Hay dos factores que deben ser considerados en la evaluación de recubrimientos de insertos: los materiales usados y el proceso mediante el cual son aplicados. Ambos influyen en el rendimiento del sistema del inserto. El mismo recubrimiento actúa como interfaz entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Según la aplicación, los recubrimientos pueden proporcionar resistencia al desgaste, a la abrasión, a la formación de cráteres, a la acumulación de adherencias en el filo, a la resistencia química, o una simple reducción de la fricción que disminuye las temperaturas de corte.
Las características principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos:
• Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.
• Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte.
• Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a través de la viruta.
• Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad herramienta-pieza.
• El grosor del recubrimiento varía entre 0.002 mm y 0.01 mm.
• Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o deposición física de Vapor.
Los recubrimientos más usuales son:
1. Recubrimientos de TiAlN: Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás los demás. Los recubrimientos TiAlN multicapa están remplazando los de TiCN, y los monocapa a los de TiN. TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD) basados en nitruro de titanio aluminio que destacan por su dureza, estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen las aristas de corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.
- Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa, con su alta dureza HV (Dureza Vickers) 3.000 y la buena estabilidad térmica, 800º C, y química de la capa TiAlN. Así protege las herramientas de corte de acero rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por tensiones severas. Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en mecanizados a altas velocidades e incluso en seco o con mínima cantidad de lubricante.
- Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro utilizadas en condiciones de mecanizado severas. Su elevada dureza, HV 3.500, y notable estabilidad térmica, 800º C, y química hacen que sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materiales térmicamente tratados empleados, como por ejemplo en moldes, punzones, matrices y utillajes de forja.
2. Recubrimiento de diamante: Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el mecanizado de estos materiales las herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies mecanizadas y la precisión dimensional son pobres.
Con las herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuya dureza es superior a los 8.000 Vickers, además de obtener una vida útil más larga y poder aumentar las velocidades de corte.
3. Recubrimiento WC/C: Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los 200º C. Al realizarse el proceso de recubrimiento en alto vacío, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las logradas a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños (nitruración, galvanizado). Los recubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la última operación dentro de los componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una combinación única de características: bajo coeficiente de fricción, alta resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.
4. Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C: Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la formación y evacuación de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del recubrimiento TiAlN con las buenas propiedades de deslizamiento y lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo en taladrados y roscados.
En la siguiente tabla se representan los datos característicos de cada tipo de recubrimiento citado anteriormente.
Recubrimiento TiN TiCN WC/C
TiAIN (monocapa) +WC/C) TiAIN (multicapa) TiAIN (monocapa) Microdureza 2300 3000 1000 1000-2600 3000 3500 µacero 0.4 0.4 0.2 0.2 0.4 0.4 Tmax trabajo 600 ºC 400 ºC 300 ºC 1000 ºC 800 ºC 800 ºC
Color oro Azul-
gris Gris claro Gris oscuro Violeta- gris Purpura- gris Espesor recubrimiento 1-4 µm 1-4 µm 1-4 µm 2-6 µm 1-5 µm 1-3 µm
Tabla 2.7 Características principales de los recubrimientos para las herramientas de corte, en el mecanizado por arranque de material. (µacero: coeficiente de rozamiento contra el acero) Existen cuatro tecnologías principales utilizadas en la industria actual de las herramientas de corte. Se diferencian primordialmente por la temperatura a la cual operan. Esto es importante porque la temperatura del recubrimiento influye directamente en el desempeño de las propiedades del sustrato. La tecnología de
recubrimiento más común es la deposición química por vapor, o CVD, que opera a una temperatura de aproximadamente 1000° C. Casi ta n común como la anterior es la deposición física por vapor, o PVD, que opera en el otro extremo del espectro de temperatura, en el rango de los 400° C.
