Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PEÇA DE TRABALHO COM REVESTIMENTO DURO".
A presente invenção refere-se a para uma peça de trabalho pos- suindo um corpo e um sistema de revestimento duro resistente ao desgaste em pelo menos uma parte de sua superfície, adicionalmente, para um pro- cesso para fabricar tal peça de trabalho e para um método para fabricar um dispositivo.
Discussão da Técnica Relacionada
TiAIN é um revestimento que é amplamente utilizado para usinar aço e normalmente é aplicado por um processo PVD.
Definição
É entendido sob um processo físico de deposição por vapor (PVD), em que um processo de deposição a vácuo, onde um plasma é utili- zado e o material é cheio dentro da atmosfera de processamento a partir do 15 sólido. Desse modo, sob este termo de PVD, por exemplo, a evaporação por arco catódico, revestimento iônico, creptação, além da creptação por magné- tron, todos os processos endereçados, reativos ou não-reativos, são mem- bros da categoria de processamento PVD.
Em oposição a isto, os processos de revestimento CVD1 a depo- sição química por vapor, a PECVD, a deposição química por vapor melhora- da, proporcionam revestimento fora da fase gasosa.
As camadas TiAIN utilizadas como sistemas de camada única ou em sistemas com múltiplas camadas com subcamadas com diferentes este- quiometrias Ti / Al / N, podem ser utilizadas para temperaturas de trabalho 25 de 900°C no máximo para aplicações de usinagem devido à degradação incipiente da dureza em temperaturas maiores do que 800 até 850°C de- pendendo da proporção de Alumínio/Titânio.
Portanto, a US 2005-0003239 propõe aplicar revestimentos de AICrN para peças de trabalho de modo a aumentar sua resistência à oxida- ção. Este revestimento é conhecido como possuindo uma boa resistência a oxidação e uma dureza quente de até 1100°C dependendo da proporção de Alumínio / Cromo. Isto é adicionalmente referido em propostas similares na WO 2006/005217, na WO 2006/084404 e na US 2006-0222893 adicional- mente tentando aperfeiçoar a resistência à oxidação e/ou à dureza quente dos revestimentos pela utilização de múltiplas camadas e/ou pela introdução de outros elementos na matriz AICrN.
A US 2006-0269789 divulga múltiplas camadas duras para cor-
tar material com alta dureza em uma alta velocidade. As múltiplas camadas duras compreendem uma primeira camada baseada em TiAICrNX, onde X corresponde a C ou O. Uma segunda camada consiste de uma mistura de TiAICrNX e de TiAI (SiC) NX ou são múltiplas camadas destes materiais al- 10 ternativos. Uma terceira camada mais externa essencialmente consiste de TiAI (SiC) NX.
Outro revestimento para aperfeiçoar os aços temperados é reve- lado na EP 1 690 959. Neste caso o revestimento compreende um sistema de duas camadas baseado em (TiAISi)N com diferentes estequiometrias Al e Si.
Apesar de que nas abordagens esboçadas acima ainda existam uma necessidade de adicionalmente aperfeiçoar os sistemas de revestimen- to duro nos corpos das peças de trabalho com respeito ao desgaste e a re- sistência à oxidação, desse modo adicionalmente aperfeiçoando a perfor- 20 mance de tais peças de trabalho, especialmente utilizadas como ferramentas de corte na usinagem de material duro, desse modo, especialmente de aços temperados.
Portanto, é um objetivo da presente invenção adicionalmente aperfeiçoar revestimentos duros com respeito à resistência ao desgaste e a 25 resistência à oxidação. Para atingir tal objetivo, é proposta uma peça de tra- balho possuindo um corpo e um sistema de revestimento duro resistente ao desgaste em pelo menos uma parte da superfície do corpo, onde o sistema compreende pelo menos uma camada com a seguinte composição:
(AI1.a-b-cCraBbZc) X, onde X é pelo menos um dentre N, C, CN, NO, CO, CNO, e
Z é pelo menos um dentre W, Mo, To, Cb (também referido co- mo Nb) e onde é válido 0,2 < a <0,5
0,01 < b < 0,2
0,001 < c < 0,04.
Espantosamente, o objetivo endereçado é alcançado por generi- camente adicionar boro (B) e pelo menos um dentre os elementos Z endere- çados para uma matriz do tipo AICrX por atender as condições endereçadas com respeito à estequiometria. Esta camada é endereçada como HL0.
Em uma concretização preferida da peça de trabalho de acordo com a invenção, o elemento Z é selecionado como sendo tungstênio W e é estabelecido:
0,01 < b < 0,01 e
0,01 < c < 0,01
Esta camada é endereçada como HLi.
É entendido através da presente descrição e das reivindicações sob o termo "sistema de revestimento" ou "subsistema de revestimento", um sistema que consiste de uma única camada ou de várias, isto é, mais do que uma camada.
A pelo menos uma camada endereçada de HL0, possivelmente HLi, desse modo pode ser aplicada diretamente sobre a superfície do corpo da peça de trabalho. Elas adicionalmente podem ser aplicadas para formar a camada mais externa do sistema de revestimento. De forma clara, se tal sis- tema de revestimento consistir de uma camada, então a camada endereça- da do tipo HL reside diretamente na superfície do corpo e é a camada mais externa. A camada do tipo HL0 pode ser adicionalmente a camada mais ex- terna de um sistema com múltiplas camadas. Ela pode adicionalmente ser embutida dentro de um sistema com múltiplas camadas entre um primeiro subsistema de camada em direção a superfície do corpo da peça de traba- lho, e um segundo subsistema de camada em direção a superfície do corpo revestido. Além disso, em um sistema com múltiplas camadas, mais do que uma das camadas endereçadas do tipo HL0 com estequiometria e/ou com- posição de material igual ou variada pode ser proporcionada. Desse modo, tais camadas do tipo HL0 podem residir diretamente uma sobre a outra com estequiometria e/ou composição de material diferente, ou podem ser sepa- radas pelos respectivos subsistemas de camada de revestimento.
