BRPI0409913B1 - Peça de trabalho revestida com camada de alcr e processo para revestir tal peça. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PEÇA

DE TRABALHO REVESTIDA COM CAMADA DE AlCr E PROCESSO PARA REVESTIR TAL PEÇA". [001] A área técnica à qual a invenção refere-se são peças de trabalho que estão revestidas com um sistema de camadas, que con- tém pelo menos uma camada com a composição (AlyCry_-i)X. A inven- ção refere-se, ainda, a um processo de PVD para depósito de pelo menos uma camada (AlyCr-i_y) X sobre uma peça de trabalho. [002] Particularmente, a invenção compreende: - Peças de trabalho revestidas com material temperado, com uma ca- mada ou uma sucessão de várias camadas diferentes, de cromoni- treto- ou carbonitreto de alumínio. - Ferramentas, particularmente, ferramentas de corte e transformação (broca, fresa, placas de corte reversíveis, furador de roscas, formador de roscas, fresa de evolvente, prensa de estampar, matrizes, punção etc.) e uso dessas ferramentas com camadas de cromonitreto ou car- bonitreto de alumínio. - Componentes, particularmente, componentes do setor de construção de máquinas, tais como, por exemplo, rodas dentadas, bombas, tri- chos de carnes, anéis de êmbolo, agulhas injetoras, grupos de man- cais completos ou componentes individuais dos mesmos e usos des- ses componentes com camadas de AlCrN ou AlCrCN. - Processo para produção de camadas de cromonitreto ou carbonitreto de alumínio com estrutura de camada definida. [003] Do atual estado da técnica são conhecidas diversas cama- das de AlCrN. Desse modo, o documento JP 09-041127 descreve uma camada dura resistente a desgaste, com a seguinte composição (Al-i_ yXy) Z, sendo que X = Cr, V ou Mg, Z = N, C, B, CN, BN ou CBN e 0 < Y < 0,3. Essa camada foi usada, vantajosamente, para o aumento da durabilidade em placas de corte reversíveis. [004] D. Schulz e R. Wilberg descrevem em "Multicomponent hard thin films...", Thin films (Proc. 4th int. Sympos. Trends & New Ap- plications of Thin Films 1993) DGM Info.gesellschaft Oberursel, 1993, p. 73, uma camada de CrAIN, que em um teste de perfuração obtém o dobro da durabilidade de uma broca revestida com TiAIN. O depósito da camada deu-se com um processo de catodo oco, mas que, devido a um processo de evaporação descontínuo, causou uma forte variação da distribuição de cromo/alumínio na camada de (CrAI)N. [005] M. Kawate et ai. mencionam em "Oxidation resistance of Οη.χΑΙχΝ & Ti-ι.χΑΙχΝ films" Surf. & Coat. Tech., Vol. 165, 2 (2003), p163-167 uma camada de Οη.χΑΙχΝ, que a um alto teor de Al e estrutu- ra de Wurtzita, apresenta uma resistência à oxidação aperfeiçoada em relação as camadas de TiAIN convencionais. [006] E. Lugscheider, K. Bobzin, K. Lackner comparam em "In- vestigations of Mechanical & Tribol Properties of CrAIN + C Thin Coa- tings Deposited on Cutting Tools" camadas de CrAIN, depositadas por arco catódico, e camadas de CrAIN que, adicionalmente, estão dota- das de uma camada de cobertura ainda mais dura, que contém carbo- no. Todas as camadas apresentam um coeficiente de atrito que sobe rapidamente para valores altos. [007] A proposição de tarefas técnicas da presente invenção é pôr à disposição peças de trabalho revestidas com (AlyCr-i_y) X, tal co- mo, por exemplo, ferramentas de levantamento de aparas, ferramen- tas de cortar e moldar, ou componentes para a construção de máqui- nas e moldes, bem como um processo para depositar essas camadas sobre uma peça de trabalho e, nesse caso, evitar as desvantagens do estado da técnica. [008] Isso compreende, por exemplo, peças de trabalho, que, pe- lo menos no que se refere à relação de Al/Cr, possuem uma composi- ção de camadas ajustável, uniforme ou alterável, e pelo menos em de- terminadas aplicações apresentam uma resistência ao desgaste mais alta do que peças de trabalho dotadas de camadas conhecidas até o presente. [009] Para examinar a resistência ao desgaste de camadas de (AlyCr-i_y)N ou -CN em diferentes ferramentas, foram depositadas so- bre diversas peças de trabalho, em uma instalação de revestimento industrial do tipo RCS da empresa Balzers, tal como também descrito, por exemplo, no documento EP 1186681 nas Figuras 3-6, descrição página 12, linha 26, até a página 14, linha 9, camadas de Cr com teor de alumínio diferente. O documento citado é pelo presente considera- do como parte efetiva integral deste pedido. Para esse fim, as peças de trabalho limpas foram fixadas, dependendo do diâmetro, sobre su- portes de substrato rotativos duas vezes ou, para diâmetros menores que 50 mm, três vezes, e dois alvos (targets) produzidos de titânio e quatro, produzidos por metalurgia de pó, de diferentes ligas de AlCr, foram embutidos em seis fontes de arcos catódicos instaladas nas pa- redes da instalação de revestimento. Subsequentemente, as peças de trabalho foram primeiramente levadas a uma temperatura de aproxi- madamente 500°C por aquecedores de radiação igualmente instalados na instalação de revestimentos e a superfície foi submetida a uma lim- peza por corrosão por íons de Ar, por aplicação de uma tensão ligei- ramente negativa de -100 a -200 V, sob atmosfera de Ar, a uma pres- são de 0,2 Pa. [0010] A seguir, por operação das duas fontes de Ti, com uma po- tência de 3,5 kW (140 A), em atmosfera de nitrogênio pura, a uma pressão de 3 Pa e uma tensão de substrato de -50V, foi depositada uma camada de AlCrN, durante um tempo de 5 minutos, uma camada adesiva de TiN, com espessura de aproximadamente 0,2 ocm, e, sub- sequentemente, por operação das quatro fontes de AlCr, com uma po- tência de 3 kW, pela duração de 120 minutos. Para obtenção de uma transição de camada otimizada, as fontes foram operadas conjunta- mente durante um tempo de 2 minutos. Depois, foi depositada uma camada nitrurada na base de AlCr, em atmosfera de nitrogênio pura, igualmente a uma pressão de 3 Pa e uma tensão de substrato de - 50V. Em princípio, a pressão de processo em cada uma dessas eta- pas pode ser ajustada em um âmbito de 0,5 a aproximadamente 8 Pa, preferivelmente, entre 2,5 e 5 Pa, sendo que pode ser usada uma at- mosfera de nitrogênio pura ou uma mistura de nitrogênio e um gás no- bre, tal como, por exemplo, argônio para camadas nitruradas, ou uma mistura de nitrogênio e um gás contendo carbono, à qual, caso neces- sário, é misturado um gás nobre, para camadas de carbonitreto. Con- sequentemente, para o depósito de camadas que contêm oxigênio ou boro, pode ser misturado oxigênio ou um gás que contém boro. [0011] Propriedades de camada, tal como estrutura cristalina da camada, espessura da camada, dureza da camada, resistência ao desgaste e aderência de camadas de AlCrN, na dependência da com- posição química e estrutura cristalina, bem como a composição dos alvos utilizados, são apresentados na Tabela 1. Os parâmetros de processo, tal como potência dos alvos, tensão inicial do substrato, pressão de processo e temperatura estão resumidos na Tabela 2. [0012] Na Tabela 3 é apresentada uma série de medições, na qual as camadas de AlCrN foram depositadas sob utilização de alvos com uma relação de Al/Cr igual a 3, sob aplicação de tensões de substrato diferentes. Nesse caso, a resistência ao desgaste foi determinada com um dispositivo de teste de desgaste de precisão do Fraunhoferinsti- tuts-IST/Braunschweig, sendo que foi usado um processo de retifica- ção de calota modificado, partindo de DIN EN 1071-2, para determinar o índice de desgaste. Detalhes sobre o processo encontra-se em Mi- chler, Surf. & Coat. Tech., Vol. 163-164 (2003), página 547, coluna 1 e Figura 1. O documento citado é pelo presente considerado como parte efetiva integral deste pedido. [0013] A invenção é agora explicada, a seguir, exemplificadamen- te, por meio das figuras.

