RECUBRIMIENTO DE MATERIAL DURO DE Al-Ti-Ru-N-C.

Un recubrimiento mono o multicapa de material duro de nitruro o carbonitruro que contiene Al y Ti,

caracterizado porque presenta, al menos, una capa de recubrimiento de la composición (AlxTiyRuzMev)(NaC1-a), con 0,45 ≤ x ≤ 0,75 0,2 ≤ y ≤ 0,55 0,001 ≤ z ≤ 0,1 0 ≤ v ≤ 0,2 0,9 ≤ (x + y + z + v) ≤ 1,1 0,8 ≤ a ≤ 1,1; en que Me es uno o varios elementos del grupo formado por Si, B, W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Zr y v es el contenido suma de estos elementos

La invención se refiere a un recubrimiento mono o multicapa de material duro de nitruro o carbonitruro que contiene Al y Ti.

Con el fin de aumentar la resistencia al desgaste, sobre los cuerpos sometidos a desgaste, en particular, piezas de desgaste y herramientas, se aplican recubrimientos de material duro de gran resistencia al desgaste. Normalmente, estos recubrimientos presentan valores de dureza en el intervalo de 15 hasta más de 40 GPa. Entre los materiales duros eficaces se cuentan carburos, carbonitruros, nitruros y óxidos que, con frecuencia, se emplean conjuntamente como recubrimientos complementarios dispuestos en capas. A este respecto, se aplican alternadamente recubrimientos de materiales duros distintos, con el fin de satisfacer las diferentes exigencias en cuanto a adherencia, desgaste y tenacidad. Como cuerpos sustrato se emplean materiales resistentes al desgaste como, por ejemplo, metales duros, materiales de cerametal, materiales duros y aceros para herramientas.

Para muchas aplicaciones han resultado eficaces los recubrimientos de (AlxTi1-x)(NyC1-y), que combinan excelentes propiedades de desgaste con una elevada resistencia a la oxidación. Por ejemplo, en el documento JP 2644710 se describe un recubrimiento de estructura cristalina cúbica de la composición (AlxTi1-x)(NyC1-y), con 0,56 ≤ x ≤ 0,75; 0,6 ≤ y ≤ 1. La adición de Al a TiN aumenta la dureza del recubrimiento y mejora la resistencia a la oxidación. Para x > 0,75 disminuye la dureza del recubrimiento por la formación de la fase hexagonal. Para x < 0,56 la temperatura de inicio de la oxidación disminuye por debajo de 800°C.

Los recubrimientos de (AlxTi1-x)(NyC1-y) pueden prepararse por deposición física (PVD) o química en fase de vapor (CVD térmica, PACVD). Un procedimiento de PVD preferido es la pulverización catódica con magnetrón. En este procedimiento se pulveriza sobre dianas metálicas de Al-Ti, que pueden estar presentes como aleaciones o como dianas de material compuesto, mediante el uso de gases reactivos y de este modo se deposita (AlxTi1-x)(NyC1-y). Por lo general, las fases de (AlxTi1-x)(NyC1-y) que se forman son metaestables y forman depósitos coherentes en el intervalo de temperaturas entre 600°C y 1.000°C, con lo que es posible un autoendurecimiento durante el empleo a altas temperaturas. La composición del recubrimiento depositado queda determinada principalmente por la composición de la diana de pulverización. Adicionalmente,

El recubrimiento puede optimizarse en cuanto a sus propiedades estructurales, tribológicas y, resultantes de las anteriores, de mecanizado por arranque de viruta, por medio de la aleación de otros elementos, la deposición de recubrimientos multicapa y/o mediante el ajuste controlado de los parámetros del proceso, por ejemplo, de la tensión de polarización. En ello se intenta, en la medida de lo posible, mantener baja la proporción de estructura hexagonal en el sistema bifásico fcc(TiAl)N + hcp(AlTi)N.

Así, por ejemplo, en el documento US 5558653 se describe la adición de Si, en el documento JP 08-199340, la adición de Ca, Dy, Nd, Ce, Sr, en el documento JP 08199341, la adición de Y y en el documento DE 3611492, la adición de Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W.

