Forja 661h5p

Instituto politécnico nacional Escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica Unidad Azcapotzalco Practica 1

Historia de la Forja

Forja, proceso de modelado del hierro y otros materiales maleables golpeándolos o troquelándolos después de hacerlos dúctiles mediante aplicación de calor. Las técnicas de forjado son útiles para trabajar el metal porque permiten darle la forma deseada y además mejoran la estructura del mismo, sobre todo porque refinan su tamaño de grano. El metal forjado es más fuerte y dúctil que el metal fundido y muestra una mayor resistencia a la fatiga y el impacto. EI proceso de forjado se remonta a los primeros registros escritos de la raza humana, hace cerca de 7000 años. Hay evidencias de que el forjado era usado en el antiguo Egipto, Grecia, Persia, China y Japón para hacer armas, joyería y otros implementos. En esos tiempos, a los artesanos en el arte de la forja se les tenía en alta estima. En la antigua Creta se usaban placas de piedra labrada como dados de impresión en el martillado del oro y la plata, alrededor de 1600 a.C Esto evoluciono a la fabricación de monedas por un proceso similar hacia el año 800 a C. En Roma se usaron dados de impresión más complicados por el año 200 d.C. El negocio de la herrería permaneció relativamente sin cambios hasta que se introdujo el martinete de forja con pisón guiado a fines del siglo XVIII. Este desarrollo trajo la práctica de la forja a la era industrial. No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Forja Manual La forja manual es la forma más sencilla de forjado y es uno de los primeros métodos con que se trabajó el metal. Primero, el metal se calienta al rojo vivo en el fuego de una fragua, y después se

golpea sobre un yunque para darle forma con grandes martillos denominados machos de fragua. Ésta es un hogar abierto construido con una sustancia refractaria y duradera, como ladrillo refractario, y dotado de una serie de aberturas por las que se fuerza el aire mediante un fuelle o un ventilador. En la fragua se emplean como combustible diversos tipos de carbón, entre ellos coque o carbón vegetal. El herrero además de martillos, emplea otras herramientas en las diferentes operaciones de forja. En general existen seis tipos básicos de forjado: el engrosado, que consiste en reducir la longitud del metal y aumentar su diámetro; la compresión para reducir el diámetro del metal; el doblado; la soldadura, o unión de dos piezas de metal por semifusión; el perforado, o formación de pequeñas aberturas en el metal, y el recortado o realización de grandes agujeros.

Para engrosar una pieza de metal se golpea a lo largo de la dimensión más larga (por ejemplo, el extremo de una barra o varilla), lo que acorta y comprime la pieza. La compresión se logra golpeando el trozo de metal mientras se sujeta sobre el yunque con alguna de las diversas herramientas cóncavas llamadas estampas de forja. El doblado se consigue golpeando la pieza alrededor de un molde o haciendo palanca con la pieza en un punto de apoyo. Para soldar hierro en la fragua, se aplica en primer lugar un fundente —como el bórax— al metal calentado, para eliminar cualquier posible óxido en las superficies de las piezas, y después se juntan éstas golpeando una contra otra a altas temperaturas; si está bien hecha, una junta soldada de este tipo es homogénea y tan resistente como el metal original. Para taladrar agujeros pequeños se apoya el trozo de metal en una pieza anular situada encima del yunque y se atraviesa con un punzón a golpes de martillo. Para recortar agujeros mayores o trozos de metal se emplean cinceles

pesados y afilados, similares a los cortafríos utilizados para cortar metal en frío. La combinación de varias operaciones puede producir piezas forjadas de una gran variedad de formas. 2 Definición de forja

