Aleaciones Ferrosas - Trabajo Final

ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

INTRODUCCIÓN Una aleación es una mezcla sólida homogénea con dos o más elementos donde por lo menos uno de ellos debe ser un metal por lo que cada uno de éstos le otorgará las propiedades características características al material que la aleación aleación forme. A las aleaciones ferrosas también se las conoce como ferroaleaciones debido a que el término ferro término ferro se refiere a cualquier compuesto que sea relativo al Hierro(Fe), las cuales representan cerca del 90% de la producción de metales a nivel mundial motivo por el cual es una de las aleaciones con mayores aplicaciones a la ingeniería. Las ferroaleaciones pueden tener uno o múltiples reactivos conocidos como los sistemas de aleaciones tal como los de níquel o cobalto. Estas aleaciones fueron ingeniadas experimentalmente mediante la identificación de diferentes elementos para combinar el hierro y desarrollando métodos para introducirlos en los sistemas de control de producción del acero.

TIPOS DE FERROALEA FERROALEACIONES CIONES Existen varios tipos de estas aleaciones disponibles, dentro de las cuales incluimos el ferromanganeso, ferrocromo, ferrosilicios, entre otros. Las funciones vitales de este tipo de aleación son la formación de los aceros, donde existe una gran cantidad de ferroaleaciones cuyo objetivo es la desoxidación del hierro al igual que algunos ferromanganesos y ferrosilicios, aquí encontramos también las que buscan la contribución de otros metales para conseguir aceros especiales con características concretas como los ferrotungstenos, ferrocromos, fer roníqueles, ferrovanadios, etc. Los ferrosilicios son usados para prevenir la pérdida de carbono durante la producción de la producción de a cero y hierro fundido, también aporta directamente con su dureza y carácter desoxidante. La industria de ferrocromo se ha desarrollado en estrecha proximidad proximidad a la industria del acero inoxidable. inoxidable. Sin embargo, el cierre cierre de las instalaciones productoras de ferrocromo ha dado lugar la migración de la producción de ferrocromo a áreas productoras de cromita. A pesar de esto, el ferrocromo aún es utilizado para proveer resistencia a la corrosión en los aceros inoxidables además de que son usados como agentes en contra de los efectos riesgosos del azufre durante la producción del acero

PRODUCCIÓN DEL ACERO Las ferroaleaciones están relacionadas con la producción del acero razón por la cual han existido reportes de producción anuales de millones de toneladas por año, esto incluye al metal fundido para ser aplicado a varios servicios entre ellos, donde requiera estar en contacto constante a muy altas temperaturas tales como las turbinas de gas, materiales que serán expuestos a cargas muy pesadas con altas potencias mecánicas y los aceros inoxidables usados en ambientes donde sus condiciones normales son de altas resistencia de corrosión. Las ferroaleaciones tienen usualmente rangos de temperaturas más bajas para el punto de fusión en comparación con los elementos puros, por ello pueden ser combinados con mayor facilidad con hierro derretido lo cual provee de varias ventajas durante la producción. Existen diferentes tipos de hornos usados para producir estas ferroaleaciones incluyendo hornos sumergidos de arco eléctrico, hornos de reacción exotérmica o metalotérmica y celdas electrolíticas.


Fig 1. Representación del Alto horno (Fuente: Biblioteca v irtual Microsoft Encarta 2010)

VENTAJAS Para el proceso de fabricación de éstas existe una gran variedad de métodos en donde se somete al hierro a altas temperaturas a medida que se le van agregando más materiales. Entre ellas tenemos las fundiciones de hierro que son aleaciones de: hierro carbono entre 2 al 5 %, silicio del 2 al 4%, manganeso hasta 1%; éstas se obtienen luego de pasar al hierro a distintos procesos reductores a altas temperaturas. Las aplicaciones y ventajas que tienen las fundiciones son bastantes y entre las más destacadas tenemos las siguientes:     





Resistencia al choque térmico, al desgaste y a la corrosión Son soldables, templables, tenaces y dúctiles Son muy abundantes en la tierra además de que son de bajo costo también Versatilidad: alto rango de propiedades físicas y químicas Pueden ser fundidas varias y calentadas para obtener propiedades específicas Alta capacidad para absorber las vibraciones mecánicas y conducir electricidad Para el proceso de formación no se necesitan hornos costosos.

