1 DE SIDERURGIA II
TERMODINÁMICA Y CINÉTICA DEL ACERO LÍQUIDO. EL CAR#ONO EN EL HIERRO. EL SILICIO EN EL HIERRO. SOLUCIONES MULTICOMPONENTES. INTRO INTRODUC DUCCIÓ CIÓN N A LA DESCAR DESCAR#UR #URACI ACIÓN. ÓN. DESARROLLO
En la prod produc ucci ción ón de acer acero o coex coexis iste ten n tres tres fases. 1. El baño baño metá metáli lico co 2. La escor escoria ia no metál metálic ica a que flota flota sobre sobre el baño o se mezcla momentáneamente con el baño y es el medio refinante y el receptáculo para las impurezas indeseables. 3. El gas (atmósfera arriba de la escoria.
En la aceración, la presencia de un elemento o compuesto en una fase particular, dentro del baño se expresan entre paréntesis rectangulares; excepto para la fase gaseosa. Ejemplo: La conce concent ntrac ració ión n de Mang Mangane aneso so en el baño baño met metlilico co [ Mn] o !" !"n! indica contenido de Mn !anlisis" en el baño de acero. #casionalmente se rempla$a con un subra%ado. Mn. Las concentraciones en la fase escoria se denota entre paréntesis. Ejemplo: [ FeS FeS ] + (CaO )= ( FeO FeO ) + ( CaS ) disuelto en el acero reacciona con &a' disuelto disuelto en la escoria para formar $e' % Lectura# el $e% disuelto &a% , ambos disueltos en la escoria. Las concentraciones en la fase gaseosa no usan paréntesis &#. Entonces la reacción. ( FeO )+ [ C ] =CO + [ Fe Fe ]
($e' & ) &' $e *'+,# En la aceración probablemente todos los compuestos estén completamente disociados, debido a las ele'adas () s, por por ejem ejempl plo o muc* muc*o o ms ms $e2 % ' 2- +ue e#. -ero, los datos +ue consideran las constantes % acti'idades de disociación de los iones resultantes no se conocen bien. -or tanto, estas notaciones +ue acabamos de describir sean las ms con'enientes. En las reacciones re'ersibles se indican con flec*as ejemplo: en la reacción de desulfuración se escribe ms adecuadamente as. [ FeS FeS ] + (CaO ) ⇄ ( FeO )+ ( CaS ) 0.
/.
La re'ersibilidad de cual+uier reacción +umica est gobernada por / le%es +umicas bsicas. resultante o resultantes, resultantes, en E& '(')*+ ,-,)+ /'01&*2*'% /'01&*2*'% la presencia de una gran cantidad de resultante este caso e# % &a1, disueltos en la escoria, se opone a la reacción +ue procede de i$+uierda a derec*a % finalmente procede su re'ersión: la reacción procede de derec*a a i$+uierda. para una una reacc reacció ión n exot exotérm érmic ica a +ue +ue prod produ$ u$ca ca calor calor,, una una E& '(') '(')*+ *+ 3' &2 *'45 *'45'/2 '/2*1 *1/2% /2% para temperatura ele'ada forma una especie de barrera térmica contra una e'olución posterior de calor % un marcado incremento alto de la temperatura mientras la reacción procede a la derec*a, *ace +ue 1
2
disminu%a la 'elocidad, la detiene % después la in'ierte a menos +ue uno o ms de los resultantes se eliminen del sistema. Esto se relaciona con el efecto del ión com2n. 1i se +uita el ión resultante la reacción tiende a progresar después *acia un menor 'alor menor de e+uilibrio. na reacción endotérmica +ue consume calor proceder sólo si se suministra el suficiente calor para sostenerla. Las propiedades fsicas de los aceros % su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono % de su distribución. 4ntes del (((, la ma%ora de los aceros son una me$cla de 3 sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita blanda % d2ctil es *ierro con pe+ueñas cantidades de &. % otros elementos en disolución. La &ementita es un compuesto de *ierro con el 56 &, de gran dure$a % +uebradi$a. La perlita es una me$cla de ferrita % cementita con una composición especfica % una estructura caracterstica, sus propiedades fsicas son intermedias entre sus dos componentes. En la fabricación fabricación del acero la materia prima es prima es el arrabio l+uido. El afino *ace bajar el contenido de &arbono de 3 6 7,8 6 a menos de 0,8 % elimina las impure$as de 1i, Mn % -. &omo eemplo indicamos una/ composición promedio de un arrabio# &arbono & 3.9 6 1ilicio 1i /./ 6 Manganeso Mn .5 6 ósforo - .8 6 4$ufre 1 .0/ 6 El arrabio tiene las caractersticas de resistencia resistencia siguientes: siguientes: / esistencia a tracción 08 < 38 =g.> mm esistencia a compresión 78 6 ? =g.>mm / La obtención del acero es un proceso de purificación del arrabio +ue consiste principalmente en una refinación !afino" por oxidación. La oxidación puede lograrse por el oxgeno del aire o por el agregado de elementos oxidables como el óxido de *ierro. El carbono se oxida transformndose en &# % &# / % escapa en forma de gas, el silicio, el manganeso manganeso % el fósforo forman óxidos óxidos +ue se separan con la escoria. escoria. El a$ufre a$ufre no toma parte en el afino !*a sido bajado en algunos casos *asta .8 6 : eliminndolo parte en el *orno alto "
