b). JUSTIFICACION DEL MATERIAL: INFORMACION DEL VIDEO:
La fabricación de un hacha comienza fundiendo piezas de acero en horno, para poder moldearlo más tarde en forma de cabezal y palanca en los extremos opuestos del mango el tipo de acero usado se conoce como acero estructural de alta densidad, esta variedad en particular posee 40% C (carbono) lo que hace que el material sea excepcionalmente resistente sin aumentar su peso, además se añade CROMO, MOLIBDENO, MANGANESO, a la mezcla para reforzar el metal y lograr que la cabeza y la palanca no se doblen o quiebren. Se funden juntas piezas nuevas de acero y material de descarte de coladas anteriores en un horno a 1600 ºC para obtener unos 545 Kg de acero fundido. REQUERIMIENTO DEL TIPO DEL MATERIAL
Que posea 40% C. Tenga molibdeno, cromo, manganeso. Que se pueda realizar templado y revenido sin fragilizacion del material. Que sea un acero aleado. Que se pueda maquinar y soldar. Que sea resistente alas tenciones.
Para ello encontramos los siguientes tipos aceros, pero el cual solo 1 de ellos cubre nuestras expectativas, como ser: SAE 4340, SAE 4140. CARACTERISTICAS DEL SAE 4340, SAE 4140: SAE 4340 Se utiliza generalmente en la fabricación de piezas que requieren una buena combinación entre dureza y tenacidad. Tornillería de alta resistencia templada y revenida de gran sección, levas de mando, engranajes para máquinas, ejes para carros y camiones, discos de freno, cardanes, bielas para motores, árboles para automóviles, ejes de transmisión de grandes dimensiones. Debido a su composición química (Cr, Ni, Mo) tiene un gran rendimiento en piezas sometidas a ciclos de trabajo. Acero de buena templabilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga. Posee una maquinabilidad relativamente moderada con las herramientas indicadas. Se suministra en estado bonificado. Ideal para fabricar piezas y herramientas expuestas a tracción, torsión, flexión flex ión y que además estén expuestas a altos esfuerzos dinámicos y mecánicos. Condición de entrega: bonificado con una dureza aproximada de 260 a 320 HB. SAE 4140
Es un acero de buena penetración de temple y con buenas características de estabilidad en caliente hasta 400ºC.
Sin fragilidad de revenido, muy versátil y apto para esfuerzos de fatiga y torsión.
Piezas templadas a inducción pueden dar una dureza de 57-69 Rockwell C.
Tiene amplia aplicación en construcción de vehículos por ejemplo para cigüeñales, ejes cigüeñales, ejes de cardán, de cardán, bielas, bielas, pernos, pernos, ejes ejes de contramarcha, ejes de bombas y engranajes. y engranajes.
Muy utilizado en piezas forjadas como herramientas, llaves herramientas, llaves de mano, destornilladores, mano, destornilladores, etc.
Se usa también para espárragos espárragos y tornillos de la construcción de plantas que trabajen a temperatura entre 150ºC y 300ºC, como calderas, turbinas de vapor, plantas químicas, etc.
PROPIEDADES MECANICAS DEL SAE 4340, SAE 4140:
SAE 4340
Composición Química (Valores promedio, %) C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
S
P
0,38 - 0,43
0,15 - 0,3
0,6 - 0,8
0,7 - 0,9
1,65 - 2
0,2 - 0,3
≤ 0,04
≤ 0,035
Propiedades mecánicas
ø mm.
Resistencia a la tracción MP a
d ≤16 16 < d ≤ 40 40 < d ≤ 100 100 < d ≤ 160 160 < d ≤ 250 250 < d ≤ 500 500 < d ≤ 750
1200 - 1400 1100 - 1300 1000 - 1200 900 - 110 800 - 950 740 - 890 690 - 840
Límite
elástico
MP a
% elongación
Tenacidad
Kv a 20º C (J)
≥ 1000
≥9
≥ 35
≥ 900
≥ 10
≥ 45
≥ 800
≥ 11
≥ 45
≥ 700
≥ 12
≥ 45
≥ 600
≥ 13
≥ 45
≥ 540
≥ 14
≥ 45
≥ 490
≥ 15
≥ 40
anterior son valores típicos y de carácter informativo, ya que en este * Las propiedades expresadas en la tabla anterior tipo de de material se garantiza es la dureza; si se desea solicitar valores mecánicos específicos solicitamos se comunique con nuestro departamento técnico .
