21. ACEROS AL CARBONO: METALÚRGICA BÁSICA DE LOS ACEROS. ESTRUCTURA METALOGRÁFICA. LA INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS. FORMAS COMERCIALES
INDICE.
1. INTRODUCCION A LOS ACEROS AL CARBONO
2. ACEROS AL CARBONO. FORMAS COMERCIALES
2.1. Composición
2.2. Formas comerciales
3. METALURGIA BÁSICA DE LOS ACEROS
3.1. Reducción en Altos Hornos.
3.2. Procedimiento por inyección de Oxigeno.
3.3. Procedimiento Martin-Siemens
3.4. Horno eléctrico
4. ESTRUCTURA METALOGRÁFICA
5. INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS
5.1. Recocido
5.2. Normalizado.
5.3. Temple
5.4. Revenido
5.5. Temple superficial
5.6. Tratamientos termoquímicos
1. INTRODUCCIÓN
El acero es en la actualidad la más importante de las aleaciones conocidas, no habiendo existido en ninguna época otro material que tanto haya contribuido al progreso de la humanidad moderna. Pero, ¿qué hace del acero una aleación tan especial y de uso tan común?
La respuesta es que con el acero se obtienen unas características mecánicas como alta resistencia y dureza así como maleabilidad, ductilidad cuya combinación es muy difícil o casi imposible encontrar en otras aleaciones. Además estas propiedades podrán ser variadas por los tratamientos térmicos buscando intereses específicos según el uso. A todas estas ventajas se une costo de extracción y producción relativamente bajo.
2. ACEROS AL CARBONO. FORMAS COMERCIALES
3.1 Definición
El acero es una aleación de hierro con carbono en una proporción que oscila entre 0,03 y 2% de C si bien el contenido real de los aceros ordinarios no suele pasar del 0.7%. Podemos hacer una primera clasificación de los aceros al C según el contenido de este desde los extradulces (0,1%C) hasta los extraduros con contenido del 0,7% de C.
Además siempre contienen pequeñas cantidades de Mn, Si, que se emplean como elementos auxiliares en los procesos de fabricación y de P y S como impurezas no deseadas que provienen de los materiales de origen (lingote de hierro, chatarra…etc.) y que en los procesos de fabricación se procuran reducir al mínimo.
3.1 Formas comerciales
Los aceros, tras su obtención, se pueden destinar a la obtención de piezas fundidas o a ser colados en lingoteras. En este último caso el lingote bruto de colada tiene que sufrir una serie de transformaciones antes de ser lanzado al comercio como producto acabado, apto para las aplicaciones de la industrial mecánica. Las formas comerciales disponibles dependerán del proceso seguido:
· Por laminación en caliente se obtendrán dos clases de subproductos:
Productos semielaborados, como palanquillas y llantones que pasarán a un siguiente proceso de deformación.
Productos terminados, donde se encuentran una enorme variedad de formas comerciales: perfiles en T, U, H doble T, chapas, pletinas, tubos,…etc.
El laminado mejora también su calidad del acero al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.
· Por forja o deformación del metal con prs ensa o martillo obteniéndose así formas complejas.
· Por estirado o trefilado, haciendo pasar por tracción el metal a través de un orificio o hilera. Se obtienen así productos redondos estirados o trefilados de diferentes diámetros.
Estas formas encuentran aplicación en la construcción industrial y civil, en la industria automovilística, industria naval, mobiliario urbano, aperos de labranza y un largo…etc.
3. METALURGIA BÁSICA DE LOS ACEROS
Se produce en un proceso de dos fases.
3.1 Reducción en altos hornos.
Primeramente los minerales del hierro (en forma de óxidos) son fundidos y reducidos en altos hornos con coque (que actúa como reductor y como combustible) y piedra caliza (que actúa como fundente), produciendo hierro fundido que es moldeado como lingotes de hierro bruto (arrabio) o conducido a la siguiente fase como hierro fundido.
La segunda fase, la de acería, tiene por objetivo reducir el alto contenido de carbono que el coque introdujo al fundir el mineral y eliminar las impurezas tales como azufre y fósforo. Es lo que se conoce como afino del acero. Los procesos que sufren estos minerales son de origen físico, químico o electroquímico. Los métodos más utilizados son:
3.1 Procedimiento por inyección de Oxigeno
El más conocido es el procedimiento LD, denominado así por la acería austriaca Linz-Donawitz. El convertidor de acero al oxigeno (convertidor LD) se llena de hierro bruto liquido o esponja de hierro, chatarra y cal.
El acero se obtiene por transformación química del hierro bruto a Tº superior a 1600ºC. A través de una lanza refrigerada por agua se inyecta a oxigeno a presión (10 bar) desprendiéndose el C en forma de CO2 y formando los óxidos de azufre y fósforo. A la vez obtenemos dióxido de Si y oxido de Mn. Mediante la adición de cal todos estos componentes se unen formando la escoria que se retira posteriormente por flotación.
