En estos mtodos de fabricacin el metal se desprende en

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 cúbica centrada en el cuerpo (BCC) .............. 82
6.1.2 Estructura cristalina cúbica 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 homogénea ...................................................................... 85
6.2.2 Nucleación heterogénea..................................................................... 86
6.3 SOLUCIONES SÓLIDAS METALICAS ...................................................... 87
6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO............................................. 95
6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIÓN .......................... 100
6.5.1 Trabajo en Frío .................................................................................. 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 aleación........................................................................... 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 – Transformación (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 Fundición blanca............................................................................... 125
6.8.2 Fundición gris.................................................................................... 125
6.8.3 Fundición nodular (dúctil) ................................................................ 126
6.8.4 Fundición maleable........................................................................... 127
6.9 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES......................................................... 128
6.9.1 Carburización .................................................................................... 128
6.9.2 Nitruración ......................................................................................... 130
6.9.3 Carbonitruración ............................................................................... 130
6.10 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES ..................................................... 133
6.10.1 Características Térmicas................................................................ 134
65
6.10.2 Conductividad Eléctrica ................................................................. 135
6.10.3 Características Mecánicas. ............................................................ 135
6.10.4 Influencia de las Impurezas sobre las propiedades físicas y
mecánicas................................................................................................... 136
6.10.5 Resistencia a la corrosión y respuesta a los tratamientos
superficiales ............................................................................................... 137
6.10.6 Resistencia la Oxidación. ............................................................... 138
6.10.7 Aplicaciones del aluminio sin alear y sus aleaciones. ................ 138
6.11 EL COBRE Y SUS ALEACIONES .......................................................... 142
6.11.1 Características Físicas ................................................................... 142
6.11.2 Características mecánicas ............................................................. 143
6.11.3 Aplicaciones del cobre sin alear y sus aleaciones ...................... 143
6.12 EL NIQUEL Y SUS ALEACIONES.......................................................... 146
6.12.1 Características Físicas ................................................................... 146
6.12.2 Aplicaciones del Níquel sin alear y sus aleaciones ..................... 147
6.13 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES.................................................... 149
6.13.1 Características Físicas ................................................................... 150
6.13.2 Aplicaciones del Magnesio sin alear y sus aleaciones................ 150
6.14 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES......................................................... 151
6.14.1 Características Físicas ................................................................... 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 ingeniería; por lo
general los materiales no se usan puros como se menciono anteriormente, sino
que se usan como aleaciones en la gran mayoría de los casos. Estas aleaciones
también 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 homogéneas
físicamente separables en un sistema formado por uno o varios componentes. Por
ejemplo, el agua tiene tres fases: liquida, sólida y gaseosa (vapor). Una fase
posee ciertas características a saber:
•
Posee la misma estructura
•
Posee el mismo arreglo atómico
•
Posee la misma composición química 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, composición y/o presión.
Un componente de una mezcla es una sustancia químicamente independiente de
la cual esta compuesta una la fase.
5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS
En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y
grados de libertas o varianza (F) para diagramas de fases. El objetivo era calcular
67
el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en un sistema y su
expresión matemática está dada por:
P+F=C+2
Donde:
[24]
C = número de componentes del sistema
P = número de fases presentes en el equilibrio
F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión,
temperatura, composición).
El Grado de libertad o varianza se puede definir como el número de variables que
pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la
desaparición o formación de una nueva fase. También se define con el número 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
Aquí se explicaran los diagramas de sustancias puras y binarios que son los casos
más prácticos y usados
5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA
Este es uno de los diagramas mas sencillo (generalmente es presión vs
temperatura), tal como se muestra en la figura 51. En la mencionada figura se
puede apreciar que el agua posee tres fases: Sólida, liquida y gaseosa o vapor. Se
68
observa también un punto denominado punto triple en el cual pueden coexistir los
estados sólido, líquido y gaseoso. Adicionalmente se encuentran dos líneas: la
línea de vaporización y la línea de solidificación
(presión, temperatura) corresponden
para las cuales los pares
a una transición de fase entre una fase
sólida y una fase líquida; y entre una fase sólida 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 (presión, temperatura o composición) se
pueden cambiar manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto
triple es un
•
punto invariante.
En un Punto sobre la línea de solidificación:
Fases presentes = 2, Numero de componentes =1, por lo tanto,
P+F=C+2, luego
2+F=1+2 entonces F=0.
El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=1, quiere decir que
69
Una variable (Temperatura o Presión) se puede cambiar manteniendo aún
un sistema con dos fases que coexisten, es decir, si se especifica una
presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases sólida y
líquida coexisten.
•
En un Punto dentro de una fase única (Zona liquido):
Fases presentes = 1, Numero de componentes =1, por lo tanto,
P+F=C+2, luego
1+F=1+2 entonces F=2.
El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=2, quiere decir que dos
variables (Temperatura o Presión) se pueden cambiar independientemente
y el sistema permanece con una única fase.
5.3 DIAGRAMAS BINARIOS
Estos diagramas contrario a los de las sustancias puras, se realizan entre
temperatura y composición, dejando la presión constante, es decir la regla de
gibbs para estos será P+F=C+1.
La característica 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 también 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
•
Tamaño: Los atomos o iones que constituyen el sistema deben tener una
diferencia de radios atómicos que no debe ser mayor del 15%, para
minimizar la deformación 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 únicamente la línea de líquidus, la cual se define como
la temperatura arriba de la cual un material es totalmente líquido y la línea de
sólidus, que se define como la temperatura por debajo de la cual esa aleación es
totalmente sólida (figura 52). La diferencia de temperaturas entre la línea de
liquido y la de solido es el intervalo de solidificación de la aleación, 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
composición y una temperatura. Por ejemplo, la aleación entre Cu-Ni de la figura
53, muestra que la aleación que pasa por el punto (a) de la figura tiene una
composición de 80% de Ni +20% Cu, para un total de 100% de la aleación.
71
Para una aleación de 40%Cu y 60% Ni, según el diagrama de la figura 53, por
encima de los 1280ºC la aleación es totalmente liquida, debido a que este es el
límite o linea de liquidus. Por debajo de los 1240 ºC, la aleación es totalmente
sólida y en el rango de 1280ºC – 1240ºC, se pueden encontrar las dos fases
(solido y liquido), es decir en estos 40ºC de diferencia es donde la aleación
empieza a solidificarse hasta llegar a la línea de solidus.
Figura 3.Diagrama Cu-Ni
5.3.2 Regla de la palanca
La regla de la palanca, es un método que permite conocer la composición química
de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.
Para determinar la composición química de las fases primero se debe trazar una
línea de enlace o isoterma, la cual es una línea horizontal en una región de dos
fases como se muestra en la figura 54, esta línea une dos puntos de la línea de
liquidus y solidus en este caso. Los extremos de esta línea representan las
composiciones de las dos fases. A continuación prolongar los puntos hasta tocar
la línea de composición en los puntos Ca y Cl. El punto Ca quiere decir que la
aleación considerada
a la temperatura (T) contiene líquido de una composición
72
química de % del elemento B y el restante del elemento A. El punto Cl quiere decir
que la aleación considerada contiene sólido de una composición química 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 sólida en este caso), se procede a usar la regla de la palanca.
Esta se puede escribir de la siguiente forma:
Porcentaje de fase =
Brazo opuesto de la palanca
X 100
Longitud local de la isoterma
[25]
Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un
diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la
regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha
fase presente).
De esta manera la fracción o porcentaje de fase sólida será:
% de fase solida =
Cl − C m
X 100
Cl − C a
Y la fracción o porcentaje de fase liquida será:
[26]
73
% de fase liquida =
Cm − Ca
X 100
Cl − C a
[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 aleación de cobre – níquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y está a
1.300 °C.
(a)¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre y níquel en las fases sólida y líquida a
esta temperatura?
(b)¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida, y qué porcentaje es sólida?
SOLUCION:
a) Para desarrollar el ejercicio se debe usar el diagrama de la figura 55 y trazar la
línea correspondiente a la aleación
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 níquel en las fases sólida y líquida a esta temperatura.
% Cu en fase líquida: 55% Cu aprox. + 45 % Ni aprox.
% Cu en fase sólida: 4O% Cu aprox. + 60 % Ni aprox.
74
Figura 5. Diagrama Cu-Ni para el ejemplo
b) Para determinar que porcentaje en peso de la aleación es líquida, y que
porcentaje es sólida se realiza la regla de la palanca usando los resultados
anteriores.
Cm − Ca
X 100
Cl − C a
60 − 53
% de fase liquida =
X 100 = 46.66%
60 − 45
C − Cm
% de fase solida = l
X 100
Cl − C a
53 − 45
% de fase solida =
X 100 = 53 . 33
60 − 45
% de fase liquida =
5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial
Este diagrama tambien recibe el nombre de diagrama de fases eutecticas, debido
al nombre de la reacción que se produce. Se presenta en muchos sistemas de
aleaciones en donde se presenta solubilidad limitada. Las características de este
diagrama que se muestra en la figura 56 son:
•
Existe una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una
única temperatura como un elemento puro, denominandose a este punto,
punto eutéctico.
•
Presenta una línea de liquidus, por encima de la cual todas las aleaciones
posibles se encuentran en estado liquido
•
Presentan una temperatura eutéctica o línea eutéctica, la cual es la
temperatura más baja a la cual el líquido puede existir.
•
Posee dos regiones de solubilidad sólida restringida, las cuales se designan
con letras griegas y que reciben el nombre de soluciones solidas terminales
α y β. La fase α, es una fase rica en el elemento A, puesto que se
encuentra mas cerca a este y la fase β s una fase rica en el elemento B.
•
Posee una reacción eutéctica, que es la reacción que ocurre durante el
enfriamiento de la composición eutéctica en la cual la fase liquida se
75
transforma en do formas sólidas diferentes (α y β), esta reacción ocurre en
el punto eutéctico.
•
Presenta dos regiones bifásicas:
α o β + líquido = región bifásica ( sólido y líquido)
α + β = región bifásica (mezcla sólida)
Figura 6. Diagrama de solubilidad parcial fuente [Fuente: UNCOMA, 2008]
La secuencia de transformación de fases de la reacción eutéctica se muestra en la
figura 57, en esta se parte de la aleación cuando esta es totalmente liquida
(fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la línea o
temperatura eutéctica donde se inicia la formación de núcleos, que al seguir
descendiendo la temperatura y estar por debajo de la temperatura eutéctica
comenzaran a crecer y formaran granos. En este paso ya el material se encuentra
en estado sólido formado por átomos de las fases α y β sólidas. El enfriamiento
deberá ser lento para que el proceso se produzca en el equilibrio.
