ES2343601T3 - Pelicula dura de revestimiento para herramienta de moldeo y herramienta de moldeo. - Google Patents
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Abstract
Una matriz de moldeo que tiene una superficie revestida por una película dura de revestimiento para revestir una matriz de moldeo de una aleación a base de hierro que contiene Cr, comprendiendo dicha película dura de revestimiento: una primera capa de revestimiento A de un grosor de 3 a 10 μm formada sobre la matriz de moldeo de una aleación a base de hierro que contiene Cr; y una segunda capa de revestimiento B de un grosor de 2 a 10 μm superpuesta sobre la capa de revestimiento A; en la que la primera capa de revestimiento A es una película de CrN y la segunda capa de revestimiento B es una película de Ti1-X-Y-ZCrXAlYLZN que cumplen las condiciones expresadas por las expresiones: **(Ver fórmula)** donde L es al menos cualquiera de Si e Y, X es la proporción atómica de Cr, Y es la proporción atómica de Al y Z es la proporción atómica de L, donde la matriz de moldeo de la aleación a base de hierro que contiene Cr contiene un carburo precipitado que contiene Cr y tiene una dureza Rockwell de HRC 50 o superior.
Description
Película dura de revestimiento para herramienta
de moldeo y herramienta de moldeo.
La presente invención se refiere a una película
dura de revestimiento para una herramienta de moldeo y a una
herramienta de moldeo revestida por la misma. Más particularmente,
la presente invención se refiere a una película dura de
revestimiento, para una matriz de moldeo, excelente en la
resistencia al desgaste, y a una matriz de moldeo revestida por la
misma.
Era habitual mejorar la resistencia al desgaste
y la resistencia al agarrotamiento de una herramienta de moldeo,
tal como una matriz de moldeo, por un proceso de nitruración.
Últimamente, se han realizado estudios para mejorar la resistencia
al desgaste y la resistencia al agarrotamiento de una herramienta de
moldeo por un método de revestimiento en fase de vapor, tal como un
proceso de PVD. Una herramienta descrita en, por ejemplo, el
documento JP-A 2000-144376
(Referencia citada 1) está revestida por un nitruro compuesto que
contiene al menos dos elementos entre Cr, Al, Ti y V para mejorar
el comportamiento de deslizamiento. Las matrices de moldeo
revestidas en la superficie excelentes en la resistencia al desgaste
y resistencia al agarrotamiento descritas en los documentos
JP-A 2002-307128 (Referencia citada
2) y JP-A 2002-307129 (Referencia
citada 3) están revestidas por un nitruro, un carburo y un
carbonitruro de al menos un elemento entre Ti, V, Al, Cr y Si y, en
algunos casos, revestidas por una película de una capa de sulfuro
que contiene Ti, Cr y Mo como el resto además de la película
anterior. Un material de revestimiento de superficies excelente en
la resistencia al desgaste y resistencia al agarrotamiento descrito
en el documento JP-A 2000-1768
(Referencia citada 4) se obtiene revistiendo una capa dura de
nitruro por una capa de
MoS_{2}.
MoS_{2}.
A pesar de que el nitruro compuesto que contiene
al menos dos elementos entre Cr, Al, Ti y V descrito en la
Referencia citada 1 tiene una alta dureza y es excelente en la
resistencia al desgaste, el nitruro compuesto es insatisfactorio en
la resistencia al agarrotamiento. Una herramienta revestida por una
película de este nitruro compuesto no puede resistir un proceso de
trabajo intenso, tal como un proceso de moldeo de metal que ejerce
una alta presión sobre la superficie de la herramienta. A pesar de
que un nitruro, un carburo y un carbonitruro de al menos un
elemento entre Ti, V, Al, Cr y Si descrito en la Referencia citada 2
tienen una alta dureza, los mismos están insatisfactorios en la
resistencia al agarrotamiento. Cuando se usa una película de
sulfuro para mejorar la resistencia al agarrotamiento como se ha
mencionado en las Referencias citadas 3 y 4, la película de sulfuro
es eficaz en la mejora del comportamiento de deslizamiento en una
fase temprana de uso. Sin embargo, ya que el sulfuro es blando, el
revestimiento de sulfuro se desgasta con el tiempo de uso y es
insatisfactorio en la durabilidad. Una película excelente en el
comportamiento de deslizamiento se propone en el documento
JP-A 2006-124818. Esta película que
se ha propuesto anteriormente contiene
X_{C}M_{1-C}
(B_{a}C_{b}N_{1-a-b}) [X: al
menos un elemento entre 4a, 5a, 6a, Al, Si, Fe, Co y Ni, M: al menos
un elemento entre V, Mo y W]. A pesar de que esta película, de
forma similar a la película de sulfuro, es eficaz para mejorar el
comportamiento de deslizamiento en una fase temprana de uso, esta
película es insatisfactoria en la durabilidad. Cuando una base
ferrosa que tiene una baja dureza se reviste por una película de uno
de un nitruro, un carburo y un carbonitruro de al menos un elemento
entre Ti, V, Al, Cr y Si, la película tiende a desprenderse de la
base ferrosa debido a la diferencia en la deformación plástica entre
la base ferrosa y la película.
