Herramientas de corte de carburo de tungsteno, ¿cómo son fabricadas?

El mineral de tungsteno se procesa en carburo de tungsteno, que luego se convierten en insertos de herramientas de corte de última generación.

El carburo de tungsteno, a menudo llamado simplemente "carburo", es un material familiar en cualquier taller de maquinado. Este compuesto de tungsteno y carbono ha revolucionado el mundo del corte de metales durante las últimas décadas, permitiendo mayores velocidades de corte y de avance, así como proporcionando una mayor vida útil a la herramienta. El carburo de tungsteno fue investigado por primera vez como material de herramienta de corte en 1925 por el Dr. Samuel Hoyt, científico del Departamento de Lámparas de General Electric (GE). Más tarde, GE abrió la división ‘Carboloy’ para producir herramientas de corte de carburo de tungsteno. A fines de la década de 1930, Philip M. McKenna, fundador de “Kennametal”, descubrió que agregar un compuesto de titanio a la mezcla hacía que las herramientas funcionaran mejor a velocidades más altas. Esto inició la marcha hacia las velocidades de corte ultrarrápidas de hoy.

El “carburo de tungsteno cementado”, el material que forma las herramientas y los insertos, son en realidad granos de carburo de tungsteno, junto con partículas de otros materiales, cementados juntos utilizando el cobalto metálico como aglutinante.

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Te invitamos a conocer otro blog de Yamazen titulado ‘Herramientas de corte para maquinado: Tipos de materiales’

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Todo comienza en el suelo

Hay varios minerales de tungsteno que se pueden extraer y refinar en tungsteno o en carburo de tungsteno. La Wolframita es la más conocida. El mineral se tritura, se calienta y se trata con productos químicos. El resultado es ‘óxido de tungsteno’.

  (óxido de tungsteno)

Luego, las finas partículas de óxido de tungsteno se carburizan, convirtiéndolas en carburo de tungsteno. En este método, el óxido de tungsteno se mezcla con grafito (carbono). Esta mezcla se calienta a más de 1200 ° C (2200 ° F) y se produce una reacción química que elimina el oxígeno del óxido y combina el carbono con el tungsteno para producir carburo de tungsteno.

 

El tamaño del grano es la clave

El tamaño de los granos de carburo determina las propiedades mecánicas del producto final. El tamaño de los granos dependerá del tamaño de las partículas de óxido de tungsteno y de cuánto tiempo y a qué temperatura se procesa la mezcla de óxido/carbono.  Las partículas de carburo de tungsteno son una fracción del tamaño de un grano de arena. Es probable que varíen en tamaño desde medio micrón hasta 10 micrones. Una serie de tamices clasifica los diferentes tamaños de grano: menos de una micra, una micra y media, etc.

 

En este punto, el carburo de tungsteno está listo para mezclarse en "polvo de grado". En la industria del carburo de tungsteno, se habla de grados en lugar de aleaciones, pero significan lo mismo.

El carburo de tungsteno entra en un recipiente de mezcla con los otros componentes del grado. El cobalto metálico en polvo actuará como "pegamento" para mantener unido el material. Se añaden otros materiales, como carburo de titanio, carburo de tantalio y carburo de niobio para mejorar las propiedades del material al cortar. Sin estos aditivos, al cortar materiales ferrosos, la herramienta de carburo de tungsteno puede experimentar una reacción química entre la herramienta y las virutas de la pieza de trabajo que deja cráteres en la herramienta, especialmente a altas velocidades de corte.

 

Mezclar

Todos estos ingredientes se mezclan con un líquido como alcohol o hexano y se colocan en un recipiente de mezcla, a menudo un tambor giratorio llamado molino de bolas. Además de los ingredientes de grado, se agregan bolas cementadas de 1/4“ a  5/8“ de diámetro, para ayudar al proceso de adherir el cobalto a los granos de carburo. Un molino de bolas puede ser tan pequeño como de cinco pulgadas de diámetro por cinco pulgadas de largo, o tan grande como un tambor de 55 galones.

