INTRODUCCION En este capítulo capítulo veremos veremos acerca acerca de el hierro hierro y sus aleaciones aleaciones y para entrar al tema veremos primeramente unos breves conceptos o ideas que abordan la temática de este capitulo Los primeros hombres descubrieron metales al encender sus lumbres las cuales eran arenas que contenían estaño o aluminio. La edad de bronce fue la época donde el resultado fue la mezcla del cobr co bre e co con n otro otross me meta tale les, s, que que se efec efectu tuab aba a a rela relati tiva vame ment nte e baja bajass temperaturas. Los pueblos eipcios y los de !sia "enor a lo laro del mediterráneo, comenz comenzar aron on a constr construir uir armas, armas, herram herramien ientas tas y otros otros produc productos tos con hier hierrro dado dado co con n ello elloss el prin princi cipi pio o de es esta ta edad edad,, sin sin em emba barro no consiuieron conseuir la fundici#n del material. La edad del hierro se dio posteriormente a la edad del bronce y fue apro$imadamente apro$imadamente en los años %&'' a.(. "ás adelante y mediante la evaluaci#n de la temperatura, el hombre pudo unir dos piezas del mismo metal por medio del martillo o forja, esto ocurri# alrededor de %)'' y %''' a.(. En este capítulo aprenderemos acerca de los criterios más utilizados para la clasi*caci#n de los aceros, así como también veremos las normas que se utilizan por la +!E y la !+ para clasi*carlo. -ambién -ambién trataremos brevemente acerca de los hornos para producir acero y sus propiedades. !pre !prend nder erem emos os la clas clasi* i*ca caci ci#n #n e iden identi ti*c *cac aci# i#n n de los los ace acero ross para para her herram ramient entas que que so son n un tem tema import portan ante te para para la ine nenie niería ría y conoceremos las aplicac aciiones de estos sen sus sus elementos constituyentes en la aleaci#n del acero. -ambién -ambién trabajaremos con los aceros ino$idables, veremos sus aplicaciones y a su vez también la de los hierros fundidos, identi*caremos identi*caremos sus características básicas y conoceremos sus diferentes área áreass de aplic aplicac aci# i#n n así como como tamb tambié ién n vere veremo moss las las vari variab able less que que inte interv rvie iene nen n en la co conf nfor orma maci ci#n #n de un hier hierrro fund fundid ido o y tamb tambié ién n trataremos de aprender a interpretar diaramas de fase %
RESUMEN El hierro es el cuarto elemento más abundante sobre la corteza terrestre /012 /012 y desp despu ués el alum alumiinio nio, es el metal más abun abunda dant nte e. Es el constituyente principal de alunas de las más importantes aleaciones de uso en ineniería. 3 a su vez es más barato que el (u, 4i, !l, ", 5n. !lu !luna nass prop propie ieda dade dess prin princi cipa pale less del del hier hierro ro so son6 n6 su dens densid idad ad es de 7.8
gr 3
cm
7 su nmero at#mico es el )8 y su peso at#mico es de 00.907
tiene un punto de ebullici#n de )9'' a :''';(7 el hierro es un metal ris y no es particularmente duro, es dctil y maleable, es manético y tiene buena tenacidad y resistencia. !lunas de las aplicaciones del hierro son6 aceros estructurales para la construcci#n, elaboraci#n de hierros fundidos, imanes, abrasivos, hierro forjado forjado,, colora colorante ntes, s, tintas tintas,, papel, papel, carb#n carb#n,, pimen pimentos tos,, herram herramien ientas tas,, entre otros. Estructura cuerpo, a temperaturas normales. -iene una estructura cbica centrada en la cara. Este hecho es de ran importancia práctica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átom átomos os de carbo arbon no so son n menor nores que que los los átom átomos os de hier hierrro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. (uando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños. (<-E<=+ >!ara clasi*car el acero podemos tomar cuatro parámetros para de*nir cada uno, ya sea sen el contenido del carbono7 sen el método de )
manufactura7 sen el uso *nal que se le da al acero7 y por ultimo su composici#n química
!2+EAB4 EL (=4-E4@= @EL (!
•
•
!ceros de bajo contenido de carbono6 contienen hasta .)01 de carbo arbono no77 ene enera ralm lme ente nte so son n ten tenac ace es, dct dctil ile es, fáci fácile less de conformar, maquinar y soldar, responden bien a los tratamientos térmicos. !ceros de medio contenido de carbono6 contienen de .)01 a .001 de carbono7 se utilizan en piezas estructurales para la industria ferro ferrovia viaria ria,, ejes, ejes, enrane enranes, s, partes partes resis resisten tentes tes,, combin combinaci acione ones7 s7 tienen buena resistencia, ductilidad y dureza. !cero de alto contenido de carbono6 más de .001 de carbono, poseen mayor resistencia al desaste, son sumamente s#lidos y duros, se utilizan para equipo de minería, rocas, machuelos, etc.
