El Hierro y sus Propiedades

El hierro puro, con menos del 0,008% de carbono, es de color blanco-azulado, dúctil y maleable. Su peso específico es de 7,87 kg/dm³ y su temperatura de fusión es de 1539 grados. Es un buen conductor eléctrico y magnético.

Estados Alotrópicos del Hierro Puro

El hierro y sus aleaciones presentan una estructura cristalina cúbica. A medida que aumenta la temperatura, también lo hace el tamaño del cristal cúbico, y los átomos se reorganizan, cambiando sus propiedades físicas y mecánicas.

  • Hierro Alfa: Red cúbica centrada (vértices y centro), distancia entre átomos de 2,86 Å. Presente hasta los 768 grados, es muy magnético.
  • Hierro Beta: Aparece entre 768 y 910 grados. Tiene la misma estructura cristalina, pero con una mayor distancia entre átomos (2,9 Å). Poco magnético.
  • Hierro Gamma: Entre 910 y 1400 grados, es una red cúbica centrada en las caras (vértices y centro de caras) con una distancia de 3,6 Å y no es magnético.
  • Hierro X: A partir de 1400 grados, con una distancia de 2,93 Å. Red cúbica cristalina centrada, es poco magnético.

Normalizado

El normalizado consiste en calentar el acero a una temperatura superior en 40-50 grados a la temperatura crítica A3, para conseguir su austenización completa. Una vez conseguida, se deja enfriar al aire tranquilo. Este proceso busca dejar el acero en su estado normal tras haber sufrido tratamientos térmicos defectuosos o haber sido trabajado en caliente/frío. Es fundamental el espesor de la pieza. Se diferencia del recocido de regeneración, donde el enfriamiento es más lento (dentro del horno), y del temple, donde el enfriamiento es más rápido al realizarse en agua, aceite o corriente de aire.

Aleaciones Hierro-Carbono

El hierro puro apenas presenta aplicaciones industriales, pero en forma de aleación con carbono y otros elementos se convierte en el metal más utilizado en la actualidad. Las aleaciones hierro-carbono se caracterizan por:

  • Composiciones químicas
  • Constituyentes
  • Estructuras

Las aleaciones se dividen en:

  • Aceros: 0,008% – 1,76% de carbono.
  • Fundiciones: 1,76% – 6,67% de carbono.

A los aceros se les puede añadir otros elementos formando así los aceros aleados o especiales. Como norma general, son forjables (las fundiciones no). Las fundiciones se distinguen por la aparición de un nuevo elemento constitutivo, el grafito.

Martensita

Después de la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. Es una solución sobree estructurada de carbono en hierro alfa, obtenida por enfriamiento muy rápido de los aceros tras haber sido elevados a la temperatura de austenización completa. Su estructura es de agujas con crecimiento desordenado, aumentando la dureza hasta un 0,89% de carbono, lo que incrementa la resistencia mecánica y fragilidad.

Grafito

El grafito es una de las cuatro formas alotrópicas del carbono. En las fundiciones, reduce la dureza, resistencia mecánica, elasticidad, plasticidad y resistencia, pero mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión (actuando como lubricante).

Constituyentes del Acero

Los constituyentes son grupos de estructuras cristalinas que forman el acero y se encuentran en función de la aleación y temperatura:

  • Ferrita: Solución sólida de carbono en hierro de hasta un 0,008% de carbono. Es el constituyente más blando y dúctil, cristalizado en red cúbica centrada.
  • Cementita: Compuesto por carburo de hierro, conteniendo un 6,67% de carbono. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros.
  • Perlita: Compuesto en un 86,5% de ferrita y un 13,5% de cementita. Se presenta generalmente en forma de placas alternadas de cementita y perlita. Si la perlita se calienta durante un tiempo prolongado por debajo de la temperatura crítica A1 (723 grados), la cementita adopta la forma de glóbulos dentro de la ferrita (perlita globular).
  • Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros, una solución sólida de carbono en hierro gamma. La proporción varía desde el 0% hasta el 1,76%. La austenita sin otros elementos de aleación se forma a partir de los 723 grados. Salvo excepciones (aleaciones cromo-níquel y manganeso), no es estable a temperatura ambiente, por lo que no es magnética.

Estructuras Micrográficas

Las estructuras micrográficas de las aleaciones hierro-carbono están compuestas por el grano, que aumenta o disminuye según el tratamiento, variando las propiedades mecánicas. Este aumenta a temperaturas comprendidas entre 850-1000 grados, no solo con el aumento, sino también con la permanencia. En general, las propiedades del acero son peores cuanto mayor es el grano, con excepción de la maquinabilidad. La estructura micrográfica está constituida por la fibra, que depende de la cantidad de impurezas que contenga y del proceso de forja o laminación al que el elemento fue sometido.

Diagrama de Fases

El diagrama presenta dos ejes: abscisas (% de carbono de la aleación) y ordenadas (temperatura en grados). El límite de abscisas es el 6,67% de carbono; a partir de ahí, el carbono se presenta en forma de grafito. El eutéctico es el punto de una aleación donde esta funde a menor temperatura. En el caso de las aleaciones hierro-carbono, conforme aumenta el porcentaje de carbono, se reduce el punto de fusión, hasta llegar al 4,3%, punto correspondiente al eutéctico de nuestra aleación (1130 grados).

