Cuestiones Materiales Metálicos y No Metalicos
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1. ¿Qué materias primas se utilizan en los altos hornos para la fabricación delarrabio? Indique la composición del arrabio y la escoria.
Se utilizan mineral de hierro, carbón y caliza. La composición típica del arrabioconsiste en: 4.5% C, 0.4% Si, 0.3 % Mn, y un poco de P y S. La escoria consiste enuna mezcla de óxido de sílice y óxido de calcio.
2. Define las partes de un alto horno y describe su funcionamiento.
La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto horno;por la zona más estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se introduce lacarga mediante un montacargas inclinado.
Etalaje: esta parte se encuentra separada de la cuba por su parte más ancha ybaja llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba ylas temperaturas que se alcanzan en él son muy altas (1500 ºC) y es aquí donde elmineral de hierro comienza a transformarse en hierro. La parte final del etalaje esmás estrecha.
Crisol: el crisol se encuentra debajo del etalaje, donde se va depositando el metallíquido. Por un agujero llamado piqueta de escoria se va extrayendo la escoriaformada que se aprovechará para hacer cementos y fertilizantes. Por otro orificiollamado piqueta de arrabio irá saliendo el hierro fundido llamado arrabio.
Cuchara: depósitos a los cuales se conducirá el producto final de los altoshornos llamado arrabio, hierro de colada o hierro de primera fundición.
3. ¿Qué reacciones de reducción suceden en los altos hornos?
Hematites
Magnetita
Wustita
4. ¿Qué función desempeña un convertidor?
La función del convertidor es producir acero a partir del arrabio, haciendoreaccionar el Si, Mn y C que este contiene con un gas, aire y temperatura.
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5. Convertidor de Besemmer. Principio de funcionamiento. Tipo de refractario yelementos termógenos. Diferencias entre el convertidor de Bessemer y elconvertidor de Thomas.
El procedimiento Bessemer fue el primer proceso de fabricación químico que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco coste apartir del arrabio. El convertidor es un horno giratorio en forma de retorta, de cuelloancho. En él se lleva a cabo el procedimiento.
Principio de funcionamiento:
Carga
Comienza el soplado y giro del convertidor
Oxidación del silicio y manganeso
Oxidación del carbono (10 min)
Desoxidación y recarburación si es necesario
Colada Inspección y reparación del horno
Eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono (4-5%) mediantela inyección de aire en un "convertidor" de arrabio en acero. Además el oxígeno reaccionacon las impurezas del arrabio produciendo escoria que sube y flota en la superficie del acerolíquido.
Este horno, está revestido interiormente por ladrillos refractarios. Los elementostermógenos más importantes son el silicio, el manganeso y el fósforo.
La principal ventaja de este procedimiento consistía en poder detenerlo consólo cerrar la entrada del aire. De este modo se conseguían aceros con distintascantidades de carbono, silicio y manganeso. Su principal inconveniente radicabaen que sólo podía utilizarse para arrabios con cantidades muy pequeñas defósforo, ya que este material no se eliminaba.
La modificación introducida por Thomas consistió en incorporar un fundente de carácterbásic, que permitía eliminar el exceso de fósforo presente. Al finalizar el proceso, seextraía primero el acero y, posteriormente, la escoria formada. Sin embargo, a diferenciadel anterior, este proceso no podía detenerse para regular la cantidad de otroscomponentes.
6. Explique el funcionamiento del horno de Martín-Siemens y la evolución de los elementosen el baño metálico.
El agua y el aire entran al horno por unos precalentadores y se que queman sobre la carga
(cualquier aleación férrea en estado sólido), calentándola y fundiéndola. A la salida ceden su
calor residual a los precalentadores del lado por donde salen, a intervalos regulares se vierte la
dirección de la llama, es decir el sentido del circuito, para aprovechar ese calor. Cuando el
metal se ha afinado y tiene la temperatura adecuada se quema en cucharas, y desde éstas, en
las lingoteras.
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7. Funcionamiento del convertidor LD. Evolución de la composición de loselementos en el baño metálico.
El funcionamiento del convertidor LD es el siguiente:
El horno se inclina desde su posición vertical y se hace la carga de la chatarra, después delhierro fundido y se vuelve a enderezar.
Se baja la lanza y se inyecta un flujo de oxígeno sobre la carga.
A continuación comienza la oxidación de las impurezas en el siguiente orden: en los primerosminutos del soplado se oxida el silicio (Si) y casi al mismo tiempo el manganeso (Mn). Despuésocurrirá con el carbono (C), y por último con el fósforo (P), que es el que más tiempo tarda.Esto supone un problema ya que cuando se ha eliminado todo el fósforo, posiblemente losporcentajes que queden de silicio, manganeso y carbono sean demasiado bajos, por lo que esen este momento cuando se restituyen las cantidades necesarias de estos tres elementos y seañaden los elementos aleantes requeridos.
A los 20 minutos aproximadamente de iniciado el proceso se interrumpe el soplado, se sacanmuestras para analizar el acero y la escoria, que es el material que se forma comoconsecuencia de la oxidación de las impurezas durante el proceso, y se mide la temperaturaalcanzada. Si en ese momento la composición y la temperatura son las idóneas, se procederá ala colada del acero y de la escoria.
8. Funcionamiento de un horno eléctrico de arco. Evolución de la composición con eltiempo del baño metálico.
Son los más usados en los talleres de fundición. Constan de un crisol basculante de seccióncircular, con solera cóncava recubierta de material refractario y dos aberturas laterales, una
para adicionar la carga metálica (en los hornos pequeños) y la otra para la piquera. Todo ellova cubierto con una bóveda desmontable recubierta interiormente de material refractario,provista de orificios por donde penetran los electrodos de grafito, que hacen saltar el arcocon la carga metálica introducida en la solera.
Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. Lacorriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la cargametálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo.
Variación de la composición: al principio tenemos C, Mn y Si que disminuye pero se añadecoque para aumentar la cantidad de C.
