Los fabricantes de herramientas buscan aleaciones resistentes

Jan 24, 2024

Las superaleaciones termorresistentes (HRSA) son aleaciones a base de níquel y cobalto apreciadas para aplicaciones que requieren fuerza, resistencia a la corrosión y oxidación, y resistencia al desgaste por contacto necesaria a temperaturas extremadamente altas.

"[Vemos] las HRSA como todas las aleaciones a base de níquel y cobalto que explotan la anomalía del límite elástico", señaló Alex Minich, ingeniero de aplicaciones del fabricante de herramientas Greenleaf Corp., Saegertown, Pensilvania. Se refiere a cuándo el límite elástico aumenta con la temperatura. , a diferencia de la mayoría de los materiales que se vuelven más suaves a medida que se calientan o disminuyen el límite elástico. Parece ser una anomalía, de ahí el nombre.

La misma resistencia al calor (y el aumento del límite elástico con la temperatura) que hace que los HRSA sean deseables para tales aplicaciones es lo que los convierte en un desafío para mecanizar. Aquí está lo último sobre cómo los fabricantes de herramientas de corte están facilitando el trabajo.

Probablemente, la aplicación más destacada de los HRSA es su uso en la industria aeroespacial y de defensa, en forma de componentes para motores de turbina utilizados en aviones a reacción, cohetes y misiles. Sin embargo, los materiales también se utilizan ampliamente en la industria del petróleo y el gas. "El petróleo, el gas y sus derivados y cualquier otra cosa que sea corrosiva y abrasiva que deba almacenarse, procesarse o transportarse a alta presión y temperatura tiende a requerir la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas que solo las aleaciones a base de Ni pueden ofrecer. - dijo Minich.

Algunas HRSA también se utilizan en la fabricación de dispositivos médicos, no necesariamente por su resistencia al calor, sino por su biocompatibilidad, así como por sus propiedades de resistencia, rigidez y resistencia a la corrosión.

Minich también notó que no todas las aleaciones llamadas HRSA en realidad cumplen los requisitos. "Algunos considerarían que Jethete M152 es un HRSA, pero a nuestros ojos es solo un acero inoxidable martensítico con bajo contenido de carbono", dijo. "La mayoría también consideraría que muchas aleaciones con base de titanio son HRSA, porque muchas aleaciones con base de titanio ricas en alfa están diseñadas para funcionar a temperaturas elevadas". Los verdaderos HRSA son solo aquellas aleaciones basadas en níquel y cobalto que aprovechan la anomalía del límite elástico, afirmó.

Si bien existen diferentes tipos de HRSA, todos comparten un importante "desafío de chip". En el corte de metal estándar, el material se elimina en forma de virutas que se evacuan eficientemente de la zona de corte, llevándose consigo gran parte del calor generado por el proceso de corte, según Bill Durow, gerente de proyectos de ingeniería global para la industria aeroespacial en Sandvik Coromant. , Mebane, Carolina del Norte

"Cuando cortas una pieza de acero, por ejemplo, es agradable y brillante, pero si miras las virutas después, verás que se han vuelto de color azul oscuro debido al calor que han absorbido del corte de metal". proceso”, dijo. Pero con materiales resistentes al calor, eso no sucede. En lugar de ser absorbido por las virutas y evacuado con ellas, el calor generado por la fricción a menudo permanece dentro del proceso. "Por lo general, alrededor del 80 por ciento del calor permanece justo en esa zona de corte", dijo Durow. "Vuelve al inserto, lo cual, si lo piensas bien, no es una buena situación para el inserto".

Hay otra diferencia entre las virutas de acero estándar y las formadas a partir de HRSA. En las operaciones de torneado, las virutas de acero estándar se desprenden en un tamaño y forma que les permite retirarse fácilmente de la zona de corte. No es así cuando se giran HRSA. "Cuando se están torneando materiales de níquel, no le gusta romper una viruta", dijo Durow. En cambio, "obtendrá estos largueros largos. El chip puede envolver su herramienta. Peor aún, puede envolver la pieza de trabajo y dañarla". Esa no es una buena situación cuando se fabrican, por ejemplo, partes críticas del motor.

Una solución es dirigir refrigerante a alta presión a la zona de corte, a presiones de hasta 100 bar (1400 psi) para quitar la viruta, según Durow. "Esto es mucho más que simplemente salpicar agua alrededor de la zona de corte", dijo. "Tenemos boquillas que dirigen con precisión el refrigerante a alta presión hacia la zona de corte, creando una cuña hidráulica que empuja la viruta hacia arriba sobre el inserto, básicamente doblándola hacia atrás para romperla".

