Aceros

Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Polimorfismo  compuestos) o alotropía (elementos)

Fe-Fe3C (metal estable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);

Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

Cementita: Enfriando una solución de carbono en hierro, disminuye la solubilidad del primero y se separa carbono. Este carbono puede segregarse en dos formas diferentes: como carbono libre: grafito, o como compuesto hierro-carbono llamado  cementita, dependiendo si el enfriamiento es lento o rápido respectivamente.

Austerita:Debidoalastransformacionesalótropicasdelhierropuroalas900ºCseforma unasoluciónsólidadecarbonoenhierrogammaquesellamaaustenita.

Ferrita : Partiendo de  austenita  (0.89%  carbono)  llegamos  a  separar  durante  el enfriamiento, ferrita que es una solución sólida de carbono (baja concentración) en hierro alfa.

Perlita: Alatemperaturade721ª C, laaustenitaremanenteseconvierteenelmismo eutectoidellamadoperlita. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita ,6.4 partes de ferrita y 1 de cementita

• • Perlita fina: dura y resistente.
  • Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

Martensita: Si la austenita es enfriada súbitamente por debajo de la temperatura  Ms  (se  suele  considerar  próxima  a  215º  C).  Una  vez iniciada la reacción de transformación de la austenita en martensita, ésta  es  independiente  del  tiempo,  sólo  es  función  del  descenso  de temperatura. La martensita cristaliza en la red tetragonal centrada en el  cuerpo    (el  cubo  se  distorsiona  por  la  inclusión  de  los  átomos  de carbono en los huecos intersticiales).

Normas de clasificación de materiales metálicos ferrosos

Aceros al carbono, características y aplicaciones

La clasificación del acero se puede determinar en función de sus características, las más conocidas son la clasificación del acero por su composición química y por sus propiedades o clasificación del acero por su uso; cada una de estas clasificaciones a la vez se subdivide o hace parte de otro grupo de clasificación.

En general los aceros al carbono ordinarios contienen: C < 1%, Mn < 0,9%, Si < 0,5%, P < 0,1%, S < 0,1%.

En el sistema S.A.E. - A.I.S.I, los aceros se clasifican con cuatro dígitos XXXX. Los primeros dos números se refieren a los dos elementos de aleación mas importantes y los dos o tres últimos dígitos dan la cantidad de carbono presente en la aleación. Un acero 1040 AISI es un acero con 0.4%C; un acero 4340 AISI, es un acero aleado que contiene o.4%C, el 43 indica la presencia de otros elementos aleantes.

Clasificación de Acero por su composición química:

Aceros de bajo carbono.

•   Son los que se producen comercialmente en mayor cantidad.

•   Generalmente contienen menos de 0.25% de carbono.

•   No responden a tratamientos térmicos que forman martensita.

•   Su incremento en la resistencia puede lograrse por medio de trabajo en frío.

•   Su microestructura consiste de ferrita y perlita.

•   Son aleaciones relativamente suaves y débiles pero con una ductilidad y tenacidad sobresalientes.  Son maquinables y soldables.

•   Son las de menor costo de producción.

•   Sus aplicaciones típicas son: componentes de automóviles, perfiles estructurales, láminas, tuberías.

Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA).

•   Es un subgrupo de los aceros al carbono.  Poseen bajo carbono.

•   Contienen elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentraciones combinadas de 10% o menos.

•   Poseen mayor resistencia que los aceros al carbono.

•   Muchos de ellos pueden ser endurecidos por tratamiento térmico.  Además son dúctiles, formables y maquinables.

•   En condiciones normales, los aceros HSLA son más resistentes a la corrosión que los aceros al carbono.

Aceros de medio carbono.

•   Tienen concentraciones de carbono entre 0.25 y 0.60

•   Pueden ser tratados térmicamente por austenizado, templado y revenido. Normalmente se utilizan en la condición revenida.

•   Los aceros no aleados (al carbono) tienen baja capacidad de endurecimiento y sólo pueden tratarse térmicamente en secciones delgadas y con elevada rapidez de enfriamiento.

