Materiales de Corte en la Industria: Propiedades, Aplicaciones y Recubrimientos

Acero Rápido

El acero rápido se utiliza para el mecanizado sin arranque de viruta y para herramientas de extrusión y troquelado. Las propiedades características de todos los aceros rápidos son: gran dureza útil, elevada resistencia al desgaste, elevada resistencia al revenido, dureza en caliente y buena tenacidad. En la aleación, sus componentes tienen sobre el material los siguientes efectos:

• Carbono: aumenta la resistencia al desgaste.
• Tungsteno y Molibdeno: mejoran la dureza en caliente.
• Vanadio: aumenta la resistencia al desgaste en caliente.
• Cromo: garantiza el temple total.
• Cobalto: mejora la dureza en caliente.
• Aluminio: mejora la resistencia al revenido.

Acero Rápido Micrograno

Se fabrica por pulvimetalurgia, a partir de polvo de componentes de la aleación, de máxima pureza, y se fabrica en un proceso de difusión bajo presión y temperatura. Es un acero rápido homogéneo, sin segregación y con propiedades isotrópicas: resistencia al desgaste, a la dureza en caliente y a la compresión. Entre sus aplicaciones podemos encontrar:

• Herramientas para el arranque de viruta de materiales metálicos no férreos: fresas cilíndricas, fresas de disco, herramientas de brochar, machos para roscar, brocas espirales, escariadores, etc.
• Herramientas para esfuerzos de compresión extrema: punzón cortador, punzón de conformado, troqueles.

Características de los Aceros Rápidos

• Resistencia a la abrasión: la dan los carburos presentes, ejemplo: carburos de vanadio.
• Tenacidad: suelen ser más tenaces.
• Dureza en caliente: actúa el cobalto que enriquece la matriz.
• Aptitud al rectificado: facilidad con que una herramienta tratada a su máxima dureza puede rectificarse.
• Maquinabilidad: depende del tipo de carburos.
• Seguridad de temple.

Metal Duro

Óxidos, carburos, nitruros y diamante.

Fabricación del Metal Duro para Herramientas de Corte

Es un producto pulvimetalúrgico, fabricado con la mezcla de carburos distintos. Las diferentes calidades están determinadas por: tipo y tamaño del grano, tipo y proporción del aglomerante, técnica de fabricación y calidad.

Metal Duro Recubierto

El recubrimiento prolonga la vida del filo de corte, genera más productividad y un flujo de virutas más abierto. Actúa como un lubricante permanente, reduciendo en un alto porcentaje las fuerzas de corte, la generación de calor y el desgaste. Permite utilizar velocidades de corte más altas. Las herramientas están recubiertas de 1 a 4 capas. La primera es de nitro-carburo de titanio, la segunda de carburo de titanio, la tercera de óxido de aluminio. También hay herramientas recubiertas de diamante y su resistencia es mucho mayor.

Cermet

Son metales duros con base de titanio. Existen tres tipos:

• Con material base de carburo de titanio.
• Con material base de nitruro de titanio.
• Combinados de carburo de titanio-nitruro de titanio.

Las características principales de las herramientas de cermet son: resistencia al desgaste a velocidades altas, filo de aportación y formación de cráteres mínimos, dureza, menor conducción térmica, mayor resistencia a la fractura, mejor acabado superficial, alta resistencia al desgaste, vida de herramienta más larga, costes más bajos.

Nitruro de Boro Cúbico (CBN)

El nitruro de boro cúbico es el segundo material para herramientas de corte más duro, después del diamante. Tiene muy buen corte, resistencia al desgaste y buena estabilidad química. Se fabrica a gran temperatura y presión para unir los cristales de boro con aglomerante cerámico o metálico. Las partículas se orientan sin orden y forman una estructura policristalina muy densa. Alterando el tamaño del cristal, las propiedades del CBN varían, proporcionando así distintas calidades. Los materiales a mecanizar sobre los que suelen aplicarse herramientas CBN son: aceros forjados, aceros y fundiciones endurecidas, piezas con superficies endurecidas, metales pulvimetalúrgicos, rodillos de laminación, aleaciones de alta resistencia al calor. Cuando el CBN es producido en combinación con un aglomerante cerámico, se obtiene mejor estabilidad química y mayor resistencia al desgaste, pero menor tenacidad. Para mecanizar con CBN se recomiendan velocidades de corte altas y avances pequeños.