Los materiales HRSA se mecanizan con herramientas o insertos de carburo, que pueden ofrecer un mejor acabado pero a una superficie de corte por minuto (sfm) comparativamente más baja, o bien con herramientas de cerámica que permiten un sfm mucho más alto. "La cerámica generalmente se orienta estrictamente hacia el desbaste, posiblemente el semiacabado, pero no para el acabado, donde el carburo tiene la ventaja", dijo William Fiorenza, gerente de productos de troqueles y moldes, Ingersoll Cutting Tool Co., Rockford, Illinois. "La mayor parte de la reducción del tiempo de ciclo se encontrará en el proceso de desbaste y no necesariamente en el proceso de acabado. Pero cuando los requisitos incluyen un acabado impecable, [utilice] metal duro integral".

El calor es una situación particularmente irritante cuando se utilizan herramientas o insertos de carburo, según Randy Hudgins, gerente nacional de productos de torneado en Iscar USA, Arlington, Texas. “Para formar un chip, el proceso necesita plastificar el material, pero el alto contenido de níquel en Inconel, Waspaloy y otros HRSA los hace tan resistentes al calor que las temperaturas necesarias para comenzar a plastificarlos son lo suficientemente perjudiciales para su carburo. El aglutinante para el carburo es el cobalto, y el punto de fusión del cobalto es de unos 2700 °F; la temperatura que se necesita para plastificar estas aleaciones a base de níquel se acerca a los 3000 °F". dijo Hudgins. "Estás en peligro de derretir tu cobalto".

Por esa razón, los recubrimientos resistentes al calor como el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN) o el óxido de aluminio (Al2O3) se aplican sobre el sustrato como parte del proceso de fabricación de herramientas, dijo.

Las altas temperaturas causan problemas a las herramientas de carburo de otra forma. El contacto caliente del borde de corte con la pieza de trabajo HRSA endurece el material de manera efectiva y le pone una escala. "Básicamente, es un tratamiento térmico", dijo Hudgins. "Digamos que en cada pasada se toma un octavo de pulgada de profundidad de corte por lado. Lo que sucede es que la pasada de corte endurece el material. Luego regresa y toma otro octavo de pulgada de profundidad de corte. Bueno, esa pasada anterior ahora es un octavo de pulgada por el lado de su carburo. Entonces, ahora tiene ese material endurecido por trabajo en contacto con su carburo y comienza a erosionarlo. Obtiene lo que llamamos una profundidad de corte muesca. Empieza a hacer muescas en el carburo".

Una forma de abordar esto es variar la profundidad de corte, dijo. “Digamos que comienza con una profundidad de corte de 150 milésimas. Luego puede bajar a 100, luego a 75, luego a 50. Lo que eso hace es mover esa superficie endurecida hacia arriba y hacia abajo a lo largo de ese carburo en diferentes intervalos. el material endurecido no tiene la oportunidad de asentarse y comenzar a erosionar el carburo tan rápido", dijo Hudgins.

Otro desafío a tener en cuenta en el proceso de corte es la complejidad del diseño de la pieza que se corta, señaló Fiorenza de Ingersoll. Y, dijo, hay más complejidad que nunca.

En las aplicaciones de fresado en particular, "las formas de las piezas y características se han vuelto más complejas con los años", dijo Fiorenza. "Debido a los avances en el software CAM y CAD, las formas de las piezas son cada vez más fluidas. Donde las piezas podrían haber sido más abiertas en el pasado, los diseñadores se están tomando libertades con características más detalladas en estas diferentes piezas. Las piezas se están diseñando con piezas más pequeñas y características de radio estrecho, donde los cortadores deben tener un mayor acoplamiento radial. En situaciones como esa, se genera una mayor cantidad de calor debido a ese acoplamiento radial. Esto a veces puede dificultar el mecanizado. Por ejemplo, las altas temperaturas pueden causar las características de las piezas de paredes delgadas se deformen si no se siguen las técnicas de mecanizado adecuadas".

Intentan navegar estas condiciones con un estricto control sobre el proceso.

Al fresar con herramientas de carburo sólido, "se deben mantener y controlar las preparaciones de filo durante el proceso", dijo Fiorenza. "Además, los diseños de insertos especiales pueden ayudar a optimizar el rendimiento de corte, por ejemplo, geometrías de cara de desprendimiento especialmente diseñadas, preparaciones de filos y posicionamiento de insertos en el cortador".

Y aunque esos avances de software en CAD/CAM han hecho que las piezas, y por lo tanto el proceso de corte, sean más complejos, se equilibran con otros avances de software.

"Los algoritmos de trayectorias de herramientas de hoy en día están muy bien equilibrados y permiten que las técnicas de mecanizado de alta velocidad se empleen más fácilmente. Estas trayectorias de herramientas más fluidas nos permiten atacar estos materiales de alta temperatura de una manera más eficiente, minimizando los compromisos radiales", dijo Fiorenza.

