El carburo es el tipo de material más utilizado para herramientas de mecanizado de alta velocidad (HSM). Se produce mediante procesos de pulvimetalurgia y está compuesto por partículas de carburo duro (generalmente carburo de tungsteno WC) y una composición de aglutinante metálico más blando. Actualmente, existen cientos de carburos cementados basados en WC con diferentes composiciones, la mayoría de los cuales utilizan cobalto (Co) como aglutinante, níquel (Ni) y cromo (Cr) como elementos aglutinantes comunes, y también se pueden añadir otros elementos de aleación. ¿Por qué existen tantos grados de carburo? ¿Cómo eligen los fabricantes de herramientas el material adecuado para una operación de corte específica? Para responder a estas preguntas, veamos primero las diversas propiedades que hacen del carburo cementado 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 inherentemente 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 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 aglutinantes metálicos para unir el carburo de tungsteno, de modo que este material tiene una dureza muy superior a la del acero de alta velocidad, a la vez que soporta la mayoría de las operaciones de corte. Además, puede soportar las altas temperaturas de corte causadas por el mecanizado de 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, es el alto módulo elástico del material WC-Co (una medida de rigidez que es aproximadamente tres veces mayor que la del acero de alta velocidad a temperatura ambiente) lo que proporciona el sustrato indeformable para el recubrimiento. La matriz de WC-Co también proporciona la tenacidad necesaria. Estas propiedades son las básicas de los materiales WC-Co, pero también pueden personalizarse ajustando la composición y la microestructura del material al producir 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 carburación de polvo de tungsteno (W). Las características del polvo de carburo de tungsteno (especialmente su tamaño de partícula) dependen principalmente del tamaño de partícula de la materia prima, así como de la temperatura y el tiempo de carburación. El control químico también es crucial, y el contenido de carbono debe mantenerse constante (cerca del 6,13 % en peso). Se puede añadir una pequeña cantidad de vanadio o cromo antes del tratamiento de carburación para controlar el tamaño de partícula del polvo en los procesos posteriores. Las diferentes condiciones de proceso posteriores y los distintos usos del procesamiento final requieren una combinación específica de tamaño de partícula de carburo de tungsteno, contenido de carbono, vanadio y cromo, lo que permite producir diversos polvos de carburo de tungsteno. Por ejemplo, ATI Alldyne, fabricante de polvo de carburo de tungsteno, produce 23 grados estándar de polvo de carburo de tungsteno, y las variedades de polvo de carburo de tungsteno, personalizadas según las necesidades del usuario, pueden alcanzar más de 5 veces la de los grados estándar de polvo de carburo de tungsteno.
Al mezclar y moler polvo de carburo de tungsteno y aglutinante 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% (relación en peso), y si se necesita mejorar la resistencia a la corrosión de la herramienta, es necesario añadir níquel y cromo. Además, el aglutinante metálico se puede mejorar aún más añadiendo otros componentes de aleación. Por ejemplo, añadir rutenio al carburo cementado WC-Co puede mejorar significativamente su tenacidad sin reducir su dureza. Aumentar el contenido de aglutinante también puede mejorar la tenacidad del carburo cementado, pero reducirá su dureza.
Reducir el tamaño de las partículas de carburo de tungsteno puede aumentar la dureza del material, pero el tamaño de partícula debe mantenerse 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 completamente denso, el enlace metálico se vuelve líquido (denominado 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 tántalo (TaC) y el carburo de niobio (NbC). Estos carburos metálicos suelen añadirse al mezclar y moler el polvo de carburo de tungsteno con un enlace metálico, aunque también se pueden formar carburo de vanadio y carburo de cromo al carburizar el polvo de carburo de tungsteno.
El polvo de carburo de tungsteno también se puede producir utilizando materiales reciclados de carburo cementado de desecho. El reciclaje y la reutilización de carburo de desecho tienen una larga trayectoria en la industria del carburo cementado y constituyen una parte importante de toda la cadena económica del sector, ya que contribuyen a reducir los costos de material, ahorrar recursos naturales y evitar la generación de residuos. Eliminación peligrosa. El carburo cementado de desecho generalmente se puede reutilizar mediante el proceso APT (paratungstato de amonio), el proceso de recuperación de zinc o mediante trituración. Estos polvos de carburo de tungsteno "reciclados" generalmente presentan una densificación mejor y más predecible gracias a su menor área superficial que los polvos de carburo de tungsteno fabricados directamente mediante el proceso de carburación de tungsteno.
