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Aleaciones férreas y no férreas Área de Ciencia de Materiales e I ngeniería Metalúrgica

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Tema 11: Aleaciones

férreas y

no férreas


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METALES Y ALEACIONES

• Densidades medias-altas• Tª de fusión media-alta• Módulo elástico medio-alto• Son reactivos• Son dúctiles

CERÁMICAS

• Densidades medias• Tª de fusión alta• Módulo elástico alto• Muy inertes• Son frágiles

POLÍMEROS

• Densidades bajas• Tª de fusión baja• Módulo de elasticidad bajo• Son reactivos• Dúctiles o frágiles

Comparación de algunas propiedades

Familias de materiales:

• Aleaciones: tema 11

• Cerámicas: tema 12

• Polímeros: tema 13

• Compuestos: tema 14


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Metales: ventajas

• Ductilidad � facilidad de conformación por deformación plástica.

• Relativamente fáciles de obtener (ej.: metalurgia del hierro, altos hornos).

• Propiedades modificables en un amplio rango mediante aleación y tratamientos térmicos.

• Fácilmente reciclables.

• Apariencia: brillo metálico.

Metales: desventajas

• Tendencia a la oxidación y corrosión.

• Problemas a alta temperatura (termofluencia).


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Técnicas de conformación de metales

Las principales:

� Deformación.

� Moldeo (fusión y solidificación en molde).

� Mecanización.

� Pulvimetalurgia (sinterización por difusión).

� Soldadura (unión mediante fusión local).

• Permiten transformar una preforma metálica en una pieza útil.

• Puede ser necesario combinar varias técnicas para conformar un producto metálico.

• Se pueden complementar con tratamientos térmicos u otros procesos de acabado.


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Técnicas de conformación por deformación

• Forja: se golpea o se prensa la pieza hasta darle la forma deseada.

• Embutición profunda: fabricación de piezas huecas por deformación plástica con un punzón.


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• Laminación: puede realizarse en frío o en caliente.

• Extrusión:


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• Trefilado:

� Se estira de un alambre y se le hace pasar por una matriz con un orificio de salida menor.

� Reducción de la sección y aumento de longitud.

� La operación se repite en pasos sucesivos.

� Utilizado para la fabricación de hilo de cobre, tubos, etc.


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Clasificación de metales y aleaciones

Dos grandes clasificaciones:

I. Aleaciones férreas (aceros y fundiciones) y no férreas (aleaciones de Al, Cu, Ti, Mg…).

II. Aleaciones ligeras (ρ≤ρTi=4,51 g/cm3) y pesadas (mayor densidad).

Densidades de algunos metales

Cu: 8,96 g/cm3 Co: 8,9 g/cm3 (superaleaciones deFe: 7,86 g/cm3 Ni: 8,9 g/cm3 base Ni y base Co)

Ti: 4,51 g/cm3 (ligeras) Mg: 1,74 g/cm3 (ultraligeras)Al: 2,70 g/cm3 Be: 1,85 g/cm3

Li: 0,53 g/cm3


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Aleaciones férreas (elemento principal: Fe)

Ventajas:

• Abundancia de menas de Fe en la corteza terrestre.

• Procesos de extracción y conformación baratos.

• Versatilidad de propiedades y amplio margen de modificación

por aleación o tratamientos térmicos.

• Variedad de técnicas de conformación.

• Buenas propiedades mecánicas.

Inconvenientes:

• Susceptibilidad a la corrosión.

• Alta densidad (7,1-8,0 g/cm3).

• Baja conductividad eléctrica.

• Dificultad de extrusión.

• Punto de fusión ≈1500 ºC.


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Clasificación de las aleaciones férreas

Se clasifican según su contenido de carbono en:

• Aceros: %C < ~2,1% (en peso)

• Fundiciones: %C > ~2,1% (en peso)

Aceros Fundiciones


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Aceros: clasificaciones

Hay miles de aleaciones con composiciones diferentes.

