Metal·lúrgia i siderúrgia/Aliatges Fe-C

El ferro

Microfotografia de ferro dúctil i polit d'un arbre de lleves.

És un metall mal·leable, de color gris platejat i presenta propietats magnètiques, és ferromagnètic a temperatura ambient i pressió atmosfèrica.

Es troba en la naturalesa formant part de nombrosos minerals, entre ells molts òxids, i rarament es troba lliure. Per obtenir ferro en estat elemental, els òxids es redueixen amb carboni i després és sotmès a un procés de refinat per a eliminar les impureses presents.

El ferro pur presenta tres estats al·lotròpics, o diferents formes estructurals, depenent de la temperatura i pressió. A pressió atmosfèrica tenim:

• Fins als 911 ° C, el ferro ordinari, cristal.litza en el sistema cúbic centrat en el cos (BCC) i rep la denominació de ferro α o ferrita. És un material dúctil i maleable responsable de la bona forjabilidad dels aliatges amb baix contingut en carboni i és ferromagnètic fins als 770 ° C (temperatura de Curie a la qual perd aquesta qualitat). La ferrita pot dissoldre molt petites quantitats de carboni.
• Entre 911 i 1.400 ° C cristal.litza en el sistema cúbic centrat en les cares (FCC) i rep la denominació de ferro γ o austenita. Donada la seva gran compacitat la austenita es deforma amb més facilitat i és paramagnètica.
• Entre 1.400 i 1.538 º C cristal.litza de nou en el sistema cúbic centrat en el cos i rep la denominació de ferro δ que és en essència el mateix ferro alfa però amb paràmetre de xarxa més gran per efecte de la temperatura.

A major temperatura el ferro es troba en estat líquid. El ferro-α és ferromagnètic fins a la temperatura de Curie (768 ° C), a partir de la qual passa a ser paramagnètic. Antigament, al ferro-α paramagnètic se l'anomenava ferro-β, encara que avui en dia no se sol distingir entre les fases α i β.

Si s'afegeix carboni al ferro, els seus àtoms podrien situar-se simplement en els intersticis de la xarxa cristal·lina d'aquest últim, però en els acers apareix combinat formant carbur de ferro (Fe3C), és a dir, un compost químic definit i que rep la denominació de cementita de manera que els acers al carboni estan constituïts realment per ferrita i cementita.

Diagrama ferro-carboni (Fe-C)

Diagrama de fase ferro-carboni a pressió atmosfèrica.

El diagrama de fases Fe-C mostra dos punts singulars:

• Un eutèctic on la composició de Fe i C determina un mínim al punt de fusió. D'aquesta manera s'observa que per sobre de la temperatura crítica A ₃ els acers estan constituïts només per austenita, una solució sòlida de carboni en ferro γ i la seva microestructura en condicions de refredament lent dependrà per tant de les transformacions que pateixi aquesta.

• Un eutectoide a la zona dels acers, equivalent al eutèctic però en estat sòlid, on la temperatura de transformació de la austenita és mínima. El eutectoide conté un 0,8% C (13,5% de cementita) i s'anomena perlita. Està constituït per capes alternes de ferrita i cementita, sent les seves propietats mecàniques intermèdies entre les de la ferrita i la cementita.

L'existència de l'eutectoide permet distingir dos tipus d'aliatges d'acer:

• Acers hipoeutectoides (<0,8% C). En refredar per sota de la temperatura crítica A ₃ comença a precipitar la ferrita entre els grans (vidres) de austenita i al arribar a la temperatura crítica A ₁ la austenita restant es transforma en perlita. S'obté per tant a temperatura ambient una estructura de cristalls de perlita embeguts en una matriu de ferrita.
• Acers hipereutectoides (> 0,8% C). En refredar per sota de la temperatura crítica es precipita el carbur de ferro resultant a temperatura ambient cristalls de perlita embeguts en una matriu de cementita.

Fases de l'aliatge del Ferro

Microfotografia de bainita en una soldadura d'acer suau (mild steel.

