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Mecanizado de aleaciones de base níquel

Las aleaciones de base níquel se utilizan cuando se requiere alta resistencia mecánica y térmica, así como alta resistencia a la corrosión, como es el caso de muchos componentes para industrias tales como la aeronáutica, petrolera, energía o automoción. 

¿Qué son las aleaciones de base níquel?

Las aleaciones de base níquel son materiales cuyo elemento principal es el níquel, y se producen junto, al menos, con otro elemento químico (generalmente mediante procesos de fundición). Níquel-cobre, níquel-hierro, níquel-hierro-cromo, níquel-cromo, níquel-molibdeno-cromo, níquel-cromo-cobalto y aleaciones de níquel de baja aleación (con un contenido de níquel de hasta 99, 9%) y otras aleaciones multielementos. 

Aleaciones forjadas y aleaciones fundidas

En general, se hace una distinción entre dos grupos de aleaciones de base níquel: Aleaciones forjadas y fundidas. Las aleaciones forjadas se usan en la fabricación discos y aros de turbinas y, por sus propiedades, son adecuadas para un rango de temperaturas de hasta 730º C. Las aleaciones fundidas se utilizan principalmente para piezas con altas cargas termomecánicas y geometrías complejas. Las piezas se moldean cerca de su forma final y con una estructura policristalina y solo se mecanizan ligeramente. 

Propiedades de las aleaciones de base níquel

Las populares aleaciones de níquel-cromo se caracterizan en particular por su extrema resistencia al calor, alrededor de 750º C y, por lo tanto, pueden soportar cargas permanentes cercanas al punto de fusión. Al mismo tiempo, muestran alta resistencia y ductilidad, así como baja conductividad térmica con buena conformabilidad en frío y alta resistencia a la corrosión. La baja densidad, la alta resistencia química y al desgaste hacen que estas aleaciones sean particularmente interesantes para aquellas aplicaciones de alta temperatura en las que el aluminio y el acero son inestables.

Por otro lado, son estas buenas propiedades de aplicación las que dificultan su mecanizado: Con estas propiedades solo queda trabajar con velocidades de corte relativamente bajas. Mecanizando aluminio con herramientas de metal duro sin recubrimiento, es habitual una vida útil de varios días, con hierro fundido maleable, esta vida se reduce aproximadamente a una hora y con las aleaciones de base níquel, a cinco o diez minutos. 

Materiales de corte para aleaciones de base níquel

HSS

El “Acero de alta velocidad (HSS)” se utiliza en aleaciones de base níquel debido a su alta tenacidad, para aplicaciones con corte interrumpido tales como fresado, roscado, brochado y ranurado. En el caso de las aleaciones de base níquel, se pueden utilizar velocidades de corte en un rango de 5 a 10 m/min. Debido a la tenacidad del HSS, se puede trabajar con avances por diente de 0,1 a 0,16 mm (avances relativamente altos).

Metal Duro

El metal duro (MD) consiste en carburos metálicos, generalmente carburo de tungsteno, que están incrustados en una fase aglutinante metálica blanda y, por lo tanto, pertenecen al grupo de materiales compuestos. Por lo general, las herramientas de metal duro trabajan en aleaciones de base níquel con velocidades de corte relativamente bajas de 20 a 40 m/min. Velocidades de corte superiores provocan una sobrecarga rápida sobre el material de corte y, por lo tanto, no se pueden usar de forma fiable en la mayoría de los casos. 

Nitruro de boro

El nitruro de boro cúbico (cBN) es el segundo material más duro conocido, tras el diamante. Es más duro, más resistente al desgaste y más caro que la cerámica. Gracias a las propiedades del cBN, se puede trabajar con altas velocidades de corte en el torneado. El cBN no se utiliza para fresar aleaciones de base níquel. Cuando se trata de torneado de Inconel 718: Se recomienda un rango de velocidad de corte de 400 a 600 m/min. Comparado con herramientas de metal duro con recubrimiento TiAlN, el cBN tiene una vida útil un 100% mayor, a una velocidad de corte de 50 m/min. Para el torneado de acabado de estructuras inestables, el cBN es la primera opción en aplicaciones industriales. 

Cerámica

Las cerámicas de corte se sinterizan a partir de polvos cerámicos sin la adición de aglutinantes. La norma DIN ISO 513 divide la cerámica de corte en cinco grupos:

CA = Cerámica de corte, componente principal óxido de aluminio (Al2O3)

CM = Cerámica mixta, componente principal óxido de aluminio (Al2O3), junto con otros componentes distintos a los óxidos

CN = Cerámica de nitruro de silicio, componente principal nitruro de silicio (Si3N4 )

CR = Cerámica reforzada con fibras (whiskers), componente principal óxido de aluminio (Al2O3)

CC = Cerámica de corte, todas las anteriores pero con recubrimiento

Las herramientas cerámicas conservan su dureza incluso a las altas temperaturas que se generan al fresar aleaciones resistentes al calor (HRSA). Esto permite alcanzar velocidades de corte de 20 a 30 veces superiores, en comparación al metal duro.

Los materiales de corte cerámicos provienen originalmente del torneado. La carga térmica permanece relativamente estable en el torneado. Al fresar, en cambio, la temperatura del filo de corte varía porque el corte se interrumpe. El cambio brusco entre el calor durante el corte y el posterior enfriamiento, tensiona el filo de corte. Para que los filos de corte de la herramienta no se enfríen y se produzca el choque térmico, se fresa sin lubricantes refrigerantes. Las cerámicas SiAlON (Oxinitruros mixtos de silicio y aluminio) son generalmente menos sensibles a las fluctuaciones de temperatura que las cerámicas reforzadas con Whiskers, por lo que son la mejor opción para operaciones de fresado.  

Un requerimiento básico para el fresado con cerámicas es que las fresadoras trabajen por encima de las 10.000 r.p.m, lo que le supone un reto adicional a las herramientas.

Los sistemas de fresado con plaquitas intercambiables cerámicas, están disponibles en el mercado con formatos diversos y son comunes en la industria, sin embargo, las herramientas de fresado de diámetros menores a 16 mm, no son muy comunes derivado de las razones mencionadas. Durante mucho tiempo no hubo alternativa a las herramientas de HSS y Metal Duro.

Además del desgaste químico relacionado con la temperatura, las herramientas cerámicas a menudo presentan filo recrecido: El calor que se genera en la zona de corte, forma vapores metálicos que se fusionan con la superficie del material de corte; cuando se retiran, partes de la cerámica pueden desprenderse.