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Materiales de herramientas
Carburos metálicos especiales

• Carburos de grano micrométrico o mejorados
  – Partículas de dimensiones menores a una micra
  – Resistencia transversal cerca del doble de los carburos
    normales, dureza comparable (inferior). Gracias a esto se
    pueden usar grandes ángulos de incidencia y
    desprendimiento
  – Se recomiendan cuando el desgaste es muy grande en
    aceros rápidos y cuando los carburos normales son
    sobredimensionados y/o no son lo suficientemente
    resistentes (además de ser frágiles)
• Carburos “fundidos” (cast carbide)

  – Matriz ligante refractaria con una dispersión de
    carburos
  – Compuestos de 20% Ti, 58% W, 22% C
  – Elevada resistencia y dureza en caliente
  – Adecuados para desbastes de aleaciones o aceros
    inoxidables a altas velocidades de corte
  – Resistencia al desgaste por difusión mejorada,
    pero no son recomendables para mecanizar
    fundición y superaleaciones porque se desgastan
    por fatiga (fragilidad).
Carburos metálicos recubiertos


• Se deposita termoquímicamente por vapor un
  recubrimiento sobre la herramienta. La unión
  es muy resistente
• Usualmente las capas son de óxidos, nitruros
  o carburos de Ti, W y Al
• La dureza es muy elevada y se reduce el el
  rozamiento, así son muy resistentes al
  desgaste
1




Estas características de los carburos recubiertos permiten elevadas
velocidades de corte, hasta 50% más que los convencionales y su
duración puede llegar a ser hasta 3 veces mayor.
1


• Uno de los problemas de
  tener varias capas es la
  diferencia de elasticidad
  y dilatación térmica de
  las diferentes capas.
  Esto se ha resuelto
  creando zonas de
  difusión, haciendo que la
  variación sea progresiva
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Insertos (pastillas) de
carburos metálicos




                              Algunas herramientas con recubrimientos
Materiales Cerámicos
• Alrededor de 1954
  aparecieron los
  primeros materiales
  cerámicos para
  herramientas. (en
  forma de plaquitas)
• Se clasifican en 2 tipos:
   – Los Cermets
   – Los óxidos sinterizados
• Se caracterizan por su optima calidad en especial en
  condiciones alta velocidad de corte.
• No se pueden emplear con eficacia en máquinas
  herramientas de baja potencia. Se necesitan máquinas
  muy rígidas y de gran potencia para aprovechar la
  resistencia al calor y dureza de estos materiales.
• Así mismo son químicamente inertes y soportan altas
  temperaturas de trabajo sin perder su dureza.
• La misma dureza que caracteriza a las herramientas
  cerámicas las hace mas frágiles que los carburos y que
  otros materiales.
• La conductividad térmica es muy baja lo que restringe las
  profundidades de corte en este tipo de herramientas.
• Tienden a fallar por fatiga en un costado de la herramienta
  mostrando un cráter o hendidura.
Los Cermets
 – Son materiales sinterizados, constituidos por un
   componente no metálico ( óxidos, silicatos,
   carburo de silicio, carburo de boro). Y
   componentes metálicos de alto punto de fusión
   ( Mo, Cr, V).
 – Los cermets comúnmente utilizados en
   herramientas se obtienen por la sinterización del
   oxido de aluminio (Al2O3) junto con el carburo de
   Molibdeno (Mo2C) y el carburo de vanadio (VC).
 – El porcentaje de carburos metálicos oscila entre el
   5-40%
• El aglomerante es níquel-cobalto y también se usan
  partículas base de TiC, TiCN, TiN.
• Buena resistencia al desgaste y formación de
  cráteres, alta estabilidad química y dureza en
  caliente.
• Baja tendencia a la oxidación y a la formación del
  filo aportado. Son de gran dureza y resistencia a la
  abrasión.
• Frágiles y poco tenaces
• Los cermets se aplican mejor a aquellos materiales
  que producen una viruta dúctil, aceros y las
  fundiciones dúctiles.
Óxidos Sinterizados
• Se usa una Alumina casi pura sinterizada (99,5%
  Al2O3). Con pequeñas cantidades de (SiO2) y (Cr2O3).
• La materia prima es un polvo fino de alumina con un
  tamaño de grano ≈ (1μm)
• Las plaquitas son producidas ya sea por prensado en
  frió o en caliente a 40-50 ksi. Y luego se sinteriza a
  una temperatura entre los 1600 y 1700oC.
• Es posible comprimir y sinterizar simultáneamente
  en caliente.
• Los insertos de cerámica prensados en
  caliente se sintetizan estando a presión, y son
  más densos.
• Es posible usar una mezcla de 90% de AL2O3 y
  agregarle oxidos de hierro, titanio y cromo
  para aumentar la dureza de la herramienta.
• También hay herramientas cerámicas que
  usan el nitruro de silicio (Si3N4) como
  componente principal.
Características de los Óxidos Sinterizados

