Recubrimientos de TiAlN Recubrimiento de diamante

Tecnología de las herramientas de corte.
Recubrimientos de TiAlN
Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás los demás. Los
recubrimientos TiAlN multicapa están remplazando los de TiCN, y los monocapa a los de TiN.
TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD) basados en nitruro de titanio
aluminio que destacan por su dureza, estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen
las aristas de corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.
•
•
Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa, con su alta dureza HV
3.000 y la buena estabilidad térmica, 800º C, y química de la capa TiAlN. Así protege las
herramientas de corte de acero rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido
por tensiones severas. Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en mecanizados a
altas velocidades e incluso en seco o con mínima cantidad de lubricante.
Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro utilizadas en condiciones
de mecanizado severas. Su elevada dureza, HV 3.500, y notable estabilidad térmica, 800º C,
y química hacen que sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de
materiales térmicamente tratados empleados, como por ejemplo en moldes, punzones,
matrices y utillajes de forja.
Recubrimiento de diamante
Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el
mecanizado de estos materiales las herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las
superficies mecanizadas y la precisión dimensional son pobres. Con las herramientas recubiertas de
diamante, un recubrimiento cuya dureza es superior a los 8.000 Vickers, además de obtener una vida
útil más larga y poder aumentar las velocidades de corte, disminuyendo así de manera importante el
tiempo de mecanizado, se consigue un buen acabado de la superficie y una buena precisión
dimensional.
Recubrimiento WC/C:
Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los 200º C. Al realizarse el
proceso de recubrimiento en alto vacío, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente
mejores que las logradas a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños (nitruración,
galvanizado). Los recubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la
última operación dentro de los componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una
combinación única de características: bajo coeficiente de fricción, alta resistencia al desgaste, una
excelente capacidad de carga.
Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C
Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la
formación y evacuación de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del
recubrimiento TiAlN con las buenas propiedades de deslizamiento y lubricación del recubrimiento
WC/C. Se utiliza sobre todo en taladrados y roscados.
Autor: Julio Alberto Correa
Página 7 de 37
Tecnología de las herramientas de corte.
TiN
TiCN
WC/C
TiAlN
(monocapa)
+WC/C
2300
3000
1000
2.600-1.000
3000
3500
Coeficiente de rozamiento
contra el acero
0,4
0,4
0,2
0,2
0,4
0,4
Temperatura máxima de
trabajo
600
400
300
1000
800
800
Color
oroamarillo
azulgris
gris
claro
gris oscuro
violeta-gris
púrpura-gris
Espesor del recubrimiento
1-4 µ m
1-4 µ m
1-4 µ m
1-5 µ m
1-3 µ m
Recubrimiento
Microdureza
2-6 µ m
(1/3 WC/C; 2/3
TiAlN)
TiAlN
TiAlN
(multicapa) (monocapa)
Existen cuatro tecnologías principales utilizadas en la industria actual de las herramientas de corte.
Se diferencian primordialmente por la temperatura a la cual operan. Esto es importante porque la
temperatura del recubrimiento influye directamente en el desempeño de las propiedades del sustrato.
La tecnología de recubrimiento más común es la deposición química por vapor, o CVD, que opera a
una temperatura de aproximadamente 1000° C. Casi tan común como la anterior es la deposición
física por vapor, o PVD, que opera en el otro extremo del espectro de temperatura, en el rango de los
400° C.
Entre estos extremos, están los otros dos procesos emergentes de recubrimiento, que prometen
aumentar el desempeño de los sistemas de insertos. La deposición química por vapor asistida por
plasma, o PCVD, bien aceptada en Europa, y ahora explorada en Estados Unidos. El PCVD opera en
el rango de los 600° C. Finalmente, se encuentra la de posición química media por vapor, o MTCVD,
que es una tecnología emergente muy promisoria; trabaja en el rango de los 800° C.
Los recubrimientos extraduros surgen y evolucionan debido a la necesidad constante de aumentar la
vida productiva de las herramientas, disminuyendo los tiempos de producción, costos y paros por
mantenimiento.
El impulso en el desarrollo de los recubrimientos PVD (Physical Vapor Deposition / Deposición Física
de Vapor), que se produjo durante la década de los años setenta en Europa tenía por objetivo
depositar capas de elevada dureza que mejorarán el rendimiento al desgaste. Estas capas están
formadas por compuestos cerámicos.
Autor: Julio Alberto Correa
Página 8 de 37
Tecnología de las herramientas de corte.
El compuesto que alcanzó mayor expansión y popularidad fue el de TiN (nitruro de titanio). Su color
dorado abrió grandes expectativas en cuanto a su uso, ya que el atractivo color se sumó a la elevada
dureza superficial.
Actualmente los tratamientos superficiales buscan la optimización, en especial en la creciente
aplicación de los recubrimientos PVD, siendo ahora no solo dorados y ofreciendo una amplia gama
de materiales base.
Proceso PVD
Este es un proceso por arco eléctrico y/o pulverización catódica. El medio de evaporación durante la
etapa de recubrimiento es siempre físico. Por ello la denominación genérica de: proceso de
deposición física en fase vapor.
