MÓDULO TRES TÉCNICAS DE MECANIZADO Y UNIÓN PARA EL MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INST INSTALACIONES ALACIONES U.D. 3 MA MATERIALES TERIALES METÁLICOS Y SUS ALEACIONES
M 3 / UD 3
MÓDULO TRES TÉCNICAS DE MECANIZADO Y UNIÓN PARA EL MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES U.D. 3 MATERIALES METÁLICOS Y SUS ALEACIONES
ÍNDICE Introducción.. Introducc ión....... .......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... ..... Objetivos Objet ivos.... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... .... 1. Pr Prop opie ieda dade dess de los los met metal ales es y sus sus est estru ruct ctur uras as cri crist stal alin inas... as........... 2. Met Metale aless fer ferros rosos.. os..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 2.1. Hier Hierro ro .... ......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ...... 2.2. Acer Aceroo ..... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... ......... 2.3. Clasificación de los aceros atendiendo a sus propiedad prop iedades es físic físicas as y tecno tecnológic lógicas........ as............. .......... ......... ......... ......... ........ .... 2.4.. Fun 2.4 Fundic dicion iones, es, prop propied iedade adess y aplica aplicacio ciones nes ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... 3. Met Metale aless pesa pesados dos (co (cobre bre y ale aleaci acione ones).... s)....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... 4. Met Metale aless lig ligero eross (al (alumi uminio nio y ale aleaci acione ones) s) ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... 5. Defini Definicione cioness generale generaless aplicadas aplicadas a los trat tratamient amientos os térmicos térmi cos ..... .......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... ........ ... 6. Tratam ratamiento ientoss térmicos térmicos más habituale habitualess usados usados en el el entorno entor no labor laboral al ..... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... .......... ....... 7. Oxi Oxidac dación ión y corr corrosi osión ón ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 8. Est Estru ructu ctura ra y mane manejo jo de las nor normas mas UNE.. UNE..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... Resumen Resum en .... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... .... A nexo nexo 1....... 1............ .......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ....... ... Glosario..... Glosar io......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ....... Cuestionar Cuest ionario io de auto autoev evaluac aluación........ ión............. ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... ....... Bibliografí Biblio grafíaa ..... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... .....
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105 107 1099 10 111 111 111 116 1188 11 119 1222 12 124 130 131 1377 13 139 141 143 147 149
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INTRODUCCIÓN Los metales forman parte de la historia de la humanidad; el hombre ha ido descubriendo los metales y dándoles uso desde la Edad del Bronce y,, posteriormente, en la Edad del Hierro. La aparición de la metalurgia y se manifiesta en la utilización de oro y cobre en un primer momento, para después pasar al empleo de una aleación entre estaño y cobre, de la que resulta el bronce. Los metales raramente se encuentran puros en la naturaleza, generalmente se hallan combinados con el oxígeno (O), o con otros no metales, en especial del cloro (Cl), azufre (S) y carbono (C). Los metales que se encuentran puros en la naturaleza son llamados metales nativos: plata (Ag), oro (Au), cobre (Cu) y platino (Pt). El acero, que es básicamente una aleación de hierro y carbono, es el metal más utilizado en la industria. En general, podemos decir que los materiales metálicos se clasifican en dos grupos, dependiendo de su composición: los materiales ferrosos (hierro y sus aleaciones) y los no ferrosos (el resto). En las instalaciones de agua, fontanería, calefacción y refrigeración la tubería de cobre adquiere una gran importancia, siendo un elemento que estudiaremos con especial atención.
