ES2834482T3

ES2834482T3 - Herramienta revestida

Info

Publication number: ES2834482T3
Application number: ES18707218T
Authority: ES
Inventors: Christoph Czettl; Josef Thurner; Markus Lechleitner; Christian Jäger
Original assignee: Ceratizit Austria GmbH
Current assignee: Ceratizit Austria GmbH
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: KR20190104557A; CN110234797B; WO2018140990A1; KR102335305B1; US20200123664A1; JP2020510540A; CN110234797A; JP6991226B2; AT15677U1; US11104999B2; EP3577253B1; EP3577253A1

Abstract

Herramienta revestida (1) con: un sustrato (2) y un revestimiento de material duro (3) depositado sobre el sustrato (2), en donde el revestimiento de material duro (3), partiendo del sustrato (2), presenta una estructura de las capas en la siguiente secuencia con: una capa de nitruro de titanio (3a), una capa de transición de boronitruro de titanio (3b) y una capa de diboruro de titanio (3c), en donde la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) presenta un contenido en boro creciente en dirección a la capa de diboruro de titanio (3c) desde la capa de nitruro de titanio (3a), caracterizada por que el contenido en boro de la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) no sobrepasa 15% at.

Description

DESCRIPCIÓN

Herramienta revestida

La presente invención se refiere a una herramienta revestida con un sustrato y un revestimiento de material duro depositado sobre el sustrato, el cual presenta, entre otros, una capa de diboruro de titanio de grano fino.

En particular, en el caso de una mecanización con arranque de virutas de materiales metálicos pasan a emplearse, junto a herramientas no revestidas a base de, por ejemplo, metal duro o cermet, ya desde hace muchos años también herramientas revestidas, en las cuales sobre el cuerpo de la herramienta que forma un sustrato está depositado un revestimiento de material duro, con el fin de mejorar adicionalmente la resistencia al desgaste y las propiedades de arranque de virutas de la herramienta. La herramienta puede estar configurada en este caso, por ejemplo, de manera enteriza a base del material del sustrato con un vástago para la unión con una máquina de mecanización, tal como, por ejemplo, la denominada herramienta de metal duro completa, pero también puede estar configurada, en particular, preferiblemente como una pieza insertada de corte recambiable, la cual puede ser fijada de manera recambiable en un cuerpo base de la herramienta.

El metal duro y cermet son en cada caso materiales compuestos en los que partículas de material duro, que forman el componente predominante del material compuesto, están embutidas en un aglutinante metálico dúctil que forma una porción claramente menor del material compuesto. Al menos en el caso de una elevada proporción de partículas de material duro, el material compuesto tiene en este caso una estructura de esqueleto o armazón formada a base de las partículas de material duro, cuyos espacios intermedios están rellenos por el aglutinante metálico dúctil. Las partículas de material duro pueden estar formadas en este caso, en particular, al menos predominantemente por carburo de wolframio, carburo de titanio y/o carbonitruro de titanio, pudiendo estar presentes en pequeñas cantidades, adicionalmente, por ejemplo, también otras partículas de material duro, en particular, carburos de los elementos de los grupos IV a VI del Sistema Periódico de los Elementos. El aglutinante metálico dúctil se compone habitualmente, al menos de manera predominante, de cobalto, níquel, hierro o una aleación base de al menos uno de estos elementos. También pueden estar disueltos en el aglutinante metálico otros elementos, no obstante en menores cantidades. Por una aleación base se ha de entender en este caso que este elemento forma el componente predominante de la aleación. Lo más frecuentemente, pasa a emplearse metal duro en el que las partículas de material duro están formadas, al menos predominantemente, por carburo de wolframio y el aglutinante metálico es una aleación base de cobalto o de cobalto-níquel.

El documento EP 2 209 929 B1 describe una herramienta para la mecanización con arranque de virutas con un material del sustrato y un revestimiento de material duro depositado sobre el material del sustrato, que presenta una capa de diboruro de titanio depositada mediante un procedimiento CVD térmico con una estructura de grano muy fino.

El documento WO 2004/101455 A1 describe una herramienta revestida según la cláusula precaracterizante de la reivindicación 1.

En “Investigation of the origin of compressive residual stress in CVD TiB2 hard coatings using synchrotron X-ray nanodiffraction” de N. Schalk et al. en Surface and Coatings Technology, Vol. 258, 2014, págs. 121-126, bajo “Métodos Experimentales” se describe, entre otros, cómo se pueden determinar los estados de tensión en revestimientos de material duro mediante exámenes con sincrotrones.

