MXPA03007517A

MXPA03007517A - Componente recubierto con material duro con una capa intermedia que sirve para mejorar la adhesion del recubrimiento.

Info

Publication number: MXPA03007517A
Application number: MXPA03007517A
Authority: MX
Inventors: Von Buren Daniel
Original assignee: Ceramtec Ag
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2004-10-15
Also published as: WO2002083984A1; DE50212836D1; US20040137279A1; ES2315372T3; DK1370712T3; PT1370712E; BR0207670B1; PL205677B1; US7378158B2; BR0207670A; ATE409757T1; EP1370712B1; PL368606A1; DE10109523A1; EP1370712A1

Abstract

Componentes estructurales que estan sujetos a cargas elevadas, causadas especialmente por desgaste, pueden ser protegidos mediante su revestimiento con un material duro. Para herramientas de arranque de virutas se conoce por ejemplo el sistema de que es posible mejorar su resistencia al desgaste revistiendolos con un material duro. Los coeficientes diferentes de expansion termica del material substrato y del material de revestimiento y el uso de materiales de las capas diferentes en un sistema de revestimiento de capas multiples, pueden generar tensiones elevadas. La tension aumenta a medida a que sea mayor el espesor del revestimiento y asi aumenta el peligro de que se vaya desprendiendo este revestimiento. A fin de resolver este problema, la invencion propone colocar una capa intermedia (5) la cual se intercala entre un minimo de dos capas (4, 9) del revestimiento (3), y esta capa intermedia consta principal o exclusivamente de un componente del material (6, 8) correspondiente a un elemento del cuarto al octavo subgrupo del cuarto y quinto periodo del sistema periodico.

Description

COMPONENTE RECUBIERTO CON MATERIAL DURO CON UNA CAPA INTERMEDIA QUE SIRVE PARA MEJORAR LA ADHESIÓN DEL RECUBRIMIENTO La invención se refiere a un componente que consta de un material metálico o cerámico que cuenta con un recubrimiento de material duro conforme al concepto principal expresado en la primera reivindicación y a la vez concierne a un procedimiento para aplicar este recubrimiento tal y como se indica en la cláusula trece. Los componentes que están expuestos a cargos o tensiones elevadas, especialmente a raíz de un desgaste, pueden ser protegidos por un recubrimiento de material duro. A fin de poder aprovechar por completo las buenas propiedades mecánicas y térmicas del material, deben evitarse particularmente las reacciones triboquímicas y termoquimicas entre los materiales de la pieza de trabajo y de la herramienta. Así por ejemplo en el caso de herramientas cortadoras de metales o también denominadas arrancadoras de virutas ya se conoce el sistema de mejorar la resistencia al desgaste a través de un recubrimiento con material duro. Estos recubrimientos no solamente se aplican sobre las herramientas cortadoras de metales, a su vez fabricadas de metales, especialmente acero para trabajos rápidos (abreviatura en inglés HSS) ó metal duro (HM) , sino también en herramientas de materiales cerámicos como por ejemplo las placas cortadoras de nitruro de silicio. También en las herramientas de transformación es posible reducir el desgaste mediante la aplicación de un recubrimiento de metal duro. Para las mejoras deseadas de las propiedades, especialmente en las herramientas cortadoras de metales o sea arrancadoras de virutas, como regla basta espesores de capas en la región de los micrómetros . Tales capas se pueden separar por ejemplo a partir de la fase gaseosa según los llamados procedimientos de PVD, CVD ó Plasma-CVD. Según el material son posibles de esta manera espesores de una capa de menos de 1 µ?t? hasta más de 20 µpa, o sea micrómetros. Los procedimientos indicados crean la posibilidad de separar no solamente capas individuales de algún material sino que tanto por lo que se refiere a la cantidad de materiales que pueden combinarse entre ellos en la secuencia de las capas como también el número de las capas, crea una multiplicidad de variaciones. Ante todo en el empleo de las herramientas cortadoras de metales, de preferencia se utilizan los materiales para capas sobre una base de titanio, como pueden ser el nitruro de titanio, carburo de titanio, óxido de titanio o carburo nitruro de titanio, con inclusión de aquellas capas que constan de una modificación o varias modificaciones de óxido de aluminio. Sobre la base de una dilatación térmica diferente entre el material del substrato y el material de la capa asi como también en el caso del revestimiento a base de diferentes capas, a raíz de los distintos materiales de las capas pueden surgir tensiones elevadas. Particularmente cuando crece el espesor del recubrimiento, aumenta la tensión y así el peligro del desprendimiento violento del recubrimiento . Para mejorar la fuerza adhesiva de un recubrimiento se conoce por ejemplo de la memoria alemana DE 36 08 734 Cl, separar una capa intermedia de dióxido de silicio en las conocidas placas cortadoras de volteo, a base de cerámica, recubiertas, presentes sobre un cuerpo básico de materiales cerámicas sinterizados , cuerpo básico que está provisto de una capa útil de material cerámico. El cometido de la presente invención es incrementar la capacidad adhesiva de las capas de material duro por encima del material del substrato de una parte o componente hecha de un material metálico cerámico, así como aquella fuerza adhesiva entre las capas individualmente. La solución de este problema se lleva a cabo en el caso de una pieza o componente conforme al concepto principal expresado en la primera reivindicación, sobre la base de sus características típicas. En la reivindicación 13 se reclama el procedimiento según la invención para elaborar estos componentes. Ciertas, variantes ventajosas se reclaman en las reivindicaciones dependientes .