[0014] FIGURA 1 espectros de XRD de uma (camada de) AlCrN com estrutura B1 e B4 [0015] FIGURA 2 espectros de XRD de camadas de AlCrN, na de- pendência da composição química de Al/Cr: A=75/25, C=50/50, D=25/75 [0016] Tal como é visível da Tabela 1 da Figura 1, e conhecido de Kawate, "Microhardness and lattice parameter of Cr-i_xAlxN films", J.

Vac. Sei. Technol. A 20(2), mar/abr 2002; p. 569-571, para concentra- ções de Al acima de uma fração de 70% At no conteúdo de metal na camada, pôde ser constatada uma estrutura de camada hexagonal (B4) e, para concentrações de Al menores, uma estrutura de camada cúbica (B1). Para camadas hexagonais puderam ser medidos valores de HV de aproximadamente 2100 HV0,03, para estruturas de camada cúbicas, porém, valores de HV mais altos, de aproximadamente 2800- 3100 HV0,03 (veja Tabela 1). Aos teores de Cr mais altos (teste D), foi constatada uma dureza de aproximadamente 2300 HV0,03· Nessa composição, diversamente da grade de AIN das camadas com alto conteúdo de alumínio, tal como está representado na Figura 2 A, exis- te uma grade de CrN, tal como na Figura 2 D. [0017] Subsequentemente, são determinadas as durabilidades de brocas de HSS de 6 mm revestidas com material de aço DIN 1.2080, com dureza de 230 HB, a um avanço de 0,12 mm e velocidade de cor- te de 325 m/min, de acordo com o Exemplo 1 apresentado abaixo.