Es misión de la presente invención mejorar todavía adicionalmente la adherencia de la capa de una capa de diboruro de titanio de grano fino en el caso de una herramienta y posibilitar un funcionamiento adicionalmente mejorado de una herramienta revestida.

El problema se resuelve mediante una herramienta revestida según la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos se indican en las reivindicaciones dependientes. La capa de transición de boronitruro de titanio con un contenido en boro creciente en dirección a la capa de diboruro de titanio, conduce a una mejora clara de la adherencia de la capa del revestimiento de material duro. En particular, se evita un fuerte salto de repercusión negativa en las tensiones propias en el revestimiento de material duro en el límite a la capa de diboruro de titanio. Dado que el contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio - también cerca de la capa de diboruro de titanio - no sobrepasa un valor de 15% at., se evita con ello una formación de fases con una estructura cristalina hexagonal que repercutiría negativamente sobre las propiedades del revestimiento de material duro, en la capa de transición de boronitruro de titanio. Se ha de tener en cuenta que la capa de nitruro de titanio puede presentar ciertamente una composición estequiométrica exacta, pero esto no es obligatorio. La relación entre titanio y nitrógeno en la capa de nitruro de titanio puede desviarse también de la relación estequiométrica, en particular, la capa de nitruro de titanio puede tener una composición TiNx con 0,95 < x < 1,05. También en la capa de diboruro de titanio puede presentarse una ligera desviación de la relación estequiométrica exacta. En la capa de transición de boronitruro de titanio disminuye el contenido de nitrógeno con un contenido creciente en boro, es decir, con una distancia creciente de la capa de nitruro de titanio. También en esta capa, la relación entre titanio, por un lado y nitrógeno/boro, por otro, es estequiométricamente exacta pero no obligatoria, sino que también puede ser ligeramente superior a la estequiométrica o inferior a la estequiométrica. El contenido en boro en las distintas zonas de la capa de transición de boronitruro de titanio puede determinarse de manera fiable, por ejemplo, mediante GDOES (siglas inglesas de espectroscopía de emisión óptica por descarga luminiscente). Preferiblemente, el contenido en boro de la capa de boronitruro de titanio en la dirección de la capa de diboruro de titanio aumenta al menos en 2, preferiblemente al menos en 5% at. Se ha de tener en cuenta que la capa de diboruro de titanio puede formar ciertamente la capa más externa del revestimiento de material duro, pero también es posible que sobre la capa de diboruro de titanio puedan depositarse, además, una o varias de otras capas, por ejemplo, en particular, una capa de cubierta de nitruro de titanio.

Conforme a un perfeccionamiento, la capa de transición de boronitruro de titanio presenta un grosor de capa de 0,1 4,0 pm. En este caso, se posibilita, por una parte, una transición muy buena de los estados de tensión en las distintas capas del revestimiento de material duro, la cual no se alcanzaría en el caso de un grosor de capa más delgado y, por otra parte, la capa de transición de boronitruro de titanio es todavía lo suficientemente delgada, de modo que se evita de manera fiable un empeoramiento del revestimiento de material duro en virtud de un grosor demasiado grande. La capa de transición de boronitruro de titanio puede presentar preferiblemente un grosor de capa de 0,2-2,0 pm.

