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• Junior Navarrete Torres

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RECUBRIMIENTOS DUROS OBTENIDOS POR PROCESOS C.V.D., T.R.D.D., P.V.D. Lluís Carreras. Sandra Bueno. Francesc Montalà . Departamento de Recubrimientos. Trat. Térmicos Carreras S.A. GRUPO TTC.Sabadell. Barcelona. Rafel Sitjar Departamento de Ingeniería Mecánica, EUETIT, Terrassa. Barcelona.

RESUMEN. La necesidad constante de aumentar la vida productiva de los útiles y herramientas , minimizar los tiempos de producción, costes y paros por mantenimiento, adaptación a los nuevos materiales de trabajo, exigen una mejoría de las características superficiales de los mismos. La optimización de los tratamientos superficiales y en especial la creciente aplicación de los recubrimientos C.V.D.,T.R.D.D. y P.V.D. a las herramientas, útiles, matrices y piezas en general que requieren mayores solicitaciones, han permitido conseguir resultados, considerados hasta hace unos años, impensables. El objetivo de este trabajo es informar sobre las capas que se están obteniendo en la actualidad, sus características, sus aplicaciones industriales y la correcta elección y preparación del material a recubrir. ABSTRACT. Due to the continuous evolution in industrial , processes tool manufacturers try to develop new technologies to reduce time production, minimise costs and improve the competitivity of the final product. The optimisations in surface treatments and specially hard coatings in strong working conditions tools have obtained some results impossible to imagine many years ago. This work would resume the characteristics and applications of C.V.D., T.R.D.D., P.V.D., coatings processes and the correct choice of base

materials, heat treatment and surface finishing on tools and dies. INTRODUCCION

La obtención de recubrimientos sobre útiles y herramientas ha estado en constante desarrollo en las últimas décadas. La evolución industrial en el campo de la competitividad y las mejoras de producción basados en aumentar la sin incrementar costes ha inducido el desarrollo de mejoras en las propiedades superficiales que presentaban los materiales que se estan empleando. Alcanzados los objetivos iniciales, los recubrimientos avanzan especializándose en la mejora una propiedad crítica característica de cada aplicación o tipo de solicitación. Propiedades como resistencia al desgaste, coeficiente de fricción, dureza, tenacidad, resistencia a la oxidación se combinan para obtener en cada caso el recubrimiento que mejor se adapta a las condiciones de trabajo. Un recubrimiento como factor aislado no puede garantizar la consecución de los resultados optimizados, únicamente asociado a otros factores como propiedades del material base, del tratamiento térmico, del estado y preparación su-

perficial de la pieza a recubrir conjuntamente con las del recubrimiento podrán asegurar que el rendimiento final sea el deseado. El presente trabajo pretende resumir las características principales de los recubrimientos que actualmente se realizan, así como los materiales, tratamientos y preparación superficial que mejores resultados han obtenido. La característica principal que diferencia a los principales grupos de recubrimientos para obtener capas duras finas es la temperatura. Así se distinguen los procesos a temperatura elevada, cercanas a 1000ºC (C.V.D. y T.R.D.D.), los procesos a temperaturas medias próximas a 500ºC (procesos P.V.D. y P.A.C.V.D), y los que se obtienen a baja temperatura (cromo duro, níquel químico,implantación iónica y proyecciones térmicas). Estos últimos , serían motivo de un estudio particular fuera del alcance de este trabajo. CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA RECUBIERTA. La temperatura de obtención del recubrimiento es uno de los factores condicionantes para la elección de uno u otro tipo de recubrimiento, así como las propiedades que la capa confiere a la superficie del material. La elección debe de realizarse tras el estudio detallado de una serie de consideraciones. Estas son principalmente : la elección del acero para la fabricación de la herramienta, preparación y acabado de la pieza, las

