CAPITULO 2 - MC 115 - 2016-1

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CAPITULO 2

ACEROS

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1. GENERALIDADES 1.1. ACERO.

Aleación ferrosa, donde el material base es el Fierro elcual se alea con el Carbono y otros metales y no metales.Las aleaciones ferrosas constituyen alrededor del 90 % dela producción mundial de aleaciones metálicas, por susmuy buenas propiedades mecánicas y su relativo bajo

costo, siendo estas muy usadas en las aplicaciones deingeniería en los variados tipos que se las fabrica, lamateria prima se obtiene a partir de dos procesos básicos:a) El alto horno El arrabio.b) Reactores de reducción directa El hierro esponja.Luego estos productos base mas chatarra son afinados opurificados en los convertidores, de donde se obtiene elacero.

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PROCESO SIDERURGICO DE OBTENCION DEL ACERO VIA EL ALTO HORNO

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CUADRO ESQUEMATICO DE OBTENCION DE LAS ALEACIONES FERROSAS

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PROCEDIMIENTOS MAS USADOS EN LA OBTENCION DEL ACERO

ARRABIO

HIERRO

ESPONJA

CHATARRA

ARRHORABIOHOR

HORNOS DE

AFINAMIENTO ACERO

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Los hornos y convertidores de afinamiento mas utilizadosson:

a) Convertidor al oxígeno.

b) Convertidor Thomas – hogar básico (usa aire a presión).

c) Convertidor Bessemer- hogar ácido (usa aire a presión).

d) Horno de Martin-Siemens,

e) Horno Eléctrico.f) Horno de cubilote.

CARACTERIZACION DE UN ACERO.

1) Composición química.

2) Estructura (cristal, grano [micrográfica], fibra[macrográfica]).

3) Constitución (perlita, ferrita, cementita, martensita, etc,.. .

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2. TIPOS DE ACERO.

De acuerdo a los aleantes los que contiene el Fe estos puedenser:

a) Aceros al Carbono.b) Aceros Aleados.2.1. ACEROS AL CARBONO.

Son aquellos aceros cuyo aleante principal es el carbono

(0,0218 a 2,11), aunque tienen otros elementos como el Mn, Si,P, S, y otros en % muy bajos que ingresan durante el proceso defabricación del acero.Por la cantidad de carbono que contiene estos pueden ser:

a) Aceros de bajo carbono.b) Aceros de medio carbono.c) Aceros de alto carbono.

A estos se los conoce también como aceros ordinarios.

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COMPOSICION QUIMICA TIPICA DE ACEROS AL CARBONO

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COMPOSICION QUIMICA TIPICA DE UN ACERO AL CARBONO

Elemento %

C

Mn

Si

P

S

Ni

Cr

MoCu

V

0.3860.928

0.2000.036

0.0370.0500.013

0.0150.180

0.030

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2.2. ACERO ALEADO.

Son aquellos aceros que además del carbono, Mn, Si, P y S,contienen otros elementos de aleación, tales como: Cr, Ni, V, Mn,

Mo, Al, Cu, W, Ti, Co, B, etc., los cuales le confieren propiedadesespeciales de aplicación.2.2.1 INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DEALEACION.

a) NIQUEL. (0,25 a 20%)• Evita el crecimiento de grano en los tratamientos térmicos.• Estabiliza la austenita a temperatura ambiente.• Hace descender los puntos críticos del diagrama de

equilibrio.• Experimentalmente se observa que para una misma dureza,

se obtiene un límite de elasticidad ligeramente mas elevado,mayores alargamientos y resistencias mecánicas que conotros aceros.

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COMPOSICION QUÍMICA DE ALGUNOS ACEROS INOXIDABLES

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b) CROMO. (0.30 a 30%)• Aumenta la dureza y resistencia a la tracción.• Mejora la templabilidad.• Impide las deformaciones en el temple.• Aumenta notablemente la resistencia al desgaste y

corrosión.c) MOLIBDENO. (0,15 – 10%)

• Mejora notablemente la resistencia a la tracción y al creep.• Mejora la templabilidad.• Disminuye o elimina la fragilidad Krupp (revenido entre 450

ºC a 550 ºC de los aceros Inox. Cr - Ni).• Aumenta la resistencia en caliente.• Remplaza al tungsteno en la fabricación de aceros rápidos.• Es un potente estabilizador de los carburos complejos y

tiende a retardar el ablandamiento.