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO El diagrama Hierro-Carbono sirve para ilustrar los diferentes puntos en los cuales se funden los materiales y cuál es el porcentaje de carbono que tiene cada metal. Aquí, ver fig. 2, podemos darnos cuenta que existen tres fases sólidas, ferrita, austenita y cementita que existen en las aleaciones de hierro y carbón .

· · · · · · ·

Ferrita (α): Fase en la cual existe una solución sólida intersticial de C en una estructura cristalina BCC. La solución sólida intersticial de carbono en hierro. Austenita (ɣ): La solución sólida intersticial del carbono en hierro. Fase en la cual el Fe tiene una estructura cristalina CCC Su solubilidad es mucho más alta para el carbono que la ferrita. Cementita (Fe3C): Es un compuesto intermetálico, es decir, sistema aleado que se presenta en fase sólida composición de 6.67% C y 93.3% Fe.


Fig. 2 Fases sólidas en el diagrama de fases Fe-Fe C (Fuente: Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales - 4ta Edición - William F. Smith & Javad Hashemi) 3

Tratamientos Térmicos de Aleaciones Ferrosas Es el proceso térmico (exponer a muy altas o bajas temperaturas) por el cual pasan los materiales para modificar una o varias de sus propiedades. Un ejemplo puntual es el acero, principalmente se busca alterar las propiedades mecánicas del mismo. Las Modificaciones que se le pueden dar al acero por tratamiento térmico son muchas pero entre ellas destacan el endurecimiento, el ablandamiento, incremento de tenacidad, incremento de resistencia a la fatiga e incremento a la resistencia de corrosión.

Tipos de Tratamientos Térmicos: Endurecimiento Consiste en calentar el metal a la temperatura correcta y además constante y luego enfriarlo utilizando cualquier método de enfriamiento. Esto aumenta la tensión y disminuye la ductilidad.

Isotérmico Consiste en la autenticación del Acero a temperatura constante con un enfriamiento veloz para que la austenia (se produce al someter el acero a elevadas temperaturas) se convierta en perlita (producto del enfriamiento veloz de la austenia).

Recocido Su objetivo principal es el de ablandar el acero o cualquier aleación ferrosa y eliminar tenciones internas. Se usa para eliminar el endurecimiento debido a la deformación.

Temple y Revenido El tratamiento de revenido (hace más tenaz la aleación) sirve para contrarrestar los efectos secundarios del temple del acero ya que luego del tratamiento de temple en el cual se gana dureza para la aleación pero quedando tan frágil que se rompería al mínimo golpe.

Nomenclatura de las Aleaciones A las Aleaciones se les da su nomenclatura dependiendo de sus características químicas, calidad, uso que se le dará o gr ados de soldabilidad.


Por ejemplo si damos como ejemplo en el acero algunas de las normas de clasificación de este son: Según el AISI su estructura general es ZYXX Cifra Z indica el tipo de acero (o aleación). Cifra Y indica, para el caso de aceros de aleación simple, el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleación Cifra XX indica el tanto por ciento (%) en contenido de carbono (C) multiplicado por 100 Según SAE - Aceros al carbono: SAE 10XX, donde XX indica el contenido de Carbono (C) - Aceros de media aleación: SAE es del tipo SAE 15XX, donde el porcentaje de Mn varía entre 1,20 y 1,65, según él %C. Y así como existen estas existen muchas normas que se dan para la clasificación de las aleaciones todo depende de los usos o características se utilicen de cada Aleación.

Fundición. La fundición es una forma de metalurgia extractiva que se clasifica al igual que las aleaciones ferrosas dependiendo de la cantidad de carbono que el metal contiene generalmente un 2,1% de carbono, sin embargo en ciertas prácticas es común que se encuentre un porcentaje de carbono de 3 y 4,5% entre otros elementos de adición.

