Tema 20 – Productos siderúrgicos. Clasificación. Estructuras metalográficas. Diagramas de equilibrio: binarios y terciarios. Diagrama hierro-carbono (Fe-C).

1. PRODUCTOS SIDERÚRGICOS.

1.1 Introducción

La Siderurgia es el arte de extraer el hierro y de trabajarlo. También es definida como la Metalurgia del hierro, del acero, de la fundición y de las aleaciones férricas. Por lo tanto, podemos decir que son productos siderúrgicos los que se obtienen, mediante técnicas adecuadas, utilizando el hierro como metal base y el carbono como el primer elemento de aleación.

En China se producía fundición de hierro en el siglo 6º a.c. y en Europa esporádicamente en el siglo 14. Durante los siglos 18 y 19 la fundición de hierro fue más utilizada que el hierro forjado debido a su menor coste de fabricación pero era más frágil, quebradizo e inferior en resistencia a la tracción. Sin embargo su capacidad de carga, resistencia a la compresión, le hizo ser el primer importante metal estructural y fue utilizado en alguno de los primeros rascacielos. En el siglo 20, la fundición de hierro fue sustituida en la construcción por el acero. La fundición de hierro sigue teniendo muchas aplicaciones industriales.

1.2 Elaboración

Los altos hornos producen lingotes de hierro por medio de la acción reductora del carbón sobre el mineral de hierro a altas temperaturas y en presencia de materiales fundentes tales como la caliza. Por la parte superior del alto horno se mezcla mineral de hierro con carbón en forma de coque y fundentes (sustancias que facilitan la fusión, como las calizas). Se fuerza la entrada de aire precalentado junto con combustible, fuel o gas natural que reaccionan con el carbón produciendo su combustión. A altas temperaturas, sobre 1.650º, el monóxido de carbono proveniente de la combustión del carbón genera un proceso de reducción del mineral de hierro. Los productos obtenidos son el hierro fundido y la escoria.

Con procesos posteriores, utilizando otro tipo de hornos y mezclando diferentes materiales se obtienen los demás productos siderúrgicos.

2. Clasificación

Los productos siderúrgicos pueden ser clasificados de varias formas.

2.1.- Clasificación de las aleaciones hierro-carbono atendiendo a su porcentaje de carbono

• Hierro, contenido en carbono inferior a 0,03 por ciento.
• Hierro para forja, contenido en carbono inferior a 0,10 por ciento.
• Acero, con un contendido en carbono entre el 0,10 y el 2 por ciento.
• Fundición, el contenido de carbono es del 2 al 4 por ciento.

2.2.- Clasificación de los aceros atendiendo a su procedimiento de fabricación

• Aceros Bessemer.
• Aceros Siemens.
• Aceros eléctricos.

2.3.- Clasificación de los aceros atendiendo al porcentaje de carbono

• Aceros hipoeutectoides, si el porcentaje de carbono es inferior al del punto S (eutotectoide).
• Aceros eutectoides, si el porcentaje de carbono es igual al del punto S.
• Aceros hipereutectoides, si el porcentaje de carbono es superior al del punto S.

El punto S corresponde para los aceros al carbono a un porcentaje de 0,89 por ciento de C, pero puede variar en los aceros aleados.

2.4.- Clasificación de los aceros atendiendo al grado de desoxidación

• Aceros calmados, son los que se han desoxidado por completo y al solidificarse no desprenden gases.
• Aceros efervescentes, son los que se han desoxidado incompletamente y al solidificarse desprenden abundantes gases que producen numerosas sopladuras.

2.5.- Clasificación de los aceros atendiendo a su constitución

La clasificación se podrá hacer sin reservas, haciendo constar que se refiere a la constitución de los aceros de un diámetro máximo de 25 mm., o el redondo equivalente en perfiles de otra sección, calentados hasta la austenización completa y enfriados al aire. Con arreglo al constituyente predominante con que quedan los aceros en las condiciones antes dichas, se acostumbra a clasificarlos en:

• Aceros perlíticos.
• Aceros martensíticos.
• Aceros ferríticos.
• Aceros con carburos.

2.7.- Clasificación de los aceros atendiendo a su composición

• Aceros al carbono.
• Aceros aleados.

Se ha convenido en designar como aceros al carbono aquellos que están formados fundamentalmente por hierro y carbono, no siendo los porcentajes de otros elementos superiores a unos límites convenidos. Entre estos elementos podemos citar a los más importantes como el manganeso, silicio, níquel, cromo, molibdeno, vanadio, volframio, cobalto, titanio, aluminio, cobre, azufre, y fósforo.

