2. Materiales de herramientas

Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
2. Materiales de herramienta
En las operaciones de mecanizado las herramientas de corte trabajan a elevadas
temperaturas, sometidas a fricción y a importantes fuerzas. Por lo que es de esperar que
la herramienta sea tenaz, que mantenga la dureza en un rango amplio de temperatura,
que resista al desgaste que impone la fricción y que no reaccione con el material de la
pieza incluso a altas temperaturas.
Por todo ello se ha de analizar su diseño minuciosamente en función de la aplicación para
la que se vaya a usar. No solo su tamaño, las aristas de corte, el rompevirutas, sino
también otros factores como son el material de la herramienta o del recubrimiento en el
caso de una herramienta recubierta. A lo largo de la historia se han ido analizando y
poniendo en uso nuevos materiales, a la vez que las exigencias han ido aumentando.
Principalmente, la evolución ha ido buscando aumentar las velocidades de corte
minimizando el tiempo de corte por pieza y por tanto mejorando la producción. El camino
que ha seguido la evolución ha sido la búsqueda de una herramienta que permita
mecanizar mayor cantidad de material a lo largo de su vida útil, manteniendo un desgaste
aceptable.
A su vez, la evolución de la industria en las últimas décadas ha exigido la introducción de
nuevos materiales en los procesos de mecanizado, los cuales exigen características
especiales a las herramientas de corte, y por tanto nuevas investigaciones al respecto y el
desarrollo de las innovaciones. A continuación vamos a situar cronológicamente la
evolución de los materiales de herramientas, que es la mejor manera de entender el
proceso de mejora que han experimentado. A la vez que expondremos las principales
características de cada uno.
2.1 Aceros al carbono y de media aleación
Este tipo de acero es el primero que se utilizó como material de herramienta, en la
segunda mitad del siglo XVIII. Pero sus aplicaciones eran muy limitadas, con una escasa
dureza, la cual empeora aún más al aumentar la temperatura. Por el contrario, tenía las
ventajas de un coste bajo y facilidad de afilado. Las escasas cualidades de corte de estos
aceros condujeron a que se desarrollaran aceros de baja y media aleación para las
herramientas, los cuales mejoraban un poco la resistencia al desgaste y por tanto
alargaban la vida útil. Aun así sus cualidades seguían siendo insuficientes.
Antonio Guarnido Barrera
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2.2 Aceros rápidos
También conocidos como aceros de alta velocidad o HSS (High Speed Steels). Son aceros
al carbono fuertemente aleados. Su introducción supuso un importante avance al
permitir aumentar la velocidad de corte considerablemente ya que este tipo de acero
mantiene su dureza a alta temperatura. Este material es muy tenaz lo que hace que se
use para herramientas que van a estar sometidas a vibraciones elevadas o cortes
interrumpidos. Aunque la gama de aceros rápidos es muy diversa, se pueden dividir en
dos grupos básicamente, tipo Tungsteno y tipo Molibdeno
Tipo tungsteno: (grado-T) Los aleantes son: tungsteno (W), principalmente, además
de cromo (Cr), vanadio (V), en menores proporciones, y los componentes básicos del
acero. La proporción de tungsteno se encuentra entre 11,75 y 19%
Tipo molibdeno: (grado-M) Incorpora a la aleación de acero rápido grado-T,
molibdeno (Mo). La proporción en peso está entre el 3,25 y el 10 %.
A ambos tipos se le puede añadir también cobalto, ya que la adición de este material
aporta una mejora de la dureza en caliente de la herramienta.
A pesar de que ha pasado más de un siglo desde que se empezó a utilizar este material de
herramienta, para distintos tipos de procesos de mecanizados sigue vigente. Incluso es
uno de los materiales más usados en la actualidad. Esto es debido a que tiene un coste
relativamente bajo, y unas características más que aceptables. Por ejemplo es muy
adecuado para la fabricación de herramientas con geometrías complejas como pueden
ser brochas, terrajas, fresas, etc. También es susceptible de recibir tratamiento térmico
para obtener una mayor dureza. Además, es muy útil la posibilidad de generar cualquier
forma geométrica mediante mecanizado para un determinado uso. A lo largo del tiempo
que se ha empleado este material se han realizado pequeñas mejoras en la composición
de las aleaciones pero siempre con el mismo trasfondo. Así mismo sobre este material se
puede añadir un recubrimiento que permita mejorar la resistencia al desgaste de la
herramienta, como es el caso de las brocas que se le añade una fina película de nitruro de
titanio (TiN).
