- Obtención del Hierro y su uso industrial.
El hierro ocupa el cuarto lugar en abundancia de la corteza terrestre, por lo que es uno de los elementos metálicos más abundantes. Este se obtiene de modo continuo a través del llamado, horno alto. El proceso de obtención consiste en la reducción de óxido de hierro (concretamente de las minas), generalmente de Fe2O3, que se suelen encontrar impuras mezcladas con silicatos. La reducción se lleva a cabo mediante el monóxido de carbono, el cual se genera a través de la reacción del coque con aire, a la misma ves que se le proporciona calor.
Un horno alto suele tener varias decenas de metros de alto, y son cargados por la parte alta de este, con una mezcla de óxidos de hierro, junto con coque y caliza, mientras que se insufla aire por la parte inferior del horno con el fin de facilitar la combustión del coque. El CaCo3 ( caliza), que es el mineral no silíceo con mayor abundancia de la corteza de la Tierra, se añade para eliminar los silicatos, reaccionando con el óxido de calcio que se forma por la descomposición térmica de la caliza.
El hierro fundido que se obtiene es protegido del aire por la escoria, que se obtiene del silicato de calcio, el cual al tener un punto de fusión bajo se puede extraer fácilmente, pues el hierro fundido posee una mayor densidad que ésta.
Su importancia en la industria es muy alta, debido a que es el Metal Duro más utilizado, encontrándose el Hierro Puro (considerado como tal aquel que tiene un 99,5% de Pureza) sin muchas aplicaciones, por lo que se emplea en distintas concentraciones en la Siderurgia, utilizándose como Materia Prima para brindar aleaciones tales como el Acero, combinándose con otros materiales de origen Metálico tanto como aquellos No Metálicos, brindando distintas Propiedades Fisicoquímicas.
El Acero es muy utilizado en la industria de Automóviles, tanto como para la elaboración de Estructuras de Edificios, como también en la Industria Naval en la creación de Barcos, sumado a sus ventajas en lo que respecta a Propiedades Mecánicas, dependiendo ellas del tratamiento de la materia prima o bien la composición química que se emplee.
- Producción del acero
Para poder producir acero, las industrias generalmente utilizan uno de dos procesos, cada proceso utiliza diferentes materiales y tecnología. Estos dos procesos principales para hacer acero son:
1. El horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés Basic Oxygen Furnace)
2. El horno de arco eléctrico (EAF, por sus siglas en inglpes Electric Arc Furnace)
1.1 El proceso de Horno de Oxígeno Básico básicamente funde hierro rico en carbono que se transforma en acero, su proceso se distingue por los siguiente pasos:
1. El hierro es fundido en un horno, posteriormente es vertido en un contenedor grande para realizarle un pre-tratamiento llamado contenedor BOF.
2. Este pre- tratamiento consiste en tratar al metal para reducir la carga de azufre, silicio y fósforo. La cantidad de impurezas que se quita del metal determina la calidad final del acero fabricado.
3. El proceso BOF se distingue por hacer uso de hierro viejo para fabricar acero nuevo, así que es necesario balancear la carga del acero nuevo con hierro viejo, se hace en una proporción aproximada de 50% de cada tipo de metal.
4. Una vez en el contenedor, se le inyecta oxigeno 99% puro dentro del acero y hierro, se quema el carbono disolviéndose en el acero para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono, causando que la temperatura suba cerca de los 1700°C. Cuando es fundido, el metal reduce su contenido de carbono y ayuda a remover los indeseados elementos químicos. Este es el uso del oxígeno es este proceso.
5. Se mezcla cal viva o dolomita para formar un tipo de residuo que absorbe las impurezas en el proceso de fabricación del acero
6. El recipiente de BOS se inclina de nuevo y el acero se vierte en un cazo gigante. El acero se refina en este horno, mediante la adición de productos de aleación para dar a las propiedades de aceros especiales requeridos por el cliente. A veces, argón o nitrógeno gaseoso. El acero ahora contiene 0.1-1% de carbono. Cuanto más carbono en el acero, más duro es, pero también es más frágil y menos flexible.
7. Después el acero se retira del recipiente de BOS, los residuos llena de impurezas, se separan y enfrían.
Este proceso para realizar el acero constituye en 40% de fabricación de acero en Estados Unidos.
2.2 En el del proceso de Horno de Arco Eléctrico básicamente se hace uso de la electricidad para fabricar acero a partir de casi el 100% de acero viejo para fabricar acero nuevo. El proceso consiste en los siguientes pasos:
1. Los residuos de metal son colocados en un contenedor el cual se compone por residuos de chatarra de autos, línea blanca y con hierro fundido para mantener el equilibrio químico.
2. La chatarra es colocada en una cesta donde se realiza un pre-calentamiento y será llevada al horno EAF donde se dejará caer esta chatarra. Es generada una gran cantidad de energía a la hora de dejar caer la chatarra en el horno EAF.