El forjado es un proceso básico en el que la pieza de trabajo se moldea mediante fuerzas de compresión aplicadas por medio de matrices y herramentales. Es una de las operaciones más antiguas e importantes en el trabajo de metales. Debido a que es posible controlar el flujo de metal en una matriz y la estructura de los granos del material, las partes forjadas tienen buena resistencia y tenacidad y son muy confiables en aplicaciones críticas sujetas a grandes esfuerzos. Las operaciones de forjado simple se pueden realizar con un martillo pesado y un yunque, como lo hacen tradicionalmente los herreros. Sin embargo, la mayoría de las forjas requieren una serie de matrices y equipo como prensa y martillo mecánico de forja. El forjado puede efectuarse a temperatura ambiente (forjado en frío) o a temperaturas elevadas (forjado a temperatura media o en caliente), dependiendo de la temperatura. El forjado en frío requiere fuerzas más grandes, debido a la mayor resistencia del material de la pieza de trabajo, y éste debe poseer suficiente ductilidad a temperatura ambiente para someterse a la deformación necesaria sin que se agriete. Las partes forjadas en frío tienen un buen acabado superficial y precisión dimensional. En cambio, el forjado en caliente requiere menores fuerzas, pero la precisión dimensional y el acabado superficial de las partes no son tan elevados como en el forjado en frío. Por lo general, las partes forjadas se someten a operaciones de acabado adicionales, como el tratamiento térmico, para modificar sus propiedades, y el maquinado, a fin de obtener dimensiones finales exactas y acabado superficial. El forjado de precisión, que es un ejemplo importante de los procesos de formado de formas netas o formas casi netas, puede minimizar esas operaciones de acabado. Como veremos a lo largo del libro, los componentes que se pueden forjar con éxito también pueden fabricarse de manera económica mediante otros métodos, como la fundición, la metalurgia de polvos o el maquinado. Cada uno de ellos produce una parte que tiene diferentes características, sobre todo en relación con la resistencia, tenacidad, precisión dimensional, acabado superficial y la posibilidad de defectos internos o externos. Clasificación: Forjado de matriz abierta El forjado de matriz abierta es la operación más simple de forjado (tabla 14.1). Aunque por lo general la mayoría de las partes forjadas de matriz abierta pesan de 15 a 500 kg (30 a 1000 libras), se han forjado piezas con un peso hasta de 300 toneladas. Las partes pueden ser muy pequeñas, como los clavos, pernos y tornillos, o muy grandes (como los ejes hasta de 23 m [75 pies] de longitud para propulsores de barcos). El forjado de matriz abierta se puede representar mediante una pieza de trabajo sólida colocada entre dos matrices planas y cuya altura se reduce por compresión, proceso que también se conoce como recalcado o forjado con matriz plana. Asimismo, las superficies de la matriz pueden tener cavidades poco profundas o incorporar rasgos para producir forjas relativamente simples.

El abarrilamiento se produce principalmente por las fuerzas de fricción en las interfaces matrizpieza de trabajo que se oponen al flujo exterior de los materiales en estas interfaces y que, por lo tanto, se pueden minimizar con un lubricante eficaz. El abarrilamiento también puede desarrollarse al recalcar piezas de trabajo calientes entre matrices frías. El material en las superficies de la matriz, o cerca de ellas, se enfría con rapidez, en tanto que el resto de la pieza de trabajo permanece relativamente caliente. En consecuencia, el material en las partes superior e inferior de dicha pieza tiene mayor resistencia a la deformación que el de la parte central. Por lo tanto, la parte central de la pieza se dilata hacia los lados más que en sus extremos. El abarrilamiento que se produce por los efectos térmicos puede reducirse o eliminarse mediante matrices calientes. Para este propósito, también es posible utilizar barreras térmicas, como la tela de vidrio, en las interfaces entre la matriz y la pieza de trabajo. La forja de desbaste (también conocida como estirado) es una operación de forjado de matriz abierta en la que el espesor de una barra se reduce por medio de pasos sucesivos de forjado (reducciones) a intervalos específicos. Se puede reducir el espesor de barras y anillos mediante técnicas similares de forjado de matriz abierta, como se muestra en la figura 14.4b y c. Debido a que el área de o entre la matriz y la pieza de trabajo es pequeña, puede reducirse el espesor de una sección larga de una barra sin requerir grandes fuerzas o maquinaria pesada. Los herreros efectúan dichas operaciones con un martillo y un yunque mediante piezas calientes de metal: ejemplos comunes de estos productos son las cercas de hierro de diversos diseños. En consecuencia, la forja de desbaste puede ser un sustituto aproximado de las operaciones de laminado. Por lo general, la forja de desbaste de piezas de trabajo más grandes se hace con equipo mecanizado y controles por computadora, en los que se coordinan los movimientos laterales y verticales para producir la parte deseada.

Forjado por matriz de impresión y de matriz cerrada En el forjado por matriz de impresión, la pieza de trabajo toma la forma de la cavidad de la matriz mientras se va forjando entre dos matrices con forma. Por lo general, este proceso se realiza a temperaturas elevadas para mejorar la ductilidad de los metales y disminuir las fuerzas. Durante la deformación, parte del material fluye hacia el exterior y forma unos bigotes o rebaba de forja. La rebaba desempeña un papel importante en el forjado por matriz de impresión. La temperatura elevada y la alta resistencia a la fricción resultante en la rebaba representan una severa restricción al flujo exterior del material en la matriz. Por lo tanto, con base en el principio de que en la deformación plástica los materiales fluyen hacia donde hay menor resistencia (debido a que requiere menos energía), el material empieza a fluir al interior de la cavidad de la matriz, llenándola finalmente.

