BRPI0710618A2 - método para difundir titánio e nitreto em um material base e artigo tratado - Google Patents
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Abstract
MéTODO PARA DIFUNDIR TITANIO E NITRETO EM UM MATERIAL BASE E ARTIGO TRATADO. Método para difundir titânio e nitreto em um material base tendo um revestimento sobre o mesmo usando tratamentos ou revestimentos de superficie convencionais. O método geralmente inclui as etapas de prover um material base tendo um revestimento sobre o mesmo; prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um sal selecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato de potássio; dispersar titânio metálico formado por eletrólise de um composto de titânio no banho; aquecer o banho de sal a uma temperatura na faixa de cerca de 430<198>C a cerca de 670<198>C; e encharcar o material base no banho de sal durante um tempo de cerca de 10 minutos a cerca de 24 horas. De acordo com outro aspecto da presente invenção, titânio e nitreto podem ser difundidos em um material base sem um revestimento. O material base tratado pode ainda ser tratado com tratamentos ou revestimentos de superfície convencionais.
Description
"MÉTODO PARA DIFUNDIR TITÂNIO E NITRETO EM UMMATERIAL BASE E ARTIGO TRATADO"
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se geralmente a um processo paradifundir titânio e nitreto em um material. Mais especificamente, um processoé provido para difundir titânio e nitreto em um material tendo umrevestimento sobre o mesmo.
A presente invenção refere-se a um processo em baixatemperatura para difundir titânio e nitreto em um material base tendo umrevestimento sobre o mesmo na presença de titânio eletrolisado. Um processoem baixa temperatura é preferido na medida em que ele evita ou diminui oempenamento e torção do material. Titânio é considerado um material leve,geralmente inerte, que tem resistência à tração (ou tenacidade) muito elevadae excelente resistência à corrosão. Consequentemente, por causa da suanatureza inerte, dureza aumentada, resistência à tração aumentada eresistência aumentada ao desgaste, produtos contendo titânio podem serusados em várias aplicações incluindo aplicações industrial, biomédica,aeroespacial, automotiva, de defesa, de joalheria, ferramentas, fabricação deferramentas, fabricação de revólveres e outras tais aplicações.
Patente US 6.645.566, que é incorporada aqui por referência setorna uma parte da mesma, descreve um processo para difundir titânio enitreto em um variedade de materiais base incluindo aço e ligas de aço,alumínio e ligas de alumínio, titânio e ligas de titânio. Todavia, patente US.6.645.566 não descreve um método para difundir titânio e nitreto em ummaterial tendo um revestimento sobre o mesmo.
Vários materiais (por exemplo, carboneto, metal e ligasmetálicas) são usados em aplicações que requerem dureza, resistência à traçãoe/ou resistência ao desgaste. Embora estes materiais possam inerentementeincluir estes atributos, é desejável ainda melhorar os atributos. Assim, váriosprocessos de revestimentos e tratamentos de superfície têm sido aplicados aesses materiais. Os processos de revestimento e tratamento de superfícieconvencionais podem incluir, mas não são limitados a tratamento térmico,nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD),deposição de vapor químico (CVD), revestimento assistido por íons (IAC), eoutros tratamentos de superfície apropriados ou revestimento. Esses processosconvencionais são tipicamente preferidos porque eles prolongam a vida domaterial em um menor custo do que substituição dos mesmos.
Mesmo assim, um revestimento é somente tão bom como aresistência da ligação entre o revestimento e o material de substrato. Boaadesão é um importante pré-requisito na engenharia de um processo derevestimento útil comercialmente. Por essa razão, vários processos derevestimento foram desenvolvidos, cada um tentando melhorar a forçainterfacial entre o revestimento e o material base.
Em um exemplo, tratamentos de superfícies e processos derevestimento convencionais foram tipicamente aplicados a aço e ligas de aço.Aço e ligas de aço são geralmente conhecidos como contendo um alto teor deferro. Alguns processos de tratamento de superfície convencionais, tais comoem alguns processos de deposição de vapor físico (PVD), deposição de vaporquímico (CVD) e revestimento assistido por íons (IAC), envolvem nitretação,em que nitrogênio é introduzido tal que reage com o ferro no aço ou liga deaço para formar uma camada de nitreto ferroso endurecido. Esta reaçãoprovoca a formação de uma camada de nitreto ferroso endurecido, que servecomo um revestimento apropriado sobre o material base.
Estes processos de nitretação, entretanto, são geralmentedeficientes quando tratando materiais que contêm um teor relativamente baixode ferro (por exemplo, carboneto). Como tal, quando aplicando estesprocessos a tais materiais, não há geralmente ferro bastante para o nitrogênioreagir com. Assim, tratamentos de superfície de nitretação convencionais nãoconseguem geralmente formar uma camada de nitreto ferroso endurecidasobre o material base devido a seu baixo teor de ferro.A contrário, umrevestimento é formado cujo tem uma adesão fraca com a superfície dematerial base, assim levando o mesmo a ser suscetível a lascamentos.
