ES2273772T3 - Una pelicula dura para herramientas de corte. - Google Patents

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ES2273772T3 ES01130218T ES01130218T ES2273772T3 ES 2273772 T3 ES2273772 T3 ES 2273772T3 ES 01130218 T ES01130218 T ES 01130218T ES 01130218 T ES01130218 T ES 01130218T ES 2273772 T3 ES2273772 T3 ES 2273772T3
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Yasuomi Kobe Corporate Research Lab. Morikawa
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Kazuki Takasago Works Takahara
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Abstract

Una película dura para herramientas de corte que se compone de (Ti1-a-b-c-d, Ala, Crb, Sic, Bd)(C1-eNe) 0, 5 = a = 0, 8, 0, 06 = b, 0 = c = 0, 1, 0 = d = 0, 1, 0, 01 = c+d = 0, 1, a+b+c+d < 1, 0, 5 = e = 1 (donde a, b, c, y d denotan respectivamente las relacio- nes atómicas de Al, Cr, Si, y B, y e denota la relación atómica de N).

Description

Una película dura para herramientas de corte.
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a una película dura para mejorar la resistencia al desgaste de herramientas de corte como puntas, fresas, y fresas universales, una herramienta de corte recubierta con dicha película dura que exhibe excelente resistencia al desgaste, y un proceso para formar dicha película dura.
Ha sido práctica común recubrir herramientas de corte hechas de carburo cementado, cerametal, o acero para herramientas de alta velocidad con película dura de TiN, TiCN, TiAlN, o análogos con el fin de mejorar su resistencia al desgaste.
A causa de su excelente resistencia al desgaste como se describe en la Patente japonesa número 2644710, la película de nitruro compuesto de Ti y Al (denominado TiAlN a continuación) ha suplantado la película de nitruro de titanio, carburo de titanio, o carbonitruro de titanio a aplicar a herramientas de corte para corte a alta velocidad o para materiales de alta dureza como acero templado.
Hay una demanda creciente de película dura con mejor resistencia al desgaste a medida que el material de trabajo es más duro y la velocidad de corte aumenta.
Es conocido que dicha película de TiAlN incrementa en dureza y mejora en resistencia al desgaste a la incorporación de Al. La patente japonesa número 2644710 indica que TiAlN precipita AlN blando de estructura ZnS cuando su contenido de Al es tal que la relación composicional x de Al excede de 0,7 en la fórmula (Al_{x}Ti_{1-x})N que representa TiAlN. La patente anterior también menciona que "si el contenido de Al (x) excede de 0,75, la película dura tiene una composición similar a la de AlN y por lo tanto es blanda, permitiendo que el flanco se desgaste fácilmente". Además, la patente anterior representa en la figura 3 la relación entre la relación composicional de Al y la dureza de la película. Se indica que la dureza comienza a disminuir cuando la relación composicional de Al excede aproximadamente de 0,6. Esto sugiere que AlN de estructura ZnS comienza a separarse cuando la relación composicional de Al es del rango de 0,6-0,7 y AlN de estructura ZnS se separa más cuando la relación composicional de Al aumenta más, con el resultado de que la dureza de película disminuye consiguientemente. Además, la patente anterior menciona que la película de TiAlN comienza a oxidarse a 800ºC o más cuando la relación composicional x de Al es 0,56 o más alta, y esta temperatura aumenta a medida que aumenta el valor x. La temperatura que la película de TiAlN resiste sin oxidación es aproximadamente 850ºC cuando la relación composicional de Al es 0,75 (que es el límite superior para que la película de TiAlN tenga dureza adecuada).
En otros términos, la película de TiAlN convencional no puede tener tanto alta dureza como buena resistencia a la oxidación porque hay un límite a incrementar la dureza incrementando la relación composicional de Al. En consecuencia, también es limitada la mejora de la resistencia al desgaste.
Actualmente, las herramientas de corte deben ser usadas a velocidades más altas para mayor eficiencia. Las herramientas de corte que cumplen tales requisitos necesitan una película de recubrimiento dura que tiene mejor resistencia al desgaste que antes.
JP 04128363 describe una película de recubrimiento de Ti-Al-Cr-N que tiene una composición de la formula (Ti_{1-x-y}Al_{x}Cr_{y})N (donde x < 0,8 y 0,2 < y < 0,7) que se forma en la superficie de un material base tal como acero inoxidable, acero para herramientas de alta velocidad o una aleación dura sinterizada.
JP 2000038653 describe una película compuesta de Ti_{1-x-y}Al_{x}Cr_{y})N, donde x e y son valores que cumplen:
0,02 \leq x < 1,0 y 0,02 \leq y \leq 0,7.
En "Properties of various large-scale fabricated TiAlN- and CrN-based superlattice coatings grown by combined cathodic arc-unbalanced magnetron sputter deposition"; W.-D. Munz y colaboradores; Surface and Coatings Technology 125 (2000) 269-277), se describen recubrimientos específicos de TiAlN-CrN.
EP 1 132 498 A1, que es técnica anterior según el Art. 54 (3) y (4) EPC, describe piezas recubiertas con capa dura, donde como mínimo una o dos capas contienen Al, Ti, Cr, N y O.
La presente invención se completó en vista de lo anterior. Un objeto de la presente invención es proporcionar una película dura para herramientas de corte que es de mejor resistencia al desgaste que la película de TiAlN y permite corte eficiente a alta velocidad, y un proceso para formar dicha película dura.
La presente invención se refiere a una película dura para herramientas de corte compuesta de
(Ti_{1-a-b-c-d}, Al_{a}, Cr_{b}, Si_{c}, B_{d})(C_{1-e}N_{e})
0,5 \leq a \leq 0,8, 0,06 \leq b, 0 \leq c \leq 0,1, 0 \leq d \leq 0,1,
0,01 \leq c+d \leq 0,1, a+b+c+d < 1, 0,5 \leq e \leq 1
(donde a, b, c, y d denotan respectivamente las relaciones atómicas de Al, Cr, Si, y B, y e denota la relación atómica de N. Esto se repetirá a continuación).
La presente invención incluye realizaciones preferidas en las que el valor de e es 1, o los valores de a y b son del rango de
0,02 \leq 1-a-b \leq 0,30, 0,55 \leq a \leq 0,765, 0,06 \leq b, o
0,02 \leq 1-a-b \leq 0,175, 0,765 \leq a, 4(a-0,75) \leq b.
Según la presente invención, la película dura para herramientas de corte deberá ser preferiblemente una que tenga la estructura cristalina principalmente de estructura de cloruro de sodio. La estructura de cloruro de sodio deberá ser preferiblemente una que tenga el plano (111), el plano (200), y el plano (220) de modo que la intensidad de rayos difractados de ellos medidos por difracción por rayos X (método \theta-2\theta), denotado por 1(111), 1(200), y 1(220), respectivamente, cumpla la expresión (1) y/o la expresión (2) y la expresión (3) expuestas a continuación.
I(220) \leq I(111)
... (1)
I(220) \leq I(200)
... (2)
I(200)/I(111) \geq 0,1
... (3)
Además, la estructura de cloruro de sodio deberá ser preferiblemente una que, medida por difracción por rayos X (método \theta-2\theta) con la línea Cu K\alpha, da el rayo difractado del plano (111) cuyo ángulo de difracción es del rango de 36,5º-38,0º. Además, el rayo difractado del plano (111) deberá tener preferiblemente una anchura media no superior 
\hbox{a 1º.}
Dicha película dura para herramientas de corte puede ser usada para obtener herramientas de corte recubiertas con destacada resistencia al desgaste.
La presente invención se refiere también a un proceso para formar dicha película dura para herramientas de corte. Este proceso consta de vaporizar e ionizar un metal en una atmósfera de gas peliculígeno y convertir dicho metal y gas peliculígeno en plasma, formando por ello una película. El proceso es un método mejorado de recubrimiento iónico por arco (AIP) que consta de vaporizar e ionizar un metal que constituye un blanco por descarga de arco, formando por ello la película dura de la presente invención sobre un sustrato, donde dicha mejora incluye formar las líneas de fuerza magnética que:
a) son paralelas a la normal en la superficie de evaporación del blanco, y
b) se extienden hacia el sustrato en la dirección paralela a o ligeramente divergente de la normal a la superficie de evaporación del blanco, acelerando por ello la conversión de gas peliculígeno a un plasma por las líneas de fuerza magnética.
En este caso, el voltaje de polarización a aplicar al sustrato deberá ser preferiblemente -50 V a -400 V con respecto al potencial de tierra. Además, el sustrato se deberá mantener preferiblemente a 300-800ºC mientras se está formando la película encima. El gas reactivo para formación de película deberá tener preferiblemente una presión parcial o presión total en el rango de 0,5-7 Pa.
A propósito, el gas reactivo usado en la presente invención denota uno o más de nitrógeno gaseoso, metano, etileno, acetileno, amoníaco, y hidrógeno, que contienen elementos necesarios para la película de recubrimiento. El gas reactivo puede ser usado en combinación con un gas raro tal como argón, que se denomina un gas auxiliar. El gas reactivo y el gas auxiliar se pueden denominar colectivamente un gas peliculígeno.
Un blanco usado para formar una película dura puede estar compuesto de Ti, Al, Cr, Si, y B y tiene una densidad re-
lativa más alta que 95%. El blanco no deberá contener preferiblemente poros o poros con un radio menor que 0,3 mm.
El blanco deberá tener una composición definida por
(Ti_{1 x-y-z-w}, Al_{x}, Cr_{y}, Si_{z}, B_{w})
0,5 \leq x \leq 0,8, 0,06 \leq y, 0 \leq z \leq 0,1, 0 \leq w \leq 0,1,
0 \leq z+w \leq 0,1, x+y+z+w < 1
(donde x, y, z, y w denotan respectivamente las relaciones atómicas de Al, Cr, Si, y B. Esto se repetirá a continuación). Además, si el valor de (z+w) es 0, los valores de x e y deberán estar preferiblemente en el rango definido a continuación.
0,02 \leq 1-x-y \leq 0,30, 0,55 \leq x \leq 0,765, 0,06 \leq y, o
0,02 \leq 1-x-y \leq 0,175, 0,765 \leq x, 4(x-0,75) \leq y.
Además, el blanco deberá contener preferiblemente no más de 0,3 por ciento en masa oxígeno, no más de 0,05 por ciento en masa hidrógeno, no más de 0,2 por ciento en masa cloro, no más de 0,05 por ciento en masa cobre, y no más de 0,03 por ciento en masa magnesio.
La figura 1 es un diagrama triangular que representa la cantidad de componentes metálicos Ti, Al, y Cr en la película de (Ti,Al,Cr)N.
La figura 2 es un diagrama esquemático que representa un ejemplo del aparato de recubrimiento iónico por arco (Al P) usado para poner en práctica la presente invención.
La figura 3 es un diagrama esquemático ampliado en sección que representa la parte importante de la fuente de evaporación de arco usada para llevar a la práctica la presente invención.
La figura 4 es un diagrama esquemático ampliado en sección que representa la parte importante de otra fuente de evaporación de arco usada para llevar a la práctica la presente invención.
La figura 5 es un diagrama esquemático ampliado en sección que representa la parte importante de una fuente de evaporación de arco convencional.
La figura 6 es una configuración de difracción por rayos X de una película que tiene una composición de (Ti_{0,1}Al_{0,7}
Cr_{0,2})N. La parte (1) es la de la película formada usando la fuente de evaporación de la presente invención. La parte (2) es la de la película formada usando la fuente de evaporación convencional.
La figura 7 es un gráfico que representa la relación entre la temperatura del sustrato y el esfuerzo residual en la película que tiene una composición de (Ti_{0,1}Al_{0,7}Cr_{0,2})N.
La figura 8 es un diagrama que representa el rango de la composición de componentes metálicos Ti, Al, y Cr de película de (Ti,Al,Cr)N en los ejemplos de la presente invención.
Bajo dichas circunstancias, los autores de la presente invención realizaron amplios estudios para realizar una película dura para herramientas de corte que exhibe mejor resistencia al desgaste que antes. Como resultado, se halló que el objeto se logra si la película tiene mayor dureza y mejor resistencia a la oxidación. Los autores de la presente invención continuaron sus estudios prestando atención a la película de TiAlN. Se halló que la película de TiAlN mejora en gran medida en dureza y resistencia a la oxidación y por lo tanto en resistencia al desgaste si se le incorpora Cr. También se halló que la película de TiAlN mejora más en resistencia a la oxidación si se le incorpora Si o B. Sus investigaciones cuantitativas al efecto de estos aditivos condujeron a la presente invención.