9. Desoxidación del acero. Importancia del proceso de desoxidación.
El proceso de desoxidación es importante porque en los procesos de conversión han sido
inyectadas grandes cantidades de oxígeno. La solubilidad del oxígeno en el acero fundido es
del 0.16% y en estado sólido es de 0.003%, por lo que cuando el acero solidifique este quedará
atrapado formando huecos y burbujas dentro del material y creando cantidades importantes
de FeO. Se debe hacer justo después del proceso de conversión y justo antes de colar. Se lleva
acabo añadiendo aluminio en polvo (también Si y Mn) ya que desoxida fuerte y es barato.
10. Colada del acero en lingotes. Tipos de colada y proceso de solidificación.
La colada del acero en lingotes consiste en el llenado de una o varias lingoteras mediante unacuchara, siendo la lingotera de sección de sección cuadrada, rectangular o poligonal.
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Hay tres tipos de colada:
- Colada directa a fondo.
- Colada en sifón.
Enfriamiento del exterior al interior del lingote se produce solidificación dendrítica o columnar
donde las primeras zonas solidificadas contienen aleación más pura que en el interior quecontiene un acero con mayor cantidad de impurezas.
11. Desgasificación. Colada en vacío.
Para disminuir el contenido de H2, N2 y O2 empleando distintos métodos de desgasificación.Con el desgasificado obtenemos ventajas: copos, nitruros, inclusiones y desoxidantes.El desgasificado en chorro consiste en hacer pasar después de la cuchara de colado a unalingotera o a otra cuchara o a otra cuchara que actúa como cámara de vacío.
12. Colada continua. Ventajas con respecto a la colada en lingotes.
La colada continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero líquido sevierte directamente en un molde de fondo abierto cuya sección transversal tiene laforma geométrica del semi-producto que se desea fabricar.
Ventajas de la colada continua con respecto a la colada en lingotes:
- Disminución de la cantidad de mano de obra necesaria. Mayor productividad.
- Supresión del rechupe.
- Reducción del tiempo transcurrido entre la elaboración del acero líquido yla obtención del semiproducto que se va a laminar en caliente.
- Mejor calidad superficial de los productos.- Producto uniforme.
13) Técnicas de afino de grano en el proceso de laminado. ¿Cuáles son las
principales elementos utilizados para el afino de grano?
La laminación del acero es la deformación plástica de los metales o aleaciones, realizada por ladeformación mecánica entre cilindros. En el proceso de laminado en caliente, el lingote coladose calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termo difusión. A continuación delproceso de calentamiento se hace pasar los lingotes entre una serie de rodillos metálicoscolocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseado.
Procesos de laminado en caliente:
- Laminado en caliente tradicional.
- Laminación controlada:
Enfriamiento acelerado.
Temple y autorrevenido
Para lograr el afino de grano, los posibles aditivos son: V, Ti, Al y Nb.
14) ¿cuáles son las inclusiones no metálicas más frecuentes?
Óxidos, sulfuros, silicatos, nitruros, carbonitruros y fosfuros. En aceros óxidos y sulfuros.
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15) ¿Cómo afecta la presencia del azufre y el fósforo al acero?
La presencia de ambos elementos es indeseable, solo se permite valores máximos del 0,03-0,04%.
El azufre se combina con el hierro formando sulfuro de hierro, que se concentra en el borde
de grano. Se produce fragilidad en caliente porque precipita eutéctico y genera grietas.
El fósforo produce fragilidad en frío, es extremadamente endurecedor.
16) Influencia de los elementos de inserción en el acero
Los elementos de inserción son (H2, N2, O2) (“más pequeños)
H2, da lugar a la formación de <<manchas brillantes>> o <<copos>> que reducenla tenacidad y ductilidad de los aceros.
N2, reduce la ductilidad y comunica fragilidad a los aceros.
O2, facilita la formación de inclusiones no metálicas. Su presencia restapropiedades mecánicas
17) Cite tres elementos gammágenos y alfágenos del acero:
Gammágenos: Níquel, Manganeso, Carbono.Alfágenos: Cr, W, Mo.
18) ¿Cómo influye la presencia de aleantes en la solubilidad del carbono en la austenita?
Elementos alfágenos. Cuando su concentración aumenta en el acero, aumenta la temperaturadel punto eutectoide. Esto implica que se produce una disminución de la zona de estabilidadde la austenita, es decir, disminuye la solubilidad del carbono en ésta.
Elementos gammágenos. Cuando su concentración aumenta en la aleación, disminuye la
temperatura del punto eutectoide, lo que implica un aumento de la zona de la estabilidad de
la austenita y, por tanto, un aumento de la solubilidad del carbono en ella.
19. Formación de carburos. Influencia en el tamaño de grano
Los carburos son compuestos que se forman a partir de la unión entre el carbono y alguno de
los elementos “M” que se recogerán a continuación, para dar sustancias combinadas entre
ellos de la forma MxCy.
Dichos elementos usuales que forman los carburos en unión con los carbonos en orden demayor a menor frecuencia, es decir son:
Ti > V> Cr > Mn > Zr> Nb> Mo> Hf> Ta >W
Los carburos más complejos son: M3C, M23C6, M7C3, M6C, siendo M= Cr, Mn, V, W
Y los carburos simples son: MC, M2C, siendo M= Ti, Zr, Nb
Solamente Mn y B aumentan el tamaño de grano, mientras que Ta, Zr, Nb, Ti, W,V,Mo y Cr son
fuerte afinadores de grano sometidos a tratamientos a altas temperaturas, los no influyentesen variar el tamaño de grano son: Ni, Co, Si y Cu al no formar carburos con el Carbono.
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20. Zona afectada térmicamente en la soldadura. Cambios microestructurales.
La Zona Afectada por el Calor (ZAC/ZAT) es la región del metal base que sufre ciclos de
calentamiento y enfriamiento debido al aporte térmico de la soldadura.
El tamaño de grano es importante para las
propiedades (resistencia).
En la zona contigua a la soldadora encontramos una
región de grano grueso.
