1. INTRODUCCIÓN.
2. OBTENCIÓN DEL HIERRO
3. CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES FÉRRICOS.
3.1. HIERROS
3.2. ACEROS
3.2.1. Tipos y aplicaciones.
3.2.2. Designación convencional de los aceros.
3.2.3. Presentación comercial del acero.
3.3. ALEACIONES HIERRO-CARBONO
3.4. FUNDICIONES.
3.4.1. FUNDICIONES ORDINARIAS
3.4.2. FUNDICIONES ALEADAS
3.4.3. FUNDICIONES ESPECIALES
3.5. CONGLOMERADOS FÉRREOS.
3.6. FERROALEACIONES
4. OBTENCIÓN DE LOS PRINCIPALES MATERIALES FÉRRICOS.
4.1. PROCESO SIDERÚRGICO.
4.2. CONFORMACIÓN DE ACEROS. LOS PRODUCTOS COMERCIALES DEL ACERO Y SU PRESENTACIÓN.
5. CONCLUSIÓN.
6. BIBLIOGRAFÍA.
– Materiales y procesos de fabricación. Ed. Reverté.
– MECÁNICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES. Ed. Limusa, S.A. 2000.
– Conocimiento de materiales”. Ed. Donostiarra.
1. INTRODUCCIÓN.
Se llaman materiales férricos a los que el hierro es el elemento predominante. El hierro es un material que puede combinarse con halógenos, azufre, carbono y silicio. Expuesto al aire se corroe y formando una sustancia pardo rojiza escamosa.
El hierro puro tiene aplicaciones muy limitadas a causa de sus bajas propiedades mecánicas. Por ello se utiliza más frecuentemente aleado con carbono.
La producción de hierro y acero comprende más del 90% de todo el tonelaje de metal producido en el mundo. Los metales ferrosos ocupan actualmente un lugar preferente en el conjunto de los materiales metalúrgicos para la construcción y se justifica así su inclusión en el currículo de tecnología. De hecho en el currículo de la ESO entra a formar parte tratando los metales en segundo de la ESO y ampliamente en bachillerato.
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 15360 a 1539° C, reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjado y moldearlo con facilidad.
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 son 4:
• Hematita (Fe203), la más utilizada, con 70 % de hierro sobre el mineral puro.
• Magnetita (Fe 304), con 72.4 % de Fe sobre el mineral puro.
• Siderita (FeC03) , con 48.3 % de Fe
• Limonita, con 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 y tenemos 3 clases de hierro:
− Hierro α (alfa): Esta forma existe por debajo de 906 ºC. No disuelve prácticamente el Carbono y cristaliza en el sistema cúbico centrado.
− Hierro γ (gamma): Esta forma existe entre 906 y 1401 °C. Cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas, es más denso y más dilatable que el hierro α (alfa).
− Hierro δ (delta): Existe desde 1401 °C hasta la temperatura de fusión (1536-1539° C). Disuelve fácilmente el
Carbono y es amagnético. Es idéntico a la forma a desde el punto de vista cristalino.
Resumiendo el hierro presenta 2 variedades alotrópicas: una estable debajo de 906 °C y encima 1401 ºC 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 1539 °C se inicia la fusión del hierro puro.
3. CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES FÉRRICOS.
El hierro industrialmente puro no tiene buenas propiedades mecánicas, por ello se utiliza aleado con carbono, o con otros metales. Según el contenido en carbono se distinguen estos 4 productos férreos:
− Hierros, cuando tienen entre 0.008% y 0.03% de carbono.
− Aceros, entre 0.03 y 1.76% de carbono
− Fundición, entre 1.76 y 6.67 % de carbono
− Grafito, mayor de 6.67% de carbono
3.1. HIERROS
El hierro con un contenido en carbono menor del 0.03% posee unas características mecánicas inadecuadas y por ello apenas se emplea industrialmente.
3.2. ACEROS
A mayor contenido de carbono de un acero, mayor es su dureza y su resistencia a la tracción, pero su ductilidad disminuirá y se incrementará su fragilidad. En general se puede decir que los aceros presentan las siguientes propiedades:
– Son dúctiles y maleables.
– La soldabilidad disminuye con el contenido en carbono.
– Se oxidan fácilmente, salvo los aceros inoxidables.
3.2.1. Tipos y aplicaciones.
Por regla general, además de Fe y C, en los aceros se encuentran presentes otros elementos que pueden modificar notablemente sus propiedades. Tenemos 2 tipos:
a) Aceros al carbono no aleados, donde otros elementos no supera unos límites establecidos. Dependiendo del porcentaje en carbono, tenemos desde extradulce hasta extraduro.
b) Aceros aleados. Además de Fe y C, contienen otros elementos en mayor proporción y sus propiedades cambian según estos 4 componentes:
– Azufre: que da fragilidad a los aceros y se evita con manganeso.
