Los fabricantes de herramientas apuntan a aleaciones resistentes

Las superaleaciones resistentes al calor (HRSA) son aleaciones a base de níquel y cobalto apreciadas para aplicaciones que requieren resistencia, resistencia a la corrosión y oxidación, y resistencia al desgaste de los contactos necesarios a temperaturas extremadamente altas.

"[Consideramos] 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 cuando el límite elástico aumenta con la temperatura. , a diferencia de la mayoría de los materiales que se ablandan a medida que se calientan o reducen su 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 encontrará 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, 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 tienden a requerir la fuerza y ​​resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas que solo las aleaciones a base de Ni pueden ofrecer. " dijo Minich.

Algunos 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 señaló que no todas las aleaciones llamadas HRSA realmente cumplen los requisitos. "Algunos considerarían que Jethete M152 es un HRSA, pero a nuestros ojos es simplemente un acero inoxidable martensítico con bajo contenido de carbono", dijo. "La mayoría también consideraría que muchas aleaciones a base de titanio son HRSA, porque muchas aleaciones a base de titanio ricas en alfa están diseñadas para funcionar a temperaturas elevadas". Los verdaderos HRSA son sólo aquellas aleaciones a base de 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 metales 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, director global de proyectos de ingeniería para el sector aeroespacial de Sandvik Coromant. , Mebane, Carolina del Norte

“Cuando estás cortando una pieza de acero, por ejemplo, es bonita y brillante, pero si miras las astillas después, verás que se han vuelto de un color azul oscuro debido al calor que han absorbido del corte del metal. proceso”, dijo. Pero con los materiales resistentes al calor esto 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 permiten retirarlas fácilmente de la zona de corte. No es así al girar HRSA. "Cuando se tornean materiales de níquel, no le gusta romper una viruta", dijo Durow. En cambio, “obtendrás estos largueros largos. De hecho, el chip puede enrollarse alrededor de su herramienta. Peor aún, puede enrollarse alrededor de la pieza de trabajo y dañarla”. Esa no es una buena situación cuando se fabrican, digamos, piezas críticas de un motor.

Una solución es dirigir refrigerante a alta presión hacia la zona de corte, a presiones de hasta 100 bar (1400 psi) para sacar la viruta del camino, 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, esencialmente doblándola hacia atrás para romperla".

Los materiales HRSA se mecanizan con herramientas o insertos de carburo, que pueden ofrecer un mejor acabado pero con una superficie de corte comparativamente más baja en pies por minuto (sfm), o bien con herramientas cerámicas que permiten sfm mucho más altos. "Las cerámicas generalmente están orientadas estrictamente al desbaste, posiblemente al semiacabado, pero no al acabado, donde el carburo tiene la ventaja", dijo William Fiorenza, gerente de producto de troqueles y moldes de Ingersoll Cutting Tool Co., Rockford, Illinois. “La mayor parte de la reducción del tiempo de ciclo se obtendrá en el proceso de desbaste y no necesariamente en el proceso de acabado. Pero cuando los requisitos incluyen un acabado impecable, entonces [use] carburo sólido”.

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 suficientes para ser perjudiciales para el carburo. El aglutinante del carburo es el cobalto, y el punto de fusión del cobalto es de aproximadamente 2700 °F; la temperatura que se necesita para plastificar estas aleaciones a base de níquel se acerca a más de 3000 °F”. dijo Hudgins. "Estás en peligro de derretir el cobalto".

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

Las altas temperaturas causan problemas a las herramientas de carburo de otra manera. El contacto caliente del filo con la pieza de trabajo HRSA endurece efectivamente el material, poniendole incrustaciones. "Básicamente, se trata de un tratamiento térmico", dijo Hudgins. “Digamos que en cada pasada se realiza un corte de profundidad de un octavo de pulgada por lado. Lo que sucede es que la pasada de corte endurece el material. Luego regresa y realiza otro octavo de pulgada de profundidad de corte. Bueno, esa pasada anterior ahora está a un octavo de pulgada del lado de su carburo. Entonces, ahora tienes ese material endurecido en contacto con tu carburo y comienza a erosionarlo. Obtiene lo que llamamos una muesca de profundidad de corte. Empieza a hacer muescas en el carburo”.

