INGENIERIA DE MATERIALES METÁLICOS: abril 2016

Imprimir este documento:

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.

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

Según AISI

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.

https://www.academia.edu/9787876/Clasificacion_y_seleccion_de_acero

Selección y clasificación de aceros:

http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html

INGENIERIA DE MATERIALES METÁLICOS

martes, 26 de abril de 2016

UNIDAD V. transformación estructural (Diagramas de fase I)

lunes, 25 de abril de 2016

UNIDAD IV. CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE ACEROS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE HERMOSILLO ING. DE MATERIALES METÁLICOS