Ciencia de Materiales I: Aceros y Fundiciones - Tipos, Características y Aplicaciones, Apuntes de Materiales

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Ingeniería Aeronáutica

Área:

Materiales

Asignatura:

Ciencia de los Materiales I

Tema:

Aceros y Fundiciones

ACEROS Y FUNDICIONES

1.- Introducción

A partir de los distintos procesos siderúrgicos se obtienen aceros y fundiciones con distintos porcentajes de carbono y otros metales. Estos aleantes caracterizan a cada acero o fundición y los hacen mas o menos aptos para determinados procesos metalúrgicos o aplicaciones.

2.- Fundiciones

Las características del hierro fundido de primera fusión dependen en gran forma de la operación del horno y los lingotes obtenidos se clasifican en fundición gris , fundición blanca y fundición atruchada. Esta denominación está relacionada con el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de hierro obtenidos en el horno alto, colados en arena o por el aspecto que tienen después de rotas las piezas fundidas. La fundición gris contiene, en general, mucho silicio, 1,0% a 2,5%. La fundición blanca , poco silicio, generalmente menos de 0,6%. La fundición atruchada tiene, generalmente, un contenido de silicio intermedio a las anteriores. El color oscuro que tienen las fracturas de las fundiciones grises y atruchadas, se debe a la presencia en las mismas de gran cantidad de láminas de grafito. El contenido en silicio en las aleaciones hierro-carbono y la velocidad de enfriamiento , tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de fundición. Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de fundición gris ; el enfriamiento rápido tiende, en cambio, a producir fundición blanca. Finalmente, el azufre y el manganeso como aleantes ejercen cierta influencia contraria a la del silicio, favoreciendo la formación de fundición blanca. Además de estos tres tipos de fundición, se fabrican también desde hace muchos años las fundiciones maleables , que en lugar de obtenerse por simple fusión, como las que acabamos de citar, se fabrican por recocido de la fundición blanca en condiciones especiales.

2.1.- Fundición gris

Las fundiciones grises presentan una estructura perlítica, con láminas de carbono granítico distribuidas por la matriz y su composición aproximada es:

• Carbono (C): 2,8% y el 3,5%
• Silicio (Si): 1,0% al 2,5%
• Manganeso (Mn): 0,4% al 0,8%
• Azufre (S): menos del 0,1%
• Fósforo (P): menos de 0,6% El efecto de los diferentes elementos aleantes es el siguiente:

Silicio (Si): Es grafitizante, si su porcentaje fuera muy bajo no se produciría grafito dando lugar a la formación de fundición blanca (mas frágil y dura). Lo mismo ocurre si el enfriamiento es demasiado rápido Manganeso (Mn): Tiene el efecto contrario del silicio, pero neutraliza los efectos nocivos del azufre Azufre (S): Aumenta la dureza y la fragilidad. Fósforo (P): Es fragilizante pero aumenta la colabilidad.

2.4.- Fundición maleable

Se obtienen a partir de la fundición blanca por medio de un adecuado tratamiento térmico ( recocido ). Las fundiciones maleables se consideran productos intermedios entre las fundiciones grises y los aceros; y son adecuadas tanto para piezas robustas como para las sometidas a tensiones del tipo medio. Se utilizan en gran escala en la industria autopartista y de producción de máquinas agrícolas (ejes, soportes, puentes posteriores, basamentos, horquillas, etc). Sin embargo, existe una limitación de carácter dimensional, ya que no es posible obtener la estructura deseada cuando se trata de piezas muy gruesas. Los procedimientos de maleabilización se aplican a objetos que tienen su forma definitiva, así permiten obtener piezas de formas complicadas que serían difíciles de realizar en acero ya sea por colada o por forja.

2.5.- Fundición nodular

La fundición nodular (o dúctil) presenta propiedades similares a las fundiciones maleables. Se obtiene a partir del alto horno o del cubilote, mediante la inoculación en la cuchara de pequeñas cantidades de magnesio (Mg) que tiene la propiedad de agrupar al grafito en esferas o nódulos.

3.- Aceros

En los aceros siempre se encuentra presente elementos como el carbono (hasta 1,7%), silicio, manganeso, azufre y fósforo, siendo el carbono el elemento fundamental, el silicio y el manganeso secundarios, y el fósforo y el azufre impurezas inevitables. A estos aceros se los denomina aceros al carbono y su resistencia y otras características mecánicas dependen fundamentalmente del porcentaje de carbono que contengan. Para la mayor parte de las aplicaciones, los aceros al carbono, son satisfactorios, sin embargo para algunas construcciones mecánicas a veces se requieren cualidades superiores. Para satisfacer estas exigencias se adicionan ciertos elementos (aleantes) que confieren a los aceros propiedades bien definidas dando lugar a los llamados aceros especiales o aleados. La masa de los elementos especiales agregados es muy pequeña en relación con la masa total de hierro, por lo cual para su fabricación debe buscarse un horno que asegure un buen mezclado. El horno que mejor se adapta para este fin es el horno de cuchara a inducción de alta frecuencia.

