Herramienta recubierta.

Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas, constituido por un material de sustrato y por una capade material duro de una o varias capas,

en la que la capa de material duro comprende al menos una capa dediboruro de titanio con un espesor de al menos 0,1 μm, precipitada mediante un procedimiento CVD térmico,caracterizada por que la capa de diboruro de titanio presenta una estructura de granos finos con un tamaño degranos medio de 50 nm como máximo y porque en el material de sustrato no existen zonas de difusión quecontengan boro.

Herramienta recubierta.

La invención se refiere a un objeto recubierto, constituido por un material de sustrato y por una capa de material duro monocapa o multicapa, comprendiendo la capa de material duro al menos una capa de diboruro de titanio con un espesor de al menos 0, 1 !m, precipitada mediante un procedimiento CVD térmico.

Se conoce el modo de precipitar capas de material duro monocapa o multicapa que comprenden al menos una capa de diboruro de titanio mediante diferentes procedimientos de recubrimiento tales como PVD (Physical Vapor Deposition) , CVD (Chemical Vapor Deposition) o procedimientos CVD asistidos por plasma (P-CVD, ICP-PVD) .

Cuando se habla de procedimientos CVD, generalmente se refiere al procedimiento CVD térmico en el que en un recipiente, en un intervalo de temperatura superior a 700 ºC y hasta 750 ºC, bajo presión normal o depresión, se precipita sobre el sustrato una capa de material duro correspondiente con la ayuda de una mezcla de gases de los componentes de reacción que se descomponen a las temperaturas de recubrimiento.

En procedimientos CVD asistidos por plasma, los componentes de reacción de la mezcla de gases se descomponen por un plasma aplicado en la cámara de reacción así como por la acción de la temperatura. El plasma puede producirse por ejemplo mediante alta frecuencia (P-CVD) o mediante inducción (ICP-CVD = Inductively Coupled Plasma CVD) . Durante ello se producen temperaturas sensiblemente más bajos que durante el procedimiento CVD térmico en el intervalo de aprox. 400 a 600ºC, de modo que también pueden recubrirse sustratos, cuya estructura podría alterarse por la acción de temperaturas demasiado elevadas. Los procedimientos CVD asistidos por plasma conllevan un alto gasto en términos de técnica de procedimiento y aparatos y hasta hoy no se han impuesto para el recubrimiento económico de piezas en masa resistentes al desgaste como por ejemplo placas de corte reversibles para el mecanizado con arranque de virutas.

En el procedimiento PVD, los sustratos que han de ser recubiertos se recubren con la capa de material duro deseado mediante la remoción física de una fuente de recubrimiento adecuada y la incorporación de un componente de gas reactivo.

Hasta hoy día, los objetos resistentes al desgaste en los que se elaboraba una capa de material duro con una capa de diboruro de titanio mediante un procedimiento CVD térmico presentan entre el material de sustrato y la capa de diboruro de titanio o frecuentemente también entre la capa de diboruro de titanio y otra capa de material duro situada debajo de esta una zona de difusión que contiene boro. Dicha zona de difusión conduce a una fragilización de esta zona que, dado el caso, va acompañada de una mala adherencia de la capa de diboruro de titanio y, por tanto, una reducida resistencia al desgaste del objeto recubierto. Por esta razón, las piezas resistentes al desgaste, especialmente insertos de corte, destinados al mecanizado con arranque de virutas se recubrían con una capa de diboruro de titanio, en la mayoría de los casos mediante procedimientos PVD, aunque los procedimientos PVD generalmente conllevan costes de fabricación más elevados en comparación con los procedimientos CVD térmicos.

Las capas de diboruro de titanio que se precipitan con un procedimiento PVD presentan una estructura de capas texturada con una estructura en forma de varitas. La dureza de estas capas es de aprox. 3.000 (HV 0, 03) , lo que frecuentemente es sólo limitadamente suficiente en cuanto a la resistencia al desgaste, especialmente en caso del arranque de virutas de materiales especialmente difíciles de someterse al arranque de virutas, como el titanio.

