Coeficientes de expansión térmica de materiales CNC
CTE de 22 materiales CNC en µm/m·°C con el rango de temperatura que cubre cada valor, más ejemplos resueltos de lo que las diferencias hacen a los ajustes y a la inspección.
Coeficiente de expansión térmica (CTE) por material y rango de temperatura
| Material (grado) | CTE (µm/m·°C) | Rango de temperatura | Significado de ingeniería | Fuente |
|---|---|---|---|---|
| Aluminum 1060 (commercially pure) | 23.6 | 20–100 °C | El CTE más alto entre los metales CNC comunes; los diseños de barras colectoras y disipadores deben prever huecos de expansión | ASM Handbook Vol. 2 via matmake.com |
| Aluminum 6061-T6 | 23.6 | 20–100 °C | La aleación de aluminio más mecanizada; el CTE es independiente del temple (O, T4, T6 y T651 todos 23.6) | ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J |
| Aluminum 6061-T6 | 24.6 | 20–200 °C | La media a temperatura elevada sube ~4%; use un CTE específico del rango por encima de 150 °C | MIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2 |
| Aluminum 7075-T6 | 23.6 | 20–100 °C | Grado aeroespacial; mismo CTE que 6061 pese al doble de límite elástico — simplifica el diseño de utillajes con aleaciones mixtas | matmake.com; arcuscnc.com |
| Copper C11000 (ETP) | 17.0 | 20–100 °C | Material de barras colectoras y conectores; el desnivel de CTE frente al aluminio (23.6) provoca fatiga de la unión en bornas bimetálicas | fabdigit.com (C11000-O properties) |
| Copper C11000 (ETP) | 17.0 | 20–300 °C | CTE medio sobre un rango amplio; valor de la ficha técnica del fabricante | jtcopper.com C11000 datasheet |
| Brass C36000 (free-cutting) | 20.5 | 20–100 °C (approx.) | La aleación de cobre con mejor mecanabilidad; CTE entre el cobre y el aluminio — relevante para insertos de latón en carcasas de aluminio | mechcodex.com C36000 thermal table |
| Carbon steel AISI 1045 (annealed) | 11.6 | 0–100 °C | Acero de referencia para ejes y engranajes; CTE aproximadamente la mitad del aluminio — las uniones atornilladas aluminio-acero desarrollan 0.12 mm de diferencial por cada 100 mm a ΔT = 100 °C | theworldmaterial.com AISI 1045 physical properties |
| Carbon steel AISI 1045 (annealed) | 12.3 | 0–200 °C | Media a temperatura elevada; sube con el rango de temperatura | theworldmaterial.com AISI 1045 |
| Alloy steel AISI 4140 (normalized) | 12.3 | 20–100 °C | Acero de alta resistencia para ejes; CTE similar al 1045 — intercambiables en cálculos de tensión térmica | ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com |
| Stainless steel 304/304L | 17.3 | 0–100 °C | El inoxidable austenítico se expande ~44% más que el acero al carbono; crítico para las uniones tubo-placa de intercambiadores de calor | jnalloys.com CTE comparison table |
| Stainless steel 316/316L | 15.9 | 0–100 °C | CTE más bajo que 304 pese a la estructura austenítica similar (adición de molibdeno); preferido para el diseño de expansión de tuberías marinas | jnalloys.com CTE comparison table |
| Stainless steel 17-4PH (H900) | 10.8 | 0–100 °C | Acero PH martensítico; el CTE más cercano al acero al carbono entre los grados inoxidables — ideal para racores aeroespaciales de precisión que acoplan con estructuras de acero | xometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C) |
| Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) | 8.6 | 20–100 °C | El CTE más bajo de los metales estructurales comunes; buena pareja para el CFRP (0–2) en uniones híbridas aeroespaciales | arcuscnc.com CTE comparison |
| Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) | 8.8 | 20–100 °C (approx.) | Valor publicado alternativo; la diferencia está dentro de la incertidumbre de medición (±2%) | mechcodex.com Ti-6Al-4V properties |
| Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC) | 11.7 | 20–100 °C | Acero para base de molde; el CTE debe coincidir con los aceros de los insertos para evitar agrietamiento por tensión térmica en moldes de inyección durante ciclos térmicos | ASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context) |
| Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC) | 12.0 | 20–200 °C | Acero para matrices de fundición a presión y forja; trabaja a 500–650 °C de temperatura superficial, así que el CTE de rango elevado importa para los ajustes de los insertos de matriz | ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com |
