ES2681527T3

ES2681527T3 - Herramienta de corte

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Publication number: ES2681527T3
Application number: ES10709834.5T
Authority: ES
Inventors: Oliver Eibl; Veit Schier; Wolfgang Engelhart
Original assignee: Walter AG
Current assignee: Walter AG
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: DE102009001675A1; WO2010106142A1; WO2010106142A8; EP2408945A1; CN102449186B; US20110311805A1; JP5782019B2; JP2012520938A; CN102449186A; KR20120000084A; US8691378B2; KR101563034B1; EP2408945B1

Abstract

Herramienta de corte con un cuerpo base de substrato de metal duro, Cermet, acero, o acero rápido (HSS), y un recubrimiento de una o varias capas aplicado sobre el mismo, siendo una capa del recubrimiento al menos una capa de óxido metálico producida en un procedimiento PVD, la cual contiene granos de óxido de aluminio, o de óxido de aluminio y cromo, o bien está compuesta de los mismos, y la capa de óxido metálico presenta una estructura en la que en el interior de una mayoría de los granos existentes se dan desordenes estructurales que están caracterizados por que en las imágenes de la difracción de electrones de los granos aparecen reflejos puntuales hasta una distancia interplanar dGRENZ de 0,2 μm, y para distancias interplanares mayores que dGRENZ no aparecen reflejos puntuales, sino una distribución de intensidad típica para estructuras amorfas, y eligiéndose en un recubrimiento de varias capas, junto a la capa de óxido metálico, al menos una, entre carburos, nitruros, óxidos, carbonitruros, oxinitruros, oxicarburos oxicarbonitruros, boruros, boronitruros, borocarburos, borocarbonitruros, borooxinitruros, borooxocarburos, borooxocarbonitruros, y oxoboronitruros de los elementos de los grupos IVa a VIIa del sistema periódico y/o del aluminio y/o del silicio, incluidas fases metálicas mixtas, así como mezclas de fases de los compuestos citados.

Description

DESCRIPCIÓN

Herramienta de corte

Objeto de la Invención 5

La invención se refiere a una herramienta de corte con un cuerpo base de substrato, y a un recubrimiento de una o varias capas aplicado sobre el mismo, siendo una capa del recubrimiento al menos una capa de óxido metálico producida en un procedimiento PVD, o bien CVD.

Trasfondo de la Invención 10

Las herramientas de corte están formadas por un cuerpo base, el cual está fabricado, por ejemplo, de metal duro, cermet, acero o acero rápido. Para el incremento de los tiempos de vida se aplica a menudo un recubrimiento de una o varias capas sobre el cuerpo base. Este recubrimiento contiene, a título de ejemplo, capas metálicas de material duro, capas de óxidos, y similares. Para la aplicación del recubrimiento se utilizan procedimientos CVD (deposición química en fase gaseosa; chemical vapour deposition) y/o procedimientos de PVD (deposición física en 15 fase gaseosa; physical vapour deposition). Pueden aplicarse varias capas dentro de un recubrimiento exclusivamente mediante procedimiento de CVD, exclusivamente mediante procedimiento de PVD, o bien a través de una combinación de estos procedimientos.

En el procedimiento de PVD se diferencia entre distintas variantes del procedimiento, como desalojo de átomos por 20 magnetrón, vaporización por arco voltaico (Arc-PVD), plaqueado con iones, vaporización por chorro de electrones y ablación por láser. El desalojo de átomos por magnetrón y la vaporización por arco voltaico se encuentran entre los procesos de PVD más utilizados para el recubrimiento de herramientas. Dentro de las distintas variantes del procedimiento de PVD existen a su vez distintas modificaciones, como por ejemplo desalojo pulsado o no pulsado de átomos por magnetrón, o bien vaporización por arco voltaico pulsado o no pulsado, etc. 25

El objetivo en el procedimiento de PVD puede estar compuesto por un metal puro o por una combinación de dos o más metales. Si el objetivo contiene varios metales, todos esos metales se acumulan simultáneamente, en el procedimiento de PVD, en la capa acumulada de un recubrimiento.

30

La composición de los metales entre sí en la capa acumulada dependerá de la composición de los metales en el objetivo, pero también de las condiciones del procedimiento de PVD, ya que algunos metales se eliminan del objetivo en cantidades más elevadas en determinadas condiciones, y/o se precipitan sobre el substrato en cantidades más elevadas que otros metales. Junto a los metales puros, se utilizan también en los objetivos la formas oxídicas, nitrídicas o carbídicas de los metales, o bien mezclas de las mismas. 35

Para la formación de determinadas uniones de metales, se alimentan gases reactivos la cámara de reacción del procedimiento de PVD, como por ejemplo nitrógeno para la formación de nitruros, oxígeno para la formación de óxidos, combinaciones que contengan carbono para la formación de carburos, carbonitruros, oxicarburos, etc., o bien mezclas de esos gases para la formación de los correspondientes compuestos mixtos. 40

