Aceros Al Carbono

Materiales Profesora Zulay Cassier Sección 1

ACEROS AL CARBONO

INTEGRANTES: Francisco A. Cantor Alejandra Galavis Carolina Pérez-Luna

Caracas, 23 de noviembre de 2010

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ÍNDICE

Contenido INTROCUCCIÓN.................................................................................................................................................. 3 ACEROS AL CARBONO........................................................................................................................................ 4 PROPIEDADES DEL ACERO ............................................................................................................................. 5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO .......................................................................... 6 CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS PROPIEDADES MECÁNICAS: RESISTENCIA A LA TRACCIÓN .............................. 8 CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS USOS Y PROPIEDADES:...................................................................................... 9 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PRODUCCIÓN.................................................................................................... 13 ACERO EN VENEZUELA ................................................................................................................................ 13 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................... 14 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................. 15

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INTROCUCCIÓN El acero es una aleación o combinación de hierro y carbono, variando la concentración en peso de carbono hasta un 2,1% aproximadamente. Al superar el 2% de carbono, el acero se convierte en una fundición: aleaciones quebradizas utilizadas para moldear. En diferentes casos se utilizan otros elementos como el Níquel y el Cromo para agregar cualidades a los aceros, dependiendo de su finalidad. La fabricación del acero se realiza reduciendo el hierro que se produce del arrabio, lo que luego se transforma en acero. El principal elemento presente es el hierro puro, el cual reacciona fácilmente con el oxígeno del aire formando óxido de hierro. Los aceros se clasifican según los elementos utilizados en la aleación. Por lo tanto se tienen cuatro grandes grupos: aceros al carbono, aceros inoxidables, aceros de baja aleación ultrarresistentes y aceros aleados, que a su vez se dividen en tres grupos: aceros estructurales, aceros para herramientas y aceros especiales. A continuación se desarrolló una investigación detallada de los aceros al carbono, lo cuales representan más del 90% de todos los aceros existente. Sus principales elementos son el hierro y el carbono. Se establecieron las definiciones, usos, clasificaciones pertinentes para aclarar un poco la importancia que tienen estas aleaciones en la vida del ser humano.

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ACEROS AL CARBONO Los aceros al carbono, también conocidos como aceros de construcción, tienen una composición química compleja, contienen una combinación de hierro, carbono hasta 1% en concentración en peso, silicio, manganeso y muy poca concentración de azufre, fósforo, oxígeno e hidrógeno. Mientras más carbono tenga el acero, más resistente será a la tracción, más frágil será en frio y será menos tenaz y dúctil. El contenido del carbono en el acero es relativamente bajo. La mayoría de los aceros tienen menos de 9 átomos de carbono por cada 100 de hierro en el acero. Como el carbono es más ligero que el hierro, el porcentaje de masa de carbono en el acero es casi siempre menos del 2%.

El carbono influye directamente en el comportamiento mecánico de los aceros. La resistencia de un acero simple con 0.5% de carbono es aproximadamente dos veces mayor a la de uno con 0.1% de carbono; si el contenido de carbono llega al 1%, la resistencia se triplica. Generalmente el carbono reduce la ductilidad del acero, es decir que reduce su capacidad para deformarse, sin llegar a la ruptura. Un acero de 0.1%. de carbono es por lo menos cuatro veces más dúctil que otro con 1% de carbono, y dos veces más que uno con 0.5% de carbono.

GRÁFICO 1. Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros.

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GRÁFICO 2. Efecto del contenido del carbono en la ductilidad de los aceros comunes.

En general, los acero al carbono contienen menos de 1% de carbono, como se señaló anteriormente, menos de 0,9% de manganeso, menos de 0,5% de silicio, menos de 0,1% de fósforo y menos de 0,1% de azufre. Los aceros de construcción se utilizan principalmente en la fabricación de piezas y elementos de máquinas y construcción de instalaciones, en la construcción de los puentes de ferrocarril, de grandes estructuras, de columnas metálicas de las líneas eléctricas, de los cascos de los buques, en las estructuras de las casas, las carrocerías de los automóviles, en los motores, los tubos de las bicicletas, los clavos, los alfileres, las cerraduras de las puertas, y muchos objetos metálicos que se utilizan en la vida diaria del hombre. Son utilizados en bruto de forja o laminación.

