RECUBRIMIENTOS DUROS OBTENIDOS PORPROCESOS 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 SitjarDepartamento de Ingeniería Mecánica, EUETIT, Terrassa. Barcelona.

RESUMEN.

La necesidad constante de aumentar la vidaproductiva de los útiles y herramientas , minimi-zar los tiempos de producción, costes y parospor mantenimiento, adaptación a los nuevosmateriales de trabajo, exigen una mejoría de lascaracterísticas superficiales de los mismos.La optimización de los tratamientos superficialesy en especial la creciente aplicación de los recu-brimientos C.V.D.,T.R.D.D. y P.V.D. a las he-rramientas, útiles, matrices y piezas en generalque requieren mayores solicitaciones, han per-mitido conseguir resultados, considerados hastahace unos años, impensables. El objetivo deeste trabajo es informar sobre las capas que seestán obteniendo en la actualidad, sus caracte-rísticas, sus aplicaciones industriales y la co-rrecta elección y preparación del material a re-cubrir.

ABSTRACT.

Due to the continuous evolution in industrial ,processes tool manufacturers try to develop newtechnologies to reduce time production, minimisecosts and improve the competitivity of the finalproduct.The optimisations in surface treatments andspecially hard coatings in strong working condi-tions tools have obtained some results im-possible to imagine many years ago.This work would resume the characteristics andapplications of C.V.D., T.R.D.D., P.V.D., coat-ings processes and the correct choice of base

materials, heat treatment and surface finishingon tools and dies.

INTRODUCCION

La obtención de recubrimientos sobreútiles y herramientas ha estado enconstante desarrollo en las últimas dé-cadas. La evolución industrial en elcampo de la competitividad y las mejo-ras de producción basados en aumentarla sin incrementar costes ha inducido eldesarrollo de mejoras en las propieda-des superficiales que presentaban losmateriales que se estan empleando. Al-canzados los objetivos iniciales, los re-cubrimientos avanzan especializándoseen la mejora una propiedad crítica ca-racterística de cada aplicación o tipo desolicitación. Propiedades como resisten-cia al desgaste, coeficiente de fricción,dureza, tenacidad, resistencia a la oxi-dación se combinan para obtener encada caso el recubrimiento que mejor seadapta a las condiciones de trabajo. Unrecubrimiento como factor aislado nopuede garantizar la consecución de losresultados optimizados, únicamenteasociado a otros factores como propie-dades del material base, del tratamientotérmico, del estado y preparación su-

perficial de la pieza a recubrir conjunta-mente con las del recubrimiento podránasegurar que el rendimiento final sea eldeseado.El presente trabajo pretende resumir lascaracterísticas principales de los recu-brimientos que actualmente se realizan,así como los materiales, tratamientos ypreparación superficial que mejores re-sultados han obtenido.La característica principal que diferenciaa los principales grupos de recubri-mientos para obtener capas duras finases la temperatura. Así se distinguen losprocesos a temperatura elevada, cer-canas a 1000ºC (C.V.D. y T.R.D.D.), losprocesos a temperaturas medias próxi-mas a 500ºC (procesos P.V.D. yP.A.C.V.D), y los que se obtienen a bajatemperatura (cromo duro, níquel quími-co,implantación iónica y proyeccionestérmicas). Estos últimos , serían motivode un estudio particular fuera del alcan-ce de este trabajo.

CONSIDERACIONES PREVIAS ALDISEÑO DE UNA HERRAMIENTARECUBIERTA.

La temperatura de obtención del recu-brimiento es uno de los factores condi-cionantes para la elección de uno u otrotipo de recubrimiento, así como las pro-piedades que la capa confiere a la su-perficie del material. La elección debede realizarse tras el estudio detallado deuna serie de consideraciones. Estas sonprincipalmente : la elección del aceropara la fabricación de la herramienta,preparación y acabado de la pieza, las

características específicas de la capadura en función de la aplicación o soli-citación de la pieza, secuencia de trata-mientos térmicos anteriores o posterio-res a realizar, tolerancias y distorsionesdimensionales que pueden ser acepta-das. La detallada observación de estosapartados influirán en la consecución deun óptimo rendimiento de la pieza.

ELECCION DEL MATERIAL BASE.