Em uma concretização da peça de trabalho de acordo com a presente invenção, a pelo menos uma camada HL0 ou HLi reside mais ex- terna ao sistema de revestimento duro.
Em uma concretização da peça de trabalho de acordo com a presente invenção, a pelo menos uma camada do tipo HL0 reside diretamen- te na superfície do corpo da dita peça de trabalho.
Ainda em uma modalidade adicional, o sistema compreende pe- Io menos uma camada interna de (TidAIe) N. Desse modo, em uma concreti- zação adicional, pelo menos uma das camadas internas endereçadas é in- terposta entre a superfície do corpo e a pelo menos uma camada do tipo HL0 endereçada. Esta camada é endereçada como ILi.
Em uma concretização adicional da peça de trabalho, a camada interna endereçada reside diretamente sobre pelo menos uma superfície da peça de trabalho e de pelo menos uma camada do tipo HL0.
Assim, na concretização onde a camada interna é interposta en- tre a superfície do corpo e a pelo menos uma HL0 ou HLi, camadas internas adicionais do tipo endereçado adicionalmente podem ser proporcionadas entre a HL0 ou HLi e a superfície do sistema. Adicionalmente, a camada in- termediária endereçada não deve necessariamente residir como a única ca- mada entre a superfície do corpo e a superfície da HLi ou HL0 e camadas adicionais podem ser proporcionadas entre as mesmas, de modo que a ca- mada interna é uma camada de um sistema com múltiplas camadas entre a superfície do corpo e a HL0 ou HLi. Contudo, em uma concretização, o re- vestimento intermediário endereçado reside diretamente sobre pelo menos uma dentre a superfície do corpo e a HL0 ou HL1. Quando aplicando a pelo menos uma camada interna de (TidAIe) N em uma concretização adicional, é aplicado: 0,4 < d < 0,6 e
0,4 < e < 0,6
Em uma concretização adicional da peça de trabalho de acordo com a presente invenção, o sistema de revestimento duro compreende pelo menos uma camada interna de (AIfCrg) N. Esta camada interna é chamada de IL2.
Com respeito a onde tal pelo menos uma camada interna pode ser proporcionada, prevalece o mesmo que endereçamos acima com respei- to à camada (TidAIe) N - ILi - com a exceção de que para a camada interna (AIfCrg) N, em uma concretização adicional, é selecionado.
0,4 <f <0,7e
0,3 < g < 0,6.
Adicionalmente, ambas camadas internas endereçadas IL1 e IL2
podem ser proporcionadas em combinação dentro do sistema de revesti- mento duro.
Ainda em uma concretização adicional da peça de trabalho de acordo com a presente invenção, a pelo menos uma camada, HL0 ou HL1, exibe uma estrutura de desenvolvimento do tipo vidrado nanocristalino, na seção transversal SEM e/ou como em uma concretização adicional, uma fração relativamente pequena de AIN caracterizada por uma estrutura de cristal do tipo hexagonal. Tal fase AIN hexagonal nesta concretização reside com uma percentagem de Al de pelo menos 70% dentro da fração metálica do material da HL0 ou HLi, fração esta que compreende todos os elementos, menos o X de AICrBZX ou AICrBWX.
Tal estrutura hexagonal pode ser reconhecida pela análise XRD.
Em uma concretização adicional da peça de trabalho de acordo com a presente invenção, pelo menos uma HL0 ou HL1 possui um coeficien- te de textura Q = I (200)/l (111) na faixa de 0,1 < Q < 1. Tal coeficiente de textura Q pode ser medido pela análise de difração de raio X. Como endere- çado, o termo Q é definido como a razão das intensidades de difração I (200) para I (111) respectivamente designadas para os planos (200) e (111) na difração do raio X de um material utilizando uma configuração de medi- ção como por exemplo descrita no contexto com a figura 4 da presente des- crição. Desse modo, em uma concretização adicional, a faixa endereçada de Q é igualmente restrita a 0,1 < Q < 0,4. Voltando para as camadas internas endereçadas ILi, IL2, deve ser mencionado que nas respectivas concretizações, estas camadas inter- nas podem exibir uma estrutura de desenvolvimento colunar, desse modo fornecendo para o sistema de revestimento como um todo, uma excelente performance, especialmente utilizado em uma ferramenta de corte.
Em uma concretização adicional da peça de trabalho de acordo com a presente invenção, o sistema de revestimento duro compreende vá- rias camadas de camadas alternadas das pelo menos uma dentre as cama- das internas endereçadas IL1, e IL2 e das pelo menos uma dentre HL0 e HLi, desse modo de preferência de (AICrBW) X, isto é, HLi.
Tais várias camadas, por exemplo, podem compreender, se a- fastando a partir da superfície do corpo, uma primeira das camadas internas endereçadas ILi, então, possivelmente uma segunda das camadas internas endereçadas IL2, de tipo diferente, então uma primeira HL, isto é, HL0 ou HLi, então novamente uma ou mais do que uma das ditas camadas internas IL1, IL2, uma segunda HL0 ou HL1 do mesmo material ou de material diferen- te, uma terceira HL0, ou HL1 diretamente sobre a anterior, etc, etc. Assim, dependendo da aplicação específica existe uma grande variedade de ade- quação de tal sistema de revestimento duro com múltiplas camadas fazendo uso da HL0 ou da HL1, e das camadas intermediárias endereçadas IL1, IL2,
em diferentes combinações.