En las figuras mostradas en la parte superior que son diagramas de fase hierro – Carburo de Hierro muestran que las aleaciones comprendidas en esos tramos de composición se funden a temperaturas de (1150 – 1300 grados centígrados), explicación por la que los metales al ser fundidos se pueden moldear con facilidad, el moldeo es una técnica de conformación desarrollada en los años 20 y que han generado grandes avances hasta la actualidad. Debido a la cantidad de carbono obtenido la fundición lo podemos clasificar en 3 tipos:   

Fundición Gris Fundición Dúctil Fundición Blanca y maleable


Fundición Gris: El nombre de fundición gris se debe a la presencia de grafito en la superficie del metal de forma escamosa o laminada, la cual produce una apariencia gris al ser vista mediante el microscopio, la superficie del metal es de tipo fracturada además de que su contenido de carbono varía entre 2,5 y 4,0 %, y de silicio entre 1,0 a 3,0% en su superficie. Las fundiciones grises mecánicamente son comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción debido a su microestructura, principalmente las láminas de grafito actúan como puntos de concentración de tensiones a una fuerza externa, pese a esto las fundiciones grises presentan propiedades muy características y útiles dando como ejemplo la amortiguación de la energía vibracional, además de poseer alta resistencia al desgaste.Este tipo de fundición al llegar al punto de colada tiene mucha fluidez por lo que son muy maleables y no presentan muchas contracciones, es uno de los tratamientos que produce materiales muy baratos. Se pueden aplicar varios tratamientos térmicos y de concentración para mejor las propiedades del material enfocándose en su microestructura.

Fundición Dúctil: La fundición dúctil a diferencia de la gris presenta microestructuras esferoidales, es decir el grafito forma esferoides en vez de formar láminas como en la fundición gris debido a la inserción de pequeñas cantidades de magnesio mientras que la fundición se encuentre en estado líquido. Este pequeño cambio en su composición hace que se produzca diferentes propiedades mecánicas similares a las del acero como la resistencia a la tracción y ductilidad.

Fundición Blanca y Maleable: La fundición blanca se las aplica a aleaciones de bajo carbono (menos del 1% Si), tiene este nombre por la coloración que presenta al aplicarle a la aleación elevadas velocidades de enfriamiento, provocando que la mayoría del carbono aparezca como cementita y no como grafito (coloración gris). A consecuencia de la gran cantidad de cementina la fundición blanca es muy dura y frágil a la vez.

Acero al carbono. Un acero cuando está siendo modificado en su estructura química con carbono para cambiar sus propiedades y mejorarlas se le llama acero al carbono. Existen tres tipos de acero al carbono que depende del uso que se les vaya a dar.

1. Acero de alto carbono. El acero de alto carbono contiene de 0.6% a 1.67% de carbono, silicio mayor a 0.35%, azufre menor a 0.03%, fósforo menor a 0,03%. Las características de un acero de alto carbono es que presenta mayor resistencia a un acero normal, así mismo incrementa su dureza y su fragilidad.


Este acero con alto nivel de carbono no permite una amplia deformación del material sin romperse, es decir es bajo en ductilidad. No es apto a la deformación plástica. Puede ser sometido a tratamientos térmicos donde puede ser calentado y enfriado donde se consigue modificar su tenacidad y su resistencia al desgaste. Con el proceso de enfriamiento se debe tener mucho cuidado para evitar fisuras en el material. Estos aceros se usan en construcciones, ambientes o cuando el acero de alto carbono va a formar parte de alguna herramienta de trabajo donde se sabe que el material va a estar sometido a mucha fuerza o va a tener que resistirse al desgaste prematuro lo cual no puede hacerse con un acero con menor porcentaje de carbono.

2. Aceros De Bajo y Medio Carbono Composición De forma general son aceros que contienen menos del 0,25% de C que no adquieren dureza sensible con un temple. El resto de la composición con porcentajes exactos están dados por normas de calidad. Porcentajes de fósforo y azufre son muy comunes como impurezas en los aceros y les restan calidad. Deben mantenerse porcentajes inferiores al 0,06% y en aceros de mayor calidad inferiores al 0,03%. 



Tratamiento Se utilizan generalmente tal como los proveen las acerías sin recibir ningún tratamiento adicional. Tratamientos según normas y composición. Normas (SAE) 10XX donde XX es el contenido de C ·Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015) Conformado en frío. Se utilizan para embutidos profundos por sus cualidades de deformación y terminación superficial. Los calmados son más utilizados cuando se necesita forjarlos o llevan tratamientos térmicos. Aptos para soldadura y brazing. Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado en frío. 



