martes, 2 de enero de 2018

Evolución de los recubrimientos PVD para herramientas de corte.

Revisión Bibliográfica.
Un recubrimiento es una modificación técnica superficial en la base de un material con el objetivo de mejorar los rendimientos físicos y/o químicos de herramientas y componentes estructurales. Los recubrimientos se han usado en las últimas décadas para mejorar las propiedades de las herramientas de corte y han tenido un rápido desarrollo. Los dos métodos más comunes para hacer recubrimientos en herramientas de corte son el CVD (Deposición química en fase vapor) y el PVD.

La deposición física en fase vapor (PVD, por sus siglas en inglés) es un proceso de recubrimiento termo físico en el que los materiales de revestimiento se vaporizan en una cámara de vacío que contiene gas reactivo y se depositan en la pieza a tratar. Existen varios métodos de PVD entre los que se incluyen la evaporación en arco y la dispersión por magnetrón, con los que se depositan una variedad de elementos o compuestos.

Ventajas de los recubrimientos PVD (1):

En 1980 solo se conocían recubrimientos TiN, para 1988 se usaban recubrimientos TiCN y CrN, en los 90 aparecen los recubrimientos TiAlN y en el año 2000 ya había 14 estándares de recubrimientos disponibles para herramientas de corte. Hacia el 2008 había mas de 70 diferentes tipos de recubrimientos disponibles teniendo en cuenta la composición química (los recubrimientos  tradicionales más nuevos recubrimientos con base Ti, Ti-C, Cr, Zr, W, V, Mo, Al o Si) y varios cientos teniendo en cuenta la microestructura (con capas de adhesión, multicapas, con estructura gradiente, con estructura nanocomposite, etc).

Remitiéndonos a los inicios, recubrimientos basados en (Ti,Al)N, (Ti,Al,Si)N y Ti(C,N) fueron desarrollados para ofrecer una mejor productividad sobre los recubrimientos de nitruro de titanio (TiN) ya que la adición Al y C incrementan la dureza y disminuyen el coeficiente de fricción del recubrimiento.

Las herramientas recubiertas con tales materiales muestran una extensión significativa en su vida útil durante trabajo comparadas con las herramientas sin recubrimiento o aquellas recubiertas con capas simples de nitridos o carbonitridos ya que se logra una mejor condición de lubricación de la zona de formación de virutas y se proteje a la arista de corte de la oxidación y el sobrecalentamiento excesivo.

La siguiente tabla tomada de Journal of Machine Manufacturing Vol. XLIX, 2009E1Artículo: New Generation of PVD-Coatings for cutting tools (2) muestra el componente mas importante de cada recubrimiento y su influencia en las características del mismo.


El carbono refuerza las redes del recubrimiento básico del Nitruro de Titanio (TiN), aumenta el nivel de tensión interna y, por lo tanto, la dureza; reduce el coeficiente de fricción, pero solo hasta 400 ° C. El recubrimiento de carbonitruro de Titanio (TiCN) sigue siendo el recubrimiento más popular para machos, pero no es adecuado para cortes en seco o HSC. 

Debido al excelente aislamiento térmico entre las virutas y las herramientas, los revestimientos Nitruro de Titanio Aluminio (TiAlN) o Nitruro de Aluminio Titanio (AlTiN) son los recubrimientos más utilizados para el corte moderno de alto rendimiento, la cuota de mercado de estos revestimientos para herramientas de corte es de alrededor del 40 %. Los recubrimientos AlTiN se usan cuando el contenido de Al es superior al 50%, sin embargo, con un contenido de aluminio superior al 65-70 %, los revestimientos pierden dureza y resistencia al desgaste.

La ventaja más importante de los recubrimientos con Cr es su alta resistencia al desgaste por abrasión. La alta tenacidad y el módulo E es necesario para las herramientas HSS recubiertas con Cr. La resistencia al calor aumenta también por el Cr. El depósito y uso de recubrimientos con Cr resulta en peligros para la salud y el medio ambiente; el vapor que contiene Cr puede dañar el sistema respiratorio humano. Además, la eliminación del revestimiento dopado con Cr da como resultado la generación de Cr6, que puede causar cáncer de piel.

Los recubrimientos con Si tienen un mejor tamaño de grano, menos esfuerzos internos, una mayor dureza, un buen desempeño frente al desgaste abrasivo y un excelente desempeño frente al desgaste por oxidación, además de soportar mayores temperaturas de operación, ya que tienen una mayor dureza en caliente y mayor aislamiemto térmico. Recubrimientos que contienen Si como elemento de aleación en fase metálica son suficientes para aplicaciones HSC (mecanizado a alta velocidad). Con la ayuda de la tecnología apropiada el Si también ofrece la posibilidad de crear nanocomposites. Los nanocristales de TiAlN-, AlCrN o AlTiCrN quedan embebidos en una matriz amorfa de nitruro de silicio que previene el crecimiento de grano y mantiene la dureza alta, por encima de 50 GPa.


La tecnología de recubrimiento y la microestrucutyra lograda tienen un gran efecto en la vida útil de la herramienta, la anterior gráfica (3) muestra tres diferentes micro estructuras de recubrimientos TiAlN (columnar de grano grueso, Nanocristalino con alto Al, y nanocomposites en matriz Si) y su correspondiente desgaste de flanco versus tiempo de mecanizado.

Es por eso que en Taurus Tools nos  interesa que nuestras fresas sólidas de carburo estén a la vanguardia en el uso de los más avanzados y mejores recubrimientos, lo que garantizará a nuestros clientes una mayor vida útil de la herramienta con la  correspondiente mejoría en la productividad.


Fresas Taurus Tools con recubrimiento Nano TiAlN



Fresas Taurus Tools con recubrimientos base Si







Fuentes:
(1) Recuperado de: Recubrimientos metálicos mediante PVD. www.trateriber.es
(2) Recuperado de: TripleCoatings3® – New Generation of PVD-Coatings for Cutting Tools. T. Cselle*, O. Coddet, C. Galamand, P. Holubar, M. Jilek, J. Jilek, A. Luemkemann1, M. Morstein.
(3) Recuperado de: https://www.worldpm2016.com/post-event/presentations/sis-presentations/sis-presentations-hm/49-development-of-wear-resistant-coatings-for-cutting-tools/file


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