Mecanizado de corte de piezas de metalurgia de polvos (P / M)

El uso del proceso de pulvimetalurgia (P / M) para fabricar piezas para sistemas de energía automotriz continúa creciendo. Las piezas fabricadas mediante el proceso P / M tienen muchas ventajas importantes y únicas. La estructura porosa residual que se deja intencionalmente en estas partes es buena para la autolubricación y el aislamiento acústico. Las aleaciones complejas que son difíciles o imposibles de fabricar mediante el proceso de fundición tradicional se pueden producir utilizando la tecnología P / M. Las piezas fabricadas con esta tecnología suelen tener poca o ninguna capacidad de procesamiento, lo que las hace más baratas y con menos desperdicio de materiales. Desafortunadamente, detrás del atractivo de estas características, las piezas P / M son difíciles de mecanizar.

Aunque una de las intenciones originales de la industria de P / M es eliminar todo el procesamiento, este objetivo aún no se ha logrado. La mayoría de las piezas solo pueden estar "cerca de la forma final" y aún necesitan algún acabado.

Sin embargo, en comparación con las piezas fundidas y forjadas, una pequeña cantidad de material que debe eliminarse de las piezas de P / M es un material típico resistente al desgaste.

La estructura porosa es una de las características que hacen que las piezas p / M tengan una amplia gama de usos, pero la vida útil de la herramienta también se verá dañada por la estructura porosa. La estructura porosa puede almacenar aceite y sonido, pero también conduce a micro cortes intermitentes. Cuando se mueve hacia adelante y hacia atrás desde el orificio hasta las partículas sólidas, la punta de la herramienta se ve impactada continuamente, lo que puede provocar una deformación por fractura por fatiga muy pequeña y un colapso fino del borde a lo largo del borde de corte. Para empeorar las cosas, las partículas suelen ser muy duras. Incluso si la macrodureza del material medido está entre 20 y 35 grados, el tamaño de partícula del componente es tan alto como 60 grados. Estas partículas duras provocan un desgaste severo y rápido de los bordes. Muchas piezas p / M son tratables térmicamente y la dureza y resistencia del material son mayores después del tratamiento térmico. Finalmente, debido a la tecnología de sinterización y tratamiento térmico y los gases utilizados, la superficie del material contendrá óxidos y / o carburos duros y resistentes al desgaste.

Rendimiento de piezas P / M

La mayoría de las propiedades de las piezas P / M, incluida la maquinabilidad, están relacionadas no solo con la composición química de la aleación, sino también con el nivel de porosidad de la estructura porosa. La porosidad de muchas piezas estructurales es de hasta 15% ± 20%. La porosidad de las piezas utilizadas como dispositivos de filtración puede llegar al 50%. En el otro extremo de la serie, la porosidad de las piezas forjadas o de cadera es solo del 1% o menos. Estos materiales se están volviendo particularmente importantes en aplicaciones automotrices y aeronáuticas porque pueden alcanzar niveles más altos de resistencia.
La resistencia a la tracción, la tenacidad y la ductilidad de la aleación P / M aumentarán con el aumento de la densidad, y la maquinabilidad también puede mejorarse, porque la porosidad es dañina para la punta de la herramienta.
El aumento del nivel de porosidad puede mejorar el rendimiento de aislamiento acústico de las piezas. La oscilación de la amortiguación en las piezas estándar se reduce significativamente en las piezas P / M, lo que es muy importante para máquinas herramienta, sopletes de aire acondicionado y herramientas neumáticas. También es necesaria una alta porosidad para los engranajes autolubricantes.

Dificultades en el mecanizado

Aunque uno de los objetivos del desarrollo continuo de la industria P / M es eliminar el mecanizado, y uno de los principales atractivos del proceso P / M es que solo se necesita una pequeña cantidad de procesamiento, muchas piezas todavía necesitan un postratamiento para obtener mayor precisión o mejor acabado superficial. Desafortunadamente, mecanizar estas piezas es extremadamente difícil. La mayoría de los problemas encontrados se deben a la porosidad. La porosidad conduce a la microfatiga del filo. El filo corta constantemente hacia adentro y hacia afuera. Pasa entre partículas y agujeros. Un pequeño impacto repetido conduce a pequeñas grietas en el filo.

