XVII- ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJO EN · PDF fileMetalografía y Tratamientos Térmicos XVII - 2
Los Tratamientos Térmicos de Los Aceros Especiales
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LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS ESPECIALES
1. INTRODUCCIÓN
Los tratamientos térmicos son operaciones de
calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones
determinadas a que se someten los aceros para conseguir las
propiedades y características más adecuadas a su empleo o
transformación. No modifican la composición química pero sí
otros factores tales como los constituyentes estructurales y
como consecuencia las propiedades mecánicas.
2.) DESARROLLO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Constan de tres fases:
A.) Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperatura de
consigna): La elevación de temperatura debe ser uniforme, por
lo que cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la
temperatura muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a
temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos
críticos, este último es el calentamiento escalonado.
B.) Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la
completa transformación del constituyente estructural de
partida. Puede considerarse como suficiente una permanencia
de unos dos minutos por milímetro de espesor en el caso de
querer obtener una austenización completa en el centro y
superficie. Largos mantenimientos y sobre todo a altas
temperaturas son "muy peligrosos" ya que el grano austenítico
crece rápidamente dejando el acero con estructuras finales
groseras y frágiles.
C.) Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la
temperatura ambiente: Este enfriamiento tiene que ser
rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento
que se realice.
3.) CLASIFICACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TRATAMIENTOS
TÉRMICOS
Tratamientos en la masa: recocidos y normalizados,
temples y revenidos.
Tratamientos superficiales: temple superficial y
tratamientos termoquímicos (cementación, carbonitruración,
boruración y nitruración).
Tratamientos de superficie (depósitos).
4.) TRATAMIENTOS EN LA MASA MÁS UTILIZADOS
A.) Normalizado: Se realiza calentando el acero a una
temperatura unos 50ºC superior a la crítica y una vez
austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad
de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida
que en recocido.
Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la
estructura.
Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de
construcción de 0.15% a 0.60% de carbono.
A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento
será más lento y por tanto la resistencia y el límite
elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente.
Esta variación será más acusada cuanto más cerac del núcleo
realicemos el ensayo.
B.) Recocido: Con este nombre se conocen varios tratamientos
cuyo objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar
su mecanizado posterior. También es utilizado para regenerar
el grano o eliminar las tensiones internas.
Se debe tener en cuenta que los recocidos no proporcionan
generalmente las características más adecuadas para la
utilización del acero y casi siempre el material sufre un
tratamiento posterior con vistas a obtener las
características óptimas del mismo. Cuando esto sucede el
recocido se llama también "tratamiento térmico preliminar" y
al tratamiento final como "tratamiento térmico de calidad".
Los tipos de recocidos son los siguientes: recocido de
regeneración, recocido de engrosamiento de grano, recocidos
globulares o esferoidales (recocido globular subcrítico,
recocido regular de austenización incompleta o recocido
globular oscilante), recocido de homogenización, recocidos
subcríticos (de ablandamiento o de acritud), recocido
isotérmico y recocido blanco.
C.) Temples: es un proceso de calentamiento seguido de un
enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima
llamada "crítica".
El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple es
aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda
la masa en austenita con el calentamiento y después, por
medio de un enfriamiento rápido la austenita se convierte en
martensita, que es el constituyente típico de los aceros
templados.
El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la
velocidad del mismo que debe ser siempre superior a la
crítica para obtener martensita.
La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada.
Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad
crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es
posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les
denomina "autotemplantes".
Los factores que influyen en la práctica del temple son:
El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza
más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de
calentamiento y de enfriamiento.
La composición química del acero: en general los
elementos de aleación facilitan el temple.
El tamaño del grano: influye principalmente en la
velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de
grano grueso.
El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar
un acero es aquel que consiga una velocidad de temple
ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados
son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio,
baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.
Los tipos de temple son los siguientes: temple total o
normal, temple escalonado martensítico o "martempering",
temple escalonado bainítico o "austempering", temple
interrumpido y tratamiento subcero.
D.) Revenido: es un tratamiento complementario del temple,
que generalmente sigue a éste. Al conjunto de los dos
tratamientos también se le denomina "bonificado".
El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero
después de normalizado o templado, a una temperatura inferior
al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que
puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en
tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones
térmicas que pueden generar deformaciones.
Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble
revenido, el primero con enfriamiento rápido y el segundo con
enfriamiento lento hasta -300ºC.
Los fines que se consiguen con este tratamiento so los
siguientes:
- Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un
estado de mínima fragilidad.
- Disminuir las tensiones internas de transformación, que se
originan en el temple.
- Modificar las características mecánicas, en las piezas
templadas produciendo los siguientes efectos:
· Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el
límite elástico y la dureza.
· Aumentar las características de ductilidad; alargamiento
estricción y las de tenacidad; resiliencia.
Los factores que influyen en el revenido son los siguientes:
la temperatura de revenido sobre las características
mecánicas, el tiempo de revenido (a partir de un cierto
tiempo límite la variación es tan lenta que se hace
antieconómica su prolongación, siendo preferible un ligero
aumento de temperatura de revenido), la velocidad de
enfriamiento (es prudente que el enfriamiento no se haga
rápido) y las dimensiones de la pieza (la duración de un
revenido es función fundamental del tamaño de la pieza
recomendándose de 1 a 2 horas por cada 25mm de espesor o
diámetro).
Aceros Especiales
Aceros Bonificados
Normas
Características
Técnicas y
Aplicaciones
Composición
Química
%
Dureza
Entrega
HB
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero al Cr, Ni,
Mo de gran
templabilidad y
tenacidad, con
C :
0,34
Mn :
0,55
Cr :
Mo :
0,25
Ni :
1,55
299
353
4340 6582
tratamiento
térmico, para
ejes,
cigüeñales, ejes
1,55 Código
Color
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero al Cr, Mn,
Mo
contratamiento
térmico, de alta
resistencia a la
tracción para
piezas de
maquinarias
sometidas a la
tracción para
piezas de
maquinarias
sometidas a
exigencias como
muñones, pernos
y piñones
C: 0,42
Mn :
0,65
Mo :
0,20
Cr :
1,00
266
310
4140 7225
Código
Color
Aceros de Cementación
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero al Cr, Ni,
Mo de gran
C :
0,14
Mn :
Cr : 1,0
Ni : 170
210
templabilidad y
tenacidad, con
tratamiento
térmico, para
ejes,
cigüeñales, ejes
diferenciales y
cardanes,
engranajes y
piezas de mando.
0,80 1,45
3115 5713
Código
Color
Aceros para Resortes
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero para
resortes aleado
al Cr, Mn, de
gran durabilidad
en trabajo de
compresión y
tracción.
En resortes de
vehículos,
máquinas,
agroindustria,
cuchillas de
máquinas
pequeñas, piezas
de máquina, etc.
Las temperaturas
de conformado
recomendable son
C :
0,57
Mn :
0,85
Cr :
0,85 240
260
5160 7176
Código
Color
entre 830 y 920 Aceros al Carbono
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero de medio
carbono, de uso
general para la
construcción de
todo tipo de
piezas mecánicas
como ejes,
motores
electricos,
cuñas,
martillos,
chavetas, etc.
En plancha se
utiliza donde
hay mayor
resistencia a
ruptura y
abrasión. Puede
ser suministrado
trefilado
C :
0,45
Mn :
0,65
170
190
1045 1191
Código
Color
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero blando de
bajo carbono
para piezas de
maquinaria,
C :
0,20
Mn :
0,50
120
150
1020 1151
pernos,
pasadores de
baja
resistencia.
Buena
soldabilidad. No
toma temple,
Código
Color
Aceros Refractarios
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero inoxidable
refractario
austenítico al
Cr, Ni, Si, tipo
25/20 para
piezas sometidas
a temperaturas
hasta 1.200° C.
Se emplea en
pisos de hornos,
parrillas,
ganchos, moldes
para vidrio,
tubos de
conducción,
rejillas para
esmaltar; su
C :
0,15
Si :
2,0
Cr :
25,0
Ni :
20,0
145
190
310 4841
Código
Color
Aceros Inoxidables
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero inoxidable
austenítico al
Cr, Ni, Mo, tipo
18/10. Su
contenido de
C: 0,07
máx
Mn :
2,0
Cr :
Ni :
12,0
Mo : 2,2
Si : 1,0
130
180
316 4401
molibdeno mejora
todas sus
características
de resistencia
al ataque ácido.
No se garantiza
la corrosión
intercristalina
en soldaduras.
17,0Código
Color
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero inoxidable
austenítico al
Cr, Ni, Mo, del
tipo 18/10.
Estabilizado al
carbono,
insensibilidad a
la corrosión
intercristalina
en soldaduras,
no necesita
tratamientos
C: 0,03
máx
Mn :
2,0máx
Cr :
17,5
Ni :
12,5
Mo : 2,2
Si : 1,0
130
180
316L 4404
Código
Color
térmicos post-
soldadura. Mejor
aptitud a la
deformación en
frío y obtención
de altos grados
de pulimento, lo
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero inoxidable
austenítico al
Cr, Ni, 18/8.
Buenas
características
de resistencia a
la corrosión,
ductibilidad y
pulido. No
garantido a la
corrosión
intercristalina
en soldaduras.
Resistente a la
corrosión de
aguas dulces y
C: 0,07
máx
Mn :
2,0máx
Cr :
18,5
Ni : 9,5
Mo : 1,0
Si :
130
180
304 4301
Código
Color
atmósferas
naturales. En
construcción de
muebles,
utensilios de
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero inoxidable
austenítico al
Cr, Ni, tipo
18/8.
Estabilizado al
carbono, con
garantía de
insensibilidad a
la corrosión
intercristalina,
por tanto no
necesita
tratamiento
térmico post-
soldadura. De
fácil pulido y
gran
ductibilidad,
especial para
embutido
C: 0,03
máx
Mn :
2,0máx
Cr :
18,5
Ni :
10,0
Si :1,0m
áx
130
180
304L 430L
Código
Color
profundo. Se
emplea en el
forjado,
estampado y
mecanizado de
piezas mecánicas
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero inoxidable
ferrítico con
buena
resistencia a la
corrosión en
frío en medios
moderadamente
agresivos
aptitudes
limitadas para
la deformación
en frío con un
bajo costo con
respecto a otros
aceros de mayor
aleación. Usado
en la
ornamentación de
C: 0,1
máx
Mn :
1,0
Cr :
16,5
Si :1,0
máx
130
170
430 14016
Código
Color
la industria
automotriz.
Aplicaciones
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Son aceros
inoxidables
martensíticos al
Cr, que
presentan una
alta resistencia
mecánica y buena
resistencia a la
corrosión con
tratamientos
térmicos.
Se aplican
fundamentalmente
en la
fabricación de
piezas mecánicas
que operan
normalmente en
contacto con
agua, vapor,
vinos, cerveza y
otros ambientes
moderadamente
corrosivos, como
C: 0,15
máx
Mn :
1,0
Cr :
13,0
Si :1,0
máx
500
530
1020 1151
Código
Color
pernos,
pasadores,
pistones, Aceros Antiabrasivos
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero
estructural
aleado de bajo
carbono con
tratamiento
térmico y altas
propiedades de
soldabilidad,
resistencia al
impacto y la
abrasión a bajo
costo. Usos:
Planchas de
recubrimiento
antiabrasivas
chutes, equipos
de movimiento de
tierras y
minerales, y
otros servicios
severos de
impacto y
abrasión.
Permite reducir
el peso muerto
C: 0,17
Mn :
1,0
Cr :
0,53
Mo :
0,22
V : 0,06
Ni, Ti,
B.
321
390
T-1 8921A
8922B
Código
Color
Durcap 360
USA/
SAE/AISI
Alemania
W.St.N°
Acero aleado,
templado y
revenido,
diseñado para
obtener alta
C: 0,31
máx
Mn :
1,0
Cr :
Ni : 1,5
máx
Mo :
0,35
Nb:
500
Cap 500
resistencia a la
abrasión e
impacto.
Estas
propiedades
permiten obtener
a este acero un
altísimo
desempeño al ser
usado en equipos
de movimiento de
tierra, tolvas,
cucharones de
1,25 0,02máxCódigo
Color
Fuente : SABIMET
Aceros:
Los aceros son aleaciones de hierro-carbono, aptas para
ser deformadas en frío y en caliente. Generalmente, el
porcentaje de carbono no excede del 1,76%.
Estructura del acero
Las propiedades físicas de los aceros y su
comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo
de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro.
Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros
son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y
cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con
pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en
disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de
carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.
La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con
una composición específica y una estructura característica, y
sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos
componentes.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido
tratado térmicamente depende de las proporciones de estos
tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de
un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de
perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por
completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de
carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.
Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la
perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de
hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la
propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el
metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a
convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es
repentino la austenita se convierte en martensita, una
modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita
pero con carbono en solución sólida.
Tratamiento térmico del acero
El proceso básico para endurecer el acero mediante
tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una
temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre
los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez
sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de
endurecimiento, que forman martensita, crean grandes
tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el
temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el
acero hasta una temperatura menor. El temple reduce la dureza
y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.
El objetivo fundamental del proceso de tratamiento
térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y
distribución de las partículas de cementita contenidas en la
ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del
acero.
Hay muchas variaciones del proceso básico. Los
ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de
austenita a martensita se produce en la última fase del
enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un
cambio de volumen que puede agrietar el metal si el
enfriamiento es demasiado rápido.
Se han desarrollado tres procesos relativamente nuevos
para evitar el agrietamiento. En el templado prolongado, el
acero se retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado
la temperatura en la que empieza a formarse la martensita, y
a continuación se enfría despacio en el aire. En el
martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento
que el templado prolongado y se coloca en un baño de
temperatura constante hasta que alcanza una temperatura
uniforme en toda su sección transversal. Después se deja
enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas
de formación de la martensita, que en la mayoría de los
aceros va desde unos 300 ºC hasta la temperatura ambiente. En
el austemplado, el acero se enfría en un baño de metal o sal
mantenido de forma constante a la temperatura en que se
produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese
baño hasta que el cambio es completo, antes de pasar al
enfriado final.
Hay también otros métodos de tratamiento térmico para
endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las
piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con
compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos
reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o
forman nitruros en su capa superficial.
En la carburización la pieza se calienta cuando se
mantiene rodeada de carbón vegetal, coque o de gases de
carbono como metano o monóxido de carbono. La cianurización
consiste en endurecer el metal en un baño de sales de cianuro
fundidas para formar carburos y nitruros. La nitrurización se
emplea para endurecer aceros de composición especial mediante
su calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros de
aleación.
Ventajas y desventajas del acero como material de
construcción:
Ventajas del acero como material estructural:
Alta resistencia.- La alta resistencia del acero por
unidad de peso implica que será poco el peso de las
estructuras, esto es de gran importancia en puentes de
grandes claros.
Uniformidad.- Las propiedades del acero no cambian
apreciablemente con el tiempo como es el caso de las
estructuras de concreto reforzado.
Durabilidad.- Si el mantenimiento de las estructuras de
acero es adecuado duraran indefinidamente.
Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un
material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo
altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los
aceros estructurales comunes les permite fluir localmente,
evitando así fallas prematuras.
Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es
decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un
material para absorber energía en grandes cantidades se
denomina tenacidad.
Otras ventajas importantes del acero estructural son:
A) Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de
varios tipos de conectores como son la soldadura, los
tornillos y los remaches.
B) Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura.
C) Rapidez de montaje.
D) Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de
tamaños y formas.
E) Resistencia a la fatiga.
F) Posible rehuso después de desmontar una estructura.
Desventajas del acero como material estructural:
Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los aceros
son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y
al aire y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente.
Costo de la protección contra el fuego.- Aunque algunos
miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias
se reducen considerablemente durante los incendios.
Susceptibilidad al pandeo.- Entre más largos y esbeltos
sean los miembros a compresión, mayor es el peligro de
pandeo. Como se indico previamente, el acero tiene una alta
resistencia por unidad de peso, pero al utilizarse como
columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante
material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el
posible pandeo.
NOTA: El acero estructural puede laminarse en forma económica
en una gran variedad de formas y tamaños sin cambios
apreciables en sus propiedades físicas. Generalmente los
miembros estructurales más convenientes son aquellos con
grandes momentos de inercia en relación con sus áreas. Los
perfiles I, T y L tienen esta propiedad.
Características de los aceros:
En este proyecto se van a emplear una serie de
materiales dependiendo de la temperatura a la que trabaja el
aparato al que va destinado ese material. Tenemos tres aceros
a elegir; el acero al carbono que se empleará cuando
trabajemos a temperaturas superiores de -28ºC, el acero
inoxidable cuando trabajemos a temperaturas entre -28ºC y -
45ºC y, por último, el acero con una aleación de 3,5% de
níquel que se empleará a temperaturas inferiores a -45ºC.
A continuación se expondrán las características de cada
uno de estos aceros.
Aceros al carbono:
Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Están
formados principalmente por hierro y carbono. Estos aceros
contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de
manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los
productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas,
carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras
de construcción de acero, cascos de buques, somieres y
horquillas.
Aceros inoxidables:
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros
elementos de aleación, que los mantienen brillantes y
resistentes a al herrumbre y oxidación a pesar de la acción
de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros
inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y
mantienen esa resistencia durante largos periodos a
temperaturas extremas. Se emplea para las tuberías y tanques
de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los
fuselajes de aviones o para cápsulas espaciales.
En la industria química y petroquímica, los aceros
inoxidables ofrecen elevada resistencia a la corrosión y
excelentes propiedades mecánicas así como un bajo costo de
mantenimiento.
Los aceros inoxidables son más resistentes a la
corrosión y a las manchas de los que son los aceros al
carbono y de baja aleación. Este tipo de resistencia superior
a la corrosión se produce por el agregado del elemento cromo
a las aleaciones de hierro y carbono.
La mínima cantidad de cromo necesaria para conferir esta
resistencia superior a la corrosión depende de los agentes de
corrosión.
Las principales ventajas del acero inoxidable son:
Alta resistencia a la corrosión.
Alta resistencia mecánica.
Apariencia y propiedades higiénicas.
Resistencia a altas y bajas temperaturas.
Buenas propiedades de soldabilidad, mecanizado, corte,
doblado y plegado.
Bajo costo de mantenimiento.
Reciclable.
Como consecuencia de diferentes elementos agregados como
níquel, cromo, molibdeno, titanio, niobio y otros, producen
distintos tipos de acero inoxidable, cada uno con diferentes
propiedades.
1.9 DIAGRAMAS TTT:
Los diagramas Temperatura - Tiempo Transformación
gráficamente describen las velocidades, tiempos y
temperaturas a las cuales se producen las transformaciones de
las aleaciones a estructuras fuera del equilibrio :
·Diagrama de Transformación Isotérmica (TI): diagrama de
transformación tiempo - temperatura que indica el tiempo
necesario para que una fase se descomponga en otra fases
isotérmicamente a diferentes temperaturas. Permite predecir
estructura, propiedades mecánicas y el tratamiento térmico en
los aceros.
·Diagrama de Transformación de Enfriamiento Continuo (TEC):
diagrama de transformación tiempo - temperatura que indica el
tiempo para que una fase se descomponga continuamente en
otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento.
EL ESTADO METÁLICO.
En los metales sus átomos tienden a perder electrones
periféricos, es decir, a ionizarse positivamente. Tienen
brillo, conductividad térmica y eléctrica, resistencia
mecánica y gran plasticidad. Se deforman sin romperse. Tienen
un enlace característico de sus átomos:
ENLACE METÁLICO: Existe una forma de unión interatómica de
carácter primario que constituye el enlace metálico. Se debe
a que los electrones de valencia se expanden por todos sus
átomos formando una nube de enlace.
Estos electrones son susceptibles de moverse permitiendo una
gran conductividad térmica y eléctrica.
El estado sólido puede ser CRISTALINO Y AMORFO.
El CRISTALINO que gracias a la difracción de los rayos X
puede verse, tiene una ordenación interna de sus átomos; en
el AMORFO no hay ordenación.
El cristalino por su ordenación atómica no se comporta igual
en todas las direcciones, ante agentes externos,
(anisotropía).
Sin embargo en el amorfo con arbitrariedad en su
constitución, sus propiedades son idénticas en cualquier
dirección del cuerpo (isotropía)
La estructura de los metales es cristalina y tiene como
elemento fundamental el cristal, con dimensiones a escala
atómica.
Cuando estos cristales se agrupan formando granos se denomina
estructura granular o micrográfica, porque se puede observar
a través del microscopio.
Cuando el elemento constitutivo son fibras se denomina
estructura macrográfica y se observa a simple vista.
ALOTROPÍAS: todo cuerpo con idéntica composición y distinta
cristalización.
PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES.
RESISTENCIA A LA ROTURA:
COHESIÓN: Fuerza que se opone a la rotura de un
material.
Existen tres comportamientos fundamentales según el
esfuerzo.
Tracción.
Compresión.
Cortadura.
RESISTENCIA A TRACCIÓN: Se determina con el ensayo de
tracción, con una probeta de unos 30 cm de largo.
OA. Período elástico: Es una recta, con tensiones y
deformaciones proporcionales. Si cesa la tensión, el material
se recupera. Esta zona cumple la ley de Hooke.
AB. Zona de fluencia. Sin aumentar la tensión, aumenta la
deformación.
R: Tensión máxima. Se produce un estrechamiento en el centro
de la probeta.
BC: Período plástico. Las deformaciones son permanentes.
A partir de R, las tensiones cesan. U es la tensión última.
ALARGAMIENTO LOCALIZADO: Es la relación de aumento de
longitud respecto de la longitud total inicial. El
alargamiento se tiene que producir en el tercio central de la
probeta. Es función del espesor o del diámetro.
Lf - Li
A. L..= ---------- * 100
Li
ESTRICCIÓN: Variación de la sección en función de la
sección inicial.
Si - Sf
E = --------- *100
Si
La resistencia a tracción es una característica en la que los
metales se comportan de una manera excelente.
Los metales son el material que mejor resiste los esfuerzos
de tracción.
RESISTENCIA A COMPRESIÓN: Es la máxima tensión que resiste el
material a un esfuerzo de compresión. Los metales tienen muy
buen comportamiento a compresión, a veces mejor que a
tracción. Hay que tener en cuenta la esbeltez o el pandeo.
RESISTENCIA A CORTADURA: Normalmente se nos va a dar en los
voladizos. En los metales, esta resistencia es del 60% de su
resistencia a compresión o a tracción.
Si la estructura está bien calculada para compresión y
tracción, va sobrada a cortadura.
A compresión y a cortadura no se ensayan los elementos
metálicos.
DEFORMABILIDAD: Propiedad mecánica que define la capacidad de
deformarse antes de la rotura por fuerzas exteriores.
PLASTICIDAD:
Ductilidad: Deformación que produce elementos en forma
de hilo.
Maleabilidad: Deformación en forma de láminas.
En general los metales suelen ser dúctiles y maleables.
ACRITUD: Se da en ciertos metales, que aumentan su capacidad
de resistencia aun aumentando la carga o el trabajo realizado
sobre ellos. Se debe a una reestructuración de los cristales.
FRAGILIDAD: Un metal es más frágil cuanto menor es su período
plástico.
TENACIDAD: Es la capacidad de un metal de absorber esfuerzos
dinámicos, en forma de trabajo o energía. Se mide con el
ensayo de resilencia. Varía con la temperatura.
DUREZA:
1. Rayado: Es la resistencia de un metal a ser deformado
por otro en su superficie.
Ensayo de Mortens: Se raya un metal por una punta de diamante
piramidal y en función del rayado que se le produzca se
define. También se mide con la escala de Mhos.
1. Penetración: Es la resistencia a que un material haga
mella en otro según la presión.
