¿Qué hay de nuevo con los recubrimientos para herramientas de corte?

¿Deberías recubrir en casa? Los factores a considerar incluyen costos, problemas de la cadena de suministro y la capacidad de fabricar recubrimientos patentados.

La última vez que cubrimos en detalle los recubrimientos de herramientas de corte (ME agosto de 2019: "Mejor vida útil de la herramienta a través de la química avanzada"), la nueva tecnología de moda era la pulverización catódica de magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS). HiPIMS es una forma avanzada de deposición física de vapor (PVD) que logra una ionización casi completa del metal de recubrimiento. Pero el proceso requiere controlar más de 100 parámetros. En ese momento, los fabricantes de herramientas apenas comenzaban a reconocer los beneficios de los recubrimientos producidos por el método, pero muchos todavía desconfiaban de intentarlo ellos mismos.

CemeCon, un proveedor de tecnología de recubrimientos con sede en Horseheads, NY, ahora ofrece sistemas que pueden ser operados por nuevos usuarios después de unas pocas semanas de capacitación, y estos sistemas son incluso más capaces que los modelos anteriores, según el gerente de ventas Ryan Lake.

El software operativo más reciente de la compañía hace que sea relativamente fácil controlar la multitud de factores que gobiernan el proceso HiPIMS, explicó Lake. Relató una instalación reciente en la que un cliente envió a miembros del personal a CemeCon para sesiones de capacitación de dos semanas, seguidas de otras dos semanas internas. "Ninguno de ellos había revestido antes, pero [pronto] estaban en funcionamiento". Como dijo, CemeCon es "capaz de capacitar a cualquiera que tenga interés en la tecnología. Si pueden descubrir cómo fabricar con éxito herramientas de corte de calidad, pueden aprender a hacer recubrimientos".

El fabricante de herramientas especializadas y rectificador Better Edge, Scottdale, Pensilvania, recubre su producto con equipos de CemeCon y Oerlikon Balzers, con sede en Liechtenstein. Además, la división Kabrlyn Coating Technologies de Better Edge ofrece servicios de recubrimiento a otros fabricantes de herramientas. Del mismo modo, CemeCon, Balzers y otras empresas que fabrican recipientes de revestimiento generalmente también ofrecen revestimiento como un servicio, y estas empresas pueden ofrecer perspectivas útiles sobre si se debe realizar el revestimiento internamente.

Lake dijo que el primero de los tres factores a estudiar es financiero: ¿Cuánto está gastando en servicios de revestimiento exterior? "Si es de $200,000 a $250,000 por año, definitivamente hay una razón financiera para pensar en traerlo internamente".

Brian Shaffer, vicepresidente de operaciones y calidad de Better Edge, agregó que también debe considerar los volúmenes esperados de recubrimientos específicos. "Las recetas son muy costosas, especialmente en el campo de alto rendimiento en el que nos gusta jugar. Por lo tanto, tenemos que hacer suficientes pruebas para demostrar que la receta vale la pena para el resultado final de nuestro cliente, y preguntarnos si tendremos suficiente volumen para llenar la unidad para que valga la pena ejecutarla".

Por ejemplo, dijo Shaffer, a fines de 2020, Better Edge invirtió en una unidad de recubrimiento con tecnología de arco de Oerlikon Balzers con recetas de "TiN, AlTiN, AlCrN y TiAlN que nos permitieron mantener el 99 por ciento de nuestro negocio internamente. Todavía tenemos la extraña caso de herramientas extremadamente largas que deben enviarse, o una receta que no ofrecemos, como TiB2 o diamante".

Entonces, ¿vale la pena agregar más a la mezcla? Shaffer apuntó a Tisaflex de Balzer, que dijo que había tenido éxito "en aceros endurecidos y otros materiales difíciles de mecanizar. Esa es otra receta que algún día podríamos considerar traer internamente si tenemos suficiente demanda". La lección aquí es que las consideraciones de costos van más allá de conseguir un barco.

Lograr la limpieza es otra consideración de costos, señaló Shaffer. "Descubrimos que invertir en una unidad de limpieza superior ayuda enormemente a disminuir el tiempo de inactividad del recipiente de recubrimiento al reducir los errores de arco".