La característica principal que debe pre-sentar el material a recubrir es la durezao posibilidad de ser endurecido. Todacapa dura debe poder transmitir los es-fuerzos que recibe al material base sinque en él se produzcan deformaciones.Si la dureza del substrato es insufi-ciente, la capa, dura, frágil y por lo tantopoco deformable rompe hasta despren-derse como consecuencia del hundi-miento del núcleo. En el campo de losaceros, estos deben poder soportargrandes esfuerzos a compresión y portanto deberán ser templables y obtenerdurezas elevadas (superiores a 60HRC). Generalmente la familia de losaceros especiales de trabajo en frío yaceros rápidos cumplen con este requi-sito. Si la solicitación de la pieza es dedesgaste adhesivo o abrasivo sin es-fuerzos compresivos, la dureza del ace-ro base puede ser menor y por tanto seamplía la gama de aceros con posibili-dad de ser recubiertos.

ACABADO Y PREPARACION DE LAHERRAMIENTA.

La pieza a recubrir se recibe completa-mente acabada, rectificada y pulida.Debido al pequeño espesor de las ca-pas duras, éstas tienden a copiar la ru-gosidad superficial. Cuanto más fino seael acabado, mejores coeficientes de fric-ción se conseguirán en la pieza re-cubierta, disminuyendo el riesgo de mi-crosoldaduras tanto en frío como en ca-liente con el consiguiente aumento de lavida de la herramienta. Además el as-pecto, color y brillo son en general másatractivos.Generalmente las matrices de confor-mado permiten tolerancias dimensio-nales del orden de décimas de milíme-tro. En este caso es conveniente proce-der a un pulido característico en la zonade trabajo. El pulido se realiza en la eta-pa anterior y posterior al recubrimientoobteniendo una rugosidad final de 1 Ra.E-ste acabado permitirá un correctodeslizamiento de la chapa durante eltrabajo de conformado.Las herramientas de corte no permitenvariaciones en las tolerancias dimensio-nales ya de por sí muy ajustadas, delorden de centésimas o milésimas de milímetro.El acabado de una herramienta sueleser por rectificado o electroerosión .Ambos casos pueden producir deteriorosuperficial. -Las deficiencias durante la etapa derectificado o afilado pueden decarburarla superficie creando una zona blanda,oxidada, incluso capa blanca sobre la

que el recubrimiento tendrá mala adhe-rencia y baja consistencia para soportaresfuerzos elevados. Como resultado, sehunde y se desprende con facilidad. Elrectificado con compuestos de nitruro deboro (CBN) parece ser el más adecuadopara disminuir estos efectos.-El acabado por electroerosión tambiénpresenta una secuencia superficial dezonas afectadas. La primera zona (lamás superficial) presenta una capablanca decarburada por efecto de la altatemperatura del hilo. Contigua a la capablanca se observa una zona con es-tructuras de fusión y temple. Gradual-mente hacia el interior del metal cortadose observan zonas afectadas por el ca-lor que se disipa por conducción crean-do un gradiente de temperaturas de re-venido y por tanto durezas variables.Necesariamente se debe eliminar la ca-pa blanca mediante un pulido mecánicoy estabilizar termicamente las zonastempladas reviniendo a temperaturas li-geramente inferiores al último revenidorealizado en el bloque de acero que seestá electroerosionando.La limpieza de las piezas es muy im-portante, especialmente en los recubri-mientos que se realizan en condicionesde alto vacío y temperatura media.La presencia de corrosión u oxidaciónno permite la adherencia de los com-puestos recién formados. Las zonas decorrosión deben ser eliminadas mecáni-camente así como zonas oxidadads pormala refrigeración en la etapa de rectifi-cado o afilado.(Zonas quemadas).

RECUBRIMIENTOS REALIZADOS AALTA TEMPERATURA (≈≈1000ºC).

El proceso C.V.D.(Chemical Vapor De-position) se realiza en un reactor ce-rrado. Previa la obtención de un gradode vacío elevado, el compuesto duro seforma a partir de un halogenuro metálico(generalmente TiCl4 para recubrimien-tos de titanio) y la introducción de gasesreactivos, amoníaco en el caso de for-mación de nitruros y un hidrocarburo enel caso de formación de carburos.Transcurrido el tiempo necesario paraconseguir el espesor de capa deseada,las piezas se enfrían en el reactor hastatemperatura de descarga. Posterior-mente y bajo condiciones de vacío paraevitar la oxidación de los compuestosformados, se procede al temple y reve-nido si el substrato es un acero.Los compuestos más generalmente ob-tenidos por CVD son TiC, TiCN y TiN,así como SiC, Al2O3, BC... En el campode la deformación ,la combinación demulticapas de los compuestos de titanioson las más utilizadas.El proceso TRDD (Termoreactive Depo-sition and Difusion) se realiza en bañode sales fundidas donde está presenteel óxido del metal a implantar, un agentereductor y bórax como sustento del ba-ño. El carbono del propio acero se com-bina con el metal reducido para formarel carburo correspondiente. Los com-puestos que se obtienen por el métodoTRDD suelen ser carburos de vanadio,niobio, cromo, tantalio y combinacionesde varios metales. En el campo de ladeformación las capas más solicitadas

son las de carburo dúplex de vanadio-niobio.

