Cementita diagrama hierro-carbono

La cementita es una mezcla de hierro, carbono y otros elementos que existe en las aleaciones de hierro como fase intermedia entre el hierro y el grafito. Los diagramas hierro-carbono se utilizan para comprender la transformación del hierro y el carbono durante el tratamiento térmico, que conduce a la formación de cementita en el acero. La cementita tiene propiedades diferentes a las del hierro o el grafito. Tiene alta densidad, dureza y punto de fusión, pero no es magnética. El carbono en la estructura de la cementita puede situarse en diferentes lugares: como carburo primario (cementita primaria) o como carburo secundario (cementita secundaria). La combinación de estas dos formas de carbono da lugar a los tres tipos de cementita: tetradeca-carburo primario (P 10%), dodeca-carburo primario (P = 10% C 20%) y tetradeca-carburo secundario (S 10% C 20%). Este artículo explica la química que interviene en el proceso de conversión del hierro en cementita utilizando un ejemplo de la metalurgia: la fabricación de una hoja de cuchillo de acero.

 

Diagramas Hierro-Carbón

Antes de pasar por el proceso de conversión del hierro en cementita, es importante entender qué es un diagrama hierro-carbono. Un diagrama hierro-carbono es un diagrama que muestra la composición química del acero en función de la temperatura. Incluye las fases presentes en la muestra y sus campos de estabilidad termodinámica. Los diagramas hierro-carbono se utilizan para comprender la transformación del hierro y el carbono durante el tratamiento térmico, que conduce a la formación de cementita en el acero. La cementita tiene propiedades diferentes a las del hierro o el grafito. Tiene alta densidad, dureza y punto de fusión, pero no es magnética. El carbono en la estructura de la cementita puede estar situado en diferentes lugares: como carburo primario (cementita primaria) o como carburo secundario (cementita secundaria). La combinación de estas dos formas de carbono da lugar a los tres tipos de cementita: carburo tetradeca-primario (P 10%), carburo dodeca-primario (P = 10% C 20%) y carburo tetradeca-secundario (S 10% C 20%). 

Comprender el diagrama hierro-carbono

Los diagramas hierro-carbono son de gran interés para los metalúrgicos, ya que les ayudan a comprender la transformación del hierro y el carbono durante el tratamiento térmico, que conduce a la formación de cementita en el acero. La cementita tiene propiedades diferentes a las del hierro o el grafito. Tiene alta densidad, dureza y punto de fusión, pero no es magnética. El carbono en la estructura de la cementita puede estar situado en diferentes lugares: como carburo primario (cementita primaria) o como carburo secundario (cementita secundaria). La combinación de estas dos formas de carbono da lugar a los tres tipos de cementita: carburo tetradeca-primario (P 10%), carburo dodeca-primario (P = 10% C 20%) y carburo tetradeca-secundario (S 10% C 20%). Por ejemplo, la hoja de un cuchillo de acero se calienta hasta que alcanza la temperatura a la que formará cementita. Esto puede ocurrir aproximadamente a 850°C. Si la hoja del cuchillo de acero se calienta por encima de esa temperatura, se convertirá en acero inoxidable austenítico; si se calienta por debajo de esa temperatura, se convertirá en acero inoxidable martensítico. Cuando este proceso alcanza su nivel máximo deseado, podemos ver que hay cuatro carburos primarios P presentes en la hoja. Entre estos cuatro carburos primarios P hay un carburo secundario S por cada dos carboxilatos primarios P. Así tenemos que 2P+S=4P+1S=5 

¿Cómo convierte el tratamiento térmico el hierro en cementita?

El proceso comienza con una mezcla de hierro, carbono y otros elementos. Cuando se calienta esta mezcla en el horno a alta temperatura (1.600 °C) durante un periodo de tiempo (2-4 horas), el carbono permite que se produzca una unión entre el hierro y el carburo formando cementita. Al enfriar esta mezcla a temperatura ambiente, se forma la cementita. La transformación del hierro en cementita también se denomina tratamiento térmico. El tratamiento térmico del acero consiste en calentarlo y enfriarlo lentamente para que no pierda su resistencia ni su durabilidad. La temperatura a la que se calienta el acero durante su tratamiento térmico determina si será "blando" o "duro". El acero blando se vuelve frágil a altas temperaturas, mientras que el acero duro se vuelve más fuerte y duradero. 