Nesse caso, contrariamente ao âmbito de AlyCr1-yN 1<y<0,7, descrito como particularmente favorável no documento JP 09-041127, mostrou- se vantajoso um conteúdo de cromo acima de 0,3. Em conteúdos aci- ma ou iguais a 0,8, devido à grade de CrN existente, a eficiência para essa área de aplicação diminui novamente. O aumento da durabilidade de camadas de AlCrN cúbicas em relação a hexagonais importou nes- se teste em 235%. [0018] Para camadas em um âmbito de transição, com um conte- údo de Al entre 60 e 75% at, não só a orientação preferencial, mas também a estrutura básica da grade cristalina podem ser ajustadas através dos parâmetros de processo. Desse modo, tal como, por exemplo, no teste B (Tabela 2), a uma pressão pequena de 1 Pa e uma tensão de substrato de -50V, é produzida uma estrutura hexago- nal, enquanto em um âmbito de pressão de 3 Pa e uma tensão de substrato de -50V, é produzida uma estrutura cúbica. A estrutura he- xagonal, desse modo, é depositada com uma tensão de influência re- lativamente baixa e pressão baixa, enquanto a estrutura cúbica prefe- rida é depositada a uma pressão mais alta ou a um valor de uma ten- são de influência mais alto. No caso de conteúdos de Al mais altos, não é mais possível produzir uma estrutura de camada cúbica. [0019] Peças de trabalho de acordo com a invenção distinguem- se, portanto, por um revestimento cúbico (AlyCr-i_y) X, com a seguinte composição: X = N ou CN, mas preferivelmente N, e 0,2 < Y < 0,7, pre- ferivelmente, 0,40 < Y < 0,68. A estrutura de camada é, nesse caso, microcristalina, com um tamanho de grão médio de aproximadamente 20-120 nm. [0020] Os processos de acordo com a invenção distinguem-se por uma condução de processo, na qual uma camada cúbica (AlyCr-i_y) X é depositada com uma composição tal como definida acima. Para o pro- cesso de arco catódico descrito, podem ser usados, vantajosamente, composições de alvos de 75 a 15% de teor de alumínio. No caso de conteúdos de alumínio altos, os parâmetros de processo devem ser ajustados tal como descrito acima, para produzir uma estrutura crista- lina cúbica. [0021] É vantajoso, nesse caso, o uso de alvos produzidos por metalurgia de pó, particularmente por compressão a frio, que podem apresentar uma resistência mais alta do que alvos de AlCr produzidos por metalurgia de sinteraçâo ou de fusão, que, particularmente a con- teúdos de Ai altos, na maioria das vezes contêm fases quebradiças. [0022] Esses alvos são comprimidos a frio por mistura dos materi- ais básicos em forma de pó e, subsequentemente, comprimidos por múltipla transformação, por exemplo, em uma prensa de forjar, a tem- peraturas abaixo de 660° C, sob alongamento e solda a frio e levados a um estado final com uma densidade teórica de aproximadamente 96- 100%. [0023] Pôde ainda ser constatado que em um revestimento de AiCrIM, que foi depositado, por exemplo, com alvos com a composição Al/Cr=3, a resistência ao desgaste pode ser influenciada pela tensão do substrato. Com aumento da tensão inicial do substrato, a resistên- cia contra o desgaste por abrasão diminui (veja Tabela 3). Já a uma tensão de substrato negativa, muito pequena, não apresentada explici- tamente na tabela, de apenas poucos volts (3 - 10 V e quaisquer valo- res intermediários), pode ser obtido um nítido aperfeiçoamento em re- lação a substratos flutuantes (sem abastecimento de tensão externo). A aproximadamente -20V, a resistência ao desgaste para Al/Cr=3 atin- ge uma máxima e, a tensões mais altas, diminui novamente. Dos en- saios para determinação do comportamento de desgaste, pode ser derivado um âmbito ótimo da tensão de substrato, entre 3 a 150 V, particularmente, entre 5 e 40 ¥, nos quais foi medido um índice de desgaste muito pequeno, entre 0,4 e 1,0, particularmente, entre 0,4 e 0,8 m3rrí'1N'110'15. Algo semelhante também se aplica às camadas de acordo com a invenção, isto é, cúbicas, com composição de Al/Cr dife- rente, nas quais não foram medidos índices de desgaste acima de 1,5 m3m'1N'110'15. No entanto, deve ser observado que também a resis- tência ao desgaste de camadas flutuantes e depositadas com alta ten- são de substrato, é consideravelmente mais alta do que a resistência ao desgaste de camadas de TiAIN conhecidas, cujo coeficiente de desgaste é nitidamente mais alto. Por exemplo, para uma camada de TiAIN, depositada analogamente às camadas de AlCrN (Experiência 2, Al 47% at, Ti 53% at), foi medido um índice de desgaste de 3,47 m3m" 1N'110'15. [0024] Pelo processo descrito acima, particularmente pelo uso de alvos de TiAI produzidos por metalurgia de pó, puderam ser deposita- das camadas com uma aspereza pequena. Os valores de Ra medidos situam-se no âmbito entre 0,1 e 0,2 ocm e, desse modo, situam-se no mesmo âmbito como camadas de CrN produzidas de modo compará- vel. Um alisamento adicional das camadas foi obtido no uso de um dispositivo de geração de campos magnéticos, que compreende dois sistemas magnéticos de pólos opostos, que está formado de tal modo que o componente B-ι do campo magnético resultante, que se encontra perpendicular à superfície, apresenta de modo substancialmente cons- tante, sobre uma grande parte da superfície, valores pequenos ou é igual a zero. Nesse caso, os valores do componente de campo magné- tico vertical B-ι foram ajustados para menos de 30, preferivelmente, para menos de 20, especialmente, para menos de 10 Gauss. Os valo- res de Ra das camadas de (AlyCr-i_y) X depositadas com o mesmo si- tuaram-se no âmbito de 0,05 a 0,15 ocm. O campo magnético foi gera- do, nesse caso por duas bobinas de pólos opostos, dispostas coaxial- mente atrás do alvo. [0025] Além disso, no depósito de camadas de (AlyCr-i_y) X, tam- bém podem ser usadas outras camadas adesivas nitruradas ou tam- bém metálicas, com boa condutibilidade elétrica ou, para determinadas aplicações, uma camada adesiva desse tipo também pode ser dispen- sada. Por exemplo, para obtenção de uma produtividade especialmen- te alta, pode ser aplicada uma camada adesiva de AlCr/AICrN, em vez de uma camada adesiva de TiN, com o que é possível dotar todas as fontes de arco catódico de uma instalação de revestimento de alvos de AlCr e aumentar a velocidade de revestimento. [0026] Igualmente, também é possível um depósito de camadas de gradiente, por exemplo, com conteúdo de Al crescente em direção à superfície, quando são usados dois tipos de alvos com relação de Al/Cr diferente ou, partindo de uma camada adesiva de Cr e/ou Crn, por exemplo, por regulagem contínua ou gradual das potências de alvo correspondentes de uma câmara de revestimento, dotada tanto de al- vos de Cr como também de AlCr, é obtida uma modificação na com- posição da camada. Para uma aplicação industrial desses sistemas de camada, é essencial, nesse caso, a possibilidade de ajustar de modo reprodutivo os parâmetros de processo, substancialmente sobre todo curso do processo e, desse modo, sobre toda a espessura de camada.