Las condiciones de procesamiento de la molienda mixta de polvo de carburo de tungsteno y aglutinante metálico también son parámetros cruciales del proceso. Las dos técnicas de molienda más utilizadas son la molienda de bolas y la micromolienda. Ambos procesos permiten una mezcla uniforme de los polvos molidos y un tamaño de partícula reducido. Para que la pieza prensada tenga la resistencia suficiente, mantenga su forma y permita al operador o manipulador manipularla, suele ser necesario añadir un aglutinante orgánico durante la molienda. La composición química de este aglutinante puede afectar la densidad y la resistencia de la pieza prensada. Para facilitar la manipulación, se recomienda añadir aglutinantes de alta resistencia, pero esto reduce la densidad de compactación y puede producir grumos que pueden causar defectos en el producto final.
Tras la molienda, el polvo suele secarse por aspersión para producir aglomerados fluidos unidos por aglutinantes orgánicos. Ajustando la composición del aglutinante orgánico, se puede ajustar la fluidez y la densidad de carga de estos aglomerados según se desee. Al tamizar partículas más gruesas o más finas, se puede ajustar aún más la distribución del tamaño de partícula del aglomerado para garantizar una buena fluidez al introducirlo en la cavidad del molde.
Fabricación de piezas de trabajo
Las piezas de carburo se pueden moldear mediante diversos métodos de proceso. Dependiendo del tamaño de la pieza, la complejidad de la forma y el lote de producción, la mayoría de los insertos de corte se moldean utilizando matrices rígidas de presión superior e inferior. Para mantener la consistencia 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 por la distribución del tamaño de los aglomerados y las propiedades del aglutinante orgánico. Las piezas moldeadas (o "piezas brutas") se moldean aplicando una presión de moldeo de 10-80 ksi (kilo libras por pie cuadrado) al polvo cargado en la cavidad del molde.
Incluso bajo presiones de moldeo extremadamente altas, las partículas duras de carburo de tungsteno no se deforman ni se rompen, pero el aglutinante orgánico se presiona en los espacios entre ellas, fijando así su posición. A mayor presión, mayor es la unión entre 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, 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 construir 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 la herramienta.
Las piezas de carburo de gran tamaño o con relaciones de aspecto elevadas (como los mangos de fresas y brocas) suelen fabricarse 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 método de moldeo, el coste de fabricación de la herramienta es menor, por lo que este método es más adecuado para la producción de lotes pequeños.
Este método consiste en introducir el polvo en una bolsa, sellar su boca y, a continuación, colocar la bolsa llena de polvo en una cámara, aplicando una presión de 30-60 ksi mediante un dispositivo hidráulico para prensarla. Las piezas prensadas suelen mecanizarse con geometrías específicas antes de la sinterización. El tamaño de la bolsa se amplía para compensar la contracción de la pieza durante la compactación y proporcionar un margen suficiente para las operaciones de rectificado. Dado que la pieza debe procesarse después del prensado, los requisitos de consistencia de la carga no son tan estrictos como los del método de moldeo, pero es conveniente asegurar que se cargue la misma cantidad de polvo en la bolsa cada vez. Si la densidad de carga del polvo es demasiado baja, puede resultar en una cantidad insuficiente de polvo en la bolsa, lo que resultará en que la pieza sea demasiado pequeña y deba desecharse. Si la densidad de carga del polvo es demasiado alta y se carga demasiado polvo en la bolsa, la pieza debe procesarse para eliminar más polvo después del prensado. Si bien el exceso de polvo retirado y las piezas desechadas se pueden reciclar, hacerlo reduce la productividad.
