Unidad 2

64

5. DIAGRAMAS DE FASES Y TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES 66

5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS ............................................................. 66 5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA ................................................. 67 5.3 DIAGRAMAS BINARIOS ............................................................................ 69

5.3.1 Diagrama de solubilidad total ............................................................ 69 5.3.2 Regla de la palanca ............................................................................. 71 5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial ........................................................ 74 5.3.4 Otras reacciones invariantes en los diagramas de fases binarios . 79

1 METALES Y ALEACIONES .......................................................................... 81 6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS................. 81

6.1.1 Estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (BCC) .............. 82 6.1.2 Estructura cristalina cbica centrada en las caras (FCC) ............... 83 6.1.3 Estructura cristalina Hexagonal compacta (HCP) ............................ 84

6.2 SOLIDIFICACION EN METALES ............................................................... 85 6.2.1 Nucleacion homognea ...................................................................... 85 6.2.2 Nucleacin heterognea..................................................................... 86

6.3 SOLUCIONES SLIDAS METALICAS ...................................................... 87 6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO............................................. 95 6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIN .......................... 100

6.5.1 Trabajo en Fro .................................................................................. 101 6.5.2 Trabajo en Tibio................................................................................. 101 6.5.3 Trabajo en Caliente ........................................................................... 102

6.6 ACEROS ................................................................................................... 102 6.6.1 Aceros al carbono............................................................................. 102 6.6.2 Aceros de aleacin........................................................................... 104 6.6.3 Aceros inoxidables ........................................................................... 106 6.6.4 Aceros para herramientas ............................................................... 108

6.7 TRATAMIENTOS TERMICOS .................................................................. 111 6.7.1 Recocido ............................................................................................ 111 6.7.2 Normalizado....................................................................................... 114 6.7.3 Temple................................................................................................ 114 6.7.4 Revenido ............................................................................................ 115 6.7.5 Curva Tiempo Temperatura Transformacin (TTT)............... 116 6.7.6 Templabilidad .................................................................................... 121 6.7.7 Mecanismos de Endurecimiento en materiales ferrosos .............. 123

6.8 FUNDICIONES O HIERROS FUNDIDOS ................................................. 124 6.8.1 Fundicin blanca............................................................................... 125 6.8.2 Fundicin gris.................................................................................... 125 6.8.3 Fundicin nodular (dctil) ................................................................ 126 6.8.4 Fundicin maleable........................................................................... 127

6.9 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES......................................................... 128 6.9.1 Carburizacin .................................................................................... 128 6.9.2 Nitruracin ......................................................................................... 130 6.9.3 Carbonitruracin ............................................................................... 130

6.10 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES ..................................................... 133 6.10.1 Caractersticas Trmicas................................................................ 134

65

6.10.2 Conductividad Elctrica ................................................................. 135 6.10.3 Caractersticas Mecnicas. ............................................................ 135 6.10.4 Influencia de las Impurezas sobre las propiedades fsicas y mecnicas................................................................................................... 136 6.10.5 Resistencia a la corrosin y respuesta a los tratamientos superficiales ............................................................................................... 137 6.10.6 Resistencia la Oxidacin. ............................................................... 138 6.10.7 Aplicaciones del aluminio sin alear y sus aleaciones. ................ 138

6.11 EL COBRE Y SUS ALEACIONES .......................................................... 142 6.11.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 142 6.11.2 Caractersticas mecnicas ............................................................. 143 6.11.3 Aplicaciones del cobre sin alear y sus aleaciones ...................... 143

6.12 EL NIQUEL Y SUS ALEACIONES.......................................................... 146 6.12.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 146 6.12.2 Aplicaciones del Nquel sin alear y sus aleaciones ..................... 147

6.13 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES.................................................... 149 6.13.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 150 6.13.2 Aplicaciones del Magnesio sin alear y sus aleaciones................ 150

6.14 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES......................................................... 151 6.14.1 Caractersticas Fsicas ................................................................... 151 6.14.2 Aplicaciones del Titanio sin alear y sus aleaciones .................... 152

66

5. DIAGRAMAS DE FASES Y TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES

Existen muchas aplicaciones de los materiales en el campo de la ingeniera; por lo

general los materiales no se usan puros como se menciono anteriormente, sino

que se usan como aleaciones en la gran mayora de los casos. Estas aleaciones

tambin poseen diferentes estructuras y por ende propiedades a diferentes

temperaturas y/o presiones, lo que hace adquirir importancia el conocimiento de

los diagramas de fases.

Se puede definir una fase como cada una de las porciones homogneas

fsicamente separables en un sistema formado por uno o varios componentes. Por

ejemplo, el agua tiene tres fases: liquida, slida y gaseosa (vapor). Una fase

posee ciertas caractersticas a saber:

Posee la misma estructura Posee el mismo arreglo atmico Posee la misma composicin qumica generalmente Posee las mismas propiedades

Los diagramas de fase se definen como representaciones graficas de las fases

presentes en un sistema de uno, dos o tres materiales bajo las variables de

temperatura, composicin y/o presin.

Un componente de una mezcla es una sustancia qumicamente independiente de

la cual esta compuesta una la fase.

5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS En 1875 J. Willaid Gibbs relacion tres variables: fases (P), componentes(C), y

grados de libertas o varianza (F) para diagramas de fases. El objetivo era calcular

67

el nmero de fases que pueden coexistir en equilibrio en un sistema y su

expresin matemtica est dada por:

P+F=C+2 [24]

Donde: C = nmero de componentes del sistema

P = nmero de fases presentes en el equilibrio

F = nmero de grados de libertad del sistema (variables: presin,

temperatura, composicin).

El Grado de libertad o varianza se puede definir como el nmero de variables que

pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la

desaparicin o formacin de una nueva fase. Tambin se define con el nmero de

factores variables.

F=0 indica invariante

F=1 univariante

F=2 bivariante

Los diagramas de fase existen de diversos estilos a saber:

Diagrama de una sustancia Pura Diagrama Binario Diagrama de solubilidad total

Diagrama de solubilidad parcial o eutectoide

Diagrama Ternario Aqu se explicaran los diagramas de sustancias puras y binarios que son los casos

ms prcticos y usados

5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA Este es uno de los diagramas mas sencillo (generalmente es presin vs

temperatura), tal como se muestra en la figura 51. En la mencionada figura se

puede apreciar que el agua posee tres fases: Slida, liquida y gaseosa o vapor. Se

68

observa tambin un punto denominado punto triple en el cual pueden coexistir los

estados slido, lquido y gaseoso. Adicionalmente se encuentran dos lneas: la

lnea de vaporizacin y la lnea de solidificacin para las cuales los pares

(presin, temperatura) corresponden a una transicin de fase entre una fase

slida y una fase lquida; y entre una fase slida y una fase vapor

respectivamente.

Figura 1 Diagrama de fase del agua [Adaptado de: Wikipedia, 2008]

Ahora se aplicara la regla de fase de Gibbs al diagrama del agua en diferentes

puntos como se muestra en la figura 51:

En el Punto triple: Fases presentes = 3, Numero de componentes =1, por lo tanto,

P+F=C+2, luego 3+F=1+2 entonces F=0.

El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=0, quiere decir que

Como ninguna de las variables (presin, temperatura o composicin) se

pueden cambiar manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto

triple es un punto invariante.

En un Punto sobre la lnea de solidificacin: Fases presentes = 2, Numero de componentes =1, por lo tanto,


El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=1, quiere decir que

69

Una variable (Temperatura o Presin) se puede cambiar manteniendo an

un sistema con dos fases que coexisten, es decir, si se especifica una

presin determinada, slo hay una temperatura en la que las fases slida y

lquida coexisten.

En un Punto dentro de una fase nica (Zona liquido): Fases presentes = 1, Numero de componentes =1, por lo tanto,


El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=2, quiere decir que dos

variables (Temperatura o Presin) se pueden cambiar independientemente

y el sistema permanece con una nica fase.

5.3 DIAGRAMAS BINARIOS

Estos diagramas contrario a los de las sustancias puras, se realizan entre

temperatura y composicin, dejando la presin constante, es decir la regla de

gibbs para estos ser P+F=C+1.

La caracterstica de un sistema binario es que muestra las fases formadas para

diferentes muestras de dos elementos o dos compuestos en un rango de

temperaturas.

5.3.1 Diagrama de solubilidad total Este diagrama recibe el tambin el nombre de sistemas isomorfos debido a que

los componentes del diagrama son totalmente solubles a altas y bajas

temperaturas. Para que un sistema sea completamente soluble debe cumplir

ciertas condiciones:

Estructura Cristalina: La estructura cristalina debe ser la misma Tamao: Los atomos o iones que constituyen el sistema deben tener una

diferencia de radios atmicos que no debe ser mayor del 15%, para

minimizar la deformacin de la red.

70

Electronegatividad: No debe haber diferencias significativas en los valores de electronegatividad, debido a que si existen se formaran compuestos y no

soluciones., por ejemplo Na +Cl = NaCl

Valencia: No debe existir diferencia significativa de valencias, debe ser la misma.

Estos diagramas presentan nicamente la lnea de lquidus, la cual se define como

la temperatura arriba de la cual un material es totalmente lquido y la lnea de

slidus, que se define como la temperatura por debajo de la cual esa aleacin es

totalmente slida (figura 52). La diferencia de temperaturas entre la lnea de

liquido y la de solido es el intervalo de solidificacin de la aleacin, dentro de este

intervalo de temperaturas se puede encontrar islas de solido en fase liquida.

Ejemplo de aleaciones con este tipo de diagrama de solubilidad total son: Cu-Ni,

NiO-MgO,Tl-Pb entre otros.