En la figura anterior se muestra la terminología estándar para una matriz común de forjado. En vez de hacerse de una sola pieza, las matrices se pueden fabricar de varias piezas (segmentadas), incluyendo insertos de matrices y en particular para formas complejas. Es posible reemplazar estos insertos con facilidad en caso de desgaste o falla en una sección particular de la matriz, y por lo general se hacen de materiales más resistentes y duros. Por supuesto que las matrices deben permitir la extracción de las forjas sin dificultad. La pieza en bruto, o tocho, que se va a forjar, se prepara por medios como (a) corte de una barra de material extruido o estirado; (b) una preforma de operaciones como metalurgia de polvos; (c) fundición; o (d) utilización de una pieza en bruto preformada mediante una operación previa de forjado. Dicha pieza se coloca en la matriz inferior y conforme la matriz superior empieza a descender, la forma de la pieza en bruto cambia gradualmente. Forjado de precisión. Con el fin de reducir el número de operaciones de acabado adicionales (formado de forma neta), y en consecuencia el costo, se tiende hacia una mayor precisión en los productos forjados. Algunos productos comunes obtenidos por forjado de precisión son los engranes, las bielas y los álabes para turbinas. Este forjado requiere (a) matrices especiales y más complejas, (b) control preciso del volumen y la forma de la pieza en bruto, y (c) posicionamiento exacto de dicha pieza en la cavidad de la matriz. Además, debido a las mayores fuerzas que se necesitan para obtener detalles finos en la parte, este proceso requiere equipo de más capacidad. Las aleaciones de aluminio y magnesio son adecuadas, en especial para el forjado de precisión, debido a las cargas y

temperaturas de forjado relativamente bajas que exigen; también se pueden utilizar los aceros y el titanio en el forjado de precisión. Diversas operaciones de forjado Para proporcionar la forma y las características deseadas a los productos forjados, se realizan muchas otras operaciones relacionadas con el proceso básico de forjado. Acuñado. Se trata de un proceso de forjado en matriz cerrada que por lo general se utiliza en el troquelado de monedas, medallas y joyería (fig. 14.10). La pieza en bruto o trozo de metal se acuña en la cavidad de una matriz completamente cerrada. Para producir detalles finos (por ejemplo, el detalle en monedas recién troqueladas), las presiones requeridas pueden ser tan elevadas como cinco o seis veces la resistencia del material. En algunas partes es posible que se requieran varias operaciones de acuñado. En éste no se pueden aplicar lubricantes, porque quedarían atrapados en las cavidades de la matriz y, al no poder comprimirse, evitarían la reproducción total de los detalles de la superficie de la matriz y el acabado superficial.

El marcado de partes con letras y números también se puede realizar con rapidez por medio de este proceso. El acuñado se utiliza asimismo con forjas y otros productos para mejorar el acabado superficial y proporcionar la precisión dimensional deseada con pocos o ningún cambio en el tamaño de la parte. Conocido como dimensionado, este proceso requiere presiones elevadas. Cabeceado. También conocido como forjado por recalcado, el cabeceado es básicamente una operación de recalcado que por lo general se efectúa en el extremo de una barra redonda o alambre para aumentar la sección transversal. Los ejemplos típicos son los clavos, las cabezas de tornillos, los pernos, remaches y muchos otros sujetadores (fig. 14.11a). El cabeceado puede realizarse en frío, en caliente o a temperatura media. Una consideración importante en él es la tendencia de la barra a curvarse si su relación de longitud a diámetro sin soporte es demasiado elevada. Por lo general, esta relación se limita a menos de 3:1, pero con las matrices apropiadas puede ser más alta. Por

ejemplo, se pueden tolerar relaciones más altas si el diámetro de la cavidad de la matriz no es mayor a 1.5 veces el diámetro de la barra.

