Handbook Aceros y Aleaciones

8/19/2019 Handbook Aceros y Aleaciones

http://slidepdf.com/reader/full/handbook-aceros-y-aleaciones 1/19

introducción

Carbono y aceros aleados son con mucho los materiales de forjado con

mayor frecuencia, y se forjan fácilmente en una amplia variedad de formas

utilizando en caliente, calentamiento, o los procesos y equipo estándar (ver

las secciones de forja en frío "Forjando rocesos "y" !quipamiento de forja ymuere "en este volumen# $ pesar de la %ran cantidad de composiciones

disponibles, todos los materiales de esta cate%oría presentan características

esencialmente forja similares# &as e'cepciones a esto son aceros que

contienen aditivos de maquinado libre tales como sulfuros estos materiales

son más difíciles de falsi)car que son los %rados de mecanizado que no son

libres# !n %eneral, la forjabilidad caliente de aceros al carbono y de aleación

mejora a medida que aumenta la velocidad de deformación# &a mejora en

trabajabilidad se ha atribuido principalmente a la aumento de calor

%enerado de la deformación a altas tasas de deformación#

*elección de forjar temperaturas para aceros al carbono y de aleación se

basa en el contenido de carbono, composición de la aleación, la ran%o de

temperatura óptima para la plasticidad, y la cantidad de reducción

requerida para forjar la pieza de trabajo# +e estos factores, contenido de

carbono tiene la mayor inuencia sobre las temperaturas de forja de límite

superior# &a -abla . muestra el forjado en caliente típico temperaturas para

una variedad de aceros al carbono y de aleación se puede observar que, en

%eneral, las temperaturas de forja disminuyen con el aumento de contenido

de carbono y aleación#



$ceros se han forjado en cantidad ya que cerca del comienzo de la

/evolución 0ndustrial# $ pesar de (o quizás debido a esta lar%a historia, la

forja de aceros es un proceso intuitivo, empírico, y la literatura sobre el

tema es relativamente escasa# !ste artículo tratará de presentar los datos

de forjabilidad para aceros al carbono y aleados siempre que sea posible, y

proporcionar al%una lineamientos %enerales para la forja de estos

materiales# !l procesamiento termomecánico de alta resistencia y baja

aleación (microaleados aceros de forja tambi1n serán discutidos#

Comportamiento de forja en caliente

&a forja en caliente de aceros al carbono y de aleación en formas intrincadas

rara vez limitada por aspectos forjabilidad con la e'cepción de los %rados de

maquinado libre mencionadas anteriormente# +e espesor de corte, a dar

forma a la complejidad y el tama2o de la forja se limitan principalmente por

el enfriamiento que se produce cuando la pieza de trabajo calentada entra

en contacto con los troqueles fríos# or esta razón equipo que tiene tiempos

de contacto de matriz relativamente cortos, tales como martillos, se pre)ere

a menudo para forjar formas intrincadas en de acero#

forjabilidad 3ot4-5ist ruebas#

6n medio com7n de medir la forjabilidad de aceros es la prueba en caliente

%iro# Como su nombre indica, esta prueba consiste en la torsión de la barra

de muestras calentadas a fractura en un n7mero de diferentes

temperaturas seleccionadas para cubrir el posible ran%o de temperatura de

trabajo en caliente del material de ensayo# !l n7mero de %iros a la fractura,

así como la par necesario para mantener la torsión a una velocidad

constante, se informó# &a temperatura a la que el n7mero de vueltas es la

más %rande, si e'iste un má'imo tal, se supone que es la temperatura de

trabajo en caliente óptima del material de ensayo# Fi%ura . muestra



for%eabilities de varios aceros al carbono se%7n lo determinado por las

pruebas en caliente %iro# 8ás información sobre la prueba en caliente %iro

es disponible en /ef 9, :, y ;#

Fig. 1 Forgeabilities of various carbon steels as determined using hot-twist testing.

Source: Ref 2.

