Aceros de Construcción 2022-2023 PDF

4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN. TEMA 4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN 4.1. Aceros al carbono. 4.2. Aceros dulces. 4.3. Aceros microaleados (HSLA). 4.4. Aceros de fase dual (DPLA). 4.5. Aceros de cementación. 4.6. Aceros de nitruración. 4.7. Aceros de construcción tratados térmicamente. 4.8. Aceros...

4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN. TEMA 4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN 4.1. Aceros al carbono. 4.2. Aceros dulces. 4.3. Aceros microaleados (HSLA). 4.4. Aceros de fase dual (DPLA). 4.5. Aceros de cementación. 4.6. Aceros de nitruración. 4.7. Aceros de construcción tratados térmicamente. 4.8. Aceros de ultra alta resistencia (UHSS). 4-1  4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN Aceros de construcción.  Aceros que se utilizan en la fabricación de diferentes piezas y componentes de máquinas, equipos, instalaciones y construcciones en general, como elementos estructurales con capacidad para soportar las cargas y solicitaciones mecánicas del servicio.  Características principales:  deben garantizar unas buenas propiedades mecánicas (límite elástico, resistencia a tracción, alargamiento a rotura, tenacidad, resistencia a fatiga);  Deben poseer buena conformabilidad y facilidad de fabricación.  Son aceros con contenido en carbono medio/bajo (%C < 0,6, habitualmente) y de baja o media aleación (% total de aleantes < 5%). 4-2  4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN  Normativa básica general aplicable.  UNE-EN 10020:2001 Definición y clasificación de los tipos de aceros.  Sustituye a la norma española UNE 36010.  UNE EN 10027-1: 2017 Designación simbólica de aceros.  UNE EN 10027-2: 2017 Designación numérica de aceros.  Sustituyen a la norma española UNE 36009.  Designación simbólica. Aceros designados en función de su composición química.  C (aceros no aleados con contenido medio de Mn inferior al 1%)  X (aceros aleados con contenido en peso de algún elemento de aleación igual o superior al 5 %)  HS (aceros rápidos)  S (aceros no aleados con contenido medio en Mn igual o superior al 1%, aceros no aleados de fácil mecanización y aceros con contenido en peso de cada elemento de aleación inferior al 5 %).  En cada caso la letra correspondiente a cada tipo irá seguida de valores numéricos que expresen en tanto por ciento el contenido de los elementos fundamentales de cada tipo de acero. 4-3  4. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN  Designación simbólica. Aceros definidos por su aplicación o sus características mecánicas o físicas.  B (aceros para hormigón armado)  D (productos planos para deformación en frío)  E (aceros para construcción mecánica)  H (productos planos laminados en frío de acero de alta resistencia)  L (aceros para tuberías)  M (aceros para aplicaciones eléctricas)  P (aceros para recipientes a presión)  R (aceros para carriles)  S (aceros para construcción metálica)  T (productos para embalajes)  Y (aceros para pretensado)  En cada caso la letra correspondiente a cada tipo irá seguida de un número indicativo de una característica mecánica (límite elástico), y el grado:  Grado JR: aplicación en construcción ordinaria (S355 JR)  Grado J0: aplicación en construcción con altas exigencias de soldabilidad  Grado J2: aplicación en construcción con especiales exigencias de resistencia, resiliencia y soldabilidad 4-4 4.1. ACEROS AL CARBONO 4.1. Aceros al carbono. 4-5  4.1. ACEROS AL CARBONO  Composición química.  Contienen únicamente carbono (0,05-1,0%) y pequeñas cantidades de algunos elementos como consecuencia del proceso de obtención del acero.  Se limitan los contenidos máximos admisibles de P y S (impurezas).  Llevan siempre manganeso (0,25-1,7%) añadido durante la fabricación para combinarse con el azufre e impedir la formación del FeS.  Aluminio y silicio son además elementos desoxidantes, que se añaden en la última fase del proceso de elaboración del acero para eliminar el FeO.  Todos los aceros con %C > 0,30 deben ser desoxidados, sin desprendimientos gaseosos durante la solidificación (aceros calmados).  Al no contener elementos aleantes, tienen baja templabilidad:  No se utilizan en estado de temple y revenido.  Se emplean directamente en estado bruto de forja o de laminación.  En algunas ocasiones, llevan tratamientos de normalizado y/o recocido.  Las microestructuras habituales son ferrítico-perlíticas. 4-6  4.1. ACEROS AL CARBONO  Propiedades mecánicas.  Al aumentar el contenido en carbono aumenta el porcentaje de perlita, aumentando el límite elástico, la dureza y la resistencia mecánica del acero.  La adición de Mn afina el tamaño de grano de la ferrita (BCC) y aumenta el porcentaje de perlita obtenido, por lo que también contribuye al endurecimiento.  El aluminio, además de desoxidar el acero, actúa como afinante de grano de la ferrita que se obtiene en la fabricación y tratamientos.  Aunque aumentar el %C endurece el acero, baja drásticamente la tenacidad y la capacidad del acero para ser soldado.  Los aceros de fácil soldabilidad, para evitar la necesidad de precalentamientos y tratamientos térmicos postsoldadura, deben limitar el contenido en carbono equivalente (según el International Institute of Welding) por debajo del 0,4%: CE =%C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Ni+%Cu)/15 4-7  4.1. ACEROS AL CARBONO  Influencia del contenido en inclusiones.  Alúmina y otros aluminatos: frágiles e indeformables.  Óxidos tipo espinela (AB2O4 y red FCC compleja): indeformables hasta unos 1200 ºC (aunque sí pueden deformarse a mayores temperaturas).  Óxidos de hierro y/o manganeso: escasa deformabilidad.  Silicatos (de Ca, Mn, Fe, Al): frágiles a temperatura ambiente, pero deformables al subir la temperatura.  Sulfuro de manganeso: deformable incluso a temperatura ambiente.  Durante la laminación, las inclusiones frágiles se fragmentan y se orientan paralelas a la dirección de deformación.  La acción de las inclusiones dependerá del tipo, tamaño, morfología, y contenido total. En general, deterioran la tenacidad y bajan la resistencia.  Se procurará que haya un contenido bajo en inclusiones (controlando la pureza), lo más pequeñas posible y de formas esféricas (para minimizar el efecto de entalla). 4-8  4.1. ACEROS AL CARBONO a. Aceros suaves de bajo %C (aceros ferríticos).  Contienen entre 0,06 - 0,25 %C.  Se emplean en forma de chapas, o productos planos, en bruto de laminación.  Aplicaciones: recipientes, construcción de edificios, cascos de buques, carrocerías de automóviles, puentes de ferrocarril...  Tienen estructura ferrítico-perlítica, con mayor porcentaje de ferrita matriz.  El límite elástico y la resistencia aumentan al aumentar el porcentaje de perlita y disminuir el tamaño de grano de la ferrita.  La resistencia a tracción puede llega a 350 - 550 MPa.  Tienen baja temperatura de transición dúctil-frágil (pero al aumentar el porcentaje de perlita o aumentar el tamaño de grano de la ferrita, aumenta la DBTT). Bajar C y subir Mn ayuda a mantenerla por debajo de 0 ºC.  Tienen buena soldabilidad.  Tienen alta ductilidad a temperatura ambiente (A = 25-30%) pueden ser laminados en frío alcanzando entre 40-80% de reducción de sección. 4-9  4.1. ACEROS AL CARBONO  Tras la laminación en frío, su microestructura está formada por granos alargados de ferrita (con alta densidad de dislocaciones) y perlita.  A continuación, pueden someterse a un recocido contra acritud: la ferrita recristaliza y la perlita esferoidiza.  Pueden recibir protección superficial: galvanizado, aluminizado, cromado.  En caso de que haya nitrógeno libre disuelto en la ferrita, hay riesgo de “envejecimiento estático”, incluso a temperatura ambiente.  El nitrógeno (intersticial) se difunde hasta las dislocaciones, anclándolas, aumentando la dureza y resistencia pero disminuyendo apreciablemente la ductilidad y aumentando la DBTT (peligroso).  Se evita añadiendo aluminio, para que se combine con el N y no pueda difundirse.  A T > 100 ºC, este problema también puede ser causado por el C disuelto en la ferrita. 