– Cromo: aumenta la dureza y la resistencia a la corrosión. Está presente en los aceros inoxidables.
– Molibdeno, para aumentar la dureza.
– Níquel, fundamental para el acero inoxidable aumentando la resistencia a la tracción.
3.2.2. Designación convencional de los aceros.
Los aceros se designan con la letra F seguida de cuatro cifras. La primera cifra indica grandes grupos de acero, según su utilización, como moldeo, construcción, etc. La segunda cifra designa subgrupos con características comunes y las dos últimas cifras diferencia un tipo de acero de otro, cronológicamente. Así por ejemplo F-2200 son Aceros de fácil soldadura.
3.2.3. Presentación comercial del acero.
Las formas más comunes de los aceros son las barras, perfiles y palastros, obtenidos por laminación en trenes de acabado, forja, estirado o trefilado.
– las Barras se obtiene por laminación en caliente/frío y pueden ser de sección triangular, redonda, cuadrada, etc.
– Los perfiles se obtienen por laminación, con longitud entre 5 y 12 metros, y pueden ser en forma de tubo, angular, doble Te, etc.
– Los palastros son chapas laminadas, con medidas entre 1×2 metros a 3×3 metros.
3.3. ALEACIONES HIERRO-CARBONO
Las aleaciones con C y otros elementos, es el metal más utilizado, 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 C que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro. Por eso las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.
Dependiendo del porcentaje de carbono que contengan en su aleación se pueden clasificar en hierro, acero y
fundición.
En el diagrama de equilibrio Hierro-Carburo de hierro se representa en abcisas el porcentaje de carbono y en ordenadas la temperatura. Las estructuras básicas que va a adoptar la aleación Fe-C dependiendo de la temperatura y del % de C pueden ser de 5 tipos:
− Ferrita es la estructura más blanda y dúctil.
− Cementita con fórmula Fe3C. Es frágil y dura.
− Perlita compuesta por láminas de ferrita y de cementita íntimamente unidas.
− Austenita principal constituyente a altas temperaturas. Es deformable, de poca dureza y resistente al desgaste.
− Martensita que después de la cementita es la estructura más dura.
3.4. FUNDICIONES.
Una fundición es la aleación de carbono y hierro con un contenido entre 1.76 y 6.67 % de Carbono, pudiendo contener otros elementos como silicio, manganeso, azufre y fósforo.
Las fundiciones son fácilmente fusibles y generalmente se utilizan para la obtención de piezas por moldeo en moldes de arena o metálicos.
Su densidad es menor que la del acero y su punto de fusión oscila entre 1050 y 1300 ºC. Generalmente no son dúctiles, ni maleable ni se sueldan con facilidad pero tiene estas ventajas:
• La fabricación es más sencilla que la del acero.
• Resistencia a la tracción de 90 kg/mm2, buena resistencia al desgaste, mayor resistencia a la oxidación que el acero.
• Las piezas de fundición son más baratas que las de acero.
Las fundiciones pueden clasificarse en ordinarias, aleadas y especiales.
3.4.1. FUNDICIONES ORDINARIAS
Son las que sólo contienen Fe y C, pudiendo contener pequeñas cantidades de otros elementos como Silicio y
Azufre. Por el aspecto de su fractura se clasifican en 3 tipos:
• Fundición blanca, con fractura de color blanco brillante. El Carbono está combinado con el hierro formando la cementita, dando gran dureza, fragilidad y baja tenacidad. También puede llevar perlita.
• Fundición gris, con fractura grisácea. El Carbono se encuentra en forma de grafito. Los constituyentes principales son el grafito, perlita y cementita o ferrita. Se mecanizan fácilmente, resisten bastante la corrosión y el desgaste. Se utilizan para zapatas de freno, camisas de cilindros, etc.
• Fundición atruchada, con fractura de color atruchada, y tiene presencia de grafito y cementita. Es intermedia entre la blanca y la gris.
3.4.2. FUNDICIONES ALEADAS
Además de hierro y Carbono, contienen Níquel, Cromo, Silicio, Aluminio y otros elementos en cantidades suficientes para cambiar las características de las fundiciones ordinarias presentando propiedades mecánicas mejores que las fundiciones ordinarias.
Se suelen clasificar en dos grupos, las de baja aleación con porcentajes del elemento aleado menor del 5 %, y las de alta aleación superiores al 5%. La de baja aleación se clasifican por su propiedad obteniendo las de alta resistencia a la tracción, las resistentes al desgaste, al calor y a la dureza.
Las aplicaciones de las de alta resistencia se da en camisas de cilindros, tambores de freno, etc.
