Maquinabilidad del acero

El acero es, con diferencia, el material más utilizado en los talleres mecánicos. La maquinabilidad del acero abarca desde materiales de corte libre como el 12L14, con una maquinabilidad del 170%, hasta aceros para herramientas exigentes como el D3 o el O1 , con una maquinabilidad del 30-40%. Desglosaremos esta gran familia de materiales en subgrupos y analizaremos la maquinabilidad de cada uno de ellos.

Machinability of Steel vs other materials 1
Machinability of Steel bar chart 1

¿Qué es el acero?

El acero es hierro (Fe), con el adición de 0,1 – 2,5 wt. % de carbono (c). Además de carbono, el acero puede contener muchos otros elementos de aleación hasta un contenido total de alrededor del 20%. El hierro puro es muy dúctil. Al «jugar» con la mezcla y la cantidad de los distintos elementos de aleación, el hierro adquiere una serie de propiedades mecánicas únicas. Sin embargo, algunos de estos aditivos también perjudican el grado de maquinabilidad.

Acero al carbono

(Serie SAE 10xx)

El acero al carbono es el más sencillo y barato. Suele definirse como un acero compuesto de hierro (Fe) con una pequeña adición de carbono (C), pero sin otros elementos de aleación. Esta afirmación no es exacta, ya que la mayoría de los aceros al carbono también contienen pequeñas cantidades de manganeso (Mn), fósforo (P) y azufre (S). La designación SAE del acero al carbono tiene el formato 10xx, donde xx indica la cantidad de carbono. Por ejemplo, 1020 contiene 0,2% de carbono y 1045 contiene 0,45% de carbono.

El carbono (C) es el principal elemento de aleación del acero. Aumenta la dureza y la resistencia a la tracción, además de responder al tratamiento térmico (templabilidad). Los aceros al carbono suelen tener hasta un 1% de carbono. La maquinabilidad es muy sensible a la cantidad de carbono, ya que éste influye directamente en la dureza del acero. El «punto dulce» que proporciona el mayor grado de maquinabilidad se sitúa en torno al 0,2%. El acero con menos de un 0,15% de carbono es muy blando; por tanto, es casi imposible romper las virutas y se forma fácilmente BUE en el filo de corte. Por encima del 0,3%, el material se vuelve gradualmente más duro y, por tanto, el desgaste se forma más rápidamente en el filo de corte. Puede obtener más información sobre el acero al carbono aquí.

Gráfico de la maquinabilidad del acero en función del contenido de carbono
Maquinabilidad y resistencia del acero frente al contenido de carbono

Resumen – Índice de maquinabilidad 40-80

En el acero al carbono, el contenido de carbono es King. El contenido de carbono del 0,2-0,3% aporta el mejor índice de maquinabilidad. 0,15% e inferior crea acero dúctil con virutas irrompibles. A medida que el contenido de carbono aumenta entre el 0,4 y el 1%, el índice de maquinabilidad disminuye gradualmente.

Acero al carbono – Tabla de maquinabilidad

Aceros de corte libre

(SAE 11xx, 12xx, 12Lxx)

Acero de mecanizado libre es un apodo para el acero al carbono con una mayor cantidad de elementos de aleación con el único propósito de mejorar su mecanizabilidad.

Serie 11xx: la cantidad de azufre (S) pasa del 0,05% en los aceros al carbono lisos al 0,1%. Añade aproximadamente un 20% a la maquinabilidad en comparación con los materiales equivalentes de la serie 10xx. Por otro lado, la resistencia a la tracción disminuye aproximadamente un 10% y el material es más quebradizo.

serie 12xx: El contenido de azufre (S) aumenta hasta el 0,25% y el de fósforo (P) pasa del 0,04% de la serie 10xx al 0,5%. Como resultado, la maquinabilidad aumenta otro 40% a costa de una mayor disminución de las propiedades mecánicas.

SAE 12L14 es un acero de corte libre en el que el fósforo se sustituye por un 0,25% de plomo (Pb), lo que aumenta la maquinabilidad en otro 35%. Esta mejora se produce porque el plomo se funde localmente en el punto de corte, reduciendo así la fricción y proporcionando una lubricación natural. Sin embargo, muchos fabricantes de materiales y talleres mecánicos intentan evitar los suplementos de plomo debido a los daños medioambientales y los riesgos para la salud. Puede obtener más información sobre el acero de mecanizado libre aquí.

