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Aleaciones
Diagramas de fase
Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, al menos uno de los cuales es metálico. Las dos categorías principales de aleaciones son 1) soluciones sólidas, y 2) fases intermedias.
Una solución sólida es una aleación en la que un elemento se disuelve en otro para formar una estructura de fase única.
En una solución solida, el solvente o elemento base es metálico, y el elemento disuelto puede ser metálico o no metálico. Este tipo de Soluciones vienen en dos formas.
Fase intermedia debido a que su composición química es intermedia entre los dos elementos puros. Su estructura cristalina también es diferente de aquella de los metales puros. En función de la composición, y con el reconocimiento de que muchas aleaciones consisten en más de dos elementos, dichas fases intermedias pueden ser de varios tipos, incluyendo 1) compuestos metálicos que consisten en un metal y un no metal, como el Fe3C; y 2) compuestos intermetálicos, dos metales que forman un compuesto, como el Mg2Pb. Es frecuente que la composición de la aleación sea tal que la fase intermedia se mezcle con la solución sólida primaria para formar una estructura de dos fases, una dispersa en la segunda.
Es un medio gráfico de representar las fases de un sistema de aleación metálica como una función de la composición y la temperatura.
El diagrama de Fase Hierro - Carbono
Producción de HIerro y Acero
Aceros
Hierros Colados
El hierro puro se funde a 1539°C. Durante la elevación de temperatura pasa por varias trasformaciones de fase solida.
a temperaturas ambiente es alfa (a) o también conocida como ferrita.
A 912°C la ferrita se convierte en gama (y) y ahora se llama austenita.
A 1394°c se convierte en delta (L) en la que permanecerá así hasta fundirse.
Lo podemos encontrar en 3 variantes diferentes
Hierro electrolítico siendo el mas puro con el 99.99%, que se suele usar en investigaciones
Hierro lingote que tiene 0.1% de impurezas
por ultimo el Hierro forjado que puede llegar a tener un 3% de escoria pero muy poco carbono
Existe una característica similar en la región sólida del diagrama con 0.77% de carbón y 723 ºC (1 333 ºF). Ésta se denomina composición eutectoide. Los aceros por debajo de este nivel de carbono se conocen como aceros hipoeutectoides, y por arriba de ese nivel, de 0.77% a 2.1%, se les llama aceros hipereutectoides
Produccion de Hierro
Alto Horno
Horno de Oxigeno básico
Horno de arco eléctrico
Fundición de lingotes
Fundición o Colada Continua
Este estudio de la producción de hierro y acero comienza con los yacimientos de mineral de hierro y otras materias primas que se requieren. Después se estudia la producción de hierro, en la que éste se reduce de los minerales, y la fabricación de acero, en la que se refina para obtener la pureza y composición (aleación) que se desean. Luego se consideran los procesos de fundición que se efectúan en la acería
El mineral principal que se usa para producir hierro y acero es la hematita (Fe2O3). Otros minerales de hierro son la magnetita (Fe3O4), siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3-xH2O) donde el valor de x es de alrededor de 1.5). Los yacimientos de hierro contienen de 50% a alrededor de 70% de hierro, en función de su ley** (la hematita contiene casi 70% de hierro). Además, hoy día se utilizan mucho los desechos de hierro y acero para producir hierro y acero.
El coque es un combustible de carbono alto que se produce por medio de calentar durante varias horas carbón bituminoso en una atmósfera escasa en oxígeno, para luego rociarle agua en torres de enfriamiento especiales. El coque desempeña dos fun-ciones en el proceso de reducción: 1) es un combustible que suministra el calor para las reacciones químicas, y 2) produce monóxido de carbono (CO) para reducir el mineral de hierro. La caliza es una roca que contiene proporciones grandes de carbonato de calcio (CaCO3). La caliza se utiliza en el proceso como fundente con el cual reaccionar y retirar las impurezas tales como escoria del hierro fundido.
Un alto horno es una cámara refractaria recta con diámetro de 9 a 11 m (30 a 35 ft) en su parte más ancha, y altura de 40 m (125 ft), en el que se fuerzan gases calientes dentro de la parte baja de la cámara a tasas elevadas para llevar a cabo la combustión y reducción del hierro.
La carga desciende con lentitud desde la parte superior del horno hacia su base y se calienta a temperaturas de alrededor de 1 650 ºC (3 000 ºF). La combustión del coque se lleva a cabo con gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y combustibles) que pasan hacia arriba a través de las capas de la carga de material. El gas CO tiene un efecto reductor en el mineral de hierro; la reacción (simplificada) se escribe como sigue (se usa hematita como el mineral de inicio):
El dióxido de carbono reacciona con el coque para formar monóxido de carbono:CO2+ C(coque) A2CO (6.3b)que entonces realiza la reducción final del FeO a hierro:FeO + CO A Fe + CO2(6.3c)El hierro fundido gotea y se colecta en la base del alto horno. Éste se lleva periódicamente a carros tanque para hierro fundido a fin de transferirlo a las operaciones siguientes de fabricación de acero.El papel que juega la caliza se resume como sigue. En primer lugar, la caliza se reduce a cal (CaO) por calentamiento, así:CaCO3A CaO + CO2(6.4)La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre, (S) y alúmina (Al2O3) en reacciones que producen una escoria fundida que flota sobre el hierro.Es instructivo notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materias primas para producir una tonelada de hierro. Las proporciones de los ingredientes son las siguientes: 2.0 ton de mineral de hierro, 1.0 ton de coque, 0.5 ton de caliza, y (aquí la esta-dística es sorprendente) 3.5 ton de gases. Una proporción significativa de los subproductos se recicla.
https://www.youtube.com/watch?v=-tYQ_qd4Lt4
El horno de oxígeno básico produce alrededor del 70% del acero de Estados Unidos. El BOF es una adaptación del convertidor Bessemer. Mientras que el proceso Bessemer utiliza aire que pasa a través del arrabio fundido para quemar las impurezas, el proceso de oxígeno básico utiliza oxígeno puro.