3.4.3. FUNDICIONES ESPECIALES
Obtenidas a partir de las ordinarias por tratamientos o adición de elementos químicos. Existen tres tipos:
• Fundición maleables. Obtenida a partir de la fundición blanca después de someterlas a un tratamiento térmico (maleabilización). Para obtener una fundición maleble, se recurre los procedimientos de grafitización o descarburación.
• Fundición de grafito esferoidal. Se obtiene añadiendo manganeso a las ordinarias. El grafito laminar pasa a tener forma esferoidal.
• Fundiciones de grafito difuso. Obtenidas a partir de fundiciones blancas donde se difunde el grafito en forma de pequeños nódulos.
3.5. CONGLOMERADOS FÉRREOS.
Son productos formados por la unión entre si de distintos materiales férreos en polvo, comprimidos a altas presiones y temperaturas un poco inferiores a las de fusión, dando una masa compacta, dando piezas de gran precisión.
Al proceso se le llama sinterizado porque el polvo comprimido se sinteriza, que es someter las piezas a temperaturas ligeramente por debajo del punto de fusión en hornos de atmósfera reductora dándoles mejores propiedades.
3.6. FERROALEACIONES
Las ferroaleaciones son productos siderúrgicos que sin tener carácter metálico contienen hierro y uno o varios elementos que lo caracterizan. Los más importantes son ferromanganesos, ferrocromos, ferrosilicios, ferrovanadios, ferroníquel y ferrowolframio.
4. OBTENCIÓN DE LOS PRINCIPALES MATERIALES FÉRRICOS.
4.1. PROCESO SIDERÚRGICO.
Se llama proceso siderúrgico a las operaciones para obtener un metal férreo con unas determinadas características. Abarca desde la extracción del mineral de hierro en las minas hasta la fabricación final del producto.
El proceso de obtención del acero se puede sintetizar en 6 pasos:
1º. Obtención del mineral de hierro.
El hierro rara vez se encuentra en estado puro, sino en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros.
El mineral que se extrae de las minas de hierro contiene una parte de óxidos, carbonatos o sulfuros de hierro que es la MENA, con sustancias no ferrosas llamada GANGA, como rocas, sílice, etc. Una vez triturado el material, la MENA o parte útil se separa de la ganga o parte inservible.
La obtención de hierro se hace con la reducción de los óxidos de hierro, los carbonatos se calcinan y los sulfuros se tuestan y a partir de ellos se obtiene el hierro.
2º Obtención del arrabio
El horno se carga con hierro, carbón de coque y fundentes o piedra caliza por la parte superior y cada 2 horas se retira la escoria y el arrabio.
Periódicamente se vacía el crisol por la piquera de arrabio. El arrabio es una aleación de hierro con alto contenido de carbono y con impurezas, azufre, fósforo, silicio. El arrabio sin solidificar se transporta en vagones refractarios hasta los convertidores donde se le da un proceso de refino para eliminar el exceso de carbono y se ajusta su composición química para su posterior solidificado. El arrabio fundido se carga en un convertidor donde se añaden otros materiales, a continuación se sopla oxígeno y después se extrae del horno en una cuchara donde aún se puede modificar su composición y se vierte en el molde solidificador.
El arrabio se transporta en torpedos desde el horno alto o hasta la acería para la transformación en acero o bien a la máquina de colar donde se vierte en moldes para obtener un producto sólido, lingote de hierro, que posteriormente se tratan para fabricar piezas de este material.
Existen varios procedimientos para fabricar acero caracterizado por el oxidante empleado y por las temperaturas alcanzadas. Así tenemos estos 4:
1. Por aire, los convertidores Bessemer y Thomas
2. Por oxígeno, los LD
3. Por horno Martin
4. Y por horno eléctrico.
En el Método Bessemer, el hierro líquido se vierte en un horno basculante, en forma de pera, llamado convertidor, donde por insuflación de aire y eliminación de impurezas se convierte en acero.
El Método Thomas, es el mismo que el de Bessemer, diferenciándose en que el revestimiento del convertidor, que es de carácter básico, tiene la propiedad de absorber al fósforo, quitándoselo al arrabio durante la operación e impidiendo, por tanto, que vaya al acero obtenido.
En el procedimiento LD , el oxígeno puro, con menos del 2 % de impurezas, es inyectado por una lanza tubular en la superficie del metal fundido y se obtiene así acero de calidad superior al acero martin y más barato. Para el afino de fundiciones fosforosas se aplican los procedimientos LDP y OLP, derivados del anterior, del cual difieren por la adición de cal al metal fundido. Si el contenido en fósforo supera el 0.5 %, se recurre al procedimiento Kaldo, que requiere un convertidor, no solamente basculante, sino también rotativo. El chorro de oxígeno inyectado por la boquilla incide oblicuamente en la superficie del metal fundido. El convertidor oscila y gira apropiadamente para que el proceso de descarburación sea prolongado y dé tiempo a que se ultime al de la desfosforación, que es más lento.
