El carburo es el material más utilizado en herramientas de mecanizado de alta velocidad (MAV). Se produce mediante procesos de pulvimetalurgia y consiste en partículas de carburo duro (generalmente carburo de tungsteno, WC) y un aglomerante metálico más blando. Actualmente, existen cientos de carburos cementados a base de WC con diferentes composiciones. La mayoría utiliza cobalto (Co) como aglomerante, aunque también se emplean comúnmente níquel (Ni) y cromo (Cr), y se pueden añadir otros elementos de aleación. ¿Por qué existen tantas calidades de carburo? ¿Cómo eligen los fabricantes de herramientas el material adecuado para cada operación de corte? Para responder a estas preguntas, analicemos primero las propiedades que convierten al carburo cementado en un material ideal para herramientas.
dureza y tenacidad
El carburo cementado WC-Co presenta ventajas únicas tanto en dureza como en tenacidad. El carburo de tungsteno (WC) es intrínsecamente muy duro (más que el corindón o la alúmina), y su dureza rara vez disminuye al aumentar la temperatura de operación. Sin embargo, carece de la tenacidad suficiente, una propiedad esencial para las herramientas de corte. Para aprovechar la alta dureza del carburo de tungsteno y mejorar su tenacidad, se utilizan aglomerantes metálicos para unir las piezas, de modo que este material adquiere una dureza muy superior a la del acero rápido, a la vez que es capaz de soportar la fuerza de corte de la mayoría de las operaciones de corte. Además, puede soportar las altas temperaturas de corte generadas por el mecanizado a alta velocidad.
Hoy en día, casi todas las cuchillas e insertos de WC-Co están recubiertos, por lo que el papel del material base parece menos importante. Sin embargo, en realidad, es el elevado módulo de elasticidad del WC-Co (una medida de rigidez, aproximadamente tres veces mayor que el del acero rápido a temperatura ambiente) lo que proporciona el sustrato indeformable para el recubrimiento. La matriz de WC-Co también aporta la tenacidad necesaria. Estas son las propiedades básicas del WC-Co, pero también se pueden modificar ajustando la composición y la microestructura del material durante la producción de polvos de carburo cementado. Por lo tanto, la idoneidad del rendimiento de la herramienta para un mecanizado específico depende en gran medida del proceso de fresado inicial.
Proceso de fresado
El polvo de carburo de tungsteno se obtiene mediante la carburización de polvo de tungsteno (W). Las características de este polvo (especialmente su tamaño de partícula) dependen principalmente del tamaño de partícula del polvo de tungsteno de la materia prima y de la temperatura y el tiempo de carburización. El control químico es fundamental, y el contenido de carbono debe mantenerse constante (cercano al valor estequiométrico del 6,13 % en peso). Se puede añadir una pequeña cantidad de vanadio o cromo, o ambos, antes del tratamiento de carburización para controlar el tamaño de partícula del polvo durante los procesos posteriores. Las diferentes condiciones de los procesos posteriores y los distintos usos finales requieren una combinación específica de tamaño de partícula, contenido de carbono, vanadio y cromo, lo que permite producir una gran variedad de polvos de carburo de tungsteno. Por ejemplo, ATI Alldyne, fabricante de polvo de carburo de tungsteno, produce 23 grados estándar, y la variedad de polvos personalizados según las necesidades del usuario puede ser más de cinco veces superior a la de los grados estándar.
Al mezclar y moler polvo de carburo de tungsteno y aglomerante metálico para producir un grado específico de polvo de carburo cementado, se pueden utilizar diversas combinaciones. El contenido de cobalto más común es del 3 % al 25 % (en peso), y si se requiere mejorar la resistencia a la corrosión de la herramienta, es necesario añadir níquel y cromo. Además, el aglomerante metálico se puede mejorar aún más mediante la adición de otros componentes de aleación. Por ejemplo, la adición de rutenio al carburo cementado WC-Co puede mejorar significativamente su tenacidad sin reducir su dureza. Aumentar el contenido de aglomerante también puede mejorar la tenacidad del carburo cementado, pero disminuirá su dureza.