4-10  4.1. ACEROS AL CARBONO Aceros para calderas, depósitos y recipientes a presión (UNE EN 10028-2) 4-11  4.1. ACEROS AL CARBONO Aceros para calderas, depósitos y recipientes a presión 4-12  4.1. ACEROS AL CARBONO Productos laminados en caliente para construcción naval. UNE 36-084-80. Aplicable a los productos de espesor < 50 mm fabricados con acero de resistencia a tracción entre 400 / 490 N/mm2 destinados a la construcción de cascos de buques sometidos a certificación. 4-13  4.1. ACEROS AL CARBONO Productos laminados en caliente para construcción naval. 4-14  4.1. ACEROS AL CARBONO Otras aplicaciones de los aceros suaves. 4-15  4.1. ACEROS AL CARBONO Acero corrugado para construcción.  El acero corrugado es un tipo de acero al carbono laminado en caliente.  Se aplica para el refuerzo de estructuras de hormigón, mediante el montaje de armaduras constructivas: hormigón armado.  El acero proporciona estructuras más sólidas y flexibles ante movimientos telúricos, y absorbe los esfuerzos de tracción y evita fisuras del hormigón.  Son barras redondas de acero con resaltos o corrugas discontinuas en su superficie que mejoran su adherencia con el hormigón. Es material reutilizable.  Las barras poseen una gran ductilidad se pueden cortar y doblar con facilidad.  Se comercializan en diámetros de 6 mm a 40 mm, y con largos de 6 y de 12 m. 4-16  4.1. ACEROS AL CARBONO Acero corrugado para construcción. 4-17  4.1. ACEROS AL CARBONO  En aceros laminados en caliente, hay riesgo de que aparezca bandeado: microestructuras formadas por bandas alternadas de ferrita y de perlita.  Su origen es la segregación del Mn en los espacios interdendríticos durante la solidificación, favoreciendo la aparición de perlita en esas zonas. La disposición en bandas se debe a la alineación de las zonas con mayor o menor composición al deformar plásticamente.  Es un problema porque deteriora las propiedades y puede causar anisotropía. Además, la estructura bandeada se mantiene después del recocido. 4-18  4.1. ACEROS AL CARBONO b. Aceros semiduros (aceros ferrítico-perlíticos).  Contienen entre 0,25 - 0,70 %C.  Tienen estructura ferrítico-perlítica, con contenidos mayores de perlita a mayor contenido en carbono. Mantiene buena ductilidad a temperatura ambiente (A = 10-25%)  El límite elástico y la resistencia aumentan al aumentar el porcentaje de perlita y disminuir el espaciado interlaminar de dicha perlita.  La resistencia a tracción puede llega a 500 - 900 MPa.  La temperatura de transición dúctil-frágil aumenta al aumentar el porcentaje de C o al aumentar el tamaño de grano de la ferrita.  La resistencia aumenta al reducir el tamaño de grano (de la ferrita y de la perlita), lo que se consigue afinando el grano por adición de aluminio en la colada, mediante tratamientos de normalizado, o por laminación controlada (última pasada a baja temperatura).  Tienen menor soldabilidad que los aceros de menor contenido en carbono. 4-19  4.1. ACEROS AL CARBONO  Se emplean para piezas baratas de resistencia media: elementos forjados, ejes para vehículos y máquinas, herrajes, engranajes, resortes, herramientas de agricultura…. 4-20  4.1. ACEROS AL CARBONO Designación UNE EN 10020 y composición de diferentes aceros al carbono 4-21  4.1. ACEROS AL CARBONO Designación UNE-36001 (no en vigor) y europea de diferentes aceros al carbono 4-22 4.2. ACEROS DULCES 4.2. Aceros dulces. 4-23  4.2. ACEROS DULCES  Son aceros con un contenido muy pequeño de carbono microestructura prácticamente ferrítica, con cantidades mínimas de perlita o cementita.  Propiedades mecánicas en general bajas.  Gran ductilidad, que permite fabricar con ellos piezas de formas complejas mediante operaciones de conformado en frío por deformación plástica.  Las microestructuras ferríticas se pueden endurecer por los mecanismos habituales: afino de grano, deformación plástica en frío o solución sólida.  Son aceros calmados, para lo que se adiciona, justo antes de su colada, entre 0,03 – 0,04 % Al. El aluminio reacciona con el exceso de oxígeno presente en el acero (forma alúmina, que flota en el acero aún líquido y se elimina) y el exceso de este elemento pasa a formar parte del acero sólido como AlN, que actúa como afinante de grano de la ferrita.  La capacidad de endurecimiento de los aceros ferríticos depende del modo de deformación, pudiendo alcanzarse un alto límite elástico por ejemplo en alambres obtenidos por extrusión-trefilado (por encima de 1000 MPa). 4-24  4.2. ACEROS DULCES  La austenita de los aceros con un contenido en carbono muy bajo (< 0,02 %C) se transforma por enfriamiento totalmente en ferrita antes de alcanzar la temperatura eutectoide.  Estos aceros con esas composiciones tan bajas no tienen perlita.  Sin embargo, al continuar enfriando estos productos hasta temperatura ambiente, baja todavía más la solubilidad del carbono en la ferrita: la solubilidad máxima a 723 ºC es del 0,028 %C, y a temperatura ambiente del 0,006 %C el carbono precipita finalmente en forma de cementita en puntos triples o en bordes de grano; se denomina cementita terciaria. En general, en los aceros de bajo contenido en carbono (inferior al 0,25 %C) la cementita terciaria tiene forma alargada vermicular y se sitúa en los bordes de grano 4-25  4.2. ACEROS DULCES  La reducción del contenido de carbono hasta niveles muy bajos, C < 0,002%, y la práctica eliminación del nitrógeno libre que se consigue con la adición controlada de aluminio permiten obtener unos aceros prácticamente libres del problema de envejecimiento.  Aplicaciones.  Fabricación de perfiles, alambres, clavos, tornillos, barras, varillas…  Para piezas de resistencia media de buena tenacidad y aptitud para la deformación en frío, embutición, plegado, herrajes..  También carrocerías de automóviles (por embutición), marcos de motocicletas, tuberías, cercados, electrodomésticos, utensilios de cocina y accesorios decorativos del hogar.  Son muy económicos, por eso interesan para producción en serie.  Son soldables.  Fácilmente reciclable. 4-26  4.2. ACEROS DULCES Productos de chapa de acero laminados en frío y recocidos EN 10130:2006 Clasificación de estos aceros en función de su conformabilidad 4-27 4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) 4.3. Aceros microaleados (HSLA). 4-28  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) a. Características generales.  También se denominan aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, high strength low alloy).  Son aceros aleados con pequeñas adiciones de niobio (0,04%), vanadio (0,15%) y/o titanio (0,03%), y laminados en caliente de forma controlada para obtener una estructura de grano muy fino con altos valores de límite elástico y resistencia, y con baja temperatura de transición dúctil-frágil.  Así se logra aumentar la resistencia mecánica de la ferrita, sin necesidad de incrementar los contenidos en carbono y manganeso no disminuye ni la soldabilidad ni la tenacidad del acero.  Los aceros microaleados tienen muy bajo contenido en carbono (0,008- 0,03%), y contenidos en Mn hasta 1,5%.  Tienen microestructura ferrítico-perlítica, con gran cantidad de ferrita.  Se emplean en forma de bandas y chapas laminadas de forma controlada en caliente, en bruto de laminación o normalizado. 4-29  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  Propiedades.  Resistencia superior a la de los aceros al carbono convencionales gracias a:  la estructura de grano de muy pequeño tamaño de la ferrita (que se controla durante el proceso de laminación),  la precipitación de compuestos de Nb, V y/o Ti (carburos y nitruros), de muy pequeño tamaño y muy numerosos, durante la fase de enfriamiento tras la laminación.  Límite elástico alto: 450-650 MPa.  Al mantener bajo contenido en C y carbono equivalente, y un grano muy fino se tiene:  mejor tenacidad a baja temperatura (DBTT  -70 ºC).  Mejor soldabilidad que los aceros al carbono.  Buena conformabilidad.  Buen comportamiento a fatiga.  Bajo precio. 4-30  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  Afino de grano.  Métodos habituales para afinar el grano de las estructuras ferrito-perlíticas durante la fabricación de los aceros (calentamiento, conformado en caliente y enfriamiento hasta temperatura ambiente):  Adición de Al, Ti o Nb para inhibir el crecimiento de grano de la austenita durante el mantenimiento del acero a alta temperatura. El AIN o los carbonitruros de Ti o Nb precipitan de forma fina y dispersa en los bordes de grano de la austenita, ejerciendo un efecto de anclaje que retrasa el crecimiento de grano. Este efecto de afino de grano desaparece bruscamente al superar la temperatura de redisolución de esos precipitados en la austenita el TiN es el compuesto más estable será el mejor inhibidor. Todos estos compuestos se disuelven progresivamente al incrementar la temperatura del acero y precipitan en el enfriamiento subsiguiente la diferencia está en el rango térmico en el que se producen.  