Montaje de piezas de magnesio

El tornillo formador de roscas ALtracs Plus tiene una geometría de rosca única que proporciona una mayor área de corte entre las roscas, lo que resulta en un mayor rendimiento de extracción y desprendimiento. Foto cortesía de EJOT

El sujetador Magtite 2000 tiene un eje trilobular con roscas redondeadas en lugar de anguladas. Foto cortesía de Research Engineering & Manufacturing Inc.

Fiat Chrysler Automobiles está utilizando magnesio para la puerta trasera de la minivan Pacifica 2017. Foto cortesía de FCA

General Motors introdujo recientemente un nuevo proceso de conformación térmica y un tratamiento de resistencia a la corrosión que permitirá al fabricante de automóviles utilizar láminas de magnesio para las tapas del maletero trasero, los paneles de la carrocería y otras piezas. Foto cortesía de General Motors Co.

Los esfuerzos para reducir el peso de los vehículos se han centrado principalmente en el aluminio, los plásticos y los compuestos, pero también está atrayendo la atención otro material ligero: el magnesio. El magnesio, el noveno elemento más abundante del universo, es tan fuerte como el acero, pero un 33 por ciento más ligero que el aluminio, un 60 por ciento más ligero que el titanio y un 75 por ciento más ligero que el acero.

La demanda mundial de magnesio está creciendo constantemente a un ritmo del 3 por ciento anual, impulsada principalmente por la industria automotriz. Según la firma de investigación de mercado Ducker Worldwide, un vehículo liviano promedio contiene alrededor de 10 libras de magnesio, y esa cantidad podría triplicarse para 2025.

Los fabricantes de automóviles están utilizando magnesio para una variedad de componentes, incluidos marcos de paneles de instrumentos, marcos de asientos, volantes, cajas de cambios y bolsas de aire, cierres, soportes, soportes delanteros, soportes de motor, bloques de motor e incluso componentes estructurales. Fiat Chrysler Automobiles está utilizando magnesio para la puerta trasera de su minivan Pacifica 2017. General Motors introdujo recientemente un nuevo proceso de conformación térmica y un tratamiento de resistencia a la corrosión que permitirá al fabricante de automóviles utilizar láminas de magnesio para las tapas del maletero trasero, los paneles de la carrocería y otras piezas.

El uso de magnesio en aplicaciones automotrices puede proporcionar más que solo ahorro de peso. Debido a que el material es apto para fundición a presión, fundición en arena y métodos de producción similares, brinda a los ingenieros la oportunidad de reducir costos mediante la consolidación de piezas.

Los fabricantes de automóviles no son los únicos que aprovechan la resistencia y el peso ligero del magnesio. En la industria aeroespacial, el magnesio se puede encontrar en los inversores de empuje de los aviones de pasajeros y en las carcasas de transmisión de los helicópteros. También se utiliza en misiles.

A los ensambladores de productos electrónicos también les gusta la resistencia, la durabilidad y el peso ligero del magnesio. El magnesio también disipa el calor y protege contra interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia. Las carcasas de cámaras, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y reproductores multimedia portátiles suelen estar hechas de magnesio.

Las piezas de magnesio se pueden encontrar en artículos deportivos, como palos de golf, cuadros de bicicletas y patines en línea, así como en artículos para el hogar, como aspiradoras, herramientas eléctricas, motosierras y cortadoras de césped.

"Estamos viendo cada vez más aplicaciones para la fijación de magnesio", dice Terry Tripp, especialista en productos de ingeniería de Semblex Corp.

Sin embargo, a pesar de todos sus beneficios, el magnesio es un material desafiante para los métodos de unión térmica, química y mecánica.

Soldar magnesio requiere un consumo de energía bajo y controlado. Además, debido a que el metal tiene una alta afinidad por el oxígeno, se necesitan gases protectores.

Para la unión adhesiva es necesaria una preparación exhaustiva de la superficie. Como mínimo, las piezas de magnesio deben desengrasarse antes de unirlas y es posible que también deban grabarse con ácido crómico. El grabado cambia las propiedades físicas y químicas de la superficie del metal para mejorar la adhesión.

El magnesio es menos dúctil que el acero o el aluminio, por lo que los sujetadores que funcionan con esos metales pueden ser inadecuados para piezas de magnesio. Y, debido a su bajo potencial electronegativo, el magnesio es susceptible a la corrosión galvánica.

El magnesio es quebradizo. Los tornillos cortahilos no son una opción porque las roscas se romperían. Los sujetadores autoadhesivos tampoco son viables, ya que el metal no fluirá fácilmente hacia los huecos de los sujetadores. (Sin embargo, puede ser útil calentar el metal antes de la instalación).

Los tornillos formadores de rosca para piezas de acero cuentan con roscas muy espaciadas que tienen un ángulo de flanco de 60 grados. Estos elementos de fijación son demasiado agresivos para las piezas de magnesio, afirma Tripp. El metal se irritará y se atascará en los hilos.