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d) TUNGSTENO. (1 – 18 %)• Se emplea especialmente en aceros rápidos para

herramientas de corte y trabajo en caliente.• Mantiene la dureza del acero a elevada temperatura (500 a

600ºC), evitando que se ablanden y desafilen lasherramientas de corte.

•

Se usa en aceros para la fabricación de imanes.• Tiene la tendencia a formar carburos.

e) VANADIO. (0.02 – 1 %)• Tiende a afinar el grano y disminuir la templabilidad.• Es un elemento muy desoxidante y tiende a formar

carburos.

• Gran resistencia al ablandamiento por revenido.

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f) MANGANESO. (0,3 – 12%)

• Elimina el azufre y evita la formación sulfuro de hierro que esde bajo punto de fusión (aprox. 981 ºC) que crea zonas

débiles en la laminación en caliente y forja.• También elimina el oxigeno del acero, evitando que se

desprendan gases que den lugar a porosidades.

g) SILICIO. (0,2 – 4,5%)

• Elimina el oxigeno del acero igual que el manganeso, paraevitar porosidades.

• Aumenta la resistividad de las láminas magnéticas, dando

lugar a pequeñas pérdidas magnéticas.• Mejora ligeramente la templabilidad y resistencia mecánica

del acero al disminuir la tenacidad.

• En ciertos casos mejora la resistencia a la corrosión.

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h) COBALTO. (3,0 – 10%)• Se emplea casi exclusivamente en aceros rápidos de alta

calidad.• Se combina con la ferrita aumentan su dureza y resistencia

mecánica.• Mueve el punto eutectoide a la izquierda y reduce la

templabilidad de los aceros.i) ALUMINIO. (0,001 – 1%)

• Se emplea como desoxidante y los aceros aleados decalidad suelen tener pequeñas cantidades de este elemento.

• Se emplea como elemento de aleación en los aceros paranitruración.

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j) TITANIO. (0,03 – 1%)• Se suele añadir pequeñas cantidades de Ti, en aceros muy

especiales para desoxidar y afinar el grano.•

Tiene gran tendencia a formar carburos y combinarse conel nitrógeno.• En los aceros Cr-Ni actúa como estabilizador de los

carburos y evita la corrosión intercristalina.

k) BORO. (0,0001 –

0,0006 %)• Se ha visto que en cantidades pequeñísimas del orden de

0,0001 a 0,0006 % mejora notablemente la templabilidad,siendo el mas efectivos de los elementos de aleación y el demayor templanbilidad de todos.

l) COBRE. (0,15 – 0,50%)Se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión deciertos aceros de 0,15 a 0,30% de carbono que se usan engrandes construcciones.

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Aceros micro aleados

Aceros de baja aleación % en peso aleantes < 1%

% en peso aleantes 5%

Aceros de baja aleación % en peso aleantes 5%

Aceros de mediana aleación

Aceros de alta aleación % en peso aleantes < 10%

% en peso aleantes > 5%Aceros de alta aleación

% en peso aleantes >10%

2.2.2 TIPOS DE ACEROS ALEADOS.De acuerdo a la suma del porcentaje en peso de sus aleantes, sinconsiderar el carbono, los podemos clasificar de la siguiente

manera:

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A) ACEROS DE BAJA ALEAEACION

A-1 ACEROS MICROALEADOS Los aceros microaleados han sido desarrollados para ser

utilizados en la industria automotriz y la industria deelectrodomésticos (línea blanca), ya que entre otraspropiedades obtenidas en láminas de acero recocidas poseenuna excelente estampabilidad, lo que permite obtenerpaneles con formas muy complejas en espesores de 0,3 mm,

buena soldabilidad, buena resistencia a la fatiga, altos nivelesde resistencia mecánica. Estos son aceros calmados de bajoy medio contenido de carbono, desoxidados al aluminio,estabilizados con Titanio, Niobio o Vanadio, que pueden seradicionados en forma individual o combinada, son obtenidosen hornos eléctricos al vacío, en colada continua.