El acero se fabrica partiendo de la fundición o *ierro colado; éste es mu% impuro, pues contiene excesi'a cantidad de carbono, silicio, fósforo % a$ufre, elementos +ue perjudican considerablemente la resistencia del acero % reducen el campo de sus aplicaciones. -or estudios sabemos +ue las impure$as pro'ienen de menas, fundentes % combustibles, para la fabricación del acero es necesario someterlo a procesos fsico @ +umicos, aplicando la refinación para producir el acero en cantidades controlados de impure$as deseadas. Los procesos de refinación se basan en el principio de que los diferentes elementos se redistribuyen de manera distinta entre distintas fases y que estas fases pueden separarse por medios f0sicos. Los procesos se pueden di'idir en tres grupos principales 2
3
-ueden existir casos combinados. r ecuperar impure$as +ue no son so n perjudiciales *ota# 4lgunos procesos de refinación se reali$an para recuperar sino +ue tienen un alto 'alor intrnseco, por ejemplo recuperación de la -lata en el plomo. -ara la fabricación de acero % la -irorrefinación del &obre % el -lomo, aplicaremos el proceso El ms importante en la oxidación % eliminación en la escoria de los elementos menos nobles por un proceso +ue tiene por nombre 3'33E$*,&'* %'L'. #tro ejemplo seria la extracción de gases 4. "E+,L 5 6,% . Mediante el
# 1e basa en la diferencia en la afinidad por el #xigeno de los diferentes
elementos, también depende de las acti'idades +umicas de los elementos disueltos en la fase metlica % los óxidos disueltos en la escoria. '+3'% "7+'8'% (de (de afino en estado l0quido
rocedimiento "art0n-%iemens ! 9orno de solera ! ,fino en solera# Es una solera en la +ue se depositan las materias materias primas. La cubeta es de forma rectangular % est inclinada inclinada *acia el orificio de salida. -or el exterior exterior de la solera circula aire para refri gerar la bó'eda. La bó'eda es de ladrillos refractarios silceos. Los gases del *orno pasan por unos aspiradores recuperadores +ue in'ierten el sentido de circulación produciendo ele'adas temperaturas. En las paredes laterales estn situados los +uemadores +ue funcionan por combustible com bustible gaseoso. El re'estimiento refractario de las paredes es de 1i para el procedimiento cido % de Mg para el bsico. roceso ácido: La reducción del &arbono no se *ace sólo por oxidación, sino también por las siguientes formas: Aisolución ! %&3, ": 4ñadiendo c*atarra con poco carburo se consigue +ue el carbono se %&3, 3'&E%% reparta por el total de la masa '3E 3'&E%% : 4ñadiendo minerales de *ierro puro +ue ceden el oxgeno para la oxidación del carbono. ":+'# 4ñadiendo c*atarra % minerales de *ierro. El Mn se oxida rpidamente rpidamente % pasa a la escoria. El 1i *ace lo mismo pero ms lenta mente. El & se oxida con el oxgeno % se elimina en forma de &#. El - % el 1 no se eliminan. -roceso bsico: bsico: La gran diferencia diferencia es +ue la escoria es bsica, lo +ue permite permite la eliminación eliminación del -. -rimero se carga la materia sólida % una 'e$ fundida se carga la fundición en estado l+uido. El 1i % el Mn se oxidan rpidamente. El óxido de Mn no pasa a la escoria % cede su oxigeno al &. -osteriormente se 'uel'e a oxidar, as como el - % el 1, pasando a la escoria. La c*atarra debe ser oxidada para la descarburación, pudiéndose añadir también ferroaleaciones. 1e emplea sólo la energa eléctrica necesaria para calentar la carga % mantener las reacciones. Los *ornos pueden ser: de arcos, de inducción % de alta frecuencia. Beneralmente no se emplean para el afino de la fundición por+ue tienen un ele'ado costo. 1e emplean para ajustar la composición de aceros obtenidos por cual+uier otro método de afino. undamentalmente, eliminan - % 1. 3
