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INSTITUTO
TECNOLÓGICO DE HERMOSILLO ING. DE
MATERIALES METÁLICOS
UNIDAD
IV. CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE ACEROS
El acero es una aleación de hierro y carbono que puede
contener otros elementos, en la que el contenido de carbono es entre 0.1 a
1.7%, no rebasa el límite de su saturación al solidificar quedando todo en una
solución sólida. Entre los productos fabricados con aceros al carbono son
máquinas, carrocerías de autos, la mayor parte de estructuras, horquillas o
pasadores para el pelo.
Principalmente los aceros se
clasifican en:
- Acero al carbono.
- Acero herramienta.
- Acero de bajo carbono.
- Acero de mediano carbono.
- Acero aleado.
- Acero inoxidable.
Acero al carbono:
El acero al carbono es un
tipo de acero que contiene carbono. Aunque el carbono es el principal
componente de este tipo de acero, también tiene hierro y manganeso.El Instituto
Estadounidense de Hierro y Acero (ASAI) lo considera un acero compuesto al no
tener ningún contenido mínimo de cromo, cobalto, níquel, molibdeno, tungsteno,
titanio, o debe añadirse otro elemento con el fin de obtener el efecto deseado
de acero aleado.El acero al carbono, también denominado acero forjado,
es maleable. Esto significa que es flexible y puede tener cualquier forma. El
acero al carbono en bruto se vierte en bloques que son laminados en caliente en
una forma deseada y luego el carbono permite que el compuesto se endurezcaEl
acero al carbono está clasificado como de alta resistencia, baja aleación
(HSLA) de metal. El acero al carbono tiene un contenido bajo, medio o alto de
carbono. Cuando es bajo en carbono (con una proporción de 0,05 por ciento de
carbono a 0,25) el acero al carbono es fácil de formar y soldar.
Acero
de alto carbo.
Contenidos:
C: 0,6% a 1,67%.
Mn 0,6 a 0,9%
Si > 0,35% (Acero calmado)
P < 0,03%
S < 0,03%
Características:
Elevada resistencia, dureza y fragilidad
Baja ductilidad
No apto a la deformación plástica
Pueden ser sometidos a temple y revenido para dotarlos de mayor resistencia al
desgaste, aunque debe cuidarse el enfriado para evitar fisuras.
Aplicaciones:
Fabricación de herramientas de corte: Hojas de sierra, cuchillos, mechas,
tenazas, pinzas.
Herramientas para el estado elástico: resortes, cuerdas de reloj
Elementos de tensión: alambres, tensores, cuerdas de piano.
Acero
de bajo carbono:
Contenido:
C < 0,3%
Mn 0,3% - 0,6%
P < 0,03%
S < 0,03%
Características:
Estructura predominantemente
ferrítica.
Blando, dúctil y de bajas
propiedades mecánicas. Baja dureza. Alto alargamiento.
Acepta muy bien el
tratamiento de cementación.
Muy buen comportamiento para
la soldadura.
No apto para transmisión de potencia.
Aplicaciones:
Basadas en la ductilidad:
Estampado (electrodomésticos, carrocería de automóviles, gabinetes de PC)
Acero
herramienta:
La condición principal que
impone el acero para herramientas de corte es que conserve el filo durante
mucho tiempo. A diferencia de las piezas de máquinas que se desgastan (árboles,
levas, etc), en la herramienta de corte sólo trabaja al desgaste una franja muy
estrecha de metal que sufre presiones considerables. Para que esta franja de
metal sea resistente al desgaste debe tener una gran dureza, por lo general,
superior a HRC 60.
Si se trabaja en material
blando (Madera, Plástico, Metales no ferrosos) o si siendo éste Acero o
Fundición (Metales) se emplean pequeñas velocidades de corte y la viruta tiene
poca sección, en la unidad de tiempo se gasta poca energía en el proceso de
corte. Si el trabajo se hace a grandes velocidades de corte, se trabajan
metales duros y la viruta tiene sección grande, en la unidad de tiempo se gasta
mucha energía.
Para los diversos tipos de
herramientas se utilizan aceros distintos, estos se dividen según las
siguientes categorías:
·
De baja templabilidad (principalmente al
Carbono)
·
De alta templabilidad (aleados)
·
Para matrices
·
Rápidos
Los aceros de baja
templabilidad: A este grupo pertenecen todos los aceros al Carbono para
herramientas y los aceros con pequeño contenido de elementos de aleación y que,
no difieren mucho por su templabilidad de los aceros al carbono. Reúne estos
aceros en un grupo su propiedad tecnológica más importante: la baja templabilidad.
Todos los aceros de este grupo deben templarse en agua, y la herramienta
fabricada con ellos, por lo general, no tiene templado en núcleo. Los aceros de
baja templabilidad para herramientas su contenido de carbono es de 0,6 a 1,15 %
de carbono y sus principales aleado es el Mn y Cr.
Los aceros de alta
templabilidad: A este grupo pertenecen los aceros que contienen elementos
aleados en cantidad del 1 – 3 % y, por esto, poseen mayor templabilidad. Las
herramienta fabricadas con estos aceros se templan en aceite (y si el temple es
escalonado, en sal) y por lo general, a corazón.