Diamante Policristalino (PCD)

Es un diamante sintético logrado por un proceso de sinterizado a altas temperaturas y presiones. Tiene una gran resistencia al desgaste y dureza uniforme en cualquier dirección. Esa dureza proporciona una resistencia al desgaste por abrasión. La vida de estas herramientas puede ser muy larga. Este material tiene algunos defectos: en la zona de corte la temperatura no debe exceder de 600 ºC, no se puede utilizar sobre materiales férreos y tampoco en materiales tenaces con alta resistencia a la tracción.

El PCD es adecuado para el mecanizado de piezas de aluminio y para otros materiales. Por su gran fragilidad natural, para poder mecanizar con PCD son necesarias condiciones muy concretas: gran estabilidad de las máquinas y herramientas rígidas y grandes velocidades.

Recubrimientos

Se usan recubrimientos para aumentar la resistencia al desgaste y reducir la fricción en la superficie. Existen distintos métodos:

• Deposición Física de Vapor (PVD).
• Deposición Química de Vapor (CVD).
• Proceso QQC mediante láser y dióxido de carbono.

PVD (Deposición Física de Vapor)

La deposición física de vapor es un material en su fase de vapor en una cámara de vacío, condensándose en forma de película muy delgada. Se utiliza para aplicar una amplia gama de materiales de recubrimiento. Todos los procesos de PVD cumplen con los pasos siguientes: síntesis del vapor de recubrimiento, transporte del vapor al sustrato y condensación de los vapores sobre la superficie del sustrato. Se generan varios procesos de PVD agrupados en tres tipos principales:

• Evaporación en vacío.
• Bombardeo de partículas atómicas.
• Recubrimiento iónico.

Evaporación al Vacío

Está basado en la posibilidad de depositar materiales sobre un sustrato, transformándolos primero a vapor en una cámara de vacío y después su condensación en la superficie del sustrato a recubrir.

CVD (Deposición Química de Vapor)

La deposición química de vapor implica la interacción entre una mezcla de gases y la superficie del sustrato calentado. Como ventajas:

• Posibilidad de depositar materiales refractarios a temperaturas por debajo de sus puntos de fusión o sinterizado.
• Posibilidad de controlar el tamaño del grano.
• Realización del proceso a presión normal del ambiente.
• Óptima adherencia del recubrimiento a la superficie del sustrato.

Como desventajas:

• Necesidad de una cámara cerrada, al igual que equipo de bombeo y disposición especial.
• Algunos ingredientes para la reacción son costosos.
• Bajo porcentaje de utilización del material.

Materiales y Reacciones

Incluyen titanio, vanadio, tungsteno, molibdeno y el tantalio. Compuestos: TiC, TiN, Al₂O₃, etc. Gases: MXx, MCIx, etc.

Proceso QQC

Este proceso crea una película de diamante usando energía láser y dióxido carbónico como fuente de carbono. Se direcciona energía láser al sustrato para movilizar, vaporizar y reaccionar con el elemento primario, favoreciendo el cambio de la estructura cristalina del sustrato. Las principales ventajas son las siguientes:

• Mejor adhesión y menores esfuerzos para formar una unión metalúrgica entre el diamante y el sustrato.
• Puede realizarse a la atmósfera y no requiere de vacío.
• Las zonas a recubrir no requieren tratamiento o calentamiento previos.
• El dióxido carbónico es fuente primaria o secundaria de carbono.
• La velocidad de deposición del diamante es >1µ/s.
• Puede utilizarse para una extensa gama de materiales.