PT1771602E - Materiais de revestimento duros altamente resistentes à oxidação para ferramentas de corte - Google Patents

Description

ΕΡ 1 771 602/ΡΤ DESCRIÇÃO "Materiais de revestimento duros altamente resistentes à oxidação para ferramentas de corte"

Domínio do invento 0 invento refere-se a um revestimento duro com resistência à oxidação extremamente elevada para um corpo que requer especialmente protecção contra o desqaste. Este refere-se ainda a uma ferramenta revestida, especialmente ferramentas de corte revestidas de aço rápido, carboneto cementado ou um nitreto de boro cúbico (CBN, siqla em inglês), tais como fresas, furadores, pastilhas de corte, fresas de perfis e fresas de engrenagem. Em consequência, o invento refere-se também a peças de máquinas resistentes ao desgaste revestidas, em particular a componentes tais como bombas, engrenagens, segmentos de êmbolos, injectores de combustível, etc.

Arte relacionada 0 documento A (JP 2002-337007), intitulado "ferramenta revestida com revestimento duro" descreve a presença de partículas de CrAlSiN amorfas finas num revestimento de CrAlN que proporcionam uma elevada resistência à oxidação à ferramenta de corte. O documento B, ΕΡ 1 422 311 A2 refere-se a um revestimento de CrAlSi rico em Al (NBCO) possuindo uma estrutura cristalina do tipo NaCl. O documento JP 2002-337005, documento C, descreve uma ferramenta com um revestimento resisitente à abrasão em que, pelo menos, uma camada é feita de CrAlN e outra camada é feita de um tipo de CrSiBN. O documento D, JP 2002-160129 descreve uma ferramenta com uma camada interna feita com um material à base de Ti, Cr, Si ou Al que é então revestida com uma película dura à base de AlCrN. O JP 10-025566 documento E, refere-se a um revestimento de CrAlN com propriedades de resistência à oxidação a alta temperatura. O artigo científico (documento F) de Lugscheider et al., em Surface & Coatings Technology, v. 174-175, p. 681-686 (2003) refere-se a investigações de propriedades mecânicas e tribológicas de revestimentos finos de CrAlN + C depositados sobre 2 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ ferramentas de corte, especialmente a revestimentos de CrAlN + C com baixo desempenho tribológico de fricção relatados como tendo um efeito benéfico para aplicações de corte e de perfuração. A comunicação na compilação das comunicações da 4th Intern. Conf. THE Coatings in Manuf. Engineering, p. 111-120 (2004), de Uhlmann et al. relata novos desenvolvimentos de ferramentas de corte de alto desempenho (documento G). A comunicação refere-se à deposição de revestimentos duros em multicamadas de CrN/TiAlN, CrMoTiAlN e CrAlVN.

No documento "A comparative study of magnetron co-sputtered nanocrystalline titanium aluminium and chromium aluminium nitride coatings (Scripta Materializa, vol. 50, n° 12, Junho 2004, Elsevier) Wuhrer et. investigou revestimentos de (Ti,AL)N e (Cr,AL)N num estudo comparativo. Whurer descreve a dependência de vários parâmetros físicos como a dimensão de grão, velocidade de deposição e a micro-dureza da pressão de azoto aplicada durante a deposição. Para ambos os tipos de revestimento Wuhrer demonstrou, que com uma crescente pressão de azoto as velocidades de deposição, o diâmetro do grão e a micro-dureza diminuem. G.E.D'Errico et al. investigou em "A study of coatings for end mills in high Speedy metal cutting" (J. O. Material Processing Technology (Vol. 92-93, Agosto 1999, página 251 e seguintes) vários revestimentos em ferramentas à base de Ti comercialmente disponíveis, incluindo TiAlNbN. D'Errico apresentou vários resultados relacionados com o desempenho de revestimento e o custo de maquinação para diferentes materiais de trabalho. O documento WO 2004/059030 é um documento intermédio que descreve peças específicas com revestimentos duros específicos à base de AlCrN e dopados com Nn, W ou Mo.

