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ESTRUCTURA. ¿Acero inoxidable o acero cromo-molibdeno?

Introducción El rotor
El balancín
El Prelanzador
El empenaje
El fuselaje
La estructura
El equipamiento
El precio Certificación La estadística

Magni Gyro utiliza para la fabricación de sus estructuras acero aeronáutico 4130N con soldadura TIC, mientras que la mayoría de los otros fabricantes utilizan acero inoxidable. ¿Existe diferencia?.

El acero es una aleación de Hierro con hasta un 2% de Carbono, si bien en la inmensa mayoría de sus aplicaciones, se utilizan aquellos con un contenido de este elemento por debajo del 1%. Un contenido de Carbono superior al 2% produce aleaciones quebradizas que no pueden forjarse y que por lo tanto se moldean, denominadas fundiciones.
La incorporación de Carbono a la aleación incrementa la resistencia del acero, pero también su fragilidad. Cuando otros metales son agregados, al producto se le llama “acero aleado”.

Aceros aleados al cromo-molibdeno.
Un acero aleado con Cromo- Molibdeno, catalogado según el sistema de numeración del American Iron and Steel Institute como AISI 4130, ha sido usado ampliamente durante muchos años como el material de elección primaria por excelencia en estructuras aeronáuticas tubulares soldadas para aeronaves ligeras, como fuselajes, trenes de aterrizaje, bancadas de motor, etc.
También se lo produce en planchas, barras, planchuelas y extruidos como ángulos, etc.
Puede ser tratado térmicamente para mejorar sus propiedades mecánicas.

El Cromo (Cr) y el Molibdeno (Mo) incrementan su resistencia a la tracción, su dureza y su rigidez. El Molibdeno intensifica los efectos del Cromo y también mejora la resistencia a la corrosión por causa de los agentes atmosféricos. Esta cualidad es suficiente para hacer innecesaria la protección interior de las estructuras tubulares en las aeronaves.
Esta es la familia más aconsejada en aplicaciones estructurales aeronáuticas por sus excelentes características mecánicas versus costo, la propiedad de poder ser tratado térmicamente para mejorarlas adecuándolas a la aplicación específica, su excelente soldabilidad y resistencia específica (Resistencia/Peso unitario), aunque su peso específico (7,8) sea más del doble que el del Aluminio.
El tipo más utilizado es el AISI 4130, el material de elección casi obligado para resistencia a la tracción en la gama de 1240 a 1380 Mpa/ 180 a 200Ksi.

Considerado un acero de baja aleación porque sus principales agregados, el Cromo y el Molibdeno (Familia indicada por su primer dígito, el “4”), están en una proporción menor al 1% (indicado por el segundo dígito “1”) y también de bajo Carbono (tercer y cuarto dígito “30”), pues su contenido es menor al 0,3%.

Un mayor porcentaje de Carbono afectaría su soldabilidad y la calidad de las soldaduras. Pero aún con este porcentaje de Carbono todavía pueden obtenerse soldaduras de alta calidad, usando el sistema oxiacetilénico o TIG (Siglas en inglés de Tungsten Inert Gas).

Este material es fácilmente formable y cortable con herramientas comunes de acero rápido o metal duro, a pesar de su contenido de Cromo.

La condición de tratamiento térmico del material viene expresada con el sufijo “A” para el recocido, por “annealed” en inglés; “N” para el Normalizado, por “normalised”, con una resistencia final o de rotura a la tracción de 74 Kg/mm2 (para el cálculo estructural debe considerarse una reducción del 20% por soldadura); “F” para indicar que son templados o un código que indica la temperatura desde la cual ha sido templado.

El acero utilizado por Magni es AISI 4130 N. El proceso de normalizado consiste en calentar la pieza uniformemente apenas por encima del punto en el cual la estructura granular del acero es alterada (conocida como el rango crítico) y manteniéndola allí alrededor de quince minutos, seguido de un enfriamiento lento al aire hasta temperatura normal, en una atmósfera quieta, para producir una estructura granular fina y uniforme.

