Multiplique su productividad eligiendo el recubrimiento de herramienta correcto

Toda persona envuelta en el mundo del mecanizado conoce los pilares de una buena herramienta de corte. Esta debe ser dura para resistir el desgaste y la deformación de los filos de corte. Debe ser tenaz para resistir la rotura del cuerpo de la herramienta. Con el fin de evitar desgaste no interactuar químicamente con el material de la pieza de trabajo, al igual que ser químicamente estable para resistir la oxidación y la difusión. Sobre todo en el caso de corte interrumpido, como el fresado, las herramientas deben tener muy buena resistencia a los cambios térmicos bruscos. Sin embargo, la tecnología aún no logra generar una herramienta única que solucione absolutamente todos los casos de corte.

Por principios físicos de los materiales, se puede tener por un lado gran dureza, como en el caso del diamante o el CBN, por ejemplo, o se tiene muy buena tenacidad para soportar golpes y choques térmicos, como es el caso de los aceros de herramienta o algunos tipos de carburos cementados. Con el fin de acercarse a un mejor compromiso de propiedades mecánicas, en las que además de mejorar la remoción de material, se reduzcan tiempos de ciclo y se minimice el material de desecho, los fabricantes de herramientas vienen trabajando fuertemente en el desarrollo de recubrimientos que permitan sumar sus cualidades a los del material base de las herramientas de corte y se avance hacia ese mundo ideal de la herramienta de corte “perfecta”.

Este artículo busca resumir las principales técnicas que se utilizan para fabricar los recubrimientos con el fin de que usted tenga mayores criterios de escogencia a la hora de definir la herramienta correcta para su aplicación. Es bien sabido que hoy en día, los fabricantes de autopartes, tanto de componentes tradicionales como de movilidad eléctrica, buscan soluciones confiables para satisfacer las demandas del mercado y mantener competitivos sus costos de producción. Esta información le será útil para tomar decisiones informadas en su taller.  

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PVD (deposición física de vapor)

El recubrimiento se forma por vapor de metal que se condensa en las superficies de los insertos. El PVD funciona de la misma manera que cuando el aire húmedo se condensa en una superficie  fría y forma una capa de hielo al bajar la temperatura.

Los recubrimientos PVD se forman a una temperatura mucho más baja que los CVD.

En un proceso PVD normal las temperaturas rondan los 500° C. Es decir por debajo de las temperaturas a las cuales se afecta la microestructura de los materiales con los que se fabrican las herramientas.

El espesor del revestimiento está en el rango de 2-6 μm dependiendo del área de aplicación de los insertos.

Los recubrimientos PVD más comunes en la actualidad son el TiN, Ti (C, N), (Ti, Al) N, (Ti, Al, Cr) N y cada vez más óxidos no ferrosos.

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Las ventajas del recubrimiento PVD

• El PVD proporciona una buena tenacidad en los bordes, por lo general mayor al del CVD.
• Los recubrimientos PVD pueden mantener un "afilado" más agudo.
• PVD se puede utilizar en puntas soldadas.
• PVD se puede utilizar en herramientas de carburo sólido.

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CVD (deposición química de vapor)

En un proceso de recubrimiento CVD, el recubrimiento es formado por una reacción química de diferentes gases. Temperatura, tiempo, flujo de gas, atmósfera gaseosa, etc., se controlan cuidadosamente para dirigir la deposición de las capas de revestimiento.

Dependiendo del tipo de recubrimiento, la temperatura en el reactor puede estar entre 800 y 1100º C.

Cuanto más grueso sea el recubrimiento, más largo será el proceso. El recubrimiento CVD más delgado de la actualidad está por debajo de 4 μm y el más grueso está por encima de 20 μm.

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Ventajas del CVD

• Capacidad para realizar recubrimientos más gruesos.
• Capacidad para lograr un espesor uniforme del revestimiento en geometrías complejas.
• Muy buena adherencia al sustrato de carburo.
• Muy buena resistencia al desgaste.
• Posibilidad de realizar recubrimientos de óxidos.

