ES2648999T3

ES2648999T3 - Artículo recubierto con un patrón de recubrimientos con nanocapas

Info

Publication number: ES2648999T3
Application number: ES08863076.9T
Authority: ES
Inventors: Fengting Xu; Wangyang Ni; Yixiong Liu; Ronald M Penich; Volker-Hermann Derflinger; Dennis T Quinto; Charles E Bauer
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon; Kennametal Inc
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon; Kennametal Inc
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: TWI444237B; CN101896301B; TW200936280A; EP2242603B1; RU2010129058A; WO2009079184A3; EP2242603A2; JP2011506115A; MX2010006339A; US7947363B2; RU2487781C2; KR101551939B1; JP5546014B2; WO2009079184A2; AU2008338802A1; EP2242603A4; AU2008338802B2; BRPI0820763A2; CN101896301A; KR20100120121A

Abstract

Artículo recubierto, en particular una pieza de inserción de corte para su uso en una operación de retirada de material con formación de virutas, donde el artículo comprende: un sustrato (22) y un patrón de recubrimiento (40) resistente al desgaste, en donde el patrón de recubrimiento (40) resistente al desgaste comprende: un patrón de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que contiene titanio, aluminio, cromo y nitrógeno; y el patrón de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que comprende una pluralidad de conjuntos de disposiciones (50) de capas alternas, en donde cada una de las disposiciones de capas alternas comprende una capa base (64) que comprende titanio, aluminio y nitrógeno, y una región (66) de nanocapas que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas (68, 70, 72) en donde cada conjunto de nanocapas alternas comprende una nanocapa (82) que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrógeno y otra nanocapa (84) que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrógeno. caracterizado porque dicha capa base (64) presenta un grosor (G) de capa base y la región (66) de nanocapas presenta un grosor (F) de región de nanocapas, donde el grosor de la capa base es menor que el grosor de la región de nanocapas, y en donde la capa base (64) comprende (TiyAl1-y)N, en donde 0,2 <= y <= 0,65 y la nanocapa (82) del conjunto de nanocapas alternas en la región (66) de nanocapas comprende (TiyCrxAl1-(x+y))N, en donde 0 < x <= 0,15 y 0,2 <= y <=0,65, y otra nanocapa (84) del conjunto de nanocapas alternas en la región (66) de nanocapas comprende (TipAlqCr1-(p+q))N, en donde 0,2 <= p <= 0,65 y 0,01 <= q <= 0,65 y (p + q) < 1.

Description

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DESCRIPCION

Artfculo recubierto con un patron de recubrimientos con nanocapas

La invencion pertenece a un artfculo recubierto, ademas de un metodo para aplicar el patron de recubrimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 10. Mas especfficamente, la invencion pertenece a un artfculo recubierto en donde el patron de recubrimiento incluye nanocapas que contienen aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, ademas de un metodo para aplicar el patron de recubrimiento. Ejemplos de artfculos recubiertos incluyen sin limitacion piezas de insercion de corte y componentes de desgaste.

En referencia a una pieza de insercion de corte recubierta, como ejemplo de un artfculo recubierto, una pieza de insercion de corte recubierta habitualmente comprende un sustrato con un patron de recubrimiento sobre el mismo. La pieza de insercion de corte muestra una geometrfa tal que habitualmente presenta superficies de ataque y superficies de flancos, en donde existen bordes de corte en la interseccion (o union) de las superficies de ataque y las superficies de flancos. Para piezas de insercion de corte recubiertas, en general, cualquiera de una variedad de tecnicas diferentes puede aplicar el patron de recubrimiento al sustrato. Estas tecnicas pueden incluir la deposicion qufmica en fase vapor (CVD, por sus siglas en ingles) y la deposicion ffsica en fase vapor (PVD, por sus siglas en ingles).

Las piezas de insercion de corte son de utilidad para la retirada de material en una operacion de retirada de material con formacion de virutas. Las operaciones de retirada de material con formacion de virutas incluyen, sin limitacion, fresado, torneado, mandrinado, taladrado y operaciones similares, en donde una pieza de insercion de corte se acopla a una pieza de trabajo, donde la pieza de insercion de corte y la pieza de trabajo se desplazan una en relacion a la otra. Puede existir una gran cantidad de calor en el punto (o superficie) de acoplamiento entre la pieza de trabajo y la pieza de insercion de corte (es decir, la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta). La transferencia de calor en la interfaz de corte-viruta hacia el sustrato y la interfaz entre el patron de recubrimiento y el sustrato (es decir, la interfaz de recubrimiento-sustrato), puede resultar perjudicial para el rendimiento de la pieza de insercion de corte. Mas especfficamente, la transferencia de calor al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato crea un desgaste prematuro excesivo del recubrimiento. Dicho desgaste excesivo del patron de recubrimiento habitualmente reduce la vida util de la pieza de insercion de corte recubierta.

El patron de recubrimiento habitualmente influencia el grado de transferencia de calor de la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato. La conductividad termica del patron de recubrimiento es una propiedad que puede influenciar fuertemente el grado de dicha transferencia de calor. Un patron de recubrimiento que muestra una conductividad termica general inferior reduce, habitualmente, la cantidad de calor en el sustrato y en la interfaz de recubrimiento-sustrato. Dicha reduccion en la transferencia de calor da como resultado, habitualmente, una vida util de la herramienta mas amplia para la pieza de insercion de corte, en comparacion con una pieza de insercion de corte recubierta que no muestra una reduccion en la transferencia de calor.

En el pasado, las piezas de insercion de corte recubiertas han mostrado diversos patrones de recubrimiento. Por ejemplo, la publicacion de solicitud de patente de EE.UU. N° US 2006/0269788 A1 de Ishikawa parece que divulga capas alternas de AlCrTiN con diferentes composiciones entre las capas. De acuerdo con los resumenes en ingles, la Publicacion de patente japonesa N° 2003 340608 A2 de Natsuki et al., y la publicacion de patente japonesa N° 2004 106108 A2 de Hidemitsu et al., cada una de ellas proporciona una divulgacion que parece incluir capas alternas de TiAlCrN, pero el cromo siempre esta presente en cada capa de recubrimiento.

El documento WO 2006/084404 A1 de Endrino (cedida a Uniaxis Balzer AG) parece divulgar el uso de una capa de recubrimiento interior de AlCrN y una capa de recubrimiento exterior de AlCrN. De acuerdo con el resumen en ingles, la publicacion de patente japonesa N° 2004 050381 A2 de Yasuhiko aparentemente divulga una capa de superficie de AlCrN. La patente de Ee.UU. N° 7,226,670 B2 de Derflinger et al. (cedida a OC Oerlikon Balzers AG), parece mostrar que el AlCrN es un material de recubrimiento beneficioso.

La Publicacion de solicitud de patente de EE.UU. N° US 2005/0170162 A1 de Yamamoto et al., aparentemente divulga una capa de recubrimiento de (Ti Al Cr)N en un patron de recubrimiento alterno. La patente de EE.UU. N° 6,730,392 B2 de Vetter et al., parece divulgar un patron de recubrimiento alterno en donde las capas presentan diferentes contenidos de aluminio, titanio y cromo, ademas de diferentes relaciones de nitrogeno/oxfgeno. La patente de EE.UU. N° 7,008,688 B2 de Toihara parece que muestra una disposicion de una capa de recubrimiento alterno que utiliza TiAlN y CrN. Ademas, los siguientes documentos de patente parecen mostrar diversos patrones de recubrimiento con capas de recubrimiento alternas: patente de EE.UU. N° 6,103,357 de Selinder et al., patente de EE.UU. N° 7,056,602 de Horling et al., patente de EE.UU. N° 7,083,868 de Horling et al., y la publicacion PCT de patente WO 2006/041366 A1 de Astrand et al.

