Una pieza de trabajo que tiene una superficie en la que por lo menos partes de dicha superficie están revestidas con un revestimiento duro resistente al desgaste,

que comprende un revestimiento de la composición siguiente: Al1-a-b-c-d Cra Xb Sic Bd Z, , en donde X es al menos un elemento entre Nb, Mo, W o Ta; Z es un elemento o un compuesto entre N, C, CN, NO, CO, CON; y 0,2

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un revestimiento duro con resistencia a la oxidación sumamente alta, para un cuerpo que requiere especialmente protección al desgaste. Se refiere, además, a una herramienta revestida, en especial herramientas de corte revestidas con un acero rápido, un carburo cementado o un nitruro de boro cúbico (CBN), tales como fresas radiales, brocas de perforación, inserciones de corte y fresas (de corte y generatrices) para tallar engranajes. Por consiguiente, la invención se refiere también a partes de máquinas revestidas, resistentes al desgaste, en particular componentes mecánicos tales como bombas, engranajes, aros de pistón, inyectores de combustible, etc.

TÉCNICA RELACIONADA

El documento A (JP 2002-337007), titulado “Herramienta revestida con un revestimiento duro”, describe la presencia de partículas finas, amorfas, de CrAlSiN en un revestimiento de CrAlN, que proporciona alta resistencia a la oxidación a la herramienta de corte. El documento B, EP 1 422 311 A2, se refiere a un revestimiento de CrAlSi (NBCO) de alto contenido de Al que posee una estructura cristalina del tipo de la de NaCl. El documento C, JP 2002-337005, describe una herramienta con un revestimiento resistente a la abrasión en el que al menos una capa está hecha de CrAlN y otra capa está hecha de una clase de CrSiBN. El documento D, JP 2002-160129, describe una herramienta con una entrecapas de un material a base de Ti, Cr, Si o Al, que después se reviste con una película dura a base de AlCrN. El documento E, JP 10-025566, se refiera aun revestimiento de CrAlN con propiedades de resistencia a la oxidación a alta temperatura. El artículo científico (documento F) de Lugscheider et al., en Surface and Coatings Technology v. 174-175, páginas 681-686 (2003), se refiere a investigaciones de propiedades mecánicas y tribológicas de revestimientos delgados de CrAlN + C depositados sobre herramientas de corte, en especial a revestimientos de CrAlN+C con comportamiento tribológico de rozamiento bajo, informando de que posee un efecto beneficioso para aplicaciones de corte y perforación. Las actas de la 4ª Conferencia Internacional, The Coatings in Manuf. Engineering, páginas 111-120 (2004), por Uhlmann et al., exponen nuevos desarrollos para herramientas de corte de alto rendimiento (documento G). La publicación se refiere a la deposición de revestimientos duros de varias capas de CrN/ TiAlN, CrMoTiAlN y CrAlVN. En el documento “Un estudio comparativo de revestimientos de nitruros nanocristalinos de titanio aluminio y cromo aluminio pulverizados conjuntamente por bombardeo iónico por magnetrón" (Scripta Materialia, vol. 50 nº 12, Junio, 2004, Elsevier) Wuhrer et al. investigan en un estudio comparativo revestimientos de (Ti,Al)N y de (Cr,Al)N. Wuhrer describe la dependencia de diversos parámetros físicos tales como el tamaño del grano, la velocidad de deposición y la microdureza, de la presión de nitrógeno aplicada durante la deposición. Para ambos tipos de revestimientos ha indicado Wuhrer que al aumentar la presión de nitrógeno disminuyen las velocidades de posición, el diámetro del grano y la microdureza.

G.E. D'Errico et al. investigan en “Un estudio de revestimientos para fresas radiales en el corte de metales a alta velocidad” (J.o, Material Processing Technology (vol. 92-93, Agosto, 1999, página 251 ff) varios revestimientos comerciales a base de Ti, sobre herramientas, que incluyen TiAlNbN. D'Errico expone diversos resultados con respecto al comportamiento y el coste de trabajo a máquina de diferentes materiales de trabajo

El documento WO 2004/059030 es un documento intermedio que describe piezas de trabajo específicas con revestimientos duros específicos a base de AlCrN e impurificados (dopados) con Nb, W o Mo.

