Materiales Empleados en Fabricacion Mecanica

UT1.- MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN MECÁNICA

1. CLASIFICACIÓN Y NECESIDAD DE LOS MATERIALES MODERNOS

Los materiales sólidos se clasifican en tres grupos: metales, cerámicos y polímeros. Este esquema se basa en la composición química y en la estructura atómica. Por lo general, la mayoría de los materiales encajan en un grupo u otro, aunque hay materiales intermedios. Además, existen otros dos grupos de importantes materiales técnicos: materiales compuestos (composite) y semiconductores. Los materiales compuestos constan de combinaciones de dos o más materiales diferentes, mientras que los semiconductores se utilizan por sus extraordinarias características eléctricas. A continuación se describen brevemente los tipos de materiales y sus características más representativas.

1.1. METALES

Normalmente los materiales metálicos son combinaciones de elementos metálicos. Tienen gran número de electrones deslocalizados, que no pertenecen a ningún átomo en concreto. La mayoría de las propiedades de los metales se atribuyen a estos electrones. Los metales conducen perfectamente el calor y la electricidad y son opacos a la luz visible; la superficie metálica pulida tiene apariencia lustrosa. Además, los metales son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales.

1.2. CERÁMICAS

Los compuestos químicos constituidos por metales y no metales (óxidos, nitruros y carburos) pertenecen al grupo de las cerámicas, que incluye minerales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo general se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son más resistentes que los metales y los polímeros. Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son

1.3. POLÍMEROS

Los polímeros comprenden materiales que van desde los familiares plásticos al caucho. Se trata de compuestos orgánicos, basados en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad.

1.4. MATERIALES COMPUESTOS Se han diseñado materiales compuestos formados por más de un tipo de material. La fibra de vidrio, que es vidrio en forma filamentos dentro de un material polimérico, es un ejemplo familiar. Los materiales

IMAQ_108.-Montaje y Mantenimiento Mecánico

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Materiales empleados en la fabricación mecánica

duras y muy frágiles.

compuestos están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. La fibra de vidrio es mecánicamente resistente debido al vidrio, y flexible debido al polímero. La mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos. Otros ejemplos conocidos son: el cermet (compuesto de cerámica y meal), el metal duro (carburo en matriz metálica), la fundición blanca, el hormigón, el adobe (compuesto de barro y paja), el contrachapado o el hueso (compuesto de una matriz ósea reforzada con fibras de colágeno).

1.5. SEMICONDUCTORES

Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos. Las características eléctricas de los semiconductores son extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos de impurezas. Estas concentraciones se deben controlar en regiones espaciales muy pequeñas. Los semiconductores posibilitan la fabricación de los circuitos integrados que han revolucionado, en las últimas décadas, las industrias electrónica y de ordenadores. Los semiconductores más usados son el silicio, el germanio y últimamente el azufre, aunque se han identificado hasta trece elementos en la tabla periódica con características semiconductoras.

NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS

últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados y especializados. Desde la perspectiva de los materiales se pueden comentar algunos extremos. La energía constituye una preocupación constante. Se reconoce la necesidad de nuevas y económicas fuentes de energía y el uso más racional de las actuales fuentes. Los materiales desempeñan un papel preponderante en esta cuestión. Por ejemplo, se ha demostrado la conversión directa de la energía solar en energía eléctrica, pero las células solares emplean algunos de los materiales más complejos y caros. La viabilidad tecnológica de esta conversión se aseguraría si se desarrollaran materiales baratos y de alta eficiencia para este proceso. La supervivencia de la energía nuclear esta actualmente en entredicho, pero la solución a los muchos problemas que quedan por resolver está relacionada con los materiales: desde el combustible a la estructura de los recipientes para controlar los residuos radiactivos. La calidad medioambiental depende de nuestra habilidad para controlar la contaminación del aire y del agua. Las técnicas de control de la


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A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los materiales en los

contaminación emplean diversos materiales. Además, los procedimientos de fabricación de los materiales deben producir mínima degradación ambiental, esto es, mínima contaminación y mínima destrucción del paisaje en aquellos lugares de donde se extraen las materias primas. Los transportes consumen cantidades significativas de energía. La disminución del peso de los vehículos de transporte (automóviles, aviones, trenes, etc.) y el aumento de la temperatura de funcionamiento de los motores mejoran el rendimiento del combustible. Es necesario desarrollar nuevos materiales con elevada resistencia y baja densidad, así como materiales capaces de soportar elevadas temperaturas, para fabricar componentes de mofares. La mayoría de los materiales que utilizamos proceden de fuentes no renovables; es decir, no son capaces de regenerarse. Entre ellos se encuentran los polímeros, cuya principal fuente es el petróleo, y algunos metales. Estas fuentes no renovables se empobrecen paulatinamente, por lo que es necesario descubrir nuevas reservas o desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables y con menos impacto medio ambiental. Esta última alternativa constituye el mayor reto para los ingenieros y científicos de materiales.

ESTRUCTURAS ATÓMICAS Y CRISTALINAS

Algunas de las propiedades más importantes de los materiales sólidos dependen de la disposición geométrica de los átomos y de las interacciones que existen entre los átomos y las moléculas constituyentes.

1.6. ESTRUCTURA ATÓMICA

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Los átomos constan de núcleos muy pequeños que, a su vez, están compuestos de protones y neutrones. Este conjunto está rodeado de electrones en movimiento. Tanto los electrones como los protones están eléctricamente cargados. El valor de esta carga es del orden de 1,60 x 10-19 C, de signo negativo para el caso de los electrones y positivo para los protones. Los neutrones son eléctricamente neutros. Las masas la misma masa, 1,67 x 10-27 kg, que es significativamente mayor que la de un electrón, 9,11 x 10-31 kg.

Cada elemento químico se caracteriza por el número de protones del núcleo o número atómico. Para un átomo eléctricamente neutro, el número atómico coincide con el número de electrones. Los valores del número atómico, para los elementos que se encuentran en la naturaleza, van desde 1 para el hidrógeno a 94 para el plutonio.

La masa atómica (A) de un átomo específico se puede expresar como la suma de las masas de los protones y los neutrones del núcleo. Aunque el número de protones es igual en todos los átomos de un mismo elemento, el número de neutrones puede variar. Así, los átomos de un mismo elemento que tienen dos o más masas atómicas se denominan isótopos. El peso atómico corresponde al peso ponderado de las


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de estas partículas subatómicas son infinitamente pequeñas; protones y neutrones tienen aproximadamente

masas atómicas de los isótopos, de acuerdo a la abundancia relativa de cada isótopo en la naturaleza. Para calcular el peso atómico se utiliza el concepto de unidad de masa atómica (uma). Se ha establecido una escala, donde 1 uma se define como 1/12 de la masa atómica del isótopo más corriente y abundante del carbono, el carbono 12 (12C) (A = 12,00000). De acuerdo con esta escala las masas del protón y del neutrón son algo mayores que la unidad, y

A=Z+N

El peso atómico de un elemento o el peso molecular de un compuesto se puede expresar en uma por átomo (molécula) o en masa por mol de materia. En un mol de una substancia hay 6,023 x lQ23 (número de Avogadro) átomos o moléculas. Estas dos formas de expresar los pesos atómicos están relacionadas según la siguiente ecuación: 1 uma/átomo (o molécula) = 1 g/mol

Representaciones esquemáticas del átomo de Bohr:

átomo o molécula; en otras ocasiones se prefiere g (o Kg)/mol. La última es la empleada en esta caso.

1.7. ESTRUCTURA CRISTALINA

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Los materiales sólidos se pueden clasificar según la regularidad con que se sitúan, unos respecto de otros, los átomos o iones. En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas; es decir, existe un orden de largo alcance tal que, al solidificar el material, los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivo, en el cual cada átomo está enlazado con su vecino más próximo. Los metales, muchas cerámicas y ciertos polímeros adquieren


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Por ejemplo, el peso atómico del hierro es 55,85 uma/átomo, o 55,85 g/mol. A veces se utiliza uma por

estructuras cristalinas en condiciones normales de solidificación. El orden de largo alcance no existe en los materiales que no cristalizan.

Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material; es decir, de la ordenación espacial de átomos, iones y moléculas. Hay un número muy grande de estructuras cristalinas diferentes que tienen, todas ellas, orden atómico de largo alcance. Estas estructuras varían desde las relativamente simples de los metales a las excesivamente complejas de los materiales cerámicos y poliméricos. Al describir la estructura cristalina se consideran los átomos (o iones) como esferas sólidas con diámetros muy bien definidos. Es el denominado modelo atómico de esferas rígidas, en el cual las esferas representan átomos macizos en contacto. La figura siguiente muestra un ejemplo de la disposición atómica de alguno de

los metales elementales más corrientes mediante el modelo de las esferas rígidas. En este caso, todos los átomos son idénticos. En el contexto de las estructuras cristalinas a menudo se utiliza la palabra red; en este sentido red significa disposición tridimensional de puntos coincidentes con las posiciones de los átomos


(o centros de las esferas).


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1.7.1.CELDILLA UNIDAD

El orden atómico de los sólidos cristalinos indica que grupos de pocos átomos forman un patrón que se repite en el espacio. Al describir la estructura cristalina, conviene dividirla en las pequeñas entidades, que se repiten, llamadas celdillas unidad. La celdilla unidad de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas. En la figura anterior (apartado c), se ha dibujado una celdilla, que en este caso es un cubo. La celdilla unidad se elige para representar la simetría de la estructura cristalina, de modo que las posiciones de los átomos en el cristal se puedan representar desplazando a distancias discretas la celdilla unidad a lo largo de los ejes. De este modo, la celdilla unidad es la unidad estructural fundamental y define la estructura cristalina mediante su geometría y por la posición de los átomos dentro de ella. Ordinariamente, la claridad aconseja que los vértices del paralelepípedo coincidan con los centros de las esferas rígidas que representas los átomos. Para definir algunas estructuras cristalinas, es necesario establecer más de una celdilla unidad; sin embargo, generalmente se usa la celdilla unidad que tiene el mayor


nivel de simetría geométrica.


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1.7.2.ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES

Los metales están formados por agrupaciones de átomos unidos entre sí mediante enlaces metálicos. Los átomos se encuentran formando una red geométrica denominada red cristalina, en la que cada uno de ellos ocupa un vértice de la red. La disposición ordenada y geométrica en el espacio de los átomos constituye una estructura. La estructura está íntimamente ligada con el comportamiento de un metal, por lo que es necesario realizar un estudio de la misma. Para ello, hay que considerar dos tipos de estructuras: la cristalina y la granular. En el tipo de estructura cristalina los átomos están ordenados en el espacio según una red geométrica constituida por repetición de un elemento básico llamado cristal (figura a la derecha). Las distintas formas posibles de ordenar los átomos en el espacio constituyen 14 redes espaciales diferentes (figura abajo). La mayor parte de los metales cristalizan en las redes siguientes: cúbica centrada, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta. Este tipo de estructuras determina las propiedades del metal. Entre otras, el hecho de que la unión entre los átomos sea muy fuerte justifica su gran resistencia, y la posibilidad que tienen los átomos de ocupar otras


posiciones estables en la red al ser desplazados por una fuerza exterior explica la deformación plástica.


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2. PROPIEDADES QUÍMICAS, FÍSICAS Y TECNOLÓGICAS.

Las propiedades de los materiales constituyen un conjunto de características diferentes para cada cuerpo, que ponen de manifiesto cualidades intrínsecas de los mismos o su forma de responder a determinadas acciones exteriores. Las características de los materiales son una veces cualidades, otras veces defectos y en algunos casos sólo constantes físicas. Las diferentes propiedades de los materiales de interés se pueden agrupar de la siguiente forma: -

Propiedades físicas

-

Propiedades químicas

-

Propiedades tecnológicas o mecánicas.

2.1. PROPIEDADES FÍSICAS

Dentro de este conjunto se incluyen tanto las propiedades básicas de la materia como otras que son consecuencia de la acción directa de agentes físicos exteriores. Algunas de las más importantes son:

-

Fusibilidad: Es la propiedad que tienen los metales de licuarse (pasar del estado sólido al líquido) bajo la acción del calor. En esta propiedad se basan los trabajos de fundición para la obtención de piezas coladas.

