Los carburos cementados son una clase de materiales duros que se utilizan ampliamente en herramientas de corte , así como en otras aplicaciones industriales. Consisten en partículas finas de carburo cementadas en un compuesto mediante un metal aglutinante. Los carburos cementados suelen utilizar carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC) o carburo de tantalio (TaC) como agregado. Las menciones de "carburo" o "carburo de tungsteno" en contextos industriales suelen referirse a estos compuestos cementados.
La mayoría de las veces, las fresas de carburo dejarán un mejor acabado superficial en una pieza y permitirán un mecanizado más rápido que el acero de alta velocidad u otros aceros para herramientas . Las herramientas de carburo pueden soportar temperaturas más altas en la interfaz fresa-pieza de trabajo que las herramientas de acero de alta velocidad estándar (que es una de las razones principales que permiten un mecanizado más rápido). El carburo suele ser superior para el corte de materiales duros como el acero al carbono o el acero inoxidable , así como en situaciones en las que otras herramientas de corte se desgastarían más rápido, como las tiradas de producción de gran cantidad. En situaciones en las que no se requieren herramientas de carburo, se prefiere el acero de alta velocidad por su menor costo.
Los carburos cementados son compuestos de matriz metálica en los que las partículas de carburo actúan como agregado y un aglutinante metálico sirve como matriz (de manera análoga al hormigón, donde un agregado de grava está suspendido en una matriz de cemento). La estructura del carburo cementado es conceptualmente similar a la de una muela abrasiva , pero las partículas abrasivas son mucho más pequeñas; macroscópicamente, el material de una fresa de carburo parece homogéneo.
El proceso de combinar las partículas de carburo con el aglutinante se denomina sinterización o prensado isostático en caliente (HIP). Durante este proceso, el material se calienta hasta que el aglutinante entra en una fase líquida mientras que los granos de carburo (que tienen un punto de fusión mucho más alto) permanecen sólidos. A esta temperatura y presión elevadas, los granos de carburo se reorganizan y se compactan entre sí, formando una matriz porosa. La ductilidad del aglutinante metálico sirve para compensar la fragilidad de la cerámica de carburo, lo que da como resultado la alta tenacidad y durabilidad generales del compuesto. Al controlar varios parámetros, incluido el tamaño del grano, el contenido de cobalto, la dotación (por ejemplo, carburos de aleación) y el contenido de carbono, un fabricante de carburo puede adaptar el rendimiento del carburo a aplicaciones específicas.
El primer carburo cementado desarrollado fue el carburo de tungsteno (introducido en 1927), que utiliza partículas de carburo de tungsteno unidas por un aglutinante de metal de cobalto. Desde entonces, se han desarrollado otros carburos cementados, como el carburo de titanio , que es más adecuado para cortar acero, y el carburo de tantalio , que es más resistente que el carburo de tungsteno. [1]
Se ha descubierto que el coeficiente de expansión térmica del carburo de tungsteno cementado varía con la cantidad de cobalto utilizado como aglutinante metálico. Para muestras con un 5,9 % de cobalto, se midió un coeficiente de 4,4 μm/m·K, mientras que las muestras con un 13 % de cobalto tienen un coeficiente de alrededor de 5,0 μm/m·K. Ambos valores solo son válidos entre 20 °C (68 °F) y 60 °C (140 °F) debido a la no linealidad en el proceso de expansión térmica. [2]
El carburo es más caro por unidad que otros materiales típicos para herramientas y es más frágil, lo que lo hace susceptible a astillarse y romperse. Para compensar estos problemas, la punta de corte de carburo en sí misma suele tener la forma de un pequeño inserto para una herramienta con punta más grande cuyo vástago está hecho de otro material, generalmente acero al carbono para herramientas . Esto brinda el beneficio de usar carburo en la interfaz de corte sin el alto costo y la fragilidad de hacer toda la herramienta con carburo. La mayoría de las fresas de planear modernas utilizan insertos de carburo, así como muchas herramientas de torno y fresas de extremo . Sin embargo, en las últimas décadas, las fresas de extremo de carburo sólido también se han vuelto más comunes, donde las características de la aplicación hacen que las ventajas (como los tiempos de ciclo más cortos) superen las desventajas (mencionadas anteriormente). Además, las herramientas de torneado modernas pueden utilizar un inserto de carburo en una herramienta de carburo, como una barra de mandrilar, que son más rígidas que los portainsertos de acero y, por lo tanto, menos propensas a la vibración, lo que es de particular importancia con barras de mandrilar o roscar que pueden necesitar llegar a una pieza a una profundidad muchas veces mayor que el diámetro de la herramienta.
