PRINCIPALES MATERIALES USADOS PARA HERRAMIENTAS DE CORTE

Dentro de los procesos de la manufactura lo más importante de las herramientas de corte es elegir la mejor herramienta que ha sido cuidadosamente elegida para conseguir que el trabajo sea realizado rápido eficiente y económicamente, trataremos a cerca de los tipos y luego las cualidades de estas herramientas.

CARACTERÍSTICAS:Dureza: La dureza y la resistencia de la herramienta de corte debe ser mantenidas a elevada temperatura (dureza en caliente).Tenacidad: La tenacidad de la herramienta de corte es necesaria tanto así que las herramientas no deberían sufrir falla por fatiga ni fracturarse, especialmente durante operaciones de corte con muchas interrupciones.Resistencia al Desgaste: La herramienta debe tener una buena resistencia al desgaste adhesivo y abrasivo lo que permitiría tener tiene una aceptable vida antes de ser reemplazada.

Los materiales de los cuales son hechas las herramientas de corte tienen las características de ser duras y resistentes. Existe una variedad de materiales disponibles para las operaciones de maquinado, y la clasificación y uso de estos materiales es nuestro interés.

Figura a). Dureza de varios materiales de corte como función de la temperatura.

Figura b). Rango de propiedades (Resistencia-tenacidad: Dureza en caliente y resistencia al desgate) de diferentes grupos de materiales.

La comparación de las variables de un proceso de corte tales como la composición de elementos metalúrgicos, tratamiento térmico, aditivos, inclusiones, acabado superficial, el afilado de la herramienta, soporte de la misma, máquina herramienta usada y condiciones de operación y

maquinado afectan la maquinabilidad de una pieza. Aunque las variables típicas a considerar en el mecanizado son:

Vida de la herramienta Formación de viruta Textura superficial Desprendimiento de material Potencia y fuerza de corte

La relación entre éstas no siempre es la misma aún en condiciones similares de manufactura. El desarrollo de la tecnología en los materiales para herramientas ha evolucionado continuamente desde la década de los treinta hasta nuestros días. Actualmente existe un material de herramienta adecuado para optimizar el corte en una pieza bajo condiciones específicas.

Tabla 1. Materiales para herramientas

Acero al alto carbón y acero aleado Aceros al carbono son los más viejos de los materiales de corte datan de hace cientos de años. En términos simples es un acero de alto carbono (acero el cual contiene entre 0.65 y 1.35% de carbono). Este alto contenido de carbono permite al acero ser endurecido ofreciendo una gran resistencia al desgaste abrasivo. El acero de alto carbono sirvió para su propósito bien durante muchísimos años. Sin embargo es relativamente suavizado en bajas temperaturas de corte (200 a 250 grados C), ahora es raramente usado como material de corte excepto en limas, sierras de cortar, cinceles etc. El uso del acero de alto carbono está limitado a aplicaciones de muy bajas temperaturas de corte.

En 1900 Se reblandecían muy rápido, debido al calor generado inclusive a bajas velocidades de corte. Una operación típica de corte duraba 100 minutos.

Acero alta velocidad

La mayor diferencia entre los aceros rápidos y el acero de alto carbono está en la adición de elementos aleantes para endurecer darle mayor resistencia al acero de alto carbono así como elevar su resistencia al calor (dureza en caliente). Algunos de los más comúnmente usados elementos aleantes son: el manganeso, el cromo, tungsteno, el vanadio, el molibdeno, el cobalto, y el niobio (columbio). Cada uno de estos elementos agregan características muy deseables como dureza elevada en caliente, capacidad para endurecerse hasta una

cierta profundidad (templabilidad), resistencia al desgaste abrasivo y una buena resistencia al impacto (tenacidad). Estas características permiten velocidades de mecanizado relativamente altas y mejora el desempeño en comparación con el acero al carbono. Los aceros para herramientas más comunes usados primariamente como herramientas de corte son divididos en las series

En 1910 El desarrollo en la metalurgia dio origen al acero alta velocidad (HSS), y en conjunción con los estudios de maquinado de Fredrick Taylor y Maunsel White se dieron los pasos decisivos en la tecnología de corte. La misma operación que antes duraba 100 minutos, se reducia a 26 minutos.

