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ACEROS UTILIZADOS EN CONSTRUCCIÓN DE AVIONES LIVIANOS LI VIANOS Por Daniel Lucero ACERO El acero es una aleación de Hierro con hasta un 2% de Carbono, si bien en la inmensa mayoría de sus aplicaciones, se utilizan aquellos con un contenido de este elemento por debajo del 1%. La incorporación de Carbono a la aleación incrementa la resistencia del acero, pero también su fragilid fragilidad. ad. Cuando Cuando otros otros metales metales (ignora (ignorando ndo vestigi vestigios os o trazas trazas ya existen existentes tes)) son agrega agregados dos,, al producto producto se lo lo llama “acero “acero aleado”. aleado”. Un contenido de Carbono superior al 2% produce aleaciones quebradizas que no pueden forjarse y que por lo tanto se moldean, denominadas fundiciones.
ACEROS ALEADOS AL CROMO-MOLIBDENO Y OTRAS ALEACIONES ESPECIALES. Un acero aleado con Cromo- Molibdeno, catalogado según el sistema de numeración del American Iron and Steel Institute como AISI 4130, ha sido usado ampliamente durante muchos años como el material material de elección elección primaria primaria por excelenc excelencia ia en estruct estructuras uras aeronáu aeronáutica ticass tubular tubulares es soldad soldadas as para para aeronaves livianas, como fuselajes, trenes de aterrizaje, bancadas de motor, etc. También se lo produce en planchas, barras, planchuelas y extruídos como ángulos, etc. Puede ser tratado térmicamente para mejorar sus propiedades mecánicas. El Cromo (Cr) y el Molibdeno (Mo) incrementan su resistencia a la tracción, su dureza y su rigidez. El Molibdeno intensifica los efectos del Cromo y también mejora la resistencia a la corrosión por causa de los agentes atmosféricos. Esta cualidad es suficiente para hacer innecesaria la protección interior de las estructuras tubulares en las aeronaves. Esta es la familia más utilizada en aplicaciones estructurales aeronáuticas, especialmente en la técnica “caño y tela” por sus excelentes características mecánicas versus costo, la propiedad de poder ser tratado térmicamente para mejorarlas adecuándolas a la apliación específica, su excelente soldabilidad y resistencia específica (Resistencia/Peso unitario), que es similar a la de las maderas o las aleaciones de Aluminio Aluminio de uso aeronáut aeronáutico, ico, aunque aunque su peso específi específico co (7,8) (7,8) es mas del doble doble que el del Aluminio y de diez a veinte veces mayor que el de la madera. El tipo más utilizado es el AISI 4130, el material de elección casi obligado para resistencia a la tracción en la gama de 1240 a 1380 Mpa/ 180 a 200Ksi. Considerado un acero de baja aleación porque sus principales agregados, el Cromo y el Molibdeno (Familia indicada por su primer dígito, el “4”), están en una proporción menor al 1% (indicado por el segundo dígito “1”) y también de bajo Carbono (tercer y cuarto dígito “30”), pues su contenido es menor al 0,3%. Esta porción del componente componente Carbono, lo sitúa en la frontera entre los aceros considerados considerados “bajos” y “medios” en cuanto a su contenido de carbono. Un mayor porcentaje de Carbono afectaría su soldabilidad y la calidad de las soldaduras, debido a precipitados precipitados de los carburos carburos que se forman a las altas temperaturas temperaturas desarrolladas desarrolladas en el material durante la operación de soldadura. Pero aún con este porcentaje de Carbono todavía pueden obtenerse soldaduras de alta calidad, usando el sistema sistema oxiacetilénico o TIG (Siglas en inglés de de Tungsten Inert Gas). Este material es fácilmente formable y cortable con herramientas comunes de acero rápido o metal duro, a pesar de su contenido de Cromo.
