Tubería de acero sin costura ASTM A519 50B40: composición, templabilidad y tratamiento térmico del acero al boro

Alcance de la tubería mecánica sin costura ASTM A519/A519M

ASTM A519/A519M cubre tubos mecánicos sin costura de acero al carbono y de aleación suministrados con acabado en caliente o en frío, para aplicaciones mecánicas y de presión en las que se requiere una química definida, una templabilidad controlada y propiedades mecánicas específicas. El tubo se produce perforando en caliente un tocho redondo sólido y luego reduciéndolo, ya sea laminándolo en caliente al tamaño solicitado o estirando en frío sobre un mandril o tapón. Debido a que el producto no tiene costuras, no tiene soldadura longitudinal y, por lo tanto, se prefiere dondequiera que sean importantes las propiedades uniformes del aro, la estanqueidad a la presión, la concentricidad y la maquinabilidad constante.

La especificación es la contraparte de las especificaciones de las barras para tubos: un grado como SAE 50B40 describe el acero, mientras que ASTM A519/A519M describe el producto tubular, sus condiciones de entrega, tolerancias y pruebas. Por lo tanto, los compradores realizan pedidos por calidad, diámetro exterior, espesor de pared, condición de entrega, longitud y pruebas a realizar, y la fábrica emite un certificado de prueba que cubre los resultados químicos y mecánicos.

SAE 50B40: Química y el papel del boro

SAE 50B40 es un acero al cromo tratado con boro y carbono medio de la familia 50xx. El nivel de carbono le da resistencia después del endurecimiento, la pequeña adición de cromo contribuye modestamente a la templabilidad y la resistencia al desgaste, y el boro proporciona el aumento decisivo en la respuesta de endurecimiento. A continuación se muestran los límites típicos de análisis de cuchara aplicados al grado.

El boro produce su efecto en niveles muy bajos, y este es el punto de ingeniería del grado. Unas pocas milésimas de porcentaje de boro suprimen la nucleación de ferrita en los límites del grano de austenita durante el enfriamiento, por lo que la transformación en martensita continúa a una profundidad mayor que en el mismo acero sin boro. La consecuencia práctica es que el contenido de aleación y, por tanto, el coste de la aleación, se puede reducir mientras se mantiene la profundidad de endurecimiento requerida. El boro debe permanecer en solución para funcionar, por lo que el fabricante de acero vincula el nitrógeno con una pequeña adición de titanio o aluminio; cuando el boro está presente en una forma incorrecta, se vuelve ineficaz y la templabilidad cae a la del acero al carbono base. La temperatura de austenización y el tiempo de mantenimiento también influyen en el crecimiento del grano y la eficacia del boro, razón por la cual el control del tratamiento térmico es tan importante como la química.

La templabilidad se controla comercialmente ordenando una banda de templabilidad en lugar de una composición única. El método de prueba de enfriamiento final se utiliza para demostrar la respuesta, y la banda limita la dureza que se puede medir a cada distancia desde el extremo templado. Esta es la propiedad más relevante para un componente como el cilindro o el eje, porque determina si la dureza requerida se puede obtener en la pared media o en el centro de la sección.

Propiedades mecánicas y tratamiento térmico.

ASTM A519/A519M establece que las propiedades mecánicas de la tubería son las del grado en las condiciones de entrega solicitadas. En la práctica, el comprador especifica un rango de resistencia a la tracción, un límite elástico mínimo, un rango de dureza o una combinación, y la fábrica verifica el resultado en piezas de prueba de tracción tomadas del tubo. Las pruebas de dureza se especifican con frecuencia como una verificación de aceptación de rutina, y es posible que se requieran pruebas de aplanamiento o hidrostáticas, o ambas, cuando el tubo se utiliza en servicio a presión. Cuando el tubo se utiliza en condiciones de templado y revenido, la resistencia y la tenacidad se establecen mediante la temperatura de revenido, y la combinación requerida se acuerda en el pedido en lugar de asumirse únicamente a partir del grado.

El tratamiento térmico típico para la pieza terminada sigue la secuencia siguiente.

Austenitizante.Calentamiento uniforme en el rango austenítico, comúnmente citado en la región de 845 a 870 grados para esta clase de acero al boro de medio carbono. Se debe controlar el tiempo a temperatura para que la estructura del grano no se vuelva más gruesa, porque los granos gruesos reducen la dureza y pueden diluir los beneficios del boro.

