Según el Instituto de níquelEl níquel es el quinto elemento más abundante en la Tierra. Es un elemento de aleación muy versátil que se combina fácilmente con otros metales para impartir una resistencia excepcional y resistencia a la corrosión. Sin embargo, estas mismas propiedades presentan desafíos importantes en las aleaciones para mecanizado CNC.
Este artículo explora varias aleaciones de níquel utilizadas en la industria, sus procesos de mecanizado y los desafíos específicos que plantean durante las operaciones de mecanizado CNC.
Comprensión de las aleaciones de níquel: grupos y características
El níquel forma miles de aleaciones, por lo que es difícil identificar cada una de ellas. Para comprenderlas mejor, las aleaciones a base de níquel se clasifican en cinco grupos principales en función de características similares:
Grupo A – Aleaciones con alto contenido de níquel
Estas aleaciones tienen un alto porcentaje de níquel, generalmente más del 95 %. Por lo tanto, comparten la mayoría de las propiedades inherentes al níquel: excelente resistencia a la corrosión y conductividad térmica y eléctrica superior. Las aleaciones de níquel más populares incluyen el níquel 200, 201 y 205.
Grupo B – Aleaciones de níquel y cobre
Las aleaciones de níquel-cobre (serie Monel) contienen entre un 52 % y un 67 % de níquel; otra proporción importante es de cobre con trazas de otros elementos. Ofrecen mayor resistencia que las aleaciones del Grupo A (níquel puro), pero presentan una tenacidad ligeramente inferior. El trabajo en frío mejora su resistencia a la corrosión, especialmente en entornos marinos y químicos. Inconel 400/Aleación 400 y Invvar 36 son las aleaciones más conocidas de este grupo.
Grupo C – Aleaciones de níquel y cromo
El grupo C está formado por aleaciones de níquel-cromo, que se parecen al acero inoxidable austenítico en su composición. La presencia de cromo les confiere resistencia a la oxidación, especialmente a altas temperaturas. El cromo forma una capa de óxido protectora que evita una mayor corrosión. Estas aleaciones también tienen resistencia en solución sólida debido a la misma matriz de níquel-cromo. Inconel 600 y Nirmonic 75 son miembros destacados de este grupo.
Aleaciones endurecibles por envejecimiento del grupo D1-D2
Este grupo se divide en:
- D1 (sin envejecer): Estas aleaciones dependen del trabajo en frío para lograr resistencia y muestran una buena tenacidad antes del tratamiento térmico.
- D2 (Envejecido): Después del envejecimiento, estas aleaciones sufren un endurecimiento por precipitación, lo que aumenta su resistencia y durabilidad. La adición de elementos como el aluminio o el titanio forma precipitados que mejoran la capacidad de la aleación para soportar fuerzas y temperaturas extremas.
Grupo E – Aleación de alta mecanización
El grupo E es una clase de una única aleación altamente mecanizable, Monel R-405. Se le ha añadido azufre, lo que mejora el factor de mecanización. En cuanto a resistencia a la corrosión y otras propiedades físicas, es similar a las aleaciones del grupo B. Sin embargo, las propiedades mecánicas son ligeramente diferentes.
| Grupo procesos | Aleación | Composición | Características | Aplicaciones |
| Grupo A | Nickel 200 | 99.6% níquel | Excelente resistencia a la corrosión, buena conductividad térmica. | Procesamiento químico, ambientes marinos, componentes electrónicos |
| Nickel 201 | 99.6 % de níquel (bajo contenido de carbono) | Similar al níquel 200, mejor para aplicaciones de alta temperatura. | Evaporadores cáusticos, equipos de galvanoplastia | |
| Nickel 205 | 99.6% níquel | Alta conductividad eléctrica, propiedades mecánicas mejoradas. | Componentes eléctricos, placas de ánodo | |
| Grupo B | Inconel 400 | 63% níquel, 30% cobre | Alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión en agua de mar. | Ingeniería marina, intercambiadores de calor |
| Invvar 36 | 36% níquel, 64% hierro | Expansión térmica extremadamente baja | Controles de aeronaves, termostatos, instrumentos ópticos. | |
| Grupo C | Inconel 600 | 72% níquel, 14-17% cromo, 6-10% hierro | Resistencia a la oxidación a altas temperaturas, buena resistencia mecánica. | Conductos de escape de chorro, tubos de evaporadores, equipos de procesamiento térmico |
| Nimonic 75 | 80% Níquel, 20% Cromo | Alta resistencia a temperaturas elevadas, buena resistencia a la oxidación. | Álabes de turbinas de gas, hornos industriales | |
| Grupo D1 | Duraníquel 301 | 94% níquel, 4.75% hierro | Endurecible por envejecimiento, alta resistencia, resistencia a la corrosión. | Componentes aeroespaciales de alto estrés |
| Grupo D2 | Inconel 718 | 50-55% níquel, 17-21% cromo, 2.8-3.3% molibdeno | Endurecido por precipitación, alta resistencia, resistencia al calor. | Motores a reacción, turbinas de gas, reactores nucleares, válvulas de compuerta |
| Grupo E | Monel R-405 | 63% níquel, 30% cobre, 0.03% azufre | Maquinabilidad mejorada, resistencia a la corrosión. | Mecanizado de alta velocidad, equipos marinos y químicos. |
Operaciones de mecanizado para aleaciones de níquel
En la industria, las aleaciones de níquel se someten a diferentes procesos de mecanizado para obtener la forma, tamaño y figura deseadas. Entre ellos, los procesos de mecanizado más empleados son:
Torneado
Torneado Es una operación de mecanizado que utiliza una herramienta de corte de una sola punta para eliminar materiales de una pieza de trabajo giratoria. Esta operación se lleva a cabo en un torno CNC donde la herramienta se mueve a lo largo de la superficie para dar forma a las piezas cilíndricas.