Em (A), (b) e (C), revestimentos anódicos duros são compostos com, pelo menos, uma camada de sistema à base de CrAL contendo silício ou oxigénio que é responsável pelo aumento do grau de dureza e pelo aumento da resistência à oxidação a alta temperatura, reduzindo a taxa de desgaste por abrasão e por oxidação nas ferramentas de corte. Em (D), 3 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ um material base é primeiramente revestido com uma camada de Ti, Cr, Si ou AI e uma camada dura de AlCrN é formada superiormente. A camada intermédia de metal é utilizada como camada amortecedora de absorção da deformação para regularizar qualquer deformação devida à diferença na expansão térmica entre o revestimento e a ferramenta. Em (E), é formado um revestimento duro de AlCrN por deposição em vapor fisica a partir de alvos de Al e Cr numa atmosfera de azoto reactiva, sendo a resistência ao calor do sistema AlCrN relatada como até 1000°C. Em (F), os autores relataram uma melhoria das propriedades mecânicas (tais como a dureza e um aumento do módulo de Young) e características de fricção combinando o revestimento de CrAlN com uma superfície de carbono duro. É reclamado que tais combinações podem ser utilizadas com sucesso em aplicações de perfuração e de desgaste. Em (G), os autores referem-se a revestimentos de CrAlVN multicamada depositados como camadas combinando fontes metálicas de crómio, alumínio e vanádio através do processo de deposição iónica. Como resultado, o desempenho de maquinação dos revestimentos depositados não atingiu o nível obtido pelos revestimentos de TiAlN correntes.

Sumário do invento 0 invento tem como alvo camadas de baixa resistência ao desgaste de TiCN, TiAlN, AlTiN e revestimentos duros semelhantes especialmente em aplicações de corte de alta velocidade em que estão envolvidas altas temperaturas, difíceis para aplicações de maquinaçãpo de materiais (por exemplo, maquinação de aço para ferramentas, aço inox austenítico, ligas de alumínio e titânio). Apesar dos efeitos benéficos dos revestimentos CrAlN conhecidos com aplicações de alta temperatura, devem ser encontradas alternativas que devem originar um desempenho ainda melhor para certas aplicações com ferramentas, especialmente com ferramentas ou componentes de corte e para dar forma, especialmente com componentes utilizados em motores de combustão.

Isto é conseguido através da peça da reivindicação 1 e do processo da reivindicação 7. 4 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ Ο desempenho dos revestimentos de CrAlN pode ser optimizado através da adição de metais de transição tal como nióbio, tântalo, molibdénio, e/ou tungsténio. Opcionalmente podem ser adicionados metalóides como o silício e/ou boro para aumentar ainda mais a dureza e diminuir o desgaste das ferramentas e dos componentes mecânicos em utilização sob as condições extremas descritas. A nova família de revestimentos aumenta o tempo de serviço das ferramentas e reduz os custos de substituição dos componentes mecânicos e/ou afiação de ferramentas de corte caras influenciando o processo de formação de lascas, consequentemente, uma produtividade aumentada seria alcançada devido às maiores velocidades de corte possíveis.

Breve descrição dos desenhos

Figura 1: Desenho da estrutura cristalina do nitreto de alumínio-crómio-metal de transição.

Figura 2: Padrão de difracção de raios x e parâmetro reticular dos nitretos de alumínio-crómio-metal de transição.

Figura 3: Padrão de difracção de raios X e coeficiente de textura dos nitretos de alumínio-crómio-metal de transição.

Figura 4: Desenhos das microestruturas que são conseguidas pelos dos nitretos de alumínio-crómio-metal de transição: (a) policristalina, (b) texturada, (c) nanocompósito.

Figura 5: Medições de dureza e de tensão residual para os nitretos de alumínio-crómio-metal de transição.

Figura 6: Perfis em profundidade de espectrometria de massa de iões secundários; (a) superfície oxidada típica, (b) superfície fracamente oxidada, (c) superfície oxidada óptima.

Figura 7: Testes de resistência ao desgaste a alta temperatura de esfera em provete plano para os nitretos de alumínio-crómio-metal de transição. 5 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ

Descrição detalhada do invento

Os revestimentos de AlCrN-ligas foram obtidos utilizando um equipamento com um sistema de revestimento rápido industrial Balzers (RCS). Esta máquina contém uma disposição de descarga de em arco de baixa voltagem que permite um aquecimento rápido e ataque químico dos substratos que promove elevadas resistências à adesão. 0 equipamento é também equipado com seis fontes de deposição que podem ser escolhidas de fontes de pulverização, arco catódico e jacto em arco nano-disperso. Durante a deposição, uma tensão de polarização negativa pode ser aplicada às ferramentas ou componentes substrato utilizando uma fonte fixa ou pulsada de energia polarizada. A descrição completa e os desenhos do equipamento RCS podem ser encontrados no pedido de patente US N° 2002/0053322.

