Conformado de titanio

El titanio y sus aleaciones pueden formarse en frío o en caliente en equipos estándares mediante el uso de tecnologías similares a aquellas utilizadas con los aceros inoxidables. Sin embargo, el titanio presenta determinadas características exclusivas que afectan la formabilidad y que deben ser consideradas cuando se emprenden operaciones de formación de titanio.

La ductilidad del titanio y sus aleaciones a temperatura ambiente es, por lo general, menor que la de los metales estructurales comunes, incluso los aceros inoxidables. Esto requiere radios de flexión más generosos y menos tolerancia de formabilidad de tramos al ser formado en frío.

El titanio tiene un módulo de elasticidad relativamente bajo, aproximadamente la mitad del acero inoxidable. Esto resulta en una mayor recuperación elástica durante la formación y requiere compensación, ya sea durante la flexión o en el tratamiento posterior a dicha flexión.

El titanio que entra en contacto consigo mismo o con otros metales muestra una mayor tendencia al rozamiento que la que muestra el acero inoxidable. Por lo tanto, el contacto de deslizamiento con las superficies de herramientas durante la formación requiere del uso de lubricantes. Por lo general, entre los lubricantes eficacez se encuentran la grasa, el aceite espeso o los tipos cerosos, que pueden contener grafito o aditivos de disulfuro de molibdeno para la formación en frío, y los lubricantes de películas sólidos (grafito, disulfuro de molibdeno) o revestimientos vidriosos para la formación a temperaturas superiores.

A continuación, se incluye información básica sobre la formación del titanio. Existe una gran cantidad de información publicada en las prácticas de formación de titanio en los procesos comerciales de formación habituales. Instamos al lector a que consulte las referencias que aparecen al dorso de este folleto y otras fuentes calificadas antes de emprender por primera vez la operación de formación de titanio.

Preparación de superficies

Antes de que se forme la lámina de titanio, ésta debe estar limpia y no debe contener ningún defecto en la superficie, como rasguños, rayaduras o marcas de afilado. Todas las rayaduras más profundas que la terminación producida por un esmeril de 180 gravillas deben quitarse mediante el lijado. A fin de evitar roturas en los bordes, los bordes filosos y con rebabas deben redondearse. Los óxidos en las superficies pueden derivar en la rotura durante la formación en frío y deben ser quitados mediante métodos químicos o mecánicos.

Los productos de placas no deben contener tubos ascendentes de tensión en bruto, terminaciones de superficies irregulares y muy ásperas, escala de óxido visible y caso alfa quebradizo (capas de oxígeno con difusión incorporada)para lograr una formabilidad razonable cálida o en frío. La experiencia ha demostrado que la placa decapada a menudo muestra una formabilidad mejorada (por ejemplo, en la flexión de los frenos y en la formación de badenes de recuperación) en comparación con las placas que tienen terminaciones de superficies amoladas o chorreadas con granalla cortante.

Formación en frío versus formación en caliente

El titanio comercialmente puro, la dúctil aleación alfa baja y las aleaciones beta sin envejecimiento se pueden formar en frío dentro de ciertos límites. La cantidad de formación en frío, ya sea en la flexión o el estiramiento, es una función de la elongación extensible del material. La elongación extensible y los datos de flexión de la placa y lámina de titanio de diferentes grados pueden encontrarse en la especificación B265 de ASTM.

El calentamiento del titanio aumenta su formabilidad, reduce la recuperación elástica y permite la máxima deformación con un mínimo cocimiento entre las operaciones de formación. La formación cálida y suave de la mayoría de grados de titanio se lleva a cabo con una temperatura de entre 204 y 316 °C (400-600 °F), mientras la formación más importante se realiza con una temperatura de entre 482 y 788 °C (900-1450 °F). De vez en cuando, los calentadores radiantes o los troqueles de formación con calor se utilizan en la formación a baja temperatura mientras que los hornos eléctricos con atmósferas de aire son los más adecuados para el calentamiento a temperaturas superiores. Los hornos caldeados a gas son aceptables si la colisión con la llama se evita y la atmósfera se oxida ligeramente.

Todo tipo de formación en caliente o el cocimiento de productos de titanio en aire a temperaturas superiores a los 590-620 °C (1100-1150 °F) aproximadamente produce una escala de óxido visible en la superficie y una capa de oxígeno con difusión incorporada (caso alfa) que pueden requerir la eliminación de los componentes críticos a fracturas o fatiga. La eliminación de la escala de óxido pueden lograrse mecánicamente (es decir, mediante el chorreo con granalla cortante o el afilado) o mediante un tratamiento de descascarillado químico (es decir, descascarillado de sales alcalinas fundidas en caliente). Por lo generala esto le sigue el decapado en soluciones ácidas de HF-HNO₃, mecanizado o afilado a fin de asegurar la total eliminación del caso alfa, cuando sea necesario. Estas soluciones de decapado con ácidos son, por lo general, mantenidas en HNO₃ con un % de volumen de 5:1 a 10:1 y con una razón HF (como disoluciones de ácidos) a fin de minimizar la recolección de hidrógeno según el tipo de aleación.

Alivio de la tensión y encolado en caliente

Las operaciones de enderezamiento y formación en frío producen tensiones residuales en el titanio que a veces requieren la eliminación por motivos de estabilidad dimensional y recuperación de propiedades.

El alivio de la tensión también puede actuar como tratamiento térmico intermedio entre las etapas de formación en frío. Las temperaturas empleadas se encuentran por debajo de los rangos de cocimiento para las aleaciones de titanio. Por lo general, se encuentran entre los 482 y los 649 °C (900-1200 °F) y los períodos de tiempo varían entre los 30 y los 60 minutos según la configuración de la pieza de trabajo y el grado de alivio de tensión deseado.

