Recubrimientos PVD y CVD sobre aceros para herramientas

Por qué la temperatura de revenido decide el proceso

Un recubrimiento solo ayuda si el acero que está debajo conserva la dureza por la que se compró la herramienta. El CVD es un proceso de alta temperatura, por lo que en cualquier acero para herramientas queda por encima de la temperatura de revenido, y la herramienta debe revenirse una segunda vez después de aplicar el recubrimiento. Ese segundo revenido debe elegirse de modo que no ablande el sustrato mientras acondiciona el recubrimiento. El PVD funciona al contrario. Deposita a temperaturas lo suficientemente bajas como para que una herramienta de acero rápido totalmente endurecida conserve su dureza durante el ciclo, que es la razón por la que el PVD se convirtió en la ruta de recubrimiento predeterminada para fresas, brocas, machos y fresas madre.

Deposición química en fase vapor

El CVD se realiza en una cámara de vacío y forma el recubrimiento a partir de un gas que reacciona en la superficie de la herramienta. El cromo, el óxido de aluminio, el carburo de titanio, el carburo de cromo, el nitruro de hierro y el nitruro de titanio se han utilizado como materiales de recubrimiento. La temperatura del proceso suele ser superior a 800 °C (1472 °F). El TiC y el TiN son los dos recubrimientos resistentes al desgaste de uso común en aceros rápidos, para trabajo en frío y para trabajo en caliente, y el espesor de recubrimiento con el que se depositan va de 2 a 20 µm (0.0001 a 0.001 in.). El mecanismo de desgaste que un recubrimiento CVD contrarresta es la abrasión, mediante su dureza. La fuente añade una advertencia de proceso. El contenido de cloro del recubrimiento debe mantenerse por debajo del 5%, porque por encima de ese nivel la resistencia al desgaste del recubrimiento se degrada.

Los aceros para herramientas que la fuente enumera como recubiertos con CVD con éxito son los tipos AISI A, S, D, H, M y T. Los grados S de menor aleación y todos los grados W y O son difíciles o imposibles de recubrir correctamente, porque sus temperaturas de austenización son demasiado bajas para el proceso.

Deposición física en fase vapor

El PVD también funciona en una cámara de vacío, y se basa en la precipitación asistida por plasma de TiC o TiN sobre el acero para herramientas a 200 a 550 °C (400 a 1025 °F). Ese rango es lo que hace del PVD la ruta de recubrimiento para el acero rápido, ya que la temperatura del CVD llevaría la herramienta por debajo de su dureza de trabajo. El desgaste del acero para herramientas se reduce en aproximadamente la misma proporción, de 2 a 6 veces menos desgaste, ya sea que se aplique TiC o TiN por CVD o por PVD, por lo que la elección del proceso se hace por temperatura y por costo, no por resistencia al desgaste.

Dos resultados medidos en la fuente muestran cuánto de la ganancia es fricción y no dureza. Los recubrimientos de TiN sobre pasadores de H13 redujeron el coeficiente de fricción en ensayos de pasador sobre disco de 0.7 a menos de 0.2. Un ensayo de desgaste abrasivo ASTM G65-10 modificado sobre acero para herramientas D3 encontró que el desgaste en las muestras recubiertas con TiN fue entre 4 y 23% del desgaste en las muestras sin recubrir, dependiendo de la rugosidad superficial inicial de la probeta.

La condición de rugosidad superficial en una herramienta recubierta

El mismo trabajo llevó a Sundquist y sus colaboradores a una condición que los talleres pasan por alto. Un recubrimiento de TiN solo puede añadir vida útil a la herramienta cuando la rugosidad superficial de la herramienta es más fina que el espesor del recubrimiento. Una herramienta rectificada con rayas más profundas que el recubrimiento lleva el recubrimiento sobre las crestas de las marcas de rectificado con los valles desnudos, y el recubrimiento se desgasta o se desprende primero de las crestas. Rectificar y pulir la herramienta a un acabado más fino antes del recubrimiento es lo que convierte el recubrimiento en vida útil de la herramienta, y es la razón por la que dos herramientas idénticas de dos talleres pueden mostrar ganancias muy diferentes con el mismo recubrimiento.

Vida útil de herramientas de corte recubiertas con PVD

La Tabla 5 da las piezas de trabajo mecanizadas antes del reafilado para un conjunto de herramientas de acero rápido, cada una ejecutada sin recubrir y luego recubierta. La ganancia es mayor donde el material de la pieza de trabajo es más difícil de cortar. Una fresa de mango M7 cortando aluminio 6061-T6 pasó de 166 piezas a 1500, un macho cortando acero 1050 a 30 a 33 HRC pasó de 60 a 70 piezas a 750 a 800 piezas, y una inserto de brochado cortando acero inoxidable tipo 303 pasó de 100,000 piezas a 300,000. Dos herramientas de la tabla llevan un recubrimiento distinto de TiN. La herramienta de forma T15 que corta acero 1045 está recubierta con TiC, y la herramienta de tronzar M2 que corta acero de bajo carbono está recubierta con una combinación de TiC-TiN.

Fuente, Tabla 5 de Surface Engineering of Specialty Steels, en ASM Handbook Volume 5, Surface Engineering.

Qué asumen los números

Cada fila es la práctica del taller o laboratorio que la proporcionó a la fuente, por lo que las piezas por herramienta son un punto de referencia y no una garantía. La velocidad de corte, el avance, el refrigerante, la rigidez de la máquina y el estado del material de la pieza influyen en el recuento. Una herramienta recubierta también tiene un costo que una herramienta sin recubrir no tiene. Cada reafilado elimina el recubrimiento del filo de corte, por lo que la herramienta debe recubrirse de nuevo para mantener la ganancia de vida, y eso debe incluirse en el costo de la herramienta antes de hacer el cambio. Use la tabla como evidencia de que el recubrimiento es rentable en los materiales de pieza difíciles, y luego establezca los datos de corte en una primera pieza.

Fuente: ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1994.