Para depositar os revestimentos do invento sobre uma variedade de peças, as peças previamente limpas foram montadas, de acordo com o seu diâmetro ou em rotação dupla ou, para diâmetros abaixo de 50 mm, em portadores de substrato de rotação tripla. Aquecedores radiantes instalados no sistema de aquecimento aqueceram as peças até uma temperatura de cerca de 500°C e, com uma tensão de pulverização de -100 a -200 V aplicada numa atmosfera de árgon com uma pressão de 0,2 Pa, as superfícies das peças foram sujeitas a um polimento químico com iões de Ar. O sistema de revestimento é realizado sob uma atmosfera de árgon utilizando, pelo menos, dois alvos metálicos ou de liga metálica com, pelo menos, adição temporária de, pelo menos, um gás reactivo, aplicando ao substrato uma voltagem negativa.

Uma peça, para os fins deste invento, é definida como tendo um corpo feito de aço, aço rápido, metal duro, carboneto cementado ou qualquer outro metal ou cerâmica adequados. Um exemplo de uma peça pode ser uma ferramenta para trabalhar a alta temperatura e/ou sob condições secas. Exemplos de ferramentas são ferramentas de corte, uma verruma, um mandril, uma pastilha, uma fresa de engrenagem, um polidor, uma fresa, uma fresa de bola, uma ferramenta para dar forma, um molde de fundição, um molde injecção, uma 6 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ ferramenta de estampagem, uma ferramenta de estiramento, uma matriz de forjamento. Para além das ferramentas, o invento pode ser aplicado a componentes, e.g. para condições de trabalho pesado, de alta temperatura, com lubrificação insuficiente e/ou a seco. Tais componentes compreendem uma guia de válvula, um componente do trem de válvulas, um impulsor, uma alavanca de válvula, um balanceiro, um pino, um eixo do êmbolo, um pino de rolo de impulsor, um parafuso, um componente do sistema de injecção de combustível, uma agulha de injecção, uma engrenagem, um pinhão, um êmbolo, e um segmento. Esta listagem não é exaustiva, mais formas de concretização e aplicações do invento são possíveis e podem ser definidas por um especialista na matéria.

Nas esperiências relacionadas com este invento, duas das seis fontes de deposição foram utilizadas para incluir uma camada de adesão de TiN dúctil (à volta de 0,3 μιη de espessura). Algumas das experiências foram repetidas utilizando camadas de adesão diversas tais como Ti, Cr e CrN e foi atingido um desempenho semelhante. As quatro fontes remanescentes foram utilizadas para depositar a principal camada funcional utilizando alvos metálicos de alumínio-crómio-metal de transição sinterizados feitos à medida e o processo de revestimneto por deposição iónica. Também nalgumas experiências, a principal camada funcional foi co-depositada combinando um AlCr em liga com um metal de transição e um AlCr contedo silício ou boro. Durante a deposição, foi aplicada às fontes uma energia de 3,5 kw

enquanto a pressão parcial de azoto gasoso foi mantida a aproximadamente 3,5 Pa. Também, a um substrato polarizado foi aplicado -100V durante a deposição para aumentar o processo de bombardeamento iónico sobre os substratos. O tempo de deposição foi sempre ajustado de forma a que para todas as composições de revestimento diferentes a espessura da camada funcional era de cerca de 4 μιη.

Foi preparado um total de dez composições feitas à medida para os alvos sinterizados. O teor de alumínio atómico para todos os alvos de todas as composições foi fixado em 70%.

Uma composição feita à medida era composta por 30% at. de Cr, oito composições feitas à medida eram compostas por 25% at. de Cr e 5% at. de Ti, Y, V, Nb, Mo, W, Si e B, 7 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ respectivamente, e uma composição era composta por 20% at. de Cr e 10% at. de Mo. A composição dos revestimentos estava proporcionalmente correlacionada com a análise composicional dos alvos utilizados (tal como é mostrado nos exemplos 1 a 4) . A estrutura cristalina cúbica desejada para um revestimento de AlCrN contendo pequenas quantidades de elementos de liga é representada na figura 1. Num revestimento de AlCrN puro, a estrutura cristalina de NaCl (Bl) é composta por aniões de átomos 1 de azoto assim como por átomos de alumínio 2 e de crómio 3, que competem pelas posições catiónicas disponíveis. Em teoria, com a adição de pequenas quantidades de um metal de transição diferente (TM) 4, a estrutura reticulada deve ficar ligeiramente distorcida devido à diferença de dimensão atómica e de electronegatividade. Também, a quantidade de solubilidade em solução do sólido seria limitada porque a maior parte dos metais de transição possuem uma quantidade muito menor do que o crómio para estabilizar a estrutura Bl na presença de grandes quantidades de átomos de alumínio. Outro factor que afecta a solubilidade do soluto de átomos do TM é a diferença de raio atómico entre o TM e do alumínio e do crómio que não deve ser superior a 15% para se conseguir um reforço da solução de sólido real. Na verdade, dependendo da natureza da liga de metal de transição utilizada os átomos de soluto podem restringir ou não o movimento das deslocações devido a um efeito de distorção do reticulado resultante.