Los aceros aleados son los que contienen además de hierro y carbono elementos de aleación voluntaria, como cromo, níquel, molibdeno, vanadio, volframio, cobalto entre los más relevantes.

3.- Estructuras de los metales

3.1.- Tipos de estructuras

Los metales, aunque exteriormente no tengan una forma geométrica definida, poseen una distribución perfectamente organizada de sus átomos, a la que deben en gran parte sus características metálicas.

Esta ordenación está compuesta de tres estructuras, cada una de las cuales está formada por elementos de la anterior, y son la estructura cristalina, la estructura granular y la estructura macrográfica.

La estructura cristalina tiene como elemento fundamental el cristal, cuyas dimensiones son de escala atómica, es decir, del orden 10^{-8 cm. Como no es posible observar los cristales ni aun con los microscopios más potentes, se recurre a métodos indirectos, como es el de la difracción de los rayos X.}

La estructura granular o micrográfica tiene como elemento fundamental el grano, cuyas dimensiones son del orden de 0,02 a 0,2 milímetros, y, por tanto, son observables con microscopio metalográfico. De ahí su nombre de estructura micrográfica. Los granos están constituidos por agrupaciones de cristales.

La estructura macrográfica, que es observable a simple vista, tiene como elemento constitutivo la fibra.

3.1.- Redes cristalinas de los metales

Los denominados verdaderos metales, cristalizan casi sin excepción en tres redes espaciales: la red cúbica, la red cúbica de caras centradas y la red hexagonal compacta.

Red cúbica centrada: los átomos se hallan dispuestos en los vértices y en el centro del cubo.

Red cúbica de caras centradas: los átomos están dispuestos en los vértices y en los centros de las caras del cubo.

Red hexagonal compacta: los átomos se hallan situados en los vértices de los hexágonos básicos y en los centros de ambas bases, así como en los tres triángulos no adyacentes de la base media.

Tipos de Planos

¿Cómo surgen las estructuras que hemos estudiado? Imaginemos que nos enfrentamos al problema de apilar átomos —que consideraremos como esferas idénticas— lo más apretadamente posible y de modo que el conjunto resulte con cierto ordenamiento. Las siguientes figuras ilustran tres posibles formas de conseguir esto. Designaremos como I, II y III a los tres tipos de planos obtenidos.

El designado como tipo II es más denso que el designado como tipo I; a su vez, el tipo III es más denso que el tipo II, de hecho, no es posible, partiendo de esferas todas idénticas, construir un plano con una concentración atómica superficial superior a la del plano tipo III. Por esta razón a los planos de tipo III se los denomina planos de máxima fracción de empaquetamiento.

A la vista de las disposiciones atómicas características de los distintos planos ordenados, resulta fácil aceptar que apilando planos del tipo I (cuadrados) pueda surgir la estructura CS, e igualmente, que mediante el apilamiento de planos de tipo III (hexagonales) surja la estructura HC. Pero lo que no resulta tan obvio es que mediante el apilamiento de planos del tipo II (rectangulares) pueda surgir la estructura cúbica CCI, y menos aún, que del apilamiento de planos del tipo III (hexagonales) surja una estructura cúbica como la CCC. Y, sin embargo, esto es lo que ocurre.

3.2.- Alotropía

Hay algunos metales que presentan cambios de estructura al pasar por determinadas temperaturas, que se denominan puntos críticos.

A este fenómeno de cambios de estructura se le denomina alotropía, y a las variedades cristalinas de un mismo elemento, estados alotrópicos.

El hierro por ejemplo, desde los 1400º hasta los 910º cristaliza en la red cúbica centrada en las caras. Y desde los 910º a la temperatura ambiente, en la red cúbica centrada.

Se ha convenido en designar por alfa, beta, gamma, …. , a los distintos estados alotrópicos de los metales en el orden de las temperaturas crecientes a las que se hacen estables. Es decir, que la forma estable a más baja temperatura será la alfa, la siguiente la beta, etc.

3.3.- Análisis de la cristalización a escala policristalina

Cristalización y solidificación en el contexto estudiado son similares. Podemos hablar de cristalización a diferentes escalas, a escala atómica, a escala del cristal y a escala policristalina.

Analicemos en detalle la cristalización a escala policristalina:

Un trozo metálico es, por regla general, un agregado policristalino, o sea, un conjunto formado por gran cantidad de pequeños cristales individuales.

La dimensión de un grano cristalino es de tal orden que se considera como grueso con dimensiones lineales de 100 micras.