-

Calor específico: Indica la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo desde 0 ºC hasta 1 ºC. Se expresa en calorías-gramo. Su valor tiene gran importancia, porque permite conocer la cantidad de calor ,y por tanto de energía, que se necesita aportar a una masa de metal para elevar su temperatura hasta la de transformación o de fusión.

-

Dilatabilidad: Es la propiedad que poseen los cuerpos de aumentar su volumen por efecto del calor. Esta propiedad se suele expresar por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al

-

Temperatura de fusión: Es una característica bien definida de los metales, que coincide con el cambio de estado (de sólido a líquido) que experimenta un metal al aumentar la temperatura de forma progresiva. A continuación se muestran las temperaturas típicas de fusión de algunos metales.

Materia Temperatura de fusión

Aluminio

Cobre

Cromo

Estaño

Hierro

Níquel

Plomo

660 ºC

1083 ºC

1875 ºC

232 ºC

1539 ºC

1453 ºC

327 ºC


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elevarse en un grado su temperatura, llamado coeficiente de dilatación lineal.

-

Conductividad térmica: Es una propiedad de los metales que les permite transmitir el calor a través de su masa.

-

Conductividad eléctrica: Es una propiedad casi exclusiva de los metales y consiste en la facilidad que poseen de transmitir la corriente eléctrica a través de su masa. La inversa de la conductividad es la resistividad eléctrica.

2.2. PROPIEDADES QUÍMICAS

Las dos propiedades más importantes desde el punto de vista químico se refieren a la resistencia que oponen los materiales frente a las acciones químicas y atmosféricas; es decir, a la oxidación y la corrosión.

-

Oxidación: Es un fenómeno de combinación química del oxígeno con los elementos metálicos, que produce la corrosión o degradación del metal. Su efecto se acentúa al aumentar la temperatura. En algunos metales el proceso de oxidación no desemboca en corrosión, sino que, muy al contrario, genera una capa protectora a la misma. En estos casos, a medida que aumenta el espesor de la película de óxido, aumenta también la dificultad de difusión del proceso, hasta que al llegar a un determinado grueso se detiene y, por tanto, cesa también la oxidación. El espesor de óxido necesario para que se produzca una acción protectora depende y varía sustancialmente de la naturaleza del metal y de la temperatura a la que se encuentre.

-

Corrosión: Es el deterioro lento y progresivo de un metal debido a un agente exterior. La corrosión atmosférica es la producida por el efecto combinado del oxígeno del aire y la humedad, pero se da también la corrosión química producida por los ácidos y los álcalis. Existen diferentes tipos de corrosión, en función de cada uno de los cuales, los efectos apreciados en los metales varían de forma notoria. En algunos casos el efecto de la corrosión provoca el adelgazamiento o disminución del espesor del metal; en otros casos, el metal queda picado y suele mostrar grandes rugosidades superficiales por la pérdida de masa. La corrosión puede afectar también a la cohesión de los granos constituyentes del metal, debilitando su

exteriormente se observe ninguna alteración superficial.

2.3. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS O MECÁNICAS

Son las que definen el comportamiento que los metales tienen frente a determinadas acciones exteriores, tales como la dificultad que oponen a ser rayados, su resistencia al choque, a ser estirados, comprimidos, a deformarse o romperse, etc. En general, los metales tienen diversas propiedades que, además, pueden mejorarse por la acción de ciertos tratamientos, que transforman su estructura interior. -

Tenacidad: Es la propiedad de los metales que les permite resistir a los esfuerzos de rotura o deformación. Da idea de la capacidad que tiene un metal de absorber energía antes de romperse. Un materíal es tenaz si opone gran resistencia a la rotura cuando actúan sobre él


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resistencia de tal forma que a veces se rompen las piezas al menor esfuerzo, sin que

fuerzas exteriores. Es una propiedad muy característica de los metales. Los materiales tenaces cuando se someten a una prueba de choque, absorben mucha energía antes de romperse; parte de ella la emplean en alargarse elásticamente y el resto en deformarse permanentemente. También se distinguen por tener el límite de elasticidad y el de rotura muy distanciados. Al tener el periodo plástico muy largo, pueden resistir amplias deformaciones sin romperse.

-

Elasticidad: Es la propiedad de los metales que les permite recuperar su forma original después de haber sido deformados y una vez que se suprime el esfuerzo que los deformaba. Algunos

o

Límite elástico. Es la fuerza máxima de deformación que puede aplicarse a un material sin originar una deformación permanente. En la práctica es el valor de la carga que supera ligeramente la elasticidad, produciendo una deformación muy pequeña (0.2%). A continuación se muestra el límite elásticos de algunos materiales.


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conceptos asociados son:

Aluminio

Material Límite elástico

recocido 15 Kg/mm2

o

Hierro

20 Kg/mm2

Acero

Acero

Acero

Acero

0.15%C

0.25%C

0.35%C

0.45%C

28 Kg/mm2

30 Kg/mm2

35 Kg/mm2

40 Kg/mm2

Módulo de elasticidad. Cuando una muestra se somete a un esfuerzo de tracción, sufre un alargamiento. La relación entre la tensión aplicada y el alargamiento producido, con relación a la longitud primitiva, permanece constante para un mismo material y se denomina módulo de elasticidad.

o

Alargamiento de rotura. Es el alargamiento máximo, sin rotura, que se puede dar por tracción a un material. Se expresa en porcentaje sobre la longitud inicial de la pieza.

-

Plasticidad: Es la capacidad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. La ductilidad, o capacidad de estirarse en hilos, y la maleabilidad, o aptitud de extenderse en láminas, son variantes concretas de la plasticidad.

o

Maleabilidad: Es la propiedad que poseen ciertos metales de dejarse reducir en forma de láminas mediante esfuerzos de compresión. En esta propiedad se basan los trabajos de laminado, que permiten obtener las chapas de metal usadas corrientemente en la industria. La maleabilidad es importante también en los trabajos de forjado y embutido. Ductilidad: Es la propiedad que poseen algunos metales de dejarse estirar mediante esfuerzos de tracción. Es la base de los trabajos de trefilado (reducción de un metal a alambre o hilo).

-

Fatiga: Es la capacidad de resistencia a los esfuerzos repetitivos, variables en magnitud y sentido. Cuando un metal se somete a este tipo de esfuerzos, puede romperse aplicando cargas muy inferiores a su resistencia a la rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. A este aparente desfallecimiento de los metales cuando están sometidos a esfuerzos de magnitud no constante se le denomina fatiga de los metales. Uno de los conceptos asociados más importantes es la Resistencia a la Fatiga, que define como la carga que un metal sometido a esfuerzos repetitivos puede soportar de forma indefinida sin romperse.


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o

-

Resistencia a la rotura: Es la carga máxima por unidad de superficie (Kg/mm 2), que un material es capaz de soportar sin romperse. Los esfuerzos de rotura se clasifican en:

Tracción

Cizalladura

-

Compres ión

Tors ión

Dureza: Es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros. La dureza de un cuerpo es directamente proporcional a su cohesión atómica. Los metales puros son relativamente blandos, aunque por medio de aleaciones y tratamientos térmicos pueden adquirir durezas muy elevadas. La dureza resulta generalmente más elevada cuanto más alta


es la temperatura de fusión del material.


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-

Fragilidad: Es la propiedad que tienen los materiales de romperse más o menos fácilmente bajo la acción de un choque. Un material frágil es aquel que se rompe al rebasar el límite elástico sin apenas experimentar deformación plástica alguna. Es una propiedad contraria a la tenacidad; o sea, que si un material carece de tenacidad es, por supuesto, frágil.

Rotura de un m aterial frágil

Los materiales frágiles ofrecen resistencia al choque, carecen de periodo plástico y como consecuencia, tienen el límite de elasticidad y el de rotura muy próximos. El vidrio, por ejemplo, al ser un material frágil es incapaz de resistir el impacto de un martillo sin romperse. -

Resiliencia: Define la resistencia que opone un cuerpo a la rotura por choque o percusión. En algunos casos se define como la propiedad inversa a la fragilidad, si un material es resiliente no es frágil ya que se necesita mucha energía para romperlo. Da idea de la energía que es capaz de absorber el material al romperse mediante un solo golpe. La resiliencia está relacionada y depende de la tenacidad; a mayor tenacidad, más resiliencia.

-

Fluencia: Es la propiedad que tiene algunos materiales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas. En general, esta característica aparece con más intensidad en los materiales con temperaturas de fusión bajas, como el plomo. Esta lenta deformación en el tiempo se pudo comprobar en las tuberías de plomo suspendidas y en las planchas de los tejados. Actualmente se ha comprobado que todos los metales se deforman más o menos lentamente aplicándoles cargas muy pequeñas e inferiores, desde luego, al límite elástico Maquinabilidad: Con esta denominación se agrupan varias propiedades como: velocidad a la que puede mecanizarse el material al someterle a trabajos con máquinas, clase de viruta producida, capacidad de desgaste por herramienta y tipo de acabado que puede obtenerse.


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-

3. ENSAYOS

Son el conjunto de procedimientos o pruebas que tienen por objeto conocer o comprobar las características y propiedades de los materiales o descubrir los defectos en las piezas fabricadas. En general, la realización de ensayos tiene como fines: -

Determinar las propiedades de los aceros para estudiar sus posibilidades de aplicación

-

Efectuar los controles de calidad en los procesos de fabricación

-

Determinar los tratamientos, composiciones o tipos de acero más apropiados para un uso determinado

-

El estudio de nuevos tipos de aceros

-

El desarrollo de nuevos tipos de fabricación. Tipos de ensayos

Físicos

Químicos

Físico-químicos

Mecánicos

Metalográficos Estáticos

Espectrográficos Macroscópicos

Tracción

Microscópicos

Compresión Flexión Cortadura Dureza Lima Brinell Vickers Rockwell Shore Poldi Dinámicos Choque Fatiga Tracción-Compresión


Flexión Plana Flexión rotativa Torsión Tecnológicos Doblado o plegado Embutición Forja Soldadura Chispa Magnéticos Eléctricos Rayos X Ultrasónicos


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Dada la gran cantidad de ensayos solo se estudiarán detenidamente los más importantes por ser los más frecuentes.

3.1. ENSAYOS FISICO-MECÁNICO-ESTÁTICO. 3.1.1.ENSAYO DE TRACCIÓN

Este ensayo es uno de los más empleados para conocer la resistencia o carga de rotura, límite de elasticidad, alargamiento y estricción de los metales y aleaciones. Consiste en someter una muestra, de forma y dimensiones determinadas, a un esfuerzo axial de tracción creciente en la dirección de su eje hasta romperla. Las muestras empleadas son generalmente barras de sección uniforme, casi siempre circulares, llamadas probetas y que estudiaremos a continuación.

3.1.1.1.

Forma y dimensiones de una probeta:

La probeta, generalmente, es una barra de sección circular, cuyos extremos son de mayor diámetro, para que las mordazas de la máquina de ensayo puedan agarrarla sin deslizamiento. En la parte central de la probeta se marcan dos puntos que sirven de referencia para medir alargamientos. En la figura siguiente se muestran tres probetas de sección circular, normalizadas, para el ensayo de


tracción (UNE 7 262-73).


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3.1.1.2.

Máquinas para el ensayo de tracción:

Para realizar el ensayo de tracción, se utilizan máquinas provistas e dos mordazas, que someten la probeta a esfuerzos longitudinales por medio de mecanismos hidráulicos o mecánicos. Con las máquinas sencillas hay que efectuar, durante todo el ensayo, la toma de datos, sobre el valor de la carga y la deformación correspondiente; con estos datos se confecciona el diagrama de tracción, a escala y en papel milimetrado.

-

Máquinas univ ers ales de ens ay os

La mayor parte de las máquinas lleva incorporado un mecanismo que traza automáticamente el diagrama de tracción, en papel milimetrado y a escala. La velocidad para realizar el ensayo debe ser constante y no

-



mayor de 1 cm/min.

