Aleaciones Ferrosas

ING. ROLANDO AGÜERO MAURICIO

FIIS-UNI

¿Qué son las Aleaciones Ferrosas?

Son aquellas en las que el principal componente es el hierro.

Constituyen la mayoría de los metales empleados en ingeniería.

Son muy usados para soportar cargas estructurales o transmitir potencia.

Aceros

Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7.

El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.

Composición del Acero

La estructura del acero se compone de una mezcla de fases, con diversas propiedades mecánicas

La ferrita (α): Es blanda y dúctil. Su estructura es cúbica centrada en el cuerpo (BCC), es estable hasta los 721 ºC

La austenita (γ): Es la más dúctil de las fases del diagrama Fe-Fe3C, su estructura es cúbica centrada en las caras (FCC).

La cementita (Fe3C): Es un compuesto intermetálico de fórmula Fe3C, con un contenido de carbono de 6,67%, es dura y frágil.

La perlita: Es el microconstituyente eutectoide que se forma a los 727 ºC a partir de austenita con 0.77 % de carbono. Es una mezcla bifásica de ferrita y cementita de morfología laminar. Sus propiedades mecánicas serán intermedias entre la ferrita blanda y la cementita dura que la compone.

Clasificación de los aceros

Aceros Al CarbonoMás del 90% de todos los aceros son aceros al 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 de construcción.Son los aceros que se utilizan para la fabricación de piezas, órganos o elementos de maquinas, motores, instalaciones, carriles, vehículos, etc.

En ellos son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento.

Aceros de Bajo Contenido de Carbono Estos aceros contienen menos del 0.25% C, no adquieren dureza sensible con un temple.

Su resistencia media en estado normalizado varia de 35 a 53 Kg/mm2 y los alargamientos de 33 a 23%.

Teniendo en cuenta sus características, se suelen agrupar en tres clases: Semidulces Dulces Extradulces

Aceros al Carbono de Alta Maquinabilidad (Resulfurados) Esta clase de aceros se usa en aquellos casos donde se desea una maquinabilidad mejor que la de los aceros al carbón.

Se logran costos más bajos aumentando la producción con mayores velocidades de maquinado y mejor vida de la herramienta, o eliminando operaciones secundarias a través de una mejoría en la superficie terminada.

La adición de azufre ocasiona algún sacrificio en las propiedades de soldabilidad, forja y conformación en frío.

Aceros AleadosSe da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales.

También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%.

Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en: Estructurales Para Herramientas

Aceros de Baja Aleación Ultrarresistentes

Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación.

Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono.

Aceros InoxidablesLos aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la 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.

Tipos de aceros inoxidables: Aceros Inoxidables Martensíticos Aceros Inoxidables Ferríticos Los Aceros Inoxidables Austeníticos

Influencia de los elementos de aleación en

las propiedades de los aceros Níquel

Una de las ventajas más grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad.

Cromo Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc.

MolibdenoMejora notablemente la resistencia a la tracción, la templabilidad y la resistencia al creep de los aceros.

TungstenoEs un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros de herramientas.Sirve para mantener la dureza de los aceros a elevada temperatura y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500º o 600º. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.

VanadioSe emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiene una gran tendencia a formar carburos.

ManganesoAparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado liquido en los hornos durante los procesos de fabricación.

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.

Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación de algún elemento a la superficie de la pieza.

Tipos de tratamientos

Tratamientos térmicos: Recocido Temple Revenido Normalizado

Tratamientos termoquímicos: Cementación Nitruración Cianurización

Tipos de tratamientos

Tratamientos mecánicosSe somete al metal a propiedades de propiedades frío o caliente para mejorar sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas.

Tratamientos en fríoSon los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de recristalización, pueden ser profundos o superficiales.

Tratamiento Térmico

Tratamientos Térmicos Simples

RecocidoPermite que el acero se enfríe lentamente en el horno, produciendo perlita gruesa. Recocido intermedio.

Eliminación del deformado en frío El tratamiento térmico de recristalización, utilizado para eliminar el efecto del deformado en frío en aceros con menos de 0.25% C

NormalizadoLogra que el acero se enfríe más rápidamente, al aire, produciendo perlita fina.

Esferoidización Esferoidización, mejoramiento de la maquinabilidad

Los aceros de alto carbono, que contienen gran cantidad de FeC tienen características de maquinabilidad deficientes.

Durante el tratamiento de esferoidización, que requiere varias horas a aproximadamente 30°C por debajo de A1, el Fe3C cambia a partículas esféricas grandes a fin de reducir la superficie de bordes. La microestructura, que se conoce como esferoidita tiene una matriz continua de ferrita blanda y maquinable.

Después del maquinado, se le da al acero un tratamiento térmico más complejo, para producir las propiedades requeridas.

Tratamientos Térmicos Isotérmicos

El tratamiento térmico de transformación isotérmica, utilizado para la producción de la bainita se denomina revenido en la fase austenítica y simplemente consiste en la austenitización del acero, el templado a cierta temperatura por debajo de la nariz de la curva TTT y el mantenimiento de esa temperatura hasta que toda la austenita se transforme en bainita

Tratamientos térmicos de revenido en la fase austenítica y de recocido isotérmico en un acero 1080.

Interrupción de la transformación isotérmica

Si se interrumpe el tratamiento térmico isotérmico se producen microestructuras complicadas.

