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La Plaquita de Metal Duro un Salto Espectacular y Progreso Continuo El implacable ascenso de la -no tan humilde- plaquita de metal duro se caracteriza por la revolución y la evolución
El metal duro sinterizado es un material de gran dureza utilizado extensamente en la fabricación de herramientas de corte. En un contexto industrial, cuando se hace referencia al metal duro o al metal duro al tungsteno, normalmente están hablando de este compuesto. La utilización del metal duro en el mecanizado de metales comenzó en los años 30. Desde entonces se ha convertido con diferencia en el material más popular para la fabricación de herramientas de corte.
El inicio, metal duro integral En torneado, el metal duro inició su andadura como un inserto en forma de pastilla que se soldaba a un mango de acero, resultando un ángulo de posición semejante a los de las herramientas forjadas de acero rápido utilizadas hasta el momento. Un afilado constructivo daba los ángulos generalmente negativos para el corte debido a la fragilidad del metal duro por su elevada dureza. Después de un uso razonable debía afilarse de nuevo a semejanza del acero rápido con las dificultades de extracción de la herramienta de la máquina y la pérdida de medida y precisión asociadas. El metal duro en su versión de fresas integrales ofrecía múltiples ventajas respecto al acero rápido, el acabado superficial de la pieza era mejor, y permitían una mayor velocidad que con las fresas de acero rápido (HSS). Además, las herramientas de metal duro pueden soportar temperaturas más elevadas en la zona de contacto con la pieza que las de acero rápido estándar, principal razón que autoriza una mayor velocidad en el mecanizado. Adicionalmente el metal duro ofrece un rendimiento superior en el mecanizado de materiales tenaces como aceros de alta aleación o inoxidables, así como en situaciones en las que otros materiales sufrirían un mayor desgaste, como por ejemplo en grandes pasadas.
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Nace la fijación mecánica Las herramientas de pequeño diámetro están fabricadas por completo en metal duro, el resto tienen metal duro únicamente en la zona de corte. Si en principio la zona de corte consistía en una punta de metal duro soldada al cuerpo de la herramienta, en los años 40 los fabricantes de herramientas de corte empezaron a producir herramientas con segmentos/cápsulas intercambiables de metal duro que se fijaban por medios mecánicos al cuerpo de la herramienta. Esta ingeniosa innovación y la utilización de fijaciones mecánicas, (bridas, tornillos, pins, etc.) que ofrecen una resistencia y garantía mucho mayor que la soldadura, representan hoy en día un hito memorable, no sólo en el campo de la fabricación de herramientas, sino también en el avance de la eficiencia de todas las industrias relacionadas con el mecanizado de metales. Este acontecimiento deriva en impresionantes mejoras en cuanto a productividad en el área de operaciones de mecanizado. Inmediatamente se posibilitó el incremento de la carga sobre la herramienta y crecieron los índices de extracción de metal. Además de ser un sistema económico que garantiza la fácil y rápida sustitución del elemento de corte en caso de desgaste o rotura del mismo, permite la fabricación del elemento de corte y del cuerpo de la herramienta por separado, adecuando la calidad y geometría de la plaquita a distintos materiales así como a diversas operaciones. Dependiendo de la forma de las plaquitas, se puede sustituir el filo de corte dañado de diferentes maneras, como girar la plaquita sobre su eje o cambiar el filo de arriba por el de abajo. Inicialmente se dieron diferentes nombres a estos elementos de corte, como puntas desechables, plaquitas intercambiables, plaquitas reemplazables, inserto, etc. Hoy en día el término más utilizado es plaquitas intercambiables. La tecnología La tecnología utilizada para la fabricación de las plaquitas intercambiables tiene su base en la pulvimetalurgia, que incluye los siguientes procesos: •
Preparación del polvo base de metal duro (mezcla)
•
Compactación del polvo
•
Sinterizado compacto
•
Proceso de post-sinterizado
•
Recubrimiento
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En esencia estas bases han permanecido invariables durante décadas. Pero, al mismo tiempo, el progreso en la ciencia y la tecnología han tenido un impacto significativo en el proceso productivo de las plaquitas. En el pasado las plaquitas se fabricaban con máquinas manuales, por lo que era difícil e incluso imposible llevar a cabo procesos pulvimetalúrgicos. La introducción de equipos industriales más modernos, automatizados y controlados por ordenador, hizo que los procesos tecnológicos fueran más estables, controlables y fiables. En consecuencia las propiedades mecánicas de las plaquitas se hicieron más uniformes, predecibles y repetibles; estos factores permitieron espectaculares avances en términos de precisión de las plaquitas sinterizadas mediante la reducción de las tolerancias de fabricación. Hoy en día una prensa para la fabricación de plaquitas es un dispositivo de ingeniería punta controlado por ordenador. Un punzón puede estar compuesto de diferentes "sub punzones" con funcionamiento individual e independiente. Algunos diseños de prensas incluyen opciones de prensado multi-axial o en diversas direcciones. El notable progreso en la tecnología de prensado junto con una uniformidad en el tamaño del polvo permite la producción de precisas plaquitas de formas complejas caracterizadas por alturas de puntas variables
La plaquita de fresado H690 TNKX 1005 tiene una marcada diferencia de Alturas entre sus aristas.
