Los recubrimientos para herramientas de corte mejoran la fricción y el desgaste de las herramientas, por lo que son esenciales en las operaciones de corte. Durante muchos años, los proveedores de tecnología de procesamiento de superficies han desarrollado soluciones de recubrimiento personalizadas para mejorar la resistencia al desgaste, la eficiencia del mecanizado y la vida útil de las herramientas de corte. El desafío radica en la atención y optimización de cuatro elementos: (i) procesamiento previo y posterior al recubrimiento de las superficies de las herramientas de corte; (ii) materiales de recubrimiento; (iii) estructuras de recubrimiento; y (iv) tecnología de procesamiento integrada para herramientas de corte recubiertas.
Fuentes de desgaste de las herramientas de corte
Durante el proceso de corte, se producen algunos mecanismos de desgaste en la zona de contacto entre la herramienta y el material de la pieza. Por ejemplo, el desgaste por adherencia entre la viruta y la superficie de corte, el desgaste abrasivo de la herramienta por las puntas duras del material y el desgaste causado por reacciones químicas de fricción (reacciones químicas del material causadas por la acción mecánica y las altas temperaturas). Dado que estas tensiones de fricción reducen la fuerza de corte de la herramienta y acortan su vida útil, afectan principalmente a su eficiencia de mecanizado.
El recubrimiento superficial reduce el efecto de la fricción, mientras que el material base de la herramienta de corte soporta el recubrimiento y absorbe la tensión mecánica. El rendimiento mejorado del sistema de fricción permite ahorrar material y reducir el consumo de energía, además de aumentar la productividad.
El papel del recubrimiento en la reducción de los costos de procesamiento
La vida útil de la herramienta de corte es un factor de coste importante en el ciclo de producción. Entre otras cosas, se puede definir como el tiempo que una máquina puede mecanizarse sin interrupción antes de que se requiera mantenimiento. Cuanto mayor sea la vida útil de la herramienta de corte, menores serán los costes derivados de las interrupciones de la producción y menos tareas de mantenimiento deberá realizar la máquina.
Incluso a temperaturas de corte muy altas, la vida útil de la herramienta de corte puede prolongarse mediante el recubrimiento, lo que reduce significativamente los costos de mecanizado. Además, el recubrimiento de la herramienta de corte puede reducir la necesidad de fluidos lubricantes. Esto no solo reduce los costos de material, sino que también contribuye a la protección del medio ambiente.
Efecto del procesamiento previo y posterior al recubrimiento en la productividad
En las operaciones de corte modernas, las herramientas de corte deben soportar altas presiones (>2 GPa), altas temperaturas y ciclos constantes de estrés térmico. Antes y después del recubrimiento, la herramienta de corte debe tratarse con el proceso adecuado.
Antes de recubrir la herramienta de corte, se pueden utilizar diversos métodos de pretratamiento para preparar el proceso de recubrimiento posterior, mejorando significativamente la adhesión del recubrimiento. Al trabajar en conjunto con el recubrimiento, la preparación del filo de la herramienta también puede aumentar la velocidad de corte y el avance, y prolongar la vida útil de la herramienta.
El posprocesamiento del recubrimiento (preparación del filo, procesamiento de la superficie y estructuración) también juega un papel determinante en la optimización de la herramienta de corte, en particular para evitar un posible desgaste prematuro por formación de viruta (unión del material de la pieza al filo de la herramienta).
Consideraciones y selección del recubrimiento
Los requisitos de rendimiento del recubrimiento pueden variar considerablemente. En condiciones de mecanizado con alta temperatura del filo de corte, la resistencia al desgaste por calor del recubrimiento cobra suma importancia. Se espera que los recubrimientos modernos también presenten las siguientes características: excelente rendimiento a altas temperaturas, resistencia a la oxidación, alta dureza (incluso a altas temperaturas) y tenacidad microscópica (plasticidad) gracias al diseño de capas nanoestructuradas.
Para lograr herramientas de corte eficientes, la adhesión optimizada del recubrimiento y una distribución adecuada de las tensiones residuales son dos factores decisivos. En primer lugar, debe considerarse la interacción entre el material del sustrato y el material de recubrimiento. En segundo lugar, debe existir la menor afinidad posible entre el material de recubrimiento y el material a procesar. La posibilidad de adhesión entre el recubrimiento y la pieza de trabajo puede reducirse significativamente utilizando una geometría de herramienta adecuada y puliendo el recubrimiento.
Los recubrimientos a base de aluminio (p. ej., AlTiN) se utilizan comúnmente como recubrimientos para herramientas de corte en la industria del corte. Bajo la acción de altas temperaturas de corte, estos recubrimientos pueden formar una capa delgada y densa de óxido de aluminio que se renueva continuamente durante el mecanizado y protege el recubrimiento y el material del sustrato subyacente del ataque oxidativo.
La dureza y la resistencia a la oxidación de un recubrimiento se pueden ajustar modificando el contenido de aluminio y su estructura. Por ejemplo, al aumentar el contenido de aluminio, mediante nanoestructuras o microaleaciones (es decir, alear con elementos de bajo contenido), se puede mejorar la resistencia a la oxidación del recubrimiento.
Además de la composición química del material de recubrimiento, los cambios en su estructura pueden afectar significativamente su rendimiento. El rendimiento de las herramientas de corte varía según la distribución de los distintos elementos en su microestructura.
Hoy en día, varias capas de recubrimiento individuales con diferentes composiciones químicas pueden combinarse en una capa de recubrimiento compuesta para obtener el rendimiento deseado. Esta tendencia seguirá desarrollándose en el futuro, especialmente gracias a nuevos sistemas y procesos de recubrimiento, como la tecnología de recubrimiento híbrido HI3 (Triple de Alta Ionización) por evaporación por arco y pulverización catódica, que combina tres procesos de recubrimiento altamente ionizados en uno.
Como recubrimiento integral, los recubrimientos a base de titanio-silicio (TiSi) ofrecen una excelente maquinabilidad. Estos recubrimientos pueden utilizarse para procesar tanto aceros de alta dureza con diferentes contenidos de carburo (dureza del núcleo hasta HRC 65) como aceros de dureza media (dureza del núcleo HRC 40). El diseño de la estructura del recubrimiento puede adaptarse a las diferentes aplicaciones de mecanizado. Como resultado, las herramientas de corte con recubrimiento a base de titanio-silicio pueden utilizarse para cortar y procesar una amplia gama de materiales, desde aceros de alta y baja aleación hasta aceros endurecidos y aleaciones de titanio. Las pruebas de corte de alto acabado en piezas planas (dureza HRC 44) han demostrado que las herramientas de corte con recubrimiento pueden prolongar su vida útil casi dos veces y reducir la rugosidad superficial aproximadamente diez veces.
El recubrimiento a base de titanio y silicio minimiza el pulido posterior de la superficie. Se espera que estos recubrimientos se utilicen en procesos con altas velocidades de corte, altas temperaturas de filo y altas tasas de arranque de viruta.
Para otros recubrimientos PVD (especialmente los microaleados), las empresas de recubrimiento también colaboran estrechamente con los procesadores para investigar y desarrollar diversas soluciones optimizadas para el procesamiento de superficies. Por lo tanto, es posible lograr mejoras significativas en la eficiencia del mecanizado, el uso de herramientas de corte, la calidad del mecanizado y la interacción entre el material, el recubrimiento y el mecanizado, y son de aplicación práctica. Al trabajar con un socio profesional en recubrimientos, los usuarios pueden aumentar la eficiencia de sus herramientas a lo largo de su vida útil.
Hora de publicación: 07-nov-2022