CAPA DE MATERIAL DURO.

E06700563 30-12-2011 La invención se refiere tanto a un revestimiento de material endurecido en forma de un revestimiento funcional (32) mediante PVD - arco oxídico que se deposita sobre una pieza de trabajo (30) según el título general de la reivindicación 1, como a un proceso de revestimiento de una pieza de trabajo con un revestimiento de material endurecido según el título general de la Reivindicación 22. El uso de fuentes de evaporador de arco, también conocidas como cátodos de descarga de chispa, por medio de alimentación mediante una corriente pulsada se ha conocido a partir de los estudios especializados durante cierto tiempo. Se pueden conseguir velocidades de evaporación elevadas, y así velocidades elevadas de depósitos durante el revestimiento, de manera económicamente eficaz mediante el uso de fuentes de evaporación de arco. Además, la preparación de tal fuente es relativamente simple de realizar técnicamente. Estas fuentes funcionan con corrientes que están en general en el intervalo de alrededor de 100 A y más, y a tensiones desde un número bajo de voltios hasta alrededor de 10 voltios, y se pueden realizar mediante el uso de alimentaciones de corriente CC relativamente baratas. Una desventaja significativa de estas fuentes es que se desarrolla rápidamente una fusión extremadamente fluida sobre la superficie del blanco en la zona del trazo catódico, como resultado de lo cual se forman gotículas que son emitidas en forma de una pulverización y que después se condensan sobre la herramienta, por lo que tienen una influencia indeseada sobre las propiedades del revestimiento. Un resultado típico es que la estructura de las capas se hace heterogénea, y la rugosidad superficial es pobre. Cuando existe una gran demanda en la calidad del revestimiento, los revestimientos producidos de esta manera a menudo no se pueden usar comercialmente. Por lo tanto, ya se han hecho intentos de reducir este problema haciendo funcionar la fuente del evaporador de arco mediante el uso de una alimentación de corriente pulsada pura. Sin embargo, hasta ahora solamente se han podido conseguir mejoras mínimas en la formación de la pulverización. El uso de gases reactivos para la deposición de compuestos desde un blanco metálico en un plasma reactivo se ha limitado hasta ahora a la producción de capas eléctricamente conductoras. El problema de la formación de pulverizaciones catódicas se incrementa en la producción de capas eléctricamente no conductoras, es decir, dieléctricas, tales como de óxidos, cuando se usa oxígeno como gas reactivo. La sustitución de los blancos del evaporador de arco y los contraelectrodos que es inherente al proceso en este caso, así como el revestimiento con una capa no conductora, conduce a condiciones completamente inestables, e incluso a la extinción del arco eléctrico. En este caso se debería re-encender continuamente, o de otra manera el proceso se haría imposible. En el documento EP 0 666 335 B1 se hace la sugerencia de superponer en la corriente CC una corriente pulsátil para la deposición sobre materiales metálicos puros mediante el uso de un evaporador de arco para reducir el efecto de la alimentación de corriente CC básica, por lo que se reduce la formación de la pulverización catódica. Para esto, son necesarias corrientes pulsadas de hasta 5000 A, y éstas se podrían generar mediante el uso de una descarga de condensador a frecuencias de pulso relativamente bajas en el intervalo de 100 Hz a 50 kHz. Este proceso se propone para impedir la formación de gotículas durante la evaporación no reactiva de blancos metálicos puros mediante el uso de una fuente de evaporador de arco. En ese documento no se proporciona una solución para la deposición de revestimientos no conductores dieléctricos. Cuando se lleva a cabo el revestimiento reactivo mediante el uso de fuentes de evaporador de arco existe una carencia de reactividad y estabilidad del proceso, en particular en la producción de revestimientos aislantes. En contraste con otros procesos de PVD (por ejemplo pulverización catódica), los revestimientos aislantes a partir de la evaporación de arco solamente se han producido hasta ahora mediante el uso de blancos eléctricamente conductores. El uso de frecuencias elevadas, como es el caso en la pulverización catódica, ha fracasado hasta ahora debido a la carencia de una tecnología adecuada para el funcionamiento de una alimentación de corriente elevada a frecuencias elevadas. El uso de alimentaciones de corriente pulsada parece ser una opción. Sin embargo, la chispa, como se mencionó anteriormente, se debe re-encender continuamente o la frecuencia de los pulsos se debe seleccionar a un nivel tan elevado que la chispa no se extinga. Esto parece funcionar para aplicaciones que usan materiales especiales, tales como con grafito, como se describió en el documento DE 3901401. Sin embargo, se debe mencionar que el grafito no es un aislante, sino que es eléctricamente conductor, aunque es peor conductor que los metales normales. El re-encendido mediante el uso de un contacto mecánico y una alimentación eléctrica de CC no es posible para las superficies de los blancos oxidados. El problema real de la evaporación