Lo esencial de la presente invención reside en una película dura compuesta de (Ti_{1-a-b-c-d}, Al_{a}, Cr_{b}, Si_{c}, B_{d})(C_{1-e}N_{e})
0,5 \leq a \leq 0,8, 0,06 \leq b, 0 \leq c \leq 0,1, 0 \leq d \leq 0,1,
0,01 \leq c+d \leq 0,1, a+b+c+d < 1, 0,5 \leq e \leq 1
(donde a, b, c, y d denotan respectivamente las relaciones atómicas de Al, Cr, Si, y B, y e denota la relación atómica de N). A continuación se ofrece una descripción detallada de la composición de la película dura.
TiAlN es un cristal de estructura de cloruro de sodio, o es un nitruro compuesto de estructura de cloruro de sodio compuesto de TiN en que el lugar Ti es sustituido por Al. El hecho de que AlN de estructura de cloruro de sodio esté en un estado de equilibrio a una temperatura alta bajo una presión alta sugiere que tiene alta dureza. Por lo tanto, sería posible aumentar la dureza de película de TiAlN si se incrementa la relación de Al en TiAlN, manteniendo su estructura de cloruro de sodio. Sin embargo, AlN de estructura de cloruro de sodio está en un estado de no equilibrio a temperatura normal bajo presión normal o a una temperatura alta bajo una presión baja. En consecuencia, el recubrimiento de fase gas ordinario forma simplemente AlN de estructura ZnS (que es blanda) y nunca forma AlN de estructura de cloruro de sodio como una sustancia simple.
No obstante, es posible formar TiAlN de estructura de cloruro de sodio a temperatura normal bajo presión normal o a una temperatura alta bajo una presión baja, si la película de nitruro se forma por incorporación de Al a Ti, porque TiN es de estructura de cloruro de sodio y tiene una constante reticular próxima a la de AlN de estructura de cloruro de sodio y por lo tanto AlN se asimila a la estructura de TiN. Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, si la cantidad de Al en TiAlN excede de un cierto límite definido por la relación composicional (x) de 0,6-0,7 en (Al_{x},Ti_{1-x})N que representa TiAlN, AlN de estructura ZnS precipita porque el efecto de asimilación por TiN es débil.
A propósito, sería posible aumentar más la relación de AlN de estructura de cloruro de sodio si Ti en TiAlN es sustituido parcialmente por Cr, porque CrN tiene una constante reticular que es más próxima a la de AlN de estructura de cloruro de sodio que la de TiN. Si es posible aumentar la relación de AlN de estructura de cloruro de sodio en la película por incorporación con Cr como se ha mencionado anteriormente, parece posible hacerla más dura que la película de TiAlN.
Por otra parte, la Publicación de Patente japonesa número 310174/1995 describe un método de incrementar la dureza y resistencia a la oxidación de TiAlN por incorporación con Si. El método descrito requiere que la cantidad de Al no sea más de 0,75 (en relación atómica) y la cantidad de Si no sea más de 0,1 (en relación atómica). Si las cantidades de Al y Si exceden de los límites antes especificados, la película resultante toma la estructura cristalina hexagonal (que es blanda). Por lo tanto, la mejora adicional de la resistencia a la oxidación es limitada. Por contraposición, los autores de la presente invención hallaron que es posible aumentar la resistencia a la oxidación y la dureza manteniendo al mismo tiempo la estructura de cloruro de sodio si a la película de TiAlN se le incorpora no solamente Cr, sino también Si. El comportamiento de Si todavía no se ha aclarado; presumiblemente, ocupa la posición de Ti en el retículo de TiN como en el caso de Al en TiAlN.
A propósito, dado que AlN, CrN, y SiN supera a TiN en resistencia a la oxidación, es deseable añadir Al, Cr, y Si más bien que Ti desde el punto de vista de mejorar la resistencia a la oxidación.
A continuación se ofrece una explicación detallada de la razón por la que las relaciones atómicas a, b, c, d, y e han sido establecidas para Ti, Al, Cr, Si, B, y C que constituye la película de (Ti_{1-a-b-c-d}, Al_{a}, Cr_{b}, Si_{c}, B_{d}) (C_{1-e}N_{e}).
Primero, Al deberá ser añadido de modo que el límite inferior y el límite superior de su relación atómica (a) sea 0,5 y 0,8, respectivamente, porque una cantidad mínima de Al es necesaria para asegurar la resistencia a la oxidación y la dureza y una cantidad excesiva de Al precipita cristales hexagonales blandos, disminuyendo por ello la dureza de película.
Cr permite que el contenido de Al se incremente manteniendo al mismo tiempo la estructura de cloruro de sodio como se ha mencionado anteriormente. Para este efecto, Cr deberá ser añadido de modo que el límite inferior de su relación atómica (b) sea 0,06.
La relación atómica (a) de Al deberá ser 0,55 o superior, preferiblemente 0,60 o superior. El límite inferior de la relación atómica (b) de Cr deberá ser preferiblemente 0,08. En el caso donde la relación atómica (a) de Al excede de 0,765, la relación atómica (b) de Cr deberá estar preferiblemente dentro del rango mencionado a continuación. Además, dado que CrN es menos duro que TiN, Cr reducirá la dureza si se añade excesivamente. Así, el límite superior de la relación atómica (b) de Cr deberá ser 0,35, preferiblemente 0,3.
La figura 1 es un diagrama triangular que representa la cantidad de componentes metálicos Ti, Al, y Cr en la película de (Ti,Al,Cr)N. En el lado izquierdo de la línea b = 4(a - 0,75) o en la zona donde b < 4(a - 0,75), la dureza de la película disminuye muchísimo porque AlN en la película contiene cristales de estructura ZnS (que es blanda) en relación más alta incluso aunque se añada Cr. Por lo tanto, en el caso donde la relación atómica (a) de Al excede de 0,765, la relación de Cr deberá ser preferiblemente b \geq 4(a - 0,75).
Si produce el efecto de mejorar la resistencia a la oxidación, como se ha mencionado anteriormente. B también produce un efecto similar. Por lo tanto, Si y/o B se deberán añadir de modo que su relación atómica (c+d) sea 0,01 o superior, preferiblemente 0,02 o superior. Por otra parte, Si y/o B excesivos se separan en forma de cristales hexagonales blandos, deteriorando por ello la resistencia al desgaste. Si y/o B deberán ser añadidos de modo que el límite superior
de su relaciones atómicas (c) y (d) o (c+d) sea 0,1, preferiblemente 0,07 o menos, más preferiblemente 0,05 o menos.
A propósito, el nitruro de silicio forma una película protectora compacta de óxido de silicio en una atmósfera oxidante a altas temperaturas, protegiendo por ello la película de recubrimiento contra la oxidación. Por otra parte, el nitruro de boro es inherentemente superior en resistencia a la oxidación (comenzando su oxidación a aproximadamente 1000ºC); sin embargo, su óxido es pobre en potencia protectora una vez que ha empezado la oxidación. Es decir, el boro es ligeramente inferior al silicio en resistencia a la oxidación. Por lo tanto, es deseable añadir silicio solo en lugar de añadir silicio y boro en combinación.
La cantidad de Ti viene determinada por la cantidad de Al, Cr, Si, y B. TiN es más duro que CrN, y la película tendrá una dureza baja si no se añade Ti. En consecuencia, Ti deberá ser añadido de modo que el límite inferior de su relación atómica (1-a-b-c-d) sea 0,02, preferiblemente 0,03. En el caso donde la relación atómica de Al es 0,6 o superior, la cantidad preferida de Ti es tal que su relación atómica sea 0,35 o menos, preferiblemente 0,3 o menos, porque una cantidad excesiva de Ti disminuye relativamente la cantidad de Cr, reduciendo por ello dicho efecto de asimilación.
Si la relación atómica de Ti es menos que 0,20, la película resultante tiene mucho mejor resistencia a la oxidación, con el resultado de que aumenta la temperatura a la que la película comienza a oxidar. Por lo tanto, los valores de (a) y (b) en el rango definido a continuación son deseables.
0,02 \leq 1-a-b < 0,20, 0,55 \leq a \leq 0,765, 0,06 \leq b, o
0,02 \leq 1-a-b < 0,20, 0,765 \leq a, 4(a-0,75) \leq b.
Si la relación atómica (b) de Al es 0,6 o superior y el límite superior de la relación atómica (b) de Al es tal que la película resultante esté compuesta únicamente de cristales de estructura de cloruro de sodio, el resultado no es solamente buena resistencia a la oxidación sino también mayor dureza que Ti_{0,4}Al_{0,6}N. (Se ha de indicar que Ti_{0,1}Al_{0,6}N tiene la mayor dureza entre los compuestos representados por TiAlN en el que 0,56 \leq Al \leq 0,75).
Por lo tanto, el rango muy deseable de (a) y (b) es el siguiente.
0,02 \leq 1-a-b < 0,20, 0,60 \leq a \leq 0,709, o
0,02 \leq 1-a-b < 0,20, 0,709 \leq a, 11/6 x (a-0,66) \leq b.
Como en el caso mencionado anteriormente, el límite superior de la relación atómica (b) de Cr deberá ser preferiblemente 0,35, preferiblemente 0,3, porque CrN es menos duro que TiN y Cr excesivo disminuye la dureza.
La incorporación de C a la película hace que los carburos duros (como TiC, SiC, y B_{4}C) se separen, haciendo por ello la película más dura. La cantidad (1 - e) de C deberá ser preferiblemente igual a la cantidad total (1 - a - b) de Ti, Si, y B. El C excesivo hace que Al_{4}C_{3} y Cr_{7}C_{3} químicamente inestables se separen, deteriorando por ello la resistencia a la oxidación. Por lo tanto, C deberá ser añadido de modo que el valor de (e) en (Ti_{1-a-b-c-d}, Al_{a}, Cr_{b}, Si_{c}, B_{d})(C_{1-e}N_{e}) sea 0,5 o superior, preferiblemente 0,7 o superior, más preferiblemente 0,8 o superior, y muy deseablemente 1.
A propósito, la película dura de la presente invención deberá estar compuesta preferiblemente principalmente de cristales de estructura de cloruro de sodio, porque pierde alta resistencia si contiene cristales de estructura ZnS.
El cristal en el que domina la estructura de cloruro de sodio es uno que tiene la intensidad máxima de difracción por rayos X (método \theta-2\theta) definida por la expresión (4) siguiente, cuyo valor es 0,5 o superior, preferiblemente 0,8 o superior.
[IB(111)+IB(200)+IB(220)+IB(311)+IB(222)+IB(400)]/
[IB(111)+IB(200)+IB(220)+IB(311)+IB(222)+IB(400)+
IH(100)+IH(102)+IH(110)] \hskip7,5cm ... (4)
(donde IB(111), IB(200), IB(220), IB(311), IB(222), e IB(400) representan respectivamente la intensidad máxima debida al plano (111), el plano (200), el plano (220), el plano (311), el plano (222), y el plano (400) de estructura de cloruro de sodio, e IH(100), IH(102), e IH(110) representan respectivamente la intensidad máxima debida al plano (100), el plano (102), y el plano (110) de estructura ZnS).
Si el valor de la expresión (4) es menos que 0,5, la película resultante tiene una dureza inferior a la que se considera deseable en la presente invención.
La intensidad máxima de estructura ZnS se mide usando un difractómetro de rayos X que emite línea Cu K\alpha. La intensidad máxima es la que aparece en 28 = 32-33º para el plano (100), en 26 = 48-50º para el plano (102), o en
28 = 57-58º para el plano (110). A propósito, aunque el cristal de estructura ZnS está compuesto principalmente de AlN, su posición máxima realmente medida es ligeramente diferente de la representada en tarjetas JCPDS porque contiene Ti, Cr, Si, y B.
La película de la presente invención deberá tener preferiblemente la estructura de cloruro de sodio de modo que la intensidad máxima medida por difracción por rayos X cumpla lo siguiente. I(220) \leq I(111) y/o I(220) \leq I(200). La razón de esto es que la película tiene buena resistencia al desgaste cuando el plano (111) o el plano (200) (que es el plano estrechamente empaquetado de estructura de cloruro de sodio) es paralelo a la superficie de la
película.
La relación de I(200)/I(111) deberá ser preferiblemente 0,1 o superior (donde 1(200) denota la intensidad máxima debida al plano (200) y I(111) denota la intensidad máxima debida al plano (111)). Esta relación varía en el rango de aproximadamente 0,1 a 5 dependiendo de las condiciones de formación de película, tal como el voltaje de polarización aplicado al sustrato, presión de gas, y temperatura de formación de película. Se halló en esta invención que la película exhibe buenas características de corte cuando la relación es 0,1 o superior. Una razón probable de esto es la siguiente. Se considera que en el cristal de estructura de cloruro de sodio, los elementos metálicos se combinan básicamente con nitrógeno o carbono y hay muy pocos enlaces metal-metal, enlaces nitrógeno-nitrógeno, y enlaces carbono-carbono. Así, los átomos metálicos están contiguos a átomos metálicos, los átomos de nitrógeno están contiguos a átomos de nitrógeno, y átomos de carbono están contiguos a átomos de carbono en el plano (111), mientras que átomos metálicos están contiguos a átomos de nitrógeno o átomos de carbono en el plano (200). Hay una alta posibilidad de que los átomos metálicos se combinen con átomos de nitrógeno o átomos de carbono en el plano (200), y esto da lugar a una buena estabilidad. Así, se espera que si el plano (200) más estable se orienta a una cierta relación con respecto al plano (111), la película resultante tiene mayor dureza y exhibe mejores características de corte. El valor de I(200)/I(111) deberá ser 0,3 o superior, preferiblemente 0,5 o superior.
