Aceros de bajo y medio carbono

¿DE DONDE PROVIENE?

CUANDO EL HIERRO ESTÁ ALEADO CON EL CARBONO EN PROPORCIONES MENORES QUE EL 2% DE CARBONO SE DENOMINA ACERO AL CARBONO. LA PROPORCIÓN DE CARBONO Y EL TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO DETERMINAN SUS PROPIEDADES, EN CUANTO A DUREZA Y RESISTENCIA MECÁNICA, POR LO QUE UNA GRAN PARTE DEL ACERO SE FABRICA CON UN ESTRICTO CONTROL DEL CONTENIDO DE CARBONO Y SE SOMETE A TRATAMIENTO TÉRMICO POSTERIOR, PARA DARLE LAS CUALIDADES APROPIADAS DE ACUERDO AL FUTURO USO.

EL CARBONO ES UN ACOMPAÑANTE CASI OBLIGADO, YA QUE LA PROPIA PRODUCCIÓN DEL HIERRO DESDE LAS MENAS, SE REALIZA HACIENDO ARDER DENTRO DE UN HORNO CON TIRO FORZADO DE AIRE, UNA MEZCLA DE MINERAL Y CARBÓN.  LA TEMPERATURA GENERADA DURANTE EL PROCESO  HACE QUE  ALGUNOS DE LOS ACOMPAÑANTES INDESEADOS DEL MINERAL SE COMBINEN CON EL OXÍGENO DEL AIRE FORMANDO ÓXIDOS QUE FLOTAN EN EL MATERIAL FUNDIDO (ESCORIAS) UNOS, O GASES QUE ESCAPAN AL EXTERIOR OTROS, AL MISMO TIEMPO QUE LOS ÓXIDOS DE HIERRO (PRINCIPAL COMPONENTE DE LOS MINERALES DE HIERRO) SE REDUCEN A HIERRO, AL REACCIONAR EL CARBONO INCANDESCENTE CON EL OXÍGENO DEL MINERAL PARA ESCAPAR COMO DIÓXIDO DE CARBONO POR LA CHIMENEA. NATURALMENTE, DURANTE ESTE PROCESO UNA PARTE DEL CARBONO SE DISUELVE Y RETIENE EN EL HIERRO. ESTE CARBONO RETENIDO PUEDE INTERACTUAR CON LA ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIERRO DE ACUERDO A LA CANTIDAD Y VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO, DEFORMÁNDOLA EN MAYOR O MENOR GRADO Y CON ESTO HACIENDO EL MATERIAL FINAL MÁS O MENOS DURO Y/O RESISTENTE.

DURANTE EL ENFRIAMIENTO DEL ACERO RECIÉN FABRICADO, LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO HA SIDO LENTA, EL HIERRO HA TENIDO TIEMPO DE "IGNORAR" LA PRESENCIA DEL CARBONO Y HA FORMADO UNA ESTRUCTURA CRISTALINA BIEN DEFINIDA, POR LO QUE EL MATERIAL ES BLANDO Y MALEABLE, FACILITANDO SU MECANIZACIÓN PARA DAR FORMA A LA PIEZA QUE SE CONSTRUYA CON ÉL. LUEGO LA PIEZA TERMINADA SE SOMETE AL TRATAMIENTO TÉRMICO CONOCIDO COMO TEMPLE, LO QUE DE MANERA SIMPLIFICADA SIGNIFICA, QUE LA PIEZA SE CALIENTA POR ENCIMA DE LOS 800 GRADOS CELSIUS Y LUEGO SE ENFRÍA RÁPIDAMENTE (GENERALMENTE CON AGUA), EN ESTE CASO LA ESTRUCTURA CRISTALINA SE ESTABLECE DE MANERA RÁPIDA Y EL CARBONO QUEDA INCLUIDO DENTRO DE LA RED DEFORMÁNDOLA Y ENDURECIENDO NOTABLEMENTE EL ACERO FINAL AUNQUE MUCHO MÁS QUEBRADIZO Y FRÁGIL.