Un policristal estará formado por tantos granos cristalinos como gérmenes aparecieron en el proceso de cristalización, puesto que todo germen estable da origen a un grano.

La cristalización la podemos explicar en tres fases. En la primera aparece en el seno de una pequeña masa del líquido, un número de gérmenes con radio superior al crítico, estables, que se disponen a desarrollarse. En la segunda, el crecimiento dendrítico de estos cristales evoluciona según direcciones diversas en cada dendrita.

La aproximación de los cristales vecinos en su desarrollo llega a producir el contacto entre ellos, y generalmente queda una superficie de separación entre los mismos totalmente irregular. No hay posibilidad de que se fusionen entre sí los distintos granos, puesto que las direcciones cristalográficas no coincidirán, como es evidente. Pero, pese a la independencia de los distintos cristales entre sí, constituyen un agregado policristalino coherente y denso.

El examen microscópico de una superficie metálica pulida y atacada con reactivos adecuados, permite ver en sección los límites de separación entre granos que generalmente reciben el nombre de bordes de grano.

3.4.- Importancia y clasificación del tamaño del grano

Los granos tienen una gran importancia en las propiedades mecánicas de los metales. Los granos, según su tamaño y proceso de formación dan al metal características muy distintas.

Los granos son de forma irregular, y su tamaño, que oscila entre 0,02 y 0,2 mm., depende principalmente:

• Del proceso de fabricación del metal.
• De los procesos térmicos a que se haya sometido el metal.

Cuanto mayor es el grano de que está constituido un metal, peores son, en general, sus propiedades mecánicas. Esto según Tamann, es debido a que los metales de interés técnico, y tal como se utilizan en la industria, contienen siempre cierta cantidad de impurezas insolubles, formadas por óxidos, sulfuros, silicatos, etc. Estas impurezas, que son bastante frágiles, se concentran formando verdaderas capas que envuelven los granos y los separan unos de otros.

Dado el importante papel que juega el tamaño del grano en la valoración de las propiedades mecánicas de los metales, se ha creído necesario disponer de una escala de tamaños, que permita con una sola cifra fijar el tamaño del grano.

La clasificación más empleada es la propuesta por la ASTM (American Society for Testing Materials). La clasificación de la ASTM establece ocho tamaños, cada uno de los cuales es de doble superficie que el anterior. El tamaño más pequeño es el número 8, y el mayor, el 1, cuya superficie es de una pulgada cuadrada. Al tamaño 2 corresponden dos granos por pulgada cuadrada. Al 3 corresponden cuatro granos por pulgada cuadrada, etc.

En los aceros, los granos del 5 al 1 se consideran normales.

3.5.- Estructura macrográfica. La fibra

Cuando los metales se laminan o estiran en la forja, es decir, cuando se aumenta su longitud y se reduce su sección deformándolos, todas las impurezas que contienen, como sopladuras, inclusiones, segregaciones, etc., se aplastan y alargan en la misma dirección que la pieza, formándose una especie de fibra. La fibra se pone de manifiesto atacando la superficie del metal deformado, por medio de un reactivo y puede entonces observarse a simple vista.

4. Diagramas de equilibrio: binarios y terciarios

4.1.- Trazado de los diagramas de equilibrio

Consideremos el caso más sencillo: una aleación binaria en la que los dos componentes A y B son totalmente solubles en estado líquido y sólido.

Tracemos las curvas de enfriamiento (fig. xx) para diversas proporciones de los componentes partiendo con la curva I de la aleación 100 por ciento de A y 0 por ciento de B. Es decir, el caso de solidificación del metal puro A. La curva tendrá un paro horizontal, pues mientras dura el cambio de estado, la temperatura t1, permanece constante.

La curva II representa el enfriamiento de una aleación de p por ciento de B y (100 – p%) de A. La solidificación ya no tiene lugar a temperatura constante, sino en un intervalo de temperaturas t´2 – t”2. La curva III es el mismo caso anterior para las proporciones q% de B y (100 – q%) de A. Y, por fin, la curva IV es el caso del metal puro B, cuya solidificación tendrá otro paro horizontal, de temperatura t4 constante.

Ahora llevemos las temperaturas t1, t´2, t”2, t´3, t”3, t4 sobre las ordenadas de un sistema de ejes cartesianos, en cuyo eje de abscisas se representan las proporciones de los componentes de la aleación, y unamos los puntos que representan las temperaturas t´ de iniciación de solidificación para cada proporción de los componentes de la aleación, y los puntos t”, que representan las temperaturas de fin de solidificación.