Reducir el tamaño de las partículas de carburo de tungsteno puede aumentar la dureza del material, pero dicho tamaño debe permanecer constante durante el proceso de sinterización. Durante la sinterización, las partículas de carburo de tungsteno se combinan y crecen mediante un proceso de disolución y reprecipitación. En el proceso de sinterización propiamente dicho, para formar un material totalmente denso, el aglomerante metálico se licua (sinterización en fase líquida). La velocidad de crecimiento de las partículas de carburo de tungsteno se puede controlar añadiendo otros carburos de metales de transición, como el carburo de vanadio (VC), el carburo de cromo (Cr₃C₂), el carburo de titanio (TiC), el carburo de tantalio (TaC) y el carburo de niobio (NbC). Estos carburos metálicos se suelen añadir cuando el polvo de carburo de tungsteno se mezcla y muele con un aglomerante metálico, si bien el carburo de vanadio y el carburo de cromo también pueden formarse durante la carburización del polvo de carburo de tungsteno.
El polvo de carburo de tungsteno también puede producirse utilizando materiales reciclados de carburo cementado. El reciclaje y la reutilización de chatarra de carburo tienen una larga trayectoria en la industria del carburo cementado y constituyen una parte importante de toda la cadena económica del sector, contribuyendo a reducir los costos de los materiales, ahorrar recursos naturales y evitar la eliminación de residuos contaminantes. La chatarra de carburo cementado generalmente puede reutilizarse mediante el proceso APT (paratungstato de amonio), el proceso de recuperación de zinc o mediante trituración. Estos polvos de carburo de tungsteno reciclados suelen presentar una densificación mejor y más predecible, debido a que tienen una superficie específica menor que los polvos de carburo de tungsteno obtenidos directamente mediante el proceso de carburización del tungsteno.
Las condiciones de procesamiento de la molienda mixta de polvo de carburo de tungsteno y aglomerante metálico son parámetros cruciales. Las dos técnicas de molienda más comunes son la molienda de bolas y la micromolienda. Ambos procesos permiten una mezcla uniforme de los polvos molidos y una reducción del tamaño de partícula. Para que la pieza prensada tenga la resistencia suficiente, mantenga su forma y facilite su manipulación, suele ser necesario añadir un aglomerante orgánico durante la molienda. La composición química de este aglomerante influye en la densidad y la resistencia de la pieza prensada. Para facilitar la manipulación, se recomienda añadir aglomerantes de alta resistencia, pero esto reduce la densidad de compactación y puede generar grumos que causen defectos en el producto final.
Tras la molienda, el polvo se suele secar por atomización para obtener aglomerados fluidos unidos por aglutinantes orgánicos. Ajustando la composición del aglutinante orgánico, se puede controlar la fluidez y la densidad de carga de estos aglomerados. Mediante el tamizado de las partículas más gruesas o más finas, se puede ajustar aún más la distribución del tamaño de partícula del aglomerado para garantizar un buen flujo al introducirlo en la cavidad del molde.
Fabricación de piezas
Las piezas de carburo se pueden fabricar mediante diversos métodos. Dependiendo del tamaño de la pieza, la complejidad de su forma y el lote de producción, la mayoría de las plaquitas de corte se moldean utilizando matrices rígidas de presión superior e inferior. Para mantener la uniformidad del peso y el tamaño de la pieza durante cada prensado, es necesario asegurar que la cantidad de polvo (masa y volumen) que fluye hacia la cavidad sea exactamente la misma. La fluidez del polvo se controla principalmente mediante la distribución del tamaño de los aglomerados y las propiedades del aglutinante orgánico. Las piezas moldeadas (o «bloques») se forman aplicando una presión de moldeo de 10 a 80 ksi (kilolibras por pie cuadrado) al polvo cargado en la cavidad del molde.
