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Tecnología de los Materiales Aleaciones Fe-C Análisis de la aleación Fe-C en distintas composiciones y sus correspondientes diagramas de equilibrio. Estudio de las aleaciones Fe-C El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Los materiales estructurales primarios en todas la...
Tecnología de los Materiales Aleaciones Fe-C Análisis de la aleación Fe-C en distintas composiciones y sus correspondientes diagramas de equilibrio. Estudio de las aleaciones Fe-C El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Los materiales estructurales primarios en todas las culturas tecnológicamente avanzadas, son esencialmente aleaciones hierro-carbono. Las aleaciones Fe-C son un metal ferroso o férrico ya que contiene hierro como elemento base. Clasificación general de las aleaciones Fe-C Dependiendo de la proporción de carbono existente, los productos ferrosos se pueden clasificar en: hierros, aceros, fundiciones y grafitos. Hierros: Son aquellos productos ferrosos cuyo porcentaje de carbono está comprendido entre 0,01% y 0,03%. Son muy blandos y difíciles de obtener por lo que tienen pocas aplicaciones industriales. Aceros: Son aleaciones hierro-carbono, pudiendo contener otros elementos químicos. El porcentaje de carbono puede ir del 0,03% al 1,76%. Fundiciones: Son aleaciones hierro-carbono, pudiendo contener otros elementos químicos. El porcentaje de carbono oscila entre el 1,76% y el 6,67% aproximadamente. Grafitos: Se obtienen cuando el porcentaje de carbono es mayor del 6,67%. No tienen aplicaciones porque son muy frágiles. Procesos de obtención de los productos ferrosos El tipo de materia prima condiciona el proceso de fabricación de los productos ferrosos, dichos procesos de fabricación son mediante: alto horno y horno eléctrico. Proceso en alto horno Se introducen en el horno alto por la parte superior mineral de hierro (60%), carbón de coque (30%) y fundente (10%). Mineral de hierro: En la naturaleza existe una gran variedad de minerales de hierro, pero los más utilizados en alto horno son: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), wustita (FeO). Carbón de coque: Es un combustible sólido formado por la destilación de carbón bituminoso calentado a temperaturas de 500 a 12000C sin contacto con el aire. Fundente: Compuesto por piedra caliza (cal). Su función es doble, por una parte reaccionar con la poca ganga que le queda al mineral de hierro, formando la escoria; y por otro lado bajar el punto de fusión de la escoria para que sea líquida y se pueda retirar. El horno alto una vez que se enciende funciona ininterrumpidamente. Se van introduciendo por la parte superior llamada tragante el mineral de hierro, el coque y la caliza alternativamente. Según van bajando poco a poco por la cuba va aumentando la temperatura de la mezcla, cuando llega al etalaje la temperatura es suficiente para fundir el mineral de hierro. Aquí el monóxido de carbono procedente de la combustión de los gases, reduce el óxido de hierro presente en el mineral de hierro y lo convierte en hierro puro. En el crisol, la cal reacciona con la ganga del mineral de hierro, formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido. Esta escoria se elimina por un agujero llamado bigotera, cada dos horas. Esta escoria se emplea luego en fabricación de cemento, aislante térmico, etc. El hierro fundido queda en la parte baja del crisol, y se extrae por la piquera. Este hierro tiene todavía impurezas y un exceso de carbono disuelto, por lo que hay que tratarlo de nuevo para la obtención de acero. A este material con exceso de carbono se le llama arrabio. El arrabio se puede llevar en estado líquido hacia el centro de transformación para obtener acero, o bien en lingotes solidificado para luego fundirlo en un horno de cubilote y obtener las fundiciones. El arrabio posee un exceso de impurezas y de carbono que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas industriales. Estas impurezas se eliminan en los llamados hornos de afino; el horno más empleado es el convertidor o procedimiento LD. El arrabio en