Nuevos enfoques para el recubrimiento de bordes de herramientas (Parte 1)

Las herramientas de corte están sometidas a tensiones especialmente elevadas en la zona del filo. Por este motivo, desde hace décadas se aplican recubrimientos antidesgaste para proteger los filos. La estabilidad de un filo recubierto depende de su geometría específica, la rugosidad, el material a mecanizar y el sistema de recubrimiento a aplicar. Este trabajo aborda la investigación de sistemas de recubrimiento multicapa basados en AlCrN y procesos de recubrimiento por arco catódico en vacío, que permiten reducir el radio del filo de corte durante la deposición del recubrimiento. Esto debería permitir en el futuro tener en cuenta radios iniciales más elevados a la hora de seleccionar herramientas y ofrecer soluciones de recubrimiento que cumplan los requisitos con una geometría de filo libremente ajustable.

Las herramientas para aplicaciones de corte están sometidas a cargas especialmente elevadas en la zona del filo. Por este motivo, desde hace décadas se aplican capas de protección contra el desgaste para proteger los filos. La estabilidad de un filo recubierto depende de parámetros como la geometría del filo, la rugosidad, el material a mecanizar y el sistema de material de recubrimiento a aplicar. Este trabajo aborda la investigación de sistemas multicapa basados en AlCrN y procesos de recubrimiento por arco catódico, que permiten reducir el radio del filo durante el proceso de deposición. De este modo, debería ser posible considerar radios iniciales más elevados a la hora de seleccionar las herramientas y ofrecer soluciones de recubrimiento con una geometría de filo libremente ajustable.

1 Características básicas del recubrimiento por plasma

Fig. 1: Ilustración de los efectos del recubrimiento; izquierda: efecto geométrico debido al sombreado de las características de la línea de visión de los procesos PVD; derecha: efecto de campo en un borde afilado con tensión de polarización aplicada -UBias según [7] y [16]El recubrimiento de geometrías complejas, como las que se encuentran en herramientas de corte de todo tipo, sigue causando problemas a los proveedores de recubrimientos. Mientras que la deposición de recubrimientos sobre sustratos sencillos, como componentes planos, tiras o cilindros, suele dar lugar a una distribución relativamente homogénea y uniforme del espesor del recubrimiento a lo largo de la superficie, la distribución del espesor del recubrimiento sobre superficies angulares, puntiagudas o perforadas depende en gran medida de la posición respectiva en la superficie de la muestra. Además de las características lineales de los procesos de PVD (relación de aspecto en el caso de los orificios, ángulo de apertura en el caso de los engranajes, alineación de las superficies con respecto al flujo de partículas incidente), las variables que influyen en este comportamiento vienen determinadas principalmente por el campo eléctrico y las propiedades del plasma.

1.1 Investigaciones sobre la influencia de la geometría

Fig. 2: Diagrama de zonas: representación de la cobertura de los bordes en función de la tensión de polarización y del ángulo de los bordes [8-10]El proceso y el desarrollo del recubrimiento se llevaron a cabo utilizando la tecnología de arco en vacío de corriente continua (CAE) establecida con un sistema de recubrimiento industrial del tipo MR313 de Metaplas Ionon en Bergisch-Gladbach(Fig. 3). El sistema de recubrimiento puede funcionar con dos evaporadores en paralelo, utilizándose en este trabajo un evaporador rectangular controlado por campo magnético y un evaporador redondo controlado por campo magnético (para más datos, véase la Tabla 2).

véase la Tabla 2).

 

Los materiales de evaporación enumerados en la Tabla 2 se producen todos por pulvimetalurgia, a excepción del cátodo rectangular de Ti producido por metalurgia de fusión, y todos están disponibles comercialmente.

El conjunto de muestras utilizado en este trabajo(Fig. 4) consistió en muestras planas (metal duro, dimensiones 20 × 10 × 3 mm) y muestras modelo para la medición de bordes (metal duro, 3 bordes cortantes, Ø 8 mm) para cada revestimiento.

 

Mientras que las muestras planas se utilizan para los análisis básicos de la composición química, las tasas de deposición o la composición de las fases, las muestras de corte se utilizan principalmente para evaluar el recubrimiento de los bordes y para medir los bordes recubiertos. Los sustratos pueden ajustarse en una rotación definida con velocidad de rotación ajustable y múltiples ejes de rotación mediante un engranaje planetario.

 

Antes del recubrimiento propiamente dicho, se llevó a cabo una limpieza química en húmedo en baños Galvex 17.30 SUP con ultrasonidos y en agua desionizada durante unos minutos, seguida de una fase de secado con corriente de aire seco. Tras la instalación y evacuación de la cámara de revestimiento, las muestras se exponen a bombardeo de electrones para su calentamiento antes de someterse a una nueva limpieza o eliminación de zonas no conductoras en la muestra mediante pulverización catódica de iones de titanio y una descarga luminosa asistida por arco (AEGD).

