1. – INTRODUCCIÓN.
2. – OBTENCIÓN DEL HIERRO.
2.1. – PRODUCCIÓN DE ARRABIO.
2.2. – ALEACIONES HIERRO-CARBONO.
3. – FUNDICIONES.
3.1. – CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LAS FUNDICIONES.
3.1.1. – Fundiciones ordinarias.
3.1.2. – Fundiciones aleadas.
3.1.3. – Fundiciones especiales.
4. – ACEROS.
4.1. – OBTENCIÓN DE ACEROS.
4.2. – CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LOS ACEROS.
4.3. – DIAGRAMA HIERRO – CARBONO DE LOS ACEROS.
5. – BIBLIOGRAFIA.
1. – INTRODUCCIÓN.
La producción de hierro y acero comprende más del 90% de todo el tonelaje de metal producido en el mundo. En término medio son los metales más económicos. En algunas aplicaciones tienen primacía el hierro y el acero, mientras que en otras áreas hay fuerte competencia con otros metales y no metales. En la historia primitiva de la fabricación del hierro tenemos que en el año 1.350 a. de C. fueron construidos hornos de tratar el mineral. Un americano, William Kelly, también descubrió el sistema neumático de fabricación maleable de hierro que consistía en un diminuto convertidor cargado de hierro derretido. El aire era soplado en el fondo para quemarse el carbón y convertir el hierro en acero.
La actividad de la investigación en siderurgia es muy grande, sobre todo en los últimos años, y en escala industrial se han aplicado modificaciones en los procedimientos clásicos, cuyo objeto es disminuir el precio de coste y mejorar las cualidades del acero.
2. – OBTENCIÓN DEL HIERRO.
El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es de 7,87. Funde de 1536ºC a 1539ºC, reblandeciéndose antes de llegar a estas temperaturas, lo que permite forjarlo y moldearlo con facilidad. La temperatura de fusión baja en cuanto está aleado con carbono. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente. Se trata de un metal que raramente lo encontramos en la naturaleza sin mezclar. Los minerales aptos para la obtención del hierro comercial son, casi sin excepción, óxidos mezclados con cal, arcilla o materias silíceas consideradas como impurezas o ganga. Las principales menas o materias primas para la obtención del hierro se localizan principalmente en Estados Unidos, y son:
· Hematita (Fe2O3), es la más utilizada; mena rojo, 70% de hierro sobre el mineral puro.
· Magnetita (Fe3O4), mena negro, 72,4% de Fe sobre el mineral puro.
· Siderita (FeCO3), mena café, 48,3% de Fe.
· Limonita [Fe2O3X(H2O)], mena café, 60-65% de Fe.
Se pueden distinguir varias formas de hierro, llamadas variedades alotrópicas del hierro puro, que difieren por su magnetismo, su poder de disolución del carbono, o su estructura cristalina, pero poseen la misma composición:
· Hierro a: Esta forma existe por debajo de 906ºC. No disuelve prácticamente el carbono. Cristaliza en el sistema cúbico centrado. Es ferromagnético hasta 768ºC (punto de Curie), y deja de ser ferromagnético entre 768ºC y 906ºC (el hierro a no magnético se llamaba antes hierro b).
· Hierro g: Esta forma existe entre 906ºC y 1401ºC. Disuelve fácilmente el carbono cuya solubilidad crece hasta el 1.7% a 1145ºC, decreciendo después hasta 0.17% a 1487ºC. Cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas. El hierro g es más denso y más dilatable que el hierro a.
· Hierro d: Existe de 1401ºC hasta la temperatura de fusión (1536ºC – 1539ºC). Disuelve fácilmente el carbono y es amagnético. Es idéntico a la forma a desde el punto de vista cristalino. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial.
Resumiendo, el hierro presenta dos variedades alotrópicas: una estable debajo de 906ºC y encima de 1401ºC, y otro estable entre estas dos temperaturas. Por consiguiente, en las aleaciones hierro-carbono en equilibrio, se encuentran hasta 4 fases: ferrita, austenita, cementita, y grafito. A partir de 1539ºC se inicia la fusión del hierro puro.
2.1. – PRODUCCIÓN DE ARRABIO.
La materia prima más importante para todos los productos férricos es el arrabio, que es el producto obtenido en el alto horno. El arrabio se obtiene fundiendo el mineral de hierro con un combustible, generalmente coque o, en ocasiones, carbón vegetal o antracita, y piedra caliza como fundente (los fundentes permiten la eliminación de la ganga bajo la forma de escoria fusible que se separa de la fundición líquida por diferencia de masa volumínica) en cantidad suficiente para combinarla con la ganga y formar así escoria fusible. El mineral de hierro normalmente es sometido a un tratamiento previo, a fin de prepararlo para la reducción. Este tratamiento puede consistir en una tostación, trituración, molienda, cribado, lavado, aglomeración… etc.
