¿Qué son los materiales de primavera?
La selección de materiales para el diseño y fabricación de muelles se basa en la comprensión de las resistencias a la tracción y a la fluencia de los diferentes metales aleados. Estos materiales incluyen aceros para muelles de alto carbono, aceros aleados para muelles, aceros inoxidables para muelles, aleaciones de cobre para muelles y aleaciones de níquel para muelles. En los párrafos siguientes, presentamos información sobre los materiales de los muelles, sus propiedades mecánicas, usos típicos, así como aplicaciones a evitar.
Varios resortes de metal
Estos aceros para muelles son los más utilizados de todos los materiales de muelles porque son los más económicos, se trabajan fácilmente y están disponibles con facilidad. Sin embargo, no son satisfactorios para muelles que operan a altas o bajas temperaturas o para cargas de choque o impacto. Las siguientes formas de alambre están disponibles:
Alambre musical, ASTM A228 (0,80-0,95 por ciento de carbono): Este es el material de muelle más utilizado para muelles pequeños que operan a temperaturas de hasta aproximadamente 250°F. Es resistente, tiene una alta resistencia a la tracción y puede soportar altas tensiones bajo cargas repetidas. El material está fácilmente disponible en forma redonda en diámetros que van desde 0,005 hasta 0,125 pulgadas y en algunos tamaños más grandes hasta 3⁄16 pulgadas. No está disponible con altas resistencias a la tracción en secciones cuadradas o rectangulares. El alambre musical puede ser recubierto fácilmente y se obtiene con estañado o prerecubierto con cadmio, pero generalmente se prefiere el recubrimiento después de la fabricación del muelle para una máxima resistencia a la corrosión.
Acero para resortes de grado MB templado con aceite, ASTM A229 (0,60-0,70 por ciento de carbono): Este acero para resortes de uso general se utiliza comúnmente para muchos tipos de resortes de bobina donde el coste del cable de música es prohibitivo y en tamaños mayores a los disponibles en cable de música. Está fácilmente disponible en diámetros que van desde 3,18 mm hasta 12,70 mm, pero también se pueden obtener tamaños más pequeños y mayores. El material no debe usarse bajo condiciones de carga de choque e impacto, a temperaturas superiores a 350 °F, ni a temperaturas en el rango de subcero. Se pueden obtener secciones cuadradas y rectangulares de cable en tamaños fraccionados. También se puede obtener stock recocido para endurecer y templar después de enrollar. Este material tiene una escala de tratamiento térmico que debe eliminarse antes del recubrimiento.
Grado HB templado en aceite, SAE 1080 (0,75-0,85 por ciento de carbono): Este material es similar al grado MB, excepto que tiene un contenido de carbono más alto y una mayor resistencia a la tracción. Se obtiene en los mismos tamaños y se utiliza para requisitos más precisos que el grado MB, pero no está tan fácilmente disponible. En lugar de usar este material, puede ser mejor emplear un acero de resorte aleado, especialmente si se necesitan una larga vida en fatiga o propiedades de alta resistencia. Se pueden obtener secciones redondas y cuadradas en condiciones templado en aceite o recocido.
Grado MB de trefilado en caliente, ASTM A227 (0,60-0,70 por ciento de carbono): Este grado se utiliza para muelles de uso general donde el factor más importante es el coste. Aunque el uso creciente en los últimos años ha mejorado la calidad, es mejor no usar este grado en aplicaciones donde la vida útil y la precisión de cargas y deflexiones sean importantes. Está disponible en diámetros que van desde 0,031 hasta 0,500 pulgadas y en algunos tamaños más pequeños y mayores también. El material está disponible en secciones cuadradas, pero con resistencias a la tracción reducidas. Es fácilmente recubierto. Las aplicaciones deben limitarse a aquellas en un rango de temperatura de 0 a 250 °F.
