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Aunque el acero inoxidable ofrece una resistencia química superior, un límite elástico excepcional y una gran resistencia a las manchas en comparación con el acero al carbono o las aleaciones de aluminio, sus propiedades mecánicas suponen una gran dificultad para las herramientas de corte estándar.
Es imprescindible optimizar la selección de herramientas, las tolerancias de las piezas y los parámetros de corte para establecer ciclos de producción predecibles y evitar fallos catastróficos de las herramientas.
¿Por qué es tan difícil mecanizar el acero inoxidable?
Hay cuatro mecanismos metalúrgicos distintos que provocan un aumento de las fuerzas de corte, la acumulación de calor y el riesgo estructural durante las operaciones de mecanizado.
Endurecimiento por deformación
El endurecimiento es el proceso por el cual un material se vuelve más duro tras sufrir una deformación permanente. Doblar un clip ilustra este efecto de forma directa: doblarlo es fácil, pero enderezarlo de nuevo requiere más fuerza porque el metal se ha endurecido en la zona donde se deformó.
Los aceros inoxidables austeníticos se encuentran entre los metales más susceptibles al endurecimiento por deformación. Cada pasada que no logra cortar con la profundidad suficiente deja una capa endurecida, y la siguiente pasada tiene que cortar a través de un material que ahora es más duro que el metal base. Una mayor dureza aumenta la resistencia al corte y acelera el desgaste de la herramienta, lo que agrava el problema con cada pasada posterior.
Baja conductividad térmica
El acero inoxidable conduce el calor a una velocidad de 15-30 W/m·K, muy por debajo del acero al carbono (30-60 W/m·K) y del aluminio (237 W/m·K). El calor generado en el filo no tiene dónde disiparse, por lo que permanece concentrado en la zona de corte en lugar de disiparse a través de la pieza de trabajo. La elevada temperatura de corte reduce el límite elástico y la dureza de la herramienta, lo que provoca astillamientos prematuros o incluso la rotura total de la herramienta.
Elevadas fuerzas de corte y vibraciones
La resistencia y la ductilidad del acero inoxidable exigen fuerzas de corte mayores que las de los aceros de fácil mecanizado o el aluminio, y esa combinación hace que el material sea propenso a las vibraciones. Las vibraciones deterioran el acabado superficial, desgastan las plaquitas de la herramienta y acortan la vida útil del husillo con el paso del tiempo.
Problemas relacionados con el desgaste rápido de las herramientas y el control de las virutas
El endurecimiento por deformación, la retención de calor y las elevadas fuerzas de corte se combinan para acelerar el desgaste de la herramienta y complicar el control de las virutas. El acero inoxidable produce virutas largas y fibrosas debido a su resistencia y ductilidad. Estas virutas rozan la superficie de la herramienta, lo que intensifica la concentración de calor y la fuerza de corte, e interfieren en el proceso al dañar tanto la superficie mecanizada como la propia herramienta.
Índice de maquinabilidad y clasificaciones por familias
Elegir el acero inoxidable adecuado para una aplicación concreta puede marcar la diferencia entre una producción eficiente y unos costes que se disparan.
En la industria manufacturera, la facilidad relativa para cortar metal se compara con el AISI 1112, un acero al carbono de fácil mecanizado al que se le asigna una puntuación de referencia del 100 %. Un tipo de acero con una puntuación de mecanizabilidad del 50 % requiere una reducción del 50 % en la velocidad lineal de corte para alcanzar una vida útil de la herramienta equivalente a la del acero de referencia.
Índices de maquinabilidad de las aleaciones de acero inoxidable estándar
| Calidad del acero inoxidable | Índice de maquinabilidad | Familia metalúrgica | Característica principal de aleación |
| Grado 303 | 78 % | Austenítico | Alto contenido en azufre para la rotura de virutas |
| Grado 304 | 45 % | Austenítico | Línea de referencia estándar de cromo-níquel |
| Grado 316 | 40 % | Austenítico | Adición de molibdeno para mejorar la resistencia al cloruro |
| Grado 430 | 60 % | Ferítico | Composición de cromo puro con bajo contenido en carbono |
| Grado 416 | 85 % | Martensítico | De fácil mecanizado, templable mediante tratamiento térmico |
| Grado 2205 | Entre el 20 % y el 30 % | Duplex | Estructura cristalina mixta austenítica-ferrítica |
| Grado 630 (17-4 PH) | 30 % | Endurecible por precipitación | Tratamiento de envejecimiento por precipitación de aleaciones de cobre. |
Elegir el grado adecuado
Existen más de 100 aleaciones de acero inoxidable, la mayoría de las cuales se clasifican en cinco categorías principales: austeníticas, ferríticas, martensíticas, dúplex y de endurecimiento por precipitación. Estas categorías reflejan las diferencias en la estructura atómica y en los elementos de aleación, que a su vez determinan las propiedades y el uso final de cada tipo de aleación.
