CLASIFICACIN DE LOS ACEROS Tecnologa Bsica de la Soldadura

La soldadura es un campo fascinante, no existe ningn aspecto de la vida moderna que no este relacionado de forma directa o indirecta con la soldadura. Desde los procedimientos mas sencillos como entretenimiento en casa, auto-mecnica, granjas, fabricas de cualquier tipo y tamao, industria automovilstica, comercio, transporte y hasta la industria espacial son solo algunos ejemplos de que la soldadura esta envuelta de manera significativa en nuestras vidas.

Dr. Weld ha preparado un curso breve con todo lo referente a la tecnologa bsica envuelta en la elaboracin de las aleaciones de acero y la ejecucin de la soldadura. Estamos seguros que si es seguido en el orden y secuencia presentado lo introducir en el fascinante mundo de la soldadura de una forma fcil hacindolo la envidia de cualquier experto.

FUNDAMENTOS DE LA METALRGICA Origen y elaboracin de los Metales

Los metales se encuentran en depsitos naturales en la capa terrestre; a estos depsitos se les conoce como minerales. La mayora de los minerales en estado natural estn contaminados con impurezas, las cuales deben ser removidas o eliminadas mediante procesos qumicos o mecnicos para purificarlos. De manera excepcional, algunos metales se encuentran puros en estado natural. Los metales que se extraen de los minerales son denominados como metales vrgenes o primarios y a los que se obtienen de la chatarra se les denomina metales secundarios.

Composicin de la capa terrestre.

Se entiende por capa terrestre o costra terrestre a la capa superficial que envuelve a la tierra hasta una profundidad de 16 Km; Algunas zonas de esta capa o costra contienen altas concentraciones de metales a los que se les conoce como depsitos minerales.

La extraccin de estos minerales se conoce como minera y se lleva a cabo mediante los sistemas de excavacin subterrnea o de tiro abierto. Existen dos tipos de minera: la selectiva, en la cual se trabajan pequeas vetas o camas de mineral

de alta concentracin y la masiva, en la cual se extraen grandes cantidades de mineral de baja ley para extraer junto con ellos las porciones de alta concentracin. Entre los minerales ferrosos mas importantes tenemos:

Hematita(Fe2O3) 70.0% Fe Magnetita(Fe2O4) 72.4% Fe Taconita Es un mineral ferroso embebido en una matriz cuarzosa de compuestos silicosos y es la propia fuente de la Hematita y la Magnetita; su contenido de Fe es de aproximadamente 30%.

EL ACERO Y SU MANUFACTURA.

Se puede aprender mucho de la metalrgica de la soldadura si se entiende como se producen los distintos tipos de acero, ya que algunos de los procesos qumicos que ocurren durante la elaboracin del acero se repiten durante la operacin de la soldadura.

El Alto Horno

El mayor porcentaje de arrabio producido comercialmente proviene de altos hornos. El tamao de un alto horno moderno es de aproximadamente 30 Mts. de altura y un dimetro interior de 10 Mts.; su cubierta exterior es de acero y su interior esta recubierto con densos ladrillos refractarios, duros y de alta calidad, diseados especialmente para este tipo de servicio extra-pesado.

El tiempo que se pueda operar continuamente un alto horno depende de la vida util del material refractario que normalmente permite a os altos hornos operar sin interrupcin por periodos de entre 3 y 7 anos.

Hornos de Aceracin

Para purificar el arrabio y la chatarra se utilizan diversos tipos de hornos, entre los mas conocidos estn el Siemens-Martin, el Horno Elctrico y el BOF o convertidor bsico.

El horno Siemens-Martin tiene la ventaja de eliminar el fsforo, producir composiciones de acero mas exactas y utilizar chatarra, lo cual es cada vez mas til dada la importancia que ha alcanzado el reciclaje.

