Materiales Ferrosos PDF

Materiales ferrosos Antonio Sánchez García Departamento de Ingeniería Química y Textil Curso 2024-25 Introducción Los materiales metálicos son uno de los más utilizados en las aplicaciones en ingeniería Los materiales metálicos se clasifican en: Materiales ferrosos: a...

Materiales ferrosos Antonio Sánchez García Departamento de Ingeniería Química y Textil Curso 2024-25 Introducción Los materiales metálicos son uno de los más utilizados en las aplicaciones en ingeniería Los materiales metálicos se clasifican en: Materiales ferrosos: aceros y hierros colados o fundación Materiales no ferrosos: resto de metales y aleaciones (aluminio, níquel, etc.) Materiales ferrosos Metales y aleaciones ferrosas: hierro + carbono Aceros: aleaciones con menos del 2% en C (Carbono en forma combinada, por ejemplo, carburo de hierro-cementita) Hierros colados o fundiciones: aleaciones con más del 2% C (Carbono como grafito) Aceros se producen (fundamentalmente) mediante forjados y las fundiciones mediante piezas fundidas En los aceros, se añade manganeso a la composición para permitir la forja en caliente (evitar ruptura y grietas durante el con formado por la formación de sulfuro de hierro) Materiales ferrosos Clasificación según su composición Contenido en carbono: Bajo en carbono: 0,55% Contenido de aleación Carbono simple: Mn hasta el 1,65%, Si hasta 0,6% y Cu hasta 0,6% Baja aleación: contenido en aleantes 5% Materiales ferrosos Clasificación AISI-SAE El primer digito se refiere a los aleantes: 1 – Manganeso 2 – Níquel 3 – Níquel – Cromo (principal el Níquel) 4 – Molibdeno 5 – Cromo 6 – Cromo – Vanadio (principal el Cromo) 7 – Tungsteno-cromo 8 - Níquel-Cromo-Molibdeno (principal aleante el Níquel) 9 – Manganeso – Silicio Materiales ferrosos Materiales ferrosos Materiales ferrosos Dos primeros dígitos dependen del tipo de aleantes Los dos o tres siguientes (XX o XXX) identifican el contenido en % en carbono multiplicado por 100 (contenido nominal) Ej: 1020 10: acero al carbono – carbono simple 20: 20/100=0,2% en carbono Los aceros de baja aleación y alta resistencia (BAAR) se denominan 9XX donde XX es el esfuerzo de fluencia mínimo en kips (k libras) Las letras intermedias representan elementos adicionales de aleación. Ej. 43BVXX con B de Boro y V de Vanadio Los aceros al plomo se denotan con la letra L Materiales ferrosos Contenido nominal – Intervalos de composición Materiales ferrosos Aceros al carbono simples – esfuerzo de fluencia bajo ( 0,6 % C – Aplicaciones especiales Aceros al carbono Podemos encontrar el 10XX y el 15XX Los de bajo contenido en carbono (5 por ciento) son útiles por su resistencia a la corrosión sulfídica (de los compuestos de S) a alta temperatura. Las aleaciones más comúnmente utilizadas para servicio de hidrógeno a alta temperatura y alta presión son los aceros 1 1/4Cr-1/2Mo, 2 1/4Cr-1Mo y 3Cr-1Mo. Aceros de baja aleación Aceros más usados: 13XX: difíciles de procesar debido a la baja maquinabilidad, amplio intervalo de endurecimiento y deficiente tenacidad a la fractura. No adecuadas para tratamientos térmicos posterior. 40XX: hasta un 0,27% en C, aceros económicos, requieren únicamente templado, no forman microgrietas. Uso en engranajes. 41XX: uso muy extendido, no tienen buena respuesta al tratamiento térmico. Tienden a agrietarse cuando se supera el 0,40% en C. Buenos para piezas que se templan en aceite a temperatura moderada o para piezas que se someten a nitruración (tratamiento con nitrógeno para mejorar la dureza superficial). Se utilizan ampliamente como ejes de equipos giratorios, pernos, piezas forjadas de alta resistencia, etc. Aceros de baja aleación Aceros más usados: 4320 y modificados: soportan grandes cargas, sin problemas importantes de microagrietamiento, buena resistencia a la fatiga, de elevado coste. 4340: excelente material, tratamiento térmico sin dificultad, costoso 44XX: cantidades importantes de molibdeno, propensos al microagrietamiento cuando se templan directamente al salir del horno 46XX: tratamiento térmico uniforme, pero endurecimiento en el interior reducido 4815,4817,4820: cementabilidad buena (tratamiento termoquímico), excelente resistencia a la fatiga, soportan grandes cargas 8615-8627: excelentes aceros carburizables para usos en engranajes, el carbono en la superficie debe estar por debajo del 0,95% para evitar mircroagrietamientos Aceros de baja aleación Aceros mas usados: 8630: excelente en cuanto a resistencia al desgaste abrasivo cuando se templa en agua y se reviene a 205ºC 86XX: excelentes