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investigaciones de la aleaciones ferrosas y no ferrosas
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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19/06/
ALEACIONES FERROSAS
Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan.
Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.
Las aleaciones ferrosas, basadas en aleaciones hierro-carbono, incluyen los aceros al bajo carbono, los aceros aleados y para herramientas, los aceros inoxidables y los hierros fundidos. Éstos son los materiales más ampliamente utilizados en el mundo. En la historia de la civilización, estos materiales dejaron su huella al definir la Edad de hierro. Los aceros se producen generalmente de dos maneras: refinando el mineral de hierro o reciclando la chatarra de acero (Fig. 1).
Mineral de carbono coque (carbono) y piedra caliza
Metal líquido Hierro en lingote
GasesHorno de aceleraciónAlto hornoCoqueOxígenoAceroHorno eléctrico de arco Electrodos de carbono
Chatarra de acero
Acero(a)
proceso de alto horno. Contiene sílice, CaO y otras impurezas en forma de silicatos fundidos. Dado que el arrabio fundido contiene una gran cantidad de carbono, se sopla oxígeno en el horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés), a fin de eliminar el exceso de carbono y producir acero líquido. El acero tiene un contenido de carbono hasta un máximo de -2%. El procesamiento del acero se efectúa a una escala muy grande. Aproximadamente 300 toneladas de arrabio pueden refinarse en acero fundido en no más de 30 minutos. También el acero se produce reciclando chatarra de acero. Frecuentemente la chatarra de acero se funde en un horno eléctrico de arco en el cual el calor del arco funde la chatarra. Muchos aceros aleados y especiales, como los inoxidables, se producen utilizando fundición eléctrica. Los aceros fundidos (incluyendo los inoxidables) se sujetan frecuentemente a una refinación adicional utilizando procedimientos como, por ejemplo, un refinamiento secundario en cuchara, descarburación por argón y oxígeno (AOo, por sus siglas en inglés) y otros procesos similares. Aquí el objetivo es disminuir los niveles de impurezas tales como fósforo, azufre, etc., y hacer que el carbono llegue al nivel deseado.
El acero líquido se vacía en moldes para producir fundiciones de acero o se funde de manera continua en formas que posteriormente son procesadas mediante técnicas de conformado de metales, como son el laminado o el forjado. En este último caso, el acero se vacía en grandes lingoteras o se funde de manera continua en formas regulares..
Designación y Clasificación de los aceros El acero es una aleación de hierro y carbono donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la
composición de la aleación, El punto de división entre los "aceros" y los "hierros fundidos" es
de 2. 1 % C, punto en que se hace posible la reacción eutéctica. Para 105 aceros, nos
concentraremos en la porción eutectoide del diagrama (Fig. 2), en la cual se identifican de
manera especial las líneas de solubilidad y la isoterma eutectoide, La línea A3 muestra la
temperatura a la cual empieza a formarse la ferrita al enfriarse; la línea Acm muestra la
temperatura a la cual se empieza a formar la cementita; la línea A I es la temperatura
eurectoide.
Hipoeutectoide------------Hipereutectoide ----------------- Acero-----------------------Hierro fundido-------- Fig. 2 (a) Versión ampliada del diagrama Fe-C, adaptado de varias fuentes. (b) Porción eutectoide del diagrama de fase Fe-Fe3C.
Casi todos los tratamientos térmicos del acero tienen como finalidad la producción de una mezcla de ferrita y cementita que dé la combinación correcta de propiedades. La figura 2 muestra tres microconstituyentes importantes o arreglos atómicos de ferrita y cementita, que es lo que generalmente se desea obtener.
Clasificaciones. Los aceros pueden clasificarse
Los aceros al carbono contienen hasta -2%C. Estos aceros también pueden contener otros elementos, como, por ejemplo, silicio (máximo 0.6%), cobre (hasta 0.6%) y manganeso (hasta 1.65%). Los aceros “descarburados” o libres de carbono contienen menos de 0.005% C. Los aceros ultra bajos en carbono contienen un máximo de 0-03%C; también contienen niveles muy reducidos de otros elementos, como el Si y el Mn.
Los aceros bajo carbono. C ontienen de 0.04 a 0.15% de carbono. Estos aceros se utilizan para fabricar carrocerías automotrices y cientos de otras aplicaciones. Los aceros dulces contienen de 0.15 a 0.3% de carbono. Este acero se utiliza en edificios, puentes, tuberías, etc.
