Guía de materiales para mecanizar

Generalmente, los materiales están divididos en 2 grupos principales, metales y no metales. La mayoría de los materiales son metálicos, sin embargo ha habido un incremento en el mecanizado de materiales no metálicos como madera, resinas, grafito y plásticos reforzados (GRP).

La siguiente figura muestra un diagrama simplificado de los principales tipos de metales. Estos materiales pueden ser separados en dos grupos "ferrosos" y "no ferrosos". Estos materiales son utilizados en un amplio rango de aplicaciones. El acero es un material que consiste principalmente de hierro y una pequeña cantidad de carbono. A medida que la cantidad de carbono se incrementa, el acero cambia y se convierte en fundición.

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Hierro

Es un material que ha sido utilizado desde el año 2000 antes de Cristo, ha sido y sigue siendo un material muy utilizado. Por ello, hay ocasiones en donde las personas tienden a confundirse. Por ejemplo, aún cuando hay productos hechos principalmente de aluminio y cobre, algunas personas aún se refieren sobre los mismos como hierro, ya que asocian cualquier cosa hecha de metal al hierro.
El hierro, que ha estado presente durante tanto tiempo, es rara vez utilizado en su estado puro. Generalmente, cuando nos referimos a "hierro" se tiende a incluír hierro que ha sido aleado con una pequeña cantidad de carbono, formando de esta manera "acero" y "fundición".

Acero
Una vez que el mineral ha sido extraído del lingote de hierro, un proceso adicional es llevado sobre el lingote. Este proceso adicional es llevado para remover ciertas impurezas y gases del mismo. Las impurezas removidas comprenden desde cantidades excesivas de carbono (C), silicio (Si), fósforo (P), sulfuro (S) y gases como oxígeno (O) y nitrógeno (N). Una vez que este proceso ha sido completado el producto final es "acero". Igualmente recuerde que en el grupo de los aceros hay variaciones basadas en la composición química. Los grupos principales son acero al carbono, acero aleado, acero de herramienta y acero general.

Acero al carbono, acero aleado
El acero al carbono es un acero que consiste principalmente de dos elementos: hierro (Fe) y carbono (C). Mientras que el acero aleado tiene mayor variedad de elementos para cambiar las características químicas y acentuar ciertas propiedades del mismo.

Acero de herramientas
Dentro del grupo de aceros hay tres sub-grupos. Estos son conocidos como acero de herramienta al carbono, acero de herramienta aleado y acero de alta velocidad. Uno de los requerimientos principales de los aceros de herramientas es tener tanto dureza como tenacidad. Para lograr la dureza y tenacidad correctas es necesario realizar un tratamiento térmico al material. Para realizar un tratamiento térmico más efectivo, el acero de herramienta suele tener mayor cantidad de carbono.

ACERO DE
HERRAMIENTAS

CARACTERISTICAS

Acero de herramientas
al carbono

Contiene más carbono (más del 0.6%) que el acero al carbono. El acero al carbono de herramientas tiene poca resistencia al calor y a temperaturas que excedan los 200ºC, los efectos de endurecimiento se reducen y la dureza general no puede ser sostenida.

Acero de herramientas
aleado

Es un acero que es elaborado al alear una variedad de elementos. El objetivo de la aleación con otro materiales es incrementar las características del material.
El resultado de ésto compensa las desventajas del acero de herramienta al carbono en lo relativo a resistencia al calor, resistencia ante choques y previene la deformación bajo tratamientos térmicos.
El acero aleado como herramienta de corte ofrece mayor dureza y resistencia al desgaste a temperaturas más elevadas. Los elementos generalmente aleados son cromo (Cr), tungsteno (W) y vanadio (V).

Acero de alta velocidad

Básicamente hay dos tipos principales de acero de alta velocidad, tungsteno (W) y molibdeno (Mo). Sin embargo, también existe cobalto (Co), este último incrementa la dureza.
El acero con base de tungsteno a menudo es utilizado para porta-herramientas, debido a su gran dureza. El acero con base de molibdeno es utilizado para brocas debido a su resistencia ante choques.


