Unidad 2
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5. DIAGRAMAS DE FASES Y TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES 66
5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS ............................................................. 66 5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA ................................................. 67 5.3 DIAGRAMAS BINARIOS ............................................................................ 69
5.3.1 Diagrama de solubilidad total ............................................................ 69 5.3.2 Regla de la palanca ............................................................................. 71 5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial ........................................................ 74 5.3.4 Otras reacciones invariantes en los diagramas de fases binarios . 79
1 METALES Y ALEACIONES .......................................................................... 81 6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS................. 81
6.1.1 Estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (BCC) .............. 82 6.1.2 Estructura cristalina cbica centrada en las caras (FCC) ............... 83 6.1.3 Estructura cristalina Hexagonal compacta (HCP) ............................ 84
6.2 SOLIDIFICACION EN METALES ............................................................... 85 6.2.1 Nucleacion homognea ...................................................................... 85 6.2.2 Nucleacin heterognea..................................................................... 86
6.3 SOLUCIONES SLIDAS METALICAS ...................................................... 87 6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO............................................. 95 6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIN .......................... 100
6.5.1 Trabajo en Fro .................................................................................. 101 6.5.2 Trabajo en Tibio................................................................................. 101 6.5.3 Trabajo en Caliente ........................................................................... 102
6.6 ACEROS ................................................................................................... 102 6.6.1 Aceros al carbono............................................................................. 102 6.6.2 Aceros de aleacin........................................................................... 104 6.6.3 Aceros inoxidables ........................................................................... 106 6.6.4 Aceros para herramientas ............................................................... 108
6.7 TRATAMIENTOS TERMICOS .................................................................. 111 6.7.1 Recocido ............................................................................................ 111 6.7.2 Normalizado....................................................................................... 114 6.7.3 Temple................................................................................................ 114 6.7.4 Revenido ............................................................................................ 115 6.7.5 Curva Tiempo Temperatura Transformacin (TTT)............... 116 6.7.6 Templabilidad .................................................................................... 121 6.7.7 Mecanismos de Endurecimiento en materiales ferrosos .............. 123
6.8 FUNDICIONES O HIERROS FUNDIDOS ................................................. 124 6.8.1 Fundicin blanca............................................................................... 125 6.8.2 Fundicin gris.................................................................................... 125 6.8.3 Fundicin nodular (dctil) ................................................................ 126 6.8.4 Fundicin maleable........................................................................... 127
6.9 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES......................................................... 128 6.9.1 Carburizacin .................................................................................... 128 6.9.2 Nitruracin ......................................................................................... 130 6.9.3 Carbonitruracin ............................................................................... 130
6.10 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES ..................................................... 133 6.10.1 Caractersticas Trmicas................................................................ 134
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6.10.2 Conductividad Elctrica ................................................................. 135 6.10.3 Caractersticas Mecnicas. ............................................................ 135 6.10.4 Influencia de las Impurezas sobre las propiedades fsicas y mecnicas................................................................................................... 136 6.10.5 Resistencia a la corrosin y respuesta a los tratamientos superficiales ............................................................................................... 137 6.10.6 Resistencia la Oxidacin. ............................................................... 138 6.10.7 Aplicaciones del aluminio sin alear y sus aleaciones. ................ 138
6.11 EL COBRE Y SUS ALEACIONES .......................................................... 142 6.11.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 142 6.11.2 Caractersticas mecnicas ............................................................. 143 6.11.3 Aplicaciones del cobre sin alear y sus aleaciones ...................... 143
6.12 EL NIQUEL Y SUS ALEACIONES.......................................................... 146 6.12.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 146 6.12.2 Aplicaciones del Nquel sin alear y sus aleaciones ..................... 147
6.13 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES.................................................... 149 6.13.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 150 6.13.2 Aplicaciones del Magnesio sin alear y sus aleaciones................ 150
6.14 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES......................................................... 151 6.14.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 151 6.14.2 Aplicaciones del Titanio sin alear y sus aleaciones .................... 152
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5. DIAGRAMAS DE FASES Y TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES
Existen muchas aplicaciones de los materiales en el campo de la ingeniera; por lo
general los materiales no se usan puros como se menciono anteriormente, sino
que se usan como aleaciones en la gran mayora de los casos. Estas aleaciones
tambin poseen diferentes estructuras y por ende propiedades a diferentes
temperaturas y/o presiones, lo que hace adquirir importancia el conocimiento de
los diagramas de fases.
Se puede definir una fase como cada una de las porciones homogneas
fsicamente separables en un sistema formado por uno o varios componentes. Por
ejemplo, el agua tiene tres fases: liquida, slida y gaseosa (vapor). Una fase
posee ciertas caractersticas a saber:
Posee la misma estructura Posee el mismo arreglo atmico Posee la misma composicin qumica generalmente Posee las mismas propiedades
Los diagramas de fase se definen como representaciones graficas de las fases
presentes en un sistema de uno, dos o tres materiales bajo las variables de
temperatura, composicin y/o presin.
Un componente de una mezcla es una sustancia qumicamente independiente de
la cual esta compuesta una la fase.
5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS En 1875 J. Willaid Gibbs relacion tres variables: fases (P), componentes(C), y
grados de libertas o varianza (F) para diagramas de fases. El objetivo era calcular
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el nmero de fases que pueden coexistir en equilibrio en un sistema y su
expresin matemtica est dada por:
P+F=C+2 [24]
Donde: C = nmero de componentes del sistema
P = nmero de fases presentes en el equilibrio
F = nmero de grados de libertad del sistema (variables: presin,
temperatura, composicin).
El Grado de libertad o varianza se puede definir como el nmero de variables que
pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la
desaparicin o formacin de una nueva fase. Tambin se define con el nmero de
factores variables.
F=0 indica invariante
F=1 univariante
F=2 bivariante
Los diagramas de fase existen de diversos estilos a saber:
Diagrama de una sustancia Pura Diagrama Binario Diagrama de solubilidad total
Diagrama de solubilidad parcial o eutectoide
Diagrama Ternario Aqu se explicaran los diagramas de sustancias puras y binarios que son los casos
ms prcticos y usados
5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA Este es uno de los diagramas mas sencillo (generalmente es presin vs
temperatura), tal como se muestra en la figura 51. En la mencionada figura se
puede apreciar que el agua posee tres fases: Slida, liquida y gaseosa o vapor. Se
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observa tambin un punto denominado punto triple en el cual pueden coexistir los
estados slido, lquido y gaseoso. Adicionalmente se encuentran dos lneas: la
lnea de vaporizacin y la lnea de solidificacin para las cuales los pares
(presin, temperatura) corresponden a una transicin de fase entre una fase
slida y una fase lquida; y entre una fase slida y una fase vapor
respectivamente.
Figura 1 Diagrama de fase del agua [Adaptado de: Wikipedia, 2008]
Ahora se aplicara la regla de fase de Gibbs al diagrama del agua en diferentes
puntos como se muestra en la figura 51:
En el Punto triple: Fases presentes = 3, Numero de componentes =1, por lo tanto,
P+F=C+2, luego 3+F=1+2 entonces F=0.
El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=0, quiere decir que
Como ninguna de las variables (presin, temperatura o composicin) se
pueden cambiar manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto
triple es un punto invariante.
En un Punto sobre la lnea de solidificacin: Fases presentes = 2, Numero de componentes =1, por lo tanto,
P+F=C+2, luego 2+F=1+2 entonces F=0.
El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=1, quiere decir que
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Una variable (Temperatura o Presin) se puede cambiar manteniendo an
un sistema con dos fases que coexisten, es decir, si se especifica una
presin determinada, slo hay una temperatura en la que las fases slida y
lquida coexisten.
En un Punto dentro de una fase nica (Zona liquido): Fases presentes = 1, Numero de componentes =1, por lo tanto,
P+F=C+2, luego 1+F=1+2 entonces F=2.
El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=2, quiere decir que dos
variables (Temperatura o Presin) se pueden cambiar independientemente
y el sistema permanece con una nica fase.
5.3 DIAGRAMAS BINARIOS
Estos diagramas contrario a los de las sustancias puras, se realizan entre
temperatura y composicin, dejando la presin constante, es decir la regla de
gibbs para estos ser P+F=C+1.
La caracterstica de un sistema binario es que muestra las fases formadas para
diferentes muestras de dos elementos o dos compuestos en un rango de
temperaturas.
5.3.1 Diagrama de solubilidad total Este diagrama recibe el tambin el nombre de sistemas isomorfos debido a que
los componentes del diagrama son totalmente solubles a altas y bajas
temperaturas. Para que un sistema sea completamente soluble debe cumplir
ciertas condiciones:
Estructura Cristalina: La estructura cristalina debe ser la misma Tamao: Los atomos o iones que constituyen el sistema deben tener una
diferencia de radios atmicos que no debe ser mayor del 15%, para
minimizar la deformacin de la red.
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Electronegatividad: No debe haber diferencias significativas en los valores de electronegatividad, debido a que si existen se formaran compuestos y no
soluciones., por ejemplo Na +Cl = NaCl
Valencia: No debe existir diferencia significativa de valencias, debe ser la misma.
Estos diagramas presentan nicamente la lnea de lquidus, la cual se define como
la temperatura arriba de la cual un material es totalmente lquido y la lnea de
slidus, que se define como la temperatura por debajo de la cual esa aleacin es
totalmente slida (figura 52). La diferencia de temperaturas entre la lnea de
liquido y la de solido es el intervalo de solidificacin de la aleacin, dentro de este
intervalo de temperaturas se puede encontrar islas de solido en fase liquida.