Para matrices: Para el
trabajo de metales por presión se utilizan herramientas troqueles, punzones,
rodillos, cilindros, etc. Que deforman el metal. Los metales que se emplean
para hacer herramientas de este tipo se llaman aceros de matrices. Los aceros
de matrices se dividen en dos grupos:
·
Para deformar metal en frío
·
Para deformar metal en caliente.
Aceros rápidos:A este grupo
pertenecen los aceros que se fabrican para herramientas de corte que trabajan a
grandes velocidades. El acero rápido debe tener en primer lugar una gran dureza
en caliente y estabilidad al rojo.
Acero
aleado:
Se da el nombre de aceros
aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio,
manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente
importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que
sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede
considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos
diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los
porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos
límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%;
P=0.100% y S=0.100%.
Los elementos de aleación
que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados
son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio,
cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio.
La influencia que ejercen
esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se
obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden
alcanzar con los aceros ordinarios al carbono.Utilizando aceros aleados es
posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el
interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar
grandes durezas con gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que
mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas.
Acero
inoxidable:
Los Aceros Inoxidables son
una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de Cromo. El Cromo forma
en la superficie del acero una película pasivante, extremadamente delgada,
continua y estable. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones
químicas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de
los aceros inoxidables.
El extenso rango de
propiedades y características secundarias, presentes en los aceros inoxidables
hacen de ellos un grupo de aceros muy versátiles.
La selección de los aceros
inoxidables puede realizarse de acuerdo con sus características:
· Resistencia a la corrosión
y a la oxidación a temperaturas elevadas.
· Propiedades mecánicas del
acero.
· Características de los
procesos de transformación a que será sometido.
· Costo total (reposición y
mantenimiento)
- Disponibilidad del acero.
Los aceros inoxidables
tienen una resistencia a la corrosión natural que se forma automáticamente, es
decir no se adiciona. Tienen una gran resistencia mecánica, de al menos dos
veces la del acero al carbono, son resistentes a temperaturas elevadas y a temperaturas
criogénicas. Son fáciles de transformar en gran variedad de productos y tiene
una apariencia estética, que puede variarse sometiendo el acero l a diferentes
tratamientos superficiales para obtener acabado a espejo, satinado, coloreado,
texturizado, etc.
Pos su contenido de carbono.
·
AcerosExtrasuaves: el contenido de carbono varía entre
el 0.1 y el 0.2 %
·
Acerossuaves: El contenido de carbono esta entre el 0.2 y
0.3 %
·
Acerossemisuaves: El contenido de carbono oscila entre
0.3 y el 0.4 %
·
Acerossemiduros: El carbono está presente entre 0.4 y
0.5 %
·
Acerosduros: la presencia de carbono varía entre 0.5 y
0.6 %
Acero extrasuave: El
porcentaje de carbono en este acero es de 0,15%, tiene una resistencia mecánica
de 38-48 kg/mm2 y una dureza de 110-135 HB y prácticamente no adquiere temple.
Es un acero fácilmente soldable y deformable.
Aplicaciones: Elementos de
maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado,
herrajes, etc.
Acero suave: El
porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una resistencia mecánica de 48-55
kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar con una técnica adecuada.
Aplicaciones: Piezas de
resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado,
herrajes, etc.
Acero semisuave: El
porcentaje de carbono es de 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 55-62
kg/mm2 y una dureza de 150-170 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia
de 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB.
Aplicaciones: Ejes,
elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos,
herrajes.
Acero semiduro: El
porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánica de 62-70
kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90
kg/mm2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones.
Aplicaciones: Ejes y
elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de
explosión, transmisiones, etc.
Acero duro: El
porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 70-75
kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando
una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB.
Aplicaciones: Ejes,
transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy
elevados.
*Por sus elementos aleados.
Se da el nombre de aceros
aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio,
manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente
importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que
sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede
considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos
diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los
porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos
límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%;
P=0.100% y S=0.100%.
Los elementos de aleación
que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados
son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio,
cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio.
La influencia que ejercen
esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se
obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden
alcanzar con los aceros ordinarios al carbono.
Utilizando aceros aleados es
posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el
interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar
grandes durezas con gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que
mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Hay aceros
inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de maquinas
y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes
corrosivos. Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se
deformen ni agrieten en el temple, etc.
La tendencia que tienen
ciertos elementos a disolverse en la ferrita o formar soluciones sólidas con el
hierro alfa, y la tendencia que en cambio tienen otros a formar carburos.
la influencia de los
elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros (Elevación o
descenso de las temperaturas críticas de los diagramas de equilibrio y las
temperaturas Ac y Ar correspondientes a calentamientos y enfriamientos
relativamente lentos, modificaciones en el contenido de carbono del acero
eutectoide, Tendencia a ensanchar o disminuir los campos austeníticos o
ferríticos correspondientes a los diagramas de equilibrio, y otras influencias
también relacionadas con el diagrama hierro-carbono, como la tendencia a
grafitizar el carbono, a modificar el tamaño del grano, etc
La influencia de los
elementos aleados sobre la templabilidad.
La influencia que tienen en
retardar el ablandamiento que se produce en el revenido.
Existen otras influencias
diversas, como mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calor,
resistencia a la abrasión, etc., las cuales se deben directa o indirectamente a
alguna de las variaciones o fenómenos citados anteriormente.