Fig. 3: Sistema de recubrimiento MR313 en el IWS, izquierda: Esquema de una cámara de recubrimiento, derecha: foto

Tabla 3: Parámetros del proceso y sus ajustes

Una vez preparadas las superficies, se deposita una capa de adherencia de TiN de unos pocos nanómetros de espesor para garantizar la adherencia entre el material base y la capa funcional. Las capas funcionales se depositan utilizando los materiales catódicos y los parámetros de recubrimiento especificados en las Tablas 2 y 3.

Para la caracterización completa del recubrimiento se dispuso de los métodos de análisis de la Tabla 4.

Fig. 4: Conjunto de muestras (izquierda: muestra plana; derecha: geometría de tres bordes, A = 5 µm; 10 µm; 15 µm)

Tab. 4: Métodos de análisis y dispositivos utilizados

3 Resultados y discusión

3.1 Análisis químico y estructural

Fig. 5: Relación Al:Cr en función de la tensión de polarizaciónLarelación Al:Cr es de especial interés cuando se analizan las capas depositadas (aquí sobre sustratos planos). Esta relación es función de los parámetros del proceso y permite variar las fases cristalinas de la capa modificando la relación. A continuación se muestra el gráfico(Fig. 5) de la relación Al:Cr frente a la tensión de polarización negativa aplicada de diversas variantes de recubrimiento y deposición.

3.2 Velocidad de recubrimiento sobre sustratos planos

Fig. 6: Difractograma del sistema de recubrimiento AlCrSiN/TiN 66:29:5, presión N2 5 PaLavelocidad de recubrimiento o de deposición escaracterísticade cada proceso de recubrimiento. Este valor indica el espesor de recubrimiento que puede alcanzarse en una determinada unidad de tiempo en las respectivas condiciones de proceso. En función de la tensión de polarización aplicada al sustrato, pueden extraerse conclusiones sobre la capacidad de recubrimiento de geometrías complejas, ya que las mayores intensidades de campo actúan sobre todo en las puntas, esquinas y bordes debido a los efectos en el campo eléctrico(Fig. 1). La situación es similar en zonas cóncavas, depresiones, agujeros, etc., salvo que la tensión de polarización efectiva es inferior a la tensión de polarización real.

Para varios sistemas de recubrimiento con una estructura monocapa o nanocapa, la velocidad de recubrimiento se determinó utilizando la tensión de polarización negativa aplicada(Fig. 7).

 

Fig. 7: Variación de la velocidad de recubrimiento de diferentes sistemas de recubrimiento en función de la tensión de polarización negativa aplicada al sustrato. En lossistemas de recubrimiento monocapa convencionales, como el CrN, se produce una disminución lineal de la velocidad de recubrimiento con el aumento de la tensión de polarización. Por encima de un umbral de tensión, no se aplica más recubrimiento; en su lugar, el sustrato se ablaciona debido a que las partículas de recubrimiento inciden con alta energía. La situación es diferente con el sistema binario AlCrN. En este caso, la tasa de recubrimiento apenas disminuye incluso al aumentar el voltaje a partir de -300 V aproximadamente. Esto significa que se puede aplicar un recubrimiento incluso a tensiones más altas. Esto resulta especialmente evidente con sistemas de recubrimiento de nanocapas como AlCrSiN/TiN. En este caso, el funcionamiento simultáneo de los dos evaporadores da lugar a una estructura de recubrimiento en capas, que presenta mayores velocidades de deposición y menor hundimiento en comparación con los sistemas monocapa. El cambio en la velocidad de deposición indica la aparición de la fase hexagonal AlN a partir de una tensión de polarización superior a 500 V(Fig. 6 y Fig. 7).

 

Aunque el estado actual de la técnica permite recubrimientos fieles al contorno dentro de unos límites estrechos, se evitan las tensiones de polarización elevadas, ya que pueden provocar alteraciones en la estructura de la capa(Fig. 8, centro), sobre todo en los bordes. Además, en la práctica industrial el grosor del revestimiento suele limitarse a unos pocos micrómetros para evitar el redondeo de los bordes (aumento del radio de los bordes), que se produce con tensiones de polarización muy bajas o nulas(Fig. 8, izquierda). Con el sistema de recubrimiento desarrollado en colaboración entre la TU Dresden y el Fraunhofer IWS y el efecto de afilado(Fig. 8, derecha), es posible ampliar considerablemente el estado actual de la técnica.

Fig. 8: Comparación del estado actual de la técnica con el nuevo sistema de recubrimiento; izquierda: fuerte redondeo del borde a 0 V de polarización; centro: Desprendimiento en el borde ya a -300 V de polarización; derecha: nuevo sistema de recubrimiento con formación de un borde afilado a -900 V.