MANUAL TECNOLOGÍA TECNOLOGÍA DE LOS MATERIAL MATERIALES ES Prof. José Jo sé Viv Viveros eros Díaz Díaz
ÍNDICE Capítulo Capítulo I Materiales Materiales y Metalurgi a Clasificación Clasific ación de los materiales Materiales de uso técnico Metalurgia
pág. 6 pág. 6 pág. 7 pág. 8
Capítulo Capítulo II Obtenci Obtención ón del Arr abio Proceso de obtención del Arrabio Descripción Descripci ón del alto horno Efectos de los contaminantes presentes en el arrabio
pág. 10 pág. 10 pág. 10 pág. 13
Capítulo Capítulo III Fund Fundicio iciones nes Procesos de obtención de fundiciones Definición de hierro fundido Aplicaciones de la fundición blanca Aplicaciones de la fundición gris Empleo de moldes
pág. 15 pág. 15 pág. 17 pág. 18 pág. 19 pág. 19
Capítulo Capítulo IV Obtención d el Acero Describir los procesos de obtención del acero Medios utilizados en la obtención del acero
pág. 23 pág. 23 pág. 26
Capítulo Capítulo V Los Acero s Identificación Identificac ión de las propiedades de los aceros Propiedades Propiedades físicas Propiedades mecánicas Propiedades tecnológicas. tecnológicas . Los ensayos de materiales materiales y sus finalidades Aceros al carbono Aceros aleados Los Aceros inoxidables inoxidables Aceros de herramientas Influencia de los elementos de aleación en las propiedades de los Aceros Identificación Identificac ión de los aceros según su uso Equivalencia en normas
pág. 27 pág. 27 pág. 28 pág. 29 pág. 30 pág. 31 pág. 33 pág. 35 pág. 36 pág. 37
Capítulo Capítulo VI Tratamientos Tratamientos Térmicos Estructura de los aceros Tratamientos Medios de calentamiento y enfriamiento
pág. 63 pág. 63 pág. 67 pág. 72
pág. 38 pág. 43 pág. 43
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Capítulo Capítulo VII VII Aleaciones pág. 76 Metales y aleaciones no ferrosas Metales no Ferrosos
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Capítulo Capítulo VIII VIII Materiales Materiales no Metálico Metálicoss Materiales Materiales no metálicos
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Bibliografía
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TECNOLOGIA TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES MATERIAL ES CAPÍTULO I MATERIALES Y METALURGÍA
1.1.-.Clasificación 1.1.-.Clasificación de los materiales. Los materiales empleados en la industria nacional e internacional pueden ser clasificados de diferentes formas .Una de las mas conocidas es de acuerdo a su origen y es así como se conocen los materiales materiales NATURALES y los materiales ARTIFICIALES. Otra forma de clasificar a los materiales especialmente a los metales y sus aleaciones es por su contenido de fierro o hierro como parte importante de su composición química; química; se distinguen distinguen dos grandes grupos grupos los materiales materiales FERROSOS y los materiales materiales NO FERROSOS 1.1.1.- Los materiales NATURALES son aquellos que se obtienen directamente de la naturaleza, ya sea, de la tierra, aguas u otros sectores de ella. Se caracterizan industrialmente porque su empleo puede ser inmediato, bastando darles una forma adecuada para su posterior empleo o separándolos de otros que estén ligados. 1.1.2.- Los materiales ARTIFICIALES son aquellos que se preparan con diversos productos para así obtener la característica deseada y el estado que se requiera para su uso. El siguiente cuadro muestra los distintos tipos de materiales de uso técnico, con su lugar de origen y características características principales.
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MATERIALES DE USO TÉCNICO
MADERA
Se obtiene del tronco de los árboles, por tanto hay tantas variedades como tipos de árboles: pino, abeto, haya.
Es agradable a los sentidos. Ligera y resistente. Fácil de trabajar.
Maderas naturales: obtenidas del árbol. Maderas artificiales: derivados aprovechando restos de madera. Contrachapado y aglomerado. Otros derivados: papel y cartón.
METALES
Se obtienen de los minerales que encontramos en la naturaleza.
Son más duros y pesados que la madera. Conducen bien el calor y la electricidad. Algunos son muy resistentes. Son se pueden estirar, doblar, cortar y fundir, por ello los encontramos en cualquier forma.
Acero: formado por hierro y carbono. Es muy duro y resistente, puede ser inoxidable. Lo usamos es estructuras de naves y edificios. Aluminio: ligero y blando que el acero pero es casi inoxidable. Se usa es estructuras que necesitan ser poco pesadas. Cobre: buen conductor de la electricidad y barato. Se utiliza en hilos conductores de electricidad, en tuberías de calefacción.
