ES2628524T3

ES2628524T3 - Cuerpo revestido con materiales duros

Info

Publication number: ES2628524T3
Application number: ES15185878.4T
Authority: ES
Inventors: Hendrikus Van Den Berg; Hartmut Westphal; Volkmar Sottke
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101970717A; EP2252721B1; EP3031948A1; BRPI0908924B1; RU2010141746A; CA2717187A1; CA2717187C; JP2011516722A; MX2010009890A; US20100323176A1; ES2561597T3; CN103834928B; KR20100122918A; CN103834928A; JP5863241B2; BRPI0908924A2; WO2009112115A1; RU2491368C2; EP3031948B1; US8389134B2

Abstract

Cuerpo revestido con materiales duros con varias capas, cada una aplicada mediante CVD sobre un sustrato, caracterizado porque el sustrato es un metal duro, un cermet o un material cerámico sobre el que está dispuesta una capa de Al2O3 como capa exterior sobre una capa de Ti1-xAlxN y/o Ti1-xAlxC y/o Ti1-xAlxCN con el valor x comprendido entre 0,65 y 0,95, siendo el cuerpo una herramienta cortante para cortes interrumpidos.

Description

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Cuerpo revestido con materiales duros.

La invencion se refiere a un cuerpo revestido con materiales duros que tiene varias capas de materiales duros aplicadas mediante CVD (deposito qmmico de vapor, de sus siglas en ingles Chemical Vapor Deposition).

A las herramientas cortantes que se utilizan para el mecanizado con arranque de virutas se les exigen requisitos elevados en lo que se refiere a la estabilidad y a la capacidad de resistencia, en particular, en el caso de arranque de virutas de materiales duros o tenaces, tales como aceros bonificados o endurecidos, por torneado a altas velocidades de corte. El material de corte debe ser particularmente resistente a la abrasion, lo que ya en una fase temprana conduda a que los cuerpos sustrato a base de metal duro o de cermet fueran provistos de revestimientos superficiales, utilizandose como capas protectoras contra el desgaste en primer lugar carburos, nitruros o carbonitruros de titanio y, posteriormente, tambien capas de oxido de aluminio. Se conocen tambien capas protectoras contra el desgaste de multiples estratos, a base de diferentes materiales duros. Como capas reductoras del desgaste se conocen, por ejemplo, las capas de oxido de aluminio, que estan dispuestas sobre uno o varios estratos intermedios tales como, por ejemplo, de carbonitruro de titanio o nitruro de titanio.

A partir de la solicitud de patente internacional WO 03/085152 A2 se conoce la utilizacion de una capa de Ti-Al-N, que se puede producir mediante un PVD (deposito ffsico de vapor, de sus siglas en ingles Physical Vapor Deposition) como capa monofasica con unos contenidos de aluminio de hasta el 60%. En el caso de contenidos mas altos de aluminio se produce, no obstante, una mezcla de Ti-Al-N cubicos y hexagonales y, en el caso de proporciones de aluminio todavfa mas altas, se produce solamente la estructura de wurtzita hexagonal mas blanda y no resistente al desgaste.

Tambien se sabe que mediante un CVD en plasma se pueden producir capas monofasicas de materiales duros de Tii-xAlxN con x = 0,9. En este caso, sin embargo, son desfavorables la insuficiente homogeneidad de la composicion de la capa y el contenido relativamente alto de cloro en la capa.

Cuando para la produccion de capas de materiales duros de Tii-xAlxN se empleaban procedimientos de PVD o de CVD en plasma, su uso estaba limitado a temperaturas situadas por debajo de 700°C. Una desventaja es que el revestimiento de las geometnas complejas de las piezas presenta dificultades. El PVD es un procedimiento dirigido, en el que se revisten irregularmente geometnas complejas. El CVD en plasma exige una alta homogeneidad de plasma, puesto que la densidad de potencia del plasma tiene una influencia directa sobre la relacion atomica de Ti/Al de la capa. La produccion de capas cubicas monofasicas de Tii-xAlxN con una alta proporcion de aluminio no es posible con el procedimiento de PVD empleado a escala industrial.