La laminación controlada del acero para acondicionar la austenita y que al transformarse al enfriar origine una microestructura ferrítica de grano muy fino.  Uso de aleantes específicos y/o de altas velocidades de enfriamiento para disminuir la temperatura de transformación de la austenita en ferrita. 4-31  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) Efecto de la adición de Nb en el afino de grano y el límite elástico de aceros. 4-32  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) b. Laminación o forja controladas.  Son aquellas operaciones de conformado en las que:  Hay un control preciso de la temperatura del producto en todas las fases;  Se definen estrictamente tanto la reducción de sección en cada paso como la temperatura a la que se ejecuta (especialmente la última pasada).  Objetivo: reducir el tamaño de grano final de la ferrita formada al enfriar desde la fase austenita. Para ello es preciso añadir elementos microaleantes (Nb, V, Ti).  Cualquier operación de conformado controlado se divide en dos etapas:  La primera a mayor temperatura (1000-1200 ºC), en la que debe iniciarse el afino de grano de la austenita por recristalización dinámica (gracias a la existencia de precipitados estables a la temperatura de laminación que inhiben el crecimiento del grano de austenita recristalizado). El Nb es bastante efectivo, pero el TiN es más apropiado al final de esta fase se pueden obtener tamaños de grano de austenita de 20 µm.  En este punto el proceso se detiene hasta que la chapa o producto a conformar se enfría hasta la temperatura a la que se comenzará realmente el proceso de laminación o forja controlada (T < 1000 ºC). 4-33  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  El proceso de laminado en caliente puede ser conducido de dos formas distintas según el tipo de estructura obtenido al final del proceso de deformación (en los dos casos, después se enfriará hasta temperatura ambiente y se obtienen estructuras ferríticas de grano muy fino):  Laminación controlada: se obtiene una austenita altamente deformada, no recristalizada.  Esto obliga a terminar el proceso a temperaturas muy bajas (por tanto, con un gran consumo de energía en las últimas pasadas).  Deben usarse aceros con alta temperatura de recristalización. Para ello, llevan niobio.  Laminación con recristalización controlada: después de la última pasada, se obtiene una austenita recristalizada, de grano muy fino.  La laminación se inicia a unos 1150 ºC y finaliza a unos 1050 ºC.  Es más rápido y económico.  Un enfriamiento rápido posterior forma ferrita de grano muy fino.  Se usa en aceros microaleados con V y/o Ti (pero no niobio). 4-34  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  El efecto más importante de los microaleantes durante la fabricación de estos aceros es el control de la temperatura de recristalización de la austenita.  En la laminación convencional, la austenita deformada durante el conformado recristaliza estáticamente en el tiempo entre pasadas.  En la laminación controlada, se interrumpe la laminación de la chapa, y después se termina realizando una reducción de espesor de más de un 60% a una temperatura inferior a la de recristalización de la austenita, TR. El niobio es el elemento que más incrementa la temperatura TR, permitiendo realizar las operaciones de laminación y forja controladas en un intervalo térmico más amplio. Al deformar la austenita a T < TR se crean muchos defectos (dislocaciones, maclas) hay muchos puntos de alta energía efectivos para nuclear granos de ferrita en la transformación en el enfriamiento subsiguiente se obtiene un grano ferrítico muy fino. El efecto del Nb en la fase final del proceso de laminación o forja es impedir la recristalización de la austenita deformada durante la laminación, gracias a la inmovilización de los bordes de grano de austenita. 4-35  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  El tamaño de grano ferrítico final del acero depende entonces:  del tamaño de grano previo de la austenita (que dependerá del tamaño de los precipitados de microaleantes, de una separación media pequeña entre ellos, y una baja velocidad de crecimiento por coalescencia), y  de la magnitud de deformación suministrada por debajo de la temperatura de recristalización de la austenita.  La laminación y forja controladas de los aceros al niobio debe terminarse a unas temperaturas relativamente bajas (750-850 ºC) para obtener tamaños de grano finales de ferrita de 5-10 µm (10-13 ASTM). 4-36  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  Laminación controlada dura o intensificada.  Técnica industrial de laminación que consiste en realizar la segunda fase de la laminación (fase de acabado) no solo por debajo de TR, sino incluso por debajo de A3, es decir en fase (α + ).  La temperatura final de laminación se sitúa alrededor de 700 ºC.  Se combina una menor temperatura inicial de calentamiento junto con una menor temperatura de laminación se obtiene un tamaño de austenita más pequeño.  Como la laminación se termina en fase (α + ), una cierta cantidad de ferrita ya transformada, resulta también deformada aumenta la densidad de dislocaciones en la ferrita se consigue un mayor incremento del límite elástico del acero.  Esta técnica de laminación proporciona también una cierta textura debilitamiento del producto en la dirección del espesor de la chapa (aparición de separaciones o descohesiones paralelas al plano de laminación bajo carga). 4-37  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) c. Endurecimiento por precipitación.  Es el segundo en importancia para reforzar aceros microaleados (el primero es la laminación controlada). Se mejora la resistencia y baja la tenacidad.  Efecto del Vanadio.  Endurece porque forma finos precipitados (5 a 100 nm) de V(CN) en la ferrita, durante el enfriamiento que tiene lugar después del conformado en caliente.  Explicación: la solubilidad de los carburos y nitruros de los elementos microaleantes son un orden de magnitud menores en la ferrita que en la austenita precipitan durante la transformación alotrópica o ya en fase ferrítica.  Endurecimiento entre 5-15 MPa por cada 0,01% en peso de V, dependiendo del contenido de C y de la velocidad de enfriamiento (si es lenta los precipitados serán muy gruesos; si es muy rápida no dará tiempo a que precipite).  Añadir manganeso es positivo, porque al ser gammágeno (y disminuir la temperatura A3) ayuda a lograr una dispersión de precipitados de V más fina. 4-38  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  Efecto del Niobio.  En los aceros al Nb, el aumento de resistencia mecánica se produce por un doble mecanismo: endurecimiento por precipitación (que depende del tamaño y de la cantidad de precipitado) y afino del tamaño de grano ferrítico es un endurecedor más efectivo que el vanadio.  Los compuestos de Nb son menos solubles en la austenita que los de V el niobio precipita en la austenita esos precipitados, estables en el rango de las temperaturas habituales de laminación, inhiben el crecimiento de grano de la .  Efecto endurecedor: 35-40 MPa por cada 0,01% en peso de Nb.  Los aceros microaleados al niobio se fabrican utilizando técnicas de laminación o forja controladas, que en el caso de los aceros al vanadio solo son efectivas cuando simultáneamente se alean con titanio.  Adición de Mo: produce un incremento mayor de resistencia porque se disuelve en solución sólida y favorece la precipitación de los microaleantes por un efecto sinérgico como el Mo tiene afinidad por el carbono, dificulta la precipitación en fase austenítica hay una mayor precipitación en fase ferrítica se obtiene una mejor dispersión y afino de los precipitados. 4-39  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  Efecto del titanio.  