Ingeniería Mecánica. Guia de Materiales. Materiales alternativos.

Transcripción

1 Ingeniería Mecánica Guia de Materiales. Materiales alternativos.

2 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.

3 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.

4 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.

5 Clasificación AISI SAE (American Iron and Steel Institute-Society of Automotive Engineers) Clasificación Clases de Acero Designación Al carbono Aleados Al carbono y aleados Inoxidables De bajo y mediano manganeso De corte libre resulfurados De corte libre resulfurados y refosforados De alto manganeso Al níquel Al níquel Al níquel cromo Al níquel cromo Al níquel cromo Al níquel cromo Al molibdeno molibdeno Al molibdeno Al níquel molibdeno Al níquel molibdeno vanadio Al silicio manganeso Con boro Con plomo Austenítico: cromo níquel manganeso cromo níquel Ferrítico Martensítico 10XX 11XX 12XX 13XX 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 XXBXX XXLXX 302XXX 303XXX 514XXX

6 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.

7 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).

8 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 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.

9 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.