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Las siguientes tres patentes aparentemente muestran la utilidad de pelfculas de (Ti Al Cr)N: Patente de EE.UU. N° 6,824,601 B2 de Yamamoto et al., patente de EE.UU. N° 6,919,288 B2 de Yamamoto et al., y patente de EE.UU. N° 7,186,324 B2 de Yamamoto et al.

El resumen de la patente de Japon para el documento JP 2003-340608 A divulga una capa de recubrimiento duro elaborada a base de un compuesto de nitruro complejo, que consta de Al, Ti y Cr formado en la superficie de un sustrato de carburo cementado. Los contenidos de Al y Ti varfan continuamente dentro de la capa entre las concentraciones en puntos predeterminados que definen las cantidades de la composicion.

El documento EP 1 726 686 A1 divulga un recubrimiento duro para un sustrato, que incluye un laminado intermedio constituido mediante capas A y B laminadas de forma alternativa que presentan diferentes composiciones qufmicas. Las capas estan compuestas de material seleccionado de un grupo que consiste en nitruros, boruros, carburos y oxidos de los metales Al, Cr, Ti y Si en relaciones atomicas especfficas.

El documento EP 1 219 723 A2 divulga una pelfcula dura para el recubrimiento de herramientas de corte. La pelfcula dura esta compuesta de Ti, Al, Cr, Si, B, C y N, donde los carburos y nitruros de los elementos de metal se proporcionan a unas relaciones atomicas definidas.

El documento EP 1 316 627 A1 divulga un material de recubrimiento duro que contiene los elementos Al, Ti, Cr, N y O en una composicion qufmica definida. El material de recubrimiento esta previsto para proporcionar una mejora adhesion del recubrimiento al sustrato, sin una reduccion en la resistencia al desgaste y propiedades de friccion.

Resumen de la invencion

De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un artfculo recubierto, en particular una pieza de insercion de corte recubierta para su uso en una operacion de retirada de material con formacion de virutas, segun se define en la reivindicacion 1. La pieza de insercion de corte comprende un sustrato y un patron de recubrimiento resistente al desgaste. El patron de recubrimiento resistente al desgaste comprende un patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que contiene titanio, aluminio, cromo y nitrogeno. El patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad comprende una pluralidad de conjuntos de disposiciones de capas alternas en donde cada una de las disposiciones de capas alternas comprende una capa base que comprende titanio, aluminio y nitrogeno, y una region de nanocapas que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas. Cada conjunto de nanocapas alternas comprende una nanocapa que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y otra nanocapa comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno. La capa base presenta un grosor de la capa base, y la region de la nanocapa presenta un grosor de la region de la nanocapa, en donde el grosor de la capa base es menor que el grosor de la region de la nanocapa.

La presente invencion ademas proporciona un metodo de aplicacion de un patron de recubrimiento segun se define en la reivindicacion 10. El metodo comprende los pasos de: aplicar un patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que contiene titanio, aluminio, cromo y nitrogeno, y donde el paso de aplicar el patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad comprende los pasos de: aplicar una pluralidad de conjuntos de disposiciones de capas alternas, en donde la aplicacion de cada disposicion de capa alterna comprende los pasos de: aplicar una capa base que comprende titanio, aluminio y nitrogeno; y aplicar una region de nanocapas que comprende los pasos de: aplicar una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas que comprende los pasos de: aplicar una nanocapa que comprende titanio, cromo, aluminio, y nitrogeno, y aplicar otra nanocapa que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno.

La siguiente es una breve descripcion de los dibujos que representan realizaciones de la invencion y forman una parte de esta solicitud de patente:

La FIG. 1 es una vista isometrica de una pieza de insercion de corte, en donde la pieza de insercion de corte comprende un sustrato y un patron de recubrimiento resistente al desgaste, y donde una parte del recubrimiento ha sido retirado para exponer el sustrato;

La FIG. 2 es una vista esquematica de una realizacion especffica de un patron de recubrimiento resistente al desgaste de la invencion;

La FIG. 2A es una vista esquematica aumentada de la region de recubrimiento de nanocapas del patron de recubrimiento resistente al desgaste de la FIG. 2.

La FIG. 3 es una microfotograffa (con una escala de 10 mm) tomada mediante microscopfa optica de una realizacion especffica de la seccion transversal de un patron de recubrimiento que muestra el borde de corte de esquina de una pieza de insercion recubierta;

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La FIG. 4 es una microfotograffa (con una escala de 10 mm) tomada mediante microscopfa electronica por transmision (MET) de una region de recubrimiento con nanocapas de una realizacion especffica de un patron de recubrimiento de la invencion;

La FIG. 4A es un patron de difraccion tomado mediante MET que muestra la estructura cristalina cubica centrada en las caras (CCC) de una realizacion especffica del patron de recubrimiento resistente al desgaste; y

La FIG. 5 es un grafico de difraccion por rayos X del patron de recubrimiento resistente al desgaste que muestra la presencia de dos estructuras cristalinas cubicas centradas en las caras (CCC) (es decir, una estructura Fm-3m con un parametro de reticula = 0,4151 nm de acuerdo con la FIG. 5 y una estructura F- 43m con un parametro de reticula = 0,4368 nm) de acuerdo con la FIG. 5;

Descripcion detallada

La FIG. 1 es una vista isometrica de una pieza de insercion de corte designada en general con la referencia 20. La pieza de insercion 20 de corte recubierta comprende un sustrato 22 y un patron de recubrimiento 24. Una parte del recubrimiento 24 ha sido retirado para exponer el sustrato 22. El patron de recubrimiento 24 se encuentra en la superficie del sustrato 22 de la pieza de insercion de corte. La pieza de insercion de corte 20 muestra superficies 26 de flancos y superficies 28 de ataque. Los bordes 30 de corte se encuentran en las intersecciones de las superficies 26 de flancos y las superficies 28 de ataque. El sustrato 22 puede ser cualquiera de entre un numero de materiales adecuados como sustrato para su uso como una pieza de insercion de corte que incluye, pero no se limita a, los siguientes materiales: acero de corte rapido, carburos cementados que incluyen carburo de tungsteno-cobalto, ceramica incluida la SiAlON y alumina y nitruro de silicio, ceramica metalica incluyendo materiales a base de carburo de titanio, y materiales superduros incluyendo nitruro de boro cubico sinterizado y diamante sinterizado.

Las piezas de insercion de corte recubiertas, tales como la pieza de insercion 20 de corte, son de utilidad para la retirada de material en una operacion de retirada de material con formacion de virutas. Las operaciones de retirada de material con formacion de virutas incluyen, sin limitacion, fresado, torneado, mandrinado, taladrado y operaciones similares, en donde una pieza de insercion de corte se acopla a una pieza de trabajo, donde la pieza de insercion de corte y pieza de trabajo se desplazan una en relacion a la otra. Puede existir una gran cantidad de calor en el punto (o superficie) de acoplamiento entre la pieza de trabajo y la pieza de insercion de corte (es decir, la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta). La transferencia de calor en la interfaz de corte-viruta hacia el sustrato y la interfaz entre el patron de recubrimiento y el sustrato (es decir, la interfaz de recubrimiento-sustrato) puede resultar perjudicial para el rendimiento de la pieza de insercion de corte. Mas especfficamente, la transferencia de calor al sustrato y la interfaz de recubrimiento-sustrato, debilita la adhesion del recubrimiento al sustrato, lo que crea un desgaste prematuro excesivo del recubrimiento. Dicho desgaste excesivo del patron de recubrimiento reduce habitualmente la vida util de la pieza de insercion de corte.

El patron de recubrimiento habitualmente influencia el grado de transferencia de calor de la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato. Debido a que la transferencia de calor, y especialmente el exceso de calor, al sustrato y a la interfaz de sustrato-recubrimiento resulta perjudicial para la integridad del recubrimiento, es ventajoso un patron de recubrimiento que muestre propiedades de conductividad termica general que reduzcan dicha transferencia de calor. Esto se debe a que dicha reduccion en la transferencia de calor tiene como resultado habitualmente una vida util de la herramienta mas larga para la pieza de insercion de corte, en comparacion con una pieza de insercion de corte recubierta que no muestre una reduccion en la transferencia de calor. En las presentes realizaciones, al utilizar secuencias de recubrimiento seleccionadas, el patron de recubrimiento general muestra propiedades de conductividad termica generales que minimizan el grado de transferencia de calor de la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta (o superficie de la zona de contacto recubrimiento-viruta) al sustrato e interfaz de recubrimiento-sustrato.

