Tema 22 – Aceros aleados. Clasificación. Transformaciones metalúrgicas. La influencia en sus propiedades de los tratamientos térmicos y termoquímicos. Formas comerciales.

Tema 22 – Aceros aleados. Clasificación. Transformaciones metalúrgicas. La influencia en sus propiedades de los tratamientos térmicos y termoquímicos. Formas comerciales.

INDICE.

1. INTRODUCCION A LOS ACEROS AL CARBONO

2. ACEROS ALEADOS. DEFINICIÓN

3. TRANSFORMACIONES METALÚRGICAS

4. FORMAS COMERCIALES

5. CLASIFICACIÓN

5.1. Aceros de construcción

5.2. Aceros de herramientas

5.3. Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad

6. ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

6.1. Aceros perlíticos

6.2. Aceros martensíticos

6.3. Aceros ferríticos

6.4. Aceros refractarios

6.5. Aceros con carburos

7. INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS

7.1. Recocido

7.2. Normalizado.

7.3. Temple

7.4. Revenido

7.5. Temple superficial

7.6. Tratamientos termoquímicos

8. RESUMEN

  1. INTRODUCCIÓN

Con los aceros al carbono o aceros ordinarios es imposible satisfacer parte de las exigencias de la técnica moderna, que requiere aceros que cumplan simultáneamente propiedades muy diferentes, a veces incluso antagónicas.

Dichas propiedades sólo pueden ser conseguidas mediante la acción de uno o varios elementos de aleación en porcentajes adecuados.

Los cambios de propiedades surgen como consecuencia de las modificaciones que ellos introducen en la composición química, así se conseguirá una gran diversidad de aceros aleados utilizados para infinidad de usos.

  1. ACEROS ALEADOS. DEFINICIÓN.

Reciben el nombre de aceros aleados aquellos aceros que además de contener C, Si, Mn, S y P contienen también cantidades importantes de otros elementos tales como el Cr, Ni, Mb, W…etc. que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. Ciertos de estos elementos tienden a disolverse en la ferrita o forman SS con el Feγ. Otros sin embargo forman carburos de gran dureza. La acción que ejercen dichos elementos son las siguientes:

  1. Van a modificar los diagramas de equilibrio diagramas de equilibrio: temperaturas críticas, zonas de solubilidad…etc. Aquí podríamos distinguir entre los elementos alfagenos y gammagenos, dependiendo de la región que hagan aumentar.
  2. Mejoran la templabilidad, permitiendo la obtención de martensita con menores velocidades de enfriamiento y a partir de ella por revenido mejores características de resiliencia. Es decir, permiten obtener piezas de gran dureza y resistencia en su núcleo aún con grandes espesores, cosa imposible con los aceros al C.
  3. Parte de estos elementos se asocian con el C formando carburos que harán aumentar la dureza y resistencia a altas temperaturas del acero.
  4. Influyen en el revenido retardando el ablandamiento.
  5. Mejoran la resistencia a la oxidación y corrosión, tanto en atmósferas agresivas como a elevadas temperaturas.

3. TRANSFORMACIONES METALÚRGICAS.

El proceso se realiza en dos fases:

Primeramente los minerales del hierro (en forma de óxidos) son fundidos y reducidos en altos hornos con coque (que actúa como reductor y como combustible) y piedra caliza (que actúa como fundente), produciendo hierro fundido que es moldeado como lingotes de hierro bruto (arrabio) o conducido a la siguiente fase como hierro fundido.

La segunda fase, la de acería, tiene por objetivo reducir el alto contenido de carbono que el coque introdujo al fundir el mineral, eliminar las impurezas tales como S y P . Es lo que se conoce como afino del acero. Los procesos que sufren estos minerales son de origen físico, químico o electroquímico.

Pero además de realizarse el afino del acero será necesaria adición de los elementos adición en sus proporciones indicadas. Para ello, se utilizarán principalmente hornos eléctricos.

En ellos, el calor es producido por una corriente eléctrica, bien mediante un arco entre dos electrodos o bien mediante corrientes de inducción. En cualquier caso la generación de calor está libre de impurezas ya que no existe ninguna llama de gas que desprenda S ni elementos no deseados. Como carga se emplea chatarra de buena calidad y acero preafinado para añadir después los demás elementos.

4. FORMAS COMERCIALES

Los aceros, tras su obtención, se pueden destinar a la obtención de piezas fundidas o a ser colados en lingoteras. En este último caso el lingote bruto de colada tiene que sufrir una serie de transformaciones antes de ser lanzado al comercio como producto acabado, apto para las aplicaciones de la industrial. Las formas comerciales disponibles dependerán del proceso seguido y todas tendrán dimensiones normalizadas:

· Por laminación en caliente se obtendrán dos clases de subproductos:

Productos semielaborados, como palanquillas y llantones que pasarán a un siguiente proceso de deformación.

