Materiales para Herramientas de Corte: Propiedades, Tipos y Aplicaciones Industriales

Materiales Esenciales para Herramientas de Corte: Propiedades Clave

Para la fabricación de herramientas, es fundamental considerar diversas propiedades que aseguren su rendimiento y durabilidad. Estas se dividen principalmente en mecánicas y térmicas:

Propiedades Mecánicas

• Dureza a elevada temperatura: Capacidad de mantener la dureza incluso a altas temperaturas de trabajo.
• Alta resistencia: Capacidad de absorber energía sin deformarse permanentemente.
• Resiliencia: Capacidad de absorber energía en la zona elástica y recuperarla.
• Elevada resistencia al desgaste: Fundamental para prolongar la vida útil de la herramienta.
• Coeficiente de rozamiento reducido: Minimiza la fricción y el calor generado durante el corte.
• Costo: Un factor importante en la selección del material.

Propiedades Térmicas

• Alta conductividad: Para alcanzar rápidamente el equilibrio térmico y disipar el calor.
• Calor específico y coeficiente de dilatación adecuados: Para un comportamiento estable ante variaciones de temperatura.

Tipos de Materiales para Herramientas de Corte

Aceros al Carbono: Fundamentos y Aplicaciones Específicas

Los aceros al carbono son una opción básica para ciertas aplicaciones:

• Composición: Hierro (Fe) + Carbono (C) (0.7-1.5%), Silicio (Si) (0.1-0.4%), Manganeso (Mn) (0.1-0.4%).
• Características: Gran tenacidad.
• Limitación: Pierden su dureza a partir de los 200 °C.
• Aplicación: Se utilizan en casos excepcionales, como el mecanizado de cordones de soldadura.

Aceros Rápidos (HSS): Rendimiento en Altas Temperaturas

Los aceros rápidos son conocidos por su capacidad de mantener la dureza en caliente:

• Dureza en caliente: Mantienen bien su dureza hasta los 500-550 °C (55-59 HRC).
• Composición típica: 18% Wolframio (W), 4% Cromo (Cr), 1% Vanadio (V); Carbono (C) (0.7-0.9%).
• Base: Basados en la aleación con Wolframio (12-21%).
• Aleantes adicionales:
  • Cromo (Cr) (2-4.5%): Aumenta la dureza y la resistencia a la oxidación en caliente, favorece el temple.
  • Vanadio (V) (0.8-2.5%): Afina el grano, mejora la resistencia a la abrasión.
  • Molibdeno (Mo) (0.5-1.1%): Reduce la fragilidad.
  • Cobalto (Co) (2.5-17%): Aumenta la velocidad crítica de temple y la disolución de carburos.

Aleaciones Duras No Ferrosas (Estelitas): Alta Resistencia al Desgaste

Las estelitas ofrecen una resistencia superior a los aceros rápidos:

• Obtención: Por fusión de Cobalto (Co) (40-50%), Cromo (Cr) (27-32%) y Wolframio (Wo) (14-19%), junto con otros aleantes.
• Ejemplo: El más conocido es la estelita (60-65 HRC), con un contenido de Carbono (C) del 2%.
• Rendimiento: Permiten velocidades de corte hasta 3 veces superiores a las de los aceros rápidos.
• Presentación: Presentadas en forma de plaquitas, solamente mecanizables por abrasión.
• Diseño de herramienta: El cuerpo de la herramienta es de acero al Carbono (0.5%) de elevado límite elástico.
• Fijación: Diseñada para que la plaquita esté solicitada casi siempre solo a compresión y no a flexión o torsión.
• Rango de utilización: 500-800 °C.

Carburos Metálicos (Metal Duro, Widia): Dureza Extrema y Resistencia

Los carburos metálicos son sinónimo de alta dureza y resistencia:

• Composición: Basados en el carburo de Tungsteno (W) (75-90%) y Cobalto (Co) (6-12%) como ligante.
• Dureza: Muy alta dureza hasta los 900 °C.
• Resistencia a compresión: Alta (400-600 daN/mm²).
• Resistencia al desgaste y corrosión: Excelente.
• Resistencia al choque: Escasa.
• Conductividad: Similar conductividad térmica a los aceros.
• Obtención: Por sinterizado.
• Mejora: Los carburos de Titanio (Ti) añadidos proporcionan una óptima resistencia a la abrasión debido a su fina estructura.

