Propiedades y Tratamientos Clave en Aceros Industriales: Soldabilidad, Maquinabilidad y Elasticidad

Precalentamiento en Procesos de Soldadura

¿Qué es el precalentamiento?

Es la temperatura que debe alcanzar el metal base inmediatamente antes de que comience el proceso de soldeo, y que normalmente debe mantenerse entre las diversas pasadas en caso de soldadura de pasadas múltiples.

¿Qué ocurre si no se realiza el precalentamiento?

Sin precalentamiento, se reduce el tiempo t8/5, por lo que aumenta la posibilidad de formación de martensita. Además, se produce una baja difusión del hidrógeno y se generan elevadas tensiones residuales, fragilizando la unión.

¿Qué es el tiempo t8/5?

El t8/5 es el tiempo que tarda el material en enfriarse desde 800 °C hasta 500 °C. Este rango de temperaturas es crítico, ya que es donde ocurre la transformación de austenita a martensita y donde, además, el material es susceptible a la absorción de hidrógeno (H).

¿Cuándo es necesario precalentar?

Generalmente, para aceros con un contenido de carbono (C) inferior al 0,45 %, la soldadura puede realizarse sin precalentamiento. Sin embargo, cuando el contenido de carbono supera el 0,45 %, es necesario realizar un precalentamiento del material para asegurar la integridad de la unión.

Aceros de Fácil Mecanización y Maquinabilidad

Concepto de Aceros de Fácil Mecanización

Son aceros diseñados para aplicaciones de baja responsabilidad mecánica donde se requiere una gran producción en serie. Se caracterizan por permitir una velocidad de mecanizado muy elevada, lo que optimiza los tiempos y reduce costes. Esta mejora en la maquinabilidad se logra a costa de una menor dureza, debido a la adición controlada de elementos como el azufre (S) y el fósforo (P). Un ejemplo son los aceros de las series F210.

Definición de Maquinabilidad

La maquinabilidad es la propiedad que describe la facilidad con la que un material puede ser mecanizado (cortado) para darle una forma, tamaño y acabado superficial específicos. Se puede evaluar mediante varios criterios:

• Duración de la herramienta de corte.
• Velocidad de corte alcanzable.
• Consumo de energía durante el proceso.
• Calidad del acabado superficial obtenido.
• Comparativa con otros materiales de referencia.

Para mejorar esta propiedad, estos aceros suelen contener azufre (S).

Factores que Afectan la Maquinabilidad

• Endurecimiento por deformación: La tendencia del material a endurecerse al ser trabajado.
• Presencia de impurezas abrasivas: Partículas duras en la microestructura que desgastan la herramienta.
• Resistencia a la cortadura: La fuerza necesaria para cortar el material.
• Dureza del material: A mayor dureza, generalmente menor maquinabilidad.
• Formación de la viruta: La generación de virutas pequeñas y fragmentadas es deseable, ya que reduce la fricción, la potencia requerida por la máquina y el desgaste de la herramienta.

Influencia del Sulfuro de Manganeso (MnS)

El azufre (S), añadido en contenidos del 0,15 % al 0,30 %, se combina con el manganeso para formar inclusiones de sulfuro de manganeso (MnS). Estas inclusiones aportan los siguientes beneficios:

• Reducen la fricción entre la herramienta y la pieza.
• Evitan el embotamiento de la herramienta.
• Promueven la formación de una viruta corta y discontinua, fácil de evacuar.
• Mejoran el acabado superficial.

Como contrapartida, la presencia de MnS reduce significativamente la resiliencia transversal del material. Para mitigar este efecto, las inclusiones de MnS se pueden redondear mediante la adición de telurio (Te) en un 0,03-0,06 %. El mecanismo de acción del MnS consiste en actuar como concentrador de tensión en el punto de corte, lo que facilita la rotura de la viruta y reduce la fuerza de cizalla necesaria para el mecanizado.

Influencia del Plomo (Pb)

El plomo (Pb) es otro elemento que mejora notablemente la maquinabilidad, aunque su adición al acero es compleja. Sus principales características y efectos son:

• Efecto autolubricante: El plomo tiene un bajo punto de fusión y se funde localmente durante el mecanizado, actuando como lubricante.
• Mejora del acabado superficial: Contribuye a obtener superficies más lisas.
• Proceso de adición: Se añade y dosifica durante la colada en lingoteras para evitar la segregación por gravedad. Suele localizarse cerca de las inclusiones de MnS.
• Efecto sinérgico: Multiplica el efecto positivo del sulfuro de manganeso sobre la maquinabilidad.
• Contenido típico: Se añade en porcentajes del 0,15 % al 0,30 %.
• Propiedades mecánicas: Prácticamente no modifica las propiedades mecánicas del acero base.
• Coste y justificación: Su adición incrementa el coste del acero en aproximadamente un 5 %. Su uso se justifica en la fabricación de piezas que requieren un mecanizado intensivo (por ejemplo, con una retirada de más del 20 % del material inicial).

Aceros de Gran Elasticidad (Aceros para Muelles)

Son aceros diseñados específicamente para trabajar en el dominio elástico, siendo su principal aplicación la fabricación de piezas destinadas al almacenamiento de energía mecánica, como muelles, resortes o ballestas. Sus propiedades fundamentales son:

• Límite elástico muy elevado: Deben operar siempre por debajo de su límite elástico para evitar deformaciones permanentes. Los valores típicos se sitúan entre 90 y 180 kg/mm² (aproximadamente 880 - 1765 MPa).
• Alta resistencia a la tracción: Generalmente entre 100 y 240 kg/mm² (aproximadamente 980 - 2350 MPa).
• Excelente comportamiento a la fatiga: Soportan un gran número de ciclos de carga y descarga sin romperse.
• Alta resistencia a la torsión: Su módulo de torsión (G) es aproximadamente el 75 % de su módulo de elasticidad (E).

Durante los tratamientos térmicos (TT), es crucial evitar la descarburación superficial, ya que esta reduce la dureza y la resistencia a la fatiga en la superficie de la pieza.