Metales y sus Aleaciones - Aircraft Metals
Metales ferrosos para aviones - Ferrous Aircraft Metals
En la reparación de aeronaves se necesitan muchos metales diferentes.
Esto es el resultado de las diferentes necesidades con respecto a la
fuerza, el peso, la durabilidad y la resistencia al deterioro de
estructuras o partes específicas. Además, la forma particular del
material juega un papel importante. Al seleccionar los materiales para
la reparación de aeronaves, se tienen en cuenta estos factores (además
de muchos otros) en relación con las propiedades mecánicas y físicas.
Entre los materiales más utilizados están los metales ferrosos. El
término "ferroso" se aplica al grupo de metales que tienen el hierro
como principal constituyente.
Hierro - Iron
Si se añade carbono al hierro en porcentajes que van hasta
aproximadamente el 1%, el producto es muy superior al hierro solo y se
clasifica como acero al carbono. El acero al carbono constituye la base
de los aceros aleados que se producen combinando el acero al carbono con
otros elementos conocidos por mejorar las propiedades del acero. Un
metal base (como el hierro) al que se han añadido pequeñas cantidades de
otros metales se denomina aleación. La adición de otros metales modifica
o mejora las propiedades químicas o físicas del metal base para un uso
determinado.
Acero y aleaciones de acero - Steel and Steel Alloys
Para facilitar la discusión de los aceros es conveniente conocer su
nomenclatura. Para identificar las composiciones químicas de los aceros
estructurales se utiliza un índice numérico patrocinado por la Sociedad
de Ingenieros de Automoción (SAE) y el Instituto Americano del Hierro y
el Acero (AISI). En este sistema, se utiliza una serie de cuatro números
para designar los aceros simples al carbono y los aceros aleados; se
utilizan cinco números para designar ciertos tipos de aceros aleados.
Los dos primeros dígitos indican el tipo de acero, el segundo dígito
suele indicar también (aunque no siempre) la cantidad aproximada del
principal elemento de aleación, y los dos (o tres) últimos dígitos
pretenden indicar el centro aproximado de la gama de carbono. Sin
embargo, a veces es necesario desviarse de la regla de indicar el rango
del carbono.
En los aceros aleados están presentes pequeñas cantidades de ciertos
elementos que no se especifican como obligatorios. Estos elementos se
consideran incidentales y pueden estar presentes en las siguientes
cantidades máximas: cobre, 0,35 por ciento; níquel, 0,25 por ciento;
cromo, 0,20 por ciento; molibdeno, 0,06 por ciento. La lista de aceros
estándar se modifica de vez en cuando para dar cabida a los aceros de
mérito probado y para prever los cambios en los requisitos metalúrgicos
y de ingeniería de la industria.
El material metálico se fabrica en diversas formas, como chapas,
barras, varillas, tubos, extrusiones, forjados y fundiciones. Las chapas
se fabrican en varios tamaños y espesores. Las especificaciones designan
los espesores en milésimas de pulgada. Las barras y las varillas se
suministran en una variedad de formas, como redondas, cuadradas,
rectangulares, hexagonales y octogonales. Los tubos pueden obtenerse en
forma redonda, ovalada, rectangular o aerodinámica. El tamaño de los
tubos se especifica generalmente por el diámetro exterior y el grosor de
la pared.
La chapa se suele conformar en frío en máquinas como prensas,
plegadoras, bancos de estirado o rodillos. Las piezas forjadas se
moldean mediante el prensado o el martilleo del metal calentado en
matrices. Al verter el metal fundido en moldes se obtienen piezas de
fundición. El mecanizado termina la fundición.
La prueba de chispa es un medio habitual para identificar diversos
metales ferrosos. En esta prueba, la pieza de hierro o acero se sostiene
contra una piedra de amolar giratoria, y el metal se identifica por las
chispas que se desprenden. Cada metal ferroso tiene sus propias
características de chispas. Los chorros de chispas varían desde unos
pocos ejes diminutos hasta una lluvia de chispas de varios metros de
longitud. (Pocos metales no ferrosos desprenden chispas cuando se tocan
con una piedra de amolar. Por lo tanto, estos metales no pueden
identificarse con éxito mediante la prueba de la chispa).