Conforme a un perfeccionamiento, el contenido en boro de la capa de transición de boronitruro de titanio aumenta de modo escalonado. En este caso, el aumento del contenido en boro de la capa de nitruro de titanio en dirección a la capa de diboruro de titanio puede ajustarse de una manera particularmente sencilla y fiable en la técnica del proceso y, con ello, puede evitarse de manera fiable la configuración de fases hexagonales en la capa de transición de boronitruro de titanio.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la capa de nitruro de titanio presenta un grosor de capa de 0,1-2,0 pm. En este caso, se alcanza una unión particularmente buena del revestimiento de material duro al sustrato y, en particular, puede evitarse también de manera fiable la configuración de una zona de difusión con contenido en boro en la superficie del sustrato. Preferiblemente, la capa de nitruro de titanio puede presentar un grosor de capa de 0,3-1,5 pm.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la capa de diboruro de titanio presenta un grosor de capa de 0,2-15,0 pm. El grosor de capa de la capa de diboruro de titanio puede optimizarse en este caso en este intervalo ventajosamente en relación con el material a mecanizar y las propiedades de mecanización deseadas. Preferiblemente, la capa de diboruro de titanio puede presentar un grosor de capa de 1,0-10,0 pm.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la capa de diboruro de titanio presenta esfuerzos por compresión residual en un intervalo de -2,5 ± 2 GPa, preferiblemente en un intervalo de -2,5 ± 1 GPa. La determinación de los esfuerzos por compresión residual en la capa de diboruro de titanio puede tener lugar en este caso de una manera generalmente conocida por rayos X mediante el procedimiento de medición sen2^ , tal como se describe en la publicación citada al comienzo de N. Schalk et al. en Surface and Coatings Technology, Vol. 258, 2014, págs. 121-126 con las referencias adicionales en la misma. Se utilizaron los siguientes valores para el cálculo de los esfuerzos por compresión residual: módulo de elasticidad 565 GPa, índice de Poisson 0,108 (véase Journal of research of NIST vol 105, n° 52000). En el caso de que los esfuerzos por compresión residual de la capa de diboruro de titanio se encuentren en este intervalo, se alcanza una estabilidad del revestimiento de material duro particularmente buena que se adecua en especial particularmente bien para una mecanización con arranque de virutas de aleaciones de titanio y otras aleaciones no ferrosas.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la capa de diboruro de titanio presenta una dureza de > 40 GPa. La dureza de la capa de diboruro de titanio puede encontrarse en este caso, de manera particularmente preferida, en el intervalo de 40-50 GPa. La dureza puede determinarse de manera fiable en este caso, en particular mediante nanoindentación con un cuerpo de penetración de Berkovich a base de diamante.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la herramienta revestida es una herramienta para el arranque de virutas para aleaciones de titanio y/u otras aleaciones no ferrosas. En este caso, el revestimiento de material duro de acuerdo con la invención muestra ventajas particularmente claras frente a revestimientos habituales. Preferiblemente, la herramienta revestida puede estar configurada como herramienta para el arranque de virutas para aleaciones de titanio.

De acuerdo con un perfeccionamiento, el sustrato es un metal duro con una fase de material duro que se compone predominantemente de carburo de wolframio, y una fase de aglutinante, cuyo componente principal en porcentaje en peso es cobalto. En este caso, la combinación a base de sustrato y revestimiento de material duro es particularmente bien adecuada para herramientas para el arranque de virutas. El sustrato puede presentar, junto a carburo de wolframio, además, también otras partículas de material duro en pequeñas cantidades, en particular, por ejemplo, carburos cúbicos de elementos de los grupos IV y VI del Sistema Periódico de los Elementos. La fase de aglutinante puede presentar, junto a cobalto, también, además, otros componentes, en particular puede ser, por lo tanto, una aleación base de cobalto. En la fase de aglutinante pueden estar presentes, en particular, junto a wolframio de la fase de material duro, por ejemplo, también, además, cromo, molibdeno, rutenio y otros metales.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la fase de aglutinante asciende a 5-17% en peso del metal duro. La cantidad de la fase de aglutinante puede ajustarse en este caso ventajosamente al material a mecanizar en cada caso con la herramienta y a los parámetros de mecanización.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la fase de aglutinante presenta una porción de rutenio de 6-16% en peso de la fase de aglutinante. Como particularmente adecuado para una mecanización con arranque de virutas de, en particular, aleaciones de titanio se ha manifestado, en particular, la combinación de un metal duro con una composición de este tipo como sustrato y el revestimiento de material duro indicado.

De acuerdo con un perfeccionamiento, una superficie límite del sustrato con el revestimiento de material duro está exenta de fase n y esencialmente exenta de boro. Por fase n se entienden en el sector técnico del metal duro (carburos cementados) carburos complejos de, en particular, cobalto y wolframio, que se configuran en particular bajo condiciones fuertemente deficitarias en carbono y que conducen a una fragilidad indeseada del metal duro. Una zona de difusión con contenido en boro en la zona de borde del sustrato repercutiría asimismo de forma negativa sobre la adherencia de la capa y, por consiguiente, sobre la vida útil de la herramienta revestida.

De acuerdo con un perfeccionamiento, sobre la capa de diboruro de titanio está configurada una capa de cubierta. La configuración de una capa de cubierta de este tipo puede posibilitar, en particular de manera ventajosa, un reconocimiento simplificado del estado de desgaste de la herramienta. Preferiblemente, la capa de cubierta puede ser en este caso un carburo, nitruro, óxido, carbonitruro, oxinitruro o carboxinitruro de al menos uno de los elementos Ti, Zr, Hf, de modo que no se ven negativamente influenciadas las propiedades de la herramienta revestida.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la capa de transición de boronitruro de titanio presenta de manera continua una estructura cristalina cúbica. En este caso, se impide de manera fiable un empeoramiento de la adherencia de la capa que procedería de porciones de fases hexagonales en la capa de transición de borohidruro de titanio. La estructura cristalina cúbica continua puede determinarse de manera fiable, por ejemplo, mediante exámenes TEM (siglas de microscopio electrónico de transmisión), pudiendo tener lugar localmente un examen resuelto de manera particularmente precisa, por ejemplo, también mediante mediciones por sincotrones. La realización adecuada de mediciones por sincotrones de este tipo se describe, por ejemplo, en “X-ray nanodiffraction reveals strain and microstructure evolution in nanocrystalline thin films” de J. Keckes et al. en Scripta Materialia 67 (2012) 748-751.