Clasificación de los aceros
aleados de acuerdo con su utilización:
Aceros
en los que tiene una gran importancia la templabilidad:
Aceros
de gran resistencia
Aceros
de cementación
Aceros
de muelles
Aceros
indeformables
Aceros de construcción:
Aceros
de gran resistencia
Aceros
de cementación
Aceros
para muelles
Aceros
de nitruracion
Aceros
resistentes al desgaste
Aceros
para imanes
Aceros
para chapa magnetica
Aceros
inoxidables y resistentes al calor
Aceros
de herramientas:
Aceros
rápidos (fáciles de cortar)
Aceros
de corte no rápidos
Aceros
indeformables
Aceros
resistentes al desgaste
Aceros
para trabajos de choque
Aceros
inoxidables y resistentes al calor.
Se señalan los dos grupos
clásicos de aceros de construcción y de herramientas, y además otro grupo en el
que se destaca la importancia de la templabilidad, y en el que se incluyen los
aceros de gran resistencia, muelles cementación, etc., que aun perteneciendo a
los otros dos grupos, interesa destacar por separado por la gran importancia
que en ellos tiene la templabilidad.
NOMENCLATURA DE LOS ACEROS
SISTEMA S.A.E - A.I.S.I
La norma AISI
(American Iron and Steel Institute ) utiliza un esquema general para realizar
la especificación de los aceros mediante 4 números:
AISI ZYXX
Además de los números
anteriores, las especificaciones AISI pueden incluir un prefijo mediante letras
para indicar el proceso de manufactura. Decir que las especificaciones SAE
emplean las mismas designaciones numéricas que las AISI, pero eliminando todos
los prefijos literales.
El significado de los
anteriores campos de numeración es la siguiente:
XX indica el tanto por ciento (%) en contenido
de carbono (C) multiplicado por 100;
Y indica, para el caso de aceros de aleación
simple, el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleación;
Z indica el tipo de acero (o aleación). Los
valores que puede adoptar Z son los siguientes:
Z=1: si se trata de aceros al Carbono (corriente u ordinario);
Z=2: si se trara de aceros al Níquel;
Z=3: para aceros al Níquel-Cromo;
Z=4: para aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo;
Z=5: para aceros al Cromo;
Z=6: si se trata de aceros al Cromo-Vanadio;
Z=7: si se trata de aceros Al Tungsteno-Cromo;
Z=8: para aceros al Ni-Cr-Mo;
Como ya se indicó, la anterior designación puede incorpora también
letras adicionales para indicar lo siguiente:
E . . . . : para indicar Fusión en horno
eléctrico básico.
H: para indicar Grados de acero con
templabilidad garantizada.
C . . . .: para indicar Fusión en horno por
arco eléctrico básico.
X . . . .: para indicar alguna desviación
del análisis de norma.
TS . . .: para indicar que se trata de una
Norma tentativa.
B . .: para indicar que se trata de
Grados de acero con un probable contenido mayor de 0.0005% en boro.
LC: para indicar Grados de acero con extra-bajo
contenido en carbono (0.03% máx.).
F: Grados de acero automático.
A continuación se
incluyen algunos ejemplos de designación de tipos de aceros según la norma
AISI, que incluyen algunas notas aclaratorias:
- AISI 1020:
1: para indicar que se trata de un acero corriente u ordinario;
0: no aleado;
20: para indicar un contenido máx. de carbono (C) del 0.20%.
- AISI C 1020:La letra C indica que el proceso de
fabricación fue SIEMENS-MARTIN-básico. Puede ser B (si es Bessemer-ácido) ó E
(Horno eléctrico-básico).
- AISI 1045:
1: acero corriente u ordinario;
0: no aleado;
45: 0.45 % en C.
- AISI 3215:
3: acero al Níquel-Cromo;
2: contenido del 1.6% de Ni, 1.5% de Cr;
15: contenido del 0.15% de carbono (C).
- AISI 4140:
4: acero aleado (Cr-Mo);
1: contenido del 1.1% de Cr, 0.2% de Mo;
40: contenido del 0.40% de carbono (C).
Níquel
Una de las ventajas más
grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en
los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad.
El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos
pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a
los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados
con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad
ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los
aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho
su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los
aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para maquinas y
motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros
cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno.
El níquel es un elemento de
extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y
resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean
porcentajes de níquel variables de 8 a 20%.
Los
aceros al níquel más utilizados son los siguientes:
a) Aceros al níquel con 2, 3
y 5%. Con 0.10 a 0.25% de carbono se utilizan para cementación, y con 0.25 a 0.40%
de carbono para piezas de gran resistencia.
b) Aceros
cromo-níquel-molibdeno con porcentajes de níquel variables desde 1 a 5%; con
bajos porcentajes de carbono (0.10 a 0.22%) se emplean para cementación y con
porcentajes de 0.25 a 0.40% de carbono se emplean para piezas de gran
resistencia. En estos aceros los porcentajes de estos elementos aleados suelen
estar en relación aproximada de 1% de cromo y 3% de níquel.
c) Aceros de media aleación
níquel-molibdeno y níquel-manganeso. Se suelen emplear para piezas de gran
resistencia y para piezas cementadas con porcentajes de carbono variables de
0.25 a 0.40% en el primer caso y de 0.10 a 0.25% en el segundo, variando el
contenido en níquel de 1 a 2%, el de manganeso de 1 a 1.5% y el molibdeno de
0.15 a 0.40%.
d) Aceros inoxidables y
resistentes al calor cromo-níqueles, con 8 a 25% de níquel que son de
estructura austenitica.
e) Otros aceros de menor
importancia son los aceros cromo-níqueles para estampación en caliente y para
herramientas.