Em uma concretização adicional da peça de trabalho de acordo com a invenção, o corpo é de aço rápido, de aço temperado, de carboneto fortificado ou de nitreto de boro cúbico, ou em uma concretização adicional, de um tipo de amálgama ou de um material cerâmico.
Ainda em uma concretização adicional, a peça de trabalho ende- reçada, de acordo com a presente invenção, é uma ferramenta de corte, desse modo, em uma concretização adicional, fresa de topo, uma broca, um inserto de corte, ferramenta de fresagem de engrenagem. Um processo de acordo com a presente invenção para fabricar
uma peça de trabalho como foi endereçada, isto é, de acordo com a presen- te invenção, compreende proporcionar tal corpo da peça de trabalho em uma câmara a vácuo de revestimento por plasma, aplicar o sistema de revesti- mento duro para o corpo por um processo físico de deposição por vapor (PVD) durante um tempo de processamento e desse modo estabelecer uma temperatura de pelo menos 550°C para a superfície do corpo revestido du- rante pelo menos uma parte predominante do tempo de processamento.
Em uma concretização de tal processo, a temperatura endere- çada é selecionada para ser de pelo menos 600°C.
Ainda em um aspecto adicional da presente invenção é direcio- nado para um método de fabricação de um dispositivo que possua pelo me- nos uma parte de um material duro. Tal método compreende um processo de corte do material duro do dispositivo utilizando uma ferramenta de corte de acordo com a presente invenção. Desse modo, ainda em uma concreti- zação adicional do método de fabricação do dispositivo endereçado, o mate- rial duro possui uma dureza Rockwell de pelo menos 52 HRC, desse modo igualmente de pelo menos 55 HRC. Além disso, em uma concretização adi- cional do método de fabricação recém endereçado, o material duro é aço temperado.
Os processos de corte foram executados com ferramentas de corte de acordo com a presente invenção, as quais apresentaram sobre o material duro resultados pelo menos tão bons ou mesmo melhores do que exemplos comparativos executados com as ferramentas do estado da técni- ca.
Entretanto, a operação de corte no aço temperado ou em outros materiais com alta dureza possuindo uma dureza Rockwell de HRC 50, es- pecialmente de HRC 52 ou maior, ou mesmo de HRC maior do que 55, as ferramentas de acordo com a presente invenção revelaram uma performan- ce que foi excepcionalmente boa como será apresentado abaixo.
A presente invenção será agora adicionalmente descrita por meio de exemplos e com a ajuda de figuras. As figuras apresentam: A figura 1 apresenta esquematicamente uma parte de uma pri-
meira concretização de uma peça de trabalho de acordo com a presente in- venção; A figura 2 apresenta em uma representação análoga a esta da figura 1, uma segunda concretização de uma peça de trabalho de acordo com a invenção;
A figura 3 apresenta em uma representação análoga a estas das figuras 1 e 2, uma concretização adicional de uma peça de trabalho de acor- do com a invenção;
A figura 4 apresenta em uma representação análoga a estas das figuras 1 até 3, uma concretização adicional de uma peça de trabalho de acordo com a invenção; A figura 5 apresenta em uma representação análoga a estas das
figuras 1 até 4, uma concretização adicional de uma peça de trabalho de acordo com a invenção;
A figura 6 apresenta uma SEM de uma seção transversal de um revestimento duro de AICrN; A figura 7 apresenta uma SEM de uma seção transversal de um
revestimento duro de AICrBWN de uma peça de trabalho de acordo com a invenção;
A figura 8 apresenta uma SEM de uma seção transversal de um revestimento duro de TiAIN / AICrBWN de uma peça de trabalho da presente invenção;
A figura 9 apresenta um espectro XRD de um revestimento duro de AICrN e de AICrBWN1 posteriormente em uma peça de trabalho de acor- do com a invenção;
A figura 10 apresenta um espectro XRD dos revestimentos duros de AICrBWN em peças de trabalho de acordo com a presente invenção.
Na figura 1 é esquematicamente apresentada uma primeira con- cretização de uma peça de trabalho 1 de acordo com a presente invenção. A peça de trabalho 1 possui um corpo 3 com uma superfície 5. O corpo é com- posto de um entre os materiais de aço rápido, aço temperado, carboneto fortificado, nitreto de boro cúbico, tipo de amálgama ou de material cerâmico.
De acordo com a concretização da figura 1, uma das camadas HL0 que pode ser HL1, reside diretamente na superfície 5 do corpo 3. Desse modo, a superfície 7 da peça de trabalho resultante é formada por uma superfície da camada endereçada HL0, a qual, assim, co- mo uma boa concretização, forma a superfície mais externa da peça de tra- balho.
Na concretização da figura 2, a qual é apresentada em uma re-
presentação que é análoga a esta da figura 1, é proporcionado um subsis- tema de revestimento CSS entre a camada endereçada HL0, a qual pode ser HL1, e a superfície 5 do corpo 3. Tal subsistema de revestimento CSS pode desse modo, de acordo com a definição de subsistemas de revestimento, como feita acima, compreender uma ou mais do que uma camada.
Como pode ser visto na definição das camadas HL0 e também HLi X, e no caso de HL0, Z também pode consistir de elementos diferentes. De acordo com a concretização da figura 3, a camada mais externa do sis- tema de revestimento duro é formada por HL0 com uma primeira composição de material, denotada por HL0i ou pela camada HLi, com uma composição específica de material, denotada HLn. Se propagando em direção ao subs- trato 3, é proporcionada uma segunda camada HL0 com uma composição de material diferente, denotada por HL02 ou respectivamente por HLi com uma composição de material diferente, denotada por HL12. Podem ou não existir camadas adicionais do tipo HL0 e/ou do
tipo HLi até a superfície 5 do corpo 3.
