Mecanizado de aleaciones de níquel: ¿es difícil de mecanizar?

Las aleaciones de níquel se están popularizando en diversas industrias debido a sus características mecánicas y químicas únicas y valiosas. Además, presentan una alta resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas. Sin embargo, el mecanizado de aleaciones de níquel es difícil debido a su fácil endurecimiento por acritud. Afortunadamente, el enfoque correcto puede facilitar su mecanizado. Este artículo presentará toda la información esencial sobre el mecanizado de aleaciones de níquel.

¿Por qué es tan difícil mecanizar el níquel?

El mecanizado de aleaciones de níquel es complejo debido a su naturaleza abrasiva, la acumulación de calor y el rápido endurecimiento por deformación. Esto puede provocar desgaste de la herramienta e imprecisiones dimensionales. Las altas temperaturas también pueden provocar deformaciones en la aleación.

Propiedades de los materiales de níquel y aleaciones a base de níquel

El níquel y sus aleaciones son famosos por su resistencia a la corrosión, alta resistencia mecánica y resistencia al calor. Son versátiles al combinarse con otros elementos y producen aleaciones con propiedades únicas. El niquelado también se utiliza ampliamente, aplicando una fina capa de níquel sobre otros metales para mejorar sus propiedades.

Alta resistencia a la tracción y elasticidad

Las aleaciones de níquel tienen mayor resistencia y tenacidad que el níquel puro. La resistencia a la tracción puede alcanzar hasta 1,000 MPa y el módulo de Young hasta 210 GPa. Esto se debe a sus altas propiedades mecánicas al combinar el níquel con otros elementos.

Baja conductividad térmica y concentración de calor

Las aleaciones de níquel presentan una alta resistencia térmica y una conductividad térmica menor. Los agentes de aleación presentes en las aleaciones de níquel alteran la disposición atómica regular en la red del níquel y obstruyen el flujo de energía térmica. El níquel puro presenta una conductividad térmica de 106 W/mK a temperatura ambiente, pero sus aleaciones presentan una menor conductividad térmica.

Reactividad química con herramientas de corte

Las aleaciones de níquel presentan una mayor reactividad química con las herramientas de corte. Esto se debe a la alta generación de calor durante el funcionamiento y a la presencia de carburo abrasivo en ellas. Esto provoca diferentes mecanismos de desgaste, como la adhesión y la difusión.

Grupos de aleaciones de níquel y maquinabilidad relativa

La presencia de un alto contenido de níquel afecta significativamente su maquinabilidad. Un contenido de níquel del 25 % al 65 % puede mejorar la resistencia a la corrosión. Sin embargo, el mecanizado se dificulta debido a la mayor tasa de endurecimiento por deformación y la mayor resistencia al cizallamiento.

Grados de níquel puro (níquel 200/201)

Los grados de níquel puro, como UNS N02200 o UNS N02201, presentan un mecanizado muy difícil debido a su comportamiento gomoso. El níquel genera virutas tenaces que son difíciles de retirar y enredar en la herramienta. El níquel 201 también genera altas temperaturas, lo que puede provocar desgaste y embotamiento de la herramienta. El mecanizado de níquel 200 requiere herramientas de corte afiladas, suficiente velocidad de avance y profundidad de corte para evitar estos problemas.

Aleaciones austeníticas de Ni-Cr (aleaciones 600 y 625)

Las aleaciones de Ni-Cr (600 o 625) son aleaciones con estructura cristalina cúbica centrada en las caras, altamente resistentes a la corrosión. No son magnéticas y presentan alta trabajabilidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia mecánica. Las aleaciones 600 y 625 son conocidas por su maquinabilidad en estado recocido. Para el mecanizado CNC de níquel, se recomiendan herramientas duras como el carburo o el acero de alta velocidad.

Superaleaciones (Inconel 718, 725)

Los aceros Inconel 718 y 725 son muy exigentes en las industrias aeroespacial y del petróleo y gas. Esto se debe a su alta resistencia a la corrosión y a su robustez. Sin embargo, presentan baja conductividad térmica y un rápido endurecimiento por deformación. Esto, a la larga, dificulta las operaciones de mecanizado. Puede causar un acabado superficial deficiente, un desgaste rápido de las herramientas y altas fuerzas de corte.

Materiales de níquel fundido y níquel forjado: Diferencias clave

Los materiales de níquel 201 fundido se forman vertiendo metal fundido en un molde. El níquel forjado se produce mediante deformación mecánica, como el forjado o el laminado. El mecanizado del níquel 200 es difícil debido a defectos como la porosidad y una microestructura no homogénea. El níquel forjado presenta una microestructura uniforme y es más dúctil, lo que facilita su mecanizado.