Un alto horno (Fig.1), tiene por término medio, 8 o más metros de diámetro, y entre 28 y 36 metros de altura. El alto horno es un horno de cuba de eje vertical y de secciones circulares. Está comprendido en sentido descendente por:
a) El tragante, abertura por la que se introduce la carga y por donde escapan los gases. Debajo del tragante tiene frecuentemente una porción cilíndrica.
b) La cuba, tronco de cono ensanchado hacia arriba.
c) El vientre, parte cilíndrica.
d) Los etalajes, tronco de cono ensanchado hacia arriba.
e) El crisol (cámara de fusión o solera), parte cilíndrica; la parte superior llamada obra lleva las toberas que suministran el aire; la inferior lleva dos agujeros, uno para la colada del arrabio y otro para la escoria.
El proceso que se sigue en el alto horno es el siguiente: por el tragante se introduce periódicamente la carga (mena, combustible y fundente) a través de dos tolvas cerradas con campanas, para evitar que al cargar se escapen los gases del horno. El calentamiento preliminar, la calcinación de la piedra caliza hasta la formación de la cal y la mayoría de la reducción de la mena a una masa esponjosa de hierro metálico, tiene lugar en la cuba. Esta masa con su ganga y cal de la piedra caliza descompuesta pasa seguidamente al etalaje. Los restos de la mena, aún no reducida, se convierten aquí en hierro; la ganga y la cal se unifican para formar escoria fusible; y el hierro se funde. Entonces el caldo y la escoria se escurren sobre el coque sólido e incandescente que llena el etalaje y van a parar, finalmente, al crisol. Como el caldo es mucho más pesado que la escoria, se concentra en el fondo del crisol pasando la escoria a flotar sobre la superficie.
Tras la operación que dura varias horas, la cámara de fusión se llena prácticamente de hierro y escoria. Se procede entonces a su vaciado (3 ó 4 veces al día), a través de los orificios de colada situados a los costados de la cámara. El calor necesario para llevar a cabo la operación se produce por la combustión del coque puesto en la carga, mediante corrientes de aire inyectado a presión a través de una serie de toberas colocadas en el fondo del etalaje. El carbono caliente arde con el oxígeno del aire inyectado, originando una elevada temperatura. El producto de hierro así obtenido se llama arrabio.
2.2. – ALEACIONES HIERRO-CARBONO.
El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con carbono y otros elementos, es el metal más utilizado modernamente, con gran diferencia sobre los demás metales. El elemento básico de aleación del hierro es el carbono. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelto en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones hierro-carbono está en forma de carburo de hierro (FeC), por eso las aleaciones hierro-carbono se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.
Las aleaciones con contenido de carbono entre 0.1% y 0.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de carbono. Los aceros, generalmente, son forjables, y ésta es una cualidad, entre otras, que los distingue.
Si la proporción de carbono es superior a 1.76%, las aleaciones hierro-carbono se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de carbono aleado del 6.67%, que se trata de la cementita pura (CFe). Las fundiciones, en general, no son forjables.
3. – FUNDICIONES.
Se designa bajo el nombre de fundición a las aleaciones hierro-carbono que contienen de 1.7% a 6.7% de carbono. En la práctica, la fundición contiene aproximadamente de 3 a 4% de carbono, 92% de hierro y otros elementos en los porcentajes siguientes: Silicio (0.5-4%), Manganeso (0.3-2%), Azufre (0-0.2%), Fósforo (0-1.5%). Hay también fundiciones especiales que tienen un 15% de Silicio y elementos de aleación como el Níquel, Cromo, Molibdeno, Cobre,… etc.
La fundición se utiliza siempre para la obtención de piezas por moldeo, en moldes de arena o metálicos, y aunque pueden colarse directamente las piezas desde horno alto, ya que el arrabio obtenido en ellos es fundición, casi siempre se utiliza fundición de segunda fusión, preparada: en crisoles, para pequeñas coladas y en hornos denominados “Cubilotes”, que es donde se obtiene la mayor parte de la fundición. También se utiliza chatarra de hierro y acero sustituyendo a parte de la carga de arrabio.
Horno de cubilote: La construcción de este tipo de hornos es simple. Consiste en un tubo vertical recubierto con material refractario, con la disposición necesaria para introducirle una corriente de aire cerca del fondo. El tubo vertical se llena hasta la mitad alternando capas de coque (combustible) y capas de hierro, en una proporción de masa de una parte de coque por 8-10 partes de hierro. La capa inferior, de coque, será la de mayor espesor. Esta capa inferior será encendida por aire a presión inyectada.
El fundente que se añade puede ser piedra caliza, espato flúor, o cenizas de sosa, y su función es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo de la oxidación, y hacer a la escoria más fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote.
La presión del aire que debe mantenerse depende del tamaño del cubilote, lo compacto de la carga, la clase de hierro que se va a fundir y la temperatura. Esta presión puede variar entre 1.200, 2.000 Pa para cubilotes pequeños y puede llegar a 7.000 Pa para grandes. El proceso de crisol es el más viejo y actualmente sólo se usa en fundiciones no ferrosas.
