RECUBRIMIENTOS CVD PARA ESTAMPACIÓN DE

RECUBRIMIENTOS CVD PARA ESTAMPACIÓN DE CHAPAS DE ALTA RESISTENCIA
L. Carreras Vendrell. Sandra Bueno Serradilla. Francesc Montalà Guitart. (Grup TTC. Dep. Recubrimientos Avanzados)
Resumen.
La introducción progresiva en la industria de la automoción de muchas partes fabricadas con chapas de alta resistencia
esta ocasionando graves problemas en las etapas de estampación. Los recubrimientos CVD están consiguiendo los
mejores rendimientos en troqueles de estampación y conformado. Sin embargo, para obtener los mejores resultados,
deben considerarse algunos aspectos referentes a la preparación y reparación superficial, elección del acero base y su
respuesta a los tratamientos térmicos. En el presente trabajo se resumen los fundamentos del recubrimiento CVD y las
recomendaciones para obtener los mejores rendimientos en troqueles recubiertos por CVD.
The introduction of parts made of high resistance sheets in automotive industry is increasing the number of problems
during forming and stamping processes. CVD coatings have been obtaining the best results in stamping dies and
punches under very hard conditions. However, to obtain the best performance, some aspects have to be considered. In
this work have been summarized the fundamentals of CVD coatings and the recommendations to obtain the optimum
results in CVD coated dies.
INTRODUCCION
La creciente competitividad en la industria de la automoción, particularmente en el sector de
la estampación y corte de chapa, está propiciando la rápida incorporación de los recubrimientos
como tratamiento de superficie imprescindible para conseguir altos rendimientos en matrices y
punzones.
Las exigencias específicas hacen que cada nuevo recubrimiento pueda encontrar su lugar de
aplicación y, además, inducen la investigación y desarrollo de técnicas y compuestos que den
solución a los problemas que plantean los nuevos proyectos.
Concretamente en matrices y troqueles son comunes los recubrimientos de cromo duro y los
tratamientos de nitruración, temple superficial. Estos tratamientos han resuelto con éxito los
problemas de desgaste adhesivo y abrasivo, especialmente en troqueles de fundición. Sin embargo
en estas condiciones se suelen estampar chapas delgadas y de baja resistencia.
Cuando los diseños exigen chapas gruesas y de elevada resistencia para componentes de alta
seguridad, las características de estampación son más severas, los fenómenos de desgaste
aumentan y por tanto las exigencias superficiales son mayores.
Los recubrimientos duros obtenidos por vía física (PVD) han resuelto los casos donde un
aumento de dureza superficial y un buen comportamiento tribológico son suficientes para asegurar la
productividad del útil. Los compuestos duros obtenidos por PVD han evolucionado en estos dos
sentidos, mayor dureza ( compuestos de titanio y aluminio) y menor coeficiente de fricción
(compuestos con alto contenido en carbono). No obstante, la gran ventaja que supone la baja
temperatura de los recubrimientos PVD que evitan cambios dimensionales en las piezas, supone
también una limitación en cuanto a la adherencia de la capa al sustrato. Solo en procesos de
conformado donde no es preciso laminar la chapa, ésta no es excesivamente gruesa y no presenta
elevada resistencia, la adherencia que obtienen los recubrimientos PVD es suficiente.
En la actualidad, los retos que se plantean las firmas de automóviles con referencia a las
partes estructurales de los vehículos son la reducción de peso y principalmente mayor seguridad en
el habitáculo. Ello conlleva utilización de chapas de alta resistencia en muchas partes del vehículo.
Esto supone conformar chapas que presentan resistencias de 400, 800, incluso 1200 N/mm2. Este
tipo de chapas poseen además un límite elástico alto. Cuando la pieza se estampa según los
parámetros habituales, su tendencia es recuperar en parte la forma original. Para evitarlo hay que
estrechar tolerancias entre punzón y matriz y en muchos casos obtener la forma final en una sola
operación.
En tales condiciones es preciso mejorar la adherencia recubrimiento – sustrato para evitar
desprendimientos prematuros, desgastes, gripajes y mantener el troquel en servicio durante el
mayor tiempo posible: no queda más remedio que recurrir a los procesos CVD de alta temperatura
Un estudio especializado de las zonas sometidas a desgaste permite aconsejar, en algunos
casos, una combinación de recubrimientos duros. Es común recubrir por CVD solo los sectores más
solicitados y por PVD los menos solicitados, disminuyendo la posibilidad de distorsión del conjunto y
favoreciendo la etapa de ajuste final.
RECUBRIMIENTOS CVD A ALTA TEMPERATURA (DEPOSICION QUÍMICA EN FASE VAPOR)
La técnica de obtención de compuestos por CVD se desarrolló en la década de los años 70 y
su aplicación industrial ha ido en aumento progresivo hasta nuestros días. Los procesos iniciales
han evolucionado e incorporado otras técnicas como las de vacío (LPCVD) y activación por plasma
(PECVD).
