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Metales y Aleaciones Ferrosos

Generalidades Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Debido al progreso de los programas de investigación y desarrollo, se están creando continuamente nuevos materiales.

Curvas de enfriamiento La temperatura de sobrecalentamiento y la velocidad de enfriamiento influyen en la cinética de nucleación de la fase primaria, durante la solidificación de las aleaciones metálicas. La temperatura de sobrecalentamiento se determina a partir de la temperatura de formación de la fase primaria y la velocidad de enfriamiento suele influir sobre esta y está determinada por el tipo de proceso de vaciado.

Estructuras Dendríticas Las dendritas por lo general se forman en aleaciones multifase. Para que se produzcan es preciso que el metal fundido se sobre enfríe por debajo del punto de solidificación del metal. Si el metal se enfría lentamente, la nucleación de nuevos cristales es menor que a grandes sub enfriamientos. Las dendritas producidas serán de mayores dimensiones. Por el contrario, un ciclo de enfriamiento rápido con un gran sub enfriamiento aumentará la cantidad de núcleos y por lo tanto reducir el tamaño de las dendritas que se produzcan.

Aleaciones Metálicas 

Hipoeutécticas: La aleación con el 50% de Ag y el 50% de Cu, es hipoeutéctica , pobre en Cu, pues tiene transformación eutéctica, T = 780ºC, y su composición en Ag, 50%, es inferior a la requerida por el eutéctico, aproximadamente un 71.9%.

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Eutécticas: Por la similitud con la solidificación de un metal puro, temperatura invariante, el punto eutéctico, E, es un punto con tres fases presentes, líquido, fase a y fase ß, en el que tiene lugar la transformación eutéctica. La micro estructura del eutéctico es bifásica pero con un ensamblaje laminar tan fino que puede parecer, macro estructuralmente, como pseudomonofásica.

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Hipereutécticas: La aleación del 80% de Ag y 20% de Cu, es hipereutéctica, rica en Ag, pues tiene transformación eutéctica, T = 780ºC y su composición en Ag es superior a la requerida por el eutéctico, 72%.

Diagrama de Hierro-Carbono

Estructuras Cristalinas

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Ferrita: Se considera como hierro alfa puro, es blanco y dúctil , constituyente de los aceros. Tiene una dureza de 95 Vickers. Presenta propiedades magnéticas. Cementita: 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. Perlita: Tiene una dureza aproximada de 200 Vickers, cada grano de perlita esta formado por una placa alternada o láminas de Cementita y ferrita. Enfriamiento muy lento. Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros, y está formada por la solución sólida de carbono de hierro de gamma. Además está formada por cristales cúbicos. No presenta propiedades magnéticas. Ledeburita: No es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones. Se forma al enfriar una fundición líquida de carbono. Martensita: 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.

Impurezas y agregados intencionales El acero comúnmente sirve para denominar ingeniería metalúrgica. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza, perlita, cementita y ferrita; además de la austenita.

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Clasificación de los aceros 

Acero Dulce: El porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una resistencia mecánica de 4855 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar con una técnica adecuada Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.

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Acero semidulce: El porcentaje de carbono es de 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 55-62 kg/mm2 y una dureza de 150-170 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB. Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.

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Acero semiduro: El porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánica de 6270 kg/mm2 y una dureza de 180 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90 kg/mm2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones. Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

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Acero duro: El porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 7075 kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB.

Fundiciones Fundición gris. Presenta todo o gran parte de su carbono en forma de grafito en láminas. - Fundición blanca. Presenta todo o gran parte de su carbono combinado en forma de cementita (carburo de hierro). - Fundición atruchada. Es aquella cuya estructura es una mezcla de la fundición gris y de la blanca. - Fundición maleable perlítica. Se obtiene por descomposición de la cementita de la fundición blanca, mediante un tratamiento térmico. - Fundición maleable negra o americana. El carbono de la cementita se precipita como grafito en forma de copos. - Fundición de grafito esferoidal. Presenta el grafito en forma esteroidal. Mariano Pereira Mecatronica

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- Fundición aleada. Cuyo contenido en silicio o manganeso es superior al 5 ó 1,5% respectivamente, y cuyo contenido en elementos de aleación es superior a los porcentajes indicados en la tabla de la norma UNE correspondiente.

Obtención del Arrabio El arrabio es un producto intermedio del proceso de fundición de las menas del hierro tratadas con coque como combustible y caliza como fundente. También se han usado como combustibles el carbón vegetal y la antracita. Se obtiene como material fundido en un alto horno mediante reducción del mineral de hierro.

Obtención del acero En la actualidad, los productos ferrosos se obtienen casi en su totalidad, de dos maneras, dependiendo de la materia prima empleada. Y son: Horno alto: El alto horno es una instalación industrial donde se transforma el mineral de hierro. Está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 metros de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor (refractario), como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. En la parte inferior hay varias aberturas por donde se fuerza que pase el aire para encender el coque.