Compuesto Color Coef.Fricción

Dureza (GPa)

Temp. De Oxidación (ºC)

(V,Nb) C Gris Plata 0.3 39.5 600

VC Gris-Negro 0.5 36.5 450TiC-TiN Dorado 0,5 38.8-25 400TiC-TiCN Azul-Violeta 0.6 38,8-32 300TiC-BC Gris Oscuro 0.6 38-65 700

Tabla 1. Recubrimientos más comunes obteni-dos por los procesos C.V.D. y T.R.D.D. y suspropiedades físicas.

TRATAMIENTOS TERMICOS A QUEDEBE SOMETERSE LA HERRA-MIENTA A RECUBRIR MEDIANTEPROCESOS C.V.D. Y T.R.D.D.

Las piezas a tratar por procesos a altatemperatura (CVD,TRDD) deben estaren estado de recocido. La alta tempe-ratura a que se realiza el recubrimiento,no permite mantener las característicasde dureza que pudiera presentar la pie-za por un anterior tratamiento de temple.En este caso, es aconsejado un recoci-do de regeneración anterior a la fase derecubrimiento. Tras obtener el espesorde capa deseada se procede al enfria-miento lento de las piezas en el reactor(CVD) o a temple y revenido inmediata-mente después de finalizar la etapa derecubrimiento (TRDD). En cualquier ca-so los tratamientos de temple y revenidoposteriores deben realizarse en instala-ciones de vacío para evitar la oxidaciónde las capas de recubrimiento obteni-das. Las posibles variaciones dimensio-nales producidas durante el temple,

pueden ser compensadas reviniendo lapieza en la zona de temperaturas en lasque el material presenta endurecimientosecundario (debido al aumento de volu-men por precipitación de carburos).

APLICACIONES DE RECUBRIMIEN-TOS REALIZADOS A ALTA TEMPE-RATURA.

Es conocida la relación directa entre laadherencia de la capa dura y la tempe-ratura de formación de la misma. Losfenómenos de difusión entre el substratoy los compuestos duros que se formanen su superficie provocan una adheren-cia muy superior a la obtenida en losprocesos a baja temperatura. Así puesbajo esfuerzos de cizallamiento, la capadura obtenida difícilmente se desprendedel acero.Para trabajos de conformado, extrusiónen frío o caliente, forja y embutición elrecubrimiento aconsejado es a alta tem-peratura.A continuación se presentan algunosejemplos de los recubrimientos que hanconseguido solucionar los problemas delos útiles y aumentar la producción sa-tisfactoriamente .

Matriz de conformado de chapa de ace-ro (industria del automóvil)

• Material : Acero de trabajo en frío.(F-520 A, F-5227, F-5229)

• Dureza : 62-58 HRC

• Recubrimiento : TiC-TiN, TiC-TiCN-TiN, (Nb,V)C

• Espesor : 8 micras

Matrices de conformado y/o embuticiónprofunda de chapa de acero inoxidable yaluminio.

• Material : Acero de trabajo en frío. (F-520 A, F-5227, F-5229)

• Dureza : 62-58 HRC• Recubrimiento : (Nb,V) C, VC.• Espesor : 8 micras.

Matrices de extrusión en caliente, extru-sión de aluminio.

• Material : Acero de trabajo en ca-liente. F-5317, F-5318, F-5313.

• Dureza : 52-48 HRC (revenido a550ºC-580ºC)

• Recubrimiento : (Nb,V) C, Nb C.• Espesor : 6-8 micras.Fig.1 Matriz de embutir chapa tratada por elproceso C.V.D.Material F-520 A . TiC-TiN, tem-plada y revenida a 58 HRC.

Fig.2. Microestructura de la capa de (V,Nb)VSobre acero Nº 1.2379.Espesor 8 micras. Mate-rial 1.2379. T.R.D.D., templado y revenido a60 HRC. x 500. Ataque Vilella.

Fig.3.Matrices de conformado. TratamientoT.R.D.D. temple y revenido a 60 HRC.Material F-520 A

RECUBRIMIENTOS OBTENIDOS ATEMPERATURAS MEDIAS (aprox500ºC).

