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Autor: Manuel Nicolás Galdo Aguirre 2010

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SOLDEO, iniciación a la tecnología

CONTENIDOS

Metalurgia Metales, Diagrama hierro-carbono, Hierro y Aceros capítulo 1

Soldadura Generalidades: Electricidad, tipos de corriente, componentes capítulo 2 del equipo, consumibles

Procesos Soldadura eléctrica por arco: SMAW, GMAW, GTAW, SAW capítulo 3

Técnica de soldadura Juntas, posiciones, preparación de bordes capítulo 4

Práctica Cebado, longitud de arco, ángulo electrodo Oxicorte y plasma capítulo 5 Tensiones y deformaciones Secuencias, orden de cordones, defectos capítulo 6

Normativa Cualificación,seguridad,homologaciones capítulo 7

Glosario de términos De la A a la Z capítulo 8

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METALURGIA

Alto horno

METALURGIA: Ciencia sobre la obtención, tratamiento y uso de los metales.- METALURGICA: Lo es la industria del metal.

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CAPITULO 1

METALURGIA Metales, Características, propiedades 6 Diagrama hierro – carbono 9 Constituyentes 10 Componentes 11 Aleantes 12 Carbono equivalente (Ceq) 14 Hierro 16 Tipos 16 Conformado 17 Tratamientos térmicos 18 Tratamientos térmicos de las soldaduras 20 Aceros 21 Clasificaciones Tipos …………….Inoxidables 22 Fundiciones 27 Ferroaleaciones 27 Aceros aleados y especiales 27 Metales no férreos 28 Esquema fabricación del acero 29 Guía aceros INOX 30 Cuestiones de repaso 31

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Metalurgia – Siderurgia Metalurgia es la técnica de transformación de minerales en metales o sus aleaciones. Se denomina así a la ciencia que estudia las características, propiedades, formas de fabricación, propiedades mecánicas, etc. de los metales. Generalmente los materiales que existen en la naturaleza se pueden considerar divididos en “metales” y “no metales”. No metales son por ejemplo: Oxigeno, Hidrógeno, Nitrógeno, Silicio, Fósforo, Azufre, etc.. Se diferencia de la siderurgia en que esta transforma los metales “fabricados previamente” (chatarra) por un proceso metalúrgico. El mineral de hierro se encuentra en la naturaleza. De él se obtiene el hierro, que sometido a procesos metalúrgicos se transforma en acero, y para darle unas determinadas características se varia su contenido de Carbono y se mezcla con otros metales. El arrabio es el producto de la primera fusión del hierro obtenido en un alto horno. El hierro se transforma en acero eliminando o rebajando su alto contenido en Carbono, además del Silicio, Manganeso, Fósforo y Azufre mediante el proceso Martín Siemens. Si el contenido de Fósforo y Azufre es superior al 0,035% se consideran impurezas del acero. El hierro de primera fusión (arrabio) es el producto de la mezcla de mineral de hierro carbón y fundentes, tiene un contenido de Carbono del 3 al 5%. El acero tiene un contenido entre 0,003 y 1,7%, si tiene menos del 0,5% no coge temple. El hierro puro carece de impurezas y se conoce vulgarmente como hierro dulce, tiene pocas aplicaciones industriales por la dificultad de su obtención y las bajas características mecánicas que posee, su contenido en Carbono es menor del 0,003%. El hierro se transforma sometiéndolo a distintos procesos en un convertidor “Bessemer y Thomas” o en un horno “Martín Siemens”, en este último se puede mezclar con chatarra para mejorar sus características. La siderurgia transforma el material ferroso (chatarra) en aleaciones de hierro, acero o fundición. METALES Los metales los podemos clasificar en dos grupos, férreos y no férreos. Los primeros tiene el hierro como base y se dividen en aceros y fundiciones. Los segundos no tienen hierro entre sus componentes, o su contenido es menor del 7%, como sucede con el Níquel, Aluminio, Cobre, Zinc, etc. Los metales no tiene una masa homogénea, sino que están constituidos por una serie de granos o cristales más o menos compactos. La composición, tamaño y forma de estos cristales se denomina estructura y varia al calentarse o enfriarse el metal. Genéricamente los metales tienen diferentes características, que podemos agrupar en físicas y mecánicas:

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*** Físicas Son duros. Suelen ser blancos o de color grisáceo, tienen brillo metálico y color característico. Son maleables comportándose de una manera plástica y deformable Se funden, es decir, pasan del estado sólido a liquido por efecto del calor, a una temperatura determinada que varia según su calidad, composición y tipo. Conducen el calor y la electricidad. Tiene estructura cristalina, encontrándose en la naturaleza, bien como puros (Oro y Cobre) o bien combinados con otros elementos. Se pueden mezclar entre ellos, consiguiendo “aleaciones”, es decir otro material con características diferentes al metal base. Entre las aleaciones mas conocidas se encuentran los aceros al carbono, los inoxidables, resistentes a la abrasión ………., que utilizan el hierro como metal base. *** Mecánicas Las propiedades mecánicas de los metales, determinan la capacidad de estos para resistir el efecto de cargas o de fuerzas, presión, golpes, etc.. Las cargas a que pueden someterse los metales son de tres tipos, estáticas, dinámicas y cíclicas. Las estáticas son fijas o varan ligeramente. Las dinámicas, actúan de forma instantánea o aumentan de magnitud muy rápidamente. Las cíclicas, varían continuamente tanto de dirección como de sentido. Las cargas que se pueden aplicar a los metales se pueden agrupar de la siguiente manera: Tracción: Fuerzas contrarias que se producen en el mismo plano, la misma dirección y distinto sentido por lo que tienden a alargar el material. Compresión: Fuerzas en el mismo plano, la misma dirección y sentido convergente que tienden a contraer el material. Cizalladura: Fuerza producida en distintos planos y sentido contrario, “tijeras”, por ejemplo. Según las cargas a que se vean sometidos, los metales responden de diferente manera a cada una de ellas y podemos agruparlas en: Resistencia a la tracción: Es la cualidad de los metales de resistir al afecto de dos fuerzas aplicadas sobre el mismo eje y en dirección contraria sin producirle deformaciones permanentes (propiedad “plástica”)

