Conformado en frío de las aleaciones de níquel

Las aleaciones de níquel en estado recocido son aptas para todos los métodos de conformado en frío. Algunas de ellas son altamente conformables, mientras que otras son todo lo contrario. En este artículo analizaremos los aspectos relacionados con el conformado en frío de las aleaciones de níquel.

​¿Qué afecta a la conformabilidad de las aleaciones de níquel?

​La conformabilidad, es decir, la facilidad para el conformado en frío, depende de los siguientes factores:

• ​Endurecimiento por deformación – Cualquier tipo de conformado en frío de las aleaciones de níquel provoca un aumento de su dureza y una disminución de su ductilidad. La influencia del proceso en el endurecimiento depende de la composición química de la aleación. Las aleaciones de níquel-cromo, níquel-cromo-cobalto y níquel-hierro-cromo presentan una mayor tasa de endurecimiento que el níquel puro y las aleaciones de níquel-cobre. Los elementos endurecidos resultan más difíciles de procesar posteriormente.
• ​Elasticidad – Las aleaciones de níquel tienen un módulo de elasticidad elevado, similar al del acero, por lo que tras finalizar la deformación pueden recuperar parcialmente su forma original.
• ​Estado del tratamiento térmico – La mayoría de las operaciones de conformado en frío requieren el uso de material en estado recocido, el cual se caracteriza por una mayor plasticidad. Sin embargo, algunas aleaciones blandas de níquel se conforman en estado parcialmente endurecido, lo que mejora sus propiedades durante el corte, troquelado y conformado de elementos de fijación.
• ​Tendencia al gripado y a la soldadura en frío – Las aleaciones de níquel pueden formar fácilmente uniones adhesivas con las herramientas y otros metales. Esto provoca un elevado coeficiente de fricción y dificulta el proceso de conformado. Afecta principalmente a las aleaciones con bajo contenido de cromo, ya que el cromo forma una capa protectora de óxido.

¿Qué lubricantes se deben utilizar?

​Los aceites minerales ligeros y los lubricantes a base de agua tienen una capacidad lubricante limitada. Solo pueden utilizarse en operaciones de conformado ligero.

​Los fosfatos no forman compuestos superficiales útiles en las aleaciones a base de níquel. No se pueden utilizar.

​Los lubricantes convencionales a base de productos petrolíferos se utilizan con poca frecuencia.

​Los recubrimientos de cobre se aplican con muy buenos resultados, pero debido a los elevados costes de aplicación y eliminación, los recubrimientos metálicos solo se emplean como lubricantes en operaciones de conformado en frío severas y únicamente si se pueden eliminar correctamente a continuación.

​Los lubricantes con aditivos de carbonato de plomo, óxido de zinc o compuestos similares de metales con bajo punto de fusión no deben utilizarse si la aleación de níquel va a trabajar a altas temperaturas, ya que pueden permanecer en la superficie y reducir su resistencia. Se pueden utilizar cargas inertes como el talco.

​Los lubricantes con aditivos de azufre o cloro, por ejemplo el bisulfuro de molibdeno, pueden utilizarse siempre que exista la posibilidad de limpiar a fondo la pieza procesada. Los restos de compuestos de azufre y cloro, incluso en cantidades residuales, provocan picaduras por corrosión (pitting).

Materiales para herramientas

​En general, para el conformado en frío de las aleaciones de níquel se pueden utilizar las mismas herramientas que para el procesado de aceros inoxidables austeníticos. Las propiedades mecánicas de las aleaciones de níquel hacen que las herramientas de conformado requieran entre un 30 % y un 50 % más de potencia que la necesaria para procesar elementos similares de acero dulce de bajo carbono. Esto influye en el desgaste de las herramientas.

​Los elementos conformados mediante matrices de aleación de zinc deben someterse a un breve decapado en ácido nítrico diluido para eliminar cualquier resto de zinc transferido desde las matrices a la superficie de la pieza durante el proceso. El zinc puede provocar la fragilización de las aleaciones de níquel durante el tratamiento térmico o durante su servicio a temperaturas elevadas. Por motivos similares, los elementos conformados con matrices de latón o bronce también deben decaparse si las matrices otorgan a la pieza procesada una coloración cobriza o broncínea.

Corte y punzonado de las aleaciones de níquel

​Estado del tratamiento térmico – El estado del tratamiento térmico de los elementos destinados al corte, troquelado o punzonado depende de la aleación y del espesor de la pieza. Las flejes o cintas finas de aleaciones blandas (p. ej., níquel 200) deben estar en estado endurecido, por ejemplo, mediante laminación. Las aleaciones más resistentes (p. ej., alloy 600) se troquelan habitualmente mejor en estado ligeramente endurecido. Por su parte, las aleaciones endurecibles por precipitación (p. ej., alloy X-750) deben troquelarse en estado recocido.

