BRPI0613793A2 - corpos revestidos de material duro e método para sua produção - Google Patents
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Abstract
CORPOS REVESTIDOS DE MATERIAL DURO E METODOPM~A SUA PRODUçAO A invenção refere-se a corpos de revestimento duro com um sistema de camada simples ou múltiplas camadas contendo pelo menos uma camada dura de Ti~1~Al~x~N e um método para a produção dos mesmos. O objetivo da invenção é atingir uma resistência ao desgaste e resistência à oxidação significativamente melhorada para esses corpos derevestimento duro. Os mencionados corpos de revestimento duro caracterizam-se pelo fato dos corpos estarem revestidos com pelo menos uma camada dura de Ti~1~Al~x~N, gerada por CVD sem a presença do estimulo de plasma como uma camada de fase simples com estrutura cúbica de NaCl com um coeficiente estequiométricO x <syn>0,15 a x = 0,93 e uma constante de treliça afCC entre 0,412 nm e 0,405 nm, ou como uma camada de múltiplas fases, a fase principal sendo Ti~1~Al~x~N com uma estrutura cúbica de NaCl com um coeficiente estequiométricOx >0(75 a x = 0,93 e uma constante de treliça afçC entre 0,412 nm e 0,405 nm, com Ti~1~A1~x~N com uma estrutura de wurtzita e/ou como TiN~x~ com estrutura de NaCl como mais uma fase. Outra característica da mencionada camada dura é o fato do teor de cloro estar na faixa de somente 0,05 a 0,9 atom %. A invenção também se refere a um método para a produção docorpo, caracterizado pelo fato do corpo ser revestido em um reator a temperaturas de 700<198>C até 900<198>C através de CVD sem a presença do estímulo de plasma com haletos de titânio, haletos de alumínio e compostos de nitrogênio reativo como precursores, misturados a temperaturas elevadas. é possível aplicar o mencionado revestimento em ferramentas fabricadas de aço, metais duros, cermets e cerâmicas, como furadeiras, fresas e inserções cortadoras indexáveis.
Description
Campo da Técnica
A invenção refere-se a corpos revestidos dematerial duro com um sistema de camada simples ou múltiplascamadas contendo pelo menos uma camada dura de Tii_xAlxN e ummétodo para a produção dos mesmos. De acordo com a invenção épossível utilizar o revestimento, especialmente, paraferramentas feitas de aço, metais duros, cermets, ecerâmicas, como furadeiras, fresas, e inserções cortadoras.Os corpos revestidos de acordo com a invenção têm melhorresistência ao desgaste por atrito e resistência à oxidação.
Técnica Anterior
A produção de camadas de proteção contradesgaste por atrito em determinadas regiões do system demateriais de Ti-Al-N já é conhecido, conforme a WO 03/085152A2. Nesta conexão, é possível produzir camadas monofásicas deTiAlN com a estrutura de NaCl, a teores de AlN de até 67%.Tais camadas, produzidas através de PVD, têm uma constante detreliças afCC entre 0,412 nm e 0, 424 nm (R. Cremer, M.Witthaut, A. von Richthofen, D. Neuschütz, Fresenius J. Anal.Chem. 361 (1998) 642-645). Essas camadas cúbicas de TiAlNpossuem uma resistência ao desgaste por atrito e durezarelativamente elevada. No caso dos teores de AlN > 67%,contudo, forma-se uma mistura de TiAlN cúbico e hexagonal, ea uma proporção de AlN > 75%, somente se forma a estruturamais mole de wurtzita, que não é resistente ao desgaste poratrito.
Também é sabido que a resistência à oxidaçãode camadas cúbicas de TiAlN aumenta com um incremento do teorde AlN (M. Kawate, A. Kimura, T. Suzuki, Surface e CoatingsTechnology 165 (2003) 163-167). Contudo, a literaturacientifica referente à produção de TiAlN através de PVDindica a visão de que praticamente nenhuma camada monofásicacúbica TiAlN com uma alta proporção de AlN pode ser formadaacima de 750°C, isto é, que no caso de fases de Tii_xAlxN ondeχ > 0,75, a estrutura hexagonal de wurtzita sempre estarápresente (K. Kutschej, P.H. Mayrhofer, M. Kathrein, C.Michotte, P. Polcik, C. Mitterer, Proc. 16th Int. PlanseeSeminar, 30 de maio - 03 de junho de 2005, Reutte, Áustria,Vol. 2, p. 774 - 788).