Os padrões de difracção de raios X e os parâmetros de rede medidos de uma variedade de revestimentos de revestimentos de AlCr-TM-N são mostrados na figura 2. Com a excepção de AlCrYN, os revestimentos mostraram uma estrutura Bl distinta semelhante à esperada para o AlCrN cúbico. Este facto sublinha a importância do raio atómico e da electronegatividade do elemento da liga não apenas na solubilidade dos atómos de TM soluto mas também na estabilidade da fase estrutural da estrutura cristalina global. Deste modo, as diferenças nos parâmetros de rede medidos pode na verdade proporcionar informação importante acerca dos efeitos estruturais da dopagem com metal de 8 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ transição. As experiências de XRD mostram que no caso de AlCrTiN e de AlCrVN, o parâmetro de rede é ligeiramente superior mas semelhante ao do AlCrN puro. Contudo, no caso do AlCrNbN e de AlCrMoN, a rede estava ligeiramente expandida (à volta de 0,02 Á) ao mesmo tempo que mantinha uma estrutura cristalina Bl. Contudo, no caso do AlCrYN, AlCrHfN e AlCrZrN, espera-se que os TM's tenham uma muito pequena solubilidade devido à sua dimensão atómica relativamente grande. Neste caso, o resultado é uma amorfisação da microestrutura, tal como mostrado na figura 2 para o AlCrYN.

Outro efeito da dopagem com metal de transição de uma estrutura Bl de AlCrN pode ser o desenvolvimento de uma textura (200) durante o crescimento da película. Isto foi o que ocorreu, por exemplo, com o padrão de XRD para o AlCrNbN (figura 2) o que mostra uma orientação preferida (200) em comparação com a estrutura mais policristalina apresentada pelo AlCrN puro. Na figura 3, a razão de difracção QI (definida como a razão da intensidade da difracção para o plano (200) em relação à intensidade de difracção para o plano (111)) é mostrada para o AlCrN e duas composições de AlCrMoN. Aumentando o teor de molibdénio num AlCrN com uma estrutura Bl resultou em maiores razões QI. O controlo da textura e da estrutura de uma película dura protectora é, tecnologicamente, muito desejável porque a forma do campo de tensão varia significativamente de uma aplicação para a seguinte. Também, ao contrário da referência (B) aqui a orientação preferida é predominantemente controlada pela estequiometria dos revestimentos. As principais disposições estruturais que podem ser conseguidas pelas composições reivindicadas neste invento são representadas esquematicamente na figura 4. Na figura 4(a), uma película policristalina composta por cristalites 6 orientadas ao acaso é feita crescer no topo de um substrato 5 de carboneto cementado ou de aço. Uma segunda possibilidade é a de que um filme texturado cresce sobre um substrato 5, sendo a porção de cristalites orientada num plano 8 particular, maior em vários factores do que as não orientadas 9. A terceira possível disposição microestrutural (figura 4 (c)) pode ser conseguida co-depositando um metalóide (quer Si quer B) conduzindo à formação de nitretos ligados covalentemente e à 9

ΕΡ 1 771 6 02/PT criação de uma fase 12 amorfa ou semi-cristalina separada que envolve as cristalites 11 com o ainda resultante aumento da dureza.

Testes de dureza das camadas duras depositadas foram realizados com um equipamento de micro-dureza de sensibilidade em profundidade Fiscerscope H100 utilizando uma carga de teste de 50 mN. Adicionalmente, a tensão residual foi calculada medindo a curvatura dos substratos de aço planos finos através do teste de flexão em três pontos antes e após a deposição. O registo na figura 5 mostra os valores obtidos para uma variedade de composições de AlCrXN. Os resultados na figura 5 indicam um efeito de reforço benéfico quando pequenas quantidades de Nb, Mo e W foram usadas em ligas com AlCrN sem mais aumento da tensão residual do revestimento. Este comportamento mecânico surpreendente pode ser explicado em parte pelos mecanismos de endurecimento de solução de sólidos e a solubilidade deste elementos em ΒΙ-AlCrN observada nestas experiências, tal como explicado abaixo.