Características físicas Valores
a temperature ambiente:
Modulo
de elasticidad N/mm 2
Densidad g/cm3 Conductividad Calor
térmica W/m·K
específico J/g·K
210000
7,84 37,7 0,46
Tratamiento Térmico Normali zado
Calentar la pieza hasta una temperatura de 870° C, luego enfriar al aire. Recocido
Para un estructura predominantemente perlítica, calentar a 830° C y luego enfriar rápidamente a 705° C. Luego enfriar a 565° C a una razón que no exceda 8° C por hora; o calentar a 830° C, enfriar rápidamente a 650° C y mantener por 8 Horas. Para formar una estructura esferoidal, calentar a 750° C y enfriar rápidamente hasta 705° C, luego enfriar hasta 565° C a una razón de enfriamiento que no exceda 3° C por hora; o calentar a 750° C, enfriar rápidamente a 650° C y mantener por 12 Horas. Esta estructura esferoidal es usualmente preferida para el mecanizado y tratamiento Térmico. Temple
Austenizar a 820 - 840° C y enfriar en aceite/ baños de sales. Para secciones delgadas pueden endurecerse por enfriamiento al aire. Revenido
a la temperatura de revenido para obtener la dureza requerida. Para piezas complejas es necesario realizar 2 revenidos. Llevar
Nitruración:
Acero que recibe muy bien procesos de nitruración líquida previo alivio de tensiones, sin embargo, se recomienda endurecer el mater ial sobre 45 HRc para obtener un mejor comportamiento frente a fenómenos de fatiga. Diagrama TTT – (Temperatura-tiempo-transformación)
SAE 4140
Material
4140
Condición
Tensión de rotura [psi (MPa)]
Límite elástico [psi (MPa)]
Elongación en 2" [%]
Dureza (Rockwell)
Laminados en caliente — 90,000 – 100,000 psi (620 – 60,000 – 70,000 psi (410 – 20 – 30 templado 690 MPa) 480 MPa)
B 90 – 95
Obtenidos en frío — templado
B 96 – 100
105,000 – 120,000 psi (720 – 830 MPa)
85,000 – 95,000 psi (590 – 15 – 25 660 MPa)
Propiedades físicas
Punto crítico superior Ac3 = 793 ºC. Punto crítico inferior Ac1 = 749 ºC. Coeficiente de dilatación térmica en estado recocido (promedio x 10-6 ºC-1) Entre: 0 y 100º C = 11,2 0 y 300º C = 12,4 0 y 500º C = 13,6
Propiedades tecnológicas Soldabilidad
Carbono equivalente máximo = 0,89% Propiedades de templabilidad Templabilidad: Bainítica. Diámetro crítico ideal 99% M = 60,9 mm Diámetro crítico ideal 50% M = 106,9 mm Diámetro crítico real H = 0,5 (aceite)
99% M = 29 mm
50% M = 67 mm Diámetro crítico real H = 1,0 (agua) 50% M = 85 mm
99% M = 39 mm
Composición química (colada) en % del peso
• Carbono (C):
0,38 – 0,43
• Manganeso (Mn):
0,75 – 1,00
• Silicio (Si):
0,20 – 0,35
• Azufre (S):
0,040 máximo
• Fósforo (P):
0,035 máximo
• Cromo (Cr):
0,80 – 1,10
• Molibdeno (Mo):
0,15 – 0,25
Tratamiento: Temperaturas (ºC)
Forja: 1000 – 1200 Normalizado: 870 – 925 Recocido: 815 – 870 Recocido de globulización: 755 Templado: 830 – 860
Revenido: Según
Enfriado en aceite
características requeridas.
FABRICAS FUNDIDORAS
T
PROVEEDORES DE SAE 4140:
Dongguan Yufang Steel Co., Ltd.
