12. materiales para...

12. Materiales para 12. Materiales para herramientasherramientas

Contenido1. Materiales de herramientas2. Materiales de piezas3. Maquinabilidad

Finalidad de las herramientasFinalidad de las herramientas

•

Eliminar el exceso de material

en forma de viruta.•

Arrollar

las

virutas

para una evacuación correcta.

•

Disipar el calor

generado en el proceso.

•

Coste

adecuado a las prestaciones de la herramienta.

CaracterCaracteríísticas de los materiales para herramienta sticas de los materiales para herramienta

Las propiedades de los materiales de las herramientas necesarias

para el mecanizado, son:

–

Dureza

en frío–

Dureza

en caliente

–

Tenacidad–

Resistencia

al desgaste

–

Estabilidad química–

Coeficiente de rozamiento

–

Propiedades térmicas–

Coste

PropiedadesPropiedades

•

Dureza.–

La dureza está

relacionada

con la deformación

y el desgaste

de la herramienta.

–

La dureza de la herramienta debe ser mayor

que la del material a mecanizar.–

La dureza en frío

es la correspondiente a rangos de temperatura por debajo del ablandamiento del material.

•

Para aceros ≈

200º

C

–

La dureza en caliente

es más importante en velocidades elevadas. La cerámica puede seguir mecanizando estando “al rojo”


•

Tenacidad–

Es la capacidad de resistencia a impactos

y a presiones alternativas

en el filo.

–

En procesos con corte interrumpido, con vibraciones o materiales de la pieza poco homogéneos

es recomendable sacrificar dureza

en beneficio de la tenacidad.

–

La tenacidad puede incrementarse con un montaje adecuado

del elemento de corte.

•

Resistencia al desgaste–

La resistencia al desgaste

debe ser de la zona superficial

de la herramienta.–

La dureza mejora

el desgaste

en la superficie de desprendimiento.–

Se mejora con

la utilización de recubrimientos.


•

Rozamiento.–

Debe ser lo más bajo

como sea posible para reducir las fuerzas

de corte y el calentamiento

de la herramienta.

•

Propiedades térmicas.–

La conductividad térmica y el calor específico deben ser altos para conseguir una buena evacuación del calor

generado en el filo.–

El calor

del filo se evacua por el soporte

de la herramienta.–

El coeficiente de dilatación térmica

influye en las variaciones de la geometría de la herramienta.

•

Coste.–

Los incrementos en coste deben compensarse con la mayor capacidad de producción de las herramientas.

SelecciSeleccióón de material de la herramientan de material de la herramienta

•

Todas las propiedades

no se han simultáneamente

en un mismo material, la importancia relativa de cada una de ellas, depende de la aplicación:

–

Tipo de operación

(corte continuo-discontinuo, desbaste, acabado, rigidez, etc)

–

Tipo de herramienta

(ángulos, fijación, etc.)–

Tipo de máquina

(estado, rigidez, potencia,etc)–

Material

de la pieza (dureza, estructura, aleación, etc.)–

Volumen de

producción.

•

Los materiales básicos

usados en el filo de la herramienta son:

–

Aceros aleados (aceros rápidos)

–

Aleaciones fundidas (no ferrosas)

–

Carburos metálicos (metal duro)

–

Cermet

(cerámicas metálicas)

–

Óxidos (cerámicas)

–

Nitruros

–

Diamantes

•

Existen otros materiales usados como recubrimientos

y aleantes

de los anteriores.

Materiales para herramientasMateriales para herramientas

Dur

eza

Aceros aleados (aceros rAceros aleados (aceros ráápidos)pidos)

•

La denominación de aceros rápidos se debe a Taylor.•

Corresponde al grupo de aceros especiales (aceros para herramientas (antiguos F551 a F554).

•

Poseen una gran tenacidad y la dureza la mantienen en un rango reducido.

Aceros aleados (aceros rAceros aleados (aceros ráápidos)pidos)

•

Como aleantes

utilizan W, Cr

y V con una composición típica 18–4–1 y Mo

y Co:

–

Cr

aumenta la templabilidad

y la resistencia la desgaste.–

Mo

aumenta la dureza en caliente.–

V aumenta la dureza en caliente y afina el grano.–

W afina el grano y la dureza en caliente.–

Co aumenta la resistencia en caliente.