​Lubricantes – No se requieren lubricantes durante el corte, pero sí deben utilizarse en el troquelado y punzonado. Para materiales con un espesor inferior a 3 mm se puede utilizar un aceite mineral ligero. Para materiales de espesor superior a 3 mm se debe emplear un aceite sulfurado más pesado.

​Juego (holgura) – El juego entre el punzón y la matriz debe ser:

• Del 3 al 5 % del espesor del material para chapas finas (hasta 3 mm).
• ​Del 5 al 10 % del espesor del material para materiales de espesor superior a 3 mm.

La distancia entre el punzón y la placa pisadora (pisador) debe ser lo más pequeña posible.

​Corte – Las cizallas deben tener una capacidad de corte para acero bajo en carbono con un espesor un 50 % superior al espesor del material de la aleación de níquel que se va a cortar. Por ejemplo, para cortar una chapa de aleación 400 (UNS N04400) de 6 mm de espesor, se debe utilizar una cizalla diseñada para cortar acero bajo en carbono de 9 mm de espesor.

​Punzonado – El diámetro mínimo del orificio debe ser igual o superior al espesor del elemento. La proporción exacta depende del espesor, del tratamiento térmico y del grado de la aleación. Para alloy 200, monel 400 y alloy 600, el diámetro mínimo del orificio es:

• ​Para elementos con un espesor de 0,5 a 0,9 mm: 1,5 veces el espesor.
• ​Para elementos con un espesor de 0,9 a 1,8 mm: 1,3 veces el espesor.
• ​Para elementos con un espesor de 1,8 a 3,6 mm: 1,1 veces el espesor.
• ​Para elementos con un espesor superior a 3,6 mm: igual al espesor del elemento.

​Resistencia al cizallamiento – La resistencia al cizallamiento es de aproximadamente el 65 % de la resistencia a la tracción. La carga exigida a las cizallas guillotina al cortar aleaciones de níquel es, aproximadamente, del 113 al 131 % de la carga requerida para cortar elementos comparables de acero bajo en carbono.

Embutición profunda de las aleaciones de níquel

Para la embutición de la mayoría de las formas sencillas se pueden utilizar matrices y herramientas diseñadas para la embutición de acero o aleaciones de cobre. En el caso de piezas complejas con una elevada precisión dimensional, pueden ser necesarias pequeñas modificaciones en las herramientas, consistentes en aumentar las holguras de trabajo y ampliar el radio de curvatura de la matriz.

​Las holguras de trabajo más amplias evitan la formación de arrugas y se deben a la mayor resistencia a la tracción de las aleaciones de níquel en comparación con los aceros para embutición en frío. En la embutición de piezas cilíndricas, el juego entre el punzón y la matriz es típicamente del 120 al 125 % del espesor de la chapa.

​El radio de curvatura de la matriz debe permitir el flujo libre del metal. Un radio demasiado pequeño provoca el gripado del metal entre el punzón y la matriz. Por este motivo, se establece un radio mínimo del punzón de:

• ​Para acero inoxidable ferrítico: 6 veces el espesor de la chapa embutida.
• ​Para acero inoxidable austenítico: 4 veces el espesor de la chapa embutida.
• ​Para chapas finas de aleaciones de níquel: de 5 a 12 veces el espesor de la chapa embutida.

Repujado en torno (repujado de chapa) de las aleaciones de níquel

​El repujado manual por lo general no se recomienda, a excepción de las aleaciones especialmente blandas (níquel 200, monel 400). La dureza máxima y el espesor máximo de chapa para el repujado manual son:

• ​para la aleación níquel 200: 64 HRB y 1,57 mm.
• ​para níquel 201: 55 HRB y 1,98 mm.
• ​para monel 400: 68 HRB y 1,27 mm.
• ​para alloy 600: 80 HRB y 0,94 mm.
• ​para alloy 722: 94 HRB y 0,94 mm.
• ​para alloy X-750: 94 HRB y 0,94 mm.
• ​para alloy 801: 88 HRB y 0,94 mm.

​Los lubricantes recomendados son de consistencia densa, como por ejemplo la cera de abeja y el sebo.

​La elección del material adecuado para las herramientas es fundamental para el éxito del proceso. El mejor material para la herramienta de repujado (bruñidor) es el bronce aleado duro altamente pulido. Para los rodillos de repujado se recomiendan aceros para herramientas templados, especialmente los recubiertos de cromo, ya que reducen la adhesión del metal procesado a la herramienta. Las herramientas y rodillos fabricados en latón convencional o acero al carbono, utilizados con materiales más blandos, no son adecuados para el procesado de aleaciones a base de níquel.