Brinell: Una esfera de diámetro d. La huella que deja en
dicho material:
Rockwell: Nos mide la penetración de una punta cónica
que tiene mayor poder penetrante, para aceros de mayor
resistencia.
Vickers: Para placas de acero finas. Se realiza con una
punta piramidal.
1. Elástica: Cómo se comporta la superficie de un metal
cuando se produce sobre ella un impacto. Se mide el rebote de
la bola de acero (Shore).
SOLDABILIDAD: Es la propiedad que tienen algunos metales, por
la que dos piezas de los mismos pueden unirse al entrar en
contacto íntimo.
Los metales sueldan bien por el enlace metálico. Al proceso
se le llama soldadura, que puede ser de dos tipos: autógena u
homogénea y heterogénea. La primera se utiliza cuando los dos
metales son de la misma naturaleza y no existe un metal de
aportación distinto del metal a unir. La segunda se utiliza
cuando los dos metales son distintos y el metal de aportación
también es distinto.
Se necesita fundir las superficies de contacto y presionar
sobre ellas, osídricas cuando el elemento que produce la
unión es el hidrógeno y el oxígeno y acetilénicas con
hidrógeno por acetileno. Pueden añadirse metales de
aportación en forma de varillas conteniendo fundentes que
forman escoria y ésta ocupa el lugar del oxígeno.
La soldadura eléctrica consiste en una corriente eléctrica
entre el metal de aportación y los metales a unir produciendo
calor y realizando la unión.
La soldadura por forja consiste en la unión de los metales
produciendo un calentamiento de las zonas a soldar y por
medio de golpes se consigue la unión.
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA: Es la facilidad con que un metal
deja pasar a través de él la corriente eléctrica. En general,
los metales son buenos conductores. Se mide por la
resistencia eléctrica. Se utiliza como conductor eléctrico el
cobre, debido sobre todo a la ductilidad.
L
Resistencia = r * -- r=Resistividad en función de cada metal
y de la
S Temperatura.
1
Resistividad = -- E= Conductividad.
E
Se utiliza como conductor eléctrico el cobre, debido sobre
todo a su ductilidad.
CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA: Los metales
son buenos conductores del calor debido al enlace metálico. A
mayor k mayor número de calorías traspasa el material.
Conductor > 0.05 > Aislante.
Coeficiente de dilatación térmica: Aumento de longitud,
superficie o volumen al variar 1ºC la temperatura.
PROPIEDADES QUÍMICAS: Comportamiento frente al contacto de
los metales con la atmósfera.
La oxidación procedente de la atmósfera suele ser de
escasa importancia (O2). La acción del oxígeno y el calor
produce una capa de óxido superficial, que en algunos metales
es suficiente para aislarlo del exterior (el aluminio posee
una oxidación artificial).
La corrosión es el efecto que produce el O2 y la
humedad.
1. Uniforme: Se produce un debilitamiento del material por
la pérdida de espesor.
1. Localizado: Se produce en zonas determinadas por la
rugosidad. Se produce una pérdida de resistencia puntual.
1. Intergranular: Entre los granos se pierde adherencia, y
no se aprecia exteriormente. Se producen roturas
instantáneas.
Causas de la corrosión:
Acción electroquímica:
1. Galvánica: Cuando no hay corriente exterior. Los pares
galvánicos se producen por presencia de distintos metales,
por heterogeneidad o por que en el mismo ambiente se produzca
una pila galvánica. Depende del potencial de los metales. El
que está más alejado del Hidrógeno es el que va a ocupar el
ánodo (es el que se oxida).
1. Electroquímica: Hay aportación de corriente que puede
producir una oxidación por la polaridad que tenga el metal.
Química.
PROCESOS GENERALES METALÚRGICOS.
PROCESO METALÚRGICO: Los metales no suelen estar en estado
puro en la naturaleza, aparecen mezclados con otros
elementos, formando minerales.
Al mineral se le denomina mena. A éste están adheridos otros
materiales, llamados ganga.
Condiciones del yacimiento: Riqueza, composición mineral,
dureza, estratos o rellenando grietas, situación geográfica,
ganga que acompaña.
1. TRITURACIÓN: Consiste en reducir el tamaño de las
partículas que provienen de la explotación del yacimiento.
Hay tres fases de quebrantamiento. Las trituradoras nos
garantizan un tamaño máximo, no un tamaño mínimo.
1. MOLIENDA: Consiste en reducir aún más el tamaño de las
partículas después de la trituración.
CLASIFICACIÓN: Separación por tamaños del producto resultante
de la molienda. Para ello se utilizan las cribas, que son
chapas perforadas en distintos tamaños, y los tromeles, que
son cilindros o troncos de cono.
El separador Evans consiste en varios recipientes en los que
entra el material desleído en agua y cae en un primer
recipiente con una boquilla donde se inserta agua a presión.
Regulando esta presión se llega a otra cubeta donde por
gravedad se depositan las partículas más gruesas. Las demás
continúan hasta la siguiente cubeta.
El separador de pistón consiste en un recipiente dividido en
dos departamentos. Uno de ellos tiene un pistón que presiona
al agua. Se produce así una corriente que tira de las
partículas más finas que pasan por una criba. Las más gruesas
quedan en el fondo.
CONCENTRACIÓN: Es el proceso mediante el que vamos a separar
la ganga y la mena por propiedades físicas o magnéticas.
A nivel industrial existen dos métodos: Flotación y
separación magnética.
Flotación: Consiste en aprovechar las diferencias de
densidad entre los distintos materiales. Se ponen las
partículas en balsas de agua. Se inyecta aire a presión que
agita la masa y favorece que los elementos más ligeros suban
a la superficie.
Separación magnética: Consiste en aprovechar las
propiedades magnéticas, sobre todo en los materiales
ferrosos.
OBTENCIÓN DEL METAL PURO: Los metales nunca van a estar en
estado puro, sino combinados. Si tenemos el metal en forma de
óxido lo podremos reducir.
2MO + C ! 2M + CO2
MO + C ! M + CO
MO + CO ! M + CO2
En el caso de que esté en forma de carbonatos la reacción
será:
CALCINACIÓN
CO3 ____! CO2 + MO
Si está en forma de sulfuro:
TOSTACIÓN
2SM + 302 ____! 2SO2 + 2MO
CALOR
(CO)4Ni ____! Ni + 4CO Disociación
Cr2O3 + 2Al ____! Al2O3 + 2Cr Sustitución
SO4C4 ____! SO4 + Cu Electrolisis
En general, estas reacciones sólo se dan en estados casi de
fusión.
FUNDENTE: Se utiliza para eliminar los restos de ganga. Se
combina con ésta dando compuestos fácilmente fusibles
(escorias) y que evitan la mezcla de la ganga con el metal
bruto que se vaya produciendo. Si la ganga es ácida,
tendremos que utilizar un fundente básico, como la castina.
Si la ganga es básica se necesita un fundente ácido (a base
de silicio) como la erbua.
COMBUSTIBLES:
SÓLIDOS:
NATURALES:
LIGNITO.
HULLA.
ANTRACITA.
ARTIFICIALES:
CARBÓN VEGETAL.
COQUE.
LÍQUIDOS:
GAS-OIL.
FUEL-OIL.
GASEOSOS:
GAS DE ALUMBRADO.
GAS MANUFACTURADO.
GAS NATURAL.
AFINO DE LOS METALES: Proceso mediante el que eliminamos
impurezas que no se han eliminado en el proceso de obtención.
En algunos casos se pueden controlar las proporciones de
distintos metales.
Fusión: Aprovechamos los distintos puntos de fusión. Se
llega hasta la fusión de uno de ellos y el que queda en
estado sólido se decanta hasta el fondo. Se utiliza sobre
todo para impurezas de tipo metálico.
Reacción selectiva: Se calientan los metales hasta altas
temperaturas y se pone en contacto un elemento que sea
fácilmente combinable con las impurezas y fácilmente
eliminable.
Electrólisis: Se producen un ánodo y un cátodo. En el
ánodo se coloca el material que se quiera afinar y en el
cátodo láminas de metal puro. Las impurezas se van
decantando. Éste es un afino de terminación.
TRABAJO SOBRE LOS METALES:
Forja: Consiste en calentar el metal a una temperatura
de recristalización y por medio de golpes se reducen las
dimensiones. Desde forjas livianas o pequeñas a grandes
forjas.
Laminación: Consiste en pasar la pieza a laminar por dos
o más cilindros laminadores que giran sobre su eje y en
sentido contrario uno de otro que presionan sobre la pieza y
le dan forma. Al conjunto de laminadores se le llama tren de
laminación. Al paso del metal por los laminadores se le llama
pasada.
Laminadores de desbastar: Cogen el lingote de la
fabricación del acero y le dan una primera forma (cuadrada o
rectangular).
Trenes intermedios: Le dan la forma concreta. Siempre
son en caliente.
Tren de acabado: Perfila la superficie. Se hace en frío.
Trefilado: Consiste en pasar la pieza por unas boquillas
colocadas en hilera. Se puede hacer en caliente o en frío. En
este último caso hay que darle un recocido en alguna de las
fases del trefilado. Se va disminuyendo poco a poco la
sección.
Moldeo: Consiste en dar forma a los metales por medio de
moldes que reproduzcan la pieza que queremos obtener. El
molde debe ser fácil de realizar, que resista el material
fundido, debe ser fácilmente desmontable. En piezas de
fundición los moldes van a ser de arena.
Moldeo en lecho: Piezas superficiales.
Centrifugación: Se inyecta el metal fundido contra las
paredes de un molde que gira y que distribuye el metal (para
tubos...).
A presión: Planchas o prensas donde está reproducido el
molde. Por medio de presión acoplamos el metal fundido.
Moldeo de primera fusión: Consiste en obtener lingotes a
partir directamente de la obtención.
Moldeo de segunda fusión: Consiste en obtener lingotes a
partir del afino.
Mecanizado: Operaciones sobre el metal: Recalcado,
taladrado...
SIDERURGIA
DEFINICIÓN.
La siderurgia es la parte de la metalurgia que estudia todo
lo referente al hierro y al acero.
El hierro está de un 5 a un 7% en la corteza terrestre
combinado de muy distintas formas. Para que sea rentable, el
mineral debe tener al menos un 20% de hierro.
MINERALES FÉRRICOS.
Magnetita: Fe2O4. Tiene alrededor del 70% de hierro. Es el
mineral de mejor calidad para la obtención.
Oligisto: Fe2O3. Tiene el 60% de hierro. También llamado
hematite roja. Es más abundante que la magnetita.
Limonita: 2Fe2O3+3H2O. También llamada hematite parda. Tiene
el 45% de hierro, con bastantes impurezas de tipo silicato.
Es bastante abundante.
Siderita: CO3Fe. Tiene del 30 al 35% de hierro. Suele tener
impurezas de manganeso que mejoran las propiedades del acero.
Piritas: Del 50 al 60% de hierro. La depuración del azufre es
costosa y siempre quedan cantidades apreciables del mismo.
EL HORNO ALTO.
La materia prima es el mineral triturado y molido. El
combustible es el coque.
Se utiliza un fundente básico de caliza. Con este fundente
podremos separar los elementos ácidos que acompañen al
mineral, sobre todo silicatos.
Se mezcla el mineral con la caliza y se va introduciendo en
el alto horno en capas alternadas: mezcla mineral más
fundente, carbón de coque.
Cuando el material es muy pulverulento se hacen ladrillos
compactos de mineral más fundente (sinterización).
La obtención se hace por reducción de los óxidos metálicos
que tenemos en el mineral.
El alto horno es una torre de forma oblonga de unos 20-30
metros de altura. Las paredes son de material refractario. La
forma troncocónica del horno facilita la caída del material y
absorbe los aumentos de tamaño.
La extracción de las escorias se denomina sangrado.
Las toberas son los conductos por donde se inyecta aire para
la combustión. El aire proviene de las estufas Cawell.
Procesos en el alto horno:
200-400° C. Zona de desecación. Se elimina la humedad.
600-800° C. Zona de reducción. Todavía se mantiene en estado
sólido.
1000° C. Carburación.
1400-1800° C. Zona de fusión.
El material va descendiendo. Las cenizas, los gases y las
escorias ascienden.
Los hornos se deben mantener continuamente encendidos.
Por la tobera pasa el oxígeno y se produce la reacción de
combustión del coque.
El CO2, al ascender, provoca que se produzcan las reacciones
de descomposición del hierro.
(SiO2)2Al2O3 + 7CO3Ca ___! 2SiO22CaO + Al2O33CaO + 2H20 +
7CO2
Las impurezas, en presencia del fundente nos dan escorias que
son componentes del clinker de cemento portland.
Tras la reducción siguen existiendo impurezas.
El hierro así obtenido es llamado arrabio, con porcentajes de
carbono superiores al 4%.
Arrabio:
Lingote 1ª fusión: · Hierro dulce o pudelado.
· 2ª fusión, fundición y moldeo.
· Afino con cubilotes.
Arrabio líquido para afino: Aceros.
Arrabio líquido para moldes.
ESCORIAS: Se pueden obtener de tres formas distintas en
función de como las vaya a enfriar. Deben ser ricas en sílice
y alúmina.
Enfriada al aire: Escorias normales, como árido, como
rellenos una vez trituradas.
Atronadas: Enfriadas bruscamente con agua. Se fraccionan
y se pueden utilizar como adiciones para los cementos.
Escorias dilatadas: Enfriadas con una cantidad inferior
de agua. Se suelen utilizar como árido en hormigones ligeros.
Enfriadas con vapor de agua a presión: Se producen una
serie de filamentos. Se utilizan como aislamiento térmico y
acústico.
GASES: Se utilizan para aportar calor a la continuación del
proceso siderúrgico.
BLANCA ORDINARIA
ORDINARIAS GRISES FERRÍTICA
ATRUCHAD PERLÍTICA
FUNDICIONES BAJA ALEACIÓN
ALEADAS
ALTA ALEACIÓN
ESPECIALES
MALEABLES
GRAFITO
FUNDICIÓN: Tiene más de un 1'76% de Carbono. El arrabio sale
con un contenido de carbono superior al 4% y con otros
componentes como silicio, manganeso, azufre y fósforo. Por lo
tanto, el arrabio es una fundición.
Fundiciones ordinarias: Son las fundiciones de primera
fusión o las que también son sometidas al afino.
Blancas: Al romper la fundición, tiene un
aspecto blanco metálico. Todo el carbono que tienen está
combinado con el hierro en forma de cementita. La cantidad de
carbono está entre el 1'76 y el 6'67%. Es un producto de gran
dureza, fragilidad y poca tenacidad. Cuanto más carbono
tenga, será más duro, más frágil y menos tenaz. No tiene
demasiada utilización. Recocida se convierte en una fundición
maleable
Grises: El color de la fractura es gris.
El carbono se encuentra en forma de grafito.
Ordinarias: Son fundiciones más densas, menos
resistentes, más tenaces, menos frágiles, resistentes a las
vibraciones, se pueden moldear mejor, se pueden trabajar con
lima. El enfriamiento lento favorece la formación de
fundición gris. Se utiliza para piezas de maquinarias, para
tubos, para lingoteras, para ruedas, para tapas de
arquetas...
Perlíticas: Son fundiciones grises en las que parte del
carbono está en forma de perlita laminar. Tienen mayor
resistencia al desgaste, más dureza y más resistencia a
tracción que las ordinarias (40 frente a 30 Kg/mm). Son más
difíciles de obtener, siempre en un afino y a altas
temperaturas.
Atruchadas: Están a medias entre la fundición blanca y
la gris. Presenta unas escamas blancas.
Fundiciones especiales:
INOCULACIÓN: Consiste en añadir en la cuchara de colada un
ferrosilicio o siliciuro cálcico, que tienen características
de desoxidantes y facilitan la producción de grafito.
Consigue mejorar las características mecánicas sin aumentar
la fragilidad.
Partiendo de fundiciones ordinarias y añadiéndole otros
materiales obtenemos las fundiciones aleadas.
Fundiciones aleadas:
De baja aleación: Menos de un 5%. Así se obtienen
propiedades como alta resistencia a tracción, al desgaste, al
calor. Se utilizan níquel, cromo y molibdeno.
De alta aleación: Más de un 5%. Se utiliza cromo, níquel
y aluminio. Van dirigidas a tener buenas características
mecánicas a temperaturas superiores a 1000° C. En el caso del
aluminio a 2000° C.
Fundiciones maleables: Se trata de encontrar un producto
más tenaz y menos frágil que las fundiciones blancas. El
proceso consta de dos fases: Se hace el elemento en fundición
blanca. Después se pasa al recocido (elevación de la
temperatura de una pieza hasta casi la de transformación en
austenita) y se deja enfriar lentamente.
Método europeo o de corazón blanco: Se coge la pieza de
fundición blanca con el menor contenido posible de carbono y
silicio entre el 0'6 y el 1%. Se envuelve en un material
oxidante y se mete en cajas herméticamente cerradas al horno
a 1000° C. El primer día se eleva la temperatura. Durante
tres días se mantiene, produciéndose una descarburación. Se
deja enfriar durante dos días. Así se obtiene una pieza con
la misma resistencia y mayor tenacidad.
Método americano o de corazón negro: Con silicio entre
el 1'1 y el 1'2% y la menor cantidad posible de carbono. El
proceso es similar al anterior. La temperatura sube a 700-
800° C. Se deja un día de calentamiento, dos de mantenimiento
y tres de enfriamiento. El material que rodea a las piezas es
neutro y no oxidante. Se obtiene carbono en forma de grafito,
mejores características mecánicas que con el europeo, y se
pueden tratar piezas de mayor grosor (3 cm frente a 1 cm).
Fundición de grafito: En ella se encuentran nódulos de
grafito de 0'05 mm de diámetro. Se obtiene a partir de
fundiciones grises ordinarias. En la cuchara de la colada se
le ha incluido un inoculante (ferrosilicio y magnesio). El
tratamiento que sufre es un temple (calentamiento a 908° C y
enfriamiento en aceite). Pierden algo de resistencia pero
aumenta mucho la tenacidad.
Los hornos de cubilote se cargan con fundición de primera
fusión en forma de lingotes, con castina como fundente y con
carbón de coque.
La temperatura se consigue por la combustión del carbón
favorecido por la inyección de aire por las toberas.
El proceso es similar al del alto horno. Se puede reducir el
carbono a menos del 1'76%.
La fundición es la que más cantidad de carbono va a tener. A
más carbono, menos soldabilidad, menos forjabilidad, más
resistencia a la corrosión, más resistencia a las vibraciones
y mejor moldeo.
Según pierde carbono, se va solidificando, y su punto de
fusión es más bajo. A más carbono, menor punto de fusión.
Fundición = 1300° C.
Aceros = 1400-1500° C.
Hierro dulce = 1700° C.
Formas comerciales de las fundiciones: Tuberías de
saneamiento y todas sus piezas accesorias, registros,
rejillas de suelo, tapas, cerrajería, mobiliario urbano,
válvulas...
HIERRO DULCE O PUDELADO: Tiene un porcentaje de carbono del
0'1 como máximo. Su estructura es fibrosa, es blando, dúctil,
maleable, forjable, soldable, trabajable. No puede ser
endurecido por temple. Tiene un punto de fusión muy alto. Es
el menos resistente mecánicamente.
Actualmente ha sido sustituido por aceros extrasuaves.
Se obtiene a partir del horno de reverbero. Éste consta de
una solera central con un gran recipiente donde se colocan
los lingotes. La fuente de calor no está en contacto con él.
Según se va calentando se produce un principio de fusión en
los lingotes y el oxígeno oxida los componentes y reduce el
carbono. Según se va perdiendo carbono la temperatura de
fusión es más alta y parte se va solidificando.
Las escorias quedan adheridas a las bolas y hay que
eliminarlas (cinglarlas).
Este hierro prácticamente no se va a utilizar. Es apreciado
para hacer aleaciones de acero especial. También se utiliza
para piezas de barco, cadenas...
ACEROS: Afino en estado líquido:
Mezclador.
Convertidor: Bessemer / Thomas / LD.
Solera Martin-Siemens: Ácido / Básico.
Horno eléctrico.
Crisol
MEZCLADOR: Está revestido interiormente de fábrica
refractaria. Sirve para homogeneizar la colada del alto horno
y como recipiente regulador para los hornos de afino,
manteniendo el arrabio líquido.
El mezclador se alimenta de forma continua.
Se produce de forma indirecta un principio de afino. El
azufre, el silicio, el manganeso y parte del carbono, en
contacto con el oxígeno se oxidan. El que más se altera es el
azufre que se oxida de un 20 a un 25%. El fósforo no se
reduce.
CONVERTIDOR:
C - 3'5 a 4%
Si - 1'5 a 2%
Bessemer: Mn - 1'5 a 3%
S - < 0'05%
P - < 0'05%
C - 3'5 a 4%
Si - 0'4 a 0'6%
Thomas: Mn - 1'5 a 2%
P - 1'7 a 2'2%
S - < 0'1%
En presencia de escorias (básicas o ácidas), estos
componentes reaccionan con las impurezas y con el oxígeno
para ir afinando el producto.
El refractario del horno debe ser del mismo tipo que la
escoria.
Si + 2FeO ___! SiO2 + 2Fe + CALOR
Mn + FeO ___! MnO + Fe + 1/3 CALOR
2P + 5FeO ___! P2O5 + 5Fe + ½ CALOR
S + 2FeO ___! SO2 + 2Fe - ½ CALOR
C + FeO ___! CO + Fe - 1/3 CALOR
P2O5 + 3CaO ___! (PO4)2Ca3. Sólo en pH básico.
PROCEDIMIENTO BESSEMER:
En el convertidor Bessemer el ladrillo refractario es ácido.
En la parte inferior tiene unas perforaciones por donde entra
aire (toberines).
Se producen reacciones de oxidación.
El convertidor gira como una hormigonera. La carga se realiza
directamente de la colada de alto horno o del mezclador,
inclinando el convertidor.
Se pone en posición vertical y empieza el soplado. Se
producen las reacciones anteriores.
La primera (la del silicio), es la que más calor produce.
Casi a la vez reacciona el manganeso, que es un componente
que desoxida al hierro. Esta reacción es mucho más lenta que
la del silicio.
En esta primera fase de oxidaciones se produce una llama
corta y con muchas chispas.
A continuación se oxida el carbono. El monóxido de carbono se
desprende como gas. Hay que aportarle calor. Se produce una
llama larga e intensa. Cuando termina la descarburación, la
llama cae.
Si existe fósforo, éste no se elimina hasta que no lo hace el
carbono. El fósforo atacará al revestimiento ácido del
convertidor.
PROCEDIMIENTO THOMAS:
También se denomina Bessemer básico. Es el mismo sistema pero
con refractario básico.
Se introduce cal como escoria en el proceso, del 15 al 20%.
La materia prima va a tener mayores cantidades de fósforo,
azufre y disminuye la cantidad de sílice.
Primero se introduce la cal y posteriormente la fundición. Se
coloca el horno vertical y se procede al soplado. Son las
mismas fases que en el procedimiento Bessemer.
El silicio se oxida más rápido. Durante la descarburación
también se produce una llama larga, pero salen proyecciones
de cal.
En la fase de humos o de sobresoplado se produce la oxidación
del fósforo, que aporta el calor. Va precedido de una llama
corta de rojo intenso pero con una gran cantidad de humo.
El óxido de fósforo se elimina reaccionando con la cal y da
fosfato cálcico, que sobrenada en el baño y que a la hora de
la descarga se vierte primero y se retira.
En los dos procesos, al final se puede introducir
ferromanganeso carbonado (spiegel) ya fundido, para carburar
algo.
CONVERTIDOR LD:
La carga y la descarga se hace por la boca superior.
Se introduce una lanza por la boca a una presión determinada.
Se suele inyectar oxígeno puro, así la reacción es más
violenta, más instantánea.