•

Según el aleante

dominante se pueden clasificar en acero rápido al tungsteno, al molibdeno o al cobalto.

Aceros rAceros ráápidos recubiertospidos recubiertos•

Los recubrimientos más típicos son los de NTi.

•

Los procesos de deposición física (PVD) son más adecuados que los de deposición química (CVD), al realizarse a menor temperatura (500º) y no afectar a la estructura metalúrgica.

•

No es posible realizar reafilados•

El desgaste de los aceros recubiertos es del orden de la mitad de los aceros rápidos sin recubrir.

•

Es un puente entre los aceros rápidos y el metal duro.

Carburos metCarburos metáálicos (metal duro)licos (metal duro)

•

Se obtiene a partir del carburo de tungsteno WC (finales siglo XIX).

•

Se empieza a sinterizar desde 1923 añadiendo Co como aglomerante.

•

La difusión del Co en el acero se elimina con la incorporación de carburos de titanio, tántalo y otros.

•

Las principales ventajas respecto del acero rápido, son:•

Elevada dureza en un amplio rango de temperaturas•

Mayor rigidez E ~ 3 E acero•

Tensión de fluencia•

Menor coeficiente de dilatación•

Mayor resistencia a la corrosión y al desgaste

•

Al menos el 80% de las plaquitas de corteson de metal duro debido a un buenequilibrio entre resistencia al desgastey tenacidad

ComposiciComposicióón de los metales durosn de los metales duros

Otros componentes de los metales duros

•

TiC•

TaC•

NbC

Características de los componentes

OxidaciónDifusiónDureza en caliente

Fase dura con mayor estabilidad térmica. Mejora la

Carburos metCarburos metáálicos (metal duro)licos (metal duro)

•

Las propiedades finales de las herramientas de metal duro dependen, fundamentalmente, de:

–

La composición–

El tamaño del grano de las partículas–

El recubrimiento

•

Aplicación de capas superficiales muy delgadas de materiales muy duros sobre el núcleo de la herramienta.

•

Al final de los 60 se inicia el recubrimiento del metal duro con

TiC

(CVD).•

Los recubrimientos tienen como finalidad mejorar:

–

El desgaste por adhesión y difusión –

Reducir el rozamiento

•

El metal duro recubierto supone más del 80% en el torneado y 60% en el fresado.

Metal duro recubiertoMetal duro recubierto

Mayor duración de la herramienta

CVD PVD

•

TiN: Mejora la resistencia al desgaste y su rozamiento bajo reduce el filo recrecido.

•

TiCN: Desgaste por abrasión y mejora la resistencia en la superficie de incidencia

•

Al2

O3

: Baja conductividad térmica y buena resistencia térmica, mejora la resistencia a la formación de cráteres y la deformación plástica.


•

Procesos para recubrimientos de herramientas de metal duro:•

CVD: Deposición Química en fase de Vapor a 700º

÷

1000º

consigue buena adherencia con el sustrato.

•

PVD: Deposición Física en fase de Vapor a 400º

÷

600º-

•

Los procesos de recubrimiento dan lugar a espesores de capa distintos. Con PVD se consiguen radios de filo más reducidos.


CVD PVD

CermetCermet

•

Se obtiene sinterizando carburo de titanio con Ni como aglomerante.•

Su obtención se inició

en 1929.

•

También pueden incluir carbonitruros

de titanio y nitruros

de titanio y recientemente se ha incorporado como aglomerante el molibdeno y a veces cobalto.

•

Se pueden considerar metales duros pero con otros componentes.•

Su consumo supone el 30% de los materiales usados en tornado de acabado.

•

Composición:

CermetCermet

•

Características.–

Se suelen comparar con las del metal duro. El TiC

es más duro que WC.•

Mayor resistencia al desgaste por abrasión, por lo tanto menor desgaste en el flanco (mayor precisión).