El titanio controla el tamaño de grano austenítico (a través del TiN) y da lugar a la formación de precipitados (TiC). Solo puede utilizarse en aceros perfectamente calmados (desoxidados con Al).  Antes de la laminación en caliente, el acero debe mantenerse a alta temperatura para obtener una austenita homogénea y disolver cualquier precipitado presente en la microestructura inicial del acero.  El TiN precipitado a una temperatura muy alta inhibe el crecimiento del grano de austenita durante la primera fase del conformado en caliente.  El TiC proporciona el mayor efecto endurecedor de todos los microaleantes, con alta proporción de titanio y precipitados muy finos (menores de 3 nm).  Sin embargo, el fuerte endurecimiento por precipitación causa también una sensible pérdida de tenacidad.  Uso simultáneo de varios microaleantes para obtener la mejor combinación de propiedades: el titanio incrementa la eficacia del niobio al formar TiN, evitando la formación de NbN aumenta la solubilidad del Nb en la austenita y se favorece la precipitación de partículas de Nb(CN) mayor afino de grano durante la laminación controlada. 4-40  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) d. Tipos de aceros microaleados.  EN 10025:2020 (aceros estructurales no aleados laminados en caliente).  EN 10133 (aceros estructurales de grano fino soldables laminados en caliente).  EN 10149:2014 (productos planos laminados en caliente de acero de alto límite elástico para conformado en frío). 4-41 4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) 4-42  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA)  Control de las inclusiones.  Un problema de los aceros HSLA es la pérdida de ductilidad (que puede producir agrietamiento o desgarros en el conformado en frío), y bajos valores de tenacidad a impacto en sentido del espesor, por la presencia de inclusiones.  Se buscan aceros más limpios, controlando el contenido de inclusiones concentran tensiones y promueven la rotura bajo carga.  Son muy dañinas las inclusiones de sulfuros (SMn), deformables, que forman bandas alargadas durante la deformación en caliente.  Los aceros de mayor calidad usan tecnologías avanzadas de desulfuración, obteniendo S < 0,001-0,002% (en los aceros convencionales S  0,030%).  Para combatir el problema se añade Ca, Zr o Ce disminuyen la plasticidad de las inclusiones (no se deforman en la forja) y les dan forma esférica o globular disminuye el efecto de entalla y mejora la ductilidad del acero.  El calcio se añade al acero líquido, tras haber sido desoxidado con Al, y se combina con el S y el O presente en el acero formando óxidos y sulfuros que se eliminan en la escoria son aceros con O < 10-20 ppm y S < 0,001 %.  Se consiguen aceros con resistencia a la fragilización por hidrógeno, que pueden usarse para la fabricación de gaseoductos y reactores que trabajen en contacto con medios ácidos. 4-43  4.3. ACEROS MICROALEADOS (HSLA) Uso de aceros HSLA en automoción.  Su mayor resistencia permite reducir el peso de las estructuras. La soldabilidad es buena debido a la baja aleación, y la capacidad de plegado es excelente.  Los aceros HSLA laminados en caliente se pueden utilizar en sistemas de suspensión, ruedas, chasis y mecanismos de asientos.  Los aceros HSLA laminados en frío son adecuados para soportes y refuerzos de asientos. También para vigas y travesaños, refuerzos y otros componentes estructurales. 4-44 4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA) 4.4. Aceros de fase dual (DPLA). 4-45  4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA)  Un acero de fase dual (dual phase low alloy) es un acero con microestructura formada por una matriz de ferrita e islas de martensita.  Son aceros de bajo carbono, de alta ductilidad y gran resistencia.  Pueden ser producidos por laminación tanto caliente como en frío:  En el laminado en caliente se obtiene mediante un enfriamiento controlado, desde la zona austenítica. Es importante el tratamiento térmico para obtener la microestructura dual buscada.  En los aceros laminados en frío se trabaja en la zona bifásica (austenita + ferrita). Un tratamiento de recocido intercrítico permite obtener una mayor cantidad de ferrita y, con un enfriamiento muy rápido posterior (normalmente en agua), se logra que la austerita se transforme en martensita.  Composición típica de los aceros de fase dual:  Aceros DP laminados en frío: 0,08-0,18%C, 1,6-2,2%Mn, 0,4% (Cr+Mo).  Aceros DP laminados en caliente: 0,05%C, 1%Si, 1,5%Mn, 0,6%Cr, 0,4%Mo 4-46  4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA)  Están formados por  75% de ferrita, que les da buena ductilidad, y martensita dispersa, que sube la resistencia sin penalizar mucho la ductilidad.  Su resistencia depende del contenido en martensita, que estará entre el 5-25% se obtienen resistencias entre 550-950 MPa.  La cantidad de martensita que se obtiene depende de la temperatura de calentamiento del tratamiento intercrítico. A más temperatura, habrá más austenita, pero será menos rica en carbono, lo que baja la templabilidad y la dureza de la martensita final que se obtenga.  Para obtener martensita en el enfriamiento se añaden altos contenidos de Mn (gammágeno, permite bajar la temperatura de tratamiento).  La matriz ferrítica proporciona buena conformabilidad, resistencia a fatiga, soldabilidad y capacidad de absorción de energía.  Su capacidad de deformación y tenacidad los hacen idóneos para obtener casi cualquier tipo piezas y componentes por estampación se usan por ejemplo en la industria automotriz en partes del chasis, o en diseños que requieran partes o secciones complejas (carcasas, soportes de electrónica…).  Su mayor resistencia permite fabricar piezas de menor sección el peso final de la estructura puede ser un 15% menor que con un acero convencional. 4-47  4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA)  Para eliminar el tratamiento térmico de recocido intercrítico después de la laminación (encarece el producto), en la actualidad se alean con 0,5% Cr y 0,4% de Mo para poder enfriar directamente desde la temperatura de finalización de la laminación y obtener las microestructuras buscadas.  La mayoría de aceros de fase dual en el mercado pueden considerarse aceros aleados.  Aceros al Cr-Mo, si se emplean en bruto de laminación (enfriando desde la temperatura de laminación).  Aceros al Mo-V si se tratan térmicamente (recocidos intercríticos).  En general, llevarán 0,05-0,15%C.  Contenidos elevados de manganeso (hasta el 2%) y de silicio (hasta el 1,5%). 4-48  4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA)  Proceso de estampación de metales.  Tecnología de fabricación automatizada que permite obtener piezas metálicas sometiendo al material a compresión entre dos moldes (estampas o matrices).  La matriz superior o martillo, se desliza sobre una guía, la otra, denominada estampa inferior o yunque es fija. Mediante la aplicación de presión progresiva o percusión entre ambas estampas se obtienen piezas con las geometrías deseadas. Se aplica a procesos de producción en serie.  Estampación en caliente: se realiza con el material a una temperatura mayor que su temperatura de recristalización.  Estampación en frío: se realiza con el material a menor temperatura que la temperatura de recristalización Suele aplicarse a piezas de menor espesor que cuando se trabaja en caliente, usualmente chapas o láminas de espesor uniforme. Se consigue mayor precisión dimensional.  El utillaje en los procesos de estampación suele ser más complejo y permite, mediante el uso de troqueles montados en prensa, realizar operaciones secuenciales de cizallado, perforado, corte de sobrante, doblado, marcado, estampación y embutición. 4-49 4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA) Matriz para estampado en frío 4-50 4.4. ACEROS DE FASE DUAL (DPLA) 4-51 4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN 4.5. Aceros de cementación. 4-52  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN  Cementación: tratamiento termoquímico cuyo objetivo es conseguir un importante enriquecimiento en carbono de la zona superficial de la pieza.  El alto contenido en carbono proporciona una elevada dureza superficial y una buena resistencia a la abrasión y al desgaste (útil por ejemplo en engranajes o en ruedas dentadas) y a buen comportamiento a fatiga.  