La presente invención se ha realizado en tales
circunstancias y, por lo tanto, es un objeto de la presente
invención proporcionar una película dura de revestimiento excelente
en la resistencia al desgaste y resistencia al agarrotamiento para
revestir una matriz de moldeo y una matriz de moldeo excelente en la
resistencia al desgaste y resistencia al agarrotamiento. Los
inventores de la presente invención realizaron estudios profundos y
realizaron la presente invención.
Una película dura de revestimiento en un aspecto
de la presente aplicación para revestir una matriz de moldeo de una
aleación a base de hierro que contiene Cr incluye: una primera capa
de revestimiento A de un grosor de 1 a 10 \mum formada sobre la
herramienta de moldeo de una aleación a base de hierro que contiene
Cr; y una segunda capa de revestimiento B de un grosor de 2 a 10
\mum superpuesta a la capa de revestimiento A; siendo la primera
capa de revestimiento A una película de
Cr_{1-X}M_{X}
(B_{a}C_{b}N_{1-a-b}) que
cumple las condiciones que se expresan por las expresiones:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde M es al menos un elemento
entre W, V, Mo, Nb, Ti y Al, x es la proporción atómica de M, a es
la proporción atómica de B y b es la proporción atómica de C, y la
segunda capa de revestimiento B es una película de
Ti_{1-X-Y-Z}Cr_{X}Al_{Y}L_{Z}
(B_{B}C_{A}N_{1-A-B}) que
cumple las condiciones expresadas por las
expresiones:
\vskip1.000000\baselineskip
donde L es al menos cualquiera de
Si e Y, X es la proporción atómica de Cr, Y es la proporción atómica
de Al, Z es la proporción atómica de L, A es la proporción atómica
de C y B es la proporción atómica de
B.
En el primer aspecto de la presente invención,
la primera capa de revestimiento A es una película de CrN, y la
segunda capa de revestimiento B es una película de
Ti_{1-X-Y-Z}Cr_{X}Al_{Y}L_{Z}N
que cumple las condiciones expresadas por las expresiones:
\vskip1.000000\baselineskip
En esta película dura de revestimiento, la
primera capa de revestimiento A es una película de CrN, y la segunda
capa de revestimiento B puede ser una película de
Ti_{1-X-Y-Z}Cr_{X}Al_{Y}Si_{Z}N
que cumple las condiciones expresadas por las expresiones:
\vskip1.000000\baselineskip
En una cualquiera de las anteriores películas
duras de revestimiento, una película laminada formada laminando
películas que cada una incluye una capa de revestimiento C que
cumple las condiciones idénticas con o deferentes de las para la
primera capa de revestimiento A y una capa de revestimiento D que
cumple las condiciones idénticas con o diferentes de las
condiciones para la segunda capa de revestimiento B, se laminan las
películas de la película laminada en un periodo de laminación de
300 nm o inferior y, teniendo un grosor de 300 nm o inferior, se
pueden formar con un grosor total de 0,1 \mum o inferior entre la
primera capa de revestimiento A y la segunda capa de revestimiento
B.
La matriz de moldeo de la aleación a base de
hierro que contiene Cr contiene un carburo precipitado que contiene
Cr y tiene una dureza Rockwell de HRC 50 o superior.
La matriz de moldeo de una aleación a base de
hierro que contiene Cr puede tener una capa de difusión de
superficie formada sujetando la superficie de la misma a
nitruración, carburación o carbonitruración.
La película dura de revestimiento de la presente
invención para la herramienta de moldeo es superior a la capa
convencional de revestimiento de superficie en la resistencia al
desgaste y resistencia al agarrotamiento y es adecuada para
revestir una herramienta de moldeo, tal como una matriz de moldeo,
para mejorar la durabilidad de la herramienta de moldeo. La
herramienta de moldeo de la presente invención excelente en la
resistencia al desgaste y resistencia al agarrotamiento es adecuada
para el uso como una matriz de moldeo o similares.
La Figura 1 es una vista típica de un sistema de
formación de películas para formar una película que representa la
presente invención.
Una película dura de revestimiento en una
primera descripción para revestir una herramienta de moldeo incluye
una primera capa de revestimiento A de un grosor de 1 a 10 \mum
formada sobre una base de una aleación a base de hierro que
contiene Cr y una segunda capa de revestimiento B de un grosor de 2
a 10 \mum superpuesta a una capa de revestimiento A. La primera
capa de revestimiento A es una película de
Cr_{1-X}M_{X}
(B_{a}C_{b}N_{1-a-b}) que
cumple las condiciones expresadas por las expresiones:
donde M es al menos un elemento
entre W, V, Mo, Nb, Ti y Al, x es la proporción atómica de M, a es
la proporción atómica de B y b es la proporción atómica de
C.
La segunda capa de revestimiento B es una
película de
Ti_{1-X-Y-Z}Cr_{X}Al_{Y}L_{Z}
(B_{B}C_{A}N_{1-A-B}) que
cumple las condiciones expresadas por las expresiones:
donde L es al menos cualquiera de
Si y Y, X es la proporción atómica de Cr, Y es la proporción atómica
de Al, Z es la proporción atómica de L, A es la proporción atómica
de C y B es la proporción atómica de
B.