Figura 2. Diagrama isomorfo o de solubilidad total

Para ubicar un punto (a) en este diagrama se requiere de un porcentaje de

composicin y una temperatura. Por ejemplo, la aleacin entre Cu-Ni de la figura

53, muestra que la aleacin que pasa por el punto (a) de la figura tiene una

composicin de 80% de Ni +20% Cu, para un total de 100% de la aleacin.

71

Para una aleacin de 40%Cu y 60% Ni, segn el diagrama de la figura 53, por

encima de los 1280C la aleacin es totalmente liquida, debido a que este es el

lmite o linea de liquidus. Por debajo de los 1240 C, la aleacin es totalmente

slida y en el rango de 1280C 1240C, se pueden encontrar las dos fases

(solido y liquido), es decir en estos 40C de diferencia es donde la aleacin

empieza a solidificarse hasta llegar a la lnea de solidus.

Figura 3.Diagrama Cu-Ni

5.3.2 Regla de la palanca La regla de la palanca, es un mtodo que permite conocer la composicin qumica

de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.

Para determinar la composicin qumica de las fases primero se debe trazar una

lnea de enlace o isoterma, la cual es una lnea horizontal en una regin de dos

fases como se muestra en la figura 54, esta lnea une dos puntos de la lnea de

liquidus y solidus en este caso. Los extremos de esta lnea representan las

composiciones de las dos fases. A continuacin prolongar los puntos hasta tocar

la lnea de composicin en los puntos Ca y Cl. El punto Ca quiere decir que la

aleacin considerada a la temperatura (T) contiene lquido de una composicin

72

qumica de % del elemento B y el restante del elemento A. El punto Cl quiere decir

que la aleacin considerada contiene slido de una composicin qumica de % del

elemento B y el restante del elemento A.

Figura 4. Regla de la palanca

Por ultimo para determinar las cantidades relativas de cada una de las fases

presentes (liquida y slida en este caso), se procede a usar la regla de la palanca.

Esta se puede escribir de la siguiente forma:

100XisotermaladelocalLongitudpalancaladeopuestoBrazofasedePorcentaje = [25]

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier regin bifsica de un

diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el clculo de la

regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha

fase presente).

De esta manera la fraccin o porcentaje de fase slida ser:

100% XCCCCsolidafasede

al

ml

= [26]

Y la fraccin o porcentaje de fase liquida ser:

73

100% XCCCCliquidafasede

al

am

= [27]

Hay que tener cuidado al seleccionar el brazo de la palanca para el numerador de

la formula, ya siempre es el lado opuesto a la fase que se calcula.

Ejemplo: Una aleacin de cobre nquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y est a

1.300 C.

(a)Cul es el porcentaje en peso de cobre y nquel en las fases slida y lquida a

esta temperatura?

(b)Qu porcentaje en peso de la aleacin es lquida, y qu porcentaje es slida?

SOLUCION:

a) Para desarrollar el ejercicio se debe usar el diagrama de la figura 55 y trazar la

lnea correspondiente a la aleacin 47% en peso de Cu y 53% de Ni, y la

correspondiente isoterma a 1.300 C., es posible determinar el porcentaje en peso

de cobre y nquel en las fases slida y lquida a esta temperatura.

% Cu en fase lquida: 55% Cu aprox. + 45 % Ni aprox.

% Cu en fase slida: 4O% Cu aprox. + 60 % Ni aprox.

74

Figura 5. Diagrama Cu-Ni para el ejemplo

b) Para determinar que porcentaje en peso de la aleacin es lquida, y que

porcentaje es slida se realiza la regla de la palanca usando los resultados

anteriores.

100% XCCCCliquidafasede

al

am

=

%66.4610045605360% =

= Xliquidafasede

100% XCCCCsolidafasede

al

ml

=

33.5310045604553% =

= Xsolidafasede 5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial Este diagrama tambien recibe el nombre de diagrama de fases eutecticas, debido

al nombre de la reaccin que se produce. Se presenta en muchos sistemas de

aleaciones en donde se presenta solubilidad limitada. Las caractersticas de este

diagrama que se muestra en la figura 56 son:

Existe una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una nica temperatura como un elemento puro, denominandose a este punto,

punto eutctico.

Presenta una lnea de liquidus, por encima de la cual todas las aleaciones posibles se encuentran en estado liquido

Presentan una temperatura eutctica o lnea eutctica, la cual es la temperatura ms baja a la cual el lquido puede existir.

Posee dos regiones de solubilidad slida restringida, las cuales se designan con letras griegas y que reciben el nombre de soluciones solidas terminales

y . La fase , es una fase rica en el elemento A, puesto que se

encuentra mas cerca a este y la fase s una fase rica en el elemento B.

Posee una reaccin eutctica, que es la reaccin que ocurre durante el enfriamiento de la composicin eutctica en la cual la fase liquida se

75

transforma en do formas slidas diferentes ( y ), esta reaccin ocurre en

el punto eutctico.

Presenta dos regiones bifsicas: o + lquido = regin bifsica ( slido y lquido)

+ = regin bifsica (mezcla slida)

Figura 6. Diagrama de solubilidad parcial fuente [Fuente: UNCOMA, 2008]

La secuencia de transformacin de fases de la reaccin eutctica se muestra en la

figura 57, en esta se parte de la aleacin cuando esta es totalmente liquida

(fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la lnea o

temperatura eutctica donde se inicia la formacin de ncleos, que al seguir

descendiendo la temperatura y estar por debajo de la temperatura eutctica

comenzaran a crecer y formaran granos. En este paso ya el material se encuentra

en estado slido formado por tomos de las fases y slidas. El enfriamiento

deber ser lento para que el proceso se produzca en el equilibrio.

76

Figura 7. Esquema de la Reaccin eutctica [Adaptado de: UNCOMA, 2008]

La secuencia de transformacin de fases para una aleacin hipoeutctica, es

decir, aleaciones con composiciones menores a la eutctica se muestra en la

figura 58. En esta se parte de la aleacin cuando esta es totalmente liquida

(fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la

temperatura T1, donde inicia la solidificacin (slido ) en sitios de nucleacin. En

esta zona a medida que desciende la temperatura ira aumentando cada vez mas

la cantidad de slido conformando granos e ir disminuyendo la cantidad de

liquido hasta la lnea o temperatura eutctica donde se inicia la enucleacin de la

composicin eutctica, es decir el liquido contenido en la fase anterior inicia la

reaccin para convertirse en slido y . Al pasar la lnea eutctica los granos de

composicin eutctica continan creciendo y formando granos hasta que

finalmente la aleacin solidifica completamente presentando en su estructura

solido y slido eutctico.

77

Figura 8. Transformacin de aleaciones hipoeutcticas [Adaptado de: UNCOMA, 2008]

La transformacin para una aleacin hipereutectoide es algo similar a la hipo, la

diferencia radica en que el material al final de la solidifcacion que es slido y

solido eutctico.

Ejemplo: Para una aleacin de 40% de Sn y 60% de Pb determinar las fases presentes,

composicin de las fases y cantidades de las fases en los puntos

a) Temperatura de 300C

b) Temperatura de 230C

c) Temperatura de 183- T

SOLUCION:

Para realizar este ejemplo se usara el diagrama Pb-Sn mostrado en la figura 59.

a)

Fases presentes = 1

Composicin de las fases = 40% de Sn y 60% de Pb

78

Cantidad de fases = 100% liquida

b)

Fases presentes = 2

Composicin de las fases= liquida 48% Sn+52%Pb y alfa 17% de Sn y 83 % de

Pb

Cantidad de fases = (Regla de la palanca)

%2.7410017481740% =

= Xliquidafasede

%80.2510017484048% =

= XSlidafasede c)

Fases presentes = 2

Composicin de las fases= Beta 19% Sn+81%Pb y alfa 97.5% de Sn y 2.5 % de

Pb

Cantidad de fases = (Regla de la palanca)

%08.7310019974097% =

= Xsolidafasede

%92.2610019971940% =

= XSlidafasede

79

Figura 9.Diagrama Pb-Sn

5.3.4 Otras reacciones invariantes en los diagramas de fases binarios Como se menciono en los diagramas anteriores existen en estos, reacciones

denominadas invariantes, las cuales tienen lugar a una temperatura y composicin

especifica, como es el caso de la reaccin eutctica. Adems de esta reaccin, en

los diagramas solubilidad total y solubilidad parcial, se pueden encontrarse otras

reacciones invariantes, a saber:

Reaccin eutctica: La fase liquida se transforma en dos fases solidad diferentes como se muestra en la figura 60.

+L [28]

Figura 10. Reaccion eutctica

80

Reaccin eutectoide: una fase slida se convierte en dos fases solidas diferentes, como se muestra en la figura 61

+ [29]

Figura 11. Reaccin eutectoide

Reaccin Peritctica: una fase liquida mas solida se convierte en un solido diferente, como se muestra en la figura 62

+L [30]

Figura 12. Reaccin Peritctica

Reaccin Peritectoide: Dos fases slidas se convierte en un solido

diferente, como se muestra en la figura 63

+ [31]

Figura 13. Reaccin Peritectoide

81

1 METALES Y ALEACIONES

6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS En los sistemas cristalinos existen cuatro tipos bsicos de celda unidad: sencilla,

centrado en el cuerpo, centrado en las caras y hexagonal compacta.; de los cuales

los tres ltimos son los mas importantes para el caso de los metales. Polimorfismo

o Alotropa se define como aquel material que presenta diversas estructuras

cristalinas a diferentes temperaturas: Ejemplo: acero y el cermico PSZ

82

6.1.1 Estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (BCC) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los tomos (representados como

esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vrtices del cubo y uno

ms se encuentra en el centro de la celda (figura 64). Para esta celda el nmero

de coordinacin es ocho (8), debido a que este termino define a la cantidad de

tomos vecinos mas cercanos a uno en particular (alrededor).