Enquanto na concretização da figura 3, o sistema de revestimen- to consiste de camadas HL0x, pelo menos uma parte do mesmo possivel- mente de camadas HL1x, na concretização de acordo com a figura 4, o sis- tema de revestimento duro compreende um subsistema de revestimento CSS. Tal subsistema de revestimento pode ou não compreender camadas adicionais do tipo HL0, mas realmente adicionalmente compreende pelo me- nos uma camada que não é do tipo HL0 endereçado.
Em todas as concretizações das figuras 1 até 4, a camada mais externa com a superfície 7 é formada por uma camada do tipo HL0 endere- çado. Esta é uma boa abordagem para formar a superfície mais externa en- dereçada da peça de trabalho. Contudo, e por exemplo, observando a figura 4, para alguns u- tensílios, pode ser prudente proporcionar (não-apresentado) um subsistema de revestimento adicional na parte de cima da camada do tipo HLo mais ex- terna, de modo que a superfície mais externa 7 seja formada por tal subsis- tema mais externo.
Na concretização de acordo com a figura 5, as camadas do tipo HL0 se alternam com os subsistemas de revestimento CSS. Desse modo, as camadas aplicadas de forma alternada do tipo HL0 podem ser iguais ou dife- rentes com respeito à composição de material. Os subsistemas de revestimento alternados novamente também
podem consistir de uma ou mais do que uma camada, pelo menos uma das mesmas não sendo do tipo HLo-
Como exemplificado pela concretização de acordo com as figu- ras 1 até 5, existe uma grande variedade para aplicar as camadas HLo junto ao corpo 3 da peça de trabalho, dependendo das necessidades específicas de tal peça de trabalho. Especificamente, se a peça de trabalho for uma fer- ramenta, especialmente uma ferramenta de corte, é sugerido selecionar co- mo a camada mais externa do sistema de revestimento uma camada do tipo HL0.
É endereçado na parte introdutória da descrição uma primeira
camada de (TidAIe) N especialmente com d e e nas faixas específicas de va- lores como ILi e é endereçados um segundo tipo de camada interna de (Alf. Crg) N, com faixas especificas para f e g como IL2
Observando as concretizações das figuras 1 até 5, cada um dos subsistemas de revestimento CSS endereçados pode compreender ou con- sistir de ILi ou de IL2, ou pode compreender ou consistir de uma combinação de ILi e IL2, e pode compreender camadas adicionais do tipo HL0 ou cama- das diferentes do tipo HL0 e IL1, IL2.
Novamente, os versados na técnica reconhecem a partir das concretizações endereçadas, de acordo com as figuras 1 até 5, incorporar as camadas internas ILi e/ou IL2 com uma grande variedade de combinações que podem ser selecionadas dependendo das respectivas necessidades. No dito a seguir, algumas concretizações específicas da peça de trabalho de acordo com a presente invenção são exemplificadas. A perfor- mance de corte de peças de trabalho de acordo com a invenção concebidas como ferramentas de corte, foram comparadas com tais ferramentas de a- cordo com o estado da técnica, e desse modo, operações de corte e parâ- metros de corte iguais foram aplicados para as respectivas ferramentas de acordo com a presente invenção e para as ferramentas comparativas de a- cordo com o estado da técnica, para propósito de comparação válida.
Os sistemas de revestimento duro aplicados para os espécimes nos exemplos seguintes foram depositados sob as seguintes condições, se- não especificado de forma especifica e de forma diferente, por meio do que o processo para fabricar as peças de trabalho, de acordo com a presente invenção, foi aplicado.
Tecnologia de deposição: evaporação por arco catódico
Pressão de trabalho total: 5,5 Pa de N2
Tensão de polarização do
corpo a ser revestido: -85 V em relação ao potencial terra para
as camadas do tipo HL0 e -100 V em re- lação ao potencial terra para as cama- das ILi e IL2
Temperatura da superfície do corpo sendo revestido: 600°C
Corrente de evaporação: 200 A por alvo de evaporações
Os sistemas de revestimento duro foram depositados em uma máquina de revestimento RCS da Balzers em uma configuração de evapo- ração por arco. Os corpos da ferramenta de corte foram montados em supor- tes giratórios triplos durante a deposição PVD.
Todos os sistemas de revestimento duro depositados no corpo da ferramenta de corte possuíam uma espessura total entre 2 e 2,5 μΐη, me- dida na haste da ferramenta de corte. Exemplo 1
Uma primeira série de sistemas de revestimento duro com ca- mada única foi comparada com o sistema de camada única do estado da técnica de TiAIN e AICrN.
A tabela 1 exibe o sistema de revestimento duro investigado sob este exemplo. Para aplicar cada um dos sistemas de revestimento duro de camada única endereçados, a máquina de revestimento foi equipada com 4 catodos de evaporação por arco idênticos, também chamados de alvo. As respectivas composições destes alvos também são listadas na tabela 1. A composição resultante do material de revestimento estava dentro de 10% da composição-alvo para os elementos principais Al, Cr, Ti, e estava dentro de cerca de 20% da composição-alvo para o elemento B e W, Mo E Ta. Tabela 1
15
20
25
Número Revestimento duro Composição-alvo 1 com TiAIN TiO . 5A10 . 5 2com TiAIN TiO . 33A10 . 67 3com AICrN AIO . 7 CrO . 3 4 AICrBWN AIO . 7CrO . 226B0 . 067W0 . 007 AICrBMoN AIO . 7CrO . 21BO . 07Mo0 . 02 6 AICrBTaN AIO . 7CrO . 226B0 . 067Ta0 . 007
A performance dos sistemas de revestimento duro foi avaliado em termos de resistência ao desgaste em uma operação de corte do metal. A quantidade de desgaste na face do flanco, Vbmax, foi medida em função do comprimento do corte. O teste de corte foi um teste de fresagem sob condi- ções de acabamento em um laço temperado da ferramenta de trabalho fria. As condições de corte foram as seguintes:
Ferramenta de corte:
Peça de trabalho: Velocidade de rotação do fuso: Profundidade axial do corte: Profundidade radial do corte: Taxa de alimentação: Velocidade de corte: Alimentação:
2-fresa de topo de ponta esférica com du- as estrias, raio esférico de 5 mm, material do tipo carboneto com microgrão. 1,2379 60 HRC 7996 ver / min 0,4 mm 0,2 mm 0,1 mm/dente 98 m/min 1600 mm/min Refrigerante: ar
Direção de fresagem: fresagem para baixo
Comprimento de 1 passo: 43,8 m
Fim da vida útil da ferramenta: Vbmax >0,15 mm no fim de um passo Os resultados do teste de corte foram listados na tabela 2.
