Fabricación y recuperación de herramientas de corte mediante L-DED con polvo de acero rápido reciclado

La fabricación aditiva por deposición de energía dirigida mediante láser (L-DED), también conocida como laser cladding, abre una vía evidente: depositar el acero rápido únicamente en la zona de corte. En este proyecto se ha querido ir un paso más allá, cerrando además el origen de ese polvo: en vez de partir de materia prima virgen, el polvo se ha obtenido a partir de la atomización de brocas de esos mismos aceros, dañadas o fuera de servicio. De esta manera se consigue no solo reciclar el material que contiene estos elementos críticos, sino también aprovecharlo de forma más eficiente.

Los aceros rápidos pulvimetalúrgicos de la familia ASP (Erasteel) deben su rendimiento a una microestructura de carburos finos, duros y homogéneamente distribuidos en una matriz martensítica revenida. Esa microestructura es la que permite a una broca o una fresa mantener el filo y la capacidad de corte a temperaturas elevadas y bajo cargas cíclicas severas durante miles de pasadas de mecanizado. El valor de esas prestaciones se refleja en la composición química: porcentajes de wolframio y molibdeno que conjuntamente pueden superar el 10-15% en peso, vanadio en torno al 3-5%, y, en los grados de mayor prestación, cobalto adicional.

Wolframio, cobalto y vanadio figuran en la lista de materias primas críticas de la Comisión Europea. Sus cadenas de suministro están concentradas en un número reducido de países y sometidas a tensiones geopolíticas recurrentes, lo que genera fluctuaciones abruptas de precio y, en algunos casos, restricciones de acceso a estos materiales; algo que el reciente Reglamento europeo de Materias Primas Críticas no hace sino confirmar.

La práctica habitual de fabricación de herramientas de corte consiste en mecanizar la pieza enteriza a partir de barra maciza de acero rápido pulvimetalúrgico. Esto implica que el cuerpo de la herramienta —que no realiza ninguna función de corte y cuyas exigencias mecánicas son diferentes a las del filo— se fabrica con el mismo acero de alta aleación, multiplicando innecesariamente el consumo de materias primas críticas por unidad fabricada. Además, cuando la herramienta llega al final de su vida útil, por desgaste, rotura o pérdida de tolerancia tras sucesivos reafilados, lo habitual es enviarla a chatarra de bajo valor, perdiendo el valor añadido del wolframio, molibdeno, vanadio y cobalto que incorporaba.

La extracción primaria de estos elementos conlleva, además, un impacto ambiental y geopolítico no despreciable: el wolframio se concentra fundamentalmente en China, y el cobalto en la República Democrática del Congo, dos orígenes que añaden un argumento adicional —más allá del estrictamente económico— para minimizar su consumo virgen siempre que sea técnicamente posible.

Existen alternativas parciales a este problema, como el uso de placas intercambiables de metal duro atornilladas sobre un cuerpo de acero convencional, una solución ya extendida en fresas y herramientas de torneado. Sin embargo, esta solución no es aplicable a buena parte de las herramientas de corte rotativas de pequeño diámetro —brocas integrales o machos de roscar— cuya geometría de hélice y de filo exige un material continuo, sin discontinuidades mecánicas, a lo largo de toda la zona activa. Para este tipo de herramientas, la alternativa más directa para reducir el consumo de acero rápido sigue siendo limitar su presencia a la zona estrictamente necesaria mediante un proceso selectivo de recargue.

Una posible mejora del actual ciclo de vida de estos materiales se encuentra en dos tecnologías novedosas, pero ya integradas en la industria: el L-DED, para el recargue selectivo de piezas, y la atomización ultrasónica, que permite convertir brocas dañadas en polvo metálico apto para fabricación aditiva.

La tecnología de L-DED consiste en fundir, mediante un haz láser, la superficie de un sustrato al mismo tiempo que se inyecta sobre el baño fundido un flujo de polvo metálico, que se incorpora a esa fusión y solidifica formando un cordón metalúrgicamente unido al material base. Esta tecnología tiene dos aplicaciones generales: la reparación de piezas dañadas, recargando selectivamente los puntos afectados con el mismo material, o la funcionalización superficial de una pieza metálica mediante el depósito de un material con una funcionalidad particular (altas propiedades mecánicas, alta dureza, propiedades anticorrosivas, etc.) sobre una aleación que carece de ellas. Se muestra un esquema del proceso en la figura 1. Para el caso de estudio, esto permite la incorporación de una aleación de alta prestación mecánica sobre un cuerpo de menor coste sin comprometer la integridad de la pieza.