Las piezas de carburo también se pueden moldear mediante matrices de extrusión o inyección. El proceso de moldeo por extrusión es más adecuado para la producción en masa de piezas con formas axisimétricas, mientras que el proceso de moldeo por inyección se suele utilizar para la producción en masa de piezas con formas complejas. En ambos procesos de moldeo, se suspenden grados de polvo de carburo cementado en un aglutinante orgánico que le confiere una consistencia similar a la de una pasta de dientes. Posteriormente, el compuesto se extruye a través de un orificio o se inyecta en una cavidad para su moldeado. Las características del grado de polvo de carburo cementado determinan la proporción óptima de polvo y aglutinante en la mezcla e influyen significativamente en su fluidez a través del orificio de extrusión o la inyección en la cavidad.
Tras el moldeado de 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, haciéndola completamente (o sustancialmente) densa. Durante la sinterización, el aglutinante metálico de la pieza prensada se vuelve líquido, pero esta 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 las dimensiones se reducen. Para obtener el tamaño de pieza requerido tras la sinterización, es necesario considerar la tasa de contracción al diseñar la herramienta. El grado de polvo de carburo utilizado para fabricar cada herramienta debe diseñarse para que tenga 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 rectificado de su geometría y dimensiones después de la sinterización. Algunas requieren rectificado superior e inferior; otras, rectificado periférico (con o sin afilado del filo). Todas las virutas de carburo resultantes del rectificado pueden reciclarse.
Recubrimiento de piezas de trabajo
En muchos casos, la pieza terminada requiere un recubrimiento. Este recubrimiento proporciona lubricidad y mayor dureza, además de una barrera de difusión al sustrato, previniendo la oxidación al exponerse a altas temperaturas. El sustrato de carburo cementado es fundamental para el rendimiento del recubrimiento. Además de adaptar las propiedades principales del polvo de matriz, las propiedades superficiales de la matriz también pueden ajustarse mediante la selección química y la modificación del método de sinterización. Mediante la migración de cobalto, se puede enriquecer más cobalto en la capa más externa de la superficie de la cuchilla, con un espesor de 20-30 μm, en comparación con el resto de la pieza, lo que proporciona 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 desparafinado, la velocidad de calentamiento, el tiempo de sinterización, la temperatura y el voltaje de cementación), el fabricante de herramientas puede tener requisitos especiales para la calidad del polvo de carburo cementado utilizado. Algunos fabricantes de herramientas pueden sinterizar la pieza en un horno de vacío, mientras que otros utilizan un horno de sinterización de prensado isostático en caliente (HIP) (que presuriza la pieza cerca del final del ciclo de proceso para eliminar cualquier residuo). Las piezas sinterizadas en un horno de vacío también pueden requerir un prensado isostático en caliente mediante un proceso adicional para aumentar su densidad. Algunos fabricantes de herramientas pueden utilizar temperaturas de sinterización al vacío más altas para aumentar la densidad de sinterización de mezclas con menor contenido de cobalto, pero este método puede engrosar su microestructura. Para mantener un tamaño de grano fino, se pueden seleccionar polvos de carburo de tungsteno con un tamaño de partícula más pequeño. Para adaptarse al equipo de producción específico, las condiciones de desparafinado y el voltaje de cementación también tienen diferentes requisitos para el contenido de carbono del polvo de carburo cementado.
Clasificación de grados
Los cambios en la combinación de diferentes tipos de polvo de carburo de tungsteno, la composición de la mezcla y el contenido de aglutinante metálico, el tipo y la cantidad de inhibidor de crecimiento de grano, etc., constituyen una variedad de grados de carburo cementado. Estos parámetros determinan la microestructura del carburo cementado y sus propiedades. Algunas combinaciones específicas de propiedades se han convertido en la prioridad para ciertas aplicaciones de procesamiento, lo que justifica la clasificación de los diversos grados de carburo cementado.
Los dos sistemas de clasificación de carburo más utilizados para aplicaciones de mecanizado son el sistema de designación C y el sistema de designación ISO. Si bien ninguno de estos sistemas refleja completamente las propiedades del material que influyen en la elección de los grados de carburo cementado, ofrecen un punto de partida para el debate. Para cada clasificación, muchos fabricantes tienen sus propios grados especiales, lo que resulta en una amplia variedad de grados de carburo.