estado líquido llega del horno alto hasta el convertidor, a través de los torpedos. Al convertidor también se le pueden agregar pequeñas cantidades de chatarra, fundente para que reaccione con las impurezas y forme escoria, y ferroaleaciones, que mejoran las propiedades del acero. El funcionamiento del convertidor es el siguiente: primero se introducen el arrabio, la chatarra y el fundente; luego se le inyecta oxígeno puro para que reaccionen con las impurezas y liberen al arrabio de éstas; posteriormente se elimina la escoria formada y por último se añaden ferroaleaciones al acero para mejorar sus propiedades. El ciclo entre colada y colada es de aproximadamente 30 minutos, con un período de soplado de oxígeno de 15 minutos Proceso en horno eléctrico En la actualidad prácticamente el único horno que se emplea para convertir la chatarra en acero es el horno eléctrico. La materia prima que utiliza el horno eléctrico son: chatarra seleccionada que prácticamente lleva metales ferrosos, fundente (cal) y ferroaleaciones para fabricar aceros especiales. El horno eléctrico funciona de la siguiente forma: primero se echan la chatarra y el fundente; luego se cierra el horno y se introducen los electrodos para que a través de un arco eléctrico empiecen a fundir la chatarra; cuando la chatarra está fundida se inyecta oxígeno para eliminar las impurezas; se inclina el horno y se extrae la escoria; se añaden las ferroaleaciones y por último se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara, que lo llevará hacia la zona de moldeo. Diagramas de fases y desarrollo de microestructuras para aleaciones Fe-C Para el estudio de estas aleaciones se utiliza el diagrama Fe-C y se supone que las velocidades de enfriamiento no son infinitas, sino que se aborda el tema para velocidades de enfriamiento industriales. En la industria no se tienen enfriamientos infinitamente lentos, pero la difusión del átomo de carbono en el hierro es tan rápida, que lo predicho por el diagrama Fe-C se cumple. El hierro puro, al calentarse, experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable se llama ferrita o Fe α, vulgarmente se la conoce como hierro dulce. Las principales características de Fe α son: Presenta una estructura cúbica centrada en el cuerpo, esta puede absorber muy poco carbono (como máximo 0,022 % a 721°C y a temperatura ambiente 0,008%). Es muy dúctil, presenta una resistencia a la tracción de aproximadamente 28 kgf mm-2 y un alargamiento porcentual cerca de 35%. La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a austenita o Fe γ con una estructura FCC. Las principales características de Fe γ son: Al presentar una estructura cúbica centrada en las caras, es capaz de absorber carbono y seguir siendo una sola fase, hasta un máximo de 2,1% de C. Es muy dúctil, presenta una dureza de 300 brinell, una resistencia a la tracción de 100 kgf mm-2 y un alargamiento porcentual entre 20 y 30%. La austenita persiste hasta 1394°C, temperatura a la que la austenita vuelve a convertirse en una fase BCC conocida como ferrita δ, que funde a 1538°C. Cuando la austenita esta aleado con carbono, no es estable por debajo de los 727°C, tal como se muestra en la figura. El eje de composición solo llega hasta 6,70% en peso de C, concentración que coincide con la del compuesto intermedio carburo de hierro o cementita (Fe3C), representado por una línea vertical en el diagrama de fases. Las principales características de Fe3C son: Es un compuesto intermetálico con enlaces covalentes. Se rige por las leyes de la valencia. Tiene un porcentaje de carbono de 6,67%. Cristalográficamente se presenta en celdas ortorrómbicas con 12 átomos de Fe y 4 átomos de C por celda, dónde los átomos de Fe pueden, a veces, ser sustituídos por otros átomos Es un compuesto sumamente duro (700 Brinell) y frágil, por lo tanto, no es posible laminarlo o forjarlo debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos. Tiende a estabilizarse en presencia de azufre, magnesio y manganeso y se descompone fácilmente en presencia de silicio, titanio, aluminio, bismuto e hidrógeno. La cementita (Fe3C) se