La primera capa de revestimiento A es una capa
inferior. En la fórmula química de la primera capa de revestimiento
A, 1-x es la proporción atómica de Cr de 0,3 o
superior. La base de la aleación a base de hierro que contiene Cr
(a la que se refiere en lo sucesivo en este documento con "base de
aleación a base de hierro que contiene Cr"). La primera capa de
revestimiento A contiene Cr para aumentar la adhesión entre la
primera capa de revestimiento A y la base de aleación a base de
hierro que contiene Cr. La adhesión entre la base de aleación a base
de hierro que contiene Cr y la primera capa de revestimiento A es
insuficiente si el contenido atómico (1-x) de Cr es
inferior a 0,3. Preferiblemente, el contenido atómico
(1-x) de Cr es 0,4 o superior. La dureza de la
primera capa de revestimiento A se puede mejorar añadiendo M, de
hecho, al menos un elemento entre W, V, Mo, Nb, Ti y Al, al
material que forma la primera capa de revestimiento A. La proporción
atómica (1-x) de Cr es baja y no puede ser 0,3 o
superior si la proporción atómica x de M es excesivamente alta.
Cuando M representa dos elementos o más, la proporción atómica x es
la suma de las respectivas proporciones atómicas de estos
elementos. Por lo tanto, la proporción atómica x de M es 0,7 o
inferior.
El nitrógeno (N) es esencial para formar una
película que tiene una alta dureza. La proporción atómica de N es
(1-a-b) \leq 1. La adición de B y
C aumenta la dureza de la película. Las proporciones atómicas de B
y C pueden ser 0,2 o inferior y 0,5 o inferior, respectivamente. La
proporción atómica de B es 0,2 o inferior y el ratio atómico b de C
es 0,5 o inferior.
La primera capa de revestimiento A es baja en
dureza y resistencia al ácido. La primera capa de revestimiento A
genera calor y se oxida y rae cuando se frota. Por lo tanto, la
primera capa de revestimiento A está revestida por una segunda capa
de revestimiento B, de hecho, una capa resistente al desgaste. El
material que forma la segunda capa de revestimiento B contiene Al
en una proporción atómica de Al Y de 0,4 o superior para mejorar la
resistencia a la oxidación de la segunda capa de revestimiento B. Un
contenido de Al excesivamente alto ablanda la película. Por lo
tanto, la proporción atómica de Al Y de la segunda capa de
revestimiento B es 0,7 o inferior; es decir, la proporción atómica
de Al Y es de 0,4 a 0,7, preferiblemente, de 0,5 a 0,6. Una
película de Al es una película blanda de un sistema cristalino
hexagonal. Por lo tanto, la segunda capa B tiene que contener Cr.
El contenido de Al disminuye y la resistencia a la oxidación de la
película disminuye cuando aumenta el contenido de Cr. El límite
superior de la proporción atómica de Cr X es 0,5. Por lo tanto, es
preferible que la proporción atómica de Cr X sea de 0,1 a 0,3.
Deseablemente, la segunda capa de revestimiento
B contiene Ti además de Cr. La adición de Cr y Ti a la segunda capa
de revestimiento B mejora tanto la dureza como la resistencia a la
oxidación de la segunda capa de revestimiento B. El contenido de Al
disminuye y la resistencia a la oxidación disminuye cuando aumenta
el contenido de Ti. Por lo tanto, la proporción atómica de Ti
1-X-Y-Z es 0,5 o
inferior. Cuando la segunda capa de revestimiento B contiene tanto
Cr como Ti, es deseable desde el punto de vista de mejorar la dureza
y la resistencia a la oxidación que la proporción atómica de Cr X
sea 0,05 o superior y la proporción atómica de Ti
1-X-Y-Z sea 0,05 o
superior. Es aun más deseable que la proporción atómica de Cr X sea
0,1 o superior y la proporción atómica de Ti
1-X-Y-Z sea 0,15 o
superior.
Para la mejora adicional de la resistencia a la
oxidación, se puede añadir L (al menos cualquiera de Si e Y). Se
puede añadir Si o Y o tanto Si como Y. Ya que la dureza disminuye si
se añade una cantidad excesivamente grande de L, el límite superior
de la proporción atómica Z de L (la suma de la proporción atómica de
Si y de Y cuando se añaden tanto Si como Y) es 0,15.
Preferiblemente, la proporción atómica Z de L es 0,1 o inferior,
más deseablemente, 0,05 o inferior.
El nitrógeno (N) es esencial para formar una
película que tiene una alta dureza. La proporción atómica
(1-A-B) de N de la segunda capa de
revestimiento B es 1 o inferior. La segunda capa de revestimiento B
puede contener B y C en proporciones atómicas de 0,2 o inferior y
0,5 o inferior, respectivamente, para aumentar la dureza de la
segunda capa de revestimiento B. Preferiblemente, la proporción
atómica B de B es 0,2 o inferior y la proporción atómica A de C es
0,5 o inferior.
La primera capa de revestimiento A se puede
adherir firmemente a la base de aleación a base de hierro que
contiene Cr, tiene propiedades mecánicas, tales como dureza y módulo
de Young, que están entre las de la segunda capa de revestimiento B
y las de la base de aleación a base de hierro que contiene Cr, y es
capaz de moderar el efecto adverso de la diferencia en el modo de
deformación con una fuerza externa entre la segunda capa de
revestimiento B, de hecho, la capa resistente al desgaste, y las de
la base de aleación a base de hierro que contiene Cr. Por lo tanto,
el grosor de la primera capa de revestimiento A tiene que ser 1
\mum o superior. Preferiblemente, el grosor de la primera capa de
revestimiento A es 3 \mum o superior. La segunda capa de
revestimiento B tiene que tener un grosor de 2 \mum o superior
para ejercer de forma satisfactoria la resistencia al desgaste.
