Materiales de construcción

Barcos. Aviones. Blindajes. Acero. Propiedades. Maquinado. Soldabilidad. Tratamiento térmico, en caliente y en frío. Forjado. Envejecimiento. Endurecido. Usos y costes. Comercialización

  • Enviado por: César Cardona
  • Idioma: castellano
  • País: Colombia Colombia
  • 11 páginas
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1. INTRODUCCIÓN

A través de los años se han desarrollado múltiples técnicas para la elaboración de aceros de alta resistencia destinados a importantes usos, estructurales, militares e incluso entretenimiento. El presente trabajo ilustra cuales fueron los aceros desarrollados con tal propósito, mostrando su composición química, propiedades, procesos de obtención, aplicaciones y precios, haciendo un completo análisis de las características fundamentales inherentes a su elaboración y el motivo por el que fueron desarrollados.

  • DENOMINACIONES

  • En la industria de los aceros es posible nombrar un mismo material basándose en diversos tipos de nomenclatura, según su utilización, o incluso según el país o la región donde sea empleado o distribuido; este es el caso de los tres aceros aleados que son objetivo de esta investigación.

    Según el libro MACHINIG DATA HANDBOOK, volúmenes 1 y 2, los grupos de aceros especiales utilizados para la elaboración de blindajes y construcción de barcos y aviones son:

    • HY 80

    • HY 100

    • HY 180

    • MIL-S-12560

    • MIL-S-16216

    En realidad este grupo puede ser reducido a los tres primeros elementos ya que existe una equivalencia con los dos últimos, en la Tabla 1 se pueden apreciar dichas equivalencias, además de la adición de otros materiales relacionados.

    TABLA 1. Nombre comercial del acero y equivalencias

    Comercial

    Militar

    UNS

    Otras

    HY 80*

    MIL-S-21952

    MIL-S-16216

    J 42015

    ST2770

    HY 100

    MIL-S-16216

    J 42240

    ST2770

    HY 180

    FMS-1111**

    MIL-S-12560***

    MIL-S-46100***

    * El número que acompaña al HY significa la resistencia última a la fluencia multiplicada por mil, dada en psi.

    ** Lockheed/General Dynamics.

    *** Aceros de alta dureza usados para blindaje.

    Aunque la designación MIL-“X” es de gran importancia ya que es la usada en la industria militar en Estados Unidos, de ahora en adelante se tendrá en cuenta la designación comercial, ya que es la forma mas utilizada para referirse a estos

    materiales. La designación UNS (Unified Numeric System) es un sistema de referencia internacional.


    3. PROPIEDADES

    Las características de los aceros aleados HY 80, HY 100 y HY 180 son muy similares ya que pertenecen a la misma familia y son destinados casi a las mismas aplicaciones, por esta razón, los datos relacionados con cada material se mostrarán individualmente mientras sea posible, de lo contrario se hará un análisis general de la propiedad estudiada.

    Todos los materiales existentes en la naturaleza exhiben diferentes propiedades físicas, químicas, mecánicas, etc. que dependen directamente de su composición química. En la Tabla 2 se muestran las diferentes composiciones de los aceros alea os HY 80, HY 100 y HY 180, antes de cuantificar y analizar sus diferentes propiedades.

    TABLA 2. Composición química

    ACERO

    C

    Mn

    S

    P

    Si

    Ni

    Cr

    Mo

    Cu

    Otros**

    HY 80*

    0.196

    0.152

    0.017

    0.008

    0.130

    2.81

    1.53

    0.344

    0.043

    0.012Ti

    0.0057V

    0.109Al

    0.16Co

    0.019As

    HY 100

    0.12

    0.18

    0.10-0.40

    0.020**

    0.020**

    0.15-0.35

    2.25-3.50

    1.0-1.8

    0.2-0.60

    0.25

    0.02Ti

    0.03V 0.025Al 0.025Sb 0.030Sn

    HY 180

    0.12-0.15

    0.30**

    0.30**

    0.10**

    10.0

    2.0

    1.0

    * Standar Reference Material 1286, Low Alloy Steel (HY 80). National Institute of Standars & technology.

    ** Valores máximos.

    Como es posible apreciar en la Tabla 2 la cantidad de aleantes en los tres aceros es muy baja (específicamente con el Cromo, Níquel y Molibdeno), haciendo que se les llame Aceros de Baja Aleación. El porcentaje de cada uno de los elementos influye determinantemente en las propiedades y comportamientos del material frente a diversos procesos, como tratamientos especiales para mejorar su resistencia, procesos de maquinado y unión. A continuación se listan los principales componentes de aleación y su influencia sobre el conjunto.