Aleaciones no ferrosas En 1915, aleaciones con el 50% de carburo, basadas en cobalto, cromo y tungsteno. Eran muy duras y resistentes a altas temperaturas (800 ° centígrados), pero muy frágiles.

Carburo cementado / sinterizado El carburo de tungsteno fue descubierto por Henri Moissan en 1893 durante una investigación para encontrar el método de cómo producir diamantes artificiales. Moissan encontró que el carburo de tungsteno era extremadamente duro, aproximándose a la dureza del diamante y excediendo a la dureza del zafiro. Este carburo era 16 veces más pesado que el agua. El material así obtenido era extremadamente frágil y seriamente limitada su aplicación industrial.

A el mismo tiempo, los carburos duros consistían del carburo de tungsteno como base y como ligante era utilizado el cobalto. Estos carburos exhibían un superior desempeño en el mecanizado de fundiciones, materiales no ferrosos y materiales no metálicos, pero su uso no era aconsejable con el acero.

La mayoría de los subsecuentes desarrollos en los carburos duros han sido modificaciones de la original patente, principalmente involucran el reemplazo de parte o todo el carburo de tungsteno con otros carburos especialmente el carburo e titanio y/o carburo de Tántalo. Esto guió al desarrollo de los modernos multicarburos usados como herramientas de corte permitiendo el

mecanizado de alta velocidad del acero.

Los materiales de corte previos al desarrollo de la metalurgia dependían grandemente del tratamiento térmico para sus propiedades y estas propiedades podían ser destruidas por tratamientos posteriores. En altas velocidades de corte, y consecuentemente altas temperaturas, estos productos fallaban. Un conjunto diferente de condiciones existían con los carburos cementados. La dureza delos carburos es más grande que la dureza de la mayoría de los materiales para herramientas de corte a temperatura ambiente y su habilidad para retener su dureza a elevadas temperaturas, así que son adecuadas para soportar grandes velocidades de corte.

En 1930, eran posibles velocidades de corte de 70 m/min, así como el maquinado de aluminio y magnesio.

Herramientas con insertos de carburo soldados

Inicia en 1930. Las primeras heramientas tenían carburo de tungsteno (Wc) como la base dura y el cobalto como el aglomerante. Sin embargo, presentaba un maquinado con la formación de cráteres.

Coronite, Cermets y nueva generación de carburos recubiertos

El óxido de Aluminio cerámico por excelencia, para las herramientas de corte fue el primero en desarrollarse en Alemania cerca de 1940. Mientras los cerámicos fueron lentamente desarrollados como materiales de corte, avances realizados desde la mitad de los 70 han mejorado grandemente su utilidad.

Los cermets son básicamente una combinación de cerámicos y carburo de titanio. La palabra cermet deriva de los vocablos cerámico y metal.

En la década de los cuarenta y cincuenta, aparcen en el mercado nuevas aleaciones para herramientas.

Actualmente se han desarrollado rápidamente nuevos materiales con la misma tendencia es decir, la posibilidad de cortar a velocidades altas sin pérdida del filo, así como maquinar materiales más duros.

En un proceso de mecanizado los factores principales que intervienen son:

Tipo de operación: Desbaste o acabado, sobreespesor del material y tipo de corte. Material y forma de la pieza: Estructura, dureza, tenacidad, inclusiones, y textura de la

superficie. Condiciones de la máquina herramienta: Potencia disponible, rigidez, sistema permisible

de sujeción. Parámetros de corte: Temperatura, sistema de enfriamiento y esfuerzos en el filo de corte. Tipo de acabado: Dependiendo de la operación que sigue al maquinado, el acabado

superficial está relacionado a la geometría de la herramienta tal como el radio de nariz en el torneado.