. Probeta de prueba de “resistencia a la tracción”

Deformación plástica

Rotura

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Al someter un metal a una fuerza de tracción se le provocan distintas deformaciones o fases. Inicialmente se le provoca una deformación elástica, al cesar esta el metal recupera su estado inicial, después se produce la fase de deformación plástica, la pieza no se recupera al cesar la fuerza, y, posteriormente se rompe. La carga a la que un metal deja de comportarse de forma elástica, se conoce como limite elástico. Rotura frágil: Tipo de rotura que se produce en algunos metales sometidos a baja temperatura y provocada por un golpe. Dureza: Resistencia de la superficie del metal a ser penetrado. Se mide mediante ensayos Brinell (HB), Rochwell (HRC) o Vickers (HRW), midiendo la fuerza necesaria para “marcar” la superficie. Fatiga: Debilitamiento que se produce en un material sometido a cargas momentáneas y repetidas. Aún con cargas inferiores a la de rotura, los cuerpos sometidos a este esfuerzo se rompen al someterlos a cierto número de ciclos. Soldabilidad: Capacidad de los metales para ser unidos con mas o menos facilidad con soldadura. Una primera clasificación de los metales los podemos dividir en dos tipos, férreos y no férreos. Los metales férreos tienen como base el hierro y se dividen en aceros, con sus distintas aleaciones, y fundiciones. Los metales no férreos, son todos los que no tienen al hierro como base, o lo contienen en un límite inferior al 7 %. La gama de aceros es muy amplia y básicamente se agrupan en aceros al carbono y aceros aleados. Los aceros aleados son: Débilmente aleados, cuya suma de aleantes es menor del 10% Aleados, con aleantes en proporción igual o mayor al 10%. Pueden ser inoxidables, refractarios y resistentes a la abrasión. Los metales tienen además propiedades que los caracterizan y se aprovechan para su utilización más idónea de acuerdo con ellas. Estas son las principales: Dureza: Es la propiedad que tiene de no ser rayados por otros. Es más duro el que raya al otro. Tenacidad: Es la resistencia que ofrecen a la rotura cuando se les somete a un esfuerzo. Fragilidad: Propiedad opuesta a la tenacidad, es decir la facilidad que tienen de romperse ante determinados esfuerzos, de choque, por ejemplo. Elasticidad: Se define así a la propiedad de recobrar su forma primitiva al cesar el esfuerzo que produce la deformación. El límite elástico es el máximo esfuerzo que podemos aplicarle, para que al cesar este recupere su forma y dimensiones primitivas. Plasticidad: Es la facilidad para adquirir deformaciones sin romperse. La propiedad “plástica” que tienen los Metales de poder extenderse en hojas delgadísimas se llama maleabilidad. La que permite estirarlos en hilos finísimos sin que se rompan se conoce como ductibilidad. Resiliencia: Es la resistencia que ofrecen los metales a romperse por choque o percusión.

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO El carbono aleado con el hierro tiene una gran influencia en la estructura atómica de este. La aleación de estos dos elementos da como resultado los aceros y las fundiciones.

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A medida que aumenta el contenido de carbono, el hierro varia sus propiedades en la siguiente escala: Blando (hierro dulce) - duro (aceros) - muy duro (inoxidables y aleados) - frágil (fundición). Constituyentes El compuesto hierro-carbono tiene diferentes estados dependiendo del % de carbono y de la temperatura cada uno de estos estados tiene una estructura cristalina diferente y se les conoce como “constituyentes”….. Ferrita: Solución sólida de carbono con un máximo de 0,02 % a 720º C, es casi hierro puro y es el más blando de los constituyentes del acero. Es dúctil y maleable, magnético, de baja resistencia mecánica y su dureza en la escala Brinell es de 90 HB. Austenita: Solución sólida de carbono que lo contiene con un máximo del 2% a 1130º C, es relativamente blando, tenaz y resistente al desgaste. El acero austenítico no es magnético. Cementita: Carburo de hierro con un elevado contenido de carbono del 6,67 %, es el más duro y por lo tanto frágil de los constituyentes del acero (600 HB en la escala Brinell). Perlita: Es una combinación de ferrita y cementita, resistente al desgaste, pero con una dureza relativamente baja que en la escala Brinell varia entre 15 y 20 HB. Martensita: Solución sólida de carbono que lo contiene en proporción igual o menor al 0,1 %, se obtiene mediante un enfriamiento rápido. Admite muy poco alargamiento, tiene una carga de rotura alta, dureza elevada, con una buena resistencia mecánica, pero es frágil.

Probeta de prueba de “rotura”

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En la zona próxima al cordón de soldadura se pueden producir modificaciones cristalográficas que traerán consigo posibles cambios en las características mecánicas.