Microfotografia de ferrita (gris clar) i perlita (gris obscur) en acer al carboni A285 (0.18% C, 0.43% Mn, 0.009% P, 0.026% S).

Microfotografia de martensita en un acer AISI 4140.

Micrografia de perlita

austenita amb ferrita acicular i grafit esferoïdal en una fosa de ferro EN-GJS-800-8.

Austenita (ferro-γ)

L' austenita és una forma d'ordenament diferent dels àtoms de ferro i carboni. Aquesta és la forma estable del ferro pur a temperatures que oscil·len entre els 900 a 1400 ºC. Aquesta format per una dissolució solida del carboni de ferro, fet que suposa un percentatge màxim de C del 2%. És dúctil, tova i tenaç.

És la forma cúbica centrada en les cares (FCC) del ferro. També se'l coneix com austerita. Admet el tremp, però no és ferromagnètica, a diferència de la ferrita. L'estructura cristal·lina de la austenita és del tipus cúbica, de cares centrades, on es dilueixen en solució sòlida els àtoms de carboni en els intersticis, fins a un màxim tal com ho mostra el diagrama de fase Fe-C. Aquesta estructura permet una millor difusió amb el carboni, accelerant així el procés de carburació de l'acer. La solubilitat màxima és només del 1.67%. Cal recordar que, per definició, els acers contenen menys de 1.67% de carboni i poden tenir dissolt el carboni completament a altes temperatures.

L'austenita no és estable a temperatura ambient excepte en acers fortament aliats com alguns inoxidables. L'austenita és tova i dúctil i, en general, la majoria de les operacions de forja i laminat d'acers s'efectua a aproximadament els 1.100 º C, quan la fase austenítica és estable.

Bainita

La bainita és una barreja de fases de ferrita i cementita.

En la seva formació intervenen processos de difusió. La bainita forma agulles o plaques, depenent de la temperatura de transformació. Els detalls micro-estructurals de la bainita són tan fins que la seva resolució només és possible mitjançant el microscopi electrònic. Està composta d'una matriu ferrita i de partícules allargades de cementita. La fase que envolta les agulles és martensita, llevat que es faci un tractament isotèrmic fins transformar tota la austenita en bainita.

La transformació bainítica també depèn del temps i de la temperatura i es pot representar en un diagrama de transformació isotèrmica, a temperatures inferiors a les de formació de la perlita. En els tractaments isotèrmics realitzats entre 540 º -727 º C, es forma perlita i entre 215-540 ° C, el producte de transició és la bainita. Les transformacions perlita i bainítica competeixen entre si i només una part d'un aliatge es pot transformar en perlita o en bainita. La transformació en un altre micro-constituent només és possible tornant a escalfar fins a formar austenita.

No obstant això, a diferència de la perlita, la ferrita i la cementita no estan presents en formes que depenen de l'aliatge i la temperatura de transformació. La microestructura depèn de la temperatura i es distingeixen dues morfologies:

• Bainita superior: Es forma en rangs de temperatura immediatament inferiors als de perlita. es compon d'agulles o bastons de ferrita amb cementita entre elles.
• Bainita inferior: Es forma a temperatura de l'ordre de la martensita Ms (lleugerament superiors).

Es produeix preferentment en transformacions isotèrmiques (austempering), encara que també pot fer-ho a refredament continu i correspon a una transformació intermèdia entre la que correspon a perlita i martensita.

Els acers bainítics són més durs i resistents que els perlítics perquè tenen una estructura més fina a base de partícules diminutes de cementita en una matriu ferrita. Per aquest motiu exhibeixen una interessant combinació de resistència i ductilitat.

L'acer bainític resulta resistent a la fatiga i al desgast per rodolament i està exempt de carburs que són molt durs però poden ser fràgils.

Cementita (Carbur de Ferro, Fe₃C)

La cementita o carbur de ferro és un material que es produeix per efecte de l'excés de carboni sobre el límit de solubilitat. Si bé la composició química de la cementita és Fe₃C, l'estructura cristal·lina és del tipus ortoròmbica amb 12 àtoms de ferro i 4 àtoms de carboni per cel·la.

