Tema 20 – Productos siderúrgicos. Clasificación. Estructuras metalográficas. Diagramas de equilibrio: binarios y terciarios. Diagrama hierro-carbono (Fe-C).

INDICE.

1. INTRODUCCION

2. PRODUCTOS SIDERÚRGICOS

2.1 Concepto

2.2 Clasificación

2.2.1 Hierros

2.2.2 Aceros

2.2.3 Fundiciones

2.2.4 Ferroaleaciones

2.2.5 Conglomerados

2.2.6 Aleaciones férreas especiales

3. DIAGRÁMAS DE EQUILIBRIO: BINARIOS Y TERNARIOS

4. DIAGRAMA Fe-C. ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

5. CONCLUSIÓN

1. INTRODUCCIÓN

El uso del hierro por el hombre data de muy antiguo, y su transformación en utensilios da incluso nombre a una edad geológica.

Conocemos como productos siderúrgicos al conjunto de materias y procedimientos que se aplican al hierro para obtener aceros y fundiciones con diferentes propiedades.

A pesar de su antigüedad, el gran adelanto de la siderurgia proviene del S XIX, a causa, principalmente del desarrollo de los ferrocarriles y de la necesidad de obtener un material que fuera forjable y consistente.

2. PRODUCTOS SIDERURGICOS

2.1 Concepto

Según la norma UNE 36.001, son productos siderúrgicos todas aquellas sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico.

Hasta fecha los productos siderúrgicos ocupan un lugar preferente en el conjunto de metales como atestigua el hecho de que su producción mundial es unas 20 veces mayor que la del resto de metales. Esta supremacía es debida sin duda debida a la gran variedad de características que se pueden conseguir en los productos férreos, aun coste relativamente bajo.

En efecto, a partir de ellos se pueden obtener piezas mediante operaciones muy diversas, tales como fundición forja, mecanizado, soldadura, estirado…etc. Además, se pueden cambiar las propiedades mecánicas de los productos siderúrgicos adaptándolas a nuestras necesidades concretas mediante tratamientos térmicos y termo-químicos.

Tienen, sin embargo, los productos siderúrgicos el grave defecto de que son muy sensibles a la oxidación y a la corrosión atmosférica.

2.2 Clasificación

La misma norma define seis grupos de productos siderúrgicos:

2.2.1 Hierros

Es el elemento químico de este nombre, así como los productos siderúrgicos de los que, solamente por el carácter de impureza, pueden formar parte de otros elementos (UNE 36001)

También con la denominación de Hierro designa a los productos férreos obtenidos por reducción de un mineral férreo o de un afino de trabajo. El hierro puro (99.9%) no tiene aplicaciones en a industria salvo en contadas ocasiones en el campo de la electrónica.

2.2.2 Aceros

La importancia industrial del Fe es debida a las propiedades que adquiere al alearse con el carbono, dando lugar a aceros y fundiciones.

El acero es un material muy versátil. Según los aditivos aleados y tratamiento, es blando o duro, resistente a la tracción, al desgaste, a la corrosión y a las altas temperaturas. No es de extrañar que la producción de acero represente el 80% de los productos siderúrgicos.

Según el contenido de en elementos de aleación, las clases de acero se pueden clasificar aceros aleados o aceros al carbono.

Dentro de cada grupo existen numerosas clasificaciones atendiendo al uso, la estructura metalográfica, el aleante principal…etc.

2.2.3 Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones Fe-C y Si, que generalmente contienen también Mn, P y S. Su contenido en C (2%-4.5%) es superior al contenido en C de los aceros (0.1% al 1.5%) lo que les hace tener gran dureza. En general no son dúctiles ni maleables y no so aptos para la forja ni la laminación.

Se caracterizan porque adquieren generalmente su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca sometidos a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente.

Como principales grupos podemos destacar:

Las fundiciones grises (son las más importantes) donde el grafito aparece en láminas discontinuas sobre la matriz.

