Propiedades Deseadas de los Metales

• Resistencia: Es la capacidad para soportar una fuerza externa sin romperse. Se denomina carga de rotura al máximo de fuerza por sección que resiste antes de la rotura.
• Dureza: Es la propiedad que define la resistencia a ser penetrado por otro material y está relacionada con la resistencia al desgaste.
• Elasticidad: Es la capacidad de un cuerpo para volver a recuperar la forma inicial al cesar la causa que provocaba su deformación.
• Tenacidad: Se trata de la resistencia a la rotura por esfuerzos que deforman el metal. Un metal tenaz resiste bien los impactos; sin embargo, un material frágil no soporta deformaciones y se rompe con facilidad ante golpes.

Aceros

Aceros Comunes

Son aquellos obtenidos en el convertidor Bessemer. Se les somete a un proceso de laminado para convertirlos en perfiles para estructuras metálicas o chapas para calderería. Tienen una composición menos precisa.

Aceros Finos

Presentan una calidad muy ajustada y se obtienen mediante hornos eléctricos u hornos de crisoles. Estos hornos ofrecen la ventaja de poder añadir chatarra a la mezcla, lo que los hace más económicos. Estos aceros son de alta calidad, con apenas impurezas.

Microconstituyentes del Acero

• Ferrita: Es hierro casi puro (conocido como hierro alfa).Características mecánicas: baja resistencia, blando y deformable. Resistencia a la tracción: 28 kgf/mm². Alargamiento: 35%. Dureza: 90 unidades Brinell. Es el constituyente más blando del acero.
• Cementita: Es carburo de hierro (Fe₃C) y contiene 6.67% de carbono. Es el constituyente más duro de los aceros, con una dureza superior a 68 unidades Rockwell C, y es muy frágil.
• Perlita: Es un compuesto formado por láminas alternadas de ferrita (Fe) y cementita (Fe₃C). Características mecánicas: muy buena resistencia y alargamiento. Dureza: de 200 a 250 unidades Brinell. Resistencia a la tracción: 55-70 Kg/mm². Alargamiento: 20-28%.

Clasificación de los Aceros según su Composición

1) Aceros al Carbono

• Aceros Bajos en Carbono:

  Tienen un %C < 0.25%, y por su bajo contenido, no forman martensita bajo tratamiento térmico, por lo que no es posible endurecerlos mediante temple.

  Características:

  • Blandos, baja resistencia.
  • Gran ductilidad, gran tenacidad.
  • Fácil mecanización.
  • Buena soldabilidad.
  • Bajo precio.

• Aceros Medios en Carbono:

  Gran variedad de combinaciones resistencia-ductilidad. Son los más empleados a nivel industrial. Son templables para formar martensita y aumentar su dureza, solo en secciones delgadas y con velocidades de temple muy altas.

• Aceros Altos en Carbono:

  Son muy duros, de elevadísima resistencia, pero escasa ductilidad. Muy resistentes al desgaste. Se emplean siempre bajo temple y revenido.

2) Aceros Aleados

• Aceros de Baja Aleación:

  Con contenidos alrededor del 0.25% C, contienen además cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo) o vanadio (V) en cantidades pequeñas. Estos aceros elevan sus propiedades mecánicas de elasticidad y dureza. Su estructura metalográfica está compuesta principalmente de Ferrita. Se pueden someter a tratamientos térmicos de recocido, temple y revenido.

• Aceros de Media y Alta Aleación:

  Por debajo del 5% de elementos se consideran de media aleación, y los de alta aleación, por encima del 5%. Los elementos de aleación son caros, y su utilización debe ser justificada. Se utilizan para piezas con altos requerimientos mecánicos y herramientas.

3) Aceros Inoxidables

• Aceros Inoxidables Martensíticos:

  11-18% Cr y %C elevado (hasta 1% C). Tienen elevada resistencia mecánica (templables), baja conformabilidad (poco deformables), y menor resistencia a la corrosión que los ferríticos y austeníticos.

• Aceros Inoxidables Ferríticos:

  11-30% Cr y < 0.2% C. Resistencia mecánica intermedia, buena resistencia a la corrosión. Gran ductilidad, lo que permite su utilización para trabajos de conformado y laminación.

• Aceros Inoxidables Austeníticos:

  11-30% Cr, 4-20% Ni y %C menor a 0.2% C son los más utilizados. Caracterizados por incorporar níquel, además del cromo, a la aleación. Resistencia a la corrosión excelente. Son muy dúctiles, se utilizan para trabajos de conformado. Son los más caros.

