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ARTÍCULO 28
EVALUACIÓN DE LA VIDA ÚTIL Y TENACIDAD A LA
FRACTURA DE HERRAMENTALES DE CORTE
ENDURECIDOS POR EL PROCESO DE BORURIZACIÓN
EN PASTA
I. Campos1, M. Farah
2, U. Figueroa
3, N. López
1, G. Bermúdez
1, C. VillaVelázquez
1
1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. SEPI-ESIME
2 TECNOLÓGICO DE MONTERREY, CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO 3 TECNOLÓGICO DE MONTERREY, CAMPUS ESTADO DE MÉXICO
SALTILLO, COAHUILA 17, 18 Y 19 DE OCTUBRE DEL 2007.
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Evaluación de la vida útil y tenacidad a la fractura de herramentales de corte
endurecidos por el proceso de borurización en pasta
I. Campos
1*, M. Farah
2, U. Figueroa
3, N. López
1, G. Bermúdez
1, C. VillaVelázquez
1
1 Instituto Politécnico Nacional. SEPI-ESIME U.P. Adolfo López Mateos, Zacatenco. México D.F. 07738.
México. 2 Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México, Calle del Puente 222 Col. Ejidos de Huipulco. México
D.F. 14380. México. 3 Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México, Carretera al Lago de Guadalupe km 3.5. Atizapán 52926.
México.
Resumen
El presente estudio determina la vida útil y la tenacidad a la fractura de herramentales de corte endurecidos por el
proceso de borurización en pasta en aceros AISI M2. El tratamiento se realizó en forma selectiva en las puntas de
las herramientas a las temperaturas de 1173 y 1273 K empleando 4 h de tratamiento y modificando los espesores
de pasta de carburo de boro en 3 y 4 mm. El método de tenacidad a la fractura por microindentación tipo Vickers
se empleó en la superficie de las herramientas endurecidas a la temperatura de 1273 K y 4 mm de espesor de
pasta, con una carga de 100 gr a diferentes distancias desde la superficie. Por otro lado, los herramentales
endurecidos fueron evaluados por desgaste en incidencia que implicó el maquinado de un acero AISI 1018
aumentando la velocidad de corte nominal, de 55 m/min, en un 10 y 25%, manteniendo constante el avance y la
profundidad de corte. Se determinó a través de la ecuación de Taylor, la dependencia de la resistencia al desgaste
de los herramentales de corte en función de los parámetros experimentales del tratamiento termoquímico.
Palabras clave: borurización; vida útil de herramientas; tenacidad a la fractura; capas boruradas; resistencia al desgaste;
herramientas de corte.
Abstract
The present study evaluates the tool life and the fracture toughness of AISI M2 cutting tools exposed to the paste
boriding process. The treatment was done in selective form on the tool tips of the steels. The temperatures were
set at 1173 and 1273 K with 4 h of exposure time and modifying the boron carbide paste thicknesses in 3 and 4
mm. Microindentation fracture toughness method was used on the borided tool at the temperature of 1273 K and
a 4 mm paste thickness, with a 100 g load at different distances from the surface. Also, the borided cutting tools
were worn by the turning process that implied the machining of AISI 1018 steel increasing the nominal cutting
speed, of 55 m/min, in 10 and 25% and maintaining the feed and the depth cut constants. The tool life was
evaluated by the Taylor’s equation that shows the dependence of the experimental parameters of the boriding
process.
Keywords: boriding; tool life; fracture toughness; borided layers; wear resistance; cutting tools.
* Correspondencia para el autor: Tel: (+52) (55) 57296000 ext. 54768, Fax: (+52) (55) 57296000 ext. 54589 e-mail: [email protected]
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1. Introducción
La modificación superficial de los aceros rápidos usados como herramientas de corte tiene por objetivo mejorar
su desempeño en el proceso de maquinado, siendo su efecto principal modificar los mecanismos que promueven
su falla en condiciones de servicio normales, para incrementar la vida de la herramienta y optimizar las
condiciones de corte.
