ES2250608T3

ES2250608T3 - Recubrimientos multicapa de kappa y gamma ai203 depositados por cvd a baja temperatura.

Info

Publication number: ES2250608T3
Application number: ES02445036T
Authority: ES
Inventors: Sakari Ruppi
Original assignee: Seco Tools AB
Current assignee: Seco Tools AB
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2006-04-16
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: EP1245700B1; DE60206207D1; EP1245700A1; US20020176755A1; DE60206207T2; ATE305058T1; US6689450B2; JP2002363750A

Abstract

Cuerpo recubierto en el cual el recubrimiento es un recubrimiento multicapa de ê-Al2O3 y ã-Al2O3, siendo aportada cada una por una segregación química a partir de la fase vapor a una temperatura de 700 a 900ºC y estando entremezclada con capas de Ti(C, N).

Description

Recubrimientos multicapa de \kappa y \gamma Al_{2}O_{3} depositados por CVD a baja temperatura.

Fundamentos del invento

Recubrimientos multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} y Ti(C,O) o de \kappa-Al_{2}O_{3} y TiN se caracterizaron por tener mejores propiedades frente al desgaste que las monocapas de óxidos, véase la memoria de patente de EE.UU. 5.700.569 y la de patente de EE.UU. 6.632.514.

Sin embargo, para estos conocidos recubrimientos multicapa el procedimiento de segregación es relativamente largo y la segregación tiene lugar habitualmente a temperaturas relativamente elevadas (habitualmente aproximadamente a 1000ºC), lo que conduce a una transformación del óxido de aluminio kappa en óxido de aluminio alfa. La contracción de volumen que se produce en la fase de transformación, disminuirá la adherencia de las capas de óxido de aluminio. Como resultado se presentarán problemas de adherencia en la producción.

Habitualmente se pensó, que para segregar recubrimientos de Al_{2}O_{3} eran necesarias temperaturas de segregación de aproximadamente 1000ºC o superiores. Sin embargo, como se indica en el documento EP-A-1 122 334, Al_{2}O_{3} puede alcanzar en la segregación temperaturas de aproximadamente 800ºC o superiores, pero inferiores a 1000ºC. Además, se indicó que las dos fases de Al_{2}O_{3}, la \kappa y la \gamma, se pueden segregar de manera controlada.

En los últimos tiempos se ha confirmado que en los aceros hipoeutectoides el Ti(C,N) presenta mejor resistencia al desgaste, respecto al desgaste en cráteres y al desgaste de bordes, que el TiN (documento EE.UU. 6,221,469). En el pasado más reciente se encontró también en ensayos de corte en edificaciones, que en el acero hipereutectoide es mejor el Ti(C,N) que el TiN, especialmente en cuanto al desgaste de bordes. En el acero hipereutéctico, Al_{2}O_{3} es un material de recubrimiento superior frente al desgaste en cráteres. En los ensayos de corte más recientes en viviendas se encontró también, que la adherencia tanto de las fases \kappa como de las fases \gamma al MTCVD Ti(C,N),el cual fue segregado a 800ºC, es asombrosamente buena. Por consiguiente, por segregación de \kappa o de \gamma con MTCVD Ti(C,N) como recubrimiento multicapa, se mejoran las propiedades frente al desgaste de los conocidos recubrimientos multicapa \kappa de TiN/Ti(C,O).

Objeto y resumen del invento

Objeto del invento es evitar o atenuar los problemas según el estado actual de la técnica.

Otro objeto del invento es obtener mejores propiedades frente al desgaste en recubrimientos multicapa \kappa de TiN/Ti(C,O) por segregación de \kappa y \gamma con MTCVD Ti(C,N) como recubrimiento multicapa.

Según un aspecto del invento se obtiene un cuerpo recubierto, en el cual el recubrimiento comprende un recubrimiento multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} y \gamma-Al_{2}O_{3}, cada uno de los cuales fue depositado por segregación química a partir de la fase vapor, a una temperatura de 700 a 900ºC, entremezclado con capas de Ti(C,N) sobre una capa de Ti(C,N).