C2+EAB4 EL "E-=@= @E "!4D?!(-D
sus características son6 Dn alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos :' m a 9' m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es má$imo en un punto situado apro$imadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. (erca del fondo se encuentra un ori*cio por el que uye el arrabio cuando se sanra /o vacía2 el alto horno. Encima de ese ori*cio, pero debajo de las toberas, hay otro aujero para retirar la escoria. :
La parte superior del horno contiene respiraderos para los ases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza. Dna vez obtenido el acero líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados6 la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados7 la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminaci#n y, *nalmente, la colada sobre linoteras, de la que l#icamente se obtienen linotes. Esquema de funcionamiento de un alto horno. La instalaci#n recibe este nombre por sus randes dimensiones, ya que puede llear a tener una altura de 9' metros. >or la parte superior del horno se introduce el material, el cual, a medida que va descendiendo y por efecto de las altas temperaturas, se descompone en los distintos materiales que lo forman. En la parte inferior del horno, por un lado, se recoe el arrabio y, por otro, la escoria, o material de desecho, su capacidad de producci#n puede variar entre 0'' y %0'' toneladas diarias. o
Las partes del horno alto son6 %F La cuba: -iene forma troncoc#nica y constituye la parte superior del alto horno7 por la zona más estrecha y alta de la cuba /llamada traante2 se introduce la cara la cara que la componen6
El mineral de hierro: "anetita, limonita, siderita o hematite. Combustible: Aeneralmente es carb#n de coque. Este carb#n se obtiene por destilaci#n del carb#n de hulla y tiene alto poder calorí*co. El carb#n de coque, además de actuar como combustible provoca la reducci#n del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del o$íeno. Fundente: >uede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina químicamente con la ana para formar escoria, que queda otando sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar. !demás ayuda a disminuir el punto de fusi#n de la mezcla. &
)FEtalaje: Esta separada de la cuba por la zona más ancha de esta ltima parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de la cara es muy alta /%0'' ;(2 y es aquí donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro. La parte *nal del etalaje es más estrecha. :FCrisol: Cajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal líquido. >or un aujero, llamado biotera o piquera de escoria se e$trae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. >or un ori*cio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio. &F Cucharas: @ep#sitos hasta los cuales se conduce el producto *nal del alto horno llamado arrabio, también llamado hierro colado o hierro de primera fusi#n. o
>roductos que se obtienen de los hornos altos6
umos ! "ases residuales: +e producen como consecuencia de la combusti#n del coque y de los ases producidos en la reducci#n química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recoen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos ases son, principalmente, di#$ido de carbono, mon#$ido de carbono y #$idos de azufre. Escoria: Es un residuo metalrico que a veces adquiere la cateoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcci#n, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricaci#n de cemento y vidrio. La escoria, como se coment# anteriormente, se recoe por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria. Fundici#n$ hierro colado o arrabio: >roducto aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono. +e presenta en estado líquido a %9'' ;(. a este metal se le denomina hierro de primera fusi#n. ! partir de la primera fusi#n, se obtienen todos los
0
productos ferrosos restantes6 otras fundiciones, hierro dulce, acero. HORNO DE ACERO BESSEMER:
La elaboraci#n de acero en convertidores es un método desarrollado en el año %900 por el metalrico inles G. Cessemer, y consiste fundamentalmente en soplar aire comprimido al arrabio vertido en un recipiente especial llamado convertidor. >ara la producci#n de aceros, se emplean como materias primas fundamentales, el arrabio y la chatarra de metales ferrosos. El acero, comparado con el hierro fundido obtenido en los altos hornos, contiene mucho menos cantidad de carbono e impurezas, debido a que estas ltimas se eliminan por o$idaci#n durante el proceso de elaboraci#n del acero. Los métodos comnmente utilizados para obtener aceros son6 de convertidores7 producci#n en hornos "artin y producci#n en hornos eléctricos. El convertidor es un recipiente en forma de pera, hecho con chapas acero remachadas de %0 a :' cm de espesor. +u cavidad interior encuentra revestida de material refractario que forma una capa alrededor de :'' mm de espesor. +u volumen til promedio es alrededor de :' t.
de se de de
El aire comprimido entra por aujeros en el fondo del convertidor, que tienen un sistema para controlar yHo reular su entrada. "ediante mecanismos, el convertidor puede tomar una posici#n horizontal para carar la materia prima y descarar el acero, llevándose a la posici#n vertical que será la de trabajo y coincidirá con el mayor suministro de aire. o
"étodo Cessemer
El método Cessemer o de conversi#n ácida, se obtiene en un convertidor que está revestido de ladrillos @inas, lo que hace un revestimiento ácido. Este es un material refractario que contiene de un I' a un IJ1 de +i=). El revestimiento se corroe por las escorias, por lo que por este método solo se pueden tratar arrabios silíceos, y el hierro que se transforma debe tener contenidos mínimos de f#sforo y azufre. 8
El convertidor se coloca horizontal, se calienta y se cara con arrabio líquido7 se suministra aire y se lleva a la posici#n vertical o de trabajo. En un primer periodo comienza la o$idaci#n de las impurezas de hierro por la reacci#n entre el #$ido de hierro formado y el silicio y mananeso que hay en el hierro. La o$idaci#n del silicio desprende randes cantidades de calor, aumentando la temperatura de la fundici#n. El seundo periodo se caracteriza por un aumento de temperatura de hasta %0''K(, creándose una combusti#n intensa del carbono, hasta formarse (=). En el tercero y ltimo periodo, se produce un humo pardo que indica la o$idaci#n del hierro. !quí termina el proceso7 se lleva el horno a la posici#n horizontal, reduciéndose el suministro de aire. o
"étodo -homas
?ue creado en %9J9 por el inlés -homas y se usa para hierros ricos en f#sforo. El revestimiento de este convertidor se hace de dolomita, que es un material refractario compuesto de "(=:.(a(=:. La capacidad de estos convertidores es mayor que la de los Cessemer, pues a la materia prima empleada hay que arearle cal. En este caso, el convertidor se calienta y se cara con la cal, después se vierte el arrabio y se suministra el aire. o
entajas del acero lorado en convertidores
!lta capacidad de producci#n 4o es necesario combustible, pues la temperatura se lora a partir del desprendimiento de calor del proceso de o$idaci#n.