El ángulo de difracción debido al plano (111) varía dependiendo de la composición de la película, el estado de esfuerzo residual, y el tipo de sustrato. Los resultados de difracción por rayos X (método \theta-2\theta) con la línea Cu K\alpha indican que la película dura de la presente invención varía en el ángulo de difracción en el rango de aproximadamente 36,5-38,0º y que el ángulo de difracción tiende a disminuir cuando aumenta la cantidad de Ti en la película. Una razón probable de por qué el ángulo de difracción debido al plano (111) disminuye (o la distancia entre planos (111) incrementa) con el aumento de la cantidad de Ti en la película es que la constante reticular (4,24\ring{A}) de TiN es mayor que la constante reticular (4,12\ring{A}) de AlN y la constante reticular (4,14\ring{A}) de CrN de estructura de cloruro de sodio, como se ha mencionado anteriormente. A propósito, cuando la película dura de la presente invención, que tiene la composición de (Ti_{0,12}Al_{0,70}Cr_{0,15}Si_{0,03})N, se formó en un sustrato de carburo cementado, el ángulo de difracción debido al plano (111) varía en el rango de 36,6-37,1º dependiendo de las condiciones de formación de película.
El ángulo de difracción debido al plano (111) de estructura de cloruro de sodio puede ser calculado a partir de la fórmula de Bragg siguiente (5).
... (5)2 x (espaciación de plano de retículos, \ring{A}) x sen (ángulo de difracción 2\theta/2) = longitud de onda de rayos X usado (\ring{A})
La longitud de onda de rayos X es 1,54056\ring{A} para la línea Cu K\alpha. A propósito, la espaciación de los planos (111) en la expresión (5) se puede calcular a partir de la expresión siguiente (6) que se obtiene usando la ley de mezcla de las constantes reticulares estándar (4,24\ring{A}, 4,12\ring{A}, y 4,14\ring{A}) y la relación composicional de TiN, AlN, y CrN de estructura de cloruro de sodio.
... (6)La espaciación de los planos (111) (\ring{A}) - [2,4492 x Ti (% atómico) + 2,379 x Al (% atómico) + 2,394 x Cr (% atómico)]/100
(la cantidad de cada elemento se expresa en términos de 100% elemento metálico).
En el caso donde la película dura de la presente invención, que tiene la composición de (Ti_{0,1}Al_{0,72}Cr_{0,18})N, se forma sobre un sustrato de carburo cementado, el ángulo de difracción obtenido de dicha expresión (5) es 37,6º. En realidad, sin embargo, el ángulo de difracción varía en el rango de 37,2-37,7º dependiendo de las condiciones de formación de película y el esfuerzo residual. La película dura de la presente invención en su estado formado recibe esfuerzo de compresión y por lo tanto la espaciación de planos de retículo paralelos al sustrato es mayor (debido al efecto Poisson) que en el estado normal o el calculado a partir de dicha expresión (6). Por lo tanto, el ángulo de difracción debido al plano (111) medido por difracción por rayos X (método \theta-2\theta) era menor que en el estado normal o el calculado a partir de dicha expresión (5) sustituyendo la espaciación de plano de retículo en el estado normal obtenido de dicha expresión (6).
Es deseable que el ángulo de difracción debido al plano (111) obtenido por difracción por rayos X (método \theta-2\theta) con la línea Cu K\alpha esté dentro de ±0,3º del ángulo de difracción estándar calculado a partir de dichas expresiones (5) y (6) en la base de la composición de elementos metálicos en la película.
El pico de difracción debido a plano (111) tiene la propiedad de que su anchura media varía dependiendo de tamaño de cristal en la película y esfuerzo residual no uniforme en la película y los cristales en la película tienden a ser pequeños a medida que aumenta la anchura media. [Anchura media denota generalmente FWHM (anchura media máxima plena) que es la anchura de la parte de pico de difracción en la que la intensidad es la mitad de la intensidad máxima del pico de difracción]. Esta anchura media es aproximadamente de 0,2º a 1º en el caso de la película dura que satisface los requisitos de la presente invención. En el caso de película dura representada por (Ti_{0,1}Al_{0,72}Cr_{0,18})N (mencionado
anteriormente), la anchura media es del rango de 0,3º a 0,8º dependiendo de las condiciones de formación de película.
La película dura de la presente invención puede ser usada en forma de película monocapa que cumple dichos requisitos. También puede ser usada en forma de película multicapa, siendo cada capa mutuamente diferente y cumpliendo dichos requisitos. La película de (Ti,Cr,Al,Si,B)(CN) especificada en la presente invención, que tiene forma de una sola capa o de múltiples capas, puede tener en uno lado o ambos lados al menos una capa compuesta de cristales en los que domina la estructura de cloruro de sodio, que se selecciona del grupo que consta de una capa de nitruro metálico, una capa de carburo metálico, y una capa de carbonitruro metálico (que difieren de dicha película dura en la composición).
A propósito, el "cristal en el que domina la estructura de cloruro de sodio" denota lo mismo que lo definido anteriormente, que tiene la intensidad máxima de difracción por rayos X (método \theta-2\theta) definida por la expresión (4) dada anteriormente, cuyo valor es 0,8 o superior. (representando IB(111), IB(200), IB(220), IB(311), IB(222), e IB(400) respectivamente la intensidad máxima debida al plano (111), plano (200), plano (220), (311) plano, (222) plano, y (400) plano de estructura de cloruro de sodio, y representando IH(100), IH(102), e IH(110) respectivamente la intensidad máxima debida al plano (100), plano (102), y plano (110) de estructura ZnS). Las capas de nitruro metálico, carburo metálico, y carbonitruro metálico (que son de estructura de cloruro de sodio y difieren de dicha película dura en composición) incluyen, por ejemplo, las películas de TiN, TiAlN, TiVAlN, TiCN, TiAlCN, TiNbAlCN, y TiC.
La película dura para herramientas de corte según la presente invención puede tener en uno o ambos lados, además de dicha una o más capas, una o más capas de metal o aleación conteniendo al menos un metal seleccionado del grupo que consta de elementos del grupo 4A, elementos del grupo 5A, elementos del grupo 6A, Al, y Si. Los metales pertenecientes al grupo 4A, grupo 5A, y grupo 6A incluyen Cr, Ti, y Nb. La aleación incluye Ti-Al. Tal estructura de película laminada es efectiva para sustratos hechos de material ferroso (tal como HSS y SKD) que son inferiores a los de carburo cementado en adhesión a la película dura. La película dura con buena adhesión al sustrato se obtiene formando secuencialmente en dicho sustrato ferroso dicha película de Cr, TiN, o TiAlN (que es menos dura que la película dura especificada en la presente invención), una capa metálica intermedia de Cr, Ti, o Ti-Al, y la película dura de la presente invención. La capa intermedia que es relativamente más blanda que la película dura de la presente invención reduce el esfuerzo residual, mejorando por ello la adhesión (resistencia a la exfoliación).
En el caso donde la película dura de la presente invención consta de más de una capa, cada capa puede tener un grosor en el rango de 0,005-2 \mum; sin embargo, la película dura de la presente invención deberá tener preferiblemente un grosor total de 0,5 \mum a 20 \mum independientemente de si es de estructura monocapa o compuesta de más de una capa. La estructura de capas múltiples se puede formar de (i) películas mutuamente diferentes cada una de las cuales cumple los requisitos de la presente invención, (ii) capas de nitruro metálico, carburo metálico, o carbonitruro metálico que son de estructura de cloruro de sodio y diferentes de dicha película dura en composición, y (iii) capas de metal o aleación conteniendo al menos un metal seleccionado del grupo que consta de elementos del grupo 4A, elementos del grupo 5A, elementos del grupo 6A, Al, y Si. Con un grosor total inferior a 0,5 \mum, la película resultante dura es demasiado fina para tener suficiente resistencia al desgaste. Con un grosor total superior a 20 \mum, la película resultante dura es propensa
a romperse o exfoliarse durante el corte. Por lo tanto, un grosor más preferible es 1 \mum o más y 15 \mum o menos.
A propósito, las herramientas de corte a recubrir con la película dura de la presente invención incluyen fresas universales, fresas, punzones de estampado, e insertos de tirar que se hacen de carburo cementado, acero de alta velocidad (HSS), cerametal, o Cuerpo sinterizado CBN. Recientemente, se usan herramientas de corte en condiciones más severas que antes puesto que el trabajo es más duro y la velocidad de corte incrementa, y por lo tanto su película de recubrimiento tiene que tener mayor dureza y mejor resistencia a la oxidación. La película dura de la presente invención satisface estos dos requisitos. Es muy adecuada para las herramientas de corte usadas en condiciones de corte seco o semiseco. La película típica convencional de TiAlN no exhibe suficiente resistencia a la oxidación y dureza en condiciones de corte seco (en las que la temperatura es considerablemente alta). Este inconveniente es superado por la película de la presente invención que tiene tanto alta dureza como buena resistencia a la oxidación.
La película de la presente invención, cuya estructura cristalina está dominada sustancialmente por estructura de cloruro de sodio a pesar de su alto contenido de Al, se puede formar efectivamente por el proceso especificado en la presente invención. Este proceso consta de vaporizar e ionizar un metal que constituye un blanco por descarga de arco en una atmósfera de gas peliculígeno y convertir dicho metal y gas peliculígeno en plasma, formando por ello una película. El proceso se deberá llevar a cabo preferiblemente de forma que se acelere la conversión de gas peliculígeno en plasma por las líneas de fuerza magnética que:
(a) son paralelas a la normal en la superficie de evaporación del blanco, y
(b) se extienden hacia el sustrato en la dirección paralela a o ligeramente divergente de la normal a la superficie de evaporación del blanco.
El aparato de recubrimiento iónico por arco (AIP) usado en el proceso de la presente invención difiere del convencional en que la fuente de campo magnético está colocada detrás del blanco y el componente de campo magnético perpendicular a la película deseada es pequeño. El aparato usado para formar la película dura de la presente invención se construye de modo que el imán esté colocado al lado de o delante del blanco de modo que las líneas de fuerza magnética diverjan de forma aproximadamente perpendicular o se extiendan paralelas a la superficie de evaporación del blanco. Las líneas de fuerza magnética aceleran la conversión del gas peliculígeno en plasma. Esto es muy efectivo al formar la película dura de la presente invención.
Un ejemplo del aparato AIP usado para llevar a la práctica la presente invención se representa en la figura 2. A continuación se ofrece una breve descripción del aparato AIP.
El aparato AIP consta de una cámara de vacío 1 (que tiene un orificio de rarificación 11 conectado a una bomba de vacío y un orificio de suministro 12 para alimentar un gas peliculígeno), una fuente de vaporización por arco 2 que vaporiza e ioniza por descarga de arco un blanco que constituye un cátodo, un soporte 3 para mantener un sustrato W (herramienta de corte) a recubrir, y una fuente de energía de polarización 4 para aplicar a través del soporte 3 un voltaje negativo de polarización al sustrato W a través del soporte 3 y la cámara de vacío 1.
La fuente de vaporización por arco 2 está provista de un blanco 6 que constituye un cátodo, una fuente de energía de arco 7 conectada al blanco 6 y la cámara de vacío 1 que constituye un ánodo, y un imán permanente 8 para generar un campo magnético formando líneas de fuerza magnética que divergen de forma aproximadamente perpendicular a o se extienden paralelas a la superficie de evaporación del blanco y llegan cerca del sustrato W. El campo magnético deberá ser tal que su densidad de flujo magnético sea superior a 10 G (Gauss), preferiblemente superior a 30 G, en el centro del sustrato. A propósito, el término "de forma aproximadamente perpendicular a la superficie de evaporación" significa un ángulo de 0º a aproximadamente 30º con respecto a la normal a la superficie de evaporación.
La figura 3 es un diagrama esquemático en sección ampliado que representa la parte importante de la fuente de evaporación de arco usada para llevar a la práctica la presente invención. Dicho imán 8 para generar un campo magnético está dispuesto de modo que rodee la superficie de evaporación S del blanco 6. El imán no es el único medio para generar un campo magnético; puede ser sustituido por un electroimán que conste de una bobina y una fuente eléctrica. Alternativamente, el imán se puede colocar de modo que rodee la parte delantera (mirando al sustrato) de la superficie de evaporación S del blanco 6, como se representa en la figura 4. A propósito, aunque la cámara de vacío en la figura 1 funciona como un ánodo, también es posible proporcionar un ánodo cilíndrico especial que rodea el lado delantero del blanco.