En [A], [B] y [C], revestimientos anódicos duros están compuestos de una capa de un sistema a base de CrAl que contiene por lo menos un elemento de silicio u oxígeno, que es responsable del aumento del grado de dureza y del aumento de la resistencia a la oxidación a alta temperatura, reduciendo la velocidad de desgaste por abrasión y la oxidación, sobre herramientas de corte. En [D] un material básico es revestido primeramente con una capa de Ti, Cr, Si o Al y se forma sobre la parte superior una capa dura de AlCrN. La capa metálica intermedia se usa como una capa “tampón” de absorción de la deformación para igualar cualquier deformación que ocurra debido a la diferencia de dilatación térmica existente entre el revestimiento y la herramienta. En [E], se forma un revestimiento duro de AlCrN por deposición física en fase de vapor de grupos objeto de Al y Cr, en una atmósfera reactiva de nitrógeno; se expone la resistencia térmica del sistema AlCrN hasta 1000ºC. En [F], los autores indican una mejora de las propiedades mecánicas (tales como dureza y aumento del módulo de Young) y de las características de rozamiento, obtenidas combinando un revestimiento de CrAlN con una superficie de carbono dura. Se reivindica que tales combinaciones podrían tener éxito en aplicaciones de perforación y de fresado. En [G]. los autores aluden a revestimientos estratificados de CrAlVN, depositados en forma de capas, obtenidos combinando fuentes metálicas de cromo, aluminio y vanadio, mediante el procedimiento de revestimiento electrolítico iónico. Como resultado, el comportamiento de trabajo a máquina de los revestimientos depositados no alcanzó el nivel obtenido por los revestimientos estándar de TiAlN.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La invención tiene por objeto capas de resistencia de TiCN, TiAlN, AlTiN de bajo desgaste, y revestimientos duros similares, en especial en aplicaciones de corte a alta velocidad en que están implicadas temperaturas elevadas, y en aplicaciones en materiales difíciles de trabajar a máquina (por ejemplo, trabajo a máquina de aceros de herramientas, aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de aluminio y titanio). A pesar de los efectos beneficiosos en aplicaciones de temperaturas altas de los revestimientos de CrAlN conocidos, deben encontrarse alternativas que puedan proporcionar un rendimiento aun mejor para ciertas aplicaciones de herramientas, en especial de herramientas o componentes de corte y de conformación, especialmente con componentes utilizados para motores de combustión.

Esto se logra mediante la pieza de trabajo según la reivindicación 1 y el procedimiento según la reivindicación 7.

El rendimiento de revestimientos de CrAlN podría optimizarse mediante la adición de metales de transición tales como niobio, tántalo, molibdeno y/o wolframio. Opcionalmente pueden añadirse metaloides tales como silicio y/o boro para aumentar adicionalmente la dureza y hacer disminuir el desgaste de herramientas y componentes mecánicos que actúan en las condiciones extremas descritas. La nueva familia de revestimientos aumenta la duración de las herramientas y reduce los costos de reemplazo de componentes mecánicos y/o el costoso nuevo afilado de herramientas de corte al influir en el proceso de formación de virutas y, por consiguiente, podría alcanzarse una productividad aumentada debido a las mayores velocidades de corte posibles.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS

Figura 1: Croquis de la estructura cristalina de un nitruro de aluminio-cromo-metal de transición Figura 2: Figuras de difracción de rayos X y parámetros del retículo cristalino de nitruros de aluminio-cromo-metal de transición. Figura 3: Figuras de difracción de rayos X y coeficiente de textura de nitruros de aluminio-cromo-molibdeno-metal de transición. Figura 4: Croquis de las microestructuras que pueden conseguirse por nitruros de aluminio-cromo-metal de transición; (a) policristalina, (b) texturada, (c) nanocompuesta. Figura 5: Medidas de la dureza y de la tensión residual de nitruros de aluminio-cromo-metal de transición. Figura 6: Perfiles secundarios de la profundidad espectrométrica de la masa iónica: (a) superficie oxidada típica, (b) superficie oxidada de baja calidad, (c) superficie oxidada óptima. Figura 7: Ensayos de bola-sobre-disco de resistencia al desgaste a alta temperatura, para nitruros de aluminio-cromo-metal de transición.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Los revestimientos de AlCrN aleados fueron obtenidos usando una máquina industrial Balzers de sistema de revestimiento rápido (RCS). Esta máquina contiene una disposición de descarga de arco de bajo voltaje que permite un calentamiento y un ataque rápidos de los sustratos, lo que favorece altas resistencias de adhesión. El aparato está... [Seguir leyendo]