aceros controlando las condiciones de templado 87XX: baja mejora frente al 86XX incrementado el coste Aceros al carbono y de baja aleación Los aceros al carbono se corroen en la mayoría de los ambientes atmosféricos cuando la humedad relativa es superior al 60% El incremento en carbono, manganeso y silicio reduce la velocidad de corrosión Las piezas mecanizadas o pulidas resisten mejor los fenómenos de corrosión atmosférica En agua fresca, el ratio de corrosión de estos aceros esta alrededor de 0,05 mm/año. En agua de mar, en el rango 0,1-0,15 mm/año En agua de mar, la corrosión se da particularmente en la zona de salpicadura debido a la mejor transferencia de oxigeno En Norteamérica, 12 mm de corrosión permitida en un acero pintado para una vida de 15-20 años Aceros al carbono y de baja aleación Los componentes que se añaden a los aceros de baja aleación mejoran las propiedades mecánicas pero prácticamente no afectan al comportamiento frente a la corrosión Adiciones de cromo pueden producir mejoras frente a la corrosión y el cobre puede reducir la corrosión por picaduras del acero Aceros al carbono y de baja aleación Algunos factores que afectan a la corrosión Oxigeno disuelto Aumenta hasta un cierto nivel y después decrece por la pasivación de la superficie Imagen: efecto de la corrosión de un acero dulce en agua destilada Aceros al carbono y de baja aleación pH En el rango 4-10, la corrosión es independiente del pH porque controla la difusión del O2 A pH < 4, aparece la formación de H2 por electrolisis que controla la corrosión A pH > 10, la corrosión disminuye por efecto de la pasivación Imagen – corrosión de hierro en agua aireada Aceros al carbono y de baja aleación Temperatura La temperatura incrementa los niveles de corrosión A unos 80ºC puede disminuir la cantidad de O2 disuelto disminuyendo las tasas de corrosión Elementos aleantes El comportamiento de algunos en agua del mar sintética para acero se puede observar en la figura Aceros al carbono y de baja aleación Alcalis En líneas generales, la presencia de álcalis no es deseable. Por ejemplo, el NaOH destruye la capa de pasivación exponiendo al hierro directamente al NaOH Ataque del H2 Se han reportado en ciertos equipos, por ejemplo, calderas 3𝐹𝑒 + 4𝐻2 𝑂 → 𝐹𝑒3 𝑂4 + 4𝐻2 El hidrogeno penetra en la estructura del acero, reaccionado con la cementita, descarburando el acero 𝐹𝑒3 𝐶 + 4𝐻 → 3𝐹𝑒 + 𝐶𝐻4 En una caldera, el ataque de álcalis sucede en el lado de la llama y el ataque de H2 en el lado del agua Aceros al carbono y de baja aleación Presencia de H2S En industria de extracción de materiales de la superficie terrestre puede aparecer H2S. Los aceros al carbono, en general, no resisten bien a la corrosión de este componente. Se buscan aleaciones de Ni. Corrosión por CO2 (Corrosión dulce) La corrosión por CO2 en aceros al carbono aumenta linealmente con la presión del gas. Este tipo de corrosión se debe a la formación de FeCO3. Los iones cloruro no son tan corrosivos en este tipo de aceros como en los inox Aceros para herramientas Destinados a cortar, maquinar o conformar el material Se someten a cargas muy grandes en un tiempo corto En el corte o en el maquinado, se alcanzan altas temperaturas en la punta que producen un color rojo Por tanto: Resistencia elevada al reblandamiento a altas temperaturas y capacidad de conservar su dureza en caliente Resistencia elevada al desgaste, la deformación o la ruptura Tenacidad elevada Influyen también la forma de la herramienta, la precisión en su elaboración y el tratamiento térmico aplicado Aceros para herramientas Aceros para herramientas Aceros de alta velocidad Para fabricar herramientas de corte a alta velocidad Se emplean aceros del grupo M (aceros al molibdeno) y del grupo T (aceros al tungsteno) Menor coste los del grupo M con propiedades equiparables (95% de los aceros de alta velocidad) Se usan en herramientas tales como taladros, escariadores, cortadoras de fresadora, etc. Se busca herramientas que conserven su filo, que tengan alta dureza en el tiempo y que no se reblandezcan Se agrega cobalto para mejorar la dureza al rojo Aceros para herramientas Aceros de trabajo en caliente Soportan (o deben soportar) la combinación de calor, abrasión y presión Para materiales de bajo punto de fusión como aluminio y magnesio se utilizan aceros al cromo Para el trabajo en caliente de materiales como latón, níquel y aleaciones de acero, con mayor punto de fusión, se eligen aceros al tungsteno o al molibdeno Aceros al cromo (mas comunes): H11,H12,H13 Aceros para herramientas Aceros de