De vuelta a lo básico: Recubrimientos para herramientas de corte

El recubrimiento de carbonitruro de titanio (TiCN) es ideal para perforar y escariar hierro fundido, aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio, cobre y materiales abrasivos. Matveev_Aleksandr/iStock/Getty Images Plus

Es muy común que a la mayoría de las herramientas de corte actuales se les agregue algún tipo de recubrimiento al sustrato. Es importante lograr un equilibrio entre un sustrato de calidad y un recubrimiento de calidad: la empresa puede proporcionar los mejores recubrimientos disponibles, pero sin un sustrato de alta calidad, el recubrimiento puede volverse ineficaz. Además, tener un sustrato de calidad es fundamental en aplicaciones donde se utilizan herramientas sin recubrimiento.

"En primer lugar, los recubrimientos aumentan la vida útil y el rendimiento de cualquier herramienta", dijo Urmil Patel, ingeniero de aplicaciones, OSG Canadá, Burlington, Ontario. “En comparación con un acabado brillante, los recubrimientos permiten mayores parámetros de corte. Con un recubrimiento, hay menos fricción hacia las virutas que salen de una aplicación de perforación, lo que significa menos resistencia al flujo de virutas. También facilitan la identificación del desgaste de las herramientas. Hay muchas ventajas de utilizar una herramienta recubierta, pero para cualquier aplicación resistente al calor o materiales difíciles de cortar, los recubrimientos son imprescindibles”.

Los recubrimientos tienen especial sentido para materiales ferrosos o a base de acero, ya sea acero inoxidable, aleaciones de alta temperatura, hierro fundido o similares. Un recubrimiento es necesario casi todo el tiempo para permitir mayores velocidades, pero también porque aumentan la vida útil de la herramienta. Hay grandes ganancias de productividad con herramientas recubiertas.

"Las herramientas sin recubrimiento se utilizan principalmente en aluminio y materiales no ferrosos", dijo Sarang Garud, gerente de producto de Walter Tools, Greer, Carolina del Sur. "La ventaja de las herramientas sin recubrimiento es que aún se pueden pulir, por lo que, por ejemplo, con un recubrimiento sin recubrimiento pulido carburo, las virutas no se pegarán. Esto es útil al cortar aluminio, ya que mantiene la calidad resistente. No hay ningún borde acumulado. Las herramientas sin recubrimiento también tienen bordes cortantes muy afilados, ya que no hay espesor de corte para agregar un afilado artificial”.

Existe una excepción a la regla: las herramientas sin recubrimiento tienen sentido para cortar aluminio y aleaciones de aluminio con un alto contenido de silicio.

“Tendemos a ver herramientas sin recubrimiento con cualquier material de la serie ISO N, como aluminio, particularmente porque estos materiales tienden a ser blandos”, dijo Scott Walrath, gerente de desarrollo comercial de CERATIZIT, Schaumburg, Illinois. “Dependiendo de la serie de aluminio, Puede ser muy abrasivo, lo que puede hacer que el recubrimiento sea útil. Las herramientas sin recubrimiento tienen menos resistencia al desgaste en aluminios con alto contenido de silicio. El recubrimiento se debe más al factor de lubricidad que ofrece, donde puede reducir el coeficiente de resistencia que la dureza. En algunos casos, un recubrimiento de ZrN [nitruro de circonio] ayudará en la evacuación de virutas de aluminio".

Otra excepción es el mecanizado de titanio. Hay algunos casos en los que tiene sentido trabajar con una herramienta sin recubrimiento.

CVD es un método para producir recubrimientos mediante reacciones químicas inducidas térmicamente. La herramienta de corte se coloca en un reactor CVD, donde se forman recubrimientos de película delgada como resultado de reacciones entre varios gases y la superficie calentada del sustrato de la herramienta.

Un recubrimiento CVD típico tiene generalmente entre 17 y 20 µm de espesor, pero puede ser tan delgado como 5 µm. Y en su mayor parte, los recubrimientos CVD incluyen carburo de titanio (TiC), nitruro de carbono y titanio (TiCN), nitruro de titanio (TiN) y óxido de aluminio (Al2O3).

Los recubrimientos CVD son ideales para operaciones generales de torneado, especialmente en aplicaciones de acero e inoxidable. El espesor del recubrimiento proporciona resistencia al desgaste, particularmente en aplicaciones donde el desgaste por cráter es común.