características específicas de la capa dura en función de la aplicación o solicitación de la pieza, secuencia de tratamientos térmicos anteriores o posteriores a realizar, tolerancias y distorsiones dimensionales que pueden ser aceptadas. La detallada observación de estos apartados influirán en la consecución de un óptimo rendimiento de la pieza. ELECCION DEL MATERIAL BASE. La característica principal que debe presentar el material a recubrir es la dureza o posibilidad de ser endurecido. Toda capa dura debe poder transmitir los esfuerzos que recibe al material base sin que en él se produzcan deformaciones. Si la dureza del substrato es insuficiente, la capa, dura, frágil y por lo tanto poco deformable rompe hasta desprenderse como consecuencia del hundimiento del núcleo. En el campo de los aceros, estos deben poder soportar grandes esfuerzos a compresión y por tanto deberán ser templables y obtener durezas elevadas (superiores a 60 HRC). Generalmente la familia de los aceros especiales de trabajo en frío y aceros rápidos cumplen con este requisito. Si la solicitación de la pieza es de desgaste adhesivo o abrasivo sin esfuerzos compresivos, la dureza del acero base puede ser menor y por tanto se amplía la gama de aceros con posibilidad de ser recubiertos.

ACABADO Y PREPARACION DE LA HERRAMIENTA. La pieza a recubrir se recibe completamente acabada, rectificada y pulida. Debido al pequeño espesor de las capas duras, éstas tienden a copiar la rugosidad superficial. Cuanto más fino sea el acabado, mejores coeficientes de fricción se conseguirán en la pieza recubierta, disminuyendo el riesgo de microsoldaduras tanto en frío como en caliente con el consiguiente aumento de la vida de la herramienta. Además el aspecto, color y brillo son en general más atractivos. Generalmente las matrices de conformado permiten tolerancias dimensionales del orden de décimas de milímetro. En este caso es conveniente proceder a un pulido característico en la zona de trabajo. El pulido se realiza en la etapa anterior y posterior al recubrimiento obteniendo una rugosidad final de 1 Ra. E-ste acabado permitirá un correcto deslizamiento de la chapa durante el trabajo de conformado. Las herramientas de corte no permiten variaciones en las tolerancias dimensionales ya de por sí muy ajustadas, del orden de centésimas o milésimas de milí metro. El acabado de una herramienta suele ser por rectificado o electroerosión . Ambos casos pueden producir deterioro superficial. -Las deficiencias durante la etapa de rectificado o afilado pueden decarburar la superficie creando una zona blanda, oxidada, incluso capa blanca sobre la

que el recubrimiento tendrá mala adherencia y baja consistencia para soportar esfuerzos elevados. Como resultado, se hunde y se desprende con facilidad. El rectificado con compuestos de nitruro de boro (CBN) parece ser el más adecuado para disminuir estos efectos. -El acabado por electroerosión también presenta una secuencia superficial de zonas afectadas. La primera zona (la más superficial) presenta una capa blanca decarburada por efecto de la alta temperatura del hilo. Contigua a la capa blanca se observa una zona con estructuras de fusión y temple. Gradualmente hacia el interior del metal cortado se observan zonas afectadas por el calor que se disipa por conducción creando un gradiente de temperaturas de revenido y por tanto durezas variables. Necesariamente se debe eliminar la capa blanca mediante un pulido mecánico y estabilizar termicamente las zonas templadas reviniendo a temperaturas ligeramente inferiores al último revenido realizado en el bloque de acero que se está electroerosionando. La limpieza de las piezas es muy importante, especialmente en los recubrimientos que se realizan en condiciones de alto vacío y temperatura media. La presencia de corrosión u oxidación no permite la adherencia de los compuestos recién formados. Las zonas de corrosión deben ser eliminadas mecánicamente así como zonas oxidadads por mala refrigeración en la etapa de rectificado o afilado.(Zonas quemadas).

