Aluminio vs acero en mecanizado CNC: costo y rendimiento

Aluminio vs acero en mecanizado CNC: costo y rendimiento

El aluminio y el acero son las dos respuestas por defecto a «de qué material debe ser esta pieza», y
la mayoría de los planos elige uno sin explicar por qué. La versión corta: el aluminio gana en
peso, en costo de mecanizado y en todo lo que haya que soldar; el acero gana en desgaste, en
rigidez con poco espesor y en todo lo que tenga que ser duro. La diferencia de densidad por sí
sola — 2.70 g/cm³ frente a 7.85 g/cm³, un factor de unas 2.9 — resuelve por sí sola un número
sorprendente de planos.

Este artículo pone los grados habituales uno al lado del otro y le da las reglas de decisión.

La respuesta corta

• Elija aluminio cuando la pieza sea sensible al peso, tenga que soldarse, deba sobrevivir en un
  ambiente húmedo o corrosivo, o sea simplemente una pieza de alto volumen donde manden el tiempo
  de ciclo y el costo de herramienta. 6061-T6 es el valor por defecto y cubre la mayoría de los
  trabajos.
• Elija acero cuando la pieza reciba impactos, se desgaste contra otra superficie, tenga que ser
  dura o resistente en una sección pequeña, o esté junto al calor. 1045 para ejes y soportes en
  general, 4140 para piezas que necesitan tratamiento térmico, 4340 cuando la carga es alta.
• No juzgue solo por la resistencia. Divida la resistencia a la tracción entre la densidad y el
  orden cambia: 6061-T6 llega a unos 115 MPa por g/cm³, mientras que incluso 4340 — el acero
  aleado más fuerte de la tabla siguiente — llega a unos 95. El aluminio tiene mejor relación
  resistencia-peso en casi todos los grados.
• En dureza y resistencia al desgaste el acero no tiene respuesta. El aluminio llega como
  mucho a 95–150 HB; 4140 y 4340 se pueden tratar térmicamente hasta 38 y 50 HRC, y el D2 hasta
  62 HRC.

Comparación de propiedades

Los números siguientes son los valores ya publicados en las páginas de materiales de este sitio,
así que puede contrastar cualquiera de ellos con su propia página de detalle.

Una salvedad sobre las cifras del acero: los valores de tracción de 1045, 4140 y 4340 están
dados en estado recocido, mientras que los del aluminio están en su estado de trabajo (T6, H32).
El acero tratado térmicamente sube mucho respecto a la cifra recocida — un 4340 templado y
revenido a 50 HRC es mucho más fuerte que los 745 MPa de la tabla. La comparación sigue siendo
justa como punto de partida, pero no la use como valores admisibles de diseño.

Resistencia específica: donde gana el aluminio

El cálculo útil es la resistencia a la tracción dividida por la densidad. Dice cuánta carga puede
soportar una masa dada de material, que es justo lo que le importa a un diseño sensible al peso.

Grado	Tracción (MPa)	Densidad (g/cm³)	Resistencia específica a la tracción (MPa por g/cm³)
6061-T6	310	2.70	114.8
6082-T6	340	2.71	125.5
2024-T4	469	2.78	168.7
7075-T6	572	2.81	203.6
1045	585	7.85	74.5
4140	655	7.85	83.4
4340	745	7.85	94.9

Dos resultados merecen una pausa. Primero, 6061-T6 supera en relación resistencia-peso a todos
y cada uno de estos grados de acero. Segundo, 1045 — el acero al carbono más común en el taller
— tiene una resistencia específica de unos 75, apenas por encima del 5052-H32 en 72, el aluminio
más débil de la tabla.

Eso no hace que 1045 sea una mala elección. Lo convierte en una elección basada en la rigidez, el
desgaste y el costo, no en la resistencia por kilogramo.

Donde gana el acero

Hay cuatro casos en los que el aluminio es la respuesta equivocada, y ninguno tiene que ver con el
peso.