La estructura de superficie ampliada muestra el proceso PVD estándar (arriba), el proceso PVD HiPIMS de los grados WNN10/WSM01 de Walter (centro) y el tamaño de un cabello humano en comparación con la superficie HiPIMS (abajo). Walter

También se utilizan para grados de fresado en ISO P, ISO M e ISO K.

"Los CVD son generalmente un recubrimiento más grueso e ideales para hierro fundido, aceros o cualquier aplicación que requiera una herramienta más robusta o una alta capacidad de carga", dijo Garud. "Con el torneado, especialmente si los cortes son continuos en lugar de interrumpidos, se puede utilizar el recubrimiento CVD grueso para una mayor vida útil de la herramienta a las velocidades de corte y avances más altos".

Los recubrimientos de diamante, ya sean recubrimientos de carbono similares al diamante (DLC) o diamantes policristalinos (PCD), se aplican mediante una aplicación CVD. Estos recubrimientos son ideales para materiales extremadamente abrasivos como el grafito o los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP).

"Con las herramientas recubiertas de carbono tipo diamante, este recubrimiento permite un buen pulido de las ranuras, lo que significa que tiene un menor coeficiente de fricción con materiales no ferrosos", dijo Patel. “Los recubrimientos DLC tienen especial sentido en entornos de producción de grandes cantidades donde es importante considerar la longevidad de la herramienta. Aquí es donde realmente brillan los DLC”.

Debido a que el diamante es uno de los materiales más duros conocidos por el hombre, también se puede utilizar para aluminio con alto contenido de silicio, que tienden a ser muy abrasivos. Muchos insertos de ranurado utilizan un filo con puntas soldadas con PCD, especialmente para aplicaciones de dispositivos médicos.

La tecnología PVD se basa en un método de respuesta física en lugar de la respuesta química del proceso CVD. Se condensa un vapor de material en la superficie del sustrato en condiciones de vacío. El proceso utiliza una temperatura más baja que el CVD y, por lo tanto, las propiedades del sustrato se ven menos afectadas. Esto lo hace especialmente adecuado para carburos de grano fino y otros materiales resistentes.

"Debido a que la temperatura del proceso es bastante baja, los recubrimientos no son tan gruesos como su contraparte CVD", dijo Garud. “Esto significa que puede tener una ventaja mucho más aguda. Los PVD se utilizan normalmente para tornear acero inoxidable o mecanizar superaleaciones como INCONEL y algunas aplicaciones de titanio. Las calidades PVD también son adecuadas para ranurar, ya que tienen una velocidad de corte muy baja hacia el centro de la pieza de trabajo, lo que requiere una calidad tenaz. El fresado es un corte inherentemente interrumpido, que también requiere una calidad resistente, por lo que verá muchos más recubrimientos PVD, aunque estamos empezando a ver algunos recubrimientos CVD disponibles para ranurado y fresado”.

Un recubrimiento PVD típico puede tener un espesor de alrededor de 5 μm.

HiPIMS es un método avanzado, aunque complejo, de PVD que logra una ionización casi completa del metal de recubrimiento. Esta tecnología se caracteriza por un recubrimiento extremadamente delgado (en el rango de 1 a 2 μm de espesor) y denso.

"Si bien es muy delgado, es la densidad lo que lo hace especial", dijo Garud. “Esto lo hace excepcionalmente suave, casi como si estuviera mecanizándolo con un espejo. Este recubrimiento limita la acumulación de bordes y evita que las virutas se adhieran al sustrato o a la herramienta. Es ideal para algunas aplicaciones de aluminio y superaleaciones. Suelen ser más caras porque tendemos a colocarlas en plaquitas rectificadas para mecanizar cosas como INCONEL o una calidad de acabado. Y el precio refleja la combinación del grado y el recubrimiento”.

Dragonskin de CERATIZIT se aplica mediante tecnología de nanorrecubrimiento que produce capas resistentes y reduce la rotura del filo. CERATIZITA

“Muchas empresas de recubrimientos ofrecen ahora una amplia gama de tecnologías de recubrimiento e intentarán ser muy específicas en términos de aplicación de mecanizado, ya sea desbaste o acabado. Y también examinarán el material de la pieza”, afirma Walrath. "Los recubrimientos actuales están optimizados para aplicaciones particulares".