Conforme nos alejamos tiene lugar recristalización
permitiendo un tamaño de grano más fino.
Antes de llegar al material base que no se ve afectado
hay una zona que ha sufrido temple, quedando una
estructura dura (frágil) a la que habrá que aplicarle un
revenido.
21. Carbono equivalente. Soldabilidad del acero en función de este parámetro.
Un parámetro útil para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de CARBONOEQUIVALENTE (CEQ). Este consiste en una ecuación que relaciona la composición químicadel material:
Un acero se considera soldable si el carbono equivalente según la fórmula es menor a 0,4%.
Este valor estaría indicando cómo los elementos de aleación presentes en el acero afectan las
transformaciones características favoreciendo la formación de microestructuras susceptiblesa fisuración por hidrogeno en la ZAC. El carbono equivalente provee una indicación del tipo
de microestructura esperada en la ZAC en función de la velocidad de enfriamiento desde una
temperatura máxima.
22) Fisuración en las soldaduras
La fisuración en una soldadura es la aparición de fisuras o fracturas en ésta. Conocemosvarios tipos de fisuración:
Fisuración en frío: Se produce en la línea de la soldadura provocada por unendurecimiento en la zona afectada por la temperatura o calor (ZAT)
Fisuración por hidrógeno: Producida por la presencia del mismo durante la soldadura.
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Fisuración durante relajación de tensiones o agrietamiento en el recalentamiento:Fisuración de tipo intergranular, producida si la ZAT es de grano grueso.
Fisuración laminar: Rotura o fisuración en el sentido de laminación que produce un dibujoescalonado con tramos longitudinales mucho mayores a los transversales.
Fisuración en caliente o durante solidificación: Provocada por segregaciones e inclusiones
en el material.
23. Explique cómo y por qué se produce la fisuración en frio en soldadura de aceros
Si el contenido en hidrógeno es alto, durante el soldeo el H quedará disuelto en el acero
líquido del cordón. Al enfriarse y solidificarse el cordón, su capacidad de disolución de H
disminuye, pero existe buena difusibilidad en la Austenita. En la transformación de Austenita
a ferrita la capacidad de disolución disminuye, pero mejora la posibilidad de difusión del H.
El H, que no se puede disolver pero si difundir, encuentra los caminos de fuga cerrados, por lo
que forma un frente muy rico en H que dará lugar, en el enfriamiento final, a la fisuración.
24. Temperatura de transición frágil dúctil
La temperatura de transición de dúctil a frágil es aquella a la cual el modo de fractura en un
material cambia de dúctil a frágil. Cuando disminuye la temperatura también lo hace la
resistencia al impacto. Se da en materiales con estructura BBC.
25) Influencia del carbono en la temperatura de transición frágil dúctil
Un aumento en el porcentaje de carbono provoca una disminución de la tenacidad delmaterial, una disminución de la energía de rotura a temperatura y un aumento en la
temperatura de transición. A mayor %C mayor es la temperatura de transición.
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26) Influencia del fósforo y el azufre en la temperatura de transición frágil dúctil
Otros elementos como el fósforo y el azufre, aumento de concentración de fósforo origina unaelevación de la temperatura de transición dúctil-frágil.
27) Efecto de la desoxidación en la temperatura de transición frágil dúctil
Para un efecto de efervescencia la temperatura de transición es mayor y en calmado latemperatura de transición es mas baja.
28) Efecto del tamaño de grano en la temperatura de transición frágil dúctil.
La temperatura de transición frágil-dúctil disminuye a medida que aumenta el tamaño degrano, apareciendo una relación aproximadamente lineal.
29) Efecto de la microestructura del acero en la temperatura de transición frágil dúctil.
El fenómeno de transición frágil-dúctil se da en materiales con microestructura cúbicacentrada en el cuerpo, en algunos de microestructura hexagonal compacta y, raras veces,
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en aquellos de estructura cúbica centrada en las caras.
Se presenta a una temperatura mayor para la bainita, ligeramente inferior para la perlita,
inferior a ésta para una estructura con un 50% de martensita y a temperaturas muy bajas para
una estructura de martensita al 100%. Esto implica que la temperatura de transición frágil-
dúctil se presentará será inferior para estructuras martensíticas, estructuras con un 50% demartensita, estructuras perlíticas y será la mayor para la bainita.
30) Efecto del tratamiento térmico del acero en la temperatura de transición frágil dúctil.
En el caso del normalizado, que la temperatura de transición frágil dúctil se presentará a
temperaturas más bajas cuanto menor haya sido la temperatura de tratamiento del acero.
Sin embargo, en el caso del revenido, la temperatura de transición frágil-dúctil será menor
cuanto mayor haya sido la temperatura a la que se haya sometido el acero durante el
tratamiento.
31) Temperatura de transición frágil dúctil según la dirección del ensayo con respecto a ladirección de laminado. ¿A qué se deben las diferencias según la dirección?
El fenómeno de la transición frágil-dúctil se presenta antes en probetas transversales a la
dirección del laminado del bloque de material del que se extraen que en probetas extraídas
en la misma orientación que el laminado. Esto se debe al fenómeno de la anisotropía, es decir,
al laminar el material en una determinada dirección, éste adopta una serie de propiedades
que se manifestarán prioritariamente en dicha dirección, siendo más débil en su dirección
transversal.
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32) Influencia del contenido en carbono del acero en las propiedades mecánicas.
En función del contenido en carbono, los aceros se pueden clasificar en tres categoríasdistintas: hipoeutectoides, por debajo del 0.77% en carbono; eutectoides, 0.77% en carbono;e hipereutectoides, por encima del 0.77% en carbono (hasta el 2.1%, a partir del cual seconsidera que la aleación es una fundición).
Aceros hipoeutectoides. El acero a temperatura ambiente está formado por granos de
ferrita (hierro puro) y perlita (formada por láminas alternas de ferrita y cementita, que
es un carburo de hierro). A medida que la composición se acerca al eutectoide,
disminuye la cantidad de ferrita y aumenta la de perlita. Esto implica que, menores
contenidos de carbono suponen una mayor maleabilidad y ductilidad, así como una
menor dureza del acero.