Ejemplo de aleaciones con este tipo de diagrama de solubilidad total son: Cu-Ni,
NiO-MgO,Tl-Pb entre otros.
Figura 2. Diagrama isomorfo o de solubilidad total
Para ubicar un punto (a) en este diagrama se requiere de un porcentaje de
composicin y una temperatura. Por ejemplo, la aleacin entre Cu-Ni de la figura
53, muestra que la aleacin que pasa por el punto (a) de la figura tiene una
composicin de 80% de Ni +20% Cu, para un total de 100% de la aleacin.
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Para una aleacin de 40%Cu y 60% Ni, segn el diagrama de la figura 53, por
encima de los 1280C la aleacin es totalmente liquida, debido a que este es el
lmite o linea de liquidus. Por debajo de los 1240 C, la aleacin es totalmente
slida y en el rango de 1280C 1240C, se pueden encontrar las dos fases
(solido y liquido), es decir en estos 40C de diferencia es donde la aleacin
empieza a solidificarse hasta llegar a la lnea de solidus.
Figura 3.Diagrama Cu-Ni
5.3.2 Regla de la palanca La regla de la palanca, es un mtodo que permite conocer la composicin qumica
de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.
Para determinar la composicin qumica de las fases primero se debe trazar una
lnea de enlace o isoterma, la cual es una lnea horizontal en una regin de dos
fases como se muestra en la figura 54, esta lnea une dos puntos de la lnea de
liquidus y solidus en este caso. Los extremos de esta lnea representan las
composiciones de las dos fases. A continuacin prolongar los puntos hasta tocar
la lnea de composicin en los puntos Ca y Cl. El punto Ca quiere decir que la
aleacin considerada a la temperatura (T) contiene lquido de una composicin
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qumica de % del elemento B y el restante del elemento A. El punto Cl quiere decir
que la aleacin considerada contiene slido de una composicin qumica de % del
elemento B y el restante del elemento A.
Figura 4. Regla de la palanca
Por ultimo para determinar las cantidades relativas de cada una de las fases
presentes (liquida y slida en este caso), se procede a usar la regla de la palanca.
Esta se puede escribir de la siguiente forma:
100XisotermaladelocalLongitudpalancaladeopuestoBrazofasedePorcentaje = [25]
Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier regin bifsica de un
diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el clculo de la
regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha
fase presente).
De esta manera la fraccin o porcentaje de fase slida ser:
100% XCCCCsolidafasede
al
ml
= [26]
Y la fraccin o porcentaje de fase liquida ser:
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100% XCCCCliquidafasede
al
am
= [27]
Hay que tener cuidado al seleccionar el brazo de la palanca para el numerador de
la formula, ya siempre es el lado opuesto a la fase que se calcula.
Ejemplo: Una aleacin de cobre nquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y est a
1.300 C.
(a)Cul es el porcentaje en peso de cobre y nquel en las fases slida y lquida a
esta temperatura?
(b)Qu porcentaje en peso de la aleacin es lquida, y qu porcentaje es slida?
SOLUCION:
a) Para desarrollar el ejercicio se debe usar el diagrama de la figura 55 y trazar la
lnea correspondiente a la aleacin 47% en peso de Cu y 53% de Ni, y la
correspondiente isoterma a 1.300 C., es posible determinar el porcentaje en peso
de cobre y nquel en las fases slida y lquida a esta temperatura.
% Cu en fase lquida: 55% Cu aprox. + 45 % Ni aprox.
% Cu en fase slida: 4O% Cu aprox. + 60 % Ni aprox.
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Figura 5. Diagrama Cu-Ni para el ejemplo
b) Para determinar que porcentaje en peso de la aleacin es lquida, y que
porcentaje es slida se realiza la regla de la palanca usando los resultados
anteriores.
100% XCCCCliquidafasede
al
am
=
%66.4610045605360% =
= Xliquidafasede
100% XCCCCsolidafasede
al
ml
=
33.5310045604553% =
= Xsolidafasede 5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial Este diagrama tambien recibe el nombre de diagrama de fases eutecticas, debido
al nombre de la reaccin que se produce. Se presenta en muchos sistemas de
aleaciones en donde se presenta solubilidad limitada. Las caractersticas de este
diagrama que se muestra en la figura 56 son:
Existe una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una nica temperatura como un elemento puro, denominandose a este punto,
punto eutctico.
Presenta una lnea de liquidus, por encima de la cual todas las aleaciones posibles se encuentran en estado liquido
Presentan una temperatura eutctica o lnea eutctica, la cual es la temperatura ms baja a la cual el lquido puede existir.
Posee dos regiones de solubilidad slida restringida, las cuales se designan con letras griegas y que reciben el nombre de soluciones solidas terminales
y . La fase , es una fase rica en el elemento A, puesto que se
encuentra mas cerca a este y la fase s una fase rica en el elemento B.
Posee una reaccin eutctica, que es la reaccin que ocurre durante el enfriamiento de la composicin eutctica en la cual la fase liquida se
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transforma en do formas slidas diferentes ( y ), esta reaccin ocurre en
el punto eutctico.
Presenta dos regiones bifsicas: o + lquido = regin bifsica ( slido y lquido)
+ = regin bifsica (mezcla slida)
Figura 6. Diagrama de solubilidad parcial fuente [Fuente: UNCOMA, 2008]
La secuencia de transformacin de fases de la reaccin eutctica se muestra en la
figura 57, en esta se parte de la aleacin cuando esta es totalmente liquida
(fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la lnea o
temperatura eutctica donde se inicia la formacin de ncleos, que al seguir
descendiendo la temperatura y estar por debajo de la temperatura eutctica
comenzaran a crecer y formaran granos. En este paso ya el material se encuentra
en estado slido formado por tomos de las fases y slidas. El enfriamiento
deber ser lento para que el proceso se produzca en el equilibrio.
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Figura 7. Esquema de la Reaccin eutctica [Adaptado de: UNCOMA, 2008]
La secuencia de transformacin de fases para una aleacin hipoeutctica, es
decir, aleaciones con composiciones menores a la eutctica se muestra en la
figura 58. En esta se parte de la aleacin cuando esta es totalmente liquida
(fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la
temperatura T1, donde inicia la solidificacin (slido ) en sitios de nucleacin. En
esta zona a medida que desciende la temperatura ira aumentando cada vez mas
la cantidad de slido conformando granos e ir disminuyendo la cantidad de
liquido hasta la lnea o temperatura eutctica donde se inicia la enucleacin de la
composicin eutctica, es decir el liquido contenido en la fase anterior inicia la
reaccin para convertirse en slido y . Al pasar la lnea eutctica los granos de
composicin eutctica continan creciendo y formando granos hasta que
finalmente la aleacin solidifica completamente presentando en su estructura
solido y slido eutctico.
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Figura 8. Transformacin de aleaciones hipoeutcticas [Adaptado de: UNCOMA, 2008]
La transformacin para una aleacin hipereutectoide es algo similar a la hipo, la
diferencia radica en que el material al final de la solidifcacion que es slido y
solido eutctico.
Ejemplo: Para una aleacin de 40% de Sn y 60% de Pb determinar las fases presentes,
composicin de las fases y cantidades de las fases en los puntos
a) Temperatura de 300C
b) Temperatura de 230C
c) Temperatura de 183- T
SOLUCION:
Para realizar este ejemplo se usara el diagrama Pb-Sn mostrado en la figura 59.
a)
Fases presentes = 1
Composicin de las fases = 40% de Sn y 60% de Pb
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Cantidad de fases = 100% liquida
b)
Fases presentes = 2
Composicin de las fases= liquida 48% Sn+52%Pb y alfa 17% de Sn y 83 % de
Pb
Cantidad de fases = (Regla de la palanca)
%2.7410017481740% =
= Xliquidafasede
%80.2510017484048% =
= XSlidafasede c)
Fases presentes = 2
Composicin de las fases= Beta 19% Sn+81%Pb y alfa 97.5% de Sn y 2.5 % de
Pb
Cantidad de fases = (Regla de la palanca)
%08.7310019974097% =
= Xsolidafasede
%92.2610019971940% =
= XSlidafasede
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Figura 9.Diagrama Pb-Sn
5.3.4 Otras reacciones invariantes en los diagramas de fases binarios Como se menciono en los diagramas anteriores existen en estos, reacciones
denominadas invariantes, las cuales tienen lugar a una temperatura y composicin
especifica, como es el caso de la reaccin eutctica. Adems de esta reaccin, en
los diagramas solubilidad total y solubilidad parcial, se pueden encontrarse otras
reacciones invariantes, a saber:
Reaccin eutctica: La fase liquida se transforma en dos fases solidad diferentes como se muestra en la figura 60.
+L [28]
Figura 10. Reaccion eutctica
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Reaccin eutectoide: una fase slida se convierte en dos fases solidas diferentes, como se muestra en la figura 61
+ [29]
Figura 11. Reaccin eutectoide
Reaccin Peritctica: una fase liquida mas solida se convierte en un solido diferente, como se muestra en la figura 62
+L [30]
Figura 12. Reaccin Peritctica
Reaccin Peritectoide: Dos fases slidas se convierte en un solido
diferente, como se muestra en la figura 63
+ [31]
Figura 13. Reaccin Peritectoide
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1 METALES Y ALEACIONES
6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS En los sistemas cristalinos existen cuatro tipos bsicos de celda unidad: sencilla,
centrado en el cuerpo, centrado en las caras y hexagonal compacta.; de los cuales
los tres ltimos son los mas importantes para el caso de los metales. Polimorfismo
o Alotropa se define como aquel material que presenta diversas estructuras
cristalinas a diferentes temperaturas: Ejemplo: acero y el cermico PSZ
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6.1.1 Estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (BCC) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los tomos (representados como
esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vrtices del cubo y uno
ms se encuentra en el centro de la celda (figura 64). Para esta celda el nmero
de coordinacin es ocho (8), debido a que este termino define a la cantidad de
tomos vecinos mas cercanos a uno en particular (alrededor).