Clasificación del acero por su contenido de Carbono:

• • Acero extrasuave: El porcentaje de carbono en este acero es de 0,15%, tiene una resistencia mecánica de 38-48 kg/mm² y una dureza de 110-135 HB y prácticamente no adquiere temple. Es un acero fácilmente soldable y deformable.

Aplicaciones: Elementos de maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.

• • Acero suave: El porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una resistencia mecánica de 48-55 kg/mm² y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar con una técnica adecuada.

Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.

• • Acero semisuave: El porcentaje de carbono es de 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 55-62 kg/mm² y una dureza de 150-170 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 80 kg/mm² y una dureza de 215-245 HB.

Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.

• • Acero semiduro: El porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánica de 62-70 kg/mm² y una dureza de 280 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90 kg/mm², aunque hay que tener en cuenta las deformaciones.

Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

• • Acero duro: El porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm², y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm² y una dureza de 275-300 HB.

Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

Se denominan aceros aleados aquellos aceros que además de los componentes básicos del acero: carbono, manganeso, fósforo, silicio y azufre, forman aleaciones con otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc. que tienen como objetivo mejorar algunas de sus características fundamentales especialmente la resistencia mecánica y la dureza. Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementos como: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos que proporciona cada uno de los elementos son los siguientes:

• Aluminio: se utiliza básicamente como desoxidante en elaboración del acero.
• Azufre: se considera un elemento perjudicial en las aleaciones de acero y, por tanto, se considera una impureza. Sin embargo, su presencia es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.
• Carbono: es un elemento clave en el acero; su porcentaje varía del 0,01% al 1,5%, de unos tipos de acero a otros. El carbono es el elemento responsable de dar la dureza y la resistencia del acero.
• Boro: logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado.
• Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros.
• Cromo: es un elemento clave para crear acero inoxidable; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
• Fósforo: se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo; sin embargo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
• Manganeso: se usa para desoxidar el acero y para aumentar su capacidad de endurecimiento en el temple.
• Molibdeno:(Mo) es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
• Nitrógeno(N) se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.
• Níquel: (Ni) es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
• Plomo: (Pb) se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.
• Silicio: (Si) aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
• Titanio: (Ti) se usa para estabilizar y desoxidar el acero.
• Tungsteno: (w) también conocido como wolframio, se añade para fabricar acero rápido, porque soporta muy bien las altas temperaturas.
• Titanio: Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno.

Aceros Rápidos

Los Acero Rápidos (HSS) tienen altos niveles de dureza y muy buena resistencia al desgaste a altas temperaturas de laminación. Esta calidad se produce por el método de Doble Colada Centrifugada (CC Duplex) y el material del núcleo es hierro de Grafito Esferoidal (SG) Perlítico.

En este grupo se incluyen todos los aceros que normalmente se emplean para la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta.

Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%).

Principales tipos de aceros de herramientas

-Aceros al carbono: para la fabricación de herramientas para los usos más diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y picas; se emplean medios contenidos en carbono 0.50 a 0.70%. para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas; calidades intermedias de 0.70 a 1%. Para conseguir en cada caso la máxima dureza, deben ser templados en agua.

-Aceros rápidos: la característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi a l rojo (600º) sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%.

-Aceros indeformables: reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%.

-Aceros al corte no rápidos: se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricación de herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rápidos y los aceros al carbono, y la mayoría de herramientas fabricadas con ellos suelen quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C.

Clasificación de los aceros (SAE)   (AISI): En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 7= tungteno 8= cromo, níquel, molibdeno, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón.

Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto

B = Acero ácido de Bessemer al carbono

C= Acero básico de convertidos de oxígeno

D = Acero ácido al carbono de hogar abierto

E = Acero de horno eléctrico

A10 X XX

A= Proceso de fabricación

10 = Tipo de acero

X = % de la aleación del tipo de acero

X X= % de contenido de carbono en centésimas.

fundiciones

• • Fundición: 2 – 6,67 %, Frágiles y duras. No  admite  la  forja,  ni  el  moldeo  ni  la  soldadura eléctrica

(Sí la oxiacetilénica). Al mecanizarse forma polvo.