Las etapas del proceso son las siguientes:
• Carga del reactor.
• Alto vacío (10-5mbar mínimo).
• Calentamiento-desgasificación de las piezas.
• Decapado iónico.
• Recubrimiento.
• Enfriamiento y descarga.
Esta técnica se confunde, en ocasiones, con tratamientos en baños químicos, electrolíticos o
galvánicos realizados en instalaciones abiertas. Las instalaciones PVD son herméticas, recubren a
presiones muy bajas (10-2-10-3 mbar) y las reacciones se consiguen ionizando los reactivos (estado
plasmático).
Por las condiciones de trabajo además este proceso es considerado limpio y respetuoso del medio
ambiente.
La característica particular del recubrimiento PVD (Physical Vapour Deposition) es la alta estabilidad
dimensional de las herramientas, dado que es posible una aplicación de capa por debajo de la
temperatura de revenido ya que las temperaturas a las que se realiza el recubrimiento se encuentran
entre 200-500º C.
Capa de TiN aplicada mediante PVD
La capa TiN es una capa de Nitruro de Titanio. La dureza de la capa se encuentra aprox. en 2.400
HV.; mediante este sistema de capa se consiguen espesores de 2-4µm. Los campos de aplicación de
la capa son muy diversos y se extienden desde la conformación con arranque de virutas hasta las
herramientas de corte.
Autor: Julio Alberto Correa
Página 9 de 37
Tecnología de las herramientas de corte.
Capa de CrN aplicada mediante PVD
La capa de CrN es una capa de Nitruro de Cromo. La dureza de la capa asciende a unos 2.100 HV y
se consiguen espesores de capa de 6-10µm. Las ventajas especiales de la capa radican en la
reducida afinidad con los metales no férricos, en la resistencia química atribuida al contenido de
cromo y en el espesor de la capa relativamente gruesa. Por tanto, su aplicación es posible en todo el
sector de la conformación en frío, así como para resolver los problemas especiales en la industria
transformadora del plástico y de metales no ferrosos.
Capa de TiCN aplicada mediante PVD
La capa de TiCN es una capa de carbonitruro de titanio. La dureza asciende a unos 3.000 HV y el
espesor de capa es de 2-4 µm. La capa de TiCN ha de considerarse primordialmente como
complemento de la capa de TiN.
Capa de TiAlN aplicada mediante PVD
La capa de TiAlN es una capa de nitruro de titanio y aluminio. La dureza de la capa asciende a unos
2.000HV. Los espesores corrientes de la capa son de 2-4µm. La ventaja decisiva de esta capa es la
alta resistencia a la oxidación gracias al aluminio como elemento aleado. No obstante, esta propiedad
se manifiesta sólo en la aplicación a temperaturas muy altas.
Proceso CVD (Chemical Vapour Deposition) (Deposición de materias duras en fase gaseosa).
Los recubrimientos CVD parten de un compuesto (precursor) gaseoso o fácilmente evaporable del
metal a obtener en la capa. Los halogenuros y muy especialmente cloruros son los compuestos
industriales más empleados (TiCI4, AIC3, BCI4... ).
El compuesto gaseoso reacciona a temperaturas cercanas a 1.000ºC con un reductor también en
estado gaseoso (hidrógeno) para obtener iones metálicos. Los iones obtenidos in situ reaccionan a su
vez con gases reactivos como hidrógeno, metano o mezclas de ambos formando el compuesto
deseado. Este compuesto condensa sobre la superficie del substrato difundiendo en él debido a la
alta temperatura.
Esta difusión crea una zona intermedia en la que no se aprecia donde acaba el recubrimiento y donde
empieza el sustrato: la adherencia entre ambos está asegurada. Transcurrido el tiempo necesario
para conseguir el espesor de capa deseada, las piezas se enfrían en el reactor hasta la temperatura
de descarga. Posteriormente y en condiciones de vacío para evitar la oxidación de los compuestos
formados, se procede al temple y revenido si el sustrato es de un acero.
Los compuestos más generalmente obtenidos por este método son TiC, TiCN y TiN, aunque también
SiC, AI2O3, BC... En el campo de la deformación, las combinaciones de multicapas de los compuestos
de titanio son las más utilizadas.
De las distintas técnicas CVD, la que industrialmente se está imponiendo por su capacidad de
producción, coste de los precursores y reproductibilidad de los resultados obtenidos es la técnica
CVD a baja presión. Tras el proceso de recubrimiento sigue siempre un tratamiento térmico en vacío
según el material base.
Características
Alta dureza, excelente resistencia a la adherencia, espesor de capa de aprox. 6-9µm, revestimientos
de contornos exactos, también en taladros, agujeros ciegos, etc.
Autor: Julio Alberto Correa
Página 10 de 37
Tecnología de las herramientas de corte.
