ITPC990009A1 - Rivestimento per utensili, stampi o simili atto a aumentere la resistenza all'usura, ed utensili e stampi rivestiti con detto rivestimento - Google Patents

Description

RIVESTIMENTO PER UTENSILI, STAMPI O SIMILI ATTO AD AUMENTARNE LA RESISTENZA ALL’USURA, ED UTENSILI E STAMPI RIVESTITI CON DETTO RIVESTIMENTO

La presente invenzione propone un rivestimento in grado di aumentare notevolmente la resistenza all’usura di utensili, stampi e simili, in particolare utensili e stampi soggetti ad usura per sfregamento.

Caratteristica del rivestimento secondo l’invenzione, è quella di comprendere nitruro di cromo in unione ad un secondo componente scelto fra nitruro di niobio e nitruro di tantalio, in particolare di comprendere una pluralità di strati alternati di questi due materiali.

L’invenzione riguarda anche il metodo per l'applicazione di detto rivestimento, che prevede l'utilizzazione della tecnologia ad arco.

E’ noto l’uso di rivestimenti in materiali duri per migliorare le proprietà meccaniche superficiali di utensili, stampi o simili senza modificarne le dimensioni o la massa.

A questo scopo sono noti diversi tipi di rivestimenti, che prevedono l’impiego di nitruro di titanio, nitruro di alluminio, nitruro di cromo o altri materiali di elevata durezza e resistenza, i quali vengono applicati sulla superficie degli utensili in strati dello spessore di pochi micron, per aumentarne la resistenza all’usura o alla corrosione, oppure, a volte, semplicemente allo scopo di migliorare l’estetica del prodotto.

Ad esempio il nitruro di cromo viene utilizzato ove si presentar

di usura di tipo corrosivo come nello stampaggio delle materie plastiche o nel settore alimentare, oppure problemi di usura dovuta alle caratteristiche di adesione del materiale, come avviene nello stampaggio di materiali ferrosi.

A fronte di buone caratteristiche anticorrosive e di un basso coefficiente di attrito, il nitruro di cromo ha però una durezza poco elevata, che ne limita l'impiego laddove si presentano forti problemi di usura.

Per migliorare le proprietà meccaniche di alcuni tipi di rivestimenti, sono stati realizzati in epoca recente rivestimenti multistrato, che prevedono ad esempio l’uso di strati di nitruro di titanio e nitruro di cromo, ciascuno dello spessore di circa 0,5 micron, ottenendo rivestimenti con una durezza ed una tenacità migliorate.

Quello della tenacità del materiale è un altro aspetto molto importante, poiché è la tenacità del materiale che influisce direttamente sulla durata del rivestimento, che contrasta la propagazione delle cricche, dalle quali si origina poi la rottura.

In un metallo la tenacità è funzione della struttura del materiale e della dimensione dei grani. La propagazione delle cricche avviene ai bordi dei grani, ove la struttura è meno resistente e, per questo, una struttura fine ha una tenacia maggiore rispetto ad una struttura a grani grossi.

Ne deriva che in un rivestimento multistrato le dimensioni dei grani sono inferiori rispetto a quelle dei singoli componenti, per la presenza della interfaccia tra i singoli strati la quale impedisce la propagazione della cricca.

Sulla base di queste considerazioni la richiedente ha allora svolto approfondite ricerche e numerose sperimentazioni, per sviluppare un rivestimento in grado di migliorare notevolmente le caratteristiche di resistenza all’usura degli utensili.

Gli studi effettuati hanno permesso di constatare che i risultati cercati si ottengono con un rivestimento costituito da una pluralità di strati alternati di nitruro di cromo e in unione un secondo componente scelto fra nitruro di niobio e nitruro di tantalio.

Il rivestimento può anche comprendere una percentuale di questi metalli (cromo, niobio e/o tantalio) puri, con un contenuto atomico di cromo che può variare dal 50% all’80%.

Le prove effettuate hanno permesso di rilevare che il rivestimento oggetto dell’invenzione consente di ottenere una durezza molto superiore ai rivestimenti noti, e quindi una migliore resistenza all’usura, oltre ad assicurare un migliore funzionamento dell’utensile o dello stampo.

Conformemente con un aspetto dell'invenzione, il rivestimento viene applicato utilizzando la tecnologia ad arco, facendo evaporare le sorgenti metalliche attraverso un arco elettrico.

La presente invenzione sarà ora descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure allegate in cui:

« la figura 1 illustra schematicamente un apparato per l’applicazione del rivestimento secondo l’invenzione;

• la figura 2 è un grafico che mostra la durezza del rivestimento in funzione delio spessore degli strati che lo compongono.

Il rivestimento secondo l’invenzione è costituito, come detto in precedenza, da una serie di strati alternati di nitruro di cromo e di un secondo componente scelto fra nitruro di niobio e nitruro di tantalio, il rivestimento può anche comprendere una certa quantità di questi metalli puri, con un contenuto atomico complessivo di cromo che può variare ad 50% a 80%.