El recipiente común del BOF mide cerca de 5 m (16 ft) de diámetro interno y procesa de 150 a 200 toneladas en una sola colada.
En las plantas siderúrgicas integradas se transfiere el arrabio desde el alto horno al BOF en carros de ferrocarril llamados carros cuchara de hierro caliente. En la práctica moderna, al hierro fundido se agrega chatarra de acero por cerca del 30% de una carga normal del BOF. También se agrega cal ( CaO ) . Después de la carga, se inserta la lanceta en el recipiente de modo que su punta se encuentre a 1.5 m (5 ft) por arriba de la superficie del hierro fundido. Se sopla O2 a alta velocidad desde la lanceta, lo que provoca combustión y calentamiento en la superficie del recipiente del metal fundido.
El carbono disuelto en el hierro y otras impurezas tales como silicio, manganeso y fósforo se oxidan.
https://www.youtube.com/watch?v=coexBFa6OUw
Estos hornos tienen cubiertas removibles para cargarlos desde arriba; la extracción se lleva a cabo por medio de la inclinación del horno com pleto. En el horno se carga chatarra de hierro y de acero seleccionadas por sus composiciones, junto con ingredientes de aleación y caliza (fundente), y se calientan por medio de un arco eléctrico que va de grandes electrodos a la carga de metal. La fundición total requiere cerca de 2 horas; el tiempo de introducción a extracción es de 4 horas.
s común que las capacidades de los hornos eléctricos varíen entre 25 y 100 toneladas por colada. Los hornos de arco eléctrico destacan por la mejor calidad del acero pero su costo por tonelada producida es mayor, en comparación con el del BOF. Por lo general, el horno de arco eléctrico se asocia con la pro-ducción de aceros de aleación, aceros para herramientas y aceros inoxidables.
Los lingotes de acero son fundiciones discretas y grandes que pesan menos desde 1 ton hasta 300 ton (el peso de la colada total). Los moldes de los lingotes están hechos de hierro al alto carbono y están abiertos arriba o abajo para retirar la colada solidificada.
La sección transversal puede ser cuadrada, rectangular o redonda, y su perímetro por lo general es corrugado para incrementar el área superficial a fin de que se enfríe más rápido. El molde se coloca en una plataforma denominada banc o escabel; después de solidificarse, el molde se eleva, y deja la fundición sobre el banco.
El acero fundido se vierte desde un recipiente hacia un contenedor tempo-ral llamado cacerola, que dosifica el metal hacia uno o más moldes de fundición continua. El acero comienza a solidificarse en las regiones exteriores conforme viaja hacia abajo a través del molde enfriado por agua. Un rocío de agua acelera el proceso de enfriamiento. Mientras está caliente y es plástico, el metal se cambia de orientación vertical a horizontal. Entonces se corta en secciones o se alimenta en forma continua a un laminador (véase la sección 21.1) en el que se le da forma de lámina o bloque de acero u otras secciones transversales.
El acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que varía entre 0.02% y 2.11%. Es frecuente que también incluya otros ingredientes de aleación: manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbono lo que convierte al hierro en acero. Existen cientos de composiciones de acero disponibles en el comercio.
Estos aceros contienen carbono como elemento principal de la aleación, y sólo pequeñas cantidades de otros elementos (lo normal es alrededor de 0.5% de manganeso). La resistencia de los aceros simples al carbono se incrementa con el contenido de éste; en la figura 6.12 se presenta una gráfica común de esa relación.
El contenido creciente de carbono da resistencia y dureza al acero, pero reduce su ductilidad. Asimismo, los aceros al alto carbono pueden ser tratados para formar martensita, lo que los hace muy duros y fuertes
Contienen menos del 0.20% de C y son por mucho los más uti lizados. Las aplicaciones normales son en las piezas automotrices de lámina, placa de acero para la fabricación y vías férreas. Es relativamente fácil dar forma a estos aceros, lo cual los hace de uso muy difundido en aplicaciones que no requieren una resistencia elevada. Por lo general, también los aceros fundidos caen en este rango de carbono.
Su contenido de carbono varía entre 0.20% y 0.50%, y se especifican para aplicaciones que requieren una resistencia mayor que las de los aceros al bajo carbono. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y piezas de motores tales como cigüeñales y rodillos de transmisión.
Contienen carbono en cantidades superiores a 0.50% y se especifican para aplicaciones que necesitan resistencias aún mayores y también rigidez y dureza. Algunos ejemplos son resortes, herramientas y hojas de corte y piezas resistentes al desgaste.