Aplicación
Gran gama de posibilidades de aplicación, especialmente en las herramientas de conformación
sometidas a grandes esfuerzos se obtienen rendimientos muy buenos. Las características
particulares de todas las capas y sistemas de capas aplicados mediante el método CVD (Chemical
Vapour Deposition) es la excelente adherencia sobre el material base, que se atribuye a la alta
temperatura de recubrimiento. Las capas se componen de distintos materiales cuya selección y,
siendo necesario, su combinación se adaptan con respecto al caso de aplicación.
Los siguientes sistemas de capas son de aplicación exitosa en el sector industrial.
Capa de TiC aplicada mediante CVD
La capa de TiC es una capa de carburo de titanio. El carburo de titanio es depositado con una dureza
de >3500 HV en capas con unos espesores de aprox. 6-9µm. Gracias a la alta dureza, esta capa es
ideal en la transformación de materiales considerablemente abrasivos. Como caso de aplicación
estándar es de uso en herramientas conformadoras en frío para calidades de embutición profunda.
Capa de TiCN aplicada mediante CVD
La capa de TiCN es una capa de carbonitruro de titanio. En comparación con la capa pura de TiC,
aquí se incorpora nitrógeno a la fase dura, de tal forma que se origina carbonitruro. Debido a la
composición, la dureza se reduce a unos 3000 HV (espesor de capa aprox. 6-9µm), pero al mismo
tiempo se logra una mejora de las propiedades deslizantes. Esta capa se utiliza sólo allí donde se
busca una solución intermedia entre una capa de TiN y una capa tipo sándwich.
Capa tipo SANDWICH aplicada mediante CVD
La capa tipo sándwich es un revestimiento de varias capas de TiC-TiCN-TiN. El espesor total de este
revestimiento es también de unos 6-9µm, donde la dureza varía a través de cada uno de los
componentes (TiN aprox. 2.400 HV). Las ventajas particulares radican en la reducida tendencia al
desgaste adhesivo, así como en las buenas propiedades deslizantes. Estas ventajas se manifiestan
de forma especial en la transformación de materiales homogéneos que tienden a uniones por
soldadura en frío, como por ej. austeníticos.
Capa MB aplicada mediante CVD
La capa MB es un revestimiento de cuatro capas constituido por los componentes descritos en el
recubrimiento tipo sándwich. La estructura se forma en este caso por múltiples capas superpuestas
individuales y muy delgadas. El espesor total de la capa asciende en este recubrimiento a aprox.69µm. Una característica particular del sistema de capas es la formación inherente en el borde, que
permite una alta carga específica, de gran éxito en las herramientas de estampación.
Recubrimiento MT-CVD
Generalmente, los materiales de las herramientas están sujetos a tensiones tanto internas como
externas. En el caso de las plaquitas, las tensiones externas son las que se producen durante el uso
como parte de la herramienta de corte. Los procesos de fabricación de las plaquitas también generan
tensiones internas, principalmente de tracción y compresión. A la temperatura durante la aplicación, el
recubrimiento y el sustrato están libres de tensiones.
El recubrimiento tiene un coeficiente de dilatación mayor, por lo que, al enfriarse, intentará
contraerse más que el sustrato. Esto provoca tensiones de tracción en la superficie y tensiones de
compresión en el sustrato. Estas tensiones superficiales intentarán abrir grietas y propagarse a
mayores profundidades. Disminuyendo las tensiones de tracción, se reduce considerablemente esta
“predisposición” a agrietarse y la plaquita podrá soportar condiciones más extremas.
Autor: Julio Alberto Correa
Página 11 de 37
Tecnología de las herramientas de corte.
Por ello, desde una perspectiva funcional, es importante eliminar las tensiones de tracción en la
mayor medida posible ya que son las que más contribuyen a la propagación de grietas. Las tensiones
de compresión tienden a ser más beneficiosas y pueden frenar la propagación de grietas.
El proceso determina la estructura de la plaquita, lo que le confiere sus propiedades. El resultado es
una estructura triclínica (tipo agujas) y un tamaño de grano óptimo de los cristales del recubrimiento.
Los cristales tienen una orientación controlada de tal manera que presentan una superficie más dura
donde se concentra el desgaste abrasivo. En conclusión, la tensión se disipa al sustrato entre las
líneas de los cristales.
Si un choque térmico o mecánico crea microgrietas, se disiparán hacia abajo a lo largo de las líneas
entre los cristales. Cuando lA fuerza residual llega al sustrato, se absorbe sin propagar grietas de
mayor tamaño, dando tenacidad y resistencia a la plaquita.
Las multicapas contribuyen a minimizar los desajustes entre el recubrimiento y el sustrato,
reduciendo las tensiones. Por ejemplo, el coeficiente de dilatación térmica determina la tensión entre
capas por desajuste térmico entre el recubrimiento y el sustrato.
Los procesos MT-CVD se aplican a recubrimientos de TiCN o TiN. Tienden a presentar menos
tensiones de tracción y combinan mejor las propiedades de tenacidad y resistencia al desgaste
abrasivo, al desgaste químico y a las grietas térmicas, mejorando el rendimiento de la plaquita.
A la hora de elegir una plaquita, entre otras condiciones de corte, es fundamental considerar los tres
siguientes ítems:
Autor: Julio Alberto Correa
Página 12 de 37