EVALUACIÓN DE LA VIDA ÚTIL Y TENACIDAD A LA FRACTURA DE HERRAMENTALES DE CORTE ENDURECIDOS POR EL PROCESO DE BORURIZACIÓN EN PASTA

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1 ARTÍCULO 28 EVALUACIÓN DE LA VIDA ÚTIL Y TENACIDAD A LA FRACTURA DE HERRAMENTALES DE CORTE ENDURECIDOS POR EL PROCESO DE BORURIZACIÓN EN PASTA I. Campos 1, M. Farah 2, U. Figueroa 3, N. López 1, G. Bermúdez 1, C. VillaVelázquez 1 1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. SEPI-ESIME 2 TECNOLÓGICO DE MONTERREY, CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO 3 TECNOLÓGICO DE MONTERREY, CAMPUS ESTADO DE MÉXICO SALTILLO, COAHUILA 17, 18 Y 19 DE OCTUBRE DEL 2007.

2 Evaluación de la vida útil y tenacidad a la fractura de herramentales de corte endurecidos por el proceso de borurización en pasta I. Campos 1 *, M. Farah 2, U. Figueroa 3, N. López 1, G. Bermúdez 1, C. VillaVelázquez 1 1 Instituto Politécnico Nacional. SEPI-ESIME U.P. Adolfo López Mateos, Zacatenco. México D.F México. 2 Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México, Calle del Puente 222 Col. Ejidos de Huipulco. México D.F México. 3 Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México, Carretera al Lago de Guadalupe km 3.5. Atizapán México. Resumen El presente estudio determina la vida útil y la tenacidad a la fractura de herramentales de corte endurecidos por el proceso de borurización en pasta en aceros AISI M2. El tratamiento se realizó en forma selectiva en las puntas de las herramientas a las temperaturas de 1173 y 1273 K empleando 4 h de tratamiento y modificando los espesores de pasta de carburo de boro en 3 y 4 mm. El método de tenacidad a la fractura por microindentación tipo Vickers se empleó en la superficie de las herramientas endurecidas a la temperatura de 1273 K y 4 mm de espesor de pasta, con una carga de 100 gr a diferentes distancias desde la superficie. Por otro lado, los herramentales endurecidos fueron evaluados por desgaste en incidencia que implicó el maquinado de un acero AISI 1018 aumentando la velocidad de corte nominal, de 55 m/min, en un 10 y 25%, manteniendo constante el avance y la profundidad de corte. Se determinó a través de la ecuación de Taylor, la dependencia de la resistencia al desgaste de los herramentales de corte en función de los parámetros experimentales del tratamiento termoquímico. Palabras clave: borurización; vida útil de herramientas; tenacidad a la fractura; capas boruradas; resistencia al desgaste; herramientas de corte. Abstract The present study evaluates the tool life and the fracture toughness of AISI M2 cutting tools exposed to the paste boriding process. The treatment was done in selective form on the tool tips of the steels. The temperatures were set at 1173 and 1273 K with 4 h of exposure time and modifying the boron carbide paste thicknesses in 3 and 4 mm. Microindentation fracture toughness method was used on the borided tool at the temperature of 1273 K and a 4 mm paste thickness, with a 100 g load at different distances from the surface. Also, the borided cutting tools were worn by the turning process that implied the machining of AISI 1018 steel increasing the nominal cutting speed, of 55 m/min, in 10 and 25% and maintaining the feed and the depth cut constants. The tool life was evaluated by the Taylor s equation that shows the dependence of the experimental parameters of the boriding process. Keywords: boriding; tool life; fracture toughness; borided layers; wear resistance; cutting tools. * Correspondencia para el autor: Tel: (+52) (55) ext , Fax: (+52) (55) ext icampos@ipn.mx 238