Cromo
Es uno de los elementos
especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose
indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los
inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas
desde 0.30 a 30, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la
resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las
deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la
inoxidabilidad, etc.
Los
aceros con cromo de mayor utilidad son:
a) Aceros de construcción,
de gran resistencia mecánica de 0.50 a 1.50% de cromo y 0.30 a 0.45% de
carbono, aleados según los casos, con níquel y molibdeno para piezas de gran
espesor , con resistencias variables de 70 a 150 Kg/mm2.
b) Aceros de cementación con
0.50 a 1.50% de cromo y 0.10 a 0.25% de carbono , aleados con níquel y
molibdeno.
c) Aceros de nitruracion
cromo-aluminio-molibdeno.
d) Aceros para muelles
cromo-vanadio y cromo-silicio.
e) Aceros de herramientas
con 0.30 a 1.50% de cromo y 0.070 a 1.50% de carbono. En ellos el cromo mejora
la penetración de temple, la resistencia al desgaste, permite el temple en
aceite y evita deformaciones y grietas.
f) Aceros indeformables con
5 a 12% de cromo.
g) Aceros rápidos y de
trabajos en caliente.
h) Aceros inoxidables
martensiticos con 12 y 17% de cromo, aceros austeniticos con 14 a 25% de cromo
en cantidades de níquel variables de 8 a 25% y aceros inoxidables con 27% de
cromo.
El cromo se disuelve en la
ferrita y muestra una fuerte tendencia a formar carburos de cromo y carburos
complejos.
Molibdeno
Mejora notablemente la
resistencia a la tracción, la templabilidad y la resistencia al creep de los
aceros. Añadiendo solo pequeñas cantidades de molibdeno a los aceros
cromo-níqueles, se disminuye o elimina casi completamente la fragilidad Krupp,
que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de 450º a 550º.
El molibdeno a aumenta
también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la
fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas
aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.
El molibdeno se disuelve en
la ferrita, pero tiene una fuerte tendencia a formar carburos. Es un potente
estabilizador de los carburos complejos y tiende a retardar el ablandamiento de
los aceros, durante el revenido.
Los
aceros de molibdeno más utilizados son:
a) Aceros de
manganeso-molibdeno, cromo-molibdeno y cromo-níquel-molibdeno de bajo contenido
de carbono para cementación, y de 0.15 a 0.40% de carbono para piezas de gran
resistencia.
b) Aceros rápidos con 6 a
10% de molibdeno; son de utilización relativamente parecida a los aceros
rápidos al wolframio, pero en ellos el wolframio es sustituido por el
molibdeno.
c) Aceros de 0.50 a 6% de
molibdeno que se emplean principalmente para construcciones metálicas, tuberías
e instalaciones en refinerías de petróleo, en las que llegan a calentasen de
100º a 300º y deben resistir bien el efecto de esos calentamientos
relativamente moderados.
Wolframio
(tungsteno)
Es un elemento muy utilizado
para la fabricación de aceros de herramientas, empleándose en especial en los
aceros rápidos, aceros para herramientas de corte y aceros para trabajos en
caliente. Sirve para mantener la dureza de los aceros a elevada temperatura y
evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a
calentarse a 500º o 600º. También se usa para la fabricación de aceros para
imanes.
El wolframio se disuelve
ligeramente en la ferrita y tiene una gran tendencia a formar carburos. Los
carburos de wolframio tienen gran estabilidad.
Los
aceros más utilizados de wolframio son:
a) Los aceros rápidos con
18% de wolframio y cantidades variables de cromo, vanadio y molibdeno y 0.701%
aproximadamente de carbono.
b) Aceros para trabajos en
caliente con 9 a 15% de wolframio y 0.30 a 0.40% de carbono. Para algunos usos
de menos responsabilidad se emplean aceros de más baja aleación con 1 a 5% de
wolframio.
c) Aceros para la fabricación de herramientas varias con
n1 a 14% de wolframio y otros elementos: cromo, manganeso, vanadio, etc., que
se emplean para trabajos de corte.
d) Aceros inoxidables cromo-níqueles con wolframio, de
gran resistencia mecánica a elevada temperatura.
Vanadio
Se emplea principalmente
para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a
disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiene una
gran tendencia a formar carburos.
El vanadio tiene una gran
tendencia muy fuerte a formar carburos, por esta razón, basta con añadir
pequeñas cantidades, y pocos aceros, excepto los de herramientas, contienen más
de 0.02% de vanadio. Una característica de los aceros con vanadio, es su gran
resistencia al ablandamiento por revenido.
Los
aceros con vanadio más utilizados son:
a) Aceros rápidos que suelen contener de 0.50 a 1% de
vanadio.
b) Aceros de herramientas de diversas clases. Para
troqueles indeformables, etc., que suelen tener de 0.10 a 0.30% de vanadio.
c) Aceros para muelles cromo-vanadio.
