Trabajo aceros inoxidables (2016)

Trabajo Español
Universidad Universidad de Córdoba
Grado Ingeniería Mecánica - 3º curso
Asignatura Ingeniería de los materiales
Año del apunte 2016
Páginas 22
Fecha de subida 21/01/2016
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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales ACEROS INOXIDABLES Francisco Ángel Porras de la Torre José Manuel Sierra López Manuel Ordóñez Albendín UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 1. IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL MATERIAL La mayoría de los metales se oxidan, por ejemplo la plata se pone negra, el aluminio cambia a blanco, el cobre cambia a verde y ordinariamente el acero cambia a rojo. En el caso de acero, el hierro presente se combina con el oxígeno del aire para formar óxidos de hierro o “herrumbre”. A principios del siglo XX algunos metalurgistas descubrieron que adicionando poco más de 10% de cromo al acero, éste no presentaba herrumbre bajo condiciones normales; la razón de ello es que el cromo suele unirse primeramente con el oxígeno del aire para formar una delgada película transparente de óxido de cromo sobre la superficie del acero y excluye la oxidación adicional del acero inoxidable. Esta película se llama capa pasiva. En el caso de que ocurra daño mecánico o químico, esta película es auto reparable en presencia de oxígeno.
El acero inoxidable es esencialmente un acero de bajo carbono, el cual contiene como mínimo un aproximado 10.5% de cromo en peso, lo que le hace un material resistente a la corrosión.
El acero inoxidable puede ser clasificado en cinco familias diferentes; cuatro de ellas corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita y dúplex (austenita mas ferrita); mientras que la quinta son las aleaciones endurecidas por precipitación, que están basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina.
Entre las normalizaciones más consideradas se encuentran las de AISI (Instituto Americano del Hierro y el Acero, American Iron and Steel Institute) y las de SAE (Sociedad de Ingenieros de Automoción, Society of Automotive Enginers).
1.1. ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS Son la primera rama de los aceros inoxidables simplemente al cromo. Representan una porción de la serie 400, sus características son: - Moderada resistencia a la corrosión - Endurecibles por tratamiento térmico y por lo tanto se pueden desarrollar altos niveles de resistencia mecánica y dureza - Son magnéticos - Debido al alto contenido de carbono y a la naturaleza de su dureza, es de pobre soldabilidad UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales Los Martensíticos son esencialmente aleaciones de cromo y carbono. El contenido de cromo es generalmente de 10.5 a 18% y el de carbono es alto, alcanzando valores de hasta 1.2%.
1.2. ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS Estos aceros inoxidables de la serie 400 AISI (American Iron & Steel Institute) mantienen una estructura ferrítica estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión, sus características son: - Resistencia a la corrosión de moderada a buena, la cual se incrementa con el contenido de cromo y algunas aleaciones de molibdeno - Endurecidos moderadamente por trabajo en frío: no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico - Son magnéticos - Su soldabilidad es pobre por lo que generalmente se eliminan las uniones por soldadura a calibres delgados - Usualmente se les aplica un tratamiento de recocido con lo que obtienen mayor suavidad, ductilidad y resistencia a la corrosión - Debido a su pobre dureza, el uso se limita generalmente a procesos de formado en frío Los Ferríticos son esencialmente aleaciones con cromo. El contenido de cromo es usualmente de 10.5 a 30%, pero contenidos limitados de carbono del orden de 0.08%.
Algunos grados pueden contener molibdeno, silicio, aluminio, titanio y niobio que promueven diferentes características.
1.3. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS Los aceros inoxidables austeníticos constituyen la familia con el mayor número de aleaciones disponibles, integra las series 200 y 300 AISI. Su popularidad se debe a su excelente formabilidad y superior resistencia a la corrosión. Sus características son las siguientes: - Excelente resistencia a la corrosión - Endurecidos por trabajo en frío y no por tratamiento térmico - Excelente soldabilidad - Excelente factor de higiene y limpieza - Formado sencillo y de fácil transformación UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales - Tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas extremas - Son no magnéticos Los Austeníticos se obtienen adicionando elementos formadores de austenita, tales como níquel, manganeso y nitrógeno. El contenido de cromo generalmente varía del 16 al 26% y su contenido de carbono es del rango de 0.03 al 0.08%.
El cromo proporciona una resistencia a la oxidación en temperaturas aproximadas de 650º C en una variedad de ambientes.
Esta familia se divide en dos categorías: - SERIE 300 AISI.- Aleaciones cromo-níquel - SERIE 200 AISI.- Aleaciones cromo-manganeso-nitrógeno SERIE 300 AISI Es la más extensa, mantiene alto contenido de níquel y hasta 2% de manganeso.