Los aceros medio carbono. Contienen de 0.3 a 0.6% de carbono. Estos se utilizan en la construcción de maquinaria, tractores, equipo para minas, etc.
Los aceros al alto carbono. Contienen más de 0.6% de carbono; se utilizan en la fabricación de muelles, ruedas para carros de ferrocarril y similares. Nótese que los hierros fundidos son aleaciones Fe-C que contienen de 2 a 4% de carbono.
Los aceros aleados. Son composiciones que contienen niveles más importantes de AISI define los aceros aleados como aquellos que exceden los porcentajes que se indican en uno
o más de estos elementos: 21.65% Mn, 0.6% Si, 0.6% Cu. El contenido total de carbono llega hasta 1% Y todo el contenido de elementos de aleación es inferior al 5%. Un material se considera también un acero aleado si se especifica una concentración definida de elementos de aleación, como Ni, Cr, Mo, Ti, etc. Estos aceros se utilizan en la fabricación de herramientas (martillos, cinceles, etc.) y también en la manufactura de componentes como ejes, flechas y engranes. Ciertos aceros especializados podrían estar formados incluyendo niveles más altos de azufre (>0.1 %) o de plomo (-0.15-0.35%), a fin de mejorar la maquinabilidad: sin embargo, estos últimos no son fácilmente soldables. Recientemente, los investigadores han desarrollado "acero verde", en el cual el plomo, un elemento tóxico para el ambiente, ha sido reemplazado con estaño (Sn) y /0 antimonio (Sb).
Clasificación de los aceros según su procesamiento. Por ejemplo, el término "aceros concast" se refiere a los aceros fundidos de manera continua. Los aceros galvanizados tienen un recubrimiento de zinc para resistir la corrosión. De manera similar, el acero estañado se utiliza para la fabricación de latas y otros productos resistentes a la corrosión. El estañado se hace depositando estaño mediante un proceso de galvanoplastia, conocido como "electrodeposición de recuadro continuo". Los "aceros-E" son aceros fundidos en un horno eléctrico, en tanto que los "aceros-B" tienen una concentración pequeña (0.0005 'a 0.003%), pero significativa, de boro. Recientemente se ha desarrollado un acero inoxidable recubierto "resistente a los gérmenes". No es necesario aprenderse de memoria todas estas clasificaciones. Es importante comprender cuál es la composición del acero y su microestructura después del procesamiento.
Tratamientos Térmicos Simples Cuatro son los tratamientos térmicos simples:
del tratamiento de recocido de proceso en los aceros es la misma que el recocido de los vidrios inorgánicos, en el sentido de que lo principal es reducir o eliminar de manera significativa los esfuerzos residuales.
Recocido y normalizado, seguido por endurecimiento por dispersión. Los aceros se pueden endurecer por dispersión al controlar el tamaño de la perlita. Inicialmente se calienta el acero para producir una austenita homogénea (FCC fase y), paso conocido como austenización. El recocido, es decir un recocido total, permite que el acero se enfríe lentamente en el horno, produciendo perlita gruesa. El normalizado permite un enfriamiento más rápido del acero, al aire, que produce perlita fina. La figura 4 muestra las propiedades comunes que se obtienen al recocer y normalizar aceros al carbono. Para recocer, se efectúa el austenitizado de los aceros hipoeutectoides alrededor de 30 grados C. por encima de A3, produciendo 100% y. Sin embargo, la austenización de un acero hipereutectoide se efectúa a aproximadamente 30 grados C. por encima de A1, produciendo austenita y Fe3 C. Este proceso impide la formación, en los bordes de grano, de una película, frágil y contínua de Fe3C que se presenta al enfriar lentamente desde la región 100%y. En ambos casos, un enfriamiento lento en el horno y una perlita gruesa proporcionan una resistencia relativamente baja y buena ductibilidad. Para el normalizado se efectúa el austenitizado a aproximadamente 55 grados C por encima de A3 o Acm; el acero se retira entonces del horno y se deja enfriar al aire. Este enfriamiento más rápido produce perlita fina y proporciona una resistencia más elevada.