Son aleaciones de hierro<carbono que contienen elementos adi-cionales en cantidades que totalizan menos de 5% del peso. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas superiores a las de los simples al carbono para aplicaciones dadas. Las propiedades superiores por lo general significan más resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de éstas. Es frecuente que se requiera tratamiento térmico para lograr pro-piedades mejoradas.
mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Es uno de los ingredientes de aleación más eficaces para incrementar la templabilidad. En proporciones significativas, el Cr mejora la resistencia a la corrosión.
mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando éste se encuentra caliente, la templabilidad mejora con el aumento de manganeso. Debido a estos bene-ficios, el manganeso es un ingrediente que se usa mucho en las aleaciones de acero.
Incrementa la tenacidad y dureza en caliente. También mejora la templabilidad y forma carburos que dan resistencia al desgaste.
Mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la dureza pero no tanto como los otros elementos de las aleaciones del acero. En cantidades significativas me-jora la resistencia a la corrosión y es el otro ingrediente principal (además del cromo) de ciertos tipos de acero inoxidable.
Inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a tempe-raturas elevadas, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. También forma carburos que incrementan la resistencia al desgaste.
Los aceros inoxidables constituyen un grupo de aceros altamente aleados diseñados para proporcionar gran resistencia a la corrosión. El elemento principal de la aleación del acero inoxidable es el cromo, por lo general arriba del 15%. El cromo de la aleación forma una película de óxido impermeable, delgada, que en una atmósfera oxidante protege a la superficie de la corrosión.
Su composición normal es de alrededor de 18% de Cr y 8% de Ni, y son los más resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a esa composición, a veces se les identifica como inoxidables 18-8. No son magnéticos y son muy dúctiles, pero muestran un endurecimiento por trabajo significativo. El níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro-carbono, lo que los hace estables a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos se emplean para fabricar equipo de procesamiento químico y de alimentos, así como pie-zas de maquinaria que requieren alta resistencia a la corrosión.
Contienen de 15% a 20% de cromo, poco carbono y nada de níquel. Esto produce una fase de ferrita a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos y menos dúctiles y resistentes a la corrosión que los austeníticos. Las piezas fa-bricadas con ellos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores a reacción.
Tienen un contenido de carbono más elevado que los ferrí-ticos, lo que permite que se les dé resistencia por medio de tratamiento térmico (véase la sección 27.2). Tienen hasta 18% de Cr pero nada de Ni. Son fuertes, duros y resisten-tes a la fatiga, pero por lo general no tan resistentes a la corrosión como los de los otros dos grupos. Los productos más comunes incluyen instrumentos de corte y quirúrgicos.
Tienen una composición química típica de 17% de Cr y 7% de Ni, con cantidades pequeñas adicionales de elementos de aleación tales como aluminio, cobre, titanio y molibdeno. La característica que los distingue del resto de los inoxidables es que pueden fortalecerse por medio de endurecimiento por precipitación (véase la sección 27.3). A temperaturas elevadas mantienen su fuerza y resistencia a la corrosión, lo que hace que estas aleaciones sean apropiadas para aplicaciones aeroes-paciales.
Poseen una estructura que es una mezcla de austenita y ferrita en cantidades aproximadamente iguales. Su resistencia a la corrosión es similar a los grados austeníticos y muestran resistencia mejorada al agrietamiento por esfuerzo-corrosión. Las aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, bombas y plantas de tratamiento de aguas residuales.
El hierro colado es una aleación de hierro que contiene de 2.1% a 4% de carbono, y de 1% a 3% de silicio. Su composición lo hace muy apropiado como metal de fundición.
Éste tiene el tonelaje mayor entre los hierros colados. Tiene una composición que va de 2.5% a 4% de carbono y de 1% a 3% de silicio. Esta química da como resultado la formación de escamas de grafito (carbono) distribuidas en todo el cuerpo fundido hasta que se solidifica. La estructura ocasiona que la superficie del metal adquiera un color gris cuando se fractura, de donde adquiere su nombre. La dispersión de las escamas de grafito es responsable de dos propiedades atractivas: 1) buen amortiguamiento a la vibración, que es deseable en los motores y otra clase de maquinaria, y 2) cualidades de lubricación interna, lo que hace maquinable al metal fundido.
ste es un hierro con la composición del gris en el que el metal fundido recibe tratamiento químico antes de vaciarlo para ocasionar la formación de esferoides de grafito en lugar de escamas. Esto da como resultado un hierro más dúctil y fuerte, de ahí su nombre. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren resistencia elevada y buena resistencia al desgaste.
Este hierro colado tiene menos carbono y silicio que el gris. Se forma por un enfriamiento más rápido del metal fundido después del vertido, lo que hace que el carbono permanezca en combinación química con el hierro en forma de cementita (Fe3C), en vez de precipitarse de la solución en forma de escamas. Cuando se fractura, la superficie adquiere una apariencia cristalina blanca que le da su nombre al hierro. Debido a la cementita, el hierro fundido blanco es duro y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente. La resistencia es buena, con un valor común de TS de 276 MPa (40 000 lb/in2). Estas propiedades hacen que el hierro colado blanco sea apropiado para aplicaciones en las que se requiere resistencia al desgaste. Un buen ejemplo son las zapatas de los frenos de un ferrocarril.