Figura 14.Celda BCC
La cantidad de tomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el
equivalente de 2 tomos. Un tomo completo localizado en el centro de la celda
unidad, y un octavo de esfera en cada vrtice de la celda, haciendo el equivalente
de otro tomo. En consecuencia, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los
vrtices) = 2 tomos por celda unidad.
Para esta celda los tomos se encuentran unidos a travs de la diagonal que se
muestra en la figura 65, pudiendo relacionarse la longitud de la cara del cubo (a0)
con el radio atmico (r) de la siguiente manera:
34
0ra = [4]
Figura 15. Relacin entre constante de red (a0) y el radio atmico (r)
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A esta celda tambin es posible determinar el Factor de Empaquetamiento
Atmico (APF), el cual indica que fraccin de la celda esta ocupado por los
tomos, se calcula de la siguiente manera:
celdaladeVolumenBCCceldalaenatomosdeVolumenAPF = [5]
3
3 )34)(2(
a
RatomosAPF
= , pero como
34Ra = ,
Entonces, 68.0=APFLuego el 68% del volumen de la celda esta ocupado por tomos, el 33% restante
es espacio vacio. Algunos metales con estructura BCC son: Cromo, hierro,
vanadio.
6.1.2 Estructura cristalina cbica centrada en las caras (FCC) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los tomos (representados como
esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vrtices del cubo y uno en
el centro de cada una de las caras del cubo, como se muestra en la figura 66.
Para esta celda el numero de coordinacin es doce (12).
Figura 16.Celda FCC [Fuente: (Der) I.E.S, 2008]
La cantidad de tomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el
equivalente de 4 tomos. Un octavo de esfera en cada vrtice de la celda,
haciendo el equivalente de un tomo, y medio tomo en cada una de las caras
haciendo 3 tomos. En consecuencia, hay un total de 8 x 1/8 (en los vrtices) + 6 x
= 4 tomos por celda unidad.
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Para esta celda los tomos se encuentra unidos a travs de la diagonal de las
caras como se muestra en la figura 67, pudiendo relacionarse la longitud de la
cara del cubo (a0) con el radio atomico (r) de la siguiente manera:
24
0ra = [6]
Figura 17. Relacin entre constante de red (a0) y el radio atmico (r)
El Factor de Empaquetamiento Atmico (APF), el cual indica que fraccin de la
celda esta ocupado por los tomos, para esta celda es 0.74 (74%). Comparando
con el valor de la celda BCC, en esta los tomos se encuentran ms unidos
(dejan menos espacio vaco). Algunos metales con estructura FCC son: Aluminio
hierro, cobre.
6.1.3 Estructura cristalina Hexagonal compacta (HCP) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los tomos se encuentran
localizados en la capa superior, en la capa inferior y tres en el centro de la celda,
como se muestra en la figura 68. Para esta celda el numero de coordinacin es
doce (12).
La cantidad de tomos que se encuentra dentro de la celda es el equivalente de 6
tomos. Un sexto de esfera en cada esquina de la capa superior e inferior de la
celda, haciendo el equivalente de dos tomos, tres tomos en el centro y medio
tomo en cada una de las capas haciendo 2 tomos. En consecuencia, hay un
total de 6 x 1/6 (en la capa superior) + 6 x 1/6 (en la capa inferior) + 3 (en el
centro)+ 2 x = 6 tomos por celda unidad.
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Figura 18. Celda HCP [Fuente: I.E.S, 2008]
El Factor de Empaquetamiento Atmico (APF), para esta celda es 0.74 (74%).
Algunos metales con estructura HCP son: Cadmio, Zinc, titanio.
6.2 SOLIDIFICACION EN METALES
La gran mayora de metales para poder generar productos requieren de un
proceso de extraccin (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un
molde en el cual este se enfra y solidifica. Este proceso de solidifacin es
diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleacin, como ser
explicado mas adelante.
En la solidificacin de un material existe una etapa llamada nucleacin (formacin
de ncleos en el metal lquido). Este tipo de nucleacion puede ser homognea o
heterognea.
6.2.1 Nucleacion homognea Consiste en que el metal liquido fundido proporciona por si mismo los tomos para
formar ncleos. Este proceso se divide como se muestra en la figura 69 en:
Generacin de ncleos: Es la agrupacin de tomos a partir de pequeos movimientos de estos.
Generacin de cristales: En este paso algunos ncleos se generan y se disuelven mientras exista suficiente lquido, otros continan creciendo hasta
formar los cristales.
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Creacin de lmites de grano: Al continuar el proceso de enfriamiento, algunos ncleos crecen y se reorientan para convertirse en granos, los
cuales crearan una frontera llamada lmite de grano.
Figura 19. Nucleacin homognea
6.2.2 Nucleacin heterognea Este tipo de nucleacin se produce en el metal lquido sobre las paredes del
molde al usar un agente insoluble; es decir sin refinadores de grano. Esta
nucleacin difiere si el caos es un metal puro o una aleacin.
El proceso de solidificacin de un metal puro se caracteriza porque solidifica a
temperatura constante (Tm), estos puntos son conocidos por medio de tablas.
El proceso que ocurre en el molde es el siguiente (figura 70):
Generacin de una capa delgada producto del rpido enfriamiento en las paredes al vaciar el liquido en el molde
El espesor de esta pelcula aumenta generndose una costra En las costras que se forman, los granos son equiaxiales, finos y orientados
aleatoriamente producto del rpido enfriamiento
Se sigue introduciendo metal fundido y se generan granos columna res, debido a que se enfran perpendiculares a la costra y las paredes del
molde, este proceso recibe el nombre de crecimiento dendrtico
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Figura 20.Estructura caracterstica de un metal puro solidificado [Fuente: Groover ,2007]
Las aleaciones generalmente no poseen una temperatura nica de solidificacin
sino un rango de temperaturas, este rango depende de la aleacin y composicin
particular. El proceso que se ilustra en la figura 71 consiste en:
Al igual que el metal puro se vierte el material fundido y se forma una capa fina
Luego se forma granos columnares o dendritas como en el metal puro, similar al paso del metal puro.
Como es una aleacin y por lo tanto dos puntos de fusin de los elementos de la aleacin diferentes, se genera una zona donde existe slido con islas
de liquido (zona blanda). Esta zona puede ser ancha o angosta en la
aleacin por las siguientes razones: 1) Diferencia alta de temperatura entre
liquidus y solidus 2) Lenta transferencia de calor del metal fundido hacia
fuera del molde
Figura 21.Estructura caracterstica de una aleacin solidificada [Fuente: Groover ,2007]
6.3 SOLUCIONES SLIDAS METALICAS
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Como se menciono anteriormente muchos de los materiales que se usan
industrialmente no son totalmente puros (ejemplo el cobre en cables elctricos), la
gran mayora se usan como aleaciones para mejorar ciertas propiedades como
resistencia a tensin, dureza, etc. Dentro de los diferentes tipos de aleaciones, el
tipo ms simple de aleaciones es la Solucin Slida. Esta se define como una
aleacin formada por dos o ms partculas distribuidas dentro de una fase nica.
Existen dos tipos de soluciones slidas: sustitucional e intersticial
Solucin slida sustitucional: Este tipo de soluciones consta de dos elementos o partculas en los cuales uno de los elementos (disolvente)
sustituye en las posiciones a otros tomos de soluto.
La estructura cristalina del elemento progenitor o disolvente permanece
inalterada, pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a la
presencia de tomos de soluto (figura 72)
Figura 22. Solucin slida sustitucional [Adaptado de: Smith, 2004
Existen ciertas condiciones que facilitan este tipo de solucin:
La diferencia entre los dimetros atmicos debe ser menor que el 15% La estructura cristalina debe ser la misma No debe haber mucha diferencia entre las electronegatividades Los elementos deben tener la misma valencia
Solucin slida Intersticial: En este tipo de solucin los tomos de soluto encajan en los espacios que hay entre los tomos de disolvente. Estos
-
89
huecos son llamados intersticios (figura 73). Se forma debido a que hay
gran diferencia entre los dimetros atmicos. Estos tomos de soluto
(pequeos) pueden ser de Nitrgeno, carbono, hidrogeno y oxigeno.
Figura 23. Solucin slida intersticial [Adaptado de: Smith, 2004]
En el campo de la ingeniera, una de las aleaciones metlicas ms importante es
el acero. Esta es una aleacin producto de la unin del hierro, quien junto con una
pequea proporcin de carbono, proporcionan al acero diversas propiedades
especiales tales como dureza, resistencia y ductilidad entre otras.
El hierro es un metal alotrpico, quiere decir que posee diferentes estructuras
reticulares dependiendo de la temperatura a la que sea sometido. Tcnicamente
se considera hierro puro a aquel material con menos de 0.008% de carbono, este
es un metal blanco azulado, dctil y maleable que permite ser forjado y moldeado.
En la figura 74, se muestra una parte del diagrama binario importante en
ingeniera, el diagrama hierro-carbono o como es comnmente llamado hierro -
Fe3C, debido a que esta parte del diagrama (entre 0 y 6.67%C), es la que reviste
gran importancia tecnolgica ya que en esta porcin se pueden encontrar los
diferentes aceros y fundiciones. El extremo que no se muestra en le diagrama rico
en carbono no es estudiado debido a que un material rico en carbono es muy
duro, pero extremadamente frgil.