Para este proyecto se ha seleccionado un sustrato de uso habitual en herramientas de corte y matricería, el acero de trabajo en caliente H11, y el grado de acero rápido pulvimetalúrgico ASP 2052 como aleación de recargue para el filo de la herramienta de corte. Lo que se busca en el sustrato, en este caso, es que sea un acero barato y tenaz —para soportar el par de torsión generado durante el corte—, con un tratamiento térmico compatible con el del ASP 2052. Del acero del filo se busca, en cambio, una dureza elevada y buena soldabilidad sobre el sustrato.

Tal y como se ha adelantado, el polvo metálico empleado como recargue durante el proceso de L-DED se ha obtenido mediante atomización ultrasónica de brocas dañadas de ASP 2052. La atomización ultrasónica consiste en la fusión de un material —en este caso mediante la aplicación de un arco eléctrico— y el depósito del material fundido sobre una plataforma que vibra a frecuencias ultrasónicas, en torno a los 35-52 kHz. La vibración induce primero la formación de ligamentos en el metal fundido, para después provocar la eyección de microgotas del material fundido, que se enfrían al instante por contacto con un flujo de gas inerte, solidificándose como partículas perfectamente esféricas. Se muestra un esquema del proceso de atomización ultrasónica en la Figura 2.

La barra de sustrato se mecanizó previamente mediante torneado para generar la geometría de partida que alojaría el cordón de recargue. La barra resultante se desengrasó antes del proceso de L-DED, para garantizar una correcta absorción del haz láser y eliminar óxidos superficiales que pudieran favorecer la aparición de porosidad.

El polvo metálico de la aleación ASP 2052 se obtuvo atomizando brocas de este mismo material, empleando para ello el sistema de atomización ultrasónica ATOLAB, del fabricante 3D Labs. El equipo dispone de dos módulos de fusión; dada la elevada temperatura de fusión, viscosidad y tensión superficial de esta aleación, se empleó el módulo de fusión por arco eléctrico, capaz de alcanzar temperaturas más altas. Las condiciones optimizadas para la atomización de la aleación ASP 2052 se muestran en la tabla 1.

Aplicando dichas condiciones, se ha logrado una productividad de 4 g/minuto. El polvo producido se ha tamizado a 100 µm, ya que las especificaciones de fabricación mediante L-DED recomiendan granulometrías entre 15 y 100 µm. La caracterización del polvo fabricado se ha realizado midiendo la composición química mediante las técnicas de espectrometría de emisión óptica por plasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES) y LECO (composición en carbono). Los resultados se muestran en la tabla 2. Como se puede apreciar, el proceso de atomización no produce grandes variaciones en el contenido de elementos de aleación.

Tan importante como verificar la composición química es verificar la morfología esférica y la dispersión de tamaños de partícula del polvo obtenido. Este análisis se realiza mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Se muestra en la Figura 3 una micrografía de las partículas de polvo atomizado, junto con una gráfica de dispersión de tamaños determinada a partir de un análisis de imagen de 1.000 partículas. Se observa que la morfología obtenida es totalmente esférica, sin presencia de porosidad ni satélites. El tamaño medio de partícula es de 41 µm, con una desviación estándar de 15 µm, situándose todas las partículas medidas dentro del rango de 15 a 100 µm.

Como demostrador se fabricó un macho de roscar de métrica 12, de acuerdo con lo reflejado en el plano de la figura 4. Tras una fase de optimización de parámetros, se realizó el proceso de recargue de las barras de acero H11 con el polvo de ASP 2052 obtenido por atomización ultrasónica.

Figura 4. Plano de macho de roscar de métrica 12 fabricado, e imagen de la zona del filo recargada con ASP2052.