forma cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en Fe γ por debajo de 727°C (la composición está comprendida en la región de fases α + Fe3C). La figura indica que la cementita también coexiste con la fase Fe γ entre 727 y 1148°C Así, el sistema hierro-carbono se puede dividir en dos partes: una parte rica en hierro, que coincide con la mostrada en el figura y otra parte (no mostrada) de composición comprendida entre 6,70 y 100% C (grafito puro). Prácticamente todos los aceros y fundiciones tienen porcentajes de carbono inferiores a 6,70% C; por lo tanto, solo se considera la parte rica en hierro del sistema hierro-carburo de hierro. Se muestra, propiamente, el diagrama Fe-Fe3C, ya que el Fe3C se considera un componente. La convención y la conveniencia imponen expresar la concentración en "% C" en lugar del "% Fe3C"; 6,70% en peso C corresponde al 100% en peso de Fe3C. Estrictamente hablando, la cementita es solo metaestable; esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si se calienta entre 650 y 700°C durante varios años, cambia gradualmente o se transforma en Fe α y carbono, en forma de grafito, que permanece al enfriar hasta temperatura ambiente. Es decir, el diagrama de fases de mostrado no está verdaderamente en equilibrio porque la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el diagrama de fases hierro-carburo de hierro es, en la práctica, valido. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido de carbono comprende tres grupos: hierro, acero y fundición. El hierro puro contiene menos de 0,008% en peso de C y, en el diagrama de equilibrio, comprende la fase ferrita a temperatura ambiente. Las aleaciones hierro-carbono que contienen entre 0,008 y 2,11% en peso de C se clasifican como aceros. La microestructura de la mayoría de los aceros consiste en las fases α y Fe3C. Todas las aleaciones comprendidas en este tramo de composición, al enfriarlas desde el campo γ a temperatura ambiente, originan una serie de microestructuras. Aunque un acero puede contener como máximo un 2,11% en peso de C, en la práctica la concentración de carbono raramente excede del 1,0% C. Las fundiciones se definen como aleaciones ferreas que contienen entre 2,11 y 6,70% en peso de C. Sin embargo, las fundiciones comerciales normalmente contienen menos del 4,5% C. Enfriamiento de un acero eutectoide 0,77% de C Para una aleación de Fe-C, con una composición de 0,77% de C (que corresponde a la composición del eutectoide), durante el enfriamiento se produce una evolución microestructural, la misma se muestra en la siguiente representación esquemática. A la temperatura del punto (1) la aleación se encuentra como solución líquida homogénea de composición 0,77% de C. Cuando se llega a la línea de liquidus aparecen los primeros cristales de austenita Fe γ, que presentan una composición aproximadamente igual a 0,25% C, el líquido en este punto tiene una composición aproximadamente igual a 0,77% C. Como se sabe esto se debe a que la cantidad de líquido que ha solidificado es prácticamente despreciable. Al pasar a través de la región de fases γ + L la fase Fe γ crece a expensas del líquido, las composiciones y las cantidades relativas de ambas fases cambian. En el punto (3) el sólido γ presenta un composición aproximadamente igual a 0,6% C y el líquido 1,4% C. En (4) se tiene una gran cantidad de sólido y muy poco líquido. El sólido tiende a tener una composición cercana a 0,77% de C y el líquido una composición de 2% C. El sólido cristalino que se formó es policristalino, es decir, que es un conjunto de muchos cristales pequeños o granos de composición homogénea debido a que se produce difusión a nivel atómico. Al continuar el enfriamiento apenas debajo de la línea de sólido, el sistema se encuentra formado por una única fase sólida austenita Fe γ, y al microscopio se observan solamente granos y bordes de grano de composición 0,77%C. Dicha observación se representa esquemáticamente en el punto (5). Si se continúa disminuyendo la temperatura no se aprecian cambios hasta llegar a la temperatura del eutéctoide 727°C, representada por el