Es quem a de una m aquina univ ers al de ens ay os en el ens ay o de tracción

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3.1.1.3.

Diagrama del ensayo de tracción:

El diagrama del ensayo de tracción permite estudiar el alargamiento de la probeta en función de la fuerza o carga actuante; la forma del diagrama depende del material a ensayar. En la figura siguiente se muestra el diagrama característico de un material dúctil y maleable, como el acero extrasuave, y aunque difiere del de otros metales, conserva la analogía de la forma en lo esencial. Observando el diagrama pueden destacarse los siguientes puntos y conceptos:

-

Diagram as de ens ay o de tres m ateriales dis tintos

Diagram a de ens ayo del acero ex tra-s uav e

1. Límite de Proporcionalidad. (OP) La recta OP corresponde al período de alargamientos proporcionales a las cargas, es decir, cuando es aplicable la ley de Hooke. El punto P es precisamente el límite de proporcionalidad, por encima del cual la ley citada no se cumple. La tensión unitaria o carga unitaria σp en el punto P, se expresa en kgf/mm2 o kgf/cm2.


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-

En ella Ao es la sección inicial de la probeta y Fp es la carga aplicada en el punto en cuestión.

2. Límite de Elasticiad. (E) El punto E corresponde al límite de elasticidad; la zona OE es elástica; al cesar la carga FE la probeta recobra su forma primitiva; cualquier carga por encima de F E produce deformaciones permanentes. La tensión unitaria o carga (σE), en el punto E, se expresa en kgf/cm 2 o kgf/mm2.

El límite real de elasticidad, e incluso el límite de proporcionalidad, son de difícil determinación práctica. Es por ello que se ha convenido que el límite de elasticidad práctico es la tensión unitaria que produce una deformación permanente del 0,003%. Para medir alargamientos de este tipo son necesarios aparatos de gran precisión llamados extensómetros cuyos palpadores están en contacto directo con la probeta. Se basan en principios de amplificación mecánica, eléctrica, óptica y neumática; entre los más conocidos se hallan el extensómetros de espejo Martens y el neumático Solex.

1 .- Recipiente cilí ndrico conteniendo agua 2 .- Tubo de llegada del aire 3 .- Tubo graduado que actúa de m anóm etro 4 .- Filtros 5 .- Cuchilla m óv il 6 .-Cuchilla fija con boquilla de s alida 7 .- Lám ina elás tica 8 .-Probe ta A .- Boquilla de entrada B.- Boquilla de s alida

3. Límite aparente de elasticidad o límite de fluencia. (σB) El tramo PB es ligeramente curvo ya que en P terminaba la zona de proporcionalidad. El punto B es generalmente muy acusado en todos los aceros porque el material parece ceder por primera vez, sin aumentar la carga e incluso bajando el valor alcanzado en B. Algunos autores consideran el punto B como límite de la zona elástica, pero en realidad esto no es así, como se ha explicado en el punto anterior, sino que dicha zona elástica termina en E. Lo que ocurre es que la zona plástica se aprecia claramente a partir de B; de ahí el nombre de


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Es quem a del ex tens óm etro neum ático S olex :

límite aparente de elasticidad. Si este punto no estuviera bien destacado, se tomaría como tal la carga unitaria que produjera una deformación o alargamiento longitudinal del 0,2%. Se expresa en kgf/cm2 o kgf/mm2.

4. Carga unitaria de Rotura. (σR) La carga unitaria de rotura es la carga máxima F R, aplicada durante el ensayo; la tensión de rotura o carga unitaria de rotura (σR) se expresa en kgf/cm2 o kgf/mm2.

Así pues, el punto R expresa el valor de la máxima tensión admisible por la probeta. A partir de ahí, si prosigue el ensayo, se producirá en el centro de la misma una contracción o estricción muy acentuada, hasta llegar a la rotura de la probeta bajo un esfuerzo muy inferior al máximo alcanzado. El concepto de carga unitaria de rotura es muy importante en resistencia de materiales; las tensiones de trabajo se suelen tomar respecto a la carga unitaria de rotura, aplicando un coeficiente de seguridad, que varía según la finalidad y responsabilidad de la pieza y la clase de esfuerzo a que se verá sometida. 5. Alargamiento. (δ)

Lo = longitud inicial de la probeta, antes del ensayo, en milímetros. Lu = longitud de la probeta estirada, en el momento de la rotura, expresada en milímetros. El alargamiento unitario (ε) es la relación que hay entre el alargamiento de la probeta y la longitud inicial (Lo).

6. Módulo de Elasticidad o módulo de Young. (E)


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El alargamiento es la longitud que aumenta la probeta hasta llegar a romperse.

Al hablar de zona de proporcionalidad se hacía referencia a la ley de Hooke. Esta ley expresa la relación constante que existe entre los esfuerzos y alargamientos unitarios y cuyo valor se indica por E. Este módulo característico, llamado de elasticidad o de Young, se mide en kgf/mm 2.

En la cual: σP = tensión unitaria en el límite elástico expresada en Kgf/mm 2.. ε = alargamiento unitario Para los aceros este valor varía entre 18000 y 22000 Kgf/mm 2


Problema 1º.-

3.1.2.ENSAYO DE COMPRESIÓN

Este ensayo estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión, progresivamente creciente, con una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura, aplastamiento o aparición de grietas, según la clase de material. Este ensayo resulta interesante para evaluar las características de los metales moldeados y de las aleaciones metálicas, piedras, hormigón, etc. Las probetas son cilíndricas para los metales y cúbicas para los no metales.


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3.1.2.1.

Dimensiones de las probetas de compresión:

La probeta normal para materiales metálicos es un cilindro cuya altura es igual al diámetro. Para medidas de precisión se usan probetas con forma de cilindro regular, cuya altura es 2,5 a 3 veces el diámetro.

3.1.2.2.

Máquina para el ensayo de compresión

Se emplea la máquina universal, debidamente acondicionada. La colocación de la pieza es delicada ya que la excentricidad de la carga falsearía los resultados del ensayo. Los materiales plásticos se rompen después de la aparición de grietas superficiales, mientras que los frágiles lo hacen según un plano a 45º de la dirección del esfuerzo, por deslizamiento de las superficies de rotura.

3.1.2.3.

Diagrama del ensayo de compresión.

El diagrama de compresión es semejante al de tracción.

Diagram as de ens ay o de com pres ión y tracción com parados


-

Los datos que proporciona el diagrama de compresión son similares a los de tracción y de signo contrario; en los materiales elásticos no existe una verdadera carga de rotura por compresión, ya que se aplastan sin romperse, tomando la forma de tonel


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3.1.3.ENSAYO DE CIZALLADURA (UNE 7 246-74)

Con este ensayo se determina el comportamiento del material sometido a un esfuerzo cortante, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura; a este ensayo se someten las chavetas, remaches,

3.1.3.1.

Dimensiones de las probetas.

No hay probetas normalizadas para este ensayo; la probeta se puede cortar en una sola sección, en dos o en una superficie cilíndrica (punzonado).

3.1.3.2.

Máquinas para el ensayo de cizalladura y punzonado.

Este ensayo puede realizarse con cualquier máquina universal de ensayos, disponiendo de los accesorios adecuados.


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tornillos, pernos, etc…

3.1.3.3.

Diagrama esfuerzo-deformación.

Es similar al de tracción y compresión; existe una zona de proporcionalidad OP; el punto B es el límite de fluencia o límite práctico de la zona elástica; de B a U la zona no es elástica y en U se produce la rotura.

Tensión de cizalladura (una sola sección):


Tensión de cizalladura (dos secciones):

Tensión de punzonado (σPZ)

siendo: do = diámetro del punzón h = espesor de la probeta


-23-

3.1.4.ENSAYOS DE DUREZA

La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación, y para los metales es una medida de su resistencia a la deformación permanente. La dureza se mide, en general, por los tres métodos siguientes: 

Por la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados por otros más duros. Este método es el empleado en mineralogía, basado en la escala de Mohs.



Por la resistencia que oponen los cuerpos a dejarse penetrar por otros más duros. Es el más empleado industrialmente: Brinell, Rockwell, etc.



Por la reacción elástica de los cuerpos que se ensayan al dejar caer sobre los mismos un material duro: Shore.

3.1.4.1.

Dureza por resistencia al rayado

Son los primeros procedimientos que se idearon para medir la dureza de los cuerpos. Se basaron en la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados.

1.- El método Mohs: Es un método que consiste en comparar la dureza del elemento a estudiar con una serie de elementos de dureza determinada, clasificándolo dentro de uno de los niveles de la escala. Según Mohs, las durezas se clasifican en: 1.- Talco 2.- Yeso 3.- Calcita 4.- Fluorita 5.- Apatito 6.- Feldespato 7.- Cuarzo

9.- Corindón 10.- Diamante. Como se ha dicho anteriormente, este es el método que se usa, o tradicionalmente se ha usado, en mineralogía.


-24-


8.- Topacio

2.- Ensayo de dureza con lima. El ensayo de dureza con lima está basado en la resistencia al rayado. Se emplea para ello una lima fina, que se aplica contra la pieza, comprobando si arranca virutas o

resbala fácilmente. Es un ensayo imperfecto y sólo da una idea relativa de la dureza. Para juzgar el ensayo con lima, se requiere cierta experiencia. Por ello se emplea poco y sólo en piezas de escasa responsabilidad. Este ensayo es útil para comprobar dureza en zonas de difícil acceso para los aparatos corrientes.

3.1.4.2.

Dureza por resistencia a la penetración

Estos ensayos consisten en hacer una huella con un penetrador en forma de bola, cono o pirámide en la superficie del metal, bajo la acción de una carga externa, y medir el área o la profundidad de dicha huella, después de retirada la carga. La relación entre la huella generada y la carga aplicada proporciona la medida de la dureza.

1.- Ensayo de dureza Brinell. El ensayo de dureza Brinell es adecuado para materiales blandos y semiduros. Consiste en comprimir una bola de acero duro, de 10 mm de diámetro, sobre la superficie del

El grado de dureza Brinell (HB) se obtiene dividiendo la fuerza F en kgf, que se ejerce sobre la bola, entre la superficie del casquete esférico en mm 2, correspondiente a la huella producida. HB = Fuerza del ensayo / Superficie del casquete esférico (Kgf/mm2)

El valor de F se aprecia directamente en el manómetro o indicador de la máquina de ensayo.

La medida A de la superficie del casquete esférico:


-25-


material a ensayar durante un tiempo determinado.

A=π*D*f

Para hallar la dureza Brinell, bastará medir el diámetro d de la huella por medio de una lupa o microscopio provistos de retículo graduado y leer después el grado correspondiente en unas tablas que facilita el constructor de la máquina empleada.

-

Modernam ente es ta m edida s e realiza us ando m icros copios electrónicos conectados a ordenador


-26-


Determinación de f y A :

La notación correcta de la dureza Brinell se efectúa según el ejemplo siguiente:

110 HB 5 / 250 / 30 Tiempo de ensayo (t = 30 segundos) Fuerza (P = 250 kgf) Diámetro de la bola (D = 5 mm) Indicativo del tipo de dureza (HB = Dureza Brinell) Nº de dureza

Para evitar deformaciones y huellas poco nítidas, el diámetro de la bola y la carga de ensayo se escogen en función del espesor de la pieza que se comprueba. Se admite como válido el ensayo que produce una huella de diámetro d comprendida entre D/4 < d < D/2 (siendo D el diámetro de la bola de ensayo).

Además, para que los resultados obtenidos con diferentes materiales sean comparables, es preciso que las cargas aplicadas sean proporcionales a los cuadrados de D y a una constante k que depende del material: F = k * D2


Estas condiciones se resumen en la tabla siguiente


-27-

Las máquinas para el ensayo Brinell son de palancas simples, resortes y modernamente, hidráulicas.