Materia Prima del Alto Horno La materia prima del alto horno esta formada por mineral de hierro (60%), carbón de coque (30%) y fundente (10%), se introduce en el horno por la parte superior. 

Mineral de hierro: antes de ser introducido en el alto horno debe ser sometido a una serie de tratamientos preliminares. Estos tratamientos consisten en triturar y moler el mineral

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para después separar la mena (parte útil) de la no aprovechable (rocas, cal, sílice, tierra, etc.) Carbón de coque: Su misión es la siguiente: Producir, por combustión, calor para fundir la mena soportar el peso de la materia introducida. Esto permite que no se aplaste. Fundente: Compuesto por cal (piedra caliza) su misión es: Reaccionar con la ganga que haya podido quedar en el mineral, arrastrándola a la parte superior de la masa líquida y formando la escoria. Bajar el punto de fusión de la ganga para que la escoria sea líquida.

Transformación de arabio en acero (CONVERTIDOR) El arabio posee un exceso de impurezas (azufre, fósforo), que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas. Estas impurezas se quitan con hornos de afino. El horno más utilizado en el afino es el convertidor o procedimiento LD.  Materia que utiliza el convertidor LD: 1. Arabio líquido (con pequeñas cantidades de chatarra). 2. Fundente, 3. Ferroaleaciones que mejoran las propiedades del acero.  Características del horno convertidor: 1. Recubierto con materiales refractarios por dentro. 2. La producción por hornada suele ser de unas 300 toneladas. 3. Cada hornada suele durar una hora.  Funcionamiento:

Obtención de acero a través de chatarra. En la actualidad el único horno que se utiliza para sacar acero de la chatarra es el horno eléctrico. Sus partes son las siguientes: Mariano Pereira Mecatronica

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Transformador eléctrico: convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica alterna en corriente continua.  Cables flexibles: conducen la electricidad hasta los electrones.  Brazos de los electrodos: Permiten que los electrodos se acerquen o alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico.  Sujeción de electrodos.  Pórtico con brazos eléctricos: Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra.  Salida de humos refrigerada: Conduce los humos a un filtro y los expulsa.  Estructura oscilante: Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Materia Prima que utiliza el horno eléctrico:   

Chatarra seleccionada (sin cobre, plomo, aluminio, etc) Fundente (cal) Ferroaleaciones (Ni, Cr, Mo, etc.) Las características principales del horno eléctrico son:  interiormente recubierto de ladrillo.  Temperaturas de hasta 3500 ºC.  caben unas 100 toneladas de material.  Cada hornada dura 50min aproximadamente. Funcionamiento del horno eléctrico: 1. Se quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente. 2. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra. 3. Se inyecta oxígeno en lo fundido para quitar material indeseable. 4. Se extrae la escoria y se quita el horno. 5. Se hecha por el otro lado y se lleva al centro de moldeado.

Tratamientos térmicos del acero 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 Mariano Pereira Mecatronica

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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: 

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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 900950 °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.

Tratamientos termoquímicos del acero Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos Mariano Pereira Mecatronica

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tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. 

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Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C. Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior. Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales

Fabricación del arrabio

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Esquema producción del coque El acero puede ser fabricado utilizando materias primas naturales, esto es con el arrabio, o de manera reciclada. En la manera reciclada, de los desechos se recoge con un imán el acero, capaz de captar hasta 5 toneladas, donde un 80% de estos desechos se transformarán en barras de acero.

Vertido al horno y procesamiento

Luego este metal se deposita en un recipiente, con capacidad para unas 60 toneladas de metal, que se convertirá en metal fundido, luego los contenidos de este recipiente se echan a un horno, este horno alcanza una temperatura de unos 1600 grados, calor suficiente para licuar casi cualquier cosa. Mariano Pereira Mecatronica

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Los trozos de metal entran en contacto con el acero licuado, y un sistema de ventilación extrae el humo que se produce. Bajo este calor las 60 toneladas demetal se fundirán en unos 60 minutos, a su vez, en este proceso, se presentan impurezas que suben a la supericie cuando el acero está fundido. A continuación se inyecta oxigeno al acero fundido (con una lanza), lo que reduce el contenido de carbono, homogeneiza la mezcla y acelera el proceso.

Vertido al Horno Mariano Pereira Mecatronica

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Retiro de escoria

Colada de acero

Luego se coloca un caldero de colada bajo el horno (que puede contener hasta 115 toneladas de acero fundido), el acero fundido pasará del horno a este caldero de colada. Después, con el acero colado, se introducen aditivos para obtener el tono de acero correcto.

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Como próximo paso, un operario abre las boquillas del caldero (como distribuidor), para que el acero caiga en los moldes, donde rápidamente se enfría y comienza a endurecerse, así se producen barras, cuya longitud varía entre los 4,5 y 10,6 metros, luego se cortarán a la medida.

Retiro de escoria

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Vertido al Horno

Corte con gas

A continuación se cortan con gas las palanquillas a la medida

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