Cuando las piezas fundidas de hierro colado blanco se tratan térmicamente para separar el carbono de la solución y formar agregados de grafito, el metal que resulta se llama hierro maleable. La microestructura nueva posee ductilidad sustancial (hasta 20% de elongación), una diferencia significativa con el metal a partir del cual se transformó. Los productos comunes hechos de hierro colado maleable, incluyen ajustes y bisagras para tubos, ciertos componentes de máquina y piezas de equipo ferroviario.
Los hierros colados pueden estar aleados para buscar propiedades y aplicaciones especiales. Estas aleaciones de hierro colado se clasifican como sigue: 1) tipos tratables térmicamente que pueden endurecerse por medio de la formación de martensita; 2) tipos resistentes a la corrosión, cuyos elementos de aleación incluyen níquel y cromo, y 3) tipos resistentes al calor que contienen proporciones elevadas de níquel para tener dureza en caliente y resistencia a la oxidación por alta temperatura.
Los metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones metálicas que no se basan en el hierro. Los metales más importantes de la ingeniería en el grupo de los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio y el zinc, así como sus aleaciones.
Aluminio y sus aleaciones
Magnesio y sus aleaciones
Cobre y sus aleaciones
Niquel y sus aleaciones
Titanio y sus aleaciones
Zinc y sus aleaciones
Plomo y el estaño
Metales refractarios
Metales Preciosos
El aluminio y el magnesio son metales ligeros y por esta característica es frecuente que se les especifique en aplicaciones de ingeniería. Ambos elementos abundan en nuestro planeta, el aluminio en la tierra y el magnesio en el mar, aunque ninguno se extrae con facilidad de su estado natural.
El mineral principal de aluminio es la bauxita, que consiste por mucho en óxido de aluminio hidratado (Al2O3-H2O) y otros óxidos. La extracción del alu-minio a partir de la bauxita se resume en tres pasos: 1) lavado y trituración del mineral para obtener polvos finos; 2) proceso Bayer, en el que la bauxita se convierte en alúmina pura (Al2O3); y 3) electrólisis, en el que la alúmina se separa en aluminio y oxígeno gaseoso (O2). El proceso Bayer, llamado así en honor del químico alemán que lo creó, involucra una solución de polvo de bauxita en sosa cáustica acuosa (NaOH) a presión, seguida de precipitación de Al2O3 puro de la solución. La alúmina es importante en el comercio por sí misma, como material cerámico de uso en la ingeniería
para separar el Al2O3 en sus elementos constitutivos requiere de disol-ver el precipitado en un baño de fundición de criolita (Na3AlF6) y sujetar la solución a una corriente directa entre las placas de un horno electrolítico. El electrólito se disocia para formar aluminio en el cátodo y oxígeno gaseoso en el ánodo.
El aluminio tiene mucha conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es excelente debido a la formación de una película superficial de óxido, delgada y dura. Es un metal muy dúctil y es notable la capacidad que tiene para adquirir la forma deseada. El aluminio puro tiene resistencia relativamente baja, pero se puede alear y tratar térmicamente para competir con ciertos aceros, en especial cuando el peso es una consideración importante.
El magnesio y sus aleaciones se encuentran disponibles tanto en forma forjada como fundida. Es relativamente fácil de maquinar. Sin embargo, en todo procesamiento del magnesio, las partículas pequeñas del metal (tales como astillas metálicas pequeñas procedentes del corte) se oxidan con rapidez, por lo que debe tenerse cuidado para evitar el peligro de incendio.
El agua de mar contiene alrededor de 0.13% de MgCl2 y es la fuente de la mayor parte del magnesio que se produce en forma comercial. Para extraer-lo, se mezcla una cantidad de agua marina con una lechada de cal, es decir, hidróxido de calcio (Ca(OH)2). La reacción resultante precipita el hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) que se asienta y se retira como pasta aguada. Después, se filtra esta pasta aguada a fin de incrementar el contenido de Mg(OH)2 para luego mezclarlo con ácido clorhídrico (HCl), que reacciona con el hidróxido para formar un concentrado de MgCl2, mucho más concentrado que el del agua marina original. Se utiliza electrólisis para descomponer la sal en magnesio (Mg) y cloro gaseoso (Cl2). Después se funde el magnesio en lingotes para su procesamiento posterior. El cloro se recicla para formar más MgCl2.
El esquema de nomenclatura del magnesio usa un código alfanumérico de tres a cinco caracteres. Los primeros dos son letras que identifican los elementos principales de la aleación (pueden especificarse hasta dos elementos en el código, en orden decreciente de porcentaje, o en forma alfabética si los porcentajes son iguales). Se en-listan dichas letras del código. Las letras van seguidas de un número de dos dígitos que indican, respectivamente, las cantidades de dos ingredientes de aleación al porcentaje más cercano. Finalmente, el último símbolo es una letra que indica cierta variación en la composición, o tan sólo el orden cronológico en el que se estandarizó para su disponibilidad comercial. Las aleaciones de magnesio también requieren la especificación del templado, y para ellas se emplea el mismo esquema básico que para el aluminio.
El cobre (Cu) es uno de los metales más antiguos que se conocen
El cobre fue uno de los primeros metales que usaron las culturas humanas (el oro fue el otro). Es probable que el descubrimiento del metal ocurriera alrededor de 6000 a.C.
