Tema: ALEACIONES FERREAS

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Jorge Luis Aguado Hernández

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Tecnología y comportamiento de los Materiales

Mtro. Luis Enrique López

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Introducción

En este resumen hablare sobre las aleaciones y sus propiedades generales, como están compuestas y varios tipos de ellas. Las cuales son explicadas a detalle a continuación.

ALEACIONES FERREAS

Las aleaciones férreas constituyen más del 90 por ciento en peso de los materiales metálicos empleados por el hombre. Esta inmensa familia de materiales de ingeniería posee un amplio rango de microestructuras y propiedades asociadas. En la práctica, dichas aleaciones se dividen en dos grandes categorías dependiendo de la cantidad de carbono presente en la composición de la aleación.

Los aceros generalmente tienen un contenido en carbono comprendido entre el 0.05 por ciento y el 2.0 por ciento en peso.

Las fundiciones normalmente contienen entre un 2.0 por ciento y un 4.5 por ciento en peso de carbono. Dentro de los aceros debe distinguirse el empleo o no de una cantidad significativa de elementos de aleación diferentes del carbono. Los elementos de aleación deben seleccionarse cuidadosamente porque suponen un importante aumento del coste del material. Su uso queda justificado solamente por mejoras esenciales en ciertas propiedades, tales como una mayor resistencia o un mejor comportamiento frente a la corrosión.

ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN

Los aceros al carbono son aleaciones hierro-carbono con un porcentaje en peso de carbono desde un 0.003 a un 1.2 por ciento, e incorporan manganeso (de un 0.25 aun 1 por ciento). Los aceros al carbono pueden alcanzar resistencias de 690 MPa, pero con una elevada pérdida de ductilidad y tenacidad; además, tienen poca resistencia a la corrosión y la oxidación y muy poca templabilidad. Por otra parte, se llaman aceros aleados aquellos que además contienen elementos como Ni, Cr, Mo, V, Si, Cu, Al, W, Ti. Co, Zr, Pb, B y otros, añadidos expresamente al acero para mejorar sus propiedades.

La mayoría de las aleaciones férreas son aceros al carbono y aceros de baja aleación, consecuencia de su moderado precio debido a la ausencia de grandes cantidades de elementos aleantes y que poseen, además, suficiente ductilidad para ser conformados con facilidad, obteniéndose productos resistentes y duraderos. Las aplicaciones van desde los cojinetes de bolas hasta la carrocería de los automóviles, pasando naturalmente por el mundo de la construcción.

ACEROS DE ALTA ALEACIÓN

Se consideran aceros de alta aleación aquellos en los que el total de elementos de aleación distintos del carbono superan el 5 por ciento en peso. La adición de esos elementos encarece el acero, y sólo se justifica por la mejora sustancial de ciertas propiedades. Así, los aceros inoxidables requieren la adición de aleantes para evitar ser dañados por un ambiente corrosivo. En los aceros de herramientas los elementos aleantes se añaden con el fin de obtener la dureza requerida para aplicaciones de mecanizado.

Las aleaciones Fe-Cr con un porcentaje de Cr superior al 12 por ciento en peso constituyen los denominados aceros inoxidables.

FUNDICIONES

Las fundiciones constituyen un sistema férreo tradicional importante. Son aleaciones Fe-C-Si, en las que el contenido en C es superior al carbono de saturación de la austenita (2.1 por ciento en peso, a la temperatura eutéctica), y generalmente contienen hasta un 3 por ciento en peso de silicio para controlar la cinética de formación de carburos, lo que permite que el sistema evolucione según el diagrama de equilibrio estable, formándose grafito en lugar de cementita durante la solidificación. También poseen manganeso, hasta el 1.5 por ciento, fósforo hasta el 1.8 por ciento (que proporciona a la aleación una colabilidad excelente) y hasta un 0.25 por ciento de azufre. Además de estas fundiciones ordinarias, existen fundiciones aleadas, que contienen cantidades sensibles de otros elementos de aleación (Cu, Ni, Mo, Ti, Al) para modificar sus propiedades físicas y mecánicas, incrementando por ejemplo la resistencia al desgaste, a la abrasión o a la corrosión.

Las fundiciones resultan excelentes para moldeo por sus temperaturas de fusión y viscosidad de la fase líquida relativamente baja, porque no forman capas superficiales indeseadas durante la colada, y por experimentar una contracción moderada durante la solidificación y el enfriamiento. Esto permite obtener piezas con formas complejas, si bien las propiedades mecánicas serán inferiores a las de las aleaciones de foija. La resistencia de las fundiciones es variable, en función del tipo.

Existen distintos tipos generales de fundiciones: fundiciones blancas, fundiciones grises, dúctiles, maleables y atruchadas.