De acuerdo con un perfeccionamiento, la capa de diboruro de titanio presenta una estructura de grano fino con un tamaño del cristalito medio menor que 50 nm. La determinación de una granulometría fina de este tipo puede tener lugar, en particular, con un difractómetro de rayos X del tipo Bruker D8 Advance en modo bloqueado-acoplado con irradiación de cobre-Ka en un barrido 0-20 en la geometría de radiación paralela con una anchura de paso de 0,02° y un tiempo de recuento de 1,2 segundos a lo largo de un intervalo angular de 20° - 80°. Como es conocido en general por el experto en la materia, la anchura mitad de los reflejos claramente mensurables se correlaciona con el tamaño medio del cristalito. Para la determinación de la granulometría fina de la capa de diboruro de titanio con un tamaño medio del cristalito menor que 50 nm se ha de recurrir a la anchura mitad (FWHM) del reflejo (101) de diboruro de titanio después de la corrección de la ampliación instrumental, que debe ascender al menos a 0,5°, preferiblemente se encuentra en un intervalo de 0,5°-2°. La determinación del tamaño medio del cristalito con ayuda de la anchura mitad se describe ampliamente en “The “state of the art” of the diffraction analysis of cristalite size and lattice strain” de E. Mittemeijer et al. en Z. Kristallogr. 223 (2008) 552-560. Para ello, pueden utilizarse paquetes de software comerciales tal como en el ejemplo indicado el software Topas 4.2 de la razón social Bruker. Esta granulometría fina extrema conduce a una superficie particularmente lisa de la capa de diboruro de titanio, de modo que también en el caso de la mecanización de materiales de difícil arranque de virutas, tales como, en particular, aleaciones de titanio, apenas se producen pegaduras en la superficie de virutas desprendidas.

De acuerdo con un perfeccionamiento, el revestimiento de material duro se deposita mediante un procedimiento CVD térmico. El revestimiento puede depositarse en este caso, en particular, típicamente a temperaturas entre aprox. 850°C y aprox. 1050°C. Las temperaturas más elevadas que pasan a emplearse en el caso de un procedimiento CVD térmico (deposición química de vapor) tienen la ventaja, con respecto, por ejemplo, de un depósito en un PA-CVD (CVD asistido por plasma) que trabaja a temperaturas más bajas, de una adherencia de la capa resultante esencialmente mejor.

El problema se resuelve también mediante el uso de la herramienta revestida para una mecanización con arranque de virutas de aleaciones de titanio y/u otras aleaciones no ferrosas de acuerdo con la reivindicación 16.

Otras ventajas y utilidades de la invención resultan con ayuda de la siguiente descripción de ejemplos de realización haciendo referencia a las figuras adjuntas.

Las figuras muestran:

La Figura 1: una micrografía metalográfica de una herramienta revestida con un revestimiento de material duro depositado sobre un sustrato de acuerdo con un ejemplo comparativo;

la Figura 2: una micrografía de calota metalográfica de la herramienta revestida de la Figura 1;

la Figura 3: una micrografía metalográfica de una herramienta revestida de acuerdo con una forma de realización;

la Figura 4: una micrografía de calota metalográfica de la herramienta revestida de acuerdo con la forma de realización, y

la Figura 5: un difractograma XRD de la herramienta revestida de acuerdo con la forma de realización.

Forma de realización

En lo que sigue se explica con mayor detalle una forma de realización haciendo referencia a las figuras adjuntas.

La herramienta 1 revestida de acuerdo con la forma de realización está diseñada como una herramienta para el arranque de virutas para la mecanización con arranque de virutas de materiales, en particular de aleaciones de titanio y/u otras aleaciones no ferrosas. En el siguiente ejemplo concreto, la herramienta revestida está configurada en este caso en forma de una pieza insertada de corte recambiable que puede ser fijada de manera recambiable a un cuerpo base de la herramienta. Sin embargo, por ejemplo, también es posible configurar la herramienta revestida de una sola pieza con un tramo de fijación para la unión con un alojamiento de la herramienta, en particular, por ejemplo, como una denominada herramienta de metal duro completo.