Aceros eutectoides. El acero está completamente constituido por granos de perlita.
Aceros hipereutectoides. El acero está compuesto por granos de perlita y granos de
cementita. A medida que la composición se aleja del eutectoide, aumentará la
concentración de cementita y disminuirá la de perlita. Por esto es que, a medida queaumenta el contenido de carbono en un acero, aumenta su dureza, mientras que se
vuelve más frágil y, por tanto, menos dúctil y maleable.
33. Influencia del manganeso en los aceros al carbono manganeso.
Generalmente, la presencia de manganeso en los aceros, supone lo siguiente:
1. Desoxidante (elimina el FeO)
2. Estabiliza el sulfuro de hierro. Si la presencia de manganeso es cinco veces la de azufreo superior, evita el fenómeno de “fisuración en caliente”.
3. Tiene propiedades gammágenas.4. Disminuye la temperatura de transición frágil-dúctil.
5. Aumenta la resistencia al desgaste.6. Junto con el Silicio, permite aumentar el límite elástico.
7. Facilita la laminación, el moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente.
34. Diferencias en la composición y metalurgia entre los aceros de construcción naval A, B, D
y E. Acalidad minima Ecalidad máxima
Contenido en carbono: Las clases A, B y D presentan un máximo del 0.21% y la clase Edel 0.18%.
Contenido en manganeso: La clase A presenta un mínimo igual a 2.5 veces el
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porcentaje de carbono; la clase B presenta un mínimo del 0.8%; la clase D presenta un
mínimo del 0.6% y la clase E presenta un mínimo del 0.7%.
Contenido en silicio: La clase A presenta un máximo del 0.5%, la clase B del 0.35% y lasclases D y E un contenido entre el 0.1% y el 0.35%.
Contenido en azufre y fósforo: Limitado al 0.035% en todas las clases.
Contenido en aluminio: Mínimo de 0.015% en las clases D y E.
35. Diferencias en las propiedades mecánicas entre los aceros de construcción naval A, B, D
y E.
A medida que se crece en la escala (A, B, D y E), mejores son las propiedades que presentael acero.
Si bien todos presentan los mismos valores del límite elástico (235N/mm2), resistencia a la
tracción (400-520N/mm2) y elongación (22%), el resto de propiedades mecánicas (como la
absorción de energía de impacto en dirección longitudinal y transversal bajo ensayo depéndulo de Charpy con entalla en V) aumentan de A hasta E, así como también lo hacenlos espesores mínimos de suministro y la temperatura del ensayo de impacto: Ano tieneensayo, B0ºC, D-20ºC, E-40ºC
36. ¿Por qué el valor de C+1/6Mn no debe superar 0,4?
Pregunta 28 y 27Para que el acero sea fácilmente soldado sin fractura.
37. ¿Por qué se hace la distinción entre aluminio soluble en ácido y aluminio total cuando se
define contenido en aluminio en la composición de aceros de construcción naval?
El aluminio soluble en acido es aquel que se echa de más para afinar el grano (no incluyealuminio)
38. Diferencias en la composición entre los aceros de construcción de alta resistencia AH,
DH, EH y FH (H es acero de alta resistencia)
Las cuatro clases presentan los mismos contenidos de aluminio soluble en ácido(0.015% mínimo), niobio (0.02%-0.05%), vanadio (0.05%-0.10%), titanio (máximo 0.02%)y total niobio+vanadio+titanio (0.12%).
En cuanto al resto, las clases AH, DH y EH, presentan las mismas composiciones:
Carbono máximo 0.18%
Manganeso 0.9%-1.6%
Silicio máximo 0.5%
Fósforo y azufre máximo 0.035%
Níquel máximo 0.4%
Cobre máximo 0.35%
Cromo máximo 0.2%
Molibdeno máximo 0.08%
En el caso del FH, la composición será:
Carbono máximo 0.16%
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Manganeso 0.9%-1.6%
Silicio máximo 0.5%
Fósforo y azufre máximo 0.025%
Níquel máximo 0.8%
Cobre máximo 0.35% Cromo máximo 0.2%
Molibdeno máximo 0.08%
Nitrógeno máximo 0.009%, 0.012% si contiene Aluminio
39. Diferencias en las propiedades mecánicas entre los aceros de alta resistencia AH, DH, EH
y FH
Estos aceros, bajo la misma categorización, presentan prácticamente idénticas propiedadesmecánicas. Sin embargo, lo que varía entre unos y otros es la temperatura mínima hasta lacual pueden mantener dichas propiedades. En el caso del AH serán 0ºC, en el caso del DH -
20ºC, en el caso del EH -40ºC y en el caso del FH -60ºC.
40. Entre un acero DH 47 y FH 32 (los valores números indica la fluencia del acero)
¿qué acero presenta mayor límite elástico? ¿Cuál presenta mayor temperatura de
transición frágil dúctil?
Tiene mayor límite elástico el hacer FH32.El acero FH puede trabajar a-60ºC y el DH a -40ºC por lo que la temperatura de transiciónfrágil-dúctil será mayor para el DH 47.
41. Aceros de construcción naval con especificación grado Z.
La calidad Z en la planchas de esos aceros no es realmente una calidad, en realidad secorresponde con un ensayo especial de tracción que se les hace a las mismas para evitar el“desgarro laminar” especialmente en la soldadura. Son aceros con resistencia mejorada a ladeformación en la dirección perpendicular a la superficie.
Y se establecen dos grados:
- Z 25 para aplicaciones normales
- Z 35 para aplicaciones severas
42. ¿Qué son los aceros microaleados? Indique cómo se fabrican y a que se deben sus
excelentes propiedades mecánicas
Son aceros de alta resistencia por contener Cr, Ni, Mo (como los demás acero de altaresistencia), y Ti, Nb V, que disminuyen el tamaño de grano. Se obtiene también unafinamiento de grano mediante laminación en caliente.