El proceso de carga es inclinando el convertidor. Lo primero
que se carga es chatarra sólida, restos de material. Después
se echa la fundición líquida, se coloca en posición vertical
y se produce el soplado a través de la lanza.
En el caso del procedimiento básico hay que introducir al
principio la escoria (la cal).
El proceso de reacciones es el mismo pero en un tiempo menor.
El proceso se controla mejor en este convertidor.
CONVERTIDOR KALDO:
Es una variedad del LD. Tiene una inclinación de 17°. Puede
girar alrededor de su eje como una hormigonera. Se consigue
una mayor homogeneidad. Las temperaturas se distribuyen
mejor.
AFINO EN SOLERA:
La cubierta no debe ser dañada por el calor ni debe estar en
contacto con el baño.
La bóveda es de ladrillo silíceo sea el procedimiento que
sea.
Estos hornos se controlan mejor que los convertidores.
Procedimiento ácido: La cubeta coincide con la bóveda. Las
materias primas son las mismas que en el convertidor
Bessemer, pero la oxidación es distinta.
Hay tres procedimientos, el scrap process, el ore process y
el mixto.
El scrap process o proceso de dilución consiste en introducir
chatarra (hierro con poco carbono). En el momento en que se
fusione, el carbono se va a diluir entre la materia prima y
la chatarra. Una pequeña parte se oxida.
El ore process consiste en introducir óxido de hierro sin
impurezas en la cubeta. En el momento en que se calienta, se
desprende el oxígeno y se combina con el carbono.
En estos hornos se debe aportar calor y la carga se produce
por los lados.
El procedimiento mixto introduce chatarra y mineral.
Primero se eliminan el silicio y el manganeso. El carbono se
oxida cuando el baño está totalmente cubierto de escoria de
la oxidación del silicio. Entonces se produce una especie de
hervido que indica la descarburación. No debe haber ni
fósforo ni azufre.
El Martin-Siemens es el más utilizado.
Se obtienen aceros finos (las tolerancias de los porcentajes
están muy ajustadas).
HORNOS ELÉCTRICOS:
1. ARCO: Consiste en utilizar dos electrodos de carbono
puro. Hay dos modelos, con los dos electrodos en la parte
superior del horno, que es el más utilizado, o con uno por la
parte superior y el otro por la parte inferior.
No se producen oxidaciones por la atmósfera, las reacciones
se producen por adiciones de material.
1. INDUCCIÓN: Consiste en un canal circular que forma
anillo y que hace de secundario de un transformador donde el
primario es un devanado.
1. ALTA FRECUENCIA: Es un crisol de forma rectangular y que
está rodeado de un devanado en forma de bobina por el que
circula corriente eléctrica de alta frecuencia que crea en el
baño unas corrientes inducidas que elevan la temperatura.
El más utilizado es el de arco.
En los hornos eléctricos no se puede partir de fundiciones de
alto horno, pues tienen demasiadas impurezas. Se afinan
aceros ya tratados anteriormente.
Se utilizan sobretodo para producir aceros aleados.
Se pueden controlar fácilmente, permiten ajustar
perfectamente las proporciones de los componentes.
Es un procedimiento caro para aceros comunes.
AFINO AL CRISOL: El crisol es un recipiente de arcilla
refractaria o de grafito que se coloca en hornos de solera y
que se carga con aceros, fundición y chatarra en estado
sólido.
Se caliente hasta fusión de los componentes. Primero se
funden los óxidos de silicio, de manganeso y se van al fondo.
Después funden el resto de los componentes y la escoria sube
a la superficie.
En este afino no se puede añadir cal. El baño es en atmósfera
neutra.
Reaccionan el baño fundido y las paredes del crisol.
Se suele trabajar con crisoles tapados. Se introducen aceros
ya tratados.
Se producen aceros aleados, producciones pequeñas. Como
materia prima se emplea la producción de otros convertidores,
no la de alto horno.
ALEACIONES HIERRO-CARBONO.
El hierro puro tiene un porcentaje menor del 0'008% de
carbono. No tiene utilización industrial. Es un hierro muy
blando, muy soldable, con el mayor punto de fusión, es
magnético, fácilmente forjable. Su temperatura de fusión es
prácticamente constante 1539° C.
Según se aumenta o se disminuye la temperatura del hierro, se
producen cambios estructurales (forma del cristal, tamaño o
colocación de los átomos).
Estos cambios se producen a distinta temperatura según el
proceso sea de enfriamiento o de calentamiento.
Se toman como temperaturas críticas las medias de las
temperaturas de los dos sentidos:
A1 - 723 ° C
A2 - 768 ° C
A3 - 910 ° C
A4 - 1400 ° C
Cuando se produce una variación de estructura pero no de
composición se llaman variedades alotrópicas.
Hierro : Hasta 768° C. Cristaliza en el sistema cúbico
centrado. Es magnético, no disuelve prácticamente carbono,
produciéndose a la temperatura A1 la máxima solubilidad de
carbono, pudiendo llegar al 0'02%, y disminuyendo luego.
Hierro : Desde 768 hasta 910° C. Cristaliza en el sistema
cúbico centrado pero de 2'9 de luz de malla. No es magnético.
Hierro : De 910 a 1400° C. Cristaliza en el sistema cúbico
centrado en las caras. Luz de malla igual a 3'6
En esta fase es cuando se disuelve más fácilmente el carbono.
La solubilidad máxima es del 1'76% a 1130° C, pasando a
disminuir después.
No es magnético.
Hierro : A 1400° C. Luz de malla de 2'9 . Estructura cúbica
centrada en el centro de gravedad, con casi el mismo tamaño
que al principio. Es magnético. La máxima solubilidad es del
0'07% a 1130° C.
A 1539° C se produce la fusión.
CONSTITUCIÓN ALEACIONES HIERRO-CARBONO:
1. COMPOSICIÓN QUÍMICA:
Aceros no aleados: Sólo existe hierro, carbono y algunas
impurezas en muy pequeña proporción (0'5%).
Aceros aleados: Con más del 0'5% de otros componentes.
Fundiciones: A partir del 1'76% y hasta el 6'67% de carbono.
1. CONSTITUCIÓN: Depende de la cantidad de carbono y de la
temperatura.
Ferrita: O hierro puro. Es el hierro , que como máximo llega
a disolver el 0'08% de carbono. Presente en los aceros, es
blando, dúctil, cristaliza en la red cúbica centrada. Tiene
una dureza Brinell de 90, resistencia de rotura a tracción de
28 Kp/mm2, alargamiento del 35 al 40%. Es magnético.
Cementita: Es carburo de hierro CFe3. Contiene el 6'67% de
carbono y el 93'33% de hierro. Es el constituyente más duro y
frágil de los aceros. Dureza Brinell de 700. Es magnética
hasta 210° C, llamada temperatura Curie. Cristaliza en la red
ortorrómbica.
Perlita: Es una composición de las dos anteriores: cementita
en un 13'5% y ferrita en un 86'5%. Tiene una dureza Brinell
de 200, resistencia a rotura de 80 Kp/mm2 y un incremento de
longitud del 15%.
Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros. Está
formada por una solución sólida de carbono y de hierro .
Tiene una proporción de carbono disuelto del 0'5 al 1'76%. La
austenita empieza a formarse a partir de la temperatura A1. A
temperatura ambiente no existe la austenita. Tiene una dureza
Brinell de 300. Su resistencia es de 100 Kp/mm2, alargamiento
del 30%. No es magnética. Tiene cristales cúbicos de hierro
con el carbono en la mitad de las aristas y en el centro.
Martensita: Es el segundo constituyente más duro de los
aceros. Es una solución sólida de carbono en hierro . Se
obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros previamente
transformados en austenita. Debe su dureza a este
enfriamiento rápido. La proporción máxima de carbono es del
0'89%. Dureza Brinell de 600-700. Resistencia de 200 Kp/mm2.
Alargamiento del 2%. Es magnética.
Troostita: Se obtiene por transformación isotérmica de la
austenita. Se calienta hasta que todo se ha transformado en
austenita y se enfría rápidamente hasta 500-600° C,
manteniéndose esta temperatura hasta la total transformación
en troostita. Tiene una estructura de cementita sobre
ferrita. Dureza Brinell de 450. Resistencia a tracción de 250
Kp/mm2 y alargamiento del 7'5%.
Sorbita: Se obtiene igual que la anterior pero el
enfriamiento es hasta 600-650° C. Su estructura es de
laminillas de cementita y ferrita. Tiene una dureza de 350,
resistencia de 100-150 Kp/mm2 y alargamiento del 15%.
Bainita: El enfriamiento es hasta 200-250° C. Está formada
por ferrita con placas de cementita. Es algo más blanda que
la anterior
Ledeburita: Es un constituyente de las fundiciones. Se
encuentra en aleaciones con carbono en más del 1'76%. Está
formada por el 48% de austenita y el 52% de cementita. Tiene
un porcentaje de carbono del 4'3%. Se obtiene al enfriar la
fundición líquida, y forma una mezcla eutéctica, que es
aquella en la que la temperatura de fusión o de
solidificación (1130° C) es la más baja de las combinaciones
de aleación hierro-carbono y de cada una por separado.
Steadita: Aparece en fundiciones con más del 0'15% de
fósforo. Se compone de un 10% de fósforo y da un
constituyente muy duro y frágil que funde a 960° C. Es típica
en las fundiciones grises.
Grafito: Es carbono puro. Se puede encontrar en las
fundiciones en forma de nódulos. Es lubricante y absorbe
vibraciones. Las fundiciones con grafito son menos duras, más
trabajables, menos resistentes y con mejor comportamiento al
desgaste. El grafito disminuye la corrosión.°
1. ESTRUCTURA:
Cristalina: Formada por cristales normalmente cúbicos de
distintos tamaños. Va en función de los constituyentes y de
la temperatura de formación.
Micrográfica: Formada por granos. Tiene gran importancia
en cuanto a su tamaño en las características de los aceros.
Cuanto mayores sean los granos, peores cualidades tendrá el
acero. Cuando por procesos mecánicos el grano ha aumentado
demasiado, se le somete a un recocido.
Macrográfica: Está formada por fibras y va a depender de
las impurezas que le acompañen y del tratamiento a que haya
sido sometido.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
NORMALIZADO.
RECOCIDO: REGENERACIÓN
R. SUPERCRÍTICO:
GLOBULAR
R. GLOBULAR
R. ABLANDAMIENTO
R. SUBCRÍTICO: R. ACRITUD
R. ESTABILIZACIÓN
R. AUSTENIZACIÓN COMPLETA
R. ISOTÉRMICO: R. AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA
PATENTING
TEMPLE:
AUSTENIZACIÓN COMPLETA
T. NORMAL:
AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA
AGUA Y ACEITE
T. INTERRUMPIDO:
AGUA Y AIRE
AUSTEMPERING
T. ISOTÉRMICO:
MARTENPERING
OXIACETILÉNICO
T. SUPERFICIAL:
POR INDUCCIÓN
REVENIDO.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS: Son aquellos que a base de uno o
varios calentamientos, por efecto de la temperatura o también
en presencia de otro elemento químico, varían alguna de las
propiedades de origen del material.
En función de las fases, pueden ser tratamientos puramente
térmicos o tratamientos termoquímicos.
Debemos distinguir la temperatura a la que tenemos que
llegar, si está por debajo o por encima de la temperatura
crítica. También es importante el tiempo de permanencia, la
velocidad de enfriamiento y si existe una temperatura
intermedia.
Según la velocidad de enfriamiento, se pueden obtener unos
constituyentes u otros.
Velocidad crítica: Es la mínima velocidad a la que toda la
austenita se convierte en martensita. (Es la tangente a la
curva).
NORMALIZADO: Consiste en calentar el material ligeramente
(50° C) por encima de la temperatura crítica hasta que todo
se haya convertido en austenita.
Posteriormente se deja enfriar al aire. Se diferencia de los
demás en que la velocidad de enfriamiento es intermedia.
Se le da a los materiales que han sufrido un tratamiento
mecánico defectuoso, para normalizar su estructura. Se emplea
para aceros de baja aleación (<50%).
RECOCIDO: Se trata de ablandar el material para poder
trabajarlo mejor. Según la temperatura a la que elevemos el
material, el recocido puede ser subcrítico (sólo parte del
material se convierte en austenita), supercrítico (todo se
convierte en austenita) o isotérmico (al enfriar se llega a
una temperatura intermedia, se mantiene y después se deja
enfriar).
Supercrítico:
De regeneración: Consiste en calentar por encima de la
temperatura crítica para transformar todo el acero en
austenita, enfriándolo después de forma lenta hasta 500° C.
Posteriormente se deja enfriar al aire. Se obtiene ferrita y
perlita o cementita y perlita. Se utiliza en aceros con más
del 0'6% de carbono.
Globular: Es un recocido de austenización incompleta. Se
calienta a una temperatura intermedia de tal forma que se
transforme la cementita en austenita. Se enfría muy
lentamente hasta 500° C (unos 15° por hora) y se enfría al
aire. Se obtiene estructura globular de cementita y ferrita
que hace ablandar el material. Se utiliza para aceros
bastante carburados. Se obtienen aceros aleados para
herramientas.
Subcrítico:
De ablandamiento: No se produce una transformación total
en austenita. Se deja enfriar la pieza al aire. Es
prácticamente igual que el revenido. Se emplea para aceros
aleados.
Contra la acritud: Para aceros que han sufrido un
tratamiento de alargamiento. Se calienta a temperatura
inferior a la crítica (700° C) y se enfría al aire. Para
flejes, alambres, y para aceros con poco contenido de
carbono.
De estabilización: Para eliminar las tensiones que se
producen tras el moldeo. Es un calentamiento bajo (200° C)
durante unas 100 horas.
Isotérmico:
Austenización completa.
Austenización incompleta.
Estos tratamientos se realizan para aceros aleados, aceros
para herramientas, aceros al wolframio. La velocidad de
enfriamiento primero va a ser lenta, luego constante durante
un tiempo y finalmente rápida, al aire.
Patenting: Es un recocido contra la acritud para acros
que han sufrido un alargamiento por trefilado. Entre 0'5y
0'7% (alambres). Consiste en sumergirlos en unos baños a
temperaturas de austenización. Después pasan a un baño de
plomo a temperatura constante. Se dejan enfriar rápidamente.
Con eso se logra aumentar la resistencia a tracción y mejorar
la tenacidad.
TEMPLE: Consiste en un calentamiento a temperatura
conveniente para transformar toda la masa de acero en
austenita seguido de un enfriamiento suficientemente rápido
para transformarlo en martensita.
Se le da a los aceros y consigue aumentar la dureza, el
límite elástico y la resistencia a tracción. Disminuye el
alargamiento y la tenacidad.
Fases:
1. Calentamiento: Para los aceros con menos de 0'89% de
carbono (ferrita + perlita), la temperatura de calentamiento
será mayor que la temperatura crítica superior. Para el resto
de aceros (cementita + perlita) la temperatura de
calentamiento será intermedia entre la crítica superior y la
inferior.
1. Enfriamiento: La velocidad de enfriamiento debe ser
superior a la velocidad crítica. Si en el temple busco otros
componentes, la velocidad irá en función de ello. Siempre
debe ser una velocidad de enfriamiento rápida. Las
velocidades dependen del medio (desde salmuera hasta agua
fría, aceite, baños de plomo e incluso baños de mercurio, al
aire...).
Normales:
Austenización completa: Para aceros con menos del 0'89%
de carbono. Se calienta unos 50° C por encima de la
temperatura superior. Se enfría rápidamente para que toda la
austenita se convierta en martensita.
Austenización incompleta: Calentamiento entre la
temperatura crítica superior y la inferior. Enfriamiento
rápido. Se utiliza para aceros hipereutectoides.
Interrumpidos:
Agua y aceite: Es un temple normal con un primer
enfriamiento en agua más rápido de la velocidad crítica. Una
vez superada la curva de tangencia se deja enfriar en aceite.
Sirve para evitar tensiones en las piezas.
Agua y aire: Temple normal. El enfriamiento rápido es en
agua fría hasta 250° C y a partir de ahí se le deja al aire.
Evita tensiones. Se utiliza para herramientas tipo limas.
Isotérmico: En el proceso de enfriamiento, la
temperatura se mantiene constante durante un tiempo.
Austempering: o temple diferido o bainítico. Se calienta
a más de la temperatura crítica. Se enfría bruscamente hasta
los 250-550° C. Se mantiene esa temperatura hasta que la
austenita se transforma en bainita. Se obtiene un producto
más blando pero con menos tensiones que no necesita
tratamientos posteriores. Aumenta la tenacidad. Se utiliza
para piezas pequeñas con un porcentaje de carbono del 0'5 al
1'2%.
Martenpering: Se calienta a temperatura superior a la
crítica y se enfría aún más bruscamente. Se lleva a 200-300°
C y se mantiene en esa temperatura. Se deja enfriar al aire y
se obtiene una martensita revenida. Se utiliza en piezas
pequeñas para que la temperatura de tratamiento sea uniforme.
No aparecen tensiones.
Superficial: En algunas piezas sólo se necesitan algunas
zonas templadas:
Oxiacetilénico: La zona a tratar se calienta con soplete
a temperatura superior a la crítica. Por chorro de agua fría
o corriente de aire se enfría. Para aceros con un porcentaje
de carbono del 0'3 al 0'6%. Se puede desconchar la pieza. Se
obtiene una profundidad de 1 a 6 mm.
Por inducción: Consiste en una bobina por donde pasa
alta frecuencia eléctrica. Se eleva la temperatura por encima
de la crítica. Se enfría igual que el oxiacetilénico.
REVENIDO: Es siempre complementario del temple. Su objetivo
es mejorar la tenacidad y aumentar el alargamiento. Ablanda
algo el material y disminuye algo la resistencia a la
tracción.
Es un calentamiento hasta temperatura inferior a la crítica.
No hay transformación en austenita. Se mantiene y tiene un
enfriamiento al aire o al agua.
TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS: Además de intervenir la
temperatura, existe algún elemento químico que participa en
la obtención de las propiedades que se buscan.
1. Cementación: Se trata de aumantar la dureza del material
sin disminuir excesivamente la tenacidad. Enriquecemos
superficialmente la cantidad de carbono. Para ello se sitúa
el acero a temperatura de transformación en austenita porque
así tiene su máxima solubilidad de carbono.
En función del medio en que se realice puede ser:
Sólida: Se introduce en unas cajas metálicas donde se
envuelve en polvo de carbón y carbonatos alcalinos. Se eleva
la temperatura por encima de la temperatura crítica y se va
produciendo la formación de CO.
2CO ____! CO2 + C
El CO2 aumenta el calor y el C va a la superficie del metal.
Es un método caro, lento y en el que no se recupera bien el
calor.
Líquida: Son baños de sales fundidas. Se obtienen
mayores profundidades de cementación y es más barato.
Gaseosa: El metal ya caliente se pone en contacto con
corrientes de gases a bases de monóxido de carbono.
1. Cianuración: Para piezas pequeñas: Se hace en baños
salinos de carbonatos y cianatos sódicos. Se consigue así una
carburación y una nitruración superficiales. Se utiliza para
espesores máximos de 0'3 mm.
Las piezas sometidas a estos procesos suelen haber tenido un
recocido de regeneración, para obtener el grano adecuado. A
las piezas cementadas y nitruradas se les puede dar un
tratamiento de temple.
1. Nitruración: Consiste en introducir nitrógeno en la
pieza para que ésta lo absorba superficialmente y se quede
entre los cristales del acero aportando una dureza
extraordinaria. No es necesario subir a temperatura de
austenización, sólo a 450-500° C. Se pasa la pieza por una
corriente de amoniaco.
4Fe + 2NH3 ___! 2Fe2N + 3H2
8Fe + 2NH3 ___! 2Fe4N + 3H2
Se consiguen espesores de 0'2 a 0'5 mm. Tiene la ventaja de
la menor temperatura. No necesita tratamientos posteriores.
Se obtienen durezas superiores a las de otros tratamientos.
Se mejora su comportamiento frente a corrosión y fatiga. Se
produce una atmósfera de gases venenosos.
1. Maleabilización (Fundición maleable).
INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS ALEADOS:
Presencia de Carbono: Cuanto más carbono más resistencia
a tracción, mayor límite elástico, menos alargamiento, menor
tenacidad, mayor dureza y menos soldabilidad.
Manganeso: Suele estar presente porque actúa de
desoxidante. Aumenta el límite elástico y tensión de rotura.
Como máximo el 2'5%. Hace más templables los aceros. A
temperaturas altas (500° C) se vuelve frágil.
Silicio: Aumenta la resistencia a tracción, el límite
elástico y no disminuye la resilencia (tenacidad). Mejora la
templabilidad. En proporciones pequeñas aumenta la corrosión,
pero en altas proporciones (más del 16%) lo hace resistente a
ataques por ácidos.
Fósforo: Aumenta la resistencia, la dureza de los aceros
con bajo contenido en carbono. Baja su punto de fusión.
Mejora la resistencia a la corrosión. Su presencia es
indeseable porque aporta una gran fragilidad en frío y
disminuye el alargamiento.
Azufre: Su presencia no es recomendable. También produce
fragilidad, sobre todo en caliente. En frío disminuye el
alargamiento y la resilencia. Agrava la corrosión.
Níquel: Hasta un 5%. Aumenta la resistencia a tracción y
el límite elástico. Comparado con aceros sin níquel de la
misma dureza, aumenta la resilencia y el alargamiento incluso
a temperaturas elevadas. Disminuye la corrosión y con el
cromo da lugar a los aceros inoxidables.
Cromo: Suele ir con el níquel y el molibdeno. Es el
componente más importante (10-15%) en los aceros inoxidables.
Molibdeno: Mejora la resistencia a la tracción y la
templabilidad. Fundamentalmente aumenta las resistencias
mecánicas en caliente.
Cobre: Influye sobre la corrosión, disminuyéndola. Forma
una película de óxido de cobre superficial. Aumenta las
características mecánicas.
Cobalto: 12%. Se utiliza para acero resistente a
cualquier agente corrosivo.
Estos componentes dan lugar a los aceros especiales.
ACEROS RESISTENTES A LA OXIDACIÓN Y LA CORROSIÓN
Semi inox:
Hierro Armco
Aceros al cobre
Aceros al cromo: <5%
Inoxi:
Martensíticos:
A. Inox. Extrasuave
Acero de cuchillería
A. Inox. Duros martensíticos
- A. Martensíticos al cromo níquel
Ferrítico:
16% cromo 0'10% carbono
27% cromo 0'10% carbono
Austeníticos:
1⫦%⫦&⫦'⫦(⫦)ゴ* 18-8
25-12
20-25
12-12
SEMI INOX: Son aceros que resisten la corrosión atmosférica y
que se emplean en estructuras metálicas que van vistas y que
hacerlas con acero inoxidable está prohibido.
Armco: 0'012% de carbono, 0'017% de manganeso, 0'005% de
fósforo y 0'025% de silicio.
Aceros al cobre: Para puentes. 0'15% de carbono, 0'60% de
manganeso, 0'40% de cobre, 0'025% de azufre y 0'018% de
fósforo.
Aceros al cromo <5%: 0'05-0'25% de carbono, 0'5% de
manganeso, 0'5% de silicio, 4-6% de cromo. Pueden llevar
aluminio, cobre y wolframio.
INOXIDABLES: Resisten tanto la corrosión atmosférica como la
causada por ácidos y por alcalis y la oxidación a no muy
altas temperaturas. El elemento fundamental es el cromo
(hasta el 24%).
Martensíticos: Admiten el temple. 13-17% de cromo, 0-2% de
níquel, 0'08-1'2% de carbono. Necesitan un revenido
posterior. Resisten la corrosión de ácidos leves y la
oxidación hasta 700° C. Son magnéticos y los menos
resistentes a la corrosión. Son preferibles en lugares donde
se necesite una elevada dureza o resistencia.