• Baja conductividad térmica.
   – Calentamiento uniforme del filo
   – Transferencia de calor a traves de la viruta.
• El coeficiente de rozamiento en menor al de los
  carburos sinterizados por lo que no hay filo
  aportado.
• Las elevadas velocidades de corte y las elevadas
  temperaturas alcanzadas en la viruta proporcionan
  un óptimo acabado superficial.
• La resistencia a la
  compresión de las
  herramientas de cerámica
  es muy alta.
• Por lo que es bastante
  frágil.
• El mango de soporte debe
  explotar las ventajas de las
  herramientas cerámicas. Y
  debe evitar los principales
  problemas.
• Los mangos deben permitir un buen apoyo de la
  palanquita y un voladizo mínimo para que no se
  presenten deformaciones por flexión.
• Las fuerzas de compresión deben ser uniformemente
  distribuidas para evitar tensiones superficiales.
• El rompe virutas debe ser postizo en carburo de
  tungsteno para facilitar la salida de la viruta.
• Los ángulos deben ser escogidos cuidadosamente, la
  experiencia dice que el ángulo de desprendimiento
  debe ser cercano a 0o y el de incidencia cercano a
  10º.
• Las herramientas cerámicas se han utilizado
  para mecanizar materiales que aunque no son
  muy resistentes, ejercen intensa acción de
  desgaste (abrasión) sobre la herramienta.
  – Materias Plásticas
  – Grafito
  – Metales
  – Aleaciones no ferrosas
Nitruro de boro cúbico
• Soporte de carburo con una fina capa o un
  pequeño inserto de nitruro de boro cúbico
• Segundo material más duro conocido. Es
  frágil, pero poco reactivo y tiene una elevada
  estabilidad térmica (>1000ºC)
• Permite altas velocidades de corte en
  aleaciones muy duras, como las de níquel
5
                        4