Incluso bajo presiones de moldeo extremadamente altas, las duras partículas de carburo de tungsteno no se deforman ni se rompen, pero el aglutinante orgánico se introduce en los huecos entre ellas, fijando así su posición. A mayor presión, mayor es la unión de las partículas de carburo de tungsteno y mayor la densidad de compactación de la pieza. Las propiedades de moldeo de los distintos grados de polvo de carburo cementado pueden variar según el contenido de aglutinante metálico, el tamaño y la forma de las partículas de carburo de tungsteno, el grado de aglomeración y la composición y adición del aglutinante orgánico. Para proporcionar información cuantitativa sobre las propiedades de compactación de los distintos grados de polvo de carburo cementado, el fabricante del polvo suele diseñar y desarrollar la relación entre la densidad de moldeo y la presión de moldeo. Esta información garantiza que el polvo suministrado sea compatible con el proceso de moldeo del fabricante de herramientas.
Las piezas de carburo de gran tamaño o con alta relación de aspecto (como los vástagos de fresas y brocas) se fabrican generalmente a partir de polvo de carburo prensado uniformemente en una bolsa flexible. Si bien el ciclo de producción del método de prensado equilibrado es más largo que el del moldeo, el costo de fabricación de la herramienta es menor, por lo que este método resulta más adecuado para la producción de series cortas.
Este método consiste en introducir el polvo en una bolsa, sellarla y colocarla en una cámara, donde se aplica una presión de 30-60 ksi mediante un dispositivo hidráulico. Las piezas prensadas suelen mecanizarse con geometrías específicas antes de la sinterización. El tamaño de la bolsa se aumenta para compensar la contracción de la pieza durante la compactación y proporcionar un margen suficiente para las operaciones de rectificado. Dado que la pieza requiere procesamiento posterior al prensado, los requisitos de uniformidad en la carga no son tan estrictos como en el método de moldeo, pero aun así es recomendable asegurar que se cargue la misma cantidad de polvo en la bolsa en cada ocasión. Si la densidad de carga es demasiado baja, puede haber una cantidad insuficiente de polvo en la bolsa, lo que resultará en una pieza demasiado pequeña que deberá desecharse. Si la densidad de carga es demasiado alta y se carga un exceso de polvo en la bolsa, será necesario procesar la pieza para eliminar el polvo sobrante después del prensado. Aunque el polvo sobrante y las piezas desechadas pueden reciclarse, esto reduce la productividad.
Las piezas de carburo también pueden fabricarse mediante extrusión o inyección. El moldeo por extrusión es más adecuado para la producción en masa de piezas con forma axisimétrica, mientras que el moldeo por inyección se utiliza generalmente para la producción en masa de piezas con formas complejas. En ambos procesos, distintos grados de polvo de carburo cementado se suspenden en un aglutinante orgánico que le confiere una consistencia similar a la de la pasta de dientes. El compuesto se extruye a través de un orificio o se inyecta en una cavidad para darle forma. Las características del grado de polvo de carburo cementado determinan la proporción óptima de polvo y aglutinante en la mezcla, e influyen significativamente en la fluidez de la mezcla al extruirla o inyectarla en la cavidad.
Tras conformar la pieza mediante moldeo, prensado isostático, extrusión o moldeo por inyección, es necesario eliminar el aglutinante orgánico antes de la etapa final de sinterización. La sinterización elimina la porosidad de la pieza, logrando una densidad total o casi total. Durante la sinterización, el aglomerante metálico de la pieza prensada se licua, pero la pieza conserva su forma gracias a la acción combinada de las fuerzas capilares y la unión de partículas.
Tras la sinterización, la geometría de la pieza se mantiene, pero sus dimensiones se reducen. Para obtener el tamaño requerido tras la sinterización, es necesario considerar la tasa de contracción al diseñar la herramienta. El grado de polvo de carburo empleado en la fabricación de cada herramienta debe diseñarse para que presente la contracción correcta al compactarse bajo la presión adecuada.
En casi todos los casos, se requiere un tratamiento posterior a la sinterización de la pieza sinterizada. El tratamiento más básico de las herramientas de corte es el afilado del filo. Muchas herramientas requieren un rectificado de su geometría y dimensiones después de la sinterización. Algunas herramientas requieren un rectificado superior e inferior; otras, un rectificado periférico (con o sin afilado del filo). Todas las virutas de carburo resultantes del rectificado se pueden reciclar.