Extrasuaves: 0'08% de carbono, 13% de cromo. Es el que
tiene mayor ductilidad. Se puede trabajar por embutición.
De cuchillería: 0'3% de carbono. Mayor dureza. 12-14% de
cromo. Es el más utilizado de los martensíticos. Tiene menos
alargamiento que el anterior.
Duros: 0'65-1% de carbono, 15-17% de cromo. A veces
llevan un 0'5% de molibdeno. Adquieren mucha dureza con el
temple.
Al cromo níquel: 1'5-3% de níquel, 12-16% de cromo.
Tienen gran resistencia al agua de mar. Resiste la corrosión
galvánica. Se utiliza en contacto con el bronce y el latón.
Para ejes, para componentes de barcos.
Ferríticos: Aquellos que mantienen la estructura ferrítica a
cualquier temperatura. Resisten mejor la corrosión que los
anteriores. No admiten el temple. Se pueden soldar bien pero
con cierta fragilidad la soldadura. Son magnéticos.
16% cromo 0'10% carbono: Gran resistencia a corrosión
atmosférica y al ácido nítrico. Para piezas decorativas en
construcción o para recipientes resistentes al ácido nítrico.
27% cromo 0'10% carbono: Es refractario (hasta 1000° C),
incluso en presencia del azufre. Los tratamientos mecánicos
pueden aumentar su resistencia.
Austeníticos: Mantiene la estructura austenítica a
temperatura ambiente no transformándose ni por enfriamiento
ni por calentamiento en otros constituyentes. Muy buena
soldadura. Son dúctiles, admiten bien la embutición (12-12).
Alargamiento del 40 al 60% y puede llevar porcentaje de otros
componentes como molibdeno, silicio.
Van a ser aceros al cromo niquel. Aproximadamente el 60% de
los aceros inoxidables van a ser del tipo austenítico.
18-8: Es el más utilizado. En función del porcentaje de
carbono hay distintos tipos: el del 0'08% es para trabajos
normales, soldados y temperaturas que no pasen de los 400° C.
El de 0'10% de carbono para temperaturas entre 500 y 600° C,
para elementos soldables. El de 2'5% de silicio aguanta
temperaturas hasta 900° C y se usa para hogares y parrillas.
25-12: Resiste bien a 1100° C, pero entre 500 y 650° C
es frágil.
25-20 y 20-25: Resisten a altas temperaturas y a los
gases sulfhídricos.
12-12: Es el más dúctil de todos y se utiliza para
trabajos de embutición.
Característica especial:
Corrosión intergranular: de 450 a 650° C, en los granos
se produce una corrosión entre su superficie, que se da
cuando las piezas han sido soldadas, y se agrietan debido a
la oxidación entre los granos, ya que a esa temperatura se
produce la formación de carburo de cobre donde se oxida el
cobre. Para evitarlo hay que dar un tratamiento que rebaje la
cantidad de carbono o utilizar aceros inoxidables aleados con
titanio o molibdeno, ya que el carbono tiene más preferencia
por ellos que por el cobre. También se puede calentar el
acero por encima de 1000° C, disolviéndose los carburos y
luego dejándolo enfriar al aire.
Aceros para válvulas de motores de explosión: Son
resistentes a temperaturas elevadas y a gases calientes que
se obtienen de la combustión de la gasolina. Tienen buenas
resistencias mecánicas. El 9-11 con un 2'5% de silicio y un
1% de molibdeno.
Aceros para válvulas de motores de aviación. El 12-15
con un 1'8% de silicio y un 2-4% de wolframio.
Aceros refractarios (austeníticos): Disminuyen la
oxidación y la corrosión, y mecánicamente siguen siendo
eficaces (calderas, termos)
25-20, 20-25.
El ferrítico con el 27% de cromo.
18-8 con el 2'5% de molibdeno.
Aleaciones férricas para resistencias eléctricas con el
4% de aluminio y el 20-25% de cromo.
Acabados del acero inoxidable: Una de las ventajas es su
terminación. Van desde acabados mate, pasando por satinados,
esmerilados, abrillantados por espejo o huellas circulares.
Es un producto de alta calidad. Su utilización va dirigida a
la misión de que no se oxide y por su aspecto decorativo. Se
trabaja bien y se le pueden dar distintas formas, pero a la
hora de soldar, la costura que se realiza está muy
diferenciada.
Formas comerciales:
Bobinas, flejes.
Chapa de acero (laminada en frío de 0'3 a 5 mm. y la
laminada en caliente de 4 a 70 mm.)
Chapa perforada, acanalada, lagrimada.
Tela metálica.
Alambres de 0'04 a 7 mm. de diámetro.
Alambrón de 5'5 a 22 mm. de diámetro.
Barras y varillas, redondo de 12 a 400 mm., cuadrado de
8 a 120 mm., hexagonal, angular.
Tubos soldados: redondos, cuadrados y rectangulares.
Tubos sin soldadura, con una envolvente interior, para
fluidos de alta presión y temperatura.
Valvulería.
Elementos de decoración, mecanismos para puertas,
aparatos sanitarios, aparatos de cocina, tubos de
ventilación, chimeneas.
Carpintería metálica para puertas y ventanas.
Todo tipo de perfilería en muros cortina.
PROTECCIÓN DE LOS METALES
RECUBRIMIENTOS METÁLICOS:
ELECTROLISIS
INMERSIÓN
GALVANIZADO EN CALIENTE
ESTAÑADO
METALIZACIÓN
CEMENTACIÓN
SHERARDIZACIÓN
CROMIZACIÓN
CALORIZACIÓN
SILICACIÓN
CHAPADO
RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS:
FOSFATACIÓN
OXIDACIÓN SUPERFICIAL
POR CALENTAMIENTO
OXIDACIÓN ANÓDICA (ANODIZACIÓN)
OXIDACIÓN QUÍMICA
OTROS
INHIBIDORES
PASIVADORES
METALES AUTO PROTECTORES
La protección que pretendemos es frente a la corrosión y a la
oxidación atmosférica.
Factores a tener en cuenta:
Clase y estado del metal.
Medio en el que se va a encontrar.
Condiciones más desfavorables del medio en cuanto a
presión, temperatura...
Contacto que existe entre el medio y el material.
Forma y acabado de la pieza.
La protección consiste en eliminar el contacto directo entre
el medio agresor y el metal.
Antes del tratamiento hay que preparar las piezas. Las fases
de preparación son:
Pulido de la superficie.
Desengrasado, con algún tipo de disolventes o incluso
sumergiendo las piezas en soluciones cáusticas.
Decapado, es decir, eliminación de óxidos e hidróxidos.
Puede realizarse un decapado químico a base de ácidos
fuertes, o un decapado mecánico, produciendo erosiones en la
superficie del metal, mediante chorro de arena, de
granalla...
Lavado para eliminar los restos de ácidos.
RECUBRIMIENTOS METÁLICOS: Revestimiento con una capa de metal
autoprotector lo más compacta y adherente posible. El metal
protector va en función del metal protegido, del espesor de
la lámina de protección y del coste.
Electrolisis: Consiste en colocar en el ánodo el metal
protector, en el cátodo las piezas a proteger y como
electrolito una solución salina del metal que se vaya a
depositar, pudiendo llevar otros elementos.
El níquel y el cromo son los principales metales protectores.
Se pueden combinar para conseguir una mejor protección. Se
consiguen láminas de protección de 0'001 a 0'01 mm.
Por inmersión: Baños donde está el material protector
fundido y se introduce el metal a proteger.
Galvanización en caliente: Consiste en proteger el acero
con una capa de cinc. El acero es catódico respecto del cinc,
es decir, que éste se va a oxidar primero en presencia del
oxígeno.
Se calienta una cuba alrededor de los 400-500° C. En ella se
sumerge la pieza, habiéndo sufrido anteriormente todas las
fases de preparación. Se van formando capas de aleación
hierro-cinc, con un sellado final de capa de cinc. La forma
de medir el recubrimiento es por peso de cinc depositado por
metro cuadrado. Se consiguen capas de 300-1200 gr./m2.
Las piezas deben estar ya cortadas, con huecos para
tornillos...
No se deben utilizar tuberías galvanizadas con agua caliente.
Es mejor que cualquier otra protección en atmósferas salinas
y en atmósferas industriales.
En algunos casos, para piezas de poco espesor y mucha
longitud pueden producirse deformaciones.
El coste de pintura sobre galvanizado es bastante elevado, ya
que necesita una pintura especial.
Estañado: Se sumergen las piezas en un baño de estaño
fundido. Se utiliza para obtener hojalata. Se consiguen
espesores de unos 0'05 mm. El único inconveniente es que el
estaño es catódico respecto al acero.
Metalización: Consiste en la proyección por medio de
pistola de metal fundido con un soplete.
Recubre el material soldándose unas gotas con otras y
quedando una capa contínua. Se utiliza la alúmina, el cinc,
el plomo, el acero inoxidable. Tiene la ventaja de que se
puede aplicar a pie de obra. Se consiguen espesores de 0'15-
0'30 mm.
Es un complemento para las zonas soldadas de las estructuras
galvanizadas.
Cementación:
Sherardización: Se emplean aleaciones de cinc. Se
recubre el objeto con polvo de cinc y con naftaleno en unas
cajas refractarias, y se calienta a 360° C. Se forma una
primera capa de aleación de hierro y cinc, y una terminación
de cinc puro. Sólo se utiliza para piezas pequeñas.
Cromización: Se trata de dotar a la superficie de la
pieza con un 10-20% de cromo. En unas cajas refractarias se
empaqueta el objeto a proteger con una mezcla de cromo y
alúmina pulverizados. Se calienta a 1350° C en una atmósfera
exenta de oxígeno. Se obtiene una película de 0'1-0'15 mm. De
espesor. Es un proceso caro y se utiliza para turbinas, para
ejes y para elementos que vayan a estar en contacto con ácido
nítrico.
Calorización o aluminación: Se trata de proteger el
acero con una capa de aluminio. En hornos giratorios se
introducen las piezas con polvo de aluminio, alúmina y
cloruro de amonio. Se calienta a 850° C. En una hora se
consiguen espesores de 1 mm.
Silicación: Consiste en dotar a la superficie de una
aleación hierro silicio con un 20% de silicio. Se introducen
las piezas empaquetadas con carburo de silicio en el horno y
se calientan a 900-1000° C.
Se obtienen piezas con gran resistencia a los ácidos fuertes
y al desgaste. Se utiliza para ejes de bombas de agua.
Chapado: Consiste en superponer láminas del metal
protector mediante un laminado conjunto. Por presión de los
laminadores se adhiere al metal. Puede ser por una o por las
dos caras. Se emplean el cobre, latón, níquel, aleaciones de
cobre y níquel y el acero inoxidable.
Produce elementos con un núcleo resistente y con gran
resistencia a la corrosión. También se utiliza con aspectos
decorativos.
RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS: Son tratamientos superficiales
con elementos no metálicos.
Fosfatación: Se sumergen las piezas en disoluciones de
fosfatos de manganeso o de cinc a 80-100° C. A veces es
necesario sellar la película de protección con un barniz.
Oxidación superficial: Consiste en formar una capa de
óxido resistente y adherente al soporte.
Oxidación por calentamiento: Se suele emplear para el
acero. Es un tratamiento combinado de baño con sales a 450°
C. Se produce un óxido férrico que para que sea estable hay
que protegerlo con aceite de linaza hirviendo. Después se
deja enfriar.
Anodizado: Es un procedimiento casi exclusivamente para
el aluminio. Éste reacciona rápidamente con el oxígeno y
forma una capa de óxido de aluminio que protege a éste de la
oxidación. Es una capa del mismo color del aluminio. Pero
esta capa no es suficientemente resistente. Por ello, el
anodizado consiste en forzar esta oxidación.
El anodizado es un tratamiento electrolítico para reforzar la
capa de oxidación. Como ánodo se coloca el aluminio. La cuba
actúa como cátodo. El baño suele ser de ácido sulfúrico. El
oxígeno va al ánodo y oxida la superficie del aluminio. Se
forma así una capa de 2 a 20 micras de espesor.
Para colorear esta capa se pasa a otro baño con colorante de
tal forma que penetre el color en los poros, que aún no están
cerrados.
Si no se ha dado la capa de color, se mete en un baño de agua
hirviendo, que produce una dilatación de las partículas y se
cierran los poros.
Así se consigue una capa compacta, adherente, transparente y
con muy buena resistencia a la corrosión, sobre todo a la
atmosférica.
Oxidación química: Consiste en introducir el metal en
una solución acuosa de un elemento que forme al reaccionar
con el metal una película de óxido. Da peores resultados que
el anodizado.
Esmaltado: Suele ser un borosilicato de calcio, plomo y
potasio. Se forma una papilla con la que se impregna la
superficie a esmaltar, que ya ha pasado por todas las fases
de preparación. Se mete en un horno, donde funde el esmalte
produciéndose una capa vidriada.
Se utiliza para recipientes en la industria química y para
decoración. Es frágil ante golpes.
Recubrimientos de pinturas: Antes deben haber tenido una
imprimación, que evita la oxidación. Los más utilizados son
el minio de plomo y el cromato de cinc. Actúan como
pasivadores. Hacen de ánodo respecto del hierro. Estas
pinturas no son resistentes a los agentes atmosféricos. Se
debe dar por tanto una pintura de terminación y de
durabilidad (al aceite, plástica, al clorocaucho, epoxi (que
no necesita minio), al alquitrán...).
OTROS RECUBRIMIENTOS:
Inhibidores: Son sustancias que se añaden en
proporciones pequeñas en un medio corrosivo para detener o
para disminuir la velocidad de corrosión, formándo un
compuesto protector. Pueden ser:
Anódicas: Carbonatos y bicarbonatos sódicos.
Catódicas: Sulfatos de magnesio o de níquel.
De absorción: Sustancias que son absorbidas por el
metal.
Pasivadores: Son sustancias que se ponen en contacto con
el metal para evitar la continuidad de la corrosión. Se
emplean el ácido nítrico concentrado, el minio de plomo...
Metales autoprotectores: Es la forma ideal de evitar la
oxidación. Normalmente se emplean aleaciones que sean
autoprotectoras, como el acero inoxidable. Es un
procedimiento caro.
METALES NO FÉRRICOS
ALUMINIO: Es una de los principales componentes de la corteza
terrestre, (8'13%). Está en las arcillas, en las pizarras...
Se utiliza casi exclusivamente la bauxita, con un 65% de
alumina, un 18% de óxido de hierro y un 10% de agua.
Su utilización está limitada por el precio.
OBTENCIÓN: Se realiza en dos fases:
Trata de separar la alúmina del resto de componentes. Se
muelen las bauxitas y se calientan para así deshidratarlas.
Se tratan en caliente con sosa, produciendose óxido de sodio
y alúmina. Se hidrata la alúmina quedando preparada para la
siguiente fase.
Consiste en disociarla por medio de electrolisis.
PROPIEDADES FÍSICAS:
Color: Blanco brillante.
Cristaliza en la red cúbica.
Peso específico: 2'7.
Es buen conductor de la electricidad.
Punto de fusión: 660° C. (relativamente bajo).
Punto de ebullición: 2450° C.
Es dúctil y muy maleable.
PROPIEDADES QUÍMICAS:
Tiene gran afinidad por el oxígeno, por lo que se
utiliza como desoxidante o inhibidor en los baños de acero.
Resiste bien la acción del vapor de agua y del ácido
nítrico concentrado.
Es atacado por el ácido sulfúrico, por el ácido
clorhídrico, por el ácido nítrico diluido y por soluciones
salinas.
APLICACIONES:
Debido a su bajo peso, a sus características mecánicas y
a su gran facilidad de aleación se utiliza para fabricar
estructuras ligeras para coches.
Por su buena conductividad eléctrica y su ductibilidad
se utiliza como conductor.
Debido a su conductividad calorífica y a ser inalterable
a altas temperaturas, se emplea en la fabricación de
utensilios industriales y de cocina.
Por su maleabilidad se emplea en planchas y chapas para
edificación. También para el papel de aluminio.
Por su resistencia a la corrosión, en depósitos de
líquidos.
Por ser dúctil y maleable en perfiles longitudinales
para carpintería metálica.
Reducido a polvo, y por sus propiedades anticorrosivas,
se emplea en la fabricación de pinturas de protección contra
la corrosión atmosférica.
ALEACIONES DEL ALUMINIO:
Con el cobre (máximo 15%) se aumentan las
características mecánicas sin variar ni el peso ni la
trabajabilidad.
Con el silicio (5-20%) aumenta la dureza y mejora la
fluidez y la ductibilidad, mientras que disminuye el
coeficiente de dilatación.
Cinc: Resultan parecidas a las aleaciones con cobre,
pero algo peores. Aumenta algo el peso, pero son más baratas
que las aleaciones con cobre.
Magnesio: Suele tener una combinación de los anteriores.
Manganeso: Aumenta la dureza, las resistencias mecánicas
y a la corrosión.
Duraluminio: 94% de aluminio, 4% de cobre, 0'5% de
magnesio, 0'5% de manganeso. Se puede templar y no aumenta de
inmediato la dureza, sino después de unos días, proceso
llamado maduración.
FORMAS COMERCIALES:
Perfiles laminados (de carpintería) en T, en doble T, en
U, en angular de lados iguales y de lados desiguales, en Z y
también perfiles especiales.
Formas universales: Redondo, cuadrado, rectangular,
hexagonal...
Chapas: Lisas, onduladas, en forma de tejas.
Perfiles huecos con distintas secciones.
Piezas de moldeo.
COBRE: Es un material bastante abundante. Se encuentra
combinado, aunque también se puede encontrar en estado puro.
En forma de sulfuro: calcopirita SCu2S3Fe, calcosina SCu2. En
forma de óxido: cuprita OCu. En forma de carbonatos:
malaquita CO3Cu(HO)2.
OBTENCIÓN: En tres fases.
1. Tostación: Calentamiento sin oxígeno donde se desprenden
las impurezas. Se producen óxidos de cobre.
1. Fusión: En hornos de cuba.
1. Afino: Por electrolisis. Se eliminan las impurezas.
PROPIEDADES MECÁNICAS: Es muy dúctil y maleable. Se puede
deformar hasta un 50% por tracción antes de romperse. Por
laminación en frío coge acritud, y para continuar el proceso
se le debe someter a un recocido. Al realizar cortes en el se
embota, pegándose a los eklementos de corte.
PROPIEDADES FÍSICAS:
Es rojo oscuro, con aspecto decorativo.
Peso específico: 8'96. Bastante pesado.
Funde a 1083° C.
Temperatura de ebullición: 2595° C.
Es un buen metal para moldeo.
Es el mejor conductor después de la plata.
PROPIEDADES QUÍMICAS:
Es un agente fundamental contra la corrosión
atmosférica.
Se utiliza en bastantes aleaciones para evitar la
corrosión.
El agua pura no actúa frente al cobre, por lo que se
utiliza en la fabricación de calderas.
En el exterior, adquiere un aspecto verdoso, debido a la
película de sulfato de cobre básico que se forma (de 0'5 a 1
mm.). Esta capa lo protege.
Forma aleaciones fácilmente con el aluminio, el hierro,
el cinc, el estañó, el oro, la plata y el níquel.
Se puede soldar.
Se puede unir en caliente por forja.
Le atacan las sales amoniacales y el anhídrido
carbónico.
APLICACIONES:
Por su conductividad se emplea como conductor eléctrico.
Por su conductividad calorífica se utiliza en
serpentines de refrigeración, calderas de locomotoras, hornos
y en todo tipo de tuberías de calefacción.
Debido a su resistencia a la corrosión, se utiliza en la
fabricación de tuberías que van a estar en contacto con
líquidos de industrias químicas, en recipientes y en
revestimiento electrolítico de otros metales.
Se utiliza aleado con el cinc: latones.
Aleado con el estaño: bronce.
LATONES: Tienen hasta un 50% de cinc, aumentando con este
porcentaje las resistencias mecánicas.
Ordinarios:
Para forja:
Latones rojos:
Metal de dorar.
Bronce comercial.
Semirojos.
Bajos.
Latones amarillos:
Muelles.
Cartuchería.
Altos.
Metal Munt.
Para fundir.
Especiales:
Aluminio.
Hierro.
Plomo.
Manganeso.
Estaño.
Silicio.
El latón es una aleación de cobre y cinc. Mantiene las
propiedades del cobre, siendo más económico. Aumenta la
fusibilidad y la trabajabilidad. Facilita el moldeo y aumenta
algo las resistencias mecánicas.
Si predomina el cinc es de color gris oscuro hasta blanco
plateado.
Si predomina el cobre va del amarillo rojizo al rojo.
Es menos resistente a la corrosión atmosférica, pero
suficiente. Resiste las aguas de mar, la acción del ácido
sulfúrico y del ácido clorhídrico.
Aumenta su resistencia con los tratamientos mecánicos en
frío.
ORDINARIOS: La aleación es sólo de cobre y cinc, sin ningún
elemento más.
De fundir: Son latones que se obtienen para piezas
moldeadas. Se les suele añadir otro elemento.
Para forja:
Rojos:
Metal de dorar: El porcentaje de cinc llega al 5%. Se
utiliza en joyería por su parecido al oro.
Bronce comercial: Tiene un 10% de cinc. También se
utiliza en joyería y decoración.
Semirrojo: Con el 15% de cinc. Se utiliza para
radiadores de automóviles.
Bajo: Con un 20% de cinc. Se utiliza para tubos
flexibles.
Amarillos:
De muelles: Con un 25% de cinc. Para muelles y resortes.
Cartuchería: Con el 30% de cinc. Es el más dúctil de los
latones. Se utiliza para embutición y estampado. Se emplea
para vainas de cartuchos.
Altos: Con el 35% de cinc. Para agujas.
Tratamientos para latones ordinarios:
Mecánicos: Laminados en frío aumentan su resistencia. También
admiten el recocido, el temple y el revenido.
ESPECIALES: Además del cobre y el cinc, aparece el níquel, el
aluminio, el plomo, el silicio, el estaño, etc...
Se trata de sustituir al bronce (cobre y estaño), que es más
caro que el latón.
Al aluminio: Éste aumenta la resistencia mecánica y a la
corrosión.
Al hierro: Se utiliza en latones con bajas proporciones
de cobre (alrededor del 1% de hierro). Aumenta la dureza y la
resistecia a tracción en menor medida.
Al plomo: Al ser insoluble en los latones, el plomo está
en froma de pequeñas cápsulas. Mejora la maquinabilidad y
baja algo la resistencia. (Más o menos el 2% de plomo).
Al manganeso: Se utiliza para un producto llamado
mangalcapa (alpaca). El manganeso (hasta un 5%) da un color
brillante, se puede pulimentar y es bastante decorativo.
Al estaño: Aumenta la resistencia a tracción y a la
corrosión. Se emplea para tubos de condensadores.
Al silicio: Con un 1'5% de silicio. Para la fabricación
de válvulas, bombas, engranajes. Aumenta la resistencia a
tracción y la fluidez del baño de fusión. También aumenta la
resistencia a la corrosión.
Aplicaciones:
Por la brillantez y buen color se utiliza en joyería para
imitación de oro.
Por su ductilidad, sobre todo los latones amarillos, se
utilizan para piezas de embutición y cartuchos.
Por la resistencia a corrosión, sobre todo al estaño y al
silicio, se emplean para maquinaria marina.
Por ser más baratos, se utilizan en sustitución del bronce.
BRONCE: Es una aleación de cobre y estaño.
La influencia del estaño es más fuerte que la del cinc. Tiene
un peso específico de 7'2-8'9. Cuanto más estaño tiene, más
ligero es.
El color varía desde blanco brillante hasta rojo pálido.
La conductividad eléctrica disminuye con el aumento del
porcentaje de estaño.
