Herramientas de cerámicas

Herramientas de corte

Los materiales de los que se construyen las herramientas de corte deben tener unas propiedades determinadas:

• Soportar elevados esfuerzos
  
• Soportar una fricción elevada
  
• Estabilidad de propiedades a alta temperatura
  
• No reactividad con el material
  
• Alta dureza
  
• Alta tenacidad
  
• Alta resistencia
  

Algunos de los procesos de mecanizado con arranque de viruta serían los siguientes:
➢ Torneado: El torneado es el proceso de mecanizado más utilizado. La pieza gira en el torno y la herramienta se desplaza longitudinal y transversalmente a la pieza.

Algunas herramientas y útiles para el torneado

➢ Fresado: El fresado es un mecanizado con una herramienta giratoria que tiene uno o más filos de corte. Lo que caracteriza a las operaciones de fresado es que los filos de corte no están mecanizando continuamente.

Algunas herramientas y útiles para el fresado

➢ Taladrado: es una operación de mecanizado con arranque de viruta que realiza un movimiento de giro cortante. El movimiento de avance se da en la dirección del eje de rotación.

Algunas herramientas y útiles para el taladrado

Entre los materiales que más se utilizan hoy día para los útiles de corte cabe destacar:

• Alúmina
  

La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. Su gran dureza permite utilizarla en aplicaciones tal como herramientas de corte. Se encuentra en estado natural bajo forma de corindón.
Sus propiedades no bajan antes de 1000k. Tiene un coeficiente de dilatación térmica bajo..
En oposición a los metales, las cerámicas a base de alúmina o nitruros son usados para operaciones de torneado ininterrumpido a alta velocidad porque carecen de resistencia al impacto, o sea que puede ocurrir su fallo prematuro por rotura. Además no reaccionan con los materiales de las piezas de trabajo.

• CerMet
  

Cerámica y metal (partículas de cerámica en un aglomerante metálico). Se denominan así las herramientas de metal duro en las que la mayor parte de la fase dura son carburos, carburo-nitruro o nitruros de Ti, Ta o Nb, y menos de WC. Poseen una resistencia térmica de 900-1100° C..
-Mayor tenacidad que los metales duros
-Alta estabilidad química
-Alta resistencia al desgaste por oxidación
-Mayor capacidad para trabajar a altas velocidades de corte
-Resistencia al calor
-Menor resistencia al desgaste por abrasión.
-Menor resistencia de la arista de corte a la melladura debido al desgaste mecánico.
-Menor resistencia a cargas intermitentes.

Algunas plaquitas hechas de cermet

• Carburos:
  

Se usa debido a que tiene unas propiedades mecánicas muy buenas. La empresa Kyocera produce y vende carburos para la mecanización materiales obtenidos por fundición: acero, aleaciones ferrosas y no ferrosas.
Algunas de las ventajas de los carburos son:
-Mecaniza conservando sus propiedades para mecanizados de desbastes y de baja velocidad.
-Bueno para el mecanizado de metales no ferroso en los que la conductividad térmica es alta.
-Bueno para el mecanizado de hierro fundido en los que la dureza y la resistencia (tenacidad) es alta

Algunas plaquitas hechas de carburos

• Nitruro de Boro:

CBN, significa nitrato de boro cúbico y no existe en la naturaleza. Pero, su ordenación cristalina es muy semejante a la del diamante y entonces este material también tiene una alta dureza. Posee alta dureza incluso hasta la temperatura de 2000ºC. Es un material de corte más tenaz que las cerámicas.
Algunas de las ventajas de los carburos son:
-Alta resistencia al desgaste y vida de herramienta muy larga debido a su alta dureza.
-Adecuado para mecanizados a alta velocidad y para operaciones de acabado de aceros con tratamientos térmicos y fundiciones, debido a su baja reactividad con materiales ferrosos.
-Mecanizado estable debido a que tiene una conductividad térmica elevada
-Su mayor aplicación es en el torneado de piezas duras que anteriormente se rectificaban como los aceros forjados, aceros y fundiciones endurecidas, piezas con superficies endurecidas, y aleaciones de alta resistencia al calor, redondeando se emplea en materiales con una dureza superior a los 48 HRC, pues, si las piezas son blandas se genera un excesivo desgaste de la herramienta.