La relación directa de los factores con las propiedades de las herramientas se resume en tres características principales:

Tabla 2.

Resistencia al desgaste. Vida de la herramienta

Tenacidad (Resistencia a la ruptura).Esta propiedad es importante durante la operación real ya que el contacto de la herramienta con la pieza genera altas temperaturas y esfuerzos.

Dureza. La propiedad para mantener sus propiedades de corte en altas velocidades.

El material para una herramienta ideal debe cumplir condiciones específicas tales como:

Suficientemente duro para resistir el desgaste y deformación pero tenaz para resistir los cortes intermitentes e inclusiones. Por ejemplo, el HSS (High Speed Steel) es el doble de tenaz que el carburo cementado, que a su vez es tres veces más tenaz que la cerámica.

Ser químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y estable para resistir la oxidación para evitar que se genere el filo recrecido y desgaste prematuro.

Tener una buena resistencia a los choques térmicos.

Para cumplir con las características anteriores, los materiales de que están hechas las herramientas actualmente son:

1. Carburo cementado . Hecho con partículas de carburo unidas con un aglomerante mediante un proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total, entre los más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de nobio (NbC). Para las aleaciones anteriores el aglomerante típico es el cobalto (Co).

2. Carburo cementado recubierto. A la base de carburo cementado se le recubre con carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN), óxido de aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio

carbono (TiCN). Este material es un excelente aglomerado entre la tenacidad y la resistencia al desgaste.

3. Cermets (ceramic/metal). Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburo cementado, en este caso las partículas base son de TiC, TiCN, TiN. En general son carburos cementados basados en titanio en vez de carburo de tungsteno; el aglomerante usado es níquel y cobalto que tienen una mejor resistencia al desgaste, alta estabilidad química y dureza, baja tendencia a la oxidación. Se aplican en operaciones de copiado en materiales pequeños y a velocidades de corte moderadas en donde el acabado es importante.

4. Cerámicos. Ideales para el maquinado de piezas en duro y como reemplazo de las operaciones de rectificado. Las herramientas de cerámica son duras con alta dureza cuando se trabajan a altas temperaturas y no reaccionan químicamente con los materiales de la pieza. Pueden maquinar a altas velocidades y existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido de aluminio (Al2O3) y las de nitruro de silicio (Si3N4).

5. Coronite. Este material combina la tenacidad del acero de alta velocidad con la resistencia al desgaste del carburo cementado. Es usado en las herramientas para fresado, se aplica en donde el carburo cementado y el acero de alta velocidad no son de mucha utilidad.

6. Cubic Boron Nitride (CBN). Es uno de los materiales más duros, ocupa el segundo lugar después del diamante, es un excelente material de corte que combina una dureza extrema (hasta 2000º centígrados), excelente resistencia al desgaste y buena estabilidad química durante el maquinado. Es relativamente frágil, pero más tenaz que las cerámicas. Las Forjas de acero, el acero endurecido y componentes endurecidos en su superficie son algunos de los materiales ideales a maquinar con el CBN. En general, su aplicación es similar a la de las cerámicas, este material de corte debe usarse en piezas duras (48 Rockwell C ó más).

7. Diamante policristalino (PCD). Es duro como el diamante natural, este diamante sintético tiene una resistencia al desgaste elevado, se usa para reavivar las piedras abrasivas de rectificado. La vida de la herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado, es un material nuevo introducido en los setentas. Su mayor aplicación es en el torneado y fresado de aleaciones abrasivas de silicio y aluminio; también se usa para maquinar otros materiales no metálicos como resinas y plásticos, materiales no ferrosos como el bronce, cobre, aleaciones de magnesio, zinc y plomo. El diamante policristalino y el carburo cementado no recubierto de grano fino, son los materiales ideales para el corte del aluminio.