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43. Tipos de acero utilizados para calderas y recipientes a presión. ¿Qué elementos y en
qué proporciones se utilizan para altas temperaturas de servicio (400-500ºC)?
Especialmente aceros al carbono, aleaciones de carbono-manganeso y aceros de bajaaleación.Para temperaturas de servicio entre 400 y 500ºC se utilizan sobre todo aceros al carbono yaleaciones carbono-manganeso con proporciones: de 0.17 a 0.22% de C, 0.10 a 0.5 de Si, de0.4 a 1.6% de Mn, de 0.04% máximo de P y S, y elementos residuales al 0.7% máximo (Cr, Cu,Mo, Ni). Los aceros de baja aleación con proporciones de 0.08 a 0.18% de C, 0.15-0.5% Si,0.035% máximo de P y S, Cr 0.7-2.5%, Mo 0.4-1.1%, y elementos residuales 0.30% máximocada uno, Cu y Ni.
44. ¿Qué tipo de aceros son especialmente indicados para temperaturas bajas en servicio?
¿Qué otro tipo de materiales son recomendados para dichas aplicaciones?
Se usan los aceros AH, DH, EH y FH. En este caso los aceros serán: LT-AH, LT-DH, LT-EH yLT-FH, siendo “LT” para “low temperature”.
Estos aceros son utilizados para piezas que deben trabajar dinámicamente a temperaturasinferiores a los -20ºC. Teniendo un adecuado comportamiento frágil, que lo haceresistente en condiciones de bajas temperaturas.
También se pueden emplear aceros inoxidables austeníticos y el aluminio, como sustitución delos anteriores.
45. Definición de acero inoxidable. Tipos de acero inoxidable
El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo de 10,5 % de Cr. Se
trata de un acero de elevada resistencia a la corrosión. Los principales elementos aleantesson, junto con el Cr, el níquel y el molibdeno.
Según su microestructura, los aceros inoxidables pueden ser:
1. Ferríticos
2. Martensíticos
3. Austeníticos
4. Dúplex (austenita + ferrita)
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46. Propiedades de los distintos tipos de acero inoxidable.
Austeniticos
Ferríticos
Martensíticos
Dúplex
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47. Tratamiento de hipertemple en aceros inoxidables. ¿Cuándo se utiliza?
48. ¿Cuál es la influencia del nitrógeno en los aceros inoxidables? ¿En qué tipo de aceros
inoxidables se utiliza?
El Nitrógeno (N) es un elemento gammágeno, proporciona gran resistencia a la corrosión porpicadura e intergranular. Se encuentra en los aceros inoxidables tipo dúplex. Por otro ladoeleva el límite elástico ya que en algunos aceros el carbono es muy bajo y estabilizafuertemente la austenita.
49.
¿Qué aceros inoxidables están especialmente indicados en la industria naval?
Los aceros austeníticos poseen mayor aplicación en el mundo naval.
Características y propiedades: son amagnéticos en estado recocido, tratamiento desolubilización, tienen una estructura cúbica centrada en las caras, estructura ϒ y presentanexcelentes propiedades de tenacidad, ductilidad, resistencia a la corrosión y soldabilidad. Nopueden endurecerse por tratamiento térmico. Tienen una gran estabilidad estructural.
Los aceros Martensíticos su aplicación es escasa y se suele utilizarse en hélices.
Los aceros dúplex son utilizados para elevadas exigencias contra la corrosión.
50. ¿Qué parámetro se utiliza para indicar la resistencia a la corrosión por picaduras?
El parámetro que se utiliza es PRE2 a mayor contenido de este, mayor es la resistencia ala corrosión por picaduras. A partir de 40.
PRE1=%Cr +3%Mo ≥ 40
PRE2=%Cr + 3.3% Mo +16%N ≥ 40
51. ¿Qué parámetro se utiliza para indicar la resistencia a la corrosión por hendiduras?
El parámetro que se utilizan es CC2 a mayor contenido de este, mayor es la resistencia a lacorrosión por hendidura. A partir de 40.
CC1=%Cr +3%Mo ≥ 40
CC2=%Cr + 4.1% Mo +47%N ≥ 40
52. ¿Para qué temperaturas de servicio están indicados los aceros inoxidables austeníticos
y para cuáles los de tipo dúplex? ¿Por qué?
Austeníticos hasta -165°C y en los Duplex de 0 a 300°C.
Debido principalmente a la cantidad de Cr. En los aceros Duplex el contenido varía del 21 hastael 26 (como en el caso de los de tipo UNS S32750), en comparación con los austeníticos de 17-20 (acero 304L).
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53. Descripción del proceso de Bayer.
El proceso Bayer es el principal método industrial para producir alúmina a partir de bauxita. Basado en la disolución de la bauxita con hidróxido sódico, para producir aluminio.
Bauxita: Óxido de Aluminio + Óxido de Hierro y Sílice.
En el proceso Bayer, primero se tritura la bauxita y luego se lava con una solución calientede hidróxido sódico (sosa), NaOH.
La sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, quepermanecen sólidos. Las reacciones químicas que ocurren en esta etapa, llamada"digestión" son las siguientes:
Al(OH)3 + OH- + Na
* → Al(OH)4
- + Na
*
AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na
* → Al(OH)4
- + Na
*
La temperatura de la digestión se escoge en función de la composición de la bauxita. Para
disolver el hidróxido de aluminio basta una temperatura de 140ºC pero para la mezcla dehidróxido y óxido hace falta subir hasta unos 240ºC.
A continuación se retiran de la solución los sólidos no disueltos, en el decantador,llamados "lodo rojo".
La solución de Al(OH)4-, ya libre de impurezas, se precipita de forma controlada
para formar hidróxido de aluminio puro. Para favorecer la cristalización se opera abaja temperatura y se "siembra" la solución con partículas de hidróxido de sodio:
Al(OH)4- + Na
* → Al(OH)3 + OH
- + Na
*
La solución de sosa libre de aluminio se concentra en unos evaporadores y
se recicla al comienzo del proceso.