PROPIEDADES DEL ACERO

VENTAJAS

- Alta resistencia: al ser muy resistente en relación a su peso, permite la construcción de estructuras livianas, muy aplicadas en los puentes, edicios, entre otros. - Homogeneidad: las propiedades se suelen mantener con el tiempo y no suelen ser afectadas por cambios de temperatura (dentro de los límites especificados para cada acero). - Elasticidad: tiene un comportamiento linealmente elástico.

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- Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección. - Ductilidad: suelen aguantar muchos esfuerzos antes de fallar. - Tenacidad: el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación (elástica e inelástica). - Facilidad de unión con otros miembros: es muy fácil unirlo con otras piezas a través de remaches, tornillos, soldaduras, etc. - Rapidez de montaje: es muy rápida su construcción y tratamiento. - Costo de recuperación: puede ser reutilizado y recuperado como chatarra. - Reciclable: el acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina. - Permite ampliaciones fácilmente: el acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos de manera relativamente sencilla. - Se pueden prefabricar estructuras: el acero permite realizar la mayor parte posible de una estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo mayor exactitud.

DESVENTAJAS DEL ACERO

- Corrosión: debe ser continuamente tratado para detener este proceso, el cual suele afectar a la mayoría de las estructuras metálicas. - Calor, fuego: el calor se propaga a través de todo el material al ser sometido a altas temperaturas, lo que hace que se comporte de forma plástica. - Pandeo elástico: suele pandearse cuando es sometido a altos esfuerzos. - Fatiga: suele fatigarse al ser sometido a muchas inversiones de carga.

Calderón (2010)

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO Principalmente se tienen dos tratamientos térmicos con los cuales se trabajan los aceros: el recocido y el temple y revenido.  Recocido: con este tratamiento se busca ablandar el acero, homogenizar su estructura y su

composición química, para así convertir al acero en más dúctil. Existen diferentes tipos de recocido:

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 Recocido de regeneración: se utiliza en aceros con porcentajes de carbono que van desde 0.35 hasta 0.60%. A través de este tratamiento se logra mecanizar el acero en las mejores condiciones, se debe aplicar luego de la forja o laminación.  Recocido Total: Consiste en calentar el acero hasta la temperatura de austenización (800-925 ºC), y luego dejar enfriar lentamente. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.  Recocido de ablandamiento: se utiliza para disminuir la dureza de los aceros al carbono. También es conocido como recocido de globalización, se le aplica a los aceros después de la forja o laminación en caliente, para eliminar tensiones y dureza, y de esta manera poder ser mecanizados. Consiste en calentar la pieza a una temperatura inferior a la crítica y después dejar enfriarla al aire libre.  Recocidos contra acritud: Se emplea en aceros de bajo contenido de carbono (inferior a 0.30%) cuando la ductilidad y el límite de alargamiento han disminuido notablemente a causa de fuertes trabajos en frío por laminado o estirado y a causa de trabajos en los que la dureza ha aumentado por deformación de los cristales. Sin el recocido contra acritud no se podría seguir el proceso mecánico de transformación en frío porque si no se rompería el acero.  Recocido globular: es utilizado cuando se desea que los aceros queden con estructuras globulares. Para proceder, se debe calentar el acero al carbono durante un largo tiempo a temperaturas entre 700º a 740ºC y luego enfriar lentamente. De esta forma el material obtiene una elevada ductilidad.  Normalizado: Este tratamiento consiste en calentar el acero a 50ºC aproximadamente por encima de la temperatura crítica y luego dejarlo enfriar al aire libre. Se utiliza cuando la estructura cristalina del acero es gruesa debido a calentamientos a temperaturas muy elevadas, a trabajos de forja insuficientes para destruir la estructura en bruto de colada, o cuando se desea modificar la estructura cristalina del acero, ya que no fue la deseada. Es ideal para materiales que requieran una resistencia de 38 a 55 Kg/mm2.  Temple y revenido: la finalidad de este tratamiento es aumentar la dureza y la resistencia del acero.

Consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, entre 900-950ºC y luego se deja enfriar en un medio líquido (agua, aceite), más o menos rápido, dependiendo de las características de la pieza. Cuanto más cantidad de carbono tiene el acero más templable es. Seguido al templado se hace el revenido, para disminuir los efectos del temple, 7

disminuyendo un poco la dureza y la resistencia del acero, eliminando las tensiones creadas en el tratamientro previo para lograr mejorar la tenacidad, consiguiendo la dureza y reisitencia deseada. El temple y revenido es ideal para aceros delgados y a través del mismo se logra alcanzar un valor del límite elástico de 75% de la carga de rotura. Este tratamiento no es conveniente para aceros con bajos contenidos de carbono (menos de 0,3%), ni en piezas gruesas, ya que en estos casos no se logra la penetración de temple o templabilidad. Al templar y revenir los aceros con concentraciones de 0.25 a 0.55% de carbono se logra elevar el límite de elasticidad y se logra mejorar la resistencia y el alargamiento.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS PROPIEDADES MECÁNICAS: RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Se establecen tres principales clases según las propiedades mecánicas de los aceros al carbono, las cuales varían según el porcentaje de carbono que contienen y según los elementos adicionales en la aleación. Entre las propiedades que rigen esta clasificación se tiene principalmente la tracción, sin dejar a un lado la resistencia, la tenacidad, la fatiga y el alargamiento.  Acero extrasuave: es el menos resistente a tracción, contiene un porcentaje de carbono de 0,15%, tiene una resistencia mecánica de 38-48 kg/mm2 y una dureza de 110-135 HB. Es fácilmente soldable y deformable. Son susceptibles al crecimiento del grano, y si después del formado en frío se calientan por encima de 600ºC se vuelven susceptibles a la fragilidad y a la rugosidad. Son más maquinables cuando se estiran en frío. Se utiliza en la fabricación de maquinaria que requieren alta tenacidad y que sean deformables en bajas temperaturas; además se usa en la embutición, plegado, herrajes entre otras.  Acero suave: presenta un 0,25% de carbono y tiene una resistencia mecánica de 48-55 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar a través de una técnica determinada. Entre los principales usos se tienen las piezas de resistencia media con buena tenacisas, deformables en frío, y de igual manera en la embutición plegado y herrajes.  Acero semisuave: contiene una concentración de 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 5562 kg/mm2 y una dureza de 150-170 HB. Cuando se templa logra llegar a una resistencia de 80 kg/mm2 y a una dureza de 215-245 HB. Se aplica en la fabricación de ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos y herrajes.  Acero semiduro: tiene un porcentaje de carbono de 0,45%, una resistencia mecánica de 6270 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Al templarse logra alcanzar una resistencia de 90 kg/mm2,

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generando deformaciones. Se utiliza en ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones.  Acero duro: es el acero más resistente a tracción y más frágil al frío, cuenta con un 0,55% de carbono, tiene una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB. Se utilizan principalmente en la fabricación de ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS USOS Y PROPIEDADES:  Aceros de bajo contenido de carbono: contienen menos de 0.25% de carbono. Estos aceros son fácilmente deformables, cortables, maquinabIes y soldables. No se vuelven más duros al ser templados y su resistencia media al ser normalizados oscila entre 35 y 53 Kg/mm2, contando con alargamientos desde un 23% hasta un 33%.

Los aceros con 0.06 hasta 0.25% de carbono son utilizados para fabricar vehículos, tubos, clavos, alfileres, sillas, cerraduras, los puentes de los ferrocarril, las estructuras de edificios, de las estaciones, las columnas metálicas de las líneas eléctricas, entre muchas otras cosas. Los herreros utilizan este tipo de acero para hacer puertas y ventanas.

Generalmente la presencia de fósforo y azufre perjudica la calidad de los aceros, por lo tanto se debe tratar de eliminar esos elementos en los procesos de fabricación. Para los aceros ordinarios el contenido de fósforo y de azufre no debe superar el 0.06%, y en los aceros de calidad el porcentaje debe ser menor a 0.03%. Si el azufre aparece como sulfuro de hierro, (en forma de retícula en la microestructura del acero) durante los procesos de forja o laminación del acero, disminuye la resistencia del material, lo que puede generar grietas debido a la fusión del mismo. Por otra parte, si aparece como sulfuro de manganeso, el acero no se vuelve más frágil en caliente, ya que tiene una temperatura de fusión muy elevada. En ambas situaciones el alargamiento y la resistencia del acero son bajas. El fósforo siempre se encuentra disuelto en los granos de ferrita con gran fragilidad.  Aceros al carbono para la cementación (AISI): Los Aceros son normalmente clasificados según la norma AISI. Los primeros dígitos (10), indican que se trata de un acero al carbono. Los últimos dos dígitos, indican cantidad de carbono presente en la

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estructura. Existen otras normas tales como la DIN y la JIS que clasifican los aceros a través de otras normas.