Recubrimiento de la pieza de trabajo
En muchos casos, la pieza terminada requiere un recubrimiento. Este recubrimiento proporciona lubricidad y mayor dureza, además de actuar como barrera de difusión para el sustrato, previniendo la oxidación al exponerse a altas temperaturas. El sustrato de carburo cementado es fundamental para el rendimiento del recubrimiento. Además de ajustar las propiedades principales del polvo de la matriz, las propiedades superficiales de esta también pueden modificarse mediante la selección química y la variación del método de sinterización. Mediante la migración de cobalto, se puede lograr una mayor concentración de este elemento en la capa más externa de la superficie de la cuchilla, dentro de un espesor de 20-30 μm, en comparación con el resto de la pieza. Esto confiere a la superficie del sustrato mayor resistencia y tenacidad, haciéndola más resistente a la deformación.
En función de su propio proceso de fabricación (como el método de desencerado, la velocidad de calentamiento, el tiempo de sinterización, la temperatura y el voltaje de carburización), el fabricante de herramientas puede tener requisitos especiales para el grado de polvo de carburo cementado utilizado. Algunos fabricantes pueden sinterizar la pieza en un horno de vacío, mientras que otros pueden utilizar un horno de sinterización por prensado isostático en caliente (HIP), que presuriza la pieza cerca del final del ciclo de proceso para eliminar cualquier residuo (poros). Las piezas sinterizadas en un horno de vacío también pueden requerir un proceso adicional de prensado isostático en caliente para aumentar su densidad. Algunos fabricantes de herramientas pueden utilizar temperaturas de sinterización al vacío más altas para aumentar la densidad sinterizada de mezclas con menor contenido de cobalto, pero este enfoque puede generar una microestructura más gruesa. Para mantener un tamaño de grano fino, se pueden seleccionar polvos de carburo de tungsteno con un tamaño de partícula menor. Para adaptarse al equipo de producción específico, las condiciones de desencerado y el voltaje de carburización también tienen diferentes requisitos en cuanto al contenido de carbono en el polvo de carburo cementado.
Clasificación de grados
Las distintas combinaciones de polvo de carburo de tungsteno, la composición de la mezcla, el contenido de aglomerante metálico, el tipo y la cantidad de inhibidor del crecimiento de grano, etc., dan lugar a una variedad de grados de carburo cementado. Estos parámetros determinan la microestructura y las propiedades del carburo cementado. Algunas combinaciones específicas de propiedades son prioritarias para ciertas aplicaciones de procesamiento, lo que justifica la clasificación de los distintos grados de carburo cementado.
Los dos sistemas de clasificación de carburos más utilizados para aplicaciones de mecanizado son el sistema de designación C y el sistema de designación ISO. Si bien ninguno de los dos refleja completamente las propiedades del material que influyen en la elección de los grados de carburo cementado, proporcionan un punto de partida para el debate. Para cada clasificación, muchos fabricantes tienen sus propios grados especiales, lo que da como resultado una amplia variedad de grados de carburo.
Los grados de carburo también se pueden clasificar por su composición. Los grados de carburo de tungsteno (WC) se dividen en tres tipos básicos: simple, microcristalino y aleado. Los grados simples consisten principalmente en carburo de tungsteno y aglomerantes de cobalto, aunque pueden contener pequeñas cantidades de inhibidores del crecimiento de grano. El grado microcristalino se compone de carburo de tungsteno y aglomerante de cobalto, con la adición de varias milésimas de carburo de vanadio (VC) y/o carburo de cromo (Cr₃C₂), y su tamaño de grano puede alcanzar 1 μm o menos. Los grados aleados se componen de carburo de tungsteno y aglomerantes de cobalto que contienen un pequeño porcentaje de carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC) y carburo de niobio (NbC). Estas adiciones también se conocen como carburos cúbicos debido a sus propiedades de sinterización. La microestructura resultante presenta una estructura trifásica heterogénea.