Lo ideal sería aislar físicamente el recubrimiento del esmerilado, agregó Lake, porque este último arroja partículas al aire. De lo contrario, "corre un alto riesgo de cubrir los vacíos en sus herramientas, porque las partículas llegan a sus herramientas. Entran en la cámara y luego el recubrimiento no se adhiere. Pero tenemos clientes que tienen equipos de recubrimiento quizás solo 20 pies (6,1 m) del molinillo y siguen teniendo éxito. Aconsejamos una separación. Pero también sabemos que a veces la realidad no permite que eso suceda".

Lake enumeró el control de la cadena de suministro como el segundo factor más importante para decidir si recubrir internamente. "De esa manera, las herramientas nunca salen de sus instalaciones, nunca dejan su control, acortan sus tiempos de entrega. Ese es a menudo un objetivo". Shaffer estuvo de acuerdo con entusiasmo: "El control total del proceso nos brinda una ventaja competitiva: poder ofrecer mejores tiempos de entrega. Acabamos de comenzar un programa que llamamos 'Rapid Edge' que ofrece recubrimientos especiales de alto rendimiento en solo tres días".

El tercer factor a considerar, según Lake, es la capacidad de desarrollar recubrimientos patentados. Explicó que los contratistas de pintura están más o menos obligados a ofrecer productos estándar. "No sabemos lo que entra por la puerta todos los días... Podemos hacer ajustes con nuestro tratamiento previo, nuestro tratamiento posterior o la limpieza, según el tamaño de la herramienta y la geometría, para optimizar de diferentes maneras. Pero no No tengo la misma flexibilidad que un fabricante de herramientas". Lake agregó que tampoco hay una gran diferencia entre los materiales disponibles de los recubridores de la competencia. Mientras que, "cuando lleva el revestimiento a casa, puede hacer lo que quiera. Y con HiPIMS, puede pulverizar casi cualquier elemento de la tabla periódica".

La presidenta de CemeCon, Marjorie Steed, observó que la intensa presión competitiva causada por la pandemia de COVID-19 empujó a los fabricantes de herramientas a buscar nuevas formas de distinguirse. "Preguntaron: '¿Cómo podemos promocionar nuestros productos especiales? ¿Cómo podemos demostrar que nuestras herramientas funcionan mejor que antes o mejor que nuestros competidores?' Esta búsqueda de nueva tecnología condujo a un aumento en la demanda del proceso HiPIMS, y ha continuado a medida que avanzan las cosas".

Una empresa de la que podría decirse que está obsesionada con la creación de soluciones patentadas para herramientas de corte, que incluyan el recubrimiento, es Sandvik Coromant, cuya sede central en los EE. estructura tal que es "más perpendicular que cualquier otro recubrimiento de aluminio en el mercado", según Doug Evans, especialista en desarrollo. Esta estructura uniformemente perpendicular es más fuerte que otros recubrimientos CVD, dijo, usando una ilustración única. "Si pones un huevo de costado y le aplicas presión, lo romperás fácilmente. Pero si puedes levantar el huevo, obtienes fuerzas de compresión mucho mejores y se necesita mucha más presión para romperlo. Lo mismo es cierto si puede hacer que esa estructura de grano de aluminio se mantenga erguida".

Evans dijo que los recubrimientos Inveio pueden consistir en varias combinaciones de nitruro de titanio y aluminio, nitruro de titanio y cromo y óxido de aluminio. Inveio se utiliza para plaquitas intercambiables, donde predomina la CVD. Evans informó mejoras en la vida útil de la herramienta del 30 al 50 por ciento, estrictamente debido al recubrimiento. Para las herramientas de metal duro integral, donde se necesita un recubrimiento más delgado para conservar un filo de corte más afilado, Sandvik Coromant tiene un proceso de PVD patentado llamado Zertivo. El beneficio promocionado nuevamente es la capacidad de manipular el proceso de recubrimiento a nivel micro. Se dice que esto produce una mejor adhesión entre el sustrato y el revestimiento, optimizada para cada grado. Aquí es nitruro de titanio o un recubrimiento de nitruro de carbono de titanio. "Estamos empezando a ver algunos recubrimientos de tipo óxido de aluminio con los procesos de PVD", dijo Evans. Agregó que Zertivo ahora se está aplicando a todos los nuevos grados de carburo.

Sandvik Coromant no solo patenta sus procesos de recubrimiento, sino que también construye sus propios recipientes de recubrimiento (sin mencionar la creación de rutinas especializadas de procesamiento previo y posterior). Evans dijo que el 90 por ciento de las herramientas que vende Sandvik han sido recubiertas con su propio equipo.