Componentes Los aceros están constituidos por diferentes elementos que reciben el nombre de “componentes”: Carbono (C): Disuelto como ferrita o como carburo en porcentajes entre el 0,03 y 1,7 %. Las diferentes aplicaciones del acero, su soldabilidad y su dureza dependen en gran medida de la cantidad de carbono existente en su aleación y según esta se clasifican en …….. Extrasuave – suave – semisuave – semiduro – duro – muy duro - extraduro - 11 -

Silicio (Si): De acción desoxidarte se encuentra disuelto en la austerita o en la ferrita. Manganeso (Mn): En cantidades de entre 0,3 y 1,6 %, se encuentra también disuelto en la ferrita o austerita en forma de carburo de manganeso. Tiene efecto desoxidante y desulfurante, elevando la resistencia del acero. Azufre (S): Impureza del acero que le produce fragilidad en caliente. Durante el soldeo puede originar grietas y poros. Fósforo (P): Impureza que produce fragilidad en frío mejora la dureza y ductilidad. No ofrece dificultad para la soldadura. Aleantes Son elementos que al unirse al acero le proporcionan diferentes características mecánicas: Cromo (Cr): Hasta el 2 o 3 % aumenta la dureza, mejora la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. Níquel (Ni): Favorece el temple, mejora la resistencia, la ductilidad y la resiliencia. Con un contenido bajo de Níquel el acero “afina el grano” y mejora su capacidad de deformación y también su resistencia a baja temperatura.

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Molibdeno (Mo): Proporciona al acero resistencia a alta temperatura, facilita la formación de martensita, por lo que eleva la templabilidad. Vanadio (Va): En cantidades igual o menor al 0,1% aumenta la resistencia del acero a bajas temperaturas. Aleaciones ferreas Se entiende por aleación, la fusión de uno o más metales con otros elementos para conseguir otro metal de características diferentes. La clase, serie, grupo e individuo, por este orden, están definidos por la letra y los números que sirven para su identificación: F - 5 1 7

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Hierro Para herramientas Acero al Carbono Otras aleaciones en % La norma UNE 36.0011, clasifica los productos siderúrgicos en: Hierros: Si contenido en Carbono es del 3 al 5%. Aceros: Aleación de hierro, Carbono y otros metales, que según la proporción varían sus características. Fundiciones: Hierro y Carbono en proporción de 1,7 a 6,7%. Ferroaleaciones; Aleación de hierro, Carbono y metales o metaloides que le dan unas características determinadas: Ferro cromo, Ferró manganeso, etc. Aleaciones especiales: Producto siderúrgico que no pertenece a ninguno de los otros grupos que clasifican esta norma, aunque contienen hierro como metal base. Conglomerados férreos: Formados por viruta metálica y resinas.

Carbono equivalente (Ceq) El Carbono es el elemento que más influencia tiene sobre la soldabilidad de los aceros. Debido al contenido de Carbono se producen unas diferencias de dureza entre el metal de la soldadura y el metal base, sufriendo este un recocido. El Carbono perjudica la soldabilidad de los aceros ya que cuando los enfriamientos son muy rápidos dan lugar a zonas templadas o de gran dureza y fragilidad en la zona del metal base adyacente al cordón de soldadura. El límite del soldabilidad de un acero al carbono depende por completo de las condiciones en que se ejecute la obra, y puede decirse que con un contenido del 0,3 % de Carbono es difícil conseguir una soldadura de garantía sin recurrir al precalentamiento

En la figura, podemos observar el rápido descenso de la temperatura en la ZAT, a ambos lados del cordón. Las partes frías absorben el calor provocando un enfriamiento más rápido del metal, es decir un templado, para evitarlo se recurre a los precalentamientos, pues con ellos evitamos la absorción rápida del calor por las zonas frías y los consiguientes problemas de dureza y fragilidad en la zona del metal afectada por ese descenso brusco de temperatura. La dureza del acero depende de su composición química. El elemento más importante de aleación que afecta a la dureza es, sin duda, el Carbono, ya que con muy pequeñas cantidades de este se cambian completamente la estructura y las propiedades del acero.

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La dureza máxima bajo el cordón - carbono equivalente (Ceq )- depende no solo del contenido de Carbono, sino también de la templabilidad del acero bajo los ciclos térmicos a que se ve sometido durante la operación de soldeo, En la composición del acero hay otros elementos, distintos del Carbono, que influyen en la templabilidad. por lo que existen varias formulas que permiten calcular el “carbono equivalente”. Con valores más elevados de “carbono equivalente” se corresponden mayores “durezas bajo el cordón”. Para diseñar un procedimiento de soldeo se deben tener en consideración los factores que intervienen en el mismo, el metal base, la energía aportada y los consumibles. El metal base y las variaciones estructurales que en él se producen están condicionadas por el contenido máximo de carbono equivalente, que debe ser indicado por el fabricante , o en su defecto, se debe fijar un valor limite para la dureza bajo el cordón , con objeto de conocer los tratamientos -precalentamientos- a que debe ser sometido el metal. Conociendo la composición química del metal -especificación del fabricante- podemos determinar la cantidad de “carbono equivalente”, con el objetivo de conocer la “templabilidad” del metal, utilizando las formulas al efecto propuestas por: Düren, Suzuki y Yurioka. El Instituto Internacional de soldadura propone una formula cuantitativa para conocer la templabilidad del material …… Mn Cr + Mo + V Ni + Cu Ceq = C + ------- + ------------------ + ------------ 6 5 15 La máxima dureza bajo el cordón esta muy influida, como queda dicho, por la velocidad de enfriamiento, que en general se caracteriza por el tiempo de enfriamiento entre 800 y 500º C, conocido como ”t 8/5” Las temperaturas de precalentamiento se rigen por el resultado del carbono equivalente. Carbono equivalente Precalentamiento recomendado ºC < 0,45 < 100º C 0,45 – 0,60 100 a 200º C > 0,60 250 – 350º C (o superior)