-
90
Figura 24. Diagrama Fe-Fe3C
En este diagrama las aleaciones que contienen hasta un 2% de carbono
constituyen los aceros y las aleaciones que contienen mayor porcentaje de
carbono se denominan fundiciones. El carbono puede presentarse en este
diagrama en tres formas distintas a saber:
Como una solucin slida intersticial (explicado anteriormente) Combinado con el hierro para formar un compuesto nter metlico
denominado cementita Fe3C
Como carbono libre o grafito
En el diagrama hierro Fe3C, se puede apreciar las diferentes transformaciones
alotrpicas del hierro:
Ferrita o hierro : Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cbica centrada en el cuerpo BCC. Posee una
estructura cbica centrada en el cuerpo. Existe entre temperaturas de
1934C y 1538C, la mxima solubilidad de carbono es de 0.09% a 1495C
Austenita o hierro : Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cbica centrada en las caras FCC. Existe en el
rango de temperaturas entre 727C y 1495C. la mxima solubilidad de
-
91
carbono es 2.1% 1.148C y la mnima solubilidad es de 0.77 a 727C.
(figura 75)
Figura 25. Acero AISI 1010, en estado templado, austenizado a 800C, y enfriado en agua. En 100X y 1000X (aumentos)
Ferrita o hierro : Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cbica centrada en el cuerpo BCC. Existe por debajo de
los 912C y la mxima solubilidad del carbono es 0.0218% a 727C, la
mnima solubilidad. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la
traccin de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.Tiene una
dureza de 300 Brinell, una resistencia a la traccin de 100 kg/mm2 y un
alargamiento del 30 %. Posee constante de red (arista del cubo) menor que
la ferrita o hierro . (figura 76)
Figura 26. Acero W1 Normalizado a 1000x (izq.) y Acero 1010. En estado de entrega a 100x
-
92
Otro constituyente metlico que puede presentarse en los aceros es la cementita o
carburo de hierro Fe3C (figura 76), contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el
micro constituyente ms duro y frgil de los aceros al carbono y no presenta
solubilidad, alcanza una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red
ortorrmbica. Esta aparece en las estructuras metalogrficas en las formas
siguientes:
Cementita proeutectoide, ocurre en aceros hipereutectoides formando una red que envuelve los granos perliticos
Componente de la perlita, al suceder la reaccin eutectoide. La perlita (figura 76) es otro tipo de estructura de tipo laminar de y Fe3C, la cual es un micro constituyente del acero. Esta compuesta por el 88 % de ferrita y 12 %
de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la
traccin de 80 kg/mm2 La perlita aparece en general en el enfriamiento lento a l
producirse la reaccin eutectoide, es decir la transformacin de la austenita 727C
En el diagrama, Fe- Fe3C se encuentran tres lneas horizontales que indican
reacciones isotrmicas o tres reacciones invariantes estas son (figura 74):
Reaccin Peritctica: Esta reaccin ocurre con un porcentaje de 0.53% de carbono ya una temperatura de 1465C (lnea isoterma). Dicha reaccin
responde a la ecuacin:
+L [32] Reaccin Eutctica: Esta reaccin ocurre en el punto eutctico con un
porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148C (lnea
isoterma). Cuando una determinada aleacin cruce esta lnea, la parte
lquida que la compone debe solidificar formndose austenita y carburo de
hierro o cementita. Esta mezcla eutctica, recibe el nombre de ledeburita,
Dicha reaccin responde a la ecuacin:
CFeL 3+ [33] Reaccin Eutectoide: Esta reaccin ocurre en el punto eutctico con un
porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148C (lnea
isoterma). Cualquier porcin de austenita presente se transformar en una
-
93
fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. Dicha reaccin
responde a la ecuacin:
CFeferrita 3+ [34]
Una primera clasificacin que se hace de los aceros es de acuerdo al contenido de
carbono; esto es, los aceros con contenido de carbono por debajo de 0.77%C se
denominan aceros hipoeutectoides, los aceros Eutectotides son los que tienen
0.77% de carbonos y los aceros hipereutectoides son los que tiene contenido de
carbono por encima de 0.77% hasta 2%C.
La micro estructura de un acero hipoeutectoide se caracteriza por estar formada a
temperatura ambiente por ferrita+ perlita. Como se muestra en la figura 77, las
zonas negras corresponden a perlita embebida en zonas blancas corresponden a
granos de ferrita (matriz)
Figura 27. Microestructura de un acero hipoeutectoide
Para un acero eutectoide la microestructura es fcil de entender debido a que
ocurre alga similar al proceso de reaccin eutectoide. La aleacin por encima de
723C tiene una estructura austenitica y al pasar por debajo de esta se transforma
en perlita (ferrita+cementita) hasta la temperatura ambiente como se muestra en la
figura 78
-
94
Figura 28. Microestructura de un acero eutectoide
Por ultimo los aceros hipereutectoides presentan un micro estructura constituida
por granos de perlita rodeados de cementita. Aunque en el diagrama estos pueden
llegar hasta el 2% de carbono, en la realidad son escasos los que sobrepasan el
1.5%C. (Figura 79)
Figura 29. Microestructura de un acero Hipereutectoide
Los pasos que se llevan a cabo en una aleacin hipoeutecotide e hipereutecoide
se muestran en la figura 80. Para los aceros hipo, por arriba de 800C para este
caso el acero posee una estructura austenitica, al descender la temperatura hasta
por debajo de los 750C ferrita empieza a nuclear y crece, por lo general alrededor
de los granos de austenita. La ferrita primaria o proeutectoide como se le llama por
haberse formado antes de la temperatura eutctoide (727C) sigue creciendo hasta
llegar a 727C donde la austenita que se traa se transforma en perlita (ferrita
eutectoide+cementita).
-
95
Figura 30. Evolucin microestructural de los aceros Hipo e hipereutectoides. [Fuente:
Askeland, 2003] El proceso que se lleva a cabo en un acero hipereutectoide (figura 80) es algo
similar, parte tambin del enfriamiento desde la zona autenitica, al iniciar el
proceso de enfriamiento empiezan a nuclear y crecer cementita (Fe3C)
proetutectoide alrededor de los granos de austenita (). Luego la austenita se
enfra a travs de la reaccin eutectotide, terminando a temperatura ambiente una
estructura de granos de perlita (ferrita +cementita eutectoide) rodeados por una
matriz de cementita proeutectoide
Realizar el siguiente ejemplo: Un acero de 0.4%C se somete a un enfriamiento lento desde 940C. (a) A
temperatura de 727+T, calcular el % en peso de austenita y el % en peso de
ferrita. (b) A temperatura de 727-T, calcular el % en peso de ferrita proeutectoide,
el % en peso de ferrita eutectoide y % en peso de cementita
6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO El proceso de fabricacin del acero inicia con las materias primas, dentro de las
cuales la mas importante es el mineral de hierro o bien chatarra frrea, segn el
proceso que se use para fundirlo, ya que en el proceso a base de mineral de
hierro se utiliza un alto horno y en el proceso con la chatarra frrea se usa un
-
96
horno de arco elctrico. Los principales minerales de los que se extrae el hierro
son:
Hematita (mena roja) 70%, de hierroMagnetita (mena negra) 72.4%, de
hierroSiderita (mena caf pobre)48.3% de hierro y Limonita (mena caf) 60-65%
de hierro.
En resumen los cuatro elementos necesarios parta la produccin del acero son:
Mineral de hierro Coque Piedra caliza Aire
El coque es un combustible de alto carbono que se produce al calentar durante
varias horas un carbn bituminoso en una atmsfera escasa de oxigeno, para
luego rociarles agua a travs de torres de enfriamiento especiales, generndose
un carbn rico en carbono destilado y es extremadamente combustible El coque
tiene como objetivos suministrar el calor para la reaccin y producir monxido de
carbono (CO) para reducir el mineral de hierro.
La piedra caliza es una piedra que contiene carbonato de calcio. Esta tiene como
objetivo en el proceso actuar como fundente para que reaccione con la mezcla en
la formacin de una escoria que recoja, durante los procesos de fusin y afino, los
elementos que se introducen con la carga que pueden ser perjudiciales para el
acero final, dejando el bao limpio de impurezas.
A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les preparan antes de introducirse al
alto horno, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado para que tengan
la calidad, el tamao y la temperatura adecuada,
Para iniciar el proceso se coloca una carga de mineral, coque y caliza dentro del
alto horno, esta se carga o se introduce por la parte superior por medio de
vagones que son volteados en una tolva. En general los altos hornos tienen un
-
97
dimetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Estn
revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre
800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h.
Luego del proceso en el alto horno se produce hierro fundido o arrabio como es
ampliamente conocido, este es un hierro de poca calidad, su contenido de carbn
no est controlado y la cantidad de azufre rebasa los mnimos permitidos en los
hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la
fusin primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales
proceden.
La escoria o impurezas del proceso, flotan en la superficie del arrabio, por ser
menos densa y puede utilizarse en otras aplicaciones industriales, por ejemplo
para la construccin de carreteras o en la produccin de cemento. Estos son
recolectados a travs de carros cucharas de hierro caliente para llevarlos a
procesos posteriores
Luego se lleva a cabo un proceso de refinacin del hierro, para obtener acero; los
hornos que se usa actualmente es el horno de oxigeno bsico (BOF) y el
elctrico, lo que se genera de estos es acero al carbono. El objetivo de este horno
es inyectar suficiente oxigeno para oxidar el carbono e impurezas como el silicio,
manganeso y fsforo. Durante este proceso el contenido de carbono en el hierro
disminuye (control de carbono). Luego de refinarlo se agregan elementos de
aleacin, si lo que se quiere fabricar es un acero aleado. A continuacin se lleva a
cabo la colada y luego pasara por trenes de laminacin para fabricar los
productos.
