Ingeniería Mecánica

Ingeniería Mecánica
Guia de Materiales.
Materiales alternativos.
1) Aceros al Carbono. Tipos y Características. Ejemplos.
Un acero resulta básicamente una aleación de hierro y carbono con un contenido
de este ultimo inferior a 2,11%, que puede contener además otros elementos
aleantes que influyen más o menos en sus propiedades químicas y físicas.
Se puede clasificar a los aceros en cuatro grandes grupos:
• Aceros de Construcción
• Aceros estructurales
• Aceros para herramientas
• Aceros para usos especiales
Aceros al Carbono. Clasificación por Nivel de C:
• BAJO CARBONO
%C<0,25
o Estructura: principalmente ferrítica
o Propiedades: resistencia baja a media, alta ductilidad y tenacidad. Alta
soldabilidad. Maquinabilidad: regular a excelente.
o Ejemplos: Aceros estructurales, Chapas para embutido y estampado,
Aceros para carburación, Chapas de uso eléctrico, Hojalata.
• MEDIO CARBONO 0,25 < %C <0,55
o Estructura: depende del tratamiento térmico.
o Propiedades: resistencia media a muy alta, ductilidad media a baja,
tenacidad muy variable según la estructura. En este rango de C se obtiene
la mejor combinación de resistencia y tenacidad, la templabilidad comanda
este balance.
o Ejemplos: Aceros para piezas de maquinas (ejes, árboles, bulones,
engranajes, herramientas manuales, resortes, etc.). Son los llamados
aceros de construcción mecánica.
• ALTO CARBONO
%C>0,55
o Estructura: carburos en una matriz que depende del tratamiento térmico.
o Propiedades: resistencia alta, baja tenacidad y ductilidad. Resistencia al
desgaste. Soldabilidad y maquinabilidad malas.
o Ejemplos: Aceros para rieles. Aceros para resortes. Aceros para
rodamientos. Aceros para herramientas de conformado en frío de bajos
requerimientos.
Ejemplos de utilización.
Todos los aceros al carbono son aceros para construcciones mecánicas, son
aquellos destinados a la fabricación de piezas o elementos de maquinas, motores
o equipos mecánicos en general.
SAE 1040: Contiene 0,40% C. Debido a que tiene una gran resistencia mecánica
distribuida homogéneamente en toda su sección, se utiliza, entre otras cosas, para
la fabricación de árboles de transmisión y ejes.
SAE 1010: Contiene 0,10% C. Debido a que tiene una gran resistencia al desgaste
y un gran endurecimiento superficial dado por un tratamiento superficial, se utilizan
para la fabricación de planchuelas, perfiles, chapas, y toda pieza que necesite
gran resistencia al desgaste. Aceros estructurales.
La resistencia al desgaste viene dada por un tratamiento termoquímico superficial
que posibilita un gran endurecimiento de la superficie. (Fuente: Templabilidad de
P. J. Maroni)
Estos aceros tienen buena maquinabilidad, buena ductilidad y tenacidad, lo que
permite que puedan ser utilizados como aceros estructurales.
SAE 12L14: Contiene 0,14% de C máximo, posee contenidos de P y S y plomo Pb
de 0,15 a 0,35%. Se lo denomina acero «de corte libre».
Tiene alta velocidad de mecanizado y 100% de maquinabilidad. No sirven en caso
de utilización bajo condiciones muy severas.
Se los utiliza para la fabricación de hojalata, chapas para embutido y estampado.
2) Aceros Aleados. Clasificación SAE. Propiedades que otorgan los aleantes.
Ejemplos.
Clasificación por porcentaje de elementos aleantes (EA):
•
BAJA ALEACION
%EA<5
o De Bajo C: Aceros estructurales.
o De Medio C: Aceros de construcción mecánica, aceros para piezas
mecánicas.
o De Alto C: Aceros para herramientas, para rodamientos, para resortes, para
rieles.
•
MEDIA ALEACION 5< %EA <10
o Aceros para uso Criogénico (T < –30 ºC): bajo C; 2,5 a 9 %Ni
o Aceros para alta temperatura (T > 350 ºC):aceros al Cr–Ni o Cr–Mo–V
•
ALTA ALEACION
%EA>10
o Aceros inoxidables: al Cr (min. 12%), al Cr–Ni (18–8), al Cr–Mn–N.
o Aceros para herramientas: aceros de medio y alto C que poseen alguno o
varios de los aleantes Cr, Mo, V, W y Co.
o Aceros marageing: aceros de alta resistencia y alta tenacidad al Ni–Co–Mo.
o Aceros Hadfleld: aceros resistentes al desgaste aleados con Mn.