El horno elctrico emplea grandes electrodos de grafito para producir un arco de gran intensidad que funde la carga, La ventaja de este horno se fundamenta en que es mucho mas sencillo mantener y controlar en su interior la atmsfera ya sea oxidante o reductora; El fsforo se puede eliminar con una escoria oxidante y el azufre con escoria reductora.

El BOF (mas ampliamente usado) o Convertidor Bsico a Oxigeno es el mas comn. Grandes avances se han logrado en los procesos de aceracin gracias al uso de inyeccin de oxigeno puro en lugar de aire; este mtodo permite la produccin de grandes toneladas de acero con bajo contenido de nitrgeno. Acabado y desoxidacin del Acero

Despus del proceso de refinacin el acero queda saturado de oxigeno, mientras mas bajo el contenido de carbn en el acero mas alto ser su contenido de oxigeno y para cualquier contenido de carbn el contenido de oxigeno es mayor en el acero en estado liquido que en estado slido, por lo tanto, para evitar burbujas de gas atrapadas en el metal, una cantidad sustancial de oxigeno debe eliminarse. Existen 5 maneras distintas para eliminar el oxigeno del acero en fusin:

1.Acero Efervescente: La manufactura de este acero consiste en vaciar el acero liquido, con alto contenido de oxigeno, en lingoteras (moldes). El acero entonces, forma un lingote que empieza a solidificarse desde afuera hacia dentro comenzando por las paredes y fondo de la lingotera, formando paredes y un fondo de hierro casi puro. Como resultado de esto el acero, aun liquido en el centro del lingote se segrega casi todo el carbn, sulfuro y fsforo. El oxigeno reacciona con el carbn formando monxido de carbono que queda atrapado en la masa del lingote al solidificarse y que desaparece durante los subsecuentes procesos de laminacin en caliente.

2.Acero Semi-Efervescente: Cuando se fabrica este acero la intencin es regular la cantidad de oxigeno en el metal fundido de manera de detener la accin efervescente. Esto se logra mediante el uso de una tapa pesada, o tapa fra que se coloca por solo unos minutos en la parte superior de la lingotera despus que se ha solidificado solo una pequea capa adyacente a las paredes y fondo de la lingotera, formando una piel de acero casi puro. De esta manera se obtiene un lingote de acero con un centro no tan segregado como en el acero efervescente. Estos aceros se utilizan en aplicaciones que requieren una excelente superficie y donde la heterogeneidad del acero efervescente seria perjudicial. 3.Acero Calmado: Este acero se fabrica eliminando o convirtiendo completamente el oxigeno antes de la solidificacin para prevenir la accin efervescente; Esto se logra generalmente agregando silicio en forma de ferro silicio en el horno, el silicio se combina con el oxigeno para formar slice (SiO2) la cual es expulsada con la escoria, dejando un metal denso y homogneo. 4.Acero Semi-Calmado: Este acero esta en un punto intermedio entre el acero efervescente y el acero calmado, este al solidificarse muestra una menor contraccin produciendo una cavidad o depresin de menor tamao en la parte superior del lingote.

5.Acero desoxidado al Vaco: El objeto de la desoxidacin al vaci es eliminar el oxigeno sin dejar inclusiones de compuestos no metlicos, de esta manera se obtienen aceros muy limpios para usos especiales.

Tipos de Aceros

CLASIFICACIN DE LOS ACEROS Existen cuatro grandes clasificaciones de aceros bsicos: Aceros al Carbn, Aceros de Baja Aleacin, Aceros de Alta Aleacin y Aceros Herramienta. El Acero es bsicamente una aleacin de Hierro y Carbn; el carbn es el responsable de la respuesta del acero a los tratamientos de endurecimiento, por esta razn tan importante el principal tipo de acero es el Acero al Carbn comn.