Cuando se completa la mezcla, se debe eliminar el líquido. Esto suele ocurrir en un secador por pulverización, que parece un silo de acero inoxidable. Un gas de secado inerte, nitrógeno o argón, se sopla desde abajo hacia arriba. Cuando se elimina todo el líquido, el material seco restante es "polvo de grado", que parece arena.

Para los insertos de corte, el polvo de grado se coloca en moldes con forma de los insertos mismos especialmente diseñados para permitir la contracción que ocurrirá más adelante en el proceso. El polvo se comprime en los moldes, en un proceso similar al de las tabletas farmacéuticas.

Tomando el calor

Después de presionar, la forma se ve como inserciones de gran tamaño y es bastante delicada. Se sacan de los moldes y se colocan en bandejas de grafito o molibdeno, y se envían a un horno de sinterización donde se calientan en una atmósfera de hidrógeno a baja presión a 1100-1300˚ C. El cobalto se derrite y el inserto se consolida en un tamaño sólido y más pequeño.

Una vez que los insertos se retiran del horno y se enfrían, son densos y duros. Después de un control de calidad, los insertos generalmente se rectifican o rectifican para lograr las dimensiones y el filo correctos. El bruñido a un radio de 0,001” es típico, aunque algunas piezas reciben un radio de filo de media milésima o tan grande como 0,002”, y algunas quedan “totalmente afiladas” como sinterizadas.

Algunos tipos y diseños de insertos salen del horno de sinterización en su forma final y dentro de las especificaciones, con el borde correcto y no necesitan esmerilado u otras operaciones.

El proceso de fabricación de piezas en bruto para herramientas de corte de metal duro integral es muy similar. El polvo de grado se prensa para darle forma y luego se sinteriza. El espacio en blanco o el material se pueden triturar a medida después de enviarlo al cliente, quien lo formará mediante esmerilado o quizás con electroerosión.

Los insertos destinados a la mayoría de las aplicaciones no ferrosas pueden estar listos para empaquetar y enviar en este momento. Aquellos destinados al corte de metales ferrosos, aleaciones de alta temperatura o titanio, deberán ser recubiertos.

 

Presentamos el tungsteno

El tungsteno, en su forma elemental, es un metal plateado. Su número atómico es 74 y su masa atómica promedio es 183,85. Uno de los metales más densos, es más del doble de denso que el acero. Y tiene la temperatura de fusión más alta de cualquier metal: 3422˚ C (más de 6000˚ F).

Entonces, ¿por qué su símbolo químico es "W"? Eso proviene de su otro nombre, wolframio. Cuenta la leyenda que por el siglo XVII, los mineros notaron que un mineral en particular (que resultó contener tungsteno) interfería con la fundición del estaño; parecía comerse la lata como un lobo devora a su presa.

Dos minerales comunes de tungsteno, wolframita y scheelita, fueron descubiertos en Suecia en la década de 1700, y en 1783 el metal fue aislado por dos españoles, quienes lo llamaron wolfram.

 (Wolframita)

 (Scheelita)

 

Según la Asociación Internacional de la Industria de Tungsteno, la mayoría de las reservas de tungsteno se encuentran en China, y actualmente alrededor del 80 por ciento del tungsteno se extrae allí. En los últimos años, el precio del mineral de tungsteno ha aumentado considerablemente. Quizás como resultado, el reciclaje de tungsteno, incluido el carburo de tungsteno, está en aumento.

                   

Los recubrimientos terminan el trabajo

Para prolongar la vida útil de la herramienta en condiciones de corte desafiantes, se han desarrollado muchos tipos y combinaciones de recubrimientos. Se pueden aplicar de dos formas: mediante deposición química de vapor (CVD) o deposición física de vapor (PVD). Ambos tipos se aplican en hornos:

Deposición de vapor químico

Para CVD, el recubrimiento suele tener un espesor de 5 a 20 micrones. Los insertos de fresado y taladrado suelen recibir de 5 a 8 micrones, ya que estas operaciones requieren un mejor acabado de la superficie y encuentran más impacto, por lo que requieren una mayor tenacidad del borde. Para aplicaciones de torneado, los recubrimientos tienden a estar en el rango de 8 a 20 micrones. Al girar, el calor y la abrasión tienden a ser más preocupantes.