Figura 14.Celda BCC

La cantidad de tomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el

equivalente de 2 tomos. Un tomo completo localizado en el centro de la celda

unidad, y un octavo de esfera en cada vrtice de la celda, haciendo el equivalente

de otro tomo. En consecuencia, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los

vrtices) = 2 tomos por celda unidad.

Para esta celda los tomos se encuentran unidos a travs de la diagonal que se

muestra en la figura 65, pudiendo relacionarse la longitud de la cara del cubo (a0)

con el radio atmico (r) de la siguiente manera:

34

0ra = [4]

Figura 15. Relacin entre constante de red (a0) y el radio atmico (r)

83

A esta celda tambin es posible determinar el Factor de Empaquetamiento

Atmico (APF), el cual indica que fraccin de la celda esta ocupado por los

tomos, se calcula de la siguiente manera:

celdaladeVolumenBCCceldalaenatomosdeVolumenAPF = [5]

3

3 )34)(2(

a

RatomosAPF

= , pero como

34Ra = ,

Entonces, 68.0=APFLuego el 68% del volumen de la celda esta ocupado por tomos, el 33% restante

es espacio vacio. Algunos metales con estructura BCC son: Cromo, hierro,

vanadio.

6.1.2 Estructura cristalina cbica centrada en las caras (FCC) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los tomos (representados como

esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vrtices del cubo y uno en

el centro de cada una de las caras del cubo, como se muestra en la figura 66.

Para esta celda el numero de coordinacin es doce (12).

Figura 16.Celda FCC [Fuente: (Der) I.E.S, 2008]

La cantidad de tomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el

equivalente de 4 tomos. Un octavo de esfera en cada vrtice de la celda,

haciendo el equivalente de un tomo, y medio tomo en cada una de las caras

haciendo 3 tomos. En consecuencia, hay un total de 8 x 1/8 (en los vrtices) + 6 x

= 4 tomos por celda unidad.

84

Para esta celda los tomos se encuentra unidos a travs de la diagonal de las

caras como se muestra en la figura 67, pudiendo relacionarse la longitud de la

cara del cubo (a0) con el radio atomico (r) de la siguiente manera:

24

0ra = [6]

Figura 17. Relacin entre constante de red (a0) y el radio atmico (r)

El Factor de Empaquetamiento Atmico (APF), el cual indica que fraccin de la

celda esta ocupado por los tomos, para esta celda es 0.74 (74%). Comparando

con el valor de la celda BCC, en esta los tomos se encuentran ms unidos

(dejan menos espacio vaco). Algunos metales con estructura FCC son: Aluminio

hierro, cobre.

6.1.3 Estructura cristalina Hexagonal compacta (HCP) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los tomos se encuentran

localizados en la capa superior, en la capa inferior y tres en el centro de la celda,

como se muestra en la figura 68. Para esta celda el numero de coordinacin es

doce (12).

La cantidad de tomos que se encuentra dentro de la celda es el equivalente de 6

tomos. Un sexto de esfera en cada esquina de la capa superior e inferior de la

celda, haciendo el equivalente de dos tomos, tres tomos en el centro y medio

tomo en cada una de las capas haciendo 2 tomos. En consecuencia, hay un

total de 6 x 1/6 (en la capa superior) + 6 x 1/6 (en la capa inferior) + 3 (en el

centro)+ 2 x = 6 tomos por celda unidad.

85

Figura 18. Celda HCP [Fuente: I.E.S, 2008]

El Factor de Empaquetamiento Atmico (APF), para esta celda es 0.74 (74%).

Algunos metales con estructura HCP son: Cadmio, Zinc, titanio.

6.2 SOLIDIFICACION EN METALES

La gran mayora de metales para poder generar productos requieren de un

proceso de extraccin (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un

molde en el cual este se enfra y solidifica. Este proceso de solidifacin es

diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleacin, como ser

explicado mas adelante.

En la solidificacin de un material existe una etapa llamada nucleacin (formacin

de ncleos en el metal lquido). Este tipo de nucleacion puede ser homognea o

heterognea.

6.2.1 Nucleacion homognea Consiste en que el metal liquido fundido proporciona por si mismo los tomos para

formar ncleos. Este proceso se divide como se muestra en la figura 69 en:

Generacin de ncleos: Es la agrupacin de tomos a partir de pequeos movimientos de estos.

Generacin de cristales: En este paso algunos ncleos se generan y se disuelven mientras exista suficiente lquido, otros continan creciendo hasta

formar los cristales.

86

Creacin de lmites de grano: Al continuar el proceso de enfriamiento, algunos ncleos crecen y se reorientan para convertirse en granos, los

cuales crearan una frontera llamada lmite de grano.

Figura 19. Nucleacin homognea

6.2.2 Nucleacin heterognea Este tipo de nucleacin se produce en el metal lquido sobre las paredes del

molde al usar un agente insoluble; es decir sin refinadores de grano. Esta

nucleacin difiere si el caos es un metal puro o una aleacin.

El proceso de solidificacin de un metal puro se caracteriza porque solidifica a

temperatura constante (Tm), estos puntos son conocidos por medio de tablas.

El proceso que ocurre en el molde es el siguiente (figura 70):

Generacin de una capa delgada producto del rpido enfriamiento en las paredes al vaciar el liquido en el molde

El espesor de esta pelcula aumenta generndose una costra En las costras que se forman, los granos son equiaxiales, finos y orientados

aleatoriamente producto del rpido enfriamiento

Se sigue introduciendo metal fundido y se generan granos columna res, debido a que se enfran perpendiculares a la costra y las paredes del

molde, este proceso recibe el nombre de crecimiento dendrtico

87

Figura 20.Estructura caracterstica de un metal puro solidificado [Fuente: Groover ,2007]

Las aleaciones generalmente no poseen una temperatura nica de solidificacin

sino un rango de temperaturas, este rango depende de la aleacin y composicin

particular. El proceso que se ilustra en la figura 71 consiste en:

Al igual que el metal puro se vierte el material fundido y se forma una capa fina

Luego se forma granos columnares o dendritas como en el metal puro, similar al paso del metal puro.

Como es una aleacin y por lo tanto dos puntos de fusin de los elementos de la aleacin diferentes, se genera una zona donde existe slido con islas

de liquido (zona blanda). Esta zona puede ser ancha o angosta en la

aleacin por las siguientes razones: 1) Diferencia alta de temperatura entre

liquidus y solidus 2) Lenta transferencia de calor del metal fundido hacia

fuera del molde

Figura 21.Estructura caracterstica de una aleacin solidificada [Fuente: Groover ,2007]

6.3 SOLUCIONES SLIDAS METALICAS

88

Como se menciono anteriormente muchos de los materiales que se usan

industrialmente no son totalmente puros (ejemplo el cobre en cables elctricos), la

gran mayora se usan como aleaciones para mejorar ciertas propiedades como

resistencia a tensin, dureza, etc. Dentro de los diferentes tipos de aleaciones, el

tipo ms simple de aleaciones es la Solucin Slida. Esta se define como una

aleacin formada por dos o ms partculas distribuidas dentro de una fase nica.

Existen dos tipos de soluciones slidas: sustitucional e intersticial

Solucin slida sustitucional: Este tipo de soluciones consta de dos elementos o partculas en los cuales uno de los elementos (disolvente)

sustituye en las posiciones a otros tomos de soluto.

La estructura cristalina del elemento progenitor o disolvente permanece

inalterada, pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a la

presencia de tomos de soluto (figura 72)

Figura 22. Solucin slida sustitucional [Adaptado de: Smith, 2004

Existen ciertas condiciones que facilitan este tipo de solucin:

La diferencia entre los dimetros atmicos debe ser menor que el 15% La estructura cristalina debe ser la misma No debe haber mucha diferencia entre las electronegatividades Los elementos deben tener la misma valencia

Solucin slida Intersticial: En este tipo de solucin los tomos de soluto encajan en los espacios que hay entre los tomos de disolvente. Estos

89

huecos son llamados intersticios (figura 73). Se forma debido a que hay

gran diferencia entre los dimetros atmicos. Estos tomos de soluto

(pequeos) pueden ser de Nitrgeno, carbono, hidrogeno y oxigeno.

Figura 23. Solucin slida intersticial [Adaptado de: Smith, 2004]

En el campo de la ingeniera, una de las aleaciones metlicas ms importante es

el acero. Esta es una aleacin producto de la unin del hierro, quien junto con una

pequea proporcin de carbono, proporcionan al acero diversas propiedades

especiales tales como dureza, resistencia y ductilidad entre otras.

El hierro es un metal alotrpico, quiere decir que posee diferentes estructuras

reticulares dependiendo de la temperatura a la que sea sometido. Tcnicamente

se considera hierro puro a aquel material con menos de 0.008% de carbono, este

es un metal blanco azulado, dctil y maleable que permite ser forjado y moldeado.

En la figura 74, se muestra una parte del diagrama binario importante en

ingeniera, el diagrama hierro-carbono o como es comnmente llamado hierro -

Fe3C, debido a que esta parte del diagrama (entre 0 y 6.67%C), es la que reviste

gran importancia tecnolgica ya que en esta porcin se pueden encontrar los

diferentes aceros y fundiciones. El extremo que no se muestra en le diagrama rico

en carbono no es estudiado debido a que un material rico en carbono es muy

duro, pero extremadamente frgil.