El proceso de soldado genera en todos los aceros alteración de su estado molecular y por tanto pérdidas de resistencia. Por eso, han de seguirse durante el proceso de soldado, tratamientos térmicos secundarios como el re-normalizado, necesario para recobrar la resistencia total del material normalizado en las zonas de juntas afectadas por soldadura en un reticulado, las estructuras tubulares de 4130N tienen que ser Re-Normalizadas.
Esto se realiza en fábrica un proceso certificado aeronáuticamente recalentando aquellas zonas afectadas durante las soldaduras hasta una temperatura de alrededor de 800-850 ºC y permitiendo luego que el metal se enfríe lentamente.
Este proceso debe ser realizado en un recinto a temperatura ambiente que garantice la ausencia de corrientes de aire, con la estructura asegurada a algún soporte, “cama” o utillaje, para prevenir distorsiones en la misma.
El re-normalizado, también libera las tensiones de expansión/contracción térmica inducidas en los tubos en las proximidades de la soldadura.

La tornillería aeronáutica de la serie AN3-20 están hechos normalmente de acero al Ni, Cr, Mo AISI 8740 o AISI 4037 al Mo. Estas son aleaciones de gran resistencia aptas para condiciones de bajas temperaturas, como las que se encuentran a grandes alturas o en rigurosas condiciones invernales.

Aceros dulces al carbono
Se denominan aceros dulces los de bajo contenido de Carbono (entre un 0,10% y 0,25%).
Son aceros simples, aleaciones de Fe-C, no aleados con otros metales, destinados a usos generales en herrería, construcción y estructuras mecánicas, de fácil fabricación, pero que no pueden tratarse térmicamente para mejorar su resistencia.

Su peso específico (7,8 Kg/dm3) es prácticamente igual al de los del tipo Cromo Molibdeno, pero su resistencia es bastante menor.

Son fácil y económicamente soldables por medio de soldadura oxiacetilénica (soldadura aeronáutica tradicional) o por TIG, con excelentes resultados, obteniéndose soldaduras de muy alta calidad. También se pueden emplear con ellos los sistemas MIG o MAG, aunque rara vez son utilizados.

Estos aceros son de bajo costo y fácil obtención en variadas formas (tubos laminados en frío, con o sin costura, extruidos redondos, cuadrados, rectangulares, etc)
Los tipos más comunes y ampliamente utilizados son los AISI 1020 y 1025.

El AISI 1025 tiene una resistencia final (rotura) a la tracción del orden de 46-56 Kg/mm2, lo que es alrededor del 65% de la del AISI 4130N,
A los efectos de abaratar costos, se utilizan tuberías de acero dulce relativamente barato (comparado con el 4130) en aquellas partes de aeronaves ligeras donde no haya significativas cargas de tensión o flexión.

Para protegerlas de la oxidación, las estructuras construidas con tubos de este material se tratan interiormente con impregnaciones oleosas (usualmente aceite de linaza cocido) y exteriormente con antióxido común o base zincromato.
La tornillería habitual que encontramos en ferreterías utiliza este material. Para fabricar tornillos de calidades 8.8 y 10.9, se utiliza un acero pretratado antes del proceso de fabricación de los tornillos, incrementando su dureza. Pero no llega a tener la resistencia del AN, siendo muy vulnerable a las bajas temperaturas.

Aceros inoxidables.

Su nombre genérico deriva de su elevada resistencia a la corrosión y al ataque químico.
Su peso específico se ubica entre 7,9 y 8,2 Kg/dm3 y según su tipo, forma física y dimensiones, son soldables por medio de soldadura TIG, MIG y MAG, estas dos últimas con aporte del mismo material, ya sea en forma de electrodo de alambre contínuo o consumible de aplicación manual.

El Cromo incorporado al acero se combina con el oxígeno del aire para formar una barrera de óxido de Cromo (Cr2O3) que inhibe (pero no previene) la corrosión. Cuando el contenido de Cr de una aleación CRES excede de alrededor del 12%, en combinación con algún otro elemento como el Níquel (Ni) en una subtancial cantidad, ella pasa a clasificarse como Acero Inoxidable.

