FICHA TÉCNICA

TORNILLO 

Conocido como elemento de sujecion 

Los elementos de sujeción son utilizados en cualquier parte o estructura ya que permiten unir dos o más piezas, ya sea permanentemente o desmontable. Entre los elementos desmontables se encuentran los tornillos, pernos, espárragos, pasadores y tuercas. El objetivo de este documento es brindar información básica sobre los tornillos, desde el material que se utiliza hasta el tipo de rosca.

Acero

En la ingeniería metalúrgica se denomina acero a la mezcla de hierro con un porcentaje de carbono el cual le da una mayor dureza, dependiendo del porcentaje el cual va desde un 0.03% a un 1.075%, un porcentaje mayor al 2.14 de carbono hacen que el material sea más frágil y difícil de forjar y solo se puede moldear.

Los registros de los primeros utensilios de hierro comienzan aproximadamente en el año 3000 antes de Cristo y se descubrieron en Egipto, pero los primeros rastros de acero se encontraron en el este de África cerca del año 1400 antes de Cristo. En el primer siglo antes de Cristo, en China, durante la dinastía Han se fabricó acero al fundir hierro forjado con hierro fundido.

Dureza

La aleación de diversos materiales ferrosos y no ferrosos buscan obtener una resistencia a la penetración, abrasión, rayado, cortado y deformación permanente del acero, y esto se denomina dureza. La dureza del acero se mide en

·         BH (Brinell Hardness)

·         KH (Knoop Hardness)

·         RH (Rockwell Hardness)

·         Dureza Rosiwal

·         Dureza Shore

·         VH (Vickers Hardness)

Dureza Brindell (BH)

La Dureza Brindell se mide moviendo una esfera de acero templado o carburo de tungsteno, con diámetros entre 10 y 12 milímetros, presionada sobre el material a medir, la presión que se ejerce es de 3000 kilopondios, kilogramos fuerza, y la medición es el diámetro de la perforación realizada por la esfera. Esta prueba se utiliza para materiales blandos y muestras delgadas ya que al sobrepasar los 600BH, las esferas se deforman invalidando la prueba.

Para determinar la dureza Brindell se debe realizar el siguiente cálculo:

Donde es la carga a utilizar y se calcula de la siguiente forma es el diámetro de la esfera, es el diámetro de la huella y es una constante asignada a un material, para el acero tiene un valor de 30. Para el acero blando la dureza es de 125BH

Dureza de Knoop (KH)

Permite determinar la dureza mecánica de materiales donde solamente se pueden hacer ranuras pequeñas, también materiales muy frágiles y láminas delgadas.

Dureza Rockwell (RH)

Permite determinar la resistencia a la penetración de un material, es el más utilizado por lo fácil de realizar, se puede obtener utilizando dos penetradores, bolas esféricas de acero templado con diámetros de 1/16 has ½ pulgada o un cono de diamante con un ángulo de 120 grados y vértice redondeado, esta última es la que se utiliza para los materiales más duros.

La dureza de obtiene realizando el siguiente procedimiento:

Se aplica una precarga de 10Kg para eliminar deformaciones plásticas Se aplica durante aproximadamente 15 segundos una fuerza de compresión que varía de los 60 a los 150 Kilopondios.

La probeta o el material de muestra deben tener por lo menos 10 veces la profundidad de la huella o marca. Los valores por debajo de 20 y por encima de 100 son pocos confiables por lo que se debe repetir la medición o cambiar la escala. El cambio de escala se debe al tipo de material que se está midiendo y al penetrador que se utiliza.

Las escalas representativas de esta dureza se expresan con letras de la A a la G de la siguiente manera:

En la actualidad las esferas de acero son reemplazadas por esferas de tungsteno y carburo, cuando se utilizan estas esferas se le agrega la letra "W" si se usa tungsteno y "S" si se usan de acero.

La Escala C es la más utilizada para la medición de la dureza de los aceros.

Dureza Rosiwal

Determina la dureza de los minerales como yeso, cuarzo, diamante, corindón tomando a este como referencia y asignándole un valor de 1000. El corindón es un mineral común en la naturaleza, se encuentra en forma de cristales y por esta razón se utiliza en joyería.

Dureza Shore

Permite determinar la dureza del material utilizando un escleroscopio, el cual es un tubo de cristal de 300mm de altura donde se deja caer un martillo con punta de diamante de 2.36g. La escala consta de 140 divisiones con una altura total de 254mm. La dureza es medida por la distancia del rebote del martillo. Esta medición permite obtener resultados de la superficie de un mismo material sin dejar huella o marca alguna.

Dureza Vickers (VH)

Se denomina la prueba de dureza universal por ser una mejora de la prueba de la dureza Brinell, se realiza utilizando una pirámide de diamante con un ángulo base de 136 grados, se presiona la pirámide contra el material utilizando fuerzas de 5 en 5 hasta llegar a los 125 kilopondios y luego se miden las diagonales de la marca y obtener el promedio de las distancias, el cálculo para obtener la dureza es el siguiente:

Donde es la fuerza de presión y es el promedio de las diagonales, el rango de Dureza Vickers para aceros al carbono esta entre 55-120VH5 utilizando una fuerza de 5 kilopondios.