PLÁSTICOS Se obtienen por reacción química a partir de derivados del petróleo.
Son ligeros, buenos aislantes del calor y electricidad. Son fáciles de trabajar. Son moldeables.
PVC: usado en tuberías, discos. Metacrilato: imitación de vidrio, porta fotos, faros de coches. Poliestireno: corcho blanco.
TEXTILES
Naturales: suaves al tacto, cómodas. Artificiales: impermeables, aislantes, resistentes.
Naturales: algodón, lana,
VIDRIO Y CERÁMICA
Se obtiene a partir de fibras, bien naturales o artificiales. Las fibras se entrecruzan y forman los tejidos.
Se obtienen a partir de Son duros, pero rocas fundiéndolas a altas frágiles. temperaturas. Buenos aislantes de la electricidad. Resistentes al calor. Vidrio: transparente.
seda…
Artificiales: nailon, poliester, licra. se obtienen por reacción química. Vidrio: ventanas botellas, vajillas, lentes ópticas…
Cerámica: vajillas, sanitarios y objetos decorativos.
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1.1.3.-Materiales FERROSOS: son aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal. Ferroso viene de la palabra FERUM que ocupaban los Romanos para referirse al hierro o fierro. 1.1.4.-Materiales NO FERROSOS: son aquellos que no contienen hierro en composición. Estos incluyen el aluminio, zinc, cobre, plomo, y otros elementos metálicos; las aleaciones como el latón y el bronce son combinaciones de algunos de estos metales no ferrosos y se les conoce como aleaciones no ferrosas.
1.2.-Metalurgia. La metalurgia es la ciencia y tecnología de los materiales. El trabajador de los metales se menciona en la Biblia y en las mitologías griegas. La metalurgia considerada como arte, se ha practicado desde los más remotos tiempos. El hombre antiguo conocía y utilizaba muchos metales nativos. El oro se usaba para hacer adornos, platos y diversos utensilios. El arte de fundir, refinar y moldear los metales tuvo un gran desarrollo entre los Egipcios y los Chinos. En la edad media se solía pasar directamente de maestro a aprendiz, el conocimiento de los trabajos en metales y muchos procedimientos estaban llenos de misterios y supersticiones. Muy poco fue lo que se escribió acerca de procedimientos metalúrgicos, hasta que Biringuccio publicó su obra PIROTECHNIA, en1540, a la que le siguió DE RE METALLURGICA, de Agrícola, en 1556. Hasta el siglo XIX la mayoría de los estudios de la metalurgia habían sido a nivel macroscópico, es decir, a simple vista y superficiales; casi no existía la ciencia de la estructura de los metales, luego se ve la necesidad de investigar más científicamente que solo prácticamente. El hombre que mas contribuyó en los avances tecnológicos fue Henry Clifton Sorby; Ingles aficionado a las ciencias que empezó a estudiar meteoritos para luego dedicar sus estudios a los metales. En 1864, Sorby presentó a la asociación Inglesa para el avance de la ciencia, una memoria en que mostraba y describía fotografías microscópicas de varias clases de hierro y acero; este documento marca el inicio de la metalografía, que es el uso del microscopio para el estudio de los metales, ciencia que ha servido mucho para el conocimiento de los metales y sus propiedades. Hacia 1922 se adquiere mayores conocimientos sobre la estructura y las propiedades de los metales, mediante la aplicación de la difracción de los rayos X y de la mecánica ondulatoria. La metalurgia no constituye en realidad una ciencia independiente, ya que muchos de sus conceptos fundamentales derivan de la Física, de la Química, y de la Cristalografía El campo de la metalurgia se divide entonces en dos grandes ramas, la metalurgia de procesamiento o extractiva y la metalurgia física. 1.2.1.-Metalurgia de procesamiento o extractiva: es la ciencia de obtener metales de sus minerales y abarca la extracción del mineral, la concentración y refinación de metales y aleaciones. Página 6 de 88
1.2.2.-Metalurgia física: es la ciencia que se ocupa de las características físicas y mecánicas de los metales y aleaciones. Esta rama estudia las propiedades de los metales y de las aleaciones según las afecten tres variables: a) su composición química; es decir los constituyentes químicos de la aleación. b) el tratamiento mecánico; es decir cualquier operación que origine un cambio de forma, como por ejemplo la laminación el estirado el martillado o troquelado moldeado o el fresado etc. c)el tratamiento térmico o con calor ;es decir el efecto de la temperatura y el índice de calentamiento y enfriamiento. 1.2.2.1.-Metalurgia mecánica, esta dentro de la clasificación anterior pero por su importancia, se define en forma independiente como: es la ciencia que se ocupa del comportamiento y respuesta de los metales y aleaciones a las fuerzas que se le aplican. 1.2.2.2.-Metalurgia química, esta dentro de la rama anterior pero se define en forma independiente por la importancia que tiene: es la ciencia que se ocupa de la composición química de los metales y de las aleaciones.