Preferiblemente, el grosor de la segunda capa de revestimiento B es
3 \mum o superior. El efecto de la primera capa de revestimiento
A sobre la moderación del efecto adverso de la diferencia en el modo
de deformación entre la segunda capa de revestimiento B y la base
de aleación a base de hierro que contiene Cr se satura cuando el
grosor de la primera capa de revestimiento A aumenta más allá de 10
\mum. Por lo tanto, es preferible que el grosor de la primera
capa de revestimiento sea 10 \mum o inferior. Cuando la segunda
capa de revestimiento B tiene un grosor superior a 10 \mum, se
induce una tensión excesivamente alta en la segunda capa de
revestimiento B y la segunda capa de revestimiento B es propensa a
desprenderse de la primera capa de revestimiento A. Por lo tanto,
el grosor de la segunda capa de revestimiento B tiene que ser 10
\mum o inferior.
La película dura de revestimiento para una
herramienta de moldeo de la presente invención incluye la primera
capa de revestimiento A que tiene el grosor anterior y la
composición anterior y que se forma sobre la base de aleación a
base de hierro que contiene Cr, y la segunda capa de revestimiento B
que tiene el grosor anterior y la composición anterior formada
sobre la primera capa de revestimiento A. La película de
revestimiento de la presente invención es más excelente que la
película convencional de revestimiento, que tiene la capa de
revestimiento de superficie, en la resistencia al desgaste y la
resistencia al agarrotamiento. La película de revestimiento es
adecuada para revestir una herramienta de moldeo, tal como una
matriz de moldeo, y mejorar la durabilidad de la herramienta de
moldeo.
Una película dura de revestimiento de acuerdo
con la presente invención incluye una primera capa de revestimiento
A y una segunda capa de revestimiento B representadas por fórmulas
químicas similares a las que representan la primera capa de
revestimiento A y la segunda capa de revestimiento B de la película
dura de revestimiento en la primera descripción. En la fórmula
química que representa la primera capa de revestimiento de la
película dura de revestimiento en la primera descripción, la
proporción atómica a de B es 0, la proporción atómica b de C es 0,
la proporción atómica x de M es 0 y la proporción atómica
(1-a-b) de N es 1 para la primera
capa de revestimiento A de la película dura de revestimiento de
acuerdo con la presente invención. En la fórmula química que
representa la segunda capa de revestimiento B de la película dura de
revestimiento en la primera descripción, la proporción atómica Y de
Al es de 0,5 a 0,6, la proporción atómica Z de L (al menos
cualquiera de Si e Y) es de 0,01 a 0,05 para la segunda capa B de
la película dura de revestimiento de acuerdo con la invención.
Mientras que la composición de la primera capa de revestimiento A en
la primera descripción está representada por
Cr_{1-X}M_{X}
(B_{a}C_{b}n_{1-a-b}), la
composición de la primera capa de revestimiento A de acuerdo con la
presente invención está representada por CrN. Los respectivos
intervalos de la proporción atómica Y de B y la proporción atómica
Z de L de la segunda capa de revestimiento son más estrechos que los
de la segunda capa de revestimiento B en la primera descripción. El
intervalo de la proporción atómica Y de Al se estrecha para
mantener la resistencia a la oxidación en un alto nivel y para
evitar eficazmente el ablandamiento de la película. El intervalo de
la proporción atómica Z de L se estrecha para mantener la
resistencia a la oxidación en un alto nivel y para evitar
eficazmente la reducción de la dureza.
Una película dura de revestimiento en una
segunda realización de acuerdo con la presente invención incluye
una primera capa de revestimiento A y una segunda capa de
revestimiento B similar a la de acuerdo con la presente invención.
La segunda capa de revestimiento B de la segunda realización
contiene solamente Si como L en lugar de al menos cualquiera de Si
e Y.
