¿Qué es el titanio?
El titanio, cuyo símbolo químico es Ti y cuyo número atómico es 22, es un brillante metal de transición famoso por su excepcional relación fuerza-peso, su resistencia a la corrosión y su biocompatibilidad. Descubierto a finales del siglo XVIII, el titanio se ha hecho indispensable en diversos sectores, como el aeroespacial, el médico, el automovilístico y el naval.
¿Cuáles son los diferentes grados de titanio para el mecanizado CNC?
El titanio es un metal versátil que se utiliza habitualmente en el mecanizado CNC debido a sus características únicas. Hay varios grados de titanio disponibles, cada uno con propiedades únicas que los hacen apropiados para una variedad de usos. A continuación se describen en detalle los grados de titanio que se suelen utilizar en el mecanizado CNC.
Grado 1: titanio comercialmente puro (bajo contenido en oxígeno)
El titanio de grado 1 es el más blando y dúctil, lo que lo hace mecanizable. Las aplicaciones en entornos severos requieren una gran resistencia a la corrosión y a los impactos. Este grado biocompatible es el preferido en implantes y equipos médicos por su seguridad. Los componentes de alta precisión y estabilidad se benefician de su bajo coeficiente de expansión térmica, que disminuye las tensiones térmicas. Su baja resistencia limita su uso en aplicaciones de alta tensión en comparación con otros grados.
Grado 2: Titanio comercialmente puro (contenido estándar de oxígeno)
El titanio de grado 2, a veces conocido como «caballo de batalla», es fuerte, dúctil y resistente a la corrosión. Con buena maquinabilidad y soldabilidad, es más fuerte que el Grado 1. Es adecuado para componentes aeroespaciales, equipos de procesamiento químico y entornos marítimos. Su adaptabilidad lo hace adecuado para industrias que necesitan una resistencia moderada y resistencia a la corrosión. El Grado 2 es más débil que las aleaciones de titanio a pesar de sus ventajas.
Grado 3: titanio comercialmente puro (contenido medio de oxígeno)
El titanio de grado 3 tiene mayor resistencia que los grados 1 y 2, pero menor ductilidad y conformabilidad. Este grado se utiliza en aplicaciones aeronáuticas que requieren una mayor resistencia sin añadir peso debido a su resistencia a la corrosión. Su resistencia hace que el mecanizado sea más difícil que el de los grados más blandos, lo que exige un control cuidadoso para evitar el desgaste de las herramientas.
Grado 4: Titanio comercialmente puro (alto contenido de oxígeno)
El grado 4 es el grado de titanio comercialmente puro más resistente, con unas cualidades mecánicas y de corrosión excepcionales. Se emplea en componentes aeronáuticos y equipos quirúrgicos que requieren resistencia y longevidad. Debido a su dureza, el mecanizado del titanio de grado 4 requiere equipos y procesos especializados para lograr las tolerancias especificadas sin desgaste de la herramienta ni deformación de la pieza.
Grado 5: Aleación de titanio (Ti-6Al-4V)
El titanio de grado 5, Ti-6Al-4V, es una aleación de titanio muy popular por su elevada relación resistencia-peso y su resistencia a la corrosión. Esta aleación tiene aluminio y vanadio, lo que mejora sus cualidades mecánicas por encima del titanio puro. Se utiliza en piezas aeroespaciales, militares y de automoción de alto rendimiento. El mecanizado del Grado 5 es más duro y tiende a endurecerse por deformación, por lo que deben tenerse muy en cuenta la velocidad de corte y la selección de la herramienta.
Grado 6: Aleación de titanio (Ti-5Al-2,5Sn)
El titanio de grado 6 está compuesto de aluminio y estaño, lo que le confiere una buena soldabilidad y un buen rendimiento a altas temperaturas. Este grado se utiliza con frecuencia en la construcción de fuselajes y motores a reacción, donde la resistencia al calor es crucial. Aunque posee cualidades mecánicas superiores a las de los grados de titanio puro, persisten los problemas de mecanizado debido a su mayor dureza en comparación con los grados 1 y 2.
Grado 7: Aleación de titanio (Ti-0,15Pd)
Al titanio de grado 7 se le añade paladio, lo que lo hace aún más resistente a la corrosión que los grados comercialmente puros normales. Por ello, funciona especialmente bien en trabajos de procesamiento químico que requieren exposición a condiciones duras. Por sus propiedades especiales, puede utilizarse en entornos marinos y en la producción de clorato. Sin embargo, al ser duro, es difícil de mecanizar, al igual que otros grados de titanio.