Esto permite una geometría de corte óptima, que garantiza un mecanizado suave, estable y con mayor precisión de la superficie mecanizada
La plaquita de torneado CNMG 331-F3P tiene un complejo rompevirutas realizado mediante tecnología de sinterizado. La óptima geometría de corte de la plaquita garantiza un torneado productivo en varios tipos de aceros y fundiciones de baja maquinabilidad.
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Además, las ventajas que ofrecen los modernos sistemas CAD/CAM hacen posible mejorar el diseño y los componentes de las matrices de la prensa que dan formas a las plaquitas. También hay que tener en cuenta la enorme posibilidad actual al disponer de sistemas que permiten simular los procesos productivos de los productos sinterizados, incluso en su etapa inicial de diseño, ello permite realizar correcciones y mejoras en el diseño asegurando unos resultados previos. Las nuevas y avanzadas técnicas, relacionadas con los patrones de las plaquitas sinterizadas, mejoran la Calidad del proceso. El gradiente de sinterizado del sustrato garantiza la existencia de una fina capa superior con alto contenido en cobalto. Esta capa constituye una excelente barrera contra el agrietamiento y garantiza una mayor resistencia a la fragilidad y a las fracturas. Actualmente este tipo de sustrato se utiliza muy comúnmente en herramientas de torneado.
Los recubrimientos Hasta los años 80 las calidades de metal duro no se recubrían, la tecnología de entonces no posibilitaba la adhesión al sustrato así como la resistencia a la temperatura sin descarburar el sustrato. Para hacer que las calidades fueran más universales y se pudieran utilizar con más tipos de materiales, los fabricantes desarrollaron calidades con diferentes aditivos. Las tecnologías de recubrimiento han cambiado drásticamente el mundo del mecanizado, hoy en día la gran mayoría de calidades de metal duro están recubiertas. Esto permite que cada calidad se enfoque en el mecanizado de un grupo específico de materiales. Los sustratos contienen sólo algunos aditivos, por lo que su estructura es uniforme y estable, lo que implica un mayor control durante la producción. Los recubrimientos y desarrollos continuos en este campo han posibilitado un significativo aumento de las velocidades de corte. Por ejemplo, hace 30 años, cuando se torneaba fundición gris, la velocidad de corte era aproximadamente de 100 m/min para plaquitas fabricadas en IC20 (calidad de metal duro sin recubrimiento de ISCAR). Hoy en día, la calidad recubierta IC5005 permite unos valores de hasta 600 m/min. En esa misma época, el fresado de acero inoxidable martensítico se realizaba a 80 m/min con plaquitas en calidad IC50M (calidad de metal duro sin recubrimiento de ISCAR), y ahora 300 m/min es el valor aceptable para plaquitas en calidad IC5500 (calidad recubierta de ISCAR). Estas impresionantes cifras son una excelente ilustración de cómo el metal duro con recubrimiento ha supuesto un gran salto en el progreso de las velocidades de corte.
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La tecnología del recubrimiento continúa su desarrollo en dos direcciones principales: Deposición de Vapor Químico (CVD) y Deposición de Vapor Físico (PVD). El progreso más importante dentro del área CVD fue la introducción de los recubrimientos cerámicos de Alúmina. Esto permite el mecanizado a alta velocidad, gracias a sus propiedades de aislamiento térmico, elevada dureza y estabilidad química a altas temperaturas. Los recubrimientos PVD se lanzaron a finales de los 80. Supusieron un paso gigantesco en la solución de complejos problemas que frenaban el progreso en el campo de la nanotecnología, constituyendo una nueva clase de recubrimientos “nano-capa” resistentes al desgaste. Estos recubrimientos están formados por una combinación de capas con un espesor de hasta 50 nm (nanómetros) y han demostrado una mayor resistencia en comparación con métodos convencionales.