Tras el éxito del proceso de recargue, se aplicó un tratamiento térmico de triple revenido a 560°C/1h para optimizar su microestructura y propiedades mecánicas. La verificación de dichas condiciones se realizó tanto con medidas de dureza por indentación como con análisis microestructural mediante microscopía óptica y SEM. Como se puede ver en los resultados reflejados en la tabla 3, el recargue de ASP 2052 muestra una dureza de hasta 67-68 HRC. Por otro lado, el sustrato de H11 muestra una dureza de 58 HRC tras tratamiento térmico. El valor de dureza obtenido para el ASP 2052 es adecuado, pero habrá que valorar en las pruebas de roscado si el sustrato H11 es lo suficientemente duro como para soportar el roce de la viruta sin sufrir un desgaste excesivo que comprometa la vida de la herramienta.

Se verifica mediante microscopía óptica, en la figura 5a, que la integridad del recargue se ha mantenido sin aparición de grietas ni poros durante el proceso de recargue por L-DED ni durante el tratamiento térmico de temple posterior. Se observa también en la micrografía que el proceso de L-DED ha provocado la aparición de una zona afectada térmicamente (ZAT) de ≈2mm, debido a las altas temperaturas alcanzadas en las zonas cercanas a la incidencia del láser.

La microestructura obtenida del ASP 2052 es homogénea en todo el recargue, y su integridad resulta, por tanto, muy buena. Analizando la microestructura en detalle mediante SEM se aprecia que el tamaño de grano es muy fino (<10 µm), como se puede ver en la Figura 5b. En cuanto a las segundas fases, se obtienen dos poblaciones: carburos procedentes de la solidificación y precipitación primarias (fases relativamente grandes, localizadas preferentemente en el límite de grano) y carburos finos dispersos en el interior de los granos (precipitación promovida por el revenido).

Figura 5. a) Imagen de la sección transversal del macho de roscar en la zona de filo obtenida por microscopía óptica tras tratamientos de revenido. b) Micrografía SEM de la zona de recargue de ASP2052 tras tratamientos de revenido.

Dado el peso que puede tener la ZAT detectada en el sustrato sobre el comportamiento mecánico final de la pieza fabricada, se realizó también un perfil de durezas a lo largo del espesor del recargue y del sustrato, en sentido radial, para determinar si se mantiene un gradiente de durezas relevante causado por la ZAT tras el proceso de triple revenido.

Tal y como se observa en la figura 6, el valor de dureza promedio del cordón es de 940 HV (68 HRC según norma ASTM E-140), mientras que la dureza en el sustrato es de 650 HV (58 HRC). Se observa un efecto remanente de la ZAT inducida durante el proceso de L-DED, ya que el sustrato se muestra endurecido en zonas cercanas a la unión con el recargue de ASP 2052. El valor promedio en esos puntos es de 750 HV (59 HRC), mostrando aún efecto de endurecimiento por la ZAT formada durante el proceso de L-DED, aunque no muy alejado del valor promedio de dureza del sustrato de H11.

Se han mecanizado las preformas recargadas tras los tratamientos térmicos para formar los filos de corte. Se muestra en la figura 7 una imagen del demostrador fabricado y mecanizado, junto con una imagen del perfil de los dientes de corte mecanizados.

Como conclusión, puede afirmarse que la combinación de recargue selectivo por L-DED y reciclaje del propio acero rápido mediante atomización reduce de forma significativa el consumo de materias primas críticas —wolframio, molibdeno, vanadio y cobalto— necesario para fabricar una herramienta de corte de alto rendimiento, sin penalizar sus prestaciones de corte frente a la fabricación convencional en barra maciza de acero rápido. Más allá del ahorro económico que supone sustituir buena parte del cuerpo de la herramienta por un acero convencional menos aleado, el verdadero valor del proceso está en evitar que el contenido crítico de una herramienta agotada termine como chatarra de bajo valor, reincorporándolo directamente al ciclo de fabricación. Esto se cumple además sin sacrificar propiedades mecánicas y capacidad de corte de la herramienta, y con la posibilidad incluso del aumento de la vida útil de la misma ante el aumento de la tenacidad del substrato.

Como alternativa o complemento a este proceso, el equipo del proyecto está valorando extender el planteamiento a otros grados de acero rápido y a otras geometrías de herramienta —fresas, brocas—, y evaluar mediante un análisis de ciclo de vida (LCA) el impacto ambiental completo de esta ruta de fabricación frente a la fabricación convencional. Se trata, en definitiva, de una vía de fabricación de herramientas de corte que conjuga rendimiento técnico y reducción de la dependencia de materias primas críticas, dos objetivos que la industria europea del mecanizado ya no puede permitirse tratar por separado.