Influencia de los elementos de aleación en los aceros

En la práctica industrial llega el momento en que los aceros al carbono
no satisfacen todos los requerimientos de designaciones de servicio que desde
el punto de vista práctico existen. A veces se requieren aceros que sean
capaces de soportar la destrucción debido a la corrosión, que tengan una
mayor resistencia mecánica, que presenten mayor templabilidad, que al
trabajar a altas temperaturas mantengan dentro de límites aceptables su
resistencia mecánica. En esos casos la solución es la adición de elementos
químicos que proporcionan al acero estas propiedades. Es por ello que en el
presente Capítulo se abordarán las influencias que sobre la microestructura y
las propiedades del acero ejercen los elementos de aleación.

1 Aceros aleados. Clasificación de las impurezas.
Ø Aceros Aleados: Son aquellos aceros en los cuales con el objetivo de
obtener propiedades necesarias se introducen elementos de aleación.
Ø Elementos de aleación: Son los elementos que se adicionan al acero en
determinadas concentraciones con el fin de variar su estructura y
propiedades. En los aceros industriales, que son sistemas de muchos
componentes, los elementos de aleación pueden encontrarse
a)en estado libre. b) en forma de óxidos, sulfuros u otras inclusiones
no metálicas. c) en forma de compuestos intermetálicoscon el hierro o
entre sí. d) en la fase carburos, en forma de solución en la cementita o
de combinaciones independientes con el carbono (carburos
especiales). e) en forma de solución sólida.
Ø Impurezas Permanentes: Siempre se encuentran en cualquier acero
debido a que es casi imposible eliminarlas del todo durante los procesos
metalúrgicos de fabricación del acero. Las impurezas constantes del acero y
sus concentraciones habituales son:
Mn: 0,3 – 0,7%
Si: 0,2 – 0,4%
Al: 0,01 – 0,02%
Ti: 0,01 – 0,02%
P: 0,01 – 0,05%
S: 0,01 – 0,04%
Estas impurezas en las concentraciones indicadas no pueden ser
consideradas elementos de aleación ni los aceros que las contienen, aceros
aleados.
Ø Impurezas latentes: Son el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno, que están
presentes en cualquier acero en cantidades muy pequeñas. Los métodos
para determinarlas químicamente son complicados y por esto el contenido
de estos elementos no se indica en las condiciones técnicas ordinarias.
Ø Impurezas accidentales: Pertenecen a este grupo las impurezas que
llegan al acero procedentes de los materiales de carga o de forma
accidental.

2 Influencia de los elementos de aleación en los aceros.
2.1 Influencia de los elementos de aleación en el polimorfismo del
hierro.
Todos los elementos de aleación que se disuelven en el hierro influyen
en el intervalo de temperaturas en que existen sus modificaciones alotrópicas
es decir, desplazan los puntos A3 y A4 por la escala de temperaturas.




La mayoría de los elementos de aleación elevan el punto A4 y bajan el
punto A3, ensanchando elcampo de existencia de la modificación alotrópica
(fig.23 a), o bajan A4 y elevan A3, estrechando la región de existencia de la
modificación γ (fig.23 b).
En los diagramas esquemáticos de estado hierro – elemento de aleación
que se dan en la figura 1, puede verse que por encima de un contenido
determinado de manganeso, níquel o algunos otros elementos de aleación (fig
23 a) el estado γ existe como estable desde la temperatura ambiente hasta la
de fusión. Estas aleaciones base hierro se llaman austeníticas. Si el contenido
de vanadio, molibdeno, silicio, y otros elementos es mayor que un determinado
límite, será estable a todas las temperaturas el estado α (fig. 23b). Estas
aleaciones a partir del hierro α se llaman ferríticas. A diferencia de otras
aleaciones a base hierro las austeníticas y ferríticas no sufren transformaciones
al calentarse o enfriarse.

Figura 23 Esquema del diagrama de estado Hierro – Elemento de
Aleación.
2.2 Influencia de los elementos de aleación en la ferrita.
La solución de los elementos de aleación en el Feα se efectúa como
resultado de la sustitución de los átomos de hierro por átomos de estos
elementos. Los átomos de los elementos de aleación que se diferencian de los
del hierro por sus dimensiones y estructura, crean en la red tensiones que
provocan la variación de su naturaleza. Todos los elementos que se disuelven
en la ferrita hacen que varíen los parámetros de la red de esta en un grado
mayor, cuanto más se diferencian las dimensiones del átomo de hierro y del
elemento de aleación. Los elementos de cuyo radio atómico es menor que eldel hierro, disminuyen los parámetros de la red, y los del radio atómico mayor
los aumentan.
Es natural que la variación de las dimensiones de la red α ocasione un
cambio de las propiedades de la ferrita: se eleva su resistencia y disminuye la
plasticidad. En la figura 24 se muestran los cambios de las propiedades de la
ferrita (dureza y resiliencia) cuando se disuelven en ella diversos elementos.
Como se ve por el diagrama, el cromo, el molibdeno y el wolframio endurecen
la ferrita menos que el níquel, el silicio, y el manganeso. El molibdeno y el
silicio (cuando estos últimos están presentes con más del 1%) hacen disminuir
la tenacidad de la ferrita, el cromo menos y el níquel nada.