Acero de resorte de alto carbono en forma de tira plana
Se utilizan principalmente dos tipos de tira de acero de resorte delgado, plano y de alto carbono, aunque se pueden obtener varios otros tipos para aplicaciones específicas en relojes, relojes de pared y ciertos instrumentos. Estas dos composiciones se emplean en más del 95 por ciento de todas esas aplicaciones. Las secciones delgadas de estos materiales de menos de 0,015 pulgadas con un contenido de carbono superior al 0,85 por ciento y una dureza superior a 47 en la escala Rockwell C son susceptibles a la fragilización por hidrógeno, incluso cuando se emplean operaciones especiales de recubrimiento y calentamiento. Los dos tipos se describen de la siguiente manera:
Acero de resorte laminado en frío, templado en azul o revenido, SAE 1074, también 1064 y 1070 (0,60 a 0,80 por ciento de carbono): Este acero de resorte muy popular está disponible en grosores que van desde 0,005 hasta 0,062 pulgadas y en algunas secciones más delgadas y más gruesas. El material está disponible en estado revenido para conformado en máquinas de 4 rodillos y en prensas, y puede ser fácilmente endurecido y templado después del conformado. También está disponible en estado tratado térmicamente o templado en azul. El acero se puede obtener en varios acabados, como color paja, color azul, negro o liso. Se recomiendan durezas que van desde 42 hasta 46 en la escala Rockwell C para aplicaciones de resortes. Los usos incluyen clips de resorte, resortes planos, resortes de reloj y resortes de motor, potencia y espiral.
Acero de resorte laminado en frío, acero de reloj templado en azul, SAE 1095 (0,90 a 1,05 por ciento de carbono): Este tipo popular debe usarse principalmente en condición templada en azul. Aunque se puede obtener en condición recocida, no siempre se endurece correctamente durante el tratamiento térmico ya que es un tipo de endurecimiento superficial. Se utiliza principalmente en relojes y resortes de motor. Las secciones finales de resortes hechos con este acero se recocen para operaciones de doblado o punzonado. Las durezas suelen variar entre 47 y 51 en la escala de Rockwell C. Otros materiales disponibles en forma de tira y utilizados para resortes planos son el latón, bronce fósforo, cobre berilio, aceros inoxidables y aleaciones de níquel.
Acero de resorte de aleación
Estos aceros de resorte se utilizan para condiciones de alta tensión y cargas de choque o impacto. Pueden soportar temperaturas tanto más altas como más bajas que los aceros de alto carbono y están disponibles en condiciones de recocido o pre-templado.
Cromo Vanadio, ASTM A231: Este acero para muelles muy popular se utiliza en condiciones que implican esfuerzos mayores que los para los cuales se recomiendan los aceros para muelles de alto carbono y también se emplea donde se necesita buena resistencia a la fatiga y durabilidad. Se comporta bien bajo cargas de choque e impacto. El material está disponible en diámetros que van desde 0,031 hasta 0,500 pulgadas y en algunos tamaños mayores también. En secciones cuadradas, está disponible en tamaños fraccionados. Tanto los tipos recocidos como los pre-templados están disponibles en secciones redondas, cuadradas y rectangulares. Se utiliza ampliamente en muelles de válvula de motores de aeronaves y para muelles que operan a temperaturas de hasta 425 °F.
Manganeso de silicio: Este acero aleado es bastante popular en España. Es menos costoso que el acero cromo-vanadio y está disponible en secciones redondas, cuadradas y rectangulares, tanto en condiciones de recocido como pre-templado, en tamaños que van desde 0,031 hasta 0,500 pulgadas. Anteriormente se utilizaba para muelles de acción de rodilla en automóviles. Se emplea en muelles planos de hoja para camiones y como sustituto de aceros de muelle más caros.
Silicio Cromo, ASTM A401: Esta aleación se utiliza para muelles sometidos a altas tensiones que requieren una larga vida útil y están expuestos a cargas de choque. Puede ser tratado térmicamente para alcanzar durezas superiores a las de otros aceros para muelles, de modo que se puedan obtener altas resistencias a la tracción. Los tamaños más populares oscilan entre 0,031 y 0,500 pulgadas de diámetro. Muy raramente se utilizan secciones cuadradas, planas o rectangulares. Las durezas que van desde 50 hasta 53 Rockwell C son bastante comunes, y la aleación puede usarse a temperaturas de hasta 475°F. Este material suele solicitarse especialmente para cada trabajo.
Acero inoxidable para resortes
El uso de aceros inoxidables de resorte ha aumentado y varias composiciones están disponibles, todas las cuales pueden ser utilizadas a temperaturas de hasta 550 °F. Todas son resistentes a la corrosión. Solo las composiciones de acero inoxidable 18-8 deben usarse a temperaturas por debajo de cero.
