Ingeniería de los Materiales

Republica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior

Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”

Carora – Edo. Lara

Participantes:

Jesus Ortega 21126512

José Hernández 24320614

Julio Gaitán 23537433

Luis Castillo 24399711

Anthony Pacelli 24990551

Jhonkeiber Sánchez 24990578

Marzo 2016.

Aleaciones Ferrosas.

Introducción

Las aleaciones ferrosas, son aquellas aleaciones que están constituidas por otras aleaciones, que son de carbono y hierro. Siendo la más usada el acero. Estas pueden variar sus propiedades físicas si se le modifican las propiedades químicas, bien sea su constitución química o variables externas. Las propiedades mecánicas de estos materiales varían según la cantidad de carbono, para distintos fines, laminado, fabricación de piezas, utensilios.

Siendo la austenita, ferrita, cementita, perlita, martensita y bainita distintas configuraciones o tipos de aceros que ocurren a diferentes temperaturas y composiciones porcentuales de carbono como de hierro. Por ejemplo la austenita solo tiene 0.022% a temperatura ambiente.

También se tocaran los puntos de las fundiciones, y los distintos tipos que hay para distintos usos, que se crean a partir de la variación de del contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Hay varios tipos de fundiciones de hierro, la fundición gris es la más importante. Otros tipos incluyen la fundición nodular (dúctil), la fundición blanca, la fundición maleable y varias fundiciones de hierro aleado.

Cabe destacar que para obtener aleaciones ferrosas se puede usar distintos tipos de solutos, de los cuales les hablaremos aquí los cuales son, níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro. El tiempo que este colocado el metal en estos solutos dependerá de la composición físico-quimico de la aleación.

Aleaciones ferrosas.

La base de las aleaciones ferrosas son aleaciones de Hierro y Carbono. El principal producto siderúrgico es el acero, siendo aproximadamente el 90% de la producción acero al carbono y el 10%, acero aleado. Por lo tanto, el material metálico más importante para la industria es el acero al carbono.

El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros). El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. Los aceros se clasifican teniendo en cuenta sus propiedades y utilización, en tres grandes grupos: aceros de construcción, aceros de herramientas y aceros inoxidables.

Los aceros que se utilizan para la fabricación de piezas, órganos o elementos de maquinas, motores, instalaciones, carriles, vehículos, etc. (aceros de construcción). En ellos son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento

En estos aceros, las propiedades dependen principalmente del porcentaje de carbono que contienen. Se emplean en grandes cantidades para la construcción de estructuras metálicas de edificios, para elementos y piezas de maquinaria, motores, ferrocarriles, etc., y su contenido de carbono suele variar desde 0.03 a 0.70%. Además siempre contienen pequeñas cantidades de manganeso y silicio que se emplean como elementos auxiliares en los procesos de fabricación, fósforo y azufre que son impurezas perjudiciales que provienen de las materias primas (lingotes, chatarra, combustibles y minerales).

De acuerdo con las propiedades mecánicas, se establecen una serie de grupos de aceros ordenados por su resistencia a la tracción.

Cuando se desean resistencias de 38 a 55 Kg/mm2 se emplean aceros en bruto de forja o laminación. Para resistencias de 55 a 80 Kg/mm2 se emplean unas veces los aceros al carbono en bruto de forja y laminación, y otras veces se emplean los aceros al carbono tratados (templados y revenidos), para resistencias superiores a 80 Kg/mm2 se suelen emplear aceros tratados.

La presencia de fósforo y azufre, salvo en muy pocas ocasiones, es perjudicial para la calidad de los aceros, procurándose eliminar esos elementos en los procesos de fabricación. En general se recomienda que en los aceros ordinarios el contenido de cada uno de esos elementos no pase del 0.06%, y en los aceros de calidad se suele exigir porcentajes de fósforo y azufre inferiores a 0.03%.

El azufre cuando se presenta como sulfuro de hierro, provoca durante los procesos de forja o laminación del acero poca resistencia y a veces se agrieta por iniciarse la fusión de éste, que se encuentra en el acero en forma de retícula en la microestructura del acero. Por el contrario cuando aparece como sulfuro de manganeso, tiene una temperatura de fusión muy elevada, y no da paso a la fragilidad en caliente; en ambos casos el alargamiento y la resistencia del acero queda muy disminuido.

