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ACERO MRU HERRAMIENTAS FRANK R. PALMER GEORGE V LUERSSEN JOSEPH S. PENDLETON, JR.

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REPRESENTACIONES Y SERVICIOS

DE INGENIERIA, S.A.

•MEXICO

Versión en español: Andrés Ruiz Mijares Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México Raúl Espinosa Islas Facultad de ingeniería U.N.A.M. Ruy Renau Ballester

Universidad Autónoma de Puebla, México Al cuidado de la Edición: Diseño Editorial, S.A.

Copyright Copyright Copyright Copyright Copyright

© © © © ©

1937, Frank R. Palmer 1948, Frank R. Palmer y George V. Luerssen 1960, Carpenter Technology Corporation 1978, Carpenter Technology Corporation 1986, Carpenter Technology Corporation

Versión en español de la obra Tool Steel Simplified, Fourth Edition, publicada originalmente por Chilton, Company; Radnor, Pennsylvania, U.S.A.

Reservados todos los derechos. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio, mecánico, eléctrico, de fotocopiado, térmico u otros, sin permiso expreso del Editor. Copyright © 1986, Representaciones y Servicios de Ingeniería, S. A. Apartado Postal 7-1032, 06700 México, D. F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial No. 662 ISBN 968-6062-80-7 ISBN 0-8019-6747-3, edición original en inglés IMPRESO EN MEXICO

Este libro está dedicado a todos aquellos que creen que, de todas nues¬ tras vocaciones ninguna tiene la mayor importancia que la del fabricante de herramientas. A medida que en la industria la mano de obra se sustituye por máquinas, cada vez estamos dependiendo más de las herramientas; por lo tanto, no es sorprendente que los fabricantes de herramientas y matrices se conviertan en el personaje vital en la escena industrial.

La información y datos presentados aquí son valores promedios y no se garantiza que sean valores máximos o mínimos. Las aplicaciones que se su¬ gieren para Jos materiales que se describen aquí se dan como una ilustración, con el propósito de permitir hacer algunas evaluaciones. No se considera que sea algo conveniente o que garantice, en forma implícita o explícita, estos o algunos otros propósitos.

Aquí se utilizan las unidades inglesas y se dan sus equivalentes del SI de medidas. Se dan las medidas en milímetros para longitudes menores de 2.5 plg y para longitudes mayores se dan en centímetros. Excepto en las tablas , en donde los valores se dan en una sola unidad.

I

Contenido

Prólogo Reconocimientos Lista de tablas Introducción

PARTEI Características físicas del acero para herramientas

xi

xiiii xiv 1 7

1

Terminología del acero para herramientas Materiales y equipo para la fabricación del acero Procesos de fabricación de acero

9 10 24

2

Acero para herramientas: su naturaleza

58

3

Análisis del acero para herramientas Análisis químico Elementos de aleación

63 63 63

4

Propiedades del acero para herramientas Templabilidad (Penetración del temple) Timbre Pruebas de control

73 79

Confiabilidad del acero para herramientas Fractura, ataque con ácido y prueba ultrasónica Repaso histórico del acero para herramientas

83 83 88

PARTE II Selección del acero correcto para cada clase de herramientas

91

5

6

Método del conjunto coordinado Conjunto coordinado templado en agua

72

82

93 94 vii

viii Contenido

Conjunto coordinado templado en aceite Conjunto coordinado templado en aire Conjunto coordinado dureza al rojo Primas donnas: aceros de análisis especial

100 101 103

106

7

Los 12 aceros del conjunto coordinado

108

8

Uso del método del conjunto coordinado

113

9

Selector de aceros para herramientas

129

PARTE III Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

181

10 Métodos y equipo para tratamiento térmico Métodos de tratamiento térmico Factores que intervienen en el tratamiento térmico Instrumentos del taller de temple Hornos de templado, o tratamiento térmico Equipo de templado Equipo de revenido 11 Pruebas mecánicas del acero para herramientas Naturaleza y uso de las pruebas mecánicas Prueba de dureza Pruebas de tensión Pruebas de tenacidad Pruebas de fatiga Pruebas de tenacidad a la fractura Propiedades físicas 12

Propiedades y tratamiento térmico de los 12 aceros del conjunto coordinado Agua-duro Agua-tenaz Agua-desgaste Aceite-duro Aceite-tenaz Aceite-desgaste Aire-duro Aire-tenaz

Aire-desgaste Rojo-duro

Rojo-tenaz Rojo-desgaste 13

Aceros de alta velocidad Composición de los aceros al molibdeno y al tungsteno Fabricación de acero de alta velocidad

183 183

188 191 202 216 221 225 225 226 232 235 237 238 238

241 241

246 253 257

263 273 276 285 292 296 301 308

314 315 317

Contenido ix

14

Otros tipos de aceros de alta velocidad Carburos cementados Aleaciones duras fundidas

334 335 338

Aceros para trabajo en caliente Esfuerzos Mecánicos Servicio térmico Tipos de acero para trabajo en caliente

339 339 340 342 344

Usos 15

Aceros para herramientas templados al aire y sus grados

principales Características de los aceros templados al aire Mecánica del endurecimiento al aire Efecto de la temperatura en el tratamiento al aire Tensiones internas y distorsión Aplicaciones típicas del acero para herramientas templado

354 355 356 359 360

al aire Fabricación de los aceros templados al aire Grados principales

364 366 367

PARTE IV Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

369

16 Relación entre diseño y tratamiento térmico Capacidad de servicio Efectos de la forma en la rapidez de enfriamiento

371 371 373

17 La prueba de ataque con ácido caliente Equipo Práctica de atacado Interpretación de discos atacados Condiciones reveladas por el ataque profundo Correlación de la macroestructura con los resultados de

381 381 382 384 387

servicio 18

Pruebas de templabilidad y timbre La prueba P-F La prueba del disco, de Shepherd La prueba de temple en el extremo (Jominy) Pruebas de templabilidad para aceros de temple al aire

389 391

391 396 396 399

19 Prueba de la chispa Instrucciones para la prueba de la chispa Efectos de diferentes elementos en las chispas Chorros de chispas

400

20 Atmósfera del horno Tipos de atmósferas

414 415

400

402 403

i

*

Contenido

Efectos de la atmósfera Métodos de determinación de atmósferas Hornos manualmente controlados Hornos de atmósfera controlada

417 419 421 422

Atmósferas recomendadas

426

21 Tiempo de calentamiento necesario del acero para herramientas Cómo se calienta el acero para herramientas Efectos de la atmósfera, circulación, y geometría en el tiempo necesario Influencia de los diferentes materiales de empaque

434 435 440 454

22

Templado y revenido Mecanismo de templado Leyes que gobiernan el temple Tensiones internas inducidas por el temple Resumen de los efectos del temple Métodos especiales de temple Revenido

462 462 468 470 484 486 488

23

Problemas de falla Las causas y efectos del esfuerzo Posibles fuentes de falla

491 491 493

Apéndice

Indice

501 509

Prólogo

Este libro, Acero para herramientas, se publicó por primera vez hace 46 años. En 1937 llenó una necesidad que hasta ese año no se había reconocido, que puso en los hombres clave de la economía de la producción los inge¬ nieros, los fabricantes y los técnicos, en herramientas— el conocimiento de esa parte muy importante en su trabajo diario: el acero para herramientas. Anteriormente el acero para herramientas y sus propiedades estuvo parcial¬ mente envuelto de misterio, posiblemente debido a la carencia de un conoci¬ miento preciso y al hecho de que mucha de la información estaba disponible en un lenguaje desconocido para el vendedor. El libro Acero para herramien¬ tas fue el único en traducir este conocimiento al lenguaje común. Con el crecimiento de la enseñanza vocacional en el sistema escolar, se encontró que era un libro útil para varios cursos. En las siguientes ediciones se tomaron en cuenta las necesidades de los estudiantes y también las de las personas que trabajan en la fabricación de herramientas y matrices. La cuarta edición de esta obra contiene los principales cambios que se han efectuado en la producción, fabricación y uso del acero para herramientas a partir de 1960, que fue cuando se revisóla edición anterior de Acero para herramientas. La demanda de herramientas y matrices de mayor vida en servicio y las probables ventajas a un precio predecible han permitido mejorar y modificar los métodos y equipos de la producción de aceros para herra¬ mientas, así como servir de guía para lograr aceros para herramientas y ma¬ trices altamente aleados, con los cuales se obtiene mayor seguridad en el tratamiento térmico y reducción en la posibilidad de producir distorsiones o cambios en las dimensiones al endurecer o revenir. Entre los muchos cambios en las técnicas de la producción de aceros para herramientas que se muestran están las técnicas del control de calidad durante la fundición; nuevos diseños de moldes para lingotes, los cuales disminuyen las deshomogeneidades en las barras del acero para herramientas; y procesos secundarios nuevos, tales como el arco al vacío y la refundición eléctrica con escoria, la cual elimina virtualmente los defectos internos y las

—

xi

xii Prólogo

variaciones direccionales de las propiedades en herramientas o dados. Tam¬ bién se discuten las ventajas que el fabricante entregue las barras de acero labradas hasta una medida muy próxima a las que se necesitan para su ma¬ quinado final con el fin de evitar la descarburación, la mayor fuente de difi¬ cultades en la fabricación de dados, o matrices. El fabricante de herramientas y de dados también es enfrenta con la necesidad de los cambios. Los dados se han vuelto cada vez más complejos, con tolerancias o dimensiones menores y una variación mínima en sus pro¬ piedades físicas o mecánicas en el área de trabajo de la herramienta o dado. Esto ha acelerado la tendencia a alejarse de los aceros para herramienta templados en agua y dirigirse hacia los templados en aceite y posteriormente hacia los templados en aire para dados de trabajo en frío. También se ha enlazado la necesidad de un equipo y técnicas más rigurosas del control del tratamiento térmico, las cuales se discuten en esta edición revisada. En el prólogo a la segunda edición dijimos que la década anterior abar¬ caba un periodo de avance en la fabricación y tratamiento de herramientas sin precedentes en nuestra historia. Todavía más, los siguientes años hemos sido testigos del rápido avance el perfeccionamiento de los aceros para herra¬ mientas y su tecnología. Ha sido una labor interesante el tratar de presentar estos progresos nuevos, algunos complejos, con el sabor original del libro, haciendo el menor número de cambios, tanto como ha sido posible, en las partes fundamentales conservando la forma como se presentaron original¬ mente.

Reconocimientos

Los autores expresan su aprecio y gratitud a los constructores de equipo por cuya cortesía se utilizaron sus ilustraciones y equipo; a quienes bondado¬ samente proporcionaron fotografías de la maquinaria para el Capítulo 1; a la American Iron and Steel Institute y a la American Society for Metals por sus extensas notas de sus publicaciones; y, finalmente, a los miembros del depar¬ tamento metalúrgico y del de publicidad de la Carpenter Technology Corpo¬ ration, División de aceros de Carpenter, por sus contribuciones y su ayuda en la preparación de esta edición revisada.

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Lista de Tablas

Tabla 1-1

1-2 3-1

7-1 10-1

Tolerancias mínimas para maquinado de forma redonda, hexagonal y octagonal Tolerancias mínimas para maquinado de barras planas y cuadradas procesadas en caliente Símbolos químicos Los 12 aceros para herramientas del conjunto coordinado Solución de salmuera

48

49 64 109 217

Coeficientes de expansión térmica y efectos de la temperatura sobre la dureza 12-1 y 12-2 Agua-duro 12-3 y 12-4 Agua-tenaz 12-5 y 12-6 Agua-desgaste 12-7 y 12-8 Aceite-duro 12-9 y 12-10 Aceite-tenaz 12-11, 12-12 y 12-13 Aceite-desgaste 12-14 y 12-15 Aire-duro 12-16 y 12-17 Aire-tenaz 12-18, 12-19 y 12-20 Aire-desgaste 12-21 y 12-22 Rojo-duro 12-23 y 12-24 Rojo-tenaz

244, 245 250, 252 255, 256 259, 263 267, 272 275, 276, 277 280, 284 287, 291 294, 295, 296 298, 300 304, 307

12-25 Conductividad térmica (rojo-tenaz) 12-26 Módulo de elasticidad (rojo-tenaz) 12-27 Efecto de la temperatura de temple y revenido sobre la dureza (rojo-desgaste) XIV

307 307 311

Lista de tablas

Tabla 12-28 Coeficiente de expansión térmica (rojo-desgaste) 13-1 Composición de los tres tipos de acero de alta velocidad generalmente usados 13-2 Tipos de aceros de alta velocidad reconocidos, análisis y designación AISI 14-1 Composición de los tres tipos de acero para trabajo en caliente generalmente usados 20-1 Efecto del material de empaque en aceros ( aceite-desgaste ) 20-2 Recomendaciones sobre punto de rocío para varios tipos de aceros en atmósferas endotérmicas típicas 21-1 Efectos de la temperatura del horno en el tiempo de calen¬ tamiento 21-2 Efecto de acabado de superficie en el tiempo de calenta¬ miento 21-3 Tiempo necesario para calentar barras planas 21-4 Velocidad relativa de calentamiento de varios perfiles com¬ parado con un cilindro largo 21-5 Efecto de la atmósfera del horno en el tiempo de calenta¬ miento 21-6 Tiempo aproximado de calentamiento para revenir 21-7 Efecto del aumento del tiempo de calentamiento 21-8 Tiempo necesario para calentar un paquete de 3 plg (7.6 cm) 21-9 Tiempo necesario para calentar un paquete de 6 plg (15.2 cm) 21-10 Efecto carburante de los materiales de empaque 22-1 Efecto del revenido sobre esfuerzos íntimos 22-2 Tiempo aproximado necesario para calentar varios tamaños de aceros para herramientas a 400°F (204°C) A-l Conversión de grados Fahrenheit a grados centígrados A-2 Conversión de durezas Brinell, Rockwell y esclerométrica A-3 Peso de barras de acero redondo, cuadrado, hexagonal y oc¬ tagonal por pie lineal A-4 Peso de soleras de acero por pie lineal

xv

313

316

336 343 432

433

441 446 449

449 451 454 454 457 458 459

479 490 502 504

505 507

Introducción

Este libro está dirigido a quienes en ,1a industria son responsables del diseño, fabricación y tratamientos térmicos de las herramientas. En este grupo se incluye no sólo a los supervisores y obreros, sino también a los aprendices y estudiantes de escuelas de ingeniería e industriales , los hombres que algún día tendrán a su cargo los talleres de herramientas. Su propósito es presentar métodos simples de selección y tratamiento térmicos del acero apro¬ piado para hacer cualquier clase de herramientas. Las siguientes son fotografías de herramientas reales que algún fabricante ha realizado, pero se pide al lector imaginar que en lugar de fotografías, sólo son dibujos de herramientas que no existen y se requiere que él las fabrique. O bien, si le parece más fácil, debe suponer que dichas herramientas realmente han sido fabricadas — aprobadas por su diseño y manufactura pero su producción ha sido defectuosa — y es necesario que el lector proporcione ahora duplicado de herramientas que de verdad producirán. Si una herramienta debe rendir el máximo de producción con el mínimo de problemas y mantenimiento, es indispensable que se sigan correctamente los cuatro pasos siguientes:

—

—

—

1. Diseño. El dibujo o esquema debe mostrar una herramienta del tama¬ ño y forma correctos, a Fin de realizar su trabajo eficientemente. 2. Fabricación de la herramienta. El fabricante debe realizar la pieza exactamente de acuerdo con el dibujo. 3. Acero de herramienta. Se debe seleccionar el acero apropiado para las herramientas. 4. Tratamiento térmico. Finalmente, se debe aplicar el tratamiento térmico adecuado.

Una herramienta no puede ser efectiva a menos que se cumplan los cuatro requisitos anteriores. Si la herramienta ha sido diseñada incorrecta¬ mente, no podrá ser de utilidad. Si no está fabricada con suficiente precisión. l

2 Introducción

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Troquel que debe sacar millones de piezas para los ® rotores de motores eléctricos.

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Dado cabeceador que se empleará producción continua.

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Dado de embutido para acuñar emblemas de latón.

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irá al cesto de los desperdicios. Un buen diseño y la exacta fabricación de la herramienta no son de utilidad si se ha elegido un acero inadecuado. Final¬ mente, un deficiente tratamiento térmico puede arruinar una herramienta que de otra manera sería perfecta. Estos aspectos son tan importantes y funda¬ mentales que será conveniente examinarlos más a fondo para mostrar todo su

significado. Sería lógico pensar que los cuatro pasos mencionados se suman para obtener una buena herramienta. Pero no es así; realmente se multiplican. Si una buena herramienta se calificara con 10 000 puntos, y cada criterio valiera 2 500 puntos, sumarían 10 000. Si el tratamiento térmico tuviera la mitad de su valor, se tendría: 2 500 + 2 500 + 2 500 + 1 250 = 8 750 o sea, 87.5% de perfección —pero éste no sería el caso. Cada uno de los enunciados vale 10 puntos y estos se multiplican como sigue:

10 x 10 x 10 x 10 = 10 000.

Ahora con un tratamiento térmico de 50% se obtiene 10 x 10 x 10 x 5 = 5 000 o bien, solamente un 50% de perfección —lo cual es correcto. Si uno, cual¬ quiera, de los cuatro pasos es totalmente erróneo, la respuesta será :

10 x 10 x 10x0 = 0.

Por ejemplo, supóngase que una herramienta fabricada con un acero que

debe templarse en aceite tiene diseño apropiado, buena manufactura, y el acero adecuado, pero al templarse en agua se desbarata en el estanque. El valor de la herramienta es cero —no 75%. Estos ejemplos deben servir para demostrar que cada uno de los factores es vital para una buena herramienta y que ninguno de ellos puede ser omitido. A diferencia de una cuerda, donde si un hilo falla disminuye su resistencia total, estos factores son como eslabo-

i

4 Introducción ties de una cadena en la que la ruptura de uno de ellos, provoca la falla en su totalidad. Los dos primeros factores de la fórmula se enseñan a los fabricantes de herramientas desde el inicio de su aprendizaje. Ninguna de estas fases corres¬ ponde a los propósitos de este libro, aunque ambos serán tomados en cuenta siempre que puedan afectar la selección del acero apropiado y su tratamiento térmico. Sin embargo, los fabricantes de herramientas han tenido menos oportunidades de aprender acerca de los dos últimos. Las herramientas nunca alcanzarán su máxima eficiencia en tanto que los conocimientos de diseño y fabricación los tenga sólo una persona, y otra tenga los de acero para herra¬ mientas y tratamientos térmicos. Uno de los propósitos de este libro es dar aí fabricante la información necesaria para la selección y tratamientos térmi¬ cos de acero para herramientas, de modo que pueda aplicar efectivamente los cuatro criterios en la producción de mejores herramientas. La mayoría de las dificultades de los fabricantes se encuentran en la ter¬ cera operación selección del acero apropiado. Se sabe menos de esta mate¬ ria que de cualquiera de las otras tres. Los fabricantes de herramientas buscan en vano en los libros de texto la información que necesitan sobre el tema de aceros para herramientas. Se dispone de docenas de libros de metalurgia en que se trata con diagramas constituidos, microestructuras y otros datos fun¬ damentales, pero esto no es lo que interesa al fabricante. En los catálogos y folletos de los fabricantes de acero para herramientas se encuentran publica¬ ciones técnicas más útiles. Estos catálogos describen cada una de las marcas de acero que producen, explicando sus propiedades, usos y tratamiento tér¬ mico. Es necesario que el fabricante ajuste estas descripciones a las necesida¬ des de sus herramientas y después trate de decidir qué clase de acero resuelve mejor su problema. La dificultad de su decisión se duplica por el hecho de que en Estados Unidos se ofrecen más de 1 200 diferentes clases de acero para herramientas producidas y distribuidas por docenas de fabricantes y repre¬ sentantes. Aunque es cierto que muchas de estas marcas se pueden agrupar de acuerdo con su composición,1 esta no es una garantía de que son “inter¬ cambiables”. Cuando un fabricante se encuentra con un problema de herra¬ mientas, ¿qué probabilidad tiene de leer la descripción de muchos aceros y de seleccionar el mejor y más económico para lograr su objeto? Muchos años de experiencia demuestran que existe una gran necesidad de que se simplifique esta fase de la fabricación de herramientas. En el tratamiento térmico de herramientas también se necesita alguna simplificación. Las instrucciones de tratamientos dadas en catálogos o in¬ cluso por carta— necesariamente deben ser generales. Una instrucción carac¬ terística sería en la siguiente forma: “En el tratamiento térmico de herramientas fabricadas de nuestro . acero para herramientas, proceda como sigue. Caliente lenta y uniformemen¬ te de 1 500 a 1 550°F y temple en aceite de manera que satisfaga sus nece¬ sidades. Una buena temperatura media de templado sería 400°F, pero se

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—

—

..

1 Ver el Capílulo 7 para obtener una descripción más amplia de los grupos de acero AISI-SAE, respecto de su composición.

Introducción 5

pueden utilizar temperaturas mayores o menores dependiendo déla naturaleza de la herramienta y del trabajo que debe desempeñar. Los valores de dureza que pueden esperarse a diversas temperaturas se dan en la siguiente tabla .. Parecería que las instrucciones de tratamiento térmico podrían ser más específicas, pero considerando el hecho de que el fabricante está a cientos de kilómetros del sitio en que se está aplicando su acero y que generalmente no sabe nada del trabajo que se está realizando, es obvio que sólo pueden darse instrucciones generales. Sin embargo, considerándolo desde el punto de vista del fabricante, ¿qué se supone que debe hacer? ¿Debe fabricar un cierto número de herramientas y darles distinto tratamiento térmico para saber cuál de ellas funcionará mejor? Este podría ser un procedimiento práctico si se trata de una herramienta simple y barata, pero tendría muy malos resultados si se hiciera en una herramienta complicada y que puede llegar a costar varios cientos de dólares. No se puede esperar precisión infalible al escoger el tra¬ tamiento térmico para cada herramienta sin embargo, un procedimiento simplificado que redujera por lo menos a la mitad del costo el experimento, representaría un ahorro considerable a quienes utilizan acero para herra¬ mientas. Muchas veces la dificultad de aplicar un tratamiento térmico correcto recae en la selección del acero. Supóngase que la primera herramienta fa¬ bricada no trabaja debidamente ¿se ha escogido incorrectamente el acero, o se ha empleado un tratamiento térmico que no es adecuado? Frecuentemen¬ te el fabricante está tan disgutado que decide que ese acero no es el que le conviene y procede a realizar de nuevo su trabajo. Desde luego, esto implica estudiar nuevos catálogos, seleccionar otro acero y decidirse por otro trata¬ miento térmico, sin embargo, no es extraño que muchos fabricantes terminen por renunciar a cualquier intento. Los fabricantes de acero para herramientas han hecho todo lo posible para evitar estas dificultades capacitando a sus vendedores en el uso apropia¬ do de sus aceros y enviando expertos en la materia a recomendar los aceros más apropiados a los consumidores y a supervisar sus tratamientos térmicos. Sin embargo, esta no es la solución perfecta al problema. No sólo es imposi¬ ble para estos supervisores estar en varios sitios al mismo tiempo, sino que aunque saben demasiado respecto del acero para herramientas, rara vez son expertos en la fabricación de dichas herramientas. Nadie puede comprender un problema de trabajo de herramientas como las personas que laboran en ello diariamente, y es recomendable que estos trabajadores tengan un método simple y aplicable en la selección y tratamiento de aceros, a fin de que pue¬ dan resolver sus propios problemas con un mínimo de ayuda externa. Puesto que el objeto de este libro es presentar dichos métodos simplifi¬ cados, es conveniente echar un vistazo a los capítulos que se van a estudiar. La Parte Icomprende dos objetivos que el lector debe alcanzar por medio de la experiencia. Debe estar familiarizado con las palabras y términos con que se puede encontrar en la lectura o conversación acerca del acero para herramientas. Esto está contenido en el Capítulo 1. Asimismo, debe saber lo que es el acero para herramientas. Este es un tema ampliamente “conocido” y está incluido en los capítulos del 2 al 5.

—

—

L

6 Introducción

La Parte II describe un método simplificado de selección de acero, adecua¬ do para fabricar cualquier clase de herramientas. El Capítulo 6 describe el método de comparación de muestras; el 7 analiza los 12 aceros que pueden cumplir los requisitos; el 8 examina varios ejemplos para demostrar cómo trabaja el método en la práctica y concluye con medios muy prácticos para establecer el método en forma de un simple selector de acero para herra¬

mientas. La Parte III trata de métodos simplificados para tratamientos térmicos. El Capítulo 10 está dedicado a consideraciones generales de métodos y equi¬ pos; el 11 describe la dureza y la tenacidad; el 12 expone una información específica del grupo de los 12 aceros; y los capítulos 13, 14 y 15 comple¬ mentan la sección con descripciones concisas de tres grupos generales de aceros de gran importancia para la mayor parte de los usuarios de acero para herramientas: acero de alta velocidad o de corte, acero para trabajo en caliente y acero que se endurece al aire. La Parte IV presenta un conjunto de temas que “vale la pena conocer”. Aunque las tres primeras partes del libro hablan de “cómo realizar el tra¬ bajo” el lector hallará mayor facilidad y exactitud al efectuarlo, después de leer los capítulos de la Parte IV. El Capítulo 16 describe una interesante sec¬ ción sobre diseño de herramientas. En los capítulos 17 y 18 sedan reglas para el grabado al agua fuerte y las pruebas de la dureza y timbre (término utili¬ zado por Carpenter Technology Corporation). >E1 Capítulo 19 explica cómo identificar un acero por las chispas que produce el esmerillado. Los capítulos 20, 21 y 22 examinan tres de las fases más interesantes e importantes de los tratamientos térmicos —'atmósfera del horno, tiempo, tiempo de calentado y temple. Finalmente, el Capítulo 23 contiene algunos “secretos” prácticos para la resolución de problemas. El libro concluye con algunas tablas que serán muy útiles para el usuario de acero para herramientas.

PARTE

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Características físicas del acero para herramientas

i. Terminología del acero para herramientas Cío sario de términos comunes que el fabricante de herramientas

puede encontrar, se presenta en forma de un breve repaso de equipos y procesos siderúrgicos. 2. Acero para herramientas: Su naturaleza Analogía entre el acero para herramientas y el ser humano. 3. Análisis del acero para herramientas Significado del análisis de un acero y los efectos de diversos elementos

de aleación.

4. Propiedades del acero para herramientas

Capacidad de endurecimiento y timbre, los dos factores que determi¬ dichas propiedades. Prueba simple del timbre. Efectos de la ca¬ pacidad de endurecimiento y el timbre en acero al carbono para herramientas. nan

5. Confiabilidad del acero para herramientas Consecuencias de los defectos internos y métodos para protegerse

de ellos.

1

Terminología del acero para herramientas

No es indispensable tener un conocimiento de todos los tecnicismos de la manufactura del acero para ser un buen fabricante de herramientas. Por otra parte, el descubrimiento del significado de algunos términos comunes que pueden surgir —tanto en la lectura como en la comunicación— puede ser embarazoso para quien sea responsable de la selección, compra o elaboración del acero para herramientas. Estos trabajadores están sujetos continuamente al uso de una serie de palabras —ya sea por medio de la publicidad, de ven¬ dedores, metalúrgicos o ingenieros; que también llegan algunas veces hasta el departamento de compras, o de algún otro departamento de su propia planta. El fabricante de herramientas debe estar consciente de que su departa¬ mento de compras está relacionado con la compra de diversos productos y que no puede ser experto en todos ellos. Ante la presión de precios más bajos o quizá de alguna reclamación “no fundada”, el comprador depende de su laboratorio para saber qué es lo que le conviene. Si el fabricante no compren¬ de aún el significado de la palabra “sin fundamento” o si no sabe lo sufi¬ ciente respecto del acero que realmente está utilizando para poder defender¬ lo— pueden ocurrir cambios que perjudicarán tanto al laboratorio como al departamento de producción, sobre todo en problemas de costo. Por otra parte, y con igual frecuencia, ocurre también que el fabricante rechaza nuevas y valiosas ideas por no poder aquilatar su valor. El objeto principal de la Parte I es preparar al fabricante de herramien¬ tas, y a quienes están relacionados con la selección de aceros para dichas herramientas, con suficientes conocimientos generales de manera que puedan evitar experimentos costosos e injustificables, así como prácticas y técnicas obsoletas. Este capítulo explicará brevemente el significado de algunos térmi¬ nos con los que el fabricante probablemente se ha de encontrar en el desem¬ peño de su labor.

—

9

10 Características físicas del acero para herramientas

MATERIALES Y EQUIPO PARA LA FABRICACION DEL ACERO Acero. El acero se puede definir como la forma del hierro producida en condición de fluido y por tanto, libre de escoria (diferente del hierro forjado) y con un contenido de carbono menor que 2.20%, aproximadamente x>mo norma, menor que 1.50%. Generalmente se produce con convertido¬ res Bessemer, en proceso de hogar abierto y hornos eléctricos. Anteriormente se definía el acero con base a su maleabilidad y su capa¬ cidad de endurecimiento (utilidad) por medio del templado, y en hierro imposible de endurecer. Dos métodos de fabricación de acero, ahora obsoletos, son el proceso de crisol y el proceso de cementación. En el primero, el acero se fundía en pequeños crisoles individuales; en el segundo se producía el llamado “acero cementado” originado por carburación de hierro dulce o acero de bajo car¬ bono que se empacaba en material carbonoso y se exponía el paquete a altas temperaturas. En la comunicación diaria, prácticamente todo lo que se realiza en un “homo de fundición de acero” estará relacionado con éste —independiente¬ mente de su composición. Análisis (composición del acero). En el transcurso de este libro se encontrará que la composición de los aceros es extremadamente importante. En vista de que la composición del acero generalmente se determina y con¬ trola realizando análisis químicos, el término análisis ha llegado a ser parte del vocabulario de la tecnología del acero, puesto que significa composición química en el lenguaje del acero. Así pues, cuando un acero contiene 1.00% de carbono y 0.50% de manganeso, se dice que su análisis es 1.00% de carbono y 0.50% de manganeso. Aunque el contenido de hierro generalmente no se menciona, se comprende que Jo que resta del análisis es esencialmente hierro puro. El carbono, el manganeso y el hierro se conocen químicamen¬ te como elementos. Pequeñísimas cantidades de algunos elementos pueden tener un muy grande efecto en las propiedades del acero; por consiguiente, es necesario que el análisis químico se exprese con bastante exactitud. Por lo general se repor¬ tan los análisis en por ciento y centésimos de por ciento, de modo que se informará que el acero mencionado contiene: 1.00% Carbono Manganeso 0.50%

Si el contenido de estos dos elementos variara sólo ligeramente de las cifras redondas mencionadas, se expresaría de esta manera. Por ejemplo, se podrían leer: 1.02% Carbono Manganeso 0.48%

Acero para herramientas. Sin intentar dar una definición exacta, po¬ demos decir que cualquier acero que se utilice para las partes de las herra-

Terminología del acero para herramientas

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mientas que realizan trabajo, puede llamarse “acero para herramientas”. En vista de que este libro limita su atención a los tipos de herramientas utilizados en la industria metalúrgica industrial el concepto directo de acero para herra¬ mientas interesa a los aceros que se utilizan en la fabricación de herramientas para dicha industria. El acero para herramientas casi siempre está endurecido, y por lo tanto debe contener, aleado con el hierro, algunos elementos que le darán la facul¬ tad de endurecerse. El más importante de estos es el carbono. En general, los aceros para herramientas rara vez contienen menos de 0.50% ó más de 1.30% de carbono. Otros elementos de aleación se utilizarán frecuentemente para complementar el carbono, como se verá detalladamente más adelante. Mineral de hierro. El hierro se obtiene del mineral de hierro. Los mi¬ nerales norteamericanos consisten principalmente en óxidos de hierro que contienen distintos porcentajes de impurezas no metálicas conocidas como ganga, cuyo contenido exacto determina el grado del mineral. Anteriormente un muy alto porcentaje de mineral de hierro norteameri¬ cano se obtenía en la zona del Lago Superior, donde había inmensos depósi¬ tos de hematites de alto grado. Este es un material rocoso, rojizo y pesado que tiene la fórmula química Fe203. El símbolo “Fe” representa el hierro y el símbolo O el oxígeno. Por lo tanto, la hematites pura es un óxido que contiene dos átomos de hierro (teóricamente 70% por masa) y tres átomos de oxígeno (30% por masa). Recientemente las reservas de alto grado del Lago Superior se han redu¬ cido y los fabricantes de acero se han visto obligados nuevamente a importar gran parte de sus minerales de alto grado de oampos desarrollados que se encuentran en la península de Labrador en Canadá y en Venezuela. La alter¬ nativa en este caso es el “beneficio” de los minerales de menor grado que aún se encuentran disponibles, suprimiendo gran parte del material de ganga y mejorando la forma física de dicho material antes del envío de la mina. (Fig. 1.1.) Algunos de los minerales más ricos, también se benefician por operacio¬ nes como sinterización y nodulización. Además de los minerales, es de considerable importancia, en Estados Unidos, un óxido magnético negro conocido como magnetita (Fe3Qt). Los minerales de menor grado, con frecuencia asociados a rocas muy duras, se Maman taconitas. Muchos de estos materiales son magnéticos. Alto homo. Un alto horno se utiliza para convertir los minerales de hierro en arrabio o hierro de primera fusión. Una instalación típica se ilustra en las figuras 1-2 y 1-3. El horno se carga con una mezcla de mineral de hierro, coque y piedra caliza. El coque cumple tres cometidos. Primero, suministra el calor para el proceso. Segundo, se combina con el oxígeno del mineral de hierro y libera el hierro metálico. Tercero, el hierro fundido absor¬ be del coque aproximadamente 3% a 4% de carbono al fluir al fondo del horno. La piedra caliza se utiliza como fundente para acarrear la ganga que hay en el mineral. El cuarto ingrediente es el aire, que se inyecta precalentado a alta velo¬ cidad desde el fondo del horno, porporcionando, por combustión con el coque, la alta temperatura y los gases altamente reductores necesarios para la operación.

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Características físicas del acero para herramientas

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Terminología del acero para herramientas

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eliminar ampliamente el fósforo y parcialmente el azufre. Actualmente la mayor parte de los hornos están equipados con lanzas de oxígeno que dan rapidez al proceso de fundición. Cuando la carga del horno de hogar abierto ha alcanzado el nivel de carbono apropiado, el baño no es oxidado tan altamente como ocurre en el proceso Bessemer, pero aún está elevadamente oxidado y efervescente para ser vaciado. Cuando se desea tener un acero apagado (libre de respiraderos) se deben añadir a la carga cantidades adecuadas de manganeso, silicio, alu¬ minio u otros desoxidantes. Aunque la mayor parte del acero producido en hornos de reverbero es de bajo contenido de carbono y sin aleaciones especiales, justamente un gran tonelaje contendrá más carbono —con o sin aleaciones especiales (tales como níquel, cromo, vanadio, etc.). Los aceros simples de bajo carbono se utilizan en placas, hojas, alambre, figuras estructurales, etc., y los aceros de aleación se emplean en el caso de engranes tratados en calor, flechas y otras piezas de maquinaria que realizan trabajo pesado. Gran parte del acero producido en estos hornos contiene de 0.50% a 1.00% de carbono (con o sin aleaciones), se utiliza como acero barato para la fabricación de resortes, herramientas para mecánico, etc., pero muy poco se utiliza para herramientas de producción costosa. Horno de oxígeno básico. Un método reciente para la producción de acero conocido como proceso básico de oxígeno, utiliza un convertidor seme¬ jante al Bessemer y un procedimiento similar la de horno de reverbero, pero en lugar de emplear mineral como oxidante, utiliza oxígeno. Los materiales necesarios que incluyen chatarra de acero y una gran proporción de arrabio, se cargan en un gran convertidor de fondo sólido (Fig. 1-9). Se introduce por la boca del convertidor un conducto enfriado por agua que lleva una corriente de oxígeno puro conocido como “lanza de oxígeno”. La oxidación

T 18 Características físicas del acero para herramientas

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Homo básico de oxígeno que se está cargando. (Cortesía de AISI.l

rápida de las impurezas en el arrabio fundido suministra el calor necesario para el proceso. Cuando se han quemado las impurezas hasta el grado de¬ seado, el metal se extrae y se termina de manera semejante a la de los hornos de hogar abierto (Fig. 1-10). La producción normal de un par de hornos, en los que uno de ellos es cargado mientras el otro está en operación, es tan alto que se obtiene 300 toneladas en 45 minutos. La mayor parte del tonelaje de acero que se pro¬ ducía en convertidores Bessemer y /o en hornos de hogar abierto se puede producir ahora en este equipo.

Terminología del acero para herramientas

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Fig. 1-11. Homo de fusión en crisol. (Hornos de la Carpenter Steel Co., des¬ mantelados aproximadamente en 1925.)

20

Características físicas del acero para herramientas

Homo de crisol. El proceso de crisol, aunque ahora es obsoleto, tiene una importancia histórica considerable, ya que fue el primer método utilizado para fundir acero para herramientas. Por tal motivo, merece un estudio en este libro.

Antes de que Benjamín Huntsman inventara el proceso de crisol en 1740, el acero para herramientas se hacía carburando hierro batido o bruto y martillando los pedazos para hacer barras. Esto se conocía como acero cortado o cizallado. La invención de Huntsman consistió en colocar los pe¬ dazos carburados en un crisol y fundirlos, obteniendo así a una composición uniforme. Por esta razón se le conoce como acero colado. Actualmente, como todo el acero se cuela en estado líquido en moldes, esta expresión ha perdido su significado no obstante, aún se puede encontrar estampado en algunas hachas y otras herramientas manuales. El horno de cirsol no recibía arrabio y lo oxidaba como ocurre en el convertidor Bessemer o el de hogar abierto. El proceso de crisol era real¬ mente una operación de “mezclado”. Los crisoles con frecuencia estaban cargados con hierro puro en barra y arrabio refinado, el cual, al mezclarse, daba el porcentaje de carbono deseado. Si eran necesarias aleaciones, se agre¬ gaban junto con el resto de la carga, dejándolas mezclarse hasta tener una composición uniforme. En la figura 1-11 se muestra un horno de crisol de 36 ollas. Aunque el acero de crisol se consideraba de alta calidad en su época, difícilmente igualaría los estándares actuales de excelencia en el acero para herramientas. Desde el advenimiento del horno eléctrico se han logrado enormes avances en los métodos de composición, fundición, diseño de lin¬ gotes y control en todo el proceso de fabricación. Como resultado, los aceros para herramientas modernas no sólo sobresalen por su uniformidad y confia¬ bilidad, sino que poseen también propiedades específicas imposibles de al¬ canzar por métodos más antiguos. Sobrante. En este punto es necesario decir algo respecto dd sobrante, puesto que es un ingrediente importante en el proceso de fabricación de acero que se describirá a continuación. Para el profano, el sobrante es casi siempre sinónimo de chatarra. Este es un concepto erróneo. La chatarra consiste en material viejo o de desecho de diversos tipos de metal de análisis incierto y que sería absolutamente sin valor para el fabricante de acero. El sobrante es acero limpio en perfectas condiciones, de análisis conocido, que, por sus dimensiones y forma, no tiene otra aplicación que volverse a fundir. Por ejemplo, si se corta un círculo de una lámina cuadrada, sobrarán las cuatro esquinas, las cuales serán inservibles para fabricación adicional. Sin embargo, el metal de estas esquinas es exactamente de la misma calidad de la que se utilizó en el centro y, cuando se ha acumulado suficiente can¬ tidad de este sobrante —el total del mismo análisis— se tiene una cantidad apreciable de material para ser fundido. Realmente, el acero que ha sido fundido dos veces tiene la oportunidad de llegar a ser aún mejor que el acero que se ha fabricado totalmente de materias primas. El material so brante lo adquiere el fabricante para definir especificación de análisis y lo almacena cuidadosamente de acuerdo con dicho análisis. Algunos aceros

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Terminología del acero para herramientas

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Fig. 1-12. Horno eléctrico de carga superior con electrodos elevados. (Cortesía de AISI. )

de alta aleación tienen sobrantes muy valiosos debido a que la aleación se puede recuperar en el proceso de fundición repetido. Por consiguiente, una herramienta desgastada de acero de corte rápido es una pieza de acero ex¬ celente que tiene un análisis definitivamente conocido y puede ser fundida por segunda vez para realizar un nuevo acero de corte rápido con un ahorro considerable. Además de las ventajas económicas se obtendrá un mejor acero rápido si una parte de la carga está compuesta de sobrantes, que si es totalmente de materias primas. Horno de arco eléctrico. Actualmente, este homo es el mayor pro¬ ductor de acero de primera calidad para herramientas. Las unidades utiliza¬ das para fabricar el acero tienen una capacidad aproximada de 1 a 50 toneladas, y el horno promedio sacará una carga alrededor de cada cinco o seis horas. La figura 1-12 muestra un horno eléctrico Heroult de 10 tonela¬ das que se emplea para producir acero para herramientas. Los detalles me¬ cánicos de este tipo de horno, difieren un poco, particularmente en las aplicaciones de carga y descarga. Un punto de vista esquemático que ilustra las partes esenciales de los diseños más simples se da en la figura 1-13.

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Características físicas del acero para herramientas

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Fig. 1-13. Diagrama de bornode arco eléctrico. ( Cortesía de la American Socie¬ ty for Metals .)