Según otro aspecto más del invento se obtiene un cuerpo recubierto, en el cual el recubrimiento comprende un recubrimiento multicapa de capas de \kappa-Al_{2}O_{3} y de \gamma-Al_{2}O_{3} entremezcladas con capas de Ti(C,N) sobre una capa de Ti(C,N) y con una capa de Ti(C,N) como capa de cobertura externa del recubrimiento multicapa.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación de un cuerpo recubierto según el presente invento, incluyendo un revestimiento multicapa de una mezcla de \gamma-Al_{2}O_{3} y \kappa-Al_{2}O_{3}.

La figura 2 es una representación de un cuerpo recubierto según el presente invento, el cual es adecuado para el corte de SS1672 (Fig. 2a) y SS2258 (Fig. 2b).

La figura 3 muestra figuras de microscopio electrónico de barrido (SEM) de los bordes de corte de piezas de inserción de SS2258 recubiertas con \kappa-Al_{2}O_{3} en recubrimiento monocapa y en recubrimiento multicapa.

La figura 4 muestra figuras de microscopio electrónico de barrido (SEM) de los bordes de corte de piezas de inserción recubiertas con recubrimiento monocapa y multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} después de tornear SS1678 durante 2, 9 y 15 minutos.

Descripción detallada de las formas de ejecución preferidas del invento

La figura 1 muestra una representación esquemática del recubrimiento según este invento. El revestimiento se compone de las siguientes monocapas:

1. capa de base de MTCVD Ti(C,N), temperatura de segregación 800-900ºC.

2. estructura multicapa, que se compone tanto de \kappa-Al_{2}O_{3} como de \gamma-Al_{2}O_{3}, junto con capas intercaladas de MTCVD Ti(C,N), todas ellas segregadas a una temperatura de 800-900ºC. Las propiedades de desgaste de \gamma aún no están completamente aclaradas. Sin embargo, \gamma es una fase menos estable que \kappa y sólo se puede utilizar en las capas superiores de la estructura multicapa, las cuales durante la segregación estarán sometidas al recocido más corto.

Las capas de Al_{2}O_{3} en el recubrimiento multicapa (bien sean de \gamma o de \kappa) tienen un espesor individual de aproximadamente 0,1 a 3,2 micras, de preferencia aproximadamente de 0,3 a 1,2 micras. Las capas de Ti(C,N) en el recubrimiento multicapa tienen un espesor individual de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 3,2 micras, de preferencia aproximadamente de 0,3 a 1,2 micras. El espesor total del recubrimiento multicapa se encuentra entre aproximadamente 3 hasta aproximadamente 30 micras, preferentemente entre aproximadamente 5 a 15 micras. El recubrimiento multicapa se puede segregar también sobre una capa de Ti(C,N) de aproximadamente 2 hasta aproximadamente 15 micras, de preferencia aproximadamente de 3 aproximadamente 10 micras, que en este caso es la primera capa que se segrega sobre el cuerpo. Además, como capa de cobertura se puede utilizar una capa de Ti(C,N) del mismo espesor, como la capa más externa del óxido de aluminio.

El cuerpo se compone preferentemente de metal duro, de un cermet, de una cerámica o de un acero rápido, y el cuerpo revestido se utiliza preferentemente como herramienta de corte para cortar metal.

Las capas de \gamma-Al_{2}O_{3} y de \kappa-Al_{2}O_{3}, así como las capas de Ti(C,N), se aportan por MTCVD (segregación química desde la fase vapor a temperatura media). La segregación de las capas de \gamma-Al_{2}O_{3} y de \kappa-Al_{2}O_{3} utilizan la técnica descrita, que se describe en el documento EP-A-1 122 334. En ese procedimiento se añade H_{2}S a las técnicas y aparatos de MTCVD, por lo demás convencionales, en cantidades superiores a 0,7% en volumen, en general 0,75 a 1,7% en volumen, preferentemente superiores a 1 hasta aproximadamente 1,5% en volumen de la mezcla total de
gas.

El procedimiento de recubrimiento se lleva a cabo a temperaturas de aproximadamente 700 a 900ºC, preferentemente de 750 a 850ºC, a una presión de aproximadamente 50 a 600 mbar, de preferencia aproximadamente de 100 a 300 mbar, durante un tiempo suficiente para formar el recubrimiento, en general de aproximadamente 2 a 10 horas, de preferencia aproximadamente de 4 a 8 horas.