El patron de recubrimiento especffico presenta una estructura de multiples capas que contienen una o mas capas de recubrimiento que contienen aluminio, cromo y nitrogeno (por ejemplo, nitruro de cromo aluminio), el cual presenta una baja conductividad termica, y una o mas capas que contienen titanio, aluminio y nitrogeno (por ejemplo, nitruro de aluminio titanio), el cual presenta una mayor conductividad termica. La utilizacion de estas dos capas de recubrimiento, es decir, nitruro de cromo aluminio y nitruro de aluminio titanio, en una disposicion (o arquitectura) en particular, tiene como resultado una reduccion (o minimizacion) de la transferencia de calor de la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta hacia el sustrato y la interfaz de recubrimiento-sustrato.

Mas especfficamente, el uso de la capa de recubrimiento superior de nitruro de cromo aluminio, ayuda a impedir la transferencia de calor desde la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato, debido a la conductividad termica mas baja del nitruro de cromo aluminio. Como resultado, parte del calor permanece en la viruta y no pasa a ni a traves de ni hacia el recubrimiento ni hacia el sustrato e interfaz de recubrimiento-sustrato. Por tanto, mientras que existe la apreciacion de que el uso de un recubrimiento superior con una baja conductividad termica proporciona ventajas, el uso de dicha capa en sf misma puede resultar

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perjudicial debido a la excesiva concentracion de calor en el borde de corte, lo que tiene como resultado fallos en la herramienta en el borde de corte.

Para superar la presencia de un exceso de calor en el borde de corte debido a una capa de recubrimiento superior con una conductividad termica mas baja, un patron de recubrimiento puede presentar una capa de recubrimiento subyacente de nitruro de aluminio titanio, que presenta una conductividad termica mayor, bajo la capa de nitruro de cromo aluminio. La capa de recubrimiento subyacente se utiliza para disipar el calor en la capa de recubrimiento superior de manera que el calor se propagara en todas las direcciones (por ejemplo, en una direccion perpendicular, ademas de paralela a la superficie), dentro de la capa de recubrimiento de nitruro de aluminio titanio. Una disipacion del calor (o una distribucion espacial del calor) de este tipo, elimina la concentracion excesiva de calor en el borde de corte.

A medida que la transferencia de calor transcurre secuencialmente desde la capa de recubrimiento suprior hasta la capa de recubrimiento mas interna, las capas de recubrimiento en la secuencia de recubrimiento (o arquitectura de recubrimiento) multicapa-nanocapa, son de tal manera que las capas de recubrimiento de nitruro de cromo aluminio impiden o bloquean la transferencia de calor, y las capas de recubrimiento de nitruro de aluminio titanio disipan o propagan el calor. El resultado del recubrimiento que funciona para bloquear de forma alternativa la transferencia de calor o disipar el calor, tiene como resultado la reduccion del calor en el sustrato y en la interfaz de recubrimiento- sustrato. Ademas, la presencia de otra capa de recubrimiento a base de nitruro de cromo aluminio, que presenta una conductividad termica mas baja, entre el sustrato y la capa base, ayuda a proteger el sustrato y la interfaz de recubrimiento-sustrato contra la transferencia de calor. La reduccion en la transferencia de calor al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato, da como resultado una reduccion (o minimizacion) o retraso de la formacion de grieta termica dentro del sustrato. El retraso o reduccion de fisuras de origen termico en el sustrato aumenta habitualmente la vida util de la pieza de insercion de corte.

La FIG. 2 ilustra, en forma de corte transversal, una realizacion especffica del patron de recubrimiento resistente al desgaste designado en general con la referencia 40 de la invencion. La deposicion ffsica en fase vapor (PVD) es la tecnica utilizada para aplicar un patron de recubrimiento 40. El patron de recubrimiento 40 resistente al desgaste comprende una sub-capa 42, que contiene aluminio, cromo y nitrogeno. El patron de recubrimiento 40 ademas contiene una capa 46 superior, que contiene aluminio, cromo y nitrogeno. Cada una de entre la sub-capa 42 y la capa superior 46, muestra una conductividad termica mas baja, tal como se trata anteriormente. El patron de recubrimiento 40 tambien contiene un patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad (ver la llave 44), que contiene titanio, aluminio, cromo y nitrogeno. El patron de recubrimiento 40 resistente al desgaste presenta un grosor de recubrimiento A igual a entre aproximadamente 1500 nanometros y aproximadamente 15.000 nanometros. Las diferentes capas de recubrimiento en el patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, pueden ser de diferentes composiciones que tengan diferentes conductividades. Disponiendo de forma selectiva las capas de recubrimiento en el patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi- periodicidad, se logra una arquitectura de recubrimiento que funciona para de forma alternativa bloquear la transferencia de calor o disipar calor, lo que tiene como resultado la reduccion del calor en el sustrato y en la interfaz de sustrato recubrimiento.

El patron de recubrimiento tambien incluye una capa 43 inferior de recubrimiento de transicion que se encuentra encima de la sub-capa 42. La capa 43 inferior de recubrimiento de transicion proporciona una transicion entre la sub- capa 42 hacia el patron de recubrimiento 44 de nanocapas intermedias con multi-periodicidad. Existe una capa 45 de recubrimiento superior de transicion que proporciona una transicion entre el patron de recubrimiento 44 y la capa superior 46.

En esta realizacion especffica, la sub-capa 42 se encuentra mas cerca del sustrato y la capa superior 46 se encuentra mas alejada del sustrato. El patron de recubrimiento 44 de nanocapas intermedias con multi-periodicidad se encuentra en medio de la capa de recubrimiento 43 inferior de transicion y la capa de recubrimiento 45 superior de transicion. Debe apreciarse que otras sub-capas (o multiples capas de recubrimiento) podrfan situarse entre la sub-capa 42 y la superficie del sustrato. Debe apreciarse tambien que una capa de recubrimiento superior (o patron de capa de recubrimiento superior de multiples capas de recubrimiento), podrfa encontrarse en la parte superior de la capa superior 46.

La sub-capa 42 muestra un grosor de sub-capa B, que se encuentra en un rango de aproximadamente 20 nanometros y aproximadamente 500 nanometros. La capa superior 46 muestra un grosor D de la capa superior, que se encuentra en un rango entre aproximadamente 300 nanometros y aproximadamente 2000 nanometros. Mas preferiblemente, el grosor de la capa superior 46 es mayor de 500 nanometros para lograr una barrera optima termica. La sub-capa 42 tiene una composicion de (AlaCri-a)N, en donde 0,2 < a < 0,7, y una composicion de mayor preferencia de 0,5 < a < 0,69. La capa superior 46 tienen una composicion de (AlaCri-a)N, en donde 0,2 < a < 0,7, y una composicion de mayor preferencia de 0,5 < a < 0,69.

En referencia al patron de recubrimiento 44 de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, comprende una pluralidad de conjuntos de disposiciones de capas alternas (ver llaves 50, 52, 54, 56, 58, 60 y 62). Debe apreciarse

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que el numero de disposiciones de capas alternas como las indicadas bajo la llave 50 puede variar dependiendo de la aplicacion especffica de la pieza de insercion de corte. En referencia a la disposicion 50 de capa alterna, que es representativa de otras disposiciones de capas alternas, la disposicion 50 contiene una capa base 64, que comprende titanio, aluminio y nitrogeno. La disposicion 50 de capas alternas ademas comprende una region de nanocapas (ver llave 66).

