PT1370712E - Componente estrutural revestido com um material duro e compreendendo uma camada intermédia para melhorar a robustez adesiva do revestimento - Google Patents
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Description
1
Descrição "Componente estrutural revestido com um material duro e compreendendo uma camada intermédia para melhorar a robustez adesiva do revestimento" A presente invenção refere-se a um componente estrutural feito de um material metálico ou cerâmico e que apresenta um revestimento de material duro de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, assim como a um processo para a aplicação deste revestimento de acordo com a reivindicação 13.
Os componentes estruturais que são sujeitos a elevadas cargas, em particular provocadas pelo desgaste, podem ser protegidos por um revestimento de material duro. Em particular as reacçoes triboquímicas e termoquímicas entre os materiais da peça de trabalho e a ferramenta têm que ser amplamente evitadas de modo a que as boas propriedades mecânicas e térmicas do material possam ser totalmente exploradas. Já é por isso do conhecimento melhorar a resistência ao desgaste de, por exemplo, ferramentas de corte de metal por meio de um revestimento de material duro. Os revestimentos são aplicados não somente a ferramentas feitas de metal para remoção de metal, em particular aço de alta velocidade (HSS) ou metal duro (HM), mas também a ferramentas feitas de materiais cerâmicos, tais como, por exemplo, lâminas de corte de nitrato de silício. 0 desgaste pode também ser reduzido por um revestimento de material duro no caso de ferramentas de formação metálicas. 2
Espessuras de camada dentro da gama dos micrómetros são geralmente suficientes para os melhoramentos desejados da propriedade, em particular no caso de ferramentas de corte metálicas. Tais camadas podem ser depositadas, por exemplo, da fase gasosa pelos processos PVD, CVD ou plasma CVD. Dependendo do material, são possíveis por estes meios espessuras de camada, de uma camada, menores do que 1 pm a acima de 20 pm.
Os processos indicados permitem que não sejam somente depositadas monocamadas de um material. São possíveis várias 'i variantes no que se refere ambos ao número de materiais que podem ser combinados em conjunto na sequência da camada, e ao número de camadas. Acima de tudo, quando são utilizadas ferramentas de corte metálicas, são de preferência utilizados os materiais para a camada à base de titânio, tais como, por exemplo, nitrato de titânio,' carboneto de titânio, óxido de titânio, nitrato de carbono titanizado, assim como camadas de uma ou mais modificações de óxido de alumínio.
As diferenças na expansão térmica entre o material do substrato e o material da camada, assim como diferentes materiais de camada no caso de um revestimento que compreende várias camadas, podem dar origem a elevadas tensões. Em particular com uma espessura de revestimento cada vez maior a tensão aumenta, e como consequência existe o risco de descamação do revestimento.
De modo a melhorar a robustez da adesão do revestimento é do conhecimento, por exemplo da DE 36 08 734 Cl, no caso de inserções indexáveis cerâmicas revestidas, depositar uma 3 camada intermédia de diõxido de silício no corpo base feito de materiais cerâmicos sinterizados que se encontra munido com uma camada cerâmica de desgaste. Esta técnica anterior, deverá ser notado, refere-se somente a revestimento com uma camada.
Da WO 00/52225 é conhecida uma ferramenta de corte revestida, na qual se.' encontra entre pelo menos duas camadas depositadas por vapor uma camada intermédia mais fina. Esta pode ser constituída pelo mesmo ou um outro material tal como as outras camadas.
Na WO 00/68453 é descrito um processo para o revestimento de ferramentas com materiais resistentes ao desgaste. 0 revestimento é constituído por espinelas de alumínio nanocristalinas.' A US 4.501.786 A refere-se a um melhoramento da adesão de camadas de desgaste oxidas sobre substratos de metal duro ou carbonetos cimentados.
Para melhoramento da adesão entre uma camada TiC e um revestimento de óxido é proposta uma camada de ligação de um carboneto ou carboneto óxido.
Nos pedidos de patente EP 0947607 A2 e WO 99/29920 são descritos revestimentos para ferramentas de corte que são constituídos por uma sequência de camadas de diferentes composições. O efeito técnico é o melhoramento da dureza assim como da duração de vida da ferramenta. O objecto da presente invenção é o de aumentar a robustez da adesão das camadas de materiais duros no material 4 substrato de um componente estrutural feito de um material metálico cerâmico assim como aquela entre as camadas.