<tras pruebas forjabilidad# =umerosas otras pruebas se utilizan para evaluar

la capacidad de forjado de aceros, incluyendo>

? &a prueba de cu2a forja, en el que se forja un esp1cimen en forma de

cu2a entre matrices planas y la vertical deformación que causa

a%rietamiento se establece

? &a prueba de presión lateral, que consiste en comprimir una muestra debarra cilíndrica entre plana, paralela muere con el eje del cilindro paralelo a

los troqueles# &os e'tremos del cilindro son sin restricciones, y forjabilidad

se mide por la cantidad de deformación obtenido antes de a%rietarse

? &a prueba molesto, en el que un cilindro se comprime entre matrices

planas y las cepas de la super)cie de rotura en el ecuador del cilindro se

miden

? &a prueba de malestar4bar con muescas, que es similar a la prueba de

malestar e'cepción de que las muescas a'iales se mecanizan en la muestra

de ensayo para introducir altos niveles de estr1s locales# !stas tensionesmás altas pueden ser más indicativo de las tensiones e'perimentadas



durante las operaciones de forja reales que los producidos en la prueba

estándar de malestar

? &a prueba de tracción en caliente, que a menudo se utiliza un aparato de

prueba especial para variar ambas velocidades de deformación y

temperaturas en un amplio ran%o

0nformación más detallada sobre estos procedimientos de ensayo, así como

otras t1cnicas utilizadas para evaluar la viabilidad de mayor materiales, está

disponible en los artículos de la sección "!valuación de viabilidad" en este

volumen y en /ef @ y A#

!fecto de la velocidad de deformación en forjabilidad# Como se ha indicado

anteriormente, la capacidad de forjado de aceros %eneralmente aumenta

con el aumento de la velocidad de deformación# !ste efecto ha sidodemostrado para el acero bajo en carbono en las pruebas en caliente %iro

(Fi%# 9, donde el n7mero de %iros a los aumentos de fracaso con el aumento

de velocidad de %iro# *e cree que esta mejora en la capacidad de forjado en

mayor cepa tasas es debido al aumento de calor de la deformación

producida en altas velocidades de deformación# &os aumentos de

temperatura e'cesivos de el calor de la deformación, sin embar%o, puede

conducir a la fusión incipiente, lo que puede reducir forjabilidad y

propiedades mecánicas#

Fig. 2 Influence of deformation rate on hot-twist characteristics of low-carbon steels at

109 !" #2000 !F$.

!l estr1s y la presión de ujo Forja

Flujo tensiones y las presiones de forja se pueden obtener de las curvas de

par de torsión %enerado en las pruebas en caliente de torsión o de

hotcompression o probar la tensión# &a Fi%ura : muestra curvas de

temperatura frente de par durante varios aceros al carbono y de aleación

obtenida de las pruebas en caliente %iro# !stos datos muestran que losrequisitos de presión de forja relativas para este %rupo de aleaciones hacen



Fig. 4 Forging &ressure versus tem&erature for three steels. %ata are shown for

reductions of 10 and 0).

Strain rate was constant at 0.( s-1. Source: Ref 9.

!fecto de la velocidad de deformación en la forja de presión# Forja presionesrequeridas para un aumento dado de acero con el aumento velocidad de

deformación# !studios de acero bajo en carbono (ref D indican que la

inuencia de la velocidad de deformación es más pronunciada a mayor

forjar temperaturas# !ste efecto se ilustra en la Fi%# @, lo que da curvas

tensión4deformación de un acero de bajo carbono forjado en temperaturas y

velocidades de deformación diferentes#



Fig. 5 Forging &ressure for low-carbon steel u&set at various tem&eratures and two

strain rates. Source: Ref *.

!fectos similares se han observado en los aceros de aleación# &a Fi%ura A

muestra las presiones de forja de acero requieren molesto en ;:;B varias

temperaturas y velocidades de deformación#

Fig. 6 Forging &ressure for +ISI ,,0 steel u&set at various tem&eratures and twostrain rates. Source: Ref 9.



