2. Materiales de herramienta

Transcripción

1 2. Materiales de herramienta En las operaciones de mecanizado las herramientas de corte trabajan a elevadas temperaturas, sometidas a fricción y a importantes fuerzas. Por lo que es de esperar que la herramienta sea tenaz, que mantenga la dureza en un rango amplio de temperatura, que resista al desgaste que impone la fricción y que no reaccione con el material de la pieza incluso a altas temperaturas. Por todo ello se ha de analizar su diseño minuciosamente en función de la aplicación para la que se vaya a usar. No solo su tamaño, las aristas de corte, el rompevirutas, sino también otros factores como son el material de la herramienta o del recubrimiento en el caso de una herramienta recubierta. A lo largo de la historia se han ido analizando y poniendo en uso nuevos materiales, a la vez que las exigencias han ido aumentando. Principalmente, la evolución ha ido buscando aumentar las velocidades de corte minimizando el tiempo de corte por pieza y por tanto mejorando la producción. El camino que ha seguido la evolución ha sido la búsqueda de una herramienta que permita mecanizar mayor cantidad de material a lo largo de su vida útil, manteniendo un desgaste aceptable. A su vez, la evolución de la industria en las últimas décadas ha exigido la introducción de nuevos materiales en los procesos de mecanizado, los cuales exigen características especiales a las herramientas de corte, y por tanto nuevas investigaciones al respecto y el desarrollo de las innovaciones. A continuación vamos a situar cronológicamente la evolución de los materiales de herramientas, que es la mejor manera de entender el proceso de mejora que han experimentado. A la vez que expondremos las principales características de cada uno. 2.1 Aceros al carbono y de media aleación Este tipo de acero es el primero que se utilizó como material de herramienta, en la segunda mitad del siglo XVIII. Pero sus aplicaciones eran muy limitadas, con una escasa dureza, la cual empeora aún más al aumentar la temperatura. Por el contrario, tenía las ventajas de un coste bajo y facilidad de afilado. Las escasas cualidades de corte de estos aceros condujeron a que se desarrollaran aceros de baja y media aleación para las herramientas, los cuales mejoraban un poco la resistencia al desgaste y por tanto alargaban la vida útil. Aun así sus cualidades seguían siendo insuficientes. Antonio Guarnido Barrera Capítulo 2-1

2 2.2 Aceros rápidos También conocidos como aceros de alta velocidad o HSS (High Speed Steels). Son aceros al carbono fuertemente aleados. Su introducción supuso un importante avance al permitir aumentar la velocidad de corte considerablemente ya que este tipo de acero mantiene su dureza a alta temperatura. Este material es muy tenaz lo que hace que se use para herramientas que van a estar sometidas a vibraciones elevadas o cortes interrumpidos. Aunque la gama de aceros rápidos es muy diversa, se pueden dividir en dos grupos básicamente, tipo Tungsteno y tipo Molibdeno Tipo tungsteno: (grado-t) Los aleantes son: tungsteno (W), principalmente, además de cromo (Cr), vanadio (V), en menores proporciones, y los componentes básicos del acero. La proporción de tungsteno se encuentra entre 11,75 y 19% Tipo molibdeno: (grado-m) Incorpora a la aleación de acero rápido grado-t, molibdeno (Mo). La proporción en peso está entre el 3,25 y el 10 %. A ambos tipos se le puede añadir también cobalto, ya que la adición de este material aporta una mejora de la dureza en caliente de la herramienta. A pesar de que ha pasado más de un siglo desde que se empezó a utilizar este material de herramienta, para distintos tipos de procesos de mecanizados sigue vigente. Incluso es uno de los materiales más usados en la actualidad. Esto es debido a que tiene un coste relativamente bajo, y unas características más que aceptables. Por ejemplo es muy adecuado para la fabricación de herramientas con geometrías complejas como pueden ser brochas, terrajas, fresas, etc. También es susceptible de recibir tratamiento térmico para obtener una mayor dureza. Además, es muy útil la posibilidad de generar cualquier forma geométrica mediante mecanizado para un determinado uso. A lo largo del tiempo que se ha empleado este material se han realizado pequeñas mejoras en la composición de las aleaciones pero siempre con el mismo trasfondo. Así mismo sobre este material se puede añadir un recubrimiento que permita mejorar la resistencia al desgaste de la herramienta, como es el caso de las brocas que se le añade una fina película de nitruro de titanio (TiN). 2.3 Aleaciones de fundición de cobalto Estas aleaciones se comenzaron a utilizar en torno a 1915 con el objetivo de poder aumentar las velocidades de corte. Su composición en peso está en torno a los siguientes márgenes, según la fuente que consultemos, [4] y [7], estos pueden oscilar levemente. Cobalto: 38 53% Cromo: 30 33% Tungsteno: 10 20% Capítulo 2-2 Antonio Guarnido Barrera

