¿Qué es el acero para resortes? - Guía de calidades, mecanizado y diseño

Muchos sistemas mecánicos que nos rodean deben absorber impactos y energía no deseada. Por ejemplo, el sistema de suspensión de un coche debe absorber el impacto de un bache en la carretera durante la conducción. De lo contrario, los pasajeros experimentarán una experiencia de conducción indeseada. ¡El acero para muelles ofrece precisamente eso! Tiene la capacidad de absorber una gran cantidad de energía sin deformarse permanentemente. Esto es solo un pequeño ejemplo. Existen numerosas aplicaciones de este increíble material.

¿Qué es el acero para resortes?

El acero para muelles es un tipo especial de acero que conserva su forma sin deformarse permanentemente, incluso bajo cargas elevadas. Posee un alto límite elástico y gran elasticidad. Estas propiedades lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones que requieren amortiguación de impactos.

Definición de acero para resortes

• ¿Cómo fabricaban los Smith el acero para muelles?

Tradicionalmente, los herreros desarrollaban técnicas mediante ensayo y error para producir acero para muelles. Fabricaban acero con alto contenido de carbono para someterlo a una secuencia de calentamiento, temple y revenido. De esta manera, se producía un acero duradero y resistente para las aplicaciones de alta gama de aquella época.

¿En qué se diferencia el acero para resortes del acero al carbono simple?

Veamos: "¿Cuál es la diferencia entre el acero para resortes y el acero convencional?". En comparación con el acero al carbono, el acero para resortes tiene un alto límite elástico, alta elasticidad, buena tenacidad y resistencia a la fatiga. La composición química y el tratamiento térmico son ligeramente diferentes. Como resultado, los aceros para resortes desarrollan la capacidad de flexionarse profundamente y recuperar su forma.

¿El acero para resortes es duro o blando?

El acero para resortes es más duro que el acero al carbono. Su alto contenido de carbono, junto con aleaciones como Si, Mn, V, Cr, etc., lo hacen más duro. El tratamiento térmico aumenta aún más su dureza.

Acero para resortes vs. acero inoxidable

Mientras que el acero para resortes se utiliza principalmente por su alta elasticidad, el acero inoxidable se emplea principalmente por su resistencia a la corrosión. Para aplicaciones que requieren alta resistencia, el acero para resortes siempre es la opción ideal para el mecanizado de materiales.

Grados clave de acero para resortes

Generalmente, el acero para resortes se denomina así porque se utiliza con frecuencia para fabricar resortes. Funcionalmente, los siguientes metales se clasifican como tales debido a sus excelentes propiedades elásticas. Por ejemplo, el acero inoxidable 17-7PH, clasificado como acero inoxidable semiaustenítico de endurecimiento por precipitación desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, también se conoce comúnmente como "acero para resortes" después del tratamiento térmico. En términos generales, el acero para resortes se puede clasificar en cuatro categorías:

1. Aceros al carbono para muelles: 1075, 1095, 5160

Los aceros para muelles de carbono simple son los más económicos. El acero al carbono ofrece una alta resistencia a la fluencia y una gran elasticidad gracias a su alto contenido de carbono. Normalmente, el contenido de carbono oscila entre el 0.6 % y el 1.0 %.

¿Qué es mejor, el acero 5160 o 1095?

El acero para muelles de grado 5160 tiene mayor tenacidad que el acero para muelles de grado 1095. Esto se debe a que la resistencia del acero para muelles de grado 5160 se basa en el carbono y una pequeña adición de cromo. Por otro lado, en el acero para muelles de grado 1095, la resistencia depende completamente de su alto contenido de carbono, lo que genera fases muy duras y frágiles.

• 5160 y 50CrV4

El acero para resortes de grado 5160 y el acero para resortes 50CrV4 son muy similares en composición y propiedades mecánicas. La única diferencia radica en la microaleación con vanadio en el acero para resortes 50CrV4. La adición de V refina la estructura del grano, lo que mejora la resistencia y la tenacidad.