Este objectivo é alcançado no componente estrutural de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 com a ajuda das caracterlsticas particulares da mesma. Na reivindicação 13 é reivindicado o processo de acordo com a invenção para a produção destes .componentes estruturais. As formas de realização vantajosas são reivindicadas nas reivindicações secundárias. 0 componente estrutural de acordo com a invenção que apresenta o revestimento caracteriza-se por pelo menos entre duas camadas do revestimento se encontrar proporcionada uma camada intermédia que compreende predominantemente ou exclusivamente um componente material de um elemento do quarto para o oitavo grupo secundário do quarto e quinto período da tabela periódica. 0 número de camadas intermédias corresponde ao número de camadas dos revestimentos. Quanto mais espesso for um revestimento e maior o número de camadas necessárias para formar uma camada, mais vantajoso é o proporcionamento de camadas intermédias.
Em particular os elementos do oitavo grupo secundário do quarto período são apropriados para a formação de uma camada intermédia. Por exemplo, no caso de camadas com base em titanio, a robustez da adesão é de preferência aumentada por camadas intermédias que compreendem o material componente do elemento cobalto.
Um revestimento de material duro é aplicado de modo conhecido pelos processos PVD, CVD ou plasma CVD da fase 5 gasosa. A camada intermédia de acordo com a invenção ê do mesmo modo depositada da fase gasosa. Para este efeito, o elemento da camada intermédia ê do mesmo modo convertido para a fase gasosa. Se, por exemplo, uma camada à base de titânio tal como Ti(C,N) for formada pelo processo CVD da fase gasosa, o corpo pressionado pode ser introduzido no reactor de modo a formar uma camada intermédia com base no material metálico. A deposição de uma camada, por exemplo à base de titânio, tem lugar de preferência a uma temperatura de aproximadamente 1.000°C e a uma pressão ligeiramente abaixo da pressão atmosférica. Sob estas condições o metal permanece na fase gasosa e não é depositado como um material de camada. Somente quando a pressão é reduzida é que a camada intermédia é formada com o componente de material metálico. Esta camada intermédia pode, dependendo dos parâmetros ajustados durante o revestimento, ou da quantidade disponível do componente de material metálico, ser realizada como uma camada coesiva ou estar presente na forma de zonas intersticiais. Se o fornecimento do componente de material metálico tiver terminado, ou se a pressão for novamente aumentada para o nível anterior, a camada intermédia pára também de se formar. Estas camadas intermédias são mais finas do que as outras camadas e apresentam uma espessura de aproximadamente 0,05 pm a aproximadamente 5 pm. As tensões dentro do revestimentos são reduzidas por uma camada intermédia, diminuindo deste modo substancialmehte o risco de descamação.
As camadas apresentam geralmente uma composição tal como aquelas que surgem de acordo com os processos de revestimento 6 conhecidos. Os revestimentos à base de titânio compreendem geralmente os seguintes compostos: TiN, Ti(C,N), TiC, TiO, TiON e TiCON.
Os revestimentos podem, contudo, também compreender pelo menos uma das modificações de óxido de alumínio. O revestimento pode ser monofase, quer dizer, ser constituído por um só material. O revestimento pode também ser multifase, quer dizer, pode consistir numa sequência alterna de camadas de diferentes materiais, por exemplo â base de titânio e óxido de alumínio. Um tal revestimento compreendendo várias camadas pode apresentar uma espessura de até 60 ym e mais.
Um tal revestimento, também conhecido como revestimento de várias camadas pode, por exemplo, ser formado tal como se segue: uma ou mais camadas à base de titânio, uma camada de óxido de alumínio ha modificação α e/ou κ e opcionalmente uma ou mais camadas de cobertura à base de titânio, em que pelo menos entre duas camadas à base de titânio se encontra proporcionada uma camada intermédia.