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HIERRO Metal blando , dúctil y maleable, es conductor de la electricidad y puede imantarse, arde en presencia del oxigeno con llama muy viva. Conduce medianamente la electricidad. De color blanco-grisáceo, se funde a 1530º C y es magnético hasta 770º C.. Cuanto más bajo es su contenido de Carbono, más bajo es el punto de fusión que puede llegar hasta 1440º C. Su contenido de Carbono es menor del 0,03 %. Si carece de impurezas es hierro puro, conocido como hierro dulce, es muy tenaz y no se templa. Las formas comerciales del hierro utilizadas para la construcción metálica y mecánica son barras, perfiles y palastros. Arde a 860º C, propiedad que se utiliza para el oxicorte. Barras: Las barras se obtienen por laminación y trefilado, sus formas son ….. Pletina: El espesor es igual o menor que la décima parte de su sección. Si el espesor es más delgado se denominan “flejes” Media caña o pasamanos: Triangulo: * Cuadrado: * Hexágono: * Redondo: * * Cuando el diámetro es menor de 5 m/m.

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Perfiles: Se obtienen por laminación y se comercializan con forma de L = Angular, T = Te, I = Doble T, U, Z y tubos redondo y cuadrado.

Palastros: Chapas de 1 x 2 ó 1,5 x 3 laminadas en diferentes espesores, si es chapa de menos de 5 m/m se considera “chapa fina” El Azufre y el Fósforo que contiene el hierro se consideran impurezas, por lo que hay que reducir su contenido hasta un 0,05 %. En el caso del Azufre el efecto perjudicial de este se neutraliza en parte con el añadido de Manganeso. Conformado del hierro El hierro se transforma mediante procesos de conformado por forja, moldeo, laminación y estirado para conseguir los productos metalúrgicos: Forja: Proceso de modificación de la forma de los metales producida por presión o impacto. Se consigue calentando el acero entre 1150 y 1250º C, la uniformidad del alentamiento es muy importante para conseguir su “deformación plástica” con facilidad. Moldeo: Conformado del metal al verterlo liquido - temperatura de fusión – en un molde hueco, que al enfriar y solidificarse toma la forma de este. Laminación: Proceso que se realiza haciendo pasar el metal, -en frío o caliente entre 800 y 1250º C-, entre dos rodillos para reducir su sección mediante presión, ya que aprovechando su ductilidad, que aumenta con la temperatura, se le da la forma que interese, chapas perfiles, barras, alambrón, etc.. Estirado: Se efectúa provocando un desplazamiento del material producido por fuerzas de tracción que provocan su alargamiento. Se aplica en frío a piezas previamente laminadas. El proceso empleado para la fabricación de alambres se conoce como Trefilado. Los productos metalúrgicos, según el Instituto del hiero y el acero se clasifican en las siguientes clases: F = aleación férrea, L = aleación ligera, C = aleación de cobre, V = aleaciones varias y S = subproductos sinterizados.

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Tratamientos térmicos A los metales con objeto de mejorar sus características, se les somete a tratamientos térmicos, que consisten en calentarlos a una determinada temperatura y seguidamente a un enfriamiento más o menos rápido. La estructura, es decir la composición, tamaño y forma de los cristales que componen el acero, varia al hacerlo la temperatura. Este cambio de estructura depende de la temperatura alcanzada y la velocidad de enfriamiento a que se vea sometido el acero. Además de a este, los tratamientos térmicos afectan también a otros metales y aleaciones. Los metales tienen un punto crítico, es decir una temperatura a la que se produce su cambio de estructura. El punto crítico debemos considerarlo con dos picos, inferior y superior, que son el principio y el fin del cambio estructural. este cambio de estructura depende esencialmente de la temperatura alcanzada y de la velocidad de enfriamiento. La temperatura del punto crítico depende de la cantidad de Carbono que tenga el acero. Con un bajo contenido en Carbono, el acero tiene su punto crítico superior en unos 900º C, si, por el contrario, tiene mucho Carbono el punto critico superior se sitúa en torno a los 750º C. Los tratamientos habrán de realizarse observando la temperatura critica o puntos críticos y que se corresponde con la de transformación de la estructura del acero. Según el cambio de estructura provocado, los tratamientos térmicos se clasifican en: normalizado, recocido, temple y revenido. Si además de variar su estructura, producimos una variación en la composición del metal, debemos considerar también como tratamientos térmicos: la cementación, que se consigue aportando Carbono, la cianuración, cuando aportamos Carbono y Nitrógeno, y la nitruración, si aportamos únicamente Nitrógeno. El objeto de utilizar estos tratamientos es provocar el “endurecimiento superficial” del metal. Para efectuar los diferentes tratamientos térmicos es necesario conocer las temperaturas a que se transforman los aceros, es decir cuando se producen los cambios en su estructura (composición, tamaño y forma de los cristales). Esta temperatura se conoce como “temperatura crítica” o “punto crítico”. De especial importancia son el punto crítico inferior (Ac3) y el punto critico superior (Ac1), que son las temperaturas a que se producen el principio y el fin de los cambios estructurales del metal. Los puntos críticos dependen de la velocidad de calentamiento y enfriamiento y esencialmente de la cantidad de Carbono. Normalizado: Tratamiento realizado para aliviar las tensiones internas y afinar la estructura del grano del metal. Tiene por objeto devolver al acero a su estado normal después de sufrir tratamientos defectuosos y/o trabajos tanto en frío como en caliente. Se efectúa con un calentamiento 20 - 50º C por encima de la temperatura crítica superior (850 – 950º C), con objeto de aliviar tensiones internas del metal. El enfriamiento habrá de realizarse a la temperatura ambiente es decir al aire, por lo que habrá de efectuarse de forma más lenta que para el temple y más rápida que para el recocido Se utiliza casi exclusivamente para el tratamiento de aceros al carbono, con objeto de recuperar su estructura y sus propiedades normales y características de su composición.

