Materiales de base y de herramientas

12. Materiales para
herramientas
Contenido
1. Materiales de herramientas
2. Materiales de piezas
3. Maquinabilidad
Finalidad de las herramientas
•
•
•
Eliminar el exceso de material en forma de viruta.
Arrollar las virutas para una evacuación correcta.
Disipar el calor generado en el proceso.
•
Coste adecuado a las prestaciones de la herramienta.
Características de los materiales para herramienta
Las propiedades de los materiales de las herramientas necesarias para el
mecanizado, son:
–
–
–
–
–
–
–
–
Dureza en frío
Dureza en caliente
Tenacidad
Resistencia al desgaste
Estabilidad química
Coeficiente de rozamiento
Propiedades térmicas
Coste
Propiedades
•
Dureza.
– La dureza está relacionada con la deformación y el desgaste de la
herramienta.
– La dureza de la herramienta debe ser mayor que la del material a mecanizar.
– La dureza en frío es la correspondiente a rangos de temperatura por debajo
del ablandamiento del material.
• Para aceros ≈ 200º C
– La dureza en caliente es más importante en velocidades elevadas. La
cerámica puede seguir mecanizando estando “al rojo”
Propiedades
•
Tenacidad
– Es la capacidad de resistencia a impactos y a presiones alternativas en el
filo.
– En procesos con corte interrumpido, con vibraciones o materiales de la
pieza poco homogéneos es recomendable sacrificar dureza en beneficio de
la tenacidad.
– La tenacidad puede incrementarse con un montaje adecuado del elemento de
corte.
•
Resistencia al desgaste
– La resistencia al desgaste debe ser de la zona superficial de la herramienta.
– La dureza mejora el desgaste en la superficie de desprendimiento.
– Se mejora con la utilización de recubrimientos.
Propiedades
•
Rozamiento.
– Debe ser lo más bajo como sea posible para reducir las fuerzas de corte y el
calentamiento de la herramienta.
•
Propiedades térmicas.
– La conductividad térmica y el calor específico deben ser altos para conseguir
una buena evacuación del calor generado en el filo.
– El calor del filo se evacua por el soporte de la herramienta.
– El coeficiente de dilatación térmica influye en las variaciones de la
geometría de la herramienta.
•
Coste.
– Los incrementos en coste deben compensarse con la mayor capacidad de
producción de las herramientas.
Selección de material de la herramienta
•
Todas las propiedades no se han simultáneamente en un mismo
material, la importancia relativa de cada una de ellas, depende de la
aplicación:
– Tipo de operación (corte continuo-discontinuo, desbaste, acabado, rigidez,
etc)
– Tipo de herramienta (ángulos, fijación, etc.)
– Tipo de máquina (estado, rigidez, potencia,etc)
– Material de la pieza (dureza, estructura, aleación, etc.)
– Volumen de producción.
Materiales para herramientas
•
Los materiales básicos usados en el filo de la herramienta son:
– Aceros aleados (aceros rápidos)
– Aleaciones fundidas (no ferrosas)
– Cermet (cerámicas metálicas)
– Óxidos (cerámicas)
Dureza
– Carburos metálicos (metal duro)
– Nitruros
– Diamantes
•
Existen otros materiales usados como recubrimientos y aleantes de los
anteriores.
Aceros aleados (aceros rápidos)
•
•
•
La denominación de aceros rápidos se debe a Taylor.
Corresponde al grupo de aceros especiales (aceros para herramientas
(antiguos F551 a F554).
Poseen una gran tenacidad y la dureza la mantienen en un rango
reducido.
Aceros aleados (aceros rápidos)
•
Como aleantes utilizan W, Cr y V con una composición típica 18–4–1 y
Mo y Co:
–
–
–
–
–
•
Cr aumenta la templabilidad y la resistencia la desgaste.
Mo aumenta la dureza en caliente.
V aumenta la dureza en caliente y afina el grano.
W afina el grano y la dureza en caliente.