Herramientas de nitruro de boro cúbico
Diamantes Naturales
• Es el material mas duro que se conoce.
• Se dividen en:
      • Diamantes Negros
      • Diamantes Blancos
• Los diamantes negros no tienen planos de
  exfoliación, Se usan para el rectificado y revivado de
  muelas.
• Los diamantes blancos son aglomerados de cistales
  blanquecinos. Se utilizan tanto para el rectificado de
  muelas como para procedimientos de torneado.
• Los diamantes blancos se usan para acabados
  de gran precisión sobre metales blandos,
  aleaciones ligeras y aleaciones del cobre.
  También se usa en el corte de vidrios.
• El filo de mantiene durante largo tiempo, y
  logra el corte de sobre metal mínimo (hasta
  0,005mm) con tolerancias del orden de
  milésimas de milímetro
Aplicaciones del Diamante.
• Torneado y mandrilado de precisión sobre
      • Aleaciones de aluminio, bronce
      • Metal antifricción
      • Materias plásticas
• Diamantes para reavivar muelas simples y múltiples
• Muelas diamantadas: (Abrasivo constituido por polvo
  de diamante)
• Hileras: producción de alambres metálicos
• Los polvos de diamantes también se usan en bruñido
  y lapeado de precisión.
• Los soportes deben ser muy rígidos y no debe
  haber vibraciones.
• El diamante se une a la herramienta por
  medio de soldadura de bronce o latón o por
  sujeción metálica con una interposición de
  una lamina de metal blando.
Diamantes Sinterizados Policristalinos
• Formados a partir de polvo de diamantes por compresión y
  sinterización a una presión de 700-800 daN/mm2 y a
  temperaturas de 2000 oC.
• Los diamantes policristalinos sirven para el el mecanizado de:
       •   Aleaciones no ferrosas de aluminio y cobre
       •   Plásticos
       •   Grafito
       •   Carburos
       •   Cerámicos. Etc.
• La velocidad de corte puede ser aumentada entre 2,5 y 3,5
  veces la velocidad de los metales duros.
• No pueden mecanizar aleaciones de titanio, níquel o hierro
  debido a fenómenos de difusión entre la herramienta y al
  pieza.
Conclusión sobre la selección de
           materiales de herramientas.
• No existe la herramienta que tenga una superioridad neta
  sobre las demás.
• Se deben considerar las condiciones especificas de corte al
  momento de seleccionar el material.

   –   Velocidad de Corte
   –   Avance
   –   Material a Mecanizar
   –   Tipo de mecanizado (continuo, intermitente, con choques etc.)
   –   La maquina herramienta (potencia de la maquina)

• En general, lo que se busca es minimizar los costos de la
  operación de mecanizado, así hay que encontrar un material
  para herramientas que tenga un compromiso entre las
  diferentes propiedades
Bibliografía
• 1 , 7– Tomado de Micheletti G.F, Mecanizado por arranque
  de viruta – Ed Blume, Barcelona 1980
• 2 – Tomado de www.hartmetallschrott.de/gfx7.jpg vistada
  el 12/03/07
• 3 – Tomado de www.tomahawktoolservice.com vistada el
  12/03/07
• 4 - Tomado de www.kompetenznetze.de vistada el 12/03/07
• 5 - Tomado de http://www.sumitomo-hardmetal.co.uk/
  vistada el 12/03/07
  5,6 Tomado de Ashby, Michael F. Materials and design : the
  art and science of material selection in product design. PDF
  appendix C