90

Figura 24. Diagrama Fe-Fe3C

En este diagrama las aleaciones que contienen hasta un 2% de carbono

constituyen los aceros y las aleaciones que contienen mayor porcentaje de

carbono se denominan fundiciones. El carbono puede presentarse en este

diagrama en tres formas distintas a saber:

Como una solucin slida intersticial (explicado anteriormente) Combinado con el hierro para formar un compuesto nter metlico

denominado cementita Fe3C

Como carbono libre o grafito

En el diagrama hierro Fe3C, se puede apreciar las diferentes transformaciones

alotrpicas del hierro:

Ferrita o hierro : Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cbica centrada en el cuerpo BCC. Posee una

estructura cbica centrada en el cuerpo. Existe entre temperaturas de

1934C y 1538C, la mxima solubilidad de carbono es de 0.09% a 1495C

Austenita o hierro : Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cbica centrada en las caras FCC. Existe en el

rango de temperaturas entre 727C y 1495C. la mxima solubilidad de

91

carbono es 2.1% 1.148C y la mnima solubilidad es de 0.77 a 727C.

(figura 75)

Figura 25. Acero AISI 1010, en estado templado, austenizado a 800C, y enfriado en agua. En 100X y 1000X (aumentos)

Ferrita o hierro : Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cbica centrada en el cuerpo BCC. Existe por debajo de

los 912C y la mxima solubilidad del carbono es 0.0218% a 727C, la

mnima solubilidad. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la

traccin de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.Tiene una

dureza de 300 Brinell, una resistencia a la traccin de 100 kg/mm2 y un

alargamiento del 30 %. Posee constante de red (arista del cubo) menor que

la ferrita o hierro . (figura 76)

Figura 26. Acero W1 Normalizado a 1000x (izq.) y Acero 1010. En estado de entrega a 100x

92

Otro constituyente metlico que puede presentarse en los aceros es la cementita o

carburo de hierro Fe3C (figura 76), contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el

micro constituyente ms duro y frgil de los aceros al carbono y no presenta

solubilidad, alcanza una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red

ortorrmbica. Esta aparece en las estructuras metalogrficas en las formas

siguientes:

Cementita proeutectoide, ocurre en aceros hipereutectoides formando una red que envuelve los granos perliticos

Componente de la perlita, al suceder la reaccin eutectoide. La perlita (figura 76) es otro tipo de estructura de tipo laminar de y Fe3C, la cual es un micro constituyente del acero. Esta compuesta por el 88 % de ferrita y 12 %

de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la

traccin de 80 kg/mm2 La perlita aparece en general en el enfriamiento lento a l

producirse la reaccin eutectoide, es decir la transformacin de la austenita 727C

En el diagrama, Fe- Fe3C se encuentran tres lneas horizontales que indican

reacciones isotrmicas o tres reacciones invariantes estas son (figura 74):

Reaccin Peritctica: Esta reaccin ocurre con un porcentaje de 0.53% de carbono ya una temperatura de 1465C (lnea isoterma). Dicha reaccin

responde a la ecuacin:

+L [32] Reaccin Eutctica: Esta reaccin ocurre en el punto eutctico con un

porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148C (lnea

isoterma). Cuando una determinada aleacin cruce esta lnea, la parte

lquida que la compone debe solidificar formndose austenita y carburo de

hierro o cementita. Esta mezcla eutctica, recibe el nombre de ledeburita,

Dicha reaccin responde a la ecuacin:

CFeL 3+ [33] Reaccin Eutectoide: Esta reaccin ocurre en el punto eutctico con un

porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148C (lnea

isoterma). Cualquier porcin de austenita presente se transformar en una

93

fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. Dicha reaccin

responde a la ecuacin:

CFeferrita 3+ [34]

Una primera clasificacin que se hace de los aceros es de acuerdo al contenido de

carbono; esto es, los aceros con contenido de carbono por debajo de 0.77%C se

denominan aceros hipoeutectoides, los aceros Eutectotides son los que tienen

0.77% de carbonos y los aceros hipereutectoides son los que tiene contenido de

carbono por encima de 0.77% hasta 2%C.

La micro estructura de un acero hipoeutectoide se caracteriza por estar formada a

temperatura ambiente por ferrita+ perlita. Como se muestra en la figura 77, las

zonas negras corresponden a perlita embebida en zonas blancas corresponden a

granos de ferrita (matriz)

Figura 27. Microestructura de un acero hipoeutectoide

Para un acero eutectoide la microestructura es fcil de entender debido a que

ocurre alga similar al proceso de reaccin eutectoide. La aleacin por encima de

723C tiene una estructura austenitica y al pasar por debajo de esta se transforma

en perlita (ferrita+cementita) hasta la temperatura ambiente como se muestra en la

figura 78

94

Figura 28. Microestructura de un acero eutectoide

Por ultimo los aceros hipereutectoides presentan un micro estructura constituida

por granos de perlita rodeados de cementita. Aunque en el diagrama estos pueden

llegar hasta el 2% de carbono, en la realidad son escasos los que sobrepasan el

1.5%C. (Figura 79)

Figura 29. Microestructura de un acero Hipereutectoide

Los pasos que se llevan a cabo en una aleacin hipoeutecotide e hipereutecoide

se muestran en la figura 80. Para los aceros hipo, por arriba de 800C para este

caso el acero posee una estructura austenitica, al descender la temperatura hasta

por debajo de los 750C ferrita empieza a nuclear y crece, por lo general alrededor

de los granos de austenita. La ferrita primaria o proeutectoide como se le llama por

haberse formado antes de la temperatura eutctoide (727C) sigue creciendo hasta

llegar a 727C donde la austenita que se traa se transforma en perlita (ferrita

eutectoide+cementita).

95

Figura 30. Evolucin microestructural de los aceros Hipo e hipereutectoides. [Fuente:

Askeland, 2003] El proceso que se lleva a cabo en un acero hipereutectoide (figura 80) es algo

similar, parte tambin del enfriamiento desde la zona autenitica, al iniciar el

proceso de enfriamiento empiezan a nuclear y crecer cementita (Fe3C)

proetutectoide alrededor de los granos de austenita (). Luego la austenita se

enfra a travs de la reaccin eutectotide, terminando a temperatura ambiente una

estructura de granos de perlita (ferrita +cementita eutectoide) rodeados por una

matriz de cementita proeutectoide

Realizar el siguiente ejemplo: Un acero de 0.4%C se somete a un enfriamiento lento desde 940C. (a) A

temperatura de 727+T, calcular el % en peso de austenita y el % en peso de

ferrita. (b) A temperatura de 727-T, calcular el % en peso de ferrita proeutectoide,

el % en peso de ferrita eutectoide y % en peso de cementita

6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO El proceso de fabricacin del acero inicia con las materias primas, dentro de las

cuales la mas importante es el mineral de hierro o bien chatarra frrea, segn el

proceso que se use para fundirlo, ya que en el proceso a base de mineral de

hierro se utiliza un alto horno y en el proceso con la chatarra frrea se usa un

96

horno de arco elctrico. Los principales minerales de los que se extrae el hierro

son:

Hematita (mena roja) 70%, de hierroMagnetita (mena negra) 72.4%, de

hierroSiderita (mena caf pobre)48.3% de hierro y Limonita (mena caf) 60-65%

de hierro.

En resumen los cuatro elementos necesarios parta la produccin del acero son:

Mineral de hierro Coque Piedra caliza Aire

El coque es un combustible de alto carbono que se produce al calentar durante

varias horas un carbn bituminoso en una atmsfera escasa de oxigeno, para

luego rociarles agua a travs de torres de enfriamiento especiales, generndose

un carbn rico en carbono destilado y es extremadamente combustible El coque

tiene como objetivos suministrar el calor para la reaccin y producir monxido de

carbono (CO) para reducir el mineral de hierro.

La piedra caliza es una piedra que contiene carbonato de calcio. Esta tiene como

objetivo en el proceso actuar como fundente para que reaccione con la mezcla en

la formacin de una escoria que recoja, durante los procesos de fusin y afino, los

elementos que se introducen con la carga que pueden ser perjudiciales para el

acero final, dejando el bao limpio de impurezas.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les preparan antes de introducirse al

alto horno, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado para que tengan

la calidad, el tamao y la temperatura adecuada,

Para iniciar el proceso se coloca una carga de mineral, coque y caliza dentro del

alto horno, esta se carga o se introduce por la parte superior por medio de

vagones que son volteados en una tolva. En general los altos hornos tienen un

97

dimetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Estn

revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre

800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h.

Luego del proceso en el alto horno se produce hierro fundido o arrabio como es

ampliamente conocido, este es un hierro de poca calidad, su contenido de carbn

no est controlado y la cantidad de azufre rebasa los mnimos permitidos en los

hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la

fusin primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales

proceden.

La escoria o impurezas del proceso, flotan en la superficie del arrabio, por ser

menos densa y puede utilizarse en otras aplicaciones industriales, por ejemplo

para la construccin de carreteras o en la produccin de cemento. Estos son

recolectados a travs de carros cucharas de hierro caliente para llevarlos a

procesos posteriores

Luego se lleva a cabo un proceso de refinacin del hierro, para obtener acero; los

hornos que se usa actualmente es el horno de oxigeno bsico (BOF) y el

elctrico, lo que se genera de estos es acero al carbono. El objetivo de este horno

es inyectar suficiente oxigeno para oxidar el carbono e impurezas como el silicio,

manganeso y fsforo. Durante este proceso el contenido de carbono en el hierro

disminuye (control de carbono). Luego de refinarlo se agregan elementos de

aleacin, si lo que se quiere fabricar es un acero aleado. A continuacin se lleva a

cabo la colada y luego pasara por trenes de laminacin para fabricar los

productos.