La identificación mediante la prueba de la chispa es a menudo inexacta,
a menos que la realice una persona experimentada o que las piezas de
prueba difieran mucho en su contenido de carbono y componentes de
aleación.
El hierro forjado produce varas largas que son de color paja al salir
de la piedra y blancas al final. Las chispas de hierro fundido son rojas
al salir de la piedra y pasan a ser de color paja. Los aceros con bajo
contenido en carbono producen fustes largos y rectos con algunas ramitas
blancas. A medida que aumenta el contenido de carbono del acero, aumenta
el número de ramitas a lo largo de cada eje y el chorro adquiere un
color más blanco. El acero al níquel hace que el chorro de chispas
contenga pequeños bloques blancos de luz dentro del estallido
principal.
Tipos, características y usos de los aceros aleados - Types, Characteristics, and Uses of Alloyed Steels
Los aceros que contienen carbono en porcentajes que van del 0,10 al
0,30 por ciento se clasifican como aceros de bajo carbono. Los números
SAE equivalentes van de 1010 a 1030. Los aceros de este grado se
utilizan para fabricar artículos, como cables de seguridad, ciertas
tuercas, casquillos para cables o extremos de varillas roscadas. Este
acero en forma de lámina se utiliza para piezas estructurales
secundarias y abrazaderas y en forma de tubo para piezas estructurales
sometidas a esfuerzos moderados.
El acero que contiene carbono en porcentajes que oscilan entre el 0,30
y el 0,50 por ciento se clasifica como acero de medio carbono. Este
acero es especialmente apto para el mecanizado o la forja y cuando se
desea una dureza superficial. Algunas cabezas de biela y piezas forjadas
ligeras se fabrican con acero SAE 1035.
El acero que contiene carbono en porcentajes que van del 0,50 al 1,05
por ciento se clasifica como acero de alto carbono. La adición de otros
elementos en cantidades variables aumenta la dureza de este acero. En su
estado de tratamiento térmico completo, es muy duro, resiste el
cizallamiento y el desgaste y tiene poca deformación. Su uso en la
aviación es limitado. El SAE 1095 en forma de lámina se utiliza para
fabricar muelles planos y en forma de alambre para fabricar muelles
helicoidales.
Los distintos aceros al níquel se producen combinando níquel con acero
al carbono. Los aceros que contienen entre un 3 y un 3,75 por ciento de
níquel son los más utilizados. El níquel aumenta la dureza, la
resistencia a la tracción y el límite elástico del acero sin disminuir
sensiblemente la ductilidad. También intensifica el efecto endurecedor
del tratamiento térmico. El acero SAE 2330 se utiliza mucho para piezas
de aviación, como pernos, terminales, llaves, horquillas y
pasadores.
El acero al cromo tiene una gran dureza, resistencia y propiedades de
resistencia a la corrosión, y se adapta especialmente bien a las piezas
forjadas con tratamiento térmico, que requieren una mayor dureza y
resistencia que las que se pueden obtener con el acero al carbono
normal. Puede utilizarse para artículos como las bolas y los rodillos de
los cojinetes antifricción. El cromeníquel o los aceros inoxidables son
los metales resistentes a la corrosión. El grado de anticorrosión de
este acero viene determinado por el estado de la superficie del metal,
así como por la composición, la temperatura y la concentración del
agente corrosivo. La principal aleación del acero inoxidable es el
cromo. El acero resistente a la corrosión más utilizado en la
construcción de aviones se conoce como acero 18-8 porque su contenido es
del 18% de cromo y el 8% de níquel. Una de las características
distintivas del acero 18-8 es que el trabajo en frío puede aumentar su
resistencia.
El acero inoxidable puede laminarse, estirarse, doblarse o moldearse de
cualquier forma. Como estos aceros se dilatan un 50% más que el acero
dulce y conducen el calor sólo un 40% más rápido, son más difíciles de
soldar. El acero inoxidable puede utilizarse para casi cualquier parte
de un avión. Algunas de sus aplicaciones habituales son la fabricación
de colectores de escape, chimeneas y colectores, piezas estructurales y
mecanizadas, muelles, piezas de fundición, tirantes y cables de
control.
