Revestimiento duro multicapas para herramientas.

Capa de material duro con estructura multicapas para el mejoramiento de la resistencia al desgaste de piezas de trabajo,

comprendiendo:

- al menos una capa (AlyCr1-y) X donde 0.2 ≤ y ≤ 0.7 y X es uno de los elementos siguientes N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CBNO, pero preferentemente N o CN, y/o una capa de (TizSi1-z) X donde 0.99 ≥ z >0.7, caracterizada porque la capa de material duro comprende adicionalmente

- al menos un paquete de capas con la estructura siguiente: una capa de mezcla de (AlCrTiSi) X seguida de otra capa de (TizSi1-z) X seguida de otra capa de mezcla de (AlCrTiSi) X seguida de otra capa de (AlyCr1-y) X.

Revestimiento duro multicapas para herramientas.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un revestimiento duro multicapas para herramientas (metal duro y acero rápido) para aplicaciones con desprendimiento de virutas, en particular aplicaciones de taladrado.

a) herramientas con revestimiento duro con una sucesión de múltiples capas diferentes de nitruro o carbonitruro de aluminio-cromo y nitruro o carbonitruro de titanio-silicio.

b) herramientas, en particular herramientas de corte y de conformación (brocas, fresas, roscadoras, machos roscadores, fresas roscadoras, fresas helicoidales, punzones, matrices, machos de embutir, etc.) con una secuencia de múltiples diferentes capas de nitruro o carbonitruro de aluminio-cromo y nitruro o carbonitruro de titanio-silicio.

c) un procedimiento para la fabricación de una secuencia de múltiples diferentes capas de nitruro o carbonitruro de aluminio-cromo y nitruro o carbonitruro de titanio-silicio con estructura de capas definida.

Estado actual de la técnica El documento EP 1174528 A2 describe un revestimiento sobre herramientas que se compone de una secuencia de múltiples capas individuales, estando compuesta una primera capa de un nitruro, carburo, carbonitruro, boruro, óxido, etc. de los elementos Ti, Al y/o Cr, y una segunda capa de un nitruro, carburo, carbonitruro, boruro, óxido, etc. de Si y al menos un elemento de los grupos 4a, 5a y 6a de la TPE. La ventaja de este revestimiento consiste en que mediante el Si en la capa superior se mejora sensiblemente la resistencia al desgaste y la resistencia a la oxidación. Ante todo, las capas de cubierta sobre la base de Cr-Si muestran mejoramientos del avance durante la vida útil de la herramienta. Como capa inferior se han elegido capas de TiAlN, CrAlN y TiN.

En el documento EP 1422311 A2 se describen capas de material duro sobre la base de Al-Cr- (Si) -O que pueden estar conformadas como nitruros, carburos, óxidos, boruros, etc. Es válido para todas las capas que en las capas esté contenida un pequeña fracción de oxígeno (1-25 %at) . Adicionalmente, se menciona que puede estar aplicada otra capa de material duro sobre el revestimiento mencionado en la invención. Como ejemplos se indican aquí, entre otros, Ti-Si-N, Ti-B-N, BN, Cr-Si-N, etc. Como ventaja de esta invención se indican aquí, ante todo, la inclusión de pequeñas cantidades de oxígeno o silicio y oxígeno, porque esto proporciona una mayor dureza así como a una mayor resistencia al desgaste y a la oxidación por alta temperatura.

En el documento EP 1219723 A2 se presenta un revestimiento sobre la base de Ti-Al-Cr-X-N, pudiendo la X ser Si, B y/o C. La ventaja de este revestimiento se indica como mejoramiento de la resistencia al desgaste respecto de revestimientos convencionales. Además, en la invención se describe un target que al menos debe estar compuesto de Ti, Al y Cr.

Desventajas del actual estado de la técnica Las herramientas con capas de material duro de acuerdo con el estado actual de la técnica (revestimientos basados en Ti-Al-N) presentan menor avance durante la vida útil que los nuevos optimizados revestimiento duros de (Al1xCrxX) - (Ti1-ySiy) X donde X = N o CN.