PROPIEDADES MECÁNICAS: Mejoran hasta un porcentaje
aproximadamente del 12% de estaño. A partir de ahí decrecen.
La resistencia a la corrosión aumenta en función del estaño.
A la oxidación tiene el mismo comportamiento que el cobre.
Resiste todo tipo de aguas, aunque la de mar menos que los
latones. También resiste el ácido sulfúrico, el nítrico y los
ácidos orgánicos.
Color:
Con un 1% de estaño van de rojizo pálido a rosa.
Con un 14% de estaño son amarillos.
Con un 30% de estaño son blancos.
CLASES:
Bronces ordinarios: Son aquellos compuestos sólo por
cobre y estaño. Los porcentajes varían y en función de ellos
las características mecánicas. A mayor porcentaje de estaño
(5-16%), aumenta la resistencia a tracción, el límite
elástico y la dureza, y disminuye el alargamiento (sobre todo
a partir del 9%).
Bronce:
Bronce de medallas: Con un 5-8% de estaño. Tiene muy
buenas cualidades de moldeo. Es resistente a la corrosión.
Bronce de cañones: Con un 8-12% de estaño. Para la
fabricación de cañones. Tiene buena resistencia a la
corrosión y mejores características mecánicas que el
anterior.
Bronce fosforoso: Aparece el fósforo en proporciones muy
pequeñas (0'03-`025%). Se consigue mayor fluidez para el
moldeo, piezas más compactas, de más alta calidad que las
anteriores.
Bronce rojo: Con un 5-15% de estaño y pequeñas
cantidades de cinc (2-5%) y plomo (1-2'5%). Estos componentes
aportan mayor fusibilidad, es más fácil su mecanización. Para
piezas fabricadas en serie. Se producen piezas con menos
poros que las anteriores. Son algo más baratos que los
fosforosos.
TRATAMIENTOS MECÁNICOS PARA LOS BRONCES ORDINARIOS: Admiten
la laminación, el trefilado y la forja. Si son en frío
aumentan la dureza aunque luego se deben recocer para mejorar
la acritud. Admiten el recocido, el temple y el revenido.
APLICACIONES:
Por sus buenas cualidades frente al rozamiento, se
emplea para cojinetes.
Por su moldeabilidad y resistencia a la corrosión en
elementos de fontanería e industriales.
Por su belleza en medallas, monedas, estatuas y adornos.
Por su buena sonoridad en campanas.
Bronces especiales: No son bronces, sino aleaciones de
cobre con otro elemento.
Al aluminio: Con aluminio hasta un 12%. Se les llama
cuproaluminio. Los hay complejos (con más componentes: plomo,
hierro, níquel). Dan productos muy diversos. En general se
utilizan para monedas, contadores de agua y de gas, ejes de
bombas, turbinas, hélices.
Al manganeso: Fundamentalmente, el manganeso cambia el
color del cobre. Lo hace blanco en un 12% y marrón oscuro en
un 30%. Se utiliza para resistencias eléctricas. También
existen bronces al manganeso complejos.
Al níquel: Con un 10-67% de níquel. Aumenta la
resistencia a tracción y la dureza, pero disminuye el
alargamiento. La alpaca es el más famoso, siendo complejo
(60-65% de cobre, 12-22% de níquel, 18-23% de cinc). Hay una
gran variedad. Es blanco, más cuanto más níquel tiene. Funde
a 950° C. Su peso específico es 8'3-9'7. Tiene buena
resistencia a tracción y dureza. También es conocido como
plata alemana. Se utiliza para cuchillería, relojería e
instrumentos de música.
Al plomo: Con el 40% de plomo. Pueden aparecer estaño,
níquel y cinc en pequeñas cantidades. Aumenta el
alargamiento. Se utiliza para piezas sometidas a choques:
Cojinetes para motores diesel, laminadores.
Bronce conductor: Es una aleación de cobre y magnesio,
cadmio y estaño en proporciones menores al 1%. Se utilizan
como conductores de la corriente eléctrica de baja densidad.
Son menos conductores pero más resistentes. Para hilos de
teléfono, de antena. Aguantan su propio peso.
ESTAÑO: Se obtiene de la casiterita SnO2 (78'6%) y de la
estagnina S4SnFeCu2 (27'6%).
SnO2 + C __! CO2 + Sn
En estado puro casi no se encuentra. Se obtiene por reducción
de carbono en hornos de reverbero. Se desprende el CO2 y
queda el estaño.
Peso: 7'3 Kg/dm3.
Fusión: 232° C.
Evaporación: 2270° C.
A temperatura superior a 18° C es de color blanco.
Por debajo de esa temperatura toma tonalidades grises.
A -50° C se reduce a polvo.
Es muy maleable (mejor a 100° C).
Se obtienen laminas de 0'0025 mm.
Tiene poca ductilidad.
Es blando, de dureza Brinell 12.
Se puede tornear, pero embota las limas.
Al doblar una barra suena el grito de estaño.
Se utiliza para la hojalata, para bronces, como componente de
aleaciones antifricción, para recubrir la parte interior de
tubos y para soldaduras blandas (50% de estaño y 50% de
plomo).
ZINC: Se obtiene de:
Calamina: CO3Zn.
Blenda: SZn.
CO3Zn __! ZnO + CO2
SZn + O2 __! ZnO + SO2
OZn + C __! Zn + CO
No se encuentra en estado puro. Se puede obtener por vía
húmeda o por vía seca. Una vez en óxido, se reduce por el
carbono. Suele tener impurezas y hay que someterle a un
afino.
Es blanco brillante hacia gris.
A temperatura normal es quebradizo.
A temperatura de 100-150° C es maleable.
A más de 200° C es quebradizo.
Es poco resistente (3 Kg/mm2 a tracción).
Es blando, con una dureza Brinell de 30-35.
Adquiere mayor resistencia por la laminación.
UTILIZACIÓN:
Por su resistencia a aguas potables y a la corrosión
atmosférica se utiliza en planchas de cubiertas, para
canalones, depósitos de agua, para revestir maderas. Se debe
renovar con el tiempo y mejora aleándolo con aluminio o con
plomo.
El zilloy es una aleación de cinc con 0'75-1'25% de
cobre. Aumentan así la resistencia y el alargamiento. No es
quebradizo y se utiliza para planchas para cubiertas
corrugadas.
Por su bajo punto de fusión y su buena fluidez se
utiliza para piezas de moldeo.
Con el 87% de cinc, el 4-10% de cobre y el resto de
aluminio aumenta la resistencia y se utiliza para cojinetes
para apoyo de ejes que no tengan que soportar esfuerzos.
También se utiliza como elemento de aleación: Como
tratamiento anticorrosivo para el acero (galvanización,
sherardización) y para pinturas protectoras.
PLOMO: Se obtiene de:
Cerusita: CO3Pb.
Anglesita: SO4Pb.
Galena: SPb.
PbO + C __! Pb + CO2
SPb + Fe __! Pb + SFe
SO4Pb + SPb __! 2Pb + 2SO2
PbO + Fe __! Pb + OFe
No se encuentra en estado nativo. Después de su obtención
sigue teniedo impurezas y hay que eliminarlas mediante el
afino.
Peso específico: 11'3. Es muy pesado.
Es de color blanco brillante.
Es blando.
Tiene muy pocas resistencias (2 Kg/mm2 a tracción).
Es muy dúctil.
Funde a 327° C.
Resiste las aguas potables.
Resiste el ácido sulfúrico.
Le atacan las aguas muy puras, las aguas destiladas, el ácido
nítrico, el ácido cítrico y los alcalis.
Se puede extrusionar y trefilar obteniendo láminas e hilos.
Se utiliza aleado con otros metales
Con el tiempo envejece.
UTILIZACIONES:
Para fontanería.
En forma de planchas para revestimientos de depósitos de
agua potable o de ácido sulfúrico, para placas de asiento.
Para baberos de plomo (encuentros en cubierta).
En forma de tubos para suministro de ácido sulfúrico.
Como alambre para fusibles.
También se utiliza como pigmento. El albayalde es un
pigmento blanco (carbonato de plomo).
Como componente del minio de plomo.
Con el arsenico como insecticida.
Los silicatos de plomo como esmalte y para vidrios al
plomo.
Con el estaño para soldaduras blandas.
Con el 0'9% de arsenico para perdigones.
Aleado con metales antifricción.
Con el 5-25% de antimonio aumenta su dureza y con el
tiempo la resistencia.
INTRODUCCIÓN
Por medio de éste trabajo de investigación se pretende cubrir
uno de los puntos del programa del curso de Metalurgia y
Metalografía, el cual es el desarrollo del diagrama Hierro-
Carbono.
El diagrama de hierro-carbono experimenta muchas fases como
son la austenita, cementita, ferrita, perlita, bainita,
martensita, entre otras.
Estas fases pasan por muchos cambios debido a la temperatura
y algunos procesos como son el temple y el revenido, los
cuales nos ayudaran a aumentar las propiedades mecánicas de
los materiales utilizados tales como la tenacidad, dureza,
entre otras.
En este trabajo nos enfocamos a analizar las propiedades
físicas y químicas que estos presentan, con el fin de
aprender a diferenciar cada una de ellas, teniendo en cuenta
algunos factores, como los intervalos de temperatura en donde
se forman cada uno de estos productos superponiéndolos en un
diagrama de fase.
OBJETIVOS
Conocer las etapas de un material expuesto a diferentes
temperaturas.
Analizar las propiedades de los materiales después de
ser sometidos a tratamientos térmicos.
Identificar las propiedades físicas y químicas que se
pueden dar en las diferentes fases del material para así a
aprovecharlas en la fabricación de piezas.
Aplicar los conocimientos físicos y químicos
fundamentales sobre la fabricación del acero a fin de lograr
una operación eficiente y un producto de calidad.
Analizar los conceptos relacionados con la
solidificación del Acero para aplicarlos en la obtención de
un producto semielaborado de alta calidad.
DIAGRAMA DE HIERRO-CARBONO
Cuando el acero con constitución austenica, se enfría
lentamente, la austenita se transforma en distintos
productos; así por ejemplo, si el acero es hipoeutectoide la
austenita sé transforma inicialmente en ferrita hasta la
temperatura eutectoide, a la cual la austenita remanente se
transforma en perlita. La micro estructura final será perlita
y ferrita proeutectoide en una proporción que depende de la
composición y la velocidad de enfriamiento.
Si el acero es de composición eutectoide, la austenita se
transforma completamente en perlita; si la composición
hipereutectoide se obtiene cementita proeutectoide y perlita
como producto de la transformación. Cuando la velocidad de
enfriamiento aumenta, la morfología de la ferrita y la
cementita proeutectoide cambia y la perlita se hace más fina.
A una velocidad elevada, los anteriores constituyentes
desaparecen súbitamente a una velocidad de enfriamiento
critico, y aparece una estructura nueva más dura que es la
martensita.
Estos productos, obtenidos por enfriamiento rápido, son meta
estables desde un punto de vista termodinámico de gran
utilidad para la ingeniería debido a sus propiedades.
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
Austenita: Es una solución sólida de carbono o carburo de
hierro en hierro gamma. Puede contener desde 0 - 1.7% de
carbono y es, por lo tanto, un constituyente de composición
variable. Todos los aceros se encuentran formados por
cristales de austenita cuando se calienta a temperatura
superior a las criticas. Aunque generalmente es un
constituyente inestable, se puede obtener esa estructura a la
temperatura ambiente por enfriamiento rápido de aceros de
alto contenido en carbono de muy alta aleación.
Su resistencia es de 88 - 105 Kg/ml aprox. Su dureza de 300
Brinell y su alargamiento de 30 a 60%. Es poco magnética,
blanda, muy dúctil y tenaz. Tiene gran resistencia al
desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros. En
los aceros austeniticos de alta aleación se presenta formando
cristales poliédricos parecidos a los de la ferrita, pero se
diferencia de estos por ser sus contornos más rectilíneos y
ángulos vivos.
Ferrita: La ferrita es hierro alfa ósea hierro casi puro que
puede contener en solución pequeñas cantidades de silicio,
fósforo y otras impurezas.
Tiene aproximadamente una resistencia de 28 kg/ml , 35% de
alargamiento y una dureza de 90 unidades de brinell. Es él
mas blando de todos los constituyentes del acero, muy dúctil
y maleable. Magnética y de pequeñas fuerza coercitiva.
En los aceros pueden aparecer bajo fuerzas muy diversas:
1. Como elementos proeutectoide que acompaña a la perlita.
2. También aparece como elemento eutectoide de la perlita,
formando laminas paralelas, separadas por otras laminas de
cementita.
3. En la estructura globular propia de los aceros al carbono de
herramientas de 0.9 a 1.4% recocido a temperatura próxima de
701°.
4. Los aceros hipoeutectoides templados pueden estar mezclados con
martensita o con cualquier elemento de transición.
Cristaliza con estructura BCC y disuelve máximo de 1.0218% de
carbono a 727°C , es blando y dúctil.
Cementita: Cementita o también llamada carburo de hierro CFe
contiene el 6.67% de carbono y el 93.33% de hierro es el
constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, su
dureza es superior a los 68 rockwell-c.
Por su gran dureza queda en relieve después del pulido
pudiendo conocerse perfectamente el contorno de los granos o
de las laminas.
Es magnética a la temperatura ordinaria pero pierde esta
propiedad a 218°.
Después de examinar microscópicamente podemos deducir:
- Al formar parte de la perlita se llama cementita perlitica
o eutectoide tomando forma de laminas paralelas separadas.
- Como cementita globular se presenta en forma de pequeños
glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita.
Cristaliza con estructura ortorrumbica con parámetros 4.5 x
6.7 Å. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros al
carbono.
Perlita: Esta se clasifica en: perlita gruesa y perlita fina,
las propiedades de estas son:
- En la perlita gruesa tiene una separación entre las laminas
de unas 400 mm y una dureza de 200 Brinell, que se obtiene
por enfriamiento muy lento dentro del horno. Para observar
esta estructura es necesario utilizar unos 500 aumentos.
- En la perlita fina, se obtiene cuando se enfría dentro del
horno bastante rápidamente o cuando se deja enfriar el acero
al aire, tiene 250 mm y 300 Brinell de dureza.
Bainita: Se diferencian dos tipos de estructuras. La bainita
superior de aspecto arborescente, formada a 500°-550°, que
difieren bastante de la bainita inferior, formada a mas baja
temperatura 250°-400°, que tiene un aspecto acicular bastante
parecido a la martensita. La Bainita superior esta formada
por una matriz ferritica conteniendo carburos. Las placas
discontinuas de los carburos tienden a tener una orientación
paralela a la dirección de las agujas de la propia bainita.
La bainita inferior esta constituida por agujas alargadas de
ferrita que contienen delgadas placas de carburos. Estas
pequeñas placas son paralelas entre si y su dirección forma
un ángulo de 60° con el eje de las agujas de ferrita. Su
morfología cambia progresivamente con la temperatura de
transformación en el sentido de que el tamaño de las
partículas y la acicularidad de la estructura aumenta al
disminuir la temperatura.
Martensita: Es el constituyente típico de los aceros
templados. Se admite que esta formado por una solución sólida
sobre saturada de carbono o carbono de hierro en hierro alfa,
y que se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde
altas temperaturas.
Sus propiedades químicas varían con su composición,
aumentando su dureza, resistencia y fragilidad con el
contenido en carbono, hasta un máximo de 0,09%
aproximadamente.
Tiene una resistencia de 170 a 250 kg./mm, una dureza de 50 a
68 rockwell-c y un alargamiento de 2.5 a 95%. Es magnética.
Su estructura varia de BCC a tetragonal de cuerpo centrado.
Cuando se forma ni si quiera los átomos de carbono se pueden
difundir quedando atrapados en los intersticios octaedrales y
creando una ferrita supersaturada, con una estructura
cristalina tetragonal de un cuerpo centrado, que es la
martensita fresca o blanca.
Cuando el temple se hace a la temperatura correcta, en
general se obtienen estructuras de martensita muy fina, de
aspecto difuso, que suelen exigir 1000 o más aumento para su
visualización. A la retícula tetragonal obtenida en le temple
se le llama martensita alfa.
DEFINICIÓN DE ACERO
Acero es una aleación de hierro carbono, con un contenido de
carbono inferior al 2.11%, que contiene elementos de
aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas
específicas para su utilización en la industria. Los
productos férreos con más de 2.11% de carbono se denominan
Fundiciones de hierro.
- Atendiendo al porcentaje de carbono, los aceros se
clasifican en:
Aceros hipoentectoides, si su porcentaje de carbono es
inferior al punto S(entectoide), o sea al 0,89%.
Aceros hiperentectoides, si su porcentaje de carbono es
superior al punto S.
- Desde el punto de vista de su composición, los aceros se
pueden clasificar en dos grandes grupos:
Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y
carbono
Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos
en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades
(dureza, puntos críticos, tamaño del grano, templabilidad,
resistencia a la corrosión).
- Con respecto a su composición, puede ser:
De baja o alta aleación y los elementos que puede contener el
acero pueden ser tanto deseables como indeseables, en forma
de impurezas.
- Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión.
El cromo favorece la resistencia a la corrosión; integra la
estructura del cristal metálico, atrae el oxigeno y hace que
el acero no se oxide.
El molibdeno y el volframio también favorecen la resistencia
ala oxidación.
- Clasificación según la aplicación de los metales
En la industria, cada fabricante designa los aceros que
produce con una denominación arbitraria, lo cual origina una
verdadera complicación a la hora de elegir un acero o de
establecer las equivalencias entre aceros de distintos
fabricantes. Para evitar este inconveniente, el instituto del
hierro y el acero adopta una clasificación que se ha incluido
en las normas UNE españolas. (también existen las normas AISI
de Estados Unidos)
El IHA clasifica los materiales metalúrgicos en 5 grandes
grupos:
F- Aleaciones férreas
L- Aleaciones ligeras
C- Aleaciones de cobre
V- Aleaciones varias
S- Productos sintetizados
Estos productos metalúrgicos se clasifican en series, grupos
y tipos.
Las series que corresponden a los aceros van desde la F-100
hasta la F-900
La serie F-300 corresponde a los aceros resistentes a la
oxidación y a la corrosión, en particular la serie F-310
corresponde a los aceros inoxidables.
Los aceros se suministran en estado bruto de forja o
laminación.
TRATAMIENTOS EN LOS ACEROS
Son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones
ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y
tamaño de sus granos o bien por transformación de sus
constituyentes.
El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades
mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a
las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta
manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia
mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para
facilitar su conformación.
Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir
en la aportación de algún elemento a la superficie de la
pieza.
Tratamientos térmicos:
recocido, temple, revenido, normalizado
Tratamientos termoquímicos:
cementacion, nitruracion, cianurizacion, etc.
Tratamientos mecánicos:
Se somete al metal a propiedades de propiedades frío o
caliente para mejorar sus propiedades mecánicas y además
darle formas determinadas.
Al deformar propiedades de un metal mediante martillado,
laminado, etc., sus granos son deformados alargándose en el
sentido de la propiedades. Lo mismo pasa con las impurezas y
defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del
metal.
Tratamientos en frío:
Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura
de recristalizacion, pueden ser profundos o superficiales.
Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción.
Disminuye su plasticidad y tenacidad
Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones
originadas, se dice entonces que el metal tiene acritud
(cuanto más deformación, mas dureza)
Se produce fragilidad en el sentido contrario a la
deformación (falta de homogeneidad en la deformación iguales
tensiones en las diferentes capas del metal)
Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no
importe su fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en
la dirección de la deformación
Formación de Martensita en el Acero
El diagrama de fases hierro-carbono de la figura 1 indica las
fases de hierro y carburo de hierro (cementita) presentes
bajo condiciones de equilibrio. Se asume que el enfriamiento
desde una temperatura alta ha sido lo suficientemente lento
para permitir que la austenita se descomponga en una mezcla
de ferrita y cementita (Fe3C) a temperatura ambiente.
Esta reacción de descomposición requiere de difusión y otros
procesos que dependen del tiempo y la temperatura para
transformar el metal en su forma final preferida. Sin
embargo, bajo condiciones de enfriamiento rápido que eviten
el equilibrio de la reacción, la austenita se transforma en
una fase de no equilibrio llamada martensita. La martensita
es una fase dura y frágil que da al acero su capacidad única
de endurecerse a valores muy altos.
Curva tiempo-temperatura-transformación
La naturaleza de la transformación a martensita puede
entenderse mejor usando la curva tiempo - temperatura -
transformación (curva TTT) para acero eutectoide ilustrada en
la figura. La curva muestra cómo la velocidad de enfriamiento
afecta la transformación de austenita en varias fases
posibles. Las fases se pueden dividir en 1) formas
alternativas de ferrita y cementita y 2) martensita.
Las fases se pueden dividir en 1) formas alternativas de
ferrita y cementita y 2) martensita. El tiempo se representa
(logarítmicamente por conveniencia) a lo largo del eje
horizontal, y la temperatura en el eje vertical. La curva se
interpreta partiendo del tiempo cero en la región austenita
(en un lugar arriba de la línea de temperatura A1 para una
composición dada) y contínua hacia abajo y a la derecha a lo
largo de una trayectoria que muestra cómo se enfría el metal
en función del tiempo. La curva TTT que muestra la figura es
para una composición específica de acero (0.80% de C). La
forma y posición de la curva es diferente para otras
composiciones.
A velocidades lentas de enfriamiento la trayectoria pasa a
través de la región, indicando una transformación a perlita o
bainita que son formas alternativas de mezclas ferrita-
carburo. Como estas transformaciones toman tiempo, el
diagrama TTT muestra dos líneas, el inicio y el fin de la
transformación conforme transcurre el tiempo, indicando las
diferentes regiones de fase por los subíndices s y f ,
respectivamente. La perlita es una mezcla de fases ferrita y
carburo en la forma de placas delgadas paralelas. Se obtiene
por enfriamiento lento de la austenita de manera que la
trayectoria de enfriamiento pase a través de Ps arriba de la
nariz de la curva TTT. La bainita es una mezcla alternativa
de las mismas fases, que puede producirse mediante un
enfriamiento inicial rápido a una temperatura por encima de
Ms, de manera que se evite la nariz de la curva TTT; la
siguiente etapa es un enfriamiento mucho más lento para pasar
a través de Bs y dentro de la región ferrita-carburo. La
bainita tiene una estructura en forma de agujas o plumas que
consiste en finas regiones de carburo.
Si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente
rápida (indicada por la línea punteada en nuestro diagrama),
la austenita se transforma en martensita. La martensita es
una fase única que consiste en una solución hierro-carbono
cuya composición es igual a la de la austenita de la cual
deriva. La estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT)
de la martensita, sin que ocurra el proceso de difusión, el
cual está en función del tiempo y es necesario para separar
la ferrita y el carburo de hierro en las transformaciones
precedentes.
Durante el enfriamiento, la transformación de la martensita
empieza a cierta temperatura Ms y termina a una temperatura
más baja Mf, como se muestra en nuestro diagrama TTT. En los
puntos entre estos dos niveles, el acero es una mezcla de
austenita y martensita. Si se detiene el enfriamiento a una
temperatura entre las líneas Ms y Mf, la austenita se
transformará en bainita tan pronto como la trayectoria
tiempo-temperatura cruce el umbral de Bs.
El nivel de la línea Ms se deprime por debajo de la
temperatura ambiente, haciendo imposible para estos aceros la
formación de martensita mediante métodos de tratamiento
térmico tradicional.
La dureza extrema de la martensita resulta de la deformación
reticular creada por los átomos de carbono atrapados en la
estructura BCT, que forman una barrera al deslizamiento. La
figura 3 muestra el efecto significativo que tiene la
martensita sobre la transformación de la dureza del acero, al
aumentar el contenido de carbono.