En muchos casos de aplicación, los sistemas de recubrimientos mencionados anteriormente ya no satisfacen las exigencias, cada vez mayores, en cuanto a resistencia al desgaste y ductilidad, propiedades que, a su vez, determinan la duración de la herramienta.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención satisfacer esta exigencia de una mejor resistencia al desgaste, en particular en el caso de conjuntos de esfuerzos tribológicos muy exigentes, por ejemplo, con contramateriales muy abrasivos o temperaturas altas en los filos de los insertos de corte, y la exigencia de una mejor seguridad de proceso de las herramientas, por medio de una alta estabilidad contra las entalladuras y el desportillado de los filos.

El objetivo se consigue mediante las características

Al menos una capa del recubrimiento presenta la composición (AlxTiyRuzMev)(NaC1-a), con 0,45 ≤ x ≤ 0,75; 0,2 ≤ y ≤ 0,55; 0,001 ≤ z ≤ 0,1; 0 ≤ v ≤ 0,2 y 0,8 ≤ a ≤ 1,1. En ello, Me es al menos un elemento del grupo formado por Si, B, W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf y Zr. Si se seleccionan varios elementos de este grupo, v representa el contenido suma de estos elementos. El hecho de que el recubrimiento pueda presentar valores de (x + y + z + v) entre 0,9 y 1,1 y valores de a de 0,8 a 1,0 significa que los nitruros y carbonitruros con valores ligeramente diferentes de la composición estequiométrica, que pueden producirse también debido al proceso, presentan también las propiedades según la invención. Los mejores resultados pudieron obtenerse con (x + y + z + v) = 1.

Según la invención, las proporciones metálicas de átomos de titanio y/o aluminio en la matriz de AlTiN o de AlTiNC se sustituyen por hasta el 10% atómico de rutenio. A este respecto, las investigaciones mostraron que el rutenio no forma fases o compuestos de nitruro, metálicos

o intermetálicos. Mediante la variación del contenido de rutenio, para una relación constante Al:(Ti+Ru) = 2:1, pudo demostrarse que con un contenido de rutenio creciente se produce un desplazamiento de la orientación cúbica preferente de (200) a (111). Igualmente, pudo observarse una expansión del retículo atómico en la orientación (200) mediante el valor de FWHM (anchura total a la mitad del máximo). Esto indica una disolución forzada, al menos parcial, de los átomos de rutenio en el retículo de AlTi(Me)N o bien de AlTi(Me)NC. Por medio de la adición de rutenio se mejora la dureza a temperaturas elevadas, en particular en el intervalo > 700°C. Probablemente, esto puede atribuirse a un depósito reforzado de AlN. La fase cúbica también pudo detectarse todavía a temperaturas de empleo de 900°C. De este modo se produce también un desplazamiento de la transición de fase fcc/hcp. Con ello, el recubrimiento de material duro mantiene también la resistencia a la abrasión para altas temperaturas de empleo, lo que es de gran importancia, en particular, para el empleo en herramientas de corte. Además, la adición de rutenio tiene un efecto positivo sobre el comportamiento de oxidación del recubrimiento de material duro.

Si el contenido de rutenio es muy bajo (z < 0,001) ya no puede observarse un efecto suficiente. Para altos contenidos de rutenio (z > 0,1) disminuye la dureza a temperatura ambiente por formación de la fase hexagonal. Además, debido al elevado precio del rutenio, unos contenidos tan altos de este elemento carecen de sentido económico. El contenido de rutenio preferido es de 0,005 ≤ z ≤ 0,06.

Si x es inferior a 0,45, no se observa una resistencia suficiente a la oxidación. Para x > 0,75, la dureza del recubrimiento disminuye a un nivel inadmisible por formación de componentes de fase hexagonal. Si y es inferior a 0,2, la dureza del recubrimiento es demasiado baja. En cambio, para y > 0,55 no se observa una resistencia suficiente a la oxidación.

El recubrimiento de material duro puede estar formado por una o muchas capas de distinta composición y/o estructura. En ello, al menos una de las capas de recubrimiento presenta la composición según la invención.

