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UNIDAD

El objetivo -desde el punto de vista tecnológico- que se pretende en las distintasmanipulaciones de los materiales metálicos, es conseguir unas propiedades (mecánicas,físicas, químicas, …) adecuadas al uso a que van a ser destinados, a unos preciosadmitidos por el Mercado.

En esta Unidad vamos a conocer las principales posibilidades de que se dispone,en función de las características de los materiales, para modificar las propiedades,cuantitativa y cualitativamente, para conseguir lo que se ha planificado.

Los materiales metálicos:recursos para obtener y modi-ficar sus propiedades2

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .381. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES METÁLICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382. NATURALEZA Y CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .403. LOS TRES NIVELES DE ESTRUCTURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

3.1. Estructura cristalina. Cristales metálicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

3.2. Estructura micrográfica: el grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

3.3. Estructura macrográfica: la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47

4. PRODUCTOS SIDERÚRGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .484.1. Constitución de las aleaciones hierro-carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

4.2. Composición química de las aleaciones hierro-carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

4.3. Estructura de las aleaciones hierro-carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

4.4. Influencia de los elementos de aleación sobre las propiedades de los aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS MATERIALES METÁLICOS. CLASIFICACIÓN . . . . . . . . . . . . . .555.1. Recocidos y normalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

5.2. Temples y revenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

6. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS DE LOS MATERIALES METÁLICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .616.1. Cementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

6.2. Nitruración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

6.3. Cianuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

6.4. Sulfinización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

Í N D I C E D E C O N T E N I D O S

El objetivo -desde el punto de vista tecnológico- que se pretende en las distintas

manipulaciones de los materiales metálicos, es conseguir unas propiedades (mecánicas,

físicas, químicas, …) adecuadas al uso a que van a ser destinados, a unos precios

admitidos por el Mercado.

En esta Unidad vamos a conocer las principales posibilidades de que se dispone,

en función de las características de los materiales, para modificar las propiedades,

cuantitativa y cualitativamente, para conseguir lo que se ha planificado.

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PROPIEDADES FINALES DEL

MATERIAL METÁLICO

LA ESTRUCTURA

ESTRUCTURA CRISTALINA

ESTRUCTURA MACROGRÁFICA

ESTRUCTURA MICROGRÁFICA

LOS TRATAMIENTOS

TERMOQUÍMICOS modifican

LOS TRATAMIENTOS

TÉRMICOS modifican

LA COMPOSICIÓN

QUÍMICA

se manifiesta en tres niveles

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LOS MATERIALES METÁLICOS: RECURSOS PARA OBTENER Y MODIFICAR SUS PROPIEDADES

2UNIDAD

IntroducciónSe calcula que el número de materiales disponibles para uso industrial sobrepa-

saba, en el año 2002, los 100.000, lo que nos da idea del enorme desarrollo y de lacomplejidad que supone, en ocasiones, elegir el material más idóneo para un usodeterminado.

La tecnología industrial requiere actualmente materiales con el más bajo costoposible de obtención y con una gran diversidad de características y prestaciones.

El desarrollo de nuevos materiales (o modificaciones de los existentes) para usoindustrial viene motivado, principalmente, por los siguientes factores:

La necesidad de economizar energía.La concienciación de conservar el medio ambiente.La conveniencia de disminuir el uso de materiales estratégicos.La gran competitividad de los mercados.La mayor duración frente a un uso determinado (mayor resistencia mecáni-ca, frente a la corrosión, etc.).La mejora de la seguridad y la salud en el trabajo.El aprovechamiento para otros usos de lo que antes eran deshechos o resi-duos.La facilidad de reciclado.

Para comprender mejor todos estos aspectos, vamos a profundizar en las razo-nes que hacen que un material determinado tenga unas u otras propiedades finales.

Antes de comenzar el estudio de las Unidades 2 a 11 te hacemos la siguienteobservación en cuanto a las unidades de medida utilizadas en el texto:

Debemos tender a utilizar las del Sistema Internacional pero, por su uso en elSector Industrial indicamos las de uso habitual, aún siendo conscientes de que escientíficamente incorrecto. En concreto, las que con más frecuencia aparecen en ellibro son:

(Con la abreviatura Kg nos referimos al Kilogramo-fuerza o Kilopondio)

1. Características y propiedadesde los materiales metálicos

Cuando hemos de utilizar un material para un uso determinado, nos decidiremospor uno u otro en función de las prestaciones que deseamos obtener: en una bicicle-ta, los radios de las ruedas son de acero, y los neumáticos de caucho, y no al revés;de acero hacen los muelles y las chapas de los automóviles, pero evidentemente,aún siendo acero ambos, tienen comportamientos muy diferentes.

MAGNITUD UNIDAD DEL S.I. UTILIZADA EN EL LIBRO EQUIVALENCIA

Presión Pa (Pascal) Kg/mm2 Kg/cm2

1 Pa ≈ 10-7 Kg/mm2 1 Pa ≈ 10-5 Kg/cm2

Energía j (Julio) caloría 1 j = 0,24 cal.

Temperatura K (Kelvin) ºC K = ºC + 273,16

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Las características mecánicas que, en mayor o menor medida y para uno u otrouso buscamos en los materiales son esencialmente tres:

Cohesión: Es la resistencia que oponen los átomos o partículas elementales asepararse unas de otras.

Elasticidad: Es la capacidad que tienen los cuerpos de recobrar su forma primiti-va cuando cesa la causa que los deforma.

Plasticidad: Es la capacidad que tienen los cuerpos de adquirir deformacionespermanentes.

Todas las demás, como tenacidad, dureza, fragilidad, ductilidad, maleabilidad,resistencia a la fatiga, carácter refractario, resistencia a la corrosión, soldabilidad,maquinabilidad, resistencia al desgaste, propiedades magnéticas, acritud, etc., (cuyasdefiniciones tienes en el glosario) dependen no sólo de la composición sino también delos tratamientos a que haya sido sometido y de su proceso de fabricación.

Existen propiedades que no pueden darse simultáneamente en un material, porejemplo, ser muy duro y muy plástico.

Todo lo que estudiaremos en esta Unidad sobre materiales metálicos va encami-nado a poder obtener y/o conocer las características más idóneas para un determina-do uso y los medios de que nos podemos servir para conseguirlas.

Si establecemos un símil culinario, estaremos de acuerdo de que el valor energé-tico y el sabor de un alimento, es decir el resultado final de ese producto depende, ade-más de los ingredientes (en cantidad y calidad), del proceso a que los hayamos some-tido. Algo muy similar ocurre con los materiales metálicos.

Por estas dos razones, para servicios industriales se utilizan aleaciones en lamayoría de los casos. Hasta, si queremos, podemos considerar que una aleación es elresultado de introducir o permitir la existencia de elementos extraños en un metal puro.

Hablamos con mucha frecuencia de que algo está hecho de hierro, cuando en rea-lidad nos estamos refiriendo a acero porque el hierro puro (llamado en términos indus-triales hierro ARMCO) tiene unas características mecánicas muy pobres que no lohacen apto para la inmensa mayoría de las aplicaciones industriales.

No obstante, en metalurgia hablamos indistintamente de metales o aleaciones parareferirnos a estas últimas. Sólo cuando añadimos el adjetivo puro al nombre del metalnos estaremos refiriendo a él en sentido estricto.

R e c u e r d a

Al igual que sólo hay tres colores primarios y los demás son derivados o combinaciones,las tres propiedades básicas de los materiales son: cohesión, plasticidad y elasticidad.Aunque científicamente sea incorrecto, en metalurgia oiremos hablar indistintamentede metales y aleaciones para referirnos a estas últimas.

La mayoría de los metales no se utilizan puros para aplicacionesindustriales porque:

Contienen elementos que es poco menos que imposible eliminar com-pletamente y que los impurifican.Se les mezcla voluntariamente con otros metales o no metales paravariar (mejorar) sus propiedades.

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2UNIDAD

2. Naturaleza y constitución delas aleaciones

Se conoce por este nombre al producto que resulta de la unión de dos o más ele-mentos químicos, uno de los cuales, al menos, es metal, y que presenta caráctermetálico.