Cada uma das camadas, excepto a camada intermédia, pode, dependendo do material utilizado, apresentar uma espessura de aproximadamente 10 μπί, por exemplo no caso de uma camada à base de titânio, até aproximadamente 20 ym, por exemplo no caso de uma camada de óxido de alumínio, de modo que podem ser obtidas espessuras de camada de acima de 60 ym. De modo a garantir a robustez da adesão do revestimento, por exemplo de uma tal espessura, é necessária pelo menos uma camada intermédia entre as camadas à base de titânio. 7 A invenção faculta vantajosamente a possibilidade de proporcionar qualquer material substrato, o material base da ferramenta, seja ele aço de alta velocidade, metal duro ou também materiais cerâmicos tal como, por exemplo, nitrato de silício SiAlON, nitrato de alumínio ou à base de Al2 03, com um revestimento que adere bem e reduz substancialmente o desgaste. Aqui, o material substrato pode ser seleccionado de acordo com as características desejadas. A invenção é explicada pormenorizadamente tomando como referência o exemplo de forma de realização. 0 exemplo de forma de realização mostra uma representação esquemática dé um corte micrótomo através de um componente estrutural revestido 1 feito de nitrato de silício, Si3 N4. Sobre o material base 2 do componente estrutural 1, sobre o substrato que apresenta os interstícios claros que compreendem os apoios de sinterização necessitados pela produção, encontra-se localizado um revestimento 3 que compreende varias camadas, um revestimento de várias camadas. O revestimento 3 é formado no presente exemplo de forma de realização de quatro camadas individuais de diferentes espessuras.
No substrato 2 segue-se uma camada 4 à base de titânio, compreendendo no presente exemplo de forma de realização Ti(C,N). Durante o processo de revestimento, conforme as camadas â base de titânio são formadas, tem lugar as seguintes reacções químicas conhecidas: TiCl4 + M N2 + 2H2 = TiN + 4HC1, TÍC14 + CH4 = TiC + 4HC1 e - TiCl4 + CH4 + % N2 = Ti (C,N) + 4 HCl. isto é seguido, de um modo claramente 8 visível, pela camada intermédia 5, predominantemente baseada em cobalto. Atendendo a que a primeira camada 4 foi depositada a uma temperatura de aproximadamente 1.000°C e a uma pressão de 800 mbar, no caso desta camada 5 a pressão foi reduzida a abaixo de 500 mbar à mesma temperatura. Atendendo a que uma camada 6 da parte coesivamente densa do componente material cobalto foi primeiro depositada quimicamente, quando o conteúdo do cobalto é empobrecido do gás para formar as camadas baseadas em titânio, forma-se uma camada parcial 7 que compreende predominantemente TiC, sendo que são ainda visíveis depósitos 8 do componente material cobalto. Quando os parâmetros de revestimentos são alterados para o estado anterior é novamente gerada uma camada 9 à base de titânio. Esta camada 9 pode ser percepcionada como uma coloração mais clara. Ela apresenta a mesma composição que a primeira camada, camada 4: Ti (C,N) A última camada 10 é uma camada de cobertura de óxido de alumínio, Al2 03. O processo de revestimento tem lugar de acordo com a seguinte reacção conhecida: 2AlCl3 + 3H20 = Al203 ’+ 6HC1.
Lisboa, 22 de Dezembro de 2008
Claims (21)
1 Reivindicações 1. Componente estrutural feito de um material metálico ou cerâmico para processo de remoção de metais ou formação de metais de peças de trabalho, que apresentam um revestimento de material duro, em que o revestimento é formado em várias camadas, podendo as camadas também compreender diferentes materiais, caracterizado por proporcionada pelo menos entre duas camadas {4, 9) do revestimento (3} se encontrar uma camada intermédia (5) que é utilizada para reduzir as tensões entre as camadas do revestimento (3) e é formada predominantemente ou exclusivamente de um componente do material metálico de um elemento no quarto para o oitavo grupo secundário do quarto e quinto período da tabela periódica, dependendo dos parâmetros ajustados durante o revestimento ou a quantidade disponível do componente de material metálico como uma camada coesiva (6) do componente do material metálico ou uma camada parcial (7) com depósitos (8) do componente de material metálico.
2. Componente estrutural de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a camada intermédia (5} apresentar aproximadamente 0,05 μια a aproximadamente 5 μπι de espessura.
