ES2395390T3

ES2395390T3 - Herramientas de corte que comprenden rutenio recubierto por PVD

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Publication number: ES2395390T3
Application number: ES05776334T
Authority: ES
Inventors: Gilles Festeau; X Daniel Fang; David J. Wills
Original assignee: TDY Industries LLC
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2013-02-12
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: PT1786954E; DK1786954T3; ATE510937T1; US20060051618A1; WO2006023222A1; US7244519B2; EP2267185A1; EP1786954A1; EP1786954B1; PL1786954T3

Abstract

Una herramienta de corte, que comprende:un sustrato de carburo cementado, donde el sustrato se compone de partículas duras yun aglutinante, y el aglutinante comprende rutenio y cobalto, en donde la concentraciónde rutenio en el aglutinante es del 10% al 15% en peso, yal menos un recubrimiento en al menos en una parte del sustrato, en donde elrecubrimiento tiene las características de un recubrimiento aplicado por deposiciónfísica de vapor.

Description

CAMPO TÉCNICO [0001] La presente invención se refiere a herramientas de corte en base a carburo cementado e insertos recubiertos por un proceso de deposición física de vapor. Más específicamente, la presente invención se refiere a herramientas de corte e insertos que comprenden rutenio (Ru) como un componente en el aglomerante del carburo cementado y métodos de producción de tales herramientas de corte.

ANTECEDENTES [0002] Las herramientas de corte e insertos de carburo cementado (en general, "herramientas de corten) se emplean habitualmente en las operaciones de mecanizado, tales como, por ejemplo, corte, taladrado, escariado, avellanado, biselado, fresado, torneado, ranurado, roscado, y terrajado. El proceso de fabricación para herramientas de corte de carburo cementado implica la consolidación de polvo metalúrgico (compuesto por partículas duras y un aglutinante) para formar un elemento compacto. El compacto es luego sinterizado para formar una preforma de herramienta cilíndrica que tiene una construcción maciza monolítica. Después de la sinterización, la preforma de herramienta puede ser adecuadamente mecanizada para formar un borde de corte u otras características de la geometría particular deseada en la herramienta de corte.

[0003] Las herramientas de carburo cementado son de importancia industrial debido a la combinación de resistencia a la tracción, resistencia al desgaste y tenacidad que caracteriza a estos materiales. Las partículas duras pueden ser, por ejemplo, carburos, nitruros, boruros, siliciuros, u óxidos de elementos dentro de los grupos IVS a VIS de la tabla periódica. Un ejemplo común es el carburo de tungsteno. El aglutinante puede ser un metal o una aleación de metal, generalmente cobalto, níquel, hierro o aleaciones de estos metales. El aglutinante "cementa" las partículas duras en una matriz continua interconectada en tres dimensiones.

[0004] Las prop,iedades físicas y químicas de los materiales de carburo cementado dependen en parte de los componentes individuales de los polvos metalúrgicos utilizados para producir el material. Las propiedades de los materiales de carburo cementado se determinan por, por ejemplo, la composición química de las partículas duras, el tamaño medio de partícula y distribución del tamaño de partículas duras, la composición química del aglutinante, y la proporción de aglutinante a partículas duras en el sustrato. Mediante la variación de los componentes del polvo metalúrgico, se pueden producir herramientas. de corte, incluyendo insertos de corte, con propiedades únicas idóneas para aplicaciones específicas. Muchas herramientas de corte de carburo cementado se preparan con cobalto como componente principal del aglutinante, tales carburos cementados pueden ser particularmente útiles para mecanizar materiales actuales de moldes y matrices. El porcentaje en peso de cobalto como aglutinante en tales herramientas de corte de carburo cementado, por lo general, oscila entre el 5yeI20%.

[0005] Actualmente, una cantidad muy limitada de, herramientas de corte de carburo cementado han sido preparadas con rutenio añadido a un aglutinante de cobalto. De acuerdo con el libro de referencia Modern Metal Cutting por Sandvik (lSBN-9197229930, 1996), sustratos típicos de insertos de corte son -carburos en base a tungsteno rNC), nitruro de boro cúbico (CBN), cerámica (AI203/Si3N4), carburo en base a titanio o cermet (TiC / TiN), coronite (combinación de acero de alta velocidad y carburo) y diamante policristalino (PCD). De acuerdo con el libro de referencia World Directory and Handbook of Hardmetals and Hard Materials, 5 a edición (ISBN-0950899526), de 1992, por KJ Brookes, que recoge datos de todos los carburos de carburo de todos los principales fabricantes de herramientas de corte en todo el mundo, casi todos los carburos de tungsteno usan cobalto como aglutinante con la adición de un balance de algunos otros compuestos de aleación, tales como TiC, TaC / NbC, para refinar las propiedades del sustrato para aplicaciones particulares.

[0006] El rutenio (Ru) es un elemento del grupo del platino y es un metal duro, lustroso, blanco, que tiene un punto de fusión de unos 2.500°C. Ru no se ennegrece a temperatura ambiente, y puede ser utilizado como un endurecedos eficaz, creando aleaciones que son extremadamente resistentes al desgaste. Stellram, una empresa de Allegheny Technologies, situada en 1 Teledyne Place, La Vergne, Tennessee, EE.UU. 37086, se ha encontrado que la adición de una cantidad de Ru en la fase aglutinante continua de cobalto de ull sustrato de carburo de tungsteno da lugar a un inserto de corte de carburo cementado con mayor resistencia a agrietamiento térmico y una reducción significativa de la propagación de grietas a lo largo y más allá de los bordes del inserto de corte y de propagación de grietas en el sustrato durante su uso en procesos de mecanizado. Tales sustratos pueden denominarse carburos cementados con Ru añadido. La cantidad de Ru puede variar dependiendo de la aplicación, sin embargo, los productos típicos comercialmente disponibles incluyen una concentración de rutenio en la fase aglutinante de substratos de carburo cementado en intervalos de aproximadamente 5% a 25% en peso.