En el procedimiento de PVD se genera generalmente un llamado „potencial bias “en los substratos a recubrir, a fin de alcanzar la energía superficial necesaria, y con ello la movilidad de los átomos para el proceso de crecimiento. La energía es necesaria para conseguir estructuras cristalinas en una capa en crecimiento. En la aplicación de capas aislantes en el procedimiento de PVD, los cual es válido, por ejemplo, para varias combinaciones de óxidos 45 metálicos, el potencial bias aplicado de forma efectiva disminuye, durante el proceso de crecimiento, con el espesor creciente de la capa, debido a las propiedades aislantes del material de la capa, lo cual empeora las condiciones de crecimiento sobre la superficie de la capa, y a seguidamente puede llevar finalmente a un crecimiento de estructuras únicamente amorfas, o bien fundamentalmente amorfas.

50

Ramm, J. et al., Pulse enhanced electron emission (P3e™) arc evaporation and the synthesis of-883 wear resistant Al-Cr-O coatings in corundum structure, Surface & Coatings Technology 202 (2007), S. 876, describen la precipitación de las capas de óxido de aluminio-óxido de cromo a través de la vaporización por arco voltaico pulsado (Arc-PVD). Las capas precipitadas muestran en primer lugar una estructura de cristal mixto.

55

Teixeira, V. et al., Deposition of composite and nanolaminate ceramic coatings by sputtering, Vacuum 67 (2002), S. 477-483, describen la precipitación de capas finas de óxido de circonio/óxido de aluminio, en el rango de nanómetros, mediante el desalojo de átomos por magnetrón. Las capas muestran partes cristalinas de óxido de circonio, pero solamente partes amorfas de óxido de aluminio.

60

Trinh, D. H. et al., Radio frequency dual magnetron sputtering deposition and characterization of nanocomposite AI203 - ZrO2 thin films, J. Vac. Sc. Techn. A 24(2), marzo/abril 2006, S. 309-316 describen la precipitación de capas muy finas de óxido de circonio/óxido de aluminio, en el rango de nanómetros, mediante el desalojo de átomos por magnetrón, cuyas partes cristalinas muestran óxido de circonio tetragonal, pero solamente partes amorfas de óxido de aluminio. 65

El documento WO-A-2007/121954 describe la fabricación de una capa de material duro sobre un substrato, mediante desalojo de átomos por magnetrón, conteniendo la capa de material duro los elementos metálicos Al, Cr y Si, así como los elementos no metálicos del grupo B, C, N, O. La parte atómica de oxígeno en los elementos no metálicos es mayor del 30%. La capa de material duro contiene preferentemente fases cristalinas y/o fases mixtas en el sistema Al-Cr-Si-O. Se pueden configurar tanto fases cúbicas del grupo espacial Fd3m, como también fases 5 hexagonales del grupo espacial R-3C.

El documento EP-A-1 029 105 y el EP-A-1 253 215 describen herramientas recubiertas de corte para el mecanizado de metal, con un cuerpo de metal duro de cermet o de cerámica, y un recubrimiento duro y resistente al desgaste y al calor, el cual está precipitado según el método DMS- (Duales Magnetron Sputtern) de PVD, estando compuesta al 10 menos una capa, preferentemente la más externa, de Al2O3, y otra capas, si estas existen, entre el cuerpo de la herramienta y la capa de Al2O3, están fabricadas de nitruros metálicos y/o carburos de los elementos metálicos Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W y/o Al. y/o Al. Las capas de Al2O3 se componen de γ-Al2O3 densas, de grano fino y cristalinas, y pueden contener también otras fases de la línea γ. El documento WO 92/17623 A publica una herramienta de corte recubierta con Al2O3, con un cuerpo de substrato de metal duro, de acero o de cermet, 15 presentando la capa una estructura de un óxido de aluminio α y amorfo de cristales finos. La prueba de la estructura tiene lugar mediante microscopio electrónico, a través de una fotografía de Debye-Scherrer.

El documento JP 2005 262355 A publica recubrir herramientas de corte de metal duro con capas de óxidos, entre otros Al2O3 y Al2O3 + Cr2O3, mediante un procedimiento bajo la utilización preferente de un magnetrón dual. Esas 20 capas son bien cristalinas α o γ, o bien amorfas. El espesor de capa de la capa de óxido puede ser de 0.01 - 5 µm. Adicionalmente puede estar presente una capa de recubrimiento de un carburo, nitruro o carbonitruro de elementos del grupo IVa a Via del sistema periódico, Si y/o Al. Con ello, son conocidos del estado de la técnica los sistemas puramente cristalinos o puramente amorfos, así como los sistemas con granos cristalinos en una matriz amorfa. Las fases cristalinas contienen sistemas binarios o cristales mixtos de sistemas cristalinos conocidos. 25

Como procedimientos para el examen de las capas de óxidos metálicos se utiliza la difracción de rayos X y de electrones, a fin de determinar las distancias interplanares (valores d) que aparecen en la estructura cristalina, y/o de demostrar las estructuras amorfas. Aquí es más ventajosa la difracción de electrones respecto a la difracción de rayos X, debido a la menor longitud de onda, para el examen de granos desordenados con tamaño de grano de 10-30 50 µm.

