Cermets resistentes a impactos térmicos y carburos recubiertos de estructura fina

INSERTOS DE TORNEADO

Este informe detalla los insertos de torneado que Mitsubishi Materials ha presentado en la exhibición JIMTOF 2006, focalizándose en su propia tecnología y tendencias que merecen una atención especial. Para el torneado con insertos, los grados de carburo cementado de CVD y PVD y cermet son los más utilizados y un amplio rango de rompevirutas han sido producidos por varios fabricantes para maximizar sus desempeños en varias operaciones. Primero, el informe presenta algunas tecnologías conocidas en insertos de cermet.

- Insertos de cermet
El cermet tiene una resistencia más elevada a altas temperaturas de oxidación que el carburo cementado y es ideal para el torneado de acero a alta velocidad, lo que lo hace el mejor grado para satisfacer las necesidades en el mecanizado de gran eficiencia. Además, el cermet tiene baja afinidad al hierro, superior resistencia ante adición de material y desgaste, por ello es posible lograr una terminación superficial de alta calidad. Aún más, gracias al reciente aumento en el costo del tungsteno, el cermet está comenzando a ganar más atención como grado alternativo al carburo cementado.

Por otro lado, sin embargo, el cermet tiene baja resistencia ante choques térmicos comparado al carburo cementado, así que si los mismos suceden de manera repetida durante el mecanizado en húmedo, pueden producirse rupturas térmicas y sufrir quebraduras. Este problema es inherente con el cermet, ya que las partículas duras (TiCN) dentro del sustrato tienen un coeficiente bajo de conductividad termal a comparación con las partículas en el carburo cementado (WC).
Varios fabricantes se han esforzado para incrementar la resistencia ante choques térmicos del cermet refinando las partículas duras y mejorando las calidades del metal ligador. Además, se han realizado varias mejoras para extender la durabilidad de la herramienta y mantener la terminación superficial superior, característica del cermet.

El nuevo grado de cermet de Mitsubishi Materials, NX3035, es un grado de torneado en el cual los choques térmicos y la resistencia ante fracturas ha sido dramáticamente mejorada gracias a una aleación especial que actúa como ligadora y optimiza su estructura y provee mayor conductividad térmica (Imagen 1). La resistencia ante choques térmicos ha sido incrementada al generar una aleación especial, hecha de níquel y cobalto lo que ofrece una mayor conductividad térmica. Al reducir el tamaño de las partículas duras, la resistencia ante fracturas ha sido incrementada. La Figura 1 muestra la cantidad de impactos en un corte interrumpido de acero aleado (JIS SCM440) con el grado NX3035 bajo condiciones de corte en húmedo. El resultado reveló que el NX3035 tiene una resistencia ante choques térmicos 3 veces más elevada que el grado de cermet convencional. Es posible que el NX3035 ofrezca una durabilidad más prolongada y superior terminación superficial gracias a su desempeño estable aún en corte en húmedo, operación que suele causar inestabilidad en los grados de cermet convencionales. Para mantener una terminación superficial de gran calidad, es vital seleccionar la mejor geometría de rompeviruta y filo, el honing también es importante para asegurar un control eficiente de virutas.

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(a) NX3035
(Estructura de granos medianos)
(b) Grado convencional de cermet
(Estructura de granos finos)

Imagen 1 - Micro-estructura del NX3035

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Figura 1 - Resistencia ante fracturas del NX3035

El cermet es ampliamente utilizado por los fabricantes japoneses, quienes le dan prioridad a la exactitud dimensional y terminación superficial. Tomando en consideración la expansión de las industrias de mecanizado de alta precisión y el aumento en el costo del tungsteno, el cermet sería uno de los materiales cuya tendencia futura merece mayor atención.

- Insertos de carburo cementado con recubrimiento CVD
En general, es aplicado en los insertos para torneado de acero un recubrimiento por medio del método CVD, el recubrimiento suele tener sustancias que incluyen Ti, compuestos tales como el TiN, TiCN o Al2O3 para que el sustrato forme capas de recubrimiento de un grosor mayor a la docena de micrómetros. Estas sustancias de recubrimiento tienen mayor dureza y menor afinidad a los materiales que el carburo cementado, ayudando así a incrementar la resistencia ante el desgaste. Sin embargo, con la reciente diversificación de los métodos de corte, los materiales de los grados deben cumplir con las demandas del usuario en cuanto a la exactitud, por lo que es necesario ofrecer filos de gran confiabilidad. En los insertos de carburo cementado con recubrimiento CVD, es especialmente importante lograr mejoras en la resistencia al astillamiento y la adición de material, y en respuesta a esto, varios fabricantes de herramientas se están esforzando en desarrollar sus propias tecnologías e incorporarlas a los nuevos productos. Siendo la presentación en la exhibición JIMTOF 2006 el principal objetivo de Mitsubishi Materials, se desarrolló un nuevo grado con recubrimiento CVD para torneado en acero, el UE6110.

El grado UE6110 utiliza la tecnología de recubrimiento “2 en 1”, la cual consiste en dos recubrimientos: negro y dorado (Imagen 2). Estos han sido desarrollados por medio de la tecnología más avanzada. El recubrimiento Black-Super Smooth tiene como característica principal una superficie extremadamente suave sobre el flanco del inserto, la cual está en constante contacto con la superficie de la pieza de trabajo, este recubrimiento evita la adición de material y logra una excelente aspereza superficial. Mientras tanto, el recubrimiento dorado sobre la cara superior es un compuesto especial de titanio que consiste de sustancias químicamente estables.

Este recubrimiento evita la generación de cráteres (forma de desgaste generada por una interacción química entre la pieza de trabajo y la herramienta cuando entran en contacto bajo condiciones elevadas de calor por fricción) lo cual es un factor dominante que afecta la durabilidad de la herramienta cuando es utilizada bajo condiciones de alta velocidad y alto avance, las cuales se están volviendo más comunes estos días.

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Imagen 2 - Grado con recubrimiento CVD para torneado de acero, UE6110

A continuación serán descriptas las nuevas capas utilizadas para el recubrimiento del UE6110. Estas capas utilizan una tecnología de control de micro-estructuras de avanzada, lo cual representa la próxima generación de tecnología en recubrimientos.

La Imagen 3 muestra un corte transversal de la micro-estructura del UE6110. El TiCN sobre el sustrato de carburo es más fino y más uniforme a un nano-nivel, para lograr una mejora dramática en la fuerza. Además, la capa de Al2O3 de crecimiento cristalino controlado incrementa la estabilidad química, obteniendo de esta manera una mayor resistencia al desgaste.

Combinado con estas tecnologías, el UE6110 puede cubrir un amplio rango de aplicaciones de desbaste a terminación desde aleación hasta acero al carbono, y desde corte en húmedo hasta corte en seco. También se ha reducido la posibilidad de que ocurran astillamiento y desgaste anormal, aumentando de esta manera la confiabilidad del filo de corte. El uso de la tecnología en recubrimiento “2 en 1” y la capa con nano-control en el grado UE6110 no sólo permite un mecanizado de excelente desempeño, sino que también hace al UE6110 más resistente ante condiciones de corte de mayor exigencia.
El UE6110 ha sido desarrollado con tecnologías de avanzada, lo que seguramente lo ubicará como uno de los grados de alto desempeño de la próxima generación en herramientas de corte.

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Imagen 3 - Micro-estructura del carburo recubierto UE6110

Fuente: Mitsubishi Material Corp. / Autor: Toshiyuki Taniuch