Productos terminados, donde se encuentran una enorme variedad de formas comerciales: perfiles en T, angulares, chapas, pletinas, tubos cuadrado, rectangular…etc.

· Por estirado o trefilado, haciendo pasar por tracción el metal a través de un orificio o hilera. Se obtienen así productos redondos estirados o trefilados de diferentes diámetros.

  1. CLASIFICACIÓN

Puesto que existe una gran diversidad de a. a. cada uno con propiedades, fines, estructura y composición diferentes, no existe una clasificación clara de los a.a.

En este apartado se hará una clasificación atendiendo al fin o utilización de los aceros, dejando para el siguiente apartado la clasificación en función de la estructura microscópica.

3.1 Aceros de construcción:

Aceros de gran resistencia
Aceros de cementación
Aceros para muelles
Aceros de nitruración
Aceros resistentes al desgaste
Aceros para imanes
Aceros para chapa magnética
Aceros inoxidables y resistentes al calor

3.2 Aceros de herramientas:

Aceros rápidos
Aceros de corte no rápidos
Aceros indeformables
Aceros resistentes al desgaste
Aceros para trabajos de choque
Aceros inoxidables y resistentes al calor.

3.3 Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad:

Aceros de gran resistencia
Aceros de cementación
Aceros de muelles
Aceros indeformables

En este último grupo se incluyen aceros que aún perteneciendo a los otros dos grupos, interesa destacar por separado por la gran importancia que en ellos tiene la templabilidad

6. ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

Otra forma de clasificación de los aceros aleados es atender a su estructura metalográfica a temperatura ambiente. Así se tiene:

4.1 Aceros perlíticos

Contienen bajos porcentajes de elementos de aleación. Su estructura es similar a la de los aceros al carbono. En el examen microscópico se observa la presencia de perlita y ferrita o de perlita y cementita. Los tratamientos térmicos suelen ser parecidos a los de los aceros al C.

4.2 Aceros martensíticos

En el enfriamiento de estos aceros, la austenita se transforma en la zona de 350º-200ºC apareciendo en la estructura un gran porcentaje de martensita. Esto es posible gracias al aumento de templabilidad, que le confieren los elementos aleantes.

Aceros clásicos de este grupo son los llamados aceros de temple al aire, como los Cr-Ni (C=0.35 %; Cr=1 %; Ni=4 %) o Cr-Ni-Mo empleados para la construcción de engranajes.

Un acero matensítico de amplio uso es acero al Cromo inoxidable con 0,1% C, 13% de Cr y 0,30 % de Ni, normalizado por la norma americana como AISI–311. Encuentra gran aplicación en la fabricación de electrodomésticos, grifería, ornamentación, cubertería, etc.

Otro ejemplo de ellos son los aceros Maraging, de alto contenido en Ni, en los que la martensita pobre en C, es endurecida por precipitación de los compuestos metálicos formados por el Ni.

4.3 Aceros austeníticos

En estos aceros al ser enfriados desde elevada temperatura (900º a 1100ºC) en agua se obtiene gran cantidad de austenita sin transformar. Por ello son muy dúctiles y resistentes a la corrosión y al desgaste, pero difíciles de mecanizar. Se pueden subclasificar en:

§ Austeníticos estables, si son insensibles a cualquier tratamiento térmico.

Poseen elevados porcentajes de elementos gammagenos principalmente Ni y Mn.

§ Austeníticos inestables, contienen menor porcentaje de elementos gammagenos. Son los aceros de alta aleación más utilizados.

Uno de los más representativos del grupo es el acero 18-8 (18% Cr y 8% Ni y 0.08%C, conocido con el nombre general de acero inoxidable). AISI –314

4.4 Aceros ferríticos

Con una elevada cantidad de elementos alfagenos se obtienen aceros con el constituyente estructural ferrita, desde la solidificación hasta la Tº ambiente. No son susceptibles de mejorar su resistencia por temple pues no pueden alcanzar la región austenítica.

Son difíciles de soldar y se usan en embutición profunda por su gran ductilidad.

Entre los aceros más frecuentes de esta clase se encuentran los aceros inoxidables al Cr, generalmente superior al 16% y ciertos aceros al Si con contenidos de más del 3%, utilizado en electrónica.

4.5 Aceros Refractarios

Los aceros refractarios pueden tener composición ferrítica o austenítica. Se denominan “refractarios” por las elevadas características de resistencia a la corrosión y mecánica que conservan en trabajos a altas temperaturas; ello es consecuencia de los elevados contenidos de cromo y níquel presentes en la aleación junto con elevados porcentajes de carbono, que permite obtener valores de fluencia relativamente elevados. Por sus características se emplean en elementos tales como alabes de turbinas, válvulas de motores…etc.

4.6 Aceros con Carburos

Estos aceros suelen ser de elevado contenido en elementos de aleación como W, Cr, V, Co que junto con el alto porcentaje de C (por encima del 0.6%) formarán carburos de gran dureza y resistencia al desgaste a altas temperaturas.