4
1e emplea para mejorar la calidad del acero. 1e calienta el acero en un crisol, *ec*o con arcilla % co+ue. 4l fundirse, la escoria flota sobre el acero. 1e insufla oxgeno pro'ocando un borboteo +ue acti'a las reacciones. 4l sacar el crisol del *orno, se +uita la escoria % se 'ierte el acero en lingoteras. El afino en con'ertidor presenta la 'entaja de su 'elocidad % 'olumen, siendo el de ma%or calidad el obtenido en MartnC1iemens. El afino en Dorno eléctrico % en &risol son ms lentos % de ma%or costo, pero nos permiten un perfecto control de la composición. Los con'ertidores LA % aldo son los procedimientos ms económicos, aun+ue son ms lentos % su tamaño dificulta el estado del afino. TERMODINÁMICA Y CINÉTICA DEL ACERO LÍQUIDO
-ara entender la +umica de la aceración primaria % secundaria es fundamental comprender la termodinmica % la cinética de la fabricación del acero. -ara producir aceros a la medida de lo +ue re+uiere el cliente es esencial conocer cómo eliminar &, #/ , 1, D, F, % - e inclusiones. La composición de las inclusiones presentes en el acero puede afectar la marc*a del proceso de fabricación del acero % sus propiedades tener un fuerte impacto. Entonces, para optimi$ar las prcticas en el proceso industrial, es importante conocer *erramientas termodinmicas +ue a%uden a comprender cuantitati'amente los fenómenos in'olucrados. Es posible encontrar modelos +ue permite determinar la composición de las inclusiones resultantes cuando el acero es desoxidado con 4l, 1i % Mn. 4 partir de la composición total del acero % la () del proceso. 4s mismo calcular como se reparten re parten los distintos elementos !4l, 1i, Mn, #" entre el acero l+uido % las inclusiones utili$ando un algoritmo +ue minimi$a la energa libre del sistema. -ara todos estos casos, resulta de gran utilidad la aplicación de *erramientas *erramientas termodinmica termodinmicass +ue permiten predecir la composición de las inclusiones resultantes en el acero. TERMODINÁMICA DEL ACERO LÍQUIDO.
-ara el anlisis de los elementos +ue son impure$as comunes del acero l+uido es con'eniente utili$ar un estado estndar, por+ue en la fabricación del acero *acemos uso de soluciones metlicas diluidas. a G 6 en peso a dilución infinita. -ara cual+uier otra concentración la acti'idad se ' coeficien iente te de a=1 expres expresa a as: as: a x =( %x ) ( f x ) Aónde: f x =coefic En una dilución infinita. Fo se des'a muc*o de 0 a bajas concentraciones del elemento disuelto. 0 Experimentalmente, se determina f x como función de la composición, también ∆ G .
1e estudia por medio del e+uilibrio *eterogéneo ' 9 2 2 ) ) 9 2 2' '
' ) 'x0geno disuelto [ O ] ) &oncentración en ; en peso. f O
) &oeficiente de acti
K =
P H 2 2 O P H 2 H 2 [ O ] f O O
5
La relación experimental de gases
P H 2 2 O P H 2 2
la cual es -roporcional -roporcional a la a'. 1e muestra en la figura
en función del contenido de #xigeno. -ara dos temperaturas distintas. 1
P H 2 2 O
0,8
P H 2 2
0,6
088)&
0,4
09) & &
0,2 0
0,1
0,2
En la fig. 0. 1e obser'a +ue la acti'idad del #xigeno se incrementa al aumentar el contenido de #xigeno +ue para 09)& es alrededor de ,/36. En este punto se forma el e# l+uido % la a o permanece constante dentro del campo bifsico e @ e#. (ambién, (ambién, se 'e +ue el lmite de solubilidad del #xgeno en el *ierro l+uido se incrementa al aumentar la ().
log
{
088)&
0,7
P H 2 2 O
P H 2 H 2 [ O ]
log f O
0,6 0, 0,5
09)& 0,1 0
0,1
0,2
&oeficiente de acti
En la figura /. La expresión expresión
log
{
P H 2 2 O
P H 2 H 2 [ O ]
}
= LogK + log f O es función de la composición. 4l disminuir
el contenido de oxgeno, es decir, cuando el log f O → 0 esta expresión se aproxima a Log = .,., +ue es igual a ,89 a 09)& % a ,95 a 088)&. -ara mediciones a otras () % si se aplica a las reacciones dadas es posible obtener lo siguiente: 0 ∆ G =− RTLn K =−134700 + 61,21 T J 9 2 2 ' ) ' 9 2 2 Ae otras mediciones para la reacción. 0 ∆ G =−251900 + 58,32 T J 9 2 2 1!2 ' ' 2(g ' 2(g ) 9 2 2 ' &ombinando las dos ecuaciones 0 ∆ G =−251900 + 58,32 T J 9 2 2 1!2 ' ' 2(g ' 2(g ) 9 2 2 ' 5