2.3 Aleaciones de fundición de cobalto
Estas aleaciones se comenzaron a utilizar en torno a 1915 con el objetivo de poder
aumentar las velocidades de corte. Su composición en peso está en torno a los siguientes
márgenes, según la fuente que consultemos, [4] y [7], estos pueden oscilar levemente.
Cobalto: 38 – 53%
Cromo: 30 – 33%
Tungsteno: 10 – 20%
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La aleación resultante es muy dura, alrededor de 60 HRC, por lo que tiene una mejor
resistencia al desgaste que las herramientas de acero rápido, lo cual fue la razón de ser de
su uso. Técnicamente posee características que se encuentran entre las herramientas de
acero rápido y las de metal duro. Son más duras que las de acero rápido y menos que los
carburos. En cuanto a tenacidad son más tenaces que las plaquitas de metal duro pero
menos que las de acero rápido.
La elevada dureza y baja tenacidad de esta aleación hace que no sea viable su uso para
realizar cortes interrumpidos ya que produce el fallo catastrófico de la herramienta. Su
fabricación se realiza por fundición en moldes de grafito para posteriormente esmerilarlas
y darle el tamaño y afilado definitivo. Actualmente su uso está muy limitado, debido a
que el uso de las plaquitas de carburos tiene unas mejores características y un coste muy
razonable.
2.4 Metal duro
También conocido como carburos, son herramientas fabricadas con un compuesto
cerámico formado por wolframio y carbono. Otro nombre que comúnmente se le da a
este compuesto es vidia, derivado de un vocablo alemán que significa “como el
diamante” haciendo alusión a su elevada dureza.
En la década de 1930, la continua pretensión de aumentar la velocidad de corte en los
procesos de mecanizado fomentó el estudio y desarrollo de nuevos materiales para
herramientas. El carburo de wolframio, también conocido como carburo de tungsteno,
(WC) reunía las características deseadas, gran dureza en un amplio espectro de
temperaturas, un módulo de elasticidad elevado, alta conductividad térmica que permite
la evacuación del calor de la herramienta y baja dilatación térmica.
Debido a la elevada dureza y escasa ductilidad, la forma de fabricación es mediante
metalurgia de polvos. Para ello se añade como aglomerante cobalto, con una proporción
en masa de entre el 6 y 10%. Este material constituye la matriz que rodea las partículas de
carburo, y afecta a las propiedades de la herramienta. Cuanto mayor es la cantidad de
cobalto mayor es la tenacidad de la herramienta pero más deficientes son la resistencia
mecánica y al desgaste y también su dureza. De su proceso de fabricación, los carburos
reciben otros nombres como son carburos cementados y carburos sinterizados.
Con el uso se observó que en las herramientas de WC-Co aparecía el desgaste en forma
de cráter y provocaba una falla prematura de las herramientas. Este desgaste tan
acelerado es debido a la fuerte afinidad química entre el acero y el WC-Co, que produce
adhesión y difusión en la interfaz pieza-herramienta. Este hecho provocó que se
investigara al respecto y se descubriera que la adicción de carburo de titanio (TiC) y
carburo de tantalio (TaC) demoraban la falla de la herramienta producida por el desgaste
de cráter al mecanizar acero. Se ha de tener en cuenta que la adicción de carburos de
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tantalio y titanio disminuye la resistencia al desgaste de la superficie de incidencia en el
arranque de viruta de materiales no acerados. Esto genera que los carburos se dividan en
dos grupos básicos:
WC-Co: Para materiales que no incluyan acero.
WC-TiC-TaC-Co: Para aceros.
Para normalizar la selección de las herramientas de metal duro se emplean dos sistemas
de clasificación:
Sistema de grados C del ANSI.
Implementado en Estados Unidos en torno a 1942, clasifica las herramientas de
carburos de acuerdo con el uso para el que están diseñadas como se puede observar
en la figura 2.1.
Figura 2.1. Clasificación ANSI de los carburos.
Sistema ISO R513-1975(E).
Cuyo título es “Aplicación de los carburos en el mecanizado mediante eliminación de
viruta”, es el más extendido. Este sistema divide los carburos en grupos básicos con su
propio código de letra y color. Dentro de cada grupo se rigen también por un código
numérico que ordena cada material según su dureza y tenacidad en sentidos inversos.