El documento DE2525185 describe piezas de moldeo resistentes al desgaste que se componen de un cuerpo base de metal duro y una capa de material duro, estando constituida la capa de material duro por dos capas parciales superpuestas, la exterior de las cuales se compone de óxido de aluminio y/o de óxido de circonio, estando compuestas la capa parcial interior de uno o varios boruros, especialmente de los diboruros de los elementos titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, tántalo, cromo, molibdeno y wolframio. En un ejemplo de realización, en una primera etapa, un cuerpo de metal duro se provee de una capa de diboruro de titanio con un grosor de 3 !m. La precipitación de esta capa se realiza durante una hora a 1.000 ºC y una presión de 50 torr usando una mezcla de gases de 1.900 l de hidrógeno, 20 ml de TiCl4 y 4 g de BCl3. En una segunda etapa de reacción, el cuerpo de metal duro recubierto de TiB2 se recubre entonces con una capa de óxido de aluminio con un grosor de 5 !m. Una desventaja de este cuerpo de metal duro es que por las condiciones de recubrimiento elegidas para la precipitación de la capa de diboruro de titanio se difunde boro al metal duro. Al mismo tiempo, se forma una fase eta fuerte y/o fases frágiles que contienen boro que reducen sensiblemente la duración útil de la capa de material duro recubierto. Además, la capa de diboruro de titanio presenta una estructura entre granos y columnas que presentan tamaños de granos medios del orden de !m.

El documento EP0015451 describe un objeto de metal duro recubierto con una capa de material duro multicapa con una capa exterior con un grosor entre 5 y 20 !m de un boruro seleccionado de entre boruro de titanio, boruro de hafnio, boruro de circonio y boruro de tántalo. En un ejemplo de realización se describe la elaboración de una capa de diboruro de titanio con un grosor de aprox. 10 !m mediante la precipitación a partir de una mezcla de gases con un 3, 3% en vol. de BCl3, un 2% en vol. de TiCl4, y el resto hidrógeno, durante un período de tiempo de 90 minutos, a aprox. 800 ºC y una presión de 105 Pa. También en el caso de un objeto de metal duro recubierto según este procedimiento, la capa de diboruro de titanio presenta una estructura entre granos y columnas que presenta tamaños de granos medios del orden de !m.

El documento EP1245693 describe un inserto de corte de un sustrato y de una capa de material duro que presenta al menos una capa de boruro de titanio. De forma correspondiente a los ejemplos de realización en este documento, la capa de diboruro de titanio se fabrica mediante un procedimiento PVD. La capa de diboruro de titanio presenta una microestructura fibrosa con granos cilíndricos con un diámetro del rango de 5 a 50 nm y con una longitud superior a 260nm. Los granos cilíndricos están dispuestos sustancialmente de forma perpendicular con respecto a la superficie del sustrato.

PIERSON H O ET AL "The Chemicals vapor deposition of TiB2 from diborane" THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH, TOMO 72, Nº 3, 15 DE OCTUBRE DE 1980 (1980-10-15) , páginas 511 a 516, da a conocer un objeto compuesto por un sustrato y una capa de diboruro de titanio con un grosor de capa de 15 !m. La capa de diboruro de titanio presenta un tamaño de granos de 6 a 26 nm.

La invención tiene el objetivo de proporcionar una herramienta recubierta con una capa de material duro, cuya capa de material duro comprende una capa de diboruro de titanio que puede fabricarse de forma económica y que en comparación con las capas de material duro conocidas con una capa de diboruro de titanio presenta una resistencia al desgaste mejorada notablemente.

Según la invención, esto se consigue mediante una herramienta según la reivindicación 1.

Sorprendentemente, se ha encontrado que en objetos resistentes al desgaste que presentan una capa de material duro con una capa de diboruro de titanio, se consigue aumentar la resistencia al desgaste si esta presenta la textura según la invención.