4140 aleación de acero para herramientas $ 700-1500 Shenzhen Puerto: Cantidad de pedido mínima: 20 Tonelada/s Capacidad de suministro: 2000 Tonelada/s por Mes 7 ~ 15 días para el 4140 Acero Plazo de entrega: L/C,D/A,D/P,T/T,Western Union Condiciones de pago: Mr. Jerry Jiao Precio FOB:
Datos básicos Grado: 4140 aleación de acero para
Estándar: AISI, Estruendo, GB, JIS Espesor: 30~400mm
herramientas Anchura: 200~2500mm
Longitud: 2000~4000mm Número de Modelo: AISI4140,DIN1.7225
Marca: Yufang
Lugar del origen: China (Continental) Uso: acero aleado
Nombre:: 4140 aleación de acero para herramientas Forma:: Piso / plaza / hoja / placa / Inspección:: UT, composición Dureza:: HB≤220 Barra redonda química, pruebas físicas UT estándar de prueba:: SEP1921-84 Tolearance:: Longitud / anchura: +Certificación:: ISO9001 SGS API clase 3 C / C o D / d 5mm de grosor: +-2MM Stock disponible:: 5000Tons/Month Aleación o no:: aleación Técnica: Retirado a frío
Uso especial: Acero del molde
Dongguan Yufang Steel Co., Ltd.
4140 acero barra Precio FOB:
$ 700-1500
Shenzhen Cantidad de pedido mínima: 20 Tonelada/s Capacidad de suministro: 2000 Tonelada/s por Mes 10~ 15 días para el 4140 Acero Plazo de entrega: L/C,D/A,D/P,T/T,Western Union Condiciones de pago: Mr. Jerry Jiao Puerto:
Datos básicos Grado: 4140 acero barra plana Anchura: 200~2500mm Marca: Yufang Técnica: Retirado a frío Dureza:: HB≤220
Estándar: AISI, Estruendo, GB, JIS Longitud: 2000~4000mm Número de Modelo: AISI4140,DIN1.7225 Uso especial: Acero del molde Forma:: Piso / plaza / hoja / placa / Barra redonda
UT estándar de prueba:: SEP1921-84 Certificación:: ISO9001 SGS API clase 3 C / C o D / d Stock disponible:: 5000Tons/Month Aleación o no:: aleación
Espesor: 30~400mm Lugar del origen: China (Continental) Uso: acero aleado Nombre:: 4140 acero barra plana Inspección:: UT, composición química, pruebas físicas Tolearance:: Longitud / anchura: +5mm de grosor: +-2MM
Dongguan Yufang Steel Co., Ltd.
4140 placa de acero Alibaba precio al por mayor $ 700-1500 Shenzhen Puerto: Cantidad de pedido mínima: 20 Tonelada/s Capacidad de suministro: 2000 Tonelada/s por Mes 7 ~ 15 días para el 4140 Acero Plazo de entrega: L/C,D/A,D/P,T/T,Western Union Condiciones de pago: Mr. Jerry Jiao Precio FOB:
Datos básicos Grado: Placa de acero 4140 Anchura: 200~2500mm Marca: Yufang Técnica: Retirado a frío Dureza:: HB≤220
Estándar: AISI, Estruendo, GB, JIS Longitud: 2000~4000mm Número de Modelo: AISI4140,DIN1.7225 Uso especial: Acero del molde Forma:: Piso / plaza / hoja / placa / Barra redonda
UT estándar de prueba:: SEP1921-84 Certificación:: ISO9001 SGS API clase 3 C / C o D / d Stock disponible:: 5000Tons/Month Aleación o no:: aleación
Fuentes:
ACERO Definición y Características - Consultado el 2013-05-20 Aceros Aleados - Consultado el 2013-05-20
www.timken.com/es Aceros al cromo-molibdeno
Espesor: 30~400mm Lugar del origen: China (Continental) Uso: acero aleado Nombre:: Placa de acero 4140 Inspección:: UT, composición química, pruebas físicas Tolearance:: Longitud / anchura: +5mm de grosor: +-2MM