–

El TiC

es más resistente al calor por lo que su deformación plástica a altas velocidades es menor.

–

Mayor estabilidad química. Los compuestos de Ti son más estables con la temperatura:

•

Menor desgaste por mella menor (oxidación).•

Mayor resistencia al desgaste en la superficie de desprendimiento (cráter)

•

Actualmente–

Ti(CN) en el nucleo

resistencia al desgaste.–

(Ti,Nb,W)(C,N), segunda fase: resistencia deformación plástica.–

Co, aglomerante: mejora la tenacidad.

CermetCermet

•

Los cermet

recubiertos pueden mejorar algunas de su características negativas.

•

Campo de aplicación:–

Torneado de piezas con tolerancias estrechas–

Torneado de piezas con buen acabado superficial, debido:•

Mayor resistencia a la abrasión.•

Menor tendencia al filo aportado.•

Menor desgaste químico por oxidación.–

Materiales a mecanizar: aceros, aceros inoxidables, fundición gris y nodular.–

Operaciones de torneado:•

Acabados con ap

= 0,05 –

1,5•

a = 0,001 –

0,35

CerCeráámicas (micas (óóxidos de aluminio)xidos de aluminio)

•

Se sinteriza en 1938 y se inicia su utilización en herramientas en 1954.

•

Las más utilizadas son:–

Al2

O3

al 99,5% (y ZrO2): cerámica blanca–

Al2

O3

(90%) + óxidos de Cr, Fe y Ti: Cerámica marrón•

Mejor resistencia a la fatiga térmica al ser mejor conductor del calor

CerCeráámicas (micas (óóxidos de aluminio)xidos de aluminio)

•

Las características más importantes son:–

Alto punto punto de fusión–

Gran dureza–

Estabilidad química elevada–

Baja dilatación térmica –

Mayor fragilidad–

Baja conductividad térmica

•

Aplicaciones:

CerCeráámicas (micas (SiSi33

NN44

))

•

Es una cerámica con Si3

N4

como principal componente.•

Tiene más dureza y resistencia a alta temperatura que la cerámica convencional.

•

Buena conductividad térmica y baja dilatación térmica

CerCeráámicas (micas (SiSi33

NN44

))

Nitruro de BoroNitruro de Boro

•

Se introduce industrialmente en 1972.•

El nitruro de boro cúbico policristalino se sinteriza a muy alta presión y temperatura.

•

Propiedades–

La dureza del NBC cercana y solo superada por el diamante.–

Estabilidad térmica–

No reactivo a ninguna temperatura con otros metales


•

Características:–

Por debajo de 1000º

es más duro que los carburos metálicos

–

Gran resistencia al desgaste–

Mecaniza materiales duros (45 -

68 HRc)–

Puede mecanizar aceros templados eliminando posteriores operaciones de rectificado.

–

Elevada capacidad de volumen de arranque–

Puede mecanizar de forma continua por encima de 1000º


•

Aplicaciones:–

Acabado de materiales tratados–

Torneado y fresado de aceros cementados (HRc

58-62)–

Torneado y fresado de fundición de hierro gris–

Mecanizado de piezas de hierro sinterizadas–

Mecanizado a alta velocidad de aleaciones resistentes alta temperatura

ComparaciComparacióón diamanten diamante

•

Comparación entre acero rápido, metal duro y diamante en una operación de taladrado.

DiamantesDiamantes

•

Pueden ser naturales (falta de homogeneidad):–

Blancos–

Negros

•

Artificiales:–

Sinterizados como los NBC

•

Sus características:–

Máxima dureza–

Bajo coeficiente de dilatación–

Alta conductividad térmica–

Bajo rozamiento–

Gran fragilidad

DiamantesDiamantes

•

Se aplican para:–

Operaciones de buen acabado y con elevada precisión de materiales blandos.–

Para mecanizado de materiales muy duros: cerámica, cerámicas presinterizadas, carburos metálicos.

–

Mecanizado interrumpido de aleaciones de aluminio.–

Mecanizado de materiales blandos: cobre, bronce, cauchos duros, carbón, grafito, aluminios, plásticos.