A propósito, la figura 5 representa un aparato AIP convencional, en el que la fuente de evaporación por arco 102 está provista de un electroimán 109 para concentrar la descarga de arco sobre el blanco 106. Sin embargo, dado que el electroimán 109 está colocado detrás del blanco 106, las líneas de fuerza magnética son paralelas al superficie del blanco cerca de la superficie de evaporación del blanco y por lo tanto no llegan cerca del sustrato W.
La fuente de evaporación por arco del aparato AIP usado en la presente invención difiere de la convencional en la estructura de campo magnético y por lo tanto en la forma en que se expande el plasma de gas peliculígeno.
La fuente de evaporación representada en la figura 4 convierte el gas peliculígeno en plasma como resultado de electrones inducidos por arco (e) que giran parcialmente alrededor de la línea de fuerza magnética y que chocan con moléculas de nitrógeno que constituyen el gas peliculígeno. Por contraposición, la fuente de evaporación convencional 102 representada en la figura 5 opera de forma diferente. Es decir, las líneas de fuerza magnética están confinadas cerca del blanco y por lo tanto el plasma de gas peliculígeno generado como se ha mencionado anteriormente tiene la densidad más alta cerca del blanco y una densidad baja cerca del sustrato W. Sin embargo, en el caso de la fuente de evaporación representada en las figuras 3 y 4, que se usa en la presente invención, la línea de fuerza magnética llega al sustrato W, así que el plasma de gas peliculígeno tiene una densidad mucho más alta cerca del sustrato W que en el caso de la fuente de evaporación convencional. Se considera que la diferente densidad de plasma afecta a la estructura cristalina de la película formada.
Un ejemplo de tales efectos realmente observados se representa en la figura 6, que es una configuración de difracción por rayos X de una película de TiCrAlN (que tiene una composición de (Ti_{0,1}Cr_{0,2}Al_{0,7})N) que se preparó usando la fuente de evaporación convencional y la fuente de evaporación mejorada de la presente invención. En la figura 6 "B1" representa la estructura de cloruro de sodio y "Hex" representa la estructura ZnS y "()" representa el plano de cristal. Además, picos no marcados en la figura 6 son atribuidos al sustrato (carburo cementado). Ambas fuentes de evaporación operaron para formar muestras de película bajo las condiciones siguientes. Corriente de arco: 100 A, presión de gas nitrógeno: 2,66 Pa, temperatura del sustrato: 400ºC, y voltaje de polarización para sustrato: varió de 50 V a 300 V. A propósito, el voltaje de polarización es negativo con respecto al potencial de tierra. Así, un voltaje de polarización de 100 V, por ejemplo, significa un voltaje de polarización que es -100 V con respecto al potencial de tierra.
La fuente de evaporación del aparato AIP convencional, en el que el imán está colocado detrás del blanco, produce una película compuesta de fases mezcladas de sistema cúbico (estructura de cloruro de sodio) y sistema hexagonal (estructura ZnS) incluso cuando el voltaje de polarización se incrementa a 300 V, como se representa en la figura 6(2). Por contraposición, la fuente de evaporación del aparato AIP de la presente invención, en el que el imán está colocado al lado del blanco, produce una película compuesta de una sola fase de estructura de cloruro de sodio cuando el voltaje de polarización es 70 V o más alto con respecto al potencial de tierra, como se representa en la figura 6(1).
AlN de estructura de cloruro de sodio está inherentemente en un estado de no equilibrio a temperatura normal bajo presión normal, y por lo tanto es una sustancia que no se forma fácilmente. No obstante, se considera que la fuente de evaporación de la presente invención convierte activamente nitrógeno en plasma y las partículas de nitrógeno de alta energía resultantes ayudan a formar el AlN de estructura de cloruro de sodio en un estado de no equilibrio.
Cuanto más alto es el voltaje de polarización, más alta es la energía de gas peliculígeno e iones metal que se han convertido en plasma, y los cristales de la película toman estructura más fácilmente una de cloruro de sodio. En consecuencia, el voltaje de polarización deberá ser 50 V o superior, preferiblemente 70 V o superior, y más preferiblemente 100 V o superior. Sin embargo, un voltaje de polarización excesivamente alto no es práctico porque la película es atacada por el gas peliculígeno que se ha convertido en plasma y por lo tanto la tasa de formación de película es sumamente pequeña. En consecuencia, el voltaje de polarización deberá ser 400 V o inferior, preferiblemente 300 V o inferior, más preferiblemente 260 V o inferior, y muy deseablemente 200 V o inferior. A propósito, el voltaje de polarización es negativo con respecto al potencial de tierra. Así, un voltaje de polarización de 100 V, por ejemplo, significa un voltaje de polarización que es -100 V con respecto al potencial de tierra. El objeto de aplicar un voltaje de polarización es impartir energía al gas peliculígeno incidente e iones metal del blanco, permitiendo por ello que la película asuma la estructura de cloruro de sodio. El rango preferido del voltaje de polarización varía dependiendo de la composición de la película a formar. En el caso de película con un contenido comparativamente bajo de Al o un contenido comparativamente alto de Cr, un voltaje de polarización comparativamente bajo operará debido a dicho efecto similar que contribuye a la estructura de cloruro de sodio. Si el contenido de Al es inferior a aproximadamente 65% atómico o el contenido de Cr es superior a aproximadamente 25% atómico, es posible obtener una película monocapa de estructura de cloruro de sodio incluso cuando el voltaje de polarización es 70 V o inferior.
Según la presente invención, la temperatura del sustrato deberá estar en el rango de 300-800ºC al tiempo de formación de película. Esto está relacionado con el esfuerzo de la película resultante.
La figura 7 es un gráfico que representa la relación entre la temperatura del sustrato y el esfuerzo residual de la película resultante que tiene una composición de (Ti_{0,1}Al_{0,7}Cr_{0,2})N. La película se formó en las condiciones siguientes. Corriente de arco: 100 A, voltaje de polarización para el sustrato: 150 V, y presión de gas nitrógeno: 2,66 Pa.
Se indica en la figura 7 que el esfuerzo residual en la película resultante dura disminuye a medida que aumenta la temperatura del sustrato. La película resultante con esfuerzo residual excesivo es pobre en adhesión y propensa a la exfoliación. En consecuencia, la temperatura del sustrato deberá ser 300ºC o superior, preferiblemente 400ºC o superior. Por otra parte, cuanto más alta es la temperatura del sustrato, menor es el esfuerzo residual. Sin embargo, la película con esfuerzo residual excesivamente pequeño es pobre en resistencia a la compresión y por lo tanto menos efectiva para incrementar la resistencia del sustrato a la curvatura. También produce cambio térmico en el sustrato debido a temperatura alta. En consecuencia, la temperatura del sustrato deberá ser 800ºC o inferior, preferiblemente 700ºC o inferior.
En el caso donde el sustrato es carburo cementado, dicha temperatura del sustrato no está restringida específicamente. Sin embargo, en el caso donde el sustrato es acero para herramientas de alta velocidad (tal como JIS-HSS y JIS-SKH51) y acero para herramientas de trabajo en caliente (tal como JIS-SKD11 y JIS-SKD61), la temperatura del sustrato al tiempo de formación de película deberá ser inferior a la temperatura de temple de modo que el sustrato retenga sus propiedades mecánicas. La temperatura de temple varía dependiendo del material del sustrato; es aproximadamente 550-570ºC para JIS-SKH51, 550-680ºC para JIS-SKD61, y 500-530ºC para JIS-SKD11. La temperatura del sustrato deberá ser inferior a la temperatura de temple, preferiblemente inferior a la temperatura de temple en aproximadamente 50ºC.
Según la presente invención, la película se deberá formar preferiblemente de modo que el gas reactivo tenga una presión parcial o presión total en el rango de 0,5 Pa a 7 Pa. La presión del gas reactivo se expresa en términos de "presión parcial o presión total" porque el gas reactivo puede contener o no un gas auxiliar. El gas reactivo sin gas auxiliar es nitrógeno o metano que contiene elementos esenciales para la película. El gas auxiliar es un gas raro tal como argón. En el caso donde la película se forma a partir del gas reactivo sin gas auxiliar, hay que controlar la presión total del gas reactivo. En el caso donde la película se forma a partir del gas reactivo con un gas auxiliar, hay que controlar las presiones parciales del gas reactivo y el gas auxiliar. Si la presión parcial o presión total del gas reactivo es inferior a 0,5 Pa, la evaporación por arco da origen a gran cantidad de macropartículas (resultantes del blanco fundido), haciendo áspera la superficie de la película, lo que es indeseable para algunas aplicaciones. Por otra parte, si la presión parcial o la presión total del gas reactivo es superior a 7 Pa, el gas reactivo dispersa partículas evaporadas debido a frecuente colisión, disminuyendo por ello la tasa de formación de película. Por lo tanto, la presión parcial o total del gas reactivo deberá ser de 1 Pa a 5 Pa, preferiblemente de 1,5 Pa a
4 Pa.
En la presente invención, el método AIP se usa para formación de película, y ha sido explicado anteriormente. El método de formación de película no se limita a AIP; cualquier método puede ser usado a condición de que convierta eficientemente los elementos metálicos y el gas reactivo en plasma. Tales métodos adicionales incluyen deposición catódica por pulso y deposición asistida por haz de iones nitrógeno.
La película dura de la presente invención se puede producir efectivamente por recubrimiento en fase vapor tal como recubrimiento iónico y deposición catódica en los que un blanco es vaporizado o ionizado con el fin de formar una película sobre el sustrato, como se ha mencionado anteriormente. El blanco que carezca de propiedades deseables no permite descarga estable al tiempo de formación de película; por lo tanto, la película resultante es pobre en la uniformidad de composición. La investigación de los autores de la presente invención sobre las propiedades del blanco necesarias para la película dura con buena resistencia al desgaste reveló lo siguiente.
Primero, el blanco deberá tener una densidad relativa no inferior a 95%. Esta condición es necesaria para proporcionar descarga estable al tiempo de formación de película y para producir eficientemente la película dura de la presente invención. Con una densidad relativa inferior a 95%, el blanco tiene una porción basta tal como microporos en el componente de aleación. Un blanco con tal componente de aleación no se evapora uniformemente, y por lo tanto la película resultante varía en composición y grosor. Además, las porciones porosas se consumen local y rápidamente, reduciendo por ello la duración del blanco. Un blanco con gran número de vacíos no solamente se consume rápidamente, sino que también se fisura debido a pérdida de resistencia. La densidad relativa del blanco deberá ser preferiblemente 96% o superior, más preferiblemente 98% o superior.
Aunque un blanco tenga una densidad relativa no inferior a 95%, puede no producir una buena película (debido a descarga inestable) si tiene grandes vacíos. Es conocido que un blanco con vacíos de más de 0,5 mm de radio no permite la formación continua de película porque la descarga de arco es interrumpida por el componente de aleación que se evapora o ioniza. La investigación de los autores de la presente invención reveló que la descarga es inestable, aunque no se interrumpe, si hay vacíos de no menos de 0,3 mm de radio. Por lo tanto, para descarga estable y formación de película eficiente y satisfactoria, es deseable que los vacíos en un blanco sean de menos de 0,3 mm de radio, preferiblemente de 0,2 mm o menos de radio.
En recubrimiento en fase vapor por el método AIP, la composición del blanco usado determina la composición de la película formada. Por lo tanto, es deseable que la composición del blanco sea idéntica a la composición de la película deseada. Con el fin de obtener la película dura de la presente invención que es superior en resistencia al desgaste, hay que emplear un blanco que tiene la composición de
(Ti_{1-x-y-z-w}, Al_{x}, Cr_{y}, Si_{x}, B _{w},)
0,5 \leq x \leq 0,8, 0,06 \leq y, 0 \leq z \leq 0,1, 0 \leq w \leq 0,1,
0 \leq z+w \leq 0,1, x+y+z+w < 1
(donde x, y, z, y w denotan respectivamente las relaciones atómicas de Al, Cr, Si, y B. Esto se repetirá a continuación).
En el caso donde la película dura no contenga Si y B, los valores de x, y, z, y w deberán estar preferiblemente en el rango definido a continuación.
0,02 \leq 1-x-y \leq 0,30, 0,55 \leq x \leq 0,765, 0,06 \leq y, z+w = 0,
o 0,02 \leq 1-x-y \leq 0,175, 0,765 \leq x, 4(x-0,75) \leq y, z+w = 0.
Además de cumplir dichos requisitos de la composición, el blanco deberá tener una distribución de composición uniforme. De otro modo, la película resultante dura carece de uniformidad en la distribución de composición y por lo tanto varía en resistencia al desgaste de una parte a otra. Además, un blanco con distribución de composición variada experimenta variación local de la conductividad eléctrica y punto de fusión. Esto conduce a descarga inestable y por lo tanto a una película pobre. En consecuencia, el blanco de la presente invención deberá tener una distribución de composición uniforme cuya variación esté dentro de 0,5% atómico.