Hay que hacer la observación, de que la segregación de Al_{2}O_{3} se puede llevar a cabo a la misma temperatura que las capas MTCVD Ti(C,N), lo cual conduce a tiempos de proceso considerablemente más cortos (las etapas de calentamiento y enfriamiento se suprimen) y la segregación del recubrimiento multicapa se ejecuta a temperaturas relativamente bajas, lo que conduce a que no se produzcan transformaciones de fase. Como resultado se obtiene una adherencia mejorada, y el rendimiento de la producción mejora. Los revestimientos multicapa pueden consistir tanto de \kappa como de \gamma, que pueden ser controlados con H_{2}S. La fase \gamma, que es menos estable que la fase \kappa, se debería encontrar en la capa superior (es decir en la capa de cobertura) del recubrimiento multicapa, si se emplea; y como se indicó anteriormente, MTCVD Ti(C,N) manifiesta mejor resistencia al desgaste que TiN. Por la utilización de Ti(C,N) en lugar de TiN se mejoran la resistencia al desgaste en forma de cráteres en aceros hipoeutécticos y la resistencia al desgaste de bordes en aceros hipereutécticos.

Ejemplo 1

Las Tablas 1 y 2 muestran una recopilación de propiedades frente al desgaste de distinto recubrimiento en SS1672 y en SS2258 (aceros hipo- e hipereutécticos).

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 1 SS1672

	Desgaste en cráter	Desgaste de bordes	Desgaste de entalla	Deformación
\alpha-Al_{2}O_{3}	- - -	- - -	++	++
\kappa-Al_{2}O_{3}	- - -	- - -	++	+++
TiCN(MTCVD)	++	+++	-	-
TiCN(CVD)	+++	+++	-	-
TiN(CVD)	+	++	++	- -
TiC(CVD)	+	+++	-	-

TABLA 2 SS2258

	Desgaste en cráter	Desgaste de bordes	Desgaste de entalla	Deformación
\alpha-Al_{2}O_{3}	+++	- -	++	++
\kappa-Al_{2}O_{3}	+++	-	++	+++
TiCN(MTCVD)	- -	+++	-	-
TiCN(CVD)	- -	+++	-	-
TiN(CVD)	- -	+	-	- -
TiC(CVD)	- - -	+++	-	-

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

Tal como se aprecia, el material de recubrimiento puede mostrar un comportamiento muy diferente en estos aceros. Por consiguiente, se deben desarrollar diferentes estructuras de recubrimiento para SS1672 (capas finas de Al_{2}O_{3} + capas gruesas de Ti(C,N), Fig. 2a) y para SS2258 (capas gruesas de Al_{2}O_{3} + capas finas de Ti(C,N), Fig. 2b), según el conocimiento del experto en la materia. En las Figuras 2a y 2b se muestran representaciones esquemáticas de las estructuras de recubrimiento optimizadas para estos aceros.

Ejemplo 2

Se llevaron a cabo ensayos de corte en SS1672 y SS2258. El recubrimiento según Fig. 2a, el cual estaba constituido por 6 capas de \kappa-Al_{2}O_{3} con capas de Ti(C,N) incluidas de forma dispersa (en conjunto un espesor multicapa de 7 \mum), se ensayó con SS1672, y un recubrimiento, que fue segregado conforme a la Fig. 2b y que estaba constituido por 5 capas de \kappa-Al_{2}O_{3} con capas de Ti(C,N) incluidas de forma dispersa (en conjunto un espesor multicapa de 7 \mum) se ensayó con SS2258. También se compararon ensayos de corte utilizando piezas insertadas con monocapas de Al_{2}O_{3}, TiN y Ti(C,N), así como con un recubrimiento multicapa de óxido de aluminio \kappa y TiN. Los resultados se muestran en las Tablas 3 y 4.

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 3 SS1672, velocidad de corte 250 m/min

Recubrimiento	Tiempo de vida/minutos	Tipo de fallo
Al_{2}O_{3}	11	desgaste en cráter
TiN	15	desgaste en cráter + desgaste de entalla
TiCN	19	desgaste en cráter + desgaste de entalla
Múltiples veces \kappa + TiN	25	desgaste en cráter
Múltiples veces \kappa + TiCN	39	desgaste en cráter

TABLA 4 SS2258, velocidad de corte 200 m/min

Recubrimiento	Tiempo de vida/minutos	Tipo de fallo
Al_{2}O_{3}	15	desgaste de bordes
TiN	8	desgaste en cráter
TiCN	8	desgaste en cráter
Múltiples veces \kappa + TiN	25	desgaste de bordes
Múltiples veces \kappa + TiCN	32	desgaste de bordes