–

Afilado de muelas.

ComparaciComparacióón de caractern de caracteríísticassticas

Diamante Nitruro boro

Cerámica recubierta

Cerámica

Cermet

Metal duro

Acero rápido

Velo

cida

d de

cor

te

Avance

Materiales de piezas.Materiales de piezas. MaquinabilidadMaquinabilidad

ClasificaciClasificacióón de los materialesn de los materiales

•

Los materiales para piezas

se clasifican en grupos según su facilidad para ser mecanizados. La norma ISO los clasifica en 6 grupos

identificados con una letra y un color.•

Los materiales que pertenecen a cada grupo ISO pueden tener composición y características mecánicas ser muy distintas pero tienen un comportamiento semejante al ser mecanizados.

P

M

K

N

S

P

Aceros

Aceros inoxidables

Fundiciones

Metales ligeros: Aluminio, cobre, latón, etc

Aleaciones termoresistentes

Aceros y fundiciones muy duros

•

La propiedad que expresa la facilidad

de un material para ser mecanizado se denomina maquinabilidad.

•

La maquinabilidad

de los materiales depende:–

Dureza–

Dureza superficial–

Composición–

Endurecimiento por deformación–

Disipación de energía–

Estructura metalúrgica–

Etc•

Algunos fabricantes subdividen los grupos

de materiales ISO en varios

niveles de subgrupos, como por ejemplo:

ClasificaciClasificacióón de los materiales IIn de los materiales II

Ejem: Alumnio

Ejem: Si ≤

1%

Ejem: Sinterizado

Ejem: sin tratar

Composición del material

Proceso de obtención de la preforma

Tratamiento

Material

Grupo ISO PGrupo ISO P

•

Materiales •

Aceros no aleados

hasta aceros muy aleados.•

Acero fundido•

Aceros inoxidables ferrítico

y martensítico

•

Maquinabilidad

–

En general tienen una buena

maquinabilidad–

EI C

influye en la dureza. A mayor dureza se produce un desgaste por abrasión. Un bajo contenido en carbono <0.2% contribuye a la aparición de filo de aportación

y a mala rotura de la viruta por lo que aumenta el desgaste por adhesión.

–

Cr, Mo, W, V,Ti, Nb, forman carburos y por lo tanto incrementan el desgaste por abrasión.

–

El O

forma incrustaciones no metálicas, oxidantes y abrasivas.–

Al, Ti, V, Nb

se utílizan

como tratamiento de grano fino para acero; hacen que el acero sea más tenaz y más difícil de mecanizar .

–

P, C, N

en la ferrita reducen la ductilidad y por ello se incrementa el

desgaste por adherencia.

–

El Pb

disminuye la fricción entre viruta y herramienta, reduce

el desgaste y mejora la rotura de la viruta.


•

Maquinabilidad

(cont)

–

Ca, Mn

(+S)

forman sulfuros blandos de efecto lubricante. Un alto contenido de S mejora

la maquinabilidad

y la rotura de la viruta.–

En aceros no aleados

tienen tendencia a generar filo de aportación

para reducir esta tendencia se elevan las velocidades de corte y se utilizan filos y/o geometrías agudas, con cara de desprendimiento positiva y recubrimientos delgados.

–

La maquinabilidad

de aceros

aleados

se reduce

con la cantidad de aleantes

y la dureza–

Para durezas altas

se necesita buena resistencia al calor para soportar la deformación plástica.

Grupo ISO MGrupo ISO M

•

Materiales –

Acero inoxidable austenítico–

Acero inoxidable

dúplex (contiene ferrlta

y austenita)–

Los aceros inoxidables ferríticos

y martensíticos

se mecanizan como los aceros por lo que están en el grupo P

•

Maquinabilidad

–

El endurecimiento

por deformación produce superficies y virutas duras, que a su vez provocan desgaste en entalladura. También crean adherencia y filo de aportación

–

La austenita

produce virutas largas, continuas y tenaces, que resultan difíciles

de romper. Al añadir S

se mejora la maquinabilidad, pero se reduce la resistencia a la corrosión.

