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Herramientas de corte: ¿cuál es el recubrimiento adecuado?

En la actualidad, alrededor del 95% de los filos de corte de herramientas de metal duro están recubiertos. El aumento de la dureza de la superficie aumenta la resistencia al desgaste de la herramienta, la reducción de la fricción durante la evacuación de la viruta debido a las superficies ultra lisas, reduce la tendencia a la soldadura y al filo recrecido de los filos de corte, y el efecto aislante de la capa, aumenta la resistencia en caliente. El resultado es que se pueden lograr vidas útiles considerablemente más largas.

Básicamente se utilizan dos proceso para el recubrimieto: el recubrimiento PVD (Physical Vapour Deposition) y el recubrimiento CVD (Chemical Vapour Deposition). 

Ejemplo: Recubrimiento AITiN

Recubrimiento CVD.

La deposición química en fase de vapor (Chemical Vapor Deposition = CVD), es un método para realizar recubrimientos de bajo estrés residual mediante reacciones químicas inducidas térmicamente.  

Las materias primas para el recubrimiento, se evaporan y se aportan a la zona de recubrimiento en estado gaseoso. A continuación, el gas se descompone o reacciona con otros materiales de partida y luego se deposita como una capa delgada sobre el sustrato. Esto se puede realizar al vacío o a baja presión atmosférica.  

Se requieren temperaturas del sustrato de hasta 1.000º centígrados para permitir las reacciones de la superficie. Estos procesos pueden estar ayudados por un plasma que aumenta la velocidad de reacción, por lo que se puede reducir la temperatura del recubrimiento.   

El proceso CVD se utiliza para depositar recubrimientos con un espesor de 5 a 12 µm, en algunos casos hasta 20 µm. Los materiales utilizados son TiC, TiCN, TiN y óxido de aluminio (Al203). Los recubrimientos se pueden aplicar como capa única o múltiples. 

Propiedades del recubrimiento CVD.

  • Bajas tensiones residuales del recubrimiento.
  • Muy buena adherecia del recubrimiento. 
  • Alta resiliencia
  • Posibilidad de capas de hasta 20 µm.
  • Muy buena homogeneidad del recubrimiento.
  • Posibilidad de recubrimiento interno y geometrías complejas.
  • Muy buen efecto de escudo térmico con capas gruesas.
  • Al tornear y fresar hierro fundido, son posibles velocidades de corte que de otro modo solo se pueden alcanzar con la cerámica.
  • Las altas temperaturas del proceso hacen que el sustrato de metal duro se vuelva más frágil y, por lo tanto, reducen la tenacidad del filo.
  • Las capas gruesas de 20 µm provocan un redondeo y, por lo tanto, reducen el aguzado del filo. 

recubrimiento de diamante

El recubrimiento de diamante es una forma especial de recubrimiento CVD: Para ello, el gas de hidrógeno introducido se divide en radicales de hidrógeno ya sea por altas temperaturas (2.000º centígrados) o por igniciones de plasma. Estos radicales reaccionan entonces junto con el gas que contiene carbono (generalmente CH4), que también es introducido, dando lugar a la acumulación de carbono en la superficie del sustrato. Si se cumplen los parámetros de proceso correctos, este carbono se deposita en forma cristalina del diamante. Los recubrimientos de diamante son muy adecuados para mecanizar materiales altamente abrasivos como grafito o componentes de CFRP.

Campos de aplicación CVD

Los recubrimientos CVD son la primera opción cuando la resistencia al desgaste es importante, como en las operaciones generales de torneado en aceros inoxidables y taladrado en acero, donde los gruesos recubrimientos CVD proporcionan resistencia al desgaste por craterización. Lo mismo ocurre con las calidades de fresado ISO P, ISO M e ISO K. En el taladrado, las calidades CVD se utilizan normalmente en el filo de corte exterior. 

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Recubrimiento PVD.

A diferencia de los procesos de CVD, los procesos de PVD se basan en procesos puramente físicos. Se trata de un vapor de material que se condensa en la superficie del sustrato. Para asegurar que las partículas de vapor lleguen a los componentes y no se pierdan por dispersión en las partículas de gas, el proceso se lleva a cabo bajo presión negativa. Debido a que el proceso de recubrimiento PVD tiene lugar a temperaturas más bajas; de 400 a 600º centígrados, las propiedades del material de corte base se ven menos afectadas que con el proceso CVD. Por lo tanto, la tenacidad de los metales duros de grano fino se mantiene en gran medida.

Hay cuatro tipos principales de recubrimientos PVD: Evaporación, pulverización catódica (sputtering), evaporación por arco y recubrimiento de iones. La pulverización (sputtering) es el de mayor importancia. Con las diferentes variantes de PVD se pueden depositar casi todos los metales y también el carbono en una forma muy pura. Si se añaden al proceso gases reactivos como el oxígeno, el nitrógeno o hidrocarburos, también se pueden separar los óxidos, los nitruros o los carburos.