Cajo costo del acero obtenido. @esventajas
o
•
4o se pueden transformar randes cantidades de chatarra.
J
•
•
•
Las fundiciones composici#n.
deben
ser
de
una
determinada
Gay randes pérdidas de metal al quemarse. +e hace difícil reular el proceso, obteniéndose aceros con elevados contenidos de #$ido de hierro y nitr#eno.
HORNO DE ACERO BÁSICO DE OXIGENO:
El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyecci#n del o$íeno. Este horno fue inventado por +ir Genry Cessemer a mediados de %9'' El >roceso del horno básico de o$ieno se oriin# en !ustria en %I0), fue hecho para convertir arrabio con bajo contenido de fosforo /'.:12 se bautiz# con las iniciales L@ Lanza de Linz, Lueo la técnica se e$tendi# para arrabios de alto fosforo, mediante la adici#n al chorro de o$ieno de polvo de piedra caliza. Entonces se lor# la producci#n de aceros con arrabio de contenidos con alto fosforo que llean al )1. o >!<-E+ M (ámara de !cero, recubierta por dentro con material refractario, montada en chumaceras que le permiten irar M Lanza de o$ieno enfriada con aua o !A<=(E+=6 %. +e inclina el horno (on ayuda de una ra puente y se añade el arrabio, el fundente y a veces chatarra ). +e pone el horno en vertical y se baja la lanza para inyectar o$ieno /se lleva apro$imadamente un tiempo de %0 minutos2. En el metal fundido las impurezas se queman7 el o$íeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de bi#$idoH mon#$ido de carbono. :. +e inclina el horno y se saca la escoria que ota sobre el acero
9
o
•
&. +e vierte el acero sobre la cuchara y se añaden carbono y ferroaleaciones
HORNO DE ACERO DE HOGAR ABIERTO
El horno de hoar abierto semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hoar /fondo2 una especie de piscina lara y poco profunda /8m de ancho, por %0 m de laro, por % m de profundidad, apro$imadamente2. El horno se cara en un :'1 a un &'1 con chatarra y piedra caliza, empleando aire preFcalentado, combustible líquido y as para la combusti#n, laras lenuas de fueo pasan sobre los materiales, fundiéndolos. !l mismo tiempo, se quema /o se o$ida2 el e$ceso de carbono y otras impurezas como el f#sforo, silicio y mananeso. Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrierados por aua /lanzas2, los que suministran un rueso ujo de o$íeno sobre la cara. >eri#dicamente, se revisan muestras de la masa fundida en el laboratorio para veri*car la composici#n empleando un instrumento denominado espectr#metro. -ambién se determinan los niveles de carbono. +i se está fabricando acero de aleaci#n, se arearán los elementos de aleaci#n deseados. (uando las lecturas de composici#n son correctas, el horno se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de colada. El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el Gorno de =$íeno Cásico produce la misma cantidad de acero en &0 minutos apro$imadamente. @ebido a esto, este horno ha sido virtualmente reemplazado por el de =$íeno Cásico. •
(=4E<-@=< @E !(E<= LF@6 I
-iene la forma de un convertidor normal. Es el de mayor capacidad de producci#n ya que, en vez de aire, se inyecta o$íeno puro, lo que aumenta la temperatura de a*no activando así las reacciones. Esto hace que disminuya la duraci#n del proceso y mejore la calidad del acero. La operaci#n de soplado se realiza por medio de una lanza que se introduce por la boca del convertidor. (omo materias primas introducimos hierro bruto o en estado líquido, chatarra, mineral de hierro y, para que se produzca la formaci#n de escorias, cal y caliza, lo que implica que el recubrimiento debe ser de carácter básico. •
(=4E<-@=< @E !(E<= N!L@=6 Es análoo al L@ pero está inclinado respecto a la horizontal y presenta un movimiento rotatorio. La presi#n de entrada del o$íeno puede ser menor y se homoeneiza la temperatura en toda la masa. -iene mayor contacto entre la escoria y el baño, lo que activa las reacciones. !demás, admite mayor porcentaje de chatarra.