El Método Martin-Siemens que también se llama de “fabricación en solera” consiste en afinar el arrabio, fundiéndolo junto con chatarra de hierro o acero y mineral de hierro (óxido), en hornos de reverbero alimentados con gasógeno y recuperadores de calor, con cuyo sistema se consigue una temperatura lo suficientemente alta.
En el horno eléctrico la base de la fabricación del acero es la fusión de las chatarras por una corriente eléctrica y el afino posterior del baño fundido. Según el modo en que se utiliza la corriente para producir el calor necesario para la fusión, existen dos tipos de hornos eléctricos: los de inducción y los de arco.
3º Metalurgia secundaria.
La función de la metalurgia secundaria es modificar la composición del acero para darle unas determinadas necesidades. Para ello, se somete a uno o varios de los siguientes 4 tratamientos:
• Ajuste de la composición. Se añaden al acero los elementos necesarios para que la composición sea la adecuada.
• Desulfuración. El azufre es perjudicial en los aceros dandole fragilidad.
• Desgasificación, para extraer los gases y evitar sopladuras indeseables.
• Calentamiento.
4º Colada de acero.
Hasta aquí el acero está líquido y el proceso de colada consiste en solidificarlo por dos métodos:
• A) Colada convencional, que sirve para transvasar el acero a unos moldes o lingoteras de forma troncopiramiedal para su solidificación. Puede ser colada directa donde se llenan las lingoteras sucesivamente, una tras otra, o colada en sifón, en la que se vacía la cuchara en un conducto centra que comunica con las lingoteras mediante vasos comunicantes.
• B) Colada continua. El acero líquido se vierte en un molde con fondo desplazable, cuya sección es de la forma a fabricar. Se llama colada continua porque el semiproducto sale sin interrupción de la máquina, hasta que la cuchara vacia el contenido.
5º Horno de fosa.
Como los lingotes se solidifican rápidamente en la superficie, pero lentamente en el centro, deben colocarse en un horno especial donde se consigue que toda la masa solidifique uniformemente.
6º Laminación del acero.
El acero obtenido se somete a un proceso de laminación para darle forma. Consiste en pasar un material entre dos rodillos o cilindros que giran, y así reducir la sección transversal mediante la presión ejercida, alargándose la longitud considerablemente. Se lleva a cabo en trenes de laminación. La laminación aprovecha la ductilidad y maleabilidad del acero, siendo su capacidad de deformación mayor cuanto mayor es la temperatura. Se distinguen dos tipos de laminación, en caliente o en frío a temperatura ambiente
4.2. CONFORMACIÓN DE ACEROS. LOS PRODUCTOS COMERCIALES DEL ACERO Y SU PRESENTACIÓN.
Para poder utilizar los aceros obtenidos en los hornos es preciso dar forma a los lingotes y transformarlos en productos comerciales. Esta transformación de los lingotes en productos comerciales mediante la forja y el laminado.
La forja es una técnica muy antigua, empleada ya por los primeros herreros, que consiste en golpear los lingotes al rojo vivo y darles forma golpeándolos o mediante presión.
El laminado consiste en calentar los lingotes y hacerlos pasar a través de una serie de rodillos, mediante los cuales el metal se vuelve más delgado, largo y ancho.Según el perfil de los rodillos, el producto resultante puede ser una chapa, una viga, una barra, etc.
Los perfiles laminados pueden ser trabajados posteriormente mediante estampación o troquelado. La estampación consiste en dar forma a las planchas y otros perfiles laminados prensándolos con moldes llamados estampas. El troquelado consiste en obtener piezas de diferentes formas recortándolas de láminas de chapa mediante unos moldes llamados troqueles.
5. CONCLUSIÓN.
Los metales férricos o ferrosos tienen importantes utilidades en nuestro alrededor, ya sea en nuestro hogar como pueden ser los cubiertos, planchas, ordenadores, frigoríficos o radiocasetes, como en la industria desde la fabricación de herramientas hasta la construcción de instalaciones.
En nuestro país los principales yacimientos ricos en mineral de hierro se encuentran en:
– Polanco (Bilbao).
– Ojos negros (Teruel).
– Riotinto (Huelva) y,
– Conjuro (Almeria).
Entre las múltiples características que presentan los materiales férricos cabe destacar las siguientes:
Tienen una superficie brillante, aunque la mayor parte de ellos suele oxidarse con suma facilidad.
Conducen muy bien el calor y la electricidad.
Proceden de minas (del interior de la tierra) y posteriormente, en general, han sido fundidos y refinados para separarlos de otros materiales e impurezas.
Tienen gran dureza.