• • Son aleaciones ferrosas con contenidos de carbono mayores al 2.1%.  La mayoría de fundiciones tienen entre 3 y 4.5% C.
  • Estas aleaciones pasan al estado líquido entre 1150º y 1300º C.  Estas temperaturas son considerablemente más bajas que las de los aceros.  Por esa razón se utilizan en procesos de fundición.
  • La mayoría de estas aleaciones son muy frágiles, siendo la técnica de fundición la mejor forma de fabricar geometrías con ella.
  • La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y bajo ciertas condiciones se descompone en ferrita y grafito.

FeC ? 3Fe(? ) + C ( grafito)

• • La formación del grafito depende de la composición química, la rapidez de enfriamiento y la presencia de silicio en concentraciones mayores al 1%.

• Enfriamiento rápido: cementita + perlita (fundición blanca)

• Enfriamiento moderadamente rápido: grafito + cementita + perlita (fundición atruchada)

• Enfriamiento moderado: grafito + perlita (fundición grisperlitica)

• Enfriamiento moderadamente lento: grafito + ferrita + perlita (fundición gris)

• Enfriamiento lento: grafito + ferrita fundición grisferritica).

• • La mayoría las fundiciones posee grafito en su microestructura.

FUNDICIÓN GRIS: Contiene entre 2.5 y 4% C y 1 a 3% de Si.

El grafito existe en forma de láminas rodeadas por una matriz de ferrita o perlita.  Debido a las hojuelas de grafito, la superficie de fractura de estos materiales toma un color grisáceo, y de ahí su nombre.

Mecánicamente, el hierro gris es más débil y frágil en tensión que en compresión. Esto es a consecuencia de su microestructura ya que los extremos de la hojuela de grafito son afilados y puntiagudos, y sirven como puntos de concentración del esfuerzo cuando una fuerza externa en tensión es aplicada.  La resistencia y ductilidad son mucho mayores bajo cargas en compresión. Estas aleaciones son muy efectivas disipando energía de vibraciones.  Por esta razón, las estructuras de base de maquinaria y equipo pesado se fabrican con este material. El hierro gris posee una elevada resistencia al desgaste.  Además, en estado líquido poseen una fluidez elevada lo cual permite fabricar piezas con geometrías complejas.  Además, la pérdida de volumen por solidificación es baja. El hierro gris es la aleación más barata de todas las aleaciones metálicas.

FUNDICIÓN nodular: Si al hierro gris se le añaden pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio, se produce en el material una microestructura y propiedades mecánicas muy diferentes a las del hierro gris.  El grafito siempre se forma, pero no como hojuelas sino como nódulos o partículas esféricas.  La aleación que resulta se llama hierro nodular o dúctil. La fase que rodea a los nódulos puede ser perlita o ferrita, dependiendo del tratamiento térmico. Las piezas fundidas fabricadas con esta aleación son mucho más resistentes y dúctiles que las fabricadas con el hierro gris.

fundición blanca: Para hierros fundidos bajos en silicio (menos del 1%) y velocidades de enfriamiento elevadas, la mayoría del carbono en la aleación se forma como cementita en vez de grafito.  La superficie de fractura de este material tiene un color blancuzco y de ahí su nombre fundición blanca.

Debido a la gran cantidad de cementita que poseen, las fundiciones blancas son extremadamente duras pero también muy frágiles, al grado que prácticamente son imposibles de maquinar.  Su uso se limita a aplicaciones que requieren una superficie muy dura y resistente al desgaste y sin un alto grado de ductilidad.

Fundición maleable: El hierro blanco se utiliza como material intermedio para la fabricación del hierro maleable. Cuando se calienta el hierro blanco a temperaturas entre 800 y 900º C por un período de tiempo prolongado y en una atmósfera neutra (para evitar la oxidación), la cementita se descompone en grafito, el cual existe en la forma de clusters o rosetas rodeados por una matriz de ferrita o perlita.

La forma del grafito en el hierro maleable produce una elevada resistencia y ductilidad apreciable.