Un componente de construcción o pieza de acuerdo con la presente invención que lleva un recubrimiento, destaca porque al menos entre dos capas del recubrimiento está aplicada una capa intermedia que consta principal o exclusivamente de un componente de material de un elemento que corresponde al cuarto hasta octavo grupo secundario del cuarto y quinto período del Sistema Periódico. El número de las capas intermedias se orienta de acuerdo con la cantidad de capas de los recubrimientos. Cuando más grueso es un recubrimiento y cuando mayor número de capas se necesiten para esta extrusión estratificada, más ventajoso será el montaje de capas intermedias. Particularmente son útiles los elementos del octavo grupo secundario correspondiente al cuarto período de dicho sistema para formar una capa intermedia. Por ejemplo en las capas sobre la base de titanio se incrementa la capacidad adhesiva preferentemente por capas intermedias que constan de un componente de material del elemento de cobalto. La aplicación de un recubrimiento de material duro se lleva a cabo, de manera conocida, de acuerdo con el llamado procedimiento PVD, CVD ó bien Plasma-CVD, desde la fase gaseosa. La capa intermedia según la presente invención también se separa a partir de la fase gaseosa. Para tal efecto se transforma igualmente el elemento de la capa intermedia, a la fase gaseosa. Cuando se estructura por ejemplo una capa sobre la base de titanio como Ti (C,N) de acuerdo con el llamado procedimiento CVD a partir de la fase gaseosa, para la formación de una capa intermedia sobre la base de un material metálico, es posible introducir un cuerpo prensado dentro del reactor. La separación de una capa, por ejemplo sobre la base de titanio, se lleva a cabo de preferencia a una temperatura de aproximadamente 1000 °C y bajo una presión que se encuentra levemente por debajo del nivel atmosférico. Bajo estas condiciones permanece el metal en su fase gaseosa y no se va sedimentando como material de capa. Solamente cuando se reduce la presión se lleva a cabo la estructuración de la capa intermedia con el componente de material metálico. Esta capa intermedia conforme a los diferentes parámetros establecidos durante el recubrimiento o en su caso la cantidad disponible de componente de trabajo metálico, puede estar configurada como una capa coherente o estar presente en forma de áreas de incorporación. Cuando el depósito de componente de material metálico ya se ha gastado o si nuevamente es aumentada la presión hasta el nivel anterior, también descontinúa la estructuración de la capa intermedia. Estas capas intermedias son más delgadas que las demás capas y poseen un espesor de aproximadamente 0.05 µt hasta 5 µp? aproximadamente . Mediante una capa intermedia se disminuyen las tensiones en el recubrimiento y así se disminuye fundamentalmente el peligro del desprendimiento violento . Las capas tienen como regla una composición como se van formando de acuerdo con los procedimientos conocidos de revestimiento. Los recubrimientos sobre la base de titanio constan generalmente de los siguientes compuestos: TiN, Ti(C,N), TiC, TiO, TiON y TiCON. Los recubrimientos por otra parte también puede constar de por lo menos una de las modificaciones del óxido de aluminio . El recubrimiento puede consistir en una sola fase, es decir puede constar de un solo material . El recubrimiento también puede constar de varias fases, es decir puede componerse de una secuencia alternada de capas de diferentes materiales, por ejemplo sobre la base de titanio y óxido de aluminio. Tal recubrimiento a base de diferentes capas puede llegar a un espesor hasta de 60 µt? y más. Este recubrimiento, que también se llama recubrimiento de capas múltiples o de "Multilayer" , del inglés, o igualmente estratificado, podría formarse por ejemplo de la siguiente manera: una o varias capas basadas en titanio, una capa de óxido de aluminio en la modificación y/o K y eventualmente una o varias capas recubridoras sobre la base de titanio, en que por lo menos entre dos capas basadas en titanio se monta una capa intermedia. Cada una de las capas, sin tomar en cuenta la capa intermedia, puede tener un espesor, de acuerdo con el material empleado, de aproximadamente 10 µt?, por ejemplo en una capa basada en titanio, hasta de 20 µ?? aproximadamente, por ejemplo tratándose de una capa de óxido de aluminio