Procesos de tratamiento térmico
El tratamiento térmico para formar martensita consiste en dos
pasos: austenitización y temple. A estos pasos le sigue
frecuentemente un revenido para producir martensita revenida.
La austenitización implica calentamiento del acero a una
temperatura lo suficiente alta para convertirlo entera o
parcialmente en austenita. Esta temperatura puede
determinarse por medio del diagrama de fase para la
composición particular de la aleación. La transformación a
austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y
calentamiento; en consecuencia, se debe mantener el acero a
temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para
permitir que se forme la nueva fase y alcance la homogeneidad
de composición requerida.
El templado implica que el enfriamiento de la austenita sea
lo suficientemente rápido para evitar el paso a través de la
nariz de la curva TTT, como se indica en la trayectoria de
enfriamiento de la figura 2. La velocidad de enfriamiento
depende del medio de temple y la velocidad de transmisión de
calor dentro de la pieza de acero. Se usan varios medios de
temple en las operaciones comerciales de tratamiento térmico
que incluyen: 1) salmuera (agua salada) generalmente agitada,
2) agua fresca en reposo, 3) aceite en reposo y 4) aire. El
temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento más
rápido de las superficies calentadas de la parte, mientras
que el temple al aire es el más lento. El problema es que
mientras más efectivo sea el medio de temple en el
enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos,
distorsión y grietas en el producto.
La velocidad de transferencia de calor en el interior de la
pieza depende en gran medida de su masa y geometría. Una
forma cúbica grande se enfriará mucho más despacio que una
lámina delgada pequeña. El coeficiente de conductividad
térmica k de la composición particular es también un factor
en el flujo de calor dentro del metal. Hay una considerable
variación de k para diferentes grados de acero, por ejemplo,
el acero al bajo carbono tiene un valor típico de k igual a
2.2 Btu/hr-pulg-°F (0.046 J/seg-mm-°C), mientras que un acero
de alta aleación debe tener una tercera parte de este valor.
La martensita es dura y frágil. El revenido es un tratamiento
térmico que se aplica a los aceros endurecidos para reducir
su fragilidad, incrementar su ductibilidad y tenacidad y
aliviar los esfuerzos en la estructura de la martensita. El
tratamiento implica calentamiento y mantenimiento de ésta a
una temperatura por debajo de la eutectoide durante
aproximadamente una hora, seguido de un enfriamiento lento.
El resultado es la precipitación de partículas muy finas de
carburo de la solución martensítica hierro-carbono y la
transformación gradual de la estructura cristalina de BCT a
BCC. Esta nueva estructura se llama martensita revenida. Una
ligera reducción en resistencia y dureza producen una mejora
en ductibilidad y tenacidad. La temperatura y el tiempo del
tratamiento del revenido controlan el grado de suavización
del acero endurecido, ya que el cambio de martensita no
revenida a revenida implica difusión.
Los tres pasos del tratamiento térmico del acero para formar
martensita revenida pueden ser representados como se muestra
en la figura 4. Hay dos ciclos de calentamiento y
enfriamiento, el primero para producir martensita y el
segundo para revenirla.
Templabilidad
El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa
de un acero de ser endurecido por transformación a
martensita. Es una propiedad que determina la profundidad por
debajo de la superficie templada a la cual el acero se
endurece o la severidad del temple requerido para lograr una
cierta penetración de la dureza. Los aceros con buena
templabilidad pueden endurecerse más profundamente debajo de
la superficie y no requieren altas velocidades de
enfriamiento. La templabilidad no se refiere a la máxima
dureza que se puede lograr en el acero; eso depende del
contenido de carbono.
La templabilidad de un acero se incrementa mediante la
aleación. Los elementos aleantes que tienen el mayor efecto
son el cromo, el manganeso, el molibdeno y el níquel en menor
grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos
aleantes es el aumento del tiempo antes de que ocurra la
transformación de austenita a perlita en el diagrama TTT. En
efecto, la curva TTT se mueve hacia la derecha, permitiendo
así velocidades de enfriamiento más lentas durante el
apagado. Por tanto la trayectoria del enfriamiento es capaz
de seguir más fácilmente una ruta más lenta hacia la línea
Ms, evitando el obstáculo impuesto por la nariz de la curva
TTT.
El método más común para medir la templabilidad es el ensayo
de Jominy del extremo templado. El ensayo involucra el
calentamiento de un espécimen normal de diámetro = 1.0 pulg
(25.4 mm) y longitud = 4.0 pulg (102 mm) hasta la escala de
la austenita y después el templado de uno de sus extremos con
agua fría mientras se sostiene verticalmente, como se muestra
en la figura 5(a). La velocidad de enfriamiento en el
espécimen de prueba disminuye con el incremento de la
distancia desde el extremo que se templa. La templabilidad es
indicada por la dureza del espécimen como una función de la
distancia desde el extremo templado como se muestra en la
figura 5(b).
Aceros resistentes a la oxidación y la corrosión
En los aceros inoxidables, la acción de los elementos aleados
es sustancial, además de estructural, y depende del
porcentaje del o los elementos de la aleación
El cromo es el elemento aleado que más influye en la
resistencia ala oxidación y a la corrosión de los aceros. Un
12% de cromo ya impide la corrosión por el aire ambiente
húmedo. Para la oxidación a latas temperaturas se puede
necesitar hasta un 30 %.
El Níquel mejora la resistencia a la corrosión de los aceros
al cromo y el Molibdeno mejora la resistencia a la oxidación
altas temperaturas.
Aceros inoxidables son resistentes a la corrosión
atmosférica, s los ácidos y álcalis y ala oxidación a
temperaturas no muy elevadas.
Clasificación según estructura en estado de utilización:
Ferriticos
Martensiticos
Austeniticos
Aceros ferriticos:
Estructura ferritica a cualquier temperatura (o se convierte
en estructura ausenitica en el calentamiento). El grano no se
regenera
Composición:
15-18% de cromo y una máxima de 0,12% de carbono
Resistencia a la corrosión superior a la de los martensiticos
20-80% de cromo y una máxima de 0,35% de carbono
Aceros al cromo-aluminio hasta un 4% más resistentes a la
oxidación
Son difíciles de soldar y se usan en embuticion profunda por
su gran ductilidad.
Son magnéticos.
Aceros martensiticos:
Gran dureza cuando se los enfría rápidamente una vez
austenizados.
12 - 14 % de cromo, 0,20 - 0,50% de carbono
Principalmente en cuchillería.
16-18% de cromo, 0,60-1; 20% de carbono
Por temple adquieren grandes durezas.
Resistentes a la corrosión y al desgaste
Tipo normalizado AISI -311: acero inoxidable extra dulce.
Menos del 0,1% de carbono, 13% de cromo y 0,30 % de níquel.
Resiste a la corrosión atmosférica, la del agua corriente y
la de los ácidos y álcalis débiles.
Fácilmente sondable
Usos: utensilios domesticos, griferia, ornamentacion,
cuberteria, etc.
Aceros austeniticos:
Estructura auseniticos a cualquier temperatura
Baja conductividad calorífica
Es el tipo de aceros más utilizados
Tipo normalizado AISI -314 Acero inoxidable ausenitico al
cromo níquel conocido como18/8.Contiene 0,08% de carbono, 18%
de cromo y 9% de níquel.
Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, al agua
de mar, al ataque de productos alimenticios, ciertos ácidos
minerales y de la mayoría de los ácidos orgánicos.
Usos: Construcción de equipos para la industria química y de
la alimentación, Utensilios de cocina y aparatos domésticos
que no requieren soldaduras en las zonas sometidas a fuerte
corrosión.
Admite pulidos con acabados a espejo, por lo que también se
usa para ornamentación.
DESCRIPCIÓN DEL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
DIAGRAMA HIERRO-CARBURO DE HIERRO
La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en
el hierro está influida por elementos de aleación, de los
cuales el más importante es el carbono. La figura muestra la
porción de interés del sistema de aleación de hierro-carbono.
Esta es la parte entre hierro puro y un compuesto
intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67% de
carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama
de equilibrio hierro-carburo de hierro.
Antes de estudiar este diagrama, es importante que el lector
entienda que éste no es un verdadero diagrama de equilibrio,
pues equilibrio implica que no hay cambio de fase con el
tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de
hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito), lo cual
tomará un tiempo muy largo a temperatura ambiente, y aun a
1,300ºF tarda varios años formar el grafito. El carburo de
hierro se llama fase metaestable; por tanto, el diagrama
hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa
condiciones metaestables, puede considerarse como
representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de
calentamiento y enfriamiento relativamente lentos.
El diagrama muestra tres líneas horizontales que indican
reacciones isotérmicas. En términos generales, la figura A-1
se ha marcado con letras griegas para representar las
soluciones sólidas; sin embargo, es práctica común dar
nombres especiales a la mayoría de las estructuras que
aparecen en el diagrama. La solución sólida se llama
austenita. La figura A-2 muestra ampliada la porción del
diagrama de la esquina superior izquierda. Esta se conoce
como región delta, debido a la solución sólida . El lector
debe reconocer la línea horizontal a 2,270ºF, por ser una
reacción peritéctica. La ecuación de la reacción peritéctica
se puede escribir como:
enfriamiento
Líquido + austenita
calentamiento
La solubilidad máxima del carbono en Fe b.c.c. es de 0.10%
(punto M), mientras que en el Fe f.c.c. es mucho mayor. La
presencia de carbono influye en el cambio alotrópico .
Conforme se agrega carbono al hierro, la temperatura del
cambio alotrópico aumenta de 2,2554 a 2,720ºF al 0.10% de C.
Considérese el significado de la línea NMPB. Al enfriar, la
porción NM representa el principio del cambio de estructura
cristalina de Fe b. c.c. a Fe f.c.c. para aleaciones que
contienen menos del 0.10% de C. La porción MP representa el
principio del cambio de estructura cristalina por medio de
una reacción peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18%
de C. Para aleaciones que contienen menos del 0.18% de C al
enfriar, el fin del cambio de estructura cristalina está dado
por la línea NP. La porción PB representa el principio y el
fin del cambio de estructura cristalina por medio de la
reacción peritéctica. En otras palabras, para aleaciones
entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza y
termina a temperatura constante. Nótese que cualquier
aleación que contiene más del 0.50% de C cortará el diagrama
a la derecha del punto B y solidificará en austenita
directamente. Como ningún tratamiento térmico comercial se
hace en la región delta, no habrá razón para referirse
nuevamente a esta porción del diagrama.
El diagrama que tiene los nombres comunes insertados, muestra
una reacción eutéctica a 2,065ºF. El punto eutéctico, E, está
a 4.3% de C y a 2,065ºF. Como la línea horizontal CED
representa la reacción eutéctica, siempre que una aleación
cruce esta línea, la reacción deberá ocurrir. Cualquier
líquido que esté presente cuando esta línea se alcanza debe
ahora solidificar en la muy fina mezcla íntima de las dos
fases que están en cualquier extremo de la línea horizontal:
austenita y carburo de hierro (llamada cementita). Esta
mezcla eutéctica se llama ledeburita, y la ecuación puede
escribirse como:
enfriamiento
Líquido + austenita + cementita
Calentamiento
Mezcla eutéctica-ledeburita
La mezcla eutéctica generalmente no se ve en la
microestructura, ya que la austenita no es estable a
temperatura ambiente y debe sufrir otra reacción durante el
enfriamiento.
Hay una pequeña área de solución sólida a la izquierda de la
línea GH. Se sabe que 1,666ºF representa el cambio en
estructura cristalina de hierro puro f.c.c. a b.c.c. Esa
área es una solución sólida en una pequeña cantidad de
carbono disuelto en Fe b.c.c. y se llama ferrita. El
diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que
representa una reacción eutectoide. El punto eutectoide, J,
está a 0.80% de C y a 1,333ºF. Cualquier austenita presente
debe ahora transformarse en la muy fina mezcla eutectoide de
ferrita y cementita, llamada perlita. La ecuación puede
escribirse como
enfriamiento
Líquido ferrita + cementita
Calentamiento
Mezcla eutéctoide-perlita
Por debajo de la línea de temperatura eutoide, cada aleación
consistirá de una mezcla de ferrita y cementita según lo
indicado.
Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica
común dividir el diagrama hierro-carburo de hierro en dos
partes. Aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de
carbono se conocen como aceros, y aquellos que contienen más
del 2% de carbono se conocen como hierros fundidos. El
intervalo de acero se subdivide aún más en base al contenido
de carbono eutectoide (0.8% de C). Los aceros que contienen
menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en
tanto que los que contienen de 0.8 a 2.0 por ciento de C se
llaman aceros hipereutectoides. El intervalo de hierro
fundido también puede subdividirse por el contenido de
carbono eutéctico (4.3% de C). Los hierros fundidos que
contienen menos del 4.3% de C se conocen como hierros
fundidos hipoeutécticos, en tanto que los que contienen más
del 4.3% de C se llaman hierros fundidos hipereutécticos.
DEFINICIÓN DE ESTRUCTURAS
Ahora se definirán los nombres que, por razones descriptivas
o conmemorativas, se han asignado a las estructuras que
aparecen en este diagrama.
La cementita o carburo de hierro, fórmula química Fe3C,
contiene 6.67% de C por peso. Es un compuesto intersticial
típicamente duro y frágil de baja resistencia tensil (aprox.
5000 lb/plg²), pero de alta resistencia compresiva. Es la
estructura más dura que aparece en el diagrama. Su estructura
cristalina es ortorrómbica.
Austenita es el nombre dado a la solución sólida . Es una
solución sólida intersticial de carbón disuelto en hierro
(f.c.c.). La máxima solubilidad es del 2% de C a 2,065ºF
(punto C). Las propiedades promedio son: resistencia tensil,
150,000 lb/plg²; elongación, 10 por ciento en 2 plg.; dureza,
Rockwell C 40, aproximadamente; y tenacidad, alta.
Generalmente no es estable a la temperatura ambiente. Bajo
ciertas condiciones, es posible obtener austenita a la
temperatura ambiente, y su microestructura se muestra en la
figura.
Ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita;
contiene 4.3% de C y se forma a 2,065ºF.
Ferrita es el nombre dado a la solución sólida . Es una
solución sólida instersticial de una pequeña cantidad de
carbón disuelto en hierro (b.c.c.). La máxima solubilidad es
0.025% de C a 1,333ºF (punto H), y disuelve sólo 0.008% de C
a temperatura ambiente. Es la estructura más suave que
aparece en el diagrama. Las propiedades promedio son:
resistencia tensil, 40,000 lb/plg²; elongación, 40 por ciento
en 2 plg; dureza, menor que la Rockwell C 0 o que la Rockwell
B 90.
Perlita (punto J) es la mezcla eutectoide que contiene 0.80
por ciento de C y se forma a 1,333ºF a un enfriamiento muy
lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de
ferrita y cementita. También se muestra la fina mezcla tipo
huella dactilar, llamada perlita. La base o matriz ferrítica
blanca que forma la mayoría de la mezcla eutectoide contiene
delgadas placas de cementita. La figura muestra la misma
estructura, amplificada 17,000 veces con el microscopio de
electrones. Las propiedades promedio son: resistencia tensil,
12,000 lb/plg²; elongación, 20% 2n 2 plg; dureza, Rockwell C
20, Rockwell B 95-100 o BHN 250-300.
SOLUBILIDAD DE CARBONO EN HIERRO
La austenita, que es f.c.c. con cuatro átomos por celda
unitaria, representa un empaquetamiento de átomos mucho más
denso que la ferrita, que es b.c.c. con dos átomos por celda
unitaria. Esto se demuestra por la expansión que tiene lugar
cuando la austenita cambia a ferrita en enfriamiento lento.
Si se supone que los átomos de hierro son esferas, es
posible, de las dimensiones reticulares y suponiendo que la
distancia de mayor aproximación es igual al diámetro atómico,
calcular la cantidad de espacio vacío en ambas estructuras
cristalinas. El cálculo muestra que el porcentaje de espacio
sin llenar en la red f.c.c. es del 255 y en la red b.c.c. es
del 32%. Tanto en la austenita como en la ferrita, los átomos
de carbono se disuelven intersticialmente, o sea, en los
espacios sin llenar de la estructura reticular. En vista de
los cálculos anteriores, podría parecer extraño que la
solubilidad de carbono en austenita es de este modo mucho
mayor que en la ferrita. Este comportamiento, aparentemente
no común. El orificio más grande en ferrita b.c.c. está a la
mitad entre el centro de la cara y el espacio entre los dos
átomos de las esquinas. La figura muestra dos de las cuatro
posibles posiciones para un átomo de carbono en la cara
frontal de un cubo centrado en el cuerpo. La mayor esfera
intersticial que precisamente ajustaría tiene un radio de
0.36 (10^-8)cm. El orificio mayor en austenita f.c.c. está en
la mitad del camino a lo largo de la orilla entre dos átomos
colocados en esquinas. La figura muestra una posible posición
para un átomo de carbono en la cara frontal de un cubo
centrado en la cara. La mayor esfera intersticial que
precisamente ajustaría tiene un radio de 0.52 (10^-8)cm; por
tanto, la austenita tendrá mayor solubilidad para el carbono
que para la ferrita. Como el átomo de carbono tiene un radio
de unos 0.70 (10^-8)cm, los átomos de hierro en austenita son
dispersados por la solución de carbono, así que a la máxima
solubilidad de 2%, sólo el 10% de los orificios se llenan. La
distorsión de la red ferrítica por el átomo de carbono es
mucho más grande que en el caso de la austenita; por tanto,
la solubilidad de carbono es más restringida.
ENFRIAMIENTO LENTO DEL ACERO
La porción de acero del diagrama hierro-carburo de hierro
reviste un interés máximo. Aquí se estudiarán los diversos
cambios que tienen lugar durante el enfriamiento muy lento,
del intervalo de austenita, de varios aceros.
La aleación 1 es un acero jipoeutectoide que contiene 0.20%
de carbono. En el intervalo de austenita, esta aleación
consta de una solución sólida intersticial uniforme. Cada
grano contiene 0.20% de carbono disuelto en los espacios de
la estructura reticular de hierro f.c.c. Al enfriarse
lentamente nada sucede hasta que la línea GJ se cruza en el
punto X1. Esta línea se conoce como línea de temperatura
crítica superior del lado hipoeutectoide y se designa como
A3. El cambio alotrópico de hierro f.c.c. a hierro b.c.c.
tiene lugar a 1,666ºF para hierro puro y disminuye en
temperatura con el aumento de contenido de carbono, como lo
muestra la línea A3, por tanto, en X1, la ferrita debe
empezar a formarse en las fronteras de grano de la austenita.
Como la ferrita puede disolver muy poco carbono, en aquellas
áreas se rearreglan por si mismos a b.c.c. El carbono que
sale de la solución es disuelto en la austenita restante, así
que, conforme el enfriamiento avanza y la cantidad de ferrita
aumenta, la austenita restante se hace más rica en carbono.
Su contenido de carbono se mueve gradualmente hacia abajo y a
la derecha a lo largo de la línea A3. Finalmente, la línea HJ
se alcanza en el punto X2. Esta línea se conoce como línea de
temperatura crítica inferior en el lado hipoeutectoide y se
designa como A1. La línea A1 es la de temperatura eutectoide
y constituye la mínima temperatura a la que el hierro f.c.c.
puede existir bajo condiciones de equilibrio. Precisamente
arriba de la línea A1, la microestructura consta de
aproximadamente 25% de austenita y 75% de ferrita. La
austenita restante, como el 25% del material total (regla II)
y que contiene 0.8% de carbono, experimenta ahora la reacción
eutectoide
enfriamiento
Austenita ferrita + cementita
Calentamiento
Perlita
Nótese que la austenita cambia en la línea A1; por tanto,
cuando la reacción está completa, la microestructura mostrará
aproximadamente 25% de perlita y 75% de ferrita.
Considérese la reacción eutectoide con más detalle. La
austenita cambia a ferrita y es una solución sólida
intersticial en la que cada grano restante disuelve 0.8 por
ciento de C en Fe f.c.c.; sin embargo, la ferrita es Fe
b.c.c. y disuelve muy poco carbono, de modo que el cambio en
estructura cristalina no puede ocurrir hasta que los átomos
de carbono salgan de la solución. Por tanto, el primer paso
es precipitar los átomos de carbono para formar placas de
cementita (carburo de hierro). En el área inmediatamente
adyacente a la placa de cementita, el hierro se vacía de
carbono y los átomos pueden ahora rearreglarse por sí mismos
para formar ferrita b.c.c. De cada lado de la placa de
cementita se forman delgadas capas de ferrita. El proceso
continúa con la formación de capas alternas de cementita y
ferrita para dar la fina mezcla tipo huella dactilar conocida
como perlita. La reacción generalmente empieza en la frontera
de grano de austenita, con la perlita creciendo a lo largo de
la frontera y dentro del grano.
Como la ferrita y la perlita son estructuras estables, la
microestructura permanece en forma sustancial hasta llegar a
la temperatura ambiente y consta de aproximadamente 75% de
ferrita proeutectoide (formada entre las líneas A3 y A1) y
25% de perlita (formada de austenita en la línea A1). La
figura muestra la microestructura de un acero al 0.2% de C
lentamente enfriado. Según lo previsto, consta de 75% de
ferrita proeutectoide (áreas claras) y 25% de perlita (áreas
oscuras). Las áreas oscuras en esta microestructura no
parecen ciertamente una mezcla, por lo que se supone que es
perlita; sin embargo, mayor amplificación revela la fina
mezcla tipo huella dactilar de perlita.
Los cambios descritos serían los mismos para cualquier acero
hipoeutectoide. La única diferencia estaría en la relativa
cantidad de ferrita y perlita. A mayor proximidad del
contenido de carbono a la composición eutectoide (0.8% de C),
más perlita estará presente en la microestructura. La
microestructura de un acero al 0.4% de C lentamente enfriado
muestra aproximadamente 50% de perlita, en tanto que la
composición eutectoide (0.8% de C) muestra el 100% de
perlita.
GLOSARIO
Austenita: En un acero de Cr = 17.80% y Ni = 10.10% es una
solución sólida de carbono en hierro gamma (y) es blanda,
dúctil, tenaz y no magnético.
Calibrado: Es el término empleado para designar un material
que ha sido sometido a procesos mecánicos de deformación en
frío empleando dados de laminación. La apariencia superficial
es brillante, se conoce normalmente como CR y sus tolerancias
están regidas por la Norma ISO H11.
Capa decarburada: Es la capa superficial de un acero que está
desprovista de carbono por haber sido sometido a procesos
elevados de temperatura.
Carburos: Un carburo es una combinación de carbono con un
elemento de aleación (Cr, Mo, W, y V). Su formación ocurre
durante el tratamiento térmico, y le confieren al Acero
propiedades mecánicas tales como Resistencia al desgaste,
Conservación del filo etc.
Cementita: Es un carburo de hierro (FeC3) es el constituyente
más duro de los aceros. Es magnética por debajo de los 210°c
y no magnético a temperaturas superiores.
Conservación de filo: Es la capacidad que posee un material
de no perder el filo de corte cuando está en contacto con un
material que esta siendo cizallado.
Corte térmico: Es el corte que se produce cuando ocurre una
reacción de oxidación por la mezcla de oxigeno y gas
combustible.
Curva de Revenido: Es la curva donde se relaciona en el eje X
la temperatura de revenido y en el eje Y la dureza en HRC, y
es empleada para encontrar la temperatura a la cual debe ser
revenido un Acero con el fin de alcanzar una dureza
determinada.
Deformación térmica: Es el cambio de medidas que sufre un
material cuando está sometido a procesos de temperatura
(Cambios detemperatura). Cuando un material se calienta se
dilata y cuando de enfría se contrae. - Dureza: Es la
resistencia que ofrece un acero a dejarse penetrar. Se mide
en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC)
Electroerosión: Es un proceso de mecanizado SIN ARRANQUE de
viruta y en el cual interviene la corriente eléctrica
produciendo un fenómeno de fusión del material. Están
presentes elementos tales como el electrodo que debe ser un
material altamente conductor de corriente, y el dieléctrico
que puede ser Agua, Petróleo o alguno de sus derivados.