La secuencia del proceso de fabricacin del acero a partir de mineral de hierro se
muestra en la figura 81.
-
98
Figura 31. Secuencia de Fabricacin del acero a partir de mineral de hierro [Fuente: Arcelor,
2008]
-
99
Para la elaboracin del acero a partir de chatarras seleccionadas, estas se
mezclan con ferroaleaciones para obtener la composicin y especificacin
deseada. La calidad de la chatarra depende de tres factores:
De su facilidad para ser cargada en el horno De su comportamiento de fusin (densidad de la chatarra, tamao, espesor,
forma, etc.)
De su composicin, siendo fundamental la presencia de elementos residuales que sean difciles de eliminar en el proceso del horno
Como se menciono, la chatarra puede provenir de diferentes piezas o
componentes metlicos, esta se puede clasificar en tres grupos:
Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la propia fbrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad
Chatarra de transformacin: producida durante la fabricacin de piezas y componentes de acero (virutas de mquinas herramientas, recortes de
prensas y guillotinas, etc.)
Chatarra de recuperacin: suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acera y procede del desguace de edificios con estructura de
acero, plantas industriales, barcos, automviles, electrodomsticos, etc.
La secuencia del proceso de fabricacin del acero a partir de chatarra
seleccionada se muestra en la figura 82
-
100
Figura 32. Fabricacin del acero a partir de chatarra seleccionada [Fuente: IPAC, 2008]
Link Flash Proceso de fabricacin del acero, aplicaciones y reciclaje http://www.apta.com.es/otua/otua2004.swf
6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIN Como se observo en el flash anterior, para la fabricacin de productos
comerciales de acero (alambron, perfiles, barras, bobinas, etc.), se hace necesario
el uso de un tren de laminacin o rodillos laminadores, los cuales van a permitir
darle las formas comerciales del acero. Estos procesos de laminacin, forja,
extrusin, requieren temperaturas para llevar a cabo su objetivo. Debido a la
-
101
temperatura los procesos se pueden clasificar en tres tipos: trabajo en fro, trabajo
en caliente y Trabajo en tibio
6.5.1 Trabajo en Fro Es el formado del metal que se realiza a temperatura ambiente o ligeramente por
encima
-
102
Son posibles trabajos un poco ms complejos que los que se pueden realizar en el trabajo en fro.
6.5.3 Trabajo en Caliente Son los trabajos realizados por encima de la temperatura de recristalizacin del
metal. 0.5 y 0.75 Temperatura de fusin del metal Ventajas:
La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayora de los lingotes fundidos contienen muchas pequeas sopladuras. Estas son
prensadas y a la vez eliminadas por la alta presin de trabajo.
Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a travs del metal.
Existe menos potencia para deformar el material, pero mucha ms deformacin plstica que en fro y en tibio, es decir hay mayor ductilidad.
La propiedad de resistencia es isotrpica, no hay direccin de los granos
6.6 ACEROS Como se mencion anteriormente, el acero es una aleacin cristalizada de hierro,
carbono y otros elementos (elementos aleantes) que se endurece cuando se le
enfra despus de estar arriba del punto de fusin.
Existen diversas maneras de clasificar el acero, un a de las ms comunes, es
hacerlo por su composicin qumica:
6.6.1 Aceros al carbono Se trata del tipo bsico de acero que contiene menos del 3% de elementos que no
son hierro ni carbono, debido a que tambin contienen impurezas como fsforo,
azufre, silicio.
Dentro de este grupo se encuentran
De bajo carbono: (Contienen menos de 0.3%) Son usados en alambre, perfiles, tornillos, tuercas y pernos
-
103
De medio carbono: (Contienen entre 0.3% a 0.7%) Son usados en carriles, ejes, engranajes y partes que requieran alta resistencia y
dureza moderada.
De alto carbono: (Contienen mas de 0.7%) Son usados en herramientas de corte: brocas, machuelos y herramientas de
resistencia a la abrasin
Estos aceros contienen bsicamente hierro y carbono. Se designan segn la AISI
(American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of automotive Enginners) por 4
dgitos 10XX, donde los dos primeros indican que el Acero es al carbono y los dos
ltimos el contenido de carbono en centsimos de porcentaje. Por ejemplo: El
acero 1040, es un acero de medio contenido de carbono con 0.4%C. Las
composiciones, propiedades mecanicas y aplicaciones de algunos aceros al
carbono AISI -SAE se muestran en la tabla 6.
Tabla 1. Composicion, propiedades mecanicas y aplicaciones tipicas de aceros al carbono
[Fuente: Smith, 2004]
-
104
6.6.2 Aceros de aleacin Son los aceros que contienen otro metal que fue aadido intencionalmente con el
fin de mejorar ciertas propiedades del metal. Los elementos principales de
aleacin asi como su porcentaje se muestran en la tabla 7. Dentro de este grupo
se encuentran:
De baja aleacin: Son aquellos en los que los elementos especiales de aleacin suman menos del 8%
De alta aleacin: Son aquellos en los que los elementos especiales de aleacin suman ms del 8%.
Tabla 2. Aceros aleados con sus elementos principales de aleacin
[Fuente: Smith, 2004]
Se usan principalmente donde se requiere mucha resistencia a tensin, y en
general donde se requieran propiedades que los aceros ordinarios al carbono no
proporcionan como: construccin y motores.
Entre las caractersticas que se atribuyen aunque no en su totalidad estn:
Son mas dctiles que los aceros al carbono, sin disminuir la resistencia a la tensin
Facilidad para ser endurecido o templados por enfriamiento brusco en aceite o agua (templabilidad)
-
105
Baja susceptibilidad al desgaste y a la corrosin Se pueden obtener herramientas que realicen trabajos muy forzados y que
no pierdan dureza al calentarse
Se pueden obtener piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior
Se designan por 4 dgitos XXXX, donde los dos primeros indican el o los
elemento(s) principal(es) o grupo al que pertenecen y los dos ltimos el contenido
de carbono en centsimos de porcentaje. Por ejemplo: el acero 4140, segn tablas
AISI es una acero aleado con Mn y Cr y contiene 0.4%C, el acero 5160, segn
tablas AISI es una acero aleado con Mn y contiene 0.6%C. La tabla 8,
proporciona informacin referente a las propiedades mecanicas y aplicaciones de
estos aceros
-
106
Tabla 3. Composicin, propiedades mecnicas y aplicaciones tipicas de aceros aleados
[Fuente: Smith, 2004]
6.6.3 Aceros inoxidables Son aceros cuya caracterstica es la resistencia a la corrosin. La resistencia es
debida principalmente al alto contenido de cromo, que es ms de 12% y en
-
107
algunos de nquel. Son ms costosos que los aceros al carbono y aleados y se
clasifican como:
Aceros Inoxidables Austenticos: La composicin qumica tpica 18% Cr y 8% Ni. Son los ms resistentes a la corrosin de los tres grupos. Debido a
su composicin se les denomina como aceros 18-8.dentro de sus
aplicaciones se encuentran: Recipientes a presin, equipos de procesos
qumicos y alimenticios. Se designan como 3XX. Por ejemplo 304 y 316.
Aceros Inoxidables ferrticos: La composicin qumica tpica 15-20% Cr, bajo carbono y nada de nquel. Son menos resistentes a la corrosin y
menos dctiles que los austenticos. Usos: Utensilios de cocina, materiales
de construccin, aplicaciones de alta temperatura. Se designan como 4XX.
Por ejemplo: 409, 430 y 434
Aceros Inoxidables Martensticos: La composicin qumica tpica 18% Cr, mas carbono que los ferriticos. Son fuertes a la fatiga pero menos
resistentes a la corrosin como los otros grupos austenticos. Usos:
Instrumental quirrgico, cuchillera. Se designan como 4XX: Todos los
aceros se designan por tres nmeros. El primero indica el tipo general y los
dos ltimo dan el grado especfico dentro del grupo. 410 y 420. La
composicin quimica y propiedades ms comunes de estos aceros se
ilustran en la tabla 9.
-
108
Tabla 4. Composicin y propiedades mecnicas tipicas de algunos aceros inoxidables
[Fuente: Kalpakjian, 2008]
6.6.4 Aceros para herramientas Son aceros que se caracterizan por ser usados normalmente para la fabricacin
de tiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamao y dimensiones de
los materiales por cortadura, por presin o por arranque de viruta. Poseen buena
dureza, resistencia a la abrasin, al desgaste, al trabajo en fro y en caliente,
tenacidad al impacto. Se designan por una letra seguida de un nmero; la letra
identifica el grupo y el nmero el grado especfico dentro del grupo. Se clasifican
como:
T, M. Aceros de herramienta de alta velocidad: Este tipo es el ms aleado de los aceros para herramienta, contienen normalmente grandes
cantidades de tungsteno o molibdeno junto con cromo, vanadio y a veces
cobalto. El contenido de carbono vara entre 0,7 y 1%, aunque en algunos
pueden llegar a valer hasta un 1,5%. Presentan una dureza en caliente
excelente y una resistencia al choque bastante buena. Entre sus cualidades
tenemos buena indeformabilidad, buena resistencia al desgaste,
maquinabilidad regular, y una resistencia a la descarburacin entre regular
y baja, pudiendo templarse en aceite, al aire o en sales fundidas.
-
109
Los aceros rpidos se pueden clasificar en dos grupos: aceros con
molibdeno (grupo M) y aceros con tungsteno (grupo T). Su uso
generalmente son herramientas de corte.