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OBJETIVOS 1. Saber Saber explicar explicar las caracter característi ísticas cas físicas físicas y mecánicas mecánicas de los materiales materiales metálicos y sus aleaciones. 2. Saber valorar las distintas distintas caracterí características sticas de los materiales empleados en una instalación, en los l os siguientes aspectos: • La elecci elección ón de los los materi materiale aless o aleacio aleaciones nes más más adecu adecuado ados. s. • Des Design ignaci ación ón de dich dichos os mater materiale ialess según según su norm normati ativa. va. • Elec Elección ción de los los tratam tratamiento ientoss térmico térmicoss que hay que que emple emplear ar de de acuerdo con su utilización y la temperatura de trabajo. 3. Saber adopt adoptar ar las solucion soluciones es para para evitar o mitigar mitigar la aparició aparición n de corrosión en una instalación de líquidos o gases. 4. Describir las propiedade propiedadess físicas físicas y tecnológic tecnológicas as de un material material metálico metálico a partir de una designación. 5. Saber selecc seleccionar ionar el el material material o los materiale materialess más adecuados adecuados a cada cada tipo de instalación. 6. Difere Diferenciar nciar las las aleaciones aleaciones de proced procedencia encia férrica férrica de las no férric férricas. as. 7. Est Estud udiar iar los los aceros aceros y las las fundi fundicio ciones nes.. 8. Conoc Conocer er los los materiales materiales obte obtenidos nidos por sinte sinterizaci rización. ón. 9. Compre Comprender nder las las propiedades propiedades de los aceros aceros,, y el diagram diagramaa hierro–carhierro–carbono. 10. Conocer cómo afecta el enfriamiento a los aceros que se someten a tratamientos térmicos. 11. Conocer los principales tratamientos tratamientos térmicos, termoquímicos, termoquímicos, mecánicos y superficiales a los que se someten los metales y las aleaciones que más se emplean en la fabricación de tuberías y elementos de máquinas.
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1. PROPIEDADES DE LOS METALES Y SUS ESTRUCTURAS CRISTALINAS Las propiedades y el comportamiento de un material se deben fundamentalmente a dos factores: su constitución y su estructura. La constitución se refiere a los elementos básicos que lo forman y su proporción, partículas elementales, átomos moléculas y cristales. Su estructura hace referencia a la ordenación de los cristales (constitu yentes), determinado por el proceso de conformación del material y los tratamientos a que ha sido sometido (forja, temple, recocido…). Así, podríamos decir que el acero es una aleación y que está constituido básicamente por un 98% hierro (Fe), menos del 2% carbono (C) y otros elementos. Los tratamientos a que está sometido le aportan características diferentes porque cambiarán su estructura. Propiedades físicas
En general, todos los metales presentan propiedades análogas que les hacen pertenecer a esta familia; dependiendo de su composición y su estructura estas propiedades son asumidas en mayor o menor grado: Color
La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color color,, y este fenómeno se denomina pleocroismo. Densidad
Relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo; suele expresarse en Kg./m3. Estado físico
Todos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el Hg. Brillo
Reflejan la luz. Maleabilidad
Capacidad de los metales de hacerse láminas. Ductilidad
Propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos.
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Tenacidad
Resistencia que presentan los metales a romperse por tracción. Conductividad eléctrica
Facilidad que presentan para conducir la electricidad (probablemente provocada por el movimiento de electrones). Conductividad Térmica
Facilidad que presentan para conducir el calor (probablemente provocada por el movimiento de electrones). Dilatación
Propiedad que tienen los metales que hace que aumenten de tamaño cuando se calientan y disminuyen cuando se enfrían.
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2. MATERIALES FERROSOS El hierro en estado puro no se utiliza prácticamente en la industria debido principalmente a que las propiedades que tiene no son muy buenas; generalmente lo encontramos aleado con carbono y otros elementos que le confieren muy buenas propiedades, a la aleación de hierro y carbono se le denomina acero. Dependiendo del porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en dos grandes grupos: Aleacci cio ones Fe–C
Aceros Fundiciones
Porce cen ntaje de ca carrbono
De 0,03 a 1.67 % De 1,6 hasta 6,67%
2.1. El Hierro Como hemos visto, el hierro en estado puro prácticamente no se utiliza; su uso se limita prácticamente a la construcción de elementos magnéticos, electroimanes, núcleos de motores, imanes permanentes, etc. Se considera que un material es hierro puro cuando tiene menos del 0.008% de carbono y su contenido de hierro es mayor de 99,97 %.
2.2. El acero Acero al carbono
El acero es una aleación de hierro y carbono, generalmente con más elementos como el manganeso, el cromo, el níquel, el vanadio o el titanio. Estos elementos hacen que el acero adquiera diferentes propiedades, dependiendo de los elementos y la proporción en la que se añadan, tales como la elasticidad, mayor dureza o mayor resistencia a la corrosión, etc. Es un material muy usado en la industria: en la construcción de tuberías para la realización de instalaciones de conducción de fluidos, construcción de maquinaria, fabricación de calderas y elementos de las instalaciones.