2.- Ensayo de dureza Vickers (UNE 7 054-73). En este ensayo, el penetrador es una pirámide regular de base cuadrada, de diamante, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º (figura al lateral). Su empleo es aconsejable cuando la dureza a controlar es superior a 500 HB.

Entre sus ventajas se pueden destacar: 

Se puede emplear para cualquier clase de material (duro y blando).



Los espesores de las piezas a ensayar pueden ser muy pequeños (hasta 0,05 mm).



La huella es pequeña y fácil de medir; generalmente no se destruye la pieza.



Las cargas de ensayo son muy pequeñas, variando de 1 a 120 kgf, aunque lo normal es de 30 kgf.


El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar al de Brinell:

F = carga sobre la pirámide en kgf A = superficie lateral de la huella en mm 2


-28-

-

Modernam ente la m edición de la ‘‘huella’’ (s uperficie lat eral) s e realiza m ediante m icros copio electrónico conectado a ordenador

La dureza Vickers se representa tal como se muestra en el siguiente ejemplo:

720 HV 30 Fuerza (P = 30 Kp) Indicativo del tipo de dureza HV = Dureza Vickers Nº de Dureza


-29-


Determinación de la superficie lateral:

3.- Ensayo de dureza Rockwell (UNE 7 053-73). Este ensayo se ideó para medir la dureza más rápidamente que con los ensayos Brinell y Vickers; el sistema Rockwell es menos preciso que los anteriores, pero muy rápido y fácil de realizar. Sirve para materiales blandos y duros. El penetrador es una bola para materiales blandos HRB (grado Rockwell bola) (fig. 3.21) o bien un


cono de diamante de 102º para materiales duros HRC (grado Rockwell cono) (fig. 3.22).


-30-

Realización del ensayo Rockwell. En la realización de dicho ensayo se efectúan los siguientes pasos: 

Se aplica una carga inicial de 10 kg al penetrador (cono o bola), hasta conseguir una pequeña huella, cuya profundidad (h1) se toma como referencia, colocando el comparador a cero (figs. 3.21 y 3.22).



Se aumenta la carga en 90 kgf para la bola y en 140 kgf para el cono, alcanzándose después de 3-6 segundos una profundidad h2.



Se retiran las cargas adicionales con lo que el penetrador asciende a la posición h 1+e. El valor e es nulo, como podría creerse; ello es debido a que el penetrador produce en el material una deformación plástica y otra elástica y al cesar la carga adicional permanece únicamente la primera, cuyo valor es e.

La dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración sino por el valor diferencia respecto a dos números de referencia: Dureza Rockwell HRB = 130 – e Dureza Rockwell HRC = 100 – e La amplitud de medida es de 0,2 mm y cada unidad e equivale a 0,002 mm o sea 2 μm. La lectura se efectúa directamente en el comparador sobre unas escala idóneas, previa amplificación (1:5) del recorrido del penetrador. La razón que justifica esta forma de indicar la dureza es para que los materiales blandos tengan menos número de dureza que los duros, cosa que no ocurriría si la dureza se indicara directamente en unidades e. Las figuras siguientes muestran un ejemplo de una máquina de ensayo Rockwell y un detalle del


indicador de reloj donde se lee directamente la medida e.


-31-

La forma correcta de expresar el valor de la dureza Rockwell es la mostrada a continuación:

43 HRB 100

54 HRC 150 Fuerza total (P=100 Kp)

Fuerza total (P=150 Kp)

Bola

Cono de diamante

Indicativo Rockwell

Indicativo Rockwell

Nº de dureza

Nº de dureza

Existen, además de los explicados, diversos ensayos especiales que combinan otras cargas y penetradores: escala E, bola de 1/8” y carga de 100 kgf; escala F, bola de 1/16” y carga de 60 kgf, etc. (tabla 3.24). Para la comprobación de dureza en chapas muy finas (hojas de afeitar, flejes….), de capas cementadas o nitruradas, etc., se utiliza el ensayo de dureza Rockwell superficial.

Debido a su enorme extensión, capacidad para evaluar la dureza de distintos materiales y facilidad de ensayo, existen también durómetros o máquinas de ensayo Rockwell portátiles. En la actualidad estas “máquinas” portátiles son muy utilizadas para dar una primera aproximación de la dureza de un material con una precisión altamente aceptable. Se utiliza también para piezas de grandes tamaños que no pueden ser

-


desplazadas a un laboratorio para ser ensayadas.

Dis tintos modelos de durómetro Rockw ell portátil


-32-

4.- Ensayo de dureza Shore. El ensayo de dureza Shore mide la dureza por la altura del rebote de una pequeña pieza que se deja caer desde cierta altura.

La tabla a continuación muestra algunos valores de dureza Shore para diferentes materiales y distintos tipos de dureza: Shore 00, Shore A y Shore D


-33-


En las figuras siguientes se muestran diferentes tipos de durómetros Shore de lectura directa

En la tabla siguiente se indica la dureza de algunos materiales en el sistema Brinell, Rockwell, Vickers y Shore.

6.- Ensayo de dureza Poldi. Este ensayo compara las huellas producidas en una probeta patrón de dureza conocida y en el material que se controla, al ser golpeada indirectamente la bola penetradora. Evidentemente la dureza a medir será inversamente proporcional a la magnitud de la huella dejada; por


consiguiente:

Despejando:


-34-

-

Diagram a es quem ático del ens ay o de dureza Poldi

Las figuras a continuación muestran diferentes durómetros Poldi, con sus correspondientes utensilios:

-

Duróm etro Poldi con lupa graduada para m edición de la huella y barra patrón

-


Ejecución del ens ay o Poldi


-

Duróm etro Poldi con lectura directa del res ultado en dis play electrónico

-35-

3.2. ENSAYOS FISICO-MECÁNICO-DINÁMICO 3.2.1.ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILIENCIA

La finalidad del ensayo dinámico por choque es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones, al ser rota de un solo golpe. Es muy importante para conocer el comportamiento del material destinado a la fabricación de ciertas piezas y órganos de máquinas, que han de estar sometidas a esfuerzos dinámicos.

3.2.1.1.

Forma y dimensiones de las probetas.

Las probetas para el ensayo dinámico por choque están normalizadas; en la figura siguiente se muestran

3.2.1.2.

Máquina de ensayo de resiliencia.

La máquina más importante para el ensayo de resiliencia es el péndulo de Charpy. Consta de una base rígida con dos soportes verticales, unidos en la parte superior por un eje horizontal; dicho eje lleva acoplado un brazo giratorio, en cuyo extremo va un martillo en forma de disco, el cual golpea la probeta y produce la rotura. Hay tres tipos de martillos normalizados, capaces de suministrar una energía de 10, 30 y 300 kgf*m respectivamente.


-36-


los tipos normalizados más frecuentes (UNE 7 290-72).

3.2.1.3.

Realización del ensayo de resiliencia.

Se coloca la probeta en su sitio correspondiente. Se sitúa el martillo a la altura To; seguidamente, se suelta el martillo que choca con la probeta, la rompe y sigue girando hasta alcanzar la altura Tu. La energía consumida en la rotura de la pieza, se calcula mediante un simple balance de


energías.

La energía potencial inicial el martillo a la altura T o es:

Epo = F (masa del péndulo) * To

La energía potencial final del martillo, a la altura Tu, es:

Epu = F (masa del péndulo) * Tu


-37-

Energía consumida: Ep = Epo – Epu = F * To – F * Tu = F (To – Tu)

La altura Tu es de difícil determinación directa pero el problema queda resuelto equipando a la máquina con un dispositivo (scale) que pueda medir el ángulo β. Poniendo To y Tu en función de los ángulos α y β se tiene:

Por trigonometría sabemos que:

Sustituyendo y despejando:


Por otro lado tenemos que:

Restando T0y Tu:

Sustituyendo en la fórmula de la energía potencial queda finalmente:

La resiliencia se expresa en kgm/cm2 y se representa por ρ:


-38-

en la que A es el área de la sección rota en cm 2.

Como los valores de resiliencia obtenidos dependen del tipo de probeta empleada, hay que especificarlo en cada caso. Para más detalles, consultar la norma UNE 7 056.

3.2.2.ENSAYO DINÁMICO DE FATIGA.

Cuando las piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura; si el número de ciclos de actuación es muy grande, la rotura puede llegar aún trabajando dentro de la zona elástica. Los primeros estudios sistemáticos sobre la fatiga son debidos a Wohler. Como consecuencia de ellos, enunció dos leyes fundamentales: 1ª.- Las piezas metálicas se pueden romper con esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, y en algunos casos menores al límite elástico, si el esfuerzo intermitente se repite un número determinado de veces. 2ª.- Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga (Ft).

trazar el diagrama de Wohler. Sobre el eje de las ordenadas se llevan los valores de la mitad de la solicitación (+-F) y en abscisas el número de ciclos N hasta que sobrevenga la rotura.


-39-


Para estudiar la relación entre las tensiones variables y el número de ciclos de trabajo hay que

Comparación de diagrama de Wohler de diferentes materiales

Diagram a de W ohler s im ple

La curva de fatiga varía con la tensión media y el tipo de ensayo; sin embargo, presentan una similitud básica. Normalmente tienen una asíntota paralela al eje de abscisas y la ordenada de la misma corresponde precisamente al límite de fatiga enunciado. En la práctica, es casi imposible determinar este límite de fatiga, por lo que se admite un límite práctico de fatiga o tensión variable que no produce rotura después de una cantidad limitada de ciclos que en España se cifra en 107 para los metales férreos y en 3 x 107 para los no férreos.

1.- Ensayo por flexión rotativa. Se emplea una probeta cilíndrica sujeta por un extremo a un mandrino giratorio, mientras que en el otro actúa un apoyo cargado radialmente, que produce un momento flector constante. Debido a ello, a cada media vuelta, la tensión que resiste cada punto de una sección transversal cambia de signo entre dos valores iguales y de signo opuesto.


-40-


Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.

2.- Ensayo por torsión. La probeta también es circular y está empotrada por un extremo. En el otro se le aplica un momento torsor alterno.

Diagram a es quem ático del ens ay o

Máquina de ens ay o de fatiga por flex ion rotativ a

Diagram a es quem ático del ens ay o

3.- Aspecto de las roturas por fatiga. Presentan dos zonas bien definidas: una de grano fino mate y distribución ondular que parece surgir de un punto defectuoso, y otra de grano grueso brillante que es la de rotura final.


-41-


Máquina de ens ay o de fatiga por tors ión con pos ibilidad de cargas adicionales

En el proceso de fatiga hay tres fases esenciales: una de incubación a partir de una fisura interna, otra de maduración progresiva y la última, instantánea, es la rotura efectiva.

A continuación se muestran diferentes imágenes de piezas metálicas rotas por fatiga:

Rotura por fatiga de un eje en una caja reductora


Rotura de un cigüeñal prov ocada por fatiga

Mues tra de la s uperficie de una pieza m etálica rota por fatiga


-42-

3.3. ENSAYOS TECNOLÓGICOS

Tienen por objeto averiguar si un material determinado es apto para ser sometido al proceso industrial que se pretende; en consecuencia, el ensayo reproduce a escala conveniente las condiciones prácticas del proceso industrial en cuestión.

3.3.1.- Ensayos de plegado. Tiene por objeto estudiar las características de plasticidad de los materiales metálicos. Al doblar las probetas se observan las grietas que aparecen en la parte exterior de la zona curvada. La no aparición de grietas demuestra buena plasticidad. El ensayo se puede realizar en frío o en caliente bajo condiciones normalizadas. Las probetas son prismáticas, de sección rectangular, pulidas, y la cara de tracción, con las aristas redondeadas.

Forma de hacer el plegado. El ensayo se puede realizar de tal forma que las caras de la probeta queden: 

Paralelas y a una distancia determinada.



En contacto.



Formando un ángulo α.

Se realiza en la máquina universal de ensayos, que dispone a este fin del utillaj necesario.

Plegado con alas paralelas s eparadas


Plegado com pleto

Plegado has ta un ángulo α


-43-

A continuación se muestra una imagen de un ensayo de doblado-plegado hasta un ángulo α, de características especiales debido a la naturaleza de la pieza a ensayar.

