Ⅰ. Introducción

Las superaleaciones son materiales metálicos que mantienen una excelente resistencia, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Se utilizan ampliamente en motores aeroespaciales, turbinas de gas, industrias nucleares y equipos energéticos. Sin embargo, sus propiedades superiores plantean importantes desafíos al mecanizado. Especialmente cuando se utilizan fresas para operaciones de fresado, los problemas como el rápido desgaste de la herramienta, las altas temperaturas de corte y la mala calidad de la superficie son particularmente prominentes. Este artículo explora los problemas comunes que se encuentran al fresar superaleaciones y proporciona soluciones correspondientes.

Ⅱ. ¿Qué es una superaleación?

Las superaleaciones (o aleaciones de alta temperatura) son materiales metálicos que conservan una alta resistencia y una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión en entornos de alta temperatura. Pueden funcionar de forma fiable bajo estrés complejo en entornos de corrosión oxidativa y gaseosa de 600 °C a 1100 °C. Las superaleaciones incluyen principalmente aleaciones a base de níquel, a base de cobalto y a base de hierro y se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial, de turbinas de gas, energía nuclear, automotriz y petroquímica.

Ⅲ. Características de las superaleaciones

1.Alta resistencia a altas temperaturas
Capaz de soportar altas tensiones durante períodos prolongados a altas temperaturas sin una deformación significativa por fluencia.

2.Excelente resistencia a la oxidación y la corrosión
Mantiene la estabilidad estructural incluso cuando se expone al aire, los gases de combustión o los medios químicos a altas temperaturas.

3.Buena resistencia a la fatiga y a la fractura
Capaz de resistir ciclos térmicos y cargas de impacto en entornos extremos.

4.Microestructura estable
Exhibe una buena estabilidad estructural y resiste la degradación del rendimiento durante el uso prolongado a altas temperaturas.

Ⅳ. Materiales típicos de superaleación

1.Superaleaciones a base de níquel
Grados comunes a nivel internacional:

2.Superaleaciones a base de cobalto

Grados comunes a nivel internacional:

Grados chinos comunes (con equivalentes internacionales):

3.Superaleaciones a base de hierro

Características:Bajo costo, buena maquinabilidad; adecuado para entornos de temperatura media (≤700 °C).

Grados comunes a nivel internacional:

Grados chinos comunes (con equivalentes internacionales):

4.Comparación de superaleaciones a base de níquel, a base de cobalto y a base de hierro

Ⅴ. Ejemplos de aplicación de superaleaciones

Ⅵ. Desafíos en el mecanizado de superaleaciones

1. Alta resistencia y dureza:

Las superaleaciones mantienen una alta resistencia incluso a temperatura ambiente (por ejemplo, la resistencia a la tracción del Inconel 718 supera los 1000 MPa). Durante el mecanizado, tienden a formar una capa endurecida por trabajo (con una dureza que aumenta de 2 a 3 veces), lo que aumenta significativamente la resistencia al corte en las operaciones posteriores. En tales condiciones, el desgaste de la herramienta se exacerba, las fuerzas de corte fluctúan mucho y es más probable que se produzca el astillamiento del filo de corte.

2. Mala conductividad térmica y calor de corte concentrado:

Las superaleaciones tienen una baja conductividad térmica (por ejemplo, la conductividad térmica del Inconel 718 es de solo 11,4 W/m·K, aproximadamente un tercio de la del acero). El calor de corte no se puede disipar rápidamente y la temperatura de la punta de corte puede superar los 1000 °C. Esto hace que el material de la herramienta se ablande (debido a la insuficiencia de la dureza en caliente) y acelera el desgaste por difusión.

3. Endurecimiento severo por trabajo:

La superficie del material se vuelve más dura después del mecanizado, lo que intensifica aún más el desgaste de la herramienta.

4. Alta tenacidad y dificultad en el control de virutas:

Las virutas de las superaleaciones son muy tenaces y no se rompen fácilmente, a menudo formando virutas largas que pueden envolverse alrededor de la herramienta o rayar la superficie de la pieza de trabajo. Esto afecta la estabilidad del proceso de mecanizado y aumenta el desgaste de la herramienta.