Temple.Enfriamiento con aceite o polímero, elegido de modo que la velocidad de enfriamiento supere la velocidad crítica a través del espesor de la pared y al mismo tiempo limite el riesgo de distorsión y agrietamiento. Las secciones de paredes delgadas y los tubos largos necesitan soporte o enfriamiento vertical para permanecer rectos.

Templado.Inmediatamente después del enfriamiento, a una temperatura seleccionada para producir la dureza especificada. Un temple en la región de 500 a 550 grados se usa comúnmente para aceros al boro con contenido medio de carbono cuando se requiere un equilibrio entre resistencia y tenacidad; Las temperaturas más altas reducen la resistencia y aumentan la ductilidad, las temperaturas más bajas hacen lo contrario.

Alisado y alivio del estrés.El enfriamiento introduce distorsión y tensión residual, por lo que normalmente se incluyen antes del mecanizado final el enderezamiento y, cuando la estabilidad dimensional es crítica, un tratamiento de alivio de tensión.

Endurecimiento superficial.Para piezas que necesitan una superficie dura y resistente al desgaste sobre un núcleo resistente, se aplica endurecimiento por inducción o carburación al tubo mecanizado, y la templabilidad del grado determina la profundidad de la carcasa endurecida lograda.

Aplicaciones típicas

Cilindros y vástagos de cilindros hidráulicos y neumáticos, donde el orificio debe mecanizarse, pulirse y, a menudo, endurecerse por inducción.

Ejes de transmisión huecos, ejes de hélice y ejes de toma de fuerza, donde un tubo sin costura ahorra peso en comparación con una barra sólida.

Tubos de eje, componentes de dirección y suspensión y manguitos de varillaje en vehículos comerciales y maquinaria agrícola.

Asientos de rodamientos, anillos y manguitos de rodamientos que necesitan un asiento duro y dimensionalmente estable después del tratamiento térmico.

Husillos, guías y casquillos de máquinas en máquinas herramienta e ingeniería mecánica en general.

Cuerpos de amortiguadores, tubos de torsión y piezas giratorias en equipos de construcción, minería y manipulación de materiales.

Piezas mecánicas templadas y revenidas en general donde un tubo mecanizado y tratable térmicamente reemplaza una barra o forja sólida.

Puntos de Mecanizado, Soldadura e Inspección

Mecanizado.Máquinas de tubos estirados en frío y recocidos para un buen acabado con utillaje convencional. Debido a que el contenido medio de carbono y la adición de boro significan que la dureza aumenta bruscamente al enfriarse, se deben evitar cortes interrumpidos y un suministro deficiente de refrigerante y la pieza debe mecanizarse en condiciones blandas antes del endurecimiento siempre que la secuencia del proceso lo permita. La distorsión después del endurecimiento se minimiza mediante mecanizado de desbaste, tratamiento térmico y luego acabado.

Soldadura.El equivalente de carbono de un acero con 0,40 % de carbono y hasta 1,00 % de manganeso es lo suficientemente alto como para que la soldadura requiera cuidado. Normalmente se especifica el control de temperatura entre pasadas y precalentamiento, se utilizan consumibles con bajo contenido de hidrógeno y las juntas gruesas o muy restringidas reciben un tratamiento térmico posterior a la soldadura para suavizar la zona afectada por el calor y reducir el riesgo de agrietamiento asistido por hidrógeno. Cuando se debe soldar una unión en condición endurecida, el procedimiento debe calificarse para el nivel de dureza real.

Verificación química.El contenido de boro debe confirmarse mediante análisis químico, y una comprobación de la adición de aluminio o titanio es una prueba útil de que el boro está adecuadamente protegido. El carbono y el manganeso se comparan con los límites del grado.

Templabilidad.Cuando el pedido especifica una banda de templabilidad, la curva de enfriamiento final se compara con los límites de la banda para el grado. En el caso de un tubo, la sección de la pared normalmente también se comprueba mediante un recorrido de dureza o seccionando una pieza representativa después del tratamiento térmico de producción, que es la evidencia más directa de que se ha alcanzado la profundidad de endurecimiento requerida.

Calidad dimensional e interna.El diámetro exterior, el espesor de la pared, la excentricidad de la pared, la longitud y la rectitud se comparan con las tolerancias de la especificación. Para servicios de presión y rotación crítica, se especifican pruebas ultrasónicas, generalmente referidas a un estándar de referencia de pozo de fondo plano, o pruebas de corrientes parásitas para confirmar la solidez interna, y se examina la superficie para detectar costuras, vueltas, incrustaciones y descarburación.

