Herramientas de Diamante y CBN:

54 HERRAMIENTAS Foto: www.2.bp.blogspot.com Herramientas de Diamante y CBN: las Más Duras de la Industria Carlos Elías Sepúlveda Lozano Periodista Metal Actual Menos mantenimiento de perfil, más producción. Las herramientas con diamante policristalino (PCD) y nitruro de boro cúbico (CBN) son muy utilizadas en la industria cuando se requiere trabajar (cortar, mecanizar, desbastar) materiales que poseen altas durezas y es necesaria la utilización de materiales más duros que los convencionales. Las herramientas utilizadas en la industria deben tener altas propiedades físicas y químicas para soportar las exigentes aplicaciones en las que son utilizadas. La industria busca cada vez más materiales ultraduros para fabricar herramientas de corte (brocas de perforación, taladros, trituradoras, fresas, escariadores, discos de corte), tradicionalmente fueron empleados materiales naturales como óxidos de silicio (SiO 2 ) o de aluminio (Al 2 O 3 ). Después, la investigación en metalurgia llevó al desarrollo del tungsteno, carburos y nitruros. Actualmente, los materiales más resistentes utilizados por la industria para recubrir herramientas de corte y mecanizado de metales, aleaciones y elementos de extrema dureza como las cerámicas, son el diamante

HERRAMIENTAS 55 policristalino (PCD) y el nitruro de boro cúbico (CBN); los cuales tienen características y aplicaciones específicas por su composición estructural. El diamante policristalino (PCD) es fabricado mediante la sinterización de polvos finos de cristales de diamante granulado a altas temperaturas y presiones en la forma deseada, no es usado aglutinante. Los cristales tienen una orientación aleatoria y esto añade considerable tenacidad a las herramientas de diamante policristalino sinterizado, en comparación con los cristales simples de diamante. La incrustación del material se hace depositando una capa de diamante policristalino sinterizado (de 0.020 pulgadas aproximadamente) sobre la herramienta. No es práctico maquinar el acero y otros metales ferrosos, así como las aleaciones basadas en níquel, con herramientas PCD, debido a la afinidad química que existe entre estos metales y el carbono (el diamante es una forma del carbono). Por ello, el diamante es utilizado en las operaciones donde normalmente es empleado el carburo de silicio, como materiales duros, frágiles, que generan poca viruta al ser trabajados, entre otros están: tungsteno, vidrio, cerámicas, cuarzo, ferrita, grafito, piedras preciosas y semipreciosas. Debido a que el PCD no era idóneo para materiales ferrosos y en procesos que excedieran los 600ºC (centígrados) presentaba fragilidad, la industria encontró una alternativa: el nitruro de boro cúbico (CBN), el cual se produce mediante el sinterizado del Nitruro de Boro a grandes presiones y temperaturas; por lo cual es utilizado en operaciones (torneado y fresado) en las que normalmente sería utilizado el óxido de aluminio como materiales ferrosos que poseen carbono (aceros templados y aceros sinterizados). También para el afilado de fresas, escariadores, cuchillas y rectificado de herramientas de perfiles internos y externos, troqueles y matrices en acero. El CBN tiene ventajas tecnológicas y económicas sobre el PCD, cuando los materiales trabajados tienen afinidad química con el carbón, como los aceros y sus aleaciones de altas durezas mayores a 50 HRC dureza rockwell y en operaciones de rectificados de precisión y afilado, en las cuales usualmente se usa el óxido de aluminio. Ver tabla 1. Proceso de Fabricación Tabla 1. Propiedades Materiales Duros Dureza Densidad Estabilidad térmica Módulo de elasticidad Diamante 70000 N/mm 2 3,52 Kg/dm 3 600-700 C 890 KN/mm 2 CBN 46000 N/mm 2 3,48 Kg/dm 3 >1000 C 590 KN/mm 2 SiC 25800 N/mm 2 3,22 Kg/dm 3 700 C 470 KN/mm 2 Al 2 O 3 20000 N/mm 2 3,90 Kg/dm 3 2050 C 390 KN/mm 2 Fuente: Saint Gobain Por dichas características, la industria ha creado diversos tipos de herramientas recubiertas con PCD y CBN, que han aportado un avance importante en los procesos de mecanizado, corte y desbaste, pues, por su alta dureza, brindan propiedades de resistencia y abrasión significativas que contribuyen a una productividad mayor en donde son utilizadas. Foto: www.i00.i.aliimg.com Cabe aclarar, que estos materiales por sus características de dureza son considerados superabrasivos, por lo que también son fabricados abrasivos tejidos y tridimensionales con finas partículas de PCD y CBN, depositados con aglomerantes (resinas) en papel industrial, tela o malla de soporte. Los más comunes, quizás, son las lijas y discos de desbaste, que no serán tocadas a profundidad, porque se explicarán las características de las herramientas macizas utilizadas en corte, torneado, fresado, entre otras, fabricadas con PCD y CBN. Ver tabla 2. En este tipo de herramientas, la palabra maciza se refiere a que existe un material base o sustrato, casi siempre carburo de tungsteno, que es recubierto con una capa delgada, en este caso de PCD o CBN, que proporciona las características físicas adecuadas para realizar el trabajo de corte y mecanizado. Existe gran cantidad de herramientas hechas con PCD y CBN.