La herramienta 1 revestida presenta un sustrato 2 y un revestimiento de material duro 3 multicapa depositado sobre el sustrato 2. En el ejemplo concreto representado, el sustrato 2 es un metal duro con una fase de material duro 4 formada predominantemente por carburo de wolframio y una fase de aglutinante 5, cuyo componente principal es cobalto. La fase de aglutinante 5 es, en el ejemplo concreto, una aleación base de cobalto que supone una proporción de 5-17% en peso del sustrato 2. En una ejecución particularmente preferida, la fase de aglutinante 5 es una aleación base de cobalto que, junto al cobalto, presenta al menos también una porción de 6-16% en peso de la fase de aglutinante de rutenio.

El revestimiento de material duro 3 presenta una estructura multicapa en la que directamente sobre el sustrato 2 está configurada una capa de nitruro de titanio 3a que presenta un grosor de capa en el intervalo de 0,1-2,0 gm, siendo preferido un grosor de capa en el intervalo de 0,3-1,5 gm. La capa de nitruro de titanio 3a presenta de manera en sí conocida una estructura cristalina cúbica. La superficie límite del sustrato 2 con el revestimiento de material duro 3 está exenta de fase n y está esencialmente exenta de boro.

Sobre la capa de nitruro de titanio 3a está configurada una capa de transición de boronitruro de titanio 3b, cuyo contenido en boro aumenta con la distancia creciente de la capa de nitruro de titanio 3a, y cuyo contenido en nitrógeno disminuye de manera correspondiente con la distancia creciente de la capa de nitruro de titanio 3a. La capa de transición de boronitruro de titanio 3b tiene un grosor de capa de 0,1-4,0 gm, pudiendo ascender el grosor de capa preferiblemente a 0,2-2,0 gm. En el ejemplo de realización concreto, el contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b aumenta escalonadamente en varios escalones con la distancia creciente de la capa de nitruro de titanio 3a. Este aumento escalonado del contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b puede realizarse de manera sencilla en el caso del depósito de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b mediante una modificación de la atmósfera del gas del proceso en el caso de un procedimiento de CVD térmico, tal como se describirá todavía con mayor detalle. La capa de transición de boronitruro de titanio 3b presenta en una zona que limita en la capa de nitruro de titanio 3a un contenido en boro muy bajo, el cual, en el caso de la forma de realización, asciende claramente a menos de 5% at. Como ya se ha explicado, el contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b aumenta con la distancia creciente de la capa de nitruro de titanio 3a, pero no rebasa el contenido en boro de 15% at. en la zona más alejada de la capa de nitruro de titanio 3a. Junto al aumento escalonado del contenido en boro particularmente preferido, el cual puede tener lugar a través de una pluralidad de escalones, por ejemplo, en 2 y 16 escalones, es también posible, por ejemplo, prever un aumento esencialmente continuo del contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b. También en este caso, el contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b no debe rebasar, sin embargo, 15% at. en la zona más alejada de la capa de nitruro de titanio 3a, con el fin de evitar de manera fiable la configuración de fases hexagonales en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b. La capa de transición de boronitruro de titanio 3b (es decir, los cristalitos de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b policristalina) presenta, por consiguiente, de manera continua una estructura cristalina cúbica y está exenta de porciones de fase hexagonales tal como se puede detectar mediante mediciones por TEM y mediciones por sincotrones. La capa de transición de boronitruro de titanio 3b presenta a lo largo de todo su grosor una dureza en el intervalo de 20-35 GPa - medida mediante nanoindentación con una probeta de Berkovich a base de diamante - . La medición de la dureza tiene lugar en este caso con un indentador nanométrico que está dotado de una probeta de Berkovich a base de diamante. Para la medición se utiliza una carga máxima de 5 mN. Como aparato de medición servía en el ejemplo de realización un triboindentador Hysitron TI950.

Sobre la cara de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b, alejada de la capa de nitruro de titanio 3a, está configurada una capa de diboruro de titanio 3c extremadamente de grano fino que presenta un tamaño medio del cristalito menor que 50 nm. La capa de diboruro de titanio 3c tiene un grosor de capa en el intervalo de 0,2-15,0 gm. La capa de diboruro de titanio 3c puede presentar en este caso preferiblemente un grosor de capa en el intervalo de 1,0-10,0 gm. Al igual que también en el caso de la capa de nitruro de titanio 3a y la capa de transición de boronitruro de titanio 3b, el grosor de capa de la capa de diboruro de titanio 3c en el caso del depósito en un procedimiento de CVD térmico puede controlarse en particular a través de la duración del revestimiento respectivo, pudiendo variar las capas ligeramente en su grosor de manera en sí conocida, por ejemplo, en función de la posición en el reactor de CVD utilizado para el revestimiento, etc. La capa de diboruro de titanio 3c presenta, en virtud de su configuración de grano muy fino y de las condiciones de depósito en un procedimiento de CVD térmico a temperaturas en un intervalo entre 8502C y 10502C esfuerzos por compresión residual en un intervalo de -2,5 ± 2 GPa, preferiblemente de -2,5 ± 1 GPa, que pueden determinarse de manera en sí conocida por rayos X mediante el procedimiento de medición sen2^ . La capa de diboruro de titanio 3c presenta una dureza - medida de nuevo mediante indentación nanométrica con una probeta de Berkovich a base de diamante tal como se describe arriba - mayor que 40 GPa, en particular en el intervalo de 40-50 GPa. La dureza de la capa de diboruro de titanio 3c es, por consiguiente, en especial claramente mayor que la dureza de aprox. 38 GPa que presenta el material a granel de diboruro de titanio.