En las herramientas de corte, la falla a condiciones normales de operación, se asocia al desgaste de los diversos
filos o caras de corte, predominando el desgaste de flanco y la craterización. El desgaste de flanco es generado
por pequeñas partículas abrasivas que son desprendidas durante el proceso de corte e inciden sobre el costado del
filo principal de corte, e igualmente, a partículas y fases duras del material que está siendo mecanizado. Este tipo
de desgaste predomina a bajas velocidades de corte, siendo también afectado por la velocidad de avance y la
geometría de la herramienta [1-3].
Dentro de las diversas tecnologías para la modificación superficial de aceros grado herramienta, existe la
borurización en pasta, que destaca, por su bajo costo, calidad de productos y flexibilidad del proceso [4,5].
Dependiendo del espesor de pasta de carburo de boro que rodea la superficie del material, la composición
química del substrato, la temperatura y el tiempo de tratamiento pueden formarse una o dos fases en la superficie
[6,7]. Las fases boruradas deben cumplir con propiedades que retarden o modifiquen los mecanismos de falla
propuestos en componentes ingenieriles, que incluyen baja adhesión entre la herramienta y el material
mecanizado, buena resistencia a la abrasión, elevada dureza superficial y estabilidad química [8,9].
Por otro lado, la resistencia al desgaste de las capas boruradas está relacionada con la tenacidad a la fractura de
los boruros de hierro. En materiales frágiles, cuando una partícula dura interactúa con la superficie, se genera la
fractura, que más adelante se propaga y desprende material, originando partículas de desgaste, corte y rayado. El
método de microindentación para determinar la tenacidad a la fractura en materiales frágiles es una técnica no
destructiva y sencilla, que requiere únicamente de una superficie pulida y plana del material. La generación de
grietas producidas por contacto mecánico entre el indentador y la superficie del material dependen esencialmente
de la geometría del indentador y la carga aplicada [10]. Los modelos de geometría de grietas, tipos Palmqvist y
radial-media, han sido utilizados en la determinación de la tenacidad a la fractura en materiales cerámicos. El
fundamento teórico de estos modelos está basado en los conceptos clásicos de la Mecánica de la Fractura Lineal
Elástica (LEFM) (Ver [11,12] y referencias que se encuentran en ellas). Para el régimen de grietas tipo Palmqvist
(Figura 1), se ha determinado para cargas pequeñas, que la relación entre la mitad de la diagonal de indentación
(d) y la longitud de grieta generada en los vértices de la indentación (a) debe ser ≤ 3. Es razonable asumir que
para capas pequeñas y frágiles en substratos relativamente tenaces, tal es el caso de aceros borurados grado
herramienta, es más apropiado usar las relaciones basadas en la morfología de grieta tipo Palmqvist, debido a que
el agrietamiento se inicia en la superficie donde el material es más duro. K. Niihara et al. [13] propuso un modelo
basado en la teoría de indentación elasto-plástica para grietas tipo Palmqvist interpretando el agrietamiento como
superficies semielípticas en la determinación del factor de intensidad de esfuerzo KIC:
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Donde E es el módulo de Young, HV es la microdureza Vickers, Φ es un factor 3 y es una constante igual a
0.085 . El término corresponde a un factor de corrección de una superficie libre de agrietamiento y es
un factor de profundidad de agrietamiento el cual es independiente del tamaño de grieta. Se asume que el valor
de es equivalente a , la intensidad de esfuerzo crítico para agrietamiento en el ensayo de microindentación
Vickers. Por otro lado, las relaciones empleadas por otros investigadores [14-16], para definir la tenacidad a la
fractura de capas borurizadas están basadas en ecuaciones que son válidas para modelos de agrietamiento tipo
radial-media, sin embargo, no se ha explicado el porqué de esta consideración.
El presente trabajo determina el tiempo de vida de herramentales de corte borurados AISI M2 empleados para
operaciones de torneado sobre un acero estructural AISI 1018. Los resultados de la evaluación del tiempo de
desgaste y las velocidades de corte son representados a través del modelo de Taylor. Asimismo, se determina la
tenacidad a la fractura de las fases boruradas, haciendo uso del modelo de grietas tipo Palmqvist propuesto por K.