6 0
9 2 2' ) ' 9 2 2
∆ G =+ 134700 −61,21 T J
' 2(g 1!2 ' 2(g ) '
∆ G =−117200 −2,89 T J
0
1e estudia por: K =
% 9 2 2 ) ) 9 2 2% %
P H 2 2 S
0
∆ G = 41170 +27 , 36 T J
P H 2 H 2 [ S ] f s
0 &ombinando con la ∆ G para la reacción. 0
9 2 2 > % 2 2 ) ) 9 2 2 % %
∆ G =−90290 + 49,41 T J
9 2 2% ) % 9 2 2
∆ G =−41170− 27 , 36 T J
H 1/ G G 1
∆ G =−131460 + 22 , 05 T J
0
0
EL CAR#ONO EN EL HIERRO
1e estudia por medio de:
( PCO )2 K = PCO [ C ] f C
& < &#/ G G /&#
2
0 &uando se combina con la ∆ G para la reacción C ( graf ) +CO 2=2 CO 1e obtiene
C ( graf )
G&
0
∆ G = 21340−41 , 84 T J
4dems el coeficiente de acti'idad, Log f c c ) ) ?/22 (;& EL SILICIO EN EL HIERRO
1e estudia la reacción ms compleja
%i 29 2 2' ) %i' 2(% 2(% 29 2 2 1i las mediciones se efect2an en un crisol de slice, la acti'idad del %i' 2 2 ) ) 1 -or tanto:
[ ]
1 P H a =[ Si ] f Si = P H 2O 2O ' Si
2
2
Ae a+u se deduce +ue para la reacción:
%i (l (l ) %i
0
∆ G =−119240−25,48 T J
I el log f Si=0,32 [ Si ] 1e *an *an real reali$ i$ado ado medi medici cion ones es simi simila lares res para para la dete determ rmin inac ació ión n de la ener energ ga a de Bibbs Bibbs % los los coeficientes de acti'idad de otros metales disueltos en *ierro l+uido. El * 2 2 % 9 9 2 2 se disuel'en en el *ierro l+uido de acuerdo con las reacciones. 6
7 0
∆ G =7200 + 47 , 78 T J
* 2 2 ) ) 2*
0 ∆ G = 63930+ 63,43 T J 9 2 2 ) ) 2 9 4 09)& % 0 atm., de F / / % % D / / el el *ierro disuel'e ,786 de Fitrógeno % ,/J6 de Didrógeno % las solubilidades se incrementan al aumentar la ().
1eg2 la Le% de 1ie'erts, la ecuación #
=
[ %! ]2
o
P !
[ %! ] =( K P )1 /2 ! 2
2
La solubilidad es proporcional a la ra$ cuadrada de la presión del gas. Aebido a lo pe+ueño de la solubilidad, no se *an obser'ado des'iaciones respecto a la Le% de 1ie'erts para estos gases en *ierro l+uido, es decir el coeficiente de acti'idad es G0. -ara la disolución de otros metales, como F / en &romo, se *an obser'ado des'iaciones a altos contenidos de F. SOLUCIONES MULTICOMPONENTES
Las acti'idades del &, 1, etc., en el acero l+uido se 'en afectadas por la presencia de otros componentes. Entonces ac aumenta aumenta cuando se añade %i , en el fundido. -ero disminu%e al añadir ' 2 2 % %i , pero disminu%e con el &u % % el "n. as aumenta al añadir & % -ara describir este fenómeno es con'eniente mantener el mismo estado estndar +ue en el caso de los fundidos binarios e introducir un segundo coeficiente de acti'idad +ue describa el efecto del segundo componente. -or tanto. -ara la a x en presencia de @ a x =[ %x ] f x x f x x '
"
"
f x x =Seg#ndo coeficientedeacti$idad f x x =es#na f#nci f#ncin nde de [ %& ] "
f x x =se acer acerca ca a 1 c#ando [ & ] ] → 0 "
Para e(#e)as [ & ] c#*+e+are+acin : "
e x
log f x =e x [ %& ] ] "
"
) &oeficiente de interacción de @ con respecto a :.
-ara la a@ %
a " =[ %" ] f x x f x x '
"
en dónde. 1e *a encontrado experimentalmente %, también, puede
explicarse desde un punto de 'ista teórico, +ue para concentraciones bajas de K e I los dos coeficientes de interacción se encuentran relacionados mediante la ecuación. "
e x = M x
%
M "
M x M "
x
e "
son los pesos atómicos de los / elementos.
ltimamente se *a determinado experimentalmente un gran n2mero de coeficientes de interacción % también a partir de la ecuación
"
e x =
M x M " "
x
e "
se *an calculado 'alores +ue se representan en tabla
1. siguiente junto con coeficientes similares para sistemas binarios simples 7
e , =
log f ,
[ %, ]
8 &
Element
−2
10 e , , 10
TABLA. 1 Coeficiente Coeficient e de interacción interacci ón
en el acero líquido
Elemento añadido Y
o
Al
disuelto
C
Cr
Cu
Mn
N
O
S
Si
X C
4.8
!.4
1."
H
1.&
"
!%.
%.%'
!%.14
N
%.&
1&
!4.'
%.#
!.%
%
O
!#.4
!1&
!4.1
!%.#
%
11.1 11.1
P S
'.8
4
Si
".&
4
.
!#.$
#
1%
%.8
.$
' .%
1.&
4.$
'.$
!.%
!#.1
!14
11.&
1&.'
4.&
#.'
!1.
!.'
&.%
!18
!.8
"."
%
%
#.&
!&
'.$
&
-ara una solución multicomponente, el coeficiente de acti'idad total de cada elemento estar determinado por el efecto de cada componente sobre dic*o elemento. En el caso de soluciones diluidas se cumple la relación. a x =[ %x ] f x x f x x - - - - f x x = [ %, ] f x x '
¿
f x
"
¿
.