El diagrama obtenido se denomina diagrama de solidificación. La línea que une las temperaturas de principio de solidificación se denomina de líquido o líquidus.

La línea que une las temperaturas de fin de la solidificación se denomina línea de sólido o sólidus.

Si el diagrama anterior lo completamos anotando las temperaturas tº1, tº2, tº3 y tº4 para cada porcentaje de la aleación en que se produce, en el enfriamiento de la solución sólida, cambios de constitución, y unimos todos los puntos por una línea que se denomina línea de transformación, obtendremos en conjunto un diagrama que se denomina diagrama de equilibrio.

Por encima de la línea de líquido, la aleación en todos los porcentajes de sus componentes está siempre líquida.

Por debajo de la línea de sólido, la aleación en todos los porcentajes de sus componentes está siempre sólida.

Entre ambas líneas, la aleación está parcialmente sólida y parcialmente líquida.

4.2.- Composición de las fases. Regla de la horizontal

4.3.- Masas de cada fase. Regla de los segmentos inversos

4.4.- Clases de diagramas de equilibrio binarios

Se pueden clasificar los diagramas binarios, según la solubilidad, en estado sólido y líquido de sus componentes A y B, en los siguientes grupos:

1. A y B en estado líquido, completamente solubles.

1.1 A y B en estado sólido, completamente solubles.

1.2 A y B en estado sólido, totalmente insolubles.

1.3 A y B en estado sólido, parcialmente solubles.

2. A y B en estado líquido, parcialmente solubles.
3. A y B en estado líquido, totalmente insolubles.

Dentro de cada grupo caben muchas variaciones.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES BINARIAS
Componentes de solubilidad total en estado sólido y líquido	Componentes totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido.	Componentes totalmente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido, con formación de eutéctica.
La solidificación no se realiza a temperatura cte, sino que empieza por debajo del metal de más alto PF y termina por encima del metal de más bajo PF.	El metal de más bajo PF solidifica a temperatura cte cuando ha solidificado totalmente el metal A	Β
Componentes totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido, con formación de punto eutéctico.	Componentes totalmente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido.	DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE SOLIDIFICACIÓN
Una aleación eutéctica se caracteriza por ser la de más bajo PF y porque funde a una temperatura cte, coloquialmente se dice que funde bien.	LIMITE DE SATURACIÓN α Β + α L + α L III II I	Para facilitar el estudio de las aleaciones se recurre a una representación gráfica de las distintas dosificaciones de los componentes, relacionando los tiempos con las temperaturas críticas de las distintas aleaciones. Curva de solidificación o diagrama de enfriamiento de un metal puro (solidifica a una Tª cte) y de un a aleación (la Tª de solidificación es variable). AB: período fase líquida. B: comienzo solidificación. BC: solidificación Θs: Tª de solidificación metal puro CD: fase sólida Θ2: Tª final de solidificación. Θ1: Tª de comienzo solidificación aleación

4.5.- Reglas para la interpretación de los diagramas binarios

La interpretación de los diagramas binarios se facilita mucho, teniendo en cuenta las siguientes reglas:

1. La línea de sólido está siempre por debajo de la línea de líquido.
2. Toda horizontal que corte a la línea de líquido cortará también a la de sólido.
3. La conjunción de la línea de líquido y sólido indica que la aleación se solidifica a temperatura constante, y las proporciones de los componentes y la temperatura vienen indicadas por el punto de contacto.
4. Un ramal horizontal de la línea de sólido indica que todo el líquido residual que quede sin solidificar en las composiciones de la aleación que comprenda toda la longitud del ramal, se verificará a temperatura constante.
5. Un ramal vertical en la línea de sólido indica la existencia en ese punto de un metal puro o un compuesto químico.
6. Un ramal inclinado en la línea de sólido indica la existencia de una solución sólida.
7. Cuando la línea de enfriamiento de una aleación atraviesa una línea oblicua del diagrama, varía el número de fases: se pasa de una fase a dos, o viceversa, salvo en el caso de que la línea oblicua corresponda a una transformación alotrópica de una solución sólida.

4.6.- Diagramas de equilibrio ternarios

Los diagramas de equilibrio ternarios representan el estado de equilibrio de las aleaciones ternarias, y aunque se emplean menos que los diagramas de las aleaciones binarias, daremos una idea de su trazado e interpretación.