En virtud de la limitación del contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b que impide la configuración de cristalitos con una estructura cristalina hexagonal en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b, en el revestimiento de material duro 3 en la transición de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b a la capa de diboruro de titanio 3c se presenta un salto en el contenido en boro (de un contenido en boro de cómo máximo 15% at. en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b a un contenido en boro de aprox. 66% at. en la capa de diboruro de titanio 3c). En virtud de este aumento brusco en la transición, la transición de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b a la capa de diboruro de titanio 3c se puede reconocer como superficie límite también en una micrografía calota metalográfica en la que el revestimiento de material duro 3 es amolado oblicuamente.

El depósito del revestimiento de material duro 3 sobre el sustrato 2 tuvo lugar en la forma de realización en un reactor de CVD térmico usual en el comercio a escala de producción a temperaturas de depósito en la ventana de temperaturas de 860°C a 920°C.

Primeramente, sobre el sustrato 2 se depositó la capa de nitruro de titanio 3a de manera en sí conocida en un procedimiento CVD térmico con el grosor de capa deseado en el intervalo de 0,3-1,5 gm, controlándose el grosor de capa a lo largo del tiempo de revestimiento. Los parámetros de revestimiento, los cuales se utilizaron en el siguiente Ejemplo con una capa de transición de boronitruro de titanio 3b de cuatro etapas a modo de ejemplo con las etapas 3b.1, 3b.2, 3b.3 y 3b.4, se pueden deducir de la siguiente Tabla: los datos corresponden a las cantidades (% en vol.) del precursor en estado gaseoso. Las temperaturas utilizadas y las presiones del proceso están indicadas asimismo en la Tabla 1. El flujo total de gas y el tiempo de revestimiento deben adaptarse de manera en sí conocida al tipo constructivo de la instalación de revestimiento, con el fin de alcanzar los grosores de capa deseados.

Tabla 1

H2 [%] Ar [%] N2 [%] BCl3 [%] TiCl4 [%] T [°C] P [mbar] TiN (3a) Resto - 44 0 2 920 900 TiNB_1 (3b.1) Resto - 44 0,08 1,27 880 900 TiNB_2 (3b.2) Resto - 44 0,13 1,27 880 900 TiNB_3 (3b.3) Resto - 44 0,17 1,27 880 900 TiNB_4 (3b.4) Resto - 44 0,21 1,27 880 900 TiB2 (3c) Resto 80 - 1,62 0,80 860 900

La capa de transición de boronitruro de titanio 3b se depositó con un aumento escalonado del contenido en boro sobre la capa de nitruro de titanio 3a depositada previamente. Con el fin de realizar el aumento escalonado del contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b, se aumentó escalonadamente en el reactor, en este caso, la cantidad de flujo de BCh, en una ejecución concreta, primeramente de 0,08% en vol., a través de 0,13% en vol. de BCl3 y 0.17% en vol. de BCl3 hasta un valor máximo de 0,21% en vol. de BCh, con el que se alcanzó un contenido en boro en la zona más externa de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b de aprox.

14% at.

Con el fin de determinar el contenido en boro necesario en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b, con el cual se puede alcanzar una buena transición de tensión, pero en la que todavía no se manifiestan porciones de fase hexagonales en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b, se llevaron a cabo ensayos previos con un aumento escalonado de la aportación de BCl3 en el reactor, en las que las cantidades en BCl3 se aumentaron a valores claramente superiores y, a continuación, los contenidos en boro alcanzados se determinaron en % at. en las zonas respectivas de la capa de boronitruro de titanio generada de este modo mediante mediciones en perfil de profundidad GDOES. Además, las zonas respectivas de la capa de boronitruro de titanio generada de este modo se examinaron mediante exámenes TEM y SAED (siglas inglesas de difracción de electrones de área seleccionada) en cuanto a la presencia de porciones de fase hexagonales. En el caso de estas investigaciones se comprobó que a partir de un contenido en boro por encima de 15% de at. en la capa de boronitruro de titanio se manifestaban porciones de fase hexagonales que repercutían de manera desventajosa sobre la dureza y la adherencia de la capa del revestimiento de material duro.