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TUBO SIN SOLDADURA DIN 2440, 2441, 2442 Tubo con o sin soldadura semipesado adecuado para presión nominal 25 en líquidos y para presión nominal 10 en aire y gases no peligrosos. Puede suministrarse roscado (DIN 2999) o sin roscar. Puede suministrarse en negro o galvanizado (DIN 2444). Longitud: los tubos se suministran en longitudes de 6 metros Material: St 33-2
Designación de Rosca
DN
6 1/8 8 1/4 10 3/8 15 1/2 20 3/4 25 1 32 1 1/4 40 1 1/2 50 2 65 2 1/2 80 3 100 4 125 5 150 6
Diámetro exterior d1
DIN 2440 Espesor de pared s
Tubo liso
mm 10.2 13.5 17.2 21.3 26.9 33.7 42.4 48.3 60.3 76.1 88.9 114.3 139.7 165.1
mm. 2.0 2.35 2.35 2.65 2.65 3.25 3.25 3.25 3.65 3.65 4.05 4.5 4.85 4.85
kg/m 0.407 0.650 0.852 1.22 1.58 2.44 3.14 3.61 5.10 6.51 8.47 12.1 16.2 19.2
Diámetro exterior d1
DIN 2441 Espesor de pared s
Tubo liso
mm 10.2 13.5 17.2 21.3 26.9 33.7 42.4 48.3 60.3 76.1 88.9 114.3 139.7 165.1
mm 2.65 2.90 2.90 3.25 3.25 4.05 4.05 4.05 4.50 4.50 4.85 5.40 5.40 5.40
kg/m 0.493 0.769 1.02 1.45 1.90 2.97 3.84 4.43 6.17 7.90 10.1 14.4 17.8 21.2
TUBOS NEGROS Y GALVANIZADOS ISO 65 Tubos para usos generales, en acero carbono, soldados y sin soldadura aptos para ser roscados o soldados. La norma incluye cuatro series: ligera 1, ligera 2, media, pesada. Los tubos podrán fabricarse soldados o sin soldadura. Prueba Hidrostática a una presión de 50 bar. Diámetro exteri or DN
Designación de Rosca
mm
Espesor Serie Ligera-1
Serie Ligera-2
Seri Se rie e Med Media ia
Seri Se rie e Pe Pesa sada da
6
1/8
10.2
1. 8
1. 8
2.0
2.6
8
1/4
13.5
2. 0
1. 8
2.3
2.9
10
3/8
17.2
2. 0
1. 8
2.3
2.9
15
1/2
21.3
2. 3
2. 0
2.6
3.2
20
3/4
26.9
2. 3
2. 3
2.6
3.2
25
1
33.7
2. 9
2. 6
3.2
4.0
32
1 1/4
42.4
2. 9
2. 6
3.2
4.0
40
1 1/2
48.3
2. 9
2. 9
3.2
4.0
50
2
30.3
3. 2
2. 9
3.6
4.5
65
2 1/2
76.1
3. 2
3. 2
3.6
4.5
80
3
88.9
3. 6
3. 2
4.0
5.0
100
4
114.3
4. 0
3. 6
4.5
5.4
125
5
139.7
5.0
5.4
150
6
165.1
5.0
5.4
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Tubo Industrial ASME/ANSI B-36.10 Espesores Espesor es y pe sosB-3 sosB-36. 6.10 10 Diame tro nomina l " mm
sch . 10
sch . 20
sch . 30
1 0,3
sch . 40
sch . 60
sch . 80
sch . 10 0
API5L sch . 12 0
sch . 140
sch . 1 60
ST D
XS
0 ,3 6
0 ,46
0,3 6
0,4 6
17 3
2 41
17 3
241
1 3,7
0 ,6 3 22 3
0 ,8 3 02
0,6 3 <2 3
0 ,8 302
1 7,1
0 ,8 5 2,3 1
1 ,1 3 ,2
0,8 5 2,3 1
1 ,1 3,2 3,
