UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADASESPE - EXTENSIÓN LATACUNGA

 DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ 

ASIGNATURA: DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINA

 TEMA: ACEROS, HIERRO, METALES PULVERIZADOS, ALUMINIO  INTEGRANTES: RECALDE RENÉ

JOHN SÁNCHEZ BYRON TOAPANTADAVID TAIPECARLOS CEPEDA LISETH QUISHPE

LATACUNGA - ECUADORDOCENTE: Ing. Guido Torres

Objetivos:• Describir y conocer los diferentes tipos de aceros

para herramientas así como sus usos típicos.

• Describir los hierros colados y varias clases de hierro gris, hierro dúctil y hierro maleable.

• Describir los metales pulverizados, sus propiedades y usos.

• Describir las aleaciones de aluminio y condiciones de endurecimiento por la deformación y tratamiento térmico.

ACEROS PARA HERRAMIENTAS

El término Acero para herramientas se refiere a un grupo de aceros que se usan para fabricar herramientas de corte.

• Punzones

• Matrices

• Hojas cortantes

• Cinceles, etc.

La mayor parte de los aceros para herramientas se relacionan con los usos del campo de la Ingeniería de manufactura pero también pertenecen al diseño de máquinas.

Ejemplo de los tipos de aceros para herramientas

AISI: American Iron and Steel Institute (Instituto americano del hierro y el acero)

   Tipos

específicos Ejemplos  

Tipo general

Símbolo del tipo

Principales elementos

de aleación

Num AISI

Num UNS

Usos típicos (otras aleaciones comunes)

Alta velocidad M Molibdeno M2 T11302

Aceros para herramientas con uso general en herramentas de corte y matrices para forja, extrusión, doblez, estirado y penetrado.

  M10 T11310  M42 T11342

   T Tugsteno T1 T12001 Semejantes a los usos de

tipo M (T2, T4, T5, T6, T8)         

El sistema UNS es alfanumérico siendo el prefijo una letra que describe las clases de aleaciones y los dígitos que incorporan los dígitos SAE y otras características de las aleaciones.

UNS: Unified Numbering System (Sistema unificado de numeración)

Los aceros para herramientas tienen una resistencia bastante alta al choque, ventajoso en componentes de máquinas como:• Piezas para embragues mecánicos.• Trinquetes• Cuchillas• Guías para partes en movimiento• Pinzas (Tipo S, L, F, W)

Para el diseño de máquinas las herramientas tendrán la capacidad de mantener un borde agudo bajo condiciones abrasivas.

USO: Estructuras de máquina, los engranes grandes, soportes, piezas de eslabonamiento y demás piezas importantes de máquinas

HIERRO COLADO

PROPIEDADES:Los diversos tipos disponibles abarcan amplios márgenes de resistencia ductilidad, facilidad de maquinado, resistencia al desgaste y costo. Estas propiedades son atractivas para muchas aplicaciones.

CLASIFICACIÓN DEL HIERRO COLADO

Fuente: Diseño de elementos de máquinas, Robert Mott

Se consigue en grados cuya resistencia a la tensión va de 20 000 a 60 000 psi (138 a 414 MPa).

Su resistencia última a la compresión es mucho mayor, tres a cinco veces mayor que la de tensión.

Una desventaja del hierro gris es que es frágil y, en consecuencia, no se debe usar en aplicaciones donde probablemente haya cargas de impacto.

Pero tiene una excelente resistencia al desgaste, es relativamente fácil de maquinar, tiene buena capacidad para amortiguar la vibración y se puede endurecer superficialmente.

Entre sus aplicaciones están los bloques de motores, engranes, piezas de frenos y bases de máquinas.

Los hierros grises se evalúan con la especificación A48-94 de ASTM, en clases 20, 25, 30, 40, 50 y 60, donde el número indica la resistencia indica a la tensión en kips/pulg2 (ksi). Ejemplo, el hierro gris clase 40 tiene una resistencia mínima a la tensión de 40 ksi o 40 O00 psi (276 MPa). Como es frágil, el hierro gris no tiene la propiedad de resistencia de fluencia.