2 La condición de tratamiento térmico del material como insumo, puede venir expresada con el sufijo “A” para el recocido, por “annealed” en inglés; “N” para el Normalizado, por “normalised”, con una resistencia final o de rotura a la tracción de 730 Mpa o 74 Kg/mm2 o 106000 psi o 106 Ksi (para el cálculo estructural debe considerarse una reducción del 20% por soldadura); “F” para indicar que son templados o un código que indica la temperatura desde la cual ha sido templado, por ejmplo QT900F, por “Quench Tempered”, calentado a 900 ºF, equivalentes a 482 ºC y enfriado en aceite o agua. Mediante este tratamiento pueden alcanzarse valores de resistencia final o de rotura por tracción del orden de 1150 Mpa o 117 kg/mm2 o 166000 psi o 166 Ksi. Para la construcción por aficionados, deben tomarse los valores de resistencia correspondientes a la condición “N” (Normalizado) teniendo en cuenta la mencionada reducción del 20% por soldadura. Para valores de resistencia superiores, son elegidos otros tipos de esta familia, tales como el AISI 4340 (Entre 1380-1930 Mpa / 200 y 280 Ksi) o el 300M (para valores de entre 1655-2000 Mpa /240 a 290 Ksi) utilizado especialmente en piezas críticas de trenes de aterrizaje. Las bulones aeronáuticos de cabeza hexagonal para propósito general de la serie AN3-20 están hechos usualmente de acero al Ni, Cr, Mo AISI 8740 o AISI 4037 al Mo. Estas son aleaciones de gran resistencia aptas para condiciones de bajas temperaturas, como las que se encuentran a grandes alturas o en rigurosas condiciones invernales.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Concepto y propósito de los Tratamientos Térmicos El calentamiento y el posterior enfriamiento de la pieza o producto casi terminado en un proceso cuidadosamente controlado, reduce el tamaño del grano (refiriéndonos aquí a la estructura metalográfica del acero), distribuye las tensiones locales inducidas durante la manufactura y aumenta su fortaleza. Los cuatro tratamientos térmicos asociados con el acero AISI 4130 son Normalizado, Temple, Revenido y Recocido.
Normalizado (Denominado en inglés como “Normalising”) Este proceso consiste en calentar la pieza uniformemente apenas por encima del punto en el cual la estructura granular del acero es alterada (conocida como el rango crítico) y manteniéndola allí por alrededor de quince minutos, seguido de un enfriamiento lento al aire hasta temperatura normal, en una atmósfera quieta, para producir una estructura granular fina y uniforme.
Recocido (Denominado en inglés como “Annealing”) Incrementa la ductilidad y la elasticidad, removiendo las tensiones internas en piezas terminadas de formar o parcialmente formadas, produciendo una estructura de grano grande y haciendo al material menos duro, facilitando el mecanizado o el formado en frío al homogeneizar su estructura cristalina. Consiste en calentar la pieza en horno hasta la temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento al aire o en un baño de temperatura controlada.
Temple (Denominado en inglés como “Quenching” o “Water Quenching”)* Su propósito es aumentar la resistencia a la tracción, elevar el límite elástico y la dureza del acero. Para ello, se lo lleva a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900950 °C) y se luego se lo enfría rápidamente a mayor o menor velocidad (según las características de la pieza) en un medio que puede ser agua, aceite o una solución, a temperatura ambiente o más elevada. Este rápido enfriamiento asegura que los racimos de cristales no tengan tiempo de crecer de una manera organizada, con el resultando que los granos se mantienen pequeños y con bordes más irregulares, lo que contribuye a su cohesión y resistencia.
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Revenido (Denominado en inglés como “Tempering”)* Se aplica solamente a los aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentando la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas durante el brusco enfriamiento del temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia óptima deseada para la aplicación de la pieza en particular. Consiste en recalentar el acero luego del templado por debajo del rango crítico y luego se lo deja enfriar al aire. Se distingue del temple por sus diferentes temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. * Adviértase el distinto significado que tiene el “Temple” para los angloparlantes, lo que puede inducir a errores de interpretación. Lo que ellos denominan “Tempering”, para nosotros es Revenido y lo que ellos denominan “Quenching” , para nosotros es el Templado.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS SECUNDARIOS Re-normalizado. Si es necesario recobrar la resistencia total del material normalizado en las zonas de juntas afectadas por soldadura de miembros en un reticulado, las estructuras tubulares de 4130N tienen que ser Re Normalizadas. Esto se realiza recalentando aquellas zonas afectadas durante las soldaduras hasta una temperatura de alrededor de 800-850 ºC y permitiendo luego que el metal se enfrie lentamente. Este proceso debe ser realizado en un recinto a temperatura ambiente que garantice la ausencia de corrientes de aire, con la estructura asegurada a algún soporte, “cama” o utilaje, para prevenir distorsiones en la misma. Aún luego de realizar este proceso, difícilmente se alcance la resistencia inicial de la condición “N” que el material tenía antes de la soldadura. El re-normalizado, también libera las tensiones de expansión/contracción térmica inducidas en el caño en las proximidades de la soldadura.
Destensionado Más frecuentemente utilizado que el re-normalizado en la construcción de estructuras aeronáuticas caseras. El destensionado ocurre al alcanzar una temperatura de entre 650 y 700ºC y consiste en calentar suave y progresivamente la zona a tratar y luego dejar que se enfrie de la misma manera. Para facilitar esta operación en el entorno del taller, existen lápices similares a crayones para indicar cuando se alcanza la temperatura requerida. Una marca sobre el caño realizada con un crayon en particular (usualmente indicado por su color), se fundirá al alcanzar su temperatura nominal. A estas temperaturas relativamente bajas, cuando se hace difícil el reconocimiento de los distintos matices de rojo del metal calentado, este sistema es de especial utilidad.
