Aleaciones hierro-carbono.-

Transcripción

1 Aleaciones hierro-carbono Diagrama de enfriamiento del hierro Tratamientos térmicos de los aceros.- 2.-Diagrama hierro-carbono Temple Reacciones isotérmicas Recocido Aceros Normalizado Aceros hipoeutectoides Tratamientos isotérmicos Aceros hipereutectoides Tratamientos térmicos de los aceros: resumen. 4.- Constituyentes de los aceros templados 6.- Tratamientos superficiales Austenita Tratamientos térmicos superficiales Martensita Tratamientos termoquímicos Bainita Tratamientos superficiales no térmicos Fundiciones.- Pág, 1

2 1.- Diagrama de enfriamiento del hierro.- T ºC ºC 1536ºC Hierro δ Ar Ac Hierro 1000 Ar Ac Ar Ac Hierro α Tiempo en minutos Pág, 2

3 Diagrama de enfriamiento (2). El hierro es un material alotrópico: su estructura cristalina varía con la temperatura. Las temperaturas de cambio de fase experimentales dependen de que se midan en el calentamiento (Ac) o en el enfriamiento (Ar). 1536º C el hierro solidifica en fase δ: BCC; parámetro de red 2,92 Å 1396º C cambio de fase a hierro : CCC; parámetro de red 3,65 Å 910º C cambio de fase a herro α: BCC; parámetro de red 2,86 Å 750º C el hierro α se hace magnético; no se producen cambios en la red cristalina. La red CCC presenta un grado de empaquetamiento mayor que la red BCC, por lo que en la transformación de hierro α a hierro se produce una disminución del volumen. Pág, 3

4 2.-Diagrama hierro-carbono Líquido L+Austenita A L+Cementita 1148ºC 2,11% 4,11% Austenita 910ºC Austenita+Cementita Ferrita 0,0218% A cm 727ºC A 1 0,77% El carbono es el elemento aleante que más hace cambiar las propiedades del hierro aún encontrándose en muy pequeña proporción. El diagrama de la página anterior muestra el diagrama hierro-carbono en la zona de mayor interés, que es la que empieza en hierro puro y termina en un compuesto intersticial denominado cementita que contiene un 6,67% de carbono en peso. Estrictamente hablando la cementita es metaestable a temperatura ambiente: si se calienta a 700º C los suficientes años, descompone en hierro α y carbono Ferrita + Austenita Ferrita + Cementita 0,5 1,0 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,67 Porcentaje de peso en carbono Pág, 4

5 2.1.- Reacciones isotérmicas.- a) Reacción peritéctica. El diagrama de equilibrio presenta tres lineas horizontales que indican reacciones isotérmicas: 1495º C reacción peritéctica: Liquido (0,53% C)+Solución sólida ferrita δ (0,09% C) 1495ºC Austenita (0,17% C) Reacción peritéctica: Líquido+Sólido Sólido. Ferrita δ: Solución sólida de alta temperatura ( no se encuentra en aceros a temperaturas bajas). Solubilidad máxima del carbono 0,09% 1536ºC Austenita: nombre que recibe la solución sólida Líquido L + δ 1495ºC 1396ºC δ 0,09% 0,17% 0,53% δ+austenita Austenita L+ Austenita Pág, 5

6 1148º C reacción eutéctica: b) Reacción eutéctica Líquido (4,3%C) 1148º C Austenita + Cementita (6,67% C). El eutéctico recibe el nombre de ledeburita: fina mezcla de austenita y cementita. En el punto eutéctico E la concentración de carbono es del 4,3% Cualquier líquido que esté presente cuando se alcancen los 1148º C se transformará en el eutéctico Líquido L+Austenita L+Cementita 1148ºC A 2,11% 4,3% Austenita 910ºC A cm Austenita+Cementita 727ºC A 1 0,5 1,0 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,67 Porcentaje de peso en carbono Pág, 6

7 c) Reacción eutectoide.- Austenita (0,77% C) 727º C Ferrita α (0,02% C) + Cementita (6,67% C) 727º C Reacción eutectoide: Perlita: eutectoide formado por el enfriamiento de austenita con un 0,77% de carbono es una mezcla muy fina de ferrita α y cementita. Austenita También hay que reseñar la pequeña zona de solución sólida ferrita α que queda en el extremo izquierdo del diagrama A 1 A cm Austenita Perlita Monografías.com Pág, 7