Oscilações mínimas na composição, tais como através de movimento de substrato são causadas, por exemplo, em um suporte de substrato de rotação simples ou múltipla, podem, nesse caso, ser aproveitadas adicionalmente a uma nanoestruturação - isto é, lamelação no âmbito nano ou micro, formada parcialmente ou sobre toda a espessura de camada. Nesse caso, por razões de processo, no uso de alvos de cromo e alumínio sem liga, é depositada uma camada dura de estrutu- ra mais grossa do que no uso de alvos de AlCr com liga. [0027] Porém, são menos apropriados para esse fim processos conhecidos do estado da técnica, nos quais, por exemplo, o processo de evaporação de pelo menos um componente é de difícil controle ou é descontínuo, uma vez que, desse modo, não é obtenível uma quali- dade de camada reprodutível. [0028] Naturalmente, também é possível produzir camadas desse tipo em outras instalações de revestimento a vácuo ou, por exemplo, também por processos de depósito por borrifamento, sendo que, no entanto, em processos de depósito por borrifamento, a ionização me- nor do gás de processo, deve ser compensada, opcionalmente, por medidas conhecidas, tais como camadas adesivas especiais, ioniza- ção adicional etc., para obter uma aderência de camada comparável. [0029] Em princípio, com esse tipo de camada de Cr-i_xAlxN com estrutura cúbica podem ser revestidas, vantajosamente, peças de tra- balho bastante diferentes. Exemplos das mesmas são ferramentas de corte, como fresas, fresas de evolvente, fresas de cabeça esférica, planas e de perfilar, bem como brocas, brocas para cortar roscas, fer- ramentas de escariar, escariadores de mão e placas de corte reversí- veis para trabalhos de tornear e fresar, ou ferramentas de transforma- ção, tais como, por exemplo, punções, matrizes, anéis de estiramento, núcleos de ejeção ou formadores de roscas. Também ferramentas de fundição injetada, por exemplo, para ligas de fundição injetada metáli- cas, resinas sintéticas ou matérias sintéticas termoplásticas, particu- larmente, ferramentas de fundição injetada, tais como são usadas para produção de peças moldadas de matéria sintética ou suportes de da- dos, tais como CDs, DVDs e similares, podem ser vantajosamente pro- tegidas com camadas desse tipo. Um outro setor de aplicação são componentes, nos quais são feitas grandes exigências à resistência ao desgaste, eventualmente associada a uma alta resistência à oxidação.

Exemplos da construção de bombas ou motores são anéis de veda- ção, êmbolos, punções, rodas dentadas e acionamentos de válvula, tais como, por exemplo, trichos de carnes e balancins ou agulhas para bicos injetores, eixos de compressores, fusos de bombas ou muitos componentes nos quais estão montados um ou mais elementos provi- dos de dentes. [0030] Além disso, em razão do comportamento, em princípio se- melhante, de camadas de (AlyCr-i_y) X, também pode ser esperado um aperfeiçoamento do comportamento de desgaste, se em sistemas de camadas subsequentes forem escolhidas composições de alvo e pa- râmetros de revestimento de tal modo que seja obtida uma estrutura de camada cúbica. [0031] Camadas de (AlyCr-i_y) X, nas quais X = N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CBNO, mas, preferivelmente, é N ou CN e 0,2 < Y < 0,7, preferivelmente, 0,40 < Y < 0,68. [0032] Desse modo, foram depositadas camadas de (AI66Cr34) NO, com relação de N/O diferentes e testadas as propriedades de camada das mesmas. Os parâmetros de revestimento foram escolhidos de modo similar aos acima. A pressão total foi ajustada entre 1 a 5 Pa, a um fluxo de oxigênio entre 20 e 60 sccm (restante, nitrogênio), a ten- são do substrato, entre -40 a -150 V, a temperatura em 450°C e a po- tência de fonte, a uma corrente de 140 A, para 3,5 kW. Nesse caso, foram produzidas camadas com uma relação de O/N de aproximada- mente 0,2, 0,6 e 2,2. Em, diversos testes de fresa, as camadas com conteúdo de oxigênio menor mostraram-se superiores, nesse caso. Os resultados ficaram nitidamente acima das durabilidades obtidas com TiN ou TiCN convencionais. [0033] Pelas propriedades de deslizamento aperfeiçoadas em re- lação às camadas de TiAIN conhecidas das camadas de (AlyCr-i_y) X acima, resultou uma possibilidade interessante, tanto do ponto de vista ecológico como também econômico, de, na operação de ferramentas, particularmente, de ferramentas de corte e ferramentas de transforma- ção, dispensar lubrificantes ou usar apenas quantidades mínimas de lubrificante. Sob aspectos econômicos, nesse caso, deve ser levado em consideração que os custos para lubrificante refrigerante, particu- larmente em ferramentas de corte, podem ser um tanto mais altos do que para a própria ferramenta. [0034] Uma possibilidade ainda mais avançada de aperfeiçoar as propriedades de deslizamento de um sistema de camadas que contém uma camada de (AlyCr-i_y) X, é obtida quando como última camada ex- terna é aplicada, adicionalmente, uma camada de deslizamento. Nes- se caso, é vantajoso se a camada de deslizamento apresentar uma dureza menor do que a camada de (AlyCr-i_y) X e possuir propriedades de entrada. [0035] O sistema de camadas de deslizamento pode, nesse caso, ser formado de pelo menos um metal ou de um carbureto de pelo me- nos um metal e carbono disperso, MeC/C, sendo que os metais são um metal do grupo IVb, Vb e/ou Vlb ou silício. Por exemplo, é apropri- ada, para esse fim, particularmente, uma camada de cobertura de WC/C, com uma dureza ajustável entre 1000 e 1500 HV, que apresen- ta excelentes propriedades de entrada. Também camadas de CrC/C mostram um comportamento semelhante, no entanto, a um coeficiente de fricção um pouco mais alto. [0036] Em brocas de perfurações profundas revestidas desse mo- do, depois da produção de uma a três perfurações, pôde ser constata- do um excelente alisamento de entrada das superfícies de levanta- mento de aparas, que até agora, só podia ser obtido por um acaba- mento mecânico complexo. Essas propriedades também são interes- santes, particularmente, para usos de componentes com solicitação de deslizamento, fricção ou rolamento, particularmente sob lubrificação escassa ou funcionamento a seco, ou se, simultaneamente, tiver de ser protegido um contracorpo não revestido. [0037] Outras possibilidades para formação de uma camada de deslizamento final são camadas de carbono, isentas de metal, seme- lhantes ao diamante, ou camadas de MoSx, WSX ou camadas de MoSx ou MoWx contendo titânio. [0038] A camada de deslizamento, nesse caso, pode ser aplicada, tal como mencionado, diretamente sobre a camada de (AlyCr-i_y) X ou, depois da aplicação de uma camada adesiva adicional, que pode ser formada de modo metálico, nitrítico, carbídico, carbonitrítico ou tam- bém como camada de gradiente, por exemplo, com transição contínua entre camada de (AlyCr,.y) X e camada de deslizamento, para produzir uma aderência da composição de camadas melhor possível. [0039] Por exemplo, camadas de WC/C ou CrC/C podem ser pro- duzidas, vantajosamente, após a aplicação de uma camada adesiva de Cr ou /Ti borrifa d a ou por arco catódíco, por borrifa mento de alvos de WC, sob adição de um gás que contém carbono. Nesse caso a fra- ção do gás que contém carbono é aumentada ao longo do tempo, para obter uma fração maior de carbono livre na camada, [0040] Â seguir, são apresentadas, exemplificadamente, outras aplicações de ferramentas diferentes, com revestimento temperado de (AlyCr,.y) X, no uso para diversas operações de corte.