A través de huecos ajustados en el techo, se proyectan grandes electrodos de carbono o grafito omo de 17 plg. (43.2 cm.) de diámetro. Estos electrodos penetran unas cuantas pulgadas dentro de la carga, y atravesando este espacio se presenta súbitamente un arco eléctrico. El prin¬ cipio es muy semejante al de las luces del alumbrado público, excepto que los carbonos son infinitamente mayores y el calor del arco es enorme. Este calor derrite la carga y la mantiene fundida durante la refinación. Puesto que no se está quemando combustible en el horno eléctrico, no será necesario oxígeno para mantener la combustión. Por consiguiente, la atmósfera del horno puede ser reductora y el metal no se oxida continua¬ mente durante el proceso como sucede en el horno de hogar abierto. Bajo esta atmósfera reductora, el metal puede ser altamente refinado, y si se desea, pueden agregarse grandes cantidades de aleación sin peligro de que se consuman durante la oxidación. El homo básico de arco eléctrico puede reducir el contenido de fósforo y de azufre a valores sumamente bajos. Estos hornos se cargan casi totalmente con sobrantes de acero cuida¬ dosamente seleccionados o con hierro purp de análisis conocido. Nunca se cargan inicialmente con arrabio. Si la carga consiste en materiales fríos, se le llama fundición fría, siendo este proceso diferente del de la carga del horno eléctrico con acero previamente fundido en hornos de reverbero. El proceso

Terminología del acero para herramientas

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de fundición fría, el más lento y más costoso, se utiliza casi umversalmente para fabricar acero fino para herramientas. La lanza de oxígeno también se utiliza en el homo de arco eléctrico, principalmente para reducir rápidamente el carbono cuando se producen aceros inoxidables de bajo carbono. Horno eléctrico de inducción sin núcleo. Este horno se emplea en una extensión limitada para producir acero para herramientas (Figs. 1-14 y 1-15). Opera según el principio de un transformador eléctrico. Lo principal es una corriente alterna de alta frecuencia que pasa por un serpentín de cobre enfriado por agua, el cual encierra el crisol que se ha de fundir. El crisol se llena con sobrantes de acero cuidadosamente escogidos, los cuales actúan como secundario del transformador. Cuando se hace pasar la corriente de alta frecuencia a través del serpentín de cobre, se generan corrientes en los

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trozos de acero, ocasionando un calentamiento que en pocos minutos funde completamente la carga. Una de las ventajas de este horno es que después que la carga ha sido totalmente fundida, las corrientes inducidas ocasionan una acción mezclado¬ ra en el baño, produciendo uniformidad en la temperatura y la composición. La capacidad de los hornos de inducción varía desde unos cuantos cientos de libras hasta cinco o seis toneladas y, cuando trabajan a plena ca¬ pacidad, pueden sacar una carga aproximadamente cada hora. Desde luego, no hay condiciones oxidantes presentes, de modo que se puede fabricar acero apagado de alta calidad en la misma forma que en el horno de arco eléctrico. El horno de inducción, como se emplea actualmente, tiene muy poca capaci¬ dad para eliminar el fósforo o el azufre, por lo que estas impurezas deben mantenerse a muy bajos niveles al cargar las materias primas. Excepto por el método de calentamiento, en el horno de inducción se fabrica el acero si¬ guiendo en gran parte los mismos principios que el anticuado horno de crisol.

PROCESOS DE FABRICACION DE ACERO

Fundición al vacío. A principios de la década de 1950 el horno de arco eléctrico era lo último en equipo disponible para refinar acero. Desde luego, los metalúrgicos sabían que aun el acero tratado térmicamente y fa¬ bricado lo más cuidadosamente era capaz de poseer, sólo una pequeña frac¬ ción de la dureza del cristal de hierro puro. El problema era y aún existe, de

Terminología del acero para herramientas

25

saber cómo mejorar la estructura básica del acero y realizarlo por medio de un método comercialmente práctico. Una fuente de posibles dificultades en la estructura básica del hierro es la presencia de impurezas no metálicas. La mayor parte de estas impu¬ rezas son algunos tipos de óxido, por ejemplo, sílice, alúmina u óxido de hierro. Estas son recogidas de las paredes de los hornos, de la escoria, o de una combinación de elementos metálicos en el baño de fundición con el oxígeno en el aire. Un tratamiento obvio para reducir la cantidad de este tipo de impurezas es eliminar (1) la escoria protectora y (2) el oxígeno en el aire —de aquí el interés en la fundición al vacío. Fundición por inducción al vacío. Los primeros intentos de fundición al vacío comprendían el uso de equipo de fundición por inducción colocado en una cámara evacuada. Por consiguiente, la necesidad de una escoria pro¬ tectora no metálica y el problema de contaminación con el oxígeno en el aire, fueron eliminados. Se obtuvo de esta manera un producto mucho más limpio. La producción en hornos de inducción al vacío varía en tamaño desde 1 hasta 60 toneladas (de 0.9 a 54 t, Fig. 1-16). Dichos hornos pro¬ porcionan también la oportunidad de fundir aleaciones que contengan metai

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Terminología del acero para herramientas

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que la corriente se descompone en gotas, en tanto que la acción del vacío extrae los gases indeseables. Los metales fundidos al vacío encuentran más aplicaciones cada día. La industria aeroespacial, con sus necesidades de máxima confiabilidad, es un área principal de consumo. Los fabricantes de herramientas encuentran que el acero super refinado, por estar libre de imperfecciones, se adapta a moldes para plásticos y rodillos para procesar alambre o tiras delgadas. La mayor resistencia, particularmente a la fatiga, minimiza las fallas en com¬ probaciones por calor en moldes para colada. Otras aplicaciones en las que podría considerarse el uso de acero fundido al vacío, son aquellas en que se tienen partes muy filosas, o secciones muy delgadas. En otras palabras, el acero fundido al vacío debe utilizarse en cualquier aplicación que requiera resistencia máxima, limpieza o confiabilidad. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el aumento en el costo es considerable y que no se pueden obte¬ ner fácilmente muchos grados y tamaños de aceros para herramientas. Refundición eléctrica con escoria. Quizá este es el más importante de los nuevos procesos relacionados con la fundición de acero para herramicn-

30 Características físicas del acero para herramientas

tas. Este proceso de los beneficios de la fundición al vado con un refinamien¬ to adicional resulta a un costo menor que el de fundición al vacío. Como en la fundición al vacío con electrodo consumible, el proceso consta de electro¬ dos generalmente producidos por fundición con arco eléctrico. El electrodo se suspende en un molde enfriado con agua y se conecta a una fuente de

potencia de corriente alterna. Una escoria especialmente preparada se intro¬ duce al molde, y al fundirse el electrodo, las gotas pasan a través de la escoria y se refinan aún más. La escoria da un beneficio adicional al cubrir la superfide del lingote cuando éste se solidifica, haciéndolo más terso que en el proceso al vacío. Se obtiene una excelente estructura de lingote gracias al --.m*

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mÁmmmM Fig. 1-21. Vista general de dos hornos nuevos, tipo "ESR” en una nueva instala¬ ción, con un costo de 2 millones de dólares, en la Carpenter Technology Corpo¬ ration in Reading, Pa. Los mástiles de ambos hornos tienen 40 pies (12 m) de altura.

Terminología de] acero para herramientas

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rápido enfriamiento al usar moldes enfriados con agua. Cuando sea necesario se pueden realizar cambios menores en el análisis, agregando los elementos a velocidad controlada. La figura 1-21 ilustra una instalación ESR, Electro Slag Romelfing, diseñada primordialmente para refundición de aceros para herramientas. El proceso ESR no está limitado a lingotes redondos, y existen instala¬ ciones de alta capacidad que producen grandes lingotes rectangulares para ser laminados en placas y hojas cuando se requiere alta calidad. En caso de que se estén produciendo grandes lingotes, se pueden fundir hasta tres elec¬ trodos simultáneamente en un solo molde utilizando una fuente de potencia trifásica. La fundición electroslag o ESR, por su mejor estructura en lingotes y su refinamiento adicional, ha contribuido en gran parte al mejoramiento del acero para herramientas. Esto es especialmente cierto en las grandes barras,

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Fig. 1-22. (Parte superior) Discos macrograbados de acero H-13 que muestran estructura mejorada, producida por el ESR. (Izq.) disco de 16 plg (40.6 cm) fundido al aire que muestra claramente un patrón central; un disco de 15.5 plg (39.4 cm) (der.), producido por el método ESR, muestra la estructura uniforme con leve muestra de patrón. (Parte inferior) (izq.) La baña cuadrada macrograbada H-21 de 4.75 plg (12.1 cm) muestra un marcado patrón central; (der.) la barra cuadrada ESR H-21 de 5.5 plg (14 cm) casi no muestra patrón.

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en las que se presenta con más frecuencia el problema de la falla central como en los lingotes convencionales (lo que será descrito en detalle más adelante), que pueden tener efectos adversos en la calidad final, indepen¬ dientemente de los trabajos de forja que se realicen con respecto a los aceros rápidos y otros para herramientas de muy alta aleación. Estos aceros presen¬ tan el problema de que por su complicada estructura carbónica son muy difí¬ ciles de modificar en la forja. La figura 1-22 muestra la diferencia de mactoestructura entre el producto de un lingote convencional y otro por el proceso ESR en el caso de un análisis H-13. La figura 1-23 compara la diferencia en la distribución de carburo entre el acero redondo M2, 6” (15.2 cm), fundi¬ do al aire, y el ESR redondo de alta velocidad. En resumen, se puede decir que las pruebas extensivas han demostrado que el ESR ofrece propiedades superiores en muchas áreas, incluyendo la resistencia a la fatiga, las propiedades mecánicas, transversales y la estabilidad dimensional. Todo esto se estudiará detalladamente en capítulos posteriores. Descarhuración argdruoxigeno. Este proceso está destinado como un auxiliar a la fundición en homo de arco eléctrico y es más aplicable en aceros inoxidables de bajo carbono. El argón es un gas inerte obtenido como sub¬ producto cuando se extrae oxígeno del aire. Se utiliza junto con el oxígeno en un horno muy semejante al homo básico de oxígeno. El metal fundido en el horno eléctrico se vierte en el homo AOD; se endereza y se sopla con la mez¬ cla de gases durante el tiempo requerido. El resultado de este proceso es una descarburación acelerada y un refinamiento, lo que ahorra un tiempo consi¬ derable en el homo de arco eléctrico. El beneficio es máximo para los aceros que contienen grandes cantidades de cromo y permite emplear agregados de cromo menos costosos. La figura 1-24 muestra un horno AOD en operación. Colada continua. Este proceso fue otro intento por evitar la colada de lingotes convencionales. El metal fundido se vierte de un cucharón a un recipiente conocido como “tundish”. El metal se alimenta del tundish, con una rapidez controlada, a un molde enfriado con agua. Conforme se va formando una película de suficiente grosor en el molde, el metal es jalado por rodillos y enfriado aún más por atomizadores de agua. Después que se

Terminología del acero para herramientas

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ha solidificado bastante, el metal se endereza y se corta. Cuando se recalien¬ ta se pueden moldear barras o cuadros que estén disponibles para ser laminados a su forma final. La figura 1-25 ilustra una instalación típica de colada continua. La colada continua tiene ciertas limitaciones, siendo una de las principa¬ les el peligro de que haya cuarteaduras al enfriarse. Algunos aceros para herramientas de muy alta aleación son completamente sensibles a este pro¬ blema, de modo que es dudoso que este proceso se emplee para producir ese

tipo de aceros. Además, el método requiere una producción bastante elevada, para que sea factible económicamente. Procesamiento de metal en polvo. Los productos metálicos en polvo han estado en el mercado por algún tiempo, pero hasta años recientes ha em¬ pezado la industria del acero a aplicar el proceso en la fabricación de barras, tiras, alambres y hojas de acero altamente aleado. Los aceros que no pueden

34 Características físicas riel acero para herramientas

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ser trabajados en caliente en forma de fundición por ser de muy alta aleación, se pueden producir en el horno de fundición en forma de polvo o granular. Este polvo se compacta entonces al colocarlo en un recipiente y calentarlo y fojarlo a la temperatura apropiada. Más adelante puede ser forjado a su vez para darle la forma deseada. Se utilizan hornos de inducción a.1 vacío para producir el polvo inicial. En la figura 1-26 se muestra una instalación típica de los laboratorios de investigación de Carpenter Technology Corporation. Los productos obtenidos por este proceso se están probando en aplica¬ ciones de herramientas especiales. Como mencionábamos antes, respecto a los aceros fundidos al vacío, el costo de estos productos es bastante alto, y su disponibilidad en el mercado será insuficiente. Lingotes. Con las excepciones de refundición consumible y colada continua ya descrita, el acero terminado se extrae del horno y se vierte en moldes de hierro fundido. Cuando el acero se ha solidificado se saca del mol¬ de, a esto se le llama lingote. Cada lote de lingotes se denomina carga y, por conveniencia, se le clasifica como unidad siempre que sea posible. Los lingotes pueden ser de diversos tamaños y formas. El acero para herramientas se moldea en lingotes con sección transversal cuadrada desde 6 plg (15.2 cm) hasta quizá 20 plg (50.8 cm). En la figura 1-27 se muestra un surtido va¬ riado de lingotes de acero para herramientas. Endurecimiento en forma de tubo. Cuando el acero líquido se solidi¬ fica, se encoge. Por consiguiente, aunque el molde del lingote se halla llenado

Terminología del acero para herramientas

35

con bastante acero líquido, no habrá suficiente metal para llenar el lingote debido a esta contracción. Como sería de esperar, la solidificación del metal comienza en las paredes frías y en el fondo del molde, y lo último en solidi¬ ficarse es el metal del centro del lingote hacia la parte superior. En conse¬ cuencia, a menos que se haga algo para evitarlo, habrá una cavidad en el centro del lingote en casi toda su longitud. Cuando esta cavidad se presenta en lingotes de acero para herramientas, esa porción debe ser cortada porque la cavidad subsiste a través del forjado y laminado y aparecerá como un defecto en el centro de una barra terminada. El método común para hacer mínima esta cavidad en un lingote es la utilización de lo que se conoce como cabeza o tapa callente (hot top). Esto

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Características físicas del acero para herramientas

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Fig. 1-27. Lingotes típicos de acero para herramientas.

es esencialmente un vertedero de barro refractario con excelentes cualidades aislantes. Cuando se llena el lingote, esta cabeza también se llena con metal. (Fig. 1-28.) El metal en el lingote se solidifica mucho más rápido que el metal que está dentro de la cabeza, y, así, dicho metal, aún fundido, alimen¬ ta el lingote conforme se solidifica el metal, rellenando la cavidad. Tan pron¬ to como el lingote se ha enfriado, el espacio dentro de la cabeza casi está vacío —pero el lingote se encuentra en buenas condiciones. Más tarde, cuan-

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Fig. 1-28.

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Variedad típica de cabezas o tapas calientes (hot tops) refractarias.

Terminología del acero para herramientas

37

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O BANCO INSERTADO DE COBRE

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BANCO DE APOYO DE HIERRO.

COLADO

Fig. 1-29. Diseño de molde para fabricar lingotes de acero para herramientas. (Patente No. 2 829 410, E.U.A.)

do el lingote va ha ser forjado o laminado, la porción sobrante es cortada y rebabeada. Mientras el acero se enfría lentamente, no sólo hay la tendencia a que se forme la cavidad, sino también una tendencia a que haya segregación. Es decir, que se forman concentraciones de algunos componentes de acero, ha¬ ciendo que el lingote no sea homogéneo. Puesto que esta condición sólo se corrige parcialmente con el trabajo en caliente, es importe evitarla a partir de la formación del lingote original. Esto se logra con un cuidadoso control del fundido y del vaciado, y empleando moldes especiales diseñados para controlar el enfriamiento. La figura 1-29 muestra el diseño de uno de estos moldes que tiene fondo de cobre para acelerar el enfriamiento en la parte inferior, y también indica el tipo de cabeza utilizado. Los lingotes ilustrados en la figura 1-27 son un ejemplo de los que se producen en estos equipos.1 Conformado primario. La primera operación que se realiza en un lingote de acero para herramientas es convertirlo en (ocho o barra por el proce 1De la misma manera en que los fabricantes de aceros identifican éstos con nombres comerciales, algunos fabricantes emplean nombres patentados (Copyright) para identificar sus métodos de procesamiento. Por ejemplo, el utilizado por The Carpenter Technology Corporation, Carpenter Steel División, es el nombre registrado Mel-Trol.

38 Características físicas del acero para herramientas

so conocido como conformado primario. Esto se puede realizar por martillado, laminado, o por presión. En la Carpenter Technology Corporation, Carpen¬ ter Steel Division, los lingotes son cuadrados de aproximadamente 22 plg (55.9 cm) y son procesados —si el análisis de acero lo permite. Esta opera¬ ción se ilustra en la figura 1-30 en la que un lingote de 19 plg (48.3 cm) está siendo estirado hasta obtener un tocho de una sección cuadrada de 8 plg (20.32 cm). Algunos aceros altamente aleados, como los aceros rápidos, son difíciles de comprimir con rodillos, y generalmente se prensan o martillan independientemente del tamaño del lingote. La figura 1-31 muestra una pren¬ sa de forjado de 3 000 toneladas (2 700 t) convirtiendo un lingote en un tocho. La figura 1-32 presenta un martillo de 14 000 libras (6 350 kg) el cual puede realizar gran parte de la misma operación. Este martillo funciona con aire comprimido en lugar de vapor. En la conformación, el lingote se calienta cuidadosamente a una tem¬ peratura prefijada y la sección transversal se reduce proporcional al alarga-

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Fig. 1-30. Conformación de un lingote de 19 plg (48.3 cm).

Tezoñologia del acero para herramientas

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Fig. 1-31. Conformación de un lingote de acero para herramientas en una prensa hidráulica de 3 000 toneladas (2 700 t).

miento. Por tanto, un lingote cuadrado de 9 plg (22.7 cm) daría un tocho cuadrado de sección de 4 plg (10.2 cm) con una longitud aproximadamente seis veces mayor que la del lingote original. A medida que sale la barra del laminado, martillado o prensado, se corta la cabeza para eliminar la cavidad. Esta tapa regresa al departamento de fundición como sobrante para ser utili¬ zada posteriormente. En la fábrica Carpenter es una práctica común, en algu¬ nos grados de acero, sacar barras de sección redonda en vez de cuadrada. La razón de esto se explicará en el siguiente párrafo. Las barras se cortan a medidas apropiadas antes de enfriarse. Preparación de tochos. Se puede imaginar fácilmente que al colar un lingote, su superficie no sea lisa como el vidrio al solidificarse. Existe una cierta cantidad de movimientos y salpicaduras, con los que se obtiene una superficie áspera. Cuando un lingote ha sido convertido en tocho, estas imperfecciones superficiales se han transformado en defectos conocidos como cicatrices, que deben ser eliminadas antes de seguir procesando el tocho. Los tres métodos básicos de preparación de tochos son: desescamado, esmerilado básico y esmerilado regional. Un cuarto método que se emplea en tochos

40

Características físicas del acero para herramientas

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Fig. 1-32. (6.3 t).

Martillando acero para herramientas con martillo de 7 toneladas

redondos se denomina torneado burdo. En todos los casos los tochos se remojan en ácido diluido caliente para quitar las rebabas. Desescamado. Este método implica quemar la superficie con uno o varios sopletes y se utiliza raras veces con aceros de alta aleación, por el peligro de quebraduras. Rectificado. Consiste este método en montar una barra o placa en una máquina rectificadora o en un armazón oscilador, a fin de rectificar y quitar completamente la superficie original en los cuatro lados y aristas. La figura 1-33 ilustra un moderno taller de rectificadoPulido de manchas. Después de rectificar todo, las barras o tochos de metal se tratan con ácido para revelar los defectos que quedan. Estos son entonces eliminados con una rectificadora de mano.

Terminología del acero para herramientas

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Fig. 1-33.

Batería de esmeriladoras de tochos.

Torneado burdo. Algunas veces es conveniente rebajar completamente la superficie de los tochos, para lo cual el tocho es torneado en sección circular en vez de dejarlo con sección cuadrada, y es recocido, enderezado y

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Fig. 1-34.

Máquina alisadora giratoria.

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42

Características físicas del acero para herramientas

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Fig. 1-35.

Aserramiento de discos para inspección.

luego pasado a través de tornos que eliminan por completo la superficie del tocho. La figura 1-34 muestra un tocho circular saliendo de un torno. Inspección del disco de un tocho. En la misma forma que la superfi¬ cie de los tochos puede ser inspeccionado y asegurado contra defectos super¬ ficiales por medio de las operaciones mencionadas, también el interior puede asegurarse contra defectos inspeccionando un disco. Cada tocho se sujeta a la cortadora de discos y sus extremos se marcan para identificarlos con su posición en el lingote original. Los discos se cortan, se graban, se inspeccio¬ nan, se endurecen y fraccionan, y se vuelven a inspeccionar (ver Figs. 1-35 y 5-3). Cuando sea necesario un recorte para limpiar “defectos de orilla”, se corta un último disco para su verificación. Cada colada de acero se inspeccio.

Terminología del acero para herramientas

43

na y maneja como una unidad, lo que no sólo ayuda al inspector, sino tam¬ bién al departamento de fundición con valiosa información para la corrección y guía de prácticas futuras. La inspección del disco se complementa a menu¬ do con una inspección de prueba ultrasónica. En el capítulo 5 se hallará una descripción detallada de ambos métodos. Tochos preparados. Los tochos que han sido preparados por los pro¬ cedimientos mencionados antes, se almacenan en un patio-almacén (Fig. 1-36) para esperar órdenes de terminado. Terminado. A la gran mayoría de las barras de acero para herramien¬ tas se les da tamaño y forma final en las laminadoras, las que no se prestan para ser procesadas en lingotes, es posible hacerlo a partir de tochos prepa¬ rados con un mínimo de dificultad. Una laminadora de acero para herramientas, como la mostrada en -la figura 1-37, es totalmente diferente de una laminadora para conformarla ba¬ rra comercial y acero blando. La laminadora reduce la sección transversal de la barra muy lentamente, y debe pasarse cerca del doble de veces por la laminadora para alcanzar el tamaño deseado. Los tochos preparados se calientan hasta una temperatura predetermina¬ da y luego se procesan hasta el tamaño y forma deseados. En muchos casos, la temperatura final del tocho, conforme va saliendo de la laminadora, es tan importante como la temperatura inicial a la que fue calentado. Si se desea, para terminar una barra caliente se acelera la laminadora y si se quiere ter¬ minarla fría, se desacelera. Con objeto de obtener este control, todas las laminadoras de la planta están provistas de motores de corriente directa de velocidad variable. Los hornos calentadores están equipados con pirómetros

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Fig. 1-36.

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Almacenamiento de tochos.

44 Características físicas del acero para herramientas

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Fig. 1-37. Prensa de 16 plg (40.6 em)

empleada para procesar acero.

para controlar la temperatura. Esta instalación se muestra en la figura 1-38. También disponen de un aparato de análisis de gas para que el calentador pueda hacer los ajustes necesarios a los quemadores y obtener la atmósfera requerida por un grado particular de acero para herramientas, con el propó¬

sito de minimizar el escamado y la descarburación. Además, las temperaturas se miden durante su procesamiento por medio de pirómetros ópticos o de radiación. Forjado y prensado final. Dado que hay un límite en el tamaño de las barras de acero para herramientas que pueden ser procesadas en una lamina¬ dora, las barras de mayor tamaño deben forjarse o prensarse. Un tocho de tamaño considerable se calienta cuidadosamente y luego se forja a las dimen¬ siones requeridas. Mientras que la gran mayoría de las herramientas están fabricadas de piezas cortadas de barras, el fabricante de herramientas tiene frecuentemente necesidad de discos grandes o piezas rectangulares de dimen¬ siones arbitrarias.. Las forjas de anillo son extremadamente útiles en muchos casos, ahorrando tiempo y costo al suprimir todo el metal del centro del disco. Hay una gran cantidad de talleres de trabajo de forja por todo el país, que utilizan tochos de acero para herramientas de mano y surten piezas foijadas.

Terminología del acero para herramientas

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Fig. 1-38. Pirómetro para controlar un homo de recalentamiento.

Recocido. Este proceso se define como la operación de calentamiento y enfriamiento de un material en estado sólido. El recocido normalmente implica un enfriamiento relativamente lento. El propósito de este tratamiento térmico puede ser: 1. Reducir esfuerzos 2. Inducir suavidad 3. Alterar la ductilidad, la resistencia y algunas propiedades físicas como las eléctricas y las magnéticas 4. Refinar la estructura cristalina 5. Eliminar los gases 6. Producir una microestructura definida

Prácticamente todas las barras de acero para herramientas deben ser recocidas antes de ser vendidas. Para minimizar el escamado y la descarbura¬ ción, se emplean homos de atmósfera controlada. Hay varios tipos comunes de sistemas de atmósfera controlada que serán descritos en un capítulo posterior. Si dichos sistemas no se pueden conseguir, las barras deben ser empacadas en grandes tubos llenos con rebabas de hierro fundido o algún otro compuesto protector. Las barras se calientan uniformemente a la tem-

46

Características físicas del acero para herramientas

pcratura propia del recocido, se mantienen calientes por varias horas, y se enfrían lentamente dentro del horno. Para enfriamiento muy lento debe mantenerse en combustión una cantidad mínima de combustible durante el ciclo de enfriamiento. La figura 1-39 muestra un homo de recocido con

atmósfera controlada. Descarburación (o capa envolvente). Durante el calentamiento para conformar, laminar, forjar y recocer, es virtualmente imposible evitar que una cierta cantidad de carbono se oxide en la superficie externa de la barra. Una condición típica en una barra circular de 1 plg (25.4 mm) podría mos¬ trar que la parte superficial externa, a una profundidad de 0.005 plg (0.13 mm) habría perdido prácticamente todo su carbono. Las siguientes medidas 0.005 plg (0.13 mm) ó 0.010 plg (0.25 mm) podrían formar una zona de escalonamiento en la que el carbono aumenta gradualmente hasta alcanzar la proporción normal en el resto de la barra. Esto se conoce como superficie de descarburación (o capa envolvente) , y es muy importante que lo entienda el fabricante de herramientas. El grado en que una barra puede ser descarburada depende del análisis del acero (algunas composiciones se descarburan con mayor facilidad que otras) y también del método empleado en el calentamiento de la barra. A veces la capa superficial de descarburación total no existirá, pero puede haber alguna zona en la superficie que sea simplemente algo más baja en carbono que el resto de la barra. La descarburación es una de las razones por la cual los fabricantes de acero recomiendan quitar cierta cantidad de

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Fig. 1-39. Homo de recocido de atmósfera controlada.

Terminología del acero para herramientas

47

metal de la superficie de la barra al hacer una herramienta. Las tablas 1-1 y 1-2 muestran los valores para descarburación e irregularidades superficiales o variación de tamaño. Enderezado e inspección. Las barras recocidas son enderezadas en diversos tipos de máquinas enderezadoras mecánicas, que verifican al final su tamaño y condición de la superficie. Los inspectores recorren toda la su¬ perficie de la barra con limas buscando grietas y otros defectos superficiales, que puedan haber escapado1 en la preparación de las barras. La máquina de prueba magnética, ilustrada en la figura 1-40, se emplea en algunos casos para detectar defectos superficiales muy difíciles de encontrar en la inspec¬ ción visual. La suavidad de recocido se prueba en la máquina Brineíl de dureza (Fig. 1-41). (Ver en el Capítulo 11 una descripción de esta máquina.) Era práctica común en las fundidoras de acero para herramientas, hacer una muesca en cada orilla de las barras y romper una pequeña parte para que el inspector buscara defectos en el fragmento. Sin embargo, esta práctica está ahora fuera de uso; en la empresa Carpenter se ha empleado durante años un método mucho más eficaz para inspeccionar el interior del acero, la prueba del ataque químico con ácido caliente en el disco. Esto se describe con más detalle en el Capítulo 17. Barras procesadas en caliente. Las barras descritas anteriormente se conocen como barras procesadas en caliente, y como hemos indicado, la mayor parte de las barras de acero se venden en esta forma. Estas van direc¬ tamente de la inspección a la bodega para ser embarcadas según las de¬

mandas. Barras estiradas en frío. Una considerable cantidad de acero para herramientas se adquiere en barras estiradas en frío para la fabricación de brocas, machuelos y herramientas similares. Con este fin, las barras procesa¬ das en caliente, recocidas (o rollos), se bañan en ácido para eliminar la capa de óxido y luego se estiran (Fig. 1-42) a través de un dado que es alrededor de 1/16 plg (1.6 mm) más pequeño que el diámetro de la barra. El estirado en frío es esencialmente una operación de alargamiento. Los granos del acero se alargan en el sentido longitudinal de la barra, y la parte exterior de ésta se alisa y se deja a su tamaño preciso. Las barras estiradas en frío normal¬ mente se fabrican con algunas milésimas de pulgada mayor que el tamaño original (nominal) y son ideales para utilizar en boquillas de máquinas auto¬ máticas para fabricar tornillos. Contrariamente a la opinión general, las barras estiradas en frío mos¬ trarán casi la misma descarburación superficial que las procesadas en caliente. Esto es perfectamente obvio en vista del hecho de que ningún metal puede ser removido de la superficie excepto las pequeñas cantidades que se pueden tratar por el ácido. Si se requiere acero para herramientas libre de descarbu¬ ración superficial, debe ser rectificado. Barras libres de descarburación. Los aceros para herramientas de me¬ didas rectangulares cuadradas o planas, se obtienen comercialmente con su¬ perficies maquinadas libres de descarburación y defectos superficiales. Estas barras son maquinadas de 0.015 plg (0.4 mm) a 0.035 plg (0.9 mm) más grandes, para permitir una limpieza después del tratamiento térmico. La

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TABLA 1-1. Tolerancias mínimas para maquinado de forma redonda, hexagonal y octagonal

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Tolerancias- mínimas por lado para maquinado Anterior al tratamiento térmico, pulgadas (milímetros)® (LIMITES DE CARBURACION MAXIMA

Tamaño ordenado plg (mm)

Hasta 'á (12.7), incluso Mayor de X a 1 (12.7 a 25.4), incl. Mayor de 1 a 2 (25.4 a 50.8), incl. Mayor de 2 a 3 (50.8 a 76.2), incl. Mayor de 3 a 4 (76.2 a 101.6), incl. Mayor de 4 a 5 (101.6 a 127.0), incl. Mayor de 5 a 6 (127.0 a 152,4), incl. Mayor de 6 a 8 (152.4 a 203.2), incl. Mayor de 8 a 10 (203.2 a 254.0), incl.

Procesado en caliente 0.016 (0.41) 0.031 (0.79) 0.048 (1.22) 0.063 (1.60) 0.088 (2.24) 0.112 (2.84) 0.150 (3.81) 0.200 (5.08)

“Cortesía de AISI. Productos que deben ser consultados para tamaños no listados.

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8 Oí? de tolerancia por lado, para maquinado)

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Forjado

0.072 (1.83) 0.094 (2.39) 0.120 (3.05) 0.145 (3.68) 0.170 (4.32) 0.200 (5.08) 0.200 (5.08)

Redondos, torneado burdo

0.020 (0.51) 0.024 (0.61) 0.032 (0.81)

0.040 (1.02) 0.048 (1.22) 0.072 (1.83)

Estirado frío

2 en

0.016 (0.41) 0.031(0.79) 0.048 (1.22) 0.063 (1.60) 0.088 (2.24)

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3g

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TABLA 1-2. Tolerancias mínimas para maquinado de barras planas y cuadradas procesadas en caliente

Tolerancias minimas por lado, para maquniar antes del tratamiento térmico pulgadas (milímetros) 0 (LIMITES DE CARBURACION MAXIMA


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AZUL PAVO

BRONCE

PAJA PROFUNDO

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•

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540

285

520

270

NARANJA OSCURO SALMON

245

1000 940

681

890

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840

0

790

CEREZA BRILLANTE 475

1200 1080

AMARILLO SUAVE

AZUL PLENO

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CEREZA

.90

CEREZA MEDIO CEREZA PROFUNDO PAJA

440

225

ROJO SANGRE ROJO DEBIL

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es [Tjj

Colores de calentamiento a la luz del día moderadamente difusa con tem¬ peraturas aproximadas. (Ver el Capítulo 10, Pirórnetros.)

PAJA DEBIL

400

205

Gráfica en color de temperaturas (izq.) mostrando los colores instantᬠneos que muestra un acero de herramientas al carbono puro, cuando alcanza las temperaturas indicadas. La reacción ante el calor provoca que los colores sean progresivos. Este cuadro no es aplicable en aceros de herramienta con aleaciones. [Ver el Capítulo 10, Equipo de templado

.

( revenido ) 1

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO (ENDURECIDO; EN AIRE

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO (ENDURECIDO;

EN ACEITE

No 610 AIRE DESGASTE

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CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO (ENDURECIDO) EN AGUA

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO (ENDURECIDO; DUREZA AL ROJO

K-W AGUA DESGASTE

SPEED STAR ROJO-DESGASTE

HAMPDEN ACEITE DESGASTE




sntonces use

H21 (ROJO-DURO)

—

entonces use

H13 (ROJO-TENAZ)

DADOS PARA PERNOS

Ver DADOS para cabeceado; también MARTILLOS Cabeceador

Requieren excepcional resistencia al desgaste y alta resistencia.

D2 (AIRE-DESGASTE)

DADOS MíALES as

intonces use

PULVERIZADOS En casos donde la rotura puede ser un

problema.

—entonces use L6 (ACEITE-TENAZ)

Ver también PUNZONES para pulverizar metales.

.

m m

m m

Si el trabajo es en frío.

DADOS PARA RASADORES

Requieren máxima tenacidad con un buen grado do duroza.

(DOHADORES)

Si el trabajo es en

—Doblado —Enderezado

caliente.

S2 (AGUA-TENAZ)

—entonces use H13 (ROJO-TENAZ)

—Estampado sencillo Deben conservar agudeza en los filos resistir la abrasión conservar su tamaño al templarse.

RASPAR DADOS PARA RASQUETAS

HADOS PARA REMACHAR

=>

—entonces use

—

'

—

Deben tener tenacidad para resistir golpes rápidos y fatiga y dureza para conservar la forma.

infonces use

D2 (AIRE-DESGASTE)

intonces use

S2 (AGUA-TENAZ)

m inionces

DADOS PARA ROSCADO

PARA ROSCADO DADOS OE TUBERIAS

°»

V

•

*

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Deben conservar el afilado y tenacidad en los filos cortantes —no deben fractu¬ rarse en el inicio de la cuerda.

Para herramientas de mano.

use

02 (ACEITE-DURO)

=0

Ver DADOS para roscado

m m

Para máquinas herramienta.

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»nfonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

m 18*

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DADOS

•i • »

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PARA ROSCAR POR ROTACION

Cuondo los dados son se¬ veramente esforzados — deben trabajar materia¬ les de tipo difícil, parti¬

Deben conservar la plasticidad y for¬ ma, en el templado, deben tener una inusual combinación de dureza y te¬ nacidad.

— entonces use M2

cularmente pernos trata¬ dos térmicamente todos los tipos de cuerdas

—

(ROJO-DESGASTE)

aguzado por rotación.

Para toda operación en

redondo.

$

—entonces use D2 (AIRE-DESGASTE)

Para dados pequeños y da¬

dos de forma regular.

DADOS PARA SU AJADO

Deben tener buena dureza superfi¬ cial, soportada por un núcleo tenaz para resistir el agrietamiento y con¬ servar la resistencia a la fatiga.

*EI H-9 Doble cabeceador es un dado de acero especialmente fabri¬ cado para cabecear en frío y tiene mayor profundidad de dureza que el W1,

DADOS PARA

TERMINACION

Ver DADOS, Acuñado, Caliente

Para dados grandes de for¬ ma

sencilla.

Para dados de cara plana, particularmente en tama¬

ños grandes.

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intonces use

wi (AGUA-DURO)

•ntonces use

H9 DOBLE CABECEADO*

—entonces use L6 (ACEITE-TENAZ)

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Paro grandes partidas de

lotes calentados. TRABAJO DADOS PARA EN CALIENTE

—

Requieren de buena dureza al rojo con tenacidad y resistencia al agrietamiento.

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Punzonado en caliente — Tuercas en caliente

=C>

mtonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

Para partidas cortas de lotes calentados —para cualquier partida en que

—entonces use

el daño a las herramien¬ tas es probable.

(ROJO-TENAZ)

Si se trata de una alta pro¬ ducción; o si se trabaja con fibras, asbestos, mica, lámi¬ nas de silicio, gran conteni¬ do de fósforo, u otros mate¬ riales abrasivos; y si las sec¬ ciones del dado no están so¬ metidas a cargas intensas de fractura, o choques exce¬ sivos.

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=Í>

—entonces use D2 (AIRE-DESGASTE)

m m m

Cuando el dado debe mantener su tamaño

preciso al templarse; o es de forma irregu¬

TRABAJO DADOS PARA i? EN FRIO :: lar (probable fractura en el templado) — tam¬ bién dados para ras¬ Estampado — par. —Laminación Raspar —

Entonces use el

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO EN AIRE

Para producción media; te¬ nacidad intermedia y resis¬ tencia al desgaste; breves contactos con materiales

mtonces use

A2 (AIRE-DURO)

abrasivos.

Para trabajo muy pesado; o una parte muy frágil; o si es expuesto o choques duros.

=>

—entonces use A6 (AIRE-TENAZ)

m m

Como regla general, los da¬ dos para tejos deben poseer máxima resistencia al des¬ gaste y pueden ser hechos con acero aceite-duro Hamp¬

=í>

— entonces use D3 (ACEITE-DESGASTE)

den.

Cuando el dado no necesita mantener su tamaño preciso en el templado (puede ser

esmerilado).

Entonces use el

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO EN ACEITE

Para producciones medias con durezas y tenacidades

medias.

Para trabajos pesados; para herramientas que tienen partes frágiles o para que

NOTA: En general, el mismo acero puede ser usado para el punzonado de tejos, como pora el dado. Para punzones perforadores, ver PUN¬ ZONES.

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1

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•:

DADOS PARA TUERCAS

soporten choques fuertes.

Deben ser lo bastante duros para conservar el tamaño y el filo cortante gran tenacidad para resistir choques.

—

—Dados para accesorios —Dados penetradores

—Dados punzadores DADOS PERCUTORES

_

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

=>

— entonces use 02 (ACEITE-DURO)

•nionces use

L6 (ACEITE-TENAZ)

m m m

m

NOTA: paro perforación de tuercas vea Punzones

Ver DADOS para acuñado

O GOLPEADORES

J

DADOS PULIDORES

DADOS PUNZONADORES

Deben ser resistentes al desgaste y astillamiento. Deben conservar su ta¬ maño durante el templado.

en caliente.

—Forma o tamaño especial

Deben conservar agu¬ deza de filos—dureza y tenacidad para re¬ sistir abrasión y cho¬

un

Cuando los dados adquieren el sufi¬ ciente calor para el estirado, el temple se pierde en las he¬ rramientas de acero al carbono.

Uso promedio en to¬ dos los otros casos.

que.

de recorte

—Guillotinas —Recortadores de rebabas —Sacabocados

D2 (AIRE-DESGASTE)

Ver PUNZON

Recortado

DADOS RECORTADORES

—entonces use

Cuando el tamaño y la forma son impor¬

Recortado en frío.

tantes.

Para el corte de sec¬ ciones gruesas en trabajos rugosos y pesados, en sec¬ ciones irregulares.

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=>

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

—entonces use 02

(ACEITE-DURO)

m m

—entonces use A2 (AIRE-DURO)

—entonces use L6 (ACEITE-TENAZ)

1*8

ROSCADORES DE DADOS PERNOS

Ver PEINE PARA ROSCAR

DEDOS

Requieren "tenacidad" y dureza.

Dedos alimentadores. Dedos de embrague. Dedos de mandrilar.

entonces use

L6 (ACEITE-TENAZ)

—De alimentación —De corte

—entonces use

Dedos de corte. Dedos de resorte.

—De resorte

—Embrague

—Mandrllado

DEGÜELLOS

DIENTES DE SIERRA

:

S2 (AGUA-TENAZ)

Ver HERRAMIENTAS para herrería

Requieren eficiencia de corte en alta velocidad con tenacidad para prevenir rebabeo en las esquinas y prevenir fracturas por la acción del acuñado.

=>

•ntonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

Hit

m m

Mandriles Hojas insertadas Máquina

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Rosa Puente

—entonces use

Para máquinas herra¬ mientas

M2

(ROJO DESGASTE)

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ESCARIADORES,

RIMAS

—Ajus tables —De expanción —De hojas Insertadas —De mandril —De mano —De maquina puente —De —Rosa

Deben conservar du¬ reza y agudeza de los filos cortantes, sin desgaste o rebabeo.

-N V

De expanción De mano

V

En adición a una buena agudeza de filo corto, debe ser tenaz, para per¬ mitir expansión.

í>

—entonces use 02 (ACEITE- DURO)

Hojas para rimas

ajustabies.

—entonces use

resistencia a la abrasión de las rebabas.

Para

M2 (ROJO-DESGASTE)

ESPIGAS —Herramientas calzadas

Requieren de máxima tenacidad y re¬ sistencia a la fatiga.

3

Para máxima tenacidad.

Para combinar el latonado y endurecido de la espiga.

=t> I_K

C/

— entonces use H13 (ROJO- TENAZ)

—entonces use A6 [AIHJ

81:

Para estampas de rolado muy precisas o muy

—entonces use

02

complicadas.

Deben tener la adecuada dureza con tenacidad para soportar el recalcado o rebabeado.

ESTAMPAS

4N

-v

(Caladoras)

ESTIRADO DE ALAMBRE

k

EXTRUSION, DADOS

Para estampas de acero buenas en todo alrede¬ dor —caliente o frío—tra¬ bajo pesado.

Requieren fácil maquinabilidad y buena dureza.

=í>

medidas.__ Donde el cambio de medidos o peligro de fractura están presentes.

