ESPECIFICACIÓN DE LA MATERIA PRIMA

Transcripción

1 CAPÍTULO 3: ESPECIFICACIÓN DE LA MATERIA PRIMA Página 20

2 3. ESPECIFICACIÓN DE LA MATERIA PRIMA 3.1 Selección del material La elección del material adecuado para fabricar una pieza depende esencialmente de cuatro factores: la forma que debe tener, la resistencia de la misma, las condiciones de funcionamiento a las que será sometida y el procedimiento de fabricación a emplear. En este caso se trata de una pieza que va a estar sometida a grandes esfuerzos cortantes y a torsión, además de sufrir desgaste. Por la forma elemental cilíndrica que tiene la pieza, el método de fabricación más adecuado, en este caso, es el de arranque de viruta, puesto que es fácil de mecanizar en un torno y las tolerancias son fácilmente alcanzables. Teniendo en cuenta estos factores, el material elegido ha sido el acero ya que es fácilmente mecanizable, es capaz de soportar grandes esfuerzos, es fácil de obtener en el mercado y tiene un coste relativamente bajo. 3.2 Tipo de material. Características mecánicas y composición química El material del cual está fabricada la pieza, que cubre las características requeridas, es un acero para temple y revenido utilizado para construcción mecánica, que por su composición química son susceptibles de un endurecimiento por temple y que en estado de temple y revenido, presentan buenas características de tenacidad para una resistencia a la tracción dada. Todos los datos que se presentan en este punto han sido obtenidos de las siguientes Normas UNE: - UNE-EN 10020:2001 Definición y clasificación de los tipos de acero - UNE-EN :2006 Sistemas de designación de los aceros, designación simbólica - UNE-EN :1993 Sistemas de designación de los aceros, designación numérica - UNE-EN :2008 Aceros para Temple y Revenido - UNE-EN :2008 Aceros para Temple y Revenido, Aceros aleados Página 21

3 En la siguiente tabla (Tabla 2) se muestra la designación del acero y a continuación la composición química (Tabla 3): Numérica Designación Simbólica Clase de acero * 42CrMo4 Aceros aleados para temple y revenido Tabla 2. Designación del material. *Antigua designación de este acero es F-1252 Composición química Elemento min. % max. % C 0,38 0,45 Si - 0,40 Mn 0,60 0,90 P - 0,025 S - 0,035 Cr 0,90 1,20 Mo 0,15 0,30 Tabla 3. Composición química del Acero El contenido de carbono tiene un efecto fundamental en las propiedades del acero. A medida que crece el contenido de carbono, aumenta la resistencia y la dureza, pero también aumenta su fragilidad y disminuye la ductilidad. A menor contenido en carbono, el acero presenta mejor soldabilidad. Este es un acero con bajo contenido en carbono (C < 0,7%), por tanto, se caracteriza por tener bajas propiedades mecánicas (blandos, tenaces y muy deformables), por ello se le adicionan elementos de aleación y se tratan térmicamente con el objetivo de aumentar dichas propiedades Página 22

4 Por ejemplo, el manganeso (Mn) es un elemento de endurecimiento por solución sólida, es decir, aumenta la profundidad a la que se obtiene el endurecimiento al templar. Con éste se consigue incrementar la resistencia a la tracción, el límite elástico, la resistencia al desgaste y la dilatación térmica. Además, se combina con el azufre (S) en forma de inclusiones, evitando la formación de sulfuro de hierro, el cual causaría fragilidad en caliente. Este acero aleado también contiene cromo (Cr) y molibdeno (Mo) los cuales se combinan con el carbono para formar carburos muy estables. El cromo aminora la velocidad crítica de enfriamiento para el temple, aumenta la dureza, así como la resistencia al desgaste y a la corrosión, mientras que el molibdeno incrementa la tenacidad, la resistencia y la resistencia al calor. El resto de elementos como el fósforo (P) y el azufre (S) son considerados como impurezas y no deben sobrepasar el % máximo permitido puesto que disminuyen las propiedades del material. De cara al mecanizado, una de las propiedades mecánicas que más interesa es la dureza. Esta se define como la resistencia que opone un material al ser rayado o penetrado por otro más duro que él. Otro concepto importante es la templabilidad, que es la propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza inducida por el temple, desde la superficie hacia el interior del material. La templabilidad depende de las características de transformación, es decir, del diagrama de enfriamiento continuo o TTT. En este proceso influyen algunos factores que favorecen o desfavorecen el proceso de templabilidad como lo son el porcentaje de carbono (a mayor porcentaje de carbono mayor es la templabilidad), porcentaje de aleantes (a mayor contenido de aleantes mayor sera la templabilidad), etc. Se definen tres Grados de Templabilidad: +H (normal), +HH (alta) y +HL (baja). En este caso se solicitará un acero grado +HH, esto quiere decir que la profundidad del temple es elevada y se debe a que se trata de un acero aleado. En la Norma aparece como acero aleado con banda reducida de templabilidad y los valores aparecen en la siguiente tabla (Tabla 4). Página 23