También puede contener molibdeno, cobre, silicio, aluminio, titanio y niobio, elementos que son adicionados para conferir ciertas características. En ciertos tipos se usa azufre o selenio para mejorar su habilidad de ser maquinados.
SERIE 200 AISI Contiene menor cantidad de níquel. El contenido de manganeso es de 5 a 20%. La adición de nitrógeno incrementa la resistencia mecánica.
1.4. ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX Son aleaciones cromo-níquel-molibdeno, sus características son las siguientes: - Son magnéticos - No pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos - Buena soldabilidad - La estructura dúplex mejora la resistencia a la corrosión de fractura bajo tensión en ambientes con iones de cloruro.
Los dúplex tienen un contenido de cromo de entre 18 y 26% y de níquel de 4.5 a 6.5%.
La adición de elementos de nitrógeno, molibdeno, cobre, silicio y tungsteno imparten ciertas características de resistencia a la corrosión.
1.5. ACEROS INOXIDABLES ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓN Esta familia ofrece una alternativa a los aceros inoxidables austeníticos cuando se desea asociar elevadas características mecánicas y de maquinabilidad. Son aleaciones hierro-cromo-níquel que se caracterizan por la resistencia mecánica UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales obtenida a partir del endurecimiento por tratamiento térmico de envejecimiento. Los aceros endurecibles por precipitación están patentados y frecuentemente se les designa con las siglas de la empresa productora.
2. MACROESTRUCTURA Y MICROESTRUCTURA Existen varios grupos o familias de aceros inoxidables, y cada uno contiene un número específico de tipos con características distintas. Con objeto de entender la nomenclatura, es necesario establecer que la estructura interna de los metales está compuesta de un arreglo entre los átomos que forma una red espacial y que para su estudio se ha llamado estructura cristalina. Considere el diagrama simplificado de fases del sistema binario hierro-carbono.
El hierro existe en tres formas cristalinas que son: alfa, gama y delta en diferentes y específicas temperaturas, desde la temperatura ambiente y hasta el punto de fusión.
Los límites específicos que definen estas formas alotrópicas varían con el contenido de carbono, y las estructuras cristalinas varían de acuerdo con su capacidad para disolver el carbono. Ferrita es el cristal centrado en el cuerpo con una capacidad muy limitada de disolver carbono; austenita es la forma gama (γ -austenita) y es un cristal centrado en la cara con alta capacidad de disolver carbono. Ferrita cambia a austenita a temperaturas que disminuyen desde 910°C conjuntamente con el incremento de carbono y el enfriamiento lento permite un gradual y ordenado regreso a ferrita. Sin embargo cuando la aleación Fe-C es enfriada rápidamente, el carbono queda fuera de la solución y produce una estructura acicular llamada martensita, la cual es muy dura.
Estos tres términos —martensita, ferrita y austenita— son también las descripciones de las tres principales familias de aceros inoxidables.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 3. PROPIEDADES MECÁNICAS Y VALORES TÍPICOS DE LOS DISTINTOS ENSAYOS 3.1.ENSAYOS DE DUREZA El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material.
Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir) la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.
3.1.1.- Dureza Vickers Este método es muy difundido ya que permite medir dureza en prácticamente todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor.
El procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de base cuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se desea medir, bajo la acción de una carga P. Esta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la diagonal d de la impresión que UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales quedó sobre la superficie de la muestra (figura 1). Con este valor y utilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers, que es caracterizada por HV y definida como la relación entre la carga aplicada (expresada en Kgf) y el área de la superficie lateral de la impresión 3.1.2.- Dureza Rockwell La medición de dureza por el método Rockwell ganó amplia aceptación en razón de la facilidad de realización y el pequeño tamaño de la impresión producida durante el ensayo.
El método se basa en la medición de la profundidad de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada.
El número de dureza Rockwell (HR) se mide en unidades convencionales y es igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. El método puede utilizar diferentes penetradores siendo éstos esferas de acero templado de diferentes diámetros o conos de diamante. Una determinada combinación constituye una "escala de medición", caracterizada como A,B,C, etc. y siendo la dureza un número arbitrario será necesario indicar en que escala fue obtenida (HRA, HRB, HRC, etc.).
El proceso de medición con penetrador de diamante (utilizado para materiales duros, como por ejemplo los templados) está esquematizado en la figura 2.