Puntas de desgaste

FRESADORA DE PUNTOS

,y;

S2 (AGUA-TENAZ)

Ver DADOS para extrusión

torsión y variación de

—Dispositivos sujetadores —Fijadores calibradores —Pernos de localización y

=>

>ntonces use

m m

Ver DADOS para trefilar alambre

Cuando es importante que sean mínimas la dis¬

FIJADORES

(ACEITE-DURO)

Ver ABOCARDADORES

í> .

\

—entonces use

A6 (AIRE-TENAZ)

—entonces use 02 (ACEITE-DURO)

Híl

m

1

FRESAS DE CORTE

FRESA HUECA

FRESAS MADRE

Requieren al máximo la propiedad para conservar agudeza de filo con suficiente resistencia para soportar fracturas bajo esfuerzos severos— no deben picarse o gastarse frecuente¬ mente, deben ser forjables.

Debe conservar la agudeza en los fi¬ los cortantes y en las esquinas con¬ servar la tolerancia—debe mantener el tamaño en el templado.

Requieren agudeza de filo y resisten¬ cia al desgaste en los filos cortantes, con la propiedad de mantener la for¬ ma precisa.

•ntonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

—Cortador de engranes —Cortador de roscas

FRESA RADIAL

Requieren agudeza y tenacidad en los filos cortantes; resistencia al reba¬ beo deben tener un cuerpo tenaz las fresas de extremo largas.

—

Vmi

(

AiniKM

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

m m m*

m

GALGAS

Ver CALIBRES

—entonces use

Para máxima resistencia al mellado y al desgaste.

GUIAS

D2 (AIRE-DESGASTE)

wm Paro una buena dureza y mejor tenacidad.

GUIA, O

CORREDERAS

=£>

—entonces use 02

(ACEITE-DURO)

m m m

mtonces use

Requieren dureza y tenacidad para resistir el recalcado y el desgaste.

S2

(AGUA-TENAZ)

HERRAMIENTAS ACABADORAS

Ver HERRAMIENTAS para acabado

PARA LATON

HERRAMIENTAS CEPILLADORAS

HERRAMIENTAS DE CALAFATEAR lUEUmWKwr

Ver HERRAMIENTAS para torno

Deben ser resistentes al choque y a la fatiga—deben ser tenaces al impacto para resistir el astillado.

_

—entonces use S2 (AGUA-TENAZ)

m

HERRAMIENTAS DE FORMA

f

HERRAMIENTAS (BROCAS) PARA MANDRIL

| j

HERRAMIENTAS ESCARIFICADOR AS

Ver MAQUINAS-HERRAMIENTAS automáticas para tornillos; CORTADORES DE FORMA y también CORTADORES

Para el taller mecánico común, uso en trabajos variados — desbaste burdo y acabados.

_

m

intonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

Ver HERRAMIENTAS para tomo

Para gran resistencia al desgaste y larga vida.

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

HERRAMIENTAS MOLDEADORAS

Requieren dureza media y tenaci¬ dad—deben ser fáciles de maquinar.

intonces use

Pora servicio medio.

02 (ACEITE-DURO)

Para trabajos tenaces.

—entonces use S2 (AGUA TENAZ)

HERRAMIENTAS NEUMATICAS —Botadores —Cinceles —Embutidora escarificadores Herramientas Martillos

Requieren tenacidad, acero duro que pueda soportar choque y fatiga.

—Pestoñadora

—Recalcadora Remachadora

—Taladoras

-J\ “1/

—entonces use S2 (AGUA-TENAZ)

JJff

m 88 88

HERRAMIENTAS

Requieren tenacidad, acero duro que pueda soportar choque y fatiga.

NEUMATICAS —Botadores

—Cinceles —Embutidora —Herramientas escarificadores Martillos

—

Ver HERRAMIENTAS para piedra

HERRAMIENTAS PARA ESPIGAS

HERRAMIENTAS PARA FORJADO

Ver FRESAS DE CORTE

'

•í' V

DE LATON -

m

—Tajaderas

HERRAMIENTAS PARA CANTERA

w

S2 (AGUA-TENAZ)

—Remachadora

Requieren agudeza de filo sin desmo¬ ronarse en los labios cortantes— deben resistir el rebabeo en cortes in¬ termitentes.

Y SEPARADO

entonces use

—Pestoñadoro —Recalcadora

HERRAMIENTAS PARA ACABADO

HERRAMIENTAS PARA CORTE

f\ —1/

Ver, ESPIGAS

Ver DADOS para forja de latón

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

mt

I

HERRAMIENTAS PARA FRESAR CAJAS

k

Ver MAQUINAS-HERRAMIENTAS para tornillos

—entonces use W1

HERRAMIENTAS PARA GRABAR

f

Deben tener todas las propiedades del acero para cincel, más dureza y filos agudos.

_

(AGUA DURO)

—entonces use 02 (ACEITE-DURO)

HERR AMIENTAS PARA HERRERIA

HERRAMIENTAS PARA MATERIALES

Máxima combinación de dureza y te¬ nacidad— de fácil tratamiento térmi-

co.

—entonces use S2 (AGUA-TENAZ)

m

Ver HERRAMIENTAS NEUMATICAS-cinceles, remachadoras, etc.

FIMOSOt

HERRAMIENTAS PAVA MICHAS

Ver HERRAMIENTAS de

sufecclón para brocas conformadoras

i

HERRAMIENTAS PARA PIEDRA

—Brocas estrella

Deben tener resistencia a la abrasión y tenacidad para resistir el rebabeo y resistencia a la fatiga —deben ser fᬠciles de forjar y aptas para el trata¬

eofonces use

S2 (AGUA-TENAZ)

miento térmico.

mx

—Casquillos Cinceles

—Cuatro puntas o de cruz —

Manuales

HERRAMIENTAS PARA RASPADO

HERRAMIENTAS PARA RAYADO EN ESPIRAL

Ver MAQUINAS-HERRAMIENTAS automáticas para tornillos

Requieren filos extraagudos que no se rompan ni se desgasten.

entonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

mt

HERRAMIENTAS PARA SUPERFICIES

Ver HERRAMIENTAS para torno

PLANAS

HERRAMIENTAS PARA TALADRAR

Requieren propiedades de corte en alta velocidad; resistencia a la abra¬ sión y rebabeo ciertos tipos deben ser

forjables.

—

intonce s use

M2 (ROJO DESGASTE)

m A

I

HERRAMIENTAS TEXTILES

HERRAMIENTAS PARA TORNEAR RODILLOS

HERRAMIENTAS PARA TORNO

Requieren máxima resistencia a la

.

abrasión y desgaste.

=£>

Deben tener máxima dureza para cortar hierros enfriados, templados superficialmente.

—

Requieren de buena eficiencia de cor¬ te a la temperatura de operación de la herramienta — tenacidad para cor¬ te intermitente — deben ser forjables.

—entonces use D2 (AIRE DESGASTE)

—entonces use M2 (ROJO DESGASTE)

—entonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

m m*

m ¡ntonces

Herramientas de mano.

ose

02 (ACEITE-DURO)

HERRAMIENTAS PARA TRABAJAR MADERA

Deben mantener agudeza en ios filos cortantes, con muy poco soporte.

—entonces use Máquinas herramientas.

M2 (ROJO-DESGASTE)

Navajas.

m m

Ver SIERRAS para madero

i

HERRAMIENTAS PULIMENTADORAS

Requieren una superficie dura y lustrosa que no permita adherencias ni cause rayaduras.

_v

—entonces use

—,/>

M2 (ROJO-DESGASTE)

— Ver rodillos pulidores HERRAMIENTAS PARA ESCARIAR; MACHO CONICO Y MACHO RECTO

HERRAMIENTAS REBORDEADORAS

—Manguitos articulados

SUAJADORAS

Deben tener alta resistencia a la fatiga, alta tenacidad y resistencia al desgaste— tratamiento térmico simple.

K

—entonces use

—

S2 (AGUA TENAZ)

RODILLOS,

Suajado; MARTILLOS, Suajado

al desgaste

Hojas delgadas metálicas

m

Ver nombres de partes, por ejemplo: DADOS, para suajado,

Para máxima resistencia

HOJAS DE CORTE

m

Ver MACHOS

neumáticos

HERRAMIENTAS

1

Deben tener alta resistencia al des¬ UK gaste y filos fuertes. -v Para mejorar la

tenacidad.

=í>

—entonces use D2 (AIRE-DESGASTE)

— entonces use A2 (AIRE-DURO)

m

—entonces use

Para corte en frió suave o

L6

amuescado.

(ACEITE-TENAZ)

HOJAS DE CORTE

Deben tener toda la dureza y resis¬ Para corte en frío donde tencia al desgaste posibles, pero no -N la precisión en el trata¬ deben de hacer rebaba o quebrarse. -i/ miento térmico es impor¬ tante.

—Para trabajos pesados

Para corte en caliente, suave o amuescado.

£ =£>

—entonces use

A6 (AIRE TENAZ)

— entonces use HI3 (ROJO-TENAZ)

i

HOJAS PARA DESTORNILLADOR I

—De

mano

—De potencia

HUSILLOS, ARBOLES

Deben tener alta resistencia a la tor¬ sión para resistir el corte, y dureza para resistir el redondeo de los bor¬ des.

=0

entonces use

S2 (AGUA-TENAZ)

-entonces use

Deben tener buena resistencia al des¬ gaste y precisión en el templado.

D2 (AIRE-DESGASTE)

m «H

—entonces use

S2

IMPULSORES

Deben tener máxima resistencia y te¬ nacidad para soportar fracturas en los lados críticos, recalcado o desgas¬ te en el extremo de choque.

(AGUA-TENAZ)

n>

O

—entonces use L6 (ACEITE-TENAZ)

m

m m &

Ver DADOS para formar; DADOS, trefilado, etc. dependiendo de qué clase de insertos se trate

INSERTOS

1

JUEGOS DE

BOTONES (PARA SUAJAH)

LAMINACION

Lr-

f

Necesitan resistencia a la fatiga para soportar fracturas en la espiga; resis¬ tencia al desgaste y capacidad para resistir el recalcado.

=¡>

m

Ver PUNZONES

—entonces use A6

tantes.

(AIRE-TENAZ)

LEVAS Cuando se necesita aumentar la re¬ sistencia al desgaste.

LLAVES DE TUERCAS

use

S2 (AGUA-TENAZ)

Donde el lamaño y forma son impor

LIMAS DE CORTE

tn tornees

j

1

=c>

—entonces use D2 (AIRE-DESGASTE)

m «H

Ver CORTADORES

Requieren gran resistencia y tenaci¬ dad más una buena dureza.

entonces use

S2 (AGUA-TENAZ)

m

Para máquinas

Deben tener agudeza en el filo cor¬ herramientas. tante con varios grados de tenacidad -N para resistir rebabeo o fracturas también requieren precisión en el -1/ Para herramientas templado.

—

MACHOS

— Espárragos —Machos cónicos —Maestros

=»

de mano.

entonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

—entonces use

02 (ACEITE-DURO)

—Manuales —Para máquina herramienta

—Plegables — Tubos

Para cobre o latón.

MANDRILES

w

TRABAJO EN CALIENTE

—Extrusión — Trefilado, estirado

TRABAJO EN FRIO

—Estirado

H21 (ROJO-DURO)

intonces use

Para aluminio, o si las herramientas son enfriadas en agua.

HI3 (ROJO-TENAZ)

Para buena resistencia a la abrasión y mínimo cambio de tamaño en el tra¬ tamiento térmico.

MANDRILES

=Í>

—entonce, use

w

——Extrusión Sujetadores de trabajo

Donde la tenacidad es de primordial importancia.

=í>

*n/onces use

D2 (AIRE-DESGASTE)

—entonces use A6 (AIRE-TENAZ)

füt

m tHS

m

HI:

m

—entonces use

Para máxima resisten¬

Requieren de buena dureza y resistencia a la abrasión, más te¬ nacidad para sopor¬ tar rebabeo.

í.

MANGUITOS HSHHF

—Sacabocados

cia a

02

la abrasión.

(AIRE-DESGASTE)

-N

-v

—entonces use

Para trabajo promedio.

M2 (ROJO-DESGASTE)

* MANGUITOS O

Requieren superficies duras al des¬

ANILLOS DE GUIA

gaste.

— Aumentos

— Boquillas —Deslizadores

?íu:

flU

Ver MANGUITOS

-j-i

PARA TORNILLOS

Deben tener cualidades para corte en alta velocidad y agudeza de filo cor¬ tante sin rebaba, para dar acabados tersos.

—Fresas ranuradoras

—Herramientas de forma

—Herramientas para fresar cajas

\

(ACEITE-DURO)

— Rozadores — Tornillos

MAQU1NASHERRAMIENT A AUTOMATICAS

—Herramientas

—entonces use 02

—Empujadore s

MANGUITOS PARA

BROCAS

¡3>

para raspar, rasquetas.

=>

>ntanees use

M2 (ROJO-DESGASTE)

m

Martillo de bola pa¬ ra maquinista

—entonces use

Pulverizador. Máquina

V

Requieren una apro¬ piada combinación de dureza y tenaci¬

MARTILLOS

S2

suajado-

(AGUA-TENAZ)

ra. De labrar

dad.

—Cabeceador —De labrar —De maquinista —Máquina clavadora —Máquina suajadora —Pulverizador

Máquina clavadora.

Cabeceador.*

—entonces use

=í>

M2 (ROJO-DESGASTE)

—entonces use

=t>

W1 (AGUA-DURO)

*EI H-9 paro doble cabeceado es un acero especialmente fabricado para da¬ dos de cabeceado en frío y tiene mayor profundidad de temple que el W1.

MARROS

*

feb

MOLDES PARA PLASTICOS

.

MORDAZAS

—Fijador

Mandril ——Sujetador (grapa) -

TnrnJlir* rio hnnro

Requieren dureza y tenacidad.

S2 (AGUA-TENAZ)

Requieren mucha limpieza y acero es¬ table y resistente con precisión al

—entonces use

templarse—deben tener buen acabado.

(AIRE-TENAZ)

.

P

=í>

—entonces ose

Ver MORDAZAS de mandril

A6

m mi 83

m w

Sujetador (grapa) Tnrnllln He banco

MORDAZAS DE M

MANDRIL

MORDAZAS DE TORNILLOS

Cada tipo debe tener la combinación apropiada de dureza y tenacidad.

—entonces use

L6 (ACEITE-TENAZ)

m

Ver MORDAZAS, Tornillo de banco

¿'

NAVAJAS DE

Ver HOJAS de corte

CORTE

NAVAJAS PARA CUERO

Ver SIERRAS de máquina

m

PASADORES

—De bloqueo —De guía —De localización —De rebajo —Machos

-IS, Requieren de dureza y resistencia.

Para prácticamente todos los propósitos, excepto cuando se requiere una máxima tenacidad.

—entonces use 02 (ACEITE-DURO)

{I}}

-1/

Cuando una

tenacidad

extra es necesaria en bloqueos, mandriles, o

pasadores de moldes.

=>

—entonces use S2 (AGUA-TENAZ)

m

—Mandriles

—Para moldes de plástico

\

Jj

PASADORES DE EMBRAGUE O PERROS

& '

.i-;

Requieren máxima resistencia al im¬ pacto y fatiga y gran dureza para re¬ sistir embotamiento.

=£>

—entonces use L6 (ACEITE-TENAZ)

— Cuñas

—Lanzaderas — Pasadores

m

—Rodillos

Para herramientas

Debe conservar el filo; resistir el re¬ babeo; tener alta resistencia a la abrasión—en el endurecido debe re¬ sistir el choque térmico en la raíz de

/*** E2f ROSCAR

de mano. Para herramientas de máquina.

la rosca.

M> =í>

mfonces use

02 (ACEITE-DURO)

—entonces use AA2 (ROJO-DESGASTE)

Ver también DADOS, Roscado

PERFORADOR PARA TUERCAS (PUNZON)

k mtonces use

Debe resistir calor y abrasión.

M2 (ROJO-DESGASTE)

m

— entonces use

PLACAS FORJADORAS —Endurecidas

Deben conservar la precisión en el tamaño y poder soportar deformadones.

_

A6 (AIRE-TENAZ)

o bien

02 /A/-ei-rc

rw ion)

ES

Í$fi

s

(ACEITE-DURO)

1 —entonces use A6

PLACAS PARA TALADRAR

Requieren buena dureza y precisión en el templado.

(AIRE-TENAZ)

o bien

02

Kit

(ACEITE-DURO)

PLANCHADORES

Ver HERRAMIENTAS para herrería

PUNTAS DE BARRETA

Ver QUEBRADORAS de concreto

PUNTA DE DESGASTE

de desgaste

PUNZON PARA CLAVOS

PUNZONES CABECEADORES

\

Ver FIJADORES, pernos de localización y puntas

Requiere dureza para resistir el recal¬ cado; capacidad para resistir la fle¬ xión; y tenacidad para resistir el as¬

tillado.

—entonces use S2 (AGUA-TENAZ)

m

Ver MARTILLOS, Cabeceador

4

Para trabajos de compre¬ sión simple—poco empu¬ je lateral —no enfriar en agua —carreras largas.

PUNZONES PARA TRABAJO EN CALIENTE

;s

Requieren resistencia al desgaste y

7

tencia al agrietado en caliente.

i fuerza cuando están en caliente— resis¬ -í\ -1/

—Estirado

—Perforado Punzonado —

—entonces use M2 ¡ROJO-DESGASTE)

tenacidad mandriles para perfora¬ do en caliente —perfo¬ rado en caliente—perfo¬ rado de secciones irregula¬ res— puede ser enfriado

Para máxima

irtfonces use

H13 (ROJO-TENAZ)

en agua.

Formas complicadas; inseguras para tem¬ plar en aceite, o que no pueden ser acaba¬ das por esmerilado.

Paro máximo dureza y resistencia al desgaste o trobajar con materiales muy abrasivos; cuando los esfuerzos de fractura

-entonces use el

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO EN AIRE

son

—Botadores —Centros —Estirado

D2 ¡AIRE-DESGASTE)

moderados.

Para combinaciones pro¬ medio de resistencia al desgaste y tenacidad.

PUNZONES EN FRIO

=!>

—entonces use A2 (AIRE-DURO)

Para máxima tenacidad

punzonado de materiales densos y secciones irre¬ gulares—para punzones que se quiebran en la percusión — punzones far¬

—Farmaceútlcos

-Formado —Matriz perforadora

—Perforado —Punzonado — Tuercas

=t>

•ntonces use

>ntonces use

A6 (AIRE-TENAZ)

macéuticos.

|

t'Mhf IMft* linn •luí •

't

I

ÍHt

m m m

—Punzonado — Tuercas

[

J

Pata mAxIino rfureva y

resistencia al desgaste o trabajo en material muy abrasivo; cuando los es¬ fuerzos de rotura son moderados.

Para combinaciones pro¬

medio de resistencia al desgaste y tenacidad.

—

entonces use

D3 (ACEITE-DESGASTE)

—entonces ose 02 (ACEITE-DURO)

-entonces use

Formas simples; se¬ guridad para enfriar

de acabar por esmerilado.

en aceite, o fácil

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO EN ACEITE

Para máxima tenacidad, punzonado de materiales densos y secciones irre¬ gulares—para punzones que se quiebran en la percusión— punzones far¬ macéuticos.

Para los que tienen las caras planas o convexas;

los esfuerzos deben ser casi enteramente de compresión.

PUNZONES PARA MATRICES

Deben tener alta resistencia a la compresión y la correcta resistencia transversal para soportar el agrieta¬ miento—deben conservar el tamaño

-A

~v

Para los punzones que tienen ligera cara cónca¬ va; esfuerzos medios de

hendido.

entonces use

L6 (ACEITE-TENAZ)

—entonces use

D2 (AIRE DESGASTE)

—entonces use A2 ¡AIRE-DURO)

al templarse.

Para los punzones que tienen muescas profun¬ das o impresiones en la cara; sometidos a máxi¬ mos esfuerzos de hendí-

do.

\

—entonces use A6 (AIRE-TENAZ)

m

m m m m m •J

—entonces use A6

PUNZONES PARA METAL PULVERIZADO

(AIRE-TENAZ)

Requieren buena tenacidad para re¬ sistir la fractura y alta capacidad para resistir el recalcado.

—

o

—entonces use L6

(ACEITE-TENAZ)

Ver también DADOS para pulverizar metal

QUEBRADORAS DE CONCRETO

—entonces use

El acero debe tener núcleo tenaz para resistir la fatiga.

S2 (AGUA-TENAZ)

Puntas contra fatigo

m rntonces use

Para máxima resistencia

al desgaste

RASQUETAS

Deben conservar la super dureza y agudeza de filo.

—vTs Para trabajo general.

D2 (AIRE-DESGASTE)

—entonces use 02 (ACEITE-DURO)

REBABEADORES

Requieren filo duro, sin rebabas en el filo cortante —deben ser endurecidos sin descarburarse — no pueden esme¬ rilarse partes pequeñas.

Para cortadores de metal o madera.

—entonces use

M2 (ROJO-DESGASTE)

m

rilarse partes pequeñas. i

uqgaEjjHgysffíOT

RECORTADORES

Ver DADOS recortadores

REMACHADORAS

Ver HERRAMIENTAS neumáticas

REMACHADORES

Requieren máxima tenacidad y resis¬ tencia para soportar el recalcado; buena dureza superficial para resistir el desgaste.

íntonces use

H13 (ROJO-TENAZ)

Cuando la forma permite el templado en agua.

RETENES

\

íntonces use

S2 (AGUA-TENAZ)

Requieren dureza y tenacidad. Cuando lo forma está desbalanceada y debe ser enfriada en aceite.

RODILLOS DE GRADUACION

m*

Ver RODILLOS para trabajar en caliente

íntonces use

L6 (ACEITE-TENAZ)

8*1 1*8

RODILLOS PARA FORMAR SALIDAS DE HUMOS

Ver RODILLOS para trabajo en callente, Expansores

Para máxima resistencia al desgaste con mínimos esfuerzos de fractura, rodillos graduadores con insertos.

RODILLOS PARA TRABAJO EN CALIENTE

—Dobladores

Expahsores — —Formadore s

—entonces use

M2 [ROJO-DESGASTE)

Para máxima tenacidad cuando los rodillos no se calientan excesivamen¬ te, rodillos embridados, etc.

- entonces

use

H13 (ROJO-TENAZ)

—Graduadores Insertos

Para máxima dureza y

RODILLOS PARA TRABAJO EN FRIO

Acodado —Anillos —Dobladoras Embutido

—Empatado

— —Expandido —Formado —Grabado

—Graduado —Pulidoras

Remachadoras

-

Para formas intrinca¬ das o muy precisas.

enion ces use

ei

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO

m m*

resistencia al desgas¬ te —rodillos pulidores.

0

Para dureza y tenacidad promedio—doblada -to¬ mado -embutido, aco¬

=¡>

>ntonces use

D2 (AIRE-DESGASTE)

—entonces use

A2 (AIRE-DURO)

dado

EN AIRE Para dodillos con camas

delicados sometidos cargas laterales.

a

—entonces use A6 (AIRE-TENAZ)

tílt

m

Pulidoras

—Remachadoras

I Pora máxima dureza y resistencia al desgas¬ te — rodillos para aros.

=¡>

—entonces use D3 (ACEITE-DESGASTE)

dureza y tenacidad doblado— formado—embutido acodado- tmpatodo rodillos grabadores, ex-

liH

Para

Para formas sencillas seguras para enfriar en aceite —o que re¬ almente pueden ser

esmeriladas.

entonces use el

CONJUNTO COORDINADO TEMPLADO

promedio

—entonces use

02

—

(ACEITE-DURO)

pansores.

EN ACEITE Para rodillos con comas

Nota: Para rodillos de suajado grandes use "Presto" o "JY" dependiendo del tamaño (no son del con¬ junto coordinado de aceros paro herramientas).

RODILLOS

RASCADORES

delicadas sometidos a cargas laterales rodillos formadores en trabajo

—

pesado.

4>

mtonces use

L6 (ACEITE-TENAZ)

m

Ver DADOS para roscar por rotación

y

| M

\

ROSCADO

Ver MACHOS; Ver también, PEINES para roscar

RUEDAS PARA CORTA TUBOS

Ver CORTADORES, Tubos

i

SIERRA DE

i

MAQUINA (SB9K!H38J8K1

Requieren de dureza y resistencia al desgaste con gran tenacidad para prevenir rebabeo en el filo.

—entonces use M2 (ROJO-DESGASTE)

—Circular

—Compuesta — Sólida

—entonces use

Operación de máquina.

M2 (ROJO-DESGASTE)

SIERRA RARA MADERA

Requieren agudeza, tenacidad de filo y algunos tipos también necesitan re¬ sistencia al calor.

=¡> intonces use

Operación manual

TAJADERAS DE CORTE

TAJADERAS PARA REMACHES

Ver CORTADORES

Ver HERRAMIENTAS neumáticas

m

=Í>

02 (ACEITE-DURO)

$8

Ver DADOS para roscar

TARRAJAS

mm

TORNO

mWm Ver CENTRO de torno

VASTAGOS ABOCARDADORES BHKSHB

Insertados

\

Requieren resistencia al desgaste y

tenacidad.

—entonces use 02 (ACEITE-DURO)

13

i

III Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

PARTE

Para poder entender las propiedades del acero para herramientas es ne¬ cesario saber algo acerca de su tratamiento térmico y de sus pruebas. Para comprender el tratamiento térmico es necesario un conocimiento de las pro¬ piedades y pruebas. De la misma manera, el estudio sobre las pruebas im¬ plica conocimientos sobre tratamiento térmico y propiedades. A pesar de todos los esfuerzos que se hicieron para presentar estos tres temas tan clara y lógicamente como fue posible, el lector encontrará conve¬ niente leer de corrido los dos primeros capítulos de la 3a. parte y, entonces, habiendo adquirido las bases, leerlos otra vez, antes de seguir adelante. Mu¬ chas cosas quedarán claras en la segunda lectura, si no se comprendieron totalmente en la primera. 10. Métodos y equipo para tratamiento térmico Una exposición sobre hornos, combustibles, instrumentos y procedi¬ mientos. 11. Pruebas mecánicas del acero para herramientas Equipos, métodos, pruebas y propiedades físicas. 12. Propiedades y tratamiento térmico de los 12 aceros del conjunto

coordinado Se dan los datos detallados de los 12 aceros enumerados en el Capítulo! 7. 13. Aceros de alta velocidad Una exposición a fondo de las propiedades y tratamiento de los tipos más usados. 14. Acero para trabajo en caliente

Una descripción de los dos tipos más usados y su aplicación en problemas de trabajo en caliente. 15. Aceros para herramientas templados al aire y sus grados prin¬

cipales Una exposición de los principios y prácticas básicas para el uso de aceros para herramientas templados en aire. También algunos comen¬ tarios sobre cambios y selección dictados por el incremento de la complejidad del diseño de matrices y limitaciones comerciales del almacenamiento para el acero de herramientas.

10

Métodos y equipo para tratamiento térmico

METODOS DE TRATAMIENTO TERMICO

Estrictamente hablando, todas las operaciones de calentamiento y enfria¬ miento constituyen el tratamiento térmico —cualquiera que sea su propó¬ sito—. Algunas veces esa expresión se usa en un sentido más restrictivo para señalar el temple y el revenido. Normalizado. El normalizado, como se entiende en estas páginas, consiste en calentar el acero a una temperatura mayor que la usual para el temple, con el objeto de eliminar cualquier condición indeseable en la estruc¬ tura. Es una especie de tratamiento correctivo usado después de la forja o después de un templado defectuoso, con objeto de devolver al acero una condición más “normal”. En la mayoría de los casos, el acero se enfría al aire desde la temperatura de normalizado. Este tratamiento no se recomienda para aceros de temple en aire de alta velocidad o aceros para herramientas rojo-duro. Recocido. El recocido puede efectuarse por muchas razones, de las cuales sólo dos son de interés para el fabricante de herramientas. Recocido de suavizado. Un acero para herramientas forjado o en barra, tal como viene del forjado o del laminado, es muy duro para maqui¬ narlo y debe ser recocido; o posiblemente un acero que ha sido ya templado deba ser recocido para cierto maquinado adicional. Para este tipo de recocido se acostumbra calentar el acero ligeramente por encima de su intervalo crítico y entonces enfriarlo muy lentamente. El fabricante de herramientas siempre suministra temperaturas de recocido para el manejo de su acero. En relación con este tema será interesante para el lector revisar los comentarios sobre maquinabilidad en la página 55. Recocido para eliminar tensiones. No importa qué tan cuidadosamente haya sido recocido un acero para herramientas en la primera ocasión, ya que debido a ciertas operaciones en el trabajo del acero pueden originarse ten¬ siones internas considerables. Antes de templar la herramienta es conveniente 1S3

184

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

eliminar esas tensiones. Si se va a eliminar una gran cantidad de metal por maquinado, las tensiones resultantes son suficientes para provocar que la he¬ rramienta se deforme durante el temple, aunque se esté usando un acero tem¬ plado en aceite o uno indeformable templado al aire. Cuando se necesita un maquinado extenso, en una herramienta en que se requiera exactitud extrema, es una buena práctica, para desbastar, darle a la pieza un recocido para eli¬ minar tensiones y después terminar el maquinado con un corte ligero. Las operaciones en frío, de mandrilado, doblado, perfilado y acuñado (o aun es¬ tampado profundo) provocan tensiones internas en el metal, que deberán ser eliminadas, igualmente, por medio de un recocido. Si no se eliminan esas ten¬ siones pueden incrementarse tanto que, cuando se agregue la tensión adicio¬ nal del temple, la herramienta se deformará o romperá. El recocido para eliminar tensiones se obtiene calentando el acero a temperaturas por debajo de su ponto crítico y enfriándolo después. El enfria¬ miento en el horno es el mejor; el enfriamiento en cenizas secas es bastante bueno; incluso el enfriamiento al aire es mejor que no eliminar de alguna forma las tensiones. Si el fabricante de acero no proporciona la temperatura de este recocido, puede usarse el intervalo de 1275° a 1 325°F (691° a 718°C) para casi todos los aceros para herramientas, a reserva de que se hagan algunos análisis. Endurecimiento o temple. Las herramientas se templan para aumen¬ tar su tenacidad y resistencia al desgaste. La operación consiste en calentar el acero a cierta temperatura por encima del punto crítico y entonces enfriarlo rápidamente para provocar el endurecimiento. Debe aplicarse la temperatura de temple que proveen los fabricantes del acero, a menos que el usuario desee experimentar para encontrar una tem¬ peratura que se amolde mejor a sus necesidades particulares. El medio de temple está también prescrito por el fabricante del acero. Algunos aceros deben ser templados en agua (o salmuera), otros deberán enfriarse en aceite y otros son templados por enfriamiento al aire. Las razones para la diferencia del temple en agua, en aceite y al aire durante él enfria¬ miento de los aceros, se expusieron en el Capítulo 4, y se indicó que el tem¬ ple en realidad se lleva a cabo en dos pasos separados y distintos. El primer paso es enfriar de una temperatura de aproximadamente 1 100°F (593°C) con una rapidez mayor que la de la reja (o rapidez crítica de enfriamiento) del acero, para asegurar el temple. El segundo es el templado, o endureci¬ miento, propiamente dicho, el cual en un acero al carbono comienza aproxi¬ madamente a los 500°F (260eC) y se completa aproximadamente cuando el acero se enfría por debajo del punto de ebullición del agua o alrededor de los 200°F (93°C). Por esto es importante, en el enfriamiento, asegurarse de que toda la sección de la herramienta,desde el centro hasta la superficie se enfríe por debajo de los 200°F (93 °C) si va a endurecerse completamente. No es necesario, y en muchos casos no es deseable, enfriar una herramienta “a frío de piedra”, aunque ésta debe estar lo suficientemente fría como para que no hierva una gota de agua, antes de que se considere segura para llevarla al horno de revenido.

Método

y equipos para tratamiento

térmico 185

Ya que el templado real ocurre en el intervalo de aproximadamente 500°F (260°C) a la temperatura ambiente, se deduce que los llamados es¬ fuerzos de enfriamiento, que a veces provocan fracturas, también deben desarrollarse en este intervalo. Hay métodos de templado especiales que han sido concebidos para minimizar estas tensiones y, por lo tanto, reducir el peli¬ gro de fractura por medio de enfriamiento retardado a través del intervalo de bajas temperaturas. Estos métodos se conocen por varios nombres, tales como “revenido diferido”, (martempering) “enfriamiento de tiempo”, y “en¬ friamiento isotérmico”. Estos fueron desarrollados principalmente para tratamiento térmico de piezas, más que de herramientas, y, puesto que es esencial el tiempo exacto, se usan más en el temple de producción, que para herramientas o piezas ocasionales. Por lo tanto, dichos tratamientos sólo se han utilizado en un sector reducido del temple para herramientas. El compor¬ tamiento del acero para herramientas en el temple se examina con más deta¬ lle en el Capítulo 22. Temple en paquete. Este es un procedimiento de temple modificado y algunas veces recomendado para ciertos tipos de acero para herramientas, cuando no se dispone de hornos de temple de atmósfera controlada. Esto implica empaquetar las herramientas en un recipiente con un material carbonáceo adecuado, preferiblemente rebabas limpias de hierro colado, y después calentar todo el paquete a la temperatura de temple. Obviamente, el calenta¬ miento procede más lentamente, y el tiempo necesario para el “remojo” au¬ menta. Cuando se ha cumplido el tiempo adecuado, la herramienta se saca del paquete y se enfría. Aparte de los efectos de calentamiento lento y largo remojo 1 cual en ocasiones es deseable— este procedimiento mantiene la superficie de la herramienta libre de marcas y a menudo ayuda a prevenir la descarburación de la superficie. Se recomiendan las rebabas de hierro colado porque, mientras protegen la superficie, agregan poco o ningún carbono. Es conveniente envolver la herramienta en papel de estraza, esto evita que las rebabas se adhieran a la superficie. Revenido. Esta operación consiste en un recalentamiento de la pieza templada, con el objeto de eliminar las tensiones de temple y aumentar la tenacidad. Generalmente provoca que la herramienta pierda algo de su du¬ reza —aunque este no sea el propósito del revenido. El fabricante dejaría sus herramientas duras si supiera que no se podrían romper o deformar por las tensiones. El revenido se realiza usualmente a temperatura relativamente baja, si se compara con la temperatura de temple. El tiempo que la herramienta permanece a la temperatura de revenido es importante. Los resultados deseados se aseguran por una combinación de tiempo y temperatura. Ninguna herramienta deberá ser sacada de la tempe¬ ratura de revenido antes de una hora. Aun en los pocos casos en que el tem¬ plador pudiera “sacarla” durante poco tiempo, es más conveniente que per¬ judicial el dejar la herramienta durante toda una hora en el calor. En este libro “una hora de revenido” significa una hora de permanencia después de que la herramienta haya alcanzado la temperatura de revenido. El tiempo necesario para que la herramienta se caliente a la temperatura de revenido depende de la sección, la temperatura de revenido y el medio de calentamien-

186 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

to. Mientras mayor sea la herramienta y menor la temperatura de revenido, el tiempo requerido será mayor. Los baños líquidos y los hornos de aire circu¬ lante calientan más rápido que los hornos de revenido ordinarios. Como las herramientas templadas son revenidas a baja temperatura, que el ojo humano no puede apreciar, es importante tener una guía que permita estimar el tiempo probable para alcanzar la temperatura, tal como la que aparece en el Capítulo

21, tabla 21-6. El tiempo necesario después de que la herramienta ha alcanzado la tem¬ peratura, depende del tamaño y características de la herramienta. Las herra¬ mientas grandes o complicadas deben revenirse por más de una hora, por ejemplo: las herramientas de estampado mostradas en el Capítulo 8, fi¬ gura 8-6, bien podrían ser revenidas por dos horas, si la matriz fuera de alrededor de 6 plg (15.2 cm) por lado; y cuatro ó 5 hrs si fuera el doble de largo. Las matrices de forja, mostradas en el Capítulo 8, figura 8-8, son de aproximadamente 12 plg (30.4 cm) de largo. Si están hechas de una pieza, cuatro horas no serían suficientes para revenirlas. En general, los aceros para herramientas altamente aleados deben ser revenidos durante más tiempo que aquéllos que tienen muy poca o ninguna aleación. En años recientes, han aparecido nuevos métodos interesantes para produ¬ cir “suavizamiento” o superficies auto lubricantes en el acabado de herramien¬ tas. Estos usualmente implican el calentamiento de las herramientas termina¬ das hasta, o cerca de, ia temperatura de revenido, en un baño de sales apro¬ piado o en una atmósfera vaporosa o gaseosa. El resultado es una capa adherente que se dice incrementa grandemente la resistencia al desgaste de la superficie de la herramienta, proveyéndola de un portador para lubricante. Tratamiento en frío ( congelado profundo). Desde el principio de este capítulo se estableció que el temple del acero para herramientas se completa “por debajo del punto de ebullición del agua”; en otras palabras, cerca de la temperatura ambiente. Por muchos años se ha sabido que con el enfriamiento a la temperatura ambiente casi queda completo el temple, aunque hay a menudo una parte de la estructura del acero que hace la “promesa” de tem¬ plarse y se enfría cruzando la “reja”, pero no lo cumple a la temperatura ambiente. Se cumpliría la promesa, sin embargo, si se enfría por debajo de dicha temperatura. En años recientes se han venido desarrollando equipos y materiales para eliminar los últimos rastros de estructura no templada, en¬ friando a bajas temperaturas. Esos métodos se conocen como “tratamiento en frío”, “congelamiento profundo”, etc., y se consiguen enfriando las herra¬ mientas en hielo seco o en equipo especial de refrigeración. Con objeto de disminuir el peligro de fractura, la herramienta debe revenirse antes del trata¬ miento en frío, y éste debe ser seguido por un segundo revenido. El tratamien¬ to en frío se usa algunas veces para corregir los efectos de un sobrecalenta¬ miento en ciertos aceros, tales como : al alto carbono, tipos al alto cromo, los cuales desarrollan “austenita retenida” cuando se templan desde muy altas temperaturas.

Estabilizado. Mientras que el propósito primario del tratamiento en frío es completar cualquier templado que no haya tenido lugar a la tempera¬ tura del baño de enfriamiento, tiene otro resultado importante la estabiliza-

Método

y equipos para

tratamiento térmico

187

ción del acero templado. Ciertos calibradores o herramientas muy exactas deben rectificarse hasta medidas precisas y deben mantener esta medida indefinidamente. Al transcurrir el tiempo ocurre que una herramienta templa¬ da puede cambiar su medida o forma desde unas diezmilésimas hasta frac¬ ciones mayores. Esto sucede por un proceso natural de “envejecimiento” en el que la austenita retenida, se convierte tan martensita. Obviamente, los fabri¬ cantes de herramientas no pueden esperar durante años para que una herra¬ mienta sea estable. Muchos años de envejecimiento pueden acumularse en pocas horas al aplicar un tratamiento en frío modificado, como el siguiente: Después de que la herramienta ha salido convenientemente templada y revenida, se lleva al punto de pulido. Entonces se calienta durante una o dos horas a la temperatura de ebullición del agua y se enfría a la temperatura ambiente. A continuación se enfría en hielo seco o por un equipo refrigerante adecuado durante un lapso similar, y después se le permite alcanzar la tem¬ peratura ambiente. Se somete al mismo ciclo de calentamiento y enfriamiento cuatro o cinco veces más, lo que proporciona al acero una condición estable, después de la cual se completa la operación de pulido. Nitrurado. El término “nitrurado”, como más comúnmente se usa, se refiere al temple de la superficie de ciertos aceros tenaces aleados, por la adición de nitrógeno en la superficie. Esto se hace por tratamiento térmico y terminado de las partes en un gas adecuado comúnmente amoníaco—, a una temperatura alrededor de 1 000°F (538°C), la cual está por debajo de la temperatura usual de estirado de estos aceros. Los únicos aceros para herramientas para los cuales esto es lo indicado, son los que tienen temperaturas de revenido mayores de 1 000°F (538°C) y principalmente los aceros de alta velocidad. Un método adecuado de nitrurar herramientas, conocido como baños de sales nitrurantes, es calentar las herra¬ mientas terminadas, o casi, en un baño de sales que contenga altos porcenta¬ jes de sales de cianuro por ejemplo, una mezcla de 45% de cianuro de sodio y 55% de cianuro de potasio. Para el acero de alta velocidad, la tempe¬ ratura más recomendable es de 1 000° a 1 050°F (538° a 566°C) y el tiem¬ po de inmersión de 20 min a una hora, dependiendo de los resultados deseados. El propósito es reducir una costra extremadamente dura en la super¬ ficie, aunque esto sólo se obtiene algunas veces con la pérdida de algo de tenacidad.1 CUmurado. Aunque el temple con cianuro se aplica usualmente a pie¬ zas de acero suave para obtener superficies resistentes al desgaste, en ocasio¬ nes se aplica a aceros para herramientas, para obtener ciertas condiciones finales de superficie. Brevemente, el proceso consiste en calentar la herramien¬ ta a la temperatura de temple en un baño con un porcentaje apreciable de cianuro de sodio. Una mezcla de sales usada comúnmente para este propósito es 45% de cianuro de sodio, 37% de carbonato de sodio y 18% de cloruro

—

—

1 Los cianuros son venenos activos y se debe tener extremo cuidado para evitar el contacto con heridas abiertas. No debe ser tomado por vía oral. Cuando se emplean los baños de cianuro deben tomarse precauciones efectivas para expulsar todos los gases

tóxicos.