Algunos de estos aceros nominalmente, alcanzancaracterísticas mecánicas suficientes, que permiten eliminarel tratamiento de temple y revenido.

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APLICACIONES DE ACERO MICROALEADOS

NOMENCLATURA APLICACIONES TIPICAS

DIN 1623 /EN 10130-1

Para conformado en frío – partes automotrices

EN 10149 -4ASTM – A53

Para estampado y embutido en frío – partesautomotrices y electrodomésticos.

EN 10149EN 10268EN 36503

Aplicado en la fabricación de autopartes como:bastidor, ruedas (aros), travesaños, guías deasientos

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A-2 ACEROS DE BAJA ALEACION.

Aceros cuyo contenido de aleantes es, > 1% pero 5%,a este grupo de aceros se les denomina aceros HSLA (HighStrength Low Alloy). Estos aceros tienen bajo y mediocontenido de carbono y como aleantes al Mn,Al,Ti, V, Nb, Cu, Si,en pequeñas proporciones de aleación, los cuales le confieren

elevados límites elásticos ( hasta 80000 psi, 550 Mpa), tienenmuy buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión, buenaresistencia a la fatiga, ideal como material estructural, bajocosto de producción. Estos aceros tienen una buenacombinación de resistencia mecánica, dureza y ductilidad encomparación con los aceros al carbono y los de alta aleación.Según AISI-SAE se denominan con 4 ó 5 dígitos.

Entre este tipo de aceros tenemos los siguientes:

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NOMENCLATURA APLICACIONES TIPICAS

AISI 1340ASTM A529ASTM A514

0,4 % C – 1,75 % Mn, Pernos y remaches de alta resistencia,acero de calidad estructural para construcciones de edificios.Elementos estructurales en placas y perfiles para puentes .

AISI 4140 Elementos de máquinas de dimensiones medianas, como :engranajes, tuercas, arboles de transmisión, ejes de bombas,cañones de escopetas.

AISI 4340 Elementos de máquinas de mayores dimensiones, sometidos

a muy altos esfuerzos dinámicos y otras altas exigenciasmecánicas, como: Cigüeñales, ejes de levas, árboles detransmisión, barras de torsión, ejes cardán, ejes de bombas,pernos y tuercas de alta tensión.

AISI 5140 Engranajes de transmisión para automóviles

AISI 5160 Resortes para automóviles.

AISI 5220 Cojinetes de bola, punzones, dados

ASTM A656ASTM A568

Acero estructural HSLA, laminado en caliente conformabilidad mejorada, usado en soportes, Vagones de

ferrocarril, cadenas, bastidores, plumas de grúas.

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NOMENCLATURA APLICACIONES TIPICASAISI 3215 Acero para cementación, partes de máquinas de

grandes dimensiones, como piñones, cigüeñales,ejes de cajas de cambios.

DIN 20Mn V6 Barra perforada apta para cementado, seemplea en: engranajes, cuerpos de bombas,anillos, separadores, casquillos de protección,columnas de taladro, ejes, bujes rodillos.

ASTM 1008 Acero HSLA en planchas, con formabilidadmejorada para soportes.

ASTM 808 Acero HSLA en planchas, para construcción deedificios, puentes, embarcaciones

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C) ACEROS DE ALTA ALEACION

Estos aceros contienen > 5% en peso de aleantes, dentrode estos se halla un grupo llamados aceros de medianaaleación los cuales contienen hasta un 10 % en peso dealeantes. Estos aceros a su vez se agrupan de acuerdo a suspropiedades y aplicaciones de uso, entre estos tenemos:

a)

Aceros inoxidables.b) Aceros inoxidables dúplex.

c) Aceros de precipitación (PH).

d) Aceros para herramientas.

e) Aceros para servicio criogénico.f) Aceros para resortes.

g) Aceros de aleación especial.

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a) ACEROS INOXIDABLES.

Todos los aceros inoxidables contienen Cr entre 10,5 % y32 % como mx., el cual forma una delgada capa superficial deóxido de cromo que lo protege contra la corrosión, ademásel Cr es un estabilizador de la ferrita que incrementa laregión de la ferrita, Entre las características mas importantesde los aceros inoxidables tenemos: Resistencia a la corrosiónen diferentes ambientes, alta resistencia mecánica a relativasaltas temperaturas, alta dureza.