76
Figura 7. Esquema de la Reacción eutéctica [Adaptado de: UNCOMA, 2008]
La secuencia de transformación de fases para una aleación hipoeutéctica, es
decir, aleaciones con composiciones menores a la eutéctica se muestra en la
figura 58. En esta se parte de la aleación cuando esta es totalmente liquida
(fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la
temperatura T1, donde inicia la solidificación (sólido α) en sitios de nucleación. En
esta zona a medida que desciende la temperatura ira aumentando cada vez mas
la cantidad de sólido α conformando granos e irá disminuyendo la cantidad de
liquido hasta la línea o temperatura eutéctica donde se inicia la enucleación de la
composición eutéctica, es decir el liquido contenido en la fase anterior inicia la
reacción para convertirse en sólido α y β. Al pasar la línea eutéctica los granos de
composición eutéctica continúan creciendo y formando granos hasta que
finalmente la aleación solidifica completamente presentando en su estructura
solido α y sólido eutéctico.
77
Figura 8. Transformación de aleaciones hipoeutécticas [Adaptado de: UNCOMA, 2008]
La transformación para una aleación hipereutectoide es algo similar a la hipo, la
diferencia radica en que el material al final de la solidifcacion que es sólido β y
solido eutéctico.
Ejemplo:
Para una aleación de 40% de Sn y 60% de Pb determinar las fases presentes,
composición de las fases y cantidades de las fases en los puntos
a) Temperatura de 300ºC
b) Temperatura de 230ºC
c) Temperatura de 183- ΔT
SOLUCION:
Para realizar este ejemplo se usara el diagrama Pb-Sn mostrado en la figura 59.
a)
Fases presentes = 1
Composición de las fases = 40% de Sn y 60% de Pb
78
Cantidad de fases = 100% liquida
b)
Fases presentes = 2
Composición de las fases= liquida 48% Sn+52%Pb y alfa 17% de Sn y 83 % de
Pb
Cantidad de fases = (Regla de la palanca)
% de fase liquida =
40 − 17
X 100 = 74.2%
48 − 17
% de fase Sólidaα =
48 − 40
X 100 = 25.80%
48 − 17
c)
Fases presentes = 2
Composición 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)
% de fase solida α =
97 − 40
X 100 = 73.08%
97 − 19
% de fase Sólida β =
40 − 19
X 100 = 26.92%
97 − 19
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 composición
especifica, como es el caso de la reacción eutéctica. Además de esta reacción, en
los diagramas solubilidad total y solubilidad parcial, se pueden encontrarse otras
reacciones invariantes, a saber:
•
Reacción eutéctica: La fase liquida se transforma en dos fases solidad
diferentes como se muestra en la figura 60.
L →α +β
Figura 10. Reaccion eutéctica
[28]
80
•
Reacción eutectoide: una fase sólida se convierte en dos fases solidas
diferentes, como se muestra en la figura 61
γ →α +β
•
[29]
Figura 11. Reacción eutectoide
Reacción Peritéctica: una fase liquida mas solida se convierte en un solido
diferente, como se muestra en la figura 62
L +α → β
[30]
Figura 12. Reacción Peritéctica
•
Reacción Peritectoide: Dos fases sólidas se convierte en un solido
diferente, como se muestra en la figura 63
γ +α → β
Figura 13. Reacción Peritectoide
[31]
81
1
METALES Y ALEACIONES
6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS
En los sistemas cristalinos existen cuatro tipos básicos de celda unidad: sencilla,
centrado en el cuerpo, centrado en las caras y hexagonal compacta.; de los cuales
los tres últimos son los mas importantes para el caso de los metales. Polimorfismo
o Alotropía se define como aquel material que presenta diversas estructuras
cristalinas a diferentes temperaturas: Ejemplo: acero y el cerámico PSZ
82
6.1.1 Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los átomos (representados como
esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vértices del cubo y uno
más se encuentra en el centro de la celda (figura 64). Para esta celda el número
de coordinación es ocho (8), debido a que este termino define a la cantidad de
átomos vecinos mas cercanos a uno en particular (alrededor).
Figura 14.Celda BCC
La cantidad de átomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el
equivalente de 2 átomos. Un átomo completo localizado en el centro de la celda
unidad, y un octavo de esfera en cada vértice de la celda, haciendo el equivalente
de otro átomo. En consecuencia, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los
vértices) = 2 átomos por celda unidad.
Para esta celda los átomos se encuentran unidos a través de la diagonal que se
muestra en la figura 65, pudiendo relacionarse la longitud de la cara del cubo (a0)
con el radio atómico (r) de la siguiente manera:
a0 =
4r
3
Figura 15. Relación entre constante de red (a0) y el radio atómico (r)
[4]
83
A esta celda también es posible determinar el Factor de Empaquetamiento
Atómico (APF), el cual indica que fracción de la celda esta ocupado por los
átomos, se calcula de la siguiente manera:
APF =
Volumen de atomos en la celda BCC
Volumen de la celda
4
(2atomos )( πR 3 )
3
,
APF =
a3
pero como a =
4R
3
[5]
,
Entonces, APF = 0.68
Luego el 68% del volumen de la celda esta ocupado por átomos, el 33% restante
es espacio vacio. Algunos metales con estructura
BCC son: Cromo, hierro,
vanadio.
6.1.2 Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC)
Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los átomos (representados como
esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vértices 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 coordinación es doce (12).
Figura 16.Celda FCC [Fuente: (Der) I.E.S, 2008]
La cantidad de átomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el
equivalente de 4 átomos. Un octavo de esfera en cada vértice de la celda,
haciendo el equivalente de un átomo, y medio átomo en cada una de las caras
haciendo 3 átomos. En consecuencia, hay un total de 8 x 1/8 (en los vértices) + 6 x
½ = 4 átomos por celda unidad.
84
Para esta celda los átomos se encuentra unidos a través 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:
a0 =
4r
2
[6]
Figura 17. Relación entre constante de red (a0) y el radio atómico (r)
El Factor de Empaquetamiento Atómico (APF), el cual indica que fracción de la
celda esta ocupado por los átomos, para esta celda es 0.74 (74%). Comparando
con el valor de la celda BCC, en esta los átomos se encuentran más unidos
(dejan menos espacio vacío). 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 átomos 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 coordinación es
doce (12).
La cantidad de átomos que se encuentra dentro de la celda es el equivalente de 6
átomos. Un sexto de esfera en cada esquina de la capa superior e inferior de la
celda, haciendo el equivalente de dos átomos, tres átomos en el centro y medio
átomo en cada una de las capas haciendo 2 átomos. 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 ½ = 6 átomos por celda unidad.
85
Figura 18. Celda HCP
[Fuente: I.E.S, 2008]
El Factor de Empaquetamiento Atómico (APF), para esta celda es 0.74 (74%).
Algunos metales con estructura HCP son: Cadmio, Zinc, titanio.
6.2 SOLIDIFICACION EN METALES
La gran mayoría de metales
para poder generar productos requieren de un
proceso de extracción (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un
molde en el cual este se enfría y solidifica. Este proceso de solidifación es
diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleación, como será
explicado mas adelante.
En la solidificación de un material existe una etapa llamada nucleación (formación
de núcleos en el metal líquido). Este tipo de nucleacion puede ser homogénea o
heterogénea.
6.2.1 Nucleacion homogénea
Consiste en que el metal liquido fundido proporciona por si mismo los átomos para
formar núcleos. Este proceso se divide como se muestra en la figura 69 en:
•
Generación de núcleos: Es la agrupación de átomos a partir de pequeños
movimientos de estos.
•
Generación de cristales: En este paso algunos núcleos se generan y se
disuelven mientras exista suficiente líquido, otros continúan creciendo hasta
formar los cristales.
86
•
Creación de límites de grano: Al continuar el proceso de enfriamiento,
algunos núcleos crecen y se reorientan para convertirse en granos, los
cuales crearan una frontera llamada límite de grano.
Figura 19. Nucleación homogénea
6.2.2 Nucleación heterogénea
Este tipo de nucleación se produce en el metal líquido sobre las paredes del
molde al usar un agente insoluble; es decir sin refinadores de grano. Esta
nucleación difiere si el caos es un metal puro o una aleación.
El proceso de solidificación 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):
•
Generación de una capa delgada producto del rápido enfriamiento en las
paredes al vaciar el liquido en el molde
•
El espesor de esta película aumenta generándose una costra
•
En las costras que se forman, los granos son equiaxiales, finos y orientados
aleatoriamente producto del rápido enfriamiento
•
Se sigue introduciendo metal fundido y se generan granos columna res,
debido a que se enfrían perpendiculares a la costra y las paredes
molde, este proceso recibe el nombre de crecimiento dendrítico
del
87
Figura 20.Estructura característica de un metal puro solidificado [Fuente: Groover ,2007]
Las aleaciones generalmente no poseen una temperatura única de solidificación
sino un rango de temperaturas, este rango depende de la aleación y composición
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 aleación y por lo tanto dos puntos de fusión de los elementos
de la aleación diferentes, se genera una zona donde existe sólido con islas
de liquido (zona blanda). Esta zona
puede ser ancha o angosta en la
aleación 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 característica de una aleación solidificada [Fuente: Groover ,2007]
6.3 SOLUCIONES SÓLIDAS METALICAS
88
Como se menciono anteriormente muchos de los materiales que se usan
industrialmente no son totalmente puros (ejemplo el cobre en cables eléctricos), la
gran mayoría se usan como aleaciones para mejorar ciertas propiedades como
resistencia a tensión, dureza, etc. Dentro de los diferentes tipos de aleaciones, el
tipo más simple de aleaciones es la Solución Sólida. Esta se define como una
aleación formada por dos o más partículas distribuidas dentro de una fase única.
Existen dos tipos de soluciones sólidas: sustitucional e intersticial
•
Solución sólida sustitucional:
Este tipo de soluciones consta de dos
elementos o partículas en los cuales uno de los elementos (disolvente)
sustituye en las posiciones a otros átomos de soluto.