188 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

de sodio. Dicha mezcla proporcionará algún carbono y nitrógeno a la super¬ ficie de la herramienta. Para el funcionamiento apropiado de los baños de cianuro es necesario verificarlos diariamente, ya que las sales de cianuro se pueden descomponer rápidamente.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL TRATAMIENTO TERMICO

En el análisis de los equipos para tratamiento térmico es importante recordar que todas las operaciones inherentes son cuestión de temperatura, tiempo, atmósfera y rapidez de enfriamiento. Si la herramienta se calienta a la tempe¬ ratura apropiada en el intervalo apropiado —se mantiene durante el tiempo apropiado— en la atmósfera apropiada —y se enfría con la rapidez apropia¬ da—, no hay ninguna diferencia entre qué clase de equipo para tratamiento térmico deba ser usado. Si tal transformación ideal se puede obtener con varios tipos diferentes de equipo, la elección puede hacerse sobre la base de costo y conveniencia. Antes de examinar el equipo de templado, vale la pena profundizar en los tres primeros de estos cuatro factores. Temperatura. Las instrucciones de tratamiento térmico siempre pres¬ criben que el acero deberá calentarse a cierta temperatura definida o en deter¬ minado intervalo de temperatura. La capacidad para hacer esto depende del horno que se utilice, el equipo de pirómetro y la habilidad y el cuidado del templador. Entre las mejores prácticas comerciales de templado, se acostumbra a permanecer en un intervalo de 25°F (14°C) por ejemplo de 1 500° a 1 525°F (816° a 829°C). Trabajar dentro de un rango total de 50°F (28°C), es medianamente permisible una variación mayor podría causar problemas en los aceros de alta aleación. La temperatura de temple debe ser controlada por muchas razones. Si es muy baja, el acero no se templará apropiadamente; en muchos casos la tenacidad puede ser perjudicada igualmente por temperaturas muy bajas o muy altas. Por muchos años se consideró como una regla fundamental que un “acero para herramientas debe templarse a la más baja temperatura a la que pueda templarse totalmente”. Hoy se sabe que con frecuencia esta regla es errónea, más que correcta por lo tanto es conveniente olvidarla. El sobre¬ calentamiento también tiene objeciones. Incrementa la descarburación, pre¬ dispone a la torcedura y distorcioncs. Si se lleva al exceso, causa crecimiento de grano, fragilidad y frecuentes fracturas. De lo anterior se puede concluir que cada acero para herramientas tiene una única temperatura óptima de temple, la cual nunca deberá ser variada. Aunque esto no es completamente cierto. Un acero como el agua-duro puede templarse deliberadamente a cualquier temperatura entre 1 450°F y 1 600°F (788° y 871°C). Las temperaturas de temple más altas producen mayor penetración de la fuerza e incrementan la fuerza de la herramienta para re¬ sistir compresiones. Las temperaturas de temple más bajas disminuyen la penetración de dureza pero proveen de resiste! .cia a agrietamientos o reven¬ tados. Por lo tanto, puede decirse que hay una mejor temperatura de temple

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Método y equipos

para tratamiento

térmico 189

para una herramienta dada. Esto no quiere decir que un acero deberá ser templado siempre a la misma temperatura, ya que esto depende de su uso. Tiempo. El tiempo involucra la razón a la que el acero se calienta hasta su máxima temperatura y el periodo durante el cual se mantiene a esa temperatura. La mayoría de los templadores usan un reloj de alguna especie frecuentemente usan uno con alarma que suena después de transcurrir periodos medidos con precisión. El tiempo de control en minutos —o incluso en segundos— no es mucho pedirle al templador. El tiempo requerido para calentar una herramienta a determinada tem¬ peratura es de considerable importancia y depende de varios factores, tales como el tamaño de la pieza, el método de calentamiento; esto es, en horno, en baño de sales, etc. la temperatura del homo al introducir la pieza y la máxima temperatura de calentamiento. Una exposición más completa sobre lo anterior se hallará en el Capítulo 21. Debe quedar bien establecido que el calentamiento de una herramienta se lleva a cabo en dos etapas. La primera etapa de éstas es el calentamiento hasta el punto crítico, o de absorción del acero, y en esta etapa la temperatura de la herramienta aumenta en propor¬ ción a la cantidad de calor que se le esté dando. La segunda etapa es el calen¬ tamiento después del punto crítico. En realidad el acero absorbe calor cuando pasa por el intervalo crítico, sin aumentar su temperatura y debe absorber suficiente calor para completar sus cambios en el intervalo crítico, antes de que se continúe elevando la temperatura. Para ilustrar esto, en la sección a color se muestran cuatro interesantes fotografías tomadas a través de la mirilla de un horno de temple, mientras una pieza de acero con 0.90% de carbono se está calentando en el intervalo crítico. Estas sirven para ilustrar que a una pieza de acero para herramientas le toma tiempo alcanzar su transformación crítica. En el acero al carbono para herramientas, éste absorbe tanto calor en el intervalo crítico (sin cambio de temperatura) como sería necesario para calentarse aproximadamente 150°F (66°C). Esa es la razón por la que el homo (y el tubo del pirómetro, que se muestra en posición vertical al lado izquierdo del bloque) se calienta más rápido que el acero. En el pasado se consideraba importante calentar el acero muy lenta¬ mente, particularmente si era de sección grande, en la creencia de que la superficie se calentaría mucho más rápido que en el interior y, por lo tanto, se podría perjudicar al acero. Esto se considera ahora cierto sólo para herra¬ mientas de pequeñas y ligeras proporciones. En herramientas de diseño sólido se ha encontrado que, debido a la alta conductividad térmica del acero, sólo hay una pequeña diferencia entre el centro y la superficie en los primeros pasos del calentamiento (primera etapa), y prácticamente ninguna en la segunda etapa. Si la herramienta se pone directamente en el horno caliente, el centro y la superficie alcanzarán la temperatura máxima exactamente al mismo tiempo. Consecuentemente, las nuevas recomendaciones para el tem¬ plado de aceros tenaces, sugieren colocarlos directamente en un homo calien¬ te a la temperatura de temple, permitiéndoles calentarse “naturalmente”. Esta práctica tiene varias ventajas, una de las cuales es un mejor control de la descarburación. Esto, sin embargo, no es aplicable a aceros cuyas tempe-

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190 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

raturas de temple sean mayores de 1 650°F (899°C), a menos que se use un paquete. Atmósfera. Aunque los templadores hayan reconocido que la atmós¬ fera que rodea a sus herramientas durante el temple tiene cierta influencia en los resultados, ha sido en los últimos años que se ha hecho trabajo cientí¬ fico sobre lo relativo a este punto, y todavía más reciente el que se estén construyendo hornos de temple con atmósfera generada y controlada. Lo refe¬ rente a la atmósfera del horno se cubre con bastante detalle en el Capítulo 20, el cual tendrá que ver el lector para una más completa exposición de este tema. Brevemente, se han aceptado dos tipos generales de atmósfera en los hornos —oxidante y reductora. Una atmósfera oxidante se crea admitiendo más aire en el horno que el necesario para quemar .combustible. Una atmós¬ fera reductora se obtiene admitiendo menos aire del necesario para quemar el combustible completamente, por lo tanto se deja un exceso de gases del com¬ bustible en el horno. Una atmósfera que se encuentre entre estas dos, que no tenga efectos reductores ni oxidantes sobre la superficie del acero, se denomina neutral. Con objeto de controlar la atmósfera con mayor exactitud, se dispone de equipos modernos que introducen al horno gases de composición conocida en porcentajes definidos. Estos se conocen como hornos con atmósfera con¬ trolada. Se han establecido hechos definidos concernientes a los efectos de la atmósfera durante el calentamiento del acero, que brevemente se pueden

resumir como sigue: Se sabe que la composición del acero es importante, algunos tipos tien¬ den a escamarse o descarburarse más que otros. Puede establecerse generalmente que una atmósfera oxidante, aunque produce escamado en las herramientas, lo hace sin descarburar el metal en la capa inferior. Una atmósfera reductora evita el escamado, pero puede pro¬ ducir descarburación si hay mucha humedad o C02 presentes. En un horno controlado manualmente, la mejor atmósfera para el intervalo de temperaturas más bajo de temple, esto es, arriba de los 1600°F (871°C), es claramente oxidante. Para el intervalo más alto de temperaturas —superior a los 1700°F ]os homos controlados manualmente pueden usarse con seguridad (927°o sólo para templado en paquete. De otra manera debe emplearse una atmós¬ fera generada, en la que pueda controlarse el contenido de la mezcla. La cantidad de flujo de la atmósfera en el horno es importante. Las áreas estancadas en una atmósfera oxidante tienden a convertirse en neutra¬ les o aun reductoras, con lo que se producirá la descarburación. Las áreas estancadas (tales como aquellas dentro de los barrenos ciegos de una matriz) tenderán a ser atmósferas altamente reductoras, o a convertirse en más reduc¬ toras, y este efecto es tan pronunciado en ocasiones que, frecuentemente, se produce una descarburación excesiva. Como ya se sabe que la atmósfera afecta la superficie y estructura de las herramientas, debe hacerse el mayor esfuerzo para mantener la atmósfera uniforme. No se pueden asegurar los mismos resultados una y otra vez, si el templador permite que la atmósfera de su horno varíe notablemente. Al selec-

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Método y equipos para tratamiento térmico 191

donar un horno de temple, la posibilidad de controlar la temperatura es, por tanto, un aspecto importante. Los hornos de temple al vacío, que se verán posteriormente, eliminan por completo los problemas relacionados con la amósfera, mientras funcionan apropiadamente.

INSTRUMENTOS DEL TALLER DE TEMPLE El templador de herramientas necesita pocos instrumentos, pero estos deben ser de calidad y exactos. Es realmente un mal negocio pasarse horas traba¬ jando en el taller, para después mandarlas al taller de temple donde los ins¬ trumentos de medición no sean exactos. Un pirómetro que esté mal calibrado puede producir muchas horas de trabajo inútil en el taller. En realidad mu¬ chas herramientas van a parar a la basura, o tienen un muy pobre rendi¬ miento, sólo porque los instrumentos de medición en el tratamiento térmico son inexactos o inadecuados. Durante un tiempo los únicos instrumentos usados por el templador fue¬ ron pirómetros, termómetros, y relojes. A estos se han añadido recientemente aparatos para pruebas y control de la atmósfera del horno de temple. El tem¬ plador moderno es actualmente capaz de controlar las tres variables impor¬ tantes —temperatura, tiempo y atmósfera. Pirómetros. Durante muchos años los templadores tuvieron que estimar la temperatura de su trabajo sin la ayuda de ningún instrumento. Afortuna¬ damente, en ese tiempo, sólo trabajaban con aceros al carbón para herra¬ mientas, y como dicho acero se templa a una temperatura ligeramente superior que su punto crítico, hombres con experiencia podían hacer un excelente tra¬ bajo. Un diagrama de colores de temperaturas incandescentes se muestran en la sección a color. Este puede ser útil en ausencia de un pirómetro, pero únicamente se aproxima a lo mejor posible. Los buenos “templadores a ojo” realmente pueden ver cuando el acero para herramientas al carbono pasa por su intervalo crítico por las luces y sombras que aparecen en él. Como puede verse en la ilustración de la sección a color, esto no se logró sólo observando el color incandescente del metal. Con la llegada de aceros para herramientas aleados, muchos de los cuales templan a varios grados por encima de su punto crítico y que, por lo tanto, los cambios graduales son tan lentos que no pueden ser vistos, los pirómetros se convierten en absolutamente ne¬ cesarios. Entre los varios tipos de pirómetros, basados en diferentes principios, el pirómetro termo-eléctrico es el más comúnmente usado en el taller de temple. El principio de éste es muy sencillo. Si se unen dos metales diferentes y se calienta la unión, se generará un pequeño voltaje eléctrico entre las partes frías de los metales. Esto se conoce como termopar y se ilustra en la figura 10-1. Para ser más específicos, supongamos que uno de los metales es hierro puro y el otro es una aleación de níquel y cobre llamada Constantan y ambos están en forma alambre. Se pueden cortar unos 3 ó 4 pies (91.4 ó 122 cm) de cada uno de los alambres, trenzarlos por un extremo y soldarlos para asegurar un contacto perfecto. Cuando la unión soldada se calienta, un vol-

192

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

tímetro sensible medirá un voltaje a través de los extremos fríos de los dos alambres. El voltaje se incrementa con la temperatura, como sigue: TERMOPAR DE HIERRO - CONSTA NTAN Voltaje del extremo Temperatura del frío a 75°F extremo soldado 75°F (24°C) 500°F (260°C) 1 000°F (537°C) 1 500T (815°C) 1 800“F (98 1°C)

0.00000 volts 0.01321 volts 0.02947 volts 0.04713 volts 0.05785 volts

Estos voltajes son muy pequeños, y sus mediciones requieren de una escala que se lea en milésimas de volt n otras palabras, un milivoltímetro. Ahora todo lo que hace falta es quitar la carátula de “milivolts” del medidor y poner en su lugar una calibrada en “grados Fahrenheit”, y se tendrá un pirómetro Los tipos más simples de pirómetros están hechos de esta manera (figu¬ ra 10-2.) Estrictamente hablando, el medidor no mide la temperatura de la unión caliente mide la diferencia de temperatura entre la unión caliente y la unión fría. Si todo el alambre se calentara a la misma temperatura, en el medidor se leería cero. Por lo tanto, es importante que la unión fría sea man¬ tenida a temperatura constante todo el tiempo, para poder leer con exacitud este instrumento simple que acaba de ser descrito. Los instrumentos moder¬ nos vienen provistos con compensación manual, y automática, para cambios de temperatura en la unión fría y, de esta manera, se elimina la dificultad. Si se usaran alambres de cobre entre el termopar y el instrumento, se habrían instalado nuevos “pares”, en donde los extremos de cobre estarían unidos a la aleación del termopar y estos pares “accidentales” generarían un voltaje por sí mismos, por lo tanto, es una práctica común usar los alambres de los extremos del mismo material que los usados en el termopar, o algún otro material que tenga las mismas propiedades termoeléctricas. Esto tiene el mismo efecto que mover la unión fría del termopar, lejos de la vecindad del horno y ponerla en el instrumento. Ahora sólo se han mencionado termopares de hierro-Constantan. Esos son útiles para temperaturas superiores a 1 800°F (982°C), pero para tem¬ peraturas mayores, éstos se queman rápidamente. El Cromel-Alumel es otra combinación usual para llegar hasta los 2 200°F (1204°C) e intermitente algo mayor. Para temperaturas hasta 2 800°F (1 538°C),se usa el platino puro

—

~

CONECTOR

«ssaa l

UNION SOLDADA

Fig. 10-1.

Termopar.

n2

PORCELANA PERFORADA

AISLADORES

ALAMBRE AISLADO

Método y equipos para tratamiento térmico

193

mili-

Fig.10-2. Pirómetro

voltímetro sencillo.

para un alambre, y en el otro se usa una aleación de platino y sodio. Todas estas combinaciones de termopares desarrollan diferentes voltajes y, por lo tanto, cada pirómetro debe ser calibrado sólo para un par en particular y no se puede usar otro. Los pares no mantienen su precisión indefinidamente, por lo tanto, deben seguirse las instrucciones previstas por los fabricantes para su cuidado y mantenimiento, si se quiere tener el máximo de rendimiento y duración. Por supuesto, los alambres conectores tienen una cierta resistencia eléc¬ trica, dependiendo de su longitud, y en ocasiones se debe usar la compensa¬ ción provista en el instrumento para cuidar este aspecto. Algunos pirómetros evitan esta eventualidad usando un potenciómetro en lugar de un milivoltímetro para medir el voltaje, tal como se ilustra en la figura 10-3. El poten¬ ciómetro no mide la corriente del termopar como lo hace el voltímetro. Este contiene una pila patrón, o una batería eléctrica normalizada, con un voltaje ajustable, y usa esta batería para “acumular” el voltaje del termopar. Cuando estos dos voltajes son exactamente iguales y opuestos, no puede fluir corriente a través de los alambres y por lo tanto no puede haber error debido a la distancia. Todo lo que hace falta es un medidor de corriente muy sensible (tal sntonces como un galvanómetro) que muestre cuando la corriente es cero el voltaje necesario en la batería normalizada para acumular exactamente el voltaje del termopar puede medirse en un reóstato, el cual,por conveniencia, está graduado en grados. Los pirómetros potenciómetros, pueden ser insta¬ lados a una gran distancia del homo. La exactitud inherente de un pirómetro depende en cierta forma del intervalo de temperaturas, pero en las instalaciones comerciales difícilmente puede esperarse una aproximación de ± 5°F (3CC). Eso quiere decir que si en el instrumento se lee 1 400°F (760°C), la temperatura real puede estar en cualquier punto entre 1395° y 1 405°F (757° y 763°C), lo que puede

—

r

T

0 T G

= TERMOPAR

C

= PILA PATRON

+

E3

0)1 r1

= GALVANOMETRO

R - REOSTATO CALIBRADO EN GRADOS

+ Fig. 10-3. Diagrama muy simplificado que ilus¬ tra el principio de un po¬ tenciómetro. (No es un diagrama de alambrado.)

194 Propiedades, tratamiento térmico

y

pruebas de los aceros para herramientas

considerarse un buen comportamiento del pirómetro. A temperaturas por encima de los 2 000°F (1093°C), la variación es ligeramente superior. Los errores en el pirómetro se pueden originar en el termopar, en los conectores, en los interruptores, en el instrumento, y en la unión entre alguno de estos elementos. Por lo tanto, para revisar la exactitud de un pirómetro, debe veri¬ ficarse toda la instalación. Dicho de otra forma, el templador no debe instalar un nuevo termopar, por el solo hecho de obtener la misma lectura que con el viejo, y decir que el instrumento está correcto. Los errores en los interrupto¬ res, los conectores o en los instrumentos, no pueden ser detectados de esta manera. Los pirómetros están disponibles en tres tipos generales indicadores, registradores y de control. Varios tipos comerciales se ilustran en la figura 10-4. Los pirómetros indicadores, son aquellos que muestran la temperatura en su carátula en la misma forma que un reloj lo hace con la hora. Los pirómetros registradores tienen una gráfica accionada mecánicamente en la que la temperatura se registra continuamente. Tales instrumentos llevan un registro permanente de la temperatura de todo el día. Los controladores no sólo indican o registran, sino que también regulan automáticamente la tempe¬ ratura del horno, de manera que permanezca dentro de un intervalo predeter¬ minado. Un tipo modificado de control semiautomático opera con luces en el frente del horno. Así, una luz roja puede decir al templador que el horno está muy caliente, una luz verde que está muy frío, y una luz blanca que está en su punto. Con este sistema, el templador debe ajustar sus válvulas para mantener la temperatura en la luz blanca. Verificación del pirómetro. Al igual que cada taller bien equipado tie¬ ne bloques calibradores para verificar la exactitud de sus calibradores, cada taller de templado debe tener un medidor en buen estado, para, periódicamen¬ te, revisar el funcionamiento de los pirómetros. El mismo instrumento maes¬ tro debe ser periódicamente revisado por el personal de servicio de pirómetros siempre que haya oportunidad de hacerlo. En ausencia del instrumento maestro, existe un método simple para la calibración de pirómetros, comprobándolos con el punto de congelación de la sal. Este método tiene la ventaja de la exactitud y de localizar un punto fijo sobre la escala del instrumento, cerca del intervalo generalmente usado en el tratamiento térmico del acero. Probablemente habrá pocas oportunida¬ des de usarlo en la práctica y debido a que ilustra algunos de los fundamentos de pirometría, merece ser descrito. La sal pura (cloruro de sodio) se mezcla en un crisol refractario limpio, también puede ser de hierro o de níquel, y se calienta en el horno o en el fuego de forja, hasta una temperatura de unos 1 600° a 1 650°F (871° a 899qC). Se recomienda sal químicamente pura, para evitar la variación del punto de congelación que ocasionan las impurezas de la sal común; también es esencial que el crisol esté limpio, ya que por la mínima presencia de una sustancia extraña, el punto de congelamiento aumentaría o disminuiría. Después, para calibrar el termopar, debe sacarse de su tubo protector, y sumergir su extremo “caliente” en el baño de sal. Cuando este extremo obtie¬ ne la temperatura del baño, se quita el crisol de la fuente de calor y se le per-

K¡

• -**

'

e '

%

A*c

Fig. 10-4.

Pirómetro moderno. A. Pirómetro de rayos infrarrojos con

cabeza sensitiva.

7J r

B. Registro común de temperatura

i;5;''1'-1"

para control de hornos industriales.

’

C. Termopar multipunto común para registro de temperatura.

196

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los

aceros para

herramientas

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Fig. 10-4 ( continuación.) D. Control compacto de temperatura para hornos industríales.

E. Dispositivo lector termoeléctri¬ co. Digimite para usarse con termopares.

mite que se enfríe, tiempo durante el cual se toman lecturas de temperatura, cada 10 segundos. Entonces se hace una gráfica usando tiempo y temperatura como coordenadas, anotando la temperatura del punto de congelación de la sal, como se indica para este termopar en particular, donde la temperatura del baño permanece temporalmente constante, mientras la sal se está congelando. El periodo durante el cual la temperatura permanece estacionaria depende del tamaño del baño y la razón de enfriamiento, estos no afectan la calibra¬ ción. Como el punto real de congelamiento de la ‘sal es de 1 474°F (801°C), la corrección necesaria para el instrumento en observación puede aplicarse de inmediato. La figura 10-5 ilustra la calibración de un pirómetro correcto y de uno incorrecto. Si no desea usar el método de la sal fundida, el templador puede verificar su pirómetro con regular exactitud, aprovechando el punto crítico visible de una pieza de acero para herramientas al alto carbono templado en agua. Si no hay nada mejor, un pedazo de lima gruesa puede ser usado para este propósito. La pieza de acero para herramientas debe tener aproximadamente la misma sección transversal que el tubo protector del termopar. El acero para herramientas al carbono absorbe tanto calor en su punto crítico para comple¬ tar la transformación, como el que sería necesario para calentarlo cerca de 150°F (66°C). Mientras está transcurriendo esta absorción crítica de calor, la temperatura del acero no aumenta apreciablemente. El punto crítico llega a los 1355° F (735°C), y esto suministra el siguiente método para com¬ probar el pirómetro. Una vez que el horno ha estado en uso y la obra de ladrillo está completamente caliente, enfriar el horno entre 1250° y 1 300°F (677° y 704°C). Colocar la pieza de acero para herramientas y el tubo del

Método y equipos para tratamiento térmico

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lee 45°F de más.

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Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

pirómetro cerca del centro —preferiblemente de manera que el pirómetro esté detrás del acero para herramientas y que la línea divisoria entre ellos se pueda ver claramente. El progreso del calentamiento puede ser observado levantando ligeramente la puerta — no viendo a través de la mirilla. Cuando el acero ha alcanzado exactamente la misma temperatura que el termopar, la línea divisoria entre ellos habrá desaparecido y se verán como una sola pieza de metal. Ahora empiece a calentar lentamente el horno y se observará que el termopar y el acero muestran exactamente el mismo color hasta que el acero alcanza el punto crítico (1 355°F) (735°C). En este punto, el acero detiene su calentamiento y el termopar sigue calentándose más. Cuando el pirómetro esté un 10°F (6°C) más caliente que el acero para herramien¬ tas, el ojo puede captar fácilmente otra vez la línea divisoria entre ellos. El templador debe mirar inmediatamente a su instrumento, en el cual deberá leerse 1 365 °F (741°C) (eso es 10°F, ó 6°C, más alto que el punto critico del acero). Cuando esta diferencia en color se nota por vez primera si en el instrumentóse lee 1 340°F (727°C),está leyendo unos 25°F (13.5°C) me¬ nos. Si lee 1 395°F (757°C) está a unos 30°F (16°C) por encima. Esta simple prueba se ilustra en la figura 10-6 y en la sección a color.

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Fig. 10-6. (De izq. a derecha.) Pieza de acero para herramientas frente al tubo protector del termopar. A 1 355°F (735°C), el acero para herramientas y el tubo parecen una sola pieza de metal. El acero para herramientas detiene su ca¬ lentamiento a los 1 355 °F (735°C) y pronto se nota más oscuro que el tubo. [El instrumento debe mostrar alrededor de 1 365°F (741°C).] Después de que el cambio crítico se ha completado, el acero alcanza al tubo y sus colores se ven

perfectamente iguales otra vez.

Método y equipos para tratamiento térmico

199

Hay muchos otros dispositivos para medir temperaturas, por ejemplo, el pirómetro óptico o el pirómetro de radiación. Sin embargo, estos carecen rela¬ tivamente de importancia en el tratamiento térmico del acero para herra¬ mientas. Las reparaciones de un pirómetro debe hacerlas un especialista califica¬ do. La única cosa que un templador está normalmente capacitado para haceT, es reemplazar el termopar y tener a la mano pares para este propósito. Si esto no corrige el problema, debe llamarse a un especialista competente. Para concluir esta exposición sobre pirómetros es necesario decir algo sobre la precaución que. se debe tener. El templador debe darse cuenta que un pirómetro no muestra la temperatura del horno, simplemente indica la tem¬ peratura de esos alambres trenzados dentro del tubo protector. Si el homo se está enfriando o calentando rápidamente si la temperatura dentro del homo no es uniforme— si el termopar está cerca del techo—lejos del traba¬ jo nadie puede saber cuál pueda ser la temperatura de la herramienta. Los termopares deben situarse cerca del centro del hogar y del centro del trabajo. Si en esta ubicación interfieren con la carga o descarga del homo, deben ser móviles, de manera que puedan estar cerca del trabajo mientras se esté calentando. Probablemente se originan más errores por una mala colo¬ cación de los termopares, que por instrumentos inexactos. Termómetros. Se necesita decir poco acerca de estos conocidos y va¬ liosos instrumentos. Los termómetros de cristal son útiles en hornos de tem¬ plado en aire o líquido, para medir temperaturas de hasta 600°F (316°C). Vale la pena repetir que un termómetro indica únicamente la temperatura de la zona donde está el bulbo de mercurio y corresponde al operador ver que esté donde debe. Relojes. Un reloj ordinario puede servir en muchas operaciones para el tratamiento térmico, uno de alarma es frecuentemente útil. Para el sobreca¬ lentamiento de acero para herramientas de alta velocidad o el calentamiento de herramientas en baño de sales, puede usarse un reloj con segundero. Tam¬ bién pueden conseguirse otros marcadores de tiempo muy apropiados —algu¬ nos con alarma y otros no. Hay un tipo útil, el cual se adelanta hasta el intervalo de tiempo deseado; entonces el reloj camina hacia atrás hasta que las manecillas llegan a cero, indicando que el tiempo ha terminado. En cada taller de temple se debe tener algún dispositivo para medir exactamente el tiempo. Las aplicaciones prácticas de control del tiempo se exponen en el Capítulo 21. Aparatos para control de la atmósfera. La función del equipo de con¬ trol de la atmósfera es analizar y controlar la atmósfera en el horno de temple, a la temperatura de trabajo. En la mayoría de los hornos alimentados por combustible la herramienta está rodeada por los mismos gases de combustión que calientan el horno. En los hornos de atmósfera controlada se genera el gas necesario para la propia combustión fuera del horno y se introduce con¬ tinuamente a la cámara de calentamiento. Una exposición sobre la operación de tales generadores podrá hallarse en el Capítulo 20. Los materiales combustibles en casi todos los casos, son alguna forma de carbón (C), o hidrógeno (H2), o de ambos. Estos se combinan con el oxígeno

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200

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

atmosférico (02) para formar monóxido de carbono (CO) dióxido de carbo¬ no (C02), y agua (H20). Hay, claro, mucho nitrógeno (N2) presente en la

atmósfera, pero como es inerte, se ignora. En su forma más simplificada, el análisis de gases implica determinar los porcentajes de CO, C02, y de 02. Además de estos, en los hornos de atmósfera controlada es importante deter¬ minar el vapor de agua, H20. Puede sorprender a muchos templadores saber que un hombre sin conocimientos químicos, pueda, con poca experiencia, analizar los gases del horno para estos componentes en 10 ó 15 minutos. El más viejo y convencional tipo de equipo para análisis de gas y determi¬ nación de CO, C02 y 02 es el aparato de Orsat, que puede adquirirse en cual¬ quier casa comercial especializada en aparatos para laboratorio. Este aparato se ve terriblemente complicado, pero no lo es. Suponga que alguien le da 100 canicas blancas, y le dice que algunas de ellas son de sal comprimida, otras de mármol y otras de cuarzo, y le pide determinar cuántas son de cada mate¬ rial. Si se sumergen todas en agua y espera un poco, podrían quedar solo 92. Las 8 que se disolvieron estaban hechas de sal —las otras dos clases son insolubles en agua. Ahora se puede echar el resto en ácido muriático, y posi¬ blemente desaparezcan 18 más. Estas serían las hechas de mármol. El resto de las piezas serían de cuarzo ya que éstas no se disuelven ni en agua ni en

ácido. 1 Este es exactamente el principio de un aparato de análisis de gas. Se toma una muestra de gas de la cámara de calentamiento del aparato con un equipo conveniente provisto para este propósito. La figura 10-7 ilustra el equipo Orsat usado en el análisis de gas. Una porción del gas se vierte en un tubo T largo graduado, a la derecha del aparato de Orsat»—exactamente 100 centímetros cúbicos. La botella W está llena con agua y subiéndola o baján¬ dola, el tubo puede expulsar o succionar gas o voluntad. Se abre la válvula No. 1 y el gas es impulsado hacía el receptáculo A con las sustancias quími-

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Fig. 10-7. Aparato de Orsat para el análisis de un gas.

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Método y equipos para tratamiento térmico

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cas que contiene. Estas disuelven todo el CO2. Después de que el gas se vuelve a succionar en el tubo graduado, podrían quedar sólo 95 centímetros cúbicos. Por lo tanto se sabría que hay 5 % de C02 en el gas. Cerrando la válvula No. 1 y abriendo la No. 2 el gas puede enviarse al segundo recep¬ táculo, el cual elimina el oxígeno, y la cantidad perdida puede determinarse fácilmente. Este proceso prosigue hasta que todos los componentes del gas hayan sido determinados. Estas no son las instrucciones precisas de operación pero sirven para ilustrar cómo trabaja el aparato y por qué no se necesita ser un químico para poder usarlo. Un instrumento algo más moderno para hacer análisis simples de los gases, y además muy conveniente, es el analizador Davis de combustiónoxígeno. En este instrumento la muestra de gas se separa en mitades. A una de estas mitades se agrega una pequeña cantidad de hidrógeno en presencia de un catalizador calentando, si hay algo de oxígeno presente la muestra se quemará midiéndose el calor generado, como éste es proporcional a la canti¬ dad de oxígeno en la muestra, da una medida de su contenido de oxígeno. La otra mitad se analiza para determinar los “combustibles” mezclán¬ dola con aire. Si hay combustibles presentes, su cantidad se mide por la magnitud del calor generado. El instrumento de Davis se ilustra en la fi¬ gura 10-9. En hornos de atmósfera controlada, que utilizan atmósfera generada, el contenido de la mezcla es extremadamente importante, ya que una vez que se establece la composición general del gas, el control de su “carbono potencial”, esto es, la tendencia a descarburarse o carburarse, depende del contenido de humedad. Para este propósito se utilizan los analizadores de punto de rocío, que se explican en el Capítulo 20. La figura 10-10 ilustra uno de los tipos más conocidos. Existen en el mercado un gran número de analizadores de gas automᬠticos, y de analizadores automáticos del punto de rocío con aplicaciones

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202 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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Fig. 10-10. Indicador Alnor de punto de rocío (Detv Pointer) para indicar la humedad relativa en una

mezcla.

especiales. Estos emplean diversos principios tales como la radiación infrarro¬ ja, la conductividad térmica, y el peso específico. Estos instrumentos junto con los calibradores y manómetros, tales como el que se muestra en la figura 10-8 , son ahora una parte necesaria de los hornos de temple modernos, en los cuales se controla la atmósfera con esmero.

HORNOS DE TEMPLADO O ENDURECIMIENTO

Antes de describir los hornos de templado, conviene hacer algunos comenta¬ rios acerca de un tema de mucho interés para el técnico, el local de trabajo, su condición, disposición, iluminación, etc. En un tiempo en que no existía algo semejante a un “cuarto de templa¬ do” todas las herramientas se templaban en un taller de herrería y la mayoría de ellas en el fuego de la fragua. Años después de que aparecieran los hor¬ nos de templado, o de tratamiento, muchos de ellos continuaron desafortu¬ nadamente con la misma atmósfera del taller de herrería. Eran lugares sucios, desagradables, colocados en algún rincón, con muy poco cuidado acerca de la iluminación, ventilación, y comodidad, o la “inspiración”. Afortunadamente este panorama ha cambiado, y el local común para tratamientos térmicos hoy en día es limpio, ordenado y bien equipado, y cual¬ quiera que haya visitado las plantas de algunos grandes fabricantes de ma-

Método y equipos

para tratamiento

térmico 203

chuelos, brocas, cortadores, etc., no pueden menos que quedar impresionados por lo limpio, ordenado e “inspirante” que es el aspecto de los departamentos de tratamientos térmicos. Estas firmas que viven de la fabricación de herra¬ mientas, dicen que el cuarto de templado o tratamientos es el corazón de su organización, lo que es fácil de creer viendo el cuidado que le dan. Las plantas que operan un taller de tratamiento para sus propias herra¬ mientas, también han reconocido la economía de un departamento bien orga¬ nizado. Saben que las buenas herramientas son vitales para la operación de sus plantas, y que las malas herramientas pueden ser costosas. También saben que el técnico de tratamientos de herramientas es un hombre valioso, que están poniendo en sus manos una gran responsabilidad, y que debido a esta resposabilidad es necesario que le den buenos lugares para trabajar, y un buen equipo. El taller de tratamientos deberá estar bien pintado y uniformemente iluminado, y deberá estar siempre limpio. Si se puede escoger, es mejor la orientación hacia el norte. No es recomendable oscurecer completamente las ventanas y usar luz artificial; se puede obtener una mejor y más agradable condición, con luz de día. La figura 10-11 ilustra lo que puede hacerse para crear un eficiente y ordenado lugar de templado. Esta es una planta de tratamientos para herra¬ mientas, cuyo único negocio es el tratamiento térmico. La figura 10-12 ilus¬ tra un moderno y bien arreglado departamento de templado en una planta que hace herramientas de producción para su propio uso. Los hornos de tratamiento deberán ser juzgados por su tamaño, forma y método de calentamiento, control atmosférico, y su capacidad para procesar trabajos. Su aislante térmico para comodidad en el departamento de trata¬ mientos, su economía y la mejor forma de operación, aunque no tienen nada

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Fíg. 10-11. Vista de una grande y moderna planta para tratamiento térmico de herramientas comerciales y troqueles. (Cortesía de Lindberg Corp.)

204 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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Fig. 10-12. Departamento de tratamiento de herramientas en una planta de metales, fabricando herramientas de producción para su propio uso.

que ver con la metalurgia de tratamientos son, sin embargo, aspectos im¬ portantes.

Un homo deberá ser suficientemente grande para calentar uniforme¬ mente las herramientas mayores que, probablemente, se pondrán en él. Los hornos más pequeños deberán tener un área de piso aproximadamente tres veces mayor de ancho y dos veces más larga que la pieza más grande que se habrá de templar. Por lo tanto, para templar un bloque de 9 pig X 4.5 plg (22.9 x 1 1.4 cms), el área de piso deberá ser cuando menos de 12 plg x 18 plg (30.5 X 45.8 cms). Es mejor que un homo sea muy grande a que sea muy pequeño, especialmente si el técrwco opta por colocar el pirómetro cerca de su trabajo. La capacidad de un horno se mide en ocasiones en libras de material por pie cuadrado de área de piso. Usualmente se considera como pro¬ medio máximo una capacidad de 40 libras por pie cuadrado (195 kg/m2). Todo el equipo de calentamiento para el tratamiento de herramientas puede ser agrupado de acuerdo con las siguientes clasificaciones:

1. Hornos de control manual Mufla de gas Mufla eléctrica (usualmente hornos de cortina de gas) Semimufla (usualmente operado con gas) Hogar abierto (usualmente operado con gas)

Método y equipos para tratamiento térmico 205

Estos hornos son capaces de producir ya sea atmósfera oxidante o reductora por medio del control de la relación aire-combustible, en los hornos que emplean combustible, o por cortinas de gas en los hornos eléctricos. Las atmósferas son controladas manualmente por el operador. El contenido de humedad en estos hornos de las atmósferas reductoras, no puede ser con¬ trolado.

2. Hornos de atmósfera controlada Mufla de gas Eléctrico de mufla Tubo radiante En estos hornos se genera una atmósfera reductora protectora fuera del homo, y se introduce en la mufla. La composición de la atmósfera, incluyen¬ do el contenido de humedad, se controla por instrumentos, algunos de los cuales son automáticos.

3. Atmósfera de aceite-gas, eléctricos

Este horno utiliza un aceite obtenido por cracking para producir una atmósfera reductora. 4. Hornos de bloque de carbono

Estos hornos usan una mufla de carbono para obtener una atmósfera alta en CO. 5. Hornos de baño líquido Baño de sal Neutral

Carburizante Baño de plomo 6. Calentadores de inducción. Hornos controlados manualmente. En el horno de mufla (Fig. 10-13) la herramienta se coloca en una cámara cerrada, que se calienta desde el exterior. Los gases de combustión no deben entrar en la cámara, por lo que la herramienta está rodeada por aire ambiente a menos que se modifique la atmósfera, como en el caso de la cortina de gas. Prácticamente todos los hor¬ nos calentados por electricidad tienen las características de un horno de mufla. En un horno de semimufla (Fig. 10-14) hay una solera, o teja, refrac¬ taria soportada por pilares algunas pulgadas por encima del fondo sólido de! horno. Esta solera une las paredes delantera y trasera, pero no toca las pare¬ des laterales. El combustible (usualmente gas) se quema bajo la solera, sa¬ liendo los productos de la combustión por el espacio entre la solera y las paredes laterales y ventilándose por medio de agujeros en el techo. En este horno, la atmósfera que rodea a las herramientas consiste en productos de la combustión, pero las herramientas no están directamente en el camino de la llama. Las ventilas del techo, permiten al técnico, tener un control estricto

206

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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Fig. 10-13. El principio del homo de mufla.

Fig. 10-14. El principio del homo de semimufla.

sobre la trayectoria de la llama. Si hay dos o tres ventilas, puede cubrir parcialmente (o enteramente) ciertas ventilas con un ladrillo y forzar a la llama hacia otras partes del horno. Cubriendo todas las ventilas se incrementa la presión en el hamo y obliga al gas a escapar alrededor de la puerta. Esto no es particularmente benéfico a menos que la puerta se mantenga parcial¬ mente abierta, para introducir o retirar piezas constantemente. En tales casos, esto evita que la atmósfera del cuarto sea succionada a través de las puertas, enfriando y dañando la pieza. El horno de hogar abierto (Fig. 10-15). es el diseño menos adecuado para tratar herramientas. Consiste esencialmente en un horno cubierto con material refractario que contiene sólo un compartimento en el que operan los quemadores. Obviamene, tanto la temperatura como la atmósfera, pueden variar tremendamente dentro del horno, dependiendo de si la herramienta está en el paso de la llama o a un lado de ella. No hay necesidad de prestar más atención a este tipo de equipo, cuando existen muchos hornos mejores. Hornos de atmósfera controlada. Todos estos hornos son de mufla, y pueden ser operados por gas, eléctricos o de tubo radiante. El horno de mufla operado por gas ya ha sido descrito. Los hornos eléctricos de mufla son de dos tipos. En el primero, la mufla se calienta por media de una resistencia fuera de ella. Estos hornos se adap-

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ll Fig. 10-15.

hogar abierto.

El principio del

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Método

y equipos para

tratamiento térmico 207

tan al menor intervalo de temperaturas que se encuentra en el departamento de tratamientos. No son aconsejables para el tratamiento de los aceros de alta

velocidad. En el segundo tipo, la mufla se calienta con unas barras incandescen¬ tes, esto es, resistores de carbono en forma de barras rectas dentro de la mufla. Este tipo se adapta a temperaturas más altas, necesarias para sobre¬ calentar acero de alta velocidad. Los hornos de tubo radiante se calientan por medio de una construcción de alta aleación de tubos resistentes al calor de la mufla, que son calentados por gas dentro del tubo. De esta forma los tubos generan calor en la mufla, sin que el gas entre en ella. Los generadores de gas son una parte necesaria e integral de los hornos de atmósfera controlada. Los principios con los que operan se examinan en el Capítulo 20. Aunque hay dos tipos generales de generadores de gas, exotérmi¬ co y endotérmico, la mayoría de los hornos de atmósfera controlada usados para el tratamiento de herramientas, están equipados con el último tipo. Las atmósferas de gas endotérmico, son aquellas que se forman mediante las reac¬ ciones entre gases que requieren la adición de calor. La palabra endotérmico significa que absorbe calor, y el proceso se menciona algunas veces como craqueo o pirólisis catalítica. En el horno eléctrico de atmósfera aceite-gas, se obtiene una atmósfera apropiada reductora al dejar caer aceite de un tipo específico dentro del horno, con una rapidez determinada. El método se adapta particularmente para hornos eléctricos verticales. Los bloques de carbono o muflas, pueden usarse ya sea en hornos espe¬ ciales o en uno de los tipos tradicionales de hornos de tratamiento. La oxida¬ ción parcial del material de la mufla produce automáticamente una atmós¬ fera de alto contenido de monóxido de carbono, algunas veces cerca de 30% de CO. No existe ninguna fórmula general que pueda ser aplicada para determiminar el tipo de horno, o qué método de control de atmósfera es mejor. Sin embargo, el comprador de equipo de tratamiento térmico deberá buscar los factores temperatura, tiempo y atmósfera. El tipo de horno que le puede ser¬ vir más económica y convenientemente, en estas situaciones, es la mejor elección. La figura 10-16 ilustra tres hornos controlados manualmente, proporcio¬ nados por diferentes constructores de hornos, la figura 10-17 muestra varios tipos de horno de atmósfera controlada. Hornos de tratamiento térmico al vacío. Puede sonar absurdo, pero en lo que concierne al tratamiento térmico de herramientas de acero, la mejor atmósfera es la que no existe; en otras palabras, el vacío. Esto significa una ausencia total de cualquier gas, de forma que no pueda haber ninguna inte¬ racción química con las superficies de la herramienta. El resultado es que no hay descoloración ni escamación, ni cambio alguno en el contenido de carbono. Ahora se pueden obtener hornos de vacío diseñados especialmente para el tratamiento térmico de herramientas y troqueles, y algunas otras partes

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Propiedades, tratamiento térmico

pruebas de los aceros para herramientas

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Fig. 10-23. Una distribución conveniente de un baño de templado para un taller de herramientas.

cubierta para extinguir incendios, ya que pueden ocurrir en un departamento de tratamientos térmicos. Las canastas son útiles para sostener las herramientas a tratar durante el corto intervalo antes de retirarlas. Debajo de la superficie del líquido quedan protegidas de los cambios de temperatura que pueden ocurrir estando al aire.