punto (6). Al cruzar la isoterma del eutéctoide la fase austenita Fe γ se transforma en las fases ferrita Fe α y cementita Fe3C. Esta transformación se puede representar por la reacción: Las composiciones de las fases Fe α y Fe3C son dictadas por los extremos de la isoterma del eutéctiode. Durante esta transformación debe producirse una redistribución de los componentes. Los átomos de carbono difunden, y se produce una microestructura análoga a la de una aleación de composición eutéctica. Se forman capas o laminas alternas, constituidas, en un caso por Fe α (de bajo contenido de carbono) y en otro caso por Fe3C. En este caso, la relación de los espesores de las dos capas es de 8 a 1. La microestructura, esquematizada en el punto (6), se denomina perlita porque tiene la apariencia de la madreperla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. La fotomicrografía muestra que la perlita aparece en granos denominados colonias; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varia de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen y, a estos aumentos, las capas aparecen oscuras. Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. La resistencia a la tracción de la perlita, es de 80 kgf/mm2. Esta resistencia se puede aumentar hasta 180 kgf/mm2 mediante una deformación en frío. El estiramiento promedio es de 15% La disposición alternada de capas Fe α − Fe3C se debe a que el carbono necesita difundir durante una distancia relativamente corta para originar esta microestructura. El posterior enfriamiento de la perlita, a partir del punto (6), produce cambios microestructurales relativamente insignificantes, porque a bajas temperaturas la difusión atómica no se produce. Enfriamiento de un acero hipoeutectoide 0,6 % de C Una aleación de composición entre 0,022 y 0,77% C (a la izquierda del eutectoide) se denomina aleación hipoeutectoide. El enfriamiento de dicha aleación se representa en el siguiente esquema. A la temperatura del punto (1) la aleación se encuentra como solución líquida homogénea de composición 0,6% de C. Cuando se llega a la línea de liquidus, punto (2), aparecen los primeros cristales de ferrita Fe δ, que presentan una composición aproximadamente igual a 0,026% C, el líquido en este punto tiene una composición aproximadamente igual a 0,6% C. La ferrita Fe δ es como la ferrita Fe α, y solo se diferencian en el tramo de temperaturas en el cual existen. Teniendo en cuenta que la ferrita Fe δ solo es estable a altas temperaturas, no tiene importancia técnica. Al pasar a través de la región de fases δ + L la fase δ crece a expensas del líquido, las composiciones y las cantidades relativas de ambas fases cambian. En el punto (3), cuando se llega a la temperatura peritéctica de 1493°C, la fase ferrita Fe δ sufre una transformación polimórfica a asutenita Fe γ formándose la región bifásica γ + L. Si se continúa disminuyendo la temperatura la fase γ crece a expensas del líquido, las composiciones y las cantidades relativas de ambas fases cambian. Cuando se alcanza el punto (4) el sólido presenta una composición cercana a 0,6% de C y el líquido una composición de 1,01% de C. El sólido cristalino que se formó es policristalino, es decir, que es un conjunto de muchos cristales pequeños o granos de composición homogénea debido a que se produce difusión a nivel atómico. Al continuar el enfriamiento apenas debajo de la línea de sólido, el sistema se encuentra formado por una única fase sólida austenita Fe γ, y al microscopio se observan solamente granos y bordes de grano de composición 0,6%C. Dicha observación se representa esquemáticamente en el punto (5). En el punto (6), sobre la línea que indica transformación, los átomos de carbono comienzan a difundir desde los bordes de grano hacia el centro de los granos. De esta manera se forma ferrita Fe α en los bordes de grano y su cercanía. A medida que la fase ferrita Fe α aumenta de tamaño por el proceso antes descripto, la fase Fe γ disminuirá de tamaño y se enriquecerá en carbono. En el punto (7), apenas por encima de los 727°C, se aprecia un incremento de la microestructura de