propiedades del acero al carbono

7/26/2019 Propiedades Del Acero Al Carbono

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The Shot Peeners Corner es una colaboracin entre ELECTRONICS INC. eIPAR-BLAST, S.L.Cada artculo, es una traduccin del reportaje ms destacado de la revista THESHOT PEENER.ELECTRONICS INC. es lider mundial en formacin y difusin del shot peening.IPAR-BLAST, S.L. es subcontratista de tratamientos superficiales de precisin.Entre los cuales se encuentra el shot peening.


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The Shot Peeners Corner

PROPIEDADES DE LA GRANALLA DE ACERO AL CARBONOpor David Kirk. El Dr. Kira es colaborador habitual de la revista The Shot Peener. Es

investigador de honor en la Universidad de Coventry (Texto traducido por Eduardo Vz-

quezIPAR-BLAST, S.L.).

INTRODUCCIONLa mayor parte del shot peening se hace utilizando granalla de acero al carbono. Es-te tipo de granalla se fabrica bien por fundicin cortando secciones de alambre y

acondicionndolas despus a una forma esferoidal aceptable. Las partculas de gra-

nalla, tienen un ncleo duro con una capa superficial de xido frgil. Vase la figura

1 (la capa de xido frgil superficial ha sido aumentada a propsito)

Fig.1 Seccin de una partcula esfrica de acero al carbono.

La granalla de acero de fundicin y la de alambre cortado, son fabricadas en calida-

des de alta dureza dureza normal. La Tabla 1 resume algunas de las caractersticas

especificadas por la norma AMS2431. Se puede observar que el contenido en carbo-

no de la granalla de acero fundido debe ser un 50% mayor que el de la granalla de

alambre cortado.

Tabla 1. Algunos requerimientos para la granalla de acero al carbono.

La granalla de acero al carbono es fabricada en cantidades muy grandes. La magni-

tud de estas cantidades tan grandes es fcil de calcular con ejemplos como los que

siguen: un cazo con 10 metros cbicos de acero lquido puede ser fundido ver-tindolo de una sola vez. Un metro cbico de acero tiene una masa de 7,8 toneladas

Granalla de fundicin Alambre cortado

Carbono 0.8 1.2 wt.% Carbono 0.45 0.85 wt.%

Dureza Normal 45 52 HRC Dureza Normal 45 52 HRC

Alta Dureza 55 62 HRC Alta Dureza 55 62 HRC

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mtricas. Si la masa promedio de una partcula de granalla es de un miligramo, en-

tonces, habremos fabricado 7.800 millones de partculas en cuestin de minutos. Sila seccin media de un alambre es de un milmetro cuadrado entonces en diez met-

ros cbicos de cable tendramos 10.000 kilmetros en longitud. Cortando dicho ca-

ble en longitudes de un milmetro, tendramos 10.000 millones de partculas.

La granalla de acero al carbono, tiene que tener diversas caractersticas entre las que

se deben encontrar la dureza, forma, tamao, tenacidad, resistencia al desgaste y ba-

jo coste. Este artculo, trata algunos de los factores que hacen posible que dichas

cualidades puedan ser alcanzadas.

PIEL FRAGIL DE OXIDO DE ACEROEl hierro del acero al carbono expuesto a contacto con el aire se oxida. Hierro ms

oxgeno resulta en xido de hierro. El xido de hierro es un material frgil, de tipo

cermico, que se rompe fcilmente al impacto. El impactado de un componente con

granalla de acero hace que parte de su capa de xido se desprenda y esto con gran-

des cantidades de granalla implica que el ambiente del interior de la cabina de grana-

llado este compuesto de estas partes desprendidas. Cuando la capa de xido se des-

prende, la piel es rpidamente sustituida por ms oxidacin. Consecuencia de lo

anterior es que (a) hay una inevitable prdida de masa y (b) se genera una nube de

polvo explosiva.