[0007] Los sustratos de carburo cementado pueden incluir además un recubrimiento de capa simple o múltiple para mejorar el rendimiento de corte de los insertos de corte de carburo de tungsteno. Métodos de recubrimiento de herramientas de corte de carburo cementado incluyen la deposición química en fase de vapor (CVD), la deposición física en fase de vapor (PVD) y recubrimiento de diamante. Muy a menudo, se utiliza CVD para aplicar el recubrimiento a insertos de corte debido a las bien conocidas ventajas de los recubrimientos CVO en herramientas de corte. Es bien sabido que los recubrimientos PVO son más delgados que los recubrimientos CVO, por lo tanto tienen la ventaja de mantener bordes de corte afilados.

[0008] Como ejemplo de las tecnologías de recubrimiento PVO, la patente US 6,352,627 82 describe un método y dispositivo de recubrimiento PVO, que se basa en las técnicas de pulverización iónica magnetrón para producir películas delgadas refractarias o recubrimientos en insertos de corte, que puede ofrecer tres alimentaciones de tensión consecutivas durante la operación de recubrimiento, provocando un proceso de ionización óptimamente mejorado que da como resultado una buena adherencia del recubrimiento sobre el sustrato, incluso si la superficie del sustrato proporcionado es rugosa, por ejemplo, por causa de tratamiento de desbastado o de abrasión por chorro. Ejemplos de algunas otras tecnologías de recubrimiento PVO son recubrimiento iónico, deposición por evaporación con arco eléctrico asistida por haz de iones y evaporación reactiva activada.

[0009] Los compactos de diamante, o compactos de diamante compuestos, pueden contener Ru como un elemento significativo en el material de sustrato (no más de 20% en volumen), como en la patente de US 6,620,375 81, la patente europea 1077783. Los compactos de diamante también pueden ser llamados diamante policristalino (PCO) y pueden ser fabricados bajo condiciones de elevada temperatura y presión. Los compactos de diamante son frágiles por naturaleza y por lo tanto tienen que estar unidos a un sustrato que contiene un aglutinante, como cobalto, hierro o níquel, que puede incluir además Ru. Un compacto de diamante contiene una masa policristalina de partículas de diamante presentadas en una cantidad de al menos 80% en volumen del sustrato. Compactos de diamante se utilizan normalmente en las herramientas de abrasión o abrasivas para el aserrado, fresado o corte de perfiles de productos de madera.

[0010] Los insertos de corte de carburo cementado con Ru añadido se limitan a los no recubiertos o los recubiertos por CVO, es decir, los recubrimientos PVO no se han aplicado a insertos de corte de carburo cementado con Ru añadido. Por ejemplo, X500 TM, una designación comercial de los productos de herramientas de corte Stellram, es un inserto de corte de carburo cementado de capa múltiple TiN-TiC-TiN recubierto por CVO que tiene sustrato con Ru añadido para las aplicaciones en el mecanizado de aleaciones de titanio, aleaciones basadas en níquel, y hierro dúctil, y X44 ™ y X22™ (ambas denominaciones comerciales de los productos de herramientas de corte Stellram) son insertos de corte de carburo cementado con Ru añadido no no recubiertos para aplicaciones en la mecanización de aceros y aceros aleados.

[0011] A diferencia de la fase ligante convencional a base de cobalto, en un sustrato de carburo cementado con Ru añadido, el cobalto (Co) y el rutenio (Ru) actúan como un disolvente mezclado en el proceso de sinterización. Se sabe que los insertos de corte de carburo cementado con cobalto como ligante tienen una tendencia a que el cobalto penetre a través de la superficie del compacto y se funden durante el proceso de sinterización formando estructuras de cobalto en la superficie. Se refiere a menudo a este proceso como capa de cobalto. Las capas de cobalto en la superficie del sustrato se distribuyen aleatoriamente, creando así una textura áspera y con crestas en la superficie de la herramienta de recubrimiento. La presencia de Ru en el aglutinante de cobalto exagera el efecto capa de cobalto en carburos cementados, lo que aumenta la altura y la frecuencia de las capas de cobalto. A pesar de que pueden llevarse a cabo algunas técnicas de tratamiento superficial para reducir el efecto de capa de cobalto hasta cierto punto, es difícil producir de manera consistente una superficie uniforme en unos insertos de corte de carburo cementado sinterizado que contienen Ru en el aglutinante. Sin embargo, las herramientas de corte recubiertas disponibles en el mercado han compensado los efectos aumentados de capa de cobalto en la superficie de los insertos de corte de carburo que incluyen aglutinantes de Ru mediante la aplicación de un recubrimiento CVO grueso, con o sin algunos métodos de pretratamiento de . superficies como el pulido electrolítico, micro-decapado, decapado húmed, decapado por aire comprimido, etc. Las capas gruesas de recubrimiento CVO pueden cubrit y reducir el impacto global del efecto capa de cobalto. Además, la elevada temperatura del recubrimiento CVO (generalmente por encima de 1500°C) derrite un poco la zona superficial del carburo cementado y promueve una mejor adherencia de el recubrimiento de recubrimiento CVO a la superficie. Por lo tanto, actualmente, los insertos de corte de carburo con Ru añadido se limitan solamente a insertos no recubiertos y recubiertos por CVO.