1/8" 1/4" 3/8"
XX S
2 1,3
1 ,2 6
1 ,62
1 ,95
1,2 6
1,6 2
2 ,5 4
1/2" 3 /4"
2 6,7
27 7 1 ,6 8
3 73 2 ,19
47 5 2 ,89
V7 1,6 8
373 2,1 9
7 47 3 ,6 3
1"
3 3,4
28 7 2,5
3 91 3 ,23
5 56 4 ,23
28 7 2,5
391 3,2 3
7 82 5 ,4 5
1 _"
4 2,2
33 8 3 ,3 8
4 55 4 ,46
6 35 5 ,6
33 8 3,3 8
455 4,4 6
9 10 7,7 5
35 6
4 ,85
6 35
35 6
48 5
9 70
1 _"
4 8,3
4 ,0 5 36 8
5 ,4 5 08
7 ,23 7 14
4,0 5 36 8
5,4 508
9,5 4 1 0 16
2"
6 0,3
5 ,4 3 39 1
7 ,47 5 54
1 1,1 8 73
5,4 3 39 1
7,4 7 554
1 3 ,44 1 1 07
2 _"
7 3 ,0 2
8 ,6 2
1 1 ,4
1 4,9
8 ,6 2
11 ,4
20 ,38
3"
8 8,9
51 6 1 1,2 8
7 01 15 ,24
9 ,5 2 2 1,3
5,1 6 70 1 1 1,2 8 1 15 5,2 4
1 4 02 27 ,6 5
7 62 18 ,62
54 9 7 6 2 1 3,5 6 1 8,6 2
1 5 24
1 0 1,6
54 9 1 3,6
1 11 3
3 _" 4"
1 1 4,3
57 4 1 6,0 6
8 08 22 ,29
28 ,2
3 3,5
60 2
8 56
11 1 3
1 34 9
57 4 8 0 8 1 6,0 6 2 2,2 9 60 2
85 6
40 ,9 8 1 7 12
5"
1 41 ,3
2 1,7 6 6,5 5
30 ,93 9 ,52
40 ,2 12 ,7
4 9 ,05 2 1,7 6 3 0,9 3 1 5 ,8 7 6,5 5 9,5 2
57 ,3 6 19 ,05
6"
1 68 ,3
2 8,2 3 7,1 1
42 ,52 1 0 97
54 ,2 14 2 9
6 7 ,49 2 8,2 3 4 2,5 2 1 8,2 6 71 1 10 9 7
79 ,1 2 1 95
8"
2 19 ,1
3 3 ,28
3 6,8
4 2,4 8 5 3,0 6
64 ,5 7
7 5 ,7 8
9 0,3 1 00 ,8 7 11 1 ,9 42 ,48 6 4 ,57
1 07 ,8
10
2 73
6 35 4 1 ,7 3
7 04 51
81 8 10 ,3 2 6 0,2 3 8 1,4 6
1 2 70 95 ,83
1 50 8 1 82 6 20 6 2 1 14 ,6 1 33 1 54 ,9 5
12
3 2 3,9
6 35 4 9 ,68
7 80 6 5,1
92 7 7 9,7 1
12 7 0 10 9
1 5 08 13 1 ,8
1 82 6 21 4 3 25 4 0 2 85 8 92 7 12 7 0 1 5 9,7 1 87 2 07 ,8 4 23 8 ,6 7 3 ,76 9 7 ,3 6
14
3 5 5,6
6 35 5 4,6 6 7 ,98
8 38 8 1,3
1 03 2 14 2 7 9 4,3 1 1 26 ,5
1 7 48 15 7 ,9
2 14 3 1 9 4,6
2 54 0 28 5 7 3 3 32 9 52 1 27 0 2 24 2 53 ,2 9 28 1 ,5 81 ,21 1 0 7,3
6 35
9 52
1 11 3
15 0 8
1 9 05
2 38 3
27 7 8
9 3,1 9 52
1 23 ,2 1 27 0
2 86 31
7 92
31 7 5
2 3 02 81 8 12 7 0 1 7 2 6 0 ,23 8 1,4 6
3 57 2
95 2
12 7 0
16
4 0 6,4
6 2,6 7 7 ,92 6 35 7 92
16 0 16 6 7
20 3 ,3 2 1 43
2 4 5,3 2 61 9
18
4 5 7,2
7 0,6 8 7 ,85 1 22 1 55 ,9 2 05 ,7 6 35 7 92 1 11 3 1 42 7 19 0 5
25 5 ,4 2 3 80
3 0 9,7 3 64 4 08 ,6 7 45 9 ,4 2 93 6 3 49 3 39 6 7 4 52 4
1 05 95 2
1 3 9,1 12 7 0
20
5 08
3 81 ,5
1 17
1 55
24
1 83 ,3 2 47 ,8
311
6 0 9,6
6 35 9 52 1 27 0 1 50 6 20 6 2 9 4 ,5 1 4 0,8 2 09 2 54 ,8 3 55 ,3
2 6 18 44 1 ,9
3 25 4 3 81 0 44 4 5 5 0 01 95 2 12 7 0 5 4 7,7 6 39 7 2 0,9 4 80 7 ,3 14 0 ,8 18 6,8 3 88 9
6 6 0,4
6 35 9 52 1 28 2 0 2,8
3 0 94
26 28
7 1 1,2
7 92 1 27 0 1 37 2 1 8,7
2 72
7 ,92
1 5,9
30
7 62
32
7 8,6
1 17
1 2,7
1 55
1 4,3
1 74 4