de manera que se pueden llegar a espesores de capas de más de 60 µt?. A fin de garantizar la capacidad adhesiva de un recubrimiento, por ejemplo en tal espesor, se necesita por lo menos una capa intermedia entre las diferentes capas basadas en titanio. La invención ofrece ventajosamente la posibilidad de proveer cada material de substrato, material base de la herramienta, ya sea acero de trabajo rápido, metal duro o también materiales cerámicos como por ejemplo el nitruro de silicio, SiAlON, nitruro de aluminio o sobre la base de Al203, de un buen recubrimiento adhesivo, que disminuya básicamente el porcentaje de desgaste. En tal caso puede elegirse el material para el substrato de acuerdo con las propiedades buscadas . Sobre la base un ejemplo de ejecución, se ilustrará el invento en mayor detalles . El ejemplo de realización muestra, representado en forma esquemáticamente, un corte transversal a través de un componente recubierto 1 de nitruro de silicio, Si3N . Sobre el material básico 2 del componente 1, es decir el substrato con los insertos claros a partir de los auxiliares de sinterización que se requieren para la elaboración, se encuentra un recubrimiento 3 que consta de diferentes capas, es decir un recubrimiento estratificado. El recubrimiento 3 se estructura en el presente ejemplo de realización, de cuatro capas individuales, cada quien con su propio espesor. Por encima del substrato 2 sigue una capa 4 sobre la base de titanio, que en el presente ejemplo de realización consta de Ti(C,M). En cuanto al proceso de recubrimiento, se desarrollan en la estructuración de las capas sobre la base de titanio, las siguientes reacciones químicas conocidas: TiCl4 + ¾ N2 = TiN + 4HC1, TiCl4 + CH4 = TiC + 4HC1 y TiCl4 + CH4 ¾ N2 Ti(C,N) + 4HC1. Luego sigue, de una manera perfectamente visible, la capa intermedia 5, principalmente sobre la base de cobalto. En tanto que se ha separado la primera capa 4 a una temperatura del orden de 1000 °C y una presión de 800 milibares. En esta capa 5, a la misma temperatura, se reduce la presión a menos de 500 milibares. En tanto que primeramente se ha separado una capa parcial compacta y coherente 6 del componente de trabajo cobalto, durante el empobrecimiento del contenido en cobalto a partir del gas y para la formación de las capas sobre la base de titanio, se va constituyendo una capa parcial 7, que principalmente se compone de Tic, y aquí todavía son visibles los insertos 8 del componente de material de trabajo cobalto. Cuando cambian los parámetros de recubrimiento a su condición anterior, nuevamente se genera una capa 9 sobre la base de titanio. Esta capa 9 puede reconocerse en su color más claro. Tiene la misma composición que la primera capa, es decir la capa 4: Ti (C,N) . La última capa 10 en una capa recubridora de óxido de aluminio Al203. El proceso de recubrimiento de acuerdo con la siguiente reacción 2A1C13 + 3H20 = A1203 + 6HC1.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un componente de construcción que consta de un material metálico o cerámico, especialmente para operaciones arrancadoras de virutas, o transformadoras, de piezas de trabajo, el cual tiene un recubrimiento de un material duro, estando estructurado este recubrimiento de varias capas y las capas pueden constar de diferentes materiales, caracterizado porque al menos entre dos capas (4,9) del recubrimiento (3) está intercalado una capa intermedia (5) , que consta principal o exclusivamente de un componente de material (6,8) de un elemento que pertenece al cuarto hasta octavo subgrupo del cuarto y quinto periodo del Sistema Periódico. 2. Un componente de construcción según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa intermedia (5) tiene un espesor de aproximadamente 0,05 µt? hasta 5 µp?. 3. Un componente de construcción según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el elemento (6,8) pertenece al octavo subgrupo del cuarto período del Sistema Periódico. 4. Un componente de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las capas (4,9) del recubrimiento (3) constan de un material sobre la base de titanio. 5. Un componente de construcción según la reivindicación 4, caracterizado porque el espesor de la capa (4,9) es de 10 µt? como máximo. 6. El componente de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque la capa (10) del recubrimiento (3) consta por lo menos de una de las modificaciones de óxido de aluminio. 