CREDIT-08
UD
9. Tratamientos de superficie y recubrimientos. Professor : Joan Martinez Arcas-catedrático 9.0. Consideraciones previas
Deben considerarse algunos factores a la hora de escoger el tratamiento o recubrimiento más adecuado para la aplicación en concreto, entre estos destacar: - la elecc elecció iónn del ace acero ro para para la fabr fabric icaci ación ón de la la herram herramie ienta nta - la prep prepar arac ació iónn y acab acabad adoo de de la la pie pieza za - la secuen secuencia cia de de tratami tratamiento entoss térmicos térmicos anteriore anterioress o poste posteriore rioress a realiz realizar ar - la temp temper erat atur uraa de proc proces esoo - las propi propieda edades des que que se confie confieren ren a la superf superfici iciee del materi material al en funci función ón de la aplicación o solicitación de la pieza - las tolera tolerancia nciass y distor distorsion siones es dimens dimensiona ionales les que que pueden pueden ser acepta aceptadas, das, etc Podemos clasificar los tratamientos superficiales en tratamientos termoquímicos o de difusión, que alteran la composición del material base y recubrimientos, con formación de una nueva capa sobre el material base. Se muestran en la tabla adjunta algunas de las características de los tratamientos más comúnmente utilizados. Proceso s o c i m í u q o m r e t s o t n e i m a r T s o t n e i m i r b u c e R
Dureza (HV)
Cementación Carbonitruración
Hasta 900
Nitruración (FexN) Nitruración iónica Nitrocarburación Boruración Oxidación
700-1200 1300-1400 350-650 =< 2000
Cromado duro Niquel químico1) CVD2) PVD2)
Implantación iónica
700-720
Espesor Coeficiente de T proceso(ºC) (mm) fricción 0.6-2 mm 900 Hasta 850 0,5mm Hasta 1 mm 350-600 0,1-0,2 mm 450-600 0,1-0,35 mm 560-575 =<0,4 mm 800-1000
-----
=<0,01mm
300-550
900-1000 450-1000 2000-4200
0,6-1,5 mm 15-150 µm 5-20µm
50-80 100 950-1000
1200-6000
1-5µm
=< 520
-
0
<150
1) Véase Niquelado. 2) Véase apartado de recubrimientos avanzados. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
Adherencia a sustrato
C/acero: 0.15 0.01-0.3* 0,3-0,6**
Excelente Excelente Excelente
0,05-0,7
Esp. < 5µm correcta
bajo
-
9.1. Cementación Se recomiendan
aceros con bajo porcentaje en C (0.15-0.20 %C). Puede realizarse un recocido antes de realizar el tratamiento. La piezas tratadas deberán templarse (en aceite) y revenirse a baja temperatura (100200 ºC). Las piezas muy delgadas pueden tener problemas de fragilización Se recomienda cementación de baja presión pues se obtienen mejores resultados en cuanto a regularidad y compacidad de capa y presenta mayor accesibilidad a zonas de difícil acceso. Se recomienda utilizar acetileno en lugar de propano como medio de cementación. 9.2. Carbonitruración Es
aplicable a aceros con bajo contenido en C. Se recomiendan aceros muy poco templados con cierta resistencia al desgaste. Presenta menores deformaciones en el temple. 9.3. Nitruración Se
pueden nitrurar la mayoría de los aceros existentes. Las piezas deberán estar completamente terminadas y bonificadas para poder aplicar el tratamiento. Es conveniente revenir 10 ºC por encima de la temperatura de nitruración, con el fin de evitar distorsiones y cambios estructurales. Dependiendo de la función de la pieza, deberá procederse a un rectificado o pulido post-nitrurado para solventar problemas de deconches. Técnicas de nitruración:
Nitruración y nitrocarburación en sales: se trata de un proceso rápido, eficaz y económico; no obstante, implica la limpieza posterior de las piezas, generación de residuos contaminantes y presenta poca versatilidad, pues la temperatura viene prefijada en torno a los 570ºC Nitruración gaseosa: puede realizarse a baja o a alta presión. Mediante esta última técnica las piezas tratadas presentan una excelente calidad superficial y elevada resistencia a la corrosión, además de las excelentes propiedades antidesgaste. Nitruración iónica o nitruración por plasma: permite tratar piezas de geometría complicada siendo despreciable la deformación y obteniéndose una gran resistencia a desgaste. Esta técnica es especialmente apropiada para moldes de inyección de aluminio y también para plástico (conserva la superficie de la impronta con el mismo pulido brillante inicial).
9.4. Boruración Son
susceptibles de boruración todos los tipos de acero excepto los de alto contenido en aluminiso y silicio.
Las
piezas deberán templarse y revenirse después del tratamiento. La boruración se puede realizar en polvo, con pasta, líquida, gaseosa o por plasma.