Efectos de la forja en Propiedades

&a conformación de una con)%uración compleja a partir de una barra de

acero al carbono o aleado o tocho requiere primero que el acero sea

"dispuesto" en una forma de partida adecuado (preformado y despu1s de

que se hace uir en la con)%uración de la pieza )nal# este reordenación delmetal tiene poco efecto sobre la dureza y la resistencia del acero, pero

ciertas propiedades mecánicas, tales como ductilidad, resistencia al impacto

y resistencia a la fati%a, se han mejorado# !sta mejora en las propiedades se

cree que llevará a cabo porque forja> ? /ompe la se%re%ación, se cura la

porosidad, y ayudas homo%eneización ? roduce una estructura de %rano

)broso (Fi%# E que mejora las propiedades mecánicas paralelas al ujo de

%rano ? /educe como fundido a tama2o de %rano

Fig. 7 ,1,0 steel forged hoo showing fibrous structure #flow lines$ resulting from hot

forging. /tched using0) hot aueous "l. 0.

!fectos de la forja en ropiedades &a conformación de una con)%uración

compleja a partir de una barra de acero al carbono o aleado o tocho

requiere primero que el acero sea "dispuesto" en una forma de partida

adecuado (preformado y despu1s de que se hace uir en la con)%uraciónde la pieza )nal# este reordenación del metal tiene poco efecto sobre la

dureza y la resistencia del acero, pero ciertas propiedades mecánicas, tales

como ductilidad, resistencia al impacto y resistencia a la fati%a, se han

mejorado# !sta mejora en las propiedades se cree que llevará a cabo porque

forja> ? /ompe la se%re%ación, se cura la porosidad, y ayudas

homo%eneización ? roduce una estructura de %rano )broso (Fi%# E que

mejora las propiedades mecánicas paralelas al ujo de %rano ? /educe como

fundido a tama2o de %rano



Fig. 8 /ffect of forging ratio on reduction of area of heat-treated steels. #a$ ,,0 steel

at two sulfur levels. #b$

3anganese steel. #c$ 4acuum melted ,,0 with ultimate tensile strength of 2000 35a#290 si$. Forging ratio is

ratio of final cross-sectional area to initial cross-sectional area. Source: Ref *6 106 and

11.

Fig. 9 /ffect of hot-woring reduction on im&act strength of heat-treated nicel-

chromium steel. Forging ratiois the ratio of initial cross-sectional area to final cross-sectional area. Source: Ref 12.

&as propiedades mecánicas lon%itudinales típicos de piezas forjadas de

acero de bajo y medio4carbono en el recocido, normalizado, y se e'tin%uió y

condiciones templado se listan en la -abla 9# Como era de esperarse, la

fuerza aumenta con el aumento contenido de carbono, mientras que la

ductilidad disminuye#



*e debe reconocer que las piezas de forja cerrada morir por la mayoría de

los casos se hacen de palanquillas forjado que han recibido considerabletrabajo previo# iezas forjadas <pen4die, sin embar%o, se pueden hacer a

partir de cualquiera de palanquillas forjado o como4fundido en lin%otes#

8etal uye en varias direcciones durante la forja cerrada4matriz# or

ejemplo, en la forja de una forma de costilla y 5eb tal como una

componente de fuselaje, casi todo el ujo de metal es en la dirección

transversal# +icho ujo transversal mejora la ductilidad en ese dirección con

poca o nin%una reducción en la ductilidad lon%itudinal# +uctilidad

transversal concebiblemente podría i%ualar o superar ductilidad lon%itudinal

si las reducciones de forja eran lo su)cientemente %rande y si el ujo de

metal eran principalmente en la dirección transversal#



!fectos similares se observaron en el atropello de palanquillas forjado# !n

este caso, sin embar%o, el eje lon%itudinal ori%inal de la el material se

acorta por recalcado, y el desplazamiento lateral de metal es en la dirección

radial# Cuando la reducción de malestar e'cede de apro'imadamente @B,

la ductilidad en la dirección radial e'cede %eneralmente que en la dirección

a'ial (Fi%# .B#

Fig. 10 7'&ical influence of u&set reduction on a8ial and radial ductilit' of forged steels.