La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que: P= Po+P1 Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que se mantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales. A continuación se aplica la carga P1 y la penetración se acentúa. Finalmente la carga Pl es retirada y la profundidad h restante (solamente actúa P0) determina el número de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las máquinas está invertida para permitir una lectura directa. En los certificados de calidad es común utilizar la escala HRB donde el cono de diamante es reemplazado por una esfera de 1/16" y la cargaP1 vale 100 Kgf. En casos de materiales muy finos donde la carga de 100 Kgf es muy elevada, pudiendo inclusive perforar la muestra, es utilizada la escala Vickers con una carga de 10 Kgf y luego efectuada la transformación a la escala HRB utilizando tablas de conversión adecuadas.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 3.2.ENSAYO DE TRACCION Ensayo estático que consiste en aplicar a la probeta,en dirección axil,un esfuerzo de tracción creciente, generalmente hasta la rotura,con el fin de determinar una o más de las características.
O:comienzo del ensayo.
A: (δp)Limite de proporcionalidad B. (δz)Limite elástico aparente o superior de fluencia.
C:Incremento de la carga por endurecimiento.
D:(Qm)Carga máxima.
E:Rotura  Zona 0-A:Periodo elástico, se representa por una recta que pone de manifiesto la proporcionalidad entre alargamiento y carga que la produce,Ley de Hooke.Los aceros retoman su longitud inicial al cesar la carga no sobrepasando el punto A.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales  Zona A-B:Zona de alargamiento seudoelástico, Se presenta un pequeño tramo ligeramente curvo que es prácticamente la continuación de la recta.Se le suma a los alargamientos elásticos una pequeña deformación que es incluso recuperable en el tiempo.Por lo tanto al punto B se lo denomina Limite Elástico Aparente o Superior de Fluencia.
 Zona B-C:Zona de fluencia o escurrimiento,comienzan oscilaciones a pequeños avances y retrocesos de la carga, dejando una importante deformación permanente del material,el mismo escurre sin aumento considerable de carga,las oscilaciones denotan que la fluencia no se produce simultáneamente en todo el material.Este fenómeno es una significativa característica de los aceros dúctiles.
 Zona C-D:Zona de alargamiento homogéneo,se produce luego de concluida la fluencia,por causa de la deformación se produce un efecto de endurecimiento conocido con el nombre de “ACRITUD”.El material al deformarse aumenta su capacidad de carga hasta un máximo que será el punto D,las deformaciones son grandes y en toda la pieza. Al llegar a D se concentran las deformaciones en una zona especifica(estricción).
 Zona D-E:Zona de estricción, en este periodo la ACRITUD subsiste, pero, no puede compensar la rápida disminución de algunas secciones transversales que sufre la probeta,por lo tanto desciende la carga hasta la fractura.
EJEMPLO DE ENSAYO DE TRACCION DE ACERO IXOXIDABLE UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 4. PROCESOS PARA LA MEJORA DE PROPIEDADES MECÁNICAS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Se clasifican según profundidad del tratamiento así como la velocidad a la que se enfría la pieza: A) Tratamientos que afectan a la totalidad de la pieza a tratar: 1. Tratamientos con disminución gradual de la temperatura: 1.1. TEMPLE: Enfriamientos súbitos (a gran velocidad) empleando agua o líquidos refrigerantes. Tiene como finalidad aumentar la dureza, la resistencia mecánica y el límite elástico del acero tratado.
1.2. NORMALIZADO: Enfriamientos lentos, al aire, para aceros con muy bajo contenido en carbono (<0,25 % C), con objeto de homogeneizar su estructura y eliminar tensiones internas.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 1.3. RECOCIDO: Enfriamientos muy lentos, inicialmente en el horno y posteriormente al aire. Tiene como finalidad ablandar el material para procesos de mecanizado (mejorar su ductilidad y maleabilidad).
1.4. REVENIDO: es un tratamiento complementario del temple y posterior a éste. Se calienta el acero templado sin llegar a la temperatura de austenización y se deja enfriar en el horno o al aire para eliminar tensiones internas y mejorar su ductilidad y tenacidad.
2. Tratamientos isotérmicos con disminución de la temperatura en intervalos de tiempo. (la pieza se mantiene durante cierto tiempo a una determinada temperatura) - Temple escalonado o martempering. En aceros hipoeutectoides (con media o baja templabilidad) que requieran gran resistencia al desgaste (con este tratamiento se consigue más profundidad de temple) . Se obtiene martensita y es necesario después realizar un revenido. El inconveniente es que es un tratamiento más caro que el temple normal, ya que para mantener la temperatura constante se deben introducir las piezas en baños de sales.
- Temple bainítico o austempering. En aceros hipoeutectoides. Se obtiene bainita y no hace falta realizar revenido después.