Las fundiciones blancas, donde aparece un constituyente llamado ledeburita que les provoca gran fragilidad

Fundición nodular, donde el grafito queda transformado en nódulos.

2.2.4 Ferroaleaciones

Son productos siderúrgicos en bruto que, sin tener necesariamente un marcado carácter metálico, contiene además del hierro uno o varios elementos (metales o metaloides) que los caracterizan. No son aptas para la laminación, forja o moldeo. Podemos citar los ferrocromos, ferrosilicios, ferromanganesos…etc.

2.2.5 Conglomerados férreos o prerreducidos.

Son los productos obtenidos por reducción en estado sólido de los minerales de hierro o sus concentrados y destinados generalmente a su utilización en siderurgia.

2.2.6 Aleaciones férreas especiales

Son las que no perteneciendo a ninguno de los otros grupos tienen el hierro como metal base.

3. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO: BINARIOS Y TERCIARIOS

Como paso previo al estudio del diagrama Fe-C es conveniente explicar el significado de los diagramas de equilibrio.

El equilibrio de un sistema depende de las fases que en él existen, ya que todo cambio de éstas supone una transformación. Como los valores más decisivos en la marcha de las transformaciones son la concentración y temperatura, es natural que se trate de representar la relación fundamental que las liga.

En todos ellos aparecen líneas que pueden reducirse a tres clases:

ÞLiquidus: conjunto de puntos en que comienza la solidificación.

ÞSolidus: conjunto de puntos en que termina dicha solidificación.

ÞDe transformación, donde se producen transformaciones de fases en estado sólido.

Unas y otras separan en el diagrama diversas regiones llamadas campos de fases y representan, por decirlos así, el dominio en que ésta coexiste con otras.

Diagramas binarios

Se obtienen tomando en abscisas las concentraciones en un extremo dividido en 100 partes en cuyos extremos se sitúan los metales puros. En ordenas se toman las temperaturas de transformación.

Ambos componentes pueden ser completamente solubles, parcialmente solubles o completamente insolubles.

Para conocer la proporción de cada componente en caso de solubilidad parcial utilizaremos la regla de las proporciones o de la palanca.

Diagramas ternarios.

Para representar la composición de las aleaciones de tres elementos, se suele utilizar un triángulo equilátero cuyo lado esta divido en 100 partes y en cuyos vértices A, B y C, figuran los metales puros. Un punto cualquiera de un lado representa la aleación binaria de los elementos que figuran en sus extremos. Un punto M indica una aleación ternaria de composición:

Durante la solidificación, la fase líquida puede estar en equilibrio con una, dos o tres fases sólidas.

Figura 10.32 pag 154 y fig 10.35 pag 156

Los diagramas de equilibrio ternarios dan lugar a estructuras tridimensionales de difícil análisis y utilización, por lo que no se suelen usar.

4. DIAGRAMAS HIERRO-CARBONO. ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

Estos dos elementos forman el compuesto intermetálico Fe3C (cementita), con un contenido en C de 6.67% en masa. Por dificultades de orden experimental sólo se han estudiado las aleaciones hasta un 5% de C, y son casi desconocidas las de porcentajes superiores al 6.67%. Este el motivo por el cual el diagrama de equilibrio del sistema sólo llega hasta este porcentaje.

Figura 24.3 pag 336

Las aleaciones puras de hierro-carbono cristalizan prácticamente siempre según el sistema Fe-Fe3C.Sólo cuando el enfriamiento es muy lento y se someten a reiterados procesos de fusión y solidificación, permanencia a estas temperaturas y en presencia de Si, especialmente en aleaciones ricas en C, el carburo de hierro, Fe3C, se descompone en Fe y grafito. Puesto que estas aleaciones, al calentarlas fuertemente, evolucionan hacia el equilibrio termodinámico, al sistema Fe-Fe3C se denomina metaestable, mientras que al sistema Fe-Grafito, estable. Nos centraremos aquí en el estudio del sistema metaestable.