En los tiempos antiguos, el cobre existía en la naturaleza como elemento libre. Hoy día, esos depósitos naturales son más difíciles de encontrar y el metal se extrae de minerales que en su mayoría son sulfuros, como la calcopirita (CuFeS2). El mine ral se tritura (véase la sección 17.1.1), se concentra por flotación y después se aparta (se derrite o funde, con frecuencia con una reacción química para separar el metal del mineral). El cobre resultante se denomina cobre ampollado, que tiene una pureza de 98% y 99%. Se emplea electrólisis para obtener niveles de pureza más elevados apropiados para el uso comercial.
En los tiempos antiguos, el cobre existía en la naturaleza como elemento libre. Hoy día, esos depósitos naturales son más difíciles de encontrar y el metal se extrae de minerales que en su mayoría son sulfuros, como la calcopirita (CuFeS2). El mine ral se tritura (véase la sección 17.1.1), se concentra por flotación y después se aparta (se derrite o funde, con frecuencia con una reacción química para separar el metal del mineral). El cobre resultante se denomina cobre ampollado, que tiene una pureza de 98% y 99%. Se emplea electrólisis para obtener niveles de pureza más elevados apropiados para el uso comercial.
El bronce es una aleación de cobre y estaño (es común el 90% de Cu y 10% de Sn),
El latónes otra aleación de cobre que resulta familiar, compuesta de cobre y zinc (es común que contenga 65% de cobre y 35% de zinc). La aleación de cobre con mayor resistencia es la del berilio-cobre (con sólo el 2% de berilio). Puede tratarse térmicamente para obtener resistencias a la tensión de 1 035 MPa (150 000 lb/in2).
Es magnético y su módulo de elasticidad es virtualmente el mismo que el del hierro y el acero. Sin embargo, es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de alta temperatura de sus aleaciones por lo general son superiores. Debido a sus características de resistencia a la corrosión, se usa mucho como elemento de aleación en el acero, como en los aceros inoxidables, y como metal de recubrimiento de otros metales, como el acero al carbono.
El mineral de níquel más importante es la pentlandita ((Ni, Fe)9S8). Para extraer el níquel, primero se tritura el mineral mezclado con agua. A fin de separar los sulfuros de los demás minerales de la mena se utilizan técnicas de flotación. Después, se calienta el sulfuro de níquel para quemar algo del azufre, y luego se funde con el fin de eliminar hierro y silicio. Se refina más en un convertidor del tipo Bessemer para obtener sulfuro de níquel (NiS) de alta concentración. Después se aplica electrólisis para recuperar níquel de alta pureza a partir del compuesto. En ocasiones, los minerales de níquel se mez-clan con otros de cobre, en cuyo caso la técnica de recuperación que se acaba de describir también produce cobre.
Las aleaciones de níquel tienen importancia comercial por sí mis-mas, y son notables por su resistencia a la corrosión y desempeño a altas temperaturas. En la tabla 6.12 se dan la composición, resistencia a la tensión y ductilidad de algunas aleaciones de níquel. Además, cierto número de superaleaciones se basan en el níquel (véase la sección 6.4).
El titanio (Ti) es abundante en la naturaleza, constituye cerca del 1% de la corteza terrestre. La densidad del titanio está entre la del aluminio y la del hierro. En las últimas décadas su importancia ha crecido debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en las que se aprovechan su peso ligero y razón resistencia-peso buena.
Los minerales principales del titanio son el rutilo, que está formado por 98% a 99% de TiO2, y la ilmenita, que es una combinación de FeO y TiO2. El rutilo es preferible como mena debido a su mayor contenido de Ti. En la recuperación del metal a partir de sus minerales, el TiO2 se convierte en tetracloruro de titanio (TiCl4) por medio de hacer reaccionar al compuesto con cloro gaseoso. A esto sigue una secuencia de etapas de destilación para eliminar las impurezas. Luego se reduce el TiCl4 muy concentrado a titanio metálico, con una reacción con magnesio; esto se conoce como proceso Kroll. Como agente reductor también puede usarse sodio. En cualquier caso, debe mantenerse una atmósfera inerte para impedir que el O2, N2 o H2 contaminen al Ti por su gran afinidad con esos gases. El metal resultante se emplea para fundir lingotes del metal y sus aleaciones.
El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo entre los metales. Es más rígido y fuerte que el aluminio, y a altas temperaturas conserva buena resistencia. El titanio puro es reactivo, lo que da problemas durante el procesamiento, en especial en estado fundido. Sin embargo, a temperatura ambiente forma una película delgada de óxido (TiO2) adhesivo que recubre y proporciona una resistencia excelente contra la corrosión.Estas propiedades han dado lugar a dos áreas principales de aplicación del titanio:1) en estado puro comercial, el Ti se emplea para hacer componentes resistentes a la corro-sión, tales como elementos marinos e implantes ortopédicos; y 2) las aleaciones de titanio se emplean como componentes de resistencia elevada en temperaturas que van de la del ambiente a 550 ºC (
Su punto de fusión bajo lo hace atractivo como metal de fundición. También da protección contra la corrosión cuando se le usa como recubrimiento del acero o hierro; el acero galvanizado es acero recubierto con zinc.