Influencia de Algunos Elementos de Aleación

• COBALTO (Co): Mejora la resistencia al revenido (mantiene la dureza en caliente), se utiliza en aceros de trabajo en caliente, en refractarios y en aceros rápidos.
• CROMO (Cr): Fuerte formador de carburos, que elevan la resistencia y la dureza, facilitan el corte y aumentan la resistencia al desgaste (en los aceros rápidos). Aumenta la resistencia a la corrosión (en los aceros inoxidables).
• NÍQUEL (Ni): Aumenta el límite elástico y la resistencia en los aceros de construcción. Se emplea en aceros de cementación y bonificación para aumentar la tenacidad. Estructura austenítica en los aceros de alto contenido en cromo resistentes a la corrosión.
• VANADIO (Va): Hace que el tamaño de grano sea más fino, mejorando las propiedades mecánicas. Fuerte formador de carburos, incrementa la dureza, resistencia al desgaste, capacidad de corte y la resistencia en caliente.
• MANGANESO (Mn): Es fuertemente desoxidante, aumenta la tenacidad y disminuye el agrietamiento.
• MOLIBDENO (Mo): Mejora la templabilidad. Favorece la formación de estructuras de grano fino.
• WOLFRAMIO (W): Por cada 1%, la resistencia a la tracción y el límite elástico se elevan aproximadamente en un 4% cada uno, mejorando asimismo la tenacidad. Proporciona resistencia al desgaste a altas temperaturas. Se utiliza en aceros rápidos y en aceros refractarios.

Clasificación del Acero según su Aplicación

A) Aceros de Construcción

• A.1) Los que se emplean en bruto de laminación.

  • A.1.1. Aceros Ordinarios al Carbono:

    Es el más numeroso en aplicaciones.

  • A.1.2. Aceros Finos para Usos Especiales:

    Incluyen los aceros de fácil mecanización y los de alto límite elástico.

    • A.1.2.1. Aceros de Fácil Mecanización:

      Presentan mejor maquinabilidad y pueden trabajarse en máquinas CNC a mayores velocidades de corte.

      • Incorporan elementos químicos como fósforo, azufre y plomo que facilitan la rotura de la viruta, permitiendo mayores velocidades de corte sin aumentar el desgaste.
      • El tamaño del grano apropiado: Se mecaniza más fácil cuanto mayor sea el tamaño del grano.
      • La dureza adquirida (de 187 a 230 HB) es más apropiada para una correcta mecanización.

    • A.1.2.2. Aceros de Baja Aleación y Alto Límite Elástico:

      Presentan un elevado límite elástico debido al endurecimiento por precipitación combinado del grano. Se trata de aceros microaleados.

• A.2) Los que se someten a un tratamiento térmico para mejorar sus características y los aceros destinados a endurecimiento superficial mediante cementación y nitruración.

  Se les aplican tratamientos de temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se utilizan para posibilitar su mecanización y son tratados térmicamente, siendo empleados en la construcción de maquinaria.

  • A.2.1. Aceros (al carbono y aleados) para Temple y Revenido:

    Con ellos se consigue endurecer y aumentar la resistencia. Sus utilidades incluyen:

    • Piezas sometidas a grandes esfuerzos, con una resistencia media/alta y gran tenacidad.
    • Piezas sometidas a altos esfuerzos de torsión.
    • Ciertas piezas en las que pueda sustituirse su fabricación mediante aceros cementados.
    • Piezas de elevada dureza y gran resistencia al desgaste y a la fatiga.

  • A.2.2. Aceros (al carbono y aleados) para Cementar:

    Poseen buena tenacidad y poca dureza. Con los aceros templados se gana en fragilidad. La cementación consiste en aumentar el porcentaje de carbono en la capa superficial y, mediante un templado posterior, se obtiene una superficie dura y un núcleo tenaz.

  • A.2.3. Aceros Aleados para Nitrurar:

    Consiste en realizar un endurecimiento de la capa superficial del acero mediante la absorción de nitrógeno, con resultados aceptables en cuanto a dureza y resistencia a la fatiga. Las piezas se templan antes de la nitruración. Se aplica a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, que requieren un núcleo con cierta plasticidad para absorber golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste.

B) Aceros de Herramientas

• B.1) Aceros al Carbono de Herramientas:

  Son aceros que presentan una alta dureza y resistencia al desgaste. Tienen un contenido superior al 0.55% C hasta el 1.3% C. Se utilizan para herramientas de gran tenacidad. Para conseguir la máxima dureza, deben ser templados en agua.

• B.2) Aceros Aleados de Herramientas:

  Tienen un contenido en carbono superior a 0.30% que les aporta dureza y resistencia. Los elementos de aleación les confieren resistencia, dureza, templabilidad y resistencia al revenido.

• B.3) Para Trabajo en Frío:

  Se emplean para fabricar herramientas que no sobrepasan temperaturas superficiales de 200 °C. Deben tener una dureza elevada, gran resistencia al desgaste, buena tenacidad, buena maquinabilidad y reducida variación dimensional.

• B.4) Para Trabajo en Caliente:

  Se emplean en aceros que sobrepasan temperaturas superficiales de 200 °C. Además de lo anterior, deben soportar la fatiga térmica, mantener la dureza en caliente y poseer buena resistencia.