3 La aleación resultante es muy dura, alrededor de 60 HRC, por lo que tiene una mejor resistencia al desgaste que las herramientas de acero rápido, lo cual fue la razón de ser de su uso. Técnicamente posee características que se encuentran entre las herramientas de acero rápido y las de metal duro. Son más duras que las de acero rápido y menos que los carburos. En cuanto a tenacidad son más tenaces que las plaquitas de metal duro pero menos que las de acero rápido. La elevada dureza y baja tenacidad de esta aleación hace que no sea viable su uso para realizar cortes interrumpidos ya que produce el fallo catastrófico de la herramienta. Su fabricación se realiza por fundición en moldes de grafito para posteriormente esmerilarlas y darle el tamaño y afilado definitivo. Actualmente su uso está muy limitado, debido a que el uso de las plaquitas de carburos tiene unas mejores características y un coste muy razonable. 2.4 Metal duro También conocido como carburos, son herramientas fabricadas con un compuesto cerámico formado por wolframio y carbono. Otro nombre que comúnmente se le da a este compuesto es vidia, derivado de un vocablo alemán que significa como el diamante haciendo alusión a su elevada dureza. En la década de 1930, la continua pretensión de aumentar la velocidad de corte en los procesos de mecanizado fomentó el estudio y desarrollo de nuevos materiales para herramientas. El carburo de wolframio, también conocido como carburo de tungsteno, (WC) reunía las características deseadas, gran dureza en un amplio espectro de temperaturas, un módulo de elasticidad elevado, alta conductividad térmica que permite la evacuación del calor de la herramienta y baja dilatación térmica. Debido a la elevada dureza y escasa ductilidad, la forma de fabricación es mediante metalurgia de polvos. Para ello se añade como aglomerante cobalto, con una proporción en masa de entre el 6 y 10%. Este material constituye la matriz que rodea las partículas de carburo, y afecta a las propiedades de la herramienta. Cuanto mayor es la cantidad de cobalto mayor es la tenacidad de la herramienta pero más deficientes son la resistencia mecánica y al desgaste y también su dureza. De su proceso de fabricación, los carburos reciben otros nombres como son carburos cementados y carburos sinterizados. Con el uso se observó que en las herramientas de WC-Co aparecía el desgaste en forma de cráter y provocaba una falla prematura de las herramientas. Este desgaste tan acelerado es debido a la fuerte afinidad química entre el acero y el WC-Co, que produce adhesión y difusión en la interfaz pieza-herramienta. Este hecho provocó que se investigara al respecto y se descubriera que la adicción de carburo de titanio (TiC) y carburo de tantalio (TaC) demoraban la falla de la herramienta producida por el desgaste de cráter al mecanizar acero. Se ha de tener en cuenta que la adicción de carburos de Antonio Guarnido Barrera Capítulo 2-3

4 tantalio y titanio disminuye la resistencia al desgaste de la superficie de incidencia en el arranque de viruta de materiales no acerados. Esto genera que los carburos se dividan en dos grupos básicos: WC-Co: Para materiales que no incluyan acero. WC-TiC-TaC-Co: Para aceros. Para normalizar la selección de las herramientas de metal duro se emplean dos sistemas de clasificación: Sistema de grados C del ANSI. Implementado en Estados Unidos en torno a 1942, clasifica las herramientas de carburos de acuerdo con el uso para el que están diseñadas como se puede observar en la figura 2.1. Figura 2.1. Clasificación ANSI de los carburos. Sistema ISO R (E). Cuyo título es Aplicación de los carburos en el mecanizado mediante eliminación de viruta, es el más extendido. Este sistema divide los carburos en grupos básicos con su propio código de letra y color. Dentro de cada grupo se rigen también por un código numérico que ordena cada material según su dureza y tenacidad en sentidos inversos. De forma que el código ISO de cada herramienta indica el material a mecanizar para el que se ha concebido la herramienta. La clasificación se muestra en la tabla 2.1. Además del código del material de la herramienta que consta de una letra y dos números podemos encontrar el código con letras adicionales que indican el proceso de fabricación y el tratamiento térmico que se ha efectuado a la herramienta, según se indica en la tabla 2.2. Capítulo 2-4 Antonio Guarnido Barrera

