ES2315372T3 - Pieza constructiva con un recubrimiento de material duro con capa intermedia para mejorar la resistencia a la adherencia del recubrimiento. - Google Patents

Abstract

Pieza constructiva de un material metálico o cerámico para la mecanización con arranque de viruta o de conformación de piezas de trabajo, la cual presenta un recubrimiento de material duro, estando constituido el recubrimiento por varias capas y pudiendo componerse también las capas de diferentes materiales, caracterizada porque al menos entre dos capas (4, 9) del recubrimiento (3) se ha dispuesto una capa intermedia (5) que sirve para la reducción de las tensiones entre las capas del recubrimiento (3), la cual se compone predominante o exclusivamente de un material con componente metálico de un elemento del cuarto a octavo grupo secundario del periodo cuarto y quinto del Sistema Periódico, en función de los parámetros ajustados para el recubrimiento o, respectivamente, de la cantidad disponible del componente metálico del material como capa continua (6) del material con componente metálico, o como capa parcial (7) con inclusiones del componente metálico del material.

Description

Pieza constructiva con un recubrimiento de material duro con capa intermedia para mejorar la resistencia a la adherencia del recubrimiento.

La invención se refiere a una pieza constructiva de un material metálico o cerámico con un recubrimiento de material duro según el preámbulo de la reivindicación primera, así como a un procedimiento para la deposición de este recubrimiento según la reivindicación decimotercera.

Las piezas constructivas que se exponen a grandes solicitaciones, especialmente por desgaste, se pueden proteger mediante un recubrimiento de material duro. Para poder aprovechar plenamente las buenas propiedades mecánicas y térmicas del material se deben evitar en gran medida especialmente las reacciones triboquímicas y termoquímicas entre los materiales de la pieza de trabajo y la herramienta. Así, por ejemplo en el caso de herramientas de mecanización, ya es conocido mejorar la resistencia al desgaste mediante un recubrimiento de material duro. Los recubrimientos no sólo se depositan sobre herramientas de mecanización con arranque de viruta, metálicas, especialmente de acero rápido (HSS) o de metal duro (HM), sino también sobre herramientas a base de materiales cerámicos tales como, por ejemplo, discos de corte de nitruro de silicio. También en el caso de herramientas de conformación se puede reducir el desgaste mediante un recubrimiento de material duro.

Para las deseadas mejoras de las propiedades, especialmente en el caso de herramientas de mecanización con arranque de viruta, por lo regular son suficientes grosores de capa de orden micrométrico. Estas capas se pueden segregar, por ejemplo, a partir de la fase gaseosa según los procedimientos PVD, CVD o plasma-CVD. Por ello, según el material, son posibles grosores de capa de una capa inferiores a 1 \mum hasta más de 20 \mum.

Los procedimientos indicados hacen posible segregar no sólo capas individuales de un solo material. Tanto en lo referente al número de materiales que se pueden combinar sucesivamente entre sí, como también al número de capas, son posibles muchas variaciones. Sobre todo en el caso del empleo de herramientas de mecanización con arranque de viruta se emplean preferentemente materiales de capa de base titanio tales como, por ejemplo, nitruro de titanio, carburo de titanio, óxido de titanio, carbonitruro de titanio, así como capas a base de una o varias modificaciones del óxido de aluminio.

En virtud de la diferente dilatación térmica entre el material sustrato y el material de la capa, así como en el caso de un recubrimiento de varias capas, se pueden originar grandes tensiones debido a los diferentes materiales de las capas. Especialmente, al ir aumentando el grosor del recubrimiento se incrementa la tensión y, con ello, el riesgo de un desprendimiento del recubrimiento.

Por ejemplo, del documento DE 36 08 734 C, para mejorar la resistencia de adherencia de un recubrimiento es conocido, en el caso de discos cerámicos de corte reversible, segregar sobre un cuerpo base de materiales cerámicos sinterizados, el cual se ha provisto de una capa cerámica útil, una capa intermedia de dióxido de silicio. No obstante, este estado de la técnica se refiere sólo al recubrimiento con una sola capa.

Del documento WO 00/52225 se conoce una herramienta de corte recubierta, en la cual entre al menos dos capas depositadas por vapor se encuentra una capa intermedia más delgada. Esta puede estar constituida por el mismo o por otro material que el de las demás capas.