1.Acero al Carbn: Los aceros al carbn varan desde el 0.005% al 1.80% de contenido de carbn, aceros con contenidos mayores se clasifican como Hierros Colados. Los aceros al carbn contienen menos del 1.65% de Manganeso, 0.6% de Silicio y 0.6% de Cobre, cabe recordar que adems de fabricarse en varios tipos de hornos, los aceros al carbn pueden terminarse o desoxidarse como acero efervescente, semi-efervescente, calmado, semi-calmado y desoxidado al vaco; tanto el tipo de horno usado como el proceso de desoxidacin afectan las caractersticas y propiedades del acero. Sin embargo, el mayor cambio de propiedades lo determina el contenido de carbn; al aumentar el contenido de carbn tambin aumenta la resistencia y su dureza.

2.Aceros de Baja Aleacin: Estos aceros contienen pequeas cantidades de elementos especficos de aleacin para obtener mejoras considerables en sus propiedades. Estos elementos de aleacin se pueden incorporar en el acero por varias razones: mejorar propiedades mecnicas, aumentar o disminuir su respuesta a los tratamientos trmicos, mejorar su resistencia a la corrosin, etc. El acero de baja aleacin se define primero como un acero en el cual el contenido mximo especificado para los elementos de aleacin excede uno o mas de las siguientes cantidades: (Mn - 1.65%), (Si - 0.6%) y segundo como un acero con un contenido definido de elementos de aleaciones tales como Al, Ni, Mo, Ti, W, V, Zr y otras aleaciones, un gran numero de estas aleaciones pueden ser agrupadas en las cuatro aplicaciones siguientes:

a) Acero para construccin. b) Acero automotriz, aviacin y maquinaria. c) Acero para baja temperatura. d) Acero para alta temperatura. 3.Acero de Alta Aleacin: Cuando el contenido Cr, Ni o Mn en el acero es 10% o mayor se le considera como acero de alta aleacin, entre los aceros de alta aleacin mas importantes se encuentran:

a) Aceros austenticos al manganeso b) Aceros inoxidables c) Aceros resistentes al calor

d) Aceros herramienta Por los altos niveles de elementos de aleacin, se recomienda tomar practicas y cuidado especial cuando se sueldan aceros de alta aleacin.

La operacin del alto horno se basa en la reaccin qumica que se produce entre la carga slida y el flujo ascendente de gas en el horno. La carga consiste principalmente de: mineral ferroso, fundente y Coque. El mineral ferroso es oxido de hierro en trozos de aproximadamente 10 cm de dimetro. El fundente es piedra caliza, la cual se descompone en CaO y CO2, la Cal reacciona con las impurezas contenidas en el mineral y en el Coque para formar escoria. El Coque es el combustible ideal para el alto horno, ya que al quemarse produce Gas Co que es el principal agente reductor en la produccin de acero. La funcin bsica del alto horno consiste en reducir el oxido de hierro en hierro metlico bsico, y eliminar las impurezas contenidas en el metal.

Algunos elementos reducidos ( C, Si, Mn, S, P ) permanecen con el hierro y los elementos oxidados (CaO, CaS, SiO2, Al2O3, MgO, MnO ) se disuelven en la escoria.

Al metal final que se obtiene del alto horno se le llama "arrabio" y tiene aproximadamente esta composicin: Fe C Mn Si S P

90 - 95% 3.5 - 4.5% 0.5 - 8% 0.7 - 3.5% 0.02 - 0.12% 0.1 - 0.9%

El arrabio se utiliza como punto de partida para otros procesos de purificacin o aceracin.

Estos minerales son definidos como depsitos naturales de materiales de los cuales pueden ser extrados comercialmente los metales. A la cantidad de metal contenida

en los minerales se le conoce como "Tenor" o "Ley" y al resto de los compuestos sin valor contenidos en el mismo se le conoce como "Ganga".

Existen minerales ferrosos y no ferrosos, la metalrgica ferrosa se refiere exclusivamente al hierro y la metalrgica no ferrosa se refiere a la tecnologa de todo el resto de los metales.