8 3.- Aceros Aceros hipoeutectoides A3 A1 Austenita: solución sólida de hierro y carbono Al descender la temperatura por debajo de A3, en las juntas de grano empiezan a aparecer los primeros precipitados de ferrita α Una fracción de grado por encima de A1, temperatura eutectoide, en las juntas de grano se ha formado una gran cantidad de ferrita ,4 0,8 1,2 Al alcanzar A1 la austenita restante se transforma en el eutectoide: Perlita: formada por Ferrita y Cementita Fe 3 C Pág, 8

9 Aceros hipoeutectoides con un contenido en carbono inferior al 0,218% Austenita ,0218 A cm A 1 Austenita y cementita Fe 3 C α α α α Ferrita α α α α α Ferrita y cementita 0,4 0,8 1,2 Pág, 9

10 3.2.- Aceros hipereutectoides 1000 Por encima de A cm todo el metal es austenita: solución sólida A 1 A cm Inmediatamente por debajo de A cm comienza la transformación de la austenita en cementita (Fe 3 C) que continúa hasta A 1. La cementita se va formando en las juntas de grano Al alcanzarse la temperatura A 1 la austenita restante se transforma, isotérmicamente, en perlita: eutectoide formado por cementita y ferrita α El resultado son granos de perlita en una matriz de cementita. 0,4 0,8 1,2 Pág, 10

11 4.- Constituyentes de los aceros templados Temperatura 225º C M i Temperatura eutectoide Curvas TTT: Se preparan un gran número de probetas obtenidas de la misma barra. Se calientan por encima de la temperatura de austenización. Se meten en un horno isotermo a temperatura constante subcrítica. Para varios intervalos de tiempo en el mismo horno se extraen sucesivas muestras que se enfrían rápidamente. Se mide la dureza de cada probeta y se estudia microscópicamente. Los pasos anteriores se repiten a diferentes temperaturas subcríticas. Para cada temperatura se determina el inicio y el fin de la transformación de la austenita en otros constituyentes y se obtiene un diagrama semejante al de la figura adjunta Tiempo (s) Este diagrama corresponde a un acero de composición eutectoide. Pág, 11

12 4.1.- Austenita Es la estructura que alcanzan los aceros cuando su temperatura se eleva por encima de. Es un constituyente generalmente inestable a temperatura ambiente. Se puede obtener esta estructura estable a temperatura ambiente en aceros de alto contenido en carbono o de muy alta aleación, por ejemplo en aceros de alto contenido en manganeso (12%) por simple enfriamiento al aire. Es amagnética, blanda, muy dúctil y tenaz. Se caracteriza por la forma poliédrica y regular de los cristales, con bordes de grano rectilíneos y ángulos vivos. Monografías. com Pág, 12

13 4.2.- Martensita.- Se obtiene al enfriar rápidamente un acero que se encuentre en estado austenítico. Curva 7 del diagrama. Temperatura Temperatura eutectoide Es una fase metaestable constituida por una solución intersticial sobresaturada de carbono en hierro BCC o BCT (La tetragolaidad la provoca la distorsión que produce el carbono en la celda unidad). Las temperaturas de inicio y fin del proceso de transformación de la austenita en martensita se denominan M i y M f respectivamente. La transformación depende sólo de la temperatura, no del tiempo. 225º C M i El aspecto de la martensita varía con el contenido en carbono del acero. M f Tiempo (s) Sus propiedades físicas varían con su composición; su dureza, resistencia y fragilidad aumentan con el contenido en carbono. Es el constituyente más duro de los aceros después de la cementita. Pág, 13

14 4.3.- Bainita.- La bainita se forma por descomposición de la austenita eutectoide cuando la temperatura de enfriamiento es de 250 a 550 ºC. Curvas 4 y 8. Temperatura eutectoide Se puede considerar una estructura intermedia entre la perlítica y la martensítica. Temperatura Se diferencian dos tipos de estructuras: Bainita superior (4): ºC; aspecto arborescente. Bainita inferior (8): ºC; aspecto acicular parecido al de la martensita. 225º C M i M f Tiempo (s) Pág, 14