Preguntas frecuentes

P: ¿Para qué se utilizan los tubos de acero ASTM A519 50B40?
Se utiliza para tubos mecánicos sin costura que deben mecanizarse y luego endurecerse, o suministrarse ya templados y revenidos. Las piezas típicas incluyen cilindros hidráulicos y neumáticos, ejes huecos de transmisión y hélice, tubos de eje, asientos y casquillos de cojinetes, husillos de máquinas y cuerpos de amortiguadores en vehículos comerciales, maquinaria agrícola, equipos de construcción e ingeniería mecánica en general.

P: ¿Por qué se agrega boro al acero 50B40?
Se añade boro en cantidades muy pequeñas, normalmente entre 0,0005 % y 0,003 %, para aumentar la templabilidad. Retrasa la formación de ferrita en los límites de los granos de austenita durante el enfriamiento, por lo que el acero se endurece a una profundidad mayor que la misma composición base sin boro. Esto permite reducir el contenido y el coste de la aleación mientras se conserva la profundidad de endurecimiento requerida, que es la razón principal por la que el grado es competitivo con los aceros más aleados.

P: ¿Cuál es la diferencia entre 50B40 y SAE 4140?
SAE 4140 es un acero al cromo-molibdeno que se basa en el molibdeno para su templabilidad, mientras que el 50B40 es un acero al cromo de medio carbono que se basa principalmente en el boro. El grado de boro ofrece una respuesta de endurecimiento comparable con una composición más pobre y generalmente más económica, pero es más sensible al control del tratamiento térmico, particularmente a la protección del boro por titanio o aluminio y al tiempo y temperatura de austenización. SAE 4140 sigue siendo la opción cuando se necesita un mayor contenido de aleación, una mejor resistencia a altas temperaturas o una mayor tolerancia a la variación del proceso.

P: ¿Se pueden soldar tuberías ASTM A519 50B40?
Sí, pero requiere un procedimiento controlado. Los niveles de carbono y manganeso le dan al acero un equivalente de carbono relativamente alto, por lo que normalmente se especifican el precalentamiento y el control de la temperatura entre pasadas, se utilizan consumibles con bajo contenido de hidrógeno y se aplica un tratamiento térmico posterior a la soldadura a las uniones gruesas o restringidas para reducir la dureza en la zona afectada por el calor y evitar el agrietamiento asistido por hidrógeno. La soldadura debe calificarse según el grado real y la condición de dureza.

P: ¿Qué condiciones de entrega están disponibles para el tubo A519 50B40?
Los tubos sin costura de este grado normalmente se suministran acabados en caliente, estirados en frío, recocidos, normalizados o templados y revenidos. La condición se elige de acuerdo con la ruta de fabricación de la pieza: material estirado en frío y recocido para mecanizado pesado, material normalizado donde se desea una estructura uniforme y material templado y revenido donde la pieza se utiliza en condición endurecida sin tratamiento térmico adicional.

P: ¿Qué pruebas se requieren normalmente para los tubos 50B40?
La verificación química, incluido el contenido de boro, es fundamental. Se requieren pruebas de tensión del tubo para confirmar las propiedades mecánicas de la condición de entrega, las pruebas de dureza se especifican comúnmente para la aceptación y la templabilidad se demuestra mediante pruebas de enfriamiento final cuando se ha pedido una banda. Se especifican pruebas ultrasónicas o de corrientes parásitas, pruebas de aplanamiento y pruebas hidrostáticas para presión y servicio crítico, junto con inspecciones dimensionales y de superficie para determinar la excentricidad, rectitud, uniones y descarburación de las paredes.

P: ¿Cómo afecta el espesor de la pared al endurecimiento del 50B40?
La templabilidad describe hasta qué punto en una sección puede endurecerse el acero, por lo que una pared delgada se endurece mucho más fácilmente que una gruesa. Cuando se requiere endurecer una pared pesada hasta la pared media o el orificio, la banda de templabilidad y la práctica de enfriamiento deben seleccionarse juntas, y un recorrido de dureza en una muestra seccionada es la forma práctica de confirmar que se ha alcanzado la profundidad de endurecimiento requerida antes de que la pieza se libere a producción.