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Aceros aleados

Aceros aleados
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Concepto:Los aceros que contienen, además de impurezas permanentes Mn, Si, P, S en concentraciones corrientes, uno o varios elementos especiales o concentraciones elevadas de Si o Mn, se denominan aceros aleados.

Aceros aleados. El surgimiento y desarrollo de la construcción de automóviles, tractores, aviones máquinas herramienta y otros tipos de construcción de maquinaria moderna han ampliado el campo de aplicación de los aceros aleados, debido a que las propiedades de los aceros al carbono no satisfacen en todo los casos las exigencias de la construcción de maquinarias modernas.

Ejemplos de aceros aleados

Los elementos aleados que entran en la composición de los aceros determinan su denominación según su composición.

La finalidad de alear los aceros es elevar su resistencia mecánica, resiliencia, resistencia al desgaste, templabilidad; para los aceros de herramientas se persigue el fin de mejorar sus propiedades cortantes, elevar la resistencia a la fragilidad en su estado al rojo.

Clasificación de los aceros aleados

Según su estructura

En estado normalizado se diferencian según su estructura seis clases de aceros:

  • perlítica, martensítica, austenítica, con carburos, ledeburítica y ferrítica.

La formación de las tres primeras clases está indicada claramente en las curvas de enfriamiento trazadas durante el normalizado(enfriamiento al aire). En los aceros con poco de elementos aleadores, la curva en forma de C está situada tan próxima a la ordenada inical(poca estabilidad de la austenita), la curva de enfriamiento la cruza en la zona de formación de la mezcla de ferrita y cementita, es decir, de perlita(Fig.1 Diagrama de descomposición isotérmica de la austenita para tres clases de aceros.

Según su utilización

  • Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad
    • Aceros de gran resistencia
    • Aceros de cementación
    • Aceros de muelles
    • Aceros indeformables
  • Aceros de construcción
    • Aceros de gran resistencia
    • Aceros de cementación
    • Aceros para muelles
    • Aceros de nitruracion
    • Aceros resistentes al desgaste
    • Aceros para imanes
    • Aceros para chapa magnética
    • Aceros inoxidables y resistentes al calor
  • Aceros de herramientas:
    • Aceros rápidos
    • Aceros de corte no rápidos
    • Aceros indeformables
    • Aceros resistentes al desgaste
    • Aceros para trabajos de choque
    • Aceros inoxidables y resistentes al calor

Influencias de los elementos de aleación en las características de los aceros aleados

  • La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa, y la tendencia que en cambio tienen otros a formar carburos.
  • La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros.
  • La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad.
  • La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el revenido.
  • Mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calor, resistencia a la abrasión, etc.

Elementos de aleación en el acero

  • Níquel: desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vio que este elemento mejora las propiedades de los aceros. El empleo de aceros con níquel es sobre todo interesante para la construcción de piezas de máquinas y motores de alta calidad. Una de las ventajas más importantes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en tratamientos térmicos, lo que sirve para conseguir siempre con ellos gran tenacidad. Los aceros al níquel sometidos a temperaturas demasiado elevadas, quedan después del temple y revenido con muy buena tenacidad. El níquel, hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos térmicos pueden hacerse a temperaturas ligeramente mas bajas que las correspondientes a los aceros ordinarios.

Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con aceros al carbono. También es muy interesante señalar que para la misma dureza su resistencia a la fatiga es un 30% superior a la de los aceros de baja aleación.

Entre todos los elementos aleados, el níquel, que cristaliza como austenita en cubos de caras centradas, es el único que forma con el hierro una serie continua de soluciones sólidas. El níquel hace descender la temperatura de transformación gamma-alfa y, por lo tanto, tiende a estabilizar a bajas temperaturas la fase austenítica de caras centradas. Las aleaciones con más de 30% de níquel son austeníticas a la temperatura ambiente, y poseen ciertas propiedades magnéticas.

El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas. La aleación hierro-níquel con menos de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación muy baja, casi nula, entre 0°C y 100°C y recibe el nombre de invar.