Ejemplos típicos de aleaciones son los bronces, los latones y los aceros, de loscuales existen muchas variedades. Cuando uno de los componentes de la aleaciónes el mercurio, recibe el nombre específico de amalgama. El oro utilizado normal-mente en joyería (oro de 18 quilates) es una aleación de 18 partes de oro y 6 decobre. La plata que se utiliza en joyería contiene 925 partes de plata y 75 de cobre.

Las cantidades que entran en los componentes de una aleación son muy diver-sas: desde cualquier proporción, como en el caso de lo que llamamos estaños de sol-dar, que son aleaciones de estaño y plomo y que permiten cualquier porcentaje deuno u otro, hasta aquellas en las que, por razones que veremos más adelante enesta misma Unidad, la cantidad de uno es muy superior a la de otro; por ejemplo, lasaleaciones de plomo y cinc, en las que la proporción máxima de éste es el 1,6%.

3. Los tres niveles de estructurasDesde el punto de vista de la tecnología industrial, lo que nos interesa de los

metales y aleaciones con los que vamos a trabajar, son fundamentalmente, suscaracterísticas mecánicas y su resistencia a la corrosión, y cómo, porqué y para quépodemos modificarlas.

Estas propiedades dependen de:

La composición del metal o aleación. Podemos modificarla añadiendo o eli-minando elementos de aleación en distintas proporciones o eliminando, en lamedida de lo posible, las impurezas.

Su estructura.

Condiciones que debe cumplir toda aleación:1) Los elementos que la constituyen deben ser miscibles en estado líquido,

(como ocurre con el agua y el alcohol) para que al solidificar quede un cuer-po totalmente homogéneo. En caso contrario (como el agua y el aceite)quedarían estratificados por orden de densidades: no habría aleación.Ejemplos de insolubilidad entre metales son el plomo y el aluminio y elplomo y el hierro. Sin embargo, en ocasiones se utiliza una pseudo-alea-ción hierro-plomo (una especie de emulsión en estado sólido): se aplica enalgunos casos en los que no se exigen resistencias mecánicas importantespero que ha de ser mecanizado, para facilitar esta operación y abaratar elproducto terminado; el plomo "emulsionado" actúa como una especie delubricante en esa operación. (De ésta y otras hablaremos en la Unidad 9).

2) Que el producto obtenido tenga carácter metálico.

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En la estructura, que nos da idea de la ordenación interna de los materiales,podemos distinguir tres niveles:

Estructura cristalina, que hace referencia a la disposición de los átomos enel cristal. Sólo puede observarse por métodos de difracción de rayos X.Estructura granular o micrográfica, que tiene como elemento fundamentalel grano, cuyas dimensiones son del orden de 0,2 a 0,02 mm. de diámetro(no significa que sean exactamente esféricos) y es observable con el micros-copio metalográfico.Estructura macrográfica, observable a simple vista con lupa: su elementoconstitutivo es la fibra, cuyo origen es la agrupación de impurezas conse-cuencia de determinados esfuerzos mecánicos a que ha sido sometido elmaterial en caliente.

La estructura podemos modificarla mediante tratamientos térmicos que veremosen el epígrafe 5 de esta Unidad, o por trabajo mecánico.

3.1. Estructura cristalina. Cristales metáli-cos.

En estado sólido, que es en el que se encuentran a temperatura ambiente lamayoría de los metales, las fuerzas de cohesión tienen un valor lo suficientementeelevado como para que se conserven constantes forma y volumen.

El estado sólido presenta dos formas fundamentales: cristalino y amorfo.Inicialmente se estableció la diferencia por una cierta regularidad externa del

estado cristalino: permitía la apreciación de planos y ángulos en su configuracióndando origen a formas poliédricas más o menos complejas. Por otra parte, definía elestado cristalino una cierta irregularidad de las propiedades, variable según la direc-ción, lo que se conoce como anisotropía, frente al término isotropía cuando las pro-piedades son independientes de la dirección.

Ejemplos de materiales en los que la anisotropía se aprecia a simple vista y semanifiesta con presiones con las manos en direcciones perpendiculares son el gra-fito y la mica.

A veces el estado amorfo es consecuencia de circunstancias perturbadoras (unenfriamiento muy rápido, por ejemplo). Si desaparecen éstas, la sustancia puede vol-ver a agrupar sus átomos ordenadamente.

Asimilamos, pues, el término cristalino con orden y el amorfo con desorden.La forma normal de presentarse los metales en estado sólido es la estructura

cristalina, caracterizada por un apilamiento simétrico de los átomos en el espacio.Este apilamiento ordenado se conoce con el nombre de red cristalina. Cada sustan-

Recordemos que la materia está formada por partículas elementales quepueden ser átomos, iones, moléculas o conjunto de moléculas, entre las queexisten fuerzas de cohesión. Dependiendo del carácter y magnitud de estasfuerzas, se puede presentar en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. En losmetales, la partícula elemental es el átomo. Sólo para hacernos idea del ordende magnitudes de que estamos hablando, recordemos el Nº de Avogadro:6,02x1023. La masa atómica del hierro es 56 y la de la plata, 108. Esto quieredecir que un átomo de hierro pesa 9,3x10-23 g. y uno de plata, 1,8x10-22 g.

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2UNIDAD

cia se presenta casi siempre en una determinada red cristalina. Cuando presentamás de una, se dice que esa sustancia es polimorfa, y al fenómeno se le llama alo-tropía.

La estructura cristalina es la responsable de una serie de propiedades comunescomo son: facilidad relativa para deformarse por deslizamiento de los cristales (male-abilidad y ductilidad), opacidad, altas temperaturas de fusión, alta densidad y dure-za.

De las 14 redes cristalinas conocidas, es decir, 14 formas de ordenación de losátomos de los cristales, sólo nos vamos a detener en las que presentan más del 70%de los metales, y que son:

Cúbica centrada en el cuerpo o simplemente cúbica centrada (c.c.)Cúbica centrada en las caras (c.c.c.)Hexagonal compacta (h.c.)

Red cúbica centrada.El número de átomos situados en el interior

de esta celdilla elemental (número de coordina-ción) es de dos. El índice de coordinación(número de átomos que equidistan de otros y sonsus vecinos más próximos es de 8. Se puedededucir fácilmente que la distancia interatómica(la que existe entre el átomo situado en el centrodel cubo y cualquiera de los situados en cada unode los vértices es:

Tengamos en cuenta que "a", lado del cubo elemental y "d", diagonal del cubo,no son exactamente constantes, variando en función de las vibraciones a que esténsometidos los átomos como consecuencia de la energía que poseen, aportada desdeel exterior al comunicarles calor.

Red cúbica centrada en la caras.Los átomos del metal ocupan los vértices y el centro de cada una de las caras

del cubo o celdilla elemental. El número de coordinación es 4, el índice de coordina-ción 12 y la distancia interatómica:

Como se deduce inmediatamente de ambas fórmulas de la dis-tancia interatómica si un metal, como el hierro, puede cristalizar enambas redes, el valor "a" de la arista de la celdilla elemental essuperior en la red c.c.c. que en la c.c. (independientemente de lasvibraciones).

22ad =

23ad =

Red cúbica de carascentradas, apreciándo-se así mismo el nº decoordinación y la distan-cia interatómica

Red cúbica centrada, en la que se apreciael nº de coordinación y la distancia interatómica

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Red hexagonal compacta.Los átomos ocupan los vértices de un pris-

ma hexagonal regular, los centros de las basesy los centros de los tres triángulos no adyacen-te de las bases medias.

El número de coordinación es 12, el índicede coordinación 12, y la distancia interatómicaes "a".

SISTEMAS DE CRISTALIZACIÓN ATÓMICA DE ALGUNOS METALES

Por su importancia en determinadas aleaciones está incluido el carbono en la tabla aunque, como sabe-mos, no es un metal.

Cristalografía de las aleaciones.Existen dos formas propiamente dichas de estar formadas las aleaciones, y una

tercera que, aunque no es una disolución sólida, sí la consideramos aleación porquepresenta carácter metálico.

Disoluciones sólidas por sustitución.Se da esta situación cuando los átomos de un elemen-

to sustituyen a alguno o algunos de los átomos de los cris-tales de otro.