2. Aceros de aleación para muelles: 60Si2Mn, 55CrSi

Las adiciones de aleación como Si, Cr y Mn aumentan considerablemente la resistencia y la tenacidad. El silicio es uno de los elementos de aleación más importantes en el acero para resortes. Modifica la microestructura, mejorando notablemente el límite elástico y la elasticidad. El Mn y el Cr mejoran la templabilidad y la resistencia. 60Si₂Mn y 55CrSi son grados comunes de acero para resortes de aleación.

3. Aceros inoxidables para resortes: 301, 302, 17-7PH

El acero inoxidable para resortes es más costoso que otros grados de acero para resortes. Todos los aceros inoxidables para resortes tienen un alto contenido de cromo, lo que crea una capa protectora contra la corrosión en la superficie. El grado 301 tiene un contenido de carbono ligeramente mayor y un contenido de níquel menor que el grado 302. Comparativamente, el grado 301 es un poco más resistente que el 302. Por otro lado, el grado 302 es más resistente a la corrosión.

El acero inoxidable 17-7 PH es otro material utilizado en resortes. 17 y 7 indican los porcentajes de Cr y Ni. "PH" indica que es una aleación de endurecimiento por precipitación. Esto significa que se forma en un estado más blando, mientras que su resistencia aumenta con el envejecimiento.

4. Alambre de música (ASTM A228)

El alambre de piano está hecho de un material de muy buena calidad. Al ser trefilado en frío, su elasticidad mejora durante el trabajo en frío. Normalmente, puede estar hecho de acero con alto contenido de carbono. Las aleaciones mejoran el comportamiento elástico.

Composición y propiedades mecánicas

La composición química del acero para resortes desempeña un papel importante en la modificación de la microestructura. Esta modificación produce cambios en las propiedades mecánicas. Cada elemento de aleación tiene su función específica en la mejora de la respuesta a cargas cíclicas, flexión, torsión e impacto.

Funciones de C, Si, Cr y V

El carbono y el silicio son los elementos de aleación más importantes en los aceros para resortes. El carbono refuerza el acero mediante el endurecimiento intersticial y la formación de carburos. El silicio contribuye al refinamiento microestructural. Inhibe la formación de cementita y favorece la formación de martensita. El cromo forma carburos duros. El vanadio es un elemento microaleante. Incluso un pequeño porcentaje de V refina considerablemente la microestructura.

Propiedades mecánicas del acero para resortes

Propiedades mecánicas de 1075

Propiedades mecánicas de 1095

Propiedades mecánicas de 5160

Propiedades mecánicas del 60Si2Mn

Propiedades mecánicas del 17-7PH

Tratamiento térmico antes del mecanizado

El tratamiento térmico es un paso necesario para ajustar la dureza, la maquinabilidad y la elasticidad del acero para resortes. Se busca una dureza menor para el mecanizado y una alta elasticidad después. Normalmente, el acero para resortes se recoce antes del mecanizado y se templa y revene después.

¿Cómo tratar térmicamente el acero para resortes?

• Recocido: Austenizar a 760^OC y luego enfríe el horno hasta 550-600^O Luego dejar enfriar al aire.
• Endurecimiento: Austenizar por encima de 800^OC y mantener durante un tiempo según el espesor de la sección. Después, enfriar en aceite.
• Temple: Calentar hasta 300-500^OC y mantenerlo así un rato. Luego enfriar lentamente.

¿Por qué es necesario el tratamiento térmico para el acero para resortes?

Dado que los aceros para resortes laminados o recocidos no poseen una gran elasticidad, para conferirles las propiedades deseadas, se someten a un proceso de temple y revenido.

Mecanizado CNC de acero para resortes y maquinabilidad

El mecanizado CNC de aceros para muelles permite fabricar piezas complejas con alta precisión. Sin embargo, se requiere una configuración de mecanizado experta y los ajustes adecuados para obtener buenos resultados.