Também já tinha sido descoberto que épossível produzir camadas monofásicas de material duro deΤϊι-χΑΐχΝ com χ até 0,9 através de CVD por plasma (R. Pfaixa,Diss. RTHW Aachen, 1999, Fortschritt-Berichte VDI [ProgressReports of the Association of German Engineers], 2000, Series5, No. 576, além de 0. Kyrylov et al., Surface e CoatingTechn. 151-152 (2002) 359-364). Contudo, uma desvantagemnesta conexão é a insuficiente homogeneidade da composição dacamada, e o teor de cloro relativamente alto na camada. Aindamais, a condução do processo é complicada e exige muitoesforço.
Para a produção das conhecidas camadas dematerial duro de Tii_xAlxN, utilizam-se os métodos de PVD oumétodos de CVD por plasma, de acordo com a técnica, métodosestes que são operados a temperaturas inferiores a 7000C (A.Hõrling, L. Hultman, M. Oden, J. Sjõlen, L. Karlsson, J. Vac.Sei. Technol. A 20 (2002)5, 1815 - 1823, além de D. Heim, R.3« Hochreiter, Surface e Coatings Technology 98 (1998) 1553 -1556). É uma desvantagem destes métodos o fato de querevestir geometrias complicadas de componentes apresentadificuldades. PVD é um processo muito visado, e CVD porplasma exige um alto nível de homogeneidade de plasma, pois adensidade do poder do plasma tem uma influência direta narelação de átomos Ti/Al da camada. Com os métodos PVD, quesão quase exclusivamente utilizados na indústria, não épossível produzir camadas monofásicas cúbicas de Tii-XA1XN comχ > 0,75.
Como as camadas cúbicas de TiAlN constituemuma estrutura metaestável, a produção com métodosconvencionais de CVD, a altas temperaturas > 1000°C fundamentalmente não é possível, pois se forma uma mistura deTiN e AlN hexagonal a temperaturas acima de 1000°C.
De acordo com a patente US 6,238,739 Bltambém é sabido que se pode obter camadas de Ti1-XAlxN com χentre 0,1 e 0,6 na faixa de temperatura entre 550°C e 650°C,através de um processo de CVD térmico, sem suporte de plasma,caso se utilize uma mistura de gás de cloretos de alumínio ecloretos de titânio, além de NH3 e H2. A desvantagem destemétodo de CVD térmico especial também consiste na restrição auma estequiometria de camadas χ < 0,6 e a restrição atemperaturas inferiores a 650°C. A baixa temperatura derevestimento resulta em altos teores de cloro na camada, até12 at.-%, o que é prejudicial quando utilizado. (S.Anderbouhr, V. Ghetta, E. Blanquet, C. Chabrol, F. Schuster,C. Bernard, R. Madar, Surface e Coatings Technology 115(1999) 103 - 110).
Descrição da Invenção
A invenção baseia-se na busca de uma melhorasignificativa da resistência ao desgaste por atrito eresistência à oxidação no caso de corpos revestidos dematerial duro com um sistema de camada simples ou múltiplascamadas contendo pelo menos uma camada de material dura deTii-XA1XN.
Atinge-se esse objetivo com ascaracterísticas reivindicadas neste pedido de patente.Os corpos revestidos de material duro, deacordo com a invenção, caracterizam-se pelo fato de que sãorevestidos com pelo menos uma camada de material duro de Tii-χΑ1χΝ produzida através de CVD, sem estimulo de plasma,camada esta, que está presente como uma camada monofásica naestrutura cúbica de NaCl, com um coeficiente deestequiometria χ > 0,75 até χ = 0,93, e uma constante detreliça afCC entre 0,412 nm e 0, 405 nm, ou que constitui umacamada multifásica de material duro de Tii_xAlxN cujaprincipal fase consiste de Tii-XA1XN com uma estrutura cúbicade NaCl, com um coeficiente de estequiometria χ > 0,75 até χ= 0,93, e uma constante de treliça afcc entre 0,412 nm e 0,405nm, pelo qual estão contidos o Tii_xAlxN na estrutura dewurtzita e/ou o TiNx na estrutura de NaCl como uma faseadicional. Outra característica desta camada de material durode Tii-XA1XN consiste no fato de seu teor de cloro estar nafaixa entre apenas 0,05 e 0,9 at.-%. É vantajoso o teor decloro da camada de material duro de Til-xAlxN(s) se encontrarna faixa de somente 0,1 a 0,5 at.-%, e o teor de oxigênio seencontrar na faixa de 0.1 a 5 at.-%.