En el diagrama de la figura está sustituido un átomo dehierro por uno de aluminio pero pueden darse todas lasposibilidades.

Así como cuando estudiaste en química la disolucionesen estado líquido o gaseoso llamamos disolvente a la sus-tancia que está en mayor proporción y soluto a la o a lasotras, en las disoluciones sólidas denominamos disolventeal elemento que conserva su red cristalina, independiente-mente de que esté en mayor o menor proporción.

Por ejemplo, en la disolución sólida de Cr-Ni con el 40% de Ni y 60% de Cr, elelemento disolvente es el níquel a pesar de que está en proporción inferior, pues laaleación cristaliza en el sistema c.c.c. (sistema cristalino del níquel puro mientrasque el cromo, como puedes ver en la tabla superior cristaliza en el c.c.)

Disoluciones sólidas por inserción.Se da esta situación cuando los átomos de un elemento (soluto) se sitúan en los

espacios interatómicos de otro (disolvente).Ejemplos de soluciones sólidas por inserción son algunos constituyentes de los

aceros que veremos en el epígrafe 4.1 de esta Unidad, al estudiar las aleacionesférreas.

Los elementos disolventes más normales en este tipo de aleaciones son Cr, Mn,Fe, Co, Ni, y los solutos, los de más pequeño diámetro atómico: H, B, C, N.

Esquema dedisposición delos átomos en lared hexagonalcompacta.

Al Cd Zn Co Cu W Fe V Mg Ni Au Mo Cr Ag Pt Pb Rh Ti Zr Cccc hc hc ccc

hcccc cc cc

ccccc hc ccc ccc cc cc ccc ccc ccc ccc cc

hchc cc

hc

Ejemplo de disolución sólidapor sustitución. (Aunque se tratede un esquema se aprecia ladiferencia de diámetros atómi-cos, que producirá distorsión enla red.

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2UNIDAD

Compuestos químicos.

Se producen cuando existe cierta afinidad química entre disolvente y soluto(electropositividad y electronegatividad). Se forma un compuesto químico de propor-ciones definidas, a diferencia de las disoluciones sólidas que presentan distinta solu-bilidad en función de la temperatura. Asimismo, en éstos el punto de fusión está defi-nido, mientras que en las soluciones sólidas varía según la proporción de los consti-tuyentes y, salvo casos singulares que veremos, lo hacen en un intervalo de tempe-raturas.

Casos típicos de compuestos químicos con importancia en metalurgia son: elAl2Cu (conocido como duraluminio) y la cementita (Fe3C) que es un constituyente delos aceros.

Ya comenzamos a entender, a partir de las redes cristalinas de la aleaciones,algunas consecuencias prácticas: cuando se introducen elementos "extraños" en lared cristalina de un metal puro, se la distorsiona en mayor o menor medida. Esto pro-voca un incremento de la resistencia mecánica de la aleación y es la razón por laque, en general, las aleaciones poseen mayor resistencia mecánica y mayor durezaque los elementos sin alear. ¿Cómo explicarías, si no, que los metales preciosos uti-lizados en joyería sean aleaciones (disminuyendo así su valor económico) y no metalpuro? El oro de 24 quilates (puro) usado como patrón y referente monetario, no seusa en joyería porque sus propiedades mecánicas son inferiores al de 18, y la dura-ción de la joya sería sensiblemente menor.

Leyes de Hume-Rothery.

La tendencia a formarse uno u otro tipo de aleación viene determinadapor los siguientes factores:

1) Factor tamaño: Sólo en el caso de que el tamaño relativo de los átomosque formarán la aleación sea muy diferente habrá posibilidad de que seformen soluciones sólidas por inserción. Por el contrario, para obtenersoluciones sólidas por sustitución sin distorsiones, es necesario que losdiámetros atómicos de los elementos no se diferencien en más de un15%.

2) Factor estructura atómica: Cuando uno de los elementos es fuerte-mente electronegativo respecto del otro (mayor afinidad química) la ten-dencia a formar soluciones sólidas se reduce, tendiendo a formarsecompuestos químicos. Dicho de otra forma: cuanto más próximos esténlos elementos en la tabla periódica (menor afinidad química) tanto másprobable será la tendencia a formar soluciones sólidas y al estar másalejados (mayor afinidad), mayor será la tendencia a formar compuestosquímicos.

3) Factor estructura cristalina: Como la estructura de un metal está deter-minada en gran parte por la fuerza de sus enlaces, los elementos queposeen estructuras electrónicas similares presentan, por lo general, lamisma red cristalográfica. Según esto es lógico pensar que los metalescon estructuras metálicas semejantes presenten una mayor solubilidadrecíproca.

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Al igual que cuando estudiaste disoluciones líquidas, la solubilidad puede sertotal o parcial y, en este caso, el exceso de elemento soluto, si lo hay, queda en laaleación en forma de metal puro. También como en las disoluciones líquidas, las sóli-das pueden ser: insaturadas, saturadas y sobresaturadas. Éstas son inestables, demodo que, con el tiempo o por aportación de energía del exterior, tenderán a estabi-lizarse, precipitando (saliendo de la aleación) el exceso de soluto.

Un ejemplo típico y muy importante en metalurgia de solución sobresaturada esla martensita, solución sobresaturada de C en Fe, a la que nos referiremos en elapartado 4.1 de esta Unidad.

3.2. Estructura micrográfica: el granoNo hemos dicho hasta ahora en qué condiciones se realiza la adición de los dis-

tintos elementos que forman las aleaciones para que haya una mezcla íntima entreellos, y cómo se forman los cristales. Es proceso resulta casi obvio: la adición de losdiferentes constituyentes de las aleaciones se lleva a cabo en estado líquido agitan-do para homogeneizar. Cuando disminuye la temperatura y se produce la solidifica-ción se orientan y ordenan los átomos formando la red cristalina.

La forma de llevar a cabo el proceso de solidificación influye en las característi-cas finales del material. Los parámetros más importantes a controlar son:

Cristalización a escala policristalina.

La secuencia de formación de los agregados metálicos sólidos es la que apare-ce en este esquema:

Secuencia esquemática del proceso de solidificación aescala policristalina, con la formación final de los granos.

R e c u e r d a

La forma normal de presentarse metales y aleaciones en estado sólido es la cristalina.Podemos considerar las aleaciones como disoluciones en estado sólido.El objetivo práctico que se persigue con las aleaciones es mejorar determinadascaracterísticas de cada uno de los metales que la constituyen; podemos hablar desimbiosis.

Características geométricas, temperatura y material del recipiente dondese vierte el líquido.Temperaturas inicial y final del proceso.Velocidad de enfriamiento.Presión a la que se lleva a cabo (existen técnicas de solidificación al vacíoque influyen en las propiedades finales de la aleación).

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2UNIDAD

El proceso se origina con la formación de núcleos en el seno de la masa líquiday su posterior crecimiento. Depende de dos factores que van a influir en determina-das propiedades finales de la aleación:

Las pequeñas rayas representadas en la parte izquierda son los primeros crista-les (núcleos o gérmenes) formados al comenzar la solidificación. Los núcleos vancreciendo a medida que progresa la cristalización hasta que toda la masa ha solidi-ficado (figura de la derecha) en la que se aprecian los límites entre los distintos poli-cristales formados. Estos cristales individuales se llaman granos. Un policristal esta-rá formado por tantos granos cristalinos como gérmenes o núcleos aparecieron en elproceso de cristalización, puesto que todo germen da origen a un grano.

El examen microscópico de una superficie metálica puli-da y atacada con reactivos adecuados permite ver en sec-ción los límites de separación entre granos, que reciben elnombre de borde de grano. Esta zona es de desorden fren-te al orden de los cristales. Las zonas de separación puedenmodificarse, como veremos más adelante en el epígrafe 5de esta misma unidad, mediante tratamientos térmicos, queson procesos de calentamiento y enfriamiento debidamenteregulados y controlados.

Importancia del tamaño del grano.

Aspecto microscópico de unasuperficie metálica con la típica geo-metría de los granos.

Reproducción a escala del crecimiento del tamaño del grano al aumentar la temperatura. Sila aleación de ha "quemado" es imposible su recuperación.