Comparación del índice de maquinabilidad entre el acero al carbono liso y los aceros freecut con el mismo contenido de carbono

MaterialMaquinabilidadP (%)S(%)Pb(%)
101572%0.040.05
111791%0.030.1
1215136%0.06
12L14170%0.30.25

En la tabla anterior puede verse el efecto neto de los aditivos de freecut sobre la maquinabilidad.

Resumen – Índice de maquinabilidad 70-170

Desde el punto de vista del mecanizador, los aceros de mecanizado libre son los mejores. Sin embargo, los ingenieros de diseño intentan evitarlos debido a sus propiedades mecánicas inferiores.

Aceros de baja aleación

(SAE 4xxx, 5xxx, …. 9xxx)

No existe una definición científica, pero en la práctica, los aceros de baja permeabilidad son aceros al carbono con elementos de aleación adicionales (además del carbono y el manganeso) de hasta el 5%. Estos elementos se añaden para mejorar la resistencia, la tenacidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia al desgaste, la templabilidad y la dureza en caliente del acero. La lista de elementos de aleación es larga, pero para nuestro debate basta con centrarse en los tres principales:

El molibdeno (Mo) está presente en todos los aceros de baja aleación (excepto las series 5xxx y 9xxx), en un contenido ponderal del 0,15-0,35%. Aumenta la tenacidad y no tiene efectos adversos sobre la maquinabilidad.

El cromo (Cr) está presente en la mayoría de los aceros de baja aleación con un contenido en peso de 0. 5-1.5%. El cromo es conocido sobre todo por mejorar la resistencia a la corrosión, por lo que es un elemento importante en el acero inoxidable. Sin embargo, esto sólo se consigue con importes más elevados, superiores al 5%. La mayoría de los aceros inoxidables tienen un contenido de cromo del 12-20% y, a estos niveles, también disminuye la maquinabilidad. Sin embargo, a menor contenido, como en los aceros de baja aleación, mejora la templabilidad sin un efecto negativo sobre la maquinabilidad. Puede obtener más información sobre el acero aleado aquí.

El níquel (Ni) se añade a las series 43xx, 48xx, 8xxx en cantidades del 0,5-3,5%. El níquel mejora la tenacidad del acero, pero a costa de disminuir la maquinabilidad.

Resumen – Índice de maquinabilidad 40-75

Los aceros de baja aleación tienen casi el mismo grado de maquinabilidad que los aceros al carbono con un contenido de carbono equivalente, excepto los materiales con contenido adicional de níquel. (El ejemplo más común es el ampliamente utilizado SAE 4340 DIN 35CrNiMo6). Sin embargo, el contenido de carbono sigue siendo el factor dominante que influye en la maquinabilidad. Materiales como SAE 52100 DIN 100Cr6 que tienen un contenido de carbono del 1%, muestran el índice de maquinabilidad más bajo de este grupo, aunque no contienen Níquel.

Aceros de baja aleación – Tabla de maquinabilidad

Aceros para herramientas

Aceros de alta aleación (Ax, Ox, Hx, Dx, Mx, etc.)

Los aceros de alta aleación pueden contener entre un 5 y un 20% de elementos de aleación. Se denominan aceros para herramientas porque se utilizan sobre todo para fabricar herramientas de corte, prensado, extrusión y acuñación de metales y otros materiales. Puede obtener más información sobre el acero para herramientas aquí.

Clasificación de los aceros para herramientas (grupos principales)

SAEDescripciónPropiedadesMaquinabilidad
A2-A10Aceros templados al aire para trabajo en fríoUn contenido de carbono del 0,7-1,25% reduce la maquinabilidad.30-40%
O1-O7Aceros al aceite para trabajo en fríoUn contenido de carbono del 1-1,5% reduce la maquinabilidad30-40%
D2-D7Aceros de alto contenido en carbono y cromo para trabajo en fríoUn contenido de carbono muy elevado (1,5-2,5%) provoca una mala mecanizabilidad.20-30%
H10-H19Aceros al cromo para trabajos en calienteContenido medio de carbono en torno al 0,4% con cromo en torno al 5%.50-60%
M1-M62Aceros rápidos al molibdenoMolibdeno 5-10% / Tungsteno 2-10%.20-40%

Resumen – Índice de maquinabilidad 20-50

Los aceros de este grupo tienen un alto contenido de carbono, superior al 1%, y/o elementos de aleación adicionales en cantidades elevadas, lo que da lugar a una maquinabilidad muy deficiente.

Acero para herramientas – Tabla de mecanizabilidad

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