Por ejemplo, se puede austenitizar el acero 1050 a 800°C, templarlo a 650°C y mantenerlo durante 10 segundos (permitiendo que se forme algo de ferrita y perlita), y a continuación templarlo a 350°C manteniéndolo una hora (3600 s).

Cualquier austenita inestable remanente antes del templado a 350°C se transformar en bainita. La estructura final será ferrita, perlita y bainita.

Producción de estructuras complicadas al interrumpir un tratamiento de un acero 1050.

Tratamientos Térmicos De Templado Y Revenido

Es posible obtener una dispersión aún más fina del FeC, si primero se templa la austenita para producir martensita y a continuación se reviene el material. Durante el revenido se formará una mezcla íntima de ferrita y cementita procedente de la martensita.

El tratamiento de revenido controla las propiedades finales del acero.

Efecto de los elementos de aleación

Los elementos de aleación se agregan a los aceros para: Proporcionar endurecimiento por solución sólida de la

ferrita Causar la precipitación de carburos de aleación en vez

de FeC. Mejorar a resistencia a la corrosión y otras

características especiales del acero y Mejorar la templabilidad. La mejoría en esta última

propiedad, es de máxima importancia en aleados y para herramienta.

FUNDICIONES DE HIERRO

Las fundiciones de hierro son aleaciones de hierro carbono del 2 al 5%, cantidades de silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo.

Se caracterizan por que se pueden vaciar del horno cubilote para obtener piezas de muy diferente tamaño y complejidad pero no pueden ser sometidas a deformación plástica, no son dúctiles ni maleables y poco soldables pero sí maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosión y al desgaste.

Ventajas de la fundición de Hierro

Son más fáciles de maquinar que los aceros. Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y

complejidad. En su fabricación no se necesitan equipos ni

hornos muy costosos. Absorben las vibraciones mecánicas y actúan

como autolubricantes. Son resistentes al choque térmico, a la corrosión

y de buena resistencia al desgaste.

Por la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser:

Grises Blancas

Aunque también existen las fundiciones: Maleables Nodulares Especiales o aleadas.

Fundición gris Este tipo de fundición son las más empleadas e

importantes, y se caracterizan por el color grisáceo de su fractura debido a que el carbono, en un porcentaje de un 2.5 – 4%, se encuentra en forma de grafito, distribuido en finas láminas.

La presencia de grafito en finas láminas determina las propiedades de las fundiciones grises. Son materiales muy frágiles, que no pueden conformarse por forja o soldado, pero si son muy maleables y poseen una buena capacidad de absorción de vibraciones. La presencia del grafito le hace tener muy buena fricción ya que éste actúa de lubrificante.

Fundición blanca

Se caracterizan por presentar una fractura de color blanco brillante, de donde les viene el nombre. En este tipo de fundiciones, el porcentaje de carbono oscila entre un 2.5 y un 3%, y se encuentra en forma de cementita, con una constitución perlítica o cementítica. Para su obtención debemos de partir de fundiciones con un bajo contenido en sílice, menor del 1%, y llevar a cabo el enfriamiento de forma rápida a fin de evitar que el carbono difunda y forme grafito.

Fundición blanca

Las propiedades de las fundiciones blancas se deben a su alto contenido en cementita, siendo materiales muy duros, frágiles, poco o nada dúctiles y plásticas, y difícilmente mecanizables, pero muy resistentes al desgaste. Estas características les dan utilidad exclusivamente para la fabricación de piezas de formas complejas mediante moldeo y que están sometidas a fuertes desgaste pero no a esfuerzos mecánicos, tales como zapatas de frenos, rodillos de laminación, mazos trituradores.

Fundición Nodular

Es una fundición de tipo maleable, en la que el grafito se presenta bajo forma de nódulos redondeados, de ahí su nombre, y que se obtiene a partir de la fundición gris aún en estado fundido.

El método de obtención consiste en la adición de magnesio a la colada de fundición gris. En el momento de verter la colada se añade silicio con objeto de detener la acción del magnesio, que parece ser la de inhibir la formación inicial de grafito, el cual cristalizará rápidamente en formando los nódulos. De esta forma, se obtiene un material más dúctil, con buenas propiedades mecánicas y que puede templarse.

Fundición Aleada

Las fundiciones aleadas son aquellas que contienen Ni, Cr, Mo, Cu, etc., en porcentajes suficientes para mejorar las propiedades mecánicas de las fundiciones ordinarias o para comunicarles alguna otra propiedad especial, como alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la corrosión, al calor etc.

Clasificación de las Fundiciones Aleadas

Fundiciones de baja y media aleación. Fundiciones de alta resistencia a la tracción. Fundiciones martensíticas resistentes al

desgaste. Fundiciones resistentes al calor con 1% de

cromo. Fundiciones de alta dureza con 1 a 3% de cromo. Fundiciones aleadas al cromo. Fundiciones aleadas con aluminio.

Conclusiones

Las propiedades de los aceros, determinadas por endurecimiento por dispersión, dependen de la cantidad, tamaño, forma y distribución de la cementita. Estos factores están controlados por aleación y tratamiento térmico.

La fundición gris, dúctil y de grafito compacto se produce al generar el grafito directamente durante la solidificación. Dado que el grafito en hojuelas se forma en el hierro gris, su resistencia y ductilidad están limitadas. Las esferas de grafito que se forman en hierro dúctil, como resultado de la adición de magnesio permiten una buena resistencia y ductilidad.

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