Las desventajas del estado actual de la técnica muestran, además, que en revestimiento de Al-Cr-N a elevadas temperaturas bajo atmósfera inerte (por ejemplo, atmósfera de argón) ya a alrededor de 900° C comienza una descomposición del revestimiento. Si se realiza este tratamiento térmico bajo atmósfera de oxígeno, este proceso de disgregación se desplaza a un intervalo de temperatura mayor. Si ahora en el desprendimiento de viruta se observa un corte continuo, en la superficie de contacto entre la superficie de herramienta y la pieza de trabajo se produce, n localmente, temperaturas muy elevadas (en parte encima de 1000° C) . Ahora, si dicha superficie de contacto es suficientemente grande para que poco/ningún oxígeno pueda actuar de manera estabilizante en la superficie del revestimiento, el CrN cúbico se descompone en Cr2N hexagonal y como resultado de una temperatura aún mayor, en Cr metálico. En el uso, este proceso de descomposición del revestimiento conduce a un desgaste prematuro del revestimiento que se configura, particularmente, como desgaste por erosión.

Planteamiento del problema en la presente invención La presente invención pretende eliminar las desventajas del estado actual de la técnica y sirve, en particular, para un mejoramiento del avance durante la vida útil de piezas revestidas, por ejemplo herramientas para arranque de viruta, útiles de corte y moldeo o componentes para la construcción de máquinas y moldes. Además, el objetivo de la presente invención es poner a disposición un procedimiento para la deposición de estas capas, en particular para la deposición de tales capas sobre las piezas indicadas.

Indicación de la solución o del camino a la solución Según la invención, el objetivo se consigue mediante un revestimiento duro según la reivindicación 1 o bien una herramienta con un revestimiento de este tipo según la reivindicación 12. Otras conformaciones según la invención se describen en las reivindicaciones secundarias.

La invención describe una estructura de multicapas especial de un revestimiento que pretende prevenir una disgregación (desgaste) prematura del revestimiento durante el uso. Mediante la estructura multicapas se previenen o al menos se retrasan la disgregación y la posterior difusión del componente CrN dentro del revestimiento de AlCrN.

Para la deposición de las capas duras de Al-Cr- (X) -N/Ti-Si-N se ha usado una instalación industrial de revestimientos del modelo RCS de la firma Balzers, como también está descrito en el documento EP 1186681 en las figuras 3 a 6, descripción columna 7, línea 18 hasta columna 9, línea 25. Para ello, las piezas limpias se han fijado según el diámetro sobre dos soportes de sustrato dobles rotativos o bien, en el caso de diámetros menores a 50 mm, sobre tres soportes de sustrato rotativos y se instalan dos targets Ti-Si fabricados por pirometalurgia y cuatro targets de aleaciones de Al-Cr- (X) fabricados por pulvimetalurgia en seis fuentes de arco catódico situadas en las paredes de la instalación de revestimientos. En este caso, la geometría de la disposición de targets está determinada, esencialmente, por el plano octogonal de la instalación RCS en la que dos elementos calefactores opuestos separan dos grupos de tres segmentos consecutivos equipados, cada uno, de un cátodo de arco. Para los presentes ensayos se instaló, en cada caso, un target de SiTi en el elemento central opuesto de cada grupo de tres. Sin embargo, para fabricar tales capas también son posibles otras disposiciones de targets. En principio, tales capas pueden ser depuestas en toda instalación que presente al menos dos cátodos de arco en posición geométrica equivalente, por ejemplo sobre la misma altura de revestimiento de un portasustrato de rotación simple o múltiple. El entendido en la materia sabe, según el tipo de instalación, cómo puede continuar influyendo en el espesor de capa de las diferentes capas o laminados mediante la disposición de los targets o el ajuste del respectivo movimiento o giro del sustrato o de la velocidad angular en una rotación de pieza de trabajo.

A continuación, en primer lugar, se han llevado las piezas de trabajo a una temperatura de aproximadamente 500° C mediante calefactores radiantes también montadas en la instalación y, a continuación, la superficie es sometida a una limpieza caustica mediante iones de Ar aplicando un voltaje de polarización de -100 a -200 V en una atmósfera de Ar a una presión de 0, 2 Pa.