Algunas plaquitas hechas de CBN

• Diamante:

PCD significa diamante policristalino y esto se consigue cuando el diamante ha sinterizado bajo una gran presión y con un metal catalizador y con un disolvente, y cada cristal de diamante crece sin una dirección preferente.
Ventajas del PCD:
-Tiene una vida larga debido a su elevada dureza y una resistencia enorme al desgaste.
-Mecanizado estable es posible debido a su elevada conductividad térmica y rápida evacuación de calor mediante el mecanismo de radiación.
-Se puede realizar mecanizados de alta velocidad y por tanto, la producción es mucho más elevada.
-Se consigue un mecanizado de alta precisión.
-Estas plaquitas existen para taladrado, fresado y torneado, para aleaciones ferrosas y no ferrosas

Algunas plaquitas hechas de PDC

Algunos datos de dureza de los materiales cerámicos y comparación con algunos materiales metálicos

Algunos datos de temperaturas máximas de corte y una comparación de cómo la dureza depende de la temperatura

Abrasivos

Un abrasivo es una sustancia que tiene como finalidad actuar sobre otros materiales con diferentes clases de esfuerzo mecánico con el objetivo de desgastar, desbastar o cortar otros materiales (triturado, molienda, corte, pulido) los cuales han de ser necesariamente más blandos. Generalmente, en sus aplicaciones industriales se encuentran de forma aglomerada, es decir encontrarlos junto con un material, (llamado aglomerante) que sirve de soporte y unión del abrasivo.

Propiedades

Las principales características de los granos abrasivos son:

• Dureza: se puede definir como la resistencia a la acción del rayado. Es la propiedad más importante para un abrasivo. Los abrasivos, que pueden ser naturales o artificiales, se clasifican en función de su mayor o menor dureza. Para ello se valoran según diversas escalas. La más utilizada de las cuales es la escala de Mohs en la cual este tipo de materiales suele tener valores de dureza de en torno a 9. Sin embargo, esta escala no es muy precisa. La escala Knoop presenta mejores resultados, midiendo las indentaciones producidas con un diamante en el material.

• Tenacidad: es la capacidad de los granos abrasivos de absorber energía. Esto significa que los granos resisten impactos bajo la acción de esfuerzos de choque y no pierden su capacidad de corte.
• Capacidad que tienen los granos de fracturarse. Cuando van perdiendo poder de corte, y durante el trabajo se crean nuevas aristas de corte y generan menos calor.
• Resistencia al desgaste: Un grano con baja resistencia al desgaste perdería su filo fácilmente aumentando no solo la fuerza de corte sino también el área de contacto entre la pieza y la herramienta. Esto genera un aumento en la cantidad de calor generado durante el proceso de rectificado.

• Porosidad:para proporcionar canales para que el aire o el líquido fluyan a través de la estructura.

• Distribución de los tamaños de grano: El tamaño de grano se mide según la norma FEPA (Federación Europea de Fabricantes de productos Abrasivos). El tamaño de grano corresponde al número de granos que caben en una pulgada lineal (1 pulgada = 25,4 mm, grano 24 = 25,4/24 aprox. 1 mm). Para los polvos obtenidos mecánicamente, si los observamos al microscopio, tienen formas muy irregulares y angulosas, tienen bordes afilados y duros. Existe un gran rango de tamaño de grano que depende de la aplicación.

Para los abrasivos no aglomerados, utilizamos granos con un tamaño menor del micrómetro.

Sustancias empleadas como abrasivos

• Los diamantes: tanto naturales como sintéticos, se utilizan como abrasivos, aunque son relativamente caros.
• Carburo de silicio (SiC): El carburo de silicio se obtiene de arenas o cuarzo de alta pureza y coke de petróleo fusionados en horno eléctrico a más de 2000 ºC con la siguiente composición: SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO. Tiene una estructura de diamante, a pesar del diferente tamaño del C y Si, que podría impedir la misma. Es casi tan duro como el diamante: tiene una dureza de ~9 en la escala de Mohs. Por su forma afilada es ideal para materiales no férricos, aluminio, latón, bronce, goma, plástico, vidrio...