Consiste en calentar el acero (en un ambiente rico en C capaz de transferirlo a la pieza), a una temperatura suficientemente alta dentro de la zona austenítica, y se deja un tiempo adecuado para que el carbono entre por difusión. Después, deberá enfriarse de manera adecuada.  Durante la etapa de cementación:  Hay una reacción en el ambiente, que causa la aportación de carbono a la superficie, siendo absorbido por ésta.  El carbono absorbido se va difundiendo hacia el interior del acero.  El resultado de esta etapa es una capa, de espesor variable, de austenita saturada en carbono, y un núcleo austenítico con la composición del acero a cementar. 4-53  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN  Capa cementada: zona superficial enriquecida en C tras el tratamiento.  Capa dura: zona que tras el tratamiento queda con una dureza mayor de 700 HV (que corresponde a un 0,5 % de carbono).  La evolución de la capa cementada es función de la capacidad del medio exterior de aportar C a la superficie, y de la velocidad de difusión de éste hacia el interior. Ambas son función de la temperatura a la que se realiza el proceso.  El espesor de la capa d crece con el tiempo de acuerdo con la expresión: d = K. t1/2 (donde el parámetro K crece con la temperatura) 4-54  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN  Los aceros para cementar tienen bajo contenido en carbono (< 0,2% C) pues de lo contrario el núcleo de las piezas cementadas no sería tenaz.  En la cementación, el contenido en C en la superficie de la pieza estará comprendido entre el 0,8 y el 1%, y disminuye progresivamente hacia el interior.  No interesan contenidos en carbono superiores porque darían lugar a capas con cementita libre, lo que haría la capa demasiado frágil(con riesgo de agrietamiento) y favorecería la presencia de austenita retenida tras el temple.  Temperatura de cementación ~ entre 850 y 950ºC.  Finalizado el proceso temple directo de la pieza, obteniéndose estructura martensítica en la capa cementada (con mucho C), y una estructura interior que dependerá del enfriamiento, la templabilidad del acero y el espesor de la pieza.  Tras el temple, quedan en la capa cementada tensiones de compresión.  Después se aplica un revenido a baja T (≤ 200ºC) para relajar las tensiones.  Para una mejor “calidad” de la capa cementada (mayor dureza y comportamiento a fatiga) se minimiza en lo posible la temperatura de cementación y se utilizan aceros que favorezcan la formación de un grano austenítico fino. 4-55  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN  Técnicas de cementación.  Puede realizarse empleando agentes carburantes sólidos, líquidos o gaseosos.  En la cementación sólida las piezas se introducen en cajas y se cubren de carbón vegetal o coque, por ejemplo.  Se introducen en un horno a 850-1000 ºC, ajustando el tiempo en función de la cantidad de C deseada en superficie y del espesor de la capa a obtener.  Puede usarse cualquier tipo de horno y sirve para piezas complejas.  Es caro, al ser lento, no sirve para producción en masa ni para productos que requieran tolerancias estrechas.  En la cementación líquida:  Las piezas se sumergen en un horno de sales de cianuro y carbonatos de K y Na, que al descomponerse liberan carbono, que se difundirá en la pieza.  Es rápida, no genera distorsión, y puede sumergirse la pieza parcialmente.  La profundidad de capa cementada se controla bien (temperatura uniforme).  Es difícil limpiar las piezas tras el tratamiento, y las sales de cementar son dañinas y peligrosas de manipular. 4-56  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN  En la cementación en un ambiente gaseoso:  Se usan hidrocarburos gaseosos o líquidos altamente vaporizables.  El gas que rodea la pieza tiene como composición una mezcla de CO, CO2, CH4, H2, H2O y N2.  A la temperatura de proceso se producen una serie de reacciones entre ellos, en las que se genera carbono, que se deposita en la superficie del acero y es absorbido por este.  Este es el tipo de cementación más utilizado. Se pueden tratar piezas complejas. Está especialmente indicado para producción a gran escala.  La calidad de las capas cementadas es inferior a la de la cementación líquida (en la gaseosa, no es posible un control tan estricto de la T).  Si se forman óxidos intergranulares bajaría la resistencia a fatiga. 4-57  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN  Los aceros para cementación tienen carbono < 0,2% C.  Para piezas cementadas de pequeño tamaño y formas sencillas, no hay más elementos aleantes (Si < 0,35%, Mn 0,5-0,7%) el núcleo quedará con una microestructura ferrítico-perlítica, blanda y que proporciona tenacidad.  En piezas complejas, y si se precisa un mayor nivel de resistencia en el interior de la pieza se emplearán aceros aleados (llevarán Cr, Ni, Mo), con mayor templabilidad tras la cementación y enfriamiento rápido podrán formarse en el interior de la pieza bainitas e incluso algo de martensita pueden obtenerse núcleos con resistencia mayor de 800 MPa y buena tenacidad.  Espesores de cementación habituales:  Capas delgadas, inferiores a 0,50 mm. Indicadas para piezas de pequeño tamaño de aceros al C, templadas directamente desde la T de cementación.  Capas medias, de 0,50 a 1,50 mm. Son las más empleadas para piezas de máquinas y motores. Se obtienen con todos los tipos de cementación y cualquier tipo de acero.  Capas de gran espesor, mayor de 1,50 mm, para aplicaciones especiales, como chapas de blindaje. 4-58  4.5. ACEROS DE CEMENTACIÓN Aceros de Cementación Designación %C %Mn %Cr %Mo % Ni C10E 0,07-0,13 0,30-0,60 -- -- -- C16E 0,12-0,18 0,60-0,90 -- -- -- 17Cr3 0,14-0,20 0,60-0,90 0,70-1,00 -- -- 16MnCr5 0,14-0,19 1,00-1,30 0,80-1,10 -- -- 18CrMo4 0,15-0,21 0,60-0,90 0,90-1,20 0,15-0,25 -- 18NiCr5-4 0,16-0,21 0,60-0,90 0,90-1,20 -- 1,20-1,50 17NiCrMo6-4 0,14-0,20 0,60-0,90 0,80-1,10 0,15-0,25 1,20-1,50 14NiCrMo13-4 0,11-0,17 0,30-0,60 0,80-1,10 0,20-0,30 3,00-3,50 Nota. En todos los aceros: %Si ≤ 0,40; %P ≤ 0,025; %S ≤ 0,035 4-59 4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN 4.6. Aceros de nitruración. 4-60  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN  Nitruración: tratamiento termoquímico cuya finalidad es endurecer la superficie de una pieza de acero mediante su enriquecimiento superficial en nitrógeno.  La mayoría del nitrógeno introducido en la superficie precipita formando nitruros producen gran incremento de la dureza.  El interior de la pieza mantiene la estructura y propiedades iniciales.  A diferencia de la cementación, este proceso se produce teniendo el acero con estructura matriz ferrítica (porque el N es gammágeno y no se disolverá en la ferrita, sino que precipitará), y se realiza por calentamiento a 500-560ºC.  La temperatura de nitruración será siempre inferior a 590 ºC, porque a esas temperaturas se forma Fe4N, frágil y quebradizo, que habrá que evitar.  Antes de la nitruración, las piezas de acero deben ser sometidas a un tratamiento de temple y un revenido a muy alta temperatura, de 550 a 700ºC.  La temperatura de revenido debe ser superior a la que se vaya a utilizar para la nitruración ésta no modificará la microestructura (ni por tanto las propiedades) del interior de la pieza. 4-61  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN  La nitruración no precisa enfriamiento rápido porque no existe ninguna reacción al ir bajando la temperatura entre la temperatura de nitruración y la ambiente No se produce distorsión de la pieza ni aparecen tensiones adicionales.  Para nitrurar se emplean atmósferas a base de amoniaco disociado (muy habitual).  Las capas nitruradas tienen espesores entre 0,2 – 0,7 mm, con tiempos de duración del proceso de 20 a 80 horas. El N atómico entra por la superficie, siendo absorbido por la superficie de la pieza a tratar.  Las capas nitruradas proporcionan gran dureza superficial (que se mantiene hasta los 500 ºC), gran resistencia al desgaste, y se comportan mejor a corrosión que los aceros sin nitrurar.  Precauciones:  En toda pieza nitrurada correctamente se forma una primera capa superficial, blanca, de nitruro  (Fe2N), dura y frágil, que se debe eliminar (por ejemplo, por rectificado).  En el caso de aceros con Ni y Mo, a la temperatura de nitruración puede producirse fragilidad de revenido evitar piezas con aristas y vértices agudos. 