La blenda de zinc o esfalerita es el mineral principal del zinc; contiene sulfuro de zinc (ZnS). Otras menas importantes de zinc incluyen la smithsonita, que es carbonato de zinc (ZnCO3), y hemimorfato, que es silicato hidroso de zinc (Zn4Si2O7OH-H2O).La esfalerita debe concentrarse (o beneficiarse, en el argot metalúrgico) debido a la cantidad tan pequeña de sulfuro de zinc que contiene. Esto se lleva a cabo por medio de triturar, en primer lugar, al mineral, luego se muele con agua en un molino de balines (véa-se la sección 17.1.1) para crear una pasta aguada. En presencia de un agente espumante, la pasta aguada se agita de modo que las partículas de mineral flotan en la superficie y se pueden retirar (se separan de los minerales pesados de la parte inferior). Después, el sulfu-ro de zinc más concentrado se calienta a 1 260 ºC (2 300 ºF), de modo que con la reacción se forma óxido de zinc
Las aleaciones del zinc se utilizan mucho en fundición a troquel para producir componentes en masa para las industrias automotriz y de aparatos. Otra aplicación mayor del zinc se tiene en el acero galvanizado. Como el nombre lo sugiere, se crea una celda galvánica en el acero galvanizado (el Zn es el ánodo y el acero el cátodo) que lo protege del ataque de la corrosión. Por último, el tercer uso importante del zinc es para producir latón. Como ya se dijo, esa aleación consiste en cobre y zinc, en la razón de 2/3 de Cu y 1/3 de Zn, aproximadamente. El latón se estudió en el análisis del cobre. En la tabla 6.14 se enlistan varias aleaciones de zinc, con datos sobre su composición, resistencia a la tensión y aplicaciones.
Es frecuente que el plomo (Pb) y el estaño (Sn) se estudien juntos debido a sus temperaturas de fusión bajas, y porque forman aleaciones para soldar que se emplean para hacer conexio-nes eléctricas
El plomo es un metal denso con punto de fusión bajo; otras de sus propiedades son resistencia baja, poca dureza (la palabra “suave” es apropiada para describirlo), ductilidad alta y buena resistencia a la corrosión. Además de su empleo como soldadura, las aplicacio-nes del plomo y sus aleaciones incluyen las siguientes: tubos para plomería, rodamientos, municiones, metales tipográficos, protección contra rayos X, baterías de almacenamiento y amortiguamiento de vibraciones. También se utiliza mucho en productos químicos y pintu-ras. Los elementos de aleación principales para el plomo son estaño y antimonio.
El estaño tiene un punto de fusión aún más bajo que el del plomo; otras propiedades incluyen resistencia baja, poca dureza y ductilidad buena. El uso más temprano del estaño fue para hacer bronce, aleación que consistía en cobre y estaño creada alrededor de 3000 a.C. en Mesopotamia y Egipto.
Otros usos del esta-ño son para recubrir contenedores de lámina de acero (“latas de estaño”) para almacenar comida y, por supuesto, como metal de soldadura.
Los metales refractarios son aquellos capaces de soportar temperaturas elevadas. Los más importantes de este grupo son el molibdeno y el tungsteno. Otros metales refractarios son el columbio (Cb) y el tantalio (Ta). En general, estos metales y sus aleaciones pueden conservar una resistencia y dureza elevadas a temperaturas altas.
Se usa como metal puro (99.9% + % Mo) y como aleación. La aleación principal es TZM, que contiene cantidades pequeñas de titanio y zirconio (menos de 1% del total). El Mo y sus aleaciones poseen buena resistencia a alta temperatura, y a esto se deben sus tantas aplicaciones, que incluyen escudos contra el calor, elementos de calefacción, electrodos para soldadura por resistencia, troqueles para trabajos a altas temperaturas (por ejemplo, moldes para fundición a troquel) y piezas para motores de cohete y a reacción. Además de estas aplicaciones, el molibdeno también se emplea mucho como ingrediente de aleación de otros metales, como aceros y superaleaciones.
tiene el punto de fusión más alto de todos los metales puros y es uno de los más densos. Es también el más rígido y duro de todos los metales puros. Su aplicación más conocida es el filamento de los focos incandescentes. Es común que las apli-caciones del tungsteno se caractericen por temperaturas de operación elevadas, tales como elementos para cohetes y motores a reacción, y electrodos de soldadura con arco. También se utiliza mucho como elemento de aleaciones de aceros para herramientas, resistentes al calor, y para el carburo de tungsteno
Una desventaja grande tanto del Mo como del W es su propensión a oxidarse a temperaturas elevadas, por arriba de los 600 ºC
Los metales preciosos, también llamados metales nobles debido a que son inactivos en cuanto a la química, incluyen el oro, platino y plata. Son metales atractivos, disponibles en cantidades limitadas, y a través de la historia de las civilizaciones se han empleado para acuñar monedas y respaldar el papel moneda. También se les usa mucho en joyería y aplicaciones similares que aprovechan su alto valor. Como grupo, los metales preciosos poseen densidad elevada, ductilidad buena, conductividad eléctrica alta, resistencia a la corrosión y temperaturas de fusión moderadas;
es uno de los metales más pesados; es suave y se le da forma con facilidad, y posee un color amarillo distintivo que le agrega valor. Además de la moneda y joyería, sus aplicaciones incluyen contactos eléctricos (debido a su buena conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión), trabajos dentales y recubrimiento de metales comunes para fines decorativos.