–

Un mayor contenido de ferrita en los aceros duplex

mejora la maquinabilidad. Al mecanizar se producen virutas resistentes, que pueden provocar martillado y crear fuerzas de corte elevadas.

–

Se genera mucho calor

durante el

mecanizado y esto puede provocar deformación plástica

y un excesivo desgaste en cráter.

Grupo ISO MGrupo ISO M

Grupo ISO KGrupo ISO K

•

Materiales–

Fundición gris–

Fundición maleable–

Fundición nodular–

Fundición de grafito compactado

(CGI)–

Fundición dúctil austemperizada

(ADI)

•

Maquinabilidad

–

Material de viruta corta

con buen control de la misma en la mayor parte de condiciones. –

Al mecanizar a velocidades superiores, especialmente en fundición con incrustaciones de arena, se crea desgaste por abrasión.

–

La fundición se suele mecanizar con plaquitas negativas, ya que presentan filos robustos y aplicaciones seguras.

–

Cromo, molibdeno y

vanadio

forman carburos, que incrementan resistencia y dureza, pero reducen

la maquinabilidad.–

La fundición se suele mecanizar sin refrigerante, pero también se puede utilizar

lubricante, sobre todo para mantener al mínimo la contaminación del polvo de carbono y hierro...

–

La influencia de la dureza

en la maquinabilidad

de fundiciones sigue las mismas reglas que para el resto de materiales.


•

Maquinabilidad

(cont)

–

Las fundiciones ADI

(dúctil austemperizada), las CGI

(grafito compactado), y las NCI (nodular), tienen durezas inferiores a 300-400 HB, y por lo tanto se mecanizan peor

que las fundiciones MCI y GCI, que presentan un valor medio de 200-250 HB.

–

La fundición blanca

puede alcanzar una dureza superior a 500 HB (cementita) y es muy abrasiva

y difícil de mecanizar.

Grupo ISO NGrupo ISO N

•

Materiales–

Aleaciones de

aluminio–

Aleaciones de magnesio–

Aleaciones de cobre (bronce, latón)–

Aleaciones de

zinc

•

Maquinabilidad

–

Material de viruta larga–

Control de viruta relativamente fácil, si está

aleado–

Las fuerzas

de corte y la potencia requerida en la máquina son bajas.–

Las aleaciones de alumnio

se pueden mecanizar con calidades de metal duro sin recubrimiento

y grano fino si el contenido de Si

es inferior al 7-8%, y con calidades de punta

PCD

para aluminio con mayor contenido de Si.–

El Al hipereutéctico

con contenido de Si > 12% es muy abrasivo.

Grupo ISO NGrupo ISO N

Grupo ISO SGrupo ISO S

•

Materiales

–

Superaleaciones termorresistentes

(HRSA) (resistentes hasta 1000º

C)•

Los elementos de aleación suelen ser–

Ni:

incrementa la resistencia a la tracción–

Co, Mo, W: incrementan la resistencia a alta temperatura.–

Cr, Si, Mn: mejoran la resistencia a la corrosión.–

C: incrementa el tamaño del grano•

Se pueden subagrupar

en:–

aleaciones de níquel–

de hierro

(desarrollado a partir de aceros inoxidables austeníticos)–

de cobalto

–

Titanio•

Las aleaciones de titanio se pueden dividir en cuatro clases, en

función de la estructura y de los elementos de aleación presentes.

–

Titanio sin tratar, comercialmente puro.–

Aleaciones alfa, con adición de Al, O o N.–

Aleaciones beta, con adición de Mb, Fe, V, Cr

o Mn.–

Aleaciones mixtas α+β

(las más utilizadas)


•

Maquinabilidad

–

Superaleaciones termorresistentes

(HRSA)

•

La maquinabilidad

disminuye

de las aleaciones de hierro, a las de niquel

y a las de cobalto.

•

Deficiente conductividad térmica y alta dureza generan altas temperaturas

durante el mecanizado por lo que las herramientas deben tener una buena resistencia a la deformación plástica.