Con frecuencia, el encolado en caliente se utiliza para corregir la recuperación elástica y las imprecisiones en la forma y las dimensiones de las piezas preformadas. La pieza se instala adecuadamente de modo que esa presión controlada sea aplicada a determinadas áreas de la pieza durante el calentamiento. Esta unidad instalada se coloca en un horno y se calienta a temperaturas y durante períodos de tiempo que son suficientes para hacer que el material se deforme hasta lograr la forma deseada. Las deformaciones se utilizan en varias formas con titanio, a menudo junto con la formación de compresión mediante el uso de troqueles calentados.

Típicas operaciones de formación

A continuación, se incluyen descripciones de varias operaciones de formación típicas que se realizan con titanio. Representan operaciones en las cuales se llevan a cabo la flexión y el estiramiento de titanio. La formación puede reducirse en frío, cálidamente o en caliente. La elección viene motivada por varios factores entre los cuales se encuentran el espesor de los cortes de la pieza de trabajo, el grado de flexión o estiramiento pretendido, la velocidad de formación (velocidad de deformación del metal) y el tipo de producto/aleación.

Formación de frenos

En esta operación, utilizamos la flexión a fin de formar ángulos, cortes en z, canales y cortes transversales circulares, incluidos las tuberías. Las herramientas que utilizamos son troqueles en frío o troqueles macho y hembra calentados.

Formación de tramos

La formación de tramos ha sido utilizada en láminas de titanio para formar fundamentalmente ángulos de curvas, cortes en forma de sombrero, canales y cortes en forma de Z y para formar revestimientos en los contornos especiales. Para lograr este tipo de formación, se afila la lámina soporte en las mordazas moleteadas y se carga hasta que comience la deformación del plástico para luego envolver la pieza alrededor del troquel macho. La formación de tramos pueden realizarse en frío mediante herramientas económicas o, con mayor frecuencia, con temperatura cálida por medio del uso de herramientas calentadas y el precalentamiento de la lámina soporte con las herramientas.

Formación de cizalladura e hiladura

Estos procesos en caliente, cálidos y en frío moldean el metal de la placa o lámina de titanio en piezas de huecos sin costura (por ejemplo, cilindros, conos, hemisferios) con presión en una pieza de trabajo giratoria. La hiladura produce únicamente cambios menores en el espesor de la lámina, mientras que la formación de cizalladura comprende la significativa deformación del plástico y adelgazamiento de la pared.

Formación superplástica (SPF)

Por lo general, la SPF de las aleaciones de titanio se utiliza en la fabricación de piezas de aeronaves, lo que permitió la producción de complejas y rentables configuraciones de componentes de peso ligero, eficaces y estructurales. Este proceso de formación de láminas a alta temperatura (por lo general, entre 870 y 925 °C (1660-1700 °F)) se realiza con frecuencia en forma simultánea con unión por difusión (unión de estado sólido) en cámaras de argón presurizadas a gas, lo que elimina la necesidad de soldar, cobresoldar, encolar o aliviar la tensión de las piezas complejas. Las aleaciones de láminas de titanio que por lo general son formadas con superplástico incluyen las aleaciones alfa-beta Ti-6Al-4V y Ti SP-700.

Otros procesos de formación

Con frecuencia, los productos de placas y láminas de aleaciones de titanio se forman en frío, cálidamente o en caliente en prensas de martinete neumático de correa de fricción o de hinca de pilotes que implica la deformación progresiva con los golpes repetidos en los troqueles adaptados. La formación del martinete de correa de fricción se adapta mejor a las menores aleaciones de titanio alfa-beta más inclinadas y alfa sensibles a las velocidades de deformación superiores. El forjado de troqueles cerrados en caliente e incluso de prensas isotermales se utiliza, por lo general, para producir componentes de formas casi netas a partir de aleaciones de titanio. La formación con goma retenida de la lámina de titanio en operaciones de presión en frío o cálidas (540 °C (1000 °F) como máximo) puede ser menos costosa que aquella que utiliza las herramientas de "troquel duro" de acoplamiento convencional. Incluso se empleó satisfactoriamente una formación explosiva para formar los componentes de placas/láminas de aleaciones de titanio complejas.

Las aleaciones de titanio más dúctiles y con menor resistencia pueden formarse con rodillos en frío como una banda de lámina a fin de producir largas longitudes de productos con forma, incluso tubos y tuberías soldadas. Los tubos sin costura o soldados pueden ser flexionados en frío sobre curvadores de tubos de mandril convencionales. Las tuberías de titanio no aleado soldadas con costura también pueden curvarse en frío o cálidamente en equipos estándares que utilizan mandriles internos a fin de minimizar el pandeo, mientras que las tuberías sin costura de aleación y resistencia superior pueden curvarse satisfactoriamente en pasos mediante la flexión de inducción en caliente.

Estirado profundo

Se trata de un proceso que incluye el estiramiento y la flexión de titanio en el cual las piezas ranuradas en profundo, con frecuencia piezas cilíndricas cerradas o cortes bridados en forma de sombrero, se fabrican mediante la extracción de una lámina soporte sobre un radio y en un troquel. Durante esta operación, se deben evitar el pandeo y el desgarre extensible. Por lo tanto, es necesario considerar los límites de resistencia a la compresión y carga de rotura del titanio al diseñar la pieza y las herramientas. La lámina soporte con frecuencia es previamente calentada tal como se hace con las herramientas.

Los grados altamente dúctiles y más suaves del titanio no aleado son a menudo presionados o estampados en frío en la forma de una banda de lámina para producir placas de cambiadores de calor, ánodos u otros componentes complejos para el servicio industrial.