Entre estos extremos, están los otros dos procesos emergentes de recubrimiento, que prometen aumentar el desempeño de los sistemas de insertos. La deposición química por vapor asistida por plasma, o PCVD, bien aceptada en Europa, y ahora explorada en Estados Unidos. El PCVD opera en el rango de los 600° C. Finalmente, se encuentra la de posición química media por vapor, o MTCVD, que es una tecnología emergente; trabaja en el rango de los 800° C.
Los recubrimientos extraduros surgen y evolucionan debido a la necesidad constante de aumentar la vida productiva de las herramientas, disminuyendo los tiempos de producción, costos y paros por mantenimiento.
El compuesto que alcanzó mayor expansión y popularidad fue el de TiN (nitruro de titanio). Su color dorado abrió grandes expectativas en cuanto a su uso, ya que el atractivo color se sumó a la elevada dureza superficial.
Actualmente los tratamientos superficiales buscan la optimización, en especial en la creciente aplicación de los recubrimientos PVD, siendo ahora no solo dorados y ofreciendo una amplia gama de materiales base.
1. Proceso PVD: Este es un proceso por arco eléctrico y/o pulverización catódica. El medio de evaporación durante la etapa de recubrimiento es siempre físico. Por ello la denominación genérica de: proceso de deposición física en fase vapor.
Las etapas del proceso son las siguientes: - Carga del reactor.
- Alto vacío (10-5 mbar mínimo).
- Calentamiento-desgasificación de las piezas. - Decapado iónico.
- Recubrimiento.
- Enfriamiento y descarga.
Esta técnica se confunde, en ocasiones, con tratamientos en baños químicos, electrolíticos o galvánicos realizados en instalaciones abiertas. Las instalaciones PVD son herméticas, recubren a presiones muy bajas (10-2-10-3 mbar) y las reacciones se consiguen ionizando los reactivos (estado plasmático).
La característica particular del recubrimiento PVD (Physical Vapour Deposition) es la alta estabilidad dimensional de las herramientas, dado que es posible una aplicación de capa por debajo de la temperatura de
revenido ya que las temperaturas a las que se realiza el recubrimiento se encuentran entre 200
Figura 2.
2. Proceso CVD: (Chemical Vapour Deposition
duras en fase gaseosa)
(precursor) gaseoso o fácilmente evaporable del metal a obtener en la capa. Los halogenuros y muy especialmente cloruros son los compuestos industriales más empleados (TiCI
reacciona a temperaturas cercanas a 1.000
estado gaseoso (hidrógeno) para obtener ione
obtenidos in situ reaccionan a su vez con gases reactivos como hidrógeno, metano o mezclas de ambos formando el compuesto deseado. Este compuesto condensa sobre la superficie del substrato difundiendo en él debido a la alta temperatu
Esta difusión crea una zona intermedia en la que no se aprecia donde acaba el recubrimiento y donde empieza el sustrato: la adherencia entre ambos está asegurada. Transcurrido el tiempo necesario para conseguir el espesor de capa deseada, las piezas se
temperatura de descarga. Posteriormente y en condiciones de vacío para evitar la oxidación de los compuestos formados, se procede al temple y revenido si el sustrato es de un acero.
Los compuestos más generalmente obtenidos TiCN y TiN, aunque también SiC, AI
deformación, las combinaciones de multicapas de los compuestos de titanio son las más utilizadas.
revenido ya que las temperaturas a las que se realiza el recubrimiento se encuentran entre 200-500º C.
Figura 2.3 Funcionamiento del proceso PVD.
Chemical Vapour Deposition) (Deposición de materias duras en fase gaseosa). Los recubrimientos CVD parten de un compuesto
(precursor) gaseoso o fácilmente evaporable del metal a obtener en la pa. Los halogenuros y muy especialmente cloruros son los compuestos industriales más empleados (TiCI4, AIC3, BCI4...). El compuesto gaseoso reacciona a temperaturas cercanas a 1.000 ºC con un reductor también en estado gaseoso (hidrógeno) para obtener iones metálicos. Los iones obtenidos in situ reaccionan a su vez con gases reactivos como hidrógeno, metano o mezclas de ambos formando el compuesto deseado. Este compuesto condensa sobre la superficie del substrato difundiendo en él debido a la alta temperatura.