Las operaciones de cabeceado se efectúan en máquinas conocidas como cabeceadoras, que suelen automatizarse en gran medida con velocidades de producción de cientos de piezas por minuto para partes pequeñas. Operaciones de cabeceado en caliente en piezas más grandes se realizan comúnmente en recalcadores horizontales. Estas máquinas tienden a ser ruidosas; se requiere una cubierta a prueba de ruido o el uso de protectores auditivos. Las operaciones de cabeceado se pueden combinar con procesos de extrusión en frío para fabricar varias partes. Penetrado. Este es un proceso de penetración de la superficie de una pieza de trabajo (aunque sin pasar a través de ella) con un punzón para producir una cavidad o una impresión. Dicha pieza se puede confinar en un contenedor (como la cavidad de una matriz) o dejar sin restricciones. Su deformación dependerá de cuánto se limita su flujo conforme desciende el punzón. Ejemplos comunes de penetrado son el ahuecamiento y la cavidad hexagonal en las cabezas de los tornillos. Después del penetrado, puede seguir el troquelado para producir un orificio en la parte. El penetrado también se utiliza para producir regiones huecas en las forjas mediante equipo auxiliar de acción lateral. La fuerza de penetrado depende de (a) el área de la sección transversal y la geometría de la punta del punzón, (b) la resistencia del material, y (c) la magnitud de la fricción en las interfaces de deslizamiento. La presión puede ser de tres a cinco veces la resistencia del material, que se encuentra casi al mismo nivel de esfuerzo requerido para efectuar una penetración en las pruebas de dureza. Punzonado de cavidades o clavado.

Este proceso consiste en prensar un punzón endurecido con una geometría especial de la punta, dentro de la superficie de un bloque de metal. La cavidad producida se utiliza después como matriz para operaciones de formado, como las que se utilizan para artículos de mesa. Por lo general, la cavidad de la matriz es poco profunda; para cavidades más profundas se puede eliminar parte del material de la superficie mediante maquinado antes del clavado.

Forjado orbital. Este es un proceso en el que la matriz superior se mueve a lo largo de una trayectoria orbital y da forma a la parte de manera progresiva. La operación es similar a la acción de la mano y del mortero utilizados para moler hierbas y semillas. Aunque no son de uso regular, los componentes comunes que se pueden forjar mediante este proceso son partes con forma de disco y cónicas, como engranes cónicos y piezas en bruto para engranes. La fuerza de forjado es relativamente menor debido a que en cualquier instante específico el o de la matriz se concentra en una pequeña área de la pieza de trabajo. La operación es silenciosa y las partes se pueden formar en 10 a 20 ciclos de la matriz orbital. Forjado progresivo. En este proceso, se forja una pieza en bruto dándole forma con una herramienta que la trabaja en varios pasos pequeños. Obsérvese que esta operación es similar a la forja de desbaste, en la que la matriz penetra la pieza en bruto a diferentes profundidades a lo largo de la superficie. Debido a que el área de o de la matriz es más pequeña, este proceso requiere fuerzas mucho menores en comparación con el forjado convencional por matriz de impresión y las herramientas son más simples y menos costosas. Forjado isotérmico. También se conoce como forjado por matriz en caliente. Las matrices en este proceso se calientan a la misma temperatura que la de la pieza de trabajo caliente. Como permanece caliente, durante el forjado se mantienen la resistencia baja y la alta ductilidad de la pieza de trabajo. Además, la carga de forjado es baja y se mejora el flujo del material dentro de la cavidad de la matriz. Se pueden forjar isotérmicamente partes complejas, con buena precisión dimensional para una forma casi neta con un golpe en una prensa hidráulica. Por lo general, las matrices para forjado en caliente de aleaciones de alta temperatura están hechas de aleaciones de níquel y molibdeno (debido a su resistencia a altas temperaturas), aunque para las aleaciones de aluminio se pueden utilizar matrices de acero. El forjado isotérmico es costoso y la velocidad de producción es baja. Sin