Tampoco es posible una separacion de TiAl con un procedimiento convencional de CVD a temperaturas situadas por encima de 1000°C, puesto que el Tii-xAlxN metaestable se descompone a unas temperaturas tan altas en TiN y en AlN hexagonal.

Finalmente, en el caso del procedimiento descrito en la patente de los EE. UU. n.° 6.238.739 B1 de producir, mediante un procedimiento termico de CVD sin ayuda de plasma, unas capas de Tii-xAlxN con x entre 0,1 y 0,6 a unas temperaturas comprendidas entre 550°C y 650°C, se establece una restriccion a menores contenidos de aluminio con x < 0,6. Como mezcla gaseosa se utilizan en el procedimiento allf descrito cloruros de aluminio y de titanio asf como NH3 y H2. En este revestimiento tambien hay que aceptar altos contenidos de cloro de hasta el 12% at.

En la solicitud de patente internacional WO 2007/003648 A1, con el fin de mejorar la resistencia al desgaste y a la oxidacion, se propone producir mediante CVD un cuerpo revestido con materiales duros con un sistema de capas de uno o varios estratos, que contiene al menos una capa de materiales duros de Tii-xAlxN, para lo que el cuerpo se reviste en un reactor a unas temperaturas comprendidas en el intervalo de 700°C a 900°C mediante un CVD sin excitacion por plasma, y como precursores se utilizan halogenuros de titanio, halogenuros de aluminio y compuestos nitrogenados reactivos, que se mezclan a una temperatura elevada. Como resultado, se obtiene un cuerpo con una capa monofasica de materiales duros de Tii-xAlxN en la estructura cubica de NaCI con un coeficiente estequiometrico desde x > 0,75 hasta x = 0,93, o una capa polifasica, cuya fase principal esta basada en Tii-xAlxN con una estructura cubica de NaCI con un coeficiente estequiometrico desde x > 0,75 hasta x = 0,93 y que como fase adicional posee una estructura de wurtzita y/o una estructura de TiNx en NaCI. El contenido de cloro esta situado en el intervalo comprendido entre 0,05 y 0,9% at. A partir de este documento tambien se sabe que la capa o las capas de materiales duros de Tii-xAlxN puede(n) contener hasta un 30% en masa de componentes amorfos de la capa. El valor de la dureza de las capas obtenidas esta situado en el Intervalo de 2500 HV hasta 3800 HV.

Con el fin de mejorar la adhesion de una capa de materiales duros de Tii-xAlxN en el caso de una alta resistencia al desgaste, en la solicitud de patente alemana DE 102007 000 512, aun sin publicar, se propone, ademas, que el sistema de capas que se ha aplicado sobre un cuerpo sustrato se componga de una capa de sujecion a base de nitruro de titanio, carbonitruro de titanio o carburo de titanio aplicada sobre el cuerpo, a la que le sigue una capa con gradiente de fases y, finalmente, una capa exterior, a base de una capa mono o polifasica de materiales duros de

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Tii-xAlxN. La capa de gradiente de fases se compone, en su cara orientada hacia la capa de sujecion, de una mezcla de fases de TiN/h-AlN y presenta con un espesor creciente de la capa una proporcion de fase creciente de fcc-TIAIN con una proporcion de mas del 50% y, acompanando a esto, una disminucion simultanea de las proporciones de fase de TiN y h-AlN.