Minerales Ferrosos El hierro (Fe), es el mas importante y el mas usado de todos los metales. En el mundo se produce un tonelaje 20 veces mayor de hierro que de todo el resto de los metales. Algunas de las razones de esta preponderancia son que: en el mundo existen grandes depsitos de mineral ferroso de alta ley, el mineral ferroso es relativamente fcil de reducir y tambin que el hierro combinado con el carbn forma una importante cadena de aleaciones tiles.

ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS.

Varias sociedades de normas son responsables de las especificaciones qumicas de los aceros, las normas mas importantes y conocidas son las establecidas por:

AISI Instituto Americano del Hierro y el Acero. http://www.steel.org/

SAE Sociedad de Ingenieros Automotrices. http://www.sae.org/

ASTME Sociedad Americana de Pruebas y Materiales. http://www.astm.org/

ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecanicos. http://www.asme.org/

El sistema de clasificacin que estas sociedades de normas han establecido se basa en un numero de 4 dgitos en el cual los primeros 2 dgitos representan la composicin qumica de la aleacin y los 2 dgitos finales representan el contenido aproximado de carbn, algunas variantes se pueden representar en letras segn:

L = Plomo. B = Boro. E = Horno Elctrico. H = Endurecimiento Garantizado.

EFECTO DE ALGUNOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIN EN LOS ACEROS. Carbn (C): Es el elemento de aleacin mas efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbn forma carburo de hierro y cementita, la cual

con la ferrita forma perlita. Cuando el acero se enfra mas rpidamente, el acero al carbn muestra endurecimiento superficial. El carbn es el elemento responsable por la alta dureza y alta resistencia del acero.

Manganeso (Mn): Esta presente en casi todas las aleaciones de acero y constituye uno de sus elementos indispensables. El Manganeso es un formador de austenita y al combinarse con azufre previene la formacin de sulfuro de hierro en los bordes del grano, el cual es altamente perjudicial durante el proceso de laminacin. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar la capacidad de endurecimiento del acero.

Silicio (Si): Es un formador de ferrita y se usa para desoxidar, tambin aumenta la capacidad de endurecimiento mejorando las propiedades mecnicas del acero. Cromo (Cr): Es un formador de ferrita y aumenta la profundidad de endurecimiento; tambin aumenta la resistencia a altas temperaturas y a la corrosin. El Cromo es un elemento principal de aleacin en aceros inoxidables y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste.

Nquel (Ni): Es el principal formador de austenita, este elemento aumenta la tenacidad y resistencia al impacto, por eso es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas. El nquel tambin utiliza en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosin. El nquel presenta propiedades nicas para soldar Hierros Colados.

Molibdeno (Mo): Aumenta fuertemente la profundidad de endurecimiento del acero, as como su resistencia al impacto, por eso es el elemento mas afectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, adems, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeniticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosin. Vanadio (V): Promueve la formacin de grano pequeo y reduce la perdida de resistencia durante el templado; adems, aumenta la capacidad de endurecimiento, tambin es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros herramientas.

Cobre (Cu): Mejora la resistencia a la corrosin de aceros al carbn. Fsforo (P): Se considera un elemento perjudicial en los aceros, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensin y mejorar la maquinabilidad.

Azufre (S): Tambin se considera como elemento perjudicial en las aleaciones de acero. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difciles de soldar y en su presencia en la soldadura genera porosidad.

Boro (B): Se utiliza bsicamente para aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequea cantidad de boro,

(0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, el boro tambin se combina con el carbn para formar carburos que imparten al acero caractersticas de revestimiento duro.

Columbio (Nb) (Ta): Se utiliza bsicamente en aceros inoxidables austeniticos con el objeto de estabilizar los carburos. Debido a que el carbn disminuye la resistencia anticorrosiva en los inoxidables al agregar Columbio, el cual tiene mayor afinidad con el carbn que el cromo, este queda libre para cumplir con su funcin anticorrosiva.