La secuencia del proceso de fabricacin del acero a partir de mineral de hierro se

muestra en la figura 81.

98

Figura 31. Secuencia de Fabricacin del acero a partir de mineral de hierro [Fuente: Arcelor,

2008]

99

Para la elaboracin del acero a partir de chatarras seleccionadas, estas se

mezclan con ferroaleaciones para obtener la composicin y especificacin

deseada. La calidad de la chatarra depende de tres factores:

De su facilidad para ser cargada en el horno De su comportamiento de fusin (densidad de la chatarra, tamao, espesor,

forma, etc.)

De su composicin, siendo fundamental la presencia de elementos residuales que sean difciles de eliminar en el proceso del horno

Como se menciono, la chatarra puede provenir de diferentes piezas o

componentes metlicos, esta se puede clasificar en tres grupos:

Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la propia fbrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad

Chatarra de transformacin: producida durante la fabricacin de piezas y componentes de acero (virutas de mquinas herramientas, recortes de

prensas y guillotinas, etc.)

Chatarra de recuperacin: suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acera y procede del desguace de edificios con estructura de

acero, plantas industriales, barcos, automviles, electrodomsticos, etc.

La secuencia del proceso de fabricacin del acero a partir de chatarra

seleccionada se muestra en la figura 82

100

Figura 32. Fabricacin del acero a partir de chatarra seleccionada [Fuente: IPAC, 2008]

Link Flash Proceso de fabricacin del acero, aplicaciones y reciclaje http://www.apta.com.es/otua/otua2004.swf

6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIN Como se observo en el flash anterior, para la fabricacin de productos

comerciales de acero (alambron, perfiles, barras, bobinas, etc.), se hace necesario

el uso de un tren de laminacin o rodillos laminadores, los cuales van a permitir

darle las formas comerciales del acero. Estos procesos de laminacin, forja,

extrusin, requieren temperaturas para llevar a cabo su objetivo. Debido a la

101

temperatura los procesos se pueden clasificar en tres tipos: trabajo en fro, trabajo

en caliente y Trabajo en tibio

6.5.1 Trabajo en Fro Es el formado del metal que se realiza a temperatura ambiente o ligeramente por

encima

102

Son posibles trabajos un poco ms complejos que los que se pueden realizar en el trabajo en fro.

6.5.3 Trabajo en Caliente Son los trabajos realizados por encima de la temperatura de recristalizacin del

metal. 0.5 y 0.75 Temperatura de fusin del metal Ventajas:

La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayora de los lingotes fundidos contienen muchas pequeas sopladuras. Estas son

prensadas y a la vez eliminadas por la alta presin de trabajo.

Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a travs del metal.

Existe menos potencia para deformar el material, pero mucha ms deformacin plstica que en fro y en tibio, es decir hay mayor ductilidad.

La propiedad de resistencia es isotrpica, no hay direccin de los granos

6.6 ACEROS Como se mencion anteriormente, el acero es una aleacin cristalizada de hierro,

carbono y otros elementos (elementos aleantes) que se endurece cuando se le

enfra despus de estar arriba del punto de fusin.

Existen diversas maneras de clasificar el acero, un a de las ms comunes, es

hacerlo por su composicin qumica:

6.6.1 Aceros al carbono Se trata del tipo bsico de acero que contiene menos del 3% de elementos que no

son hierro ni carbono, debido a que tambin contienen impurezas como fsforo,

azufre, silicio.

Dentro de este grupo se encuentran

De bajo carbono: (Contienen menos de 0.3%) Son usados en alambre, perfiles, tornillos, tuercas y pernos

103

De medio carbono: (Contienen entre 0.3% a 0.7%) Son usados en carriles, ejes, engranajes y partes que requieran alta resistencia y

dureza moderada.

De alto carbono: (Contienen mas de 0.7%) Son usados en herramientas de corte: brocas, machuelos y herramientas de

resistencia a la abrasin

Estos aceros contienen bsicamente hierro y carbono. Se designan segn la AISI

(American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of automotive Enginners) por 4

dgitos 10XX, donde los dos primeros indican que el Acero es al carbono y los dos

ltimos el contenido de carbono en centsimos de porcentaje. Por ejemplo: El

acero 1040, es un acero de medio contenido de carbono con 0.4%C. Las

composiciones, propiedades mecanicas y aplicaciones de algunos aceros al

carbono AISI -SAE se muestran en la tabla 6.

Tabla 1. Composicion, propiedades mecanicas y aplicaciones tipicas de aceros al carbono

[Fuente: Smith, 2004]

104

6.6.2 Aceros de aleacin Son los aceros que contienen otro metal que fue aadido intencionalmente con el

fin de mejorar ciertas propiedades del metal. Los elementos principales de

aleacin asi como su porcentaje se muestran en la tabla 7. Dentro de este grupo

se encuentran:

De baja aleacin: Son aquellos en los que los elementos especiales de aleacin suman menos del 8%

De alta aleacin: Son aquellos en los que los elementos especiales de aleacin suman ms del 8%.

Tabla 2. Aceros aleados con sus elementos principales de aleacin


Se usan principalmente donde se requiere mucha resistencia a tensin, y en

general donde se requieran propiedades que los aceros ordinarios al carbono no

proporcionan como: construccin y motores.

Entre las caractersticas que se atribuyen aunque no en su totalidad estn:

Son mas dctiles que los aceros al carbono, sin disminuir la resistencia a la tensin

Facilidad para ser endurecido o templados por enfriamiento brusco en aceite o agua (templabilidad)

105

Baja susceptibilidad al desgaste y a la corrosin Se pueden obtener herramientas que realicen trabajos muy forzados y que

no pierdan dureza al calentarse

Se pueden obtener piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior

Se designan por 4 dgitos XXXX, donde los dos primeros indican el o los

elemento(s) principal(es) o grupo al que pertenecen y los dos ltimos el contenido

de carbono en centsimos de porcentaje. Por ejemplo: el acero 4140, segn tablas

AISI es una acero aleado con Mn y Cr y contiene 0.4%C, el acero 5160, segn

tablas AISI es una acero aleado con Mn y contiene 0.6%C. La tabla 8,

proporciona informacin referente a las propiedades mecanicas y aplicaciones de

estos aceros

106

Tabla 3. Composicin, propiedades mecnicas y aplicaciones tipicas de aceros aleados


6.6.3 Aceros inoxidables Son aceros cuya caracterstica es la resistencia a la corrosin. La resistencia es

debida principalmente al alto contenido de cromo, que es ms de 12% y en

107

algunos de nquel. Son ms costosos que los aceros al carbono y aleados y se

clasifican como:

Aceros Inoxidables Austenticos: La composicin qumica tpica 18% Cr y 8% Ni. Son los ms resistentes a la corrosin de los tres grupos. Debido a

su composicin se les denomina como aceros 18-8.dentro de sus

aplicaciones se encuentran: Recipientes a presin, equipos de procesos

qumicos y alimenticios. Se designan como 3XX. Por ejemplo 304 y 316.

Aceros Inoxidables ferrticos: La composicin qumica tpica 15-20% Cr, bajo carbono y nada de nquel. Son menos resistentes a la corrosin y

menos dctiles que los austenticos. Usos: Utensilios de cocina, materiales

de construccin, aplicaciones de alta temperatura. Se designan como 4XX.

Por ejemplo: 409, 430 y 434

Aceros Inoxidables Martensticos: La composicin qumica tpica 18% Cr, mas carbono que los ferriticos. Son fuertes a la fatiga pero menos

resistentes a la corrosin como los otros grupos austenticos. Usos:

Instrumental quirrgico, cuchillera. Se designan como 4XX: Todos los

aceros se designan por tres nmeros. El primero indica el tipo general y los

dos ltimo dan el grado especfico dentro del grupo. 410 y 420. La

composicin quimica y propiedades ms comunes de estos aceros se

ilustran en la tabla 9.

108

Tabla 4. Composicin y propiedades mecnicas tipicas de algunos aceros inoxidables

[Fuente: Kalpakjian, 2008]

6.6.4 Aceros para herramientas Son aceros que se caracterizan por ser usados normalmente para la fabricacin

de tiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamao y dimensiones de

los materiales por cortadura, por presin o por arranque de viruta. Poseen buena

dureza, resistencia a la abrasin, al desgaste, al trabajo en fro y en caliente,

tenacidad al impacto. Se designan por una letra seguida de un nmero; la letra

identifica el grupo y el nmero el grado especfico dentro del grupo. Se clasifican

como:

T, M. Aceros de herramienta de alta velocidad: Este tipo es el ms aleado de los aceros para herramienta, contienen normalmente grandes

cantidades de tungsteno o molibdeno junto con cromo, vanadio y a veces

cobalto. El contenido de carbono vara entre 0,7 y 1%, aunque en algunos

pueden llegar a valer hasta un 1,5%. Presentan una dureza en caliente

excelente y una resistencia al choque bastante buena. Entre sus cualidades

tenemos buena indeformabilidad, buena resistencia al desgaste,

maquinabilidad regular, y una resistencia a la descarburacin entre regular

y baja, pudiendo templarse en aceite, al aire o en sales fundidas.

109

Los aceros rpidos se pueden clasificar en dos grupos: aceros con

molibdeno (grupo M) y aceros con tungsteno (grupo T). Su uso

generalmente son herramientas de corte.

H. Aceros de herramienta para trabajo en caliente: Este grupo se caracteriza por su buena tenacidad debida a su bajo contenido en carbono,

por su dureza en caliente que va de buena en unos a excelente en otros, y

por una resistencia y maquinabilidad regulares se emplean para dados de

trabajo en caliente en forja, extrusin, fundicin.