Ferrita: En un acero con C= 0.05% y Mn = 0.29% es el hierro
alfa o hierro casi puro. Es muy dúctil, maleable y magnético
Flecha: Es la desviación que presenta un eje cuando está
comparado con una superficie completamente horizontal.
Laminado en Caliente: Término empleado para designar un
material que ha sido sometido a proceso mecánico de
deformación en caliente y que quedo con una apariencia
superficial negra que se conoce normalmente como HR. sus
tolerancias están regidas por la Norma DIN 1013.
Ledeburita: Mezcla eutéctica de Austenita y Cementita.
Martensita: La martensita puede considerarse como una
solución sólida de carbono en ferrita sobre saturada y
distorsionada.
Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de
permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
Medio de Enfriamiento: Es el medio en el cual se apaga el
acero en el tratamiento térmico después de haber alcanzado la
temperatura de Austenización y de haber sido sostenido a
dicha temperatura el tiempo necesario para transformar la
estructura. Este medio puede ser agua, aceite, sales, aire,
polímeros etc.
Perlita: Mezcla de ferrita y Cementita.Rectificado: Es el
término empleado para designar un material que después de
calibrado o torneado ha sido sometido a un proceso mecánico
de rectificado asegurando medidas muy cercanas a la nominal.
Sus tolerancias dimensiónales son regidas por la Norma ISO
H9.
Resiliencia: Resistencia que oponen los cuerpos a la rotura
por choque. Se mide por medio de péndulos de choque que se
dejan caer sobre probetas llevadas a distintas temperaturas.
Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un
material a dejarse erosionar cuando esta en un contacto de
fricción con otro material.
Resistencia a la fatiga: Es la capacidad que posee un
material de absorber energía cuando esta sometido a cargas
cíclicas repetitivas
Resistencia a la torsión: Es la resistencia que ofrece un
material a dejarse cizallar cuando esta sometido a cargas
contrarias. Por ejemplo en la transmisión de movimiento de un
motor.
Resistencia a la tracción: Es la resistencia que ofrece un
material cuando esta sometido a cargas axiales.
Temperatura de Austenización: Es la temperatura a la cual se
eleva un acero durante el tratamiento de temple. Cada
material tiene una temperatura de Austenización determinada.
Templabilidad: Es la capacidad que posee un material de
penetración de dureza durante el tratamiento térmico, medida
desde la superficie hasta el núcleo.
Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber
energía sin dejarse fisurar. La más común es la resistencia
al impacto.
Tratamiento térmico: Son ciclos de calentamiento y
enfriamiento a los cuales se somete un material con el fin de
variar su dureza para cambiar su resistencia mecánica. Los
principales tratamientos térmicos son: Temple, Revenido,
Recocido, Normalizado.
Tratamientos termoquímicos: Son tratamientos de recubrimiento
superficial en los cuales un elemento químico se deposita por
procesode difusión en la superficie del material. Los
principales tratamientos termoquímicos son: Cementación y
Nitruración o Tenifer.
Torneado: Es el término empleado para designar un material
que ha sido sometido a un proceso mecánico de arranque de
viruta eliminando la capa decarburada. Su apariencia
superficial es brillante con las huellas del premaquinado.
Sus tolerancias dimensionales están regidas por la Norma ISO
H11.
CONCLUSIÓN
Después de haber estudiado pautadamente las propiedades
fundamentales de los materiales constituyentes de la aleación
hierro-carbono podemos concluir que:
Los tratamientos térmicos que se le dan a los aceros, además
de aumentar sus propiedades, contribuyen para el estudio de
las estructuras que se forman posteriormente de que se deje
enfriar lentamente. Tales estructuras como la ferrita y la
cementita, presentan muy buenas propiedades magnéticas y
además son constituyentes principales de los aceros recocidos
al igual que la perlita y con el estudio de sus estructuras
vemos que algunos de estos materiales son coloreables y sus
estructuras son mas compactas.
BIBLIOGRAFIA
PROCESOS DE MANUFACTURA
B.H. Amsterad, Phillip Ostwald
Compañía Editorial Continental
Sexta Edición
1984
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
Apraiz, Barreiro José.,
Limusa Noriega Editores
Novena Edición
INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA
Sydney, h. Avner.,
Editorial McgrawHill
TECNOLOGÍA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS METALES Valencia,
Asdrúbal.
Editorial Universidad de Antioquia
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 01
OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 02
DIAGRAMA DE HIERRO-CARBONO
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 03
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
. . . . . . . . . . . . . . . . 03
Austenita
Ferrita
Cementita
Perlita
Bainita
Martensita
DEFINICIÓN DE ACERO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 06
Aceros hipoentectoides
Aceros hiperentectoides
Aceros al carbono
Aceros aleados
TRATAMIENTOS DE LOS ACEROS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 08
Tratamientos térmicos
Tratamientos termoquímicos
Tratamientos mecánicos
Tratamientos en frío
Templabilidad
DESCRIPCIÓN DEL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO . . . . . 18
Diagrama hierro-carburo de hierro
Definición de estructuras
Solubilidad de carbono en hierro
Enfriamiento lento del acero
GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 28
CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 32
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 33
1
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS
Estos tratamientos tienen como finalidad dotar al material de
unas propiedades mecánicas distintas a las iniciales. O bien
recuperar sus propiedades iniciales después de haber
provocado un cambio.
Los tratamientos térmicos son procesos, que mediante
enfriamientos y calentamientos producen cambios en las
propiedades mecánicas de los materiales (aumentan
resistencia, tracción y dureza), sin alterar su composición
química.
Los tratamientos termoquímicos son procesos que mediante
enfriamientos, calentamientos y cambios en la composición
química provocan un aumento de la resistencia y la dureza de
la superficie exterior de las piezas, manteniendo el núcleo
de las mismas con las propiedades iniciales.
TEMPLE
Es un tratamiento térmico tal que, mediante calentamientos y
enfriamientos permite transformar la austenita en martensita.
La finalidad del temple es aumentar la resistencia a la
tracción, la dureza y la elasticidad de los aceros, a
expensas de disminuir su plasticidad y tenacidad (la pieza se
hace más frágil).
Así mismo, con el temple se modifican propiedades físicas
(aumenta el magnetismo y la resistencia eléctrica) y químicas
(aumenta la resistencia a la corrosión).
TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO
COMPOSICION DEL ACERO
Acero es una aleación de hierro y carbono que
contiene otros elementos de aleación, los
cuales le confieren propiedades mecánicas
especificas para su utilización en la industria
metalmecánica.
Los otros principales elementos de composición
son el Cromo, Tungsteno, Manganeso, Níquel,
Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre, Azufre y
Fósforo. Estos elementos, según su porcentaje,
ofrecen características especificas para
determinadas aplicaciones, como herramientas,
cuchillas, soportes, etc.
PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO
Resistencia al desgaste. Es la
resistencia que ofrece un material a dejarse
erosionar cuando esta en contacto de fricción
con otro material.
Tenacidad. Es la capacidad que tiene un
material de absorber energía sin producir
Fisuras (resistencia al impacto).
Maquinabilidad. Es la facilidad que posee
un material de permitir el proceso de
mecanizado por arranque de viruta.
Dureza. Es la resistencia que ofrece un
acero para dejarse penetrar. Se mide en
unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C
(HRC), mediante test del mismo nombre.
TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO
El tratamiento térmico en el material es
uno de los pasos fundamentales para que pueda
alcanzar las propiedades mecánicas para las
cuales esta creado. La clave de los
tratamientos térmicos consiste en las
reacciones que se producen en el material,
tanto en los aceros como en las aleaciones no
férreas, y ocurren durante el proceso de
calentamiento y enfriamiento de las piezas, con
unas pautas o tiempos establecido.
Temple. El temple tiene por objeto
endurecer y aumentar la resistencia de los
aceros. Para ello, se calienta el acero a una
temperatura ligeramente más elevada que la
crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se
enfría luego más o menos rápidamente (según
características de la pieza) en un medio como
agua, aceite, etc.
Revenido. Es un tratamiento habitual a
las piezas que han sido previamente templadas.
El revenido consigue disminuir la dureza y
resistencia de los aceros templados, se
eliminan las tensiones creadas en el temple y
se mejora la tenacidad, dejando al acero con la
dureza o resistencia deseada. Se distingue
basicamente del temple en cuanto a temperatura
máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido. Consiste básicamente en un
calentamiento hasta temperatura de
austenización (800-925ºC) seguido de un
enfriamiento lento. Con este tratamiento se
logra aumentar la elasticidad, mientras que
disminuye la dureza. Tambien facilita el
mecanizado de las piezas al homogeneizar la
estructura, afinar el grano y ablandar el
material, eliminando la acritud que produce el
trabajo en frío y las tensiones internas.
TRATAMIENTOS TERMO QUIMICOS DEL ACERO
En el caso de los tratamientos térmicos, no solo se
producen cambios en la Estructura del Acero, sino también en
su COMPOSICION QUIMICA, añadiendo diferentes productos
químicos durante el proceso del tratamiento. Estos
tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas
tratadas.
Cementación. Mediante este tratamiento se producen
cambios, en la composición química del acero. Se consigue
teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal
durante el calentamiento y enfriamiento. Lo que se busca es
aumentar el contenido de carbono de la zona periférica,
obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una
gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena
tenacidad en el núcleo.
Nitruración. Este tratamiento TermoQuímico busca
endurecer superficialmente un acero con nitrógeno,
calentándolo a temperaturas comprendidas entre 400-525ºC,
dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
TRATAMIENTO TERMICOS DE LOS ACEROS
A. INTRODUCCIÓN
A.1—NATURALEZA FÍSICA Y QUÍMICA
A.2—MICROESTRUCTURA
A.3-CLASIFICACION DE LOS ACEROS
A.4—DIAGRAMAS DE FASES
B) TRATAMIENTOS TERMICOS
B.1—RECOCIDO
B.2--TEMPLE
B.3—REVENIDO
B.4--NORMALIZADO
A) INTRODUCCIÓN
El acero es una aleación de hierro con carbono en una
proporción que oscila entre 0,03 y 2%. Se suele componer de
otros elementos, ya inmersos en el material del que se
obtienen. Pero se le pueden añadir otros materiales para
mejorar su dureza, maleabilidad u otras propiedades.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a
distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de
carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico,
la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias,
ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es
hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos
en disolución. La cementita es un compuesto de hierro con el
7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy
quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita,
con una composición específica y una estructura
características, sus propiedades físicas con intermedias
entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de
un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las
proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el
contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de
ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8%
de carbono, está por compuesto de perlita. El acero con
cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y
cementita.
A.1—NATURALEZA FÍSICA Y QUÍMICA DEL ACERO
Acero en realidad es un término que nombra a una familia muy
numerosa de alea-
ciones metálicas, teniendo como base la aleación Hierro Œ
Carbono. El hierro es
un metal, relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico d
A = 2,48 Å ( 1
amstromg Å = 10 -10 m), con temperatura de fusión de 1 535ºC
y punto de ebullición
2 740ºC. Mientras el Carbono es un metaloide, con diámetro
mucho más pequeño
(d A = 1,54 Å ), blando y frágil en la mayoría de sus formas
alotrópicas (excepto
en la forma de diamante en que su estructura cristalográfica
lo hace el más duro de
los materiales conocidos). Es la diferencia en diámetros
atómicos lo que va a
permitir al elemento de átomo más pequeño difundir a través
de la celda del otro
elemento de mayor di Cuando una sustancia logra disolverse en
otra se tiene una solución, donde a la primera, que es
minoritaria, se le llama soluto y a la segunda, que es
mayoritaria,se le llama solvente. Estas sustancias pueden ser
sólidas, líquidas o gaseosas.
Al igual que el carbono, actúan otros elementos que devienen
en intersticiales.
debido a su diámetro atómico menor a 2 Å, lo que les da mayor
posibilidad de
difusión a través de los intersticios de la estructura
cristalina del hierro. Estos
elementos son el Nitrógeno (d A = 1,42 Å), Hidrógeno (d A =
0,92 Å), Boro (d A =
1,94 Å), Oxígeno (d A = 1,20 Å), etc. Va a ser esta
posibilidad de difusión intersticial
la responsable de una gran cantidad de posibilidades
tecnológicas y variantes de
propiedades en el acero, especialmente las vinculadas al
endurecimiento, gracias
a la solución sólida intersticial de carbono en hierro, y a
la formación de compues-
tos intersticiales como carburos y nitruros que aparecen como
componentes usual-
mente muy duros en los aceros aleados.
Por otro lado, otros elementos como el cromo, níquel,
titanio, manganeso, vanadio,
cobre, etc. con diámetros atómicos cercanos al del hierro
(condición indispensable),
formarán soluciones sólidas sustitucionales en un intervalo
que dependerá de la
semejanza de estructura cristalina, de la afinidad química y
de las valencias relati-
vas. Estas soluciones sustitucionales son las más frecuentes
y numerosas entre los
metales, especialmente en el acero. . En un metal que está
formado por la unión de electrones girando alrededor de un
núcleo, como es posible que pueda tener tan buena solidez,
tenacidad y dureza.
¿Qué fuerzas explican esta cohesión? El enlace metálico es un
enlace muy pecu-
liar que permite la movilidad de los electrones alrededor de
los núcleos generan-
do una cohesión entre ellos, gracias a fuerzas de repulsión
entre núcleos y entre
electrones, y a fuerzas de atracción entre núcleos positivos
y electrones; y, a la
vez, permite un ordenamiento muy regular de los iones (átomos
que han perdido
o ganado electrones, según su valencia) dando lugar a una
estructura cristalina. La
estructura cristalina se caracteriza por una distribución
regular de los átomos (y
iones) en el espacio. Hay 14 estructuras posibles de
cristalización, aunque la ma-
yor parte de los metales cristalizan en tres tipos de
estructuras, dos de ellas cúbi-
cas y una hexagonal. El enlace metálico es el responsable de
la dureza, la resistencia mecánica y la plasticidad que
caracterizan a los metales. Es su gran movilidad de los
electrones lo que explica también el brillo metálico y las
conductividades térmica y eléctrica.
Formas alotrópicas son las diversas formas en que un metal
alotrópico puede
presentarse, según su estructura cristalográfica. Cuando un
metal monocomponente
o monofásico, sin haber variado su composición química, sufre
un cambio rever-
sible de estructura cristalina, se dice que es alotrópico.
Se llama fase a un componente que constituye una entidad
diferenciada de las
otras fases, en base a su composición química, a su
naturaleza física, a su estruc-
tura cristalográfica, a sus propiedades físicoquímicas, etc.
El hierro es un metal alotrópico pues pasa de una estructura
b.c.c., conocida como
hierro alfa, que existe desde temperatura ambiente hasta los
910 ºC, a una estruc-
tura f.c.c. del hierro gamma, que existe entre los 912 y 1
500ºC, y luego retorna a
la estructura b.c.c., esta vez, del hierro delta, que
existe hasta los 1 540ºC.
El enlace metálico es el responsable de la dureza, la
resistencia mecánica y la
plasticidad que caracterizan a los metales. Es su gran
movilidad de los electrones
lo que explica también el brillo metálico y las
conductividades térmica y eléctrica.
Formas alotrópicas son las diversas formas en que un metal
alotrópico puede
presentarse, según su estructura cristalográfica. Cuando un
metal monocomponente
o monofásico, sin haber variado su composición química, sufre
un cambio rever-
sible de estructura cristalina, se dice que es alotrópico.
Se llama fase a un componente que constituye una entidad
diferenciada de las
otras fases, en base a su composición química, a su
naturaleza física, a su estruc-
tura cristalográfica, a sus propiedades físicoquímicas, etc.
El hierro es un metal alotrópico pues pasa de una estructura
b.c.c., conocida como
hierro alfa, que existe desde temperatura ambiente hasta los
910 ºC, a una estruc-
tura f.c.c. del hierro gamma, que existe entre los 912 y 1
500ºC, y luego retorna a
la estructura b.c.c., esta vez, del hierro delta, que existe
hasta los 1 540ºC.
. Celdas unitarias b.c.c. (estructura cúbica de cuerpo
centrado) y f.c.c. (estructura cúbica de cara centrada),
corres-
pondientes al hierro alfa y hierro gamma, respectivamente.
Serán estas fases del hierro las cuales asimilarán los átomos
de carbono principal-
mente, pero también átomos de otros elementos en menor
cantidad, para dar lugar
a la formidable familia de aleaciones conocida como acero. De
tal forma que estas
fases también estarán presentes en los aceros aunque,
lógicamente, presentarán
cambios de composición que incluyen a los nuevos elementos
presentes.
Las propiedades mecánicas en los aceros son influenciadas
fuertemente por el
contenido de carbono, ya que determinan cantidades diferentes
de uno de los com-
ponentes más duros en el acero, como es la cementita, o de su
mezcla eutectoide,
la perlita. Aún en estado de temple (endurecido por
enfriamiento rápido), el con-
tenido de carbono del acero sigue siendo importante pues una
martensita de ma-
yor contenido de carbono será también más dura.
A.2—MICROESTRUCTURA
Veamos un poco más adentro en la estructura del acero. Un
producto de acero,
como una barra o una plancha, es un sólido que está formado
por granos. Al
microscopio son granos los que se observan como
microcomponentes del acero.
Estos granos pueden ser de alguna de las fases, o mezcla de
fases, que están
presentes en todo acero normal: ferrita, perlita, cementita;
por lo que pueden tener
diferente aspecto.De esta forma un acero al carbono, de un
contenido de carbono de 0,20 %, estará formado por una
proporción de 75% de fase ferrita (cuyo contenido de carbono,
a
temperatura ambiente, no pasa de 0,008 %) y aproximadamente
25 % de perlita
(cuyo contenido de carbono es fijo y corresponde a 0,8 %);
mientras un acero de
mayor contenido de carbono (por ejemplo, 0,40 %) tendrá mayor
proporción de
perlita (aproximadamente 50 % )
Los granos, a su vez, están formados por agregados de
cristales. Son estos cristales los que van a determinar en
gran medida las propiedades del acero. Como ya ha sido dicho,
cada fase tiene diferente estructura cristalina o
cristalográfica, y, por tanto, cada fase posee diferentes
propiedades.
El acero poseerá, en general y proporcionalmente, las
propiedades promedio del conjunto.
CLASIFICACIÓN DEL ACERO
Los aceros se clasifican en cinco grupos principales:
aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación
ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de
herramientas.
Aceros al carbono
El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros
contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65%
de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este
tipo de acero se fabrican maquinas, carrocerías de automóvil,
estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc.
Aceros aleados
Estos aceros están compuestos por una proporción
determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además
de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los
aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar
engranajes, ejes, cuchillos, etc.
Aceros de baja aleación ultrarresistentes
Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos
aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a
que contienen menor cantidad de materiales costosos de
aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que
hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al
carbono. Este material se emplea para la fabricación de
bagones porque al ser más resistente, sus paredes son más
delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor.
Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un
mayor peso. También se emplea para la fabricación de
estructuras de edificios.
Aceros inoxidables
Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos
de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la
oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros
muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho
tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los
arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También
se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y
productos químicos por su resistencia a la oxidación y para
la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de
huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales.
Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como
pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de
limpiar.
Aceros de herramientas
Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y
cabezales de corte y modelado de maquinas. Contiene
wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le
proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.
A.4—DIAGRAMA DE FASES DEL ACERO
Bien, ya hemos dicho que los aceros están compuestos por
ciertas fases, las cuales a su vez tienen ciertas
características diferenciadas. La diferente proporción de
estas fases determinará en mucho las propiedades del acero.
También se ha dicho que el contenido de carbono y de otros
elementos influyen sobre las propiedades del acero, esto
quiere decir que estos elementos se meterán dentro de estas
fases cambiando a su vez sus propiedades. La forma más simple
de visualizar este hecho es a través de un diagrama de fases
en equilibrio hierro-carbono.
El diagrama hierro-carbono solo tiene una zona de interés
tecnológico que lo
constituye la porción hierro-carburo de hierro. El carburo de
hierro conocido como cementita es un compuesto Fe 3 C con
6,67 % de carbono. Este es un diagrama metaestable, pues para
fines prácticos se puede considerar que la cementita es una
fase iacuasiestablel_ y técnicamente representa condiciones
de equilibrio útiles para entender las transformaciones que
veremos en los aceros.
Considerando el contenido de carbono, es práctica común
dividir este diagrama
en dos partes: la de las fundiciones (entre aproximadamente 2
y 6,67 % de carbono) y la de los aceros (entre 0 y 2 % de
carbono). Vemos, además varias zonas definidas dentro del
diagrama. Tenemos varias soluciones sólidas. La solución
sólida gamma (derivada de la fase gamma del hierro) se llama
austenita y posee una estructura f.c.c. A alta temperatura se
tiene la región de la solución sólida delta (derivada de la
fase delta del hierro) con estructura f.c.c. Mientras que a
menor temperatura se tiene la región de la ferrita (derivada
de la fase alfa del hierro) también con estructura f.c.c
La transformación más importante en este diagrama, desde el
punto de vista de su utilización técnica, lo constituye la
transformación austenítica:
Austenita ! Ferrita + Cementita
Esta transformación se verifica a 723ºC , que es conocida
como la temperatura
eutectoide, y su control constituye un poderoso medio de
determinar las propiedades mecánicas del acero adecuándolas a
nuestro uso. El control y aprovechamiento de esta
transformación constituye una buena parte del campo de
aplicación de los tratamientos térmicos.
La velocidad de enfriamiento determinará la microestructura
final presente en el
acero, decidirá si la fase presente es de naturaleza
metaestable o estable o si es una fase fuera del equilibrio;
y por tanto determinará las propiedades mecánicas, físicas,
químicas, etc. asociadas a las fases presentes.
Si esta transformación se realiza enfriando lentamente se
producirá la mezcla
eutectoide conocida como perlita, formada por finas capas
alternadas de cementita y ferrita. Cuanto más lentamente se
realice esta transformación más gruesas serán estas capas y
mayor será el tamaño de grano del acero (esto sucede en el
tratamiento térmico conocido como recocido). Si el
enfriamiento es menos lento se tendrá una perlita con capas o
lamelas más finas, como sucede en el normalizado.El acero
recocido es más blando que el acero normalizado.
Si mediante un enfriamiento acelerado, desde la zona
austenítica, logramos evitar la transformación eutectoide
tendremos una fase fuera del equilibrio llamado martensita.
Este nuevo componente microestructural posee alta dureza
aunque con una cierta fragilidad. La martensita es una
solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en hierro
alfa lo que lleva a una estructura
tetragonal de cuerpo centrado derivada de la estructura
b.c.c. El eje
z de la celda cúbica es mayor debido a la inclusión de átomos
de carbono. Esta
fuerte alteración de la red es la responsable de la alta
dureza de la martensita y
también de su aspecto microestructural acicular.
A. TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS
El tratamiento termico consiste en una combinación de
operaciones de calentamiento, y enfriamiento, con tiempos
determinados, aplicados a un metal o aleación en el estado
solido, en una forma tal que producira las propiedades
deseadas , por lo que el calentamiento , con el unico fin de
favorecer una deformación, no se incluye dentro de esta
definición.
El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades
mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a
las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta
manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia
mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para
facilitar su conformación
Todos los procedimientos de tratamientos termicos de aceros,
incluyen la transformación o descomposición de la
austenita,por lo que el primer paso en cualquier proceso de
tratamiento del acero, será el calentar el material a alguna
temperatura , que como minimo sea la del intervalo critico
que lleva a la formación de la austenita.