Objetivo

El objetivo de la presente invención consistía en poner a disposición herramientas recubiertas de corte mejoradas respecto al estado de la técnica, especialmente aquellas que, respecto a las herramientas de corte con una 35 estructura de recubrimiento similar, posean una dureza más elevada, propiedades de desgaste mejoradas y/o conductibilidad térmica mejorada (disminuida).

Descripción de la Invención

El objetivo según la invención se alcanza mediante una herramienta de corte según la reivindicación 1. Las formas 40 preferidas de ejecución están descritas en las reivindicaciones 2 a 8. El procedimiento preferido de difracción de electrones es la microscopía electrónica de transmisión (TEM), pero no obstante son también conocidos y adecuados otros procedimientos para la generación de imágenes de difracción de electrones.

La distribución de intensidad típica para estructuras amorfas ha de denominarse también como dispersa. Cuando 45 aquí se trata de una mayoría de los granos existentes, los cuales muestran la estructura según la invención, entonces se alude con ello a una cantidad preponderante respecto a otros granos en la misma capa, preferentemente de más del 50%, de forma especialmente preferida de más del 70%, y de forma muy especialmente preferida de más del 90%.

50

Las imágenes de difracción de electrones de la estructura de granos, según la invención, en la capa de óxidos metálicos, se analizó respecto a los valores d (distancias interplanares), y resultó para la capa de óxidos metálicos según la invención, con una estructura cristalina desordenada de los granos, que aparecieron reflejos puntuales solo hasta un determinado valor d (dGRENZ), y para distancias interplanares d mayores (menor ángulo de dispersión) ya no fueron observados más reflejos puntuales, que estaban dispuestos sobre anillos, por encima de dGRENZ, sino una 55 distribución de intensidad de los electrones dispersos, como la que muestran las estructuras amorfas. En una comparación de los valores d obtenidos experimentalmente con los valores d a esperar (los cuales están tabulados a disposición para la unión respectiva, por ejemplo en el banco de datos ICSD), se constató que faltaban reflejos que debían presentar un valor d mayor que dGRENZ. En las imágenes de difracción de la estructura según la invención falta, por tanto, en las distancias interplanares mayores que dGRENZ, al menos un reflejo que debería encontrarse, o 60 bien esperarse en la estructura ordenada de la misma unión.

Una imagen de difracción como la que es típica para una estructura cristalina de una capa de óxido metálico de ese tipo, según la invención, se muestra en la figura 1 para una capa de óxido de aluminio. El valor d (dGRENZ) está registrado, y muestra que los reflejos puntuales están colocados en anillos, y solamente son observados para 65 valores d de d < c. En la imagen de difracción, el valor d se eleva hacia el centro de los anillos, o bien los reflejos en

forma de anillo.

La siguiente tabla 1 muestra los valores d determinados experimentalmente en comparación con los valores d esperados para el óxido de aluminio gamma. En este lado el valor dGRENZ era de 0,2 µm, y todos los reflejos con distancias interplanares > 0, 2 µm, que deberían aparecer para la estructura cristalina del óxido de aluminio gamma, 5 no fueron observados. El valor límite dGRENZ puede ser determinado exactamente con imágenes de difracción de microscopio electrónico, y con ello se posibilita el cuantificar el desorden de la estructura cristalina en la capa de óxido metálico. La prueba de que se trata realmente de una estructura con carencia de orden en los granos de la capa de óxido metálico se obtiene al aparecer reflejos puntuales en un rango de la imagen de difracción (d < dGRENZ), los cuales están ordenados en anillos, y por que en el campo de imagen complementario (d > dGRENZ) 10 aparece un perfil de intensidad como el que es típico para estructuras amorfas, y por que un grano suministra contribuciones de intensidad a ambas regiones de la imagen de difracción, proporcionalmente a su volumen de grano. Esto último se demostró a través de imágenes de campo oscuro en el TEM.

Tabla 1 15

Datos tabulados valores d determinados experimentalmente

hkl valores d [Å]

111 4,58 --- 20

220 2,81 ---

311 2,39 ---

222 2,29 ---

400 1,98 1,96

422 1,62 1,51 25

511 1,52 1,38

440 1,40 1,18

444 1,14 1,13

0,99

0,87 30

0,80

Las capas de óxidos metálicos, existente en el recubrimiento de la herramienta según la invención, posee una estructura novedosa, la cual puede acreditarse de la mejor forma mediante la difracción de electrones, preferentemente la microscopía de transmisión de electrones (TEM), pero también en combinación con la difracción 35 por rayos X (XRD). En la imagen de la difracción de electrones puede observarse que dentro de los granos característicos para la nueva estructura existe un desorden estructural, pero no obstante ha de estar presente algún tipo de orden de largo alcance, o bien de cristalinidad. La alternativamente novedosa estructura también puede demostrarse mediante una combinación de difracción por rayos X (XRD) y medición de dureza. La estructura novedosa muestra en la XRD pocos, pero amplios reflejos, y una intensidad muy elevada de la capa inferior. La 40 misma posee, respecto a una estructura puramente amorfa de la misma composición, una dureza claramente más elevada. No obstante, la estructura novedosa se define aquí, en relación con la reivindicación, a través de los datos de la difracción de electrones.