Acero inoxidable tipo 302, ASTM A313 (18 por ciento de cromo, 8 por ciento de níquel): Este acero inoxidable para muelles es muy popular porque tiene la mayor resistencia a la tracción y propiedades bastante uniformes. Se estira en frío para obtener sus propiedades mecánicas y no puede ser endurecido por tratamiento térmico. Este material es no magnético solo cuando está completamente recocido y se vuelve ligeramente magnético debido al trabajo en frío realizado para producir propiedades de muelle. Es adecuado para su uso a temperaturas de hasta 550 °F y para temperaturas bajo cero. Es muy resistente a la corrosión. El material muestra mejor sus propiedades mecánicas deseables en diámetros que van desde 0.005 hasta 0.1875 pulgadas, aunque algunos diámetros mayores están disponibles. También está disponible en tira plana laminada en caliente. Se disponen de secciones cuadradas y rectangulares, pero se usan con poca frecuencia.
Tipo inoxidable 304, ASTM A313 (18 por ciento de cromo, 8 por ciento de níquel): Este material es bastante similar al Tipo 302, pero tiene mejores propiedades de doblado y aproximadamente un 5 por ciento menos de resistencia a la tracción. Es un poco más fácil de estirar, debido al contenido de carbono ligeramente menor.
Acero inoxidable tipo 316, ASTM A313 (18 por ciento de cromo, 12 por ciento de níquel, 2 por ciento de molibdeno): Este material es bastante similar al Tipo 302, pero es ligeramente más resistente a la corrosión debido a su mayor contenido de níquel. Su resistencia a la tracción es un 10 a un 15 por ciento menor que la del Tipo 302. Se utiliza para muelles de aeronaves.
Acero inoxidable tipo 17-7 PH ASTM A313 (17 por ciento de cromo, 7 por ciento de níquel): Esta aleación, que también contiene pequeñas cantidades de aluminio y titanio, se forma en un estado moderadamente duro y luego se endurece por precipitación a temperaturas relativamente bajas durante varias horas para producir resistencias a la tracción casi comparables a las de cable de música. Este material no está fácilmente disponible en todos los tamaños y tiene aplicaciones limitadas debido a su alto coste de fabricación.
Acero inoxidable tipo 414, SAE 51414 (12 por ciento de cromo, 2 por ciento de níquel): Esta aleación tiene resistencias a la tracción aproximadamente un 15 por ciento inferiores a las del Tipo 302 y puede ser endurecida por tratamiento térmico. Para la mejor resistencia a la corrosión, debe estar altamente pulida o mantenerse limpia. Se puede obtener en forma de hilo duro en diámetros de hasta 0,1875 pulgadas y se usa comúnmente en láminas planas laminadas en frío para estampados. El material no es satisfactorio para su uso a bajas temperaturas.
Acero inoxidable tipo 420, SAE 51420 (13 por ciento de cromo): Este es el mejor acero inoxidable para su uso en diámetros grandes por encima de 0,1875 pulgadas y se utiliza con frecuencia en tamaños más pequeños. Se forma en estado de recocido y luego se endurece y templar. No muestra sus propiedades inoxidables hasta que se endurece. Las superficies limpias y brillantes ofrecen la mejor resistencia a la corrosión, por lo tanto, debe eliminarse la escama del tratamiento térmico. Se prefieren métodos de templado brillantes.
Acero inoxidable tipo 431, SAE 51431 (16 por ciento de cromo, 2 por ciento de níquel): Esta aleación de resorte adquiere altas propiedades de tracción (casi iguales a las del alambre de música) mediante una combinación de tratamiento térmico para endurecer el alambre y estirado en frío después del tratamiento térmico. Su resistencia a la corrosión no es igual a la del tipo 302.
Aleaciones de resorte de base de cobre
Las aleaciones de base de cobre son materiales importantes para resortes debido a sus buenas propiedades eléctricas combinadas con su buena resistencia a la corrosión. Aunque estos materiales son más caros que los aceros de alto carbono y los aceros aleados, sin embargo, se utilizan con frecuencia en componentes eléctricos y a temperaturas por debajo de cero.
Latón de primavera, ASTM B 134 (70 por ciento cobre, 30 por ciento zinc): Este material es el más económico y tiene la mayor conductividad eléctrica de las aleaciones a base de cobre. Tiene una baja resistencia a la tracción y malas cualidades de resorte, pero se usa ampliamente en estampados planos y donde se necesitan dobleces agudos. No puede endurecerse mediante tratamiento térmico y no debe usarse a temperaturas superiores a 150 °F, pero es especialmente bueno a temperaturas bajo cero. Disponible en secciones redondas y tiras planas, este material duro-doblado se usa generalmente en el temple de “resorte duro”.