Co aumenta la resistencia en caliente.
Según el aleante dominante se pueden clasificar en acero rápido al
tungsteno, al molibdeno o al cobalto.
Aceros rápidos recubiertos
•
•
•
•
•
Los recubrimientos más típicos son los de NTi.
Los procesos de deposición física (PVD) son más adecuados que los de
deposición química (CVD), al realizarse a menor temperatura (500º) y no
afectar a la estructura metalúrgica.
No es posible realizar reafilados
El desgaste de los aceros recubiertos es del orden de la mitad de los
aceros rápidos sin recubrir.
Es un puente entre los aceros rápidos y el metal duro.
Carburos metálicos (metal duro)
•
Se obtiene a partir del carburo de tungsteno WC (finales siglo XIX).
•
Se empieza a sinterizar desde 1923 añadiendo Co como aglomerante.
•
La difusión del Co en el acero se elimina con la incorporación de carburos
de titanio, tántalo y otros.
•
Las principales ventajas respecto del acero rápido, son:
•
•
•
•
•
•
Elevada dureza en un amplio rango de temperaturas
Mayor rigidez E ~ 3 E acero
Tensión de fluencia
Menor coeficiente de dilatación
Mayor resistencia a la corrosión y al desgaste
Al menos el 80% de las plaquitas de corte
son de metal duro debido a un buen
equilibrio entre resistencia al desgaste
y tenacidad
Composición de los metales duros
Otros componentes de los metales duros
•
•
•
TiC
TaC
NbC
Fase dura con mayor estabilidad térmica. Mejora la
Características de los componentes
Oxidación
Difusión
Dureza en caliente
Carburos metálicos (metal duro)
•
Las propiedades finales de las herramientas de metal duro dependen,
fundamentalmente, de:
– La composición
– El tamaño del grano de las partículas
– El recubrimiento
Metal duro recubierto
•
Aplicación de capas superficiales muy delgadas de materiales muy duros
sobre el núcleo de la herramienta.
•
Al final de los 60 se inicia el recubrimiento del metal duro con TiC (CVD).
•
Los recubrimientos tienen como finalidad mejorar:
– El desgaste por adhesión y difusión
– Reducir el rozamiento
•
Mayor duración de la
herramienta
El metal duro recubierto supone más del 80% en el torneado y 60% en el
fresado.
CVD
PVD
Metal duro recubierto
•
•
•
TiN: Mejora la resistencia al desgaste y su rozamiento bajo reduce el filo
recrecido.
TiCN: Desgaste por abrasión y mejora la resistencia en la superficie de
incidencia
Al2O3: Baja conductividad térmica y buena resistencia térmica, mejora la
resistencia a la formación de cráteres y la deformación plástica.
Metal duro recubierto
•
Procesos para recubrimientos de herramientas de metal duro:
• CVD: Deposición Química en fase de Vapor a 700º ÷ 1000º consigue buena
adherencia con el sustrato.
• PVD: Deposición Física en fase de Vapor a 400º ÷ 600º-
•
Los procesos de recubrimiento dan lugar a espesores de capa distintos.
Con PVD se consiguen radios de filo más reducidos.
CVD
PVD
Cermet
•
•
•
•
•
•
Se obtiene sinterizando carburo de titanio con Ni como aglomerante.
Su obtención se inició en 1929.
También pueden incluir carbonitruros de titanio y nitruros de titanio y
recientemente se ha incorporado como aglomerante el molibdeno y a
veces cobalto.
Se pueden considerar metales duros pero con otros componentes.
Su consumo supone el 30% de los materiales usados en tornado de
acabado.
Composición:
Cermet
•
Características.
– Se suelen comparar con las del metal duro. El TiC es más duro que WC.
• Mayor resistencia al desgaste por abrasión, por lo tanto menor desgaste en el flanco
(mayor precisión).
– El TiC es más resistente al calor por lo que su deformación plástica a altas
velocidades es menor.