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Recocido: Elimina tensiones internas y ablanda el acero para su mecanizado. Dependiendo de la aplicación que se vaya a dar al acero después de sometido al proceso, se pueden realizar diversos tipos de recocidos ……… …… De regeneración: para conseguir la menor dureza posible del acero. Se efectúa calentando por encima del punto critico superior (850 – 950º C) seguido de un enfriamiento lento, efectuado preferiblemente en el horno. …… Globular: Para ablandamiento de aceros aleados. Consiste en el calentamiento del acero a temperatura muy próxima a la crítica inferior, seguida de un enfriamiento hasta 500º C aproximadamente, a partir de la cuál se continua el enfriamiento al aire. …… De ablandamiento: Se efectúa para facilitar el mecanizado de aceros forjados o laminados, con objeto de disminuir su dureza. Se realiza lo mismo que el “globular” pero el enfriamiento se realiza al aire en su totalidad. …… Contra la acritud: Para aceros laminados en frío que quedan duros y poco tenaces (acritud). Temple: Es el más importante de los tratamientos térmicos, se efectúa para aumentar la dureza y resistencia del acero. Consiste en un calentamiento por encima de la temperatura crítica superior, seguida de un rápido enfriamiento, por su importancia a la hora de realizar el templado debemos considerar su realización en dos fases diferentes: Calentamiento: Generalmente se efectúa en hornos apropiados al objeto de conseguir un calentamiento lento y uniforme de toda la masa hasta llegar a la temperatura limite de temple, que está ligeramente por encima del punto crítico superior. Para templados superficiales, se emplean otros medios de calentamiento: fraguas, sopletes, etc…. Enfriamiento: La velocidad de enfriamiento se conoce como “velocidad crítica de enfriamiento”, siendo esta la que produce otro cambio de la estructura del metal que varia dependiendo del rango de la misma. Cada acero tiene una velocidad crítica de enfriamiento diferente dependiendo de su composición. Cuando la velocidad es inferior a la crítica que le corresponde no queda templado; si por el contrario, dicha velocidad es excesiva se produce en temple demasiado fuerte con tensiones internas y peligro de agrietamiento. Para su enfriamiento debemos sumergir las piezas en el fluido adecuado, los más empleados son: agua, aceite, plomo, sales y aire. Los medios que producen un enfriamiento más rápido se dice que son más “enérgicos”. De los citados el más enérgico es el agua. Revenido: Se efectúa para mejorar la tenacidad del acero templado, disminuye ligeramente la dureza del metal, elimina las tensiones internas producidas por el temple, se considera un tratamiento complementario de este. Consiste en calentar las piezas “templadas” a una temperatura por debajo de la crítica inferior (Ac1 620º C), dejando luego enfriar al aire. En algunos casos la pieza calentada a temperatura de temple se enfría el agua hasta perder el color rojo, después se continua el enfriamiento en baño de aceite.

Tratamientos térmicos de las soldaduras En muchos casos después de efectuar una soldadura es necesario efectuar tratamientos térmicos con objeto de conseguir recuperar las propiedades optimas del acero, o para el alivio de tensiones que se han formado durante el proceso. Desde la óptica de la soldadura los más importantes son el normalizado y el distensionado. Con el normalizado el acero sufre una doble transformación con lo que se consigue un grano homogéneo que trae consigo una recristalización completa de su estructura. El distensionado es un tratamiento que se efectúa con la temperatura por debajo del punto de transformación inferior del metal (Ac1), enfriando luego lentamente con objeto de aliviar tensiones. La “baja” temperatura aplicada evita transformaciones de la estructura del grano. Para aumentar las características mecánicas y mejorar la tenacidad del acero soldado, eliminando tensiones internas, se realiza una combinación de tratamientos templado y revenido – normalizado y revenido, que se conoce con el nombre de bonificado.

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ACEROS Aleación de hierro y carbono, aunque puede tener otros metales y/o elementos en su composición. La proporción de carbono es de 0,1 a 1,7%, es su elemento principal y modifica sus propiedades, a mayor cantidad más resistencia y dureza tendrá el acero, pero también lo hace más frágil y dúctil.- El Azufre y el Fósforo son impurezas que en porcentajes superiores a 0,035 le producen gran fragilidad. Según la cantidad de Carbono y el tratamiento térmico a que se somete el acero se consigue el Carbonitrurado, Cementado, Nitrurado, Recocido, Estabilizado, Normalizado, Temple y Revenido Su punto de fusión se sitúa entre 1300 y 1400º C, con un contenido de Carbono de 0,5 a 1,7 %, algunos hasta el 2 %, templa a 800º C (rojo cereza) y forja entre 900 y1250º (rojo cereza-amarillo) C. En los aceros el límite de Azufre y Fósforo es de 0,035 %. La ferrita (hierro puro), cementita (carbono de hierro), perlita (ferrita y cementita), austerita (Carbono) y martensita, son constituyentes del acero, que según su proporción varían sus propiedades mecánicas, dureza, resistencia, etc.. Por su contenido de Carbono se clasifican en: Aceros extra-suaves de 0,1 a 0,2 % de Carbono Aceros suaves de 0,2 a 0,3 % Aceros semi-suaves de 0,3 a 0,4 % Aceros semi-duros de 0,4 a 0,6 % Aceros duros de 0,6 a 0,8 % Aceros muy duros de 0,8 a 1 % Acero extra-duro del 1 al 1,5 % de contenido de Carbono El Instituto del hierro y el acero los clasifica en series y cada una de ellas se subdivide en Aceros al carbono y Aceros aleados: F-100 Aceros finos de construcción F-200 Aceros para usos especiales F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación F-400 Aceros de emergencia F-500 Aceros para herramientas F-600 Aceros comunes Los aceros pueden mejorar sus propiedades mediante aleaciones de otros metales obteniendo: Aceros al Cromo: Con mezcla del 1 al 16 % que le proporciona dureza y resistencia. Aceros al Cromo-Molibdeno: En pequeñas proporciones aumenta la resistencia a la tracción del acero, ya que este pierde su resistencia mecánica a 400º C, con esta aleación puede utilizarse hasta temperaturas del orden de 500 ó 550º C. Aceros al Cromo-Níquel: Hasta 4 % de Ni y del 1 al 2 % de Cr, se consigue dureza y elasticidad. Aceros al Cromo-Vanadio: Hasta el 10 % de Cr y 0,15 % de V, para herramientas y resistencia a la torsión. Aceros al Manganeso: Máximo 10 %, consigue resistencia y elasticidad. Efecto desoxidante. Aceros al Silicio: En proporciones del 1 al 4 % mejora la elasticidad y magnetismo del acero. Aceros al Cobalto: Se utiliza para aceros de herramienta, aumenta la dureza y propiedades magnéticas. Aceros al Níquel: Entre el 3 y el 40 %, en pequeñas cantidades aumenta la resistencia a la corrosión, en grandes proporciones aumenta la estabilidad dimensional.