3.2 Procedimiento Martin-Siemens
La importancia particular de este procedimiento es que permite obtener directamente acero de calidad partiendo exclusivamente de chatarra. En el proceso, sin embargo, real se llena la cuba del horno con un 70% de chatarra de acero y el resto con hierro bruto y cal para formar la escoria.
De forma análoga al convertidor LD aquí el afino se produce con exceso de O2 pero temperaturas mayores (1800ºC). Estas temperaturas se consiguen mediante una llama abierta de gas, precalentando previamente el aire de combustión mediante recuperadores de calor de una primera combustión.
Debido a reacción exotérmica de formación de CO se llega a la cocción del caldo, con lo que se consigue un buen mezclado. El Si, P y Mn que acompañan al hierro se transforman en hierros no solubles que forman escoria con la cal.
3.3 Horno eléctrico
En esta forma de producción del acero, el calor es producido por una corriente eléctrica, bien mediante un arco entre dos electrodos o bien mediante corrientes de inducción. En cualquier caso la generación de calor está libre de impurezas ya que no existe ninguna llama de gas que desprenda S ni elementos no deseados. Como carga se emplea chatarra de buena calidad y acero preafinado. A pesar de su mayor coste energético, es cada vez más usado, principalmente para la obtención de aceros de alta calidad metalúrgica y aceros aleados.
- ESTRUCTURA METALOGRÁFICA
Los aceros al carbono ordinarios son esencialmente aleaciones hierro-cementita. Además como se mencionaba anteriormente contienen pequeñas cantidades de otros elementos como: Mn, Si, P, S en estado de solución liquida de combinaciones o inclusiones (óxidos, sulfuros, silicatos…) cuya influencia sobre las propiedades del acero son mucho menores que la del C.
En el estudio metalográfico de los aceros recocidos nos encontramos los siguientes componentes:
Ferrita:
Este constituyente está formado por una SS de inserción de C en Feα, siendo su solubilidad a Tº ambiente de tan sólo 0.008%.
Es el constituyente más blando y maleable de los aceros siendo también dúctil y tenaz.
Cementita:
Este constituyente es el carburo de hierro Fe3C que por cristalizar en un sistema ortorrómbico posee una gran dureza y gran fragilidad.
A bajas temperaturas (< 220ºC llamado punto de Curie) es ferromagnético.
Perlita
Está formada por la mezcla eutectoide de dos fases, ferrita y cementita. El contenido en C de la misma es de 0.88% siendo esta composición la línea divisoria entre los aceros hipo-eutectoides e hipereutectoides.
Su estructura está constituida por laminillas alternadas de estos dos constituyentes cuyo espesor y separación depende de la velocidad del enfriamiento.
Las propiedades mecánicas de la perlita son intermedias entre la ferrita y la cementita: es relativamente dura si bien presenta buena ductilidad y tenacidad.
Austenita
La austerita es el principal constituyente a altas temperaturas. Está formado por una SS de inserción de C en el Feγ.
Sólo es estable a Tº superiores a la línea de transformación (723ºC), desdoblándose a menores temperaturas en ferrita y cementita.
En resumen podemos decir que cuanto más bajo es el porcentaje en carbono de un acero, menor es el contenido de cementita y mayor el de ferrita; a medida que dicho porcentaje aumenta lo hace también el contenido de cementita. Este es el motivo por el cual los aceros pobres en carbono son blandos y dúctiles (aceros suaves o dulces), mientras que los de mayor contenido se vuelven más duros y resistentes, pero menos maleables.
5. INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS
Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar (adaptar al uso) propiedades y características de los aceros y los metales en general. Térmicamente se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces, caso de los tratamientos termoquímicos hay también cambios en la composición del metal.
Los tratamientos térmicos más comunes desarrollados en los aceros son:
5.1 Recocido
De forma general consiste en calentar el acero hasta una cierta Tº, mantenerlo un determinado tiempo seguido de un enfriamiento lento que permite conseguir los constituyentes más estables del acero. Se aumenta así la ductilidad del material a costa de disminuir su resistencia mecánica y dureza. Dependiendo de estos factores (TTT) y del fin del tratamiento podemos distinguir varios tipos de recocido
Recocido de Homogenización. Se aplica a los lingotes de aceros para destruir las heterogeneidades químicas (segregaciones de C, Si y P) que se originan durante la solidificación. El calentamiento excesivo produce acero sobrecalentado de gran tamaño de grano y peores características.
Recocido de Regeneración. El calentamiento se hace alrededor de 50ºC por encima de la Tº crítica. El enfriamiento posterior se produce de forma muy lenta, obteniéndose así un afinamiento del grano mejorando notablemente la ductilidad del acero.
Recocido de Globular. Se da a los aceros hipereutectoides para que la cementita y demás carburos adopten la forma esférica o globular en la matriz blanda de la ferrita. El calentamiento se produce alrededor de la Tº crítica seguido de un muy lento enfriamiento. Los aceros con esta estructura se mecanizan fácilmente
Recocido contra Acritud. Se efectúa a Tº de 625ºC -675ºC y teniendo por objeto aumentar la ductilidad de los aceros de bajo contenido en C trabajados en frío. Con el calentamiento a esta Tº se destruye la cristalización alargada de la ferrita (acritud) apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos. Se distinguen tres fases durante el proceso:
1º.- Restauración del grano 2º.- Recristalización 3º.- Crecimiento de grano
El enfriamiento se suele hacer al aire y en ocasiones en baños de sales.