•
(=4E<-@=< @E !(E<= "!<-O4F+E"E4+6 Es una solera en la que se depositan las materias primas. La cubeta es de forma rectanular y está inclinada hacia el ori*cio de salida. >or el e$terior de la solera circula aire para refrierar la b#veda. La b#veda es de ladrillos refractarios silíceos. Los ases del horno pasan por unos aspiradores recuperadores que invierten el sentido de circulaci#n produciendo elevadas temperaturas. En las paredes laterales están situados los quemadores que funcionan por combustible aseoso. El revestimiento refractario de las paredes es de +i para el procedimiento ácido y de " para el básico. >roceso ácido6 La reducci#n del ( no se hace s#lo por o$idaci#n, sino también de las siuientes formas6 @isoluci#n6 !ñadiendo chatarra con poco carburo se consiue que el carbono se reparta por el total de la masa %'
=-<= ><=(E+=6 !ñadiendo minerales de hierro puro que ceden el o$ieno para la o$idaci#n del carbono. "P-=6 !ñadiendo chatarra y minerales de hierro. El "n se o$ida rápidamente y pasa a la escoria. El +i hace lo mismo pero más lentamente. El ( se o$ida con el o$íeno y se elimina en forma de (=. El > y el + no se eliminan. >roceso básico6 La ran diferencia es que la escoria es básica, lo que permite la eliminaci#n del >. >rimero se cara la materia s#lida y una vez fundida se cara la fundici#n en estado líquido. El +i y el "n se o$idan rápidamente. El #$ido de "n no pasa a la escoria y cede su o$íeno al (. >osteriormente se vuelve a o$idar, así como el > y el +, pasando a la escoria. La chatarra debe ser o$idada para la descarburaci#n, pudiéndose añadir también ferroaleaciones. •
HORNO DE ACERO ELECTRICO:
La producci#n de acero en hornos eléctricos, tiene la ventaja con relaci#n a otros métodos, de obtener en el proceso temperaturas muy altas, que permitirán la eliminaci#n casi completa del f#sforo y azufre, rebajando además la quema del metal debido a que no e$iste llama o$idante. -ipos de hornos eléctricos6 o
Gornos de inducci#n Los hornos de inducci#n /sin ncleo2 funcionan con corriente a una frecuencia de 0'' a )''' Gz. El crisol refractario tiene un arrollamiento de tubo de cobre de secci#n rectanular, por el que circula el aua de refrieraci#n. !l pasar por este arrollamiento una corriente de alta frecuencia que es proporcionada por un enerador especial, e$cita en el metal corrientes parásitas que lo calientan hasta su total fusi#n. En estos hornos se procesan materias primas de ran calidad, y debido a la velocidad del proceso, el metal no se o$ida mucho, aunque al *nal del proceso se añaden cantidades de adiciones y deso$idantes. Los hornos de alta frecuencia tienen una capacidad %%
que no rebasa las 9 t, usándose para producir aceros per*lados y aleaciones de alta calidad, como aceros resistentes a altas temperaturas, ino$idables, etc. o
Gornos de arco eléctrico (omo su nombre lo indica, estos hornos funcionan con el calor que desprende un arco eléctrico. @entro de ellos se observan dos tipos6 los de calefacci#n de arco indirecto y los directos. En los del primer tipo, los electrodos se colocan encima del material a fundir, y los materiales se funden por el calor del arco e$citado. En los hornos de calefacci#n directos, la fusi#n se lora a partir del arco entre los electrodos y el baño metálico.
o
>artes de los hornos Los hornos eléctricos constan fundamentalmente de las siuientes partes6
(aja6 construida de chapas ruesas de acero.
C#veda m#vil6 se cubre con ladrillos @inas.
>atines6 tienen forma de arco y ayudan a la descara del horno.
>iquera6 canal para la salida del material fundido.
-ransmisi#n eléctrica o hidráulica6 mueve el horno hacia una posici#n horizontal para facilitar la descara. Electrodos6 son m#viles, y elaborados de ra*to o carbono. -ransformador6 electrodos.
suministra
la
corriente
necesaria
a
los
Carras colectoras6 llevan la corriente del transformador a los electrodos. %)
o
"ezclas En los hornos eléctricos se funde una mezcla compuesta por6
(hatarra de acero6 es la más importante de las materias primas.
Gierro fundido6 sirve para carbonizar el metal.
"ineral de hierro6 se area para o$idar las impurezas.
?undentes6 se usa cal, con el objetivo de producir escorias básicas. @eso$idantes6 se usan ferro silicio, ferromananeso, aluminio. ?erroaleaciones6 para la obtenci#n de introduciendo6 cromo, níquel, volframio, etc.
aceros
aleados,
En los hornos de revestimiento ácido, se obtienen aceros de calidad, pues se emplean materiales con bajos contenidos de f#sforo y azufre. En los básicos se loran aceros de construcci#n con contenidos reducidos de impurezas.