• B.5) Acero Rápido:

  Mantienen su dureza a temperaturas elevadas, hasta 550 °C máximo en el filo de corte de la herramienta. Permiten elevadas velocidades de corte. Su templado se realiza a temperaturas altas, unos 1250 °C, cercanas al punto de fusión.

• B.6) Resistentes al Impacto:

  Son materiales capaces de elevar su dureza mediante impactos y golpes, manteniendo la superficie dura con un centro tenaz. Poseen buena resistencia al desgaste y son difíciles de mecanizar. Para usos industriales.

• B.7) Refractarios:

  Poseen altas propiedades de resistencia a elevadas temperaturas (hasta 1.000 °C), buen comportamiento en ambientes oxidantes y en presencia de nitrógeno. Para usos industriales.

Tratamientos Térmicos de los Aceros

Microconstituyentes Obtenidos en los Diagramas TTT

• Austenita: Es la forma estable del hierro a elevadas temperaturas. La máxima solubilidad del C es 2.11% a 1148 °C. No es magnética y tiene elevada resistencia mecánica.
• Martensita: Constituyente típico de los aceros templados. Se forma por una sobresaturación de carbono en el hierro y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde alta temperatura. Sus propiedades varían con su composición, aumentando su dureza, resistencia y fragilidad. Después de los carburos y la cementita, es el constituyente más duro de los aceros.
• Martensita Revenida: Tras ser revenida, cambia su estructura y queda aliviada de las tensiones generadas en el temple.
• Bainita: Se forma en la transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperaturas entre 250 y 600 °C. Existen dos tipos: la bainita superior, que se forma entre 450 y 600 °C, y la inferior, desde 250 hasta 50 °C.

Tipos de Tratamientos Térmicos

• 1) Recocido:

  Trata de ablandar, afinar el grano, eliminar tensiones y eliminar la acritud producida por la conformación del material en frío. Se obtiene calentando la pieza hasta la temperatura de transformación en austenita y enfriando lentamente dentro de un horno o cubierta de arena.

  • Recocido de Regeneración: Tiene como función afinar el grano de los aceros sobrecalentados. La temperatura de calentamiento es 50 °C por encima de la de transformación.
  • Recocido de Globular: Se efectúa sobre los aceros de bajo contenido en carbono para lograr una fácil mecanización.
  • Recocido de Estabilización: Tiene por objeto eliminar las tensiones internas de las piezas forjadas o trabajadas en frío.

• 2) Normalizado:

  La velocidad de enfriamiento es más elevada que en el recocido. Las piezas se sacan del horno y se dejan enfriar al aire. Se obtiene una estructura de grano fino, es rápido de realizar y no se consigue alta dureza. Se utiliza en aceros no aleados.

• 3) Temple:

  Se emplea para incrementar la dureza y la resistencia del acero. Consiste en calentar el acero hasta transformar su microestructura en austenita y enfriarlo rápidamente para obtener la martensita.

  • 3.1. Temple Total:

    Se templan piezas pequeñas y el efecto llega hasta el núcleo de la pieza. Hay que controlar la velocidad de enfriamiento en el núcleo para conseguir la transformación en martensita de toda la pieza.

  • 3.2. Temple Superficial:

    Es un calentamiento superficial muy rápido, seguido de un enfriamiento rápido. Se consigue que el núcleo quede blando, con buena tenacidad, y la superficie dura y resistente al rozamiento. Se puede realizar con soplete oxiacetilénico o por inducción.

  • 3.3. Temple Isotérmico (Temple Bainítico):

    Se enfría rápidamente en un baño de sal hasta una temperatura de 200 °C y se mantiene la temperatura de la pieza constante. Esto le confiere dureza a la pieza sin ser excesivamente frágil.

    Factores que más influyen en el temple:

    • Composición del acero
    • Temperatura de calentamiento
    • Velocidad de enfriamiento

• 4) Revenido:

  Elimina la fragilidad y las tensiones ocasionadas en el temple (debido al enfriamiento brusco). Consiste en un calentamiento a una temperatura inferior al punto de transformación de austenita, lo que permite que la martensita se transforme en una estructura más estable y pierda fragilidad. Se termina con un enfriamiento rápido.

• 5) Tratamientos Termoquímicos:

  Modifican la composición química de los aceros para mejorar propiedades como la dureza o la resistencia a la corrosión.

  • 5.1. Cementación:

    Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior en una pieza de acero.

  • 5.2. Nitruración:

    Tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros y fundiciones. Permite obtener durezas muy elevadas, siendo muy duros y resistentes a la corrosión.

Fundiciones

Las fundiciones son una familia de aleaciones de hierro con contenidos de carbono del 2 al 4% C. Se caracterizan por su elevada colabilidad, tanto por su fluidez en estado líquido como por su baja absorción de gases.

