8. Selección de Aceros y Tratamientos Térmicos

Selección de Aceros y Tratamientos Térmicos

SELECCIÓN DE ACEROS Y TRATAMIENTOS TÉRMICOS Ing. Javier Mendoza del Solar Aceros Bohler del Perú S.A jmendozadelsolar@bohlerper jmendozadelso [email protected] u.com

La selección del acero y - cuando es necesario - el tratamiento térmico es el procedimiento en el que se tiene la mayor responsabilidad en la fabricación de elementos de maquinarias, sin embargo en muchos casos se ve dificultado por la escasa o incompleta información disponible, tiempo limitado y falta de conocimiento de las propiedades y características de los aceros y los tratamientos térmicos.

resultado un elemento dimensionado con determinadas características mecánicas y en algunos casos físicas. Si los cálculos de ingeniería no fueran posibles (por el tiempo) existe la posibilidad de evaluar la pieza original a través de ensayos de dureza, metalográficos y químicos, determinados o clasificados también al elemento con las características necesarias para su empleo. Una evaluación rápida (procedimientos prácticos para la selección del acero), puede ser realizada por personal entrenado, a través de ensayos a la chispa y de dureza y el conocimiento de las características de aplicación del elemento mecánico.

En primera instancia se debe determinar si se cuenta con las posibilidades de realizar cálculos de ingeniería que incluya factores de seguridad adecuados, cargas dinámicas y estáticas presentes y la influencia influencia de medio, entre otros. Esta evaluación nos dará como

A continuación se presenta un diagrama de flujo de decisión, para orientar al personal de ingeniería en el proceso de selección del acero y el tratamiento adecuado para un elemento de maquina.

Diagrama de flujo de decisión Definir Acero y Tratamiento Térmico de elemento mecánico

No

Consulta de características de aplicación

1. PROCEDIMIENTOS PRACTICOS PARA LA SELECCIÓN DEL ACERO

Si

¿conoce especificación de diseño?

A continuación se mencionan los pasos necesarios para la adecuada selección de aceros especiales, si el diseño no es posible.

No

No

Si

¿Posible diseñarlo?

1.1 Pieza que se va ha construir: No No

De acuerdo con el uso que va ha tener, es posible ubicarla dentro de un grupo de aceros especiales. Así por ejemplo si se va ha fabricar un piñón, pernos, molde, etc.

¿Poseo pieza original ó conozco características?

Si

Ejemplos: - Aceros Aceros para para piñones piñones de fuerza fuerza y alta alta velocida velocidad: d: aceros de cementación ECL o ECN; para baja velocidad VCN o VCL. - Aceros Aceros para para moldes moldes de plásti plástico: co: aceros aceros starmo starmold, ld, moldinox.

Consulta al depart. Técnico BOHLER

¿factible?

No

Alternativa

Si Aprobación de ingeniería de la Empresa

1.2 Condiciones de trabajo:

Ejecución

Información acerca del ambiente: temperatura de trabajo, sustancias corrosivas. Condiciones y caracterís-

Figura 1: Diagrama de flujo de decisión.

83

Avances en tratamientos térmicos

ticas del material a procesar. Principales solicitaciones mecánicas.

En general, en la fabricación de una pieza para la cual ha retirado más de un 20% del material original, el DISTENSIONADO es necesario. También se aplica el ALIVIO DE TENSIONES a piezas soldadas, fundidas o forjadas, aceros bonificados mecanizados, rectificados o electro erosionados; en los cuales las tensiones generadas por estos procesos pueden provocar la posterior aparición de fisuras o grietas. En aquellas piezas que han estado en servicio y que luego de un mantenimiento o parada se decide continuar utilizándolas, se aconseja la aplicación del distensionado con el fin de aliviar las tensiones propias del trabajo realizado y ponerlo así, en condiciones óptimas para su nueva puesta en marcha. De esta manera se alarga la vida útil del componente.

Ejemplos: - Altas temperaturas, ambientes corrosivos: aceros antitherm ffb, antinit 316L, antinit 304L. - Troqueles para corte de plancha: aceros amutit (K460), especial K (K100), impact extra (K340), dependiendo de las características del material a troquelar. - Molde para PVC: acero moldinox nitrurado. - Troqueles para corte de plancha de fierro de 10 mm: acero impact extra (K340). - Pieza sometida a alta fricción y desgaste a una temperatura de 450°C: de acuerdo a la resistencia mecánica requerida se selecciona el tipo de acero con un tratamiento térmico de nitruración. - Matriz para embutido: acero especial K (K100) ó impact extra (K340), tratamiento térmico de temple y revenido. de acuerdo a la necesidad podría ser adicionalmente nitrurada.