– Mayor estabilidad química. Los compuestos de Ti son más estables con la
temperatura:
• Menor desgaste por mella menor (oxidación).
• Mayor resistencia al desgaste en la superficie de desprendimiento (cráter)
•
Actualmente
– Ti(CN) en el nucleo resistencia al desgaste.
– (Ti,Nb,W)(C,N), segunda fase: resistencia deformación plástica.
– Co, aglomerante: mejora la tenacidad.
Cermet
•
Los cermet recubiertos pueden mejorar algunas de su características
negativas.
•
Campo de aplicación:
– Torneado de piezas con tolerancias estrechas
– Torneado de piezas con buen acabado superficial, debido:
• Mayor resistencia a la abrasión.
• Menor tendencia al filo aportado.
• Menor desgaste químico por oxidación.
– Materiales a mecanizar: aceros, aceros inoxidables, fundición gris y nodular.
– Operaciones de torneado:
• Acabados con ap = 0,05 – 1,5
•
a = 0,001 – 0,35
Cerámicas (óxidos de aluminio)
•
Se sinteriza en 1938 y se inicia su utilización en herramientas en 1954.
•
Las más utilizadas son:
– Al2O3 al 99,5% (y ZrO2): cerámica blanca
– Al2O3 (90%) + óxidos de Cr, Fe y Ti: Cerámica marrón
• Mejor resistencia a la fatiga térmica al ser mejor conductor del calor
Cerámicas (óxidos de aluminio)
•
Las características más importantes son:
–
–
–
–
–
–
•
Alto punto punto de fusión
Gran dureza
Estabilidad química elevada
Baja dilatación térmica
Mayor fragilidad
Baja conductividad térmica
Aplicaciones:
Cerámicas (Si3N4)
•
•
•
Es una cerámica con Si3N4 como principal componente.
Tiene más dureza y resistencia a alta temperatura que la cerámica
convencional.
Buena conductividad térmica y baja dilatación térmica
Cerámicas (Si3N4)
Nitruro de Boro
•
•
Se introduce industrialmente en 1972.
El nitruro de boro cúbico policristalino se sinteriza a muy alta presión y
temperatura.
•
Propiedades
– La dureza del NBC cercana y solo superada por el diamante.
– Estabilidad térmica
– No reactivo a ninguna temperatura con otros metales
Nitruro de Boro
•
Características:
– Por debajo de 1000º es más duro que los carburos metálicos
– Gran resistencia al desgaste
– Mecaniza materiales duros (45 - 68 HRc)
– Puede mecanizar aceros templados eliminando posteriores operaciones de
rectificado.
– Elevada capacidad de volumen de arranque
– Puede mecanizar de forma continua por encima de 1000º
Nitruro de Boro
•
Aplicaciones:
–
–
–
–
–
Acabado de materiales tratados
Torneado y fresado de aceros cementados (HRc 58-62)
Torneado y fresado de fundición de hierro gris
Mecanizado de piezas de hierro sinterizadas
Mecanizado a alta velocidad de aleaciones resistentes alta temperatura
Comparación diamante
•
Comparación entre acero rápido, metal duro y diamante en una operación
de taladrado.
Diamantes
•
Pueden ser naturales (falta de homogeneidad):
– Blancos
– Negros
•
Artificiales:
– Sinterizados como los NBC
•
Sus características:
–
–
–
–
–
Máxima dureza
Bajo coeficiente de dilatación
Alta conductividad térmica
Bajo rozamiento
Gran fragilidad
Diamantes
•
Se aplican para:
– Operaciones de buen acabado y con elevada precisión de materiales blandos.
– Para mecanizado de materiales muy duros: cerámica, cerámicas
presinterizadas, carburos metálicos.
– Mecanizado interrumpido de aleaciones de aluminio.
– Mecanizado de materiales blandos: cobre, bronce, cauchos duros, carbón,
grafito, aluminios, plásticos.
– Afilado de muelas.