Figura 24 Influencia de los elementos de aleación en las propiedades de la
ferrita
a) dureza; b) resiliencia.
Tiene gran importancia la influencia que ejercen los elementos de
aleación en el umbral de fragilidad en frío. La existencia de cromo en el hierro
contribuye a que se produzca cierta elevación de dicho umbral, mientras que el
níquel hace que baje bruscamente, disminuyendo con ello la tendencia del
hierro a las roturas frágiles (Figura 25).
Por tanto de los seis elementos de aleación más difundidos que se han
enumerado el níquel tienen un valor especial. El níquel que endurece con
bastante intensidad la ferrita, no disminuye su tenacidad y hace que disminuya
su umbral de fragilidad en frío, mientras que los otros elementos, si no
disminuyen la tenacidad, endurecen la ferrita débilmente (el cromo) o la
endurecen mucho, pero hacen que descienda bruscamente su tenacidad(manganeso y silicio).

Figura 25 Influencia de los elementos de aleación en el umbral de
fragilidad en frío.




2.3 La fase carburo en los aceros aleados.
En los aceros sólo forman carburos los metales que en el sistema
periódico se encuentran a la izquierda del hierro. Estos metales lo mismo que
el hierro pertenecen a los metales del grupo de transición, pero tienen menos
ocupado el subnivel electrónico d. Cuanto más a la izquierda se encuentre en
el sistema periódico el elemento formador de carburos, tanto menos ocupado
estará su subnivel d. De acuerdo con lo expresado formarán carburos en el
acero los elementos siguientes: titanio, vanadio, cromo, manganeso, circonio
niobio, molibdeno, hafnio, tantalio, y wolframio.
Se ha establecido que en los aceros pueden formarse los carburos
siguientes
Ø Carburos del grupo I: M3C, M23C6, M7C3, M6C. Tienen estructura cristalina
compleja. El representante típico es la cementita.
Ø Carburos del grupo II (fases de inserción): MC, M2C. Tienen red
cristalina simple y cristalizan con un déficit considerable de carbono.
La letra M representa el elemento formador de carburo que origina el
carburo indicado. Sin embargo los carburos indicados no existen puros en los
aceros. Los carburos de todos los elementos de aleación contienen hierro en
disolución, y si en el acero existen varios elementos capaces de formar
carburos, también contendrán estos elementos. Así en el acero al cromo –
manganeso en vez de carburo puro Cr23C6 se forma el carburo (Cr, Mn
Fe)23C6, que lleva en disolución hierro y manganeso.
Como los carburostienen la misma fórmula química se disuelven
mutuamente, resulta por ejemplo, que si en un acero hay titanio y niobio no se
formarán dos tipos de carburos separados, sino un carburo común, en el cual
“en iguales condiciones” entra el titanio y el niobio.
Conviene advertir que las fases de inserción son difícilmente solubles en
la austenita. Esto significa que durante el calentamiento (incluso si es muy
elevado), pueden no pasar a la solución sólida. En esto se distinguen de los
carburos del grupo I, que durante el calentamiento se disuelven fácilmente en
la austenita. Todas las fases de carburo poseen alta temperatura de fusión y
gran dureza. Las fases de inserción superan en este sentido a los carburos del
grupo I
2.4 Influencia de los elementos de aleación en la cinética de la
descomposición de la austenita.
La cinética de la descomposición de la austenita determina el
comportamiento de del acero durante el tratamiento térmico. Y la influencia de
los elementos de aleación en la cinética de las transformaciones de la austenita
es muy grande.
Los elementos que solo se disuelven en la ferrita o la cementita sin
formar carburos especiales sólo ejercen una influencia cuantitativa en los
procesos de transformación. Aceleran la transformación (a este tipo solo
pertenece el cobalto) o la retardan (la mayoría de los elementos, entre ellos el
manganeso, el cobre, el níquel y otros).




