PARTE 6

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*******--Aceros aleados Introducción
Llamaremos aceros aleados a aquellos aceros que, además de tener composiciones relativas de hierro y carbono, poseen ciertas cantidades controladas de otros elementos de aleación, con el fin de otorgarles determinadas propiedades mecánicas o tecnológicas, que le son específicas, y que, en ciertos casos, optimizan el funcionamiento del material a las condiciones de trabajo. No debemos confundir un elemento de aleación, que se coloca de exprofeso, con la existencia de impurezas como fósforo (P), azufre (S), silicio (Si) y manganeso (Mn), provenientes del proceso de refinamiento del acero, y que acompañan al hierro en la constitución de los minerales que se utilizan como materia prima en el proceso siderúrgico. En particular, los dos primeros generan efectos nocivos en el acero, pero no pueden ser eliminados completamente. Por el contrario, los últimos dos pueden tener efectos favorables y enriquecidos en determinados aceros pueden considerarse elementos de aleación.
Propósitos de la aleación del acero
Los elementos de aleación se agregan a los aceros con distintos propósitos:
· Aumentar la templabilidad
· Mejorar la resistencia mecánica a temperatura ambiente
· Mejoramiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas
· Mejoramiento de dureza a altas temperaturas
· Mejorar la tenacidad
· Aumentar la resistencia a la corrosión
· Disminuir la resistencia al paso del flujo magnético.
Según el efecto que generan los elementos de aleación en la estructura cristalina del acero, podemos clasificarlos en dos grupos:
· Grupo I: aquellos elementos que se disuelven en ferrita (o eventualmente, en austenita)
· Grupo II: aquellos que se combinan químicamente con el carbono, formando carburos simples o compuestos.
Efectos de los aleantes que solubilizan en ferrita
Si bien, todos los elementos de aleación tienen una mayor o menor capacidad de disolución en ferrita, debemos decir que algunos no son efectivamente reactivos con el carbono, por lo cual, su forma de actual sobre la estructura del acero, responde a esta forma en particular. Ellos son: níquel (Ni), silicio (Si), Aluminio (Al) y cobre (Cu) y el cobalto (Co). Sin embargo, debe decirse que existen otros aleantes como el cromo (Cr) y el manganeso (Mn), que, si bien son formadores de carburos, en ausencia de carbono presentan una considerable capacidad de disolución en ferrita.
Cualquier elemento que se disuelva en ferrita, generará una distorsión moderada de su estructura cristalina, lo que se traduce en aumento de resistencia mecánica, tenacidad y dureza.
Sin embargo, la resistencia mecánica es la propiedad más relevante, y causa principal para la selección de este tipo de aleantes, de forma general.
Efectos de los aleantes formadores de carburos
Como todos los carburos son moléculas altamente frágiles y duras, su efecto es análogo sin importar la composición específica.
En términos generales, las características de los carburos, y el efecto de barrera a la difusión del carbono de la martensita, producen importantes aumentos de la templabilidad, dureza, y resistencia al desgaste. Los principales elementos son: molibdeno (Mo), tungsteno (W), vanadio (V), titanio (Ti), cromo (Cr), y en mucho menor medida, el manganeso (Mn).
Influencia de los elementos de aleación en el diagrama Fe – C
En términos generales debemos decir que los elementos de aleación producen modificaciones, tanto en la composición del punto eutectoide (que para aceros al carbono es de 0,8%), y de la temperatura de la reacción eutectoide (que para aceros al carbono es de 723ºC). Estas modificaciones provocan cambios en los campos monofásicos de austenita y ferrita que, según el elemento de aleación y su cantidad relativa en la composición global del acero, puede ser muy importante.
Según las curvas, expuestas precedentemente, podemos observar que todos los elementos de aleación, en general, producen una reducción del porcentaje de composición del eutectoide. Este hecho se traduce en una seria modificación en lo que habitualmente tratamos como aceros de bajo, medio y alto carbono.
Respecto de la influencia en la temperatura de la reacción eutectoide, observamos que, en general experimenta un aumento, salvo para los casos del níquel y del manganeso, elementos para los cuales, se produce una reducción que podría sostener una estructura austenítica, en función de la cantidad de aleante que se incorpore al acero.
Debemos decir también que, para aquellos elementos de aleación que provocan reducción de la composición del eutectoide e incremento de la temperatura eutectoide, se produce una reducción del campo austenítico, situación que puede modificar las estrategias de
endurecimiento por temple, e inclusive, provocar una transformación alotrópica de hierro δ a
hierro α sin transitar por la transformación a hierro γ, situación que impediría el temple del
acero, al menos para ciertas composiciones de carbono (lo veremos en los aceros inoxidables) En la gráfica observamos el ejemplo del cromo.