Una película dura de revestimiento en una
tercera realización de acuerdo con la presente invención incluye,
además de la primera capa de revestimiento A y la segunda capa de
revestimiento B de una cualquiera de las películas duras de
revestimiento del primer al segundo aspecto de la presente
invención, una película laminada formada laminando películas que
cada una incluyen una capa de revestimiento C que cumple las mismas
condiciones como las condiciones para la primera capa de
revestimiento A o que cumple las condiciones expresadas por otras
expresiones y una capa de revestimiento D que cumple las mismas
condiciones que las condiciones para la segunda capa de
revestimiento B o que cumple las condiciones expresadas por otras
expresiones y que tiene un grosor de 300 nm o inferior y que se
forma en un grosor total de 0,1 \mum o inferior entre la primera
capa de revestimiento A y la segunda capa de revestimiento B. Las
películas laminadas pueden aumentar la adhesión entre la primera
capa de revestimiento A y la segunda capa de revestimiento B y
pueden prevenir la separación de la primera capa de revestimiento A
y la segunda capa de revestimiento B entre sí cuando se ejerce una
fuerza externa sobre la película dura de revestimiento. Cuando el
grosor de cada una de las películas de la película laminada es
superior a 300 nm, la película laminada es ineficaz para mejorar la
adhesión. Preferiblemente, el grosor de cada una de las películas
de la película laminada es 100 nm o inferior. Cuando el grosor total
de las películas que forman la película laminada es inferior a 0,1
\mum, la película laminada es ineficaz para evitar la separación
de la primera capa de revestimiento A y la segunda capa de
revestimiento B entre sí. Preferiblemente, el grosor total de las
películas de la película laminar es 0,5 \mum o superior. El efecto
de mejora de adhesión de la película laminada que tiene un grosor
total superior a 5 \mum no es diferente del de la película
laminada que tiene un grosor total de 5 \mum o inferior. Por lo
tanto, un grosor total recomendado de las películas de la película
laminada es 5 \mum o inferior. Cuando las respectivas
composiciones de las capas de revestimiento C y D de cada una de
las películas de la película laminada son similares a la composición
de la primera capa de revestimiento A y/o la composición de la
segunda capa de revestimiento B, la adhesión entre la película
laminada y la primera capa de revestimiento A y/o entre la capa
laminada y la segunda capa de revestimiento B es alta y, por lo
tanto, la adhesión entre la primera capa de revestimiento A y la
segunda capa de revestimiento B es alta.
La película dura de revestimiento en la tercera
realización es particularmente eficaz cuando la base de aleación a
base de hierro contiene un carburo precipitado que contiene Cr (al
que se refiere en lo sucesivo en este documento con "precipitado
de carburo que contiene Cr"). El precipitado de carburo que
contiene Cr es un precipitado, tal como M_{7}C_{3}, donde M es
Fe o Cr, que contiene carburo de cromo. La aleación a base de hierro
que contiene Cr que contiene un precipitado de carburo que contiene
Cr es una de las indicadas por SKD11, SKD61 y SKH51 que se
especifican en JIS. A pesar de que no exista ningún límite al
contenido de Cr de la aleación a base de hierro que contiene Cr, un
contenido de Cr convencional de la aleación a base de hierro que
contiene Cr es el 5% en peso o superior. El precipitado de carburo
que contiene Cr y la matriz de la base de aleación a base de hierro
que contiene Cr que contiene el precipitado de carburo que contiene
Cr se diferencian entre sí en propiedades mecánicas, tales como
dureza, módulo de Young y similares. Por lo tanto, los respectivos
modos de deformación elástica-plástica con una
fuerza externa de la matriz y el precipitado de carburo que
contiene Cr de la base de aleación a base de hierro que contiene Cr
se difieren entre sí. Cuando la base de aleación a base de hierro
que contiene Cr está revestida por una película dura de
revestimiento, se desarrollan grietas en la interfaz entre el
precipitado de carburo y la matriz y, por consiguiente, la película
de revestimiento que reviste la base de aleación a base de hierro
que contiene Cr es propensa a desprenderse. La película dura de
revestimiento en la cuarta realización para una herramienta de
moldeo puede limitar la influencia de una fuerza externa sobre la
base de aleación a base de hierro que contiene Cr a un mínimo. Por
lo tanto, incluso si la base de aleación a base de hierro que
contiene Cr contiene un precipitado de carburo que contiene Cr, se
puede evitar un daño a la película dura de revestimiento debido a la
diferencia en los respectivos modos de deformación
elástica-plástica de la matriz y el precipitado de
carburo que contiene Cr de la base de aleación a base de hierro que
contiene Cr. Sin embargo, la base de aleación a base de hierro que
contiene Cr es susceptible a la influencia de una fuerza externa si
la base de aleación a base de hierro que contiene Cr es blanda. Por
lo tanto, es deseable que la base de aleación a base de hierro que
contiene Cr tenga una dureza de HRC 50 o superior, preferiblemente,
HRC 55 o superior.
El endurecimiento de la matriz de la base de
aleación a base de hierro que contiene Cr por nitruración,
carburación o carbonitruración es eficaz para aumentar la dureza de
la superficie de la base de aleación a base de hierro que contiene
Cr para reducir las diferencias en propiedades mecánicas entre el
precipitado de carburo y la matriz a un mínimo. Es decir, es eficaz
para formar una capa de difusión en la superficie de la base de
aleación a base de hierro que contiene Cr por nitruración,
carburación o carbonitruración para reducir diferencias en
propiedades mecánicas entre el precipitado de carburo y la matriz a
un mínimo. A pesar de que el grosor deseable de la capa de difusión
es 10 \mum o superior, es preferible formar la capa de difusión
con un grosor de 100 \mum o superior cuando la base de aleación a
base de hierro que contiene Cr se usa para formar una parte de la
que se espera que se cargue intensamente debido a que la influencia
de una fuerza externa alcanza la profundidad de la parte de la base
de aleación a base de hierro que contiene
Cr.
Cr.
Una herramienta de moldeo, tal como una matriz
de moldeo, revestida por una cualquiera de las películas duras de
revestimiento en las realizaciones anteriores es excelente en la
resistencia al desgaste y resistencia al agarrotamiento y tiene una
durabilidad mejorada.
Se describirán películas duras de revestimiento
en ejemplos de la presente invención y en ejemplos comparativos.