Clasificación de las Fundiciones

1. Fundición Blanca:

   Tiene todo el carbono en forma de cementita. Características: Muy baja tenacidad. Al romperse, producen una superficie fracturada cristalina y brillante que da origen a su nombre. Presentan elevada resistencia al desgaste y a la abrasión. Pueden obtenerse durezas de 300 a 400 HB.

2. Fundición Gris:

   Contiene de 2.5 a 4% de C y de 1 a 3% de Si. Características: Resulta un material de ingeniería importante debido a su bajo costo, que combina con propiedades interesantes como excelente capacidad de mecanización y buena resistencia al desgaste.

3. Fundición Maleable:

   Son tratadas térmicamente. Características: Dúctil y maleable, con cierta capacidad para deformarse plásticamente.

4. Fundición de Grafito Esferoidal o Fundición Dúctil:

   Combina las ventajas del hierro fundido con las del acero. Características: Elevada resistencia y límite de elasticidad, tenacidad, ductilidad y, por lo tanto, conformabilidad en caliente y templabilidad, manteniendo las propiedades de la fundición como excelente maquinabilidad y buena resistencia al desgaste.

5. Fundiciones Aleadas:

   Se obtienen por la adición de Níquel, Cobre, Aluminio, Molibdeno y Cromo a la fundición gris para modificar el estado del grafito. Características: Buen comportamiento a la corrosión y resistencia a elevadas temperaturas.

Aleaciones Ligeras

Aluminio

Es un metal ligero con una densidad de 2.70 g/cm³. Sus características mecánicas son relativamente bajas comparadas con las del acero, pero su relación resistencia-peso es excelente. Las desventajas del aluminio son su baja resistencia a la fatiga y su comportamiento deficiente a temperaturas elevadas.

Clasificaciones del Aluminio

Según su Composición

• Aleaciones de Aluminio del 99% Al (Serie 1000): El aluminio puro no tiene buenas propiedades mecánicas.
• Aleaciones Aluminio-Cobre (Serie 2000): El cobre es un metal que endurece sensiblemente el aluminio, conservando su facilidad de mecanizado y su ligereza.
• Aleaciones Aluminio-Manganeso (Serie 3000): La adición de manganeso aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la capacidad anticorrosiva del aluminio.
• Aleaciones Aluminio-Silicio (Serie 4000): El silicio, además de endurecer el aluminio, aumenta la fluidez de la colada y su capacidad anticorrosiva. Son empleados para fundición.
• Aleaciones Aluminio-Magnesio (Serie 5000).
• Aleaciones Aluminio-Magnesio-Silicio (Serie 6000).
• Aleaciones Aluminio-Cinc (Serie 7000): El aluminio con cinc es más económico que con el cobre, pero resulta más pesado y con menor poder anticorrosivo.

Según su Aplicación

Aleaciones de Forja

Se dividen en dos grupos:

• No tratables térmicamente: No pueden ser endurecidas por precipitación y solo pueden trabajarse en frío para aumentar su resistencia. Los tres grupos más importantes de estas aleaciones corresponden a las familias de aluminio puro, Al-Mg y Al-Mn.
• Tratables térmicamente: Es el grupo más importante, donde tiene lugar el endurecimiento por precipitación. Combinan elementos químicos como Cu, Zn, Si y Mg, formando las series 2000 (Al-Cu y Al-Cu-Mg), la 6000 (Al-Si-Mg) y la 7000 (Al-Zn-Mg).

Aleaciones de Moldeo

Se han desarrollado por sus buenas cualidades de colabilidad, fluidez y capacidad de llenado de los moldes, y por la optimización de las propiedades de resistencia y tenacidad o resistencia a la corrosión. El silicio aumenta sobre todo la fluidez de las mismas. El magnesio, en porcentajes del 0.3 al 1%, facilita el endurecimiento por precipitación. Con cobre entre el 1 y el 4%, aumentan la resistencia, sobre todo a temperaturas elevadas.

Tratamientos Térmicos de las Aleaciones de Aluminio

Pueden ser tratadas térmicamente y endurecidas por precipitación, aumentando la dureza y resistencia del material. El endurecimiento no se realiza por temple, sino por envejecimiento y precipitación. Este proceso consta de 3 etapas:

• 1º Calentamiento y mantenimiento: A una temperatura aproximada de 500 °C.
• 2º Temple: Enfriamiento rápido para conseguir una microestructura homogénea. La matriz de aluminio absorbe todos los elementos de aleación y se sobresatura.
• 3º Envejecimiento: Se mantiene el aluminio a alta temperatura (aproximadamente 250 °C) durante varias horas. Los elementos de aleación salen de la matriz y forman los componentes que aportan dureza y resistencia.

Magnesio

Propiedades del Magnesio y Aleaciones Ultraligeras

Se caracterizan por su bajo peso específico (aproximadamente 1.8 kg/dm³) y su excelente facilidad para ser mecanizadas. Son ideales para piezas de automoción y aeronáutica. Poseen un carácter no magnético y ligereza para desplazarse a velocidades muy elevadas. Sus desventajas son la poca ductilidad, su elevada tendencia a la corrosión y que es inflamable a altas temperaturas.

