recubrimientos duros obtenidos por procesos cvd, trdd

RECUBRIMIENTOS DUROS OBTENIDOS POR
PROCESOS C.V.D., T.R.D.D., P.V.D.
Lluís Carreras. Sandra Bueno. Francesc Montalà .
Departamento de Recubrimientos. Trat. Térmicos Carreras S.A. GRUPO TTC.Sabadell. Barcelona.
Rafel Sitjar
Departamento de Ingeniería Mecánica, EUETIT, Terrassa. Barcelona.
RESUMEN.
La necesidad constante de aumentar la vida
productiva de los útiles y herramientas , minimizar los tiempos de producción, costes y paros
por mantenimiento, adaptación a los nuevos
materiales de trabajo, exigen una mejoría de las
características superficiales de los mismos.
La optimización de los tratamientos superficiales
y en especial la creciente aplicación de los recubrimientos C.V.D.,T.R.D.D. y P.V.D. a las herramientas, útiles, matrices y piezas en general
que requieren mayores solicitaciones, han permitido conseguir resultados, considerados hasta
hace unos años, impensables. El objetivo de
este trabajo es informar sobre las capas que se
están obteniendo en la actualidad, sus características, sus aplicaciones industriales y la correcta elección y preparación del material a recubrir.
ABSTRACT.
Due to the continuous evolution in industrial ,
processes tool manufacturers try to develop new
technologies to reduce time production, minimise
costs and improve the competitivity of the final
product.
The optimisations in surface treatments and
specially hard coatings in strong working conditions tools have obtained some results impossible to imagine many years ago.
This work would resume the characteristics and
applications of C.V.D., T.R.D.D., P.V.D., coatings processes and the correct choice of base
materials, heat treatment and surface finishing
on tools and dies.
INTRODUCCION
La obtención de recubrimientos sobre
útiles y herramientas ha estado en
constante desarrollo en las últimas décadas. La evolución industrial en el
campo de la competitividad y las mejoras de producción basados en aumentar
la sin incrementar costes ha inducido el
desarrollo de mejoras en las propiedades superficiales que presentaban los
materiales que se estan empleando. Alcanzados los objetivos iniciales, los recubrimientos avanzan especializándose
en la mejora una propiedad crítica característica de cada aplicación o tipo de
solicitación. Propiedades como resistencia al desgaste, coeficiente de fricción,
dureza, tenacidad, resistencia a la oxidación se combinan para obtener en
cada caso el recubrimiento que mejor se
adapta a las condiciones de trabajo. Un
recubrimiento como factor aislado no
puede garantizar la consecución de los
resultados optimizados, únicamente
asociado a otros factores como propiedades del material base, del tratamiento
térmico, del estado y preparación su-
perficial de la pieza a recubrir conjuntamente con las del recubrimiento podrán
asegurar que el rendimiento final sea el
deseado.
El presente trabajo pretende resumir las
características principales de los recubrimientos que actualmente se realizan,
así como los materiales, tratamientos y
preparación superficial que mejores resultados han obtenido.
La característica principal que diferencia
a los principales grupos de recubrimientos para obtener capas duras finas
es la temperatura. Así se distinguen los
procesos a temperatura elevada, cercanas a 1000ºC (C.V.D. y T.R.D.D.), los
procesos a temperaturas medias próximas a 500ºC (procesos P.V.D. y
P.A.C.V.D), y los que se obtienen a baja
temperatura (cromo duro, níquel químico,implantación iónica y proyecciones
térmicas). Estos últimos , serían motivo
de un estudio particular fuera del alcance de este trabajo.
CONSIDERACIONES
PREVIAS AL
DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA
RECUBIERTA.