La Fig.2 representa una seccin de una partcula de granalla de acero al carbono. Lacapa de xido de hierro tiene una composicin qumica variable -FexOy-. El ratiox-y vara de 1 en la zona de ms interior a 1,5 en la zona ms en contacto con el aire.

Un ratio de 1 da FeO, 1,33 da Fe3O4 y un ratio de 1,5 da Fe2O3.

Fig.2 Seccin de una partcula de granalla con la composicin qumica variable de xido

de hierro.

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Cuando se calienta granalla en un horno la capa de xido crece y crece. El mecanis-

mo de crecimiento consiste en que los tomos de hierro se difunden hacia la capa dexido desde la zona granalla/xido de la misma manera los que tomos de oxigeno

se difuminan hacia la capa de xido desde la zona xido/aire. As pues, la capa exte-

rior est saturada de oxigeno y la capa interior est saturada con hierro. El creci-

miento de la capa de xido se puede reducir, incluso revertir, controlando la atms-

fera del horno.

Las partculas fragmentadas de xido son minsculas con lo que la relacin rea a

volumen es enorme. Por ejemplo, 1 centmetro cbico podra tener 10 metros cua-

drados. Cada partcula, tiene regiones que varan entre la saturacin de Fe2O3 hasta

el hierro puro. Por definicin, la capa de xido est qumicamente adherida a la par-tcula de granalla, as, en el momento de la fractura, hay pequeas partculas de ace-

ro que se desprenden junto con el xido. Debido a que la mayor parte del fragmento

de xido est insaturada de oxgeno, se necesitar ms oxidacin para tener estabili-

dad qumica. Esta oxidacin necesaria, es exotrmica, con lo que contribuye la po-

tencial explosivo de la atmsfera de la cabina de granallado.

LA ESTRUCTURA DE LA GRANALLA DE ACERO AL CARBONO A ALTATEMPERATURASi se calienta granalla de acero al carbono a una temperatura adecuada, la granalla

adopta una estructura cristalina simple, la austenita. Los tomos de carbono puedencircular libremente en una matriz cbica de tomos de acero, centrada en cara. En la

superficie de una partcula de granalla, estos tomos pueden emigrar

(decarburizacin) inmigrar (carburizacin) todo depender de la atmosfera de alre-

dedor. Dentro de cada partcula, la distribucin es aleatoria entre los intersticios

(agujeros) de los tomos de hierro pudindose mover libremente de agujero en agu-jero. La relacin entre el contenido de carbono y la temperatura adecuada, es un fac-

tor crucial. La Fig.3 ilustra esta relacin.

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Fig.3 Representacin esquemtica de la austenizacin de la granalla de acero al carbono.

La temperatura mnima a partir de la cual el acero al carbono se austeniza es ms o

menos 730 C para un acero del 0,8%. Este el llamado punto eutectoide. Contenidos

superiores inferiores al 0,8% necesitan temperaturas superiores a 730C. Aceroscon contenidos inferiores de carbono son conocidos como hipoeutectoides y los de

contenidos superiores de carbono son conocidos como hipereutectoides. Estos trmi-

nos derivan del termino griego eutectos. Los valores de 730 C y 0,8% podrn va-

riar mnimamente en funcin a la presencia de elementos aleados. La temperatura de

austenizacin adecuada para la granalla de alambre cortado vara entre 780C hastaunos 870C dependiendo de su contenido de carbono segn lo que muestra la figu-

ra 3. La granalla de acero al carbono puede ser austenizada a temperaturas entre

780C y 900C una vez ms dependiendo del contenido de carbono. La temperaturade austenizacin no debera de exceder demasiado de la mnima, de cara a no au-

mentar el tamao del grano de la austenita (lo que resultara en una disminucin de

algunas propiedades)

La austenizacin es un proceso vital en la fabricacin de la granalla de acero al car-

bono. Solo se requiere una austenizacin para la granalla de acero al carbono. Laspartculas de carbono son austenizadas normalmente antes de endurecerlas en el

temple. La produccin de alambre para la produccin de granalla de alambre corta-

do, requiere de varias austenizaciones. El acero, puede ser fundido en colada conti-nua de una seccin aproximada de 10.000 mm2 . Las palanquillas, son laminadas en

caliente en mltiples reducciones hasta alcanzar una seccin media de 100 mm2

. Es-to, se corresponde con una elongacin de un 10.000% - nicamente alcanzable por