c). INFORMACION TECNICA DE MATERIAL: C.1) Características del acero IRAM 4140
Clasificación
Acero aleado al cromo molibdeno para temple, de mediana templabilidad. Efectos de los elementos de aleación Cromo (Cr):
El cromo es un elemento de aleación menos costoso que el níquel y forma carburos simples (Cr7C3 y Cr4C) o carburos complejos [(FeCr)3C]. Éstos carburos tienen alta dureza y buena resistencia al deterioro. El cromo es soluble hasta 13% en hierro gamma y tiene solubilidad ilimitada en ferrita alfa. En los aceros de bajo carbono, el Cr tiende a entrar en solución incrementando de esta manera, la resistencia y la tenacidad de la ferrita. Molibdeno (Mo):
El molibdeno es un elemento de aleación relativamente costoso, tiene una solubilidad limitada en hierros gamma y alfa, y es un fuerte formador de carburos. Además ejerce un fuerte efecto de templabilidad y, de manera semejante al cromo, aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura de los aceros. Los aceros con molibdeno son menos susceptibles al fragilizado debido al revenido, que los demás aceros aleados. Los aceros al Cromo-Molibdeno (serie 41xx) son relativamente baratos y poseen buenas características de endurecido profundo, de ductilidad y de capacidad para soldarse. Forma de suministro
Palanquillas y barras para forja, barras en estado laminado, estirado, pelado y/o tratado térmicamente y en rollos. Aplicaciones
Se ha empleado ampliamente para recipientes sujetos a presión, partes estructurales de los aviones, ejes de automóviles, piezas forjadas y/o mecanizadas que se usan en estado templado y revenido, como por ejemplo, bulones de alta resistencia.
SAE 4140 C
Mn
P
S
Si
Cr
0.38/0.43
0.75/1.00
0.035
0.040
0.15/0.35
0.80/1.10
COMPOSICIÓN QUÍMICA
Ni
Mo 0.15/0.25
PROPIEDADES
Estadodel material
Resistenciaa latracción Kg/mm2
Límiteelástico Kg/mm2
Alargamiento%
Reducciónde área
DurezaBrinell aprox.
Laminado encaliente
60-70
40
22
50
210/240
Calibrado
70-80
60
14
40
240/260
88-100
75
16
50
260/320
Bonicado
TRATAMIENTO TÉRMIC TRATAMIENTO
TEMPERATURA°C
ENFRIAMIENTO
Nor malizado
850-870°C
Aire
R ec ocido
680-720°C
Hor no
Temple
830-850°C
Ace ite
R evenido
500-650°C
Aire
Forja
850-1100°C
CenizaoAr ena
CARACTERÍSTICAS: Aceroalcromo-molibdeno de buenapenetración detempleycon buenascaract erístic asdeestabilidadencalienteapto donde seannecesariasaltasexigenciasderesistencia ytenacidad enmedianas y pequ eña s secciones.Porsucontenido de Molibdeno esinsensiblealafragilidadporrevenido.Aptoparaesfuerzosdefatigaytorsión.Noserecomienda utilizar sin tratamiento térmico.EnMARCAASSAB esequivalente al709.APLICACIÓNES:Seutilizageneralmenteenestado boni cado aunaresistencia alatracciónde88a100K g/mm2 paraejes,eng r anajes,cigüeñales ,cilindrosdemot or es ,bielas,r otor es, árbolesdeturbinas, ejestraseros,enherramientas demanocomollaves, destor nillador es.Enlaindustria petrole rapara taladros,brocas, bar re nos,tubulares ,partes de bom bas ,vástagos depistón,espár ra gos,etc.