La estructura cristalina del elemento progenitor o disolvente permanece
inalterada, pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a la
presencia de átomos de soluto (figura 72)
Figura 22. Solución sólida sustitucional [Adaptado de: Smith, 2004
Existen ciertas condiciones que facilitan este tipo de solución:
•
•
La diferencia entre los diámetros atómicos 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
Solución sólida Intersticial: En este tipo de solución los átomos de soluto
encajan en los espacios que hay entre los átomos de disolvente. Estos
89
huecos son llamados intersticios (figura 73). Se forma debido a que hay
gran diferencia entre los diámetros atómicos. Estos átomos
de soluto
(pequeños) pueden ser de Nitrógeno, carbono, hidrogeno y oxigeno.
Figura 23. Solución sólida intersticial [Adaptado de: Smith, 2004]
En el campo de la ingeniería, una de las aleaciones metálicas más importante es
el acero. Esta es una aleación producto de la unión del hierro, quien junto con una
pequeña proporción de carbono, proporcionan al acero diversas propiedades
especiales tales como dureza, resistencia y ductilidad entre otras.
El hierro es un metal alotrópico, quiere decir que posee diferentes estructuras
reticulares dependiendo de la temperatura a la que sea sometido. Técnicamente
se considera hierro puro a aquel material con menos de 0.008% de carbono, este
es un metal blanco azulado, dúctil y maleable que permite ser forjado y moldeado.
En la figura 74, se muestra una parte del diagrama binario importante
en
ingeniería, el diagrama hierro-carbono o como es comúnmente llamado hierro Fe3C, debido a que esta parte del diagrama (entre 0 y 6.67%C), es la que reviste
gran importancia tecnológica ya que en esta porción 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 frágil.
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 solución sólida intersticial (explicado anteriormente)
•
Combinado con el hierro para formar un compuesto ínter metálico
denominado cementita Fe3C
•
Como carbono libre o grafito
En el diagrama hierro – Fe3C, se puede apreciar las diferentes transformaciones
alotrópicas del hierro:
•
Ferrita o hierro δ: Es una solución sólida intersticial de carbono en la red
cristalina del hierro cúbica centrada en el cuerpo BCC. Posee una
estructura cúbica centrada en el cuerpo. Existe entre temperaturas de
1934ºC y 1538ºC, la máxima solubilidad de carbono es de 0.09% a 1495ºC
•
Austenita o hierro γ: Es una solución sólida intersticial de carbono en la
red cristalina del hierro cúbica centrada en las caras FCC. Existe en el
rango de temperaturas entre 727ºC y 1495ºC. la máxima solubilidad de
91
carbono es 2.1% 1.148ºC y la mínima solubilidad es de 0.77 a 727ºC.
(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 α: Es una solución sólida intersticial de carbono en la red
cristalina del hierro cúbica centrada en el cuerpo BCC. Existe por debajo de
los 912ºC y la máxima solubilidad del carbono es 0.0218% a 727ºC, la
mínima solubilidad. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la
tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.Tiene una
dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un
alargamiento del 30 %. Posee constante de red (arista del cubo) menor que
la ferrita o hierro δ. (figura 76)
Figura 26. Acero W1 Normalizado a 1000x (izq.) y Acero 1010. En estado de entrega a 100x
92
Otro constituyente metálico 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 más duro y frágil de los aceros al carbono y no presenta
solubilidad, alcanza una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red
ortorrómbica. Esta aparece en las estructuras metalográficas 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 reacción eutectoide.
La perlita (figura 76) es otro tipo de estructura de tipo laminar de α 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
tracción de 80 kg/mm2 La perlita aparece en general en el enfriamiento lento a l
producirse la reacción eutectoide, es decir la transformación de la austenita 727°C
En el diagrama, Fe- Fe3C se encuentran tres líneas horizontales que indican
reacciones isotérmicas o tres reacciones invariantes estas son (figura 74):
•
Reacción Peritéctica: Esta reacción ocurre con un porcentaje de 0.53% de
carbono ya una temperatura de 1465ºC (línea isoterma). Dicha reacción
responde a la ecuación:
L +δ → γ
•
[32]
Reacción Eutéctica: Esta reacción ocurre en el punto eutéctico con un
porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148ºC (línea
isoterma). Cuando una determinada aleación cruce esta línea, la parte
líquida que la compone debe solidificar formándose austenita y carburo de
hierro o cementita. Esta mezcla eutéctica, recibe el nombre de ledeburita,
Dicha reacción responde a la ecuación:
L → γ + Fe3C
•
[33]
Reacción Eutectoide: Esta reacción ocurre en el punto eutéctico con un
porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148ºC (línea
isoterma). Cualquier porción de austenita presente se transformará en una
93
fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. Dicha reacción
responde a la ecuación:
γ → ferrita α + Fe3 C
[34]
Una primera clasificación 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 fácil de entender debido a que
ocurre alga similar al proceso de reacción eutectoide. La aleación por encima de
723ºC 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 aleación hipoeutecotide e hipereutecoide
se muestran en la figura 80. Para los aceros hipo, por arriba de 800ºC para este
caso el acero posee una estructura austenitica, al descender la temperatura hasta
por debajo de los 750ºC 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 (727ºC) sigue creciendo hasta
llegar a 727ºC donde la austenita que se traía se transforma en perlita (ferrita
eutectoide+cementita).
95
Figura 30. Evolución 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 también 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 (γ). Luego la austenita se
enfría a través de la reacción 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 940ºC. (a) A
temperatura de 727+ΔT, calcular el % en peso de austenita y el % en peso de
ferrita. (b) A temperatura de 727-ΔT, 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 fabricación del acero inicia con las materias primas, dentro de las
cuales la mas importante es el mineral de hierro o bien chatarra férrea, según 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 férrea se usa un
96
horno de arco eléctrico. Los principales minerales de los que se extrae el hierro
son:
Hematita (mena roja) 70%, de hierroMagnetita (mena negra) 72.4%, de
hierroSiderita (mena café pobre)48.3% de hierro y Limonita (mena café) 60-65%
de hierro.
En resumen los cuatro elementos necesarios parta la producción 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 carbón bituminoso en una atmósfera escasa de oxigeno, para
luego rociarles agua a través de torres de enfriamiento especiales, generándose
un carbón rico en carbono destilado y es extremadamente combustible El coque
tiene como objetivos suministrar el calor para la reacción y producir monóxido 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 formación de una escoria que recoja, durante los procesos de fusión y afino, los
elementos que se introducen con la carga que pueden ser perjudiciales para el
acero final, dejando el baño 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 tamaño 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
diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están
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 carbón
no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los
hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la
fusión 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 construcción de carreteras o en la producción de cemento. Estos son
recolectados a través de carros cucharas de hierro caliente para llevarlos a
procesos posteriores
Luego se lleva a cabo un proceso de refinación del hierro, para obtener acero; los
hornos que se usa actualmente es el
horno de oxigeno básico (BOF) y el
eléctrico, 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 fósforo. Durante este proceso el contenido de carbono en el hierro
disminuye (control de carbono). Luego de refinarlo se agregan elementos de
aleación, si lo que se quiere fabricar es un acero aleado. A continuación se lleva a
cabo la colada y luego pasara por trenes de laminación para fabricar los
productos.
La secuencia del proceso de fabricación del acero a partir de mineral de hierro se
muestra en la figura 81.
98
Figura 31. Secuencia de Fabricación del acero a partir de mineral de hierro [Fuente: Arcelor,
2008]
99
Para la elaboración del acero a partir de chatarras seleccionadas, estas se
mezclan con ferroaleaciones para obtener la composición y especificación
deseada. La calidad de la chatarra depende de tres factores:
•
De su facilidad para ser cargada en el horno
•
De su comportamiento de fusión (densidad de la chatarra, tamaño, espesor,
forma, etc.)
•
De su composición, siendo fundamental la presencia de elementos
residuales que sean difíciles de eliminar en el proceso del horno
Como se menciono, la chatarra puede provenir de diferentes piezas o
componentes metálicos, esta se puede clasificar en tres grupos:
•
Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la
propia fábrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad
•
Chatarra de transformación: producida durante la fabricación de piezas y
componentes de acero (virutas de máquinas herramientas, recortes de
prensas y guillotinas, etc.)
•
Chatarra de recuperación: suele ser la mayor parte de la chatarra que se
emplea en la acería y procede del desguace de edificios con estructura de
acero, plantas industriales, barcos, automóviles, electrodomésticos, etc.
La secuencia del proceso de fabricación del acero a partir de chatarra
seleccionada se muestra en la figura 82
100
Figura 32. Fabricación del acero a partir de chatarra seleccionada [Fuente: IPAC, 2008]
Link Flash Proceso de fabricación del
acero, aplicaciones y reciclaje
http://www.apta.com.es/otua/otua2004.swf
6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIÓN
Como se observo en el flash anterior,
para la fabricación de productos
comerciales de acero (alambron, perfiles, barras, bobinas, etc.), se hace necesario
el uso de un tren de laminación o rodillos laminadores, los cuales van a permitir
darle las formas comerciales del acero. Estos procesos de laminación, forja,
extrusión, requieren temperaturas para llevar a cabo su objetivo. Debido a la
101
temperatura los procesos se pueden clasificar en tres tipos: trabajo en frío, trabajo
en caliente y Trabajo en tibio
6.5.1 Trabajo en Frío
Es el formado del metal que se realiza a temperatura ambiente o ligeramente por
encima <=0.3 Temperatura de fusión del metal
Ventajas:
•
Se pueden mejorar el acabado de la superficie y obtener tolerancias
dimensionales
•
El endurecimiento por deformación. Este es un proceso por el cual lo
granos durante el laminado por ejemplo, se orientan en la dirección de la
laminación, proporcionando al material
un comportamiento anisotrópico
(diferentes valores de una propiedad en la dirección de laminación y en los
otras direcciones). mejora la dureza y la resistencia
•
La dirección de los granos mejora las propiedades en esas direcciones,
mejora la dureza y la resistencia.
•
Es un proceso que no es tan costoso debido a que no se requiere elevar la
temperatura del material a trabajar (no requiere horno ni combustible)
•
Debido al esfuerzo aplicado, se generan esfuerzos residuales o esfuerzos
internos en el material debido al “bosque” de de dislocaciones.
Desventajas:
•
Se requiere mayor potencia para realizar las operaciones
•
Reduce o se ve disminuida la ductilidad, la conductividad eléctrica.