5.2 Normalizado
Tratamiento térmico muy parecido al recocido del que se diferencia en que la velocidad de enfriamiento es algo mayor que la anterior. De esta manera se uniforma y afina el tamaño de grano y se eliminan tensiones internas de tratamientos anteriores, consiguiéndose una estructura subjetivamente “normal”.
5.3 Temple
Es el tratamiento térmico en que la austenita, enfriada rápidamente (con velocidad de enfriamiento superior a la crítica) se transforma en el constituyente estructural martensita. Al pasar de una estructura FCC a una HC el carbono distorsiona la estructura y la martensita presenta gran dureza y resistencia mecánica. Dichas propiedades tras el temple dependen exclusivamente del porcentaje de carbono y aumentan con este.
Para ello se calienta el material a una Tº ligeramente superior a la crítica durante el tiempo suficiente para lograr la completa austenización. Seguidamente se enfría el acero con una velocidad dependiente (según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente: agua, aceites, sales…etc.
Dependiendo de las propiedades buscadas los parámetros anteriores cambiarán dando lugar a multitud de procesos de temple. Entre ellos cabe resaltar lo que se conoce como tratamientos isotérmicos de los aceros, a destacar:
Temple martensítico o Martempering. En esencia consiste en un calentamiento hasta Tº de austenización, enfriando y manteniendo hasta Tº entre 200ºC y 400ºC. A esta temperatura la pieza completa ha de alcanzar la misma temperatura, incluido el núcleo; así se eliminan por completo las variaciones de volumen que tienen lugar cuando la austenita se transforma posteriormente en martensita puesto que esta transformación tiene lugar casi simultáneamente en toda la pieza.
Temple Austempering. También conocido como temple escalonado bainítico. En este tratamiento, el acero es calentado hasta su Tº de austenización enfriándose después a temperaturas mayores que en el tratamiento anterior 400ºC-600ºC. El tiempo de permanencia a esta Tº se ha de prolongar hasta que toda la austenita se transforme en bainita (constituyente de mayor ductilidad). Una vez realizada la transformación podemos enfriar hasta Tº amb pues la bainita no sufre transformación.
5.4 Revenido.
Se aplica este tratamiento a las piezas de acero que han sido previamente templadas. Se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad a costa de disminuir ligeramente la dureza y resistencia.
5.5 Temple superficial.
Consiste en producir un calentamiento superficial muy rápido, de forma que sólo una delgada capa exterior puede alcanzar la Tº de austenización, seguido de un enfriamiento también muy rápido. Así se logra una capa superficial de martensita sin que el núcleo experimente transformación alguna. Muy útil para piezas que están sometidas a choques, vibraciones y rozamiento superficial intenso.
5.6 Tratamientos en los que existe cambio de composición
En estos tratamientos, además de factores como la Tº, el tiempo, la velocidad de enfriamiento…etc., hay que tener en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento que hará variar superficialmente su composición. Se finalidad es obtener piezas que necesitan de una gran dureza superficial y resistencia al desgaste a la vez que un núcleo tenaz. Podemos distinguir:
Cementación. También conocido como carburización consiste en aumentar la concentración de C en la superficie el acero, calentándolo a la Tª de austenización en un medio rico en C (hidrocarburos), para obtener después por medio de temple+ revenido una gran dureza superficial.
Nitruración. Las piezas de acero previamente templadas y revenidas al ser calentadas a 500ºC en contacto con una corriente de amoniaco absorben nitrógeno formándose en la periferia de la pieza nitruros de gran dureza. No se necesita de ningún tratamiento posterior.
Cianuración y carbonitruración. Estos tratamientos se pueden considerar una mezcla de los dos anteriores. El acero absorbe el C y N en la zona superficial quedando esa zona muy dura y resistente después de un temple final.
Sulfunización. Su objetivo es crear una capa rica en S, N y C. Para ello se introducen las piezas en un baño formado por una mezcla de cianuro, sulfito sódico y carbonato sódico. La capa sulfinizada no aumenta prácticamente su dureza con respecto a la del metal base, si bien aumenta la lubricación y sobretodo su resistencia al desgaste.
6. CONCLUSIÓN
Podemos finalizar la exposición resaltando la importancia que ha tenido y tiene en la actualidad el acero en el desarrollo industrial de la humanidad. Ningún otro metal ni aleación posee la combinación propiedades tan notables, que lo hacen insustituible para muchas aplicaciones. El uso del acero se ve también favorecido por el coste relativamente bajo de su obtención y reciclaje. Además como hemos visto estas propiedades se pueden variar mediante tratamientos térmicos, adaptándolas a las necesidades demandadas.
Como propiedades no competitivas de los aceros podemos nombrar su mala conducción eléctrica, su elevado peso y los problemas de corrosión que presenta. En la búsqueda de estas propiedades serán otros los metales a utilizar.