EL HIERRO GRIS

Es un grupo de hierros colados térmicamente tratables, con resistencia de moderada a alta, alto módulo de elasticidad (rigidez), buena maquinabilidad y buena resistencia al desgaste.

La designación de cinco dígitos indica aproximadamente la resistencia de fluencia y la elongación porcentual esperada del material.

Ejemplo, el grado 40010 tiene una resistencia de fluencia de 40 ksi (276 MPa) y una elongación del 10%.

Con el tratamiento térmico, se obtienen mayores resistencias.

EL HIERRO MALEABLE

Tienen mayores resistencias que los grises y, como indica el nombre, son más dúctiles, sin embargo, su ductilidad es todavía mucho menor que la de los aceros típicos.

En las especificaciones ASTM A536-84 se maneja una designación del grado mediante tres partes. El primer número indica la resistencia de tensión en ksi, el segundo es la resistencia de fluencia en ksi y el tercero es la elongación porcentual aproximada.

Ejemplo, el grado 80-55-06 tiene una resistencia de tensión de 80 ksi (552 MPa), una resistencia de fluencia de 55 ksi (379 MPa) y una elongación de 6% en 2.00 pulg.

Las partes coladas con mayor resistencia como los cigüeñales y engranes, se fabrican con hierro dúctil.

LOS HIERROS DÚCTILES

(ADI, de austempered ductile iron) es un hierro dúctil aleado y tratado térmicamente.

La norma 897-90 de ASTM menciona cinco grados de ADI, cuya resistencia a la tensión va de 125 ksi (850 MPa) a 230 ksi (1600 MPa).

Las resistencias de fluencia van de 80 ksi (550 MPa) a 185 ksi (1300 MPa).

La ductilidad disminuye al aumentar la resistencia y la dureza, y los valores del porcentaje de elongación disminuyen en el intervalo aproximado de 10 a 1%.

El ADI comienza como un hierro dúctil convencional con un control cuidadoso de la composición y del proceso de colado, y se obtiene una buena fundición íntegra y libre de huecos.

EL HIERRO DÚCTIL AUSTENPLADO O HIERRO DÚCTIL CON TEMPLE AUTENTICO

Se agregan pequeñas cantidades de cobre, níquel y molibdeno para mejorar la respuesta del metal al ciclo especial de tratamiento térmico, se calienta a la temperatura de austenitización (1550 a 1750 °F u 843 a 954 °C), dependiendo de la composición, se conserva a esta temperatura de una a tres horas, para que el material se vuelva totalmente austenítico. Sigue un temple rápido en un medio de 460 a 750 °F (238 a 400 °C), y la fundición se conserva a esta temperatura de media a cuatro horas. Es la parte del austemplado del ciclo donde todo el material se convierte en una mezcla, en su mayor parte de austenita y ferrita o ausferríta. Es importante que durante este ciclo no se formen ni perlita ni bainita. Después se deja enfriar la pieza hasta la temperatura ambiente.

PROCESO

Fig. : Ciclo de tratamiento térmico para el hierro dúctil austemplado (ADI)Fuente: Diseño de elementos de máquinas, Robert Mott

Tiene atractivas propiedades que permiten su empleo en equipos de transporte, maquinaria industrial y otras aplicaciones donde el bajo costo, buena maquinabilidad, gran amortiguamiento de vibración buena resistencia al desgaste y colado a la forma neta aproximada, son apreciables ventajas.

Como ejemplo están los engranes de tren de impulsión, piezas de juntas de velocidad constante y los componentes de la suspensión.

APLICACIONES

Fig : Maquinaria IndustrialFuente:www.tecnicaproductiva.com

La metalurgia de polvos es un proceso de producción en masa donde se emplean polvos de un solo metal,

varios metales o una mezcla de metales y no metales.

Proceso: Se compacta en matrices a altas presiones que después se calienta a una temperatura alta (sinterizado) para fundir el polvo y formar una masa uniforme

A veces se hace un segundo prensado, para mejorar las propiedades o la exactitud dimensional de la pieza.