Ejemplo 3

En la Fig. 3 se representa una comparación detallada del comportamiento del recubrimiento monocapa y multicapa (Fig. 2b) al tornear SS2258. El recubrimiento multicapa es mejor comparado con el SS2258 monocapa. En este acero el desgaste de bordes está claramente disminuido en comparación con los recubrimientos de Ti(C,N). A partir de las micrografías de SEM se aprecia claramente, que tanto la resistencia al desgaste en cráteres como también la resistencia al desgaste de bordes de piezas de inserción con recubrimientos multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} es mejor que la de las que fueron provistas de un único recubrimiento de \kappa-Al_{2}O_{3}. En este tipo de acero, con el cual se obtienen generalmente las piezas de inserción recubiertas con óxido de aluminio, el efecto del recubrimiento múltiple es muy claro. El periodo de vida de las piezas de inserción aumenta drásticamente en más que aproximadamente el 100%, especialmente para 200 m/min. En el acero para rodamientos de bolas SS2258 (acero hipereutectoide), el recubrimiento multicapa lleva a un desgaste que ha disminuido mucho más drásticamente que lo observado anteriormente para los aceros hipoeutectoides (documento de EE.UU. 5,700,569).

Ejemplo 4

En la Fig. 4 se reproduce una comparación detallada del comportamiento de un recubrimiento monocapa y de uno multicapa (Fig. 2b) al tornear SS1672. El recubrimiento multicapa es mejor en comparación con el de capa única en SS1672. En comparación con el recubrimiento multicapa con \kappa-Al_{2}O_{3} conforme a la patente de EE.UU. 5,700,569, los recubrimientos multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} con Ti(C,N), junto con un espesor disminuido de las capas de óxido de aluminio, mejoran el rendimiento de las piezas insertadas en comparación con el estado de la técnica. De la micrografía SEM resulta claro, que tanto la resistencia al desgaste en cráteres como también la resistencia al desgaste de bordes eran mejores que dichas propiedades con la capa única. En este acero el desgaste de bordes se reduce de manera claramente más potente que lo observado anteriormente, cuando se estudiaron recubrimientos multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} y Ti(C,O) (patente de EE.UU. 5,700,569).

Claims

1. Cuerpo recubierto en el cual el recubrimiento es un recubrimiento multicapa de \kappa-Al_{2}O_{3} y \gamma-Al_{2}O_{3}, siendo aportada cada una por una segregación química a partir de la fase vapor a una temperatura de 700 a 900ºC y estando entremezclada con capas de Ti(C,N).

2. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual los revestimientos multicapa comprenden capas de \gamma-Al_{2}O_{3} y/o \kappa-Al_{2}O_{3} con un espesor de aproximadamente 0,1 a 3,2 \mum.

3. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual el revestimiento multicapa comprende capas de \gamma-Al_{2}O_{3} y/o \kappa-Al_{2}O_{3} con un espesor de aproximadamente 0,3 a aproximadamente 1,2 \mum.

4. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual las capas de Ti(C,N) comprenden capas con un espesor de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 3,2 \mum.

5. Cuerpo recubierto según la reivindicación 4, en el cual las capas de Ti(C,N) comprenden capas con un espesor de aproximadamente 0,3 a 1,2 \mum.

6. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual una capa de Ti(C,N) se presenta como capa de cobertura del revestimiento multicapa.

7. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual las capas de \gamma-Al_{2}O_{3} comprenden las capas superiores de óxido de aluminio y las capas de \kappa-Al_{2}O_{3} comprenden las capas de óxido de aluminio más internas.

8. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual los recubrimientos multicapa tienen un espesor total de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 \mum.

9. Cuerpo recubierto según la reivindicación 8, en el cual los recubrimientos multicapa tienen un espesor total de aproximadamente 5 a aproximadamente 15 \mum.

10. Cuerpo recubierto según la reivindicación 1, en el cual este cuerpo se ha seleccionado del grupo que consta de un metal duro, cermet, material cerámico, acero ultrarápido y de mezclas de ellos.

11. Herramienta para el corte de metal a partir de los cuerpos recubiertos según la reivindicación 10.