ES2286208T3

ES2286208T3 - Herramienta revestida de una capa dura.

Info

Publication number: ES2286208T3
Application number: ES02257736T
Authority: ES
Inventors: Kazuyuki c/o Hitachi Tool Engineering Ltd Kubota; Nobuhiko c/o Hitachi Tool Engineering Ltd Shima
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2007-12-01
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: US20030148146A1; CN1424434A; DE60220622T2; EP1310580A3; US6790543B2; CN1282766C; EP1310580A2; EP1310580B1; DE60220622D1; ATE364740T1

Abstract

Una herramienta revestida con una capa dura hecha de cualquiera de un nitruro, un carbonitruro, un oxinitruro y un oxicarbonitruro que contienen cada uno Ti y B como elementos metálicos, conteniendo dicha capa de revestimiento dura una fase de nitruro de boro; caracterizada porque una anchura Z de valor medio de una (200) cara en una difracción de rayos X de dicha capa de revestimiento está en un margen de 0, 3º a 0, 6º; porque la energía de enlace del B y el N está en una posición de 191 eV como se observa en un análisis de ESCA de dicha capa de revestimiento dura; y porque los picos de c-BN y h-BN son detectados en una espectroscopia de Raman de dicha capa de revestimiento dura, en la que una relación de Q1/Q2 de una intensidad Q1 de pico de c-BN a una intensidad Q2 de pico de h-BN es de 1, 0 o más y en la que el contenido de B en dicha capa de revestimiento dura es de 0, 1 a 50 % atómico, basado en la cantidad total de elementos de metal.

Description

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Herramienta revestida de una capa dura.

La presente invención se refiere a una herramienta revestida de una capa dura usada para cortar materiales metálicos, etc., particularmente a una herramienta revestida de una capa dura que tiene excelente resistencia al desgaste en forma de cráteres para ser usada en el corte de alta velocidad y el corte en seco.

Las herramientas de corte revestidas con TiN, Ti(CN), (TiAl)N, etc., son convenientemente muy utilizadas. No obstante, las capas de TiN o Ti(CN) fallan al no presentar suficiente resistencia a la oxidación y resistencia al desgaste durante el corte de alta velocidad. Puesto que una capa de (TiAl)N tiene una resistencia a la oxidación superior a la de TiN y Ti(CN), se usa en condiciones de corte en las que una punta de borde de herramienta está sometida a altas temperaturas. No obstante, se producen ataques en una punta de borde de herramienta durante el corte a altas temperaturas, fracasando en el logro de una vida útil suficientemente larga.

El documento JP 2001-293601 A describe una capa de TiN resistente al desgaste que contiene finas partículas de materiales compuestos de BN, TiB_{2}, TiB, etc. En esta referencia se describe que estas finas partículas de materiales compuestos son amorfas y tienen la función de mejorar la dureza de la capa. Aunque estas finas partículas de materiales compuestos contribuyen a mejorar la resistencia al desgaste, la deslizabilidad, la resistencia a los ataques y la precisión de trabajo, esta referencia fracasa en la enseñanza detallada de las propiedades y forma de las finas partículas de material compuesto.

Un revestimiento con las características del preámbulo de la reivindicación 1 de la presente invención se describe en el documento de C. Rebholz y otros, "Deposición y Caracterización de Revestimientos de TiAlBN Producidos por la Evaporación de un Haz de Electrones Dirigidos de Material de Ti y Ti-Al-B-N desde una Fuente de Crisoles Gemelos", Películas Sólidas Delgadas, Elsevier-Sequoia, Lausanne, vol. 343, Abril 1999, págs. 242 a 245.

Una película delgada multifase producida por la evaporación de un haz de electrones se describe en el documento de C. Rebholz y otros, "Estructura Mecánica y Propiedades Tribológicas de Películas Delgadas Multifase de Ti-B-N y Ti-Al-B-N Producidas por la Evaporación de un Haz de Electrones", Journal of Vacuum Science & Technolgy, Sep./Oct. 1998, AIP por la American Vacuum Soc., U.S.A, vol. 16, nº 5, págs. 2851 a 2857.

Un objeto de al menos la realización preferida de la presente invención es proporcionar una herramienta revestida de una capa dura adecuada para una operación de corte en seco a una alta velocidad de corte y de alimentación, que se proporciona con resistencia mejorada a los ataques a altas temperaturas y difusión suprimida de elementos en un trabajo con una capa de revestimiento dura, sin sacrificar la resistencia al desgaste y la adhesión de una capa de revestimiento de (TiAl)N dura, etc. que tiene excelente resistencia a la oxidación.

Como un resultado de la intensa investigación, en relación con el objeto anterior, los inventores han hallado que en una herramienta que tiene una capa de revestimiento dura formada sobre una superficie de sustrato, la capa que se configura de cualquiera de un nitruro, un carbonitruro, un oxinitruro y un oxicarbonitruro, que contiene cada una Ti y B como elementos metálicos, cuando la capa de revestimiento dura se forma de modo que (a) se dispersa una fase de nitruro de boro, (b) la energía de enlace del B y el N es observada mediante el ESCA (Espectroscopio Electrónico para Análisis Químico), y (c) se observa la existencia de c-BN y/o h-BN mediante el espectroscopio de Raman, las propiedades de lubricación de la capa de revestimiento de Ti dura son mejoradas mediante las propiedades de lubricación de la fase BN, por lo que su resistencia al desgaste de cráteres mejora notablemente. Los inventores han hallado también que en una operación de corte en un estado seco a una alta velocidad y con una elevada alimentación, mediante la supresión de un fenómeno de difusión de los elementos contenidos en una pieza de trabajo con una capa de revestimiento dura, no se produce el ataque de una pieza de trabajo a una herramienta y la resistencia al desgaste de los cráteres de una herramienta mejora notablemente, resultando una vida útil de la herramienta extraordinariamente larga. Los inventores han hallado además que para mejorar notablemente las propiedades de dureza y lubricación de la capa de revestimiento dura no solo es necesaria la adición de B sino también optimizar las condiciones de revestimiento. La presente invención ha sido terminada basándose en estos hallazgos.

Por tanto, la herramienta revestida de una capa dura de la presente invención está revestida con una capa dura fabricada de cualquiera de un nitruro, un carbonitruro, un oxinitruro y un oxicarbonitruro que contengan Ti y B como elementos metálicos; en la que la capa de revestimiento dura contiene una fase de nitruro de boro; en la que la energía de enlace del B y el N se observa en un análisis de ESCA de la capa de revestimiento dura; y en la que la existencia de c-BN y/o h-BN se observa en un espectroscopia de Raman de la capa de revestimiento dura.

En una realización preferida de la presente invención, una anchura Z de valor mitad de una cara en una difracción de rayos X de la capa de revestimiento dura está en un margen de 0,3º a 0,6º; picos de c-BN y h-BN se detectan en una espectroscopia de Raman de la capa de revestimiento dura; una relación Q_{1}/Q_{2} de una intensidad Q_{1} de pico de c-BN con una intensidad Q_{2} de pico de h-BN es de 1,0 o más; y una relación K/L de un espesor K de cara a un espesor L de flanco en la herramienta es 1,0 o más.

Es preferible que la capa de revestimiento dura se configure usando un blanco de una aleación de Ti-B; y que el contenido de B en la capa de revestimiento dura sea de 0,1 a 50 de porcentaje atómico, basado en la cantidad total (100 de porcentaje atómico) de elementos metálicos. La capa de revestimiento dura puede comprender además, como una capa distinta a la capa de revestimiento dura, una capa de revestimiento dura que comprenda al menos un elemento metálico seleccionado del grupo compuesto de Ti, Al y Cr, y al menos un elemento no metálico seleccionado del grupo compuesto de C, O y N. Parte del Al en la capa de revestimiento dura que contiene Ti y Al puede ser sustituido por al menos un metal seleccionado del grupo compuesto de metales en los grupos 4a, 5a y 6a y Si.