Efectos de los elementos de aleación en el proceso de revenido
En general, el efecto de barrera que, en mayor o menor medida, producen todos los elementos de aleación a la difusión del carbono, funciona en este caso, como un retardador de los efectos de suavizado en el proceso de revenido (aumento de tenacidad a costa de una reducción controlada de la dureza obtenida por temple). Este fenómeno se incrementa principalmente en los aceros aleados con elementos formadores de carburos, como el cromo, el molibdeno, el vanadio y el tungsteno
Para lograr en estos casos, una difusión controlada del carbono, será necesario aumentar la temperatura de revenido entre 1200 y 1300 ºF (670ºC aproximadamente). De este modo existirá una energía adicional que permita motorizar el movimiento de los átomos de carbono.
No obstante, y según el aleante que se trate, debe cuidarse que, en aceros con fuertes composiciones de aleación, pueden experimentar incrementos de dureza durante el revenido, cuando se elige realizar el tratamiento con una temperatura superior. A este fenómeno se lo conoce como dureza secundaria, y se cree que se debe a la precipitación retardada de los finos carburos aleados a las fronteras de grano. En la gráfica anterior puede observarse este fenómeno, para aceros aleados con molibdeno.
Tipos de aceros aleados
Según la clasificación AISI-SAE, se pueden enumerar las siguientes series de aceros aleados:
Aceros al níquel (serie2xxx)
Como ya se dijo, el níquel se disuelve en ferrita y no es formador de carburos. Por otra parte, provoca una reducción de la temperatura de la reacción eutectoide. En función de estas características podemos adelantar que una incorporación de este aleante provocará un aumento en la resistencia y tenacidad del acero, debido al efecto de solución en la fase ferrítica y al afino de grano de la fase perlítica (por transformarse a una temperatura más baja).
Al disminuir la temperatura de austenización mejora las condiciones para la ejecución de un tratamiento de endurecimiento por temple, aunque no genera mejoras importantes de la templabilidad. Un exceso de níquel puede sostener cantidades considerables de austenita a temperatura ambiente.
Por lo dicho anteriormente, los aceros al níquel son utilizados como aceros estructurales de alta resistencia en condición de laminado, o para grandes piezas forjadas que no requieran de un tratamiento de temple. En la actualidad, su costo elevado, hace que sea reemplazado por aceros de la serie 86xx, y su fabricación ha sido discontinuada.
Aceros 23xx (3,5% de Ni) con bajo carbono: engranajes (si se cementan), pernos, chavetas, piezas estructurales sometidas a cargas dinámicas.
Aceros 25xx (5% de Ni): engranajes de alto torque, cigüeñales y sistemas de levas.
Aceros al cromo (serie5xxx)
El cromo es un aleante más económico que el níquel y forma carburos simples o complejos. Es soluble hasta un 13% de austenita y mantiene solubilidad ilimitada en ferrita. Esta doble función dentro de la estructura del acerohace que en ausencia de carbono sea de fácil disolución en ferrita, aumentando resistencia y tenacidad, mientras que, en presencia de carbono, se combine formando carburos y aumentando dureza, templabilidad y resistencia al desgaste. Por esta razón, los aceros de esta serie con bajo carbono son ideales para cementar, dado que logran mejorar condiciones de tenacidad en el núcleo, y de templabilidad y dureza en la capa cementada. Los aceros de medio carbono son templables en aceite y se utilizan para fabricar resortes, tornillos de alta resistencia, ejes, pernos, etc.
Los de alto carbono, para rodamientos de bolas y/o rodillos, y para maquinaria de trituración, por su excelente dureza y resistencia al desgaste.
Aceros al níquel - cromo (serie3xxx)
En estos aceros, la relación níquel / cromo es de 2,5/1 para todas las aleaciones de la serie. Una combinación de dos o más elementos de aleación produce en general, que se acumulen los efectos que generan por separado. Luego, esta serie sumará el efecto principal del níquel de aumentar la tenacidad, con el efecto del cromo de incrementar la dureza y templabilidad cuando está en presencia de carbono.
Por lo tanto, los aceros níquel – cromo de bajo carbono son ideales para cementar, con mayores prestaciones que los aceros de la serie 5xxx (aunque algo más costosos). Por su parte, los de medio carbono no requieren cementado y alcanzan buenas profundidades de endurecimiento cuando son templados. Se utilizan para fabricar engranajes de alta prestación,
ejes, y bielas para motores de combustión. En muchos casos se han reemplazado hoy, por aceros de la serie 87xx y 88xx debido a su menor costo.
