Elementos de Aleación en Aceros

Efectos de los Elementos de Aleación

MANGANESO (Mn): Gammageno y carburigeno (Mn₃C). Estabiliza la austenita en altos porcentajes (>7%). Forma MnS (inclusión no metálica). Es muy económico y desoxida el caldo. Se utiliza en aceros austeníticos Hadfield (12% Mn + 1% C) y aceros de herramientas indeformables (1-3% Mn).

AZUFRE (S): Forma MnS. No permite el forjado. Mejora el mecanizado. Se utiliza en aceros de construcción e inoxidables (0,06-0,3%).

FÓSFORO (P): Alfageno. Se utiliza en aceros de construcción (0,06-0,15%). Si no hay refosforación, el porcentaje de fósforo debe ser menor a 0,035%.

ALUMINIO (Al): Alfageno. Forma nitruros que bloquean el crecimiento de grano y afinan la estructura. Se utiliza en aceros refractarios (1% Al).

SILICIO (Si): Alfageno. Se utiliza en la fabricación de muelles (hasta 2% Si). Puede formar inclusiones no metálicas, desoxidando y fragilizando el acero.

CROMO (Cr): Alfageno y carburigeno. Se utiliza en aceros inoxidables (>13% Cr), aceros de herramientas indeformables (5% o 12%) y aceros de herramientas rápidos (5%). Mejora la templabilidad.

NÍQUEL (Ni): Gammageno. En aceros de construcción, aumenta la templabilidad, mejora la ductilidad reduciendo su temperatura dúctil-frágil y limita el crecimiento de grano. En aceros inoxidables, estabiliza la austenita a temperatura ambiente (8-25%).

MOLIBDENO (Mo): Alfageno y carburigeno. De bajo contenido en aleaciones para temple y revenido, aumenta la templabilidad, previene la fragilidad Krupp y restringe el crecimiento de grano (

TITANIO (Ti) y VANADIO (V): Alfagenos y carburigenos. Desoxidantes y evitan el crecimiento de grano.

WOLFRAMIO (W): Alfageno y carburigeno. Se utiliza en aceros de herramientas rápidos y de trabajo en caliente.

COBALTO (Co): Alfageno. Disminuye la templabilidad. Se utiliza en aceros para imanes y herramientas rápidas.

Clasificación de los Elementos de Aleación

• Elementos alfagenos: Si, Al, Be, P, Ti, V, Mo, Cr, B, Ta, Nb, Zr
• Elementos gammagenos: Ni, Mn, Co, C, N, Cu, Zn, Au

Presencia de los Elementos de Aleación

• Disueltos en la solución sólida: Ni, Co, Cu, Si, Al, P.
• Carburigenos: Cr, Mo, Ti, W, Mn, V, Nb.
• Inclusiones no metálicas: S, O, Si. Forman MnS, Al₂O₃, ZrO₂, silicatos.
• Metales puros: Cu, Pl.

Tipos de Aceros

Aceros Inoxidables

• Martensiticos:
• Ferriticos:
• Austeniticos:
• Refractarios:
• Resistentes a altas temperaturas:
• Válvulas: 0,33-2% C, 0,3 o 1,5 o 2,5 o 3,5% Si, 9 o 12 o 15 o 18% Cr (0,15% Ni, 1 o 2% W).
• Aplicaciones criogénicas:

Aceros de Herramienta

• Trabajo en frío:
  • Al carbono: (0,45-1,4% C,
  • No rápidos, grafíticos, indeformables, choque: 0,35-2,25% C (0,25-2,25% Mn, 0,25-2% Si, 1,75% Ni, 0,3-1,4% Mo, 0,5-1,2 o 5 o 12 o 15% Cr, 0,2% Al, 0,15-0,25% V, 0,5 o 2 o 2,5% W, 3% Co). Martensita bonificada y carburos. Temple y revenido bajo.
  • Resistentes al desgaste, Hadfield: 1,2% C, 7 o 12,5% Mn, 0,5% Si,
• Trabajo en caliente:
  • Desgaste: 1,2-2,3% C, 1-2% Si, 30-33% Cr. Matriz ferrítica y carburos.
  • Rápidos: 0,75-1,3% C, 4-4,5% Cr, 1-5% V, 1,5-20% W (3,75-8,75% Mo, 5-12% Co). Martensita revenida y carburos. Temple y revenido alto.
  • Choque: 0,3-1,3% C, 0,25-0,5% Mn, 1 o 0,25% Si, 0,75-15% Cr (1,3-4,25% Ni, 0,2-2,8% Mo, 0,4% V, 2-15% W). Martensita revenida y austenita retenida. Temple y revenido medio.

Aceros de Construcción

• En bruto de forja o laminación:
  • Bajo contenido en carbono:
    • Generales laminados:
    • Microaleados:
    • Resistentes a la corrosión: 0,02% Al, 0,12% V,
  • Medio y alto contenido en carbono:
    • Aplicaciones ferroviarias (rieles): 0,38-0,82% C, 0,65-1,75% Mn, 0,13-1,12% Si,
    • Aceros para cables: 0,35-0,85% C, 0,4-0,8% Mn, 0,1-0,35% Si,
• Tratamiento térmico:
  • Para temple y revenido: 0,17-0,65% C, 0,3-1,7% Mn,
  • Para muelles: 0,43-0,85% C, 0,5-1% Mn, 0,15-0,4 o 1,5-2% Si,
  • Para cementación: 0,1-0,25% C, 0,25-1,3% Mn (0,4-4,3% Ni, 0,15-0,3% Mo, 0,3-1,7% Cr). Temple y revenido bajo. Ferrita y perlita en el núcleo, martensita bonificada en la periferia.
  • Para nitruración: 0,28-0,45% C, 0,15-1,1% Mo, 1-3,5% Cr (0,8-1,2% Al, 0,15-0,25% V). Martensita revenida y capa nitrurada. Piezas a desgaste: válvulas, engranajes, moldes. Temple y revenido alto.

