Los recubrimientos para herramientas de corte mejoran la fricción y la resistencia al desgaste, 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 reside en la atención y optimización de cuatro elementos: (i) el procesamiento previo y posterior al recubrimiento de las superficies de las herramientas de corte; (ii) los materiales de recubrimiento; (iii) las estructuras de recubrimiento; y (iv) la tecnología de procesamiento integrada para herramientas de corte recubiertas.
Fuentes de desgaste de las herramientas de corte
Durante el proceso de corte, se producen diversos mecanismos de desgaste en la zona de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo. Por ejemplo, el desgaste por adherencia entre la viruta y la superficie de corte, el desgaste abrasivo de la herramienta por puntos duros en el material y el desgaste causado por reacciones químicas por fricción (reacciones químicas del material provocadas por la acción mecánica y las altas temperaturas). Dado que estas tensiones por fricción reducen la fuerza de corte y acortan la vida útil de la herramienta, afectan principalmente a la eficiencia del 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 mejor rendimiento 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 costo importante en el ciclo de producción. Entre otras cosas, la vida útil de la herramienta de corte se define como el tiempo durante el cual una máquina puede funcionar sin interrupciones antes de que se requiera mantenimiento. Cuanto mayor sea la vida útil de la herramienta de corte, menores serán los costos derivados de las interrupciones en la producción y menor será el mantenimiento que requiera la máquina.
Incluso a temperaturas de corte muy elevadas, la vida útil de la herramienta de corte se puede prolongar mediante un recubrimiento, reduciendo así significativamente los costes de mecanizado. Además, el recubrimiento de la herramienta de corte puede disminuir la necesidad de fluidos lubricantes. Esto no solo reduce los costes de material, sino que también contribuye a la protección del medio ambiente.
Efecto del procesamiento previo y posterior al recubrimiento sobre 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 someterse al proceso adecuado.
Antes de aplicar el recubrimiento a la herramienta de corte, se pueden utilizar diversos métodos de pretratamiento para prepararla para el proceso de recubrimiento posterior, mejorando significativamente la adherencia del mismo. Al trabajar en conjunto con el recubrimiento, la preparación del filo de corte también puede aumentar la velocidad de corte y la velocidad de avance, y prolongar la vida útil de la herramienta.
El postprocesamiento del recubrimiento (preparación del borde, procesamiento de la superficie y estructuración) también desempeña un papel determinante en la optimización de la herramienta de corte, en particular para prevenir un posible desgaste prematuro debido a la formación de virutas (unión del material de la pieza de trabajo al filo de corte de la herramienta).
Consideraciones y selección de recubrimientos
Los requisitos de rendimiento de los recubrimientos pueden variar considerablemente. En condiciones de mecanizado con alta temperatura en el 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 temperaturas elevadas) y tenacidad microscópica (plasticidad) gracias al diseño de capas nanoestructuradas.
Para lograr herramientas de corte eficientes, la adhesión óptima del recubrimiento y una distribución adecuada de las tensiones residuales son dos factores decisivos. En primer lugar, es necesario considerar 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 mediante el uso de una geometría de herramienta apropiada y el pulido del recubrimiento.
Los recubrimientos a base de aluminio (por ejemplo, AlTiN) se utilizan comúnmente como recubrimientos para herramientas de corte en la industria mecanizada. Bajo la acción de altas temperaturas de corte, estos recubrimientos a base de aluminio pueden formar una capa delgada y densa de óxido de aluminio que se renueva continuamente durante el mecanizado, protegiendo tanto el recubrimiento como 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 la estructura del recubrimiento. Por ejemplo, al aumentar el contenido de aluminio, mediante el uso de nanoestructuras o microaleaciones (es decir, aleaciones con elementos de bajo contenido), se puede mejorar la resistencia a la oxidación del recubrimiento.
Además de la composición química del material de recubrimiento, las variaciones en su estructura pueden afectar significativamente su rendimiento. El desempeño de la herramienta de corte depende de la distribución de los distintos elementos en la microestructura del recubrimiento.
Actualmente, varias capas de recubrimiento individuales con diferentes composiciones químicas pueden combinarse para formar una capa compuesta y obtener así el rendimiento deseado. Esta tendencia continuará desarrollándose en el futuro, especialmente a través de nuevos sistemas y procesos de recubrimiento, como la tecnología híbrida de recubrimiento por evaporación por arco HI3 (High Ionization Triple) y pulverización catódica, que combina tres procesos de recubrimiento altamente ionizados en uno solo.
Como recubrimiento versátil, los recubrimientos a base de titanio-silicio (TiSi) ofrecen una excelente maquinabilidad. Estos recubrimientos se pueden utilizar para procesar tanto aceros de alta dureza con diferentes contenidos de carburo (dureza del núcleo de hasta HRC 65) como aceros de dureza media (dureza del núcleo HRC 40). El diseño de la estructura del recubrimiento se puede adaptar según las diferentes aplicaciones de mecanizado. Como resultado, las herramientas de corte recubiertas con titanio-silicio se pueden utilizar 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 recubiertas pueden aumentar su vida útil casi al doble y reducir la rugosidad superficial aproximadamente diez veces.
El recubrimiento a base de titanio y silicio minimiza el pulido superficial posterior. Se prevé que estos recubrimientos se utilicen en procesos con altas velocidades de corte, altas temperaturas en el filo y altas tasas de remoción de material.
Para otros recubrimientos PVD (especialmente los microaleados), las empresas de recubrimientos colaboran estrechamente con los procesadores para investigar y desarrollar diversas soluciones optimizadas de 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 proceso de mecanizado, mejoras que resultan prácticamente aplicables. Al trabajar con un socio especializado en recubrimientos, los usuarios pueden aumentar la eficiencia de utilización de sus herramientas a lo largo de su ciclo de vida.
Fecha de publicación: 7 de noviembre de 2022