De forma que el código ISO de cada herramienta indica el material a mecanizar para el
que se ha concebido la herramienta. La clasificación se muestra en la tabla 2.1.
Además del código del material de la herramienta que consta de una letra y dos
números podemos encontrar el código con letras adicionales que indican el proceso
de fabricación y el tratamiento térmico que se ha efectuado a la herramienta, según
se indica en la tabla 2.2.
Capítulo 2 - 4
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Un ejemplo de la nomenclatura puede ser: P12.Z.AN que se corresponde a una
herramienta para acero no aleado, 0,25 % < % C ≤ 0,55 %, fabricado mediante
forjado/laminado o estirado en frio y con un tratamiento térmico de recocido.
Tabla 2.1. Sistema ISO de clasificación de carburos. [9]
Código
P
Material
Acero
M
Acero inoxidable
K
Fundiciones de
hierro
N
S
H
Materiales no
ferrosos
Aleaciones
termoresistentes
y titanio
Acero templado
Grupo de material
1
2
3
4
5
1
2
3
1
2
3
4
5
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
No aleados (Mn<1,65%)
Baja aleación (aleantes< 5%)
Alta aleación (aleantes>5%)
Acero sinterizado
Ac. inox.ferrítico/martensítico
Austenítico
Súper austenítico (Ni>20%)
Dúplex (austenítico/ferrítico)
Maleable
Gris
Nodular
Fundición de grafito
Hierro dúctil
Aleaciones base Al
Aleaciones base Mg
Aleaciones base Cu
Aleaciones base Zn
Aleaciones base Fe
Aleaciones base Ni
Aleaciones base Co
Aleaciones base Ti
Aleaciones base W
Aleaciones base Mo
Aceros extraduros
Fundición templada
Estelita (aleación Co – Pb)
Aleación Fe - Tic
Código
P11
P21
P30
P40
P50
M10
M20
M31
K11
K21
K31
K41
K51
N11
N20
N31
N40
S11
S20
S30
S41
S50
S60
H11
H20
H30
H40
P12
P22
P31
P13
P23
P32
P14
P24
P51
M11
M12
M13
M32
K12
K22
K32
K42
K52
N12
K23
K33
K34
K53
N13
N14
N32
N33
N34
S42
S43
S44
H12
H13
H14
P15
P25
P26
K35
S12
Tabla 2.2. Códigos de proceso de fabricación y tratamiento térmico en el sistema ISO. [9]
Código
C
Z
S
U
Proceso de fabricación
Fundición
Forjado/laminado/estirado en frio
Sinterizado
Sin especificar
Código
AG
AN
AQ
HA
HT
NS
PH
UT
Tratamiento térmico
Envejecido
Recocido
Recocido/templado con agua o recocido
Endurecido(+ revenido)
Endurecido + revenido
Sin especificar
Templado por precipitación
Sin tratar
Hasta ahora se han entendido las herramientas de corte como una pieza enteriza del
material requerido, pero en el caso de herramientas de metal duro sería inviable que
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fuera fabricada totalmente de carburos, además de un coste muy elevado, no tendría la
suficiente tenacidad para soportar los esfuerzos a los que se somete durante el corte. Con
esta idea en mente surge la necesidad de dividir la herramienta en dos partes, por un lado
el portaherramientas, de un material suficientemente tenaz que evite vibraciones en la
medida de lo posible, y por otro lado una pequeña herramienta del material necesario
alojada en el extremo. Por lo que la verdadera herramienta de corte es lo que se conoce
como inserto o plaquita,, ver figura 2.2.
Figura 2.2.
2. Detalle de portaherramientas con plaquita.
plaquita. [9]
El uso de plaquitas tiene una ventaja adicional. En las herramientas de un solo cuerpo,
una vez se gasta el filo de corte hay que proceder a afilarlo, esto supone desmontar la
herramienta, proceder a recuperar los filos de corte de la herramienta en los ángulos
adecuados y un posterior montaje en la máquina. Esto lógicamente conlleva un tiempo
elevado y por tanto un aumento del coste de producción. La unión de plaquitas al
portaherramientas suele ser mecánica mediante un tornillo, como es el caso de la
plaquita mostrada en la figura 2.2, y pueden ser soldadas como la de la figura 2.3. Esto es
menos común debido a que se requiere que la precisión de la soldadura sea elevada para
no generar tensiones y deformaciones en la plaquita,
plaquita además
demás de que solo dispone de un
filo de corte.