Para aumentar la vida útil de las herramientas de carburo, a veces se las recubre. Cinco de estos recubrimientos son TiN ( nitruro de titanio ), TiC ( carburo de titanio ), Ti(C)N ( nitruro de carburo de titanio ), TiAlN ( nitruro de titanio y aluminio ) y AlTiN ( nitruro de aluminio y titanio ). (Los recubrimientos más nuevos, conocidos como DLC ( carbono similar al diamante ), están comenzando a aparecer, lo que permite el poder de corte del diamante sin la reacción química no deseada entre el diamante real y el hierro [ cita requerida ] .) La mayoría de los recubrimientos generalmente aumentan la dureza y/o lubricidad de una herramienta. Un recubrimiento permite que el borde de corte de una herramienta pase limpiamente a través del material sin que el material se adhiera a él. El recubrimiento también ayuda a disminuir la temperatura asociada con el proceso de corte y aumenta la vida útil de la herramienta. El recubrimiento generalmente se deposita mediante deposición química en fase de vapor térmica (CVD) y, para ciertas aplicaciones, con el método de deposición física en fase de vapor mecánica (PVD). Sin embargo, si la deposición se realiza a una temperatura demasiado alta, se forma una fase eta de un carburo terciario Co 6 W 6 C en la interfaz entre el carburo y la fase de cobalto, lo que puede provocar una falla de adhesión del recubrimiento.
Las herramientas de corte para minería y túneles suelen estar equipadas con puntas de carburo cementado, las llamadas "brocas de botón". El diamante artificial puede reemplazar las puntas de carburo cementado solo cuando las condiciones son ideales, pero como la perforación de rocas es un trabajo duro, las puntas de carburo cementado siguen siendo el tipo más utilizado en todo el mundo.
Desde mediados de la década de 1960, las acerías de todo el mundo han aplicado carburo cementado a los rodillos de sus trenes de laminación para el laminado en caliente y en frío de tubos, barras y planos.
Esta categoría contiene un sinnúmero de aplicaciones, pero se puede dividir en tres áreas principales:
Algunas áreas clave en las que se utilizan componentes de carburo cementado:
El carburo de tungsteno se ha convertido en un material popular en la industria de la joyería nupcial debido a su extrema dureza y alta resistencia a los rayones. Dada su fragilidad , es propenso a astillarse, agrietarse o romperse en aplicaciones de joyería. Una vez fracturado, no se puede reparar.
El desarrollo inicial de los carburos cementados y sinterizados se produjo en Alemania en la década de 1920. [3] ThyssenKrupp dice [en tiempo presente histórico ]: " El carburo de tungsteno sinterizado fue desarrollado por la ' sociedad de estudios de Osram para iluminación eléctrica' para reemplazar a los diamantes como material para mecanizar metales. Al no tener el equipo para explotar este material a escala industrial, Osram vende la licencia a Krupp a fines de 1925. En 1926, Krupp lanza el carburo sinterizado al mercado bajo el nombre de WIDIA ( acrónimo de WIe DIAmant = como diamante)". [4] / ˈ v iː d i ə / Machinery's Handbook [3] da la fecha de la introducción comercial de las herramientas de carburo como 1927. Burghardt y Axelrod [5] dan la fecha de su introducción comercial en los Estados Unidos como 1928. El desarrollo posterior se produjo en varios países. [3]
Aunque el discurso de marketing era ligeramente hiperbólico (los carburos no son exactamente iguales al diamante), las herramientas de carburo ofrecían una mejora en las velocidades de corte y avances tan notable que, como lo había hecho el acero de alta velocidad dos décadas antes, obligó a los diseñadores de máquinas herramienta a repensar cada aspecto de los diseños existentes, con la vista puesta en una rigidez aún mayor y mejores cojinetes de husillo .