Propiedades del PVD

  • Alta pureza de las capas
  • Baja influencia térmica sobre el sustrato: se conserva la tenacidad
  • Se puede utilizar casi cualquier material para el recubrimiento
  • Tolerancias de espesores de capa pequeñas
  • Excelente adhesión (incluso sobre capas intermedias adicionales)
  • Espesores de capa comparativamente bajos 

Campos de aplicación PVD

Las calidades de recubrimiento PVD se recomiendan para materiales “pegajosos” debido a sus filos de corte resistentes, pero afilados. Las aplicaciones incluyen todas las fresas y brocas de metal duro integral, así como la mayoría de calidades para ranurado, roscado y fresado. Las calidades con recubrimiento de PVD, también se utilizan ampliamente en las operaciones de acabado y como calidades de placas interiores de brocas de plaquitas. 

Multicapa

Si se requiere un alto nivel de tenacidad, un recubrimiento multicapa es una opción. En el proceso, se aplican hasta 2.000 capas individuales, cada una de las cuales tiene sólo unos pocos nanómetros de grosor. La estructura multicapa evita que las grietas que se producen durante el mecanizado se propaguen hacia el interior. El material arrancado no puede penetrar en el filo tan rápidamente para hacerlo saltar. Con los recubrimientos multicapa, puede lograr una vida útil más larga. Aparte de la estructura de la capa, la última capa (la capa superior) es importante. Los metales no férricos, especialmente, tienden a formar filo recrecido, lo que aumenta las fuerzas y temperatura de corte y, por lo tanto, el desgaste de la herramienta. Este problema se minimiza con capas superiores de baja fricción. 

¿Qué material de corte es adecuado para qué?

En el recubrimiento CVD, los materiales utilizados son generalmente TiC, TiCN, TiN y óxidos de aluminio (Al203). Con las diferentes variantes de PVD se pueden depositar casi todos los metales y también el carbono en una forma muy pura. A modo de orientación, encontrará una descripción general de las propiedades de los composiciones más comunes:

TiN: Recubrimiento de nitruro de titanio

  • Recubrimiento estándar más utilizado y de aplicación universal
  • Composición química de titanio y nitrógeno
  • Nano dureza: hasta 24 Gigapascales (GPa)
  • Espesor de la capa: 1-7 μm
  • Coeficiente de fricción: 0,55 μ
  • Temperatura de aplicación: 600 °C
  • Aplicación: Acero (N / mm²) <900, latón y hierro fundido
  • En aluminio sólo con máquinas herramientas estacionarias y refrigeración líquida forzada
  • Se recomienda refrigeración
  • Una vida útil tres o cuatro veces mayor en comparación con las herramientas sin recubrimiento

TiAlN: Recubrimiento de nitruro de titanio aluminio

  • Revestimiento integral
  • Dependiendo de la aplicación, una vida útil de hasta diez veces más larga
  • Alta dureza en caliente y resistencia a la oxidación.
  • Altas velocidades de corte
  • Composición química de titanio, aluminio y nitrógeno
  • Nano dureza: hasta 35 Gigapascales (GPa)
  • Espesor de la capa: 1-4 μm
  • Coeficiente de fricción: 0,5 μ
  • Temperatura de aplicación: 800 °C
  • Aplicación: Acero (N/mm²) < 1.100, acero inoxidable, aleaciones de titanio, hierro fundido, aluminio, latón, bronce y plásticos
  • La refrigeración no es absolutamente necesaria

AlTiN: Recubrimiento de nitruro aluminio titanio

  • Dependiendo de la aplicación, una vida útil hasta catorce veces más larga
  • Alta dureza en caliente y resistencia a la oxidación.
  • Composición química de aluminio, titanio y nitrógeno
  • Nano dureza: hasta 38 Gigapascales (GPa)
  • Espesor de la capa: 1-4 μm
  • Coeficiente de fricción: 0,7 μ
  • Temperatura de aplicación: 900 °C
  • Aplicación: Acero (N/mm²) < 1.300, aceros inoxidables
  • La refrigeración no es absolutamente necesaria

TiCN: Recubrimiento de carbonitruro de titanio

  • Hasta cuatro o cinco veces más de vida útil dependiendo de la aplicación
  • Muy alta dureza y al mismo tiempo buena tenacidad.
  • Composición química de titanio, carbono y nitrógeno
  • Nano dureza: hasta 32 Gigapascales (GPa)
  • Espesor de la capa: 1-4 μm
  • Coeficiente de fricción: 0,2 μ
  • Temperatura de aplicación: 400 °C
  • Aplicación: Acero (N/mm²) < 1.300, aceros inoxidables
  • La refrigeración es necesaria a velocidades de corte más altas