Deposición por arco catódico.

Método para depositar un recubrimiento de TiAlN sobre un sustrato de herramienta de corte usando un proceso de deposición por arco catódico y en particular un proceso de deposición por arco catódico de alta intensidad,

comprendiendo dicho método los pasos de:

- prever un sistema anódico y un blanco con forma de placa que formen una configuración de ánodo-cátodo para deposición por arco catódico dentro de una cámara de vacío, en donde dicho blanco con forma de placa comprende Ti y Al como elementos principales; - prever al menos un sustrato de herramienta de corte en la cámara de vacío que comprende nitrógeno como gas reactivo; y

- generar un plasma mediante una descarga de arco visible como al menos un punto de arco en la superficie del blanco con forma de placa a base de aplicar una corriente de arco de al menos 200 A entre el blanco con forma de placa y el sistema anódico de forma tal que desde el blanco con forma de placa son emitidos iones de la descarga de arco para así formar el recubrimiento sobre el sustrato de herramienta de corte que es al menos uno;

- en cuyo método una densidad media de corriente iónica en una dirección normal a la superficie del blanco, medida usando una superficie de sonda encarada al blanco a una distancia de 15 cm de la superficie del blanco, multiplicada por el área superficial total del blanco con forma de placa es de al menos 5 A;

estando dicho método caracterizado por el hecho de que adicionalmente comprende el paso de aplicar al sustrato de herramienta de corte un voltaje de polarización VS que es negativo con respecto a un potencial de voltaje VA del sistema anódico y un voltaje catódico VC que es negativo con respecto al potencial de voltaje VA del sistema anódico, en donde: VS - VA >-30 V, -20 V< VC - VA< 0 V, y -10 V ≤ VS - VC ≤ 10 V. 25

Deposición por arco catódico Ã?mbito Técnico [0001] La presente invención se refiere a un método para depositar un recubrimiento sobre un sustrato de herramienta de corte usando un proceso de deposición por arco catódico y en particular un proceso de deposición por arco catódico de alta intensidad.

Antecedentes de la Técnica [0002] En su mayoría las herramientas de corte para el torneado, el fresado, el taladrado u otras mecanizaciones por arranque de viruta son hoy en día recubiertas con un recubrimiento resistente al desgaste que es depositado usando técnicas de deposición química de vapor (DQV) o de deposición física de vapor (DFV) a fin de prolongar la vida activa de la herramienta y/o de incrementar la productividad. En general se persigue lograr un recubrimiento comparativamente grueso, puesto que esto mejora la resistencia al desgaste. Esto se logra fácilmente para los recubrimientos hechos por DQV. Sin embargo, los recubrimientos hechos por DFV tienen varias propiedades atractivas en comparación con los recubrimientos hechos por DQV, y en particular la capacidad de proporcionar tensión de compresión en el recubrimiento, la cual proporciona una mejor tenacidad en comparación con los recubrimientos hechos por DQV. Estas tensiones de compresión se derivan esencialmente de diferencias de dilatación térmica entre sustrato y recubrimiento y de un efecto de densificación debido a un bombardeo de iones de alta energía durante la deposición. Este efecto ventajoso del bombardeo iónico apenas está presente en todas las técnicas de DFV tales como la evaporación térmica, pero prevalece en la deposición por pulverización catódica y con la deposición por arco catódico la tensión de compresión puede llegar a ser excesivamente alta, siendo a menudo de más de 5 GPa, debido a la alta energía cinética de los iones incidentes. La polarización del sustrato es una manera estándar de incrementar la energía cinética y para los recubrimientos duros se la considera necesaria para obtener las deseadas propiedades mecánicas. La densificación típicamente conduce a un incremento de la dureza y a una mejor resistencia al desgaste del material del recubrimiento. En combinación con una potencialmente alta velocidad de deposición, esto hace que las técnicas de deposición por arco catódico sean una alternativa interesante para la deposición de recubrimientos para herramientas de corte.