Parámetros de corte de las herramientas de mecanizadoPara el mecanizado de los materiales deben establecerse ciertos valores que dependen principalmente del tipo de herramienta, del material a mecanizar el acabado que se desea obtener. Los parámetros de corte más importantes son: La profundidad de corte 3o profundidad de pasada, el avance y la velocidad de corte.Profundidad de corte (Ap).: la diferencia, expresada en mm, de los radios de la pieza 3en el caso del torneado antes y después del paso de la herramienta. :n el caso del fresado, es la diferencia de altura de la pieza en planeado antes y después del paso de la fresa.

Velocidad de corte (Vc).:s desplazamiento en m/min de la periferia de la pieza ante el filo de la herramienta. :n el caso de la fresadora, es la velocidad tangencial de la fresa en su diámetro nominal. La velocidad de corte establece la velocidad de rotación 3en /PD4 del husillo principal de la máquina, donde se coloca la pieza torno o la herramienta fresadora, taladro, que es la velocidad que interesa al operador de la máquina y se calcula mediante una fórmula, donde:Vc: velocidad de corte en m/minDd: diámetro de la pieza torno o herramienta fresadora, aladro en mm.La velocidad de corte, la profundidad y el avance son parámetros experimentales que se determinan en función de la duración del afilado o en función de la mayor producción.

http://www.sites.upiicsa.ipn.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_externos/connucomII/Paginas/Unidad%20III/Materiales%20en%20la%20Herramientas%20de%20Corte.htm

USOS DE MATERIALES PARA EL CORTE

Acero HSS (Hollow Structural Sections).

Los tubos estructurales (HSS) son tubos de acero formados en frío. Estos tubos tienen una excelente resistencia a la compresión y a la torsión. Los tubos estructurales tienen gran versatilidad para la fabricación de estructuras, porque pueden ser doblados, soldados, perforados, punzados y requieren menos pintura y mantenimiento que los perfiles comerciales convencionales.

Normalmente los tubos HSS se venden por tramo, la longitud más utilizada y la más corta en que se fabrican tubos HSS es de 6.10 metros (20 pies). Existen muchas longitudes más pero son sobre pedido.

Aplicaciones

Los tubos estructurales HSS son utilizados en la fabricación de vehículos para la agricultura, vehículos para la construcción y vehículos industriales. También son utilizados para la construcción en general y para hacer cilindros telescópicos.

http://acerobsv.com/perfiles.html

http://www.gerdaucorsa.com.mx/articulos/Eleccion_del_Tipo_de_Acero_para_Estructuras.pdf

Cermet

Un cermet es un metal duro con partículas duras de base de titanio. El nombre cermet viene de combinar las palabras cerámica y metal. Originalmente, los cermets eran compuestos de TiC y níquel. Los cermets modernos no contienen níquel y tienen una estructura diseñada con un núcleo de partículas de carbonitruro de titanio Ti(C,N), una segunda fase dura de (Ti,Nb,W)(C,N) y un aglutinante de cobalto rico en W.

El Ti(C,N) aporta resistencia al desgaste a esta calidad, la segunda fase dura incrementa la resistencia a la deformación plástica y la cantidad de cobalto controla la tenacidad.

Si se compara con el metal duro, el cermet tiene mejor resistencia al desgaste y menor tendencia al empastamiento. Por otro lado, presenta también menos tensión compresiva y menos resistencia a los cambios bruscos de temperatura. Los cermets también pueden llevar recubrimiento PVD para mejorar la resistencia al desgaste.

PROPIEDADES DE LOS CERMETS

Mayor tenacidad que los metales duros.

Excelente para dar acabado superficial.

Alta resistencia al desgaste en incidencia y craterización.

Alta estabilidad química.

Resistencia al calor.

Mínima tendencia a formar filo por aportación.

Alta resistencia al desgaste por oxidación.

Mayor capacidad para trabajar a altas velocidades de corte.

Básicamente el cermet está orientado a trabajos de acabado y semiacabado, por lo tanto en operaciones de desbaste y semidesbaste presenta las siguientes anomalías:

Menor resistencia al desgaste a media nos y grandes avances.