La cementita és molt dura i fràgil i, per tant, no és possible d'utilitzar per a operacions de laminat o forja degut a la seva dificultat per ajustar-se a les concentracions d'esforços.

Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ)

La ferrita o ferro ordinari, s'anomena ferro alfa a la metal·lúrgia i és estable fins als 911 ° C, cristal·litza en el sistema cúbic centrat en el cos (BCC) i rep la denominació de ferro α o ferrita. A partir d'aquesta temperatura canvia la seua estructura.

És un material dúctil i mal·leable responsable de la bona forjabilitat dels aliatges amb baix contingut en carboni i és ferromagnètic fins als 770 °C (temperatura de Curie a la qual perd aquesta qualitat). La ferrita pot dissoldre quantitats molt petites de carboni.

Ledeburita (ferrita-cementita eutèctica, 4.3% carboni)

S'anomena ledeburita a la composició de fosa de ferro que conté un 4,3% de carboni o 64,5% de cementita i un 95,7% de ferro. Deu el seu nom com homenatge a Adolf Lebedur (1836-1916). La ledeburita no existeix a temperatura ambient en les foses ordinàries pel fet que en el refredament es transforma en cementita i perlita, però en les foses es poden conèixer les zones on va existir la ledeburita per l'aspecte eutèctic amb què queden les agrupacions de perlita i cementita. De vegades, a aquestes zones on va existir la Ledeburita se l'anomena Ledeburita Transformada.

La ledeburita sorgeix quan el contengut en carbó es troba entre 2.06% i 6.67% i és el constituent eutèctic que es forma a refredar la fosa líquida de 4.3% C des 1145 ° C. És la responsable de la mala forjabilitat de l'aliatge marcant la frontera entre els acers amb menys del 2% C (forjables) i les foses amb percentatges de carboni superiors (no forjables i fabricades per emmotllament).

Martensita

Martensita és el nom que rep la fase cristal.lina BCT, en aliatges ferrosos. Aquesta fase es genera per un refredament ràpid (tremp) d'austenita a una velocitat que és molt propera a la velocitat del so en el material, de forma que els àtoms de carboni no tenen temps per difondre's fora de l'estructura cristal·lina.

Una de les diferències entre les dues fases és que la martensita té una estructura cristal·lina centrada en el cos tetragonal, mentre que la austenita té una estructura cúbica centrada en la cara (FCC). La transició entre aquestes dues estructures requereix l'activació de molt poca energia tèrmica perquè és una transformació martensítica, que dóna lloc a la reorganització subtil però ràpid a de posicions atòmiques, i se sap que ocorren fins i tot a temperatures criogèniques. La martensita té una densitat menor que la austenita, de manera que els resultats de la transformació martensítica presenten un canvi relatiu de volum.

Perlita (88% ferrita, 12% cementita)

Es denomina perlita a la microestructura formada per capes o làmines alternes de les dues fases (ferro α o ferrita i cementita) durant el refredament lent d'un acer a temperatura eutectoide. Se li dóna aquest nom perquè té l'aparença d'una perla al observar microscòpicament a pocs augments.

La perlita apareix en grans anomenats "colònies"; dins de cada colònia les capes estan orientades essencialment en la mateixa direcció i aquesta direcció varia d'una colònia a una altra. Les capes primes clares són de ferrita, i la cementita apareix com capes primes més fosques. La majoria de les capes de cementita són tan primes que els límits de fases adjacents no es distingeixen.

Refredant la austenita amb una concentració intermèdia de carboni, es transforma en fase ferrita, amb un contingut de carboni inferior, i en cementita, amb un percentatge molt superior de carboni. Els àtoms de carboni necessiten difondre per segregar selectivament. Els àtoms de carboni difonen de la regió ferrítics a les capes de cementita per aconseguir la concentració del 6,70% en pes de C i la perlita es propaga, a partir dels límits de gra a l'interior dels grans austenítics. La perlita forma làmines perquè els àtoms de carboni necessiten difondre la distància mínima dins de la seva estructura.