Por último, el hidróxido se calienta a unos 1050°C, en una operación llamada "calcinación", para convertirlo en alúmina, liberando vapor de agua al mismo tiempo:
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
La alúmina obtenida se utiliza principalmente para producir aluminio mediante electrólisis.
54. ¿Qué aleaciones de aluminio de forja están especialmente indicadas por Lloyd’s
Register para el uso naval?
- NO Tratables Térmicamente: (Trabajadas en frío, Al-Mn, Al-Mn-Mg y Al-Mg)
-Tratables Térmicamente: Formación segundas fases (3,5 % Cu, 0,5 % Mg, 0,5 % Mn, restoaluminio) y aleaciones Al-Cu, Al-Mg-Si y Al-Zn-Mg)
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55. ¿Qué tratamientos térmicos son usuales en las aleaciones de aluminio indicadas para
industria naval?
Aluminios de Forja con tratamientos térmicos.
Serie 5000:
O Recocido
H111 Recocido y ligera deformación en frío
H112 Endurecido por deformado a elevada temperatura
H116 Endurecido y con resistencia específica a la corrosión por exfoliación cuandoMg>4%
H321 Endurecido y estabilizado para evitar envejecimiento
Series 6000
T5 Temple desde Conformado en caliente y envejecido artificialmente
T6 Solución en caliente, temple y envejecido artificialmente
56. ¿Qué aleaciones de aluminio se utilizan para la fabricación de remaches de estructuras
de aluminio en uso naval?
Se especifican dos Alumnios según el tipo de Aluminio utilizado: 5154A-Recocido y 6082-Tratado por solución
57. ¿Qué Series de Al se utilizan para elementos de fundición en ind. Naval?
5XX.X -------------- Aleante predominante Magnesio (2.5-4.5 %)
4XX.X -------------- Aleante predominante Silicio (11-13.3%)
3XX.X -------------- Aleante predominante Silicio (9-11%) conadiciones principalmente de Mg (0.15-0.4%)
58. Procesos de unión en aleaciones de Al
Soldeo Tig
Soldeo Mig
Soldeo fuerte
Soldeo blando
59. Características de la soldadura fuerte en el Al
Material de aportación por encima de 450ºC
Más común en aleaciones no tratables (1xxx, 3xxx, 5xxx)
Temperaturas del proceso cercanas a tª de fusión del material
Material de aportación: aleaciones Al-Si (8.8-11% de Si)
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60. Problemas en uniones soldadas de Al
Zona afectada térmicamente (HAZ) y porosidad
La HAZ pierde propiedades. Modificación estructural de la pieza durante el proceso
En series 2xxx se disuelven los precipitados endurecedores
En series 6xxx crecen y precipitan fases no endurecedoras
Se suele realizar tratamiento térmico después de la soldadura
El hidrógeno en el cordón debilita la unión
61. Propiedades y aplicaciones del Cobre
Propiedades
Densidad: 8.9 m3/kg
Alta conductividad eléctrica (segundo después de Ag)
Alta conduct. Térmica Alta resistencia Corrosión
Estructura centrada caras (FCC): buena ductilidad y maleabilidad
Resistencia a tracción mediaAplicaciones
Conductores eléctricos (cables y otros)
Tuberías y recipientes (por su resistencia a corrosión)
Intercambiadores
Perfilería
Recubrimientos electrolíticos
62. Principales Tipos de aleaciones de cobre
Cobre no aleado
Latón: Cu-Zn (se puede añadir Plomo, o Al/Fe/Mn para latones alta resist.)
Bronce: Cu-Sn (se puede añadir Zn o Pb)
CuproAluminio
CuproSilicio
CuproBerilio
CuproNíquel y Alpacas
Aleaciones endurecibles por precipitación
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63. Latones. Clasificación y aleantes
Son las aleaciones de cobre más importante. A mayor cantidad mejores
propiedades y mayor precio.
Baja aleación Zn (hasta un 20% Zn más o menos): Bronce comercial (aprox
10% Zn), Bronce de joyería (aprox.12.5% Zn), Latón rojo (aprox. 15% Zn) Latón
bajo (aprox. 20% Zn).
Alta aleación Zn (hasta un 40% Zn más o menos): Latón de cartuchos (aprox. 30% Zn),Latónamarillo (aprox. 35% Zn), Metal Muntz (aprox. 40% Zn)
Además, se pueden incorporar otros elementos para mejorar sus propiedades: Ni, Al, Mn, Sn,Pb, Si, Fe, As
64. Tipos latón según componentes microestructurales
Latones α (%Zn igual o inferior a 39%)
Latones α +β (%Zn entre 37.5 y 46%)
Latones β (%Zn entre 46 y 50%)
65. ¿Para qué se añade arsénico a los latones?
Prevenir la descincificación: corrosión en presencia de cloro y ácidos
66. Tipos bronce
Bronces fosforosos: alta resistencia mecánica, a la corrosión y fluidez.
Bronces al Zinc: bajo coste, alta fluidez y resistencia a la corrosión.
Bronces con Plomo : alta maquinabilidad
Bronces forja
Bronces moldeo
67. Cuprosilicios
Solubilidad máxima de 5.3% de Si en Cu
Silicio entre 1 y 3%, no endurecimiento ni tratamiento térmico
Mn y Fe mejoran propiedades Estructura: granos α con láminas paralelas
Buena resistencia a corrosión
Forjables en caliente
Buena colabilidad
Alta resistencia mecánica y tenacidad
Sustituto en bronces por Sn por resistencia a corrosión en agua de mar
68.