La temperatura de obtención del recubrimiento es uno de los factores condicionantes para la elección de uno u otro
tipo de recubrimiento, así como las propiedades que la capa confiere a la superficie del material. La elección debe
de realizarse tras el estudio detallado de
una serie de consideraciones. Estas son
principalmente : la elección del acero
para la fabricación de la herramienta,
preparación y acabado de la pieza, las
características específicas de la capa
dura en función de la aplicación o solicitación de la pieza, secuencia de tratamientos térmicos anteriores o posteriores a realizar, tolerancias y distorsiones
dimensionales que pueden ser aceptadas. La detallada observación de estos
apartados influirán en la consecución de
un óptimo rendimiento de la pieza.
ELECCION DEL MATERIAL BASE.
La característica principal que debe presentar el material a recubrir es la dureza
o posibilidad de ser endurecido. Toda
capa dura debe poder transmitir los esfuerzos que recibe al material base sin
que en él se produzcan deformaciones.
Si la dureza del substrato es insuficiente, la capa, dura, frágil y por lo tanto
poco deformable rompe hasta desprenderse como consecuencia del hundimiento del núcleo. En el campo de los
aceros, estos deben poder soportar
grandes esfuerzos a compresión y por
tanto deberán ser templables y obtener
durezas elevadas (superiores a 60
HRC). Generalmente la familia de los
aceros especiales de trabajo en frío y
aceros rápidos cumplen con este requisito. Si la solicitación de la pieza es de
desgaste adhesivo o abrasivo sin esfuerzos compresivos, la dureza del acero base puede ser menor y por tanto se
amplía la gama de aceros con posibilidad de ser recubiertos.
ACABADO Y PREPARACION DE LA
HERRAMIENTA.
La pieza a recubrir se recibe completamente acabada, rectificada y pulida.
Debido al pequeño espesor de las capas duras, éstas tienden a copiar la rugosidad superficial. Cuanto más fino sea
el acabado, mejores coeficientes de fricción se conseguirán en la pieza recubierta, disminuyendo el riesgo de microsoldaduras tanto en frío como en caliente con el consiguiente aumento de la
vida de la herramienta. Además el aspecto, color y brillo son en general más
atractivos.
Generalmente las matrices de conformado permiten tolerancias dimensionales del orden de décimas de milímetro. En este caso es conveniente proceder a un pulido característico en la zona
de trabajo. El pulido se realiza en la etapa anterior y posterior al recubrimiento
obteniendo una rugosidad final de 1 Ra.
E-ste acabado permitirá un correcto
deslizamiento de la chapa durante el
trabajo de conformado.
Las herramientas de corte no permiten
variaciones en las tolerancias dimensionales ya de por sí muy ajustadas, del
orden de centésimas o milésimas de milí
metro.
El acabado de una herramienta suele
ser por rectificado o electroerosión .
Ambos casos pueden producir deterioro
superficial.
-Las deficiencias durante la etapa de
rectificado o afilado pueden decarburar
la superficie creando una zona blanda,
oxidada, incluso capa blanca sobre la
que el recubrimiento tendrá mala adherencia y baja consistencia para soportar
esfuerzos elevados. Como resultado, se
hunde y se desprende con facilidad. El
rectificado con compuestos de nitruro de
boro (CBN) parece ser el más adecuado
para disminuir estos efectos.
-El acabado por electroerosión también
presenta una secuencia superficial de
zonas afectadas. La primera zona (la
más superficial) presenta una capa
blanca decarburada por efecto de la alta
temperatura del hilo. Contigua a la capa
blanca se observa una zona con estructuras de fusión y temple. Gradualmente hacia el interior del metal cortado
se observan zonas afectadas por el calor que se disipa por conducción creando un gradiente de temperaturas de revenido y por tanto durezas variables.
Necesariamente se debe eliminar la capa blanca mediante un pulido mecánico
y estabilizar termicamente las zonas
templadas reviniendo a temperaturas ligeramente inferiores al último revenido
realizado en el bloque de acero que se
está electroerosionando.
La limpieza de las piezas es muy importante, especialmente en los recubrimientos que se realizan en condiciones
de alto vacío y temperatura media.