 Inserto con recubrimiento tipo CVD

La mayoría, pero no todos, los recubrimientos CVD se componen de múltiples capas, generalmente tres capas distintas.

Cada empresa tiene su propia "receta" para los recubrimientos. A continuación se muestra un esquema típico, que se compone de tres capas.

•Una capa de carbo-nitruro de titanio para dureza y resistencia a la abrasión

• Una capa de óxido de aluminio, que retiene la dureza a temperaturas más altas y es químicamente muy estable

• Una capa de nitruro de titanio, que evita la acumulación de metal de fragmentos de la pieza de trabajo que se sueldan a la herramienta. Este recubrimiento es de color dorado y facilita la observación del desgaste del borde. Para aplicar un recubrimiento CVD, las piezas se colocan en bandejas y se sellan en un horno. El horno se reduce al vacío.

Para cada capa, se introducen en el horno los gases apropiados, tales como hidrógeno, tetracloruro de titanio, metano, nitrógeno, cloruro de aluminio. Se produce una reacción química que deposita la capa de recubrimiento sobre los insertos. Y el óxido de aluminio proporciona protección térmica, manteniendo el calor fuera del cuerpo del inserto, importante para aplicaciones de alta velocidad. Para aplicaciones de baja velocidad, es posible que un inserto no necesite una capa de óxido de aluminio.

 

Deposición física de vapor

Los recubrimientos de PVD tienen típicamente un espesor de aproximadamente 2-4 micrones. Los diferentes fabricantes utilizan diferentes números de capas. Estos recubrimientos de PVD son adecuados para aplicaciones que cortan materiales de alta temperatura, a base de níquel, a base de cobalto o a base de titanio y, a veces, acero y acero inoxidable.

El carbo-nitruro de titanio, el nitruro de titanio y el nitruro de titanio y aluminio se utilizan ampliamente como recubrimientos de PVD. Este último es el recubrimiento PVD más duro y químicamente estable.

 Inserto con recubrimiento PVD

Los insertos se montan en bastidores para que estén separados entre sí. Cada bastidor gira y todo el conjunto de bastidores gira dentro del horno, por lo que cada superficie de los insertos está expuesta al proceso de deposición. Se vacía el horno. Se aplica una fuerte carga negativa a los insertos. Una pieza de titanio o titanio y aluminio se instala en la pared o en el piso del horno. El metal se vaporiza mediante un arco eléctrico o un haz de electrones, liberando los iones metálicos cargados positivamente. Estos iones son atraídos por los insertos cargados negativamente. Se agrega nitrógeno y metano según corresponda, para lograr los diferentes tipos de recubrimientos.

 

Te invitamos a leer otra de nuestras entradas, titulada ‘Tipos de herramientas de corte para aluminio’

Cuando los insertos se retiran del horno, se pueden moler nuevamente o empacar y enviar directamente.

Los fabricantes de herramientas de corte están cumpliendo las presiones para avances y velocidades cada vez mayores, y la necesidad de una vida útil más prolongada y costos más bajos, mejorando continuamente los diseños de las herramientas de corte de carburo de tungsteno y desarrollando cada vez mejores tecnologías de recubrimiento.

 

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Si requieres mayor información sobre los diferentes tipos de herramientas de corte que manejamos en Yamazen con carburo de tungsteno, no dudes en escribirnos a info@yamazen.com.mx, o llamarnos al teléfono de oficina 472 748 6400. Que un experto en tooling o herramientas de corte te podrá asesorar para encontrar la mejor opción de acuerdo al tipo de trabajo que realizas.

¡Saludos!