56 HERRAMIENTAS Tabla 2. Usos Herramientas con PCD y CBN Herramientas PCD Herramientas CBN Industrias en que son utilizadas PCD/CBN Ferrita Materiales refractarios Materiales reforzados con fibra de vidrio y carbono Metal duro (sinterizado) Aleaciones con base de níquel y titanio Silicio Capas de protección de desgaste La principal función de las capas delgadas es modificar las propiedades de la superficie de dicho material base para aumentar las propiedades del conjunto capa-sustrato. En ocasiones, el material base sólo tiene la función de soporte mecánico y otras veces posee características concretas (resistencia mecánica, dureza, polarización magnética para atraer la capa y unirse a ella). La capa como tal, ofrece propiedades distintas, superiores en la mayoría de los casos a las del sustrato, puesto que de ella depende la dureza y la función antidesgaste. Existen variados procesos para depositar las capas de material sobre los materiales o metales base, entre otros está el recubrimiento por deposición física en fase de vapor (PVD, del inglés Physical Vapor Deposition) que se forma a temperaturas relativamente bajas que van entre 400 y 600 C. El proceso lleva a cabo la evaporación de un metal que reacciona con, por ejemplo, nitrógeno para formar un recubrimiento duro de nitruro en la superficie de la herramienta. En este caso específico, los materiales usados serían el PCD y el CBN, según la aplicación requerida.¹ Ventajas Aceros rápidos (incluso pulvimetalurgia) Aceros de herramientas Aceros de cementación Aceros de rodamientos Aceros cromados Materiales templados con durezas superiores a 60 HRC Las durezas inferiores, 40 60 HRC, requieren condiciones especiales de trabajo Las herramientas con recubrimientos PCD y/o CBN son muy agresivas, Industria eléctrica y electrónica / semiconductores. Fabricación de moldes y herramientas Fabricantes de metal duro Fabricantes de herramientas de metal duro Trabajo de madera y laminado Cerámica industrial, cerámica de alta calidad y materiales especiales Industria del automóvil y proveedores de piezas de automoción (por ej., vidrio de luna) Industria aeronáutica y espacial Construcción de máquinas y aparatos Industria óptica y mecánica de precisión Industria de forros de fricción, forros de frenos Técnica de plásticos Fuente: Documento Herramientas de rectificado de diamante y CBN en aglomerante galvánico. (Elaborado por Metal Actual) por lo que poseen una elevada capacidad de arranque de virutas. No se atascan incluso en trabajos que requieren alto desprendimiento de material. Además, es posible recubrir cualquier base y perfil sin importar su geometría. Y se puede prescindir del reafilado de las herramientas cuando son hechas con PCD o CBN, envueltas ya en varias capas del material, puesto que, por su recubrimiento de una capa delgada, cabe la posibilidad de aplicar uno nuevo en aquellos casos que no esté dañado el material base. La utilización del PCD y CBN sobre recubrimientos convencionales en herramientas también ofrece: mayor eficiencia en la rectificación o corte de sección en materiales que presentan alta dureza; más durabilidad y menor mantenimiento del perfil de la