Cuerpos revestidos a base de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico así como un procedimiento para el revestimiento de tales cuerpos.

Cuerpos revestidos a base de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico,

revestidos con unsistema estratificado de una o múltiples capas, que tiene por lo menos una capa de un cuerpo compuesto con unmaterial duro, que como fases principales contiene TiAlCN cúbico y AIN hexagonal, caracterizados por que elTiAICN cúbico es un fcc-Ti1-5 xAlxCyNz microcristalino con x >0,75, y ≥ de 0 a 0,25 y z ≥ de 0,75 a 1 con un tamaño delos cristalitos de ≥ 0,1 μm, y por que esta capa de un cuerpo compuesto contiene adicionalmente, en la región de loslímites entre granos, carbono amorfo con una proporción en masa de 0,01 % a 20 %.

Cuerpos revestidos a base de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico así como un procedimiento para el revestimiento de tales cuerpos SECTOR TÉCNICO

El invento se refiere a unos cuerpos revestidos a base de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico, revestidos con un sistema estratificado de una o múltiples capas, que contiene por lo menos una capa de un cuerpo compuesto con un material duro, así como a unos procedimientos para el revestimiento de tales cuerpos. La capa de material duro conforme al invento, producida sobre los cuerpos, se distingue por una estructura de un cuerpo compuesto con una superficie homogénea y lisa, una alta estabilidad frente a la oxidación y una gran dureza y se puede emplear en particular como capa protectora contra el desgaste sobre placas cortantes reversibles de Si3N4 y WC/Co y piezas constructivas de acero.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las herramientas para la mecanización por corte de virutas deben de cumplir unos altos requisitos en lo que se refiere a la resistencia en estado estable y a la estabilidad frente a la abrasión. Unos revestimientos constituidos sobre la base de nitruros, carburos y carbonitruros del titanio se emplean desde hace mucho tiempo como capas protectoras contra el desgaste. En los últimos años, la tendencia se dirigía a proveer a estos revestimientos de una estabilidad frente a la oxidación más alta mediante la incorporación de aluminio.

Se conocen unas capas de TiAIN con la estructura cúbica de NaCl así como diferentes procedimientos para su producción. En este caso se producen unas capas de TiAIN fcc (acrónimo de “face centered cubic = cúbico centrado en las caras) monofásico o de mezclas de TiAIN fcc y AIN hexagonal mediando utilización de procedimientos de PVD (acrónimo de Physical Vapor Deposition = deposición física desde la fase de vapor) , CVD (acrónimo de Chemical Vapor Deposition = deposición química desde la fase de vapor) en plasma y CVD térmica (véanse el documento de solicitud de patente internacional WO 03/085152A2; la cita de K. Kawata, H. Sugimura, O.Takai, Thin Solid Films (Delgadas películas sólidas) , 390 (2001) páginas 64-69; y el documento de patente alemana DE 10 2005 032 860 B4) .

Mediante la incorporación de carbono y de otros metales, estas capas son mejoradas más aún de una manera continua, empleándose unos procedimientos tanto de PVD como también de CVD.

Unos sistemas estratificados con unas capas de fcc-TiAIN puro se ilustran por ejemplo en el documento de patente china CN 101319302A. En este caso se describe un método para la deposición por PVD de una capa graduada lineal de TiAICN, siendo producido el gradiente de C/N mediante una adición dosificada deliberada de N2 y de C2H2.

El documento de solicitud de patente WO 98/10120 A1 se ocupa de una pieza de trabajo revestida por PVD que tiene por lo menos dos capas que se suceden una a otra, la cual se compone de TiN, TiCN, TiAlN y TiAlCN.

Una pieza de trabajo con un revestimiento reductor del desgaste, que se compone de nitruros, carbonitruros y carburos combinados de Ti y Al se describe en el documento de solicitud de patente de los EE.UU. US 2002/0136933 A1.

En el documento de solicitud de patente japonesa JP 05337705 A se ha patentado un cuerpo cortante revestido con una capa que se compone de Ti, Al y N y/o C. Este revestimiento es producido mediante una CVD en plasma.

Se conocen también unas capas con una mezcla de fcc-TiAIN y de h-AlN (h es acrónimo de hexagonal) (documento DE 10 2007 000 512 B3) así como unas capas de una mezcla de fcc- (TiyAlxMe1-x-y) N con un h-AlN, comprendiendo Me los metales Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W o Si (documento US 2004/0115484 A1) .