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los recocidos austenticos en cada reduccin. As, cada varilla laminada en caliente,

es transformada, en fro, al dimetro requerido. Una varilla de 100 mm2

transforma-da en una varilla de 1 mm2habr sido alargada en un 10.000 %. El alambre, deber

ser austenizado varias veces durante el estirado en fro de forma que recupere su

ductilidad.

Una consecuencia de los anteriores factores es que un acero al carbono cerca de la

temperatura eutectoide es muy apropiado para convertirlo en granalla. Este tipo de

aceros, requieren de la mnima temperatura de recalentamiento para poder ser auste-

nizados. El calentamiento a este rango de temperaturas, es ms rpido y ms econ-

mico que calentarlos a temperaturas ms altas. Otro factor beneficioso e importante

es que a bajas temperaturas de austenizacin, se dan cantidades bajas de oxidacin.As, el espesor de la capa de xido se puede minimizar.

LA ESTRUCTURA DEL ACERO AL CARBONO A BAJAS TEMPERATU-RASA altas temperaturas, los tomos de hierro y carbono, conviven felizmente como

austenita. Por el contrario, a bajas temperaturas, se cumple todo lo contrario. Los

tomos de carbono, son forzados a migrar formando estructuras que dependen del

ritmo de enfriamiento desde el estado austentico.

Enfriamiento LentoSi el enfriamiento de la austenita es relativamente lento, habr suficiente tiempo pa-

ra que los tomos de carbono migren de una forma extrema. As, la mayora de los

tomos de hierro formarn ferrita por si mismos que es la forma virtual ms pura deacero con estructura cbica centrada en el cuerpo. Los restantes tomos de acero, se

unirn a los tomos de carbono en una relacin de tres tomos de acero por cada to-

mo de carbono. Esta relacin de tres a uno se expresa qumicamente con la frmulaFe3C una sustancia cermica frgil llamada cementita. La combinacin de capas de

cementita alternadas con capas de ferrita, formarn cristales de perlita, como se

muestra en la fig.4. La perlita consiste en siete partes de ferrita suave y dctil y unaparte de cementita dura y frgil. Esta estructura, por su combinacin, es lo suficien-

temente dctil como para soportar la ingente cantidad de laminaciones en fro nece-

sarias para producir el alambre.

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Fig.4 Representacin esquemtica de una estructura perltica.

La microestructura de un acero al carbono enfriado despacio, depender de su conte-

nido en carbono. La fig. 5 muestra la relacin. Para composiciones hipoeutectoides

de acero como el alambre cortado, la estructura lentamente enfriada consistir en

perlita con algo de ferrita dctil donde la cantidad de ferrita aumentar con la dis-

minucin del contenido de carbono. Para composiciones hipereutectoides de acero

como la granalla fundida, la estructura lentamente enfriada consistir en perlita con

algo de cementita primaria frgil donde la cantidad de cementita primaria aumen-tar con el incremento de contenido de carbono. Afortunadamente, la granalla de

acero fundido no necesita ser enfriada lentamente en ninguna de sus fases de fabri-

cacin.

Fig.5 Representacin esquemtica de estructuras de acero al carbono enfriadas lentamente.

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Enfriamiento Rpido

Si la austenita es enfriada rpidamente, no se da el tiempo suficiente como para quelos tomos de carbono migren de la estructura bien hacia perlita cementita.