15 5.- Tratamientos térmicos de los aceros.- Casi todos los tratamientos térmicos incluyen, como primer paso, el calentamiento del material por encima de la temperatura crítica de formación de la austenita. La temperatura y el tiempo son los factores principales que influyen en un tratamiento térmico. Temple: Se calienta la pieza metálica y a continuación se enfría rápidamente. Se obtiene un material muy duro y con alta resistencia mecánica a causa de la estructura martensítica resultante. Revenido: Tratamiento complemetario del temple con el que se pretende mejorar la tenacidad del material. La mejora en la tenacidad supone una disminución de la dureza. Normalizado: Se trata de que el acero recupere la cualidades y estructura que se consideran normales para su composición. Se aplica a piezas que han sufrido deformación en frío o en caliente, enfriamientos irregulares, tratamientos defectuosos, etc. Se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño del grano. Recocido: La pieza se calienta a una determinada temperatura durante un cierto tiempo en función de la situación de partida y de los efectos que se quieran conseguir. No siempre se alcanza la temperatura de austenización: Recocido de primer género o subcrítico. Recocido de segundo género: Completo: supera A3. Incompleto: sólo alcanza A1. En general se busca una mayor plasticidad eliminando tensiones internas. Pág, 15

16 5.1.- Temple.- Se trata de obtener una estructura martensítica: A 1 Primero se calienta el acero por encima de la temperatura de crítica, para aceros hipoeutectoides, o A 1, para los hipereutectoides. Después se realiza un enfriamiento lo suficientemente rápido, para que las transformaciones se produzcan entre M i y M f. El enfriamiento puede realizarse por aire, aceite o agua. El agua produce el enfriamiento más rápido y el aire el más lento. Conviene agitar el medio en el que se está produciendo el enfriamiento para acelerar el proceso. La estructura martensítica obtenida resulta ser muy frágil. Por esta razón el temple nunca es un tratamiento final, sino que se le añade un tratamiento denominado revenido que tiene como objetivo proporcionar una estructura más dúctil y maleable. Hipoeutectoides Hipereutectoides Temples A 1 Revenido: la pieza se calienta por debajo de A 1 durante un tiempo determinado. Temple + Revenido = Bonificado Temple y revenido Pág, 16

17 5.2.- Recocido.- Este nombre lo reciben varios tratamientos térmicos cuyo objetivo general es ablandar los aceros y eliminar tensiones regenerando su estructura. Suele ser un paso necesario tras la forja o la colada, para subsanar defectos que estos procesos hayan podido producir en las piezas Puede ser un tratamiento final si las características del material obtenido se adecúan a las deseadas, en caso contrario puede ser necesario realizar un temple y revenido posteriores Recocido de 2º género completo (de austenización completa o de regeneración): consiste en calentar la pieza por encima de dejando que luego enfríe lentamente, normalmente dentro del horno que se habrá apagado. Se aplica a aceros hipoeutectoides. La estructura de ferrita y perlita, de grano grueso o deformado tras la forja o la colada, desaparece tras transformarse en austenita, y durante el proceso de enfriamiento aparece una nueva estructura de grano más fino y regular. A 1 Recocido de 2º género completo Pág, 17

18 Recocido (2) Recocidos de 2º género de austenización incompleta: se alcanza una temperatura superior a A 1 e inferior a. A 1 Se aplica en aquellos casos en que la estructura de la ferrita ya sea lo suficientemente fina y sólo se quiera regenerar la perlita. En el caso de aceros hipereutectoides este recocido se llama globular, porque el tipo de perlita a que da lugar se llama perlita globular. Recocidos subcríticos: en este caso partimos de una estructura cristalina adecuada y sólo se trata de eliminar tensiones, la temperatura máxima se sitúa por debajo de A 1. Oscilantes Austenización incompleta Recocidos de 2º genero incompletos De ablandamiento: se calienta la pieza hasta una temperatura próxima a A 1 y se deja enfriar al aire. Se busca ablandar el acero por un procedimiento rápido y económico Contra la acritud: se calienta la pieza menos a más baja temperatura que en el de ablandamiento. A 1 Se aplica a aceros deformados en frío con el objetivo de recristalizar la perlita deformada Globular: se calienta hasta una temperatura muy próxima a A 1 y se enfría en horno. Se obtiene una estructura perlítica globular de muy baja dureza De ablandamiento Contra acritud Recocidos subcríticos Globular Pág, 18

19 5.3.- Normalizado Se calienta la pieza hasta unos 35 ºC por encima de la temperatura y después se deja enfriar en aire estático. Objetivos: El enfriamiento es más lento que en el temple, pero más rápido que en el recocido. A 1 Obtener un acero más duro y resistente que el que se obtiene tras un recocido. En los aceros hipereutectoides el normalizado reduce la continuidad de la red de cementita o la elimina por completo. La red de cementita reduce la resistencia de los aceros hipereutectoides el normalizado produce un aumento de la resistencia. El normalizado produce una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por recocido acero más duro y resistente. Mejorar la maquinabilidad. Refinar el grano y homogeneizar la microestructura para favorecer la respuesta a operaciones de endurecimiento. Normalizado Pág, 19