EQUIPO DE REVENIDO Como ya se ha señalado, las herramientas se revienen para eliminar es¬ fuerzos causados por el endurecimiento y hacerlas más resistentes. El efecto suavizante es incidental y usualmente no deseable. Los requisitos para un buen equipo de revenido son simples: incluyen sólo un aparato para mantener una temperatura constante y uniforme, en un intervalo relativamente bajo. En el pasado, los baños de aceite se usaron ampliamente para el revenido de acero para herramientas. Ahora sp utilizan sólo en raras ocasiones y han sido sustituidos por hornos eléctricos de revenido, que se prestan para control automático y suprimen la limpieza final de la herramienta, que es necesaria cuando se utiliza aceite. Los baños de aceite son adecuados para temperaturas de hasta 550°F (288°C), usando un aceite de alta densidad. Para tempera¬ turas entre 450 y 1 050°F (232 y 566°C), las sales fundidas son las más utilizadas. En !a actualidad se dispone de hornos de revenido modernos, que utili¬ zan ventiladores eléctricos para hacer circular el aire y llevarlo a todas las parta de la carga. Esto constituye una ventaja muy grande sobre todos los tipos arrapaos de equipo para revenido. No sólo producen herramientas uni¬ formes c _t a. requieren una limpieza final, sino también son rápidos en ope¬ ración v =7 coofabies.

222

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

Una variedad de hornos de revenido de aire circulante o atmósfera controlada se muestran en la figura 10-24. Los pirómetros registradores y controles de temperatura automáticos son particularmente valiosos en los hornos de revenido debido a los largos periodos y son eficientes ya que pueden seguir en operación durante la noche. Además, puesto que el ojo humano no puede determinar cuándo el termopar y el acero están a la misma temperatura, un termopar adicional adherido al trabajo será de gran utilidad para informar el valor de la temperatura. El par del homo, deberá mantenerse libre para propósito de control; de otra manera, el homo se sobrecalentará y arruinará el trabajo. Se hace notar que el pirómetro no da la temperatura del trabajo; solamente registra la temperatura de la unión caliente del termopar. En conclusión, se debe considerar que el tiempo es tan importante como la temperatura en el revenido. Una hora extra más o menos en un baño de revenido, puede ser lo necesario para salvar a una herramienta de quebrarse. Puede haberse invertido mucho dinero en una herramienta que ahora es com¬ pletamente inútil. Este no es el momento de ecominizar tiempo. Si no hay su¬ ficiente equipo de revenido para darle a cada herramienta tanto tiempo como sea necesario, se deberá comprar más equipo. La pérdida de una sola herra¬ mienta costosa, sumado a la pena que sufre el operario en el departamento

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Fig. 10-24. Equipo moderno de revenido A. Horno eléctrico de revenido ha¬ ciendo circular con un ventilador el aire calentado. ( Cortesía de Lindberg Engi¬ neering Co.) B. Homo de revenido con aceite y quemador de gas. (Cortesía de American Gas Furnace Co.)

Método y equipos para tratamiento térmico 223

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D. Homo de revenido al aire con atmósfera especial circulante, para el revenido de herramientas pequeñas. (Cortesía de Lindberg Engineering Co.)

224 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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Tenazas para tratamiento de herramientas.

de producción, puede pagar el costo de instalar una unidad adicional de revenido. Debe decirse algo sobre el revenido por color. En el pasado, cuando los operarios hacían su trabajo tan sólo con la vista y su principal material eran herramientas de acero al carbono, la mayoría de éstas eran revenidas por el color. Una parte de la herramienta endurecida se pulía con tela de esmeril, y la herramienta se colocaba entonces en algún dispositivo de calor lento (frecuentemente otro bloque de acero o hierro calentado para ese propósito) y se le mantenía allí, hasta que aparecían ciertos colores de revenido —ama¬ rillo, violeta, azul— en la superficie pulida. En la sección en color se muestra una tabla de colores de templado para acero al carbono para herramientas. Con el advenimiento de los aceros de aleación, se aprendió que estos colores de revenido aparecían a muy diferentes temperaturas, dependiendo de la composición. Además, no hay oportunidad, por medio de este método, de homogeneizar la herramienta al calor de revenido —-que es tan importante en herramientas costosas. El revenido por color se utiliza todavía limitada¬ mente en la herramienta templada por un herrero, y algunas veces en otras herramientas cuando se requiere de una suavidad local. Por ejemplo, en ocasiones se puede utilizar un soplete para suavizar el mango de una herra¬ mienta o alguna otra parte, en la que no se requiera un endurecimiento completo. Tenazas. Para concluir este capítulo mencionaremos las tenazas. Hay tenazas eficientes y útiles con que se toma el trabajo y lo sostiene con seguri¬ dad, y también las hay burdas o mal adaptadas que cubren grandes áreas de la herramienta que deberían ser templadas, causando manchas suaves, que dejan caer el trabajo en momentos críticos. Este es sólo otro de los pequeños detalles que establecen una gran diferencia.

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Pruebas mecánicas del acero para herramientas

NATURALEZA Y USO DE LAS PRUEBAS MECANICAS Las pruebas mecánicas, o “pruebas físicas”, como algunas veces se les llama, constituyen uno de los instrumentos más valiosos que se tienen para estudiar las propiedades de los aceros, el control de su fabricación y su trata¬ miento térmico. Por lo tanto, es conveniente lo que se relaciona con su natu¬ raleza, uso e interpretación. Cuando se desea terminar la resistencia de una viga I de acero, casi nunca se prueba la viga entera. Lo que verdaderamente se hace es seleccionar una muestra de la viga I, que se supone que es representativa del metal, y ma¬ quinarla cuidadosamente como una barra de prueba estándar a la que se “somete” bajo condiciones ideales, a una máquina de tensión. Las propieda¬ des determinadas se definen arbitrariamente, tales como la resistencia a la tensión en libras por pulgada cuadrada (kg X cm'“) o porcentaje de alarga¬ miento en una probeta de longitud dada. Es evidente que la resistencia del acero en una viga I, variará en diferen¬ tes partes de la sección, y que otras propiedades tales como la ductilidad será diferente, dependiendo si el espécimen se corta en forma longitudinal o trans¬ versal. También se toma en cuenta que la resistencia total en la viga será afectada en cierta medida por su condición de la superficie, ya que esta puede contener rebabas, hoyos, etc. ., que, por supuesto, no estaban presentes en la barra de prueba. Cuando se hace una prueba de dureza sobre una herramienta templada, se selecciona una porción, se prepara eliminando cuidadosamente las varia¬ ciones en la sunerficie y, por uno de los métodos que se describen, penetrando el acero, o haciendo botar un martillo por su superficie, se “mide su dureza”. Estos ejemplos proporcionan tres puntos obvios sobre las pruebas: pri¬ mero, son arbitrarias: segundo, que se hacen bajo condiciones ideales; y ter¬ efectúan sobre una pequeña muestra de un todo. Estas cero, usualmer.:. condiciones se cebarán mantener en mente cuando se evalúa cualquier prueba

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225

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Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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mecánica puesto que, para ser realmente útil, deberá ser cuidadosa y apro¬ piadamente interpretada en términos de algún problema práctico. Una prueba raramente lleva a la solución directa de un problema, pero puede ser muy valiosa como una señal en el camino. Lo importante es cómo saber leer estas señales de dirección. Las pruebas entran generalmente en dos categorías —aquellas que pue¬ den considerarse “pruebas de taller”, y que pueden hacerse de forma más o menos rutinaria sobre herramientas o piezas para su inspección y control; y aquéllas de un carácter más especializado, que se pueden llamar “pruebas de laboratorio”, en las cuales el propósito es estudiar algunas propiedades fun¬ damentales del material que, una vez determinadas no haya que comprobarlas una y otra vez con otra prueba. Ambos tipos de pruebas se representan en las descripciones que siguen.

PRUEBAS DE DUREZA

Después de que se termina una herramienta, la prueba no destructiva más co¬ mún es la dureza. Esta prueba es valiosa, ya que indica mucho más que la dureza; se parece a un termómetro clínico en manos de un doctor que avisa cuando algo puede estar mal; por ejemplo, bajo la prueba de dureza se comprobará que la tenacidad máxima de un acero agua-duro, será la corres¬ pondiente a una dureza Rockwell entre C-63/64. Si, al probar la dureza de una herramienta terminada hecha con acero agua-duro se halla que solamente es C-60 puede presumirse que la tenacidad máxima también se ha perdido; y mientras una dureza C-60 puede ser muy dura para la herramienta en cues¬ tión, puede carecer de la tenacidad necesaria y quebrarse. De hecho, en el caso mencionado, cuando sólo se obtiene una lectura C-60, y se esperaba C-63/64, es bastante seguro suponer que algo anda mal. Puede ser un mal trabajo de endurecimiento, la herramienta puede haber sido templada erró¬ neamente, puede haber una pequeña capa de descarburación, o el técnico de herramientas puede haber utilizado un pedazo de acero de composición ina¬ decuada para empezar. Claro está que podría ser posible obtener la dureza exacta que se espera y todavía tener alguna equivocación; pero persiste el hecho de que el probador de dureza es tan útil para el técnico como un ter¬ mómetro clínico lo es para un médico. Hay varios métodos para determinar la dureza, y algunos dé ellos serán descritos brevemente. La prueba de la lima. Esta es la prueba de dureza más antigua, y todavía es de las más útiles. Un técnico experimentado puede deducir con una lima, casi tanto como un laboratorista con una máquina para pruebas de dureza. La diferencia está en que el laboratorista puede escribir sus resultados para una referencia futura, y puede hablar con claridad a otras personas sobre estos resultados. Todo lo que el probador de lima tiene en su memoria es una “sensación” que presenta limitaciones obvias. Se han hecho una serie de tentativas para establecer normas de la prueba con lima que van desde la dureza del vidrio hasta una relativa suavidad. Estas normas están numera¬ das, por lo que se pueden hacer registros, diciendo que cierta herramienta

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Pruebas mecánicas del acero para herramientas 227

parece tener una dureza de la muestra estándar 8, etc. Tales refinamientos tienen poco uso actualmente a causa del excelente equipo de pruebas de dure¬ zas disponible hoy en día. Sin embargo, la lima sigue siendo útil y hará mejor ciertas cosas que cual¬ quier máquina de prueba. Por ejemplo, puede “explorar” el grado de descar¬ buración superficial. Tanto la lima como la máquina para pruebas de dureza pueden indicar que la dureza de superficie es menor de lo normal. Sin embar¬ go, sólo la lima puede cortar más adentro y descubrir que la suavidad está restringida a la superficie y que, debajo de ésta, el material es lo suficiente¬ mente resistente a la lima. Una lima es también útil para buscar áreas suaves en las superficies. Puede penetrar en los hoyos y descubrir cosas que el pro¬ bador de dureza no puede alcanzar. Debe mencionarse que hay todo tipo de limas. Algunas son más duras que otras, y una lima dura podrá hacer un corte en donde una lima suave sólo patinaría. Una lima de corte fino hará parecer a una pieza de acero más blanda de lo que la haría parecer una lima de corte basto y, claro está, una lima nueva corta mejor que una usada. Entonces, se verá que la expresión “lima dura” no está muy definida. A pesar de todo esto hay muchos técnicos de herramientas y fabricantes que escogerían la lima por encima de cualquier otro equipo —si tuvieran que limitarse a un medio de probar la dureza. El esclerómetro. Este fue uno de los primeros dispositivos para probar la dureza del acero para herramientas. Tanto la variante de tubo de vidrio. Modelo “C-2”, como tipo de carátula Modelo “D”, se muestran en la figura 11-1. Este instrumento deja caer un peso con punta de diamante sobre la superficie endurecida y mide la altura del rebote. A mayor dureza del acero, más alto rebotará el peso. Para obtener lecturas precisas deberá prepararse una superficie limpia y lisa, y la base que soporta a la limpieza que se prueba deberá ser tan sólida como sea posible. Este instrumento tiene la ventaja de ser portátil y puede llevarse al lugar donde se encuentra una pieza muy gran¬ de, para colocarlo sobre el yunque de cualquier otro tipo de máquina de prueba. Sigue siendo el mejor método disponible para probar la dureza de ro¬ dillos de acero largos, algunos de los cuales miden 20 ó 30 plg (50.8 ó 76.2 cm) de diámetro y pesan varias toneladas. El probador de dureza Rockwell. Al momento de hacer este escrito, la máquina de Rockwell es probablemente la más usada para probar herra¬ mientas de acero endurecido. Un modelo de este instrumento se muestra en la figura 11-2. La prueba se hace por medio de un penetrador en la superficie del metal que se va a probar, por medio de un peso muerto accionado por una serie de palancas. Un calibrador micrométrico de carátula, indica la profun¬ didad a que el penetrador se hunde. Mientras más suave es el metal que se prueba, más penetrará con una carga dada. El calibrador de carátula, no mide directamente la profundidad de penetración, sino que indica escalas arbitrarias que muestran los “números de Rockwell”. Una de las novedades de la prueba Rockwell es que emplea una “carga mínima”, que se aplica primero para asentar firmemente un penetrador sobre la superficie del metal que se va a probar. En seguida se aplica la carga ma¬ yor, y la profundidad real que se mide es la resultante de esta carga mayor.

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Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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Fig. 11-1. Esclerómetros. Izquierda, Modelo “C-2” de eseleroscopio para probar dureza. Derecha, eseleroscopio de carátula indicadora, Modelo “D". (Cor¬ tesía de Shore Instrument and Mfg. Co., Inc.)

En pruebas de este tipo, hasta las pequeñas irregularidades de la superficie pueden causar errores, y este sistema los evita, suministrando un asiento firme, antes de que comience la verdadera penetración. Se utilizan dos tipos de penetradores: un cono de diamantes, conocido como “brale” para materiales duros como acero endurecido para herramien¬ tas, y una bola de acero endurecido, para probar materiales suaves, como acero recocido para herramientas. En ambos casos se puede utilizar una variedad de cargas diferentes, cada una designada por una letra. La carga normal para herramientas de acero endurecido, usando el brale de diamante, es de 150 kg y se le nombra con la letra “C”, para que las lecturas obtenidas estén en la escala de dureza Rockwell. La herramienta de acero más dura, raramente alcanzará el C-70; la “dureza de lima” es de alrededor de C-65, y un resorte templado puede mostrar C-45/55. La carga normal para materiales suaves usando una bola con diámetro de 1/16 plg (1.59 mm) es de 100 kg, se le nombra con la letra “B”, para que las lecturas resultantes, estén en términos de dureza Rockwell B.

Pruebas mecánicas del acero para herramientas

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Fig. 11-2.

Probador de dureza

Rockwell. Para cargas más ligeras de 60 kilogramos, que son más convenientes para probar la superficie exterior de herramientas endurecidas o secciones may delgadas de materiales suaves, hay un tipo especial de máquina, conocida como probador de dureza superficial. Cuando se usa un cono de diamante como en las pruebas de materiales duros, se emplea la letra “N” y un número que indica la carga aplicada, se anota la lectura, como “30N” ó “15N”. Cuan¬ do se usa la bola de 1/16 plg (1.59 mm) se emplea la letra “T” junto con la carga y se anota “30T” ó “15T”. La prueba de Brinell. En la figura 11-3 se muestra una máquina de Brinell, en la cual la carga se aplica por medio de una bomba hidráulica operada manualmente. Esta es una prueba mucho más antigua que la de Rockwell, y opera según el mismo principio que la prueba de la bola de Rockwell. En la máquina Brinell se usa una bola de acero más grande, la norma viene siendo 10 mm (o alrededor de 2/5 plg de diámetro) que es forzada a penetrar en el acero bajo una carga de 3 000 kg (aproximadamente 6 614 libras). En lugar de medir la penetración, se saca la pieza de prueba de la máquina Brinell, y se mide el diámetro de la huella con un pequeño microscopio. El diámetro medido se convierte por medio de una tabla a los números de dureza Brinell.1 En la actualidad existen máquinas en las cuales 1 La

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230 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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el número de Brinell se mide directamente sobre una carátula, determinando automáticamente la profundidad de la huella a medida que la bola se hunde en el material que se está probando. Muchas de ellas son accionadas mecá¬

nicamente. La máquina Brinell encuentra su mayor utilidad en los materiales sua¬ ves o de dureza mediana. En herramientas de acero endurecido la impresión es tan pequeña que es muy difícil de leer y, después de todo, la bola de acero misma no es otra cosa que una herramienta de acero endurecida, así que tien¬ de a achatarse contra una superficie igualmente dura. En años recientes se usan bolas de carburo de tungsteno para evitar el achatamiento, pero esto no mejora el método como para competir con el de Rockwell o el esclerómetro sobre herramientas de acero endurecido. Además, la prueba de Brinell es bastante imprecisa para muchas herramientas. Una tabla de conversión que da equivalencias aproximadas entre las escalas de dureza del esclerómetro Rockwell y Brinell aparecen en el apéndice.

Brinell; W = carga en Kg; D presión en mm.

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Pruebas mecánicas del acero para herramientas

231

La prueba de Vickers. La máquina de Vickers es como un refinado probador de dureza Brinell. En vez de usar una bola de acero, utiliza un penetrador de diamante en forma de pirámide cuadrada, que se introduce por medio de una carga constante, y la dureza se mide determinando el ancho de la huella entre esquinas por medio de un microscopio. Las lecturas de esta prueba se covierten también en números de dureza Brinell. Este instrumento supera aparentemente las objeciones principales de la prueba Brinell cuando se aplica a herramientas de acero endurecido. El probador de microdureza. Este instrumento, originalmente cono¬ cido como penetrador Knoop, se ilustra en la figura 11-4. Emplea un estrecho penetrador de diamante, en forma muy parecida a la del filo de una hacha, pero en forma de rombo, que se encuentra presionado sobre la superficie por una carga muy liviana. La dureza se determinará midiendo la longitud de la impresión. Esta impresión es tan pequeña que la dureza puede ser determina¬ da entre los constituyentes individuales del material, de aquí su nombre. A diferencia de las otras pruebas descritas, esta es principalmente una prueba de laboratorio, y ha demostrado ser un valioso medio de investigación cuando se necesita una lectura de dureza en una pequeña área. Las diferentes pruebas de dureza descritas, representan las únicas que pueden hacerse sobre una herramienta terminada sin dañarla o destruirla. Las siguientes son generalmente pruebas de laboratorio que se llevan a cabo en especímenes normales, fabricados para el acero en cuestión. Pruebas de dureza en caliente. Para ciertos tipos de herramientas, como los dados para forja en caliente, además de la dureza a la “temperatura ambiente”, es conveniente conocer su dureza a las elevadas temperaturas que alcanzan cuando se encuentran en servicio. Todos los aceros se suavizan cuando se calientan. Suponiendo que la temperatura de templado sea más alta que la temperatura alcanzada en el servicio, esta suavización es tan sólo temporal, y el acero recobra su dureza cuando se enfría hasta la temperatura ambiente. Los aceros para trabajo en caliente están diseñados para perder

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Fig. 11-4. Probador modelo TUKON de amplio rango para de¬ terminar los números Knoop de dureza (con objetivo ocular digital como accesorio). (Cortesía de Wil¬ son Instrument Division of Acco.)

23*2

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

relativamente poca dureza al calentarse, y es en ellos en los que interesa hacer pruebas de dureza en caliente o de “dureza al rojo”. La forma más obvia y fácil de hacer una prueba de dureza en caliente es calentar un espécimen del acero a la temperatura deseada y hacerle una prueba Brinell. A ésta se le objetaba que el espécimen se enfría antes de terminar la prueba y, además, que si la bola no se calienta a la temperatura de la prueba también tendrá un efecto enfriador. Ambas objeciones han sido superadas por el equipo especial construido en el laboratorio Carpenter, que asegura que el espécimen y la bola estén a la temperatura adecuada en el momento de la prueba. Este equipo se ilustra en la figura 11-5. La bola utilizada tiene un tamaño estándar de 10 mm de diámetro y está hecha de carburo de cromo, que no sólo mantiene su dureza a tempera¬ tura elevada, sino que no se decolora por la oxidación. Esta se coloca en una montura especial hecha también de acero resistente al calor. El espécimen debe ser cuadrado de cuando menos de 3/4 plg (19.1 mm), para evitar un deslizamiento lateral, y descansa sobre un yunque que, junto con el espéci¬ men, la bola y la montura se introduce en un horno de resistencias eléctricas, hecho en dos mitades y abisagrado para que pueda colocarse conveniente¬ mente alrededor del conjunto. Dos pequeños termopares se extienden hacia abajo y descansan sobre la parte superior del espécimen. Este ensamble se coloca sobre la máquina Brinell, calentando a la tem¬ peratura deseada, y alrededor de media hora a la misma temperatura. Enton¬ ces se aplica una carga de 2 000 kg (nótese que la norma es de 3 000) y la huella resultante se mide cuando se enfría. Aunque el equipo descrito es capaz de hacer pruebas por encima de 1 600°F (871°C), la mayoría de las pruebas en herramientas de acero para trabajo en caliente se hacen alrededor de 1 200°F (649°C). Prueba Rockwell en caliente. El uso del probador Rockwell para dureza en caliente es hoy en día muy común; se ilustra en la figura 11-6.

PRUEBAS DE TENSION

Recientemente, existían muy pocos datos publicados acerca de la resistencia a la tensión de los aceros para herramientas por la dificultad de realizar las pruebas. Los aceros de alto contenido de carbono con altos grados de dureza tienen poca ductilidad, de tal manera que la probeta tiende a fracturarse pre¬ maturamente, o en un valor inferior al esfuerzo real. Sin embargo, recientes modificaciones en la configuración y preparación de las probetas, así como en las técnicas de prueba, han dado resultados satisfactorios en las pruebas de tensión de numerosos aceros para herramientas con el nivel de dureza en que normalmente se utilizan. Sin embargo, se han publicado pocas pruebas satisfactorias por encima de 60 Re, especialmente en relación con aceros para herramientas de alta aleación. Normalmente, las pruebas de tensión dan lugar a cuatro datos de medi¬ ción: 1) resistencia final, 2) fuerza de cedencia, 3) alargamiento y 4) re¬ ducción de área. La resistencia final está directamente relacionada con la

Pruebas mecánicas del acero para herramientas 233

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Fig. 11-5. Prueba Brinell especialmente diseñado.

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dureza y tiene poca variación entre aceros con el mismo grado de dureza. Las relacionadas con la ductilidad y pueden variar entre esos mismos aceros. Si un acero es tratado a 60 Re, puede suponerse con certeza que la resistencia final está alrededor de las 300 000 lb/plg2, sin necesidad de realizar cualquier prueba. Con los números Re se puede obtener la resistencia final multiplicando por un factor de 5 000, o sea, multiplicar por 10 000 y dividir entre 2. Esto es usualmente preciso hasta cerca de 10 000 lb/plg.2 Esta regla empírica no debe aplicarse a aceros austeníticos, en los que no se otras tres están

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Prueba Rockwell en caliente.

Las resistencias de cedencia y última se expresan en el lb/plg2 (kg/cm2), mientras que el alargamiento y reducción de área en porciento. En el caso del alargamiento, éste es el porciento de diferencia entre la medida de longitud original y la posterior a la prueba, mientras que en la reduc¬ ción del área, es el porciento de diferencia entre el área transversal antes y después, tomadas en la sección transversal menor de la pieza de prueba. Pruebas de tensión en caliente. Están estrechamente relacionadas con el nuevo desarrollo de las pruebas de dureza en caliente. Ahora existe equipo similar al descrito con anterioridad, para pruebas rápidas y precisas a eleva¬ das temperaturas. En la figura 11-7 aparece uno de tales equipos acoplados a una máquina hidráulica de tensión, que consiste en cuatro hornos eléctricos montados sobre una torreta, de tal modo que pueden calentarse tres probetas mientras una se somete a prueba. Tal como en el caso de las pruebas de du¬ reza en caliente, las pruebas de tensión en caliente son sumamente valiosas

Pruebas mecánicas del acero para herramientas 235

en el estudio y desarrollo de los aceros para herramientas que trabajan en

caliente.

PRUEBAS DE TENACIDAD

La tenacidad de un acero está dada en “libras pie” de energía. Una libra pie es la cantidad de energía del golpe que da un peso de una libra al caer desde una altura de un pie. Un peso de cinco libras que cae desde una altura de un pie, equivale a 5 libras pie; si un peso de una libra cae desde cinco pies equivale a lo mismo. Diez libras al caer desde 20 pies darán 10 X 20 = 200 libras pie. Podría imaginarse un método para medir la tenacidad de una pieza de acero, dejando caer un peso desde diferentes alturas hasta que se rompa. Si se multiplica el peso por la distancia que cae, dará la medida de la tena¬ cidad del acero en libras pie. Esto es lo que constituye la prueba de tenacidad o de impacto puro.

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Fig. 11-7. Realización de una prueba de tensión en caliente.

236 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

Al realizar esta prueba es interesante observar qué es lo que sucede en el interior del acero. El golpe aplicado lo soportan las fuerzas de cohesión del acero y esta resistencia continúa hasta que el acero “cede”, primero elástica¬ mente y luego plásticamente, hasta su punto de ruptura. Lo que sucede dentro del acero, es lo contrario de lo que pasa en su exterior. El golpe es la fuerza multiplicada por la distancia. La reacción dentro del acero es el es¬ fuerzo resistente, multiplicado por la distancia que recorre el peso y persiste la resistencia hasta antes de la ruptura. La parte elástica de esta resistencia ocurre sólo una corta distancia. Es la parte plástica de la “cedencia” la que cuenta para la mayor parte de la energía absorbida —y esta deformación plástica es la medida de la ductilidad del acero. De modo que la tenacidad o la capacidad de un acero para absorber energía en una prueba de impacto puede ser tomada simplemente como el producto de su resistencia y ducti¬ lidad. Máquina pendular para pruebas de tenacidad. Una manera conve¬ niente de aplicar un golpe a una probeta y medir la cantidad de energía absorbida por ella hasta su ruptura, es colocar la pieza en un tornillo de banco o sujetador y dejar caer un péndulo pesado contra ella. El péndulo puede ser impulsado hacia atrás un poco más cada vez, hasta que la muestra se rompa. Las libras pie pueden calcularse fácilmente conociendo el peso del péndulo y la distancia vertical que cae. También puede hacerse que el péndu¬ lo se eleve a una altura mayor, que la necesaria para romper la pieza, midien¬ do la energía absorbida en la ruptura viendo simplemente qué tanto se eleva el péndulo después de ésta. Esta diferencia de alturas multiplicadas por el peso del péndulo, da las libras pie de energía absorbida. Máquina para prueba de Tenacidad Izod. Esta máquina está construi¬ da según el principio pendular. El acero sometido a prueba se maquina hasta formar una barra de aproximadamente 3/8 de plg (9.53 mm) de sección cuadrada y, se le hace una muesca a un lado. Se puede tratar térmi¬ camente por cualquier método deseado. La operación de la prueba se ilustra en la figura 11-8, la máquina consiste en un tornillo de banco que sostiene a la pieza verticalmente, colocando la muesca del lado procedente del golpe y un péndulo pesado que actúa como martillo suministra el golpe. El péndulo se jala hacia atrás a una altura definida y se le deja caer por su propio peso. La tenacidad de la probeta se mide por la continuación de la oscilación del péndulo. Mientras más frágil sea el acero, menor será la oposición al péndulo y mayor la amplitud de oscilación. En otro probador de tenacidad conocido como Charpy, se usa el mismo principio pendular, pero la pieza, en este caso, se sujeta por ambos extremos sobre un yunque en posición horizontal y la parte afilada del péndulo golpea a la pieza por su centro. Hoy en día, la prueba de Charpy se usa más que la Izod. Estas dos pruebas se concibieron para aceros de alta ductilidad, tales como los empleados para ejes y engranes. Las piezas con muescas se emplean en ambas pruebas para concentrar el esfuerzo y reducir la capacidad del acero de absorber energía del golpe, reduciendo la posibilidad de deformación plástica. Por tanto, la muesca, amplificando la tendencia a la fragilidad, sirve

Pruebas mecánicas del acero para herramientas 237

HH Principio de la prueba Izod

Fig. 11-8. Probeta y

Pieza para la prueba Izod

prueba Izod.

a un propósito definido en las pruebas de estos aceros. En los aceros al alto carbono, sin embargo, la ductilidad es tan pequeña que la probeta de aceros para herramientas endurecidas, se partirá sin mostrar apenas alguna lectura en la escala, por lo que es necesario emplear una probeta sin muescas. Estas pruebas dejan mucho que desear, pero, desafortunadamente, hasta nuestros días, no se ha podido descubrir una prueba de impacto de certeza aceptable para los aceros para herramientas con alto contenido de carbono y altos grados de dureza. Esto probará al diseñador de herramientas que deberá evi¬ tarse cualquier tipo de muesca aguda en una pieza, siempre que sea posible.

PRUEBAS DE FATIGA

La resistencia a la fatiga o la falta de ésta, es una de las propiedades mecᬠnicas más interesantes de una acero. La fatiga se define generalmente como un fenómeno que conduce a la fractura, bajo esfuerzos repetitivos o fluctuantes cuando el esfuerzo máximo es menor que la resistencia a la tensión del material. Comienza como una pequeña grieta que se origina bajo la acción de esfurezos fluctuates. Una regla general para los aceros es que, mientras mayor sea la dureza, mayor será la resistencia a la fatiga. Esta se define como el valor más alto del esfuerzo que un material puede soportar sin que exista una falla tras un número determinado de ciclos. Los aceros para herramientas empleados a niveles altos de dureza, son más propensos a las fracturas que a la fatiga y existen pocos datos relativa¬ mente, excepto para aquellos aceros para herramientas empleados en la ma¬ nufactura de piezas para aviones, etc. Una importante excepción comprende a los aceros para herramientas para trabajo en caliente, empleados en la fabri¬ cación de moldes para coladas de fundición, tales como el rojo-tenaz. En este caso, la fatiga se conoce como fatiga térmica o agrietado térmico, similar a las grietas de pulido que ocurren en la superficie de los moldes formando un mosaico y que son el resultado de los ciclos de calentamiento y enfriamiento que se requieren en la colada de matrices. Las pruebas de fatiga son generalmente de laboratorios, y se realizan en máquinas que utilizan probetas de configuración estándar. La máquina aplica esfuerzos repetidos alternos de un valor predeterminado inferior a la resistencia final hasta que ocurre la fractura. Una máquina típica de prueba de fatiga se ilustra en la figura 11-9. El número de ciclos hasta que ocurre

23S Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

la fractura está determinado por diferentes niveles de esfuerzo y los resultados se marcan en una gráfica de esfuerzos vs número de ciclos, hasta que ocurre la fractura. Esta curva se llama S-N y se ilustra en la figura 11-10. Las pruebas de fatiga térmica no han sido aún normalizadas, esto impide describirlas aquí. Usualmente se coloca un molde de fundición de colada sobre una máquina de fundición y se determina el número de ciclos a un grado de calentamiento. En el Capítulo 14 se describe un ejemplo. Incidentalmente, existen buenas evidencias de que el esfuerzo de resis¬ tencia a la fatiga es afectado materialmente por las inclusiones no metálicas y el contenido de gas; los aceros fundidos al vacío muestran valores clara¬ mente más altos que aquellos fundidos al aire.

PRUEBAS DE TENACIDAD A LA FRACTURA

Como en las pruebas de fatiga, las pruebas de tenacidad a la fractura están comúnmente confinadas a un laboratorio y se elaboran sobre probetas nor¬ malizadas, aunque pueden emplearse ocasionalmente preparados a partir de una pieza usada. Pese a que son poco empleadas para aceros para herra¬ mientas, se incluyen aquí con fines educativos. La más común es la llamada prueba a la fractura en un plano de tensión, es la más adecuada para altas resistencias en metales de baja tenacidad, que incluyen aceros para herramientas. La probeta se analiza bajo controles estric¬ tos de dimensiones y se somete a ciclos de esfuerzos repetidos hasta que la grieta inicial se propague inestablemente. La intensidad del esfuerzo en el que se revela la propagación de la grieta inestable se mide por el factor de intensidad de esfuerzo, K(. Las unidades se dan en miles de libras por pulgada de base y como es un poco compleja para describirse en este texto, se excluye. La figura 11-11 ilustra el probador clásico de tenacidad por fractura. PROPIEDADES FISICAS

En este capítulo se han intentado establecer las propiedades mecánicas y sus pruebas, pero seríamos imprecisos si no se examinan determinadas propiedades físicas que pueden ser importantes en la fabricación de herramientas, aparte de los análisis químicos, ya mencionados en el Capítulo 3. Densidad. Es la cantidad de masa de un material por unidad de volu¬ men y se expresa en libras por pulgada cúbica o gramos por centímetro cú¬ bico. La densidad de los aceros para herramientas, puede variar de acuerdo con su composición; por ejemplo, los aceros de alta velocidad con elevado contenido de tungsteno, tienen una mayor densidad que los aceros rara herra¬ mientas al carbono. croen de un Peso relativo. Es la relación entre el peso de de¬ . - . _ —a material y el peso de un volumen igual de agua. E¿ sí- i mayor densidad, mayor densidad relativa. -

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240 Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

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Fig. 11-11. Probador de tenacidad a la fractura.

los aceros se expanden cuando se calientan y esta propiedad física se describe como la variación en pulgadas por pulgada por grado Fahrenheit o centímetro por centímetro por grado centí¬ grado. El factor de 10-6 se aplica en ambos casos a la cifra reportada. Como el coeficiente de expansión cambia con altas temperaturas, las cifras se repor¬ tan usualmente en un intervalo restringido de temperaturas. Módulo de elasticidad. Es una medida de la rigidez, y es, aproximada¬ mente, la misma para todos los aceros en los cuales el hierro es el elemento primordial; su valor es 30 000 000 lb/plg2 ó 2 109 300 kg/cm2. Es la carga teórica requerida para estirar un material al doble de su longitud. Esto im¬ plica que si se requiere una mayor rigidez, es necesario recurrir a otro material diferente del acero o el hierro, o aumentar las dimensiones de la herramienta o de la pieza. Esto se analiza con más detalle en el Capítulo 22.

Coeficiente de expansión. Todos

12

Propiedades y tratamiento térmico de los 12 aceros del conjunto coordinado El lector debe distinguir en todo momento los rombos teóricos del dia¬ grama del conjunto coordinado (Fig. 12-1) llamados aceite-desgaste, aceite-tenaz, etc., de los aceros reales para herramientas “de carne y hueso” que se asignan a estos rombos. Para poder estudiar sus propiedades y dar instrucciones exactas sobre tratamientos es necesario hablar de aceros reales y este capítulo se dedica a dar la información sobre los doce aceros men¬ cionados. En un capítulo anterior se explicó que los números AISI se utilizan comercialmente como un medio conveniente para identificar la composición de varios tipos, sin que sea necesario enumerar cada uno de sus elementos. Por ejemplo, en lugar de tener que definir el análisis de cierto tipo de acero templado en aceite en términos de 0.90% de carbono, 1.60% de manganeso, sólo es necesario decir “tipo 02”. Sin embargo, es importante recordar que ésta es la única función de estos números, siendo evidente que no incluyen ninguna cualidad o propiedad específicas del acero, las que se caracterizan definitivamente por la marca en cuestión. AGUA-DURO (AISI Tipo W1-1.00C) Tipo de análisis:

Carbono

Manganeso . . . Silicio

1.05* 0.20* 0.20*

Propiedades

Descripción. El agua-duro presenta la buena cualidad de tener el carbono uniformemente distribuido en los aceros para herramientas templados en agua. El acero se inspecciona siempre en un tocho con ataque ácido al 100% durante la fabricación, para la limpieza y calidad de cada barra. En secciones mayores de 1/2 plg (12.7 mm), el acero agua-duro endu¬ recerá con una corteza densa y de grano fino y un centro no endurecido y 241

242

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas CONJUNTO COORDINADO

CONJUNTO COORDINADO

AIRE-DURO

ACEITE-DURO

AGUA43URO

CONJUNTO COORDINADO ROJO-DURO

AIRE-DESGASTE

ACEITE-DESGASTE

AGUA DESGASTE

ROJO DESGASTE

CONJUNTO COOROINAOO

UJ

ce

(

0)

w

50

DUREZA

Fig. 12-28.

x

- ROCKWELL

C

Prueba de Charpy en una probeta con muesca.

La mejor temperatura de revenido para asegurar una combinación de máxima dureza y tenacidad es de 300°F (149°C).

270

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T

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178 m L*J

(2001 .ISO

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120

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80

40

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1

0 64 60

52

1 44

DUREZA

36 -

28

20

12

ROCKWELL C

Fig. 12-53. Resistencia a la tensión tipica a la temperatura ambiente.

T

200

I

T

160

X

o

>20

O.

2 80

0 L 64 60

i

1 52

44 DUREZA

36 -

1 28

20

12

ROCKWELL C

Fig. 12-54. Resistencia de cedencia típica a 0.02% de la temperatura ambiente.

299

300

Propiedades, tratamiento térmico

y

pruebas de los aceros para herramientas

dos. Asegurarse de dar el tiempo suficiente para que la herramienta alcance la temperatura adecuada antes de empezar a contar el tiempo. Las herramientas para trabajo en caliente nunca deben ser revenidas a una temperatura menor que la temperatura de trabajo a la cual serán usadas. El precalentamiento de las herramientas antes de usarse no sólo es importante sino definitivamente recomendable.

240

T

T

T

T

T

200

i x

160

O

a.

120

AUSTENITA-2150°F TEMPLE EN ACEITE REVENIDO-1 200°F— 47 Re

oLJ 0

1 200

i 400

i 600

1000

800

1200

TEMPERATURA DE PRUEBA

Fig. 12-55.

Resistencia a la tensión a temperatura elevada.

TABLA 12-22. Dureza Brinell a diferentes temperaturas de especímenes tratados en aceite a 2 175°F (1191°C) y revenidos a 1000°F (538°C) a una dureza de 54 Rockwell C Temperatura de prueba

°F

°C

800 850 900 950 1 OOO 1 050 1 100 1 150 1 200 1 250 1 300

427 454 482 510 538 566 593 621 649 677 704

Dureza Brinell •494 492 488 480 467 430

383 329 272 214 160

Propiedades físicas: Peso especifico

8.36

Densidad Ib por plg cu

0.296

Propiedades y tratamiento térmico de los 12 aceros del conjunto coordinado

Coeficiente de expansión térmica media VWPW°F X i0'° de 100°-800°F

6.39

11.5 6.74 12.1 6.91 12.4

K-‘

plg/p'g/°F

X 10"

de 100°-1 000 °F

K-i

plg/plg/°F X 10" de 100°-1 200°F K" Conductividad térmica BTU-plg/pie-/hr/°F a 80°F .. W/mK BTU-plg/pie-/hr/°F

174

25.1 200 28.8

a 1 200°F

W/mK Calor específico kj/kg K a 900 °F (482°C)

»F

°C

T TTTT

TEMPERATURA

623.8 X 103

11

rn

TT

DE AUSTENIZACION 800

2 T75°F 1400

700 1200


$00 3 «o

3

600

500

600

PUNTO Ms CALCUIADO

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I 0-

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I I

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8 § §1

TIEMPO EN SEGUNDOS

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1 1 II

Iff

Fig. 12-56. Diagrama de transformación isotérmica.

ACERO

ROJO-TENAZ

(AISI Tipo H13)

Tipo de análisis;

Carbono .. ,

0.37* 0.35* 1.00* 5.25*

Vanadio . . Molibdeno

1.00* 1.30*

Manganeso Silicio Cromo

..

301

302

Propiedades, tratamiento térmico y pruebas de los aceros para herramientas

+ 001

T

T

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a

+.0005

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Q

5

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UJ

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1

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200 CUANDO SE TEMPLA

400

600

800

1000

1200

TEMPERATURA DE REVENIDO - °F (1 hora a la temperatura indicada)

Fig. 12-57. Cambio de tamaño austenitizado a 1875°F (1024°C) templado en aceite.

