Propiedades, Tipos y Tratamientos Térmicos de Aceros y Fundiciones

Metales: Características y Clasificación

Los metales son sustancias inorgánicas que suelen estar compuestas de uno o más elementos metálicos. A veces están compuestos de no metales y metales, pero rara vez. Se clasifican en:

• Férricos: Aceros y fundiciones.
• No férricos: Formados por el resto de metales, incluidas las aleaciones posibles entre ellos (Aluminio, Cobre, Zinc, etc.).

Características de los Metales

• Materiales sólidos (excepto el Mercurio, Hg).
• Opacos y brillantes.
• Alta densidad.
• Dúctiles y maleables.
• Puntos de fusión altos.
• Buenos conductores del calor y la electricidad.
• Duros.
• Suelen tener una red cristalina que cristaliza en estructuras densamente empaquetadas:
  • Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Hierro alfa, Cromo, Molibdeno.
  • Cúbica centrada en las caras (FCC): Aluminio, Cobre, Níquel, Hierro gamma.

Desarrollo de Microestructuras en Aceros al Carbono

Mecánicamente, la perlita tiene propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y frágil cementita.

Acero Eutectoide

Son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene la composición del eutectoide (0.77% de Carbono). Al enfriar se desarrollan las dos fases sólidas, ferrita (Hierro alfa) y cementita (Fe₃C). Esta estructura se denomina perlita.

Acero Hipoeutectoide

Son aquellos que tienen un contenido en Carbono inferior al eutectoide (0.77-0.8%). Al enfriar desde la fase gamma comienza a desarrollarse la fase ferrita (Hierro alfa), encontrándose en la región bifásica alfa + gamma. Al bajar la temperatura, aumenta el contenido de la fase alfa. La ferrita no cambia y la austenita se transforma en perlita. La microestructura resultante a temperatura ambiente es ferrita + perlita.

Acero Hipereutectoide

Tipos de Aceros según su Contenido de Carbono

Aceros Bajos en Carbono (<0.25%)

No responden al tratamiento térmico del temple ni se pueden endurecer por deformación en frío. La microestructura final es ferrita + perlita. Son relativamente blandos y poco resistentes, pero con buena ductilidad y tenacidad. De fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de coches, láminas para tuberías, edificios, puentes, etc.

Aceros Medios en Carbono (0.25-0.6%)

Pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas. Más resistentes que los aceros bajos en Carbono, pero menos dúctiles y maleables. Se utilizan para fabricar martillos, cigüeñales, pernos, etc.

Aceros Altos en Carbono (0.6-1.4%)

Son los más duros y resistentes, y los menos dúctiles. Casi siempre se utilizan con tratamiento de templado y revenido que los hacen muy resistentes al desgaste. Pueden contener Cromo, Vanadio, Wolframio, Molibdeno. Se usan en herramientas de corte, hojas de sierra, brocas, etc.

Influencia de Otros Elementos de Aleación. Aceros Inoxidables

Los elementos de una aleación son aquellos que benefician en alguna propiedad al acero (Cromo, Níquel, Molibdeno). Las impurezas son aquellas que perjudican en alguna propiedad al acero (Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre, Fósforo). El Aluminio es desoxidante y aumenta la resistencia a la corrosión y al desgaste. El Carbono mejora las resistencias mecánicas a la corrosión, pero aumenta la fragilidad, disminuyendo el alargamiento, la plasticidad, la soldabilidad y la tenacidad. El Cromo y el Níquel mejoran la resistencia mecánica y a la corrosión. Los aceros aleados con Cromo en proporción mínima del 11.5% son aceros inoxidables.

Clasificación de Aceros Inoxidables según su Microestructura

• Ferríticos: Bajo contenido en Carbono. Gran resistencia a la corrosión.
• Austeníticos: Los más utilizados. Contienen elementos como Níquel, Wolframio, Mercurio.
• Martensíticos: Admiten el temple. Suelen tener del 13-17% de Plomo y del 0-2% de Níquel. Muy buena resistencia mecánica. Se utilizan en cuchillería e instrumental quirúrgico.

Fundiciones: Características y Tipos

Características de las Fundiciones

Son aleaciones de Hierro-Carbono con un porcentaje superior al 2%. Tienen un punto de fusión más bajo que el acero y son poco dúctiles, por lo que no se pueden conformar por deformación, solo por moldeo. El alto contenido en Carbono las hace agrias, presentando grafito en su estructura. El Carbono puede aparecer cristalizado:

• En forma de agujas o láminas: Fundición gris.
• En forma de nódulos esféricos: Fundición dúctil.
• En forma de racimo: Fundición maleable.

Las propiedades de las fundiciones dependen de la forma en que precipita el grafito, su tamaño y distribución.