20 5.4.- Tratamientos isotérmicos.- Tratamientos de los aceros en los que el enfriamiento se interrumpe durante un tiempo determinado a una temperatura concreta. a) Temples isotérmicos: Austempering: se trata de enfriar muy rápidamente la pieza hasta la temperatura de transformación de la austenita en bainita (justo por debajo de la nariz de las curvas TTT). La pieza se mantiene a esta temperatura hasta que la austenita se ha transformado en bainita. El resultado es similar al obtenido con un temple más revenido a esa temperatura Martempering: se enfría la pieza hasta una temperatura algo superior a la del inicio de la transformación martensítica y se mantiene el mayor tiempo posible antes de que empieze la transformación en bainita, para luego enfriar rápidamente al aire. El objetivo es homogeneizar la temperatura de la pieza antes de la transformación martensítica para conseguir una pieza con una estructura más uniforme. A 1 A 1 Austempering Martempering Pág, 20

21 b) Recocidos isotérmicos.- Se eleva la temperatura de la pieza por encima de, recocido isotérmico de austenización completa, o pro encima de A 1, recocido isotérmico de austenización incompleta; después se enfría hasta una temperatura de unos 50 grados por debajo de A 1 (por encima de la nariz de la curva TTT) y se mantiene a esta temperatura el tiempo suficiente para que se produzca la descomposición de la austenita en bainita. Ventajas: Proceso más fácilmente controlable que el recocido normal Produce una bainita más homogénea. Tiempo de tratamiento más corto que el recocido normal. A 1 A 1 Austenización completa Aceros hipoeutectoides Austenización incompleta Aceros hipereutectoides Pág, 21

22 Tratamientos térmicos de los aceros: resumen. A 1 Recocido de 2º género completo De ablandamiento Contra acritud Globular Oscilantes Austenización incompleta Austenización completa Austenización incompleta Recocidos subcríticos Recocidos de 2º genero incompletos Normalizados isotérmicos A 1 Doble recocido Normalizado Hipoeutectoides Hipereutectoides Temple y revenido Martempering Austempering Temples Bonificado Temples isotérmicos Pág, 22

23 6.- Tratamientos superficiales Tratamientos térmicos superficiales.- Con estos tratamientos se trata de proporcionar a la pieza una gran dureza y resistencia superficial, mientras el núcleo de la pieza mantiene su tenacidad. Temple superficial a la llama: se realiza aplicando la llama de un soplete a la pieza (2000 o 3000 ºC). La llama se mantiene cortos periodos de tiempo para impedir que el calor alcance al interior de la pieza, mientras la superficie se austeniza completamente. Temple por inducción: se somete la pieza al campos magnéticos variables, lo que provoca la aparición de corrientes eléctricas en la pieza. Estas corrientes calientan la pieza por efecto Joule. Una vez calentada se enfría con un rociador de agua. El espersor de la capa endurecida depende de la frecuencia de variación de los campos magnéticos: 1 khz grandes espesores (5 a 9 mm.); 500 khz capa fina (0,4 a 2 mm). Este método es el más usado: No quema el carbono ni produce oxidación apreciable. Se puede regular con relativa facilidad la profundidad del temple. Es necesario fabricar un inductor específico para cada tipo de pieza por lo que sólo resulta económico cuando se trata de producciones en serie. Temple por rayo laser: permite espesores de 0,25 a 1,3 mm. La diferencia térmica que se produce entre la superficie y el núcleo basta para que se produzca el templado de la superficie (autotemple). Temple por bombardeo electrónico: se calienta la pieza bombardeándola con electrones procedentes de un cañón de electrones. El proceso es similar al del rayo laser. Pág, 23

24 6.2.- Tratamientos termoquímicos.- Con estos tratamientos se trata de modificar las características de la superficie de la pieza alterando su composición química al tiempo que se aplica un tratamiento térmico. En general resultan deseables materiales que sean duros y resistentes mecánicamente y que, al mismo tiempo, presenten una gran tenacidad: Los aceros templados ricos en carbono cumplen la primera condición. Los aceros pobres en carbono sometidos a un proceso de revenido la segunda. Ambas condiciones son incompatibles. Con los tratamientos termoquímicos se pretende conseguir piezas que presenten una gran dureza superficial y, por lo tanto, una gran resistencia al desgaste y, al mismo tiempo, una gran tenacidad en el interior. a) Cementación o carburación: Este tratamiento consiste en enriquecer con carbono la capa superficial de aceros pobres en carbono. La pieza que se quiere cementar se introduce en una atmósfera rica en carbono a unos 900º grados de temperatura, lo que favorece fenómenos de difusión del carbono en la superficie de la pieza. Se consiguen capas cementadas de hasta 1,5 mm de profundidad con un contenido en carbono del 1% como máximo. En la zona más superficial, capa dura, se consiguen durezas HRC 50. Pág, 24