El templado a temperaturas inferiores lejanas a la temperatura crtica de 730C

(vase la fig.3) induce en la estructura un cambio realmente catastrfico. A tempera-

tura ambiente, el acero al carbono austentico contiene tanta energa, que explota

en una estructura llamada martensita. Se crean agujas de martensita y despus se

propagan, casi a la velocidad del sonido, en cualquiera de las veinticuatro direccio-

nes de cada grano de austenita. A medida que las agujas se van generando, creciendo

y chocando entre ellas a la vez que se combinan, se crean enormes cantidades de mi-

cro estreses. La estructura enredada de martensita es muy difcil de deformar deah su dureza. La correspondiente fragilidad puede ser reducida mediante un post

temple. El calentado a unos pocos cientos de grados Celsius, permitir la migracin

de tomos de carbono a posiciones ms cmodas reduciendo los niveles de micro

estrs. La estructura resultante es conocida como martensita templada. El templado

incrementa la tenacidad y la deformabilidad.

La estructura cristalina de la martensita es casi idntica (que es cbica centrada en el

cuerpo). Un cubo tiene tres bordes de igual longitud. Los tomos de carbono en la

austenita templada, hacen una oscilacin hacia uno de los tres bordes (vase la fig.6)

al mismo tiempo que la austenita de estructura cbica centrada en cara se transforma

en una estructura cbica centrada en el cuerpo de tomos de acero. Los tomos de

carbono son ms pequeos que los de acero, pero an as deben ser desplazados para

que encajen en los espacios disponibles. Este tipo de estructura cristalina es llamadacentrada en el cuerpo tetragonal. Debido a que los tomos de carbono desplazan

tomos de acero en una de las tres posibles direcciones, esa direccin c se hace

ms larga que las otras direcciones a.

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Fig.6 Atomos de carbono distorsionando estructuras cbicas de tomos de acero.

La tetragonalidad, ratio c/a, incrementa con el contenido de carbono, tal y como seilustra en la figura 7. La dureza se incrementa proporcionalmente al incremento de la

tetragonalidad.

Fig.7 Incremento de la tetragonalidad de la martensita con el contenido de carbono.

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Del enfriamiento rpido a las temperaturas de temple

El templado de acero al carbono austentico con plomo fundido sales, crea una es-tructura intermedia entre la martensita y la perlita, llamada bainita. As, se puede dar

una migracin significativa de carbono de forma que se formen partculas minscu-

las de cementita dentro de la matriz de ferrita. El templado de alambre con plomo

fundido sales antes del cortado, lo usa al menos un gran fabricante de granalla de

alambre cortado. La fig.8 ilustra la diferencia entre el templado en fro convencional

y el templado en caliente.

Fig.8 Transformacin de la austenita con temple en fro en caliente.

Trabajo en froEl trabajo en fro del acero al carbono aumenta su dureza, pero reduce su ductilidad.

Una vez alcanzada una dureza mxima, esta comienza a caer work softening. Lagranalla de acero fundida no es trabajada en fro antes de su uso. Por el contrario la

granalla de alambre cortado sufre gran cantidad de trabajo en fro como parte nece-

saria del proceso de acondicionado y estirado del alambre. En el alambre estirado se

debe recuperar la ductilidad en las fases de estirado. El proceso de corte del alambreestirado en cilindros supone una gran deformacin plstica en la zona de corte. Esto

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induce un trabajo de endurecimiento localizado e incluso puede provocar una trans-

formacin de fase.Algunas especificaciones, indican que la granalla se debe de producir con dos nive-

les de dureza. La granalla de alambre cortado de alta dureza se puede fabricar si se

controla el contenido de carbono, y las contribuciones del trabajo en fro y del trata-

miento trmico. La dureza de la granalla de acero fundido se controla mediante el

contenido de carbono y el nivel de temple.

LA FORMACuando el acero lquido se atomiza, aparecen formas cuasi esfricas. Las esferas,

tienen el ratio de superficie/volumen ms pequeo. Por lo tanto, la energa superfi-

cial es minimizada si las gotas son esfricas.

La generacin de la forma partiendo de cilindros de alambre cortado es mucho ms

complicada. El acondicionamiento es usado para pasar partculas de forma cilndrica

a forma cuasi esfrica. El cambio de la forma, se da por una combinacin de defor-

macin plstica y erosin a medida que las partculas son lanzadas contra superficies

duras.