&ubricantes de forja (/ef .; +urante muchos a2os, las mezclas de aceite de

%ra)to eran los lubricantes más utilizados para la forja de aceros al carbono

y aleados# &os recientes avances en la tecnolo%ía de lubricantes, sin

embar%o, han dado lu%ar a nuevos tipos de lubricantes, como el a%ua

%ra)to y mezclas a base de a%ua lubricantes sint1ticos# Cada uno de los

lubricantes de uso com7n tiene ventajas y limitaciones (-abla : que deben

equilibrarse con los requisitos del proceso#



Criterios de selección# *elección de lubricante para las máquinas

herramientas se basa en varios factores, incluyendo la temperatura de forja,

muere la temperatura, la creación de equipos, el m1todo de aplicación del

lubricante, la complejidad de la pieza que se está forjando, y del medio

ambiente y las consideraciones de se%uridad# $ temperaturas de forja en

caliente normales para aceros al carbono y de aleación, lubricantes de

%ra)to a base de a%ua se utilizan casi e'clusivamente, aunque al%unas

tiendas de martillo todavía pueden emplear %ra)to a base de aceite# !l

ran%o de temperatura4caliente formando más com7n para aceros al carbonoy de aleación es @;B4DEB G C (.BBB4.@BB G F# +ebido a la %ravedad de

forjar condiciones a estas temperaturas, los recubrimientos de la palanquilla

se utilizan a menudo en conjunción con troquel lubricantes# &os

recubrimientos de palanquilla utilizadas incluyen %ra)to en un vehículo a

base de a%ua o de uidos revestimientos utilizados en conjunción con

revestimiento de conversión de fosfato de la pieza de trabajo#

ara temperaturas todavía más bajas de forja (menos de apro'imadamente

;BB G C, o E@B G F, disulfuro de molibdeno tiene una mayor car%a en libros

capacidad que hace %ra)to# +isulfuro de molibdeno o bien se puede aplicaren forma sólida o dispersa en un vehículo uido# 8ás información sobre la

química del lubricante, la aplicación y la selección está disponible en /ef .;#

Aceros para forja

Carbono y acero de aleación en lin%otes, tochos, palanquillas y lin%otes,

laminados en caliente o se echan a la apro'imación de la sección

transversal dimensiones por lo tanto, la rectitud, la comba, tolerancias %iro,

y planitud no se aplican# roductos de acero semiacabados para forja se

producen ya sea a pesos unitarios especi)cados o lon%itudes especi)cadas#



dimensionado de forja, la maquinabilidad se convierte en una consideración

vital para optimizar la vida de la herramienta, aumentar la productividad, o

ambos# la comprar especi)cación o forjar dibujo puede especi)car el

tratamiento t1rmico# *in embar%o, cuando se dan las especi)caciones sólo

má'ima dureza o especi)caciones microestructurales, se debe seleccionar

el ciclo t1rmico más económica y e)caz# -ratamientos t1rmicos disponiblesincluyen recocido completo, recocido spheroidize, recocido subcrítico,

normalizar, o normalizan y temperamento# !l tratamiento t1rmico ele%ido

depende de la composición del acero y de las operaciones de la máquina a

realizar# $l%unos de acero las cali)caciones son intrínsecamente suave,

otros se convierten en bastante duro en el enfriamiento de la temperatura

de acabado despu1s de forja en caliente# al%unos tipo de recocido se

requiere %eneralmente o especi)cados para mejorar la maquinabilidad#

-ratamiento t1rmico a )nales ropiedades Físicas# &a normalización o

normalizador y revenido puede producir la necesaria dureza mínima yresistencia mínima a la tracción )nal# *in embar%o, para la mayoría de los

aceros, un endurecimiento (austenitize y enfriamiento rápido (en aceite,

a%ua, o al%7n otro medio, dependiendo del tama2o de sección y

templabilidad se emplea ciclo, se%uido de un revenido para producir las

propiedades de dureza, resistencia, ductilidad y de impacto adecuadas# ara

piezas forjadas de acero para ser calor tratada por encima de la .B:; 8a

(.@B Isi nivel de fuerza y que tiene variaciones de tama2o de sección, es

práctica %eneral para normalizar antes de austenización para producir un

tama2o de %rano uniforme y minimizar las tensiones residuales internas# !n

al%unos casos, es práctica com7n de utilizar el calor para forjar como elciclo de austenización y para saciar a la unidad de forja# &a forja es entonces

