Implantación iónica para matrices y herramientas de corte de acero para herramientas
La implantación iónica introduce nitrógeno en la capa más externa de una herramienta terminada sin aplicar un recubrimiento sobre ella. Los iones cargados se aceleran a alta energía dentro del acero en alto vacío y se detienen entre 0,25 y 25 nm (2,5 a 250 Å) por debajo de la superficie, por lo que el tratamiento cambia la composición de la propia superficie. No se añade nada sobre la herramienta, lo que significa que no hay recubrimiento que se desprenda ni acumulación en el filo que haya que compensar. La tabla de esta página muestra el cambio de vida medido para herramientas, matrices, moldes y rodillos implantados, pieza por pieza y energía por energía.
Qué le hace el proceso al acero
Se forma un haz de iones cargados del elemento elegido y se acelera hacia la superficie de la herramienta, que se mantiene en alto vacío. Los iones penetran en el sólido y se detienen dentro de los primeros nanómetros. La fuente es explícita en que este no es un proceso de recubrimiento. No hay una capa discreta sobre el acero, solo una alteración de la composición química cerca de la superficie, por lo que el tratamiento no cambia las dimensiones de la herramienta ni crea una interfaz que pueda fallar. El elemento que más se implanta en el acero para herramientas es el nitrógeno, y la propiedad que se busca mejorar es el desgaste adhesivo y por deslizamiento. También se han implantado titanio y carbono en herramientas de estampado y de corte, y ambos mejoraron la vida útil.
Resultados de vida de herramienta para utillaje implantado
La Tabla 6 reúne los resultados de la fuente en mecanizado, roscado, corte, conformado, moldeo y laminación. El mayor multiplicador de la tabla corresponde a un macho de roscar. Un macho de roscar HSS que cortaba acero 4140 multiplicó por 10 la vida del macho sin tratar cuando se implantó nitrógeno a 50 keV, y el mismo acero de macho multiplicó por 3 a 80 keV sobre la misma pieza. Las matrices y los moldes se sitúan en la parte media del intervalo, con una matriz de conformado D2 sobre acero inoxidable 321 con 2 veces la vida, una matriz D6 que conforma dióxido de titanio y caucho con 6 veces, y un molde D2 que moldea polímeros con 5 veces. Un rodillo H13 en servicio de laminación multiplicó por 5 su vida original.
| Parte | Material de la pieza | Proceso | Material de trabajo | Ion | Energía, keV | Beneficio |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Insertos de herramienta | Acero para herramientas con recubrimiento de TiN | Machining | 4140 | N | 80 | 3× la vida |
| Machos de roscar | HSS | Roscado | 4140 | N | 80 | 3× la vida |
| HSS | Roscado | 4130 | N | 80 | 5× la vida | |
| HSS | Roscado | 4140 | N | 50 | 10× la vida | |
| M35 | Roscado | . . . | N2 | 200 | 4× la vida | |
| M7 | Roscado | . . . | N | 100 | 2× la vida | |
| Cuchilla de corte | M2 | Corte | 1050 | N | 100 | 2× la vida |
| M2 | Corte | SAE 950 | N | 100 | 4× la vida | |
| Matrices | D2 | Conformado | 321 SS | N | 80 | 2× la vida |
| M2 | Conformado | Acero | N | 100 | 2-12× la vida | |
| M2 | Conformado | 1020 | N | 100 | Efecto despreciable | |
| D6 | Conformado | TiO2 y caucho | N | 100 | 6× la vida | |
| Moldes | D2 | Conformado | Polímeros | N | 50 | 5× la vida |
| Rodillos | H13 | Laminación | Acero | N | 100 | 5× la vida |
Fuente, Tabla 6 de Surface Engineering of Specialty Steels, en ASM Handbook Volume 5, Surface Engineering.
La fila sin ganancia
Una fila de la Tabla 6 reporta un efecto despreciable, una matriz M2 que conforma acero 1020 a 100 keV. El contraste dentro de la misma tabla es útil. El mismo acero de matriz M2 conformando una pieza diferente a la misma energía, y en un caso con una dispersión de 2 a 12 veces la vida, muestra que el resultado sigue al mecanismo de desgaste en la superficie de la herramienta y no solo al acero para herramientas. La implantación está dirigida al desgaste adhesivo y por deslizamiento. Una matriz que falla por desportillado, agrietamiento o fatiga térmica falla por una razón diferente, y una capa superficial implantada no responde a esa falla.
Qué asumen los números
Cada fila proviene de un laboratorio o taller de producción diferente con su propia geometría de herramienta, acabado superficial, máquina y datos de corte, por lo que los multiplicadores no son aditivos ni constituyen una clasificación de los aceros para herramientas entre sí. Del mecanismo se derivan dos puntos prácticos. El proceso es una operación de vacío en línea de visión, por lo que las caras que se desgastan son las caras que deben exponerse al haz de iones. El efecto también reside en los nanómetros más externos, por lo que el rectificado o pulido posterior al tratamiento elimina la capa implantada junto con el metal. Eso sitúa el tratamiento al final de la ruta de la herramienta, sobre la geometría terminada.
Fuente: ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1994.