Varias clasificaciones según distintos criterios:

• Contenido de C: hipo-, hiper- y eutectoides.

• Microconstituyente mayoritario: ferríticos,

perlíticos, austeníticos, martensíticos...

• Composición química: no aleados (al C), de

baja aleación (<5% aleante), alta aleación (>5%).

• Utilización: de construcción mecánica, para

estructuras, para rodamientos, para muelles,

inoxidables, refractarios, de herramientas...


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Designación de aceros

• Numérica (UNE-EN 10027-2:1993): 1.43011.: Acero.

43: Nº de grupo (inoxidable, >2,5 % Ni, sin Mo, Nb ni Ti).

01: Nº de orden.

• Simbólica (UNE-EN 10027-1:2006): X5CrNi18-10X: Aleado, con >5 % de al menos un elemento de aleación.

5: 100 × contenido medio porcentual de C (≈0,05 % C).

CrNi: Otros elementos de aleación (Cr>Ni).

18-10: Contenidos medios porcentuales de estos últimos.

• UNE antigua (UNE 36-013-76): F-35043: serie, 5: grupo, 04: nº de orden.

• AISI (American Iron and Steel Institute): 304


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Aceros al carbono

• No se les añaden voluntariamente elementos de aleación.

• Contienen 0,15-0,60% C. Su contenido en otros elementos está por debajo de ciertos límites. Siempre contienen Mn, Si, P, S...

• Son forjables y soldables.

• Son económicos.

• Aplicación: piezas mecánicas poco exigentes para uso a temperatura ambiente: ejes, tornillos, etc.

Antigua Simbólica %C %Mn %Si %P %S

F-1110 C15 0,15 ± 0,05 0,4-0,7 < 0,4 < 0,035 < 0,035

F-1120 C25 0,25 ± 0,05 0,4-0,7 < 0,4 < 0,035 < 0,035

F-1130 C35 0,35 ± 0,05 0,5-0,8 < 0,4 < 0,035 < 0,035

F-1140 C45 0,45 ± 0,05 0,5-0,8 < 0,4 < 0,035 < 0,035

F-1150 C55 0,55 ± 0,05 0,6-0,9 < 0,4 < 0,035 < 0,035


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Aceros al carbono: microestructura

Microconstituyentes en equilibrio: ferrita y perlita.

Acero con 0,38 % de C, pulido y atacado con nital

• La ferrita es muy blanda y dúctil.• La perlita es dura y frágil, por contener Fe3C.


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¿Dónde está el C?

Ferrita:Máxima solubilidad del C: 0,025%

(0,008% a temperatura ambiente)

Perlita: Eutectoide con ≈0,8% de C y≈13% de Fe3C.


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Aceros al carbono: microestructura

C15 (0,10 a 0,20 % C)

C45 (0,40 a 0,50 % C)

• A mayor % C, más perlita.


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Aceros al carbono: propiedades mecánicas

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

15

20

25

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Propiedades mecánicas de aceros al carbonoEstado normalizado

Kp/

mm

2 A (%

)

Rm

A

Rp

Rm (T y R)

% C

A mayor % C, más perlita y por tanto mayores resistencia (Rm), dureza y límite elástico (Rp), y menor ductilidad.

Rm (N)

Rp (N)

%A (N)Rm (T y R)


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Aceros al carbono: propiedades mecánicas


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Aceros inoxidables

(UNE-EN 10088-1:2006)

Clasificación según las propiedades:

• Resistentes a la corrosión: resistencia a los ataques del ambiente, asegurada por > 10,5 % de Cr que da lugar a la formación espontánea de una capa de óxido de cromo.

• Refractarios: resistencia a la oxidación a Tª > 550 ºC.

• Resistentes a la fluencia.

> 10,5 % de Cr y < 1,2 % C

Clasificación según la estructura:

• Ferríticos• Martensíticos• Austeníticos


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Efecto del cromo

Mejora la resistencia a la

corrosión por la formación

de una capa superficial de

óxido.