1) Velocidad de nucleación: es el número de núcleos que se forman porunidad de volumen y por unidad de tiempo.

2) Velocidad de crecimiento: Es el aumento de dimensiones que expe-rimenta el núcleo por unidad de tiempo.

El tamaño del grano depende de dos factores:

El proceso de fabricación: por ejemplo, los aceros desoxidados conalúmina son de grano más fino que los desoxidados con sílice. Unenfriamiento rápido tiende a afinar el grano, porque se producen másnúcleos en el inicio.Los procesos térmicos a que se haya sometido el metal: el tamaño degrano de los aceros crece considerablemente a partir de los 850ºC.

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Cuanto mayor es el grano peores son, en general, las propiedades mecánicas:Una aleación de grano fino es más dura y resistente al choque y a la torsión, aunquemenos maleable. Esto es debido a que los metales utilizados en la industria contie-nen cierta cantidad de impurezas insolubles formadas por óxidos, sulfuros, silicatos,etc., frágiles, que se concentran formando verdaderas capas que envuelven a losgranos y los separan unos de otros. Para una misma proporción de impurezas arepartir en la superficie de los granos, resultan capas más delgadas cuanto máspequeños son éstos, ya que la superficie total, para una misma masa de metal, esmayor que si los granos son grandes. Además, si las capas son muy delgadas habrádiscontinuidades, quedando los granos fuertemente unidos donde existen éstas.

3.3. Estructura macrográfica. La fibraAl aumentar la longitud y disminuir la sección de un metal por laminación, forja,

u otros tratamientos mecánicos en frío o en caliente, procesos que verás con másdetalle en la Unidad 9, las impurezas se aplastan y alargan en la misma direcciónque la pieza, formándose una especie de fibra, que se observa a simple vista o conayuda de algún reactivo que la destaque. La existencia de la fibra produce una ani-sotropía en los materiales, con mejor resistencia mecánica en sentido longitudinal ypeor en la transversal. La fibra será más pronunciada cuantas más impurezas con-tenga en material.

R e c u e r d a

El tamaño del grano tiene una gran influencia sobre las propiedades finales demetales y aleaciones.

1.- Una aleación que se deforma con facilidad al ejercerse sobre ella una fuerza y, cuandocesa ésta permanece deformada, se dice que es:

a) Frágil.b) Refractaria.c) Plástica.d) Elástica.

2.- El fenómeno de que un metal cristaliza en más de un sistema cristalino recibe el nombre de:a) Isotropía.b) Anisotropía.c) Cristalografía.d) Alotropía.

3.- Al aumentar el tamaño del grano en una aleación:a) Aumentan la dureza y la resistencia a la tracción.b) Aumenta la tenacidad.c) Disminuyen la dureza y la resistencia a la tracción.d) Aumentan la ductilidad y la maleabilidad.

A c t i v i d a d e s

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2UNIDAD

4. Productos siderúrgicosSegún la norma UNE 36001, producto siderúrgico es toda sustancia férrea que

ha sufrido un proceso metalúrgico. Salvo algunas aleaciones muy concretas, el ele-mento básico de aleación del hierro es el carbono. En estas aleaciones, como entodas, sus propiedades finales son debidas a estos tres parámetros: constitución,composición química y estructura.

Vamos a detenernos especialmente en estas aleaciones por dos razones:

Los productos siderúrgicos constituyen, con diferencia, los de mayor importanciaindustrial.

El conocimientos de los mismos, sus propiedades y las formas de modificarlaspueden extrapolarse al resto de aleaciones férreas y no férreas.

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4.1. Constitución de las aleacioneshierro-carbono

Los principales constituyentes de estas aleaciones son: ferrita, cementita, perli-ta, austenita, martensita, ledeburita y grafito. (Es importante, para su correcta asimi-lación, que estudies estos constituyentes con el diagrama Fe-C delante). Sus carac-terísticas más importantes son:

Ferrita: De forma estricta, la ferrita es una disolución de carbono en hierro, pero lasolubilidad a temperatura ambiente es tan baja que apenas llega a disolver el 0,008 %de carbono, por lo que se le considera Fe puro. Como puedes apreciar en el diagramaFe-C, su máxima solubilidad es del 0,025% a 723 ºC. Es el constituyente más blando ydúctil. Cristaliza en la red c.c. Su dureza aproximada es de 80 Brinell, su resistencia a larotura por tracción de 28 Kg/mm2 y su alargamiento entre el 35 y el 40%. Es magnéti-ca.

Cementita: Es un compuesto químico, carburo de hierro, de fórmula Fe3C. Te seráfácil deducir que contiene un 6,67% de carbono y un 93,33% de hierro. Este contenidoen carbono es el que limita las posibilidades de aleaciones de estos dos elementos, yconstituye la frontera derecha del diagrama Fe-C. Es el constituyente más duro y frágilde los aceros, alcanzando una dureza de 700 Brinell (68 Rocwell C).

Perlita: Es el constituyente eutectoide de los aceros, formado por un 86,5% de ferri-ta y 13,5% de cementita. Tiene una dureza de 200 Brinell, resistencia a la tracción de80 Kg/mm2 y un alargamiento el 15%. Su estructura más normal es laminar.

Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros. Es una disolución sólida, porinserción de carbono en hierro. La proporción de carbono disuelto puede llegar al 1,76%siendo este último porcentaje, máximo, el que se da a 1130 ºC, como puedes observaren el diagrama Fe-C. Por encima de las dos líneas señaladas en color naranja en el dia-grama, toda la masa de acero está en forma de austenita. Sin embargo, puede conse-guirse austenita a temperatura ambiente aleándolo con cromo y níquel o cromo, níquely molibdeno dando lugar a unos aceros de gran importancia industrial, llamados por estarazón austeníticos: son aceros inoxidables, con muy buena resistencia a la corrosiónhasta temperaturas altas (refractarios). La austenita tiene una dureza aproximada de300 Brinell, 100 Kg/mm2 de resistencia y un 30% de alargamiento. No es magnética.

Martensita: Es el constituyente más duro después de la cementita. Es una disoluciónsólida sobresaturada de carbono en Fe. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de losaceros, una vez elevada la temperatura lo suficiente para conseguir su constitución aus-tenítica. (Aun siendo, como es, un constituyente muy importante desde la perspectivatecnológica e industrial, no aparece en el diagrama Fe-C al ser "artificial", provocado.Se presenta normalmente en forma de agujas. Cristaliza en una red que no hemos cita-do hasta ahora, la tetragonal centrada, en lugar de en la cúbica centrada (que es la delFe) debido a la deformación producida por la inserción de átomos de C en la red del Fe.

La proporción de carbono no es constante, siendo la máxima 0,89%; su dureza, resis-tencia mecánica (entre 25 y 175 Kg/mm2) y fragilidad aumentan con el contenido encarbono. Su alargamiento oscila entre 0,5 y 2,5 %. Es magnética.

Ledeburita: No es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones, es decir,se encuentra cuando el contenido en carbono de la aleación es superior al 2%. La lede-burita es un constituyente eutéctico (fíjate que aparece un mínimo en el diagrama). Laledeburita se forma al enfriar la fundición en estado líquido desde los 1130 ºC, siendoestable hasta los 723 ºC, descomponiéndose a partir de esa temperatura. Contiene un52% de cementita y un 48% de 1,76% de C. El contenido total de C de la ledeburita esel 4,3%.

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2UNIDAD

4.2. Composición química de las alea-ciones hierro-carbono

A temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el car-bono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (Fe3C),cementita.

A temperaturas más elevadas este carburo de hierro de disocia y queda el carbonoen su totalidad formando solución sólida por inserción en el hierro (austenita).

Las aleaciones con contenido en carbono comprendido entre 0,10 y 1,76% tienencaracterísticas muy bien definidas y se denominan aceros, que a su vez pueden alear-se con otros elementos formando los llamados aceros aleados o aceros especiales.

Una cualidad que distingue a los aceros es que, salvo excepciones, son forjables, alcontrario que las fundiciones, que son aleaciones Fe-C con contenido en carbono entreel 1,76 y el 6,67%, que es, como hemos visto, la proporción que contiene la cementita.