Aceros al níquel más utilizados

  • Aceros al de níquel: 2,3% - 5% de Ni, 0,1-0,25% de C (para cementación) y con 0,25-0,4% de C (para piezas de gran resistencia)
  • Aceros cromo-níquel y aceros cromo níquel molibdeno: con porcentajes variables de C (0,1-0,22%) se emplean para cementación y con 0,25-0,4% de C se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de cromo-níquel suelen tener una relación aproximada de 1% Cr y 3% Ni.
  • Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel manganeso: 0,25- 0,4% de C para piezas de gran resistencia y con 0,1-0,25% para piezas cementadas, Ni de 1-2%, Mn 1-1,5%, Molibdeno 0,15-0,4%.
  • Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níquel: con 8-25% de Ni
  • Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níquel para estampación en caliente, algunos de los aceros al níquel para herramientas, y otros de uso poco frecuente.
  • Cromo:es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción , en los de herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxibilidad,etc.
  • Molibdeno: este elemento mejora la resistencia a la tracción, la templabilidad, la resistencia al <<creep>> de los aceros. Añadiendo pequeñas cantidades a los aceros cromo-níquel , se disminuye o elimina la fragilidad Krupp que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de los 450°C a 550°C.

También aumenta la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de aceros rápidos, pudiendo emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.

  • Wolframio: el wolframio es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros para herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte, y aceros para trabajos en calientes. Sirve para aumentar la dureza a elevadas temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500°C ó 600°C. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.
  • Vanadio: se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte.
  • Manganeso: el manganeso aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante el proceso de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a la formación de porosidades perjudiciales en el material.

Este se suele usar también como elemento de aleación. Al aumentar de 0,6 a 1,6% aproximadamente el porcentaje de manganeso en los aceros, se aumenta ligeramente su resistencia, se mejora su templabilidad, siendo interesante destacar que el manganeso es un elemento de aleación relativamente barato.

  • Silicio: este elemento aparece en todos los aceros, al igual que el manganeso, se añade intencionalmente durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más enérgico que el manganeso y se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero poros y defectos internos. Las adiciones de silicio se hacen durante la fabricación, suelen ser relativamente pequeñas y variables(0,2-0,35% de Si).

Una clase de acero para muelles muy empleadas contiene cantidades de silicio de 1,5 a 2,25% de Si. En los aceros, el silicio sirve para aumentar ligeramente la templabilidad y elevar sensiblemente el límite elástico y la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su tenacidad. Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la fabricación de chapa magnética.

  • Cobalto: el cobalto se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento, al ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de alto porcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los aceros al wolframio endurece la ferrita con lo que facilita el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de las herramientas a elevada temperatura.

El cobalto se suele emplear en los aceros rápidos al wolframio de máxima calidad en porcentaje variable de 3 a 10% Los aceros para imanes con cobalto, contienen además cromo y wolframio.

  • Aluminio: el aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener 1% aproximadamente de aluminio. También se usa en algunos aceros resistentes al calor. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir 300gr por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el grano.

En general los acero aleados de calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008% de Al.

  • Titanio: se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión íntercristalina.
  • Cobre: el cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0,15 a 0,30% de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas. Se suelen emplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5 %.
  • Boro: el boro es un elemento de aleación que ha comenzado a ser empleado recientemente. Experimentalmente se ha visto que cantidades pequeñísimas de boro del orden 0,001 a 0,006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el más efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos. Su eficacia para mejorar la templabilidad es extraordinaria, y para 0,40% de carbono puede decirse que su efecto es, aproximadamente, unas 50 veces mayor que el del molibdeno, unas 75 veces mayor que el cromo, unas 150 veces mayor que el manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel.

Enlaces externos

Fuentes

  • A. Malishev. Tecnología de los metales. Editorial Pueblo y Educación; 1989.
  • Guliáev, A, P. Metalografía Tomo I y II ; Editorial Mir Moscú; 1978.