Clasificación AISI–SAE (American Iron and Steel Institute-Society of Automotive Engineers)
Clasificación
Al carbono
Aleados
Al carbono y
aleados
Clases de Acero
De bajo y mediano manganeso
De corte libre resulfurados
De corte libre resulfurados y refosforados
De alto manganeso
Designación
10XX
11XX
12XX
13XX
Al níquel
Al níquel
Al níquel – cromo
Al níquel – cromo
Al níquel – cromo
Al níquel – cromo
Al molibdeno
Al cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al molibdeno
Al níquel – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – molibdeno
Al cromo
Al cromo
Al cromo
Al cromo
Al cromo
Al cromo – vanadio
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al silicio – manganeso
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
Al níquel – cromo – molibdeno
23XX
25XX
31XX
32XX
33XX
34XX
40XX
41XX
43XX
44XX
46XX
47XX
48XX
50XX
51XX
50XXX
51XXX
52XXX
61XX
81XX
86XX
87XX
88XX
92XX
93XX
94XX
97XX
98XX
Con boro
Con plomo
XXBXX
XXLXX
302XXX
303XXX
514XXX
Inoxidables
Austenítico: cromo – níquel – manganeso
cromo – níquel
Ferrítico – Martensítico
El primer digito indica la serie. Los últimos dos (tres en algunos casos) indican el
tenor de carbono. El segundo digito indica una subserie.
Propiedades que le otorgan los distintos aleantes.
Aluminio (Al): Tiene acción desoxidante. Limita el crecimiento del grano por
formación de óxidos y nitruros. Es el elemento de aleación fundamental de ciertos
aceros de nitruración.
Cromo (Cr): Aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación. Aumenta la
templabilidad. Aumenta algo la resistencia a altas temperaturas. Mejora la
resistencia a la abrasión y al desgaste (con contenidos altos de carbono)
Cobalto (Co): Mejora la dureza en calienta al aumentar la dureza de la ferrita.
Manganeso (Mn): Contrarresta la fragilidad debida al azufre. Aumenta la
templabilidad siendo su empleo muy económico.
Molibdeno (Mo): Eleva la temperatura de crecimiento de grano de la austerita.
Aumenta la templabilidad. Contrarresta la fragilidad de revenido. Mejora la
resistencia en caliente y al creep, aumenta la dureza en caliente. Aumenta la
resistencia a la corrosión en los aceros inoxidables. Forma partículas resistentes a
la abrasión.
Níquel (Ni): Aumenta la resistencia de los aceros recocidos. Aumenta la tenacidad
de los aceros perlíticos – ferríticos (especialmente a baja temperatura). Hace
austeníticos los aceros altos en cromo.
Fósforo (P): Aumenta la resistencia en los aceros bajos en carbono. Mejora la
resistencia a la corrosión. Mejora la maquinabilidad en los aceros bajos en C.
Silicio (Si): Se usa como elemento desoxidante. Es el elemento de aleación
fundamental de la chapa magnética y de la utilizada en aplicaciones eléctricas.
Mejora la resistencia a la oxidación. Aumenta la templabilidad en los aceros con
elementos no grafitizantes. Aumenta la resistencia de los aceros de baja aleación.
Titanio (Ti): Fija el carbono en forma de partículas inertes. Reduce la dureza
martensítica y la templabilidad en los aceros con contenido medio de cromo.
Dificulta la formación de austerita en los aceros altos en cromo. Evita la perdida de
cromo en ciertas zonas de los aceros inoxidables durante calentamientos muy
prolongados.
Tungsteno (W): Forma partículas duras y resistentes a la abrasión en los aceros
de herramientas. Mejora la dureza y resistencia de los aceros a altas
temperaturas.
Vanadio (V): Eleva la temperatura de crecimiento de grano de la austerita
(favorece las estructuras de grano fino). Aumenta la templabilidad cuando se
encuentra disuelto. Dificulta el ablandamiento en el revenido y da lugar de una
manera muy acusada al fenómeno de dureza secundaria.