3.1. – CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LAS FUNDICIONES:
La fundición se emplea para la fabricación de un número de piezas cada día mayor, desplazando incluso al acero en algunas piezas, por ejemplo, los cigüeñales de los motores. Esto se debe a las innegables ventajas que tiene la fundición, cuyos inconvenientes se han eliminado, en gran parte, en las fundiciones especiales. Las fundiciones tienen las siguientes ventajas:
1. – La fabricación de piezas con fundición es más sencilla que con acero:
a) Por que la temperatura de fusión de la fundición es más baja y no necesita de regulación especial.
b) Se funden muy fácilmente piezas muy grandes y muy pequeñas.
c) La mecanización de la fundición es más fácil que la del acero.
2. – Las fundiciones tienen características muy aceptables para muchas aplicaciones: resistencia a la compresión, a la tracción; muy buena resistencia al desgaste; una capacidad superior al acero para absorber vibraciones; cualidades autolubricantes, y más resistencia a la oxidación que el acero al carbono.
3. – Las piezas de fundición, por razón de su más fácil fabricación, son más baratas que el acero. Las fundiciones pueden clasificarse en: ordinarias, aleadas, y especiales.
3.1.1. – Fundiciones ordinarias: Son las que únicamente contienen hierro, carbono y pequeñas cantidades de Silicio, manganeso, azufre y fósforo, sin que su elaboración intervenga ninguna técnica especial. Se clasifican en blancas, grises y atruchadas.
La fundición blanca se llama así por el aspecto de su fractura, y esto se debe a que el carbono está en forma de Fe3C (cementita), siendo ésta y la perlita sus constituyentes principales. La fundición blanca se puede producir por vaciado en moldes fríos; las enfriaderas (enfriamiento rápido) se utilizan cuando se desea una superficie dura, resistente al desgaste. Las aplicaciones principales son: ruedas para automóviles, rodillos para triturar grano, mandíbulas de machacadoras, etc.
La fundición gris, se llama así por el color grisáceo de su fractura, debido a que el carbono se encuentra principalmente en forma de grafito (una variedad de carbono cristalizado). Los constituyentes principales son: grafito, perlita, y cementita y ferrita. Las fundiciones grises se mecanizan fácilmente. Tienen una gran resistencia a la corrosión; por eso son muy empleadas para la fabricación de piezas que se han de quedar a la intemperie. Tienen también gran resistencia al desgaste, buenas cualidades autolubricantes y una gran capacidad de amortiguación a las vibraciones. Todas estas cualidades son principalmente debidas al grafito. Las aplicaciones más usuales de las fundiciones grises son: piezas de maquinaría y de ornamentación, tubos, zapatas de freno, camisas de cilindros, etc.
La fundición atruchada es un producto intermedio entre las fundiciones gris y blanca, y se caracteriza por la presencia simultanea de grafito y cementita. Se obtiene en fundiciones en las que se han endurecido ciertas superficies que han de quedar sometidas a desgaste.
3.1.2. – Fundiciones aleadas: Se suelen clasificar en dos grupos: las de baja aleación, con porcentajes del elemento aleado inferior al 5%, y las de alta aleación, con porcentajes superiores al 5%. Las de baja aleación se suelen agrupar por la característica o propiedad que resulta más favorecida con la aleación en los siguientes grupos:
1. – Fundiciones de alta resistencia a la tracción; tienen como elementos de aleación el Níquel (4.5%), el Cromo (2%), el Molibdeno (1%), y el Cobre (1.75%).
2. – Fundiciones resistentes al desgaste; las más utilizadas son de tres tipos:
· Fundiciones blancas al Níquel (4.5% Ni, 2% Cr).
· Fundiciones blancas al Manganeso (2.9% Si, 3% Mn).
· Fundiciones grises autotemplantes (1.75% Si, 4% Ni), quedan templadas al enfriarse la colada.
3. – Fundiciones resistentes al calor; contiene Si (1.5-2%) y Cr (1.25%).
4. – Fundiciones de gran dureza; hasta 3% de Cr.
Algunas aplicaciones de estas aleaciones de alta resistencia son: camisas de cilindros de motores de automóviles, tambores de freno, cigüeñales, bancadas de máquinas, etc.
Las fundiciones de alta aleación contienen como elementos aleados Ni, Cr, Si y Al, principalmente en proporciones superiores al 5%. Así tenemos:
a) Fundiciones al Níquel (15-35%): muy resistentes al calor. Alta resistencia a la corrosión, por lo que se emplean mucho para la construcción de recipientes en la industria química. Resisten mal las variaciones bruscas de temperatura.
b) Fundiciones al Cromo (6-33%): resisten bien el calor (1.000) y las variaciones bruscas de temperatura. Son también resistentes a la corrosión.
c) Fundiciones al Silicio (6.5-15%): son muy resistentes a la oxidación y corrosión de los ácidos.
d) Fundiciones al Aluminio (7-8%): resisten hasta 2.000ºC, pero son difíciles de mecanizar.