3 1. Introducción La modificación superficial de los aceros rápidos usados como herramientas de corte tiene por objetivo mejorar su desempeño en el proceso de maquinado, siendo su efecto principal modificar los mecanismos que promueven su falla en condiciones de servicio normales, para incrementar la vida de la herramienta y optimizar las condiciones de corte. En las herramientas de corte, la falla a condiciones normales de operación, se asocia al desgaste de los diversos filos o caras de corte, predominando el desgaste de flanco y la craterización. El desgaste de flanco es generado por pequeñas partículas abrasivas que son desprendidas durante el proceso de corte e inciden sobre el costado del filo principal de corte, e igualmente, a partículas y fases duras del material que está siendo mecanizado. Este tipo de desgaste predomina a bajas velocidades de corte, siendo también afectado por la velocidad de avance y la geometría de la herramienta [1-3]. Dentro de las diversas tecnologías para la modificación superficial de aceros grado herramienta, existe la borurización en pasta, que destaca, por su bajo costo, calidad de productos y flexibilidad del proceso [4,5]. Dependiendo del espesor de pasta de carburo de boro que rodea la superficie del material, la composición química del substrato, la temperatura y el tiempo de tratamiento pueden formarse una o dos fases en la superficie [6,7]. Las fases boruradas deben cumplir con propiedades que retarden o modifiquen los mecanismos de falla propuestos en componentes ingenieriles, que incluyen baja adhesión entre la herramienta y el material mecanizado, buena resistencia a la abrasión, elevada dureza superficial y estabilidad química [8,9]. Por otro lado, la resistencia al desgaste de las capas boruradas está relacionada con la tenacidad a la fractura de los boruros de hierro. En materiales frágiles, cuando una partícula dura interactúa con la superficie, se genera la fractura, que más adelante se propaga y desprende material, originando partículas de desgaste, corte y rayado. El método de microindentación para determinar la tenacidad a la fractura en materiales frágiles es una técnica no destructiva y sencilla, que requiere únicamente de una superficie pulida y plana del material. La generación de grietas producidas por contacto mecánico entre el indentador y la superficie del material dependen esencialmente de la geometría del indentador y la carga aplicada [10]. Los modelos de geometría de grietas, tipos Palmqvist y radial-media, han sido utilizados en la determinación de la tenacidad a la fractura en materiales cerámicos. El fundamento teórico de estos modelos está basado en los conceptos clásicos de la Mecánica de la Fractura Lineal Elástica (LEFM) (Ver [11,12] y referencias que se encuentran en ellas). Para el régimen de grietas tipo Palmqvist (Figura 1), se ha determinado para cargas pequeñas, que la relación entre la mitad de la diagonal de indentación (d) y la longitud de grieta generada en los vértices de la indentación (a) debe ser 3. Es razonable asumir que para capas pequeñas y frágiles en substratos relativamente tenaces, tal es el caso de aceros borurados grado herramienta, es más apropiado usar las relaciones basadas en la morfología de grieta tipo Palmqvist, debido a que el agrietamiento se inicia en la superficie donde el material es más duro. K. Niihara et al. [13] propuso un modelo basado en la teoría de indentación elasto-plástica para grietas tipo Palmqvist interpretando el agrietamiento como superficies semielípticas en la determinación del factor de intensidad de esfuerzo K IC : 239