1) Grados de carburo simple
Estas calidades para el mecanizado de metales suelen contener entre un 3 % y un 12 % de cobalto (en peso). El tamaño de grano del carburo de tungsteno oscila generalmente entre 1 y 8 μm. Al igual que con otras calidades, la reducción del tamaño de partícula del carburo de tungsteno aumenta su dureza y resistencia a la flexión, pero disminuye su tenacidad. La dureza del tipo puro suele estar entre HRA 89 y 93,5; la resistencia a la flexión suele estar entre 175 y 350 ksi. Los polvos de estas calidades pueden contener grandes cantidades de materiales reciclados.
Los grados simples se dividen en C1-C4 en el sistema de grados C, y se clasifican según las series K, N, S y H en el sistema de grados ISO. Los grados simples con propiedades intermedias se clasifican como grados de uso general (como C2 o K20) y se utilizan para torneado, fresado, cepillado y mandrinado; los grados con menor tamaño de grano o menor contenido de cobalto y mayor dureza se clasifican como grados de acabado (como C4 o K01); los grados con mayor tamaño de grano o mayor contenido de cobalto y mejor tenacidad se clasifican como grados de desbaste (como C1 o K30).
Las herramientas fabricadas con grados Simplex se pueden utilizar para mecanizar hierro fundido, acero inoxidable de las series 200 y 300, aluminio y otros metales no ferrosos, superaleaciones y aceros endurecidos. Estos grados también se emplean en aplicaciones de corte de materiales no metálicos (por ejemplo, como herramientas de perforación geológica y de roca), y presentan un tamaño de grano de 1,5 a 10 μm (o superior) y un contenido de cobalto del 6 % al 16 %. Otra aplicación de los grados de carburo simple en el corte de materiales no metálicos es la fabricación de matrices y punzones. Estos grados suelen tener un tamaño de grano medio con un contenido de cobalto del 16 % al 30 %.
(2) Grados de carburo cementado microcristalino
Estas calidades suelen contener entre un 6 % y un 15 % de cobalto. Durante la sinterización en fase líquida, la adición de carburo de vanadio o de cromo (o ambos) permite controlar el crecimiento del grano para obtener una estructura de grano fino con un tamaño de partícula inferior a 1 μm. Esta calidad de grano fino presenta una dureza muy elevada y una resistencia a la rotura transversal superior a 500 ksi. La combinación de alta resistencia y tenacidad suficiente permite utilizar con estas calidades un ángulo de ataque positivo mayor, lo que reduce las fuerzas de corte y produce virutas más finas mediante el corte en lugar del empuje del material metálico.
Mediante una rigurosa identificación de la calidad de las diversas materias primas utilizadas en la producción de polvo de carburo cementado, y un estricto control de las condiciones del proceso de sinterización para evitar la formación de granos anormalmente grandes en la microestructura del material, es posible obtener las propiedades adecuadas. Para mantener un tamaño de grano pequeño y uniforme, el polvo reciclado solo debe utilizarse si existe un control total de la materia prima y del proceso de recuperación, y si se realizan exhaustivas pruebas de calidad.
Los aceros microcristalinos se clasifican según la serie M del sistema de clasificación ISO. Además, los demás métodos de clasificación en el sistema C y el sistema ISO son los mismos que para los aceros puros. Los aceros microcristalinos son ideales para fabricar herramientas que cortan materiales blandos, ya que permiten un mecanizado muy liso de la superficie y un filo extremadamente afilado.
Las calidades microcristalinas también se pueden utilizar para mecanizar superaleaciones de níquel, ya que soportan temperaturas de corte de hasta 1200 °C. Para el procesamiento de superaleaciones y otros materiales especiales, el uso de herramientas de calidad microcristalina y herramientas de calidad pura que contienen rutenio mejora simultáneamente su resistencia al desgaste, a la deformación y su tenacidad. Las calidades microcristalinas también son adecuadas para la fabricación de herramientas rotativas, como brocas que generan esfuerzos cortantes. Existe una broca fabricada con calidades compuestas de carburo cementado. En ciertas partes de la misma broca, el contenido de cobalto varía, optimizando así su dureza y tenacidad según las necesidades de mecanizado.