Fundamentalmente, los recubrimientos CVD parten de un compuesto portador metálico
(precursor) que se disocia a lata temperatura en el seno de una atmósfera reductora liberando el
metal. Los halogenuros y muy especialmente cloruros son los precursores industriales más
empleados. (TiCl4, AlCl3,BCl3....)
Paralelamente los gases activos del proceso CH4, N2 se disocian dejando libre el carbono y
el nitrógeno. En la superficie de la pieza tiene lugar la formación del compuesto deseado (nitruros,
carbonitruros o carburos).
Para la primera capa suele utilizarse el carburo dado que es el compuesto que garantiza una
elevada adherencia ya que produce un fenómeno de dufusión bidireccional. Por una parte el
carbono del acero es bombeado hacia la superficie para formar carburos. Por otra parte el carbono
liberado por el metano difunde hacia el interior del acero. El mecanismo se regula mediante el
control de la temperatura y la cantidad de metano que es utilizado en cada momento.
Esta difusión crea una zona de anclaje en la que no se aprecia donde acaba el recubrimiento
y donde empieza el substrato: la adherencia entre ambos está asegurada.
Posteriormente se introducen los demás gases reactivos (nitrógeno) para obtener nitruros o
carbonitruros sobre la capa inicial de carburo.
Finalizado el proceso en el tiempo preciso para conseguir los espesores de capa deseados,
las piezas se enfrían en el reactor hasta temperatura de descarga.
Como se ha comentado, los compuestos aplicados en matriceria de embutición y conformado
son, generalmente, los derivados del titanio, es decir TiC, TiCN, TiN, y multicapas basados en la
combinación de estos. La unión de compuestos de mayor dureza (TIC, 3800 HV) con compuestos de
menor coeficiente de fricción (TiN, TiCN 0.5-0.2) asegura un buen comportamiento tanto a desgaste
abrasivo como adhesivo y minimiza la utilización de lubricantes. Las capas no suelen exceder un
espesor de 10 micras.
Si el sustrato es un acero, como ocurre en el recubrimiento de troqueles se procede al temple
y revenido condiciones de vacío, para evitar la oxidación de los compuestos formados.
CONSIDERACIONES PREVIAS AL RECUBRIMIENTO CVD DE UN TROQUEL
Los troqueles que previsiblemente deben ser recubiertos por CVD son troqueles que
presentan problemas en producción o bien en el proyecto de fabricación se especifica la necesidad
de recubrimiento. En cualquier caso, el troquel ha realizado una etapa de producción bien sea por
que ha sido puesto en producción o por que debe realizar la serie de homologación.
El troquel presenta un estado de tratamiento, temple y revenido, y un estado de ajuste
dimensional que deben ser respetados después de las secuencias de recubrimiento y tratamientos
térmicos.
La superficie suele estar deteriorada por el trabajo realizado. Si existen, debe procederse a la
eliminación de recubrimientos anteriores o de material antagonista adherido. En todos los casos
debe realizarse una preparación superficial muy encarecida para garantizar la correcta adherencia
del recubrimiento y los mínimos coeficientes de fricción.
La necesidad de templar y revenir el troquel recubierto ocasiona cambios dimensionales que
deben poder ser asumidos por las tolerancias de la pieza. En caso de tratarse de un troquel por
sectores, deberá realizarse un ajuste del conjunto una vez acabadas todas las etapas de
tratamiento. Estos ajustes y las pruebas en prensa requieren personal especializado en el sector de
la fabricación de troqueles.
Desde la recepción del troquel, las etapas a seguir son:
o Admisión del troquel
o Inspección del estado superficial: aspecto superficial y dureza de
temple.
o Pulido de las zonas de ajuste entre sectores.
o Desmontaje, medición dimensional e identificación de sectores.
o Preparación superficial de las zonas de trabajo.
o Recubrimiento CVD
o Temple y revenido en vacío.
o Pulido final de las zonas de máxima fricción.
o Ajuste del conjunto del troquel
o Prueba en prensa y retoques finales.
Para facilitar y agilizar las etapas descritas anteriormente deben observarse algunas
consideraciones.
CONSIDERACIONES REFERENTES A LOS ACEROS UTILIZADOS COMO SUSTRATO
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 sustrato. 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)
Muchos aceros cumplen estos requisitos. Sin embargo, si se pretende minimizar las
distorsiones que se producen en los tratamientos térmicos se estrechan las posibles referencias de
los aceros candidatos. Siempre es preferible que los aceros permitan la posibilidad de temple en
medios poco severos (gases inertes presurizados) para minimizar distorsiones durante este
tratamiento. Si además el acero presenta curvas de revenido con endurecimiento secundario (altos
contenidos en cromo), estos serán los más indicados al permitir compensar, en parte, las
inevitables deformaciones de temple y favorecer el ajuste final del conjunto. (curvas de dilatacióncontracción en la fase de revenido).