Es el único metal (entre los comunes) cuya densidad es mayor que la del oro. Aunque no se usa tanto como éste, sus aplicaciones son diversas e incluyen la joyería, termopares, contactos eléctricos y equipo catalítico para el control de la contaminación de los automóviles.
es menos cara por unidad de peso que el oro o el platino. No obstante, su atractivo lustre “plateado” la hace un metal muy valioso para monedas, joyería y vajillas (que incluso adoptan el nombre del metal: “platería”). También se emplea como relleno en trabajos dentales. La plata tiene la conductividad eléctrica más elevada que cualquier metal, lo que la hace útil para contactos en aplicaciones electrónicas. Por último, debe mencionarse que el cloruro de plata y otros haluros del metal sensibles a la luz son la base de la fotografía.
Tratamientos térmicos Simples
Tratamientos térmicos Isotermicos
Tratamientos térmicos de templado y revenido
Efecto de los elementos de aleación
Tratamientos Superfiales
Soldabilidad del Acero
Por lo general, se usan tres tratamientos térmicos simples para manejar aceros: recocido de proceso, recocido, normalización y esferoidización. Estos tratamientos térmicos se emplean para lograr uno de tres propósitos: 1) eliminar los efectos del trabajo en frío, 2) controlar el endurecimiento por dispersión o 3) mejorar la maquinabilidad.
El tratamiento térmico de recristalización que se emplea para eliminar el efecto del trabajo en frío en aceros con menos de alrededor de 0.25% de C recibe el nombre de recocido de proceso. Este tratamiento se hace
de 80 a 170°C por debajo de la temperatura A1. El objetivo del tratamiento de recocido de proceso
es similar al del recocido de vidrios inorgánicos, en el que la idea principal es reducir de manera importante
o eliminar los esfuerzos residuales.
El recocido, o recocido completo, permite que el acero se enfríe lentamente en un horno, lo
cual genera una perlita gruesa. La normalización permite que el acero se enfríe con más rapidez,
al aire, y produzca perlitana. el Siguiente diagrama presenta las propiedades comunes que se obtienen
cuando se recuecen y normalizan aceros al bajo carbono.
Durante este tratamiento, que requiere
varias horas a unos 30°C por debajo de A1, cambia la morfología de la fase Fe3C a partículas
esféricas grandes para reducir el área de límite. La microestructura, conocida como esferoidita, tiene
una matriz continua de ferrita suave, que se puede maquinar (! gura 13-5). Después del maquinado,
el acero recibe un tratamiento térmico más re! nado para obtener las propiedades que se requieren.
Una microestructura similar ocurre cuando se reviene martensita un poco por debajo de A1 durante
largos periodos. Como ya se dijo, también se agregan ciertos elementos de aleación, como el Pb y
S, para mejorar las características de maquinado de aceros y se han inventado “aceros verdes” sin
plomo que tienen muy buenas características de maquinado.
simplemente involucra austenitizar el acero, templándolo a alguna temperatura por
debajo de la nariz de la curva TTT, y mantener esa temperatura hasta que toda la austenita se transforme en bainita Por lo general, el recocido y la normalización se usan para controlar la finura de la perlita;
no obstante, la perlita formada por un recocido isotérmico puede contener propiedades más uniformes, porque las magnitudes de velocidad de enfriamiento y microestructura que se obtienen
durante el recocido y normalización varían en toda la sección transversal del acero
Esta ala representa el tiempo de inicio de ferrita (Fs) en aceros hipoeutectoides o el tiempo de inicio de la cementita (Cs) en aceros hipereutectoides. Cuando un acero 1050 se austenitiza, se templa y se mantiene entre A3 y A1, la ferrita primaria
forma núcleos y crece. Al final, las cantidades resultantes de ferrita y austenita se equilibran. Del mismo modo, la ferrita primaria forma núcleos y crece hasta alcanzar su cantidad de equilibrio
en un acero 10110 entre las temperaturas Acm y A1.
Si un acero 1050 austenitizado se enfría a una temperatura comprendida entre las temperaturas
de la nariz y la correspondiente a A1, de nuevo la ferrita primaria forma un núcleo y crece hasta alcanzar la cantidad de equilibrio. A continuación, el resto de la austenita se transforma en
perlita. Una situación similar, la producción de cementita y perlita, se presenta en el caso del acero hipereutectoide.
Si se templa el acero por debajo de la nariz de la curva, sólo se forma bainita, sin que importe
cuál sea el contenido de carbono del acero. Si los aceros se templan a temperaturas debajo de la Ms, se formará martensita.
Cuando se interrumpe
un tratamiento térmico isotérmico se producen complejas microestructuras.
Por ejemplo, se podría austenitizar el acero 1050a 800°C, templar a 650°C y mantenerlo así durante 10 s (lo cual permite que se formen algo de ferrita y de perlita), luego templar a 350°C y mantenerlo así durante una hora (3,600 s). Cualquier cantidad de austenita inestable restante antes de templar a 350°C se transforma en bainita.La estructura final es ferrita, perlita y bainita. El tratamiento se complicaría aún más si el tratamiento se interrumpe a 350°C después de 1 min (60 s) y se templa. Cualquier austenita restante después de 1 min a 350°C forma martensita. La estructura Final ahora contiene ferrita, perlita, bainita y martensita.
El templado endurece casi todos los aceros y el revenido incrementa la tenacidad, resultados que se
conocen quizá desde hace miles de años. Por ejemplo, una serie de esos tratamientos térmicos se ha
utilizado para fabricar acero de Damasco y espadas japonesas de samurái.