En el caso de las aleaciones de níquel, el torneado requiere precisión debido a su dureza. Es necesario utilizar ángulos de ataque positivos para minimizar la herramienta y garantizar que el material se corte en lugar de empujarlo. Las herramientas de carburo son las mejores para este trabajo, ya que pueden soportar las altas temperaturas generadas durante el proceso.
El Instituto de Desarrollo del Níquel sugiere que el torneado de aleaciones de níquel requiere velocidades entre un 30 y un 50 % más bajas que el mecanizado de acero. Por lo general, se trata de entre 50 y 100 pies por minuto (FPM).
Para controlar las virutas durante el proceso de torneado, se prefieren herramientas con rizadores o rompedores de virutas. Las investigaciones muestran que estas herramientas pueden prolongar la vida útil de la herramienta hasta en un 40 %.
Fresado
Fresado Es el uso de una fresa rotatoria para dar forma a un material. En el caso de las aleaciones de níquel, se prefiere el fresado ascendente en lugar del fresado convencional (hacia arriba) para minimizar el endurecimiento de las palabras. Teniendo en cuenta la tenacidad del níquel, las fresas de extremo de acero de alta velocidad (HSS) o de carburo son perfectas para el níquel.
Además, para evitar un calor excesivo durante el proceso, los expertos sugieren mantener bajas las velocidades de avance. Para el fresado de alta exigencia, las fresas especializadas con ángulos de inclinación positivos de entre 12° y 18° funcionan mejor.
Trío
Al perforar aleaciones de níquel, es fundamental mantener velocidades de avance constantes para evitar el endurecimiento por deformación en el fondo del orificio. Las brocas HSS suelen ser eficaces para las aleaciones de los grupos A y B, mientras que las brocas de cobalto son mejores para las aleaciones más duras de los grupos C y D: estas brocas de cobalto duran un 50 % más que las de HSS.
Para perforar agujeros profundos, se utilizan brocas de pala o de cañón. Esta operación requiere fluido de corte a alta presión para evacuar las virutas y evitar la acumulación de calor. Las velocidades de perforación, para aleaciones más blandas, están en el rango de 10 a 18 SFM (pies superficiales por minuto), mientras que para grados más duros, son de 5 a 12 SFM.
Trituración
La mayoría de los procesos de mecanizado suelen ir acompañados de un rectificado para conseguir el acabado superficial y la precisión dimensional deseados. La clave para un rectificado exitoso de aleaciones de níquel es utilizar materiales abrasivos como óxido de aluminio o carburo de silicio.
Las investigaciones sugieren que las técnicas de rectificado sin centro son eficaces para lograr precisión con aleaciones de níquel, ya que ayudan a mantener la redondez y la precisión dimensional.
Aburrido
El proceso de mandrilado permite agrandar agujeros que ya han sido perforados o fundidos. En el caso de las aleaciones de níquel, esto es difícil de lograr, considerando su dureza de trabajo. Para reducir el desgaste de la herramienta, se utilizan barras de mandrilado con punta de carburo.
Los maquinistas recomiendan que las operaciones de mandrilado de aleaciones de níquel se realicen a velocidades más bajas que las de los materiales más blandos, normalmente alrededor de 30-60 SFM. Deben recibir una lubricación adecuada: con aceite sulfurado o refrigerantes similares de alto rendimiento.