Los aceros al cromo-vanadio están compuestos por aproximadamente un 18%
de vanadio y un 1% de cromo. Una vez tratados térmicamente, tienen
fuerza, dureza y resistencia al desgaste y a la fatiga. Un grado
especial de este acero en forma de lámina puede moldearse en frío en
formas intrincadas. Se puede doblar y aplanar sin que aparezcan signos
de rotura o fallo. El SAE 6150 se utiliza para fabricar muelles; el
cromo-vanadio con alto contenido en carbono, SAE 6195, se utiliza para
rodamientos de bolas y de rodillos.
El molibdeno, en pequeños porcentajes, se utiliza en combinación con el
cromo para formar el acero al cromo-molibdeno, que tiene diversos usos
en la aviación. El molibdeno es un fuerte elemento de aleación. Aumenta
la resistencia final del acero sin afectar a la ductilidad ni a la
trabajabilidad. Los aceros al molibdeno son duros y resistentes al
desgaste, y se endurecen por completo cuando se tratan térmicamente. Se
adaptan especialmente a la soldadura y, por ello, se utilizan
principalmente para piezas estructurales y conjuntos soldados. Este tipo
de acero ha sustituido prácticamente al acero al carbono en la
fabricación de tubos de fuselaje, soportes de motor, trenes de
aterrizaje y otras piezas estructurales. Por ejemplo, un tubo SAE X4130
tratado térmicamente es aproximadamente cuatro veces más resistente que
un tubo SAE 1025 del mismo peso y tamaño.
La serie de aceros al cromo-molibdeno más utilizada en la construcción
de aviones es la que contiene entre un 0,25 y un 0,55 por ciento de
carbono, entre un 0,15 y un 0,25 por ciento de molibdeno y entre un 0,50
y un 1,10 por ciento de cromo. Estos aceros, cuando reciben un
tratamiento térmico adecuado, se endurecen en profundidad, se mecanizan
con facilidad, se sueldan fácilmente por métodos eléctricos o de gas y
están especialmente adaptados al servicio a altas temperaturas.
El Inconel es una aleación de níquel-cromo-hierro muy parecida al acero
inoxidable (acero resistente a la corrosión (CRES)) en cuanto a su
aspecto. Los sistemas de escape de los aviones utilizan ambas aleaciones
indistintamente. Dado que las dos aleaciones se parecen mucho, a menudo
es necesario realizar una prueba de distinción. Un método de
identificación es utilizar una técnica electroquímica, como se describe
en el párrafo siguiente, para identificar el contenido de níquel (Ni) de
la aleación. El Inconel tiene un contenido de níquel superior al 50%, y
la prueba electroquímica detecta el níquel.
La resistencia a la tracción del Inconel es de 100.000 libras por
pulgada cuadrada (psi) recocido, y de 125.000 psi cuando es laminado en
duro. Es muy resistente al agua salada y puede soportar temperaturas de
hasta 1.600 °F. El Inconel se suelda fácilmente y tiene cualidades de
trabajo como las de los aceros resistentes a la corrosión.
Metales no ferrosos para aviones - Nonferrous Aircraft Metals
El término "no ferroso" se refiere a todos los metales que tienen
elementos distintos del hierro como base o constituyente principal. Este
grupo incluye metales como el aluminio, el titanio, el cobre y el
magnesio, así como metales aleados, como el Monel y el Babbitt.
Aluminio y aleaciones de aluminio El aluminio comercialmente puro es un
metal blanco y lustroso, que ocupa el segundo lugar en la escala de
maleabilidad, el sexto en ductilidad y ocupa un lugar destacado en su
resistencia a la corrosión. El aluminio combinado con varios porcentajes
de otros metales forma aleaciones, que se utilizan en la construcción de
aviones. Las aleaciones de aluminio cuyos principales ingredientes de
aleación son el manganeso, el cromo o el magnesio y el silicio muestran
poco ataque en ambientes corrosivos. Las aleaciones con porcentajes
importantes de cobre son más susceptibles a la acción corrosiva. El
porcentaje total de elementos de aleación rara vez supera el 6 ó 7 por
ciento en las aleaciones forjadas.
El aluminio es uno de los metales más utilizados en la construcción de
aviones modernos. Es vital para la industria de la aviación por su
elevada relación resistencia-peso y su comparativa facilidad de
fabricación. La característica más destacada del aluminio es su
ligereza. El aluminio se funde a una temperatura comparativamente baja
de 1.250 °F. No es magnético y es un excelente conductor.