4-62  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN  Aceros de nitruración.  Aunque en principio puede nitrurarse cualquier acero, no se nitruran habitualmente los aceros al carbono, porque la capa nitrurada no tiene suficiente dureza ni está bien adherida (tendencia a desprenderse).  Los aceros para nitrurar tienen un contenido medio en carbono (0,25-0,40 %C) así como ciertos elementos aleantes (Al, Cr, V, Mo) formadores de nitruros, que además dan templabilidad al acero.  Resulta especialmente eficaz el Al (en torno al 0,85 -1,5%), proporcionando una gran dureza pero dejando una capa con baja tenacidad. El Cr permite alcanzar menor dureza, pero hace a la capa más tenaz.  Otros aleantes que pueden formar nitruros: Ti, Nb, W, Mn.  Todos estos aceros se nitruran en estado de temple + revenido alto.  También pueden nitrurarse otros tipos de aceros:  Aceros de herramientas con 5% Cr.  Aceros inoxidables (ferríticos, martensíticos, austeníticos y PH). 4-63  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN Aceros de Nitruración Designación %C %Mn %Al %Cr %Mo %V 24CrMo13-6 0,20-0,27 0,40-0,70 -- 3,00-3,50 0,50-0,70 -- 32CrAlMo7-10 0,28-0,35 0,40-0,70 0,80-1,20 1,50-1,80 0,20-0,40 -- 31CrMoV9 0,27-0,34 0,40-0,70 -- 2,30-2,70 0,15-0,25 0,10-0,20 34CrAlMo5-10 0,30-0,37 0,40-0,70 0,80-1,20 1,00-1,30 0,15-0,25 -- 40CrMoV13-9 0,36-0,43 0,40-0,70 -- 3,00-3,50 0,80-1,10 0,15-0,25 Nota. En todos los aceros: %Si ≤ 0,40; %P ≤ 0,025; %S ≤ 0,035 4-64  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN  Ventajas de la nitruración de una pieza de acero:  Proporciona una capa superficial de elevadísima dureza, frecuentemente superior a la alcanzable mediante cementación (aunque de menor espesor).  Gran resistencia frente al desgaste y a la abrasión.  Mejor comportamiento a fatiga, porque el freno que los nitruros precipitados imponen a las dislocaciones entorpece la nucleación de grietas.  La aplicación de este proceso no produce distorsión alguna en las piezas.  Las piezas nitruradas pueden trabajar en servicio a temperaturas razonablemente elevadas (pero siempre inferiores a las utilizadas en el proceso). Ello no sería posible con las piezas cementadas, porque se produciría de inmediato un revenido de la capa. 4-65  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN  Carbonitruración.  Objetivo: enriquecer simultáneamente la superficie de la pieza en C y N la dureza de la capa carbonitrurada será la de la martensita más la aportada por los nitruros precipitados en ella.  El enriquecimiento en C y N se lleva a cabo en fase austenítica, la pieza se templa inmediatamente después, y luego se da un revenido a baja T.  Se realiza en atmósferas ricas en gases con carbono, junto con amoniaco.  Se realiza a temperaturas algo inferiores a las típicas de cementación (750- 850 ºC).  Las capas que se consiguen con este proceso son más finas que las cementadas, porque el nitrógeno interfiere frenando el proceso de difusión del carbono por la red de la austenita. Además el tiempo de tratamiento es más corto (1-4 horas).  La profundidad de capa endurecida es del orden de 0,1-0,75 mm.  Los aceros para carbonitruración tienen composiciones similares a los aceros para cementación. 4-66  4.6. ACEROS DE NITRURACIÓN Antigua norma UNE-36009 – Designaciones españolas SERIE F-100 ACEROS DE CONSTRUCCIÓN GENERAL Grupo F-150 y F-160 Aceros para cementar F-151 Acero para cementación al C Bulones, ejes, cadenas, remaches F-152 Acero para cementación al Ni de 75 kg Engranajes, aviación, autos F-153 Acero para cement. al Cr-Ni de 125 kg/mm2 Engranaje alta responsabilidad, piezas grandes F-154 Acero para cement. al Cr-Ni de 95 kg/mm2 Engranajes, ejes bulones, Piezas medianas F-155 Acero para cement. al Cr-Mo de 95 kg/mm2 Engranajes, ejes F-156 Acero para cement. al Cr-Ni-Mo de 135 kg/mm2 Cigüeñales grandes F-157 Acero para cement. al Cr-Ni-Mo de 105 kg/mm2 Cigüeñales pequeños Grupo F-170 Aceros para nitrurar F-174 Acero para nitruración 95 kg/mm2 Ejes, bulones 4-67 4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE 4.7. Aceros de construcción tratados térmicamente. 4-68  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE  Se desarrollan como respuesta a la necesidad tecnológica de disponer de aceros con características mecánicas cada vez más altas.  Los aceros al carbono pueden proporcionar buenas propiedades, pero solo en piezas de diámetro menor a unos 10 mm, por su baja templabilidad.  Para mejorar la templabilidad de los aceros se recurrió a introducir aleantes en la composición.  Se pueden tener aceros de temple en aceite o incluso al aire.  Se reduce el riesgo de aparición de deformaciones o grietas durante el temple.  Los tratamientos térmicos que se realizan son de temple + revenido.  Es aplicable toda la teoría de temple y revenido vista con carácter general.  Se puede utilizar el fenómeno de dureza secundaria.  En los aceros al Cr-Ni, habrá que tener precaución con la fragilidad de revenido.  Puede ser necesario, durante el proceso de fabricación, dar tratamientos de recocido de ablandamiento a 650-680 ºC, y enfriamiento al aire, para permitir la mecanización de las piezas. Con posterioridad, se procede al temple y revenido. 4-69  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE  Los aceros de construcción para tratamiento térmico son aceros aleados.  Los aceros aleados, en general, poseen en su composición además del carbono, otros elementos como: cobalto, cromo, cobre, níquel, manganeso, vanadio, wolframio, molibdeno, silicio, titanio, circonio, plomo, selenio, aluminio, boro y niobio.  Aceros de baja aleación.  El contenido en elementos aleantes no supera en total el 5% en peso de su composición.  Existe una gran cantidad de aceros de baja aleación para tratamiento térmico, lo que dificulta su clasificación.  Aceros de alta aleación.  Son aquellos aceros en cuya composición el contenido en elementos aleantes supera el 5% en peso.  Es un grupo muy amplio. Estarían incluidos los aceros de muy alta resistencia, los de cementación, de nitruración, para muelles, resistentes al desgaste, para imanes, los aceros para chapas magnéticas, aceros inoxidables y aceros resistentes al calor. 4-70 4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE Aceros de baja aleación y alta resistencia con tratamiento térmico. 4-71  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE  Características generales de los aceros de baja aleación y alta resistencia.  El contenido en carbono está normalmente entre 0,30-0,45 %C (contenidos menores dan menores valores de resistencia final; contenidos mayores dan lugar a una martensita de mayor fragilidad).  En ocasiones se denominan como aceros duros (0,45% C) o aceros semiduros (0,35-0,45% C).  Los principales aleantes son Cr, Ni y Mo.  Más del 75% de los aceros de baja aleación y alta resistencia llevan únicamente esos tres aleantes (solos o en combinación). Así, se habla de aceros al Cr, aceros al Cr-Ni, aceros al Cr-Mo, aceros al Cr-Ni-Mo…  La suma total de aleantes no suele superar el 5% wt.  El porcentaje de Cr es de 1/3 a 1/5 del porcentaje de Ni.  Habitualmente, Mo < 0,65% (excepcionalmente, podría superarlo).  Hay una tendencia al empleo de aceros al Cr-Ni-Mo, con porcentajes de Cr y níquel inferiores al 1,5%.  En ocasiones pueden incorporar W, Mn, V, Si, etc. 4-72  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE  Su templabilidad es elevada, mucho mayor que la de los aceros al carbono:  Pueden utilizarse para fabricar piezas de mayor grosor.  Ejemplo: pueden alcanzarse, en el centro de perfiles de 100 mm de diámetro, resistencias superiores a 1300 MPa tras el temple (en aceros al carbono, no se superan los 700 MPa).  Pueden fabricarse con ellos piezas de formas complejas, que no se deforman al templar, ya que pueden templarse en aceite (con menos riesgo de deformaciones y agrietamiento). Los aceros al carbono se templan al agua.  En este tipo de aceros, son fundamentales las mejoras en las tecnologías de fabricación.  Cuanto mejor sea la calidad del acero (menor contenido en impurezas e inclusiones), mejores propiedades mecánicas y mejor soldabilidad.  La norma de aplicación para este tipo de aceros con menos del 5% de elementos aleantes sería la UNE 10083: 2008 – Aceros para temple y revenido. 