embargo, puede ser económico para forjas intrincadas especiales, fabricadas con materiales como el aluminio, titanio y superaleaciones, siempre que la cantidad requerida sea suficientemente grande para justificar los costos de las matrices. Forjado rotatorio. En este proceso (también conocido como forjado radial, forjado rotatorio o simplemente estampado), una barra sólida o tubo se somete a fuerzas de impacto radial por medio de una serie de matrices reciprocantes de la máquina. Los movimientos de las matrices se obtienen mediante una serie de rodillos en una jaula, por miedo de una acción similar a la de un rodamiento de rodillos. La pieza de trabajo se mantiene estacionaria y las matrices giran (mientras se mueven radialmente en sus ranuras), golpeando la pieza a velocidades tan altas como 20 golpes por segundo. En las máquinas de estampado con matrices de cierre, los movimientos de las matrices se obtienen mediante el movimiento alternativo de cuñas. Las matrices se pueden abrir más que las de las forjadoras rotatorias, soportando así partes de diámetro grande o variable. En otro tipo de máquina, las matrices no giran, sino que se mueven radialmente adentro y afuera. Los productos comunes fabricados por este método son las hojas de los desarmadores y las puntas de hierro para soldadoras. El proceso de forjado rotatorio también se puede utilizar para ensamblar rios en cables y alambres; en dichos casos, el rio tubular se estampa directamente en el cable. Este proceso se usa asimismo para operaciones como punteado (ahusado de la punta de una parte cilíndrica) y dimensionado (terminación de las dimensiones de una parte). Por lo general, el forjado rotatorio se limita a un diámetro máximo de la pieza de trabajo de 150 mm (6 pulgadas); se han estampado pequeñas partes hasta de 0.5 mm (0.02 pulgada). Las tolerancias dimensionales van de ±0.05 a ±0.5 mm (0.002 a 0.02 pulgada). El proceso es adecuado para velocidades medias a altas de producción, en las que son posibles velocidades hasta de 50 partes por minuto, dependiendo de la complejidad de la parte. Es un proceso versátil y su longitud sólo se limita por la longitud de la barra que soporta el mandril (si se requiere alguno).

Extrusión de tubos. En este proceso se reduce el diámetro interno y/o espesor del tubo con el uso de mandriles internos o sin él (fig. 14.15a y b). Para la tubería de diámetro pequeño se puede utilizar alambre de alta resistencia como mandril. Los mandriles también pueden fabricarse con estrías longitudinales que permiten la extrusión de tubos con forma interior (fig. 14.15c). Por ejemplo, el estriado en los cañones de las armas (estrías internas en espiral que proporcionan el efecto giroscópico a las balas) se puede producir si se estampa un tubo sobre un mandril con estrías en espiral. Se ha construido maquinaria especial para estampar cañones de armas y otras partes con diámetros iniciales grandes, hasta de 350 mm (14 pulgadas).

Forjabilidad de los metales. Defectos del forjado Por lo general, la forjabilidad se define como la capacidad de un material para someterse a deformación sin agrietarse. Se han desarrollado varias pruebas para cuantificar la forjabilidad; sin embargo, debido a su naturaleza compleja, sólo dos pruebas simples han tenido aceptación general: el recalcado y la torsión en caliente. En la prueba de recalcado, se recalca un espécimen cilíndrico sólido entre matrices planas y se observa la reducción de la altura a la que empieza el agrietamiento en las superficies abarriladas. Cuanto más grande sea la deformación antes del agrietamiento, más grande será la forjabilidad del metal. El segundo método es el ensayo de torsión en caliente, en el que un espécimen redondo se tuerce de manera continua en la misma dirección hasta que se rompe. Esta prueba se efectúa en cierta cantidad de especímenes a diferentes temperaturas y se grafica la cantidad de vueltas totales a las que se somete cada espécimen antes de romperse a cada temperatura. Así, la temperatura a la que ocurre la máxima cantidad de vueltas se convierte en la temperatura de forjado para la forjabilidad máxima. Se ha descubierto que el ensayo de torsión en caliente es útil, en especial para aceros. Defectos del forjado. Además del agrietamiento de la superficie durante el forjado, también se pueden desarrollar otros defectos debido al patrón de flujo del material en la matriz, como se describe en la figura 14.6 respecto del diseño de matrices. Por ejemplo, si no existe suficiente volumen de material para llenar la cavidad de la matriz, el alma se puede torcer durante el forjado y desarrollar pliegues (fig. 14.16a). Por otro lado, si el alma es demasiado gruesa, el exceso de material fluye nuevamente sobre las partes ya formadas de la forja y desarrolla grietas internas (fig. 14.16b).

3 El acero es una aleación de hierro que contiene entre 0.02 y 2.11% de carbono en peso. Frecuentemente se incluyen otros elementos aleantes como: manganeso, cromo, níquel y molibdeno, pero el contenido de carbono es el que convierte el hierro en acero. Existen cientos de composiciones disponibles en el mercado. Aceros al carbono y aleados Los aceros al carbono y aleados son uno de los metales más utilizados y tienen una amplia variedad de aplicaciones (tabla 5.1). Las composiciones y su procesamiento se controlan de manera que sean adecuados para numerosas aplicaciones. Se encuentran disponibles en diferentes formas básicas como placa, hojalata, cinta, barra, alambre, tubo, fundiciones y forjas.