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ACEROS DULCES AL CARBONO Se denominan aceros dulces los de bajo contenido de Carbono (entre un 0,10% y 0,25%). Son aceros simples, aleaciones de Fe-C, no aleados con otros metales, destinados a usos generales en herrería, construcción y estructuras mecánicas, de fácil fabricación, pero que no pueden tratarse térmicamente para mejorar su resistencia.. Su peso específico (7,8 Kg/dm3) es prácticamente igual al de los del tipo Cromo Molibdeno, pero su resistencia es bastante menor. Son fácil y económicamente soldables por medio de soldadura oxiacetilénica (soldadura aeronáutica tradicional) o por TIG, con excelentes resultados, obteniéndose soldaduras de muy alta calidad. También se pueden emplear con ellos los sistemas MIG o MAG, aunque rara vez son utilizados. Estos aceros son de bajo costo y fácil obtención en variadas formas (caños laminados en frío, con o sin costura, extruídos redondos, cuadrados, rectangulares, etc) Los tipos mas comunes y ampliamente utilizados son los AISI 1020 y 1025. El AISI 1025 tiene una resistencia final (rotura) a la tracción del orden de 450-550 Mpa o 46-56 Kg/mm2 o 65000-80000 psi o 65-80 Ksi, lo que es alrededor del 65% de la del AISI 4130N (860 Mpa/125000 Ksi), pero hay que considerar para el cálculo que durante el proceso de soldadura aquella se reducirá en un 20% y quizás hasta en un 30%. A los efectos de abaratar costos, se utilizan tuberías de acero dulce relativamente barato (comparado con el 4130) en aquellas partes de aeronaves livianas donde no haya significativas cargas de tensión o flexión y frecuentemente en montantes y hasta fuselajes completos, con buenos resultados. Para protegerlas de la oxidación, las estructuras construidas con caños de este material se tratan interiormente con impregnaciones oleosas (usualmente aceite de linaza cocido) y exteriormente con antióxido común o base zincromato.
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ACEROS INOXIDABLES (También conocidos como CRES alloys, por Corrosion Resistant Steel alloys o aleaciones de acero resistentes a la corrosion, en inglés) . Su nombre genérico deriva de su elevada resistencia a la corrosión y al ataque químico. Su peso específico se ubica entre 7,9 y 8,2 Kg/dm3 y según su tipo, forma física y dimensiones, son soldables por medio de soldadura TIG, MIG y MAG, estas dos últimas con aporte del mismo material, ya sea en forma de electrodo de alambre contínuo o consumible de aplicación manual. El Cromo incorporado al acero se combina con el oxígeno del aire para formar una barrera de óxido de Cromo (Cr 2O3) que inhibe (pero no previene) la corrosión. Cuando el contenido de Cr de una aleación CRES excede de alrededor del 12%, en combinación con algún otro elemento como el Níquel (Ni) en una subtancial cantidad, ella pasa a clasificarse como Acero Inoxidable. Muchas fijaciones metálicas, herrajes, bulonería, remaches y otros componentes de aeronaves como cables de comando, alambres de frenar y sistemas de escape, están hechos de aleaciones de aceros inoxidables. Las series AISI 301-304 o ISO A2 (conocidas también como “18-8” por sus porcentajes respectivos de Cr y Ni,) son las más utilizadas en variadas aplicaciones, por citar algunos ejemplos, en líneas hidráulicas, de combustible, inyección, etc. También el grado ASTM 316 o ISO A4, resistente a los ácidos y apto para ambientes marinos encuentra su aplicación en escapes de motores, cables y sus herrajes y fijaciones asociados, así como en cajas para baterías o aplicaciones en la proximidad de las mismas. Proclive a corrosión intragranular si su estructura metalográfica se altera térmicamente durante la soldadura y no es restablecida con un tratamiento posterior. A causa de ciertas dificultades que presentan para ser trabajados y soldados, los aceros inoxidables no se han convertido en una elección muy utilizada por los constructores como materia prima para aplicaciones estructurales, excepto para aquellos grados adecuados a su uso en la zona del motor, desde el parallamas inclusive, hacia la hélice.
