Definiciones de temperaturas de transformación en hierro y acero

TAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Introducción

Usualmente se define al acero como una aleación de hierro y carbono con contenido de carbono entre unas pocas centésimas y 2 % (en peso). En los aceros de baja aleación pueden encontrarse otros elementos hasta una cantidad total acumulada de 5%; cuando se encuentran en cantidades superiores se los denomina aceros fuertemente aleados, tal como los de herramientas y los inoxidables.

Los aceros pueden presentar una gran variedad de propiedades según su composición química y las fases y constituyentes presentes, lo que eventualmente, depende del tratamiento térmico. En la Tabla 1 se las describe brevemente, y en fascículos siguientes se desarrollan con más amplitud.

Tabla 1: Fases y microconstituyentes de importancia metalúrgica

Fase (o microconstituyente)

Estructura cristalina de las fases

Características

Ferrita (Fe )

bcc

Fase de equilibrio de baja temperatura, relativamente blanda

ferrita- (Fe )

bcc

Fase de equilibrio estable a alta temperatura, isomorfa con hierro 

Austenita (Fe )

fcc

Fase de equilibrio estable a temperatura media, relativamente blanda

Cementita (Fe3C)

ortorrómbica compleja

Fase metaestable, de alta dureza

Grafito

Hexagonal

Fase de equilibrio, estable

Perlita

Microconstituyente metaestable; mezcla laminar de ferrita y cementita

Martensita

bct (solución sobresaturada de carbono en ferrita)

Fase metaestable de alta dureza, morfología de placas o agujas, según el % de carbono

Bainita

Microconstituyente metaestable duro; mezcla no laminar de ferrita y cementita en escala extremadamente fina; la bainita superior se forma a temperaturas más altas y tiene aspecto plumáseo; la inferior se forma a temperaturas más bajas y su apariencia es acicular. La dureza aumenta cuando desciende la temperatura de formación.

IV.1. El diagrama Fe-C

La base para entender los tratamientos térmicos de los aceros es el diagrama de fases Fe-C, que repasaremos brevemente. En la Fig. IV.1 se muestran dos diagramas: el estable hierro-grafito (líneas de rayas) y el metaestable Fe-Fe3C. En ellos se muestran las fases de equilibrio (o equilibrio metaestable) para diferentes combinaciones de concentración de carbono y temperatura.

La condición estable usualmente tiene lugar con enfriamientos extremadamente lentos, especialmente en rangos de baja temperatura y bajo carbono, por lo tanto el de mayor interés es el diagrama metaestable. En la Tabla 1 se resumen las fases y microconstituyentes de importancia metalúrgica.

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Fig. IV.1 Diagrama de equilibrio Fe-C hasta 6.67 % C:

en líneas llenas, diagrama metaestable Fe-Fe3C; en líneas de rayas, diagrama estable hierro-grafito.

Para bajos porcentajes de carbono, se encuentra la ferrita (Fe), que puede disolver hasta 0,025 % C a 723º C, y austenita (Fe), con solubilidad máxima de 2 % C a 1130º C. En el otro extremo se encuentra la cementita (Fe3C). La ferrita-, es de menor interés excepto para aceros fuertemente aleados, y se encuentra a temperaturas más altas.

Entre los campos monofásicos se encuentran regiones con mezclas de dos fases, tal como ferrita + cementita, austenita + cementita, y ferrita + austenita. A temperaturas más elevadas se halla el líquido, y por debajo de él, hay regiones de dos fases: líquido + austenita, líquido + cementita, y líquido + ferrita-. En los tratamientos térmicos, la fase líquida siempre se evita. Algunos límites entre fases tienen denominaciones especiales que facilitan la comunicación. Se trata de:

A1, temperatura eutectoide, la mínima a la que se puede encontrar austenita

A3, límite de la región austenítica para aceros de bajo contenido de carbono, es decir, el límite / + .

Acm, límite equivalente para aceros de alto contenido de carbono, es decir, el límite /+ Fe3C.

Algunas veces se incluyen las letras c, e, o r. En la Tabla 2 se encuentran definiciones relevantes de los términos asociados con las transformaciones de fases en los aceros.

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El contenido de carbono correspondiente a la temperatura mínima de la austenita (0.8 %) se denomina eutectoide. La mezcla de ferrita-cementita formada durante el enfriamiento para esta composición, denominada perlita, tiene una apariencia característica; se trata de un microconstituyente de láminas alternadas de ambas fases, que degenera (“esferoidiza” o “embastece”) en partículas de cementita dispersas en una matriz de ferrita, cuando se mantiene por tiempo prolongado cerca de A1.