En el documento WO 00/68453 se describe un procedimiento para el recubrimiento de herramientas con materiales resistentes al desgaste. El recubrimiento se compone de espinela de aluminio nanocristalina.

El documento US 4,501,786 A se refiere a la mejora de la adherencia de capas de desgaste oxídicas sobre sustratos de metal duro o de carburos cementados.

Para mejorar la adherencia entre una capa de TiC y una capa oxídica se propone una capa aglutinante a base de un carburo u oxicarburo.

En las solicitudes de patente EP 0947607 A2 y WO 99/29920 se describen recubrimientos para herramientas de corte, los cuales se componen de secuencias de capas de diferente composición. El efecto técnico es la mejora de la dureza así como de la vida útil de la herramienta.

El objeto de la presente invención es incrementar la resistencia de la adherencia de las capas de material duro sobre el material sustrato de una pieza constructiva de un material metálico o cerámico, así como la de las capas entre sí.

La solución del problema, en el caso de una pieza según el preámbulo de la primera reivindicación, tiene lugar con ayuda de sus rasgos caracterizantes. En la reivindicación decimotercera se reivindica el procedimiento conforme a la invención para la producción de estas piezas. En las reivindicaciones subordinadas se reivindican ejecuciones ventajosas.

Una pieza constructiva conforme a la invención, con un recubrimiento, se caracteriza porque al menos entre dos capas del recubrimiento se ha dispuesto una capa intermedia, la cual se compone predominante o exclusivamente de un material con componente de un elemento del cuarto a octavo grupo secundario del periodo cuarto y quinto del Sistema periódico. El número de capas intermedias se adapta al número de capas del recubrimiento. Cuando más grueso sea un recubrimiento y cuantas más capas sean necesarias para la construcción del recubrimiento, tanto más ventajoso es prever capas intermedias.

Especialmente, para la formación de una capa intermedia son adecuados los elementos del octavo grupo secundario del cuarto periodo. Por ejemplo, en el caso de capas de base titanio, la resistencia de la adherencia se incrementa preferentemente mediante capas intermedias de un material con componente del elemento cobalto.

La deposición de un recubrimiento de material duro se efectúa de manera conocida a partir de la fase gaseosa según el procedimiento PVD, CVD o plasma-CVD. La capa intermedia conforme a la invención se segrega igualmente a partir de la fase gaseosa. Para ello, el elemento de la capa intermedia se transfiere igualmente a la fase gaseosa. Si, por ejemplo, se construye una capa de base titanio, tal como Ti(C,N) a partir de la fase gaseosa según el procedimiento CVD, para la formación de una capa intermedia en base de un material metálico se puede introducir en el reactor un cuerpo prensado. La segregación de una capa, por ejemplo de base titanio, se efectúa preferentemente a una temperatura de aproximadamente 1000ºC y una presión escasamente inferior a la presión atmosférica. Bajo estas condiciones, el metal permanece en la fase gaseosa y no precipita como material de capa. Sólo cuando la presión disminuye tiene lugar la construcción de la capa intermedia con el material de componente metálica. Esta capa intermedia, según los parámetros ajustados en el recubrimiento o, respectivamente, según la cantidad disponible del componente metálico del material se puede conformar como una capa continua o presentar en forma de zonas de inclusiones. Si se consume la reserva del componente metálico del material o si se incrementa de nuevo la presión al nivel anterior, se detiene también la construcción de la capa intermedia. Estas capas intermedias tienen un grosor de 0,05 \mum a 5 \mum. Mediante una capa intermedia se reducen las tensiones en el recubrimiento y, por ello, se reduce sensiblemente el riesgo de desprendimiento.

Por lo regular, las capas presentan una composición como las que se forman correspondientemente en los procedimientos de recubrimiento conocidos. Los recubrimientos de base titanio se componen por lo regular de los siguientes compuestos: TiN, Ti(C,N), TiC, TiO, TiON y TiCON.

Pero los recubrimientos se pueden componer también de al menos una de las modificaciones del óxido de aluminio.

El recubrimiento puede ser monofásico, es decir de un solo material. El recubrimiento puede ser también multifásico, es decir de una secuencia alternante de capas de diferentes materiales, por ejemplo de base titanio y óxido de aluminio. Un recubrimiento de varias capas, de este tipo, puede alcanzar un grosor de hasta 60 \mum y más.