Curvado de tubos de aleaciones de níquel

​Los tubos de aleaciones de níquel se pueden curvar y conformar mediante métodos estándar. Los tubos en estado de alivio de tensiones requieren radios de curvado aproximadamente un 25-50 % mayores que los tubos recocidos de las mismas dimensiones.

​Radio y ángulo de curvado de las aleaciones de níquel en función del tipo de tubo y del método de curvado:

• ​Curvado en prensa de tubo sin relleno: radio de curvado mín. 6D, ángulo de curvado máx. 120°
• ​Curvado mediante rodillos de tubo con relleno: radio de curvado mín. 4D, ángulo de curvado máx. 360°
• ​Curvado con Mandril: radio de curvado mín. 2D, ángulo de curvado máx. 180°
• ​Curvado por arrastre giratorio de tubo sin relleno: radio de curvado mín. 3D, ángulo de curvado máx. 180°
• ​Curvado por arrastre giratorio de tubo con relleno: radio de curvado mín. 2D, ángulo de curvado máx. 180°

, donde D es el diámetro exterior del tubo.

​El curvado de tubos sin relleno limita el radio de curvado y solo es adecuado para tubos con un espesor de pared superior al 7 % del diámetro exterior.

​El curvado con mandril o con relleno reduce el radio de curvado posible. Los mejores resultados se obtienen con mandriles de bronce duro (lo que reduce el riesgo de gripado) y el uso de lubricantes. Para las operaciones de curvado de mayor exigencia, es aconsejable elegir lubricantes con compuestos de cloro. La arena es un buen material de relleno.

​El curvado en prensa no siempre ofrece los mejores resultados para tubos en estado totalmente recocido. Las aleaciones de menor dureza (níquel 200, cuproníquel 400 ) se curvan mejor en prensa cuando están en estado de alivio de tensiones. Por su parte, las aleaciones de níquel-cromo deben curvarse en estado recocido.

​El curvado en caliente por lo general no se recomienda, y el curvado en frío ofrece mejores resultados. El curvado en caliente solo debe realizarse con el tubo relleno. La arena debe estar limpia y libre de compuestos de azufre, los cuales pueden provocar fisuras durante el curvado. La eliminación de los compuestos de azufre de la arena requiere un calentamiento a una temperatura de 1150 °C en un entorno oxidante.

Plegado y curvado de planchas, flejes y chapas de aleaciones de níquel

​Las planchas, flejes y chapas de aleaciones de níquel se pueden plegar mediante métodos estándar. El radio de curvado depende del grado y del espesor. Para un ángulo de curvado de 180°, el radio de curvado mínimo es:

• alloy 200:
  • ​chapa, fleje 0,3-6,4 mm: 1t
  • ​plancha 4,5-6,4 mm: 2t
• ​alloy 400:
  • ​chapa, fleje 0,3-2,8 mm: 1t
  • ​chapa, fleje 2,8-6,4 mm: 2t
• ​alloy 600:
  • ​chapa, fleje 0,3-6,4 mm: 1t
  • ​plancha 4,7-6,4 mm: 2t
• ​alloy 625:
  • ​chapa, fleje 0,3-6,4 mm: 2t
  • ​plancha 4,7-6,4 mm: 2t
• ​alloy 718:
  • ​chapa, fleje 0,3-1,24 mm: 1t
  • ​chapa, fleje 1,24-6,35 mm: 2t
• ​alloy X-750:
  • ​chapa, fleje 0,3-1,24 mm: 1t
  • ​chapa, fleje 1,24-6,35 mm: 2t
• ​alloy 800:
  • ​chapa, fleje 0,3-6,4 mm: 1t
  • ​plancha 4,7-6,4 mm: 2t
• ​alloy 825:
  • ​chapa, fleje 0,3-6,4 mm: 2t
  • ​plancha 4,7-6,4 mm: 2t

​,donde t es el espesor del elemento.

Mandrinado de tubo

​Los tubos de aleaciones de níquel se pueden mandrinar en las placas tubulares de intercambiadores de calor de haz tubular y carcasa mediante métodos convencionales.

​Los orificios de la placa tubular deben ser ligeramente superiores al diámetro de los tubos que se alojarán en ellos:

• ​Para tubos con un diámetro exterior inferior a 38 mm, el diámetro del orificio debe ser entre 0,10 y 0,20 mm mayor.
• ​Para tubos con un diámetro exterior superior a 38 mm, el diámetro del orificio debe ser entre 0,20 y 0,25 mm mayor.