Tabla 2: Definiciones de temperaturas de transformación en hierro y aceros

Temperatura de transformación: aquella a la que ocurren cambios de fase; algunas veces define los límites de un rango de transformación.

Acm. En aceros hipereutectoides, límite de solubilidad de carbono en la austenita.

Ac1. Temperatura a la cual comienza a formarse austenita durante el calentamiento (la c deriva del francés chauffant)

Ac3. Temperatura a la cual se completa la transformación de ferrita en austenita durante el calentamiento.

Aecm, Ae1, Ae3. Temperaturas de cambios de fase en equilibrio.

Arcm. En aceros hipereutectoides, temperatura a la que comienza la precipitación de cementita durante el enfriamiento (la r deriva del francés refroidissant)

Ar1. Temperatura a la cual se completa la transformación de austenita a ferrita o a ferrita más cementita durante el enfriamiento.

Ar3. Temperatura a la cual la austenita comienza a transformar en ferrita durante el enfriamiento.

Ar4. Temperatura a la cual la ferrita- se transforma a austenita durante el enfriamiento.

Ms. Temperatura a la cual comienza la transformación de austenita a martensita durante el enfriamiento.

Mf. Temperatura a la cual finaliza la transformación de austenita a martensita durante el enfriamiento.

IV.2. Función de los Elementos Aleantes en las Aleaciones Ferrosas

Desde el punto de vista tecnológico, resulta de suma importancia las modificaciones que producen diversos elementos en la aleación binaria Fe-C. Estos elementos pueden ser indeseables, en cuyo caso se denominan impurezas; cuando son expresamente agregados por su beneficio, se denominan aleantes.

Las impurezas se hallan en los aceros y fundiciones como consecuencia de encontrarse en los minerales de Fe, en los combustibles metalúrgicos o en los fundentes que se utilizan en los procesos de fusión. Son perjudiciales para las propiedades finales de la aleación, y se procura por tanto eliminarlas o reducir su contenido. En aquellos casos en que resulta imposible técnicamente la eliminación, o cuando la misma es demasiado costosa desde el punto de vista económico, se admite su presencia hasta ciertas cantidades. Estos límites están fijados en las normas, y se ajustan a niveles máximos permisibles. Es el caso de S y P en aceros, cuyo máximo se establece, en general, en 0,04 %.

El azufre forma con el Fe sulfuro, el que conjuntamente con la austenita da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo (988º C) y se ubica, por tanto, en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente (entre 1100º C y 1250º C), dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material.

Aún limitando el tenor de S por debajo de la cifra indicada, el fenómeno subsiste. Se hace necesario entonces, controlar la presencia de las pequeñas cantidades de sulfuro de hierro remanentes, incorporando Mn en porcentajes entre 0,3 y 0,6 %. El manganeso tiene mayor afinidad por el S que el hierro, por lo que, en lugar del SFe, se forma SMn, que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. El contenido de

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Mn se fija mediante normas en los valores mencionados, dándose límites máximo y mínimo para asegurar que todo el S esté presente como SMn evitándose la presencia de sulfuro de hierro.

El fósforo, cuyo tenor máximo ya se ha indicado, resulta perjudicial ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye en estas condiciones el alargamiento de rotura (disminuye la ductilidad), como también por formar PFe3 (fosfuro de Fe). Como el fósforo tiene gran tendencia a ser segregado durante la solidificación, el centro de los lingotes se ve enriquecido fuertemente con este elemento. En estas condiciones, aún con contenidos tan bajos como 0,07 % de P, se forma un eutéctico ternario (fosfuro de hierro, ferrita y cementita), denominado esteadita, sumamente frágil. Por su punto de fusión relativamente bajo, aparece en bordes de grano, comunicando al material su fragilidad

El silicio está siempre presente pues su origen puede ser el propio mineral de hierro, o bien los refractarios de los hornos; sin embargo también se lo adiciona, en la forma de ferrosilicio, poco antes de la colada. Es un fuerte desoxidante, y su presencia impide la existencia de óxidos de Fe. En general, su contenido en los aceros oscila entre 0,2 a 0,4 %. Con contenidos mayores actúa como elemento aleante en las fundiciones grises, aceros al Si, etc.

Los elementos ya mencionados, junto al C, constituyen la composición básica de las aleaciones ferrosas; están siempre presentes. Otros elementos, los aleantes, se incorporan, en forma individual o por grupo, a fin de mejorar una o más de las siguientes

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