GRÁFICO 3. Tabla de equivalencias de norma. AISI 1010: Acero muy tenaz. Es utilizado para piezas mecánicas que no sean de gran tamaño y tengan formas sencillas, tales como bujes y pasadores. Se usa con temple directo en agua. También sirve para piezas embutidas o estampadas en frío. AISI 1015: Tiene aplicaciones similares al Acero1010, pero es utilizado cuando se quiere que la parte interna sea más dura y tenaz.

AISI 1022: Es utilizada para maquinaria y partes automotrices que no sean sometidas a grandes esfuerzos. Es más resistente en el núcleo que el acero 1015. AISI 1020: Suele ser utilizado para piezas que no son sometidas a esfuerzos mecánicos muy fuertes. Suele usarse en estado normalizado, por su baja templabilidad. Puede emplearse en estado templado y revenido para piezas de pequeño espesor. Se utiliza cementado cuando se requieren en el núcleo propiedades mecanizas más altas de las que pueden obtenerse con el tipo 1015 en cuyo caso se aplican las mismas normas de cementación que las especificadas para este acero. AISI 1030: Posee muchos usos para temple y revenido tales como ejes, arboles y toda pieza que no esté sometida a fuertes esfuerzos mecánicos. Suele recomendarse para piezas templadas y revenidas de tamaño pequeño. 10

AISI 1040: Tiene mejor templabilidad que el Acero 1020 y el Acero 1030. Se usa para piezas de máquinas de pequeño y mediano espesor. AISI 1045: Es normalmente empleado para herramientas forjadas de todo tipo, como: hachas, azadones, rastrillos, picas, martillos de varios usos, entre otros. AISI 1050: Por su alta templabilidad, este acero es apto para piezas de máquinas que deban soportar esfuerzos altos, pero sin impactos. AISI 1055: Tiene más o menos los mismos usos del 1050. Sirve para fabricar pasadores que deban soportar esfuerzos muy elevados. AISI 1060: Sirve para aquellas piezas que requieran una mayor resistencia. Sirve como herramienta de corte para plásticos, madera y materiales no ferrosos (latón, bronce). También es utilizado para resortes en algunas ocasiones. AISI 1070: Se utiliza como acero de construcción para aquellas piezas que sean sometidas a altos esfuerzos mecánicos. Suele utilizarse en partes móviles de molinos y trituradoras, así como cuchillas para moler materiales blandos. Permite además la fabricación de resortes con mucha precisión. También es usado como acero para herramientas para todas las piezas que requieran dureza, tenacidad y resistencia al desgaste. AISI 1095: Es considerado como el acero al carbono con mayor resistencia. Es usado para la fabricación de resortes de todos los tipos y para todos los usos. Es procesado en frío para la construcción de resortes de alta precisión. AISI 1541: Se utiliza para partes que deban tener un límite de fluencia alto y fuerte resistencia al desgaste. Es normalmente utilizado para herramientas manuales (agrícolas), tornillería de alta resistencia y grapas industriales y automotrices. UTP (2010)  Aceros al carbono de alta maquinabilidad (resulfurados) : Estos aceros poseen bajo contenido de carbono y suelen ser aleados con otros elementos tales como azufre, fósforo y plomo. Estos aleantes hacen el papel de lubricante dentro de la estructura del acero, permitiendo una alta maquinabilidad. No son aptos para soldar, tratamientos térmicos, ni forja. El beneficio de la maquinabilidad, es que, al utilizar este acero para herramientas, la vida de la herramienta se ve

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prolongada, así como se ven disminuidos los tiempos de producción. Esto permite la reducción de costos. Son identificados mediante la norma AISI/SAE mediante la nomenclatura 11XX. AISI 1110 - 1111 - 1112 - 1113: Permiten una alta maquinabilidad, la misma aumenta en este grupo al aumentar el azufre. AISI 1108 - 1109 - 1116 - 1117 - 1118 - y 1119. Permiten una buena maquinabilidad y cierta respuesta a los tratamientos térmicos. AISI 1117 - 1118 y 1119, poseen más manganeso, lo que permite más templabilidad. AISI 1132 - 1137 - 1140 - 1141 - 1144 - 1145 - 1146 y 1151. Es utilizado en partes que están bajo gran maquinado. Previenen la aparición de roscas y estrías. AISI 1132 -1137 - 1141 - 1144: ofrecen gran maquinado y alto nivel de templabilidad.