herramienta; costo operacional más bajo; tiempos cortos de mecanizado; sobrecalentamiento menor de la pieza de trabajo, ya que sólo se alcanzan temperaturas de amolado bajas; y homogeneidad para un elevado número de piezas. Las comparaciones de costos entre materiales abrasivos convencionales (óxido de aluminio y carburo de silicio) y el PCD, en el caso de materiales de difícil rectificado como el metal duro y materiales semejantes en las máquinas rectificadoras adecuadas, dan como resultado una mayor rentabilidad de este último, aunque el costo del mismo es superior. A fin de conseguir un gran volumen de viruta arrancada por unidad de tiempo, con un reducido desgaste de las ruedas abrasivas de diamante, será conveniente trabajar con refrigerante, siempre que sea posible, para evitar polvo de material y facilitar la velocidad de remoción de viruta, entre otras. Por otro lado, el CBN ofrece ventajas económicas principalmente en el mecanizado de materiales en cuya composición estén los carburos, tal como sucede con el acero. Respecto a los materiales abrasivos convencionales, brinda mejoras en el corte de aceros de difícil arranque de viruta, con elevadas proporciones de aleación y durezas de 50HRC, tales como los aceros HSS y los inoxidables. Recomendaciones y Consejos Para la selección adecuada de la herramienta (PCD o CBN) es recomendable conocer la aplicación en la cual va a ser utilizada, porque ello va a determinar las características de la herramienta. Entre los parámetros Tener en cuenta las condiciones óptimas de la herramienta cuando es utilizada, determina su vida útil y la calidad del proceso. Foto: www.bp.blogspot.com

Foto: www.euskalnet.net más relevantes para tener en cuenta se encuentran: tipo de máquina (características de operación, velocidad, potencia); pieza o material a trabajar (dureza, tipo, composición); operación a ejecutar (corte, afilado, rectificado, acabado); y dimensiones de la herramienta abrasiva de acuerdo a las condiciones de la máquina o requerimientos del proceso. Al tener claros estos datos, pueden determinarse las características para seleccionar la herramienta apropiada dentro de los siguientes parámetros: Forma: de acuerdo a las formas estandarizadas de la Norma FEPA². Dimensiones: diámetro, espesor, hueco y eje de acuerdo a las condiciones de la máquina. Abrasivos: PCD o CBN de acuerdo a la pieza o material a trabajar. Tamaño de grano: según el terminado, rugosidad y tasa de remoción requerida. Grado/concentración: determina la dureza de la herramienta abrasiva. Se selecciona la concentración del abrasivo según el tipo de operación (húmeda o seca), la tasa de remoción de material y los requerimientos de mantenimiento de forma. Liga: se selecciona la liga dependiendo del tipo de aplicación (tipo de material y operación). Profundidad de abrasivo: de acuerdo al uso del abrasivo. En caso de máquinas como las afiladoras de herramientas, estas deben tener una construcción rígida y estar montadas a prueba de vibraciones. El eje y las guías de la mesa deben tener mantenimientos constantes para evitar vibraciones, ya que pueden ocasionar deformaciones en la herramienta disminuyendo su vida útil.

