Herramienta de corte de superficie revestida, hecha de material sinterizado a presión ultra-alta,

basado en nitruro de boro cúbico, que consiste en: un cuerpo principal de la pieza inserta de corte que consiste en material sinterizado a presión ultra-alta, formado mediante sinterización a presión ultra-alta de una masa compacta que tiene una composición, en porcentaje en masa, de 13 a 30% de nitruro de titanio, de 6,5 a 18% de aluminio y/o óxido de aluminio y el resto de nitruro de boro cúbico, y mostrando el cuerpo principal, bajo una observación que utiliza un microscopio electrónico de exploración, una textura tal que se presenta un producto de reacción de sinterización a presión ultra-alta en la interfaz entre una fase de nitruro de boro cúbico que constituye una fase dispersa y una fase de nitruro de titanio que constituye una fase continua; una capa de revestimiento duro que es depositada al vapor sobre la superficie del cuerpo principal y que consiste en una capa inferior de un espesor medio de capa en el intervalo de 1,5 a 3 μm, una capa superior de un espesor medio de capa en el intervalo de 0,3 a 3 μm; y una capa de nitruro de titanio (TiAl) opcional interpuesta entre el cuerpo principal y la capa inferior; y una capa opcional de nitruro compuesto de Ti-Al (TiAlN) formada sobre la superficie de la capa superior de la capa de revestimiento duro; en la que: el producto de reacción de sinterización a presión ultra-alta está formado por reacción de nitruro de boro cúbico y aluminio y/o óxido de aluminio; la capa inferior de la capa de revestimiento duro consiste en un nitruro compuesto depositado al vapor de Ti y Al que tiene la composición de [Ti 1-xAl x]N, donde x está en un intervalo de 0,40 a 0,60 en una relación atómica; la capa superior de la capa de revestimiento duro está depositada al vapor sobre la superficie de la capa inferior y consiste en capas delgadas A que se componen de un nitruro compuesto de Ti y Al que tiene la composición de [Ti 1-xAl x]N, donde x está en el intervalo de 0,40 a 0,60 en una relación atómica, y capas delgadas B que consisten en un nitruro de Ti (TiN); y tiene una estructura que consiste en las capas delgadas A y en las capas delgadas B dispuestas apiladas alternadamente de tal manera que el espesor medio de capa de cada capa única está en el intervalo de 0,05 a 0,3 μm; la capa de nitruro de titanio opcional interpuesta entre el cuerpo principal y la capa inferior tiene un espesor de 0,01 a 0,5 μm; y la capa opcional de nitruro compuesto de Ti-Al tiene un espesor de 0,2 a 2 μm

Campo de la Invención

La presente invención se refiere a una herramienta de corte hecha de un material sinterizado a presión ultra-alta, basado en nitruro de boro cúbico, revestida superficialmente (en lo que sigue denominada herramienta sinterizada basada en cBN, revestida en superficie), que comprende un cuerpo de herramienta de corte hecho de un material sinterizado a base de nitruro de boro cúbico y una capa de revestimiento duro dispuesta en la superficie del cuerpo de la herramienta de corte, que comprende una capa de revestimiento duro que tiene excelentes dureza a elevada temperatura, resistencia a elevada temperatura, resistencia al calor y resistencia a la formación de muescas en el borde

o filo, y puede presentar también excelente resistencia a la formación de muescas en el borde y mantener excelente acabado superficial durante un periodo de tiempo dilatado incluso en una operación de corte a elevada velocidad, de un acero duro, tal como un acero de aleación o un acero de cojinetes endurecido.

Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud de Patente Japonesa No. 2005-370000, presentada el 22 de diciembre de 2005, y de la Solicitud de Patente Japonesa No. 2006-142108, presentada el 22 de mayo de 2006.

Técnica Básica

Una herramienta sinterizada basada en cBN, revestida en superficie, incluye en general una pieza inserta que está unida de manera separable en la punta de una herramienta de corte para tornear piezas de trabajo hechas de varios aceros o de hierro colado, una fresa extrema del tipo de pieza inserta que está unida de manera separable con la pieza inserta orientable o indexable y que se utiliza para aplanar, ranurar o hacer resaltos en piezas de trabajo de una manera similar a la de la fresa extrema maciza.

Una constitución conocida de de herramientas sinterizadas basadas en cBN, revestidas en superficie, comprende un cuerpo de herramienta hecho de varios materiales sinterizados a presión ultra-alta basados en nitruro de boro cúbico (a los que se hará referencia en lo que sigue como materiales sinterizados basados en cBN) y una capa de revestimiento superficial tal como una capa de nitruro de titanio (TiN) o una capa de nitruro de titanio y aluminio ([Ti, Al]N) formada por deposición al vapor sobre la superficie de los cuerpos de herramientas. También se conoce que estas herramientas sinterizadas basadas en cBN, revestidas superficialmente, son usadas para cortar piezas de trabajo hechas de varios aceros o hierros colados (Solicitud de Patente Japonesa no Examinada, Primera Publicación No. Hei 7-300649).