4 Donde E es el módulo de Young, H V es la microdureza Vickers, Φ es un factor 3 y es una constante igual a El término corresponde a un factor de corrección de una superficie libre de agrietamiento y es un factor de profundidad de agrietamiento el cual es independiente del tamaño de grieta. Se asume que el valor de es equivalente a, la intensidad de esfuerzo crítico para agrietamiento en el ensayo de microindentación Vickers. Por otro lado, las relaciones empleadas por otros investigadores [14-16], para definir la tenacidad a la fractura de capas borurizadas están basadas en ecuaciones que son válidas para modelos de agrietamiento tipo radial-media, sin embargo, no se ha explicado el porqué de esta consideración. El presente trabajo determina el tiempo de vida de herramentales de corte borurados AISI M2 empleados para operaciones de torneado sobre un acero estructural AISI Los resultados de la evaluación del tiempo de desgaste y las velocidades de corte son representados a través del modelo de Taylor. Asimismo, se determina la tenacidad a la fractura de las fases boruradas, haciendo uso del modelo de grietas tipo Palmqvist propuesto por K. Niihara, el cual es válido y confiable para las capas boruradas formadas en la superficie del acero. 2. Procedimiento experimental 2.1 Manufactura de los herramentales de corte Las herramientas se diseñaron utilizando una geometría sencilla de una punta simple, que es típica para el proceso de torneado. El material empleado para la fabricación de las herramientas fue un acero AISI M2 con una composición química de 1 % C, 6,0 % W, 5,0 % Mo, 4,0 % Cr, 2,0 % V. Se diseñó una base cuadrada de 16 mm, con una longitud total de la herramienta de 50 mm, obteniendo un herramental robusto, con un alto momento de inercia y una longitud corta, minimizando la posibilidad de flexión. El ángulo del filo principal es de 30 y el del filo secundario de 60, por lo tanto; se obtiene un ángulo en la cara de la herramienta de 60. El radio de la nariz del herramental se estableció en 0.6 mm para efectos de desbaste. La construcción y el afilado de las herramientas se realizaron en una máquina de CNC HAAS VF Proceso de borurización en pasta Se fabricaron moldes de acero rolados en frío para recubrir las puntas de las herramientas con la pasta de carburo de boro en 3 y 4 mm de espesor, utilizando una relación agua/polvo de 0.2. Las herramientas fueron colocadas en forma transversal con respecto a los moldes para controlar el espesor de la pasta. Finalizado el recubrimiento de la pasta sobre la punta de los herramentales, se estableció un tiempo de secado de un día, para disminuir la humedad sobre las muestras. El tratamiento de borurización en pasta se realizó en un horno convencional a las temperaturas de 1173 y 1273 K con 4 h de tratamiento bajo una atmósfera de argón puro. Las muestras fueron templadas en aceite, tomándose muestras endurecidas para la caracterización metalográfica de la punta de los herramentales. La observación de las capas boruradas en la superficie de las herramientas se realizó por microscopía óptica en un equipo Olympus GX Ensayo de microdureza Vickers Se seleccionaron las herramientas endurecidas a la temperatura de 1273 K y 4 mm de espesor de pasta para realizar los ensayos de fractura por microindentación. La superficie de las puntas de las herramientas fueron pulidas con silica coloidal y expuestas a la prueba de microindentación Vickers con una carga de 0.1 kg dentro de la capa borurada a las distancias de 10,15, 20 y 25 µm desde la superficie de la pieza, utilizando un equipo 240

5 VHS1000. La Figura 2(a) presenta el perfil de microdureza obtenido en la superficie del acero borurado para el espesor de pasta de 4 mm. Se realizaron 25 microindentaciones por cada distancia, donde las dimensiones de la indentación y la grieta fueron medidas utilizando un microscopio óptico a 1000X (Figura 2(b)). Los valores medidos de la grieta y la mitad de la diagonal de indentación fueron utilizados para calcular de acuerdo a la ecuación (1). El módulo de Young empleado para las capas de boruro de hierro fue de 290 GPa [17]. 2.4 Desgaste de las herramientas boruradas Las herramientas endurecidas fueron desgastadas por incidencia en el proceso de torneado de un acero estructural AISI 1018 de 3 pulgadas de diámetro y una longitud de corte de 403 mm. Los ensayos se realizaron en una máquina CNC HAAS HL-2 con presencia de anticongelante. La dureza superficial del acero AISI 1018 en estado recocido fue de 63 HRB, parámetro que sirvió para determinar la velocidad de corte inicial en 55 m/min, un avance de 0.25 mm/rev y la profundidad de corte de 0.5 mm entre la herramienta de corte y la pieza. Asimismo, la velocidad de corte fue modificada en un 10 y 25% de la velocidad nominal, manteniendo constantes el avance y la profundidad de corte, caracterizando un total de 5 probetas por cada velocidad conforme a las condiciones experimentales del tratamiento de borurización. Se tomó el criterio de desgaste en el filo de la herramienta en 0.5 mm, donde se visualizó la evolución del desgaste en la punta de la herramienta en un microscopio Olympus GX51 a 10X. 3. Resultados y discusiones Las microfotografías de las herramientas boruradas a la temperatura de 1273 K con 3 y 4 mm de espesor de pasta de carburo de boro son presentadas en la Figura 3. Las piezas muestran la formación de una bicapa FeB/Fe 2 B en la superficie de las piezas, así como la precipitación masiva de carburos de los elementos de aleación en la zona de difusión. Los espesores totales de capa promedio fueron de 18 ± 1.5 a 40 ± 4 µm en el rango de 1173 T 1273 K considerando los espesores de carburo de boro utilizados en el proceso [18]. El empleo del modelo de agrietamiento tipo Palmqvist se presenta en la Figura 4. El valor de obtenido del ajuste de los datos obtenidos a diferentes distancias de microindentación indica que las grietas tipo Palmqvist son mecánicamente equivalentes para una grieta semi-infinita cargada por una fuerza P a una distancia a desde el vértice de grieta. El valor promedio de K IC obtenido a la temperatura de 1273 K con 4 mm de espesor de pasta de carburo de boro a las diferentes distancias de microindentación es comparado con otras referencias y se presentan en la Tabla I. En [8] se establece que el valor de tenacidad a la fractura y la dureza de las fases boruradas está relacionado con la temperatura y tiempo de tratamiento, de la interacción de los elementos de aleación del substrato que se disuelven en los boruros formando fases multicomponenciales tipo (Fe,M)B y (Fe,M) 2 B donde M es el elemento de aleación, siendo parámetros determinantes en el incremento o disminución de la resistencia a la propagación de grietas en las capas boruradas. Los tiempos de vida útil de los herramentales de corte borurados y los aceros templados que no fueron expuestos al tratamiento termoquímico fueron evaluados a través de la ecuación de Taylor en el maquinado del acero AISI 1018: 241