Ademas de la resistencia a la abrasion y a la oxidacion de una capa a base de un cuerpo de metal duro, cermet o sustrato, la estabilidad termica del revestimiento tiene una gran importancia para el uso de este material de trabajo en el mecanizado con arranque de virutas, en particular, a altas velocidades de corte. En la zona de un borde cortante de una plaquita de corte se producen, al tornear piezas de trabajo duras, temperaturas claramente superiores a 1000°C. A tales temperaturas, diferentes coeficientes de dilatacion de los sustratos entre las capas individuales tienen un efecto considerable. Esto da lugar a la formacion de tensiones entre las capas individuales y, en el peor de los casos, siempre y cuando la elevada temperatura se transporte desde la capa exterior hasta el cuerpo sustrato por conduccion de termica, a un desprendimiento del revestimiento, por lo que la plaquita de corte queda inutilizable.

Por consiguiente, la presente invencion tiene como objetivo proporcionar un cuerpo revestido con materiales duros, cuyo revestimiento, mediante la seleccion de las capas individuales, tiene un mejor efecto de aislamiento termico en terminos de transferencia de calor.

Este objetivo se consigue mediante un cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con la reivindicacion 1. El cuerpo revestido con materiales duros posee varias capas, en las que una capa de A^Oa esta dispuesta como capa exterior sobre una capa de Tii-xAlxN y/o Tii-xAlxC y/o Tii-xAlxCN con el valor x comprendido entre 0,65 y 0,95.

El uso de una capa de Tii-xAlxN, Tii-xAlxC o Tii-xAlxCN, en lugar de una capa de TiCN generalmente utilizada en la tecnica anterior, tiene la ventaja de que la conductividad termica de la capa colocada bajo la capa de AhO3 es un 80% mas pequena, por lo que la capa de Tii-xAlxN, Tii-xAlxC o Tii-xAlxCN muestra un aislamiento termico significativamente mejorado en el cuerpo sustrato. La capa exterior de AhO3 es, ademas, mas resistente a la oxidacion y es aproximadamente un 50% mas dura en comparacion con una capa exterior de TiCN, de manera que se produce una resistencia mas elevada al desgaste.

Ademas, se ha comprobado de manera sorprendente que una capa de Tii-xAlxN, Tii-xAlxC o Tii-xAlxCN como capa intermedia no tiene tendencia a agrietarse en comparacion con una capa intermedia de TiN o TiCN, de modo que no se forma la desventajosa red de fisuras tfpica obtenida de acuerdo con la tecnica anterior. En particular, en el caso de un corte interrumpido, la resistencia al agrietamiento mejorada actua elevando el periodo de tiempo de servicio.

La capa de Tii-xAlxCN, Tii-xAlxC o Tii-xAlxN puede ser monofasica y presentar una estructura cubica, o ser polifasica y presentar, ademas de una fase principal cubica, una fase adicional en estructura de wurtzita y/o TIN. Los componentes amorfos de la capa pueden conformar hasta el 30% en masa de la misma. El contenido de cloro esta situado entre el 0,0i y el 3% at.

De acuerdo con un perfeccionamiento de la invencion, se puede utilizar una capa de TIN y/o TiCN como capa de sujecion junto al cuerpo sustrato, que se compone de un metal duro, un cermet o un material ceramico, de manera que la sucesion de capas desde dentro hacia fuera es TiN o TiCN-TiAlC(N)-Al2O3.

En el marco de la presente invencion tambien se pueden colocar capas de TICN entre la capa exterior de A^O3 y la capa de Tii-xAlxN, la capa de Tii-xAlxC o la capa de Tii-xAlxCN.

La proporcion de aluminio como contenido metalico es preferente del 70% al 90%. El espesor de una capa de Tii- xAlxN, de una capa de Tii-xAlxC o de una capa de Tii-xAlxCN puede variar de 2 pm a i0 pm, preferentemente de 3 pm a 7 pm. La capa mencionada previamente puede contener tambien proporciones de nitruro de aluminio hexagonal, un 25% como maximo.