El fósforo se encuentra siempre disuelto en los granos de ferrita a los que comunica gran fragilidad.

Composiciones observadas en un Diagrama Hierro-Carbono.

Austenita.

El caso de la austenita, es que es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.77 al 2.11 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. Esta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 ºC a 1400 ºC (la austenita no es estable a la temperatura ambiente).

Esta, solo puede ser estable en algunos aceros inoxidables con altos contenidos de manganeso (12%) y aceros inoxidables austeníticos con contenidos en Níquel alrededor del 8%, ya que el níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro al carbono, lo que la hace estable a temperatura ambiente.

La austenita, también conocida como acero gamma (γ) es dúctil, blanda y tenaz y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable. Su estructura cristalina es del tipo cúbica, de caras centradas, en donde se diluyen en solución sólida los átomos de carbono en los intersticios y permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de carburación del acero.

Ferrita.

La ferrita, es una de las estructuras cristalinas del hierro y se cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC). A temperatura ambiente su solubilidad es considerablemente pequeña, hasta un 0,022% de Carbono.

Esta, también conocida como hierro-α (alfa) es el más blando y dúctil constituyente de los aceros, y tiene propiedades magnéticas. Como dato importante, los primeros ordenadores estaban dotados de memorias que almacenaban sus datos en forma de campo magnético en núcleos de ferrita, los cuales estaban ensamblados en conjuntos de núcleos de memoria.

Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia

y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, sin llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, inductores/bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos.

El polvo de ferrita se usa también en la fabricación de cintas para grabación; en este caso, el material es trióxido de hierro. Otra utilización común de los núcleos de ferrita es su uso en multitud de cables electrónicos para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI).

Este polvo de ferrita es utilizado también como tóner magnético de impresoras láser, pigmento de algunas clases de pintura, tinta magnética para imprimir cheques y códigos de barras, entre otros.

Cementita.

La cementita, muy popular es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de Carbono y 93.33% de hierro en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Es magnética hasta los 210 ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.

Es el constituyente más duro de los aceros al carbono, con una dureza de 68 HRc (dureza Rockwell). La cementita destaca por ser un constituyente frágil, con alargamiento nulo y muy poca resiliencia. Su temperatura de fusión es de 1227ºC. Como la cementita es muy dura y frágil no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos.

Existen diferentes formas de observar la cementita de una aleación en un microscopio de reflexión. Los reactivos más utilizados son el picrato sódico alcalino en caliente y el NITAL-3. El primero obscurece completamente a la cementita, mientras que el segundo solo ataca al borde de grano de la cementita dejando el núcleo blanco.

Perlita.

La perlita es un constituyente compuesto por ferrita y cementita. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita; esta estructura laminar se obtiene a través de un tratamiento térmico de enfriamiento muy lento a temperatura eutectoide. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

La perlita aparece en granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas

delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen.

Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita, con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 0,77% en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de los granos austeníticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono necesitan difundir la distancia mínima dentro de su estructura.

Hay dos tipos de perlita: por un lado está la perlita fina que es dura y resistente; y por el otro la perlita gruesa, menos dura y más dúctil.

Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. Los espesores de las capas de ferrita y de cementita también influyen en el comportamiento mecánico del material. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. Los porcentajes de composición de la perlita dependen de la concentración de carbono en el acero.

Martensita.

Es el nombre que recibe la fase cristalina BCC, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión, a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita o la bainita. La transformación martensítica tiene lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera difusión se formarían las fases ferrita y cementita.

La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal y la proporción de carbono no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono.

Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la velocidad del sonido dentro de la matriz austenítica. De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente del tiempo.

La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transformación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo (TCC). La celda unidad de esta estructura cristalina es la BCC; esta estructura es diferente de la ferrita BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la martensita y constituyen una disolución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que implican

una apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura martensítica casi indefinidamente a temperatura ambiente.

Con un tratamiento mecánico adecuado la estructura puede presentar una sola variante. Un caso particular son las aleaciones martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al aplicarles un campo magnético.

Para complementar; los aceros con microestructura martensítica son los más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono; aun así, son más tenaces que los aceros perlíticos. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono y austenita.

Bainita.