Los elementos que forman carburos introducen variaciones no solo
cuantitativas sino cualitativas en la cinética de la transformación isotérmica. Así
los elementos que de aleación queforman carburos solubles en la austenita, a
diferentes temperaturas influyen de distinto modo en la velocidad de
descomposición de la austenita: a 700 – 500sC (formación de la perlita
retardan la transformación; a 400 – 500sC la retardan mucho, y a 400 – 300sC
(formación de la bainita) la aceleran.
Así pues en los aceros aleados con elementos formadores de carburos
(cromo, molibdeno, wolframio) se observan dos máximos de la velocidad de
descomposición de la austenita (dos narices en las curvas de descomposición),
separados por una región de gran estabilidad de la austenita subenfriada. La
descomposición isotérmica de la austenita tiene dos intervalos de
transformación perfectamente definidos: la transformación en estructuras
laminares (perlítica) y la transformación en estructuras aciculares (bainítica).
En la Figura 26 se da una representación esquemática del diagrama de
la transformación isotérmica (se muestra únicamente al principio de la
transformación).

Figura 26 Esquema de los diagramas de la descomposición isotérmica de
la austenita. a) acero al carbono (1) acero ligado con elementos que no
forman carburos (2); b) acero al carbono (1) y acero ligado con elementos
que forman carburos.
La propiedad más importante prácticamente de los elementos de
aleación es la de ser capaces de retardar la velocidad de descomposición de la
austenita en la región de la transformación perlítica, lo que se expresa por el
desplazamiento de la línea hacia la derecha en el diagrama de descomposición
isotérmica de la austenita. Esto contribuye a que la templabilidad sea mayor y
alsubenfriamiento de la austenita hasta el intervalo de la transformación
martensítica siendo más lento el enfriamiento, por ejemplo, cuando se enfría en
aceite o al aire, lo que naturalmente va ligado a la disminución de la velocidad
crítica de temple.
2.5 Influencia de los elementos de aleación en la transformación
martensítica.
Los elementos de aleación no influyen en la cinética de la transformación
martensítica, la cual por lo visto es igual en todos los aceros. Su influencia se
manifiesta aquí exclusivamente en la posición del intervalo de temperaturas de


esta transformación y esto, a su vez, se refleja también en la cantidad de
austenita residual que se fija en el acero templado. Algunos elementos elevan
el punto martensítico y disminuyen la cantidad de austenita residual (aluminio
cobalto), otros no ejercen influencia en él (silicio), pero la mayoría hace que
descienda el punto martensítico y que aumente la cantidad de austenita
residual (Figura 27). En el diagrama puede verse que en el 5% de Mn baja el
punto martensítico hasta 0sC, por consiguiente, con este contenido (u otro
mayor) de este elemento de aleación puede fijarse el estado austenítico por
enfriamiento.

Figura 27 Influencia de los elementos de aleación en la temperatura de
transformación martensítica (a), y en la cantidad de austenita residual (b).
Los aceros contienen 1% de carbono.
2.6 Influencia de los elementos de aleación en el crecimiento del grano.
Todos los elementos de aleación disminuyen la tendencia del grano de
austenita al crecimiento. Excepciones de la regla son el manganeso y elboro
los cuales contribuyen a que crezca el grano. Los demás elementos, que afinan
el grano, ejercen diversa influencia en: el níquel, el cobalto, el silicio y el cobre
(elementos que no forman carburos) influyen relativamente poco en el
crecimiento del grano; el cromo, el molibdeno, el wolframio, el vanadio, y el
titanio afinan mucho el grano (estos elementos se han enumerado en el orden
en que aumenta la intensidad de su acción). Esta diferencia es consecuencia
directa de la distinta estabilidad de los carburos (y nitruros) de estos elementos.
Los carburos excesivos, no disueltos en la austenita, impiden el crecimiento del
grano de la austenita. Por esto en el acero, si hay en él aunque sea solamente
una pequeña parte cantidad de carburos no disueltos, conserva la estructura de
grano fino hasta temperaturas de calentamiento muy elevadas.
2.7 Influencia de los elementos de aleación en las transformaciones del
revenido.
Los elementos de aleación retardan el proceso de descomposición de la
martensita. Ciertos elementos, como el níquel o el manganeso influyen de un
modo insignificante, mientras que la mayoría de (cromo, molibdeno, silicio, etc
lo hacen considerablemente.



Esto se debe a que los procesos que se desarrollan durante el revenido
tienen carácter difusivo, y la mayoría de los elementos de aleación retardan la
transformación de los carburos, sobre todo en la etapa de coagulación.
Para obtener iguales resultados, el acero aleado con elementos como el
cromo, molibdeno, silicio y otros, tiene que ser calentado durante una
temperatura más alta o hayque aumentar la duración del revenido en
comparación con el revenido del acero al carbono.