1.1.8. Acers de baix aliatge

Es formen mitjançant velocitats de refredament elevades que aconsegueixen que l’aliatge retinga al C en forma de cementita, que dona com a conseqüència una estructura dura i fràgil.

Aquests aliatges tendeixen a grafititzar a altes temperatures.20 Uns altres factors que afavoreixen la grafitització d’aquestes foses, són la presència d’aliants, impureses i un elevat contingut en carboni. El tractament tèrmic de mal·leabilització de les foses blanques consisteix en una recuita a altes temperatures entre 850 °C i 1000 °C, que produeix la transformació de ferrita en austenita i, per tant, un enriquiment en carboni de l’aliatge.21 Posteriorment, es fa un refredament lent de la fosa amb l’objecte de promoure la descomposició de l’estructura de cementita en grafit. L’estructura resultant ve donada per rosetes de carboni en una matriu ferrítica. Com s’aprecia en la figura 35 els nòduls de grafit de reveniment (rosetes) no trenquen la continuïtat de la matriu de manera que l’estructura resultant presenta interessants combinacions de propietats, com són alta tenacitat i mal·leabilitat sense un detriment important de la duresa.

Quan es tempra l’aliatge en lloc de refredar lentament, s’obté l’estructura coneguda com a ull de bou, ja que no hi ha temps material perquè es produïsca tota la difusió del carboni al llarg de l’aliatge (vegeu la fig. 35). Aquesta consisteix en rosetes de grafit envoltades de ferrita totalment grafititzada, embegudes en una matriu perlítica en la qual no s’ha produït la descomposició de la cementita pel refredament tan brusc que ha ocorregut.

Figura 35. Microestructura de fosa dúctil sotmesa a refredament ràpid, que dona lloc a una estructura tipus ull de bou. Adaptat del web: http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/y5.html (2017)

1.1.8. Acers de baix aliatge

Hi ha diversos criteris de classificació dels acers. Els dos més emprats es basen en el seu contingut en carboni o segons la quantitat d’aliants presents. En aquesta obra es fa servir la classificació en atenció al percentatge d’elements d’addició.

20. Donat que és una reacció desfavorable per la seua cinètica 21. El límit de solubilitat del carboni en l’austenita és d’un 2,11 % enfront de només un 0,022 % en la ferrita.

El primer grup de classificació correspondria als acers al carboni o acers de construcció, que són els que presenten una menor quantitat d’elements d’aliatge i representen la major producció industrial d’aliatges de base ferro. Generalment no superen l’1 % en pes de carboni i un 2 % en elements d’aliatge a part del carboni. Com aliants principals, presenten manganès i silici que s’hi sumen com desoxidants i per evitar els efectes perjudicials de les impureses com el fòsfor i el sofre, de manera que afegeixen millores en les propietats mecàniques (increment en el límit elàstic). El silici evita a més, l’aparició de porus i l’efecte de xuclet.22. Com impureses, aquests acers presenten sofre, fòsfor, oxigen i hidrogen. A més, es poden agrupar en acers dolços, semidolços, semidurs i durs, segons el contingut en carboni, que és crucial en l’acer ja que determina el seu comportament mecànic i químic. En augmentar el contingut en carboni, s’incrementa la duresa i la temprabilitat, però disminueix la tenacitat, la soldabilitat i la resistència a la corrosió. Les aplicacions dels acers al carboni s’utilitzen principalment en projectes d’enginyeria civil.

b) Acers de baixa i mitja aliatge

Els acers de baix aliatge són els següents en complexitat, respecte a la seua composició química, ja que no posseeixen més d’un 4-8 % en elements d’aliatge. Són acers econòmicament atractius pel seu baix cost per aplicacions on no es poden emprar acers al carboni, ja que aquests posseeixen poca capacitat per ser endurits i són susceptibles de patir deterioraments per corrosió. Mitjançant l’aliatge es pot millorar: la capacitat d’enduriment, la duresa, la tenacitat, la resistència a la corrosió i al desgast. Els aliants més comuns dels acers són els següents:

• Manganès. Millora la duresa i en general s’empra com a enduridor. Millora l’acabat i les propietats tribològiques de l’acer. Té alts continguts en manganès, dificulta la soldabilitat i empitjora la ductilitat dels acers. N’augmenta la temprabilitat. • Fòsfor. Tendeix a segregar, però en menor grau que el carboni i el sofre.