Tabela 2
Número Comprimento do corte (m) Quantidade de desgaste Vbmax (mm) 1 com 87,6 0,25 2 com 87,6 0,17 3com 87,6 0,2 4 131,4 0,25 131,4 0,33 6 131,4 0,41
Pode ser visto que a incorporação de B e W, Mo e Ta em AICrN resulta em uma proteção contra desgaste aperfeiçoada comparada com a proteção contra desgaste de AICrN e TiAIN de acordo com os espécimes comparativos 1 até 3. Exemplo 2
Uma série de sistemas de revestimento duro com camada dupla foi preparada. A tabela 3 lista os sistemas de revestimento duro como inves- tigados. Os mesmos corpos de ferramenta do material do exemplo 1 foram revestidos. Desse modo, diretamente sobre a superfície do corpo da ferra- menta foi aplicada uma camada interna ILi e diretamente sob tal camada interna, uma camada do tipo HLi. A máquina foi equipada com dois alvos idênticos para a deposição da camada interna, e com quatro alvos idênticos para a deposição da camada externa do tipo Hl_i. As respectivas composi- ções do material alvo também são listadas na tabela 3. Tabela 3
Número revestimento duro composição-alvo camada interna camada externa camada interna camada externa 7com TiAIN AICrN TiO. 5AI0 . 5 AI0. 7CrO . 3 8 TiAIN AICrBWN TiO . 33AI0 . 67 AIO . 7CrO . 226B0 . 067W0 . 007 9 TiAIN AICrBWN TiO . 5AI0 . 5 AIO . 7CrO . 226B0 . 067W0 . 007
A performance das ferramentas de acordo com esta segunda série foi investigada com o mesmo teste de corte que foi aplicado para as ferramentas do exemplo 1. Os resultados são listados na tabela 4. Assim, a camada interna IL1 do espécime número 9 apresenta
uma estequiometria que está bem dentro da faixa de 0,4 <d <0,6 0,4 <e<0,6
de (TidAIe) N da camada interna IL1, ao passo que a camada interna como aplicada no exemplo número 8 logo fora da faixa de estequiometria endere- çada. Tabela 4
número comprimento de corte (m) quantidade de desgaste em Vbmax (mm) 7com 87,6 0,4 8 267,8 0,18 9 438 0,15
Quando aplicando uma camada interna ILi para a camada do tipo HL proporcionada de acordo com a invenção, especialmente construída como a camada do tipo HL1 com X = N, a provisão de tal camada interna de forma mais significativa aperfeiçoa a resistência ao desgaste e ainda mais se as faixas de estequiometria endereçadas para os compostos de alumínio e de titânio forem atendidas. Exemplo 3
Uma série adicional de peças de trabalho, a saber, ferramentas
com um sistema de revestimento duro, de acordo com a presente invenção, consistindo em duas camadas, foi preparada, a saber, consistindo em uma camada interna de TiAIN, IL1 diretamente entre o corpo de uma ferramenta como já utilizado nos exemplos 1 e 2, e uma camada do tipo HLi com X = N como já proporcionado nos espécimes 8 e 9 da Tabela 3. Desse modo, a temperatura de uma superfície sendo revestida foi variada entre 450°C e 600°C pela variação do tempo e/ou da potência de aquecimento.
Para os espécimes 10, 11 e 12, como seguem aos mesmos al-
vos para a camada interna, bem como para a camada mais externa, foram utilizados como especificado para o espécime Número 9.
A Tabela 5 apresenta em um lado as camadas endereçadas do sistema de revestimento, e no outro lado, as temperaturas de deposição Tabela 5
número revestimento duro temperatura de deposição (0C) camada interna camada externa TiAIN AICrBWN 450 11 TiAIN AICrBWN 550 12 TiAIN AICrBWN 600
A performance dos espécimes foi investigada com as mesmas condições de corte do exemplo 1. Os resultados são listados na tabela 6 se- guinte.
número comprimento de corte (m) quantidade de desgaste Vbmax (mm) 223 0,55 11 350,4 0,5 12 438 0,15
Os resultados apresentam, por um lado, que o espécime número 12, o qual foi revestido de forma idêntica ao espécime número 9 do exemplo 2, exibe igual resistência ao desgaste comparada com o espécime endere- çado 9. Adicionalmente, o espécime 10 revela que mesmo em temperaturas inferiores a 450° C, o sistema de revestimento de acordo com a presente invenção é de forma significativa superior a um sistema de revestimento com duas camadas comparável revestido em 600° C como do espécime número 7.
Adicionalmente, é evidente a partir da comparação dos espéci- mes 10 até 12, que a resistência a desgaste aumente de forma significativa com a temperatura de deposição crescente, e alcance melhor performance, como do espécime número 12, e uma temperatura máxima de deposição de 600°C como investigado, ou maior. Exemplo 4
Uma quarta série de sistemas de revestimento duro com cama- da dupla com uma camada interna IL1 e uma camada do tipo HLi da concre- tização específica com X = N1 foi preparada.