4.3. Estructura de las aleaciones hierro-carbono

Cristalina: No es uniforme, sino que depende de los constituyentes de que estéformada la aleación, y éstos varían con la composición y la temperatura. Al estudiarlos constituyentes hemos señalado su estructura cristalina, que depende en granparte del estado alotrópico en que se encuentra el hierro que forma parte de éstos.

Micrográfica: Recordemos que el elemento fundamental de la estructura micro-gráfica es el grano, que en los aceros tiene gran importancia de cara a las propieda-des finales, por lo que debe cuidarse su formación y evolución. Veremos la forma decontrolar su tamaño mediante tratamientos térmicos y, en ocasiones, con la adición dedeterminados elementos de aleación: Cr, Mo, W, Mn y V se combinan con el carbonoformando carburos metálicos muy duros, más que la martensita. Estos carburos con-servan su dureza y resistencia al desgaste incluso a temperaturas superiores a los500 ºC. En ocasiones forman sulfuros con el azufre presente en los aceros. Los car-

Esquema de un cristalde martensita, obser-vándose la distorsiónproducida por la inter-sección de átomos decarbono en el hierro

Microfotografia deperlita, ampliada1500 veces, forma-da por láminas decementita (negra) yferrita (blanca)

R e c u e r d a

Cementita y martensita son, por este orden, los constituyentes que más durezaproporcionan a los aceros.Ledeburita y grafito no son constituyentes de los aceros, sino de las fundiciones. Esteúltimo marca las diferencias más apreciables entre las características de ambos materiales.

Grafito: Es una de las variedades alotrópicas en que se encuentra el carbono enla naturaleza (la otra es el diamante). Cristaliza en la red hexagonal compacta. Esblando, untuoso, de color gris oscuro y peso específico 2,25 g/cm3. El grafito bajala dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las fundiciones que locontienen. Por el contrario, mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión y sirvede lubricante en el roce.

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buros dificultan tanto el desplazamiento de los granos como su aumento de tamaño,por lo que en ocasiones se les añade con el único fin de afinar el grano.

Macrográfica: La estructura macrográfica (recordemos, la fibra) depende de las impu-rezas que contenga el acero y de la forja, manual o mecánica, a que haya sido sometido.Afecta principalmente al carácter anisótropo de la aleación.

4.4. Influencia de los elementos de aleaciónsobre las propiedades de los aceros

Reseñamos a continuación los elementos que aparecen con más frecuencia enlas aleaciones de uso industrial, y cómo influye su presencia en sus propiedades.Pero no debemos olvidar que la composición es uno de los parámetros que utiliza-mos para modificarlas, aunque no el único.

ELEMENTO INFLUENCIA SOBRE LAS PROPIEDADES

CarbonoEs el elemento que define a los aceros y establece sus propiedades

básicas: aumenta la dureza y la resistencia a la tracción y disminuye laplasticidad (maleabilidad y ductilidad).

Azufre

Se le considera una impureza, porque procede del mineral base deobtención del arrabio. Se toleran porcentajes de hasta el 0,05%.Provoca fragilidad en los aceros, especialmente en caliente. Sus efec-tos perjudiciales se neutralizan en parte añadiendo manganeso, con elque se combina formando el sulfuro. A veces se adiciona en proporcio-nes del 0,1 al 0,3% con un contenido mínimo en Mn del 0,6% dandolugar a unos aceros llamados de fácil mecanización, con menor resis-tencia a la rotura, pero que pueden ser trabajados a velocidades decorte doble que en un acero sin estas aportaciones.

CobaltoSe usa fundamentalmente en aceros rápidos para herramientas. Da

carácter refractario a los aceros. Aumenta sus propiedades magnéticas.Disminuye la templabilidad.

Cromo

Forma carburos muy duros, contribuyendo a aumentar la dureza,resistencia a la rotura y tenacidad a cualquier temperatura. Aumenta laresistencia a la oxidación y a la corrosión, comunicando a los aceroscarácter de inoxidable. Dificulta el ablandamiento de los aceros en elrevenido. Favorece la templabilidad.

Manganeso

Como acabamos de decir al hablar del azufre, se añade para evitarque aquél actúe como impureza metálica. Aumenta la dureza, resisten-cia al desgaste y a la tracción (rotura). En proporciones del 12 al 14% yen piezas templadas, mantiene la resistencia al desgaste hasta tempe-raturas del orden de 500 ºC. Aumenta la templabilidad.

Molibdeno

Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer elcarbono, dureza que conserva a altas temperaturas. Aumenta la templa-bilidad, tenacidad y resistencia a la fluencia (En el apartado 2.4 de laUnidad 3 tienes su descripción). Dificulta el ablandamiento en el reveni-do. En proporciones del orden del 2% mejora la resistencia a la oxida-ción y corrosión de los aceros al cromo-níquel. Si embargo la resilienciadisminuye a bajas temperaturas, por lo que no es apto en utilizacionescriogénicas.

Níquel

Aumenta la resistencia, la templabilidad y la resistencia a la corro-sión a cualquier temperatura, potenciando estas características en losaceros al cromo. Mejora la resistencia en los aceros recocidos. Aumentala tenacidad especialmente a bajas temperaturas (bajo cero)

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2UNIDAD

Los elementos que hemos visto hasta ahora pueden ser perjudiciales en deter-minados casos según el tipo de utilización a que vayan destinados los aceros, perose emplean como elementos de adición voluntaria. Los que reseñamos a continua-ción no son deseables nunca, considerándoselos elementos perjudiciales.


Plomo

El plomo no es miscible en el hierro, pero con una adecuada agitaciónen estado líquido forma pequeñísimos glóbulos, como si estuviera emulsio-nado, lo que favorece la mecanización por arranque de viruta, haciendo queésta sea fácil y discontinua, además de actuar como buen lubricante delcorte. El porcentaje para estos usos oscila entre el 0,15 y el 0,30%, con con-tenido en carbono inferiores al 0,5%. Dificulta la templabilidad y disminuye latenacidad en caliente.

Silicio

Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros. Les propor-ciona elasticidad. Aumenta la resistencia mecánica y a la oxidación. En pro-porciones entre el 1 y el 5% se utiliza en aceros especiales por sus buenascaracterísticas magnéticas.

Tungsteno(Wolframio)

Forma con el hierro carburos complejos, muy estables incluso a altastemperaturas, proporcionando una gran resistencia al desgaste. En porcen-tajes entre el 14 y el 18% es la base de los aceros rápidos, con los que esposible triplicar la velocidad de corte respecto a los aceros al carbono.Aumenta la templabilidad.

Vanadio

Tiene una gran acción desoxidante y forma con el hierro carburos com-plejos que proporcionan muy buena resistencia a la fatiga y a la tracción, yaumenta el poder cortante de los aceros de herramientas, conservando estacaracterística a altas temperaturas. Afina el grano.

Tántalo

Estabiliza el carbono de los aceros impidiendo la precipitación del car-buro de hierro que se produce a altas temperaturas en los aceros inoxida-bles de alto contenido en cromo y cromo-níquel, impidiendo la corrosiónintergranular.

Titanio Desoxida el acero y ejerce un efecto análogo al del tántalo en la estabi-lización del carbono en los aceros inoxidables.

Zirconio

Su acción, aleado con los aceros es parecida, aunque más enérgica, ala que ejercen el tántalo y el titanio. Estos tres últimos metales tienen el graninconveniente de su elevado precio al que hay que añadir, en el caso el zir-conio, que está considerado como material estratégico por sus aplicacionesmilitares.

Aluminio

Se añade a los aceros para desoxidarlos en el proceso de obtención.Las partículas de alúmina (Al2O3) microscópicas que quedan en el acerodificultan el crecimiento del grano, por lo que da lugar a que éste sea fino.Su presencia dificulta la difusión del carbono y del nitrógeno en los procesosde cementación y nitruración respectivamente, aumentando la concentraciónsuperficial y con ello la dureza de la capa tratada por estos procedimientos.

BoroEs un elemento que, en muy pequeñas proporciones aumenta conside-

rablemente la templabilidad, siendo este efecto tanto más intenso cuantomás bajo es el contenido en carbono.

