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Cutting performance and wear characteristics of Ti(C,N)-based cermet tool in machining hardened steel Rendimiento de corte y características de desgaste de la herramienta de cermet Ti(C,N) basado en el mecanizado de acero templado Resumen Cutting performance and wear characteristics of Ti(C,N)-based cermet was investigated when turning a hardened steel (61–62 HRC). A TiN/Al2O3/Ti(C,N) multilayer coated cemented carbide tool was selected for this comparable study. Características de rendimiento de corte y desgaste de cermet basado en Ti(C,N) fue investigado al tornear un acero templado (61-62 HRC). Una herramienta de carburo cementado recubierto multicapa TiN/Al2O3/Ti(C,N) fue seleccionada para este estudio comparable. . The cermet tool showed a longer tool life than the coated tool at lower cutting depth, but it showed a shorter tool life at larger cutting depth due to chipping caused by increasing cutting force. La herramienta de cermet mostró una vida útil más larga que la herramienta recubierta en profundidad de corte inferior, pero mostró una vida útil más corta a mayor profundidad de corte debido a la rotura a causa de aumento de la fuerza de corte. Soft binder phase in the flank face of the cermet tool was removed primarily by abrasion and adhesion wear mechanism, and then ceramic grains were removed due to lack of structural support. fase aglutinante)cubierta* suave en la cara flanco de la herramienta de cermet se eliminó principalmente por la abrasión y mecanismo de desgaste de adhesión, y luego se retiraron los granos de cerámica debido a la falta de soporte estructural. High thermal conductivity and low cutting force appeared to improve the crater wear resistance of the cermet tool. Alta conductividad térmica y baja fuerza de corte parecieron mejorar la resistencia al desgaste del cráter de la herramienta de cermet. But the coated tool suffered very severe crater wear due to diffusion and adhesion wear mechanisms. The surface quality machined by the cermet tool was slightly lower than that by the coated tool and the average roughness increased exponen- tially with the cutting time for both tools.

Pero la herramienta recubierta sufrió muy severo desgaste en cráter debido a los mecanismos de difusión y adhesión de desgaste. La calidad de la superficie mecanizada por la herramienta de cermet era ligeramente inferior a la de la herramienta recubierta y la rugosidad media aumentado de forma exponencial con el tiempo de corte para ambas herramientas. Thermal stress that generated at the chips during the cutting process forced the chips to curl. The chips from the cermet tool showed less severely curled and adhesive due to the low cutting temperature. La tensión térmica que se genera en las virutas durante el proceso de corte obligó a la viruta para rizar. Las virutas de la herramienta de cermet mostraron menos gravemente rizada y el adhesivo debido a la temperatura de corte bajo. INTRODUCCION Hardened steels, which involve various hardened alloy steels, tool steels, casehardened steels, mold steels and heat-treated powder metallurgical parts, were widely used in industrial applications such as tools, dies and molds, gears, cams, shafts, axles, bearings, forgings and other mechanical components due to their high strength and wear resistance [1–6]. aceros TEMPLADOS, que implican diversas aleaciones de aceros templado, aceros para herramientas, aceros de cementación, acero para moldes y piezas de metalurgia de los polvos tratados por calor, se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales, tales como herramientas, troqueles y moldes, engranajes, levas, ejes, ejes, rodamientos, piezas forjadas y otros componentes mecánicos debido a su alta resistencia y resistencia al desgaste [1-6]. Generally, hardened steels are machined by grinding process. But grinding operations are time consuming and limited to geometry shapes of workpieces [7,8]. Hard turning is defined as a turning operation which is applied on high hardness steels (45 b HRC b 65) to obtain desired surface roughness condition that is close to those obtained in grinding [3,8–10] En general, aceros templados son trabajados a máquina el proceso de pulido Pero las operaciones de molienda son mucho tiempo y limitado a la geometría de formas de piezas de trabajo [7,8]. torneado duro se define como una operación de torneado que se aplica sobre aceros de alta dureza (45 HRC b b 65) para obtener la condición de rugosidad de superficie deseada que está cerca de los obtenidos en la molienda [3,8-10] Hard turning has many advantages than grinding, such as higher productivity, higher process flexibility, higher material removal rate and less