C.2) Proceso de laminación de barras de acero
Llamamos laminación al proceso consistente en deformar plásticamente en los metales haciéndolos pasar entre cilindros. Al deformar los metales haciéndolos pasar entre los cilindros se somete el material a intensas tensiones de compresión, por efecto del aplastamiento de los cilindros, y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por fricción entre los cilindros y el metal. El lingote inicial se transforma en desbastes pesados (blooms) y palanquillas, por laminación en caliente. Un desbaste pesado o bloom es el primer producto de la laminación del lingote; suele ser de sección cuadrada o rectangular, pero el ancho suele ser inferior al doble del espesor y el área no suele superar los 230 cm2. Con una mayor reducción en la laminación en caliente se obtiene la palanquilla, cuya sección mínima suele ser 15 cm2. Los desbastes se continúan laminando en caliente hasta obtener planchas o chapas gruesas, chapa fina, barras varillas, tubos, carriles o perfiles estructurales. Para conseguir producciones elevadas es conveniente acoplar los laminadores en serie de forma que el material pase sucesivamente entre ellos. Éste conjunto es lo que propiamente puede llamarse un tren de laminación, y a cada laminador de los que lo componen se le suele llamar una caja. Un método típico para reducir una palanquilla cuadrada a una barra redonda consiste en alternar las pasadas a través de canales de forma oval y cuadrada. Un tren de laminación de barras se suele denominar tren de redondos o tren comercial. C.3) OBTENCION DEL ACERO SAE 4140
Los minerales de hierro utilizados en la industria siderúrgica contienen al hierro en forma de óxidos, carbonatos o silicatos; los más usados son la hematites, limonita, pirita, siderita y magnetita. Se reserva el nombre de acero a las aleaciones hierro – carbono de entre un 0,008% y 2,11% en peso de carbono, aunque en la práctica ésta concentración raramente excede del 1%. Cuando el porcentaje supera al 2,11% y hasta el 6.67% en peso de carbono la aleación recibe el nombre de fundición. Para poder predecir la estructura de un acero, cuando se esta a una cierta temperatura y con una dada concentración se utiliza el diagrama de hierro-carbono. El diagrama comprende dos curvas, una de trazos llenos y otra de trazos punteados, que delimitan ocho regiones. CURVA TTT DEL ACERO SAE 4140
La región séptima representa la estructura a temperatura ambiente y contiene hierro alfa y cementita o hierro alfa y grafito por lo que se deben considerar dos diagramas hierro-carbono: un diagrama metaestable en trazo lleno, para el primer caso y un diagrama estable en punteado para el caso de hierro alfa y grafito. Para que el hierro se comporte según estos diagramas los cambios de temperatura deben ser lo suficientemente lentos. Cuando la velocidad de cambio de la temperatura es mayor, se utilizan otros gráficos. Las curvas TTT representan a la temperatura en función del tiempo para una determinada concentración de hierro y carbono para velocidades de enfriamiento o calentamiento elevadas.
Estas curvas, al igual que el diagrama hierro-carbono, pueden ser modificados por agregado de aleantes en el acero. En el caso de las curvas TTT, los aleantes desplazan la curva hacia la derecha y hacia abajo. Dependiendo del aleante se puede desplazar mas una zona que otra y así, mediante un enfriamiento sencillo se puede lograr la estructura deseada. Para identificar un acero, hay que tener en cuenta los aleantes que posee y la cantidad de los mismos. Según IRAM, la forma de identificarlos es mediante un código de cuatro números en el cual los primeros dos indican los aleantes (no carbono) y el segundo par indica el porcentaje de carbono. En el caso de un acero con mas de un 0,99% de carbono el código se extiende a cinco números en el cual los últimos tres representan la cantidad de carbono.
C.4) Selección de los tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos seleccionados para las muestras de acero fueron un temple con el fin de obtener martensita y un enfriamiento isotérmico para obtener bainita inferior. Se intenta con ésto alcanzar valores de dureza y resistencia similares con dos estructuras distintas. La dureza establecida arbitrariamente fué de 44 HRC o 410 HB. Se escogieron estas estructuras para poder cotejar las diferencias en tenacidad luego de disminuir la dureza de la martensita con un revenido, hasta alcanzar valores próximos a los de la bainita.