Sin embargo, debido a un bombardeo iónico demasiado fuerte pueden generarse defectos y las tensiones de compresión demasiado altas ocasionarán finalmente una deslaminación del recubrimiento, ya sea espontáneamente o bien debido a las fuerzas que actúan en el recubrimiento durante la mecanización, en particular para los recubrimientos de gran espesor. Así, el nivel de tensión en el recubrimiento normalmente se controla para obtener una tensión de compresión lo más alta posible sin comprometer demasiado la adherencia del recubrimiento. Por ejemplo, la US

7.838.132 da a conocer una deposición por arco catódico de recubrimientos de (Ti, Al) N de aproximadamente 3 μm de espesor sobre sustratos de herramientas de corte de carburo cementado usando una intensidad de arco de 200 A con distintas polarizaciones del sustrato que van desde -40 V hasta -200 V, y llega a la conclusión de que hay un óptimo a aproximadamente -70 V donde pueden lograrse altas tensiones de compresión, es decir unas tensiones de compresión de más de 4 GPa, y sin embargo sigue siendo posible obtener una buena adherencia. Otras sofisticadas técnicas de polarización pueden permitir una atenuación de tensiones y un reordenamiento de las uniones durante la deposición, permitiendo con ello una comparativamente alta energía cinética sin adolecer considerablemente de problemas de deslaminación.

En consecuencia, los procesos de deposición por arco catódico del estado de la técnica adolecen de un problema de equilibrio entre el espesor del recubrimiento, que es crucial para la resistencia al desgaste, y la calidad del recubrimiento con respecto a propiedades mecánicas, y en particular con respecto a la tenacidad.

Breve exposición de la invención [0005] Un objeto de la invención es el de aportar un proceso de deposición por arco catódico que permita formar recubrimientos de gran espesor sobre sustratos de herramientas de corte a fin de mejorar la resistencia al desgaste de las herramientas de corte recubiertas, tales como insertos de herramientas de corte recubiertos y herramientas redondas hechas de carburos cementados, cermets, acero rápido, nitruro de boro cúbico y diamante policristalino, sin deteriorar otras propiedades tales como la adherencia o la resistencia al desconchado. Esto se logra mediante un método como el definido por las reivindicaciones independientes.

La presente invención aporta un método para depositar un recubrimiento de TiAlN sobre un sustrato de herramienta de corte usando un proceso de deposición por arco catódico y en particular un proceso de deposición por arco catódico de alta intensidad, comprendiendo dicho método los pasos de: -prever un sistema anódico y un blanco con forma de placa que formen una configuración de ánodo-cátodo para deposición por arco catódico dentro de una cámara de vacío, en donde dicho blanco con forma de placa comprende Ti y Al como elementos principales;

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-prever al menos un sustrato de herramienta de corte en la cámara de vacío que comprende nitrógeno como gas reactivo; y -generar un plasma mediante una descarga de arco visible como al menos un punto de arco en la superficie del blanco con forma de placa a base de aplicar una corriente de arco de al menos 200 A entre el blanco con forma de placa y el sistema anódico de forma tal que desde el blanco con forma de placa son emitidos iones de la descarga de arco para así formar el recubrimiento sobre los sustratos de herramienta de corte que son al menos uno; -en cuyo método una densidad media de corriente iónica en una dirección normal a la superficie del blanco, medida usando una superficie de sonda encarada al blanco a una distancia de 15 cm de la superficie del blanco, multiplicada por el área superficial total del blanco con forma de placa es de al menos 5 A; estando dicho método caracterizado por el hecho de que adicionalmente comprende el paso de aplicar al sustrato de herramienta de corte un voltaje de polarización VS que es negativo con respecto a un potencial de voltaje VA del sistema anódico y un voltaje catódico VC que es negativo con respecto al potencial de voltaje VA del sistema anódico, en donde: VS -VA > -30 V, -20 V < VC -VA < 0 V, y -10 V ≤ VS –VC≤ 10 V.

Una alta corriente iónica total de este tipo no se lograr fácilmente usando un blanco pequeño puesto que la densidad de potencia del arco típicamente llega a ser demasiado alta como para poder controlar eficazmente la evaporación del material del blanco, y por consiguiente sería emitido desde la superficie del blanco un número inaceptable de gutículas, lo cual es perjudicial para la calidad del recubrimiento. Usando una comparativamente gran área superficial del blanco según una realización de la presente invención, la densidad de corriente y la carga térmica local en el blanco pueden ser mantenidas a niveles moderados, obteniéndose al mismo tiempo la alta corriente iónica total. Preferiblemente el área superficial del blanco con forma de placa es de más de 500 cm 2, y con preferencia de más de 1000 cm2. Con ello es posible una ramificación de la descarga de arco en una multitud de puntos de arco distribuidos en prácticamente toda el área superficial del blanco. La ramificación es promovida por la alta corriente de arco. Una ventaja de la ramificación es la de que proporciona una comparativamente uniforme densidad de corriente iónica en el plasma en toda el área superficial del blanco. Esto puede observarse como una considerablemente uniforme iluminación de la superficie del blanco durante la deposición. Otra ventaja de la ramificación es la de que permite una mejor utilización del blanco. Aun otra ventaja es la de que es posible obtener condiciones de deposición uniformes en toda la cámara de vacío y por consiguiente unos uniformes espesores de recubrimiento y propiedades dentro de un lote.