4-73  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE  En cuanto al tratamiento de revenido:  Pueden someterse a revenidos bajos (por debajo de 200 ºC), o revenidos elevados (típicamente entre 450-650 ºC).  Las propiedades finales de las piezas dependerán de la temperatura de revenido elegida.  Los tiempos típicos de revenido en la industria son de 1 hora. El enfriamiento puede hacerse al aire o en aceite (dependiendo del tamaño y la geometría de la pieza).  Al incorporar elementos formadores de carburos en su composición, es posible obtener buenas combinaciones de resistencia, plasticidad y tenacidad aprovechando el fenómeno de dureza secundaria.  En los aceros al Cr-Ni que vayan a ser tratados térmicamente entre 450- 550 ºC, puede producirse fragilidad de revenido. O se da el revenido a mayor temperatura (enfriando después rápido en ese intervalo de temperaturas), o se corrige el problema mediante la adición de molibdeno.  La temperatura de revenido utilizada limitará la temperatura máxima de utilización del acero para trabajar a altas temperaturas en servicio, el revenido debe ser lo más alto posible, manteniendo las propiedades. 4-74  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE Antigua norma UNE-36009 – Designaciones españolas SERIE F-100 ACEROS DE CONSTRUCCIÓN GENERAL - Aplicaciones Grupo F-120 y F-130 Aceros aleados de gran resistencia de construcción F-121 Acero al Ni de 80 kg. Cigüeñales, bielas, ejes F-122 Acero al Cr-Ni de 120 kg. duro Engranajes, ejes, levas F-123 Acero al Cr-Ni de 100 kg. tenaz Cigüeñales, bielas, palieres F-124 Acero al Cr-Mo de 110 kg. duro Ejes, bielas, cigüeñales F-125 Acero al Cr-Mo de 90 kg. tenaz Ejes, cigüeñales F-126 Acero al Cr-Ni-Mo de 130 kg. duro Artillería y aviación F-127 Acero al Cr-Ni-Mo de 120 kg. tenaz Aviación, autos, cañones F-128 Acero de baja aleación, duro Ejes, cigüeñales F-129 Acero de baja aleación, tenaz Piezas de motores F-131 Acero al Cr-V de cojinetes de bolas Cojinetes de bolas, calibres, matrices F-132 Acero al Cr-Ni de auto-temple Engranajes, levas F-133 Acero al Cr-Ni-Mo de auto-temple Piezas grandes 4-75  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE Aceros aleados para temple y revenido Designación %C %Mn %Cr %Mo %Ni % Otros 46Cr2 0,42-0,50 0,50-0,80 0,40-0,60 -- -- -- 37Cr4 0,34-0,41 0,60-0,90 0,90-1,20 -- -- -- 25CrMo4 0,22-0,29 0,60-0,90 0,90-1,20 0,15-0,30 -- -- 42CrMo4 0,38-0,45 0,60-0,90 0,90-1,20 0,15-0,30 -- -- 34CrNiMo6 0,30-0,38 0,50-0,80 1,30-1,70 0,15-0,30 1,30-1,70 -- 36NiCrMo16 0,32-0,39 0,50-0,80 1,60-2,00 0,25-0,45 3,60-4,10 -- 51CrV4 0,47-0,55 0,70-1,00 0,90-1,20 -- -- V: 0,10-0,25 30MnB5 0,27-0,33 1,15-1,45 -- -- -- B: 0,0008-0,0050 33MnCrB5-2 0,30-0,36 1,20-1,50 0,30-0,60 -- -- B: 0,0008-0,0050 En todos los aceros: %Si ≤ 0,40; %P ≤ 0,025; %S ≤ 0,035 4-76  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE Otras designaciones. Normas SAE (Society of Automotive Engineers) y AISI (American Iron and Steel Institute) Los aceros al carbono y aleados son designados mediante letras y números. La designación permite identificar un tipo específico de acero y puede contener información sobre la composición y aplicación del mismo. SAE: designación de 4 dígitos. ZYXX Z: es el primer dígito e indica el elemento principal de la aleación: 1: Carbono (corriente u ordinario), 2: Níquel, 3: Níquel-Cromo 4: molibdeno (Cr-Mo, Ni-Mo), 5: Cromo, 6: Cromo-vanadio, 7: Wolframio-cromo 8: Ni-Cr-Mo (triple aleación), 9: Silicio-magnesio. Y: segundo dígito. Indica la presencia de otros elementos aleantes. Así, un acero SAE 2530 contiene níquel y cromo. XX: tercera y cuarta cifra e indica el porcentaje de carbono multiplicado por 100, por ejemplo: SAE 1020 acero al carbono con 0.20% de carbono SAE 2315 acero al níquel con 3% de níquel y 0.15% de carbono. SAE 3240 acero níquel cromo con 1.75% Ni; 1.0%Cr; 0.40% C. 4-77  4.7. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN TRATADOS TÉRMICAMENTE Otras designaciones. Normas SAE (Society of Automotive Engineers) y AISI (American Iron and Steel Institute) 4-78  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA 4.8. Aceros de ultra alta resistencia (Ultrahigh-Strength Steels). 4-79  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA a. Características de los aceros de muy alta resistencia.  Son todos ellos aceros tratados térmicamente.  Mediante tratamiento térmico, alcanzan unos valores de límite elástico por encima de 1200 MPa, manteniendo niveles suficientes de plasticidad y tenacidad para usos estructurales.  Muy importantes en la industria aeronáutica y en automoción dado que, para resistencias de 1600 MPa, su resistencia específica les permiten competir con las aleaciones ligeras a la hora de minimizar el peso de la aeronave o del vehículo.  Tienen además, en igualdad de condiciones, la ventaja (respecto por ejemplo al aluminio), de ocupar menos volumen fundamental en algunas aplicaciones concretas como trenes de aterrizaje (que se recogen en el interior del fuselaje).  Para poder presentar valores altos de plasticidad y tenacidad junto a la muy elevada dureza y resistencia, estos aceros deben tener niveles extraordinariamente bajos de las impurezas (metálicas, no metálicas o inclusiones) que afectan negativamente a esas propiedades. 4-80  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA  Para un determinado nivel de resistencia, la tenacidad puede mejorarse si se aumenta la calidad del acero:  Rebajando el contenido de impurezas (el porcentaje en peso de S y P no deben superar el 0,002%, cuando su contenido habitual es de 0,01-0,03%).  Rebajando el contenido en impurezas que aumentan la fragilidad de revenido, como son el As, Sb y Sn.  Rebajando el contenido de intersticiales (H, O y N).  Ello implica la utilización de procesos de fabricación muy sofisticados y de coste elevado (coladas en vacío p.ej.): emplear elementos puros, afinantes de grano en el moldeo (V  0,1-0,2%), y minimizar defectos de procesado.  Debido a los altísimos valores de límite elástico y resistencia que tienen, estos aceros suelen presentar los siguientes inconvenientes:  Son muy sensibles a la entalla.  Son muy sensibles a la fragilización por hidrógeno.  Son propensos a sufrir corrosión bajo tensiones.  La gravedad de estos problemas depende del tipo de acero considerado. 4-81  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA b. Clasificación de los aceros de muy alta resistencia  Los aceros de muy alta resistencia pueden clasificarse de la siguiente forma:  Aceros endurecidos por temple y revenido. Son aceros basados en la martensita hierro-carbono. Las altas resistencias se obtienen por revenidos bajos, o por revenidos altos aprovechado la dureza secundaria.  Aceros de baja aleación.  Aceros de aleación media.  Aceros de alta aleación con Ni-Co.  Aceros no endurecidos por precipitación de carburos. Son aceros que endurecen por otros tipos de precipitación. Son básicamente los aceros PH y los maraging.  NOTA: también se consideran en ocasiones aceros de muy alta resistencia algunos aceros microaleados y aceros de fase dual. La diferencia está en los mecanismos de endurecimiento y tratamiento térmico. 4-82  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA c. Aceros de baja aleación y muy alta resistencia con tratamiento de temple y revenidos bajos.  Son similares a los aceros convencionales para temple y revenido: contenidos en carbono medio-bajo (0,30-0,45%C) y niveles bajos de impurezas, para poder retener suficiente plasticidad y tenacidad.  Se utilizan en estado de temple y revenido bajo (del orden de 200ºC), para mantener una alta resistencia.  Cantidad variable de elementos aleantes (Cr-Mo o Cr-Ni-Mo) mejora la templabilidad las piezas templan con enfriamientos no excesivamente rápidos (temple en aceite) se minimizan las tensiones internas de temple.  Especialmente importante en este caso la baja T de revenido no permite relajar de manera significativa las tensiones residuales de temple.  Algún acero lleva como aleante vanadio, que contribuye a obtener un grano fino durante el tratamiento, y por tanto mejora la tenacidad. 4-83  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA  En ciertos casos se aumenta considerablemente la cantidad de silicio (1,5-2,0% Si) El Si desplaza a mayores temperaturas el margen en el que pudiera aparecer la fragilidad de revenidos bajos esto permite dar el revenido a unos 300ºC, lo que mejora la tenacidad y la relajación de tensiones, y sube la temperatura de utilización. Además, el silicio mejora algo la templabilidad y la resistencia del acero.  