La especificacin SAE J441 indica que cualquier tamao de granalla de alambre

cortado debe ser fabricada con alambre del mismo dimetro. Por ejemplo, SCW/

CW-41 se debe fabricar usando alambre de un dimetro de 41 milsimas de pulgada.

41 milsimas de pulgada es 1mm. Si un cilindro de 1mm de dimetro y 1 mm delongitud se convierte en una esfera perfecta por deformacin, esta tendr un dime-

tro de 1,144mm. Este cambio de forma se muestra en la Fig.9

Fig.9 Cambio de cilindro a esfera unitarios.

En la realidad, el acondicionado del alambre cortado tiene una gran componente de

deformacin plstica y una mnima incidencia de la componente de erosin. La can-

tidad total de cada una de ellas, aumentar con el grado de acondicionamiento. Hay

tres grados de acondicionado reconocidos: Acondicionado, Doble Acondicionado yAcondicionado Esfrico. Los grados de deformacin plstica y erosin aumentarn a

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medida que se alcance la esfericidad. El ratio entre los dos componentes se ver

afectado en diferente medida por las propiedades metalrgicas del alambre cortado.La erosin se puede medir pesando la misma cantidad de partculas de alambre cor-

tado en cada fase de acondicionamiento. El autor, no dispone de informacin defini-

tiva a la hora de escribir este artculo. Pero la informacin disponible, indica que la

prdida de masa es aproximadamente de 1-2% para el grado Acondicionado, 2-3%

para el Doble Acondicionado y 3-5% para el grado de Acondicionado Esfrico.

DISTRIBUCION DE TAMAOS DE GRANALLA FUNDIDA Y DE ALAM-BRE CORTADOEn un mundo perfecto, seramos capaces de cortar el alambre en cilindros idnticos,

cada uno de los cuales recibira un acondicionado y acabado idnticos de forma que

tuviesen tamaos idnticos. En el mundo real, hay una distribucin normal de ta-

maos para cada lote. En cualquier caso, la distribucin habitual es pequea con lo

que casi todas las partculas de alambre cortado son muy similares. Una colada com-

pleta de granalla, tiene una variacin similar a aquella de una distribucin normal. El

posterior tamizado, divide la colada en diferentes categoras por tamaos. Dentro de

una categora de granalla fundida, la distribucin es aproximadamente lineal.

Granalla Nueva

La relativa uniformidad del tamao de la granalla de alambre cortado, es considera-da habitualmente como una ventaja cuando se compara con la variacin en tamaos

de un lote de granalla fundida tamizada. De un modo esquemtico e idealizado, la

Fig10 muestra las diferencias de las distribuciones de tamao entre granalla de alam-bre cortado y granalla de fundicin nuevas.

Fig.10 Representacin esquemtica de la diferencia de tamaos entre alambre cortado ygranalla de fundicin.

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La granalla de acero se muestra como una distribucin lineal uniforme. Las distribu-

ciones reales, podran tener algo de pendiente positiva negativa con algo de curva-tura.

Granalla UsadaEn el momento en el que una partcula de granalla es usada para impactar un objeto,

pierde algo de su masa. As, la distribucin de tamaos cambia. Es muy habitual

hacer recargas de granalla para compensar la prdida de granalla y la prdida de ma-

sa debida a la rotura de algunas partculas. Estas recargas, tambin modifican la dis-

tribucin de tamaos.

Analizado como un modelo simple, considrese una carga de granalla de alambre

cortado que ha perdido, debido al desgaste, el 10% del tamao de forma uniforme, y

ha sido recargada con un 10% de granalla nueva del mismo lote. Tendremos una

nueva distribucin de tamaos bimodal, tal y como lo muestra la Fig. 11, esto es,

la distribucin normal de la granalla usada (tamao medio reducido a 0.9) y granalla

nueva (tamao medio de valor 1).

Fig.11 Representacin de la distribucin de tamaos de granalla de alambre cortado

nueva y usada ms nueva.

