Cómo mecanizar Inconel 718: Una superaleación con aplicaciones cada vez más terrenales

El Inconel 718 es una aleación basada en níquel y cromo con sobresalientes propiedades mecánicas que se mantienen incluso a muy altas temperaturas. Su resistencia a la tensión, fluencia, corrosión e incluso a la ruptura por fatiga térmica se mantiene muy elevada incluso a 700°C. Esto hace que sus aplicaciones principales se encuentren en componentes mecánicos como las turbinas aeroespaciales y turbinas de gas. Recientemente se viene incrementando su aplicación en una amplia gama de industrias como la química, médica y de especial interés para nuestra región latinoamericana, la industria automotriz. La tendencia a optimizar el consumo de combustible y reducir el tamaño de los motores, ha llevado a la necesidad de implementar estrategias para lograr más potencia con menos desplazamiento de los cilindros. Y esto conduce directamente al uso de turbocargadores con exigencias cada vez más altas en cuanto a presiones y temperaturas que deben soportar. 

La fabricación de estos turbocargadores en grandes cantidades para suplir la creciente industria automotriz presenta retos muy interesantes y que se han superado gracias a los esfuerzos de los fabricantes aeronáuticos durante las últimas décadas. El principal de ellos es que las super aleaciones termo-resistentes como el Inconel 718 son muy difíciles de mecanizar. 

La dificultad no solo está en la dureza del material

Durante los procesos de corte, diferentes características del Inconel 718 generan cargas termomecánicas muy altas en la herramienta produciendo altas tasas de desgaste. Esto, contrario a lo que se oye muy comúnmente en los talleres, no se debe a que estas aleaciones sean especialmente duras. El Inconel 718 tratado térmicamente alcanza alrededor de los 45 HRC, lo cual no es especialmente alto comparado con muchos aceros endurecidos.  El problema principal está en que una gran cantidad del calor generado durante el corte, en lugar de ser disipado por las virutas y en menor grado por la pieza de trabajo,  pasa a ser transportado por la herramienta y el refrigerante debido a la baja conductividad térmica de la aleación. Esta última alcanza a ser hasta cuatro veces menor que la de un acero. Como resultado, mecanismos abrasivos y adhesivos dominan el desgaste como resultado de la alta cantidad de carburos dentro de la matriz metálica y de la tendencia a la adhesión de la gran cantidad de níquel en la aleación: El material se “suelda” en muchos casos al filo de corte, empeorando la condiciones de corte aún más. Como si fuera poco, las mismas condiciones de alta resistencia mecánica a altas temperaturas, y su tendencia a endurecerse mientras se deforma, hacen que el Inconel requiera mayores fuerzas de corte que un material tradicional, haciendo necesarias herramientas, sujetadores e incluso máquinas más robustas para su mecanizado correcto.

Requerimientos del proceso de fresado de Inconel 718

Por lo general, al cortar superaleaciones se mantienen las velocidades de corte relativamente bajas con avances por diente moderados para evitar cortar virutas demasiado delgadas. Esto reduce la tendencia del material de la pieza a endurecerse por deformación (por trabajo). Igualmente, para reducir la tendencia a la adhesión de material en el filo, se recomienda fresar en “concordancia” para que la viruta tenga su menor espesor a la salida corte del diente. Se recomienda también usar herramientas de geometría de corte positivo con filos de corte agudos, también para evitar la adherencia de la viruta al final del corte.

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Numerosas experiencias tanto de fabricantes de herramientas, como de investigadores en manufactura alrededor del mundo, coinciden en la importancia de mantener la mejor refrigeración posible sobre el filo de corte durante la operación. Para esto, el uso de refrigerante a alta presión emitido a través de agujeros dentro de la herramienta de corte genera los mejores resultados en cuanto a rugosidad superficial y reducción de esfuerzos residuales al interior de la pieza cortada. Mantener un filo de corte libre de abultamientos de material, permite obtener piezas con mejor acabado y con mucha menor presencia de rebabas, por lo que se reducen los post-procesos necesarios, mejorando así la productividad.

Evitar los microdefectos es crucial: removiendo la capa blanca

Según James Thorpe, jefe global de productos de Sandvik Coromant, hablando sobre el mecanizado de productos en superaleaciones, “el mecanizado de agujeros es el más común de todos los procesos, pero también es al que menos atención se presta. Muchos talleres ven poco motivo en cambiar o actualizar su reglaje de mecanizado de agujeros existente y han estado usando las mismas herramientas y parámetros de corte durante años”.

“La mayoría de fabricantes, por ejemplo, están explorando nuevas bases de vendedores y productos. Los talleres que antes se especializaban en áreas específicas ahora están adaptando sus tornos y fresadoras para acomodar una mayor variedad de materiales tenaces y exigentes. A la vez, los fabricantes deben examinar nuevas formas de incrementar sus beneficios y reducir los tiempos de ciclo, sin sacrificar la calidad del producto”, asegura Thorpe.  

La integridad superficial del agujero es una auténtica preocupación para los fabricantes aeroespaciales o los talleres metalmecánicos que quieren diversificarse y entrar en la industria aeroespacial. Mejorar la calidad del agujero es de vital importancia para evitar el fallo de la pieza y viene, en gran medida, definido por el proceso de fabricación utilizado para mecanizar o acabar los agujeros.