Es preferible que un sustrato de herramienta se fabrique preferiblemente de carburo cementado o material metalocerámico, y que el espesor total de la capa de revestimiento dura sea de 3 a 15 \mum sobre una cara de herramienta. Una herramienta sobre la cual puede configurarse la capa de revestimiento dura de la presente invención es preferiblemente un inserto.

La figura 1 es un gráfico que muestra un pico de difracción de la energía de enlace del Ti y el N en ESCA en la capa de (TiB)N de la presente invención;

la figura 2 es un gráfico que muestra un pico de difracción de la energía de enlace del B y el N en ESCA en la capa de revestimiento dura de la presente invención;

la figura 3 es un gráfico que muestra picos de difracción de c-BN y h-BN en una espectrografía de Raman de la capa de revestimiento dura de la presente invención;

la figura 4 es un gráfico que muestra la relación entre la distancia de deslizamiento y el coeficiente de rozamiento determinado por un ensayo de desgaste que usa una máquina de medición de desgaste de una bola sobre un disco;

la figura 5 es un gráfico que muestra los resultados de análisis del elemento en la proximidad de una punta de borde de la herramienta revestida de una capa dura de la presente invención después de cortar; y

la figura 6 es un gráfico que muestra el análisis de los elementos que se obtiene en la proximidad de una punta de borde de una herramienta revestida de una capa dura convencional después de cortar.

Usando un blanco de TiB en un aparato de configuración de la película de vacío, se formó una capa de (Ti_{75}B_{25})N como una capa de revestimiento dura sobre una superficie de un sustrato de carburo cementado mediante un método de electrodeposición de arco iónico. Las condiciones de formación de la película fueron una tensión de polarización de -300 V, una corriente de gas de nitrógeno de 500 sccm (cm^{3} estándar) como un gas de reacción, y una presión de gas de reacción de 0,5 Pa. Los resultados de la ESCA (Espectroscopia Electrónica para Análisis Químico) de la capa de revestimiento dura resultante se muestran en las figuras 1 y 2. Un pico de difracción de la energía de enlace del Ti y el N se observó en la figura 1, y un pico de difracción de la energía de enlace del B y el N se observó en la figura 2.

Además, las capas de (TiB)N se formaron bajo las mismas condiciones descritas anteriormente, a excepción de que una tensión de polarización de impulsos de -300 V/+20 V fue aplicada a un sustrato. El análisis espectroscópico de Raman que se obtiene de las capas de revestimiento duras resultantes se muestra en la figura 3. La existencia de una fase de c-BN y una fase de h-BN fue confirmada en la figura 3. La relación de cada fase puede ser controlada mediante un nivel de la tensión de polarización.

Cuando la energía de los iones era alta en el momento de formación de una capa de revestimiento dura, la relación de c-BN era alta, resultando una capa de revestimiento dura con elevada dureza. Cuando la energía de los iones era pequeña, la existencia de una fase BN no era observada. Incluso cuando una polarización de impulso no se usó, la existencia de una fase c-BN y una fase h-BN fue observada mientras era aplicada una alta tensión de polarización a un sustrato. Estas fases están dispersadas como finos cristales en la capa. Consecuentemente, es importante optimizar las condiciones de revestimiento para

\hbox{lograr una alta dureza dispersando 
los finos cristales en la dura capa de revestimiento.}

Usando un aparato de medición del desgaste de bola sobre disco, la capa de revestimiento dura de la presente invención fue medida con respecto al coeficiente de rozamiento para el acero. Los parámetros de medición principales son una carga vertical, un área de contacto, una velocidad de deslizamiento y un tiempo de ensayo. Existe una influencia extremadamente grande de una temperatura de ensayo sobre un coeficiente de fricción. La elevación de temperatura de la capa de revestimiento dura se debe predominantemente a un calor de fricción. La reacción química de la capa de revestimiento dura con el acero es probable que sea activada por la elevación de temperatura. La capa de revestimiento dura de la presente invención fue medida con respecto a un coeficiente de fricción entre la temperatura de la habitación y 700ºC como un margen de temperaturas en la proximidad de un borde de corte cuando este se formó sobre la herramienta de corte. La capa [(Ti_{99}B_{1})N_{90}O_{10}] de revestimiento dura de la presente invención se formó sobre un disco de carburo cementado con una bola de SKD 61 de JIS como miembro estático enfrentado al disco. Las condiciones de medición de un coeficiente de fricción son las siguientes:

Presión de la superficie de contacto: 2 N,

Velocidad de deslizamiento: 100 mm/seg, y

Temperatura de ensayo: temperatura de la sala (25ºC), 400ºC y 700ºC.

Las relaciones entre un coeficiente de fricción y una distancia de deslizamiento se muestran en la figura 4. Por comparación, un disco de carburo cementado del Ejemplo Convencional revestido con una capa de (TiAl)N como una capa de revestimiento dura fue medido también con respecto a un coeficiente de fricción. Los resultados se muestran en la figura 4. Como es evidente en la figura 4, la capa de revestimiento dura de la presente invención tuvo un coeficiente de fricción comprendido en un intervalo de 0,85 a 0,95 a la temperatura de la sala, que no fue diferente de la correspondiente a la capa de (TiAl)N. Cuando la temperatura de ensayo se elevó a 400ºC, el coeficiente de fricción de la capa de revestimiento dura de la presente invención disminuyó pasando a estar comprendido entre 0,55 y 0,6. Todavía disminuyó más pasando a estar comprendido entre 0,43 y 0,47 cuando la temperatura de ensayo se elevó a 700ºC. Por otra parte, el coeficiente de fricción de la capa de (TiAl)N del Ejemplo Convencional fue de 0,75 a 0,85 a 700ºC. Esto demuestra que la capa de revestimiento dura de la presente invención tuvo un coeficiente de fricción notablemente menor que la capa de revestimiento dura del Ejemplo Convencional a 700ºC correspondiente a una temperatura de borde en el momento de la operación de corte, dando como resultado la reducción del desgaste de deslizamiento por la viruta, y que la viruta pueda ser por tanto descargada uniformemente.

Como un resultado de la investigación de un fenómeno que se produce durante una operación de corte, se ha hallado que una fase de BO se forma por oxidación de una superficie de una capa de revestimiento dura que contiene B, incrementando más de ese modo la lubricación. Puesto que existe la lubricación de una fase de BO en adición a la de una fase de BN en la capa de revestimiento dura, se consigue una notable disminución en la resistencia de corte. Este fenómeno no se limita al TiN como una composición

\hbox{de de capa a la cual se  añade B, sino que se
observa en el (TiAl)N, también.}

Puesto que la adición de oxígeno a la capa de revestimiento dura hace los contornos de los granos de cristal más densos, originando una disminución en los defectos en los contornos de los granos de cristal, y por tanto una mejora en la resistencia a la oxidación de la capa de revestimiento dura. Esto parece ocurrir porque la densificación de los contornos de los granos de cristal suprime la difusión del oxígeno, debida al hecho de que la oxidación de la capa de revestimiento dura continúa predominantemente por la difusión del oxígeno en los contornos de grano de cristal.

Puesto que se forman compuestos de Ti o B y N y/o O como no metálicos, por ejemplo, una fase de TiB, una fase de TiN, una fase de BN, una fase de BO, etc., en adición a compuestos de Ti y B en la capa de revestimiento dura de la presente invención, la capa de revestimiento dura de la presente invención tiene una alta dureza y propiedades lubricantes. La capa de revestimiento dura de la presente invención tiene mayor dureza particularmente por una fase de TiB que la del TiN (HV 2200).

Añadiendo más carbono a una capa de TiN que contiene B como una de las condiciones de revestimiento de la capa de revestimiento dura de la presente invención, la función de lubricación del carbono se añade, resultando una mejora tanto en las propiedades de dureza como de lubricación.

Como un resultado de la investigación detallada de un fenómeno que se produce cuando una capa de revestimiento dura que contiene B se aplica a una herramienta de corte, se ha hallado que las propiedades de dureza, lubricación y resistencia a la oxidación de la capa de revestimiento dura son mejoradas por el B, y que el B no se difunde sustancialmente dentro de una pieza de trabajo porque el B tiene baja afinidad para el Fe contenido en el trabajo.