Por último, pero no menos importante definiremos la bainita. El diagrama tiempo-temperatura-transformación (TTT) de un acero típico revela un amplio rango de temperaturas intermedias en las cuales la austenita no transforma ni a perlita, ni a martensita. En su lugar se forma una microestructura compuesta por placas (o agujas) de ferrita y partículas de cementita. Esta estructura intermedia es comúnmente conocida como bainita. Se forma la bainita en la transformación térmica de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550 ºC y en su formación intervienen procesos de difusión.

La bainita forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación. Los detalles microestructurales de la bainita son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio electrónico. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas alargadas de cementita. La fase que rodea las agujas es martensita, a menos que se haga un tratamiento isotérmico hasta transformar toda la austenita en bainita.

En los tratamientos isotérmicos realizados entre 540º-727 °C, se forma perlita y entre 215-540 °C, el producto de transición es la bainita. Las transformaciones perlítica y bainítica compiten entre sí y sólo una parte de una aleación se puede transformar en perlita o en bainita. La transformación en otro microconstituyente sólo es posible volviendo a calentar hasta formar austenita.

Sin embargo, a diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita no están presentes en formas que dependen de la aleación y la temperatura de transformación. La microestructura depende de la temperatura y se distinguen dos morfologías:

Bainita superior : Se forma en rangos de temperatura inmediatamente inferiores a los de perlita. Se compone de agujas o bastones de ferrita con cementita entre ellas.

Bainita inferior: Se forma a temperatura del orden de la martensita (ligeramente superiores).

Se produce preferentemente en transformaciones isotérmicas, aunque también puede hacerlo a enfriamiento continuo y corresponde a una transformación intermedia entre la que corresponde a perlita y a martensita.

Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas de cementita en una matriz ferrítica. Por este motivo exhiben una interesante combinación de resistencia y ductilidad.

Fundiciones.

Las fundiciones son una familia de aleaciones férreas con una gran variedad de propiedades, y que con contenidos en carbono superiores al 2% se centran en la transformación eutéctica del Fe-C. El segundo elemento de aleación en importancia, de las fundiciones es el silicio cuyo efecto es el de grafitizar el carbono obteniendo por lo tanto transformaciones que se apartan de aquellas descritas por el diagrama de equilibrio.

Estos materiales tienen una elevada colabilidad, tanto por su fluidez en estado líquido como por baja absorción de gases en estado líquido. Durante la solidificación no tienen una excesiva contracción y se consigue resistencias bastante elevadas aunque por otra parte son bastante frágiles, con bajas resistencias al impacto. Sin embargo, presentan una fácil maquinabilidad, elevada absorción de vibraciones y bajos coeficientes de rozamiento, lo que las hace aplicables, junto a su bajo costo y facilidad de conformación, ampliamente en usos industriales.

Hay varios tipos de fundiciones de hierro, la fundición gris es la más importante. Otros tipos incluyen la fundición nodular (dúctil), la fundición blanca, la fundición maleable y varias fundiciones de hierro aleado.

El mejor método de clasificación es de acuerdo a su estructura metalográfica. Las variables a considerar son: el contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Estas variables controlan la condición y forma del carbono en la estructura. El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La forma y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. Se pueden clasificar en: fundición blanca, donde todo el carbono se encuentra combinado; fundición gris donde la mayor parte del carbono se encuentra sin combinar en forma de grafito; fundición maleable, en la que el carbono mayormente sin combinar en forma de nódulos irregulares o carbono revenido; y fundición nodular donde mediante aleantes especiales, el grafito forma esferoides compactos.

Fundición Blanca.

Las fundiciones blancas no contienen grafito libre, en cambio todo el carbono se presenta combinado como Fe2C. Sus características son: excepcional dureza y resistencia a la abrasión; gran rigidez y fragilidad; pobre resistencia al choque; y dificultad para lograr uniformidad de estructura metalográfica según el espesor.

Desde el estado líquido, se forman cristales de austenita que disuelven cada vez más carbono hasta llegar a la temperatura eutéctica, en donde el líquido remanente reacciona para formar el eutéctico ledeburita y cementita. Como la reacción ocurre a alta temperatura (1100°C) la ledeburita aparece como una mezcla gruesa.