Manganeso:
Aparece prácticamente en
todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de
adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que
siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado liquido en
los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como
desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se
desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material.
Si los aceros no tuvieran
manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele
encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de
hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las
temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al
encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las
piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación.
Los aceros ordinarios y los
aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen
contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0.30 a 0.80%.
*Clasificación del acero por su grado de
Desoxidación.
Clasificación del acero por su grado de desoxidación
La desoxidación es el
proceso por el cual se trata de eliminar la mayor cantidad de oxigeno que sea
posible del acero.
Después del proceso de
refinación el acero queda saturado de oxigeno, mientras más bajo el contenido
de carbón en el acero más alto será su contenido de oxígeno y para cualquier
contenido de carbón el contenido de oxigeno es mayor en el acero en estado
líquido que en estado sólido.
Clasificación de los aceros
según el grado de desoxidación
Acero
Efervescente:
Aquí una vez colado el
material en la lingotera, el primer material solidificado es hierro casi puro,
pobrísimo en carbono, oxigeno, azufre y fósforo; elementos que son expulsados
que son expulsados desde el sólido al líquido por delante del frente de
solidificación. Cuando la concentración de gases disueltos supera el punto de
saturación, se desarrolla una nube de burbujas de monóxido de carbono y la
efervescencia propende a arrastrar hacia el centro del lingote las partículas
que atrapa. La solidificación ulterior genera una porosidad adicional en las
zonas más internas del lingote y, correctamente controlado, el efecto de la
desoxidación parcial puede producir un grado de porosidad capaz de compensar
aproximadamente la contracción de solidificación. El acero efervescente es el
de menor grado de desoxidación.
Acero
Semiefervecente
Acero Calmado: el acero calmado es el que está
prácticamente desoxidado. Este acero se fabrica eliminando o convirtiendo
completamente el oxigeno antes de la solidificación para prevenir la acción
efervescente; Esto se logra generalmente agregando silicio en forma de ferro
silicio en el horno, el silicio se combina con el oxigeno para formar sílice
(SiO2) la cual es expulsada con la escoria, dejando un metal denso y homogéneo
Acero Semicalmado: el acero
semicalmado es el de grado intermedio de desoxidación.
Acero desoxidado al vacío:
Aquí la lingotera está encerrada en una cámara evacuada y el chorro de metal
atraviesa el vacío durante la colada, sirviendo el mismo vacío para extraer los
gases disueltos.
*Según SAE:
La norma SAE (Society
of Automotive Engineers) clasifica los aceros en distintos grupos, a saber:
- Aceros al carbono;
- Aceros de media aleación;
- Aceros aleados;
- Aceros inoxidables;
- Aceros de alta resistencia;
- Aceros de herramienta, etc.
- ACEROS AL CARBONO:
La denominación que emplea la normativa SAE para los aceros al carbono
es según el siguiente esquema:
SAE 10XX, donde XX indica el contenido de Carbono (C).
Ejemplos:
SAE 1010 (con un contenido en carbono entre 0,08 - 0,13 %C)
SAE 1040 (0,3 - 0,43 %C)
Los demás elementos que puedan estar presentes no están en porcentajes
de aleación al ser pequeño su valor. Así, los porcentajes máximos para los
elementos que a continuación se indican son:
Contenido P máx = 0,04%
Contenido S máx = 0,05%
Contenido Mn =0,30 - 0,60% para aceros de bajo carbono (<0.30%C)
0,60 - 0,90% para aceros de alto carbono (>0,60%C) y aceros al C para
cementación.
Por otro lado,
dentro de los aceros al carbono, según su contenido, se pueden diferenciar los
siguientes grupos:
• Aceros de muy bajo
% de carbono (desde SAE 1005 a 1015)
Estos aceros son
usados para piezas que van a estar sometidas a un conformado en frío.
Los aceros no
calmados se utilizan para embutidos profundos por sus buenas cualidades de
deformación y terminación superficial. Los calmados son más utilizados cuando
van a ser sometido a procesos de forjados o de tratamientos térmicos.
Son adecuados para
soldadura . Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado en
frío. Son susceptibles al crecimiento del grano, y a fragilidad y rugosidad
superficial si después del conformado en frío se los calienta por encima de
600ºC.
• Aceros de bajo % de
carbono (desde SAE 1016 a 1030)
Este grupo tiene
mayor resistencia y dureza, pero menor capacidad de deformación. Son los
comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para
forjas.
El comportamiento al
temple de estos tipos de aceros depende del % de C y Mn. Así los que presentan
mayores porcentajes de C tienen mayor templabilidad en el núcleo, y los de más
alto % de Mn, se endurecen más principalmente en el núcleo y en la capa.
Son aptos para
soldadura . La maquinabilidad de estos aceros mejora con el forjado o
normalizado, y disminuye con el recocido.
• Aceros de medio %
de carbono (desde SAE 1035 a 1053)
Estos aceros son
seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más elevadas y
frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento.
Se utilizan en amplia
variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas, como ejes y árboles de
transmisión. Los contenidos de C y Mn son variables y dependen de una serie de
factores, como las propiedades mecánicas o la templabilidad que se requiera.