{0012] Un proceso de recubrimiento PVD implica una temperatura de recubrimiento mucho menor y, por tanto, no vuelve a fundir el aglutinante de superficie y tiende a producir recubrimientos que no se adhieren tan bien a la superficie del sustrato del carburo. Además, recubrimientos PVO delgados no pueden compensar el mayor efecto de capa de cobalto. Se cree que esto es la razón por la que los insertos de corte de carburo con Ru añadido se limitan a las herramientas de corte sin recubrimiento o con recubrimiento CVD. Las aparentes dificultades de aplicar los recubrimientos PVO delgados basados en baja temperatura de operación para garantizar la calidad superficial uniforme de insertos de corte de carburo recubierto no se ha considerado factible.

[0013] La invención proporciona una herramienta de corte de acuerdo con la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas. La invención proporciona además un método de recubrimiento de un sustrato de acuerdo con la reivindicación 12 de las reivindicaciones adjuntas.

[0014] La presente invención se refiere a herramientas de corte recubiertas que comprenden un sustrato, en donde el sustrato comprende partículas duras y un aglutinante, y el aglutinante comprende cobalto y rutenio. Las herramientas de corte puede tener al menos un recubrimiento en al menos una parte del sustrato en la que el recubrimiento tiene las características de un recubrimiento aplicado por deposición fisica de vapor. El aglutinante puede comprender además al menos uno de hierro, níquel, cobalto y aleaciones de estos elementos. La concentración de rutenio en el aglutinante es del 10% al 15% y dentro de ese intervalo puede ser de cualquier concentración capaz de proporcionar el sustrato con las propiedades deseadas.

[0015] La herramienta de corte de la presente invención comprende al menos un recubrimiento que tiene las características de un recubrimiento aplicado por PVD de un carburo metálico, un nitruro metálico, silicio metálico y un óxido metálico de un metal seleccionado entre los grupos lilA, IVB, VB y VIB de la tabla periódica, tales como pero no limitados a, al menos uno de nitruro de titanio (TiN), carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro de titanio aluminio (TiAIN), nitruro de titanio aluminio más carbono (TiAIN + C), nitruro de aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de titanio aluminio más carburo de tungsteno I carbono (TiAIN + WC I C), nitruro de aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de aluminio titanio más carburo de tungsteno I carbono (AITiN + WC I C), óxido de aluminio (AI20 3), diboruro de titanio (TiB2), carburo de tungsteno carbono (WC I C), nitruro de cromo (CrN) y nitruro de aluminio cromo (AICrN ).

[0016] La presente invención se refiere a métodos de recubrimiento de un sustrato, que comprenden aplicar un recubrimiento sobre un sustrato por deposición física de vapor, donde el sustrato comprende partículas duras y un aglutinante, y el aglutinante comprende cobalto y rutenio. El método también puede incluir tratar el substrato antes de recubrir el sustrato, como por electropulido, microdecapado, decapado húmedo, desbastado, cepillado, abrasión por chorro y decapado por aire comprimido. Recubrimientos adicionales sobre el sustrato pueden ser aplicados por deposición física de vapor o deposición química de vapor.

[0017] El lector podrá apreciar los detalles de lo anterior, así como otros, al considerar la siguiente descripción detallada de algunas formas de realización no limitativas. El lector puede comprender detalles adicionales de la presente exposición al fabricar y I o usar las herramientas de corte recubiertas por PVD de la presente revelación.

BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS [0018]

Las figuras 1 A, 1 B Y 1 C muestran una realización de un inserto de corte típico, en donde la figura 1A es una vista en perspectiva del inserto de corte, Figura 1 B es una vista superior del inserto de corte, y la figura 1 C es una vista lateral del inserto de corte;

y

la Figura 2 es una gráfica de los resultados de ensayo de las pruebas comparativas realizadas sobre formas de realización de insertos de corte de la presente invención e insertos de corte de la técnica anterior.

DESCRIPCiÓN DE REALIZACiÓN DE LA INVENCiÓN [0019] La presente invención se dirige a una herramienta de corte que comprende un sustrato, en donde el sustrato se compone de partículas duras y un aglutinante, y el aglutinante comprende cobalto y rutenio. El sustrato comprende además al menos un recubrimiento en al menos una parte del sustrato, en donde el recubrimiento tiene las características de un recubrimiento aplicado por deposición física de vapor.

[0020] Las realizaciones incluyen herramientas de corte en las que el sustrato puede ser cualquier combinación de partículas duras y un aglutinante, tal como un carburo cementado. Los aglutinantes de carburos cementados son normalmente al menos uno de hierro, níquel, cobalto y aleaciones de estos metales.

[0021] En realizaciones de la presente invención, el aglutinante incluye cobalto y rutenio. El rutenio puede estar presente en cualquier cantidad eficaz para tener un efecto beneficioso sobre las propiedades de la herramienta de corte, y está dentro del intervalo de 10% a 15% en peso.

[0022] El aglutinante puede contener, por ejemplo, elementos tales como W, Cr, Ti, Ta, V, Mo, Nb, Zr, Hf, y C hasta los límites de solubilidad de estos elementos en el aglutinante. Además, el aglutinante puede contener hasta un 5 por ciento en peso de elementos tales como Cu. Mn, Ag y Al. Un experto en la técnica reconocerá que cualquiera de o todos los componentes del material de carburo cementado se pueden introducir en forma elemental, como compuestos, y I

o como aleaciones maestras.