RECUBRIMIENTOS CLÁSICOS 9.5. Cromado duro El
cromo duro estándar se aplica en piezas que soporten un desgaste de tipo mecánico y que no estén expuestas a ambientes muy corrosivos (p.ej. elementos para maquinaria de inyección de plásticos). Pueden cromarse sin dificultad todos los aceros para herramientas. En caso de aceros nitrurados o cementados, deberán tomarse precauciones. Podrán cromarse con dificultad aceros con alto contenido en Manganeso y Volframio y aceros aleados que han sido cromados y descromados más de una vez. En cualquier caso la superficie del material deberá estar libre de poros e irregularidades. Se recomienda realizar un rectificado previo para homogeneizar las rugosidades superficiales. Si la dureza del material base es superior a 50 HRc, es recomendable realizar un revenido previo al cromado para relajar las tensiones internas del material. Después de aplicar el recubrimiento, se realizarán el temple, revenido y pasivación superficial del tratamiento térmico (en caso necesario). Ventajas: Gran resistencia al desgaste por rozamiento, debido a su bajo coeficiente de fricción. Resistencia a la corrosión, aunque con limitaciones. Excelente facilidad de pulido No existe deformación, ni cambio estructural del material a recubrir Limitaciones: Fragilidad o falta de resilencia si se aplican grandes espesores de capa. Poca uniformidad del recubrimiento. Mayor densidad del recubrimiento en aristas y puntas. Ataque químico por algunos compuestos (ácido halogenados, cloro húmedo y un gran número de compuestos clorados) La corrosión puede empezar por el metal base, levantando la capa de cromo. Para evitarlo aplicar un recubrimiento dúplex. 9.6. Niquelado La superficie a recubrir
debe estar completamente limpia Resistencia a la corrosión y desgaste Gran uniformidad en todo tipo de geometrías. Acepta pulidos posteriores. En la tabla adjunta se muestran distintas propiedades del recubrimiento en función del tipo de baño:
Espesor max ( m) T max uso (ºC) Dureza (HV) Coef. Fricción (Ni-acero) Resist. a corrosión ASTM B-117 (h) Abrasión (mg/1000 ciclos)
Ni + 2%P
Ni + 8%P
Ni + 12%P
Ni + PTFE
15 930-1125 980-1050 0,15 200
25 880-960 860-900 0,20 500
150 900 900-950 0,30 1000
10+8 400 400-500 0,01-0,05 1000
3
6
10
-
Seminari de materials Aplicaciones
-
Moldes para inyección de plásticos, abrasivos y cauchos. Componentes del Molde (patines, correderas, punzones, etc...) Para el desmoldeo en la inyección de plásticos, pvc, siliconas, cauchos,etc.
En la tabla adjunta se muestran algunas aplicaciones concretas: Aplicación Recubrimiento total molde
Espesor
Motivos
3-5 µ
-
Recubrimiento sólo de la figura
25 µ
Recubrimiento selectivo (Sólo una zona del molde)
Máx.150 µ
-
del
20 µ
Recubrimiento figura (Niquel+PTFE)
-
Corrosión Mantenimiento Circuitos de refrigeración Dureza Corrosión Brillo Desgaste Dilatación de material inyectado Errores de mecanizado Cambio de diseño Desmoldeo, materiales muy adherentes Corrosión
Fuente: Elhco RECUBRIMIENTOS AVANZADOS 9.7. PVD Physical Vapour Deposition
Material base: Se puede recubrir cualquier tipo de acero incluso tratados (nitrurados, cromados y niquelados). La pieza debe estar completamente acabada, rectificada y pulida, templada y revenida (a temperatura 50 ºC superior a la del recubrimiento) antes de aplicar el recubrimiento. La limpieza previa y el estado superficial son muy críticos para conseguir un recubrimiento homogéneo sin manchas ni defectos.