Como se discutió en el artículo de 2019, PVD es una técnica mejor que CVD por varias razones, a menos que la aplicación requiera un recubrimiento grueso. Lake explicó que eso se debe a que la tensión se acumula dentro de un recubrimiento de PVD a medida que se vuelve más grueso, y eso conduce a una mala adhesión y fallas prematuras. "La técnica del arco siempre ha alcanzado un máximo de entre cuatro y cinco micrones, a menos que haya hecho cosas especiales para aliviar aún más el estrés. La pulverización tradicional ha llegado al máximo de ocho, tal vez diez, como mucho".

Pero ahora, y probablemente lo vio venir, el HiPIMS de CemeCon puede lograr de manera confiable un recubrimiento de PVD de 12 µm de espesor. Steed dijo que eso se debe a que CemeCon tiene la capacidad única de sincronizar los pulsos del cátodo con la mesa de sustrato, por lo que "administra y limita activamente" las tensiones residuales del recubrimiento. "Incluso hemos probado recubrimientos de hasta 25 micrones de espesor", agregó Lake, "aunque no en producción. Ni siquiera 12 micrones se conocían hace tan solo tres años".

Steed explicó que esta capacidad es especialmente útil para recubrir las plaquitas intercambiables que se utilizan en el mecanizado pesado de rieles, interruptores, tuberías y cigüeñales, así como en el pelado rotativo de hierro fundido y materiales ferrosos. "Estas operaciones a menudo requieren una gran cantidad de insertos de corte capaces de soportar velocidades de trabajo máximas y proporcionar un mecanizado de alta calidad. Los espesores de recubrimiento más altos prolongan significativamente la vida útil de la herramienta, la clave para la eficiencia económica. La correlación en tales aplicaciones es casi lineal: y ahí es donde entra en juego este recubrimiento, al que llamamos FerroCon Quadro”.

Steed también señaló que, además de ser grueso y resistente, el recubrimiento FerrCon Quadro es muy suave y el espesor se distribuye uniformemente, lo que brinda una resistencia óptima al desgaste. De hecho, parece que la suavidad es una característica no solo de HiPIMS, sino también de los recubrimientos PVD de CemeCon en general. Shaffer dijo que tienen una unidad de pulverización CemeCon anterior a HiPIMS más antigua que "todavía supera a los Oerlikon Balzers en aplicaciones en las que necesitamos un acabado de superficie excelente. Hemos visto esto con siete fresas de acabado de flauta y algunas aplicaciones de escariado".

Desarrollado originalmente para los aceros endurecidos utilizados en la fabricación de moldes, el recubrimiento SteelCon de CemeCon ahora se aplica ampliamente, informó Manfred Weigand, gerente de producto para herramientas redondas. Eso incluye acero inoxidable, aleaciones a base de níquel, aleación de titanio, acero templado y revenido (42CrMo) y acero para trabajo en frío (1.2379).

Weigand atribuyó este éxito a la excelente estabilidad térmica y aislamiento de SteelCon, que "apenas permite que el calor entre en la herramienta, pero lo disipa a través del chip. Esto es especialmente ventajoso para los materiales que son muy malos conductores del calor, como el acero inoxidable, el níquel- aleaciones y titanio. Sin SteelCon, las altas temperaturas que surgen inevitablemente durante el mecanizado de los materiales duros dañarían la herramienta y debilitarían el carburo". Al igual que otros recubrimientos HiPIMS, SteelCon es "altamente resistente al desgaste", debido a la excelente adherencia del recubrimiento y su alta dureza y tenacidad, dijo Weigand. "Esta combinación de propiedades da como resultado una vida útil de la herramienta significativamente más larga y excelentes resultados de mecanizado".

En una comparación (una fresa de metal duro de 6 mm que mecanizó acero de trabajo en frío 62 HRC, con vc = 170 m/min, fz = 0,11 mm, ae = 0,05 mm, ap = 0,05 mm), la herramienta recubierta SteelCon duró 1.050 minutos, frente a los 590 minutos de una herramienta recubierta de TiAlSiN de la competencia y los 405 minutos de una herramienta recubierta de AlTiN. En general, dijo Lake, SteelCon ofrece "la capacidad de ejecutar herramientas entre un 10 y un 30 por ciento más que incluso nuestros recubrimientos anteriores, o ejecutar entre un 10 y un 30 por ciento más rápido de lo que han estado haciendo".

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