Exemplo 1: Fresagem de aço de construção Ferramenta: Fresa de haste, metal temperado Diâmetro D = 8 mm, número de dentes z = 3 Material: Aço de construção Ck45, DIN 1.1191 Parâmetros de fresagem: Velocidade de corte vc = 200/400 m/min Velocidade de avanço vf = 2388/4776 mm/min Largura de ataque radial ae = 0,5 mm Largura de ataque axíal ap = 10 mm Refrigeração: emulsão 5% Processo: Fresagem em direção paralela Critério de desgaste: desgaste de superfície livre VB = 0,12 mm [0041] O Exemp ο 1 mostra uma comparação das durabílidades de fresas HM revestidas, que foram testadas em diferentes parâmetros de corte, [0042] Nesse caso, é nitidamente visível que em comparação com os sistemas de camadas, utilizados industrial mente até agora, tais co- mo TiCN e TiAIN, as camadas de AlCrN apresentam durabílidades mais altas. Além disso, dos resultados é visível que, tal como já no Exemplo 1, com conteúdo de Al crescente, desde que a estrutura B1 cúbica seja mantida, o comportamento de durabilidade é aperfeiçoado (compare Experiências número 3, 5, 6). Isso deve ser atribuído, sobre- tudo, à resistência à oxidaçâo aperfeiçoada, constatada com conteúdo de Al crescente, e à dureza (veja Tabela 1). Exata mente no setor do trabalho a seco e de alta velocidade (por exemplo, vc = 400 m/min}, a resistência à oxidaçâo muito satisfatória do revestimento de AlCrN é importante. Além disso, nesse teste também pode ser constatado que na conversão da grade cristalina da estrutura B1 para B4 o comporta- mento de desgaste piora (Experiência Comparativa 3 e 4).

Exemplo 2: Fresagem de aço austenítico Ferramenta: Fresa de haste, metal temperado Diâmetro D = 8 mm, número de dentes z = 3 Material: Aço austenítico X 6 CrNiMoTi 17 12 2, DIN 1.4571 Parâmetros de fresagem: Velocidade de corte vc = 240 m/min Avanço dos dentes fx = 0,08 mm Largura de ataque radial ae = 0,5 mm Largura de ataque axial ap = 10 mm Refrigeração: emulsão 5% Processo: Fresagem em direção paralela Critério de desgaste: desgaste de superfície livre VB = 0*1 mm [0043] O Exemplo 2 mostra uma comparação das durabilidades de fresas HM revestidas. Nesse caso, também pôde ser obtido um aper- feiçoamento do desgaste com a camada de ÂICrN em relação a ca- madas de material temperado, utilizadas industrial mente. O aperfeiço- amento da durabilidade em AlCrN podería ser obtido* por um lado, por uma tendência menor, em comparação com Tí em camadas de TiAIN, do segundo elemento de liga, Cr, ao empastamento de movimento de material, até o momento ainda não comprovada, e, por outro lado, pela boa resistência ao desgaste, tal como visível na Tabela 1, de camadas de AlCrN de acordo com a invenção (A, B, D), a uma simultânea alta dureza.

Exemplo 3: Fresagem de aço endurecido Ferramenta: Fresa de cabeça esférica, metal temperado Diâmetro D = 10 mm, número de dentes z = 2 Material: K340 (62 HRC), corresponde a C 1,1%, Si 0,9%, Mn 0,4%, Cr 8,3%, Mo 2,1%, ¥0, 5%.

Parâmetros de fresagem: Velocidade de corte vc = 0 -120 m/min Avanço dos dentes fx = 0,1 mm Largura de ataque radial ae = 0,2 mm Largura de ataque axial ap = 0,2 mm Refrigeração: a seco Processo: Fresagem em direção paralela e em direção contrária, ali- sa mento Critério de desgaste: desgaste de superfície livre VB = 0,3 mm Exemplo 4: Fresagem de desgaste de aço endurecido Ferramenta: Fresa de cabeça esférica, metal temperado Diâmetro D = 10 mm, número de dentes z = 4 Material: aço para ferramentas X 38 CrMoV 5 1, DIN 12343 (50 HRC) Parâmetros de fresagem: Velocidade de corte vc = 60 m/min Avanço dos dentes f = 0,02 mm Largura de ataque radial ae = 2 mm Largura de ataque axial ap = 10 mm Refrigeração: a seco Processo: Fresagem em direção paralela, des baste Critério de desgaste: desgaste de superfície livre VB = 0,1 mm [0044] O Exemplo 3 e o Exemplo 4 mostram uma estabilidade aperfeiçoada das camadas de AlCrN em relação às camadas de TiAIN utilizadas índusthalmente. Portanto, AlCrN também é particularmente apropriado para o trabalho a seco, que faz altas exigências no que se refere à resistência â oxidação e à resistência ao desgaste.