Niihara, el cual es válido y confiable para las capas boruradas formadas en la superficie del acero.
2. Procedimiento experimental
2.1 Manufactura de los herramentales de corte
Las herramientas se diseñaron utilizando una geometría sencilla de una punta simple, que es típica para el
proceso de torneado. El material empleado para la fabricación de las herramientas fue un acero AISI M2 con una
composición química de 1 % C, 6,0 % W, 5,0 % Mo, 4,0 % Cr, 2,0 % V. Se diseñó una base cuadrada de 16 mm,
con una longitud total de la herramienta de 50 mm, obteniendo un herramental robusto, con un alto momento de
inercia y una longitud corta, minimizando la posibilidad de flexión. El ángulo del filo principal es de 30° y el del
filo secundario de 60°, por lo tanto; se obtiene un ángulo en la cara de la herramienta de 60°. El radio de la nariz
del herramental se estableció en 0.6 mm para efectos de desbaste. La construcción y el afilado de las
herramientas se realizaron en una máquina de CNC HAAS VF-2.
2.2 Proceso de borurización en pasta
Se fabricaron moldes de acero rolados en frío para recubrir las puntas de las herramientas con la pasta de carburo
de boro en 3 y 4 mm de espesor, utilizando una relación agua/polvo de 0.2. Las herramientas fueron colocadas en
forma transversal con respecto a los moldes para controlar el espesor de la pasta. Finalizado el recubrimiento de
la pasta sobre la punta de los herramentales, se estableció un tiempo de secado de un día, para disminuir la
humedad sobre las muestras. El tratamiento de borurización en pasta se realizó en un horno convencional a las
temperaturas de 1173 y 1273 K con 4 h de tratamiento bajo una atmósfera de argón puro. Las muestras fueron
templadas en aceite, tomándose muestras endurecidas para la caracterización metalográfica de la punta de los
herramentales. La observación de las capas boruradas en la superficie de las herramientas se realizó por
microscopía óptica en un equipo Olympus GX51.
2.3 Ensayo de microdureza Vickers
Se seleccionaron las herramientas endurecidas a la temperatura de 1273 K y 4 mm de espesor de pasta para
realizar los ensayos de fractura por microindentación. La superficie de las puntas de las herramientas fueron
pulidas con silica coloidal y expuestas a la prueba de microindentación Vickers con una carga de 0.1 kg dentro de
la capa borurada a las distancias de 10,15, 20 y 25 µm desde la superficie de la pieza, utilizando un equipo
241
VHS1000. La Figura 2(a) presenta el perfil de microdureza obtenido en la superficie del acero borurado para el
espesor de pasta de 4 mm. Se realizaron 25 microindentaciones por cada distancia, donde las dimensiones de la
indentación y la grieta fueron medidas utilizando un microscopio óptico a 1000X (Figura 2(b)). Los valores
medidos de la grieta y la mitad de la diagonal de indentación fueron utilizados para calcular de acuerdo a la
ecuación (1). El módulo de Young empleado para las capas de boruro de hierro fue de 290 GPa [17].
2.4 Desgaste de las herramientas boruradas
Las herramientas endurecidas fueron desgastadas por incidencia en el proceso de torneado de un acero estructural
AISI 1018 de 3 pulgadas de diámetro y una longitud de corte de 403 mm. Los ensayos se realizaron en una
máquina CNC HAAS HL-2 con presencia de anticongelante. La dureza superficial del acero AISI 1018 en estado
recocido fue de 63 HRB, parámetro que sirvió para determinar la velocidad de corte inicial en 55 m/min, un
avance de 0.25 mm/rev y la profundidad de corte de 0.5 mm entre la herramienta de corte y la pieza. Asimismo,
la velocidad de corte fue modificada en un 10 y 25% de la velocidad nominal, manteniendo constantes el avance
y la profundidad de corte, caracterizando un total de 5 probetas por cada velocidad conforme a las condiciones
experimentales del tratamiento de borurización. Se tomó el criterio de desgaste en el filo de la herramienta en 0.5
mm, donde se visualizó la evolución del desgaste en la punta de la herramienta en un microscopio Olympus
GX51 a 10X.