• ¿Es mecanizable el acero para resortes?

El acero para resortes es un material difícil de mecanizar. Su alta dureza dificulta el corte. Con ajustes y tratamiento térmico adecuados, se pueden fabricar piezas de alta calidad a partir de acero para resortes.

Máquina en estado recocido vs. después del tratamiento térmico

El mecanizado en estado recocido siempre es sencillo. La dureza es baja, lo que facilita el corte. Por otro lado, tras el temple o revenido térmico, la superficie del acero para resortes se vuelve muy dura para el mecanizado.

Proceso de mecanizado CNC de acero para resortes

Torneado CNC de acero para resortes

En el torneado CNC, la pieza gira mientras la herramienta permanece estacionaria. Se utiliza comúnmente para formas con simetría axial.

Acero para resortes de fresado CNC

En el fresado CNC, la herramienta se mueve, pero la pieza permanece estacionaria. Se utiliza para objetos grandes con múltiples características. Como consejo, el fresado ascendente funciona mejor con aceros para muelles.

Mecanizado de acero para resortes de 5 ejes

El mecanizado de 5 ejes permite tallar características muy complejas en piezas en bruto. La herramienta tiene la flexibilidad de moverse en diversas orientaciones. La pieza de trabajo solo necesita fijarse una vez. La máquina CNC se encargará de todas las rotaciones.

Acero para resortes de rectificado

El rectificado se utiliza para el acabado de piezas de acero para muelles. El rectificado reduce la rugosidad superficial y afina las dimensiones.

Mecanizado personalizado de piezas de acero para resortes

Aunque cualquier pieza puede fabricarse con acero para resortes, a continuación se enumeran algunas piezas que se producen comúnmente:

• Hojas primaverales
• Asientos con resortes helicoidales
• Abrazaderas y clips
• Ejes de alta resistencia
• Pasadores resistentes al desgaste
• Cuchillos en blanco y herramientas
• Partes de suspensión
• Mecanismos de resorte personalizados

Beneficios de elegir acero para resortes de mecanizado CNC

El mecanizado CNC es más pesado que otros procesos de mecanizado. Incluso con calidades duras como SAE 1095, 17-7 PH, 5160, etc., el mecanizado CNC ofrece resultados prometedores. Piezas como clips, herramientas, resortes personalizados, piezas planas o elementos mecánicos de alta resistencia se pueden fabricar con facilidad.

Tolerancias estrictas y repetibilidad

Como el CNC no depende en gran medida de los ajustes manuales, elimina el error humano. El CNC sigue los procesos CAD y CAM, por lo que siempre produce las mismas dimensiones. El mecanizado CNC es ideal para piezas de acero para resortes que requieren una deflexión o ajuste precisos. Algunos ejemplos incluyen retenedores de resortes, calzas, resortes planos, mecanismos de bloqueo y cuchillas resistentes al desgaste.

Capacidad de acabado de alta calidad

Dado que los ajustes del CNC son fijos para cada pieza duplicada, rara vez se presentan defectos de mecanizado. Las tolerancias para operaciones de acabado como el rectificado y el pulido son fijas en cada ocasión. Por lo tanto, se produce un excelente acabado superficial de forma constante.

Libertad de diseño

El mecanizado CNC ofrece una amplia flexibilidad en el modelado. Se adapta a las limitaciones de espacio de las piezas de resorte. Características como cavidades, ranuras, conos y secciones delgadas se pueden crear fácilmente. Cualquier revisión de los diseños se puede incorporar fácilmente en archivos CAD y CAM. Por lo tanto, no es necesario realizar ajustes manuales constantemente.

Consejos para diseñar tus piezas

Un buen diseño es la base de una fabricación de alta calidad. Los diseñadores expertos consideran cada aspecto del diseño. La selección adecuada de materiales, la definición de tolerancias y la inclusión de las características necesarias son fundamentales para un diseño robusto.