Clasificación del acero

Ya que el acero es la mezcla o aleación de hierro, carbono y otros materiales no ferrosos que aportan dureza y elasticidad, se puede clasificar de la siguiente forma

·         Aceros al Carbono

·         Aceros Aleados

·         Aceros Inoxidables

Aceros al Carbono

Son los utilizados para la construcción tanto civil como mecánica, dependiendo de la composición química que los conforma, así será su aplicación y su clasificación. Este tipo de aceros se clasifican en:

·         Acero Dulce

·         Acero Semidulce

·         Acero Semiduro

·         Acero Duro

Acero Dulce

Este acero contiene un porcentaje del 0.15 al 0.25 de carbono por lo que se convierte en un material dúctil y resistente a la corrosión. Entre estos aceros se encuentra el denominado acero Cold Roll o 1018, donde el 18 indica el porcentaje de carbono que está contenido en el material.

Acero Semidulce

Este acero contiene un porcentaje de 0.25 al 0.4 de carbono por lo que tiene una tenacidad, capacidad para deformarse antes de romperse, que permite ser utilizado para la fabricación de tornillos y herrajes.

Acero Semiduro

Tienen un porcentaje del 0.4 al 0.55 de carbono, lo que le aporta una dureza mayor a la de lo semidulces pero menor maleabilidad. En esta categoría se encuentra el acero 1045, donde el 45 indica que el acero tiene el 0.45% de carbono.

Acero Duro

El porcentaje de carbono es mayor a 0.55, es utilizada para la fabricación de piezas donde se aplica una tensión de estiramiento o de carga.

Aceros Aleados

Se le denomina aceros aleados a los que contienen un porcentaje de peso del 1 al 50% de carbono y otros materiales como manganeso (Mn), níquel (Ni), cromo (Cr), molibdeno (Mo), vanadio (V), silicio (Si), boro (B), cobalto (Co), tungsteno (W), estaño (Sn), zinc (Zn), plomo (Pb), titanio (Ti), niobio (Nb), cerio (Ce), cobre (Cu), aluminio (Al), azufre (S) y zirconio (Zr).

Los aceros aleados presentan una mayor resistencia, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, templabilidad y resistencia en caliente. Estas características hacen que este tipo de aceros se clasifiquen en dos grupos:

·         Aceros de Baja Aleación

·         Aceros de Alta Aleación

Aceros de Baja Aleación

Los aceros de baja aleación presentan una mayor resistencia a la corrosión, una templabilidad mayor, son difíciles de soldar. También permiten la fabricación de piezas de gran espesor manteniendo la dureza superficial brindando una mayor tenacidad y es por eso que se utilizan para herramientas de máquinas, turbinas, válvulas, rieles, excavadoras y equipos marinos. La tendencia a utilizar estos aceros se debe a que son livianos, tener valores de fluencia, deformación por estiramiento en lugar de rotura, del 50% mayor a los aceros al carbono y UTS (Ultimate Tensil Strength), Tensión de Rotura de un 40% más que los aceros al carbono, por lo que también se les pueden llamar Aceros de Baja Aleación y de Alta Resistencia.

Aceros de Alta Aleación

Los aceros de Alta Aleación tienen un porcentaje mayor al 5% del peso de la aleación del hierro con los otros elementos y según esa cantidad de elementos adicionales se producen aceros como los aceros inoxidables, aceros para herramientas y súper aleaciones. Este tipo de material es utilizado para la fabricación de piezas para maquinaria.

Aceros Inoxidables

Es una aleación de acero con un porcentaje mínimo del 12% de cromo (Cr), níquel (Ni), manganeso (Mn) y molibdeno (Mo), fue descubierto a principios del siglo XX, las características principales de este acero es que tiene un aspecto brillante y es altamente resistente a la suciedad y el óxido.

Según su estructura metalográfica, característica micro estructural y constitución de la aleación, el acero inoxidable se clasifica en:

·         Austenitico

·         Martensitico

Acero Inoxidable Austenitico

La austenita es la forma estable del hierro a altas temperaturas, entre los 900 y 1400 grados Celsius, posee una estructura cristalina en forma cubica, donde la transformación del hierro y del carbono a liquido permite que se genere una aleación con un diagrama Fe-Fe3C, como se aprecia en la Figura 1 y esto se denomina acero gamma.

Figura 1 La austenita no es estable a tempetura ambiente, pero con el porcentaje correcto de manganeso y de niquel se mantiene estable y proporciona elasticidad y conductividad al acero inoxidable

Acero Inoxidable Matensitico

Los aceros con esta estructura son más duros y mecánicamente resistentes, pero a su vez son más frágiles y menos conductores de la electricidad. La Martensita es una solución solida sobresaturada de carbono y austenita.

Estos aceros se forman incorporando materiales metálicos sin usar la difusión, sin introducir materiales ausentes, sino que se mueven los materiales a la velocidad del sonido para que se produzca la aleación deseada.