H. Aceros de herramienta para trabajo en caliente: Este grupo se caracteriza por su buena tenacidad debida a su bajo contenido en carbono,
por su dureza en caliente que va de buena en unos a excelente en otros, y
por una resistencia y maquinabilidad regulares se emplean para dados de
trabajo en caliente en forja, extrusin, fundicin.
O. Aceros de herramienta para trabajo en fro: este grupo de aceros de temple en aceite (grupo O), contienen manganeso y cantidades menores de
cromo y tungsteno. Dentro de sus caractersticas se destacan: buena
resistencia al desgaste, maquinabilidad y resistencia a la descarburacin; la
tenacidad es solo regular y su dureza en caliente: sus usos comunes son:
dados de trabajo en fro en forja, extrusin, laminado, estirado, fabricacin
de terrajas, rodillos de laminar roscas, herramientas de forma y
escariadores expansivos.
W. Aceros de herramienta endurecibles en agua: Se caracterizan por presentar alto contenido de carbono, son endurecibles por tratamiento
trmico. Su uso es a temperaturas bajas, en los martillos, martillos
neumticos, y troqueles.
S. Aceros de herramienta de resistencia al choque: Estos aceros son generalmente bajos en carbono, con porcentajes comprendidos entre 0,45 y
0,65%, siendo los principales elementos de aleacin utilizados el silicio, el
cromo, el tungsteno y algunas veces el molibdeno o el nquel. Se usan
donde se requiere alta tenacidad como en las cuchillas de cizalla para
cortar metales, en la fabricacin de matrices de estampar, punzones,
cinceles.
P. Aceros de herramienta para molde: Se usan generalmente para fabricar moldes de plsticos y hule
-
110
En la tabla 10 y 11 se mencionan los diferentes tipos de aceros para herramientas
identificando el prefijo, composcion, dureza en HRC y carateristicas de servicio
respectivos.
Tabla 5. Identificacin AISI de aceros para herramienta con sus respectivos valores de
dureza [Fuente: Kalpakjian, 2008]
Tabla 6. Caracteristicas de procesamiento y servicio de aceros para herramientas comunes
[Fuente: Kalpakjian, 2008]
-
111
6.7 TRATAMIENTOS TERMICOS
Son cambios en la estructura del material producto de calentamiento a diferentes
temperaturas y enfriamiento en diferentes medios (aire, agua, aceite, etc). Los
tratamientos trmicos, son procesos que as como modifican la micro estructura
del material, conllevan a una modificacin de sus propiedades mecnicas; estos
no son exclusivos de los metales, tambin se realizan a los vidrios y cermicos.
Los principales tratamientos trmicos son: recocido, temple, revenido,
normalizado, endurecimiento por precipitacin y endurecimiento superficial.
Los tratamientos trmicos, pueden aplicarse a un material en cualquier etapa del
proceso de fabricacin, por ejemplo antes de ejecutar el procesos de deformacin
volumtrica como la forja y la extrusin (para disminuir tensiones internas),
durante el proceso de formado (con el fin de aumentar la ductilidad del material), al
final del proceso de manufactura (para aumentar propiedades como dureza y
resistencia por ejemplo).
6.7.1 Recocido Es un tratamiento el cual se aplica a los metales cuando se han trabajado en fro
ya que su objetivo es eliminar los defectos de este proceso. Consiste en calentar
el metal a una temperatura adecuada, en la cual se mantiene por un cierto tiempo
(recalentamiento) y despus se enfra lentamente. Dentro de los fines del tratamiento de recocido se encuentran:
Eliminar los esfuerzos residuales que se producen en el trabajo en fro Reducir la dureza y fragilidad proveniente generalmente del trabajo en fro. Recristalizar (regeneracin de granos) los metales trabajo en fro
(endurecidos por deformacin)
Refinar la estructura del grano
Cuando los metales y especialmente el acero procede de un proceso de
deformacin o trabajo en fro, como se menciono anteriormente, lo granos quedan
-
112
en forma alargada con exceso de dislocaciones y otros defectos. Para devolver
esta estructura del material a condiciones normales (sin defectos), se lleva a cabo
el recocido, en el cual se distinguen tres etapas que se muestran en la figura 83:
Recuperacin: Es la etapa ms sutil del recocido. Esta consiste en calentar el material hasta un rango de temperatura, pero por debajo de la
temperatura de recristalizacion donde se produce una relajacin e incluso
eliminacin de esfuerzos internos. Durante esta etapa el calentamiento, se
proporciona al material la energa necesaria para permitir el reordenamiento
atmico de las dislocaciones. Durante esta etapa del proceso la resistencia
se reduce, pero aumenta la ductilidad (figura 83).
Recristalizacion: Esta ocurre cuando el material se calienta a una temperatura mas alta que la de recuperacin, en esta etapa entonces se
nuclear nuevos granos libres de deformacin, se eliminan totalmente las
dislocaciones y los granos inician una etapa de crecimiento. Como eliminan
las dislocaciones, el efecto sobre las propiedades, es reduccin en la
resistencia y aumento en la ductilidad. (figura 83). Existen ciertos factores que afectan el proceso de recristalizacin en los metales y las aleaciones a saber: El porcentaje de deformacin adquirida
por el material que se desea recristalizar, la temperatura de recristalizacin
disminuye cuando aumenta la cantidad de trabajo en fro, el tiempo, el
tamao de grano y la composicin del metal. A la temperatura a la cual se
inicia la formacin de nuevos granos se denomina temperatura de
recristalizacin. Esta no es una temperatura nica, sino que depende de los
factores anteriores.
Crecimiento de grano: Si el proceso de recocido se lleva a cabo a una temperatura lo suficientemente alta, la recuperacin y la recristalizacin, se
llevan a cabo rpidamente. En esta ltima etapa del recocido se caracteriza
por el crecimiento de unos granos del matrial a expensas de otros que se
consumen, para generar granos condiciones similares a los que tena el
material antes del proceso de trabajo en fro. (figura 83).
-
113
Figura 33. Etapas del proceso de recocido [Fuente: Smith, 2004]
El recocido total, es un trmino que se asocia con los metales y consiste en
calentamiento del acero hasta la zona austentica seguida de un enfriamiento lento
en el horno para producir una estructura denominada perlita gruesa.
Cuando en el recocido luego de la etapa de recuperacin, los granos adquieren la
forma inicial (equiaxiales) antes de la deformacin en fro se dice que ha ocurrido
la recristalizacin, caso contrario si el proceso de recocido solo permite un retorno
parcial a la estructura del grano se llama recuperacin por recocido.
En el caso de los aceros, para llevar a cabo un recocido total o recocido completo
(recuperacin, recristalizacin, crecimiento de grano), dependiendo si el acero es
hipoeutectoide, este debe calentarse hasta una temperatura de 40C por encima
de la lnea AC3 o si es hipereutectoide la temperatura ser 40 C por encima de la
lnea AC1 como se muestra en la figura 84:
-
114
Figura 34. Rangos de temperatura para recocido y Normalizado [Fuente: Smith, 2004]
6.7.2 Normalizado Es un tratamiento trmico que consiste en calentar el material hasta la zona
austentica y luego dejarla enfriar al aire libre (en reposo). La micro estructura a
temperatura ambiente para los aceros varia. Las caractersticas que proporciona
este tratamiento trmico son:
Proporciona mayor resistencia a la tensin que el recocido Ayuda a refinar la estructura del grano del material Mejora la ductilidad y dureza comparada con el recocido.
Dependiendo si el acero es hipo o hipereutectoide la temperatura ser como se
muestra en la figura 79, de 40 a 55 C por encima de la lnea AC3 y ACm.
6.7.3 Temple Este tratamiento trmico consiste en calentar el acero hasta la zona autentica y
enfriarlo rpidamente en agua, aceite o salmuera (enfriamiento mas rpido) con el
fin de obtener una estructura llamada martensita. Si el enfriamiento desde la zona
austentica hasta la temperatura ambiente se hiciese lento la estructura que se
formara seria la perlita.
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115
La martensita puede tener dos tipos de estructuras cristalinas: una estructura BCC
sobresaturada de carbono o una estructura tetragonal centrada en el cuerpo, el
contenido de carbono es la razn por la cual es dura y frgil, disminuyendo en el
material la ductilidad y la tenacidad. La transformacin de austentica en
martensita posee un rango de temperaturas que se conocen como temperatura
de inicio martenstico, Ms (disminuye a media que aumenta el contenido de
carbono) y temperatura de final martenstico, Mf. (figura 85)
Figura 35. Estructura y temperaturas de la martensita [Fuente: Smith, 2004]
6.7.4 Revenido El tratamiento trmico de revenido consiste en calentar el acero luego de realizar
un temple hasta una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide
(generalmente entre 600C - 727C) con el fin de bajarle al acero la dureza y
fragilidad adquirida en el temple, es decir, hacerlo mas blando y mas dctil. Como
se muestra en la figura 86, el proceso para realizar un revenido requiere primero
que todo el enfriamiento rpido del acero desde la zona austentica
(austenizacin) hasta la temperatura ambiente con el fin de que se forme la
martensita (estructura muy dura y frgil) y no hacerlo lento para que se forme la
perlita (ferrita + cementita), para despus volverlo a calentar con el fin de que la
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116
martensita se transforme en una estructura de partculas de carburo de hierro en
una matriz ferrifica llamada martensita revenida.
Figura 36. Proceso de temple y revenido para un acero al carbono [Fuente: Smith, 2004]
El resultado del revenido puede decirse que es, la precipitacin de partculas muy
finas de carburo de la martensita y la transformacin gradual de la estructura
cristalina BCT a BCC, esta nueva estructura se llama como se menciono:
martensita revenida.