Hi ha dos tipus de perlita:

• Perlita fina: dura i resistent.
• Perlita gruixuda: menys dura i més dúctil.

La raó d'aquest comportament rau en els fenòmens que ocorren en els límits de fases (α i cementita). En primer lloc, hi ha un alt grau d'adherència entre les dues fases en el límit. Per tant, la resistència i la rigidesa de la fase cementita restringeix la deformació de la fase ferrita, més tova, en les regions adjacents al límit, és a dir, la cementita reforça la ferrita. Aquest grau de reforçament és més elevat a la perlita fina perquè és més gran la superfície de límits de fases per unitat de volum del material. A més, els límits de fases serveixen de barrera per al moviment de dislocacions, de la mateixa manera que els límits de gra. A la perlita fina i durant la deformació plàstica les dislocacions han creuar més límits de fases que a la perlita gruixuda. D'aquesta manera el major reforçament i restricció del moviment de les dislocacions a la perlita fina es tradueixen en major duresa i resistència mecànica.

La perlita gruixuda és més dúctil que la perlita fina a conseqüència de la major restricció de la perlita fina a la deformació plàstica.

Mecànicament les perlites tenen les propietats intermèdies entre la tova i dúctil ferrita i la dura i trencadissa cementita. Els gruixos de les capes de ferrita i de cementita també influeixen en el comportament mecànic del material.

Tipus d'Acers

Acers al Carboni o de baix aliatge

Conté elements diferents al carboni en proporció residual. Es diferencien en funció del seu contingut en carboni relatiu al pes.

• Acers Baixos en Carboni (C < 0,25%): Són tous però dúctils. S'utilitzen en vehicles, canonades, elements estructurals, etcètera. També hi ha els acers d'alta resistència i baix aliatge, que contenen altres elements aliats fins a un 10% en pes; tenen una major resistència mecànica i poden ser treballats fàcilment.
• Acers Mitjans en Carboni (0,25%< C < 0,6%): Per millorar les seves propietats són tractats tèrmicament. Són més resistents que els acers baixos en carboni, però menys dúctils; s'empren en peces d'enginyeria que requereixen una alta resistència mecànica i al desgast.
• Acers Alts en Carboni (0,6% < C < 1,4%): Són encara més resistents, però també menys dúctils. S'afegeixen altres elements perquè formin carburs, per exemple, amb wolframi es forma el carbur de wolframi, WC; aquests carburs són molt durs. Aquests acers s'empren principalment en eines.

Acers d'alt aliatge

Conté elements diferents al carboni en proporcions apreciables. Útils per aconseguir determinades característiques de resiliència, resistència al desgast, duresa i resistència a determinades temperatures. Mitjançant l'acció d'un o diversos elements d'aliatge en percentatges adequats s'introdueixen modificacions químiques i estructurals que afecten la trempabilitat, característiques mecàniques, resistència a oxidació i altres propietats.

• Acers martensítics envellits (contenen Ni): Són utilitzats per fer eines.
• Acers inoxidables (Cr ≥ 10,5%):

Foses de ferro

Fosa gris

Les foses grises són les més utilitzades en la indústria metal.lúrgica per a la producció de peces que requereixin operacions de mecanitzat finals ja que són molt mecanitzables en tot tipus de màquines eina excepte en rectificadores, admeten bé el trepatge, el roscat i són soldables. Les seves principals aplicacions són la fabricació de bancades de màquines, blocs de motors tèrmics, peces de serralleria, etc.2

Les foses grises són aliatges hipoeutécticas que contenen entre 2,5 i 4% de carboni, a més de petits percentatges de fòsfor i silici. Fonen entre els 1390 i 1420 ° C (temperatures usades per poder sortir amb porus si va fred o calcinades si van calents). Té un pes específic de (7-7,2 Kg/cm²) segons sigui la composició, és molt fluida i té la propietat d'omplir bé els motlles per dilatació en solidificar, la superfície de la seva fractura és de color gris. Es caracteritzen pel fet que una part del carboni es separa en forma de grafit en solidificar.