3.3.2.- Ensayo de embutición. Las chapas que han de ser empleadas en procesos de embutición, es conveniente someterlas a un ensayo antes de su utilización, para apreciar su grado de embutido. El ensayo se realiza en la máquina Erichsen.

La máquina consta de una matriz fija y de un vástago o punzón móvil redondeado, templado y perfectamente pulido. El ensayo consiste en presionar el vástago sobre la chapa hasta que se produzca la primera grieta, la cual se observa por el espejo retrovisor. Se comprueba el grado de embutición midiendo la penetración en milímetros del punzón hasta que aparezca la primera grieta, y comparándola con otras obtenidas en chapas de capacidad de embutición


conocida. Este ensayo está normalizado por UNE 7 080.

Máquina Erichs en para el ens ay o de em butición


-44-


Máquina para el ens ay o de em butición y probetas después del ens ay o


-45-

3.3.3.- Ensayos de forjabilidad. Están destinados a comprobar el comportamiento de un material en las diversas operaciones de forjado. Los más frecuentes son: platinado, recalcado y mandrilado. 

Ensayo de platinado: Permite la valoración de dos coeficientes ε1 y ε2, relacionando las dimensiones iniciales de la probeta con las que resultan del ensayo.

Coeficiente de alargamiento:

Coeficiente de ensanchamiento:



Ensayo de recalcado: la probeta es cilíndrica y de longitud 2 * do. Se la somete a recalcado, previo calentamiento a la temperatura de forja, hasta que aparezcan grietas laterales; entonces se relacionan las alturas inicial y final de la probeta.



Coeficiente de recalcado:

-46-



Ensayo de mandrilado: se trata de perforar una chapa calentada al rojo con un punzón troncocónico hasta que aparezcan grietas en los bordes del agujero. Entonces se comparan los diámetros inicial y final. Coeficiente de mandrilado:

3.3.4.- Ensayos de soldabilidad. No hay que confundirlos con los que permiten determinar la resistencia de la soldadura. Sirven para estudiar las dilataciones, contracciones, puntos de fusión y velocidad de la misma, penetración, intensidad de corriente, etc… de los materiales soldables.

3.3.5.- Ensayos de chispas. No son ensayos tecnológicos propiamente dichos. Sirven para determinar aproximadamente la macrocomposición de los aceros. Requieren un operario experimentado y unas condiciones adecuadas; muela, habitación oscura, fondo negro, etc.. Asimismo, hay que tener probetas patrón que comparan con las chispas que salen de la pieza-muestra apoyándolas simultáneamente en dos muelas gemelas. También se usan, como referencia,


fotografías de chispas de aceros cuya composición se conoce.


-47-

4. MATERIALES METÁLICOS Clasificación general de las principales aleaciones metálicas: Principales aleaciones metálicas Aleaciones férreas

Aleaciones de cobre Aceros

Aleaciones ligeras Bronces

No Aleados

Serie L-1XXX metales ligeros y aleaciones madre Ordinarios

Aceros de base

Grupo L-11XX alumnio

Especiales

Grupo L-13XX magnesio

Aceros de calidad

Al cinc

Grupo L-13XX berilio

Aceros especiales

Al plomo

Grupo L-15XX titanio

Al fósforo

Grupo L-18XX a base de aluminio

Aleados

Aceros de calidad

Al silicio

Aceros especiales

Al aluminio

Fundiciones

Latones No Aleadas Gris

Serie L-2XXX alumnio y aleaciones de aluminio para moldeo Grupo L-20XX aluminio Grupo L-21XX aleaciones Cu-AL

Ordinarios

Grupo L-23XX aleaciones Al-Mg

Especiales

Grupo L-25XX/L-26XX aleaciones Al-Si

Blanca

Al plomo

Grupo L-27XX aleaciones Al-Zn

Atruchada

Al manganeso

Grupo L-29XX aleaciones Al-Sn

Maleable perlítica

Al estaño

Maleable blanca

Al hierro y manganeso

Maleable negra

Cupro-Níquel

De grafito esferoidal

Serie L-3XXX aluminio y aleaciones de aluminio para forja Grupo L-30XX aluminio Grupo L-31XX aleaciones Al-Cu Grupo L-33XX aleaciones Al-Mg Grupo L-34XX aleaciones Al-Mg-Si Grupo L-35XX aleaciones Al-Si Grupo L-37XX aleaciones Al-Zn Grupo L-38XX aleaciones Al-Mn

Serie L-5XXX aleaciones de magnesio para moldeo Grupo L-51XX aleaciones Mg-Al Grupo L-52XX aleaciones Mg-Zn Serie L-6XXX aleaciones de magnesio para forja Grupo L-61XX aleaciones Mg-al Grupo L-62XX aleaciones Mg-Zn Grupo L-63XX aleaciones Mg-Mn Serie L-7XXX aleaciones de titanio Serie L-9XXX aleaciones de berilio


-48-


Grupo L-39XX aleaciones Al-Sn

4.1. ALEACIONES FERROSAS. ACEROS Y FUNDICIONES

Las aleaciones férricas o ferrosas son aquellas en las que el elemento químico predominante es el hierro.

El hierro es el elemento químico nº 28 de la tabla periódica, es un material de color grisáceo, dúctil y maleable que aleado con carbono forma los aceros. Químicamente puro es quebradizo y no tiene aplicaciones siderometalúrgicas. Es uno de los materiales más abundantes en la naturaleza y uno de los más empleados en las industrias; se utiliza siempre aleado con otros metales que le dan las propiedades adecuadas a las necesidades industriales requeridas. El hierro industrialmente puro es el obtenido mediante procedimientos industriales y contiene entre el 99,5% y el 99,9% de hierro elemento; si se presenta en partículas finamente divididas se conoce con el nombre de polvo de hierro.

4.1.1.

ACEROS

El acero es el producto siderúrgico más importante dentro de la familia de los metales; es una aleación en la que entran como principales elementos el hierro y el carbono. Con excepción de algunos aceros, de alto contenido en cromo, el contenido en carbono es igual o inferior al 2%, límite que los separa de las fundiciones. La clasificación más general de los productos siderúrgicos se realiza en función del contenido de carbono, siendo: -

Hierros – contenido inferior al 0,2% de Carbono

-

Aceros – contenido entre el 0,2% y el 2% de Carbono

-

Fundiciones – contenido entre el 2% y el 7% de Carbono. Contenidos límite

4.1.1.1. Aceros No aleados

OBSEVACIONES Elementos

Se consideran aceros no aleados aquellos que no tienen ningún elemento en su composición en

Aluminio

0’10

(1)

Bismuto

0’10

Cuando dos, tres o cuatro de estos

Boro

porcentaje igual o superior a los indicados en la tabla de la derecha:

Los aceros no aleados se dividen, según criterios de utilización, en: -

Aceros de base

-

Aceros de calidad

-

Aceros especiales.

4.1.1.1.1.

Aceros no aleados de base

Son aquellos que responden simultáneamente las siguientes condiciones: -

Contenido (%)

0’0008

elementos se encuentran en

Circonio (2)

0’10

combinación en un acero, deben

Cobalto

0’10

considerarse simultáneamente:

Cobre (1)

0’40

Cromo (1)

0’30

Manganeso

1’60

Molibdeno (1)

0’08

Niobio (2)

0’05

Níquel (1)

0’30

Plomo

0’40

Selenio

0’10

Silicio

0’50

Telurio

0’10

(2)

Titanio (2)

0’05

Cuando dos o tres de éstos

Vanadio (2)

0’10

elementos se encuentran en

Volframio

0’10

combinación, se aplica la misma regla

Lantánidos

0’05

que para los elementos marcados con

Otros (excepto C, P, S, N, O)

0’05

(1).

a)

Los porcentajes límite individuales de cada uno de ellos

b)

Un contenido límite conjunto que será el 70% de la suma de los valores límite individuales de cada uno de los elementos considerado

No está prescrito tratamiento térmico


-49-


!!!

(no es obligatorio) -

Cumplen con las especificaciones marcadas en la tabla siguiente Características exigibles a los aceros de base Característica

Valor límite

Resistencia R

Mínimo no superior a 690 N/mm2 (70 Kg/mm2)

Límite de elasticidad Re

Mínimo no superior a 360 N/mm2 (37 Kg/mm2)

Alargamiento A sobre 5d (diámetro)

Mínimo no superior a 26%

Doblado mínimo

Sobre diámetro no inferior a 1 e (espesor)

Resistencia KV a +20ºC (sentido longitudinal)

Mínima no superior a 27 Julios (2’8 kgf.m)

Dureza Rockwell HRB

Máxima no inferior a 60

Carbono

Máximo no inferior a 0’10 %

Fósforo y azufre


Nitrógeno


-

Observaciones

Los valores de las características mecánicas indicadas, corresponden a la gama de espesores de 3 a 16 mm y se refieren a probetas tomadas longitudinal o transversalmente según las prescripciones de la norma o de la especificación

No se les exige ninguna otra cualidad particular de calidad.

4.1.1.1.2.

Aceros no aleados de calidad

En este grupo se incluyen todos los aceros no aleados que no pueden incluirse entre los aceros de base y los especiales. Para ello deben cumplir, al menos, con uno de los siguientes requisitos: -

Admitir recalcado, estampado, plegado y trefilado en frio.

-

Responder a unas cualidades mínimas de soldabilidad y resiliencia

-

Admitir el trabajo a altas y bajas temperaturas

-

Tener limitación en pérdidas magnéticas y mínimos de inducción magnética

-

Facilidad en su mecanización

-

Admitir tratamiento térmico en toda la sección o sólo en la superficie

4.1.1.1.3.

Aceros no aleados especiales:

-

Aceros para tratamientos térmicos

-

Aceros de herramientas

-

Aceros que deben responder a alguna de las prescripciones siguientes: o

Aceros con inclusiones no metálicas

o

Alambrón con menos de 0’020% de azufre y fósforo

o

Alambrón con 0’62% o más de carbono y contenidos de azufre y fósforo igual o menor al 0’’25 % y cobre igual o inferior al 0’10 %

-

Aceros con propiedades magnéticas o eléctricas con una conductividad eléctrica mínima superior a 9 s/m

-

Aceros para aplicaciones nucleares

4.1.1.2. Aceros aleados Se consideran aceros aleados aquellos que contienen en su composición uno o varios elementos en porcentaje superior a los indicados en la tabla de Contenidos Límite (página 50).


-50-


Pertenecen a este grupo los aceros siguientes:

4.1.1.2.1.

Aceros aleados de calidad

Pertenecen a estos aceros los siguientes:

-

Aceros finos de construcción (límite elástico no inferior a 43 kgf/mm 2)

-

Aceros para chapas y bandas

-

Aceros de silicio y manganeso (S y F < 0’035 %)

-

Aceros aleados para carriles

-

Aceros con cobre

4.1.1.2.2.

Aceros aleados especiales

Pertenecen a este grupo todos los aceros aleados, excepto los considerados como aceros aleados de calidad.

4.1.1.3. Clasificación de los aceros El Instituto del Hierro y el Acero (IHA) establece una clasificación con letras y números en función de sus características y aplicaciones, así como de los elementos que entran a formar parte de su composición (incluidas en las norma UNE). De esta forma podemos saber qué tipo de acero estamos tratando o trabajando y también sabremos reconocer el tipo de acero que necesitamos para un determinado trabajo, así como solicitarlo a un suministrador comercial. La designación de los aceros se hace atendiendo a los dos grupos o criterios fundamentales empleados para su clasificación: -

Atendiendo a la composición química

-

Atendiendo a su utilización o propiedades físicas.

La designación se hace de dos maneras: -

Designación convencional numérica

-

Designación convencional simbólica Es el conjunto de números, letras y signos que expresan algunas características básicas

suplementarias que permitan identificar un acero sin ambigüedad. Esta identificación se consigue por medio del tipo y del grado. o

Tipo: Lo determina las características fundamentales que definen a un conjunto de aceros y que se toman como base para su definición

o

Grado: Es un conjunto de características distintivas que lo diferencian de los de su mismo tipo y hacen que sea útil para un uso específico o una aplicación determinada.