Soplete de mariposa para oxicorte, con válvulas de seguridad antirretorno

Existen además otros tipos de aceros: Acero dulce: De bajo contenido en Carbono, entre el 0,15 y 0,25%, se utiliza para construcciones metálicas. Acero rápido: Calidad del acero producto de su aleación con otros metales, contiene entre un 2 y un 10 % de Cromo, Vanadio, Tungsteno, Molibdeno, y Cobalto. Se utiliza para la fabricación de herramientas de corte esencialmente. Acero bonificado: Acero templado para aumentar su resistencia mecánica, al que se le aplica un revenido para disminuir los efectos – negativos – del temple. Acero calmado: Estado del acero fundido, que en el proceso de solidificación se le añade Silicio (Si) y Aluminio (Al), que al combinarse con el Oxigeno no permiten la formación de oxido de carbono (CO) evitando su efervescencia. Acero inoxidable: Aleación de acero al carbono con otros metales, muy resistente a la oxidación, corrosión y ácidos. Su contenido de Carbono es de 0,08 a 0,35 %, se caracteriza por su gran contenido en Cromo que lo hace antioxidante. No imanta. ACEROS INOXIDABLES Además del Carbono, sus componentes básicos son Cromo, entre 10 y 18 %, Níquel, entre 8 y 10 % y Molibdeno hasta un 2,5 %, dándole este último una calidad máxima. En proporciones más pequeñas se le incorporan otros metales para conseguir determinadas características. Tiene menor conductividad térmica que el acero (40% inferior).- Por su alto coeficiente de dilatación – 50% más que los aceros – requiere menos aporte térmico. Para ser inoxidable –no imanta- requiere un mínimo del 12% de Cromo. Su soldadura es problemática, pues con las altas temperaturas de la fusión se vuelve oxidable y frágil. La proporción de la aleación de otros metales los convierte en Austeníticos, Ferríticos, Austero-ferríticos y Martensíticos. Inox austeníticos: Son amagnéticos, dúctiles, tenaces y resistentes a la corrosión. El Cromo, el Níquel y en menor proporción el Titanio o el Niobio, son sus componentes principales. Para evitar la formación de carburos en la soldadura, el Carbono no debe pasar del 0,03 % y deben ser estabilizados con Niobio o Titanio. Funden a 1450º C, alto coeficiente de dilatación (50 % mayor que los aceros ordinarios) y ofrecen buena actitud para la soldadura. Inox ferrítico: Magnético, no endurece con el temple, es fácilmente soldable aunque debe precalentarse entre 150 y 500º C, disminuyendo así su fragilidad, el Cromo es su principal aleación. Inox austeno-ferrítico: Son magnéticos con doble estructura austeno-ferrítica, por lo que sus características mecánicas son una combinación de ambas. - 22 -

Inox martensítico: Por su contenido de Cromo (11-18 %) tiene menor resistencia a la oxidación. Se puede templar si el Carbono es inferior al 2 %. Para soldarlo hay que calentar a 300º C dejando enfriar lentamente una vez realizada la soldadura. Si el contenido en Carbono es superior hay que precalentar a esa temperatura y someterlo posteriormente a un “revenido” de 700 a 725º para que conserve sus características iniciales.

Porcentajes de elementos aleados en los aceros inoxidables

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Dada la importancia que los aleantes tienen sobre las características de los inoxidables, es interesante poder “prever” la estructura de un acero tanto en condiciones de suministro como para la soldadura. Para el estudio de la estructura de un acero inoxidable se utiliza la “escala de Shaeffler”, que la determina en relación a su contenido de Cromo y Níquel. Supongamos un acero con la siguiente composición: C = 0,02% / Si = 0,8 % / Mn = 1,8 % / Cr = 18,5 % / Ni = 12 % / Mo = 2,6 %, utilizando las formulas de la “escala Shaeffler” para determinar el Níquel y Cromo equivalente, tenemos Nieq = 12 + 30 x 0,02 + 0,5 x 1,8 = 13,5 % Creq = 18,5 + 2,6 + 1,5 x 0,8 = 21,5 % En el siguiente diagrama observamos que la estructura del acero es austenítica con el 6,5 % de ferrita.

