Guía completa para el mecanizado de aleaciones de titanio

El titanio y sus aleaciones, por sus propiedades únicas, se usan cada vez más en aeroespacial y biomédico. Este metal popular es anticorrosivo, reciclable, ligero, de alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión, resolviendo muchos problemas de ingeniería. Las piezas de titanio duran más y ofrecen mejor rendimiento que otros metales y materiales.

El titanio es un 30% más resistente que el acero, pero casi un 50% más ligero. Es un 60% más pesado que el aluminio, pero su resistencia es el doble. Sin embargo, al mecanizar aleaciones de titanio y seleccionar herramientas y parámetros adecuados, deben considerarse ciertos desafíos.

Aquí profundizamos en el mecanizado de titanio, por qué es tan difícil, y ofrecemos conocimientos técnicos y consejos para mejorar la tasa de éxito, incluyendo sus ventajas y aplicaciones.

Variedades de mecanizado de titanio

Existen muchos grados y variedades de aleaciones de titanio, más de 100. Cada aleación tiene propiedades únicas. 40-50 están disponibles industrialmente, y más de una decena son las más usadas. Incluyen titanio puro industrial y aleaciones seleccionadas como Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-2Al-1.5Mn, Ti-3Al-2.5V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-0.20Pd, Ti-0.3Mo-0.8N, etc. Para la mayoría de países, las dos primeras aleaciones importantes (Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn) son las más típicas y reconocidas mundialmente.

Según clasificación estructural, las aleaciones de titanio se dividen en tres categorías: aleaciones α, (α+β) y β.

Aleación de titanio α

Aleación monofásica de solución sólida α-fase. Es α-fase tanto a temperatura ambiente como a temperaturas prácticas superiores, con estructura estable, mayor resistencia al desgaste que titanio puro y fuerte resistencia a la oxidación. A 500-600°C mantiene resistencia y resistencia a fluencia, pero no puede reforzarse por tratamiento térmico, y su resistencia a temperatura ambiente no es alta.

Aleación de titanio β

Aleación monofásica de solución sólida β-fase. Alta resistencia sin tratamiento térmico. Tras temple y envejecimiento, se refuerza más. Resistencia a temperatura ambiente de 1372-1666 MPa; pero estabilidad térmica pobre, no apta para altas temperaturas.

Aleación de titanio α+β

Aleación bifásica con buenas propiedades integrales, estabilidad estructural, tenacidad, plasticidad y propiedades de deformación a alta temperatura. Buen procesamiento por presión en caliente, temple y envejecimiento para reforzar. Resistencia tras tratamiento térmico 50-100% superior al estado recocido; alta resistencia a alta temperatura, trabajo prolongado a 400-500°C, estabilidad térmica solo superada por aleación α.

Las más usadas son aleación α y α+β. La α tiene mejor maquinabilidad, seguida de α+β, y la β es la peor.

¿Por qué es difícil mecanizar titanio?

Fenómenos físicos del mecanizado de titanio

La fuerza de corte en aleaciones de titanio es solo ligeramente superior a la del acero de misma dureza, pero el fenómeno físico es mucho más complejo, lo que dificulta enormemente el mecanizado.

La conductividad térmica de la mayoría de aleaciones de titanio es muy baja: 1/7 de la del acero y 1/16 de la del aluminio. Por tanto, el calor generado al cortar no se transfiere rápido a la pieza ni lo evacuana las virutas, sino que se concentra en la zona de corte. Temperaturas de hasta 1000°C causan desgaste rápido, agrietamiento y formación de filo postizo en la herramienta, acortando su vida.

La alta temperatura también destruye la integridad superficial de las piezas de titanio, reduciendo precisión geométrica y causando endurecimiento por trabajo que reduce severamente la resistencia a fatiga.

La elasticidad de la aleación puede beneficiar el rendimiento de la pieza, pero en el corte, la deformación elástica de la pieza causa vibración. La presión de corte hace que la pieza «elástica» se separe de la herramienta y rebote, aumentando fricción sobre corte. La fricción genera más calor, agravando la mala conductividad térmica.