2.2 Sobre medida: La sobre-medida es una consideración importante para la compra de aceros para máquinas y herramientas (matrices), ya que han sido sometidos durante la fabricación a procesos de laminación o forja en caliente. Estos últimos provocan en la zona superficial del acero la formación de una cáscara, descarburación, empobrecimiento en elementos aleantes y eventualmente micro fisuras. La profundidad de esta zona superficial varía respecto al diámetro o espesor del acero, así cuanto mayor es el diámetro mayor será la capa de sobre-medida correspondiente que se deberá retirar; de lo contrario podríamos observar un desgaste o falla prematuros o alguna fisura superficial. Por tal razón, para garantizar un comportamiento óptimo del elemento o parte durante su operación, es muy importante mecanizar la sobre-medida indicada. De otro lado, un seguro tratamiento térmico depende de la correcta aplicación de la sobre-medida, los ángulos redondeados y la relación balanceada de la masa. Se debe tener en cuenta que de no mecanizar la sobre-medida, las micro-fisuras superficiales podrían eventualmente crecer durante el tratamiento térmico y comprometer la integridad de la pieza.

1.3 Características de pieza original: Las diferentes partes y herramientas han sido diseñadas originalmente con características de material y resistencia (y dureza) de manera que su comportamiento sea el óptimo. Si se quiere reemplazar una parte de máquina o herramienta, es recomendable realizar ensayos a la chispa y ensayos dureza, y en algunos casos un análisis químico y metalogràficos a las piezas originales, con el fin de reemplazarlas correctamente.

2. RECOMENDACIONES 2.1 Alivio de tensiones: El alivio de tensiones, llamado también distensionado, es uno de los tratamientos térmicos más importantes como parte de los procesos de fabricación, contando con múltiples aplicaciones. El alivio de tensiones debe ser aplicado en todos los procesos de fabricación de piezas para máquinas y herramientas que requieren tratamiento térmico. Durante el desbroncado o desbaste se acumulan fuertes tensiones internas en el acero, haciendo necesario entonces un distensionado, con el fin de que material recupere su estado libre de tensiones. Luego se practica el semi acabado - con tolerancia para el tratamiento térmico - y posteriormente el acabado final. El alivio de tensiones reduce las deformaciones producidas por el tratamiento térmico. Este procedimiento se hace especialmente importante en matrices, piñones y otras piezas que sufren un fuerte maquinado y en las que se requiere mínima deformación.

TABLA DE SOBRE MEDIDA

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M ED ID A A CAB ADA EN mm

SO BRE ME DID A E N mm

Hasta 16 Desde 16 hasta 25 25 a 40 40 a 63 63 a 80 80 a 100 100 a 125 125 a 160 160 a 200 200 a 250

2 2,5 3 4 5 6 7 8 10 12


2.3 Diseño de elementos de maquina: Para evitar daños en las piezas causados por fisuras o fracturas durante su proceso de manufactura (particularmente durante el tratamiento térmico) o durante el servicio, deben seguirse algunas reglas desde el diseño del componente o la herramienta: -

-

-

-

-

-

-

Evitar transiciones agudas entre las diferentes secciones transversales por medio de biselados o redondeo de esquinas. De ser necesario, la forma final de la pieza debe obtenerse solo después de la operación de temple a través de procesos como el rectificado. Siempre que sea posible, los componentes deben tener forma simétrica. De ser posible, deben considerarse perforaciones o rebajados adicionales Para obtener una distribución más uniforme de la masa. Toda las esquinas, ángulos, bordes, aristas, rebordes, salientes, etc, debe ser diseñados con el máximo radio posible. Deben evitarse todas las muescas o entalladuras. De ser necesario, se puede diseñar las herramientas en dos partes para evitar áreas de alta sensibilidad a las fracturas. Las ranuras de torneado y rectificado así como los sellos profundos tienen el mismo efecto que las muescas. En caso de elevadas presiones internas, las herramientas deben diseñarse en múltiples partes

-

(herramientas reforzadas) Sobredimensionar el acero con el fin de eliminar la capa superficial (costra) en el mecanizado. Todas las caras deben mecanizarse. Evitar secciones contiguas de pronunciada diferencia Evitar irregularidades que puedan originar concentración de tensiones: estampados en frío, mecanizados de desbaste entre otros. Dejar un espesor de material suficiente entre los agujeros y los bordes de la placa.