Esta difusión crea una zona intermedia en la que no se aprecia donde acaba el recubrimiento y donde empieza el sustrato: la adherencia entre ambos está asegurada. Transcurrido el tiempo necesario para conseguir el espesor de capa deseada, las piezas se enfrían en el reactor hasta la temperatura de descarga. Posteriormente y en condiciones de vacío para evitar la oxidación de los compuestos formados, se procede al temple y revenido si el sustrato es de un acero.
Los compuestos más generalmente obtenidos por este método son TiC, TiCN y TiN, aunque también SiC, AI2O3, BC... En el campo de la deformación, las combinaciones de multicapas de los compuestos de titanio son las más utilizadas.
revenido ya que las temperaturas a las que se realiza el recubrimiento se
Deposición de materias
. Los recubrimientos CVD parten de un compuesto (precursor) gaseoso o fácilmente evaporable del metal a obtener en la pa. Los halogenuros y muy especialmente cloruros son los compuestos . El compuesto gaseoso ºC con un reductor también en s metálicos. Los iones obtenidos in situ reaccionan a su vez con gases reactivos como hidrógeno, metano o mezclas de ambos formando el compuesto deseado. Este compuesto condensa sobre la superficie del substrato difundiendo en él Esta difusión crea una zona intermedia en la que no se aprecia donde acaba el recubrimiento y donde empieza el sustrato: la adherencia entre ambos está asegurada. Transcurrido el tiempo necesario para conseguir el enfrían en el reactor hasta la temperatura de descarga. Posteriormente y en condiciones de vacío para evitar la oxidación de los compuestos formados, se procede al temple y por este método son TiC, , BC... En el campo de la deformación, las combinaciones de multicapas de los compuestos de
Este método se caracteriza por su Alta dureza, excelente resistencia a la adherencia, espesor de capa de aprox. 6-9 µm, revestimientos de contornos exactos, también en taladros, agujeros ciegos, etc.
Tiene gran gama de posibilidades de aplicación, especialmente en las herramientas de conformación sometidas a grandes esfuerzos se obtienen rendimientos muy buenos. Las características particulares de todas las capas y sistemas de capas aplicados mediante el método CVD es la excelente adherencia sobre el material base, que se atribuye a la alta temperatura de recubrimiento. Las capas se componen de distintos materiales cuya selección y, siendo necesario, su combinación se adaptan con respecto al caso de aplicación.
3. Recubrimiento MT-CVD: Generalmente, los materiales de las herramientas están sujetos a tensiones tanto internas como externas. En el caso de las plaquitas, las tensiones externas son las que se producen durante el uso como parte de la herramienta de corte. Los procesos de fabricación de las plaquitas también generan tensiones internas, principalmente de tracción y compresión. A la temperatura durante la aplicación, el recubrimiento y el sustrato están libres de tensiones.
Los cristales tienen una orientación controlada de tal manera que presentan una superficie más dura donde se concentra el desgaste abrasivo. En conclusión, la tensión se disipa al sustrato entre las líneas de los cristales. Si un choque térmico o mecánico crea micro grietas, se disiparán hacia abajo a lo largo de las líneas entre los cristales. Cuando lA fuerza residual llega al sustrato, se absorbe sin propagar grietas de mayor tamaño, dando tenacidad y resistencia a la plaquita.
Las multicapas contribuyen a minimizar los desajustes entre el recubrimiento y el sustrato, reduciendo las tensiones. Por ejemplo, el coeficiente de dilatación térmica determina la tensión entre capas por desajuste térmico entre el recubrimiento y el sustrato.
Los procesos MT-CVD se aplican a recubrimientos de TiCN o TiN. Tienden a presentar menos tensiones de tracción y combinan mejor las propiedades de tenacidad y resistencia al desgaste abrasivo, al desgaste químico y a las grietas térmicas, mejorando el rendimiento de la plaquita.