Fósforo

Al igual que ocurre con el azufre, normalmente está considerado comoimpureza y, por tanto, elemento perjudicial pues aumenta la fragilidad de losaceros. Por el contrario, mejora el trabajo de mecanizado al hacer la virutamás frágil y aumenta la dureza y resistencia de la ferrita.

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Muy pocas personas saben que son tres los elementos químicos (dos deellos citados en esta tabla) que han sido descubiertos por españoles: el wol-framio, por los hermanos Juan José y Fausto Elúyar, en 1783. El platino, porA. de Ulloa en 1735 y el vanadio, por Andrés Manuel del Río en 1801, aunqueinicialmente la "gloria" se la llevó el sueco Sefstron, que lo conoció en 1830 yfue quien le puso nombre, en honor de Vanadis, diosa de la mitología escan-dinava.


Antimonio Llega al acero procedente de la chatarra que se utiliza en su obtención.Produce aumento de fragilidad sin aportar ninguna característica positiva.

Arsénico También procede normalmente de la chatarra: aumenta el envejeci-miento y disminuye la soldabilidad.

Estaño Su acción principal es aumentar la fragilidad en caliente. La acción esparecida a la del fósforo, pero mucho más intensa.

Hidrógeno

Evidentemente ni el hidrógeno ni el oxígeno, que veremos a continua-ción son elementos de aleación, ya que son gases a temperaturas muy infe-riores a 0 ºC, pero los citamos porque pueden aparecer en los aceros comoconsecuencia de las reacciones (fundamentalmente descomposición delagua) que se producen al adicionar fundentes y otras sustancias en los pro-cesos de obtención, siendo sus efectos perjudiciales. El hidrógeno provocagrietas, inclusiones y otros defectos en los trabajos en caliente, especial-mente en las operaciones de soldadura. Se conoce como fragilización porhidrógeno a la pérdida de ductilidad causada por la entrada de hidrógeno enun material metálico.

Oxígeno

Es también muy perniciosa la presencia de oxígeno en los aceros,empleándose alúmina o sílice para desoxidarlos en el proceso de fabrica-ción, operación que se conoce como calmado de los aceros. Hay, sin embar-go, una excepción que tiene especial importancia industrial. Llamamos ace-ros efervescentes a los que se han desoxidado de forma incompleta, y alsolidificar desprenden gases que producen numerosas sopladuras. Estosaceros sueldan bien en la forja y tienen cualidades muy apreciables en lostrabajos de embutición: Como la capa exterior de los lingotes es de bajo con-tenido en carbono y de gran dureza, después del laminado se obtiene unasuperficie sin defectos que los hace especialmente aptos para la fabricaciónde chapa fina para carcasas de electrodomésticos de línea blanca y carro-cerías de automóviles. Sin embargo estos aceros son de características infe-riores a los aceros calmados y muy sensibles al envejecimiento, aumentan-do su fragilidad con el tiempo. Dado lo corto de la vida de sus aplicaciones,no representa problema alguno su utilización. Es decir, no nos desharemosde un automóvil, una lavadora o un lavavajillas porque se haya estropeadola chapa, sino que quedará inservible por el deterioro de otros elementos:motor, tambor, cableado eléctrico, circuitos electrónicos, caja de cambios,etc.

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Microestructura de aceros al carbono sometidos al mismo tratamiento térmico. Al aumentar el conteni-do en carbono, aumenta la proporción de perlita y disminuye la de ferrita

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5. Tratamientos térmicos de losmateriales metálicos. Clasificación

Toda operación que se realiza sobre los materiales (y entre ellas los tratamientos tér-micos) antes de estar en disposición de salir al mercado supone un coste adicional; larazón de hacerla debe ser, pues, mejorar o adaptar el material al uso a que va destina-do. Este es el objeto de los tratamientos térmicos, que consisten en calentar y mantenerlas piezas durante un tiempo a las temperaturas adecuadas y enfriarlas luego en condi-ciones convenientes. De esta forma se modifica la estructura microscópica, se verificantransformaciones físicas y, a veces, hay también cambios en la composición del material.

R e c u e r d a

La estructura macroscópica tiene su influencia principal en la anisotropía del material.La martensita, constituyente "artificial" de los aceros, que no aparece en el diagramahierro-carbono, contribuye en mucha medida a las propiedades finales de la aleación.Los elementos añadidos al metal base, aún en pequeñas proporciones, puedenmodificar sustancialmente las propiedades finales.

4.- El constituyente más duro de los aceros es:a) La ferritab) La perlita.c) La martensita.d) La cementita.

5.- ¿La presencia de cuál de estos elementos es siempre perjudicial en los aceros?:

a) Azufre.b) Plomo.c) Antimonio.d) Aluminio.

6.- La influencia principal del carbono en las propiedades de los aceros es:

a) Disminuye de dureza.b) Aumenta la dureza.c) Aumenta la maleabilidad.d) Aumenta la ductilidad.

7.- Un acero inoxidable que contiene un 13 % de cromo es:

a) Ferrítico y magnético.b) Ferrítico y no magnético.c) Austenítico y magnético.d) Austenítico y no magnético.


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Con más detalle, los objetivos que pueden lograrse con los tratamientos sonalguno o algunos de los siguientes:

a.- Estructura de menor dureza que facilite su posterior transformación por arran-que de viruta u otros procesos de conformación como doblado, embutición, etc.b.- Conseguir la máxima dureza y resistencia.c.- Eliminar la acritud que se origina por deformación en frío.d.- Eliminar tensiones de cualquier origen que pueden dar lugar a deformacionesdespués de haber dado por terminada la pieza, con los perjuicios a que estodaría lugar durante su uso.e.- Eliminar las tensiones internas, originadas por deformación de la red cristali-na, las cuales elevan la dureza y aumentan la fragilidad.f.- Mejorar la resistencia a la corrosión.

Los tratamientos térmicos fundamentales y que vamos a tratar aquí son lossiguientes:

5.1. Recocidos y normalizadoSon calentamientos a temperaturas adecuadas y de duración determinada

seguidos de enfriamiento lento de la pieza tratada.

El objeto de los recocidos es destruir los estados anormales de los metales y ale-aciones que, por diversas razones, han adquirido una dureza no deseada. Al destruiresas anormalidades se consigue ablandar los materiales para poderlos trabajarmejor tanto por arranque de viruta como por deformación.

Temples

Revenidos

Temples superficiales

Cementación

Nitruración

Sulfinización

Recocidos

Normalizado

TRATAMIENTOS

TÉRMICOS

TERMOQUÍMICOS

Tiempos y temperaturas son los factores principales y hay que fijar-los siempre de antemano, de acuerdo con:

la composición,la forma y el tamaño de las piezas, ylas características que se desean obtener.

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Se practican cuatro clases fundamentales de recocidos:

de homogeneizaciónde regeneracióncontra la acritudde estabilización

Recocido de homogeneización: Tiene por objeto destruir la heterogeneidad quí-mica de la masa del material producida por una fusión defectuosa. Se realiza a tem-peraturas elevadas, próximas al punto de fusión, y se practica fundamentalmente enaleaciones no férreas.

Recocido de regeneración: Se realiza para destruir la dureza anormal producidaen una aleación por enfriamiento rápido, voluntario o involuntario. Sólo se aplica aaleaciones templables, es decir, a las que, como veremos inmediatamente, endure-cen por enfriamientos rápidos. Se aplica en los aceros con contenido en carbonosuperior al 0,6% como tratamiento de ablandamiento.

La forma más normal de realizar el enfriamiento es en dos etapas: la primeraconsiste en un enfriamiento muy lento en el interior del horno (hasta aproximadamen-te 500 ºC) y después al aire hasta temperatura ambiente.

Recocido contra acritud: Las aleaciones que han sido estiradas, laminadas oembutidas en frío endurecen y pierden plasticidad y tenacidad. Después de habersufrido varias operaciones sucesivas de este tipo llega un momento en que es impo-sible continuar el trabajo porque la aleación se ha vuelto tan dura y frágil que serompe. Se dice que tiene demasiada acritud.