E, portanto, um objeto da presente invenção difundir titânio enitreto em um material tendo um revestimento sobre o mesmo, a fim demelhorar o revestimento em e sozinho. Também é um objeto da invençãoprover um processo que permite a implementação das propriedadesmelhoradas de titânio tanto no revestimento como no material base.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em vista dos objetivos desejados da invenção aquireivindicada, um método para difundir titânio e nitreto em um material basetendo um revestimento sobre o mesmo e produtos assim produzidos sãoprovidos. Como tal, o processo da presente invenção permite aimplementação das propriedades melhoradas de titânio tanto no revestimentocomo no material base.
Em tal forma de realização, o material base pode ser tratadousando um processo de difusão de titânio e nitreto da presente invenção eentão tratado com um tratamento de superfície ou revestimento convencional.O método geralmente inclui as etapas de prover um material base tendo umrevestimento sobre o mesmo; prover um banho de sal que inclui dióxido desódio e um sal selecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio ecianato de potássio; dispersar titânio metálico formado por eletrólise de umcomposto de titânio, em referido banho; aquecer o banho de sal a umatemperatura na faixa de cerca de 43O0C a cerca de 670°C; e encharcar omaterial revestido no banho de sal por um tempo de cerca de 10 minutos acerca de 24 horas.
De acordo com esta forma de realização, titânio e nitrogêniodifundem e preenchem os vazios dentro da estrutura de revestimento,enquanto também difundem e preenchem os vazios dentro da estrutura dematerial base. Entretanto, a difusão do revestimento no seu trajeto para omaterial base subjacente forma uma interface de titânio resultante ou redeentre os mesmos. Esta interface ou rede proporciona o benefício adicionadode prover uma melhor adesão entre o revestimento e o material basesubjacente.
De acordo com um aspecto da invenção, um artigo tratado éprovido incluindo um material base tendo um revestimento sobre o mesmo,onde o material base e revestimento incluem, cada, uma microestrutura; umcomponente de titânio difundido em cada uma das microestruturas; e ocomponente de titânio está presente, além de qualquer titânio, em cada umdentre o revestimento e o material base.
De acordo com outro aspecto da invenção, um artigo tratado éprovido compreendendo um material base tratado tendo uma microestruturaparticular; um componente de titânio difundido na microestrutura; e ocomponente de titânio está presente, além de qualquer titânio, no materialbase.
Em ainda outra forma de realização, o material base pode sertratado com um tratamento de superfície ou revestimento convencional apósser tratado usando o processo de difusão de titânio e nitreto da presenteinvenção. O método geralmente inclui as etapas de prover um material base;prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um sal selecionadodentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato de potássio; dispersartitânio metálico formado por eletrólise de um composto de titânio, em referidobanho; aquecer o banho de sal a uma temperatura na faixa de cerca de 43O0C acerca de 670°C; encharcar o material base no banho de sal por um tempo decerca de 10 minutos a cerca de 24 horas; e tratar o material base.
De acordo com os vários aspectos da presente invenção, orevestimento do material base pode ser formado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de tratamento térmico,nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD),deposição de vapor químico (CVD)5 e revestimento assistido por íons (IAC).
Deve ser entendido que a presente invenção inclui um númerode aspectos ou características diferentes que podem ter utilidade sozinhos e/ouem combinação com outros aspectos ou características. Consequentemente,este sumário não é uma identificação exaustiva de cada um destes aspectos oucaracterística que podem ser agora ou doravante ser reivindicados masrepresenta uma visão geral de alguns aspetos da presente invenção paraauxiliar a compreender a descrição mais detalhada que segue. O escopo dainvenção não é limitado às formas de realização específicas descritas abaixo,mas é especificado nas reivindicações agora ou a seguir depositadas.
BREVE DESCRIÇÃO DE VÁRIAS VISTAS DOSDESENHOS
Em toda esta descrição, referência tem sido e será feita àsvistas anexas do desenho em que assuntos similares tem números dereferência similares, e em que:
FIG. 1 é uma vista em seção transversal de uma micrografia devarredura eletrônica de um carboneto representativo tendo um revestimentode CVD sobre o mesmo e antes de ter titânio e nitreto difundidos através domesmo, de acordo com o aspecto da presente invenção;
FIG. 2 é uma vista em seção transversal de um carbonetotratado com um processo CVD e antes de ter titânio e nitreto difundidosatravés do mesmo de acordo com um aspecto da presente invenção;
FIG. 3 é uma vista em seção transversal de um carbonetotratado com um processo CVD e após ter titânio e nitreto difundidos atravésdo mesmo de acordo com um aspecto da presente invenção; e
FIG. 4 é uma vista em seção transversal de uma micrografia devarredura eletrônica de um aço representativo tendo um revestimento de PVDsobre o mesmo e antes de ter titânio e nitreto difundidos através do mesmo, deacordo com um aspecto da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MÚLTIPLAS FORMASDE REALIZAÇÃO
Apesar da invenção ser suscetível a uma forma de realizaçãoem muitas formas diferentes e em várias combinações, foco particular estaráem múltiplas formas de realização da invenção descritas aqui com oentendimento que tais formas de realização devem ser consideradasexemplificações dos princípios da invenção e não são destinadas a limitar oamplo aspecto da invenção. Por exemplo, a presente invenção envolve ummaterial base incluindo um revestimento sobre o mesmo. O material base édefinido aqui como qualquer material que requer dureza, resistência à traçãoe/ou resistência ao desgaste. Materiais base podem incluir, mas não sãolimitados a, metais, ligas metálica e/ou carbonetos. Por exemplo, materiaisbase apropriados pode ainda incluir, mas não estão limitados a, alumínio,ligas de alumínio, aço, ligas de aço, titânio e ligas de titânio.
