Mecanizado de aceros al carbono: Factores importantes

Encuentre aquí los factores importantes sobre el mecanizado de aceros al carbono, propiedades mecánicas, maquinabilidad. Ideales para talleres de partes complejas, diseñadas con precisión.

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Los aceros son metales con base ferrosa a la cual se han añadido otros elementos químicos. La adición de estos elementos puede crear nuevos constituyentes en el metal, que afectan sus propiedades mecánicas (dureza, resistencia a la tensión y a la fluencia, ductilidad) y la maquinabilidad. Los aceros son considerados al carbono cuando no se especifica el contenido mínimo de elementos químicos, que incluyen aluminio, cromo, cobalto, columbio, molibdeno, níquel, titanio, tungsteno o vanadio para el efecto de aleación; cuando el mínimo especificado para cobre es 0,40 o menos, y cuando no se exceden los límites para los siguientes elementos: manganeso (1,65%), silicio (0,6%) y cobre (0,6%).

Acero al carbono

Si la designación del grado de un acero comienza con ´1´, hay posibilidades de que sea un acero al carbono. Los aceros serie 10XX (donde XX o los últimos dos dígitos representan el promedio o contenido medio de carbono del grado) son grados de carbono plano.

Los aceros 11XX son grados resulfurizados y aceros de libre mecanizado. Los aceros 12XX, resulfurizados y refosforizados son los mejores grados para mecanizado. Los aceros serie 15XX contienen alto manganeso, más de 1%; la serie 13XX tiene aún mayor contenido de manganeso y es la única excepción a la regla de que el "1 es el primer dígito que significa acero al carbono". Los aceros 13XX (manganeso mayor de 1,6%) son considerados aleaciones.

Composición química de acero al carbono

El hecho de que el sistema para nombrar aceros esté basado en la composición química muestra la importancia de los factores químicos en las propiedades, incluida la maquinabilidad de estos aceros. La incorporación del contenido medio de carbono en los dos últimos dígitos de la designación del grado muestra la importancia del carbono como el determinante principal de las propiedades del grado del acero.

Grados del acero 

Los grados 1008 (0,08 de carbono medio), 1018 (0,18 de carbono medio) y 1045 (0,45 de carbono medio) son aceros al carbono, pero tienen propiedades significativamente diferentes. El grado 1008 tiene alta ductilidad por su bajo contenido de carbono y es mejor para extrusión y conformado en frío que para mecanizado.

El 1018 es un grado común usado para muchas aplicaciones generales, incluida la soldadura, y se selecciona a menudo por su bajo costo. El grado 1045 es seleccionado frecuentemente por su alta resistencia y sus propiedades mecánicas, mientras que su contenido de carbono dificulta que sea soldado sin técnicas especiales; el 1045 es común para ejes y otras partes de transmisión de potencia.

Con microscopio puede verse la estructura que resulta a mayor contenido de carbono. El carbono forma una fase más oscura y más dura llamada perlita, compuesta de ferrita entremezclada con capas de carburo de hierro, un constituyente muy duro. El incremento en esta fase de perlita, influida por el contenido de carbono, explica el incremento en las propiedades mecánicas del acero, especialmente en la dureza. Con más de 0,60 de carbono en aceros al carbono planos, se usa un tratamiento térmico llamado revenido para modificar la microestructura y reducir la dureza del acero.

El carbono tiene un papel principal en la maquinabilidad de los aceros al carbono planos, básicamente por su efecto en las propiedades mecánicas generales como dureza, resistencia a la tensión, fluencia y ductilidad.

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Azufre en acero al carbono

Un acero con maquinabilidad óptima es lo suficientemente suave como para formar con facilidad una viruta y lo suficientemente frágil para permitir que la viruta se rompa y se separe. Esto resulta en una vida mayor de la herramienta y un acabado superficial superior. Los aceros 11XX, llamados aceros resulfurizados, emplean adiciones de azufre y manganeso para tratar de crear este material suave y frágil para piezas de trabajo.