[0023] Las partículas duras de los sustratos de la presente invención pueden ser al menos una de carburos, nitruros, boruros, siliciuros, óxidos metálicos y sus soluciones sólidas. Más específicamente, las partículas duras pueden comprender al menos un carburo, nitruro, boruro, siliciuro y óxido de metal de transición seleccionado de tales compuestos, titanio, cromo, vanadio, hafnio, zirconio, tantalio, molibdeno, niobio y tungsteno o sus soluciones sólidas. Como se usa aquí, un carburo cementado incluye sustratos que contienen tales partículas en un aglutinante. En una realización preferida de herramienta de corte, el sustrato comprende carburo de tungsteno en un aglutinante de cobalto y rutenio.

[0024J El recubrimiento aplicado por deposición física de vapor puede ser cualquier recubrimiento capaz de ser aplicado por cualquier método de deposición física. Los procesos PVD típicos incluyen, pero no se limitan a, procesos de evaporación, evaporación activada reactiva, evaporación con arco eléctrico, ablación por láser, recubrrimiento iónico, y deposición asistida por pulverización, recubrrimiento iónico y por haz de iones. Los recubrimientos PVD generados sobre insertos de corte de carburo con Ru añadido pueden caracterizarse como delgados, duros y homogéneamente lisos, químicamente estables y teniendo una estructura muy densa. Los recubrimientos PVD se caracterizan además por algunas diferencias únicas en la microestructura y las tensiones residuales de los recubrimientos depositados por PVD y CVD. El recubrimiento PVD tendrá alta tensión de compresión residual y los granos finos suelen mejorar la dureza y la resistencia de los recubrimientos PVD. Realizaciones del recubrimiento aplicado por PVD pueden ser al menos un recubrimiento que comprende al menos uno de un carburo metálico, un nitruro metálico, un boruro metálico, y un óxido metálico de un metal seleccionado entre los grupos lilA, IVB, VB, VIB y de la tabla periódica. Por ejemplo, el recubrimiento de las herramientas de corte de la presente invención puede ser al menos uno de nitruro de titanio (TiN), carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro de titanio aluminio (TiAIN), nitruro de titanio aluminio más carbono (TiAIN + C), nitruro de aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de titanio aluminio más carburo de tungsteno I carbono (TiAIN + WC/C), nitruro de aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN+C), nitruro de aluminio titanio más carburo de tungsteno I carbono (NTiN + WC/C), óxido de aluminio (AI20 3), diboruro de titanio (TiB2), carburo de tungsteno carbono (WC/C), nitruro de cromo (CrN) y nitruro de aluminio cromo (AICrN). En la realización ciertas, el recubrimiento puede ser de 1 a 10 micras de espesor. Aunque puede ser preferible en aplicaciones específicas que el recubrimiento de PVD aplicados sea de 2 a 6 micras de espesor.

[0025] La presente invención también incluye un método de recubrimiento de un sustrato. Realizaciones del método de la presente invención incluyen aplicar un recubrimiento sobre un sustrato de carburo cementado por PVD, en donde el sustrato de carburo cementado comprende partículas duras y un aglutinante y el aglutinante comprende cobalto y rutenio. Los insertos de corte de carburo cementado con Ru añadido recubiertos por PVD provistos en la presente invención pueden utilizar cualquier tecnología de recubrimjento por PVD. Tal recubrimiento por PVD aplicado a la sustancia que comprende una aglutinante incluyendo rutenio produce recubrimientos con mayor dureza, menor fricción, estabilidad química, resistencia al desgaste, resistencia a la fisuración térmica y vida útil prolongada. En las realizaciones, el recubrimiento puede aplicarse a un espesor de 1 a 10 micras (micrones) o en ciertas realizaciones puede ser deseable un grosor de 2-6 micras.

[0026] El método puede incluir el tratamiento del substrato antes de recubrir el sustrato. El tratamiento antes del recubrimiento comprende al menos uno de electropulido, granallado, microdecapado, decapado húmedo, desbastado, abrasión por chorro, y decapado por aire comprimido. Los tratamientos superficiales de pre-recubrimiento en cualquier inserto de corte de carburo recubierto (eVO o PVO) pueden reducir el efecto de capa de cobalto de los sustratos. Ejemplos de tratamientos de pre-recubrimiento superficial incluyen decapado húmedo (patentes US 5.635.247 y 5.863.640), desbastado (Patente US 6,217,992 B1), eletropulido (Patente US 5.665.431), cepillado (Patente US 5.863.640), etc. Un inadecuado pretratamiento de la superficie de recubrimiento puede llevar a una mala adherencia de capas PVD en el sustrato de carburo con Ru añadido, lo que resulta en el fallo prematuro de los recubrimientos PVO. Esto se debe principalmente al hecho de que las capas de recubrimiento PVO son delgadas y las irregularidades de la superficie debidas al efecto capa de cobalto son más pronunciadas en un sustrato de carburo con Ru añadido.

[0027] En ciertas realizaciones, el método puede comprender la aplicación de un segundo recubrimiento que comprende al menos uno de un carburo cementado, un nitruro de metal, un boruro de metal y un óxido de metal de un metal seleccionado entre los grupos lilA, IVB, VB, y VIB de la tabla periódica. Formas de realización pueden comprender la aplicación de al menos un recubrimiento seleccionado de nitruro de titanio (TiN), carbonitruro de titanio (TieN), nitruro de titanio aluminio (TiAIN), nitruro de titanio aluminio más carbono (TiAIN + e), nitruro de

. '.

aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + e), nitruro de titanio aluminio más carburo de tungsteno I carbono (TiAIN + we le), nitruro de aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + e), nitruro de aluminio titanio más carburo de tungsteno I carbono (AITiN + we I C), óxido de aluminio (Ab0 3), diboruro de titanio (TiB2), carburo de tungsteno carbono (We le), nitruro de cromo (erN) y nitruro de aluminio cromo (AlerN) .. EI método puede incluir la aplicación del segundo ycu_alquier recubrimiento adicional sobre el sustrato por deposición física de vapor o deposición química de vapor.