DE ACUERDO A LA CANTIDAD DE CARBONO LOS ACEROS PUEDEN CLASIFICARSE EN:

1.- ACEROS DE BAJO CARBONO (MENOS DEL 0.30%)2.- ACEROS MEDIOS EN CARBONO (ENTRE 0.30 Y 0.50 %)3.- ACEROS DE ALTO CARBONO (MÁS DE 0.5%).

DATO CURIOSO: LOS ACEROS DE BAJO CARBONO NO ADQUIEREN DUREZA NOTABLE DURANTE EL TEMPLE, SOLO MEJORAN SUS PROPIEDADES MECÁNICAS (RESISTENCIA Y RIGIDEZ),

Aceros de bajo y medio carbonoLOS DE MEDIO CONTENIDO PUEDEN ADQUIRIR  DUREZA APRECIABLE Y MUCHA MAYOR RESISTENCIA Y LOS DE ALTO CARBONO ENDURECEN NOTABLEMENTE Y SE TORNAN FRÁGILES.

¿Cuáles son los tratamientos térmicos de los aceros de bajo y medio carbono?

Para cambiar las propiedades del acero se usan diferentes tipos tratamientos térmicos, que cambian su micro estructura.

En general hay cuatro tipos básicos de tratamiento térmico:

- Temple.- Revenido.- Recocido.- Normalización.

Todos los tratamientos térmicos tienen una ruta obligatoria:

- Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada.- Permanencia a esa temperatura cierto tiempo.- Enfriamiento más o menos rápido.

El hierro tiene una temperatura de fusión de 1539°C, y en estado sólido presenta el fenómeno de la alotropía o polimorfismo.

En la mayoría de los casos, el calentamiento del acero para el temple, normalización y recocido se hace unos 30-50°C por encima de la temperatura de cambio alotrópico. Las temperaturas mayores, si no son necesarias para un uso especial, no son deseables para evitar un crecimiento excesivo del grano.

En la figura 1 se muestra un gráfico esquemático de cómo se desarrolla el proceso para cada tipo de tratamiento térmico.

El carácter de la transformación del acero depende de la velocidad de enfriamiento. Durante un enfriamiento lento en el horno se verifica el recocido; si el enfriamiento se realiza al aire libre, tal recocido se denomina normalización.

El temple se hace utilizando un enfriamiento rápido en agua o en aceite.

Después del temple, obligatoriamente, se ejecuta el revenido, cuyo objetivo es disminuir en algo la uniformidad de la estructura y, de tal modo, quitar las tensiones internas de la pieza. El revenido siempre se realiza a una temperatura menor a la de la transformación del material.

Aceros de bajo y medio carbono

RECOCIDO

Recocido supercrítico: Tiene como objeto diferentes finalidades.

Disminución del grano: El recocido de los aceros de bajo y medio carbono se efectúa por calentamiento s unos 20-50 oC por encima de la temperatura de transformación, es decir por encima de la línea F-E (figura 2). Bajo estas temperaturas se verifica la transformación del hierro alfa a hierro gamma y la formación de una gran cantidad de granos pequeños de austenita, independientemente del tamaño original de los granos de ferrita o perlita. El enfriamiento ulterior de piezas con grano pequeño de austenita conduce a la formación de granos pequeños de ferrita y perlita. Un calentamiento considerable por encima de la línea F-E, produce no disminución, sino aumento del tamaño del grano.

Obtención de una estructura equilibrada y más blanda.

Modificación de la estructura en piezas fundidas: Las estructuras fundidas, muy a menudo suelen ser de grano grueso y la fase sobrante, por ejemplo, la ferrita en el acero de bajo carbono y la cementita secundaria en los de alto carbono, se distribuyen en granos, formando la armazón alrededor de la cual se solidifica la masa restante. Tal estructura se denomina de Widmastatten y tiene una tenacidad menor en comparación con la estructura normal. Durante el recocido no solo se efectúa la disminución del grano, sino también la liquidación de la estructura de Widmastatten.