Outra propriedade de revestimento importante em aplicações de corte de alta velocidade ou de alta alimentação e na maquinação de aços inox austeniticos e de ligas de titânio e de niquel é a resistência de um revestimento à oxidação a elevadas temperaturas e as caracteristicas da terceira camada do corpo que se forma entre o revestimento e o material da peça durante o revestimento que pode influenciar o processo de formação de lascas. Para investigar o comportamento à oxidação dos revestimentos de AlCrN em liga, foram realizadas experiências de recozimento em fluxo de ar durante uma hora a 900°C. Estas experiências foram seguidas através da análise do perfil em profundidade de espectrometria de massa das camadas superficiais oxidadas. A Figura 6 (a) ilustra o perfil em profundidade de um comportamento de oxidação tipico de um revestimento de AlCrN corrente com a formação de óxidos de crómio e de alumínio. Este comportamento típico foi apresentado não apenas pelo revestimento de AlCrN não em liga mas também pelo revestimento de AlCrTiN. Contudo, alguns dos revestimentos de AlCrXN em liga tinham uma tendência para formar principalmente óxidos de crómio como 10 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ pode ser inferido a partir da figura 6(b). Isto indica um comportamento de fraca resistência à oxidação uma vez que os óxidos de crómio são geralmente mais fracos e menos resistentes à corrosão que os óxidos de aluminio e, por isso, estes podem ser facilmente removidos durante os processos de corte e/ou de moldação. Este comportamento de oxidação foi observado em revestimentos de AlCrYN e AlCrVN. Por outro lado, os revestimentos de AlCrNbN, AlCrMoN e AlCrW mostraram um comportamento à oxidação mais óptimo (mostado na figura 6(c)), em que a quantidade de alumínio na camada externa oxidada é semelhante ao teor de alumínio da parte não oxidada. Isto indica a formação de óxidos de alumínio passivos duros o que pode ser muito desejável em muitas aplicações de corte.

Uma vez que a temperatura da aplicação dos novos revestimentos de AlCrXN melhorados pretende ser elevada, a resistência ao desgaste da camada depositada foi estudada utilizando um teste de bola em disco utilizando uma bola de alumina dura aplicada a alta temperatura e medindo o desgaste no revestimento após um certo número pré-determinado de ciclos. Na Figura 7, a taxa de desgaste de uma variedade de revestimentos AlCrXN é mostrada em comparação com os de TiAlN, AlTiN e AlCrN. Os resultados também indicam que o AlCrWN tem o menor desgaste do conjunto, mesmo menor do que o correspondente ao do revestimento de AlCrN puro.

Com base nos resultados dos testes mecânicos que acabaram de ser apresentados, o comportamento dos revestimentos à base de AlCr podem ser ainda melhorados formando ligas com Nb, Mo, W ou Ta. Por outras palavras, ao incluir metais de transição do grupo Vb e Vib que são mais pesados do que o crómio. Os melhores resultados podem ser alcançados quando a concentração atómica destes elementos está entre 2 e 10 por cento da parte metálica, contudo uma concentração atómica tão baixa quanto 1 por cento e tão alta quanto 20 por cento seria possível. A presença destes elementos de formação de liga asseguram em última instância uma boa solubilidade, uma dureza acrescida e um comportamento de oxidação a alta temperatura óptimo. Isto diminui o desgaste por abrasão, difusão e oxidação dos componentes mecânicos revestidos e 11 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ das ferramentas de corte a altas temperatura. Resultados semelhantes foram também atingidos através da adição de pequenas quantidades de metalóides tais como o silício e/ou boro e devem consequentemente ser alcançados através de carbonetos em liga análogos, carbonitretos, óxidos de carbono, etc. Assim, o presente invento refere-se a novos revestimentos e aos correspondentes ferramentas e componentes revestidos, possuindo o revestimento da composição global seguinte:

Al 1-a-b-c-dCr aXb S Ϊ cRd^ em que: x é, pelo menos, um elemento de Nb, Mo, w, Ta; z significa N, C, CN, NO, CO, CNO; 0,2 <= a <= 0,5 0,01 <= b <= 0,2 0 <= c <= 0,1 0 <= d <= 0,1 É ainda possível depositar revestimentos com gradiente, por exemplo, com um teor de Al crescente ao longo da superfície, quer utilizando dois tipos de alvos com diferentes razões de Al/Cr quer, começando com uma camada de ligação Cr e Cr e/ou Cr/N, formando uma progressiva alteração na composição da camada, por exemplo, através de um ajuste contínuo ou passo a passo da correspondente saída do alvo numa câmara de revestimento equipada quer com alvos de Cr quer de AlCr. O factor importante para uma aplicação industrial deste tipo de revestimentos é a capacidade de ajustar reprodutivelmente os parâmetros de processo essencialmente ao longo de toda a progressão do processo de revestimento e, deste modo, de toda a espessura da película. Flutuações composicionais menores ocorrendo, por exemplo, num portador de substrato de rotação única ou múltipla, podem ser adicionalmente utilizadas para produzir uma 12 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ nanoestrutura sobre parte ou toda a espessura da camada, i.e. para laminação na gama dos nano ou micrómetros.