[0028] Sorprendentemente, una herramienta de corte de carburo con Ru añadido con un recubrimiento fino por PVO demostró un rendimiento superior de mecanizado y presenta una calidad satisfactoria y consistente, en comparación con herramientas de corte con Ru añadido sin recubrimiento y con recubrimiento por evo. Un método de recubrimiento PVO normalmente puede comprender todos o algunos de las unidades y los pasos siguientes:

una estación de limpieza para los pasos del proceso de limpiar y secar; un tratamiento superficial de pre-recubrimiento de los sustratos, como por ejemplo, pero no limitado a electropulido, granallado, microdecapado, decapado húmedo, desbastado, cepillado, abrasión por chorro y decapado por aire comprimido, extracción de polvo y limpieza al vacío; un sistema informático de gestión de la calidad para el control y documentación eficaz de la calidad durante el proceso; una estación de dosificación para el manejo de la secuencia y el método para partes de carga automática, y un tratamiento de la superficie opcional post-recubrimiento, tal como, pero no limitado a, decapado, granallado, decapado popr aire comprimido, y cepillado, para mejorar adicionalmente el acabado superficial de las piezas recubiertas.

[0029] Ciertas realizaciones de las herramientas de corte de la presente invención pueden incorporar una etapa de tratar el recubrimiento sobre el sustrato para mejorar más la calidad superficial de los insertos de corte recubiertos. El tratamiento del recubrimiento por PVD de las insertos de corte de la presente invención puede mejorar aún más la calidad superficial de la capa de recubrimiento. Hay una serie de métodos para el tratamiento posterior de una superficie recubierta de un inserto de corte, por ejemplo, granallado, Patente Japonesa 02254144, que describe un proceso que utiliza la inyección de pequeñas partículas de metal que tiene una forma de granos esféricos con un tamaño de grano en un rango de 10 -2000

mm. Otro ejemplo de tratamiento superficial post-recubrimiento es decapado por aire

comprimido, Patente Europea 1198609 81, que describe un proceso que utiliza un agente de decapado inorgánico, como A120 3, con un tamaño de grano muy fino que van desde 1 a 100

mm. Otro ejemplo de tratamiento de post-recubrimiento es el cepillado, Patente US 6,638,609 82, que describe un proceso que utiliza un cepillo de paja de nylon que contienen granos de SiC. Un chorro suave húmedo también puede ser utilizado como un tratamiento de superficie post-recubrimiento para crear una capa de recubrimiento suave tal como se describe en las Patentes US 6,638,609 82. En general, una técnica de tratamiento fino de ,superficies en los insertos recubiertos por PVD pueden crear una estructura superficial suavizada y homogeneizada de los recubrimientos PVD en insertos de corte de carburo.

[0030] Los siguientes ejemplos de herramientas de carburo cementado recubiertas por PVD y

ejemplos comparativos de ensayos de mecanización se llevaron a cabo en diferentes condiciones de corte con el fin de evaluar las ventajas de las herramientas de corte y los métodos de acuerdo con la presente descripción.

EJEMPLOS

Ejemplo 1 -Muestra Sin Recubrimiento de Inserto de Carburo de Tungsteno con 13% en peso de Rutenio en el Aglutinante (sustrato X22):

[0031] De acuerdo con la norma ISO sobre la calidad del sustrato de materiales de herramienta de corte, X22 está cerca de un grado de tenacidad K30. Se muestran en la Tabla 1 las composiciones químicas de los polvos metálicos X22. Las composiciones principales de tales materiales en polvo incluyen WC, Ca y Ru. Algunas de las propiedades mecánicas de los

10 carburos de tungsteno sinterizados también se listan en la Tabla 1.

Tabla 1

Composición Química del Sustrato (% en peso) WC Ca Ru: Tamaño Medio de Grano (IJm) Resistencia a Rotura Transversal (N/lJm2) Densidad (g/cm3) Dureza (HRA)

90,8 8,0 1,20: < 1 3500 ' . - 14,55 92,0

[0032] Los polvos metálicos en los porcentajes en peso que se muestran en la Tabla 1 se

15 dosificaron y se mezclaron en húmedo por un molino de bolas durante un período de 72 horas. Después del secado, las composiciones mezcladas fueron comprimidas en cuerpos dimensionados en crudo del inserto de corte diseñado bajo una presión de 1 a 2 tons/cm2. Luego, los cuerpos en crudo compactados de los insertos de corte de carburo de tungsteno fueron sinterizados, o sometidos a tratamiento térmico en un horno para cerrar los poros en los

20 cuerpos en crudc:> y construir la unión entre las partículas duras para aumentar la resistencia y dureza.llEn particular, para reducir eficazmente la micro-porosidad del sustrato sinterizado y asegurar la calidad consistente de sinterización de los insertos de corte de carburo X22 ™ con Ru añadido, se usó el sinter-HIP, es decir, proceso de sinterización de alta presión, para introducir una fase de presión después del ciclo de desparafinado, presinterización y