Ventajas Normalmente no es necesario volver a templar y revenir después de aplicar el recubrimiento. Si la aplicación lo requiere puede hacerse un pulido posterior al recubrimiento. No existen deformaciones de la pieza Desventajas Proceso direccional Añade 2-3 µm a las dimensiones de la pieza Riesgo de desprendimiento del recubrimiento Aplicabilidad Adecuado para problemas de desgaste adhesivo, desgaste abrasivo y corrosión (con limitaciones). En general, es aconsejable recubrir a baja temperatura herramientas de arranque de viruta, punzonado y matricería de corte fino puesto que exigen tolerancias muy precisas. Componentes de moldes de plásticos. Propiedades y campos de aplicación
Tabla CTM Tipo
Dureza (HV)
Coeficiente Tªde Principales aplicaciones de fricción Oxidació n TiN 2000-2500 0,5 400 Mecanizado por arranque de viruta, punzonado, estampación en frío, plegado, embutición, extrusión, moldes de inyección de plásticos. TiC 2300-2700 TiCN 2500-3500 0,7 300 Mecanizado por arranque de virutas de materiales de baja mecanibilidad, mecanizado para molde y fundición, punzonado. TiAl 3200-3700 0,4 800 Mecanizado de aceros inoxidables, fundiciones y N aleaciones de titanio. Alta resistencia a la oxidación en caliente. Latín 4000-4500 0.5 800 Mecanizado por arranque de virutas de materiales de baja mecanibilidad, mecanizado de materiales templados, aceros inoxidables, fundiciones y aleaciones de titanio, mecanizado en seco o con estampación restringida, mecanizado de alta velocidad, en forja y estampación en caliente. CrN 1200-2200 0,5 600 Mecanizado de plásticos con carga mineral, mecanizado de aluminio, embutición, plegado de chapa gruesa, inyección de caucho y plástico, sobre piezas de desgaste. Permite aplicar capas gruesas. WC 2000 0,5 MoS2 300-600 0,05 300-400 Machos de roscar, laminar. DLC 3000-6000 0,05 Mecanizado de grafito y de materiales compuestos. 9.8. CVD Deposición Química en fase vapor
Material base Es apliclable a aceros de alta y media aleación y aceros rápidos. Se recomiendan aceros altamente aleados para minimizar distorsiones. Previo al recubrimiento, puede realizarse un temple (opcional) para aceros de alta templabilidad y pequeñas dimensiones. Aplicado el recubrimiento, proceder al temple y revenido. Los revenidos deben ser realizados en vacío si superan los 250ºC. Ventajas Mejor adhesión que el PVD y posibilidad de recubrir zonas no expuestas de la pieza (proceso no direccional). Limpieza previa menos crítica que para PVD. Limitaciones Pueden existir problemas deformaciones en piezas tratadas, las piezas a recubrir deben presentar tolerancias que permitan asimilar estas posibles distorsiones. Añade 3-10 µm a las dimensiones de las herramientas. Altera el acabado superficial. Puede ser necesario pulir después del recubrimiento. Campos de aplicación Se aconsejan recubrimientos a alta temperatura para trabajos de conformado, extrusión en frío, en caliente, forja y embutición. En aplicaciones de matricería de comformado es donde estos recubrimientos tienen mayor implantación industrial. PECVD ó PCVD ó PACVD : Deposición química en fase vapor asistida por Plasma Los procesos de PECVD se realizan a temperaturas cercanas a 600ºC; para recubrimientos de bajo coeficiente de fricción la temperatura suele ser de 450 ºC, incluso inferiores. Esta técnica es pionera de los tratamientos Dúplex por la facilidad que presenta para poder realizar tratamientos termoquímicos de nitruración iónica previa al recubrimiento cerámico (TiN, TiCN, TiAlN) en una sóla etapa de recubrimiento. Actualmente también se consiguen estos resultados (capas dúplex) con el PVD. OTROS 9.9. Implantación iónica
Ventajas: Temperatura de proceso muy baja (T<150ºC). No afecta a temple y revenido posteriores. Se evitan desprendimientos de capa, alteración de cotas y el acabado superficial queda inalterado (respeta los pulidos o las texturas iniciales) Puede aplicarse sobre otros tratamientos (nitruración, cromado,recubrmientos cerámicos) Limitaciones
Proceso
direccional No adecuado para herramientas que trabajan a altas temperaturas (T>300ºC) No adecuado para desgaste abrasivo severo (capa poco profunda). No admite rectificados posteriores. Campos de aplicación Implantación de cromo para problemas de desgaste corrosivo e implantación de nitrógeno para el desgaste por inyección de plásticos cargados. Implantación de nitrógeno en troqueles, punzones y matrices Punzones, troqueles, matrices y útiles para estampación, deformación de chapa o conformado de tubos 9.10. Tratamiento para cada tipo de problema Tipo de problema Desgaste adhesivo Desgaste abrasivo Desgaste corrosivo
Desgaste severo en herramientas blandas Desprendimiento
Deposiciones Problemas de llenado
Tratamiento superficial PVD de TiAlN o CrN proporcionan baja fricción y muy bajo desgaste adhesivo Para desgaste abrasivo moderado y medio: implantación iónica de N Para desgaste abrasivo severo: recubrimiento duro con PVD o PACVD Para punzón y cavidad: protección con PVD de CrN Para refrigeración y orificios de escape de aire: implantación iónica de Cr PVD de CrN forma una capa protectora de dureza y ductilidad intermedia Nitruración mediante plasma con soporte para el recubrimiento Implantación iónica de N para cambiar las propiedades de afinidad superficial PVD también puede ser usado Igual que para desprendimientos y desgaste corrosivo Recubrir con material de baja fricción (este material dependerá del plástico)
