Clasificación de los aceros

INTRODUCCIÓN

Las aleaciones ferrosas, que se basan en aleaciones de hierro y carbono, incluyen los aceros al bajo carbono, los aceros aleados y de herramientas, los aceros inoxidables y los hierros fundidos. Los aceros típicamente se producen de dos formas: refinando el mineral de hierro o reciclando chatarra de acero.

Para la producción de acero primario, el mineral de hierro (óxido de hierro) se calienta en un alto horno en presencia de coque (carbono) y oxígeno. El carbono reduce el óxido de hierro a hierro en bruto líquido, produciendo monóxido de carbono y bióxido de carbono como subproductos. La piedra caliza, agregada para ayudar a eliminar impurezas, se funde produciendo escoria líquida. Dado que el hierro bruto líquido contiene cantidades muy grandes de carbono, se sopla oxígeno en el homo de oxigenación o de aceración básico para eliminar carbón excedente y producir acero líquido.

También se produce acero reciclando la chatarra del mismo metal. A menudo ésta se introduce en un horno eléctrico de arco, en el cual el calor la funde. Muchos aceros aleados y aceros especiales también se producen utilizando hornos eléctricos.

El acero líquido a veces se vacía directamente en moldes para producir fundiciones de acero terminadas; también se le permite solidificar en formas que posteriormente son procesadas por técnicas de conformado de metales como es el laminado o el forjado. En este último caso, el acero es vaciado en grandes lingoteras o se funde de manera continua en formas regulares.

Los mecanismos de endurecimiento se aplican a las aleaciones ferrosas. En este informe se analizará el uso de la reacción eutectoide para controlar la estructura y propiedades de los aceros mediante tratamiento térmico y aleación. También se examinarán dos clases especiales de aleaciones ferrosas: los aceros inoxidables y los hierros fundidos.

1.- CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

El diagrama de fases Fe-Fe3C nos da la base para comprender el tratamiento y las propiedades de los aceros. El punto que divide los aceros de los hierros fundidos es 2.11% C, donde se hace posible la reacción eutéctica. Para los aceros, será necesario concentrarse en la porción eutectoide del diagrama (figura 1) en el cual se identifican de manera especial las líneas de solubilidad y la isoterma eutectoide. El A, muestra la temperatura a la cual se inicia la formación de ferrita al enfriarse; el Acm muestra la temperatura a la cual empieza a formarse la cementita y A, es la temperatura eutectoide.

FIGURA1 En un alto homo, el mineral de hierro se reduce utilizando coque (carbón) y aire para producir hierro bruto líquido. El alto contenido de carbono en el hierro bruto líquido se reduce mediante la introducción de oxígeno en el horno de oxigenación o de aceración básico para producir acero líquido. También se puede utilizar un horno eléctrico de arco para producir acero líquido mediante fundición de la chatarra.

FIGURA 2 Porción eutectoide del diagrama de fases Fe-Fe3C.

Prácticamente todos los tratamientos térmicos de un acero se dirigen hacia la producción de una mezcla de ferrita y de cementita con una adecuada combinación de propiedades. La figura 3 muestra los tres microconstituyentes de importancia, es decir las disposiciones de ferrita y de cementita que por lo general se buscan. La perlita es una mezcla laminar de ferrita \ cementita. En la bainita, obtenida mediante la transformación de la austenita a gran subenfriamiento, la cementita es más redonda que en la perlita. La martensita revenida-mezcla en ferrita de una cementita muy fina y prácticamente redonda, se forma al recalentar la martensita después de su formación.

FIGURA 3 Microfotografías electrónicas de (a) perlita, (b) bainita y (c) martensita revenida, ¡lustrando las diferencias en tamaño y forma de la cementita en estos tres microconstituyentes (x7500).(De The Making, Shaping, and Treating of Steel, 10a Ed., Cortesía de Association of Iron and Steel Engineers.)

TABLA 1 Composición de aceros AISI-SAE seleccionados

Clasificaciones

El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE (Society of Automotive Engineers) tienen sistemas para clasificar los aceros (tabla1) utilizando un número de cuatro o cinco dígitos. Los dos primeros números se refieren a los principales elementos de aleación presentes y los últimos dos o tres se refieren al porcentaje de carbono. Un acero AISI 1040 es al bajo carbono, con 0.40% C. Un acero SAE 10120 es al bajo carbono, conteniendo 1.20% C.

Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 0.40% C.