Grado 11: Aleación de titanio (Ti-0,15Pd)
La aleación de titanio de grado 11 es similar a la de grado 7, pero con mayor ductilidad, lo que la hace adecuada para su uso en entornos muy corrosivos, como el agua de mar. Mantiene una alta biocompatibilidad al tiempo que proporciona unas cualidades mecánicas mejoradas adecuadas para una gran variedad de aplicaciones industriales. El mecanizado de este grado presenta problemas similares a los de otras aleaciones, aunque pueden mitigarse con los procedimientos adecuados.
Grado 12: Aleación de titanio (Ti-0,3Mo-0,8Ni)
La estructura del grado 12 incluye molibdeno y níquel, lo que le confiere una soldabilidad y una resistencia a la corrosión excepcionales. Este grado se utiliza con frecuencia en intercambiadores de calor y aplicaciones marítimas debido a su capacidad para tolerar entornos hostiles y preservar al mismo tiempo la integridad estructural. Aunque tiene grandes ventajas sobre los grados de titanio puro, la complejidad del mecanizado sigue siendo un problema.
Grado 23: Aleación de titanio (Ti-6Al-4V ELI)
El grado 23 es una variante de grado 5 con intersticios extrabajos, creada principalmente para aplicaciones médicas en las que la biocompatibilidad es fundamental. Su composición refinada proporciona una mayor tenacidad a la fractura al tiempo que mantiene la alta resistencia necesaria para implantes y dispositivos quirúrgicos. Debido a sus cualidades únicas, el mecanizado de este grado requiere una atención especializada, pero el resultado final son piezas que cumplen altos estándares médicos.
¿Por qué elegir titanio para piezas de mecanizado CNC?
La elección del titanio para piezas de mecanizado CNC ofrece numerosas ventajas, lo que lo convierte en el material preferido en diversos sectores.
Excepcional relación resistencia-peso
Aunque es un 5% más débil que el acero, el titanio pesa un 40% menos. En aplicaciones aeronáuticas y de automoción, donde la reducción de peso es crucial para el rendimiento y la eficiencia, esta característica permite a los fabricantes desarrollar componentes ligeros pero resistentes. La capacidad de mantener una gran resistencia al tiempo que se minimiza la masa cambia las reglas del juego en los sectores centrados en el rendimiento.
Alta resistencia a la corrosión
El titanio es resistente a la corrosión, sobre todo en situaciones extremas como los procesos marinos y químicos. Para los componentes que deben tolerar circunstancias duras, el titanio puede soportar el agua de mar, los ácidos y otros corrosivos sin deteriorarse. Esto prolonga la vida útil de las piezas y reduce los gastos de mantenimiento.
Biocompatibilidad
Los implantes y aparatos médicos utilizan titanio por su biocompatibilidad. Las aplicaciones quirúrgicas, como las prótesis articulares y los implantes dentales, son seguras porque la sustancia no reacciona con el tejido humano. En sanidad, su no toxicidad lo hace más adecuado.
Durabilidad y resistencia a la fatiga
La resistencia a la fatiga y la durabilidad del titanio permiten que los componentes sobrevivan a cargas repetidas sin fallar. Las piezas aeroespaciales se someten a cargas cíclicas, por lo que esta cualidad es crucial. Los componentes de titanio son fiables en aplicaciones esenciales porque funcionan bien bajo tensión.
Propiedades no magnéticas
El titanio también es útil porque no es magnético, por lo que puede utilizarse en lugares donde las perturbaciones magnéticas podrían ser un problema. Esta característica es muy útil en entornos médicos (como máquinas de resonancia magnética) y aparatos electrónicos que necesitan controlar los campos magnéticos.
Maquinabilidad y conformabilidad
El titanio es difícil de fabricar debido a su escasa conductividad térmica y a su tendencia a endurecerse por deformación, pero el mecanizado CNC lo ha facilitado. Los fabricantes pueden aprovechar las cualidades especiales del titanio utilizando máquinas CNC para cortar y tolerar geometrías complicadas. Unas herramientas de corte, velocidades y sistemas de refrigeración adecuados pueden reducir la acumulación de calor en el mecanizado.
Sostenibilidad medioambiental
El titanio también es extremadamente reciclable, lo que aumenta su atractivo como opción de material responsable con el medio ambiente. La capacidad de reciclar titanio minimiza los residuos y aumenta la sostenibilidad de las operaciones de producción.
Desafíos a tener en cuenta en el mecanizado de titanio
El mecanizado de titanio conlleva diversos obstáculos que pueden entorpecer el proceso de fabricación. Comprender estos obstáculos es fundamental para producir resultados CNC de alta calidad. Estos son los principales retos del mecanizado de titanio.