6.7.5 Curva Tiempo Temperatura Transformacin (TTT) Es una forma de entender las diferentes estructuras presentes en los aceros luego
de diferentes enfriamientos en diferentes medios.
La curva se interpreta partiendo de cero en la regin autentica (en un punto por
encima de la temperatura A1) y continua hacia abajo y a la derecha como se
muestra (lnea punteada).
1. Si se realiza un enfriamiento lento como por ejemplo calentarlo y dejarlo en el
horno se puede presentar una estructura perlita fina como en (1) en la figura
87
2. Si se realiza un enfriamiento mas rpido como por ejemplo calentarlo y dejarlo
en el aire se puede presentar una estructura perlita gruesa como en (2) en la
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117
figura 87. Si se realiza un enfriamiento aun mas rpido que se evite la nariz
TTT como por ejemplo: calentarlo y dejarlo en aceite se puede presentar una
estructura bainita + martensita (3)
3. Si se realiza un enfriamiento extremadamente rpido como por ejemplo
calentarlo y dejarlo en agua se puede presentar una estructura martensita (4)
en la figura 87.
Figura 37. Diagrama TTT para un acero al carbono
Con el fin de realizar una explicacin ms detallada de cmo es el uso de la curva
tiempo temperatura transformacin (ttt), se analizara el caso de un acero para
herramientas el tipo W, al cual se le realizaron diferentes tratamientos trmicos,
incluyendo el anlisis de estado entrega, es decir, sin realizarle tratamiento
alguno. En estado entrega este acero proporcion una dureza de 16 HRC
(Rockwell C).
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118
Figura 38. Acero A.I.S.I W1, En estado de entrega, 1000x.
Como se muestra en la figura 88, existen carburos de cementita que son los
glbulos esfricos, se encuentran en una matriz ferrtica esto se concluye porque
el recocido que se le supone le hayan aplicado debi ser muy lento, en la fase de
calentamiento el estado inicial debi ser perlita y cementita ( y aleantes en baja
proporcin) al llegar a temperatura de austenizacin se convirti en austenita y al
sufrir un enfriamiento lento, los carbonos que inicialmente antes del aumento de
temperatura eran perlita se disolvieron y se hayan difundido y haya ayudado a la
formacin de carburos de cementita. Lo anterior se basa en la grafica isotrmica
donde si fue lenta la curva de enfriamiento estar en la zona de Ferrita y cementita
de la curva (figura 89)
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119
Figura 39. Grfica TTT del acero W1 [Fuente: HEAT treaters guide, 1982]
Como se observa en esta figura 90, hay esferas blancas en forma casi esferoidal
que tiene la forma de ser carburos de cementita, y unas zonas menos blancas
que es austenita retenida, la matriz es martensita (acicular) y se notan sus agujas,
existen unas zonas oscuras en forma arborescente que hacen suponer que tiene
pequeas porciones de bainita. La estructura anterior se explica porque se calent
a una temperatura superior a 722C, la cual superando esto ya se ha comenzado
la transformacin a austenita, y luego que se enfro en agua, como se observa en
la micrografa que existen algunos carburos de cementita se puede pensar que la
velocidad de enfriamiento alcanzo pasar la temperatura critica superior de temple,
y por ello se puede encontrar esos carburos. La presencia de austenita retenida se
puede explicar porque en la curva isotrmica que se observa en la figura 89, la
temperatura Ms (comienza la transformacin martenstica esta a 200C
aproximadamente y la Mf (temperatura de fin de transformacin martensita) estar
a una temperatura inferior a la del ambiente y por ello a esa temperatura se
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120
encontrara austenita retenida que no alcanzo a trasformarse en martensita. La
presencia de bainita se explica por la posible no homogeneidad en el proceso de
enfriamiento. Al realizar el temple al acero A.I.S.I. W1 y luego determinar su
dureza se obtuvo una dureza promedio de 64HRC debido a la presencia de
martensita y de los carburos de cementita. A continuacin se muestran los
diferentes valores de microdureza (medidos en escala Knoop) para la matriz y los
carburos despus del tratamiento trmico de temple y revenido (no mostrado en
las grafica TTT) para el acero W1. Los datos de la microdurezas de los carburos
para el acero W1 no se pudieron tomar debido al tamao tan pequeo que poseen
estos antes y despus de revenido. La razn por la cual se presenta una
disminucin de dureza del acero W1 despus del revenido con relacin al
templado es que al hacer el revenido se eliminan las tensiones internas
producidas en el temple, lo cual se ve reflejado en la disminucin de la dureza.
En el acero W1 es posible que se disuelvan un poco los carburos de cementita por
la alta temperatura de revenido por lo cual la dureza del material disminuir.
ACERO TEMPLE REVENIDO Matriz Carburo Matriz Carburo
W1
484 Knoop
443 Knoop
No se tomaron 378 Knoop
372 Knoop
No se tomaron
Figura 40. Acero A.I.S.I. W1, templado, austenizado a una temperatura de 800C, y templado
en agua.
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En la figura 91, se observa perlita en forma de lminas, en una matriz ferrtica, se
alcanza a notar algunos pequeos carburos de cementita. La anterior estructura
se explica porque de acuerdo a la figura 89 del diagrama isotrmico, la velocidad
de enfriamiento en normalizado es mas rpida que la del recocido , es en si una
velocidad media, y se forma perlita no tan fina pero no tan gruesa, y no esta
distribuida uniformemente, los carburos estn en forma esferoidal. La matriz es de
ferrita, y esta en mayor cantidad y por lo diminuto del tamao de los carburos y
poca perlita. El tratamiento trmico de normalizado arrojo una dureza del acero de
40 HRC (Rockwell C)
Figura 41. Acero W1 Normalizado, se austeniz hasta 900C, 1000x
6.7.6 Templabilidad Puede definirse como la propiedad que determina la profundidad y distribucin de
la dureza generada durante el templado de una pieza desde su condicin de
estructura austentica. Esta sirve para determinar la profundidad por debajo de la
superficie templada a la cual el acero se endurece para logar una cierta
penetracin de dureza.
La templabilidad de un acero depende principalmente de: 1) La composicin del
acero, siendo los elementos que influyen mas en la templabilidad el cromo,
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122
molibdeno y el nquel.2) el grosor del grano austenitico 3) La estructura del acero
antes del enfriado.
El ensayo que se realiza industrialmente para determinar la templabilidad de un
acero es el ensayo Jominy de templabilidad (figura 92). Este ensayo consiste en
tomar una probeta del material a ensayar, calentar hasta el punto de austenizacin
por lo menos unos 30 minutos. Despus de transcurrir cierto tiempo, se extrae la
probeta del horno y se coloca en un equipo como el que se muestra en la figura
87, en el cual se le aplica agua a chorro por la parte inferior para que esta empiece
a templarse desde la parte inferior hacia la superior. Una vez se enfra la probeta
se deben hacer dos rectificados, en caras opuestas de la probeta para determinar
el perfil de dureza a lo largo de la probeta.
Los aceros aleados tienen mayor grado de templabilidad porque al enfriarse la
austenita se retarda en trasformarse en perlita y bainita, y la martensita se puede
formar a velocidades lentas de enfriamiento. Los elementos aleantes que tienen el
mayor efecto son el cromo, el manganeso, el molibdeno y el nquel.
Figura 42. Ensayo Jominy de templabilidad [Fuente: HEAT treaters guide, 1982]
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123
6.7.7 Mecanismos de Endurecimiento en materiales ferrosos Existen diferentes mecanismos para endurecer un material metlico, con el fin de
hacer claridad acerca de estos mecanismos, se resumirn brevemente:
Deformacin plstica de los granos cristalinos: Cuando a un material policristalino se somete a tensin, se inicia el deslizamiento en los granos
cuyo sistema de deslizamiento esta orientado mas favorablemente a la
tensin aplicada, otros cristales experimentan una rotacin alrededor del eje
de esfuerzos hacindolos orientar en la direccin favorable de
deslizamiento. A medida que aumenta la deformacin los granos tienden a
alargarse en una direccin preferencial. Si la deformacin continua los
granos pueden llegar a romperse, por lo tanto podra decirse que la
deformacin se produce por la trituracin de los granos existentes, en los
cuales los tomos no ocupan en ella sus verdaderas posiciones, es decir
que existe una acentuada distorsin de la red cristalina.
Lneas de deslizamiento: Mientras se deforma un material elsticamente, ninguna alteracin se observa a escala microscpica ; pero cuando se inicie
la zona plstica, aparecen unas lneas con diversas direcciones que
interrumpen la continuidad de la superficie, a medida que se aumenta la
deformacin van apareciendo nuevas lneas con otras orientaciones que se
cortan con las ya formadas, estos sistemas de lneas corresponden cada
uno a un grano y sus diferentes direcciones corresponden a la orientacin
cristalina de los granos.
Maclaje: La deformacin de cristales no siempre se produce por el mecanismo de dislocaciones, muchos cristales que presentan una red
hexagonal compacta presentan el fenmeno de maclado y se deforman
total o parcialmente formando maclas en los primitivos cristales. Este
mecanismo consiste en el deslizamiento de unos cuantos planos
cristalogrficos sucesivos de un mismo sistema, en el que cada uno se
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124
desliza una magnitud proporcional a su distancia al plano de maclado. Las
maclas se pueden formar durante el crecimiento del cristal o
mecnicamente. (Figura 93)
Figura 43. Maclaje
Transformacin Martenstica: La dureza de la martensita es el resultado de la presencia de carbono en el acero; su estructura tetragonal de cuerpo
centrado tiene dos lados iguales y el otro que es un poco mayor que los
otros dos a causa del carbono retenido, esta distorsin grande de la
estructura cristalina es la causa principal de la elevada dureza de la
martensita. Adems que cuando la austenita de transforma en martensita,
se forman muchos cristales pequeos de martensita con orientaciones
variadas en cada grano de austenita. A esto se aade el hecho de que la
formacin de cada placa de martensita es acompaada por una
deformacin de cizallamiento que deforma plsticamente la matriz que
rodea a la placa y por todas estas razones el movimiento de las
dislocaciones a travs de una estructura martenstica es muy difcil.