la fracción de fase Fe α. En este punto se tiene que la composición de la fase Fe γ tiende a la composición eutectoide y la composición de la fase Fe α tiende a 0,022% de carbono. Cuando se llega a la temperatura del eutéctoide 727°C, representada por el punto (8), la fase austenita Fe γ se transforma en perlita según la reacción: La fase ferrita Fe α existente en el punto (7) prácticamente no cambia al cruzar la temperatura eutectoide: permanece como matriz continua alrededor de las colonias de perlita. De este modo la ferrita presente en el acero procede del enfriamiento a través de la región α + γ y de la reacción eutectoide. La ferrita de la perlita se denomina ferrita eutectoide y la ferrita formada antes de la temperatura del eutectoide se denomina ferrita proeutectoide (que significa pre- o antes del eutectoide). Las figuras a y b reproduce una fotomicrografía de un acero hipoeutectoide. Cabe anotar la existencia de dos microconstituyentes en esta fotomicrografía: ferrita proeutectoide y perlita. Estos microconstituyentes aparecen en todos los aceros hipoeutectoides enfriados lentamente desde la temperatura eutectoide. A continuación se representa esquemáticamente el enfriamiento de un acero hipoeutecoide Enfriamiento de un acero hipereutectoide 1,5 % de C Un acero que contiene entre 0,77 y 2,1% de carbono es un acero hipereutectoide. Se considera como ejemplo un acero con 1,5% C. El enfriamiento de dicha acero está representado en el siguiente esquema. A la temperatura del punto (1) la aleación se encuentra como solución líquida homogénea de composición 1,5% de C. Cuando se llega a la línea de liquidus aparecen los primeros cristales de austenita Fe γ, que presentan una composición aproximadamente igual a 0,4% C, el líquido en este punto tiene una composición aproximadamente igual a 1,5% C. Al pasar a través de la región de fases γ + L la fase γ crece a expensas del líquido, las composiciones y las cantidades relativas de ambas fases cambian. En el punto (3) el sólido γ presenta un composición aproximadamente igual a 0,98% C y el líquido 2,2% C. En (4) se tiene gran cantidad de sólido y muy poco líquido. El sólido presenta una composición cercana a 1,5% de C y el líquido una composición de 3,5% C. El sólido cristalino que se formó es policristalino, es decir, que es un conjunto de muchos cristales pequeños o granos de composición homogénea debido a que se produce difusión a nivel atómico. Al continuar el enfriamiento apenas debajo de la línea de sólido, el sistema se encuentra formado por una única fase sólida austenita Fe γ y al microscopio se observan solamente granos y bordes de grano de composición 1,5%C. Dicha observación se representa esquemáticamente en el punto (5). Si se continúa disminuyendo la temperatura no se aprecian cambios hasta llegar a línea solvus, representada por el punto (6), en dicho punto ocurre una transformación. Átomos de carbono difunden desde el seno del grano y se concentran en el borde de grano, formándose allí cementita Fe3C. Esta cementita se denomina cementita proeutectoide, porque se forma antes de la reacción eutectoide. A medida que se enfría el material, mayor cantidad de carbono difunde hacia el borde de grano para formar allí cementita. En el punto (8), a una temperatura levemente superior a la temperatura del eutectoide 727°C, se tiene Fe γ de aproximadamente 0,77% C y cementita 6,7%C. Esta cementita se encuentra formando una red. Al descender por debajo de la temperatura del eutéctoide, toda la austenita Fe γ remanente de composición 0,77% C se transforma en perlita mediante la reacción. De este modo, la microestructura resultante, representada esquemáticamente en el punto (9), consiste en perlita y cementita proeutectoide como microconstituyentes. La cementita confiere sus propiedades al material, porque se encuentra formando una red. De manera que este material es extremadamente duro y frágil. No puede maquinarse, tornearse ni martillarse, pues se rompe en pedazos. Es un material inutilizable. Si se realiza un tratamiento especial a este material, por medio de calor, puede hacerse que la