El azufre se combina con el manganeso para formar una sustancia de inclusión sólida pero no metálica llamada sulfuro de manganeso. El sulfuro de manganeso, que actúa como discontinuidades en el acero, proporciona sitios de nucleación para que la viruta se rompa.

La serie 11XX de acero tiene más azufre y manganeso que los grados 10XX, y ofrece mayor maquinabilidad por los sulfuros de manganeso resultantes del incremento en el contenido de manganeso y azufre (el manganeso se añade para unir el azufre y prevenir que reaccione con el hierro en el acero, formando sulfuros de hierro o piritas frágiles a las temperaturas de laminado del acero).

Estas inclusiones de sulfuro de manganeso son visibles al microscopio, generalmente alargadas y distribuidas por todo el acero. Un beneficio adicional provisto por estos sulfuros es su papel en la retención del filo adherido en la herramienta, influido por las propiedades antisoldadura del sulfuro de manganeso.

Acero al carbono estirado en frio

En el laminado en caliente, condición de rolado, los aceros al carbono planos tienen normalmente las propiedades mecánicas mostradas en las entradas de laminado en caliente (HR). La mayoría de barras para mecanizado son roladas en frío, lo cual incrementa su resistencia a la tensión y a la fluencia y su dureza, y reduce la ductilidad, medida como porcentaje de elongación y porcentaje en la reducción de área.

Las propiedades del estirado en frío se muestran en la línea denominada CD para cada uno de los tres grados. La línea de cambio en el porcentaje muestra el efecto en porcentaje del trabajo en frío sobre las propiedades mecánicas del acero.

El estirado en frío es un proceso de varios pasos, en el cual las barras se limpian primero con un chorro abrasivo para remover la capa de óxido altamente abrasiva, luego se reducen en frío al halarlas a través de un dado de carburo más pequeño que el diámetro inicial de las barras, resultando en una cantidad uniforme de trabajo en frío que se imparte a las barras (es llamado "estirado en frío" porque no se añade calor deliberadamente en el proceso). Después del estirado, las barras se enderezan y se cortan a longitud con sierra o cizalla antes de ser empacadas para envío.

Introducción de los grados 12XX

Ya vimos que los aceros al carbono planos alcanzan una maquinabilidad óptima (categoría de producción cercana a 35% del recorrido de la herramienta por minuto del grado 1212) y dureza en el rango de 125 a 140 BHN. También vimos cómo la adición de azufre (y manganeso) puede mejorar la maquinabilidad del acero.

El trabajo en frío, por estirado en frío, puede mejorar las propiedades mecánicas del acero, e incrementar su resistencia, eliminar la gomosidad. En los aceros serie 12XX, todas estas soluciones se combinan con el fin de hacer un producto optimizado para el mecanizado:

Combinaciones de aceros al carbono para mejor mecanizado

Bajo carbono:

El 12L14 se funde generalmente hasta obtener un carbono máximo de 0,15; el 1215 se funde generalmente hasta 0,09 máximo para no sobrepasar la dureza deseada después del estirado en frío.

Elementos de trabajo en frío:

se añade manganeso, fósforo y, algunas veces, nitrógeno para mejorar la respuesta de estos grados al esfuerzo por el estirado en frío. Estos elementos para endurecimiento permiten realizar avances más pesados y, así, obtener mayores tasas de producción en el taller.

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Con plomo o sin plomo

Para obtener la máxima producción en las máquinas automáticas, se usan normalmente adiciones de plomo, bismuto, selenio y telurio. La consolidación en la industria mundial de acero ha hecho del plomo y el bismuto las opciones más ampliamente disponibles. Sin embargo, otro acero "sin plomo", llamado 12T14, está disponible en Laurel Steel (Ontario, Canadá). Este acero usa estaño como adición para mejorar la maquinabilidad.

La adición de plomo al acero mientras continúa en estado líquido, conduce a que el plomo sea depositado como partícula de plomo metálico, puro en las cabezas y las colas, de los sulfuros de manganeso dispersadas por todo el acero.