Augmenta la resistència al desgast i la duresa; per contra disminueix la ductilitat i la resistència a l’impacte. En acers de baix carboni, s’hi afegeix per millorar la seua màquina. • Sofre. Disminueix la ductilitat, la resistència a l’impacte i la soldabilitat. En general es limita bastant la quantitat de sofre en els acers. Per la seua alta tendència a la segregació s’empra en ocasions per millorar la màquina. • Silici. S’empra com a desoxigenant. Augmenta la resistència de l’acer encara que menys que el manganès. Empobreix l’acabat superficial de l’acer. És un element que varia bastant d’un acer a un altre.

22. És un defecte de fosa, tot i que també passa durant la soldadura, que consisteix en una contracció de l’acer sòlid respecte a la seua fase liquida, de forma que s’originen problemes de tensions en la peça. Defecte produït al final de la colada en un motlle, si no hi ha prou metall.

• Coure. Empitjora certs tipus de soldadura i el treballat en calent. Millora el comportament enfront de la corrosió, però empitjora l’acabat superficial de l’acer. • Plom. Per la seua tendència a segregar se’l pot afegir als acer per millorar la seua màquina. Aquesta ja en desús. • Bor. S’addiciona per millorar la temprabilitat i la duresa. S’empra sobretot en els acers amb baix contingut en carboni, on els seus efectes són més notables. • Crom. La seua aplicació per antonomàsia és l’aliatge en acers inoxidables per crear la capa passiva d’òxid de crom. Per sota del 8 % en pes no confereix caràcter inoxidable, però millora el comportament enfront de la corrosió dels acers. Posseeix una alta tendència a la formació de carburs i, per tant, a empitjorar la soldabilitat. Millora la resistència a l’abrasió i actua com a enduridor. • Níquel. És un altre dels aliants principals dels acers juntament amb el crom.

Estabilitza la fase austenita i millora el comportament enfront de la corrosió dels acers. Augmenta en gran mesura les propietats mecàniques en els seus aliatges i facilita l’aplicació de tractaments tèrmics ja que disminueix les velocitats de refredament. • Molibdè. S’empra fonamentalment per millorar el comportament enfront de la corrosió (és eficaç enfront de la corrosió localitzada) i la fluència en calent. També augmenta la duresa i és estabilitzador de la fase austenita de l’acer. • Niobi. És un gran enduridor, encara que pot donar lloc a fragilitat en l’acer resultant, raó per la qual és important fer-hi un afinament de gra durant el seu processat. Millora la soldabilitat dels acers perquè dificulta la precipitació de carburs de crom. • Tungstè. Augmenta la duresa, tenacitat i resistència al desgast a temperatures elevades. • Alumini. És emprat fonamentalment com a desoxigenant. És molt efectiu en el control de la grandària de gra dels acers. • Titani, zirconi i vanadi. Milloren el comportament enfront de la corrosió.

Milloren la duresa i tenacitat. Limiten el creixement de gra. També tenen cert caràcter desoxigenant.

Una vegada vistos els elements més comuns que presenten els acers i la seua influència en les propietats d’aquests, ens centrarem en aquells que estan dotats d’altes prestacions mecàniques o per a eines. Segons l’aisi23 els acers d’alta resistència es classifiquen en grups designats per una lletra majúscula que representa una característica o ús d’aquests (vegeu la taula 3).

23. American Iron and Steel Institute, aisi.

Grup

Temprats a l’aigua W Tipus

Resistents a l’impacte S

Treballat en fred O. Temprables a l’oli A. Temprables a l’aire D. Alt carboni i crom

Treballat en calent H. Base Cr, Base W o Base Mo

Alta velocitat T. Base W

M. Base Mo

Emmotllament P

Propòsits específics L. De baix carboni

F. Carbur de Tungstè

Els acers del tipus W són essencialment acers al carboni (fins a 1,4 % en pes), encara que poden contenir Cr i V (menys de l’1 % en pes). Es fan servir en eines de fusteria i tornejat. Són durs i amb bona resistència al desgast. Els acers del grup S són acers d’alta tenacitat. Posseeix fins a un 0,65 % en pes en carboni i poden estar aliats amb Cr, Mo o W (fins a un 4 % en pes). És fan servir en aplicacions on s’hagen de suportar impactes repetits, com en cisalles de tall.