Denominaciones de los aceros Tradicionalmente, el American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE) han denominado los aceros al carbono y aleados utilizando cuatro dígitos. Los dos primeros dígitos indican los elementos aleantes y sus porcentajes; y los dos últimos indican el contenido de carbono en peso. Las denominaciones de la American Society for Testing and Materials (ASTM) son otro sistema de numeración que incorpora las denominaciones de AISI y SAE e incluye especificaciones estándar para los productos de acero. Para los metales ferrosos, la denominación consiste en la letra “A” seguida de números arbitrarios (en general tres). Al sistema de numeración actual se le conoce como Sistema Unificado de Numeración (UNS, por sus siglas en inglés) y ha sido ampliamente adoptado por las industrias de metales ferrosos y no ferrosos. Consta de una letra que indica la clase general de la aleación, seguida de cinco dígitos que denominan su composición química. Las letras utilizadas para denominación son: G: para aceros AISI y SAE al carbono y aleados J: para aceros fundidos K: para aceros diversos y aleaciones ferrosas S: para aceros inoxidables y superaleaciones T: para aceros para herramientas Los ejemplos son: G41300 para acero aleado AISI 4130, y T30108 para acero para herramientas AISI A-8. Aceros al carbono Los aceros al carbono suelen clasificarse por su proporción (en peso) de contenido de carbono. En la tabla 5.2 se muestran las propiedades mecánicas generales de los aceros al carbono y aleados. La maquinabilidad, formabilidad y soldabilidad de dichos aceros se describen en diversos capítulos a lo largo de este texto.

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Acero al bajo carbono, también llamado acero dulce, tiene menos de 0.30% de C. Con frecuencia se utiliza para productos industriales comunes (como pernos, tuercas, hojas, placas y tubos) y para componentes de máquinas que no requieren alta resistencia. Acero al medio carbono, tiene de 0.30% a 0.60% de C. Generalmente se utiliza en aplicaciones que requieren una mayor resistencia que la disponible en los aceros al bajo carbono, como en maquinaria, partes de equipos automotores y agrícolas (engranes, ejes, bielas, cigüeñales), equipo ferroviario y partes de maquinaria para el trabajo de los metales. Acero al alto carbono, tiene más de 0.60% de C. En general, el acero de alto carbono se utiliza en partes que requieren resistencia, dureza y resistencia al desgaste, como herramientas de corte, cables, alambre musical, resortes y cuchillería. Después de formársele, usualmente se da tratamiento térmico y revenido a las partes. Cuanto más carbono tenga el acero, mayores serán su dureza, resistencia y resistencia al desgaste luego del tratamiento térmico. Los aceros al carbono que contienen azufre y fósforo se conocen como aceros al carbono resulfurizados (serie 11xx) y como aceros al carbono refosforizados y resulfurizados (serie 12xx). Por ejemplo, el acero 1112 es resulfurizado con un contenido de carbono de 0.12%. Estos aceros tienen una maquinabilidad mejorada.

Aceros aleados A los aceros con cantidades significativas de elementos aleados se les llama aceros aleados; por lo común se fabrican con mayor cuidado que los aceros al carbono. Los aceros aleados grado estructural se utilizan sobre todo en las industrias de la construcción y del transporte, debido a su mayor resistencia. Otros aceros aleados se usan en aplicaciones donde se requiere resistencia, dureza, resistencia a la termofluencia y a la fatiga, así como tenacidad. Estos aceros se pueden tratar térmicamente para obtener las propiedades deseadas. Aceros de alta resistencia y de baja aleación Para mejorar la relación resistencia a peso de los aceros se han desarrollado numerosos aceros de alta resistencia y de baja aleación (HSLA, por sus siglas en inglés), que tienen un bajo contenido de carbono (en general menos de 0.30%) y se caracterizan por una microestructura consistente en una fase de ferrita de grano fino y una segunda fase de martensita y austenita. Desarrollados a principios de la década de 1930, los aceros HSLA se producen por lo común en la forma de lámina mediante microaleación y laminado en caliente controlado. A partir de estos aceros se fabrican placas, barras y formas estructurales. Sin embargo, la ductilidad, formabilidad y soldabilidad de los aceros HSLA suelen ser inferiores a las de los aceros convencionales de baja aleación. Para mejorar estas propiedades, se han desarrollado los aceros bifásicos. Típicamente, las láminas de aceros HSLA se utilizan en partes de carrocerías automotrices y otros equipos de transporte (para reducir el peso, y de ahí, el consumo de combustible) y en minería, agricultura y diversas aplicaciones industriales. Las placas de HSLA se emplean además en barcos, puentes, construcción de edificios y para formas como vigas I, canales y ángulos que se usan en edificios y estructuras variadas.