Al bajar la temperatura, la austenita segrega carbono porque baja la solubilidad, de manera que da lugar a la precipitación de cementita proeutectoide mayormente sobre la cementita ya presente.

A la temperatura eutectoide (723°C), la austenita con 0,8% de carbono se transforma en perlita por la reacción eutectoide. La estructura típica de una fundición blanca consiste en dendritas de austenita transformada (perlita) rodeadas de una red interdendrítica de cementita. Cabe destacar, que la cementita es un compuesto intermetálico duro y frágil que forma una red interdendrítica. Esta característica hace a la fundición blanca muy dura y resistente al desgaste pero frágil y difícil de maquinar.

Su aplicación esta en aquellos lugares donde la resistencia a la abrasión y desgaste es lo más importante ya que no admite ninguna deformación y sus propiedades mecánicas son una dureza Briwell entre 375 y 600; resistencia a la tracción entre 130 y 500 MPa y resistencia a la compresión entre 1,4 y 1,7 GPa.

Fundición Gris.

La fundición gris representa el mayor tonelaje entre las fundiciones de hierro. Tiene una composición que varía entre 2.5 y 4% de carbono y 1 a 3% de silicio. Las reacciones químicas internas derivan en la formación de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura es la causante de que la superficie del metal tenga un color gris cuando se fractura; de aquí el nombre de fundición gris. La dispersión de las hojuelas de grafito representa dos propiedades atractivas: 1) Buena amortiguación a la vibración, que es una característica deseable en motores y otras máquinas; 2) Cualidades de lubricación internas, que hacen maquinable la fundición.

El hierro gris es fácil de maquinar, tiene alta capacidad de templado y buena fluidez para el colado, pero es quebradizo y de baja resistencia a la tracción. La resistencia de la fundición gris abarca un rango significativo. La Sociedad Americana para Testeos de Materiales (American Society for Testing Materials (ASTM)) utiliza un método de clasificación para la fundición gris, que pretende suministrar las especificaciones mínimas de la resistencia a la tensión (TS de siglas en inglés tensile strength) para varias clases. La resistencia a la compresión de la fundición gris es significativamente mayor que su resistencia a la tensión. Las propiedades de la fundición gris son muy bajas, es un material relativamente frágil. Los productos hechos con fundición gris incluyen monobloques y cabezas para motores de automóviles, cárteres y bases de máquinas de herramientas.

Su estructura está formada por una matriz metálica conteniendo grafito precipitado en forma de láminas de diversos tamaños y grosores o formas variadas como rosetas, etc.

Estas fundiciones, solidifican primero formando austenita primaria. La formación de cementita a temperatura eutéctica es minimizada por el alto contenido de carbono y la presencia de elementos grafitizantes como el Silicio. El grafito primario precipita en forma de placas o láminas irregulares tridimensionales, que dan en su fractura el típico color gris oscuro. Durante el enfriamiento posterior, la austenita segrega mas carbono al bajar la solubilidad y lo hace en forma de grafito o cementita proeutectoide que grafitiza

rápidamente. La resistencia de la fundición gris depende casi exclusivamente de la matriz en que esta incrustado el grafito. Esta matriz depende de la condición de la cementita eutectoide. Si la rapidez de enfriamiento y composición son tales que esta cementita grafitiza, entonces la matriz será completamente ferrítica, por el contrario si persiste la cementita eutectoide, la matriz será totalmente perlítica. La composición de la matriz puede variar en infinitas combinaciones entre ambos extremos.

Fundición Maleable.

Las piezas se cuelan en fundición blanca y subsecuentemente se les realiza un tratamiento térmico destinado a descomponer la cementita para producir la segregación de nódulos de grafito irregular. Se distinguen dos clases:

Maleable de corazón blanco, que consiste en un proceso de descarburación acentuado.

Maleable de corazón negro, son ferríticas o perlíticas, donde se precipita grafito en forma de nódulos. Las diversas estructuras obtenidas, le otorgan las siguientes características:

- Excelente resistencia a la tracción

- Ductilidad y resistencia al choque

- Buena colabilidad

Fundición Maleable Ferrítica.