La definición de la capa de óxido metálico según la invención indicada aquí, bajo la referencia a los resultados de la 45 difracción de electrones, diferencia los granos de la capa de óxido metálico según la invención de las estructuras puramente cristalinas o policristalinas, de las estructuras amorfas, o bien de las estructuras con partes policristalinas en una matriz amorfa. Las imágenes de la difracción de electrones de la capa de óxido metálico según la invención, o bien de las estructuras de los granos en esa capa de óxido metálico, no se corresponden con ninguna de las estructuras citadas anteriormente, pero son probablemente lo más parecido a las estructuras con partes 50 policristalinas, en una matriz amorfa. Sin embargo, en las estructuras de ese tipo existen partes cristalinas incrustadas en zonas amorfas, o bien junto a zonas amorfas. Las imágenes de la difracción de electrones de las estructuras de ese tipo se diferencian de las imágenes de la difracción de electrones de las estructuras según la invención en los atributos característicos aquí descritos, de forma que para el experto es posible, de forma sencilla, una clara diferenciación. 55

Si que los inventores quieran con ello comprometerse con una teoría, la particularidad de la estructura, según la invención, tras los resultados de las imágenes de la difracción de electrones, hay que verla en que, los granos individuales muestran tanto los reflejos de la difracción de electrones, los cuales son típicos para estructuras cristalinas, como también aquellos que no son típicos para estructuras cristalinas. Esto está interpretado y definido 60 aquí como „desorden estructural“, en un grano que, por lo demás, aparece como cristalino.

Con las estructuras según la invención van acompañadas, de forma sorprendente, al menos dos propiedades ventajosas del recubrimiento del cuerpo base de substrato, y con ello del conjunto de la herramienta de corte. Se determinó que los recubrimientos con una capa de óxido metálico del tipo según la invención presentan una dureza 65 (dureza vickers) considerablemente más elevada que las capas cristalinas de óxido metálico, las cuales presentan la

misma o parecida composición y espesor, pero que no poseen el desorden estructural característico, o bien que no suministran los resultados característicos de difracción de electrones. En una forma de ejecución preferida de la invención, al menos una capa de óxido metálico presenta, respecto a una capa de óxido metálico puramente cristalina de la misma composición y espesor, una dureza vickers más elevada en un 10%, preferentemente en un 20%, más preferentemente en un 40%, y de forma especialmente preferida en un 70%. 5

A título de ejemplo, se midió, para una capa de cristales gruesos de óxido de aluminio (3 mm de espesor, no según la invención) precipitada mediante CVD, una dureza vickers de 1700 HV. Para la comparación se precipitó, mediante el procedimiento PVD de desalojo de átomos por magnetrón, una capa de óxido de aluminio del mismo espesor (3 mm), del tipo según la invención, y se determinó una dureza vickers de 2300 HV. En una capa de aluminio-óxido de 10 cromo, precipitada mediante el procedimiento PVD dual de desalojo de átomos por magnetrón, con una composición química mixta (70 at.-% Al y 30 at.-% Cr), del tipo según la invención, se midió una dureza Vickers de 3800 HV.

Las estructuras según la invención, que pueden diferenciarse claramente, en la imagen de la difracción de electrones, de las estructuras que no son según la invención, por lo demás con la misma composición química y el 15 mismo espesor de capa, muestran por tanto un claro incremento de la dureza, comparadas con las correspondientes estructuras cristalinas o cristalinas gruesas.

Si querer con ello comprometerse con una teoría, los inventores se explican el extraordinario aumento de la dureza de las capas según la invención respecto a las capas cristalinas, o bien respecto a las capas con cristales en una 20 matriz amorfa, según el estado de la técnica, por una modificación de la capacidad relativa de deslizamiento de los planos reticulares entre sí. La deformación plástica tiene lugar, en los sistemas cristalinos del tipo según la invención, a través de un deslizamiento de los planos reticulares cristalinos unos contra otros, siendo los planos reticulares, en estructuras compactadas lo más densamente posible, unos planos reticulares especialmente preferidos. Las disfunciones de las estructuras de red, a través de un fuerte desorden, dificultan el deslizamiento de 25 los planos reticulares, disminuyen por ello la capacidad de deformación, e incrementan con ello la dureza.