environment problems without the use of coolant [3,7,8]. The critical challenge faced to hard turning process is the performance of the cutting tools, particularly in wear resistance. torneado duro tiene muchas ventajas que el rectificado, tales como una mayor productividad mayor flexibilidad de proceso, una mayor tasa de remoción de material y menos problemas de medio ambiente sin el uso de refrigerante [3,7,8]. El desafío crítico enfrentado a proceso de torneado duro es el rendimiento de las herramientas de corte, sobre todo en la resistencia al desgaste. Polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) is preferred cutting tools for highspeed machining hardened steel due to its ultra-high hardness, high abrasive wear resistance and chemical stability at high tempera- ture [2,11–14]. Policristalino de nitruro de Boro Cúbico se prefiere para las herramientas de corte de acero endurecido mecanizado de alta velocidad debido a su ultra-alta dureza, alta resistencia al desgaste abrasivo y la estabilidad química a alta temperatura [2,11-14]. However, the difficulty in PCBN compact processing (high temperature and high pressure) and the high cost of PCBN tools have shifted the challenge for hard turning from technological feasibility to economic viability. Sin embargo, la dificultad en el procesamiento compacta PCBN (alta temperatura y alta presión) y el alto costo de las herramientas de PCBN han desplazado el reto para el torneado en duro desde la viabilidad tecnológica de la viabilidad económica. . Ceramic tool is an alternative in hard turning due to its good properties as well as lower cost compared to PCBN tools [3,4,15,16]. . La herramienta de cerámica es una alternativa en el torneado en duro debido a sus buenas propiedades, así como un menor costo en comparación con las herramientas de PCBN [3,4,15,16]. Shalaby et al. [10] compared the performance of mixed aluminum ceramic (Al2O3 + TiC) tools, PCBN tools and coated PCBN tools in turning of medium hardened D2 tool steel (52 HRC), and the results showed that mixed alumina ceramic tool had longer tool life and lower cutting force components than PCBN tools. Shalaby et al. [10] Cuando se compara el rendimiento de cerámica de aluminio mixto (Al2O3 + TiC) herramientas, herramientas de PCBN y herramientas PCBN revestidas, en el torneado de acero para herramientas D2 endurecido medio (52 HRC), y los resultados mostraron que la herramienta de cerámica mixta de

alúmina tenía una mayor vida útil y componentes de menor fuerza de corte que las herramientas de PCBN. But the applications of ceramic tools are limited due to their brittle characteristic. Recently, as coating technology developed, coated cemented carbide (WC–Co) tools started to be adopted in hard turning due to their excellent comprehensive properties (hard and inert surface and tough substrate) and showed comparable performance to PCBN tools in some cases. Pero las aplicaciones de herramientas de cerámica están limitados debido a su característica frágil. Recientemente, como se desarrolló la tecnología de recubrimiento, con recubrimiento de carburo cementado (WC-Co) herramientas empezaron a adoptar en el torneado en duro debido a sus propiedades excelentes integrales (superficie dura e inerte y sustrato duro), y mostraron un rendimiento comparable a las herramientas de PCBN en algunos casos. Dosbaeva et al. [1] compared the performance of TiN/ Al2O3/Ti(C,N) coated cemented carbide tools to low content PCBN tools in hard turning of D2 tool steel (52 HRC). Dosbaeva et al. [1] en comparación con el rendimiento de TiN / Al2O3 / Ti (C, N) recubierto con herramientas de carburo cementado a las herramientas de bajo contenido de PCBN en torneado duro de acero para herramientas D2 (52 HRC). ). The results revealed that the coated carbide tool outperformed PCBN in machining high chromium tool steel (52–56 HRC) within a certain range of cutting speeds. Dogra et al. [17] Los resultados revelaron que la herramienta de carburo revestido superó a PCBN en el mecanizado de acero alto cromo (HRC 52-56) dentro de un cierto rango de velocidades de corte. Dogra y col. [17] compared the performance of PCBN tools to TiN/Al2O3/Ti(C,N) coated cemented carbide tools in finish turning of AISI8620 steel with a hardness of 49– 50 HRC. The results showed that the longest tool life was achieved with PCBN tool, but the accumulated machining time and the surface integrity for coated carbide tool were comparable with that of PCBN tool. Comparando el rendimiento de las herramientas de PCBN TiN/Al2O3/Ti(C,N) y las herramientas recubiertas de carburo cementado en el torneado de acabado de AISI8620 de acero con una dureza de HRC 50-49. Los resultados mostraron que la vida de la herramienta más larga se logró con la