Exemplo 5: Perfuração em aço para ferramentas Ferramenta: Broca HSS (S 6-5-2), diâmetro D = 6 mm Material: Aço para ferramentas X 210 Cr 12, DIN 1.2080 (230HB) Parâmetros de perfuração: Velocidade de corte vc = 35 m/mín Avanço f = 0,12 mm Profundidade do furo z = 15 mm, furo de base Refrigeração: emulsão 5% Critério de desgaste: desligamento de torque (corresponde a um des- gaste dos cantos de > 0,3 mm) [0045] O Exemplo 6 mostra uma comparação do número de furos padronizado sobre a espessura de camada de brocas HSS com ca- madas de AlyCn.yN / AlyCr-i.yCN com conteúdo diferente de Al. [0046] As camadas foram produzidas com os parâmetros de acor- do com a Tabela 2, Nesse caso, com crescente conteúdo de alumínio, mostra-se um aumento da durabilidade, até, no máximo, uma fração de 70% de alumínio no conteúdo de metal. A um aumento adicional e, com isso, depósito de uma camada com estrutura cristalina hexagonal, no entanto, o rendimento cai nitidamente. No âmbito entre 41,5 e 69,5% de Al (Experiência 15, 17), pôde, desse modo, ser constatado, para essa aplicação, um nítido aumento de rendimento em relação ao estado da técnica (Experiência 18).

Exemplo 6: Perfuração de furos profundos 5XD em Ck45 Ferramenta: Broca de metal temperado, diâmetro D = 6,8 mm Material: Aço para construção 1.1191 (Ck45) Parâmetros de perfuração: Velocidade de corte vc = 120 m/mín Avanço f = 0,2 mm Profundidade do furo z = 34 mm, furo de base Refrigeração: emulsão 5% Critério de desgaste: desgaste dos cantos VB = 0,3 mm [0047] O Exemplo 6 mostra uma durabilidade aperfeiçoada da ca- mada de AlCrN em relação às camadas de TiAIN utilizadas industrial- mente, em um uso de perfuração. Nesse caso, é significativa a resis- tência ao desgaste abrasivo aperfeiçoada do revestimento de AlCrN de acordo com a invenção. [0048] Adicional mente, as brocas revestidas tal como na experiên- cia n- 20, depois da aplicação de uma camada adesiva de Cr, foram dotadas de uma camada de deslizamento de WC/carbono, sendo que sob condições de teste, de resto iguais, pôde ser obtida uma durabili- dade nitidamente aperfeiçoada. Medições de torque realizadas simul- taneamente indicaram um torque nitidamente menor do que sem ca- mada de deslizamento. Além disso, pôde ser constatada uma melhor qualidade de superfície nos furos e, até pouco antes do final da durabi- lidade, nenhuma descoloração por excessiva carga de temperatura.

Exemplo 7: Corte de roscas 2xD em aço austenítico Ferramenta: Broca para cortar roscas HSS, dimensão de rosca M8 Material: aço austenítico 1.4571 (XGCrNiMoTi 17/12/2) Parâmetros de corte: Velocidade de corte vc = 3 m/min Profundidade de rosca: 2xD

Tipo de rosca: furo cego ISlúmero de roscas: 64 Refrigeração: emulsão 5% Critério de desgaste: curso do torque sobre número de roscas, avalia- ção de desgaste óptica depois de 64 roscas Explicações em relação a (1) + comportamento de desgaste satisfatório no corte de roscas ++ bom comportamento de desgaste no corte de roscas +++ comportamento muito bom de desgaste no corte de roscas [0049] Em todas as camadas de AlCrN pode ser obtida uma redu- ção do momento de corte máximo, médio, em relação ao estado da técnica (TiCN). Além disso, devido à resistência ao desgaste muito boa das camadas com teor mais alto de alumínio, é obtido um compor- tamento de desgaste aperfeiçoado em relação a TiCN, No entanto, nesse exemplo, provavelmente devido à tendência adesiva do alumí- nio, que leva a empastamentos de material e, subsequentemente, a desprendimentos de camada, a camada da experiência n2 23 mostra um quadro de desgaste melhor do que o nfi 22. [0050] Adicional mente, as brocas para cortar roscas revestidas tal como na experiência n- 22 e n- 23, depois da aplicação de uma cama- da adesiva de AlCr, foram dotadas de uma camada de deslizamento de W/carbono, ou depois da aplicação de uma camada adesiva de Ti, de uma camada de M0S2 contendo Ti, sendo que, sob condições de teste de resto iguais, também puderam ser obtidos um aperfeiçoamen- to da durabilidade e uma melhor qualidade de superfície do material trabalhado.

Exemplo 8: Fresagem de sistema evolvente sobre aço de Cr-Mo Ferramenta: fresa de sistema evolvente Material: DIN S6-7-7-10 (ASP60) Diâmetro D = 80 mm, comprimento L = 240 mm, módulo m = 1,5 25 porcas de pressão Ângulo de ataque α = 20° Perfil de referência 2, número de dentes 50, largura do passo 25 mm Material: aço Cr-Mo DIN 34CrMo4 Parâmetros de corte: Velocidade de corte vc = 260 m/min Avanço 2 mm/U Número de peças: 300 Refrigeração: corte a seco, ar comprimido para remoção das aparas [0051] Nos testes 25 a 30 foram testadas diversas fresas de sis- tema evolvente de aço de alta velocidade (HSS) produzido por meta- lurgia de pó, com diferentes sistemas de camada no corte a seco.

Nesse caso, pôde ser obtido com as ferramentas revestidas de acordo com a invenção (experiência 29 e 30) um aperfeiçoamento substancial em relação a fresas conhecidas, revestidas com TiCN ou TiAIN. Do mesmo modo, pode ser visto que camadas de AlCrN, conteúdo de Al pequeno (n- 28 ou alto demais, na existência de uma estrutura cristali- na hexagonal (n- 27), oferecem uma proteção menor contra desgaste. [0052] Também os Exemplos n- 31 a 33 abaixo mostram a nítida superioridade de uma camada de AlCrN de acordo com a invenção, com grade cristalina cúbica, uma fração de nitrogênio substancialmen- te estequiométrica e um conteúdo de Al de 65%. Nesse caso, fresas de sistema evolvente produzidas de PP HSS ou metal temperado fo- ram testadas tanto no corte a seco como também no corte lubrificado com emulsão.

