Tuercas hexagonales para tornillos de fijación de titanio

Como componente central en los sistemas de fijación de titanio, tuercas hexagonales de titanioAprovechando las propiedades físicas y químicas únicas del metal, ofrecen ventajas irremplazables en entornos hostiles donde las tuercas metálicas tradicionales presentan dificultades. Se han convertido en un componente esencial en campos como la aeroespacial, la ingeniería naval y las aplicaciones médicas de alta gama.

El titanio tiene una densidad de tan solo 4.51 g/cm³, aproximadamente el 57 % de la del acero. Esto permite que las tuercas hexagonales de titanio reduzcan significativamente el peso total del equipo, manteniendo al mismo tiempo la resistencia de la unión. Su resistencia a la tracción puede alcanzar los 441-1470 MPa, comparable a la del acero de alta resistencia, ofreciendo además una resistencia superior a la corrosión. En medios corrosivos como el agua de mar, ácidos fuertes y álcalis, se forma una densa película de óxido (TiO₂) sobre la superficie del titanio, lo que previene eficazmente la corrosión del sustrato. Además, el titanio presenta una excelente resistencia a altas temperaturas (rendimiento estable a 300-550 °C). Estas propiedades convierten a las tuercas hexagonales de titanio en la fijación preferida en la fabricación de alta gama.

Fabricación de tuercas hexagonales de titanio

La fabricación de tuercas hexagonales de titanio es un proceso sistemático que integra la ciencia de los materiales, el mecanizado de precisión y el control de calidad. Requiere múltiples tecnologías clave, como el cribado de materias primas, el conformado, Mecanizado CNC y tratamiento térmicoCada paso requiere un control riguroso para garantizar el rendimiento del producto.

Materias primas y pretratamiento

La calidad del material determina directamente el rendimiento máximo de las tuercas hexagonales de titanio. La elección del grado de aleación de titanio debe basarse en los requisitos de rendimiento de la aplicación. Los grados de aleación de titanio más utilizados en la industria incluyen TA2 (titanio puro), TC4 (Ti-6Al-4V) y TC11 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V). TC4 es el grado de aleación de titanio más utilizado debido a su alta resistencia, buena tenacidad y procesabilidad, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la ingeniería aeroespacial y naval. El titanio puro TA2, gracias a su excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, se utiliza ampliamente en equipos médicos y la industria química. TC11, con su excelente resistencia a altas temperaturas, es adecuado para equipos que operan en condiciones de alta temperatura.

Las materias primas se suministran generalmente en forma de varillas de titanio. A continuación, se limpia la superficie para eliminar incrustaciones, aceite e impurezas. Las incrustaciones se pueden eliminar mediante decapado (normalmente con una mezcla de ácido fluorhídrico y ácido nítrico). El aceite se puede eliminar mediante limpieza con un disolvente orgánico o un desengrasante alcalino. Finalmente, la varilla de titanio se corta en tochos de la longitud especificada según el tamaño de la tuerca, con una precisión de corte de ±0.5 mm.

Formado

El conformado es el proceso de dar forma a la pieza de titanio hasta obtener una forma similar a la de una tuerca hexagonal. Se divide principalmente en dos técnicas: estampación en frío y estampación en caliente.
El recalcado en frío es adecuado para tamaños pequeños (normalmente diámetro nominal ≤24 mm) y aleaciones de titanio altamente dúctiles (como TA2 y TC4). Ofrece una alta tasa de aprovechamiento del material (superior al 95 %), y el efecto de endurecimiento por deformación en frío mejora la dureza superficial y la resistencia de la tuerca. Sin embargo, las aleaciones de titanio presentan baja ductilidad a temperatura ambiente. Por lo tanto, antes del forjado en frío, la pieza en bruto debe recocerse (a 700-800 °C durante 1-2 horas) para mejorar su ductilidad. Además, el molde debe estar fabricado con carburo de alta resistencia (como la aleación WC-Co) y lubricado para reducir la fricción y evitar el agrietamiento de la pieza en bruto y el desgaste del molde.

El forjado en caliente es adecuado para tamaños mayores (diámetro nominal > 24 mm) o aleaciones de titanio de alta resistencia (como TC11). Esta técnica consiste en calentar la pieza bruta de titanio por encima de la temperatura de recristalización (normalmente entre 750 y 950 °C, según el grado) para aumentar significativamente su ductilidad antes de proceder al forjado y conformado.

Mecanizado CNC

Tras el conformado, el producto semiacabado se somete a mecanizado CNC para mejorar la precisión y la calidad superficial. Esto implica principalmente el roscado interno, el acabado de caras hexagonales y el mecanizado de extremos. Los métodos habituales de procesamiento de roscas son el roscado con macho y el laminado. El roscado con macho es adecuado para la fabricación en serie o roscas no estándar, empleando baja velocidad (10-20 rpm) y múltiples avances. El laminado de roscas, por otro lado, es adecuado para la producción a gran escala. La rueda de laminación extruye la superficie de la pieza bruta para formar la rosca, lo que resulta en una alta eficiencia y una excelente calidad superficial.

El mecanizado de precisión de caras hexagonales suele implicar fresado o rectificado CNC para garantizar que dimensiones como la anchura entre caras y entre esquinas cumplan con las normas (p. ej., GB/T 6170-2015, «Tuercas hexagonales tipo 1»). Las tolerancias se controlan generalmente dentro de las normas IT8-IT10. El refrentado se realiza mediante torneado o rectificado para garantizar el paralelismo y la planitud de ambas caras de la tuerca. El error de paralelismo debe ser ≤ 0.02 mm/100 mm para garantizar una fuerza uniforme durante el montaje.

Tratamiento térmico

El objetivo del tratamiento térmico es ajustar las propiedades mecánicas de las tuercas hexagonales de titanio, eliminar las tensiones de procesamiento y mejorar su fiabilidad. Los procesos más comunes incluyen el recocido y el envejecimiento por solución. El recocido es la técnica de tratamiento térmico más utilizada, principalmente para eliminar las tensiones internas generadas durante el estampado en frío y el mecanizado CNC, mejorando así la plasticidad y la tenacidad del material. Los parámetros del tratamiento térmico se determinan según el grado de la aleación de titanio: el titanio puro TA2 se recoce a 600-700 °C, se mantiene durante 1-3 horas y luego se enfría al aire; la aleación de titanio TC4 se recoce a 700-800 °C, se mantiene durante 1-2 horas y luego se enfría en horno. El recocido reduce significativamente la tensión interna en las tuercas hexagonales de titanio, previniendo la deformación y el agrietamiento durante el procesamiento o uso posterior.

Para aplicaciones que requieren alta resistencia, las tuercas de aleación de titanio requieren un tratamiento de envejecimiento por solución. En el caso de TC4, el tratamiento se realiza a 920-950 °C, manteniéndolo durante 30-60 minutos, y luego se enfría en agua para disolver completamente los elementos de aleación y formar una solución sólida sobresaturada. Posteriormente, el tratamiento de envejecimiento se realiza a 450-550 °C, manteniéndolo durante 4-8 horas, y luego se enfría al aire para precipitar una fase de refuerzo fina (fase α), lo que aumenta la resistencia a la tracción de la tuerca a más de 900 MPa. Sin embargo, el tratamiento de envejecimiento por solución reduce la plasticidad del material, por lo que se debe mantener un equilibrio entre resistencia y tenacidad en función de las condiciones reales de operación.