Existen varios tipos de aceros inoxidables en función a suestructura cristalina y mecanismo de endurecimiento, entrelos cuales tenemos:

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CLASIFICACION DE LOS ACEROS INOXIDABLES

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a.1) Inoxidables Ferríticos. Contienen hasta 0,12% de C y entre 12% y 30% de Cr,

presentan una estructura BCC a altas temperaturas que semantiene a temperatura ambiente debido al Cr, el cual formauna solución sólida con Fe BCC,

Estos aceros tienen buena resistencia mecánica y ductilidad

moderada derivadas del endurecimiento por solución sólida ypor deformación plástica en frío y caliente, son magnéticos,excelente resistencia a la corrosión por pitting (picaduras) ycrevice (fisuras o rendijas), no endurecen por tratamiento

térmico, son relativamente económicos y se les llamatambién el fierro inoxidable. Se emplean mucho en equipospara cocina, (para resistencia a altas temperaturas Cr 25 –

30%), en maquinaria para instalaciones lecheras, decoracionespara interiores, ornamentos para automóviles y para equipo

químico (Cr 16 – 18 %); son de relativo bajo costo.

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APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS

NOMENCLATURANOMENCLATURA APLICACIONES TIPICAS

AISI 409 / UNS 40900 Tubos de escape, silenciadores, cajas de trailers, tanquesde fertilizantes, contenedores

AISI 446 / UNS 44600 Válvulas (alta temperatura), moldes para plástico,

ASI 405 Tubos para intercambiadores de calor, soportes para

templado del acero, equipo para refinación del petróleoAISI 430 Adornos y molduras automotrices, equipo químico de

proceso, cremalleras, partes de quemadores,intercambiadores de calor, adornos arquitectónicosinteriores, equipos de cocina, equipos para proceso de

acido nítrico, tubos de protección de pirómetros.

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a.2) Aceros Inoxidables martensíticos. Este tipo de acero contiene entre 0,15 % y 1% de C, y se

le añade entre 12% y 17 % de Cr, por el contenido de Ces posible obtener una estructura martensítica, con eltemple, el medio de enfriamiento para estos aceros es elaceite y presentan una alta templabilidad.

El acero quirúrgico es un tipo de este grupo de aceros,los cuales para el temple utiliza como medio deenfriamiento el mercurio (Tf = -39 ºC, su uso es limitadodebido al alto costo.), por lo que se utiliza en

instrumental quirúrgico y dental, Las aplicaciones mas comunes de este tipo de acero son

las siguientes:

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NOMENCLATURA ESTADO APLICACIONES TIPICAS

AISI 410 /UNS S41000

RecocidoTemplado y revenido

Cañones de rifles

AISI 440A /UNS 44600

RecocidoTemplado y revenido

Cuchillería domésticaInstrumental quirúrgico y dental.

AISI 403 RecocidoTemplado y revenido Aspas para turbina

AISI 420/ AISI 431 RecocidoTemplado y revenido

Cuchillería, hojas de afeitar,válvulas para destilerías decerveza y vinos.

APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES MARTENSITICOS

A 3) Aceros inoxidables austeníticos

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A.3) Aceros inoxidables austeníticos. Son aleaciones ternarias Fe-Cr-Ni, contienen entre 16% a

25% de Cr y de 7% a 20% de Ni. El Ni es un elementoestabilizador de la austenita, cuando se le agrega a las

aleaciones Fe-Cr-C, incrementa el campo de la austenita, Si elcontenido de carbono es menor a 0,03% de C, no seformaran carburos y el acero estará constituido poraustenita a temperatura ambiente, presentan una estructura

FCC, tienen excelente ductilidad, formabilidad y resistencia ala corrosión (mejor que los ferríticos y martensíticos), Seendurecen por solución sólida y por trabajo en frío,alcanzando mayores valores que los ferríticos, no sonmagnéticos que en ocasiones es una ventaja, son

susceptibles a la corrosión intergranular cuando se sueldapor arco eléctrico o se los calienta a temperaturas entre 500 – 700 ºC, debido a la precipitación de carburos en losbordes de grano. Son aleaciones costosas por el contenido

de Ni y Cr, Entre las aplicaciones típicas tenemos

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AISI 304 / 304LUNS S30400

Recocido Equipos para la Industria alimentaria

AISI 316/316LUNS 31603

Recocido Estructuras soldadas,Equipo químico tubos y griferías,fotográfico, y de alimentos, piezasvarias para la industria textil, resistesa ácidos orgánicos y álcalis,