En el marco de la presente Invencion, tambien es posible disponer, en lugar de una sola capa intermedia, de una capa de estratos multiples compuesta de una o varias capas dobles o triples del tipo (Tii-xAlxN, Tii-xAlxC, Tii-xAlxCN)n donde n es un numero natural. La capa variable de TiAlN/TiAlCN/TiAlC tiene entonces un espesor total, obtenido a partir de la suma de los espesores de cada una de las capas individuales, que esta situado entre i nm y 5 nm. Preferentemente, el espesor total debe ser como mfnimo de i pm a 5 pm. En el caso mas sencillo, las finas capas Individuales de Tii-xAlxN, Tii-xAlxCN o Tii-xAlxC, que i0 tienen solamente un espesor de algunos nanometros, se aplican sucesivamente hasta que se alcanza el espesor total deseado comprendido entre i pm y 5 pm. Sin embargo, tambien es posible un sistema de capas alternantes compuesto de las composiciones mencionadas previamente, Incluyendo aquellas capas que tienen estratos con un desarrollo en gradiente, en cuyo caso, la proporcion de C disminuye o aumenta hacia el exterior.

La capa de TiAlN, TiAlC o TiAlCN puede contener hasta un 30% de componentes amorfos y contenidos de cloro de hasta el 3% at.

Para la produccion, el cuerpo sustrato, que se compone de un metal duro, un cermet o un material ceramico, se

somete a un procedimiento de revestimiento por CVD a temperaturas del revestimiento entre 650°C y 900°C, introduciendose en la atmosfera gaseosa cloruros de titanio y de aluminio, asf como amoniaco para la produccion de una capa de TiAlN. Despues de la produccion de una primera capa con un espesor comprendido entre 2 pm y 10 pm, preferentemente entre 3 pm y 7 pm, se aplica de manera convencional mediante el procedimiento de CVD una 5 capa de AhO3 que tiene un espesor mfnimo de 2 pm y maximo de 10 pm.

Claims

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REIVINDICACIONES

1 Cuerpo revestido con materiales duros con varias capas, cada una aplicada mediante CVD sobre un sustrato, caracterizado porque el sustrato es un metal duro, un cermet o un material ceramico sobre el que esta dispuesta una capa de AhO3 como capa exterior sobre una capa de Tii-xAlxN y/o Tii-xAlxC y/o Tii-xAlxCN con el valor x comprendido entre 0,65 y 0,95, siendo el cuerpo una herramienta cortante para cortes interrumpidos.
2. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por una capa de TiN y/o de TiCN como capa de sujecion junto al sustrato.
3. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque entre la capa exterior de A^O3 y la capa de Tii-xAlxN, la capa de Tii-xAlxC o la capa de Tii-xAlxCN esta dispuesta una capa de TiCN.
4. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con una de las reivindicaciones de i a 3, caracterizado porque en la capa de Tii-xAlxN, en la capa de Tii-xAlxC o en la capa de Tii-xAlxCN el valor de x es 0,7 < x < 0,9.
5. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con una de las reivindicaciones de i a 4, caracterizado porque por debajo de una capa de AhO3 esta dispuesta una capa de multiples estratos a base de una o varias capas dobles o triples del grupo de (Tii-xAlxN, Tii-xAlxCN, Tii-xAlxC)n.
6. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con una de las reivindicaciones de i a 5, caracterizado porque el espesor de la capa exterior es de i pm a 5 pm, el espesor de la capa de Tii-xAlxN, la capa de Tii-xAlxC o la capa de Tii-xAlxCN es de i pm a 5 pm y el espesor de las posibles capas de sujecion o intermedias adicionales es de i pm a 5 pm.
7. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con una de las reivindicaciones i a 6, caracterizado porque la capa de Tii-xAlxN, la capa de Tii-xAlxC o la capa de Tii-xAlxCN contiene como maximo un 25% de AlN hexagonal.
8. Cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con una de las reivindicaciones i a 7, caracterizado porque la capa de Tii-xAlxN, la capa de Tii-xAlxC o la capa de Tii-xAlxCN no forma ninguna red de fisuras
9. Utilizacion de un cuerpo revestido con materiales duros de acuerdo con una de las reivindicaciones i a 8, como herramienta cortante para el mecanizado con corte interrumpido.