• Es alfágeno: estabiliza el

campo de la fase α (ferrita):

13-30 % Cr � fase α ∀ T

• Inconveniente: posible

corrosión intergranular por

formación de carburos de Cr

(el principal: Cr23C6).

Fe Cr


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Efecto del Cr en el diagrama Fe-Fe3C

Cr


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Aceros inoxidables ferríticos

El aleante principal es Cr: 10,5-20 % (“inoxidables al Cr”).

• Pueden llevar Mo, Ti, Nb, N.

• Estructura bcc de la ferrita.

• Son ferromagnéticos.

• Los más baratos de entre los inoxidables.

1.4510X3CrTi17AISI 430 Ti

1.4113X6CrMo17-1

F-3116AISI 434


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Aceros inoxidables ferríticos

• Buena resistencia a la corrosión por la atmósfera, ácidos orgánicos, sales oxidantes y alimentos.

• Dúctiles a temperaturas intermedias (150-200 ºC): fácilmente conformables por deformación.

• Frágiles a bajas temperaturas por transición dúctil-frágil, y a altas temperaturas por crecimiento de grano.

• Poco soldables.

• Endurecen por acritud pero no por temple (no se pueden austenizar).

•Aplicaciones: lavadoras, tubos, decoración exterior, chapas para automóvil, chapas laminadas, perfiles por extrusión...


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Aceros inoxidables martensíticos

• El aleante principal es el Cr (11 a 19 %), pero tienen mayor contenido en C (0,08 a 1 %) que los ferríticos para permitir la austenización (900-1000 ºC) y el temple.

• Estructura de la martensita.

• Alcanzan altas durezas y ductilidades moderadas por temple y revenido, manteniendo resistencia a la corrosión moderada.

Martensita


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Aceros inoxidables martensíticos

1.4034X46Cr13F-3405≈AISI 420

• Otros elementos de aleación: Ni, Mo, Ti, V...

• Son ferromagnéticos.

•Aplicaciones: herramientas de corte, cuchillería de calidad, material quirúrgico…


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Aceros inoxidables austeníticos

• Contenido en Cr superior a los anteriores (16-28 %) y alto contenido de Ni(6-32 %) para estabilizar la austenita a temperatura ambiente.

• Pueden llevar Mo, Cu, Mn, Si.

• Estructura fcc de la austenita: no tienen transición dúctil-frágil.

• Se les suele llamar “aceros al Cr-Ni”. Si además tienen más de un 2 % de Mo, se les llama “aceros al Cr-Ni-Mo”.

1.4301X5CrNi18-10F-3504AISI 304


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Efecto del Ni

Fe Ni

• Es gammágeno: estabiliza el campo de la fase γ (austenita):

> 24 % Ni �fase γ a Tª ambiente

• El C, N y Mn hacen un papel similar.

• Mejora la estabilidad de la capa de óxido protectora.

• Mejora la ductilidad.


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Aceros inoxidables austeníticos

• Excelente resistencia a la corrosión, pero son relativamente caros.

• Son los aceros inoxidables más habituales.

• No son ferromagnéticos.

• Aplicaciones: industria química, alimentación, relojería, embutición profunda, aplicaciones criogénicas, cubertería, tubos...

1.4401X5CrNiMo17-12-2F-3534AISI 316


29UNE-EN 10083-1:1997


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• Bajo contenido inicial en C (< 0,24 %) que permite la difusión de C a alta temperatura, consiguiendo una superficie eutectoide (0,8-0,9 % C).

• Tras el temple alcanzan dureza superficial 60-65 HRC.

• Pueden contener Cr (0,3-1,8 %), Ni (0,8-3,5 %) y Mo (0,15- 0,5 %) para mejorar tenacidad, templabilidad y resistencia al desgaste.