3.1.- Elementos de aleación

Los aceros aleados no sólo poseen determinadas propiedades físicas más convenientes, sino que también permiten una mayor amplitud en determinado proceso de tratamiento térmico.

Elemento Sím Efecto Ejemplos de aplicación Cromo Cr Aumenta la resistencia mecánica. Aumenta la dureza. Aumenta la resistencia a la corrosión.

Cojinetes a bolillas, engranajes, ejes, cigüeñales, bielas. Aceros inoxidables. Níquel Ni Aumenta la resistencia a la tracción sin disminuir la ductilidad. Aumenta la resistencia a la corrosión.

Ejes y bielas poco cargadas. Aceros inoxidables.

Silicio Si Actúa como desoxidante. Aumenta el límite elástico. Mejora las propiedades magnéticas.

Resortes (hasta 1,5%). Chapas para motores eléctricos (hasta 5%). Manganeso Mn Neutraliza los efectos nocivos del azufre (S). Aumenta la resistencia a la fricción. Aumenta la templabilidad.

Elásticos. Molinos.

Aluminio Al Actúa como desoxidante. Actúa como afinador del grano metálico. Mejora los efectos del proceso de nitruración (para aumentar la dureza superficial).

Elemento Sím Efecto Ejemplos de aplicación Molibdeno Mo Aumenta la resistencia a la tracción. Aumenta la resistencia al “creep” (fluencia en caliente). Aumenta la templabilidad. Vanadio Va Actúa como desoxidante. Actúa como afinador del grano metálico.

Resortes y herramientas.

Tungsteno Tg Aumenta la dureza (aún a elevadas temperaturas).

Herramientas

Cobalto Co Refuerza la acción del tungsteno. Herramientas Titanio Ti Actúa como desoxidante. Actúa como afinador del grano metálico. Aumenta la resistencia a la corrosión.

Aceros inoxidables

Boro Br Aumenta la templabilidad (su efecto es 50 veces mayor que el del molibdeno). El níquel y el cromo juntos como aleantes forman el grupo de aleaciones llamadas aceros al cromo–níquel, que se caracterizan por su elevada resistencia mecánica, dureza y resistencia a la corrosión; es decir que las propiedades de estos aleantes se combinan, potenciándose. Se utilizan para piezas mecánicas (hasta el 5% Ni y hasta el 2% Cr). Aquellos que luego deberán cementarse (para mejorar su resistencia a la fricción y su dureza superficial) contienen menos del 2% C y aquellos que únicamente deberán templarse pueden contener hasta 0,6% C. También son muy empleados para aceros inoxidables de varios tipos, teniendo el más conocido 18% Cr y 8% Ni. El silicio y el manganeso como aleantes forman el grupo de aleaciones llamadas aceros al silicio– manganeso son utilizadas para la confección de elásticos. Hasta el 12% Mg es incluido en los aceros que deben resistir fuertes desgastes, como en molinos (acero Hadfield).

3.2.- Aceros inoxidables

Los aceros aleados que contienen por lo menos 12% Cr se denominan aceros inoxidables. Las características más importantes de estos metales es su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Entre los aceros inoxidables podemos destacar los aceros al cromo , los aceros al cromo-níquel. La resistencia a la corrosión en los aceros al cromo depende del contenido de dicho elemento. Los aceros al cromo con alto porcentaje de carbono presentan buena templabilidad, tanto que en los de bajo porcentaje de carbono desaparece. Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan intensa que debe prestarse cuidadosa atención a las condiciones de servicio. Puesto que el cromo es costoso, el diseñador deberá de elegir el contenido de cromo mínimo compatible con las condiciones corrosivas. Los aceros al cromo-níquel no son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar notablemente por el trabajo en frío, sólo así serán magnéticos. En arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos (acero quirúrgico), o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

3.3.- Aceros de herramientas

Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. En las herramientas deben tener la capacidad de arrancar la mayor cantidad posible de viruta en el menor tiempo. Los aceros comunes no pueden ser utilizados en estas condiciones cuando el material a trabajar es muy duro o cuando la velocidad de corte es muy elevada, ya que las herramientas de acero al carbono pierden su filo cuando superan los 200 °C. Los aceros aleados utilizados para la confección de herramientas de corte pueden llegar a calentarse hasta los 600 °C sin perder su filo.

4.- Bibliografía

• “ Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales ”, W. Smith, Ed. McGraw Hill.
• “ Tecnología del Acero ”, J.M. Lasheras y Esteban.
• “ Fundiciones ”, Apraiz Barreiro.
• “ Fabricación de Hierro, Acero y Fundiciones ”, Apraiz Barreiro.
• “ Metal Handbook ”, SAE.
• “ Metal Handbook – Vol. 7 ”, ASM
• “Normas SAE, ASTM, ISO e IRAM”.
• “ Tratamientos Térmicos de los Aceros ”, Apraiz Barreiro, Ed. Dossat.