Ensayo
1
Las películas duras de revestimiento que tienen
composiciones mostradas en las Tablas 1 y 2 se formaron usando un
sistema de deposición de película que se muestra en la Figura 1 que
tiene una pluralidad de fuentes de evaporación por arco. Las
películas duras de revestimiento para examinar la composición,
dureza y estructura cristalina se formaron sobre sustratos acabados
de forma especular, de hecho, bases de un metal duro. Las películas
duras de revestimiento para un ensayo de deslizamiento a alta
temperatura se formaron sobre sustratos de SKD11 que tienen una
dureza de HRC 60. Los sustratos se colocaron en una cámara de
deposición, se evacuó la cámara de deposición a un vacío de
1x10^{-3} Pa o inferior, se calentaron los sustratos a
aproximadamente 400ºC, y las superficies de los sustratos se
sometieron a un proceso de limpieza por metalización por bombardeo
atómico usando iones de Ar. Las fuentes de evaporación por arco
fueron dianas con un diámetro de 100 mm. Se usó una corriente del
arco de 150 A. Las películas se depositaron en una atmósfera de
N_{2} o un gas mezclado de N_{2} y CH_{4} con una presión
total de 4 Pa.
En primer lugar, se formó una primera capa de
revestimiento A sobre un sustrato, de hecho, una base, usando
dianas que tenían la misma composición que la primera capa de
revestimiento A y, después, se formó una segunda capa de
revestimiento B sobre la primera capa de revestimiento A usando
dianas que tenían la misma composición que la segunda capa de
revestimiento B.
Se examinaron la composición, dureza y
estructura cristalina de esas películas duras de revestimiento. Las
películas duras de revestimiento se sometieron a un ensayo de
deslizamiento a alta temperatura para ensayar las películas duras
de revestimiento con respecto a la resistencia al desgaste y para
determinar el coeficiente de fricción. Se usó un EPMA para
determinar la composición de la película dura de revestimiento. Se
usó un Durómetro micro-Vickers para medir la dureza
de la película dura de revestimiento. Las condiciones para la
medición de dureza fueron 0,25 N en la carga de medición y un tiempo
de medición de 15 s. Las condiciones para el ensayo de
deslizamiento a alta temperatura se muestran a continuación.
Una temperatura de inicio de oxidación a la que
la película dura de revestimiento empieza a oxidarse se determinó
midiendo el peso de una muestra obtenida por el revestimiento de la
película dura de revestimiento sobre una base de platino por una
termobalanza. Se midió el peso de la muestra mientras que la muestra
se calentó a un índice de calentamiento de 4ºC/min. Un punto
inicial de oxidación se definió por una temperatura a la que el
peso de la muestra empezó a aumentar bruscamente.
Aparato: Máquina de ensayo de deslizamiento del
tipo álabe-sobre-disco
Álabe: Álabe de SKD61 (HRC 50)
Disco: Disco de SKD11 (HRC 60) revestido por la
película de ensayo
Velocidad de deslizamiento: 0,2 m/s
Carga: 500N
Distancia de deslizamiento: 2000 m
Temperatura de ensayo: 500ºC
Los resultados del ensayo de deslizamiento se
muestran en las Tablas 1 y 2. En las Tablas 1 y 2, los valores que
representan las composiciones de las películas duras de
revestimiento del ensayo se expresan en proporción atómica. Como se
hace evidente a partir de las Tablas 1 y 2, las profundidades de
desgaste de las películas duras de revestimiento de los números de
muestra 4 a 8, 11 a 18, 20 a 26, 28, 29, 32 a 36, 38 a 41, 43, 44 y
49 a 52, de hecho, las películas duras de revestimiento que cumplen
las condiciones para la película dura de revestimiento en el primer
aspecto de la presente invención, son inferiores a las de las
películas duras de revestimiento de los números de muestra 1 a 3,
9, 10, 19, 27, 30, 31, 37, 42, 45 a 48 y 52 a 53, de hecho, las
películas duras de revestimiento que no cumplen las condiciones para
la película dura de revestimiento en el primer aspecto de la
presente invención, y las mismas películas duras de revestimiento
son excelentes en la resistencia al desgaste.
Ensayo
2
Las películas duras de revestimiento que tienen
composiciones que se muestran en la Tabla 3 se formaron usando el
sistema de deposición de película que se muestra en la Figura 1 que
tiene una pluralidad de fuentes de evaporación por arco. Las
películas duras de revestimiento para examinar la composición,
dureza y estructura cristalina se formaron sobre sustratos acabados
de forma especular de un metal duro. Las películas duras de
revestimiento para un ensayo de adhesión se formaron sobre sustratos
de SKD11 que tenían una dureza de HRC 60. Los sustratos se
colocaron en una cámara de deposición, se evacuó la cámara de
deposición a un vacío de 1x10^{-3} Pa o inferior, se calentaron
los sustratos a aproximadamente 400ºC y las superficies de los
substratos se sometieron a un proceso de limpieza de metalización
por bombardeo atómico usando iones de Ar. Las fuentes de
evaporación por arco fueron dianas con un diámetro de 100 mm. Se usó
una corriente del arco de 150 A. Las películas se depositaron en
una atmósfera de N_{2} o un gas mezclado de N_{2} y CH_{4} con
una presión total de 4 Pa.