6.5.2 Trabajo en Tibio
Son los trabajos realizados por encima de la temperatura ambiente pero por
debajo de la temperatura de recristalización del metal. 0.3 y 0.5 Temperatura de
fusión del metal
Ventajas:
•
Se requieren fuerzas mas bajas y menor potencia
102
•
Son posibles trabajos un poco más complejos que los que se pueden
realizar en el trabajo en frío.
6.5.3 Trabajo en Caliente
Son los trabajos realizados por encima de la temperatura de recristalización del
metal. 0.5 y 0.75 Temperatura de fusión del metal
Ventajas:
•
La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de
los lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son
prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo.
•
Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a
través del metal.
•
Existe menos potencia para deformar el material, pero mucha más
deformación plástica que en frío y en tibio, es decir hay mayor ductilidad.
•
La propiedad de resistencia es isotrópica, no hay dirección de los granos
6.6 ACEROS
Como se mencionó anteriormente, el acero es una aleación cristalizada de hierro,
carbono y otros elementos (elementos aleantes) que se endurece cuando se le
enfría después de estar arriba del punto de fusión.
Existen diversas maneras de clasificar el acero, un a de las más comunes, es
hacerlo por su composición química:
6.6.1 Aceros al carbono
Se trata del tipo básico de acero que contiene menos del 3% de elementos que no
son hierro ni carbono, debido a que también contienen impurezas como fósforo,
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 abrasión
Estos aceros contienen básicamente hierro y carbono. Se designan según la AISI
(American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of automotive Enginners) por 4
dígitos 10XX, donde los dos primeros indican que el Acero es al carbono y los dos
últimos el contenido de carbono en centésimos 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 aleación
Son los aceros que contienen otro metal que fue añadido intencionalmente con el
fin de mejorar ciertas propiedades del metal.
Los elementos principales de
aleación asi como su porcentaje se muestran en la tabla 7. Dentro de este grupo
se encuentran:
•
De baja aleación: Son aquellos en los que los elementos especiales de
aleación suman menos del 8%
•
De alta aleación: Son aquellos en los que los elementos especiales de
aleación suman más del 8%.
Tabla 2. Aceros aleados con sus elementos principales de aleación
[Fuente: Smith, 2004]
Se usan principalmente donde se requiere mucha resistencia a tensión, y en
general donde se requieran propiedades que los aceros ordinarios al carbono no
proporcionan como: construcción y motores.
Entre las características que se atribuyen aunque no en su totalidad están:
•
Son mas dúctiles que los aceros al carbono, sin disminuir la resistencia a la
tensión
•
Facilidad para ser endurecido o templados por enfriamiento brusco en
aceite o agua (templabilidad)
105
•
Baja susceptibilidad al desgaste y a la corrosión
•
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 dígitos XXXX, donde los dos primeros indican el o los
elemento(s) principal(es) o grupo al que pertenecen y los dos últimos el contenido
de carbono en centésimos de porcentaje. Por ejemplo: el acero 4140, según tablas
AISI es una acero aleado con Mn y Cr y contiene 0.4%C, el acero 5160, según
tablas AISI es una acero aleado con Mn y contiene 0.6%C.
La tabla 8,
proporciona información referente a las propiedades mecanicas y aplicaciones de
estos aceros
106
Tabla 3. Composiciòn, propiedades mecánicas y aplicaciones tipicas de aceros aleados
[Fuente: Smith, 2004]
6.6.3 Aceros inoxidables
Son aceros cuya característica es la resistencia a la corrosión. La resistencia es
debida principalmente al alto contenido de cromo, que es más de 12% y en
107
algunos de níquel. Son más costosos que los aceros al carbono y aleados y se
clasifican como:
•
Aceros Inoxidables Austeníticos: La composición química típica 18% Cr
y 8% Ni. Son los más resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a
su composición se les denomina como aceros 18-8.dentro de sus
aplicaciones se encuentran: Recipientes a presión, equipos de procesos
químicos y alimenticios. Se designan como 3XX. Por ejemplo 304 y 316.
•
Aceros Inoxidables ferríticos: La composición química típica 15-20% Cr,
bajo carbono y nada de níquel. Son menos resistentes a la corrosión y
menos dúctiles que los austeníticos. Usos: Utensilios de cocina, materiales
de construcción, aplicaciones de alta temperatura. Se designan como 4XX.
Por ejemplo: 409, 430 y 434
•
Aceros Inoxidables Martensíticos: La composición química típica 18% Cr,
mas carbono
que los ferriticos. Son fuertes a la fatiga pero menos
resistentes a la corrosión como los otros grupos austeníticos. Usos:
Instrumental quirúrgico, cuchillería. Se designan como 4XX: Todos los
aceros se designan por tres números. El primero indica el tipo general y los
dos último dan el grado específico dentro del grupo. 410 y 420. La
composición quimica y propiedades más comunes de estos aceros se
ilustran en la tabla 9.
108
Tabla 4. Composición y propiedades mecánicas 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 fabricación
de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de
los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta. Poseen buena
dureza, resistencia a la abrasión, al desgaste, al trabajo en frío y en caliente,
tenacidad al impacto. Se designan por una letra seguida de un número; la letra
identifica el grupo
y el número el grado específico dentro del grupo. Se clasifican
como:
•
T, M. Aceros de herramienta de alta velocidad: Este tipo es el más
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 varía 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 descarburación entre regular
y baja, pudiendo templarse en aceite, al aire o en sales fundidas.
109
Los aceros rápidos 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, extrusión, fundición.
•
O. Aceros de herramienta para trabajo en frío: este grupo de aceros de
temple en aceite (grupo O), contienen manganeso y cantidades menores de
cromo y tungsteno. Dentro de sus características se destacan: buena
resistencia al desgaste, maquinabilidad y resistencia a la descarburación; la
tenacidad es solo regular y su dureza en caliente: sus usos comunes son:
dados de trabajo en frío en forja, extrusión, laminado, estirado, fabricación
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
térmico. Su uso es a temperaturas bajas, en los martillos, martillos
neumáticos, 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 aleación utilizados el silicio, el
cromo, el tungsteno y algunas veces el molibdeno o el níquel. Se usan
donde se requiere alta tenacidad como en las cuchillas de cizalla para
cortar metales, en la fabricación de matrices de estampar, punzones,
cinceles.
•
P. Aceros de herramienta para molde: Se usan
fabricar moldes de plásticos y hule
generalmente para
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. Identificación 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 térmicos, son procesos que así como modifican la micro estructura
del material, conllevan a una modificación de sus propiedades mecánicas; estos
no son exclusivos de los metales, también se realizan a los vidrios y cerámicos.
Los
principales
tratamientos
térmicos
son:
recocido,
temple,
revenido,
normalizado, endurecimiento por precipitación y endurecimiento superficial.
Los tratamientos térmicos, pueden aplicarse a un material en cualquier etapa del
proceso de fabricación, por ejemplo antes de ejecutar el procesos de deformación
volumétrica
como la forja y la extrusión (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 frío
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 después se enfría lentamente.
Dentro de los fines del tratamiento de recocido se encuentran:
•
Eliminar los esfuerzos residuales que se producen en el trabajo en frío
•
Reducir la dureza y fragilidad proveniente generalmente del trabajo en frío.
•
Recristalizar (regeneración de granos) los metales trabajo en frío
(endurecidos por deformación)
•
Refinar la estructura del grano
Cuando los metales y especialmente el acero procede de un proceso de
deformación o trabajo en frío, 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:
•
Recuperación: Es la etapa más 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 relajación e incluso
eliminación de esfuerzos internos. Durante esta etapa el calentamiento, se
proporciona al material la energía necesaria para permitir el reordenamiento
atómico 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 recuperación, en esta etapa entonces se
nuclear nuevos granos libres de deformación, se eliminan totalmente las
dislocaciones y los granos inician una etapa de crecimiento. Como eliminan
las dislocaciones, el efecto sobre las propiedades, es reducción en la
resistencia y aumento en la ductilidad. (figura 83).
Existen ciertos factores que afectan el proceso de recristalización en los
metales y las aleaciones a saber: El porcentaje de deformación adquirida
por el material que se desea recristalizar, la temperatura de recristalización
disminuye cuando aumenta la cantidad de trabajo en frío, el tiempo, el
tamaño de grano y la composición del metal. A la temperatura a la cual se
inicia la formación de nuevos granos se denomina temperatura de
recristalización. Esta no es una temperatura única, 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 recuperación y la recristalización, se
llevan a cabo rápidamente. En esta última 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 tenía el
material antes del proceso de trabajo en frío. (figura 83).
113
Figura 33. Etapas del proceso de recocido [Fuente: Smith, 2004]
El recocido total, es un término que se asocia con los metales y consiste en
calentamiento del acero hasta la zona austenítica seguida de un enfriamiento lento
en el horno para producir una estructura denominada perlita gruesa.
Cuando en el recocido luego de la etapa de recuperación, los granos adquieren la
forma inicial (equiaxiales) antes de la deformación en frío se dice que ha ocurrido
la recristalización, caso contrario si el proceso de recocido solo permite un retorno
parcial a la estructura del grano se llama recuperación por recocido.
En el caso de los aceros, para llevar a cabo un recocido total o recocido completo
(recuperación, recristalización, crecimiento de grano), dependiendo si el acero es
hipoeutectoide, este debe calentarse hasta una temperatura de 40ºC por encima
de la línea AC3 o si es hipereutectoide la temperatura será 40 ºC por encima de la
línea 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 térmico que consiste en calentar el material hasta la zona
austenítica y luego dejarla enfriar al aire libre (en reposo). La micro estructura a
temperatura ambiente para los aceros varia. Las características que proporciona
este tratamiento térmico son:
•
Proporciona mayor resistencia a la tensión 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 será como se
muestra en la figura 79, de 40 a 55 ºC por encima de la línea AC3 y ACm.