3.1.3. – Fundiciones especiales: Desde hace muchos años se ha trabajado en la mejora de la tenacidad de las fundiciones ordinarias variando su composición y sometiéndolas a tratamientos complementarios. Como fundiciones especiales tenemos las fundiciones maleables y las fundiciones de grafito esferoidal.
Las fundiciones maleables conservan las buenas cualidades típicas de las fundiciones como son la facilidad de moldeo, resistencia a la oxidación, propiedades autolubricantes, etc., y tienen también alargamientos hasta de un 20% que resultan perfectamente aceptables para muchas aplicaciones.
Para obtener una fundición maleable, se ha recurrido a dos procedimientos bien distintos, siendo el primero el más generalizado:
1. – Por grafitización. Se hace pasar el carbono totalmente en forma de grafito recocido (método americano); éste se presenta bajo la forma de aglomeraciones llamadas nódulos, que no impiden una deformación elástica importante del metal.
2. Por descarburación. Se elimina el carbono por oxidación (método europeo), siendo el metal obtenido análogo al acero dulce.
Mientras que el procedimiento por grafitización es un tratamiento térmico, el otro es un tratamiento mixto termo-químico. En los dos casos las condiciones de los tratamientos imponen no tratar más fundiciones blancas, y el producto obtenido es blanco y tenaz.
El objetivo de la fundición de grafito esferoidal es disminuir el efecto debilitador del grafito en las fundiciones grises, obteniéndolo bajo formas sensiblemente esféricas (de diámetro 0.05 milímetros aproximadamente). Para su obtención se parte de fundiciones grises ordinarias a las que se añade magnesio, en la cuchara de colada, en forma de aleación Ni-Mg, Cu-Mg o Si-Mg con 20% de Mg aproximadamente; después, inmediatamente antes de la colada, se introduce ferro-silicio (papel grafitizante).
Estas fundiciones tienen una resistencia mecánica y una ductilidad superior a las fundiciones grises usuales. Sus principales aplicaciones son: tubos para conducción de agua, de gas, petróleo, cilindros de laminadores, engranajes, cigüeñales, etc.
4. – ACEROS.
El acero es una aleación cristalizada de hierro y carbono y otros varios elementos, que endurece cuando se la enfría bruscamente después de estar por encima de su temperatura crítica. No contiene escoria y se puede moldear, laminar o forjar. El carbono es un constituyente muy importante, por su habilidad para aumentar la dureza y la resistencia del acero.
4.1. – OBTENCIÓN DE ACEROS.
A diferencia de la mayoría de las aleaciones, el acero no se obtiene por fusión y mezcla de sus componentes. Para obtener acero se parte de una aleación hierro – carbono rica en carbono (2%) llamada arrabio, obtenido en el alto horno. Este se somete a una serie de procesos de oxidación hasta reducir la cantidad de carbono a la requerida. El arrabio contiene además una serie de impurezas procedentes del mineral y del carbón empleado en el alto horno para su obtención, como el fósforo, azufre y silicio que hay que eliminar en lo posible.
Estos procesos dan lugar a la formación de óxidos, tanto de hierro como de las impurezas por lo que posteriormente habrá que realizar una reducción. Existen varios procedimientos para fabricar aceros, caracterizados por el oxidante empleado y por la temperatura alcanzada. Los principales son:
a) Procedimiento por aire: Consiste en introducir arrabio líquido en el convertidor y hacer atravesar el baño por una corriente de aire. Se produce una oxidación de las impurezas con desprendimiento de calor que permite mantener el metal líquido. El convertidor es un recipiente en forma de pera, cuya base tiene unas toberas u orificios para el paso del aire. La parte superior troncocónica, ligeramente inclinada respecto al eje vertical, permite la entrada y salida de materias y reduce las proyecciones durante el soplado. El aparato lleva un revestimiento refractario de ladrillo. Si el convertidor es Bessemer el revestimiento es silicoso (o sea ácido). Si es Thomas es básico.
El procedimiento Bessemer se realiza del siguiente modo:
1. – Carga de la fundición: se coloca el convertidor en posición horizontal y se introduce el arrabio. Antes de ponerse en situación vertical se inyecta aire.
2. – Oxidación: la separación de las impurezas depende de su afinidad por el oxígeno. El silicio se oxida formando una escoria de silicato de hierro y manganeso. Esto provoca un aumento de temperatura favoreciendo el proceso. El manganeso, sin embargo, tiene una función reguladora para evitar que la oxidación del hierro sea demasiado fuerte por el equilibrio: Mn + FeO Ö MnO + Fe. El carbono también se oxida dando monóxido de carbono. El fósforo no se puede eliminar por no existir cal, incompatible con el revestimiento. Se exigen arrabios que contengan muy bajos porcentajes de fósforo.