La cementita es una fase meta estable, de manera que bajo condiciones particulares, hay una tendencia de la misma a descomponerse en Hierro y carbono. Esta reacción es favorecida por la temperatura, la presencia de impurezas no metálicas y de elementos grafitizantes. La maleabilización consiste en convertir todo el carburo presente en la fundición blanca en carbono revenido en forma irregular (grafito y ferrita). El proceso requiere de 2 etapas de recocido:

En la primera etapa, la fundición blanca se recalienta a una temperatura entre 900 y 950°C. Durante el calentamiento, la perlita se convierte en austenita, la que a su vez disuelve parte de la cementita. El proceso de maleabilización comienza cuando el carbono se segrega de la austenita saturada como grafito libre. Este proceso se forma a partir de núcleos que van agotando el carbono de la interfase austenita-cementita adyacente hasta el punto en que esos núcleos coalecen como nódulos irregulares en toda la estructura. La velocidad de descomposición depende de la facilidad de difusión del carbono y por lo tanto de la temperatura y el tiempo. Si ésta es demasiado elevada, la pieza se deforma excesivamente.

La segunda etapa de recocido se realiza a 760°C, donde se dejan enfriar lentamente las piezas hasta el ambiente. La reacción eutectoide ocurre a esta temperatura de manera que el carbono que segrega la austenita se convierte en grafito sobre los nódulos ya existentes. La austenita se transforma en su mayor parte en ferrita. Esta fundición llamada

maleable ferrítica, es ahora mucho más resistente a la tracción y dúctil que la blanca o la gris. Además se puede maquinar con facilidad.

Las características mecánicas de una maleable ferrítica son una dureza Briwell entre 110 y 145 y resistencia a la tracción entre 340 y 400 MPa.

Fundición Maleable Perlítica.

Si una cantidad de carbono se retiene como carburo combinado finamente distribuido, resulta una estructura totalmente diferente a la ferrítica y la resistencia y la dureza se incrementan en forma apreciable. La primera etapa de recocido es la misma que para la maleable ferrítica. La segunda etapa de recocido se reemplaza por un temple, generalmente al aire, el cual enfría las piezas a través del intervalo eutectoide lo suficientemente rápido como para retener los carburos dispersos en la matriz. La cantidad de perlita formada depende de a qué temperatura empieza el temple y la velocidad de enfriamiento. Si el efecto es suficientemente enérgico, toda la matriz será perlítica. Si la velocidad de enfriamiento a través del punto crítico no es suficiente como para retener todo el carburo, las áreas que rodean los nódulos serán grafitizadas totalmente y las áreas alejadas de ellos serán perlíticas.

Normalmente se recurre a una tercera etapa que consiste en revenir la pieza entre 500 y 650 ºC para esferoidizar la perlita, mejorar la maquinabilidad, tenacidad, etc. Otra característica de la fundición maleable, es que mediante un temple desde la temperatura de austenización total puede obtenerse una matriz totalmente martensítica o bainítica, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Con esto se logran durezas del orden del 60 HRc (dureza Rockwell).

En general se utilizan fundiciones blancas aleadas para fabricar la fundición maleable perlítica, que estabilizan carburos en la etapa eutectoide e impiden la formación de matrices ferríticas. Los más comunes son el Manganeso y el Azufre. Otros, como el cobre aumentan la resistencia mecánica, a la corrosión y mejoran las distribución del grafito. Las características mecánicas de una maleable perlítica son una dureza Briwell entre 163 y 269 y resistencia a la tracción entre 450 y 830 MPa.

Fundición Nodular.

Aquí el grafito se presenta en forma en estado bruto de colada en forma de esferoides por el agregado de magnesio, calcio y Cerio, todos agentes altamente nodulizantes. Estas fundiciones presentan características comparables a las de un acero: excelente ductilidad y elongación, excelente resistencia a la tracción y buena colabilidad.

En esta fundición el grafito aparece como esferoides más o menos regulares y de tamaño parejo, distribuidos uniformemente en la matriz. Esta forma del grafito no interrumpe tan marcadamente la continuidad de la matriz como en la fundición gris, lo cual da una mayor resistencia y tenacidad al material.