Un acero se designa por el tipo y si procede por el grado, seguido de la norma UNE que define sus características. La mención de la norma es imprescindible en estos casos: EJEMPLO: 31 Cr V 10, UNE 36014 Donde se reflejan los componentes químicos más influyentes en la aleación.


-51-


(físicas, químicas o tecnológicas particulares) y, caso de necesitarse, las características

4.1.1.4. Designación convencional numérica Existen muchos criterios para clasificar los aceros, los más comunes son los contemplados en las normas de cada país, en España nos debemos dirigir a la norma UNE 36010 ahora sustituida por UNE-EN 10020:2001. Coincidente con esta norma, se encuentra la clasificación que realiza el CENIM (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas) según esta norma, los productos metalúrgicos se clasifican en: -

Clases. Se designa mediante una letra, de modo que:

-

o

F = aleaciones férreas

o

L = aleaciones ligeras

o

C = aleaciones de cobre

o

V = aleaciones varias

o

G = fundiciones

Series de aceros Se designa mediante una cifra. Nos especifica una familia de aceros que según los elementos que entran en su composición, tienen unas propiedades y características para un determinado campo de aplicación industrial y a la cual pertenecen varios grupos de aceros.

-

Grupos de aceros Se designa con una cifra. Nos especifica las características técnicas de un acero en concreto, dando propiedades técnicas y aplicaciones específicas

-

Individuos. Se designa con una cifra. Especifica un individuo concreto que se diferencia de los demás por sus propiedades y sus aplicaciones.

Los aceros se clasifican en las siguientes series y grupos principales:

SERIE 1 . F-1 XXX: Aceros finos de cons trucción general

Grupo F–11XX: Aceros al carbono.


Grupo F–12XX: Aceros aleados de gran resistencia. Grupo F–13XX: “ “ “ Grupo F–14XX: Aceros aleados de gran elasticidad. Grupo F–15XX: Aceros para cementar. Grupo F–16XX: “ “ Grupo F–17XX: Aceros para nitrurar

-

Aplicaciones:

Son todos aquellos que se emplean para los trabajos ordinarios en las obras de ingeniería, tanto de construcción como para la obtención de piezas cuyas características mecánicas no sean estrictamente severas.


-52-

En estos aceros al aumentar el contenido de carbono aumenta su dureza y se hacen más resistentes a los golpes y choques, pero también se hacen más frágiles al mismo tiempo que pierden soldabilidad. Con esta serie de aceros se obtienen por laminación elementos para construcciones metálicas como puentes, grúas, torres, estructuras metálicas, etc., y piezas para maquinaria en general: estos aceros tienen ciertas propiedades fundamentales, como buena resistencia a la tracción, ser tenaces, y tener cierta resistencia a la fatiga y al alargamiento. Generalmente el contenido de carbono en su composición no sobrepasa el 1 %

SERIE 2. F-2XXX: Aceros para usos especiales

Grupo F–21XX: Aceros de fácil mecanizado. Grupo F–22XX: Aceros de fácil soldadura. Grupo F–23XX: Aceros con propiedades magnéticas. Grupo F–24XX: Aceros de alta y baja dilatación. Grupo F–25XX: Aceros de resistencia a la fluencia.

-

Aplicaciones:

Son aquellos en los que su aleación y elementos de su composición les confieren las propiedades necesarias requeridas por los elementos que van a ser fabricados con ellos. Son aceros más enérgicos que los aceros de uso común. Esta serie de aceros pueden ser tratados térmicamente para mejorar sus propiedades tecnológicas. Son empleados para la fabricación de tornillería de cierta dureza y resistencia mecánica, así como para fabricar tubería que deben soportar elevadas presiones y piezas de cierta responsabilidad mecánica.

SERIE 3. F-3XXX: Aceros resistentes a la corrosión y oxidación

Grupo F–31XX: Inoxidables.

-

Aplicaciones:

Esta es la serie de aceros llamados Inoxidables, se emplean para usos industriales en los que intervienen agentes atmosféricos, humedades, contacto con el agua, elementos corrosivos, así como depósitos para contener ácidos, productos químicos, etc. Su característica principal es que no les debe afectar la corrosión. Su resistencia mecánica debe cumplir con los requerimientos del uso industrial al que se destina, el gran número de individuos de esta serie garantiza la cobertura de todas las necesidades. Los elementos químicos que juegan un papel más importante en su composición son el Cr y el Ni. Sus aplicaciones más importantes son para la fabricación de depósitos de agua y otro tipo de líquidos, cámaras frigoríficas industriales, material clínico e instrumentos quirúrgicos, pequeños electrodomésticos, material doméstico como cuberterías, cuchillerías y utensilios de cocina.


-53-


Grupo F–32XX y F-33XX: Aceros resistentes al calor.

SERIE 4. F-4XXX: Aceros para emergencia

Grupo F–41XX y F-42XX: Aceros de alta resistencia. Grupo F–42XX: Aceros para cementar.

aceros con bastante resistencia

SERIE 5. F-5XXX: Aceros para herramientas

Grupo F–51XX: Aceros al carbono para herramientas. Grupo F–52XX: Aceros aleados. Grupo F–53XX:

“

“

Grupo F–54XX:

“

“

Grupo F–55XX: Aceros rápidos.

-

Aplicaciones:

Se emplea fundamentalmente para la fabricación de útiles y herramientas de corte. Es un acero al carbono que permite el templado en aceite, agua o aire. Aceros al carbono: Actualmente en el mecanizado de piezas se exigen velocidades de corte cada vez más altas y tiempos de mecanizado más cortos, lo que provoca que el uso de este tipo de materiales se haya reducido para con materiales blandos Aceros rápidos: Pueden trabajar a unas velocidades de corte bastante altas y soportan hasta 500ºC sin destemplarse, lo que hace que sean de gran aplicación. Los elementos más comunes que pueden entrar a formar parte de su composición son: Cromo: aumenta la resistencia a la oxidación y la temperatura Tungsteno: Aumenta la dureza y la resistencia al desgaste Molibdeno: Mismas propiedades que el Tungsteno pero más energéticas Vanadio: Aumenta la resistencia al desgaste, por lo tanto la vida de la herramienta.

Aceros aleados: Son empleados para herramientas de corte por golpe, como los punzones de los troqueles. Por tanto son materiales con mucha tenacidad (resistencia al golpe) y dureza.

SERIE 6. F-6XXX: Aceros comunes

Grupo F–61XX: Aceros Bessemer. Grupo F–62XX: Aceros Siemens. Grupo F–63XX y F-64XX: Aceros para usos particulares.


-54-


Cobalto: Se emplea para aceros de alto rendimiento. Combina muy bien con el Carbono.

SERIE 8. F-8XXX: Aceros de moldeo

Grupo F–81XX: Al carbono de moldeo para usos generales. Grupo F–83XX: De baja radiación. Grupo F–84XX: De moldeo inoxidables.

4.1.2.

FUNDICIONES.

Se denomina fundición a la aleación de hierro y carbono con una composición de carbono entre 2 y 7 %, a diferencia de los aceros que tienen entre 0,02 y 2 % de carbono; esta diferencia de composición hace que las propiedades también sean diferentes. Las fundiciones presentan mejor comportamiento contra la corrosión y a los cambios bruscos de temperatura que los aceros comunes. Presentan bastante facilidad para ser moldeadas y para ser mecanizadas. Son muy utilizadas como material para la fabricación de bancadas de máquinas grandes, cuerpos de calderas de agua caliente, carcasas, soportes de elementos mecánicos, bloques de motores de coche, etc. También se emplean estos materiales para la obtención de piezas pequeñas que salen directamente de fundición y son posteriormente finalizadas mediante un pequeño mecanizado, como bombas de agua, cajas de engranajes, etc.

Las fundiciones se clasifican de la siguiente forma como se detalla a continuación: FUNDICIÓN BLANCA

-

Características:

Su color de rotura es blanco. El carbono de su aleación está disuelto. Es más dura que la fundición gris. Se mecaniza mal debido a su dureza -

Aplicaciones:

Se emplea fundamentalmente para la obtención de piezas de 2ª fusión aunque también se emplea para

FUNDICIÓN GRIS

-

Características:

Su color de rotura es gris. Es muy mecanizable. Tiene baja temperatura de fusión. Es soldable. El carbono está en forma de láminas. Es la más empleada de todas las fundiciones. Cuando se mecaniza, la viruta resultante tiene forma de polvo -

Aplicaciones:

polvo perjudicial para las máquinas (mucho grafito)

Se emplea para bancadas de máquinas, obtención de piezas de motores como los bloques, cerrajería artística y también se emplea para la obtención de acero.


-55-


obtener aceros.

FUNDICIÓN MALEABLE -

Maleable perlítica

-

Maleable blanca

-

Maleable negra o americana

-

Características:

Son muy dúctiles y maleables. Una vez solidificadas las piezas, se les debe dar un tratamiento térmico. Son de las más baratas de obtener. Son muy fusibles. -

Aplicaciones:

Tienen una gran aplicación en la obtención de piezas por moldeo y también se usan para objetos decorativos.

FUNDICIÓN ALEADA

-

Características:

Es aquella cuyo contenido en Silicio o Manganeso es superior al 5 % o al 1’5 % respectivamente, y cuyo contenido en elementos de aleación es superior a los indicados a continuación: Elemento de aleación

%

Níquel

0’30

Cromo

0’20

Cobre

0’30

Titanio

0’10

Vanadio

0’10

Molibdeno

0’10

Aluminio

0’10

4.1.2.1. Designación convencional simbólica de fundiciones no aleadas

Para designar los diferentes tipos básicos de fundición se emplean las claves indicadas a continuación

correspondiente indicada en la tabla, seguida de un número de dos cifras, que indican la característica básica que sirve

Tipo

clave

Fundición gris

FG

Fundición blanca

FB

Fundición atruchada

FA

para su definición. Eventualmente podrán añadirse los

Fundición maleable blanca o europea

FMB

símbolos que se juzguen precisos para designar una

Fundición maleable negra o americana

FMN

fundición sin ambigüedad. En todos los casos se debe hacer

Fundición de grafito esferoidal

FGE

referencia a la norma que la define (UNE en nuestro caso),

Fundición de grafito difuso

FGD

que servirá para aclarar posibles dudas de interpretación.

4.1.2.2. Designación convencional numérica Las fundiciones se designarán por la letra G seguida de 4 cifras. La primera y la segunda servirán para designar grupos y subgrupos, respectivamente. Las dos cifras siguientes no tienen valor de clasificación y


-56-


Para designar una fundición concreta se emplea la clave

se usan exclusivamente para diferenciar las distintas fundiciones del mismo subgrupo, es decir el individuo. Eventualmente se podrán añadir una o más cifras, separadas por un guión de las cuatro anteriores, para designar las variantes que se consideren oportunas. En todos los casos se añadirá la referencia a la norma UNE que la define.

ALEACIONES NO FERROSAS: ALECIONES DE COBRE Y ALEACIONES LIGERAS.

4.1.3.

ALEACIONES DE COBRE.

El cobre es un metal de color rojo brillante, muy resistente a la corrosión, buen conductor del calor y de la electricidad, muy dúctil y maleable, por lo tanto, fácil de trabajar. Es un material muy usado en las instalaciones de conducción de fluidos: Tuberías de agua en fontanería y calefacción, gases refrigerantes, en refrigeración y aire acondicionado. Conducción de gases combustibles, propano, gas natural, butano, etc. Aire comprimido, instalaciones de aceite hidráulicas, etc. En construcción se emplea debido a su buen comportamiento contra la corrosión y su estética, en: Fabricación de planchas para recubrir techumbres. Canalizaciones para la conducción de aguas de lluvia. En fabricación de elementos industriales, aprovechando su buena conductibilidad térmica: Calderas. Intercambiadores de calor. Alambiques. Utensilios de cocina En fabricación de elementos industriales, aprovechando su baja resistencia eléctrica: Cables conductores. Conectores. Partes de componentes eléctricos, contactares, relés, fusibles, etc.

