Acero de aleación fundida: propiedades y aplicaciones clave
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El acero de aleación fundida es una categoría de acero que se caracteriza por sus elementos de aleación y el proceso de fundición empleado en su producción. Este grado de acero suele incluir diversos elementos de aleación, como cromo, níquel, molibdeno y vanadio, que mejoran significativamente sus propiedades mecánicas y su resistencia al desgaste y la corrosión. La clasificación principal del acero de aleación fundida se enmarca en la categoría más amplia de aceros aleados, conocidos por su mayor resistencia, tenacidad y templabilidad en comparación con los aceros al carbono.
Descripción general completa
El acero de aleación fundida se clasifica principalmente como un acero de aleación con contenido medio de carbono, producido mediante fundición. La inclusión de elementos de aleación como cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo) y vanadio (V) contribuye a sus propiedades únicas. Estos elementos mejoran la resistencia, la tenacidad y la resistencia del acero a diversas formas de degradación, haciéndolo adecuado para aplicaciones exigentes.
Las características significativas del acero de aleación fundida incluyen:
- Alta resistencia y tenacidad : los elementos de aleación proporcionan una resistencia a la tracción y al impacto superiores.
- Resistencia al desgaste : La dureza y tenacidad mejoradas contribuyen a su capacidad para soportar el desgaste en entornos hostiles.
- Templabilidad : La presencia de elementos de aleación permite un tratamiento térmico eficaz, mejorando la dureza y resistencia del acero.
Ventajas :
- Excelentes propiedades mecánicas, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alto estrés.
- Buena soldabilidad y maquinabilidad, lo que permite opciones de fabricación versátiles.
- Resistencia a la deformación bajo altas temperaturas y cargas.
Limitaciones :
- Mayor coste en comparación con los aceros al carbono estándar debido a los elementos de aleación.
- Potencial de fragilidad si no se trata térmicamente de forma adecuada.
- Pueden requerirse procesos de fabricación más complejos.
Históricamente, los aceros aleados fundidos han jugado un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones industriales, particularmente en los sectores automotriz y aeroespacial, donde los materiales de alto rendimiento son esenciales.
Nombres alternativos, estándares y equivalentes
| Organización estándar | Designación/Grado | País/Región de origen | Notas/Observaciones |
|---|---|---|---|
| UNS | G41300 | EE.UU | Equivalente más cercano a AISI 4130 |
| AISI/SAE | 4130 | EE.UU | Se utiliza comúnmente en aplicaciones aeroespaciales. |
| ASTM | A517 | EE.UU | Se utiliza para recipientes a presión. |
| ES | 1.7225 | Europa | Equivalente a AISI 4130 con pequeñas diferencias de composición. |
| ESTRUENDO | 34CrMo4 | Alemania | Propiedades similares pero con diferentes proporciones de aleación |
| JIS | SCM430 | Japón | Comparable a AISI 4130, utilizado en aplicaciones automotrices. |
La tabla anterior destaca diversas normas y equivalencias para aceros de aleación fundidos. Cabe destacar que, si bien grados como AISI 4130 y EN 1.7225 suelen considerarse equivalentes, pequeñas diferencias en la composición pueden afectar las características de rendimiento, especialmente en aplicaciones de alta tensión.
Propiedades clave
Composición química
| Elemento (Símbolo y Nombre) | Rango porcentual (%) |
|---|---|
| Carbono (C) | 0,28 - 0,33 |
| Manganeso (Mn) | 0,60 - 0,90 |
| Cromo (Cr) | 0,80 - 1,10 |
| Molibdeno (Mo) | 0,15 - 0,25 |
| Níquel (Ni) | 0,40 - 0,70 |
| Silicio (Si) | 0,15 - 0,40 |
Los elementos de aleación primarios en el acero de aleación fundida desempeñan un papel crucial:
- Cromo : Mejora la templabilidad y la resistencia a la corrosión.
- Molibdeno : Mejora la resistencia a temperaturas elevadas y mejora la tenacidad.
- Níquel : Aumenta la tenacidad y la resistencia al impacto, especialmente a bajas temperaturas.