Menor tenacidad con cargas medias y grandes.

Menor resistencia al desgaste por abrasión.

Menor resistencia de la arista de corte a la melladura debido al desgaste mecánico.

Menor resistencia a cargas intermitentes.

Además no son adecuados para operaciones de perfilado.

Aplicaciones

Las calidades cermet se utilizan en aplicaciones con empastamiento en las que el filo de aportación resulta problemático. Su patrón de desgaste autoafilante mantiene bajas las fuerzas de corte

incluso tras periodos prolongados de mecanizado. En operaciones de acabado, esta característica supone una prolongación de la vida útil de la herramienta y tolerancias estrechas, con resultado de superficies brillantes.

Las aplicaciones típicas son acabados en acero inoxidable, fundición nodular, acero de bajo contenido en carbono y acero ferrítico. Los cermets también se pueden aplicar para resolver problemas en materiales férreos.

Su proceso de producción es similar al proceso usado para los cerámicos presionados en caliente. Los materiales aproximadamente 70% de cerámico y 30 de carburo de titanio, son presionados en billets bajo extremadamente altas presiones y temperatura. Después de la sinterización los billets son cortados al tamaño deseado. Después es llevado a operaciones de rectificado para su tamaño final y la preparación de su filo, completando así su manufactura.

La resistencia de cermet es más grande que los cerámicos presionados en caliente. Por eso los cermets se desempeñan mejor en corte interrumpidos. Sin embargo cuando comparamos los cerámicos sólidos, la presencia del 30% de carburo de titanio en los cermets hace que baje su dureza en caliente y su resistencia al desgaste abrasivo. La dureza en caliente y la resistencia al desgaste abrasivo del cermet son altas comparadas con las HSS y las de carburo.

http://www.sandvik.coromant.com/es-es/knowledge/materials/cutting_tool_materials/cermet/pages/default.aspx

Alumina

La alúmina pura u óxido de aluminio anhidro es el obtenido químicamente por calcinación (Al2O3). Existe también una variedad mineral de alúmina anhidra denominada corindón.

Cuando es utilizada en los esmaltes como fuente directa de aluminio, aumenta la viscosidad de los mismos así como su rango de cocción y la tendencia a la cristalización.

Funde a los 2040ºC aproximadamente. Es insoluble en agua y ligeramente soluble en ácidos y bases fuertes.

Generalmente se dispone de cuatro tipos para uso cerámico:

Alúmina calcinada: que se presenta en varias formas según sea el grado de calcinación. Alúmina tabular: que posee una riqueza en alúmina cristalizada como a-alúmina de casi el

100%, por lo tanto es más puro que el tipo anterior. Alúmina fundida: esta fusión se realiza en un horno de arco eléctrico. Alúmina hidratada: es más ampliamente utilizada en cerámica por su alta o mayor

reactividad. Por su alto punto de fusión se utiliza comúnmente como capa intermedia entre las piezas a cocer y los soportes y placas refractarias dentro de los hornos (se pintan los refractarios con una pasta de alúmina hidratada). Existen algunas variedades minerales

(bauxita, diásporo, etcétera), cuyo contenido de agua es desde una hasta tres moléculas. La fórmula de la variedad más común, la bauxita, es: Al 2O3.3H2O.

Aplicaciones

En general, la Alúmina es un excelente elemento mediante el cual se puede controlar el brillo o la matización de los esmaltes. Una función muy importante es impedir su desvitrificación. La Alúmina incrementa la refractariedad, opacidad, la resistencia al ataque químico y endurece los esmaltes haciéndolos más resistentes al impacto y al rayado.

Las fuentes principales de alúmina más asequibles en cerámica son: feldespatos, arcillas, caolines, pegmatita, nefelina sienita, corindón.

http://www.quiminet.com/articulos/tipos-de-alumina-y-sus-principales-usos-4110.htm

http://www.monografias.com/trabajos36/herramientas-de-corte

http://materiales.eia.edu.com

Carburos metálicos