25 b) Nitruración: Con este tratamiento se consigue un endurecimiento superficial por incorporación de nitrógeno. La pieza se introduce en una corriente de amoniaco NH 3 a unos 500 ºC. En este caso no se forma una disolución sólida, sino que el nitrógeno forma nitruros insolubles con átomos de aluminio, cromo, vanadio, wolframio o molibdeno. Los nitruros, extraordinariamente duros, se sitúan en la superficie de la pieza aumentando su dureza superficial: 650 HV a 1100 HV en capas de 0,2 a 0,7 mm. Para que la pieza sea nitrurable es preciso que el acero contenga alguno de los metales citados anteriormente, particularmente el aluminio resulta ser muy eficaz. Se utiliza para tratar piezas de maquinaria expuestas a fatiga y a corrosión ya que la nitruración protege la pieza en ambas situaciones. C) Cabonitruración: Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores. La pieza se calienta hasta unos 750 ºC en una atmósfera cementante y un baño de NH 3 En este caso no es necesaria la presencia de elementos formadores de nitruros. El carbono y el nitrógeno se incorporan en forma de solución sólida. Pág, 25

26 d) Sulfinización: En este caso se trata de incorporar al acero carbono, nitrógeno y azufre. Inmersión en un baño de sales, a 565 ºC, que aportan los elementos deseados. Este tratamiento aumenta la resistencia al desgaste de los metales y favorece su lubricación: la capa sulfinizada tiene un comportamiento similar a los metales antifricción. La resistencia al desgaste se debe más a las características antifricción de la capa sulfinizada que al aumento de la dureza. Pág, 26

27 6.3.- Tratamientos superficiales no térmicos.- Modificamos la superficie de los metales sin variar su composición química. Cromado: Se deposita cromo sobre la pieza por medios electrolíticos. Incrementa la dureza superficial y la resistencia al desgaste. En los aceros el objetivo fundamental es proteger frente a la corrosión. Metalización: Se proyecta un metal fundido sobre la superficie de la pieza tratada. La pieza tratada adquiere superficialmente las características del metal proyectado. Pág, 27

28 7.- Fundiciones.- Los aceros, en general, contienen menos de un 1% de carbono, en tanto que las fundiciones contienen del 2% al 4% de carbono y hasta un 3% de silicio ºC 0,0218% 0,5 1,0 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,67 Aceros Fundiciones Las fundiciones son muy fluidas en estado líquido, solidifican con una contracción moderada y su temperatura de fusión es más baja que la de los aceros. Por estas razones se utilizan para la obtención por moldeo de piezas de formas complicadas. Fundiciones blancas: El carbono se encuentra en forma de cementita. Contenidos bajos de carbono (1,8% - 3,6%). Velocidad de solidificación elevada. Al romper la fractura presenta un aspecto blanquecino, brillante. La fundición blanca suele estar constituida por una matriz de perlita y Fe 3 C masivo La presencia de cementita hace que la fundición sea dura y resistente al desgaste, frágiles y con poca resistencia al impacto: difíciles de mecanizar. Fundiciones grises: Parte del carbono aparece en forma de grafito. Contenido en carbono 2,5% - 4% Alto contenido en silicio 1% - 3% Constituyentes: cementita; perlita o ferrita; grafito. Puede considerarse una matriz de acero con depósitos de grafito dispersos. La fractura presenta un aspecto grisáceo. Son frágiles, pero fáciles de mecanizar y el grafito les confiere la capacidad de absorber vibraciones. Pág, 28

29 Bibliografía.- Introducción al conocimiento de los materiales.- Tecnología Industrial 2.- Segundo Barroso Herrero y Joaquín Ibañez Ulargui Universidad Nacional de Educación a Distancia: Cuadernos de la UNED. José Antonio Fidalgo Fuentes y otros. Editorial Everest Pág, 29

30 Autor Emilio Erwin Gradolph Cadierno. Profesor de Tecnología del IES EUROPA. Pág, 30