3. Resultados y discusiones
Las microfotografías de las herramientas boruradas a la temperatura de 1273 K con 3 y 4 mm de espesor de pasta
de carburo de boro son presentadas en la Figura 3. Las piezas muestran la formación de una bicapa FeB/Fe2B en
la superficie de las piezas, así como la precipitación masiva de carburos de los elementos de aleación en la zona
de difusión. Los espesores totales de capa promedio fueron de 18 ± 1.5 a 40 ± 4 µm en el rango de 1173≤T≤1273
K considerando los espesores de carburo de boro utilizados en el proceso [18]. El empleo del modelo de
agrietamiento tipo Palmqvist se presenta en la Figura 4. El valor de obtenido del ajuste de los datos obtenidos
a diferentes distancias de microindentación indica que las grietas tipo Palmqvist son mecánicamente equivalentes
para una grieta semi-infinita cargada por una fuerza P a una distancia a desde el vértice de grieta. El valor
promedio de KIC obtenido a la temperatura de 1273 K con 4 mm de espesor de pasta de carburo de boro a las
diferentes distancias de microindentación es comparado con otras referencias y se presentan en la Tabla I. En [8]
se establece que el valor de tenacidad a la fractura y la dureza de las fases boruradas está relacionado con la
temperatura y tiempo de tratamiento, de la interacción de los elementos de aleación del substrato que se
disuelven en los boruros formando fases multicomponenciales tipo (Fe,M)B y (Fe,M)2B donde M es el elemento
de aleación, siendo parámetros determinantes en el incremento o disminución de la resistencia a la propagación
de grietas en las capas boruradas.
Los tiempos de vida útil de los herramentales de corte borurados y los aceros templados que no fueron expuestos
al tratamiento termoquímico fueron evaluados a través de la ecuación de Taylor en el maquinado del acero AISI
1018:
242
donde Vc es la velocidad de corte en m/min, t equivale al tiempo de vida útil en min, n es el exponente de Taylor
y C es equivalente a la velocidad de corte para un tiempo de vida útil del herramental de 1 min.
Una vez alcanzado el criterio de desgaste en el filo de la herramienta, la sumatoria de todos los valores
registrados de tiempo por pasada correspondió al tiempo total de vida útil de la herramienta. Se utilizó como
criterio de desgaste el valor de 0.5 mm, presentando las herramientas en general, desgaste en el flanco o costado,
tal y como se presenta en la Figura 5(a). Por otro lado, el análisis microestructural de las herramientas
desgastadas, Figuras 5(b) y 5(c), presentaron una capa compacta de boruros sobre los bordes de las herramientas
y un desprendimiento abrupto de la capas sobre las puntas de los herramentales debido al desgaste mecánico por
abrasión del material de trabajo sobre las herramientas de corte ocasionando, igualmente, deformación en la
geometría de las mismas.
El empleo de la ecuación (2) que relaciona las velocidades de corte y los tiempos de servicio de las herramientas
boruradas para los dos espesores de pasta de carburo de boro es presentado en la Figura 6. Las expresiones de la
ecuación de Taylor para el conjunto de experimentos se muestran en la Tabla II. Los resultados demuestran que
las herramientas boruradas incrementan la resistencia al desgaste en la superficie en comparación con las piezas
que no estuvieron sujetas al tratamiento termoquímico. El tiempo de servicio de las muestras boruradas alcanzó
su valor máximo a los 103 minutos para una velocidad de corte de 55 m/min, a la temperatura de 1173 K con 4
mm de espesor de pasta, en comparación con los 12 minutos que alcanzaron las herramientas sin tratamiento, lo
que garantiza el éxito del tratamiento termoquímico. Por otro lado, nuestros resultados indican la influencia del
espesor de pasta de carburo de boro sobre la vida de las herramientas, incrementando el servicio de los
herramentales conforme el espesor de pasta aumenta bajo temperatura constante.