En primer lugar, se formó una primera capa de
revestimiento A con un grosor de 5 \mum sobre un sustrato, de
hecho, una base, usando dianas que tenían la misma composición que
la primera capa de revestimiento A, una película laminada que
incluía capas de cada una de la primera capa de revestimiento A y la
segunda capa de revestimiento B se formó sobre la primera capa de
revestimiento A usando ambas dianas para depositar la primera capa
de revestimiento A y dianas que tenían la misma composición que la
segunda capa de revestimiento B. La película laminada que incluye
las primeras capas de revestimiento A y las segundas capas de
revestimiento B es un ejemplo de la película laminada anterior que
incluye las capas de revestimiento C y D. Después, se formó una
segunda película de revestimiento B con un grosor de 5 \mum sobre
la película laminada usando las dianas para depositar la segunda
película de revestimiento B. El periodo de laminación de la película
laminada se controló a través del control del la velocidad de
rotación del sustrato, y el grosor de cada una de las capas de
componente de la película laminada se controló a través del control
del tiempo de deposición. La primera capa de revestimiento A fue
una película de CrN. La segunda capa de revestimiento B fue una
película de Ti_{0,2}Cr_{0,2}Al_{0,55}Si_{0,05}N.
Se examinaron la composición, dureza y
estructura cristalina de esas películas duras de revestimiento. Las
películas duras de revestimiento se sometieron a un ensayo de rayado
para ensayar la adhesión de esas películas duras de revestimiento.
Las composiciones y durezas de las películas duras de revestimiento
se determinaron por métodos similares a los que se han mencionado
en la descripción del Ensayo 1.
Buril: Buril de diamante (Radio de punta: 200
\mum)
Velocidad de rayado: 10 mm/min
Índice de aumento de carga: 100 N/min
Distancia de rayado: 20 mm (Carga: 0 a 200
N)
Los resultados del ensayo de rayado se muestran
en la Tabla 3. Como se hace evidente a partir de la Tabla 3, las
películas duras de revestimiento de los números de muestra 2A a 8A y
10A a 13A que cumplen las condiciones necesarias para el cuarto
aspecto de la presente invención son excelentes en la adhesión en
comparación con las películas duras de revestimiento de los números
de muestra 1A, 9A y 14A que cumplen las condiciones necesarias para
el primer aspecto de la presente invención y que no cumplen las
condiciones necesarias para el cuarto aspecto de la presente
invención.
Ensayo
3
Las películas duras de revestimiento que tienen
composiciones que se muestran en la Tabla 4 se formaron usando el
sistema de deposición de película que se muestra en la Figura 1 que
tiene una pluralidad de fuentes de evaporación por arco. Las
películas duras de revestimiento para examinar la composición,
dureza y estructura cristalina se formaron sobre sustratos acabados
de forma especular de un metal duro. Los metales que se muestran en
la Tabla 4 se usaron para formar películas duras de revestimiento
para un ensayo de deslizamiento a alta temperatura. Los sustratos
se colocaron en una cámara de deposición, se evacuó la cámara de
deposición a un vacío de 1x10^{-3} Pa o inferior, se calentaron
los sustratos a aproximadamente 400ºC y las superficies de los
substratos se sometieron a un proceso de limpieza de metalización
por bombardeo atómico usando iones de Ar. Las fuentes de
evaporación por arco fueron dianas con un diámetro de 100 mm. Se usó
una corriente del arco de 150 A. Las películas se depositaron en
una atmósfera de N_{2} o un gas mezclado de N_{2} y CH_{4}
con una presión total de 4 Pa.
En primer lugar, se formó una primera capa de
revestimiento A con un grosor de 5 \mum sobre un sustrato, de
hecho, una base, usando dianas que tenían la misma composición que
la primera capa de revestimiento A, una película laminada que
incluía capas de cada una de la primera capa de revestimiento A y la
segunda capa de revestimiento B se formó sobre la primera capa de
revestimiento A usando ambas dianas para depositar la primera capa
de revestimiento A y dianas que tenían la misma composición que la
segunda capa de revestimiento B. La película laminada que incluye
las primeras capas de revestimiento A y las segundas capas de
revestimiento B es un ejemplo de la película laminada anterior que
incluye las capas de revestimiento C y D. Después, se formó una
segunda película de revestimiento B con un grosor de 5 \mum sobre
la película laminada usando las dianas para depositar la segunda
película de revestimiento B. El periodo de laminación de la película
laminada se controló a través del control de la velocidad de
rotación del sustrato, y el grosor de cada una de las capas de
componente de la película laminada se controló a través del control
del tiempo de deposición. La primera capa de revestimiento A fue
una película de CrN. La segunda capa de revestimiento B fue una
película de Ti_{0,2}Cr_{0,2}Al_{0,55}Si_{0,05}N.
Algunos de los sustratos para los Ejemplos 9B a
16 B se sometieron a un proceso de difusión para la nitruración por
plasma o la carburación por plasma con las siguientes
condiciones.