herramienta de PCBN, pero el tiempo de mecanizado acumulado y la integridad de la superficie de herramienta de carburo revestido fueron comparables con la de herramienta de PCBN. Ti(C,N)-based cermet is made of Ti(C,N) as the main hard phase and Ni as the binder phase. It is a promising cutting tool material because it has higher toughness than ceramic tool and higher melting temperature, hardness, thermal conductivity, oxidation resistance and creep resistance than cemented carbide tool [18–21]. Ti (C, N) a base de cermet está hecho de Ti (C, N) como la principal fase dura y Ni como fase aglutinante. Es un material de herramienta de corte prometedor, ya que tiene la dureza más alta que la herramienta de cerámica y una mayor temperatura de fusión, dureza, conductividad térmica, resistencia a la oxidación y resistencia a la fluencia de herramienta de carburo cementado [18-21]. Furthermore, the manufacturing cost of cermet tool was less than half of the cemented carbide tool, which is the lowest among the four kinds of tools referred in this paper. Además, el coste de fabricación de la herramienta de cermet era menos de la mitad de la herramienta de carburo cementado, que es la más baja entre las cuatro clases de herramientas que se hace referencia en este documento. Therefore, Ti(C,N)-based cermet is expected to be applied in hard turning due to its excellent properties and cost advantage. Cermet basado en Ti(C,N) por lo tanto, debe aplicarse en torneado duro debido a sus excelentes propiedades y ventaja del coste. However, few studies have been reported about the application of Ti(C,N)based cermet tool in hard turning. In this work, cutting perfor- mance and wear characteristics of Ti(C,N)-based cermet tools in turning hardened steel (61–62 HRC) were investigated. Sin embargo, pocos estudios se han divulgado sobre la aplicación de la herramienta de cermet basado en Ti(C,N) de torneado duro. En este trabajo, se investigaron características de rendi-miento y desgaste de corte herramientas de cermet basado en Ti(C,N) de torneado de acero templado (61-62 HRC). 1. EXPERITHENTAL STUDY 1.1.

Preparation of cutting tools

Commercial powders of TiC (2.83 μm), TiN (1.18 μm), WC (0.82 μm), Mo2C

(2.30 μm) and Ni (2.36 μm) powders were used as raw materials to prepare Ti(C,N)-based cermets. These powders were mixed in a planetary ball mill (QM-QX20, Nanjing Nanda Instrument Plant, China) over 48 h with WC–Co cemented carbide balls in ethanol. A 2 wt.% polyethylene glycol (PEG) was added into the mixture during the milling process. The mixture powder was obtained by spray drying and then was pressed into the shape ISO TNMG160404 cutting insert. Green compacts were degassed and then sintered under vacuum (10−1–10−2 Pa) at 1450 °C for 1 h. The same shape coated cemented carbide insert made by Mitsubishi was selected as a comparison. The coating materials were TiN, Al2O3 and Ti(C,N) from the outside to the inside. Preparación de las herramientas de corte polvos comerciales de TiC (2.83 m), estaño (1,18 m), aseo (0,82 m), Mo2C (2,30 m) y Ni (2,36 micras) polvos se utilizan como materias primas para preparar Ti (C, N) a base de cermet. Estos polvos se mezclaron en un molino de bolas planetario (QMQX20, Nanjing Plant Instrumento Nanda, China) más de 48 h con bolas de carburo cementado de WC-Co en etanol.Se añadió una polietilenglicol 2 en peso.% (PEG) en la mezcla durante el proceso Un 2 wt.% polietileno glicol (PEG) fue agregado en la mezcla durante el proceso de molienda. El polvo de mezcla se obtiene mediante secado por pulverización y luego fue presionado en el inserto de corte forma TNMG160404 ISO.. compactos en verde se desgasificaron y después se sinterizaron bajo vacío (10-1-10-2 Pa) a 1450 ° C durante 1 h. El inserto de carburo cementado recubierto misma forma hecha por Mitsubishi fue seleccionada como una comparación. Los materiales de revestimiento fueron TiN, Al2O3 y Ti (C, N) desde el exterior hacia el interior. El mismo inserto de carburo cementado recubierto de forma de Mitsubishi fue seleccionado como una comparación. Los materiales de revestimiento fueron estaño, Al2O3 y Ti(C,N) desde el exterior al interior. 1.1.