La fundición nodular se obtiene directamente por moldeo a diferencia de la maleable que requiere de varios tratamientos térmicos; el contenido de carbono es el

mismo que el de la gris, pero la diferencia reside en que se agregan aleantes especiales llamados inoculantes, como el Magnesio y el Cerio, que nodulizan el grafito. Esta operación se realiza en la cuchara antes del colado ya que el efecto de los inoculantes dura poco tiempo. Se debe controlar especialmente el contenido de Azufre en la aleación ya que éste neutraliza enérgicamente el efecto de los inoculantes.

Fundición Nodular Ferrítica.

La matriz ferrítica se consigue controlando la composición química y la velocidad de enfriamiento para que sea lo más lenta posible a fin de permitir la difusión y la total grafitización. Esta estructura proporciona máxima ductilidad, maquinabilidad, elongación y buena tenacidad.

Las características mecánicas de una nodular ferrítica son una dureza Briwell entre 130 y 210 y resistencia a la tracción entre 380 y 630 MPa.

Fundición Nodular Perlítica.

La matriz perlítica se consigue mediante un tratamiento térmico de normalizado desde 870 ºC ó directamente de colada por la adición de aleantes especiales. Esta estructura proporciona mucha más resistencia y tenacidad, pero es menos dúctil. Entre las características mecánicas de una nodular perlítica se encuentran una dureza Briwell entre 200 y 275 y resistencia a la tracción entre 550 y 900 MPa.

Fundición Nodular Martensítica.

Si la fundición nodular se templa en aceite desde 930°C, se obtiene una estructura netamente martensítica, normalmente se realiza un revenido de la misma para disminuir la dureza y mejorar la tenacidad. Con este proceso se obtienen las más altas resistencias a la tracción entre 680 MPa y 1,03 GPa, y otra características mecánicas de una nodular martensítica es la dureza Briwell entre 215 y 320.

Influencia de algunos elementos de aleación en los aceros.

Para obtener aleaciones ferrosas se puede usar distintos tipos de solutos (níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro), por ellos estos crean varias propiedades mecánicas en el material. Se resalta que un factor fundamental en cuanto a las aleaciones férricas es el tiempo puesto el soluto cuando se mezcla con el hierro; este necesita mejor tiempo para reacomodarse en la estructura del mismo.

La complejidad de las aleaciones de acero es bastante significativa. No se incluye todos los efectos de los elementos variables. El siguiente texto proporciona una visión general de algunos de los efectos de diversos elementos de aleación.

Boro.

El boro es un elemento metaloide, semiconductor. Hay dos alótropos del boro; el boro amorfo que es un polvo marrón, y el boro metálico que es negro. La forma metálica es dura y es un mal conductor a temperatura ambiente. Las primeras fuentes de compuestos de boro fueron el bórax y el ácido bórico.

El boro es nuevo en el mercado del acero. Recientes estudios de investigación aclaran que mínimas cantidades de boro mejoran enormemente la templabilidad en los aceros calmados de medio contenido en carbono, siendo en este aspecto el más efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos. Es tan grande, que para un mismo acero de 0,40% de carbono y cantidades mínimas del boro del orden del 0.001 al 0.006%, su aleación es: 50 veces superior a la de molibdeno; 75 veces superior a la de cromo; 150 veces superior al de manganeso y 400 veces superior a la de níquel. La utilización de este elemento presenta bastantes dificultades, ya que es un desoxidante muy fuerte.

Cobalto.

El cobalto es un metal ferromagnético, de color blanco azulado y más costoso que el hierro y el níquel.

Este, limita su uso en las calidades superiores de aceros rápidos. Este aleante, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y resistencia. Disminuye la templabilidad en los aceros de alto porcentaje de carbono.

Aumenta la resistencia a la formación de óxido a altas temperaturas; también da resistencia a la corrosión y al desgaste. La adición de 8 a 10% de cobalto a los aceros para herramientas, aumenta sus propiedades de corte. Es uno de los pocos elementos aleados que mueva el punto eutectoide hacia la derecha y reduce la templabilidad de los aceros.

Cromo.

El cromo es un metal de transición duro, frágil, gris acerado y brillante como cualidades propias. Pero aleado con el acero aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en la austenita, aumenta también la templabilidad. En los aceros con un alto contenido en carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Es menos caro que el níquel. Proporciona inoxidabilidad e impide deformaciones en el temple ya que aumenta la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros; el cromo se disuelve en la ferrita y muestra una fuerte tendencia a formar carburos de cromo y carburos complejos.

