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Contribución significativa al mecanizado estable de materiales difíciles de cortar

Las herramientas de corte son como personas que trabajan entre bastidores. Trabajan al margen para apoyar constantemente el avance de los productos industriales. Este avance ha superado algunos hitos importantes. El material de las herramientas de corte ha progresado desde el acero rápido, llamado Haisu en japonés e introducido a finales del siglo XIX, hasta el metal duro. Mucho más tarde se desarrolló el método de recubrimiento, que supuso un avance significativo al recubrir la superficie del metal duro con una fina capa de cerámica muy dura. Entrevistamos al personal del Centro de innovación (antiguo Instituto central de investigación) sobre el desarrollo tecnológico que dio lugar a las herramientas de metal duro mediante el método CVD. 

DE CERCA

¿Qué es la tecnología de recubrimiento CVD? 

El recubrimiento por deposición de vapor químico (CVD) es un proceso que calienta gases mezclados a 800-1100 ºC para depositar cerámica dura en la superficie del metal duro. En primer lugar, se desarrolló el carbono de titanio (TiC) como material de recubrimiento, seguido del nitruro de titanio (TiN), el nitruro de carbono de titanio (TiCN), el óxido de aluminio (Al2O3) 
y otros. En la actualidad, la tecnología multicapa que usa capas adheridas se está desarrollando rápidamente y se ha convertido en tendencia. 

Características del recubrimiento CVD 

• Mejora de la adherencia y de la tecnología de control de la orientación de los cristales y mejora drástica de la estabilidad y la resistencia al desgaste
• Mejora significativa de la estabilidad térmica y la resistencia al desgaste para el corte a alta velocidad 
• Consigue un corte fiable para una gama más amplia de procesos de mecanizado

Part 1 : 1970~

Establecimiento de una tecnología de producción en serie mediante recubrimiento por descompresión

En 1969 se presentó la primera herramienta de metal duro recubierto (CVD) del mundo. Las herramientas CVD se fabrican recubriendo la superficie de las herramientas de metal duro con una fina capa cerámica muy dura. La primera herramienta CVD fue introducida en el mercado por WIDIA, un fabricante de metal duro establecido en Alemania Occidental. Unos meses más tarde, el fabricante sueco Sandvik también empezó 
a vender herramientas con recubrimiento de CVD.

En la década de 1970, varios fabricantes lanzaron al mercado herramientas de CVD con una capa de Al2O3 sobre un recubrimiento de TiC. Se trata de los orígenes del recubrimiento multicapa CVD actual. 

Mitsubishi Materials también comenzó a investigar sobre recubrimientos a finales de los años sesenta y trabajó en el desarrollo de la tecnología CVD tanto en la antigua planta de Tokio, en Shinagawa, como en el antiguo Instituto central de investigación de Omiya. Basándose en los resultados de esta investigación y desarrollo, Mitsubishi Materials lanzó al mercado herramientas recubiertas con CVD en 1971.

Mitsubishi Materials investigó primero la tecnología de recubrimiento del TiC y el Al2O3 por separado y luego amplió la investigación a la tecnología de adhesión para unir estas dos capas diferentes. Esta tecnología de adhesión condujo al desarrollo de TOUGH-Grip y Super TOUGH-Grip. 

Al mismo tiempo, la empresa comenzó a desarrollar la tecnología de producción en serie. El recubrimiento se realizó inicialmente a presión atmosférica elevada. Teóricamente, la difusión de los componentes gaseosos se acelera en condiciones de descompresión, lo que permite procesar una gran cantidad de película de alta calidad. La empresa estableció la tecnología de producción en masa mediante el desarrollo de equipos excepcionales y tecnología de procesamiento de descompresión.

La empresa trabajó en el recubrimiento multicapa mediante tecnología de adhesión a mediados de los años setenta. Los compuestos de Ti con alta resistencia al desgaste y una estructura multicapa de Al2O3 químicamente estable satisfacían las condiciones necesarias para un mecanizado equilibrado. La investigación sobre la adhesión de alta intensidad de estas dos capas confirmó que el uso de la capa de TiCO como capa intermedia maximizaba la adhesión. Con esta tecnología, la empresa lanzó el U77 en 1977. 