red de cementita se transforme en glóbulos. En este caso el material si puede ser utilizado, con determinados fines. A continuación se representa esquemáticamente el enfriamiento de un acero hipereutecoide Enfriamiento de una fundición blanca eutéctica 4,3 % de C Una aleación de Fe-C con 4,3% de C, es una fundición eutectica. Si se realiza un enfriamiento de la misma, desde el estado líquido hasta temperatura ambiente ocurren una serie de transformaciones que se muestran en la siguiente representación esquemática A la temperatura del punto (1) la aleación se encuentra como solución líquida homogénea de composición 4,3% de C. Si se continúa disminuyendo la temperatura no se aprecian cambios hasta llegar a la temperatura eutéctica 1147°C, representada por el punto (2). Al cruzar la isoterma eutéctica el líquido se solidifica para generar las fases austenita Fe γ y cementita Fe3C. Esta transformación se puede representar por la reacción: En el punto (3), a una temperatura levemente inferior al eutéctico, el sistema se encuentra en estado sólido, formando dos fases: una fase constituida por glóbulos de austenita Fe γ y otra fase compuesta por cementita. La cementita se encuentra formando una matriz, en la que está incluida la austenita. Al disminuir la temperatura, disminuye la cantidad de carbono que puede estar disuelto en la austenita, por ejemplo, en el punto (4) el sólido Fe γ presenta un composición aproximadamente igual a 1,6% C. La cantidad de carbono de la fase Fe γ disminuye porque parte de ella pasa a formar cementita. La composición global y la composición de la cementita son las mismas, pero aumenta la cantidad de cementita y disminuye la de austenita. De aquí que la austenita pierda carbono. En el punto (5), a una temperatura levemente superior a la temperatura del eutectoide 727°C, se tiene Fe γ de aproximadamente 0,77% C y cementita 6,7%C. En el punto (6), a una temperatura levemente inferior a 727°C, ocurre la transformación de la austenita Fe γ en láminas de perlita mediante la reacción: Enfriamiento de una fundición blanca hipoeutéctica 3 % de C Una fundición que contiene entre 2,14 y 4,3% de carbono es una fundición blanca hipoeutéctica. Se considera como ejemplo una fundición blanca con 3% C. El enfriamiento de dicha fundición se representa en el siguiente esquema. En el punto (1) el sistema se encuentra como solución líquida homogénea de composición 3% de C. Cuando se llega a la línea de liquidus aparecen los primeros cristales de austenita Fe γ, que presentan una composición aproximadamente igual a 1,2% C, el líquido en este punto tiene una composición aproximadamente igual a 3% C. Al pasar a través de la región de fases γ + L la fase Fe γ crece a expensas del líquido, las composiciones y las cantidades relativas de ambas fases cambian. En el punto (3) el sólido γ presenta un composición aproximadamente igual a 1,3% C y el líquido 3.5% C. Al continuar el enfriamiento, apenas por encima de la temperatura eutéctica de 1147°C en el punto (4), el sistema presenta una composición Fe γ de aproximadamente 2,14% C. Al cruzar la isoterma eutéctica el líquido se solidifica para generar las fases austenita Fe γ y cementita Fe3C. Esta transformación se puede representar por la reacción: En el punto (5), a una temperatura levemente inferior al eutéctico, el sistema se encuentra en estado sólido, formando dos fases. Una fase constituida por glóbulos de austenita Fe γ y otra fase compuesta por cementita. La cementita se encuentra formando una matriz, en la que está incluida la austenita. Al disminuir la temperatura, disminuye la cantidad de carbono que puede estar disuelto en la austenita, por ejemplo, en el punto (6) la asutenita presenta un composición aproximadamente igual a 1,1% C. La cantidad de carbono de la fase Fe γ disminuye porque parte de ella pasa a formar cementita. La composición global y la composición de la cementita son las mismas, pero aumenta la cantidad de cementita y disminuye la de austenita. De aquí que la austenita pierda carbono. En el punto (7), a una temperatura levemente superior a la temperatura del eutectoide 