25 sinterizado por nitrógeno (N2) a baja presión. El procedimiento de sinterización de insertos de corte de carburo X22 ™con Ru añadido con los siguientes parámetros en los principales pasos del proceso:

el ciclo de desparafinado comenzó a temperatura ambiente con una velocidad de rampa 30

de 2°C I min hasta alcanzar una temperatura de 400°C y luego se mantuvo a esta temperatura durante aproximadamente 90 minutos;

el ciclo de presinterización, que descompone los óxidos de Co, WC, Ti, Ta, Nb, etc, se inició con una velocidad de rampa de 4°C / min hasta alcanzar una temperatura de 1200°C y luego se mantuvo a esta temperatura por un período adicional de 60 minutos;

el gas nitrógeno a baja presión (N2) se introdujo a 1350°C durante la rampa de temperatura desde 1200°C a 1400°C / 1450°C, es decir, la temperatura de sinterización, y luego se mantuvo a esta temperatura de sinterización 1400°C / 1450°C a una presión de aproximadamente 2 torrs durante aproximadamente 30 minutos;

el proceso de sinterización HIP se inició entonces, a la temperatura de sinterización, es decir, 1.400°C / 1450°C, durante el proceso se introdujo esa presión de argón (Ar) y se elevó a 760 psi en 30 minutos, y entonces la presión del proceso sinter-HIP se mantuvo a esta presión durante 30 minutos adicionales y, por último

el ciclo de enfriamiento se llevó a cabo para que los cuerpos en crudo calentados de los insertos de corte de carburo X22 ™ se enfríen a temperatura ambiente, mientras estaban en el interior del horno.

[0033] Los insertos de corte de carburo X22 ™con Ru añadido producido por este proceso se contrajeron al tamaño sinterizado deseado y se convirtieron en no porosos.

Ejemplo 2 -Muestra Recubierta por PVD de Inserto de Carburo de Tungsteno con 13% en peso de Rutenio en el Aglutinante (sustrato X44):

[0034] Se prepararon materiales de polvo metálico en los porcentajes en peso mostrados en la Tabla 2. Las composiciones principales de tales materiales en polvo incluyen WC, TiC, TaC, NbC. Co y Ru. Algunas de las propiedades mecánicas de los carburos de tungsteno sinterizado también se listan en la Tabla 2.

Tabla 2

Composición Química Sustrato (% en peso) WC TiC TaC NbC Ru: del Co Tamaño Medio de Grano (IJm) Resistencia a Rotura Transversal (N/lJm2) Densidad (g/cm3) Dureza (HRA)

67,2 10 7 2 1,80: 12 1 -2 2300 11,70 91,4

[0035] Los polvos metálicos con composiciones como se define en la Tabla 2 se dosificaron y

se mezclaron en húmedo en un molino de bolas durante un período de 72 horas. Después del secado, las composiciones mezcladas fueron comprimidas en cuerpos dimensionados en crudo del inserto de corte diseñado bajo una presión de 1 a 2 tons/cm2•• Luego, los cuerpos en crudo compactados de los insertos de corte de carburo de tungsteno fueron sinterizados, o sometidos a tratamiento térmico en un horno para cerrar los poros en los cuerpos en crudo y construir la unión entre las partículas duras para aumentar la resistencia y dureza. En particular, para reducir eficazmente la micro-porosidad del sustrato sinterizado y asegurar la calidad consistente de sinterización de los insertos de corte de carburo X44 ™ con Ru añadido, se usó el sinter-HIP, es decir, proceso de sinterización de alta presión, para introducir una fase de presión después del ciclo de desparafinado, presinterización y sinterizado al vacío. El procedimiento de sinterización de insertos de corte de carburo X44 ™ con Ru añadido con los siguientes parámetros en los principales pasos del proceso:

el ciclo de desparafinado comenzó a temperatura ambiente con una velocidad de rampa de 2°C / min hasta alcanzar una temperatura de 400°C y luego esta temperatura se mantuvo durante 90 minutos adicionales;

el ciclo de presinterización, que descompone los óxidos de Ca, WC, Ti, Ta, Nb, etc, se inició con una velocidad de rampa de 4°C / min hasta que la temperatura alcanzó los 1200°C y.luego esta temperatura se mantuvo durante aproximadamente 60 minutos;

el ciclo de vacío comenzó entonces a una temperatura de 1350°C durante el proceso de aumento gradual de temperatura del ciclo de presinterización desde 1200°C a 1400°C / 1450°C, y luego se mantuvo a esta temperatura de sinterización durante unos 30 minutos;

el proceso sinter-HIP se inició entonces, a la temperatura de sinterización, es decir, aproximadamente 1400°C /1450°C, durante el proceso se introdujo gas argón (Ar) y se aumento la presión a 760 psi en 30 minutos, y luego el proceso sinter-HIP se mantuvo a esta presión durante 30 minutos adicionales, y

el ciclo de enfriamiento se llevó a cabo para que los cuerpos en crudo calentados de los insertos de corte de carburo X44 ™ se enfríen a temperatura ambiente, mientras estaban en el interior del horno.

0036] Así los insertos de corte de carburo con Ru añadido X44 ™ obtenidos se contrajeron al tamaño deseado sinterizado y se convirtieron en no porosos. Después del proceso de sinterización, los insertos de corte de carburo de tungsteno sinterizados pueden ser desbastados y el borde afilado para convertirse en productos finales terminados sin recubrir.

Después del proceso de sinterización, los insertos de corte de carburo de tungsteno sinterizados se pueden desbastar y el borde afilar para estar listos para el pre-tratamiento de superficie y la operación de recubrimiento por PVD.