Es el aleante especiales más empleado en aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. El cromo se disuelve en la ferrita y muestra una fuerte tendencia a formar carburos de cromo y carburos complejos.

Molibdeno.

Es un metal esencial desde el punto de vista biológico, color plateado que no se produce como el metal libre en la naturaleza sino en varios estados de oxidación en los minerales. Desde un punto de vista, molibdeno aleado con acero, influye sobre la pasividad y resistencia de los aceros inoxidables a los ácidos reductores, y en presencia de iones cloro. Es un elemento alfágeno, por lo tanto se deberá tener en cuenta esta acción si se quiere tener un acero totalmente austenítico.

Además favorece la resistencia en caliente de los aceros austeníticos, en otras palabras, o sea, retarda el ablandamiento de los aceros durante el revenido apareciendo la dureza secundaria.

Aumenta la tenacidad de acero, haciendo así una aleación de metal de molibdeno muy valioso para fabricar las partes de corte de herramientas de máquinas y también las alabes o aspas de una turbina. También se utiliza en motores de propulsión.

Níquel.

Es un metal de transición de color blanco plateado con un ligero toque dorado, conductor de la electricidad y del calor y muy dúctil. Este aleado con acero, evita el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad, ductilidad y resistencia a la corrosión. El níquel además hace que se puedan obtener aceros resistentes con menos contenido en carbono y descender el punto crítico Ac y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios.

En los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. Al emplearse conjuntamente con el Cromo, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste. El níquel se disuelve en la ferrita del acero, ya que tiene menos tendencia a formar carburos que el propio hierro.

Plomo.

El plomo es un metal pesado y tóxico. Este, permanece disperso en forma de pequeñas partículas esféricas insolubles en el acero. Aumenta la maquinabilidad de los aceros en pequeñas proporciones (0,25%).

Silicio.

Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. Se presenta en forma amorfa y cristalizada; el primero es un polvo parduzco, más activo que la variante cristalina, que se presenta en octaedros. Este aleante del acero nos

proporciona gran poder desoxidante, complementario al manganeso para evitar la aparición de poros y rechupes.

Además, aumenta la resistencia de los Aceros Inoxidables frente al Oxígeno, al aire, y gases oxidantes calientes. Se emplea en aleaciones resistentes al calor. Es un elemento alfágeno. Mejora la templabilidad en aceros y aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono, eleva sensiblemente el límite elástico y la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su tenacidad.

Titanio.

Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, aleación con la que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero. Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que aquél, lo cual limita sus usos industriales.

Su uso como aleante solo se aplica en aceros de alta gama y en cantidades bajas, por su gran poder desoxidante y su gran capacidad de inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas. Es un gran formador de carburos y combina rápidamente con el nitrógeno. Se usa también en los aceros inoxidables cromo-níquel.

El Titanio-Niobio es utilizado por su mayor afinidad química por el Carbono, para evitar la precipitación de Carburos durante enfriamientos lentos de Aceros Inoxidables Austeníticos. Son elementos alfágenos.

Cabe destacar, que el titanio reduce la dureza martensíticas (en acero es la no difusión del carbono cuando se forma o calienta el metal, el temple dificulta la difusión del carbono y se origina partículas de martensita. Los aceros con microestructura martensítica son los más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono) en los aceros al cromo.

Wolframio ó Tungsteno.

Es un metal escaso en la corteza terrestre, se encuentra en forma de óxido y de sales en ciertos minerales. Cuando esta aleado al acero, su uso está generalizado en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte y aceros para trabajos en caliente.

Además, nos permite mantener la dureza en el acero a elevada temperatura (incrementa el punto de fusión) evitando desafilados y ablandamientos en las herramientas, aunque alcancen temperaturas superiores a 500º C o 600º C. El wolframio se disuelve ligeramente en la ferrita y tiene una gran tendencia a formar carburos con gran estabilidad; formando carburos muy duros y resistentes al desgaste en elevadas temperaturas. Retarda el ablandamiento de los aceros, durante el revenido, apareciendo la dureza secundaria.

El molibdeno aumenta también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al tungsteno en la fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.

Vanadio.

El vanadio es un metal dúctil, blando y poco abundante. Se encuentra en distintos minerales y se emplea principalmente en algunas aleaciones. La formación de una capa de óxido del metal estabiliza al elemento contra la oxidación.