Un problema relacionado es que un tornillo de acero es mucho más resistente que el magnesio. Bajo la carga de la abrazadera, el magnesio puede fluir lentamente fuera del sujetador, lo que hace que la junta se afloje con el tiempo.

Como resultado, los ingenieros deberían diseñar piezas de magnesio para proporcionar un mayor enganche de rosca que piezas de acero comparables. Como regla general, la longitud de la rosca en una pieza de acero normalmente debe ser sólo de 0,75 a 0,87 veces el diámetro del sujetador. Por el contrario, la longitud de la rosca en una pieza de magnesio debe ser de 2 a 2,5 veces el diámetro del sujetador. Si el orificio no se puede hacer más profundo, se puede hacer con un diámetro más pequeño, de modo que quede enganchada una mayor porción de cada hilo.

La corrosión galvánica es otra preocupación al sujetar piezas de magnesio. Cuando el magnesio entra en contacto con otros metales en presencia de un electrolito, como la sal para carreteras, puede producirse una corrosión galvánica grave. Para evitar que esto suceda, las piezas acopladas deben estar hechas de metales galvánicamente compatibles; revestido con metales galvánicamente compatibles, como zinc; o recubierto con un material eléctricamente aislante, como el nailon. Las aleaciones ferrosas, las aleaciones de titanio y las aleaciones no ferrosas que contienen níquel o cobre tienen poca compatibilidad galvánica con el magnesio.

Además, los ingenieros pueden diseñar la junta para limitar la exposición a los electrolitos. Por ejemplo, los tornillos deben introducirse en agujeros ciegos en lugar de agujeros pasantes, de modo que la punta del sujetador no quede expuesta al medio ambiente. Se debe dejar espacio libre alrededor de la cabeza del sujetador para permitir el drenaje. El sujetador también se puede combinar con una arandela de aluminio o un material no conductor.

Los ensambladores pueden perforar y roscar agujeros en piezas fundidas de magnesio. Sin embargo, la porosidad de las piezas fundidas puede ser un problema durante la perforación y, por lo general, se necesitan lubricantes especiales para evitar la irritación.

Los tornillos roscados son quizás el medio más eficaz para sujetar piezas de magnesio. Estos tornillos eliminan el costo de taladrar, roscar, limpiar e inspeccionar orificios y brindan a los diseñadores más flexibilidad que los conjuntos de tuercas y pernos.

Se han diseñado varios tornillos roscados específicamente para piezas de magnesio.

Un ejemplo es el tornillo Mag-Form de Acument Global Technologies Inc. Tiene un perfil de vástago pentagonal, roscas muy espaciadas y un ángulo de flanco amplio de 105 grados. Cuando se introduce en magnesio, una acción compresiva forma hilos fuertes con una mínima generación de residuos. El gran ángulo del flanco permite insertar y retirar el sujetador varias veces sin dañar las roscas.

"El sujetador Mag-Form saca el material y lo comprime", dice Tripp.

Debido a que producen una cantidad mínima de residuos durante la instalación, los sujetadores Mag-Form son ideales para aplicaciones críticas, como componentes de dirección y módulos de bolsas de aire.

Otra opción es el tornillo autorroscante ALtracs Plus de EJOT. El sujetador tiene una geometría de rosca única que proporciona una mayor área de corte entre las roscas, lo que resulta en un mayor rendimiento de extracción y desprendimiento.

Las roscas tienen un ángulo de flanco asimétrico de 33 grados (un ángulo de flanco de carga de 22 grados y un ángulo de flanco trasero de 11 grados). Esto minimiza la cantidad de material que desplazan los hilos, dice Tripp. El soporte de la raíz del flanco brinda estabilidad a la rosca en condiciones de alta carga de sujeción sin obstaculizar el flujo de material durante la formación de la rosca.

La forma del cuerpo redondo proporciona un mayor enganche de la rosca que los sujetadores multilobulares, lo que mejora la retención de la abrazadera y garantiza la resistencia de la unión a largo plazo.

La zona de formación de roscas consta de una punta no circular ahusada con superficies planas en relieve que forman roscas. El cono ayuda a los ensambladores a alinear el tornillo en el orificio y reduce la cantidad de fuerza y ​​torsión necesarias para iniciar el proceso de formación de roscas. Las áreas planas de la rosca proporcionan alivio durante la formación de la rosca, lo que reduce el par de accionamiento.

El ALtracs Plus es intercambiable con tornillos para metales. Como resultado, el sujetador se puede usar en roscas de tornillo de máquina roscadas existentes del mismo tamaño o, alternativamente, se puede usar un tornillo de máquina del mismo tamaño en la rosca formada por un sujetador ALtracs Plus, eliminando cualquier problema de servicio en campo.