Bronce de fósforo, ASTM B 159 (95 por ciento cobre, 5 por ciento estaño): Esta aleación es la más popular de este grupo porque combina las mejores cualidades de resistencia a la tracción, dureza, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión con el menor coste. Es más cara que el latón, pero puede soportar esfuerzos un 50 por ciento mayores. El material no puede endurecerse mediante tratamiento térmico. Se puede usar a temperaturas de hasta 212 °F y en temperaturas bajo cero. Está disponible en secciones redondas y tira plana, generalmente en los temple de “extra duro” o “resorte duro”. Se usa con frecuencia para dedos de contacto en interruptores debido a sus bajas propiedades de arco eléctrico. Se emplea una composición con un 8 por ciento de estaño para resortes planos y una composición de grano superfino llamada “Duraflex” que tiene buenas propiedades de resistencia.
Cobre de berilio, ASTM B 197 (98 por ciento cobre, 2 por ciento berilio): Esta aleación puede conformarse en estado recocido y luego endurecerse por precipitación después de la conformación a temperaturas alrededor de 600 °F, durante 2 a 3 horas. Este tratamiento produce una alta dureza combinada con una alta resistencia a la tracción. Después del endurecimiento, el material se vuelve bastante frágil y puede soportar muy poca o ninguna conformación. Es la aleación más cara del grupo y el tratamiento térmico es costoso debido a la necesidad de mantener las piezas en fijaciones para evitar distorsiones. El uso principal de esta aleación es para conducir corriente eléctrica en interruptores y componentes eléctricos. La lámina plana se usa frecuentemente para dedos de contacto.
Aleaciones de resorte a base de níquel
Las aleaciones a base de níquel son resistentes a la corrosión, soportan temperaturas elevadas y por debajo de cero, y su característica no magnética las hace útiles para aplicaciones como giroscopios, cronoscopios e instrumentos de indicación. Estos materiales tienen una alta resistencia eléctrica y por lo tanto no deben usarse para conductores de corriente eléctrica.
Monel* (67 por ciento de níquel, 30 por ciento de cobre): Este material es el más económico de las aleaciones a base de níquel. También tiene la menor resistencia a la tracción, pero es útil debido a su resistencia a los efectos corrosivos del agua de mar y porque es casi no magnético. La aleación puede soportar tensiones ligeramente superiores a las del bronce fosforoso y casi tan altas como las del cobre berilio. Su alta resistencia a la tracción y dureza se obtienen únicamente mediante estirado en frío y laminado en frío, ya que no puede endurecerse mediante tratamiento térmico. Se puede usar a temperaturas que van desde −100 hasta +425 °F bajo tensiones de operación normales y está disponible en hilos redondos de hasta 3⁄16 de pulgada de diámetro con resistencias a la tracción bastante altas. Diámetros mayores y láminas planas están disponibles con resistencias a la tracción menores.
“K” Monel * (66 por ciento de níquel, 29 por ciento de cobre, 3 por ciento de aluminio): Este material es bastante similar al Monel, excepto que la adición de aluminio lo convierte en una aleación endurecible por precipitación. Puede formarse en estado blando o bastante duro y luego endurecerse mediante un tratamiento térmico de envejecimiento prolongado para obtener una resistencia a la tracción y una dureza superiores al Monel y casi tan altas como el acero inoxidable. Se utiliza en tamaños mayores que los habituales con Monel, no es magnético y puede emplearse en temperaturas que van desde −100 hasta +450 °F, bajo esfuerzos de trabajo normales de menos de 45,000 libras por pulgada cuadrada.
Inconel* (78 por ciento de níquel, 14 por ciento de cromo, 7 por ciento de hierro): Este es uno de los aleaciones de base níquel no magnéticas más populares debido a su resistencia a la corrosión y porque puede usarse a temperaturas de hasta 700 °F. Es más caro que el acero inoxidable pero menos costoso que el cobre berilio. Su dureza y resistencia a la tracción son mayores que las del “K” Monel y se obtienen únicamente mediante estirado en frío y laminado en frío. No puede endurecerse mediante tratamiento térmico. Los diámetros de cable de hasta 1⁄4 de pulgada tienen las mejores propiedades a tensión. Se usa a menudo en válvulas de vapor, válvulas reguladoras y para resortes en calderas, compresores, turbinas y motores de reacción.
Inconel “X”* (70 por ciento de níquel, 16 por ciento de cromo, 7 por ciento de hierro): Este material es bastante similar al Inconel, pero las pequeñas cantidades de titanio, columbio y aluminio en su composición lo convierten en una aleación de endurecimiento por precipitación. Puede conformarse en estado blando o parcialmente duro y luego endurecerse manteniéndolo a 1200 °F durante 4 horas. Es no magnético y se utiliza en secciones más grandes que el Inconel. Esta aleación se emplea a temperaturas de hasta 850 °F y en esfuerzos de hasta 55,000 libras por pulgada cuadrada.