Part 2 : 1980~

Desarrollo de la tecnología de prevención de la difusión 
del cobalto para mejorar la resistencia al desgaste

El siguiente problema era evitar la difusión del cobalto contenido en los sustratos. El procesamiento CVD 
a 1000 ºC provoca la difusión del cobalto. El cobalto difuso de los sustratos penetra en la capa de TiCN situada encima y la capa cerámica se convierte en un material compuesto de materiales cerámicos y metálicos (cermet), lo que reduce la resistencia al desgaste. 

Para solucionarlo, establecimos una tecnología de barrera para evitar la difusión del cobalto. En concreto, se trata de un nuevo método de utilizar un gas altamente activado, el acetonitrilo (CH3CN). Al estar muy activado, el CH3CN puede producir recubrimientos a unos 100 ºC menos que los gases CH4 convencionales. La baja temperatura reduce significativamente la difusión del cobalto desde los sustratos, lo que permitió crear una capa de TiCN con alta cristalinidad y estructura de columnas. Esta es la tecnología estándar incluso 30 años después de su desarrollo.

Los principales productos que utilizan esta tecnología son las series UC6010 y UC6025, que se lanzaron en 1992. Sin embargo, gracias a su excelente tecnología, ambos productos siguieron cosechando grandes éxitos incluso después del año 2000.

Part 3 : 1990~

Desarrollo de un nuevo método de fabricación que responda a las necesidades de mecanizado de alta velocidad y eficacia, equivalente a la tecnología patentada de un competidor

En la década de 1990, Mitsubishi Materials se centró en el desarrollo de tecnología para crear recubrimientos más gruesos de Al2O3. La capa de Al2O3 se produce por la reacción de AlCl3 y H2O, que se genera por una reacción en fase gaseosa entre H2 y CO2. Sin embargo, la velocidad de producción de Al2O3 es extremadamente rápida, lo que dificulta enormemente la producción de recubrimientos de calidad uniforme. Mientras tanto, a medida que aumentaba en el mercado la necesidad de mecanizado de alta velocidad y gran eficacia, también aumentaba la necesidad de recubrimientos con Al2O3 de gran espesor. 

En aquel momento, existía una forma de añadir una cantidad extremadamente pequeña de H2S a los gases reactivos para formar un recubrimiento grueso manteniendo una calidad uniforme. Sin embargo, debido a que esta tecnología fue patentada por un competidor extranjero, Mitsubishi Materials necesitaba desarrollar un nuevo método. 

Para ello, realizamos pruebas repetidas utilizando una amplia variedad de gases, al tiempo que aclarábamos el mecanismo de formación del recubrimiento grueso. Al final conseguimos garantizar una uniformidad de calidad equivalente a la que se lograba añadiendo H2S (patentado por un competidor) utilizando NO como fuente de oxígeno en la atmósfera del gas inerte.

Part 4 : 2000~

El objetivo es desarrollar herramientas de corte más duras, estables y resistentes al desgaste

Al entrar en el siglo XXI, Mitsubishi Materials empezó a mejorar la resistencia al desgaste de la capa de Al2O3. Al transformar térmicamente k-Al2O3 en una fase metaestable a 1050 ºC, se forma α-Al2O3 en una fase estable. Descubrimos que este α-Al2O3 tiene una excelente resistencia al desgaste. Utilizando este descubrimiento, establecimos una tecnología para formar un recubrimiento controlando el crecimiento de α-Al2O3 con una orientación en el eje C. Trabajamos en el desarrollo de la tecnología que orienta naturalmente los cristales para mejorar la dureza. Esto se convirtió en la tecnología Nano Texture y se ha ampliado hasta convertirse en la tecnología Super Nano Texture.

Al mismo tiempo, se siguió trabajando en el desarrollo de una tecnología que alarga la vida útil de las herramientas aumentando el grosor del Al2O3, lo que condujo a un aumento del grosor de los recubrimientos. La patente que obtuvimos para la serie de dicha tecnología de formación de recubrimientos de Al2O3 condujo al establecimiento de la fuerte presencia que Mitsubishi Materials Corporation tiene hoy en todo el sector. 