La evolución de los procesos de altatemperatura han generado sus variantesa baja temperatura en los procesos deP.A.C.V.D (CVD asistido por plasma) yL.T.TRDD (a baja temperatura). Sin em-bargo la familia de los recubrimientosobtenidos por P.V.D , con distintos sis-temas de evaporación, son los más ge-

neralizados en el campo de las bajastemperaturas.Los distintos métodos PVD consistengenéricamente en evaporar un metal pu-ro o aleación en la cámara del reactordonde previamente se obtiene un gradode vacío muy elevado.(1-2 x 10-4 mbar).El metal evaporado en contacto con elgas reactivo forma el compuesto que esproyectado contra la pieza por acción dela diferencia de potencial existente entrelas piezas y la cámara (200-400 V). Laspiezas antes de empezar la etapa de re-cubrimiento suelen ser calentadas atemperaturas cercanas a 500ºC paraconseguir el grado de adherenciaaceptable de la capa dura sobre elsubstrato.

Compuesto Color Coef.Fricción

Dureza(GPa)

Temp. deOxidación (ºC)

TiN Dorado 0.5 24.3 400MoC Gris oscuro 0.3 32.5 300TiCN Gris azulado 0,7 30.8 300TiAlN Bronce 0.4 38,8 800AlTiN Negro 0.5 34.3 800CrN Gris Plata 0.5 21.4 600

Tabla 2. Recubrimientos más comunes obteni-dos por los procesos P.V.D y sus propiedadesfísicas.

TRATAMIENTOS TERMICOS A QUEDEBE SOMETERSE LA HERRA-MIENTA A RECUBRIR MEDIANTEPROCESOS P.V.D.

Las piezas que deben ser recubiertas atemperatura media se presentan en es-tado de temple, y generalmente reveni-do a temperatura superior a la tempe-ratura de recubrimiento. La dureza delacero debe permanecer elevada a tem-peraturas entre 500ºC y 550ºC. Seránmateriales adecuados para recubrir por

método PVD , metal duro y aceros queen su curva de revenido, presentan en-durecimiento secundario a estas tempe-raturas. Aceros de trabajo en frío, lede-buríticos con porcentajes de cromo cer-canos a 12%, aceros de trabajo en ca-liente con porcentajes de cromo cerca-nos a 5% y aceros rápidos son los quese recubren habitualmente por PVD.

APLICACIONES DE LOS RECUBRI-MIENTOS REALIZADOS A BAJATEMPERATURA.

Las herramientas de arranque de viruta ,punzonado, matricería de corte fino exi-gen tolerancias en muchos casos cente-simales. Por tanto es aconsejable recu-brirlas a baja temperatura.A continuación se presentan algunos delos ejemplos de las aplicaciones en quese aportan recubrimientos PVD paraaumentar el rendimiento de la herra-mienta.

Punzones de corte, punzones centrado-res. Matrices de corte fino.

• Material : Acero rápido . Acero detrabajo 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 depen-

diendo de la geometría de la pieza)

Fresas, escariadores, machos de ros-car, 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 trabajenaleaciones blandas, acero inoxi-dable austenítico, aluminio, latón.TiCN, para fresas, escariadores,brocas que trabajen acerosen general, aceros bonificados yaleaciones abrasivas.CrN, para machos de roscar, la-minar aceros inoxidables austení-ticos y aleaciones de aluminio.

• Espesor :2- 3 micras.

Fresas, plaquitas de metal duro paramecanizar a alta velocidad, aceros yaleaciones tratadas.

• Material : Metal duro• Dureza : Superior a 70 HRC• Recubrimiento : TiAlN, AlTiN (Cuan-

do la herramienta trabaja a tempera-turas superiores a 600ºC)

• Espesor : 3 micras.

Moldes de inyección de plástico y alea-ciones metálicas de bajo punto de fu-sión.

• Material : Acero Inoxidable ( AISI420), acero de trabajo en caliente (F-5318), Aceros pretratados para fabri-cación de moldes.

• Dureza : 50-48 HRC. (110-120kg/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.

Fig.4 Herramientas de corte recubiertas porprocesos P.V.D.

CONCLUSIONES

El rendimiento de las herramientas estacondicionado por los factores que influ-yen en la elección del material, los tra-tamientos térmicos, acabado de la he-rramienta y recubrimiento adecuado a laaplicación y condiciones de trabajo.Para conformado, embutición y trabajobajo esfuerzos de cizallamiento seránaconsejables los recubrimientos realiza-dos a alta temperatura.Para aplicaciones de corte, punzonado yarranque de viruta en general son ade-

cuados los recubrimientos a baja tem-peratura.Esta constante innovación de las capasfinas de compuestos duros genera múl-tiples combinaciones con la finalidad deresolver los problemas presentes en laindustria. La experimentación industrialy el análisis de los resultados obtenidos,en las aplicaciones específicas, permi-ten recomendar uno u otro tipo de recu-brimiento y orientar la obtención de nue-vos compuestos para mejorar los rendi-mientos de los actuales.

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