·



Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053) Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento. Se utilizan en amplia variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas. El contenido de C y Mn, depende de algunos factores. Por ejemplo, cuando se desea incrementar las propiedades mecánicas, la sección o la templabilidad, normalmente se incrementa el % de C, de Mn o de ambos. Los de menor % de carbono se utilizan para piezas deformadas en frío, aunque los estampados se encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y generalmente llevan un recocido o normalizado previo. Todos estos aceros se pueden aplicar para fabricar piezas forjadas y su selección depende del tamaño y propiedades mecánicas después del tratamiento térmico. Los de mayor % de C, deben ser normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad.


SOLUBILIDAD, SOLDABILIDAD Y ACEROS INOXIDABLES En esta sección analizaremos algunas propiedades del acero como aleación ferrosa, considerando la solubilidad, la soldabilidad y aleaciones con una propiedad en particular presente como son los aceros inoxidables. SOLUBILIDAD Se define como la capacidad de toda sustancia de disolverse en uno o varios tipos de medios estos llamados solventes, este nivel dependerá de la máxima cantidad que soporte disuelto el solvente con este soluto, cuando alcance este límite máximo la solución estará saturada, hay varios procesos que permiten hallar ese valor si la solución llega a sobresaturarse este valor será er róneo. Hay distintos factores que interfieren en este nivel, cabe recalcar que no todo soluto se disuelve en cualquier solvente, y la temperatura a la que se alcance el nivel máximo también varía con respecto a cada soluto.

Los factores que interfieren son tales como: · · ·

El carácter polar y apolar Temperatura Presión La solubilidad de las aleaciones ferrosas depende del nivel de carbono y otros compuestos que contenga, por ejemplo: Austenita.- 2% de C a 2,065ºF Ferrita.- 0.025% de C a 1,333ºF

SOLDABILIDAD

· · · · · · ·

Es el procedimiento por medio del cual se unen dos o más piezas de metal, existen varias formas de realizar este proceso como son: Soldadura ordinaria Soldadura por fusión Soldadura por gas Soldadura por arco Soldadura aluminotermia Soldadura por presión Soldadura por resistencia

ACEROS INOXIDABLES El cromo juega un papel fundamental en la composición de las aleaciones inoxidables sin embargo también se necesita de la interacción del carbono, pero su nivel debe ser colocado en equilibrio, es decir debe ir estabilizado con el acero para que de esta forma el cromo este protegido y no permita la corrosión por interacción del oxígeno.


Bibliografías scopus. 

Xavier Mancheno 1. Volume 54, February 2014, pages 616-623 Effect of Joint Design on ballistic Performance of quenched and tempered steel welded Joints. Balakrishnan, M, Madhusudhan Reddy, G 2. Volume 33, issue 1, January 2012, pages 350-355 Microstructure and tensile properties of Si3N4p/2024Al composite fabricated by pressure infiltration method Xiu z. , Yang, w. , Chen, G. , Jiang, L. , Ma, K. , Wu, G. 3. 2013, Pages 1-12 Nodule Evolution of Ductile Cast Iron During solidification. Murcia, S.C. , Ossa, E.A. , Celentano, D.J. 4. Volume 55, March 2014, Pages 176-182 Characterization of friction stir welded boron carbide particulate reinforced AA6061 Aluminum alloy stir cast composite. Kalaiselvan, K. Dinaharan, I. , Murugan, N. 5. Volume 56, April 2014, pages 232-240 Improvement of mechanical properties in a dual-phase ferrit emartensite AISI4140 steel under tough-strong ferrite f ormation. Fereiduni, E. , Ghasemi Banadkouki, S.S.



Larisa Acosta 1. Volume 99, Issue 10, 2013, Pages 601-609 Influence of unstable non-equilibrium liquid iron oxide on clustering of alumina particles in steel. Mizoguchi, T.a, Ueshima, Y.b , Sugiyama, M.b, Mizukami, K.b

2. Volume 47, Issue 5, September 2013, Pages 633-636 Hydrogenation of benzene on nickel catalysts promoted by Tashkaraev, R.A.b, Kedel'Baev, B.S.