6.7.3 Temple
Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero hasta la zona autenítica y
enfriarlo rápidamente en agua, aceite o salmuera (enfriamiento mas rápido) con el
fin de obtener una estructura llamada martensita. Si el enfriamiento desde la zona
austenítica hasta la temperatura ambiente se hiciese lento la estructura que se
formaría 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 razón por la cual es dura y frágil, disminuyendo en el
material la ductilidad y la tenacidad. La transformación de austenítica en
martensita posee un rango de temperaturas que se conocen como temperatura
de inicio martensítico, Ms (disminuye a media que aumenta el contenido de
carbono) y temperatura de final martensítico, Mf. (figura 85)
Figura 35. Estructura y temperaturas de la martensita [Fuente: Smith, 2004]
6.7.4 Revenido
El tratamiento térmico de revenido consiste en calentar el acero luego de realizar
un temple hasta una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide
(generalmente entre 600ºC - 727ºC) con el fin de bajarle al acero la dureza y
fragilidad adquirida en el temple, es decir, hacerlo mas blando y mas dúctil. Como
se muestra en la figura 86, el proceso para realizar un revenido requiere primero
que todo el enfriamiento rápido del acero desde la zona austenítica
(austenización) hasta la temperatura ambiente con el fin de que se forme la
martensita (estructura muy dura y frágil) y no hacerlo lento para que se forme la
perlita (ferrita + cementita), para después volverlo a calentar con el fin de que la
116
martensita se transforme en una estructura de partículas 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 precipitación de partículas muy
finas de carburo de la martensita y la transformación gradual de la estructura
cristalina BCT a BCC, esta nueva estructura se llama como se menciono:
martensita revenida.
6.7.5 Curva Tiempo – Temperatura – Transformación (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 región autenítica (en un punto por
encima de la temperatura A1) y continua hacia abajo y a la derecha como se
muestra (línea 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 rápido 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 rápido 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 rápido
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 explicación más detallada de cómo es el uso de la curva
tiempo – temperatura – transformación (ttt), se analizara el caso de un acero para
herramientas el tipo W, al cual se le realizaron diferentes tratamientos térmicos,
incluyendo el análisis de estado entrega, es decir, sin realizarle tratamiento
alguno. En estado entrega este
(Rockwell C).
acero proporcionó una dureza de 16 HRC
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
glóbulos esféricos, se encuentran en una matriz ferrítica¸ esto se concluye porque
el recocido que se le supone le hayan aplicado debió ser muy lento, en la fase de
calentamiento el estado inicial debió ser perlita y cementita ( y aleantes en baja
proporción) al llegar a temperatura de austenización se convirtió 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
formación de carburos de cementita. Lo anterior se basa en la grafica isotérmica
donde si fue lenta la curva de enfriamiento estará en la zona de Ferrita y cementita
de la curva (figura 89)
119
Figura 39. Gráfica 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
pequeñas porciones de bainita. La estructura anterior se explica porque se calentó
a una temperatura superior a 722ºC, la cual superando esto ya se ha comenzado
la transformación a austenita, y luego que se enfrío en agua, como se observa en
la micrografía 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 isotérmica que se observa en la figura 89, la
temperatura Ms (comienza la transformación martensítica
esta a 200C
aproximadamente y la Mf (temperatura de fin de transformación martensita) estará
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 continuación se muestran los
diferentes valores de microdureza (medidos en escala Knoop) para la matriz y los
carburos después del tratamiento térmico 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 tamaño tan pequeño que poseen
estos antes y después de revenido. La razón por la cual se presenta una
disminución de dureza del
acero W1 después del revenido
con relación al
templado es que al hacer el revenido se eliminan las tensiones internas
producidas en el temple, lo cual se ve reflejado en la disminución 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 disminuirá.
ACERO
Matriz
484 Knoop
W1
443 Knoop
TEMPLE
Carburo
No se tomaron
Matriz
REVENIDO
Carburo
378 Knoop
No se tomaron
372 Knoop
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 láminas, en una matriz ferrítica, se
alcanza a notar algunos pequeños carburos de cementita. La anterior estructura
se explica porque de acuerdo a la figura 89 del diagrama isotérmico, la velocidad
de enfriamiento en normalizado es mas rápida 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 están en forma esferoidal. La matriz es de
ferrita, y esta en mayor cantidad y por lo diminuto del tamaño de los carburos y
poca perlita. El tratamiento térmico de normalizado arrojo una dureza del acero de
40 HRC (Rockwell C)
Figura 41. Acero W1 Normalizado, se austenizò hasta 900C, 1000x
6.7.6 Templabilidad
Puede definirse como la propiedad que determina la profundidad y distribución de
la dureza generada durante el templado de una pieza desde su condición de
estructura austenítica. Esta sirve para determinar la profundidad por debajo de la
superficie templada a la cual el acero se endurece para logar una cierta
penetración de dureza.
La templabilidad de un acero depende principalmente de: 1) La composición del
acero, siendo los elementos que influyen mas en la templabilidad el cromo,
122
molibdeno y el níquel.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 austenización
por lo menos unos 30 minutos. Después 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 enfría 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 níquel.
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 metálico, con el fin de
hacer claridad acerca de estos mecanismos, se resumirán brevemente:
•
Deformación plástica de los granos cristalinos: Cuando a un material
policristalino se somete a tensión, se inicia el deslizamiento en los granos
cuyo sistema de deslizamiento esta orientado mas favorablemente a la
tensión aplicada, otros cristales experimentan una rotación alrededor del eje
de
esfuerzos
haciéndolos
orientar
en
la
dirección
favorable
de
deslizamiento. A medida que aumenta la deformación los granos tienden a
alargarse en una dirección preferencial. Si la deformación continua los
granos pueden llegar a romperse, por lo tanto podría decirse que la
deformación se produce por la trituración de los granos existentes, en los
cuales los átomos no ocupan en ella sus verdaderas posiciones, es decir
que existe una acentuada distorsión de la red cristalina.
•
Líneas de deslizamiento: Mientras se deforma un material elásticamente,
ninguna alteración se observa a escala microscópica ; pero cuando se inicie
la zona plástica, aparecen unas líneas con diversas direcciones que
interrumpen la continuidad de la superficie, a medida que se aumenta la
deformación van apareciendo nuevas líneas con otras orientaciones que se
cortan con las ya formadas, estos sistemas de líneas corresponden cada
uno a un grano y sus diferentes direcciones corresponden a la orientación
cristalina de los granos.
•
Maclaje: La deformación de cristales no siempre se produce por el
mecanismo de dislocaciones, muchos cristales que presentan una red
hexagonal compacta presentan el fenómeno de maclado y se deforman
total o parcialmente formando maclas en los primitivos cristales. Este
mecanismo consiste en el deslizamiento de unos cuantos planos
cristalográficos 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
mecánicamente. (Figura 93)
Figura 43. Maclaje
•
Transformación Martensítica: 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 distorsión grande de la
estructura cristalina es la causa principal de la elevada dureza de la
martensita. Además que cuando la austenita de transforma en martensita,
se forman muchos cristales pequeños de martensita con orientaciones
variadas en cada grano de austenita. A esto se añade el hecho de que la
formación de cada placa de martensita es acompañada por una
deformación de cizallamiento que deforma plásticamente la matriz que
rodea a la placa y por todas estas razones el movimiento de las
dislocaciones a través de una estructura martensítica es muy difícil.
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
deformación. De acuerdo a la distribución del acero en su estructura se pueden
125
distinguir 4 tipos de fundiciones: fundición blanca, fundición gris, fundición dúctil y
fundición maleable.
6.8.1 Fundición blanca
Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundición en estado líquido
se convierte en carburo de hierro (Fe3C) en vez de grafito (figura 94). Esta
fundición se produce al pasar la fundición por la línea de isoterma de 1140ºC,
donde ocurre la reacción eutéctica:
L → γ + Fe3C
[35]
Que luego al pasar la línea de temperatura eutectoide (727ºC) la austenita se
transforma dejando a temperatura ambiente cementita proeutectoirde (Fe3C) +
perlita. Se llaman así porque al partirse la pieza se puede observar un color
blancuzco. Como característica es muy dura, carece de maleabilidad, es frágil y de
estructura fibrosa de grano pequeño, de alta resistencia al desgaste y a la
abrasión. Sirve como material bruto para el hiero fundido maleable.
Figura 44. Microestrutura de la fundicion blanca [Fuente: Cintas, 2008]
6.8.2 Fundición gris
Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundición en estado líquido
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 características como: buena absorción de vibración, 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 más tiempo para la nucleación 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 tensión
como: Clase 20 (resistencia a tensión de 20000 psi) y Clase 40 (resistencia a
tensión de 40000psi). (Figura 95).
Figura 45. Microestrutura de la fundición gris [Fuente: Cintas, 2008]
6.8.3 Fundición nodular (dúctil)
Es un hierro con la composición del hierro gris, en la cual al metal liquido se le
agrega aleaciones de magnesio en forma diluida como una aleación MgFeSi con
el fin de que el grafito se convierta en nódulos y no en hojuelas como el hierro gris.
El proceso de fabricación de esta fundición involucra un primer paso de
desulfurización, que consiste en eliminar el azufre y el oxigeno de la fundición
añadiendo sustancias como
el carburo de calcio (CaO). La segunda etapa
denominada nodulación consiste en agregar magnesio en la forma anteriormente
mencionada y la última etapa la inoculación se lleva a cabo con compuestos de
FeSi para causar la nucleación heterogénea.
Figura 46. Microestrutura de la fundición dúctil [Fuente: Cintas, 2008]
.El agregar magnesio o cerio se generan nódulos de grafito en una matriz ferrifica
y perlitica. Esta fundición presenta características de un acero y de un hierro gris,
127
dentro de las cuales se encuentran: buena resistencia mecánica, resistencia al
desgaste, moldeabilidad, buenas características de mecanizado, tenacidad,
ductilidad, posibilidad de ser trabajado en caliente y en frío. Dentro sus
aplicaciones se encuentran cuerpos de válvulas, engranajes, cigüeñales.
6.8.4 Fundición maleable
Es un hierro que se origina cuando se realiza un tratamiento de recocido a la
fundición blanca para separar el carbono en solución 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 fusión
menor. Las características
de esta fundición son rresistencia a corrosión,
tenacidad y maquinabilidad, y sus usos comunes son: la industria Ferroviaria,
conexiones de tuberías y de implementos agrícolas. (Figura 97).
Figura 47. Microestrutura de la fundición 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 también el nombre de tratamientos termoquímicos y consisten en
diversos tratamientos aplicados al acero en los cuales la composición de la
superficie de la pieza se altera por la adición de carbono, nitrógeno u otros
elementos con el objetivo de obtener una resistencia al desgaste, al impacto, a la
fatiga conservando un núcleo blando y dúctil.