Los factores fundamentales que influyen en el tratamiento
termico, son la temperatura y el tiempo ,tanto es asi que el
proceso del tratamiento se caracteriza por la temperatura de
calentamiento maxima tmax , que es la temperatura hasta la
cual se calienta el material durante el tratamiento , el
tiempo que se mantiene a la temperatura de calentamiento, por
las velocidades de calentamiento Vcal , y de enfriamiento
Venfr , las cuales se toman en su valor medio ponderado en
todo el proceso, y este valor se hace extensivo a todo el
intervalo de temperaturas deseado. Según sea esta velocidad
de enfriamiento , dara una estructura cristalina diferente, y
unas propiedades físicas y químicas diferentes, para cada
acabado,(según lo comentado en la parte del diagrama de
fases).
El tratamiento puede ser simple, complejo ( varios
calentamientos y enfriamientos), escalonado,
intermitente,etc, pero todos ellos se pueden representar
mediante una grafica de la Temperatura frente al Tiempo.
Durante los tratamientos termicos, los aceros sufren
deformaciones importantes, debidas al desigual y rapido
enfriamiento de las diferentes partes de las piezas, asimismo
experimentan cambios de volumen , debidos a dilataciones
termicas ( al calentarse el acero , este se dilata aumentando
su volumen , a medida que se eleva su temperatura, según su
coeficiente de dilatación termica, que esta del orden de 14 x
10 -6 ) y a modificaciones en la microestructura del acero
( al calentar un acero, la zona critica se contrae , y luego
al enfriarse cuando llega aproximadamente sobre los 710º-
680º, se vuelve a dilatar, esto se produce por los cambios de
estructura, es decir, a la transformación de perlita en
austenita en el calentamiento, y al contrario en el
enfriamiento), debido a estos cambios de volumen, hay que
tener cuidado con los tratamientos elegidos, ya que cuando el
enfriamiento es lento (recocido), estos cambios ocurren a
alta temperatura y los cambios no son importantes, ya que el
acero caliente es plastico y admite ciertas deformaciones,
pero cuando se templa un acero , la transformación ocurre a
baja temperatura y aparecen en la estructura cristalina ,
cristales de martensita en vez de perlita, entonces es mas
peligroso porque el acero frio no es plastico, y el aumento
de volumen suele ser bastante mayor , ademas algunas veces
este cambio de volumen solo lo sufren ciertas partes de las
piezas, y otras no, con lo que existe un riesgo de rotura
mucho mayor.
Las variaciones de las propiedades del material , que se
producen como consecuencia de los tratamientos termicos ,
deben de ser permanentes , para poder beneficiarnos
constructivamente de estos cambios, ya que si no no tendría
ningun sentido.
Los tratamientos termicos se pueden clasificar en tres
tipos , los cuales tienen ciertas semejanzas, en los tres se
calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la
critica, y luego , después de un periodo de permanencia en
esta temperatura , suficiente para conseguir el estado
austenitico, se enfrian las piezas. La diferencia fundamental
entre los tres tratamientos es la velocidad de enfriamiento ,
que es lo que caracteriza a cada tratamiento, siendo asi que
las dos primeras partes (calentamiento y permanencia), se
pueden estudiar en comun para los tres tipos , que son:
--Recocido (de primer y segundo genero)
--Temple
--Revenido
en estos tratamientos hay que alcanzar una temperatura
ligeramente mas elevada que la critica superior ( excepto el
recocido subcritico ) , para conseguir que todo el acero pase
al estado austenitico , este exceso de temperatura es de 50 a
70 grados por encima para el normalizado, 40 a 60 grados para
el temple, y de 20 a 40 grados para el recocido.
Para conseguir que toda la masa del acero este formada por
cristales de austenita ,. Hace falta que el acero este a la
temperatura de tratamiento cierto tiempo , que dependera de
la masa de las piezas , de la temperatura , de la velocidad
de calentamiento , de la clase de acero , y del estado
inicial y final del material , el tiempo de mantenimiento
empieza cuando toda la pieza ( incluyendo la parte del
interior ), ha alcanzado la misma temperatura , ya que al
rebasar las temperaturas criticas , todo el carbono forma
solucion con la austenita , en las cuales unas partes pueden
tener mas concentración de carbono que otras, y este
porcentaje tiende a igualarse en toda la masa , proceso este
que se puede ver retardado por las fronteras de grano, por
impurezas de fosforo y oxigeno etc.
Cuando se alcanza la temperatura de austenizacion en los
aceros hipoeutectoides tiene que transcurrir un tiempo para
que el carbono se difunda en las zonas que antes fueron
ferriticas.. El tiempo necesario para tener una estructura de
austenita homogénea, tambien varia con la máxima temperatura
alcanzada y con la forma de la microestructura inicial,
cuanto mas alta sea la temperatura, menos tiempo sera
necesario para homogeneizar la microestructura.
La duración del calentamiento depende también de la clase
tratamiento que vayamos a realizar , en los normalizados se
usaran permanencias mas cortas
En los recocidos las permanencias seran mas largas , ya que
no solo hay que conseguir la formación del estado austenitico
, sino también la difusión y homogeneización de los
constituyentes.
En este tiempo de mantenimiento del acero a temperatura
elevada , los cristales de austenita se desarrollan y
aumentan de tamaño , y a mas temperatura y mas duración , mas
se desarrollan y mas gruesos se hacen , y como el tamaño de
los cristales del acero final dependen del tamaño de los
cristales de austenita , tendremos un producto final de
cristales gruesos , por eso para afinar un acero de granos
gruesos , basta con calentarlo a una temperatura lo mas justo
por encima de la critica y luego enfriarlo al aire , siendo
esto el recocido.
--RECOCIDO
Se pueden distinguir dos tipos , de primer grado o subcritico
, que es el calentamiento de un metal dentro de una misma
fase , sin cambio de la misma , y un posterior enfriamiento a
una velocidad lenta, con esto se consigue llevar al metal al
estado estable , eliminando tensiones residuales y
dislocaciones de la red produciendo una recristalizacion y el
de segundo genero en el que se produce un cambio de fase. El
objetivo del recocido es ablandar el acero y regenerar su
estructura , es la primera operación a realizar en un
tratamiento termico ya que subsana defectos de los procesos
de fabricación del acero, como la colada, la forja ,etc. y
prepara el metal para las operaciones mecanicas siguientes
como el mecanizado ,extrusionado ,etc.
Si no hay necesidad de cambiar la distribución del componente
ferritico, y el grano de la estructura inicial no es muy
grueso, el calentamiento se producira por debajo de la
temperatura critica de fusion, consiguiendo solo una
recristalizacion del componente perlitico (recocido de
austenizacion incompleta). Normalmente en los aceros
hipereutectoides, y algunos hipoeutectoides que se suelen
recocer con austenizacion incompleta , no se cumple la
condicion de que todo el material este en estado austenitico
al comenzar el enfriamiento, con lo que se utilizan
temperaturas entre la critica inferior y la superior. En
estos casos se produce una estructura globular ( de perlita
globular) , ya que es la de distribución micrográfica mas
uniforme, y la que después del temple da mayor tenacidad , y
son mucho mas faciles de mecanizar.
Esta técnica se suele utilizar para los aceros de
herramientas,
Los recocidos subcriticos ( por debajo de la temperatura
critica inferior), se pueden dividir en tres clases , que son
:
-recocido de ablandamiento: sirve para ablandar el acero
rapidamente, calentando el acero a una temperatura lo mas
elevada posible , pero siempre inferior a la critica, para
dejarlo enfriar al aire .
-recocido contra acritud: se realiza a temperaturas mas bajas
que las del ablandamiento(550-650º) , y se consigue un
aumento de la ductilidad de los aceros de bajo contenido en
carbono , destruyendo la cristalizacion alargada de la
ferrita y se crean cristales poliedricos mas dúctiles.
-recocido subcritico globular: para conseguir una estructura
globular similar a la de la austenizacion incompleta, se
somete a los aceros a un calentamiento a temperaturas
inferiores , pero proximas a la critica inferior, enfriándose
en el horno.
En el recocido de segundo genero o de austenizacion
completa ,se calienta el material por encima del punto
critico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una
homogenización del material, luego producimos un enfriamiento
lento para conseguir que el acero quede blando , cuanto mas
lento sea el enfriamiento mas blando sera el acero , si se
aumenta la velocidad de enfriamiento al atravesar el acero la
zona critica , se aumenta la dureza , si esta velocidad
sobrepasa la velocidad critica , la austenita comienza a
transformarse en otros constituyentes.
El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de
austenita se han transformado completamente en perlita blanda
, este punto depende de la velocidad de enfriamiento , por
ejemplo a una velocidad de 10 grados -hora , el proceso de
transformación ocurre sobre los 700*680 grados , y a 20
grados - hora, la transformación ocurre a 680-650 grados
TEMPLE:
El temple es un tratamiento termico que consiste en enfriar
muy rapidamente , la mezcla austenitica homogénea , que
tenemos después de calentar el acero ,
Con este enfriamiento rapido se consigue un aumento de dureza
, ya que el resultado microscopico final es una mezcla
martensítica . La temperatura de temple para los aceros
hipoeutectoides son de 30-50 grados, por encima de esta
temperatura , el grano de austenita crece mucho, obteniéndose
austenita basta de baja tenacidad . El tiempo de enfriamiento
debe de ser rapido pero solo en el intervalo de temperatura
de 650-400 grados, que es donde la austenita es menos estable
, y es donde se forma la mezcla de ferrita y cementita , por
encima de 650 grados la velocidad puede ser mas lenta , pero
no tanto que permita la precipitación de ferrita o la
transformación de austenita en perlita , por debajo de los
400 grados comienza la zona de estabilidad de la austenita ,
y el enfriamiento puede volver a ser lento, y en el intervalo
de 200-300 grados, el enfriamiento debe de ser lento para
evitar tensiones termicas resultantes de un enfriamiento
rapido.
En los aceros hipereutectoides el temple se suele realizar
con calentamiento de austenización incompleta , en la masa
original caliente hay austenita y una cantidad de cementita y
carburos aleados, después del enfriamiento se obtiene
martensita y carburos , este proceso produce mejores
resultados en la practica industrial.
Factores que influyen en el temple de los aceros son la
composición, el tamaño de grano , el tamaño de las piezas .
El estudio de las velocidades criticas del temple debe de
hacerse con ayuda de las curvas de la “S” de enfriamiento
continuo , las cuales reflejan la influencia de la
composición sobre la velocidad de enfriamiento , al aumentar
el porcentaje de nanganeso y cromo , las curvas se desplazan
hacia la derecha y por tanto las velocidades criticas del
temple disminuyen.
El tamaño de grano modifica la situación y forma de la curva
“S” ,en aceros de la misma composición , las velocidades del
temple de grano grueso son menores que las velocidades de
grano fino. El tamaño , volumen , y espesor de las piezas
tiene gran importancia, ya quesi enfriamos una pieza grande
primero se enfria la superficie exterior rapidamente , pero
las capas interiores tardan mas , ya que el calor debe de
atravesar las capas exteriores y estas capas tienen una
conductividad limitada , con lo cual perfiles delgados
enfrian antes que gruesos.
El medio de enfriamiento tambien influye siendo este proceso
por etapas , en la primera el acero al sumergirse en el
liquido se forma una capa de vapor , al ser su temperatura
muy alta, que rodea el metal , y el enfriamiento se hace por
conducción y radiación a traves de la capa gaseosa , siendo
un enfriamiento muy lento.
En la segunda etapa cuando desciende la temperatura de
superficie del metal , la película de vapor va desapareciendo
, pero el liquido hierve alrededor de las piezas y se forman
burbujas que transportan el vapor por conducción. En la
tercera etapa el enfriamiento lo hace el liquido por
conducción y conveccion , cuando la diferencia de temperatura
del liquido y la pieza es pequeña., con lo que el liquido
influye en la velocidad según su temperatura de ebullición,
su conductividad termica , su viscosidad , su calor
especifico y su calor de vaporización.
La templabilidad de un acero es una propiedad que determina
la profundidad y distribución de la dureza alcanzada al
producirse un enfriamiento desde la zona austentinica . La
templabilidad del hierro aumenta si se añaden aleantes , con
lño que a mas carbono mas templabilidad , sin embargo tambien
aumenta el volumen , con lo que el enfriamiento de la pieza
no es homogéneo , y enfria antes en el exterior que en el
núcleo , el cual no se podra dilatar al enfriarse por la
compresión ejercida por la pieza ya enfriada , creandose unas
tensiones de compresión en el interior y de tracción en la
superficie que pueden llegar a romperla, con lo que hay que
bajar el contenido en carbono , pero a su vez la
templeabilidad baja , con lo que se crea una contradicción.
Se considera que el temple de un acero es aceptable cuando la
microestructura esta formada por lo menos con un 50% de
martensita , pero para conseguir las mejores características
mecanicas en el producto final el porcentaje de martensita
debe de estar entre el 50 y el 90 %.
Existen muchos ensayos para determinar la templabilidad ,
pero el mas utilizado es el ensayo Jominy , cuyos resultados
se expresan como una curva de dureza frente a la distancia
desde el extremo templado. Del estudio de estas curvas se
puede observar que la máxima dureza que se consigue en el
temple del acero es función del contenido en carbono , que la
presencia de elementos
De aleación en los aceros permite obtener durezas elevadas
aun a bajas velocidades de enfriamiento , que pequeñas
cantidades de elementos aleados convenientemente
seleccionados , ejercen mas influencia en la templabilidad
que un gran porcentaje de un solo elemento.
Si se realiza un temple mal , nos podemos encontrar con
defectos en la pieza como una dureza insuficiente para
nuestros propósitos , que se hayan formados puntos blandos ,
piezas con mucha fragilidad , descarburación , grietas etc.
La dureza escasa y la formación de puntos blandos se explican
por la falta de calentamiento ,por no haber alcanzado la
temperatura necesaria, o por no haber permanecido el
suficiente tiempo en ella , la fragilidad excesiva es por un
temple a temperaturas altas, etc. por lo cual hay que
extremar los cuidados a la hora de iniciar un proceso de
temple , y realizarlo correctamente, ya que son muchos los
factores que pueden echar a perder las piezas , y que no sean
validas para nuestros propósitos.
Existe un proceso llamado temple superficial que se usa para
endurecer superficialmente ciertas piezas de acero
conservando la tenacidad de su núcleo, el proceso consiste en
calentar las capas superficiales a una temperatura superior a
los puntos criticos y enfriar rapidamente siguiendo la
seccion de la pieza , como las diferentes capas interiores de
la pieza se han calentado a diferentes temperaturas , se ha
producido en la pieza diferentes temples, en la superficie el
temple sera completo , en el interior , incompleto , y en el
centro inexistente.
Hay diferentes metodos como el de calentamiento por llama
oxiacetilenica , recomendado para piezas que por su forma o
tamaño , no se pueden aplicar otros metodos ,la ventaja de
este metodo es que se pueden templar incluso partes de una
pieza , el metodo de inducción , que usa el flujo magnetico
creado por una corriente alterna de alta frecuencia que pasa
por un inductor , la característica mas importante de este
metodo es que para cada forma de pieza
Se le colocan unas espiras de una forma determinada , es el
metodo mas empleado ya que no se quema el carbono , no se
produce oxidación , y no se forma cascarilla , el
inconveniente principal es que no se puede utilizar para
piezas unicas , ya que hay que crear un inductor especifico
para cada forma.
REVENIDO
Después del temple , los aceros suelen quedar demasiado duros
y fragiles para los usos a los que estan destinados . Esto se
corrige con el proceso del revenido , este proceso consiste
en calentar el acero a una temperatura mas baja que su
temperatura critica inferior, enfriándolo luego al aire , en
aceite o en agua , con esto no se eliminan los efectos del
temple , solo se modifican , se consigue disminuir la
dureza , resistencia , y las tensiones internas , y se
aumenta la tenacidad . El acero , después del temple , esta
compuesto por cristales de martensita , si se vuelve a
calentar a diferentes temperaturas, entre Temp. Ambiente y
700º y después se enfria al aire , la resistencia a la
tracción disminuye a medida que la Temp.. del revenido
aumenta , y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la
tenacidad , la resistencia al choque o resiliencia , que es
baja cuando el revenido se hace a Temp.. inferiores a 450º ,
aumenta cuando se hace a Temp.. mas elevadas. En ciertos
aceros en los que después del temple queda austenita residual
, se presenta un aumento de dureza , cuando el revenido se
hace entre 350º y 550º , transformándose la austenita en
otros constituyentes. Los aceros después del revenido , por
lo general se contraen
Estas variaciones de propiedades que suceden en el revenido ,
se deben a los cambios microestructurales , que consisiten en
la descomposición de la martensita que se habia obtenido en
el temple y que se transforma en otros constituyentes mas
estables . La estructura obtenida en un revenido a 200-250º
es de martensita de red cúbica , a 400º se observa un
oscurecimiento fuerte ,al aumentar a 600-650º se desarrolla
la coalescencia de la cementita. Con ayuda del telescopio
electrónico se ha podido llegar a la conclusión que el
revenido se hace en tres etapas:
-La primera etapa se realiza a bajas temperaturas , menores
de 300º , y se precipita carburo de hierro epsilon y el
porcentaje de carbono en la martensita baja a 0.25% , el
carburode hierro cristaliza en el sistema hexagonal , en los
limites de los subgranos de la austenita , y la martensita
cambia su red tetragonal a rec cubica
-En la segunda etapa , solo se presenta cuando hay austenita
retenida en la microestructura del acero , la cual se
transforma en bainita , que al ser calentada a altas
temperaturas también precipita en carburo de hierro , con
formación final de cementita y ferrita.
-en la tercera etapa, el carburo de hierro que aparecio en la
primera etapa, se transforma en cementita , cuando sube la
Temp.. se forma un precipitado de cementita en los limites y
en el interior de las agujas de martensita , la cual al
aumentar la Temp.. se redisuelve la del interior y se
engruesa la del exterior, al subir mas la Temp.. se rompe la
cementita exterior , y a 600º la matriz queda constituida por
ferrita . al final la martensita se ha transformado en
cementita y ferrita.
En los revenidos la martensita obtenida al temple, va
perdiendo carbono que aparece en forma de carburo epsilon , y
cementita.
Cuando después del temple aparece austenita residual , los
cambios microestructurales cuando empieza a calentar , son
iguales a los anteriores , pero a 225º comienza la
descomposición de la austenita hasta los 400º , produciéndose
un oscurecimiento de la estructura. Cuanto mas baja sea la
temperatura del temple , la austenita residual sera menos
refractaria , y a mas Temp.. del temple será mas difícil
conseguir la transformación isotermica de la austenita . Esta
austenita sufre una precipitación de carburos complejos de
alta aleación , y disminuye el contenido en carbono , después
de esta precipitación y al enfriar , se transforma en
bainita.
En el caso de herramientas fabricadas con aceros rapidos , se
mejoran dando un doble revenido , con el que se eliminan las
tensiones residuales y se evita la fragilidad excesiva. En el
primer revenido se transforma la martensita tetragonal en
revenida , precipitando carburos aleados , disminuyendo la
concentración de austenita “ acondicionamiento de la
austenita “, que al enfriar se convierte en bainita con
características parecidas a la martensita , en el segundo
revenido se calienta a 550º , con lo que se evita que quede
martensita sin revenir.
En algunas clases de aceros , el revenido entre 250-400º , se
presenta una disminución de la tenacidad , que se produce en
la tercera fase del revenido , cuando la cementita envuelve
las agujas de martensita , la fragilidad aumenta cuanto mayor
es la red de cementita , y a temperaturas mayores esta red
desaparece , y aumenta la fragilidad.
Existe otra fragilidad llamada de Krupp , que se presenta en
los revenidos de los aceros cromo-niqueles , y se presenta
cuando después del temple , el acero permanece mucho tiempo
en el intervalo de 450-550º , esta fragilidad no va
acompañada de cambios de dureza, volumen, ni cambios
significativos en la estructura , esta fragilidad aparece en
los aceros sensibles a este fenómeno independientemente de la
velocidad de enfriamiento , para evitar este fenómeno se
enfria rapidamente para evitar estar mucho tiempo en este
intervalo de temperaturas.
Para valorar la importancia de esta fragilidad se utiliza el
coeficiente de susceptibilidad S = resiliencia de
enfriamiento muy rapido / resiliencia de enfriamiento lento.
Los factores que influyen en la fragilidad del revenido , son
la velocidad de enfriamiento ( como hemos comentado antes) ,
el tiempo de permanencia en el intervalo de temperatura
critica y la duración del revenido a Temp.. superiores a la
zona de fragilidad.
NORMALIZADO
El normalizado se lleva a cabo al calentar a unos 35º por
encima de la Temp.. critica superior, se mantiene un tiempo ,
y luego se enfria en aire estático hasta la Temp.. ambiente ,
con esto se consigue un acero mas duro y resistente que el
que se obtiene con un enfriamiento mas lento , en un horno
después de un recocido . Este tratamiento se utiliza tanto
para piezas fundidas, forjadas o mecanizadas , y sirve para
afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen
aparecer en la solidificación , forja etc. . La velocidad de
enfriamiento es mas lenta que en el temple y mas rapida que
el recocido , es un tratamiento tipico de los aceros al
carbono de construcción de 0.15 a 0.40 % de carbono , y las
temperaturas normales del normalizado varia según el
porcentaje en carbono , que va desde 840º a 935º , según la
composición sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono.
Debido al incremento de velocidad de enfriamiento , hay menos
tiempo para la formación de ferrita proeutectoide en los
aceros hipoeutectoides y menos cementita proeutectoide en los
aceros hipereutectoides en comparación de los recocidos. En
los aceros hipereutectoides el normalizado reduce la
continuidad de la red de cementita y en algunos casos la
elimina , con lo que a mas velocidad de enfriamiento mas fina
sera la perlita resultante.
Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer
el acero.
Cementación
Las superficies de las piezas de acero terminadas se
endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o
nitrógeno.
Carburización
La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón
vegetal, coque o gases de carbono.
Cianurización
Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro,
logrando así que endurezca.
Nitrurización
Se emplea para endurecer aceros de composición especial
mediante su calentamiento en amoniaco gaseoso.
CONCLUSIONES
.El acero es un material indispensable en la
civilización actual , la mayor parte de la industria
siderurgica actual esta basada en la fabricación y
transformación del acero.
También hemos visto el proceso que se necesita para
logra conseguir el acero y las complicaciones que tiene este
proceso que es muy complejo.
Por ejemplo hemos aprendido los diferentes tipos de
acabados que se le pueden dar al acero y como se hacen o se
logran estos acabados.
La fabricación del acero comenzó por accidente ya que
los expertos en la materia intentando fabricar hierro
calentaron excesivamente la masa y la enfriaron muy rápido
obteniendo la aleación del acero en lugar de hierro.
Los sistemas de obtención del acero son muy variados
dependiendo de la cantidad del acero a obtener.
La variedad de aceros es muy extensa dependiendo del
método de fabricación y la cantidad de carbono que contenga.
Algunos tipos de acero pueden volverse a fundir de forma
que contaminan menos al ser reciclados y vueltos a utilizar.
OBJETIVOS
Los objetivos pretendidos con este trabajo son el de realizar
un trabajo el cual sea lo mas general , completo y compacto
posible , que por si mismo se pueda entender , incluso para
alguien que no sepa nada de aceros , que se necesiten las
minimas consultas externas , y que por si mismo tenga un
desarrollo coherente y adecuado para su estudio.
Que al acbar su lectura se tenga una noción completa y
general del acero y de los tratamientos termicos de los
mismos.
Lo unico que lamento es no poder haber acompañado con mas
graficas y fotos , todos los conceptos aquí desarrollados ,
ya que no dispongo de scanner y no los he encontrado por
internet.