La presencia de corrosión u oxidación
no permite la adherencia de los compuestos recién formados. Las zonas de
corrosión deben ser eliminadas mecánicamente así como zonas oxidadads por
mala refrigeración en la etapa de rectificado o afilado.(Zonas quemadas).
RECUBRIMIENTOS REALIZADOS A
ALTA TEMPERATURA (≈
≈ 1000ºC).
El proceso C.V.D.(Chemical Vapor Deposition) se realiza en un reactor cerrado. Previa la obtención de un grado
de vacío elevado, el compuesto duro se
forma a partir de un halogenuro metálico
(generalmente TiCl4 para recubrimientos de titanio) y la introducción de gases
reactivos, amoníaco en el caso de formación de nitruros y un hidrocarburo en
el caso de formación de carburos.
Transcurrido el tiempo necesario para
conseguir el espesor de capa deseada,
las piezas se enfrían en el reactor hasta
temperatura de descarga. Posteriormente y bajo condiciones de vacío para
evitar la oxidación de los compuestos
formados, se procede al temple y revenido si el substrato es un acero.
Los compuestos más generalmente obtenidos por CVD son TiC, TiCN y TiN,
así como SiC, Al2O3, BC... En el campo
de la deformación ,la combinación de
multicapas de los compuestos de titanio
son las más utilizadas.
El proceso TRDD (Termoreactive Deposition and Difusion) se realiza en baño
de sales fundidas donde está presente
el óxido del metal a implantar, un agente
reductor y bórax como sustento del baño. El carbono del propio acero se combina con el metal reducido para formar
el carburo correspondiente. Los compuestos que se obtienen por el método
TRDD suelen ser carburos de vanadio,
niobio, cromo, tantalio y combinaciones
de varios metales. En el campo de la
deformación las capas más solicitadas
son las de carburo dúplex de vanadioniobio.
Compuesto Color
(V,Nb) C
VC
TiC-TiN
TiC-TiCN
TiC-BC
Gris Plata
Gris-Negro
Dorado
Azul-Violeta
Gris Oscuro
Coef.
Fricción
0.3
0.5
0,5
0.6
0.6
Dureza
(GPa)
39.5
36.5
38.8-25
38,8-32
38-65
Temp. De
Oxidación (ºC)
600
450
400
300
700
Tabla 1. Recubrimientos más comunes obtenidos por los procesos C.V.D. y T.R.D.D. y sus
propiedades físicas.
TRATAMIENTOS TERMICOS A QUE
DEBE SOMETERSE LA HERRAMIENTA A RECUBRIR MEDIANTE
PROCESOS C.V.D. Y T.R.D.D.
Las piezas a tratar por procesos a alta
temperatura (CVD,TRDD) deben estar
en estado de recocido. La alta temperatura a que se realiza el recubrimiento,
no permite mantener las características
de dureza que pudiera presentar la pieza por un anterior tratamiento de temple.
En este caso, es aconsejado un recocido de regeneración anterior a la fase de
recubrimiento. Tras obtener el espesor
de capa deseada se procede al enfriamiento lento de las piezas en el reactor
(CVD) o a temple y revenido inmediatamente después de finalizar la etapa de
recubrimiento (TRDD). En cualquier caso los tratamientos de temple y revenido
posteriores deben realizarse en instalaciones de vacío para evitar la oxidación
de las capas de recubrimiento obtenidas. Las posibles variaciones dimensionales producidas durante el temple,
pueden ser compensadas reviniendo la
pieza en la zona de temperaturas en las
que el material presenta endurecimiento
secundario (debido al aumento de volumen por precipitación de carburos).
APLICACIONES DE RECUBRIMIENTOS REALIZADOS A ALTA TEMPERATURA.
Es conocida la relación directa entre la
adherencia de la capa dura y la temperatura de formación de la misma. Los
fenómenos de difusión entre el substrato
y los compuestos duros que se forman
en su superficie provocan una adherencia muy superior a la obtenida en los
procesos a baja temperatura. Así pues
bajo esfuerzos de cizallamiento, la capa
dura obtenida difícilmente se desprende
del acero.