RECUBRIMIENTOS REALIZADOS A ALTA TEMPERATURA (≈ ≈ 1000ºC). El proceso C.V.D.(Chemical Vapor Deposition) se realiza en un reactor cerrado. Previa la obtención de un grado de vacío elevado, el compuesto duro se forma a partir de un halogenuro metálico (generalmente TiCl4 para recubrimientos de titanio) y la introducción de gases reactivos, amoníaco en el caso de formación de nitruros y un hidrocarburo en el caso de formación de carburos. Transcurrido el tiempo necesario para conseguir el espesor de capa deseada, las piezas se enfrían en el reactor hasta temperatura de descarga. Posteriormente y bajo condiciones de vacío para evitar la oxidación de los compuestos formados, se procede al temple y revenido si el substrato es un acero. Los compuestos más generalmente obtenidos por CVD son TiC, TiCN y TiN, así como SiC, Al2O3, BC... En el campo de la deformación ,la combinación de multicapas de los compuestos de titanio son las más utilizadas. El proceso TRDD (Termoreactive Deposition and Difusion) se realiza en baño de sales fundidas donde está presente el óxido del metal a implantar, un agente reductor y bórax como sustento del baño. El carbono del propio acero se combina con el metal reducido para formar el carburo correspondiente. Los compuestos que se obtienen por el método TRDD suelen ser carburos de vanadio, niobio, cromo, tantalio y combinaciones de varios metales. En el campo de la deformación las capas más solicitadas

son las de carburo dúplex de vanadioniobio. Compuesto Color (V,Nb) C VC TiC-TiN TiC-TiCN TiC-BC

Gris Plata Gris-Negro Dorado Azul-Violeta Gris Oscuro

Coef. Fricción 0.3 0.5 0,5 0.6 0.6

Dureza (GPa) 39.5 36.5 38.8-25 38,8-32 38-65

Temp. De Oxidación (ºC) 600 450 400 300 700

Tabla 1. Recubrimientos más comunes obtenidos por los procesos C.V.D. y T.R.D.D. y sus propiedades físicas.

TRATAMIENTOS TERMICOS A QUE DEBE SOMETERSE LA HERRAMIENTA A RECUBRIR MEDIANTE PROCESOS C.V.D. Y T.R.D.D. Las piezas a tratar por procesos a alta temperatura (CVD,TRDD) deben estar en estado de recocido. La alta temperatura a que se realiza el recubrimiento, no permite mantener las características de dureza que pudiera presentar la pieza por un anterior tratamiento de temple. En este caso, es aconsejado un recocido de regeneración anterior a la fase de recubrimiento. Tras obtener el espesor de capa deseada se procede al enfriamiento lento de las piezas en el reactor (CVD) o a temple y revenido inmediatamente después de finalizar la etapa de recubrimiento (TRDD). En cualquier caso los tratamientos de temple y revenido posteriores deben realizarse en instalaciones de vacío para evitar la oxidación de las capas de recubrimiento obtenidas. Las posibles variaciones dimensionales producidas durante el temple,

pueden ser compensadas reviniendo la pieza en la zona de temperaturas en las que el material presenta endurecimiento secundario (debido al aumento de volumen por precipitación de carburos). APLICACIONES DE RECUBRIMIENTOS REALIZADOS A ALTA TEMPERATURA. Es conocida la relación directa entre la adherencia de la capa dura y la temperatura de formación de la misma. Los fenómenos de difusión entre el substrato y los compuestos duros que se forman en su superficie provocan una adherencia muy superior a la obtenida en los procesos a baja temperatura. Así pues bajo esfuerzos de cizallamiento, la capa dura obtenida difícilmente se desprende del acero. Para trabajos de conformado, extrusión en frío o caliente, forja y embutición el recubrimiento aconsejado es a alta temperatura. A continuación se presentan algunos ejemplos de los recubrimientos que han conseguido solucionar los problemas de los útiles y aumentar la producción satisfactoriamente .