Los autores de la presente invención también investigaron cómo el estado de descarga al tiempo de formación de película varía dependiendo de la cantidad de impurezas inevitables (como oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) que entran en el blanco de la materia prima o la atmósfera en la que se produce el blanco.
Como resultado se halló que un blanco conteniendo oxígeno, hidrógeno, y cloro en grandes cantidades libera de forma explosiva estos gases, dando lugar a descarga inestable y, en el peor caso, rotura propiamente dicha, haciendo imposible la formación de película. Por lo tanto, es deseable que el blanco contenga oxígeno, hidrógeno, y cloro en una cantidad limitada no superior a 0,3 por ciento en masa, 0,05 por ciento en masa, y 0,2 por ciento en masa, respectivamente. El contenido preferido de oxígeno, hidrógeno, y cloro no deberá ser superior a 0,2 por ciento en masa, 0,02 por ciento en masa, y 0,15 por ciento en masa, respectivamente.
El cobre y el magnesio también son impurezas perjudiciales porque son más volátiles (con una presión de vapor más alta) que Ti, Al, Cr, Si, y B que constituye el blanco de la presente invención. Cuando se contienen en grandes cantidades, forman vacíos en el blanco al tiempo de formación de película, y tales vacíos hacen inestable la descarga durante la formación de película. Por lo tanto, el contenido de cobre en un blanco deberá ser 0,05 por ciento en masa o menos, preferiblemente 0,02 por ciento en masa o menos. El contenido de magnesio en un blanco deberá ser 0,03 por ciento en masa o menos, preferiblemente 0,02 por ciento en masa o menos.
Una forma de reducir el contenido de impurezas como se ha especificado anteriormente es la fusión por vacío de materia prima en polvo o mezcla de materia prima en polvo en una atmósfera limpia.
Mientras tanto, la presente invención no especifica el método de preparar el blanco. Sin embargo, hay un método preferido que consiste en mezclar uniformemente materias primas en polvo en una relación adecuada usando una mezcladora en V o análogos y sometiendo después la mezcla resultante a CIP (presión isostática en frío) o HIP (presión isostática en caliente). La materia prima en polvo se compone de Ti en polvo, Cr en polvo, Al en polvo, Si en polvo, y B en polvo que tienen un tamaño de partícula adecuadamente controlado. Otros métodos incluyen extrusión en caliente y presión en caliente a superpresión alta.
Aunque es posible producir un blanco del polvo mezclado por presión en caliente (HP), el blanco resultante no tiene una densidad relativa suficientemente alta porque Cr es un metal de alta fusión. En lugar de producir un blanco de un polvo mezclado como se ha mencionado anteriormente, también es posible producir un blanco de un polvo previamente aleado, por medio de CIP o HIP, o mediante fusión y solidificación. CIP o HIP con un polvo de aleación ofrece la ventaja de que el blanco resultante tiene una composición uniforme; sin embargo, también experimenta la desventaja de que el blanco resultante tiende a tener una baja densidad relativa porque el polvo de aleación es pobre en sinterabilidad. El método que implica la fusión y solidificación de un polvo aleado ofrece la ventaja de que el blanco resultante tiene una composición comparativamente uniforme pero tiene la desventaja de que el blanco resultante está sujeto a fisuración y encogimiento al tiempo de solidificación. No produce fácilmente el blanco de la presente invención.
La invención se describirá con más detalle con referencia a los ejemplos siguientes, que no tienen la finalidad de limitar su alcance.
Ejemplo 1
(Ejemplo de referencia)
Se montó un blanco de aleación compuesto de Ti, Cr, y Al en el cátodo del aparato AIP representado en la figura 2. Se montó un sustrato en el soporte. El sustrato es una viruta de carburo cementado, una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes), o una pieza de lámina de platino (0,1 mm de grueso). La cámara se rarificó a un grado de vacío inferior a 3 x 10^{-3} Pa mientras que el sustrato se calentó a 400ºC por medio de un calentador colocado en la cámara. El sustrato recibió un voltaje de polarización de 700 V en una atmósfera de argón en 0,66 Pa, de modo que el sustrato se limpiase con iones argón durante 10 minutos. Posteriormente, se introdujo gas nitrógeno en la cámara. Con la presión de la cámara mantenida a 2,66 Pa, se aplicó una corriente de arco de 100 A para formación de película. Se formó una película de 4 \mum de grosor en la superficie del sustrato. A propósito, se aplicó un voltaje de polarización de 150 V al sustrato de modo que el sustrato se mantuviese negativo con respecto al potencial de tierra durante la formación de película.
Después de terminar el paso de formación de película, en la película resultante se examinó la composición de componentes metálicos, la estructura cristalina, la dureza Vickers, y la temperatura de inicio de oxidación. La dureza Vickers se midió usando un comprobador Microvickers bajo una carga de 0,25N durante 15 segundos. La composición de Ti, Cr, y Al en la película se determinó por EPMA. El contenido de elementos metálicos y elementos impureza (tal como O y C, excluyendo N) en la película también se determinaron por EPMA. Se halló que el contenido de oxígeno es inferior a 1% atómico y el contenido de carbono es inferior a 2% atómico. La estructura cristalina de la película se identificó por difracción por rayos X. La temperatura de inicio de oxidación se midió como sigue usando la muestra de platino. La muestra de platino se calentó en aire seco a temperatura ambiente a una tasa de 5ºC/minuto usando un termoequilibrio. La temperatura a la que cambia el peso se mide y se considera la temperatura de inicio de oxidación. El valor en la expresión anterior (4) se obtuvo midiendo la intensidad de picos debido a respectivos planos de cristal usando un difractómetro de rayos X con la línea Cu K\alpha. La tabla 1 representa los resultados así obtenidos (incluyendo composición de película, estructura cristalina, dureza Vickers, temperatura de inicio de oxidación, y el valor de expresión (4)).
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 1
1
Se indica en la tabla 1 que las muestras de TiAlN (0,56 \leq Al \leq 0,75) en los experimentos números 21, 22, y 23 tienen una dureza de la película de 2700-3050 y una temperatura de inicio de oxidación de 800-850ºC. Sin embargo, no tienen mejor dureza de la película y temperatura de inicio de oxidación. Por contraposición, las muestras de los experimentos números 1 a 17 tienen una alta dureza Vickers así como una alta temperatura de inicio de oxidación.
La composición de los componentes metálicos Ti, Al, y Cr en la película de (Ti,Al,Cr)N se muestra en la figura 8. Cada composición se indica por el número de muestra (1 a 27). Las muestras números 1 a 17 (marcadas con \bullet, \blacktriangle, y (\blacksquare) tienen la alta dureza y la alta temperatura de inicio de oxidación características de TiAlN (0,56 \leq Al \leq 0,75). En particular, las muestras números 3 a 5 (marcadas con (\blacksquare) tienen una alta temperatura de inicio de oxidación, que es casi comparable a la de TiAlN (0,56 \leq Al \leq 0,75) y también tienen una dureza muy alta. Las muestras números 15 a 17 tienen una dureza equivalente a la mayor dureza de TiAlN (0,56 \leq Al \leq 0,75) y también una alta temperatura de inicio de oxidación.
Las muestras números 6 a 9 y 10 a 14 (marcado con \bullet) tienen la mayor dureza y la temperatura de inicio de oxidación más alta que nunca se lograron con la película de TiAlN convencional (0,56 \leq Al \leq 0,75). Exhiben mejor resistencia al desgaste que la película de TiAlN convencional (0,56 \leq Al \leq 0,75).
Por contraposición, las muestras números 18 a 20 y 24 a 27 (marcado con O) que tienen una composición fuera del rango especificado en la presente invención, no tienen una alta dureza y una alta temperatura de inicio de oxidación al mismo tiempo. Son equivalentes o inferiores a la película de TiAlN convencional (0,56 \leq Al \leq 0,75) y por lo tanto no se espera que tengan mejor resistencia al desgaste que la película de TiAlN convencional (0,56 \leq Al \leq 0,75).
Ejemplo 2
(Ejemplo de referencia)
En las muestras números 1, 4, 7, 11, 16, 18, 19, 22, 24, y 27 en el ejemplo 1, que son fresas universales recubiertas con la película dura, se comprobó la resistencia al desgaste cortando varias piezas de JIS-SKD61 (HRC50) templado en las condiciones siguientes.
Velocidad de corte: 200 m/min
Velocidad de alimentación: 0,07 mm/borde
Profundidad de corte: 5 mm
Alimentación de pico: 1 mm
Aceite de corte: soplo de aire solamente
Dirección de corte: corte descendente.
Después de cortar una longitud de 20 metros, se examinó el borde cortante de la fresa universal bajo un microscopio óptico para medir la anchura desgastada. Los resultados se exponen en la tabla 2.
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TABLA 2
2 
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Se hace notar en la tabla 2 que las muestras de fresas universales números 1, 4, 7, 11 y 16 son superiores en resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) a las muestras números 18, 19, 22, 24, y 27, recubiertas con la película que no cumple los requisitos de la presente invención.
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Ejemplo 3
Se montó un blanco de aleación compuesto de Ti, Cr, Al, y Si en el cátodo del aparato AIP representado en la figura 2. Se montó un sustrato en el soporte. El sustrato es una viruta de carburo cementado, una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con cuatro bordes), o una pieza de lámina de platino (0,2 mm de grueso). La cámara se rarificó a un grado de vacío inferior a 3 x 10^{-3} Pa mientras el sustrato se calentaba a 550ºC por medio de un calentador colocado en la cámara. El sustrato se limpió con iones argón durante 10 minutos. Posteriormente, se introdujo gas nitrógeno o una mezcla de gas nitrógeno y metano en la cámara. Con la presión de la cámara mantenida a 2,66 Pa, se aplicó una corriente de arco de 100 A para formación de película. Se formó una película de aproximadamente 3 \mum de grueso en la superficie del sustrato. A propósito, se aplicó un voltaje de polarización de 100-200 V al sustrato de modo que el sustrato se mantuvo negativo con respecto al potencial de tierra durante la formación de película.
Después de terminar el paso de formación de película, en la película resultante se examinó la composición de componentes metálicos, la estructura cristalina, la dureza Vickers, y la temperatura de inicio de oxidación. La composición de Ti, Cr, Al, y Si en la película se determinó por EPMA (con coeficiente de absorción de masa corregido). El contenido de elementos metálicos y elementos impureza (tal como O y C, excluyendo N) en la película también se determinó por EPMA. Se halló que el contenido de oxígeno es inferior a 1% atómico y el contenido de carbono es inferior a 2% atómico (en el caso donde no se usó metano como el gas peliculígeno). En la película resultante se examinó la estructura cristalina, la dureza Vickers (bajo una carga de 0,25N), y la temperatura de inicio de oxidación de la misma forma que en el ejemplo 1. La tabla 3 representa los resultados así obtenidos (incluyendo composición de película, estructura cristalina, dureza Vickers, temperatura de inicio de oxidación, y el valor de expresión (4)).
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(Tabla pasa a página siguiente)
3
Se hace notar en la tabla 3 que la muestra de TiAlSiN (0,05 \leq Al \leq 0,75) en el experimento número 1 no tiene mayor dureza ni mejor temperatura de inicio de oxidación. También se indica que las muestras números 2, 3, 4, y 6, que no cumplen los requisitos de la presente invención, son pobres en dureza de la película o temperatura de inicio de oxidación. En contraposición, las muestras de los experimentos números 5 y 7 a 17, que tienen la composición especificada en la presente invención, tienen alta dureza Vickers así como una alta temperatura de inicio de
oxidación.
Ejemplo 4
En las muestras números 3, 5, 8, 10, 12, 15, y 16, en el ejemplo 3, que son fresas universales recubiertas con la película dura, se comprobó la resistencia al desgaste cortando varias piezas de JIS-SKD61 (HRC50) templado en las condiciones siguientes.
Velocidad de corte: 200 m/min
Velocidad de alimentación: 0,05 mm/borde
Profundidad de corte: 5 mm
Alimentación de pico: 1 mm
Aceite de corte: soplo de aire solamente
Dirección de corte: corte descendente.
Después de cortar una longitud de 30 metros, el borde cortante de la fresa universal se examinó bajo un microscopio óptico para medir la anchura desgastada. Los resultados se exponen en la tabla 4.
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TABLA 4
4
Se hace notar en la tabla 4 que las muestras de fresas universales números 5, 8, 10, 12, 15 y 16, recubiertas con la película que cumple los requisitos de la presente invención, son superiores en resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) a la muestra número 3, que está recubierta con la película no que cumple los requisitos de la presente invención.
