50008661D1; US20010006724A1; JP2001219307A; EP1113092A2; DE19962056A1

Abstract

Util (1) de arranque de viruta o placa (5) de corte, en especial para corte intermitente y/o temperaturas de trabajo altas con al menos un cuerpo (5) de corte provisto al menos por zonas de un recubrimiento (6) de varias capas reductor del desgaste aplicado sobre un material (7) de base, al mismo tiempo, que el recubrimiento (6) contiene las siguientes capas estructuradas a su vez en varios estratos: una capa (8) de base, que es una capa de nitruro, de carburo o de carbonitruro de uno o de varios metales del grupo IV, V o VI secundario del sistema periódico de los elementos químicos, una capa (12) de anclaje de óxido de carbonitruro de titanio y aluminio con la fórmula TixAlyCuNvOw con x+y = 1 y u+v+w = 1, siendo y 0, 04 y w0, 06 y, con preferencia y0.02 y u0.03, una capa (9) de óxido, que contiene esencialmente óxido de aluminio.

Description

Útil de corte con un recubrimiento resistente al desgaste, de varias capas.

El invento se refiere a un útil de corte, respectivamente una placa de corte así como a un procedimiento para la fabricación de una placa de corte o de un útil de corte, que posee un recubrimiento resistente a desgaste estructurado en varias capas.

Los útiles de corte son sometidos durante el uso a diferentes esfuerzos, que con el tiempo dan lugar a un desgaste. El desgaste comprende el desgaste de las superficies de incidencia y de desprendimiento así como el mellado de los cantos de corte. Con esfuerzos grandes se producen, además, temperaturas altas, que pueden dar lugar al desgaste por difusión y al desgaste por oxidación de los cantos y de las superficies del útil de corte. Para reducir el desgaste, incluso con tasas de desprendimiento de viruta grandes, se desarrollaron diferentes recubrimientos para útiles de corte, respectivamente placas de corte.

Así por ejemplo, a través del documento EP-0 786 536 A1 se conoce una placa de corte de metal duro provista de un recubrimiento de varias capas. El recubrimiento posee un espesor de 3 a 20 \mum y se formó sobre el cuerpo de metal duro con procedimientos físicos o químicos de depósito con vapor (CVD o PVD). El recubrimiento contiene una capa de óxido de aluminio con un contenido en cloro muy pequeño.

La capa de óxido de aluminio posee una dureza relativamente grande. Además, actúa como capa superficial oxidada y al mismo tiempo como protección contra oxidación de las capas situadas debajo y por ello se presta en especial para herramientas expuestas a ataques triboquímicos. Actúa como protección contra procesos de desgaste triboquímicos, como por ejemplo la difusión y la oxidación y como aislamiento térmico y, por lo tanto, como protección contra deformaciones plásticas.

El documento EP-0 736 615 A2 propone igualmente una capa de óxido de aluminio como capa exterior de un recubrimiento de varias capas de un útil de corte. Entre la capa de óxido de aluminio y el cuerpo de metal propiamente dicho se prevén varias capas, que sirven como soporte. La capa soporte, que se halla en contacto directo con la capa de óxido de aluminio es una capa de óxido de carbonitruro de titanio con un espesor comprendido entre 0, 1 y 2 \mum y con una estructura cristalina con forma de agujas. Debajo de esta capa se prevén una o varias capas compuestas por los mismos elementos químicos con una estructura cristalina columnar.

La adherencia de capa de óxido de aluminio sobre el soporte es esencial. Es sometida a esfuerzos en especial durante la deformación plástica y durante el corte intermitente (fresado, torneado, taladrado) de materiales de acero y de fundición, en especial con materiales de alta resistencia como 42CrMo4V y 56NiCrMoV7.

Para mejorar la adherencia de una capa de óxido de aluminio sobre los correspondientes soportes se propone en el documento US-PS 59 58 569 una capa de anclaje de carbonitruro de titanio situada entre una capa de óxido de aluminio exterior y una capa de nitruro de titanio situada debajo. La capa de anclaje debe formar dedos entrelazados entre el recubrimiento con óxido y el recubrimiento con carbonitruro de metal.

A través del documento JP-A-54 023 608 se conoce el procedimiento de disponer entre una capa de óxido de aluminio y una capa de carbonitruro de titanio una capa intermedia de titanato de aluminio. Esto debe mejorar la adherencia de la capa de óxido de aluminio.