Propiedades: Descripción. El acero rojo-tenaz es un acero ,para herramienta de trabajo en caliente, con 5% de cromo, ideado especialmente para aplicacio¬ nes que requieren máxima tenacidad combinada con buena dureza al rojo. Esto le dará un margen de seguridad adicional a las herramientas sujetas a fuertes golpes de martillo y para aquellas herramientas con cavidades pro¬ fundas o esquinas agudas. Si bien el acero rojo-tenaz está diseñado principal¬ mente como un acero para herramientas de trabajo en caliente, ha resuelto muchas aplicaciones de trabajo en frío donde hacía falta gran tenacidad, sacrificando algo de resistencia al desgaste. Deformación en el templado. Como el acero rojo-tenaz se templa en aire o en aceite, mantiene su tamaño y forma excepcionalmente bien. Puede esperarse contracción en el templado, El diagrama de arriba muestra los re¬ sultados obtenidos en una probeta de 1 plg (25.4 mm) de diámetro con 5 plg (12.7 cms) de largo austenizada a 1 875°F (1024°C) y templada en aceite. Descarburación. El acero rojo-tenaz puede ser endurecido sin peligro de descarburación en hornos de atmósfera controlada, usando un punto de rocío entre 40° y 55 °F (4o y 13°C) o en baños neutros de sal debidamente rectificados. Si no se trata en hornos de atmósfera controlada o en baños de sal, el acero deberá ser empacado con un compuesto neutro de empaque para templar. Maquinabilidad. La maquinabilidad del acero rojo-tenaz puede ser considerada entre 45 y 55% de la del acero para herramienta templada en agua con 1% de carbono alrededor de 40 ó 50% del acero B11 12. Se reco¬ miendan velocidades superficiales de torneado aproximadamente de 75 a 90

Propiedades y tratamiento térmico de los 12 aceros del conjunto coordinado

303

pies por minuto (0.38 a 0.45 m/s) cuando se usan herramientas de corte de alta velocidad. Aplicaciones. Se usa para herramientas de trabajo en caliente que requieren la mayor tenacidad posible. Las aplicaciones típicas incluyen dados de forja, herramientas de compresión para trabajo pesado, dados de do¬ blado de ángulos, dados para fundición matriz, dados de extrusión para aluminio, dados para pernos, punzones de formado y penetrado en caliente. Si es necesario, las herramientas para trabajo en caliente hechas de acero rojo-tenaz pueden enfriarse con agua durante el servicio sin- el peligro de fractura o agrietamiento por calor. Por la extremada tenacidad del acero rojo-tenaz también debe aplicarse a trabajos en frío, en las cuales otros, aceros probados han fallado por ruptura.

Tratamiento térmico

Forja. Calentar lenta y uniformemente hasta una temperatura entre 2 000°F (1093°C) y 2075°F (1135°C) y forjar. No trabajar el acero por debajo de 1650°F (899°C), pero recalentar tantas veces como sea necesario. Forjas pequeñas y simples pueden enfriarse lentamente en cal, pero la mejor práctica para forjas grandes es colocarlas en un horno caliente alrededor de 1 450C,F (788°C), remojar uniformemente a esta temperatura, después apagar el calor y enfriar la carga lentamente en el horno. Esto no es un recocido, y cuando la forja esté fría debe ser recocida como se indica abajo. Normalizado. El normalizado es recomendable y no es necesario des¬ pués de ser enfriado en el horno como se describió antes. Recocido. Para el recocido el acero debe ser empacado ya sea en un contenedor adecuado, usando como compuesto de empaque neutro, o coloca¬ do en un horno de atmósfera controlada. Calentar uniformemente de 1 550° a 1 600°F (843° a 871°C) y enfriar muy lentamente en el horno a una velo¬ cidad no mayor de 30°F (16.7°C) por hora hasta que el horno esté negro. El homo puede entonces apagarse y dejar que se enfríe naturalmente. Esto producirá una dureza Brinell 241. Para quitar tensiones de maquinado para una mayor precisión en el templado, — primero desbastar, luego recocer por abajo del punto crítico de 1200°F a 1250CF (649° a 677CC) un mínimo de una hora a esta tempera¬ tura y enfriar lentamente, después terminar el maquinado. Temple. El acero rojo-tenaz puede ser tratado con aire o con aceite. Puede ser templado sin peligro de descarburaciones en un baño de sal neutro o en un horno de atmósfera controlada. Las atmósferas endotérmicas deben ser mantenidas con un punto de rocío entre -f- 40° a 55°F (-(- 4o a 13°C). Para el tratamiento con aire, calentar el horno de 1 850“ a 1 875“F (1010“ a 1024°C), luego colocar la herramienta directamente en el horno caliente cerca del termopar. Dejar calentar la herramienta naturalmente hasta que se iguale uniformemente al color del termopar. Remojar 20 minutos, más 5 mi¬ nutos adicionales por pulgada de grueso, y luego enfriar en aire.

304

Propiedades, tratamiento térmico

y pruebas

de los aceros para herramientas

TABLA 12-23. Efectos de la temperatura de revenido sobre la dureza. Templado en aire de 1875°F (1024°C) o templado en aceite de 1 850°F (1010°C) (revenido 1 hora a esa

temperatura) Dureza Rockwell

Temperatura de revenido

°F

°C

Tratado en aire o aceite 51/53 51/53 51/53 51/53 52/54 52/54 51/53 49/51 45/47 39/41 31/33 28/30

Endurecido 316 600 800

900 950 1 000 1 050 1 100 1 150

1 200 1 250 1 300

427 482 510

538 566 593 621 649 677 704

Cuando el acero rojo-tenaz se trata con aceite, seguir el mismo procedi¬ miento recomendado arriba pero bajar la temperatura a 1825° ó 1850°F (996° ó 1010°C). Revenido. El efecto de la temperatura de revenido en el templado del acero rojo-tenaz se muestra en la tabla 12-23.

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T

T

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320

780

240

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40

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Fig. 12-58.

Resistencia a la tensión.

«

56

DUREZA

37

ROCKWELL C

16

Propiedades y tratamiento térmico de los 12 aceros del conjunto coordinado

305

Nota: Estas pruebas de dureza se hicieron sobre una sección de 1-5/8 p)g (4.13 cm) de diámetro por 6 plg (15.24 cm) de largo. Los valores de la

dureza variarían. Debe destacarse que la dureza máxima se logra reviniendo a 1 000°F 280

240

§ X

5

700

160

120

80

40

0 64

56

48

32

40

DUREZA

-

16

24

Fig. 12-59.

Resistencia de cedencia

0.2%.

ROCKWELL C

60

T

T

T

T

50

40

O

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30

V

20

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Fig. 12-60.

T

T

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Reducción de área.

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DUREZA

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ROCKWELL C

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Fig. 13-3. Microestnictura de un acero de alta velocidad M2 en¬ durecido a 2000°F (1102°C)

Fig. 13-4. Microestructura de un acero de alta velocidad M2 en¬ durecido a 2 150°F (1186°C) 1000 X.

1000 X.

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Fig. 13-5. Microestructura de un acero de alta velocidad M2 en¬ durecido a 2250°F (1242°C) 1000 X.

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Fig. 18-2.

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.010"

.002"

Escantillón (de Shepherd) para medir el valor de P.

Así, las características aparecen de la siguiente forma:

568

/9864

12

Cuando todos los resultados no son números enteros, puede aparecer de la siguiente manera: 5 Vi

6

8 Vi

13

/

8%

8 Vi

7Vi

5

Aquí termina la cita del artículo del Sr. Shepherd; los comentarios a continuación son del autor: El método anterior proporciona pruebas de templabilidad y de timbre de extrema exactitud; además, proporciona números por medio de los cuales pueden registrarse las características del tamaño de grano de fractura. Su única limitación, muy importante, es que, debido al diámetro reducido de la muestra utilizada, sólo se puede adaptar a los aceros al carbón de endureci¬ miento superficial. Los aceros con mayor penetración, se endurecerán a través de una sección circular de 3A plg (19 mm) aproximadamente y no es posible una medida precisa de penetración de dureza. Cuando se templa a elevada temperatura el endurecimiento es total. En consecuencia, excepto para los aceros de endurecimiento superficial, la especificación del acero para herra¬ mientas, que incluya pruebas P-F, debe ser acordada con claridad entre el distribuidor y el consumidor. Los consumidores que no forjan, normalizan, o le dan un tratamiento al aceite a su acero al carbón para herramientas, después de comprado, sino que simplemente maquinan las herramientas y después las endurecen, no deben usar normalizado (o tratamiento en aceite) en la prueba del timbre. Estos usuarios sólo quieren saber si el nuevo envío de acero se comportará normal¬ mente en el templado, endurecimiento, y harán la prueba del timbre del mate¬ rial tal como llegue. Pero se debe tener cuidado de que se le dé un tratamiento preliminar en aceite, antes de que el endurecimiento final afecte la penetra¬ ción, el efecto preciso depende del contenido de carbono. En aceros de menos de 0.95% de C, el tratamiento preliminar profundizará la penetración, mien¬ tras que en aceros de más de 0.95% de carbono la penetración será super¬ ficial. Si las pruebas se hacen en el material tal como se recibe, se tendrá

i

396 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

que dejar un margen si se han de comparar con pruebas hechas por el método normal. Es importante hacer énfasis en que ningún fabricante de herramientas entre cien tiene algún interés en pedir al productor de aceros le suministre un acero con un tamaño especial de grano, pero sí estará interesado en esta porpiedad de su acero a fin de no recibir aceros de grano revueltos de todo tipo de tamaño. La protección contra tal revoltura se asegura por la prueba simple descrita en el Capítulo 4. Esta prueba a 1 500°F (850°C), es tan efec¬ tiva como la prueba P-F completa para distinguir el timbre grueso del fino, y da una indicación razonable de la penetración de la dureza. LA PRUEBA SHEPHERD DEL DISCO

Una prueba de templabilidad conveniente para acero al carbono para herra¬ mientas, primeramente descrita por B.F. Shepherd,1 consiste en cortar discos con 1/32 plg de espesor de diferencia de la barra que se va a probar, por ejemplo, 10/32 plg, 11/32 plg, 12/32 plg, etc. (no pueden aplicarse equiva¬ lentes métricas). Es importante la medida precisa de los discos, ya sean ma¬ quinados o rectificados. Una serie de estos discos se enfrían en salmuera o en chorro de agua desde la temperatura deseada, luego se cortan a la mitad transversalmente con un disco abrasivo muy delgado, las secciones se sumer¬ gen en una solución de 1:1 de ácido clorhídrico o muriático por alrededor de 5 min a una temperatura de 160°F (72°C) para determinar la profundi¬ dad de la dureza. Una serie de estas secciones se muestra en la figura 18-3. La templabilidad se establece como el mínimo espesor en un disco de 1/32 plg, que muestre un núcleo definido que no se haya endurecido. En la figura 18-3, ya que el disco de 11/32 plg no muestra un núcleo definido, mientras que el de 12/32 plg sí, su templabilidad se clasificará como 12. Nótese que esta prueba cae en el segundo grupo, los que están basados en el tamaño de la sección que apenas se endurece a través de la pieza. LA PRUEBA DE TEMPLE EN EL EXTREMO (JOMINY)

La prueba de templabilidad llamada prueba de temple en el extremo, descrita inicialmente por W.E. Jominy,2 aunque en principio se utilizó en aceros alea¬ dos para la construcción, ha hallado cierta aplicación en los aceros para herramientas. La barra de prueba utilizada en un cilindro de 1 plg (25.4 mm) de diámetro por 4 plg (10.2 cm) de largo, con los extremos aplanados por maquinado. Esta muestra se calienta hasta la temperatura de temple, después se sostiene verticalmente sobre un chorro de agua a presión que sólo 1

Shepherd, B.F.: Hardenability of Tool Steels. (Templabilidad de aceros para he¬

rramientas.) Trans. A.S.M. 17:90, 1930. 2 Jominy, W. E.: Hardenability Test for Carburizing Steels. (Una prueba de tem¬ plabilidad para aceros carburizados.) Trans. A.S.M. 26:574, 1938.

Prueba de templabilidad y timbre 397

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Fig. 18-3. Prueba del disco de Shepherd. Secciones de discos de varios es¬ pesores de acero al 1.05% de carbono, templados en salmuera a 1450°F (794°C), seccionados y atacados.

moja el espécimen en un extremo, sin tocar los costados. En esta prueba el efecto del tamaño y forma del espécimen se eliminan, y se obtiene una indi¬ cación veraz de la penetración o “templabilidad”. La prueba ahora normali¬ zada se realiza como sigue: Se coloca un tubo vertical con un orificio de Vi plg (12.7 mm) de diᬠmetro con una válvula para controlar el flujo de agua, para que la altura libre del chorro sea 2Vi plg (63.4 mm) por encima del orificio. Al tubo se le adapta también una válvula de acción rápida sobre la válvula de control de la presión. Se usa agua pura a una temperatura de 75°F (24°C). La muestra se calienta hasta una temperatura de temple apropiada, se saca del horno y se coloca verticalmente sobre el orificio de tal manera que el extremo que será tratado esté Vi plg arriba del orificio (Figura 18-4). Entonces se apli¬ ca el chorro abriendo la válvula de acción rápida y se trata el extremo por no menos de 10 minutos, después de los cuales todo el espécimen se enfría si no está totalmente frío. Se esmerilan longitudinalmente dos planos de 0.015 plg (0.38 mm) de profundidad en caras diametralmente opuestas de manera que la determinación de la dureza Rockwell pueda hacerse en toda la longitud del espécimen. Puesto que únicamente se templa el extremo, la dureza desde la superficie tratada hacia atrás sería la misma que si se tratara de un gran bloque que ha sido templado únicamente sobre una cara y seccionado su interior. La gráfica de las lecturas de dureza es una curva como la ilustrada en la figura 18-5, la cual muestra la dureza Rockwell a varias profundidades bajo la superficie.

398

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

;

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-2

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U

Fig. 18-4. Prueba de templado en el extremo para probar la penetración de la dureza. Muestra un espécimen siendo tratado y otro a punto de ser colocado sobre el orificio.

La curva puede ser interpretada y utilizada de diferentes maneras. El dirección, se define como medida de la profundidad de penetración. En aceros al alto carbono esto ocurre alrededor de Rockwell C 55. Determinando previamente la rapidez de enfriamiento de la pieza de prueba, a diferentes distancias del extremo, es posible asignar a este punto una velocidad de enfriamiento la cual es, por supuesto, la velocidad crítica de enfriamiento del acero. Especificando la templabilidad de aceros de construcción aleados con base en la prueba de temple en el extremo, se especifica generalmente la dureza Rockwell mínima sobre la superficie y a cierta profundidad definida bajo ésta. Se debe notar que todas las pruebas de templado en el extremo se hacen en agua independientemente de que el acero que se va a probar sea para temple en agua o aceite. Se debe recordar, por lo tanto, que esta prueba, en un acero para temple en aceite, da únicamente una aproximación de cómo se comportará el acero cuando se enfríe y no muestra en realidad ni la penetra¬ ción ni la dureza que se pueden esperar. Probando esos aceros, es una ventaja expresar el resultado de la prueba en términos de la velocidad crítica de en¬ friamiento que, como hemos dicho, es una propiedad d cr : de! acero, independientemente del tamaño, medio de enfriamien.; etc Le curva ilus¬ trada en la figura 18-5 es de un acero para herramienta. . :r.em, para templar en aceite y muestra cómo se determine com i =— r labilidad en los aceros de endurecimiento en aceite. Los -es _ ados se etpraa siempre en velocidades críticas de enfriamiento en jr¿ió r punto A, donde la curva cambia de

-

Prueba de templabilidad y timbre 399 TASA DE ENFRIAMIENTO °F POR SEG. A 1 300°

ggggg g g 70 65

2
-

MiWrW "I I\

Fig. 21-6. Curva Tmiix. Efecto de la brillantez de la superficie en el tiempo de calentamiento. Acero agua-duro de l!í plg (3.81 cm) de diámetro, 3 plg (7.62 cm) de largo —termopar al centro. Calentado en horno eléctrico de mufla —atmósfera quieta por debajo del punto crítico-,atmósfera controlada por encima del punto crítico.

que se probaron en muchas otras condiciones posibles naturales (o a propó¬ sito). Algunos de los datos más importantes se dan en la tabla 21-2. Estos valores de tiempo son útiles para compararlos con otros, pero ellos no se pueden transferir al pie de la letra a todo taller de temple porque puede ser que los hornos tengan condiciones diferentes a los que se utilizaron para obtener estos datos. Sin embargo, es probable que estas mismas relaciones se mantengan en algún homo. Aquí se reúnen las condiciones de los datos anteriores: 1. Las condiciones de superficie no producen diferencias en la veloci¬ dad de calentamiento a menos que esté usándose alguna forma de calor radiante.

446

Temas avanzados on el campo del acero para herramientas

TABLA 21-2. Efecto de acabado de superficie en el tiempo de calentamiento. Acero duro al agua llí plg (3.81 cm) de diámetro, 3 plg (7.82 cm) de largo —calentado en un horno eléctrico—, termopar al centro de la pieza

Tiempo total de calentamiento a

Tipo de superficie

800°F (atmósfera común)

Altamente pulida

Esmerilado No. 36 de esmeril. . Acabado por maquinado Maquinado de desgaste

....

Roscado Arenado

En baño de ácido muriático 1:1 Revenido opaco a 800°F Escamado a 1400°F

80 mins. 60 60

65 65 55 45 45

50

Tiempo total de calentamiento a 1450°F (atmósfera controlada) 38 mins. 36 36 36 36 36 34

36 34

2. Aun con calor radiante, la condición de la superficie se puede igno¬ rar en el temple porque a estas temperaturas las diferencias son muy pe¬ queñas. 3. En el intervalo de bajas temperaturas del revenido, terminación del templado (sólo cuando se usa el calor radiante), el acabado de la superficie sí influye en el tiempo de calentamiento; mientras más brillante sea la super¬ ficie, más tiempo debe calentarse. 4. Como el 99% de todo el revenido a baja temperatura se hace con herramientas que han perdido el color en el templado, las herramientas ab¬ sorberán el calor radiante a la velocidad más rápida. 5. Acerca de la única vez que este hecho es importante, sería cuando una herramienta que ha sido acabada por esmerilado regrese al taller de tem¬ ple para volverlo a retemplar. En tales casos (si se está usando un horno de aire quieto caliente) utilice alrededor del doble del tiempo normal para que la herramienta alcance la temperatura y así esté perfectamente seguro. No ol¬ vide añadir el tiempo de “remojo” al máximo de ésta. ¿Cómo influye el tamaño de una pieza de acero en el tiempo requerido para calentarla?

Obviamente le toma mucho más tiempo calentarse a una pieza grande que a una pequeña; la pregunta es, “¿cuánto más?” Suponga que tenemos un horno lo suficientemente grande para este propósito, calentado a 1450°F (788°C), y colocamos en el hogar del horno las siguientes piezas: 3A plg (19.1 mm) de diámetro X 2 plg 3 plg (7.62 cm) de diámetro X 6 plg (50.8 mm) de largo. (15.2 cm) de largo. 1Vi plg (3.81 cm) de diámetro X 3 plg 6 plg (15.2 cm) de diámetro X 12 plg (7.62 cm) de largo. (30.5 cm) de largo.

Tiempo de calentamiento del acero para herramientas

447

Suponga, además que hay un termopar insertado en el centro de cada pieza, y que todos éstos están conectados a un pirómetro registrador de cuatro puntos. La gráfica que obtendríamos se ilustra en la figura 21-7. Cada una de las cuatro curvas se marca en el punto donde esa pieza de acero en particu¬ lar llega a la temperatura del horno. Se verá que la pieza de 1V4 plg 03.81 cm) de diámetro le toma el doble que a la de % plg (19.1 mm) de diámetro; a la de 3 plg (7.62 cm) el doble que a la de 1Vi plg (3.81 cm); y la de 6 plg (15.2 cm) de diámetro, duplica otra vez el tiempo. Esto muestra que el tiempo requerido para calentar un cilindro sólido es directamente pro¬ porcional a su diámetro. Si repitiéramos esta prueba a muchas temperaturas diferentes del horno, encontraríamos que para cada temperatura se aplica la GRADOS FAHR

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Fig. 21-8. Tiempo requerido para calentar barras mientas agua— duro.

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Fig. 21-10. Templado en paquete. Efecto del material de empaque en la ve¬ locidad de calentamiento. Calentamiento del acero para herramienta resistente al desgaste en aceite, de 1 plg (25.4 mm) de diámetro —termopar en el centro del acero-, empacado en tubo de hierro 3 plg (7.6 cm) con los extremos tapados.

Tiempo de calentamiento del acero para herramientas

457

TABLA 21-8. Tiempo necesario para calentar un paquete de 3 plg (7.6 cm) de diámetro.

Contenido: acero para herramientas aceite-desgaste de 1 plg (25.4 mm) de diámetro —termopar al centro de acero. Temperatura del horno 1780°F (971°C).

Material de empaque

Prácticamente caliente

Completamente caliente

1 h, 30 min

2 h, 00 min

1 h, 00 min

1 h, 30 min

1 h, 30 min

1 h, 00 min

1 h, 00 min

1 h, 30 min

Carbón vegetal o animal nuevo del tamaño de un cacahuate y más

pequeño Carbón vegetal o animal nuevo —ta¬ maño mayor que un cacahuate ... Carbón vegetal o animal "usado” —del tamaño de un cacahuate y más pequeño Rebabas nuevas y limpias de hierro

.

fundido

No se observó ningún “calentamiento espontáneo” dentro del paquete. Se hizo un esfuerzo por provocar el calentamiento espontáneo si era posible. Se preparó un paquete de carbón, y se hicieron dos agujeros de % plg (9.5 mm) de diámetro en las cubiertas de cada extremo. La atmósfera del horno trabajó con 8% de oxígeno para ayudar a la combustión del carbón pero nada pasó. En ningún caso fue posible provocar que el interior del paquete se pusiera más caliente que el horno. No estamos olvidando que tales calenta¬ mientos espontáneos han sido reportados, pero simplemente debemos regis¬ trar el hecho de que nosotros no pudimos hacer que esto pasara con los materiales usados en particular y a esta temperatura. Estados seguros de que el operador no necesita preocuparse por el calentamiento espontáneo si él no calienta su horno por encima de 1800CF (982°C), y usa uno de los dos materiales de empaque recomendados. Como una indicación útil para los operadores, puede evitarse que las rebabas de hierro fundido se peguen a la herramienta envolviendo a ésta en papel de estraza grueso antes de colocarla en el paquete. El papel se carboni¬ zará y prácticamente desaparecerá cuando la herramienta calentada sea saca¬ da para templarla y al mismo tiempo evitará que las rebabas de hierro fun¬ dido se adhieran a la superficie de la herramienta.

—

¿Cuáles son los efectos del tamaño del paquete? Cualquier respuesta a la pregunta de cómo afecta el tamaño del paquete al tiempo requerido para calentar debe ser necesariamente aproximada. El tubo usado en la figura 21-10 fue de 3 plg (7.6 cm) de diámetro. Se hizo

458 Temas avanzados

en

el campo del acero para herramientas

una prueba similar usando un tubo de 6 plg (15.2 cm) y los valores del tiempo en la tabla 21-9. Hemos visto que una pieza sólida de acero de 6 plg (15.2 cm) de diáme¬ tro requiere exactamente el doble del tiempo para calentarse que una pieza sólida de 3 plg (7.6 cm) de diámetro. En estos empaques de tubo, no estamos tratando con piezas sólidas de acero pero aún así, una comparación de las tablas 21-8 y 21-9 muestra que el paquete de 6 plg (15.2 cm) se calienta completamente en aproximadamente el doble del tiempo requerido para el tubo de 3 plg (7.6 cm). Lo que parece aún más sorprendente es el hecho de que el tiempo requerido para calentarse los últimos 20°F (11°C) (esto es, la diferencia entre “prácticamente caliente” y “completamente caliente”) es, aproximadamente, el mismo para ambos tamaños de tubo es decir, 30 minutos. Por lo tanto, parece que estos valores de tiempo podrían servir para algún propósito útil en el taller de temple; como una guía burda para el tiempo de calentamiento de los paquetes deben tenerse en mente las siguientes variables: Circulación de gas (ver la figura 21-9). Estas muestras se obtuvieron en un horno eléctrico de mufla de atmósfera controlada. En un homo ali¬ mentado por gas o por aceite se espera que el contenedor se caliente más rápido, y en uno eléctrico de mufla de atmósfera “quieta” algo más lento. Tenga en mente, sin embargo, que los gases circulantes en el horno no pueden influenciar el tiempo para “esos últimos 20°F (11°C)” porque en esta etapa el contenedor está completamente caliente, y los gases del horno no pueden ayudar a transferir con rapidez el calor a través del paquete. Forma del contenedor (ver la tabla 21-4). Se supone que la forma de la caja tendría aproximadamente el mismo efecto que en las piezas sólidas. También es probable que una caja larga y cuadrada (si se levantara del piso del homo) se calentaría con la misma velocidad que un tubo cilindrico largo. Las caías pequeñas y chaparras deben calentarse como los cubos y esferas.

—

TABLA 21-9. Tiempo necesario para calentar un paquete de 6 plg (15.2 cm). Contenido', acero para herramientas al alto carbono, alto cromo de 1plg (25.4 mm) de diámetro — termopar al centro del acero.

Temperatura del homo 1780°F (971°C).

Material de empaque

Carbón nuevo —del tamaño de un cacahuate y más pequeño Carbón "usado" —del tamaño de un cacahuate y más pequeño Rebabas nuevas y limpias de hierro fundido

Prácticamente caliente

Completamente caliente

3 h, 40 min

4 h, 20 min

3 h, 40 min

4 h, 20 min

2 h, 30 min

2 h, 50 min

Tiempo de calentamiento del acero para herramientas

459

¿Cuáles son los efectos químicos de los materiales de empaque? Hasta aquí, el carbón vegetal o animal y las rebabas de hierro fundido han sido comparados sólo por su relativa rapidez de calentamiento con la ventaja de tiempo en favor del hierro fundido. Sin embargo, todavía hay otra diferencia entre estos dos materiales de empaque. El templado en paquete a alta temperatura tiene una suave acción carburante. Si tomamos las cuatro piezas de acero aceite-desgaste usadas para dibujar las curvas en la figura 21-11 y analizamos el carbono en una capa de 0.007 plg (0.177 mm) de espesor desprendido de la superficie de las piezas, obtenemos los resultados mostrados en la Tabla 21-10.

—

TABLA 21-10. Efecto carburante de los materiales de empaque. Analizando

capa de 0.007 plg (0.177 mm) de espesor desprendida de la superficie

una

Material de empaque

Carbón vegetal o animal nuevo —del tamaño de un cacahuate y más pequeño Carbón vegetal o animal nuevo —más grande que un ca¬

cahuate Carbón vegetal o animal "usa¬ do” del tamaño de un ca¬ cahuate y más pequeño .... Rebabas limpias y nuevas de hierro fundido

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0.12%

Este efecto carburante es, por supuesto, máximo en la superficie de la herramienta y gradualmente va disminuyendo. Sea que haya o no alguna ven¬ taja con un excesivo aumento de carbono, es algo que cada usuario debe determinar por sí mismo. Es posible que pueda ser benéfico sobre la super¬ ficie pulida de un dado de estirado y perjudicial en las esquinas agudas de un dado de recorte. En todo caso es una de las propiedades del material de empaque que el templador debe conocer. ¿El análisis de un acero afecta la velocidad con la cual se calienta? Para contestar esta pregunta es necesario discutir aceros específicos con análisis conocido. El trabajo reportado se hizo en el laboratorio Carpenter sobre los aceros para herramientas Carpenter. Ya que la conductividad térmica de todos los aceros para herramientas es casi la misma no hay diferencia en la velocidad de calentamiento abajo de la temperatura crítica. En la figura 21-11 se dan las curvas de la temperatura

460

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

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Fig. 22-1. Curva de dila¬ tación de un acero para he¬

rramienta agua-duro.

464 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

queñas partículas de “carburo”, y sin importar qué tan rápida o lentamente pueda ser enfriado de 1 250 °F (677°C) a la temperatura ambiente, el acero estará en condición de recocido. Si la pieza en lugar de ser enfriada lentamente desde arriba del intervalo crítico, es templada en salmuera, la curva de enfriamiento del acero para pasar de 1 300° a 1 100°F (704° a 543°C) es tan rápida que la transforma¬ ción crítica no tiene oportunidad de ocurrir. Será interesante en éste punto recalcar el concepto de la “velocidad de barrera” o “velocidad crítica de tem¬ plado” del Capítulo 4. Dijimos en esa discusión que a alrededor de 1100°F (593°C) existe una barrera imaginaria a través de la cual el acero debe en¬ friarse rápidamente para asegurar el endurecimiento. Dijimos también que esta barrera tiende a cerrarse y a evitar el endurecimiento del acero, y que la velocidad con la que tiende a cerrarse está determinada por el anᬠlisis del acero, y por la adición de ciertas aleaciones que tienden a frenar la velocidad límite como en el caso de los aceros de temple en aceite y en agua. Denominamos esta velocidad “velocidad crítica de templado” del acero y dijimos que por lo tanto para poder endurecer o templar un pedazo de acero, es necesario enfriarlo desde 1 100°F a 1 300°F (593° a 704UC) con mayor rapidez que la velocidad crítica de templado. Además dijimos que, habiendo enfriado suficientemente rápido desde arriba de la temperatura límite, el acero “tiende a endurecer”, pero en realidad comienza a endurecer hasta que alcan¬ za más o menos 450°F (232°C). Siguiendo la línea punteada en la figura 22-1 se verá que la expansión comienza en este punto y continúa hasta que se completa el endurecimiento. Durante esta expansión, la solución de “austenita” es relativamente suave, cambia a una estructura más dura y menos densa. Esta estructura siempre se forma cuando el acero para herramientas es endure¬ cido adecuadamente, y se conoce como “martensita”. Cambios subcríticos en el temple. El acero para herramientas presenta una condición muy interesante cuando su temple se interrumpe entre los 1 100°F (593°C) y alrededor de 500UF (260°C). Como aún no ha endure¬ cido puede doblarse con un martillo. Ya que definitivamente tiende a endure¬ cer, y así ocurrirá, aunque pueda mantenerse a 500°F (260°C) durante un tiempo considerable y luego enfriarse. Durante muchos años los templadores de limas y otras herramientas largas aprovecharon este hecho, enderezaron estas herramientas interrumpiendo el temple, ejecutando la operación de en¬ derezamiento a más de 500°F (260°C), y luego permitiendo que la herra¬ mienta se enfriara y endureciera. Debido a la falta de información acerca del comportamiento del acero en este intervalo, se hizo poco uso de este principio hasta que un artículo publicado en 19281 comenzó una serie de estudios que han aumentado mucho nuestros conocimientos de los llamados cambios “sub¬ críticos” en el temple. Los autores de este artículo escogieron acero de alta velocidad para su estudio, ya que debido a su lenta velocidad crítica de tem¬ ple, podían enfriar en aire y observar los cambios abajo de la temperatura “crítica”, en “cámara lenta”. 1 DeLong, B. H. y Palmer, F. R.: VVhat Happens When High Speed Steel is Quenched? (¿Qué pasa cuando se templa el acero de alta velocidad?) Trans. A.S.M. 13:420, 1928-,

Templado y revenido

465

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Fig. 22-2.

revenido.

Dureza Brinell del acero de alta velocidad durante el temple y

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La Fig. 22-2 fue construida mediante el calentamiento de una pieza de acero de alta velocidad a 2 300°F (1260°C), conduciéndola a un probador Brinell de dureza y haciendo una serie de pruebas Brinell de dureza al irse enfriando la pieza. Se incrustó un pirómetro eléctrico en la pieza para que su temperatura se pudiera medir al mismo tiempo que se determinaba cada grado de dureza. El progreso del endurecimiento se puede observar en el diagrama localizado en la esquina inferior izquierda y siguiendo las flechas punteadas. La primera determinación de la dureza se hizo a alrededor de 1 600°F (871°C) y mostró una dureza Brinell de aproximadamente 160. Cuando la pieza se había enfriado a 800°F (427°C) la dureza era de 220. (Dureza aproximada del acero de alta velocidad, recocido.) Al enfriarse a menos de esta tempe¬ ratura comenzó el endurecimiento y después de pasar los 450°F (232 °C) la dureza aumentó rápidamente hasta que a los 200°F (93 °C) alcanzó 720 Brinell. El endurecimiento fue completo, y no hubo más cambios al enfriarse hasta la temperatura ambiente. Se puede argumentar que la suavidad a los 800°F (427°C) se debió a que el acero estaba caliente y por ello más fácil de moldear. Esto puede investigarse recalentando la misma pieza a 1 100°F (593°C), que es una temperatura normal de revenido del acero de alta velocidad. Esta operación se indica por las flechas en la parte superior de la curva. Después se quitó la pieza del horno se hizo otra serie de pruebas de dureza Brinell al irse enfrian¬ do hasta la temperatura ambiente. Estos valores se muestran en la raya continua de la parte superior de la curva. Si bien es cierto que cuando el acero está caliente es menor su dureza

466

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

[Brinell 480 a 1 100°F (593°C), comparada con Brinell 720 a la tempera¬ tura ambiente], y si esta dureza Brinell 480 se compara con la Brinell 210, la dureza mostrada en la curva inferior, cuando el acero se ha enfriado a 1 100°F (593°C), debe de ser evidente que el acero todavía no se había endurecido en el momento que se dibujó la curva inferior. La curva superior sugiere qué tanto de la dureza que se muestra en la curva inferior, cuando el acero se ha enfriado por debajo de los 1100°F, se debe al descenso de tem¬ peratura, y cuánto se debe a un cambio estructural. Al examinar las dos curvas vemos que son sensiblemente paralelas hasta los 450°F (232°C), indicando que el endurecimiento estructural comenzó a alrededor de 450°F (232°C). Es interesante notar que con métodos refinados, que se han des¬ arrollado posteriormente, colocan este punto a los 430°F (221°C). Por lo tanto, el acero de alta velocidad, tiende a endurecer a los 1 300°F (704°C). En realidad comienza su endurecimiento a los 450°F (232°C). Entre estas 2 temperaturas existe un intervalo en que el acero está en la mis¬ ma condición “crítica” que el acero al carbono cuando se interrumpió su temple a 500°F (260°C) que, tendiendo a endurecer aún no lo ha realizado. Una descripción más amplia del comportamiento del acero de alta velocidad durante el endurecimiento se encuentra en el Capítulo 13. La Curva “S”. Ya que el método que se acaba de describir sirvió para el estudio del acero de alta velocidad en esta zona de cambio o “subcrítica”, por supuesto no se podría usar para templar con aceros en agua o en aceite. Investigadores subsecuentes encontraron un método apropiado, en el cual se templa rápidamente en un baño caliente a una temperatura definida, manteniéndose a esta, temperatura hasta que la “austenita” comenzó a trans¬ formarse o cambió a otro constituyente, anotando la magnitud exacta del tiempo requerido desde el instante del temple al momento preciso en que comenzó a transformarse, continuando a la misma temperatura y anotando el tiempo que tomó para completarse la transformación. Templando a dife¬ rentes temperaturas toda la trayectoria desde lá temperatura crítica hasta la temperatura ambiente se puede hacer la gráfica, una curva que muestra en tiempo necesario desde el principio hasta la terminación de la transforma¬ ción, a cada temperatura. En la figura 22-3 se muestra una curva, como la descrita para el acero al carbono. En virtud de su forma ha sido designada como curva “S”, pero a menudo se le nombra curva “TTT” que significa

“Tiempo, Temperatura, Transformación”. Obsérvese en la gráfica de la curva que la escala de tiempo horizontal se incrementa muy rápido a la derecha. Esto es porque el tiempo requerido para la transformación a algunas temperaturas es tan largo que la escala se ha condensado para obtener la curva entera en una gráfica. La curva muestra que si se templa y mantiene la temperatura en un baño caliente a 1100°F (593°C), la transformación empezará casi inmediatamente y terminará en un tiempo aproximado de tres segundos, saldrá algo de carburo de la solu¬ ción como lo hace en el recocido. El acero por lo tanto tendrá un incremento muy pequeño en dureza. Si se templa y mantiene a 600°F (316°C), la trans¬ formación tarda en empezar un minuto y ésto se completará en alrededor de 10 minutos. Si se realiza la transformación completa, el acero se endurecerá

Templado y revenido

467

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TIEMPO EN SEGUNDOS

Curva “S” de acero al carbono de 1.02 mostrando el tiempo a varias temperaturas, después templado desde 1450°F (788°C) y manteniéndose a esas temperaturas. Fig. 22-3.

requerido para la transformación

algo más, pero no alcanzará toda la dureza posible, ya que el carburo ha salido de la solución. Si se templan a 350°F (117°C) ocurre parte de la transformación inmediatamente después de cruzar la línea de 400°F (204°C), pero si el acero se mantiene a esa temperatura, la transformación sólo se podría completar después de un tiempo extremadamente largo. Es muy importante hacer notar que el constituyente, que empieza a formarse cuando el acero pasa la línea de los 400°F es la martensita, y esta temperatura es, por lo tanto, conocida como el “punto Ms” de un acero en particular, y corresponde al punto de inicio de formación de la martensita. Si el lector observa la figura 22-1 verá que este punto Ms corresponde aproximadamente al punto sobre la línea punteada donde empieza la expansión. Si se observan las figuras 22-1 y la 22-3 al mismo tiempo se verá que cuando el acero se enfría desde cerca de los 400°F (204°C) hasta la temperatura ambiente, se forma más y más martensita y al mismo tiempo el acero se expande porque la martensita ocupa más espacio que la austenita,de la cual se formó. A tem¬ peratura ambiente, aproximadamente el 100% de la estructura del acero es martensita, cualquier remanente será austenita retenida, y el acero ha endure¬ cido totalmente. Es importante notar aquí que la rapidez de enfriamiento des¬ de los 400°F (204°C) no afecta la dureza final. Recuerde que dijimos que

468

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

el acero tiende a endurecer de manera que el enfriamiento desde 400°F (204°C) a la temperatura ambiente puede ser retardado si se desea, sin dis¬ minuir la dureza final. Ya que las curvas “S” de todos los aceros son de la misma forma general, sólo difieren en detalles dependiendo de la composición. La que hemos des¬ crito es para acero templado en agua. Cuando se agregan aleaciones, éstas incrementan la templabilidad, la curva se mueve a la derecha, indicando esto que todas las transformaciones requieren más tiempo. En tales aceros es particularmente importante notar que la nariz de la curva cercana a 1 100°F (593 °C) se mueve más lejos de la línea del cero, permitiendo un enfriamien¬ to más lento a esa temperatura sin transformación. Esta es otra forma de decir que las aleaciones disminuyen la velocidad crítica de enfriamiento. Las alea¬ ciones también afectan la temperatura a la cual ocurre la “nariz”, así como la temperatura Ms. Como se ha visto la temperatura Ms para el acero de alta velocidad es de 430°F (221°C). Tomemos ahora una vista general de la curva “S” (Fig. 22-3), nótese que la llamada nariz de la curva, cercana a 1100°F (593°C) corresponde a nuestra temperatura “crítica”, temperatura desde la cual nosotros debemos enfriar muy rápidamente durante el temple y a la cual el acero tiende a endu¬ recer. Después del enfriamiento abajo de esta temperatura es obvio, según la curva, que el acero puede ser enfriado mucho más altamente o aun mantenerse a alguna temperatura constante sin cambio. Cuando enfriamos hasta el punto Ms a alrededor de 400°F (204°C) y luego se continúa enfriando, el endure¬ cimiento se produce por la transformación de la estructura a martensita. Por lo tanto, se ven claramente definidos los dos pasos en el templado: primero, el enfriamiento rápido desde 1 300° a 1100°F (704° a 593°C), y segun¬ do, el endurecimiento subsecuente desde alrededor de 400°F (204°C). Nótese ahora que cada uno de los pasos introduce su propio riesgo. En un acero de temple al agua el enfriamiento extremadamente rápido hasta 1 100°F (593°C) desarrolla esfuerzos internos debido a que la' pieza de acero es llevada de 1 450°F (788°C) a 1 000°F (538°C) —del rojo al negro en cuestión de segundos. Habiendo pasado a través de esta etapa, el acero encontrará en seguida la segunda etapa de enfriamiento desde 400°F (204°C) hasta la temperatura ambiente, en el cual ocurre una rápida expan¬ sión cuando el acero es completamente rígido. A través del primer paso, si no se controlan los esfuerzos, pueden causar deformaciones. A través del segun¬ do paso y bajo ciertas circunstancias, si no se controlan los esfuerzos pueden causar fracturas. Estas dos etapas se deben tener persentes durante la siguiente discusión.

—

LEYES QUE GOBIERNAN EL TEMPLE Hay cuatro leyes fundamentales de templado que deben ser conocidas y en¬ tendidas. Las leyes son completamente sencillas.

1. El acero es más fuerte frío que caliente.

Templado y revenido

469

Todos sabemos que el acero es más fácil de doblar, formarse o defor¬ marse cuando está caliente. Por lo tanto, cuando el acero caliente se compara con el acero frío, el acero frío siempre gana. 2. El acero se dilata cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. Se ha visto esto en la figura 22-2. Empezando a la temperatura ambiente, el acero se dilata gradualmente hasta arriba de los 1 350°F (732°C), cuando será alrededor de 0.010 plg (0.254 mm) más largo por pulgada (25.4 mm) que cuando empezó. Aquí alcanza el punto crítico y mientras permanece a la temperatura crítica se contrae algo. Arriba de la temperatura crítica, continúa expandiéndose en una proporción mayor. En enfriamiento lento se contrae hasta que alcanza alrededor de 1 310°F (710°C), se expande mientras permanece a la temperatura crítica y luego se contrae hasta su tamaño original cuando alcanza la temperatura ambiente. 3. Algunos aceros para herramientas incrementan su volumen cuando se templan, endurecen. Esto es particularmente cierto para los aceros para herramientas templa¬ dos en agua. Ellos incrementan sus medidas en todas sus dimensiones, tal como el agua se expande cuando se congela. La línea punteada en la figura 22-1 muestra el curso aproximado que seguiría el acero si fuera templado en lugar de enfriado lentamente. Podría continuar contrayéndose (sin la inte¬ rrupción de algún punto crítico) hasta alguna temperatura en la vecindad de 500°F (260°C). Cuando se templa abajo de esta temperatura, se podría expander hasta tener finalmente cerca de 0.003 plg (0.076 mm) por pulgada más grande que cuando empezó la operación en condición de recocido.