Carburos Metálicos Recubiertos: Innovación para Mayor Durabilidad

La tecnología de recubrimientos ha mejorado significativamente el rendimiento de los carburos metálicos:

• Introducción: A partir de 1969.
• Producción: Por deposición química en estado gaseoso (CVD).
• Beneficio principal: Revestimiento que aumenta la resistencia al desgaste (5-20 µm).
• Impacto: Reduce las dos causas principales de deterioro de la herramienta: el calor de rozamiento con la viruta y con la pieza.
• Vida útil: Aumenta la vida útil de la herramienta de metal duro.
• Velocidad de corte: Permite aumentar la velocidad de corte hasta 300-350 m/min.
• Otros recubrimientos y sus mejoras:
  • Alúmina (Al₂O₃): Mejora la resistencia a la reacción química.
  • Carburo de Vanadio (CV), Carburo de Niobio (CNb), Nitruro de Titanio (TiN): Mejoran la resistencia a la craterización y al filo recrecido.

Materiales Cerámicos: Precisión y Acabado Superficial Óptimo

Los materiales cerámicos son ideales para aplicaciones que requieren alta precisión y acabados finos:

• Cermets: Materiales sinterizados compuestos por elementos no metálicos (óxidos, silicatos, carburos de silicio) y componentes metálicos de alto punto de fusión (Molibdeno, Cromo, Vanadio).
• Óxidos sinterizados: Base de óxidos de Aluminio (Al₂O₃) con añadidos de óxidos de Cromo (Cr), Hierro (Fe) o Titanio (Ti).
• Conductividad térmica: Baja conductividad térmica, lo que permite un calentamiento uniforme del filo y la cesión de la mayor parte del calor a la viruta.
• Rozamiento: Coeficiente de rozamiento inferior al del metal duro, lo que evita el filo recrecido y, unido a una alta velocidad de corte, consigue un óptimo acabado superficial.
• Limitaciones: Fatiga térmica (bruscas variaciones de temperatura), baja ductilidad y reducida resistencia a la dilatación.
• Aplicación: Adecuado para materiales que ejercen intensa abrasión (materias plásticas, grafito, metales o aleaciones no ferrosas).
• Requisito: Requiere el uso de un rompevirutas postizo.

Nitruro de Boro Cúbico (Borazón): Dureza Excepcional y Estabilidad Térmica

El nitruro de boro cúbico es un material de vanguardia para condiciones extremas:

• Introducción: En 1972.
• Composición: Plaquita de carburo con una capa de nitruro de boro (0.5-1 mm).
• Dureza: Su dureza solo es superada por el diamante.
• Características: Frágil pero poco reactivo.
• Estabilidad térmica: Hasta los 1400 °C, alcanzando velocidades de corte de 300-400 m/min.
• Aplicación: Adecuado para mecanizar aleaciones de Níquel (Ni). Ofrece excelentes resultados para rectificado.
• Manejo de viruta: Produce viruta troceada en pequeños fragmentos, por lo que es aconsejable el uso de fluido de corte para arrastrarla.

Diamantes Naturales: El Material Más Duro para Acabados de Precisión

Los diamantes naturales son la elección para la máxima dureza y precisión:

• Dureza: Es el material más duro conocido.
• Diamante negro: Sin planos de exfoliación, utilizado para rectificado o reavivado de muelas.
• Diamante blanco: Utilizado para rectificado, torneado y trabajos de precisión (tolerancias de 1-2 µm).
• Aplicación: Apropiado para aleaciones de Aluminio (Al), Cobre (Cu) o plásticos.
• Limitación: No adecuado para aceros debido a la solubilidad del Carbono (C).
• Montaje: Requiere ser montado sobre soportes muy rígidos y sin vibraciones.
• Usos: Acabado superficial (bruñido y lapeado) y afilado de muelas o hileras.
• Costo: Alto costo.

Diamantes Sinterizados Policristalinos (PCD): Alternativa Eficiente para Materiales Abrasivos

Los PCD ofrecen una alternativa de diamante artificial con un rendimiento excepcional:

• Obtención: Diamante artificial obtenido por sinterizado (700-800 daN/mm² y 2000 °C).
• Aplicación: Apropiados para materiales abrasivos y no férreos.
• Rendimiento: Aumenta la velocidad de corte 2.5-3.5 veces respecto a las herramientas de metal duro.
• Limitación: No adecuado para materiales ferrosos, aleaciones de Titanio (Ti) y Níquel (Ni).
• Uso común: Utilizado para recubrir herramientas de metal duro con un costo contenido.