Ejemplo 5
(Ejemplo de referencia)
Usando un blanco de aleación compuesto de Ti (9% atómico), Cr (19% atómico), y Al (72% atómico), se recubrió una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes) con una película de TiCrAlN (cuyo grosor variaba como se muestra en la tabla 5) de la misma forma que en el ejemplo 1, a excepción de que se cambió la duración del tiempo de formación de película. Se usó la fuente de vaporización representada en la figura 4. Los componentes metálicos de la película se analizaron con EPMA. Se halló que la composición era Ti: 10% atómico, Cr: 20% atómico, y Al: 70% atómico. En la fresa universal recubierta se examinó la resistencia al desgaste mediante una prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 2. Los resultados se exponen en la tabla 5.
TABLA 5 
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5 
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Se hace notar en la tabla 5 que las muestras números 1 a 5, que tienen un grosor de película adecuado especificado en la presente invención, exhiben buena resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada). La muestra número 6, que tiene un pequeño grosor de película, es pobre en resistencia al desgaste. La muestra número 7, que tiene un grosor de película excesivo, se rompió durante el corte.
Ejemplo 6
(Ejemplo de referencia)
Se realizó recubrimiento de película en un sustrato (una viruta de carburo cementado, una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes), o una pieza de lámina de platino (0,1 mm de grueso)) que se colocó sobre el soporte en el aparato AIP representado en la figura 2, usando un blanco de aleación compuesto de Ti (13% atómico), Cr (15% atómico), y Al (72% atómico). Con la cámara de vacío rarificada, el sustrato se calentó a 550ºC por medio de un calentador colocado en la cámara. Se introdujo una mezcla de gas nitrógeno y metano en la cámara de modo que la presión en la cámara se mantuviese a 2,66 Pa. Se aplicó una corriente de arco de 100 A para formación de película. Sobre el sustrato se formó una película (TiAlCr)(CN) (3 \mum de grueso). Durante la formación de película se aplicó un voltaje de polarización de 150 V al sustrato con el fin de mantenerlo negativo con respecto al potencial de tierra. Otras condiciones de formación de película son las mismas que las del ejemplo 1. Después de terminar el paso de formación de película, se examinó en la película resultante la composición de componentes metálicos, temperatura de inicio de oxidación, y resistencia al desgaste. La composición de Ti, Al, y Cr en la película se determinó por EPMA. El contenido de elementos metálicos y elementos impureza (excluyendo C y N) en la película también se determinaron por EPMA. Se halló que el contenido de oxígeno es inferior a 1% atómico. La temperatura de inicio de oxidación se midió de la misma forma que en el ejemplo 1. En la fresa universal recubierta se examinó la resistencia al desgaste por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 2. Los resultados se exponen en la tabla 6.
TABLA 6
6
Se hace notar en la tabla 6 que las muestras de fresa universal números 1 a 3 tienen una temperatura de inicio de oxidación más alta y mejor resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) en prueba de corte que la muestra de fresa universal número 4, que se recubre con una película de (TiAlCr)(CN) conteniendo C y N en una relación fuera del rango especificado en la presente invención.
Ejemplo 7
Se realizó recubrimiento de película (aproximadamente 3,5 \mum de grueso) en sustratos usando el aparato AIP representado en la figura 2. Los sustratos, la composición de película, y la composición de blancos de aleación se exponen a continuación.
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Sustratos
Virutas de carburo cementado (para medición de composición)
Insertos de tirar de carburo cementado (tipo: CNMG120408, CNMG432, con rompedor de virutas).
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Composición de película
TiCrAlN*
TiCrAlSiN
TiAlN*
* Ejemplos de referencia.
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Composición de los blancos de aleación
Ti: 10% atómico, Cr: 18% atómico, Al: 72% atómico
Ti: 12% atómico, Cr: 15% atómico, Al: 70% atómico, Si: 3% atómico
Ti: 50% atómico, Al: 50% atómico.
El voltaje de polarización aplicado al sustrato era 200 V para película de TiCrAlN y película de TiCrAlSiN y 50 V para película de TiAlN. Las condiciones de formación de película eran las mismas que las del ejemplo 1, excepto que la temperatura del sustrato era 550ºC, la corriente de arco era 150 A, y la presión del gas reactivo (gas nitrógeno) era 2,66 Pa.
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Después de terminar el paso de formación de película, en la película resultante se examinó la resistencia al desgaste y composición como sigue. La resistencia al desgaste se midió por rotación real con el inserto de tirar de carburo cementado bajo las condiciones siguientes. La resistencia al desgaste se clasificó en términos de desgaste de flancos (Vb, Vb_{max}). Los resultados se exponen en la tabla 7.
Condiciones de corte
Pieza: S45C (bruto)
Velocidad de corte: 200 m/min
Velocidad de alimentación: 0,2 mm/giro
Profundidad de corte: 1,5 mm
Otros: corte en seco, giro continuo
Longitud de corte: 12000 metros después de 60 minutos.
Se halló por análisis con EPMA que la película resultante tenía la composición de (Ti_{0,1}Cr_{0,22}Al_{0,68})N, (Ti_{0,14}Cr_{0,15}
Al_{0,68}Si_{0,03})N, y (Ti_{0,54}Al_{0,46})N. También se halló que la película resultante contenía un poco menos de Al que el blanco usado. La relación atómica de elementos metálicos y átomos de nitrógeno en las películas era del rango de 0,9 a 1,1.
TABLA 7 
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7 
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Se hace notar en la tabla 7 que la película de recubrimiento que cumple los requisitos de la presente invención es superior en resistencia al desgaste como demostró el pequeño desgaste de flancos Vb y Vb_{max} (que es aproximadamente un cuarto del de la muestra comparativa).
Ejemplo 8
Se realizó recubrimiento de película en un sustrato, a saber, una viruta de carburo cementado o una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con cuatro bordes), que se colocó en el soporte en el aparato AIP representado en la figura 2, usando un blanco de aleación de forma variada compuesto de Ti, Cr, Al, y B. Con la cámara de vacío rarificada a 2,66 Pa, se aplicó una corriente de arco de 150 A para formación de película, de modo que la superficie del sustrato se recubrió con una película de (TiAlCrB)N de aproximadamente 3 \mum de grueso que tenía la composición mostrada en la tabla 8. A propósito, durante la formación de película, se aplicó un voltaje de polarización de 150 V al sustrato con el fin de mantenerlo negativo con respecto al potencial de tierra. Otras condiciones de formación de película son las mismas que las del ejemplo 3. En la película resultante se examinó la relación composicional de Ti, Al, Cr, y B por EPMA. El contenido de elementos metálicos y elementos impureza tal como O (excluyendo N) en la película también se determinó por EPMA. Se halló que el contenido de oxígeno es inferior a 1% atómico. Los resultados se exponen en la tabla 8.
TABLA 8
8
Se hace notar en la tabla 8 que las muestras números 1 a 3, que se recubren con una película conteniendo B en una cantidad especificada en la presente invención, tienen una temperatura de inicio de oxidación más alta y mejor resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) en prueba de corte en comparación con la muestra número 4. Es evidente que se obtiene una película dura con buena resistencia al desgaste si contiene B en una cantidad especificada en la presente invención.
Ejemplo 9
(Ejemplo de referencia)
Se realizó recubrimiento de película en una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes) como un sustrato usando un blanco de aleación compuesto de Ti (9% atómico), Cr (19% atómico), y Al (72% atómico) de la misma forma que en el ejemplo 1. Varias películas (Ti,Al,Cr)N de orientación de cristal variable se forman a varios voltajes de polarización y temperatura de formación de película. También, varias películas (Ti,Al,Cr)(CN) variables en la relación de C y N se formaron usando una mezcla de gas nitrógeno y metano como el gas peliculígeno. Además, se formaron varias películas en capas compuestas de película de (Ti,Al,Cr)N y película Ti_{50}Al_{50}N. La muestra número 8 en la tabla 9 es una película en capas compuesta de película de (Ti, Al,Cr)(CN) y película Ti_{50}Al_{50}N, que se formaron secuencialmente en la superficie del extremo fresa de carburo cementado. La muestra número 9 en la tabla 9 es una película en capas compuesta de diez películas de (Ti,Al,Cr)(CN) y diez películas de Ti_{50}Al_{50}N, que se formaron simultáneamente en la superficie de la fresa universal de carburo cementado. La película en capas tenía un grosor total de aproximadamente 3 \mum. En las muestras resultantes se examinó la resistencia al desgaste por corte de la misma forma que en el ejemplo 2. La resistencia al desgaste se clasificó en términos de anchura desgastada. Los resultados se exponen en la tabla 9.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 9
9
Se hace notar en la tabla 9 que las muestras números 3, 6, y 7 son superiores en resistencia al desgaste como indica la gran anchura desgastada.
Ejemplo 10
(Ejemplo de referencia)
Se realizó recubrimiento de película en una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes) o una viruta de carburo cementado usando un blanco de aleación compuesto de Ti (10% atómico), Cr (18% atómico), y Al (72% atómico). Se formó una película de aproximadamente 3 \mum de grueso de (Ti,Al,Cr)N en el sustrato usando el aparato AIP representado en la figura 2, con el voltaje de polarización, temperatura del sustrato, y presión de gas nitrógeno variados como se expone en las tablas 10 y 11. La corriente de arco al tiempo de formación de película era 150 A, y las otras condiciones eran las mismas que las del ejemplo 1.
Después de terminar el paso de formación de película, en la película de recubrimiento se examinó la composición de metal, estructura cristalina, orientación de cristal, difracción por rayos X, dureza Vickers, y resistencia al desgaste. (Los datos de difracción por rayos X incluyen el ángulo de difracción y la anchura media de picos debido al plano (111) de estructura de cloruro de sodio). La difractometría por rayos X se llevó a cabo con el método \theta-2\theta con la línea Cu K\alpha. La resistencia al desgaste se midió (en términos de anchura desgastada) por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 2. La composición de componentes metálicos en la película de recubrimiento se analizó por EPMA. Se halló, como se expone en la tabla 11, que la composición fluctúa ligeramente como sigue dependiendo de las condiciones de formación de película.
Ti: 10-12% atómico, Cr: 20-23% atómico, y Al: 66-68% atómico
Los resultados de este ejemplo se resumen en las tablas 10 y 11. El análisis cuantitativo por EPMA de los elementos metálicos y elementos impureza en la película de recubrimiento muestra que la cantidad de oxígeno y carbono es inferior a 1% atómico e inferior a 2% atómico, respectivamente, y la relación atómica de elementos metálicos totales a nitrógeno era de 0,9 a 1,1.
10
11
Se indica en las tablas 10 y 11 que las muestras números 1 a 6, 9 a 12, y 15 a 17, que se prepararon en un voltaje de polarización adecuadamente controlado, presión de gas reactivo, y temperatura del sustrato, son superiores en dureza y resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) a las muestras números 7, 8, 13, 14, y 18. Así la película resultante tiene destacada resistencia al desgaste.
Ejemplo 11
Se realizó recubrimiento de película en una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con cuatro bordes), una viruta de carburo cementado, y una pieza de lámina de platino (0,1 mm de grueso) usando un blanco de aleación compuesto de Ti (12% atómico), Cr (15% atómico), Al (70% atómico), y Si (3% atómico). Se formó una película de (Ti,Cr,Al,Si)N de aproximadamente 3 \mum de grueso en el sustrato usando el aparato AIP representado en la figura 2, con el voltaje de polarización, temperatura del sustrato, y presión de gas nitrógeno variados como se expone en las tablas 12 y 13. La corriente de arco al tiempo de formación de película era 150 A, y las otras condiciones eran las mismas que las del ejemplo 3.
Después de terminar el paso de formación de película, en la película de recubrimiento se examinó la composición de metal, estructura cristalina, orientación de cristal, difracción por rayos X, dureza Vickers, y resistencia al desgaste. (Los datos de difracción por rayos X incluyen el ángulo de difracción y la anchura media de picos debido al plano (111) de estructura de cloruro de sodio). La difractometría por rayos X se realizó con el método \theta-2\theta con la línea Cu K\alpha. La resistencia al desgaste se midió (en términos de anchura desgastada) por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 4. La composición de componentes metálicos en la película de recubrimiento se analizó por EPMA. Se halló que la temperatura de inicio de oxidación de la película formada en la lámina de platino era superior a 1100ºC.
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(Tabla pasa a página siguiente)
12
13
Se indica en las tablas 12 y 13 que las muestras números 1 a 8, 11, 12, y 15 a 17, que se prepararon en un voltaje de polarización adecuadamente controlado, presión de gas reactivo, y temperatura del sustrato según la presente invención, son superiores en resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) a las muestras números 9, 10, 13, 14, y 18. Esto sugiere que la película de recubrimiento tiene la orientación cristalina, el ángulo de difracción, y la anchura media deseado si las condiciones de formación de película se controlan como se especifica en la presente invención. Así la película resultante tiene destacada resistencia al desgaste.