3. Detalle de portaherramientas con plaquita soldada.
Figura 2.3.
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Las plaquitas suelen tener una forma triangular, cuadrada, de rombo, etc., de forma que
permiten que una vez se gaste uno de los filos de corte permite cambiar la orientación de
la plaquita utilizando un filo de corte nuevo. Por ejemplo en un inserto triangular se
tienen 6 filos principales de corte. Este procedimiento de giro del inserto se conoce como
“indexar”. El proceso de indexar una plaquita supone un tiempo mucho menor que un
cambio de la herramienta completa, lo cual requiere un nuevo ajuste de la máquina y por
tanto genera tiempos muertos en la producción. Por tanto el uso de plaquitas abarata el
coste de producción.
2.5 Herramientas recubiertas
En la continua evolución de las herramientas de corte, el siguiente hito cronológico lo
protagonizan las herramientas recubiertas. Estas surgen para solventar los problemas que
se generan con la abrasión y las reacciones químicas entre el material de la pieza a
mecanizar y la herramienta de corte cuando ambas alcanzan elevadas temperaturas.
Manteniendo el objetivo común en la historia del mecanizado, de aumentar las
velocidades de corte para ahorrar costes. Para ello las herramientas recubiertas se
componen de un sustrato o material del cuerpo de la herramienta responsable de dar la
resistencia necesaria a la herramienta y un recubrimiento que es el encargado de aportar
las propiedades exigidas, como disminuir la fricción, aumentar la adhesión de la
herramienta, conseguir una mayor resistencia al desgaste y mayor dureza en caliente así
como una mayor resistencia ante los impactos. Esta estructura se puede observar con
claridad en el esquema que se muestra en la figura 2.4.
Figura 2.4. Ejemplo de estructura de las herramientas recubiertas. [2]
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Capítulo 2 - 7
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Los materiales normalmente empleados para recubrir las herramientas son:
Nitruro de titanio (TiN)
Se caracterizan por un bajo coeficiente de fricción, dureza elevada, resistencia a
temperaturas altas y buena adhesión al sustrato. Destaca para usos a elevadas
velocidades de corte y amplios avances, no siendo muy efectivo para velocidades
bajas debido al desgaste del recubrimiento producido por la adhesión de virutas.
Carburo de titanio (TiC)
Su uso destaca principalmente sobre insertos de carburo de tungsteno, un tándem
que tiene una alta resistencia al desgaste, lo cual lo hace especialmente
recomendable para mecanizar materiales abrasivos.
Cerámicos
El más común es el óxido de aluminio (Al2O3). Las características que lo hacen
adecuado para el recubrimiento son: neutralidad química, baja conductividad térmica,
resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste tanto del flanco como de
cráter. Si bien es cierto, que la estabilidad química de los óxidos provoca que en
general se adhieran débilmente al sustrato.
Fases múltiples
Los recubrimientos ya mencionados se pueden aunar en un único recubrimiento de
manera que se obtenga una herramienta con todas las características deseables de
cada una de ellas. Esto se consigue mediante la superposición de capas de cada uno
de ellos ordenando dichas capas teniendo en cuenta las características y
compatibilidades de cada una de ellas. Una combinación habitual de capas puede ser:
― TiN: garantizan baja fricción.
― Al2O3: brinda alta estabilidad térmica.
― TiCN: aporta buen equilibrio de resistencia al desgaste incluso en corte
interrumpido.
― Sustrato delgado de carburo: da alta tenacidad a la fractura.
― Sustrato grueso de carburo: es duro y resistente a la deformación plástica a
temperatura elevada.
Ejemplos de combinaciones de capas pueden ser:
― TiC / Al2O3: Indicada para cortes a alta velocidad y continuos.
― TiC / Al2O3 /TiN: Apropiada para cortes rudos y continuos.
― TiC / TiC + TiN / TiN: Adecuada para cortes interrumpidos.
Diamante: Se abordará en el siguiente epígrafe.
Capítulo 2 - 8
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Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
Otros materiales de recubrimientos que constituyen los últimos avances en la materia son:
Nitruro de aluminio titanio (TiAlN)
Es funcional para el mecanizado de aceros inoxidables, así como para aleaciones
aeroespaciales.