Titanio (Ti): Tambin se utiliza para estabilizar y desoxidar acero. Sin embargo, pocas veces se usa en soldadura, ya que el metal de soldadura no se transfiere eficientemente.

Tungsteno (W): Se utiliza para impartir gran resistencia a alta temperatura. El Tungsteno tambin forma carburos los cuales son excepcionalmente duros, impartiendo al acero una gran resistencia al desgaste para aplicaciones de revestimiento duro o en acero herramienta.

Cobalto (Co): Es un elemento poco comn en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento. Sin embargo, este elemento encuentra su uso en aplicaciones donde se requiere un revestimiento duro para servicio a alta temperatura, ya que produce una gran cantidad de solucin slida endurecedora cuando se disuelve en ferrita o austenita.

Plomo (Pb): Es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se agrega plomo a muchos tipos de acero para mejorar la maquinabilidad. Nitrgeno (N): Se agrega en ocasiones al acero para promover la formacin de austenita. Tambin puede agregarse a aceros inoxidables para reducir la cantidad de Nquel. El Nitrgeno afecta las propiedades mecnicas del acero.

Aluminio (Al): Se usa principalmente como desoxidante en la elaboracin de acero. El Aluminio tambin aminora el crecimiento del grano al formar xidos dispersados y nitruros.

CLASIFICACIN SEGN EL CARBONO Y ALEACIN Acero al Carbn 10XX Acero al Carbn Resulfurizado 11XX Acero al Carbn Refosforizado y Resulfurizado. 12XX Acero al Manganeso. 13XX Acero al Nquel 2XXX Acero al Nquel - Cromo 31XX Acero al Alto Nquel - Cromo 33XX Acero al Carbn - Molibdeno 40XX Acero al Cromo - Molibdeno 41XX Acero al Cromo - Nquel - Molibdeno 43XX Acero al Nquel - Molibdeno 46XX Acero al Alto Nquel - Molibdeno 48XX Acero al Bajo Cromo 50XX Acero al Cromo 51XX

Acero al Carbn - Cromo 52XXX Acero al Cromo - Vanadio 61XX Acero al Bajo Nquel - Cromo - Molibdeno 86XX Acero para Resortes al Silicio - Manganeso 92XX Acero al Nquel - Cromo - Molibdeno 93XX Acero al Boro BXX Acero al Boro - Vanadio XXBVXX

CLASIFICACIN DE LOS ACEROS ESPECIALES Acero Herramienta Endurecidos al Agua WX Acero Herramienta Resistentes a Impacto SX Acero Herramienta Endurecidos al Aceite OX Acero Herramienta Endurecidos al Aire AX

Acero Herramienta Alta Temperatura HXX Acero Herramienta Alta Velocidad (W) TX Acero Herramienta Alta Velocidad (Mo) MX Aceros para Moldes o Matrices PX Acero Inoxidable al cromo/nquel/mnganeso 2XX

Acero Inoxidable al Cromo - Nquel 3XX

Acero Inoxidable al Cromo 4XX Acero Resistente al Calor - Bajo Cromo 5XX La Sociedad americana de Pruebas y Materiales (ASTM) publica especificaciones y pruebas de materiales cubriendo materiales ferrosos y no ferrosos, tambin la Sociedad Americana de Soldaduras (AWS) publica sus especificaciones, pero esta ultima se concentra especialmente en soldadura y sus procesos.

Estructura Cristalina de los Metales.

Cuando un metal en estado liquido es enfriado, sus tomos se agrupan en siguiendo un patrn regular de cristalizacin, entonces decimos que el metal se ha solidificado o cristalizado. Todos los metales se solidifican como materiales cristalinos y cada material posee su propio patrn de cristalizacin en el caso de los metales este patrn permanece inalterable mientras este en estado slido.

Las formas ms comunes de estructuras cristalinas en metales son la Red Cbica Centrada, Red cbica de Caras Centradas y la Red Hexagonal Compacta, otras estructuras cristalinas encontradas en los metales son la Cbica simple, Tetragonal, Romboidal, Ortorromboidal y sus variantes.