Acumulación de calor
La limitada conductividad térmica del titanio hace que el calor del mecanizado se acumule en la interfaz entre la herramienta de corte y la pieza. La acumulación de calor puede acelerar el desgaste de la herramienta, acortar su vida útil y degradar la calidad de la superficie mecanizada. El calor puede endurecer el titanio, haciéndolo más difícil de procesar si no se trata adecuadamente. Utilice sistemas de refrigeración de alta presión y optimice las velocidades de avance y del husillo para evitar este problema.
Altas fuerzas de corte
Por su resistencia y dureza, las aleaciones de titanio requieren grandes fuerzas de corte. Unas fuerzas elevadas pueden provocar vibraciones y desviaciones durante el mecanizado, con los consiguientes errores en el producto y desgaste de la herramienta. Para superar este problema, los operarios de las máquinas deben utilizar portapiezas resistentes y herramientas afiladas específicas para titanio.
Reactividad química
El titanio reacciona químicamente a altas temperaturas. Esta reactividad puede provocar la oxidación de la superficie y el gripado, que adhiere el material a la herramienta de corte y la daña. El oxígeno embrutece la aleación de titanio, disminuyendo la resistencia a la corrosión. El uso de fluidos de corte adecuados y el mecanizado a temperaturas más bajas pueden reducir estos efectos.
Deformación elástica
El titanio se deforma bajo las fuerzas de corte debido a su menor módulo de elasticidad que el acero. Esto puede hacer que los elementos delgados se flexionen o distorsionen durante el mecanizado, dando lugar a dimensiones fuera de tolerancia. Para resolver este problema, utilice un portapiezas rígido y parámetros de corte que minimicen la flexión.
Built-Up Edge (BUE)
El mecanizado del titanio suele provocar la acumulación de virutas en la herramienta de corte. Las virutas en el filo de la herramienta lo embotan y generan calor. Para evitar la acumulación de virutas y optimizar las condiciones de corte se requieren soluciones de eliminación de virutas, como la aplicación de refrigerante a alta presión directamente en el filo de corte.
Control de chips
Las virutas de titanio largas y finas pueden envolver la maquinaria o dañar las superficies mecanizadas si no se controlan adecuadamente. Estas virutas dificultan la transferencia de calor fuera de la zona de trabajo, empeorando la acumulación de calor. Para controlar mejor las virutas y evitar daños, los operarios deben desarrollar herramientas y procedimientos de mecanizado que favorezcan la formación de virutas más cortas.
Tensiones residuales
La estructura cristalina y el endurecimiento por deformación del titanio pueden provocar tensiones residuales durante el mecanizado. No controlar estas tensiones puede provocar distorsiones o roturas en el producto acabado. Aplicar técnicas de mecanizado que tengan en cuenta estas tensiones, como cortes más profundos, puede ayudar.
Consejos para el mecanizado CNC de titanio
Aunque el titanio es muy difícil de trabajar, todavía hay muchas industrias y diseñadores que lo utilizan por sus muchas ventajas. Basándonos en nuestros muchos años de experiencia en el mecanizado de titanio, hemos resumido las siguientes lecciones.
Seleccionar las herramientas de corte adecuadas
Utilice herramientas específicas para titanio, como las que tienen recubrimientos de TiCN o TiAlN, para mejorar la resistencia al calor y reducir el desgaste de la herramienta.
Optimizar los parámetros de corte
Utilice velocidades de husillo más bajas junto con mayores velocidades de avance para reducir la generación de calor y evitar el endurecimiento de la pieza. Esta estrategia favorece la integridad de la herramienta y prolonga su vida útil.
Asegurar la rigidez en el montaje
Fije firmemente la pieza de trabajo y utilice herramientas robustas para reducir las vibraciones y la desviación, que pueden afectar al pulido de la superficie y a la precisión dimensional.
Utilizar sistemas de refrigeración de alta presión.
Utilice refrigerante a alta presión directamente en la zona de corte para disipar eficazmente el calor, disminuir los daños térmicos y aumentar la evacuación de virutas.
Acabados superficiales para piezas de titanio mecanizadas
Los componentes de titanio mecanizados pueden beneficiarse enormemente de una variedad de procesos de acabado superficial que mejoran las características prácticas y estéticas. Estos son algunos de los tratamientos superficiales más frecuentes utilizados en el titanio.
Pulido
El pulido produce una superficie lisa y reflectante, que realza el atractivo estético de los componentes de titanio. Este método es muy beneficioso en aplicaciones en las que la apariencia es importante, como la joyería y las piezas aeronáuticas de alta gama. Detalle del pulido de titanio
Anodizado
El anodizado es una técnica electroquímica que deposita una capa protectora de óxido en la superficie del titanio. Esto mejora la resistencia a la corrosión al tiempo que permite personalizar el color, por lo que resulta útil en dispositivos médicos y productos de consumo.