Durante la Segunda Guerra Mundial, en Alemania había escasez de tungsteno. Se descubrió que el tungsteno en carburo corta el metal con mayor eficacia que el tungsteno en acero de alta velocidad, por lo que, para economizar en el uso de tungsteno, se utilizaron carburos para cortar el metal tanto como fuera posible.
El nombre Widia marca genérica en varios países e idiomas, [4] incluido el inglés (widia, / ˈwɪd iə / ) , aunque el sentido genérico nunca estuvo especialmente extendido en inglés ("carburo" es el término genérico normal). Desde 2009, el nombre ha sido revivido como marca por Kennametal , [6] y la marca subsume numerosas marcas populares de herramientas de corte.
Las puntas sin revestimiento soldadas a sus vástagos fueron la primera forma de fabricación. Los insertos indexables con abrazaderas y la amplia variedad de revestimientos de la actualidad son avances logrados en las décadas posteriores. [3] Con cada década que pasa, el uso del carburo se ha vuelto menos "especial" y más omnipresente. [ ¿ Investigación original? ]
En lo que respecta al metal duro de grano fino, se ha intentado seguir los pasos científicos y tecnológicos asociados a su producción; sin embargo, esta tarea no es fácil debido a las restricciones impuestas por las organizaciones comerciales y, en algunos casos, de investigación, al no publicar información relevante hasta mucho después de la fecha del trabajo inicial. Por lo tanto, colocar los datos en un orden histórico y cronológico es algo difícil. Sin embargo, ha sido posible establecer que ya en 1929, aproximadamente 6 años después de que se otorgara la primera patente, los trabajadores de Krupp/Osram habían identificado los aspectos positivos del refinamiento del grano de carburo de tungsteno. En 1939, también habían descubierto los efectos beneficiosos de agregar una pequeña cantidad de carburo de vanadio y tantalio. Esto controlaba eficazmente el crecimiento discontinuo del grano . [7]
Lo que se consideraba "fino" en una década, no se consideraba tan fino en la siguiente. Así, en los primeros años se consideraba fino un tamaño de grano de entre 0,5 y 3,0 μm, pero en la década de 1990 había llegado la era de los materiales nanocristalinos, con un tamaño de grano de entre 20 y 50 nm.
Pobedit (en ruso: победи́т ) es una aleación de carburo sinterizado compuesta por aproximadamente un 90 % de carburo de tungsteno como fase dura y aproximadamente un 10 % de cobalto (Co) como fase aglutinante, con una pequeña cantidad de carbono adicional. Fue desarrollado en la Unión Soviética en 1929 y se describe como un material con el que se fabrican herramientas de corte . Más tarde se desarrollaron varias aleaciones similares basadas en tungsteno y cobalto, y también se conservó el nombre de "pobedit" para ellas. [8] [9] [10]
El pobedit se produce generalmente mediante pulvimetalurgia en forma de placas de diferentes formas y tamaños. El proceso de fabricación es el siguiente: se mezclan un polvo fino de carburo de tungsteno (u otro carburo refractario) y un polvo fino de material aglutinante como cobalto o níquel y luego se prensan en las formas adecuadas. Las placas prensadas se sinterizan a una temperatura cercana al punto de fusión del metal aglutinante, lo que produce una sustancia muy compacta y sólida.
Las placas de este compuesto superduro se utilizan para fabricar herramientas de corte y perforación de metales; normalmente se sueldan a las puntas de las herramientas de corte. No se requiere tratamiento térmico posterior. Los insertos de pobedit en las puntas de las brocas todavía están muy extendidos en Rusia.
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