7. El componente de construcción según la reivindicación 6, caracterizado porque el espesor de la capa (10) es de 20 µp? como máximo. 8. El componente de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 , caracterizado porque la estructuración de un recubrimiento (3) consta de varias capas (4,9,10) que se componen de una secuencia alternada de capa sobre . la base de titanio (4,9) y de óxido de aluminio (10), que corresponde a una de sus modificaciones como mínimo. 9. El componente de construcción según la reivindicación 8, caracterizado porque un recubrimiento del componente de construcción se estructura a base de varias capas de la siguiente manera : una o varias capas basadas en titanio, una capa de óxido de aluminio en la modificación de y/o ? y eventualmente una o varias capas revestidoras sobre la base de titanio en que entre por lo menos dos capas basadas en titanio se encuentra una capa intermedia. 10. El componente de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el material del substrato (2) del componente de construcción (1) es nitruro de silicio o bien SiAlON. 11. El componente de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el material del substrato del componente de construcción es nitruro de aluminio. 12. El componente de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el material del substrato del componente de construcción es un material sobre la base de Al203. 13. Un procedimiento para aplicar un recubrimiento de material duro sobre un componente de construcción de un material metálico o cerámico como substrato, especialmente para actividades de arranque de virutas (corte de metales) o transformadoras de piezas de trabajo en que el recubrimiento puede estructurarse a base de diversas capas y las capas también pueden constar de diferentes materiales, particularmente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque al aplicar las capas, de preferencia según cualquiera de los llamados procedimientos PVD, CVD ó Plasrna-CVD, al menos dentro de una capa se separa un elemento que corresponde al cuarto hasta octavo subgrupo del cuarto y quinto de período del Sistema Periódico, también a partir de la fase gaseosa, y que esta separación se controla mediante los parámetros del procedimiento de tal manera que con el componente de material del elemento separado se va formando una capa intermedia que consta predominante o exclusivamente de este componente de material . 1 . El procedimiento según la reivindicación 13 , caracterizado porque la cantidad de la separación del elemento se controla variando la presión. 15. El procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la capa intermedia se forma disminuyendo la presión. 16. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el espesor de la capa intermedia es controlado mediante la cantidad del elemento que se encuentre disponible para la separación. 17. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque se estructura la capa intermedia hasta un espesor desde 0.05 µ?a hasta 5 µt?, aproximadamente . 18. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque en el caso de un recubrimiento de varias capas sobre el componente de construcción en una secuencia alternada se van separando capas sobre la base de titanio y capas sobre la base de óxido de aluminio, en al menos una de sus modificaciones. 19. El procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado porque en el caso de un recubrimiento del componente de construcción con varias capas primeramente se aplican una o varias capas sobre la base de titanio, luego por encima de las anteriores una capa de óxido de aluminio en la modificación de y/o ? y después en su caso una o varias capas recubridoras sobre la base de titanio y porque al menos entre dos capas basadas en titanio se separa una capa intermedia. 20. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque las capas del recubrimiento se separan en dependencia del propio material, en un espesor hasta de 10 µ?? aproximadamente o en su caso hasta un espesor de 20 µt? aproximadamente. 21. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque el recubrimiento se va separando de preferencia sobre componentes de construcción que se componen de uno de los materiales: nitruro de silicio, SiAlON, nitruro de aluminio o sobre la base de Al203.