o
>roceso de fundici#n @espués de fundir la mezcla carada en el horno, se añade cal, mineral de hierro u #$ido de hierro y se conecta a la corriente. >eriodo de o$idaci#n @ebido al o$íeno del mineral o del #$ido de hierro, se o$idan todas las impurezas, e$cepto el azufre. !l descarar las escorias, se cara nuevamente una pequeña cantidad de cal y mineral. ?ormadas nuevamente las escorias, se toman muestras para determinar la cantidad de f#sforo que an e$iste en la mezcla, y de nuevo se e$traen las escorias. Estas operaciones se repiten hasta eliminar la mayor cantidad del f#sforo. %:
>eriodo de reducci#n +obre la super*cie del metal se arean las escorias básicas compuestas de cal y espato or, añadiéndose después coque desmenuzado. +e efecta entonces la deso$idaci#n del metal y la transformaci#n del azufre en escorias. +e descaran las escorias añadiendo nuevamente escoria básica, y este proceso se repite hasta eliminar casi totalmente el azufre. •
G=<4= @E !(E<= @E (<+=L
Dtilizan un recipiente o crisol, hecho de material refractario /arcilla y ra*to2 o de acero aleado a alta temperatura para contener la cara a fundir. La fuente de enería es el calor de una llama, eneralmente producto de la combusti#n de una aceite, as o carb#n pulverizado. +e utilizan para la fundici#n de aleaciones no ferrosas tales como lat#n, bronce, aleaciones de zinc y aluminio. Los hay de tres tipos6 O
O
O
crisol móvil 6
el crisol se coloca dentro del horno y una vez fundida la cara el crisol se levanta y saca del horno y se usa como cuchara de colada. crisol estacioario6 posee un quemador interado y el crisol no se mueve. una vez fundida la cara esta se saca con cucharas fuera del recipiente. crisol !asc"late6 también posee eneralmente el quemador interado y el dispositivo entero se inclina o bascula para vaciar la cara.
(2+EAB4 EL D+= ?4!L QDE +E LE @! !L !(E<= • • •
acero para herramientas. acero para maquinas. acero para resortes. %&
• •
acero para calderas. acero estructural. Entre otros usos más.
@2(=">=+(=4 QD"(! Este método indica por medio de un sistema numérico el contenido apro$imado de los elementos de aleaci#n importantes del acero !(E<=+ !LE!@=+ Estos son aceros cuyas propiedades características se deben a aln elemento de aleaci#n diferente del carbono Los aceros de bajo contenido de carbono se pueden utilizar con é$ito si la resistencia y otros requerimientos mecánicos no son muy necesarios. Estos aceros se utilizan con é$ito a temperaturas comunes y en atmosferas que no son altamente corrosivas7 tienen un costo relativamente bajo, pero cuentan con alunas limitaciones6 %. no pueden ser forzados arriba de los %'',''' psi, pues pierden ductilidad y resistencia al impacto ). los productos de ran secci#n y poco espesor no son totalmente templables :. tienen poca resistencia a la corrosi#n y o$idaci#n &. los aceros de medio contenido se carbono deben ser enfriados rápidamente para formar la martensita7 esto puede provocar distorsiones y roturas del acero 0. tienen poca resistencia al impacto a baja temperatura >ara superar estas limitaciones, se han desarrollado aceros de aleaci#n que contienen elementos que mejoran sus propiedades. !(E<=+ >!
acero templado en aua %0
• • • • •
acero templado en aceite acero templado en aire acero templado en salmuera acero templado en plomo fundido acero templado en sales fundidas
(ontenido de aleaci#n6 • • •
acero al carbono para herramienta acero de baja aleaci#n para herramienta acero de alta aleaci#n para herramienta
Empleo del acero6 • • • •
acero para trabajo en caliente acero resistente al impacto acero de alta velocidad acero para trabajo en frio
La !+ utiliza un método de clasi*caci#n de aceros basado en el método de templado, sus aplicaciones y características particulares. Los aceros para herramientas que más se utilizan se clasi*can en siete rupos6 •
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-E">L!@= E4 !AD! tiene el símbolo RST y sus elementos de aleaci#n son .81 a %.&1 (, (r7 su temple es el aua. !(-= tiene el símbolo R+T y sus elementos de aleaci#n son .&01 a .801 (, +i, (r, "o, S7 su temple es el aceite o el aua. -
%8
•
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"=L@E+ /para inyecci#n o compresi#n de plásticos2 tiene los símbolos > >'%F>%I bajo carbono, >)'F>:I otros tipos7 sus elementos de aleaci#n son (r, 4i, !l, "o, bajo contenido de (. ><=>V+-=+ E+>E(?(=+ /especiales7 más costosos2 tiene los símbolos L baja aleaci#n, ? (arbonoF-unsteno7 sus elementos de aleaci#n son (r, , (, S7 sus temples son aua, salmuera o aceite.
+ELE((V4 @E !(E<=+ >!<=>E@!@E+ AE4E
•
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-E">L!CL@!@6 los aceros se e$panden y se contraen durante el calentamiento y el templado, un tratamiento térmico mediante calentamiento o enfriamiento suele dar luar a *suras durante el templado. @D
%J
->=+ @E !(E<=+ >!!= =6 contiene "n, (r, S7 poseen propiedades de no deformaci#n, no son relativamente costosos, su alto contenido de carbono produce resistencia al desaste, buena maquinabilidad, buena resistencia a la descarburaci#n, tenacidad reular, dureza al rojo de*ciente, se utiliza en herramientas de formado. b2 A= !6 aceros de mediana aleaci#n /(, "n, (r, "o2. +on endurecibles en aire, tienen alta templabilidad, poseen e$celentes propiedades de no deformaci#n, buena resistencia al desaste, reular tenacidad, dureza al rojo, resistencia a descarburaci#n7 usos6 punzones, herramientas de formado, dados para tallar cuerdas. c2 A= @6 pueden contener "o, y (o, hasta ).)01 de carbono y hasta %)1 de (r. -ienen e$celente resistencia al desaste, propiedades de no deformaci#n, resistencia a la abrasi#n, son difíciles de maquinar !(E<=+ >!!26 contienen (r, 4i, "o y !l. -ienen baja dureza, son favorables para operaciones de deformado, tiene poca dureza al rojo, se usan para moldes de inyecci#n de plásticos por compresi#n. %9
!(E<=+ >!<=>=+-=+ E+>E(!LE+6 +e elaboran para satisfacer requisitos peculiares de cierta aplicaci#n, son más costosos •
•
A= L6 su principal elemento de aleaci#n es el (r. +e usan en máquinasFherramientas en las que se requiere alta resistencia al desaste con buena tenacidad /cojines, rodillos, llaves de tuercas2 A= ?6 aleaci#n (FS, son relativamente fráiles, con e$celente resistencia al desaste, se usan en uillotinas de papel, dados para estirado de alambres, herramientas para maquinado y formado *nal.