Se conocen también unas capas de nanocuerpos compuestos que se componen de fcc-TiAICN y carbono amorfo (véanse el documento US 2003/143402 A1; y la cita de J. Shieh y M. H. Hon, Plasma-enhanced chemical-vapor deposition of titanium aluminium carbonitride/amorphous carbon nanocomposite thin films [Deposición química desde la fase de vapor intensificada por plasma de delgadas películas de nanocuerpos compuestos de carbonitruro de titanio y aluminio/carbono amorfo], J. Vac. Sci. Technol., Enero/Febrero de 2002, A20, (1) , páginas 87-92) . Estas capas se producen mediante CVD en plasma. Los granos de TiAlCN con un tamaño a la escala de loss nanómetros están empotrados en una matriz a base de carbono amorfo.

Además se conoce la adición de otros metales a capas de fcc-TiAlN.

El documento de solicitud de patente europea EP 1 574 594 A1 describe unas capas depositadas por PVD de un material duro, que contiene carbono, con una estructura nanocristalina que tiene la composición (AlxMe1yMe2z) CuE1vE2w con: Me1 y Me2 = unos metales, x > 0, 4, x + y + z = 1 e y, z ≥ 0 así como 1 > u > 0 y u + v + w = 1 y v, w ≥ 0. En este caso el contenido de carbono en los límites de los granos es más alto que en los nanocristales.

Un cuerpo revestido con un material duro con una capa depositada por CVD a base de (Ti, Me) 1-x Alx (CyNz) con Me = Zr y/o Hf se describe en el documento WO 2009/112117 A1. Estas capas se distinguen por una alta estabilidad frente a la oxidación y una alta resistencia a la abrasión.

EXPOSICIÓN DEL INVENTO

El invento se basa en la misión de desarrollar, para unos cuerpos de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico, un sistema estratificado, que sea de una o múltiples capas y que tenga por lo menos una capa de un cuerpo compuesto con un material duro, que contenga como fases principales las de TiAlCN cúbico y de AlN hexagonal y que se distinga por una estructura de un cuerpo compuesto con una superficie homogénea y lisa, una alta estabilidad frente a la oxidación y una gran dureza. Está incluido en esta misión el desarrollo de un procedimiento para la producción barata de tales revestimientos.

El problema planteado por esta misión se resuelve con las características de las reivindicaciones de esta patente, incluyendo el invento también unas combinaciones de las reivindicaciones dependientes individuales en el sentido de una combinación conjuntiva Y (del alemán UND-Verknüpfung) .

Los cuerpos revestidos coniforme al invento están caracterizados por el hecho de que ellos están revestidos como un sistema estratificado de una o múltiples capas, que tiene por lo menos una capa de un cuerpo compuesto con un material duro, que como fases principales contiene TiAlCN cúbico y AIN hexagonal, siendo el TiAlCN cúbico un fccTi1-xAlxCyNz microcristalino con x > 0, 75, y = de 0 a 0, 25 y z = de 0, 75 a 1 con un tamaño de los cristalitos de ≥ 0, 1 mm, y conteniendo esta capa de un cuerpo compuesto, en la región de los límites entre los granos, adicionalmente carbono amorfo con una proporción en masa de 0, 01 % a 20 %.

El revestimiento de TiAICN conforme al invento se distingue por una estructura microcristalina de un cuerpo compuesto, garantizando las dos fases principales fcc-Ti1-x AlxCyNz con x > 0, 75 y AIN hexagonal una alta dureza y una alta estabilidad frente a la oxidación y contribuyendo el carbono amorfo a la reducción del rozamiento. La alta dureza de la capa de un cuerpo compuesto se conserva a lo largo de un amplio intervalo de composiciones hasta de 50 % en masa de h-AlN.

En comparación con esto, las capas de TiAICN y de un nanocuerpo compuesto de acuerdo con el estado de la técnica, por causa del menor contenido de aluminio y del empotramiento de los cristales de TiAICN en el carbono amorfo, poseen solamente una limitada estabilidad frente a la oxidación. La matriz de carbono amorfo se quema a partir de 400ºC. Por consiguiente, ya no se presenta la cohesión en la capa de nanocuerpo compuesto a unas altas temperaturas.

La capa de TiAICN conforme al invento muestra por el contrario, sin embargo, una estabilidad sorprendentemente alta frente a la oxidación a unas temperaturas hasta de 800ºC. El alto contenido de aluminio de los componentes principales fcc-TiAICN y AIN hexagonal, así como la estructura microcristalina, son evidentemente la base para la absorción de una determinada cantidad de carbono amorfo reductor del rozamiento, sin que se influya desventajosamente sobre la estabilidad frente a la oxidación.