Velocidad de corte
Comparación de características
Diamante
Nitruro boro
Cerámica
Cermet
Cerámica
recubierta
Metal duro
Acero rápido
Avance
Materiales de piezas.
Maquinabilidad
Clasificación de los materiales
•
•
Los materiales para piezas se clasifican en grupos según su facilidad
para ser mecanizados. La norma ISO los clasifica en 6 grupos
identificados con una letra y un color.
Los materiales que pertenecen a cada grupo ISO pueden tener
composición y características mecánicas ser muy distintas pero tienen un
comportamiento semejante al ser mecanizados.
P
Aceros
M
Aceros inoxidables
K
Fundiciones
N
Metales ligeros: Aluminio, cobre, latón, etc
S
Aleaciones termoresistentes
P
Aceros y fundiciones muy duros
Clasificación de los materiales II
•
•
La propiedad que expresa la facilidad de un material para ser
mecanizado se denomina maquinabilidad.
La maquinabilidad de los materiales depende:
–
–
–
–
–
–
–
•
Dureza
Dureza superficial
Composición
Endurecimiento por deformación
Disipación de energía
Estructura metalúrgica
Etc
Algunos fabricantes subdividen los grupos de materiales ISO en varios
niveles de subgrupos, como por ejemplo:
Material
Ejem: Alumnio
Composición del material
Ejem: Si ≤ 1%
Proceso de obtención de la preforma
Tratamiento
Ejem: Sinterizado
Ejem: sin tratar
Grupo ISO P
•
Materiales
• Aceros no aleados hasta aceros muy aleados.
• Acero fundido
• Aceros inoxidables ferrítico y martensítico
•
Maquinabilidad
–
–
–
–
–
–
–
En general tienen una buena maquinabilidad
EI C influye en la dureza. A mayor dureza se produce un desgaste por abrasión. Un bajo
contenido en carbono <0.2% contribuye a la aparición de filo de aportación y a mala
rotura de la viruta por lo que aumenta el desgaste por adhesión.
Cr, Mo, W, V,Ti, Nb, forman carburos y por lo tanto incrementan el desgaste por
abrasión.
El O forma incrustaciones no metálicas, oxidantes y abrasivas.
Al, Ti, V, Nb se utílizan como tratamiento de grano fino para acero; hacen que el acero
sea más tenaz y más difícil de mecanizar .
P, C, N en la ferrita reducen la ductilidad y por ello se incrementa el desgaste por
adherencia.
El Pb disminuye la fricción entre viruta y herramienta, reduce el desgaste y mejora la
rotura de la viruta.
Grupo ISO P
•
Maquinabilidad (cont)
–
–
–
–
Ca, Mn (+S) forman sulfuros blandos de efecto lubricante. Un alto contenido de S mejora
la maquinabilidad y la rotura de la viruta.
En aceros no aleados tienen tendencia a generar filo de aportación para reducir esta
tendencia se elevan las velocidades de corte y se utilizan filos y/o geometrías agudas,
con cara de desprendimiento positiva y recubrimientos delgados.
La maquinabilidad de aceros aleados se reduce con la cantidad de aleantes y la dureza
Para durezas altas se necesita buena resistencia al calor para soportar la deformación
plástica.
Grupo ISO P
Grupo ISO M
•
•
Materiales
–
Acero inoxidable austenítico
–
–
Acero inoxidable dúplex (contiene ferrlta y austenita)
Los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos se mecanizan como los aceros por lo que
están en el grupo P
Maquinabilidad
–
–
El endurecimiento por deformación produce superficies y virutas duras, que a su vez
provocan desgaste en entalladura. También crean adherencia y filo de aportación
La austenita produce virutas largas, continuas y tenaces, que resultan difíciles de
romper. Al añadir S se mejora la maquinabilidad, pero se reduce la resistencia a la
corrosión.
–
Un mayor contenido de ferrita en los
aceros duplex mejora la maquinabilidad.
Al mecanizar se producen virutas
resistentes, que pueden provocar martillado
y crear fuerzas de corte elevadas.