58 HERRAMIENTAS 1. Desgaste acelerado de las caras de incidencia 2. Desgaste excesivo del radio Una velocidad de corte demasiado baja conduce a un aumento de la abrasión. Una velocidad de corte demasiado alta genera una reacción química. Avance demasiado reducido - Aumento de rozamiento. Excesivo desarrollo de calor y abrasión. Selección errónea del material de corte. Corregir la velocidad de corte. Avance mínimo en caso de piezas de CBN 0,1 mm/vuelta Utilizar eventualmente refrigerante optimizar la refrigeración. Corregir la selección del material de corte. Geometría errónea de la herramienta Conformación errónea del filo de corte Selección errónea del material cortante Aumentar el radio del canto o elegir una geometría más estable de la herramienta. Aplicar en caso necesario un bisel o un redondeado del filo de corte. Verificar la selección del material cortante. 3. Rotura de los filos de corte 4. Desgaste de la cara de desprendimiento 5. Rotura del filo Insuficiente rigidez de la máquina, de la herramienta o del dispositivo de apriete del portaherramientas. Configuración defectuosa de los filos de corte. Selección errónea del material cortante. Excesivo avance, esfuerzo de choque extremo de la plaquita. Manejo / almacenamiento erróneo de las plaquitas. Minimizar el desdoblado, la vibración. Apretar de un modo distinto la herramienta, elegir portaherramientas, más rígidos. Comprobar la configuración de los filos de corte. Comprobar la selección del material cortante. Comprobar los parámetros de trabajo. Manejo cuidadoso y almacenaje seguro son principios importantísimos. Reacción química de la capa cortante con materiales férricos. Excesiva velocidad de corte. Avance excesivo. Selección errónea del material cortante. Material demasiado blando (>45 HRC en el caso del acero). Desarrollo extremo de calor. La solución completa no es posible en todos los casos, aunque una reacción del desgaste de la cara de desprendimiento conduce ya a una optimación de la duración de la herramienta. Comprobar los parámetros de trabajo. Comprobar la selección del material cortante. Los aceros para la mecanización en procedimientos de torneado duro con CBN deberán ser siempre más duros de 45 HRC. Utilizar u optimizar el refrigerante. No están bajo control las otras formas de desgaste. Selección errónea del material cortante. Geometría errónea de la herramienta. Daños térmicos por aporte de refrigerante erróneo / insuficiente. Eliminar las causas primarias del desgaste o cambiar o rectificar el filo tras alcanzarse el máximo desgaste autorizado de las superficies libres. Comprobar la selección del material cortante. Reforzar la geometría del canto, aumentar el radio del canto o el grosor de placa. Optimización del aporte de refrigerante.

Factores como la selección adecuada del material o recubrimiento (duro-abrasivo), la velocidad periférica, fijación de la pieza en la máquina, tipo de material trabajado, potencia del motor en la máquina y el estado de esta última, son claves para determinar la vida útil de la herramienta A nivel operativo, las especificaciones generales de estos productos al momento de realizar una tarea son: Refrigeración de 2 al 5 por ciento Velocidades periféricas: con refrigerante 20 a 40m/s; sin refrigerante, 15 a 20 m/s Usar elementos de protección Otra recomendación importante es que las herramientas de corte con CBN deben usarse en piezas duras (48 Rockwell C ó más), porque si los componentes son muy suaves, es posible ocasionar un desgaste excesivo en la herramienta. Entre mas duro sea el material menos se desgasta la herramienta. También es adecuado, si se usa refrigerante con una herramienta CBN, suministrarlo abundantemente alrededor de los filos cortantes, de lo contrario es preferible trabajar en seco para evitar ruptura térmica. Las herramientas abrasivas realizadas con PCD y CBN, dan cuenta de la evolución en la industria para encontrar soluciones a los retos que constantemente se presentan, no solo a nivel técnico, sino pensando también en aumentar y fomentar la productividad, para mercados que crecen de forma sostenida y las aplicaciones que demandan son cada vez más exigentes. Citas 1) Para más información sobre recubrimientos PVD, consultar el artículo Recubrimientos Duros: deposición Física en Base Vapor (PVD), publicado en la edición de Metal Actual, número 24. Mayo-julio de 2012. Páginas 32 a la 37. 2) La FEPA (Federación Europea de Fabricantes de Productos Abrasivos), utiliza un procedimiento distinto a la clasificación granulométrica de la CAMI norma usada en los Estados Unidos por la respectiva asociación de fabricantes. Como toda norma, el sistema y sus procedimientos fueron diseñados para determinar la uniformidad de sus productos, por no tener equivalencia en Europa, surge la norma FEPA Fuentes Angélica Parra y Stella Garzón, ingenieras del Departamento de Ingeniería de Aplicación de Saint-Gobain Abrasivos. www.diamondscbntech.com www.books.google.com.co - www. thefabricator.com PDF: Herramientas PCD y metal duro, Herramientas Preziss. PDF: Herramientas de rectificado de diamante y CBN en aglomerante galvánico, PFERD. PDF: Urgeles Diamant