Para mejorar ductilidad y maleabilidad y poder someterla a sucesivas operacio-nes de conformado se procede a recocidos contra acritud, que consisten en calentarel material a temperaturas medias (600-700 ºC en los aceros) seguido de enfriamien-to lento. En aceros, lo normal es aplicarlo a los que tienen contenidos en carbonoinferiores al 0,3%.

Recocido de estabilización: Tiene por objeto eliminar las tensiones internas quequedan frecuentemente en las piezas después de moldeadas o mecanizadas, y que,con el tiempo, pueden acabar deformándose. Se realiza normalmente a temperatu-ras comprendidas entre 100 y 200 ºC durante un período largo de tiempo, de 4 díaso más. Se aplica a toda clase de metales y aleaciones. En realidad se trata de unenvejecimiento artificial

De izquierda a derecha, recocidos de homogeneización, regeneración,contra acritud y de estabilización. (En ordenadas, temperaturas y en absci-sas, tiempos.

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Normalizado.Tiene cierta semejanza con el recocido de regeneración, pues lleva el material a

una temperatura análoga, pero el enfriamiento se realiza al aire tranquilo en lugar dedentro del horno. El enfriamiento es, pues, más rápido que en recocido de regenera-ción pero más lento que en los temples.

Su finalidad es proporcionar al material estructura y características que se con-sideran normales.

Se utiliza como tratamiento previo al temple y casi exclusivamente con aceros decontenido en carbono superiores al 0,5%.

5.2. Temples y revenidoSu finalidad principal es aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Por

su importancia industrial vamos a referirnos a los temples de los aceros aunque, evi-dentemente, se aplica a otras aleaciones cuando se requiere que adquieran lascaracterísticas que proporciona. (Para entender mejor el fenómeno del temple esconveniente que tengas delante el diagrama Fe-C).

El calentamiento tiene por objeto transformar toda la masa del acero en austeni-ta. Su desarrollo está definido por tres variables:

a) Velocidad de elevación de la temperatura.b) Permanencia a la temperatura límite.c) Temperatura límite.

Temperatura límite del temple:

Es la mínima que debe alcanzar un acero para que toda la masa se pueda tem-plar.

¿Qué significa esto? Vamos a contestar a la pregunta haciendo un uso y razona-miento lógico con los conocimientos que tenemos hasta ahora, es decir, vamos aresolver un problema.

En el diagrama se representan las velocidades de calentamiento, igua-les, y las de enfriamiento, diferentes, de recocido, normalizado y temple.

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Para ayudarnos, nos apoyamos en la tabla siguiente, extractada del diagrama Fe-C.

A la vista del diagrama deducimos inmediatamente la evolución de los constituyentes:el Fe puro está en forma de ferrita a temperatura ambiente y a medida que aumenta encontenido en C, va aumentando la proporción de perlita y disminuyendo la de ferrita hastaque, en el punto eutectoide, toda la masa está en forma de perlita. A partir de ahí aparecela cementita, cuya proporción va aumentando hasta el límite de los aceros que, comosabemos, está en el 1,76%.

Objetivo del temple: aumentar la dureza y resistencia de la aleación.Datos:

Propiedades de los constituyentes (ver apartado 4.1).Evolución de la presencia de los mismos en función de la concentración de carbonoy de la temperatura (ver diagrama Fe-C). Influencia del tamaño del grano sobre las propiedades de las aleaciones (ver aparta-do 4.3).

Debemos conseguir, pues, que el acero templado tenga la mayor proporción posiblede los constituyentes más duros: cementita y martensita.

Para ello, el proceso es el siguiente:En los hipoeutectoides, y conocida la composición del acero, calentamos hasta que

toda la ferrita se haya convertido en austenita: la línea naranja descendente (50ºC máspara asegurarnos); si enfriamos rápidamente, toda la ferrita se habrá convertido en mar-tensita.

En el eutectoide, cuya composición es perlita, estamos en la misma situación que enel caso anterior, pero puesto que estamos hablando de un punto en lugar de una línea, latemperatura límite será 783 ºC (723 + 50).

En los hipereutectoides, la situación es diferente. Observemos lo siguiente en el dia-grama Fe-C: en esta zona, por debajo de los 1130 ºC los constituyentes presentes sonferrita + cementita, y por encima, austenita + cementita. Así pues, con alcanzar esa tem-peratura (+ 50 ºC), sea cual sea la proporción de C en el acero, habremos transformadotoda la ferrita en austenita.

Resumiendo, la temperatura del temple es tanto menor cuanto más nos acerquemosa la composición eutectoide en los aceros hipoeutectoides, y la misma en los hipereutec-toides.

A partir de este momento, una vez tenemos toda la masa de la aleación en forma deaustenita o austenita + cementita, realizamos un enfriamiento rápido para convertir la aus-tenita en martensita. Un parámetro importantísimo en el temple es, pues, la velocidad crí-tica de enfriamiento, que es la mínima a la cual transformamos la austenita en martensi-ta y que tiene además el objetivo de afinar el grano, obteniendo un material durísimo.Lógicamente, cuanto mayor sea el contenido en C del acero, mayor será la dureza obte-nida. Esta velocidad crítica está en función de varios factores, como son: el tamaño inicialdel grano, tamaño, forma y espesor de las piezas y composición del material.

Denominación del acero Contenido en C (%) Constituyentes a tª ambiente

Hipoeutectoide 0,008 ÷0,89 Ferrita + perlita

Eutectoide 0,89 Perlita

Hipereutectoide 0,89 ÷1,76 Perlita + cementita

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La influencia de los elementos de aleación sobre el temple es muy diversa, yaparece en la tabla del apartado 4.4: pueden bajar o subir la solubilidad del carbonoen la austenita, desplazando el punto eutectoide arriba, abajo, a la izquierda o a laderecha y de otra, influyen en la templabilidad. El estudio del enfriamiento constitu-ye, por sí solo, una tecnología muy compleja que ha sido y sigue siendo motivo deamplios estudios y experimentaciones para conseguir, con este tratamiento, las pro-piedades deseadas en las aleaciones.

Baste como ejemplo el avance y la revolución que supuso para la música encon-trar un tratamiento adecuado a los alambres de acero que se utilizan en los pianos,que están sometidos a muy altas tensiones y deben proporcionar sonidos y armóni-cos puros. Su proceso, llamado "patenting", pudo ser mantenido en secreto durantemás de medio siglo. Se consiguen con este método límites elásticos superiores a los200 Kg/mm2.

Revenido.

Como consecuencia de los calentamientos y, sobre todo, de los enfriamientosbruscos llevados a cabo durante el temple, es relativamente frecuente que se pro-duzcan cambios de volumen, deformaciones y grietas. Para subsanar estas anoma-lías y para mejorar la tenacidad de la piezas templadas a costa de perder algo de ladureza, se realiza este tratamiento en el que la temperatura de calentamiento es infe-rior a la del temple. Cuanto más se aproxima a ésta y mayor es la permanencia enla misma, mayor es la disminución de la dureza y mayor el aumento de tenacidad.Controlando, pues, estos dos parámetros, conseguiremos las características desea-das en función del uso que va a tener la pieza.

Variación de la resistencia a la tracción y de la tenacidad de un acero al carbono en función de latemperatura de revenido (en abscisas). Observa la complejidad de esta gráfica, experimental, y cómoes importante determinar el punto óptimo en función del uso que se vaya a dar al material.

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6. Tratamientos termoquímicosde los materiales metálicos

En los tratamientos que hemos visto hasta ahora se han modificado (mejorado parasu aptitud al uso que van a tener) las características de la aleaciones variando los cons-tituyentes y el tamaño de grano. En los que vamos a ver a continuación se va a modi-ficar también la composición química de la aleación.