•

La viruta que se produce durante el mecanizado es segmentada, lo que unido a la alta resistencia a alta temperatura se generan altas fuerzas de corte

dinámicas•

La alta resistencia

y endurecimiento mecánico

crean desgaste en entalladura y un gran abrasión

en la herramienta.•

En general, se deben utilizar plaquitas con ángulo de posición grande

(plaquitas redondas) y ángulos de desprendiento

positivos.

•

En torneado y fresado se pueden utilizar

calidades de cerámica, según la

aplicación.


•

Maquinabilidad

(cont)

–

Titanio•

La maquinabilidad

de las aleaciones de titanio es peor

que la de los acero

o aceros inoxidables

•

El titanio posee una baja conductividad

térmica por lo que producen altas temperaturas

en el filo de la herramienta.•

La elevada resistencia

a alta temperatura

genera altas fuerzas

de corte.•

Virutas delgadas

y muy recortadas crean un área de contacto estrecha en la cara de desprendimiento y generan fuerzas

de corte concentradas

en la proximidad del filo.•

Una velocidad

de corte demasiado alta

produce una reacción química

entre la viruta y el material de la herramienta, que puede derivar en rotura/astillamiento

de la plaquita.

•

El material de la herramienta de corte debe tener buena resistencia al calor, bajo contenido de cobalto y no reaccionar con el titanio.

•

Se suele utilizar metal duro de grano fino

sin recubrimiento.

Grupo ISO HGrupo ISO H

•

Materiales–

Aceros con durezas 48 < HRC < 68•

Por ejemplo: acero carburizado

(-60 HRc), acero para cojinetes de bolas (-60 HRc), acero para herramientas (-68 HRc), fundición blanca (-50 HRc), fundición ADI/Kymenite

(-40 HRc), acero de construcción (40 -

45 HRc), acero al Mn

y los distintos tipos de recubrimientos duros, estelita, acero P/M, metal duro

•

Maquinabilidad

–

El mecanizado de piezas de acero templado es poco frecuente

y las

operaciones que se realizan en ellas suelen ser de acabado.

–

Las

fuerzas

de corte y la potencia requerida son altas.–

El material de la herramienta debe tener buena resistencia a la deformación plástica

(resistencia al calor), estabilidad química

(a alta temperatura), resistencia

mecánica y resistencia al desgaste por abrasión.–

El metal duro

se emplea fresado y taladrado hasta aprox. 60 HRc.–

La cerámica mixta

o reforzada con filamentos para tornear, cuando la pieza tiene una dureza demasiado alta para el metal duro

–

El CBN

permite tornear en lugar de rectificar

Grupo ISO HGrupo ISO H

Ensayos de Ensayos de maquinabilidadmaquinabilidad

•

Son ensayos específicos

cuya finalidad es comparar

–

El comportamiento de un conjunto de materiales para piezas

con una herramienta determinada de referencia.

•

Existen diferentes tipos de ensayos:

–

Ensayos de maquinabilidad

de larga duración

–

Ensayos de maquinabilidad

de corta duración•

Ensayo de taladrado. Se mide la fuerza axial

de penetración en el taladrado de un agujero con avance constante.

•

Ensayo de torneado, donde se mide el desgaste en

incidencia y en desprendimiento después de un tiempo determinado

(32 min). •

Determinar la velocidad que se puede alcanzar hasta que se alcance el desgaste de la herramienta en una longitud determinada.

–

Ensayos

funcionales


funcionales Ifuncionales I

•

El índice

de maquinabilidad

está

relacionado con el número de piezas mecanizadas correctamente en 6 horas.

I = ( N / N0

) X 100

I = Índice de maquinabilidadN = piezas mecanizadas correctamenteN0

= piezas mecanizadas con el material de referencia

•

Se realizan diferentes operaciones

de mecanizado sobre una pieza probeta normalizada

con diferentes herramientas. Estas operaciones

son:–

Cilindrado–

Ranurado–

Tronzado–

Taladrado


funcionales IIfuncionales II

•

Se vigila la evolución

de las magnitudes dimensionales

y de acabado.


funcionales IIIfuncionales III

Resultados del ensayo de maquinabilidad

funcional

12. materiales para...

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