Ejemplo

Con el fin de generar una herramienta 1 revestida, una pieza de inserción de corte recambiable para el arranque de virutas de aleaciones de titanio se revistió con el revestimiento de material duro 3 de acuerdo con la invención, tal como se describe con mayor detalle con ayuda de la Figura 3 y la Figura 4. La pieza de inserción de corte que sirve como sustrato 2 se componía de un metal duro usual en el comercio de la solicitante con una composición de 10% en peso de cobalto, 1,5% en peso de rutenio, el resto carburo de wolframio, y un tamaño de grano medio de los granos de carburo de wolframio entre 1,3-2,5 gm.

Sobre este sustrato 2 se depositó primeramente una capa de nitruro de titanio 3a con un grosor de capa de 0,7 gm. Sobre esta capa de nitruro de titanio 3a se depositó a continuación, a aprox. 8802C, una capa de transición de boronitruro de titanio 3b de aprox. 0,8 gm de espesor con un contenido en boro creciente de manera escalonada con la distancia creciente de la capa de nitruro de titanio 3a. El contenido en boro en la capa de transición de boronitruro de titanio 3b se ajustó en este caso mediante una modificación escalonada de la cantidad de flujo de BCl3 en el reactor de 0,08% en vol. a través de 0,13% en vol. y 0,17% en vol. hasta 0,21% en vol., con lo cual se alcanzó una capa de transición de boronitruro de titanio 3b con un contenido en boro que variaba a lo largo de cuatro etapas. La duración del revestimiento respectiva se eligió en este caso de modo que las cuatro etapas de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b eran, en cada caso con aproximadamente 0,2 gm, esencialmente del mismo grosor. La capa de transición de boronitruro de titanio 3b presentaba una dureza entre 20 GPa y 35 GPa ligeramente variable a lo largo de su espesor.

Sobre la capa de transición de boronitruro de titanio 3b se depositó a continuación una capa de diboruro de titanio 3c de grano muy fino con un grosor de capa de aprox. 3,2 gm. Una micrografía al microscopio óptico con un aumento de 1000 de la herramienta 1 revestida se puede observar en la Figura 3. El contenido en boro de la capa de transición de boronitruro de titanio 3b ascendió en las etapas respectivas a aprox. 4% at., a aprox. 8% at., a aprox.

11% at. y en la etapa más externa a aprox. 14% at., tal como se determinó con ayuda de mediciones GDOES. Además, la zona de borde del sustrato 2 estaba, en dirección al revestimiento de material duro 3, exenta de fase n y esencialmente exenta de boro.

Tal como se examinó de manera profunda después del acabado de la herramienta 1 revestida mediante mediciones TEM y mediciones por sincotrones, la capa de transición de boronitruro de titanio 3b estaba exenta de porciones de fase hexagonales y solo se pudieron comprobar porciones de fase cúbicas. Los esfuerzos por compresión residual en la capa de diboruro de titanio 3c se determinaron mediante el procedimiento de medición sen2^ y, en el ejemplo, ascendieron a -2026 ± 130 MPa. La dureza de la capa de diboruro de titanio 3c ascendió a 44 GPa.

Una micrografía de calota de la herramienta 1 revestida de acuerdo con el ejemplo se puede ver en la Figura 4. Se puede reconocer que la adherencia de la capa es muy buena y el revestimiento de material duro es en conjunto muy uniforme.

Un difractograma por RXD (siglas inglesas de difracción de rayos X) de la herramienta 1 revestida de acuerdo con el ejemplo se puede ver en la Figura 5. La medición tuvo lugar con un difractómetro de rayos X del tipo Bruker D8 Advance en el modo bloqueado-acoplado con radiación de cobre-Ka en un barrido de 0-20 en geometría de radiación paralela con una anchura de paso de 0,02° y un tiempo de recuento de 1,2 segundos a lo largo de un intervalo angular de 20° - 80°. La capa de boruro de titanio 3c presenta una estructura de grano muy fino con un tamaño medio del cristalito claramente inferior a 50 nm. La anchura mitad (FWHM) del reflejo (101) de diboruro de titanio ascendió según el refinamiento de Rietveld a 0,8421°.