De los recubrimientos estándar disponibles, TiN, nitruro de titanio y aluminio (TiAlN), nitruro de aluminio y titanio (AlTiN) y TiCN son los más comunes. Usando el proceso CVD, estos son los cuatro recubrimientos más comunes, mientras que con el proceso PVD, estos y prácticamente cualquier otro material se pueden usar como recubrimiento.

Estaño. Este es un recubrimiento estándar ampliamente utilizado con aplicaciones universales. Se puede utilizar en acero, latón, hierro fundido y aluminio, pero se requiere refrigeración líquida. Ofrece una vida útil de tres a cuatro veces mayor que las herramientas sin recubrimiento.

TiAlN. Se trata de un revestimiento de uso general que también es adecuado para cortes interrumpidos. Mantiene dureza a altas temperaturas y resistencia a la oxidación, altas velocidades de corte, sin que el enfriamiento sea esencial para su éxito. En algunas aplicaciones, puede tener una vida útil 10 veces mayor que las opciones sin recubrimiento.

Oro. Esta es una variante más dura y suave de TiAlN, ideal para mecanizado en seco y aleaciones de titanio, INCONEL, aleaciones de acero inoxidable y hierro fundido. Mantiene una alta dureza a temperaturas muy altas. Puede ofrecer una vida útil de la herramienta hasta 14 veces mayor que la de las herramientas sin recubrimiento.

TiCN. Ideal para taladrar y escariar hierro fundido, aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio, cobre y materiales abrasivos, el TiCN tiene un grado muy alto de dureza con buenas características de tenacidad. Para velocidades de corte más altas se requiere refrigerante o refrigeración en el filo. Puede ofrecer una vida útil cinco veces mayor que las herramientas sin recubrimiento.

"Algunas de las tecnologías, como el nitruro de carbono y titanio de temperatura media, existen desde finales de los años 80 y principios de los 90", dijo Garud. "Estas son excelentes opciones para reducir el desgaste de los flancos".

Los recubrimientos multicapa son cada vez más populares. Ofrecen una dureza extrema en capas muy finas, a veces de sólo 1 o 2 nm de espesor. Una de las ventajas de utilizar un recubrimiento multicapa es que evita que las grietas se propaguen más allá de las capas originales durante el proceso de mecanizado.

"Estamos empezando a ver más recubrimientos multicapa en la perforación de metal duro, pero también en el torneado y el fresado", afirmó Garud. “Los recubrimientos multicapa son realmente la mayor tendencia en este momento. Los recubrimientos multicapa tienden a ser bastante más elásticos, ya que tienen capas muy bien unidas en comparación con los recubrimientos de una sola capa. No tiende a descascararse, lo que hace que la esperanza de vida de la herramienta sea mucho mayor. Tiger-tec Gold para torneado de aceros es un ejemplo de la última generación de recubrimientos CVD multicapa”.

Otro beneficio de los recubrimientos multicapa es que permiten que una multitud de composiciones químicas diferentes se coloquen en capas a través de la estructura del recubrimiento. Esto significa que el recubrimiento puede ofrecer un rango de aplicación más amplio.

Las herramientas recubiertas de carbono tipo diamante permiten un buen pulido de las flautas, lo que significa que tienen un menor coeficiente de fricción con materiales no ferrosos. Herramienta OSG

"Por ejemplo, el recubrimiento Dragonskin de CERATIZIT es un recubrimiento de nanocapas con diferentes capas", dijo Walrath. “Si tomamos el tamaño de un cabello humano, obtenemos un grosor de 100.000 nm. Este recubrimiento tiene menos de 100 nm y dentro de ese espesor hay multitud de capas de diferentes recubrimientos. Debido a que tiene esta variedad de composiciones químicas diferentes, brinda una base de aplicación muy amplia, pero casi se puede alcanzar una optimización total porque dentro de esa composición hay un componente que será ideal para esa aplicación de mecanizado en particular”.

Con las distintas capas dentro del recubrimiento, los fabricantes de herramientas de corte pueden adaptar el producto para hacer frente a aplicaciones específicas o desafíos de materiales. Cada capa ofrece sus propias características y especificaciones, como dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, lubricidad, y combinarlas proporciona beneficios más universales.

Este tipo de recubrimiento generalmente utiliza una aplicación de PVD.

Puede comunicarse con la editora asociada Lindsay Luminoso en [email protected].

CERATIZIT, www.cuttingtools.ceratizit.com

Herramienta OSG, www.osgtool.com

Herramientas Walter, www.walter-tools.com