Estadísticamente, las operaciones de mandrilado en aleaciones de níquel experimentan índices de desgaste de herramientas entre un 30 y un 40 % superiores a los de los aceros estándar, lo que implica cambios frecuentes de herramientas.
Tapping
El roscado de un orificio preexistente se denomina roscado con macho. Nuevamente, las herramientas de roscado de acero rápido y a base de cobalto funcionan bien debido a su resistencia al calor y durabilidad. Para las aleaciones de níquel más duras, se requieren machos de roscar en serie (en los que cada macho de roscar sucesivo aumenta el diámetro de la rosca) para evitar la rotura de la herramienta.
Además, el uso de una profundidad de rosca del 60 % en lugar del 75 % estándar reduce el par necesario para el roscado y disminuye la probabilidad de rotura del macho. Las velocidades de roscado suelen ser más lentas que las de taladrado, en el rango de 10 a 20 SFM. Y los fluidos deben utilizarse en abundancia para lograr una operación más fluida.
EDM (Mecanizado por descarga eléctrica)
EDM Es un proceso de mecanizado no convencional que utiliza descargas eléctricas (chispas) para eliminar material. Este proceso se emplea para realizar cortes internos precisos y crear geometrías que los procesos tradicionales no logran. La electroerosión por hilo es bastante común para las aleaciones de níquel, mientras que la electroerosión por penetración se puede utilizar para geometrías que necesitan cavidades internas.
La electroerosión es más lenta que el mecanizado tradicional, con velocidades de eliminación de material de entre 0.1 y 0.5 pulgadas cúbicas por minuto, pero proporciona una precisión inigualable, lo que la hace adecuada para aplicaciones aeroespaciales, médicas y de alto rendimiento. Dado que no hay ninguna herramienta de corte presente o en contacto con el material, no hay problemas de desgaste de la herramienta ni deformación del material.
Corte por chorro de agua
Las cortadoras por chorro de agua son la mejor solución para cortar placas gruesas de aleaciones de níquel sin generar calor. Utilizan agua a alta presión mezclada con abrasivo para cortar la pieza. Este proceso se utiliza en configuraciones más grandes para cortar aleaciones de níquel de hasta 10 pulgadas de espesor con una precisión de ±0.005 pulgadas.
La falta de zonas afectadas por el calor (ZAT) hace que el corte por chorro de agua sea valioso cuando la precisión y la integridad del material son fundamentales. Puede ofrecer menos precisión que la electroerosión, pero es bastante más rápido (la velocidad típica es de 6 a 10 IPM).
Desafíos en el mecanizado de aleaciones de níquel
Las aleaciones de níquel pueden soportar altas temperaturas sin perder mucha resistencia, pero pueden resultar problemáticas a la hora de mecanizarlas. Los maquinistas se enfrentan a múltiples desafíos:
Generación excesiva de calor
Las aleaciones de níquel son conocidas por generar un calor excesivo durante el mecanizado. Este calor surge principalmente de dos fuentes: el contacto por fricción entre la herramienta de corte y el material, y la deformación plástica durante el mecanizado.
Como las aleaciones de níquel son malos conductores del calor, el calor por fricción no se dispersa, sino que se concentra en la zona de corte. Este pico de temperatura localizado provoca cambios en la superficie del material y tensiona la herramienta.
Endurecimiento de trabajo
El endurecimiento por deformación en las aleaciones de níquel se ve exacerbado por los efectos simultáneos de la deformación plástica, la generación de calor y el mecanizado continuo. Aunque todos los materiales experimentan cierto nivel de endurecimiento por deformación, las aleaciones de níquel se endurecen de forma más agresiva. Cada capa sucesiva que se mecaniza se vuelve progresivamente más dura debido a este proceso.
Adhesión de herramientas
Otro problema común relacionado con la generación de calor es la adhesión de la herramienta, donde las virutas de la aleación de níquel se adhieren a la herramienta de corte. La mayoría de las herramientas no pueden soportar temperaturas elevadas superiores a los 800 ℃. En la mayoría de los casos, eso da como resultado la soldadura del material de la pieza de trabajo a la herramienta. A medida que la herramienta se vuelve menos efectiva, el corte se vuelve más difícil.