6 donde V c es la velocidad de corte en m/min, t equivale al tiempo de vida útil en min, n es el exponente de Taylor y C es equivalente a la velocidad de corte para un tiempo de vida útil del herramental de 1 min. Una vez alcanzado el criterio de desgaste en el filo de la herramienta, la sumatoria de todos los valores registrados de tiempo por pasada correspondió al tiempo total de vida útil de la herramienta. Se utilizó como criterio de desgaste el valor de 0.5 mm, presentando las herramientas en general, desgaste en el flanco o costado, tal y como se presenta en la Figura 5(a). Por otro lado, el análisis microestructural de las herramientas desgastadas, Figuras 5(b) y 5(c), presentaron una capa compacta de boruros sobre los bordes de las herramientas y un desprendimiento abrupto de la capas sobre las puntas de los herramentales debido al desgaste mecánico por abrasión del material de trabajo sobre las herramientas de corte ocasionando, igualmente, deformación en la geometría de las mismas. El empleo de la ecuación (2) que relaciona las velocidades de corte y los tiempos de servicio de las herramientas boruradas para los dos espesores de pasta de carburo de boro es presentado en la Figura 6. Las expresiones de la ecuación de Taylor para el conjunto de experimentos se muestran en la Tabla II. Los resultados demuestran que las herramientas boruradas incrementan la resistencia al desgaste en la superficie en comparación con las piezas que no estuvieron sujetas al tratamiento termoquímico. El tiempo de servicio de las muestras boruradas alcanzó su valor máximo a los 103 minutos para una velocidad de corte de 55 m/min, a la temperatura de 1173 K con 4 mm de espesor de pasta, en comparación con los 12 minutos que alcanzaron las herramientas sin tratamiento, lo que garantiza el éxito del tratamiento termoquímico. Por otro lado, nuestros resultados indican la influencia del espesor de pasta de carburo de boro sobre la vida de las herramientas, incrementando el servicio de los herramentales conforme el espesor de pasta aumenta bajo temperatura constante. Conclusiones El modelo de agrietamiento para la evaluación de la tenacidad a la fractura de la capa de boruro de hierro fue del tipo Palmqvist propuesto por K. Niihara [13] que ajusta en forma excelente con los datos experimentales obtenidos a diferentes distancias de microindentación, siendo grietas mecánicamente equivalentes a grietas semiinfinitas generadas en los vértices de la microindentación. El valor promedio de la tenacidad a la fractura de la capa de boruro de hierro es de 2.1 ± 0.3 MPa a la temperatura de 1273 K con 4 h de tratamiento y 4 mm de espesor de pasta de carburo de boro. Por otro lado, los herramentales endurecidos superficialmente por el tratamiento termoquímico de borurización en pasta, exhiben tiempos de servicio mayores en comparación con los herramentales no endurecidos, lo que indica la confiabilidad del tratamiento. Los herramentales, en general, exhiben desgaste por flanco producido por partículas abrasivas generadas por el corte del acero estructural AISI 1018 lo que desprende en forma catastrófica la capa de boruro de hierro en la punta de la herramienta. Finalmente, la influencia del espesor de pasta de carburo de boro es visible en el comportamiento de la vida útil de los herramentales borurados, incrementando para los espesores de 4 mm en ambas temperaturas de tratamiento. 242