) &oeficiente de acti'idad global del componente K, % est dado por:
log f , , = e , [ %, ] + e , [ %& ] + - - + e , [ %/ ] ¿
,
&
/
1. La constante de e+uilibrio para la reacción ( H 2 ) +|O| Fe, 0t =( H 2 O ) 058)& est dado por
LogK =
7050 −3,17 T
en el rango de 0893)& a
calcular:
a La expresión para la B) como una función de la temperatura. b &alcular la B) para la reacción. 1 / 2 ( O2 ) =|O| Fe, 0t a 09)& a partir de los siguientes datos. 0 H 2 ) + 1 / 2 ( O2) =( H 2 O ) 1 G =−60.180 + 13,93 T ca+ ( H
SOLUCIÓN
a" &lculo &lculo de la B) como como una función función de la temperatura. temperatura.,, deN.. deN.. H 2 ) +|O| Fe, 0t =( H 2 O ) LogK = ( H
7050 −3,17 - - - -(1 ) T
− 1 G0
-ero, LogK = 2,3026 RT - - - - - - 2 ( 2 ) Ogualando las ecuaciones !0" % !/" 7050 − 1 G 0 = −3,17 2,3026 RT
T
8
9 0
1 G =−4,575 T
( )+ 7050 T
4,575 T ( ( 3,17 )
0
1 G =−32.253,75 + 14,5 T
b" &lculo &lculo de de la B) B) para para la reacci reacción. ón.
1 / 2 ( O2 ) =|O| Fe, 0t
a 09)&
0 H 2 ) + 1 / 2 ( O2) =( H 2 O ) 1 G =−60.180 + 13,93 T ca+ ( H 0 H 2 O ) =( H 2 ) +|O| Fe, 0t 1 G =32.253,75 −14,5 T ca+ ( H
1 / 2 ( O2 ) =|O| Fe, 0t 1 G
0
=−27.926,25− 0,57 T ca+
0
1 G =−27.926,25 −0,57 ( 1873 ) ca+ 0
1 G =−28993,8 ca+ 0
1G1873 K 1873 K =−29 Kca+ ℜ s#esta
fundido de acero acero contie contiene ne .J6&, .J6&, ,?6&r ,?6&r % ,/61 ,/61,, a -or medio de la ecuación 2. n fundido log f , , = e , [ %, ] + e , [ %& ] + - - + e , [ %/ ] ¿
,
&
/
, % con los datos de la tabla 0. &alcular la a& , en el
fundido,
&alcular la a' correspondiente, correspondiente, si el fundido se encuentra en e+uilibrio con 0 atm., ' ' a a ( ) ( C O )= 0,002 , )@ de &# a 09)& en donde el producto calcular el porcentaje de oxgeno calcular
correspondiente.
SOLUCIÓN log f , , = e [ %, ] + e [ %& ] + - - + e [ %/ ] ¿
a"
, ,
& ,
/ ,
&álculo la a& / en el fundido C Cr S ¿ log f C =e C [ %C ] + eC [ %Cr ] + e C [ %S ] ¿
−2
log f C =22.10
[ 0,08 ] +(−2,4.10−2 ) [ 0,9 ] + 9.10−2 [ 0,02 ]
¿
−3
log f C =0,0176 −0,0216 + 1,8.10 −3
¿
log f C =−2,2.10 ¿
f C =0,995 ac = (%C ) ( f C ) ¿
ac = ( 0,08 ) ( 0,995 ) ac = 0,0796 9
10
b"
ac aO =0,002 aO =
0,002 =0,025 0,0796
c"
¿
aO =( %O ) ( f O ) aO =( 0,025 )
( %O )= 0,025 En soluc solucion iones es met metlilicas cas dilu diluid idas as con' con'ie iene ne util utili$ i$ar ar el esta estado do estn estnda darr +ue +ue *aga *aga +ue +ue la acti'idad acti'idad G 6peso. En una dilución dilución infinita. infinita. -ara cual+uier cual+uier otra concentración concentración la acti'idad acti'idad se expresa a x =( %x ) ( f x ) , f x G 0 en dilución infinita % no se des'a de la unidad para bajas concentraciones del elemento disuelto.