​La placa tubular debe ser más dura que los tubos que se van a mandrinar. Por este motivo, suele suministrarse en estado laminado o forjado, mientras que los tubos se suministran en estado recocido.

Conformado en frío de barras

​Las barras de aleaciones de níquel se procesan habitualmente mediante conformado en frío en estado recocido.

​El curvado de barras se rige por principios similares a los del curvado de tubos con relleno.

​El enrollado de barras de aleación de níquel para la fabricación de resortes (muelles) se realiza habitualmente en caliente, empleando aleaciones endurecibles por precipitación. Sin embargo, para algunas aplicaciones es necesario realizar el enrollado de barras en estado endurecido por deformación. Esto aumenta considerablemente el radio mínimo de enrollado.

​Recalcado y extrusión en frío de aleaciones de níquel

Las aleaciones de níquel se pueden extruir y mechar/recalcar en frío. El recalcado suele combinarse con la extrusión. La elevada resistencia y la tendencia al gripado exigen el uso de velocidades más bajas (la velocidad de recalcado debe ser de aproximadamente 10-15 m/min) y de herramientas más resistentes (p. ej., de acero  SW18).

​Enderezado en frío de aleaciones de níquel

​Las aleaciones de níquel se pueden enderezar mediante métodos estándar. Requieren aproximadamente un 50 % más de potencia que el acero bajo en carbono; por ejemplo, una máquina capaz de enderezar barras de acero bajo en carbono de 20 mm de diámetro solo puede procesar aleaciones de níquel y níquel-cobre hasta un diámetro de unos 10 mm.

​Un problema frecuente son los rayados helicoidales (en espiral). Se pueden prevenir utilizando lubricantes y empleando las aleaciones en estado recocido. Las matrices pueden ser de bronce o de fundición de hierro. La fundición de hierro debe utilizarse cuando no se realice un decapado posterior al enderezado y no se pueda tolerar la contaminación del producto con bronce.

Piezas para aplicaciones a altas temperaturas

​Una acritud excesiva (endurecimiento por deformación excesivo) puede reducir la resistencia a la fluencia de las aleaciones de níquel-cromo, destinadas frecuentemente a trabajar a altas temperaturas. Si el grado de deformación en frío supera el 10 % y la pieza va a operar a temperaturas superiores a 650 °C, se debe realizar un tratamiento térmico tras el conformado en frío.

​Conformado en frío de aleaciones refractarias resistentes al calor y endurecibles por precipitación

La mayoría de las aleaciones refractarias se conforman en frío debido a que su intervalo de conformado en caliente es muy estrecho. En ocasiones se requieren varias operaciones intercalando recocidos intermedios.

​Control del crecimiento de grano – En el caso de algunas aleaciones refractarias, se requiere un conformado en frío con una deformación significativa para obtener un tamaño de grano óptimo. Por ejemplo, el grano en la aleación alloy X crece de forma excesiva tras un 5 % de deformación y posterior tratamiento térmico, lo que puede provocar el efecto de «piel de naranja». Este efecto no se produce con una deformación del 10 %.

​Aditivos de aleación en las aleaciones refractarias que influyen en el conformado en frío:

• ​boro (p. ej., alloy 41): Por encima del 0,03 % aumenta el riesgo de fisuración, pero por debajo de este límite previene la precipitación de carburos en los límites de grano.
• ​silicio: Por encima del 0,3 %, y especialmente superior al 0,6 %, aumenta el riesgo de fisuración durante el trefilado / estirado en frío.
• ​carbono: Por encima del 0,15 % reduce la ductilidad, aumentando el riesgo de agrietamiento.
• ​molibdeno y tungsteno (p. ej., alloy 230): Aumentan la resistencia mecánica, por lo que su conformado requiere mayor potencia.
• ​aluminio y titanio: Al formar la fase γ′ (gamma prima) (p. ej., alloy 80A), también endurecen la aleación.

​Las aleaciones endurecibles por precipitación pueden agrietarse cuando se someten al endurecimiento por precipitación (envejecimiento) tras el conformado. Para prevenir esto, se debe someter la pieza a un recocido antes del envejecimiento. Algunas aleaciones endurecibles por precipitación (p. ej., alloy 41) tienen dos intervalos de temperatura de recocido. El recocido a mayor temperatura (1175 °C en el caso de alloy 41) aumenta la ductilidad y la conformabilidad, pero afecta negativamente a la soldabilidad; mientras que el recocido a menor temperatura (1070 °C para alloy 41) reduce la conformabilidad entre un 10 y un 20 %, pero permite la soldadura sin riesgo de fisuración.