O. Aceros de herramienta para trabajo en fro: este grupo de aceros de temple en aceite (grupo O), contienen manganeso y cantidades menores de

cromo y tungsteno. Dentro de sus caractersticas se destacan: buena

resistencia al desgaste, maquinabilidad y resistencia a la descarburacin; la

tenacidad es solo regular y su dureza en caliente: sus usos comunes son:

dados de trabajo en fro en forja, extrusin, laminado, estirado, fabricacin

de terrajas, rodillos de laminar roscas, herramientas de forma y

escariadores expansivos.

W. Aceros de herramienta endurecibles en agua: Se caracterizan por presentar alto contenido de carbono, son endurecibles por tratamiento

trmico. Su uso es a temperaturas bajas, en los martillos, martillos

neumticos, y troqueles.

S. Aceros de herramienta de resistencia al choque: Estos aceros son generalmente bajos en carbono, con porcentajes comprendidos entre 0,45 y

0,65%, siendo los principales elementos de aleacin utilizados el silicio, el

cromo, el tungsteno y algunas veces el molibdeno o el nquel. Se usan

donde se requiere alta tenacidad como en las cuchillas de cizalla para

cortar metales, en la fabricacin de matrices de estampar, punzones,

cinceles.

P. Aceros de herramienta para molde: Se usan generalmente para fabricar moldes de plsticos y hule

110

En la tabla 10 y 11 se mencionan los diferentes tipos de aceros para herramientas

identificando el prefijo, composcion, dureza en HRC y carateristicas de servicio

respectivos.

Tabla 5. Identificacin AISI de aceros para herramienta con sus respectivos valores de

dureza [Fuente: Kalpakjian, 2008]

Tabla 6. Caracteristicas de procesamiento y servicio de aceros para herramientas comunes

[Fuente: Kalpakjian, 2008]

111

6.7 TRATAMIENTOS TERMICOS

Son cambios en la estructura del material producto de calentamiento a diferentes

temperaturas y enfriamiento en diferentes medios (aire, agua, aceite, etc). Los

tratamientos trmicos, son procesos que as como modifican la micro estructura

del material, conllevan a una modificacin de sus propiedades mecnicas; estos

no son exclusivos de los metales, tambin se realizan a los vidrios y cermicos.

Los principales tratamientos trmicos son: recocido, temple, revenido,

normalizado, endurecimiento por precipitacin y endurecimiento superficial.

Los tratamientos trmicos, pueden aplicarse a un material en cualquier etapa del

proceso de fabricacin, por ejemplo antes de ejecutar el procesos de deformacin

volumtrica como la forja y la extrusin (para disminuir tensiones internas),

durante el proceso de formado (con el fin de aumentar la ductilidad del material), al

final del proceso de manufactura (para aumentar propiedades como dureza y

resistencia por ejemplo).

6.7.1 Recocido Es un tratamiento el cual se aplica a los metales cuando se han trabajado en fro

ya que su objetivo es eliminar los defectos de este proceso. Consiste en calentar

el metal a una temperatura adecuada, en la cual se mantiene por un cierto tiempo

(recalentamiento) y despus se enfra lentamente. Dentro de los fines del tratamiento de recocido se encuentran:

Eliminar los esfuerzos residuales que se producen en el trabajo en fro Reducir la dureza y fragilidad proveniente generalmente del trabajo en fro. Recristalizar (regeneracin de granos) los metales trabajo en fro

(endurecidos por deformacin)

Refinar la estructura del grano

Cuando los metales y especialmente el acero procede de un proceso de

deformacin o trabajo en fro, como se menciono anteriormente, lo granos quedan

112

en forma alargada con exceso de dislocaciones y otros defectos. Para devolver

esta estructura del material a condiciones normales (sin defectos), se lleva a cabo

el recocido, en el cual se distinguen tres etapas que se muestran en la figura 83:

Recuperacin: Es la etapa ms sutil del recocido. Esta consiste en calentar el material hasta un rango de temperatura, pero por debajo de la

temperatura de recristalizacion donde se produce una relajacin e incluso

eliminacin de esfuerzos internos. Durante esta etapa el calentamiento, se

proporciona al material la energa necesaria para permitir el reordenamiento

atmico de las dislocaciones. Durante esta etapa del proceso la resistencia

se reduce, pero aumenta la ductilidad (figura 83).

Recristalizacion: Esta ocurre cuando el material se calienta a una temperatura mas alta que la de recuperacin, en esta etapa entonces se

nuclear nuevos granos libres de deformacin, se eliminan totalmente las

dislocaciones y los granos inician una etapa de crecimiento. Como eliminan

las dislocaciones, el efecto sobre las propiedades, es reduccin en la

resistencia y aumento en la ductilidad. (figura 83). Existen ciertos factores que afectan el proceso de recristalizacin en los metales y las aleaciones a saber: El porcentaje de deformacin adquirida

por el material que se desea recristalizar, la temperatura de recristalizacin

disminuye cuando aumenta la cantidad de trabajo en fro, el tiempo, el

tamao de grano y la composicin del metal. A la temperatura a la cual se

inicia la formacin de nuevos granos se denomina temperatura de

recristalizacin. Esta no es una temperatura nica, sino que depende de los

factores anteriores.

Crecimiento de grano: Si el proceso de recocido se lleva a cabo a una temperatura lo suficientemente alta, la recuperacin y la recristalizacin, se

llevan a cabo rpidamente. En esta ltima etapa del recocido se caracteriza

por el crecimiento de unos granos del matrial a expensas de otros que se

consumen, para generar granos condiciones similares a los que tena el

material antes del proceso de trabajo en fro. (figura 83).

113

Figura 33. Etapas del proceso de recocido [Fuente: Smith, 2004]

El recocido total, es un trmino que se asocia con los metales y consiste en

calentamiento del acero hasta la zona austentica seguida de un enfriamiento lento

en el horno para producir una estructura denominada perlita gruesa.

Cuando en el recocido luego de la etapa de recuperacin, los granos adquieren la

forma inicial (equiaxiales) antes de la deformacin en fro se dice que ha ocurrido

la recristalizacin, caso contrario si el proceso de recocido solo permite un retorno

parcial a la estructura del grano se llama recuperacin por recocido.

En el caso de los aceros, para llevar a cabo un recocido total o recocido completo

(recuperacin, recristalizacin, crecimiento de grano), dependiendo si el acero es

hipoeutectoide, este debe calentarse hasta una temperatura de 40C por encima

de la lnea AC3 o si es hipereutectoide la temperatura ser 40 C por encima de la

lnea AC1 como se muestra en la figura 84:

114

Figura 34. Rangos de temperatura para recocido y Normalizado [Fuente: Smith, 2004]

6.7.2 Normalizado Es un tratamiento trmico que consiste en calentar el material hasta la zona

austentica y luego dejarla enfriar al aire libre (en reposo). La micro estructura a

temperatura ambiente para los aceros varia. Las caractersticas que proporciona

este tratamiento trmico son:

Proporciona mayor resistencia a la tensin que el recocido Ayuda a refinar la estructura del grano del material Mejora la ductilidad y dureza comparada con el recocido.

Dependiendo si el acero es hipo o hipereutectoide la temperatura ser como se

muestra en la figura 79, de 40 a 55 C por encima de la lnea AC3 y ACm.

6.7.3 Temple Este tratamiento trmico consiste en calentar el acero hasta la zona autentica y

enfriarlo rpidamente en agua, aceite o salmuera (enfriamiento mas rpido) con el

fin de obtener una estructura llamada martensita. Si el enfriamiento desde la zona

austentica hasta la temperatura ambiente se hiciese lento la estructura que se

formara seria la perlita.

115

La martensita puede tener dos tipos de estructuras cristalinas: una estructura BCC

sobresaturada de carbono o una estructura tetragonal centrada en el cuerpo, el

contenido de carbono es la razn por la cual es dura y frgil, disminuyendo en el

material la ductilidad y la tenacidad. La transformacin de austentica en

martensita posee un rango de temperaturas que se conocen como temperatura

de inicio martenstico, Ms (disminuye a media que aumenta el contenido de

carbono) y temperatura de final martenstico, Mf. (figura 85)

Figura 35. Estructura y temperaturas de la martensita [Fuente: Smith, 2004]

6.7.4 Revenido El tratamiento trmico de revenido consiste en calentar el acero luego de realizar

un temple hasta una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide

(generalmente entre 600C - 727C) con el fin de bajarle al acero la dureza y

fragilidad adquirida en el temple, es decir, hacerlo mas blando y mas dctil. Como

se muestra en la figura 86, el proceso para realizar un revenido requiere primero

que todo el enfriamiento rpido del acero desde la zona austentica

(austenizacin) hasta la temperatura ambiente con el fin de que se forme la

martensita (estructura muy dura y frgil) y no hacerlo lento para que se forme la

perlita (ferrita + cementita), para despus volverlo a calentar con el fin de que la

116

martensita se transforme en una estructura de partculas de carburo de hierro en

una matriz ferrifica llamada martensita revenida.

Figura 36. Proceso de temple y revenido para un acero al carbono [Fuente: Smith, 2004]

El resultado del revenido puede decirse que es, la precipitacin de partculas muy

finas de carburo de la martensita y la transformacin gradual de la estructura

cristalina BCT a BCC, esta nueva estructura se llama como se menciono:

martensita revenida.

6.7.5 Curva Tiempo Temperatura Transformacin (TTT) Es una forma de entender las diferentes estructuras presentes en los aceros luego

de diferentes enfriamientos en diferentes medios.