Cuproaluminios. Propiedades Resistencia mecánica MAYOR que Bronces y aproximadamente igual que aceros
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al Cu
Más baratos que Bronces
Buena resistencia a corrosión y fácilmente mecanizables
Buena resistencia al desgaste
Buena resistencia a la fatiga
Si %Al por debajo de 8%, maleables en frío
Soldables
Alta resistencia a corrosión en agua de mar
Excelente resistencia a oxidación en caliente
Insensibles a corrosión intergranular
Ausencia de chispa en choque
69. Cuproberilios
El cuproberilio es una aleación de base de cobre con un pequeño porcentaje de berilio,que tiene una solubilidad máxima en cobre del 2.7% a 866ºC. Si esta aleación contiene menosde un 2% de berilio, es posible endurecerlas por precipitación, en porcentajes mayores no esposible este endurecimiento.
Tiene la propiedad de ser altamente resistente. Su dureza es inversamente proporcional ala temperatura a la que se lleve a cabo el envejecimiento. Son caros. Una principal ventajareside en que es un material antichispa.
70.
Cuproníqueles
El cuproníquel es una aleación de base de cobre con el níquel como principal elemento
aleante en un porcentaje de entre el 5 y el 44%, existiendo solubilidad total entre ambos
elementos formando una fase a con estructura cúbica centrada en las caras (FCC). El níquel
proporciona a la aleación buena resistencia mecánica, a la oxidación y a la corrosión; además
de disminuir la conductividad. Son aleaciones dúctiles, que no admiten tratamientos térmicos,
pero que endurecen por deformación en frío. Son soldables, pero tienen baja maquinabilidad.
71. Soldabilidad de las aleaciones de cobre
El primer problema presente en la soldadura del cobre viene dado por la presencia deoxígeno, ya que el óxido de cobre en contacto con el hidrógeno del aire da lugar a cobre puro yagua. Además, al ser el cobre un metal con alta conductividad, dificulta la soldadura,haciéndose necesario un precalentamiento de la pieza a soldar para poder llevarla a cabo.
Para evitar el agrietamiento en caliente, que sucede en la zona de fusión de la soldadura,será necesario un precalentamiento correcto y un buen control de la presión existente entrelas piezas a soldar. Además, se recomienda realizar un tratamiento de alivio de tensiones unavez transcurrida la soldadura.
La soldadura está también influenciada por los distintos elementos aleantes: Zn, Sn, Si, Al, Ni,
etc.
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72. Aplicaciones navales que utilizan aleaciones base cobre
Ingeniería naval
1. Hélices y timones
2. Piezas de bombas y válvulas, boquillas de aspersión, etc.
3. Tuercas, tornillos, cadenas y ganchos
4. Accesorios no magnéticos de bitácoras, telégrafos de órdenes, etc.
5. Accesorios decorativos
6. Guarniciones para embarcaciones pequeñas
7. Depósitos de agua8. Ejes9. Tornillos y grapas10. Tuberías
73.
Aleaciones de cobre para hélices. Tipos. Propiedades mecánicas
Las aleaciones de cobre más utilizadas en hélices son latones de alta resistencia,cuproaluminio al níquel y cuproaluminio al manganeso.
0.2% proof stress Tensile strength Elongation on
(N/mm2 ) mínimum (N/mm
2 ) mínimum 5.65√
Aleación Límite elástico Resistencia mínima
% mínimum
a la tracción
Alargamiento
mínimo
Latón alta resistencia 175 440 20
Cuproaluminio al Ni
245
590
16 Cuproaluminio al Mn 275 630 18
74. Fundiciones de cobre para válvulas, casquillos y camisas recomendadas por Lloyd’s
Register
Las fundiciones recomendadas por el Lloyd’s Register para este tipo de elementos son derango de solidificación corto y rango de solidificación largo. Tenemos entonces distintos tipos:Cobre al 30% de níquel, cobre al 10% de niquel, cuproaluminio, bronce fosforoso, broncegunmetal (aleación de cobre, estaño y zinc), bronce gunmetal emplomado y bronceemplomado.
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75. Aleaciones de cobre para tuberías
Las aleaciones de cobre más utilizadas para tuberías son cobre desoxidado con fósforo,cuproaluminio y cuproníqueles con hierro.
Las tuberías de cobre fósforo y cuproaluminio deben suministrarse en recocido. Loscuproníqueles al hierro deben recibir un tratamiento de solubilización para evitar fases ricas enhierro.
76. Propiedades y aplicaciones de las aleaciones base níquel
Propiedades: Metal duro, tenaz y maleable.
Color blanco plateado.
Presenta excelente resistencia frente a la corrosión y a la oxidación.
Estructura cristalina cúbica centrada en la cara (FCC)
Su punto de fusión está situado a 1453 ºC y el de ebullición a 2910 ºC.
Posee un coeficiente de dilatación bastante bajo hasta 13,3 × 10-6 ºC-1
Es magnético. Su temperatura de Curie esta en los 358 ºC.
Aplicaciones:
Resistencia eléctrica Cr mejora res a oxidación y cementación Ni-Cr
Resistencia a corrosión
Baja expansión térmica Aleaciones Ni-Fe (Invar, etc…)
Materiales magnéticos
Superaleaciones resistencia a fluencia a alta T
Metal con efecto memoria aleado con titanio
0.2% proof Tensile strength Elongation on Drift expansión Grain size
stress (N/mm2 ) (N/mm
2 ) test (mm) máximum 5.65√
Aleación
mínimum mínimum
% mínimum % mínimum Tamaño de
Límite elástico Resistencia
Alargamiento Prueba de grano
mínima a la
mínimo abocardado
tracción
Cobre
desoxidado con 65 220 40 40 - fósforo
Cuproaluminio 125 320 40 30 0.045
Cuproníquel
con hierro
100
270
30
30
0.045 90/10
Cuproníqueles con hierro
120 360 30 30 0.045
70/30
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77. Aleaciones Monel. Propiedades según tratamiento térmico sufrido
Las aleaciones 70%Ni – 30%Cu son especialmente indicadas para la industria naval:revestimientos, válvulas, ejes de hélices, conectores,… Para tratamiento de laminado en caliente, madurado a 590ºC se obtienen las propiedades:
- Resistencia a la tracción - Límite elástico del 0.2%- Alargamiento - DurezaMediante recocido:- Resistencia a la tracción - Límite elástico del 0.5%- Dureza - Alargamiento
78. Soldabilidad de las aleaciones de Níquel.
El uso que se hace de las aleaciones de Ni, exige que sean fácilmente soldables. Cualquierproceso empleado para los inoxidables austeníticos puede ser válido para Ni y sus aleaciones(TIG y MIG). Solo es necesaria la limpieza de la junta: el S, P, Pb, Zn y B tienen efectos
perjudiciales, son fragilizantes. Es mejor usar aportes. Eliminar aceites, grasas (porosidad) y losóxidos que se forman durante la soldadura. No es necesario ni precalentamieto ni PWHT (solosi hay posibilidad de SCC en servicio).Esta soldadura tiene como posibles defectos: porosidad por O2, N2, H2 o CO2; agrietamiento aalta temperatura por elementos fragilizantes (S, Pb, P,…); fisuración por excesiva ENA y/o
velocidades.