trabajo en frio No resisten al calentamiento prolongado y repetido de 205-260ºC Grupo A – aceros endurecibles al aire. Los aleantes principales son manganeso, cromo y molibdeno. Se puede alcanzar la dureza total en secciones de hasta 4 pulgadas. Se aplican en cuchillas de tijeras, punzones, etc. Grupo D – aceros al alto carbono (1,5-2,35%) y al alto cromo (≈12%). Alta resistencia al reblandamiento y excelente resistencia al desgaste. Se emplean en cuchillas de tijeras, moldes para ladrillo, etc. Aceros para herramientas Aceros de trabajo en frio Grupo O – aceros endurecibles en aceite. Alto contenido en carbono y otros elementos aleantes. Se alcanza el endurecimiento total. Gran resistencia al desgaste. Poca resistencia al reblandamiento. Se utilizan en levas, bujes, etc. (maquinaria) Aceros para herramientas Aceros resistentes al impacto (Grupo S) Principales aleantes son manganeso, silicio, cromo, tungsteno y molibdeno en cantidades variables y un 0,5% en carbono en todos los casos Alta resistencia mecánica, gran tenacidad y resistencia media-baja al desgaste Se utilizan en cinceles, punzones, martillos En algunos casos, se aplican en aplicaciones estructurales Aceros para herramientas Aceros para usos especiales (Grupo L) Alto contenido en carbono y proporciones variables de cromo, vanadio, níquel y molibdeno Se utilizan para partes de maquinaria Gran resistencia y tenacidad Aceros para herramientas Aceros de herramienta para moldes (Grupo P) Aceros de bajo carbono, con cromo y proporciones variables de niquel, molibdeno y vanadio Son materiales muy blandos y tienen baja velocidad de endurecimiento Se utilizan en moldes para plásticos obtenidos por inyección o compresión Aceros para herramientas Aceros para herramientas endurecibles al agua (Grupo W) Acero al carbono (0,6-1,4%), pequeñas cantidades de Cr (aumentar endurecimiento y resistencia al desgaste) o V (buena tenacidad) como en la mayoría de los aceros Poca resistencia al reblandecimiento a alta temperatura Se emplean en herramientas para madera, herramientas manuales para cortar metales, cuchillería, etc. Se comercializan en 4 grados: especial (grado 1), extra (grado 2), estándar (grado 3) y comercial (grado 4) Aceros inoxidables Se caracterizan por la adición de un mínimo del 10,5% en cromo, siendo en la mayoría de en torno al 30% El contenido mínimo de hierro es 50% El carbono se encuentra entre 0,03% hasta un 1,2% La inoxidabilidad obedece a la formación de una película superficial de oxido rica en cromo y muy adherente Crea una película pasivante que se regenera en presencia de O2 si se rompe (si no se regenera se corroe muy rápidamente) Se pueden añadir otros elementos para mejorar la calidad final: níquel, molibdeno, cobre, titanio, aluminio, silicio, niobio, nitrógeno, azufre o selenio Aceros inoxidables Aceros inoxidables El acero inox 304 es el que tiene un uso mas extendido La designación AISI consiste en un numero de tres dígitos Calidades 200 o 300 son austeníticas Calidades 400 son ferriticas o martensíticas Aceros inoxidables Aceros inoxidables Aceros inoxidables Aceros inox ferríticos Tienen estructura cubica centrada en el cuerpo (CCC) No se pueden endurecer por tratamiento térmico Se utilizan en secciones pequeñas El esfuerzo de fluencia (con recocido): 275-350 MPa Escasa tenacidad y problemas de sensitizacion (carburos de cromo en los limites de grano que facilitan la corrosión) limitan su manufactura Buena resistencia al agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo por cloruros, corrosión atmosférica y oxidación a costos bajos Aceros inoxidables Aceros inox ferríticos Contienen entre un 10,5-30% en cromo con pequeñas cantidades de carbono, nitrógeno y níquel Las aleaciones con poco Cr (500 °F (>260 °C)) que contienen compuestos orgánicos de azufre o sulfuro de hidrógeno. El tipo 410 (una aleación martensítica) se utiliza sólo cuando no se requiere soldadura. Aceros serie 400. Su uso principal es en tuberías de intercambiadores de calor, partes internas de válvulas y bombas, partes internas de recipientes y como revestimientos soldados en recipientes a presión e intercambiadores de calor. No resisten bien a las picaduras causadas por cloruros. Aceros inoxidables Todos los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos son susceptibles a fenómenos de agrietamiento por tensión de hidrógeno, como el agrietamiento por corrosión bajo tensión de sulfuro. Además, estos aceros son susceptibles tanto a la fragilización por hidrógeno como a la fragilización a baja temperatura. Si se