La curva se interpreta partiendo de cero en la regin autentica (en un punto por

encima de la temperatura A1) y continua hacia abajo y a la derecha como se

muestra (lnea punteada).

1. Si se realiza un enfriamiento lento como por ejemplo calentarlo y dejarlo en el

horno se puede presentar una estructura perlita fina como en (1) en la figura

87

2. Si se realiza un enfriamiento mas rpido como por ejemplo calentarlo y dejarlo

en el aire se puede presentar una estructura perlita gruesa como en (2) en la

117

figura 87. Si se realiza un enfriamiento aun mas rpido que se evite la nariz

TTT como por ejemplo: calentarlo y dejarlo en aceite se puede presentar una

estructura bainita + martensita (3)

3. Si se realiza un enfriamiento extremadamente rpido como por ejemplo

calentarlo y dejarlo en agua se puede presentar una estructura martensita (4)

en la figura 87.

Figura 37. Diagrama TTT para un acero al carbono

Con el fin de realizar una explicacin ms detallada de cmo es el uso de la curva

tiempo temperatura transformacin (ttt), se analizara el caso de un acero para

herramientas el tipo W, al cual se le realizaron diferentes tratamientos trmicos,

incluyendo el anlisis de estado entrega, es decir, sin realizarle tratamiento

alguno. En estado entrega este acero proporcion una dureza de 16 HRC

(Rockwell C).

118

Figura 38. Acero A.I.S.I W1, En estado de entrega, 1000x.

Como se muestra en la figura 88, existen carburos de cementita que son los

glbulos esfricos, se encuentran en una matriz ferrtica esto se concluye porque

el recocido que se le supone le hayan aplicado debi ser muy lento, en la fase de

calentamiento el estado inicial debi ser perlita y cementita ( y aleantes en baja

proporcin) al llegar a temperatura de austenizacin se convirti en austenita y al

sufrir un enfriamiento lento, los carbonos que inicialmente antes del aumento de

temperatura eran perlita se disolvieron y se hayan difundido y haya ayudado a la

formacin de carburos de cementita. Lo anterior se basa en la grafica isotrmica

donde si fue lenta la curva de enfriamiento estar en la zona de Ferrita y cementita

de la curva (figura 89)

119

Figura 39. Grfica TTT del acero W1 [Fuente: HEAT treaters guide, 1982]

Como se observa en esta figura 90, hay esferas blancas en forma casi esferoidal

que tiene la forma de ser carburos de cementita, y unas zonas menos blancas

que es austenita retenida, la matriz es martensita (acicular) y se notan sus agujas,

existen unas zonas oscuras en forma arborescente que hacen suponer que tiene

pequeas porciones de bainita. La estructura anterior se explica porque se calent

a una temperatura superior a 722C, la cual superando esto ya se ha comenzado

la transformacin a austenita, y luego que se enfro en agua, como se observa en

la micrografa que existen algunos carburos de cementita se puede pensar que la

velocidad de enfriamiento alcanzo pasar la temperatura critica superior de temple,

y por ello se puede encontrar esos carburos. La presencia de austenita retenida se

puede explicar porque en la curva isotrmica que se observa en la figura 89, la

temperatura Ms (comienza la transformacin martenstica esta a 200C

aproximadamente y la Mf (temperatura de fin de transformacin martensita) estar

a una temperatura inferior a la del ambiente y por ello a esa temperatura se

120

encontrara austenita retenida que no alcanzo a trasformarse en martensita. La

presencia de bainita se explica por la posible no homogeneidad en el proceso de

enfriamiento. Al realizar el temple al acero A.I.S.I. W1 y luego determinar su

dureza se obtuvo una dureza promedio de 64HRC debido a la presencia de

martensita y de los carburos de cementita. A continuacin se muestran los

diferentes valores de microdureza (medidos en escala Knoop) para la matriz y los

carburos despus del tratamiento trmico de temple y revenido (no mostrado en

las grafica TTT) para el acero W1. Los datos de la microdurezas de los carburos

para el acero W1 no se pudieron tomar debido al tamao tan pequeo que poseen

estos antes y despus de revenido. La razn por la cual se presenta una

disminucin de dureza del acero W1 despus del revenido con relacin al

templado es que al hacer el revenido se eliminan las tensiones internas

producidas en el temple, lo cual se ve reflejado en la disminucin de la dureza.

En el acero W1 es posible que se disuelvan un poco los carburos de cementita por

la alta temperatura de revenido por lo cual la dureza del material disminuir.

ACERO TEMPLE REVENIDO Matriz Carburo Matriz Carburo

W1

484 Knoop

443 Knoop

No se tomaron 378 Knoop

372 Knoop

No se tomaron

Figura 40. Acero A.I.S.I. W1, templado, austenizado a una temperatura de 800C, y templado

en agua.

121

En la figura 91, se observa perlita en forma de lminas, en una matriz ferrtica, se

alcanza a notar algunos pequeos carburos de cementita. La anterior estructura

se explica porque de acuerdo a la figura 89 del diagrama isotrmico, la velocidad

de enfriamiento en normalizado es mas rpida que la del recocido , es en si una

velocidad media, y se forma perlita no tan fina pero no tan gruesa, y no esta

distribuida uniformemente, los carburos estn en forma esferoidal. La matriz es de

ferrita, y esta en mayor cantidad y por lo diminuto del tamao de los carburos y

poca perlita. El tratamiento trmico de normalizado arrojo una dureza del acero de

40 HRC (Rockwell C)

Figura 41. Acero W1 Normalizado, se austeniz hasta 900C, 1000x

6.7.6 Templabilidad Puede definirse como la propiedad que determina la profundidad y distribucin de

la dureza generada durante el templado de una pieza desde su condicin de

estructura austentica. Esta sirve para determinar la profundidad por debajo de la

superficie templada a la cual el acero se endurece para logar una cierta

penetracin de dureza.

La templabilidad de un acero depende principalmente de: 1) La composicin del

acero, siendo los elementos que influyen mas en la templabilidad el cromo,

122

molibdeno y el nquel.2) el grosor del grano austenitico 3) La estructura del acero

antes del enfriado.

El ensayo que se realiza industrialmente para determinar la templabilidad de un

acero es el ensayo Jominy de templabilidad (figura 92). Este ensayo consiste en

tomar una probeta del material a ensayar, calentar hasta el punto de austenizacin

por lo menos unos 30 minutos. Despus de transcurrir cierto tiempo, se extrae la

probeta del horno y se coloca en un equipo como el que se muestra en la figura

87, en el cual se le aplica agua a chorro por la parte inferior para que esta empiece

a templarse desde la parte inferior hacia la superior. Una vez se enfra la probeta

se deben hacer dos rectificados, en caras opuestas de la probeta para determinar

el perfil de dureza a lo largo de la probeta.

Los aceros aleados tienen mayor grado de templabilidad porque al enfriarse la

austenita se retarda en trasformarse en perlita y bainita, y la martensita se puede

formar a velocidades lentas de enfriamiento. Los elementos aleantes que tienen el

mayor efecto son el cromo, el manganeso, el molibdeno y el nquel.

Figura 42. Ensayo Jominy de templabilidad [Fuente: HEAT treaters guide, 1982]

123

6.7.7 Mecanismos de Endurecimiento en materiales ferrosos Existen diferentes mecanismos para endurecer un material metlico, con el fin de

hacer claridad acerca de estos mecanismos, se resumirn brevemente:

Deformacin plstica de los granos cristalinos: Cuando a un material policristalino se somete a tensin, se inicia el deslizamiento en los granos

cuyo sistema de deslizamiento esta orientado mas favorablemente a la

tensin aplicada, otros cristales experimentan una rotacin alrededor del eje

de esfuerzos hacindolos orientar en la direccin favorable de

deslizamiento. A medida que aumenta la deformacin los granos tienden a

alargarse en una direccin preferencial. Si la deformacin continua los

granos pueden llegar a romperse, por lo tanto podra decirse que la

deformacin se produce por la trituracin de los granos existentes, en los

cuales los tomos no ocupan en ella sus verdaderas posiciones, es decir

que existe una acentuada distorsin de la red cristalina.

Lneas de deslizamiento: Mientras se deforma un material elsticamente, ninguna alteracin se observa a escala microscpica ; pero cuando se inicie

la zona plstica, aparecen unas lneas con diversas direcciones que

interrumpen la continuidad de la superficie, a medida que se aumenta la

deformacin van apareciendo nuevas lneas con otras orientaciones que se

cortan con las ya formadas, estos sistemas de lneas corresponden cada

uno a un grano y sus diferentes direcciones corresponden a la orientacin

cristalina de los granos.

Maclaje: La deformacin de cristales no siempre se produce por el mecanismo de dislocaciones, muchos cristales que presentan una red

hexagonal compacta presentan el fenmeno de maclado y se deforman

total o parcialmente formando maclas en los primitivos cristales. Este

mecanismo consiste en el deslizamiento de unos cuantos planos

cristalogrficos sucesivos de un mismo sistema, en el que cada uno se

124

desliza una magnitud proporcional a su distancia al plano de maclado. Las

maclas se pueden formar durante el crecimiento del cristal o

mecnicamente. (Figura 93)

Figura 43. Maclaje

Transformacin Martenstica: La dureza de la martensita es el resultado de la presencia de carbono en el acero; su estructura tetragonal de cuerpo

centrado tiene dos lados iguales y el otro que es un poco mayor que los

otros dos a causa del carbono retenido, esta distorsin grande de la

estructura cristalina es la causa principal de la elevada dureza de la

martensita. Adems que cuando la austenita de transforma en martensita,

se forman muchos cristales pequeos de martensita con orientaciones

variadas en cada grano de austenita. A esto se aade el hecho de que la

formacin de cada placa de martensita es acompaada por una

deformacin de cizallamiento que deforma plsticamente la matriz que

rodea a la placa y por todas estas razones el movimiento de las

dislocaciones a travs de una estructura martenstica es muy difcil.