3. – Reducción: debe ser muy rápida para evitar la solidificación del acero. La desoxidación del baño se hace introduciendo ferromanganeso (78% Mn y 6.5% Fe) y spiegel (20% Mn, 6% C, 2% Si). El azufre se elimina por la formación del sulfuro de Manganeso. El contenido en Manganeso debe ser suficiente para que esto ocurra.
b) Procedimiento por oxígeno: El acero se afina por la acción del oxígeno puro. A diferencia de los métodos anteriores, el soplado se realiza por medio de una lanza metálica, enfriada por agua, sobre la superficie del baño. La lanza puede ser inclinada o vertical. Se pueden distinguir dos procedimientos según que el aparato permanezca inmóvil (procedimiento LD) o en movimiento de rotación (procedimiento Kaldo) durante el soplado. El revestimiento del aparato es siempre básico. Se opera con cal o cal magnesiada que acelera la formación de la escoria. Esto permite la utilización de arrabios con alto contenido en fósforo que se elimina por reacción con la cal.
· Procedimiento LD: Es un procedimiento especial para el afino de arrabios hematites que contienen 0.1-0.3% de fósforo. El aparato que se utiliza es un convertidor con una capacidad entre 50-150 Tn. El revestimiento es de dolomía. El oxígeno es insuflado a una presión de 10 bares por medio de una lanza, ya mencionada, necesitándose una media de 60 m3 de oxígeno por tonelada de acero. El proceso se desarrolla en las siguientes etapas:
1. – Carga: el convertidor se carga en posición horizontal de chatarra sólida (aproximadamente 30% de la masa de arrabio), arrabio líquido y de cal.
2. – Oxidación: se coloca en posición vertical y se inyecta el oxígeno, lo cuál eleva enormemente la temperatura (2.500 a 3000ºC) y se producen una serie de reacciones con desprendimiento de CO2 y turbulencia del baño formando una escoria espumosa. Se eliminan el silicio y el fósforo por reacción con la cal, y el manganeso por desulfuración. Como se introduce oxígeno y no aire, se reduce el contenido de nitrógeno en el acero y su calidad es mejor. El procedimiento OLP (oxígeno-lanza-polvo) se ha ideado para afinar arrabios con porcentajes de fósforo de hasta 2%, caracterizándose por la acción sobre el baño metálico de oxígeno cargado de cal pulvurulenta, insuflado en el convertidor por medio de una lanza vertical.
c) Procedimiento por horno Martin: También llamado “afino sobre solera”. Existe el procedimiento ácido y el básico. En el horno Martin se carga arrabio junto con chatarra de hierro o incluso mineral, los cuáles tienen por misión aportar el oxígeno necesario para la descarburación, y la cal necesaria para la escorificación. Cuando el acero alcanza la calidad deseada se elimina la escoria y se procede a la colada del acero. Los procedimientos Thomas, Bessemer, y Martin están siendo sustituidos por el procedimiento por horno Martin.
d) Procedimiento por horno eléctrico: Pueden ser de arco indirecto (en desuso), o de arco directo (producen acero económicamente). El horno de arco directo puede ser de línea ácida o básica. El de línea ácida con hogar de grano de arcilla y paredes de ladrillo de sílice se usa de forma limitada para producir aceros de baja aleación. El de línea básica, con hogar de magnesita y paredes de ladrillo de magnesita y aluminio, se utiliza para producir cualquier grado de acero o aleación de acero. Este está muy generalizado ya que se puede controlar el fósforo y reducir el azufre, y también analiza y mantiene cerrado el control de temperatura. El metal fundido se puede ensayar para determinar con precisión su composición química antes de ser vertido en lingoteras. Estos hornos operan a unos 40 voltios y a una corriente eléctrica que puede exceder de 12.000 amperios.
4.2. – CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LOS ACEROS.
Los aceros se pueden clasificar de acuerdo con los elementos de aleación que contienen. El carbono es el elemento más importante. El acero al carbono contiene principalmente Fe y C, pero también, cuando se obtiene comercialmente contiene pequeñas cantidades de otros elementos como Mg, P, Si y S. Cuando estos 4 componentes se hallan presentes en sus porcentajes normales, el producto se conoce como acero ordinario al carbono, pero cuando no lo están o existe algún otro elemento necesario para su obtención, se conoce como aceros aleados. Los aceros ordinarios al carbono se pueden clasificar en tres categorías atendiendo a su contenido en carbono:
1. – Aceros de carbono bajo (menos de 0.3% de carbono): se conforman y sueldan bien pero carecen de templabilidad suficiente para que puedan endurecerse hasta profundidades interesantes. Están constituidos por perlita y ferrita, y generalmente se emplean directamente en estado bruto de conformación en caliente o frío. Estos aceros, cuando contienen entre un 0.1-0.2% de carbono, se llaman también aceros extrasuaves y si es entre 0.2-0.3% de carbono se llaman aceros suaves. Se emplean para alambres, perfiles estructurales y órganos de fijación de máquinas, tales como tornillos, tuercas y pernos.