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CAPÍTULO II OBTENCIÓN DEL ARRABIO 2.1.-Proceso de obtención del Arrabio. El arrabio (llamado también hierro impuro, es el hierro fundido que se recoge en el crisol del alto horno) es el primer proceso que se realiza para obtener acero, los materiales básicos empleados son: minerales de hierro, coque, y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente, este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión .Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3% o 4 % de carbono, entre un 0,5 % y 3% de silicio, un 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04% al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre. El mineral de hiero utilizado es de dos tipos en granzas (tipo piedra) y los pellet básicos (tipo comida de perro). El coque es la mezcla de carbones metalúrgicos que se someten a un proceso de destilación seca para transformarlo en coque metalúrgico. La coquificacion del carbón mineral deja como subproducto un gas de alto poder calorífico que normalmente se utiliza en otros procesos. La caliza es una piedra que se extrae de las minas de caliza ,aquí en chile en la isla de Guarelo se obtiene mayoritariamente. 2.2.-Descripción del alto horno. El alto horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. 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. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. Página 8 de 88
La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: Fe2O3 + 3CO => 3CO 2 + 2Fe Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. Carga típica en Alto Horno Componentes Mineral de Hierro Pellets Chatarra Mineral de Mn Caliza Cuarzo Coque Petróleo + Alquitrán
Composición química del Arrabio
kg/t kg/carga 490 9.600 995 19.600 15 300 22 450 112 2.300 12 250 451 9.200 44 899
Aire Insuflado
1.530 m3/min
Temperatura Aire Insuflado
1.030ºC
Elementos Fierro (Fe) Carbono (C) Manganeso (Mn) Silicio (Si) Fósforo (P) Azufre (S) Vanadio (V) Titanio (Ti) Temperatura en Alto Horno : 1.460ºC
% 93,70 4,50 0,40 0,45 0,110 0,025 0,35 0,06
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Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día. El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura aproximada de 1.030ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas. Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe 2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. Químicamente entonces, el hierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido. El arrabio recién producido contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono. El hierro recién colado se denomina "arrabio". El oxígeno ha sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente un 4%) y demasiadas impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado. En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente. Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.
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2.3.- Efectos de los contaminantes presentes en el arrabio. Existen muchos elementos químicos que están presentes en la fundición del hierro , dándole algunas características dependiendo del porcentaje que se encuentre participando, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos. Carbono: Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se debe decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar. Silicio: Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.
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Manganeso: Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro. Azufr e: No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado. Fósforo: Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.
Los contenidos de Silicio, Azufre, Manganeso y fósforo deben ser controlados desde el inicio del proceso de fundición, a niveles adecuados y permitidos con el tipo de material que se quiera obtener.
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CAPÍTULO III FUNDICIONES
3.1.-Procesos de obtención de fundiciones. Fundición en moldes metálicos. La fundición en moldes permanentes hechos de metal es utilizada para la producción masiva de piezas de pequeño o regular tamaño, de alta calidad y con metales de baja temperatura de fusión. Sus ventajas son que tienen gran precisión y son muy económicos, cuando se producen grandes cantidades. Existen varios tipos de moldes metálicos utilizados para la fabricación de piezas por lo regular de metales no ferrosos, a continuación se mencionan algunos de las más utilizados.