Los grados de carburo también se pueden clasificar por composición. Los grados de carburo de tungsteno (WC) se pueden dividir en tres tipos básicos: simple, microcristalino y aleado. Los grados simplex consisten principalmente en carburo de tungsteno y aglutinantes de cobalto, pero también pueden contener pequeñas cantidades de inhibidores del crecimiento de grano. El grado microcristalino está compuesto de carburo de tungsteno y aglutinante de cobalto añadido con 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 de aleación están compuestos de carburo de tungsteno y aglutinantes de cobalto que contienen un pequeño porcentaje de carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC) y carburo de niobio (NbC). Estas adiciones también se conocen como carburos cúbicos debido a sus propiedades de sinterización. La microestructura resultante exhibe una estructura trifásica no homogénea.
1) Grados de carburo simples
Estos grados para corte de metal suelen contener entre un 3 % y un 12 % de cobalto (en peso). El rango de tamaño de los granos de carburo de tungsteno suele estar entre 1 y 8 μm. Al igual que con otros grados, la reducción del tamaño de partícula del carburo de tungsteno aumenta su dureza y resistencia a la rotura transversal (TRS), pero reduce su tenacidad. La dureza del tipo puro suele estar entre HRA89 y 93,5; la resistencia a la rotura transversal suele estar entre 175 y 350 ksi. Los polvos de estos grados pueden contener grandes cantidades de materiales reciclados.
Las calidades de tipo simple se dividen en C1-C4 en el sistema de calidades C y se clasifican según las series de calidades K, N, S y H en el sistema de calidades ISO. Las calidades simplex con propiedades intermedias se clasifican como calidades de uso general (como C2 o K20) y se pueden utilizar para torneado, fresado, cepillado y mandrinado; las calidades con menor tamaño de grano o menor contenido de cobalto y mayor dureza se clasifican como calidades de acabado (como C4 o K01); las calidades con mayor tamaño de grano o mayor contenido de cobalto y mayor tenacidad se clasifican como calidades de desbaste (como C1 o K30).
Las herramientas fabricadas con grados Simplex se pueden utilizar para el mecanizado de fundición, acero inoxidable de las series 200 y 300, aluminio y otros metales no ferrosos, superaleaciones y aceros endurecidos. Estos grados también se pueden utilizar en aplicaciones de corte no metálico (por ejemplo, como herramientas de perforación geológica y de rocas), y tienen un rango de tamaño de grano de 1,5 a 10 μm (o superior) y un contenido de cobalto del 6 % al 16 %. Otro uso de los grados de carburo simple en el corte no metálico 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
Estos grados suelen contener entre un 6 % y un 15 % de cobalto. Durante la sinterización en fase líquida, la adición de carburo de vanadio o carburo de cromo permite controlar el crecimiento del grano para obtener una estructura de grano fino con un tamaño de partícula inferior a 1 μm. Este grado de grano fino presenta una dureza muy alta y resistencias a la rotura transversal superiores a 500 ksi. La combinación de alta resistencia y suficiente tenacidad permite que estos grados utilicen un ángulo de ataque positivo mayor, lo que reduce las fuerzas de corte y produce virutas más delgadas al cortar el metal en lugar de empujarlo.
Mediante una rigurosa identificación de la calidad de las diversas materias primas en la producción de grados de polvo de carburo cementado y un riguroso control de las condiciones del proceso de sinterización para evitar la formación de granos anormalmente grandes en la microestructura del material, es posible obtener propiedades adecuadas. Para mantener el tamaño de grano pequeño y uniforme, el polvo reciclado solo debe utilizarse si se controla completamente la materia prima y el proceso de recuperación, y se realizan rigurosas pruebas de calidad.
Los grados microcristalinos se clasifican según la serie de grados M del sistema de grados ISO. Además, los demás métodos de clasificación, tanto en el sistema de grados C como en el sistema de grados ISO, son los mismos que para los grados puros. Los grados microcristalinos se pueden utilizar para fabricar herramientas que cortan materiales de pieza más blandos, ya que su superficie se puede mecanizar con gran suavidad y mantiene un filo extremadamente afilado.