Para trabajos de conformado, extrusión
en frío o caliente, forja y embutición el
recubrimiento aconsejado es a alta temperatura.
A continuación se presentan algunos
ejemplos de los recubrimientos que han
conseguido solucionar los problemas de
los útiles y aumentar la producción satisfactoriamente .
• Recubrimiento : TiC-TiN, TiC-TiCNTiN, (Nb,V)C
• Espesor : 8 micras
Matrices de conformado y/o embutición
profunda de chapa de acero inoxidable y
aluminio.
• Material : Acero de trabajo en frío. (F520 A, F-5227, F-5229)
• Dureza : 62-58 HRC
• Recubrimiento : (Nb,V) C, VC.
• Espesor : 8 micras.
Matrices de extrusión en caliente, extrusión de aluminio.
• Material : Acero de trabajo en caliente. F-5317, F-5318, F-5313.
• Dureza : 52-48 HRC (revenido a
550ºC-580ºC)
Matriz de conformado de chapa de acero (industria del automóvil)
• Recubrimiento : (Nb,V) C, Nb C.
• Espesor : 6-8 micras.
• Material : Acero de trabajo en frío.
(F-520 A, F-5227, F-5229)
• Dureza : 62-58 HRC
Fig.1 Matriz de embutir chapa tratada por el
proceso C.V.D.Material F-520 A . TiC-TiN, templada y revenida a 58 HRC.
Fig.2. Microestructura de la capa de (V,Nb)V
Sobre acero Nº 1.2379.Espesor 8 micras. Material 1.2379. T.R.D.D., templado y revenido a
60 HRC. x 500. Ataque Vilella.
Fig.3.Matrices de conformado. Tratamiento
T.R.D.D. temple y revenido a 60 HRC.
Material F-520 A
RECUBRIMIENTOS OBTENIDOS A
TEMPERATURAS MEDIAS (aprox
500ºC).
La evolución de los procesos de alta
temperatura han generado sus variantes
a baja temperatura en los procesos de
P.A.C.V.D (CVD asistido por plasma) y
L.T.TRDD (a baja temperatura). Sin embargo la familia de los recubrimientos
obtenidos por P.V.D , con distintos sistemas de evaporación, son los más ge-
neralizados en el campo de las bajas
temperaturas.
Los distintos métodos PVD consisten
genéricamente en evaporar un metal puro o aleación en la cámara del reactor
donde previamente se obtiene un grado
de vacío muy elevado.(1-2 x 10-4 mbar).
El metal evaporado en contacto con el
gas reactivo forma el compuesto que es
proyectado contra la pieza por acción de
la diferencia de potencial existente entre
las piezas y la cámara (200-400 V). Las
piezas antes de empezar la etapa de recubrimiento suelen ser calentadas a
temperaturas cercanas a 500ºC para
conseguir el grado de adherencia
aceptable de la capa dura sobre el
substrato.
Compuesto
Color
TiN
MoC
TiCN
TiAlN
AlTiN
CrN
Dorado
Gris oscuro
Gris azulado
Bronce
Negro
Gris Plata
Coef.
Fricción
0.5
0.3
0,7
0.4
0.5
0.5
Dureza
(GPa)
24.3
32.5
30.8
38,8
34.3
21.4
Temp. de
Oxidación (ºC)
400
300
300
800
800
600
Tabla 2. Recubrimientos más comunes obtenidos por los procesos P.V.D y sus propiedades
físicas.
TRATAMIENTOS TERMICOS A QUE
DEBE SOMETERSE LA HERRAMIENTA A RECUBRIR MEDIANTE
PROCESOS P.V.D.