Un recubrimiento de este tipo, denominado también recubrimiento multicapa, podría estar constituido, por ejemplo, como sigue: una o varias capas de base titanio, una capa de óxido de aluminio en la modificación \alpha y/o \kappa y, eventualmente una o varias capas de cobertura de base titanio, de modo que al menos entre dos capas de base titanio se dispone una capa intermedia.

Cada una de las capas, excepto la capa intermedia, puede presentar, según el material utilizado, un grosor de aproximadamente 10 \mum por ejemplo en el caso de una capa de base titanio, y hasta aproximadamente 20 \mum por ejemplo en el caso de una capa de óxido de aluminio, de manera que se pueden conseguir grosores de capa superiores a 60 \mum. Para garantizar la resistencia de la adherencia de un recubrimiento, por ejemplo en un grosor de este tipo, es necesaria al menos una capa intermedia entre las capas de base titanio.

La invención ofrece ventajosamente la posibilidad de proveer cualquier material sustrato, el material de base de la herramienta, ya sea un acero rápido, metal duro o también materiales cerámicos tales como nitruro de silicio, SiAlON, nitruro de aluminio o de base Al_{2}O_{3}, con un recubrimiento bien adherente, el cual reduzca sensiblemente el desgaste. En este caso, el material sustrato puede ser seleccionado según las propiedades que se deseen.

La invención se explica con más detalle con ayuda de un ejemplo de ejecución.

El ejemplo de ejecución muestra en representación esquemática una sección transversal pulida de una pieza constructiva 1 de nitruro de silicio, Si_{3}N_{4}. Sobre la estructura de base 2 de la pieza 1, el sustrato con las inclusiones claras de los coadyuvantes de sinterización necesarios para la producción, se encuentra un recubrimiento 3 de varias capas, un recubrimiento multicapas. El recubrimiento 3 en el presente ejemplo de ejecución está constituido por cuatro capas individuales de diferente grosor.

Al sustrato 2 le sigue una capa 4 de base titanio, en el presente ejemplo de ejecución de Ti(C,N). En el proceso de recubrimiento se suceden en la formación de las capas de base titanio las conocidas reacciones químicas siguientes: TiCl_{4} + ½N_{2} + 2H_{2} = TiN + 4HCl, TiCl_{4} + CH_{4} = TiC + 4HCl y TiCl_{4} + CH_{4} + ½N_{2} = Ti(C,N) + 4HCl. A continuación sigue, de modo bien visible, la capa intermedia 5, predominantemente de base cobalto. Mientras que la primera capa 4 se segregó a una temperatura de aproximadamente 1000ºC y una presión de 800 mbar, en el caso de esta capa 5 a igual temperatura la presión se redujo por debajo de 500 mbar. Mientras que primeramente se segregó una densa y continua capa parcial 6 de material con componente cobalto, al ir empobreciéndose el contenido en cobalto del gas para la construcción de las capas de base titanio se forma una capa parcial 7 compuesta predominantemente por TiC, siendo aún visibles las inclusiones 8 del componente cobalto del material. En el caso de que los parámetros de recubrimiento varíen al estado anterior, se forma nuevamente una capa 9 de base titanio. Esta capa 9 se puede reconocer por el color más claro. Presenta la misma composición que la primera capa, la capa 4: Ti(C,N). La última capa 10 es una capa de cobertura de óxido de aluminio, Al_{2}O_{3}. El proceso de recubrimiento transcurre según la siguiente reacción conocida:

2Al_{2}Cl_{3} + 3H_{2}OO

O = Al_{2}O_{3} + 6HCl.

Claims (21)

1. Pieza constructiva de un material metálico o cerámico para la mecanización con arranque de viruta o de conformación de piezas de trabajo, la cual presenta un recubrimiento de material duro, estando constituido el recubrimiento por varias capas y pudiendo componerse también las capas de diferentes materiales, caracterizada porque al menos entre dos capas (4, 9) del recubrimiento (3) se ha dispuesto una capa intermedia (5) que sirve para la reducción de las tensiones entre las capas del recubrimiento (3), la cual se compone predominante o exclusivamente de un material con componente metálico de un elemento del cuarto a octavo grupo secundario del periodo cuarto y quinto del Sistema Periódico, en función de los parámetros ajustados para el recubrimiento o, respectivamente, de la cantidad disponible del componente metálico del material como capa continua (6) del material con componente metálico, o como capa parcial (7) con inclusiones del componente metálico del material.