Una forma de abordar esto es variar la profundidad del corte, dijo. “Digamos que comienzas con una profundidad de corte de 150 milésimas. Luego podría 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 oportunidad de fraguar y comenzar a erosionar el carburo tan rápidamente", 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 particular, en aplicaciones de fresado, “las formas de 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 partes podrían haber sido más abiertas en el pasado, los diseñadores se están tomando libertades con características más detalladas en estas diferentes partes. Se están diseñando piezas con características más pequeñas y de radio estrecho, donde las cortadoras deben tener un mayor compromiso radial. En situaciones como esa, se genera una mayor cantidad de calor debido a ese acoplamiento radial. En ocasiones, esto puede dificultar el mecanizado. Por ejemplo, las altas temperaturas pueden hacer que las piezas de paredes delgadas se deformen si no se siguen las técnicas de mecanizado adecuadas”.

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

Al fresar con herramientas de carburo sólido, “es necesario mantener y monitorear la preparación de los bordes durante el proceso”, dijo Fiorenza. "Además, los diseños de plaquitas especiales pueden ayudar a optimizar el rendimiento de corte; por ejemplo, geometrías de cara de desprendimiento especialmente diseñadas, preparaciones de bordes y colocación de plaquitas en la fresa".

Y si bien esos avances de software en CAD/CAM han hecho que las piezas (y por lo tanto el proceso de corte) sean más complejos, se ven compensados ​​por otros avances de software.

“Los algoritmos de trayectoria de herramientas actuales están muy bien equilibrados y permiten emplear más fácilmente técnicas de mecanizado de alta velocidad. 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 sólo 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 actuales de los usuarios van desde aumentar la capacidad de rendimiento (mediante el aumento de las tasas de eliminación de metal) hasta reducir el costo general manteniendo al mismo tiempo 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 alcista, 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, cree que se ha dado mayor prioridad a la reducción de costos.

La vida útil de la herramienta afecta a ambas áreas. Ya sea que se trate de fresado o torneado, de carburo o de cerámica, las herramientas utilizadas en los HRSA tienden, como dice el refrán, a “vivir rápido y morir joven”. 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), estrategia de trayectoria/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 varía dependiendo de la tarea de corte, afirmó. “El fresado y el torneado de HRSA otorgan prioridades bastante diferentes a las propiedades del material de una herramienta de corte cerámica. La vida útil de la herramienta en el fresado se beneficia más de la alta resistencia a la rotura transversal (TRS), la tenacidad al impacto y la resistencia al crecimiento de grietas como resultado del ciclo térmico. El 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 aún así tenga un TRS suficientemente alto para poder manejar la carga de viruta y los cambios en la dirección y magnitud de la tensión mecánica. Finalmente, cualquier mecanizado de 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 forjado y torneado muy interrumpido con XSYTIN-1, un grado único a base de nitruro de silicio. Mientras tanto, el torneado se ha abordado con WG-600, una calidad cerámica reforzada con bigotes recubiertos. 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 teniendo en cuenta el ahorro de costos en HRSA es XSYTIN-360. “Como fresa sólida fabricada con el material XSYTIN-1, ofrece la productividad del fresado cerámico en diámetros previamente 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 del mercado. herramientas redondas sólidas de carburo de tungsteno de primera clase”, dijo. “Debido a la resistencia a la rotura transversal y la tenacidad al impacto de XSYTIN-1, XSYTIN-360 también es una herramienta más accesible porque se puede aplicar a velocidades más bajas, lo que reduce los requisitos del husillo. Y XSYTIN-360 también se puede rectificar, lo que ofrece mayores ahorros de costes”, concluyó.