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La mayor variedad de diferentes tipos de componentes automotrices probablemente estén en el área ISO P ya que cubre aceros de baja hasta alta aleación. De izquierda a derecha se ven aplicaciones que exigen desde mayor resistencia al desgaste hacia mayor tenacidad. Es decir, en condiciones de operación P01 a P20 aproximadamente, se tienen condiciones de corte continuo como el torneado, pasando desde torneado interno y externo sin vibraciones, hasta torneado en condiciones complejas a velocidades de corte bajas. Subiendo en la escala de P30 en adelante, se encuentran procesos de torneado discontinuo y fresado con condiciones en los que las herramientas sufren “golpes” durante su trabajo y requieren de mayor tenacidad.

La ilustración muestra de manera general cómo se distribuyen las diferentes capas de recubrimiento sobre el sustrato de carburo cementado en el caso de grados de insertos para torneado de acero. En general, los recubrimientos más gruesos significan mayor resistencia al desgaste y entre más duro sea el sustrato mayor resistencia a la deformación tiene la herramienta.

Función específica de capas utilizadas por los fabricantes de herramientas:

• TiCN (Carbonitruro de Titanio): Resistencia mecánica al desgaste de los filos de corte. Interfaz entre un recubrimiento duro y el carburo.
• Al2O3 (Óxido de Aluminio): Protección química a altas temperaturas, resistencia a deformación plástica
• TiN: (Nitruro de Titanio). Resistencia al desgaste y detección fácil del uso de la herramienta por su color.
• DLC: (Diamond like carbon - Diamante sintético): Resistencia al desgaste abrasivo y por adhesión, protección química y reducción de fricción 

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Recubrimientos de última generación

El fabricante de herramientas de corte Sandvik desarrolló ya la segunda generación de su recubrimiento Inveio, el cual es un avance técnico con el que logran la orientación unidireccional de los cristal de alúmina (Al2O3) en la capa de revestimiento aumentando la resistencia al desgaste y la vida útil de la herramienta.

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Este revestimiento, logrado mediante un proceso CVD, todos los cristales se alinean en la misma dirección, con la parte más fuerte hacia la superficie superior. De esta manera se crea una barrera de mayor resistencia hacia la zona de corte y la viruta. Esto mejora el desgaste de cráter y la resistencia al desgaste del filo de corte. Un efecto importante es que el calor se aleja más rápidamente de la zona de corte, lo que ayuda a que el filo se mantenga en forma durante más tiempo. Igualmente, Sandvik asegura que este recubrimiento soporta mayores presiones de corte a altas temperaturas para cortar más rápido, dado que se endurece a medida que la temperatura sube.

Según Osvaldo Pérez, Especialista de Producto de Sandvik Coromant México, la segunda generación de este recubrimiento presenta “mejor alineación de cristales del recubrimiento y mayor uniformidad de los cristales, teniendo prácticamente el mismo tamaño de cristal y alineación, sin espacios que puedan propiciar su desprendimiento”. 

A lo que complementa, “Al no desprenderse los cristales, tenemos un desgaste más uniforme y predecible, debido a que el desgaste de los cristales va a ser uniforme”.  Debido a que este recubrimiento es un CVD, el especialista recomienda su aplicación “en materiales como el acero y la fundición, donde los desgastes son mayores”, asegura Pérez. Los fabricantes aseguran tener múltiples casos de éxito tanto en México como en el resto del mundo, donde se logran incrementos en la vida del 100% en aplicaciones con respecto a insertos de otros orígenes.

DLC en insertos de corte

La industria automotriz cada vez tiene aplicaciones más frecuentes en las que el material a mecanizar es el aluminio. Con este fin, el fabricante Kyocera generó un proceso propio de deposición DLC libre de hidrógeno para mejorar la vida útil de la herramienta. Una de las características más interesantes del DLC es bajar el coeficiente de fricción para evitar el acumulamiento de material en los filos de corte, con su consecuente deterioro de la calidad superficial y aumento del desgaste. 

Este fabricante ha logrado combinar además el tener filos de corte de radio muy pequeño (muy afilados) que junto con el recubrimiento previenen también la formación de rebabas, tan comunes en el mecanizado de materiales de alta ductilidad. Este tipo de recubrimientos se puede conseguir en herramientas para torneado, fresado y corte de caras. En casos de aplicación, Kyocera asegura lograr también incrementos de más del doble en la vida útil de las herramientas debido a la reducción en acumulación de material en el borde, con respecto a otros insertos de corte.

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