AISI 314 Recocido Hornos, calderas, moldes para vidrio,parrillas y ganchos de la industria deesmaltado.Accesorios y partes de turbinasaeronáuticas, cono de escape,soportes trunions,

APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES AUSTENICOS

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a.4) Aceros inoxidables endurecidos porprecipitación (PH)

Estos aceros contienen de 12% a 18 % de Cr y 4% a 9 % deNi, otros elementos aleantes como el Mo, Ti, N, Cu, Al, Ta,Nb,B, V, han sido formulados para ser suministrados en soluciónsólida para ser maquinados y luego endurecidos porenvejecimiento entre 480 – 595 ºC. Tienen entre otrascaracterísticas, de moderada a buena resistencia a lacorrosión, muy alta resistencia mecánica (mayor que la de losaceros martensíticos), Buena soldabilidad y son magnéticos.Sus aplicaciones típicas: Componentes aeroespaciales ymarinos, Tubos de intercambiadores de calor y sobrecalentadores de calderas a vapor, tanques de combustibles,partes de bombas, sierras, juntas de expansión tipo fuelle.

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APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES ENDURECIDOSPOR PRECIPITACION


AISI 17- 4PHUNS S17400

Solución sólidaEnvejecimiento

Engranajes, levas, ejes, piezas deaviones, y turbinas a gas.

AISI 17 – 17PHUNS s17700

Solución sólidaEnvejecimiento

Cuchillos, muelles

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b) ACEROS INOXIDABLES DUPLEX Se denominan aceros Inoxidables Duplex a los que contienen

aproximadamente 50% de ferrita y 50 % de austenita, esto se

logra mediante un control apropiado de la composición química ydel tratamiento térmico. Son aleaciones Fe, Cr, Mo, una cantidadde Ni 4,5 a 8 % y N, para lograr el balance adecuado de austenitay ferrita, donde el N aumenta la resistencia a la fluencia y reduce

la formación de compuestos químicos frágiles y el Mo mejora laresistencia a la corrosión por picadura y rendija, Estacombinación proporciona un conjunto de propiedades mecánicasy de resistencia a la corrosión intergranular, de formabilidad ysoldabilidad que no tiene ningún otro de los aceros inoxidable

normales. Se emplea en piezas para aplicaciones estructurales,debido a su alta resistencia mecánica y tenacidad, tuberías deintercambiadores de calor, tuberías de petróleo, plataformas deultramar, pozos de gas, plantas de desalinización en válvulas y

tuberías, plantas petroquímicas, industria de la celulosa

C) ACEROS ALEADOS PARA HERRAMIENTAS

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C) ACEROS ALEADOS PARA HERRAMIENTAS

Los aceros para herramientas presentan una gran gama decomposiciones químicas, la cual incluye aceros al carbono y aceros

aleados. La ventaja del uso de los aceros de alta aleación se puedenmencionar las siguientes:

a) Presentan una alta templabilidad, que hace posible utilizarvelocidades de enfriamiento menores durante el temple, lo cual

permite que no se tengan problemas de fisuración ydeformación en las herramientas templadas.

b) La martensita de alta aleación, mas los carburos con exceso dealeante, retiene su dureza a altas temperaturas originadas por

las altas velocidades de corte.El método de identificación y tipo de clasificación de los acerospara herramientas adoptado por AISI, tiene en cuenta el métodode templado, aplicaciones, características particulares y aceros para

industrias específicas. Estos constan de 7 grupos y subgrupos a loscuales se les ha asi nado una letra.

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CLASIFICACION DE LOS ACEROS PARA HERRAMIENTAS SEGÚN AISI

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CARACTERISTICAS Y APLICACIONES DE ACEROS PARA HERRAMIENTAS

d) ACEROS PARA SERVICIO CRIOGENICO

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d) ACEROS PARA SERVICIO CRIOGENICO

Para la fabricación económica de recipientes criogénicosque funcionan desde la temperatura ambiente hasta latemperatura del nitrógeno líquido (-195 ºC) se hadesarrollado un acero con 9 % de Ni (ASTM A353), conresistencia a la fluencia de 75 000 PSI. También los acerosinoxidables austeníticos (AISI 316L) los poseen excelentetenacidad a temperaturas tan bajas como la del Heliolíquido (- 269 ºC 459 ºF).