!(E<=+ 4=P@!CLE+ El acero ino$idable es un acero con alta aleaci#n de cromo adicionado con níquel, con intensi#n de mejorar la resistencia a la corrosi#n y o$idaci#n7 contiene randes cantidades de (r, mínimo %%F%)1 para obtener resistencia a la corrosi#n. ++-E"! @E 4D"E
SERI E
ELEMENTO DE %LE%CI&N
)$$
(romoFníquelFmanesio
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(romoFníquel
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(romo
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0$$
(romo &F81 /bajo contenido2
%CERO
'RO'IED%DES
4o endurecible, no !ustenitico manético, estructura ?(( 4o endurecible, no !ustenitico manético, estructura ?(( Endurecible, manético, "artensitico estructura tetraonal centrada 4o endurecible, ?erritico manético, estructura ?(( +e endurece al aire, es "artensitico resistente al calor %I
Las propiedades de resistencia a la corrosi#n en los aceros ino$idables se debe a una película delada, adherente, estable, de #$ido de cromo u o$ido de níquel, que se enera cuando el cromo del acero reacciona con el o$íeno del medio ambiente, que protee efectivamente la super*cie del acero contra muchos medios corrosivos. E$iste solo cuando el contenido de cromo e$cede del %'1. Dn bajo contenido de carbono enera un acero no endurecible7 un alto contenido de carbono enera un acero endurecible por tratamiento térmico. Los aceros ino$idables con una pequeña cantidad de azufre mejora considerablemente la maquinabilidad. La respuesta al térmico de los aceros ino$idables y resistentes al calor depende de su composici#n. !(E<=+ "!<-E4+-(=+ 4=P@!CLE+ (ontienen entre %%.01F%91 de cromo y entre '.%01F'.J01 de carbono, formando una estructura martensitica /tetraonal centrada en el cuerpo2. !ceros más comunes6 &':, &%', &%8, &)%, &&', 0'%, 0'). ><=>E@!@E+6 son manéticos, pueden trabajarse en frio sin di*cultad, pueden maquinarse satisfactoriamente, presentan buena tenacidad, ran resistencia a la corrosi#n atmosférica y a los aentes químicos, se trabajan fácilmente en caliente, no son tan buenos como los aceros !usteniticos o ferriticos, tienen e$celente templabilidad, resisten el ablandamiento a elevadas temperaturas, pueden endurecerse con tratamiento térmico. D+=+6 aletas para turbinas, piezas de fundici#n resistentes a la corrosi#n, equipo de re*nerías petroleras, aletas para turbinas de vapor, piezas de maquinaria, resorte, láminas, cuchillería, instrumentos quirricos, calculas, accesorios de aviones, piezas de maquinaria, papelera, bombas y tornillos, bolas para rodamientos. !(E<=+ ?E<<-(=+ 4=P@!CLE+ (ontienen entre %&1F)J1 de (r y má$imo '.)01 de (. pertenecen al rupo &. !ceros más comunes6 &'0, &:', &&8. ><=>E@!@E+6 no se pueden endurecer por tratamiento térmico, solo moderadamente mediante trabajo frio. +on manéticos, pueden )'
trabajarse en frio o caliente, alcanzan su má$ima suavidad, ductilidad y resistencia a la corrosi#n en la condici#n de recocido. La resistencia de estos aceros es apro$imadamente 0'1 mayor que los aceros al carbono D+=+6 recipientes para industrias químicas y alimenticias, tanques para ácido nítrico, adornos arquitect#nicos y automotrices, piezas para maquinar tornillos, piezas de hornos, reuladores de calentadores, amortiuadores, equipos de procesamiento químico, molduras de autos, convertidores catalíticos, prop#sitos decorativos, implementos de cocina. !(E<=+ !D+-E4-(=+ 4=P@!CLE+ -ienen como mínimo ):1 de contenido de cromo y níquel, de '.':1F '.%1 de (, pertenece al rupo ) y :. !ceros más comunes6 )'%, :'), :':, :'I, :%8, &%'. >resentan una estructura !ustenitica /?((2. ><=>E@!@E+6 son no manéticos, no endurecibles por tratamiento térmico, se pueden trabajar fácilmente en caliente o en frio, este ltimo les desarrolla una amplia variedad de propiedades mecánicas, son muy resistentes al impacto y difíciles de maquinar a menos que contenan azufre y selenio. -ienen la mejor resistencia a elevadas temperaturas y resistencia a formar escamas. +u resistencia a la corrosi#n es la mejor de todos los aceros ino$idables. GE<<=+ ?D4@@=+ Los hierros fundidos, como los aceros, son básicamente aleaciones de ?e y (. >ueden contener entre )1 a 8.8J1 de carbono, silicio /'.01 F :12 y otros elementos en cantidades insini*cantes /"n, >2. como altos contenido de carbono tienden a hacer muy fráil al hierro fundido, la mayoría de los tipos manufacturados comercialmente están en el intervalo de %.91 F &.01 de (. +e suele producir en un horno de cubilote y se utiliza para hacer piezas de fundici#n. La fundici#n se presenta a menudo en forma de bloques denominados linotes de primera fusi#n o linotes de arrabio. El arrabio se fabrica eneralmente en altos hornos o a partir de menas de mineral férrico y coque, e$trayéndose en la forma líquida. ><=>E@!@E+ AE4E