Sucesivas recargas de granalla de alambre cortado nueva generarn una distribucin

de tamaos multimodal ms amplia. En el caso de no variar los parmetros de

ajuste, la carga operativa cambiar haciendo, progresivamente, ms cobertura y me-

nos intensidad.

El desgaste y la rotura de la granalla de fundicin en un equipo, generar el corres-

pondiente cambio en la distribucin de tamao en una carga determinada. Este cam-

bio puede ser ilustrado de una manera simplificada. Asumido que (a) una carga de

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granalla de fundicin determinada tiene una distribucin de tamao lineal y unifor-

me con lmites mximo y mnimo de 0.8 y 1.2 (unidades indeterminadas) y que (b)hay una prdida uniforme del 10% en tamao, repuesta por un 10% de granalla nue-

va del mismo lote. La distribucin de tamao cambia en la recarga. La fraccin ma-

yor de granalla (1.16 a 1.2) se desgasta en un 10% de forma que este tamao tiene

ahora una frecuencia cero. La fraccin desgastada, sustituir a la siguiente fraccin

que en si ser una sustitucin de una fraccin de menor tamao. La Fig.12 represen-

ta el resultado neto del desgaste asumiendo una distribucin uniforme y lineal entre

los lmites de 1.16 y 0.8. Se asume que la granalla inmediatamente superior a 0.8 se

eliminar por el tamizado en el momento en el que se desgaste por debajo de un ta-

mao de 0.8.

Fig.12 Idealizacin del cambio de la distribucin de tamao en funcin al desgaste de

la granalla de fundicin.

En el modelo ideal de la Fig.12 el tamao medio de la granalla de fundicin es 1.0

que caer a 0.98 despus de un desgaste del 10% (y antes de la recarga). Esto es solo

una reduccin del 2% - que tendr un efecto marginal en la cobertura y la intensidad.

En la Fig.13 se ha modelizado el efecto de una nica recarga, del 10% de granalla

uniforme, del lote original. La distribucin de tamao, dejar de ser uniforme. La

nueva mezcla recargada tendr un tamao medio de 0.982 de forma que la cobertura

y la intensidad se vern afectadas de forma muy leve. La repeticin de recargas pro-

vocara una cambio pequeo pero constante a menores tamaos medios con lo que

los efectos podran llegar a ser significantes. La forma de anular/reducir este efecto

sera la de hacer recargas con granalla nueva de valor medio a aquel de la fraccin

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de mayor tamao. En nuestro ejemplo, 1.18

Fig.13 Distribucin de tamaos despus de recargas de un 10% de granalla nueva sobre

granalla usada de tamao uniforme.

DISCUSINLa granalla de acero al carbono es muy eficaz como medio de shot peening en masa.

La combinacin necesaria de dureza, tenacidad, durabilidad, cuasi-esfericidad y bajo

coste, se consigue controlando la composicin qumica, tratamiento trmico y mto-

do de fabricacin. Puede resultar sorprendente que el mismo objetivo pueda ser con-

seguido utilizando dos tcnicas de fabricacin radicalmente diferentes la fundicin

y el acondicionamiento del alambre cortado.

La granalla de fundicin, difiere del alambre cortado en casi todos los aspectos: con-

tenido en carbono, forma, distribucin de tamao y estructura metalrgica. Es esen-

cial un grado de maleabilidad si se quiere convertir en cuasi-esfricos los cilindros

de alambre cortado. Esto, requiere de estructuras hipoeutectoides. Las estructuras de

fundicin, son habitualmente ms dbiles que aqullas forjadas con la misma com-posicin qumica. Es por ello que los aceros hipereutectoides se usan para hacer gra-

nallas de fundicin, ya que son potencialmente ms duros que los aceros hipoeutec-

toides.

Los modelos usados en este artculo, son muy simples y deben de ser tomados con

precaucin. En cualquier caso, sirven para destacar diferencias potenciales como la

creacin de cobertura y la intensidad.

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