Transformadores.etc. También se emplea aleado con otros elementos. Sus principales aleaciones son los bronces y los latones.

4.1.3.1. Bronces. Son aleaciones fundamentalmente formadas por Cobre y Estaño en las que predomina el cobre como elemento principal, aunque pueden contener otros metales en su aleación, como el cinc, fósforo y plomo. Los bronces en general son fáciles de mecanizar, resisten grandes rozamientos (gran resistencia al desgaste) y son muy moldeables.


-57-


Bobinado de motores.

BRONCE FUCUSTÁN

-

Características:

Su aleación se compone de Cu (entre el 88% y el 90%) y Sn (12% - 10%). Son aleaciones duras y tenaces. -

Aplicaciones:

Se usan principalmente para la mecanización de engranajes, fabricación de piezas de cierta calidad mecánica, accesorios para maquinaria, piezas que deban resistir grandes esfuerzos. BRONCE FOSFOROSO

-

Características:

Contienen Fósforo en su aleación entre el 0’3% y el 0’5%. Son los llamados bronces ordinarios. Tienen una buena resistencia al desgaste. -

Aplicaciones:

Se usan principalmente para la mecanización de engranajes, casquillos, piezas de decoración.

BRONCES DE CAMPANAS

-

Características:

Su aleación se compone de Cu (entre el 82% y el 78%) y Sn (18% - 22%). Son aleaciones duras y resisten la deformación en frío. -

Aplicaciones:

Se usan principalmente para la fundición de campanas aunque también se mecanizan casquillos y cojinetes. En forma de láminas, también se usa para decoración.

BRONCE DE ALUMINIO

-

Características:

facilidad -

Aplicaciones:

Se usan principalmente para la obtención de piezas de decoración.

BRONCES ESPECIALES

-

Características:

Su aleación contiene otros elementos adicionales como berilio y cinc, los cuales le confieren propiedades especiales como: resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica, elasticidad, etc. -

Aplicaciones:


-58-


Su aleación puede contener hasta un 12% de Aluminio. Sonresistentes a la corrosión y se trabajan con

Se usan para la fabricación de conductores eléctricos y elementos de maquinaria eléctrica. También se usan para la obtención de engranajes de relojería.

4.1.3.2. Latones.

Son aleaciones de Cobre y cinc, en las que predomina el cobre como elemento principal, aunque también pueden contener otros elementos como el plomo. Sus aplicaciones son muy variadas, desde la fabricación de casquillos hasta piezas de decoración, pasando por piezas de bisutería. Es de fácil pulido, lo que lo hace muy valorado en piezas de decoración.

LATONES DE FORJA

-

Características:

Son aleaciones en las que el contenido de cinc está comprendido entre el 35 y el 40% y también contienen pequeñas cantidades de plomo (entre el 1 y el 4%). Son de fácil mecanizado -

Aplicaciones:

Fabricación de engranajes, piezas de relojería. Fabricación de piezas que deban batirse a mano, como objetos decorativos. Obtención de perfiles laminados y calibrados.

LATONES DE ALTA RESISTENCIA

-

Características:

Generalmente contienen entre un 25 y un 35 % de Zn y además contienen otros elementos como Fe (0’5 a 1’2%), Al (1’2 a 5%) y Mn (0’4 a 3%). -

Aplicaciones:

Piezas sometidas a grandes desgastes y rozamientos. Piezas sometidas a la corrosión. Piezas de aplicaciones marinas, como bombas de agua, etc.

-


LATONES ESPECIALES

Características:

Se consideran latones especiales a los que contienen Fe y Mn en su aleación. En estas aleaciones el porcentaje de cobre está entre 70 y el 90% -

Aplicaciones:

Se emplean para soldaduras blandas como hierro, cobres y latones.


-59-

4.1.3.3. Aleaciones Cupro-Níquel

Estas aleaciones de cobre y níquel contienen del 15 al 40 % de níquel y su principal aplicación es la fabricación de resistencias eléctricas.

ALEACIONES LIGERAS

Comúnmente se denominan aleaciones ligeras las aleaciones que tienen como base el aluminio (Al). El aluminio es un metal de color gris-blanco brillante, de densidad 2’70 gr/cm 3 y punto de fusión de 660 ºC. Es ligero, dúctil y maleable y muy buen conductor del calor y la electricidad. Se moldea fácilmente. El aluminio es inalterable con el aire, pues se recubre con una delgada capa de óxido (alúmina), que protege al resto de la masa contra la oxidación. El contacto del aluminio con metales nobles como el hierro debe evitarse, debido a que se forman pares galvánicos que destruyen la capa de alúmina protectora, provocando, por tanto, una fuerte corrosión. Hoy en día es el metal más utilizado después del acero, a pesar de que su explotación económica solo ha sido posible desde el siglo XIX. El aluminio en estado puro es un material muy blando, por lo que se le añaden ciertos elementos para mejorar sus propiedades mecánicas, como su límite elástico, resistencia a la tracción y dureza; por el contrario y como consecuencia se disminuye la ductilidad, resistencia a la corrosión, tenacidad y conductividad térmica y eléctrica. Algunos de los elementos que se le añaden al aluminio son: -

Cobre: aportando resistencia mecánica, dureza y facilidad de mecanizado

-

Magnesio: mejora la ductilidad y la resistencia a impactos

-

Manganeso: eleva la dureza y la resistencia

-

Silicio: rebaja el punto de fusión y mejora la colabilidad

-

Cinc: refuerza su dureza y resistencia.

-

Su ligereza. Pesa aproximadamente 1/3 del acero.

-

Su facilidad para ser reciclado y/o reutilizado.

-

El gran número de veces que se puede reciclar. Además este proceso de reciclado requiere solamente el 5% del consumo energético necesario para obtener el aluminio primario.

-

Su fácil mecanización por arranque de viruta.

-

Es un material no tóxico

-

Tiene una excelente capacidad de resistencia ofreciendo un amplio abanico (desde 60 hasta mas de 500 N/mm2)

-

Posee una buena maleabilidad.

-

Su facilidad para el moldeado aún en moldes complicados. Debido a su excelente colabilidad.


-60-


El aluminio ofrece una serie de ventajas en su utilización como son:

El proceso de transformación del aluminio da origen a dos grupos o familias bien diferenciadas: -

Aluminios para fundición

-

Aluminios para forja.

4.1.3.4. Aleaciones de aluminio para fundición Sus principales componentes son aluminio y cobre (Al-Cu), aluminio-cobre-silicio (Al-Cu-Si), etc. Normalmente pueden contener otros elementos como el cinc, magnesio, etc., que mejoran la colabilidad favoreciendo el llenado de los moldes para facilitar la fabricación de piezas fundidas y mejorar sus propiedades mecánicas. Los procedimientos más habituales para la fundición de estas aleaciones son: -

Fundición de arena

-

Fundición inyectada

-

Fundición en coquilla

4.1.3.5. Aleaciones de aluminio para forja Además del aluminio contienen otros elementos como el cobre, magnesio, manganeso, níquel, etc., que mejoran su resistencia mecánica y permiten la fabricación de piezas o componentes por procedimientos mecánicos como la forja, laminación, trefilado, etc. Este tipo de aleaciones suelen admitir tratamientos térmicos que modifican sus propiedades. Este tipo de aleaciones, se sub-dividen a su vez en otros dos grupos:

4.1.3.5.1.

Aleaciones de aluminio no tratables térmicamente

Estas aleaciones de aluminio no se pueden tratar térmicamente, lo que quiere decir que no pueden ser endurecidas por precipitación y solamente pueden ser tratadas en frío para aumentar su resistencia.

4.1.3.5.2.

Aleaciones de aluminio tratables térmicamente

TRATAMIENTOS TÉRMICOS 4.1.4.

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO EL SISTEMA HIERRO-CARBONO

El sistema de aleaciones binario más importante de la industria es el formado por Hierro-Carbono. El diagrama de equilibrio o diagrama de fases de esta aleación nos muestra como varia la composición (a nivel estructural) de la aleación Fe-C, es decir cómo cambia la estructura del acero en relación con el porcentaje de Carbono y la temperatura a la que sometemos la mezcla.


-61-


Al poder ser tratadas térmicamente, pueden alcanzar valores más elevados de resistencia y dureza.

Se representa en el diagrama la parte interesante, tecnológicamente hablando, de la aleación Fe-C, desde

La columna de la izquierda representa el hierro puro (Fe) y la de la derecha representa un aleación con 6’7% de C, o lo que sería lo mismo, un 100% de Fe 3C (cementita). En el diagrama se observan los puntos (Tª - %C) de generación de cada de las posibilidades estructurales de la aleación, de modo que las composiciones más importantes se reducen a:


-62-


el 6’7% de C en adelante resultan materiales sin utilización en la industria por lo que se pueden obviar.

FERRITA (HIERRO α) La ferrita es el hierro casi puro (comúnmente llamado hierro alfa (α), normalmente lleva consigo impurezas de Silicio (Si) y fósforo (P). Algunos metales de aleación se disuelven totalmente en la ferrita, ejemplos de ello son Níquel (Ni), Aluminio (Al), Manganeso (Mn), Cobre (Cu) y Cromo (Cr). La ferrita posee una resistencia a la tracción de 28 kgf/mm 2, un alargamiento del 35% una dureza de 90 HB. Es decir, es el constituyente más blando del acero y el que más alargamiento permite (el más elástico).

CEMENTITA (Fe3C) La cementita es carburo de hierro (Fe3C); contiene un 6’67 % de Carbono (C) y es el constituyente más duro de los aceros, con una dureza superior a 68 HRC. Es frágil. Le confiere dureza a la mezcla, dependiendo de la cantidad que encontremos en ella y de la forma en que solidifique, las características de dureza y fragilidad pueden variar, pero en líneas generales esta dureza es proporcional a la cantidad de ferrita (en aceros no aleados).

AUSTENITA Es una solución sólida de carburo de hierro (Fe3C) en hierro γ. Solo es estable a temperaturas elevadas superiores a 723 ºC., aunque puede ser


estable a temperatura ambiente en los aceros de alta aleación (18% Cr y 8% Ni). La austenita posee una resistencia a la tracción de entre 88-105 kgf/mm2, un alargamiento del -20-23% y una dureza de 300 HB. En resumen, se trata de un componente dúctil, tenaz, blando y resistente al desgaste, confiriendo estas mismas propiedades a las aleaciones que lo contienen.


-63-

PERLITA (Hierro α + Fe3C)

Es un compuesto formado por láminas alternadas de Ferrita y Cementita. En el acero ordinario contiene el 0’89% de C. Se encuentra prácticamente en todas las aleaciones hierro-carbono contempladas en el diagrama.

La perlita posee una dureza de entre 200-250 HB, una resistencia a la tracción de 55-70kgf/mm2 y un alargamiento de entre el 20 y el 28%.

4.1.5.

INFLUENCIA EN LOS ACEROS DE LOS DISTINTOS ELEMENTOS QUE PUEDEN ENTRAR EN SU COMPOSICIÓN.

Como es sabido, las aleaciones de acero no están compuestas única y exclusivamente de Hierro y Carbono, sino que por el contrario, tienen en su composición otros muchos elementos. Algunos de ellos son impurezas difíciles de retirar de la mezcla y otros son elementos añadidos con el fin de conferir propiedades específicas a la aleación.

-

Carbono: Es el elemento fundamental que acompaña al hierro en los aceros. Aumenta la dureza y resistencia, pero disminuye la ductilidad y resiliencia. Al aumentar la proporción de Carbono aumenta la capacidad de temple, pero disminuye la soldabilidad.

-

Manganeso: Favorece la forjabilidad y contrarresta los efectos perjudiciales del azufre.

-

Silicio: Aumenta la dureza, resistencia, elasticidad y mejora las propiedades magnéticas. A su vez disminuye la ductilidad.