4. Todos los aceros tienen las mismas propiedades elásticas cuando se tensionan abajo del límite elástico, sin importar la composición o el trata¬ miento térmico. Esto puede parecer imposible, pero sin embargo es cierto y puede ser demostrado por un simple experimento. La figura 22-4 ilustra un aparato simple que soportará una varilla en uno de sus extremos y permite que el extremo libre sobresalga, tal como una caña de pescar. Cuando se tomó esta fotografía, la varilla de la derecha era una pieza de acero para herramientas de alta velocidad, endurecida. La pieza de la izquierda, era una varilla de exactamente la misma medida, pero hecha de una barra de hierro suave, sería difícil encontrar dos muestras con diferencias tan grandes en análisis y en dureza. En el extremo libre de cada varilla se coloca un platillo para soportar pesos, la barra ligera de madera que se coloca en la parte superior sólo sirve para que el observador pueda realmente ver cualquier diferencia en la defle¬ xión cuando se añaden los pesos. La figura 22-5 muestra el mismo aparato después de que se colocaron pesos iguales en ambos platillos. Se observará que ambas varillas se han deflexionado igual, ellas continuarán mostrando la misma deflexión hasta que se coloque una carga suficientemente grande, de manera que una de ellas se llegue a deformar permanentemente. Obviamente esto sucederá primero

470 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

en la varilla de hierro blanda. La figura 22-6 muestra cómo cede finalmente la varilla de hierro cuando se añade suficiente peso. Esto no contradice la regla, porque cuando se quitan todos los pesos, como se muestra en la figura 22-7, la varilla de hierro blando ha quedado permanentemente deformada. Esta cuarta regla tiene tantas aplicaciones importantes en el campo de la ingeniería que se estudiará mejor posteriormente. Consideremos por ejemplo el árbol de una fresadora que puede medir 1V4 plg (3.18 cm) de diámetro por 10 plg (25.4 cm) de longitud. Cuando se corta bruscamente, produciendo viruta gruesa, el operador observa que el cortador salta del trabajo y tal vez hasta rechine. Para corregir el problema él pide un árbol de un acero aleado tratado térmicamente para alta tenacidad. Esto obviamente no es bueno por¬ que el nuevo árbol tendrá las mismas propiedades elásticas que el anterior. La única cosa que él puede hacer para obtener mayor rigidez, es incrementar el diámetro del árbol o disminuir su longitud. Si el árbol se hubiera deformado permanentemente en servicio, él podría corregir esto, usando un acero más resistente y de la misma medida. Todos los metales tienen una propiedad conocida como “módulo de elas¬ ticidad”. Para el acero, este valor es aproximadamente de 30 millones, para el cobre es de cerca de 15 millones y para el plomo es de solamente 2Vú mi¬ llones. Si se deseara pensar en este número como algo significativo, sería el número de libras por pulgada cuadrada necesarias para estirar el material elásticamente al doble de su longitud. Por supuesto, ningún metal soportará estas fuerzas sin romperse, pero pequeñas fracciones de carga operarán exac¬ tamente con ésta relación. Por ejemplo, 1/1000 de esta carga serían 30 000 lb/plg2 y si tal carga se colocara en un pieza de acero de 1 plg (25.4 mm) de longitud, se estiraría exactamente 1/1 000 plg (0.0254 mm).El cobre te¬ niendo la mitad del módulo del acero, se estirará o deflexionará dos veces bajo el efecto de la misma carga. En relación con esta discusión de templado es importante repetir que todos los aceros independientemente de su análisis o tratamiento térmico, se estirarán exactamente 0.001 plg por pulgada por el efecto de una carga de 30 000 lb/plg2 (0.0254 mm por mm bajo una carga de 2 110 Kg/cm2). La razón de la importancia de esto es que no hay otros medios para medir los esfuerzos internos en una pieza de acero para herramientas endurecido. Se pro¬ pone al lector visualizar una pieza de acero endurecido que mide exactamente 1 plg de longitud. Ahora se estira por un largo tiempo a una temperatura la cual es tan baja que la estructura de endurecimiento no se afecta. Volviendo a medir, se encontró que es de solamente 0.9999 plg de longitud. Obvia¬ mente, se liberó un esfuerzo de aproximadamente 30 000 lb/plgj2 sobre la sección transversal de la pieza.

ESFUERZOS INTERNOS INDUCIDOS POR EL TEMPLE

Será interesante seguir algunos experimentos de temple sencillos teniendo pre¬ sente lo anterior. Considere un bloque de acero de sección cuadrada con 30% de níquel de 1 plg (2.54 cm) y 3 plg (7.6 cm) de longitud, como el que se

Templado y revenido

471

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Figs. 22-4 a 22-7. (De izquierda a derecha y de arriba hacia abajo). Demos¬ tración de módulos de elasticidad (ver el texto).

472

Temas avanzados en el campo del acgro para herramientas

ilustra en la parte superior de la figura 22-8. El acero con 30% de níquel se usó porque este material no endurecerá y el endurecimiento es una cosa que debe ser evitada en este experimento. El bloque se calienta digamos a 1 400°F (760°C) y entonces se templa lateralmente en agua siendo sumergido a tra¬ vés de la superficie del agua muy lentamente. Cuando se inició el templado aparece la condición ilustrada en el esquema B. La carga del fondo, la cual entra al agua primero llega a ser negra y se contrae rápidamente. La cara su¬ perior está todavía al rojo y por lo tanto no quiere contraerse todavía. Aquí la parte de metal caliente es donde la regla 1 de temple empieza a operar entra en conflicto con la parte de metal frío, el metal frío tiende a contraerse y el caliente no— pero el metal frío tiende a modificar el calor de la parte su¬ perior del bloque. Estrictamente hablando cada capa modifica el calor de la caja justamente anterior. Después que el bloque se ha enfriado completamente, la cara superior tiene alguna contracción adicional por sí sola —pero debido a que fue modifi¬ cada mientras estaba caliente, la contracción es demasiado corta para afectar al resto déla pieza. Puesto que la cara del fondo está fría, la cara superior no puede deformarla y como se muestra en el esquema C, la pieza está alabeada en la cara superior. Este es uno de los mecanismos mediante los cuales el acero se deforma durante el templado. Aun si el experimento se hubiera hecho con acero para

—

A

CALOR UNIFORME

MODIFICACION DEL CALOR

B

ENFRIAMIENTO NO UNIFORME

CONTRACCION

ACORTAMIENTO-TENSION

Fig. 22-8.

C

Defor¬

mación causada por FRIO UNIFORME

un

templado no uni¬

forme de un bloque de acero con 30% de ALARGAMIENTO-COMPRESION

níquel.

Templado

y

revenido 473

herramientas y éste se hubiera endurecido, este mecanismo de deformación habría seguido actuando de la misma manera. Sobreponiéndolo se podrían obtener otros cambios, los cuales se discutirán posteriormente. Esto explica por qué las herramientas largas y delgadas se deben templar verticalmente —y no deben de ser agitadas circularmente en el baño. El objeto es enfriar com¬ pleta la sección transversal tan uniformemente como sea posible y así evitar una acción desordenada, lo cual puede suceder tan rápido como un pestañeo. Con el propósito de medir los esfuerzos internos en la pieza de metal descrita antes, ésta puede ser dividida a la mitad longitudinalmente con una sierra de manera de separar la mitad superior de la mitad inferior. La mitad inferior de la pieza puede tender a alargarse, debido al jalón de la parte superior que ha sido removida. La pieza superior puede tender a encogerse debido al efecto de contracción de la pieza inferior que ha sido removida. Ya que este movimiento sería enteramente elástico, no sería un trabajo difícil obtener cuánta carga ha sido necesaria para mantenerlos en la forma que no existan esfuerzos. Considerando otro experimento simple de templado, esta vez sobre un cilindro de 1 plg (2.54 cm) de diámetro y 3 plg (7.6 cm) de largo, como se ilustra en la figura 22.9. De nuevo se hace acero con 30% de níquel el cual no tiene punto crítico y no endurece, pero sin embargo está controlado por la ley No. 4 de templado. Esta pieza se calienta a 1 425°F (774°C) y luego templada de punta, de manera que se deforme lo menos que sea posible. Sin embargo, la superficie se enfriará más rápido que el interior de la pieza y, si se examina mientras el centro aún está caliente al rojo, la sección longitudinal se verá tal como se ilustra en el esquema B. La superficie se ha puesto negra y se está contrayendo rápidamente. El centro aún está caliente al rojo, pero

*

J SU

CALOS UNIFORME

i

3.000 plg |mO)

B

-ENFRIANDO-CENTRO MODIFICANDO EL CALOR

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FRíO UNIFORME

CENTRO

CORtg

-

-

IN TENSION

— 0.0005 plg DE CONFRACCION--| • Fig. 22-9. Efecto del templado con un cilindro de acero de

níquel templado en agua desde 1425°F (774°C).

[)

*— 0X015 plg DE CONTRACCION —* MAQUINANDO IA

E©

EXTERIOR SE REMUEVEN ESFUERZOS DE TENSION DEL CENTRO PERMITIENDOLE ACORTARSE

474 Temas avanzados en el campo del acero

para

herramientas

tiene que salir el calor a través de toda la superficie y el calor que está siendo modificado modifica el metal que al tener que ir a algún lado se abomba. El tercer esquema muestra la condición cuando el cilindro se ha enfriado com¬ pletamente. La medida del largo muestra que ahora es 0.0005 plg (0.013 mm) más corta. El metal del centro tiene una contracción a medida que se va enfriando, y ahora es demasiado corto para ajustar al exterior de la pieza. La parte exterior tiende a ser de 3 plg (7.6 cm) de largo y el interior está tratan¬ do de ser considerablemente más corto. El promedio entre ellos cuenta pará las nuevas medidas. Para probar que este estado de tensión realmente existe, la pieza tem¬ plada se monta ahora en un torno y el diámetro se reduce a 3 plg (19.1 mm), como se muestra en el esquema D. Esto quita el metal de la superficie que quiere ser más larga y da al interior oportunidad a contraerse al tamaño que quiera. Ningún metal se ha quitado de los extremos de la pieza completa —pero ahora es 0.005 plg (0.038 mm) menor de 3 plg (7.6 cm). Considerando la condición que existe en el esquema C. El centro de la pieza se mantiene a 0.001 plg (0.025 mm) más largo de lo que naturalmente sería. Como esta cantidad de alargamiento se extiende sobre un largo total de 3 plg (7.6 cm), el alargamiento por pulgada es de 1/3 de milésima de pulgada. Puesto que una carga de 30 000 lb/plg2 alargaría el metal 0.001 plg por pulgada; la carga en el tercer esquema debe de haber sido de 10 000 lb/plg2. La compresión en la envoltura de 1/8 plg (3.18 mm) que se maquinó de la parte externa se podría obtener similarmente. Otro experimento mostrará qué pasa en una pieza de acero para herra¬ mientas, al carbono, templado en agua. Cuando se templa una pieza de 5/8 plg (15.88 mm) de diámetro por 3 plg (7.6 cm) de largo, endurecerá sólo sobre la superficie y tendrá un núcleo tenaz sin endurecer. Una fractura típica de una pieza de ese tipo se muestra en la figura 22-10. ¿Qué es lo que la capa endu¬ recida “tiende a hacer”?, y, ¿qué es lo que el núcleo tenaz “tiende a hacer” durante el cambio de tamaño? Para estudiar el comportamiento de la capa totalmente endurecida es útil estudiar una pieza del mismo acero de sólo plg (6.35 mm) de diámetro y 3 plg (7.6 cm) de largo. Esta se endurecerá totalmente e indicará lo que la capa dura “tiende a hacer”. La figura 22-11 muestra tal pieza de VA plg (6.35 mm) y de 3 plg (7.6 cm) de largo, y el esquema B muestra qué pasa cuando se templa en agua a l 425°F (774°C). El largo se ha incrementado en

Fig. 22-10.

Fractura del espécimen

ilustrado en la figura 22-12.

Templado y revenido 475

CAMBIOS DE VOLUMEN PRODUCIDOS POR TEMPLE (MARTENSITA)

1k * kc-3.000"-n RECOCIDO

TEMPLADO EN AGUA A 1'42S°F

» L

1 HT

1 !"D

ENDURECIDO

ALARGAMIENTO0.10 PLG ROCKWELL CÓ8

CAMBIO DE VOLUMEN AL ADQUIRIR TENACIDAD (TROOSTITA)

C

I i" D.

RECOCIDO

« 3 000" Hl TEMPLADO EN ACEITE A 1 500°F

i

Experimento para demos¬ la tendencia de cambio en la en¬ voltura y centro de una herramienta de acero al carbono. Fig. 22-11.

trar

i” ».

AL VOLVERSE TENAZ

0

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-3 000 ROCKWELL C-.S6

0.010 plg (0.25 mm). Esto no representa esfuerzos internos. La ley de tem¬ plado No. 3 dice que este acero se expanderá cuando se endurezca y es esta expansión la que ha sido justamente medida. Una pieza de tamaño más grande tendría un núcleo sin endurecer, y la estructura de este núcleo se llama “troostita”. Esta troostita puede ser produ¬ cida en una pieza de acero de 5/8 plg (15.88 mm) de diámetro templado en

1" D.

RECOCIDO

A

3.000" TEMPLADO EN AGUA A 1 225"F

DURO 77%'

B

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+ .0015"

.300"

TENAZ 23%

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3.000" ROCKWELL C-ftfl

TERRENO HUMEDO A.300 PLG D

Esfuerzos produci¬ dos por endurecimiento a un cilin¬ dro de 1.10% acero al carbón Fig. 22-12.

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C-LÓ

j .300" :

CONTRACTS

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476

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

aceite a 1 500°F (816°C). Este alcanzará una dureza Rockwell de cerca de 4ó-C, la cual es equivalente a la dureza del centro de la pieza que ha sido templada en agua. Los esquemas C y D de la figura 22-11 muestran que las mediciones sobre una muestra templada en aceite desde 1 500°F (816°C) no tiene cambio en la longitud total. Estos dos experimentos preliminares han mostrado que la superficie dura tiende a expanderse y el núcleo tiende a permanecer estable. El siguiente paso es tomar una pieza de acero para herramienta de templado al agua, de 5/8 plg (15.88 mm) de diámetro, calentarlo a 1425°F (774°C), y templarlo en agua o salmuera. Las mediciones se muestran en la figura 22-13. El segundo esquema muestra que el largo total no ha cam¬ biado. El diámetro se ha expandido 0.0015 plg (0.04 mm) en la mitad, y la pieza es ligeramente de forma de barril. Si esta pieza se cortara a la mitad se encontraría que el diámetro del centro era cerca de 0.300 plg (7.62 mm) y el resto de la sección transversal era una envoltura endurecida. Con el propósito de investigar los esfuerzos se quita toda la envoltura cuidadosamente por

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/ ANTES DE TEMPLAR

DESPUES DE TEMPLAR (AGUJERO- EN COMPRESION)

B TEMP. DE LA PARED 1525”?

D EL ANILLO SE MAQUINA Y

ESMERILA Ve PLG DE LA PARED

D.l. CRECE 0.0007 PLG INDICA LIBERACION DE 32 000 LB/PLG2 EN LAS PAREDES CONDICION DURANTE EL TEMPLADO

Fig. 22-13.

DEL AGUJERO

Efecto del templado interno de un anillo de acero con 30% de níquel.

Templado y revenido 477

esmerilado a un diámetro de 0.300 plg (7.62 mm), pero no se quita todo el metal de los extremos de la pieza. Realizando mediciones, el largo del centro se encuentra que se ha contraído elásticamente 0.008 plg (0.20 mm). Esto significa que en el segundo esquema, el centro estaba siendo estirada esta cantidad y el esfuerzo involucrado era de 80 000 Ib/ plg2 (5 624 kg/cm2). El lector debe entender además que mientras este cilindro de acero para herramientas estaba siendo templado, estaba operando el mismo mecanismo de transformación de calor que fue descrito anteriormente en relación con el cilindro hecho de hierro con 30% de níquel. El resultado final es una rela¬ ción entre esto y el mecanismo de endurecimiento. Sin embargo, los esfuerzos que fueron medidos son “netos” sin importar de donde vinieron. Los esfuerzos internos pueden ser benéficos. El propósito de todos los experimentos anteriores fue facilitar el arreglo de estos esfuerzos internos para algún propósito útil, y ya es tiempo de considerar una forma simple que pueda ser usada como herramienta. La figura 22-13 ilustra un anillo hecho de acero con 30% de níquel el cual está para ser templado en un dispositivo de temple. El agua se hará pasar a través del agujero y la parte exterior se mantendrá perfectamente seca —así el enfriamiento será compartivamente lento. El anillo mide aproximadamente 5/8 plg (15.8 mm) de grueso en la dirección vertcial al papel. El esquema A muestra las dimensiones antes del endurecimiento. El anillo se calienta uniformemente a 1 525°F (829°C) y es enfriado a través del barreno como se describió. El esquema B ilustra la con¬ dición después de que las paredes del hoyo se han puesto negras, pero el exterior del anillo aún está caliente al rojo. El hoyo se ha contraído a un diámetro menor, mientras que el borde se ha contraído un poco. Aquí está otra de aquellas contradicciones entre el metal caliente y el metal frío pues¬ to que el interior no puede separarse del exterior, éste debe jalar al exterior a lo largo por la acción transformadora del calor. Después, el exterior se enfría por su propia cuenta, y puesto que el D.I. ahora está rígido, esas ban¬ das exteriores presionan sobre él, tal como se contrae una llanta de acero en un volante. Cuando el anillo entero está frío , el D.I. está bajo presión y el D.E. está en tensión. Con el objeto de medir la compresión en el D.I., el anillo se monta en un tomo y se quita el D.E. completamente dejando sólo un pequeño anillo como se muestra en el esquema D. Cuidadosas mediciones del D.I. antes y después del maquinado muestran que se ha expandido 0.007 plg (0.02 mm) cuando se maquinó el aro exterior. De la fórmula de la elasticidad se puede obtener que los esfuerzos de compresión sobre el D.I. se han cuantificado en 32 000 lb/plg2 (2250 kg/cm2). Incidentalmente, este valor es igual al límite elástico de esta clase de material. Ahora suponga que este anillo fuera una porción del cañón de un rifle. La explosión de la carga podría, obviamente, tender a reventar el cañón. Si el cañón fuera simplemente maquinado como se muestra en el esquema A y el límite elástico del material fuera de 32 000 lb/plg2 (2 250 kg/cm2) un esfuerzo de expansión en exceso de esta figura aumentaría el D.I. y lo defor¬ maría permanentemente, o tal vez reventaría el cañón. Ahora supongamos que el cañón está en las condiciones que se muestran en el esquema C. Un

—

—

478 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

esfuerzo de expansión de 32 000 lb/plg- no hará más que expander el D.I. aniba del diámetro al que quiere llegar de cualquier manera. Esta fuerza simplemente alivia los esfuerzos de compresión presentes y se pondrá a la pared interior en su punto “neutral”, con lo que tomaría un esfuerzo adicio¬ nal de 32 000 lb/plg2 o un esfuerzo total de 64 000 lb/plg2 para deformar el metal permanentemente. Así que, introduciendo esfuerzos favorables en el templado, la resistencia útil del material se ha duplicado. Cuando el mismo experimento se ha realizado con una pieza de acero al carbono para herramientas de templado en agua (Fig. 22-14), y el metal exterior es removido por esmerilado, se encuentra que el esfuerzo de com¬ presión en el agujero es aproximadamente de 115 000 lb/plg2 (8 090 kg/em2). La razón de un número tan elevado es porque el metal en las paredes del agujero se ha endurecido y ha tratado de expanderse de acuerdo con la ley de templado No. 3. Esta expansión la resiste la acción de contrac¬ ción del metal exterior y el esfuerzo final es el total de la acción transforma-

A

0

V-

ANTES DEL ENDURECIMIENTO

DESPUES DEL ENFRIAMIENTO (ORIFICIO

BAJO COMPRESION)

B TEMP. DE LA PARED 1 525°F

D EL ANILLO SE MAQUINA Y ESMERILA DEJANDO 1/8 PLG DE LA PARED

CONDICION DURANTE EL ENFRIAMIENTO

D.I. LA EXPANSION DE 0.0025 PLG INDICA UNA LIBERACION DE 115 000 LBS POR PLG* EN LOS ESFUERZOS DENTRO DE LA PARED DEL ORIFICIO

Fig. 22-14. Efecto del enfriamiento interno sobre un anillo de acero de 1.10% de carbono templado en agua.

Templado y revenido

479

TABLA 22-1. Efecto del revenido sobre los esfuerzos internos.

Calentado 1 h, a: En el momento del temple

Compresión en el orificio en lb/plg2

200°F 300

188 000 180 000 167 000 151 000 145 000 123 000

400

425 450

dora del calor, la cual se observó en un anillo de acero con 30% de níquel, más la acción de dilatación por el endurecimiento de la pared interior. Si este anillo de acero para herramientas se usa como un dado de estirado, los esfuerzos de trabajo tendrán una acción de ruptura —precisamente como la explosión de la pólvora en el cañón. Las primeras 115 000 lb/plg2 (8 085 kg/cm2) de presión ejercida no contarían.porque simplemente estarían eli¬ minando los esfuerzos de compresión desarrollados en las paredes del agujero. Después de esto se dispondrá de la resistencia total del acero antes de que pueda ocurrir cualquier daño. Un fabricante de acero no sabría dónde encontrar aleaciones para añadirlas al análisis de un acero al carbono para herramientas a fin de aumentar su resistencia efectiva hasta 115 000 lb/plg2, sin embargo, el templador puede hacer esto por el uso de un sencillo dis¬ positivo enfriador. Efecto del revenido sobre los esfuerzos. Anteriormente se ha hecho hincapié en que el propósito del revenido es quitar esfuerzos internos perju¬ diciales. Obviamente, si los esfuerzos internos fueran favorables, sería poco deseable quitarlos. Consecuentemente un anillo de estirado templado, como el descrito anteriormente, sería una herramienta mejor y más fuerte si no fuese totalmente revenida. Esto se confirma por experiencia práctica. En este punto será importante decir algo acerca del efecto del revenido para eliminar estos esfuerzos internos desarrollados por el temple. Los esfuerzos desarrollados por. el mecanismo de temple, leyes Nos. 1 y 2 (acción transformadora del calor) pueden ser sustancialmente eliminados por un prolongado revenido entre alrededor de 200° a 400°F (93° a 204°C). Sin embargo, los esfuerzos desarrollados por la acción de la regla No. 3 (expansión estructural) no pue¬ den ser completamente eliminados mientras la expansión estructural perma¬ nezca. Por ejemplo, cuando el acero al carbono para herramientas se endurece y expande, permanecerá en estado de expansión, no obstante que pueda ser largamente revenido a cualquier temperatura abajo de 400°F (204°C). Si una sección endurecida (y expandida) se une a una sección no endurecida, ellas nunca se adaptarán hasta que la temperatura de revenido se eleve arriba de 500°F (260°'C) y se agote el aumento estructural. Sin embargo, la zona de concentración de esfuerzos entre las dos áreas puede ser disipada y redu¬ cida a una cierta extensión por un revenido prolongado a baja temperatura.

480 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

O.V. Greene1 da algunas formas interesantes a lo largo de este ramo. Por ejemplo, un anillo de acero al carbono de 1 7/8 plg (47.62 mm) de D.E., 5/8 plg (15.88 mm) de D.I. y 3/4 plg (19.05 mm) de grueso se enfrío a través del orificio desde 1450EF (788°C). La compresión tangencial sobre las paredes del agujero “en el momento del temple” fue de 188 000 lb/plg2. Después de revenido a varias temperaturas bajas por una hora, estos esfuerzos decrecieron como lo muestra la tabla 22-1. Se ve que los esfuerzos internos desarrollados bajo la ley No. 3 del tem¬ ple, no se eliminan por algún procedimiento normal de revenido como el aplicado a las herramientas y esto es cierto, ya sea que los esfuerzos del temple inicial sean favorables o desfavorables. Es interesante considerar qué pudo haber sucedido a el anillo de 30% de níquel de la figura 22-13 si hubiera sido templado totalmente en un tanque con el líquido de templar quieto. El agua actuaría mucho más libremente so¬ bre el diámetro exterior que sobre el interior —donde probablemente se for¬ marían burbujas de vapor. Al enfriarse primero el D.E., éste podría contraer¬ se rápidamente y el calor impulsaría hacia el interior el metal, hacia el orificio. Después que el exterior se ha puesto rígido, el interior caliente se seguiría comprimiendo y trataría de jalar el material del borde exterior. Cuan¬ do el anillo se enfriará el orificio estaría bajo tensión y si el exterior fuese eliminado por maquinado, el D.I. se cerraría en cuanto se suprimieran los esfuerzos. Así, bajo una acción rompiente, la resistencia disponible de tal ani¬ llo sería considerablemente menor que el límite elástico normal. Si el anillo se hiciera de acero para herramientas sucedería lo mismo y la medida de los esfuerzos en el D.I. estaría en la vecindad de 140 000 a 150 000 Ib/ plg2 en la dirección equivocada. Un anillo de estirado, templado de esta manera, de¬ bería revenirse completamente para disminuir estos esfuerzos internos —pero la herramienta nunca se podrá igualar en resistencia a una que haya sido templada a través del agujero. Aplicaciones prácticas de esfuerzos internos. La figura 22-15 muestra la sección transversal de un dado de cabeceado en frío que ha sido endurecido por flujo a través del orificio y permitiendo que el exterior enfríe lentamente. Puesto que los dados de cabeceado en frío están sujetos a la misma acción de ruptura que un dado de estirado o el cañón de un rifle, las ventajas de este procedimiento son evidentes. El lector puede evitar la conclusión de que todas las herramientas que son templadas por flujo nunca deberían ser reve¬ nidas. Esto no es verdad. Hasta ahora han sido considerados únicamente los esfuerzos que se desarrollan en dirección radial. Observando la figura 22-15 se ve fácilmente que el “tubo” endurecido en el centro no solamente se ex¬ pandió radialmente cuando endureció, sino que también se ha expandido longitudinalmente. A esta expansión longitudinal se opone la porción no en¬ durecida de! dado que quiere permanecer con la misma longitud anterior. Esto pone a las paredes del orificio bajo compresión en una dirección longitudinal. En servicio, el martillo de cabeceado baja sobre el extremo y además com-

—

—

1 Greene, O. V.. Estimation of Internal Stress in Quenched Hollow Cylinder of Carbon Tool Steel. Consultar A.S.S.T. 18:369.

Templado y revenido

481

Fig. 22-15. Sección grabada de un dado cabeceador en frío sólido, templado en un aparato como el que se muestra en la figura 10-21.

prime el tubo endurecido. Por lo tanto, estos esfuerzos longitudinales no son favorables, y no hay un método conocido de templado que pudiera prevenir esto. Afortunadamente, el acero para herramientas endurecido soportará mu¬ cho mayor carga en compresión que en tensión. En consecuencia, es comple¬ tamente permisible robar a Pedro (compresión) para pagar a Pablo (ten¬ sión). Si bien, los dados de cabeceado directo sin extremos avellanados (tal como los que se usan para el cabeceado de remaches) se pueden usar sin revenir, la mayoría de los otros tipos de dados deben ser revenidos en la vecindad de 350° a 425°F (177° a 218°C) con lo cual se eliminaría por lo menos una parte del esfuerzo en ambas direcciones. Es importante hacer notar que eso no elimina todos los esfuerzos porque las paredes del orificio todavía serán endurecidas y “querrán” ser expandidas. El equilibrio de la herramienta todavía permanecerá suave y “querrá” mantener su tamaño. El efecto del revenido es simplemente permitir una pequeña cantidad de flujo para dar lugar de esta manera a que se equilibre esta oposición. Analicemos lo que se ilustra en la figura 22-16. Cuando un cubo de 2 plg (50.8 mm) se templa, las esquinas y aristas se enfrían primero. Obser¬ vando el esquema B, el lector puede visualizar cómo las 12 aristas combina¬ das forman una “especie de jaula” que está comprimiendo el metal caliente en el centro. Este metal no puede escapar por ningún lado, excepto a través de las seis caras. Como la parte media de cada cara está más caliente que los vértices y las aristas, aparece una protuberancia como un resultado de esta acción de extrusión en caliente. Después, cuando el centro se enfría y trata

482

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

c

A

DESPUES DEL TEMPLADO PROTUBERANCIA DE APROXIMADAMENTE 0.004 PLG DE DIAMETRO

CALENTADO A 1 450°F LISTO PARA TEMPLARSE

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B

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LA PROTUBERANCIA AUMENTA APROXIMADAMENTE 0.008 PLG DE DIAMETRO ESFUERZO DESCARGADO = 60 000 LB/PLG3

Fig. 22-16. Efecto del templado por inmersión en un cubo de acero de 2 plg (5 cni).

de contraerse, no puede jalar la protuberancia de las superficies las cuales ahora se han puesto rígidas. Esto ocasiona que el centro del cubo esté bajo una especie de “esfuerzo de vacío” y hay una definitiva tendencia de los seis planos de las caras de ser jaladas hacia adentro. Si este fuera un dado de acuñar con una impresión sobre cada una de las caras, los esfuerzos de servicio tenderían a romperlo en el centro de la superficie de la cara y los esfuerzos internos del temple ayudarían a esta tendencia. El esquema C de la figura que muestra la protuberancia sobre las caras después del temple, es del orden de 0.004 plg (0.10 mm). Se podría tener alguna idea del monto del esfuerzo presente reviniendo el bloque y midiendo lo que ha pasado con esta protuberancia. Bajo el esquema D se dan los valores. Parte de los esfuerzos que tienden a contraer las superficies de las caras han sido eliminados y tienen ahora una torcedura hacia fuera para una posición más normal. Los esfuerzos liberados durante el tratamiento son

—

Templado y revenido

483

de 60 000 lb/plg". No es difícil ver cómo un valor como éste fuera suficiente para hacer la diferencia entre el éxito y el fracaso de un dado de acuñado. Sería deseable idear un método para templar un cubo que invirtiera el procedimiento anterior. ¿Se podrían crear los esfuerzos internos que tiendan a empujar las superficies de las caras al exterior en lugar de jalarlas al inte¬ rior? Esto se puede hacer usando un flujo que golpeara primero el centro de la superficie de la cara. Si se arregla el temple de manera que la im¬ presión en el dado esté siempre más fría que el metal que lo rodea especialmente los vértices y las aristas se generarán esfuerzos internos convenientes para resistir la acción de ruptura durante el servicio. El meca¬ nismo de este temple se ilustra en la figura 22-17. La primera cosa a enfriar es un sitio en el centro de la superficie de la cara. Como este sitio se contrae, “succiona” el metal caliente que le rodea una acción de estiramiento en caliente. Después, cuando estas cubiertas exteriores estén frías y contraídas, la tendencia será “expulsar” de la pieza la parte que se ha enfriado. Los esfuer¬ zos de servicio tenderán a regresarlo y de esta manera se habrá formado una resistencia total mayor que la resistencia actual de la superficie.

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EL SITIO DE TEMPLADO DONDE EL METAL ES "SUCCIONADO" POR EL SITIO ENFRIADO

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Fig. 22-17.

CUANDO SE ENFRIA LA CONTRACCION POSTERIOR DE EQUILIBRIO DEL BLOQUE TIENDE A "EXPULSAR" EL SITIO ENFRIADO DE LA SUPERFICIE

Efecto del templado por flujo en un cubo de acero.

484

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

Este método de análisis de esfuerzos puede ser muy complicado en he¬ rramientas de forma irregular. El lector hará bien en imaginar qué sucede en otras formas simples con diferentes clases de temple. Gradualmente ob¬ tendrá un entendimiento general de las tendencias y finalmente llegará a una especie de compresión instintiva de cómo deben ser aplicados los flujos a fin de lograr un mejor uso. Sería bueno resumir y hacer énfasis individualmente sobre algunas de las de las cosas que pasan en el baño de temple.

RESUMEN DE LOS EFECTOS DEL TEMPLE

Al templar una herramienta se pueden generar grandes esfuerzos internos. Estos pueden ser favorables o desfavorables para la utilidad de la herramienta. Desafortunadamente, las tensiones desarrolladas por el temple total en el baño líquido quieto son generalmente desfavorables. Aun cuando se usen dispo¬ sitivos de flujo corriente para conseguir esfuerzos favorables en una dirección, pueden desarrollarse esfuerzos desfavorables en otra dirección. A pesar de esta limitación, es comercialmente práctico para incrementar grandemente la vida de ciertas herramientas, el uso del temple por flujo controlado. El propósito del revenido es quitar las tensiones desfavorables e incre¬ mentar la resistencia y la tenacidad de la herramienta. Aun cuando el tem¬ plador cree que ha introducido tensiones desfavorables por su método de templado, él iría lento en la eliminación de la operación de revenido. Si son favorables, quedará algún porcentaje, y si son desfavorables lo mismo será cierto. Hasta ahora nada se ha mencionado referente a algún otro medio de tem¬ ple más que el agua o salmuera. Como el aceite templa mucho más despacio que el agua, las diferencias de temperatura en toda la pieza son mucho más pequeñas, por lo tanto, la acción de transformación por calor es menor. Además los aceros templados en aceite no cambian de tamaño (de acuerdo con la ley No. 3 de templado) tanto como los aceros de templado en agua. Por lo tanto, los esfuerzos desarrollados en este medio también son más pe¬ queños. Aceros templados al aire mantendrán sus tensiones intemas al míni¬ mo. Algunas personas piensan que un acero indeformable para herramienta de templado en aceite no tiene coeficiente de expansión térmica o sea, no se expande al calentarse ni se contrae al enfriarse. Esto no es cierto, estos aceros se expanden y contraen térmicamente igual que los aceros templados en agua, y están sujetos a las leyes Nos. 1 y 2 de temple. Sin embargo, es un hecho que la acción de transformación por calor es minimizada por un tem¬ ple en aceite y además como la mayoría de las tensiones existentes viene de ese medio (más bien que del cambio de volumen), un revenido prolongado será más eficiente quitando un porcentaje mucho más alto de la tensión —sea favorable o desfavorable. El alabeo en el baño de temple generalmente lo producen las tensiones internas inducidas por el temple (en la sección con este nombre, de este ca¬ pítulo, se describe cómo se produce). Se debe a la acción de transformación

—

Templado y revenido

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por calor que resulta al aplicar las leyes Nos. 1 y 2 de templado. Si una he¬ rramienta no se ha endurecido completamente —la ley No. 3 de templado puede causar un exceso de alabeo. Por ejemplo, si una pieza larga y delgada de una herramienta de acero al carbono sólo se le endureciera por un lado, la expansión de este lado causaría un alabeo excesivo la orilla endurecida sería convexa. Hay otras dos fuentes importantes de alabeo que deben ser menciona¬ das. Si un fabricante de herramientas fuera a comprar una barra de acero para herramientas de 1 pig X V* plg (25.4 mm X 6.4 mm) para hacer un chavetero de escariador, el hecho de cortar un borde y dejar el otro intacto tendería a desarrollar esfuerzos de maquinado. Aunque esta pieza no llegara a torcerse durante el maquinado, si fuere calentada, en un homo de templado, proba¬ blemente se torcería al ser calentada. Por supuesto, esto no puede ser obser¬ vado y cuando sale torcido del baño de temple, el fabricante de herramienta creería que se ha alabeado en el baño de temple. Tal vez sí, pero algunas veces se gasta mucho tiempo en buscar el torcimiento en el tanque de templado cuando en realidad sucede en el horno. Cuando las herramientas tienden a deformarse por los esfuerzos de maquinado, como se ha descrito, éstas se deben debastar para quitar la ma¬ yoría del metal calentado justo debajo del punto crítico y enfriado lentamente —para eliminar los esfuerzos— y después acabar de maquinar. Esto es el recocido para eliminar esfuerzos descrito en el Capítulo 10 bajo el título Re¬ cocido para remover esfuerzos. Una segunda fuente de alabeo proviene de herramientas largas y delga¬ das que se comban mientras se están calentando para el endurecimiento. Si el escariador descrito arriba se colocara horizontalmente en el hogar del homo y no estuviera a nivel, pudiera combarse considerablemente mientras estuviera caliente y blando. El fondo del horno puede ser nivelado con arena para darle soporte uniforme a tales herramientas y prevenir el combarse. Cuando hay un homo adecuado disponible, las herramientas se pueden sus¬ pender verticalmente para el calentamiento. Por la acción de la ley No. 3 de templado algunos aceros para herra¬ mientas (principalmente las templadas en agua) cambian de tamaño cuando son endurecidas. Si sólo se endurece la superficie, ésta es la única porción que tenderá a alargarse. Aunque teóricamente el núcleo puede tender a que¬ darse del mismo tamaño, realmente va a contraerse por la aplicación de las leyes Nos. 1 y 2. Así, aceros de tamaño pequeño templados con agua, que prácticamente se endurecen completamente, se expanderán. Tamaños muy grandes en los que la parte principal es el núcleo se encogerán; y ciertos tamaños críticos intermedios quedarán exactamente balanceados y no les ocurrirá ni lo uno ni lo otro. Los resultados finales dependen del porcentaje de cubierta dura y núcleo tenaz en la sección recta. Aceros de endurecimiento profundo tienen la tendencia a expanderse más que los aceros de endureci¬ miento superficial (o se encogerán menos si el tamaño es grande). Si el tim¬ bre del acero ha sido cuidadosamente controlado, con frecuencia se puede predecir la cantidad de cambio con considerable precisión y alguna tolerancia hecha para maquinado, sin embargo, una dependencia absoluta a este respec-

—

486

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

to se asegura usando aceros de temple en aceite o en aire del conjunto coordinado, Puntos suaves y sus causas se discutieron en el Capítulo 10 bajo Baño en reposo, se mencionan aquí solamente por su efecto en los esfuerzos inter¬ nos en la herramienta. Imagine una superficie dura plana, excepto un punto suave del tamaño de una moneda de 10 centavos en el centro. Toda la super¬ ficie dura tiende a expanderse (bajo la ley No. 3) mientras que el punto suave quiere retener su tamaño original. Esto causa que el punto suave esté bajo tensión en toda dirección como el parche de un tambor. Teóricamente el esfuerzo entre el punto suave y los alrededores duros será aproximadamente de 90 000 lb/plg2. Si esta superficie se esmerila en una rectificadora de super¬ ficies, bajo condiciones desfavorables, el esfuerzo adicional de esmerilado a veces produce una fractura que trazará completamente el punto suave y permitirá la separación del metal que trataba de estirarlo.

METODOS ESPECIALES DE TEMPLE La discusión anterior no trata tanto de la expansión de la martensita como de la primera etapa del temple, su efecto sobre el alabeo y cambio de tamaño y su control. Ahora vamos a ver la segunda etapa con más detalle donde el enfriamiento es en un rango más bajo de alrededor de 400°F a la temperatura ambiente. Primero, debe ser obvio que ya que la expansión a través de este rango resulta de una caída de temperatura, si esa caída de temperatura es diferente en diferentes partes de la pieza, la expansión también será diferente y el re¬ sultado producirá esfuerzos muy elevados. Por lo tanto las condiciones idea¬ les en un temple parecerían ser: enfriamiento rápido hasta alrededor de 450°F (232°C), permitiendo que ahí la herramienta iguale su temperatura y luego enfriar lentamente a través del rango de endurecimiento. Si bien, este procedimiento es perfectamente realizable en teoría, hay todavía muchas di¬ ficultades prácticas para su aplicación actual, las cuales están más allá de las capacidades del equipo en promedio encontrado en los talleres de temple. Hubo un tiempo cuando era considerada buena práctica sacar la herramienta de acero del agua de enfriamiento del baño de temple cuando había alcanzado de 400° a 600°F (204° a 316°C) y transferirla al baño de aceite para com¬ pletar el templado. Sin embargo, la experiencia práctica ha demostrado que esto es difícil de lograr, a menos que la herramienta sea muy pequeña y de for¬ ma uniforme. Es difícil sacar la herramienta común del temple, cuando todas las secciones de la herramienta están entre este reducido fango de temperatu¬ ras, ya que si el operario equivoca este rango causa más daño que bien al ace¬ ro. En el taller común de endurecimiento se maneja una gran variedad de he¬ rramienta, por lo tanto, la práctica más segura es templar directamente la herramienta hasta abajo de una temperatura de 200°F (93°C) antes de sacar¬ la del agua o la salmuera. Sin embargo, es preferible no enfriar totalmente. En los últimos años, el uso de baños especiales de temple y una muy cuidadosa regulación del tiempo, han desarrollado varios métodos muy se-

Templado y revenido

487

guros para el enfriamiento controlado en estos rangos. Estos incluyen un cuidadoso control de los ciclos de tiempo para cada tamaño y tipo de herra¬ mienta y son, por lo tanto, los que mejor se adaptan a la producción de endu¬ recimiento de un gran número de herramientas similares. Aún es demasiado pronto para predecir su valor en el endurecimiento de herramientas miscelᬠneas. Estos métodos fueron mencionados en el Capítulo 4 y ahora se descri¬

birán brevemente. Revenido diferido, como se practica comúnmente, consiste en templar en baños de sales mantenidos justo arriba del punto Ms del acero, el cual estará de 400° a 600UF (204° a 316°C), dependiendo del tipo de acero que esté siendo tratado. La herramienta se mantiene en este baño hasta que la temperatura sea uniforme en toda su sección y entonces se enfría en aire. Uno de los requisitos importantes es que la potencia de enfriamiento del baño caliente sea suficiente para templar el acero bastane rápido para exceder su velocidad crítica de temple. No es posible en la actualidad obtener sales de temple para endurecimiento superficial rápido de los aceros, su velocidad, cuando se agita adecuadamente, viene siendo igual a la del aceite. En con¬ secuencia el revenido diferido en baños de sal está confinado para aceros de endurecimiento profundo, tales como los tipos de endurecimiento en aceite. Para aceros de endurecimiento superficial, tal como el acero para herramientas de temple al agua, el procedimiento de revenido diferido ha sufrido modifi¬ caciones y las herramientas, o partes de ellas, se están templando en agua o en salmuera, siendo el tiempo de templado controlado muy precisamente por cronómetro o por regulación automática y luego transferidos al aceite o al aire a una temperatura arriba del punto Ms y dejarla enfriar. Obviamente la regulación debe ser en fracciones de segundo. Otra modificación del revenido diferido consiste en templar en un aceite especial calentado de 300° a 400CF (149° a 204°C). Si bien no todas las ventajas del revenido diferido se obtienen templando a este intervalo de tem¬ peratura más bajo, se dice que en la primera práctica, no obstante, se obtienen menos rupturas y alabeos que templando en aceite a la temperatura usual, que es alrededor de 100°F (38°C). Revenido austenítico y temple isotérmico. Son dos métodos de temple interrumpido adaptados principalmente para el tratamiento de partes más que de herramientas. En el revenido austenítico se templan las partes en un baño caliente a temperaturas entre 500° y I 000° F (260° a 538 °C). y deján¬ dolos remojar a esa temperatura hasta la transformación del acero cruzando la línea marcada en la figura 22-3 como “Fin de la transformación”. En ace¬ ros de alto carbono la dureza resultante será de 48 a 55 Re. La ventaja del método es asegurar una tenacidad adicional que la que se obtiene por temple y revenido para una dureza equivalente. El temple isotérmico es como el revenido diferido pero conducido a una temperatura más baja, ligeramente arriba del punto Ms del acero. La figura 22-18 muestra cómo están relaciona¬ dos los procesos: (1) temple directo, (2) revenido diferido (3) revenido austenítico y (4) temple isotérmico y sus curvas “S”.