Empezamos a desarrollar la tecnología TOUGH-Grip, que aumenta la adherencia del TiCN y el Al2O3, alrededor del año 2010. Antes de eso, ya habíamos investigado la tecnología de adherencia de estos dos recubrimientos mientras trabajábamos por separado en la tecnología de recubrimiento del TiC y el Al2O3. En el recubrimiento CVD se estratifican diferentes materiales, por lo tanto, a lo que hay que prestar más atención durante el recubrimiento CVD es a la formación de capas finas a partir del material base. Un punto importante son los coeficientes de dilatación térmica, que cambian en función de las diferencias de materiales. La tecnología TOUGH-Grip amplía el área de adherencia de la capa inferior de TiCN y la capa superior de Al2O3 mediante el perfeccionamiento de la micro-estructura, lo que mejora la adherencia y el desgaste. 

Part 5 : Future Vision~

El desarrollo tecnológico de aquí a cuatro o cinco años es clave para la comercialización en 2030

Estamos estudiando el desarrollo de una tecnología alternativa para el TiCN. El recubrimiento TiCN estándar lleva madurando más de 30 años y será difícil desarrollar algo que supere su rendimiento. Por otra parte, si desarrollamos una nueva tecnología, podremos establecer una posición firme frente a otros competidores del sector. Ya hemos empezado a investigar para desarrollar nuevas tecnologías. 

Sin embargo, es extremadamente difícil predecir cuál será la situación dentro de 10 años porque es imposible imaginar qué tipo de mecanizado se utilizará en el futuro. Tras especificar las piezas necesarias para un producto acabado, como un automóvil, se determinarán las herramientas necesarias para fabricar dichas piezas. 

A medida que se produzca el paso de los vehículos con motor de combustión interna a los vehículos eléctricos, asistiremos a un cambio significativo en el mercado de las herramientas de corte. 

También hay que tener en cuenta el potencial de los nuevos materiales difíciles de cortar. Los dispositivos semiconductores también pueden pasar del SiC al diamante, por lo que también hay que plantearse cómo gestionar el cambio. Si se comercializan automóviles voladores, hay que minimizar el peso de los componentes. Hay tantas cosas que considerar para el potencial futuro, incluidos los futuros componentes y herramientas de corte.

Seguimos dando pasos adelante cada día para conseguir superar las dificultades encontradas.

Repaso a la historia de la tecnología de recubrimiento CVD

Oshika:　 Cuando miro los datos de las imágenes de aluminio, es desde el punto de vista del ion de aluminio. Cuando pienso en mi piel, la veo desde el punto de vista del dióxido de carbono. Pensemos en el origen de los innumerables átomos de carbono que contiene nuestra piel. Pueden ser de hace cientos de años o heredados de dinosaurios que vivieron hace millones de años. Al considerar la edad potencial del carbono que compone nuestro cuerpo mientras observo los datos, las imágenes cobran vida en mi mente. 

Okude:　 Lo más importante en mi trabajo en el Instituto central de investigación es asegurarme de interpretar muy bien los datos. Al mirar fotos de muestras, cada persona se fija en cosas diferentes. Comprender muy bien los datos y descubrir las diferencias nos permite identificar la dirección en la que debemos avanzar en nuestra investigación. Como líder, creo que transmitir a la siguiente generación estas formas de pensar y de ver las cosas es una parte importante de la transmisión de la tecnología. Las recientes mejoras en los dispositivos analíticos nos permiten notar cambios que antes no se veían. Me gustaría seguir insistiendo en la importancia de observar y revisar las cosas en profundidad.

Tatsuoka:　Lo que siempre tengo presente cuando realizo investigación básica es el intento de descubrir campos desconocidos. La originalidad conduce al desarrollo de nuevas tecnologías y productos. En lo que respecta a la tecnología CVD, cuya historia se remonta a más de medio siglo, utilizo los conocimientos acumulados para encontrar cosas nuevas desde mi propio punto de vista, así como un punto de vista totalmente nuevo. El clima de apoyo del Instituto central de investigación me permite seguir avanzando en el desarrollo de nuevas tecnologías.