Sirven para fabricar piezas o elementos mecánicos mediante metalurgia de polvos

METALES PULVERIZADOS O EN POLVO

POLVOS

PROCESO

PROPIEDADES

TamañoFormaFabricación

MicroestructuraQuímicaManejo

MoldeExtrusión

SinterizadoForjaCompactación

DensidadDuctilidadMagnético

DurezaConductividadMicroestructura

Fig : Materiales PulverizadosFuente:www.dreamstime.com

Características de los polvos

• Forma

• Finura, micras (36 - 850µm)

• Distribución

• Fluidez

• Propiedades químicas

• Compresibilidad

• Densidad

• Sinterización

Preparación de polvos

• Polvos de metales

• No metales

• Aleaciones (óxidos nitruros,

carburos)• Hierro, cobre, aluminio, níquel,

titanio, cromo, aceros, inoxidables, grafito, silicio, etc.

• Refractarios como el tungsteno, tantalio y molibdeno.

• Combinaciones de metales y

cerámicos.

Obtención de los Polvos

Generalmente se realiza de metales puros, principalmente hierro, cobre, estaño, aluminio, níquel y titanio, aleaciones como latones, bronces, aceros y aceros inoxidables o polvos pre-aleados.

Condensación de vapores metálicos. Aplicable en metales que pueden hervir condensando el vapor en forma de polvo (magnesio, cadmio y zinc).

Atomización en estado líquido. El metal fundido se vierte a través de un embudo refractario en una cámara de atomización, haciéndole pasar a través de chorros de agua pulverizada

Pulverización mecánica. Útil en metales frágiles. Se muele el metal o se lima y se lleva a través de un gas, separándose el metal del gas en una corriente turbulenta dentro de un separador ciclónico.

Fig : Atomización en estado líquidoFuente:cristianorlando-technician.blogspot.com

Fig : Centrifugación Fuente:www.dirind.com

Métodos de producción de polvos

Fig : Métodos de producción de polvosFuente:www.cec.uchile.cl

Matriz y compactación de polvos

Fig : Matriz y comparación de polvosFuente:www.cec.uchile.cl

Proceso de sinterizado

Dosificación y mezcla

Generalmente, para obtener las características requeridas será necesario mezclar polvos de tamaños y composiciones diferentes. Igualmente se puede añadir aditivos que actúen como lubricantes durante el compactado o aglutinantes que incrementen la resistencia del compactado crudo.

La mayoría de los polvos metálicos tienden a reaccionar con el oxígeno del ambiente generando así una flama en la mayoría de los casos, además de otros como el magnesio que es explosivo, por lo que deberán manejarse con precaución, y para contenerlos (los polvos) se utilizan normalmente cuartos de ambientes controlados.

LAS PIEZAS QUE SE FABRICAN TÍPICAMENTE CON METALES EN POLVO

• Engranes

• Levas

• Excéntricas

• Cojinetes impregnados con aceite,

• Filamentos de lámparas incandescentes

• Imanes permanentes

• Puntas de carburo cementado para herramientas

• Diversas partes de maquina con orificios o proyecciones de

forma especial

Ventajas de las piezas pulverizadas

Eliminación de chatarra o material de

desperdicio

Eliminación de operación de maquinado

Bajo costo unitario cuando se producen en

masa

• Control exacto de la composición

Desventajas de las piezas pulverizadas

Suelen ser frágiles.

Alto costo de las matrices

Propiedades físicas más pobres

Limitaciones en el diseño

Rango limitado de materiales que pueden

utilizarse

MPIF: Metal Poder Industries Federation (Federación de la Industria de Metales en Polvo )

Fuente: Penton Publish Co, Machine Desingn Magazine Materials, Manufacturing and Assembly Reference Volume. Vol 61. No. 3.