5 Un ejemplo de la nomenclatura puede ser: P12.Z.AN que se corresponde a una herramienta para acero no aleado, 0,25 % < % C 0,55 %, fabricado mediante forjado/laminado o estirado en frio y con un tratamiento térmico de recocido. Tabla 2.1. Sistema ISO de clasificación de carburos. [9] Código Material Grupo de material Código P Acero M Acero inoxidable K N S Fundiciones de hierro Materiales no ferrosos Aleaciones termoresistentes y titanio H Acero templado 1 No aleados (Mn<1,65%) P11 P12 P13 P14 P15 2 Baja aleación (aleantes< 5%) P21 P22 P23 P24 P25 P26 3 Alta aleación (aleantes>5%) P30 P31 P32 4 Acero sinterizado P40 5 Ac. inox.ferrítico/martensítico P50 P51 1 Austenítico M10 M11 M12 M13 2 Súper austenítico (Ni>20%) M20 3 Dúplex (austenítico/ferrítico) M31 M32 1 Maleable K11 K12 2 Gris K21 K22 K23 3 Nodular K31 K32 K33 K34 K35 4 Fundición de grafito K41 K42 5 Hierro dúctil K51 K52 K53 1 Aleaciones base Al N11 N12 N13 N14 2 Aleaciones base Mg N20 3 Aleaciones base Cu N31 N32 N33 N34 4 Aleaciones base Zn N40 1 Aleaciones base Fe S11 S12 2 Aleaciones base Ni S20 3 Aleaciones base Co S30 4 Aleaciones base Ti S41 S42 S43 S44 5 Aleaciones base W S50 6 Aleaciones base Mo S60 1 Aceros extraduros H11 H12 H13 H14 2 Fundición templada H20 3 Estelita (aleación Co Pb) H30 4 Aleación Fe - Tic H40 Tabla 2.2. Códigos de proceso de fabricación y tratamiento térmico en el sistema ISO. [9] Código Proceso de fabricación Código Tratamiento térmico C Fundición AG Envejecido Z Forjado/laminado/estirado en frio AN Recocido S Sinterizado AQ Recocido/templado con agua o recocido U Sin especificar HA Endurecido(+ revenido) HT Endurecido + revenido NS PH UT Sin especificar Templado por precipitación Sin tratar Hasta ahora se han entendido las herramientas de corte como una pieza enteriza del material requerido, pero en el caso de herramientas de metal duro sería inviable que Antonio Guarnido Barrera Capítulo 2-5

6 fuera fabricada totalmente de carburos, además de un coste muy elevado, no tendría la suficiente tenacidad para soportar los esfuerzos a los que se somete durante el corte. Con esta idea en mente surge la necesidad de dividir la herramienta en dos partes, por un lado el portaherramientas, de un material suficientemente tenaz que evite vibraciones en la medida de lo posible, y por otro lado una pequeña herramienta del material necesario alojada en el extremo. Por lo que la verdadera herramienta de corte es lo que se conoce como inserto o plaquita, ver figura 2.2. Figura 2.2. Detalle de portaherramientas con plaquita. [9] El uso de plaquitas tiene una ventaja adicional. En las herramientas de un solo cuerpo, una vez se gasta el filo de corte hay que proceder a afilarlo, esto supone desmontar la herramienta, proceder a recuperar los filos de corte de la herramienta en los ángulos adecuados y un posterior montaje en la máquina. Esto lógicamente conlleva un tiempo elevado y por tanto un aumento del coste de producción. La unión de plaquitas al portaherramientas suele ser mecánica mediante un tornillo, como es el caso de la plaquita mostrada en la figura 2.2, y pueden ser soldadas como la de la figura 2.3. Esto es menos común debido a que se requiere que la precisión de la soldadura sea elevada para no generar tensiones y deformaciones en la plaquita, además de que solo dispone de un filo de corte. Figura 2.3. Detalle de portaherramientas con plaquita soldada. Capítulo 2-6 Antonio Guarnido Barrera

