Rendimiento de corte y características de desgaste de herramientas de cerámica Al2O3 /TiC  con revestimientos suaves de WS2/Zr y nano-texturas en corte en seco. 

Youqiang Xing, Jianxin Dengn, Shipeng Li, Hongzhi Yue, Rong Meng, Peng Gao

Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Shandong, República Popular China

Introducción

El Al2O3 en herramientas de corte cerámico se aplican ampliamente para corte en seco y mecanizado de alta velocidad de alta dureza piezas de materiales en la industria.

•alto punto de fusión •alta dureza•buena inercia química •alta resistencia al desgaste.

Sin embargo, el coeficiente de fricción de Al2O3 basado en herramientas de corte cerámica corte en seco en materiales duros es relativamente alta, y esto tendrá como consecuencia un aumento en el desgaste de la herramienta y vida útil.

Por lo tanto, se han realizado esfuerzos considerables para reducir la fricción y el desgaste y prolongar la vida útil de la herramienta.

Posibles soluciones

Las  herramientas de corte de cerámica con la adición de CaF2 como lubricantes sólidos obtuvieron resultados que mostraron que el coeficiente de fricción en la herramienta de interfaz en corte en seco con esta herramienta cerámica puede ser reducida en comparación con la herramienta sin lubricantes sólidos.

Aplicar un revestimiento en la superficie es también una forma eficaz de mejorar su desempeño  y la resistencia al desgaste de los materiales, incluidos los revestimientos (TiN, TiCN, TiAlN, etc. ) y de los revestimientos (MoS2, WS2, CaF2, etc. ).

Los resultados mostraron que el Al2O3 / ZrO2 depositados con revestimientos de cerámica han redundado en una mayor microdureza, una alta resistencia al desgaste y un aumento significativo de la vida útil de la herramienta de corte de fundición gris.

Se usó el revestimiento de estaño depositado en la superficie de la herramienta de Al2O3 base cerámica para mejorar su resistencia al desgaste y una mayor vida útil de la herramienta.

Sin embargo, los revestimientos pueden no ser los más adecuados para los sustratos cerámicos debido a la alta dureza de la cerámica.

Los resultados mostraron que la cerámica se ha desarrollado muy superior a la resistencia al desgaste y la notable mejoría del coeficiente de fricción en seco desgaste por deslizamiento condiciones de ensayo.

Los resultados mostraron que el desgaste de los flancos de las herramientas de corte se redujo, y su vida útil se amplió considerablemente en 1045 corte en seco y 302 aceros.

Revestimientos con textura

Las texturas superficiales se han usado para mejorar las propiedades tribológicas de superficies de contacto y han recibido una gran atención ya que ya ha sido utilizado en algunos ámbitos, como en los rodamientos del motor, las camisas de los cilindros y anillos de sellado.

Para herramientas de corte, las observaciones experimentales y cálculos teóricos mostraron que la topografía de la superficie útil tuvo un impacto significativo en el rendimiento durante el mecanizado , mientras que, debido a las ventajas textura de la superficie, se aplica a las herramientas de corte para disminuir la fricción y el desgaste fue estudiado durante muchos años.

Estudios anteriores han demostrado también que el efecto de las texturas se una correlación significativa con la característica geométrica de las texturas.

La fabricación de texturas a nanoescala con diferentes características geométricas de la herramienta rastrillo, y MoS2 como lubricantes sólidos llenaron las texturas. Los resultados mostraron que la textura elíptica como ranuras son más eficaces que las ranuras paralelas o perpendiculares. Los resultados demostraron una reducción significativa de los esfuerzos y las fuerzas de corte en corte de acero y aluminio, las texturas y el areal mostraron más eficaz en comparación con las texturas del lineal.

Los investigadores también descubrieron que la combinación de las texturas en la superficie, lubricantes y revestimientos de las herramientas de corte parece tener un efecto sinérgico sobre el rendimiento de corte.

Se informó que la textura en herramientas llena con lubricantes sólidos, conforme a los resultados que mostraron que el microestancamiento del lubricante en herramientas de corte mejora el rendimiento de corte y reducir el desgaste de la herramienta.

Alumina Al2O3

Su gran dureza permite utilizarla en aplicaciones tal como herramientas de corte. Se encuentra en estado natural bajo forma de corindón.

Las herramientas de corte base ceramico de oxido de aluminio tienen mas éxito en el torneado a altas velocidades de fundiciones de hierro y acero.