de arco reactivo es la deposición de capas aislantes sobre el blanco y el ánodo, o sobre la cámara de revestimiento cuando funciona como ánodo. Estos revestimientos aislantes incrementan la tensión de mantenimiento de la descarga de chispa en el transcurso de su formación, conducen a un incremento de la pulverización y las descargas, un proceso inestable que finaliza con la interrupción de la descarga de chispas. Esto va acompañado por el recubrimiento del blanco con un material aislante que reduce el área de la superficie conductora. Un gas reactivo extremadamente diluido (p.ej. una mezcla de argón/oxígeno) puede retrasar la formación sobre el blanco, pero no resolverá el problema esencial de la inestabilidad del proceso. La propuesta dada en el documento US 5.103.766, hacer funcionar el cátodo y el ánodo mediante el 2   E06700563 30-12-2011 uso del re-encendido alternante ayuda a la estabilidad del proceso, pero conduce a un incremento de la pulverización. La solución de usar una alimentación de corriente pulsada, como es posible para la pulverización catódica reactiva, no se puede adaptar al uso de un proceso clásico de evaporación de chispa. Esto se debe a que la descarga luminiscente "dura más" que una chispa cuando se interrumpe la alimentación de corriente. Para evitar el problema del depósito de un revestimiento aislante sobre el blanco en procesos reactivos para la creación de revestimientos aislantes, la entrada del gas reactivo puede estar separada físicamente del blanco (entonces la reactividad del proceso solamente se puede garantizar si la temperatura en el sustrato permite una oxida- ción/reacción), o puede tener lugar una separación entre la pulverización y la porción ionizada (el denominado arco filtrado), y los gases reactivos se pueden añadir en el vapor ionizado después de la filtración. Todavía existe el deseo de reducir adicionalmente la carga térmica sobre los sustratos o de mantenerla dentro de los límites y poder llevar a cabo procesos a baja temperatura para el revestimiento catódico de chispa. En el documento WO-03018862 se describe el funcionamiento pulsado de fuentes de plasma como posible manera de reducir la carga térmica en el sustrato. Sin embargo, el razonamiento se aplica en general a los procesos de pulverización catódica. No se hace referencia a la evaporación de chispa. Durante cierto tiempo ha existido el deseo en el área de los revestimientos endurecidos de producir materiales endurecidos oxídicos con una dureza adecuada, fuerza adhesiva y que estén determinados por las propiedades tribológicas deseadas. Una parte importante de esto se podría realizar mediante óxidos de aluminio, en particular óxidos de aluminio-cromo. La técnica anterior de la tecnología del área de PVD (deposición física en fase vapor) ha estado relacionada principalmente con la producción de óxido de aluminio gamma y alfa. El proceso que se cita más es la pulverización catódica mediante magnetrón doble, que tiene desventajas significativas para esta aplicación en cuanto a la fiabilidad del proceso y el coste. Las patentes japonesas se concentran más en sistemas de revestimiento con respecto a las herramientas, y citan el proceso de recubrimiento iónico de arco, por ejemplo, como método de producción. Existe el deseo general de poder depositar óxido de aluminio alfa. Sin embargo, en los procesos normales de PVD son necesarias temperaturas del sustrato de alrededor de 700 °C o más, de manera que se pueda mantener la estructura. Algunos usuarios han intentado evitar estas temperaturas elevadas de una manera elegante por medio de capas de nucleación (la oxidación... [Seguir leyendo]

1. Una capa de material duro como una capa de PVD de arco (32) con conglomerados reaccionados de manera incompleta que forman las partes metálicas de la capa depositada sobre una pieza de trabajo (30) fabricada de ma- terial metálico, que es una herramienta de corte, perfilado, moldeado por inyección o prensado, y en particular puede ser un inserto rotatorio, en la que esta capa está formada como un óxido eléctricamente aislante de al menos uno de los metales (Me) de los metales de transición Zr, Cr, Mo y Al, Si, Fe, Co, Ni, Y, en la que la capa funcional (32) tiene un contenido de gases nobles y de halógenos de menos del 2%. 2. La capa de material duro según la reivindicación 1, caracterizada porque la capa tiene una rugosidad media Ra de como mínimo 0,2 m. 3. La capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el contenido de gas noble en la capa funcional (32) es como máximo del 0,1%, preferiblemente como máximo del 0,15%, y/o el contenido de halógeno es como máximo del 0,5%, preferiblemente como máximo del 0,1%, y preferiblemente no contiene gas noble y/o halógeno. 4. La capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la capa funcional (32) tiene un grosor en el intervalo de 0,5 µm a 12 µm, preferiblemente 1,0 a 5 µm. 5. La capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la capa funcional (32) es un óxido mixto de metal de aluminio de la forma (AlXMe1-X)YOZ, en la que Me es preferiblemente uno de los metales Cr, Mo, Zr, Fe, Co, Ni, Y, individualmente o en mezcla. 