7 Acknowledgments Este trabajo fue financiado a través del Proyecto CONACyT I. Campos agradece igualmente el financiamiento a través del proyecto de la Secretaría de Investigación y Posgrado del Instituto Politécnico Nacional. References [1] K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology, Properties, Techniques and Applications in Surface Engineering. Elsevier Science B. V. Netherlands (1998). [2] E. Trent, Wear of metal-cutting tool. Academia Press, New York, USA, (1979) [3] C. Subramanian, S. Ingle, D. Kay, Surf. Coat. Technol. 61 (1993) [4] A.K. Sinha, Boronizing, ASM Handbook, OH, USA, J. Heat Treat. 4 (1991) 437. [5] A. Graf von Matuschka, Boronising, Carl Hanser Verlag, Munich, FRG (1980). [6] I. Campos, J. Oseguera, U. Figueroa, J.A. García, O. Bautista, G. Kelemenis, Mater. Sci. Eng. A352 (2003) [7] I. Campos, O. Bautista, G. Ramírez, M. Islas, J. de la Parra, L. Zúñiga, App. Surf. Sci. 243 (2005) [8] U. Sen, S. Sen, Mater. Charac. 50 (2003) [9] S. Taktak, Surf. Coat. Technol. 201 (2006) [10] R. Cook and G. Pharr, J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990) [11] C. B. Ponton and R.D. Rawlings, Mater. Sci. and Technol. 5 (1989) [12] C. B. Ponton and R.D. Rawlings, Mater. Sci. and Technol. 5 (1989) [13] K. Niihara, R. Morena and D.P.H. Hasselman, J. Mater. Sci. Lett. 6 (1982) [14] I. Ozbek, C. Bindal, Surf. Coat. Technol. 154 (2002) [15] U. Sen, S. Sen, F. Yilmaz, J. Mater. Process. Technol. 148 (2004) 1-7. [16] S. Sen, I. Ozbek, U. Sen, C. Bindal, Surf. Coat. Technol. 135 (2001) [17].N. Frantzevich, F.F. Voronov, S.A. Bakuta, Elastic constants and elastic modulus for metals and nonmetals: Handbook, 1 st. edn., Naukova Dumka Press, Kiev (1982). [18] I. Campos, R. Torres, O. Bautista, G. Ramírez, L. Zuñiga, App. Surf. Sci. 252 (2006) [19] S. Taktak, Mater. Design 28 (2007)

8 Figura 1 Agrietamiento tipo Palmqvist alrededor de la microindentación tipo Vickers (a) (b) Figura 2 (a) Perfil de microdureza obtenido a diferentes distancias desde la superficie de la capa borurada a la temperatura de tratamiento de 1273 K (400x), (b) Agrietamiento tipo Palmqvist producido en los vértices de la indentación (1000x). 244

9 (a) (b) Figura 3 Vista transversal de bicapas FeB/Fe 2 B formadas en la superficie de aceros herramientas con (a) 3 mm de espesor de pasta de carburo de boro, (b) con 4 mm de espesor de pasta de carburo de boro. Figura 4 Correlación del parámetro normalizado de tenacidad a la fractura/dureza con la longitud relativa de grietas tipo Palmqvist a/d para capas borurizadas en la superficie de aceros AISI M2 (1273 K con 4 h de tratamiento). 245

10 Desgaste por flanco (a) (b) punta cortante (c) Figura 5 (a) Desgaste por flanco producido en la herramienta borurizada a la temperature de 1173 K, 4 mm de pasta de carburo de boro y velocidad de corte de 60 m/min (5x), (b) Mismo perfil a 10x, (c) desgaste en la punta del herramental (20x). (a) (b) Figura 6 Comportamiento de herramientas boruradas versus herramientas no tratadas termoquímicamente: (a) 3 mm de espesor de pasta de carburo de boro y (b) 4 mm de pasta de carburo de boro. 246

11 Tabla I Comparación de los valores de tenacidad a la fractura obtenidos para diferentes aceros borurados Acero borurizado Tenacidad a la fractura (MPa ) Referencia Acero herramienta trabajado en frío 2.2 a 5.8 [8] AISI W a 6.4 [14] AISI H a 4.46 [19] AISI M2 2.1 ± 0.3 Presente trabajo Tabla II Comportamiento de los herramentales borurizados y no borurizados conforme a la ecuación de Taylor. pasta de carburo de boro Temperatura (K) 3 mm 4 mm 1173 V c t = V c t = herramienta no borurada V c t = V c t = V c t =