El endurecer la superficie de una pieza, es un proceso importante para muchos
campos de la ingeniería, donde se requieren que los materiales posean
propiedades
como las mencionadas anteriormente, como es el campo de la
industria automotriz, mecánica, química, etc. la industria nacional no es ajena a
este tipo de proceso, destacándose procesos como a carburización o difusión de
carbono, nitruración o difusión de nitrógeno y en algunos casos la carbunitruración
que es la combinación de los dos procesos.
6.9.1 Carburización
Recibe también el nombre de cementación y es un tratamiento de endurecimiento
superficial que consiste
básicamente 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 mencionó, este proceso se lleva a cabo por el mecanismo de difusión
(movimiento de partículas de un área en donde están en alta concentración a un
área donde están en menor concentración hasta que estén repartidas
uniformemente) controlada del carbono. El paso inicial es elevar la temperatura del
acero hasta la zona autenítica con el fin de que difunda fácilmente la atmósfera de
carbono hacia la austenita. A continuación cundo el acero es enfriado (templado) y
revenido, la superficie de la pieza posee una estructura martensítica revenida,
mientras el núcleo de la pieza permanece con estructura blanda y dúctil (ferrita),
como se muestra en la figura 98. Ejemplos de piezas a las cuales es común
aplicar este proceso son: Piñones, coronas, ejes, levas, guías, chavetas,
columnas, etc.
Figura 48. Proceso de carburización gaseosa [Fuente: swagelok, 2008]
Dentro de este proceso se pueden encontrar:
•
Carburización en caja: Esta variante del proceso de carburización,
consiste en introducir en un horno materiales cabonaceos como carbón
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 difusión y permita obtener martensita en su superficie.
•
Carburización 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
método e realiza una
aportación de carbono a la pieza creándose una capa, la cual puede ir
desde 0.8 hasta 2.5 mm de profundidad y entrega piezas en un menor
tiempo, con características más uniformes y de mejor aspecto, no obstante,
el costo de los equipos lo hace aún poco rentable. Las temperaturas típicas
de carburización son entre 875 – 925 ºC dentro del rango de la austenita.
6.9.2 Nitruración
El proceso de nitrurado es parecido a la cementación pero difiere en que el gas
que se difunde es amoníaco con el fin de introducir nitrógeno 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 atmósfera de amoniaco (NH3) + o – 510 ºC. De esta
manera los nitruros del amoníaco ayudan a endurecer el material. También existe
la modalidad líquida en la cual, el material es sumergido en un baño 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 extrusión de
aluminio, Moldes y mecanismos de para correderas inyección de plástico y en
general aceros que vayan a sufrir roce.
6.9.3 Carbonitruración
Es un tratamiento que consiste en endurecer la superficie del acero combinando la
absorción de carbono y nitrógeno para obtener la dureza superficial necesaria en
materiales. La Carbonitruración recibe también el nombre de
cianuración
gaseosa, ya que el fin de ambos es el mismo, la diferencia radica en que la
cianuración se realiza por medio de cianuros líquidos y la Carbonitruración por
medio de gases. El proceso se lleva a cabo de una manera similar a la
cementación gaseosa, se utiliza un gas formado generalmente por el 21% de CO,
131
40% de H2, 35% de N2, 1% de CH4, y pequeñas cantidades de CO2, O2, vapor
de agua y un gas activo (Amoniaco). La aportación de carbón depende del
metano. Una de las ventajas de este proceso es que se pueden obtener una
velocidad de temple suficientemente baja en las piezas carbonitruradas de aceros
al carbono que para enfriarlas en aceite, reflejándose en
una disminución de
deformaciones y grietas.
En la tabla 13 se muestran en resumen los diferentes procesos de tratamientos
termicos superficiales aplicables a los diferentes
procedimiento, carateristicas y aplicaciones
tipos de aceros, su
132
Tabla 8. Descripción de los procesos de trtamiento trmico para endurecimiento superficial
[Kalapakjian, 2008]
133
6.10 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES
El aluminio es el elemento numero 13 del sistema periódico. Tiene por tanto tres
electrones de valencia y su valencia es +3. Es un metal químicamente muy poco
noble. Su peso atómico es 26.98 u.m.a. teniendo diversos isótopos de muy corta
vida media siendo el estable el Al27.
La estructura cristalina es cúbica centrada en las caras, figura 99, a cada célula
elemental corresponden cuatro átomos de aluminio y, en ella, los átomos están
situados en cada uno de los vértices y en el centro de las caras, el grado de
empaquetamiento es 0.74 que es el máximo posible.
Estas particularidades de la estructura son muy significativas, puesto que a ellas
se debe la gran capacidad de deformación del aluminio.
Figura 49. Estructura Cúbica [Fuente: Bundinski, 1989]
En la tabla 14, se reúnen algunas de las propiedades físicas mas interesantes del
aluminio, que se refieren a la calidad del 99.99% cuando no se indica lo contrario.
134
Tabla 9. Propiedades físicas del aluminio 99.99% [Fuente: Budinski, 1989]
6.10.1 Características Térmicas
•
Punto de fusión: 660.24ºC para el aluminio de 99.996%.
•
Calor de fusión: 92 calorías/gr. aproximadamente. Los valores dados por
distintos autores son muy divergentes
•
Punto de ebullición: 2056ºC bajo 760mm de Hg.
•
Calor especifico: Calor específico verdadero a la temperatura (T) en
grados centígrados se puede determinar con la siguiente Relación:
•
ct = 0.2220 + 0.0000772 * T . El calor específico aumenta con la temperatura
•
Coeficiente de dilatación: El coeficiente de dilatación lineal del aluminio
de purezas 99.996% en estado sólido crece rápidamente con la
temperatura: a -188ºC el coeficiente de dilatación es 8.8x106, a 20ºC el
coeficiente de dilatación es 22.4x106 y a 300ºC el coeficiente de dilatación
es igual a 28.4x106. A bajas temperaturas desde -191ºC hasta 16ºC es
igual a 18.35
135
6.10.2 Conductividad Eléctrica
La resistividad del aluminio más puro (99.999%) perfectamente recocido, es de
2.630 μΩ -cm2/cm. a 20ºC. La conductividad del aluminio comercial o de sus
aleaciones es inferior a la conductibilidad del cobre a la misma temperatura. Los
átomos de los metales en solución provocan distorsiones de la red cristalina que
frenan el desplazamiento de los electrones, esta acción es mucho menos sensible
si la impureza no se encuentra en solución. De esta manera puede explicarse que
la conductividad del aluminio resulta disminuida por las impurezas que contiene.
6.10.3 Características Mecánicas.
En la tabla 15 se compendian las propiedades mecánicas mas significativas de
semiacabados de aluminio de diversos grados de pureza, para comparación se
han incluido los valores correspondientes al aluminio 99.98% y al aluminio
99.999%.
Tabla 10. Características mecánicas del aluminio [Fuente: Budinski, 1989]
136
6.10.4 Influencia
de las Impurezas sobre las propiedades físicas y
mecánicas.
La presencia de las impurezas modifican las propiedades físicas. El punto de
fusión baja, siendo para el aluminio de 99.5% a 658ºC, el calor de fusión
especifico disminuye, y es 94,4 cal/gr, los elementos ti, y Va son los que producen
un aumento significativo de la resistividad del aluminio.
El grado de pureza condiciona así mismo las condiciones mecánicas, en la figura
100, se observa, que a medida que se eleva el grado de pureza del Aluminio
disminuye su resistencia mecánica y el límite elástico, creciendo por el contrario el
alargamiento y la resistencia a la fatiga por flexión.
Figura 50. Propiedades mecánicas del aluminio en función de su grado de pureza [Fuente:
Budinski, 1989]
El efecto endurecedor de las impurezas es más marcado a medida que es mayor
la impureza del metal. El cobre es el endurecedor mas activo, en tanto que el zinc
hasta contenidos de 0.2% no ejerce efecto alguno.
137
A elevadas temperaturas, lo mismo que a temperatura ambiente cuanto mas
elevada es la pureza del aluminio, menor es sus resistencia mecánica y mayor su
ductilidad, pero la diferencia entre la resistencia mecánica del metal de alta pureza
y la del metal con un contenido de impurezas elevado es menor al aumentar la
temperatura; la resistencia a la fluencia del aluminio de una pureza del 99.3% es
mayor a temperatura elevada y a la del ambiente que la del aluminio 99.995%;
pero la disminución de la ductilidad de esta ultima calidad es menor que la del
aluminio de 99.3% a la temperatura en que la fractura pasa de intracristalina a
intercristalina.
Como resultados de numerosos ensayos efectuados a temperaturas inferiores al
ambiente puede afirmarse que la resistencia mecánica del aluminio, como la de
todos los metales de red cúbica centrada crece considerablemente al disminuir la
temperatura.
6.10.5 Resistencia a
la corrosión
y respuesta a los tratamientos
superficiales
El aluminio
a pesar de su carácter de metal poco noble, es resistente a la
corrosión; ello es debido, a que, como
consecuencia de su afinidad con el
oxigeno, reacciona rápidamente con este elemento, quedando cubierta su
superficie permanentemente con una capa de oxido que impide el ataque ulterior,
tanto químico como electroquímico., ya que la capa de oxido tiene el carácter de
aislante eléctrico, sin embargo, en ocasiones, el ataque con el medio agresivo no
conduce a la formación de la capa protectora de oxido, sino que el ataque
prosigue en cuyo caso el aluminio se corroe. En términos generales se diferencian
varios tipos de corrosión:
•
Uniforme: Se produce una disolución uniforme y regular del material según
su superficie exterior. En el aluminio este tipo de corrosión lo ocasionan
algunos ácidos y bases fuertes, que atacan y disuelven la capa de oxido a
138
medida que se forma. Como criterio para juzgar la resistencia del ataque
del aluminio frente a diversos medios que producen una corrosión uniforme
se sigue el de fijar la cantidad que en gramos por metro cuadrado de
superficie y día se disuelve, según valores que se recopilan en la tabla 5.
•
Por Picado: El ataque se inicia de forma preferente solo en puntos
determinados de la superficie, y prosigue de forma que puede producir
huecos que incluso llegan a perforara la pieza. Se debe, por lo general a la
formación de pares galvánicos, cuya presencia es debida a la existencia en
el metal de una heterogeneidad constitucional, en especial impurezas.