El documento JP-A-08 027 562 y el documento JP-A-08 020 871 describen, además, una capa de TiAlCNO como capa reductora del desgaste. Esta capa de TiAlCNO contiene uno al lado del otro titanio y aluminio en la misma proporción, es decir con un contenido at en % at del 5% al 95%. La capa correspondiente es por si misma una capa reductora del desgaste.

Partiendo de aquí, el objeto del invento es mejorar la adherencia de una capa de óxido (con preferencia una capa de óxido de aluminio) sobre las capas situadas debajo de útiles de corte, de placas de corte o de análogos.

Este problema se soluciona con un útil de arranque de viruta o una placa de corte según la reivindicación 1.

El útil de arranque de viruta, respectivamente la placa de corte según el invento poseen una capa de óxido de aluminio fijada por medio de una capa de anclaje a una capa de base. La capa de base es por ejemplo una capa de nitruro de titanio, de carburo de titanio o de carbonitruro de titanio, al mismo tiempo, que en la capa pueden estar contenidos, además de titanio o en lugar de él otros metales de los grupos IV, V o VI secundarios del sistema periódico de los elementos químicos. La capa de anclaje fija la capa de óxido de aluminio a la capa de base y evita así de manera esencial el desprendimiento, el mellado, la exfoliación o el pelado de la capa de óxido de aluminio. La adherencia mejorada de la capa de óxido de aluminio sobre la capa de base permite someter el útil de arranque de viruta, respectivamente la placa de corte a esfuerzos mayores y/o obtener una mayor duración de ellos.

La capa de anclaje contiene un metal del grupo IV, V o VI secundario del sistema periódico de los elementos químicos así como un elemento del grupo III principal del sistema periódico, como por ejemplo boro o aluminio y/o carbono y/o nitrógeno y/u oxígeno. Se comprobó, que la presencia de un segundo elemento del grupo III principal junto al metal del grupo IV, V o VI secundario (por ejemplo titanio) puede mejorar la adherencia de la capa de óxido. En especial se comprobó, que era conveniente prever titanio y aluminio en la capa de anclaje. El contenido en titanio debería predominar y el contenido en aluminio debería ser más bien pequeño. Se entiende como cantidad de dotación. La capa de anclaje forma así cristales, que se unen firmemente con los cristales de la capa de óxido de aluminio situada encima o de pueden prolongar en ellos. La capa de óxido de aluminio está arraigada con ello en cierto modo en la capa de anclaje. Esto se consigue por el hecho de que la capa de anclaje es una capa de Ti_{x}Al_{y}C_{u}N_{v}O_{w}, al mismo tiempo, que el contenido en aluminio es como máximo del 4% at y el de oxígeno como máximo del 6% at. En la capa de anclaje se puede formar así titanato de aluminio, que hace posible una buena adherencia de la capa de óxido de aluminio. La capa de anclaje puede contener, además, cantidades de carbonitruro de titanio relativamente grandes.

La capa de anclaje es con preferencia relativamente delgada y manifiestamente más delgada que la capa de óxido de aluminio y la capa de base situada debajo. Se considera, que espesores de 0,1 a 3 \mum de la capa son ventajosos. El espesor de la capa es con preferencia de 1 \mum.

El metal de la capa de base es con preferencia titanio, pero también entran en consideración los otros metales mencionados, tanto individualmente o mezclados con titanio o entre sí.

La capa de base puede poseer a su vez una estructura en varias capas y contener por ejemplo una capa de nitruro de titanio de aproximadamente 0,5 \mum y/o una capa de carbonitruro de titanio de 1 a 16 \mum. Adicionalmente pueden estar presentes impurezas, por ejemplo carbono y/u oxígeno, procedentes por ejemplo del material de base o de otras fuentes. La capa de base es con preferencia una capa obtenida con un procedimiento de temperaturas medias. La capa de anclaje permite la unión firme de esta capa de temperatura media (capa de base) y de la capa de óxido de aluminio. La capa de óxido de aluminio puede estar estructurada como capa de óxido de aluminio \alpha o como capa de óxido de aluminio \kappa o como una capa de óxido, que contenga varias modificaciones.

La capa de anclaje posee con preferencia una estructura cristalina con forma de laminillas. Los cristales con forma de laminillas de la capa de anclaje dejan espacios libres en los que puede penetrar la capa de óxido de aluminio y en los que, debido al contenido en aluminio de la capa de anclaje, ya existen gérmenes de nucleación para la capa de óxido de aluminio en formación. Con ello es posible obtener una unión íntima entre la capa de óxido de aluminio y la capa de anclaje y con ello entre la capa de óxido de aluminio y la capa de base. Se comprobó, que no es preciso, que el potencial de oxidación de la mezcla de gases de reacción tenga que ser mantenido excesivamente bajo durante el depósito de la capa de óxido de aluminio antes y durante la fase de germinación. El contenido en agua y en otros oxidantes es menos crítico, debido a la capa de anclaje, que ya contiene gérmenes de nucleación para la capa de óxido de aluminio.