3. Componente estrutural de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o elemento do componente material 2 (6, 8) da camada intermédia (5) ser um elemento no oitavo grupo secundário do quarto periodo da tabela periódica.
4. Componente estrutural de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por as camadas (4, 9) do revestimento (3) compreenderem um material à base de titânio.
5. Componente estrutural de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a espessura da camada (4, 9) ser de até 10 μτη.
6. Componente estrutural de acordo com qualquer das reivindicações la 3, caracterizado por o revestimento (3) ser coberto por uma camada (10) que compreende pelo menos uma das modificações de óxido de alumínio.
7. Componente estrutural de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a espessura da camada (10) ser de até 20 pm.
8. Componente estrutural de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, caracterizado por um revestimento (3) que compreende várias camadas (4, 9, 10) ser formado de uma sequência alterna de camadas à base de titânio (4, 9) e de óxido de alumínio (10) em pelo menos uma das modificações do mesmo. 3
9. Componente estrutural de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por um revestimento do componente estrutural ser formado em várias camadas tal como se segue: várias camadas à base de titânio, uma camada de óxido de alumínio na modificação a e/ou κ e opcionalmente uma ou mais camadas· de cobertura à base de titânio, sendo que proporcionada entre pelo menos duas camadas â base de titânio se encontra uma camada intermédia.
10. Componente estrutural de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o material substrato (2) do componente estrutural (1) ser nitrato de silício ou SiAlON.
11. Componente estrutural de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado por um material substrato do componente estrutural ser nitrato de alumínio.
12. Componente estrutural de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o material substrato do componente estrutural ser um material à base de AI2O3.
13. Processo para a aplicação de um revestimento de material duro a um componente estrutural feito de um material metálico ou cerâmico como substrato para o processo de remoção de metal ou formação de metal de peças de 4 trabalho, em que o revestimento pode ser formado em várias camadas, podendo as camadas também compreender diferentes materiais, em particular de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 12, caracterizado por durante a aplicação das camadas, pelos processos PVD, CVD ou plasma CVD, depositadas do mesmo modo da fase gasosa entre duas camadas do revestimento, existir pelo menos uma camada intermédia que é utilizada para reduzir as tensões entre as camadas do revestimento, em que esta camada intermédia é formada predominantemente ou exclusivamente de um componente de material metálico de um elemento no quarto ao oitavo grupo secundário do quarto e quinto período da tabela periódica dependendo dos parâmetros ajustados durante o revestimento ou a quantidade disponível dè componente de material metálico como uma camada coesiva do componente de material metálico ou uma camada do componente material das camadas de material duro do revestimento com depósitos do componente do materiàl metálico. caracteri zado do componente
14. Processo de acordo com a reivindicação 13, por a quantidade de deposição do elemento material ser controlada variando a pressão.
15. Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a camada intermédia ser formada reduzindo a pressão. 5
16. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 13 a 15, caracterizado por a espessura da camada intermédia ser controlada através da quantidade do elemento retido disponibilizado para a deposição.
17. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 13 a 16, caracterizado por a camada intermédia ser formada com uma espessura de 0,5 pm a 5 pm.
18. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 13 a 17, caracterizado por, no caso de o revestimento que compreende várias camadas no componente estrutural, as camadas à base de titânio e camadas de óxido de alumínio em pelo menos uma das modificações das mesmas serem depositadas numa sequência alternada.
19. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por, no caso de o revestimento do componente estrutural que compreende várias camadas, em primeira instância serem aplicadas camadas à base de titânio, seguida por uma camada de óxido de alumínio na modificação α e/ou κ e opcionalmente seguida por uma ou mais camadas de cobertura â base de titânio e por, depositada pelo menos entre duas camadas à base de titânio, existir uma camada intermédia.
20. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 13 a 17, caracterizado por as camadas de revestimento serem 6 depositadas dependendo do material, respectivamente numa espessura até 20 pm, de preferência no caso de uma camada de óxido de alumínio, ou até 10 pm, de preferência no caso de camadas à base de titânio.
21. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 13 a 20, caracterizado por o revestimento ser de preferência depositado em componentes estruturais feitos de um dos materiais nitrato de silício, SiAlON, nitrato de alumínio ou à base de Al2 03 . Lisboa, 22 de Dezembro.de 2008
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