Se produce una gran expansión de volumen cuando se forma martensita
a partir de austenita. A medida que se forman placas de martensita durante el templado, las placas rodean y aíslan pequeños depósitos de austenita. No obstante, cuando avanza la transformación, para
que se transformen los restantes depósitos de austenita, la martensita circundante debe deformarse.
Debido a que la martensita fuerte se resiste a la transformación, la martensita existente se agrieta o
permanece atrapada en la estructura como austenita retenida, lo cual puede ser un problema serio.
se templan, la superficie del acero templado se enfría rápidamente y se transforma en martensita.
Cuando la austenita del centro se transforma después, la superficie dura se somete a tensión en tanto
que el centro se comprime. Si los esfuerzos residuales rebasan la resistencia a la fluencia, se forman
grietas por templado en la superficie. Para evitar este defecto, primero se puede enfriar
a apenas arriba de Ms y mantener así hasta que la temperatura del acero se iguale; un templado subsiguiente permite que todo el acero se transforme en martensita más o menos al mismo tiempo. Este
tratamiento térmico se denomina templado arriba de Ms o temple martensítico ininterrumpido.
La rapidez a la que el acero se enfría durante el templado depende de varios factores. Primero,
la superficie siempre se enfría más rápido que el centro de la pieza. Por último,dicha
velocidad depende de la temperatura y las características de transferencia de calor del medio de templado. El templado en aceite, por ejemplo, produce un coeficiente H más bajo, o menor
velocidad de enfriamiento, que el templado en agua o en salmuera. El coeficiente H es equivalente
al coeficiente de transferencia térmica. La agitación ayuda a romper la capa de vapor (por ejemplo,
cuando el agua es el medio de templado) y mejora la rapidez total de transferencia térmica, pues lleva
líquido más fresco para hacer contacto con las piezas que se templan.
Se agregan elementos de aleación a aceros para a) obtener endurecimiento por solución sólida de la
ferrita, b) provocar la precipitación de carburos de aleación en vez de Fe3C, c) mejorar la resistencia
a la corrosión y otras características especiales del acero y d ) mejorar la templabilidad.
En aceros al bajo carbono, la nariz de las curvas TTT y TEC se presenta en
tiempos muy cortos; en consecuencia, se requiere de magnitudes de velocidad de enfriamiento muy
rápidas para producir sólo martensita. En secciones delgadas de acero, el templado rápido produce
distorsión y grietas; en aceros gruesos, no se puede obtener martensita. Todos los elementos comunes
de aleación en acero desplazan los diagramas TTT y TEC a tiempos más largos, lo cual permite obtener
sólo martensita incluso en secciones gruesas a magnitudes de velocidad de enfriamiento lentas.
Cuando se agregan elementos de aleación
al acero, se altera la estabilidad del Fe-Fe3C binario, así como el diagrama de fases (! gura 13-17).
Los elementos de aleación reducen el contenido de carbono al cual ocurre la reacción eutectoide y
cambian las temperaturas A1, A3 y Acm. Un acero que contiene sólo 0.6% de C es hipoeutectoide
y operaría a 700°C pero no formaría austenita; el acero que de otra forma sería igual y que contiene
6% de Mn es hipereutectoide y se forma austenita a 700°C.
Los elementos de aleación pueden introducir una región
de “bahía” en el diagrama TTT, como en el caso del acero 4340 (! gura 13-16). La región de bahía se
usa como base para un tratamiento térmico termomecánico conocido como deformación de la austenita
metaestable hacia 500°C (ausformado). Un acero puede ser austenitizado, templado hasta la
región de bahía, plásticamente deformado y, por último, templado para producir martensita (! gura
13-18). Los aceros sujetos a este tratamiento se conocen como aceros ausformados
Los elementos de aleación reducen la rapidez de revenido en comparación con la de un acero al bajo carbono simple. Este efecto puede permitir que los aceros de
aleación operen en forma más satisfactoria a temperaturas más altas que los aceros al bajo carbono
simples, porque el exceso de envejecimiento no ocurre durante el servicio.
Es posible producir, por medio de un tratamiento térmico apropiado, una estructura que sea dura y
fuerte en la super! cie, lo que otorga una excelente resistencia al desgaste y la fatiga, pero al mismo
tiempo da un núcleo blando, dúctil y tenaz que proporciona buena resistencia a la falla por impacto.
El revenido produce la dureza deseada en la super! cie.
Es posible calentar en forma local la super! cie usando una " ama de gas, una bobina de inducción,
un rayo láser o un haz electrónico. Se puede, si así se quiere, endurecer sólo áreas seleccionadas de la
super! cie que estén más sujetas a la falla por fatiga o por desgaste.
Estas técnicas se re! eren a la difusión controlada de carbono y nitrógeno, respectivamente Para otorgar una mejor tenacidad, es necesario
iniciar con un acero bajo en carbono.
El nitrógeno produce un efecto de endurecimiento similar al del carbono. En la cianurización,
el acero se sumerge en un baño de cianuro líquido que permite que el carbono y el nitrógeno se difundan en el acero. Durante la carbonitruración se genera un gas que contiene monóxido de
carbono y amoniaco, y tanto el carbono como el nitrógeno se difunden en el acero. Por último, en la
nitruración sólo el nitrógeno se difunde en la superficie a partir de un gas. La nitruración se realiza por debajo de la temperatura A1.