- Patentado o patenting. En aceros de 0,3 a 0,85 % C para el estirado en alambres.
(Se suele acompañar este tratamiento de un recocido de regeneración cuando comienza a aparecer acritud en el proceso de trefilado). Se obtiene perlita fina.
B) Tratamientos superficiales (afectan sólo a la superficie de la pieza a tratar): Temple superficial: a la llama, por inducción, por rayo láser, por bombardeo electrónico.
DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS IMPORTANTES 1.1. TEMPLE - Temperatura límite (crítica) de temple: temperatura mínima que debe alcanzar un acero para que toda su masa pueda transformarse en cristales de austenita.
En la práctica se sobrepasa la temperatura A3 o Acm en 50 º C. El tiempo de permanencia dependerá del espesor de la pieza (aprox. por cada 1mm 1 min) - Velocidad crítica de temple: velocidad mínima de enfriamiento de un acero para que la austenita se transforme en martensita. Depende del contenido en carbono del acero (a mayor % C menor será esta velocidad) y también de si el acero está aleado con UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales otros materiales (los aceros aleados tienden a desplazar las curvas TTT hacia la derecha y a disminuir esta velocidad) - Factores que influyen en el temple: - tamaño de las piezas: mayor espesor dificulta el enfriamiento del interior - composición del acero: aceros con <0,2 % C no se pueden templar - temperatura y medio de enfriamiento.
- Templabilidad: aptitud o cualidad de un acero para facilitar la penetración del temple.
Su determinación nos permitirá conocer el diámetro crítico de la pieza a templar (máximo diámetro para que el interior de la pieza tenga el 50 % de martensita) y por tanto el resultado del tratamiento realizado.
Determinación de la templabilidad de un acero: - Tiñendo la sección transversal de la pieza templada con nital (ácido nítrico y etanol), de modo que se colorea la zona templada.
- Estudiando la dureza a lo largo de la sección transversal de la pieza tratada - Por medio del ensayo de Jominy Con los tratamientos de temple la estructura resultante siempre tiene una parte de martensita.
1.2. RECOCIDO Se clasifican en función de la temperatura máxima a la que se calienta el acero y en función de las condiciones y velocidades de enfriamiento: a) Con calentamientos a temperaturas superiores a la de austenización: - Recocido de regeneración o de austenización completa: para aceros hipoeutectoides.
Se calienta de modo que todo el material se transforme en austenita y se enfría lentamente (hasta 500º C) de manera que la austenita se transforma en ferrita y perlita de grano grueso. Después se enfría al aire.
- Recocido globular de austenización incompleta. Para aceros hipereutectoides y aceros aleados usados en herramientas. Se calienta el acero de modo que sólo la ferrita se transforma en austenita (la cementita no se transforma y adopta la forma de glóbulos incrustados en la austenita). Se hace luego un enfriamiento lento en el horno hasta que la austenita se transforma (500º C) y después se enfría al aire.
b) Con calentamientos a temperaturas inferiores a la de austenización (subcríticos).
- Recocido globular subcrítico: se enfría muy lentamente hasta 500º C y después al aire. Se consigue frente al anterior una cementita de estructura globular más perfecta.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales (La cementita que forma parte de la perlita en forma de láminas adopta ahora una estructura en forma de glóbulos- se forma perlita sorbítica).
- Recocido de ablandamiento o de homogenización: se calienta el acero a una temperatura de 700 a 725º C y se deja enfriar al aire. Se emplea en aceros después de la forja o laminación, generalmente en aceros aleados de gran resistencia para devolverles sus propiedades mecánicas iniciales.
- Recocido de estabilización o de relajación de tensiones: se calienta la pieza a 100200º C durante un tiempo muy prolongado (100 h o más). Con ello se pretende eliminar las tensiones internas que quedan en las piezas.
Con los tratamientos de recocido la estructura resultante siempre es ferritaperlita o perlita-cementita de grano más o menos grueso, de escasa dureza y gran plasticidad.
OTROS TRATAMIENTOS 1.- TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Son tratamientos que varían la composición química superficial de los aceros mediante la adición de otros elementos y con aporte de calor, con objeto de mejorar sus propiedades superficiales. Los principales tratamientos termoquímicos son: Aplicaciones: - Cementación: en aceros con bajo contenido en carbono para obtener piezas resistentes al desgaste y los golpes (gran dureza superficial pero que conserven gran tenacidad)-por ejemplo ejes y levas.
- Nitruración: en piezas sometidas a gran desgaste y resistente a la fatiga y la corrosión-por ejemplo pistones, cigüeñales,....