Exemplo 1: Fresagem de Aço para ferramentas - desbaste

Ferramenta de corte: fresa de desbaste HSS, diâmetro D = 10 mm, Número de dentes z = 4

Peça: Aço para ferramentas, X 40 CrMoV 5 1, DIN 1.2344 (36 HRC)

Parâmetros de corte:

Velocidade de corte vc = 60 m/min (S = 1592 1/min),

Velocidade de alimentação fz = 0,05 mm/U (f = 318,4 mm/min)

Profundidade radial de corte aa = 3 mm

Profundidade axial de corte ap = 5 mm

Arrefecimento: Emulsão a 5%

Processo: fresagem a puxar

Critério da vida da ferramenta: cessação de momento (correlaciona-se com a largura do flanco de desgaste VB > 0,3 mm)

Experiência N° Elemento da liga Composição química por EDS (% at.) Metros até binário máx. (m) Elemento da liga Titânio Alumínio Crómio Carbono Azoto 1 TiCN* - - 48 - - 34 18 9,1 2 TiAlN* - - 29 33 - - 38 5,5 3 AlTiN* - - 23 40 - - 37 9,0 4 AlCrN* - - - 43 26 - 31 15,1 5 AlCrYNc Y 5 - 43 21 - 30 12,6 6 AlCrVN0 V 4 - 44 22 - 30 13,3 7 AlCrNbN Nb 5 - 42 21 - 32 18, 7 8 AlCrWN W 4 - 44 22 - 31 18,0 9 AlCrMoN Mo 4 - 43 22 - 30 19, 4 *: refere-se a revestimentos do estado da arte c: refere-se a exemplos comparativos O Exemplo 1 mostra o aumento do tempo de vida da ferramenta em metros de revestimentos à base de AlCrN em comparação com os revestimentos industrialmente utilizados TiCN, TiAlN e AlTiN. Os AlCrNbN, AlCrWN e AlCrMoN podem ser 13 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ muito benéficos quando aplicados a um substrato tipo dúctil tal como o aço rápido porque estes proporcionam uma superfície de alta dureza e uma adesão adequada.

Exemplo 2: Aço Para Ferramenta de Perfuração

Ferramenta de corte: Broca HSS (S 6-5-2), Diâmetro D = 6 mm

Peça: Aço para ferramenta X 210 Cr 12, DIN 1.2080 (230HB)

Parâmetros de corte:

Velocidade de corte vc = 35 m/min

Velocidade de alimentação fz = 0,12 mm

Profundidade do orifício perfurado z = 15 mm, furo cego

Arrefecimento: Emulsão a 5%

Critério da vida da ferramenta: cessação de momento (correlaciona-se com a largura da aresta de desgaste VBc > 0,3 mm)

Experiência N° Elemento da liga 1 Elemento da liga 2 Composição química por EDS (% at. Vida de desgaste (orifícios/μιη espessura de revestimento) Elemento da liga 1 Elemento da liga 2 Ti AI Cr c N 10 TiCN* - - - - 48 - - 34 18 50 11 TiAlN* - - - - 29 33 - - 38 64 12 AlTiN* - - - - 23 40 - - 37 73 13 AlCrN* - - - - - 43 26 - 31 92 14 AlCrYNc Y - 5 - - 43 21 - 30 72 15 AlCrVNc V - 4 - - 44 22 - 30 84 16 AlCrNbN Nb - 5 - - 42 21 - 32 110 17 AlCrWN w - 4 - - 44 22 - 31 102 18 AlCrMoN Mo - 4 - - 43 22 - 30 109 19 AlCrNbBN Nb B 2 3 - 43 20 - 32 107 20 AlCrMoBN Mo B 2 3 - 42 21 - 32 114 21 AlCrMoSiN Mo Si 3 3 - 42 22 - 30 116 *: refere-se a revestimentos do estado da arte c: refere-se a exemplos comparativos O Exemplo 2 mostra a comparação de vários revestimentos de AlCrXN em brocas revestidas HSS. 0 principal critério de vida da ferramenta é o número normalizado de orifícios perfurados na espessura de revestimentos até um momento máximo pré-determinado ser atingido. O melhor coeficiente de desempenho foi mostrado pelos revestimentos à base de AlCr em liga com Nb, W e Mo. 14 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ

Exemplo 3: Aço ligado para fresagem - semi-acabamento

Ferramenta de corte: fresa de carboneto, diâmetro D = 8 mm Número de dentes z = 3

Peça: Aço ao carbono Ck45, DIN 1.1191

Parâmetros de corte:

Velocidade de corte vc = 400 m/min Velocidade de alimentação vf = 4776 mm/min Profundidade radial de corte aa = 0,5 mm Profundidade axial de corte ap = 10 mm

Arrefecimento: Emulsão a 5%

Processo: fresagem a puxar

Critério da vida da ferramenta: largura do flanco de desgaste VB = 0,12 mm

Experiência N° Elemento da liga 1 Elemento da liga 2 Composição química por EDS (% at.) Desgaste do flanco após 150 m (mm) Elemento da liga 1 Elemento da liga 2 Ti AI Cr C N 22 TiCN* - - - - 48 - - 34 18 0,140 23 TiAlN* - - - - 29 33 - - 38 0,110 24 AlTiN* - - - - 23 40 - - 37 0,130 25 AlCrN* - - - - - 43 26 - 31 0,050 26 AlCrYN° Y - 5 - - 43 21 - 30 0,100 27 AlCrNbN Nb - 5 - - 42 21 - 32 0,050 28 AlCrWN W - 4 - - 43 22 - 30 0,060 29 AlCrMoN Mo - 4 - - 43 20 - 32 0,065 30 AlCrWBN W B 2 3 - 42 21 - 32 0,030 31 AlCrNbSiN Nb Si 2 3 - 42 22 - 30 0,050 *: refere-se a revestimentos do estado da arte c: refere-se a exemplos comparativos O Exemplo 3 mostra uma comparação da vida da ferramenta de fresas de carboneto cementado revestido durante o acabamento de aço ao carbono simples. Embora sistemas em camada correntes utilizados industrialmente, tais como revestimentos de TiCN, TiAlN e AlTiN, apresentem um elevado desgaste do flanco após um tempo de vida lf = 150 m, as ferramentas revestidas com combinações de revestimentos à 15 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ base da fórmula Ali_a_b_c_dCraXbSicZ apresentavam um desgaste significativamente inferior. Estes resultados indicam que os revestimentos de Ali_a_b_c_dCraXbSicBbZ podem resistir adequadamente aos altos impactos térmicos induzidos pelos processo de maquinação de alta velocidade.

Exemplo 4: Fresagem de aço inox austenitico - desbaste

Ferramenta de corte: fresa de carboneto, diâmetro D = 10 mm, número de dentes z = 4

Peça: Aço inox austenitico, X 6 CrNiMoTi 17 12 2, DIN 1.4571

Parâmetros de corte:

Velocidade de corte vc = 67 m/min

Velocidade de alimentação fz = 0,033 mm

Profundidade radial de corte aa = 6 mm

Profundidade axial de corte ap = 9 mm

Arrefecimento: Emulsão a 5%

Processo: fresagem a puxar

Critério da vida da ferramenta: largura do flanco de desgaste VB = 0,2 mm

Experiência N° Elemento da liga Composição química por EDS (% at.) Metros até falha Elemento da liga Titânio Alumínio Crómio Carbono Azoto 32 TiCN* - - 48 - - 34 18 22 33 TiAlN* - - 29 33 - - 38 15,5 34 AlTiN* - - 23 40 - - 37 31 35 AlCrN* - - - 43 26 - 31 21 36 AlCrNbN Nb 5 - 42 21 - 32 43,5 37 AlCrMoN Mo 4 - 43 22 - 30 39,5 38 AlCrWN W 4 - 44 22 - 31 43,0 *: refere-se a revestimentos do estado da arte O Exemplo 4 mostra a comparação da vida da ferramenta de fresas de carboneto cementado revestido em relação a aço inox para quatro sistemas de camada dura industrialmente utilizados. A maquinação do aço inox é um processo muito difícil devido à elevada tenacidade deste material, tendência para trabalhar endurecido e de aderir à 16 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ ferramenta. Os melhores resultados em termos de vida da ferramenta foram atingidos utilizando revestimentos de AlCrNbN, AlCrMoN e AlCrWN. Esta vida da ferramenta aumentada pode estar relacionada quer com um aumento na dureza a elevadas temperaturas quer com o bom comportamento à oxidação apresentado com a utilização de sistemas de AlCrN em liga com Nb, Mo e W, aumentando consequentemente a resistência ao desgaste.