Propiedades mecánicas
| Propiedad | Condición/Temperamento | Valor/rango típico (métrico) | Valor/rango típico (imperial) | Norma de referencia para el método de prueba |
|---|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Templado y revenido | 620 - 850 MPa | 90 - 123 ksi | ASTM E8 |
| Límite elástico (0,2 % de compensación) | Templado y revenido | 450 - 600 MPa | 65 - 87 ksi | ASTM E8 |
| Alargamiento | Templado y revenido | 15 - 25% | 15 - 25% | ASTM E8 |
| Dureza (Rockwell C) | Templado y revenido | 28 - 35 HRC | 28 - 35 HRC | ASTM E18 |
| Resistencia al impacto | Charpy con muesca en V, -20 °C | 30 - 50 J | 22 - 37 pies-lbf | ASTM E23 |
La combinación de estas propiedades mecánicas hace que el acero de aleación fundida sea adecuado para aplicaciones que requieren alta resistencia y tenacidad, como en componentes estructurales, maquinaria y piezas de automoción. Su capacidad para soportar cargas mecánicas significativas garantiza la integridad estructural en entornos exigentes.
Propiedades físicas
| Propiedad | Condición/Temperatura | Valor (métrico) | Valor (Imperial) |
|---|---|---|---|
| Densidad | Temperatura ambiente | 7,85 g/cm³ | 0,284 lb/pulgada³ |
| Punto de fusión | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Conductividad térmica | Temperatura ambiente | 45 W/m·K | 31 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F) |
| Capacidad calorífica específica | Temperatura ambiente | 460 J/kg·K | 0,11 BTU/lb·°F |
| Resistividad eléctrica | Temperatura ambiente | 0,0000017 Ω·m | 0,0000017 Ω·pulgada |
Propiedades físicas clave como la densidad y la conductividad térmica son importantes para aplicaciones en entornos de alta temperatura, donde el peso y la disipación del calor son factores críticos.
Resistencia a la corrosión
| Agente corrosivo | Concentración (%) | Temperatura (°C) | Clasificación de resistencia | Notas |
|---|---|---|---|---|
| cloruros | 3-5 | 25-60 | Justo | Riesgo de corrosión por picaduras |
| Ácido sulfúrico | 10 | 25 | Pobre | No recomendado |
| Ácido clorhídrico | 5 | 25 | Pobre | No recomendado |
| Atmosférico | - | - | Bien | Resistencia moderada |
El acero de aleación fundida presenta distintos grados de resistencia a la corrosión según el entorno. Presenta un buen rendimiento en condiciones atmosféricas, pero es susceptible a la corrosión por picaduras en entornos con cloruros. En comparación con los aceros inoxidables, los aceros de aleación fundida suelen ofrecer una menor resistencia a la corrosión, lo que los hace menos adecuados para aplicaciones altamente corrosivas.
Resistencia al calor
| Propiedad/Límite | Temperatura (°C) | Temperatura (°F) | Observaciones |
|---|---|---|---|
| Temperatura máxima de servicio continuo | 400 | 752 | Adecuado para aplicaciones de alta temperatura. |
| Temperatura máxima de servicio intermitente | 500 | 932 | Sólo exposición a corto plazo |
| Temperatura de escala | 600 | 1112 | Riesgo de oxidación más allá de este punto |
| Consideraciones sobre la resistencia a la fluencia | 400 | 752 | El deslizamiento puede convertirse en un problema por encima de esta temperatura. |
A temperaturas elevadas, el acero de aleación fundida conserva su resistencia y tenacidad, pero la oxidación puede ser un problema. Un tratamiento térmico adecuado puede mejorar su rendimiento en aplicaciones de alta temperatura.
Propiedades de fabricación
Soldabilidad
| Proceso de soldadura | Metal de relleno recomendado (clasificación AWS) | Gas/fundente de protección típico | Notas |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argón + CO2 | Bueno para secciones delgadas |
| TIG | ER80S-Ni | Argón | Requiere precalentamiento |
| Palo | E7018 | - | Adecuado para secciones más gruesas. |
El acero de aleación fundida generalmente es soldable, pero puede ser necesario precalentarlo para evitar el agrietamiento. El tratamiento térmico posterior a la soldadura puede mejorar sus propiedades.