Cinco operaciones de mecanizado fundamentales: desafíos y soluciones rápidas

Como se mencionó anteriormente, el níquel y sus aleaciones presentan desafíos únicos durante el mecanizado. Para mitigarlos, se requieren enfoques estratégicos, como el uso de velocidades de corte y avance optimizados, herramientas especializadas y estrategias de programación.

1. Torneado de aleaciones de níquel

En el torneado, una herramienta de corte en un torno retira material de una pieza de níquel giratoria y crea una forma cilíndrica. Los desafíos comunes son el endurecimiento por acritud, la alta generación de calor y el desgaste de la herramienta en el mecanizado CNC de aleaciones de níquel. Esto se puede solucionar utilizando una herramienta de carburo o cerámica con un ángulo de ataque positivo, alta velocidad de corte y refrigerante de flujo constante.

2. Fresado de aleaciones de níquel

Las operaciones de fresado utilizan una herramienta de corte rotatoria para remover material y crear la forma deseada de la pieza de trabajo a base de níquel. Los problemas comunes del fresado son el endurecimiento por acritud, la carga de viruta y las vibraciones. Estos problemas se pueden solucionar utilizando herramientas de ángulo de corte positivo, máquinas de alta potencia y evitando velocidades de avance bajas.

3. Perforación y escariado de aleaciones de níquel

El taladrado y el escariado utilizan una herramienta de corte giratoria, como una broca, para perforar agujeros en aleaciones de níquel. La perforación profunda presenta problemas comunes como altas temperaturas, desgaste de la herramienta y endurecimiento del material de la tapa. Estos problemas se pueden solucionar utilizando brocas de inserción o de cobalto para brocas helicoidales. Asegúrese de que la velocidad de perforación sea constante durante el refrentado, el mandrinado y el ajuste, y utilice refrigerante.

4. Roscado y fresado de aleaciones de níquel

El roscado de níquel consiste en crear roscas internas, mientras que el roscado crea roscas externas dentro de un orificio en aleaciones de níquel. Los problemas comunes del mecanizado CNC de níquel son el endurecimiento por acritud y el desgaste de la herramienta, que pueden mitigarse mediante el uso de machos de roscar de alta calidad y el refrigerante adecuado, evitando roscar demasiado rápido.

5. Rectificado y bruñido de aleaciones de níquel

El rectificado y el horneado son procesos de eliminación de material para obtener acabado superficial y precisión geométrica en aleaciones a base de níquel. Los problemas comunes que surgen durante el rectificado superficial y el horneado interno son el desgaste de las muelas y un acabado superficial deficiente debido a la alta dureza de la pieza. Los consejos para el mecanizado de níquel incluyen el uso de muelas duras y tenaces, la optimización de los parámetros de rectificado y el uso adecuado del refrigerante.

Trucos para la gestión del calor y las virutas

Para lograr un mecanizado de níquel eficaz, algunos consejos incluyen el uso de estrategias de gestión del calor y las virutas mediante el uso de refrigerantes de alta presión para disolver el calor y eliminar las virutas y el uso de parámetros de corte y geometrías de herramientas adecuados.

Mecanizado criogénico con nitrógeno líquido

El mecanizado criogénico con nitrógeno líquido, especialmente para Inconel 718, mejora significativamente su maquinabilidad. También mejora el acabado superficial y la vida útil de la herramienta, y reduce las fuerzas de corte. La zona de corte se enfría rápidamente, lo que modifica las propiedades del material y minimiza la fricción. Sin embargo, el enfriamiento criogénico prolongado puede afectar las propiedades mecánicas de las aleaciones de níquel y el desgaste de la herramienta.

Insertos indexables con puertos de refrigeración de flauta optimizados

Las plaquitas indexables con puertos de refrigeración optimizados son importantes para obtener resultados eficientes en el mecanizado de aleaciones de níquel. El refrigerante disuelve el calor, lubrica la zona de corte y facilita la eliminación de virutas, lo cual es esencial para un buen acabado superficial y una larga vida útil de la herramienta. Estos puertos de refrigeración también reducen los costes de mecanizado y mejoran el rendimiento del material.

Estrategias de trayectoria de herramienta para minimizar la permanencia y el recorte

Para minimizar la permanencia y el recorte, utilice trayectorias de herramienta que faciliten la eliminación de viruta y reduzcan el desgaste de la herramienta. Estas incluyen estrategias como el mecanizado de restos, el suavizado de trayectorias y la optimización de los parámetros de corte. Algunos enfoques incluyen el uso de ángulos de ataque positivos en las herramientas y ángulos de incidencia adecuados al usar herramientas de acero rápido, cerámica o CBN.