Acero general

Acero inoxidable
Una de las principales características del acero inoxidable es que es menos propenso a sufrir oxidación.
El acero inoxidable está dividido en tres tipos: 13 Acero inoxidable al cromo, 18 Acero inoxidable al cromo y 18-8 Acero inoxidable.

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Sin embargo, actualmente hay tantos tipos de aceros inoxidables que hay una necesidad de ser sub-divididos. Al cambiar la composición del acero inoxidable, las características pueden ser modificadas para realizar varias aplicaciones. Por ejemplo, las características que pueden ser modificadas son el incremento de dureza, mejorar la carburación o nitruración, realizar un tratamiento con soluciones, mejorar la propiedad de mecanizado, incrementar la resistencia ante la corrosión y el calor e incrementar la adherencia.

-Acero endurecido
Es un acero con mayor dureza que ha sido logrado gracias a un tratamiento térmico o un proceso de nitruración. La dureza estándar se encuentra entre los 45HRC hasta los 50HRC. Generalmente, los aceros endurecidos o martensíticos son aceros que han sufrido un tratamiento térmico.

-Aleación resistente al calor /Aleación resistente a la corrosión
La aleación resistente al calor o la aleación resistente a la corrosión es un término dado a cualquier aleación con suficiente fuerza mecánica a altas temperaturas con una gran resistencia a la oxidación y la corrosión. Los componentes principales de las aleación resistentes al calor son hierro (Fe), níquel (Ni) y cobalto (Co). Entre ellos, la aleación resistente al calor cuyo componente principal es Fe y la concentración de aleación es del 50 por ciento es llamado Acero resistente al calor. La aleación resistente al calor, cuyos componentes principales son Fe, Ni o Co pero cuya concentración de aleación es de 50 por ciento o más, se llama Aleación súper resistente al calor o Superalloy. La mayorías de los Superalloy con alta dureza tiene base de Ni.

-Otros
Hay otros aceros con fines específicos.

Tratamiento térmico

-Endurecimiento por frío
Cuando un acero es calentado y enfriado rápidamente se vuelve muy duro. Este es un proceso cuyo término es "enfríamiento rápido". El acero tiene un amplio uso gracias a este simple factor. Esta es una de las razones por la cual el acero es tan utilizado, ya que no hay necesidad de fundirlo y alearlo con otros elementos para obtener una mayor dureza.
Los aceros de este tipo son duros pero también débiles. Además, cuando la pieza es calentada y enfriada rápidamente puede haber problemas con las dimensiones de la pieza de trabajo y su posible ruptura.

-Templado
Tal como se mencionó anteriormente, luego de que el acero es calentado y enfríado rápidamente, el mismo es duro pero débil al mismo tiempo, por lo que no puede ser utilizado en este estado. Para poder utilizar el acero efectivamente es necesario llevar un proceso de templado. En este proceso se vuelve a calentar el acero, lo que incrementa su tenacidad.
Cuanto más alta es la temperatura de calentamiento, mayor es la dureza del acero. Sin embargo, la dureza del acero se deteriora. Por lo que es necesario tratar al mismo de acuerdo a los fines a ser utilizado.

-Refinamiento térmico
El refinamiento térmico es dado en algunos aceros que han pasado por los dos procesos anteriores. Este es llevado a temperaturas altas (400ºC o más). Una vez que el acero ha pasado por este tipo de proceso, es llamado "Acero con tratamiento térmico". De esta manera se mantiene tanto la dureza como la tenacidad.

Fundición

-Fundición
La fundición es un hierro que tiene grandes cantidades de carbono (2.1%~6.7%). El hierro que contiene grandes cantidades de carbono se funde a aproximadamente 1400ºC y puede ser vertido sobre moldes y moldeado con una facilidad relativa.
En el caso del acero, tiene un contenido bajo de carbono, todo el carbono se disuelve dentro del hierro. Sin embargo, debido al alto contenido de carbono, el exceso del mismo deviene en grafito. La fundición tiene una elevada resistencia al desgaste ya que el mismo funciona como lubricante dentro de la fundición. Sin embargo, el grafito formado divide la estructura del hierro, lo que hace "frágil" al material.