El grado adecuado para una aplicación determinada es aquel que satisface las exigencias de carga y del entorno de servicio con el menor coste combinado de aprovisionamiento y mecanizado.
| Curso | Lo mejor para | Evite hacerlo cuando |
| 303 | Producción automatizada a gran escala, elementos de fijación, casquillos, engranajes | Exposición a entornos marinos o a sustancias químicas, conjuntos soldados, conformado pesado |
| 304 | Piezas de uso general, utensilios de cocina, paneles arquitectónicos, herrajes para exteriores | Entornos salinos o ácidos, calor intenso y prolongado, tiradas de gran volumen |
| 316 | Accesorios náuticos, manipulación de productos químicos, piezas de uso alimentario y quirúrgico | Trabajos de gran volumen en los que el presupuesto es un factor determinante, aplicaciones que requieren resistencia tras el tratamiento térmico |
| 416 | Engranajes, ejes, componentes de válvulas y piezas de máquinas de torneado que requieren rapidez | Conjuntos soldados, piezas curvadas, exposición al ambiente marino o a los cloruros |
| 630 (17-4 PH) | Cuchillas de mezcladoras, matrices de moldeo y válvulas que requieren una alta resistencia al desgaste | Temperaturas superiores a 315 °C, funcionamiento a temperaturas bajo cero, presupuestos ajustados |
| 2205 (duplex) | Recipientes a presión, riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión, reducción de peso | Mecanizado complejo de gran volumen, curvaturas extremas, presupuestos ajustados |
Grado 303
El 303 es un acero inoxidable austenítico muy apreciado por sus propiedades de fácil mecanizado, aunque dicha mecanizabilidad se consigue a costa de una menor resistencia a la corrosión, soldabilidad y resistencia mecánica en comparación con otros grados austeníticos.
El 303 es adecuado para la producción automatizada a gran escala de piezas complejas y de gran detalle. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen los accesorios para aeronaves, los casquillos, los elementos de fijación, los engranajes y los ejes. Su menor resistencia a la corrosión limita su uso en entornos agresivos, como los marinos, costeros o químicos. Se debe evitar el uso del 303 en ensamblajes soldados, ya que tiende a presentar grietas en caliente, así como en piezas que requieran una flexión significativa o conformado en frío.
Grado 304
El grado 304 es el acero inoxidable de uso general más utilizado, muy apreciado por su facilidad de conformado, su resistencia a la corrosión y su precio asequible.
En fregaderos, frigoríficos, hornos, muebles de cocina y paneles arquitectónicos se suele utilizar el acero 304 por su aspecto y su resistencia a las manchas. Además, soporta bien el doblado intenso y el conformado en frío, lo que lo hace adecuado para utensilios de cocina. El acero inoxidable austenítico 304 supera al 303 en cuanto a soldabilidad y resiste bien la exposición al aire libre, lo que amplía su uso a estructuras, tuberías y herrajes expuestos a la lluvia y al agua dulce.
No se recomienda el uso del acero 304 en entornos de agua salada, ácidos o con productos químicos agresivos, ni para un uso prolongado a altas temperaturas, ya que en esas condiciones sufre la formación de incrustaciones y una pérdida de resistencia. Además, es duro y pegajoso al cortarlo, lo que limita su eficiencia en la producción a gran escala.
El 304 constituye la referencia práctica en cuanto a costes para la elección del tipo de acero. Cuando los requisitos de una aplicación se ajustan a su ámbito de aplicación, el 304 ofrece una resistencia para uso general y un acabado pulible a un coste razonable. Opte por el acero inoxidable austenítico 316 en caso de exposición a cloruros, por el 17-4 PH si se requiere una mayor resistencia, o por el 303 si se busca un mecanizado más sencillo, únicamente cuando el 304 no pueda cumplir con los requisitos del entorno de servicio, el caso de carga o los requisitos de fabricación.
Grado 316
El grado 316 es el acero inoxidable de calidad marina por excelencia, diseñado para resistir el agua de mar, los productos químicos y los disolventes industriales.