5. Alta reactividad química:

Las aleaciones a base de níquel son propensas a reacciones de difusión con materiales de herramientas (como los carburos cementados WC-Co), lo que provoca un desgaste adhesivo. Esto hace que el material de la superficie de la herramienta se desgaste, formando un cráter de desgaste en forma de media luna.

Ⅶ. Problemas comunes en el fresado de superaleaciones con fresas

1. Desgaste severo de la herramienta

• La alta dureza y resistencia de las superaleaciones provocan un rápido desgaste de las caras de ataque y de flanco de la fresa.

• Las altas temperaturas de corte pueden causar grietas por fatiga térmica, deformación plástica y desgaste por difusión en la herramienta.

2. Excesiva temperatura de corte

• La mala conductividad térmica de las superaleaciones significa que la gran cantidad de calor generado durante el corte no se puede disipar a tiempo.

• Esto provoca un sobrecalentamiento localizado de la herramienta, lo que puede provocar el agotamiento de la herramienta o el astillamiento en casos graves.

3. Endurecimiento severo por trabajo

• Las superaleaciones son propensas al endurecimiento por trabajo durante el mecanizado, con un aumento rápido de la dureza de la superficie.

• El siguiente paso de corte encuentra una superficie más dura, lo que exacerba el desgaste de la herramienta y aumenta las fuerzas de corte.

4. Altas fuerzas de corte y vibración severa

• La alta resistencia del material da como resultado grandes fuerzas de corte.

• Si la estructura de la herramienta no está diseñada correctamente o si la herramienta no está sujeta de forma segura, puede provocar vibraciones y vibraciones de mecanizado, lo que provoca daños en la herramienta o un acabado superficial deficiente.

5. Adhesión de la herramienta y filo acumulado

• A altas temperaturas, el material tiende a adherirse al filo de corte de la herramienta, formando un filo acumulado.

• Esto puede causar un corte inestable, arañazos en la superficie de la pieza de trabajo o dimensiones inexactas.

6. Mala calidad de la superficie mecanizada

• Los defectos superficiales comunes incluyen rebabas, arañazos, puntos duros en la superficie y decoloración en la zona afectada por el calor.

• La alta rugosidad superficial puede afectar la vida útil de la pieza.

7. Vida útil corta de la herramienta y altos costos de mecanizado

• El efecto combinado de los problemas anteriores da como resultado una vida útil de la herramienta mucho más corta en comparación con el mecanizado de materiales como la aleación de aluminio o el acero con bajo contenido de carbono.

• La sustitución frecuente de herramientas, la baja eficiencia de mecanizado y los altos costos de mecanizado son las consecuencias. 8. Soluciones y optimización

Ⅷ. Soluciones y recomendaciones de optimización

1. Soluciones para el desgaste severo de la herramienta:

1.1. Elija material de carburo de grano ultrafino (carburo de grano submicrónico/ultrafino), que ofrece una resistencia al desgaste superior y una resistencia a la rotura transversal.

*El carburo cementado de grano ultrafino se utiliza ampliamente en moldes, herramientas de corte, mecanizado de precisión, componentes electrónicos y otros campos debido a su excelente resistencia al desgaste y alta dureza. El tamaño de grano típico de WC oscila entre aproximadamente 0,2 y 0,6 μm. De acuerdo con los estándares de diferentes países y marcas, los grados de carburo cementado de grano ultrafino comúnmente utilizados son los siguientes:

A. Grados comunes de carburo cementado de grano ultrafino de China (por ejemplo, XTC, Zhuzhou Cemented Carbide, Jiangxi Rare Earth, Meirgute, etc.)

B. Grados alemanes (por ejemplo, CERATIZIT, H.C. Starck, etc.)

C. Grados japoneses (por ejemplo, Mitsubishi, Sumitomo, Toshiba, etc.)

D. Grados de EE. UU. (Kennametal、Carbide USA）

1.2. Optimice la geometría de la herramienta, como reducir el ángulo de ataque y mantener un ángulo de desprendimiento moderado, para mejorar la resistencia del filo.

1.3. Realice el afilado de los bordes para evitar el astillamiento y la propagación de microfisuras.

2. Soluciones para la temperatura de corte excesiva:

2.1 Utilice recubrimientos resistentes al calor de alto rendimiento, como AlTiN, SiAlN o nACo, capaces de soportar temperaturas de corte de 800–1000 °C.