-Fundición gris / Fundición dúctil
La fundición gris es otro término para la fundición normal. Se nombra fundición gris debido al gran contenido de carbono que parece grafito. Cuando se observa la superficie del material, tiene una coloración gris. Tal como se mencionó previamente, la fundición puede ser fundida con una facilidad relativa, otra propiedad del mismo es ser capaz de absorver vibraciones, por ello es utilizado en piezas de máquinas.
Sin embargo, la fundición a veces no tiene suficiente fuerza dúctil y tenacidad. Hay ciertos tipos de fundiciones que si tienen la ductibilidad necesaria. Las mismas son conocidas como "fundiciones de grafito esferoidal" y "fundiciones nodulares".
En la composición de la fundición gris, el grafito tiene una formación lineal. Sin embargo, para las fundiciones dúctiles, el grafito tiende a tener una formación esferoidal. La formación esferoidal del grafito incrementa la tenacidad y reduce los problemas de fragilidad.
La fundición gris es utilizada en gran parte para la producción de tuberías. La fundición dúctil, debido a su elevada fuerza dúctil es ideal para piezas que serán expuestas a fuerzas, como cilíndros hidráulicos y moldes de prensas. La demanda para el uso de fundición dúctil se incrementará en el futuro.

Metales no ferrosos

-Aluminio puro / Aleación de aluminio
El aluminio es el segundo metal más utilizado (el acero es el primero). Este es un nuevo metal y sus aplicaciones aún siguen siendo desarrolladas.
El aluminio es conocido por su bajo peso. También es llamado "metal liviano". El aluminio tiene como características una gran resistencia ante la corrosión, gran conductividad eléctrica, suavidad y un punto de fundición bajo. Sin embargo, las propiedades mecánicas del aluminio son pocas y como tales, no tiene gran dureza. Hay ciertas aleaciones de aluminio que poseen fuerza dúctil, como ejemplo el duralumin.

-Cobre
El cobre ha sido ampliamente utilizado de forma cotidiana durante mucho tiempo. Las características del cobre incluyen una gran conductividad eléctrica, gran resistencia ante la corrosión y es de fácil manejo. Gracias a su amplia conductividad eléctrica, es muy utilizado en aplicaciones eléctricas. El cobre es un material suave de gran ductibilidad, por lo que no es adecuado para realizar piezas de mecanizado.

-Bronce
El bronce es una aleación formada con zinc y cobre. Tanto el cobre como el zinc son suaves en estado puro, pero cuando son ligados se incrementa la dureza general. Sin embargo el bronce aleado tiene baja ductibilidad. El bronce tiene una elevada expansión térmica, por ello durante el mecanizado pueden producirse problemas con las dimensiones de mecanizado.

-Molibdeno
Gracias a su alto punto de fundición, es muy utilizado para los soportes que sostienen los filamentos de las bombitas de luz. El molibdeno también puede ser aleado con aceros especiales. Al hacerlo, se incrementan las propiedades del tratamiento térmico y como tales, hacen al material más tenaz.

-Aleación de cobalto
La aleación de cobalto es raramente utilizada. El cobalto es a menudo agregado como elemento para una aleación en aleaciones resistentes al calor, magnetos permanentes, aceros de alta velocidad, carburos cementados. Las aleaciones resistentes al calor comprenden acero resistente al calor y motores de jets, cargadores de turbinas y turbinas.

-Aleación de titanio
La aleación de titanio posee una resistencia superior a la corrosión. La aleación de titanio tiene una gravedad baja pero gran dureza y resistencia al desgaste.
Sin embargo, la aleación de titanio tiene algunas desventajas, debido a su baja conductividad térmica. La aleación de titanio es utilizada para piezas de motores de jets, estructuras de aviones y cohetes.

Fuente: www.mitsubishicarbide.com