2. Pieza constructiva según la reivindicación 1, caracterizada porque la capa intermedia (5) tiene un grosor de aproximadamente 0,05 \mum a aproximadamente 5 \mum.

3. Pieza constructiva según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el elemento del componente del material (6, 8) de la capa intermedia (5) es un elemento del octavo grupo secundario del cuarto periodo del Sistema Perió-
dico.

4. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque las capas (4, 9) del recubrimiento (3) se componen de un material de base titanio.

5. Pieza constructiva según la reivindicación 4, caracterizada porque el grosor de la capa (4, 9) alcanza hasta 10 \mum.

6. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el recubrimiento (3) está cubierta por una capa (10) de al menos una de las modificaciones del óxido de aluminio.

7. Pieza constructiva según la reivindicación 6, caracterizada porque el grosor de la capa (10) alcanza hasta 20 \mum.

8. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la construcción de un recubrimiento (3) se compone de varias capas (4, 9, 10) de una serie alternante de capas de base titanio (4, 9) y de óxido de aluminio (10) en al menos una de sus modificaciones.

9. Pieza constructiva según la reivindicación 8, caracterizada porque un recubrimiento de la pieza constructiva está constituido por varias capas, tal como sigue: varias capas de base titanio, una capa de óxido de aluminio en la modificación \alpha y/o \kappa y, eventualmente, una o varias capas de cobertura de base titanio, estando dispuesta una capa intermedia al menos entre dos capas de base titanio.

10. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el material sustrato (2) de la pieza constructiva (1) es nitruro de silicio o SiAlON.

11. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el material sustrato de la pieza constructiva es nitruro de aluminio.

12. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el material sustrato de la pieza constructiva es un material de base Al_{2}O_{3}.

13. Procedimiento para la deposición de un recubrimiento de material duro sobre una pieza constructiva de un material metálico o cerámico como sustrato, para la mecanización con arranque de viruta o de conformación de piezas de trabajo, pudiendo construirse el recubrimiento con varias capas y las capas también se pueden componer de diferentes materiales, especialmente conforme a una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque al depositar las capas según el procedimiento PVD, CVD o plasma-CVD entre dos capas del recubrimiento se segrega igualmente a partir de la fase gaseosa al menos una capa intermedia que sirve para la reducción de las tensiones entre las capas del recubrimiento, componiéndose esta capa intermedia predominante o exclusivamente de un material con componente metálico de un elemento del cuarto a octavo grupo secundario del periodo cuarto y quinto del Sistema Periódico, en función de los parámetros ajustados para el recubrimiento o, respectivamente, de la cantidad disponible del componente metálico del material como capa continua de componente metálico del material, o como capa del componente del material de las capas de material duro del recubrimiento con inclusiones del componente metálico del material.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque la cantidad segregada del elemento del componente del material se regula a través de la variación de la presión.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la capa intermedia se forma por disminución de la presión.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el grosor de la capa intermedia se controla a través de la cantidad del elemento que se dispone para la segregación.

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque la capa intermedia se construye hasta un grosor de 0,05 \mum hasta 5 \mum.

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque en el caso de un recubrimiento de varias capas sobre la pieza constructiva se segregan en secuencia alternante capas de base titanio y capas de óxido de aluminio en al menos una de sus modificaciones.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado porque en el caso de un recubrimiento de la pieza constructiva con varias capas se segregan primero capas de base titanio, encima una capa de óxido de aluminio en la modificación \alpha y/o \kappa y, encima, eventualmente una o varias capas de cobertura de base titanio, y porque al menos entre dos capas de base titanio se segrega una capa intermedia.

20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque las capas del recubrimiento se segregan, en función del material, en un grosor de hasta 20 \mum preferentemente en el caso de una capa de óxido de aluminio y, respectivamente, de hasta 10 \mum preferentemente en el caso de capas de base titanio.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque el recubrimiento se segrega preferentemente sobre piezas constructivas de uno de los materiales nitruro de silicio, SiAlON, nitruro de aluminio o de base Al_{2}O_{3}.