Austeníticos, Antimagnéticos, No templables (Familia “300” al Cromo-Níquel). Debido a su muy bajo contenido de Carbono, los aceros inoxidables de tipo austenítico no son tratables térmicamente. Si bien su resistencia de rotura a la tracción puede resultar ligeramente superior (hasta 620 Mpa/ 90 Ksi) a la de los aceros dulces como el 1020 o 1025, para el cáculo debería tomarse la carga del límite elástico o comienzo de la deformación plástica o permanente (240 Mpa/35 Ksi, citada como “yield stress” en inglés) que resulta ser muy inferior. No es recomendable para uso estructural. Los AISI 301-304 (denominados también ASTM 301-304, ISO A2 o “18-8”) son los de mas fácil obtención en plaza y reúnen aceptables características mecánicas y buena resistencia a la corrosion con costo todavía razonable. Entre ellos, es destacable el 301 por su interesante resistencia a la tracción y su dureza, el 304, de uso general y costo accesible y el 304L, de muy bajo contenido de Carbono, que reduce la precipitación de carburos contaminantes durante la soldadura, facilitando esta operación y mejorando su calidad. Esta familia de los inoxidables “300” incluye a los AISI 316 o ISO A4, de una resistencia mecánica relativamente modesta, aunque de muy elevada resistencia al ataque de ácidos a alta temperatura (Que es la aplicación para la que están pensados, tuberías de químicos, refinerías, etc.) que no podríamos aprovechar totalmente en la nuestra, pero igual tendremos que pagar por ella.
6 Existe una versión de mejor soldabilidad, la 316L (a la que aplican las mismas consideraciones que hicimos para el 304L) de más elevada resistencia mecánica y química, debido a su contenido de Molibdeno. Por último cabe mencionar en este grupo a los estabilizados, como el AISI 321 (con Titanio) y el AISI 347 (con Columbio), de mejores prestaciones mecánicas y químicas que los anteriores, aunque considerablemente más caros.
Martensíticos, Magnéticos, Templables (Familia “400” al Cromo) Los martensíticos como el 410 (Dúctil y de buena soldabilidad, aunque debe ser posteriormente recocido), el 416 (Adicionado con Selenio que le otorga mejor maquinabilidad, apto para piezas mecanizadas) y el 420, son tratables térmicamente alcanzando valores de resistencia a la tracción desde 965 Mpa/140 ksi, que se eleva hasta 1585 Mpa/ 230 ksi para el 431, de excelente ductilidad, resistencia al impacto y corrosión, que superan a las del tipo 410, mientras que los del tipo 440C pueden templarse hasta 1895-1965 Mpa / 275-285 Ksi.
Ferríticos, Magnéticos, No Templables (Familia “400”al Cromo) Los ferríticos de la serie “400”, como el AISI 430 no contienen Níquel y poseen entre un 15% y un 30 % de Cromo, no pueden ser tratados térmicamente, tienen una resistencia baja, son soldables, muy dúctiles, blandos y fáciles de trabajar. No son un material de elección indicado para partes estructurales.
Endurecidos Por Precipitación Los aceros inoxidables endurecidos por precipitación (de ahí el “PH”, por Precipitation Hardened, en inglés), como los 17-4 PH y el 17-7 PH, de excelente resistencia a la fatiga, el PH 15-7 Mo, de alta resistencia y dureza, entre otros de especial interés para la industria aeroespacial, tienen bajo contenido de Carbono, 15-17% de Cromo, 4-7% de Níquel y otros elementos en menor proporción, que les confieren óptimas propiedades, tanto en sus carácterísticas mecánicas como en su resistencia a los ataques químicos. Pueden ser tratados térmicamente en solución hasta alcanzar valores muy altos de resistencia y dureza, pero lamentablemente estos procesos están fuera del alcance del aficionado, lo que sumado a su elevado costo, los dejan fuera de nuestra consideración.
UNIDADES Están expresadas según el sistema Métrico S.I. (MKFS o International Technical System, que utiliza el Kg fuerza, no el Kg masa del MKS, utilizado en Física) y el sistema imperial inglés, para su más fácil relación. Las equivalencias son las siguientes: • • • • • •
Para convertir de Mpa a kg/cm2 Para convertir de Mpa a kg/mm2 Para convertir de kg/cm2 a kg/mm2 Para convertir de kg/mm2 a Ksi Para convertir de Mpa a psi Para convertir de Mpa a Ksi
multiplicar por 10,197 multiplicar por 1019,716 multiplicar por 100 multiplicar por 1422 multiplicar por 145 multiplicar por 0,145
Pa = Pascal = 1 N/m 2 ; Mpa = Megapascal = 10 6 Pa psi = pound/square inch = libra/pulgada cuadrada; Ksi = Kilo pound/square inch = 10 3 psi © 2010 Daniel Lucero