Además, las capas según la invención muestran, respecto a los sistemas puramente cristalinos, una menor conductibilidad térmica, lo cual puede traer consigo considerables ventajas para la duración de vida de las herramientas. A la vista de los resultados de la difracción de electrones, y de las mediciones XRD, los inventores se 30 explican la reducción de la conductibilidad térmica respecto a los sistemas puramente cristalinos en que el desorden estructural en los granos conduce a una dispersión incrementada de los fonones, debido a la reducción de las longitudes libres de recorrido en las estructuras alteradas. Las mediciones muestran que una capa de Al2O3 según la invención presenta una conductibilidad térmica específica en torno al 10% más reducida que una capa de Al2O3 de cristal grueso, que fue precipitada con el procedimiento CVD. De aquí, en una forma de ejecución preferida de la 35 invención, la capa de óxido metálico, al menos una, presenta una conductibilidad térmica más reducida en al menos un 5%, preferentemente en al menos un 10%, y de forma especialmente preferida en al menos un 15% respecto a una capa de óxido metálico puramente cristalina de la misma composición y espesor.

Siguen otras formas ventajosas de ejecución de la presente invención. 40

En una forma de ejecución de la invención, la capa de óxido metálico sigue conteniendo impurezas inevitables y/o residuos de la fabricación, preferentemente argón (Ar), nitrógeno (N2) y/o helio (He).

Los granos en la capa de óxido metálico poseen, de forma conveniente, tamaños medios de grano en el rango de 2 45 µm a 5000 µm, preferidos 5 µm a 2000 µm, más preferidos 10 µm a 1000 µm, especialmente preferidos 20 µm a 100 µm.

La capa de óxido metálico según la invención, al menos una, puede precipitarse con ventaja mediante el procedimiento dual PVD de desalojo de átomos por magnetrón, con los siguientes parámetros de deposición: 50

Temperatura del substrato de 300 a 800° C, preferentemente de 450 a 650° C, especialmente preferidos unos 550° C, tensión de polarización del substrato de -300 a 0 V, preferentemente unos -150 V, potencia de 5 a 50 kW, preferentemente unos 20 kW.

55

El flujo de oxígeno es de 50 a 300 sccm, preferentemente 150 sccm, con 0,2 a 0,6 Pa de gas Ar. En otra forma de ejecución de la invención, el espesor de capa de óxido metálico, al menos una, se sitúa en el rango de 0,2 a 20 µm, preferentemente en el rango de 0,5 a 10 µm, de forma especialmente preferida en el rango de 1 a 5 µm.

La capa de óxido metálico según la invención, al menos una, se fabrica preferentemente mediante procedimientos 60 PVD, de forma especialmente preferida mediante desalojo de átomos por magnetrón de impulsos de alta potencia (HIPIMS), desalojo reactivo de átomos por magnetrón (rMS), vaporización por arco voltaico (Arc-PVD), plaqueado con iones, vaporización por chorro de electrones y ablación por láser. En un recubrimiento multicapas según la invención, el recubrimiento contiene, junto a la capa de óxido metálico, al menos una, otras capas, elegidas entre carburos, nitruros, óxidos, carbonitruros, oxinitruros, oxicarburos oxicarbonitruros, boruros, boronitruros, 65 borocarburos, borocarbonitruros, borooxinitruros, borooxocarburos, borooxocarbonitruros, y oxoboronitruros de los

elementos de los grupos IVa a VIIa del sistema periódico y/o del aluminio y/o del silicio, incluidas fases metálicas mixtas, así como mezclas de fases de los compuestos citados.

En otra forma de ejecución de la invención, el cuerpo del substrato está fabricado de metal duro, cermet, acero o acero rápido (HSS). 5

Métodos de medición

1. Difracción de electrones (TEM)

Si aquí se hace referencia a pruebas de difracción de electrones, éstas son mediciones TEM, las cuales fueron 10 realizadas con las siguientes condiciones, parámetros de medición, aparatos, etc.

Microscopio electrónico de transmisión:

a) Zeiss 912 Omega Quelle LaB6

Rango fino de apertura para difracción de electrones: 750 µm, 15

o bien

b) Jeol 2000FXII Quelle LaB6

Rango fino de apertura para difracción de electrones: 200 µm

Preparación de la prueba: paralela a la superficie 20

De un cuerpo de substrato recubierto se fabrica una prueba de 300 mm de grosor, con el recubrimiento precipitado paralelo a la superficie del substrato, se afina hasta 100 mm, se corta a medida mediante una corona ultrasónica de taladrado, y se pega sobre el lado del recubrimiento en un portaherramientas de rectificado. A continuación se afina manualmente la prueba, mediante rectificado sobre una lámina diamantada con distinto granaje (50 mm, 25 mm, 9 mm y 3 mm) por el lado del substrato, hasta los 20 mm. A continuación se pega un anillo de Al, y la prueba se graba 25 iónicamente y se afina con iones de argón sobre el lado del substrato, en la instalación de grabado (Baltec RES 100), con 4kV a 25mA, hasta que sea transparente a los electrones.