1º tratamiento: Temple y revenido
Para obtener la martensita, se introdujo una de las muestras del acero en un horno a 850 °C en el cual permaneció durante 15 minutos hasta alcanzar la austenización completa, para luego ser templada en aceite. Finalmente se la introdujo en un baño de sales a 460 °C durante 2 horas para alcanzar la dureza final determinada. CURVA DE DE REVENIDO
Los criterios utilizados para determinar los tiempos de permanencia, temperaturas y velocidades de enfriamiento fue el siguiente: Los 850°c se escogieron porque según la curva TTT de nuestro acero el punto critico superior se encuentra a los 793°C y, de acuerdo la teoría, hay que incrementar esta temperatura en 27,8 ºC (50 °F) para obtener la temperatura de austenización. En realidad la temperatura resultante es levemente inferior a los 850°c pero el horno se encontraba a esta temperatura y se aprovechó. En cuanto a los 20 minutos de permanencia se obtienen al considerar un tiempo de 1 minuto por milímetro de espesor de la pieza, con un mínimo de 15 minutos, como necesario para la penetración y homogeneización de la temperatura en el volumen y alcanzar una austenización completa, evitando al mismo tiempo un excesivo crecimiento de grano.
C.5) ESTRUCTURA METALOGRAFICA:
MuestraBainítica: Laestructuradelamuestra,comoeraesperable,estácompuestaporbastones bainíticosfundamentalmente,sinembargopuedenidentificarsealgunospequeños granosdeferritaquesonresultadodelasheterogeneidadestolerablesenla composicióndelmaterial.Labainita,porhabernucleadoycrecidoamenor temperatura(bainitainferior),esmásfinaquelaquesepuedeobservarenel materialoriginal.
Muestramartensitica Enestamuestrasepuedeobservarcasiensutotalidadagujasmartensíticaslas cualesnopresentanunaorientaciónuniforme.Laaparicióndecristalesferríticoses prácticamentedespreciabledebidoaquelaseveravelocidaddeenfriamientodefinióunacurvaquepasaalejadadelmantoferríticoenel diagramadelascurvasTTT.
FUENTES:característica del acero 4140 PDF
SAE_-_-4140 pd www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%204140.pdf
d). PLANOS DE FABRICACION Y DATOS COMPLEMENTARIOS: d.2) DATOS COMPLEMNTARIOS DEL MATERIAL: OBTENCION DEL ACERO
Elhierroesunmetaldúctil,quefundea1535 C.Constituyecercadel5%dela cortezaterrestreyseencuentraenabundancia,juntoconelníquel,enelnúcleo terrestre °
Lafabricacióndeéstepasaporlaobtencióndearrabioporreduccióndelmineralde hierroenelaltohornoqueluegosedescarburaporoxidacióndelcarbonoenun hornoconvertidor.Lamayoríadelasvecessedescarburaenunconvertidor(porsopladodeaireuoxigeno)oporunafuentedecalorexterno(horn Martin)obteniéndoseaceroscomunes,oenunhornoeléctricolosaceros especiales.
Losmineralesde hierroutilizadosenlaindustriasiderúrgicacontienenal silicatos;losmásusadossonlahematites,limonita, pirita,sideritaymagnetita.
hierroen
formade
óxidos,carbonatoso
SAE 4140
Apartirdeunaaleacióncualquieraconsuspropiascaracterísticasy estructurasepuedeobtenerconlamismaaleaciónotraestructuracondiferentes característicasyqueatravésdeuntratamientotérmicoladurezadeunmaterial cambiaconsiderablemente. En nuestrocaso,apartirdeunacero4140concaracterísticascomercialeshemos logradoatravésdedostratamientostérmicosdiferentesincrementarladurezahasta alcanzarungradosimilarcondosestructurasdistintas. Atravésdelaobservaciónmicroscópicase pudo observarquenoestanfácilobtener martensitaobainitaenlatotalidaddelaestructurasinoqueaparecenlitigiosde ferrita.
HACHA DE BOMBERO
Esta herramienta es muy práctica ya que tiene 5 herramientas en uno y esta es muy resistente a temperaturas, la fabricación comienza fundiendo piezas de acero en un horno a una temperatura de 1600 ºC el tipo acero usado se lo conoce como acero estructural de alta densidad lo que lo ase resistente sin aumentar su peso, se le aumenta cromo, molibdeno, manganeso que sirve para reforzar el metal.
