Un nuevo recubrimiento cerámico puede triplicar la vida de las herramientas
Investigadores de IMDEA Materiales, Nano4Energy, la Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania ha demostrado un nuevo recubrimiento cerámico bicapa capaz de prolongar la vida útil de las herramientas necesarias para el mecanizado de la aleación de titanio más utilizada en el mundo.
Las aleaciones de titanio son muy valoradas por su baja densidad, excelente resistencia a la corrosión y alta resistencia mecánica. Entre ellas, Ti6Al4V, una aleación de titanio, aluminio y vanadio, destaca especialmente. Ofrece un excelente equilibrio entre resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, procesabilidad y coste, lo que la convierte en una aleación versátil ampliamente utilizada en numerosos sectores.
Sin embargo, las mismas características que hacen que estas aleaciones sean tan valiosas también complican su uso a nivel industrial. El mecanizado de aleaciones de titanio requiere herramientas con elevada dureza, especialmente a altas temperaturas, además de suficiente tenacidad para resistir las interrupciones y vibraciones propias del proceso de corte.
Para superar estos desafíos, los investigadores Arley García, Miguel Monclús y Jon Molina de IMDEA Materiales; Iván Fernández, José Antonio Santiago Varela y Pablo Díaz Rodríguez de Nano4Energy; Álvaro Guzmán Bautista de la Universidad Politécnica de Madrid; y Christoph Kirchlechner, Subin Lee y Eloho Okotete, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, propusieron dos nuevos recubrimientos duros: un gradiente de nitruro de aluminio-titanio-silicio (AlTiSiN) y un recubrimiento bicapa de nitruro de aluminio-titanio/nitruro de titanio-silicio (AlTiN/TiSiN).
Aunque ambos recubrimientos ofrecieron un rendimiento superior al del microtaladro sin recubrir, que falló tras aproximadamente 20 minutos de micromecanizado continuo, el recubrimiento bicapa AlTiN/TiSiN mostró mejoras significativamente mayores en dureza y tenacidad a la fractura. “En las pruebas de micromecanizado de una aleación Ti6Al4V, el recubrimiento gradiente AlTiSiN permitió 40 minutos de micromecanizado continuo”, explican los investigadores.
“En comparación, los recubrimientos bicapa AlTiN/TiSiN extendieron la vida útil de la herramienta hasta 90 minutos. La mayor durabilidad de la herramienta en aplicaciones de micromecanizado se correlacionó con una mayor tenacidad a la fractura y dureza, así como con la ausencia de grietas en los filos de corte”. “Por tanto, el recubrimiento bicapa AlTiN/TiSiN ofrece el mejor rendimiento en el mecanizado de materiales de gran dificultad, como Ti6Al4V”, afirman los autores.
Investigadores en España y Alemania ensayaron dos nuevos recubrimientos depositados mediante pulverización catódica por Impulsos de Magnetrón de Alta Potencia (HiPIMS) en el estudio.
En concreto, el recubrimiento bicapa AlTiN/TiSiN alcanzó una dureza de 41 GPa y una tenacidad a la fractura de 2,8 MPa·m¹?², una medida clave de la capacidad de un material para resistir la propagación de grietas. Los resultados superaron a los del recubrimiento gradiente AlTiSiN, que registró 33 GPa y 1,6 MPa·m¹?², respectivamente.
La estructura bicapa también evitó la formación de grietas en los filos de corte, una ventaja esencial en micromecanizado, donde las dimensiones de la herramienta se aproximan a la escala de la propia microestructura del material.
La principal ventaja de este nuevo proceso radica en la implementación de la tecnología de pulverización catódica por Impulsos de Mangetrón de Alta Potencia (HiPIMS por sus siglas en inglés).
A diferencia de los métodos convencionales, como el recubrimiento por arco, HiPIMS ofrece un control preciso de las tensiones residuales y elimina la formación de gotas y defectos superficiales, factores que resultan críticos para el rendimiento en operaciones de micromecanizado.
El estudio demuestra que los recubrimientos bicapa AlTiN/TiSiN representan una solución robusta y eficiente para mejorar el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de las herramientas en aplicaciones de mecanizado de precisión, particularmente en sectores donde los microcomponentes y los materiales de alto valor añadido son estándar.
Los resultados, publicados recientemente en Surface and Coatings Technology, podrían abrir la puerta a una mayor durabilidad y precisión de las herramientas de corte en aplicaciones en la industria aeroespacial y la electrónica de consumo.