-

Cromo: Aumenta la dureza, resistencia y elasticidad a la vez que favorece la cementación. Se

-

Níquel: Mejora notablemente las propiedades mecánicas, aumenta la resistencia, tenacidad y ductilidad al mismo tiempo que favorece el templado.

-

Molibdeno: Mejora las propiedades mecánicas. Facilita la penetración del temple y hace que los aceros sean resistentes a las temperaturas elevadas y a la corrosión.

-

Vanadio: Su presencia mejora la calidad de los aceros, además aumenta la forjabilidad en caliente y disminuye la soldabilidad.

-

Wolframio o tungsteno: Mejora las características mecánicas de resistencia y tenacidad; hace que los aceros mejoren su dureza y resistencia a la corrosión y a temperaturas elevadas. Es el elemento básico en los aceros rápidos.

-

Cobalto: Ayuda a los aceros a conservar su dureza a elevadas temperaturas.

-

Aluminio: Favorece la nitruración


-64-


emplea en los aceros inoxidables.

-

Cobre: En pequeñas proporciones aumenta la resistencia a la corrosión.

-

Azufre: Perjudica las propiedades mecánicas de resistencia y tenacidad. Favorece el mecanizado.

-

Fósforo: perjudica las propiedades mecánicas de los aceros pero aumenta la colabilidad lo que es interesante para la obtención de piezas fundidas.

4.1.6.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El objetivo de los tratamientos térmicos es modificar alguna o algunas de las propiedades físicas o tecnológicas de los aceros, mediante la aplicación y el control de calor, de modo que, se obtienen diferentes resultados en función de la temperatura de calentamiento y las velocidades de calentamiento y enfriamiento. Mediante los tratamientos térmicos se pueden conseguir los siguientes objetivos específicos: -

Estructura de menor dureza y mayor maquinabilidad

-

Eliminación de tensiones en el material después del mecanizado

-

Eliminar la acritud ocasionada por el trabajo en frio

-

Conseguir una estructura más homogénea

-

Obtener máxima dureza y resistencia.

El primer paso en todos los tratamientos térmicos es el calentamiento. En la mayoría de ellos el calentamiento debe ser ligeramente inferior a la temperatura de transformación (ver diagrama Fe-C, ampliado al final del tema). El calentamiento se debe realizar a una velocidad que permita que la temperatura en el interior y el exterior de la pieza sea lo más cercana posible, esto quiere decir que en el caso de piezas cilíndricas el tiempo de calentamiento depende del diámetro de la misma.

disminuye da tamaño y aunque mantengamos largo tiempo esa temperatura, el tamaño no cambia. Por el contrario, si calentamos por encima del punto de transformación, el tamaño del grano aumenta considerablemente con el tiempo; cuando el tamaño de grano es muy grande puede llegar a quemarse y se hace inservible.

La temperatura en los tratamientos térmicos viene representada por la letra A, en el caso del enfriamiento será Ar y en el de calentamiento Ac Específicamente las temperaturas empleadas en tratamientos térmicos serán:


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Al calentar hasta la temperatura de transformación, el grano

A1 = temperatura crítica inferior 723ºC. Es constante y marca la temperatura mínima de transformación de la austenita A3 o Acm = temperatura crítica superior. Varía con el porcentaje de Carbono (C) y marca la frontera de transformación total en austenita.

4.1.6.1. Recocido La finalidad del recocido es afinar y ablandar el grano, eliminar tensiones y eliminar la acritud producida por la conformación del material en frio. Con este tratamiento aumentan las propiedades de alargamiento, el ablandamiento y la plasticidad son máximas, mientras que disminuyen la carga de rotura el límite de elasticidad y la dureza. Es importante en este tratamiento, calentar con lentitud para dar tiempo a la transformación de la austenita. Esto se consigue, dejando enfriar las piezas en el horno o recubriéndolas de arena o ceniza caliente. Existen diferentes tipos de recocido, los planteamos a continuación de forma esquemática.

Tipos de recocido

Globular

Contra la acritud

Objetivo

Afinar el grano de los aceros sobrecalentados.

Procedimiento

Se calienta 50º por encima de Acm

Objetivo

Objetivo Procedimiento

De ablandamiento

Objetivo Procedimiento

De estabilización

Objetivo Objetivo

Isotérmico

Se realiza en los aceros de alto contenido en carbono para lograr una fácil mecanización. Recuperar las propiedades de plasticidad y eliminar la acritud generada en los procesos de deformación en frío Se calienta entre 500 y 600 ºC Permitir el mecanizado de piezas templadas, ya que elimina los constituyentes del temple. Se calienta por debajo de Acm y el enfriamiento debe ser muy lento Eliminar las tensiones internas de las piezas forjadas o trabajadas en frio Muy empleado en piezas que han sido estampadas en caliente Es más rápido que los otros. Se calienta por encima de Acm y

Procedimiento

después se enfría a 700-750ºC, esperando hasta la total transformación de la austenita. Después se enfría al aire

Objetivo Doble

para aceros de alta aleación y autotemple, suele ser necesario este doble tratamiento. Se calienta a Acm+25, se espera a la transformación completa y se

Procedimiento

enfría por debajo de Ac1, a continuación se recalienta hasta cerca de Ac1, esperamos (unas 4 horas) y enfriamos lentamente


-66-


De regeneración

A continuación se muestran los diagramas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación) de los recocidos recogidos en la tabla anterior.

4.1.6.2. Normalizado

El normalizado se diferencia del recocido en que la velocidad de enfriamiento es más elevada. Las piezas se sacan del horno y se dejan enfriar al aire. La estructura del normalizado es de grado fino; es rápido de realizar, pero no se consigue la mínima dureza ya que la austenita no se ha transformado completamente. Sólo se utiliza en los aceros no aleados.

El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia del acero. Es el más importante de los tratamientos térmicos. Después del temple es necesario el tratamiento de revenido para eliminar un exceso de dureza y fragilidad y suavizar las tensiones internas. El temple consiste en calentar el acero, a una temperatura suficientemente elevada, para transformarlo en austenita, seguido de un enfriamiento rápido. La temperatura a la que se debe calentar depende fundamentalmente del contenido de carbono del acero, de modo que los aceros con un porcentaje inferior al 0’77% (hipoeutectoides) se deben calentar a temperaturas de Ac3 + 50ºC y los que tienen un porcentaje mayor (hipereutécticas), se deben calentar a Ac 1 + 50ºC.


-67-


4.1.6.3. Temple

El tiempo de calentamiento también cobra una gran importancia y depende del tamaño de la pieza, especialmente de su diámetro o su grosor, tratando que la pieza se caliente homogéneamente (interior y exteriormente). Por otro lado, el tiempo debe ser el imprescindible, para evitar el recrecimiento del grano y la velocidad de enfriamiento elevada.

Existen diferentes tipos de temple, los planteamos a continuación de forma esquemática.

Tipos de temple Se aplica a los aceros de menos de 0’77% de C. Se consigue Objetivo

martensita, que el componente más duro que se puede obtener mediante tratamiento térmico

Continuo completo Procedimiento

Objetivo Continuo incompleto Procedimiento

Se calienta a Acm + 50ºC y a continuación se enfría en el medio adecuado Se usa en aceros de más del 0’77% de C. Se consigue una estructura mixta, a base de martensita y cementita Se calienta a Ac1 + 50ºC y después se enfría rápidamente Por este método se consigue reducir el número de piezas

Objetivo

defectuosas, sobre todo cuando su forma es irregular porque evita los cambios desiguales de volumen en la transformación de la austenita en martensita.

Escalonado

Consiste en calentar el acero a la temperatura de austenización,

(isotérmico).

mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme

Martempering Procedimiento

completamente y, seguidamente, enfriarlo en baño de sales a una temperatura intermedia, manteniéndolo a esta temperatura un cierto tiempo, sin que la austenita se transforme; a continuación, se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente.

Objetivo

(isotérmico). Austempering

Procedimiento

Objetivo

Se consiguen resultados todavía mejores en cuanto a número de piezas defectuosas se refiere Se diferencia del Martempering en que el tiempo de permanencia en el baño de sales fundidas es mayor Conseguir un núcleo blando y con buena tenacidad y una superficie dura y resistente al rozamiento Se calienta la superficie rápidamente, de forma que sólo una capa

Superficial Procedimiento

delgada alcance la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento también rápido. El calentamiento se suele hacer con soplete oxiacetilénico o por inducción.


-68-


Escalonado

4.1.6.4. Revenido

Es un tratamiento que sigue al temple con objeto de eliminar la fragilidad y las tensiones ocasionadas. Consiste en un calentamiento de las piezas templadas a una temperatura inferior al punto Ac, para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable, terminando con un enfriamiento más bien rápido. Los factores que más influyen en los resultados del revenido son la temperatura y el tiempo de calentamiento.

4.1.7.

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

Son tratamientos superficiales y consisten en modificar la composición química superficial de los aceros, adicionando otros elementos, con el fin de mejorar algunas propiedades en la superficie, fundamentalmente la dureza o la resistencia a la corrosión. Los principales tratamientos termoquímicos son los siguientes: cementación, nitruración, cianuración y sulfinización.

4.1.7.1. Cementación

Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior en una pieza de acero. A este procedimiento le sigue el de temple, el cual se realiza solamente en la capa exterior, por ser la que tiene extra de carbono. Así se consigue un endurecimiento superficial. La cementación se aplica a piezas que deban ser resistentes al desgaste y a los golpes, es decir, que deban poseer dureza superficial y resiliencia. -

Sustancias cementantes: pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas y suministran carbono en estado atómico a partir de CO. El espesor de la capa cementada depende del tiempo de permanencia en la sustancia y de la temperatura a la que se mantenga la mezcla para favorecer la reacción química.

Se aplica a ciertos aceros y fundiciones y permite obtener durezas muy elevadas, del orden de 1200 HB y aumenta considerablemente la resistencia a la corrosión. Consiste en añadir nitrógeno que reacciona con la superficie de la pieza formando compuestos como Fe4N y Fe2N.

Este tratamiento tiene la gran ventaja de que se realiza a bajas temperaturas, lo que supone que las piezas no se deforman, es decir, que antes del tratamiento ya están mecanizadas y con medidas de acabado. Después de este tratamiento no es necesario ningún otro, a diferencia de lo que ocurre con el cementado.

La nitruración se efectúa en hornos especiales, exponiendo las piezas a una corriente de amoniaco (NH3) a una temperatura de 500-525 ºC, durante un tiempo que puede durar hasta 90 horas; la penetración del


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4.1.7.2. Nitruración

nitrógeno es de 0’01 mm por hora aproximadamente. La adición del nitrógeno atómico para formar nitruros en la superficie se realiza en unas instalaciones muy costosas, que solo se usan para grandes series. Es de especial interés en las industrias automovilística y aeronáutica para endurecer camisas de cilindros, árboles de levas, ejes de cardan, piñones, aparatos de medida, etc.

4.1.7.3. Cianuración

Consiste en endurecer la superficie de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno; es como una mezcla de cementación y nitruración. Después de la cianuración hay que templar las piezas tratadas. Las sales para la cianuración son una mezcla de CN Na y CO3 Na2 calentadas a 800-900 ºC en presencia del oxigeno del aire.

4.1.7.4. Sulfinización

Es un tratamiento termoquímico que consiste en introducir una pequeña capa superficial a base de S, N y C en aleaciones férreas y de cobre. Las piezas a tratar se introducen en baños de sales calentadas a 560570ºC. La capa sulfinizada aumenta a un ritmo aproximado de 0’1 mm por hora. En este caso, la reacción química no se realiza únicamente hacia el interior, lo que supone que las dimensiones de la pieza aumentan ligeramente con este tratamiento.

Con la sulfinización se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Las herramientas de corte sulfinizadas tienen una duración de vida de 5 a 6 veces más que


sin sulfinizar.


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ANEXO (diagramas): DIAGRAMA HIERRO CARBONO

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DIAGRAMA DE ENFRIAMIENTO DE LOS DISTINTOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS


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Materiales Empleados en Fabricacion Mecanica

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