La capa de revestimiento dura de la presente invención, hecha de nitruros, carbonitruros, oxinitruros y oxicarbonitruros que contienen cada uno Ti y B como elementos metálicos, es sustancialmente comparable en cuanto a resistencia a la oxidación a los nitruros convencionales de Ti y Al, pero los primeros son superiores a los últimos en la prevención del ataque de la parte de acero en una pieza de trabajo con una porción de punta de borde de una herramienta a altas temperaturas. Esta razón es que la capa de revestimiento dura de la presente invención que contiene B que tiene baja humectabilidad con el Fe contenido en el acero puede impedir eficazmente el ataque de una pieza de trabajo a altas temperaturas. Cuando el Al, que puede ser una causa de ataque, no está contenido en una capa de revestimiento dura, la capa de revestimiento dura muestra una alta resistencia a ser atacada.

La figura 5 muestra los resultados del análisis de elementos realizado en la proximidad de un borde de corte, en una dirección perpendicular a un sustrato de herramienta, después de ser usada la herramienta proporcionada con la capa de revestimiento dura de la presente invención que contiene una fase de BN en una operación de corte. La figura 6 muestra de modo similar los resultados del análisis de elementos de un (TiAl)N convencional. Un elemento de Fe obtenido de la pieza de trabajo no fue detectado en la capa de revestimiento dura en la figura 5, en tanto que se formó óxido de aluminio en la capa más externa de la capa de (TiAl)N convencional, y el Fe estaba difundido desde la pieza de trabajo en la capa, en la figura 6. La tendencia mostrada en la figura 6 se aprecia también en las capas de (TiAlSi)(CN), capas de (TiAlZrB)N, capas de (TiAlB)N, etc., convencionales. Esto prueba que una reacción química con una pieza de trabajo no se produce fácilmente en la capa de revestimiento dura de la presente invención que tiene una fase de BN a altas temperaturas. Con respecto a la resistencia a la oxidación, asimismo, se ha hallado que la capa de revestimiento dura de la presente invención es sustancialmente

\hbox{comparable
con las capas de nitruro convencionales de Ti y Al.}

Como un resultado de la evaluación de una capa de revestimiento dura convencional de (TiAl)N, a la cual fue añadido B, con respecto a la resistencia a os ataques, se ha hallado que debido a que al Al tiene una afinidad más elevada para el Fe que el Ti y el B a altas temperaturas, una reacción química con el Fe en una pieza de trabajo se produce antes de que una capa de Al_{2}O_{3} impida la difusión del oxígeno que se forma en la capa más externa de la capa de revestimiento dura que contiene Al. Cuando una capa de revestimiento dura que contiene Al se forma sobre una herramienta de corte, una herramienta de corte padece desbastes, debidos a la formación de cráteres irregulares en una cara de la herramienta debidos a un fenómeno de ataque por el Al, y porque una gran cantidad de materia dimensionada se acumula en contornos de grano. Consecuentemente, para impedir el ataque de una pieza de trabajo en una herramienta, es necesario configurar una capa de revestimiento dura que tenga propiedades de autolubricación sobre una superficie de la herramienta. Es decir, es posible impedir el ataque de una pieza de trabajo en una superficie de la herramienta de corte y el desgaste irregular de una herramienta de corte formando una capa de revestimiento dura de la presente invención sobre la superficie de la herramienta de corte. Por tanto, una herramienta proporcionada con la capa de revestimiento dura de la presente invención sobre la superficie más externa tiene una vida notablemente más larga que las herramientas revestidas de una capa dura convencional que

\hbox{tienen
revestimientos de nitruros de Ti y Al, etc.}

Como se ha descrito anteriormente, añadiendo B y optimizando las condiciones de revestimiento, la resistencia al desgaste de cráteres del TiN puede ser notablemente mejorada. Las razones por lo tanto son en primer lugar la mejora en la dureza de una capa de revestimiento dura, en segundo lugar la mejora en las propiedades de lubricación de una capa de revestimiento dura, y en tercer lugar la mejora en la

\hbox{resistencia a los ataques 
de una capa de revestimiento dura.}

Con respecto a la primera razón, puesto que una fase de BN de alta dureza extremadamente fina está dispersada en una capa de TiN, la dureza Vickers de la capa de TiN aumenta notablemente, por ejemplo, de 2200 a 2800. El drástico incremento en la dureza se debe a la tensión de la reticulada causada por los cristales de BN dispersados en la misma.

Con respecto a la segunda razón, las propiedades lubricantes de la capa de revestimiento dura son mejoradas mediante la fase de BN que tiene excelentes propiedades lubricantes. Por ejemplo, el coeficiente de rozamiento de (TiB)N es de alrededor de 0,8 a la temperatura de la habitación, pero disminuye drásticamente a alrededor de 0,4 a 700ºC, una temperatura de corte.

Con respecto a la tercera razón, una fase de BN en la capa de revestimiento dura de la presente invención tiene baja afinidad por el Fe contenido en una pieza de trabajo, y los elementos contenidos en la pieza de trabajo no se difunden sustancialmente a la capa de revestimiento dura, originando una disminución en el ataque de una pieza de trabajo en una punta de borde de una herramienta.

Puesto que la eficiencia de la operación de corte aumenta año tras año, las condiciones de corte son cada vez más severas. Para satisfacer estas condiciones de corte cada vez más severas, la investigación ha sido orientada con respecto a la distribución del espesor de una capa de revestimiento dura configurada sobre una herramienta de corte, la influencia de varios elementos en la resistencia al ataque y la resistencia al desgaste de una capa de revestimiento dura y la adhesión de una capa de revestimiento dura a un sustrato de herramienta, y la estructura de capa de una capa de revestimiento dura. Como un resultado, se ha hallado que configurando una capa de revestimiento dura sobre una superficie de sustrato de herramienta, de modo que una anchura Z de valor mitad de una (200) cara en la difracción de rayos X de una capa de revestimiento dura que tiene una fase de BN está en el margen de 0,3º a 0,6º, que se detectan picos de c-BN y h-BN en la espectroscopia de Raman de una capa de revestimiento dura, que una relación Q_{1}/Q_{2} de una intensidad Q_{1} de pico de c-BN a una intensidad Q_{2} de pico de h-BN es de 1,0 o más, y que una relación K/L del espesor K de una cara al espesor L de un flanco en una herramienta de corte es de 1,0 o más, la herramienta revestida de la capa dura resultante puede presentar características de corte excelentes con el desgaste en forma de cráteres notablemente suprimido, cuando se usa para el corte seco de alta velocidad y trabaja con una alta alimentación.

Una anchura de valor medio en un modelo de difracción de rayos X de la capa de revestimiento dura de la presente invención que contenga una fase de BN es importante. Para obtener alta adhesión de la capa de revestimiento dura a un sustrato, una tensión de compresión residual peculiar en un método de deposición de vapor física (PVD) debe ser reducida. La anchura de valor medio en un modelo de difracción de rayos X indica la cristalinidad de la capa de revestimiento dura; cuando mayor sea el valor medio de la anchura, más fina será la estructura cristalina de la capa de revestimiento dura y por tanto más altas las tensiones internas. Consecuentemente, para controlar las tensiones internas residuales, es necesario establecer la anchura de valor medio en un modelo de difracción de rayos X de la capa de revestimiento dura en un valor óptimo.