Tratamientos Térmicos

Recocido

• Recocido de ablandamiento: Proporciona la dureza adecuada a la aleación para tratamientos posteriores. Las estructuras laminares son mejores para el fresado y taladrado, y las globulares para el torneado. La estructura con mínima rugosidad se consigue con temple más revenido alto. Tipos:
  • De austenización completa: T = A₃ + 50 °C para aceros al carbono y %C
  • Globular: Para %C > 0,5. Presentan perlita globulizada (esferoidita) de matriz ferrítica con glóbulos de carbono. Es la estructura perfecta para temple y revenido por su homogeneidad, disminuyendo tensiones y deformaciones. Tipos:
    • Subcrítico: Bajo contenido en carbono (0,5-1,2%). T c1. Tipos:
      • Parcial: Perlita laminar y globular. 4-10 horas de tratamiento, enfriamiento al aire.
      • Total: Perlita globular. 2-6 horas de tratamiento, enfriamiento lento a 600 °C y luego al aire.
    • Intercrítico: Aceros para herramientas. T = A_c1 + 10 °C. Perlita + carburos.
    • Oscilante: Aceros para herramientas. La temperatura oscila entre A_c1 + 10 °C y A_c1 – 10 °C. Perlita + carburos. Más rápido que el intercrítico.
• Recocido de relajación: Busca estabilizar la austenita a temperatura ambiente. T entre 100-200 °C con tiempos de permanencia altos.
• Recocido de deshidrogenización: El hidrógeno, por su alta difusividad y baja solubilidad en el acero sólido, se agrupa formando copos de H₂ que fragilizan al acero. Para solventarlo se realiza un recocido: con recubrimiento electrolítico (170-200 °C con tiempo entre 5-15 horas) o sin recubrimiento al vacío (600 °C con tiempo = 1,5 horas).

Normalizado

No es un recocido, es parecido al temple sin revenido pero obteniendo estructuras finas de austenita revenida. Consiste en calentar poco por encima de A₃ y A_cm durante poco tiempo con enfriamiento al aire.

• Con bajo contenido en carbono: sustituye al temple y revenido dando una estructura fina pero con menos tensiones y deformaciones. Se hace después del recocido de homogeneización en productos forjados y laminados.
• En aceros hipereutectoides: se utiliza para eliminar el carbono reticular, obteniendo una estructura sorbítica más tenaz y resistente.

Temple Superficial

: objetivo calentar la sup a T>A3 austenizando y templando despues para obtener Malfa. Es necesario revenir la pieza a 150-200 para reducir fragilidad y relajar tens. Se hace en aceros BA y con %C 0,3-0,6. El C se limita para evitar grietas y define la dureza. Espesor depende de la compo del acero, densidad energetica y estado del acero. Este tratamiento se realiza por:

*induccion: rapido, automatizable, no se oxida, no aplicable a todos, inversion alta, geometrias sencillas(automocion, railes tren)

*temple a la llama: barato, accesible, poco preciso, se oxida, lento

*temple por laser y haz electrones: muy precisa, permite autop¡templado, muy caro

–Cementacion: realiza en piezas que requieren alta dureza en la sup y gran tenacidad en el nucleo.La pieza con bajo contenido en C se rodea de reactivos que difunden C a la sup a T 825-925. La difusion de C depende de T,t, composicion y potencial del C en el medio de cementacion. Dos capas:capa cementada(con mayor contenido de C), capa dura(obtiene mayor dureza despues del T+R. Se busca el %en C del eutectoide, no queremos ni Cem ni AR. Se puede proteger determinadas zonas con pintura refractaria. Los medios utilizados son: solidos(denso por heterogeneizacion y complejo), liquidos(mas aplicable pero toxico), gases (mas utilizado barato regular y no toxico). El proceso a seguir es: mecanizado, cementacion, T+R. La postcementacion es necesaria para obtener las propiedades mecanicas requeridas. Hay que tener en cuenta que el proceso de cementacion es a temp alta y tiempos largos, sera necesario regenerar.

 a. Aceros BA con bajo C: sencillo y economico. Temple desde Tcement+R

 b. Aceros MA y grano fino: maxima resistencia y tenacidad en nucleo. Enfriamiento al aire desde Tcem y Ta>Ac3 con T y R

 c. Aceros AA y grano fino: mejores caracteristicas en capa cementada. Enfriamiento al aire y T+R desde T>Ac1

 d. Aceros BA con bajo C y grano grueso, y Aceros AA en piezas de responsabilidad: el mas caro. Primero se deja enfriar desde Tcem, se regenera el grano en nucleo T>Ac3 y luego se templa desdeT>A1

Para conocer propiedades del nucleo despuesd e la ceme se realiza una pseudo-cementacion q es todo el proceso pero sin cementante

REVENIDO

Anomalias aumentan dureza: -precipitado carburo epsilon T-100 todo precipitado de carburo aumenta la dureza, -trans AR en bainita inf: T 150-350, -dureza secundaria: T 500-600 AR y ARR precipitan carburos

Anomalias aumentan fragilidad: -revenidos medios: T 250-400, precipitacion de cemen acicular y reticular es malo evitamos añadiendo silicio que eleva la forma de carburos y cemen. -revenidos altos: fragilidad krupp T 450-550, aparece en aceros de const por la formacion de nitruros o segregacion fosforo, se evita añadiendo molibdeno proporcional al coef de susceptibilidad. a mayor cantidad de nitruros y fosforos mayor sera la temp ductil fragil