Fundiciones, Aceros y Tratamientos Térmicos

Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono entre el 2,1% y el 4,5%. Debido a su alto contenido de carbono, son frágiles y no se pueden conformar por forja o laminación, obteniéndose directamente por moldeo.

Tipos de Fundiciones

• Fundiciones Blancas: Solidifican y se enfrían siguiendo el diagrama metaestable de hierro-cementita. El agregado eutéctico, la ledeburita, es frágil y duro. La fundición Nihard, aleada con Ni y Cr, aumenta la templabilidad.
• Fundiciones Grises: Solidifican y se enfrían siguiendo el diagrama estable hierro-grafito. Requieren elementos grafitizantes, como el Si. Se clasifican en hipo o hipereutécticas según el contenido de carbono equivalente.
• Fundiciones Dúctiles o Esferoidales: El grafito adopta una morfología globular, lograda mediante la adición de Mg durante la colada.
• Fundiciones Maleables: Se fabrican por tratamiento térmico a partir de fundiciones blancas. Existen dos tipos:
  • Europea o de corazón blanco: Tratamiento térmico a 1000°C en atmósfera oxidante.
  • Americana o de corazón negro: Tratamiento térmico a 900°C en atmósfera neutra.
• Fundiciones Especiales: Incluyen fundiciones con alto contenido de Ni (resistencia al calor y corrosión), Cr (alta resistencia a la corrosión) y Si (grises de matriz ferrítica).

Tratamientos Térmicos en Fundiciones

• Recocido: Enfriamiento lento en el horno.
• Temple: Enfriamiento rápido para obtener 100% martensita.

Tipos de Aceros

Aceros de Construcción

Poseen altas propiedades mecánicas y tenacidad. Son aleados con bajo o medio contenido de carbono y generalmente poco aleados. Se utilizan en estructuras, elementos mecánicos y piezas de máquinas. Los aceros de mayor rendimiento son los templados y revenidos. Los aceros de bajo contenido de carbono son los más adecuados para la soldadura, con tres zonas: zona fundida, zona afectada térmicamente y metal base no afectado.

Aceros de Herramientas

Se caracterizan por su alta dureza. Se clasifican en:

• Aceros para trabajar en frío: Alta dureza (eutectoides o hipereutectoides) y tenacidad (poco aleados).
• Aceros para trabajos en caliente: Bajo contenido de carbono, aceros aleados.
• Aceros rápidos: Elevada proporción de elementos carburígenos.
• Materiales extraduros: Basados en carburos. Incluyen carburos metálicos, carburos metálicos recubiertos, carburos aglomerados sobre acero, stellitas y herramientas cerámicas.

Aceros Inoxidables

Son aceros con un contenido de cromo superior al 12%. Se distinguen varios tipos según el contenido de carbono: <0,1%C (ferrítico), 0,3%C (martensítico). Es posible obtener acero inoxidable austenítico incorporando níquel.

Diagrama Fe-C

• Austenita: Disolución de carbono en Fe gamma.
• Ferrita: Carbono en hierro alfa.
• Cementita: Fe3C, correspondiente a 6,67%C.

Tipos de Aceros según el Diagrama Fe-C

• Perlita: 0,77%C: Láminas de Fe3C + ferrita.
• Aceros hipoeutectoides (0,0218%C < C < 0,77%): Ferrita en matriz y perlita dispersa. La carga de rotura viene dada por: R = %ferrita * 300 + %perlita * 800 = 300 + 650(%C) MPa.
• Aceros hipereutectoides (0,77%C < C < 2,11%): Cementita en matriz y perlita dispersa. Son frágiles y duros, se usan para herramientas. R = %cementita * 35 + %perlita * 800.

Transformaciones en el Calentamiento

• Sobrecalentamiento: Crecimiento excesivo del tamaño de grano austenítico por elevar demasiado la temperatura de austenización o mantener el acero en estado austenítico durante largos periodos.
• Quemado: Fusión inicial del acero en determinados puntos, oxidándose y perdiendo sus propiedades.

Curvas TTT y Transformaciones de No Equilibrio

En un acero eutectoide se forma perlita (grano grueso, medio, fino). En un hipereutectoide se forma ferrita + perlita (grueso, medio, fino).

Influencia de los Elementos de Aleación

Los elementos de aleación modifican las propiedades del acero, como la dureza. Los elementos más comunes disueltos en ferrita son Ni, Si, Co, Cu, Al. También pueden formarse carburos y nitruros.

Todos los carburos metálicos son duros y frágiles, mejorando la resistencia al desgaste y las características mecánicas en caliente. El plomo y el cobre mejoran el mecanizado y la resistencia a la corrosión, respectivamente.