Designación Resistencia a la traccion Resistencia a punto cedente Ductibilidad Módulo de elasticidad Resistencia al impactoMPFI Ksi MPa Ksi Mpa elongación en 2 pulgadas 10E6psi Gpa pie-lbHierroF-0000-10 18 124 13 90 2.0 10.5 72 3.0F-0000-15 25 172 18 124 5.0 16.0 110 9.5Acero al medio carbón F-0005-20 32 221 23 156 1.0 16.5 114 4.0F-0005-50 HT 60 414 57 393 0.5 16.5 114 3.0Acero al medio carbon on 2% de niquelFN-0205-25 50 345 30 207 1.0 18.5 128 12.0FN-0205-105 HT 120 827 120 827 0.5 18.5 128 4.5

USO: APLICACIONES ESTRUCTURALES Y MECÁNICAS

ALUMINIO

PROPIEDADES:• BAJO PESO

BUENA RESISTENCIA A LA CORROSIÓNFACILIDAD RELATIVA DE FORMADO Y MAQUINADOAPARIENCIA AGRADABLESDENSIDAD TERCERA PARTE DEL ACERO

DESIGNACIÓN ESTANDARIZADA POR LA ASOSIACIÓN DEL ALUMINIO (AA)

Sistema de cuatro dígitos:Primero: tipo de aleaciónSegundo: si es distinto de cero, indica modificaciones de otra aleación o límites de las impurezas en la aleación.

Aluminio – cobre 2XXX

Fuente: http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Tabla13-8.jpg

Propiedades mecánicas y aplicaciones de algunas aleaciones comerciales de aluminio.

GRUPO DE ALEACIONES DEL ALUMINIO

FUENTE: Robert L. Mott, P. E. ”Diseño de elementos de máquinas”, Cuarta edición

Familia de aluminio Designación

Aluminio puro, 99% mínimo 1xxx

Aluminio-Cobre 2xxx

Aluminio-Manganeso 3xxx

Aluminio-Silicio 4xxx

Aluminio-Magnesio 5xxx

Aluminio-Magnesio-Silicio 6xxx

Aluminio-Zinc 7xxx

Otros elementos, Al-Sn, etc. 8xxx

Designación

Subdivisión

Tratamiento

F   Material tal como se ha fabricado. Sin control en el endurecimiento por deformación.

O   Recocida y recristalizada. Endurecimiento con mínima resistencia y máxima ductilidad.

H   Endurecimiento por deformación, trabajada en frío.   

H1Endurecido solo por deformación. El grado de endurecimiento se indica mediante un segundo dígito, H12, hasta el endurecimiento total, H18, que proporciona aproximadamente una reducción del 75%.

   H2

Endurecido por deformación y recocido parcial. Igualmente se indica con un segundo digito el nivel de trabajo en frio.

T   Tratado térmicamente, endurecida por precipitación.  T4 Tratada por solución y envejecida naturalmente.   

T5Enfriada desde la temperatura de fabricación y envejecida artificialmente.

  T6 Tratada por solución y envejecida artificialmente.   

T8Tratada por solución, trabajada en frio y envejecida artificialmente.

Designaciones del grado de endurecimiento de las aleaciones de aluminio.

Fuente: http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Tabla13-10.jpg

Al99%

•Resistencia a la corrosión, utilizada en la industria química, alimentaria y criogénica.•1050 (AA) (0) suministrado recocido

Al - Mn •Mejor resistencia mecánica, corrosión, soldabilidad.•3003 (AA) útiles de cocina

Al - Mg •Máxima resistencia a la corrosión, soldabilidad.•5754 (AA) carrocerías de automóviles, vagones de ferrocarril, buques, industria alimentaria

carrocerías de automóviles

Al-Cu •Elevada resistencia mecánica, baja resistencia corrosión, poca soldabilidad.•2024 (AA) fuselaje de aviones, chasis de vehículos pesados.

Al – Mg - Si •Conformabilidad, soldabilidad, resistencia mecánica y corrosión.•6063 (AA) perfiles de puertas, ventanas, cierres metálicos

Al - Zn •Mayor resistencia mecánica, corrosión y baja soldabilidad.•7049 (AA) Aviación, armamento y tornillería de alta resistencia

chasis de vehículos pesados

OTRAS ALEACIONES DE ALUMINIO COMUNES Y SUS APLICACIONES

Tabla 2-7. Aleaciones de aluminio comunes y sus aplicaciones Aleación Aplicaciones Formas