Propiedades de las Fundiciones

• Altas durezas y fragilidad.
• Fácil mecanización.
• Buena resistencia al desgaste (el grafito actúa como lubricante y amortiguador acústico y de vibraciones).
• Suelen ser aleaciones Hierro-Carbono con un 3% de Silicio.

Fundición Blanca

Cuando la fundición tiene un 3% de Carbono y se enfría rápidamente desde el estado líquido, la grafitización de la cementita no se produce y todo el Carbono se presenta combinado en la cementita. La fundición así obtenida es blanca. A temperatura ambiente tiene una microestructura de cementita + perlita. Son duras, resistentes a la abrasión y frágiles. Si en una fundición con el 4% de Carbono la enfriamos desde el estado líquido, obtenemos ledeburita.

Fundición Gris

El color gris se debe a la existencia de Carbono libre (grafito) en su microestructura. Es menos frágil que la blanca, con gran resistencia al desgaste y capacidad para amortiguar vibraciones. La velocidad de enfriamiento desde el estado sólido debe ser lenta para favorecer la difusión del Carbono, que precipita en forma de láminas. Se utiliza para obtener piezas moldeadas, latas, bañeras, etc.

Transformaciones Fuera del Equilibrio

Austenización

Operación mediante la cual se lleva al acero al estado austenítico. Consiste en el calentamiento y mantenimiento para homogeneizar la estructura.

Bainita

Constituyente que se forma mediante la transformación isotérmica de la austenita. Se parte del acero y se enfría rápidamente hasta 250 o 500ºC, manteniéndose en esta temperatura el tiempo suficiente para transformar la austenita en bainita. Se realiza en aceros con contenidos bajos en Carbono y a veces sustituye al templado normal.

Martensita

Solución sobresaturada de Carbono en Hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de un acero austenizado.

Tratamientos Térmicos de Aleaciones Metálicas

Es la sucesión de operaciones durante las cuales un producto metálico sólido se somete total o parcialmente a ciclos térmicos, con la intención de cambiar sus propiedades, su estructura o ambas. Se realizan a temperaturas críticas por debajo del punto de fusión.

Objetivos de los Tratamientos Térmicos

• Estructura de mejor dureza y fácil mecanización.
• Eliminar tensiones internas.
• Formalizar una estructura más homogénea.
• Obtener la máxima dureza y resistencia posible.
• Variar alguna de las propiedades físicas.

Fases de los Tratamientos Térmicos

• Precalentamiento: Calentamiento previo a una temperatura inferior a la del tratamiento térmico. Se suele realizar en piezas gruesas para obtener una temperatura homogénea en toda la sección.
• Calentamiento: Se eleva la temperatura desde la inicial hasta la adecuada para el tratamiento.
• Mantenimiento: Mantenemos la temperatura el tiempo necesario para que toda la masa tenga la estructura del tratamiento.
• Enfriamiento: La fase más importante, donde en muchos casos se diferencian unos tratamientos de otros. Es la disminución de temperatura en un intervalo de tiempo definido. Se debe precisar en qué medio se realiza el enfriamiento.

Recocido

Una aleación se dice que está en estado recocido cuando se encuentra en equilibrio físico, químico, mecánico y estructural. Consiste en un calentamiento a una temperatura, un adecuado mantenimiento y un enfriamiento en condiciones tales que cuando se alcance la temperatura ambiente se encuentre en un estado de equilibrio. Aumenta el alargamiento, la plasticidad y la estricción. Disminuye la resistencia de atracción y el límite elástico.

Normalizado

También llamado recocido normalizado, se diferencia del anterior en el tipo de enfriamiento. Consiste en calentar el acero 50º por encima del punto crítico, un mantenimiento corto a esa temperatura y posterior enfriamiento al aire.

Temple

Es un tratamiento que tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia del acero. Consiste en calentar el acero a la temperatura para austenizarlo, seguido de un enfriamiento rápido, con lo cual conseguimos transformar la austenita en martensita. El temple aumenta el límite elástico, aumenta la dureza y disminuye el alargamiento y la estricción. La resistencia mecánica de aceros templados oscila de 1700 a 2500 ºC.

Revenido

Es el calentamiento por debajo de la temperatura crítica y un enfriamiento rápido. Conseguimos liberar el carbono retenido en los cristales de martensita en forma de carburo de hierro y la liberación de la ferrita. Mejora la tenacidad de los aceros templados.

Tratamientos Termoquímicos

Cementación

Consiste en un aumento del contenido de carbono de la capa exterior de la pieza en un ambiente cementante, templando dicha capa y consiguiendo solamente el endurecimiento de la capa superficial, permaneciendo el núcleo sin templar.

Nitruración

Se realiza después de templados y revenidos, y consiste en enriquecer la superficie de la pieza en Nitrógeno, calentándola a una temperatura comprendida entre 500 y 580ºC, formándose una capa de poca profundidad pero de dureza muy superior a la de la cementación.