Ejemplo 12
(Ejemplo de referencia)
Se realizó recubrimiento de película en una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes) usando un blanco de aleación compuesto de Ti (10% atómico), Cr (18% atómico), y Al (72% atómico). Se formó una película multicapa de nitruro metálico, carburo, carbonitruro, o metal como se expone en la tabla 14 en el sustrato usando el aparato AIP (que tiene dos fuentes de evaporación) como se representa en la figura 2. La corriente de arco se varió de 100 A a 150 A, la presión del gas reactivo (nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y metano) se varió de 0 Pa (para película de metal) a 2,66 Pa, el voltaje de polarización aplicado al sustrato se varió de 30 V a 150 V según el tipo de película, y la temperatura del sustrato se mantuvo a 550ºC, permaneciendo las otras condiciones idénticas a las del ejemplo 1. La película multicapa se formó repitiendo un recubrimiento alternativo con película-1 y película-2 (especificado en la tabla 14) de dos fuentes de evaporación. El número de capas expuesto en la tabla 14 se cuenta considerando "película-1 + película-2" como una unidad. El grosor total de la película multicapa era aproximadamente 3 \mum. Después de terminar el paso de formación de película, en la película de recubrimiento se examinó la resistencia al desgaste por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 2. Los resultados se exponen en la tabla 14.
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(Tabla pasa a página siguiente)
14
Ejemplo 13
Con el fin demostrar el efecto de la película multicapa, se realizó recubrimiento con una película de Ti_{0,5}Al_{0,5}N o Ti(C_{0,5}N_{0,5}) en la película de recubrimiento (perteneciente a la presente invención) de cada una de las muestras de fresa universal números 3, 5, 8, 10, y 12 en el ejemplo 3. El recubrimiento con dos películas se repitió alternativamente. El tipo de película y el número de capas se exponen en la tabla 15. El grosor total de la película multicapa era aproximadamente 3 \mum. Se examinó la resistencia al desgaste de la película de recubrimiento así obtenida por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 4. Los resultados se exponen en la tabla 15.
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TABLA 15
15
Se hace notar en la tabla 15 que la película de recubrimiento de capas múltiples (en las muestras números 5, 8, 10, y 12) exhibe mejor resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada) que la muestra número 3 a condición de que cada capa cumpla los requisitos de la presente invención.
Ejemplo 14
Se realizó recubrimiento de película en una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con cuatro bordes) usando un blanco de aleación compuesto de Ti (12% atómico), Cr (15% atómico), Al (70% atómico), y Si (3% atómico). Se formó una película de capas múltiples de nitruro metálico, carburo, carbonitruro, o metal como se expone en la tabla 16 en el sustrato usando el aparato AIP (que tiene dos fuentes de evaporación) como se representa en la figura 2. La corriente de arco se varió de 100 A a 150 A, la presión del gas reactivo (nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y metano) se varió de 0 Pa (para película de metal) a 2,66 Pa, el voltaje de polarización aplicado al sustrato se varió de 30 V a 150 V según el tipo de película, y la temperatura del sustrato se mantuvo a 550ºC, permaneciendo las otras condiciones idénticas a las del ejemplo 3. La película de capas múltiples se formó repitiendo recubrimiento alternativo con película-1 y película-2 (especificadas en tabla 16) de dos fuentes de evaporación. El número de capas expuesto en la tabla 16 se cuenta considerando "película-1 + película-2" como uno unidad. El grosor total de la película de capas múltiples era aproximadamente 3 \mum. Después de terminar el paso de formación de película, se examinó la resistencia al desgaste de la película de recubrimiento por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 4. Los resultados se exponen en la tabla 16. A propósito, se halló que la película de TiAlCrSiN contenía elementos metálicos en una relación de Ti: 13% atómico, Al: 68% atómico, Cr: 16% atómico, y
Si: 3% atómico.
16
Se hace notar en la tabla 16 que la película de recubrimiento de capas múltiples (en las muestras números 1 a 12) exhibe buena resistencia al desgaste (en términos de anchura desgastada inferior a 30 \mum) a condición de que cada capa cumpla los requisitos de la presente invención.
Ejemplo 15
(Ejemplo de referencia)
Se realizó recubrimiento de película en una viruta de carburo cementado o una fresa de carburo cementado de extremos cuadrados (10 mm de diámetro, con dos bordes) usando un blanco de aleación compuesto de Ti (9% atómico), Cr (19% atómico), y Al (72% atómico). Las condiciones de recubrimiento de película eran las mismas que las del ejemplo 1 excepto que la duración de formación de película era 30 minutos, la corriente de arco era 100 A, la temperatura del sustrato era 500ºC, y el voltaje de polarización se varió en el rango de 50 V a 400 V de modo que el sustrato se mantuviese negativo con respecto al potencial de tierra. La estructura cristalina de la película resultante se examinó por difracción por rayos X. Se rompió la viruta recubierta y la superficie de rotura se observó bajo un microscopio electrónico de exploración para medir el grosor de la película de recubrimiento. Se examinó la resistencia al desgaste de la película de recubrimiento por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 2. Los resultados se exponen en la tabla 17. A propósito, el análisis por EMPA reveló que la película de recubrimiento se compone de Ti: 9-11% atómico, Cr: 19-21% atómico, y Al: 68-71% atómico, dependiendo del voltaje de polarización aplicado al tiempo de formación de película.
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TABLA 17
17
Se hace notar en la tabla 17 que las muestras números 2 a 5, que se prepararon con un voltaje de polarización dentro del rango especificado por la presente invención, tienen la estructura cristalina y grosor de película óptimos. Por contraposición, la muestra número 1, que se preparó con un voltaje de polarización inferior al especificado en la presente invención, tiene una estructura cristalina mezclada de B1 y Hex y por lo tanto es pobre en resistencia al desgaste. Además, las muestras números 6 y 7, que se prepararon con un voltaje de polarización más alto que el especificado en la presente invención, tienen una película fina. Las muestras que cumplen los requisitos (para voltaje de polarización) de la presente invención eran superiores en resistencia al desgaste.
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Ejemplo 16
(Ejemplo de referencia)
Se realizó recubrimiento de película (aproximadamente 3 \mum de grueso) en sustratos usando el aparato AIP representado en la figura 2. Los sustratos, la composición de película, y la composición de blancos de aleación se exponen a continuación.
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Sustratos
Virutas de carburo cementado, o fresa universal esférica de carburo cementado (10 mm de diámetro, 5 mm en centro radio, con dos bordes)
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Composición de película
TiAlCrN', TiAlN*, TiN*, o CrN*
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Composición de blancos de aleación
Ti: 10% atómico, Cr: 18% atómico, Al: 72% atómico; Ti: 50% atómico, Al: 50% atómico; metal Ti puro; o metal Cr puro.
El voltaje de polarización aplicado al sustrato era 150 V para película de TiAlCrN y 50 V para película de TiAlN o película de TiN. Las condiciones de formación de película eran las mismas que las del ejemplo 1, a excepción de que la temperatura del sustrato se varió de 550ºC a 580ºC, la corriente de arco era 150 A, y la presión del gas reactivo (gas nitrógeno) era 2,66 Pa.
Después de terminar el paso de formación de película, se examinó la composición, la dureza Vickers, y la resistencia al desgaste de en la película resultante. La resistencia al desgaste se midió por corte real bajo las condiciones siguientes. La resistencia al desgaste se clasifica en términos de la anchura desgastada en la punta de la fresa universal esférica y la anchura desgastada en el límite.
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Condiciones de corte
Pieza: S55C (con una dureza Brinell de 220)
Velocidad de corte: 100 m/min
Velocidad de alimentación: 0,05 mm/borde
Profundidad de corte: 4,5 mm
Alimentación de pico: 0,5 mm
Longitud de corte: 30 metros.
El análisis por EPMA reveló que la película de TiCrAlN y la película de TiAlN resultantes tienen la composición de (Ti_{0,1}Cr_{0,22}Al_{0,68})N y (Ti_{0,54}Al_{0,46})N, respectivamente, en la que la cantidad de Al es ligeramente menor que en el blanco de aleación. La relación atómica de elementos metálicos y átomos de nitrógeno en las películas era del rango de 0,9 a 1,1.
TABLA 18
18
Se hace notar en la tabla 18 que la película de recubrimiento es superior a las películas convencionales de TiAlN, TiN, y CrN como indica la menor cantidad de desgaste en la punta y en el límite en la prueba de corte con S55C
(HB 220).
Ejemplo 17
(Ejemplo de referencia)
Se llevó a cabo una serie de experimentos como sigue para ver cómo queda afectada la descarga al tiempo de formación de película por la densidad relativa del blanco y el contenido de impurezas en el blanco. Se prepararon blancos de la composición expuesta en la tabla 19 de una mezcla de Ti en polvo, Cr en polvo, y Al en polvo (todos por debajo de 100 mallas) por HIP (presión isostática en caliente) a 900ºC y 8 x 10^{7} Pa. La composición del blanco se determinó por ICP-MS. Las características de descarga del blanco, que medía 254 mm de diámetro exterior y 5 mm de grosor, se comprobaron por deposición catódica reactiva (con gas nitrógeno reactivo a 500 W) para formar una película (3 \mum de grueso) en una viruta de carburo cementado.
La película resultante dura se analizó por XPS y se examinó la resistencia al desgaste por prueba de corte bajo las condiciones siguientes. El estado de descarga al tiempo de formación de película se evaluó observando visualmente cómo se produce la descarga en la superficie y supervisando el voltaje de descarga. Los resultados se exponen en la tabla 19.
Condiciones de corte
Pieza: JIS-SKD61 (HRC50)
Fresa universal: carburo cementado, con cuatro bordes
Velocidad de corte: 200 m/min
Profundidad de corte: 1 mm
Velocidad de alimentación: 0,05 mm/borde
Longitud de corte: 20 m
Clasificación de resistencia al desgaste
\circledcirc: desgaste frontal inferior a 25 \mum
\medcirc: desgaste frontal del orden de 25 \mum a 50 \mum
\Delta: desgaste frontal no inferior a 50 \mum
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Clasificación del estado de descarga
* Estable: no hay aumento instantáneo del voltaje de descarga, o no hay distribución no uniforme de descargas de un lugar a otro.
* Ligeramente inestable: hay un aumento instantáneo del voltaje de descarga, o hay cierta distribución no uniforme de descargas de un lugar a otro.
* Inestable: hay un aumento instantáneo considerable del voltaje de descarga, o hay considerable distribución no uniforme de descargas de un lugar a otro.
* Interrumpido: hay una interrupción de la descarga durante la operación.
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(Tabla pasa a página siguiente)
19
Se hace notar en la tabla 19 que las muestras números 1 a 7 permiten descarga satisfactoria. Como resultado, produjeron película de recubrimiento superior en resistencia al desgaste y de la misma composición que el blanco. También se indica en tabla 19 que las muestras números 8 a 10, que tienen la densidad relativa fuera del rango especificado en la presente invención, dieron descarga inestable o hacían que la descarga se interrumpiese. Como resultado, produjeron película de recubrimiento pobre en resistencia al desgaste y que tiene la composición en gran medida diferente de la del blanco.
Ejemplo 18
(Ejemplo de referencia)
Se llevó a cabo una serie de experimentos como sigue para ver cómo la descarga queda afectada al tiempo de formación de película por la densidad relativa del blanco y el contenido de impurezas en el blanco. Se prepararon blancos de la composición expuesta en la tabla 20 a partir de una mezcla de Ti en polvo, Cr en polvo, Al en polvo, y Si en polvo (todos por debajo de 100 mallas) por HIP (presión isostática en caliente) a 900ºC y 8 x 10^{7} Pa. La composición del blanco se determinó por ICPMS. Las características de descarga del blanco, que medía 254 mm de diámetro exterior y 5 mm de grosor, se comprobaron por deposición catódica reactiva (con gas nitrógeno reactivo a 500 W) para formar una película (de aproximadamente 3 \mum de grueso) en una viruta de carburo cementado.
La resistencia al desgaste de la película resultante dura se analizó por XPS y examinó por prueba de corte bajo las condiciones siguientes. El estado de descarga al tiempo de formación de película se evaluó observando visualmente cómo se produce la descarga en la superficie y supervisando el voltaje de descarga. Los resultados se exponen en la tabla 20.
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Condiciones de corte
Pieza: JIS-SKD61 (HRC50)
Fresa universal: carburo cementado, con cuatro bordes
Velocidad de corte: 200 m/min
Profundidad de corte: 1 mm
Velocidad de alimentación: 0,05 mm/borde
Longitud de corte: 30 m
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Clasificación de la resistencia al desgaste
\medcirc: desgaste frontal inferior a 20 \mum
X: desgaste frontal no inferior a 20 \mum
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Clasificación del estado de descarga
* Estable: no hay aumento instantáneo del voltaje de descarga, o no hay distribución no uniforme de descargas de un lugar a otro.
* Ligeramente inestable: hay un aumento instantáneo del voltaje de descarga, o hay cierta distribución no uniforme de descargas de un lugar a otro.
* Inestable: hay un aumento instantáneo considerable del voltaje de descarga, o hay una considerable distribución no uniforme de descargas de un lugar a otro.
* Interrumpido: hay una interrupción de descarga durante la operación.