A esta clase de aceros pertenecen, entre otros, los aceros indeformables y los aceros rápidos para herramientas.

A parte de estos aceros se les suele denominar aceros Ledeburíticos pues el proceso de solidificación y enfriamiento se realiza de acuerdo con un diagrama en cierto modo análogo al de las fundiciones ledeburíticas.

7. INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS

Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar propiedades y características de los aceros y los metales en general. Térmicamente se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces, en el caso de tratamientos termoquímicos, hay también cambios en la composición del metal. Los tratamientos térmicos más comunes desarrollados en los aceros son:

5.1 Recocido

De forma general consiste en calentar el acero hasta una cierta Tº rondando la Tª de austenización, mantenerlo un determinado tiempo seguido de un enfriamiento característicamente lento. De esta manera se uniforma el tamaño de grano y se eliminan tensiones internas de tratamientos anteriores. Se aumenta así la ductilidad del material a costa de una pérdida de dureza y resistencia. Dependiendo de estos factores (Tª, tiempo, velocidad de enfriamiento) y del fin del tratamiento podemos distinguir varios tipos de recocido: Recocido de Regeneración, Ablandamiento, contra Acritud o Globular.

5.2 Normalizado

Tratamiento térmico muy parecido al recocido del que se diferencia en que la velocidad de enfriamiento es algo mayor que la anterior. La estructura que se obtiene varía con la composición y dimensiones de la pieza, si bien se consigue una estructura que subjetivamente se considera normal.

5.3 Temple

Es el tratamiento térmico en que la austenita, enfriada rápidamente (con velocidad de enfriamiento superior a la crítica) se transforma en el constituyente estructural martensita de gran dureza. La dureza y resistencia máxima de un acero tras el temple dependen exclusivamente del porcentaje de carbono y aumentan con este.

Para ello se calienta el material a una Tº ligeramente superior a la crítica y se enfría más o menos rápido (según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente: agua, aceites, sales…etc.

Cabe destacar que la gran cantidad de elementos aleantes que contienen los aceros aleados favorece el temple de tal manera que se pueden alcanzar estructuras martensíticas con bajas velocidades de enfriamiento. De esta manera se evitan las diferencias de dilataciones y tensiones internas que producen grietas y deformaciones típicas de los enfriamientos de los aceros al carbono,

5.4 Revenido.

Se aplica este tratamiento a las piezas de acero que han sido previamente templadas. Con su consecución, se eliminan las tensiones creadas en el temple, se aumenta la ductilidad y la maleabilidad a costa de una perdida de dureza y resistencia.

El material es calentado sin llegar a alcanzar la T crítica enfriándose generalmente al aire.

5.5 Temple superficial.

Se funda en producir un calentamiento superficial muy rápido, de forma que sólo una delgada capa exterior puede alcanzar la Tº de austenización, seguido de un enfriamiento también muy rápido. Así se logra una capa superficial de martensita sin que el núcleo experimente transformación alguna. Muy útil para piezas que están sometidas a choques, vibraciones y rozamiento superficial intenso.

5.6 Tratamientos en los que existe cambio de composición

Su finalidad es obtener piezas con gran dureza superficial y resistencia al desgaste a la vez que un núcleo tenaz. Podemos distinguir:

Cementación. También conocido como carburización pues consiste en aumentar la concentración de C en la superficie de las piezas, calentándolo a la Tª de austenización en un medio rico en C, (hidrocarburos), obteniéndose después por medio de temple+ revenido una gran dureza superficial.

Nitruración. Este tratamiento se realiza a baja temperatura; las piezas de acero templadas y revenidas al ser calentadas a 500ºC en contacto con una corriente de amoniaco absorben nitrógeno formándose en la periferia de la pieza nitruros de gran dureza. No se necesita de ningún tratamiento posterior.

Cianuración. Es un tratamiento parecido a la cementación en el que el acero absorbe el C y N en la zona superficial quedando esa zona muy dura y resistente después de un temple final.

Sulfunización. Su objetivo es crear una capa rica en S, N y C. Para ello se introducen las piezas en un baño formado por una mezcla de cianuro, sulfito sódico y carbonato sódico. La capa sulfinizada no aumenta prácticamente su dureza con respecto a la del metal base, si bien aumenta la lubricación y sobretodo su resistencia al desgaste.

CONCLUSIÓN

Para finalizar esta exposición queremos resaltar las excelentes características y propiedades que podemos modificar al introducir diferentes aleantes en la composición del acero. Como hemos visto la clasificación de los aceros aleados es muy compleja pues dependiendo del fin del acero contendrá diferentes elementos y tratamientos térmicos.

Pese a propiedades mejoradas en estos aceros respecto a los aceros ordinarios como son la resistencia a la corrosión y altas temperaturas, siguen siendo estos no competitivos para ciertas aplicaciones a causa su mala conducción eléctrica y su elevado peso. En la búsqueda de estas propiedades serán otros los metales y aleaciones a utilizar.