Formas Bsicas de los cristales de acero

La estructura cristalina de los metales es responsable de muchas de las principales propiedades de los mismos. A medida que el metal en estado liquido se solidifica, se forman pequeos grupos de tomos que van formando las redes o cadenas cristalinas creando centros de cristalizacin o Granos a travs de toda la masa del metal y orientndose en todas direcciones; esta cristalizacin se multiplica uniendo los grupos entre si y el proceso de solidificacin termina, a la superficie de contacto entre un cristal y otro se le denomina "limite" o "Borde" del grano.

El proceso de enfriamiento afecta el tamao y posicin de los granos y consecuentemente afecta tambin las propiedades del metal. Propiedades de los Metales

Las propiedades de los metales se pueden dividir en tres grandes categoras:

Propiedades Mecnicas

Propiedades Fsicas

Propiedades Corrosivas

Las Propiedades Mecnicas se pueden listar de esta forma:

Resistencia Mxima a la tensin (Ultimate Tensil Strength): Carga mxima que soporta el metal antes de fracturarse.

Deformacin (Strain): La cantidad de deflexin experimentada por el metal al aplicrsele una carga.

Resistencia a la Fatiga (Stress): Resistencia de un metal o material a la tensin bajo carga dinmica o cclica. Modulo de Elasticidad (Modulus of Elasticity): La relacin de fatiga a deformacin. Entre mas alto el modulo de elasticidad, mas fuerte el metal.

Regin Elstica (Elastic Region): Donde la fatiga esta directamente relacionada con la deformacin y el metal regresa a su forma original al quitar la carga.

Regin Plstica (Plastic Region): La regin donde el metal deformado ya no regresa a su forma original.

Limite Elstico (Yield Strength): El limite de comportamiento elstico del metal. Endurecimiento por Deformacin (Strain Hardening): La habilidad de un metal de aumentar su resistencia debido a deformacin plstica.

Dureza (Hardness): La resistencia de un metal a la deformacin plstica; para medir la dureza se utilizan los procedimientos Brinell, Vickens y Rockwell.

Elongacin por Doblez (Bend Elongation): Es la separacin entre marcas al doblar una probeta en un arco de 180

Impacto (Toughness): La habilidad de un metal para resistir la fractura al aplicar una carga bajo condiciones desfavorables de absorcin de energa y deformacin plstica.

Temperatura de Transicin de Energa (Energy Transition Temperature): La temperatura a la cual el tipo de fractura de un metal cambia de Dctil a Frgil.

Fractura (Fracture): La ruptura o separacin de un metal en dos o mas partes. Hay dos tipos de fractura: Por esfuerzo cortante y Fractura Fragilizada; en la primera se nota una deformacin plstica antes de la fractura y en la segunda esa deformacin plstica no ocurre u ocurre en grado mnimo. La fractura por esfuerzo cortante tiene una apariencia sedosa o fibrosa, mientras que la fractura fragilizada tiene una apariencia granular o cristalina.

PROPIEDADES FSICAS Densidad (Density): Relacin Peso / volumen. Conductividad Trmica (Thermal Conductivity): La relacin de comportamiento en como se transmite el calor en la masa metlica.

Coeficiente de Expansin (Coefficient of Expansion): La relacin de cambio dimensional de un metal sujeto a cambio de temperatura. PROPIEDADES CORROSIVAS

Las propiedades corrosivas de un metal determinan el grado de ataque por reaccin qumica o electroqumica del medio que lo rodea. Debido a que la resistencia a la corrosin es muy importante al planear el servicio de una estructura soldada, es necesario conocer que aleaciones son resistentes a los distintos ataques corrosivos. Es importante hacer notar que el metal de soldadura, el metal base y la zona de calor afectada por el calor (HAZ) pueden comportarse de manera muy particular cada una en un medio de corrosivo determinado.