Elija un grado de acero adecuado

El acero para resortes se presenta en diferentes grados y clases. Cada grado de acero para resortes tiene su propia utilidad. Por ejemplo, los grados con alto contenido de carbono, como el 1095, son ideales para aplicaciones que requieren alta dureza y bajo costo. Mientras que los grados de aleación, como el 5160, priorizan la tenacidad, y los grados de acero inoxidable ofrecen resistencia a la corrosión. Siempre es recomendable consultar con fabricantes expertos como TUOFA para obtener asesoramiento.

Tolerancia para la recuperación elástica

El acero para resortes presenta recuperación elástica durante las operaciones de doblado. Por lo tanto, los ángulos de doblado deben tener en cuenta la recuperación elástica.

Funciones y funciones

Los componentes de acero para resortes deben incluir características que minimicen la concentración de tensiones. En este sentido, características como los redondeos de radio, la eliminación de esquinas agudas y las ranuras de alivio de tensiones son fundamentales.

Aplicaciones del acero para resortes

El acero para resortes se utiliza ampliamente en aplicaciones como sistemas de suspensión, embragues, resortes de válvulas, clips de retención y diversos componentes de amortiguación. Estas aplicaciones aprovechan la alta elasticidad y el alto límite elástico del acero para resortes.

Piezas de automoción

• sistemas de suspensión
• Embragues
• Resortes de válvulas
• Clips de retención

Maquinaria industrial y robótica

• Muelles helicoidales
• Resortes planos
• Arandelas de seguridad
• Tiras guía
• Mecanismos robóticos

Dispositivos e instrumentos médicos

• Herramientas quirúrgicas
• Dispositivos de ortodoncia
• Abrazaderas de precisión
• Ensambles mecánicos

Soluciones a la medida

El acero para resortes se utiliza en aplicaciones que requieren alta elasticidad y resistencia. Muchos fabricantes lo prefieren para piezas a medida debido a su alta durabilidad.

¿Es el acero para resortes bueno para fabricar cuchillos?

El acero espiral es muy importante en la fabricación de cuchillos debido a su excelente tenacidad, retención de filo y alta dureza. Su alto contenido de carbono y silicio permite aumentar la dureza durante el tratamiento térmico. Sin embargo, la protección contra la corrosión sigue siendo un problema para los aceros no inoxidables.

¿Cuál es el mejor acero para cuchillos?

No existe un único grado que pueda considerarse el mejor. Sin embargo, el CPM S90V/S110V es uno de los mejores en cuanto a dureza y retención del filo.

Conclusión

El acero para resortes es un material muy versátil que se utiliza en numerosas aplicaciones. Mantiene su forma incluso tras una flexión excesiva. Presenta alta elasticidad, resistencia, tenacidad y alta resistencia a la fatiga. Normalmente, se utiliza ampliamente en sistemas de suspensión y conjuntos mecánicos debido a su capacidad de absorción de impactos.

Preguntas Frecuentes

¿Es mejor D2 o 1095?

D2 ofrece mejor resistencia al desgaste para piezas de maquinaria, mientras que 1095 es mejor en dureza y tenacidad.

¿Se oxida el acero para muelles?

Generalmente, muchos tipos de acero para resortes pueden oxidarse. Sin embargo, los grados de acero inoxidable como el 301 o el 302 ofrecen una buena protección contra la corrosión.

¿El acero para resortes es bueno para las herramientas?

Sí. Las herramientas fabricadas con aceros para muelles ofrecen una muy buena estabilidad dimensional y resistencia al desgaste.

¿El acero para resortes 5160 es bueno para los cuchillos?

El acero para muelles 5160 es muy adecuado para cuchillos. La protección contra la corrosión sigue siendo un problema.

¿El acero para resortes es más fuerte que el acero inoxidable?

El acero para muelles es más resistente que muchos otros tipos de acero. El acero para muelles puede ser una subclase del acero inoxidable. Por lo tanto, grados de acero inoxidable como el 17-7PH también son muy resistentes.