El aluminio comercialmente puro tiene una resistencia a la tracción de
unos 13.000 psi, pero el laminado u otros procesos de trabajo en frío
pueden duplicar aproximadamente su resistencia. Si se alea con otros
metales o se utiliza un proceso de tratamiento térmico, la resistencia a
la tracción puede aumentar hasta 65.000 psi o situarse en el rango de
resistencia del acero estructural.
Las aleaciones de aluminio, aunque son fuertes, son fáciles de trabajar
porque son maleables y dúctiles. Pueden laminarse en láminas tan finas
como 0,0017 pulgadas o estirarse en alambre de 0,004 pulgadas de
diámetro. La mayoría de las láminas de aleación de aluminio utilizadas
en la construcción de aviones tienen un grosor de entre 0,016 y 0,096
pulgadas; sin embargo, algunos de los aviones más grandes utilizan
láminas que pueden tener un grosor de hasta 0,356 pulgadas.
Los distintos tipos de aluminio pueden dividirse en dos clases
generales:
- Aleaciones de fundición (las que son adecuadas para fundir en
arena, molde permanente o fundición a presión)
- Aleaciones de forja (las que pueden ser moldeadas por laminación,
estirado o forjado).
De estas dos, las aleaciones forjadas son las más utilizadas en la
construcción aeronáutica, utilizándose para largueros, mamparos, piel,
remaches y secciones extruidas.
Las aleaciones de fundición de aluminio se dividen en dos grupos
básicos. En uno de ellos, las propiedades físicas de las aleaciones
vienen determinadas por los elementos de aleación y no pueden
modificarse una vez fundido el metal. En el otro, los elementos de
aleación hacen posible el tratamiento térmico de la fundición para
producir las propiedades físicas deseadas.
Una letra que precede al número de aleación identifica las aleaciones
de fundición. Cuando una letra precede a un número, indica una ligera
variación en la composición de la aleación original. Esta variación en
la composición es simplemente para impartir alguna cualidad deseable.
Por ejemplo, en la aleación de fundición 214, la adición de zinc para
mejorar sus cualidades de colada se indica con la letra A delante del
número, creando así la designación A214.
Cuando las piezas fundidas han sido tratadas térmicamente, el
tratamiento térmico y la composición de la pieza fundida se indican con
la letra T, seguida de un número de aleación. Un ejemplo de ello es la
aleación de fundición en arena 355, que tiene varias composiciones y
temperaturas diferentes y se designa como 355-T6, 355-T51 o
C355-T51.
Las fundiciones de aleación de aluminio se producen por uno de los tres
métodos básicos: molde de arena, molde permanente o fundición a presión.
En la fundición de aluminio, es importante tener en cuenta que, en la
mayoría de los casos, deben utilizarse diferentes tipos de aleaciones
para los distintos tipos de fundición. Las fundiciones en arena y las
fundiciones a presión requieren diferentes tipos de aleaciones que las
utilizadas en los moldes permanentes.
Las piezas fundidas en arena y en moldes permanentes son piezas que se
fabrican vertiendo metal fundido en un molde previamente preparado,
dejando que el metal se solidifique o se congele y retirando después la
pieza. Si el molde es de arena, la pieza es una fundición en arena; si
es un molde metálico (normalmente de hierro fundido), la pieza es una
fundición en molde permanente. Las piezas fundidas en arena y en molde
permanente se producen vertiendo metal líquido en el molde, y el metal
fluye sólo por la fuerza de la gravedad.
Los dos tipos principales de aleaciones de fundición en arena son el
112 y el 212. Hay poca diferencia entre los dos metales en cuanto a
propiedades mecánicas, ya que ambos se adaptan a una amplia gama de
productos.
El proceso de molde permanente es un desarrollo posterior del proceso
de fundición en arena, cuya principal diferencia radica en el material
con el que se fabrican los moldes. La ventaja de este proceso es que hay
menos aberturas (denominadas porosidad) que en los moldes de arena. La
arena y el aglutinante, que se mezcla con la arena para mantenerla
unida, desprenden una cierta cantidad de gas, que provoca la porosidad
en una fundición de arena.