Del examen de la figura…(), se deduce:

La línea ABCD (Liquidus) indica la temperatura a que comienzan a solidificar las aleaciones del sistema. De A a B se forma la solución sólida d, de B a C la g y de C a D la cementita.

La línea AMJEDCF (solidus) indica las temperaturas de final de solidificación.

El punto A corresponde a la Tª de solidificación del Fe puro (1539ºC)

El punto N (1400ºC) corresponde a la Tª de equilibrio Fed Û Feg. Esta temperatura se designa por A4.

El punto G (910ºC) corresponde a la temperatura de equilibrio Feg Û Fea, que se designa por A3.

El punto C define una aleación de tipo eutéctico, con 4.3% de carbono, entre la austenita y la cementita, denominada ledeburita.

El punto E corresponde a la máxima solubilidad (2% en masa) de carbono en Feg.

La línea GP, define las temperaturas de transformación de la austenita en ferrita, en función del porcentaje de C. Estas temperaturas se designan por A3 cuando son superiores al punto de Curie y por A2 cuando son inferiores.

La línea EP, nos da la temperatura de transformación de la austenita en cementita, en función del porcentaje de carbono. Se le designa por Acm.

En el punto P, intersección de las líneas GP y EP, se depositan simultáneamente, a partir de la solución sólida austenita, cristales de ferrita y cementita, formándose una mezcla que da origen a la eutectoide denominada perlita. La temperatura a la cual tiene lugar la transformación eutectoide g Þ a+ Fe3C, se designa por A1.

De forma general los constituyentes que aparecerán en las aleaciones hierro-carbono serán:

Ferrita:

Este constituyente está formado por una SS de inserción de C en hierro alfa, siendo la solubilidad a Tº ambiente de sólo 0.008%.

Es el constituyente más blando y maleable de los aceros siendo también dúctil y tenaz.

Cementita:

Este constituyente es el carburo de hierro Fe3C que por cristalizar en un sistema ortorrómbico posee una gran dureza y gran fragilidad.

A bajas temperaturas (< 220ºC llamado punto de Curie) es ferromagnético.

Perlita

Está formada por la mezcla eutectoide de dos fase, ferrita y cementita.

Su estructura está constituida por laminillas alternadas de estos dos constituyentes cuyo espesor y separación depende de la velocidad del enfriamiento.

Las propiedades mecánicas de la perlita son intermedias entre la ferrita y la cementita: es relativamente dura si bien presenta buena ductilidad y tenacidad.

Austenita

La austenita es el principal constituyente a altas temperaturas. Está formado por una SS de inserción de C en el Fe g.

La austenita es deformable, como el Fe g; poco dura, presenta una gran resistencia al desgaste, no es magnética y es el constituyente más denso de los aceros.

Sólo es estable a Tº superiores por encima de la línea de transformación (723ºC), desdoblándose a menores temperaturas en ferrita y cementita aunque para aceros con altamente aleados puede ser estable a temperatura ambiente.

Steadita.

Es una eutéctica dura y frágil con Tº de fusión de 960º C. La formación de la steadita está directamente ligada a la presencia de P.

En las fundiciones grises la steadita está compuesta de un eutéctico celular binario de ferrita y fosfuro de hierro Fe3P.

En las fundiciones atruchadas y blancas la steadita está formada por un compuesto ternario de Ferrita+ Fe3P+Cementita.

Ledeburita.

Es constituyente eutéctico formado por austenita y cementita; se forma en el enfriamiento de las fundiciones a 1145ºC aprox. en el momento en que termina la solidificación.

En las fundiciones ordinarias no aparece a Tº amb. Debido a que se descompone en perlita y cementita.

Publicado: septiembre 3, 2015 por Santiago

Etiquetas: tema 20 fabricación mecánica