O valor de dureza da(s) camada(s) de materialduro de Tii-XA1XN se encontra na faixa de 2500 HV a 3800 HV.
De acordo com a invenção, até 30% em massapodem constituir-se de componentes amorfos de camadas na(s)camada (s) de material duro de Tii_xAlxN.
A camada presente nos corpos, de acordo com ainvenção, com sua elevada dureza entre 2500 HV a 3800 HV, ecom uma resistência à oxidação claramente melhorada comparadacom a técnica anterior, que se atinge através da altaproporção de AlN na fase cúbica de Tii-XA1XN, possui umacombinação de dureza e resistência à oxidação que nunca foiatingida até agora, o que resulta em uma ótima resistência aodesgaste por atrito, particularmente a altas temperaturas.Para a produção dos corpos, a invenção incluium método que se caracteriza pelo fato de que os corpos sãorevestidos em um reator, a temperaturas na faixa de 700°C a900°C, através de CVD, sem estimulo de plasma, pelo qual seutilizam halogênios de titânio, halogênios de alumínio, ecompostos de nitrogênio reativo como precursores, misturadosa temperatura elevada.
De acordo com a invenção, pode-se utilizarNH3 e/ou N2H4 como compostos de nitrogênio reativo.
É vantajoso que os precursores sejammisturados no reator, diretamente à frente da zona dedepósito.
Realiza-se a mistura dos precursores out, deacordo com a invenção, a temperaturas na faixa de 150°C a900°C.
É vantajoso realizar o processo derevestimento a pressões na faixa de IO2 Pa a IO5 Pa.
Utilizando o método de acordo com a invenção,é possível produzir um camada de Tii-XA1XN com a estrutura deNaCl através de um processo de CVD térmico comparativamentesimples, a temperaturas entre 700°C e 900°C, e pressões entreIO2 Pa e 10 Pa. As duas composições da camada de Tii_xAlxNpreviamente conhecidas, com χ < 0,75, e os novos tipos decomposições, com χ > 0,75, que não podem ser produzidasatravés de nenhum outro método, podem obter-se utilizando ométodo. O método permite um revestimento homogêneo mesmo degeometrias complicadas de componentes.Concretizações da Invenção
A seguir, a invenção é explicada com maioresdetalhes utilizando concretizações exemplificativas.
Exemplo 1
Deposita-se uma camada de Τϊχ-ΧΑ1ΧΝ eminserções cortadoras de metal duro de WC/Co, através dométodo de CVD térmico de acordo com a invenção. Com estafinalidade, introduz-se uma mistura de gás de 20 ml/min deAlCl3, 3,5 ml/min de TiCl4, 1400 ml/min de H2, 400 ml/min deargônio em um reator CVD de parede quente com diâmetrointerno de 75 mm, a uma temperatura de 8000C e uma pressão de1kPa.
Passa-se uma mistura de 100 ml/min de NH3 e200 ml/min de N2 para dentro do reator através de um segundoalimentador de gás. A mistura das duas correntes de gásocorre a uma distância de 10 cm à frente do portador desubstrato. Após um tempo de revestimento de 30 minutos,obtém-se uma camada cinza-preta com 6 μπι de espessura.
Somente a fase cúbica de Tii-XA1XN éencontrada através da análise de camadas finas por raio-Xrealizada com incidência de varredura (vide difratograma deraio-X, Fig. 1).
A constante de treliça determinada atinge afcc= 0,4085 nm. A relação de átomos Ti:Al determinada de WDXatinge 0,107. Os teores de cloro e oxigênio, que também foramdeterminados, atingem 0,1 at.-% para Cl e 2,0 at.-% para 0.