727°C, se tiene Fe γ de aproximadamente 0,77% C y cementita 6,7%C. En el punto (8), a una temperatura levemente inferior a 727°C, ocurre la transformación de la austenita Fe γ en láminas de perlita mediante la reacción: A continuación se representa esquemáticamente el enfriamiento de la fundición blanca hipoeutéctica. La fundición blanca es muy dura y frágil, porque toma las propiedades de la cementita. La cementita confiere al material un color blanco. No puede se puede tornear, ni agujerear, ni rectificar, ni modificar su forma por golpes. Es quebradiza. Sin embargo, tiene algunas utilizaciones muy específicas. Con mucha dificultad, se la trabaja con herramientas de diamante, para lograr determinadas piezas útiles para el laminado de rieles. No obstante, tiene muy poca utilidad industrial. Enfriamiento de una fundición gris eutéctica 4,3 % de C laminar Si una aleación de Fe-C con más de 2,1 % de carbono (y menos de 6,67%C) se enfría en presencia de silicio se obtiene una fundición gris. Durante enfriamiento de la misma, desde el estado líquido hasta temperatura ambiente ocurren una serie de transformaciones que se muestran en la siguiente representación esquemática A la temperatura del punto (1) la aleación se encuentra como solución líquida homogénea de composición 4,3% de C. Si se continúa disminuyendo la temperatura no se aprecian cambios hasta llegar a la temperatura eutéctica 1147°C, representada por el punto (2). Como se sabe al cruzar la isoterma eutéctica el líquido se solidifica para generar las fases austenita Fe γ y cementita Fe3C, pero en presencia de silicio, la cementita formada se descompone rápidamente en hierro y carbono (grafito). Esta transformación se puede representar por la reacción: Por lo tanto en el punto (3), a una temperatura levemente inferior al eutéctico, el sistema se encuentra en estado sólido, formando dos fases: una fase constituida por glóbulos de austenita Fe γ y otra fase compuesta por carbono (grafito). ). El grafito forma láminas, las que quedan incluidas en una matriz de austenita Fe γ. Al disminuir la temperatura, disminuye la cantidad de carbono que puede estar disuelto en la austenita, por ejemplo, en el punto (4) el sólido Fe γ presenta un composición aproximadamente igual a 1,6% C. La cantidad de carbono de la fase Fe γ disminuye porque parte de ella pasa a formar las láminas de grafito. En el punto (5), a una temperatura levemente superior a la temperatura del eutectoide 727°C, se tiene Fe γ de aproximadamente 0,77% C y grafito. En el punto (6), a una temperatura levemente inferior a 727°C, ocurre la transformación de la austenita Fe γ en láminas alternadas de perlita mediante la reacción: La cementita Fe3C puede: Las fundiciones grises se denominan así porque el color de las fracturas de estos materiales es gris debido al carbono en forma de grafito. Las láminas de carbono se consideran fisuras en el material y no le confieren resistencia mecánica al mismo. Es un material maquinable. Posee la ventaja de que las fisuras van cortando la viruta del maquinado. A pesar de ser más blandas que las fundiciones blancas, es un material frágil y quebradizo. Es muy difícil de soldar. Para un mismo porcentaje de carbono, cuanto más largas y delgadas sean las láminas, el material es más frágil. A igual porcentaje de carbono, el material es más resistente, mientras más pequeñas son las láminas (más cortas y gruesas). Para igual tamaño de lámina, la matriz perlítica es más resistente que la ferrítica. Tiene una gran utilidad industrial, es fácil de obtener y relativamente de bajo costo. Enfriamiento de una fundición gris eutéctica 4,3 % de C nodular Si a la fundición gris en estado líquido se le adiciona pequeñas cantidades de magnesio o cerio se producen diferentes microestructuras en las que el grafito en lugar de láminas forma nódulos. De este modo resulta la fundición gris nodular. El enfriamiento de la misma, desde el estado líquido hasta temperatura ambiente se muestra en la siguiente representación esquemática A la temperatura del punto (1) la aleación se encuentra como solución líquida homogénea