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Cerámicos y diamantes

  • 2. Carburos metálicos especiales • Carburos de grano micrométrico o mejorados – Partículas de dimensiones menores a una micra – Resistencia transversal cerca del doble de los carburos normales, dureza comparable (inferior). Gracias a esto se pueden usar grandes ángulos de incidencia y desprendimiento – Se recomiendan cuando el desgaste es muy grande en aceros rápidos y cuando los carburos normales son sobredimensionados y/o no son lo suficientemente resistentes (además de ser frágiles)
  • 3. • Carburos “fundidos” (cast carbide) – Matriz ligante refractaria con una dispersión de carburos – Compuestos de 20% Ti, 58% W, 22% C – Elevada resistencia y dureza en caliente – Adecuados para desbastes de aleaciones o aceros inoxidables a altas velocidades de corte – Resistencia al desgaste por difusión mejorada, pero no son recomendables para mecanizar fundición y superaleaciones porque se desgastan por fatiga (fragilidad).
  • 4. Carburos metálicos recubiertos • Se deposita termoquímicamente por vapor un recubrimiento sobre la herramienta. La unión es muy resistente • Usualmente las capas son de óxidos, nitruros o carburos de Ti, W y Al • La dureza es muy elevada y se reduce el el rozamiento, así son muy resistentes al desgaste
  • 5. 1 Estas características de los carburos recubiertos permiten elevadas velocidades de corte, hasta 50% más que los convencionales y su duración puede llegar a ser hasta 3 veces mayor.
  • 6. 1 • Uno de los problemas de tener varias capas es la diferencia de elasticidad y dilatación térmica de las diferentes capas. Esto se ha resuelto creando zonas de difusión, haciendo que la variación sea progresiva
  • 7. 2 3 Insertos (pastillas) de carburos metálicos Algunas herramientas con recubrimientos
  • 8. Materiales Cerámicos • Alrededor de 1954 aparecieron los primeros materiales cerámicos para herramientas. (en forma de plaquitas) • Se clasifican en 2 tipos: – Los Cermets – Los óxidos sinterizados
  • 9. • Se caracterizan por su optima calidad en especial en condiciones alta velocidad de corte. • No se pueden emplear con eficacia en máquinas herramientas de baja potencia. Se necesitan máquinas muy rígidas y de gran potencia para aprovechar la resistencia al calor y dureza de estos materiales. • Así mismo son químicamente inertes y soportan altas temperaturas de trabajo sin perder su dureza. • La misma dureza que caracteriza a las herramientas cerámicas las hace mas frágiles que los carburos y que otros materiales. • La conductividad térmica es muy baja lo que restringe las profundidades de corte en este tipo de herramientas. • Tienden a fallar por fatiga en un costado de la herramienta mostrando un cráter o hendidura.
  • 10. Los Cermets – Son materiales sinterizados, constituidos por un componente no metálico ( óxidos, silicatos, carburo de silicio, carburo de boro). Y componentes metálicos de alto punto de fusión ( Mo, Cr, V). – Los cermets comúnmente utilizados en herramientas se obtienen por la sinterización del oxido de aluminio (Al2O3) junto con el carburo de Molibdeno (Mo2C) y el carburo de vanadio (VC). – El porcentaje de carburos metálicos oscila entre el 5-40%
  • 11. • El aglomerante es níquel-cobalto y también se usan partículas base de TiC, TiCN, TiN. • Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidad química y dureza en caliente. • Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo aportado. Son de gran dureza y resistencia a la abrasión. • Frágiles y poco tenaces • Los cermets se aplican mejor a aquellos materiales que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles.
  • 12. Óxidos Sinterizados • Se usa una Alumina casi pura sinterizada (99,5% Al2O3). Con pequeñas cantidades de (SiO2) y (Cr2O3). • La materia prima es un polvo fino de alumina con un tamaño de grano ≈ (1μm) • Las plaquitas son producidas ya sea por prensado en frió o en caliente a 40-50 ksi. Y luego se sinteriza a una temperatura entre los 1600 y 1700oC. • Es posible comprimir y sinterizar simultáneamente en caliente.
  • 13. • Los insertos de cerámica prensados en caliente se sintetizan estando a presión, y son más densos. • Es posible usar una mezcla de 90% de AL2O3 y agregarle oxidos de hierro, titanio y cromo para aumentar la dureza de la herramienta. • También hay herramientas cerámicas que usan el nitruro de silicio (Si3N4) como componente principal.