Clasificaciones del Magnesio

En ambos tipos, las aleaciones pueden mejorarse mecánicamente por tratamientos de deformación y tratamientos térmicos de envejecimiento.

Aleaciones de Forja

Se clasifican en función del elemento de aleación mayoritario en aleaciones Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn.

Aleaciones para Moldeo

La temperatura de fusión es de 650 °C. Por encima de los 310 °C, se inflama espontáneamente en contacto con el aire, por lo que el proceso debe hacerse con atmósfera protegida para evitar el peligro de incendio. Contienen aluminio y manganeso que facilitan su colabilidad.

• Aleaciones Magnesio-Aluminio: Forman sistemas ternarios con magnesio y cinc. El cinc incrementa las propiedades a tracción, mientras que el manganeso se adiciona para mejorar su resistencia a la corrosión.
• Aleaciones Magnesio-Cinc: Admiten tratamiento por envejecimiento, y la adición de cobre mejora la ductilidad y sus propiedades mecánicas después del envejecimiento.

Titanio

Es un elemento caro en su extracción. Se caracteriza por su ligereza, baja conductividad y dilatación, por su excelente resistencia a la corrosión y buen comportamiento a elevadas temperaturas.

Propiedades Mecánicas del Titanio

Posee una resistencia muy elevada (684 MPa para el Ti de pureza 99.0%). El titanio y sus aleaciones pueden competir favorablemente con las aleaciones de aluminio, a pesar de su mayor precio (alrededor de unas cinco veces superior). Presenta un bajo coeficiente de dilatación, excelente resistencia a la corrosión y buen comportamiento a elevadas temperaturas.

Clasificación del Titanio

• Titanio Puro: Tiene una excelente resistencia a la corrosión, pero peores propiedades mecánicas (resistencia a la tracción y límite elástico). Posee baja densidad y cierta resistencia a elevadas temperaturas. Las aleaciones de titanio se clasifican en función de su estado en aleaciones alfa (α), aleaciones beta (β) y aleaciones alfa-beta (α-β).
• Aleaciones α: Contienen aluminio, oxígeno y otros elementos estabilizadores de la fase α. El aluminio endurece el titanio y mejora la resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas. Las principales propiedades que distinguen a las aleaciones de titanio α son la resistencia a elevadas temperaturas y su excelente capacidad de soldadura.
• Aleaciones β: El vanadio y el molibdeno son los responsables de conseguir aleaciones beta a temperatura ambiente. Pueden ser tratadas térmicamente, respondiendo a procesos de endurecimiento para aumentar la resistencia.
• Aleaciones de Ti α + β: Las aleaciones α + β pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación es envejecida o revenida alrededor de 500 °C. Durante el envejecimiento, aumenta considerablemente la resistencia de la aleación.

Aleaciones Pesadas

Aleaciones de Cobre

Son más pesadas que el hierro. La relación resistencia-peso es inferior a la del aluminio y el magnesio. Tienen mayor resistencia a la fatiga y al desgaste, presentan una excelente ductilidad, resistencia a la corrosión, buena conductividad eléctrica y responden bien al endurecimiento por deformación.

Cobre Comercialmente Puro

Se utiliza en aplicaciones eléctricas por su elevada conductividad. Puede endurecerse por deformación, aumentando sus características mecánicas y disminuyendo poco sus prestaciones eléctricas.

Cobre-Zinc o Latones

Sus propiedades mecánicas aumentan conforme se eleva el contenido en Zn, sin disminución del alargamiento o ductilidad. Puede ser conformada en frío y endurecida por deformación.

Cobre-Estaño o Bronces

Pueden contener más de un 10% de Sn. Se añaden otros elementos de aleación como el Pb para elevar su maquinabilidad, o el zinc para elevar su resistencia mecánica. Se utilizan para fundición.

Aleaciones Termorresistentes

Aleaciones Base Níquel

El níquel es un metal importante debido a su excepcional resistencia a la corrosión y a la oxidación a elevadas temperaturas. Sin embargo, su elevado precio y su elevada densidad limitan su uso.

Aleaciones Base Cobalto

La característica del cobalto es su elevadísima dureza y resistencia al desgaste, y se puede templar. La resistencia a la corrosión y oxidación del cobalto es menor que la del hierro, y tiene un elevado costo, por lo que el metal puro no tiene aplicación industrial. En cambio, como elemento de aleación, proporciona a sus aleaciones una elevada refractariedad, importante resistencia a la corrosión y excelentes propiedades magnéticas.

Aplicaciones más Importantes del Cobalto:

• Aleaciones resistentes a la corrosión.
• Aleaciones resistentes a la abrasión.
• Herramientas de metal duro.
• Superaleaciones base cobalto.