Conclusiones
El modelo de agrietamiento para la evaluación de la tenacidad a la fractura de la capa de boruro de hierro fue del
tipo Palmqvist propuesto por K. Niihara [13] que ajusta en forma excelente con los datos experimentales
obtenidos a diferentes distancias de microindentación, siendo grietas mecánicamente equivalentes a grietas semi-
infinitas generadas en los vértices de la microindentación. El valor promedio de la tenacidad a la fractura de la
capa de boruro de hierro es de 2.1 ± 0.3 MPa a la temperatura de 1273 K con 4 h de tratamiento y 4 mm de
espesor de pasta de carburo de boro.
Por otro lado, los herramentales endurecidos superficialmente por el tratamiento termoquímico de borurización
en pasta, exhiben tiempos de servicio mayores en comparación con los herramentales no endurecidos, lo que
indica la confiabilidad del tratamiento. Los herramentales, en general, exhiben desgaste por flanco producido por
partículas abrasivas generadas por el corte del acero estructural AISI 1018 lo que desprende en forma catastrófica
la capa de boruro de hierro en la punta de la herramienta. Finalmente, la influencia del espesor de pasta de
carburo de boro es visible en el comportamiento de la vida útil de los herramentales borurados, incrementando
para los espesores de 4 mm en ambas temperaturas de tratamiento.
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Acknowledgments
Este trabajo fue financiado a través del Proyecto CONACyT 53859. I. Campos agradece igualmente el
financiamiento a través del proyecto 20070130 de la Secretaría de Investigación y Posgrado del Instituto
Politécnico Nacional.
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244
Figura 1 Agrietamiento tipo Palmqvist alrededor de la microindentación tipo Vickers
(a) (b)
Figura 2 (a) Perfil de microdureza obtenido a diferentes distancias desde la superficie de la capa borurada a la
temperatura de tratamiento de 1273 K (400x), (b) Agrietamiento tipo Palmqvist producido en los vértices de la
indentación (1000x).
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(a) (b)
Figura 3 Vista transversal de bicapas FeB/Fe2B formadas en la superficie de aceros herramientas con (a) 3 mm de
espesor de pasta de carburo de boro, (b) con 4 mm de espesor de pasta de carburo de boro.
Figura 4 Correlación del parámetro normalizado de tenacidad a la fractura/dureza con la longitud relativa de
grietas tipo Palmqvist a/d para capas borurizadas en la superficie de aceros AISI M2 (1273 K con 4 h de
tratamiento).
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(a) (b)
(c)
Figura 5 (a) Desgaste por flanco producido en la herramienta borurizada a la temperature de 1173 K, 4 mm de
pasta de carburo de boro y velocidad de corte de 60 m/min (5x), (b) Mismo perfil a 10x, (c) desgaste en la punta
del herramental (20x).
(a) (b)
Figura 6 Comportamiento de herramientas boruradas versus herramientas no tratadas termoquímicamente: (a) 3
mm de espesor de pasta de carburo de boro y (b) 4 mm de pasta de carburo de boro.
Desgaste por
flanco
punta cortante
247
Tabla I
Comparación de los valores de tenacidad a la fractura obtenidos para diferentes aceros borurados
Acero borurizado Tenacidad a la fractura (MPa ) Referencia
Acero herramienta trabajado en frío 2.2 a 5.8 [8]
AISI W4 1.39 a 6.4 [14]
AISI H13 3.12 a 4.46 [19]
AISI M2 2.1 ± 0.3 Presente trabajo
Tabla II
Comportamiento de los herramentales borurizados y no borurizados conforme a la ecuación de Taylor.
pasta de carburo de boro herramienta no borurada
Temperatura (K) 3 mm 4 mm
Vc t 0.2942
= 2.0503 1173 Vc t0.0777
= 1.8875 Vc t 0.071
= 1.8799
1273 Vc t 0.1085
= 1.932 Vc t 0.092
= 1.9035