El grup O i A difereixen en els seus aliants, ja que tenen el Cr com aliant principal que pot incorporar fins a un 5 % en pes. El contingut de C és variable del 0,5 % fins a l’1,5 %, i els més aliats són els acers temprables a l’aire. Presenten una gran resistència al desgast i la duresa i s’empren en eines com: matrius de colat de pressió o espigues, xanques, etc.

Els acers del grup P s’empren en motlles per a plàstics, etc. Presenten menys contingut en carboni (per sota del 0,35 %, generalment) que altres grups pel que són més dúctils. Poden incorporar Cr, Mo o Ni com aliants en continguts no superiors al 5 %. És de summa importància l’acabat superficial raó per la qual redueixen el contingut en silici de manera dràstica i presenten una moderada resistència a la corrosió.

Els acers de propòsit especial de les sèrie L incorporen Mn, Cr, Mo i Ni; encara que no més d’un 4 % en el pes total. Unit al seu baix contingut en carboni dona com a conseqüència acers extremadament tenaços, presenten una excel·lent soldabilitat i maquinabilitat. S’empren en embragatges, encunys, serres de disc, etc. La sèrie F incorpora tungstè per millora la resistència al desgast, són temprables a

l’aigua com la sèrie W. Aquestes dues famílies d’acers es manufacturen de manera molt acurada per mantenir una composició molt homogènia i controlada. Per a això s’empren forns elèctrics i els processos d’afinament24 són molt exigents; el mateix succeeix amb els tractaments tèrmics a què són sotmesos. En conseqüència, encara que no siguen acers d’alt aliatge són econòmicament costosos i presenten una moderada resistència a la corrosió.

Els següents grups d’acers per a eines, ja no són acers de baix aliatge ja que presenten més d’un 8 % d’elements d’aliatge. El grup D són acers de mitjà o alt aliatge ja que conté un 12 % de crom, a més d’altres aliants com V o Mo (fins a un 4 %). A més també posseeix un molt alt contingut en C, de l’1,5 % al 2,35 % en pes i són de molt alta duresa i resistència al desgast. S’empren en punxons, estampadors i calibradors i presenten una moderada resistència a la corrosió.

La família d’acers del grup H tenen com aliants principals Cr, Mo i W. S’usen per a la forja i l’extrusió. El contingut mitjà en carboni (0,35-0,60 %) i el seu contingut en aliants (12-22 %) fan que els acers tipus H puguen endurir-se a l’aire i ser resistents a l’impacte i la fluència en calent. Poden incorporar a més fins a un 2 % en vanadi. Són acers cars, d’alt aliatge que s’empren a altes temperatures. Presenten bona resistència a la corrosió.

Finalment, els acers d’alta velocitat són acers molt aliats (25 % en pes o superiors d’elements d’aliatge). S’empren en torns, freses i aplicacions on l’alta fricció genere un important desgast. Són els acers de les classes T i M, depenent del seu aliant principal. A causa del seu aliatge formen gran quantitat de carburs raó per la qual poden treballar sense perdre el fil i tallar a temperatures superiors als 500 °C,25 a més de presentar una excel·lent resistència a la corrosió.

Un altre grup d’acers d’alta resistència mecànica són els anomenats acers microaliats o acers hsla, 26 són acers de propòsit especial, els quals es manufacturen sobre la base d’una composició determinada. Els acers hsla es dissenyen en atenció a uns requeriments mecànics determinats. El més notable és la seua disminució en densitat respecte a altres acers convencionals, així com una transició dúctil fràgil de molt baixa temperatura. A més presenten un comportament davant la corrosió entre moderat i bo, així com una bona soldabilitat. Des del punt de vista composicional posseeix un baix contingut en carboni (0,003-0,2 % en pes) així com la presència en funció dels requeriments de: Mn, Cr, Mo, Si, Ni, Cu (< 1 % en pes) i Tu, Nb, V (< 0,25 % en pes). Estructuralment són ferrítics o ferriticoperlítics a diferència d’una gran part dels acers per a eines que són martensítics. Així mateix presenten una dispersió molt fina i homogènies de carburs que, com a conseqüència, ofereixen altes resistències a la tracció i tenacitat.

24. Com la desoxigenació per argó (aod), processos de buit (ald), així com refinament electrostàtic (esr). 25. Són resistents als processos de descarburació o pèrdua de carboni en la superfície de l’acer per culpa de la temperatura i amb això la pèrdua del tall de tall de l’eina. 26. High-strength low-alloy, per les seues sigles en anglès.