El revestimiento conforme al invento puede estar estructurado de un modo conveniente y ventajoso de la siguiente manera:

Junto al fcc-Ti1-xAlxCyNz microcristalino pueden estar contenidos en la capa de un cuerpo compuesto con un material duro otros compuestos de Ti, que se componen de Ti1-xAlxN en la estructura de wurtzita y/o TiN.

El carbono amorfo se presenta de manera preferida como carbono sp2 grafítico. Conforme al invento, el sistema estratificado... [Seguir leyendo]

1. Cuerpos revestidos a base de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico, revestidos con un sistema estratificado de una o múltiples capas, que tiene por lo menos una capa de un cuerpo compuesto con un material duro, que como fases principales contiene TiAlCN cúbico y AIN hexagonal, caracterizados por que el TiAICN cúbico es un fcc-Ti1-xAlxCyNz microcristalino con x > 0, 75, y = de 0 a 0, 25 y z = de 0, 75 a 1 con un tamaño de los cristalitos de ≥ 0, 1 μm, y por que esta capa de un cuerpo compuesto contiene adicionalmente, en la región de los límites entre granos, carbono amorfo con una proporción en masa de 0, 01 % a 20 %.

2. Cuerpos revestidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados por que junto al fcc-Ti1-xAlxCyNz microcristalino están contenidos otros compuestos de Ti que se componen de Ti1-xAlxN en una estructura de wurtzita y/o TiN.

3. Cuerpos revestidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados por que el carbono amorfo se presenta como carbono sp2 grafítico.

4. Cuerpos revestidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados por que el sistema estratificado de capas múltiples se compone de múltiples capas de un cuerpo compuesto con un material duro TiAlCN que tienen diferentes contenidos de carbono amorfo y/o de AlN hexagonal.

5. Cuerpos revestidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados por que la capa de un cuerpo compuesto con un material duro tienen un gradiente en lo que se refiere a la proporción en masa de AlN hexagonal comprendido entre 0, 1 % y 50 % y/o en lo que se refiere a la proporción en masa de carbono amorfo entre 0, 1 % y 20 %.

6. Cuerpos revestidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados por que la capa de un cuerpo compuesto con un material duro tiene un espesor de capa comprendido entre 0, 1 μm y 30 μm.

7. Cuerpos revestidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados por que el tamaño de los cristalitos del fcc-TiAlCN microcristalino está situado en el intervalo de 0, 1 μm hasta 1, 0 μm.

8. Procedimiento para el revestimiento de unos cuerpos a base de un metal, un metal duro, un cermet o un material cerámico con un sistema estratificado de una o múltiples capas que tiene por lo menos una capa de un cuerpo compuesto con un material duro, que como fases cristalinas contiene un fcc-Ti1-xAlxCyNz microcristalino con x > 0, 75, y =de 0 a 0, 25 y z = de 0, 75 a 1 y AIN hexagonal y que adicionalmente contiene carbono amorfo con una proporción en masa de 0, 01 % a 20 %, siendo depositada la capa de un cuerpo compuesto mediando utilización de una mezcla gaseosa con compuestos precursores de Ti, Al, C y N en un proceso LPCVD a unas temperaturas comprendidas entre 700ºC y 900ºC y a unas presiones comprendidas entre 102 Pa y 105 Pa sin excitación adicional por plasma sobre el cuerpo.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que como compuestos precursores para la deposición de la capa de un cuerpo compuesto con un material duro, se utilizan en la mezcla gaseosa halogenuros de titanio, halogenuros de aluminio, compuestos nitrogenados reactivos, hidrocarburos y/o compuestos con carbono y nitrógeno.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que como se utilizan como compuesto nitrogenado reactivo NH3 y como hidrocarburos CH2H4 o C2H2.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que a la mezcla gaseosa para la deposición de la capa de un cuerpo compuesto con un material duro se le añaden H2 y/o N2.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que a la mezcla gaseosa para la deposición de la capa de un cuerpo compuesto con un material duro se le añade un gas noble inerte.

Difractograma por XRD de la capa de un cuerpo compuesto que se compone de fcc-TiAlCN, h-AlN y carbono amorfo de acuerdo con el Ejemplo de realización 1.

Fig. 1

Espectro de Raman de la capa de un cuerpo compuesto que se compone de fcc-TiAlCN, h-AlN y carbono amorfo de acuerdo con el Ejemplo de realización 1.

Fig. 2.

Difractograma por XRD de la capa de un cuerpo compuesto que se compone de fcc-TiAlCN, h-AlN y carbono amorfo de acuerdo con el Ejemplo de realización 2.

Fig. 3