Quan la fosa grisa està constituïda per barreja de grafit i ferrita és la més tova i la que menor resistència mecànica presenta, la resistència a la tracció i la duresa augmenten amb la quantitat de carboni combinada que existeix, arribant el seu valor màxim en la fosa grisa perlítica.

Propietats

• Resistència a la tracció. La fosa gris té una càrrega de ruptura a la tracció petita, al voltant dels 15 kg / mm ² i arriba als 30, 40 i 45 kg / mm ² segons sigui la seva composició.
• Resistència a la compressió. Aquesta resistència és major, i per les foses grises normals resulta prop de tres vegades la de la tracció, per això, les seves aplicacions principals es dóna en peces sotmeses a esforços de compressió, més aviat que als de tracció.
• Resistència a la flexió. Ja que en la flexió les fibres de l'element queden tenses a la part convexa, i comprimides a la còncava, la resistència a la flexió varia segons l'orientació de la secció.
• Resistència al xoc. El xoc i la resiliència són solicitacions dinàmiques, i en la seva confrontació la fosa es comporta d'una manera particular. Les foses grisos, resisteixen molt malament els xocs i són fràgils perquè no pateixen deformacions plàstiques.
• Duresa. La duresa de la fosa gris és relativament elevada, aquesta varia entre 140-250 Brinell segons sigui la seva composició. Malgrat la seva elevada duresa es pot mecanitzar fàcilment, perquè la encenalls es desprèn millor i per la presència de grafit alliberat, que lubrica el pas de la encenall sobre el tall de l'eina.
• Resistència química. La fosa té poca resistència química, i es deteriora amb els àcids, els àlcalis i les oxidacions.
• Altres propietats. La fosa gris no és dúctil, no és maleable, es pot soldar el llautó, en la soldadura oxiacetilènica i en l'elèctrica d'arc. La fosa pot rebre banys galvànics (ser niquelada, per exemple), ser galvanitzada en calent, estany i esmaltada al foc (peces d'ús domèstic i per a la indústria química).

Fosa esferoïdal o dúctil

La fosa esferoïdal, dúctil o nodular de ferro colat s'obté mitjançant l'addició de magnesi just abans de la colada. Això anima el grafit per a formar esferes o nòduls. El ferro dúctil es compon de esferoides de grafit en una matriu de ferrita, perlita o ambdós. Els esferoides de grafit proporcionen alguns avantatges mecànics millorat molt en comparació amb la fosa gris. El ferro colat dúctil és similar a la fosa gris i té un baix punt de fusió, bona fluïdesa, colada, bona maquinabilitat i resistència al desgast. No obstant això en comparació amb fosa gris té una major duresa, ductilitat i viabilitat per treballar en calent.

El ferro dúctil troba una gran acceptació i competeix favorablement amb l'acer de tal manera que el seu ús en l'enginyeria ha augmentat en els darrers temps mentre que la fosa gris i la fosa maleable ha disminuït en popularitat.

Fosa blanca

És extremadament dura i molt fràgil a conseqüència de la gran quantitat de fase cementita. Per això no és mecanitzable. La seua aplicació és molt limitada a components de gran duresa i resistència al desgast, com per exemple els cilindres dels trens de laminació.

Fosa mal·leable

S'obté a partir de la fosa blanca escalfant-la a temperatures al voltant dels 800-900ºC durant períodes prolongats en una atmosfera neutra per prevenir l'oxidació. La cementita es descompon i forma grafit en forma de raïms o rosetes dins d'una matriu ferrítica i perlítica. L'estructura de la matriu depèn de la velocitat de refredament. Les seues aplicacions són: tubs de direcció, engranatges de transmissió, molles tabulars i parts de vàlvules per a ferrocarrils, marina i altres serveis.

Referències

• William D. Callister, Jr. (versió traduïda: Pere Molera i Solà; Marc J. Anglada i Gomila); Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales (2 volums), Edicions Reverté, 1995, ISBN 978-84-291-7252 (Obra completa) (castellà)
• Nous acers bainítics (Revista de Metal·lúrgia) (castellà)
• Acers: Aliatges Fe-C (UAM) (castellà)
• Característiques del Ferro