2.2 Implemente sistemas de refrigeración de alta presión (HPC) o lubricación de cantidad mínima (MQL) para eliminar el calor de corte rápidamente.

2.3 Reduzca la velocidad de corte (Vc) para minimizar la generación de calor.

3. Soluciones para el endurecimiento severo por trabajo:

3.1 Aumente el avance por diente (fz) para reducir el tiempo de permanencia de la herramienta en la capa endurecida por trabajo.

3.2 Opte por profundidades de corte más pequeñas (ap) y múltiples pasadas para eliminar la capa endurecida de forma incremental.

3.3 Mantenga la herramienta afilada para evitar cortar con un filo desafilado a través de la capa endurecida.

4. Soluciones para altas fuerzas de corte y vibración severa:

4.1 Utilice herramientas de hélice variable y paso variable (espaciamiento desigual) para reducir la resonancia.

4.2 Minimice la longitud de voladizo de la herramienta (mantenga la relación L/D<4) para mejorar la rigidez.

4.3 Optimice el diseño de la fijación para mejorar la estabilidad de la pieza de trabajo.

4.4 Planifique la trayectoria de corte sabiamente, utilizando el fresado periférico en lugar del fresado frontal siempre que sea posible.

5. Soluciones para la adhesión de la herramienta y el filo acumulado:

5.1 Seleccione recubrimientos con bajos coeficientes de fricción (por ejemplo, TiB₂, DLC, nACo) para reducir las tendencias de adhesión.

5.2 Utilice fluidos de corte o MQL para mejorar la lubricación.

5.3 Mantenga los filos de corte afilados para evitar el raspado y la acumulación de calor causada por herramientas desafiladas.

6. Soluciones para la mala calidad de la superficie mecanizada:

6.1 Optimice los ángulos de desprendimiento y el tratamiento de los bordes para mejorar la suavidad del corte.

6.2 Reduzca la velocidad de avance para minimizar la vibración y las marcas de corte.

6.3 Utilice herramientas de rectificado fino para el mecanizado de acabado y considere múltiples pasadas: fresado en bruto → fresado semiacabado → fresado de acabado.

6.4 Aplique fluidos de corte para evitar el sobrecalentamiento local y la decoloración por oxidación.

7. Soluciones para la corta vida útil de la herramienta y los altos costos de mecanizado:

7.1 Implemente las estrategias anteriores de forma integral para prolongar la vida útil de cada herramienta.

7.2 Instale sistemas de monitoreo de herramientas (por ejemplo, detección automática de cambio/vida útil de la herramienta) para evitar el uso excesivo.

7.3 Elija marcas conocidas o herramientas recubiertas de alta calidad para mejorar la rentabilidad general.

7.4 Para el mecanizado por lotes de superaleaciones, se recomienda utilizar herramientas personalizadas para optimizar la eficiencia y el costo.

Ⅸ. Parámetros de corte recomendados

Ejemplo: Inconel 718

Notas:

• Refrigeración de alta presión: este método es eficaz para eliminar el calor rápidamente y reducir el desgaste de la herramienta durante las operaciones de desbaste.

• Lubricación de cantidad mínima (MQL): esto se puede utilizar en el desbaste para minimizar el impacto ambiental al tiempo que proporciona una lubricación adecuada.

• Operaciones de acabado: se recomienda la refrigeración de alta presión para el acabado para garantizar la calidad de la superficie y evitar daños térmicos.

Estos parámetros están optimizados para el mecanizado de Inconel 718, considerando sus desafiantes propiedades del material, como la alta resistencia, la dureza y la tendencia a endurecerse por trabajo. Es posible que se necesiten ajustes según las capacidades específicas de la máquina y las condiciones de la herramienta.

Ⅹ. Conclusión

Aunque es un desafío, el mecanizado de superaleaciones es manejable con la selección adecuada de herramientas y la optimización del proceso. Las fresas desempeñan un papel fundamental, y el éxito depende de una combinación de elección de material, geometría, recubrimientos, refrigeración y estrategia.

Para necesidades de herramientas personalizadas o soluciones específicas de mecanizado de superaleaciones, no dude en contactarnos para obtener soporte técnico y muestras.