2.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS SIMPLES

Cuatro tratamientos térmicos simples, recocido intermedio, recocido normalizado y esferoidización, son de uso común para los aceros (figura 4). Estos tratamientos térmicos se utilizan para obtener uno de tres objetivos: (1) la eliminación del deformado en frío, (2) el control del endurecimiento por dispersión, o bien (3), para mejorar la maquinabilidad.

FIGURA 4 Resumen esquemático de los tratamientos térmicos simples para los aceros (a) hipoeutectoides y (b) hipereutectoides.

RECOCIDO INTERMEDIO, ELIMINACIÓN DEL DEFORMADO EN FRÍO

El tratamiento térmico de recristalización, utilizado para eliminar el efecto del deformado en frío en aceros con menos de 0.25% C se conoce como recocido intermedio. El recocido intermedio se efectúa de 80°C a 170°C, por debajo de la temperatura A,.

RECOCIDO Y NORMALIZADO, SEGUIDO POR ENDURECIMIENTO POR

Dispersión Los aceros se pueden endurecer por dispersión, controlando el tamaño de la perlita. El acero inicialmente se calienta para producir austenita homogénea, paso conocido como austenitización. El recocido, es decir un recocido completo permite que el acero se enfríe lentamente en el horno, produciendo perlita gruesa. El normalizado logra que el acero se enfríe más rápidamente, al aire, produciendo perlita fina. La figura 5 muestra las propiedades típicas obtenidas al recocer y normalizar aceros de bajo carbono.

Para recocer, se efectúa el austenitizado de los aceros hipoeutectoides a aproximadamente 30°C por encima de A3 produciendo 100% y. Sin embargo, la austenitización de un acero hipereutectoide se efectúa a aproximadamente 30°C por encima de A1, produciendo austenita y Fe,C; este proceso impide la formación de una película frágil y continua de Fe3C en los límites de grano, que se formaría por un enfriamiento lento a partir de la región 100% y. En ambos casos, el enfriamiento lento en horno y una perlita gruesa proporcionan una resistencia mecánica relativamente baja y buena ductilidad.

Para el normalizado se efectúa el austenitizado a aproximadamente 55°C por encima de o de /\cm; después, el acero es sacado del homo y enfriado al aire. Este enfriamiento más rápido produce perlita fina, proporcionando una mayor resistencia mecánica.

ESFEROIDIZACIÓN, MEJORAMIENTO DE LA MAQUINABILIDAD

Los aceros de alto carbono, que contienen gran cantidad de Fe,C tienen características de maquinabilidad deficientes. Durante el tratamiento de esferoidización, que requiere varias horas a aproximadamente 30°C por debajo de A1, el Fe3C cambia a partículas esféricas grandes a fin de reducir la superficie de bordes.

La microestructura, que se conoce como esferoidita tiene una matriz continua de ferrita blanda y maquinable (figura 6). Después del maquinado, se le da al acero un tratamiento térmico más complejo, para producir las propiedades requeridas. Una estructura similar ocurre cuando se hace el revenido de la martensita justo por debajo de A1, durante periodos largos.

FIGURA 5 Efecto del carbono y del tratamiento térmico sobre las propiedades de los aceros al bajo carbono.

FIGURA 6 Microestructura de la esferoidita con partículas de Fe2C dispersas en una matriz de ferrita.

3.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS ISOTÉRMICOS

El efecto de la temperatura de transformación sobre las propiedades de un acero 1080 (eutectoide) fue analizado. Conforme baja la temperatura isotérmica de transformación, la perlita se vuelve progresivamente más fina, antes de que en su lugar empiece a formarse bainita. A temperaturas muy bajas se obtiene martensita.

REVENIDO EN LA FASE AUSTENÍTICA Y RECOCIDO ISOTÉRMICO

El tratamiento térmico de transformación isotérmica, utilizado para la producción de la bainita se denomina revenido en la fase austenítica y simplemente consiste en la austenitización del acero, el templado a cierta temperatura por debajo de la nariz de la curva TTT y el mantenimiento de esa temperatura hasta que toda la austenita se transforme en bainita (figura 7).

El recocido y el normalizado normalmente se utilizan para controlar la finura de la perlita.

Sin embargo, la perlita que se forma mediante un recocido isotérmico (figura 7) puede dar propiedades más uniformes, ya que las velocidades de enfriamiento y la microestructura obtenida durante el recocido y el normalizado varían a lo largo de la sección transversal del acero.

Efecto del carbono sobre el diagrama TTT Tanto para un acero hipoeutectoide

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