Efectos de los Elementos de Aleación

• Templabilidad: La austenita se transforma en martensita. El Co desfavorece la templabilidad. El aumento de la concentración de elementos desplaza las curvas TTT a la derecha. Algunos elementos son inhibidores de grano.
• Grafitización: Elementos como Si, Al, Ni, Cu favorecen la formación de grafito. El Si es el elemento grafitizante más importante.

Tratamientos Térmicos

Modifican la estructura y propiedades de un metal o aleación mediante tratamientos y enfriamientos controlados. En los aceros, se distinguen tratamientos que no modifican la composición química y aquellos que introducen nuevos elementos químicos.

Etapas de los Tratamientos Térmicos

1. Calentamiento: La transmisión de calor se produce desde la periferia hacia el núcleo. En el acero eutectoide, la transformación austenítica da lugar a una contracción volumétrica.
2. Permanencia: El tiempo de permanencia para lograr una austenización correcta debe ser mayor cuanto menor sea la temperatura. En los aceros hipoeutectoides, se lleva a una temperatura A3+40 para lograr una austenización completa; en los aceros hipereutectoides, la austenización es incompleta para evitar riesgos de sobrecalentamiento y quemado.
3. Enfriamiento: Existe un riesgo alto de deformaciones permanentes, grietas y tensiones residuales internas. Las velocidades de enfriamiento son variables dependiendo del tratamiento térmico.

Riesgos de Agrietamiento

Durante el temple, se pueden generar tensiones internas que causan agrietamiento. La austenita aguanta bien la tracción, pero las grietas son debidas a la suma de tracción y martensita, especialmente en la periferia.

Temple

El temple busca obtener 100% martensita. La severidad del medio refrigerante afecta la velocidad de enfriamiento.

Etapas Características del Temple

1. El líquido refrigerante entra en ebullición, formando una capa de vapor.
2. El espesor de la capa de vapor disminuye, y el líquido establece contacto directo con la superficie metálica.
3. La película de vapor desaparece por completo.

La influencia del tamaño de la pieza y la penetración del temple son factores importantes. El diámetro crítico ideal es el mayor diámetro que, templado en un medio de severidad infinita, presenta un porcentaje determinado de martensita en su centro.

Ensayo Jominy

Se utiliza para medir la templabilidad de un acero. Se calienta una probeta cilíndrica hasta el estado austenítico y se enfría con un chorro de agua. Se miden las durezas para evaluar la templabilidad.

Revenido del Acero

Se realiza después del temple para reducir la fragilidad de la martensita y aumentar la tenacidad.

• De 100 a 250°C: El contenido de carbono se reduce, y se produce una estructura parecida a la ferrita.
• De 200 a 300°C: La dureza aumenta ligeramente. La austenita residual pasa a bainita.
• De 250 a 350°C: Precipitación de cementita alrededor de las agujas de martensita de bajo carbono.
• Más de 400°C: Disminuye la dureza y aumenta la tenacidad.

La adición de elementos de aleación aumenta la templabilidad e influye en las propiedades finales tras el revenido.

Austenita Residual

Es la austenita no transformada en el temple. Se puede eliminar mediante calentamiento y revenido.

Tratamientos Térmicos Fundamentales

• Normalizado: Calentamiento del acero a una temperatura superior a la A3 (hipo) o A1 (hiper), seguido de enfriamiento al aire. Se obtiene perlita y ferrita o cementita de grano fino.
• Recocido: Calentamiento similar al normalizado, pero con enfriamiento lento en el horno apagado.

Tratamientos Térmicos con Modificación Química

• Carburación (Cementación): Endurecimiento superficial de un acero de bajo carbono mediante la incorporación de carbono en estado austenítico. Puede ser con agentes cementantes sólidos, líquidos o gaseosos.
• Cementación Gaseosa: Permite un control más preciso del tratamiento, actuando sobre la atmósfera del horno.
• Capa Cementada: Capa con mayor contenido de carbono que el inicial.
• Capa Dura: Espesor de la pieza donde se supera el 0,2%C. Es menor que la capa cementada.
• Aceros para Cementar: Se utilizan aceros bajos en carbono (aproximadamente 0,2%) para mantener la tenacidad en su interior.
• Descarburación: Pérdida de carbono si el acero permanece mucho tiempo en una atmósfera cementante.
• Nitruración: Introducción de nitrógeno en lugar de carbono. Se utiliza amoniaco disociado. La temperatura de tratamiento es más baja que en la cementación. La capa nitrurada es más dura que la cementada y conserva su dureza a temperaturas altas. El aluminio es el principal elemento que se nitrura.
• Carbonitruración: Introducción de carbono y nitrógeno. Se obtiene un perfil de durezas muy elevado, pero es más caro.