Muchas fijaciones metálicas, herrajes, tornillería, remaches y otros componentes de aeronaves como cables de mando, alambres de frenar y sistemas de escape, están hechos de aleaciones de aceros inoxidables. Las series AISI 301-304 son las más utilizadas en líneas hidráulicas, de combustible, inyección, etc. También el grado ASTM 316, resistente a los ácidos y apto para ambientes marinos encuentra su aplicación en escapes de motores, cables y sus herrajes y fijaciones asociados, así como en cajas para baterías o aplicaciones en la proximidad de las mismas.

A causa de las dificultades que presentan para ser trabajados y soldados, los aceros inoxidables no se han convertido en una elección muy utilizada por los constructores como materia prima para aplicaciones estructurales. La estructura ha de sufrir también un proceso postsoldado de normalizado para recuperar las características de resistencia iniciales.

Dependiendo de su composición química, los aceros inoxidables se vuelven más o menos resistentes a la par que costosos. Por tanto, los AISI 301-304 (denominados también ASTM 301-304, ISO A2 o “18-8”) son los de más fácil obtención en los mercados y reúnen aceptables características mecánicas y buena resistencia a la corrosion con costo todavía razonable. Entre ellos, es destacable el 301 por su interesante resistencia a la tracción y su dureza, el 304, de uso general y costo accesible y el 304L, de muy bajo contenido de Carbono, que reduce la precipitación de carburos contaminantes durante la soldadura, facilitando esta operación y mejorando su calidad.
Pero su resistencia es inferior a la del acero cromomolibdeno a la par que su peso es mayor, por lo que para obtener las mismas resistencias, debemos de incrementar la sección de los tubos y por tanto, el peso de la estructura.

Por lo tanto, la única razón para utilizar acero inoxidable en la fabricación de estructuras es la facilidad y precio para obtenerlo, lo que se traduce en una rebaja de los costes de fabricación, pero con detrimento de la relación resistencia/peso y, sobretodo, de la seguridad, ya que las soldaduras del acero inoxidable se ven afectadas muy negativamente por las vibraciones.

¿no me creen?. Hagamos una prueba. Busquemos en Google imágenes de amos tipos de acero y saque sus conclusiones.

Acero cromo molibdeno 4130

Acero inoxidable.

El diseño de la estructura Magni.
Si vemos una estructura Magni, nos llama la atención su sencillez, su ligereza y la escasez de soldaduras. La estructura es básicamente una quilla uniforme de principio a fin, sin cortes ni quiebros, con una barra de refuerzo en la zona central, sobre la que se instala el mástil, de una sola pieza, son cortes ni quiebros, con un refuerzo en su parte inferior. Es una simple T invertida. Sencillo, ligero y, sobretodo, resistente.

La disposición de sus elementos no es caprichosa. El centro de la estructura es la zona de unión quilla, mástil, bancada de motor y tren de aterrizaje, los cuatro elementos que sufren todas las tensiones. La zona se ha diseñado por medio de triangulaciones que aligeran la estructura a la para que confieren gran resistencia y evitan deformaciones y tensiones cuando actúan las diferentes fuerzas. Pensemos que el motor puede estar empujando o no, el rotor puede presentar gran resistencia, el tren de aterrizaje puede sufrir un fuerte impacto y la cola grandes torsiones generadas por el par motor o nuestras actuaciones en vuelo. A modo de ejemplo. La ballesta apoya sobre una placa horizontal embebida en esta triangulación. Cualquier golpe que transmita el tren se realiza a través de esta fuerte placa de Cr-Mb y uniformemente repartida por la disposición de la unión comentada, minimizando el impacto. Los tornillos que sujetan la ballesta, colocados de forma vertical, solo sirven para mantenerla en su sitio, no soportan ninguna tensión ni en el más duro aterrizaje. Y eso no es normalmente así en los otros fabricantes.

Y es que llamarse igual No es ser lo mismo.

 

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