| Delrin / POM (acetal homopolymer) | 110 | 23–60 °C | Aproximadamente 5× el acero; los ajustes apretados plástico-metal se aflojan al subir la temperatura — dimensione la interferencia a la temperatura máxima de operación | firstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet |
| Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded) | 80 | 23–60 °C | La absorción de humedad añade expansión higroscópica al término térmico; 50% HR eleva el cambio dimensional efectivo ~0.2% | DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21 |
| PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G) | 47 | 23–100 °C | El CTE más bajo entre los plásticos de ingeniería sin refuerzo; se acerca al aluminio a temperatura elevada — viable para sustituir metal en entornos con ciclos térmicos | makerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55) |
| PEEK (30% glass-filled, GF30) | 27 | 23–100 °C | El refuerzo de vidrio reduce el CTE ~43%; se elige cuando la estabilidad dimensional bajo ciclos térmicos es crítica | makerstage.com PEEK grade comparison (Victrex) |
| ABS (general purpose, unfilled) | 90 | 23–60 °C | El CTE alto limita su uso en ensamblajes de precisión; aceptable para carcasas de consumo con holguras generosas | firstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets |
Cómo leer esta tabla. Donde dos fuentes difieren, se listan ambas filas (el Ti-6Al-4V aparece con 8.6 y 8.8). Los rangos de temperatura se citan tal como se publicaron y no se normalizan a una sola banda — use siempre la fila de CTE cuyo rango cubre su intervalo de temperatura real.
Cuando la diferencia se convierte en una cota
Cinco cálculos de la práctica, cada uno con ΔL = α × L × ΔT y valores tomados de la tabla anterior. Son la razón por la que dos materiales con CTE distinto no pueden tratarse como intercambiables en un ensamblaje de precisión.
| Caso | Cálculo | Resultado | Respuesta de diseño |
|---|---|---|---|
| Carcasa de 6061-T6 (CTE 23.6) atornillada a una base de acero 1045 (CTE 11.6), patrón de tornillos de 200 mm, ΔT = 50 °C | ΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50 | 0.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differential | Con solo 0.1 mm de holgura de tornillo, la unión se agarata a ΔT = 50 °C. Use taladros ranurados, holgura ≥ 0.3 mm o arandelas elásticas; para utillajes de precisión, construya aluminio-con-aluminio o acero-con-acero. |
| Estructura de acero (CTE 12.0) atornillada directamente a un panel de CFRP (CTE ~1.0 en la dirección de la fibra), luz de 300 mm, ΔT = 80 °C | (12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 80 | 0.264 mm relative slip per cycle | Un inserto de Ti-6Al-4V (CTE 8.6) reduce el desnivel a 7.6 µm/m·°C en ambos lados y disminuye el movimiento diferencial ~30% — la razón por la que los racores de titanio dominan los diseños aeroespaciales con uniones de compuestos. |
| Casquillo de Delrin (CTE 110) montado a presión en una carcasa de acero (CTE 11.6): Ø exterior 25 mm, interferencia de 0.05 mm a 20 °C, servicio a 80 °C | ΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 60 | 0.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance) | El ajuste a presión se convierte en ajuste deslizante a 80 °C. Calcule la interferencia a la temperatura máxima de operación, retenga el POM mecánicamente (anillos elásticos, moleteado) o cambie a PEEK (CTE 47) o PEEK con relleno de vidrio (CTE 27). |
| Pieza de 6061 de 500 mm mecanizada a 30 °C de temperatura de taller, inspeccionada a 20 °C (temperatura de referencia ISO 1) | 23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 10 | 0.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °C | Para trabajo de ±0.05 mm ese error es 2.4× la banda de tolerancia: estabilice las piezas a 20 °C ± 1 °C antes de la inspección final, o aplique compensación en proceso. |
| Base de molde P20 (CTE 11.7) que lleva un inserto de núcleo H13 (CTE 12.0), diámetro de inserto 100 mm, ΔT = 60 °C, holgura diseñada de 0.02 mm | 12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 60 | 0.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mm | P20 con H13 es térmicamente compatible (desnivel de 0.3 µm/m·°C). Un inserto de cobre-berilio (CTE 16.6) contra P20 pierde 0.029 mm de holgura con el mismo ΔT — diseñe los insertos BeCu con margen de crecimiento. |
Cómo usar estos números
- El CTE aquí es µm/(m·°C), igual a 10⁻⁶/K o ppm/°C. Elija la fila cuyo rango de temperatura coincida con la aplicación — la misma aleación publica medias distintas sobre intervalos distintos (6061: 23.6 sobre 20–100 °C, 24.6 sobre 20–200 °C).