Carburo de cromo (CrC)
Especialmente útil para el mecanizado de materiales blandos que tienden a adherirse
a la herramienta de corte como pueden ser aluminio, cobre y titanio.
2.6 Diamante
El diamante como tal es la sustancia más dura que se conoce. Como herramienta de corte
posee características atractivas como baja fricción, alta resistencia al desgaste y
capacidad de mantener su filo de corte. Pero el diamante es frágil, por lo que se ha de
tener en cuenta que la forma geométrica de la herramienta es crucial para garantizar una
vida útil aceptable. El desgaste en este tipo de herramientas se produce por
microastillado y por la transformación en carbono del diamante, producidas por las
elevadas temperaturas que se generan. Estas características hacen que las herramientas
de este material sean apropiadas para cortes ininterrumpidos en los que se requiere un
buen acabado superficial y buena precisión dimensional. Siendo especialmente efectivas
para el mecanizado de metales no ferrosos y materiales abrasivos.
Sin embargo, la gran afinidad química a elevadas temperaturas hace que no sea
apropiado para mecanizar aceros simples al carbono ni aleaciones de titanio, níquel y
cobalto.
Este material, no solo se utiliza en herramientas como material único sino que también se
emplea como recubrimientos y como componente en muelas desempeñando su función
como material abrasivo.
2.7 Materiales cerámicos de base de alúmina
Surgieron en torno a 1950 y están constituidos principalmente por óxido de aluminio. Se
producen mediante sinterización de óxido de aluminio y otros aditivos como carburo de
titanio y óxido de zirconio que aportan tenacidad y resistencia al impacto térmico. La
herramienta resultante tiene alta resistencia a la abrasión y alta dureza en caliente.
Son estables químicamente, más que los aceros rápidos y los carburos, lo que hace que
tengan menos tendencia a formar filos recrecidos. Por consiguiente generan buen un
buen acabado superficial y buena precisión dimensional. Como inconveniente comparte
con los materiales cerámicos una baja tenacidad, lo que los hace muy susceptibles de
sufrir fallo catastrófico. Por este hecho su uso es preferible en aplicaciones con corte
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Capítulo 2 - 9
Determinación de duración de herramientas de torno bajo diferentes condiciones de corte
continuo. Otro hándicap de este material es su escasa resistencia al choque térmico lo
que requiere una refrigeración constante o la ausencia de esta.
2.8 Cermets
Son una particularización de los materiales cerámicos y están constituidos por partículas
de óxido de aluminio sobre una matriz metálica que normalmente es de carburo de
titanio aunque también puede ser carburo de molibdeno, de niobio y de tantalio. Son
estables químicamente, no suelen presentar filos recrecidos pero tienen un elevado coste
que ha impedido una difusión de su uso.
2.9 Nitruro de boro cúbico (cBN)
Más conocido como borazón, es tras el diamante el material más duro que se conoce. Fue
presentado en 1962 y se produce uniendo una capa de nitruro de boro cúbico
policristalino a un sustrato de carburo mediante sinterización a alta presión y alta
temperatura. El sustrato aporta tenacidad mientras que el borazón aporta una elevada
resistencia al desgaste del filo de corte. Estas herramientas también se pueden encontrar
en piezas pequeñas sin sustrato. Este es sensible a choque térmico por lo que en cortes
interrumpidos se desaconseja emplear fluidos de corte. También es empleado como
abrasivo.
2.10 Cerámicos con base de nitruro de silicio (SiN)
Su desarrollo data de la década de 1970, y consisten en nitruro de silicio principalmente al
que se le añade oxido de aluminio, de itrio y carburo de titanio. Este material tiene muy
buenas características como son: tenacidad, dureza en caliente y resistencia al impacto
térmico. Por todo ello se recomienda para mecanizar hierros fundidos y superaleaciones
con base de níquel. Por el contrario, las herramientas con base de SiN tienen afinidad con
el hierro a altas temperaturas.
Un reciente avance en la tecnología de herramientas de corte es el uso de triquitas como
fibras de refuerzo en los materiales utilizados para fabricar herramientas de corte,
aunque el carburo de silicio tiene alta reactividad con el hierro, lo que las hace
inadecuadas para mecanizar hierros y aceros. Algún ejemplo puede ser:
Herramientas con base de nitruro de silicio reforzadas con triquitas de carburo de
silicio.
Herramientas con base de óxido de aluminio, reforzadas con triquitas de carburo de
silicio.
Capítulo 2 - 10
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