Riesgo de fallo de la herramienta
Las aleaciones de níquel pueden acelerar el desgaste de las herramientas y provocar fallos prematuros en las mismas debido a su tenacidad. La combinación de calor excesivo, fuerzas de corte elevadas y dureza del material ejerce una enorme presión sobre la herramienta de corte. Si a esto le sumamos las temperaturas elevadas, el agrietamiento térmico puede debilitar la integridad estructural de la herramienta.
Consideraciones a tener en cuenta al mecanizar aleaciones de níquel mediante CNC
Ya hemos compartido muchos consejos útiles sobre cada proceso de mecanizado. A continuación, se ofrece una versión generalizada de los aspectos que se deben tener en cuenta para el mecanizado de aleaciones de níquel:
Consideraciones de diseño
Al diseñar piezas para mecanizar con aleaciones de níquel, es importante tener en cuenta el endurecimiento por deformación y la generación de calor del material. La geometría debe ser simple, con transiciones suaves para evitar un desgaste excesivo de la herramienta y acabados superficiales deficientes. Las formas complejas o las esquinas agudas pueden exacerbar estos problemas, lo que genera dificultades para mantener las tolerancias y la estabilidad de la herramienta.
Tal vez el producto podría diseñarse de tal manera que tenga un par de geometrías más simples que se ensamblen más tarde. Para optimizar la maquinabilidad, el diseño también debería permitir una disipación eficaz del calor.
Herramientas de corte
El níquel requiere herramientas que superen su dureza. Las herramientas de carburo son las preferidas para cortes continuos debido a su durabilidad y resistencia al calor, mientras que las herramientas de acero rápido (HSS) son adecuadas para cortes interrumpidos u operaciones de acabado.
Para una mejor evacuación de virutas, son más útiles las herramientas con 6 a 8 ranuras. Además, los rizadores o rompedores de virutas son los mejores para evitar la acumulación de material en la herramienta.
Parámetros de mecanizado (velocidad de corte, velocidad de avance)
Los parámetros de mecanizado deben optimizarse cuidadosamente para reducir la generación de calor y el endurecimiento por deformación. La velocidad de corte y la velocidad de avance varían en los diferentes procesos de mecanizado y deben ajustarse en consecuencia. Por ejemplo, las operaciones de fresado se realizan a menudo a entre 100 y 330 SPM, mientras que en el torneado se utilizan entre 50 y 100 SFM.
Fluidos de corte
Los fluidos de corte desempeñan un papel crucial en el mecanizado de aleaciones de níquel, principalmente al controlar la temperatura y reducir la fricción. Se recomienda el uso de refrigerantes de alta presión, generalmente a 1000 psi o más, para lograr una disipación óptima del calor. Se pueden utilizar como refrigerantes tanto agua como aceite mineral sulfurado.
Aplicaciones de las aleaciones de níquel mecanizadas
Las aleaciones de níquel tienen características (alta resistencia, resistencia al calor y a la corrosión) que las hacen ideales para aplicaciones en una variedad de industrias:
| Experiencia | Aplicaciones |
| Aeroespacial | Álabes de turbinas, componentes de motores de cohetes |
| Tratamiento de Productos Químicos | Tanques, tuberías, dispositivos de mezcla |
| Petróleo y Gas | Bombas, tuberías, recipientes a presión, intercambiadores de calor. |
| Equipo Médico | Instrumentos quirúrgicos, implantes ortopédicos, stents (Nitinol®) |
| Electrica y electronica | Contactos eléctricos, transformadores, dispositivos de almacenamiento de memoria. |
| Aplicaciones marinas | Hélices, bombas de achique, válvulas |
| Instrumentos de precisión | Sellos herméticos, interruptores de temperatura. |
| Generación de energía | Intercambiadores de calor, turbinas de gas, componentes de reactores nucleares |
| Motorium | Sistemas de escape, turbocompresores |
Richconn – Su socio perfecto para el mecanizado CNC de aleaciones de níquel
¿Es usted un investigador o propietario de un producto que trabaja con aleaciones de níquel y necesita un servicio de mecanizado experto? Richconn Está aquí para darle vida a tus diseños.
At RichconnHemos estado proporcionando una amplia gama de servicios de mecanizado CNC de metales Durante años. Ya sea que necesite torneado CNC, fresado o electroerosión por hilo para piezas de metal, contamos con herramientas de última generación y un equipo experimentado listo para guiarlo a través del proceso.
Nuestros servicios de mecanizado no se limitan a las aleaciones de níquel: también trabajamos con acero para herramientas, titanio, magnesio, acero inoxidable, cobre y latón. Comuníquese con nosotros hoy para recibir asistencia y soluciones instantáneas de nuestro equipo de expertos.