Como espécimes de comparação, os sistemas de camada única da técnica anterior de TiAIN e AICrN foram selecionados. A Tabela 7 seguin- te lista o respectivo material de revestimento e a composição-alvo. Tabela 7
número revestimento duro Composição-alvo 1 3com TiAIN TiO1 5AI0 , 5 14Com AICrN AI0, 7CrO , 3 camada camada camada camada externa interna externa interna TiAIN AICrBWN TiO1 5AI0, 5 AI0, 7CrO, 226B0, 067W0, 007
A performance das ferramentas resultantes foi avaliada em ter-
mos de resistência ao desgaste na aplicação de corte de metal. A quantida- de de desgaste na face do flanco Vbmax foi medida em função do comprimen- to do corte. Os testes de corte foram executados sob as condições de ope- ração de fresagem de semiacabamento em um laço ferramental tratado por calor. As condições de corte foram as seguintes:
Ferramenta de corte: fresa de topo com três estrias, diâmetro de
8 mm, tipo carboneto com microgrão. Peça de trabalho: 1.2344 36 HRC
Velocidade de rotação do fuso: 4775 ver/min Profundidade axial do corte: 10 mm Profundidade radial do corte: 0,5 mm Taxa de alimentação: 0,05 mm/dente
Velocidade de corte: 120 m/min
Alimentação: 716 mm/min
Refrigerante: emulsão baseada em 6% de óleo mineral,
resfriamento externo Direção de fresagem: fresagem para baixo Comprimento de 1 passo: 10 m
Fim da vida útil da ferramenta: Vbmax >0,15 mm no fim de um passo
A Tabela 8 revela os resultados do teste de corte
Tabela 8
Número Comprimento do corte (m) Quantidade de desgaste Vbmax (mm) 1 3com 30 0,17 14com 80 0,17 100 0,18
Exemplo 5
Uma série de ferramentas com sistema de revestimento de ca- mada dupla, a saber, consistindo em uma camada interna de ILi e uma ca- mada tipo HLi com X com X = N foi preparada. Elas foram comparadas com as respectivas ferramentas revestidas com o sistema de revestimento de camada dupla da técnica, a saber, de TiN como a camada interna, e TiAIN como a camada mais externa ou revestida com AICrN como a camada inter- na e uma TiSiN como a camada mais externa.
A Tabela 9 apresenta o respectivo material da camada e as composições de material alvo Tabela 9
N0 revestimento duro composição-alvo múltiplas camadas 1 6com TiN-TiAIN Ti-TiO1 5AI0,5 1 7 com AICrN-TiSiN AIO1 7CrO,3 - Ti0,85Si015 camada dupla camada camada camada camada externa interna externa interna 18 TiAIN AICrBWN TiO1 5AI0.5 AIO1 7Crü, 226B0, 067W0.007
A performance das respectivas ferramentas revestidas foi verifi- cada na operação de perfuração no aço tratado com calor. A quantidade de desgaste na face do flanco da borda de corte principal Vbmax foi utilizada para verificar a qualidade de proteção contra desgaste. As condições de teste foram como a seguir:
Ferramenta de corte: perfuradora com duas estrias, 6,8 mm de
diâmetro, tipo de carboneto com grão fino Peça de trabalho:
10
1,7225, Rm = 1000 N/mm2 recozida até uma dureza de Brinell de 240 HB Velocidade de rotação do fuso: 4684 ver/min
100 m/min 0,18 mm/rev 843 mm/min 34 mm
emulsão baseada em 6% de óleo mineral, resfriamento externo Fim da vida útil da ferramenta: Vbmax > 0,2 mm.
A tabela 10 seguinte exibe os resultados da perfuração:
Tabela 10
Velocidade máxima de corte: Taxa de alimentação: Alimentação: Profundidade do furo: Refrigerante:
número número de furos quantidade de desgaste Vbmax (mm) 16com 2128 0,2 1 ^com 2432 0,18 18 912 0,25
Este exemplo torna claro que as ferramentas de acordo com a presente invenção podem não ser a melhor escolha para uso em aços alta- mente recozidos e para materiais macios.
Nos exemplos seguintes, Número 6 até Número 8, os sistemas de revestimento duro foram depositados novamente como já endereçados para os exemplos anteriores, mas a pressão de trabalho total N2 foi reduzida de 5,5 Pa para 3,5 Pa, e a tensão de polarização do substrato em relação ao terra foi aumentada de - 85 V para - 100 V para a deposição da camada mais externa de AICrBWN, de acordo com HL1 com X=N. Exemplo 6
Uma sexta série de ferramentas foi preparada para estabelecer o efeito de uma camada de AICrN IL2 ao invés de uma camada interna TiAIN IL1.
A Tabela 11 apresenta os respectivos materiais de camada e as composições-alvo. Tabela 11
número revestimento duro Composição-alvo camada dupla camada interna camada externa camada interna camada externa 19 TiAIN AICrBWN TiO, 5AI0, 5 AI0, 7CrO, 226B0, 067W0, 007 AICrN AICrBWN TiO, 5AI0, 5 AI0, 7Cr0, 226B0, 067W0, 007
Utilizando ferramentas revestidas como endereçadas, um teste de corte com os seguintes parâmetros foi aplicado:
Ferramenta de corte: fresa de topo de nariz esférico com duas estrias, raio esférico de 5 mm, material do tipo carboneto com microgrão. Peça de trabalho: 1,2379 60 HRC
Velocidade de rotação do fuso: 6370 rev / min Profundidade axial do corte: 0,3 mm Profundidade radial do corte: 0,5 mm Taxa de alimentação: 0,15 mm/dente
Velocidade de corte: 200 m/min
Alimentação: 1911 mm/min
Refrigerante: ar
Direção de fresagem: fresagem para baixo
Comprimento de 1 passo: 30 m
Fim da vida útil da ferramenta: Vbmax > 0,10 mm no fim de um passo. Os resultados são apresentados na Tabela 12
Tabela 12
número comprimento do corte (m) quantidade de desgaste Vbmax (mm) 19 270 0,11 240 0,12
A partir destes resultados, pode ser visto que proporcionar uma IL1 ou uma camada interna IL2 substancialmente leva aos mesmos bons re- sultados. Exemplo 7
Pela sétima série de espécime, o objetivo foi estabelecer o efeito de um conteúdo BeW diferente em uma camada do tipo HLi com X = Ν. A tabela 13 seguinte lista o material da camada interna bem como da camada externa, e as respectivas composições dos materiais-alvos.