UNE-EN 10084:1998

1.7243 18CrMo4

F-1550

0,15-0,21 % C0,60-0,90 % Mn0,90-1,20 % Cr0,15-0,25 % Mo

Aceros para cementación


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• Ricos en Cr (1,0-3,5 %) y Al (0,8-1,2 %) para formar nitruros de estos elementos. Estos nitruros son extremadamente duros.

• 0,20-0,45 % C. También contienen Mo (0,5-1,1 %).

• Pueden llegar a 65-70 HRC.

UNE-EN 10085:2001

1.850941CrAlMo7-10

F-1740

0,38-0,45 % C0,40-0,70 % Mn1,50-1,80 % Cr0,80-1,20 % Al0,20-0,35 % Mo

Aceros para nitruración


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• Es un enriquecimiento superficial en N en aceros.• Aceros de partida con 0,2-0,6% C y con otros elementos de aleación (Al, Cr, Mo, V...).• Agente nitrurante: NH3 (se descompone y produce N).• T ≈ 500 ºC. El enfriamiento es lento y no se requiere temple.• En una capa superficial de la pieza se forman nitruros.• La capa nitrurada tiene una dureza extremadamente alta (> 1000 HV), y resistencia a la corrosión y al desgaste.

Nitruración

Ventajas frente a la cementación: • Menor deformación.• Retención de dureza hasta alta temperatura.

Desventajas frente a la cementación:• Elevado precio.• Proceso lento.• Capas duras de poco espesor.


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• Se usan para conformar y mecanizar otros materiales: brocas, cuchillas, limas, matrices, troqueles, etc.

• Dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, larga duración, resistencia a altas temperaturas, etc.

• Proceso largo de fabricación y muchas aleaciones con Cr, W, Mo, Mn, V... y altos contenidos en C.

• Para trabajo en frío (< 200ºC) y para trabajo en caliente (> 200ºC).

• “Rápidos”: alta dureza (hasta 66 HRC) y resistencia al revenido a elevadas temperaturas (hasta 600 ºC).

UNE-EN ISO 4957:2000

Aceros para herramientas

1.2379X153CrMoV12

F-5211AISI D-2


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• Tienen > 2,1% de C (normalmente entre 3 y 4,5 %) y cantidades apreciables de Si (1-3%). Su punto de fusión está entre ≈ 1150 y 1300 ºC.

Fundiciones

• La fundición blanca está constituida por perlita y Fe3C.

• En el resto de fundiciones la mayoría del C forma grafito por disociación de la cementita (Fe3C), que es metaestable:

Fe3C � 3Feα (ss) + C (grafito)

• Pueden contener microconstituyentes de los aceros (ferrita, perlita, cementita o martensita) y otros exclusivos, como grafito, ledeburita y esteadita.


35

Diagrama “estable” Fe-CEstrictamente, el Fe3C no es una fase estable. El diagrama Fe-C también se llama

diagrama “estable” hierro-carbono (o hierro-grafito).


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Velocidad de enfriamiento

La tendencia a la formación de grafito (grafitización) frente al Fe3C se favorece para:

• Altos contenidos de C y Si.

• Enfriamiento lento.

En una misma pieza puede haber grafitoy Fe3C en zonas con grandes diferencias de espesor.

Contiene grafito

Contiene Fe3C

Además de la composición, la velocidad de enfriamiento influye de forma crítica en la microestructura: forma y distribución del grafito, constituyentes de la matriz (ferrita, perlita...), etc.


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• Las fundiciones tienen en general escasas ductilidad y tenacidad.

• Son más baratas que los aceros y pueden igualarles en propiedades.

• Tienen buena resistencia al desgaste y a la corrosión.

• Amortiguan las vibraciones de forma muy eficiente.

Propiedades y conformación

• Se conforman por moldeo (bajo punto de fusión, alta fluidez en estado fundido y poca contracción al solidificar).

• En general no se pueden forjar y tienen mala soldabilidad, pero la mayoría se mecanizan bien.


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• Está compuesta por perlita y cementita. No contiene grafito.