7 Las plaquitas suelen tener una forma triangular, cuadrada, de rombo, etc., de forma que permiten que una vez se gaste uno de los filos de corte permite cambiar la orientación de la plaquita utilizando un filo de corte nuevo. Por ejemplo en un inserto triangular se tienen 6 filos principales de corte. Este procedimiento de giro del inserto se conoce como indexar. El proceso de indexar una plaquita supone un tiempo mucho menor que un cambio de la herramienta completa, lo cual requiere un nuevo ajuste de la máquina y por tanto genera tiempos muertos en la producción. Por tanto el uso de plaquitas abarata el coste de producción. 2.5 Herramientas recubiertas En la continua evolución de las herramientas de corte, el siguiente hito cronológico lo protagonizan las herramientas recubiertas. Estas surgen para solventar los problemas que se generan con la abrasión y las reacciones químicas entre el material de la pieza a mecanizar y la herramienta de corte cuando ambas alcanzan elevadas temperaturas. Manteniendo el objetivo común en la historia del mecanizado, de aumentar las velocidades de corte para ahorrar costes. Para ello las herramientas recubiertas se componen de un sustrato o material del cuerpo de la herramienta responsable de dar la resistencia necesaria a la herramienta y un recubrimiento que es el encargado de aportar las propiedades exigidas, como disminuir la fricción, aumentar la adhesión de la herramienta, conseguir una mayor resistencia al desgaste y mayor dureza en caliente así como una mayor resistencia ante los impactos. Esta estructura se puede observar con claridad en el esquema que se muestra en la figura 2.4. Figura 2.4. Ejemplo de estructura de las herramientas recubiertas. [2] Antonio Guarnido Barrera Capítulo 2-7

8 Los materiales normalmente empleados para recubrir las herramientas son: Nitruro de titanio (TiN) Se caracterizan por un bajo coeficiente de fricción, dureza elevada, resistencia a temperaturas altas y buena adhesión al sustrato. Destaca para usos a elevadas velocidades de corte y amplios avances, no siendo muy efectivo para velocidades bajas debido al desgaste del recubrimiento producido por la adhesión de virutas. Carburo de titanio (TiC) Su uso destaca principalmente sobre insertos de carburo de tungsteno, un tándem que tiene una alta resistencia al desgaste, lo cual lo hace especialmente recomendable para mecanizar materiales abrasivos. Cerámicos El más común es el óxido de aluminio (Al 2 O 3 ). Las características que lo hacen adecuado para el recubrimiento son: neutralidad química, baja conductividad térmica, resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste tanto del flanco como de cráter. Si bien es cierto, que la estabilidad química de los óxidos provoca que en general se adhieran débilmente al sustrato. Fases múltiples Los recubrimientos ya mencionados se pueden aunar en un único recubrimiento de manera que se obtenga una herramienta con todas las características deseables de cada una de ellas. Esto se consigue mediante la superposición de capas de cada uno de ellos ordenando dichas capas teniendo en cuenta las características y compatibilidades de cada una de ellas. Una combinación habitual de capas puede ser: TiN: garantizan baja fricción. Al 2 O 3 : brinda alta estabilidad térmica. TiCN: aporta buen equilibrio de resistencia al desgaste incluso en corte interrumpido. Sustrato delgado de carburo: da alta tenacidad a la fractura. Sustrato grueso de carburo: es duro y resistente a la deformación plástica a temperatura elevada. Ejemplos de combinaciones de capas pueden ser: TiC / Al 2 O 3 : Indicada para cortes a alta velocidad y continuos. TiC / Al 2 O 3 /TiN: Apropiada para cortes rudos y continuos. TiC / TiC + TiN / TiN: Adecuada para cortes interrumpidos. Diamante: Se abordará en el siguiente epígrafe. Capítulo 2-8 Antonio Guarnido Barrera