¿Cómo mecanizar una máquina que sea segura para el níquel?

Al mecanizar aleaciones de níquel, es fundamental priorizar la seguridad. Existen varias maneras de mecanizar níquel de forma segura.

Para mecanizar níquel de forma segura, priorice el control del polvo y los humos, gestione los riesgos de incendio y utilice el equipo de protección personal adecuado. La exposición al polvo y los humos de níquel puede causar problemas respiratorios y, en algunos casos, problemas de salud a largo plazo. Las virutas finas de níquel también representan un peligro de incendio.

Problemas de seguridad

Priorice el control del polvo y los humos al mecanizar aleaciones a base de níquel. Además, gestione los riesgos de incendio y utilice equipo de protección personal, ya que el torneado fino de níquel también presenta un riesgo de incendio. El polvo y los humos de níquel pueden causar problemas respiratorios y problemas de salud a largo plazo.

Consejos para un mecanizado más seguro de aleaciones de níquel

Priorice el control térmico con refrigerantes de alta presión durante el mecanizado de aleaciones de níquel. Se deben tomar las medidas adecuadas en el manejo del refrigerante para reducir la exposición y garantizar su correcta eliminación. Almacenar las virutas finas de níquel en un ambiente seco y cálido es crucial para prevenir el endurecimiento por acritud y prolongar la vida útil de la herramienta.

Pautas sobre datos de corte y refrigerante

Para un mecanizado óptimo, utilice velocidades de corte y avance bajas, priorice la calidad de la herramienta y un ajuste adecuado para las aleaciones de níquel. El uso de refrigerantes miscibles en agua es esencial para la disipación del calor, la lubricación y la evacuación de la viruta.

Métodos de corte interrumpido

Estos métodos gestionan el calor y el desgaste de las herramientas en el mecanizado de níquel. El manejo, la eliminación y el almacenamiento adecuados del refrigerante para torneado fino son esenciales para la seguridad y el cumplimiento de las normas ambientales.

Aplicaciones del mundo real y estudios de casos

En aplicaciones prácticas, mecanizar níquel y metales a base de níquel puede ser un desafío. Es recomendable elegir un taller de mecanizado adecuado para su próximo proyecto. El taller de mecanizado de precisión de níquel TUOFA es una excelente opción, ya que cuenta con un equipo propio de ingenieros experimentados. Además, China TUOFA puede ayudarle desde el diseño CAD hasta la producción.

Discos de turbina aeroespacial mecanizados a partir de Inconel 718

GE Aircraft Engines (GEAE) probó tres versiones de la aleación forjada 718 en la producción de componentes de motores de turbinas de gas: aleación 718 procesada estándar, procesada de alta resistencia y procesada por envejecimiento directo. La tercera versión utilizó altas reducciones de forja a temperaturas más bajas y un tratamiento térmico de solo envejecimiento para obtener mejores propiedades del disco.

Válvulas para petróleo y gas en aleación 625 y aleación 825

Ambas son aleaciones de níquel altamente resistentes a la corrosión y soportan condiciones adversas como alta presión, alta temperatura y sustancias corrosivas como el sulfuro de hidrógeno. La aleación 625 ofrece un mejor rendimiento, pero es más cara, mientras que la aleación 825 ofrece un buen rendimiento y una excelente relación calidad-precio, lo que la hace adecuada para diversas aplicaciones.

Componentes médicos de nitinol: mecanizado de alambres y stents

El nitinol es una aleación a base de Ni-Ti que se utiliza especialmente en componentes de alambres y stents debido a su superelasticidad y memoria de forma. Existen diferentes técnicas y procesos para transformar el nitinol en estos componentes, como el corte por láser, el mecanizado por electroerosión (EDM) y el conformado de alambres.

Conclusión

Las aleaciones a base de níquel son conocidas por su resistencia y dureza. Requieren altas fuerzas de corte para el mecanizado, lo que dificulta su uso y provoca desgaste de la herramienta. Además, pueden trabajar más duro y generar calor en las zonas de corte. En el mecanizado CNC, el níquel se considera más duro que las aleaciones de titanio y requiere parámetros y procedimientos de corte especializados. Estas aleaciones son químicamente reactivas y el material de la herramienta puede astillarse bajo fuerzas de cizallamiento, lo que dificulta aún más el mecanizado.