A presente invenção também envolve tratamentos erevestimentos de superfícies. Para os fins da presente invenção, tratamentos erevestimentos de superfície s incluem qualquer processo que melhora adureza, resistência à tração e/ou resistência ao desgaste de um material base.Tais processos incluem, mas não estão limitados a, tratamento térmico,nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD),deposição de vapor químico (CVD), revestimento assistido por íons (IAC), etratamentos ou revestimentos de superfície apropriados.
A fim de ainda melhorar sua dureza, resistência à tração eresistência ao desgaste, o material base pode ser tratado com um tratamentode superfície ou revestimento convencional e então tratado usando processode difusão de titânio e nitreto da presente invenção. Em ainda outra forma derealização, o material base pode ser tratado usando processo de difusão detitânio e nitreto da presente invenção e então tratado com um tratamento desuperfície ou revestimento convencional. Como discutido acima, qualquerprocesso convencional para tratar ou revestir materiais pode ser usados nessasformas de realização.
De acordo com uma forma de realização da presente invenção,um material base pode ser tratado com um tratamento de superfície ourevestimento convencional e então tratado usando processo de difusão detitânio e nitreto da presente invenção como a seguir. Um material base étratado na superfície ou revestido usando meios apropriados. Por outro lado,um material base tendo um revestimento sobre o mesmo pode ser provido.
O material base tendo um revestimento sobre o mesmo éencharcado em um banho de sal não eletrolisado moderadamente aquecidoque contém titânio metálico eletrolisado ativado. Dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio está presente no banho de sal. Adicionalmente, até cerca de 20 % empeso de NaCO2 ou cloreto de sódio pode ainda ser adicionado. Para o banho éadicionado de cerca de 2 a cerca de 20 microgramas de titânio eletrolisadometálico. O material base tendo um revestimento sobre o mesmo éencharcado no banho de cerca de 10 minutos a 24 horas a partir de cerca de430°C a cerca de 670°C. O titânio eletrolisado catalisa a difusão do titânio enitreto do banho tanto no material base como no revestimento sobre o mesmo.
De acordo com esta forma de realização do processo dapresente invenção, titânio e nitrogênio difundem e preenchem os vazios dorevestimento, enquanto também difundem e preenchem os vazios do materialbase. Assim, tanto o material base como o revestimento são melhorados comas propriedades inerentes de titânio. Além disso, a difusão do revestimentoem seu trajeto para o material base subjacente forma uma interface de titânioresultante ou rede entre os mesmos. Esta interface ou rede proporciona obenefício adicional de prover uma melhor adesão entre o revestimento e omaterial base subjacente.
De acordo com um aspecto da invenção, um artigo tratado éprovido incluindo um material base tendo um revestimento sobre o mesmo,onde o material base e revestimento incluem, cada, uma microestrutura; umcomponente de titânio difundido em cada uma dentre as microestruturas; e ocomponente de titânio está presente, além de qualquer titânio, em cada umdentre o revestimento e o material base.
De acordo com outro aspecto da invenção, um artigo tratado éprovido compreendendo um material base tratado tendo uma microestruturaparticular; um componente de titânio difundido na microestrutura; e ocomponente de titânio está presente, além de qualquer titânio, no materialbase.
Patente U.S. No. 6.645.566 descreve encharcar o material basede cerca de 2 horas a cerca de 10 horas, e preferivelmente de cerca de 2 horasa cerca de 6 horas. Este tempo de encharcamento é geralmente suficiente parauma ampla difusão de titânio e nitreto na estrutura amorfa de aço, alumínio etitânio. Entretanto e surpreendentemente, verificou-se que a difusão norevestimento pode ocorrer logo em 10 minutos no processo deencharcamento. Além disso, é preferível aumentar o tempo em que o materialbase tendo um revestimento sobre o mesmo é encharcado no banho a fim defacilitar a difusão apropriada de titânio e nitreto tanto no revestimento comono material base.