Preparación de la prueba: sección transversal

De un cuerpo de substrato recubierto se fabrica una prueba con 1 mm de grosor residual, con el recubrimiento 30 precipitado, mediante la separación del material del substrato paralelamente a la superficie del mismo. Dos de los trozos residuales de 1 mm de grosor se pegan sobre las superficies (lados exteriores del recubrimiento; face to face), se asierra una tira del sandwich, y se embute la tira en un tubito. El tubito se asierra en lonchitas, las lonchitas se pulen por ambos lados con una lámina diamantada, y ambos lados se ahondan. Por ambos lados se graban con la instalación de grabado iónico PIPS con 4kV a 25 mA. 35

2. XRD

Cuando aquí se hace referencia a mediciones XRD, las mismas se han realizado con las siguientes condiciones, parámetros de medición, aparatos, etc.

40

Las mediciones XRD se realizaron en un microdefractómetro de la empresa Bruker, con la utilización de una fuente de radiación con un cátodo de cobalto, una tensión de ánodo de 30kV, una corriente de ánodo de 30mA, un monocromador primario de grafito (para que de la fuente solamente se utilice la radiación de Co-Kα). El detector era un Bruker XAS D8-GADDS Discovery Detector. El rayo X se focalizó con un monocapilar hasta un diámetro de 300 µm. Geometría de medición: incidencia radiante (ángulo de incidencia constante, el ángulo de Bragg fue variado). 45

3. Determinación de la dureza Vickers

Cuando aquí se hace referencia a mediciones de dureza Vickers, las mismas se han realizado con las siguientes condiciones, parámetros de medición, aparatos, etc.

50

Las mediciones de dureza se realizaron con un Fischerscope@H100 (Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen, Deutschland) con una carga de prueba de 15 mN y una duración de carga de 1 min (índice de carga = 15 mN/min). Como punta de prueba se utilizó una pirámide de Vickers. La resolución de la profundidad de penetración era de 62µm, y la resolución de la carga era de 60.04mN. Antes de la medición se pulió y se desmagnetizó la prueba, debido a la rugosidad de la superficie. 55

4. Determinación de la conductibilidad térmica

Cuando aquí se hace referencia a mediciones de conductibilidad térmica, las mismas se han realizado con las siguientes condiciones, parámetros de medición, aparatos, etc.

60

Para la medición de la conductibilidad térmica se calienta homogéneamente a una temperatura de 81ºC un substrato con un recubrimiento, exactamente en una de las superficies. A continuación se interrumpe el calentamiento, y el substrato es apoyado, con el lado recubierto, sobre un trozo grande de metal que sea buen conductor de la temperatura. El substrato sirve, en esta medición, como almacén de calor. El trozo grande de metal, que es buen conductor de la temperatura, sirve como baño de calor con una temperatura aproximadamente constante, la cual 65 está situada por debajo de la temperatura de calentamiento del substrato, preferentemente a temperatura ambiente.

A través de recubrimiento fluye una corriente térmica desde el almacén de calor hacia el baño de calor, a través de lo cual el substrato se enfría. El valor de medición es la temperatura del substrato sobre el lado opuesto al recubrimiento del substrato, como función del tiempo. De la curva de enfriamiento se determina la constante específica de conductibilidad. El experimento se realiza bajo las mismas condiciones para las distintas capas a comparar. 5

El novedoso recubrimiento de la presente invención inaugura un amplio espectro en posibilidades para la mejora y/o adaptación de la resistencia al desgaste, de las duraciones de vida y/o de las propiedades del corte de las herramientas de corte.

10

La resistencia al desgaste, la estabilidad, y las propiedades del corte de un recubrimiento sobre una herramienta de corte depende de diversos factores, como por ejemplo el material del cuerpo base, la secuencia, tipo y composición de las capas presentes en el recubrimiento, el espesor de las diversas capas, y no por último el tipo de la operación de corte realizada con la herramienta de corte. Para una misma herramienta de corte pueden resultar distintas resistencias al desgaste en dependencia del tipo de pieza a mecanizar, del procedimiento respectivo de 15 mecanizado, y de las otras condiciones durante el mecanizado, como por ejemplo el desarrollo de altas temperaturas, o bien la utilización de líquidos corrosivos. Además, se distingue entre distintos tipos de desgaste, los cuales, según el proceso de mecanizado, pueden influir más o menos fuertemente en el tiempo de utilización de una herramienta, es decir, en su duración de vida. De aquí, el desarrollo y mejora de las herramientas de corte ha de considerarse siempre teniendo en cuenta qué propiedades de las herramientas han de mejorarse y valorarse bajo 20 condiciones comparables respecto al estado de la técnica.