Cuando la anchura de valor medio excede 0,6º, la estructura de cristal de la capa de revestimiento dura se hace más fina, resultando un incremento en una tensión residual que obstaculiza la adhesión a un sustrato. Por tanto, cuando la herramienta revestida con la capa dura es sometida a un choque grande durante una operación de corte, la capa de revestimiento dura se desprende fácilmente. Asimismo, puesto que una fina estructura de cristal contiene muchos contornos de grano, la difusión de oxígeno desde el exterior y la difusión de elementos de una pieza de trabajo dentro de la capa de revestimiento dura durante la operación de corte son aceleradas. Por lo tanto, la anchura de valor medio en un modelo de difracción de rayos X de la capa de revestimiento dura se limita a 0,6º o menos. Incidentalmente, el límite inferior de la anchura de valor medio en un modelo de difracción de rayos X de la capa de revestimiento dura es de 0,3º, puesto que es extremadamente difícil medir un valor medio de menos de 0,3º. Después de que una capa de nitruro de TiAl, etc. se ha formado sobre un sustrato, las capas de revestimiento duras que tienen una fase de BN y las capas de nitruro de TiAl, etc. pueden ser estratificadas alternativamente en

\hbox{una estructura
multicapa para obtener los mismos efectos.}

Los picos de c-BN y h-BN pueden ser detectados en una espectroscopia de Raman de la capa de revestimiento dura que tiene una fase de BN, y es preferible que una relación Q_{1}/Q_{2} de una intensidad Q_{1} de pico de c-BN con una intensidad Q_{2} de pico de h-BN sea 1,0 o más, para incrementar la dureza de la capa de revestimiento dura al mismo tiempo que mantiene sus propiedades de lubricación. Como se muestra en la figura 3, los picos de c-BN y h-BN son detectados en la capa de revestimiento dura de la presente invención que contiene una fase de BN. Comparando c-BN y h-BN con respecto a la dureza, la de c-BN es más alta. Consecuentemente, controlando las condiciones de revestimiento tales como la capa de revestimiento dura resultante que contiene una gran cantidad de c-BN, es posible obtener la capa de revestimiento dura que tenga una dureza y una resistencia al desgaste mejoradas.

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En una herramienta revestida de una capa dura convencional, particularmente en un inserto pasante, revestida de una capa dura convencional, el daño de produce principalmente mediante un desgaste de flanco. Consecuentemente, una capa de revestimiento dura se forma convenientemente de modo que sea más gruesa sobre un flanco del inserto que sobre una cara del inserto para impedir el desgaste del flanco. No obstante, el daño de un inserto revestido de una capa dura es producido por el desgaste de cráteres en vez de por el desgaste de flancos en los trabajos de elevada alimentación recientes. Consecuentemente, para que resulte adecuada para el trabajo de elevada alimentación, la capa de revestimiento dura se configura de modo que es gruesa sobre una cara del inserto en el cual se produce el daño principalmente, por lo que el inserto revestido de la capa dura resultante tiene una larga vida. Por esta razón, las capa de revestimiento dura se configura de modo que una relación K/L del espesor K sobre la cara de herramienta con el espesor L sobre un flanco de herramienta es de 1,0 o más.

La capa de revestimiento dura de la presente invención se configura usando un blanco de aleación de TiB. El contenido de B en la capa de revestimiento dura es preferiblemente de 0,1 a 50 de porcentaje atómico, basado en elementos metálicos. Cuando el contenido de B es menor que el porcentaje atómico de 0,1, es imposible impedir el ataque y la difusión de elementos suficientemente. Consecuentemente, el contenido de B se establece en un nivel de porcentaje atómico de 0,1 o más, a partir del cual empiezan a aparecer efectos notables. La capa de revestimiento dura de la presente invención que contiene Ti y B tiene cristales en forma de columna, que se observan a menudo en el TiN, etc., y cuando el contenido de B excede el porcentaje atómico del 50%, los cristales en forma de columna se transforman en finas partículas de cristal, originando un incremento de los defectos internos y una disminución en la densidad. En adición, las tensiones internas que obstaculizan la adhesión de la capa llegan a ser extremadamente grandes, de modo que la capa de revestimiento dura se desprende fácilmente del sustrato de la herramienta. Además, cuando la capa de revestimiento dura tiene finos cristales, es probable que se produzcan roturas en los contornos de grano durante una operación de corte, resultando un desgaste irregular.

Un método de PVD (Deposición de Vapor Física) es preferible para formar la capa de revestimiento dura de la presente invención. Aunque dos tipos de blancos, que comprenden cada uno Ti o B, pueden ser usados como un blanco, se prefiere usar un blanco hecho de una aleación de TiB para conseguir la uniformidad de una composición de capa de revestimiento dura y la estabilidad de descarga.

La capa de revestimiento dura de la presente invención se caracteriza por la forma del B. Las capas de revestimiento duras convencionales configuradas de nitruros de Ti y Al, etc., generalmente tienen una estructura reticulada de cristales de tipo de NaCl como el TiN, y el Ti en una retícula de TiN es sustituido por el Al; es decir el Al está disuelto en una solución sólida. No obstante, la capa de revestimiento dura de la presente invención que contiene Ti y B puede tener diferentes estructuras que dependen del contenido de B. Es decir, cuando el contenido de B es menor que 0,1% atómico está completamente comprendido en la retícula de cristal de TiN (disuelto en una solución sólida). Por otra parte, cuando el contenido del B es del 0,1% atómico o más, el B reemplaza el Ti en la retícula y forma un compuesto de B dispersado en una solución sólida. Consecuentemente, en el caso de una capa de revestimiento dura configurada de un nitruro que contenga Ti y B, cuando el contenido de B es de 0,1% atómico o superior, hay una fase de TiN y una fase de BN en la capa de revestimiento dura. El cambio de estructura de la capa de revestimiento dura tiene una gran influencia en las características de corte de la herramienta revestida de una capa dura.

En la capa de revestimiento dura de la presente invención que comprende una fase de TiN y una fase de BN que tienen una autolubricación excelente y baja humectabilidad con Fe, el desgaste de cráteres originado por una reacción química puede ser notablemente suprimido por la existencia de la fase de BN. En adición, puesto que la fase de BN tiene excelente resistencia a la oxidación, la capa de revestimiento dura que contiene una fase de BN no se deteriora a altas temperaturas. No obstante, cuando el contenido de B excede el 50% atómico, la tensión interna de la capa de revestimiento dura se hace demasiado grande, de modo que es difícil mantener una buena adhesión con un sustrato de herramienta. Es decir, cuando la capa de revestimiento dura es sometida a choques durante una operación de corte, la capa de corte dura no puede resistir sus propias tensiones internas, resultando un desprendimiento fácil de un sustrato de herramienta. Consecuentemente, para obtener una herramienta de corte con propiedades objetivas, es preferible que el contenido de B en la capa de revestimiento dura no exceda el 50% atómico.

En adición, a la capa de revestimiento dura de la presente invención que comprende una fase de BN, la herramienta revestida de la capa dura comprende preferiblemente una segunda capa de revestimiento dura que contiene al menos un elemento de metal seleccionado del grupo compuesto de Ti, Al y Cr, y al menos un elemento no metálico seleccionado del grupo compuesto de C, O y N, para mejorar la adhesión de la capa de revestimiento dura a un sustrato. Aunque la capa de revestimiento dura que tiene una fase de BN tiene excelente resistencia a los ataques en condiciones estáticas y cinéticas, también tiene una tensión de compresión residual grande. Consecuentemente, para compensar la disminución en la adhesión a un sustrato, es preferible proporcionar la herramienta revestida de la capa dura con una capa para mejorar la adhesión a un sustrato. Para este propósito, es preferible configurar la segunda capa de revestimiento dura antes de configurar la capa de revestimiento dura de la presente invención sobre una superficie de sustrato de herramienta, para proporcionar una combinación bien equilibrada de la adhesión a un sustrato, la resistencia al desgaste, la resistencia a la oxidación, etc., a la herramienta.

La segunda razón es mejorar la resistencia a la oxidación de una capa. La capa de revestimiento dura está sometida no solamente al desgaste de los cráteres sino también al desgaste de la oxidación en el corte de alta velocidad y el corte seco. Cuando se exceden 450ºC, el TiN se oxida y se transforma en polvo de TiO. En el (TiB)N que comprende B, la oxidación empieza a alrededor de 550ºC. En el (TiB)(ON) que comprende además O, la temperatura de iniciación de la oxidación se eleva a alrededor de 700ºC. Consecuentemente, la capa de (TiB)(ON) que comprende B y O muestra sus efectos suficientemente altos hasta alrededor de 700ºC, aunque una mayor elevación de la temperatura de corte es probable que origine el desgaste de contornos de la herramienta mediante el desgaste de oxidación. Para suprimir este fenómeno, la capa de revestimiento dura de la presente invención es preferiblemente estratificada con una capa de revestimiento dura de (TiAl)N o (CrAl)N que tienen excelente resistencia a la oxidación, para tener una estructura multicapa. La oxidación se suprime mediante una capa de revestimiento dura de (TiAl)N a una temperatura de hasta 850ºC, y la oxidación no se produce mediante una capa de revestimiento de (CrAl)N a una temperatura de hasta 1000ºC. Por tanto, cuando la temperatura de corte se eleva notablemente, estas capas contribuyen a incrementar la vida de una herramienta en combinación con la capa de revestimiento dura de la presente invención.

