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El método Nanoshield consiste en depositar nanopolvo amorfo de alta dureza sobre la herramienta, o disco cortante, y un láser lo suelda al substrato

Recubrimiento de las herramientas de corte

Pasqual Bolufer, miembro del Institut Químic de Sarrià (IQS-Universitat Ramon Llull) y de la Asociación Española de Comunicación Científica (AECC) AECC02/10/2014
El método Nanoshield es la solución al problema: necesitamos construir un producto, por ej. un motor de automoción, pero con metales de alta dureza. Con ellos el motor tendrá menos volumen, pesará menos y ahorrará combustible. Las herramientas para fabricar esos componentes deben tener una dureza mayor todavía que el acero del motor. La solución pasa por utilizar herramientas de acero al carbono, económicas, pero recubiertas con nanopolvos amorfos, de muy alta resistencia a la abrasión. Una idea parecida a la del viejo hierro galvanizado, para evitar su oxidación superficial, y recubrirlo con una capa estable de óxido de cinc.

Hoy en día fabricamos cada pieza de forma sencilla, variando los procesos termomecánicos del acero; para ello basta modificar la velocidad de enfriamiento, o los ciclos de recocido, para influir en sus características finales. En la composición química conviene reseñar que es el carbono el principal elemento responsable de la dureza del material final. Variando su concentración y añadiendo otros elementos químicos, como el carburo de titanio, vanadio, magnesio o boro, podemos cambiar la resistencia a la abrasión del acero al carbono. Llamamos aceros convencionales los que tienen presiones de ruptura hasta 210 Mpa. Desde aquí y hasta unos 510 Mpa son los aceros de alto límite elástico. A partir de aquí y con presiones hasta 1.500-1.600 Mpa son los aceros de muy alto límite elástico.

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Fig.1 Perforadoras del doble túnel del Guadarrama, de la línea Madrid-Segovia, 2007. A la izquierda los discos negros indican los discos de corte. La tuneladora tiene una gran longitud para ejercer gran presión sobre la roca.

La herramienta de corte

Es el elemento utilizado para extraer material de una pieza, de un bloque, cuando se quiere llevar a cabo un proceso de mecanizado. Hay muchos tipos, pero todos se basan en el arranque de viruta. Al entrar en contacto la arista de corte con la pieza, se arranca el material, y se desprende la viruta. Hay dos tipos de herramienta: la que está hecha de un único material, generalmente acero al carbono, y la herramienta con mango de acero y plaqueta de corte, de alta dureza.

La punta de esta segunda herramienta está hecha de otro material, acero al carbono, o cerámica, de elevada dureza, con la arista siempre afilada. La punta puede ir soldada o atornillada. Permite cortar materiales más duros, a alta temperatura y alta velocidad, sin incrementar demasiado el coste de la herramienta. Tiene la ventaja de que cuando la arista de corte se desgasta, se puede girar la plaqueta por la cara nueva, y volverla a utilizar. Cuando todas las caras se desgastan, se pone una nueva plaqueta, sin tener que cambiar la herramienta.

Hay dos modos de mecanizar una pieza: que la pieza esté quieta y lo que se mueve es la herramienta, como es el caso de la fresa, o que la herramienta permanezca quieta y lo que se mueva sea la pieza, como es el caso del torno. Esto condiciona la geometría de la herramienta. La forma básica de la herramienta es una cuña, con dos superficies planas que delimitan un ángulo diedro. La forma principal de ataque es con la arista paralela a la pieza. Es la arista de corte, o filo. Se produce el corte, cuando hay un avance longitudinal, frontal a la pieza. La superficie de incidencia es la cara de la cuña, que queda frente a la superficie trabajada de la pieza, en corte frontal. La superficie de desprendimiento de viruta es la otra cara de la cuña. La viruta que se forma al producirse el corte se desprende de la pieza.

Cuando se produce un avance transversal, el contacto se genera en el lateral de la herramienta, con lo que tenemos la arista de corte secundario, o contrafilo. El avance es transversal; la cara es la superficie de incidencia secundaria, que avanza perpendicularmente.

En la herramienta hay diferentes ángulos: La normal y la tangente a la pieza de trabajo forman un ángulo de 90º. Dentro de este ángulo está la herramienta. El ángulo de la cuña es el ángulo de filo. El ángulo entre la superficie de incidencia y la tangente a la pieza es el ángulo de incidencia. El ángulo que queda entre la superficie de desprendimiento de viruta se llama ángulo de desprendimiento. La suma de los 3 ángulos es siempre 90º.

La herramienta debe ser muy dura, para aguantar la alta temperatura de corte y la fuerza de fricción, cuando está en contacto con la pieza. Debe tener resiliencia, sin grietas ni fracturas. Con capacidad para asumir con flexibilidad situaciones límite. Finalmente debe tener resistencia al desgaste.

  • La cuña de acero no aleado es un acero con entre 0,5 y 1,5% de carbono. Al alcanzar una temperatura de 250°C pierde su dureza, no sirve para grandes velocidades de corte.
  • La cuña de acero aleado tiene, además de carbono, adiciones de volframio, cromo, vanadio y molibdeno. No pierde dureza hasta llegar a los 600°C. Admite velocidades de corte elevadas. Es un material caro. Solo la parte cortante, la punta, está hecha con ese acero. Esa placa va soldada a un mango de acero común.
  • La cuña de metal duro admite temperaturas de corte de 900°C, y los mangos de la herramienta son de acero barato.
  • La cuña cerámica es apta para la alta velocidad, y su inconveniente es la fragilidad. Su material es alúmina (óxido de aluminio), nitruro de silicio, o carburo de silicio. Es una plaqueta de corte, con dureza hasta 93 HRC.
  • La cuña de cermet, con material basado en el carburo de titanio. Alta resistencia a la abrasión.
  • La cuña de diamante, el material más duro conocido, muy cara, muy frágil. Por su afinidad química con el hierro no sirve para el mecanizado de acero. El diamante en polvo se puede usar como revestimiento de herramientas. El diamante no se desgasta.