Los de menor % de
carbono se utilizan para piezas deformadas en frío, aunque los estampados se
encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y generalmente llevan un
recocido o normalizado previo. Todos estos aceros se pueden aplicar para
fabricar piezas forjadas y su selección depende del tamaño y propiedades
mecánicas después del tratamiento térmico.
Los de mayor % de C,
deben ser normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad. Son
también ampliamente usados para piezas maquinadas, partiendo de barras
laminadas. Dependiendo del nivel de propiedades necesarias, pueden ser o no
tratadas térmicamente.
Estos tipos de aceros
pueden soldarse pero deben tenerse precauciones especiales para evitar fisuras
debido al rápido calentamiento y posterior enfriamiento.
• Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095)
Se usan en
aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y
conseguir altos niveles de dureza en el material que no pueden lograrse con
aceros de menor contenido de C.
Prácticamente todas
las piezas con acero de este tipo son tratadas térmicamente antes de usar,
debiéndose tener especial cuidado en estos procesos para evitar distorsiones y
fisuras.
- ACEROS DE MEDIA ALEACIÓN:
Son aceros al Mn, y
su denominación según SAE es del tipo SAE 15XX, donde el porcentaje de Mn varía
entre 1,20 y 1,65, según el %C.
Ejemplos:
SAE 1524, con
contenido en el rango de 1,20 - 1,50 %Mn, y son empleados para construcción de
engranajes;
SAE 1542, indica un
contenido del 1,35 - 1,65 %Mn, y son empleados para temple.
- ACEROS DE FÁCIL MAQUINABILIDAD Ó ACEROS RESULFURADOS:
El esquema de
denominación de estos aceros, según SAE, es de la siguiente forma:
SAE 11XX y SAE 12XX
Son aceros de alta
maquinabilidad. La presencia de gran cantidad de sulfuros genera viruta pequeña
y dado que los sulfuros poseen alta plasticidad, éstos actúan como lubricantes
internos. No son aptos para soldar, ni para someterlos a tratamientos térmicos,
ni forja debido a su bajo punto de fusión.
Ejemplos:
SAE 11XX, donde el
contenido de S oscila entre 0,08 - 0,13 %S;
SAE 12XX, para este
acero el contenido oscila entre 0,24 - 0,33 %S.
Este tipo de aceros pueden dividirse a su vez en tres grupos:
• Grupo I (SAE 1110,
1111, 1112, 1113, 12L13, 12L14, y 1215):
Son aceros
efervescentes de bajo % de carbono, con excelentes condiciones de maquinado.
Los de la serie 1200
incorporan el fósforo y los L contienen plomo. Estos elementos influyen en
favorecer la rotura de la viruta durante el corte con la consiguiente
disminución en el desgaste de la herramienta.
Cuando se los
cementa, para lograr una mejor respuesta al tratamiento, deben estar calmados.
• Grupo II (SAE 1108, 1109, 1116, 1117, 1118 y 1119):
Son un grupo de acero
de bajo % de carbono y poseen una buena combinación de maquinabilidad y
respuesta al tratamiento térmico. Por ello, tienen menor contenido de fósforo,
y algunos de azufre, con un incremento del % de Mn, para aumentar la
templabilidad permitiendo temples en aceite.
• Grupo III (SAE 1132, 1137, 1139, 1140, 1141, 1144, 1145, 1146 y
1151)
Estos aceros de medio
contenido % de carbono combinan su buena maquinabilidad con su respuesta al
temple en aceite.
- ACEROS ALEADOS:
Se considera que un
acero es aleado cuando el contenido de un elemento excede uno o más de los
siguientes límites:
• 1,65% de manganeso (Mn)
• 0,60% de silicio (Si)
• 0,60% de cobre (Cu)
• ó cuando hay un % especificado de cromo, níquel, molibdeno, aluminio,
cobalto, niobio, titanio, tungsteno, vanadio o zirconio.
Los aceros aleados se
usan principalmente cuando se pretende conseguir cualquiera de las siguientes
propiedades:
• desarrollar el
máximo de propiedades mecánicas con un mínimo de distorsión y fisuración;
• favorecer la
resistencia al revenido, incrementar la tenacidad, disminuir la sensibilidad a
la entalla;
• mejorar la
maquinabilidad en condición de temple y revenido, comparándola con un acero de
igual % de carbono en la misma condición.
Generalmente se los
usa tratados térmicamente. De hecho el criterio más importante para su
selección es normalmente su templabilidad, pudiendo todos ser templados en
aceite.
A continuación se indican su denominación SAE según los elementos
de aleación que lleven incorporados:
• Ni
Denominación SAE:
23XX, 25XX.
El contenido en
níquel (Ni) aumenta la tenacidad de la aleación, pero no la templabilidad, por
lo que deberá incluir otro elemento aleante como Cr ó Mo.
• Cr-Ni
Denominación SAE:
31XX, 32XX, 33XX, 34XX
Ejemplo:
SAE 3115 (1,25 %Ni y
0,60 a 0,80 %Cr), que ofrece una gran tenacidad y templabilidad, no obstante el
elevado contenido en Ni dificulta la maquinabilidad.
• Mo
Denominación SAE:
40XX, 44XX
Son aleaciones que
aumenta levemente la templabilidad del acero.