2. – Aceros de carbono medio (0.3-0.8% de carbono): con estos porcentajes de carbono se consigue el mejor equilibrio entre las distintas propiedades, pues el gran límite de fatiga y tenacidad del metal pobre en carbono se mejora con la mayor resistencia y dureza propias de los contenidos de carbono más elevados. Aquellos que contienen 0.3-0.4% de carbono se llaman aceros semisuaves; 0.4-0.5% de carbono aceros semiduros; y 0.5-0.6% de carbono aceros duros. Los extraduros contienen más de un 0.7% de carbono por lo que incluyen también los aceros de carbono alto. Se emplean para carriles, ejes, engranajes, y partes que requieren alta resistencia y dureza moderada.
3. – Aceros de carbono alto (más de 0.8% de carbono): su tenacidad y conformabilidad son muy escasas, pero su dureza y resistencia al desgaste altas. Se utilizan para herramientas de corte, como cuchillas, brocas, machuelos y piezas con propiedades de resistencia a la abrasión. Las características de los aceros ordinarios al carbono se pueden mejorar añadiendo a éstos uno o más elementos aleadores. Los aceros aleados pueden ser: de baja aleación (los elementos especiales de aleación suman menos del 8%), o de alta aleación (suman más del 8%). Las características que confieren los aleadores a los aceros son:
· “Manganeso”, se adiciona en porcentajes superiores al 1%. Cuando se añade en un porcentaje del 11% al 14% se produce el acero Hadfield, que posee elevada dureza, buena ductilidad y buena resistencia al desgaste, utilizándose para herramientas de minería y aplicaciones similares.
· “Azufre”, no suele ser deseable en el acero por los efectos fragilizadores del sulfuro de hierro, pero bajo la forma de sulfuro de manganeso puede comunicar unas características de macanizabilidad muy deseables.
· “Níquel”, aumenta la tenacidad (2-5%), mejora el temple y la resistencia a la corrosión. En los aceros de bajo contenido en carbono proporciona una buena resistencia a la corrosión, si se emplea en proporciones del 12-20%. Un acero con un 36% de níquel posee un coeficiente de dilatación térmica casi nulo (acero Invar), empleándose en instrumentos de medida.
· “Cromo”, (1-8%); el cromo aumenta la resistencia al desgaste por la formación de carburos duros, pero aporta acierta fragilidad; hasta con un 4% de cromo se les utiliza para herramientas; en proporciones más elevadas, forman los aceros de cuchillería fina y útiles de corte (aceros inoxidables al 13% de cromo).
· “Molibdeno”, suele emplearse combinado con el cromo, en porcentajes rara vez superiores al 0.3%. en los aceros para herramientas, el molibdeno se usa en proporciones mayores por su efecto de comunicar dureza persistente a las temperaturas del rojo.
· “Volframio”, se utiliza en aceros para herramientas, los cuáles deben conservar la dureza a temperaturas de trabajo elevadas.
· “Cromo-níquel”, son los aceros especiales más importantes por sus múltiples aplicaciones; reúnen las ventajas del níquel y el cromo. Destacan los aceros perlíticos (6% níquel y 2% cromo, como máximo), muy empleados en la construcción mecánica, y los aceros austeníticos, de mayor contenido de níquel y cromo, que constituyen los aceros inoxidables (18% cromo, 8% níquel) y ciertos aceros refractarios.
· “Plomo”, (0.15-0.35%) mejora la mecanizabilidad.
Otro criterio para clasificar los aceros es según el uso a que se destinan. Los aceros cuyo empleo es más corriente son.
· Aceros de construcción: su interés radica en la mejora del conjunto de las características mecánicas antes y sobre todo después del tratamiento térmico apropiado. Los aceros aleados presentan ventajas sobre los aceros ordinarios, para ser utilizados como aceros de construcción, y estas ventajas se deben principalmente a que presentan una buena templabilidad, mientras que con un acero ordinario tal temple no es realizable para el conjunto de la pieza si ésta es bastante gruesa, y por otra parte, conduciría a deformaciones externas y grietas, y peor resistencia. En cuanto a sus aplicaciones los aceros aleados, debido a su alto precio, no son utilizados más que cuando se tiende a reducir las dimensiones de las piezas o a aumentar los que habrán de soportar (industria de la construcción, automóvil, o aeronáutica). Los aceros ordinarios al carbono se usan para viguetas y perfiles utilizados en construcción mecánica corriente, con un coste más bajo.