Las fundiciones blancas obedecen al diagrama Fe-C meta estable, bien por mantener un contenido bajo en silicio, bien por obtenerse con altas velocidades de enfriamiento. El nombre lo toman de la superficie de rotura característica, blanca y brillante.No se pueden forjar ni templar, pues rompen a causa de las tensiones.
Se emplean, por ejemplo, en forros y palas de molinos, o en rodillos de laminación.

Las fundiciones grises presentan una superficie de rotura gris, consecuencia de la presencia de grafito. Incorporan contenidos en carbono entre el 2.5 y el 4 por ciento en peso. Un contenido significativo de silicio (2 a 3 por ciento en peso) favorece la precipitación del grafito (C) en lugar de la de la cementita (Fe3C). La precipitación en forma de placas afiladas y puntiagudas de grafito contribuye a tenerfragilidad, por lo que son preferibles las formas nodulares.

La fundición dúctil (o nodular) resultante obtiene su nombre de la mejora de las propiedades mecánicas. La ductilidad se ve aumentada en un factorde 20, y la resistencia, en un factor de dos. Estas fundiciones presentan buena fluidez y moldeabilidad, se mecanizan muy bien y tienen buena resistencia al desgaste.

Otro tipo de fundición con ductilidad razonable es la fundición maleable, que primero se moldea al igual que una fundición blanca (con grandes cantidades de carburos de hierro y sin grafito) y, posteriormente, se somete a un tratamiento térmico (de grafitización, por calentamiento por encima de la temperatura eutectoide, y posterior enfriamiento) para obtener precipitados nodulares de grafito. La matriz puede ser ferrita, perlita o martensita. Finalmente, las fundiciones atruchadas son un tipo de fundiciones intermedias entre la blanca y la gris.

ALEACIONES FÉRREAS DE SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA

En las dos últimas décadas se han obtenido a nivel comercial diversas aleaciones férreas de este tipo. El diseño de estas aleaciones estaba asociado originalmente a la búsqueda de composiciones eutécticas, que permitían enfriar hasta una temperatura de transición vitrea con velocidades de temple alcanzables.

ALEACIONES NO FÉRREAS

Se incluyen en esta sección aquellos metales y aleaciones cuya base no es el hierro, pero que tampoco se clasifican como metales ligeros por no poseer baja densidad.

COBRE Y ALEACIONES DE COBRE

El cobre posee una densidad de 8.93 g/cm3 y una temperatura de fusión de1083 °C. La conductividad eléctrica es excelente (100 por ciento IACS para el cobre recocido), y se puede mejorar mediante procesos de afino, lo que hace de las aleaciones de cobre un material idóneo para la fabricación de cables eléctricos.

Así mismo, su excelente conductividad térmica permite su uso en radiadores o cambiadores de calor.Es fácilmente soldable. El cobre muestra una excelente resistencia a la corrosión en agua de mar y otros ambientes corrosivos, aunque es atacado por los halógenos en húmedo. Siempre está recubierto de una capa protectora de óxido, que crece con la temperatura y puede llegar a descamarse. Al oxidarse, se cubre de una pátina verdosa, y esta coloración hace que se emplee en ocasiones por motivos decorativos en arquitectura.

Los latones son aleaciones de cobre en las que el cinc es el soluto por sustitución predominante. El intervalo de solidificación es muy pequeño, por lo que suelen obtenerse por moldeo. Hay al menos tres familias de latones. Los latones a, con un contenido en cinc inferior al 40 por ciento y red fcc, específicos para trabajo en frío. Se utilizan en bisutería, tuberías, instrumentos musicales, monedas, o en arquitectura. La conductividad térmica y eléctrica disminuye al aumentar el contenido en cinc, al tiempo que aumenta la resistencia y empeora el comportamiento a corrosión. La máxima maleabilidad se alcanza con un 30 por ciento de Zn (latón de cartuchería). El latón con un 15 por ciento de Zn tiene un color muy parecido al oro.

Los bronces son principalmente aleaciones cobre-estaño que industrialmente llevan además otros elementos de aleación, como P, Pb, Ni y Zn. La resistencia atracción del cobre mejora hasta un máximo en tomo al 20 por ciento en Sn; la aparición de la fase <5, dura y frágil, hace que industrialmente no se suelan utilizar bronces con más de un 30 por ciento de Sn, y que las aleaciones con más de un 8 por ciento de Sn no puedan ser conformadas en frío.

Los cuproaluminios (o bronces al aluminio) son aleaciones Cu-Al, con contenido en Al del 5 al 11 por ciento, que combinan buenas propiedades mecánicas con una buena resistencia a la corrosión, principalmente intergranular. Porcentajes de Al superiores al 8 por ciento los hacen tratables térmicamente. Son criogénicos, y también permiten trabajar a alta temperatura (hasta 400 °Q , manteniendo sus propiedades. Se emplean en forja y en moldeo. En la industria naval están sustituyendo a los latones.

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