O cálculo do coeficiente estequiométricoproduz χ = 0,90. Mede-se uma dureza da camada de 3070 HV[0,05] através de um indentador Vickers. A camada de Tii-XA1XNé resistente à oxidação no ar até 1000°C.Exemplo 2
Primeiro, aplica-se uma camada de nitreto detitânio com 1 pm de espessura em inserções cortadores feitasde cerâmica cortante de SiaN4, através de um conhecidoprocesso CVD padrão, a 950°C. A seguir, deposita-se umacamada cinza-preta com o método CVD, de acordo com ainvenção, utilizando a mistura de gás descrita no Exemplo 1,uma pressão de 1 kPa, e uma temperatura de 850°C.
A análise de camadas finas por raio-X mostraque aqui, está presente uma mistura heterogênea de Tii_xAlxN,com a estrutura de NaCl e AlN com a estrutura de wurtzita. Nodifratograma de raio-X da Fig. 2 que foi determinado, osreflexos do Tii-XA1XN cúbico estão indicados com c, e aquelesda AlN (estrutura de wurtzita) hexagonal estão indicados comh. A proporção do Tii-XA1XN cúbico na camada predomina.
A constante de treliça da fase cúbicadeterminada atinge afCC = 0, 4075 nm. A segunda, a fasehexagonal AlN tem uma constante de treliças de a = 0,3107 nm,e c = 0,4956 nm. A dureza da camada, determinada através deum indentador Vickers, atinge 3150 HV [0,01]. A camadabifásica de Tii-XA1XN é resistente à oxidação no ar até1050 0C.
Claims (10)
1. Corpos revestidos de material duro com umsistema de camada simples ou de múltiplas camadas quecontenha pelo menos uma camada de material duro de Tii-XA1XNproduzida através de CVD sem a presença do estimulo deplasma, caracterizado pelo fato de que a camada de materialduro de Tii_xAlxN está presente como uma camada monofásica naestrutura cúbica de NaCl, com um coeficiente deestequiometria χ > 0,75 até χ = 0,93, e a constante detreliça afCC entre 0,412 nm e 0, 405 nm, ou onde a camada dematerial duro de Tii_xAlxN seja uma camada multifásica cujafase principal consiste de Tii_xAlxN com uma estrutura cúbicade NaCl, com um coeficiente de estequiometria χ > 0,75 até χ= 0,93, e uma constante de treliça ãfCC entre 0,412 nm e 0,405nm, e Tii-XA1XN na estrutura de wurtzita e/ou TiNx naestrutura de NaCl são contidos como uma fase adicional, eonde o teor de cloro da camada de material duro de Tii-XA1XNse encontra na faixa entre 0,05 e 0,9 at.-%.
2. Corpos revestidos de material duro deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de queo teor de cloro da camada de material duro de Τϊχ-ΧΑ1ΧΝ (s) seencontra na faixa de 0,1 a 0,5 at.-%.
3. Corpos revestidos de material duro deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de queo teor de oxigênio da(s) camada (s) de material duro de Tii-XA1XN se encontra na faixa de 0,1 a 5 at.-%.
4. Corpos revestidos de material duro deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de queo valor de dureza da(s) camada(s) de material duro de Tii-XA1XN se encontra na faixa de 2500 HV a 3800 HV.
5. Corpos revestidos de material duro deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de quea(s) camada (s) de material duro de Tii-XA1XN contém(êm)componentes amorfos de camadas 0 a 30% em massa.
6. Método para a produção dos corposrevestidos de material duro com um sistema de camada simplesou de múltiplas camadas contendo pelo menos uma camada dematerial duro de Tii_xAlxN caracterizado pelo fato de que oscorpos são revestidos em um in a reator, a temperaturas nafaixa de 700°C até 900°C, através de CVD, sem a o estimulo deplasma, pelo qual se utilizam halogênios de titânio,halogênios de alumínio, e compostos de nitrogênio reativocomo precursores, que são misturados a temperatura elevada.
7. Método de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que se utilizam NH3 e/ou N2H4 comocompostos de nitrogênio reativo.
8. Método de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que se misturam os precursores noreator, diretamente à frente da zona de depósito.
9. Método de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que a mistura dos precursores serealiza a temperaturas na faixa de 150°C até 900°C.
10. Método de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que se realiza o processo derevestimento a pressões na faixa de IO2 Pa até IO5 Pa.
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