Granallado
El granallado o chorreado de arena produce un acabado mate rugoso en las superficies de titanio. Este método se utiliza con frecuencia por sus ventajas estéticas, que pueden ayudar a aumentar la resistencia a los arañazos.
Recubrimiento PVD (deposición física de vapor)
Los revestimientos PVD, incluido el nitruro de titanio (TiN), mejoran la dureza y la resistencia al desgaste. Este método consiste en depositar una fina capa de material sobre la superficie de titanio, lo que puede mejorar el rendimiento en entornos difíciles.
Electropulido
El electropulido aumenta el acabado superficial al eliminar una pequeña capa de material, dejándolo limpio y brillante. Este procedimiento también reduce las microrrugosidades y aumenta la resistencia a la corrosión.
Recubrimiento en polvo
El recubrimiento en polvo produce un acabado duradero que puede aplicarse en una gran variedad de tonalidades. Es muy útil para mejorar el aspecto y la resistencia a la corrosión de las piezas de titanio utilizadas en aplicaciones exteriores.
Chroming
El cromado pone una capa de cromo sobre las piezas de titanio para hacerlas más resistentes a la oxidación y darles un acabado brillante. Este proceso se utiliza a menudo para el acabado de coches y la fabricación de adornos.
Aplastamiento
El cepillado de las piezas de titanio les confiere un aspecto único y ayuda a ocultar los arañazos y el desgaste con el paso del tiempo, al dar a la superficie un patrón lineal.
Pintura
Pintar las superficies de titanio es una forma fácil de darles color y mantenerlas a salvo de daños. Suele utilizarse para dar aspecto, y pueden emplearse distintas técnicas para aplicarlo en función del acabado que se desee.
Aplicaciones de las piezas mecanizadas de titanio
Debido a su elevada relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, las piezas mecanizadas de titanio son esenciales para muchas empresas. Pueden utilizarse en numerosos ámbitos.
Industria aeroespacial
El titanio se utiliza en los aviones para piezas importantes como álabes de compresores, discos, estructuras del fuselaje y trenes de aterrizaje porque es resistente pero no demasiado pesado. Para que los aviones funcionen bien y duren mucho tiempo, tiene que soportar altas temperaturas y la corrosión.
Campos médico y dental
El titanio es un material muy popular para implantes médicos, como implantes dentales, prótesis articulares y herramientas quirúrgicas, porque es biocompatible y no reacciona con los fluidos corporales. Su uso reduce la posibilidad de rechazo y garantiza su duración en el organismo.
Sector de la automoción
Las piezas mecanizadas de titanio se utilizan para piezas de motor como válvulas y bielas, así como sistemas de escape, en coches caros y de alto rendimiento. La resistencia y ligereza del material ayudan a que el coche funcione mejor y consuma menos gasolina. (Fuente Wikipedia)
Aplicaciones marinas
El titanio es un buen metal para engranajes marinos, ejes de hélices y otras piezas que estarán expuestas a duras condiciones marinas porque no se oxida. Esto lo hace fiable y duradero.(Fuente Wikipedia)
Usos industriales
Las piezas mecanizadas de titanio se utilizan en intercambiadores de calor, válvulas y reactores en el procesamiento químico y la producción de energía porque pueden soportar entornos corrosivos y altas temperaturas, lo que mantiene las operaciones seguras y eficientes.(Fuente Wikipedia)
PREGUNTAS
Comparación con otros materiales
El Ti es más difícil de trabajar que otros materiales porque no conduce bien el calor, es muy resistente y tiende a endurecerse por deformación, lo que significa que se necesitan herramientas y métodos especiales.
¿Por qué el titanio es difícil de mecanizar?
La falta de conductividad térmica hace que el titanio sea difícil de trabajar porque se calienta con facilidad.
¿Qué herramientas de corte son las mejores para el titanio?
Cuando se trata de cortar titanio, las herramientas de metal duro con acabados de alta tecnología como TiAlN o TiCN funcionan mejor. Estas herramientas duran mucho tiempo y ayudan a mantener bajo el calor durante el proceso de corte.
¿Qué procesos de mecanizado se utilizan habitualmente para el titanio?
El fresado, el corte, el taladrado y el rectificado son formas habituales de trabajar el titanio. Para conseguir un buen mecanizado manteniendo el calor y el desgaste de la herramienta al mínimo, cada proceso necesita un control cuidadoso de sus ajustes de corte.
Conclusión
El mecanizado CNC de titanio se convierte en un método práctico y eficaz para fabricar piezas duraderas y precisas para empresas aeroespaciales, médicas y de automoción.