A continuación, una capa adhesiva de Al-Cr-N de aproximadamente 0, 2 µm de espesor es depositada mediante la operación de cuatro fuentes de Al-Cr con una capacidad de 3 kW y la aplicación de una polarización de sustrato de 50 V durante un periodo de 5 minutos. A continuación se ha creado selectivamente un revestimiento multicapas en el que primero 2 fuentes de Ti-Si con, en cada caso, también 3 kW adicionales son conectadas a las 4 fuentes de Al-Cr y operados juntos por un periodo de aproximadamente 1 minuto. A continuación se desconectan las 4 fuentes de Al-Cr y una capa pura de Ti-Si-N es depuesta por aproximadamente 3 minutos. Después se conectan nuevamente las 4 fuentes de Al-Cr durante aproximadamente 1 Minuto.

Continuando, las fuentes de Ti-Si se desconectan nuevamente y se depone un nuevo revestimiento puro de Al-Cr-N durante otros 5 minutos. En el margen de la invención, dicha secuencia para el paquete de capas se producirá varias veces durante la deposición. Finalmente es aplicada otra capa de cubierta de un espesor aproximado de... [Seguir leyendo]

1. Capa de material duro con estructura multicapas para el mejoramiento de la resistencia al desgaste de piezas de trabajo, comprendiendo:

- al menos una capa (AlyCr1-y) X donde 0.2 ≤ y ≤ 0.7 y X es uno de los elementos siguientes N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CBNO, pero preferentemente N o CN, y/o una capa de (TizSi1-z) X donde 0.99 ≥ z > 0.7, caracterizada porque la capa de material duro comprende adicionalmente

- al menos un paquete de capas con la estructura siguiente: una capa de mezcla de (AlCrTiSi) X seguida de otra capa de (TizSi1-z) X seguida de otra capa de mezcla de (AlCrTiSi) X seguida de otra capa de (AlyCr1-y) X.

2. Capa de material duro según la reivindicación 1, caracterizada porque la al menos una capa de (AlyCr1-y) X, la otra capa (AlyCr1-y) X así como las capas de mezcla (AlCrTiSi) X contienen al menos otro elemento del grupo IVb, Vb y/o Vib de la tabla periódica de elementos, o silicio.

3. Capa de material duro según las reivindicaciones 1 y/o 2, caracterizada porque la al menos una capa (AlyCr1-y) X así como la otra capa (AlyCr1-y) X contienen 0, 5 a 25 %at del otro elemento o silicio, estando determinada la concentración de los elementos y del silicio en las demás capas de mezcla (AlCrTiSi) X.

4. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las capas del paquete de capas presentan los espesores de capa siguientes:

-AlyCr1-yN entre 75 nm y 200 nm

- TizSi1-zN entre 50 y 150 nm

- capas de mezcla (AlCrTiSi) X 20 ± 10 nm.

5. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la capa comprende múltiples paquetes de capas sucesivos.

6. Capa de material duro según la reivindicación 5, caracterizada porque el paquete de capas comprende 4, 8 o 12, pero preferentemente 8 paquetes de capas.

7. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos una capa de (AlyCr1-y) X está depuesta directamente sobre la pieza de trabajo o sobre una capa adhesiva.

8. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque una capa de cubierta (AlyCr1-y) X o una capa de cubierta de (TizSi1-z) X cierran la capa de material duro.

9. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque sobre la capa de material duro está depuesta una capa antifricción.

10. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el al menos un paquete de capas comprende la estructura siguiente:

- una capa de mezcla de (AlCrTiSi) X

-seguida de otra capa de (AlyCr1-y) X

-seguida de otra capa de mezcla de (AlCrTiSi) X

-seguida de otra capa de (AlyCr1-y) X.

11. Capa de material duro según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las capas de mezcla comprenden una estructura multicapas.

12. Pieza de trabajo, caracterizada porque la herramienta comprende un revestimiento según una de las reivindicaciones precedentes.

13. Pieza de trabajo según la reivindicación 12, caracterizada porque la pieza de trabajo es un componente para la construcción de máquinas y moldes, una herramienta, una herramienta para el arranque de virutas, una herramienta de corte o de conformación, pero preferentemente una broca.