Maquinabilidad
| Parámetros de mecanizado | Acero de aleación fundida | AISI 1212 | Notas/Consejos |
|---|---|---|---|
| Índice de maquinabilidad relativa | 70 | 100 | Buena maquinabilidad con herramientas adecuadas |
| Velocidad de corte típica (torneado) | 50 metros por minuto | 80 metros por minuto | Ajuste según las herramientas y las condiciones |
La maquinabilidad es buena, pero se debe tener cuidado al seleccionar velocidades de corte y herramientas adecuadas para evitar un desgaste excesivo.
Formabilidad
El acero de aleación fundida presenta una conformabilidad moderada. El conformado en frío es viable, pero el conformado en caliente es preferible para formas complejas. Puede producirse endurecimiento por acritud, lo que requiere un control minucioso del proceso de conformado.
Tratamiento térmico
| Proceso de tratamiento | Rango de temperatura (°C/°F) | Tiempo típico de remojo | Método de enfriamiento | Propósito principal / Resultado esperado |
|---|---|---|---|---|
| Recocido | 600 - 700 / 1112 - 1292 | 1 - 2 horas | Aire o agua | Mejorar la ductilidad y reducir la dureza. |
| Temple | 800 - 900 / 1472 - 1652 | 30 minutos | Aceite o agua | Aumentar la dureza y la resistencia. |
| Templado | 400 - 600 / 752 - 1112 | 1 hora | Aire | Reduce la fragilidad y mejora la tenacidad. |
Los procesos de tratamiento térmico, como el temple y el revenido, alteran significativamente la microestructura del acero aleado fundido, mejorando sus propiedades mecánicas. La transformación de austenita a martensita durante el temple aumenta la dureza, mientras que el revenido permite ajustar la tenacidad.
Aplicaciones típicas y usos finales
| Industria/Sector | Ejemplo de aplicación específica | Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación | Motivo de la selección |
|---|---|---|---|
| Aeroespacial | Componentes de aeronaves | Alta resistencia, tenacidad. | Crítico para la seguridad y el rendimiento |
| Automotor | Piezas del chasis | Resistencia al desgaste, resistencia al impacto. | Durabilidad bajo estrés |
| Petróleo y gas | brocas | Resistencia a la corrosión, dureza. | Rendimiento en entornos hostiles |
| Maquinaria pesada | Cajas de cambios | Alta resistencia a la tracción, maquinabilidad. | Confiabilidad en la operación |
Otras aplicaciones incluyen:
- Componentes estructurales en puentes y edificios
- Herramientas y matrices de alto rendimiento
- Aplicaciones marinas donde la resistencia y la resistencia a la corrosión son fundamentales.
La selección de acero de aleación fundida para estas aplicaciones está impulsada por sus propiedades mecánicas superiores, que garantizan confiabilidad y rendimiento en condiciones exigentes.
Consideraciones importantes, criterios de selección y más información
| Característica/Propiedad | Acero de aleación fundida | AISI 4140 | Acero inoxidable | Breve nota de pros y contras o compensación |
|---|---|---|---|---|
| Propiedad mecánica clave | Alta resistencia | Moderado | Alta resistencia a la corrosión | El acero de aleación fundida ofrece mayor resistencia pero menor resistencia a la corrosión. |
| Aspecto clave de la corrosión | Justo | Justo | Excelente | El acero inoxidable se prefiere en entornos corrosivos. |
| Soldabilidad | Bien | Moderado | Excelente | El acero inoxidable es más fácil de soldar. |
| Maquinabilidad | Bien | Moderado | Moderado | El acero de aleación fundida es más fácil de mecanizar |
| Costo relativo aproximado | Moderado | Moderado | Alto | Rentable para aplicaciones de alta resistencia |
| Disponibilidad típica | Común | Común | Común | Todos los grados están ampliamente disponibles. |
Al seleccionar acero de aleación fundida, se deben considerar la rentabilidad, la disponibilidad y los requisitos específicos de la aplicación. Su equilibrio entre resistencia, tenacidad y maquinabilidad lo convierte en una opción versátil para diversas aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, para entornos con alto potencial de corrosión, alternativas como el acero inoxidable pueden ser más adecuadas.
En resumen, el acero de aleación fundida es un material valioso en ingeniería, que ofrece una combinación única de propiedades que se adapta a una amplia gama de aplicaciones. Comprender sus características, ventajas y limitaciones es esencial para tomar decisiones informadas al elegir el material.