EXEMPLO 1
Figuras 1 e 2 ilustram material base 20 contendo carbonetotem um revestimento de CVD 22 sobre o mesmo. Como mostrado nestasfiguras, o material base 20 inclui uma microestrutura granular geralmentecompacta,. Embora a microestrutura granular contribui para a dureza docarboneto, entre os grãos 23 encontram-se vazios pequenos 24 que perpetuama fragilidade da estrutura de carboneto. A fim de compensar esta fragilidade,um revestimento pode ser formado sobre o mesmo.
Um revestimento de CVD 22 é mostrado para ser aplicado aomaterial base 20 usando qualquer processo de CVD convencional. Maisespecificamente, o material base pode ser exposto a um ou mais precursoresvoláteis, que reagem e/ou decompõem no material base para produzir orevestimento 22 desejado. Por exemplo, carbonitreto de titânio + aluminapode ser usado (TiCN + AI2O3), Alternativamente, nitreto de titânio +alumina + carbonitreto de titânio (TiN + Al2O3 + TiN) pode ser usado.Estruturalmente, o revestimento 22 é mostrado como tendo umamicroestrutura cristalina, onde entre os cristais 28 estão vazios pequenos 30.Como os vazios 24 do material base 20, os vazios 30 entre os cristais 28contribuem para a fragilidade do revestimento 22.
Além disso, existe uma interface e demarcação distintas entreo revestimento 22 e a superfície do material base 20, assim ilustrando umaadesão relativamente fraca entre os mesmos que o leva a ser suscetível alascamento. Esta demarcação ainda mostra que o processo de CVD nãoreforça ou aumenta as propriedades de tração do próprio material base 20.
A fim de ainda melhorar a dureza, resistência à tração eresistência ao desgaste de tanto o revestimento 22 como o material base 20,titânio e nitreto podem ser difundidos no e preencher os vazios 24, 30 dentrode tanto o material base 20 como o revestimento 22 como a seguir. Estematerial base 20 tendo um revestimento 22 sobre o mesmo foi tratadoembebendo em um banho de sal aquecido (NaCNO e cerca de 10 % em pesode NaCO2), durante 2 horas a 545°C em que 2-20 microgramas de titânioeletrolisado metálico foram adicionados. O material base 20 tendo umrevestimento 22 sobre o mesmo foi então resfriado e secado. O material base20 tendo um revestimento 22 sobre o mesmo foi então lavado para removeruma camada de oxidação formada como um resultado de aquecimento sendoaplicado ao mesmo durante e após processo de difusão.Em todo este processo, titânio e nitreto foram difundidos tantono revestimento 22 como no material base 20, como mostrado na Figura 3.Esta difusão foi mostrada como o material previamente mais claro na Figura 2é agora mais escuro como mostrado na Figura 3. O escurecimento apareceutanto no revestimento 22 como no carboneto subjacente ao material base 20.Assim, titânio e nitrogênio difundiram e preencheram os vazios dorevestimento 22, enquanto também difundiram e preencheram os vazios entreos grãos da estrutura de carboneto do material base 20.
Desta forma, a difusão do revestimento 22 em seu trajeto parao carboneto subjacente no material base 20 formou uma interface de titânioresultante ou rede entre os mesmos. Esta interface ou rede proporcionou 0benefício adicional de prover uma melhor adesão entre o revestimento 22 e omaterial base subjacente 20. Assim, no Exemplo 1, ilustra-se que titânio enitreto surpreendentemente difundem em não apenas no material base, mastambém no revestimento sobre o mesmo, usando o processo da presenteinvenção.
EXEMPLO 2
A liga metálica compreendendo carboneto foi usada como ummaterial base para um inserto de torneamento. O material base adicionalmenteincluiu vanádio. O inserto de torneamento foi ainda tratado com um processode CVD. Este inserto de torneamento foi tratado embebendo em um banho desal aquecido (NaCNO e cerca de 10 % em peso de NaCO2), durante 2 horas a545°C em que 2-20 microgramas de titânio eletrolisado metálico foramadicionados. O inserto de torneamento foi então resfriado e secado. O insertofoi então lavado para remover uma camada de oxidação formada como umresultado de aquecimento sendo aplicado ao mesmo durante e após o processode difusão.
O inserto de torneamento acima mencionado tratado com oprocesso da presente invenção foi testado e comparado com um inserto detorneamento tratado apenas com um processo de CVD sob os mesmosparâmetros de operação:
Material Usinado Aço Carbono
Diâmetro de Trabalho 48 cm
VelocidadedeFuso(SFPM) 330
Taxa de Alimentação IPR 0,04
Profundidade de Corte 0,63 cm por lado
Comprimento do Corte 1,2 m e 22,8 cm
N0 de Passes 8
Após testar, o inserto de torneamento tratado com o processo
da presente invenção foi surpreendentemente mostrado como tendo apenasum leve desgaste. Em contraste, o inserto de torneamento tratado apenas como processo de CVD mostrou significante lascamento que resultou em falhacatastrófica da ferramenta de corte.