24 5 9
4 42
3 32 ,6 7 36 4 ,9 93 ,12 1 2 3,2 36 5 3 4 04 9 95 2 12 7 0
4 60 2
5 08 ,6 6 56 4 ,5
52 3 7
5 9 51
95 2 1 27 0 1 52 ,9 2 02 ,8 95 2 12 7 0 1 64 ,8 2 18 ,7 9,5 2
12 ,7 12
1 47 2 3 4,6 2 92 7 92 1 27 0 1 58 8
1 76 ,7 2 34 ,6 95 2 12 7 0
8 1 2,8
1 57 2 25 5 0,6 3 12 3 42 ,7 7 92 1 27 0 1 58 8 1 74 8
1 88 ,7 2 25 50 ,6 95 2 12 1270
34
8 6 3,6
1 68 2 6 6,5
2 00 ,6 2 66 ,5
36
9 1 4,4
7 92 1 27 0 1 58 8 1 74 8 1 77 2 28 8 2,4 3 52 4 20 ,2
95 2 12 1270 2 12 ,5 2 28 82 ,4
7 92 38
9 6 5,2
95 2 12 1270 2 24 ,5 29 8 ,2
40
1 01 6
95 2 12 70 2 36 ,5 31 4 ,2
3 32
3 64
1 27 0 1 58 8 1 90 5
95 2 42
1 0 66 ,8
113
12 70
2 48 ,5 33 0 ,2 9,5 2 1 2 ,7
22 22
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Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables son aceros a los que se les ha adicionado intencionadamente cromo, níquel y otros elementos; trabajados y pulidos presentan un aspecto brillante y son resistentes a la oxidación, tienen muy buen comportamiento frente a la humedad los ácidos y los gases corrosivos. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEROS INOXIDABLES D ESIGNA CIÓN
P orc entaj e de masa (%)
a r u t c u r t s E Nombre
DIN
ASTM
C
Cr
Ni
Mo
X5CrNi18-10
14.301
304
0,05
18
10
X2CrNi19-11
14.306
304 L
0,02
19
11
X10CrNi18-8
14.310
301
0,1
18
8
X2CrNiN18-10
14.311
304 LN
0,02
18
10
X5CrNiMo17-12-2
14.401
316
0,05
17
12
2
X2CrNiMo17-12-2
14.404
316 L
0,02
17
12
2
X2CrNiMoN17-11-2
14.406
316 LN
0,02
17
11
2
X2CrNiMo17-12-3
14.432
316 L
0,02
17
12
3
X2CrNiMo18-14-3
14.435
316
0,02
18
14
3
X3CrNiMo17-13-3
14.436
316
0,03
17
13
3
X6CrNiTi18-10
14.541
321
0,06
18
10
Otro
N
N
Ti
X6CrNiNb18-10
14.550
347
0,06
18
10
X6CrNiMoTi17-12-2
14.571
316 Ti
0,06
17
12
2
Nb Ti
X6CrNiMoNb17-12-2
14.580
316 Cb
0,06
17
12
2
Nb
X15CrNiSi20-12
14.828
309
0,15
20
12
Si
X15CrNiSi25-20
14.841
310
0,15
25
20
Si
X12CrNi25-21
14.845
310 S
0,12
25
21
X6Cr13
14.000
410 S
0,06
13
X6Cr17
14.016
430
0,06
17
X5CrNiMo17-13
14.919
348
0,1
17
X3CrTi17
14.510
430 Ti
0,03
17
X3CrNb17
14.511
430 Nb
0,03
17
X6CrMo17-1
14.113
434
0,06
17
1
X2CrMoTi17-1
14.513
0,02
17
1
X2CrTi12
14.512
0,02
12
X2CrTiNb18
14.509
0,02
18
X12Cr13
14.006
410
0,12
13
X20Cr13
14.021
420
0,2
13
X30Cr13
14.028
420
0,3
13
X46Cr13
14.034
420
0,46
13
X50CrMoV15
14.116
420 MoV
0,5
15
409 L 40
114
12
o c i t i n e t s u a
o c i t í r r e f
2
Ti
Ti, Nb
0,5
o c i t i s n e t r a m