El 316 es la opción preferida para herrajes marinos y costeros, accesorios para embarcaciones y componentes arquitectónicos expuestos al aire salino. También es adecuado para depósitos de almacenamiento, tuberías y sistemas de manipulación de productos químicos corrosivos, ácidos y cloruros. Su superficie no porosa y su capa de cromo autorreparable impiden la proliferación de bacterias, lo que facilita su esterilización y lo hace idóneo para aplicaciones alimentarias, médicas y quirúrgicas.
El 316 no se puede endurecer mediante tratamiento térmico, por lo que debe evitarse en aquellos casos en los que se requiera una resistencia estructural o al desgaste extremas. Al igual que el 304, es tenaz y pegajoso, lo que limita su viabilidad para la producción a gran escala. El coste del material en stock del 316 es aproximadamente entre un 10 % y un 30 % superior al del 304, y su mecanizado lleva más tiempo, por lo que conviene reservar el 316 para aquellas aplicaciones en las que el coste adicional esté justificado.
Grade 416
El 416 es un acero inoxidable martensítico de fácil mecanizado y el tipo de acero inoxidable más fácil de cortar. Su índice de mecanizabilidad del 85 % supera al de cualquier otro tipo de acero inoxidable, por delante del 303, que se sitúa en el 78 %. El azufre añadido para conseguirlo facilita la rotura limpia de las virutas y permite velocidades y avances más rápidos que los que admite cualquier tipo de acero austenítico.
A diferencia del 303, el 416 puede endurecerse mediante tratamiento térmico, lo que lo convierte en una opción idónea cuando una pieza requiere tanto un mecanizado sencillo como una resistencia mecánica o a la abrasión significativa. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen engranajes, ejes, pernos, espárragos, componentes de válvulas, ejes de bombas y piezas fabricadas en grandes series con máquinas automáticas de tornillo.
El mismo azufre que hace que el 416 se corte bien limita sus prestaciones en otros aspectos. Su resistencia a la corrosión es, en el mejor de los casos, moderada, inferior tanto a la del 304 como a la de su grado de origen, el 410, por lo que el 416 no es adecuado para entornos con cloruro o exposición marina. Además, es magnético y presenta dificultades para soldarse y conformarse en frío, ya que el azufre favorece la formación de grietas en caliente. Evite utilizar el 416 en ensamblajes soldados o piezas que requieran doblado.
Elija el 416 cuando el coste del mecanizado sea el factor decisivo y las condiciones de uso sean moderadas. Opte por el 304 si necesitas resistencia a la corrosión, o quédese con el 303 si busca un grado de fácil mecanizado que tolere mejor la exposición a la sal o al ácido.
Grado 630 (17-4 PH)
El grado 630 es un acero martensítico endurecido por precipitación conocido por su elevada resistencia. Su dureza lo hace idóneo para equipos que deben resistir el desgaste, los arañazos y la erosión, como las palas de mezcladoras, los moldes y las válvulas.
A pesar de su resistencia, las propiedades metalúrgicas del acero 17-4 PH lo hacen frágil en determinadas condiciones térmicas y químicas. No es adecuado para temperaturas superiores a 315 °C, para uso a temperaturas bajo cero ni para la inmersión marina permanente.
El acero 17-4 PH no es una opción económica. Requiere un proceso de envejecimiento específico para alcanzar su resistencia máxima, lo que aumenta los costes de material y de procesamiento. Cuando la resistencia estándar cumple los requisitos de la aplicación, el grado 304 es la mejor opción.
Grado 2205
El grado 2205 es un acero inoxidable dúplex que combina la resistencia del acero ferrítico con la resistencia a la corrosión del acero austenítico, lo que le confiere aproximadamente el doble de resistencia que el acero inoxidable estándar de la serie 300.
Esa resistencia lo hace idóneo para aplicaciones sometidas a grandes esfuerzos, como recipientes a presión, depósitos de almacenamiento y elementos estructurales, y permite diseñar estructuras más ligeras, ya que se puede alcanzar la misma resistencia con una construcción más ligera. La resistencia del 2205 a los productos químicos agresivos, los cloruros y otras sales amplía su uso a entornos marinos y otros entornos exigentes.
Al igual que el 17-4 PH, el 2205 puede volverse frágil a temperaturas extremadamente altas o bajo cero, en piezas que requieran una flexión extrema o en la producción a gran escala de geometrías complejas. El 2205 cuesta aproximadamente un 20 % más que el 316 y un 50 % más que el 304, por lo que no debe seleccionarse mientras el 304 o el 316 sigan cumpliendo los requisitos. Sin embargo, cuando el riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión es elevado, el 2205 es la única opción adecuada, ya que el 304 y el 316 fallarían inmediatamente en ese entorno.