Tanto la geometría de la herramienta como la eficiencia en el uso del refrigerante han demostrado que puede ayudar a controlar el conocido efecto de "capa blanca" en las piezas de trabajo. Este efecto hace referencia a una estructura delgada de grano ultra fino que se observa tras mecanizar el componente y que es provocado por el calor de la herramienta. La capa blanca no solo puede cambiar las propiedades de la superficie del material sino que es considerada inaceptable en los procesos de gestión de calidad de los clientes aeronáuticos. 

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Los fabricantes, por tanto, deben solucionar este problema manteniendo los objetivos de reducir los tiempos operativos totales, eliminando el proceso secundario de mecanizado de acabado que necesitan para remover la capa blanca.

Eliminando el proceso secundario

Para el caso del taladrado de piezas aeronáuticas, el proceso secundario se produce tras haber creado el agujero con una broca de metal duro, y puede implicar escariado, ranurado o fresado de penetración para acabar el componente. La fase secundaria se produce principalmente para satisfacer los requisitos de calidad superficial —reduciendo problemas como la capa blanca— más que la precisión dimensional, a excepción del mecanizado de agujeros de tolerancia estrecha.

Mediante pruebas realizadas por el fabricante Sandvik Coromant taladrando agujeros en Inconel 718, pudo comprobarse que el uso de brocas con geometrías de filos radiales y curvados (usando una referencia R846) generó menos capa blanca que un agujero fabricado con herramientas de filos rectos y con chaflán (broca R840) con los mismos parámetros de corte. Esto puede explicarse por la mayor fuerza de corte generada por este último tipo de geometría comparada con la primera y que se traduce en mayor cantidad de calor generado por el corte y por ende una mayor afectación térmica de la microestructura. 

Adicionalmente, fabricantes como Sandvik han generado resultados para el mecanizado Inconel 718 con brocas de tipo CD860-SM, donde ha logrado conseguir una vida útil 180% superior que con las tipo R840.

Cómo elegir el tipo de inserto para el mecanizado

Debido a que la pieza de trabajo puede ser mecanizada antes o después del tratamiento térmico, es claro que esto también afecta la dureza del material y por tanto el mecanismo de desgaste que genera en la herramienta. Al momento de elegir qué tipo de inserto de corte usar, es importante tener en cuenta que en estado endurecido, que para el Inconel 718 se trata de un proceso de envejecimiento (enfriamiento lento después de un tratamiento de solubilización), como se describió anteriormente se presentan altas temperaturas de corte en la herramienta. Desde el punto de vista del inserto, es conveniente elegir ángulos de posición reducidos, matrices de alta dureza y recubrimientos que soporten altas temperaturas. 

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Por el contrario, cuando el material se encuentra en estado revenido, con durezas muy por debajo de los 30 HRC, el Inconel se comporta similarmente a un acero inoxidable. Para esto es necesario elegir insertos de matrices más tenaces que soporten los golpes que generan las virutas cuando se rompen contra los filos de corte. Existen casos en los que el mecanizado se torna inestable, como en el caso de torneado de piezas que tienen aún una coraza proveniente de la fundición. En estos casos se pueden utilizar insertos cerámicos reforzados con filamentos que incrementan aún más la tenacidad. Cualquiera que sea el caso, es fundamental contar con estrategias de mecanizado que mantengan lo más constante posible el espesor de viruta a lo largo de la trayectoria de la herramienta. 

Según el fabricante de herramientas SECO, las tendencia hacia el endurecimiento por deformación y precipitación también complican el mecanizado de HRSA. En el endurecimiento por deformación, el material en la zona de corte se vuelve más duro cuando se somete a la tensión y las altas temperaturas del proceso de corte. Las aleaciones a base de níquel y titanio presentan mayores tendencias al endurecimiento por deformación que el acero. En el endurecimiento por precipitación, se forman puntos duros en el material de una pieza de trabajo cuando las altas temperaturas activan un elemento de aleación que de otra manera estaba en reposo (γ´ (Ni3 [Al, Ti])). Con cualquiera de las tendencias, la estructura del material puede cambiar significativamente después de una sola pasada de una herramienta de corte, y una segunda pasada tendrá que cortar una superficie mucho más dura. Una solución es minimizar el número de pasadas. En lugar de eliminar 10 mm de material con dos pasadas de corte de 5 mm de profundidad, por ejemplo, sería mejor utilizar una pasada a 10 mm de profundidad de corte. En muchas situaciones, el mecanizado de una sola pasada no es posible, pero es el objetivo teórico.

Este enfoque también requiere repensar el proceso de acabado, que tradicionalmente implica múltiples pasadas a pequeñas profundidades de corte y velocidades de avance ligeras. En cambio, los maquinistas deben buscar posibilidades para aumentar los parámetros tanto como sea posible. Hacerlo puede mejorar la vida útil de la herramienta y el acabado de la superficie.

Una profundidad de corte ligeramente más profunda para una pasada de acabado también coloca la parte más afilada del borde de corte debajo de cualquier área de la pieza endurecida por deformación o precipitación. Sin embargo, una pasada de acabado demasiado profunda puede generar vibraciones y afectar negativamente el acabado de la superficie. Encontrar el equilibrio óptimo entre agresividad y precaución es la clave.

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