5 [0037] El proceso de recubrimiento PVD para este sustrato X44 1M es una sola capa con una composición de material de recubrimiento de nitruro de aluminio titanio o AlTiN. Antes del recubrimiento por PVD, la superficie de los insertos de corte de carburo X44 fue chorreada para proporcionar una superficie mejor preparada. El recubrimiento por PVD es de alrededor de 4 micras de espesor en la superficie de los insertos de corte de carburo con Ru añadido X44.

10 Ejemplo 3 -Resultados de la prueba comparativa de los insertos de fresado de alta velocidad de avance:

[0038] Una serie de insertos de corte de fresado con la misma forma de inserto y geometría de

15 la parte superior, descritas de acuerdo con la norma ASTM-D como XDLW120508SR, fue seleccionada como la insertos de ensayo para comparar el rendimiento de mecanizado de diferentes tipos de insertos de corte incluyendo el de sustrato con Ru añadido proporcionado en esta invención. Con base en la norma ISO, el inserto XDLW120508SR-Dpuede ser descrito como una forma especial, como se muestra en la Figura 1A, 16 Y 1C, con 12 mm de diámetro,

20 5,56 mm de espesor y lateral único con un ángulo de desahogo de 15 grados. Las realizaciones de los insertos de corte 10 tienen bordes cortantes 11, una superficie superior 12, paredes laterales 13 y esquinas de entrada 14. Tales insertos de corte se utilizan habitualmente para operaciones de fresado de alto rendimiento con altas velocidades de avance. La descripción detallada de los insertos de ensayo se presenta abajo en la tabla 3.

Insertos de Corte de Carburo: Composición Rutenio (porcentual en peso) Dureza (HCA) % en peso de Ru en la fase aglutinante

X44 con recubrimiento PVD AICrN: 1,8 91,4 13%

X44 con recubrimiento PVD AITiN: 1,8 91,4 13%

T14A con recubrimiento PVD AICrN: O 91,3 O

T14A con recubrimiento PVD AITiN: O 91,3 O

X500 con recubrimiento PVD Ti N-TiC-TiN: 1,4 89,5 - 14,7%

Tabla 3: Insertos de Fresado usados en el Ensayo Comparativo

[0039] En la tabla 3, T14A es también una designación comercial de productos de herramientas

de corte Stellram. T14A es un sustrato de carburo sin rutenio incluido en el aglutinante. La dureza del sustrato T14A es muy parecida a la del sustrato X44. Las condiciones de corte utilizadas en el ensayo se muestran a continuación.

Velocidad de corte: Vc = 147 m I min Velocidad de avance: Fz = 1 mm I z Profundidad de corte: DOC = 2 mm

Material de trabajo: acero 4340 con una dureza de 375 HB

[0040] Los resultados comparativos de ensayo se muestran en la Figura 2. Durante el ensayo, se midió el desgaste de herramienta para cada inserto de corte en un intervalo de tiempo prescrito hasta que el desgaste alcanzó un cierto nivel que indica el fallo de la herramienta. Todos los valores en la Figura 2 se basaron en el promedio de los ensayos repetidos de mecanizado.

[0041] Se desprende claramente de los resultados de este ensayo comparativo, que los insertos de corte de carburo con Ru añadido recubiertos por PVD muestran el mejor rendimiento de corte en términos de vida de la herramienta, por ejemplo, un inserto de corte con Ru añadido recubierto por PVD una vida 55% más larga con recubrimiento X44-AICrN PVD que con T14A-AICrN PVD, y una vida útil un 245% mayor de x44-AITiN PVD que con T14AAITiN PVD. Los insertos de corte con Ru añadido recubiertos por PVD proporcionados en esta invención superan a los que tienen el mismo sustrato con Ru añadido, pero con recubrimientos CVD, así como a aquéllos con recubrimientos PVD, pero sin sustrato con Ru añadido.

[0042] Se apreciará por los expertos en la técnica que la presente invención proporciona determinados parámetros de ensayo, condiciones y características relativos a composiciones y métodos específicos para las características de las herramientas de corte con Ru añadido. Estos parámetros, condiciones y características proporcionan un enfoq.ue para mejorar las propiedades, como la vida de la herramienta de un inserto de corte determinado. También será apreciado por los expertos en la técnica que podrían hacerse cambios a las realizaciones descritas en este documento sin apartarse del concepto amplio de la invención. Se entiende, por tanto, que esta invención no se limita a las realizaciones particulares descritas, sino que se destina a cubrir modificaciones que están dentro del alcance de la invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

Reivindicaciones

1. Una herramienta de corte, que comprende:

un sustrato de carburo cementado, donde el sustrato se compone de partículas duras y

un aglutinante, y el aglutinante comprende rutenio y cobalto, en donde la concentración

de rutenio en el aglutinante es del 10% al 15% en peso, y

al menos un recubrimiento en al menos en una parte del sustrato, en donde el

recubrimiento tiene las características de un recubrimiento aplicado por deposición

física de vapor.
2.

La herramienta de corte de la reivindicación 1, en donde el recubrimiento tiene un espesor de 1 a 10 micras.
3.

La herramienta de corte de la reivindicación 1, en donde el aglutinante comprende además al menos uno de hierro y níquel.
4.

La herramienta de corte de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el al menos un recubrimiento comprende al menos uno de un carburo cementado, un nitruro metálico, un silicio metálico y un óxido metálico de un metal seleccionado entre los grupos lilA, IVS, VS, y VIS de la tabla periódica.
5.