1. Fundición en matrices En este proceso el metal líquido se inyecta a presión en un molde metálico (matriz), la inyección se hace a una presión entre 10 y 14 Mpa, las piezas logradas con este procedimiento son de gran calidad en lo que se refiere a su terminado y a sus dimensiones. Este procedimiento es uno de los más utilizados para la producción de grandes cantidades de piezas fundidas. Se pueden utilizar dos tipos de sistema de inyección en la fundición en matrices. Cámara caliente Cámara fría
El procedimiento de fusión en cámara caliente se realiza cuando un cilindro es sumergido en el metal derretido y con un pistón se empuja el metal hacia una salida la que descarga a la matriz. Las aleaciones más utilizadas en este método son las de bajo punto de fusión como las de zinc, estaño y plomo. Las piezas que se producen son de 20 a 40 kg y se llegan a manejar presiones superiores a los 35 Mpa. Es un proceso rápido que se puede fácilmente mecanizar. El proceso con cámara fría se lleva metal fundido por medio de un cucharón hasta un cilindro por el cual corre un pistón que empuja al metal a la matriz de fundición, las piezas obtenidas son de unos cuantos gramos a 10 kg y sólo es recomendable en trabajos de poca producción. 2. Fundición en cámara fría. Fundición con molde permanente por gravedad Este tipo de fundición es utilizado para piezas en las que la calidad de terminado y dimensional no está sujeto a restricciones de calidad, debido a que la única fuente de energía que obliga al metal a llenar la cavidad del molde es la fuerza de la gravedad, un ejemplo de la utilización de este método es la fabricación de lingotes de metal. 3. La fusión de moldes de baja presión. Es un sistema de fusión que consiste en la colocación de un tallo sobre un crisol sellado, al inyectar presión al centro del crisol la única salida del metal
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fundido será el tallo por lo que se genera el flujo del metal por el tallo hasta que se llena la matriz y se forma la pieza. Con este procedimiento se pueden fabricar piezas hasta de 30 kg y es rentable para grandes cantidades de piezas sin grandes requerimientos de calidad. 4. Fundición hueca. Es un sistema de producción de piezas metálicas huecas sin corazones fijos. Consiste en vaciar metal fundido en un molde que es volteado cuando se empieza a solidificar el metal. El metal que no se ha solidificado sale del molde para ser utilizado en otra pieza y el metal solidificado forma las paredes de la pieza. El resultado son paredes delgadas de metal. 5. Fundición prensada o de Corthias. Es un proceso para producir piezas huecas pero de mayor calidad que la fundición hueca. Se vacía una cantidad específica de metal fundido en el interior de un molde con un extremo abierto por el que se introduce un corazón que obliga al metal fundido a distribuirse uniformemente en todo el molde, una vez que empieza a solidificarse el metal del molde, se extrae el corazón, lo que origina una pieza de buena calidad. Este sistema de fundición es considerado como artesanal y sólo es rentable cuando se van a fabricar pocas piezas. Fundición centrífuga. La fundición centrífuga es un método en el que aprovecha la fuerza centrífuga que se puede general al hacer girar el metal en tordo de un eje. Existen tres tipos de fundición centrífuga: 1. Fundición centrífuga real. 2. Fundición semicentrífuga. 3. Centrifugado.
1. Fundición centrífuga real. Es el procedimiento utilizado para la fabricación de tubos sin costura, camisas y objetos simétricos, los moldes se llenan del material fundido de manera uniforme y se hace girar al molde sobre su eje de rotación. 2. Fundición semicentrífuga. Es un método en el que el material fundido se hace llegar a los extremos de los moldes por la fuerza centrífuga que genera hacer girar a los moldes, los extremos se llenan del material fundido, con buena densidad y uniformidad. El centro tiene poco material o de poca densidad. Por lo regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente 3. Centrifugado. Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de piezas colocadas simétricamente en la periferia. Al poner a girar el sistema se genera fuerza centrífuga la que es utilizada para aumentar la uniformidad del metal que llena las cavidades de los moldes.
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Proceso de fundición a la cera perdida. Es un proceso muy antiguo para la fabricación de piezas artísticas. Consiste en la creación de un modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe tener exactamente las características deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es cubierto con yeso o un material cerámico que soporte el metal fundido. Para que seque ese material cerámico se introduce a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el modelo de cera se derrite. En el molde fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la pieza deseada. Es un proceso que es utilizado para la fabricación de piezas ornamentales únicas o con muy pocas copias. Proceso de cáscara cerámica. Es un proceso parecido al de la cera perdida, sólo que en este proceso el modelo de cera o un material de bajo punto de fusión se introduce varias veces en una lechada refractaria (yeso con polvo de mármol) la que cada vez que el modelo se introduce este se recubre de una capa de la mezcla, generando una cubierta en el modelo. Posteriormente el modelo y su cáscara se meten en un horno con lo que el material refractario se endurecerá y el modelo se derrite. Así se tiene un molde listo para ser llenado con un metal y producir una fundición sólida o hueca. Fundición en molde de yeso. Cuando se desea la fabricación de varios tipos de piezas de tamaño reducido y de baja calidad en su terminado superficial, se utiliza el proceso de fundición en molde de yeso. Este consiste en la incrustación de las piezas modelo que se desean fundir, en una caja llena con pasta de yeso, cuando se ha endurecido el yeso, se extraen las piezas que sirvieron de modelo y por gravedad se llenan las cavidades con metal fundido. El sistema anterior puede producir grandes cantidades de piezas fundidas con las formas deseadas