Existen tres categorías de superaleaciones: base níquel, base hierro y base cobalto. Sus aplicaciones típicas responden a la necesidad de soportar grandes esfuerzos a elevadas temperaturas.

Materiales para Herramientas de Corte

Tipos de Materiales para Herramientas de Corte

La herramienta arranca el material porque es más dura que la pieza a mecanizar y está afilada de forma permanente. El material de la herramienta debe resistir los esfuerzos de corte, el desgaste en el filo y mantener la dureza a las altas temperaturas que se producen durante el corte. Las propiedades clave son:

• Dureza
• Resistencia
• Tenacidad
• Resistencia al revenido

Los materiales de herramientas de corte duros incluyen:

• Acero Rápido (HSS)
• Metales Duros:
  • HW: Metal duro sin recubrimiento.
  • HT: Metal duro sin recubrimiento, también denominado cermet.
  • HC: Metal duro como el anterior, pero con recubrimiento.
• Cerámicas:
  • CA: Cerámica de óxido que contiene óxido de aluminio (Al₂O₃).
  • CM: Cerámica mixta que contiene óxido de aluminio (Al₂O₃) y otros componentes.
  • CN: Cerámica de nitruro que contiene principalmente nitruro de silicio.
  • CC: Cerámicas como las anteriores, pero con recubrimiento.
• Materiales Compuestos:
  • DP: Diamante policristalino.
  • CBN: Nitruro de boro cúbico.

Acero Rápido

Se distingue entre aceros aleados al tungsteno, al molibdeno y al tungsteno-molibdeno. Contienen diferentes porcentajes de carbono, vanadio y cobalto, según el tipo de esfuerzo. Sus características son:

• Elevada dureza y resistencia al desgaste.
• Elevada resistencia al revenido (mantener la dureza en caliente).
• Buena tenacidad.

Características del Acero Rápido

• Resistencia a la Abrasión: La proporcionan los carburos presentes.
• Tenacidad: Los aceros rápidos son los más frágiles. La tenacidad o resistencia al impacto es importante en las herramientas sometidas a choque.
• Dureza en Caliente: Los carburos no influyen en esta característica.
• Aptitud de Rectificado: Es la facilidad con que una herramienta tratada a su máxima dureza puede rectificarse bajo condiciones externas óptimas.
• Maquinabilidad: En líneas generales, se mecaniza bien en estado de recocido. Hay que tener en cuenta la composición y la estructura.

Aplicaciones del Acero Rápido

• Herramientas para el arranque de viruta de materiales metálicos:
  • Fresas cilíndricas
  • Fresas de disco
  • Machos de roscar a máquina
  • Brocas espirales
  • Escariadores
• Herramientas para esfuerzos de compresión extrema, como el corte de precisión de materiales de alta resistencia:
  • Punzón cortador
  • Punzón de conformado
  • Troqueles

Tratamientos del Acero Rápido

• Recocido Blando: 770-840 °C, enfriamiento lento y controlado en el horno, seguido de enfriamiento al aire.
• Recocido de Eliminación de Tensiones: 600 – 650 °C, enfriamiento lento en el horno. Se utiliza para reducir la tensión después de un extenso arranque de virutas.
• Temple: 1190 – 1230 °C. El margen superior de temperatura es para herramientas de configuración sencilla, y el margen inferior para herramientas de configuración complicada. Por razones de tenacidad, en herramientas para trabajar en frío, también son importantes temperaturas más bajas de temple.
• Revenido: Calentamiento lento hasta la temperatura de revenido. Tiempo de permanencia en el horno: 1 hora por cada 20 mm de espesor de la pieza.

Metal Duro

Clasificación y Propiedades del Metal Duro

Es un material metalúrgico en polvo, compuesto de partículas de carburo de tungsteno (WC) y un aglutinante rico en cobalto metálico (Co). El tamaño de grano de WC y la cantidad de fase aglutinante son factores importantes para determinar las características del metal duro. El incremento en la cantidad de aglutinante conseguirá una calidad más tenaz, que tiene más tendencia al desgaste por deformación plástica. Un contenido de aglutinante demasiado bajo puede provocar que el material sea quebradizo. Cuanto más fino sea el tamaño del grano, mayor será la dureza. Existen diferentes tipos de metal duro en función de la composición.

• Para clasificar los diferentes tipos de metal duro se usa la norma ISO 513:2004.
• La norma clasifica los diferentes tipos de metal duro en 6 grupos, según el material que pueda mecanizar la herramienta.
• Dentro de cada grupo, se diferencian unos grados que determinan la relación entre dureza-tenacidad del metal duro. Se determinan con un número. En los catálogos se muestran las diferentes calidades del metal duro.

Aplicaciones del Metal Duro

Tamaño del Grano WC de Medio a Grueso

Un tamaño de grano WC entre medio y grueso aporta al metal duro una combinación superior de elevada resistencia al calor y tenacidad.