¡El «calor» es el «culpable» de la dificultad en mecanizar aleaciones de titanio!

Cómo mejorar el mecanizado de titanio

Basándonos en el mecanismo de mecanizado y experiencia previa, los principales conocimientos técnicos son:

Más refrigerante

El titanio es aislante, por lo que el calor generado durante el corte tiende a permanecer cerca de la herramienta. Una forma obvia de manejar el exceso de calor es añadir refrigerante. La zona de trabajo y herramientas se rocían con refrigerante al 10% a alta presión para mantener fresca la zona de contacto y evacuar virutas calientes.

Refrigerante a alta presión

En torneado, la ubicación y presión del refrigerante son críticas. Con aplicación correcta, se logran mayores velocidades superficiales y tasas de remoción de metal. La única desventaja es que el material base puede redepositarse en la superficie. Esto se supera planificando la estrategia de corte y reduciendo la presión del refrigerante en el acabado final.

Avance constante

El titanio se endurece fácilmente al trabajar: al cortar, se vuelve más duro y desgasta más la herramienta. El avance constante mantiene el material endurecido al mínimo absoluto.

Aumentar la velocidad de avance

Si la máquina lo permite, aumentar el avance reduce el tiempo que la herramienta pasa en una zona específica, limitando acumulación de calor y endurecimiento que afectan el filo.

Herramientas

La plaquita de carburo recubierta PVD es la más adecuada para cortar titanio. Recubrimientos más nuevos y avanzados también funcionan, como TiAlN (nitruro de titanio-aluminio). El titanio es elástico, por lo que esta herramienta afilada es esencial. Herramientas desafiladas frotan la superficie y causan vibración.

Control de viruta

El titanio produce virutas largas que dañan la herramienta y marcan la superficie. Virutas largas y finas no son ideales porque no ayudan a evacuar calor. Al mecanizar titanio, herramientas y trayectorias ideales generan virutas más pequeñas y gruesas.

Trayectoria de herramienta

Elegir la trayectoria correcta al mecanizar titanio es tan importante como la herramienta. Es absolutamente necesario asegurar que la trayectoria siempre engage la pieza. Al cortar una ranura, la trayectoria con patrón cicloide reduce el tiempo de engage, limitando acumulación de calor. Entrar y salir de la pieza reduce golpes y movimientos bruscos que dañan severamente la herramienta.

Máquina-herramienta

Una máquina-herramienta robusta es esencial para mecanizar titanio con éxito. La fresadora ideal debe ser rígida, con husillo capaz de baja velocidad y alto par. Esto absorbe vibración y reduce charla, problema común en aleaciones de titanio.

Ventajas y desventajas del mecanizado de titanio

La aleación de titanio tiene ventajas: ligereza, alta resistencia, buena resistencia a la corrosión, por lo que se usa ampliamente en automoción. El mayor uso es en sistemas de motor. La baja densidad reduce masa inercial de piezas móviles. El muelle de válvula de titanio aumenta vibración libre, reduce vibración de carrocería, y aumenta régimen y potencia del motor.

Elegir aleación de titanio reduce tensión en piezas relacionadas y reduce su tamaño, disminuyendo masa del motor y vehículo. La reducción de masa inercial reduce vibración y ruido, mejorando rendimiento del motor. La aplicación en otras piezas mejora confort y estética. En automoción, el titanio juega papel inestimable en ahorro energético y reducción de consumo.

Alta resistencia a la corrosión, excelente biocompatibilidad y mejor relación resistencia-peso de todos los metales. Estas cualidades hacen al titanio muy codiciado en aeroespacial y médica.

Por su afinidad con otros elementos, el titanio no se encuentra en estado natural, requiriendo procesos complejos y energéticamente intensivos para refinarlo. Esto hace que el precio de las aleaciones sea mucho mayor que otros metales, ya sea en fundición inicial o mecanizado posterior.

Otra gran desventaja es la dificultad técnica en el proceso de mecanizado.

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