Se ha demostrado que los elementos silicio, boro, wolframio, molibdeno, cromo, tantalio, niobio, vanadio, hafnio y circonio tienen un efecto similar tanto en recubrimientos de AlTiN o bien de AlTiNC con rutenio como en recubrimientos sin rutenio. En ello, el contenido óptimo de silicio y boro respecto a la proporción de metales es del 0,1 al 1% atómico, el contenido óptimo de cromo, wolframio y molibdeno es del 1 al 10% atómico y el contenido óptimo de vanadio, niobio, tantalio, circonio y hafnio es del 1 al 20% atómico. La adición de estos elementos aumenta la dureza del recubrimiento en un intervalo de concentraciones en el que predomina la fase cúbica y, en ello, por lo general, reduce la ductilidad del recubrimiento. Por lo tanto, la composición ha de adaptarse al caso de aplicación, en lo que puede recurrirse a los valores empíricos de recubrimientos sin rutenio. En una forma de realización preferida, el recubrimiento, o bien las capas del recubrimiento...

1. Un recubrimiento mono o multicapa de material duro de nitruro o carbonitruro que contiene Al y Ti, caracterizado porque presenta, al menos, una capa de recubrimiento de la composición (AlxTiyRuzMev)(NaC1-a), con

0,45 ≤ x ≤ 0,75 0,2 ≤ y ≤ 0,55 0,001 ≤ z ≤ 0,1 0 ≤ v ≤ 0,2 0,9 ≤ (x + y + z + v) ≤ 1,1 0,8 ≤ a ≤ 1,1;

en que Me es uno o varios elementos del grupo formado por Si, B, W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Zr y v es el contenido suma de estos elementos.

2. Recubrimiento de material duro según la reivindicación 1, caracterizado porque x + y + z + v = 1.

3. Recubrimiento de material duro según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque v = 0.

4. Recubrimiento de material duro según las

reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque 0,001 ≤ v ≤ 0,01 para Si, B 0,01 ≤ v ≤ 0,1 para Cr, Mo, W 0,01 ≤ v ≤ 0,2 para V, Nb, Ta, Zr, Hf.

5. Recubrimiento de material duro según una de las

reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque 0,9 ≤ a ≤ 1.

6. Recubrimiento de material duro según la reivindicación 5, caracterizado porque a = 1.

7. Recubrimiento de material duro según una de las

reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la estructura cristalina dominante es cúbica.

8. Recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque 0,005 ≤ z ≤ 0,06.

9. Recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dicho recubrimiento es multicapa.

10. Recubrimiento de material duro según la reivindicación 9, caracterizado porque se alternan capas

de recubrimiento con 0,001 ≤ z ≤ 0,1, con capas de

recubrimiento con z = 0.

11. Recubrimiento de material duro según la reivindicación 10, caracterizado porque se alternan capas de recubrimiento con

0,62 ≤ x ≤ 0,72 0,27 ≤ y ≤ 0,39 0,005 ≤ z ≤ 0,05 v = 0

con capas de recubrimiento con 0,45 ≤ x ≤ 0,55 0,45 ≤ y ≤ 0,55 z = 0 v = 0.

12. Recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el espesor de las capas de recubrimiento es de 5 a 30 nm.

13. Recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque la

estructura cristalina de la capa de recubrimiento con z = 0 es cúbica.

14. Uso de un recubrimiento de material duro según una

5 de las reivindicaciones 1 a 13 para el recubrimiento de nitruro de boro cúbico.

15. Uso de un recubrimiento de material duro según una

de las reivindicaciones 1 a 13 para el recubrimiento de 10 metal duro.

16. Herramienta de torneado con un recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 1 a 9,

caracterizada porque 0,01 ≤ z ≤ 0,06 y el espesor del

15 recubrimiento es de 3 a 14 µm.

17. Herramienta de fresado con un recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque 0,005 ≤ z ≤ 0,02 y el espesor del

20 recubrimiento es de 2 a 8 µm.

18. Procedimiento para la preparación de un recubrimiento de material duro según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dicho

25 recubrimiento se deposita por medio de PVD.