Tamaño del Grano WC Fino o Inferior a una Micra

El tamaño de grano WC fino o inferior a una micra se utiliza para filos agudos con recubrimiento PVD para mejorar aún más la resistencia del filo.

Metal Duro Recubierto

Supone actualmente el 80-90% de todas las plaquitas para herramientas de corte. Ofrece una combinación de resistencia al desgaste y tenacidad, así como capacidad para adoptar formas complejas. Actúa como un lubricante permanente, reduciendo las fuerzas de corte, la generación de calor y el desgaste, lo que permite utilizar velocidades de corte más altas durante el mecanizado. La primera capa por encima del sustrato es de nitro-carburo de titanio (TiCN). El carburo de titanio (TiC), fuerte y resistente al desgaste, forma la siguiente capa. Esta va cubierta por una capa algo más gruesa de óxido de aluminio, que proporciona resistencia al impacto y estabilidad a temperaturas elevadas. Finalmente, el nitruro de titanio contribuye a un menor coeficiente de fricción y reduce la tendencia a formar filo de aportación.

Aplicaciones del Metal Duro Recubierto

Las calidades con recubrimiento CVD son la primera elección en una amplia gama de aplicaciones donde resulta importante la resistencia al desgaste y la resistencia a la formación de cráteres de desgaste, mejorada por el grueso recubrimiento CVD. Las calidades con recubrimiento PVD se recomiendan cuando se necesita un filo tenaz y agudo al mismo tiempo, y también para mecanizar materiales pastosos. Estas aplicaciones están muy extendidas e incluyen todas las brocas y fresas enterizas, y la gran mayoría de calidades para ranurar, roscado y fresado. Las calidades con recubrimiento PVD también se utilizan ampliamente para aplicaciones de acabado.

Metal Duro – Cermet

Características:

Es un metal duro con carburos de titanio. Tiene gran resistencia al desgaste y una menor exigencia en conducción térmica que las herramientas de carburo.

Ventajas:

Trabajan a mayores velocidades de corte y dejan un mejor acabado superficial que las herramientas de metal duro. Operando a la misma velocidad que las herramientas de carburo, la vida de la herramienta de cermet es más larga.

Desventajas:

Son frágiles y, por lo tanto, tienden a astillarse fácilmente. Requieren de una máquina más rígida que la necesaria para otras herramientas de corte.

Cerámica

Poseen excelente resistencia al desgaste a velocidades de corte elevadas. Existen dos tipos principales de cerámicas:

• Con base de óxido de aluminio:
  • Cerámica Pura: Presenta baja resistencia, bajos valores de tenacidad y una conductividad térmica no muy favorable, lo que hace que el filo de corte sea frágil y propenso a roturas frecuentes.
  • Cerámica Mixta: Ofrece mejor resistencia a los choques térmicos, siendo menos sensible a las fisuras gracias a su mayor conductividad térmica. Posee resistencia en caliente y gran resistencia al desgaste.
  • Cerámica Reforzada con Filamentos.
• Con base de nitruro de silicio: Se caracterizan por su alta tenacidad y resistencia a los choques térmicos, siendo superiores a las cerámicas con base de óxido de aluminio. Las calidades de nitruro de silicio son favorables en fundición gris.

Las principales áreas de aplicación para las cerámicas son:

• Fundición Gris: Tanto para el desbaste como para el acabado, las cerámicas de óxido de aluminio puras presentan buen comportamiento.
• Aleaciones Termorresistentes: Se mecanizan favorablemente con cerámica mixta recubierta y con cerámica reforzada.
• Aceros Templados y Fundición Nodular: En el mecanizado de fundición endurecida, su gran resistencia al desgaste por abrasión es fundamental frente a los carburos duros.

Materiales Compuestos

Nitruro de Boro Cúbico Policristalino (CBN)

Material artificial extremadamente duro, aunque de una dureza menor a la del diamante. El c-BN es un aislante eléctrico y un excelente conductor del calor. Posee buena tenacidad y resistencia a los cambios bruscos de temperatura.

Aplicaciones:

Las calidades CBN se utilizan ampliamente en torneado de acabado de aceros templados. El CBN también se puede utilizar para desbaste a alta velocidad de fundición gris, tanto en operaciones de torneado como de fresado. Los materiales a mecanizar en los que suelen aplicarse herramientas CBN son:

• Aceros forjados
• Aceros y fundiciones templadas
• Piezas con superficies endurecidas
• Metales pulvimetalúrgicos con cobalto y hierro
• Rodillos de laminación de fundición perlítica
• Aleaciones de alta resistencia al calor

Diamante Policristalino (PCD)

El PCD es un compuesto de partículas de diamante sinterizadas junto con un aglutinante metálico. El diamante es el material más duro que existe y, por tanto, el más resistente a la abrasión. Como herramienta de corte, presenta buena resistencia al desgaste, pero carece de estabilidad química a alta temperatura y se disuelve con facilidad en hierro.