EXEMPLO 3
A liga metálica compreendendo carboneto foi usada como ummaterial base para um inserto de torneamento. O material base adicionalmenteincluiu vanádio. O inserto de torneamento foi ainda tratado com um processode CVD. Este inserto de torneamento foi tratado embebendo em um banho desal aquecido (NaCNO e cerca de 10% em peso de NaCC^), por 2 horas a545°C em que 2-20 microgramas de titânio eletrolisado metálico foramadicionados. O inserto de torneamento foi então resfriado e secado. O insertofoi então lavado para remover uma camada de oxidação formada como umresultado de aquecimento sendo aplicado à mesma durante e após o processode difusão.
O inserto de torneamento anteriormente mencionado tratadocom o processo da presente invenção foi testado e comparado com um insertode torneamento tratado apenas com um processo de CVD sob os mesmosparâmetros de operação:<table>table see original document page 13</column></row><table>
Após testar, o inserto de torneamento tratado com o processoda presente invenção foi surpreendentemente mostrado como tendo um desgaste apenas leve. Em contraste, o inserto de torneamento tratado apenascom o processo de CVD mostrou significante lascamento que resultou emfalha catastrófica da ferramenta de corte.
EXEMPLO 4
Figura 4 é uma ilustração representativa de um material base incluindo aço 40 tendo um revestimento de PVD 42 sobre o mesmo. Comomostrado nestas figuras, o material base 40 inclui uma microestruturageralmente amorfa,. Dentro da microestrutura amorfa estão vazios pequenos44 que diminuem a dureza e resistência à tração da mesma. A fim decompensar este fato, um revestimento pode ser formado sobre o mesmo.
Um revestimento de PVD 42 é mostrado como sendo aplicadoao material base 40 usando qualquer processo de PVD convencional. Maisespecificamente, uma película fina (por exemplo, neste caso revestimento 42)é aplicada ao material base 40. Embora um revestimento de nitreto de titânio(TiN) esteja ilustrado aqui, outros revestimentos apropriados podem tambémser aplicados incluindo, mas não limitados a, revestimentos de nitreto detitânio alumínio (TiAIN), carbonitreto de titânio (TiCN) e nitreto de cromo(CrN). O revestimento 42 é mostrado como tendo geralmente umamicroestrutura cristalina, onde entre os cristais 46 estão vazios pequenos 48.Como os vazios 44 do material base 40, o vazios 48 entre os cristais 46contribuem para diminuir a dureza e a resistência à tração do revestimento 42.
Além disso, existe uma interface distinta e demarcação entre orevestimento 42 e a superfície do material base 40, assim ilustrando umaadesão relativamente fraca entre os mesmos que o leva a ser suscetível aolascamento. Esta demarcação ainda mostra que o processo de PVD nãoreforça ou aumenta as propriedades de tração do próprio material base 40.
A fim de ainda melhorar a dureza, resistência à tração eresistência ao desgaste de tanto do revestimento 42 como do material base 40,titânio e nitreto podem ser difundidos em e preencher os vazios 48, 40 dentrotanto do material base 40 como do revestimento 42 como a seguir. Nesseexemplo, este material base foi usado em uma fresa de topo. A fresa de topotendo o material base 40 e revestimento 42 sobre a mesma foi tratadaembebendo em um banho de sal aquecido (NaCNO e cerca de 10% em pesode NaCO2), durante 2 horas a 545°C em que 2-20 microgramas de titânioeletrolisado metálico foram adicionados. Esta fresa de topo foi então resfriadae secada. A fresa de topo foi então lavada para remover uma camada deoxidação formada como um resultado de aquecimento sendo aplicado àmesma durante e após o processo de difusão.
Em todo este processo, titânio e nitreto foram difundidos tantono revestimento 42 como no material base 40 da fresa de topo. Ademais, adifusão do revestimento 42 em seu trajeto para o carboneto subjacente nomaterial base 40 formou uma interface de titânio resultante ou rede entre osmesmos. Esta interface ou rede proporcionou o benefício adicional de provermelhor adesão entre o revestimento 42 e o material base subjacente 40.
A fresa de topo acima mencionada tratada com o processo dapresente invenção foi testada e comparada a uma fresa de topo tratada apenascom um processo de PVD sob os mesmos parâmetros de operação:Material Usinado Titânio
Dimensões de Material Usinado 700 X 180 X IOOmm<table>table see original document page 15</column></row><table>
Após testar, a fresa de topo tratada com o processo da presenteinvenção foi mostrada como tendo um desgaste de flanco. Em contraste, afresa de topo tratada apenas com o processo de PVD mostrou desgaste deflanco mais significante.