Aceros al manganeso (serie13xx)
Es unos de los aleantes más baratos, y esta presente en todos los aceros dado que proviene de la composición inicial del mineral de hierro, utilizado como materia prima en la fabricación de aceros.
Dado que presenta una mayor capacidad de reacción con el oxígeno, que el hierro, se utiliza como desoxidante.
Por otro lado, resulta también más reactivo con el azufre, que el propio hierro. Esto genera una ventaja importante en la resistencia en caliente de estos aceros, ya que el sulfuro de hierro es un elemento de bajo punto de fusión, de modo que su presencia reduce fuertemente la resistencia del acero cuando aumenta la temperatura. La presencia de manganeso hace que el azufre reacciones con él, formando sulfuro de manganeso, sustancia que posee un punto de fusión mucho más alto, y que no produce una caída tan abrupta de la resistencia a alta temperatura.
Finalmente, desde el punto de vista de la estructura del acero, el manganeso tiende más a disolverse en la ferrita que a ser un formador de carburo y, además, reduce la temperatura de la reacción eutectoide.
Los aceros al manganeso que poseen más de un 10% de este aleante, mantienen una estructura austenítica a temperatura ambiente. Después de un tratamiento térmico adecuadamente controlado, estos aceros se caracterizan en general, por su alta resistencia, gran ductilidad y alta resistencia al desgaste, ideal para la fabricación de palas y dientes de excavadoras y rieles de ferrocarril. En efecto, si sobre estos aceros se aplica un calentamiento desde los 950ºC, precipitarán de la austenita, grandes carburos que rodearán los austeníticos; si luego se practica un temple desde los 1000ºC previo la disolución de los carburos, el material duplicará su resistencia mecánica, y logrará muy buena ductilidad. La dureza será relativamente baja en este momento, sin embargo, cuando el acero comience a recibir esfuerzo dinámico, experimentará un endurecimiento repentino, por la transformación de algún grano de austenita en martensita a causa de la energía del impacto. El proceso culminará con un revenido a 250ºC para eliminar tensiones.
Aceros al molibdeno (serie4xxx)
El molibdeno es un elemento de aleación relativamente costoso y tiene limitada solubilidad, tanto en austenita como en ferrita. Su mayor propiedad es ejercer un gran aumento de la templabilidad, y de forma igual al cromo, aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura.
No es común utilizarlo como único elemento de aleación. Suele combinarse con níquel, con cromo o con ambos. Para aplicaciones en piezas cementadas, mejora la resistencia al desgaste de la superficie cementada, y la tenacidad del núcleo.
Aceros 40xx y 44xx: sólo molibdeno, con bajo carbono, son adaptadas para cementar y utilizadas en árboles de transmisión y ruedas dentadas en condiciones de servicio no tan severas.
Aceros 41xx: cromo – molibdeno, son relativamente baratos y poseen muy buenas características de templabilidad, ductilidad y soldabilidad.
Aceros 46xx – 48xx: níquel – molibdeno, conjugan la alta resistencia y tenacidad del níquel, con la elevada templabilidad del molibdeno. Utilizados para la fabricación de árboles y ruedas dentadas en servicio exigente.
Aceros 43xx – 47xx: níquel – cromo – molibdeno, poseen las excelentes propiedades de tenacidad de los aceros níquel – cromo, con la templabilidad del molibdeno. Muy utilizado en industria aeronáutica, para la fabricación de las partes estructurales de las alas, fuselaje y tren de aterrizaje.
Aceros al silicio (serie92xx)
El silicio, al igual que el manganeso, esta presente en los aceros desde la misma constitución química del mineral de hierro, y es un desoxidante barato. Es un elemento no formador de carburo, que posee una gran solubilidad en ferrita, aumentando la resistencia y la tenacidad.
Los aceros al 2% de manganeso también se conocen como aceros navales, dado su amplia utilización en la construcción de cascos de embarcaciones. Presentan un elevado límite de fluencia.
Aquellos con muy bajo carbono, y al menos, con un 3% de silicio, tiene excelentes propiedades magnéticas, y se utiliza para la fabricación de núcleos de máquinas eléctricas.
Una combinación muy particular de silicio y manganeso (SAE 9260) produce un acero de alta resistencia, y con buena ductilidad y tenacidad, que se utiliza para fabricación de resortes helicoidales y muelles.
Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables son aceros hiperaleados, con altos porcentajes de níquel, cromo y manganeso y que mantienen una gran resistencia a la oxidación/corrosión, y a la temperatura.
La norma SAE clasifica a estos aceros con un número de tres cifras.
	SERIE
	GRUPOS
	ESTRUCTURA
	SERIE BASE
	
	
	
	TIPO
	COMPOSICION
	2XX
	Cr-Ni-Mn
	Austeníticos. No magnéticos. No templables
	202
	18% Cr
4,5% Ni
0,15% C (máximo)
6,5% Mn
	3XX
	Cr-Ni
	Austeníticos. No magnéticos. No templables
	302
	18% Cr
9% Ni
0,15% C (máximo)
	4XX
	Alto Cr – Bajo C
	Ferríticos. Magnéticos. No templables
	430
	16-18% Cr
0,12% C (máximo)
	4XX
	Alto Cr – Medio C
	Martensíticos. Magnéticos. Templables
	410
	12% Cr
0,15% C (máximo)
	5XX
	Bajo Cr
	Martensíticos. Magnéticos. Templables.
Resistentes al calor
	501
	5% Cr
0,1% C (mìnimo)
La propiedad de resistencia a la oxidación se debe a una delgada y estable capa de òxido de níquel, o de óxido de cromo que rodea al acero, y que se consolida para composiciones de Cr superiores al 10%.
La figura que sigue, muestra como afecta al diagrama Fe – C, el incremento del contenido de cromo.
Vemos en la segunda gráfica (12% de Cr), como se ha reducido el campo austenítico, sin embargo, con cantidades correctas de carbono, estos aceros aún podrán austenizarse, y ser sometidos a un tratamiento de endurecimiento por temple, para lograr una estructura martensítica. Por otra parte, el importante contenido de cromo provoca un fuerte aumento de la templabilidad, siendo estos aceros, templables en aire.
Si continuamos aumentando la cantidad de cromo, hasta un 18%, advertiremos que el campo austenítico, se ha reducido sustancialmente, siendo austenizables por completo, los aceros de medio carbono (entre 0,2 y 0,35% de C). Por el contrario, los aceros que poseen menor
contenido de carbono pasarán de su estado alotrópico de hierro δ, directamente a hierro α, razón por la cual, alcanzarán la temperatura ambiente con una estructura predominantementeferrítica, sin posibilidad de templarse.
Por otra parte, la adición de níquel, en cantidades importantes, reduce la temperatura de la reacción eutectoide hasta la temperatura ambiente. De esta forma, la última transformación alotrópica no tendrá lugar, y el acero estará compuesta por granos de austenita.
Las definiciones establecidas en los párrafos anteriores definen básicamente tres tipos de aceros inoxidables:
· Aceros inoxidables martensíticos:
Con una composición de carbono entre 12 y 18%. Son magnéticos, en condición de recocido, pueden trabajarse en frío y en caliente sin dificultad. Son bastante maquinables. Su mayor propiedad es la extraordinaria dureza que alcanzan si se los templa desde las temperaturas recomendadas (a 1000ºC aproximadamente). Tienen muy buena respuesta a la oxidación y a la corrosión con algunos agentes químicos, pero siempre menor a la que presentan los aceros ferríticos y austeníticos. El revenido debe hacerse a unos 600ºC, Se utilizan para cuchillería, válvulas y cojinetes.
· Aceros inoxidables ferríticos:
Contienen entre 14 y 27% de cromo, y muy poco carbono. Dado que no pueden austenizarse, su endurecimiento, solo se logra mediante trabajado en frìo. Son magnéticos y también pueden trabajarse en caliente. Alcanzan su máxima ductilidad, y resistencia a la corrosión en condición de recocidos. Son ideales para la fabricación de recipientes por estampado. Poseen buena soldabilidad, aunque deben recocerse luego de la operación, para eliminar tensiones.
· Aceros inoxidables austeníticos:
Desarrollados con composiciones Ni-Cr, o Ni-Cr-Mn, son esencialmente no magnéticos y no templables. Se pueden trabajar fácilmente en caliente o en frío cuando se toman las precauciones adecuadas para que en forma rápida endurezcan por trabajo. Son resistentes al impacto y muy difíciles de maquinar, a menos que contengan azufre o selenio (series 303 y 306Se).
Poseen el mejor comportamiento en términos de resistencia a la oxidación y corrosión. Poseen excelente soldabilidad.
Sobre la serie base 302, y con el agregado de distintos tipos de aleantes se forma una familia de 22 aleaciones que guardan propiedades diferentes entre sí.