2.4 Ensayo a la chispa: Al aplicar una probeta de acero contra una rueda abrasiva adecuada a presión moderada, se produce un haz de chispas cuyo aspecto depende más o menos de la composición química del acero, por lo que de su observación se puede deducir conclusiones bastante aproximadas sobre el tipo de aleación. El ensayo a la chispa permite una buena selección de los aceros si se tiene suficiente experiencia y se dispone de muchas muestras de comparación. Las chispas se originan cuando al aplicar la probeta de acero sobre la rueda abrasiva se produce en el lugar de contacto una temperatura superior a la de inflamación del metal. Las partículas arrancadas por la muela se calientan por la oxidación con el oxígeno del aire hasta la temperatura de fusión. Los gases formados en la combustión pueden originar explosiones

Figura 2: Precauciones para diseño y construcción adecuada de elementos de máquina

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de intensidades diferentes de las partículas, según sea el contenido de carbono. La combustión es favorecida por los elementos C, Si y Mn y reprimida por el Cr, Ni y el W. El haz de chispas se compone del haz primario y de las bifurcaciones producidas en los puntos de explosión. Los rayos de las bifurcaciones tienen distintas formas, tales como lanzas, espinas, manojos, ramificaciones, gotas y mazas. Aunque el haz de chispas permite reconocer la mayoría de elementos de aleación, este ensayo no es exacto y sólo pueden obtenerse resultados de alguna confianza empleando muestras de comparación. El ensayo se suele aplicar como procedimiento rápido en la industria metal-mecánica y de tratamientos térmicos, para evitar confusión de materiales. No puede sustituir al análisis químico, pero permite reconocer bastante bien las confusiones de material y la presencia de ciertos elementos de aleación.

comparar el desempeño de diferentes aceros. Una comunicación fluida con los proveedores del acero y del tratamiento térmico nos otorgará mayor visión de las posibilidades y se podrán encontrar soluciones más adecuadas a los problemas que se presenten.

CONDICIONES PARA MÁXIMO RENDIMIENTO CALIDAD DEL ACERO CARGA

DISEÑO MAXIMO RENDIMIENTO

TRATAMIENTO SUPERFICIAL

CONDICIONES DE OPERACIÓN

TRATAMIENTO TÉRMICO Figura 4: Condiciones para máximo rendimiento

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BOHLER; MANUAL DE ACEROS BOHLER LimaPerú. Ediciòn 1999. 2. BOHLER; Documentos de Introducción a los Aceros y tratamientos térmicos. 1999. Sugerimos visitar las siguientes páginas Web:

Figura 3: Chispa correspondiente al acero AISI O1 (DIN 100 MnCrW4 )

http: http: http: http: http:

//www.bohlerperu.com/ //www.bohlersteel.com/ //www.bohler-uddeholm.com/ //www.asminternational.org/ //www.asminternational.org/MSTemplate.cfm? Site=Heat_Treating_Society http: //www.astm.org/ http: //www.key-to-steel.com

3. CONCLUSIÓN: Se requiere conocer en detalle las cualidades de cada material con el fin de poder seleccionar el más óptimo para cada aplicación. La experiencia es muy útil, es importante llevar registro del uso de las herramientas o partes, para poder

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B HLER

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SELECCI N DE ACEROS Y TRAT . T RMICOS

ACEROS ESPECIALES

GRUPO  UDDEHOLM

SELECCI ÓN DE SELECCIÓN DE ACEROS ACEROS YY TRATAMIENTOS ÉRMICOS TRATAMIENTOS TTÉRMICOS

SELECCIÓ ÓN DE SELECCI SELECCIÓN DE ACEROS ACEROS YY TRATAMIENTOS ÉRMICOS TRATAMIENTOS TTÉRMICOS

INTRODUCCIÓN INTRODUCCI N •• PROCEDIMIENTOS PROCEDIMIENTOS PRACTICOS PRACTICOS PARA PARA LA ELECCIÓ Ó N DEL ACERO ELECCI LA ELECCIÓN DEL ACERO •• RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ••

B ÖHLER ACEROS ESPECIALES

MACC 05

B HLER

B HLER


ACEROS ESPECIALES


ACEROS ESPECIALES

INTRODUCCION INTRODUCCION

Definir Acero y Tratamiento Térmico de elemento mecanico

Diagrama Diagrama de de flujo flujo de de decisión decisión

La selecció selección del acero y el tratamiento térmico es el procedimiento en el que se tiene la mayor responsabilidad en la fabricació fabricación de elementos de maquinarias, sin embargo en muchos casos se ve dificultado por la escasa o incompleta incompleta informació información disponible, tiempo limitado y falta de conocimiento de las propiedades y caracterí caracterí sticas sticas de los aceros y los tratamientos té térmicos.