–
Se genera mucho calor durante el
mecanizado y esto puede provocar
deformación plástica y un excesivo
desgaste en cráter.
Grupo ISO M
Grupo ISO K
•
•
Materiales
–
–
–
–
Fundición gris
Fundición maleable
Fundición nodular
Fundición de grafito compactado (CGI)
–
Fundición dúctil austemperizada (ADI)
Maquinabilidad
–
–
–
–
–
–
Material de viruta corta con buen control de la misma en la mayor parte de condiciones.
Al mecanizar a velocidades superiores, especialmente en fundición con incrustaciones de
arena, se crea desgaste por abrasión.
La fundición se suele mecanizar con plaquitas negativas, ya que presentan filos robustos
y aplicaciones seguras.
Cromo, molibdeno y vanadio forman carburos, que incrementan resistencia y dureza,
pero reducen la maquinabilidad.
La fundición se suele mecanizar sin refrigerante, pero también se puede utilizar
lubricante, sobre todo para mantener al mínimo la contaminación del polvo de carbono y
hierro...
La influencia de la dureza en la maquinabilidad de fundiciones sigue las mismas reglas
que para el resto de materiales.
Grupo ISO K
•
Maquinabilidad (cont)
–
–
Las fundiciones ADI (dúctil austemperizada), las CGI (grafito compactado), y las NCI
(nodular), tienen durezas inferiores a 300-400 HB, y por lo tanto se mecanizan peor que
las fundiciones MCI y GCI, que presentan un valor medio de 200-250 HB.
La fundición blanca puede alcanzar una dureza superior a 500 HB (cementita) y es muy
abrasiva y difícil de mecanizar.
Grupo ISO K
Grupo ISO N
•
Materiales
–
–
–
–
•
Aleaciones de aluminio
Aleaciones de magnesio
Aleaciones de cobre (bronce, latón)
Aleaciones de zinc
Maquinabilidad
–
–
–
–
Material de viruta larga
Control de viruta relativamente fácil, si está aleado
Las fuerzas de corte y la potencia requerida en la máquina son bajas.
Las aleaciones de alumnio se pueden mecanizar con calidades de metal duro
sin recubrimiento y grano fino si el contenido de Si es inferior al 7-8%, y con
calidades de punta PCD para aluminio con mayor contenido de Si.
– El Al hipereutéctico con contenido de Si > 12% es muy abrasivo.
Grupo ISO N
Grupo ISO S
•
Materiales
– Superaleaciones termorresistentes (HRSA) (resistentes hasta 1000º C)
• Los elementos de aleación suelen ser
–
–
–
–
Ni: incrementa la resistencia a la tracción
Co, Mo, W: incrementan la resistencia a alta temperatura.
Cr, Si, Mn: mejoran la resistencia a la corrosión.
C: incrementa el tamaño del grano
• Se pueden subagrupar en:
– aleaciones de níquel
– de hierro (desarrollado a partir de aceros inoxidables austeníticos)
– de cobalto
– Titanio
• Las aleaciones de titanio se pueden dividir en cuatro clases, en función de
la estructura y de los elementos de aleación presentes.
–
–
–
–
Titanio sin tratar, comercialmente puro.
Aleaciones alfa, con adición de Al, O o N.
Aleaciones beta, con adición de Mb, Fe, V, Cr o Mn.
Aleaciones mixtas α+β (las más utilizadas)
Grupo ISO S
•
Maquinabilidad
– Superaleaciones termorresistentes (HRSA)
• La maquinabilidad disminuye de las aleaciones de hierro, a las de niquel y a las de
cobalto.
• Deficiente conductividad térmica y alta dureza generan altas temperaturas durante
el mecanizado por lo que las herramientas deben tener una buena resistencia a la
deformación plástica.
• La viruta que se produce durante el mecanizado es segmentada, lo que unido a la
alta resistencia a alta temperatura se generan altas fuerzas de corte dinámicas
• La alta resistencia y endurecimiento mecánico crean desgaste en entalladura y un
gran abrasión en la herramienta.