de composición 4,3% de C. Si se continúa disminuyendo la temperatura no se aprecian cambios hasta llegar a la temperatura eutéctica 1147°C, representada por el punto (2). Como se sabe al cruzar la isoterma eutéctica el líquido se solidifica para generar las fases austenita Fe γ y cementita Fe3C, pero en presencia de silicio, la cementita formada se descompone rápidamente en hierro y carbono (grafito). Esta transformación se puede representar por la reacción: Por lo tanto en el punto (3), a una temperatura levemente inferior al eutéctico, el sistema se encuentra en estado sólido, formando dos fases: una fase constituida por glóbulos de austenita Fe γ y otra fase compuesta por carbono (grafito). ). El grafito forma nódulos, los cuales quedan incluidos en una matriz de austenita Fe γ. Al disminuir la temperatura, disminuye la cantidad de carbono que puede estar disuelto en la austenita, por ejemplo, en el punto (4) el sólido Fe γ presenta un composición aproximadamente igual a 1,6% C. La cantidad de carbono de la fase Fe γ disminuye porque parte de ella pasa a formar los nódulos de grafito. En el punto (5), a una temperatura levemente superior a la temperatura del eutectoide 727°C, se tiene Fe γ de aproximadamente 0,77% C y grafito. En el punto (6), a una temperatura levemente inferior a 727°C, ocurre la transformación de la austenita Fe γ en láminas alternadas de perlita mediante la reacción: La matriz en la cual se encuentran los nódulos de gafito depende de la velocidad de enfriamiento, de este modo se obtiene: Obtener fundición con grafito en forma de esferas no es tarea sencilla. Esta cuestión ha sido tema de investigación y desarrollo durante más de 300 años, y solo hace unas pocas décadas se ha logrado obtener fundición con grafito en forma de esferas, por el agregado de magnesio y cerio, entre otros. Es un material blando. No es quebradizo, ni frágil. Es la mejor fundición que existe y también la más costosa. Usos de los aceros y fundiciones. Aceros hipoeutectoide muy bajo carbono (0 - 0.15%): Piezas cuyo requisito primario es el conformado en frío. Embutidos profundos por sus buenas cualidades de deformación y terminación superficial. Para forjarlos o para posteriores tratamientos térmicos. Son adecuados para soldadura. Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado en frío. Son susceptibles al crecimiento del grano, y a fragilidad y rugosidad superficial si después del formado en frío se los calienta por encima Aceros hipoeutectoide bajo carbono (0.15 – 0.30%): Mayor resistencia y dureza, disminuyendo su deformabilidad. Para cementación. Para forjas. Son aptos para soldadura. La maquinabilidad de estos aceros mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido. Aceros hipoeutectoide medio carbono (0.35 – 0.55%): Propiedades mecánicas más elevadas. Tratamiento térmico de endurecimiento (frecuentemente). Se utilizan en piezas sometidas a cargas dinámicas. Para piezas deformadas en frío, doblados suaves, y llevan un recocido o normalizado previo. Para fabricar piezas forjadas.Para piezas maquinadas, partiendo de barras laminadas. Pueden soldarse pero deben tenerse precauciones especiales para evitar fisuras debido al rápido calentamiento y enfriamiento. Aceros hipereutectoide alto carbono (0.55 – 0.95%): Incrementar la resistencia al desgaste y altas durezas (no pueden lograrse con aceros de menor contenido de C). En general no se utilizan trabajados en frío, salvo para el enrollado de resortes. Prácticamente todas las piezas son tratadas térmicamente antes de usar, debiéndose tener especial cuidado en estos procesos para evitar distorsiones y fisuras. Fundiciones: La alta dureza y fragilidad de la fundición blanca hace que esta sea prácticamente inmaquinizable. Se utiliza en componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, como por ejemplo los cilindros de los trenes de laminación. La fundición gris se utiliza bastante en aplicaciones como bases o pedestales para máquinas, herramientas, bastidores para maquinaria pesada, bloques de cilindros para motores de vehículos, discos de frenos, herramientas agrícolas.