Será vislumbrado dos exemplos acima e dados que otratamento de um material base tendo um revestimento sobre o mesmo deacordo com a presente invenção surpreendentemente resultou na difusão detitânio e nitreto em tanto o revestimento como o material base. A difusão dorevestimento em seu trajeto para o material base subjacente ainda resultou emuma interface de titânio ou rede entre os mesmos, por meio dissoproporcionando o benefício adicional de uma melhor adesão entre orevestimento e o material base subjacente. Os resultados excelentes deoperação foram ainda obtidos pelo método da presente invenção.
De acordo com ainda outra forma de realização da presenteinvenção, o material base pode ser tratado usando processo de difusão detitânio e nitreto da presente invenção e então tratado com um tratamento desuperfície ou revestimento convencional como a seguir.
Um material base é encharcado em um banho de salmoderadamente aquecido não eletrolisado que contém titânio metálicoeletrolisado ativado. Dióxido de sódio e um sal selecionados dentre o grupoconsistindo de cianato de sódio e cianato de potássio estão presente no banhode sal. Adicionalmente, até cerca de 20 % em peso de NaCU2 ou cloreto desódio podem ser ainda adicionados. Para o banho é adicionado de cerca de 2 acerca de 20 microgramas de titânio eletrolisado metálico. O material base éencharcado no banho para de cerca de 10 minutos a 24 horas em de cerca de430°C a cerca de 670°C. O titânio eletrolisado catalisa a difusão do titânio enitreto do banho também no material base.
O material base que foi difundido com titânio e nitreto podeainda ser tratado na superfície ou revestido usando meios apropriados, taiscomo tratamento térmico, nanorevestimento, revestimento cerâmico,deposição de vapor físico (PVD), deposição de vapor químico (CVD),revestimento assistido por íons (IAC), e outros tratamentos de superfícies ourevestimentos apropriados.
EXEMPLO 5
De acordo com um aspecto da invenção, um mandrilhexagonal compreendendo um material base contendo aço foi provido. Omandril hexagonal foi difundido com titânio e nitreto e então ainda tratado nasuperfície ou revestido como a seguir. O mandril hexagonal foi tratadoembebendo em um banho de sal aquecido (NaCNO e cerca de 10% em pesode NaCO2), por 2 horas a 545°C em que 2-20 microgramas de titânioeletrolisado metálico foram adicionados. Este mandril hexagonal foi entãoresfriado e secado. A ferramenta foi então lavada para remover uma camadade oxidação formada como um resultado de aquecimento sendo aplicado aomesmo durante e após o processo de difusão. Através deste processo, titânio enitreto difundiram no material base da ferramenta.
O mandril hexagonal tratado foi ainda tratado usando umprocesso de PVD convencional. Mais especificamente, uma película fina derevestimento de TiN foi aplicada à superfície do mandril hexagonal tratado. Omandril hexagonal anteriormente mencionado tratado com o processo dapresente invenção foi testado e comparado a um mandril hexagonal tendo umrevestimento de TiN aplicado usando o mesmo processo de PVDconvencional sob os mesmos parâmetros de operação. Mais especificamente,os mandris foram usados para usinar o mesmo tipo de peça de titânio sob osmesmos parâmetros de operação. Foi observado que o mandril tratado deacordo com a presente invenção era capaz de usinar 1950 peças. Emcontraste, o mandril tratado com apenas um processo de PVD convencionalfoi apenas capaz de usinar 1100 peças.
Será vislumbrado dos exemplos acima e dados que tratamentode um material base difundido com titânio e nitreto e então tratado com umtratamento de superfície ou processo de revestimento convencional alcançouresultados dramaticamente melhores.
Apesar da invenção ter sido descrita com referência a algunsaspectos ilustrativos, será entendido que esta descrição não deve serinterpretada em um sentido limitante. Ao contrário, várias mudanças emodificações podem ser feitas nas formas de realizações ilustrativas sem seafastar do espírito verdadeiro, características centrais e escopo da invenção,incluindo aquelas combinações de aspectos que são individualmente descritosou reivindicados aqui. Além disso, será apreciado que quaisquer taismudanças e modificações serão reconhecidas pelos versados na técnica comoum equivalente a um ou mais elementos das seguintes reivindicações, edevem ser cobertas por tais reivindicações na mais ampla extensão permitidapela lei.
Claims (76)
1. Método para difundir titânio e nitreto em um material basecaracterizado pelo fato de compreender:prover um material base tendo um revestimento sobre omesmo;prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio;dispersar titânio metálico formado por eletrólise de umcomposto de titânio, em referido banho;aquecer o banho de sal a uma temperatura na faixa de cerca de-430°C a cerca de 670°C; eencharcar o material revestido no banho de sal por um tempode cerca de 10 minutos a cerca de 24 horas.
2. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de ainda compreender prolongar o tempo de encharcamento a fim defacilitar a difusão de titânio e nitreto no material base.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de que referido banho de sal é um banho de sal não eletrolisado.
4. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de que referido banho de sal inclui até cerca de 20% em peso de um saladicionado selecionado dentre o grupo consistindo de dióxido de carbono desódio, carbonato de sódio, e cloreto de sódio.
5. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de que a temperatura de encharcamento varia de cerca de 500°C a cercade 650°C.
6. Método de acordo com a reivindicação 3 caracterizado pelofato de que referido banho de sal inclui até cerca de 20% em peso de um saladicionado selecionado dentre o grupo consistindo de dióxido de carbono desódio, carbonato de sódio, e cloreto de sódio.
7. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de que o revestimento do material base é formado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de nanorevestimento, revestimentocerâmico, deposição de vapor físico (PVD), deposição de vapor químico(CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
8. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de ainda compreender ainda tratar o material base após encharcar omaterial no banho de sal.
9. Método de acordo com a reivindicação 8 caracterizado pelofato de que o outro tratamento é selecionado dentre o grupo consistindo detratamento térmico, nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição devapor físico (PVD), deposição de vapor químico (CVD), e revestimentoassistido por íons (IAC).
10. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizadopelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
11. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizadopelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupo consistindo decarboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânio e liga detitânio.
12. Método para difundir titânio e nitreto em um material basecaracterizado pelo fato de compreender:tratar um material base;prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio;dispersar titânio metálico formado por eletrólise de umcomposto de titânio, em referido banho;aquecer o banho de sal a uma temperatura na faixa de cerca de-43OºC a cerca de 670°C; eencharcar o material tratado no banho de sal por um tempo decerca de 10 minutos a cerca de 24 horas.
13. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de ainda compreender prolongar o tempo de encharcamento a fim defacilitar a difusão de titânio e nitreto no material base.
14. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que referido banho de sal é um banho de sal não eletrolisado.
15. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que referido banho de sal inclui até cerca de 20 % em peso de umsal adicionado selecionado dentre o grupo consistindo de dióxido de carbonode sódio, carbonato de sódio, e cloreto de sódio.
16. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que a temperatura de encharcamento varia de cerca de 500° C acerca de 650° C.
17. Método de acordo com a reivindicação 14 caracterizadopelo fato de que referido banho de sal inclui até cerca de 20 % em peso de umsal adicionado selecionado dentre o grupo consistindo de dióxido de carbonode sódio, carbonato de sódio, e cloreto de sódio.
18. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que o material base é tratado usando um processo de tratamentode superfície.
19. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que o material base é tratado usando um processo derevestimento.
20. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que o material base é tratado usando um processo selecionadodentre o grupo consistindo de tratamento térmico, nanorevestimento,revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD), deposição de vaporquímico (CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
21. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de ainda compreender ainda tratar o material base após encharcar omaterial no banho de sal.
22. Método de acordo com a reivindicação 21 caracterizadopelo fato de que o outro tratamento é selecionado dentre o grupo consistindode tratamento térmico, nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposiçãode vapor físico (PVD), deposição de vapor químico (CVD), e revestimentoassistido por íons (IAC).
23. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
24. Método de acordo com a reivindicação 12 caracterizadopelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupo consistindo decarboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânio e liga detitânio.
25. Método para difundir titânio e nitreto em um material basecaracterizado pelo fato de compreender:prover um material base;prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio;dispersar titânio metálico formado por eletrólise de umcomposto de titânio, em referido banho;aquecer o banho de sal a um temperatura na faixa de cerca de-430°C a cerca de 670°C;encharcar o material base no banho de sal por um tempo decerca de 10 minutos a cerca de 24 horas; etratar o material base.
26. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de ainda compreender prolongar o tempo de encharcamento a fim defacilitar a difusão de titânio e nitreto no material base.
27. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que referido banho de sal é um banho de sal não eletrolisado.
28. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que referido banho de sal inclui até cerca de 20 % em peso de umsal adicionado selecionado dentre o grupo consistindo de dióxido de carbonode sódio, carbonato de sódio, e cloreto de sódio.
29. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que a temperatura de encharcamento varia de cerca de 500° C acerca de 650°C.
30. Método de acordo com a reivindicação 27 caracterizadopelo fato de que referido banho de sal inclui até cerca de 20 % em peso de umsal adicionado selecionado dentre o grupo consistindo de dióxido de carbonode sódio, carbonato de sódio, e cloreto de sódio.
31. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que o material base é tratado usando um processo de tratamentode superfície.
32. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que o material base é tratado usando um processo derevestimento.
33. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que o material base é tratado usando um processo selecionadodentre o grupo consistindo de tratamento térmico, nanorevestimento,revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD), deposição de vaporquímico (CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
34. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
35. Método de acordo com a reivindicação 25 caracterizadopelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupo consistindo decarboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânio e liga detitânio.
36. Artigo tratado caracterizado pelo fato de compreender :um material base tendo um revestimento sobre o mesmo, emque o material base e revestimento incluem, cada, uma microestrutura;um componente de titânio difundido em cada uma dasmicroestruturas; ereferido componente de titânio está presente além de qualquertitânio presente em cada um dentre o revestimento e o material base.
37. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36caracterizado pelo fato de que o revestimento é formado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de nanorevestimento, revestimentocerâmico, deposição de vapor físico (PVD), deposição de vapor químico(CVD), e revestimento assistido por íons (LAC).
38. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36caracterizado pelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
39. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36caracterizado pelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupoconsistindo de carboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânioe liga de titânio.
40. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de que referido material base inclui titânio.
41. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de que o revestimento inclui titânio.
42. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de que referido material base exclui titânio.
43. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de que o revestimento exclui titânio.
44. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio difunde emvazios contidos em cada uma das microestruturas.
45. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio ainda inclui umnitreto.
46. Artigo tratado caracterizado pelo fato de compreender:um material base tratado tendo uma microestrutura particular;um componente de titânio difundido na microestrutura; ereferido componente de titânio está presente além de qualquertitânio presente no material base.
47. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46caracterizado pelo fato de que o material base é tratado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de tratamento térmico,nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD),deposição de vapor químico (CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
48. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46caracterizado pelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
49. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46caracterizado pelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupoconsistindo de carboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânioe liga de titânio.
50. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46,caracterizado pelo fato de que referido material base inclui titânio.
51. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46,caracterizado pelo fato de que referido material base exclui titânio.
52. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio difunde nosvazios contidos dentro da microestrutura.
53. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio ainda inclui umnitreto.
54. Artigo tratado caracterizado pelo fato de ser feito por um processo compreendendo:prover um material base tendo um revestimento sobre omesmo; prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio; dispersar titânio metálico formado eletrólise de um compostode titânio, em referido banho;aquecer o banho de sal para uma temperatura na faixa de cercade 430°C a cerca de 670°C; eencharcar o material revestido no banho de sal por um tempo de cerca de 10 minutos a cerca de 24 horas.
55. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54caracterizado pelo fato de que o revestimento é formado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de nanorevestimento, revestimentocerâmico, deposição de vapor físico (PVD), deposição de vapor químico (CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
56. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54caracterizado pelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
57. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54caracterizado pelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupo consistindo de carboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânioe liga de titânio.
58. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54,caracterizado pelo fato de que referido material base inclui titânio.
59. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54,caracterizado pelo fato de que o revestimento inclui titânio.
60. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54,caracterizado pelo fato de que referido material base exclui titânio.
61. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54,caracterizado pelo fato de que o revestimento exclui titânio.
62. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio difunde nosvazios contidos dentro das microestruturas do material base e o revestimento.
63. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 54,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio ainda inclui umnitreto.
64. Método para difundir titânio e nitreto em um material basecaracterizado pelo fato de compreender:tratar um material base;prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio;dispersar titânio metálico formado por eletrólise de umcomposto de titânio, em referido banho;aquecer o banho de sal a uma temperatura na faixa de cerca de-430°C a cerca de 670°C; eencharcar o material tratado no banho de sal por um tempo decerca de 10 minutos a cerca de 24 horas.
65. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 64caracterizado pelo fato de que o material base é tratado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de tratamento térmico,nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD),deposição de vapor químico (CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
66. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 64caracterizado pelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
67. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 64caracterizado pelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupoconsistindo de carboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânioe liga de titânio.
68. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 64,caracterizado pelo fato de que referido material base inclui titânio.
69. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 64,caracterizado pelo fato de que referido material base exclui titânio.
70. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 64,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio difunde emvazios contidos dentro da microestrutura.
71. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 46,caracterizado pelo fato de que referido componente de titânio ainda inclui umnitreto.
72. Método para difundir titânio e nitreto em um material basecaracterizado pelo fato de compreender:prover um material base;prover um banho de sal que inclui dióxido de sódio e um salselecionado dentre o grupo consistindo de cianato de sódio e cianato depotássio;dispersar titânio metálico formado por eletrólise de umcomposto de titânio, em referido banho;aquecer o banho de sal para uma temperatura na faixa de cercade 430°C a cerca de 670°C;encharcar o material base no banho de sal por um tempo decerca de 10 minutos a cerca de 24 horas; etratar o material base.
73. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 72caracterizado pelo fato de que o material base é tratado usando um processoselecionado dentre o grupo consistindo de tratamento térmico,nanorevestimento, revestimento cerâmico, deposição de vapor físico (PVD),deposição de vapor químico (CVD), e revestimento assistido por íons (IAC).
74. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 72caracterizado pelo fato de que o material base é um metal ou liga metálica.
75. Artigo tratado de acordo com a reivindicação 72caracterizado pelo fato de que o material base é selecionado dentre o grupoconsistindo de carboneto, alumínio, liga de alumínio, aço, liga de aço, titânioe liga de titânio.
76. Artigo tratado caracterizado pelo fato de compreender:um material base tendo uma microestrutura particular;um componente de titânio difundido na microestrutura;referido componente de titânio está presente além de qualquer titânio presenteno material base; eum revestimento em referido material base.
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