•
Intercristalinas: El ataque se localiza en los bordes de los granos, la
cantidad de metal disuelto es, por lo general muy reducida. Este tipo de
corrosión es característico de muchas aleaciones de aluminio, atribuible a
incorrección del tratamiento térmico a que ha sido sometido el material,
pero lo presenta también en medio clorhídrico
el aluminio superpuro
después de ser sometido a recocido prolongado a muy elevadas
temperaturas.
6.10.6 Resistencia la Oxidación.
Al considerar el comportamiento del aluminio frente a la corrosión debe tenerse en
cuenta también que la presencia de las impurezas difíciles de analizar, por
ejemplo, óxidos, nitruros, carburos, puede afectar el comportamiento del material
frente a la corrosión; estas impurezas muy frecuentemente se incorporan al metal
durante las operaciones de fusión no efectuadas cuidadosamente.
6.10.7 Aplicaciones del aluminio sin alear y sus aleaciones.
El aluminio muy puro no se utiliza en aquellas aplicaciones en que son decisivas
las características resistentes. El aluminio de una pureza del 99% ofrece unas
características
adecuadas
para
su
aplicación
en
usos
generales
que
simultáneamente no requieran una resistencia a la corrosión puesto que la
presencia de impurezas provoca una elevación de las características resistentes y
139
una disminución de la resistencia a la corrosión química. El aluminio 99.5% de
pureza, se utiliza generalmente para conductores eléctricos.
Actualmente existe una amplia gama de aleaciones de aluminio, cada una de las
cuales supera algunas de las características del metal sin alear, y que por tanto
son mas adecuadas que el Al puro para ciertas aplicaciones; a todas ellas es
común el que su resistencia mecánica es superior a la del aluminio para el mismo
estado físico. Las aleaciones de aluminio suelen
fundición y de forja.
dividirse en dos grupos: de
Los elementos que se utilizan como aleantes son muy
variados, dentro de estos se encuentran: Si, Cu, Mg y Zn.
Las aleaciones de aluminio forjado se dividen en: las tratables térmicamente y las
no tratables térmicamente. Las aleaciones que no son tratables térmicamente y
que solamente pueden ser trabajadas en frío para aumentar su resistencia, se
subdividen en tres grupos, según la norma AISI-SAE son:
•
Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9%
siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento
aleante.
•
Aleaciones 3xxx. Son aleaciones cuyo elemento de aleación principal es el
manganeso (Mn) y tiene como objetivo reforzar al aluminio. Se utilizan en
componentes que exijan buena mecanización.
•
Aleaciones 5xxx. Son aleaciones cuyo elemento de aleación principal es el
magnesio es el principal componente aleante. No son endurecibles por
envejecimiento.
Dentro del grupo de aleaciones tratables térmicamente subdividen en tres grupos,
según la norma AISI-SAE. El nivel de tratamiento térmico de una aleación se
representa mediante la letra seguida de un número (va del 1 al 10) el cual define el
tipo de tratamiento realizado. Esta designación va de la mano con la designación
AISI-SAE. Por ejemplo: 2024-T4; T4, quiere decir que fue una aleación tratada por
solución y envejecida naturalmente.
140
F= En estado tosco de fabricacion. No hay límites en cuento a las propiedades
mecánicas.
O=Recocido y recristalizado
H= Endurecido por tensión
T=Tratado térmicamente
•
Aleaciones 2xxx: Son aleaciones cuyo elemento de aleación principal es el
cobre (Cu), aunque también contienen magnesio Mg. Son usadas para la
industria aérea, en la fabricación de estructuras de aviones
•
Aleaciones 6xxx. Son aleaciones cuyos elementos de aleación principales
son el magnesio y el silicio. Son usadas para perfiles y estructuras en
general.
•
Aleaciones 7xxx. Son aleaciones cuyos elementos de aleación principales
son cinc, magnesio y cobre. S Son usadas para la industria aérea, en la
fabricación de estructuras de aviones.
Existe una gran variedad de aleaciones ligeras de aluminio, entre las cuales cabe
destacar las siguientes:
•
Duraluminio. Es una aleación compuesta de 95% por Al, 4% de Cu, 0.5%
de Mg, 0.5% de Mn, que funde a 650°C, tiene un peso especifico de 2,8 y
se utiliza para forjar, laminar, etc., pudiendo templarse y recocerse, con lo
que se alteran sus características mecánicas. Templa calentándolo aprox.
a 500°C, enfriándolo a continuación en agua a 20°C; se reduce a unos
360°C, dejándolo enfriar al aire, y se forja a 450°C aprox.
•
Siluminio. Esta aleación tiene un 87% de Al y 13% de Si, si bien algunas
veces se le añade algo de cobre, magnesio o manganeso que modifican
sus características mecánicas. Funde a unos 580°C y su peso específico es
de 2,5 a 2,6.
141
En la tabla 16, se muestran las características mecánicas del aluminio,
duraluminio y siluminio
Características mecánicas del Aluminio.
Modulo
Estado
σ Rkg/mm2
elasticidad %
de
H kg/mm2
Fundido
9 a 12
18 a 25
24 a 32
Laminado duro
18 a 28
3a5
45 a 60
Recocido
7 a 11
30 a 45
15 a 25
Módulo de elasticidad = 7.200 kg/mm2.
Características mecánicas del Duraluminio.
Estado
σ Rkg/mm2
Modulo
elasticidad %
de
Normal
40 - 44
24 - 16
100 - 110
Duro
45 - 55
10 – 3
120 - 150
Recocido
20 - 25
22 - 16
55 - 60
H kg/mm2
Módulo de elasticidad = 7.250 kg/mm2.
Características mecánicas del Siluminio.
Estado
σ Rkg/mm2
Modulo
elasticidad %
de
Arena
17 - 20
4–8
55 - 60
Coquilla
23 - 25
3–5
70 - 75
A presión
25 - 30
2–5
80 - 90
H kg/mm2
Es muy resistente a la corrosión y poco frágil
Tabla 11. Caracteristicas mecánicas del aluminio, duraluminio y siluminio
Las aleaciones para fundición se caracterizan por tener una alta fluidez, factor
indispensable para realizar una buena pieza en un proceso de fundición. Estas
aleaciones utilizan un elemento adicional de aleación, el silicio en el rango de 5%12% ya que es quien proporciona mayor fluidez y facilidades en la etapa de
vaciado dentro del molde. La tabla 17 muestra las composiciones y propiedades
mecanicas de de algunas aleaciones de aluminio
142
Tabla 12. Caracteristicas mecánicas del aluminio, duraluminio y siluminio [Fuente: Groover,
2008]
6.11 EL COBRE Y SUS ALEACIONES
El cobre de símbolo Cu y número atómico, es usado puro como elemento de
conducción eléctrica y gran de ductilidad para fabricar cables eléctricos, aunque
en su gran mayoría de aplicaciones es usado como una aleación.
Otras
caracteristicas del cobre que lo hacen atractivo en muchas aplicaciones
industriales son su facilidad de fabricación, caracteristicas generales para la
soldadura, resistencia a la corrosión y conductividad térmica.
6.11.1 Características Físicas
Entre las características físicas del cobre se tienen las siguientes:
•
Símbolo Cu
•
Numero atomico 29
•
El peso atómico del cobre es de 63,54.
•
Densidad de 8920 kg/m3.
•
Punto de fusión de 1083ºC (1356 aprox. K)
•
Resistente a la corrosión y oxidación.
143
•
Alta conductividad eléctrica y térmica.
6.11.2 Características mecánicas
Entre las características mecánicas del cobre se tienen las siguientes:
•
Buenas propiedades de mecanizado
•
Dúctil y maleable
•
Tratable térmicamente (Temple y recocido)
•
Buena soldabilidad
6.11.3 Aplicaciones del cobre sin alear y sus aleaciones
El cobre puro es un metal de color rojizo, que debido a su propiedad de
resistividad eléctrica baja, es ampliamente usado como conductor eléctrico
(cables). Otra aplicación de este material puro
es como lubricante solido
en
operaciones de formado de metales; es decir, en procesos de deformacion
volumetrica como forja, extrusion, laminado, dobldo, etc, en caliente. Las
aleaciones de cobre on de las mas importantes aleaciones de noferrosos y que
combinan la facilidad de dejrse procesar fácilmente
por diversas tecnicas de
formado volumetrico, mecanizados y fundicion, con
atractivas cualidadews
requeridas en multiples aplicaciones; es decir aplicaciones donde se requieren
combinación
de
cualidades
electricas,
mecanicas,
no
magneticas,
de
conductividad termica y de resistencia a la corrrosion.
Las aleaciones de cobre se designan según la Cooper Development Association –
CDA, en un sistema de números que va desde C10100 a C79900 para las
aleaciones forjadas y de C80000 a C99900 para las aleaciones fundidas. En las
tablas 18 y 19 se muestran una lista de grupos de aleaciones de cada nivel
importante, y las composciones y las propiedades mecanicas de aleaciones de
cobre seleccionadas de acuerdo a la Cooper Development Association
respectivamente.
144
Tabla 13. Caracteristicas mecánicas del aluminio, duraluminio y siluminio
[Fuente: Smith, 2004]
Tabla 14. Composcion y propiedades dealeaciones de cobre según CDA
[Fuente: Groover, 2007]
Dentro de las aleaciones de cobre mas usadas en ingeniería se encuentran:
•
Bronce: Esta es una aleación de cobre y estaño, alrededor de 90% de Cu y
10% de Sn. Dependioendo la cantidad de estaño, la aleación tendra
propiedades diferentes. Con un bronce de 5-10% de estaño se genera un
producto de alta dureza usado en el pasado para la fabricación de espadas
y cañones; el bronce que contiene entre 17-20% de estaño tiene alta
calidad de sonido, ideal para la elaboración de campanas. Actualmente se
usan las aleaciones que contienen hasta 16% de estaño para fabricar
bujes, cojinetes y discos de engranajes, entre otras piezas de maquinaria
pesada.
145
•
Latón: Esta es una aleación de cobre y cinc, alrededor de 65% de Cu y
35% de Zn. La caracteristica principal de esta aleación es la resistencia ala
corrosión salina, por lo que es usado en la fabricación de barcos. Otras
aplicaciones de esta aleación debida as u resistencia media a la tensión
son: tornillos, tuercas, candados, ceniceros y candelabros.