Las piezas que deben ser recubiertas a
temperatura media se presentan en estado de temple, y generalmente revenido a temperatura superior a la temperatura de recubrimiento. La dureza del
acero debe permanecer elevada a temperaturas entre 500ºC y 550ºC. Serán
materiales adecuados para recubrir por
método PVD , metal duro y aceros que
en su curva de revenido, presentan endurecimiento secundario a estas temperaturas. Aceros de trabajo en frío, ledeburíticos con porcentajes de cromo cercanos a 12%, aceros de trabajo en caliente con porcentajes de cromo cercanos a 5% y aceros rápidos son los que
se recubren habitualmente por PVD.
APLICACIONES DE LOS RECUBRIMIENTOS REALIZADOS A BAJA
TEMPERATURA.
Las herramientas de arranque de viruta ,
punzonado, matricería de corte fino exigen tolerancias en muchos casos centesimales. Por tanto es aconsejable recubrirlas a baja temperatura.
A continuación se presentan algunos de
los ejemplos de las aplicaciones en que
se aportan recubrimientos PVD para
aumentar el rendimiento de la herramienta.
Punzones de corte, punzones centradores. Matrices de corte fino.
• Material : Acero rápido . Acero de
trabajo en frío. (F-520 A)
• Dureza : 63-62 HRC (acero rápido)
61-59 HRC (F-520 A)
• Recubrimiento : TiN, TiCN
• Espesor : 3 micras. (4 micras dependiendo de la geometría de la pieza)
Fresas, escariadores, machos de roscar, brocas, plaquitas de metal duro.
•
Material : Acero rápido. Metal duro.
•
Dureza : 64-63 HRC (acero rápido)
Superior a 70 HRC (metal duro)
• Recubrimiento :
TiN para fresas, escariadores,
brocas, machos que trabajen
aleaciones blandas, acero inoxidable austenítico, aluminio, latón.
TiCN, para fresas, escariadores,
brocas que trabajen aceros
en general, aceros bonificados y
aleaciones abrasivas.
CrN, para machos de roscar, laminar aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de aluminio.
• Espesor :2- 3 micras.
Fresas, plaquitas de metal duro para
mecanizar a alta velocidad, aceros y
aleaciones tratadas.
• Material : Metal duro
• Dureza : Superior a 70 HRC
• Recubrimiento : TiAlN, AlTiN (Cuando la herramienta trabaja a temperaturas superiores a 600ºC)
• Espesor : 3 micras.
Moldes de inyección de plástico y aleaciones metálicas de bajo punto de fusión.
• Material : Acero Inoxidable ( AISI
420), acero de trabajo en caliente (F5318), Aceros pretratados para fabricación de moldes.
• Dureza :
50-48 HRC. (110-120
kg/mm2 para aceros pretratados)
• Recubrimiento : TiN, CrN
• Espesor : 3-5 micras.
Fig. 3 Capa de TiN obtenida por proceso P.V.D.
X 5000 Micrografía obtenida por S.E.M.
cuados los recubrimientos a baja temperatura.
Esta constante innovación de las capas
finas de compuestos duros genera múltiples combinaciones con la finalidad de
resolver los problemas presentes en la
industria. La experimentación industrial
y el análisis de los resultados obtenidos,
en las aplicaciones específicas, permiten recomendar uno u otro tipo de recubrimiento y orientar la obtención de nuevos compuestos para mejorar los rendimientos de los actuales.
REFERENCIAS.
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the Japan International Tribology Conf.
Pp 1953 .Nagoya .
Fig.4 Herramientas de corte recubiertas por
procesos P.V.D.
CONCLUSIONES
El rendimiento de las herramientas esta
condicionado por los factores que influyen en la elección del material, los tratamientos térmicos, acabado de la herramienta y recubrimiento adecuado a la
aplicación y condiciones de trabajo.
Para conformado, embutición y trabajo
bajo esfuerzos de cizallamiento serán
aconsejables los recubrimientos realizados a alta temperatura.
Para aplicaciones de corte, punzonado y
arranque de viruta en general son ade-
Arai T, Sugimoto Y, Ohta Y, y otros.
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