Indice
1.
Metales
2. Definiciones
básicas
3. Siderurgia
4. Acero
Definiciones:
Los metales son
electropositivos (tienden a perder electrones), conducen
fácilmente el calor y la
electricidad.
En estado
sólido los metales tienen estructura
cristalina (los átomos están situados en los nudos
de una red regular y
definida)
Los metales son isotrópicos (tienen iguales propiedades en
todas las direcciones)
Los defectos de la red, que provocan una
disminución de la resistencia
son:
Vacancia: falta de átomos dentro de su distribución normal
Dislocaciones: se produce la falta o discontinuidad en la
línea de átomos (alteraciones en el paralelismo de
la estructura)
Atomos intersticiales: aparecen átomos de elementos de
aleaciones con
distinta estructura interna
Elasticidad: las deformaciones desaparecen cuando se
anula el esfuerzo que las provoca
Plasticidad: permite que el material tenga deformación
permanente sin llegar a la rotura
Tenacidad: energía requerida para producir la rotura
Resiliencia: energía absorbida por el material en un
régimen elástico
Ductilidad: propiedad que
permite que el material se deforme antes de llegar a la
rotura
Fragilidad: opuesta a la ductilidad, el material se rompe con
deformación nula o despreciable
Maleabilidad: propiedad que permite, por procesos
mecánicos, formar láminas delgadas sin
fracturas
Tensión: relación entre fuerza y
superficie
Solidificación de metales:
Si el metal está fundido y lo enfriamos lentamente, este
enfriamiento es continuo y uniforme, hasta el momento donde la
temperatura se
estabiliza y entonces comienza la solidificación. Cuando
ésta termina continúa con la misma uniformidad, el
período de enfriamiento, hasta la temperatura
ambiente
Soluciones sólidas:
Sustancia cuyos iones constituyentes forman una única red
cristalina, de forma que los iones del soluto se encuentran
ocupando posiciones al azar en la celda del solvente. La
diferencia de tamaño entre los iones del soluto y los del
metal base provoca un endurecimiento de la aleación.
Solución sólida sustitucional: el aleante sustituye
las posiciones de los iones del metal base
Solución sólida intersticial: el aleante se ubica
entre los espacios interiónicos del metal base
Aleación:
Disolución (maleables): las moléculas de los
diferentes componentes se mezclan en la masa (no cambian de
naturaleza).
Combinación (frágiles): formación de nuevas
moléculas, diferentes de las de los componentes
Solidificación de aleaciones
metálicas:
Las curvas de enfriamiento de las soluciones
sólidas presentan un intervalo de solidificación.
Entonces existe una temperatura de comienzo y una de
culminación de la solidificación.
Diagramas de equilibrio:
– Sirven para conocer en todo momento el estado de
la aleación partiendo de la temperatura y la
composición
– Se construye a partir de las curvas de enfriamiento
– Nos suministran:
Fases presentes a una determinada temperatura
Composición de cada fase (sólido o
líquido)
Cantidad relativa de fases existentes en el campo bifásico
(sólido + líquido)
Es la parte de la metalurgia que
estudia lo referente a Hierros, Aceros y Fundiciones.
Los principales minerales de
hierro
son:
Magnetita: 65% de hierro
Óxido férrico: 50 % de hierro
Óxidos férricos hidratados: son fáciles de
reducir
Pueden ser considerados como aleaciones Hierro-Carbono con
agregados e impurezas naturales como fósforo o azufre
El acero está
compuesto por Hierro y carburo de hierro (Cementita)
El acero es hierro descarburado, con una proporción de
carbono inferior a 1.8 % que puede adquirir otras propiedades
mediante
tratamientos térmicos o mecánicos.
Procesos de conformación del acero:
El hierro colado o arrabio contiene no solamente un exceso de
carbono (procedente del carbón que ha servido para reducir
el mineral), sino también azufre, fósforo y otras
impurezas.
Su conversión en acero se obtiene mediante afino,
líquido o sólido, o pudelado, que eliminan el
exceso de carbono y las impurezas indeseables.
El afino es una oxidación que se efectúa en los
convertidores de Bessemer (para arrabio silíceo y pobre en
fósforo) o de thomas (hierros fosforosos), en los hornos
de reverbero (martin), en hornos eléctricos o en crisoles,
según sea la composición del hierro colado y la
clase de acero que se desea elaborar.