Un tercer tornillo formador de roscas para magnesio es el Magtite 2000 de Research Engineering & Manufacturing Inc. Este sujetador tiene un eje trilobular con roscas redondeadas en lugar de anguladas. La forma trilobular proporciona un par de formación de rosca bajo y un par de falla alto. La rosca redondeada crea una rosca interna limpia y uniforme al comprimir el magnesio en lugar de desplazarlo. Esto minimiza la creación de residuos y permite retirar y volver a instalar el tornillo varias veces.

Como variación, Nitto Seiko ofrece el Magtite CP. Nitto aplica un recubrimiento de polímero a la mitad inferior del sujetador que captura incluso la pequeña cantidad de virutas que podrían crearse durante el proceso de formación de rosca. Esto puede ser fundamental para aplicaciones de ensamblaje electrónico, donde incluso partículas metálicas diminutas podrían provocar un cortocircuito.

Si se necesitan roscas de alta resistencia, los insertos roscados se pueden presionar o contraer en magnesio, pero se prefieren los insertos atornillados. Un ejemplo es el MaggCert de Acument. La superficie exterior de este inserto tubular presenta roscas Mag-Form, mientras que la superficie interior tiene roscas de tornillo de máquina estándar en su superficie interior. Disponible en los tamaños M4, M5, M6, M8 y M10, el inserto se introduce en un orificio perforado o formado utilizando un destornillador con una punta Torx Plus.

Los remaches de vástago roto, los remaches de impacto y las tuercas remachables también son opciones para ensamblar piezas de magnesio, siempre que se aborden los problemas de corrosión galvánica. Incluso se han utilizado remaches autoperforantes para unir paneles de acero y magnesio, aunque es necesario calentar el magnesio para mejorar su formabilidad y evitar grietas.

Se ha probado la formación orbital y radial con magnesio con distintos niveles de éxito.

"No hemos visto un gran impulso para este material en aplicaciones de conformado [orbital y radial]", dice Charles A. Rupprecht, vicepresidente y director general de BalTec Corp. "Esto se debe principalmente al hecho de que el magnesio tiende a doblarse mucho". fácilmente y es más suave que, digamos, el aluminio fundido. Por lo tanto, cuando se forma una pieza fundida a presión de magnesio, tiende a ocurrir un efecto de "aplastamiento" y de sobreformación que puede causar problemas en la forma terminada”.

"La composición de la aleación es fundamental", añade J. Todd Hutson, ingeniero senior de aplicaciones de Orbitform. “Los grados regulares de magnesio básicamente se desmoronan en lugar de formarse. [Hay aleaciones conformables disponibles], pero aun así, hay que tener mucho cuidado al mover el material lo menos posible”.

Por ejemplo, la aleación de magnesio AM50 (4,9 por ciento de aluminio, 0,45 por ciento de manganeso y 0,2 por ciento de zinc) es moldeable, dice Hutson, mientras que la aleación más dura AZ91D (9,7 por ciento de aluminio, 0,15 por ciento de manganeso y 1 por ciento de zinc) no lo es.

Los investigadores de Fiat Chrysler Automobiles (FCA) están trabajando en una nueva técnica de formado (unión de protuberancias retorcidas) que promete resolver el problema.

La unión de protuberancias recalcadas es similar al proceso de fijación térmica de piezas de plástico, afirma Stephen Logan, especialista técnico senior en metales ligeros y proyectos de fabricación de FCA. En ese proceso, se inserta una protuberancia en la parte base a través de un orificio en una parte coincidente. Luego, usando una herramienta calentada y presión, el extremo de la protuberancia se forma en una cabeza en forma de hongo que bloquea mecánicamente las dos partes.

La unión de protuberancias recalcadas se desarrolló como una forma de unir piezas de magnesio a sustratos metálicos diferentes. En este caso, se forma un saliente en la pieza fundida de magnesio para capturar una pieza de acero o aluminio. La herramienta de conformación es un electrodo que calienta la pieza de magnesio mediante una resistencia eléctrica. Los parámetros clave del proceso son la fuerza, el tiempo y la corriente eléctrica.

Hasta ahora, los ingenieros de FCA han probado la técnica en cupones de prueba de magnesio desnudos y pretratados, y en cupones de prueba de acero y aluminio desnudos y recubiertos.

"Se lograron juntas buenas y robustas en todas las configuraciones evaluadas", dice Logan. "Desde el punto de vista de la corrosión, ciertas combinaciones (por ejemplo, magnesio con aluminio recubierto) se consideran más viables que otras debido principalmente a la compatibilidad electrogalvánica entre los materiales".

El proceso de unión de protuberancias recalcadas aún está en etapa de desarrollo, por lo que FCA no está utilizando actualmente la técnica en producción. "La mayor parte del trabajo de desarrollo hasta la fecha se ha centrado en la capacidad de soportar aplicaciones de chasis y carrocerías de automóviles, ya que estas suelen ser algunas de las aplicaciones más exigentes desde el punto de vista de la corrosión", dice Logan.