En referencia a la FIG. 2A, la region 66 de nanocapas comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas (68, 70, 72, 74, 76 y 78) en donde una nanocapa 82 comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y otra nanocapa 84 comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno. Los contenidos de aluminio, cromo, titanio y nitrogeno la nanocapa 82 pueden ser, y habitualmente son al menos para uno de los elementos, diferentes de los contenidos de aluminio, cromo, titanio y nitrogeno en la otra nanocapa 84. Hay cromo presente en ambas nanocapas, y una nanocapa del conjunto de nanocapas alternas en la region de nanocapas comprende (TiyCrxAli-(x+y))N, en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa del conjunto de nanocapas alternas en la region de nanocapas comprende (TipAlqCri-(p+q))N, en donde 0,2 < p < 0,65 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1.

La region 66 de nanocapas tiene un grosor F de region de nanocapas que es igual a entre aproximadamente 100 nanometros y aproximadamente 900 nanometros. Ademas, para cada conjunto de nanocapas alternas (68, 70, 72, 74, 76, 78) las nanocapas alternas (82, 84) en el mismo presentan una periodicidad que se encuentra en un rango entre aproximadamente 2 nanometros y aproximadamente 50 nanometros. La capa 64 base tiene un grosor G de capa base, que se encuentra en un rango entre aproximadamente 100 nanometros y aproximadamente 500 nanometros. La capa 64 base tiene una composicion de (TiyAl1-y)N y en donde 0,2 < y < 0,65, y mas preferiblemente 0,3 < y < 0,6. El grosor G de la capa base es menor que la region de nanocapas de grosor F.

En referencia a la capa de recubrimiento 43 inferior de transicion, esta capa de recubrimiento 43 comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas como la region 66. Una nanocapa inferior de transicion comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y otra nanocapa inferior de transicion comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno. Los contenidos de aluminio, cromo, titanio y nitrogeno en la nanocapa inferior de transicion pueden ser, y habitualmente son al menos para uno de los elementos, diferentes de los contenidos de aluminio, cromo, titanio y nitrogeno en la otra nanocapa inferior de transicion. Hay cromo presente en ambas nanocapas inferiores de transicion, donde una nanocapa inferior de transicion comprende (TiyCrxAh-(x+y))N en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa inferior de transicion comprende (TipAlqCr1-(p+q))N en donde 0,2 < p < 0,65 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1. El grosor de la capa de recubrimiento inferior de transicion se encuentra en un rango entre aproximadamente 50 nanometros y aproximadamente 200 nanometros. Ademas, para cada conjunto de nanocapas alternas, las nanocapas alternas en el mismo presentan una periodicidad que se encuentra en un rango entre aproximadamente 2 nanometros y aproximadamente 50 nanometros.

En referencia a la capa de recubrimiento 45 superior de transicion, esta capa de recubrimiento 45 comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas superiores de transicion como la region 66. Una nanocapa superior de transicion comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y otra nanocapa comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno. Los contenidos de aluminio, cromo, titanio y nitrogeno en la nanocapa superior de transicion pueden ser, y habitualmente son al menos para uno de los elementos, diferentes de los contenidos de aluminio, cromo, titanio y nitrogeno en la otra nanocapa superior de transicion. Hay cromo presente en ambas nanocapas superiores de transicion, donde una nanocapa superior de transicion comprende (TiyCrxAh.(x+y))N, en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa superior de transicion comprende (TipAlqCr1-(p+q))N, en donde 0,2 < p < 0,65 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1. El grosor de la capa de recubrimiento superior de transicion se encuentra en un rango de entre aproximadamente 50 nanometros a aproximadamente 200 nanometros. Ademas, para cada conjunto de nanocapas alternas, las nanocapas alternas en los mismos presentan una periodicidad en un rango entre aproximadamente 2 nanometros y aproximadamente 50 nanometros.

La sub-capa 42 presenta una conductividad termica de la sub-capa. La capa base 64 presenta una conductividad termica de la capa base. La conductividad termica de la sub-capa es menor que la conductividad termica de la capa base. La capa superior 46 presenta una conductividad termica de la capa superior en donde la conductividad termica de la capa superior es menor que la conductividad termica de la capa base.

Debe apreciarse que puede anadirse carbono al nitrogeno en las composiciones anteriores para la sub-capa, la capa superior, y el patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad. En una situacion de este tipo, la sub-capa presenta una composicion de (AlaCr1-a)CsNt, en donde 0,2 < a < 0,7 (y mas preferiblemente 0,5 < a < 0,69), y s + t = 1. La capa superior presenta una composicion de (AlaCn.a) CsNt en donde 0,2 < a < 0,7 (y mas preferiblemente 0,5 < a < 0,69) y s + t = 1. En referencia al conjunto de disposiciones de capas alternas (por ejemplo, 50), la capa base tiene una composicion de (TiyAh.y) CsNt y en donde 0,2 < y < 0,65 (y mas preferiblemente 0,3 < y < 0,6) y s + t = 1. En otra situacion en la que ambas nanocapas contienen cromo, la nanocapa del conjunto de nanocapas alternas en la region de nanocapas comprende (TiyCrxAh.(x+y))CsNt en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65 y s + t = 1, y la otra nanocapa del conjunto de nanocapas alternas en la region de nanocapas comprende (TipAlqCn. (p+q))CsNt en donde 0,2 < p < 0,5 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1 y s + t = 1.

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La Tabla 1 expone las dimensiones habituales de un patron de recubrimiento como el expuesto en las FIGS. 2 y 2A.

Tabla 1

Dimensiones habituales para el patron de recubrimiento de las FIGS. 2 y 2A

Dimension: Descripcion Ejemplo Rango (nanometros)

A*: grosor global del patron de recubrimiento 5120 1500-15.000

B: grosor de sub-capa (42) 200 20-500

C*: Grosor del patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad 4160 1000-11.000

D: grosor de capa superior (46) 600 300-2000

E: grosor de la disposicion (50) de capas alternas [grosor combinado de la region (66) de nanocapas y la capa base (64)] 520 200-1400

F: grosor de la region (66) de nanocapas 350 100-900

G: grosor de la capa base (64) 170 100-500

H: grosor de un par (68) de nanocapas alternas 4** 2-50

I: grosor de una nanocapa (82) 1,3** 1-16

J: grosor de otra nanocapa (84) 2 7** 1-34

X: grosor de la capa de recubrimiento (43) inferior de transicion 80 50-200

Y: grosor de la capa de recubrimiento (45) superior de transicion 80 50-200

* El grosor global (A) del patron de recubrimiento puede ser controlado controlando el grosor de la capa (C) intermedia con multi-periodicidad, que puede ser controlado cambiando el numero de capas repetidas. **Medido mediante analisis de microscopfa electronica por transmision (MET).

La FIG. 3 muestra una microfotograffa (con una escala de 10 mm) tomada mediante un microscopio optico de una realizacion especffica de un patron de recubrimiento de la invencion (Muestra N° 1 de la invencion) que muestra el borde de corte de esquina de una pieza de insercion de corte recubierta. El sustrato comprende carburo de tungsteno cementado (cobalto) que presenta una composicion de cobalto en un porcentaje en peso de aproximadamente 10,5, titanio en un porcentaje en peso de aproximadamente 5,4, y niobio en un porcentaje en peso de aproximadamente 3,1, donde la diferencia son granos de carburo de tungsteno. El sustrato presenta las siguientes propiedades: una densidad (medida de acuerdo con el procedimiento en el estandar ASTM B311) igual a aproximadamente 12,3 gramos por centfmetro cubico, una fuerza coercitiva (HC) (medida segun el estandar ASTM B887) igual a aproximadamente 180 oersteds, un tamano de grano (determinado en referencia a la grafica comparativa en el estandar ASTM B390) igual a aproximadamente 1-6 micrometros, y una dureza igual a aproximadamente 91,5 Rockwell A. La FIG. 3 muestra que el patron resistente al desgaste comprende una sub-capa que es de un grosor igual a aproximadamente 200 nanometros y tiene una composicion de aluminio y cromo y nitrogeno. El patron de recubrimiento resistente al desgaste tambien tiene una capa que es de un grosor igual a aproximadamente 600 nanometros y tiene una composicion de aluminio y cromo y nitrogeno.