sensibilizan, estos aceros también pueden ser susceptibles a la corrosión intergranular. Las aleaciones de la serie 200 son poco comunes en procesos químicos o plantas de hidrocarburos, supuestamente debido a problemas de fabricación. El término "acero inoxidable austenítico" ha pasado a referirse a las aleaciones de Cr-Ni de la serie 300, como el tipo 304 SS. Aceros inoxidables Los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300 son los grandes materiales para la resistencia a la corrosión en la industria. La serie 300 encuentra un amplio uso como partes internas, revestimientos y superposiciones en recipientes expuestos a servicios corrosivos. También se utilizan ampliamente en bombas, válvulas y tuberías. Los grados con bajo contenido de carbono, como el Tipo 304L, se prefieren para la construcción soldada. Los grados con bajo contenido de carbono o los grados estabilizados como los tipos 321 y 347 se especifican si se espera que la sensibilización sea un problema. El tipo 316 se especifica cuando se desea una mayor resistencia a las picaduras de cloruro o a la corrosión por grietas. El tipo 316 también tiene una tensión máxima permitida más alta. Aceros inoxidables Los grados H con alto contenido de carbono, como el acero inoxidable tipo 304H, están especificados para uso en altas temperaturas (>1000°F (>540°C)). Los grados H deben utilizarse con precaución en servicios sujetos a carburación. Las aleaciones austeníticas con alto contenido de cromo-níquel se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta temperatura, como calentadores, tanto en forma fundida como forjada. La principal dificultad con los aceros inoxidables austeníticos convencionales es que son susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro. En muchos casos, el riesgo de fisuración por corrosión bajo tensión por cloruro es demasiado grande para permitir el uso de un acero inoxidable austenítico ordinario. Se utilizan aceros de la serie 400, aceros superausteniticos, aceros dúplex, etc. Aceros inoxidables Los aceros dúplex son mucho más resistentes que los aceros inoxidables austeníticos, lo que permite un espesor de sección más delgado. Son mucho más resistentes a la corrosión bajo tensión por cloruros que los aceros inoxidables austeníticos convencionales. Debido a que contienen aproximadamente un 50 por ciento de ferrita, los aceros inoxidables dúplex son susceptibles a la fragilización por hidrógeno. Aceros inoxidables La experiencia ha demostrado que se deben tomar precauciones especiales al soldar aceros inoxidables dúplex, ya que las soldaduras pueden variar considerablemente del equilibrio microestructural deseado. Aceros inoxidables Aceros inoxidables Aceros inoxidables Fundición de hierro Hierros colados o fundición Aleaciones con más de un 2% en C (suele estar entre 2-4,5%) El tipo de fundición depende de las fases que se formen durante la solidificación El alto contenido de carbono del hierro fundido hace que el material sea, en el mejor de los casos, difícil de soldar. Dos sistemas posibles: Fe-cementita (Fe3C) (metaestable) o Fe-grafito (C) Si enfriamos el líquido en condiciones de equilibrio (velocidad de enfriamiento lenta, con lentitud infinita) obtendremos 𝐿 → 𝐹𝑒(𝛾) + 𝐶(𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑜) Fundición de hierro Si el enfriamiento se hace mas rápido en condiciones de no equilibrio 𝐿 → 𝐹𝑒 𝛾 + 𝐹𝑒3 𝐶 Las reacciones eutécticas ocurren muy cercanas en temperatura (1154ºC vs 1148ºC) por lo tanto tenemos un estrecho margen en el enfriamiento para la solidificación Se ha añadido Silicio para intentar separar ambos sistemas pero se consiguen márgenes no muy altos (generalmente se obtienen un cierto porcentaje de cementita). La composición eutéctica cumple: %𝑆𝑖 %𝐶 + = 4,3 3 Fundición de hierro En base a esto se define el equivalente en carbono como: %𝑆𝑖 𝐸. 𝐶. = %𝐶 + 3 Si se le agrega también fosforo: %𝑆𝑖 + %𝑃 𝐸. 𝐶. = %𝐶 + 3 Si E.C. es 4,3, la mezcla es eutéctica, si es 4,3 hipereutéctica El E.C. nos indicara la temperatura de fusión de la mezcla así como sus propiedades mecánicas, de moldeo, etc. Fundición de hierro Tipos de hierro Blanco (forma cementita) Maleable (forma cementita) Gris (forma grafito) Dúctil (forma grafito) Compactado (forma grafito) Fundición de hierro Hierro blanco Típicamente tienen poco carbono y poco silicio (E.C.65%), se forma una capa de sulfato de hierro (II) que protege al hierro gris del ataque (problemas si pierde la capa protectora) Fundición de hierro La corrosión de las fundiciones en soluciones causticas diluidas (