Una propiedad esencial de las herramientas de corte, la cual se mejora mediante el recubrimiento según la invención respecto al estado de la técnica, con recubrimientos de los mismos materiales, es la dureza de un recubrimiento de ese tipo. La dureza claramente más elevada del recubrimiento según la invención se atribuye a las propiedades 25 estructurales singulares que existen en el recubrimiento según la invención, según las mediciones TEM.

La reducción de la conductibilidad térmica de la capa de óxido de metal, y con ello normalmente también del conjunto del recubrimiento, alcanzada sorprendentemente en los recubrimientos según la invención, actúa de forma muy positiva en la utilización de las herramientas de corte de ese tipo en la mecanización de materiales y de 30 materiales compuestos. La conductibilidad térmica reducida conduce a una mayor resistencia al termochoque, y con ello a una mayor resistencia al desgarro en forma de peine.

Se entiende por sí mismo que todas las características individuales que se han descrito aquí para las distintas formas de ejecución según la invención, y siempre que esto sea técnicamente razonable y posible, son combinables 35 con las otras características normales descritas de formas de ejecución según la invención, y que las combinaciones de ese tipo han de ser observadas como publicadas en el marco de esta descripción. Se prescinde aquí de una denominación de todas las combinaciones posibles solamente por motivos de una mejor legibilidad.

Otras ventajas, características y formas de ejecución de la presente invención se explican según los ejemplos 40 siguientes.

Ejemplos

En una instalación de recubrimiento por PVD (Flexicoat; Hauzer Techno Coating BV, Venlo, Niederlande), se dotó a unos substratos de metal duro, mediante un procedimiento de desalojo dual de átomos por magnetrón, con un 45 recubrimiento de una capa. La geometría del substrato fue SEHW120408, o bien ADMT160608-F56 (según DIN-ISO 1832). Antes de la precipitación de la capa se evacuó la instalación hasta 1x10~5 mbar, y se limpió la superficie de metal duro mediante grabado con iones de argón, con una tensión previa de 170 V.

Ejemplo 1 50

Óxido metálico: Al203

■ Procedimiento PVD: desalojo dual de átomos por magnetrón

■ Blanco: blanco rectangular de AI (81 cm x 16 cm)

■ Precipitación: temperatura de substrato = 550°C, 55

Tensión de polarización del substrato: -150 V (DC pulsado 100 kHz, 2 jxs Off-Time); Potencia: 20 kW

Flujo de oxígeno: 150 sccm con 0,6 Pa Ar-Gas; espesor de capa: 2,1 µm

Ejemplo comparativo 1

60

Óxido metálico: Al203

■ Procedimiento PVD: desalojo de átomos por magnetrón individual

■ Blanco: blanco rectangular de AI (81 cm x 16 cm)

■ Precipitación: temperatura de substrato = 550°C, Tensión de polarización del substrato: -10 V; Potencia: 10 kW 65

Flujo de oxígeno: 150 sccm con 0,6 Pa Ar-Gas; espesor de capa: 1,9 µm

Ejemplo 2

Óxido metálico: (Al,Cr)203

■ Procedimiento PVD: desalojo de átomos por magnetrón dual 5

■ Blanco: AI/Cr-(70/30 At.-%)- blanco rectangular (81 cm x 16 cm)

■ Precipitación: temperatura de substrato = 550°C, Tensión de polarización del substrato: -100 Volt (DC pulsado 70 kHz, 4 jxs Off-Time); Potencia: 20 kW

Flujo de oxígeno: 150 sccm con 0,2 Pa Ar-Gas; espesor de capa: 3,3 µm

10

Ejemplo comparativo 2

Óxido metálico: (Al,Cr)203

■ Procedimiento PVD: vaporización por arco voltaico

■ Blanco: AI/Cr-(70/30 At.-%)-fuente redonda (diámetro 16 cm) 15

■ Precipitación: temperatura de substrato = 550°C; Corriente de vaporización: 2 x 160 A; Tensión de polarización bias: -60 V (bipolar);

Flujo de oxígeno: 500 sccm (sin Ar-Gas) espesor de capa: 2,5 µm

Los resultados de las mediciones TEM mostraron que las capas de Al203- y (AI, Cr)203 según los ejemplos 1 y 2 20 presentaron la estructura según la invención, en la cual dentro de una mayoría de los granos presentes existe un desorden estructural, pero, no obstante, está presente un tipo de orden de largo alcance, o bien de cristalinidad. Las capas muestran además en el XRD pocos reflejos, pero anchos, y una gran intensidad del fondo.

Al contrario a esto, los resultados de las mediciones TEM y XRD mostraron aún que la capa de Al203 según el ejemplo comparativo 1 era completamente amorfa, y que la capa de (AI, Cr)203 según el ejemplo de comparación 2 25 era cristalina.

Las determinaciones de la dureza Vickers de las capas, según los ejemplos y los ejemplos comparativos, mostraron que las estructuras según la invención poseen una dureza significativamente más alta respecto a las estructuras amorfas de la misma composición (véase la tabla 2).