La capa de diboruro de titanio según la invención presenta una dureza superior a 4.300 (HV 0, 03) , lo que conduce a un aumento brusco de la resistencia al desgaste. Además, por los granos extremadamente finos, la superficie es muy lisa, de modo que especialmente en caso del arranque de virutas de material difíciles de someter al arranque de virutas, como las aleaciones de titanio, apenas se producen en la superficie conglutinaciones con las virutas desprendidas, por lo que aumenta considerablemente la seguridad de mecanización. Es importante que no se exceda un tamaño de granos medio de la capa de diboruro de titanio de 50 nm, ya que entonces se vuelve a perder el efecto ventajoso.

Además, resulta ventajoso que la capa de diboruro de titanio exista sustancialmente en una sola fase. Sustancialmente significa que con los métodos de determinación de fases usuales no puedan detectarse más componentes de fase.

La capa de material duro puede estar realizada tanto como capa de diboruro de titanio o como capa de material duro multicapa con una o varias... [Seguir leyendo]

1. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas, constituido por un material de sustrato y por una capa de material duro de una o varias capas, en la que la capa de material duro comprende al menos una capa de diboruro de titanio con un espesor de al menos 0, 1 !m, precipitada mediante un procedimiento CVD térmico, caracterizada por que la capa de diboruro de titanio presenta una estructura de granos finos con un tamaño de granos medio de 50 nm como máximo y porque en el material de sustrato no existen zonas de difusión que contengan boro.

2. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según la reivindicación 1, caracterizada por que la capa de diboruro de titanio presenta un grosor de capa comprendida en el intervalo de 0, 1 !m a 15 !m, especialmente en el intervalo de 1 !m a 10 !m.

3. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que el material de sustrato es un metal duro.

4. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la herramienta es una placa de corte reversible.

5. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que la capa de material duro se compone de varias capas y la capa de diboruro de titanio se alterna con una o varias capas de material duro adicionales.

6. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según la reivindicación 5, caracterizada por que la estructura de la capa de material duro, comenzando desde la superficie del sustrato, se compone de una o varias capas del grupo formado por nitruro de titanio, carbonitruro de titanio y carboboronitruro de titanio con un espesor total de capa comprendido en el intervalo de 0, 1 a 3 !m, seguido de una capa de diboruro de titanio con un grosor comprendido entre 1 !m y 5 !m.

7. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según la reivindicación 5 o 6, caracterizada por que sobre la capa de diboruro de titanio está aplicada además una capa de recubrimiento de una o varias capas del grupo formado por nitruro de titanio, carbonitruro de titanio y carboboronitruro de titanio con un espesor total de capa comprendido en el intervalo de 0, 1 a 3 !m.

8. Herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la superficie del recubrimiento de material duro está tratada mediante un tratamiento de chorro con uno o varios metales del grupo formado por aluminio, cobre, zinc, titanio, níquel, estaño o aleaciones base de estos metales.

9. Uso de una herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según una de las reivindicaciones 1 a 8 para el mecanizado con arranque de virutas de materiales que no contienen hierro, tales como el titanio, el aluminio y sus aleaciones.

10. Procedimiento para la fabricación de una herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el recubrimiento se elabora mediante un procedimiento CVD térmico a una temperatura comprendida en el intervalo de 700 ºC a 950 ºC, caracterizado por que para la elaboración de la capa de diboruro de titanio se usa una mezcla de gases compuesta por entre 2, 5 y 50 % en vol. de hidrógeno, entre 0, 1 y 10 % en vol. de TiCl4 y entre 0, 2 y 20 % en peso de BCl3, y el resto de gas inerte, preferentemente argón.

11. Procedimiento para la fabricación de una herramienta para el mecanizado con arranque de virutas según la reivindicación 10, caracterizado por que para la elaboración de la capa de diboruro de titanio se usa una mezcla de gases con la composición de 5 a 20 % en vol. de hidrógeno, 0, 2 a 1 % en vol. de TiCl4, 0, 4 a 2 % en peso de BCl3, y el resto de gas inerte, preferentemente argón, y el recubrimiento se realiza bajo presión normal.

12. Procedimiento para la fabricación de un objeto recubierto según la reivindicación 10 u 11, caracterizado por que la mezcla de gases se introduce en la cámara de reacción en primer lugar sin la parte de BCl3 y después de transcurrir un plazo de 0, 5 a 5 minutos se añade la parte de BCl3.