Consiste en inyectar aire u oxígeno, o una mezcla de ambos, en el seno
del hierro fundido (al cual se le agrega a veces chatarra), con
lo que se consuma la combustión del carbono y otras impurezas
presentes en la masa. El uso del oxígeno
atmosférico (aire) como reductor presenta inconvenientes
debidos al elevado contenido de nitrógeno (78 %). Calentar
inútilmente toda esa masa representa un enorme consumo,
limita el volumen de los
convertidores y afecta la calidad del
acero. Además limita la proporción de chatarra que
se puede agregar pues limita también la capacidad de
oxidación. Por todo esto se implementan modernas técnicas
de producción de acero al oxígeno.
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 afino sólido da aceros muy puros y se practica mediante
pudelado en hornos o crisoles donde el hierro pastoso (y no
líquido) es descarburado por las escorias que absorben
constantemente el oxígeno exterior y lo llevan en contacto
con el carbono de la masa gracias a un batido constante de la
misma. El crisol y el horno eléctrico dan aceros de alta
calidad, por hallarse su composición perfectamente
dosificada, aunque resultan caros. El acero martin o siemens, que
permite aprovechar la chatarra, se sitúa, por su calidad y
su costo de
elaboración entre los anteriores y el de convertidor.
Éste resulta muy barato porque no requiere ningún
manantial de calor y se elabora rápidamente.
El acero ordinario contiene 5 % de cuerpos aleados con el hierro:
carbono, silicio y manganeso a razón de 1 % como
máximo; azufre, fósforo y oxígeno a
razón de 1 por mil. Unos son necesarios (por ejemplo un
acero con más de 0.15 % de carbono no puede ser soldado si
no contiene manganeso), mientras que otros son perjudiciales (el
fósforo hace frágil al acero y el azufre disminuye
su maleabilidad)
Los aceros pueden adquirir propiedades muy diferentes mediante
tratamientos térmicos (templado, recocido),
fisicoquímicos (cementación, nitruración) y
mecánicos (forjado, laminado, estirado,
embutido).
Principales aceros y sus aplicaciones:
Aceros al carbono, aceros ordinarios, cuya composición, es
modificada ligeramente (sobre todo la proporción de
carbono) para obtener:
Acero extradulce (clavos, tornillos, chapa para embutido, piezas
de forja)
Acero dulce (armazones metálicos, barras perfiladas,
pernos, alambres)
Acero semidulce (vaciado, maquinaria, forja)
Acero semiduro (vaciado, árboles
de transmisión, herramientas)
Aceros duros (vaciado, armas,
herramientas, rieles, resortes, cuchillos)
Aceros extraduros (cables, cuerdas de piano, resortes,
herramientas para trabajar materiales)
Los aceros aleados o aceros especiales, modificados por
adición de un solo elemento especial se denominan aceros
binarios. Se llaman ternarios, cuaternarios o complejos, cuando
los elementos son varios.
Los aceros especiales más empleados son los que contienen
níquel y cromo (aceros al cromoníquel).
Llámanse aceros perlíticos cuando predomina el
níquel y aceros austeníticos cuando éste
entra en menores proporciones que el cromo.
Los primeros se utilizan mucho en construcciones mecánicas
mientras que los segundos constituyen los aceros
inoxidables.
Ventajas del acero:
– Bajo costo de elaboración
– Elevadas propiedades mecánicas
– Gran resistencia estática,
dinámica, rigidez y duración
– Posibilidad de modificar las propiedades mecánicas
con:
– Tratamientos térmicos
– Termoquímicos
– Agregado de aleantes
Por el % de carbono se clasifican en:
Aceros Hipoeutectoides: % < 0.8
Aceros hipereutectoides: % > 0.8
De bajo carbono: % < 0.3
De medio carbono: 0.3 < % < 0.7
De alto carbono: 0.7 < % < 1.7
Con el aumento de carbono se verifica:
Disminuye la temperatura de fusión del
acero
Aumentan las características mecánicas
Aumenta la fragilidad
Mayor resistencia al desgaste
Menor solubilidad
Dificultad de mecanizado
Facilidad para aplicación de tratamientos
térmicos
Autor:
Guillermo Contarino