•
Aleaciones cobre-berilio: Son aleaciones en las cuales el contenido de
berilio oscila entre 0.6 y 2%.Son
las aleaciones de cobre con mayor
resistencia y alta dureza, adicionalmente son resistentes a la corrosión,
buenas y propiedades de fatiga. Por esa razón son usadas para fabricar
resorte, engranajes, diafragmas y válvulas.
El cobre y sus aleaciones adermas de identificarse por su composcion, tambien
se conocen por vrios nombres. En las tablas 20 y 21 se muestran los nombres
comunes para diferentes aleaciones de cobre, sus propiedades mecanicas
relevantes y aplicaciones tipicas
Tabla 15. Propiedades y aplicaciones tipicas de aleaciones forjables de cobre y latones
seleccionadas [Fuente: Kalpakjian, 2008]
146
Tabla 16. Propiedades y aplicaciones tipicas de bronces forjables seleccionadas [Fuente:
Kalpakjian, 2008]
6.12 EL NIQUEL Y SUS ALEACIONES
Es otro material no ferroso importante en el campo de la ingeniería, pose
propiedades magnéticas como el hierro. El níquel es un elemento químico de
número atómico 28 y símbolo Ni. Las características mas importantes de este
metal son su alta resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas,
esta característica de resistencia a la corrosión lo hace indispensable en la
formación de aceros inoxidables austeníticos.
6.12.1 Características Físicas
Entre las características físicas del cobre se tienen las siguientes:
•
Símbolo Ni
•
Numero atomico 29
•
Estructura cristalina FCC.
•
Punto de fusión de 1453ºC (2647 ºF aprox.)
•
Resistente a la corrosión y oxidación.
•
Alta conductividad eléctrica y térmica.
147
6.12.2 Aplicaciones del Níquel sin alear y sus aleaciones
El Níquel
de alta pureza e un material ampliamente usado par fabricar parte
eléctricas debido a sus propiedades de resistencia a la corrosión y conductividad
eléctrica. Otra aplicación importante de ete mtrial puro es en el proceso de
electrodeposicion de piezas de acero con el fin de obtener una mejora en su
apariencia, su resistencia al desgaste y a la corrosion.
Con el fin de mejorar las propiedades del elmento puro, este metal no ferroso se
emplea junto con el romo, el cobalto y el molibdeno para formar sus diferentes
aleaciones. Las aleciones de niquel poseen diversas aplicaciones de aucerdo a
sus propiedades. Por ejemplo, por su resitencia a altas temperaturas son usadas
en aplicaciones como intercambiadores de calor, equipos de trtamiento trmico,
componentes de motores, turbuinas y cohetes. Por su carateritica de material
magnetico se puieden citar como aplicaciones magneticas como solenoides o
electroimanes.
Dentro de las aleaciones de niquel mas conocidas se encuentran: el Monel, el cual
es una aleación niquel-cobre de alta dureza y usada para soldaduras. El Inconel,
el cual es un aleación niquel-cromo con una resitencia alta a la tension. El
hastelloy, el cual es una aleación niquel-cromo con buena resitencia a la corrosión
y a temperaturas elevadas. El Nichrome, esta aleación es Niquel-cromo-hierro con
cartristicas como alta resistencia electria y alta resistencia a la oxidación y por
ultimo las aleaciones conocidas como el invar y el Kovar que son aleaciones
niquel-hierro con sensibilidad relativamente bja a la temperatura. En la tabla 22 se
presentan diferentes aleaciones de niquel (nombres comerciales) y sus
aplicaciones tipicas.
148
Tabla 17. Propiedades y aplicaciones tipicas de bronces forjables seleccionadas [Fuente:
Kalpakjian, 2008]
Las superaleaciones, son un grupo de aleaciones de niquel (hierro-niquel-cobalto)
que contienen cantidades de lmentos de aleación y poseen como propiedades
relevantes la resistencia a la fatiga termica, resistencia a la fatiga mecanica, al
impcto mecanico y trmico y buena resitencia a la corrosion. Sus aplicaciones
principales debido a sus propiedades son: paletas y alabes para turbinas, motores
de reaccion, componentes de reactores quimicos entre otras. Las superaleaciones
como se menciono existen a base de
de tres metales, con las siguientes
caracteristicas:
•
Superaleaciones de base Hierro: Contienen generalmente entre 32% 67% de Hierro, de 15% a 22% de Cromo y de 9% a 38% de Ni. Las
aleaciones comunes de este grupo son la serie Incoloy.
•
Superaleaciones de base Cobalto: Contienen generalmente entre 35% y
65% de Cobalto, 19% - 30% de Cromo y hasta 35% de Ni. Mantienen su
resistencia a alta temperatura pro son menos fuerte que las anteriores.
•
Superaleaciones de base Niquel: Son las superaleaciones mas comunes
y de mas amplio uso. Contienen generalmente entre 38% - 76% de Niquel,
hasta 27% de Cromo y 20% de Cobalto. Las aleaciones comunes de este
149
grupo son las series Incomel, Hastelloy, nicomic, René, Udimet, Astroloy y
Waspaloy. (tabla 23)
Tabla 18. Propiedades y aplicaciones de superaleaciones a base de niquel (nombres
comerciales) [Fuente: Kalpakjian, 2008]
6.13 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES
El magnesio es un metal no ferroso ligero, con facilidad de mecanizar. Tanto el
aluminio como su aleciones al mecanizarse, deden tomarse diversas precauciones
debdi o que las virutas (astillas metalicas procedentes del corte) se oxidan (comiba
con el oxigeno) con rapidez hecho llamado pirofóricas, por lo cual exite el riesgo
de que se incendien, esto tambien puede suceder al rectificar o fundir el magnesio
y sus aleaciones. Posee similitud con el aluminio en el hecho que posee buena
reitencia a la corrosion, sin embargo en ambientes salinos esta propiedad
disminuye considerablemente.
Debiso
a que en su estado puro no es lo
suficientemente fuerte este se alea con diferentes elementos como Al, Mn, Th, Zr,
Z con el fin de generar las diversas aleaciones (tabla 24). Por lo general las
150
aleciones de magnesio posen buenas caractriticas de colbilidad, formado y
maquinado.
6.13.1 Características Físicas
Entre las características físicas del cobre se tienen las siguientes:
•
Símbolo Mg
•
Numero atomico 12
•
Estructura cristalina HCP
•
Punto de fusión de 650ºC (1202 ºF aprox.)
•
Densiad 1.74g/cm3
6.13.2 Aplicaciones del Magnesio sin alear y sus aleaciones
Las aleaciones de magnesio se pueden clasificar de dos maneras: aleaciones
foejadas, principalmente en forma de láminas, placas y piezas forjadas, y
aleaciones fundidas. Las aleaciones de magnesio se designan de la siguiente
forma:
•
La primera letra o las dos primeras letras como prefijo, indican los
principales elemntos de aleación. La primera corresponde al que esta
presente en la más alta concentración y la segunda auel ue ocupa la
segunda concentración.
A= Aluminio, E= tierras rras, K= circonio, M=manganeso, S=silicio, T=
estaño, Z= inc, Q= plata, H= torio.
•
Dos o tres numeros, indican el porcentaje de los principles elementos de
aleación redondeado al decimal más proximo.
•
Una letra el alfabeto (excepto la I y O), que indican la vriacion normalizada
con variaciones menores en la composicion.
•
Un símbolo para indicar el tmple que es similr a las usadad para las
aleaciones de aluminio; es decir indícale tipo de trtamiento realizado a la
aleación.
Por ejemplo el AZ80A-T6, quiere decir que el principal elemnto de leacion es el
aluminio a 8.5 % el segundo el Zinc 0.5%. la tercer letra A quiere dcir que esta
151
fue la pimera aleación normalizada, T6 quiere decir el tramiento realizado, en
este caso fue trtada con solucion y envejecio artificialmente.
Tabla 19. Propiedades y aplicaciones de algunas aleaciones de magnesio [Fuente:
Kalpakjian, 2008]
6.14 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES
Este es un material abundante en la naturaleza. Su alta relacion resistencia-peso y
su resistencia a la corrosion, lo hacen atractivo par multiples aplicaciones como
equipos de procesamiento quimico, componentes mrinos, placas de blindaje, e
implantes biomedicos, entre otras aplicaciones. Este material es más fuerte y mas
rigido que el aluminio. Ete mterial al igual que el hiero posee la caracteristica de
ser alotropico (cambiar de estructura cristalina a diferentes temperaturas). A
temperaturas por debjo de 882 ºC posee estructura HCP y por encim de esta pose
estructura BCC.
6.14.1 Características Físicas
•
Entre las características físicas del titanio se tienen las siguientes:
•
Símbolo Ti
•
Numero atomico 22
•
Estructura cristalina HCP
•
Punto de fusión de 1668 ºC (3034 ºF aprox.)
•
Densiad 4.505g/cm3
152
•
Paramagnético. No se imanta.
•
peso atómico del titanio es de 47,867 u.
•
Poca conductividad. No es muy buen conductor del calor ni de la
electricidad.
6.14.2 Aplicaciones del Titanio sin alear y sus aleaciones
En estado puro, es decir no aleado, el titanio posee una excelnte resitencia a la
corrosion, para aplicaciones donde la resistenci no estan importante, en este caso
el uso mas comun son los implantes ortopedicos. Al unirse con elementos
elemnto como el molibdeno, el vanadio, aluminio y manganeso entre otros con el
fin de conformar la aleación, estos ultimos proporcionan mejora en propiedades
como la capacidad de trabajo, resistencia y templabilidad.
Las propiedades de las aleaciones de titanio son muy sensible a las variaciones
de de los elementos de aleación, con este fin en el procso de fbricacion de
aleaciones se controla la composcion y el procesamiento con el fin de prevenior la
contaminación
con hidrogeno, oxigeno o nitrogeno ya que estos provoan la
frgilizacion y reducen la tenacidad y la ductilidad. Dentro de las lecionjes de titanio,
la más importante es la Ti-6 Al-4 V, la cual combina la lata dureza con la cualidad
de ser trabajable. Algunas propiedades de estas aleaciones se muestran en la
tabla 25
Tabla 20. Propiedades y aplicaciones de algunas aleaciones de Titanio
[Fuente: Kalpakjian, 2008]