Eliminación de las segregaciones dendríticas: El recocido para eliminar la segregación dendrítica que surge durante la solidificación de los lingotes, se denomina recocido de homogenización. Generalmente este recocido se logra durante el calentamiento de los lingotes para su tratamiento por presión en la fabricación de piezas en caliente. La homogenización exige una temperatura muy alta (unos 1000-1100oC) y una permanencia larga (15 o más horas). Durante este recocido es inevitable el crecimiento del grano, la disminución de este se realiza después por medio de un recocido de recristalización.

Figura 2

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Normalizado

La estructura que surge después del calentamiento hasta las temperaturas que corresponden a la zona de austenita y enfriamiento en el aire, se considera como normal en el acero. Por eso la normalización corresponde a un recocido supercrítico con enfriamiento al aire.

La cantidad de ferrita o cementita sobrante, después del normalizado, es menor que después del recocido y la perlita está más dispersa. Por eso el acero normalizado tiene resistencia y tenacidad un poco más alta y una maquinabilidad más baja que el acero recocido.

En la figura 3 se muestra un gráfico en el que se destacan las zonas de temperatura utilizadas más comúnmente para la realización de los diferentes tratamientos térmicos.

Temple

Por temple se comprende la fijación de las estructuras, a temperatura normal, que son propias de temperaturas altas. Por eso las estructuras templadas son inestables o, como dicen los físicos metaestables.

Si el acero se enfría rápidamente desde la zona de austenita (figura 2) el carbono no puede desprenderse, y como es imposible detener la transformación de hierro gamma a hierro alfa con capacidades de disolución de carbono muy diferentes, se produce una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa que se conoce como martensita. La estructura de la martensita es inestable, con una gran dureza y fragilidad considerable.

La dureza de la martensita es tanto mayor, cuanto más cantidad de carbono esté disuelto en esta, y se explica por el fenómeno de que su red cristalina está muy deformada por los átomos de carbono. Esto hace que el cristal elemental de la red cristalina de la martensita nos sea cúbico sino tetragonal. Lo que a su vez dificulta su deformación plástica.

El acero tiene la capacidad de ser templado si contiene más del 0.3% de carbono.El enfriamiento para el proceso de templado puede efectuarse a diferentes velocidades de acuerdo a los fines perseguidos y del tipo de acero (cantidad de carbono y otros elementos aleantes) los más usados son:

- Agua.- Aceite.- Sales fundidas.- Soluciones salinas.

Aceros de bajo y medio carbonoY hasta el aire para ciertos aceros aleados.

Si tomamos la capacidad refrigerante del agua a temperatura de 20°C como la unidad, entonces, la capacidad refrigerante relativa de la solución acuosa de cloruro de sodio al 10% será de 1.23; del aceite mineral 0.20 y del aire ambiente 0,03.

Revenido de aceros templados

Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el aumento de la plasticidad (disminución de la fragilidad) del acero con una disminución mínima de la resistencia o la dureza adquiridas durante el temple.

La temperatura del revenido se escoge de acuerdo a la posterior utilización de la pieza, pero nunca llegará a la temperatura de transformación (línea G-H de la figura 2).

Se distinguen tres tipos de revenido:

Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220°C); Con él se reducen las tensiones internas pero se conserva la estructura martesítica. Se usa en el revenido de herramientas de corte, en las que debe mantenerse la dureza y resistencia al desgaste. 

Revenido a medias temperaturas (entre 300-400 °C); A estas temperaturas la martensita se modifica y se transforma en lo que se conoce como troostita y se aplica en los muelles o matrices.

Revenido de altas temperaturas (500-550°C); A estas temperaturas la troostita se convierte en otra forma llamada sorbita, se aplica fundamentalmente para el acero de construcción.

La troostita y la sorbita obtenidas durante el revenido de la martensita, sobrepasan por su tenacidad, las estructuras análogas que se obtienen durante el enfriamiento directamente a partir de la austenita.

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DATOS EXTRAS (DEFINICIONES Y ACLARACIONES)

El acero y su temperatura.