20
Se hace notar en la tabla 20 que las muestras números 1 a 7, que tienen la densidad relativa que cumple los requisitos de la presente invención, permiten una descarga satisfactoria. Como resultado, producían película de recubrimiento superior en resistencia al desgaste y con la misma composición que el blanco. También se indica en la tabla 20 que las muestras números 8 a 10, que tienen la densidad relativa fuera del rango especificado en la presente invención, dieron descarga inestable o hacían que la descarga se interrumpiese. Como resultado, producían película de recubrimiento pobre en resistencia al desgaste y con la composición en gran medida diferente de la del blanco.
Ejemplo 19
(Ejemplo de referencia)
Se prepararon blancos de la composición expuesta en la tabla 21 a partir de una mezcla de Ti en polvo (por debajo de 100 mallas), Cr en polvo (por debajo de 100 mallas), y Al en polvo (por debajo de 240 mallas) por HIP (presión isostática en caliente) a 500-900ºC y 8 x 10^{7} Pa. A la parte inferior del blanco se unió por soldadura fuerte una pestaña (104 mm de diámetro exterior y 2 mm de grosor) que es una chapa de refuerzo de cobre. (Alternativamente, la pestaña se formó maquinando el blanco). El blanco se montó en un aparato de recubrimiento iónico del tipo de descarga de arco. Usando este blanco, se formó una película de 3 \mum de grueso en una viruta de carburo cementado bajo las condiciones siguientes.
Gas reactivo: nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y metano.
Temperatura del sustrato: 500ºC
Corriente de arco: 100 A
Voltaje de polarización aplicado al sustrato: 150 V.
Se analizó la composición del blanco por ICP-MS. Se examinó la resistencia al desgaste de la película por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 17. El análisis por XPS reveló que la película resultante casi tenía la misma composición que la del blanco (con una diferencia dentro de ±2% atómico). Se examinó la presencia de vacíos (defectos) en el blanco y su tamaño por prueba ultrasónica. El estado de descarga al tiempo de formación de película se evaluó de la misma forma que en el ejemplo 17. Los resultados se exponen en la tabla 21.
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(Tabla pasa a página siguiente)
21
Se hace notar en la tabla 21 que las muestras números 1 a 4, que cumplen los requisitos para la densidad relativa del blanco y el tamaño de vacíos en el blanco especificados en la presente invención, permiten la descarga estable al tiempo de formación de película y rendimiento de la película con buena resistencia al desgaste. En contraposición, en el caso de las muestras números 5 y 7, que no cumplen los requisitos para el tamaño de vacíos en el blanco especificados en la presente invención, las muestras números 9 y 10, que no cumplen los requisitos para la densidad relativa del blanco especificados en la presente invención, y las muestras números 6 y 8, que no cumplen los requisitos para la densidad relativa del blanco y el tamaño de los vacíos en el blanco especificados en la presente invención, la descarga era inestable o se interrumpía al tiempo de formación de película y la formación de película era imposible de llevar a cabo o la película resultante era pobre en resistencia al desgaste.
Ejemplo 20
(Ejemplo de referencia)
Se prepararon blancos de la composición expuesta en la tabla 22 a partir de una mezcla de Ti en polvo (por debajo de 100 mallas), Cr en polvo (por debajo de 100 mallas), Al en polvo (por debajo de 240 mallas), y Si en polvo (por debajo de 100 mallas) por HIP (presión isostática en caliente) a 500-900ºC y 8 x 10^{7} Pa. A la parte inferior del blanco se unió por soldadura fuerte una pestaña (104 mm de diámetro exterior y 2 mm de grosor) que es una chapa de refuerzo de cobre. (Alternativamente, la pestaña se formó maquinando el blanco). El blanco se montó en un aparato de recubrimiento iónico del tipo de descarga de arco. Usando este blanco, se formó una película de aproximadamente 3 \mum de grueso en una viruta de carburo cementado bajo las condiciones siguientes.
Gas reactivo: nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y metano.
Temperatura del sustrato: 500ºC
Corriente de arco: 100 A
Voltaje de polarización aplicado al sustrato: -150 V.
Se analizó la composición del blanco por espectrometría de absorción atómica. Se examinó la resistencia al desgaste de la película por prueba de corte de la misma forma que en el ejemplo 18. El análisis por XPS reveló que la película resultante tenía casi la misma composición que la del blanco (con una diferencia dentro de ±2% atómico). Se examinó la presencia de vacíos (defectos) del blanco y su tamaño por prueba ultrasónica. El estado de descarga al tiempo de formación de película se evaluó de la misma forma que en el ejemplo 18. Los resultados se exponen en la tabla 22.
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(Tabla pasa a página siguiente)
22
Se hace notar en la tabla 22 que las muestras números 1 a 4, que cumplen los requisitos para la densidad relativa del blanco y el tamaño de vacíos en el blanco especificados en la presente invención, permiten la descarga estable al tiempo de formación de película y rendimiento de la película con buena resistencia al desgaste. Por contraposición, en el caso de las muestras números 5 y 7, que no cumplen los requisitos para el tamaño de vacíos en el blanco especificados en la presente invención, las muestras números 9 y 10, que no cumplen los requisitos para la densidad relativa del blanco especificados en la presente invención, y las muestras números 6 y 8, que no cumplen los requisitos para la densidad relativa del blanco y el tamaño de vacíos en el blanco especificados en la presente invención, la descarga era inestable o se interrumpía al tiempo de formación de película y formación de película era imposible de llevar a cabo o la película resultante era pobre en resistencia al desgaste.
Ejemplo 21
(Ejemplo de referencia)
Se llevó a cabo una serie de experimentos para investigar cómo el estado de descarga al tiempo de formación de película queda afectado por el contenido de impurezas (oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) en el blanco.
Se prepararon blancos de la composición expuesta en la tabla 23 de la misma forma que en el ejemplo 19. Todos los blancos resultantes tienen una densidad relativa no inferior a 99% y carecen de vacíos (mayores que 0,3 mm) y defectos continuos. Usando los blancos, la formación de película se llevó a cabo de la misma forma que en el ejemplo 19, excepto que el gas reactivo era nitrógeno solo. La cantidad de impurezas en el blanco se determinó por espectrometría de absorción atómica. El estado de descarga al tiempo de formación de película se evaluó de la misma forma que en el ejemplo 17.
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(Tabla pasa a página siguiente)
23
Se hace notar en la tabla 23 que las muestras números 1, 3 a 9, 16, y 17 permiten un buen estado de descarga, porque cumplen los requisitos para el contenido de impurezas (oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) especificados en la presente invención. Por contraposición, otras muestras son pobres en estado de descarga porque no cumplen los requisitos especificados en la presente invención. Es decir, las muestras números 2, 10, y 11 contienen oxígeno más que el especificado, la muestra número 12 contiene hidrógeno más que el especificado, la muestra número 13 contiene cloro más que el especificado, la muestra número 14 contiene cobre más que el especificado, la muestra número 15 contiene magnesio más que el especificado, la muestra número 18 contiene oxígeno y magnesio más que el especificado, y la muestra número 19 contiene cloro, cobre, y magnesio más que los especificados. Este resultado indica que es necesario que el blanco no contenga impurezas (oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) más que las especificadas en la presente invención con el fin de formar eficientemente la película dura en herramientas de corte bajo buen estado de descarga durante la formación de película.
Ejemplo 22
Se llevó a cabo una serie de experimentos para investigar cómo el estado de descarga al tiempo de formación de película queda afectado por el contenido de impurezas (oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) en el blanco.
Se prepararon blancos de la composición expuesta en la tabla 24 de la misma forma que en el ejemplo 18. Todos los blancos resultantes tienen una densidad relativa no inferior a 99% y carecen de vacíos (no inferiores a 0,3 mm) y defectos continuos. Usando los blancos, la formación de película se llevó a cabo de la misma forma que en el ejemplo 18. La cantidad de impurezas en el blanco se determinó por espectrometría de absorción atómica. El estado de descarga al tiempo de formación de película se evaluó de la misma forma que en el ejemplo 18.
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(Tabla pasa a página siguiente)
24
Se hace notar en la tabla 24 que las muestras números 1, 3 a 9, 16, y 17 permiten un buen estado de descarga, porque cumplen los requisitos para el contenido de impurezas (oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) especificados en la presente invención. Por contraposición, otras muestras son pobres en el estado de descarga porque no cumplen los requisitos especificados en la presente invención. Es decir, las muestras números 2, 10, y 11 contienen oxígeno más que el especificado, la muestra número 12 contiene hidrógeno más que el especificado, la muestra número 13 contiene cloro más que el especificado, la muestra número 14 contiene cobre más que el especificado, la muestra número 15 contiene magnesio más que el especificado, la muestra número 18 contiene oxígeno y magnesio más que el especificado, y la muestra número 19 contiene cloro, cobre, y magnesio más que los especificados. Este resultado indica que es necesario que el blanco no contenga impurezas (oxígeno, hidrógeno, cloro, cobre, y magnesio) más que las especificadas en la presente invención con el fin de formar eficientemente la película dura en herramientas de corte bajo buen estado de descarga durante la formación de película.
Efecto de la invención
La presente invención que especifica la composición para Ti, Al, Cr, Si, y B como se ha mencionado anteriormente produce película dura para herramientas de corte que es superior en resistencia al desgaste a las convencionales. La película dura contribuye a herramientas de corte de larga duración para corte a alta velocidad y también para cortar acero duro (tal como acero templado).

Claims (14)

1. Una película dura para herramientas de corte que se compone de
(Ti_{1-a-b-c-d}, Al_{a}, Cr_{b}, Si_{c}, B_{d})(C_{1-e}N_{e})
0,5 \leq a \leq 0,8, 0,06 \leq b, 0 \leq c \leq 0,1, 0 \leq d \leq 0,1,
0,01 \leq c+d \leq 0,1, a+b+c+d < 1, 0,5 \leq e \leq 1
(donde a, b, c, y d denotan respectivamente las relaciones atómicas de Al, Cr, Si, y B, y e denota la relación atómica de N).
2. La película dura para herramientas de corte definida en la reivindicación 1, donde el valor de c es mayor que 0.
3. La película dura para herramientas de corte definida en la reivindicación 1, donde los valores de a y b son del rango de
0,02 \leq 1-a-b \leq 0,30, 0,55 \leq a \leq 0,765, 0,06 \leq b, o
0,02 \leq 1-a-b \leq 0,175, 0,765 \leq a, 4(a-0,75) \leq b.
4. La película dura para herramientas de corte definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el valor de e es 1.
5. La película dura para herramientas de corte definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que tiene la estructura cristalina principalmente de estructura de cloruro de sodio.
6. La película dura para herramientas de corte definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la estructura de cloruro de sodio es una que tiene el plano (111), plano (200), y plano (220) de modo que la intensidad de rayos difractados medida por difracción por rayos X (método \theta-2\theta), denotada por I(111), I(200), y I(220), respectivamente, cumple la expresión (1) y/o la expresión (2) y la expresión (3) dada a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
I(220) \leq I(111)
... (1)
I(220) \leq I(200)
... (2)
I(200)/I(111) \geq 0,1
... (3)
7. La película dura para herramientas de corte definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la estructura de cloruro de sodio es una que, medida por difracción por rayos X (método \theta-2\theta) con la línea Cu K\alpha, da el rayo difractado del plano (111) cuyo ángulo de difracción es del rango de 36,5º a 38,0º.
8. La película dura para herramientas de corte definida en la reivindicación 7, donde el rayo difractado del plano (111) tiene una anchura media no superior a 1º.
9. Una herramienta de corte recubierta con la película dura definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
10. Un proceso de formar película dura en herramientas de corte definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, incluyendo dicho proceso vaporizar y ionizar un metal en una atmósfera de gas peliculígeno y acelerar la conversión de dicho metal y gas peliculígeno en plasma, formando por ello una película.
11. El proceso de formar película dura en herramientas de corte definido en la reivindicación 10, donde la vaporización e ionización del blanco metal se realizan por el método de recubrimiento iónico por arco que emplea descarga de arco y la conversión de gas peliculígeno en plasma es acelerada cerca del sustrato por las líneas de fuerza magnética que:
a) son paralelas a la normal en la superficie de evaporación del blanco, y
b) se extienden hacia el sustrato en la dirección paralela a o ligeramente divergente de la normal a la superficie de evaporación del blanco.
12. El proceso de formar película dura en herramientas de corte definido en la reivindicación 11, donde el voltaje de polarización a aplicar al sustrato es -50 V a -400 V con respecto al potencial de tierra.
\newpage
13. El proceso de formar película dura en herramientas de corte definido en la reivindicación 11 o 12, donde la temperatura del sustrato se mantiene a 300-800ºC al tiempo de formación de película.
14. El proceso de formar película dura en herramientas de corte definido en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el gas reactivo para formación de película tiene una presión parcial o presión total en el rango de 0,5 a 7 Pa.
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