La fundici#n es el nico proceso aplicado a estas aleaciones dándole el nombre de hierros fundidos. Aeneralmente el hierro colado se fabrica en formas determinadas que se llaman fundiciones para empleo directo o bien para seuir un proceso de mecanizado o un tratamiento térmico. La ductilidad del hierro fundido es muy baja, no puede laminarse, estirarse o trabajarse a temperatura ambiente7 no son maleables a cualquier temperatura. +on fráiles y tienen más bajas propiedades de resistencia que la mayoría de los aceros, son econ#micos7 mediantes una aleaci#n apropiada, un buen control de la fundici#n y un tratamiento térmico adecuado, las propiedades de cualquier hierro fundido pueden variar ampliamente, mejorándose su resistencia al desaste y a la abrasi#n y su resistencia a la corrosi#n. ->=+ @E GE<<= ?D4@@=+ En un principio se clasi*caba la fundici#n e$aminando las características de fractura de las super*cies producidas por rotura de una probeta. +u verdadera composici#n se desconocía. El color de la fractura era el factor para clasi*car el producto, hasta el año %999 cuando se determino que el contenido de +i en proporciones especiales determinaba el carácter de la fractura "E-=@= >!
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La forma y distribuci#n del carbono sin combinar o combinado, inuirá en las propiedades del hierro fundido. =+(=4E+ QD"(!+ @E GE<<=+ ?D4@@=+ +4 !LE!< GE<<=
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?D4@@= Aris Clanco "aleable @ctil
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El hierro "ris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su super*cie al romperse. Esta aleaci#n ferrosa contiene en eneral más de )1 de carbono y más de %1 de silicio, además de mananeso, f#sforo y azufre. Dna característica distintiva del hierro ris es que el carbono se encuentra en eneral como ra*to, adoptando formas irreulares descritas como RhojuelasT. Este ra*to es el que da la coloraci#n ris a las super*cies de ruptura de las piezas elaboradas con este material. Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composici#n química, rapidez de enfriamiento después del vaciado, tamaño y espesor de las piezas, práctica de vaciado, tratamiento térmico y parámetros micro estructural como la naturaleza de la matriz y la forma y tamaño de las hojuelas de ra*to. Dn caso particular es el del ra*to esferoidal, que comienza a utilizarse en los años %I0', a partir de entonces ha desplazado otros tipos de hierro maleable y hierro ris. La (undici#n blanca se produce en el horno de cubilote, su composici#n y rapidez de solidi*caci#n separa coladas que se transformarán con tratamiento térmico en hierro maleable. La fundici#n blanca también se utiliza en aplicaciones donde se necesita buena resistencia al desaste tal como en las trituradoras y en los molinos de rodillos. !l enfriarse las fundiciones desde %%:' K( hasta J)J K( el contenido de carbono de la austenita varía de ) a '.91( al precipitarse cementita secundaria que se forma sobre las partículas de cementita ya presentes, a los J)J K( la austenita se transforma en perlita, el eutectoide de los aceros. La fundici#n blanca se utiliza en elementos de molienda por su ran resistencia al desaste, el enfriamiento rápido evita la ra*tizaci#n de la cementita pero si se calienta de nuevo la pieza colada a una temperatura de 9J' K( el ra*to se forma lentamente adoptando una forma característica conocida como carbono de revenido, resultando la ):
fundici#n maleable, debiéndose mencionar que un ran tonelaje de hierro fundido blanco se emplea como materia prima para la manufactura de hierro fundido maleable. La matriz de la fundici#n puede ser ferrítica o perlítica si la aleaci#n se enfría más rápidamente a partir de los J)J K( al *nal del tratamiento de maleabilizaci#n. Las fundiciones maleables se utilizan en la fabricaci#n de partes de maquinaria arícola, industrial y de transporte. El hierro d)ctil o nodular se obtiene mediante la introducci#n controlada de manesio en el hierro fundido, y bajas proporciones de azufre y f#sforo. +e obtiene de este modo una e$traordinaria modi*caci#n en la microF estructura del metal, ya que el carbono se deposita en la matriz ferrítica en forma de esferas al contrario de lo que ocurre en el hierro ris, en el que el carbono toma la forma de láminas. El resultado de este importantísimo cambio de estructura, es un hierro mucho más fuerte, resistente y elástico. Gay cuatro fases de hierros fundidos nodulares TI'OS DE FUNDICION Gierro ?erritico Gierro dctil perlitico Gierro !ustenitico Gierro templado
'RO'IED%DES *ENER%LES "á$ima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad "as fuerte pero menos dctil que el ?erritico ?undici#n altamente aleada, tiene alta resistencia la corrosi#n y buena uencia a temperatura alta Cuena resistencia y dureza
GE<<= ?D4@@= "!LE!CLE Los hierros maleables son tipos especiales de hierros producidos por el tratamiento térmico de la fundici#n blanca. Estas fundiciones se someten a ríidos controles y dan por resultado un micro estructura en la cual la mayoría del carbono está en la forma combinada de cementita, debido a su estructura la fundici#n blanca es dura, quebradiza y muy difícil de maquinar. +e emplea profusamente para piezas de autom#vil, tales como cajas de puente y soporte, y accesorios para tubos.