Otros detalles de formas de ejecución ventajosas del invento son objeto del dibujo, de la descripción o de las reivindicaciones subordinadas.

En el dibujo se representa un ejemplo de ejecución del invento. En él muestran:

La figura 1, en una vista lateral, un útil de corte con una placa de corte con un recubrimiento de varias capas.

La figura 2, en una representación en sección a mayor escala, la estructura de la capa de protección contra desgaste del útil de corte según la figura 1.

La figura 3, una fotografía de microscopio electrónico de transmisión de la estructura de la capa según la figura 2.

La figura 3a, como fotografía de microscopio óptico, la capa de anclaje según la figura 3 con tallado oblicuo.

La figura 4, una fotografía de microscopio electrónico con cinco mil aumentos de la capa de anclaje vista en planta.

La figura 5, la capa de anclaje según la figura 4 en una fotografía de microscopio electrónico de exploración por líneas con diez mil aumentos.

La figura 6, un espectrograma de rayos X obtenido de la estructura de la capa según la figura 3.

En la figura 1 se representa parcialmente y a título de ejemplo un útil 1 de arranque de viruta. El útil 1 de arranque de viruta es una fresa frontal de dos cortes con un cuerpo 2 principal del útil, que durante su utilización gira alrededor de un eje 3 de rotación. En su extremo delantero posee un asiento 4 para placa en el que se sujeta una placa 5 de corte Esta placa 5 de corte es por ejemplo una placa de corte de metal duro, por ejemplo una placa de corte de metal duro de carburo de wolframio/cobalto. También son posibles otros materiales de base, como por ejemplo HSS, cerámicas sinterizadas o cermets, metales duros de carburos o carburos compuestos o análogos. La placa 5 de corte de metal duro posee un recubrimiento 6 reductor del desgaste representado esquemáticamente en la figura 6. El recubrimiento 6 está adherido a un cuerpo 7 principal de metal duro y lo cubre tanto en los cantos de corte, como también en las demás superficies funcionales, por ejemplo la superficie de desprendimiento y la superficie de incidencia.

El recubrimiento 6 reductor del desgaste comprende una capa 8 de base estructurada en uno o varios estratos depositada al menos en su mayor parte con un procedimiento de temperatura media. La capa 8 de base es por ejemplo esencialmente una capa de carbonitruro de titanio (TiCN) con estructura cristalina columnar y con un espesor de 1 a 16 m\mu. Entre la capa de carbonitruro de titanio y el material de base carburo de wolframio (WC) se puede disponer una capa de nitruro de titanio (TiN) con un espesor de aproximadamente 0,1 \mum a 1 \mum, con preferencia de 0,5 \mum.

Para la protección de la capa de carbonitruro de titanio, de por sí dura y resistente a desgaste, contra desgaste por oxidación y por difusión, como el que se produce por ejemplo durante el torneado o el fresado, se provee el recubrimiento 6 reductor del desgaste de una capa 9 de óxido de aluminio situada por encima de la capa 8 de base. La capa 9 de óxido de aluminio se puede configurar con óxido de aluminio \kappa, óxido de aluminio \alpha o de manera distinta por zonas. La capa 9 de óxido de aluminio puede soportar a su vez, según necesidad, una capa 11 exterior formada por una o varias capas, por ejemplo de una combinación de un elemento del grupo IV, V o VI secundario (Hf, Zr, Ti) con carbono, nitrógeno y/o boro o un óxido de circonio, óxido de aluminio, nitruro de boro, carburo de boro, nitruro de titanio, carburo de titanio o carbonitruro de titanio u otras capas exteriores.