In sostanza, il rivestimento secondo l’invenzione potrà avere le seguenti formulazioni:

• CrN+NbN; (I)

• CrN+Cr+NbN+Nb; (II)

• CrN+TaN; (III)

• CrN+Cr+TaN+Ta, (IV)

in cui 0,5<Cr<0,8

Sono state effettuate prove approfondite applicando questi materiali in una gamma di spessori molto ampia, e queste prove hanno permesso di rilevare che i risultati migliori si ottengono con periodi (per periodo si intende lo spessore totale di due strati di rivestimento) dell’ordine di qualche decina di Angstrom (10<-4 >micron).

In particolare, come si può rilevare dal grafico di figura 2, Il risultato migliore sì ottiene per periodi compresi fra 30 e 50 Angstrom, con un massimo per valori di poco superiori a 40 Angstrom, ove si raggiunge una durezza di 2900 HV.

La deposizione è stata effettuata con la tecnologia ad arco, comunemente ritenuta poco adatta a questo tipo di applicazioni, per le quali si ricorre attualmente alla tecnologìa “magnetron”, molto più complessa e costosa. Contrariamente alle aspettative, invece, la deposizione del rivestimento con la tecnologia ad arco ha fornito ottimi risultati.

L’apparato utilizzato è costituito dalla camera 1 , con apparati atti a creare e mantenere al suo interno un elevato grado di vuoto, e da tre o più sorgenti di materiale metallico 2, alimentate da stazioni di potenza di tipo noto non illustrate in figura.

La camera è coliegata ad apparati di tipo noto per alimentare un gas (argon o azoto) e sul fondo è prevista una tavola rotante 3 sulla, quale vengono deposti i pezzi 4 da rivestire.

Il rivestimento avviene facendo evaporare le sorgenti metalliche tramite un arco elettrico di forte intensità e bassa tensione e introducendo contemporaneamente nella camera una certa quantità di gas.

Una volta caricata negativamente la tavola, gii atomi evaporati vengono attratti verso il pezzo.

Durante il loro percorso si legano con atomi di azoto di modo che sul pezzo si depone uno strato di nitruro di cròmo oppure uno strato di nitruro di niobio o di tantalio, a seconda della sorgente metallica utilizzata.

Lo spessore degli strati viene quindi regolato controllando l’evaporazione delle sorgenti metalliche, il flusso dei gas e la velocità di rotazione della tavola.

Dalle misure di corrosione e di resistenza all’ossidazione fatte sul rivestimento secondo l’invenzione, risulta che questo oltre ad avere una durezza molto superiore ai rivestimenti noti (2900 HV contro i 2200 HV dei rivestimento al nitruro di cromo) presenta una resistenza alla corrosione più elevata e, soprattutto, incomincia ad ossidare a 900°.

Ne consegue che il rivestimento secondo l’invenzione risulta anche particolarmente adatto nello stampaggio a caldo e nella pressofusione Risultati ancora migliori si sono poi conseguiti nelle prove di imbutitura, che hanno permesso di appurare che un punzone con il rivestimento secondo l’invenzione è in grado di lavorare un numero di pezzi più che doppio rispetto ai punzoni con rivestimento in nitruro dì titanio che, attualmente, sono quelli maggiormente utilizzati in questo genere di applicazioni.

Si ritiene che queste caratteristiche siano dovute al fatto che il rivestimento secondo l’invenzione diminuisce notevolmente i problemi di incollaggio che compromettono la vita dei punzoni non rivestiti,

Dai risultati delle prove effettuate, si è infatti potuto rilevare che il rivestimento presenta il minore coefficiente di attrito per cristalli con orientazione 2 2 0.

Il rivestimento secondo l'invenzione, a fronte di un costo spesso inferiore ai rivestimenti noti applicati con diverse tecnologie, permette di ottenere prestazioni notevolmente superiori.

Inoltre il fatto di poter depositare a temperature inferiori a 300 °C, permette di trattare qualsiasi tipo di acciaio senza il rischio che questo rinvenga.

Il rivestimento secondo l’invenzione risulta perciò particolarmente adatto anche al trattamento di acciai super rapidi o altri acciai trattati utilizzati nella produzione di utensili, senza influire minimamente sui trattamenti effettuati in precedenza.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere diverse modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi tutte comprese nell’ambito del presente trovato.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1) Rivestimento per utensili, stampi o simili atto a migliorarne la resistenza all’usura, caratterizzato dal fatto di essere costituito e da nitruro di cromo in unione ad un secondo componente scelto fra nitruro di niobio e nitruro di tantalio.
2. 2) Rivestimento per utensili e stampi atto ad aumentarne la resistenza all’usura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere costituito da una pluralità di strati alternati di nitruro di cromo di un secondo componente scelto fra nitruro di niobio e nitruro di tantalio.
3. 3) Rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto di. comprendere anche una certa quantità di cromo e niobio o tantalio puri.
4. 4) Rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il contenuto atomico di cromo è compreso fra 50% e 80%.
5. 5) Rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che lo spessore totale di due strati adiacenti è compreso tra circa 30 Angstrom e circa 50 Angstrom, preferibilmente fra 30 Angstrom e 50 Angstrom.
6. 6) Rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i cristalli di detti strati hanno una orientazione 2,2,0.
7. 7) Rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere realizzato mediante deposizione ad arco.
8. 8) Utensili caratterizzati dal fatto di presentare un rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti.
9. 9) Stampi caratterizzati dal fatto di presentare un rivestimento secondo ciascuna delle rivendicazioni da 1 a 8.