No

Consulta de caracteristicas de aplicación

¿Conoce especificación de diseño?

No

¿Posible diseñarlo?

Si No No

MACC 05

¿Poseo ¿Poseo pieza original ó conozco conozco caracteristicas?

Si

MACC 05

B HLER

Si

No

B HLER


ACEROS ESPECIALES


ACEROS ESPECIALES

Si

SOBRE SOBRE MEDIDA MEDIDA

Si

Consulta al depart. Técnico BOHLER

No ¿Factible?

Alternativa

Si Aprobación de ingeneria de la Empresa

Ejecución

MACC 05

MEDIDA ACABADA EN mm

SOBRE MEDIDA EN mm

Hasta 16 Desde Desde 16 hasta 25 25 a 40 40 a 63 63 a 80 80 a 100 100 a 125 125 a 160 160 a 200 200 a 250

2 2,5 3 4 5 6 7 8 10 12

MACC 05

B HLER

B HLER


ACEROS ESPECIALES


ACEROS ESPECIALES

DISE O DE DISEÑO DISEÑO DE HERRAMIENTAS HERRAMIENTAS

AMUTIT S (BOEHLER K460) MACC 05

MACC 05

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B HLER

B HLER


ACEROS ESPECIALES

S 600

ACERO RAPIDO FRESAS, MACHOS

E 920

CEMENTACION BAJO CARBONO

W 302

TRABAJO EN CALIENTE EXTRUSION

V 155

BONIFICADO ALTA TORSION

W 320

TRABAJO EN CALIENTE FORJA

V 320

BONIFICADO ALTA TRACCION

K 100

TRABAJO EN FRIO MATRICES

V 945

MEDIANO CARBONO

K 460

TRABAJO EN FRIO MATRICES

BP 280

CEMENTACION Si – Mn

K 340

TRABAJO EN FRIO IMPACTO

CHRONIT T-1

ANTIABRASIVO IMPACTO

K 455

IMPACTO CUÑOS

K 700

TRABAJO EN FRIO CUÑOS

N 350

SUPER RAPID US ULTRA WM D ESPECIAL K AMUTIT IMPACT EXTRA MY EXTRA K 630

V6 N

M 238 ECOPLUS

TRANSMISION VC N VC L H

BARRA PERFORADA 400/500 HB

ANTIABRASIVO FUERTE IMPACTO

CHRONOS

INOXIDABLE TEMPLABLE

ANTINIT KWB

ºC

ºF

1300

2370

1200

2190

1100

2010

1000

1830

950

1740

900

1650

850

1560

810

1490

780

1440

MOLDES PLASTICOS POLIPROPILENO

A 200

M 300

MOLDES PLASTICOS PVC

A 604

INOXIDABLE 18/8

740

1360

E 230

CEMENTACION Cr-Ni-Mo

H 525

ANTITERMICO REFRACTARIO

680

1260

630

1170

CEMENTACION 8620

COR-TEN B

550

1020

STARMOLD MOLDINOX EC N E 115

MACC 05


ACEROS ESPECIALES

EC L

INOXIDABLE 18/12

ANTINIT 316 L ANTINIT 304 L ANTITHERM FFB

PLANCHAS ESTRUCTURALES

Papi, tengo mi libreta … ¡DE COLORES!

MACC 05

B HLER

B HLER


ACEROS ESPECIALES

CONDICIONES CONDICIONES

ELECCIÓN ELECCIÓN CORRECTA CORRECTA DEL DEL ACERO ACERO

CALIDAD DEL ACERO CARGA

• Se

requiere conocer en detalle las cualidades de cada material con el fin de poder seleccionar el m ás óptimo para cada aplicació aplicación.

DISEÑ DISEÑO

• La

experiencia es muy útil, es importante importante llevar registro del uso de las herramientas o partes, para poder desempeñ ño de diferentes aceros. poder comparar comparar el desempe

MAXIMO RENDIMIENTO TRATAMIENTO SUPERFICIAL


ACEROS ESPECIALES

• Una

comunicació comunicación fluida con los proveedores de partes y componentes, componentes, del acero y tratamiento tratamiento térmico nos otorgar otorgará á mayor visió visión de las posibilidades y se podrá podrán encontrar soluciones má más adecuadas a los problemas que se presenten.

CONDICIONES DE OPERACI N

TRATAMIENTO T RMICO MACC 05

MACC 05

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