    Carbono. Es elemento fundamental que determina la aptitud para la soldadura de los aceros. Interviene en los aceros ferríticos, ya sea aumentando el poder de temple del empalme en la zona de transformación, o dando lugar a carburos bajo la acción de los tratamiento térmicos. En los aceros especiales soldables debe limitarse su contenido: rara vez sobrepasa el 0,25%. A partir de cierta proporción de este elemento, es preciso tomar precauciones especiales para que no sea perjudicial.

    Manganeso. Favorece el temple del acero, es preciso limitar su contenido, excepto en los casos especiales en que se busque obtener dureza o resistencia al desgaste. Rara vez pasa del 2,0% en los aceros soldables. El manganeso es un desoxidante enérgico y constituye un ingrediente de los electrodos o las varillas de aporte como elemento favorable por sus reacciones con el metal líquido.

    Silicio. Es un reductor enérgico del acero al igual que el manganeso. Su contenido, aumenta la tendencia al agrietamiento durante la soldadura y varía según el tipo de acero, el modo de elaboración y las concentraciones de carbono y de manganeso, han de limitarse en los aceros de construcción de 0,15 a 0,30%.

    Níquel. Favorece el temple, como hacen también el carbono y el manganeso. En los aceros poco carburados (C<0,15%) y sin elementos de adición puede tolerarse del 3,0 al 5,0% de este elemento sin que la fragilidad del conjunto quede fuertemente afectada. En pequeña cantidad el níquel mejora la capacidad de deformación de la soldadura, afina el grano e interviene favorablemente en la temperatura de transición de fragilidad del acero.

    Cromo. Como en el caso de los aceros estudiados aquí, por lo general el cromo suele estar unido a otros elementos como el níquel y el molibdeno en los aceros ligeramente aleados de construcción, aumentando su templabilidad. El cromo presenta un inconveniente desde el punto de vista de la soldabilidad operatoria, y es que forma óxido de cromo, material refractario que es indispensable eliminar con un flujo decapante en el soldeo. Dado que el óxido de cromo se elimina más fácilmente con escoria básica, los electrodos con alma de acero al cromo deben poseer preferiblemente revestimiento básico.

    Molibdeno. Aumenta el poder de temple del acero, su contenido suele estar limitado al 0,25 ó 0,35% en los aceros con bastante carbono. Este elemento, incluso en pequeñas concentraciones, confiere a los aceros una mayor resistencia en caliente y la propiedad de resistir a la fluencia lenta, por esto es adecuado como elemento de adición en los aceros especiales ligeramente aleados; también es posible observar que a partir del 0,50% de molibdeno, el poder del temple del acero aumenta notablemente y su soldabilidad metalúrgica disminuye; por consiguiente se han de prever ciertas precauciones para el soldeo de los aceros que contengan este elemento. 

    Vanadio. Aumenta rápidamente el poder de temple del acero, pero su contenido debe ser muy limitado; rara vez excede del 0,1 al 0,2%.

    Aluminio. Es un poderoso reductor en concentraciones pequeñísimas. Calmando el acero con aluminio se reduce el efecto del nitrógeno en el envejecimiento (endurecimiento secundario) por formación de nitruro de aluminio.

    Cobre. Es soluble en el acero hasta 0,40%, se recomienda no pasar este límite en los aceros destinados a conjuntos soldados, ya que este elemento es un factor de agrietabilidad en estado libre. Se le atribuye la propiedad de otorgar a los aceros de construcción mayor resistencia a la corrosión por el agua.

    Después de analizar los elementos y su efecto sobre el material, se enumeran a continuación las propiedades principales de los aceros y la forma en que influyen sobre las aplicaciones que se les dan.