templado para completar el ciclo de tratamiento t1rmico# $unque e'isten

limitaciones obvias a este procedimiento, las economías son de)nitivas

posible cuando el procedimiento es aplicable (por lo %eneral para las formas

sim1tricas de los aceros al carbono que requieren poca 7ltimo mecanizado#

-ratamientos t1rmicos especiales a veces se utilizan para controlar la

distorsión dimensional, aliviar tensiones residuales antes o despu1s

operaciones de mecanizado, evitar el a%rietamiento de enfriamiento, o

prevenir choques t1rmicos o de super)cie (caso de endurecimiento# $unque

la mayor parte de la ciclos de tratamiento t1rmico discutidos anteriormentese puede aplicar, pueden requerirse tratamientos muy especí)cos# !stos

tratamientos por lo %eneral se aplican para con)%uraciones complejas de

forja con las diferencias en el espesor de la sección adyacentes, o con los

aceros de muy alta templabilidad y aleaciones# Cuando la estabilidad de las

piezas acabadas dimensionados críticamente permite sólo la luz de

mecanizado de la forja despu1s de calor tratamiento a las propiedades

)nales, tratamientos especiales están disponibles, incluyendo marquenchin%

(martemple, aliviar el estr1s, y m7ltiple de templado#

8uchas aplicaciones, como los ci%Je2ales, árboles de levas, en%ranajes,cilindros forjados, anillos, al%unos cojinetes, y otras máquinas componentes,



Fig. 11 5rocessing c'cles for conventional #uenched and tem&ered to&$ andmicroallo'ed steels #bottom$.

Source: Ref 2.

!fectos de elementos de microaleación (/ef .D Carbono# &a mayoría de los

aceros microaleados desarrollados para forjar tienen contenidos de carbono

que van B,:B4B,@B, lo cual es lo su)cientemente alta como para formar

una %ran cantidad de perlita# &a perlita es responsable de fortalecimiento

sustancial# !ste nivel de carbono tambi1n disminuye la solubilidad de los

componentes de microaleación en austenita#

=iobio, vanadio y titanio# Formación de precipitados de carbonitruro es elotro refuerzo importante mecanismo de aceros microaleados de forja#

Kanadio, en cantidades que varían de B,B@ a B,9, es la más com7n

$demás microaleación utilizado en la creación de aceros# !l niobio y titanio

mejoran la resistencia y tenacidad, proporcionando el control de tama2o de

%rano de austenita# $ menudo, el niobio se usa en combinación con vanadio

para obtener los bene)cios de tama2o de %rano de austenita de control (de

niobio y la precipitación de carbonitruro (de vanadio#

!l man%aneso se utiliza en cantidades relativamente %randes (.,; a .,@

en muchos aceros de forja microaleado# *e tiende a reducir la espesor de la

placa cementita mientras se mantiene el espaciado interlaminar de la

perlita desarrollado (/ef .L por lo tanto, de alto niveles de man%aneso

requieren los contenidos de carbono inferiores para retener las %randes

cantidades de perlita requeridas para alta dureza# !l man%aneso tambi1n

proporciona sustancial fortalecimiento de la solución sólida, mejora la

solubilidad de carbonitruros de vanadio, y disminuye la temperatura de

solvus para estas fases#

!l contenido de silicio de la mayoría de aceros microaleados comerciales de

forja es de apro'imadamente B,:B al%unos %rados contienen hasta un

B,EB (/ef 9B# Contenidos más altos de silicio están asociados consi%ni)cativamente mayor dureza, al parecer debido a un aumento de la



cantidad de ferrita con respecto a la formada en los aceros de ferrita4perlita

con menor contenido de silicio#

$zufre# 8uchos microaleado de forja aceros, en particular los destinados a

su uso en piezas forjadas de automóviles en el que maquinabilidad es

crítica, tienen contenidos relativamente altos de azufre# &os contenidos deazufre superiores contribuyen a su maquinabilidad, que es comparable a la

de los aceros templados y revenidos (/ef 9., 99#

$luminio y nitró%eno# Como en aceros de %rano )no endurecibles, el

aluminio es importante para el control del tama2o de %rano de austenita en

aceros microaleados (/ef .L# !l mecanismo de control de tama2o de %rano

de aluminio es la formación de nitruro de aluminio partículas# *e ha

demostrado que el nitró%eno es el principal componente intersticial de

vanadio carbonitruro (/ef 9:# para esto razón, de moderado a alto

contenido de nitró%eno se requiere en aceros microaleados contienen

vanadio para promover la efectiva precipitar el fortalecimiento#

Forja controlada (/ef 9;