• Recubrimiento : TiC-TiN, TiC-TiCNTiN, (Nb,V)C • Espesor : 8 micras Matrices de conformado y/o embutición profunda de chapa de acero inoxidable y aluminio. • Material : Acero de trabajo en frío. (F520 A, F-5227, F-5229) • Dureza : 62-58 HRC • Recubrimiento : (Nb,V) C, VC. • Espesor : 8 micras. Matrices de extrusión en caliente, extrusión de aluminio. • Material : Acero de trabajo en caliente. F-5317, F-5318, F-5313. • Dureza : 52-48 HRC (revenido a 550ºC-580ºC)

Matriz de conformado de chapa de acero (industria del automóvil)

• Recubrimiento : (Nb,V) C, Nb C. • Espesor : 6-8 micras.

• Material : Acero de trabajo en frío. (F-520 A, F-5227, F-5229) • Dureza : 62-58 HRC

Fig.1 Matriz de embutir chapa tratada por el proceso C.V.D.Material F-520 A . TiC-TiN, templada y revenida a 58 HRC.

Fig.2. Microestructura de la capa de (V,Nb)V Sobre acero Nº 1.2379.Espesor 8 micras. Material 1.2379. T.R.D.D., templado y revenido a 60 HRC. x 500. Ataque Vilella.

Fig.3.Matrices de conformado. Tratamiento T.R.D.D. temple y revenido a 60 HRC. Material F-520 A

RECUBRIMIENTOS OBTENIDOS A TEMPERATURAS MEDIAS (aprox 500ºC). La evolución de los procesos de alta temperatura han generado sus variantes a baja temperatura en los procesos de P.A.C.V.D (CVD asistido por plasma) y L.T.TRDD (a baja temperatura). Sin embargo la familia de los recubrimientos obtenidos por P.V.D , con distintos sistemas de evaporación, son los más ge-

neralizados en el campo de las bajas temperaturas. Los distintos métodos PVD consisten genéricamente en evaporar un metal puro o aleación en la cámara del reactor donde previamente se obtiene un grado de vacío muy elevado.(1-2 x 10-4 mbar). El metal evaporado en contacto con el gas reactivo forma el compuesto que es proyectado contra la pieza por acción de la diferencia de potencial existente entre las piezas y la cámara (200-400 V). Las piezas antes de empezar la etapa de recubrimiento suelen ser calentadas a temperaturas cercanas a 500ºC para conseguir el grado de adherencia aceptable de la capa dura sobre el substrato. Compuesto

Color

TiN MoC TiCN TiAlN AlTiN CrN

Dorado Gris oscuro Gris azulado Bronce Negro Gris Plata

Coef. Fricción 0.5 0.3 0,7 0.4 0.5 0.5

Dureza (GPa) 24.3 32.5 30.8 38,8 34.3 21.4

Temp. de Oxidación (ºC) 400 300 300 800 800 600

Tabla 2. Recubrimientos más comunes obtenidos por los procesos P.V.D y sus propiedades físicas.

TRATAMIENTOS TERMICOS A QUE DEBE SOMETERSE LA HERRAMIENTA A RECUBRIR MEDIANTE PROCESOS P.V.D. Las piezas que deben ser recubiertas a temperatura media se presentan en estado de temple, y generalmente revenido a temperatura superior a la temperatura de recubrimiento. La dureza del acero debe permanecer elevada a temperaturas entre 500ºC y 550ºC. Serán materiales adecuados para recubrir por