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El Instituto Americano del Hierro y del Acero (AISI) denomina los aceros inoxidables por medio de un número compuesto de tres cifras. De entre ellos estos son los más utilizados:

LE = Limite elástico CR = Carga de rotura A% = Alargamiento % Características de los principales aceros inoxidables: AISI 301 Acero austenítico al cromo-níquel, utilizado para la realización de trabajos en frío, cuando no van a estar sometidos a condiciones severas. Al trabajarlo en frío, endurece, por lo que se utiliza para la fabricación de muelles y piezas que necesitan dureza. Se suelda con facilidad, pero provoca la formación de carburos en la zona próxima a la soldadura, por lo que no se recomienda su utilización en ambientes con un nivel de corrosión alto. AISI 302 De calidad algo mayor que el 301. Suelda fácilmente, pero su tendencia a la corrosión en caliente aconseja un recocido posterior a la soldadura. Se aplica en construcción, industria alimentaría, del frío, electrodomésticos, etc. AISI 304 Con buena resistencia a la corrosión, es el inoxidable más extendido, tiene una excelente capacidad de embutición, notable resistencia y facilidad de pulido.

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Se suelda con facilidad, entre 425 y 850º C presenta problemas de precipitación de carburos, lo que trae como consecuencia un aumento de la corrosión intercristalina, que se puede evitar utilizando 304L cuyo contenido en carbono es inferior al 0,03 % Tiene una muy amplia utilización en la industria, para la fabricación de barriles de cerveza, carpintería metálica, industria conservera, química, tuberías de destilación, serpentines, etc. AISI 309 Inoxidable austenítico refractario, que debido al contenido de Cromo y Níquel resiste perfectamente a la oxidación a altas temperaturas. Se utiliza en cualquier tipo de construcción donde el acero tenga que soportar temperaturas de hasta 900º C, Fácilmente soldable, para evitar la precipitación de carburos se recomienda la utilización de 309L. AISI 310 Resiste mejor los efectos corrosivos y mayores temperaturas que el 309 por su mayor contenido de Cromo y Níquel. Buena soldabilidad, se debe utilizar inox 310L para evitar la precipitación de carburos. Se utiliza en turbinas de gas, intercambiadores de calor, hornos, etc. AISI 316 Soporta temperaturas más elevadas que el 304, es un acero inox austenítico al que se le añade Molibdeno para mejorar su resistencia a la corrosión. Se utiliza especialmente en la industria química, ya que resiste el contacto con acido acético a temperatura y concentraciones elevadas y con acido sulfúrico en condiciones normales. Se recomienda la utilización de 316L para prevenir la formación de carburos. Se utiliza ampliamente en construcción naval, calderería, industria química, fotográfica, farmacéutica, etc. AISI 321 Acero al Cromo-Níquel estabilizado con Titanio, en proporción cinco veces superior al contenido de Carbono para obtener la máxima resistencia la corrosión intergranular. Su soldadura no presenta problemas. Es apto para la deformación en frío se aplica en industrias con gran presencia de ácidos: industria química, Reactores, tubos de escape, etc. Aceros criogénicos: Para la fabricación, transporte y almacenamiento de gases licuados es necesario trabajar a muy bajas temperaturas, entre 0º y -273º C, de esta forma se reduce considerablemente su volumen con las consiguientes ventajas económicas. El acero al carbono en este rango de temperaturas reduce su resiliencia (*), con el consiguiente riesgo de que se produzca su rotura frágil. Para aumentar la tenacidad y resiliencia del acero se utiliza como aleante el Níquel, y si su contenido esta entre el 3,5 y 9 %, se conocen como aceros criogénicos. Se emplea en la construcción de cisternas e instalaciones industriales. Para su soldadura es necesaria una limpieza exhaustiva de las proximidades de la junta (*) Resiliencia: resistencia del acero al choque y a la percusión

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FUNDICIONES Aleación de hierro y Carbono. Si el Carbono que contiene el hierro está comprendido entre el 1,7 y 6,7 %, se conoce con el nombre de fundición, que contiene además de un 0,30 a 2 % de Silicio y cantidades variables de Manganeso (Mn), Fósforo (P) y Azufre (S). La fundición es fácilmente moldeable tiene el punto de fusión a 1100º, es dura, frágil y difícilmente soldable, no es dúctil, ni maleable, ni admite forja. Tiene buena resistencia a la compresión, no así a la tracción, ni al choque. Funde a 1100º C Según el color que presente la superficie de rotura, se divide en fundición gris, blanca y atruchada. Fundición gris, recibe este nombre por el color que presenta su superficie de rotura, el Carbono que contiene se encuentra en su mayor parte en forma de laminillas que se aprecian al microscopio. Se emplea para la obtención de piezas fundidas. Fundición blanca, Tiene el Carbono disuelto o combinado con el hierro y se llama así por el color de su superficie de rotura. Es más dura que la gris y por lo tanto más frágil. No suele utilizarse para moldeo, se utiliza preferentemente para la obtención de acero. Fundición atruchada, es un tipo intermedio entre las dos anteriores. FERROALEACIONES Productos siderúrgicos cuya composición no tiene necesariamente un marcado carácter metálico. Se utilizan para la fabricación de los aceros. Ferro manganesos: Para obtención de aceros al Manganeso. Ferro cromos: Para la obtención de aceros al Cromo. Molibdeno: Elemento utilizado para endurecer el acero -junto con el carbono- evita la fragilidad. Níquel: Aumenta la resistencia y la templabilidad del acero y evita su corrosión. Plomo: Se encuentra en el acero sin combinarse con él y facilita su mecanización, dificulta el temple y disminuye su tenacidad. Silicio: Es un desoxidante que proporciona elasticidad al acero. Tungsteno: Con el hierro forma carburos muy duros, por lo que se utiliza para la fabricación de herramientas de corte. Vanadio: Desoxidante que proporciona al acero resistencia a la fatiga, a la tracción y poder cortante. ACEROS ALEADOS Y ESPECIALES Además de los elementos de que se componen a los aceros al carbono se le añaden otros para mejorar o modificar sus propiedades. Entre otros: Azufre: Le produce fragilidad al acero que se neutraliza añadiéndole Manganeso. Junto con el Fósforo se encuentra en el acero como impureza, si su contenido es superior a 0,035% se debe eliminar.