79. Propiedades del titanio
Material usado para estructuras ligeras
Densidad 0.6 la del acero, es decir, 4.5 kg/m
3
Alto punto de fusión
Muy resistente a la corrosión
Materia prima muy abundante, sin embargo, es caro de obtener
Puede ser conformado por las técnicas comunes
Está disponible en gran variedad de formas
Gran variedad de aplicaciones: Industria aeroespacial, química, mecánica, etc.
Utilizado como matriz en materiales compuestos
80. Elementos intersticiales del titanio. Propiedades.
H2: Da lugar a la formación de “manchas brillantes” o “copos” que reducen la tenacidad y la
ductilidad. Aparece en grandes secciones. Para difundirlo es necesario un recocido a 600ºC.
N2: Reduce la ductilidad y comunica fragilidad. Se suele encontrar en forma combinada,formando nitruros.
O2: Siempre aparece combinado, formando óxidos o silicatos. Facilita la formación deinclusiones no metálicas. Su presencia resta propiedades mecánicas
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81. Microestructuras presentes en las aleaciones de titanio
Estructura α primaria:
o Equiaxial
o Alargada
Estructura β: Se mantiene a temperatura ambiente por la adición de elementosbetágenos
Estructura β transformada:
o Acicular α
o Omega ω: metaestable, se produce en la transformación β- α. Sucede con
envejecimientos lentos y en procedimientos isostáticos. Produce fragilidad
o Ti3Al, α2
o Martensita α’
o Martensita α’’
o Martensita α’’’
82.
Tipos de aleaciones según componentes microestructurales.
Titanio CP
Aleaciones α
Aleaciones α+β
Aleaciones β
83. Aleaciones CP (Comercialmente Puro)
Resistencia a la corrosión, ASTM grado 1-4
Concentración de impurezas de 0.525-1.065%
Muy utilizadas en industria química y marina Buena soldabilidad
84. Aleaciones alfa resistentes a la corrosión
Estas aleaciones tienen un 0.2% de Paladio, ASTM grado 7 y 11, además tienenbuen conformado y fácil soldadura.
85. Aleaciones de titanio súper-alfa
Fase alfa+beta retenida.
Resistentes a altas temperaturas
Temperatura de servicio de hasta 580ºC
6Al-4Sn-4Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.4Si-0.1C
86. Aleaciones de titanio alfa + beta
Ti6Al4V, tiene un porcentaje del 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Es la aleación de titaniomás utilizada en estructuras ligeras con un límite elástico de 827 MPa. Sus aplicaciones sondonde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas.
Elementos alfa+beta estabilizantes (4-6%)
Endurecen por tratamientos térmicos de disolución y maduración.
Estructuras: alfa equiaxial, alfa acicular, martensíticas,…
Variedad de propiedades
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87. Propiedades de las aleaciones de titanio según si proporción alfa/beta
Cuanto mayor es la proporción hacia beta aumenta la conformabilidad, la densidad latemplabilidad y la resistencia a altas temperaturas, en cambio, cuanto mayor es laproporción hacia alfa aumenta la fluencia, la soldabilidad y la resistencia a la corrosión.
88. Soldabilidad del titanio. Posibles problemas y recomendaciones
A la hora de afrontar la soldadura de piezas de titanio hay que tener en cuenta que si se supera la
temperatura de fusión, puede sufrir una decoloración porque reacciona fácilmente en contacto
con los gases atmosféricos. Esta decoloración puede suponer pérdida de ductilidad y de
resistencia mecánica. Por lo tanto es muy importante que en la soldadura se proteja la zona de
soldadura con gases inertes.
La soldadura debe limpiarse con paño de acetona o cepillo de acero inoxidable o titanio
También perjudican la soldadura los contaminantes de las superficies a soldar, talescomo óxido, polvo, limaduras y virutas, por lo que deben eliminarse por baño dedecapación, mecanizado pulido o chorro de arena.
El titanio de grado 2 y 5 poseen una buena soldabilidad aunque pierden un poco de valorde sus propiedades mecánicas con respecto al metal base.
Características:
Sensibilidad a fragilización en presencia de C, O, N, H.
Alta reactividad cuando se calienta a temperatura de soldadura
Sensibilidad a fragilización con la presencia de elementos aleantes cuando está sujeto
a ciclos térmicos Incremento a la sensibilidad a fragilización cuando está altamente aleado con
elementos metálicos
Susceptibilidad a la corrosión bajo tensión
Estructuras frágiles cuando el Ti es soldado a otros metales
Mayor soldabilidad de aleaciones químicas puras y alfa que alfa+beta y beta
Necesidad de alto grado de protección por encima de 650ºC
Rápida difusión de O, N, H en el baño de fusión.
Recomendaciones:
Utilización de recocido contra tensiones Turbulencias de aire mismo efecto que gas impuro
Hay que proteger las zonas opuestas de soldadura que se se produce difusión deelementos intersticiales
Aplicar mayor flujo de gas que en otros metales
Los procesos de soldadura que admite el titanio son:
Fricción.
Soldadura con rayo de electrones.
Soldadura por rayo láser.
Soldadura por plasma. Soldadura por puntos