El papel del Al en la segunda capa de revestimiento de (TiAl)N es mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia a la oxidación. Consecuentemente, para obtener una combinación bien equilibrada de adhesión, resistencia al desgaste y resistencia a la oxidación, el contenido de Al en la capa de revestimiento dura de (TiAl)N es preferiblemente del 30 al 75% atómico, basado en la cantidad total (100% atómico) de elementos de metal. Cuando el contenido de Al en la capa de revestimiento dura de (TiAl)N es del 30% atómico o mayor, la resistencia a la oxidación es notablemente mejorada. Incidentalmente, cuando el contenido de Al excede el 75% atómico, la dureza de la capa disminuye notablemente, originando el deterioro de la resistencia al desgaste.

Parte del Al en la capa de revestimiento dura de (TiAl)N es sustituida preferiblemente por al menos uno del tercer componente seleccionado del grupo compuesto de metales en los Grupos 4a, 5a y 6a, y Si. El tercer componente no solamente contribuye al refuerzo de la solución sólida de una capa de (TiAl)N sino que también mejora la resistencia a la oxidación, mejorando de ese modo el comportamiento de la herramienta.

En el caso de un inserto hecho de carburo cementado o "cermet" (material metalocerámico), por ejemplo, el espesor total de la capa de revestimiento dura es preferiblemente de 3 a 15 \mum sobre una cara de la herramienta.

La herramienta revestida de la capa dura de la presente invención no es solamente adecuada para una alta velocidad, operación de fresado de alta alimentación, sino también para ser utilizada en operaciones de torneado debido a la resistencia al desgaste de cráteres drásticamente mejorada. Una última herramienta se proporciona convencionalmente con una capa de revestimiento dura de alrededor de 10 \mum de espesor que tiene una capa de óxido de aluminio sobre una superficie depositada mediante el método (CVD) de deposición de vapor química. Puesto que esta última se efectúa relativamente de modo continuo, la vida útil es determinada principalmente por el desgaste de cráteres. Con una capa de revestimiento dura de un espesor de 3 \mum o más, una herramienta puede tener una resistencia al desgaste de cráteres comparable a la de una capa de CVD sobre una cara en la que existe un desgaste de cráteres. Además, con respecto a la resistencia a daños de una herramienta proporcionada con la capa de revestimiento dura de la presente invención, la rotura es improbable que suceda porque la resistencia a la compresión se conserva debido al hecho de que la capa de revestimiento dura está configurada mediante un método de PVD. Por lo tanto, la capa de revestimiento dura de la presente invención tiene una resistencia a daños excelente, que es 10 veces o más superior a la de una herramienta revestida de CVD cuya capa tiene un esfuerzo tensor residual. Cuando el espesor de la capa de revestimiento dura excede 15 \mum, es probable que se produzca el desprendimiento de la capa de revestimiento dura de un sustrato de la herramienta. Consecuentemente, la capa de revestimiento dura de la presente invención es preferiblemente de un espesor de 3 a 15 \mum. Incidentalmente, el "trabajo de alimentación rápida" es el corte cuya alimentación para un diente excede 0,3 mm/diente.

El método para configurar la capa de revestimiento dura de la presente invención no es particularmente restrictivo sino preferiblemente un método PVD en el que se aplica la tensión de polarización a un sustrato, tal como un método de electrodeposición de iones de descarga de arco o un método de deposición iónica, que pueda formar una capa de revestimiento dura que tenga una tensión de compresión residual a temperaturas relativamente bajas, teniendo en cuenta la influencia térmica sobre un sustrato, la intensidad de fatiga

\hbox{de una herramienta,
la  adhesión a un sustrato, etc.}

Cuando la segunda capa de revestimiento dura está estratificada con la capa de revestimiento dura de la presente invención, es preferible que la capa de revestimiento dura de la presente invención que tiene excelentes propiedades de lubricación esté configurada sobre el lado de una superficie de capa, y que la segunda capa de revestimiento dura que tiene excelente resistencia a la oxidación esté configurada sobre el lado de un sustrato de herramienta. En el caso de la estratificación multicapa de muchas capas de revestimiento duras de la presente invención y muchas segundas capas de revestimiento duras, es preferible estratificarlas alternativamente bajo la condición de que la capa de revestimiento dura de la presente invención existe sobre la superficie más exterior. Incidentalmente, en el caso de la estructura multicapa, el número de capas estratificadas no es restrictivo.

La presente invención se describirá detalladamente haciendo referencia a los Ejemplos que se citan sin la intención de limitar la presente invención a los mismos.

Ejemplo 1

Usando un aparato de electrodeposición de arco iónico, y seleccionando aquellas seleccionadas como blancos de diversas aleaciones como fuentes de elementos metálicos, y un gas nitrógeno, un gas oxígeno y un gas metano como gases de reacción que dependen de las composiciones de las capas de revestimiento duras, inserciones de fresado (inserciones de herramienta de fondo de RDMW 1604MOTN) fabricadas cada una de carburo cementado (grado P40) para herramientas de corte según JIS B 4053 fueron proporcionadas con capas primera y segunda de revestimiento duras teniendo diversas composiciones que se muestran en la Tabla 1. Incidentalmente, un blanco de TiB usado tenía una composición del 75% atómico de Ti y 25% atómica de B. En el caso de estructuras multicapa de tres capas o más, las primeras capas y las segundas capas fueron estratificadas alternativamente.

En Muestras de la presente invención, las condiciones de formación de las capas de revestimiento duras como las capas primeras fueron una temperatura de sustrato de 400ºC, una tensión de polarización de -300 V, y una presión de gas (N2) de reacción de 0,5 Pa para formar una fase de BN. Asimismo, las condiciones de formación de las capas de (TiAl)N como las segundas capas fueron una temperatura de 400ºC de sustrato, un gas (N2) de reacción de 1,0 Pa, y una tensión de polarización de -150 V aplicados a un sustrato. En Ejemplos Comparativos, otras capas distintas a las capas de (TiAl)N fueron configuradas bajo las mismas condiciones que en las capas de (TiAl)N.

La composición y la estructura de capa de cada capa de revestimiento dura se muestran en la Tabla 1. Las composiciones de Ti y B en la primera capa están determinadas por la composición de blanco, y una relación de N a (TiB) está determinada por la presión del gas (N2) de reacción. En adición, los picos que se solapan de Ti y N son difíciles de separar. Por lo tanto, los porcentajes atómicos de Ti y B y las relaciones de elementos metálicos/elementos no metálicos en las primeras capas se omiten en la Tabla 1. El espesor mostrado en la Tabla 1 fue el espesor de cada capa de revestimiento dura sobre una cara de la herramienta.

Usando las inserciones revestidas de la capa dura resultantes, un trabajo de SKD61 (dureza HRC 45) fue fresado en una anchura de 100 mm y una longitud de 250 mm mediante corte en seco bajo las condiciones de una profundidad de corte de 1,0 mm, una velocidad de corte de 200 m/min, y una alimentación de 1,5 mm/diente. En el caso de fresado en el que una alimentación por un diente excede 1 mm, una temperatura de corte tiende a aumentar localmente, originando un desgaste de cráteres. Puesto que la vida útil es determinada predominantemente por el desgaste de cráteres bajo las presentes condiciones de corte, un periodo de tiempo de hasta que una herramienta es utilizable para cortar debido al desgaste de cráteres fue definido como "tiempo de corte hasta que se produce un daño". El tiempo de corte hasta que se produce un daño se muestra en la Tabla 1.