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Cobalto: Aumenta la dureza y mejora las propiedades magnéticas de los aceros, utilizándose para fabricar herramientas. Cromo: Proporciona dureza, resistencia y tenacidad al acero, además de características inoxidables y refractarias. Manganeso: Se utiliza como desoxidante y desulfurarte, aumenta la templabilidad del acero. METALES NO FERREOS Aluminio: La Bauxita, mineral de Aluminio, se muele, cuece y mezcla con lejía de sosa, mezcla que una vez filtrada se somete a una temperatura de 1300 º C, de la que se obtiene oxido de aluminio -alúmina-, que sometido a un proceso electrolítico, mediante un horno eléctrico, se separa del Oxigeno quedando el Aluminio casi puro, que aleándolo con Cobre, Manganeso, Magnesio, etc., adquiere gran dureza y resistencia. Los lingotes así producidos, por laminación, se transforman en barras, chapas, tubos, redondos, perfiles y otros productos para construcciones metálicas. El Aluminio es un metal no férrico, blanco plateado, maleable, blando, dúctil, buen conductor eléctrico y calorífico, ligero y resistente, su aleación con otros metales mejora sus características. Funde a 658º. Se puede forjar a 450º y arde a temperaturas muy elevadas con luz muy viva y mucho calor. Fundido o recocido su resistencia a la tracción es de 10 Kg,/mm, que se duplica cuando está laminado y disminuye rápidamente con la temperatura, al aumentar esta. La alúmina complica su soldabilidad, ya que funde a 2050º debiendo ser eliminada previamente. La buena resistencia a la corrosión del Aluminio se debe a la presencia de una capa de su oxido natural, la “alúmina”, en su superficie, que lo protege haciendo que el material no sufra modificaciones cuando esta expuesto al medio ambiente. Aleándolo con otros metales, Cobre, Magnesio, Manganeso, Zinc, Plomo, etc. mejora sus propiedades La norma UNE 38001 hace la siguiente clasificación: Serie L - 200 Aleaciones para “moldeo” bonificables Serie L - 300 Aleaciones para “forja” bonificables Serie L – 400 Aleaciones para segunda fusión Las aleaciones de Aluminio según su composición son tratables térmicamente -bonificables- y no tratables térmicamente -no bonificables- para su endurecimiento. Para el bonificado del Aluminio, debemos calentar este a 500º C y efectuar un enfriamiento rápido hasta la temperatura ambiente, o hasta 200º C manteniéndolo en ella un tiempo. Cobre: Metal blando fácilmente maleable y dúctil. Producto de la calcopirita de la que se obtiene oxido de cobre que al someterlo a electrolisis se obtiene el Cobre con una pureza del 99,99 %. Es muy buen conductor del calor y la electricidad, con una gran resistencia a la corrosión.

Tiene el punto de fusión a 1083º C y un peso especifico de 8,9 Kg/dm3 El Bronce y el Latón son sus aleaciones más conocidas. Bronce: Aleación de Cobre, antifricción, utilizada para la fabricación de cojinetes, engranajes, válvulas, grifería, etc. Tiene un 60% de Cobre aleado con Estaño, que puede contener además Aluminio, Plomo, Níquel, Silicio, Manganeso o Berídio. Latón: Aleación de Cobre y Zinc al 50%, se utiliza para la fabricación de tornilleria, piezas de máquinas y adornos.

ESQUEMA DE FABRICACION DEL ACERO

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GUIA

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Cuestiones de repaso Nota: El número al final de cada pregunta indica la página donde puedes ver las respuestas correspondientes. Los metales que no tienen hierro en sus componentes se denominan ……. (6) ¿Qué es el “límite elástico” (8) Los aceros y las fundiciones son producto de la aleación del hierro ¿con qué? (9) ¿Las fundiciones cuanto Carbono contienen, como máximo? (13) ¿De que depende la temperatura de precalentamiento necesaria para soldar un acero? (15) ¿Cuáles son los tratamientos para endurecimiento superficial del metal? (18) ¿Cuál es el elemento principal en la aleación de los aceros? (21) Para soldar un acero ferrítico ¿es necesario precalentarlo? (22) ¿Para que se utiliza el Manganeso (Mn) en la aleación de los aceros? (28) ¿A que temperatura funde el Aluminio? (28) ¿Tendrás que buscarlas o sabes las respuestas de estas preguntas? Una primera clasificación de los materiales, ¿los divide en? La resistencia a la tracción de los metales es una característica , ¿física o mecánica? ¿Como se denomina la resistencia de los metales a romperse por choque o percusión? Atendiendo a la cantidad de Carbono de su aleación, ¿los aceros se dividen en? ¿Cuál es el elemento que más influencia tiene sobre la soldabilidad de los aceros? ¿Como se denominan las formas comerciales del hierro? ¿Con que procesos se puede dar forma –conformar- al hierro? ¿Para corregir la acritud, ¿Qué tipo de tratamiento debemos efectuar? ¿Cómo se puede determinar el contenido de Cromo (Cr) y Níquel (Ni) de un acero inoxidable? ¿Qué tipo de acero es el AISI 301?