Para comprender mejor la influencia del tratamiento térmico en el acero, primero hay que conocer los cambios estructurales de este a diferente temperatura. Estos cambios tienen bastante complejidad y dependen de la cantidad de carbono presente y otros factores, que en la metalurgia se establecen con precisión en el llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.

A temperaturas menores de 910°CC y por encima de 1400°C el hierro tiene una red espacial cubica centrada. En el primer caso se le llama hierro alfa y en el segundo hierro gamma, entre las temperaturas de 910-1400°C el hierro tiene  la red cúbica centrada en las caras y se le llama hierro delta.

Solubilidad del carbono en hierro.

Los hierros alfa y gamma disuelven muy poco carbono (entre 0,025 y 0.1%), y a esas soluciones se les denomina ferrita. La ferrita es muy blanda y plástica según el tamaño de sus granos; por debajo de 768°C tiene propiedades ferromagnéticas muy acentuadas.

La solubilidad del carbono en el hierro delta es mucho mayor, y puede alcanzar el 2% en peso a 1130°C. Esta solución se llama austenita y existe comúnmente por encima de 723°C (por métodos especiales puede obtenerse austenita a temperaturas menores).La austenita es blanda y plástica, no es magnética y peor conductor del calor que la ferrita.

Compuestos del hierro y el carbono.El hierro forma con el carbono el carburo de hierro, Fe3C, que se denomina cementita y contiene 6.67 % de carbono en peso. La cementita es frágil y muy dura; a temperaturas superiores a 210°C no tiene propiedades magnéticas.

La cementita pura no es estable, especialmente a altas temperaturas, y se desintegra en grafito y solución sólida: ferrita o austenita, según la temperatura.Sin embargo, en las aleaciones de bajo contenido de carbono la cementita existente es estable hasta altas temperaturas y por eso se le puede considerar como un componente autónomo dentro de la masa del acero.

Aceros de bajo y medio carbono

La cementita en el acero puede tener tres orígenes y se llaman:

Primaria: Segregada a partir de la reacción del hierro y el carbono en la solución líquida.Secundaria: La que se precipita de la austenita al enfriarse.Terciaria: La que se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910°C.La cementita puede mezclarse mecánicamente con la austenita desde la solución líquida, la mezcla eutéctica de cementita y austenita se denomina ledeburita. De la misma forma la cementita puede mezclarse desde la solución sólida con la ferrita procedente de la desintegración de la austenita a menos de 723°C y concentración de carbono de 0.8 %. La mezcla eutectoide* de ferrita y cementita se llama perlita.

* Se le denomina eutectoide porque se produce en la solución sólida y no en la líquida como en el caso de una mezcla eutéctica.

El enfriamiento o calentamiento del acero.

En la figura 2 se muestra el sector izquierdo del diagrama Fe-C (hierro carbono). En él, se han marcado las líneas correspondientes a las soluciones de 0.6, 0.8, y 1.2 % de carbono.

La línea G-H corresponde a los 723°C temperatura límite de existencia de la austenita.Observemos que para los tres casos, de la solución líquida al enfriarse comienzan a formarse cristales de austenita, los que conviven en equilibrio con la solución líquida entre las líneas A-B y C-D.

Al bajar de la temperatura de solidificación (línea C-D), toda la solución se convierte en austenita. Con el ulterior enfriamiento y en dependencia del contenido de carbono se van formando estructuras diferentes, a saber:

1.- Para el acero de 0.6 % de carbono o menos, al alcanzar la línea F-E comienza a desprenderse ferrita y hay una zona (entre F-E y G-H) donde conviven ambas formas estructurales.La formación de la ferrita con muy poco carbono disuelto hace que el resto de la austenita pase a ser más rica en carbono, con lo que se alcanza el 0.8 % necesario para la formación de la cementita, con ello se puede producir la mezcla mecánica de ferrita y cementita que ya hemos visto se denomina perlita.

El resultado final de esta aleación cuando llega a la temperatura normal es una mezcla de ferrita y perlita.

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Figura 2