Aun en referencia a la FIG. 3, el patron de recubrimiento resistente al desgaste tambien presenta un patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, que se encuentra en medio de la capa superior de transicion y la capa inferior de transicion. El patron de recubrimiento de nanocapas intermedias con mulit- periodicidad comprende una pluralidad de disposiciones de capas alternas en donde cada una de las disposiciones de capas alternas comprende una capa base que comprende titanio, aluminio y nitrogeno, y una region de nanocapas que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno y otra capa comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno.

Para cada disposicion de capa alterna de las que hay ocho, la capa base presenta un grosor de aproximadamente 170 nanometros, y la region de nanocapas presenta un grosor igual a aproximadamente 350 nanometros. El grosor

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total del patron de recubrimiento resistente al desgaste es igual a aproximadamente 5120 nanometros (es decir, 200nm + 80nm + 8x(170nm +350nm) + 80nm + 600nm). En la region de nanocapas, el grosor total para cada conjunto de capas alternas es igual a aproximadamente 4 nanometros, de manera que el grosor total de la Region TiAlCrN (pobre en Cr) y la Region AlCrTiN (rica en Cr) es igual a aproximadamente 4 nanometros. La relacion del grosor de la Region TiAlCrN (pobre en Cr) y la Region AlCrTiN (rica en Cr), es decir, la Region TiAlCrN (pobre en Cr):Region AlCrTiN (rica en Cr), es igual a aproximadamente 2:1.

La FIG. 4 muestra una microfotograffa (con una escala de 10 nm) tomada mediante microscopfa electronica por transmision (MET) en la region de nanocapas de a muestra N° 1 de la invencion. La qufmica de la region de nanocapas de la Muestra N° 1 de la Invencion se expone en la Tabla 2.

Tabla 2

Composicion metalica elemental de la Region de nanocapas de la Muestra N° 1 de la Invencion en relacion atomica

Region/Elemento: Region TiAlCrN (pobre en Cr) (Relacion Atomica) Region AlCrTiN (rica en Cr) (Relacion Atomica)

Aluminio: 0,483 0,519

Titanio: 0,494 0,354

Cromo: 0,023 0,127

La FIG. 4A muestra un patron de difraccion de un area seleccionada, tomado mediante MET que muestra la estructura cristalina cubica centrada en las caras (CCC) de la Muestra N° 1 de la Invencion, del patron de recubrimiento resistente al desgaste. Esto resulta evidente a partir de las caracterfsticas en relacion a los diametros de los anillos del patron de difraccion.

La FIG. 5 muestra un patron de difraccion de rayos x del patron de recubrimiento resistente al desgaste de la Muestra N° 1 de la invencion, que muestra la presencia de dos estructuras cristalinas cubicas centradas en las caras (CCC). Los conteos se exponen a lo largo del eje vertical y la posicion (2 Theta) se expone a lo largo del eje horizontal.

Un aparato de recubrimiento preferido de utilidad para la aplicacion del patron de recubrimiento se muestra y se describe en la Patente Europea N° 1 186 681, ademas de en la Patente de EE.UU. N° 7,025,863 de Seeli et al.

Respecto a la aplicacion de realizaciones especfficas del patron de recubrimiento resistente al desgaste mediante el sistema PVD mencionado anteriormente, la deposicion de los recubrimientos Ti-Al-(X)-N/Al-Cr-(X)-N multicapa, se realizaron utilizando un sistema de recubrimiento industrial (Tipo RCS, INNOVA) de la companfa Oerlikon Balzers Coating. Una descripcion de este sistema de recubrimiento se describe en la Patente Europea N° 1 186 681 de la Fig. 3 a la 6 con una descripcion escrita en a columna 7, lfnea 18 a la columna 9, lfnea 25. El equivalente de Estados Unidos a la anterior patente Europea es la patente de EE.UU. N° 7,025,863 de Seeli et al., y el correspondiente texto se encuentra en la columna 6, lfnea 22 a la Columna 7, lfnea 54.

Para producir estos recubrimientos se montaron piezas limpias, especialmente piezas de insercion de carburo, en relacion a su diametro, bien utilizando una rotacion doble o triple en una cinta continua con el sustrato y cuatro Ti-Al- diana fabricados por procedimientos de metalurgia por fusion y dos Al-Cr-(X)-diana fabricados por pulvimetalurgia, que fueron situados en seis fuentes de arco catodico en las paredes laterales de la camara de recubrimiento. La geometrfa de la disposicion de las dianas esta definida principalmente por el diseno octogonal del sistema de recubrimiento RCS (Oerlikon Balzers) en el que dos segmentos de calentamiento dispuestos uno frente al otro separan dos grupos de segmentos que presentan tres catodos de arco dispuestos consecutivos. Para los presentes experimentos, se monto un Al-Cr-diana opuesto en cada posicion central de un segmento, pero diversas disposiciones de dianas fundamentales pueden utilizarse para la deposicion de este tipo de recubrimientos. Al menos han de ser utilizados dos catodos de arco en una posicion geometricamente equivalente para depositar estos recubrimientos.

Posteriormente, las piezas, que deberfan ser recubiertas, se calentaron hasta aproximadamente 500 °C utilizando hornos de radiacion que se encuentran montados de forma permanente en el sistema de recubrimiento. Despues del paso de calentamiento, se limpio la superficie de las piezas por ataque qufmico con Argon utilizando una tension de polarizacion de CC de -100 a -250V en atmosfera de Argon a una presion de 0,2 Pa.

A continuacion se utilizaron dos fuente de Al-Cr, que utilizan una potencia de 3 kW y una tension de polarizacion del sustrato de -40V durante un tiempo de aproximadamente 18 minutos, para formar una sub-capa de Al-Cr-N con un

grosor de aproximadamente 0,2mm. A continuacion, dos Al-Cr-diana y cuatro Ti-Al-diana se utilizaron para depositar la capa inferior de transicion de Ti-Al-Cr-N durante dos minutos. Despues, se deposito un recubrimiento de disposicion de capa alterna, donde se utilizaron en primer lugar cuatro Ti-Al-fuente a una potencia de aproximadamente 5 kW durante aproximadamente 5 minutos, y en segundo lugar las dos Al-Cr- fuente se 5 encendieron adicionalmente a las cuatro Ti-Al-fuente que se encuentran funcionando, de tal manera que se formo una capa de Ti-Al-Cr-N. Todas las seis fuentes juntas se hicieron funcionar durante aproximadamente 7 minutos. Para la realizacion existente se repitio este paquete de capas varias veces para obtener un grosor de recubrimiento determinado de la nanocapa de multi-periodicidad intermedia completada. A continuacion, dos Al-Cr-diana y cuatro Ti-Al-diana se utilizaron para depositar la capa superior de transicion de Ti-Al-Cr-N durante dos minutos. Al final, 10 nuevamente, se deposito una capa superior de Al-Cr-N, utilizando los mismos parametros que para la sub-capa y un tiempo de recubrimiento de aproximadamente 60 minutos, con un grosor de 0,6 mm. Todos los recubrimientos se depositaron en atmosfera de nitrogeno a una presion de aproximadamente 3 Pa y una tension de polarizacion de aproximadamente -40V. En general, la presion de trabajo para cada capa individual puede encontrarse en el rango de 0,5 a 8 Pa, pero se prefiere entre 0,8 y 5 Pa. Para la deposicion de nitruros puede emplearse una atmosfera de 15 nitrogeno puro o una mezcla de nitrogeno y un gas noble, como argon, mientras que, puede utilizarse una mezcla de nitrogeno y un gas que contenga carbono para la deposicion de carbonitruros. Ademas, para la produccion de pelfculas de oxfgeno o boro, pueden mezclarse gases que contienen oxfgeno o boro en el proceso de recubrimiento.