    TABLA 3. Propiedades mecánicas

    Descripción

    S. Métrico

    S. Inglés

    Comentarios

    Dureza

    33.5 Rc

    33.5 Rc

    1” de espesor

    Dureza

    40 Rc

    40 Rc

    ½” de espesor

    Dureza

    41.5 Rc

    41.5 Rc

    1/8” de espesor

    Resistencia a la tensión

    483-689 MPa

    70000 - 100000 psi

    Varía con el espesor

    Resistencia última a la tensión

    621-931 MPa

    90000-135000 psi

    Varía con el espesor

    Elongación hasta la ruptura

    13% - 23%

    13% - 23%

    Según la temperatura de templado

    Resistencia al impacto*

    33.9 - 94.9 J

    25 - 70 ft-lb

    Según la temperatura de templado

    Módulo de elasticidad

    205 GPa

    297 000 ksi

    Típico del Acero

    * Ensayo Charpy

    TABLA 4. Propiedades físicas

    Descripción

    Valores

    Densidad

    7.87 g/cm³

    Gravedad específica

    7.83

    Calor especifico

    0.11 J/(kgK)

    Punto de fusión

    1425ºC

    TABLA 5. Propiedades térmicas

    Descripción

    Valores

    Conductividad térmica

    47 - 58 (W/m•K)

    Calor latente de fusión

    280 - 320 kcal/kg

    Temperatura máxima de servicio

    793ºC

    Expansión térmica

    10.5x10^6 - 12 x10^6 /ºC

    TABLA 6. Propiedades electromagnéticas

    Descripción

    Valores

    Resistividad

    125 x10^-8 - 133 x10^-8 ohm.m

    Permeabilidad magnética

    No ferroso

    TABLA 7. Resistencia ambiental

    Descripción

    Comportamiento

    Inflamabilidad

    Muy buena

    Agua dulce

    Muy buena

    Agua salada

    Muy buena

    Solventes orgánicos

    Muy buena

    Oxidación a 500ºC

    Muy buena

    Rayos UV

    Muy buena

    Ácidos débiles

    Muy buena

    Ácidos fuertes

    Muy buena

    Alcalinos débiles

    Muy buena

    Alcalinos fuertes

    Muy buena


  • GENERALIDADES

  • Ya que la presentación final de estos aceros es producto de un previo proceso de trabajado como se verá en el Capítulo 5, deben exhibir muy buenas propiedades respecto a algunos procesos de maquinado y de tratamientos para mejorar su resistencia, las siguientes son algunas de las consideraciones más importantes:

    MAQUINADO. Este proceso se efectúa por lo general después de que el acero ha sido templado y revenido. Para el maquinado, se hace igual que con los demás aceros de baja aleación con una dureza de 40 Rc.

    SOLDABILIDAD. Especial por la buena ductilidad, dureza y resistencia. Es preferible soldar mediante el método de arco eléctrico con electrodos bajos en hidrógeno. La soldabilidad de estos tipos de acero (los de baja aleación) es riesgosa en la medida que se desconozcan los parámetros del procedimiento como: análisis químico, templabilidad, geometría de la pieza, etc. La buena ejecución de este proceso es fundamental, ya que las placas (planchas) son soldadas para la construcción barcos y aviones.

    TRATAMIENTO TÉRMICO. Estos aceros son suministrados con un temple y revenido previo, por lo tanto un tratamiento térmico como tal no es requerido, sin embargo si es primordial mejorar su resistencia, un templado se puede realizar a 649°C por hora por pulgada de espesor, seguido de un enfriamiento lento sin exceder un descenso de 93°C por hora. Por debajo de los 260°C puede ser enfriado con aire.

    FORJADO. Si se desea forjar, se debe hacer entre 1037 - 1148°C y enfriar con aire. Es necesario anotar que este proceso debe hacerse antes de ejecutar cualquier tratamiento térmico.

    TRABAJO EN CALIENTE. Si es necesario, debe hacerse dentro del rango entre 93 - 315°C, para no modificar su estructura interna.

    TRABAJO EN FRÍO. Este es el proceso por excelencia que se ejecuta sobre la familia de los HY, ya que poseen muy buena ductilidad, pudiéndose trabajar por medios convencionales para la formación de placas que posteriormente serán usadas para la elaboración de cascos de submarinos, barcos y aviones.

    ENVEJECIMINETO. También es posible realizar el proceso de envejecimiento si se necesita incrementar la resistencia, este debe hacerse a 510°C durante 5 a 10 horas y luego enfriar con aire.

    ENDURECIDO. Como estos aceros son suministrados con un temple y revenido, el trabajo en frío será el que incremente la dureza de las placas resultantes.