30

Tabla 2: determinación de las durezas Vickers

Dureza Vickers [HV]

Ejemplo 1: 2720 HV

Ejemplo comparativo 1: 1064 HV 35

Ejemplo 2: 3800 HV

Ejemplo comparativo 2: 2500 HV

Conductibilidad térmica 40

Según el método descrito anteriormente, se comparó, teniendo en cuenta el grosor de la capa, la conductibilidad térmica del recubrimiento de Al2O3, según el ejemplo 1, con un recubrimiento de α-Al2O3 de grano grueso, precipitado con un procedimiento CVD (espesor de la capa : 5 mm). La conductibilidad térmica del recubrimiento de Al2O3 del ejemplo 1 según la invención fué de aproximadamente un 10 % menor a la del recubrimiento precipitado con el procedimiento CVD. 45

Pruebas de fresado

En las pruebas de fresado en una pieza de acero 42CrMoV4 (1.7226; tenacidad: 850 MPa) se observaron las herramientas de corte de los ejemplos y de los ejemplos comparativos. En esas pruebas se fresó en el mismo sentido, sin lubricante refrigerante, con una velocidad de corte de vc = 235 m/min, un avance por diente de fz = 0,2 50 mm, y una profundidad de corte de 3 mm. El diámetro de la herramienta fué de 125 mm, la anchura de corte era de 98 mm, el solapamiento fué de 5 mm, el ángulo de incidencia kappa fué de 45º, y el ángulo de desprendimiento de 0º. El desgaste se midió sobre la superficie libre como la media VB de la anchura de la marca de desgaste en mm (en el filo principal), tras recorridos de fresado de 800 mm, 1600 mm, 2400 mm, 3200 mm, 4000 mm y 4800 mm. Se determinaron las siguientes anchuras de las marcas de fresado VBmax (tabla 3): 55

Tabla 3: pruebas de fresado

Recorrido [mm] Anchura de marcas de fresado VBmax[mm]

Ejemplo1 Ejemplo comparativo 1 60

800 0,02 0,03

1600 0,03 0,05

2400 0,03 0,06

3200 0,04 0,09

4000 0,06 0,12 65

4800 0,08 0,13

Claims

REIVINDICACIONES

1. Herramienta de corte con un cuerpo base de substrato de metal duro, Cermet, acero, o acero rápido (HSS), y un recubrimiento de una o varias capas aplicado sobre el mismo, siendo una capa del recubrimiento al menos una capa de óxido metálico producida en un procedimiento PVD, la cual contiene granos de óxido de aluminio, o de óxido de 5 aluminio y cromo, o bien está compuesta de los mismos, y la capa de óxido metálico presenta una estructura en la que en el interior de una mayoría de los granos existentes se dan desordenes estructurales que están caracterizados por que en las imágenes de la difracción de electrones de los granos aparecen reflejos puntuales hasta una distancia interplanar dGRENZ de 0,2 µm, y para distancias interplanares mayores que dGRENZ no aparecen reflejos puntuales, sino una distribución de intensidad típica para estructuras amorfas, y eligiéndose en un 10 recubrimiento de varias capas, junto a la capa de óxido metálico, al menos una, entre carburos, nitruros, óxidos, carbonitruros, oxinitruros, oxicarburos oxicarbonitruros, boruros, boronitruros, borocarburos, borocarbonitruros, borooxinitruros, borooxocarburos, borooxocarbonitruros, y oxoboronitruros de los elementos de los grupos IVa a VIIa del sistema periódico y/o del aluminio y/o del silicio, incluidas fases metálicas mixtas, así como mezclas de fases de los compuestos citados. 15
2. Herramienta de corte según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la capa de óxido metálico, al menos una, presenta una conductibilidad térmica más reducida en al menos un 5%, preferentemente en al menos un 10%, y de forma especialmente preferida en al menos un 15% respecto a una capa de óxido metálico puramente cristalina de la misma composición y espesor. 20
3. Herramienta de corte según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la capa de óxido metálico, al menos una, presenta respecto a una capa de óxido metálico puramente cristalina de la misma composición y espesor, una dureza vickers más elevada en un 10%, preferentemente en un 20%, más preferentemente en un 40%, y de forma especialmente preferida en un 70%. 25
4. Herramienta de corte según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la capa de óxido metálico sigue conteniendo impurezas inevitables y/o residuos de la fabricación, preferentemente argón (Ar), nitrógeno (N2) y/o helio (He).

30
5. Herramienta de corte según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que los granos en la capa de óxido metálico poseen, tamaños medios de grano en el rango de 2 µm a 5000 µm, preferidos 5 µm a 2000 µm, más preferidos 10 µm a 1000 µm, especialmente preferidos 20 µm a 100 µm.
6. Herramienta de corte según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que el espesor de la 35 capa de óxido metálico, al menos una, está situado en el rango de 0,2 a 20 µm, preferentemente en el rango de 0,5 a 10 µm, y de forma especialmente preferida en el rango de 1 a 5 µm.