Denominaciones. Tres categorías integran el sistema de denominaciones AISI para la lámina de acero de alta resistencia (tabla 5.3): la calidad estructural (S) incluye los elementos C, Mn, P y N; las aleaciones bajas (X) contienen Nb, Cr, Cu, Mo, Ni, Si, Ti, V y Zr, solos o combinados; los aceros resistentes al ambiente (W) tienen una resistencia a la corrosión ambiental casi cuatro veces mayor que la de los aceros convencionales al bajo carbono y contienen Si, P, Cu, Ni y Cr en diversas combinaciones. Además, la formabilidad de esta lámina de acero se clasifica mediante las letras F (excelente), K (buena) y O (regular).

Aceros microaleados. Estos aceros HSLA desarrollados recientemente proporcionan propiedades superiores y pueden eliminar la necesidad de tratamiento térmico. Tienen una microestructura de ferrita-perlita con partículas finas dispersas de nitruro de carbono. Aunque se han producido numerosos aceros microaleados, el característico es el que contiene 0.5% de C, 0.8% de Mn y 0.1% de V. Cuando se someten a un enfriamiento cuidadosamente controlado (por lo general en aire), estos materiales desarrollan una resistencia mejorada y uniforme. Comparados con los aceros al medio carbono, los aceros microaleados también pueden aportar ahorros de costos de hasta 10%, pues no se requieren los pasos de manufactura de temple, revenido y relevo de esfuerzos. Aceros nanoaleados. Actualmente en desarrollo, estos aceros tienen tamaños de grano muy pequeños (10–100 nm) y se producen mediante vidrios metálicos como precursores. El vidrio metálico se somete a un proceso de vitrificación (cristalización) cuidadosamente controlado, a una velocidad de nucleación muy alta, lo que produce finas fases a escala nanométrica. Aceros inoxidables Los aceros inoxidables se caracterizan por su resistencia a la corrosión, alta resistencia y ductilidad, así como por su elevado contenido de cromo. Se les llama inoxidables porque, en la presencia de

oxígeno (aire), desarrollan una delgada película de óxido de cromo, dura y adherente, que protege al metal de la corrosión (pasivación). Esta película protectora se vuelve a acumular en caso de que se raye la superficie; para que la pasivación ocurra, el contenido mínimo de cromo debe ser de 10% a 12% en peso. Además del cromo, otros elementos de aleación típicos de los aceros inoxidables son el níquel, molibdeno, cobre, titanio, silicio, manganeso, columbio, aluminio, nitrógeno y azufre. La letra L se utiliza para identificar los aceros de bajo carbono. A mayor contenido de carbono, menor será la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables, debido a que el carbono se combina con el cromo en el acero y forma carburo de cromo; la reducida disponibilidad de cromo reduce la pasividad del acero. De igual manera, el carburo de cromo introduce una segunda fase y, a partir de ahí, promueve la corrosión galvánica. (Las estatuas de los soldados en el Monumento a los Veteranos de la Guerra de Corea en Washington, D.C., están fundidas en acero inoxidable 316L). Desarrollados a principios de 1900, los aceros inoxidables se fabrican mediante hornos eléctricos o por el proceso básico de oxígeno y se procesan mediante técnicas similares a las utilizadas en otros tipos de producción de acero. El nivel de pureza se controla por medio de diversas técnicas de refinación. Los aceros inoxidables están disponibles en una amplia variedad de formas; las aplicaciones típicas incluyen cuchillería, equipos para cocina, para el cuidado de la salud y quirúrgico, y se usan en las industrias química, de procesamiento de alimento y del petróleo. Un uso reciente del acero inoxidable es como varilla de refuerzo (rebar) en concreto reforzado para algunas secciones de puentes, carreteras, edificios y otras formas de construcción, sobre todo en el ambiente marino. Las ventajas son: mejores propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión contra cloruros como la sal, así como contra el concreto en el que se embute la varilla. Aunque el costo inicial es elevado, se estima que, debido a los menores costos de mantenimiento, el acero inoxidable es más económico que las varillas de acero al carbono a lo largo de la vida útil de la estructura.Generalmente, los aceros inoxidables se dividen en cinco tipos: Austeníticos (series 200 y 300). En general, estos aceros están compuestos de cromo, níquel y manganeso en hierro. No son magnéticos y tienen excelente resistencia a la corrosión, pero son susceptibles al agrietamiento por esfuerzo-corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos se endurecen mediante el trabajo en frío. Son los aceros inoxidables más dúctiles y se pueden formar con facilidad, aunque su formabilidad se reduce con mayor trabajo en frío. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como los artículos de cocina, rios, construcción soldada, equipo ligero de transporte, partes para hornos e intercambiadores de calor, así como en componentes para ambientes químicos severos. Ferríticos (serie 400). Estos aceros tienen un alto contenido de cromo (hasta 27%), son magnéticos y poseen buena resistencia a la corrosión, pero su ductilidad es más baja que la de los aceros inoxidables austeníticos. Los ferríticos se endurecen mediante trabajo en frío y no se les puede dar tratamiento térmico. En general se utilizan en aplicaciones no estructurales, como equipo para cocina y guardafangos automovilísticos. Martensíticos (series 400 y 500). La mayoría de los aceros inoxidables martensíticos carecen de níquel y se endurecen mediante tratamiento térmico. Su contenido de cromo puede ser hasta de 18%, son magnéticos y tienen alta resistencia, dureza y resistencia a la fatiga, buena ductilidad y