9 Otros materiales de recubrimientos que constituyen los últimos avances en la materia son: Nitruro de aluminio titanio (TiAlN) Es funcional para el mecanizado de aceros inoxidables, así como para aleaciones aeroespaciales. Carburo de cromo (CrC) Especialmente útil para el mecanizado de materiales blandos que tienden a adherirse a la herramienta de corte como pueden ser aluminio, cobre y titanio. 2.6 Diamante El diamante como tal es la sustancia más dura que se conoce. Como herramienta de corte posee características atractivas como baja fricción, alta resistencia al desgaste y capacidad de mantener su filo de corte. Pero el diamante es frágil, por lo que se ha de tener en cuenta que la forma geométrica de la herramienta es crucial para garantizar una vida útil aceptable. El desgaste en este tipo de herramientas se produce por microastillado y por la transformación en carbono del diamante, producidas por las elevadas temperaturas que se generan. Estas características hacen que las herramientas de este material sean apropiadas para cortes ininterrumpidos en los que se requiere un buen acabado superficial y buena precisión dimensional. Siendo especialmente efectivas para el mecanizado de metales no ferrosos y materiales abrasivos. Sin embargo, la gran afinidad química a elevadas temperaturas hace que no sea apropiado para mecanizar aceros simples al carbono ni aleaciones de titanio, níquel y cobalto. Este material, no solo se utiliza en herramientas como material único sino que también se emplea como recubrimientos y como componente en muelas desempeñando su función como material abrasivo. 2.7 Materiales cerámicos de base de alúmina Surgieron en torno a 1950 y están constituidos principalmente por óxido de aluminio. Se producen mediante sinterización de óxido de aluminio y otros aditivos como carburo de titanio y óxido de zirconio que aportan tenacidad y resistencia al impacto térmico. La herramienta resultante tiene alta resistencia a la abrasión y alta dureza en caliente. Son estables químicamente, más que los aceros rápidos y los carburos, lo que hace que tengan menos tendencia a formar filos recrecidos. Por consiguiente generan buen un buen acabado superficial y buena precisión dimensional. Como inconveniente comparte con los materiales cerámicos una baja tenacidad, lo que los hace muy susceptibles de sufrir fallo catastrófico. Por este hecho su uso es preferible en aplicaciones con corte Antonio Guarnido Barrera Capítulo 2-9

10 continuo. Otro hándicap de este material es su escasa resistencia al choque térmico lo que requiere una refrigeración constante o la ausencia de esta. 2.8 Cermets Son una particularización de los materiales cerámicos y están constituidos por partículas de óxido de aluminio sobre una matriz metálica que normalmente es de carburo de titanio aunque también puede ser carburo de molibdeno, de niobio y de tantalio. Son estables químicamente, no suelen presentar filos recrecidos pero tienen un elevado coste que ha impedido una difusión de su uso. 2.9 Nitruro de boro cúbico (cbn) Más conocido como borazón, es tras el diamante el material más duro que se conoce. Fue presentado en 1962 y se produce uniendo una capa de nitruro de boro cúbico policristalino a un sustrato de carburo mediante sinterización a alta presión y alta temperatura. El sustrato aporta tenacidad mientras que el borazón aporta una elevada resistencia al desgaste del filo de corte. Estas herramientas también se pueden encontrar en piezas pequeñas sin sustrato. Este es sensible a choque térmico por lo que en cortes interrumpidos se desaconseja emplear fluidos de corte. También es empleado como abrasivo Cerámicos con base de nitruro de silicio (SiN) Su desarrollo data de la década de 1970, y consisten en nitruro de silicio principalmente al que se le añade oxido de aluminio, de itrio y carburo de titanio. Este material tiene muy buenas características como son: tenacidad, dureza en caliente y resistencia al impacto térmico. Por todo ello se recomienda para mecanizar hierros fundidos y superaleaciones con base de níquel. Por el contrario, las herramientas con base de SiN tienen afinidad con el hierro a altas temperaturas. Un reciente avance en la tecnología de herramientas de corte es el uso de triquitas como fibras de refuerzo en los materiales utilizados para fabricar herramientas de corte, aunque el carburo de silicio tiene alta reactividad con el hierro, lo que las hace inadecuadas para mecanizar hierros y aceros. Algún ejemplo puede ser: Herramientas con base de nitruro de silicio reforzadas con triquitas de carburo de silicio. Herramientas con base de óxido de aluminio, reforzadas con triquitas de carburo de silicio. Capítulo 2-10 Antonio Guarnido Barrera