Duranickel* (“Z” Níquel) (98 por ciento de níquel): Esta aleación no es magnética, resistente a la corrosión, tiene una alta resistencia a la tracción y se puede endurecer por precipitación a 900 °F durante 6 horas. Puede usarse con las mismas tensiones que Inconel, pero no debe utilizarse a temperaturas superiores a 500 °F.
Aleaciones de resorte de base níquel con módulos de elasticidad constantes
Algunas aleaciones especiales de níquel tienen un módulo de elasticidad constante en un amplio rango de temperaturas. Estos materiales son especialmente útiles en aquellos casos donde los resortes experimentan cambios de temperatura y deben mostrar características uniformes. Estos materiales tienen un coeficiente termo-elástico bajo o nulo y, por lo tanto, no sufren variaciones en la rigidez del resorte debido a cambios en el módulo por diferencias de temperatura. También presentan bajos valores de histéresis y fluencia, lo que los hace preferidos para su uso en básculas de pesaje de alimentos, instrumentos de precisión, giróscopos, dispositivos de medición, instrumentos de grabación y básculas de cálculo, donde el rango de temperatura va desde −50 hasta +150 °F. Estos materiales son costosos, ninguno de ellos se almacena regularmente en una amplia variedad de tamaños. No deben ser especificados sin una discusión previa con los fabricantes de resortes, ya que algunos proveedores pueden no fabricar resortes con estas aleaciones debido a los procesos de fabricación especiales que requieren. Todas estas aleaciones se utilizan en diámetros pequeños de alambre y en tiras delgadas únicamente y están protegidas por patentes en España. Se describen de manera más específica de la siguiente forma:
Elinvar (níquel, hierro, cromo): Esta aleación, la primera aleación de módulo constante utilizada para resortes de espiral en relojes, es una aleación austenítica endurecida únicamente por estirado en frío y laminado en frío. Las adiciones de titanio, tungsteno, molibdeno y otros elementos de aleación han mejorado sus características y capacidades de endurecimiento por precipitación. Estas aleaciones mejoradas son conocidas por los siguientes nombres comerciales: Elinvar Extra, Durinval, Modulvar y Nivarox.
Ni-Span C (níquel, hierro, cromo, titanio): Esta aleación de módulo constante muy popular generalmente se forma en condición de trabajo en frío del 50 por ciento y se endurece por precipitación a 900 °F durante 8 horas, aunque calentar hasta 1250 °F durante 3 horas produce durezas de 40 a 44 en la escala Rockwell C, permitiendo tensiones torsionales seguras de 60,000 a 80,000 libras por pulgada cuadrada. Este material es ferromagnético hasta 400 °F; por encima de esa temperatura se vuelve no magnético.
Iso-Elastic† (níquel, hierro, cromo, molibdeno): Esta aleación popular es relativamente fácil de fabricar y se usa a tensiones torsionales seguras de 40,000 a 60,000 libras por pulgada cuadrada y durezas de 30 a 36 en la escala Rockwell C. Se emplea principalmente en dinamómetros, instrumentos y balanzas de pesaje de alimentos.
Elgiloy‡ (níquel, hierro, cromo, cobalto): Esta aleación, también conocida por los nombres comerciales 8J Alloy, Durapower y Cobenium, es una aleación no magnética adecuada para temperaturas por debajo de cero y temperaturas hasta aproximadamente 1000 °F, siempre que las tensiones torsionales se mantengan por debajo de 75,000 libras por pulgada cuadrada. Se endurece por precipitación a 900 °F durante 8 horas para producir durezas de 48 a 50 en la escala Rockwell C. La aleación se usa en resortes de relojes e instrumentos.
Dynavar*** (níquel, hierro, cromo, cobalto): Esta aleación es un material no magnético, resistente a la corrosión, adecuado para temperaturas por debajo de cero y temperaturas hasta aproximadamente 750 °F, siempre que las tensiones torsionales se mantengan por debajo de 75,000 libras por pulgada cuadrada. Se endurece por precipitación para producir durezas de 48 a 50 en la escala Rockwell C y se emplea en resortes de relojes e instrumentos.
Resumen
Este artículo presenta una revisión de los tipos de materiales para resortes, sus propiedades mecánicas, usos típicos, así como aplicaciones a evitar.
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