Casos de uso en ingeniería de producción
| Material | Operación | Parámetro | Fallo evitado | Resultado |
| Austenítico grado 316 | Fresado plano de caras | Acoplamiento radial ligero, muy por debajo del diámetro total de la fresa | Desgaste prematuro de los cráteres | Menor acumulación de calor y mayor vida útil de la herramienta gracias a la formación de virutas más finas. |
| Acero martensítico grado 416 | Torneado automatizado al estilo suizo | Altas velocidades de mecanizado sin azufre | Acumulación de virutas largas y filamentosas | Excelente evacuación volumétrica de virutas y tiempos de ciclo más cortos por pieza. |
| Duplex grado 2205 | Taladrado de agujeros ciegos profundos | Refrigerante sintético base agua para corte por inundación a alta presión | Ablandamiento térmico localizado | Control preciso de la temperatura que evita el deterioro inmediato de los bordes de la pieza. |
Normas de diseño para piezas de acero inoxidable mecanizadas
Como se ha señalado anteriormente, la fase de diseño es en la que se determina la mayor parte de los gastos de mecanizado. Por consiguiente, es fundamental respetar estas normas de diseño para el mecanizado a fin de garantizar la rentabilidad.
Directrices para la optimización del diseño para la fabricación (DfM) del acero inoxidable
| Característica objetivo del diseño | Restricción de proceso asociada | Penalización potencial del aprovisionamiento | Regla principal de anulación de DfM |
| Esquina del cajeado interior | El radio debe coincidir con el radio de la fresa | Sobrecostes por herramientas de perfil personalizado | El radio de las esquinas debe ser igual o ligeramente superior al radio estándar de la herramienta, para evitar el uso de fresas a medida y facilitar la salida de virutas. |
| Perfil del fondo del agujero | La broca helicoidal estándar deja un ángulo de 118° | Profundidad del perfil de la rosca incompleta | Añada un margen de alivio de rosca de entre 2 y 3 longitudes de paso más allá de la profundidad de rosca requerida en todos los planos de agujeros ciegos. |
| Fabricación de hilos | El par de apriete del tornillo estructural provoca la rotura | Aumento de las horas de trabajo dedicadas a la extracción de datos de EDM | Pasar al fresado con rosca helicoidal para eliminar las virutas de forma segura. |
| Tamaño de coordenada abierta | Resolución de traslación de los ejes de la máquina | Ciclos de ejecución y comprobaciones prolongados | Aplique tolerancias abiertas de Clase m mediante la configuración del bloque de título (cajetín). |
| Dimensión de pared de la pieza | Flexión extrema bajo la fuerza de corte | Deformación de la pared de la pieza y inutilización de la misma | Pasar a la herramienta dúplex 2205 para reducir el espesor de la sección transversal de forma segura. |
- No sobrediseñe las piezas
Con el acero inoxidable, es más fácil sobredimensionar las piezas debido a la gran variedad de calidades disponibles. Los diseñadores pueden optar por el 316L (donde «L» significa «bajo en carbono») simplemente por precaución, cuando el 304 habría sido suficiente. Seleccione siempre la calidad adecuada para cada aplicación. Elegir un tipo incorrecto afecta no solo al aprovisionamiento, sino también a los costes de mecanizado y posprocesamiento. Evite tolerancias de mecanizado más ajustadas a menos que sean necesarias para el funcionamiento.
- Combine el acabado con la funcionalidad
Elegir el acabado adecuado puede marcar la diferencia entre ajustarse al presupuesto o pasárselo por completo.
La exigencia de una especificación de perfil extremadamente liso (Ra < 0,4 µm) en caras que en caras que no son de sellado o no higiénicas, obliga a añadir procesos secundarios de rectificado cilíndrico, lapeado o procedimientos de electropulido de pasadas múltiples.
Mantenga el acabado estándar tal y como ha salido de la máquina (Ra 3,2 µm) como límite por defecto siempre que el rendimiento mecánico lo permita.
- Diseño para el mecanizado CNC
Evite o modifique los elementos que no puedan fabricarse de forma fiable en máquinas CNC. Elija calidades adecuadas para el mecanizado CNC. Por ejemplo, para piezas que no requieran una resistencia extrema a la corrosión ni soldadura posterior a la fabricación, es preferible la calidad 303 frente a otras calidades más difíciles de mecanizar. Los aceros inoxidables dúplex pueden reducir el espesor de la pieza a la mitad en comparación con las calidades austeníticas estándar. El ahorro de costes se produce en múltiples frentes, desde la aprovisionamiento hasta el tratamiento posterior al procesamiento.