Tabela 13
número revestimento duro Composição-alvo camada dupla camada interna camada externa camada interna camada externa 21 com TiAIN AICrN TiO, 5AI0, 5 AI0, 7CrO, 3 22 TiAIN AICrBWN TiO, 5AI0, 5 AI0, 7CrO, 226B0, 067W0, 007 23Com TiAIN AICrWN TiO, 5AI0, 5 AI0, 7CrO, 28W0, 02
Utilizando tais ferramentas, um teste de corte com os mesmos parâmetros que no exemplo 6 foi aplicado.
Os resultados são apresentados na Tabela 14
Tabela 14
número comprimento do corte (m) quantidade de desgaste Vbmax (mm) 21 com 120 0,11 22 240 0,10 23C0m 150 0,11
Exemplo 8
Na oitava série de espécimes, os quais foram revestidos com um sistema de revestimento com camada dupla, como endereçado na Tabela 15, antes dos testes de corte, um tratamento de escovação foi aplicado utili- zando uma máquina de escovação de acordo com a DE GM 20 2006 000 654.1, de modo a ajustar um estado comparável com o desgaste inicial ho- mogêneo, o que garante após isto um progresso homogêneo do desgaste durante a aplicação de corte.
O tratamento da ferramenta revestida foi conduzido com esco- vas rotativas de acordo com o documento endereçado. A figura 2 e a respec- tiva descrição na página 5, último parágrafo, até a página 6, término do pri- meiro parágrafo, deste modelo German Utilty N2 20 2006 000 654.1 são es- pecificamente incluídas e referidas por referência na presente descrição com respeito à técnica de escovação endereçada, o ângulo da escova era cerca de 30° com referência ao eixo geométrico da ferramenta, a velocidade de rotação selecionada para 650 voltas/minuto. O material de escovação foi náilon impregnado com SiC1 o tamanho do grão SiC de 400 malhas, diâme- tro dos pêlos de 0,45 mm, comprimento dos pêlos de 35 mm. A rotação do satélite da ferramenta foi 9 voltas/min, a rotação da mesa suportando os sa- télites foi cerca de 0,3 volta/min. Um efeito similar para dissecar uma tira com alguns micrômetros do material da peça de trabalho ao longo da borda de corte poderia ter sido alcançado pela utilização de escovas impregnadas com AI2O3. Contudo, para esta última escovação, o tempo tem que ser tripli- cado se os mesmos parâmetros mencionados acima forem utilizados. Isto pode ser realizado, por exemplo, pela rotação da mesa de suporte em 0,1 volta/min.
Alternativamente, ou mesmo adicionalmente, um tratamento de brunimento similar por operações de escova, jateamento, esmerilhação, ou coisa parecida, pode ser aplicado antes do processo de revestimento como um pré-tratamento. Com a ferramenta revestida de acordo com a tabela 15
Tabela 15
número revestimento duro Composição-alvo camada dupla camada interna camada externa camada interna camada externa 24 TiAIN AICrBWN TiO, 5AI0, 5 AI0, 7CrO, 226B0, 067W0, 007
os testes de corte foram executados com os seguintes parâmetros de corte:
20
25
Ferramenta de corte:
Peça de trabalho: Velocidade de rotação do fuso: 6000 ver/min Profundidade axial do corte: 0,4 mm Profundidade radial do corte: Taxa de alimentação: Velocidade de corte: Alimentação: Refrigerante:
fresa de topo de nariz esférico com duas estrias, raio esférico de 5 mm, material do tipo carboneto com microgrão. 1,2379 62 HRC
0,05 mm 0,10 mm/dente 184 m/min 600 mm/min ar Direção de fresagem: técnica de fresagem para baixo para aloja-
mento (56 mm χ 26 mm) Comprimento de um único passo: 1 alojamento
Fim da vida útil da ferramenta: Vbmax >0,10 mm no fim de um alojamento. Tabela 16
número tratamento de escovação (sim/não) número de alojamentos (N) 24a não 4 24b sim 10
A partir dos exemplos apresentados acima, se torna claro que as ferramentas onde os sistemas de revestimento duro compreendem a cama- da HL0 na forma específica de HLi com X = N, como em um sistema de ca- mada única ou, e especialmente em conexão com a camada interna ILi e/ou IL2 endereçada, proporciona um aumento espantoso de resistência ao des- gaste comparado com os sistemas de revestimento do estado da técnica, por exemplo, com os sistemas de revestimento mais externo de TiAIN ou AICrN.
Independente do fato de que o revestimento endereçado HLi com X = N é aplicado através de todos os exemplos como a camada mais externa do sistema de revestimento, é evidente para os versados na técnica que para algumas aplicações, camadas adicionais podem ser proporciona- das sobre a camada endereçada, como, por exemplo, uma camada de Iubri- ficação.