Ejemplo comparativo

Como ejemplo comparativo se fabricó una herramienta 101 revestida, en la que un sustrato 102 de metal duro correspondiente al Ejemplo previamente descrito (carburo de wolframio, 10% en peso de cobalto, 1,5% en peso de rutenio; tamaño medio de grano del carburo de wolframio de 1,3-2,5 gm) se revistió con un revestimiento de material duro 103 conocido.

Sobre el sustrato 102 se configuró primeramente una capa de nitruro de titanio 103a de igual manera al Ejemplo previamente descrito con un grosor de capa de aprox. 1,2 gm. A continuación, directamente sobre esta capa de nitruro de titanio 103 se depositó una capa de diboruro de titanio 103c de grano fino con un grosor de capa de aprox.

3,3 gm.

Una micrografía al microscopio óptico con un aumento de 1000 de la herramienta 101 revestida de acuerdo con este Ejemplo Comparativo se puede ver en la Figura 1. Tal como se puede ver de la micrografía de calota de la herramienta 101 revestida de acuerdo con el Ejemplo Comparativo en la Figura 2, la estructura de la capa del revestimiento de material duro 103 en el Ejemplo Comparativo es esencialmente irregular. Tal como se puede observar de los distintos desconchados que resultan durante el acabado de la micrografía de calota, la adherencia de la capa del revestimiento de material duro 103 en el caso del Ejemplo Comparativo es también claramente menor que la adherencia de capa del revestimiento de material duro 3 en el caso del Ejemplo previamente descrito.

Perfeccionamientos

En la medida en que se desee, por ejemplo, con el fin de posibilitar un reconocimiento mejorado del estado de desgaste del revestimiento de material duro 3, sobre la capa de diboruro de titanio 3c puede estar configurada, además, una capa de cubierta adicional. La capa de cubierta puede ser en este caso, en particular, un carburo, nitruro, óxido, carbonitruro, oxinitruro o carbooxinitruro de al menos uno de los elementos Ti, Zr, Hf.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Herramienta revestida (1) con:

un sustrato (2) y

un revestimiento de material duro (3) depositado sobre el sustrato (2), en donde el revestimiento de material duro (3), partiendo del sustrato (2), presenta una estructura de las capas en la siguiente secuencia con:

una capa de nitruro de titanio (3a),

una capa de transición de boronitruro de titanio (3b) y

una capa de diboruro de titanio (3c),

en donde la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) presenta un contenido en boro creciente en dirección a la capa de diboruro de titanio (3c) desde la capa de nitruro de titanio (3a),

caracterizada por que el contenido en boro de la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) no sobrepasa 15% at.

2. Herramienta revestida según la reivindicación 1, en donde la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) presenta un grosor de capa de 0,1-4,0 |um, preferiblemente de 0,2-2,0 |um.

3. Herramienta revestida según la reivindicación 1 o 2, en donde el contenido en boro de la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) aumenta escalonadamente.

4. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de nitruro de titanio (3a) presenta un grosor de capa de 0,1-2,0 |um, preferiblemente de 0,3-1,5 |um.

5. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de diboruro de titanio (3c) presenta un grosor de capa de 0,2-15,0 |um, preferiblemente de 1,0-10,0 |um.

6. Herramienta revestida (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de diboruro de titanio (3c) presenta esfuerzos por compresión residual en un intervalo de -2,5 ± 2 GPa.

7. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de diboruro de titanio (3c) presenta una dureza de al menos 40 GPa.

8. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la herramienta revestida (1) es una herramienta para el arranque de virutas para aleaciones de titanio y/u otras aleaciones no ferrosas.

9. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el sustrato (2) es un metal duro con una fase de material duro (4) que se compone predominantemente de carburo de wolframio, y una fase de aglutinante (5), cuyo componente principal es cobalto.

10. Herramienta revestida según la reivindicación 9, en donde la fase de aglutinante (5) asciende a 5-17% en peso del metal duro.

11. Herramienta revestida según la reivindicación 9 o 10, en donde la fase de aglutinante (5) presenta una porción de rutenio de 6-16% en peso de la fase de aglutinante.

12. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde una superficie límite del sustrato (2) con el revestimiento de material duro (3) está exenta de fase n y esencialmente exenta de boro.

13. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde sobre la capa de diboruro de titanio (3c) está configurada una capa de cubierta.

14. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de transición de boronitruro de titanio (3b) presenta de manera continua una estructura cristalina cúbica.

15. Herramienta revestida según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de diboruro de titanio (3c) presenta una estructura de grano fino con un tamaño del cristalito medio menor que 50 nm.

16. Uso de una herramienta revestida (1) según una de las reivindicaciones precedentes para una mecanización con arranque de virutas de aleaciones de titanio y/u otras aleaciones no ferrosas.