· Aceros de herramientas: los aceros aleados, además de las ventajas expuestas anteriormente sobre los aceros ordinarios, también poseen mayor resistencia al revenido por lo que podrán soportar un calentamiento más fuerte, y por consiguiente trabajar más rápidamente sin ablandarse. La alta dureza y resistencia al desgaste se obtienen para contenidos en carbono del orden del 1%. Se utilizan sobre todo aceros al cromo (1, ó 5, ó 12%) acompañado a veces de tungsteno (1 ó 2%). Dentro de los aceros de herramientas están los aceros de corte rápido cuya característica principal es la conservación de su dureza a altas temperaturas. Tienen la ventaja de conservar sus cualidades hasta 500ºC, mientras que los otros las conservan hasta 250ºC. el más empleado es el acero 18-4-1 (0.75% carbono, 18% Wolframio, 4% cromo, 1.5% vanadio, 1% molibdeno, y también contiene tungsteno).
· Aceros para empleo en caliente: también se llaman aceros refractarios. El cromo y el níquel, elementos de base de estos aceros, permiten obtener estructuras particularmente apropiadas para resistir altas temperaturas (550ºC – 950ºC; resistencia a la corrosión y a la fluencia). De acuerdo con su estructura micrográfica y su composición química, los aceros refractarios pueden clasificarse en ferríticos y austeníticos:
a) Los ferríticos con estructura de martensita, perlita o ferrita, se tratan generalmente por temple y revenido para favorecer su resistencia a la fluencia. El molibdeno, vanadio, titanio, tungsteno y niobio permiten mejorar esta cualidad (por ejemplo, los aceros al cromomolibdeno se emplean hasta 650-700ºC). Son especialmente utilizados para la construcción de aparatos catalizadores, tubos de recalentamiento, válvulas de motores de explosión, aletas de turbinas de vapor,… etc.
b) Los austeníticos al cromoníquel tienen, en relación a los ferríticos, mayor flexibilidad, soldabilidad y, sobre todo, una fluencia excelente a temperaturas elevadas. Se utilizan, en forma de piezas moldeadas, forjadas o de calderería, en la construcción de aparatos térmicos (hornos, calderas, crisoles,… etc.), así como para cámaras de combustión de turborreactores y turbinas de gas.
· Aceros inoxidables: Se designan así a los aceros que resisten a los agentes químicos a temperaturas moderadas. Los elementos que se incorporan para conseguir aceros inoxidables son: principalmente cromo (más de 10%), también cantidades importantes de níquel, y además se pueden adicionar cantidades pequeñas de otros elementos (Mo, Ti, Nb, Cu) para aumentar la resistencia a la corrosión en casos particulares. Según su estructura los aceros inoxidables pueden clasificarse en tres grupos:
a) Aceros martensíticos; con un contenido de carbono alrededor del 0.4% (puede hacerse variar para conseguir el nivel de características mecánicas deseado), y con un 12-16% de cromo. Son más caros que los ferríticos. Los aceros martensíticos de 13% de cromo son utilizados como hojas de cuchillo, álabes de turbinas, ejes de bombas,… etc.
b) Aceros ferríticos; son aleaciones de carbono bajo (menos del 0.3%) y cromo alto (16-30% de cromo). Su ductilidad y conformabilidad son escasas, dada su estructura centrada en el cuerpo, pero se sueldan bien. Resisten bien la corrosión de ciertos ácidos, en particular los ácidos nítrico y acético, por lo que se les emplea en la industria alimentaria y en los casos en que es esencial una elevada dureza, como en la fabricación de utensilios de cocina y cubertería.
c) Aceros austeníticos; son aceros al Cr-Ni, cuyos límites de composición son los siguientes: menos de 0.1% de carbono, 12-25% de cromo, 8-20% de níquel, y, en algunos casos, pequeñas cantidades de molibdeno y titanio. Son los más caros de los tres. El molibdeno y el nitrógeno pueden sustituir a parte del níquel consiguiendo disminuir el precio, pero perdiendo también calidad. El acero 18-10 (18% de cromo y 10% de níquel) es el más corrientemente utilizado de todos los aceros inoxidables (industria química, alimentación, muebles, fregaderos, utensilios de cocina, decoración,… etc.). Los aceros austeníticos son amagnéticos y fuertemente resistentes a la corrosión en casi todos los ambientes, menos en ácido clorhídrico y otros ácidos y sales halogenuros.
Los problemas de los aceros inoxidables fundamentales se relacionan generalmente con la pérdida de su resistencia a la corrosión (sensibilización) cuando el porcentaje de cromo en solución desciende por debajo del 10%, formándose carburos de cromo. Esto se puede prevenir manteniendo el contenido de carbono por debajo del 0.1%, o bloqueando el carbono con elementos “estabilizadores” como titanio o niobio.
También existen aceros para muelles (1% o menos de silicio), aceros de rodamientos (1% de carbono, 2% de cromo), aceros indeformables (con cromo y molibdeno), aceros para imanes o magnéticos (aceros ordinarios con tungsteno, cromo, y sobre todo, cobalto (hasta un 30% en total)).
4.3. – DIAGRAMA HIERRO – CARBONO DE LOS ACEROS.