TABLA 1

1

2

Nota:
*	Ejemplos Comparativos
(1)	% atómico de Ti y B y una relación de elemento metálico/elemento no metálico son omitidos.
(2)	Capa formada directamente sobre una superficie del sustrato del inserto.
(3)	Espesor sobre la cara.
(4)	\begin{minipage}[t]{140mm} Cuando había tres o más capas, las primeras capas y las segundas capas eran estratificadas alternativamente. \end{minipage}

Como es evidente en la Tabla 1, la vida de la herramienta ha sido incrementada notablemente en las Muestras de la presente invención, mientras que las Muestras de los Ejemplos Comparativos tienen una corta vida debida al desgaste de los cráteres. Esto demostró que la capa de revestimiento dura de la presente invención mejora notablemente la resistencia al desgaste de cráteres de la herramienta.

Ejemplo 2

Usando los mismos objetivos y condiciones que en el Ejemplo 1, las inserciones (TNGG 110302R) de material metalocerámico para ser usadas en operaciones de torneado fueron revestidas con capas que tenían las composiciones mostradas en la Tabla 2. Usando las inserciones de material metalocerámico revestidas de la capa dura resultante, fueron cortados trabajos de S53C mientras se torneaban bajo las condiciones de una velocidad de corte de 220 m/minuto, una profundidad de corte de 1 mm y una alimentación de 0,15 mm/rev. con un aceite de corte. La composición del material metalocerámico de cada inserto fue 60TiCN-110WC-10TaC-5Mo_{2}C-5Ni-10Co % en peso.

El desgaste de los flancos tiende a incrementar mediante la generación de calor por el desgaste de cráteres en cualquiera de las inserciones de material metalocerámico revestidas de capa dura. Por tanto, la vida de la herramienta fue determinada en un momento en el que el desgaste del flanco alcanzaba 0,1 mm. El tiempo de corte hasta alcanzar la vida útil se muestra en la Tabla 2.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 2

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3

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Nota:
*	Ejemplos Comparativos
(1)	% atómico de Ti y B y una relación de elemento metálico/elemento no metálico son omitidos.
(2)	Capa formada directamente sobre una superficie del sustrato del inserto.
(3)	Espesor sobre la cara.
(4)	\begin{minipage}[t]{140mm} Cuando hay tres o más capas, las primeras capas y las segundas capas son estratificadas alternativamente. \end{minipage}

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Ejemplo 3

Ejemplos 39 a 52 de la presente invención y Muestras 15 a 19 de Ejemplos Comparativos fueron producidos en las mismas condiciones que en el Ejemplo 1, a excepción de que parte de Al en los blancos de aleación de Ti-Al para las segundas capas fue sustituido por otros elementos mostrados en la Tabla 3, y evaluados con respecto al comportamiento de corte. Los resultados se muestran en la Tabla 3.

TABLA 3

5

Nota:
*	Ejemplos Comparativos
(1)	El % atómico de Ti y B y una relación de elemento metálico/elemento no metálico son omitidos.
(2)	Capa formada directamente sobre una superficie del sustrato del inserto.
(3)	Espesor sobre la cara.
(4)	\begin{minipage}[t]{140mm} Cuando hay tres o más capas, las primeras capas y las segundas capas son estratificadas alternativamente. \end{minipage}

Como es evidente en la Tabla 3, la vida de la herramienta mejoró más mediante la adición de un tercer componente a la capa de revestimiento de TiAl dura tal como una segunda capa. Esto ocurre porque el refuerzo de la solución sólida de una capa de (TiAl)N conseguido mediante la adición de un tercer componente, da como resultado una mejora en la resistencia a la oxidación.

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Ejemplo 4

Usando un aparato de electrodeposición de arco iónico, y seleccionando aquellos deseados de objetivos de diversas aleaciones como fuentes de elementos metálicos, y un gas nitrógeno, un gas oxígeno y un gas metano como gases de reacción que dependen de las composiciones objetivo de las capas de revestimiento duras, inserciones de fresado (inserciones de herramienta de fondo de RDMW 1604MOTN) hechas de carburo cementado (grado P40) para herramientas de corte según JIS B 4035 fueron proporcionados con diversas capas de revestimiento duras mostradas en la Tabla 5 bajo las condiciones mostradas en la Tabla 4. Incidentalmente, otras condiciones que se muestran en la Tabla 4 son las mismas que en el Ejemplo 1. El espesor mostrado en la Tabla 5 fue el espesor de cada capa de revestimiento dura sobre una cara, y las capas primeras y las capas segundas fueron estratificadas alternativamente en el caso de estructuras multicapa de tres capas o más. Otras condiciones de revestimiento que se describen anteriormente son las mismas que en el Ejemplo 1.

Usando las inserciones de capa revestida duras resultantes, fue fresada la cara de cada trabajo de SKD61 (dureza HRC 45) en una anchura de 100 mm y una longitud de 250 mm mediante corte en seco bajo las condiciones de una profundidad de corte de 1,0 mm, una velocidad de corte de 250 m/min, y una alimentación de 1,5 mm/diente. En el fresado en el que una alimentación por diente excede 1 mm, una temperatura de corte tiende a elevarse localmente originando un desgaste de cráter. Consecuentemente, el tiempo de corte hasta se produce el daño fue medido como en el Ejemplo 1. La Tabla 5 muestra las estructuras de capa y el tiempo de corte hasta que se produce el daño en las capas de revestimiento duras de los Ejemplos y Ejemplos Convencionales.

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TABLA 4

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7

TABLA 5

8

Nota
**	Ejemplos convencionales.
(1)	El % atómico de Ti y B y una relación de elemento metálico/elemento no metálico, son omitidas.
(2)	Capa se forma directamente sobre una superficie del sustrato del inserto.

TABLA 5 (continuación)

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10

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Nota\+\cr  ** \+ Ejemplos Convencionales\cr  (3) \+ Espesor sobre
la cara.\cr  (4) \+  \begin{minipage}[t]{137mm} Cuando hay tres
o más capas, las primeras capas y las segundas capas se estratifican
alternativamente.\end{minipage} \cr}

\newpage

Como es evidente en la Tabla 5, fue observada una mejoría notable en la vida útil de las Muestras de la presente invención. Aunque que todas las Muestras de los Ejemplos Convencionales presentaron una corta vida a causa del desgaste en forma de cráter, las Muestras de la presente invención presentaron una vida útil mejorada debido a la notable mejoría en la resistencia al desgaste en forma de cráter.

En las muestras 53 a 55 de la presente invención, las capas de (TiB)N como las primeras capas fueron configuradas bajo diversas condiciones de revestimiento. Cualquiera de las Muestras presentó larga vida útil, y particularmente aquellas producidas bajo condiciones de polarización de impulsos con alta energía iónica presentaron una vida útil extremadamente larga.

En las Muestras 56 a 58 de la presente invención, cada capa de (TiB)N fue estratificada con cada capa de (TiAl)N. La muestra 59 de la presente invención fue obtenida añadiendo oxígeno a la capa de (TiB)N de la Muestra 56. La Muestra 60 de la presente invención fue obtenida añadiendo carbono a la capa de (TiB)N de la muestra 56. La mejoría en el tiempo de corte hasta que se producían daños se observó en cualquiera de las Muestras 59 y 60 mejor que en la Muestra 56.

Las muestras 61 y 62 de la presente invención fueron obtenidas adicionando oxígeno o carbono a la capa de (TiAl)N como la segunda capa. La muestra 65 de la presente invención fue obtenida estratificando una capa de (TiB)N con una capa de (TiAl)N, presentando los efectos de la estratificación.

La muestra 66 de la presente invención fue obtenida añadiendo B a (TiAl)N, presentando la misma mejora en el tiempo de corte que la obtenida añadiendo B al TiN. Las Muestras 68 a 72 de la presente invención fueron obtenidas añadiendo B a otras composiciones.