Se puede destacar como el acero, que cumple con todos los requisitos mencionados y es el
más utilizado en aplicaciones de troqueleria al acero 1.2379 nº alemán. (1.2832 corresponde a la
misma calidad de acero proveniente de fundición). Otros aceros que se recubren habitualmente por
CVD son 1.2363 (acero de trabajo en frío) y la familia de aceros rápidos.
CONSIDERACIONES REFERENTES A LA PREPARACIÓN SUPERFICIAL
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 en frío.
Generalmente las matrices de calibrado permiten tolerancias dimensionales del orden de
décimas de milímetro. En este caso es conveniente proceder, antes de recubrir, a un arenado,
desbaste y pulido en las zonas de trabajo. Los defectos superficiales quedan eliminados o
minimizados. El pulido se realiza en la etapa anterior y posterior al recubrimiento obteniendo una
rugosidad final de 1 Ra máximo. Este grado de acabado permitirá un correcto deslizamiento de la
chapa sobre el recubrimiento durante el trabajo de conformado.
CONSIDERACIONES REFERENTES A LA REPARACIÓN DE SECTORES POR SOLDADURA
Siempre es preferible realizar cualquier tipo de recubrimiento sobre un troquel que no
presente reparaciones por soldadura. Sin embargo, es frecuente la reparación localizada de
desconches, grietas o roturas por aportación de metal fundido. El recubrimiento CVD puede
garantizar los mismos resultados que sobre el material no restaurado si se siguen las indicaciones
siguientes.
Si la reparación por soldadura es pequeña las etapas a seguir son:
•
•
•
•
Calentar la matriz a 400ºC
Soldar con electrodo C 2R, UTP 672/ 673, HBC 62 o similares.
Recalentar la matriz a 450ºC 2-3 horas y enfriar al aire calmo.
Dureza después de temple 60-58 HRC.
Si la reparación por soldadura es de un tamaño y profundidad considerable:
•
•
•
•
•
Calentar la matriz a 400ºC
Soldar la parte interior con electrodo 690 SF (680) o UTP 65 o similares
Soldar la parte exterior con electrodo C 2R o UTP 672 / 673, HBC 62 o
similares.
Recalentar la matriz a 450ºC 2-3 horas y enfriar al aire calmo.
Dureza después de temple 60-58 HRC.
La reparación por soldadura, es preferible que sea realizada por personal experto en la
fabricación de troqueles.
CONCLUSIONES
Los recubrimientos CVD destacan como los recubrimientos que actualmente pueden resolver
las exigencias más severas en las aplicaciones de embutición y conformado.
En estampación de chapas de espesor superior a 2 mm y durezas superiores a 400 N/mm2,
los recubrimientos obtenidos por CVD presentan los mejores rendimientos.
Las etapas a seguir para recubrir con garantía un troquel son varias y precisan, en cada una
de ellas, personal especializado. El resultado final depende de la correcta realización de cada etapa
y del seguimiento de las consideraciones anteriormente mencionadas. Estas consideraciones
empiezan en el proyecto del troquel.
Las altas temperaturas a las que deben realizarse los procesos CVD suponen unos
inevitables cambios dimensionales. Estos pueden ser minimizados mediante una correcta elección
del acero base teniendo en cuenta sus características mecánicas y estabilidad dimensional en los
tratamientos térmicos.
Es posible el recubrimiento de matrices y punzones anteriormente recubiertos, incluso
restaurados por soldadura.
Los procesos CVD permiten un ahorro importante en el uso de lubricantes (70-90 % en
algunos casos) lo que supone un ahorro económico y una ventaja en aspectos medioambientales y
de seguridad e higiene en el trabajo.
La tecnología CVD avanza en la obtención de compuestos más duros y con menor coeficiente
de fricción. Óxidos de aluminio, boruros y carburos múltiples están siendo ensayados para aportar a
la industria nuevos compuestos que mejoren aún más las prestaciones que ofrecen los
recubrimientos CVD convencionales.
BIBLIOGRAFÍA
Ruppert,W. Proceedings of the Japan Int. Tribology conf. Nagoya (1990) 1953
Arai T, Sugimoto Y. Present situation of application of hard coatings onto toolings in Japan.
Proceedings of the Japan Int. Tribology conf. Nagoya (1990)
Elevada Seguridad de proceso por recubrimientos de troquel TiC-TiN. Keller,K. Koch,F. UKD 94
Darmstadt (1994)
Criterios de selección para el revestimiento de herramientas para prensar de alta potencia y eficacia.
Keller,K. Keller,J.P. Int. Conf. Blechverarbeitung 96. Hannover (1996)
Montalà,F. Bueno, S. Aplicaciones de los recubrimientos realizados a alta y baja temperatura. XIII
Congreso Int. de Ingeniería Mecánica. Terrassa, Barcelona (1998)
Troquel recubierto y ajustado.
Reactor CVD cargado
Tras finalizar el proceso de
Recubrimiento TiC-TiN.
Capa TiC-TiN sobre 1.2379
Capa total 8 micas (3 TiN, 5 TiC)
x 500. Ataque Vilella.
Sectores recubiertos,templados y revenidos.
Reactor C.V.D. en T.T.C.