Propiedades:

•Muy buen aislamiento eléctrico (1x1014 to 1x1015 Ωcm)•Fuerza mecánica entre moderada y sumamente alta (de 300 a 630 MPa)•Fuerza compresiva muy alta (de 2.000 a 4.000 MPa)•Alta dureza (de 15 a 19 GPa)•Conductividad térmica moderada (de 20 a 30 W/mK)•Alta resistencia a la corrosión•Buenas propiedades de deslizamiento•Baja densidad (de 3,75 a 3,95 g cm3)•Temperatura operativa sin carga mecánica de 1.000 a 1.500°C.

Carburo de Titanio TiC

El carburo de titanio es un compuesto de titanio y carbono de fórmula TiC. Es un material cerámico, en forma de polvos grises o de sólido cristalino, negro, brillante, extremadamente duro, de 9 a 9,5 en la escala de Mohs. Conduce la corriente eléctrica.

Se utiliza como material de recubrimiento para plaquetas de corte, fresas, brocas.

Las brocas de perforación de acero de alta velocidad aumentan de este modo su velocidad de corte, exactitud y mejor acabado de la superficie.

También se utiliza para la obtención de materiales de cermet placa de metal duro que se utiliza para herramientas de corte.

Este material se refiere a veces como la cerámica de alta tecnología, y se utiliza para la protección térmica de las nave espaciales en la atmósfera de la Tierra.

Sulfuro de Wolframio WS2

Deng et al. utiliza un FEM de láser secundario para fabricar nano-texturas de herramientas de corte de carburo cementado y luego depositados en WS2 como lubricante revestido.

Los resultados mostraron que la deposición de WS2 como lubricante como revestimiento texturizado en la cara del rastrillo redujo la fricción y desgaste de corte en seco, y que era una forma eficaz de mejorar el rendimiento de corte.

WS2 es bien conocido por su baja fricción intrínseca en materiales de los que se han investigado a fondo en las formas de lubricante sólido y polvos revestimientos bruñido, así como en forma de capas delgadas depositadas por el DPV.

Wolframio

•Se trabaja por forjado, trefilado, extrusión y sinterización. •De todos los metales en forma pura, el wolframio tiene el más alto punto de fusión (3.410 °C, 6.170 °F), menor presión de vapor (a temperaturas superiores a 1.650 °C, 3.002 °F) y la mayor resistencia a tracción. •Además, tiene el coeficiente de dilatación térmica más bajo de cualquier metal puro. •La expansión térmica es baja, su punto de fusión es alto y la fuerza se debe a fuertes enlaces covalentes que se forman entre los átomos de wolframio en el orbital 5d. •Cabe señalarse que la aleación de pequeñas cantidades con el acero aumenta su resistencia.•Todas sus aleaciones se distinguen por su enorme dureza y su resistencia. El metal se comporta excelentemente incluso a altas temperaturas

•Tiene usos importantes en aleaciones para herramientas de corte a elevada velocidad, como las fresas para instrumentos odontológicos (W2C), en la fabricación de bujías y en la preparación de barnices (WO3) y mordientes en tintorería, en las puntas de los bolígrafos y en la producción de aleaciones de acero duras y resistentes.

Preparación de herramientas de Al2O3/TiC recubierto de cerámica deWS2/Zr .

El rastrillo de estas herramientas fue acabada por amolado y pulido de la rugosidad Ra menos de 0,02 μm, y, a continuación, se limpia con 30 min de baño de ultrasonidos en alcohol y acetona, respectivamente.

Después de eso, ellos fueron secadas por aproximadamente 10 minutos en un secador de vacío previo.

La deposición física de vapor (PVD) se utilizó el método de depósito de los recubrimientos con el recubrimiento PVD equipos (como 585, China).

Para WS2/Zr compuesto blando de los revestimientos, dos objetivos WS2 (media frecuencia magnetron sputtering) y un Zr objetivo (multi-arco iónico).

Antes de la deposición, la capa se calienta a 1800 C y el vacío en la cámara se bombea a 1.0103 Pa. entonces, el sustrato fue limpiado por bombardeo de iones de argón de 10 min, con una tensión de polarización de 600 V. con anterioridad a sintetizar WS2/Zr como recubrimientos de adherencia, una delgada capa de Zr fue depositado en primer lugar con multi-arco iónico proceso durante 15 minutos para aumentar la fuerza de adhesión.

La superficies morfologícas y análisis de la composición de los recubrimientos son examinadas por microscopio electrónico de barrido (SEM, QUANTA 250 FEG, ESTADOS UNIDOS) , la energía dispersiva de rayos X (EDX espectroscopio, X-MAX50, REINO UNIDO) análisis y difracción de rayos X (DRX, D8 ADVANCE, Alemán) .