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CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PRODUCCIÓN  Aceros efervescentes: son los aceros que contienen mayor concentración de carbono en el centro del lingote que en el exterior, debido a que durante la solidificación sólo se ha eliminado una pequeña parte del oxígeno, dejando la capa exterior prácticamente sin oxígeno. La superficie exterior queda muy dúctil, con excelentes cualidades ideales para su conformado en frío.  Aceros calmados: son lo opuesto a los efervescentes; son aceros prácticamente libres de carbono, pues se les ha extraído gran cantidad de oxígeno. Los aceros calmados son útiles cuando se necesita emparejar el acero, pero requiere de un tratamiento térmico al terminar la técnica de conformado de manufactura.  Aceros semicalmados o tapados: son una combinación de los aceros efervescentes y los calmados, tienen características y propiedades mecánicas de ambos elementos.

ACERO EN VENEZUELA El acero en Venezuela es producido principalmente por Sidor. La producción del acero en Venezuela, da inicio en el año 1950 con la construcción de la planta de SIVENSA en Antímano. Posteriormente, basó sus plantas en el Estado Bolívar. En el año 2003 implementó las normas ISO 90012000 a su proceso productivo. En el año 2008 fue estatizada. En el año 2010, se mantiene una producción estimada de 1,6 millones de toneladas de aceros de distintos tipos a diferencia de los 3,57 millones de toneladas producidas en el 2008. Los productos que ofrece Sidor varían entre lingotes, palanquillas, planchones, hoja cromada (acero de bajo carbono), hojalata (acero de bajo carbono), laminados, alambrones y barras. Cada uno de estos productos, se adapta a las necesidades de distintos procesos productivos. Por otro lado, muchas empresas se encargan de la comercialización y procesamiento de este acero. Industrias Unicon, C.A. - Tubos de acero Anteriormente C.A. Conduven, es la empresa líder en Venezuela en la producción y comercialización de tubos de acero, así como tubos para cercas y láminas cortadas. Por otro lado, SIDETUR, C.A., es encargada principalmente de la producción de cabillas y tubos de acero. Posee una planta en el Estado Bolívar, una en Guarenas y una en Antímano. Esta empresa transformadora, fue recientemente estatizada.

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CONCLUSIONES

El acero al carbono es un material que tiene una infinidad de aplicaciones. Dado a su facilidad de producción, bajo costo relativo y gran manipulación y adaptación de sus características, este material está presente en todo proceso productivo o producto terminado del uso humano. Los aceros al carbono representan aproximadamente el 90% de los aceros existentes y utilizados para la industria. Esto se debe, a que sus distintas variaciones y composiciones, permiten utilizarlo para fines específicos. Entre las atributos que varían en los aceros al carbono, dependiendo de su composición, son su tenacidad, ductilidad, maquinabilidad, resistencia a la tracción y dureza. Las aplicaciones del acero varían desde su uso estructural, aplicación para piezas mecánicas, fabriación de tubos y armaduras, fabricación de herramientas, fabricación de cascos navales (combinados con aceros inoxidables por lo general), fabricación de puertas y ventanas, fabricación de piezas automotrices, entre otros. Dependiendo del uso que se le vaya a dar, es importante determinar el tipo de acero que se va a utilizar en relación a su composición, así como se debe tomar en cuenta los tratamientos a los cuales ha sido sometido. Estos tratamientos, permiten controlar ciertas propiedades, tales como su dureza y ductilidad. Los aceros al carbono son clasificados de distintas formas. Suelen ser clasificados según sus propiedades mecánicas, tales como su resistencia a la tracción, según sus usos y propiedades, según su tratamiento o según su producción. Por lo tanto, es de gran importancia al momento de fabricar una pieza o diseñar algún proceso productivo, saber determinar qué tipo de material (de acero en este caso) es el más adecuado para utilizar, tomando en cuenta las especificaciones que se necesiten, al menor costo posible. Por último, en Venezuela, la producción de acero es considerable, dado a los grandes yacimientos ferrosos existentes en el territorio. Existen muchas empresas dedicadas a la producción de acero o la transformación del mismo. Si bien la mayoría de las empresas de la cadena han sido estatizada, Venezuela está posicionado como el cuarto mayor productor de acero en Latinoamérica. Actualmente, la producción ha decaído notablemente. La disponibilidad del acero en Venezuela cada vez disminuye más, lo que afecta directamente a las industrias, principalmente a la automotriz, la manufacturera y la inmobiliaria.

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BIBLIOGRAFÍA

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