3. Una vez cargado el horno con la chatarra de metal se colocan unos electrodos que serán alimentados de electricidad por el horno de arco que permitirán triturar el metal empezando por la parte superior, voltajes inferiores son seleccionados para esta primera parte de la operación para proteger el techo y las paredes del calor excesivo y daño de los arcos eléctricos. Una vez que los electrodos han llegado a la gran fusión en la base del horno y los arcos están protegidos por la chatarra de metal, el voltaje se puede aumentar.Esto permite que se funda más rápido el metal.
4. Una parte importante de la producción de acero es la formación de escoria, que flota en la superficie del acero fundido. esta escoria por lo general consiste de metales óxidos, y ayudan a quitar las impurezas del metal.
5. Una vez hecho este primer proceso de fundición puede volver se a cargar el horno y fundirse, después de este proceso se puede revisar y corregir la composición química del acero. Con la formación de escoria se pueden eliminar las impurezas de silicio, azufre, fósforo, aluminio, magneso y calcio. La eliminación de carbono tiene lugar después de que estos elementos se han quemado, ya que tienen mayor afinidad al oxígeno. Los metales que tiene una afinidad más pobre de oxígeno que el hierro, tales como el níquel y cobre, no se pueden quitar a través de la oxidación y debe ser controlado a través del tratamiento químico solo de la chatarra.
6. Una vez que la temperatura y la química son correctas, el acero se extrae en un cazo pre- calentado a través de la inclinación del horno. Para algunos tipos de acero especiales, incluyendo el acero inoxidable, la escoria se vierte en el contenedor, así, para ser tratado en el horno para recuperar los valiosos elementos de aleación.
Actualmente el proceso de fabricación del acero por medio de EAF representa un 60% de la fabricación en Estados Unidos.
- Clasificación de los aceros por %C
Los aceros se pueden clasificar en función de varios criterios, esto da lugar a varias clasificaciones, la más utilizada de todas ellas es la clasificación en función del porcentaje de carbono disuelto:
El porcentaje de carbono disuelto en el acero condiciona las propiedades del mismo. Así cuanto mayor sea el porcentaje de carbono disuelto en el acero, éste presenta más dureza y más resistencia a la tracción. Teniendo esto presente es posible clasificar los aceros en:
El acero se somete a un proceso de tratamiento térmico, donde se ve alterada su estructura cristalina, pero no así su composición química; por esta razón podríamos decir que el acero posee buenas propiedades mecánicas, dado que se logra obtener características mecánicas concretas para los materiales; a través de sucesivos calentamientos y enfriamientos para lograr la estructura cristalina que se desee.
- Estructuras cristalográficas del Acero
Entre estas características están:
- Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
- Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).
- Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
- Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.
- ¿Que son los constituyentes del acero?
- ¿Relación de los constituyentes con los granos de los aceros?
- ¿Relación de los constituyentes con los cristales de los aceros?
Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.
La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:
- Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)
- Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)
- Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
CEMENTITA (Fe3C)
Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:
- Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.
- Componente de la perlita laminar.
- Componente de los glóbulos en perlita laminar.
- Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)
PERLITA
Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.
AUSTENITA
Este 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 C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.
Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.
MARTENSITA
Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.
Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.
TROOSTITA
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita que se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple, por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500ºC a 600ºC, o por revenido a 400ºC.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita: tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%.
Es un constituyente nodular oscuro y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
SORBITA
Es también un agregado fino de cementita y ferrita.
Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600ºC a 650ºC, o por revenido a la temperatura de 600ºC.
Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%.
Tanto la trostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
BAINITA
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250ºC a 500°C.
Se diferencian dos tipos de estructuras:
la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500ºC-580°C.
la bainita inferior, formada a 250ºC-400ºC tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
- Distintos constituyentes que se forman en los aceros atendiendo a su %C y enfriamiento lento
Estudiaremos los cambios que se producen en la región de los aceros, cuando sometemos al sistema a procesos de enfriamiento lento desde una estructura austenítica inicial. A partir de la figura 7.10 tenemos una muestra de acero hipoeutectoide que contiene 0.2% de C. En el intervalo austenítico, la aleación consiste en una solución sólida intersticial uniforme. Cada grano contiene 0.2% de C disuelto en los espacios de la estructura reticular de hierro FCC. Al enfriarse lentamente no sucede nada destacable hasta que la línea GJ se intercepta en el punto X1. Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica superior del lado hipoeutectoide, y se designa como A3. El cambio alotrópico de Fe FCC a Fe BCC tiene lugar a 1666ºF para Fe puro y disminuye en temperatura con el aumento del contenido de carbono, como lo muestra la línea A3; por tanto, en X1, la ferrita debe empezar a formarse en las frontera de grano de la austenita. Como la ferrita puede disolver muy poco carbono, en aquellas áreas que cambien a ferrita, el carbono debe salir de la solución antes de que los átomos se reajusten por sí mismos a la estructura BCC. El carbono que sale de la solución es disuelto en la austenita restante, así que, conforme el enfriamiento avanza y la cantidad de ferrita aumenta, la austenita restante se hace más rica en carbono. El contenido en carbono se desplaza gradualmente a lo largo de línea A3. Finalmente, la línea HJ se alcanza en el punto X2. Esta línea se conoce como línea de temperatura crítica inferior en el lado hipoeutectoide y se designa como A1. La línea A1 es la de temperatura eutectoide y constituye la mínima temperatura a la que puede existir el hierro FCC bajo condiciones de equilibrio. Precisamente por encima de línea A1, la microestructura consta de aproximadamente 25% de austenita y 75% de ferrita. Toda la austenita presente (que contiene el 0.8% de C) experimenta ahora la reacción eutectoide expuesta anteriormente. Darse cuenta que la austenita cambia al interceptarse la línea A1 ;por tanto cuando la reacción se ha completado, la microestructura final mostrará aproximadamente un 25% de perlita y un 75% de ferrita.