Estas grietas de fatiga crecen hasta que el filo colapsa. Este tipo de borde micro astillado suele ser muy pequeño y, por lo general, muestra un desgaste abrasivo normal.
La porosidad también reduce la conductividad térmica de las piezas de P / M, lo que da como resultado una alta temperatura en el filo de corte y provoca el desgaste y la deformación del cráter. La estructura porosa conectada internamente proporciona un camino para la descarga de fluido de corte desde el área de corte. Esto puede provocar grietas calientes o deformaciones, especialmente en la perforación.

El aumento de área superficial causado por la estructura porosa interna también conduce a oxidación y / o carbonización durante el tratamiento térmico. Como se mencionó anteriormente, estos óxidos y carburos son duros y resistentes al desgaste.

La estructura porosa también da lugar al fallo de la lectura de la dureza de la pieza, lo cual es extremadamente importante. Cuando la macrodureza de una pieza P / M se mide intencionalmente, incluye el factor de dureza del agujero. La estructura porosa conduce al colapso de la estructura y da la impresión errónea de partes relativamente blandas. Las partículas son mucho más duras. Como se describió anteriormente, la diferencia es dramática.

La existencia de inclusiones en las partes de PM también es desventajosa. Durante el mecanizado, estas partículas se extraerán de la superficie y se formarán rayones o rayones en la superficie de la pieza cuando se frote frente a la herramienta. Estas inclusiones suelen ser grandes, dejando agujeros visibles en la superficie de la pieza.

La diferencia de contenido de carbono conduce a la inconsistencia de la maquinabilidad. Por ejemplo, el contenido de carbono de la aleación fc0208 varía entre 0.6% y 0.9%. Un lote de materiales con un contenido de carbono del 0.9% son relativamente duros, lo que reduce la vida útil de la herramienta. El otro lote de materiales con un contenido de carbono del 0.6% tiene una excelente vida útil. Ambas aleaciones están dentro del rango permitido.

El problema final del mecanizado está relacionado con el tipo de corte que se produce en la pieza P / M. Como la pieza se acerca a la forma final, la profundidad de corte suele ser muy superficial. Esto requiere un filo libre. La acumulación de virutas en el borde de corte a menudo conduce a micro virutas.

Tecnología de procesamiento

Para superar estos problemas, se aplican varias tecnologías (exclusivas de la industria). La estructura porosa de la superficie a menudo se sella por infiltración. Por lo general, se requiere un corte libre adicional. Recientemente, se han utilizado técnicas mejoradas de producción de polvo diseñadas para aumentar la limpieza del polvo y reducir los óxidos y carburos durante el tratamiento térmico.

La estructura porosa de la superficie cerrada se logra mediante infiltración de metal (generalmente cobre) o polímero. Se ha especulado que la infiltración actúa como lubricante. La mayoría de los datos experimentales muestran que la ventaja real radica en cerrar la estructura porosa superficial y así evitar la microfatiga del filo. La reducción de la vibración mejora la vida útil de la herramienta y el acabado de la superficie. El uso más dramático de la infiltración muestra un aumento del 200% en la vida útil de la herramienta cuando la estructura porosa está cerrada.

Se sabe que los aditivos como MNS, s, MoS2, MgSiO3 y BN aumentan la vida útil de la herramienta. Estos aditivos mejoran la maquinabilidad al facilitar que las virutas se separen de la pieza de trabajo, rompen las virutas, evitan la acumulación de virutas y lubrican el borde de corte. El aumento de la cantidad de aditivos puede mejorar la maquinabilidad, pero reducir la resistencia y tenacidad.

La tecnología de atomización de polvo para controlar la sinterización y el gas del horno de tratamiento térmico permite producir polvo y piezas limpias, lo que minimiza la aparición de inclusiones y carburos de óxido en la superficie.