• Aparece con bajos contenidos de Si (<1%) y de C (≈2,5 %), y alta velocidad de enfriamiento: el Fe3C no se descompone en grafito.

• Tiene escasas aplicaciones (ej.: rodillos en prensas de laminación).

Fundición blanca

Perlita

Fe3C


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Fundición gris (FG) o de grafito laminar

• Contienen 2,5-4 % C, 1-3 % Si, 0,25-1 % Mn

• El grafito aparece en forma de láminas o escamas dentro de una

matriz formada por ferrita, perlita o ambas.

• Los vértices de las láminas empeoran las propiedades mecánicas:

son frágiles (A < 1 %) y con baja resistencia a la tracción (<450 MPa).

Las propiedades son mejores en compresión.


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Fundición de grafito esferoidal (FGE)

• Contienen 3-4 % C, 1,8-2,8 % Si (similares a FG).

• Añadiendo Mg (o Ce) al fundido la mayoría del grafito aparece en

nódulos con forma esferoidal.

• El grafito esferoidal mejora las propiedades mecánicas: mayores Rm y ductilidad que las FG.


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Aluminio y sus aleaciones


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Propiedades del aluminio puro

• Densidad: ρ ≈ 2,7 g/cm3.

• Tf = 660 ºC.

• El metal más abundante (≈ 8% corteza).

• Estructura cristalina fcc.

• Rm ≈ 90 MPa, Rp ≈ 44 MPa, A ≈ 35%. Dúctil y maleable.

• Alta conductividad eléctrica.

• Alta conductividad térmica.

• Alta reflectividad óptica.


43

Conformación del aluminio puro

• Por su ductilidad se conforma por deformación.

• Difícil mecanización: la viruta se adhiere a la herramienta.

• Difícil de moldear: tendencia a absorber gases en caliente y alta contracción al solidificar.

• Difícil de soldar.


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Resistencia a la corrosión

• Alta tendencia a oxidarse (alto poder reductor).

• Muy resistente a la corrosión a causa de la capa superficial de Al2O3 (duro, químicamente inerte, aislante, transparente):

- Natural (≈ nm).

- Inducida electroquímicamente: anodización (≈ µm). A la capa porosa formada se le pueden añadir colorantes orgánicos.


45

Aleaciones de aluminio

Para mejorar las propiedades mecánicas, la mecanización, la colabilidad, la soldabilidad, etc., se añaden elementos de aleación.

• Para “forja”: se pueden procesar por forja, embutición, laminación, trefilado, extrusión…

Aleantes: Cu, Mn, Si, Mg, Zn…

• Para moldeo: el Al aleado se puede moldear.

Aleantes: Si, Cu, Mg, Zn, Sn…

• Si (5-10%): aumenta fluidez • Cu (1-4%): aumenta Rm

• Mg (0,3-1%): endurece por precipitación


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Aleaciones de aluminio: designación

Española (UNE 38001:1985):• Para forja: L-2xyz• Para moldeo: L-3xyzxyz: nos según principales elementos de aleación

Americana AA (Aluminum Association):

• Para forja: abcd• Para moldeo: abc.d(a: nº según principales elementos de aleación)

+ letra y número según tratamiento térmico o mecánico

1xxx: Al 99%

2xxx: Al-Cu3xxx: Al-Mn4xxx: Al-Si5xxx: Al-Mg6xxx: Al-Mg-Si7xxx: Al-Zn-Mg8xxx: Otras

-F: sin tratamiento-O: recocido y recristalizado-H: endurecido por deformación-T: tratado térmicamente

(2xxx, 6xxx y 7xxx)

AA7075-T6


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Aplicaciones del Al y sus aleaciones

• Industria aeronáutica, espacial y del transporte (alta relación resistencia/peso).

• Líneas de alta tensión (alta conductividad eléctrica).

• Construcciones a la intemperie o en ambientes marinos (buenaresistencia a la corrosión).


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• Pantallas para proteger de la luz, el frío o el calor, mantas térmicas, revestimientos en depósitos de líquidos inflamables (alta reflectividad óptica).