Este aleante del acero, también está presente en la fabricación de la mayor parte de las herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte. Es un gran formador de carburos, excepto en los aceros de herramientas. Dificulta enormemente el ablandamiento por revenido, y da lugar al fenómeno de dureza secundaria.

Cabe considerar, que puede no influir en la templabilidad si se encuentra disuelto. Imparte dureza y aumenta la resistencia a los impactos (resistencia a las fracturas por impacto) también la resistencia a la fatiga y a las altas temperaturas.

Fosforo.

El fosforo, es un no metal multivalente que se encuentra en la naturaleza combinado en fosfatos inorgánicos y en organismos vivos pero nunca en estado nativo. Es muy reactivo y se oxida espontáneamente en contacto con el oxígeno atmosférico emitiendo luz.

En su aleación con acero, el contenido de fósforo se mantiene por debajo del 0.04%, cantidad que tiende a disolverse en ferrita, aumentando ligeramente la resistencia y la dureza. En algunos aceros, una cantidad de fósforo entre el 0.07 y el 0.12%, parece mejorar las propiedades del corte. En mayores proporciones, el fósforo reduce la ductilidad, aumentando con ello la tendencia del acero a agrietarse cuando se trabaja en frío.

Normalmente, se disuelve en la ferrita hasta un 1%, pero por encima de este valor, aparece en forma de Fe3P. El fósforo aumenta la fragilidad de los aceros, y al igual que el azufre, tiene una gran tendencia a la segregación, produciendo el fenómeno de la segregación complementaria del acero (zonas de distinta concentración). En las zonas donde el contenido de carbono es mayor, hay más perlita y menos ferrita. Por el contrario, en las zonas con menor contenido en carbono, el porcentaje de perlita es menor y el de ferrita mayor. Esto provoca la aparición de bandas alternas de ferrita y cementita, conocidas como bandas fantasmas. El contenido de fósforo en el acero no debería ser superior a 0,05%.

Azufre.

Es un no metal abundante con un olor característico. El azufre se encuentra en forma nativa en regiones volcánicas y en sus formas reducidas formando sulfuros y sulfosales o bien en sus formas oxidadas como sulfatos. Junto con el fósforo, el azufre es el elemento más problemático, ya que prácticamente es insoluble en el hierro y se presenta fundamentalmente en forma de sulfuro de hierro (FeS).

En los aceros comerciales, el azufre se mantiene generalmente por debajo del 0.05%. Este metaloide se combina con el hierro para formar sulfuro de hierro (FeS), el cual forma, a su vez, una aleación eutéctica de bajo punto de fusión, con hierro que tiende a concentrarse en las fronteras de grano. Cuando el acero se forja o lamina a altas temperaturas, se hace frágil debido a la fusión del eutéctico sulfuro de hierro (propiedad conocida como fragilidad en caliente), que impide la cohesión de los granos permitiendo que se desarrollen grietas. En presencia de manganeso, el azufre tiende a formar sulfuro de manganeso (MnS), en vez de sulfuro de hierro. El MnS suele permanecer como inclusiones bien distribuidas por toda la estructura. Así pues la presencia del Mn es un inhibidor del efecto que produce el S.

Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, algunas veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono. Básicamente, tanto azufre como fosforo y selenio se añaden al acero para facilitar el mecanizado.

Conclusión

Se llega a la conclusión de que todos los elementos, materiales tratados en este documento están compuestos en su mayor parte por hierro y carbono, pero también otros como calcio, cilicio, etc. el cual varía según la cantidad que el elemento posea de cada uno y de la energía externa en este caso temperatura a la que se vea expuesta el mismo. Entre estos también existen fundiciones y compuestos con características únicas de cada uno, como por ejemplo, la fundición gris o la fundición nodular, que cumplen su función específica. Por lo que se llega a entender que la adquisición de estos conocimientos demuestra el desempeño y el comportamiento de estos compuestos y elementos que a su vez deja una idea de la forma de utilización y comportamiento de estos materiales ferrosos.

Bibliografía

Ciencia e Ingeniería de los Materiales – Ciencias Internacional Thomson – Donald R. Askeland.

Fundamentos de Manufactura moderna.