  • 14. Características de los Óxidos Sinterizados • Baja conductividad térmica. – Calentamiento uniforme del filo – Transferencia de calor a traves de la viruta. • El coeficiente de rozamiento en menor al de los carburos sinterizados por lo que no hay filo aportado. • Las elevadas velocidades de corte y las elevadas temperaturas alcanzadas en la viruta proporcionan un óptimo acabado superficial.
  • 15. • La resistencia a la compresión de las herramientas de cerámica es muy alta. • Por lo que es bastante frágil. • El mango de soporte debe explotar las ventajas de las herramientas cerámicas. Y debe evitar los principales problemas.
  • 16. • Los mangos deben permitir un buen apoyo de la palanquita y un voladizo mínimo para que no se presenten deformaciones por flexión. • Las fuerzas de compresión deben ser uniformemente distribuidas para evitar tensiones superficiales. • El rompe virutas debe ser postizo en carburo de tungsteno para facilitar la salida de la viruta. • Los ángulos deben ser escogidos cuidadosamente, la experiencia dice que el ángulo de desprendimiento debe ser cercano a 0o y el de incidencia cercano a 10º.
  • 17. • Las herramientas cerámicas se han utilizado para mecanizar materiales que aunque no son muy resistentes, ejercen intensa acción de desgaste (abrasión) sobre la herramienta. – Materias Plásticas – Grafito – Metales – Aleaciones no ferrosas
  • 18. Nitruro de boro cúbico • Soporte de carburo con una fina capa o un pequeño inserto de nitruro de boro cúbico • Segundo material más duro conocido. Es frágil, pero poco reactivo y tiene una elevada estabilidad térmica (>1000ºC) • Permite altas velocidades de corte en aleaciones muy duras, como las de níquel
  • 19. 5 4 Herramientas de nitruro de boro cúbico
  • 20. Diamantes Naturales • Es el material mas duro que se conoce. • Se dividen en: • Diamantes Negros • Diamantes Blancos • Los diamantes negros no tienen planos de exfoliación, Se usan para el rectificado y revivado de muelas. • Los diamantes blancos son aglomerados de cistales blanquecinos. Se utilizan tanto para el rectificado de muelas como para procedimientos de torneado.
  • 21. • Los diamantes blancos se usan para acabados de gran precisión sobre metales blandos, aleaciones ligeras y aleaciones del cobre. También se usa en el corte de vidrios. • El filo de mantiene durante largo tiempo, y logra el corte de sobre metal mínimo (hasta 0,005mm) con tolerancias del orden de milésimas de milímetro
  • 22. Aplicaciones del Diamante. • Torneado y mandrilado de precisión sobre • Aleaciones de aluminio, bronce • Metal antifricción • Materias plásticas • Diamantes para reavivar muelas simples y múltiples • Muelas diamantadas: (Abrasivo constituido por polvo de diamante) • Hileras: producción de alambres metálicos • Los polvos de diamantes también se usan en bruñido y lapeado de precisión.
  • 23. • Los soportes deben ser muy rígidos y no debe haber vibraciones. • El diamante se une a la herramienta por medio de soldadura de bronce o latón o por sujeción metálica con una interposición de una lamina de metal blando.
  • 24. Diamantes Sinterizados Policristalinos • Formados a partir de polvo de diamantes por compresión y sinterización a una presión de 700-800 daN/mm2 y a temperaturas de 2000 oC. • Los diamantes policristalinos sirven para el el mecanizado de: • Aleaciones no ferrosas de aluminio y cobre • Plásticos • Grafito • Carburos • Cerámicos. Etc. • La velocidad de corte puede ser aumentada entre 2,5 y 3,5 veces la velocidad de los metales duros. • No pueden mecanizar aleaciones de titanio, níquel o hierro debido a fenómenos de difusión entre la herramienta y al pieza.
  • 25. Conclusión sobre la selección de materiales de herramientas. • No existe la herramienta que tenga una superioridad neta sobre las demás. • Se deben considerar las condiciones especificas de corte al momento de seleccionar el material. – Velocidad de Corte – Avance – Material a Mecanizar – Tipo de mecanizado (continuo, intermitente, con choques etc.) – La maquina herramienta (potencia de la maquina) • En general, lo que se busca es minimizar los costos de la operación de mecanizado, así hay que encontrar un material para herramientas que tenga un compromiso entre las diferentes propiedades
  • 26. Bibliografía • 1 , 7– Tomado de Micheletti G.F, Mecanizado por arranque de viruta – Ed Blume, Barcelona 1980 • 2 – Tomado de www.hartmetallschrott.de/gfx7.jpg vistada el 12/03/07 • 3 – Tomado de www.tomahawktoolservice.com vistada el 12/03/07 • 4 - Tomado de www.kompetenznetze.de vistada el 12/03/07 • 5 - Tomado de http://www.sumitomo-hardmetal.co.uk/ vistada el 12/03/07 5,6 Tomado de Ashby, Michael F. Materials and design : the art and science of material selection in product design. PDF appendix C