Los moldes permanentes se utilizan para obtener mayores propiedades
mecánicas, mejores superficies o dimensiones más precisas. Hay dos tipos
específicos de piezas fundidas en moldes permanentes: los moldes
metálicos permanentes con núcleos metálicos y los semipermanentes con
núcleos de arena. Dado que en las aleaciones sometidas al rápido
enfriamiento de los moldes metálicos se produce una estructura de grano
más fino, son muy superiores a las fundiciones de tipo arena. Las
aleaciones 122, A132 y 142 se utilizan comúnmente en fundiciones de
molde permanente, cuyos usos principales son los motores de combustión
interna.
Las fundiciones en molde utilizadas en los aviones suelen ser de
aleación de aluminio o de magnesio. Si el peso es lo más importante, se
utiliza la aleación de magnesio, porque es más ligera que la de
aluminio. Sin embargo, la aleación de aluminio se utiliza con frecuencia
porque es más fuerte que la mayoría de las aleaciones de magnesio.
Al forzar el metal fundido bajo presión en una matriz metálica y dejar
que se solidifique se produce una fundición a presión; luego se abre la
matriz y se extrae la pieza. La diferencia básica entre la fundición en
molde permanente y la fundición a presión es que, en el proceso de molde
permanente, el metal fluye hacia la matriz por gravedad. En la operación
de fundición a presión, el metal es forzado bajo una gran presión.
La fundición a presión se utiliza cuando se trata de una producción
relativamente grande de una pieza determinada. Recuerde que cualquier
forma que pueda forjarse, puede fundirse.
El aluminio forjado y las aleaciones de aluminio forjado se dividen en
dos clases generales: aleaciones no tratables térmicamente y aleaciones
tratables térmicamente.
Las aleaciones no tratables térmicamente son aquellas en las que las
propiedades mecánicas están determinadas por la cantidad de trabajo en
frío introducido después de la operación final de recocido. Las
propiedades mecánicas obtenidas por el trabajo en frío son destruidas
por cualquier calentamiento posterior y no pueden ser restauradas
excepto por un trabajo en frío adicional, lo que no siempre es posible.
El temple "completamente duro" se produce mediante la máxima cantidad de
trabajo en frío que sea comercialmente practicable. El metal en la
condición de "fabricado" se produce a partir del lingote sin ninguna
cantidad controlada de trabajo en frío o tratamiento térmico posterior.
En consecuencia, existe una cantidad variable de endurecimiento por
deformación dependiendo del espesor de la sección.
En el caso de las aleaciones de aluminio tratables térmicamente, las
propiedades mecánicas se obtienen mediante un tratamiento térmico a una
temperatura adecuada, manteniéndola el tiempo suficiente para permitir
que el componente de aleación entre en solución sólida y, a
continuación, se enfría para mantener el componente en solución. El
metal se deja en un estado sobresaturado e inestable y luego se endurece
por envejecimiento natural a temperatura ambiente o por envejecimiento
artificial a una temperatura elevada.
Aluminio forjado - Wrought Aluminum
El aluminio forjado y las aleaciones de aluminio forjado se designan
mediante un sistema de índices de cuatro dígitos. El sistema se divide
en tres grupos distintos: el grupo 1xxx, los grupos 2xxx a 8xxx y el
grupo 9xxx (que actualmente no se utiliza).
El primer dígito de una designación identifica el tipo de aleación. El
segundo dígito indica las modificaciones específicas de la aleación. Si el
segundo número fuera cero, indicaría que no hay ningún control especial
sobre las impurezas individuales. Sin embargo, los dígitos del 1 al 9,
cuando se asignan consecutivamente según sea necesario para el segundo
número de este grupo, indican el número de controles sobre impurezas
individuales en el metal.
Advertencia: Los artículos publicados en este sitio web deben ser utilizados
únicamente con fines educativos (instrucción).
No los utilice para operar una aeronave, volar, ni hacer procedimientos
de mantenimiento. Tenga en cuenta que "Aprendamos Aviación" no está
afiliado de ninguna manera con ninguna compañía fabricante de
aeronaves.
Verificar y confirmar la información con personal aeronáutico
certificado y documentación certificada.