Adicionalmente, por todos os exemplos, a camada HL1 endere-
çada é considerada em direção ao corpo da ferramenta, aplicada diretamen- te no corpo da ferramenta ou separada do mesmo por uma camada interna ILi ou IL2-
Entretanto, para algumas aplicações, é evidente para os versa- dos na técnica que tais sistemas com múltiplas camadas com as camadas do tipo HL e do tipo IL propostas pela invenção podem ser concebidas em uma considerável variedade, dependendo das necessidades específicas.
Além disso, os exemplos acima foram conduzidos especifica- mente nas camadas HLi, onde X = N. Entretanto, é perfeitamente claro para os versados na técnica que substituir N por C1 CN1 NO, CO, ou CNO, irá le- var as camadas HL1 com qualidades similares de resistência ao desgaste.
O mesmo é válido se na camada do tipo HLi, o elemento W for substituído por Mo, Ta, Cb, (Nb).
Além disso, as ferramentas, em relação as quais os exemplos foram executados, possuem um corpo de ferramenta de carboneto de tungs- tênio.
Entretanto, com respeito ao material do corpo da ferramenta ou de forma mais genérica do corpo da peça de trabalho, é perfeitamente claro para os versados na técnica que o aumento almejado de resistência ao des- gaste pelo sistema de revestimento de acordo com a presente invenção também será alcançado em corpos de peça de trabalho de aço rápido, de carboneto fortificado ou de nitreto de boro cúbico, ou de um material do tipo amálgama, ou de um material cerâmico. O aperfeiçoamento endereçado da resistência ao desgaste pode ser altamente desejável não somente para fer- ramentas tal como ferramentas de corte tal como para fresas de topo, bro- cas, insertos de corte, ferramentas de fresagem de engrenagem, mas tam- bém para outras peças de trabalho diferentes de ferramentas.
Pelo método de fabricação de um dispositivo que é pelo menos em parte de um material duro, desse modo especialmente com uma dureza de pelo menos HRC 52, compreendendo um processo de corte do material duro endereçado utilizando a ferramenta de corte de acordo com a presente invenção, a fabricação do dispositivo se torna mais rápida, desse modo o rendimento é maior e os custos de fabricação são diminuídos.
Na figura 6, é apresentada uma seção transversal SEM de um revestimento AICrN. Isto está de acordo com uma micrografia de elétron de varredura (SEM) de uma seção transversal de um sistema de revestimento duro de camada única de acordo com o espécime 3 do exemplo N2 1. O re- vestimento duro exibe uma estrutura de desenvolvimento colunar muito fina com colunas possuindo uma largura na ordem de 200 nm.
A figura 7 apresenta tal micrografia de elétron de varredura de uma seção transversal do sistema de revestimento duro de camada única de AICrBWN de acordo com o espécime Ns 4 do exemplo 1. Este revestimento duro não exibe estrutura de desenvolvimento colunar. O forte processo de renucleação durante a deposição leva a uma estrutura de revestimento na- nocristalina que aparece vidrada como na seção transversal SEM sob uma
magnificação de 25Ό00.
A figura 8 apresenta uma micrografia de elétron de varredura (SEM) de uma seção transversal de um sistema de revestimento duro de camada dupla de TiAIN / AICrBWN, de acordo com o espécime 9 do exem- plo 2. A camada interna ILi exibe uma estrutura de desenvolvimento colunar, com as colunas possuindo uma largura na ordem de 400 nm.
A camada externa do tipo HL1 exibe a mesma estrutura de de- senvolvimento do tipo vidrada que o espécime N0 4 do exemplo 1 (veja a figura 7). A estrutura de desenvolvimento colunar é claramente interrompida na interface entre a camada interna e a camada externa.
A figura 9 apresenta o espectro XRD de um sistema de revesti- mento duro de camada única de AICrN, de acordo com o espécime N0 3 do exemplo N0 1 e de um sistema de revestimento duro de camada única do tipo HLi de AICrBWN de acordo com o espécime número 4 do exemplo 1. Os espectros foram gravados com um equipamento Bruker AXS utilizando um feixe incidente Cuka (λ = a 1,5406 nm) e um ângulo de incidência de 2o, o qual distribui uma qualidade apreciável para os espectros de revestimentos nanocristalinos. Esta configuração permite medir até mesmo películas finas sem-influência de perturbação pelo substrato e/ou por uma camada interna. O espectro XRD do AICrN exibe picos ao redor de 37,5°, 43,7°, e 63,7°, os quais são designados para os planos <111>, <200>, e <220> de uma estru- tura de cristal AICrN fcc (cúbica centrada na face).
Como esperado para um revestimento duro de AlxCri.xN, possu- indo um χ < 0,7, não existe fase hexagonal AIN em tal revestimento duro. O revestimento duro AICrBWN exibe picos de difração que são designados para os planos <111>, <200>, e <220> de AICrN como bons. Entretanto, os revestimentos duros de AIxCrBWN, possuindo o mesmo X de 0,7, apresen- tam uma contribuição notável de AIN hcp (pacote fechado hexagonal). Os picos ao redor de 33,1°, 49,5°, e 58,9° salientam sinais atribuídos para esta fase. Os picos ao redor de 31,5°, 35,7°, 48,3°, 64,1°, e 65,9° derivam a partir do corpo WC - Co do substrato de carboneto.
A figura 10 apresenta espectros XRD de revestimentos AICrBWN compreendendo uma interna de TiAIN. A medição foi executada utilizando a configuração descrita no contexto da figura 9. O espectro superior se refere aos revestimentos de AICrBWN depositados sob condições de deposição dos exemplos 6 até 8. Diminuir a polaridade do substrato de - 100 para - 85 V em relação ao potencial terra como apresentado no espectro inferior da figura 10, fornece uma alteração notável com respeito ao valor Q, entretanto, obviamente, induz a uma ampliação do pico. O último pode ser referido co- mo um refinamento de grão adicional.