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e) ACEROS PARA RESORTES.

El acero al carbono es satisfactorio para resortespequeños y corrientes, pero para resortes grandes y dealta resistencia a la tracción y compresión es necesariousar aceros aleados o especiales como al Ni-Cr-V. o al Si-Mn. Uno de los materiales usados para la confección deresortes es el alambre de cuerda de piano o alambre demúsica, el cual tiene un proceso de templado especial,llamado patentizado es un acero al manganeso mas otraspequeñas cantidades de aleantes como el Ti, Nb, V que leconfieren alta resistencia a la fluencia.

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f) ACEROS DE ALEACION ESPECIAL

f.1) ACEROS DE ALEACIONES Fe-Si.

Usados en laminaciones para aplicaciones eléctricas, enlas cuales el C, Mn, P, S, deben mantenerse en losporcentajes más bajos posibles. Él Si aumenta la

resistividad eléctrica del Fe y disminuye las pérdidas porhistéresis, las láminas de este acero se usa en se usan encasi todos los circuitos magnéticos de C.A. paratransformadores el porcentaje de Si es aproximadamente

5 %, para armaduras en vibración pero suele mantenerseen 4 % ( por la fragilidad de la placa por el Si).

f 2 )ALEACIONES FE NI ( ACEROS MARAGIN)

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f.2 )ALEACIONES FE-NI.( ACEROS MARAGIN).Estas aleaciones han sido desarrolladas por la International NickelCompany (USA), las cuales contienen entre 65 a 75 % de Fe y entre

17-26 % de Nickel, tienen alta resistencia mecánica y al mismotiempo gran tenacidad y ductilidad. Su nombre de Maraging se debeal tratamiento al que se lo somete, el cual es un proceso demaduración o envejecimiento artificial de la martensita, además hayotros elementos de aleación como el Co, Mo, Ti y Al, que tienen gran

influencia en sus propiedades. El Carbono es considerado comoimpureza, por lo que realmente estas leaciones no son aceros.Tienen resistencias a la fluencia hasta de 21098 Kg/cm2 (300000 psi)y resistencias de impacto Charpy con muesca V, entre 6.915 a 8.298Kg x m (50-60 ftxlb). Las aplicaciones de estos aceros son

especialmente útiles en la manufactura de estructuras grandes conexigencias de resistencias críticas, tales como envolturas paravehículos espaciales, largueros para superficies hidrodinámicas ypistones para prensas de extrusión.

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f.3) Otros grupos de aleaciones Fe-Ni f.3.1) Dentro de estas aleaciones Fe-Ni, hay un grupo cuya

característica principal es tener una alta permeabilidadmagnética y bajas pérdidas por histéresis, las cualesposeen composiciones de 45-80 % de Ni; entre estastenemos:* El PERMALLOY con 78,5 % Ni.

* El HIPERNIK con 50 % Ni.

* El PERMINVAR con 45 %Ni, 25 % Co de permeabilidadconstante en una gamma amplia de densidades de flujo.

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f.3.2) Otro grupo de aleaciones Fe-Ni, tienen bajoscoeficientes de dilatación, tales como:* El INVAR 36 % Ni; con coeficiente de dilatación lineal muy bajo.

* El ELINVAR Con 32 % Ni; y pequeños porcentajes de Cr, W, Mn, Si,y C; tiene bajo coeficiente de dilatación, módulo de elasticidadconstante hasta los 38 ºC, usado en cuerdas de pelo para relojes,resortes de instrumentos de precisión.

* La PLATINITE con 46 % Ni, con bajo coeficiente de dilatacióntérmica, similar al platino.

* El DUMET con 42 % de Ni, sustituye al platinó en el cierrehermético del casquillo de lámparas incandescentes y tubos de vacío.

Aleaciones de Fe-Co, con Co hasta 65 %, tienen valores desaturación magnética mayores que el Fe puro.

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