  • PRESENTACIÓN Y COMERCIALIZACIÓN

  • 5.1 OBTENCIÓN Y PRESENTACIÓN

    Según la UNS, las especificaciones de los aceros HY 80 y HY 100 son J42015 y J42240 respectivamente, donde la letra representa el proceso de obtención del acero relacionado, en este caso, la “J" significa aceros aleados fundidos, lo que quiere decir que los materiales base pasaron por un proceso de fundición para poder ser elaborados. Estos aceros se encuentran disponibles para la venta en forma de barras y placas según el tipo de utilización posterior. La ventaja de estos aceros radica en que son aptos para el trabajo en frío como se vio en el capítulo anterior y por tanto las barras son una excelente opción para un comprador que posea los equipos necesarios para maquinar estas barras según sus necesidades.

    Ya que estos aceros están destinados a prestar básicamente el servicio de transporte, militar o civil, las placas constituyen la forma más apta para ser distribuidos, ya que para la construcción de barcos y aviones se necesitan superficies planas que puedan ser unidas y representen conjuntos soldados de alta resistencia.

    5.2 USOS Y PRECIOS

    Como fue posible apreciar en el capítulo 3 las propiedades de estos aceros aleados exhiben gran resistencia a la fluencia, muy buena tenacidad y en especial un alto grado de resistencia a la corrosión, características fundamentales en la construcción de aplicaciones críticas de aeroespacio e hidroespacio, además de recipientes de alta presión y grandes estructuras de acero.

    Aunque en el comercio existen aceros con excelente resistencia, estos aceros especiales son destinados en su mayoría para construcciones navales, específicamente en la construcción de cascos para barcos (comerciales y militares) y submarinos, donde prima el comportamiento frente a temperaturas extremas, condición en la cual las propiedades mecánicas no pueden ser degradadas.

    Estos materiales también son aplicados en la industria aeroespacial donde no se permite el desarrollo de focos de corrosión debido a la atmósfera y donde la capacidad de soportar grandes presiones es fundamental, incluso sobre estructuras que fueron soldadas previamente. Los aceros HY son de muy buena soldabilidad, siempre y cuando este proceso sea ejecutado debidamente, ya que el calor puede transformar la dureza superficial o generar focos de corrosión.

    En cuanto a los aceros para blindaje, es necesario que posean una alta dureza superficial, acompañada también de resistencia a la corrosión atmosférica, para mantener así una estructura compacta y resistente a impactos balísticos y no balísticos, es necesario anotar que las placas para blindaje requieren, para un óptimo uso, ser ensambladas junto con otros materiales diseñados específicamente para la industria de seguridad como el kevlar u otros componentes como fibras de carbono, etc.

    Otras aplicaciones para estos aceros son: partes de turbinas, aplicaciones a alta temperatura, sistemas de combustión, procesamiento químico, manufactura de papel, dispositivos de extrusión, reactores nucleares y pos-quemadores.

    En el comercio se pueden encontrar varios precios de pendiendo de la presentación del acero comprado, en el caso de adquisición de placas el vendedor posee tablas o en su defecto un software donde se ingresan los datos dimensionales (alto, ancho y espesor) y según el material se calcula el peso, en base a este se da a conocer la cantidad total de dinero, un precio común encontrado para los aceros HY varia entre US$ 0.40 a US$ 0.90 por libra, dependiendo del tipo exacto de acero y los tratamiento térmicos realizados durante su manufactura antes de salir a la venta. Es valioso anotar que este precio es el que se maneja en el territorio estadounidense, los precios que se manejan en Colombia son mas altos ya que deben pagarse gastos de envío, seguros, impuestos, etc.

    CONCLUSIONES

    • El desarrollo de los aceros en la industria internacional se ha incrementado dependiendo directamente de la demanda de aplicaciones especiales, en este caso los aceros de la familia HY han contribuido enormemente en la industria militar y de transporte.

    • La conformación de aleaciones especiales tiene como principio la adición de elementos mediante el proceso de fundición, que mejoran las propiedades de presentación e incrementan el número de posibles aplicaciones de los aceros.

    • Como los aceros de la familia HY contienen un buen porcentaje de elementos aleantes como Cromo, Níquel, Molibdeno y Cobalto, presentan una excelente resistencia mecánica, muy buena tenacidad y especialmente un grado de resistencia a la corrosión muy alta, lo que hace que estos aceros sean aplicados en la industria civil y militar, específicamente en el transporte.

    • Como estos aceros después de ser fundidos y antes de ser comercializados reciben un tratamiento térmico de temple y revenido, incrementan sus propiedades, dando como resultado final un producto con mayor tenacidad y dureza superficial.