Preferiblemente la densidad de corriente iónica medida, que es medida en condiciones de saturación de la corriente, es de más de 6 mA/cm2, preferiblemente de más de 10 mA/cm2, y más preferiblemente de entre 6 mA/cm2 y 16 mA/cm2, a fin de obtener la alta corriente iónica total y un alto flujo iónico en los sustratos de herramientas de corte. Pueden preverse adicionales blancos con forma de placa, p. ej. para incrementar adicionalmente la corriente iónica aportada al plasma... [Seguir leyendo]

1. Método para depositar un recubrimiento de TiAlN sobre un sustrato de herramienta de corte usando un proceso de deposición por arco catódico y en particular un proceso de deposición por arco catódico de alta intensidad,

comprendiendo dicho método los pasos de: -prever un sistema anódico y un blanco con forma de placa que formen una configuración de ánodo-cátodo para deposición por arco catódico dentro de una cámara de vacío, en donde dicho blanco con forma de placa comprende Ti y Al como elementos principales; -prever al menos un sustrato de herramienta de corte en la cámara de vacío que comprende nitrógeno como gas reactivo; y -generar un plasma mediante una descarga de arco visible como al menos un punto de arco en la superficie del blanco con forma de placa a base de aplicar una corriente de arco de al menos 200 A entre el blanco con forma de placa y el sistema anódico de forma tal que desde el blanco con forma de placa son emitidos iones de la descarga de arco para así formar el recubrimiento sobre el sustrato de herramienta de corte que es al menos uno; -en cuyo método una densidad media de corriente iónica en una dirección normal a la superficie del blanco, medida usando una superficie de sonda encarada al blanco a una distancia de 15 cm de la superficie del blanco, multiplicada por el área superficial total del blanco con forma de placa es de al menos 5 A; estando dicho método caracterizado por el hecho de que adicionalmente comprende el paso de aplicar al

sustrato de herramienta de corte un voltaje de polarización VS que es negativo con respecto a un potencial de voltaje VA del sistema anódico y un voltaje catódico VC que es negativo con respecto al potencial de voltaje VA del sistema anódico, en donde: VS -VA > -30 V, -20 V < VC-VA < 0 V, y

-10 V ≤ VS–VC≤ 10 V.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el blanco con forma de placa tiene un área superficial de más de 500 cm2.

3. Método según la reivindicación 1, en donde la densidad de corriente iónica es de más de 6 mA/cm2.

4. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que: VS – VC≤ 0 V.

5. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que: -19 V ≤ VC – VA ≤ 15 V.

6. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que:

- V ≤ VS –VA ≤ 15 V. 40

7. Método según la reivindicación 1, en donde la corriente de arco es ≥ 400 A.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que comprende

además el paso de generar en la superficie del blanco un campo magnético lateral para dirigir el desplazamiento 45 de dichos puntos de arco de la descarga de arco que son al menos uno.

9. El método de la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que comprende además el paso de controlar la magnitud del campo magnético lateral para controlar la impedancia medida a través del blanco con forma de placa y del sistema anódico para que sea < 0, 1 ohmios.

10. Método según la reivindicación 8 o 9, caracterizado por el hecho de que comprende además el paso de equilibrar un autocampo magnético originario de la corriente de arco, el campo magnético y un campo magnético originario del acoplamiento de corriente del blanco con forma de placa.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado por el hecho de que el campo magnético lateral es de menos de 100 gausios.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado por el hecho de que comprende además el paso de prever una distribución asimétrica de imanes permanentes debajo del blanco a fin de equilibrar un 60 campo magnético originario del acoplamiento de corriente del blanco con forma de placa de forma tal que sea uniforme un campo magnético en todo el blanco con forma de placa.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el espesor del recubrimiento es de al menos 10 μm.

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14. Método según las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la corriente iónica total originaria de todos los blancos con forma de placas dividida por un volumen interior de la cámara de vacío es de al menos 3 A/m3.

15. Método según las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que comprende además un postratamiento por chorreado del recubrimiento tras la deposición.

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