!l concepto de control de tama2o de %rano se ha utilizado durante muchos

a2os en la producción de productos laminados planos# particularmente en

placa de rodadura, la capacidad de aumentar la temperatura de

recristalización de la austenita mediante peque2as adiciones de niobio es

bien conocida el proceso utilizado para producir estos aceros se re)ere

%eneralmente como controlada rodando (ver el artículo "Flat, Mar, y Forma

/odando ", en este volumen#

&os bene)cios de la austenita control del tama2o de %rano no son, por

supuesto, limitada a los productos laminados planos# $unque el acabado

más alto temperaturas requeridas para la laminación de barras limitan la

utilidad de este enfoque para el control microestructural, terminando

temperaturas para aceros microaleados de barras, sin embar%o, deben ser

controlados# *e ha demostrado que, aunque la fuerza no es afectada

si%ni)cativamente por la temperatura de acabado, la dureza de los aceros

microaleados que contienen vanadio disminuye con aumento de la

temperatura de acabado (/ef 9@, 9A# !ste efecto se muestra en la Fi%# .9,

que compara el impacto Charpy K4notch fuerza para un acero microaleado.@;. terminó a tres temperaturas# !ste efecto perjudicial de un alto

acabado la temperatura en la resistencia al impacto tambi1n lleva a

operaciones de forja, es decir, menor es la temperatura de acabado en forja,

mayor será la dureza resultante, y viceversa# +espu1s de e'tensas pruebas,

los investi%adores en /ef 9A recomienda que la temperatura de acabado

para forjar ser reducido a cerca de .BBB G C (.DBB G F# -al tratamiento dio

lu%ar a propiedades de impacto i%uales o mejores que los de las barras

laminadas en caliente (/ef 9A# &os mismos investi%adores lle%aron a la

conclusión de que el rápido precalentamiento de inducción era bene)cioso

para los aceros microaleados de forja, y que los ahorros de costos de .B



(para el estándar piezas forjadas microaleados a 9B (para los %rados

resulfurado eran posibles#

Fig. 12 /ffect of hot finishing tem&erature on im&act strength of microallo'ed 1,1steel #+ISI 1,1 &lus

0.10) 4$. Source: Ref 2.

&as temperaturas más bajas de acabado, sin embar%o, cobran su precio en

t1rminos de presiones de forja obli%atorio más alto (y por lo tanto mayor las

capacidades de la máquina es necesario y un mayor des%aste morir# &atenacidad mejorada resultante de temperaturas de acabado inferiores, así

como los ahorros de costos que pueden lo%rarse como resultado de la

eliminación de un tratamiento t1rmico, debe sopesarse contra los aumentos

de los costos causados por estos factores#

8icroaleados Fría la r7brica $ceros &os aceros utilizados en la producción de

elementos de )jación de alta resistencia por estampación en frío se

produjeron previamente de templado y aleaciones de acero templado# ara

obtener una resistencia su)ciente con ductilidad adecuada requerida seis

pasos de procesamiento# reciente desarrollos han conducido a la utilizaciónde aceros microaleados de niobio4boro que no requieren tratamiento

t1rmico (/ef 9E# estos aceros hacen uso de niobio y adiciones de boro para

desarrollar estructuras bainíticos con altas tasas de trabajo de

endurecimiento# en la mayoría casos que utilizan la deformación de

estampación en frío para lo%rar los niveles de fuerza necesarios sin

tratamiento t1rmico# &a -abla ; lista las composiciones y propiedades

seleccionadas de estos materiales#

Handbook Aceros y Aleaciones

Documents

Transcript of Handbook Aceros y Aleaciones