1. Desgaste contra otra superficie. Un buje, un eje, una placa de desgaste o una cara de sello
   necesita dureza. El aluminio no mantiene un filo; el 4140 a 38 HRC o el 4340 a 50 HRC sí.
2. Secciones pequeñas con carga alta. El aluminio necesita aproximadamente el doble de sección
   que el acero para soportar la misma carga. Si la geometría está fijada por otra cosa — una
   pieza de acoplamiento, una carcasa, una brida estándar — puede que no haya espacio para la
   sección de aluminio más gruesa.
3. Impacto y golpes. El aluminio tiene una tenacidad a la fractura mucho menor y se deforma
   antes de fallar. El acero se deforma y sobrevive.
4. Calor. El acero maneja la temperatura mucho mejor. Para una pieza junto a un horno, un molde
   o un motor, el aluminio es la familia de material equivocada.

Costo de mecanizado: lo que realmente mueve el precio

El precio del material suele ser la mitad más pequeña de la cotización. Estos cuatro puntos suelen
ser la mitad más grande.

• Tiempo de ciclo. El aluminio está clasificado como "Excelente" en mecanizabilidad en las
  páginas de materiales de este sitio, y el 1045 y el 4140 solo como "Buena". En la práctica, una
  pieza de aluminio con la misma geometría corre más rápido y a menudo puede correr con mayores
  velocidades de avance.
• Vida útil de la herramienta. El aluminio es mucho más benévolo con las plaquitas. El 7075-T6,
  aunque solo está clasificado como "Buena", corta más duro y desgasta la herramienta visiblemente
  más rápido. Esta es la razón más común de que una pieza de 7075 termine costando más de lo que
  sugería la cotización de 6061.
• Operaciones secundarias. El aluminio se suelda y se anodiza; el acero a menudo necesita
  precalentamiento antes de soldar y decapado o pasivado después. Son cargos de preparación
  separados.
• Desbarrado y acabado. Un material más blando y más dúctil genera rebabas distintas y a
  menudo necesita más trabajo manual o una estrategia de desbarrado diferente.

El acero no es más caro de mecanizar en todos los casos. El 4340 y el D2 están clasificados como
"Regular" y "Mala" en mecanizabilidad — el D2 específicamente por sus carburos abrasivos — y esos
grados costarán más en tiempo de ciclo que el 6061. La combinación cara no es «acero»; es «acero
para herramientas duro, abrasivo y con tolerancias estrechas».

Un orden de decisión que puede seguir

Cuando un plano llega a su escritorio, pregunte en este orden:

1. ¿La pieza roza contra otra superficie o necesita un filo duro? Sí → acero, y elija el estado
   de temple según el requisito de desgaste y no según el precio.
2. ¿La pieza es crítica en peso o se maneja mucho? Sí → aluminio, y compruebe que el espesor
   siga siendo mecanizable.
3. ¿Hay soldadura? Si la respuesta es sí y la pieza es de aluminio, la respuesta es 6061 o 6082.
   Si la pieza debe ser de acero, el 1045 se suelda sin precalentamiento; el 4140 y el 4340 lo
   necesitan.
4. ¿Está cerca del calor o tiene que sobrevivir un impacto? Sí → acero.
5. ¿Nada de lo anterior? → 6061-T6. Es el camino más barato a una pieza terminada en la
   mayoría de los casos.
   

   

Cómo le ayudamos con esta decisión

La selección de material es un paso fijo de la revisión DFM que hacemos entre recibir un plano y
devolver una cotización. Nuestros ingenieros comprueban:

• Si el plano indica la aleación y el estado. «Pieza de acero» no es una especificación; el 1045
  y el 4340 son productos distintos con precios y plazos de entrega distintos.
• Si el acabado de superficie y el material concuerdan. El anodizado solo se aplica al aluminio, y
  el anodizado duro sobre 7075 genera esfuerzos residuales que deben contabilizarse.
• Si el tratamiento térmico es realmente necesario o si se copió de un plano anterior. Es una de las
  partidas más caras de una cotización de acero y a menudo es innecesaria.
• El plan de herramienta y tiempo de ciclo, que suele ser lo que convierte «el aluminio es más
  barato» en una cifra comparable con la alternativa en acero.

Si tiene una pieza donde la elección de material sigue abierta, envíenos el archivo y le
devolveremos una cotización para ambas opciones para que pueda compararlas sobre la misma base.

Los valores de propiedades son cifras típicas de manuales públicos de materiales (ASM/MatWeb) y de
las páginas de materiales de este sitio. Los valores reales varían según la forma del producto, el
estado y el lote. Tome sus decisiones de ingeniería sobre la especificación de material que tiene en
manos y sobre datos medidos, no solo sobre esta tabla.