488

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas CURVA DE ENFRIAMIENTO AL CENTRO TIEMPO-T£MfER ATURA

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Fig. 22-18. Diagrama de los 4 métodos importantes de temple. ( Cortesía de E.F. Houghton & Co y Metal Progress, octubre, 1944.)

REVENIDO

Ningún capítulo sobre temple estaría completo sin incluir también una men¬ ción de ese ángel de la guarda del éxito en el endurecimiento llamado re¬ venido. El revenido es una parte del tratamiento térmico aplicado a una herra¬ mienta después del endurecimiento, a fin de eliminar los esfuerzos e incre¬ mentar la tenacidad. Usualmente esto provoca que la herramienta pierda algo de su dureza, aunque este no es el propósito del revenido, ya que el fabri¬ cante de herramienta dejaría sus herramientas completamente duras si estu¬ viera seguro de que no se romperían. El revenido se realiza a temperaturas relativamente bajas comparadas con las empleadas en el temple. Se sabe bien que se pueden generar enormes esfuerzos internos en una herramienta durante el endurecimiento. Algunas veces estos esfuerzos son mayores que la resistencia del acero endurecido y se rompen en el temple. En ocasiones pueden aproximarse al 98% de la resistencia del acero en cuyo caso la herramienta no se rompe inmediatamente, sino que llega a romperse a causa de un esfuerzo insignificante. Los esfuerzos comunes son indudable¬ mente mucho más bajos de un 98%, pero el fabricante de herramientas siem¬ pre debe recordar que la resistencia útil de una herramienta es igual a la resistencia total del acero menos los esfuerzos internos.

Templado y revenido 489

Esto debe ser cristal claro a fin de apreciar completamente la importancia de la operación de revenido. Por ejemplo, consideremos que una pieza de acero para herramientas totalmente endurecido tiene una resistencia total de 400 000 lb/plg2. Supóngase que los esfuerzos internos desfavorables son 90% de esta cantidad ó 360 000 lb/plg2, entonces la resistencia útil para hacer el trabajo es únicamente de 40 000 lb/plg2. Si por un revenido apropia¬ do estos esfuerzos internos se pueden reducir a 200 000 lb/plg2, la resisten¬ cia útil ganada será de 200 000 libras o una ganancia de 400%. El revenido es la “Cenicienta” de las operaciones de la fabricación de herramienta. Cuando usted maquina una herramienta fina de un block de acero, puede ver lo que consiguió por su dinero. Cuando por la magia de un calentamiento al rojo y un siseo de temple se endurece la herramienta usted se siente bien pagado por el tiempo y dinero gastado. Pero en la operación de revenido a baja temperatura, nada importante parece suceder. El único cambio visible (pérdida de dureza) es algo que es indeseable. Bajo estas circunstancias es humano renegar de cualquier tiempo o dinero gastado en la operación. Es hasta que la zapatilla dorada de la producción se ajusta al pie de esta impopular hijastro que empezamos a ver el sentido detrás de todo. Cuando se dispone de las estadísticas que enseñan cómo las herramientas insuficientemente revenidas se contraen prematuramente en servicio y cómo las herramientas apropiadamente revenidas continúan en servicio bajo las condiciones más desfavorables, resulta más fácil intercambiar las calabazas de Cenicienta y las ratoneras por algún equipo real de revenido. Veamos bien esta operación de revenido. El revenido cumple su propó¬ sito a través de una combinación de temperatura y tiempo. No es suficiente calentar un acero para herramientas endurecido, a una temperatura definida, debe ser remojado a esa temperatura por una longitud de tiempo definida. Tiempo. El tiempo total requerido es el tiempo de calentamiento más el tiempo de remojo. El Capítulo 21 discute el tiempo de calentamiento con gran detalle, pero es aconsejable repetir aquí algo de la información dada en ese capítulo. Poca gente se da cuenta de cuánto tiempo toma calentar una pieza de acero a las temperaturas bajas usadas en el revenido. Toma de 3 a 4 veces más calentar una pieza de acero a 400°F (204°C) que calentarla a 1500°F (816°C). Se reproducirá aquí la tabla 22-2 solamente con el propó¬ sito de llevar a casa la importancia de tener suficientes aparatos de revenido (del tipo apropiado y con controles apropiados) para hacer un buen trabajo. Las cantidades de tiempo en la tabla son mínimas. Por ejemplo, la su¬ perficie en estas piezas estaba en la mejor condición para una absorción más rápida del calor. Además el tiempo consumido a través de los últimos 10°F (5.5°C) (desde 390° a 400°F) (199° a 204°C), no se contó, si hubiera hecho, habría sido necesario agregar otro 50% al tiempo. Por ejemplo, en un homo de atmósfera quieta al acero de 6 plg (15.2 cm) de diámetro, le tomaría 5 horas alcanzar 390°F (199°C) y alrededor de 2Vi horas más para cubrir esos últimos 10°F (5.5°C) o sea un total de 7% horas. Muchos talleres de temple de primera clase logran adelantarse con un mínimo de equipo de revenido, teniendo controles automáticos de tempera¬ tura en las unidades y haciendo algunos de los trabajos de revenido más gran-

490

Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

Tiempo aproximado necesario para calentar varios tamaños de aceros para herramientas a 400°F (204°C). (Basado en mantener el homo a la temperatura todo el tiempo.)

TABLA 22-2.

Tiempo requerido para calentarla Tamaño de la pieza

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En homo con

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des en la noche. Frecuentemente un operario puede cargar una unidad antes de irse a su casa, colocar los controles y luego simplemente dejar una nota para que uno de los trabajadores de la noche quite ciertos interruptores o descargue ciertas unidades a un tiempo dado. Hay otra forma de economizar en el equipo de revenido. Supóngase que su horno de revenido está ahora acupado trabajando a 350°F (177°C) y una herramienta endurecida requiere un revenido a 425°F (218°C). Usted no quiere endurecer nuevamente la herramienta ni que permanezca indefini¬ damente sin revenir y todavía no hay horno disponible a 425°F (218°C) para usarse. No hay daño en poner la herramienta con las otras a 350°F (177°C) por una hora o dos y entonces estará seguro de dejarla hasta que pueda ser apropiadamente revenida a su propia temperatura [por supuesto, usted no podría invertir este procedimiento, esto es, revenir primero a 425°F (218°C) si sólo se desea 350°F (177°)]. El resumen de ésta discusión de revenido es que no se debe pasar la oportunidad de recalcar otra vez dos reglas importantes: 1. Nunca se debe revenir algún acero para herramientas del conjunto

coordinado hasta que se haya enfriado después del endurecimiento, a un pun¬ to donde pueda ser manejado con las manos desnudas.

2. Nunca permita que una herramienta se enfríe totalmente y permanez¬ ca indefinidamente sin revenir. (Un buen lugar para almacenarlas por una hora o dos es un baño caliente de aceite de temple.)

23

Problemas de falla

El término problemas de falla se ha usado ampliamente cuando se trata de saber el porqué de algo que salió mal. Un buen analista de problemas de falla debe de ser de mente amplia y no debe de tener prejuicios. El no puede hacerse primero una idea de lo que él cree que es el problema y luego tratar de probar su hipótesis. Además, él debe de estar muy bien informado sobre su materia. Poseer los conocimientos contenidos en los primeros capítulos de este libro harían del fabricante de herramientas un buen conocedor de proble¬ mas de falla. El propósito de este capítulo está enfocado a esta particular fase del trabajo. El método establecido para seleccionar aceros para herramien¬ tas depende para su éxito de la habilidad del fabricante de herramientas para conocer qué está mal en una herramienta insatisfactoria y qué propiedad extra quiere corregir. Así pues, el problema de falla es una parte inseparable del uso de este método.

LAS CAUSAS Y EFECTOS DEL ESFUERZO La teoría del esfuerzo crítico se presentó al comienzo del Capítulo 16 sobre diseño. La teoría será repetida aquí de acuerdo al propósito presente.

Una pieza de acero para herramientas endurecida tendrá una resistencia que

dependerá del análisis del acero —de la calidad del acero—, y del proceso térmico. Cuando el total de las fuerzas aplicadas a la pieza de acero exceden su

resistencia, la pieza se fractura o falla. Existen dos clases de fuerzas que se combinan para romper una herramienta: 1. Los esfuerzos internos que se crean durante la fabricación de la herra¬ mienta. 2. Los esfuerzos de servicio externos. Cuando el total de estas fuerzas excede la resistencia de la herramienta, ésta falla. 491

492 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

Lo anterior parece tan simple como para repetirlo, se aplica tanto a una hoja de vidrio o a un edificio de concreto. Los investigadores a menudo pa¬ san por alto lo obvio y se meten hasta la cintura en problemas que realmente no deberían confundirlos. Los esfuerzos internos en una herramienta terminada pueden ser gran¬ des o pequeños. Uno de los autores una vez tomó en sus manos una herra¬ mienta recién terminada, la cual se partió por sí sola en sus manos. Esta herramienta debió de estar 99.99% rota antes de que él la tomara. El poco calor del cuerpo fue suficiente para que el material se dilatara un poco y sobrepasara el 100% de su resistencia. Probablemente los esfuerzos internos en una herramienta nunca lleguen a cero. Una lima endurecida de acero para herramienta debe de tener una resistencia a la tensión de 400 000 plg (28 120 Kg/cm2). La experiencia práctica nos muestra, sin embargo, que una herramienta fallará como regla cuando se encuentre por debajo de 200 000 lb/plg2 (14 062 Kg/cm2). Es por eso que rara vez se deja más del 50% de resistencia disponible aun bajo buenas condiciones. Sin embargo, aun el 50% representa un margen amplio antes de destruirse. Hay un poco de discusión en cuanto a tensiones externas de servicio que son completamente obvias y no hay mucho que decir a cerca de ellas. Hay, sin embargo, mucho que decir acerca de las tensiones internas, las cuales se afectan prácticamente en cada paso al fabricar la herramienta. Diseño. Esto se discutió ampliamente en el Capítulo 16. Las herra¬ mientas pueden estar tan pobremente diseñadas que ni siquiera lleguen a salir completas del taller de endurecimiento, o tan sobradas en sus cálculos que aguanten cualquier tipo de abuso que se haga de ellas, y todavía durar mucho

tiempo. Forja. Esta es la primera mención de esta importante materia, aparte de las instrucciones específicas dadas en el Capítulo 12. Esta aparente negli¬ gencia sólo se justifica por el hecho de que son pocos los fabricantes de herramientas que forjan sus herramientas, y aquellos que lo hacen desearían otro tipo de discusión, el cual queda fuera del contexto de este libro. No obstante, desde el punto de vista de los problemas de falla, el lector debe de saber que la forja puede introducir muchas clases. Invisibles y pequeñas grietas se pueden originar por “lavado térmico” no uniforme o por martilla¬ dos descentrados, costuras, traslapes o dobleces de la superficie. También pueden producirse fracturas internas u hojuelas (o aun rupturas directas de las piezas forjadas), por un enfriamiento inapropiado después del forjado. Estructuralmente el acero se puede dañar por un sobrecalentamiento, o por una elevada temperatura de acabado. Esto último se puede corregir mediante un normalizado, mientras que el sobrecalentamiento generalmente no se pue¬ de corregir. Requeriría un mayor conocimiento de metalurgia del que es de esperarse que tuviera un fabricante de herramientas a fin de tomar un curso de forja y poder determinar definitivamente su condición. Sin embargo, cuan¬ do una operación de forja está involucrada en la manufactura de una herra¬ mienta, esto no puede ser ignorado por el encargado de problemas de falla. Maquinado. Ya han sido mencionados los esfuerzos producidos al quitar grandes cantidades de material de un bloque de acero para herramien-

Problemas de falla 493 tas. Un maquinado de desgaste también distorsiona la superficie del metal, y la deja en una condición de tensión. Cualquier operación de trabajo en frío que deforme al material también lo dejará en tensión, y estas tensiones se

sumarán a las tensiones de endurecimiento. Marcas de estampado profundo deformarán y causarán tensiones en el metal y también introducirán marcas nítidas a partir de las cuales puede originarse una fractura. Marcas del punzón de acero usadas al trazar un dado, harán lo mismo. A pesar de que las marcas del punzón se pueden eliminar mediante un maquinado, la deformación y las tensiones no desaparecerán de las paredes del metal. Si ocurre esto en una esquina aguda, eso puede ser la paja que quiebre la espalda del camello. El error de no eliminar todas las partes descarburadas de la barra en el maquinado causará muchos problemas más tarde en el endurecimiento o durante el servicio. La mayoría de las tensiones del maquinado y del trabajo en frío se pueden eliminar completamente por un recocido subcrítico para eliminar esfuerzos antes del endurecimiento. (Ver Cap. 10, Recocido para elimi¬ nar esfuerzos.) Endurecimiento. Son muchas las causas que originan tensiones en una herramienta en el taller de endurecimiento; por ejemplo: Calentamiento impropio, endurecimiento inadecuado e insuficiente revenido, todos pueden contribuir con su parte. Revenido. Esta es una operación de eliminación de esfuerzos (para que el temple sea completo). Una herramienta puede salir del tanque de temple 99% rota, pero si su revenido es total y adecuado, se pueden eliminar muchas de las tensiones para restablecer la utilidad de la herramienta. Esta es la peor operación para tratar de ahorrar tiempo o dinero. Esmerilado. El esmerilado produce en la superficie esfuerzos instan¬ táneos que pueden o no causar una fractura. Obviamente todas las fracturas o fallas no son culpa del esmerilados Si él recibe una herramienta pobre¬ mente templada y pobremente revenida, lista a fracturarse al menor esfuerzo, el no podrá hacer un buen trabajo no importando cuánto cuidado ponga para lograrlo. Por otro lado es muy fácil arruinar una herramienta perfectamente buena a la hora de esmerilarla, es tan fácil dañar el trabajo por un corte burdo y luego eliminar todo daño aparente por un corte fino de acabado. Sin embargo, más tarde se verá que el daño no se elimina. Las piedras mal rec¬ tificadas, que frotan más en vez de cortar, frecuentemente son las causantes de los daños.

—

POSIBLES FUENTES DE FALLA

El acero para herramientas. El análisis puede ser equivocado. Esto se puede comprobar algunas veces mediante la prueba de la chispa, mientras que otras veces se tendrá que hacer un análisis químico. ¿Es de calidad el acero? Cuando surge esta pregunta en relación con una falla de la herramienta, la herramienta en cuestión puede ser “recocida”, y se

494 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

puede cortar un disco en ángulos rectos a la longitud original de la barra. Este puede ser atacado de acuerdo a las instrucciones del Capítulo 17. NOTA: Cuando halla problemas de falla nunca se debe reconocer una herramienta que halla fallado para su inspección con ácido caliente u otro pro¬ pósito hasta que se hallan hecho todas las investigaciones necesarias en su condi¬ ción de endurecimiento.

Diseño. Busque esquinas agudas y secciones mal balanceadas. ¿Se pueden taladrar las secciones pesadas del material para balancearlo con las secciones más ligeras? (Ver Capítulo 16, Figs. 16.5 y 16.6). Si las esquinas agudas y las secciones desbalanceadas no se pueden eliminar, es necesario un acero para endurecimiento al aire o de endurecimiento en aceite. Muchas de las herramientas de nuestro tiempo son tan complicadas que algunas características malas de diseño se pueden presentar sin necesidad. En este caso, el problema puede estar en una mala selección del material, especial¬ mente en el caso de fallas en el temple. Selección. De acuerdo al trabajo, ¿se seleccionó el acero para herra¬ mientas correcto, suponiendo que el diseño no puede ser mejorado? La figura 23-1 ilustra una herramienta endurecida en agua que se rompió en el templa¬ do. Si fueran necesarios los agujeros hubiera sido necesario un acero para endurecimiento en aire o en aceite. La figura 23-2 muestra otro ejemplo de una mala selección. Esta hoja de cizalla falló al poco tiempo de uso porque se calentó muy rápido. Se hizo de un acero templado en agua, cuando la elec¬ ción lógica hubiera sido un acero rojo-tenaz. Maquinado. Una de las sospechas que se despertaría en herramientas a las cuales gran cantidad de metal les haya sido cortado es que, quizás, no les eliminarán los esfuerzos. Esta es la causa más común de la peculiar distorsión y cambio de medida. Si toda la distorsión de la herramienta es en una sola dirección, el no haber eliminado la descarburación de un lado de la barra puede ser la causa. En casos extremos la parte descarburada se puede llegar a pelar durante el templado. Se deben evitar marcas profundas de es¬ tampado; si no ocurre una fractura durante el endurecimiento en las marcas, puede originarse una fractura por fatiga en las marcas en servicio. La figura 23-3 ilustra este problema en un cincel de rebabear. Cuando se taladran ba¬ rrenos ciegos, el hombro debe ser redondeado para disminuir el efecto de la ranura en el fondo del barreno. La figura 23-4 muestra una herramienta para cantera que falló por esta causa.

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Fig. 23-1. Herramienta fa¬ bricada con agua-duro que se rompió al templarse.

Problemas de falla 495

Como el esmerilado es esencialmente una forma de eliminar el metal, se le incluye dentro del maquinado. Como ya se había mencionado, el esme¬ rilado puede introducir excesivos esfuerzos que se manifiesten en forma de una fractura por esmerilado. Este puede ser el resultado ya sea de un mal esmerilado o de una superficie dañada por carburación o sobrecalentamiento en el tratamiento térmico. La figura 23-*' muestra una hoja de cizalla con rajaduras de esmerilado. Además, rayas y marcas de soplete, son sin duda el resultado de un intento para corregir la distorsión. Esas condiciones se hi¬ cieron visibles por ataque ácido. Un método relativamente nuevo para remover el metal es el llamado maquinado por electroerosión o EDM. Se usa este método en herramientas que han sido previamente templadas y revenidas. El proceso incluye el uso de un electrodo, que ha sido fabricado con la forma deseada, que corta la herramienta por medio de un acero eléctrico que funde el metal por la acción de una corriente pulsante. Cuando está propiamente controlada, este tipo de maquinado es muy valioso para el arte de hacer herramientas. Sin em¬ bargo, un mal control de las frecuencias de la corriente, puede causar un daño en la superficie como resultado de un reendurecimiento local. La microfotografía de la figura 23-6 (ampliada 500 veces) es de una sección de molde dañada. La zona blanca exterior es martensita sin revenir reendurecida, y la zona oscura de abajo es la estructura original sobrerrevenida. Esta condición produce una corteza naranja y ruptura. Para evitar esto se requiere un control apropiado de la corriente. Además es conveniente para el acabado de la capa superficial de EDM eliminar la zona blanca. Siempre es debe de volver a revenir después de un maquinado por medio de descarga eléctrica. Tratamiento térmico. Generalmente se acusa al que realiza el trata¬ miento térmico de fallas que no le son atribuibles; sin embargo, el tratamien¬ to térmico imperfecto es responsable en algunos casos de malos resultados en el tratamiento térmico, en el esmerilado después o al usarse la herramienta. En las siguientes páginas analizaremos algunas de los principales problemas originados por el tratamiento térmico. El sobrecalentamiento hace burdo el grano, fortalece la austenita reteni¬ da, y hace a la herramienta muy frágil; frecuentemente causa la rotura en el templado o falla prematura en el servicio. La mayoría de los sobrecalenta¬ mientos se pueden determinar por medio de una simple prueba de fractura. Aun un acero para herramientas altamente aleado mostraría una fractura Shepherd de 8 ó mejor, cuando es propiamente tratado con calor. A veces los resultados de una menor dureza que la esperada se deben a una retención de austenita. Si la dureza aumenta después de un intenso enfriamiento, debió de haber ocurrido un sobrecalentamiento. Las comprobaciones de dureza deben de hacer bien abajo de la superficie para evitar un engaño por alguna condición de la superficie. Un calentamiento bajo es un poco más difícil de ser identificado, excepto en los casos extremos cuando la dureza está muy por debajo de la esperada. Esto frecuentemente causa el descascarado de las esquinas durante el tem¬ plado de aceros de endurecimiento por agua o aceite. Se puede hacer una comparación de la dureza obtenida en secciones pesadas y ligeras; si hay me-

'

V.

¿ M -

J Fig. 23-2. Hoja de cizalla hecha de acero agua-duro que falló en servicio por un calentamiento muy rápido.

§ «

Fig. 23-3. Cincel neumático de rebabear que falló en servicio por ruptura debido a una marca de estampado.

,

m

Fig. 23-4. Herramienta para cantera que falló en servicio por

ruptura causada por un barreno

ciego.

...%

-

O

i .

m

j

Fig. 23-5.

Hoja de cizalla con rayaduras por esmerilado y marcas de soplete.

Fig. 23-6. Sección de molde dañada a causa de un maquinado 1

por descarga eléctrica inadecuada.

Problemas de falla 497

nos dureza en las secciones pesadas, entonces, o bien la masa no tuvo sufi¬ ciente calentamiento, o la masa £ue demasiado grande para el endurecimiento del acero para herramientas usado. Cuando ocurre un daño en el esmerilado, una carburación accidental puede ser la culpable. Si la persona que la lleva a cabo tiene algo de experiencía, generalmente se puede detectar por la prueba de la chispa. Si la prueba de dureza muestra diferencia entre la superficie tratada y debajo de ella, se puede sospechar de una carburación. Algunas veces la dureza de una super¬ ficie carburada puede ser baja debido a la austenita retenida en la capa car¬

burada. La descarburación por tratamiento térmico causa corta vida entre es¬ merilados por el rápido desgaste; también puede favorecer la ruptura en el temple. La prueba de la chispa así como la dureza descubrirán este defecto si la condición es tan severa como para causar problemas. Los problemas de templado son el principal motivo de preocupación cuando se usa acero endurecido en agua, y uno de los ejemplos más co¬ munes son las zonas blandas. Atacando con ácido clorhídrico caliente 1:1 se mostrarán las zonas blandas como áreas más claras que las zonas duras que las rodean. La figura 23-7 muestra un rodillo alimentador hecho de acero para endurecimiento en agua después de ser atacado para que revele las zonas blandas. Este procedimiento no trabaja muy bien en aceros aguatenaz ya que el contraste es muy débil, debido probablemente al relativa¬ mente bajo contenido de carbono de este acero para herramientas. Problemas de templado en aceros endurecidos por medio de aceite, son difíciles de detec¬ tar. De cualquier forma cuando ocurren múltiples fracturas en el templado, el tanque de aceite debe de ser revisado, para ver si hay agua, las posibilidades de un sobrecalentamiento, también debe ser comprobado si hubo un análisis equivocado.

ill Fig. 23-7. Rodillo alimentador hecho de acero para endurecimien¬ to en agua, después de ser atacado para que revele las zonas blandas.

Y;

W1

n

v

498

Teínas avanzados en el campo del acero para herramientas

Fracasos en el revenido o revenido inadecuado dan por resultado una herramienta muy frágil que dará poco servicio. Los descuidos al revenir se evidencian por una altísima dureza. Uno debe de verificar la dureza bajo la superficie de manera de no confundirse por alguna condición superficial tal como carburación o descarburación o un revenido local por esmerilado. Revenir antes que la herramienta haya enfriado suficientemente en el templa¬ do es difícil de detectar a menos que se haga un examen microscópico de la estructura, pero enfriada demasiado también dará como resultado una herra¬ mienta frágil. Falla de servicio. Algunos de los siguientes puntos serán repetitivos, pero no hace daño el hacer énfasis en las causas más comunes de fallas en servicio. Falta de tenacidad en servicio. Cuando una herramienta se rompe es¬ tando en servicio, toda la teoría de esfuerzo crítico está involucrada. Es nece¬ sario repasar todo el procedimiento de la fabricación de principio a fin, y así tratar de identificar el problema. Si la falla se debe a que el acero no es bas¬ tante tenaz dirígase hacia el sur sobre el diagrama del conjunto coordinado. Si el problema está en el diseño, el tratamiento térmico o alguna cosa relacio¬ nada con la fabricación, corrija esto primero y mantenga la resistencia al desgaste, ya que ésta tendría que ser sacrificada por el movimiento hacia el sur sobre el diagrama. Una causa bastante oscura en la ruptura se encuentra algunas veces en la fragilidad ácida; si el acero ha sido sumergido en ácido por algún tiempo después de su endurecimento, esto lo hará completamente frágil. Las herra¬ mientas cromadas llegan a volverse frágiles por esta causa. Una herramienta que pudo haber sido atacada con ácido para inspeccionar agrietamiento por esmerilado también se volvería frágil. Cualquier residuo de fragilidad ácida puede ser eliminado de la pieza calentándola entre 200-300°F (122-150°C) por una hora, o más si la herramienta es muy grande, esta precaución deberá de tomarse siempre si la herramienta endurecida ha estado en contacto con cualquier ácido. Descascarado en servicio. Esta es una condición diferente de la ruptura en servicio, lo que resulta de una causa diferente. Herramientas tales como dados de cabeceado, dados para acuñar, dados de percusión, y dados de estampado, los cuales están sometidos a grandes presiones, usualmente están hechos de acero para herramientas de endurecimiento superficial. Si están hechos de un acero que se endurece totalmente, ellos tenderán a rajarse. Ne¬ cesitan el refuerzo /le un núcleo tenaz para mantener su integridad. Si la cubierta endurecida es muy débil para las presiones involucradas, se hundirá como hielo delgado. Frecuentemente la acción de hundimiento progresará despacio, pero finalmente se desprenderá alguna cáscara, a ésto es a lo que se le conoce como descascarado. El remedio para esto es usar un tratamiento de endurecimiento por calor más fuerte, o un templado total, o los dos, para hacer la penetración de la dureza más profunda. También se puede usar un acero que tenga caracterís¬ ticas de una mayor penetrabilidad de la dureza. Si el problema debe ser resuelto por el uso de un acero de endurecimiento más profundo del tipo de endurecimiento superficial, algunas veces es necesario recurrir a una prima donna. (Ver Cap. 6, Prima donnas.)

Problemas de falla 499

Grietas por calor. En los aceros para herramientas del tipo de dureza al rojo, usados para operaciones de formado en caliente, la superficie de trabajo de la herramienta frecuentemente llegará a cuartearse con un patrón semejante al de las grietas por esmerilado. Cuando la herramienta está en contacto con el trabajo calentado la herramienta se calienta rápidamente. Si se usa un líquido refrigerante, para eliminar el poco calor de forja, la super¬ ficie se enfría rápidamente. Cuando este proceso se repite muchas veces, la superficie comienza a agrietarse por calor. En la figura 23-8 se muestra un punzón para trabajo en caliente, dañado por agrietamiento por calor. La susceptibilidad del acero para agrietarse por calor depende en gran parte de su análisis. A partir del diagrama del conjunto coordinado se ve que la probabilidad de agrietamiento por calor se incrementa cuando el fabricante de herramientas viaja hacia el norte, casi nunca se ha visto en un acero rojo-tenaz, rara vez en acero rojo-duro y completamente fácil de presentarse en acero rojo-desgaste. El agrietamiento por calor se puede disminuir em¬ pleando refrigerantes no tan enérgicos. Un chorro de agua puede ser sustituido por un soplo de aire. En efecto, cualquier cosa que disminuya la severidad de los cambios de temperatura en las herramientas ayudará a prevenir el agrietamiento por calor. También una herramienta que ha sido formada para tener algo de ductilidad resistirá mejor el agrietamiento por calor que una herramienta dura. En relación con esto debe de mencionarse que las herramientas para trabajo en caliente deben de ser precalentadas antes de ponerlas a trabajar. Si las herramientas están tan frías como roca, a las primeras piezas forjadas se desarrollará una cantidad de esfuerzos inmensa. Es una lástima ser obliga¬ do a seleccionar un acero y un tratamiento térmico que tendrá que soportar esta clase de bauso, porque, al hacerlo, se está desperdiciando una cierta cantidad de dureza al rojo y resistencia al desgaste que serán necesarias cuan¬ do las herramientas finalmente alcancen su temperatura máxima. Para concluir este último capítulo, no estará de más una palabra de pre¬ caución en general. La información contenida en estas páginas deberá de expander el horizonte del fabricante de herramientas que se tome el tiempo para estudiarlas. El dejará muy atrás las ideas erróneas de que no hay nada en el acero que esté más allá de su análisis, y nada para el tratamiento tér-

Fig. 23-8.

Punzón para

trabajo en caliente agrietado por calor.

500 Temas avanzados en el campo del acero para herramientas

mico que no sea agua y fuego. Además, en manos más capaces cada capítulo puede ser expandido al tamaño de un libro, y la historia completa de las herramientas de acero en una completa biblioteca sin llegar por eso a agotar el tema. Y lo que es más, más allá de la sabiduría combinada de toda la in¬ dustria del acero para herramientas yace un vasto reino de posibilidades aún no tocadas. Realmente, hay un pequeño espacio para cualquiera de nosotros. Los conocimientos, como un poderoso telescopio, expanden la esfera de nues¬ tra ansia por saber, sólo comparada con la gran frontera de nuestra ignoran¬ cia. El único hombre que lo sabe todo es el que ha perdido su telescopio.

Apéndice

502

Apéndice

TABLA A-l. Conversión de grados Fahrenheit a grados Centígrados.

Fahrenheit Centígrado 32°

Fahrenheit

Centígrado

338°

1080° 1090

1100 1110

682° 588 593

640° 650

230

o° 100 104 110

670

343 349 354

240

116

250

680 690

360 366

1120 1130

260

121 127

700

371

1140

610 616

270

132

710

377

1150

621

280 290 300 310

138

720

382

1160

143

730 740 750

388 393 399

1170

627 632

1180 1190

638 643

320 330 340 350

160 166 171 177

760 770 780

404

1200 1210

360 370 380 390

182 188 193 199

212 220

149 154

660

599 604

416 421

1220

649 654 660

1230

666

800

427

810 820

1240 1250

671 677

1260

830

432 438 443

682 688

790

410

1270

400

204

840

449

1280

410 420

210 216 221

454 460 466

1290 1300

430

850 860 870

440

227 232 238 243

880 890

471 477

900 910

482 488

1320 1330 1340 1350

493

1360

738

499

1370

504 510

1380 1390

743 749 754

616 521

1400

527 532

1420 1430

450 460 470

1310

480

249

490 600 510

254 260 266

920 930 940 950

520

271

960

530

277 282 288

970 980 990

560

293

570 580

299 304

538 543

590

310

1000 1010 1020 1030

549 554

1440 1450 1460 1470

600

316 321

1040

560

1480

1050

566

1490

620

327

1060

332

1070

571 577

1500

630

540 550

610

%-

Fahrenheit Centígrado

1410

1510

693 699 704 710 716

721 727 732

760 766

771

777 782

788 793 799

804 810 816 821

t

i

Apéndice

TABLA A-l. Fahrenheit-Centígrado Conversión (continuación). Fahrenheit 1520° 1530 1540 1550

Centígrado

Fahrenheit

Centígrado

Fahrenheit Centígrado

827° 832

2000°

1003°

2480°

1360°

2010

1096

2490

838

2020

2500

1366 1371

843

2030

110-1 1110

2510

1377

849 854 8G0 866

2040

1116 1121 1127

2520 2530

1382

1132

2550

2080

1620

882

2100

1630

888

2110

1138 1143 1149 1154

N3560

1610

871 877

1640 1650

893 899

2120 2130

1660 1670

904 910

2140

1680 1690

916

2160

921

2170

927 932

2180 2190

1720 1730 1740

938 943 949

1750

954

2230

1760

960

2240

1770

966

2250

1780 1790

971 977

1800 1810

1560 1570 1580 1590

1600

1700 1710

1820 1830

2050 2060 2070

1388 1393 1399

2540

2570

1404 1410

2580 2590

1416 1421

1160

2600

1166

2610

1171 1177

2620

1427 1432 1438 1443

1182 1188 1193 1199

2040

1449

2650 2660 2670

1454

2200

1204

2680

2210

1210 1216 1221

2690 2710

1482 1488

2720 2730

1493 1499

2260

1227 1232 1238

2270

1243

2740 2750

1504 1510

982 988 993 999

2280 2290 2300 2310

1249

1254 1260 1266

2700 2770 2780 2790

1516 1521 1527

1004

2800

1538

2090

2150

2220

2630

2700

t

1460 1466

1471 1477

1532

1840 1850 1860 1870

2320

1271

1010

2330

1543

2340

2820 2830

1549

2350

1277 1282 1288

2810

1016 1021

1880 1890

1027 1032

2360 2370

1293 1299

2840 2850

1560 1566

1900 1910

1038 1043

2380 2390

1304 1310

2860 2870

1571 1577

1920 1930 1940 1950

1049 1054 1060

2400

1316

1321

2880 2890

1582

2410 2420

1327

2900

1593

1066

2430

1332

2910

1599

1554

1588

1960

1071

2440

1338

1970

1077

2450

1980

1082

2460

1343 1349

2920 2930 2940

1610 161 H

1990

1088

2470

1354

2950

1621

160-1

503

504

Apéndice

TABLA A-2. Conversión de durezas Brinell, Rockwell, Esclerométrico. La tabla de conversión de durezas dada abajo se desarrolló por la División de hierro y acero de la Sociedad de Ingenieros Automotrices. Aplicable únicamente a aceros recocidos o tratados con calor, que no han sido trabajados en frío, con un contenido total de aleaciones no mayor de aproximadamente 4.00®. Por lo tanto es menos precisa en acero para herramientas altamente aleados o en aceros

inoxidables.

Brinell Diám en mm., carÿn

3 000 Kg,

bola de 10 mm,

2 20

2.25

2 30 2 35

2 40 2 45 2 50 2 55 2 60 2 G5 2 70

2 75

Núm.

de Dureza

780 745 712

653

637

601 578

Rockwell Escala C.

Escala U,

carga

carga 100 Kg.»

150 Kg., cono de diamante de 120°

*

diám.

106

68

100

66

i'ó

64

91

02

87

58

81

r-7

78

00

84

en

mm.,

Núm.

carca de 3 000 Kg, bula de Dureza 10 mm.

4.20 4 2.5 4 30 4.35

-07 201’

1/16 plg

00

94

28

90 SO

174

27

SS

26

67

26

S.: Si

25 24

so

24 24

166

163

50

87

4 75

ISO

4.80

166 153

86

65

40 45

M

4.85 4 90

59

4.95

415 401 388 375

44 42

57

40

55 54

52

5.00 5.05 5. 10 5 15

3 20 3.25

3G3

33

51 49 48 46

5.25

131 128

341 331

37 36 3.3

5.20

3 30

5 30

126

5.35

124

73 72 71

321 311

34

45

70

200

32 3!

43 42

5.40 5 45

121

33

os;,

30

2.95

3 00 3 05

3 10

3 15

3.35 3.40

3-45 3.50 3.55

352

41

3 60 3.65 3 70 3.75

260 262

3.80 3.85 3 90 3 95

255 248 241 ‘235

25 24

4.00 4 05 4.10

229 223

21

4.15

277

217 212

44

40

39

29

S:SS .

5 60 5.65

1

i.j

81

146

80

143

79

140 137 134

118 11G

21

•'ÿ9

-,8

114

67

112 109 107

66 05

5.75

105

62

37 30

5.80

103 101

01

5.85

22

20

99

98 97 90

90

-

ü

59

5 05

97

57

0.00

95

56

33 32 31

31

04

90

5.90

21

74

37

35 34

23 22

22 21

26

ioo

25

78

'•> s

5.70

27

77 76

2S

23

20 28

91

170

47

30 30

187

40

461

metro

diám.

444 429

2 80 2.85 2.90

Número o

eseleró.

$

4 60

477

de I 20®

carga

100 Kg., bola de

Shore

4 40 4.45 4.50 4 . 55

4.65 4 70

75

diamante

Escala» B.

B3

72 70

55 53

carga 1 50 Kg., cono de

107 102

52

555 534 514 495

Rockwell Escala C,

Diám Número o

bola de cvrleró1/1 plg metro

70

Brinell

Shore

20

Apéndice

TABLA A-3.

Cuerpo en

pulsadas

Peso de barras de acero redondo, cuadrado, hexagonal y octagonal por pie lineal.1

Redondo Cuadrado [Hexagonal Octagonal

M* Me M Me

.0020 .0104 .0417 .0938

8-

.1669 .2608 .3756

& Me

1.043 1.262

.5111 .6676

1

I: 1

1 Me 1 M

2.670

3.014 3 379

2123

. 1760

1.150 1.392

1.913

2.245

.7361 9317

1 .656 1.044 2.254

5.857

7.026

5.072

5.567 6.085

0.008 0.520 7.051

7 650

6.625

1*K«

7.604

9.682

7 775 8 385

1 H l1

8.178

10.41

9.018

8.301 8 978

7.189

9 388

11 17 11 95

10.02

12.76

11.05

2

10.68 11.36 12.06

13.60

2 2

2

!Í6

30.31

40.24

3*f?e H

37.50 38.81 40.10 41.40

51.05 52.71

Me M Me

42.73 44.07 45.44 46.83

54.40 56.11 57.85 59 . 62

50.10 51 60

48.24

% Me

51 11 52 58

01.41 63.23

54.70 5G.3G 58 05

50.88 52 34 53.91 55 45

M

54 07 55.59 57.12 58.67

88.85 70.78

59.63

57.04

72.73 74.70

62 98 64.70

60 . 25 61 .83

60.25 61 .84

76.71

63.46 65.10

80.81 82 89

66.44 68 25 70 05 71.81

65 19 66.92

3

3 1M e 1

4 4 4 4 4

4 4 4

4

íl‘ Me

4»

4 M 4* Me 4 H

14.20 15.00 15 89

30.42 31 .50

20.50

41.65 43 14 44.68

14.91

15.75

28.20 29 . 30

30.60

31 89 33.20 34 . 55

33.90 35.09

5

10.01 17 . 19

24.03 25 04

26.08 27.13

32.71

3

3 H

11.27

11.98 12 72 13.48

Redondo Cuadndo Hexagonal Octagonal

>á Me

3

11 78 12.53 13.30 14 09

21.12

20.20

8 626 9 233

3 3 Me

4* Me

18.40 10.33 20 29 21 27

19 29

6.338 6 . 877 7 438 8.021

Cuerpo en pulgadas

9 902 10.57

10 35

22.33 23.43 24 5C

18 40

2 157

4.401 4 . 852 5.325 5 . 820

M

2

1.859

4.001

1

2 >4 !

1.584

2.817 3 180 3 505 3 . 972

Me

8:

1.331

2.945 3.324 3.727 4.152

1

2

7042

.8912 1í 100

3.400 3.838 4.303 4.705 5.312

8.773

.3961 .5391

2.476

6.428

8‘ 11Me

.2751

2.588

4. 173

1

0110

2.989

5.019 5.518

4.600

. 1810

8500 1 076 1.328 1.608

2 . 603

.0028

.0440 .0990

2875 .4141 . 5636

M

3.766

.0029

.0115 .0400 1035

.3333 .4782 0508

l

1

m

1.502 1.703 2.044 2.347

.0133 .0531 .1195

Me

1

4

8449

.0033

1

1 Me iH

505

5 Me 5 5

H

Me

ir> ge 5

Me

5

M

49.66

66.70 68.44 70.14

47.82 49 42

65.08 60.95

78.74

85.00 37 . 14 89 30

37.37

40.04

41.41 42.80 44.2!

34.50 35.75 37.01

38.30

39.01 40.91 42 29

45.65

43.67

47.11

45 07 40.45 47 93

48.05

53 10

61 29

73.61 75.53 77.37

49.38

58

(52

63 . 55

68.64 70.42

72.20

79.35

73.93 75.79

81.10

77.63 79 45

100.5

87.14

83.28

102 8 105.2 107. G 110.0

89.07 93.24

85 20 87.15 89.10 91.08

71.86

91.49

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80 77 82.02

36.07

38.69

98 23

83 15 85.13

81.40

19.41 20 31

5rr 5*Me

86.38

21 .30 22 . 28

5‘Ks

90.22

88.29

112.4 114.9

97.33

92.17

99.58

93.13 95.17

117.4

5