Aor quB desoxidarC La aceración es un proceso de refinación, +ue emplea la oxidación para la eliminación de impure$as del acero l+uido, para la facilidad de formación de un óxido se toma en cuenta la diferencia entre la B de formación del óxido % del óxido del metal principal !*ierro", afinidad qu0mica. Los elementos con ms afinidad +umica por el ' 2 2 +ue +ue la del $e se oxidó, mientras +ue los +ue tienen menor afinidad +ue la del $e +uedar atrapados. Fo existe claro en la formación de óxidos pero siempre ocurre ocurr e en esta secuencia s ecuencia 1i @ - @ & @ &r @ Mn @ e. I con excepción del carbono +ue escapa como &#, se +uedan como escoria. La solubilidad del ' 2 2 en el acero l+uido es ,096, pero en el acero sólido es sólo ,36. 1e reali$a la desoxidación antes de la solidificación, para pre'enir orificios, sopladuras durante la solidificación % la consiguiente creación de un producto poros o la precipitación de grandes cantidades de e#. La principal fuente de oxigeno es la añadida al recipiente durante el proceso de aceración. La adición de óxidos sólidos es el método ms com2nmente usado para reducir el oxgeno de la colada. 1e emplea el diagrama de Elling*am para este propósito. INTRODUCCIÓN A LA DESCAR#URACIÓN
El &arbono es el elemento de aleación ms importante para el acero. 4 continuación desarrollamos una tabla de propiedades, aplicaciones % ni'eles de &arbono tpicos. &arbono propiedades
4cero de ultra bajo 4cero de bajo carbono carbono P ,0 6 & P ,/86& 4lta resistencia esistencia ra$onable 4lta tenacidad 4lta ductilidad Quena abricabilidad conformabilidad (emplado ecocido Formali$ado &*apa para automó'iles 4ceros estructurales, (uberas, etc. c*apa para automó'iles, lnea •
•
• •
• •
(ratamiento 4plicaciones
10
4cero de medio 4cero de alto carbono carbono ,/8 @ ,56& ,5 @ 0,36& 4lta Mu% duro resistencia Qaja 4lta tenacidad tenacidad (empl (emplado ado % re'e re'enid nido o (emplad emplado o % re'enid re'enido o •
• •
•
Ejes Ejes,, engr engran anaj ajes es esort esortes es matric matrices, es, bielas, rieles, etc. *errami amientas de corte
11
El cont control rol del del cont conteni enido do en carb carbon ono o en acero aceross pul' pul'im imet etal al2rg 2rgic icos os duran durante te el trat tratam amie ient nto o de sinteri$ación re+uiere plantear el e+uilibrio % la cinética de la reacción del metal con la fase gaseosa. -or tanto en esta separata se aborda el estudio termodinmico. En la prctica industrial se suelen emplear diferentes atmósferas, +ue pueden contener &#, &# / , &D 7 ó D / /. &on &on a%uda a%uda de progr program amas as de clc clcul ulos os term termod odin inm mic icos os como como +Dermo-&alc , es posible reali$ar estimaciones complejas de e+uilibrio. 1e *a comprobado +ue la representación del diagrama de fases de un acero en el espacio de coordenadas potenciales acti'idad de carbono frente a 0>( facilita la selección de las atmósferas gaseosas de reacción. 1e presenta también el modo de calcular analtica % grficamente la acti'idad de carbono en función de la relación de presiones parciales (&' (&' ! (&'2 (&'2 % (&9 (&9 ! (92. (92. &omo ejemplo, se *a estudiado el control de la descarburación en el *ierro puro % en las aleaciones eC&u % eC&r. El fenómeno fenómeno de la descarburación descarburación de los aceros consiste en la pérdida de parte del carbono de su composición +umica durante un tratamiento a ele'ada temperatura, debido a su interacción con una atmósfera gaseosa. Esto suele conducir a un empeoramiento de sus propiedades mecnicas, sobre todo en las $onas próximas a la superficie del material. El grado de descarburación es función de la temperatura, de la composición +umica del acero % de la composición +umica de la fase gaseosa con la +ue reacciona. En estos procesos se re+uiere una buena predicción de las condiciones en +ue se 'erifican estas reacciones, % su extensión. En consecuencia, el anlisis termodinmico de las reacciones gas@sólido tiene un gran interés. En sistemas en los +ue *a% un flujo continuo de gas, el e+uilibrio 'iene determinado por las condiciones de la fase gaseosa, ms +ue por la composición +umica del acero. -or tanto, el control de las reacciones de carburación o descarburación 'iene dado por el potencial de carbono en la fase gaseosa, es decir, por la acti'idad del carbono. Este parmetro es función de la composición +umica de la fase gaseosa % de la temperatura. En la prctica industrial se suelen emplear diferentes atmósferas, +ue contienen especies reductoras, oxidantes o carburantes tales como &#, &# / , &D 7 o D / /. La acti'idad del & en un sistema, a & !sea gaseoso o sólido" sólido" se suele expresar empleando empleando el grafito grafito como estado de referencia, a partir de su potencial +umico o energa de Bibbs molar parcial, 0 3C − 3C , grafit grafito o = RTLna C [ 1 ] Aonde 3C es el potencial +umico del carbono en una fase o energa de Bibbs molar parcial; 0
3C , grafi grafito to
Es el potencial +umico +umico del carbono puro en forma de grafito grafito a la temperatura temperatura ( !estado
de referencia"; % aC es la acti'idad del carbono en la fase estudiada. En una fase sólida, el carbono puede estar en solución sólida !p. ej. en austenita" o formando carbu carburo ross !p. !p. ej. ej. ceme cement ntitita". a". En un gas, gas, la acti acti'i 'ida dad d de carb carbono ono se puede puede rela relaci ciona onarr con con su composición +umica; los casos ms *abituales en procesos de sinteri$ación de aceros son las me$clas &#>&#/ % % &D 7 >D >D / /. &onsiderando la reacción en e+uilibrio &' 2 2 F&G ) 2 &' 1e cumple la expresión
F2G
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12 2
CO ∆ G = RT+n [ 3] CO a C 4 1
2
Ae donde se deduce 2 CO −∆ G01 [ 4] = aC exp C O
(
2
1iendo
RT
0
)
0
0
0
∆ G1= 2 gCO,gas −g C O ,gas− g C ,grafito ,grafito 2
Ae la ec. R7S se deduce +ue el potencial potencial de carbono est asociado de forma natural a la relación de 2
CO C O
presiones parciales
H esta relación depende solamente de la temperatura % la acti'idad de
2
carbono, pero no de la presión total del gas. 1in embargo, en la prctica suele emplearse la relación CO C O
, +ue s depende de la presión.