@!A
+on representaciones rá*cas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diaramas de fase han sido construidos sen condiciones de equilibrio /condiciones de enfriamiento lento2, siendo utilizadas por inenieros y cientí*cos para )&
entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diaramas de fases más comunes involucran temperatura versus composici#n.
Dia"rama isomor(o +Solubilidad S#lida Com,leta-: Dn diarama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinaci#n de temperatura y composici#n de la aleaci#n. (uando en la aleaci#n s#lo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diarama de fases binario. +e encuentran diaramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En los sistemas isomorfos, s#lo se forma una fase s#lida7 los dos componentes del sistema presentan solubilidad s#lida ilimitada. In(ormaci#n .ue ,odemos obtener de los dia"ramas de (ase: (onocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento /equilibrio2. %. !veriuar la solubilidad, en el estado s#lido y en el equilibrio, de un elemento /o compuesto2 en otro. ). @eterminar la temperatura a la cual una aleaci#n enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidi*car y la temperatura a la cual ocurre la solidi*caci#n. :. (onocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.
Tem,eraturas de l/.uidos ! de s#lidos: La curva superior en el diarama es la temperatura de líquidos. +e debe calentar una aleaci#n por encima de líquidos para producir una aleaci#n totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto til. La aleaci#n líquida empezará a solidi*carse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidos. La temperatura de s#lidos es la curva inferior. Dna aleaci#n de este tipo, no estará totalmente s#lida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de s#lidos. +i se utiliza una aleaci#n cobreFníquel a altas temperaturas, deberá quedar seuro que la temperatura durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de s#lidos, de manera que no ocurra fusi#n. Las aleaciones se funden y se solidi*can dentro de un rano de temperatura, entre los líquidos y los s#lidos. La diferencia de temperatura entre líquidos y s#lidos se denomina rano de solidi*caci#n de la aleaci#n. @entro de )0
este rano, coe$istirán dos fases6 una líquida y una s#lida. El s#lido es una soluci#n de átomos de los compuestos involucrados7 a las fases s#lidas eneralmente se les desina mediante una letra minscula riea, como alpha.
Fases ,resentes: ! menudo, en una aleaci#n a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. +i se planea fabricar una pieza por fundici#n, debe quedar seuro que inicialmente todo el metal esté líquido7 si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diarama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras7 si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composici#n de la aleaci#n, se podrán determinar las fases presentes. Com,osici#n de cada (ase: (ada fase tiene una composici#n, e$presada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. >or lo eneral, la composici#n se e$presa en porcentaje en peso /1 peso2. (uando está presente en la aleaci#n una sola fase, su composici#n es iual a la de la aleaci#n. +i la composici#n oriinal de la aleaci#n se modi*ca, entonces también deberá modi*carse la de la fase. +in embaro, cuando coe$isten dos fases como líquido y s#lido, sus composiciones diferirán entre sí como de la composici#n eneral oriinal, +i ésta cambia lieramente, la composici#n de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.
-emplado en aua
M%'%S
n
"oldes >rop#sitos especí*cos
)8
ris primarios
Clanco @.ctil o nodular
Gierros fundidos
!leado secundari os
"aleable Enfriado rápidame nte
+e.n el contenido del carbono
(omposic i#n química
(lasi*ca ci#n de los aceros
+e.n el método de manufactur a
+e.n el uso *nal del acero
)J
G,E<<=+ ?D4@,@ =+ fases
?erritico
>erlitico
!usteniti co
-emplad o
E0EM'LOS
G=<4= !L-=
G=<4= CE++E"E<
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G=<4= @E G=A!< !CE<-=
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(onvertidor "artinF+iemens Gorno básico de o$ieno
Llave hecha de acero Gorno eléctrico
Gerramientas de corte /aceros para @ados de forjaherramientas /!ceros paratemplables en aua2 herramientas en trabajo caliente2 :'
:%
Colas para rodamientos de acero "artensitico ino$idable
mplementos de cocina de acero ?erritico ino$idable
>unz#n /acero para herramientas de trabajo en frio2
!letas para turbinas /aceros martensiticos ino$idables2
@ados de e$trusi#n /aceros para herramientas para trabajo en frio2
nstrumentos quirricos /aceros martensiticos ino$idables2
-anque para ácido nítrico /aceros ferriticos ino$idables2 :)