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales - Cianuración: también para aceros con medio y alto contenido en carbono, para mejorar su resistencia y dureza superficial.
- Sulfinización: para mejorar la resistencia la desgaste al favorecer la lubricación y reducir el rozamiento. (Partes de herramientas sometidas a rozamiento).
2.- TRATAMIENTOS MECÁNICOS Se trata de modificar la forma de un elemento metálico por deformación plástica, aplicando al material una fuerza externa superior al límite elástico del material. El conformado se puede realizar en frío o en caliente.
Las técnicas de conformado más comunes son: - Forja: conformado de una pieza golpeándola fuertemente. La forja contribuye a la eliminación de irregularidades en la pieza y al afino del grano.
- Laminación: consiste en pasar una preforma metálica entre dos rodillos, reduciendo el espesor de la pieza.
- Extrusión: empleado para fabricar elementos tubulares que deben pasar por un orificio más estrecho aplicando una fuerza de compresión mediante un émbolo.
- Trefilado: empleado para fabricar alambres o piezas de pequeño diámetro, aplicando una fuerza de tracción a una pieza sujeta con mordazas.
3.- RECUBRIMIENTOS SUPERFICIALES Utilizados para mejorar la resistencia a la oxidación y corrosión de los aceros. Los recubrimientos superficiales metálicos generalmente también mejoran la dureza superficial y por tanto su resistencia la desgaste.
- Metálicos: realizados mediante diferentes procedimientos: - Electrolisis: la pieza que se pretende recubrir se coloca como cátodo, como ánodo el metal a recubrir y de electrolito una disolución de sus iones. Se utiliza para el aluminio, magnesio y titanio, principalmente.
- Mediante inmersión de la pieza a tratar en un baño del metal a recubrir fundido. Los más empleados son el estaño, el cinc, el aluminio y el plomo.
- Metalización: proyección del metal fundido pulverizándolo sobre la superficie del otro.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales - Orgánicos: mediante la aplicación de pinturas, lacas y otras sustancias polímeras.
Otro tipo de protección contra la oxidación y corrosión sería también aplicar un tratamiento termoquímico en el que se introduciría la pieza en un medio que contiene los átomos del metal a difundir a elevada temperatura y por difusión los átomos de dicho metal pasarían a formar parte de la estructura superficial del acero a tratar.
Mediante este procedimiento se recubren superficialmente piezas de acero con cromo, boro, aluminio y cinc.
Algunos de los recubrimientos más empleados son: - Cromado: recubrimiento de la superficie del acero con cromo mediante electrolisis o por difusión.
- Galvanizado: acero recubierto de una pequeña capa de cinc, mediante un baño de cinc fundido o por electrolisis.
- Estañado u hojalata, sustituido actualmente por la aluminización: acero recubierto de una capa de estaño (o aluminio), normalmente mediante inmersión en un baño de estaño fundido.
PROCESOS DE OXIDACIÓN Y CORROSIÓN EN METALES OXIDACIÓN La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones. Cuando este proceso ocurre en contacto con el oxígeno, este último gana los electrones perdidos por el metal convirtiéndose en un ión que al combinarse con el metal dan origen al óxido del material. Por ejemplo, para un metal divalente (valencia 2) se verifica: El óxido aparece en la superficie y se pueden presentar varios casos: - Que la capa de óxido sea porosa y permita que la oxidación siga avanzando (como le ocurre al magnesio o al hierro) - Que la capa de óxido sea adherente e impermeable y proteja al metal (como ocurre con el aluminio o el cromo) Así, la velocidad y energía de oxidación para cada elemento varía y al alear un metal de fácil oxidación con otro más difícilmente oxidable, este último protege al primero, UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales como ocurre en el caso de los aceros inoxidables, aleados principalmente con cromo.
CORROSIÓN Es un caso especial de oxidación en el que al encontrarse en un ambiente húmedo y conductor de la electricidad, la capa de óxido no se deposita sobre el material protegiéndolo del avance de la oxidación, sino que este se disuelve (corroe). El proceso de corrosión normalmente está basado en la formación de celdas electroquímicas, en las que aparece un ánodo (lugar donde se ceden electrones-se produce la oxidación) un cátodo (aquel que recibe los electrones-se produce una reducción) y un electrolito o medio conductor a través del cual se mueven los iones.