6.8 FUNDICIONES O HIERROS FUNDIDOS Las fundiciones son aleaciones ferrosas que contienen entre el 2 a 4% de C y de 1
a 3% de silicio, son materiales con una estructura que no puede tolerar ninguna
deformacin. De acuerdo a la distribucin del acero en su estructura se pueden
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125
distinguir 4 tipos de fundiciones: fundicin blanca, fundicin gris, fundicin dctil y
fundicin maleable.
6.8.1 Fundicin blanca Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundicin en estado lquido
se convierte en carburo de hierro (Fe3C) en vez de grafito (figura 94). Esta
fundicin se produce al pasar la fundicin por la lnea de isoterma de 1140C,
donde ocurre la reaccin eutctica:
CFeL 3+ [35] Que luego al pasar la lnea de temperatura eutectoide (727C) la austenita se
transforma dejando a temperatura ambiente cementita proeutectoirde (Fe3C) +
perlita. Se llaman as porque al partirse la pieza se puede observar un color
blancuzco. Como caracterstica es muy dura, carece de maleabilidad, es frgil y de
estructura fibrosa de grano pequeo, de alta resistencia al desgaste y a la
abrasin. Sirve como material bruto para el hiero fundido maleable.
Figura 44. Microestrutura de la fundicion blanca [Fuente: Cintas, 2008]
6.8.2 Fundicin gris Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundicin en estado lquido
se convierte en grafito en vez de carburo de hierro, es decir, existe demasiado
carbono dentro de la austenita que este se precipita en forma de escamas de
grafito. Su nombre proviene de forma similar al hierro blanco, cuando este se
fractura, la superficie fractura muestra un color gris debido al grafito contenido en
ella. Posee buenas caractersticas como: buena absorcin de vibracin, facilidad
para el mecanizado y resistencia al desgaste. Estos hierros contienen silicio
(aprox. 2%) ya que este es el elemento estabilizador del grafito; es decir permite
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126
dar ms tiempo para la nucleacin y crecimiento del grafito. Este material es
usado en monobloques, cabezas para motores, bases para maquinas
herramientas. La ASTM, las clasifica de acuerdo a la resistencia a la tensin
como: Clase 20 (resistencia a tensin de 20000 psi) y Clase 40 (resistencia a
tensin de 40000psi). (Figura 95).
Figura 45. Microestrutura de la fundicin gris [Fuente: Cintas, 2008]
6.8.3 Fundicin nodular (dctil) Es un hierro con la composicin del hierro gris, en la cual al metal liquido se le
agrega aleaciones de magnesio en forma diluida como una aleacin MgFeSi con
el fin de que el grafito se convierta en ndulos y no en hojuelas como el hierro gris.
El proceso de fabricacin de esta fundicin involucra un primer paso de
desulfurizacin, que consiste en eliminar el azufre y el oxigeno de la fundicin
aadiendo sustancias como el carburo de calcio (CaO). La segunda etapa
denominada nodulacin consiste en agregar magnesio en la forma anteriormente
mencionada y la ltima etapa la inoculacin se lleva a cabo con compuestos de
FeSi para causar la nucleacin heterognea.
Figura 46. Microestrutura de la fundicin dctil [Fuente: Cintas, 2008]
.El agregar magnesio o cerio se generan ndulos de grafito en una matriz ferrifica
y perlitica. Esta fundicin presenta caractersticas de un acero y de un hierro gris,
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127
dentro de las cuales se encuentran: buena resistencia mecnica, resistencia al
desgaste, moldeabilidad, buenas caractersticas de mecanizado, tenacidad,
ductilidad, posibilidad de ser trabajado en caliente y en fro. Dentro sus
aplicaciones se encuentran cuerpos de vlvulas, engranajes, cigeales.
6.8.4 Fundicin maleable Es un hierro que se origina cuando se realiza un tratamiento de recocido a la
fundicin blanca para separar el carbono en solucin y que este aparezca en
forma de agregados irregulares embebidos en una matriz ferrita, de esta forma la
resistencia y la ductilidad son similares a la del acero, pero con punto de fusin
menor. Las caractersticas de esta fundicin son rresistencia a corrosin,
tenacidad y maquinabilidad, y sus usos comunes son: la industria Ferroviaria,
conexiones de tuberas y de implementos agrcolas. (Figura 97).
Figura 47. Microestrutura de la fundicin maleable [Fuente: Cintas, 2008]
Con el fin de ilustrar la composcion quimica y propiedades mecanicas relevantes
de algunas fundiciones o hierros colados se muestra la tabla 12.
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Tabla 7. Caracteristicas de procesamiento y servicio de aceros para herramientas comunes
[Fuente: Groover, 2007]
6.9 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Reciben tambin el nombre de tratamientos termoqumicos y consisten en
diversos tratamientos aplicados al acero en los cuales la composicin de la
superficie de la pieza se altera por la adicin de carbono, nitrgeno u otros
elementos con el objetivo de obtener una resistencia al desgaste, al impacto, a la
fatiga conservando un ncleo blando y dctil.
El endurecer la superficie de una pieza, es un proceso importante para muchos
campos de la ingeniera, donde se requieren que los materiales posean
propiedades como las mencionadas anteriormente, como es el campo de la
industria automotriz, mecnica, qumica, etc. la industria nacional no es ajena a
este tipo de proceso, destacndose procesos como a carburizacin o difusin de
carbono, nitruracin o difusin de nitrgeno y en algunos casos la carbunitruracin
que es la combinacin de los dos procesos.
6.9.1 Carburizacin Recibe tambin el nombre de cementacin y es un tratamiento de endurecimiento
superficial que consiste bsicamente en calentar la pieza de acero de bajo
carbono en presencia de un medio rico en carbono de manera que este se difunda
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129
dentro de la superficie aumentando el contenido de carbono en la capa superficial
de la pieza.
Como se mencion, este proceso se lleva a cabo por el mecanismo de difusin
(movimiento de partculas de un rea en donde estn en alta concentracin a un
rea donde estn en menor concentracin hasta que estn repartidas
uniformemente) controlada del carbono. El paso inicial es elevar la temperatura del
acero hasta la zona autentica con el fin de que difunda fcilmente la atmsfera de
carbono hacia la austenita. A continuacin cundo el acero es enfriado (templado) y
revenido, la superficie de la pieza posee una estructura martenstica revenida,
mientras el ncleo de la pieza permanece con estructura blanda y dctil (ferrita),
como se muestra en la figura 98. Ejemplos de piezas a las cuales es comn
aplicar este proceso son: Piones, coronas, ejes, levas, guas, chavetas,
columnas, etc.
Figura 48. Proceso de carburizacin gaseosa [Fuente: swagelok, 2008]
Dentro de este proceso se pueden encontrar:
Carburizacin en caja: Esta variante del proceso de carburizacin, consiste en introducir en un horno materiales cabonaceos como carbn
vegetal o coque que se empacan en un recipiente cerrado junto con las
piezas que se desea endurecer superficialmente para que se lleve a cabo el
proceso de difusin y permita obtener martensita en su superficie.
Carburizacin gaseosa: Consiste en introducir combustibles hidrocarburos como el propano (C3H8) dentro de un horno sellado para difundir el carbono
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130
dentro de la superficie de la pieza. Con este mtodo e realiza una
aportacin de carbono a la pieza crendose una capa, la cual puede ir
desde 0.8 hasta 2.5 mm de profundidad y entrega piezas en un menor
tiempo, con caractersticas ms uniformes y de mejor aspecto, no obstante,
el costo de los equipos lo hace an poco rentable. Las temperaturas tpicas
de carburizacin son entre 875 925 C dentro del rango de la austenita.
6.9.2 Nitruracin El proceso de nitrurado es parecido a la cementacin pero difiere en que el gas
que se difunde es amonaco con el fin de introducir nitrgeno en la superficie de
los aceros para producir una delgada capa dura sin templado, para mayor
efectividad el acero debe tener elementos como cromo y aluminio que ayudan a
que se presenten precipitados (nitruros) en la superficie. El proceso consiste en
calentar el acero en una atmsfera de amoniaco (NH3) + o 510 C. De esta
manera los nitruros del amonaco ayudan a endurecer el material. Tambin existe
la modalidad lquida en la cual, el material es sumergido en un bao de sales de
cianuro a la misma temperatura del nitrurado normal.
Como ventajas de este proceso esta el poderse realizar endurecimientos parciales
en el material, se producen deformaciones inapreciables y altas durezas. Dentro
de las aplicaciones de este tratamiento se encuentran: Matrices de extrusin de
aluminio, Moldes y mecanismos de para correderas inyeccin de plstico y en
general aceros que vayan a sufrir roce.
6.9.3 Carbonitruracin Es un tratamiento que consiste en endurecer la superficie del acero combinando la
absorcin de carbono y nitrgeno para obtener la dureza superficial necesaria en
materiales. La Carbonitruracin recibe tambin el nombre de cianuracin
gaseosa, ya que el fin de ambos es el mismo, la diferencia radica en que la
cianuracin se realiza por medio de cianuros lquidos y la Carbonitruracin por
medio de gases. El proceso se lleva a cabo de una manera similar a la
cementacin gaseosa, se utiliza un gas formado generalmente por el 21% de CO,
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131
40% de H2, 35% de N2,