Los siguientes ejemplos demuestran la utilidad y rendimiento de la pieza de insercion de corte recubierta, ademas del patron de recubrimiento.

20 El ensayo 1 comprende un ensayo de seis piezas de insercion de corte etiquetadas como Experimentos del 1 al 6. Los experimentos del 1 al 5 representan piezas de insercion de corte recubiertas reales del estado del arte en el mercado comercial. El ensayo 1 compara el rendimiento del fresado frontal de alta velocidad en aceros de aleacion utilizando una pieza de insercion de carburo cementado de la siguiente geometrfa: SDPT1204PDSRGB2. El material de la pieza de trabajo es acero 4140 de aleacion (DIN 1.7225, 42CrMo4). Los parametros de corte se exponen a 25 continuacion: velocidad de corte vc = 300 m/min; velocidad de alimentacion fz= 0,2 mm/diente; profundidad de corte ap = 4 mm; ancho de corte ae = 61 mm; longitud de paso I = 610 mm; refrigerante: seco; y criterio de desgaste: vb,max = 0,3mm. Los resultados del ensayo se muestran en la Tabla 3 a continuacion.

Tabla 3

Resultados del ensayo en fresado frontal de alta velocidad en aceros de aleacion para el Ensayo 1

N° Experimento / Descripcion del recubrimiento: Grosor del recubrimiento [pm] Numero de pases*

1 TiN + TiCN + TiN (PVD basada en TiCN): 3,5 4

2 TiN + AlTiN + TiN (PVD basada en AlTiN): 4,0 1

3 TiN + TiCN + CVD-kappa-AhOa: 6,5 3,5

4 TiN + TiCN + CVD-alfa-AhOa: 6,1 5

5 TiN + TiCN + AhOa + TiN (CVD): 9,9 4,5

6 AlCrN +TiAlN/AlCrN-multilayer + AlCrN: 5,0 9,5

*a un criterio de desgaste de vb,max = 0,3 mm.

30 El ensayo 1 muestra una comparacion del tiempo de vida de las piezas de insercion de carburo cementado recubiertas en una aplicacion de corte a alta velocidad. Estos resultados muestran que el experimento 6 muestra un aumento en el tiempo de vida en un factor mayor que dos en comparacion con el valor de referencia de la herramienta comercial del Experimento 1.

El ensayo 2 comprende un ensayo de cinco piezas de insercion de corte recubiertas (Experimentos del 7 al 11). Los 35 experimentos 8-11 representan piezas de insercion de corte que presentan otros patrones de recubrimiento sobre las mismas. La composicion, recubrimiento, grosor, adhesion y micro-dureza de la diana de los experimentos del 7 al 11, se presentan en la Tabla 4. Los parametros del proceso tales como potencia, tension de polarizacion del sustrato, presion de trabajo y temperatura de deposicion de la diana se muestran en la Tabla 5. El ensayo 2 comprende el fresado frontal de alta velocidad en acero de aleacion utilizando piezas de insercion de carburo 40 cementado de la siguiente geometrfa: SDPT1204PDSRGB2. El material de la pieza de trabajo es un acero de aleacion 4140 (DIN 1.7225, 42CrMo4). Los parametros de corte son los siguientes: velocidad de corte vc = 300 m/min; velocidad de alimentacion fz= 0,2 mm/diente; profundidad de corte ap = 4 mm; ancho de corte ae = 61 mm; longitud de paso I = 610 mm; refrigerante: seco; y criterio de desgaste: vb,max = 0,3mm. Los resultados del ensayo para el ensayo 2 se muestran en la Tabla 6 a continuacion.

Tabla 4

Composiciones de la diana y propiedades de recubrimiento resultantes

N° de Experimento: Composicion de la diana grosor del recubrimiento Adhesion* microdureza [HV0,03]

Diana 1: Diana 2

Al en%: Cr en% Ti en% Al en% X en%

7: 70 30 50 50 - 5 HF1 2609

8: 70 30 50 50 - 4,9 HF1 2690

9: 70 30 45 45 Si = 10 4,8 HF1 2635

10: 70 30 20 65 Cr = 15 5,1 HF1 2846

11: 70 30 42,5 42,5 Cr = 15 4,9 HF1 2466

*segun se mide por las Directrices de la Asociacion de ingenieros alemanes (Union of German Engineers' Guidelines) VDI3198 y VDI3824-4

Tabla 5

Parametros del proceso experimental

N° de Experimento: PDiana1 [kW] PDiana2 [kW] USustrato [V] pN2 [Pa] Temp. [°C]

7: 3 5 -40 3 500

8: 3 5 -40 3 500

9: 3 5 -40 3 500

10: 3 3 -40 3 500

11: 3 5 -40 3 500

5 Tabla 6

Resultados del ensayo en fresado frontal de alta velocidad en aceros de aleacion para el Ensayo 2

N° Experimento / Descripcion del recubrimiento: Grosor del recubrimiento [pm] Numero de pases***

7 AlCrN +TiAlN/AlCrN-multicapa + AlCrN *: 5 9,5

8 AlCrN + TiAlN/AlCrN-multicapa + AlCrN**: 5 5

9 AlCrN + TiAlSiN/AlCrN-multicapa + AlCrN: 5 7

10 AlCrN + AlTiCrN/AlCrN-multicapa + AlCrN: 5 8

11 AlCrN + TiAlCrN/AlCrN-multicapa + AlCrN: 5 5,5

*el recubrimiento en el experimento 7 es el mismo que en el experimento 6. **En el experimento 8, se utilizan cuatro AlCr diana y dos TiAl diana, mientras que en el experimento 7 se utilizan

dos AlCr diana y cuatro TiAl diana. *** a un criterio de desgaste de vb,max = 0,3 mm.

Resulta evidente que en los Experimentos 7 al 11 se utilizaron diversos materiales diana para depositar diferentes tipos de recubrimientos multi-capa. Ya pudieron observarse mejoras en comparacion con los recubrimientos de referencia (ver el Experimento 1 en el Ejemplo 1), pero el recubrimiento (Experimento 7) mostro el rendimiento mas 10 prometedor.

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El ensayo 3 comprende un ensayo de dos piezas de insercion de corte recubiertas (es decir, Experimentos 12 y 13) en el fresado frontal en acero al carbono. Las piezas de insercion de corte recubiertas eran piezas de insercion de carburo cementado que presentaban la siguiente geometrfa: SDMT1205PDR-HQM. El material de la pieza de trabajo era acero al carbono 1045 (DIN 1.1191, Ck45). Los parametros de corte fueron los siguientes: velocidad de corte Vc = 350 m/min; velocidad de alimentacion fz= 0,2 mm/diente; profundidad de corte ap = 4 mm; refrigerante: seco; y criterio de desgaste: Vb,max = 0,3mm. La Tabla 7 presenta los resultados del ensayo.

Tabla 7

Resultados del ensayo en fresado frontal en acero al carbon para el ensayo 3

N° de Experimento / Descripcion del: Tiempo de vida Desgaste por entalladura Desgaste de la esquina

recubrimiento: [min] [mm] [mm]

12 AlCrN+TiAlN/AlCrN-multicapa+AlCrN *: 21,6 0,29 0,14

13 TiN + TiAlN**: 8,2 0,31 0,14

*el recubrimiento en el experimento 12 es el mismo que en el experimento 6 y 7. ** recubrimiento del estado del arte disponible en esta herramienta en el mercado

En el Ensayo 3, una pieza de insercion de corte recubierta (Experimento 12) se sometio a ensayo contra la pieza de insercion de corte recubierta del estado del arte (Experimento 13). Un aumento significativo de 2,6 veces en el tiempo de vida pudo observarse en este ensayo de corte. El desgaste maximo se observo como un desgaste por entalladura en el flanco de la herramienta.