Formación de cementita durante el enfriamiento y el revenido

Durante el enfriamiento, el acero se enfría rápidamente y el contenido de carbono del acero cambia al formar una mezcla de cementita. Es importante señalar que el contenido de carbono en esta conversión también puede calcularse mediante un diagrama hierro-carbono. La formación de cementita primaria se ve favorecida cuando el contenido de carbono es superior al 0,7%, mientras que la formación de cementita secundaria se ve favorecida cuando el contenido de carbono oscila entre el 0,1% y el 0,6%. Las dos fases se ven favorecidas en diferentes etapas de temple o revenido, lo que lleva a su formación en diferentes etapas. Cuando las temperaturas descienden por debajo de 1200°C, se favorece la cementita primaria; entre 1200 y 1300°C, ambas fases están presentes pero la cementita secundaria es más prevalente; a 1400°C y más, domina la cementita secundaria. El artículo analiza un diagrama hierro-carbono que marca estas fases con diamantes negros: P 10%, S 10%, P = 10% C 20%. Estos diamantes representan los puntos de equilibrio con respecto a la transformación del carburo de hierro en cementitas primarias o secundarias. Este diagrama ilustra cómo ambas fases existen en el acero, pero una fase domina sobre la otra en función de la temperatura. 

Formación de cementita como resultado de las reacciones de la austenita

El acero es una aleación metálica compuesta principalmente por hierro y carbono. Contiene otros elementos como manganeso, cromo, níquel y molibdeno. Los diagramas hierro-carbono se utilizan para comprender la transformación del hierro y el carbono durante el tratamiento térmico, que conduce a la formación de cementita en el acero. La cementita tiene propiedades diferentes a las del hierro o el grafito. Tiene alta densidad, dureza y punto de fusión, pero no es magnética. El carbono en la estructura de la cementita puede situarse en diferentes lugares: como carburo primario (cementita primaria) o como carburo secundario (cementita secundaria). La combinación de estas dos formas de carbono da lugar a los tres tipos de cementita: carburo tetradeca-primario (P 10%), carburo dodeca-primario (P = 10% C 20%) y carburo tetradeca-secundario (S 10% C 20%). El artículo explica cómo se forma la austenita como resultado del calentamiento a temperaturas entre 900°C y 1500°C. El acero austenítico contiene ferrita y el acero martensítico contiene perlita; el artículo habla de la conversión a perlita por reacción con el carbono a unos 800°C. A continuación, el artículo habla de las transformaciones, que incluyen ferrita + cementita → acero microperlítico; ferrita + cementita → acero perlítico laminar; ferrita + cementita → acero bainítico; y ferrita + cementita → perlita bainítica. 

Resumen

La cementita es una mezcla de hierro, carbono y otros elementos que existe en las aleaciones de hierro como fase intermedia entre el hierro y el grafito. Los diagramas hierro-carbono se utilizan para comprender la transformación del hierro y el carbono durante el tratamiento térmico, que conduce a la formación de cementita en el acero. La cementita tiene propiedades diferentes a las del hierro o el grafito. Tiene alta densidad, dureza y punto de fusión, pero no es magnética. El carbono en la estructura de la cementita puede estar situado en diferentes lugares: como carburo primario (cementita primaria) o como carburo secundario (cementita secundaria). La combinación de estas dos formas de carbono da lugar a los tres tipos de cementita: carburo tetradeca-primario (P 10%), carburo dodeca-primario (P = 10% C 20%) y carburo tetradeca-secundario (S 10% C 20%). Este artículo explica la química que interviene en el proceso de conversión del hierro en cementita utilizando un ejemplo de la metalurgia: la fabricación de la hoja de un cuchillo de acero.