• Carburo de wolframio (WC): Su dureza en la escala Mohs es de 9.5. Se utiliza fundamentalmente en la fabricación de maquinarias y utensilios para trabajar el acero. El carburo de wolframio es unido por medio del Co, previamente molidos (polvos metalúrgicos), la cohesión se obtiene por el proceso de sinterizado o fritado (proceso de calentar y aplicar grandes presiones hasta el punto de fusión de los componentes, en hornos eléctricos). Capas de estos materiales se utilizan para recubrir filos de corte aumentando su resistencia al desgaste (15-30%).

• Corindón (Al2O3): es un mineral formado por óxido de aluminio. Su dureza es de 9 en la escala de Mohs, siendo el mineral que se toma como referencia para esta dureza. Se fractura por presión lo que permite su reafilado. Además es un agente abrasivo de gran efectividad, cuando se usa en los sistemas de SandBlast (chorro de abrasivos), para preparación superficial del acero y trabajos de grabado artístico en cristales, creando bajo relieves con gran facilidad incluso puede perforarlo y adicionándolo al agua, puede cortar los metales con ultra alta presión, o el llamado cuchillo de agua. Para la limpieza con abrasivos, este abrasivo angular es uno de los más populares en el mercado. Su principal característica es la velocidad de limpieza y preparación de superficies para aplicar recubrimientos.

• Nitruro cúbico de boro (c-BN): es artificial y extremadamente duro. Es ampliamente utilizado como abrasivo para herramientas industriales, en especial para el mecanizado de aceros aleados y materiales de gran dureza. Este material comercialmente se conoce como Borazón. El Borazón es un cristal compuesto de nitruro de boro con adiciones de micropartículas de agregados de nanobarras de diamante, o hiperdiamante, y fulerenos. Es la cuarta sustancia más dura conocida, y la tercera entre las artificiales.

Se trata de un material de alto interés en la industria puesto que presenta una dureza comparable a la del diamante, pero es capaz de soportar temperaturas mayores de 2000ºC.

• Arena de sílice: Este abrasivo de bajo costo, se utiliza principalmente para la limpieza con chorro de abrasivo cuando se realizan trabajos en exteriores, ya que su precio es más económico. Es importante considerar que su fragilidad es muy alta por lo que es uno de los abrasivos que más polvo genera. Este abrasivo tiene un alto contenido de sílice por lo que puede presentar riesgos a la salud de los trabajadores y debe de utilizarse bajo estrictas medidas de seguridad y siempre con el equipo de protección.

Aplicaciones

• Adheridos a muelas de desbaste: con el objetivo de eliminar las partes más duras o ásperas de un material que se va a trabajar. Las partículas del abrasivo están unidas a la muela por medio de una aglomerante, generalmente una cerámica vítrea o una resina orgánica. La superficie debe contener alguna porosidad que sea capaz de dejar pasar un flujo continuo de corriente de aire o de líquido refrigerante alrededor de los granos refractarios, con el fin de prevenir un calentamiento excesivo.

• Abrasivos depositados en forma de revestimiento: Los recubrimientos de abrasivos son aquellos en los cuales el polvo abrasivo es depositado sobre algún tipo de papel o tejido. El papel de lija es quizá el ejemplo más familiar. La madera, los metales, las cerámicas y los plásticos son a menudo pulidos utilizando esta forma de abrasivo.

• Granos sueltos: Los discos de desbaste, lapeado y pulido emplean granos de abrasivos que son suministrados en una suspensión de aceite o de agua. Diamantes, corindón, carburo de silicio y rojo inglés (un óxido de hierro) se utilizan en forma suelta en una amplia variedad de tamaños de partícula. Limpieza con abrasivos (chorro): este tipo de limpieza, utiliza algún tipo de abrasivo a presión para limpiar la superficie, a través de este método, se elimina toda la escama de laminación, óxido, pintura y cualquier material incrustante. Una superficie tratada con este método, presenta un uniforme color gris claro, ligeramente rugoso, que proporciona un excelente anclaje a los recubrimientos. La pintura primaria debe ser aplicada antes de que el medio ambiente ataque a la superficie preparada.
  

Las diferentes formas en los abrasivos ofrecerán diferentes perfiles en la superficie siendo las dos principales configuraciones de los abrasivos: las angulares y las esféricas.