Vamos a considerar la reacción eutectoide con más detalle. La austenita cambia a ferrita y esta es una solución sólida intersticial en la que cada grano disuelve 0.8% de C en Fe FCC; sin embargo la ferrita es Fe BCC y disuelve muy poco carbono, de modo que el cambio de estructura cristalina no puede ocurrir hasta que los átomos de carbono salgan de la solución. Por tanto, el primer paso es precipitar los átomos de carbono para formar placas de cementita (carburo de hierro). En el área adyacente a la placa de cementita, el hierro se vacía de carbono y los átomos se reagrupan por sí mismos para formar ferrita BCC. A cada lado de la placa de cementita se forman delgadas capas de ferrita. El proceso continua con la formación de capas alternas de cementita y ferrita para la mezcla en forma de huella dactilar conocida como perlita. La reacción generalmente comienza en la frontera de grano de austenita, con la perlita creciendo a lo largo de la frontera y dentro del grano.
Los cambios descritos serían similares para cualquier acero hipoeutectoide, la única diferencia estaría en la cantidad relativa de ferrita y perlita. De esta forma, cuanto más próximos nos hallemos de la composición eutectoide (0.8% de C), más perlita tendremos en la microestructura. Así, la microestructura de un acero al 0.4% de C lentamente enfriado muestra aproximadamente un 50% de perlita, en tanto que la composición eutectoide (0.8% de C) muestra un 100% de perlita.
Las propiedades mecánicas de una aleación dependen de las características individuales de cada una de las fases que la componen y de la forma en que estas últimas estén ordenadas para formar la estructura. Sabemos que la ferrita es relativamente suave, con baja resistencia tensil, en tanto que la cementita es dura, con muy baja resistencia tensil. Podremos deducir pues, que la combinación de estas dos fases en la forma eutectoide (perlita), producirá una aleación de resistencia tensil mucho mayor que la de cualquiera de las fases individuales. Como la cantidad de perlita aumenta con un incremento en el contenido de carbono para aceros hipoeutectoides, la resistencia y la dureza Brinell también aumentará hasta la composición eutectoide. La ductilidad, expresada por el porcentaje de elongación y reducción de área, y la resistencia al impacto disminuyen al aumentar el contenido de carbono.
Efectos del contenido de carbono sobre las propiedades mecánicasde un acero trabajado en caliente.
- Relación entre tamaño y forma de grano y las características físicas de los acero.
El tamaño de grano tiene considerable influencia en las propiedades mecánicas de los metales y aleaciones, por eso es de gran interés conocerlo. Así pues, podemos entender que la realización de los diferentes tratamientos térmicos tenga como principal objetivo obtener el tamaño de grano deseado. Resulta evidente que dicho tamaño de grano es inversamente proporcional al número de granos presentes en la muestra.
Cálculo teórico del tamaño de grano
El tamaño de grano se expresa, según norma ASTM, mediante el número G obtenido de la expresión:
Número de granos / pulg2 a 100X = 2G-1
Donde G es el número de tamaño de grano de uno a ocho; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente.
Según el mismo criterio, se considera:
· grano grueso cuando G < 5 (diámetro de grano 62 micras)
· grano fino cuando G > 7 (diámetro de grano 32 micras)
Podemos hacernos una idea del tamaño de grano, según el índice G si observamos la siguiente figura:
Determinación práctica del tamaño de grano
Los límites de grano, son el lugar en que ocurren, preferentemente, las reacciones en estado sólido. En general, la energía libre de una cantidad de masa de metal dada disminuye a medida que aumenta el tamaño de grano. La causa del cambio de energía es la disminución de la energía interfacial asociada a los límites de grano. Esta disminución de energía es la fuerza impulsora que tiende a producir el crecimiento del grano. Ahora bien, en la mayoría de las condiciones de aplicación de los metales, la velocidad de crecimiento del grano es muy pequeña, y sólo a temperaturas elevadas el crecimiento se produce rápidamente. Un material de grano fino será, por lo tanto, más duro y más resistente que un material de grano grueso, el cuál (este último) tendrá más juntas de grano donde se acumularán más tensiones. Por todo lo anterior debe verificarse que la dureza es inversamente proporcional al tamaño de grano.
- Tratamientos térmicos en los aceros. Influencia en las propiedades mecánicas y por tanto en los constituyentes.
El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el del hierro-carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.
Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:
Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.
Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.
- Diagramas de enfriamiento (curvas de s)