Las pruebas para medir la adherencia de los recubrimientos se realizaron mediante dispositivo MFT-3000 (multi-functional tester para propiedades de la superficie material) mediante el desplazamiento de la aguja de diamante de 200 μm radio a lo largo de la superficie de la muestra.

Para la microdureza se llevaron a cabo pruebas de cinco posiciones diferentes en una carga normal de 0,2 N para eliminar la influencia del sustrato en los resultados de la medición. El espesor de los revestimientos se caracterizó utilizando la sección transversal y medido mediante microscopio electrónico de barrido (SEM).

Preparación de herramientas de cerámica Al2O3/TiC con revestimiento WS2/Zr texturizado. 

Un sistema láser (Legend Elite-USP, USA) con una longitud de onda de 800 nm de longitud de onda, duración de pulso de 120 fs y la tasa de repetición de 500 HzSe ha utilizado para generar  nano texturas en la cara del rastrillo . Tres tipos diferentes de nano-texturas:(a)perpendicular a la principal borde cortante (UN-PE); (b)paralela a la principal borde cortante (UN-PA), (c) areal (UN-A)

Los parámetros de procesamiento óptimo de nano-texturas utilizados en los

experimentos se obtuvieron: energía pulso fue de 1,75 μJ, la frecuencia es de

500 Hz y velocidad de lectura es de 500 micras/s. Después textura láser, las

herramientas de corte se depositaron en WS2/Zr compuesto blando de los

revestimientos de los métodos de preparación.

La superficie morfologías de las muestras fueron examinadas por microscopio

electrónico de barrido (SEM) y microscopio de fuerza atómica (AFM,

Nanoscope IIIa, USA).

Pruebas de Corte

• La pieza de trabajo que fue usada fue AISI 1045 endurecida con una dureza de HRC 40–50 en forma de una barra redonda con un diametro exterior de 120 mm.

• La temperatura de corte mas alta de la herramienta de rastrillo fue medida con un termógrafo infrarojo.

• La morfologia usada de la herramienta de corte fue examinada por una Microscopia electronica de barrido(SEM), y la composicion quimica en la pista de desgaste fue identificado por una dispersive de energia de espectroscopia de rayos X (EDX).

•Resultados

Estructuras fundamentales y propiedades mecánicas del WS2/Zr en caras

de compuesto suave.

• Los resultados mostraron la superficie de las pinturas expuestas estructuras lisas, densas y uniformes, y no tengan grietas o de laminación puede observarse en la superficie.

• La dureza, espesor y la carga crítica de los WS2/Zr compuesto suave-revestimientos se presentan en la tabla 3.

El rendimiento de corte de las herramientas recubiertas con WS2/Zr

Propiedades de desgaste en la cara del rastrillo de las herramientas recubiertas con WS2/Zr

Características de las superficies de herramientas con revestimientos blandos de WS2/Zr, con y sin texturas.

Se muestra en la siguiente imagen, una micrografía SEM en donde están los tres tipos de nano-texturas en rastrillos utilizados como herramientas de corte.

En ésta imagen se puede observar como el recubrimiento de WS2/Zr es depositado sobre las nano-texturas, se puede ver como las nano-texturas eran completamente cubiertas por el revestimiento y las nano-ranuras ya no se logran distinguir con facilidad en la superficie.

En estas graficas se muestran tres tipos de superficies nano-texturizadas y con depósitos de WS2/Zr para distintas velocidades de corte.

Como se muestra en la siguiente gráfica, la fuerza de corte media de los tres tipos de nano-herramientas con textura (UN-PEW, ANPAW Y AW) fueron inferiores en comparación a las herramientas convencionales (AS) y la herramienta sin recubrimiento (w).

También puede observarse que el tipo de herramienta con nano-textura tuvo un efecto en el corte, la dirección de las texturas paralelas eran mejor que el tipo perpendicular.

Conclusiones

•Se reporta una investigación acerca de la utilización del compuesto blando de los recubrimientos superficiales WS2/Zr y nano-texturas de Al2O3/TiC, que son herramientas de corte cerámico, para mejorar el rendimiento de corte y reducir el desgaste en la herramienta.

•El compuesto blando de los recubrimientos WS2/Zr y tres tipos de nano-texturas tienen éxito en la herramienta de corte cerámica (Al2O3/TiC), las herramientas de WS2O3 con nano-revestimiento texturizado, han mejorado significativamente en comparación con la herramienta cerámica de corte convencional Al2O3/TiC.

•La geometría de la nanotextura tiene un profundo efecto en el rendimiento de corte.

•La formación de la película lubricante de WS2 tiene baja resistencia al cizallamiento esto puede ser responsable de la mejora del rendimiento de corte y desgaste de la herramienta.