Cutting tests

The cutting tests were conducted on a CW6163E lathe (Dalian Machine Tool Group, China) under dry cutting with 60–100 m/min cutting speed (Vc), 0.2–0.5 mm cutting depth (ap) and constant feed rate (f) of 0.1 mm/rev. Commercial tool holder with ISO designation of DTJNR/L 2525M16 was used in the tests. The workpiece was quenched steel with a diameter of 150 mm and a hardness of 61–62 HRC. The mi- crograph of the workpiece observed by an optical microscope is shown in Fig. 1. There was a large amount of black needle shape martensite and carbide particles in the microstructure. Needle shape martensite contained high carbon concentration and showed high hardness, and it was the primary origin of hardness for the quenched steel.

2.2. ensayos de corte Los ensayos de corte se llevaron a cabo en un torno CW6163E (Machine Tool Group

Dalian, China) bajo el corte en seco con la velocidad de 60-100 m / min de corte (Vc), 0.20.5 mm de profundidad de corte (ap) y constante de velocidad (f) del soporte de herramienta comercial de 0,1 mm/rev. con denominación ISO de DTJNR/L alimentación 2525 M 16 fue utilizada en las pruebas. La pieza era de acero templado con un diámetro de 150 mm y una dureza de HRC 62-61. El mi-crograph del objeto observado por un microscopio óptico se muestra en la figura 1. Había una gran cantidad de forma de aguja negra martensita con partículas de carburo en la microestructura. Aguja forma martensita contiene concentración de alto carbono y mostraron alta dureza, y es el origen primario de la dureza del acero templado. 1.1.

Characterization method

The hardness was measured by a Vickers hardness tester (432 SVD, Wolpert Wilson Instrument, China) with an indenter load of 30 kg over 15 s, and fracture toughness was evaluated by the cracks caused by indentation (as shown in Fig. 2) using the expression derived by Shetty [22]. Tool failure was defined as the width of flank wear land over 0.3 mm or catastrophic chipping. Width of flank wear land was measured by optical measuring system (VMS-150G, Rational Precision Instrument CO., LTD., China). Average surface roughness (Ra) and cutting force were measured by a portable surface roughness tester (SJ-210, Mitutoyo, Japan) and a three-component dynamometer (KISTLER 9257A, Switzerland), respectively. The microstructure and wear morphology of tools were observed by SEM (Quanta 200, FEI, USA). Chemical composition of micro-zones was analyzed by EDS (EDAX, USA) which equipped on SEM as an accessory.

La dureza se midió por un Vickers probador de la dureza (432 SVD, Wolpert Wilson instrumento, China) con una carga de penetrador de 30 kg durante 15 s y resistencia a la fractura fue evaluado por las grietas causadas por sangrado (como se muestra en la Fig. 2) utilizando la expresión derivada por Shetty [22]. Fallas era definidos como la anchura de la tierra de desgaste flank sobre 0,3 mm o astillarse catastrófica. Anchura de flank usar tierra fue medido por el sistema óptico de medición (VM - 150G, racional precisión instrumento CO., LTD., China). Rugosidad media (Ra) y fuerza de corte se miden por un probador portátil de rugosidad superficial (SJ-210, Mitutoyo, Japón) y un dinamómetro de tres componentes (KISTLER 9257A, Suiza), respectivamente. La morfología de la microestructura y el desgaste de herramientas fueron observadas por SEM (Quanta 200, FEI, USA). Se analizó la composición química de las zonas de micro por EDS (EDAX, USA) que equipan en SEM como accesorio.