La capa 8 de base contiene ocasionalmente, además de sus componentes principales titanio, carbono y nitrógeno, impurezas apenas evitables, que pueden proceder del material de base o estar adheridas a los gases de proceso, como por ejemplo el oxígeno. Las impurezas, debidas por ejemplo al cobalto, que puede proceder del material de base, se difunden con preferencia a lo largo de los límites de la granulación y, partiendo del material de base, pueden atravesar así la totalidad de la capa 8 de base. Para obtener a pesar de ello y en todas las circunstancias una buena adherencia de la capa 9 de óxido de aluminio sobre la capa 8 de base se prevé entre ambas una capa 12 de anclaje, cuyo espesor se puede fijar en el margen de 0,1 a 3 \mum según necesidad. La capa de anclaje es en este caso una capa de óxido de carbonitruro de titanio y aluminio Ti-Al-C-N-O, cuya estructura se desprende de las figuras 3 a 5. Como muestra la figura 3, la capa 12 de Ti-Al-C-N-O ha crecido sobre la capa 8 de base, que posee una estructura columnar y que en su lado superior orientado hacia la capa de óxido de aluminio posee una superficie extremadamente disgregada. La estructura de la superficie de la capa 12 de Ti-Al-C-N-O se representa en las figuras 4 y 5. Presenta una estructura cristalina con forma de laminillas, al mismo tiempo, que entre las diferentes cristalitas existen poros e intersticios. Durante la aplicación ulterior de la capa de óxido de aluminio se inicia en ellos el crecimiento de los cristales de la capa de óxido de aluminio, que recibe con ello una adherencia excelente.

La capa 11 exterior posee, como muestra, además, la figura 3, por ejemplo nuevamente una estructura en varias capas y comprende una capa de Ti-N, una capa de óxido de aluminio \kappa y nuevamente una capa de Ti-N. Con ello se obtiene la siguiente estructura de la capa.

1. TiN, 0,1 a 2 \mum

2. Capa de base (MT)-(Ti, C, N), 1 a 16 \mum

3. Capa de anclaje Ti-Al-C-N-O, 0,1 a 3\mum

4. Capa de óxido de aluminio \alpha o \kappa Al_{2}0_{3}, 0.5 a 12 \mum

5. Tin, 0,1 a 2 \mum

6. Eventualmente otras capas con un espesor total de 0,1 a 2 \mum, TiN-\kappa-Al_{2}O_{3}-TiN, TiCN/TiN. Ti-B-C-N, HfN, HfCN o análogos.

El recubrimiento descrito hasta aquí puede ser obtenido como sigue:

En primer \mu lugar se forma con una temperatura de sedimentación de 700ºC a 1000ºC sobre un material de base adecuado, como por ejemplo carburo de wolframio u otro material sinterizado cualquiera, la capa 8 de base. Como fuente de carbono y de nitrógeno se utiliza acetonitrilo o una mezcla de nitrógeno y alcanos. La capa de base crece en la mayoría de los casos con una estructura cristalina columnar.

En el paso siguiente del procedimiento se forma la capa de anclaje. Para ello se lleva el útil de corte, respectivamente la placa 5 de corte a una temperatura comprendida entre 900ºC y 1100ºC ( con preferencia 1000ºC) en una atmósfera, que contenga precursores para aluminio y titanio. Estos precursores pueden ser tetracloruro de titanio y tricloruro de aluminio. La atmósfera contiene como proveedor de carbono metano u otro alcano o acetonitrilo (CH_{3}CN) u otros nitrilos. Además, la atmósfera contiene nitrógeno molecular así como una fuente de oxígeno como por ejemplo monóxido de carbono o dióxido de carbono. Como gas soporte se puede utilizar hidrógeno.

Se agrega una cantidad relativamente pequeña de tricloruro de aluminio, mientras que el tetracloruro de titanio está presente en cantidad relativamente mayores. La capa 12 de anclaje crece debido a ello con la estructura representada en las figuras 4 y 5. En la figura 3a se representa un tallado oblicuo de una placa de corte no reafilable. Muestra la estructura porosa cada vez más rala hacia la superficie de la capa de anclaje. Los análisis espectroscópicos con rayos X de la placa de corte no reafilable, cuyos resultados se reproducen en la figura 6, muestran el material de base carburo de wolframio (WC-Co) así como las capas de carbonitruro de titanio (Ti, C, N) y titanato de aluminio (Al_{2}TiO_{5}). El titanato de aluminio (Al_{2}TiO_{5}) y el carbonitruro de titanio (TiC_{x}N_{y}; x + y = 1 x = 0...1) se hallan unos junto a otros con forma de cristales macroscópicos. La capa se compone en una forma de ejecución ventajosa de carbonitruro de titanio con retícula cúbica y nitrógeno en un tercio de todas las posiciones de carbono. Esta retícula está exenta de oxígeno. El oxígeno está ligado entonces totalmente a los cristales de titanato de aluminio. Estos se hallan en forma de psuedobrookita.

