Los carburos cementados son una clase de materiales duros que se utilizan ampliamente para herramientas de corte , así como en otras aplicaciones industriales. Consiste en finas partículas de carburo cementadas en un compuesto mediante un metal aglutinante. Los carburos cementados comúnmente utilizan 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 cortador-pieza de trabajo que las herramientas estándar de acero de alta velocidad (que es la razón principal que permite un mecanizado más rápido). El carburo suele ser superior para cortar materiales resistentes como acero al carbono o acero inoxidable , así como en situaciones en las que otras herramientas de corte se desgastarían más rápido, como en tiradas de producción de grandes cantidades. En situaciones donde 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 donde las partículas de carburo actúan como agregado y un aglutinante metálico sirve como matriz (análogo al concreto, 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 conoce como sinterización o prensado isostático en caliente (HIP). Durante este proceso, el material se calienta hasta que el aglutinante entra en fase líquida mientras 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, formando una matriz porosa. La ductilidad del aglutinante metálico sirve para compensar la fragilidad de la cerámica de carburo, lo que da como resultado una alta tenacidad y durabilidad general del compuesto. Al controlar varios parámetros, incluido el tamaño de 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 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 tenaz que el carburo de tungsteno. [1]
Se ha encontrado que el coeficiente de expansión térmica del carburo de tungsteno cementado varía con la cantidad de cobalto utilizado como aglutinante metálico. Para muestras con 5,9% de cobalto, se midió un coeficiente de 4,4 µm·m −1 ·K −1 , mientras que las muestras con 13% de cobalto tienen un coeficiente de alrededor de 5,0 µm·m −1 ·K −1 . 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 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 fabricar toda la herramienta con carburo. La mayoría de las fresas frontales modernas utilizan insertos de carburo, así como muchas herramientas de torno y fresas . Sin embargo, en las últimas décadas, las fresas de carburo sólido también se han utilizado con mayor frecuencia, siempre que las características de la aplicación hagan que las ventajas (como tiempos de ciclo más cortos) superen las desventajas (mencionadas anteriormente). Además, las herramientas modernas de torneado (torno) pueden utilizar un inserto de carburo en una herramienta de carburo, como una barra de mandrinar, que son más rígidas que los soportes de insertos de acero y, por lo tanto, menos propensos a la vibración, lo cual es de particular importancia con barras de mandrinar o roscar que Es posible que sea necesario 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 les 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 ). ( Están comenzando a aparecer recubrimientos más nuevos, conocidos como DLC ( carbono similar al diamante ), que permiten 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. Un recubrimiento permite que el filo de una herramienta pase limpiamente a través del material sin que el material se pegue . El recubrimiento también ayuda a disminuir la temperatura asociada con el proceso de corte y aumentar la vida útil de la herramienta. El recubrimiento generalmente se deposita mediante deposición química térmica de vapor (CVD) y, para ciertas aplicaciones, con el método de deposición física mecánica de vapor (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 conducir a una falla de adhesión del recubrimiento.
Las herramientas de corte para minería y construcción de túneles suelen estar equipadas con puntas de carburo cementado, las llamadas "brocas de botón". El diamante artificial puede reemplazar los botones de carburo cementado sólo cuando las condiciones son ideales, pero como la perforación de rocas es un trabajo duro, las brocas de botón 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 laminadores, tanto para el laminado en caliente como en frío de tubos, barras y planos.
Esta categoría contiene innumerables aplicaciones, pero se puede dividir en tres áreas principales:
Algunas áreas clave donde 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 al rayado. 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 Osram para la iluminación eléctrica' para sustituir a los diamantes como material para el mecanizado de metales. No tener el equipo para explotar este material a escala industrial. , Osram vende la licencia a Krupp a finales de 1925. En 1926 Krupp lanza al mercado carburo sinterizado con el nombre WIDIA ( acrónimo de WIe DIAmant = como diamante)." [4] / ˈ v iː d i ə / Machinery's Handbook [3] da la fecha de introducción comercial de las herramientas de carburo en 1927. Burghardt y Axelrod [5] dan la fecha de su introducción comercial en los Estados Unidos en 1928. Desarrollo posterior ocurrido en varios países. [3]
Aunque el discurso de marketing era ligeramente hiperbólico (los carburos no eran del todo iguales al diamante), las herramientas de carburo ofrecían una mejora en las velocidades de corte y los avances tan notables que, como lo había hecho el acero rápido dos décadas antes, obligó a los diseñadores de máquinas herramienta a repensar cada aspecto de los diseños existentes, con miras a lograr una mayor rigidez y mejores cojinetes de husillo .
Durante la Segunda Guerra Mundial hubo escasez de tungsteno en Alemania. Se descubrió que el tungsteno en carburo corta metal de manera más eficiente que el tungsteno en acero de alta velocidad, por lo que para ahorrar en el uso de tungsteno, se utilizaron carburos para cortar metales tanto como fuera posible.
El nombre Widia marca genérica en varios países e idiomas, [4] incluido el inglés (widia, / ˈ w ɪ d i ə / ), aunque el sentido genérico nunca estuvo especialmente extendido en inglés ("carbide" es el término genérico normal). Desde 2009, Kennametal ha revivido el nombre como marca , [6] y la marca incluye numerosas marcas populares de herramientas de corte.
La primera forma fueron las puntas sin recubrimiento soldadas a sus mangos. Las plaquitas indexables sujetas y la amplia variedad de recubrimientos actuales son avances logrados en las décadas posteriores. [3] Con cada década que pasa, el uso del carburo se ha vuelto menos "especial" y más ubicuo. [ ¿ investigacion original? ]
Respecto 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, ubicar los datos en un orden histórico y cronológico es algo difícil. Sin embargo, se pudo comprobar que ya en 1929, aproximadamente 6 años después de la concesión de la primera patente, los trabajadores de Krupp/Osram habían identificado los aspectos positivos del refinamiento del grano de carburo de tungsteno. En 1939, también descubrieron los efectos beneficiosos de añadir una pequeña cantidad de vanadio y carburo de tantalio. Esto controló eficazmente el crecimiento discontinuo del grano . [7]
Lo que se consideraba "bien" en una década no se consideraba tan bueno en la siguiente. Así, un tamaño de grano en el rango de 0,5 a 3,0 μm se consideraba bueno en los primeros años, pero en la década de 1990 había llegado la era del material nanocristalino, con un tamaño de grano de 20 a 50 nm.
Pobedit (ruso: победи́т ) es una aleación de carburo sinterizado de 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 . Posteriormente se desarrollaron una serie de aleaciones similares a base de tungsteno y cobalto, para las que también se conservó el nombre de "pobedit". [8] [9] [10]
Pobedit suele producirse mediante pulvimetalurgia en forma de placas de diferentes formas y tamaños. El proceso de fabricación es el siguiente: un polvo fino de carburo de tungsteno (u otro carburo refractario) y un polvo fino de material aglutinante como cobalto o níquel se mezclan y luego se prensan en las formas apropiadas. 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 la fabricación de herramientas de perforación y corte de metales; Por lo general, están soldados en las puntas de las herramientas de corte. No se requiere postratamiento térmico. Los insertos pobedit en las puntas de las brocas todavía están muy extendidos en Rusia.
Medios relacionados con los carburos cementados en Wikimedia Commons