CELDA GALVÁNICA Si colocamos dos metales sumergidos en una solución acuosa de sus iones (llamada electrolito) y separados por un tabique poroso que sólo permita el paso del ión (SO4)2+ y unimos eléctricamente ambos metales, las reacciones químicas que se producirán serán: Ánodo (oxidación) Zn→ Zn2+ +2eCátodo (reducción) Cu2+ +2e- →Cu Este es el principio de funcionamiento de una pila eléctrica. Para conocer qué metal hará de ánodo y cual de cátodo se debe conocer el potencial de electrodo de cada uno, actuando de cátodo el de mayor potencial.
CORROSIÓN El metal se disuelve al actuar como ánodo. Las reacciones químicas serán: Ánodo (oxidación) Fe Fe2++2e Cátodo (reducción): a) en ausencia de oxígeno: 2H + +2e- → H2 b) con oxígeno: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O c) con iones metálicos disueltos en el electrolito: M2+ + 2e- → M UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales ELECTROLISIS Forzamos el sentido de circulación de los electrones, creando una diferencia de potencial entre ambos electrodos y empleando como electrolito una solución con iones del metal que queremos emplear para recubrir. De esta forma el Fe actuaría de cátodo sobre el que se depositaría el metal colocado en el cátodo.
Ánodo (oxidación) Cr → Cr2+ +2eCátodo (reducción) Cr2+ +2e- → Cr 5. PRICIPALES SECTORES DE APLICACIÓN MARTENSÍTICOS 403.- Es primariamente empleado en partes críticas de maquinaria sometida a altos esfuerzos y donde se requiere, además buena resistencia al calor, corrosión, desgaste abrasivo o erosión.
410.- Es de propósito general y el tipo más usado de la familia martensítica debido a sus atractivas características y su bajo costo. Se emplea en tuercas, tornillos, cubiertos, herramientas de cocina, partes de horno a bajas temperaturas, equipo para refinación de petróleo, vajillas, partes para turbinas a gas o vapor, etc. Tiene un coeficiente de expansión poco menor que el del acero al carbono, mientras que la conductividad térmica es casi la mitad correspondiente al valor para el acero al carbono. Puede desarrollar una excelente combinación de resistencia mecánica y dureza mediante adecuado tratamiento térmico. En la condición de recocido, es dúctil y es una buena opción para formado y otras operaciones de transformación donde el uso final está destinado a ambientes moderadamente corrosivos.
416.- Otra versión del tipo 410, donde el azufre o el selenio son adicionados para producir las mejores características de maquinabilidad de la clase martensítica, tiene menor desempeño en ductilidad y formabilidad que el 410. Se utiliza en conectores, cerraduras, cabezas de palos de golf, partes de bombas, flechas, partes para válvulas, etc.
420.- Es una modificación del 410, con alto contenido de carbono, que le permite alcanzar mayor dureza y mayor resistencia al desgaste aunque menor resistencia a la corrosión. Se utiliza para instrumentos dentales y quirúrgicos, hojas de cuchillos, moldes, herramientas, etc.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 422.- Diseñado para el servicio a temperaturas de hasta 650º C, combinando resistencia mecánica. Presenta maquinabilidad de mediana a baja.
431.- Diseñado para obtener altas propiedades mecánicas mediante tratamiento térmico junto con buena resistencia al impacto. Empleado para fabricar conectores, cerraduras, partes para transportadores, equipo marino, flechas de propelas, flechas de bombas, resoles, etc.
440.- Utilizados en donde se requiere una alta y extremada dureza, resistencia a la abrasión y buena resistencia a la corrosión. De baja maquinabilidad. Sus principales aplicaciones son: cuchillería, partes resistentes al secado, equipo quirúrgico, inyectores, etc.
FERRÍTICOS 405.- Conocido como un grado soldable del tipo 410 se utiliza en partes resistentes al calor, equipo para refinación de calor, racks para templado de acero.
409.- Es un acero estructural de uso general, es utilizado en aplicaciones que no requieren alta calidad de apariencia. Se usa para fabricar silenciadores y convertidores catalíticos para automóviles, cajas de trailer, tanques de fertilizantes, contenedores.
430.- Es el más popular de los aceros inoxidables simplemente al cromo. Es un acero de propósito general, es dúctil y tiene buenas características de formabilidad, tiene buena resistencia a la corrosión. Es ideal para muebles y decoración interior. Se utiliza para adornos y molduras automotrices, materiales de construcción, equipo químico de proceso, cremalleras, partes para quemadores, adornos interiores arquitectónicos y paneles, adornos y equipos de cocina, equipo para proceso de ácido nítrico, aparatos científicos, etc.
434.- Es una variación del tipo 430 que contiene molibdeno y niobio que incrementan la resistencia a la corrosión, es particularmente ventajosa para usos automotrices exteriores.