La herramienta de corte de la reivindicación 4, en donde el recubrimiento comprende al menos uno de nitruro de titanio (TiN), carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro de titanio aluminio (TiAIN), nitruro de titanio aluminio más carbono (TiAIN + C), nitruro de aluminio titanio (AITiN ), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de titanio aluminio más carburo de tungsteno I carbono (TiAIN + WC I C), nitruro de aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de aluminio titanio más carburo de tungsteno I carbono (AITiN + WC I C), óxido de aluminio (A120 3), diboruro de titanio (TiB2), carburo de tungsteno carbono. (WC / C), nitruro de cromo (CrN) y nitruro de aluminio cromo (AICrN).
6.

La herramienta de corte de la reivindicación 5, en donde el al menos un recubrimiento tiene un espesor de 2 a 6 micras.
7.

La herramienta de corte de la reivindicación 5, en donde el al menos un recubrimiento comprende múltiples capas.
8.

La herramienta de corte de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las partículas duras son al menos uno de carburos metálicos, nitruros, boruros, siliciuros, óxidos y

soluciones sólidas de ellos.
9.

La herramienta de corte de la reivindicación 8, donde el metal de los carburos metálicos, nitruros, boruros, siliciuros, óxidos y sus soluciones sólidas es al menos uno de titanio, cromo, vanadio, circonio, hafnio, tántalo, molibdeno, niobio y tungsteno.
10.

La herramienta de corte de la reivindicación 9, donde la composición química del sustrato comprende 90,8% de carburo de tungsteno, 8,0% de cobalto y 1,2% de rutenio en peso, y en el que el sustrato tiene una resistencia a la rotura transversal de 3500 N/~m2, una densidad de

14,55 g I cm, una dureza de 92,0 HRA Y un tamaño de grano promedio de <1 ~m.
11 . La herramienta de corte de la reivindicación 9, donde la composición química del sustrato comprende 67,2 % de carburo de tungsteno, 10 % de carburo de titanio, 7% de carburo de tantalio, 2% de carburo de niobio, 12% de cobalto y 1,8% de rutenio en peso, y en donde el sustrato tiene una resistencia a la rotura transversal de 2300 N/~m2, una densidad de 11,70 g/cm3, luna dureza de 91,4 HRA Y un tamaño medio de grano de 1-2 ~m.
12.

Un método de recubrir un sustrato, que comprende:

aplicar un recubrimiento sobre un sustrato de carburo cementado por deposición física de vapor, donde el sustrato comprende unas partículas duras y un aglutinante y el aglutinante comprenderutenio y cobalto; la concentración de rutenio en el aglutinante es desde 10% a 15% en peso.
13.

El método de la reivindicación 12, en el recubrimiento tiene un espesor de 1 a 10 micras.
14.

El método de la reivindicación 12, en donde el aglutinante comprende además al menos uno de hierro y níquel
15.

El método de la reivindicación 12, donde la composición química del sustrato comprende 90,8% de carburo de tungsteno, 8,0% de cobalto y 1,2% rutenio en peso, y en el que el sustrato tiene una resistencia a la rotura transversal de 3500 N/~m2, una densidad de 14,55 g/cm3, una dureza de 92,0 HRA Y un tamaño de grano promedio de <1 ~m.
16.

El método de la reivindicación 12, donde la composición química del sustrato comprende 67,2% de carburo de tungsteno, 10% de carburo de de titanio, 7 % de carburo de tantalio, 2% de carburo de niobio, 12% de cobalto y 1,8% de rutenio en peso, yen el que el sustrato tiene

una resistencia a la rotura transversal de 2300 N/IJm2, una densidad de 11,70 g/cm3, una dureza de 91,4 HRA Y un tamaño de grano promedio de 1-2IJm.
17. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, que comprende además:

el tratamiento del substrato antes de recubrir el sustrato.
18.

El método de la reivindicación 17, en donde el tratamiento del substrato antes de la aplicación comprende al menos uno de pUlido electrolítico, microdecapado, chorro húmedo, desbastado, cepillado, abrasión por chorro y limpieza de chorro de aire comprimido.
19.

El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, en el que un recubrimiento se forma en al menos una parte del sustrato, comprendiendo además:

el tratamiento del recubrimiento sobre el sustrato.
20.

El método de la reivindicación 19, caracterizado porque el tratamiento del recubrimiento sobre el sustrato comprende al menos uno de granallado, chorro de aire comprimido, y cepillado.
21.

El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20, que comprende además la aplicación de recubrimientos adicionales sobre el sustrato por deposición física de vapor.
22.

El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 21, que comprende además la aplicación de recubrimientos adicionales sobre el sustrato por deposición quimica de vapor.
23.

El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22, en donde el recubrimiento comprende al menos uno de un carburo metálico, un nitruro metálico, un silicio metálico y un óxido metálico de un metal seleccionado de los grupos lilA, IVS, VS, y VIS de la tabla periódica.
24.

El método de la reivindicación 23, en donde el recubrimiento comprende al menos uno de nitruro de titanio (TiN), carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro de titanio aluminio (TiAIN), nitruro de titanio aluminio más carbono (TiAIN + C), nitruro de aluminio titanio (AITiN) , nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de titanio aluminio más carburo de tungsteno I carbono (TiAIN + WC/C), de nitruro aluminio titanio (AITiN), nitruro de aluminio titanio más carbono (AITiN + C), nitruro de aluminio titanio más carburo de tungsteno I carbono (AITiN +

WC/C), óxido de aluminio (Ab03), diboruro de titanio (TiB2), carburo de tungsteno carbono (WC/C), nitruro de cromo (CrN) y nitruro de aluminio cromo (AICrN).
25. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 24, en el que el recubrimiento tiene un espesor de 2 a 6 micras.

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