Materiales de herramientas

Carburos metálicos especiales

• Carburos de grano micrométrico o mejorados– Partículas de dimensiones menores a una micra– Resistencia transversal cerca del doble de los carburos

normales, dureza comparable (inferior). Gracias a esto se pueden usar grandes ángulos de incidencia y desprendimiento

– Se recomiendan cuando el desgaste es muy grande en aceros rápidos y cuando los carburos normales son sobredimensionados y/o no son lo suficientemente resistentes (además de ser frágiles)

• Carburos “fundidos” (cast carbide)

– Matriz ligante refractaria con una dispersión de carburos

– Compuestos de 20% Ti, 58% W, 22% C– Elevada resistencia y dureza en caliente– Adecuados para desbastes de aleaciones o aceros

inoxidables a altas velocidades de corte– Resistencia al desgaste por difusión mejorada,

pero no son recomendables para mecanizar fundición y superaleaciones porque se desgastan por fatiga (fragilidad).

Carburos metálicos recubiertos

• Se deposita termoquímicamente por vapor un recubrimiento sobre la herramienta. La unión es muy resistente

• Usualmente las capas son de óxidos, nitruros o carburos de Ti, W y Al

• La dureza es muy elevada y se reduce el el rozamiento, así son muy resistentes al desgaste

Estas características de los carburos recubiertos permiten elevadas velocidades de corte, hasta 50% más que los convencionales y su duración puede llegar a ser hasta 3 veces mayor.

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• Uno de los problemas de tener varias capas es la diferencia de elasticidad y dilatación térmica de las diferentes capas. Esto se ha resuelto creando zonas de difusión, haciendo que la variación sea progresiva

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Insertos (pastillas) de carburos metálicos

Algunas herramientas con recubrimientos

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Materiales Cerámicos

• Alrededor de 1954 aparecieron los primeros materiales cerámicos para herramientas. (en forma de plaquitas)

• Se clasifican en 2 tipos:– Los Cermets– Los óxidos sinterizados

• Se caracterizan por su optima calidad en especial en condiciones alta velocidad de corte.

• No se pueden emplear con eficacia en máquinas herramientas de baja potencia. Se necesitan máquinas muy rígidas y de gran potencia para aprovechar la resistencia al calor y dureza de estos materiales.

• Así mismo son químicamente inertes y soportan altas temperaturas de trabajo sin perder su dureza.

• La misma dureza que caracteriza a las herramientas cerámicas las hace mas frágiles que los carburos y que otros materiales.

• La conductividad térmica es muy baja lo que restringe las profundidades de corte en este tipo de herramientas.

• Tienden a fallar por fatiga en un costado de la herramienta mostrando un cráter o hendidura.

Los Cermets– Son materiales sinterizados, constituidos por un

componente no metálico ( óxidos, silicatos, carburo de silicio, carburo de boro). Y componentes metálicos de alto punto de fusión ( Mo, Cr, V).

– Los cermets comúnmente utilizados en herramientas se obtienen por la sinterización del oxido de aluminio (Al2O3) junto con el carburo de Molibdeno (Mo2C) y el carburo de vanadio (VC).

– El porcentaje de carburos metálicos oscila entre el 5-40%

• El aglomerante es níquel-cobalto y también se usan partículas base de TiC, TiCN, TiN.

• Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidad química y dureza en caliente.

• Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo aportado. Son de gran dureza y resistencia a la abrasión.

• Frágiles y poco tenaces • Los cermets se aplican mejor a aquellos materiales

que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles.

Óxidos Sinterizados

• Se usa una Alumina casi pura sinterizada (99,5% Al2O3). Con pequeñas cantidades de (SiO2) y (Cr2O3).

• La materia prima es un polvo fino de alumina con un tamaño de grano ≈ (1μm)

• Las plaquitas son producidas ya sea por prensado en frió o en caliente a 40-50 ksi. Y luego se sinteriza a una temperatura entre los 1600 y 1700oC.

• Es posible comprimir y sinterizar simultáneamente en caliente.

• Los insertos de cerámica prensados en caliente se sintetizan estando a presión, y son más densos.

• Es posible usar una mezcla de 90% de AL2O3 y agregarle oxidos de hierro, titanio y cromo para aumentar la dureza de la herramienta.

• También hay herramientas cerámicas que usan el nitruro de silicio (Si3N4) como componente principal.

Características de los Óxidos Sinterizados

• Baja conductividad térmica.– Calentamiento uniforme del filo– Transferencia de calor a traves de la viruta.

• El coeficiente de rozamiento en menor al de los carburos sinterizados por lo que no hay filo aportado.