En la estructura de brookita, que es una modificación del óxido de titanio (TiO_{2}) se sustituyen algunos átomos de titanio con átomos de aluminio. Las dos clases de átomos metálicos están rodeadas de manera deformada octaédricamente por átomos de oxígeno, de manera, que, con preferencia, no se produce una mezcla macroscópica de cristales de óxido de titanio y de cristales de óxido de aluminio, sino una estructura cristalina uniforme, que puede ser derivada de la brookita (TiO_{2}) pura. Zonas relativamente grandes de la capa intermedia pueden estar formadas en este caso por carbonitruro de titanio puro. Con ello se obtiene una correspondencia casi óptima entre la capa de óxido de aluminio y la capa de carbonitruro de titanio. Las zonas de titanato de aluminio pueden ser relativamente pequeñas, obteniéndose ya el efecto deseado con cantidades de aluminio de dotación inferiores al 2%. La capa de anclaje da lugar a una coherencia epitáctica entre la capa de base y la capa de Al_{2}O_{3}.La capa de anclaje no perjudica la coherencia epitáctica entre la capa de base y la capa de Al_{2}O_{3}.

En capas fabricadas correspondientemente y con útiles de corte correspondientes se realizaron pruebas de arranque de viruta y pruebas de adherencia. Si se somete la capa según el invento a una prueba de adherencia de la capa (scratch-test), se comprueba una adherencia muy mejorada de la estructura según el invento de la capa, lo que también permite anunciar una adherencia mejorada de la capa de óxido de aluminio. Las pruebas de arranque de viruta muestran igualmente una duración mejorada de los útiles y una adherencia mejorada de la capa de óxido de aluminio, tanto para las capas de aluminio \kappa, como para las capas de óxido de aluminio \alpha.

Para el recubrimiento de un útil de corte con una capa de óxido de aluminio se previó una capa de anclaje formada con preferencia por titanato de aluminio con una estructura cristalina con forma de laminillas. Esta capa de anclaje mejora la adherencia de una capa de óxido de aluminio, sobre todo, sobre las capas de nitruro de titanio, carburo de titanio o carbonitruro de titanio situadas debajo.

Claims

1. Útil (1) de arranque de viruta o placa (5) de corte, en especial para corte intermitente y/o temperaturas de trabajo altas con al menos un cuerpo (5) de corte provisto al menos por zonas de un recubrimiento (6) de varias capas reductor del desgaste aplicado sobre un material (7) de base, al mismo tiempo, que el recubrimiento (6) contiene las siguientes capas estructuradas a su vez en varios estratos: una capa (8) de base, que es una capa de nitruro, de carburo o de carbonitruro de uno o de varios metales del grupo IV, V o VI secundario del sistema periódico de los elementos químicos, una capa (12) de anclaje de óxido de carbonitruro de titanio y aluminio con la fórmula Ti_{x}Al_{y}C_{u}N_{v}O_{w} con x + y = 1 y u + v + w = 1, siendo y\leq0,04 y w\leq0,06 y, con preferencia y\leq0.02 y u\leq0.03, una capa (9) de óxido, que contiene esencialmente óxido de aluminio.

2. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (12) de anclaje posee una estructura cristalina con cristalitas con forma de laminillas.

3. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (12) de anclaje contiene titanato de aluminio Al_{2}TiO_{5}.

4. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (12) de anclaje contiene carbonitruro de titanio TiCN.

5. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (12) de anclaje posee un espesor de 0,1 a 3 \mum, con preferencia 1 \mum.

6. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque el metal de la capa (8) de base es titanio (Ti).

7. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (8) de base posee una estructura en varias capas y contiene una capa de TiN, cuyo espesor con preferencia no es mayor que 0,5 \mum, al mismo tiempo, que esta capa puede contener trazas, respectivamente impurezas inevitables de carbono (C) y/u oxígeno (O).

8. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (8) de base posee una estructura en varias capas y contiene una capa de TiCN, cuyo espesor se halla con preferencia en el margen de 1 a 16 \mum, al mismo tiempo, que esta capa puede contener trazas, respectivamente impurezas inevitables de oxígeno (O).

9. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (12) de base es una capa o una sucesión de capas obtenida con un procedimiento de temperatura media.

10. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (9) de óxido contiene óxido de aluminio \alpha.

11. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (9) de óxido contiene óxido de aluminio \kappa.

12. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 1, caracterizado porque sobre la capa (9) de óxido se aplican una o varias capas (11) adicionales.

13. Útil de corte o placa de corte según la reivindicación 12, caracterizado porque a las capas (11) adicionales pertenecen una capa de TiN, una capa de óxido de aluminio \kappa y una capa de TiN.