    • Debido a que estos aceros especiales se comportan muy bien en la mayoría de los procesos de maquinado y de unión, son aptos para muchas aplicaciones diferentes a las de transporte, como la elaboración de recipientes de alta presión, submarinos, industria química y nuclear y en general donde se requiera aplicaciones de alta resistencia mecánica y ambiental.

    ANEXO 1. BREVE RESEÑA HISTORICA DE LOS ACEROS HY EN LA INDUSTRIA

    NAVAL.

    Los aceros de bajo carbono han sido utilizados en múltiples aplicaciones; sin embargo, los aceros de alta resistencia (high strength) han experimentado un significativo aumento de sus usos.

    Los aceros de alta resistencia más corrientes de que hoy se dispone para construcción naval incluye los HTS, HY-80 y HY-100. Debido a que el HY-80 fue el primer acero que superó a los denominados HTS y en cierto modo constituye el punto de referencia

    para los aceros modernos, resulta interesante describir brevemente su historia.

    Anterior a 1940, los submarinos de combate eran ampliamente fabricados con aceros de bajo carbono, un material con límites de fluencia de alrededor de 32.000 psi. Entre 1940 y 1958 los aceros de resistencia a la tracción (HTS), de aleación carbono- manganeso con 50.000 psi, fueron los más utilizados en estructuras de submarinos.

    En 1958 el acero HY-80, templado y revenido con una fluencia mínima de 80.000 psi, fue introducido por primera vez en los cascos de submarinos. Años más tarde el HY-100, acero con 100.000 psi de esfuerzo de fluencia mínimo y muy similar al HY-80 fue introducido. Hoy en día el HY-80 y el HY-100 son los aceros básicos de fabricación para casco de submarinos.

    El punto de referencia del desarrollo del HY-80 lo representa un acero fabricado por la Krupp a comienzos de siglo, que consideraba la adición de níquel y cromo para aumentar la resistencia. El HY-80 adicionalmente contempla un proceso de templado y revenido (Q & T), donde la combinación de los elementos de aleación contribuye a balancear su alta resistencia compatible con una buena tenacidad. El contenido de manganeso está destinado a control de los sulfuros y el molibdeno a minimizar la fragilización por temple. El níquel se utiliza para aumentar la tenacidad del acero. Además, el efecto combinado del níquel y el molibdeno contribuyen a mejorar su templabilidad.

    En 1951 se construyó el primer buque de guerra con HY-80 el USS Albacore, y en 1952 lo sigue el USS Forrestal. A partir de 1956, comienza una amplia aplicación del HY-80, sin embargo en 1958 y en los años siguientes varias fallas en las soldaduras fueron detectadas, que hicieron recomendables disponer de precauciones especiales en el control de tales defectos. De esta manera el panorama en el desarrollo de los aceros de alta resistencia para construcción naval muestra la siguiente cronología, al menos en el caso de sumergibles, que serán lo más representativo en exigencias para estos aceros.

    El otro acero en esta línea es el HY-130, llamado originalmente HY-140; sin embargo, más tarde se descubrió que sólo podía garantizar 130.000 psi de fluencia cuando se utiliza en estructuras soldadas. En 1969, el primer vehículo de rescate submarino para grandes profundidades, DSRV, fue fabricado por la Lockhead Misile and Space Co., usando el HY-130. Este vehículo es capaz de descender hasta profundidades de 6.000 pies. Es así como la Armada estadounidense ha planificado el empleo del acero HY-130 para la construcción de nuevos submarinos; también, ha desarrollado un vehículo de investigación, DSSV, capaz de descender 6100 mts. (20.000 pies) con un acero en HY-180.

    Las aplicaciones de aceros de alta resistencia a estructuras comerciales, incluidos buques, puentes y vasijas de presión, ha ocurrido desde hace varios años, estando la mayoría de estas aplicaciones limitada a valores de esfuerzo de fluencia bajo 120.000

    psi. Sin embargo, la aplicación más corriente de estos tipos de acero, templados y revenidos, está limitada a aceros navales como HY-80 y HY-100 y otros comerciales como ASTM A 514/517, teniendo estos aceros una excelente resistencia a la fractura a bajas temperaturas.

    Armor Plate, Ship Plate, Aircraft Plate.

    Como la variación en la composición química es mínima, no se especificaran las propiedades de los aceros individualmente, sino en forma general.

    Alloy steel cast, Manual de la UNS para composiciones químicas y referencias equivalentes.

    Distribuidos en esta presentación por Timken Latrobe Steel.

    Precio suministrado por AT&F Steel Solutions a finales del año 2005