En este diagrama se representan los constituyentes que forman las aleaciones hierro – carbono según sean sus proporciones de hierro y carbono y temperatura a que se encuentran. En el diagrama se puede observar: en abscisas figuran las proporciones de carbono y también las de carburo de hierro (CFe3), que sigue una proporción casi igual a la del carbono, a temperatura ambiente. Se ha elegido una escala logarítmica para que la zona correspondiente al acero ocupe el mayor espacio posible. En el eje de ordenadas se han representado las temperaturas. A la vista del diagrama podemos apreciar que en el eje de abscisas hay cuatro puntos bien definidos:
1. – El límite del diagrama corresponde a un 6.67% de carbono, que es el de la cementita pura (Cfe3). Las aleaciones hierro – carbono con carbono en una proporción superior al 6.67%, lo contendrán en forma de grafito, y por tanto, están excluidos 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 un 4.3% de carbono y un total de 64.5% de carburo de hierro. La aleación de 4.3% de carbono es la de más bajo punto de fusión, 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 a 4.3%). La mezcla eutéctica funde a temperatura constante, ya que es una estructura especial formada por dos constituyentes en proporciones fijas y determinadas para cada aleación. Por eso la línea ABCD, de principio de solidificación, tiene con la AHJECF el punto común C, que es el eutéctico. Y así como con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita, las aleaciones de 4.3% de carbono se solidifican formando un solo constituyente, que también se denomina eutéctico y es la ledeburita, formado por el 52% de cementita y el 48% de austenita de 1.76% de carbono a una temperatura de 1130ºC. La austenita es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de carbono disuelto varia desde el 0% al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130ºC).
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 que es la solución sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono de 1.76%. Además, el punto de 1.76% en el eje de abscisas divide las aleaciones de hierro – carbono en dos clases de características muy distintas: los aceros de carbono inferior a 1.76% hasta 0.03%, y las fundiciones de contenido de carbono comprendido entre 1.76% y 6.67%. Los aceros son las aleaciones hierro – carbono que a partir de una temperatura determinada se transforman íntegramente en austenita, y al enfriarla rápidamente se convierte en martensita (es el constituyente más duro después de la cementita, es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica.
4. – El punto S denominado eutectoide, es análogo al punto C, que se denominaba 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. Así como el punto C marcaba la composición de la aleación, que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto S marca la composición de la austenita que es estable a más baja temperatura. Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto S (0.89% de carbono), la transformación de la austenita en perlita tiene lugar a través de una fase intermedia, durante la cual va segregando un constituyente nuevo hasta que al llegar a la temperatura de 723ºC, la austenita tiene la composición eutectoide y se transforma íntegramente en perlita.
La perlita, es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. La ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver a 0.008% de carbono. Por esto, prácticamente, se considera la ferrita como hierro alfa puro. La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0.025% a 723ºC. la ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros.
5. – Punto J, cuyo porcentaje de 0.78% de carbono es el de la austenita, que permanece estable a la más alta temperatura de 1.492ºC. Este punto se denomina peritéctico y puede considerarse como un punto eutéctico al revés.
6. – El punto H, de 0.08% de carbono, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.
7. – El punto P de 0.025% de carbono, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita.
Estos tres últimos puntos tienen poco interés, prácticamente. Se ha marcado también en el diagrama, en el eje de abscisas, un punto que corresponde al 0.03% de carbono, que es el mínimo que puede contener el hierro para que se considere aleación hierro carbono. Por debajo de este porcentaje se considera como hierro técnicamente puro.
En el eje de ordenadas hay los siguientes puntos críticos:
· A0= 210ºC cambio magnético de la cementita (por encima de él deja de ser magnética)
· A1= 723ºC, límite de la perlita.
· A2= 768ºC, que es la temperatura de cambio magnético de la ferrita, por encima de la cuál deja de ser magnética.
· A3= línea SG, que es el límite de la ferrita. Este punto varia desde 723ºC a 910ºC, según el % de carbono.
· Acm= Línea SE, es el límite de la cementita que varia entre 723ºC y 1130ºC.
· Línea EF= 1130ºC límite de la lediburita.
· Línea AHJECF es la de temperaturas de iniciación de la fusión, al calentar o de terminación de la solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está líquido. Entre esta línea y la anterior existe una mezcla de líquido y sólido.
· Línea A4= Línea HB, que es el límite superior de la austenita.
5. – BIBLIOGRAFIA.
· Sánchez Marín, J.M. – LasHeras Esteban, J.M. “Conocimiento de materiales”. Editorial Donostiarra. San Sebastián, 1.977.
· Chaussin, C. – Hilly, G. “Metalurgia” (Tomo I y II). Ediciones URMO. Bilbao, 1.975.
· DeGarmo, E.P. – Black, J.T. – Kohser, R.A. “Materiales y procesos de fabricación”. Editorial Reverté. Barcelona, 1.988.