En algunas ocasiones, para evitar niveles elevados de tensiones internas tras el tratamiento, se procede a la realización de un temple escalonado en la zona de la “bahía” del diagrama TTT (“ausbay”). 4-84  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA Composición de aceros de baja aleación de muy alta resistencia (% en peso) Acero %C %Mn %Si %Cr %Ni %Mo %V 4130 0,28-0,33 0.40-0,60 0,20-0,35 0,80-1,10 -- 0,15-0,25 -- 4140 0,38-0,43 0,75-1,00 0,20-0,35 0,80-1,10 -- 0,15-0,25 -- 4340 0,38-0,43 0,60-0,80 0,20-0,35 0,70-0,90 1,65-2,00 0,20-0,30 -- AMS6434 0,31-0,38 0,60-0,80 0,20-0,35 0,65-0,90 1,65-2,00 0,30-0,40 0,17-0,23 300M 0,40-0,46 0,65-0,90 1,45-1,80 0,70-0,95 1,65-2,00 0,30-0,45 ≥ 0,05 D-6A 0,42-0,48 0,60-0,90 0,15-0,30 0,90-1,20 0,40-0,70 0,90-1,10 0,05-0,10 6150 0,48-0,53 0,70-0,90 0,20-0,35 0,80-1,10 -- -- 0,15-0,25 8640 0,38-0,43 0,75-1,00 0,20-0,35 0,40-0,60 0,40-0,70 0,15-0,25 -- Propiedades del acero 4340 en función de su temperatura de revenido T, ºC Rm, MPa Rp, MPa A, % Z, % HRC Izod, J 200 1980 1860 11 39 53 20 315 1760 1620 12 44 49 14 425 1500 1365 14 48 46 16 540 1240 1160 17 53 39 47 650 1020 860 20 60 31 100 705 860 740 23 63 24 102 4-85  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA d. Aceros de aleación media.  Presentan del orden de 5% de cromo, junto a otros elementos de aleación. Acero %C %Mn %Si %Cr %Mo %V H11 mod 0,37-0,43 0.20-0,40 0,80-1,00 4,75-5,25 1,20-1,40 0,40-0,60 H13 0,32-0,45 0,20-0,40 0,80-1,20 4,75-5,25 1,10-1,75 0,80-1,20 M50 0,80-0,85 0,15-0,35 0,25 4,0-4,25 4,0-4,5 0,37-0,43  Esa mayor cantidad de aleantes les proporciona una mejor templabilidad. No contienen Ni (que bajaría mucho Ms aumentando el riesgo de tensiones).  Dada la altísima cantidad de elementos formadores de carburos (Cr, Mo, V), durante el revenido se produce un importante fenómeno de dureza secundaria a temperaturas del orden de 500 ºC.  Las mejores combinaciones de propiedades se consiguen dando el revenido a esas temperaturas.  Al utilizar una temperatura de revenido elevada, se relajan las tensiones internas que se pudieran haber generado durante el temple de la pieza. 4-86  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA  Principales ventajas de los aceros de aleación media respecto de los aceros de baja aleación:  Pueden templarse piezas más gruesas (tienen más templabilidad).  Puede hacerse un temple más suave, con menos distorsión y tensiones.  Durante el revenido se produce una mayor relajación de tensiones.  Puesto que la precipitación se produce a temperatura elevada, pueden trabajar en servicio a altas temperaturas, a las cuales los aceros de baja aleación con revenidos bajos se ablandarían.  El acero con 0,8 %C (de tipo hipereutectoide) es muy resistente al desgaste y se emplea en cojinetes de motores. Propiedades del acero H11 mod en función de su temperatura de revenido T, ºC Rm, MPa Rp, MPa A, % Z, % HRC Charpy, J 510 2120 1710 6,0 29,5 56 13,5 540 2005 1650 9,5 30,5 56 21,0 560 1855 1565 11,0 34,5 52 26,5 595 1540 1320 13,0 39,5 45 31,0 650 1060 855 14,0 41,0 33 40,0 705 940 700 16,5 42,0 29 90,5 4-87  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA e. Aceros de alta aleación con Ni-Co.  Son aceros capaces de alcanzar simultáneamente niveles muy elevados de resistencia y tenacidad. Llevan muchos aleantes tienen gran templabilidad.  La presencia de gran cantidad de Ni (típicamente en torno al 9-10%) mejora mucho la tenacidad del acero.  El alto porcentaje de Ni baja mucho la temperatura Ms. Se compensa añadiendo Co, que la sube. Del tipo de acero 9Ni-4Co, derivaron los actuales 14Co-10Ni.  El contenido en carbono es relativamente bajo, para tener una martensita más tenaz. De hecho, la martensita obtenida tras el temple tiene cierta tenacidad.  Durante el revenido posterior, a temperaturas del orden de 500ºC, se produce una gran precipitación de carburos, obteniéndose una gran dureza secundaria por la presencia de Cr y Mo, favorecida por la presencia de Co.  Además, se produce un endurecimiento adicional por solución sólida de átomos de Ni y Co, que disminuye el ablandamiento en el revenido.  Tienen buen comportamiento a corrosión.  Se usan por ejemplo en trenes de aterrizaje, compitiendo con aleaciones de titanio. 4-88  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA Composición de aceros de alta aleación con Ni-Co Acero %C %Cr %Ni %Co %Mo %V AF 1410 0,15 2,0 10,0 14,0 1,0 -- HP9-4-20 0,19 0,7 9,0 4,5 1,0 0,1 HP9-4-30 0,32 1,0 7,5 4,5 1,0 0,1 Aermet 100 0,23 3,1 11,5 13,5 1,2 -- Aermet 310 0,25 2,4 11 15,0 1,4 -- Aermet 340 0,33 2,2 12 15,5 1,8 -- Propiedades mecánicas de aceros de alta aleación con Ni-Co Acero Rp, MPa Rm, MPa A% KIC, MPa Aermet 100 1725 1960 14 125 Aermet 310 2000 2160 14 70 Aermet 340 2200 2450 11 35 HP9-4-30 1400 1600 12 80 4-89  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA f. Aceros maraging  Su nombre es una abreviatura de “martensite age hardening”.  Son aleaciones de muy bajo contenido en carbono (< 0,03%), basadas en el diagrama Fe-Ni. Al no llevar carbono, no se formarán carburos.  Estas aleaciones endurecen por temple y posterior precipitación en la matriz de compuestos intermetálicos.  Composición química.  Tienen del orden de 18% Ni (hay variantes del 20% Ni y del 25% Ni.  Incorporan cantidades variables de Mo, Ti, Co, Nb y Al.  Mn y Si son muy perjudiciales (bajan la tenacidad). Contenido < 0,10%.  El azufre debe estar por debajo del 0,01%.  Como características principales se pueden destacar:  Altísimas características mecánicas.  Tratamiento térmico sencillo.  Buena aptitud para el conformado y mecanizado. Fácilmente soldables.  Buena resistencia a oxidación (hasta 540 ºC) y a corrosión. 4-90  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA  Tratamiento térmico.  Se calientan hasta la zona austenítica, a 800- 850 ºC (tratamiento de “solución”).  Por enfriamiento al aire hasta RT se produce una transformación martensítica.  Esta martensita está llena de dislocaciones, pero no tiene su red (FCC) muy distorsionada (ya que el Ni se disuelve por sustitución), por lo que no es muy dura (~ 30 HRC) y es dúctil.  La transformación martensítica se produce incluso con enfriamientos muy lentos gran templabilidad no crea tensiones en el acero.  En los aceros con un 25% Ni, al enfriar al aire se mantiene la estructura austenítica. Hay que transformarla en martensita (p.e., por deformación). 4-91  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA  Después de obtener la estructura martensítica, se calienta el acero durante 2-4 horas a temperaturas del orden de 500ºC (revenido o “maduración”: aging) precipitan Ni3Mo, Ni3Ti, FeTi, y otros compuestos intermetálicos.  Esta precipitación es muy fina y homogénea frena muchísimo a las dislocaciones enorme mejora de dureza, límite elástico y resistencia, manteniendo plasticidad muy alta tenacidad.  El Mo y Ti, necesarios para el endurecimiento por precipitación disminuyen mucho la Ms de estos aceros este efecto se compensa con la presencia de Co, que sube la Ms. Además, el cobalto disminuye la solubilidad del Mo y Ti, favoreciendo su precipitación.  Una permanencia excesiva a la temperatura de precipitación puede favorecer la transformación de la martensita en austenita, bajando las propiedades del acero.  Pueden usarse a alta temperatura (450 ºC).  Son forjables con facilidad. Se pueden conformar en frío después de la solución y antes de la maduración/revenido reducciones de hasta el 90% , con muy buena tolerancia dimensional. 4-92 4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA Composición de aceros maraging 4-93  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA Propiedades mecánicas típicas de aceros maraging. 4-94  4.8. ACEROS DE ULTRA ALTA RESISTENCIA  Aplicaciones.  Industria aeronáutica: trenes de aterrizaje, recubrimientos de misiles, piezas estructurales sometidas a temperaturas criogénicas, tornillos y bulones de alta resistencia.  Matrices para extrusión en caliente.  Uso industrial general: ejes de transmisión, tornillos, muelles, engranajes.  Son más caros que los aceros convencionales. 4-95