Tratamientos Térmicos

Templado

El templado consiste en calentar el acero hasta una temperatura que permita transformar toda la masa en austenita, para posteriormente enfriarla rápidamente y transformar la austenita en martensita. El calentamiento se realiza a una temperatura superior en 50 grados por encima de la temperatura crítica A3 para aceros con más de 0,89% de carbono (temperatura crítica A3-2-1 para aceros con menos de 0,89% de carbono).

Tipos de temple:

  • Temples normales (de austenización completa, de austenización incompleta)
  • Temples isotérmicos (austempering, martempering)
  • Temples interrumpidos (en agua y aceite, en agua y aire)
  • Temples superficiales (oxiacetilénico, por inducción)

Revenido

El revenido suele acompañar al templado y se realiza posteriormente. Consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la línea de comienzo de la austenización (línea A1), dejando enfriar el acero al aire (excepto en algunos aceros que se enfrían en agua o aceite). Su objetivo es mejorar la tenacidad del acero templado y reducir las tensiones internas generadas durante el temple. Sus desventajas son que reduce la dureza, resistencia mecánica y límite elástico. El proceso combinado de temple y revenido se denomina bonificado. Los factores influyentes son el estado de la pieza, temperatura a la que se realiza, duración y tamaño de la pieza.

Recocido

La finalidad principal del recocido es ablandar el material para poder trabajarlo mejor. Existen diferentes tipos de recocido:

  • Recocido de regeneración: Calentar acero a temperaturas ligeramente superiores a las críticas A3 o Acm para transformarlo en austenita, enfriando muy lentamente en el horno hasta aproximadamente 500 grados (ferrita y perlita – 0,89% de carbono; perlita y cementita + 0,89% de carbono).
  • Recocido de ablandamiento: Calentar acero a temperaturas levemente inferiores a la temperatura crítica A1 o A3-2-1, enfriándose después al aire (temperaturas de calentamiento 700-725 grados).
  • Recocido contra acritud: Su objetivo es devolver al acero sus condiciones (ductilidad y maleabilidad) para poder ser trabajado nuevamente. Se calienta hasta 600-700 grados y se deja enfriar. Al alcanzar los 550 grados, recristaliza la ferrita y el material recobra su maleabilidad y ductilidad iniciales.
  • Recocido de estabilización: Elimina las tensiones internas de la pieza que pueden provocar la rotura del elemento o deformaciones. Se calienta el acero a 100-200 grados durante un tiempo muy prolongado.

Cementación

La cementación es un proceso de aportación de carbono a la capa superficial del acero. Se introduce la pieza dentro de un producto carburante y se somete a una temperatura adecuada que favorezca la absorción y transferencia del carbono hacia el interior de la pieza. Tras la cementación, la pieza es templada y revenida, logrando una gran dureza superficial y un núcleo con elevada tenacidad. La temperatura es de 850-950 grados en estado austenítico (solubilidad del carbono máxima). El máximo porcentaje de carbono a absorber es 1,76% a 1130 grados. Se utiliza para aceros con menos de 0,30% de carbono y aceros aleados al cromo, níquel y molibdeno. No conviene obtener una capa superficial con más de 0,9% de carbono, ya que debilita la capa cementada, produciendo descascarillamientos. Para evitar descascarillamientos, se somete a recocido de difusión (disminuye el porcentaje de carbono y homogeneiza la composición). El espesor de la capa depende de la temperatura y de la duración. Cementantes utilizados: forma sólida (polvos cementantes), líquidos (sales cementantes) o gaseosos.

Cianuración

La cianuración es un tratamiento termoquímico que busca conseguir una capa superficial en el acero que presente mayor dureza por efecto combinado del carbono y nitrógeno. Es un procedimiento combinado de nitruración y cementación, que puede realizarse en un medio líquido o gaseoso. Sirve para endurecer aceros de bajo porcentaje de carbono, siendo templados y revenidos para obtener durezas de hasta 65 HRc.

Sulfinización

La sulfinización aumenta la resistencia al desgaste de las piezas, calentándolas en un baño de sales a 565 grados durante 1-3 horas. Si la temperatura supera los 575 grados, se produce un hinchamiento del material. La capa máxima es de 0,3 mm. Superficialmente, se produce una polidifusión de carbono-nitrógeno-azufre. Se observa una autopropagación del efecto cementante del azufre, donde parece que la capa tratada emigra hacia el interior conforme la pieza se desgasta. Es insoldable y realizable en todos los aceros.

Nitruración

La nitruración es un procedimiento termoquímico que busca aportar nitrógeno a la capa superficial del acero, lo que le confiere una dureza extraordinaria. Se calientan las piezas a 500 grados en una corriente de amoníaco durante 1-4 días. La dureza se debe a la formación de nitruros de los elementos de aleación del acero (Cr, Mo, Ni, Ti, Al). Los espesores de la capa son de 0,2-0,7 mm, alcanzando 0,3 mm/día. Las piezas nitruradas se templarán y se reveniran siempre antes de la nitruración. La dureza obtenida es del orden de 78 HRc. La nitruración no produce deformaciones y ofrece resistencia a la corrosión por agua dulce y salada, así como en atmósferas húmedas.