Fig.4 Efecto del carbono y del tratamiento térmico sobre las propiedades de los aceros de carbono
Recocido de esteroidización y mejoría en la maquinabilidad. Durante el recocido de esferoidización, que requiere varias horas a aproximadamente 30 "C por debajo de A l' la morfología de la fase FeJC se transforma a grandes partículas esféricas, esferoides, con el objeto de reducir la superficie de la cermentita en forma laminar. La microestructura, conocida como esferoidita, tiene una matriz continua de ferrita blanda y maquinable (Fig. 5). Para obtener las propiedades requeridas, se le da al acero, después de maquinado, un tratamiento térmico más sofisticado. Una estructura como la descrita se presenta cuando la martensita es revenida justo por debajo de Al' durante un largo periodo. Como ya se hizo notar, también se agregan elementos de aleación como el Pb y S y, más recientemente, se han desarrollado "aceros verdes" libres de plomo que alcanzan una muy buena maquinabilidad.
Solución Ejemplo:
De la figura 2 determinamos las temperaturas críticas Al' A] o Acm para cada uno de los aceros, Podemos, entonces, con base en estas temperaturas, definir el tratamiento térmico.
TIpo de acero Temperaturas criticas (^1020) Al = 727"C (^) (^1077) Al = 727"C (^) (^10120) Al = 727"C A3 = 830"C A (^) om= 895"C Recocido de proceso 727 - (80 a 170)= 557"C a 647 (^) CC Sin hacer Sin hacer Recocido total Normalizado 830830 +-1- 3055 == 860"C885·C 727 + 30"" 757°C 727 + 30 = 757 cC Recocido de Sin hacer 727 727 - 30^ +^55 == 697·C^ 782°C (^895) 727 - 30^ -1-^55 =^ = 697 "C^ 950·C
esferoidizado
Tabla1.
Tratamientos térmicos isotérmicos
Bainitizado y recocido isotérmico. El tratamiento térmico de transformación isotérmico mediante el cual la austenita se transforma para producir bainita, (Fig. 6). Por lo general, el recocido y el normalizado se utilizan para controlar la finura de la perlita. Sin embargo, la perlita formada a partir de un recocido isotérmico puede tener propiedades más uniformes, ya que las velocidades de enfriamiento y la rnicroestructura obtenida durante el recocido y normalizado varía a lo largo de la sección transversal del acero.
El resto de la austenita entonces se convierte en perlita. Una situación similar, pero que produce cementita primaria y perlita, ocurre en un acero hipereutectoide.
Fig. 7. Diagrama (b) 1050 y diagrama (b) 10110
Si templamos el acero por debajo de la nariz de la curva, solo se formará bainita, independientemente del contenido de carbono en el acero. Si los aceros se templan por debajo de M" se formará martensita.
Interrupción de la transformación Isotérmica. Si se interrumpe el tratamiento este tratamiento se producen microestructuras complicadas (Fig. 8.). Por ejemplo, podríamos austenitizar el acero 1050 a 800 "C, templarlo a 650 "C y conservarlo a esa temperatura durante por 10 menos 10 segundos (permitiendo la formación de algo de ferrita y de perlita) y a continuación, templarlo a 350 "C y conservarlo así durante una hora (3600 segundos). Cualquier austenita inestable remanente después de templar a 350 "C se transformará en bainita, La estructura final está constituida por ferrita, perlita y bainita. Podríamos complicar aún más el tratamiento interrumpiéndolo a 350 "C después de un minuto (60 segundos) y finalmente templando. Cualquier austenita remanente después de un minuto a 350 "C formará martensita. Ahora la estructura final está constituida por ferrita, perlita, bainita y martensita, Observándose que
Tem pera ura ° C
Tiempo(s) (b)
Dure za Rock well C
Tem pera ura ° C
Tiempo(s) (a)
Fig.interrumpir el proceso de transformación isotérmico (1500 x], 7"Plumas" obscuras de bainita, rodeadas por martensita de color claro, obtenidas al
Cada vez que se cambie la temperatura, se empezará a contar el tiempo desde cero. En la práctica, las temperaturas no pueden ser cambiadas de manera instantánea (por ejemplo, no podemos pasar instantáneamente de 800 a 650 o de 650 a 350 "C). Ésta es la razón por la cual es mejor utilizar los diagramas de transformación de enfriamiento continuo (TEC),
Tratamientos térmicos de templado y revenido El templado endurece a la mayoría de los aceros y el revenido incrementa su tenacidad. Este hecho es conocido desde hace quizás miles de años. Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos térmicos para la fabricación del acero de Damasco y de las espadas de los samurais japoneses.