Mecanizado del acero inoxidable
El acero inoxidable requiere un enfoque meticuloso en lo que respecta a las herramientas, la velocidad y la refrigeración.
| Práctica | Recomendación | Por qué es importante |
| Material de la herramienta | Carburo recubierto, grano submicrónico para mayor tenacidad; recubrimiento de TiAlN o AlTiN para series de gran volumen | Las herramientas estándar fallan debido al calor y a la acumulación de rebabas |
| Velocidad de corte | Conservativa | La alta velocidad aumenta la temperatura de corte y reduce la vida útil de la herramienta |
| Velocidad de avance | Agresiva, con alimentación constante | Las bajas velocidades de avance provocan rozamiento, lo que da lugar al endurecimiento por deformación. |
| Profundidad de corte | Con una profundidad suficiente para atravesar la capa endurecida por deformación en cada pasada | Una pasada de acabado superficial penetra en el material endurecido en lugar de en el metal sin tratar |
| Refrigeración | Líquido refrigerante a base de agua para operaciones a alta velocidad; aceite de corte puro para roscar y hacer roscas | La acumulación de calor pone en peligro la vida útil de las herramientas más que la fricción |
| Configuración de la máquina | Rígido, con una elevada fuerza de sujeción y una saliente corta de la herramienta | La deflexión provoca vibraciones, endurecimiento por deformación y rotura de la herramienta |
El fresado de roscas suele ser una opción más adecuada que el roscado con macho en el acero inoxidable, ya que reduce la fricción y la tensión que sufre la herramienta en un material que ya es propenso al endurecimiento por deformación.
Los ingenieros que calculan las dimensiones de las roscas internas con cualquiera de estos métodos pueden contrastar los tamaños de los taladros de roscado con la calculadora de tamaños de roscas y taladros de roscado antes de decidirse por una estrategia de roscado.
Tratamientos posteriores al mecanizado
El mecanizado deja rastros de contaminación superficial, riesgo de óxido y desgaste prematuro, y el procesamiento secundario se encarga de resolver cada uno de estos problemas antes de que se envíe una pieza de acero inoxidable.
Limpieza y desengrasado
Las piezas mecanizadas deben limpiarse para eliminar los fluidos de corte, los aceites y las virutas, normalmente mediante una limpieza alcalina o un desengrasado con disolventes. Este paso es necesario antes de la pasivación, ya que los residuos presentes en la superficie impiden que el baño ácido actúe correctamente.
Pasivado
El pasivado consiste en tratar químicamente el acero inoxidable con ácido nítrico o cítrico, con el fin de eliminar el hierro libre que deja la herramienta de corte y que, de otro modo, actuaría como punto de inicio de la corrosión. El proceso restaura la capa uniforme de óxido de cromo responsable de la resistencia a la corrosión del material.
Electropulido
El electropulido es un proceso electroquímico que elimina una fina capa superficial, alisando las irregularidades microscópicas y dando lugar a una superficie limpia, de baja fricción y altamente resistente a la corrosión. Suele utilizarse en aplicaciones médicas, farmacéuticas, de semiconductores y de uso alimentario.
Alternativas al acero inoxidable
El acero inoxidable es la opción preferida cuando una aplicación requiere la máxima resistencia a la corrosión, un funcionamiento a altas temperaturas, un aspecto estético atractivo y estrictas propiedades higiénicas.
Cuando las dificultades de mecanizado superan las ventajas, puede que haya otros materiales más adecuados para la aplicación.
| Alternativa | Elija cuándo |
| Acero dulce | El presupuesto es limitado y las piezas pueden pintarse o recubrirse para protegerlas contra la corrosión |
| Aluminio | El peso y la conductividad térmica son más importantes que la resistencia mecánica o la resistencia a la corrosión |
| Latón | La facilidad de mecanizado y una resistencia moderada a la corrosión son aspectos prioritarios, además de sus propiedades antimicrobianas |
| Plástico o material compuesto | El aislamiento eléctrico, el peso y el coste prevalecen sobre las necesidades de resistencia mecánica |
Compare las especificaciones con los requisitos
El acero inoxidable ofrece una resistencia a la corrosión y una durabilidad que pocos materiales pueden igualar, pero cada una de esas propiedades aumenta la fricción en la máquina. La selección del grado, la disciplina en materia de tolerancias, la elección de las herramientas y el posprocesamiento apuntan todos en la misma dirección: ajustar la especificación a los requisitos reales de servicio, y no a la que parezca más segura.
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