5 Límites de dureza Rockwell C para los aceros con banda reducida de templabilidad (grados +HH) Símbolo Limite del Dureza HRC a una distancia, en milímetros, del extremo templado de la probeta templa. intervalo 1,5 3 de dureza HH máx min Tabla 4. Límites de dureza para Aceros +HH. Otras propiedades mecánicas también recogidas en la Norma y muy útiles para el cálculo de la resistencia del material son las siguientes (Tabla 5): Propiedades mecánicas en estado de temple y revenido (+QT) Propiedades mecánicas para una sección determinante de diámetro (d) 16 mm < d < 40 mm 40 mm < d < 100 mm R e min. R m A min. Z min. KV mín. R e min. R m A min. Z min. KV mín. N/mm 2 % % J N/mm 2 % % J a Tabla 5. Propiedades mecánicas en estado de temple y revenido (+QT). Donde: R e : límite elástico R m : resistencia a la tracción A: alargamiento porcentual de rotura (L o = 5,65 S o ) Z: estrición KV: resiliencia sobre probeta longitudinal con entalla Charpy en V Página 24

6 3.3 Tratamiento térmico Los tratamientos térmicos tienen la función de mejorar tanto las propiedades mecánicas del material como su aptitud para el mecanizado. En líneas generales un tratamiento térmico consiste en calentar un determinado material durante un cierto tiempo y a una cierta temperatura, seguido de un posterior enfriamiento determinado igualmente por condiciones de tiempo y temperatura (TT). Variando estos parámetros (TT) tanto para el calentamiento como para el enfriamiento se obtendrán unas transformaciones u otras en el material, obteniéndose así un determinado cambio en las propiedades de éste. Para este tipo de aceros se aplica un temple para aumentar la dureza y resistencia del material, y posteriormente un revenido con el fin de reducir la dureza del mismo y facilitar el mecanizado de la pieza. El temple es uno de los principales tratamientos térmicos y su función es disminuir y afinar el tamaño del grano de la aleación del acero, aumentando la dureza de la pieza. Se basa en calentar una pieza a una temperatura superior a la necesaria para su austenización, de entre 800 y 1100 ºC y luego enfriarla rápidamente, para conseguir la transformación martensítica, con una velocidad de enfriamiento mínima llamada velocidad crítica, controlando el tiempo de calentamiento y de enfriamiento. Se debe tener en cuenta que al aumentar la dureza, disminuye la resiliencia, es decir, la rotura por choque; las piezas se hacen más frágiles, pero también aumenta la resistencia al desgaste; este dato es muy importante para las piezas que deban estar sometidas a grandes rozamientos o esfuerzos de desgaste. Es un proceso delicado pues al sufrir un enfriamiento brusco, se pueden producir deformaciones, grietas o rotura de las piezas debido a las fuertes tensiones internas que pueden generarse. El revenido es un tratamiento que tiene como finalidad reducir las tensiones internas de los aceros después de un tratamiento enérgico como es el temple; mejora la tenacidad de los aceros templados a costa de disminuir su dureza, su resistencia y su límite elástico; reduce las grietas que se puedan generar en el temple o al mecanizar la Página 25

7 pieza por golpes, pues reduce su fragilidad, eliminando o por lo menos disminuyendo las tensiones internas del material. Generalmente es un tratamiento que se les da a los aceros después del temple, y consiste en calentar el material a una temperatura relativamente baja y dejarlo enfriar muy lentamente. En la siguiente tabla (Tabla 6) se muestran las condiciones de tratamiento térmico. Condiciones de tratamiento térmico Temple 1)2) ºC Medio de Revenido 4) temple 3) ºC Ensayo de temple en el extremo (ensayo Jominy) ºC 820 a 880 Aceite o agua 540 a ± 5 Tabla 6. Condiciones de tratamiento térmico. 1) La temperatura inferior del intervalo, generalmente se aplica para el temple en agua, y la superior, para el temple en aceite. 2) Tiempo orientativo de austenización: 30 minutos, mínimo. 3) Para la elección del medio de temple debe tenerse en cuenta la influencia de otros parámetros, tales como la forma, las dimensiones y la temperatura de temple sobre las propiedades y el riesgo de formación de grietas. También se pueden utilizar otros medios de temple de tipo sintético. 4) Tiempo orientativo de revenido: 60 minutos, mínimo. Página 26