Existen muchas clases de mecanizado:

  • Cilindrado, cuando una barra circular va girando y la herramienta la convierte en un cilindro de menor diámetro.
  • Mandrinado, que consiste en ampliar el diámetro de un agujero.
  • Ranurado de exteriores, que supone crear una ranura en una pieza cilíndrica. También hay el ranurado de interior: hacer una ranura en el interior de un agujero.
  • Roscado, para crear barras roscadas.
  • Tronzado, que consiste en cortar una barra.

Recubrimiento convencional

Las plaquitas de corte, de calidad, todas tienen recubrimiento, con gran resistencia al desgaste:

  • Recubrimiento CVD, deposición química de vapor, soporta temperaturas de hasta 700-1050°C, con excelente adherencia a la herramienta. Nos referimos al carburo de titanio, alúmina (Al203) y nitruro de titanio.
  • Recubrimiento PVD, deposición física de vapor. El proceso implica la evaporación de un metal, que reacciona con, por ej.: nitrógeno, para formar nitruro en la superficie de la herramienta. Se logran varias capas de espesor nanométrico: nitruro de titanio, carbonitruro de titanio, nitruro de titanio-aluminio.
  • Recubrimiento en polvo mediante prensado, o moldeo por inyección: partículas de carburo de tungsteno con aglutinante de cobalto. El tamaño del grano es un parámetro muy importante para la relación dureza/tenacidad. Cuanto más fino sea el grano mayor será la dureza.

Corte por plasma

No se considera una herramienta. Es la unión de piezas metálicas por arco eléctrico, o al contrario, el corte. Consiste en un generador de alta frecuencia y gas para generar la llama de calentamiento. Desde los años 1940 existen TIG, con un electrodo de volframio y gas helio (Tungsten inert gas). En 1954 se mejora el TIG y se obtiene un chorro de plasma, el corte por plasma, conocido hoy día. No lo describiremos aquí. Se logran temperaturas hasta 50.000°C. El mecanizado por plasma es una realidad, el arco eléctrico del soplete, el oxicorte. El comienzo del corte es casi instantáneo y produce una deformación mínima de la pieza.

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Fig.2 Tuneladora para el túnel de la autopista de Madrid, de 3.700 m, con un diámetro de 15,2 m, el túnel más ancho del mundo. En la cabeza de avance se ven los discos negros de corte. Año 2008.

NanoShield, el recubrimiento nanoestructurado

Es un recubrimiento de gran dureza, económico, depositado con láser sobre la herramienta. El láser funde el nanopolvo de una aleación amorfa de compuestos ferrosos y lo deposita sobre el substrato de acero de la herramienta, formando una unión metalúrgica. El revestimiento NanoShield ha sido producido por el Programa SAM, Materiales Amorfos Estructurales, de Oak Ridge National Laboratory, EE UU. También puede usarse nanopolvo de dióxido de aluminio.

Las aleaciones cristalinas, una matriz tridimensional de átomos alineados, permiten que la matriz se deforme, se estire o se curve, en cambio los materiales SAM son una estructura de vidrio, con átomos desordenados, una aleación de mayor dureza, muy resistente a la abrasión. Los nanopolvos SAM se producen comercialmente, con el método Atomización Gaseosa.

NanoShield para la tuneladora

Es una aplicación de los nanopolvos férricos, con gran éxito en la tuneladora americana TBM (Tunnel boring machine). La tuneladora es un cilindro de enormes dimensiones, de 9,6 m de diámetro, a veces 15, con más de 30 discos de corte sobre la placa circular giratoria. La placa avanza en el túnel triturando la roca con los 30 discos de corte, desmenuzando la piedra caliza del frente de excavación. El desgaste de los discos de acero al carbono, sin recubrimiento, es rápido; en solo unos pocos días hay que reemplazarlos por discos nuevos, todo depende de la dureza del granito rocoso.

Con el recubrimiento amorfo NanoShield los discos de corte duran un 20% más. Un gran ahorro económico en la perforación del monte. El láser funde y suelda los nanopolvos al disco cortante. La compleja geometría del disco cortante no es un impedimento a la hora de espolvorearla con los nanopolvos. A continuación el láser logra el recubrimiento sólido amorfo, con propiedades metalúrgicas increíbles. El espesor del recubrimiento es de solo 0.7 mm como máximo. Al excavar el granito no se fractura. Su dureza es 7 veces mayor que la del acero del substrato. La tuneladora avanza más aprisa, unos 30 m/día, y con menor consumo de energía eléctrica. Avanzar en el túnel a base de explosivos es más lento.

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Fig.3 Tuneladora suiza. 2007. Los discos de corte son de color claro. Las aberturas oscuras sirven para retirar la piedra desmenuzada.

Referencias

Peter, W. Coating stands up to solid rock. R&D Magazine 08/2012.

Rubenshick, M. High-Performance metal coating. Produce exceptional bond strength. Science & Technology. October 2012.

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