6.8 FUNDICIONES O HIERROS FUNDIDOS Las fundiciones son aleaciones ferrosas que contienen entre el 2 a 4% de C y de 1

a 3% de silicio, son materiales con una estructura que no puede tolerar ninguna

deformacin. De acuerdo a la distribucin del acero en su estructura se pueden

125

distinguir 4 tipos de fundiciones: fundicin blanca, fundicin gris, fundicin dctil y

fundicin maleable.

6.8.1 Fundicin blanca Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundicin en estado lquido

se convierte en carburo de hierro (Fe3C) en vez de grafito (figura 94). Esta

fundicin se produce al pasar la fundicin por la lnea de isoterma de 1140C,

donde ocurre la reaccin eutctica:

CFeL 3+ [35] Que luego al pasar la lnea de temperatura eutectoide (727C) la austenita se

transforma dejando a temperatura ambiente cementita proeutectoirde (Fe3C) +

perlita. Se llaman as porque al partirse la pieza se puede observar un color

blancuzco. Como caracterstica es muy dura, carece de maleabilidad, es frgil y de

estructura fibrosa de grano pequeo, de alta resistencia al desgaste y a la

abrasin. Sirve como material bruto para el hiero fundido maleable.

Figura 44. Microestrutura de la fundicion blanca [Fuente: Cintas, 2008]

6.8.2 Fundicin gris Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundicin en estado lquido

se convierte en grafito en vez de carburo de hierro, es decir, existe demasiado

carbono dentro de la austenita que este se precipita en forma de escamas de

grafito. Su nombre proviene de forma similar al hierro blanco, cuando este se

fractura, la superficie fractura muestra un color gris debido al grafito contenido en

ella. Posee buenas caractersticas como: buena absorcin de vibracin, facilidad

para el mecanizado y resistencia al desgaste. Estos hierros contienen silicio

(aprox. 2%) ya que este es el elemento estabilizador del grafito; es decir permite

126

dar ms tiempo para la nucleacin y crecimiento del grafito. Este material es

usado en monobloques, cabezas para motores, bases para maquinas

herramientas. La ASTM, las clasifica de acuerdo a la resistencia a la tensin

como: Clase 20 (resistencia a tensin de 20000 psi) y Clase 40 (resistencia a

tensin de 40000psi). (Figura 95).

Figura 45. Microestrutura de la fundicin gris [Fuente: Cintas, 2008]

6.8.3 Fundicin nodular (dctil) Es un hierro con la composicin del hierro gris, en la cual al metal liquido se le

agrega aleaciones de magnesio en forma diluida como una aleacin MgFeSi con

el fin de que el grafito se convierta en ndulos y no en hojuelas como el hierro gris.

El proceso de fabricacin de esta fundicin involucra un primer paso de

desulfurizacin, que consiste en eliminar el azufre y el oxigeno de la fundicin

aadiendo sustancias como el carburo de calcio (CaO). La segunda etapa

denominada nodulacin consiste en agregar magnesio en la forma anteriormente

mencionada y la ltima etapa la inoculacin se lleva a cabo con compuestos de

FeSi para causar la nucleacin heterognea.

Figura 46. Microestrutura de la fundicin dctil [Fuente: Cintas, 2008]

.El agregar magnesio o cerio se generan ndulos de grafito en una matriz ferrifica

y perlitica. Esta fundicin presenta caractersticas de un acero y de un hierro gris,

127

dentro de las cuales se encuentran: buena resistencia mecnica, resistencia al

desgaste, moldeabilidad, buenas caractersticas de mecanizado, tenacidad,

ductilidad, posibilidad de ser trabajado en caliente y en fro. Dentro sus

aplicaciones se encuentran cuerpos de vlvulas, engranajes, cigeales.

6.8.4 Fundicin maleable Es un hierro que se origina cuando se realiza un tratamiento de recocido a la

fundicin blanca para separar el carbono en solucin y que este aparezca en

forma de agregados irregulares embebidos en una matriz ferrita, de esta forma la

resistencia y la ductilidad son similares a la del acero, pero con punto de fusin

menor. Las caractersticas de esta fundicin son rresistencia a corrosin,

tenacidad y maquinabilidad, y sus usos comunes son: la industria Ferroviaria,

conexiones de tuberas y de implementos agrcolas. (Figura 97).

Figura 47. Microestrutura de la fundicin maleable [Fuente: Cintas, 2008]

Con el fin de ilustrar la composcion quimica y propiedades mecanicas relevantes

de algunas fundiciones o hierros colados se muestra la tabla 12.

128

Tabla 7. Caracteristicas de procesamiento y servicio de aceros para herramientas comunes

[Fuente: Groover, 2007]

6.9 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Reciben tambin el nombre de tratamientos termoqumicos y consisten en

diversos tratamientos aplicados al acero en los cuales la composicin de la

superficie de la pieza se altera por la adicin de carbono, nitrgeno u otros

elementos con el objetivo de obtener una resistencia al desgaste, al impacto, a la

fatiga conservando un ncleo blando y dctil.

El endurecer la superficie de una pieza, es un proceso importante para muchos

campos de la ingeniera, donde se requieren que los materiales posean

propiedades como las mencionadas anteriormente, como es el campo de la

industria automotriz, mecnica, qumica, etc. la industria nacional no es ajena a

este tipo de proceso, destacndose procesos como a carburizacin o difusin de

carbono, nitruracin o difusin de nitrgeno y en algunos casos la carbunitruracin

que es la combinacin de los dos procesos.

6.9.1 Carburizacin Recibe tambin el nombre de cementacin y es un tratamiento de endurecimiento

superficial que consiste bsicamente en calentar la pieza de acero de bajo

carbono en presencia de un medio rico en carbono de manera que este se difunda

129

dentro de la superficie aumentando el contenido de carbono en la capa superficial

de la pieza.

Como se mencion, este proceso se lleva a cabo por el mecanismo de difusin

(movimiento de partculas de un rea en donde estn en alta concentracin a un

rea donde estn en menor concentracin hasta que estn repartidas

uniformemente) controlada del carbono. El paso inicial es elevar la temperatura del

acero hasta la zona autentica con el fin de que difunda fcilmente la atmsfera de

carbono hacia la austenita. A continuacin cundo el acero es enfriado (templado) y

revenido, la superficie de la pieza posee una estructura martenstica revenida,

mientras el ncleo de la pieza permanece con estructura blanda y dctil (ferrita),

como se muestra en la figura 98. Ejemplos de piezas a las cuales es comn

aplicar este proceso son: Piones, coronas, ejes, levas, guas, chavetas,

columnas, etc.

Figura 48. Proceso de carburizacin gaseosa [Fuente: swagelok, 2008]

Dentro de este proceso se pueden encontrar:

Carburizacin en caja: Esta variante del proceso de carburizacin, consiste en introducir en un horno materiales cabonaceos como carbn

vegetal o coque que se empacan en un recipiente cerrado junto con las

piezas que se desea endurecer superficialmente para que se lleve a cabo el

proceso de difusin y permita obtener martensita en su superficie.

Carburizacin gaseosa: Consiste en introducir combustibles hidrocarburos como el propano (C3H8) dentro de un horno sellado para difundir el carbono

130

dentro de la superficie de la pieza. Con este mtodo e realiza una

aportacin de carbono a la pieza crendose una capa, la cual puede ir

desde 0.8 hasta 2.5 mm de profundidad y entrega piezas en un menor

tiempo, con caractersticas ms uniformes y de mejor aspecto, no obstante,

el costo de los equipos lo hace an poco rentable. Las temperaturas tpicas

de carburizacin son entre 875 925 C dentro del rango de la austenita.

6.9.2 Nitruracin El proceso de nitrurado es parecido a la cementacin pero difiere en que el gas

que se difunde es amonaco con el fin de introducir nitrgeno en la superficie de

los aceros para producir una delgada capa dura sin templado, para mayor

efectividad el acero debe tener elementos como cromo y aluminio que ayudan a

que se presenten precipitados (nitruros) en la superficie. El proceso consiste en

calentar el acero en una atmsfera de amoniaco (NH3) + o 510 C. De esta

manera los nitruros del amonaco ayudan a endurecer el material. Tambin existe

la modalidad lquida en la cual, el material es sumergido en un bao de sales de

cianuro a la misma temperatura del nitrurado normal.

Como ventajas de este proceso esta el poderse realizar endurecimientos parciales

en el material, se producen deformaciones inapreciables y altas durezas. Dentro

de las aplicaciones de este tratamiento se encuentran: Matrices de extrusin de

aluminio, Moldes y mecanismos de para correderas inyeccin de plstico y en

general aceros que vayan a sufrir roce.

6.9.3 Carbonitruracin Es un tratamiento que consiste en endurecer la superficie del acero combinando la

absorcin de carbono y nitrgeno para obtener la dureza superficial necesaria en

materiales. La Carbonitruracin recibe tambin el nombre de cianuracin

gaseosa, ya que el fin de ambos es el mismo, la diferencia radica en que la

cianuracin se realiza por medio de cianuros lquidos y la Carbonitruracin por

medio de gases. El proceso se lleva a cabo de una manera similar a la

cementacin gaseosa, se utiliza un gas formado generalmente por el 21% de CO,

131

40% de H2, 35% de N2,

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