En Sandvik Coromant, las innovaciones recientes incluyen nuevas calidades de torneado. “Nuestro último desarrollo es una nueva calidad de torneado que desarrollamos para aplicaciones de mecanizado de última etapa con componentes de motores aeroespaciales en el área del torneado HRSA. Se llama S205”, afirmó Durow, de Sandvik Coromant. “Gracias a sus recubrimientos y 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 las inserciones. Esta calidad 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 a base de níquel". El grado 7014 existe desde hace algún tiempo, pero la compañía ha optimizado recientemente algunas de las geometrías para soportar mejor el trabajo HRSA.

“El CBN se ha utilizado normalmente en el mecanizado de piezas duras. Aceros muy duros para engranajes y cosas de esa naturaleza”, añadió. “Pero descubrimos que este material CBN también funciona muy bien en materiales aeroespaciales. El problema fue el rendimiento del borde cuando se usó en esos. Mientras que normalmente desearía una preparación de borde diferente para mecanizar esos aceros duros, materiales HRSA o materiales a los que les gusta cortarlos. Necesitábamos hacer una línea de borde más nítida. Entonces, de hecho, modificamos algunas de las geometrías de esas diferentes inserciones 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 luces. No quieren tener que preocuparse de que algo falle durante la operación porque las piezas son extremadamente caras y las regulaciones que deben cumplir son bastante extensas”.

En Iscar, se han desarrollado nuevos grados de carburo y cerámica para Inconel y otros HRSA, según Randy Hudgins, gerente nacional de productos de torneado en Iscar USA. "Nuestro grado de carburo IC806 se desarrolló 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 terminar y trabajar 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 los 200 sfm y obtenemos una vida útil decente de la herramienta. Luego desarrollaron IC804, con un sustrato más duro, y con eso llegamos a más de 250 pies cuadrados.

Junto con estos grados, Iscar ahora tiene grados SiAlON: nitrito de oxígeno de aluminio y silicio. SiAlON es básicamente una cerámica, concretamente IS35 e IS25. “En nuestra nomenclatura, cuanto mayor es el número, más dura es la calidad; cuanto menor sea el número, más dura o más resistente al desgaste será la calidad”, dijo Hudgins. “Así que el IS35 es el más resistente de los dos. Normalmente empiezo con IS35 porque funciona muy bien para cortar las incrustaciones endurecidas que se desarrollan en estas aleaciones. Y con estos grados, en lugar de 200, 250 sfm, ahora estamos entre 600 y 800 sfm”.

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

Las fresas de cerámica indexables CERASFEED Hi-Feed utilizan plaquitas indexables de 9 mm y 12 mm con geometrías de plaquita de alto avance. La fuerte sujeción de la plaquita del sistema permite velocidades de avance “ampollas”, según Fiorenza. "La densidad de las plaquitas es mayor para aumentar la productividad", afirmó.

En cuanto a la cerámica, el nuevo grado SiAlON IN76N de la empresa permite un mejor rendimiento en procesos de fresado exigentes, afirmó. Según la documentación de la empresa, su tasa de sfm es hasta 33 veces mayor que la del carburo sólido (3000 sfm, en comparación con 60 a 90 sfm del carburo).

Fiorenza dijo que continuamente le sorprenden los clientes que minimizan la importancia del coste total de producción en el mecanizado HRSA. "En el sector aeroespacial, el elemento más caro del proceso de mecanizado puede ser la pieza de trabajo", señaló. “Sí, el centro de mecanizado es en algunos casos lo más caro, pero el tren de aterrizaje, por ejemplo, puede costar más de un millón de dólares cada uno. Y lo menos costoso suele ser la herramienta de corte o el inserto que se coloca en la herramienta de corte. Por lo tanto, se podría pensar que se prestaría la mayor atención al costo total de impulsar con éxito esas inserciones. Eso no siempre sucede, pero debería suceder”.

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