Hierro Carbono

Hierro Carbono

1. Tipos de hierro

   • Hierro alfa (α):
     • Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Su temperatura va desde 0º- 910ºC, es relativamente blanda, prácticamente no disuelve en carbono.
   • Hierro gamma (γ):
     • También conocida como Austenita. Se presenta de 723 ºC a 1492 ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono (más deformable que la ferrita).
   • Hierro delta (δ):
     • Está localizada desde 1400 ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492 ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1539 ºC se inicia la fusión del Hierro puro.

2. Acero

   • Tomando como base el diagrama metaestable hierro-carbono, se denominan aceros a las aleaciones binarias con contenidos en carbono menor que 1,76%, mientras que las fundiciones de hierro tienen contenidos en carbono superiores a 1,76% (hasta aproximadamente 6,67%).
     • Tipos
       • Aceros al carbono
         • Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.
       • Aceros Aleados
         • Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales
           • Aceros Estructurales
             • Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su resistencia. Y el fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la intemperie.
           • Aceros para herramientas.
             • Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%).
               • Aceros al carbono
                 • Para la fabricación de herramientas para los usos más diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. Para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y picas; se emplean medios contenidos en carbono 0.50 a 0.70%. Para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas; calidades intermedias de 0.70 a 1%.
               • Aceros rápidos
                 • La característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi al rojo (Temperatura = 600ºC) sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%.
               • Aceros indeformables
                 • Reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%.
               • Aceros al corte no rápidos
                 • Se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricación de herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rápidos y los aceros al carbono, y la mayoría de herramientas fabricadas con ellos suelen quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C.

3. Fundiciones

   • Las fundiciones de hierro son aleaciones de hierro carbono del 2 al 5% (Figura 5.15), cantidades de silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo. Se caracterizan por que se pueden vaciar del horno cubilote para obtener piezas de muy diferente tamaño y complejidad pero no pueden ser sometidas a deformación plástica, no son dúctiles ni maleables y poco soldables pero sí maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosión y al desgaste.
     • Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son: – Son más fáciles de maquinar que los aceros. – Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad. – En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos. – Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes. – Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste.
     • Fundición Blanca
       • La fundición blanca son aleaciones de Hierro y Carbono las cuales terminan su solidificación a 1130°C con la siguiente transformación eutéctica: Liq (4.3%) → Austenita (1.76%) + Fe3C (6.67%), este agregado recibe el nombre de Ledeburita el cual es un constituyente muy frágil y duro.
         • La Fundición blanca es la de menor uso industrial. En general no son maquinables y el acabado se realiza siempre por rectificado; es usada en casos en que la resistencia al desgaste es lo más importante y la aplicación a la cual está destinada no requiere buena ductilidad ni maleabilidad como es el caso de las camisas para mezcladoras de cemento, bolas de trituración para acería, camisas interiores de las hormigoneras.
     • Fundición Maleable
       • La fundición maleable se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 °C. Bajo estas condiciones la cementita se descompone para dar grafito en forma de racimos o rosetas dentro de la matriz ferrítica o perlítica de modo similar a la de la fundición esferoidal
         • Fundición maleable Europea o de corazón blanco (Zona exterior descarburada y zona interior de ferrita y perlita). En el proceso de recocido la fundición blanca se descarbura por difusión de C por efecto de un oxidante mineral, quedando así un material muy tenaz y parecido aun acero de bajo carbono.
         • Fundición maleable Europea o de corazón blanco (Zona exterior descarburada y zona interior de ferrita y perlita). En el proceso de recocido la fundición blanca se descarbura por difusión de C por efecto de un oxidante mineral, quedando así un material muy tenaz y parecido aun acero de bajo carbono.
     • Fundición Gris
       • La fundición gris (a excepción de la blanca) se diferencia del acero debido que en su estructura hay inclusiones de grafito cuya cantidad, forma, tamaño y distribución varían dentro de unos límites muy amplios y da lugar a diferentes fundiciones grises. Estas fundiciones son un material compuesto de grafito, y de otro material matriz que frecuentemente está compuesto por un intermertálico cerámico (cementita), y otro material (ferrita) que es metálico. (29)
         • Fundición gris perlítica. Su estructura está formada de perlita con inclusiones de grafito. Como se sabe, la perlita contiene un 0,8 % de C, por consiguiente, esta unidad de carbono se halla en la fundición perlítica gris en estado ligado (es decir, en forma de cementita). La cantidad restante se encuentra en estado libre, o sea, en forma de grafito.
         • Fundición gris ferrítica. En esta fundición la matriz es ferrita y todo el carbono que hay en la aleación está en forma de grafito
         • Fundición gris ferrito-perlítica. La estructura de esta fundición está formada por ferrita y perlita e inclusiones de grafito. En esta fundición la cantidad de carbono ligado es menor que el 0,8 % de C
     • Fundición Nodular
       • Su microestructura está conformada por una matriz metálica y una cantidad del 10 al 15% de grafito en forma de esferas de este modo la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminr, provocando propiedades similares a los aceros como alta ductilidad, resistencia, bien maquinado y tenacidad mayor que en la fundición gris, además de ser menos dura que la fundición blanca
         • Ferríticas: Posee maquinabilidad, ductilidad y límite elástico moderado. Perlíticas: Buen límite elástico y ductilidad pero baja maquinabilidad, se pueden templar superficialmente. Tratadas térmicamente: Con tratamientos térmicos como normalizados, templados y revenidos o austemperadas, presentan alta resistencia a la tracción y alto límite elástico.

4. Fases Del Diagrama Hierro Carbono

   • Fase Austenítica (0% hasta 1,76% C)
     • La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma, como lo muestra la Figura 5.2. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0% a 1,76%, que es la máxima solubilidad de carbono en esta fase a temperaturas de 1130 °C.
       • La austenita presenta las siguientes características: Baja temperatura de fusión. Buena tenacidad. Excelente soldabilidad. No es magnética.
   • Fase Ferrítica
     • Ferrita alfa α (0% hasta 0,025%C)
       • Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono, como se puede observar en la Figura 5.3, donde se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono. La máxima solubilidad es 0,025% C a 723 °C, y disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente.
     • Ferrita delta δ (0% hasta 0,08%C)
       • Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492ºC. Las características de la ferrita δ son: Muy blanda. Estructura cristalina BCC Es magnética. Muy poca posibilidad de disolución del carbono.
   • Fase Cementita (0,025% hasta 6,67%C)
     • Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α por debajo de 723°C (la composición está comprendida en la región de fases α+Fe3C). La cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros.
       • La cementita posee las siguientes propiedades: Alta dureza. Muy frágil. Alta resistencia al desgaste.
   • Fase Ledeburita
     • La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita.
       • Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin embargo en las fundiciones se puede conocer las zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.
   • Fase Perlita
     • Es la mezcla eutectoide que contiene 0,89 % de C y se forma a 723°C a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y cementita. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.