Estructura de nano capas del recubrimiento de la calidad de metal duro IC807 (imagen SEM)
La tecnología moderna permite combinar ambos métodos (CVD y PVD) para controlar las propiedades de los recubrimientos. Por ejemplo, la calidad DT7150 de ISCAR se compone de un sustrato tenaz y un recubrimiento dual CVD MT más PVD TiAlN. Esto se desarrolló inicialmente para mejorar el mecanizado productivo en fundición templada. Tratamientos post recubrimiento Otro gran avance en la tecnología de las plaquitas es el tratamiento post recubrimiento. ISCAR ha desarrollado el tratamiento SUMOTEC, que se aplica a la superficie ya recubierta de la plaquita. Esta tecnología SUMOTEC confiere al metal duro una mayor solidez y resistencia al desgaste, en los PVD confiere una precisa uniformidad al eliminar las microgotas superficiales de los materiales del recubrimiento y puliendo las superficies evitando el agrietamiento prematuro de mismo, accediendo así a una mayor productividad. Si el recubrimiento es tipo CVD, debido a la diferencia de los coeficientes de expansión térmica entre el sustrato y las capas de recubrimiento, se producen tensiones internas. Estos factores afectan negativamente al recubrimiento, acortando la duración de la plaquita. El tratamiento post recubrimiento SUMOTEC reduce considerablemente e incluso elimina estos defectos indeseados y prolongan la duración de la herramienta, aumentando la productividad
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Imagen SEM de una superficie con recubrimiento CVD antes (izquierda) y después (derecha) del tratamiento posterior SUMOTEC
Efecto del tratamiento SUMOTEC sobre una superficie con recubrimiento PVD: asuperficie sin tratamiento, bsuperficie con tratamiento
Los continuos avances en la tecnología de las plaquitas de metal duro han sido el punto de partida de otras áreas de desarrollo. Los sistemas de prensado y sinterizado, los procesos de recubrimiento y tratamientos posteriores, las nuevas opciones de tratamientos superficiales y la optimización de la geometría de corte se aplican a la fabricación de plaquitas intercambiables para cumplir los requisitos de eficiencia dictados por las modernas industrias de mecanizado. Últimos desarrollos La nueva calidad IC6025 de ISCAR ha sido desarrollada específicamente para el torneado de materiales del grupo ISO M (aceros inoxidables dúplex y austeníticos). Tiene un recubrimiento multicapa con tratamiento superficial posterior. Esta calidad permite significativas mejoras en la productividad del torneado de materiales para la industria aeronáutica
Estructura de la calidad ISCAR IC6025, especialmente diseñada para el torneado de materiales ISO M
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Entre las últimas y más avanzadas calidades de metal duro, ISCAR ha desarrollado la IC806 para el torneado y ranurado de aleaciones a altas temperaturas, especialmente Inconel 718. La nueva Calidad de ISCAR para el mecanizado de Inconel 718 material perteneciente a la familia de súper aleaciones con base Níquel, utilizadas en aplicaciones que requieren una elevada capacidad de soportar elevadas temperaturas y una gran resistencia a la corrosión. Este material se utiliza ampliamente en aeronáutica, en componentes de la zona caliente del motor, y en diferentes sectores de la industria petrolífera. El Inconel 718 tiene microestructura austenítica, con una elevada resistencia a la tracción y una gran elasticidad. El principal problema que aparece durante el mecanizado del Inconel 718 viene dado por la elevada temperatura que alcanza el filo de corte de la plaquita, debido a los elementos abrasivos de su composición (alto contenido en Níquel del 50-55% y en Cromo del 17-21%) que ocasionan un elevado desgaste, astillamiento, agrietamiento y rotura de la plaquita. Estos factores contribuyen a reducir la duración de las plaquitas y a una elevada deformación del filo de corte, incluso a bajas velocidades. Otra dificultad asociada al Inconel es su tendencia a deformarse, debido a su sensibilidad metalúrgica a las tensiones residuales y a los efectos del auto endurecimiento durante las operaciones de corte. El objetivo de ISCAR es logar un mecanizado efectivo de este material, por lo que ha desarrollado con gran éxito la calidad IC806. Se trata de un sustrato submicron con recubrimiento PVD TiAlN y tratamiento posterior SUMOTEC, que presenta una excelente resistencia al desgaste, una duración de la herramienta sustancialmente mayor y una mejor fiabilidad. Conclusión
Como indicábamos en el inicio las plaquitas –insertos- de metal duro intercambiables están en progreso continuo en una carrera con las máquinas actuales, la herramienta es el vínculo entre la máquina y el material pieza, de la herramienta dependerá aprovechar las prestaciones de la máquina o la correcta adecuación a ella. Una máquina excelente con herramientas obsoletas es un seguro de mala rentabilidad. El progreso debe ser adecuado y paralelo, incluso hoy podemos provechar mejor las máquinas con cierta antigüedad si empleamos la tecnología adecuada en el herramental. No hacerlo es detenernos en el tiempo. Las herramientas son de media sólo el 3% del coste de producción de una pieza, es importante que este pequeño porcentaje no condicione la rentabilidad del producto.