Aplicaciones:

Las herramientas de PCD están limitadas a materiales no férreos, como aluminio de alto contenido de silicio, compuestos con matriz metálica (MMC) y plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP).

Ventajas:

• Tiene una vida útil prolongada debido a su elevada dureza y enorme resistencia al desgaste.
• El mecanizado estable es posible debido a su elevada conductividad térmica y rápida evacuación de calor mediante el mecanismo de radiación.
• Permite realizar mecanizados de alta velocidad y, por tanto, la producción es mucho más elevada.
• Se consigue un mecanizado de alta precisión.

Recubrimiento de Herramientas

Los requisitos que debe cumplir una herramienta de corte muchas veces son imposibles de conseguir con un único material. En la práctica, se utiliza una base que aporte la tenacidad, recubierta superficialmente con otro material muy duro. Las funciones de un recubrimiento son:

• Aumentar la dureza de la superficie.
• Reducir el rozamiento entre herramienta y viruta.
• Proteger la herramienta de las altas temperaturas.

2.1 Recubrimiento CVD

Aplicaciones: Las calidades con recubrimiento CVD son la primera elección en una amplia gama de aplicaciones donde resulta importante la resistencia al desgaste. Estas aplicaciones se pueden encontrar en torneado general y mandrinado de acero, con resistencia a la formación de cráteres de desgaste mejorada por el grueso recubrimiento CVD.

2.2 Recubrimiento PVD

Los recubrimientos por deposición física en fase de vapor se forman a temperaturas relativamente bajas (400-600 °C). El proceso implica la evaporación de un metal que reacciona con, por ejemplo, nitrógeno para formar un recubrimiento duro de nitruro en la superficie de la herramienta. Los recubrimientos PVD aportan resistencia al desgaste a la calidad gracias a su dureza. Su tensión compresiva también añade tenacidad al filo y resistencia a roturas de tipo peine. Aplicaciones: Las calidades con recubrimiento PVD se recomiendan cuando se necesita un filo tenaz y agudo al mismo tiempo, y también para mecanizar materiales pastosos.

Desgaste de las Herramientas de Corte

El desgaste progresivo de la herramienta es un fenómeno inevitable. Este desgaste en las herramientas se produce por la combinación de rozamiento, alta temperatura y afinidad química entre el material de la herramienta y el material de la pieza.

3.1 Mecanismos de Desgaste de las Herramientas de Corte:

El desgaste de la herramienta se debe a una serie de fenómenos:

• Abrasión: Implica una pérdida de material de la herramienta.
• Difusión: Es favorecida por las altas temperaturas.
• Oxidación: Se produce en la superficie de la herramienta y también es favorecida por las altas temperaturas.
• Adhesión: Se debe a la alta presión de contacto entre viruta y herramienta.

3.2 Localización del Desgaste de Herramienta:

El desgaste de la herramienta se concentra fundamentalmente en:

• Superficie de Incidencia: Desgaste de flanco.
• Superficie de Desprendimiento: Desgaste de cráter.
• Filo Principal.

3.2.1 Desgaste de Flanco (Abrasivo)

Es la abrasión entre la superficie de incidencia y la superficie mecanizada.

3.2.2 Desgaste de Cráter (Químico)

Se localiza en el lado de desprendimiento de la plaquita. Se debe a una reacción química entre el material de la pieza y el de la herramienta, y se ve potenciado por la velocidad de corte y las altas temperaturas.

3.2.3 Filo Recrecido (Adhesivo)

Es la adhesión de material en la superficie de desprendimiento y la punta de la herramienta.

3.2.4 Otros Tipos de Desgaste

3.2.4.1 Desgaste en Entalladura (Adhesivo)

Desgaste de la plaquita caracterizado por un daño excesivo y localizado tanto en la cara de desprendimiento como en el flanco de la plaquita en la línea de profundidad de corte.

3.2.4.2 Deformación Plástica (Térmico)

La deformación plástica se produce cuando el material de la herramienta se ablanda.

3.2.4.3 Fisuras Térmicas (Térmico)

Si la temperatura del filo cambia rápidamente entre frío y calor, pueden aparecer varias fisuras en dirección perpendicular al filo.

3.2.4.4 Astillamiento/Rotura del Filo (Mecánico)

El astillamiento o rotura es el resultado de una sobrecarga de tensión mecánica.

La Vida Útil de la Herramienta

Conocer el desgaste que va a sufrir una herramienta en una operación de mecanizado es muy importante para obtener el máximo rendimiento del proceso y programar cuándo hay que cambiar la herramienta. Para ello, hay que tener en cuenta multitud de factores (parámetros de corte, material de pieza, material de herramienta, fluido de corte, etc.). Una expresión común es: Vc·Tⁿ=K. Donde Vc es la velocidad de corte, T es la vida útil de la herramienta en segundos, y n y K son constantes que hay que determinar en cada caso.