Aunque el Ejemplo Convencional 76 fue obtenido formando una capa de revestimiento de (TiAl)N bajo condiciones de polarización de impulsos, fracasó en la presentación de una mejoría notable en el tiempo de corte por carecer de B. Aunque el Ejemplo Convencional 77 fue obtenido añadiendo B al TiN, fracasó en la presentación de una mejora notable en el tiempo de corte debido a condiciones de revestimiento con pequeña energía iónica.

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Ejemplo 5

Fueron proporcionadas inserciones de materiales metalocerámicos (TNGG 110302R) para la operación de torneado con las capas de revestimiento duras de la presente invención y aquellos de los Ejemplos Convencionales se mostraron ambos en la Tabla 5 de la misma manera que en el Ejemplo 4. Los materiales metalocerámicos para las inserciones tuvieron una composición del 60% en peso de Ti(CN), 10% en peso de WC, 10% en peso de TaC, 5% en peso de Mo_{2}C, 5% en peso de Ni, y 10% en peso de Co. Usando cada una de las inserciones metalocerámicas revestidas de la capa dura resultante, cada trabajo de S53C fue cortado torneando bajo condiciones de corte húmedas a una velocidad de corte de 220 m/min, una profundidad de corte de 1 mm, y una alimentación de 0,15 mm/rev. Hubo una gran generación de calor mediante el desgaste de cráteres en cualquiera de las Muestras, resultando un incremento en el desgaste de flanco. La vida útil de la herramienta fue determinada en un momento en que el desgaste de flanco alcanzaba 0,1 mm. El tiempo de corte de la herramienta hasta que alcanza la vida útil se muestra en la
Tabla 6.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 6

12

TABLA 6 (continuación)

14

Notas
**	Ejemplos Convencionales
(1)	\begin{minipage}[t]{140mm} Los % atómicos de Ti y B y una relación de elemento metálico/elemento no metálico son omitidos \end{minipage}
(2)	Capa formada directamente sobre una superficie del sustrato del inserto
(3)	Espesor sobre la cara
(4)	\begin{minipage}[t]{140mm} Cuando hay tres o más capas, las primeras capas y las segundas capas son estratificadas alternativamente. \end{minipage}

Como es evidente en la Tabla 6, las inserciones que tienen capas de revestimiento duras formadas bajo condiciones de polarización de impulsos con alta energía iónica presentaron la vida útil más larga en la operación de torneado. Este resultado coincide con el obtenido en el Ejemplo 4.

Una mejora notable fue observada en el tiempo de corte hasta alcanzar la vida útil en las Muestras 79 a 98 de la presente invención. Por otra parte, el desgaste del flanco aumenta rápidamente debido al desgaste de los cráteres en las Muestras 99 a 104 de los Ejemplos Convencionales, resultando las inserciones revestidas de capa dura con una vida muy corta. La larga vida de las Muestras 79 a 98 de la presente invención se debe principalmente a la mejora en la resistencia al desgaste en forma de cráteres.

Las muestras 79 a 81 de la presente invención tenían capas de (TiB)N como las primeras capas, con diferentes condiciones en el revestimiento de las primeras capas. Cualquiera de las muestras tuvo larga vida y particularmente aquellas que tenían capas de (TiB)N formadas bajo condiciones de polarización de impulsos con alta energía iónica que presentaron la vida más larga.

Las muestras 82 a 84 de la presente invención se formaron estratificando una capa de (TiB)N y una capa de (TiAl)N. La muestra 85 de la presente invención fue formada añadiendo oxígeno a la capa de (TiB)N de la muestra 82, y la muestra 86 de la presente invención se formó añadiendo carbono a la capa de (TiB)N de la muestra 82, presentando ambas un tiempo de corte hasta alcanzar la vida útil que fue igual o superior que el de la muestra 82.

Las muestras 87 y 88 de la presente invención se formaron añadiendo oxígeno o carbono a la capa de (TiAl)N como la segunda capa. La muestra 91 de la presente invención se formó estratificando capas de (TiB)N con capas de (TiAl)N, con muchas capas, presentando los efectos de la estratificación.

La muestra 92 de la presente invención se formó añadiendo B a la capa de (TiAl)N, presentando la misma mejora en el tiempo de corte que la obtenida añadiendo B al TiN. Las muestras 94 a 98 de la presente invención se formaron añadiendo B a las primeras capas que tuvieron otras composiciones distintas a las descritas anteriormente.

La muestra 92 de la presente invención fue configurada añadiendo B a la capa de (TiAl)N, presentando la misma mejora en el tiempo de corte que la obtenida mediante la adición de B al TiN. Las muestras 94 a 98 de la presente invención fueron obtenidas añadiendo B a las primeras capas que tenían otras composiciones diferentes a las descritas anteriormente.

En el ejemplo convencional 102, en el que una capa de (TiAl)N se formo bajo condiciones de polarización de impulsos, no hubo una mejora notable en el tiempo de corte porque no había B. En el ejemplo convencional 103, en el que B estaba añadido al TiN, no hubo mejora notable en el tiempo de corte debido a condiciones de revestimiento con pequeña energía iónica.

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Ejemplo 6

Usando un aparato de electrodeposición de arco iónico, y seleccionando aquellas deseadas como blancos de diversas aleaciones como fuentes de elementos metálicos, y un gas N_{2}, un gas CH_{4} y una mezcla de gases de Ar y un O_{2} como gases de reacción dependientes de las composiciones elegidas para las capas de revestimiento duras, se desecharon las inserciones (forma especial de SDE53TN) hechas de carburo cementado que fueron proporcionadas con capas de revestimiento duras mostradas en la Tabla 8. Las condiciones de formación de la película fueron C mostradas en la Tabla 4. La presión del gas de reacción se muestra en la Tabla 7 más adelante.

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TABLA 7

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16

\newpage

Cada una de las inserciones de revestimiento de capa dura resultantes fue montada sobre un cortador de fresado de cara para efectuar un operación de corte en un trabajo de S50C (HRC 30) de 100 mm de ancho y 250 mm de longitud mediante un método de corte de centro sin usar un aceite de corte, en condiciones de corte seco de alta eficiencia a una profundidad de corte de 2,0 mm, una velocidad de corte de de 150 m/min y una alimentación de 1,80 mm/diente. Se estuvo cortando hasta que la herramienta no fue capaz de cortar el trabajo debido a la viruta de una punta de borde o al desgaste del inserto, etc., y cortando a lo largo hasta que el corte resultó imposible se definió como "vida de la herramienta". Los detalles de las capas de revestimiento duras y la vida útil en los Ejemplos, Ejemplos Comparativos y Ejemplos Convencionales se muestran en la Tabla 8.

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TABLA 8

17

TABLA 8 (continuación)

18

	Nota
	*	Ejemplos comparativos
	**	Ejemplos convencionales

TABLA 8 (continuación)

19

TABLA 8 (continuación)

20

	Nota
	*	Ejemplos comparativos
	++	Ejemplos convencionales
	(1)	Pelado en una etapa temprana

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Es evidente en los datos de los Ejemplos mostrados en la Tabla 8 que un valor medio de la anchura de la difracción de los rayos X, una relación de espesores K/L, y una relación de la intensidad de pico de h-BN con c-BN en la espectroscopia de Raman tienen gran influencia en el comportamiento del corte. Las muestras 105 a 124 de la presente invención satisfacen estas condiciones presentadas mejorando drásticamente la vida útil. Particularmente, con la máxima relación de espesores K/L de 5,0, y cuando otras condiciones de la capa de revestimiento dura están dentro de los márgenes de la presente invención como en la Muestra 106 de la presente invención, la vida útil fue mejorada notablemente tanto en los Ejemplos Convencionales como en los Ejemplos Comparativos.