- El tratamiento térmico no cambia el CTE del aluminio: el 6061 lee 23.6 µm/m·°C en cada temple (O, T4, T6, T651). Solo el rango de temperatura mueve el valor efectivo.
- Donde las fuentes difieren, se conservan ambos valores: el Ti-6Al-4V aparece con 8.6 y 8.8 µm/m·°C, una dispersión dentro de la incertidumbre de medición típica (±2%). Para el inoxidable 304 usamos 17.3 — una tabla calculadora muestra 10.8, que es el valor del 17-4PH y un error de captura de datos.
- El CTE de los plásticos depende fuertemente del relleno, la cristalinidad y la humedad. La fila del Nylon 6/6 es tal como se moldea en seco (80); a equilibrio de 50% HR el cambio dimensional efectivo sube ~0.2% sobre el término térmico.
- La trampa de la inspección: las piezas crecen con el calor de corte y se contraen en la CMM. Una pieza de 6061 de 300 mm cortada a 40 °C se contrae 0.14 mm cuando llega a 20 °C — mida después de una estabilización térmica, o presupueste el desplazamiento dentro de la tolerancia.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto crece una barra de aluminio 6061 de 200 mm de 20 °C a 60 °C?
Aproximadamente 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
Aproximadamente 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
¿Por qué mis piezas de aluminio miden menos tras el mecanizado CNC?
Contracción térmica por el calor de corte. Una pieza de 6061 de 300 mm cortada a 40 °C se contrae 0.14 mm a 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Estabilice la pieza a 20 °C antes de la medición final.
Contracción térmica por el calor de corte. Una pieza de 6061 de 300 mm cortada a 40 °C se contrae 0.14 mm a 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). Estabilice la pieza a 20 °C antes de la medición final.
¿Cuál es la diferencia de CTE entre el aluminio y el acero inoxidable 304?
6.3 µm/m·°C (23.6 vs 17.3). Sobre 100 mm a ΔT = 50 °C eso es 0.032 mm de movimiento diferencial.
6.3 µm/m·°C (23.6 vs 17.3). Sobre 100 mm a ΔT = 50 °C eso es 0.032 mm de movimiento diferencial.
¿Puedo montar a presión un casquillo de Delrin en una carcasa de acero para una aplicación a 80 °C?
No solo con interferencia. El CTE del POM (110) es 9.5× el del acero (11.6): una interferencia de 0.05 mm a 20 °C en un diámetro de 25 mm se convierte en holgura alrededor de 50 °C. Use retención mecánica, o cambie a PEEK con relleno de vidrio (CTE 27).
No solo con interferencia. El CTE del POM (110) es 9.5× el del acero (11.6): una interferencia de 0.05 mm a 20 °C en un diámetro de 25 mm se convierte en holgura alrededor de 50 °C. Use retención mecánica, o cambie a PEEK con relleno de vidrio (CTE 27).