1060 Equipos químicos y tanques Lámina, placa, tubo 1350 Conductores eléctricos Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre,

perfiles2014 Estructuras de avión y armazones de

vehículoLámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, tubo, perfiles, piezas forjadas

2024 Estructuras de avión, ruedas, piezas de máquinas

Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, tubo, perfiles, remaches

2219 Piezas sometidas a altas temperaturas (hasta 600 °F)

Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, tubo, perfiles, piezas forjadas

3003 Equipo químico, tanques, utensilios de cocina, piezas arquitectónicas

Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, tubo, perfiles, remaches, piezas forjadas

5052 Tubos hidráulicos, electrodomésticos, fabricaciones con láminas

Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, tubo, perfiles, remaches

6061 Estructuras, armazones y piezas de vehículos, usos marinos

Todas la formas

6063 Muebles, herrajes arquitectónicos Tubo, perfiles extruidos

7001 Estructuras de alta resistencia Tubo, perfiles extruidos7075 Estructuras de aviones y para trabajo

pesado Todas la formas, excepto tubos

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN(O endurecimiento por deformación en frío o por trabajo)Es el trabajo en frío, controlado, de la aleación, donde con mayor trabajo aumenta la dureza y resistencia, mientras disminuye la ductilidad.

TEMPLES DISPONIBLES COMUNES

F: (Como se fabricó). Es el material tal como sale del proceso de fabricación.O: (Recocido). Tratamiento térmico que produce el estado mas suave y de menor resistencia.H: (Endurecido por deformación). Un proceso de trabajo en frio bajo condiciones controladas.Mejora las propiedades para las aleaciones de los grupos:

1xxx 3xxx 5xxx(H12, H14, H16, H18) Indican resistencias cada vez mayores.

T: (Con tratamiento térmico). Serie de procesos controlados de calentamiento y enfriamiento.

Aplican: 2xxx 4xxx 6xxx 7xxx

T4: Productos mecánicos

T6: Estructurales

Aleación y tratamiento

Resistencia a la tensión Resistencia de fluencia ductilidad (porcentaje de elongación en 2

pulgadas)

Resistencia al corte Resistencia a la fatiga

(Ksi) (MPa) (Ksi) (MPa) (Ksi) (MPa) (Ksi) (MPa)

160-O 10 69 4 28 43 7 48 3 21

1060-H14 14 97 11 76 12 9 62 5 34

1060-H18 19 131 18 124 6 11 121 6 41

1350-O 12 83 4 28 28 8 55

1350-H14 16 110 14 97 10 69

1350-H19 27 186 24 165 15 103 7 48

2014-O 27 186 14 97 18 18 124 13 90

2014-T4 52 427 42 290 20 38 262 20 138

2014-T6 70 483 60 414 13 42 290 18 124

2024-O 27 186 11 76 22 18 124 13 90

2024-T4 68 469 47 324 19 41 283 20 138

2024-T361 72 496 57 393 12 42 290 18 124

2219-O 25 172 11 76 18

2219-T62 60 414 42 290 10 15 103

2219-T87 69 476 57 393 10 15 103

3033-O 16 110 6 41 40 11 121 7 48

3003-H14 22 152 21 145 16 14 97 9 62

3003-H18 29 200 27 186 10 16 110 10 69

5052-O 28 193 13 90 30 18 124 16 110

5052-H34 38 262 31 214 14 21 145 18 124

5052-H38 42 290 37 255 8 24 165 20 138

6061-O 18 124 8 55 30 12 83 9 62

6061-T4 35 241 21 145 25 24 165 14 97

6061-T6 45 310 40 276 17 30 207 14 97

6063-O 13 90 7 48 10 69 8 55

6063-T4 25 172 13 90 22

6063-T6 35 241 31 214 12 22 152 10 69

7001-O 37 255 22 152 14

7001-T6 98 676 91 627 9 22 152

7075-O 33 228 15 103 16 22 152

7075-T6 83 572 73 503 11 48 331 23 159

BIBLIOGRAFIA

[1] ROBERT L. MOTT, P.E (2006) Diseño de elementos de máuquina. Pearson,

México: SAE Internacional.

[2] “Aluminio”, [En línea]. Disponible en:

http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/fcm13_4.html