resistencia moderada a la corrosión. Se utilizan comúnmente en cuchillería, herramientas quirúrgicas, instrumentos, válvulas y resortes. De endurecimiento por precipitación (PH, por sus siglas en inglés). Estos aceros contienen cromo y níquel, junto con cobre, aluminio, titanio o molibdeno. Tienen buena resistencia a la corrosión, ductilidad y alta resistencia a temperaturas elevadas. Se aplican principalmente en aeronaves y componentes estructurales aeroespaciales. De estructura dúplex. Estos aceros tienen una mezcla de austenita y ferrita. Poseen buena resistencia y una mayor resistencia a la corrosión (en la mayoría de los ambientes) y al agrietamiento por esfuerzo-corrosión que los aceros austeníticos de la serie 300. Se aplican sobre todo en plantas de tratamiento de aguas y en componentes de intercambiadores de calor. Aceros para matrices y herramentales Los aceros para matrices y herramentales son aceros aleados especialmente diseñados para alta resistencia, tenacidad al impacto y resistencia al desgaste a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Se utilizan por lo común en el formado y maquinado de metales (partes III y IV). Aceros de alta velocidad Los aceros de alta velocidad (HSS, por sus siglas en inglés) son los aceros para herramentales y matrices con mayores aleaciones. Desarrollados a principios de 1900, mantienen su dureza y resistencia a elevadas temperaturas de operación. Existen dos tipos básicos de aceros de alta velocidad: el tipo molibdeno (serie M) y el tipo tungsteno (serie T). La serie M contiene hasta 10% de molibdeno, con cromo, vanadio, tungsteno y cobalto como otros elementos de aleación. La serie T contiene de 12% a 18% de tungsteno, con cromo, vanadio y cobalto como otros elementos de aleación. Los aceros de la serie M por lo general tienen una mayor resistencia a la abrasión que los de la serie T, sufren menos distorsión durante el tratamiento térmico y su costo es menor. La serie M constituye casi 95% de todos los aceros de alta velocidad producidos en Estados Unidos. Las herramientas de acero de alta velocidad se pueden recubrir con nitruro de titanio y con carburo de titanio para mejorar la resistencia al desgaste. Aceros para matrices Los aceros para trabajo en caliente (serie H) están diseñados para usarse en temperaturas elevadas. Tienen una alta tenacidad, así como una gran resistencia al desgaste y al agrietamiento. En general, los elementos de aleación son tungsteno, molibdeno, cromo y vanadio. Los aceros para trabajo en frío (series A, D y O) se utilizan en operaciones de trabajo en frío; están disponibles en los tipos templables al aceite y al aire. Los aceros resistentes al impacto (serie S) se diseñan para tener tenacidad al impacto y se utilizan en aplicaciones como matrices para cabeceado, punzones y cinceles. Otras propiedades de estos aceros dependen de su composición en particular. En la tabla 5.7 se presentan diversos materiales para herramentales y matrices para una variedad de aplicaciones de manufactura.