6. La capa de material duro según la reivindicación 5, caracterizada porque Me es el metal cromo y tiene la forma (AlXCr1-X)YOZ. 7. La capa de material duro según la reivindicación 6, caracterizada porque la proporción 1-x del metal cromo en la capa constituye del 5 al 80 %At, preferiblemente 10 al 60 %At. 8. La capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la capa funcional (32) es una capa de óxido de aluminio estequiométrico en la forma Al2O3. 9. La capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la capa funcional (32) forma la capa más externa o una capa de soporte adicional con al menos una capa de cobertura (35) localizada por encima de ella, tal como en particular una capa de reducción de la fricción (35). 10. La capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la capa funcional (32) tiene una resistencia a la temperatura mayor de 800 °C y es químicamente resistente a la oxidación. 11. Una pieza de trabajo con una capa de material duro según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la pieza de trabajo (30) es una herramienta, una pieza de una máquina, preferiblemente un inserto rotatorio. 12. La pieza de trabajo según la reivindicación 11, caracterizada porque entre la capa funcional (32) y la pieza de trabajo (30) está dispuesta una capa adicional que es una capa intermedia (31), y ésta forma en particular una capa de adhesión (31), y ésta contiene preferiblemente uno de los metales de los grupos IV, V y VI del sistema periódico y/o Al, Si, Fe, Co, Ni, Co, Y o una mezcla de los mismos. 13. La pieza de trabajo según la reivindicación 12, caracterizada porque los metales de la capa intermedia (31) son compuestos con N, C, O, B o mezclas de los mismos, en la que se prefiere el compuesto con N. 14. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 13, caracterizada porque el grosor de la capa intermedia (31) es de 0,05 a 5 µm, preferiblemente en el intervalo de 0,1 a 0,5 µm. 15. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizada porque al menos una de las capas, tal como en particular la capa funcional (32) y/o la capa intermedia (31), están formadas como una capa graduada (34), tal como desde una composición metálica pasando por nítrica y/o de nítrica a nitro-oxídica y hasta óxido. 16. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizada porque al menos una de las capas, tal como en particular la capa funcional (32), está formada como un sistema de capas múltiples (33) con diferente composición de materiales, en la que preferiblemente varias capas (33) se repiten con una composición alternante, y en la que el sistema de capas múltiples (33) comprende preferiblemente al menos tres capas. 16 E06700563 30-12-2011   E06700563 30-12-2011 17. La pieza de trabajo según la reivindicación 16, caracterizada porque los pares de secuencias de capas repetitivas del sistema de capas cambian la composición de los materiales alternativamente, tal como, preferiblemente, de un Me1 a un óxido de Me2 y/o de un nitruro de Me1 a un óxido de Me1 y/o de un nitruro de Me1 a un óxido de Me2. 18. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 16 ó 17, caracterizada porque el par de secuencias de capas repetitivas del sistema de capas contiene alternativamente la composición de materiales de (AlXCr1- X)YNZ y (AlXCr1-X)YOZ, preferiblemente en una composición estequiométrica tal como (AlXCr1-X)N y (AlXCr1-X)2O3. 19. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 16 ó 17, caracterizada porque el par de secuencias de capas repetitivas del sistema de capas contiene alternativamente la composición de materiales de (AlZr)XNY y (AlZr)XOY, preferiblemente en una composición estequiométrica como (AlXZr1-X)N y (AlXZr1-X)2O3. 20. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, caracterizada porque el sistema de capas múltiples (33) comprende al menos 20 capas, preferiblemente hasta 500 capas. 21. La pieza de trabajo según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, caracterizada porque el grosor de una capa del sistema de capas múltiples (33) se halla en el intervalo de 0,01 a 0,5 µm, preferiblemente en el intervalo de 0,02 a 0,1 µm. 22. Un método para el revestimiento de una pieza de trabajo (3) en una planta de proceso en vacío (1) con una capa de material duro (32) depositada como una capa funcional que se forma como un óxido eléctricamente aislante de al menos uno de los metales (Me) de los metales de transición de los grupos IV, V, VI del sistema periódico y Al, Si, Fe, Co, Ni, Co, Y, y la capa se deposita con una fuente de vaporización de arco (5), caracterizada porque la fuente de vaporización de arco (5) se hace funcionar con una alimentación eléctrica de CC (13) sobre la cual se superpone una alimentación de corriente pulsada (16, 16'), en la que el blanco (5', 20) de la fuente de vaporización de arco (5, 20) contiene uno de los metales y el blanco (5', 20) se hace funcionar en una atmósfera de oxígeno en modo reactivo de forma que se genera un óxido eléctricamente no conductor y se deposita en forma de una capa. 23. El método según la reivindicación 22, caracterizado porque se suministra tan poco gas noble y/o gas halógeno a la atmósfera de gas reactivo de la cámara de proceso de la planta de vacío (1) que la capa depositada incorpora un máximo del 0,5% de tales gases, preferiblemente ninguno de estos gases. 24. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 23, caracterizado porque se hacen funcionar dos fuentes de vaporización de arco (5, 20) alimentadas mediante CC, en el que además se hace funcionar una única alimentación de corriente pulsada (16) conectada a las dos fuentes (5, 20) para formar un montaje de vaporización de arco de pulso doble (5, 20). 25. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 24, caracterizado porque la pieza de trabajo comprende acero, una aleación que contiene hierro, cromo, cobalto, o níquel de uno o más metales, un metal duro, un material cerámico, un cermet, un boronitruro cúbico, en el que al menos se deposita una capa adicional por medio de un proceso de PVD y una de las capas es una capa de adhesión (31) que está directamente adyacente a la pieza de trabajo (30), en el que la o al menos una de las capas siguientes, la capa funcional (32), comprende Al2O3 o (AlMe)2O3, y Me es al menos un metal de transición de los grupos IV, V o VI del sistema periódico o silicio, y al menos el aluminio o la capa de óxido de metal de aluminio se deposita con un vaporizador de arco (5, 20) en el que el óxido de aluminio, óxido de metal u óxido de metal de aluminio se vaporiza desde al menos un blanco reactivo superficialmente (5, 20) en una atmósfera que contiene oxígeno. 26. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 25, caracterizado porque el revestimiento tiene un valor de rugosidad Ra de como mínimo 0,2 m. 27. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 26, caracterizado porque se deposita al menos una capa adicional que es una capa de óxido exenta de aluminio que contiene uno o más óxidos de metales adicionales, y el óxido de metal contiene al menos un metal de transición de los grupos IV, V o VI del sistema periódico o silicio, preferiblemente cromo o zirconio. 28. El método según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, caracterizado porque la capa de adhesión (31) contiene al menos uno de los metales de transición de los grupos IV, V o VI del sistema periódico y/o aluminio o silicio. 29. El método según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 28, caracterizado porque la capa de adhesión (31) comprende una capa dura que contiene un nitruro, carburo o boruro de al menos uno de los metales de transición de los grupos IV, V o VI del sistema periódico y/o aluminio o silicio o una mezcla de estos compuestos. 30. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 29, caracterizado porque la capa funcional (32) se deposita como un sistema de capas de material duro que comprende varias capas (33) de un nitruro, carburo, boruro 17   u óxido de al menos uno de los metales de transición de los grupos IV, V o VI del sistema periódico y/o aluminio o silicio, o una mezcla de estos compuestos, en el que al menos las capas sucesivas directamente difieren por la estequiometría del contenido de elemento metálico o no metálico. 31. El método según la reivindicación 30, caracterizado porque el sistema de capas de material duro (32) se deposita con una o más capas (33) que contienen óxido de aluminio-cromo. 32. El método según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 31, caracterizado porque las transiciones entre las capas individuales (33) del sistema de capas de material duro (32), con respecto a la estequiometría de su contenido de elementos metálicos o no metálicos, se incrementa o se reduce gradualmente o por etapas. 33. El método según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, caracterizado porque el revestimiento de las capas individuales del sistema de capas de material duro (32) se deposita con un grosor entre 0,01 y 0,5 m, preferiblemente 0,02 y 0,1 m. 34. El método según cualquiera de las reivindicaciones 31 a 33, caracterizado porque las capas que contienen nitruro, carburo o boruro se depositan alternativamente con capas que contienen óxido de aluminio-cromo. 35. El método según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 34, caracterizado porque al menos una transición de la capa de adhesión (31) a la capa que contiene óxido de aluminio o al sistema de capas de material duro (32), o del sistema de capas de material duro (32) o la capa que contiene óxido de aluminio a la capa de cobertura (35), con respecto a la estequiometría de su contenido de elementos metálicos o no metálicos, se incrementa o se reduce gradualmente o por etapas. 36. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 35, caracterizado porque la capa que contiene óxido de aluminio se deposita como (Al1-XCrX)2O3, en el que 0,05 < x < 0,80, preferiblemente 0,01 < x < 0,60. 37. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 36, caracterizado porque como pieza de trabajo (30) se reviste una herramienta, en particular una herramienta de corte, perfilado o moldeado por inyección. 38. El método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 37, caracterizado porque como pieza de trabajo (30) se reviste un componente, en particular un componente para un motor de combustión o una turbina. 18 E06700563 30-12-2011   19 E06700563 30-12-2011   E06700563 30-12-2011   21 E06700563 30-12-2011