¿Qué metal tiene la expansión térmica más baja para utillajes de precisión?
El titanio Ti-6Al-4V con 8.6 µm/m·°C — más bajo que cualquier acero común (11.6–12.3) y menos de la mitad del aluminio (23.6). Para una estructura de expansión ultrabaja, el Invar (FeNi36) con 1.2 µm/m·°C es la opción extrema pero cuesta 10–20× más.
El titanio Ti-6Al-4V con 8.6 µm/m·°C — más bajo que cualquier acero común (11.6–12.3) y menos de la mitad del aluminio (23.6). Para una estructura de expansión ultrabaja, el Invar (FeNi36) con 1.2 µm/m·°C es la opción extrema pero cuesta 10–20× más.
¿Cuánto se expande una viga de acero de 1 metro con un aumento de 40 °C?
Aproximadamente 0.46 mm para el acero al carbono 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Para el inoxidable 304, 0.69 mm — la razón por la que las estructuras largas necesitan juntas de expansión.
Aproximadamente 0.46 mm para el acero al carbono 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). Para el inoxidable 304, 0.69 mm — la razón por la que las estructuras largas necesitan juntas de expansión.
¿El tratamiento térmico (T6 vs T4) cambia el CTE del aluminio 6061?
No. El CTE es 23.6 µm/m·°C en cada temple (O, T4, T6, T651). Lo fija la red cristalina del aluminio, no la población de precipitados; solo el rango de temperatura cambia el valor efectivo.
No. El CTE es 23.6 µm/m·°C en cada temple (O, T4, T6, T651). Lo fija la red cristalina del aluminio, no la población de precipitados; solo el rango de temperatura cambia el valor efectivo.
¿Qué CTE debo usar para PEEK en un dispositivo médico a temperatura corporal?
Use 47 µm/m·°C (sin relleno, rango 23–100 °C). A ΔT = 17 °C (20 → 37 °C) un componente de 50 mm crece solo 0.040 mm — dentro de una tolerancia de mecanizado típica de ±0.025 mm si se mide a 20 °C.
Use 47 µm/m·°C (sin relleno, rango 23–100 °C). A ΔT = 17 °C (20 → 37 °C) un componente de 50 mm crece solo 0.040 mm — dentro de una tolerancia de mecanizado típica de ±0.025 mm si se mide a 20 °C.
Normas y fuentes
- ASM Handbook Vol. 2, 10.ª ed. (1990) — valores de CTE de aleaciones de aluminio e independencia del temple
- MIL-HDBK-5J (U.S. DoD, 2003) — CTE dependiente de la temperatura para 6061 (20–100/200/300/400 °C)
- ASM Handbook Vol. 1 — AISI 4140 = 12.3; P20 = 11.7; H13 = 12.0 µm/m·°C
- Fichas técnicas DuPont Delrin 500P y Zytel 101L — POM 110 µm/m·°C (23–60 °C), Nylon 6/6 80 µm/m·°C (tal como se moldea en seco)
- Datos de PEEK de Victrex vía makerstage.com — sin relleno 47, GF30 27 µm/m·°C; criterionprecision.com da 45–55
- Comparación de CTE de jnalloys.com — 304/304L = 17.3, 316/316L = 15.9 µm/m·K (0–100 °C)
- xometry.com y alloy-materials.com — 17-4PH = 10.8 µm/m·°C (20–100 °C)
- arcuscnc.com — Ti-6Al-4V = 8.6; matmake.com (datos ASM) — tabla de aleaciones de aluminio; mechcodex.com — C36000 = 20.5, Ti-6Al-4V = 8.8
- theworldmaterial.com — AISI 1045 = 11.6 (0–100 °C) y 12.3 (0–200 °C); fabdigit.com — C11000 = 17 (20–100 °C); jtcopper.com — C11000 = 17.0 (20–300 °C)
- Donde las fuentes entran en conflicto, se listan ambas filas y la discrepancia queda documentada en las notas de uso
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