método PVD , metal duro y aceros que en su curva de revenido, presentan endurecimiento secundario a estas temperaturas. Aceros de trabajo en frío, ledeburíticos con porcentajes de cromo cercanos a 12%, aceros de trabajo en caliente con porcentajes de cromo cercanos a 5% y aceros rápidos son los que se recubren habitualmente por PVD. APLICACIONES DE LOS RECUBRIMIENTOS REALIZADOS A BAJA TEMPERATURA. Las herramientas de arranque de viruta , punzonado, matricería de corte fino exigen tolerancias en muchos casos centesimales. Por tanto es aconsejable recubrirlas a baja temperatura. A continuación se presentan algunos de los ejemplos de las aplicaciones en que se aportan recubrimientos PVD para aumentar el rendimiento de la herramienta. Punzones de corte, punzones centradores. Matrices de corte fino. • Material : Acero rápido . Acero de trabajo en frío. (F-520 A) • Dureza : 63-62 HRC (acero rápido) 61-59 HRC (F-520 A) • Recubrimiento : TiN, TiCN • Espesor : 3 micras. (4 micras dependiendo de la geometría de la pieza) Fresas, escariadores, machos de roscar, brocas, plaquitas de metal duro. •

Material : Acero rápido. Metal duro.

•

Dureza : 64-63 HRC (acero rápido) Superior a 70 HRC (metal duro) • Recubrimiento : TiN para fresas, escariadores, brocas, machos que trabajen aleaciones blandas, acero inoxidable austenítico, aluminio, latón. TiCN, para fresas, escariadores, brocas que trabajen aceros en general, aceros bonificados y aleaciones abrasivas. CrN, para machos de roscar, laminar aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de aluminio. • Espesor :2- 3 micras. Fresas, plaquitas de metal duro para mecanizar a alta velocidad, aceros y aleaciones tratadas. • Material : Metal duro • Dureza : Superior a 70 HRC • Recubrimiento : TiAlN, AlTiN (Cuando la herramienta trabaja a temperaturas superiores a 600ºC) • Espesor : 3 micras. Moldes de inyección de plástico y aleaciones metálicas de bajo punto de fusión. • Material : Acero Inoxidable ( AISI 420), acero de trabajo en caliente (F5318), Aceros pretratados para fabricación de moldes. • Dureza : 50-48 HRC. (110-120 kg/mm2 para aceros pretratados) • Recubrimiento : TiN, CrN • Espesor : 3-5 micras.

Fig. 3 Capa de TiN obtenida por proceso P.V.D. X 5000 Micrografía obtenida por S.E.M.

cuados los recubrimientos a baja temperatura. Esta constante innovación de las capas finas de compuestos duros genera múltiples combinaciones con la finalidad de resolver los problemas presentes en la industria. La experimentación industrial y el análisis de los resultados obtenidos, en las aplicaciones específicas, permiten recomendar uno u otro tipo de recubrimiento y orientar la obtención de nuevos compuestos para mejorar los rendimientos de los actuales. REFERENCIAS. .Ruppert Wilhelm.(1990) Proceedings of the Japan International Tribology Conf. Pp 1953 .Nagoya .

Fig.4 Herramientas de corte recubiertas por procesos P.V.D.

CONCLUSIONES El rendimiento de las herramientas esta condicionado por los factores que influyen en la elección del material, los tratamientos térmicos, acabado de la herramienta y recubrimiento adecuado a la aplicación y condiciones de trabajo. Para conformado, embutición y trabajo bajo esfuerzos de cizallamiento serán aconsejables los recubrimientos realizados a alta temperatura. Para aplicaciones de corte, punzonado y arranque de viruta en general son ade-

Arai T, Sugimoto Y, Ohta Y, y otros. 1988.Difusion carbide coating in molten borax system. Pp 49. Proceedings of the 6th. Int.Conf. on heat treatment of materials. Chicago. Münz W.D., Hauzer F.J.M.1991. Surface and Coatings Technology 49 161167 Keller,K. 1994. Erhöhte Prozesssicherheit durch optimierte TiC-in Werkzeugbeschichtungen. Vortrag anlässl UKD’94. Darmstadt. Prengel H.G. 1997. Advanced PVD TiAlN coatings on carbide and cermet cutting tools. Surface and coatings technology.94-95 pp 597-602 Elsevier Science.