El ensayo 4 comprende un ensayo de tres piezas de insercion de corte recubiertas (Experimentos 14-16) en el fresado frontal en acero de aleacion utilizando una pieza de insercion de carburo cementado de la siguiente geometrfa: SDMT1205PDR-HQ-M. El material de la pieza de trabajo es un acero de aleacion 4140 (DIN 1.7225, 42CrMo4). Los parametros de corte son los siguientes: velocidad de corte vc = 180 m/min; velocidad de alimentacion fz= 0,2 mm/diente; profundidad de corte ap = 4 mm; refrigerante: seco; y criterio de desgaste: vb,max = 0,3mm.

La Tabla 8 presenta los resultados del Ensayo 4.

Tabla 8

Resultados del ensayo en fresado frontal en acero de aleacion del ensayo 4

recubrimiento: [min] [mm] [mm]

14 AlCrN +TiAlN/AlCrN-multicapa+AlCrN*: 11,9 0,286 0,3

15 TiN + TiAlN**: 6,2 0,314 0,3

16 TiN + TiAlN**: 6,3 0,266 0,3

*el recubrimiento en el experimento 14 es el mismo que en el experimento 6, 7 y 12. ** recubrimiento del estado del arte disponible en esta herramienta en el mercado

El resultado del Ensayo 4 muestra nuevamente una comparacion de la pieza de insercion de corte (es decir, el Experimento 14) contra el recubrimiento estandar disponible en este tipo de piezas de insercion en el mercado (Experimentos 15 y 16). Este ensayo se realizo a velocidades de corte moderadas. Pudo detectarse un aumento del rendimiento del ochenta y nueve por ciento (89%) en comparacion con el Experimento 16. En este ensayo pudo observarse el maximo desgaste en la esquina de la herramienta de corte.

El ensayo 5 comprende un ensayo de cuatro piezas de insercion de corte en una perforacion a alta velocidad media en fundicion con grafito laminar utilizando piezas de insercion de perforacion de carburo cementado modulares de estilo KSEM. El material de la pieza de trabajo era de fundicion con grafito laminar de la clase 40 (~250 BHN). Los parametros de corte fueron los siguientes: velocidad de corte vc = 198 m/min; velocidad de alimentacion fz= 0,35 mm/diente; diametro de perforacion = 12,5 mm; profundidad del orificio = 62 mm; refrigerante: emulsion sintetica Castrol Syntilo, con el modo de distribucion mediante enfriamiento de la herramienta con presion de 15 bar. El criterio de desgaste fue vb,max = 0,38 mm. Los resultados se muestran en la Tabla 9 a continuacion.

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Tabla 9

Resultados del ensayo en perforado de alta velocidad media para el Ensayo 5

N° Experimento / Descripcion del recubrimiento: longitud del recubrimiento [m] Desgaste de la esquina [mm]

17 AlCrN + TiAlN/AlCrN-multicapa + AlCrN: 73,9 0,5

18 TiN + TiAlN: 45,4 0,74

19 AlTiN: 45,4 0,75

20 TiN / TiAlN nanocapa: 34,1 0,73

Los resultados del Ensayo 5 muestran nuevamente una comparacion de la pieza de insercion de corte (Experimento 17) contra el recubrimiento disponible estandar en este tipo de piezas de insercion modulares para la perforacion en el mercado (Experimentos 18-20). Este ensayo se realizo a velocidades medias de corte altas. Pudo detectarse un aumento en el rendimiento de cerca del sesenta y tres por ciento (63%). En este ensayo, pudo observarse el maximo desgaste en la esquina de la herramienta de corte.

Resulta evidente que el patron de recubrimiento resistente al desgaste de la presente invencion muestra ventajas sobre los patrones de recubrimiento anteriores. En particular, el patron de recubrimiento resistente al desgaste de la presente invencion muestra una conductividad termica mas baja utilizando secuencias de recubrimiento y composiciones de recubrimiento seleccionadas. Dichos parametros afectan la conductividad termica de todo el recubrimiento, y por tanto, ejercen una influencia en el grado de transferencia de calor desde la interfaz de la pieza de insercion de corte-viruta (o zona de contacto viruta-superficie de recubrimiento) al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato. La reduccion de la transferencia de calor al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato tiene como resultado una reduccion (o minimizacion) o retraso de la formacion de fisuras termicas dentro del sustrato. El retraso o reduccion de la formacion de fisuras termicas en el sustrato aumenta habitualmente la vida util de la pieza de insercion de corte.

Mas especfficamente, es evidente que el uso de la capa de recubrimiento de nitruro de cromo aluminio ayuda a impedir la transferencia de una cantidad significativa de calor desde la interfaz de la pieza de insercion de corte- viruta al sustrato y a la interfaz de recubrimiento-sustrato. Un resultado es que gran parte del calor permanece en la viruta. Otro resultado es que el calor que se transfiere a la capa de recubrimiento superior se propagara en todas las direcciones dentro de la capa de recubrimiento de nitruro de aluminio titanio ya que el transporte de calor tiene lugar en todas las direcciones (por ejemplo, en una direccion perpendicular, ademas de paralela a la superficie). Esto reduce la concentracion de calor generado en el area de contacto del recubrimiento superior-viruta cerca del borde de corte, disipando el calor sobre un area de superficie mayor y reduciendo la temperatura del recubrimiento superior hasta la interfaz de sustrato-recubrimiento. La combinacion de las capas de recubrimiento en la secuencia multicapa-nanocapa dentro de la capa base es de tal manera que la transferencia de calor se bloquea de forma alternativa o se propaga desde el sustrato. Finalmente, la presencia de otra capa de recubrimiento de nitruro de cromo aluminio entre el sustrato y la capa base, ayuda a proteger el sustrato y la interfaz de recubrimiento-sustrato contra la transferencia de calor.

Claims

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45

50

REIVINDICACIONES

1. Artfculo recubierto, en particular una pieza de insercion de corte para su uso en una operacion de retirada de material con formacion de virutas, donde el artfculo comprende:

un sustrato (22) y un patron de recubrimiento (40) resistente al desgaste, en donde el patron de recubrimiento (40) resistente al desgaste comprende:

un patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que contiene titanio, aluminio, cromo y nitrogeno; y

el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que comprende una pluralidad de conjuntos de disposiciones (50) de capas alternas, en donde cada una de las disposiciones de capas alternas comprende una capa base (64) que comprende titanio, aluminio y nitrogeno, y una region (66) de nanocapas que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas alternas (68, 70, 72) en donde cada conjunto de nanocapas alternas comprende una

nanocapa (82) que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno y otra nanocapa (84) que

comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno.

caracterizado porque dicha capa base (64) presenta un grosor (G) de capa base y la region (66) de nanocapas presenta un grosor (F) de region de nanocapas, donde el grosor de la capa base es menor que el grosor de la region de nanocapas, y en donde la capa base (64) comprende (TiyAli-y)N, en donde 0,2 < y < 0,65 y la nanocapa (82) del conjunto de nanocapas alternas en la region (66) de nanocapas comprende (TiyCrxAli-(x+y))N, en donde 0 < x < 0,15 y

0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa (84) del conjunto de nanocapas alternas en la region (66) de nanocapas comprende