Experiência N° 31: Fresagem de sistema evolvente Ferramenta: PM HSS

Diâmetro D = 80 mm, comprimento L = 240 mm Material: 16 Mn Cr 5 Velocidade de corte: 180 m/min, a seco (Alo.42Tio.58)N, Balinit NANO: 1809 peças (ΑΙ0.63"Πο.37)Ν, Balinit X.CEED: 2985 peças (AIo.66Tí0.34)N: 5370 peças Experiência N° 32: Fresagem de sistema evolvente Ferramenta: Metal temperado (HM) Diâmetro D = 60 mm, comprimento L = 245 mm Módulo: 1.5 Ângulo de ataque □ = 20° Material: 42 CrMo4 Velocidade de corte: 350 m/min, a seco (Alo.4iTi0.59)N, Balinit X.TREME: 1722 peças (ΑΙ0.63"Πο.37)Ν, Balinit X.CEED: 2791 peças (AIo.66Tí0.34)N: >3400 peças Experiência N° 33: Fresagem de sistema evolvente Ferramenta: PM HSS Módulo: 2.5 Material: 16MnCr5 Velocidade de corte: 140 m/min, emulsão TICN, BALINIT B: 1406 peças (Alo.42Tio.58)N, Balinit NANO: 1331 peças (AIo.66Tí0.34)N: 1969 peças [0053] Outros testes, não apresentados mais detalhadamente, ainda apresentaram, também a âmbitos de velocidade de corte ainda mais altos, de até vc = 450 m/min, uma boa estabilidade. Também as durabilidades de fresas de metal temperado revestidas puderam ser nitidamente aumentadas, tanto no trabalho a úmido, como, particular- mente também, no trabalho a seco.

Exemplo 9: Fresagem de desbaste de aço para ferramentas Ferramenta: Fresa de haste HSS

Diâmetro D = 10 mm, número de dentes z = 4 Material: aço para ferramentas X40 CrMoV 5 1, DIN 1.2344 (36 HRC) Parâmetros de fresagem: Velocidade de corte vc = 60 m/min Avanço dos dentes fz = 0,05 mm Largura de ataque radial ae = 3 mm Largura de ataque axial ap = 5 mm Refrigeração: emulsão 5% Processo: Fresagem em direção paralela, desbaste Critério de desgaste: desgaste de superfície livre VB = 0,1 mm HS Camada de aderência ΤΊΝ Pulso Influência de pulso Exemplo 10: Torneamento longitudinal externo de aço cementado en- durecido Ferramenta: lâmina de torno com peça interposta embutida por solda Material: aço cementado 16 MnCr5, DIN 1.7131 (49 - 62 HRC) Parâmetros de torneamento: trabalho a têmpera-macío, com corte in- terrompido e espessura de parede parcialmente fina Refrigeração: a seco Critério de desgaste: número de peças até atingir um desgaste de su- perfície livre de VB = 0,1 mm [0054] Resultados semelhantes também foram obtidos com ligas do tipo cermets produzidos por metalurgia de pó, constituídos de uma fase dura, à qual, em casos individuais, foi adicionado molibdênio e/ou tântalo. Como fase aglutinante foi usado, nesse caso, Ni ou Ni/Co.

Exemplo 11: Formação de roscas em chapa galvanizada Experiência NQ 43: Ferramenta: Cortador de roscas HSS M9 Material: DC01, corresponde a DIN 1.0330, St 12 Ze Diâmetro do furo de núcleo: 8,34 mm Parâmetro de corte: 55 m/s N- de rotações corte: 2000 U/min N- de rotações contra-rotação: 3600 U/min Lubrificação: S26 CA

TiN: 3200 roscas TiCN: 3200 roscas TiAIN: 3500 roscas (Al0.66Cro.34)N: 8800 roscas Testes com CBN (boronitreto cúbico) revestido ou Cermet [0055] Ferramentas: placas de corte reversíveis de diversos mate- riais sinterizados de CBN, com um conteúdo de CBN entre 30-99% em vol., restante, aglutinante, foram revestidas, por um lado, com cama- das de TiAIN conhecidas, de acordo com a experiência 8, e, por outro lado, com camadas de AlCrN de acordo com a invenção, de acordo com a experiência 3, 5 e 6. No entanto, devido ao caráter não condutor do material sinterizado de CBN, para o processo de corrosão e reves- timento, foi aplicada uma influência de substrato pulsado, na região de freqüência média, preferivelmente, em uma região de freqüência de 20 a 250 kHz. [0056] Para materiais com um conteúdo de CBN de até 90% foi usado, nesse caso, um pó aglutinante, que consiste em pelo menos um dos elementos do seguinte grupo: nitreto, carbureto, boreto e óxido do grupo Ti, V ou Cr, isto é, elementos IVa, Va e Via, bem como alu- mínio ou compostos de Al. [0057] Para materiais com um conteúdo de CBN de até 95% foi usado, nesse caso, um pó aglutinante, que consiste em nitreto de titâ- nio e pelo menos em um dos elementos do seguinte grupo: cobalto, níquel, carbureto de tungstênio, alumínio ou um composto de alumínio, [0058] Para materiais com um conteúdo de CBN maior que 90%, também foi usado um pó aglutinante, que consiste em nitreto de titânio e pelo menos em um dos elementos do seguinte grupo: boreto ou bo- ronitreto dos metais alcalinos ou alcalino-terrosos. [0059] Em testes de torneamento e fresagem realizados subse- qüentemente, na maioria dos casos pôde ser constatado um compor- tamento de desgaste nitidamente aperfeiçoado em relação a camadas de TiAIN. Do mesmo modo, em um teste de torneamento longitudinal externo, particularmente complexo, no qual um eixo só parcíalmente temperado, de geometria complexa, foi trabalhado, parcialmente em corte interrompido.