Material de la herramienta

Las herramientas más utilizadas en la industria de P / M son aquellos materiales que son resistentes al desgaste, resistentes al agrietamiento de los bordes y libres de astillas bajo la condición de un buen acabado superficial. Estas características son útiles para cualquier operación de mecanizado, especialmente para piezas P / M. Los materiales de herramientas incluidos en esta categoría son herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN), cermets recubiertos y sin recubrimiento, y carburos cementados sinterizados recubiertos mejorados.

Las herramientas CBN son atractivas por su alta dureza y resistencia al desgaste. Esta herramienta se ha utilizado durante muchos años en el procesamiento de acero y hierro fundido con dureza Rockwell de 45 y superior. Sin embargo, debido a las propiedades únicas de la aleación P / M y la diferencia significativa entre microdureza y macrodureza, las herramientas CBN se pueden utilizar para piezas P / M con dureza Rockwell de 25. El parámetro clave es la dureza de las partículas. Cuando la dureza de las partículas excede los 50 grados de Rockwell, las herramientas CBN están disponibles independientemente del valor de dureza macro. La limitación obvia de estas herramientas es su falta de resistencia. En caso de cortes intermitentes o alta porosidad, es necesario un refuerzo del borde que incluya un biselado negativo y un bruñido intenso. Se puede realizar un corte sencillo y ligero con un filo afilado.

Hay varios materiales de CBN que son efectivos. El material con la mejor tenacidad está compuesto principalmente por todo el CBN. Tienen una excelente tenacidad, por lo que se pueden utilizar para desbaste. Sus limitaciones suelen estar relacionadas con el acabado superficial. Está determinado en gran medida por las partículas de CBN individuales que componen la herramienta. Cuando las partículas se caen del filo, afectarán la superficie del material de la pieza de trabajo. Sin embargo, no es tan grave que la herramienta de partículas finas se caiga de una partícula.

El material CBN que se utiliza habitualmente tiene un alto contenido de CBN y un tamaño de partícula medio. La hoja de acabado de CBN es de grano fino y el contenido de CBN es bajo. Son más eficaces cuando se requieren cortes ligeros y acabado superficial o cuando la aleación que se procesa es particularmente dura.

En muchas aplicaciones de corte, la vida útil de la herramienta es independiente del tipo de material. En otras palabras, cualquier material CBN puede lograr una vida útil similar. En estos casos, la selección del material se basa principalmente en el menor costo de cada filo. Una hoja redonda tiene una superficie superior completa de CBN y puede proporcionar cuatro o más filos de corte, lo que es más económico que cuatro hojas de CBN con incrustaciones.

Cuando la dureza de las piezas P / M es menor que Rockwell 35 grados, y la dureza de las partículas está dentro del rango, el cermet suele ser una de las opciones. Los cermet son muy duros, pueden prevenir eficazmente la acumulación de virutas y pueden soportar altas velocidades. Además, debido a que los cermet siempre se han utilizado para el mecanizado de alta velocidad y acabado de acero y acero inoxidable, generalmente tienen ranuras geométricas ideales adecuadas para piezas cercanas a formadas.

Los cermets de hoy son intrincados en metalurgia, con hasta 11 elementos de aleación. Por lo general, se sinterizan a partir de partículas de TiCN y adhesivo Ni Mo. TiCN proporciona dureza, resistencia a la acumulación de virutas y estabilidad química que son importantes para el uso exitoso de cermets. Además, estas herramientas suelen tener un alto contenido de adhesivo, lo que significa que tienen una buena tenacidad. En una palabra, tienen todas las características de procesar la aleación P / M de manera efectiva. Varios tipos de cermets son eficaces, al igual que el carburo cementado sinterizado de carburo de tungsteno, cuanto mayor es el contenido de aglutinante, mejor es la tenacidad.