Los grados microcristalinos también se pueden utilizar para mecanizar superaleaciones a base 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 grado microcristalino y de grado puro con rutenio puede mejorar simultáneamente su resistencia al desgaste, la resistencia a la deformación y la tenacidad. Los grados microcristalinos también son adecuados para la fabricación de herramientas rotativas, como brocas que generan esfuerzo cortante. Existe una broca fabricada con grados compuestos de carburo cementado. En partes específicas de la misma broca, el contenido de cobalto del material varía, de modo que la dureza y la tenacidad de la broca se optimizan según las necesidades de procesamiento.
(3) Grados de carburo cementado de tipo aleación
Estos grados se utilizan principalmente para cortar piezas de acero, y su contenido de cobalto suele ser del 5%-10%, y el tamaño de grano varía de 0,8-2 μm. Al agregar 4%-25% de carburo de titanio (TiC), se puede reducir la tendencia del carburo de tungsteno (WC) a difundirse a la superficie de las virutas de acero. La resistencia de la herramienta, la resistencia al desgaste por cráter y la resistencia al choque térmico se pueden mejorar agregando hasta un 25% de carburo de tántalo (TaC) y carburo de niobio (NbC). La adición de estos carburos cúbicos también aumenta la dureza roja de la herramienta, lo que ayuda a evitar la deformación térmica de la herramienta en cortes pesados u otras operaciones donde el filo generará altas temperaturas. Además, el carburo de titanio puede proporcionar sitios de nucleación durante la sinterización, mejorando la uniformidad de la distribución del carburo cúbico en la pieza de trabajo.
En general, el rango de dureza de los grados de carburo cementado de tipo aleación es HRA91-94, y la resistencia a la fractura transversal es de 150-300 ksi. En comparación con los grados puros, los grados de aleación presentan una resistencia al desgaste y una fuerza menores, pero una mejor resistencia al desgaste adhesivo. Los grados de aleación se dividen en C5-C8 en el sistema de grados C y se clasifican según las series de grados P y M en el sistema de grados ISO. Los grados de aleación con propiedades intermedias se clasifican como grados de uso general (como C6 o P30) y se pueden utilizar para torneado, roscado, cepillado y fresado. Los grados más duros se clasifican como grados de acabado (como C8 y P01) para operaciones de torneado y mandrinado de acabado. Estos grados suelen tener tamaños de grano más pequeños y un menor contenido de cobalto para obtener la dureza y la resistencia al desgaste requeridas. Sin embargo, se pueden obtener propiedades de material similares añadiendo más carburos cúbicos. Los grados con la mayor tenacidad se clasifican como grados de desbaste (por ejemplo, C5 o P50). Estos grados suelen tener un tamaño de grano medio y un alto contenido de cobalto, con bajas adiciones de carburos cúbicos para lograr la tenacidad deseada inhibiendo el crecimiento de grietas. En operaciones de torneado interrumpido, el rendimiento de corte puede mejorarse aún más utilizando los grados ricos en cobalto mencionados anteriormente con mayor contenido de cobalto en la superficie de la herramienta.
Los grados de aleación con menor contenido de carburo de titanio se utilizan para el mecanizado de acero inoxidable y hierro maleable, pero también pueden emplearse para el mecanizado de metales no ferrosos, como las superaleaciones a base de níquel. El tamaño de grano de estos grados suele ser inferior a 1 μm y el contenido de cobalto oscila entre el 8 % y el 12 %. Los grados más duros, como el M10, pueden emplearse para el torneado de hierro maleable; los grados más tenaces, como el M40, pueden emplearse para el fresado y cepillado de acero, o para el torneado de acero inoxidable o superaleaciones.
Los grados de carburo cementado de tipo aleación también se pueden utilizar para el corte de otros metales, principalmente en la fabricación de piezas resistentes al desgaste. El tamaño de partícula de estos grados suele ser de 1,2-2 μm, y el contenido de cobalto es del 7% al 10%. En su producción, se suele añadir un alto porcentaje de materia prima reciclada, lo que resulta en una alta rentabilidad en aplicaciones de piezas de desgaste. Las piezas de desgaste requieren buena resistencia a la corrosión y alta dureza, que se pueden obtener añadiendo carburo de níquel y cromo en su producción.
Para satisfacer las necesidades técnicas y económicas de los fabricantes de herramientas, el polvo de carburo es clave. 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 calidades de carburo. La naturaleza reciclable 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 material.
Hora de publicación: 18 de octubre de 2022