• Para envolver alimentos (inerte, facilidad de laminación).


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• Radiadores, intercambiadores de calor (alta conductividad térmica).

• Utensilios de cocina (alta conductividad térmica).


50

• Densidad ρ ≈ 4,5 g/cm3. Elevado punto de fusión: Tf = 1670 ºC.

• Alta Rm y alto módulo de elasticidad.

• Buena resistencia a la corrosión.

• Dos estados alotrópicos: α (HCP) < 885 ºC y β (BCC) > 885 ºC

Titanio y sus aleaciones

Aplicaciones:

• Industria aeronáutica (densidad mucho más baja que aceros, y Rm similar).

• En ambientes marinos, por su alta resistencia a la corrosión salina.

• Prótesis, implantes y material quirúrgico (biocompatible):

aleación Ti-6Al-4V (α+β)

Boeing 787

% peso


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Propiedades del Cu puro

• Color rojizo y brillo metálico.

• Alta densidad: ρ = 8,95 g/cm3.

• Estructura FCC.

• Tf =1083º C.

• Rm ≈ 200 MPa, A ≈ 45-50%.

• Muy dúctil, maleable y tenaz.

• Alta conductividad eléctrica (50% mayor que Al) y térmica.

• Resistente a la corrosión por la formación de una capa de pasivación superficial (“cardenillo”).

• Forma aleaciones pesadas: latones y bronces.


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Procesado del cobre

• No es adecuado para moldeo, por la absorción de gases en estado

fundido.

• Tampoco para deformación en caliente (se vuelve quebradizo).

• Es usual conformarlo por deformación en frío: laminación,

extrusión, estampación (monedas), trefilado (hilos), etc.

• Se puede soldar.

• Mejora de las propiedades mecánicas:

- Por deformación plástica en frío (acritud).

- Por aleación (Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si...).

• Reciclado en una proporción muy alta.


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Aplicaciones del cobre

• Hilos y contactos eléctricos (alta conductividad eléctrica). Hilo de Cu puro producido por trefilado.

• Calderas, alambiques, etc. (alta conductividad térmica).

• Tuberías y depósitos para la industria química.

• Orfebrería (ductilidad y tonalidad rojiza).


54

Latones: aleaciones Cu-Zn


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Latones: aleaciones Cu-Zn

< 33% Zn (de 1er título, fase α)• Maleables a temperatura ambiente � trabajo en frío.

• Embutición profunda.

• Tubos, bisutería, cartuchos.

33 - 45% Zn (de 2º título, fases α+β)• Poco maleables en frío � trabajo en caliente.

• Alta Rm.

• Tornillos, tuercas, piezas torneadas.

> 45% Zn (de 3er título, fase β)• Frágiles y duros.

• Sin aplicación.


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Latones con nombre propio

• Latón rojo: 85% Cu + 15% Zn

• Latón de cartuchería: 70% Cu + 30% Zn

• Metal de Muntz: 60% Cu + 40% Zn

• Latón naval: metal de Muntz + 0,75% Sn

• Alpaca o plata alemana: 50-70% Cu + 13-25% Zn + 13-25% Ni

• Platinoide: 60% Cu + 24% Zn + 14% Ni + 2% W

• Oro nórdico: 89% Cu + 5% Zn + 5% Al + 1% Sn


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Bronces: aleaciones Cu-Sn


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Bronces: aleaciones Cu-Sn

< 6% Sn• Blandos, dúctiles y maleables. Fáciles de conformar en frío.

• Barras, alambres, chapas, monedas.

10-12% Sn (bronce de cañón)

• Mejor resistencia y dureza.

• Engranajes, tornillos sin fin, casquillos y válvulas.

12-18% Sn• Altas dureza y resistencia. Maleables en caliente.

• Cojinetes.

20-22% Sn (bronce de campanas)

• Muy duros y con gran sonoridad.

• Campanas fundidas.

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