(TipAlqCri-(p+q))N, en donde 0,2 < p < 0,65 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1.
2. El artfculo recubierto segun la reivindicacion 1, en donde el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad ademas comprende carbono, y la capa base (64) comprende (TiyAh.y) CsNt, en donde 0,2 < y < 0,65 y s + t = 1, la nanocapa (82) del conjunto de nanocapas alternas en la region (66) de nanocapas comprende (TiyCrxAh.(x+y))CsNt, en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65 y s + t = 1, y la otra nanocapa (84) del conjunto de nanocapas alternas en la region (66) de nanocapas comprende (TipAlqCr1-(p+q))CsNt, en donde 0,2 < p < 0,5 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) <1 y s + t = 1.
3. El artfculo recubierto segun la reivindicacion 1 o 2, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde el patron de recubrimiento (40) resistente al desgaste ademas incluye:

una sub-capa (42) que contiene aluminio, cromo y nitrogeno, en particular en donde la sub-capa (42) ademas comprende carbono segun la formula (AlaCr1-a)CsNt, en donde 0,2 < a < 0,7, y s + t = 1;

una capa superior (46) que contiene aluminio, cromo y nitrogeno, en particular en donde la capa superior (46) ademas incluye carbono segun la formula AlaCr1-a) CsNt, en donde 0,2 +< a < 0,7, y s + t = 1;

en donde la sub-capa (42) esta mas cerca del sustrato (22) que la capa superior (46);

una region (43) inferior de recubrimiento de transicion que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas de transicion inferiores alternas en donde cada conjunto de nanocapas de transicion inferiores alternas comprende una nanocapa inferior de transicion que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno y otra nanocapa inferior de transicion que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y la region (43) inferior de recubrimiento de transicion que proporciona una transicion entre el patron de recubrimiento (44) inferior de nanocapas intermedias con multi- periodicidad y la sub-capa (42);

una region (45) superior de recubrimiento de transicion que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas superiores de transicion alternas, en donde cada conjunto de nanocapas alternas comprende una nanocapa superior de transicion que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y otra nanocapa superior de transicion que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno, y donde la region (45) superior de recubrimiento de transicion proporciona una transicion entre el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad y la capa superior (46); y

donde el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad se encuentra en medio de la region (43) inferior de recubrimiento de transicion y la region (45) superior de recubrimiento de transicion.
4. Artfculo recubierto segun la reivindicacion 3, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde la region (43) inferior de recubrimiento de transicion presenta un grosor de transicion inferior, la region (45) de recubrimiento de transicion superior presenta un grosor de transicion superior y en donde el grosor de transicion

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inferior es menor que el grosor (F) de la region de nanocapas, y el grosor de transicion superior es menor que el grosor (F) de la region de nanocapas.
5. Artfculo recubierto segun la reivindicacion 3 o 4, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde la sub-capa (42) presenta un grosor de sub-capa que se encuentra en un rango entre 20 nm y 500 nm, y la capa superior (46) presenta un grosor de capa superior que se encuentra en un rango entre 300 nm y 2000 nm; donde cada conjunto de disposiciones de capas alternas tiene un grosor que se encuentra en un rango entre 200 nm y1400 nm; y donde los conjuntos de nanocapas alternas (68, 70, 72) presentan una periodicidad en un rango entre 2 nm y 50 nm.
6. Artfculo recubierto segun la reivindicacion 3, 4 o 5, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde:

la sub-capa (42) comprende (AlaCri-a)N, en donde 0,2 < a < 0.7; la capa superior (46) comprende (AlaCri-a)N, en donde 0,2 < a < 0,7;

donde la nanocapa de transicion superior comprende (TiyCrxAli-(x+y))N, en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa de transicion superior que comprende (TipAlqCri-(p+q))N, en donde 0,2 < p < 0,5 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1; y

la nanocapa de transicion inferior que comprende (TiyCrxAh.(x+y))N, en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa de transicion inferior que comprende (TipAlqCr1-(p+q))N, en donde 0,2 < p < 0,5 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1.
7. Artfculo recubierto segun cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde la sub-capa (42) presenta una conductividad termica de la sub-capa y la capa base (64) presenta una conductividad termica de la capa base, y donde la conductividad termica de la sub-capa es menor que la conductividad termica de la capa base; y donde la capa superior (46) presenta una conductividad termica de la capa superior, y la conductividad termica de la capa superior es menor que la conductividad termica de la capa base, y/o

en donde cada uno de entre la sub-capa (42), la capa superior (46), la region (45) de recubrimiento de transicion superior, la region (43) de recubrimiento de transicion inferior, y el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad ademas comprende uno o mas de los metales del Grupo IVb, Vb y VIb de la Tabla periodica y aluminio y silicio.
8. Artfculo recubierto segun cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde cada uno de entre la sub-capa (42), la capa superior (46), la region (45) de recubrimiento de transicion superior, la region (43) de recubrimiento de transicion inferior, y el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, se aplica mediante deposicion ffsica en fase vapor.
9. Artfculo recubierto segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el artfculo es una pieza de insercion de corte y en donde el sustrato (22) comprende uno de lo siguiente: acero de corte rapido, carburos cementados incluyendo carburo de tungsteno-cobalto, ceramica incluyendo SiAlON y alumina y nitruro de silicio, ceramica metalica incluyendo materiales a base de carburo de titanio, y materiales superduros incluyendo nitruro de boro cubico sinterizado y diamante sinterizado.
10. Metodo de aplicacion de un recubrimiento sobre un artfculo que comprende los pasos de:

aplicar un patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que contiene titanio, aluminio, cromo y nitrogeno, y el paso de aplicar el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que comprende los pasos de:

aplicar una pluralidad de conjuntos de disposiciones (50, 52) de capas alternas, en donde la aplicacion de cada disposicion de capas alternas comprende los pasos de:

aplicar una capa base (64) que comprende titanio, aluminio y nitrogeno y aplicar una region (66) de nanocapas (66) que comprende los pasos de:

aplicar una pluralidad de conjuntos (68, 70) de nanocapas alternas que comprenden los pasos de:

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aplicar una nanocapa (82) que comprende titanio, aluminio, cromo y nitrogeno, y aplicar otra nanocapa (84) que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno,

en donde la capa base (64) presenta un grosor (G) de capa base y la region (66) de nanocapas presenta un grosor (F) de nanocapas, donde el grosor de la capa base es menor que el grosor de la region de nanocapas, y

en donde la capa base (64) comprende (TiyAli-y)N, en donde 0,2 < y < 0,65 y la nanocapa (82) del conjunto de nanocapas alternas en la region (66) de nanocapas comprende (TiyCrxAli-(x+y))N, en donde 0 < x < 0,15 y 0,2 < y < 0,65, y otra nanocapa (84) del conjunto de nanocapas alternas en la region (66) de nanocapas comprende (TipAlqCri- (p+q))N, en donde 0,2 < p < 0,65 y 0,01 < q < 0,65 y (p + q) < 1.
11. Metodo de aplicacion de un patron de recubrimiento segun la reivindicacion 10, que ademas comprende los pasos de:

proporcionar un sustrato de una pieza de insercion de corte (22);

previo a la aplicacion del patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, aplicar, para estar mas cerca del sustrato (22), una sub-capa (42) que contiene aluminio, cromo y nitrogeno;

el paso de aplicar un patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad que ademas incluye la aplicacion del patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi- periodicidad a la sub-capa (42); y

aplicar una capa superior (46) al patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi- periodicidad, en donde la capa superior (46) contiene aluminio, cromo y nitrogeno.
12. Metodo de aplicacion de un patron de recubrimiento segun la reivindicacion 10 u 11, que ademas comprende los pasos de:

despues de aplicar la sub-capa (42) y antes de aplicar el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, aplicar una capa (43) de transicion inferior que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas de transicion inferiores que comprende los pasos de:

aplicar una pluralidad de conjuntos de nanocapas de transicion inferiores que comprende los pasos de:

aplicar una nanocapa de transicion inferior que comprende titanio, aluminio, cromo y nitrogeno, y aplicar otra nanocapa de transicion inferior que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno;

despues de aplicar el patron de recubrimiento (44) de nanocapas intermedias con multi-periodicidad, aplicar una capa (45) de transicion superior que comprende una pluralidad de conjuntos de nanocapas de transicion superiores alternas que comprende los pasos de:

aplicar una pluralidad de conjuntos de nanocapas de transicion superiores alternas que comprende los pasos de:

aplicar una nanocapa de transicion superior que comprende titanio, aluminio, cromo y nitrogeno, y

aplicar otra nanocapa de transicion superior que comprende aluminio, cromo, titanio y nitrogeno.