• Cr-Mo
Denominación SAE:
41XX
Son aleaciones que
poseen 1,00 %Cr y de 0,15 a 0,30 %Mo. Se utilizan para nitrurado, tornillos de
alta resistencia, etc.
• Cr-Ni-Mo
Denominación SAE:
86XX
Presentan aleaciones
del 0,40 a 0,70 %Cr, 0,40 a 0,60 %Ni y 0,15 a 0,30 %Mo. Son las aleaciones más
usadas por su buena templabilidad.
Ejemplos:
SAE 8620, para
cementación;
SAE 8640, para temple
y revenido.
• Si-Mn
Denominación SAE:
92XX
Poseen
aproximadamente 1,40 %Si y 1,00 %Mn.
Son aceros muy
adecuados para resortes, dado que tienen excelente resistencia a la fatiga y
templabilidad. Para resortes de menos exigencias se suele utilizar el SAE 1070.
Por otro lado, los
aceros aleados se pueden clasificar en dos grandes grupos según sus
aplicaciones:
1.- Aceros aleados de bajo % de carbono, para cementar:
A su vez, este grupo
se puede dividir, según su templabilidad en:
• De baja
templabilidad (series SAE 4000, 5000, 5100, 6100 y 8100);
• De templabilidad
intermedia (series SAE 4300, 4400, 4500, 4600, 4700, 8600 y 8700);
• De alta
templabilidad (series SAE 4800 y 9300).
Estos últimos se
seleccionan para piezas de grandes espesores y que soportan cargas mayores.
Los otros, de baja o
media templabilidad, para piezas pequeñas, de modo que en todos los casos el
temple se pueda efectuar en aceite.
La dureza del núcleo
depende del % de C básico y de los elementos aleantes. Esta debe ser mayor
cuando se producen elevadas cargas de compresión, para soportar así mejor las
deformaciones de las capas exteriores. Cuando lo esencial es la tenacidad, lo
más adecuado es mantener baja la dureza del núcleo.
*Según ASTM:
La Sociedad Americana de
Testeo de Materiales (ASTM por su sigla en inglés) fue creada en el 1800, para trabajar
con las empresas siderúrgicas en Pennsylvania, para regular la producción de
acero utilizado en la revolución industrial. Ya que del acero laminado en
caliente en molinos en todos los valles de Pennsylvania y Ohio, edificios, vías
férreas, los automóviles y las carreteras dependen de la calidad de los
productos siderúrgicos. Hoy, la ASTM establece normas en una amplia gama de
mercados; la organización desempeña un papel de liderazgo con la Organización
Mundial del Comercio en el desarrollo de las normas internacionales que
supervisan a las industrias en todo el mundo con consenso, imparcialidad y
transparencia.
Elasticidad,
rendimiento, dureza, despojo.
Las normas ASTM categorizan
propiedades del acero, y miden su rendimiento a través de cuatro características:
El "Módulo de Elasticidad" se refiere a qué tanto un trozo de acero
puede ser deformado por tensión aplicada y volver a su forma original,
"Tensión de Dureza" se refiere a la cantidad de tensión que se puede
aplicar a los aceros antes que se deformen, "Rendimiento Mínimo de
Tensión" se refiere al punto en el que el acero se deforma permanentemente
y "Despojar" se aplica a la cantidad de fuerza que el acero
experimenta en el punto en que un trozo de acero se somete a un quiebre limpio
en su eje perpendicular a la fuerza. Cada una de estas características afecta y
define la fortaleza de los aceros y define los parámetros de ingeniería a
utilizar para seleccionar los tipos de acero para aplicaciones específicas.
Acero
al carbono
Cuando los productos de
acero son calificados, la ASTM mide y evalúa todos los tipos de acero
fabricados y entregados a la industria. Se controlan seis clases de acero al
carbono, ya que el carbono es uno de los aditivos más comúnmente utilizados en
la fabricación de acero. La cantidad de carbono en un producto de acero afecta
a la resistencia del mismo; con respecto al acero lo que comúnmente se debatió
es el nivel más bajo de carbono, mediano de carbono y alto de carbono, pero la
ASTM derriba estas categorías aún más allá, desde acero con un mayor contenido
de carbono puede ser templado para más habilidades que el acero con bajo nivel
de carbono.
Aleaciones
de acero
El acero también se
clasifica como una aleación de acero cuando metales distintos del carbono se
añaden a las de hierro fundido para mejorar las características de rendimiento
del metal. La ASTM identifica siete clases de aleación de acero forjado, los
detalles de las clasificaciones incluyen el porcentaje y el tipo de contenido
de aleación, los procedimientos para el tratamiento térmico que afectan a cada
tipo de aleación y las propiedades mecánicas de cada uno de ellos. Estas
propiedades se miden, clasifican y siguen en detalle para cada una de las
aleaciones de acero.
Forjados,
moldeados y laminados
Una vez que el hierro se
encuentra en un estado fundido, se procesará de cientos de formas convertidas
para usar en productos de acero. Cada proceso afecta la resistencia del
producto, y por lo tanto afecta su calidad y fiabilidad para aplicaciones
específicas. El acero se funde o se vierte como hierro fundido dentro de moldes
de cera caliente, y permite enfriar formando tuberías, accesorios, bloques de
motor, etc. Los aceros estructurales y laminados son enrollados de muchas
formas como, vigas, barras y bobinas, y enviados a plantas de fabricación en
todo el país. La ASTM establece lineamientos para todos estos productos, de tal
manera que los compradores tienen la certeza que reciben el acero diseñado
específicamente para su aplicación.