La mayoría de las partes metálicas que componen máquina y motores se fabricande forma que sus propiedades mecánicas sean uniformes en toda la masa. Sin embar-go otros elementos fundamentales (engranajes, coronas, levas, válvulas, algunas zonasde ejes, etc.) durante su servicio están sometidos a choques, vibraciones y rozamientossuperficiales. (Pensemos por un momento en un motor eléctrico de uso habitual: el eje(rotor) gira, en íntimo contacto con el estator, a una velocidad angular de 3000 rpm. Noes difícil imaginar el rozamiento y calentamiento que se produce en estas condiciones).Para soportar estas condiciones de trabajo las piezas deben tener una alta tenacidadjunto a una gran dureza en la superficie. Dado que tenacidad y dureza son propiedadescontrarias, no pueden conseguirse simultáneamente con los tratamientos que hemosvisto. Pero es posible lograrlo mediante otro tipo de tratamientos con los que se modifi-ca la composición química de la superficie de la pieza para conseguir alguno o algunosde los fines siguientes:

Los tratamientos termoquímicos más utilizados son los que aparecen en el esque-ma del principio del apartado 5 y que desarrollamos a continuación.

6.1. CementaciónConsiste en aumentar la concentración de carbono en la superficie de un acero,

calentándolo a la temperatura de austenización, en presencia de un agente cementante.La clave está en que éste ha de ser capaz de aportar carbono en estado atómico que sedifunde en el interior formando una solución sólida por inserción. El espesor varía en fun-ción del tiempo a que esté sometido el material en su presencia a esa temperatura.

Los aceros más adecuados para este tratamiento son los que tienen contenidos encarbono inferiores al 0,3%, contengan o no otros elementos de aleación como Cr, Ni, Mny Mo.

El agente cementante más utilizado es el monóxido de carbono produciéndose lasiguiente reacción:

2 CO + Fe (γγ) →→ Fe (γγ) (C) + CO2Para que esta reacción se desplace a la derecha se lleva a cabo en una atmósfera

de hidrocarburos gaseosos, hidrógeno y nitrógeno.Pueden conseguirse por este procedimiento espesores de capa cementada de hasta

1,5 mm.Pero si nos quedamos aquí, la duda surge inmediata: hemos aumentado la concen-

tración de carbono en la capa cementada obteniendo austenita, que no nos aumenta ladureza. Lo que se hace a continuación es templar la zona superficial del material, contro-lando cuidadosamente velocidades, temperaturas y tiempos, para obtener martensita.

Objetivos de los tratamientos termoquímicosa. Aumentar la dureza superficial sin alterar la ductilidad y resiliencia del núcleo.b. Favorecer las cualidades de lubrificación y resistencia al desgaste por rozamiento.c. Aumentar la resistencia a los esfuerzos de fatiga.d. Mejorar la resistencia a la corrosión.

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6.2. NitruraciónEs un tratamiento termoquímico que tiene por objeto aportar nitrógeno a la capa

superficial de los aceros. Proporciona una gran dureza superficial (superior a 80Rockwell C) y una buena resistencia a la corrosión por agua salada, atmósferas húme-das, etc. Se hace a temperaturas relativamente bajas, por lo que apenas se producendeformaciones ni aumento del tamaño del grano.

El proceso se realiza calentando la aleación a temperaturas entre 500 y 525 ºC enuna corriente de amoníaco gas, disociándose en estas condiciones según la reacción:

2 NH3 →→ 2 N + 3 H2El nitrógeno atómico liberado se difunde fácilmente en la aleación, por ser un ele-

mento de pequeño diámetro atómico capaz de formar soluciones sólidas por inser-ción. Pero estas soluciones sólidas no se forman con el hierro, sino con otros elemen-tos de aleación como aluminio, cromo y molibdeno, por lo que es necesaria su pre-sencia para poder nitrurar el acero.

Se realiza esta operación para piezas como cigüeñales y brocas para usos muyespecíficos.

6.3. CianuraciónPuede considerarse un tratamiento intermedio entre la cementación y la nitrura-

ción, ya que el endurecimiento superficial se consigue por la acción combinada decarbono y nitrógeno.

Se lleva a cabo en un baño líquido mezcla de NaCl, Na2CO3 y NaCN borbotean-do en aire, produciéndose las siguientes reacciones:

2 NaCN + O2 →→ 2 NaCNO4 NaCNO →→ Na2CO3 + CO + 2N

(El cloruro y el carbonato sódico se añaden para que la segunda reacción se des-place a la derecha)

Como vemos, hemos obtenido CO y nitrógeno atómico, que eran los agentes decementación y nitruración respectivamente.

El inconveniente frente a la nitruración es que debe realizarse a temperaturas entorno a los 850 ºC.

Los aceros cianurados se emplean mucho para la fabricación de engranajes.Aunque aparentemente estamos inmersos en descripciones y razonamientos

puramente técnicos, merece la pena no olvidar nunca lo que hemos dicho en la intro-ducción y en la unidad 1 relativo al componente económico de la tecnología, compo-nente que no deja de estar presente en los procesos industriales: ¿por qué la carbo-nitruración? La combinación de nitrógeno y carbono absorbidos en este tratamientodisminuye la velocidad crítica del temple del acero. Esto quiere decir que la capa car-bonitrurada templa mucho más fácilmente que cuando el acero ha sido sólo cemen-tado, lo que permite utilizar para estos fines aceros de baja aleación que son sensi-blemente más baratos que los de más alta aleación necesarios para conseguir lasprestaciones de dureza de determinados aceros cementados.

6.4. SulfinizaciónA diferencia del resto de los tratamientos termoquímicos su objetivo no es aumen-

tar la dureza, sino la resistencia al desgaste. Se utiliza con aceros, fundiciones y ale-aciones de cobre.

Las reacciones que se producen son complejas y no las vamos a citar; baste decirque se crea una capa superficial rica en S, N y C, y que se realiza a temperaturas entorno a 560 ºC.

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Una vez terminado el tratamiento, con un microscopio metalográfico se observauna especie de corrosión superficial que origina microcavidades, con aspecto de pielde gallina extraordinariamente fina, cuyos picos se aplastan en cuanto comienza atrabajar la pieza, creándose un pulido característico que facilita el deslizamientoentre las superficies en contacto.

Como podemos deducir de lo expuesto, la sulfinización tiene aplicaciones muyclaras en elementos de máquinas con importantes rozamientos: camisas de los cilin-dros de los motores de automóviles, ejes que se mueven a altas temperaturas y algu-nos tipos de herramientas.

Hemos visto una serie de tratamientos a los que se pueden someter metales yaleaciones para modificar determinadas propiedades para hacerlos más aptos parasu uso. Una vez más vemos que los problemas tecnológicos no tienen una soluciónúnica, sino que podemos barajar muchas posibilidades para llegar a conseguir elobjetivo que nos hemos marcado.

R e c u e r d a

Con los tratamientos térmicos, en función de cómo se realicen, podemos variarlas propiedades finales en sentidos opuestos: aumentando o disminuyendo dureza,resistencia a la rotura, tenacidad, plasticidad, elasticidad, etc.Con los tratamientos termoquímicos sí se modifica la composición química de lacapa tratada.

8.- El revenido es un tratamiento:a) Termoquímico, para aumentar la dureza.b) Térmico, para aumentar la dureza.c) Térmico, para disminuir el tamaño del grano.d) Térmico, complementario del temple, para aumentar la tenacidad.

9.- La diferencia fundamental entre la sulfinización y los demás tratamientos ter-moquímicos es que el primero:a) No aumenta la dureza de la capa tratada.b) Aumenta la dureza de la capa tratada.c) Afecta a toda la pieza tratada y no sólo a una capa superficial.d) Se realiza a temperatura ambiente.


Características de la sulfinización:1.º No se adquiere mayor dureza.2.º La capa sulfinizada parece indestructible: se han hecho pruebas y, en piezas des-

gastadas más de 10 mm, la capa sulfinizada (de uno 0,3 mm.) se mantiene inal-terable en la superficie con ese espesor. Es como si la capa tratada emigrasehacia el interior de la pieza a medida que se desgasta.

3.º Las superficies sulfinizadas presentan gran resistencia al gripado por su antisol-dabilidad, debido a la presencia del azufre añadido.

4.º Se puede aplicar a aceros al carbono de cualquier composición, aunque es másfácil la penetración en aceros con bajo contenido en carbono. Son especialmenteaptos los aleados con molibdeno.

5.º Resisten, sin perder sus propiedades, hasta por encima de los 600ºC.

unidad 2 ficar sus propiedades los materiales … · ción hierro-plomo (una especie de emulsión...

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