Lisboa, 2011-02-25

Claims (10)

1. ΕΡ 1 771 6 Ο 2/PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Peça possuindo uma superfície em que, pelo menos, partes da referida superfície são revestidas com um revestimento duro resistente ao desgaste compreendendo um revestimento com a composição seguinte All-a-b-c-dC^aXbSicBbZ, ΘΓΠ. que x é pelo menos um elemento de Nb, Mo, w ou Ta; Z é um elemento ou um composto de N, C, CN, NO, CO, CNO; e 0,2 <= a <= 0,5; 0,01 <= b <= 0,2; 0 <= c <= 0,1; 0 <= d <= 0,1 em que, se o revestimento duro resistente ao desgaste é um revestimento do grupo: Al0,62Cr0,3iNbo,o2N, Al0,65Cro,26Wo, 0gN, Al0,62Cro,3iMoo,o7N, a peça não é uma peça do grupo de: alicate de forja, brocas para furação térmica HM, marcadores de pressão.
2. 2. Peça de acordo com a reivindicação 1 possuindo um corpo feito de aço, aço rápido, metal duro, carboneto cementado ou qualquer outro metal ou cerâmica.
3. 3. Peça de acordo com a reivindicação 1 em que a peça é uma ferramenta para operação a alta temperatura e/ou uso de ferramenta a seco.
4. 4. Peça de acordo com a reivindicação 1 em que a peça é uma ferramenta, uma ferramenta de corte, uma broca, uma verruma, um mandril, uma pastilha, uma fresa de engrenagem, um polidor, uma fresa, uma fresa de bola, uma ferramenta para dar forma, um molde de fundição, um molde de injecção, uma ferramenta de estampagem, uma ferramenta de estiramento uma matriz de forjamento.
5. 5. Peça de acordo com a reivindicação 1 em que a peça é um componente para condições de trabalho pesado, de alta temperatura, com lubrificação insuficiente e/ou a seco. ΕΡ 1 771 6 02/PT 2/2
6. 6. Peça de acordo com a reivindicação 1 em que a peça é um componente, uma carne, um componente do trem de válvulas, uma carne, um impulsor, uma alavanca de válvula, um balanceiro, um pino, um eixo do êmbolo, um pino de rolo de impulsor, um parafuso, um componente do sistema de injecção de combustível, uma agulha de injecção, uma engrenagem, um pinhão, um êmbolo, e um segmento.
7. 7. Processo PVD para depositar, pelo menos uma película de Ali-a-b-c-dCraXbSicBbZ numa peça, em que x é pelo menos um elemento de Nb, Mo, W ou Ta; Z é um elemento ou um composto de N, C, CN, NO, CO, CNO; e 0,2 <= a <= 0,5; 0,01 <= b <= 0,2; 0 <= c <= 0,1; 0 <= d <= 0,1 em que, pelo menos, uma peça é instalada num sistema de revestimento por vácuo e o referido sistema é operado numa atmosfera de árgon de baixa pressão utilizando, pelo menos, dois alvos de metal ou liga metálica com, pelo menos, uma adição temporária de um gás reactivo, aplicando ao substrato uma voltagem negativa.
8. 8. Processo PVD de acordo com a reivindicação 7, em que o gás reactivo é azoto com uma pressão parcial de cerca de 3,5 Pa.
9. 9. Processo PVD de acordo com a reivindicação 7 ou 8, em que a voltagem do substrato é de -100 V.
10. 10. Processo PVD de acordo com as reivindicações 7-9, em que pelo menos dois alvos compreendem Al e Cr. Lisboa, 2011-02-25 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ 1/7

    Fig. 1 EP 1 771 602/PT 2/7 Intensidade (a.u.)

    Fig. 2 Radiação: CuKoí Estrutura cristalina: fco(Fm3rfi) Substrato: Carboneto oementado A AlCrtJ (aa~Q,. <!Q88rirO ,_A-.AicrW,...... Λ AlCrTilST ta^Q.40S9nfflt ^uh RlCirTO. fa^gQ . 4C92nmt i A Á . felGxMoH' (a<f=flUl07nTlÚ 2 teta EP 1 771 602/PT 3/7 Intensidade

    Fíg. 3 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ 4/7

    Fig. 4 EP 1 771 602/PT 5/7 Tensão (Gpa) Dureza (Gpa)

    Fig. 5 ΕΡ 1 771 602/ΡΤ 6/7

    Camada oxidada revestimento Profundidade (unidades arbitrárias)

    Camada oxidada revestimento Profundidade (unidades arbitrárias)

    Camada oxidada revestimento Profundidade (unidades arbitrárias) Fig. 6 EP 1 771 602/PT 7/7 8550 12570 Teste de bola em disco Taxa de desgaste (μιη3/ιηΐη)χ10