Tratados
al calor y no tratados
El acero puede ser tratado
térmicamente o no, y las directrices de la ASTM abarcan los detalles del
proceso de tratamiento y establecen una escala de dureza. El acero tratado
térmicamente es el más rígido y más fuerte entre las cuatro categorías mencionadas,
y también elimina las tensiones internas y las debilidades que son parte del
acero como resultado del proceso de conformación. El tratamiento térmico se
caracteriza por más de 50 diferentes términos que describen los cambios
internos, cómo actúa el acero y su apariencia después de los tratamientos.
*Normas y criterios de la selección de aceros.
El diseño de Ingeniería de
un producto o componente constituye una actividad difícil, compleja y
multidisciplinaria, enfocada a la resolución de problemas. En el presente
trabajo se muestra el desarrollo de una herramienta automatizada para la
selección de los aceros más utilizados en la construcción de maquinarias. La
herramienta constituye una ayuda para la selección de los materiales desde la
etapa conceptual del proceso de diseño, donde se identifican las diferentes
categorías de materiales a utilizar. La herramienta comprende las
características y propiedades más relevantes de los aceros de Ingeniería
disponibles en seis normas internacionales:
Japonesa (JIS)
Alemana (DIN, Vbn, DIN-Vbn)
Rusa (GOST)
Americana (AISI, SAE,
AISI-SAE, ASTM)
Inglesa (BS, EN, GB)
Francesa (AFNOR)
Los aceros de herramientas
abarcan todos los aceros que se pueden emplear para la fabricación de
herramientas destinadas a modificar la forma y dimensiones de los materiales
por cortadura, presión, arranque de viruta, extrusión, laminación, embutición y
choque. Tienen, generalmente, un contenido en Carbono superior al 0,3%, aunque
en algunos casos se emplean aceros de bajo contenido en carbono (0,10% -
0,30%).
El principal criterio de
selección para un acero de herramienta es la relación entre tenacidad,
resistencia al desgaste y dureza, aunque hay otros aspectos que pueden influir
en su selección como son el coste y/o la posibilidad de aplicarle tratamientos
superficiales, etc. A continuación se describen algunas de las propiedades que
se deben tener en cuenta a la hora de realizar la elección de un acero de
herramienta:
Resistencia mecánica:
debe ser lo suficientemente elevada como para soportar, a la temperatura de
trabajo, las solicitaciones mecánicas de servicio.
Resistencia al desgaste y a
la abrasión: debe ser buena, pues a lo largo de su vida
útil las herramientas están en contacto de una forma continua, o intermitente,
con el material de trabajo y, en muchos casos, con otras zonas de la misma
herramienta. Esto da lugar a una fricción entre ambas partes y, por tanto, a un
efecto de desgaste que puede llevar al deterioro y a la consiguiente
disminución de su vida útil.
Tenacidad: en
la mayoría de los casos las herramientas están sometidas a impactos mecánicos o
solicitaciones repetidas (de origen térmico y/o mecánico). Para evitar que
estos puedan dar lugar a roturas prematuras y frágiles, debe dotarse a la
herramienta de cierta tenacidad.
Templabilidad o penetración
del temple: es una propiedad que, en la mayoría de los
casos, es necesaria en todo el espesor o toda la sección de la herramienta. Por
este motivo debe ser suficientemente elevada como para lograr en toda la pieza
la dureza deseada.
Estabilidad dimensional: los
aceros de herramientas deben presentar tendencia a conservar su forma y
dimensiones iniciales después del tratamiento térmico. Su importancia radica en
la precisión de las medidas que se le exigen a las herramientas y por las
dificultades técnicas y económicas que implica un rectificado final de la
herramienta.
Maquinabilidad:
debe ser aceptable, pues la mayoría de las herramientas deben ser sometidas a
operaciones de mecanizado para obtener la forma adecuada.
Salvo en casos muy
específicos, todos los aceros de herramientas deben ser tratados térmicamente
para conseguir que los útiles posean una aceptable tenacidad con una
determinada dureza y resistencia al desgaste, una vez que haya sido escogido el
nivel de prestaciones que pueda aportar a la aplicación para la que van
destinados. En la mayoría de estos aceros estas propiedades óptimas de
utilización se consiguen con un tratamiento de temple y revenido.
A los útiles y componentes
de coste relativamente elevado, de sustitución onerosa o de alta
responsabilidad, pueden realizárseles distintos tratamientos adicionales al
tratamiento clásico de temple y revenido para, principalmente, aumentar la vida
del útil en determinadas condiciones de trabajo. Ello es debido a que disminuye
el coeficiente de fricción y mejora la resistencia al desgaste, ya sea por
incremento de la micro-dureza superficial o por reducción de la afinidad con la
pieza a conformar.
BIBLIOGRAFÍA:
Selección y clasificación de aceros. Instituto Tecnológico
de Campeche.
Selección y clasificación de aceros:
http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html