Temperatura: 550ºC
Tiempo: 1 a 12 h
Atmósfera: Nitrógeno-5% Ar
Presión: 100 pa
Fuente de energía eléctrica para plasma: Fuente
de energía eléctrica CC (1500 V)
Temperatura: 950ºC
Tiempo: 1 a 12 h
Atmósfera: Ar-5% metano
Presión: 100 Pa
Fuente de energía eléctrica para plasma: Fuente
de energía eléctrica CC (1500 V)
Se examinaron la composición, dureza y
estructura cristalina de esas películas duras de revestimiento. Las
películas duras de revestimiento se sometieron a un ensayo de
deslizamiento a alta temperatura y un ensayo de resistencia al
desgaste. Las composiciones y durezas de las películas duras de
revestimiento se determinaron por métodos similares a los
mencionados en la descripción del Ensayo 1. Las condiciones para el
ensayo de deslizamiento a alta temperatura fueron similares a las
para el Ensayo 1.
Los resultados de los ensayos se muestran en la
Tabla 4. Como se hace evidente a partir de la Tabla 4, las
profundidades de desgaste de las películas duras de revestimiento de
los números de muestra 1B a 3B, 5b a 7B y 9B a 16B formadas sobre
sustratos de aleación a base de hierro que contiene Cr que tienen
una dureza de HRC 50 o superior son inferiores a las de las
películas duras de revestimiento de los números de muestra 4B y 8B
formadas sobre sustratos de aleación a base de hierro que contiene
Cr que tienen una dureza de HRC 10 y las mismas películas duras de
revestimiento son excelentes en la resistencia al desgaste. Las
pérdidas de abrasión de las películas duras de revestimiento de los
números de muestra 5B a 7B y 9B a 16B formadas sobre los sustratos
que contienen un precipitado de carburo que contiene Cr y que tienen
la película laminada intercalada entre la primera capa de
revestimiento A y la segunda capa de revestimiento B son inferiores
a las de las películas duras de revestimiento de los números de
muestra 1B a 3B formadas sobre los mismos sustratos que contienen
un precipitado de carburo que contiene Cr y que tienen la misma
dureza y que no tienen la película laminada, y las mismas películas
duras de revestimiento son excelentes en la resistencia a la
abrasión. Los sustratos sobre los que se formaron las películas
duras de revestimiento de los números de muestra 2B y 6B,
respectivamente, tienen la misma dureza de HRC 50, los sustratos
sobre los que se formaron las películas duras de revestimiento de
los números de muestra 1B, 5B y 9B a 16B, respectivamente, tienen la
misma dureza de HRC 60, y los sustratos sobre los que se formaron
las películas duras de revestimiento de los números de muestra 3B y
7B, respectivamente, tienen la misma dureza de HRC 65. Por lo tanto,
puede ser apropiado comparar las películas duras de revestimiento
de los números de muestra 2B y 6B, las películas duras de
revestimiento de los números de muestra 1B, 5B y 9B a 16B y las
películas duras de revestimiento de los números de muestra 3B y
7B.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Como se hace evidente a partir de la descripción
precedente, la película dura de revestimiento de la presente
invención es superior a la película convencional de revestimiento de
superficie en la resistencia al desgaste y resistencia al
agarrotamiento, y es adecuada para revestir la herramienta de
moldeo, tal como una matriz de moldeo, para mejorar la durabilidad
de la herramienta de moldeo.
Claims (4)
1. Una matriz de moldeo que tiene una superficie
revestida por una película dura de revestimiento para revestir una
matriz de moldeo de una aleación a base de hierro que contiene Cr,
comprendiendo dicha película dura de revestimiento: una primera
capa de revestimiento A de un grosor de 3 a 10 \mum formada sobre
la matriz de moldeo de una aleación a base de hierro que contiene
Cr; y
una segunda capa de revestimiento B de un grosor
de 2 a 10 \mum superpuesta sobre la capa de revestimiento A;
en la que la primera capa de revestimiento A es
una película de CrN y la segunda capa de revestimiento B es una
película de
Ti_{1-X-Y-Z}Cr_{X}Al_{Y}L_{Z}N
que cumplen las condiciones expresadas por las expresiones:
donde L es al menos cualquiera de
Si e Y, X es la proporción atómica de Cr, Y es la proporción atómica
de Al y Z es la proporción atómica de L, donde la matriz de moldeo
de la aleación a base de hierro que contiene Cr contiene un carburo
precipitado que contiene Cr y tiene una dureza Rockwell de HRC 50 o
superior.
2. La matriz de moldeo de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que la primera capa de revestimiento A es
una película de CrN y la segunda capa de revestimiento B es una
película de
Ti_{1-X-Y-Z}Cr_{X}Al_{Y}Si_{Z}N
que cumple las condiciones expresadas por las expresiones:
3. La matriz de moldeo de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en la que una película laminada formada por
películas de laminación incluyendo cada una una capa de
revestimiento C que cumple las condiciones idénticas a o diferentes
de las para la primera capa de revestimiento A y una capa de
revestimiento D que cumple las condiciones idénticas a o diferentes
de las condiciones para la segunda capa de revestimiento B, las
películas de la película laminada se laminan en un periodo de
laminación de 300 nm o inferior y de manera que tienen un grosor de
300 nm o inferior está formada en un grosor total de 0,1 \mum o
superior entre la primera capa de revestimiento A y la segunda capa
de revestimiento B.
4. La matriz de moldeo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la matriz de
moldeo de una aleación a base de hierro que contiene Cr tiene una
capa de difusión de superficie formada sometiendo la superficie de
la misma a nitruración, carburación o carbonitruración.
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