3. 2013, Pages 459-469 Technology of Ferroalloys with Rare-Earth Metals (Chapter) Polyakov, O.


4. 2013, Pages 435-447 Technology of Zirconium Ferroalloys (Chapter) Gasik, M.



Javier Campos 1. Volume 2013, Issue 6 , June 2013, Pages 418-419 Density of chromium-containing ferroalloys Andreev, N.A., Zhuchkov, V.I., Zayakin, O.V.

2. 2013, pages 417-494 Technology of Ferroalloys with Alkaline-Earth Metals Gasik, M.I.

3. 2013, pages 83-138 Ferroalloys Processing Equipment Mc Dougall, I.

4. Volume 43, Issue 8, 2013, Pages 511-514 Effectiveness of barium-bearing ferroalloys in steel smelting Golubtsov, V.A., Ryabchikov, I.V., Yarovori, K.I., Mizin, V.G., Milyuts, V.G., Levagin, E.V.



Karla Reyes Cordova 1. SAE Technical Papers

Volume 2, 2013 SAE 2013 World Congress and Exhibition; Detroit, MI; United States; 16 April 2013 through 18 April 2013; Code 97364 Advanced heat treatments for ferrous alloys (Conference Paper).

2. Handbook of Ferroalloys 2013, Pages 495-505 Complex Ferroalloys and Other Master Alloys (Chapter ) Polyakov, O. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, Ukraine


3. Journal of Materials Processing Technology Volume 214, Issue 4, April 2014, Pages 750-755 Influence of alloy elements on microstructure and mechanical property of aluminum-steel lap joint made by gas metal arc welding a

a

4. Su, Y. , Hua, X. , Wu, Y.

ab

Journal of Alloys and Compounds Volume 590, 25 March 2014, Pages 221-226 Magnetic phase diagram of Ni 2Mn1.44-xCu xSn0.56 shape memory alloys ab

c

d

d

d

d

e

Kanomata, T. , Umetsu, R.Y. , Ohtsuki, K. , Shoji, T. , Endo, K. , Fukushima, K. , Nishihara, H. , Ito, f

g

g

a

a

h

W. , Adachi, Y. , Miura, T. , Oikawa, K. , Kainuma, R. , Ziebeck, K.R.A.

Gabriela Galindo 1. Revista de metalurgia. Volume 40, issue 4, Julio 2004, paginas 294303. Simultaneous obtention of multicomponent ferroalloy and slag from black sands for the development of electrical arc welding consumables. 2. Tezhong zhuzao, ji youse hejin/special casting and nonferrous alloys Volume 31, issue, mayo 2011, paginas 400-403 Preparation of high it ferroalloy low oxygen through vacuum reduction refining. 3. Calilao gongcheng/journal of materials engineering Issue 12, diciembre 2006, paginas 78-80 Investigation of digital spectroscopic analysis on copper in f erroalloy 4. Economy of region Issue 1, 2013, paginas 167-178 The development of raw material sources of ferroalloy production: new trends and economic opportunities.


Mario Saralegui 1. The effect of microstructure and non-metallic inclusions on corrosion behavior of low carbon steel in chloride containing solutions Shibaeva, T.V., Laurinavichyute, V.K.,Tsirlina, G.A., Arsenkin, A.M.,Grigorovich, K.V. 2014 Corrosion Science 80 , pp. 299308

2. Joining phenomena and tensile strength of friction welded joint between pure titanium and low carbon steel Kimura, M., Iijima, T., Kusaka, M., Kaizu, K., Fuji, A. 2014 Materials and Design 55 , pp. 152-164 3. The effect of the multi-pass non-circular drawing sequence on mechanical properties and microstructure evolution of low-carbon steel Lee, J.W., Baek, H.M., Hwang, S.K. ,Son, I.-H., Bae, C.M., Im, Y.-T. 2014 Materials and Design 55 , pp. 898-904 4. Multi-step isothermal bainitic transformation in medium-carbon steel Wang, X.L., Wu, K.M., Hu, F., Yu, L.,Wan, X.L. 2014 Scripta Materialia 74 , pp. 56-59

Aleaciones Ferrosas - Trabajo Final

Recommend Documents