Trazado de los diagramas ternarios.- La representación de la composición de las aleaciones ternarias se realiza sobre un triángulo equilátero cuyos tres vértices dan el porcentaje 100 % de cada componente (fig. xx). Cada punto del interior del triángulo ABC define la composición de cualquier aleación M. Para hallar las proporciones de los componentes se trazan perpendiculares desde este punto a los lados del triángulo, y los porcentajes de cada elemento serán: Ma % de A, Mb % de B, Mc % de C.

Otro procedimiento más usado para representar las proporciones de los componentes es el de la figura xx. Para hallar la composición de una aleación M se trazan las paralelas al lado opuesto al vértice que indica el porcentaje 100 por ciento de cada elemento, y en el punto en que corta la lado correspondiente se halla el porcentaje del componente deseado.

5.- Diagrama Hierro – Carbono

En las figuras se ha representado el diagrama de las aleaciones hierro – carbono.

A la vista del diagrama podemos apreciar que en el eje de las abscisas hay cuatro puntos bien definidos:

1. El límite del diagrama corresponde a una proporción de carbono del 6,67 por ciento, que es el de la cementita pura. Las aleaciones hierro – carbono con carbono en proporción superior al 6,67 por ciento, lo contendrán en forma de grafito y, por tanto, están excluidas de las aleaciones ahora consideradas, que deben estar formadas única y exclusivamente con carbono combinado con el hierro en forma de carburo de hierro.
2. El punto C denominado eutéctico, correspondiente a una proporción de carbono del 4,3 por ciento, y de carburo de hierro en total de 64,5 por ciento. La aleación del 4,3 por ciento de carbono es la de más bajo punto de fusión (1.130º). Además, la totalidad de la masa de la aleación funde o se solidifica a una sola temperatura en lugar de a dos temperaturas, una de principio y otra de fin del cambio de estado (fusión o solidificación, como ocurre con las aleaciones de contenido de carbono superior o inferior al 4,3 por ciento).
3. El punto E marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma, es decir, que es el punto de máximo contenido de carbono de la austenita, solución sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono del 1,76 por ciento.

Además, el punto de 1,76 por ciento en el eje de las abscisas divide las aleaciones hierro – carbono en dos clases de características muy distintas: los aceros de contenido de carbono inferior a 1,76 por ciento hasta 0,03 por ciento, y las fundiciones de contenido de carbono comprendido entre 1,76 a 6,67 por ciento.

Los aceros son las aleaciones hierro – carbono que a partir de una temperatura determinada se transforman íntegramente en austenita, y la austenita, al enfriarla rápidamente se convierte en martensita.

4. El punto S, denominado eutectoide, es análogo al punto C, que denominábamos eutéctico. La diferencia está en que en el punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido, y en el punto eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación, que es sólida lo mismo a temperaturas inferiores que a temperaturas superiores al punto eutectoide. El contenido de carbono es del 0,89 por ciento.

La totalidad de la masa de la antenita, de composición eutectoide, se transforma íntegramente al pasar por el punto S (eutectoide) en perlita.

Para porcentajes de carbono superiores al 0,89 por ciento, la austerita, al enfriarse por debajo de la línea SE, segrega cementita hasta llegar a los 723º. Y para porcentajes de carbono inferiores al 0,89 por ciento, la austerita, al bajar en su enfriamiento de temperaturas inferiores a las de la línea GS, segrega ferrita hasta llegar a los 723º.

5. Punto J, cuyo porcentaje de carbono de 0,18 por ciento es el de la austenita, que permanece estable a la más alta temperatura de 1.492º. Este punto se denomina peritéctico.
6. El punto H, de 0,08 por ciento de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.
7. Y, por fin, el punto P, de 0,025 por ciento de C, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita.

Estos tres últimos puntos J, H y P tienen poco interés en la práctica.

El 0,03 por ciento de C es el mínimo que puede contener el hierro para que se considere aleación hierro – carbono. Por debajo de este porcentaje de C se considera como hierro técnicamente puro.

En el eje de las ordenadas hay los siguientes puntos críticos:

A0 = 210º, en el que tiene lugar el cambio magnético de la cementita. Por encima de este punto la cementita deja de ser magnética.

A1 = 723º, que es el límite de la perlita.

A2 = 768º, que es la temperatura de cambio magnético de la ferrita. Por encima de este punto la ferrita deja de ser magnética.

A3 = (línea SG), que es el límite de la ferrita. Este punto crítico varía desde 723º a 910º, según el tanto por ciento de carbono.

Acm = (línea SE), que es el límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 723º y 1.130º.

Línea EF = 1.130º, que es el límite de la ledeburita.