En los Ejemplos comparativos 125, 126 y 129, por ejemplo, una intensidad de pico de c-BN es pequeña en la espectroscopia de Raman, fallando en satisfacer la exigencia de la relación de la intensidad de pico de la presente invención, incluso aunque la difracción de rayos X de la capa de revestimiento dura tiene una anchura Z de valor medio en el intervalo de 0,3º a 0,6º. Consecuentemente, no se observó una mejora en la extensión de la vida útil en los Ejemplos comparativos 125, 126 y 129 incluso comparados con los Ejemplos convencionales 132 a 138. Particularmente en los Ejemplos comparativos 125 y 126, las relaciones K/L de espesor de cara a flanco del inserto fueron 1,5 y 1,3, respectivamente, en más de 1,0, dejaron de satisfacer las condiciones de relación de intensidad de pico de Raman de la capa de revestimiento dura. Por lo tanto no presentaron características de corte suficientes.

En los Ejemplos comparativos 127, 128 y 130, las capas de revestimiento duras no satisfacen la condición de que la anchura Z de valor medio de la difracción de rayos X estaba en un margen de 0,3º a 0,6º. En adición, en los Ejemplos comparativos 127 y 130, el desprendimiento de la capa de revestimiento dura tiene lugar en una etapa temprana como un resultado del incremento notable en la tensión interna, debido a la intensidad de pico incrementada de c-BN en la espectroscopia de Raman, lo cual significa que la capa de revestimiento dura contiene finos cristales. Esto ocurre porque el desgaste de la cara avanza rápidamente, debido al hecho de que la capa de revestimiento dura no satisface las condiciones anteriores de la presente invención, y porque no hay un diseño óptimo de las relaciones de los espesores. El Ejemplo comparativo 130 tenía la anchura de valor medio máxima, indicando que tenía una estructura de cristales finos notable. Consecuentemente, el Ejemplo 130 estaba sometido no solamente al desprendimiento en la etapa temprana de corte, sino también a un gran desgaste de cráteres, con el resultado de un pronto final de su vida útil.

Aunque el Ejemplo comparativo 131 satisface las condiciones de la presente invención referentes a las propiedades de la capa de revestimiento dura, su capa de revestimiento dura era gruesa sobre un flanco de una herramienta, de modo que la capa de revestimiento dura fallaba suficientemente en la presentación de sus propias propiedades. Por tanto, a pesar de que el Ejemplo comparativo 131 tenía alrededor de 2 veces la vida útil de los Ejemplos convencionales, no tenía una vida útil tan notable como las muestras de la presente invención.

Como se muestra en la Tabla 8, puesto que la capa de revestimiento dura de la presente invención contenía una fase de cristal de BN con su estructura química controlada, es excelente en cuanto a resistencia a los ataques y resistencia al calor, resultando una mejora notable en el comportamiento de la herramienta. No obstante, en los Ejemplos comparativos 125 y 128, por ejemplo, solamente una cantidad de traza de B estaba contenida en sus capas de revestimiento duras, de modo que fue introducido B en una retícula de cristal de TiN en la forma de una solución sólida. Como un resultado, la capa de revestimiento dura presentó solamente una mejoría insuficiente en el comportamiento de la herramienta, aunque contenía Ti y B.

En los Ejemplos comparativos 126, 127 y 129 a 131, la cantidad de B añadida excedió el 50% atómico, aunque hubo una fase de cristal de BN en la capa de revestimiento dura que contenía Ti y B. Consecuentemente, la capa de revestimiento dura se desprendió fácilmente debido a su propia tensión interna durante una operación de corte. Particularmente, la mayor tensión interna de -6 GPa fue observada en la capa de revestimiento duro del Ejemplo comparativo 130. Cuando se estaba efectuando un ensayo de corte del inserto de revestimiento de capa dura del Ejemplo comparativo 130, el desprendimiento a gran escala de la capa de revestimiento dura se produjo sobre el flanco y la cara de la herramienta en la etapa temprana de corte, resultando imposible continuar la operación de corte. Esto demuestra que un compartimento de la herramienta notablemente excelente no puede ser obtenido, a menos que la fase de cristal de BN esté contenida en la capa de revestimiento dura, y a menos que la estructura de la herramienta revestida de capa dura incluya la cantidad de B añadida diseñada para un comportamiento óptimo.

Se confirmó que cualquiera de las Muestras de la presente invención era superior en cuanto a vida útil al Ejemplo convencional 132 que tenía una estructura de dos capas, de una capa de (TiSi)N y una capa de (TiAl)N, y a los Ejemplos convencionales 133 a 138 que tienen Zr, B y Si añadidos como terceros elementos a la segunda capa de un nitruro de (TiAl).

Se ha hallado como un resultado de la investigación de una reacción que una de las condiciones de formación de la capa de revestimiento dura de la presente invención es que el contenido de B sea preferiblemente de 0,1 a 50% atómico, basado en la cantidad total (100% atómico) de elementos de metal en cualquiera de los nitruros, carbonitruros, oxinitruros y oxicarbonitruros que contienen cada uno Ti y B como elementos metálicos, para obtener una resistencia a los ataques excelente. Teniendo en consideración la generación de calor de una herramienta por rozamiento con una pieza de trabajo, etc., es preferible introducir un gas que contenga carbono en adición a un gas que contenga nitrógeno y un gas que contenga oxígeno para formar un carbonitruro o un oxicarbonitruro.

Aunque la presente invención ha sido explicada detalladamente haciendo referencia a Ejemplos referentes a inserciones como herramientas, sobre las cuales están formadas las capas duras de revestimiento de la presente invención, la presente invención no está restringida a las mismas sino que puede ser aplicada a otras herramientas de corte de alta eficiencia tales como herramientas de torneado, etc.

Como se ha descrito anteriormente con detalle, la herramienta revestida de capa dura de la presente invención es superior en resistencia al desgaste de cráteres a las herramientas revestidas convencionales, por lo que presenta una vida útil notablemente mucho más larga en una operación de corte de alta velocidad en seco que estas últimas. La herramienta revestida de capa dura de la presente invención que tiene tales características es extremadamente eficaz no solamente en la mejora de la productividad y reducción de gastos de una operación de corte, sino también como una mejora en el medio ambiente de trabajo, etc.

Claims

1. Una herramienta revestida con una capa dura hecha de cualquiera de un nitruro, un carbonitruro, un oxinitruro y un oxicarbonitruro que contienen cada uno Ti y B como elementos metálicos, conteniendo dicha capa de revestimiento dura una fase de nitruro de boro;

caracterizada porque una anchura Z de valor medio de una (200) cara en una difracción de rayos X de dicha capa de revestimiento está en un margen de 0,3º a 0,6º;

porque la energía de enlace del B y el N está en una posición de 191 eV como se observa en un análisis de ESCA de dicha capa de revestimiento dura; y

porque los picos de c-BN y h-BN son detectados en una espectroscopia de Raman de dicha capa de revestimiento dura, en la que una relación de Q_{1}/Q_{2} de una intensidad Q_{1} de pico de c-BN a una intensidad Q_{2} de pico de h-BN es de 1,0 o más y en la que el contenido de B en dicha capa de revestimiento dura es de 0,1 a 50% atómico, basado en la cantidad total de elementos de metal.

2. La herramienta revestida de una capa dura según la reivindicación 1, en la que una relación K/L de un espesor K de cara a un espesor L de flanco en dicha herramienta es de 1,0 o más.

3. La herramienta revestida de una capa dura según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que dicha capa de revestimiento dura se configura usando un blanco de una aleación de Ti-B.

4. La herramienta revestida de una capa dura según las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además, como una capa distinta a dicha capa de revestimiento dura, una capa de revestimiento dura que comprende al menos un elemento de metal seleccionado del grupo compuesto de Ti, Al y Cr, y al menos un elemento no metálico seleccionado del grupo compuesto de C, O y N.

5. La herramienta revestida de una capa dura según la reivindicación 4, en la que una parte de Al en la capa de revestimiento dura que contiene Ti y Al es sustituida por al menos una seleccionada del grupo compuesto de metales en los grupos 4a, 5a y 6a, y Si.

6. La herramienta revestida de una capa dura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que un sustrato de herramienta se configura de carburo cementado o "cermet"; y en el que el espesor total de dicha capa de revestimiento dura es de 3 a 15 \mum en una cara de herramienta.

7. La herramienta revestida de una capa dura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que dicha herramienta es un inserto.