También se sabe que la herramienta sinterizada basada en cBN, revestida en superficie, anteriormente descrita, puede ser fabricada revistiendo la superficie del cuerpo de herramienta S con una capa de composición deseable, por ejemplo una capa de TiN o una capa de [Ti, Al]N que utilice un aparato de chapado de hierro al arco, como una variación de un aparato de deposición al vapor físico, puesto esquemáticamente como ejemplo en las figuras 1A y 1B. Por ejemplo, el revestimiento de superficie puede ser formado fijando el cuerpo de herramienta en el aparato de chapado de hierro al arco; generando una descarga de arco mediante el suministro de una corriente de 90 A entre ánodos 61, 62 y cátodos (fuente de evaporación) 31, 32 que consisten en Ti metálico o una aleación de Ti-Al de una composición predeterminada, en la que se mantiene la temperatura ambiente a, por ejemplo, 500ºC por medio de un calentador, mientras se introduce un gas nitrógeno como un gas de reacción en el aparato para conseguir una atmósfera de reacción con una presión de 2 Pa, y se plica un voltaje de polarización de -100 V, por ejemplo, al cuerpo de herramienta (Solicitud de Patente Japonesa no Examinada, Primera Publicación No. Hei 8-119774).

Ha habido recientemente un desarrollo y una instalación notables de FA (Factory Automatization: Automatización de Fábrica) en aparatos de corte. Por otra parte, existen todavía fuertes demandas de ahorro de mano de obra, ahorro de energía y reducción de costes en operaciones de corte, lo que da lugar a una tendencia hacia una mayor velocidad de corte. La herramienta sinterizada basada en cBN revestida en superficie, se comporta satisfactoriamente en la mecanización de aceros y hierros colados bajo condiciones de corte ordinarias. Sin embargo cuando se utiliza una operación de corte continuo de alta velocidad o una operación de corte interrumpido de alta velocidad de un acero endurecido, tal acero de aleación o acero de cojinetes endurecido que tiene una dureza Vickers (escala C) tan alta como 50 o más, se causa un daño anormal (al que se hace referencia en lo que sigue como formación de muescas de borde) en la parte de delimitación del filo de corte o una carga mecánica drásticamente grande impuesta intermitente e impulsivamente al filo de corte. Como consecuencia, resulta difícil mantener un acabado superficial durante un período dilatado de tiempo, de modo que la herramienta de corte alcanza el final de la vida útil de herramienta en un periodo de tiempo relativamente corto.

Una herramienta de corte revestida que comprende un substrato de cBN y un revestimiento aplicado por PVD o CVD que comprende una capa que contiene Al se describe en el documento US-B 6 599 062. El documento EP-A 1 382 709 da a conocer una herramienta revestida hecha de un substrato de cBN y una pluralidad de películas de revestimiento en las que la primera película está basada en TiSi.

SUMARIO DE LA INVENCION

Bajo las circunstancias descritas anteriormente, los presentes inventores realizaron una investigación dirigida al desarrollo de una herramienta sinterizada basada en cBN, revestida en superficie, que tuviera una capa de revestimiento duro que presentara excelente resistencia a la formación de muescas de borde en una operación de corte continua a elevada velocidad o una operación de corte interrumpido de alta velocidad (a la que se hace referencia en lo que sigue simplemente como “operación de corte a elevada velocidad”) de un acero endurecido, tal como acero de aleación o acero para cojinetes endurecido, y llegaron a los siguientes hallazgos (a) a (c).

(a) La capa de nitruro compuesta de Ti-Al [Ti1-xAlx]N que constituye la capa de revestimiento duro tiene una determinada resistencia al calor, dureza a elevada temperatura y resistencia a elevada temperatura, y por lo tanto está provista de suficiente resistencia requerida al desgaste en condiciones de corte normales, en las que la proporción X del contenido de Al (% atómico) está en el intervalo de 0,40 a 0,60. Sin embargo, en una operación de corte a elevada velocidad de un acero endurecido, que genera calor elevado en el filo de corte o impone carga mecánica drásticamente grande intermitente e impulsivamente al filo de cote, debido a la insuficiente resistencia a elevada temperatura de la capa de revestimiento duro que consiste en nitruro compuesto de Ti-Al [Ti1-XAlX]N, se origina la formación de muescas de borde en la parte de delimitación de la herramienta de corte. Como consecuencia, es difícil mantener el acabado superficial de las piezas de trabajo, y la herramienta de corte alcanza el final de su vida útil en un periodo de tiempo relativamente corto.

(b) (b) Aunque la capa de nitruro de Ti (TiN) tiene excelentes resistencia a la elevada temperatura y elevada resistencia al choque, no está provista de suficiente resistencia al calor y dureza a la elevada temperatura. Por lo tanto, en una operación de corte a alta velocidad de un acero endurecido, que genera mucho calor e impone una carga mecánica drásticamente grande, una capa de revestimiento duro que consista sólo en nitruro de Ti (TiN) no puede tener suficiente resistencia al desgaste.

(c) Cuando la capa de [Ti1-XAlX]N (en la que X está en un intervalo de 0,40 a 0,60 en una relación atómica) (a la que se hace referencia en lo que sigue como una capa delgada A) del apartado (a) anteriormente descrito, que tiene la proporción X de contenido de Al en un intervalo de 40 a 60 % atómico y que tiene resistencia al calor, dureza a la elevada temperatura y resistencia a elevada temperatura, se define como capa delgada A,

una capa de nitruro de Ti (TiN) que es de inferior resistencia al calor y dureza a elevada temperatura en

comparación con la capa delgada A, pero que es excelente en resistencia a elevada temperatura y resistencia al

choque, se define como capa delgada B,

y las capas delgadas A y B están dispuestas alternativamente de manera que constituyen... [Seguir leyendo]