(3) Grados de carburo cementado de tipo aleación
Estas calidades se utilizan principalmente para el mecanizado de piezas de acero. Su contenido de cobalto suele ser del 5 % al 10 %, y el tamaño de grano oscila entre 0,8 y 2 μm. Al añadir entre un 4 % y un 25 % de carburo de titanio (TiC), se reduce la tendencia del carburo de tungsteno (WC) a difundirse hacia la superficie de las virutas de acero. La resistencia de la herramienta, la resistencia al desgaste por cráter y la resistencia al choque térmico mejoran al añadir hasta un 25 % de carburo de tantalio (TaC) y carburo de niobio (NbC). La adición de estos carburos cúbicos también aumenta la dureza en caliente de la herramienta, lo que ayuda a evitar la deformación térmica durante mecanizados intensivos u otras operaciones en las que el filo de corte genere altas temperaturas. Además, el carburo de titanio proporciona sitios de nucleación durante la sinterización, mejorando la uniformidad de la distribución del carburo cúbico en la pieza de trabajo.
En general, la dureza de las aleaciones de carburo cementado oscila entre HRA91 y HRA94, y su resistencia a la fractura transversal se sitúa entre 150 y 300 ksi. En comparación con las aleaciones puras, las aleaciones presentan menor resistencia al desgaste y menor resistencia mecánica, pero mayor resistencia al desgaste adhesivo. Las aleaciones se dividen en C5-C8 según el sistema de clasificación C, y se clasifican según las series P y M en el sistema de clasificación ISO. Las aleaciones con propiedades intermedias se clasifican como de uso general (como C6 o P30) y se emplean para torneado, roscado, cepillado y fresado. Las aleaciones más duras se clasifican como de acabado (como C8 y P01) para operaciones de torneado y mandrinado de acabado. Estas aleaciones suelen tener un tamaño de grano menor y un menor contenido de cobalto para obtener la dureza y la resistencia al desgaste requeridas. Sin embargo, se pueden obtener propiedades similares añadiendo más carburos cúbicos. Las aleaciones con mayor tenacidad se clasifican como de desbaste (por ejemplo, C5 o P50). Estas calidades suelen tener un tamaño de grano medio y un alto contenido de cobalto, con bajas adiciones de carburos cúbicos para lograr la tenacidad deseada al inhibir la propagación de grietas. En operaciones de torneado interrumpido, el rendimiento de corte puede mejorarse aún más utilizando las calidades ricas en cobalto mencionadas anteriormente, con un mayor contenido de cobalto en la superficie de la herramienta.
Las aleaciones con menor contenido de carburo de titanio se utilizan para mecanizar acero inoxidable y hierro maleable, aunque también pueden emplearse para mecanizar metales no ferrosos como las superaleaciones de níquel. El tamaño de grano de estas aleaciones suele ser inferior a 1 μm y el contenido de cobalto oscila entre el 8 % y el 12 %. Las aleaciones más duras, como la M10, se emplean para el torneado de hierro maleable; las más tenaces, como la M40, para el fresado y cepillado de acero, o para el torneado de acero inoxidable o superaleaciones.
Las aleaciones de carburo cementado también se emplean para el mecanizado de materiales no metálicos, principalmente para la fabricación de piezas resistentes al desgaste. El tamaño de partícula de estas aleaciones suele ser de 1,2 a 2 μm, y el contenido de cobalto, del 7 % al 10 %. En su producción, se suele añadir un alto porcentaje de materia prima reciclada, lo que resulta en una alta rentabilidad para aplicaciones en piezas de desgaste. Estas piezas requieren una buena resistencia a la corrosión y una elevada dureza, características que se consiguen mediante la adición de carburo de níquel y cromo durante su fabricación.
Para satisfacer las necesidades técnicas y económicas de los fabricantes de herramientas, el polvo de carburo es fundamental. Los polvos diseñados para los equipos de mecanizado y los parámetros de proceso de los fabricantes de herramientas garantizan el rendimiento de la pieza terminada y han dado lugar a cientos de grados de carburo. La reciclabilidad de los materiales de carburo y la posibilidad de trabajar directamente con los proveedores de polvo permiten a los fabricantes de herramientas controlar eficazmente la calidad de sus productos y los costes de los materiales.
Fecha de publicación: 18 de octubre de 2022