446.- Contiene el máximo contenido de cromo de toda la familia ferrítica, por lo que tiene la mayor resistencia a la corrosión de su clase, se recomienda para uso en atmósferas de comportamiento azufroso a altas temperaturas (1000º C). No debe ser utilizado en aplicaciones en donde se requiera alta resistencia mecánica. Se utiliza para la fabricación de bases para tubos de rayos X, partes de quemadores, tubos para pirómetros, válvulas y conectores, etc.
AUSTENÍTICOS 301.- Menor resistencia a la corrosión que otros aceros de la serie 300. Puede ser fácilmente formado y ofrece buenas propiedades de soldabilidad. Utilizado en partes de aviones, adornos arquitectónicos, cajas de ferrocarril y de trailer, cubiertas de rines, equipos para procesamiento de alimentos.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 303.- Especial para propósitos de maquinado, buena resistencia a la oxidación en ambientes de hasta 900º C. Se emplea para cortes pesados. Se usa para la fabricación de partes para bombas, bushings, partes maquinadas y flechas.
304.- Todo propósito, tiene propiedades adecuadas para gran cantidad de aplicaciones. Se recomienda para construcciones ligeras soldadas que requieran buena resistencia a la corrosión. Tiene buen desempeño en temperaturas elevadas (800 a 900º C) y buenas propiedades mecánicas. Es recomendable cuando se requiera soldar altos espesores de material. Algunas aplicaciones son equipo químico de proceso, accesorios para aviones, remaches, equipo para hospitales, etc.
309.- Poseen alta resistencia mecánica, tenacidad y excelente resistencia a la oxidación en temperaturas de hasta 1000º C. Calentadores de aire, equipo químico de proceso, partes de quemadores de turbinas de gas e intercambiadores de calor son algunas de las aplicaciones más comunes fabricadas con este tipo de acero.
310.- Es frecuentemente usado en servicios de alta temperatura. Se utiliza para fabricar calentadores de aire, equipo para tratamiento térmico de aceros, equipo químico de procesos, etc.
316.- Resistente a la corrosión frente a diversos químicos agresivos, ácidos y atmósfera salina. Se utiliza para adornos arquitectónicos, equipo para el procesamiento de alimentos, farmacéutico, fotográfico, textil, etc.
321.- Es similar al 304, pero contiene una adición de titanio equivalente a cinco veces el contenido de carbono. Las principales aplicaciones de este acero son recipientes a presión y almacenamiento, partes de motores de jet, equipo químico de proceso, etc.
6. TENDENCIAS DE USO En general, en términos comparativos, el acero (tanto el de alto o muy alto limite elástico como el de baja aleación) sigue siendo el material más utilizado por los constructores, debido fundamentalmente a su resistencia y precio. Como inconvenientes más significativos frente a otros materiales como el aluminio los plásticos, pueden citarse su peso y su baja capacidad anticorrosiva.
Actualmente, una de las tendencias más interesantes consiste en la construcción hibrida de carrocerías, estando formadas por distintos materiales que, aunando sus características, consiguen una estructura sumamente ligera, muy rígida, y con grandes propiedades anticorrosivas.
Independientemente del tipo de material, para conseguir unos niveles óptimos de rigidez de la carrocería, sería necesario emplear chapas de alto espesor, ya que la carga que aguantara una pieza y la energía que habrá que aplicarle para producirle una deformación, dependerá directamente de su espesor. Como el empleo de estos espesores de chapa empleados para que únicamente las partes más solicitadas mecánicamente cuenten con mayor sección. Por esta razón, no todas las piezas que UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales forman una carrocería tienen el mismo espesor si no que existe una clara diferencia entre aquellos elementos estructurales que van a pilares, etc., y otro tipo de piezas, como capós, puertas, aletas, etc. Las primeras suelen presentar espesores de 0.7 y 0.8 mm.
Como se mencionó anteriormente, a través del diseño basado en el método de los elementos finitos se consigue optimizar la forma de las piezas de las piezas de la carrocería sin necesidad de construir prototipos para ensayarlos físicamente, ya que el estudio estático y dinámico comprende: vibraciones, fatiga y choques. De este modo se obtiene la forma ideal de cada pieza, ya que para un material y una sección útil concretos, la resistencia dependerá también de su forma. La forma y la geometría que presenta su sección determinaran la capacidad de la pieza para soportar cargas, dependiendo del tipo de solicitación a que se encuentra sometida.