2
El potencial de & en me$clas &D 7 >D >D / / se se asocia a la reacción 2 9 2 2 F&G ) &9 % en el e+uilibrio se deduce C H −∆ G 02 =aC exp [ 6] 2
(
4
H
RT
R8S
)
2
1iendo
0
0
0
0
∆ G2= g C H ,gas − gC , grafit grafito o − 2 g H ,gas 4nlogamente a las me$clas &#>&#/, en gases gase s con &D 7 % 4
2
C H
D / / la la acti'idad de & est relacionada con la relación
2 H 2
4
% la temperatura, pero no depende de la
presión total. Los Los acer aceros os cont contie iene nen n elem element entos os de alea aleaci ción ón +ue +ue mejo mejora ran n algu algunas nas de sus caract caracter erst stica icass fundamentales. Los aceros al carbono, como norma general, contienen: carbono, silicio, manganeso, fósforo % a$ufre., por eso, llamamos aceros aleados, a los aceros +ue adems de los cinco elementos elementos anteriores, anteriores, contienen aleantes como: n0quel/ manganeso/ cromo/
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formas mu% complicadas +ue no se deformen ni agrieten en el temple, etc. Estos aleantes pueden disol'erse en la ferrita o formar soluciones sólidas con el *ierro alfa, o bien, pueden tener tendencia a formar carburos. 4lgunos aleantes ele'an o disminu%en las temperaturas crticas de los diagramas de e+uilibrio, 4c % 4r, diagrama *ierroCcarbono. Ensanc*ar o disminuir el campo austentico o ferrtico del diagrama de e+uilibrio, % otras influencias, también relacionadas con el diagrama *ierroCcarbono, como la tendencia a grafiti$ar el carbono, a modificar el tamaño del grano, etc. El n+uel e'ita el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo +ue sir'e para producir en ellos gran tenacidad. El n+uel adems *ace descender el punto crtico 4c % por ello los tratamientos pueden *acerse a temperaturas ligeramente ms bajas +ue la +ue corresponde a los aceros ordinarios. En los aceros aleados con n+uel se obtiene para una misma dure$a, un lmite de elasticidad ligeramente ms ele'ado % ma%ores alargamientos % resistencias +ue con los aceros al carbono o de baja aleación. El n+u n+uel el es impre impresci scind ndib ible le en la fabr fabric icac ació ión n de acero aceross inoxi inoxida dabl bles es %>o %>o resis resiste tent ntes es a alta altass temperaturas, temperaturas, en los los +ue adems de cromo se emplean emplean porcentajes porcentajes de n+uel de entre un J6 al /6. El n+uel se disuel'e en la ferrita % no es un gran formador de carburos, 4umenta la tenacidad % la resistencia de los aceros recocidos, tendiendo a retener austenita en los aceros altos en cromo Es el aleante especial ms empleado en aceros aleados, usndose indistintamente en los aceros de construcción, en los de *erramientas, en los inoxidables % los de resistencia en caliente.