Un desarrollo relativamente nuevo conocido es que la deposición de vapor químico a temperatura media (mtcvd) también proporciona una ventaja para la industria de P / M. Mtcvd conserva toda la resistencia al desgaste y la resistencia al desgaste por cráter de la deposición química de vapor (CVD) tradicional, pero también mejora la tenacidad de manera objetiva. El aumento de tenacidad proviene principalmente de la disminución de grietas. El revestimiento se deposita a alta temperatura y luego se enfría en el horno. El recubrimiento contiene grietas cuando la herramienta alcanza la temperatura ambiente debido a una expansión térmica inconsistente. Al igual que los arañazos en el vidrio plano, estas grietas reducen la resistencia del filo. La temperatura de deposición más baja de mtcvd conduce a una menor frecuencia de grietas y una mejor tenacidad del filo de corte.

Cuando el sustrato del recubrimiento CVD y el recubrimiento mtcvd tienen las mismas características y acabado de bordes, se puede demostrar la diferencia de tenacidad. Cuando se usa en aplicaciones donde se requiere dureza de los bordes, el rendimiento del recubrimiento mtcvd es mejor que el del recubrimiento CVD. A través del análisis, al mecanizar piezas P / M con estructura porosa, la tenacidad del borde es importante. El recubrimiento Mtcvd es mejor que el recubrimiento CVD.

El recubrimiento de deposición física de vapor (PVD) es más delgado y menos resistente al desgaste que el recubrimiento mtcvd o CVD. Sin embargo, el recubrimiento de PVD puede soportar un impacto significativo en la aplicación. El revestimiento de PVD es eficaz cuando el corte es desgaste abrasivo, el CBN y los cermets son demasiado frágiles y requieren un excelente acabado superficial.

Por ejemplo, el filo de carburo cementado C-2 se puede mecanizar fc0205 a una velocidad lineal de 180 m / min y una velocidad de avance de 0.15 mm / revolución. Después de mecanizar 20 piezas, la acumulación de viruta puede provocar un micro colapso. Cuando se utiliza recubrimiento de nitruro de titanio PVD (TIN), se restringe la acumulación de viruta y se prolonga la vida útil de la herramienta. Cuando se usa revestimiento de estaño para esta prueba, se espera que las características de desgaste abrasivo de las piezas P / M sean más efectivas con el revestimiento de TiCN. El TiCN tiene casi la misma resistencia a la formación de virutas que el estaño, pero es más duro y más resistente al desgaste que el estaño.

La estructura porosa es importante y afecta la maquinabilidad de la aleación fc0208. Cuando la estructura porosa y las características cambian, los diferentes materiales de la herramienta proporcionan las ventajas correspondientes. Cuando la densidad es baja (6.4 g / cm3), la macrodureza es baja. En este caso, el carburo cementado recubierto de mtcvd proporciona la mejor vida útil de la herramienta. La microfatiga del filo es muy importante y la tenacidad del filo es muy importante. En este caso, una hoja de cermet de buena tenacidad proporciona la máxima vida útil de la herramienta.

Cuando se produce la misma aleación con una densidad de 6.8 g / cm3, el desgaste abrasivo se vuelve más importante que el agrietamiento del borde. En este caso, el recubrimiento mtcvd proporciona la mejor vida útil de la herramienta. El carburo cementado recubierto de PVD se utiliza para probar los dos tipos de piezas extremadamente duras y se rompe cuando toca el filo.

Cuando la velocidad aumenta (la velocidad lineal es de más de 300 metros por minuto), los cermets e incluso los cermets revestidos producirán desgaste de cráter. El carburo cementado revestido es más adecuado, especialmente cuando la tenacidad del filo de corte del carburo cementado revestido es buena. El recubrimiento Mtcvd es especialmente efectivo para carburo cementado con área rica en cobalto.

Los cermet se utilizan con mayor frecuencia para tornear y taladrar. Los carburos cementados recubiertos de PVD son ideales para el mecanizado de roscas porque se pueden esperar velocidades más bajas y más atención a la acumulación.

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