•
En general, se deben utilizar plaquitas con
ángulo de posición grande (plaquitas
redondas) y ángulos de desprendiento
positivos.
•
En torneado y fresado se pueden utilizar
calidades de cerámica, según la
aplicación.
Grupo ISO S
•
Maquinabilidad (cont)
– Titanio
• La maquinabilidad de las aleaciones de titanio es peor que la de los acero o aceros
inoxidables
• El titanio posee una baja conductividad térmica por lo que producen altas
temperaturas en el filo de la herramienta.
• La elevada resistencia a alta temperatura genera altas fuerzas de corte.
• Virutas delgadas y muy recortadas crean un área de contacto estrecha en la cara de
desprendimiento y generan fuerzas de corte concentradas en la proximidad del filo.
• Una velocidad de corte demasiado alta produce una reacción química entre la
viruta y el material de la herramienta, que puede derivar en rotura/astillamiento de la
plaquita.
• El material de la herramienta de corte debe tener buena resistencia al calor, bajo
contenido de cobalto y no reaccionar con el titanio.
• Se suele utilizar metal duro de grano fino sin recubrimiento.
Grupo ISO S
Grupo ISO H
•
Materiales
– Aceros con durezas 48 < HRC < 68
• Por ejemplo: acero carburizado (-60 HRc), acero para cojinetes de bolas (-60 HRc),
acero para herramientas (-68 HRc), fundición blanca (-50 HRc), fundición
ADI/Kymenite (-40 HRc), acero de construcción (40 - 45 HRc), acero al Mn y los
distintos tipos de recubrimientos duros, estelita, acero P/M, metal duro
•
Maquinabilidad
– El mecanizado de piezas de acero templado es poco frecuente y las
operaciones que se realizan en ellas suelen ser de acabado.
– Las fuerzas de corte y la potencia requerida son altas.
– El material de la herramienta debe tener buena resistencia a la deformación
plástica (resistencia al calor), estabilidad química (a alta temperatura),
resistencia mecánica y resistencia al desgaste por abrasión.
– El metal duro se emplea fresado y taladrado hasta aprox. 60 HRc.
– La cerámica mixta o reforzada con filamentos para tornear, cuando la pieza
tiene una dureza demasiado alta para el metal duro
– El CBN permite tornear en lugar de rectificar
Grupo ISO H
Ensayos de maquinabilidad
•
Son ensayos específicos cuya finalidad es comparar
– El comportamiento de un conjunto de materiales para piezas con una
herramienta determinada de referencia.
•
Existen diferentes tipos de ensayos:
– Ensayos de maquinabilidad de larga duración
– Ensayos de maquinabilidad de corta duración
• Ensayo de taladrado. Se mide la fuerza axial de penetración en el taladrado de un
agujero con avance constante.
• Ensayo de torneado, donde se mide el desgaste en incidencia y en desprendimiento
después de un tiempo determinado (32 min).
• Determinar la velocidad que se puede alcanzar hasta que se alcance el desgaste de
la herramienta en una longitud determinada.
– Ensayos funcionales
Ensayos de maquinabilidad funcionales I
•
El índice de maquinabilidad está relacionado con el número de piezas
mecanizadas correctamente en 6 horas.
I = ( N / N0 ) X 100
I = Índice de maquinabilidad
N = piezas mecanizadas correctamente
N0 = piezas mecanizadas con el material de referencia
•
Se realizan diferentes operaciones de mecanizado sobre una pieza
probeta normalizada con diferentes herramientas. Estas operaciones
son:
–
–
–
–
Cilindrado
Ranurado
Tronzado
Taladrado
Ensayos de maquinabilidad funcionales II
•
Se vigila la evolución de las magnitudes dimensionales y de acabado.
Ensayos de maquinabilidad funcionales III
Resultados del ensayo de maquinabilidad funcional