S1 10+% C aumenta la dure$a % la resistencia a la tracción de los aceros C mejora la templabilidad, C impide deformaciones en el temple C aumenta la resistencia al desgaste, % a la abrasión, C aumenta la resistencia en altas temperaturas C proporciona inoxidabilidad, etc. 13
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El cromo se disuel'e en la ferrita % muestra una fuerte tendencia a formar carburos de cromo % carburos complejos. Este aleante nos proporciona una gran resistencia a la tracción, aumentando la templabilidad, as como la resistencia a la fluencia mecnica, o deformación por despla$amiento del grano de acero debido al trabajo prolongado en altas temperaturas, creep de los aceros. El molibdeno en los aceros cromoCn+uel, elimina la fragilidad de re'enido, o fragilidad rupp, +ue se presenta cuando estos aceros son re'enidos en la $ona de 78) a 88). El molibdeno a aumenta también la resistencia de los aceros en caliente % reempla$a al Tolframio en la fabr fabric icac ació ión n de los los acer aceros os rpi rpido dos, s, pudi pudién éndo dose se empl emplea earr para para las las mism mismas as apli aplica caci cion ones es aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de Tolframio. El molibdeno se disuel'e en la ferrita, es un gran formador de carburos, pero también es gran estabili$ador de estos. etarda el ablandamiento de los aceros, durante el re'enido, apareciendo la dure$a secundaria. &on este aleante aleante est presente en la fabricación fabricación de la ma%or parte de las *erramientas, *erramientas, 1u uso est generali$ado generali$ado en los aceros rpidos, aceros aceros para *erramientas *erramientas de corte % aceros para trabajos en caliente. Fos permite mantener la dure$a en el aceros a ele'ada temperatura % e'itando +ue se desafilados % ablandamientos en las *erramientas, aun+ue alcancen temperaturas superiores a 8) & o 9) &. El Tolframio se disuel'e ligeramente en la ferrita % tiene una gran tendencia a formar carburos. Los carburos de Tolframio tienen gran estabilidad. El Tolframio forma carburos mu% duros % resistentes al desgaste en ele'adas temperaturas, % mejora la dure$a de los aceros a ele'adas temperaturas. etarda el ablandamiento de los aceros, durante el re'enido, apareciendo la dure$a secundaria. &on este aleante, aleante, también también est presente presente en la fabricación fabricación de la ma%or parte de las *erramientas,, tiende a afinar el grano % a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante mu% fuerte. El 'anadio es un gran formador de carburos, por ello su porcentaje es mu% pe+ueño, ./6>.36, excepto en los aceros de *erramientas,. Aificulta enormemente el ablandamiento por re'enido, % da lugar al fenómeno de dure$a secundaria. 14
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-uede no influir en la templabilidad si se encuentra disuelto. Este aleante nos proporciona el e+uilibrio necesario ante los incon'enientes del a$ufre % del oxgeno, presentes en los proceso de fabricación.
C+ '& +6'+. O 8 8 El manganeso es un desoxidante +ue e'ita +ue se desprendan gases, en la solidificación del acero % se originen poros % rec*upes en la fabricación del acero. C+ '& 21(/'. S El manganeso en los aceros nos permite laminar % forjar, por+ue el a$ufre +ue suele encontrarse en los aceros, forma sulfuros de *ierro, +ue tiene mu% bajo punto de fusión !?J0) aprox.", % en +ue temperaturas de trabajo en caliente se funde % fragili$an. El manganeso en los aceros, aumenta su resistencia, resistencia, templabilidad templabilidad,, siendo interesante interesante destacar +ue es un elemento de aleación relati'amente barato. orma carburos. Este aleante nos proporciona gran poder desoxidante, complementario al manganeso para e'itar la aparición de poros % rec*upes. Mejora la templabilidad en aceros con elementos no graficitantes % aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono, ele'a sensiblemente el lmite elstico % la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su tenacidad. limita limita su uso en las calidad calidades es superiores superiores de aceros rpidos. rpidos. Este Este aleant aleante, e, se combin combina a con la ferrit ferrita, a, aument aumentand ando o su dure$a dure$a % resist resistenci encia. a. Aismin Aisminu%e u%e la templab templabili ilidad. dad. en los aceros de alto porcentaje de carbono -ara a+uellos aceros con base de Tolframio, endurece la ferrita con lo +ue facilita el mantenimiento de la dure$a % de la aptitud de corte de las *erramientas a ele'ada temperatura. Es uno de los pocos elementos aleados +ue mue'a el punto eutectoide *acia la derec*a % reduce la templabilidad de los aceros. Este Este alea aleant nte e se empl emplea ea en los los acer aceros os de nitr nitrur urac ació ión, n, +ue +ue suel suele e tene tenerr 06 aproximadamente de aluminio. &omo desoxidante es usado com2nmente para gran cantidad de aceros. (odos (odos los aceros aleados de alta calidad contienen aluminio aluminio pero en bajo porcentaje. 1u uso como aleante solo se aplica en aceros de alta gama % en cantidades bajas, por su gran poder desoxidante desoxidante % su gran capacidad de afinar el para desoxidar % afinar el grano. Es un gran formador formador de carburos % combina rpidamente con el nitrógeno. nitrógeno. 1e usa también en los aceros inoxidables cromoCn+uel. 15
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Es un aleante nue'o en el mercado del acero. ecientes estudios de in'estigación aclaran +ue mnimas cantidades de boro del orden ,0 a ,96, mejoran enormemente la templabilidad, siendo el ms efecti'o de los aleantes % el de ma%or capacidad de temple. La templabilidad es tan grande, +ue para un mismo mismo aceros de ,76 de carbono, su aleación es: C 8 'eces superior a la de molibdeno C 58 'eces superior a la de cromo C 08 'eces superior a la de manganeso C 7 'eces superior a la de n+uel La utili$ación de este elemento presenta bastantes dificultades, por+ue es un desoxidante mu% fuerte. 1e emplea en los aceros de ,3 a ,86 de carbono.
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