En forma general, los elementos de aleación otorgan al acero propiedades
relevantes para otras exigencias.
o
Mejoras en las propiedades mecánicas: incremento de la resistencia,
incremento de la tenacidad, incremento de dureza a altas temperaturas,
incremento en el endurecimiento por trabajado en frío, descenso en la
plasticidad de aceros de baja resistencia, incremento en la resistencia a la
abrasión o capacidad de corte, disminución de la fisuración y la distorsión y
mejora en las propiedades en alta y baja temperatura.
o
Mejoras en las propiedades magnéticas: incremento de la inducción
máxima, descenso o ascenso en la fuerza coercitiva y descenso en el lazo de
histéresis, y anulación de toda respuesta magnética.
o
Mejoras en la resistencia al ataque químico: disminución de la oxidación en
vía húmeda, disminución de la corrosión atmosférica, disminución al ataque en
medio oxidante a elevada temperatura, y disminución al ataque de medios
reactivos (líquidos o gaseosos).
Ejemplos de utilización.
SAE 8620: Contiene 0,20% C, 0,5% Ni, 0,5% Cr y 0,20% Mo. Se utiliza para la
fabricación de engranajes de cajas de cambio de los automóviles dado que tiene
una gran resistencia al desgaste, una alta dureza y una alta tenacidad.
Su gran resistencia al desgaste, alta dureza y tenacidad vienen dadas por el
tratamiento termoquímico superficial que se le aplica: Cementación. Debido al
mismo, la pieza queda con una alta resistencia y alta dureza (con un 80% de C) en
la periferia y en el interior consigue una alta tenacidad (con un 20%)
SAE 52100: Contiene 1% C y alto cromo 1,5 % Cr. Se utiliza para la fabricación de
rodamientos, dado que tiene alta resistencia a la corrosión y al desgaste, y tiene
baja tenacidad. También se utiliza para la fabricación de herramientas agrícolas.
SAE 51100 – SAE 52100: son aceros de alta aleación y 1% C. Los aleantes
principales son: Cr, Mo, W, V. Dado que tienen alta resistencia al desgaste, alta
resistencia a la deformación y a la rotura, resistencia al impacto y dureza a altas
temperaturas, se utilizan para fabricar herramientas de corte (tornos, brocas,
fresas, brochas), herramientas de conformado (forja, extrusión, trefilado,
recalcado, embutido), moldes para fundición a presión, moldes para inyección de
plásticos, y en ciertos casos, para fabricar piezas estructurales o piezas de
maquinas.
A estos aceros, la gran mayoría de las propiedades se las dan los elementos
aleantes.
SAE 4340: Contiene 0,40% C y como aleantes Ni, Cr y Mo. Es probablemente el
mejor acero para aplicaciones generales. Dado que tiene buena resistencia al
desgaste, buena ductilidad y tenacidad se utiliza, generalmente, para fabricar
cigüeñales, ejes, engranajes, piezas de tren de aterrizaje, etc.
Todas sus propiedades se consiguen gracias a los elementos aleantes que lleva
en su composición, las cuales son mejoradas con el tratamiento térmico de temple
y revenido (bonificado) que se le aplica.
3) Aceros para altas temperaturas. Características y composición. Ejemplos.
Los aceros para alta temperatura, aquellos que deban soportar temperaturas
superiores a 350ºC, son aceros de media aleación. Son aceros al Cr – Mo o Cr –
Mo – V
Propiedades:
o
o
o
o
Gran tenacidad a altas temperaturas
Gran resistencia al calor
Buena resistencia a fisuras a altas temperaturas
Alta resistencia al desgaste en caliente
Ejemplos de utilización.
SAE H-13: Contiene 0,40% C, 1,0% Si, 5,3% Cr, 1,4% Mo y 1,0% V. Dado que
tiene gran estabilidad en el revenido, tenacidad y resistencia al desgaste en
caliente, es apto para ser utilizado en herramientas de fundición a presión,
cuchillos para cortes en caliente y en frío. Este acero es insensible al
agrietamiento en caliente, pero no debería someterse a un enfriamiento por agua
durante su uso.
SAE H-10: Contiene 0,32% C, 3,0% Cr, 2,8% Mo y 0,5% V. Dado que tiene gran
constancia termal y buena conductibilidad de calor, y soporta refrigeración extrema
por agua, se utiliza para prensas de forja, herramientas de fundición a presión,
matrices de prensado de acero en barras, punzones, herramientas refrigeradas
con agua.
SAE H-10A: Contiene 0,32% C, 3,0% Cr, 2,8% Mo, 0,5% V y 3,0% Co. Dado que
tiene gran constancia termal y buena conductibilidad de calor, y soporta
refrigeración extrema por agua, y además, gracias al contenido adicional de Co (lo
que lo diferencia del H-10), tiene una mejor estabilidad en el revenido y constancia
termal, este acero es apto para la fabricación de prensas de forja, herramientas de
fundición a inyección de gran tamaño, matrices de prensas vías, punzones,
herramientas refrigeradas por agua.