• Las elevadas velocidades de corte y las elevadas temperaturas alcanzadas en la viruta proporcionan un óptimo acabado superficial.

• La resistencia a la compresión de las herramientas de cerámica es muy alta.

• Por lo que es bastante frágil.• El mango de soporte debe

explotar las ventajas de las herramientas cerámicas. Y debe evitar los principales problemas.

• Los mangos deben permitir un buen apoyo de la palanquita y un voladizo mínimo para que no se presenten deformaciones por flexión.

• Las fuerzas de compresión deben ser uniformemente distribuidas para evitar tensiones superficiales.

• El rompe virutas debe ser postizo en carburo de tungsteno para facilitar la salida de la viruta.

• Los ángulos deben ser escogidos cuidadosamente, la experiencia dice que el ángulo de desprendimiento debe ser cercano a 0o y el de incidencia cercano a 10º.

• Las herramientas cerámicas se han utilizado para mecanizar materiales que aunque no son muy resistentes, ejercen intensa acción de desgaste (abrasión) sobre la herramienta.– Materias Plásticas– Grafito– Metales– Aleaciones no ferrosas

Nitruro de boro cúbico

• Soporte de carburo con una fina capa o un pequeño inserto de nitruro de boro cúbico

• Segundo material más duro conocido. Es frágil, pero poco reactivo y tiene una elevada estabilidad térmica (>1000ºC)

• Permite altas velocidades de corte en aleaciones muy duras, como las de níquel

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Herramientas de nitruro de boro cúbico

Diamantes Naturales

• Es el material mas duro que se conoce.• Se dividen en:

• Diamantes Negros • Diamantes Blancos

• Los diamantes negros no tienen planos de exfoliación, Se usan para el rectificado y revivado de muelas.

• Los diamantes blancos son aglomerados de cistales blanquecinos. Se utilizan tanto para el rectificado de muelas como para procedimientos de torneado.

• Los diamantes blancos se usan para acabados de gran precisión sobre metales blandos, aleaciones ligeras y aleaciones del cobre. También se usa en el corte de vidrios.

• El filo de mantiene durante largo tiempo, y logra el corte de sobre metal mínimo (hasta 0,005mm) con tolerancias del orden de milésimas de milímetro

Aplicaciones del Diamante.

• Torneado y mandrilado de precisión sobre• Aleaciones de aluminio, bronce• Metal antifricción• Materias plásticas

• Diamantes para reavivar muelas simples y múltiples• Muelas diamantadas: (Abrasivo constituido por polvo

de diamante)• Hileras: producción de alambres metálicos• Los polvos de diamantes también se usan en bruñido

y lapeado de precisión.

• Los soportes deben ser muy rígidos y no debe haber vibraciones.

• El diamante se une a la herramienta por medio de soldadura de bronce o latón o por sujeción metálica con una interposición de una lamina de metal blando.

Diamantes Sinterizados Policristalinos

• Formados a partir de polvo de diamantes por compresión y sinterización a una presión de 700-800 daN/mm2 y a temperaturas de 2000 oC.

• Los diamantes policristalinos sirven para el el mecanizado de:• Aleaciones no ferrosas de aluminio y cobre• Plásticos• Grafito• Carburos• Cerámicos. Etc.

• La velocidad de corte puede ser aumentada entre 2,5 y 3,5 veces la velocidad de los metales duros.

• No pueden mecanizar aleaciones de titanio, níquel o hierro debido a fenómenos de difusión entre la herramienta y al pieza.

Conclusión sobre la selección de materiales de herramientas.

• No existe la herramienta que tenga una superioridad neta sobre las demás.

• Se deben considerar las condiciones especificas de corte al momento de seleccionar el material.

– Velocidad de Corte– Avance– Material a Mecanizar– Tipo de mecanizado (continuo, intermitente, con choques etc.)– La maquina herramienta (potencia de la maquina)

• En general, lo que se busca es minimizar los costos de la operación de mecanizado, así hay que encontrar un material para herramientas que tenga un compromiso entre las diferentes propiedades

Bibliografía• 1 , 7– Tomado de Micheletti G.F, Mecanizado por arranque

de viruta – Ed Blume, Barcelona 1980• 2 – Tomado de www.hartmetallschrott.de/gfx7.jpg vistada

el 12/03/07• 3 – Tomado de www.tomahawktoolservice.com vistada el

12/03/07• 4 - Tomado de www.kompetenznetze.de vistada el 12/03/07• 5 - Tomado de http://www.sumitomo-hardmetal.co.uk/

vistada el 12/03/075,6 Tomado de Ashby, Michael F. Materials and design : the art and science of material selection in product design. PDF appendix C