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Tema 2.
Aleaciones de hierro-carbono
320007 Ciencia y Tecnología de los Materiales 1/
Metalurgia extractiva: trata la obtención de los metales a
partir de los minerales y la preparación de estos para su uso
Etapas: - extracción de la mena
- reducción a metal
- afino o purificación
Mena Es el mineral que contiene el elemento que nos interesa. La concentración del elemento que buscamos tiene que ser alta para que resulte rentable su explotación.
Ganga Es el resto de mineral o roca que acompaña a la mena y que carece de valor en esa explotación. Cristales de casiterita (SnO 2 ) en una ganga de cuarzo
Metalurgia: Ciencia que estudia los metales
Obtención de los materiales metálicos
Producción de materiales metálicos
ACEROS
Aleaciones de hierro y de carbono (0,03 - 2,11 % C) a las que se pueden añadir
otros elementos químicos (manganeso, niquel, cromo…) según las
propiedades que se deseen obtener.
Se dividen en aceros al carbono (aceros ordinarios) y aceros aleados.
FUNDICIONES
Aleaciones de hierro y de carbono (2,11 - 6,67 % C) a las que se pueden añadir
otros elementos químicos.
Se clasifican en fundiciones ordinarias y fundiciones aleadas.
Aleaciones férricas
Peritéctica (T=1495ºC ) L (0,53% C) + δ (0,09% C) ↔ γ (0,17% C)
Eutéctica (T=1148ºC ) L (4,3% C) ↔ γ (2,1% C) + Fe 3 C
Eutectoide (T=727ºC ) γ (0,77% C) ↔ α (0,02% C) + Fe 3 C
La transformación eutectoide se produce en todos los aceros durante el enfriamiento lento desde el campo austenítico.
Es una reacción fundamental para entender los tratamientos térmicos de los aceros y
sus microestructuras.
Transformaciones invariantes
Diagrama de equilibrio Fe-Fe 3 C
Aceros Hipoeutectoides
(ferrita primaria y perlita)
Aceros Hipereutectoides
(cementita primaria y perlita)
Aceros Eutectoides (microestructura perlítica)
Aceros : Microestructuras en condiciones de equilibrio
Tratamientos térmicos básicos de aceros
Los más importantes son los denominados tratamientos térmicos en masa , es decir, los que afectan a todo el material en su conjunto_._ En general constan de tres etapas.
- Una primera etapa consistente en un calentamiento hasta alcanzar una temperatura lo suficientemente alta para que el material se sitúe en la región austenítica del diagrama.
- En la segunda etapa, la temperatura se mantiene constante durante el tiempo necesario para que el material alcance el equilibrio y su estructura se homogeneice.
- Finalmente, la etapa de enfriamiento , durante la que suceden los cambios microestructurales más importantes. Concretamente, el ritmo con el que se realice el enfriamiento desde la región austenítica, permitirá obtener estructuras de equilibrio, de cuasiequilibrio o de inequilibrio.
Tratamientos térmicos básicos de aceros
Recocido
El enfriamiento de las piezas austenizadas se realiza dentro del horno donde previamente se han calentado (el horno se apaga, dejando las piezas en su interior hasta que se alcanza la temperatura ambiente). La microestructura generada es perlita. Tiene por finalidad ablandar el acero.
En muchos casos, la estructura laminar de la perlita hace que el material resulte difícil de mecanizar dado que la herramienta de corte se encuentra constantemente con una fase muy dura, la cementita. Por ese motivo entre otros, en algunas ocasiones interesa destruir la estructura laminar de la perlita. Para ello, el material se somete a un tratamiento térmico conocido con el nombre de recocido de globulización , que comienza con un calentamiento hasta una temperatura inferior pero cercana a la eutectoide durante un largo tiempo (entre 8 - 12 h), produciéndose un cambio morfológico en la fase cementita, que forma esferoides o glóbulos, en el seno de una matriz de ferrita. A este conjunto microestrutural se le denomina esferoidita.
Normalizado
Tras la austenización, las piezas son extraídas del horno y se enfrían al aire. A este ritmo se produce un enfriamiento más rápido que en el caso del recocido, aunque sin ser totalmente de inequilibrio. Se utiliza para aumentar la resistencia de los aceros con respecto de los obtenidos por recocido.
Diagramas TTT
Como hemos visto, los aspectos cinéticos de cualquier tratamiento térmico son verdaderamente importantes, pues influyen drásticamente en la microestructura final del material. En el análisis de las transformaciones de fase un gráfico especialmente útil para ilustrar cómo influye sobre la transformación y el tiempo es el denominado diagrama de transformación isotérmica, diagrama temperatura- tiempo-transformación (conocido comúnmente como diagrama TTT). Presentan varias limitaciones. En primer lugar, estas curvas sólo son válidas para un material con una composición química determinada; para otra composición, las curvas tendrán diferente forma. En segundo lugar, estas gráficas son válidas solo para el caso de que la temperatura se mantenga constante durante la transformación, es decir, en condiciones isotérmicas. (^) TTT, acero eutectoide 15/
TTT, acero hipoeutectoide TTT, acero hipereutectoide
Tipos de fundiciones
Blanca Gris
Nodular Maleable
Fundición gris En general, las fundiciones grises tienen un porcentaje en masa de carbono entre el 2.5 y el 4%. Suelen añadírseles, además, elementos grafitizantes (Si, P) que dificultan la combinación del carbono con el hierro para formar cementita, así como el empleo de velocidades de enfriamiento lentas durante su obtención. Las fundiciones grises son materiales mucho más baratos que los aceros, son más fácilmente moldeables, tienen una muy superior capacidad de amortiguación y de resistencia al desgaste y soportan mejor la corrosión atmosférica. Su punto débil es su comportamiento bajo esfuerzos de tracción, dado que tanto su resistencia como su alargamiento a rotura son muy inferiores a las de los aceros. Sin embargo, su respuesta frente a esfuerzos de compresión es notable. Se suelen encontrar en bloques de motores diésel, en cajas de cambio de vehículos pesados, en bloques y cabezas de cilindros motores de explosión, en bombas hidráulicas, en maquinaria agrícola, etc.
Fundición nodular (dúctil o esferoidal)
Se obtienen a partir de la incorporación en la composición química de la aleación de magnesio, cerio y otras tierras raras. Al encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se interrumpe en menor medida en relación a lo observado en las fundiciones grises, lo que influye en sus propiedades mecánicas. La globulización del grafito da lugar a una mayor resistencia a la tracción, ductilidad y tenacidad. Además, permite una mejor maquinabilidad. Pueden ser empleadas en aplicaciones tan críticas como el sistema de transmisión de los automóviles.
Fundición blanca Estas fundiciones no se diferencian demasiado de un acero, puesto que en su microestructura no aparece grafito. Para dificultar la presencia de grafito, se reduce el contenido en silicio y la aleaciones se enfrían con cierta rapidez. Se caracterizan por su alta dureza y resistencia al desgaste , siendo sumamente quebradizas y difíciles de mecanizar. La fragilidad y falta de maquinabilidad limita su uso industrial, por lo que su empleo se reduce a aplicaciones tales como en camisas interiores de las hormigoneras, en molinos de bolas, en boquillas de extrusión, etc. Las fundiciones blancas se utilizan como material de partida de las fundiciones maleables.