Los diseños de piezas que son más difíciles de mecanizar representan solo un área en la que están evolucionando las expectativas de los fabricantes. También existe una presión creciente sobre ellos (y, posteriormente, sobre los fabricantes de máquinas y herramientas involucrados en el mecanizado HRSA) para permitir tiempos de ciclo cada vez más cortos y costos de herramientas reducidos.

"El panorama general es que el mecanizado cerámico de HRSA no es tan novedoso hoy como lo era a mediados de la década de 1980, y los objetivos de los usuarios actuales van desde aumentar la capacidad de producción, aumentando las tasas de eliminación de metal, hasta reducir el costo general manteniendo o mejorar la estabilidad del proceso", dijo Minich de Greenleaf.

"Los años previos a la pandemia fueron la era dorada de la industria aeroespacial comercial, que esperamos regrese", continuó. Los gráficos [del estado de la industria] eran todos muy verdes y con tendencia al alza, y el principal requisito para el éxito era la reducción del tiempo de ciclo". Sin embargo, desde el inicio de la pandemia de COVID-19, él cree que ha habido una mayor prioridad dada a la reducción de costos.

La vida útil de la herramienta afecta a ambas áreas. Ya sea que se trate de fresado o torneado, carburo o cerámica, las herramientas utilizadas en las HRSA tienden a, como dice el refrán, "vivir rápido y morir jóvenes". La vida útil de estas herramientas económicas es relativamente corta.

"Hay una serie de factores que están bajo nuestro control y que hemos identificado como de alto impacto en lo que respecta a la vida útil de la herramienta de cerámica en el mecanizado de HRSA", dijo Minich. Los factores incluyen: selección de herramientas; rigidez y estabilidad; calificación; forma (macrogeometría); preparación de bordes (microgeometría), trayectoria/estrategia de mecanizado; condiciones de corte; velocidad; y espesor de viruta. "La más difícil de maximizar de estas variables es sin duda la vida útil de la herramienta".

El desafío difiere según la tarea de corte, dijo. "El fresado y el torneado de HRSA asignan prioridades bastante diferentes a las propiedades del material de una herramienta de corte de cerámica. La vida útil de la herramienta en el fresado se beneficia más de la alta resistencia a la ruptura transversal (TRS), la tenacidad al impacto y la resistencia al crecimiento de grietas como resultado de los ciclos térmicos. Torneado requiere una herramienta que conserve la estabilidad química y la dureza a temperaturas más altas, que sea más resistente al desgaste abrasivo, pero que, sin embargo, tenga una TRS suficientemente alta para poder manejar la carga de virutas y los cambios en la dirección y magnitud de la tensión mecánica. HRSA requiere que el grado cerámico tenga una resistencia apreciable al crecimiento de grietas".

Greenleaf ofrece soluciones para maximizar la vida útil de la herramienta tanto en fresado como en torneado. "Satisfacemos las necesidades de fresado, eliminación de incrustaciones de forja y torneado muy interrumpido con XSYTIN-1, una calidad única basada en nitruro de silicio. Mientras tanto, el torneado se ha abordado con WG-600, una calidad cerámica reforzada con filamentos revestidos. En condiciones de corte óptimas, es capaz de mantener un desgaste regular durante más de 20 minutos de tiempo de corte en un solo punto de contacto en Inconel 718", dijo Minich.

El producto más reciente que Greenleaf ha creado específicamente con el ahorro de costos en HRSA en mente es XSYTIN-360. "Como una fresa de mango sólido fabricada con el material XSYTIN-1, ofrece la productividad del fresado cerámico en diámetros que antes estaban reservados para el carburo, con una vida útil de la herramienta significativamente mayor (medida por el volumen de material eliminado por herramienta) que la mejor en herramientas redondas sólidas de carburo de tungsteno de primera clase", dijo. "Debido a la resistencia a la ruptura transversal y la tenacidad al impacto de XSYTIN-1, XSYTIN-360 también es una herramienta más accesible, ya que se puede aplicar a velocidades más bajas, lo que reduce los requisitos del husillo. Y XSYTIN-360 también se puede rectificar, lo que ofrece un costo adicional ahorros", concluyó.

En Sandvik Coromant, las innovaciones recientes incluyen nuevas calidades de torneado. "Nuestro último desarrollo es una calidad de torneado completamente nueva que desarrollamos para aplicaciones de mecanizado de última etapa con componentes de motores aeroespaciales en el área de torneado HRSA. Se llama S205", dijo Durow de Sandvik Coromant. "Debido a los recubrimientos y los nuevos sustratos, resiste el calor mucho mejor que los grados anteriores y, por lo tanto, puede manejar velocidades de corte entre un 30 y un 50 por ciento más altas. También hay algunos nuevos tratamientos posteriores al proceso en los insertos. Este grado S205 con recubrimiento CVD está disponible en casi todas nuestras carteras de plaquitas estándar".