7. MATERIALES COMPETIDORES. VENTAJAS Y LIMITACIONES El aluminio La seguridad, las prestaciones y el confort en el mundo de los automóviles de alta gama estaban conduciendo la evolución hacia automóviles cada vez más pesados, por lo que se hace imprescindible la utilización de otros materiales más ligeros como el aluminio. Su bajo peso específico (hasta un tercio con respecto al acero), unido a su excelente relación resistencia mecánica-peso y su fácil y rentable reciclado, hacen del aluminio un material que se utiliza cada vez más en la industria del automóvil y que se puede sustituir al acero en la fabricación de componentes del motor y carrocería principalmente. De hecho, las aleaciones de aluminio pueden desempeñar casi cualquier función en lugar del acero o la fundición como es el caso del bastidor. Es un metal que por su naturaleza aporta dos grandes ventajas: - - Ser más ecológico al ser reciclable en un 100%; y al ser menos pesado, consigue un menor consumo y, por tanto, disminuye el nivel de contaminación ambiental.
De hecho, las nuevas directivas europeas obligan a que el vehículo sea reciclable en un alto tanto por ciento.
Resulta más seguro al tener una deformación controlada en caso de impacto y un reducido peso que favorece la actuación de los frenos.
No obstante el aluminio presenta una aleación difícil para la construcción de la carrocería de un vehículo, pero mediante principios constructivos como el denominado Space Frame, es posible realizar la fabricación en serie de la misma.
La construcción basada en este método consta de perfiles extruidos de aluminio, unidos mediante nudos de fundición a presión en vacío, que rodean el compartimento de los pasajeros. Este marco extraordinariamente estable forma, junto con las chapas de aluminio, una carrocería sin superestructuras que se caracteriza por una extremada resistencia con un reducido peso (40% menos respecto a otra similar de acero).
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales El plástico En la actualidad, con este material se contruyen gran cantidad de elementos interiores y exteriores de la carrocería: tableros de instrumentos, consolas, revestimientos, molduras, paragolpes, aletas, retrovisores, rejillas, elementos aerodinámicos, etc. Sin embargo, su uso para la construcción integral de la carrocería solo se reduce a aplicaciones deportivas, prototipos (sobre todo fibra de carbono y kevlar), que se montan sobre chasis (multitubulares) y vehículos de baja motorización “cuatriciclos”.
El uso del plástico en vehículos de serie se ve condicionado por su capacidad de resistencia al impacto; en este caso, la absorción de energía en caso de choque se basa en la elevada flexibilidad de estos materiales. A esto se unen los notables resultados obtenidos últimamente con las pruebas de choque realizadas con prototipos fabricados con plásticos reforzados con fibra de vidrio y kevlar.
Como resumen, entre las cualidades que hacen a los plásticos especialmente idóneos para la construcción de carrocería, pueden citarse: - Excelente aptitud para el conformado (moldeado), que facilita los diseños mas atrevidos.
Gran ligereza (notable reducción de peso).
Nula capacidad corrosiva.
Alta inalterabilidad a los cambios de temperatura.
Alto límite elástico (gran flexibilidad).
Gran resistencia a productos como la gasolina, grasas y aceites.
Perfecta aptitud para el reciclaje y reaprovechamiento de las piezas.
El magnesio Es un metal que se caracteriza por su extraordinaria ligereza en relación al volumen (densidad 1,74 g/cm3) y una rigidez óptima. El magnesio pesa alrededor del 60% menos que el acero, presentando poca resistencia a la flexión, a la maleabilidad, a las temperaturas elevadas y a la corrosión, por lo cual hay que recurrir a aleaciones que puedan competir con las cualidades del acero o aluminio. Suele utilizarse en construcciones mecánicas con distintas aleaciones para fabricar piezas (por fusión o por forjado según los fabricantes) como el travesaño de sujeción del salpicadero, bastidores de asientos, aros de volante, llantas, etc.
Nuevos materiales Las investigaciones en este campo se centran en los denominados “materiales activos” o “metales con memoria”. La peculiaridad fundamental de este tipo de material reside en el cambio que experimentan como respuesta a determinados estímulos controlados. Esto da lugar a características tan notables como el tener propiedades variables y cambios automáticos de forma. El material de partida es una aleación de niquel y titanio, cuya principal característica es que si se calienta después de haber sufrido una deformación, recupera en gran medida su forma original.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERÍA MECÁNICA Ingeniería de los Materiales 8. REFERENCIAS http://www.v-espino.com/~tecnologia/tecnoII/RES%DAMENES/14%20tratamientos%20aceros.pdf http://www.materialessam.org.ar/sitio/biblioteca/chile/Indice_Archivos/Download/ F229.PDF http://www.bonnet.es/clasificacionacerinox.pdf ...

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