El plomo puro es más suave que el acero y tiene un coeficiente de fricción comparable al del lubricante de grafito. Debido a su papel como lubricante interno, el plomo permite que el acero sea mecanizado a mayores velocidades que su contraparte sin plomo.

Se ha establecido fuertemente que el plomo promueve la maquinabilidad del acero, pero la contribución relativa del plomo comparada con el azufre es poco conocida. Por ejemplo, el grado 1117 es casi idéntico al 1018, excepto por el manganeso y el azufre.

El incremento en la tasa de producción (medida en pulgadas de recorrido de la herramienta por minuto) de 33% es atribuible al incremento de azufre. Añadir plomo al 1018 para obtener el 10L18 incrementa la tasa de producción en 27%, mientras que la adición de plomo al 1117 resulta en una categoría de producción 65% más alta que la del 1018.

Estas diferencias en la tasa de composición del acero, muestran que hay dos mecanismos diferentes involucrados. La adición de azufre controla el filo adherido en la herramienta, de modo que la temperatura máxima durante el corte está más en el filo adherido que en la herramienta, lo cual promueve una vida más larga de la última y velocidades y avances más altos.

Un examen más riguroso de las virutas mostrará que ellas son más delgadas en aceros resulfurizados, demostrando que el endurecimiento por deformación causado por la herramienta disminuye. El endurecimiento por deformación cuenta hasta por 75% del calor involucrado en el corte.

Por otro lado, el plomo actúa como un lubricante interno, que reduce la fricción y resulta en una mejora mucho menos significativa en la producción por mecanizado. A medida que se han desarrollado otros medios tecnológicos para remover el calor durante el mecanizado (refrigerantes a alta presión y alta velocidad, por ejemplo), la importancia del plomo deja de ser tan crítica como alguna vez lo fue.

En el acero 12T14 se piensa que el aditivo de estaño promueve la maquinabilidad por su segregación en las fronteras de grano del acero. Esto permite que los granos se separen con menores fuerzas y menos energía durante el mecanizado que los aceros similares, pero sin tratamiento de estaño.

Mientras que las velocidades y los avances para el 12T14 no son consistentemente iguales a aquellas del 12L14, varios miles de toneladas han sido vendidas para aplicaciones que se especifican sin plomo y tasas de producción más altas que las obtenidas normalmente con el 1215. 

Aceros al carbono bajo ELV, RoHS y WEEE

Varios talleres norteamericanos de máquinas han comenzado a recibir requerimientos de sus clientes con el fin de certificar sus partes mecanizadas en acero, para cumplir los requerimientos de las directivas ELV (End of Life Vehicles) de la Unión Europea, RoHS (Restricción de sustancias peligrosas) y WEEE (Equipo eléctrico y electrónico de desecho).

Estas directivas pretenden prohibir el plomo, pero cada una permite en realidad que el plomo sea un "elemento de aleación" hasta 0,35% en aceros, de acuerdo con las declaraciones de excepción y los anexos. Mientras la certificación de material muestre un porcentaje de plomo entre 0,15 y 0,35, las partes de acero cumplen estas directivas. 

Maquinabilidad general de aceros al carbono

La maquinabilidad de aceros al carbono se determina por varios factores. La microestructura, el trabajo en frío y el contenido de carbono, azufre, manganeso, fósforo, nitrógeno y plomo, todos desempeñan un papel para mejorar la productividad por mecanizado. Como regla general, los contenidos de azufre más altos promueven mayores avances, reducen el endurecimiento por deformación de la viruta y mantienen un filo adherido consistente en la herramienta.

La adición de plomo permite velocidades más altas ya que su acción lubricante reduce la fricción, y de este modo, el calor. Ambos mecanismos prolongan la vida de la herramienta. Para aplicaciones que no requieren plomo, el 1215 o un grado serie 12XX con contenido de estaño (12T14) puede ser apropiado.

Cuando el mecánico se pregunta por qué parece haber tanta variación entre lotes diferentes o grados de aceros, la variación que podría ocurrir en cualquiera de los factores discutidos puede darle un punto inicial para entenderlo.