1. Una pieza de trabajo que tiene una superficie en la que por lo menos partes de dicha superficie están revestidas con un revestimiento duro resistente al desgaste, que comprende un revestimiento de la composición siguiente:

Al1-a-b-c-d Cra Xb Sic Bd Z, , en donde X es al menos un elemento entre Nb, Mo, W o Ta; Z es un elemento o un compuesto entre N, C, CN, NO, CO, CON;

y 0,2 <= a <= 0,5;

0,01 <= b <= 0,2;

0 <= c <= 0,1 ;

0 <= d <= 0,1 donde, si el revestimiento duro resistente al desgaste es un revestimiento del grupo: Al0,62Cr0,31Nb0,07N, Al0,65Cr0,26W0,09N, Al0,62Cr0,31Mo0,07N, la pieza de trabajo no es una pieza de trabajo del grupo: mordaza forjada, broca de movimiento suave HM, punzón de ranurar.

2. Una pieza de trabajo según la reivindicación 1, que posee un cuerpo hecho de acero, acero rápido, metal duro, carburo cementado. o cualquier otro metal o material cerámico.

3. Una pieza de trabajo según la reivindicación 1, en que la pieza de trabajo es una herramienta para operación a alta temperatura y/o para trabajo a máquina sin lubricación.

4. Una pieza de trabajo según la reivindicación 1, en que la pieza de trabajo es una herramienta, una herramienta de corte, una broca, una barrena de ensanchar, una fresa de cremallera, una pieza de inserción, una fresa matriz, una fresa, una muela, una fresa radial, una muela de punta de bola, una herramienta de perfilar, un molde para moldeo a presión, un molde para moldeo por inyección, una herramienta de estampación, una herramienta de embutición profunda o un troquel de forjar.

5. Una pieza de trabajo según la reivindicación 1, en que la pieza de trabajo es un componente para condiciones de funcionamiento de trabajo pesado, alta temperatura, lubricación insuficiente y/o sin lubricación.

6. Una pieza de trabajo según la reivindicación 1, en la que la pieza de trabajo es un componente, una leva, un componente del tren de válvulas, una leva de pistón, un brazo de válvula, un brazo oscilante, una espiga, un pasador de pistón, una espiga de empujador de rodillo, un perno, un componente de un sistema de inyección de combustible, una aguja de inyección, un engranaje, un piñón diferencial, un pistón tubular o un aro de pistón.

7. Proceso PVD para depositar por lo menos una película de Al1-a-b-c-d Cra Xb Sic Bd Z sobre una pieza de trabajo, en que X es al menos un elemento entre Nb, Mo, W o Ta; Z es un elemento o un compuesto entre N, C, CN, NO, CO, CON; y 0,2 <= a <= 0,5; 0,01 <= b <= 0,2; 0 <= x <= 0,1; 0 <= d <= 0,1, en el que al menos una pieza de trabajo está instalada en un sistema de revestimiento en vacío y dicho sistema se hace operar en una atmósfera de argón de baja presión utilizando, por lo menos, dos grupos objeto de metales o de aleaciones metálicas, con la adición, al menos temporal, de un gas reactivo, por lo menos, aplicando al sustrato un voltaje negativo.

8. Proceso PVD según la reivindicación 7, en el que el gas reactivo es nitrógeno a una presión parcial de 3,5 Pa aproximadamente.

9. Proceso PVD según la reivindicación 7 ú 8, en el que el voltaje del sustrato es –100 V.

10. Proceso PVD según las reivindicaciones 7-9, en el que los, por lo menos dos grupos objeto comprenden Al y Cr.