La compañía también ha optimizado su cartera de CBN (nitruro de boro cúbico), dijo Durow. "CB7014 es una solución de torneado CBN de alta velocidad para aleaciones con base de níquel". El grado 7014 ha existido por un tiempo, pero la compañía optimizó recientemente algunas de las geometrías para soportar mejor el trabajo HRSA.

"CBN se ha utilizado típicamente en el mecanizado de piezas duras. Aceros muy duros para engranajes y cosas de esa naturaleza", agregó. "Pero descubrimos que este material CBN también funciona muy bien en materiales aeroespaciales. El problema era el rendimiento del borde cuando se usaba en ellos. Mientras que, por lo general, desearía una preparación de borde diferente para mecanizar esos aceros duros, materiales HRSA o materiales que se cortan". Necesitábamos hacer una línea de borde más nítida. Por lo tanto, modificamos algunas de las geometrías en esos diferentes insertos para que funcionaran muy bien con esos materiales HRSA".

Estos detalles son muy importantes para las empresas aeroespaciales, señaló Durow. "Les gusta la seguridad del proceso. Quieren presionar un botón y marcharse sabiendo que la herramienta durará un período de tiempo específico. Podrían hacer una producción sin interrupciones. No quieren tener que preocuparse por algo fallando durante la operación porque las piezas son extremadamente costosas y las regulaciones que deben cumplir son bastante extensas".

En Iscar, se han desarrollado nuevos grados de carburo y cerámica para Inconel y otras HRSA, según Randy Hudgins, gerente nacional de productos de torneado en Iscar USA. "Nuestro grado de carburo IC806 fue desarrollado específicamente para Inconel 718 y su uso se extendió a otras aleaciones resistentes al calor", dijo Hudgins. "Tuvo tanto éxito que nuestros ingenieros desarrollaron una calidad con un sustrato aún más duro para el acabado y funcionamiento a velocidades superficiales más altas: la calidad IC804.

"Al convertir Inconel, [solía ser que] si llegabas a 100 sfm, lo estabas haciendo bastante bien", continuó. "Con este IC806, nos acercamos a 200 sfm y obtenemos una vida útil decente de la herramienta. Luego desarrollaron IC804, con un sustrato más duro, y con eso estamos a más de 250 sfm.

Junto con estos grados, Iscar ahora tiene grados SiAlON: nitrito de oxígeno de aluminio y silicio. SiAlON es básicamente una cerámica, es decir, IS35 e IS25. "En nuestra nomenclatura, cuanto mayor es el número, más resistente es el grado; cuanto menor es el número, más duro o más resistente al desgaste es el grado", dijo Hudgins. "Entonces, el IS35 es el más resistente de los dos. Por lo general, comienzo con el IS35 porque funciona muy bien para cortar la incrustación endurecida por trabajo que se desarrolla en estas aleaciones. Y con estos grados, en lugar de 200, 250 sfm, ahora están en 600 a 800 sfm".

Las innovaciones recientes en Ingersoll Cutting Tools se centran en una nueva línea de cerámica que ofrece dos diseños de insertos únicos, según Fiorenza. "Estos diseños son nuevos para la industria y el mercado", dijo. "Lanzada a fines de 2020, esta nueva línea ha logrado una tasa de éxito muy alta en muchas aplicaciones exigentes de fresado en desbaste HRSA".

Las fresas de cerámica intercambiables Hi-Feed CERASFEED utilizan plaquitas intercambiables de 9 mm y 12 mm con geometrías de plaquita de alto avance. Según Fiorenza, la fuerte sujeción de la plaquita del sistema permite velocidades de avance "alucinantes". "La densidad de los insertos es mayor para aumentar la productividad", dijo.

Por el lado de la cerámica, el nuevo grado IN76N de SiAlON de la compañía permite un mejor rendimiento en los procesos de molienda exigentes, dijo. Según la documentación de la empresa, su tasa de sfm es hasta 33 veces mayor que la del carburo sólido (3000 sfm, en contraste con 60–90 sfm para el carburo).

Fiorenza dijo que continuamente lo sorprenden los clientes que minimizan la importancia del costo total de producción en el mecanizado de HRSA. "En la industria aeroespacial, el elemento más costoso en el proceso de mecanizado puede ser la pieza de trabajo", señaló. "Sí, el centro de mecanizado es lo más caro en algunos casos, pero el tren de aterrizaje, por ejemplo, puede costar más de $ 1 millón cada uno. Y lo menos costoso suele ser la herramienta de corte o el inserto que se inserta en la herramienta de corte. . Entonces, uno pensaría que la mayor cantidad de atención se aplicaría al costo total de impulsar con éxito esos insertos. Eso no siempre sucede, pero debería".

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