Exemplo 12: Forja a quente Ferramenta: Mordente de forja 4 St, 220x43x30 mm, Bôhler W36Ü, du- reza 54 HRC, 4 ferramentas simultaneamente em uso Peça de trabalho: Material redondo, diâmetro 22 mm, material 42 CrMo4 Processo: temperatura da peça de trabalho antes da transformação, 1.050°C

Força de compressão 57 t/por mordente Refrigeração: Molicote + grafite [0060] HS camada adesiva de TiN

Exemplo 13: Rebordeamento a quente Ferramenta: HM perfuração de fluxo diâmetro 10 mm Peça de trabalho: 1.0338 Processo: A ferramenta é comprimida contra a peça de trabalho com uma rotação de aproximadamente 2800 U/min, 3000N, Pela energia cinética, a peça de trabalho é aquecida ao rubro, isto é aproximada- mente 1000°C e deformada. HS camada adesiva de ΤΊΝ Exemplo 14: Puneionagem Ferramenta: 12379, punção de furo longo 20 mm x 10 mm Peça de trabalho: TRIP 700, espessura de 1,2 mm Processo: corte de cisai hamento, fenda de corte 10%, 500 cursos/min, força de corte 20 kM

HS camada adesiva de TiN

Claims (19)

1. Peça de trabalho revestida com camada contendo AlCr, caracterizada pelo fato de que contém pelo menos uma camada com a composição (AlyCr-i_y) X, com X = N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO ou CBNO e 0,66 < y < 0,695, sendo que a composição de camada dentro da camada de (AlyCr-i_y) X é substancialmente constan- te ou se modifica continuamente ou gradualmente sobre a espessura da camada de (AlyCr-i_y) X, a dita camada (AlyCr-i_y) X tendo uma estru- tura cristalina cúbica, e a peça de trabalho constituindo uma das se- guintes ferramentas: uma fresa, uma fresa de rotação de cabeça esfé- rica, plana ou de perfilar, uma ferramenta de escariar, escariador de mão, uma placa de corte reversível para trabalhos de tornear e fresar, uma ferramenta de moldar ou uma ferramenta de fundição injetada.

2. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que a ferramenta é uma ferramenta de transfor- mação, de um punção, uma matriz, um anel de estiramento, um núcleo de ejeção, um cortador de roscas ou uma ferramenta de estampar.

3. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que a ferramenta é uma ferramenta de fundição injetada, para produção de uma peça moldada de matéria sintética ou de um suporte de dados.

4. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que a ferramenta apresenta um corpo básico de CBM ou Cermet ou é uma placa de corte reversível de CBN ou Cer- met.

5. Peça de trabalho de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o índice de desgaste da camada de (AlyCr-i_y) X é menor ou igual a 1,5 m3m"1N"110"15.

6. Peça de trabalho de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a dureza Vickers da camada de (AlyCr-i_y) X é de 2300 a 3100.

7. Peça de trabalho de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a estrutura de cama- da da camada de (AlyCr-i_y) X é microcristalina e o tamanho de grão médio importa em 20-120 nm.

8. Peça de trabalho de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que entre a peça de tra- balho e a camada de (AlyCr-i_y) X está aplicada uma camada adesiva.

9. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 8, carac- terizada pelo fato de que a camada adesiva compreende pelo menos um dos metais do grupo secundário IV, V ou VI ou alumínio.

10. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 8, ca- racterizada pelo fato de que a camada adesiva compreende pelo me- nos um nitreto, carbureto ou carbonitreto de um ou mais metais do grupo secundário IV, V ou VI.

11. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 8, ca- racterizada pelo fato de que sobre a, pelo menos uma, camada de (AlyCr-i.y) X está aplicada, adicionalmente, uma camada de desliza- mento.

12. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 11, ca- racterizada pelo fato de que a camada de deslizamento compreende pelo menos um metal com carbono disperso, MeC/C, em que Me é selecionado dentre os metais do grupo IVb, Vb e/ou Vlb e silício, uma camada de carbono semelhante a diamante, uma camada de carbono semelhante a diamante, que contém Si ou metal, uma camada de MoSx, de WSX ou de MoSx ou MoWx contendo titânio.

13. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que a peça de trabalho é uma peça de cons- trução.

14. Peça de trabalho de acordo com a reivindicação 13, ca- racterizada pelo fato de que a peça de construção é um anel de veda- ção, um êmbolo, parte de um acionamento de válvula ou uma agulha para um bico injetor ou apresenta uma engrenagem.

15. Processo para revestir pelo menos uma camada de (AlyCr-i.y) X sobre uma peça de trabalho, como definido na reivindica- ção 1, caracterizado pelo fato de que X = N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO ou CBNO e 0,66 < y < 0,695, compreendendo as etapas de instalar pelo menos uma peça de trabalho em um sistema de revestimento a vácuo, com pelo menos um alvo de AlzCr-i_z com 0,25 < z < 0,75, operando o sistema a uma pressão de 0,5 - 8 Pa, sob adição de gás reativo que contém nitrogênio, carbono, boro ou oxigê- nio, e aplicar uma tensão de substrato na peça de trabalho entre - 3 a - 150V, como fonte de arco catódico ou de borrifamento, em que a composição de camada dentro da pelo menos uma camada de (AlyCr-i_ y) X é substancialmente constante ou modifica-se continuamente ou gradualmente sobre a espessura da camada, sendo que a dita pelo menos uma camada (AlyCr-i_y) possui uma estrutura cristalina cúbica, e a peça de trabalho é uma peça de trabalho selecionada a partir das peças de trabalho mencionadas na reivindicação 1 ou 8.

16. Processo de acordo com a reivindicação 15, caracte- rizado pelo fato de que X = N e o gás reativo é nitrogênio ou oxigênio.

17. Processo de acordo com uma das reivindicações 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que a tensão de substrato é pulsada.

18. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 15 ou 17, caracterizado pelo fato de que o alvo de AlzCr-i_z é um alvo produzido por metalurgia de pó.

19. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracteri- zado pelo fato de que um alvo é produzido comprimindo-se a frio ma- teriais básicos em forma de pó com repetidas transformações subse- quentes a temperaturas abaixo de 660°C, densificação por escoamen- to e solda a frio e transformação árida para o seu estado final com uma densidade teórica com aproximadamente 96 - 100%.