3.2.- Definición de hierro fundido. Los hierros fundidos son aleaciones básicas de hierro y carbono. Contienen entre un 2% y un 6,67% de carbono, como el alto contenido de carbono tiende a hacer muy frágil al hierro fundido la mayoría de los tipos procesados comercialmente, están en el tramo del 2.5% al 4% de carbono. La ductibilidad del hierro fundido es muy baja y por lo tanto no puede ser laminado ,estirado o ser trabajado a temperatura ambiente; la mayoría de los hierros fundidos no son maleables a cualquier temperatura, sin embargo funden fácilmente o pueden fundirse en formas complejas, las que solo tendrán un maquinado final para estar como pieza acabada. Como la fundición de piezas es el único proceso al cual responden estas aleaciones, se les conoce como “HIERROS FUNDIDOS”. Se caracterizan por que se pueden vaciar del horno cubilote para obtener piezas de muy diferente tamaño y complejidad pero no pueden ser sometidas a deformación plástica, no son dúctiles ni maleables y poco soldables pero sí maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosión y al desgaste. Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son: - Son más fáciles de maquinar que los aceros. Página 15 de 88
- Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad. - En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos. - Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes. - Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste Existen varios tipos de hierro fundido, pudiéndose clasificar de acuerdo a su estructura metalográfica, las variables a considerar que dan lugar a diferentes tipos de hierro fundido son: a) El contenido de carbono. b) El contenido de aleación y de impureza. c) La rapidez de enfriamiento durante o después del congelamiento. d) El tratamiento térmico después de fundirse. Estas variables van a controlar la condición del carbono y su forma física. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de hierro en la cementita o puede existir como carbono sin combinar libre en forma de grafito. Los hierros fundidos se pueden clasificar como: 1.-Hierros fundidos blancos, en esto hierros todo el carbono está en la forma combinada como cementita. 2.-Hierros fundidos maleables, en estos hierros, la mayoría o todo el carbono esta sin combinar en la forma de partículas redondadas irregulares llamadas carbono revenido, que se obtiene mediante un tratamiento térmico del hierro fundido blanco. 3.-Hierro fundido gris, en estos hierros la mayoría o todo el carbono está sin combinar en la forma de escamas de grafito. 4.-Hierro fundido enfriado rápido, en estos hierros una capa superficial de hierro fundido blanco está combinada con una interior de hierro gris. 5.-Hierro fundido nodular, en estos hierros mediante adiciones de aleaciones especiales, el carbono está sin combinar en la forma de esferoides compactas. 6.-Hierro fundido aleados, en estos hierros, las propiedades de los tipos de hierros mencionados con anterioridad pueden ser modificadas con la aplicación de diversos elementos. 3.3.- Aplicaciones de la fundición blanca. La fundición blanca se utiliza en cuerpos moledores por su gran resistencia al desgaste, el enfriamiento rápido evita la grafitización de la cementita pero si se calienta de nuevo la pieza colada a una temperatura de 870°C el grafito se forma lentamente adoptando una forma característica conocida como carbono de revenido, resultando la fundición maleable. La matriz de la fundición puede ser ferrítica o perlítica si la aleación Página 16 de 88
se enfría más rápidamente a partir de los 723°C al final del tratamiento de maleabilización. Las fundiciones maleables se utilizan en la fabricación de partes de maquinaria agrícola, industrial y de transporte.
3.4.- Aplicaciones de la fundición gris. El hierro gris se utiliza bastante en aplicaciones como bases o pedestales para máquinas, herramientas, bastidores para maquinaria pesada, y bloques de cilindros para motores de vehículos, discos de frenos, herramientas agrícolas entre otras. 3.5.- Empleo de moldes. El uso de las fundiciones ya sea de metales necesita obligatoriamente el empleo de diferentes tipos de moldes pudiendo ser estos de las más diversas formas y materiales tales como madera, cerámicos, de arena, de plástico de ceras etc. Esto, si analizamos la definición de lo que significa la fundición : Se define el proceso de fundición de metales como el proceso mediante el cual, la materia prima es llevada desde un estado sólido a un estado líquido, por medio del aporte de calor proporcionado por energía eléctrica o combustibles fósiles. A veces son añadidos elementos aleantes que cambian la composición química del metal, dándole de esa manera nuevas propiedades mecánicas. El metal líquido es vertido ("colado") en moldes. Una vez enfriado el metal, la pieza fundida es extraída del molde y limpiada. El molde es reutilizado, reciclado o destinado a botadores, dependiendo de si se trata de molde permanente o no permanente. El proceso para producir piezas u objetos útiles con metal fundido se le conoce como proceso de fundición definido anteriormente. Este proceso se ha practicado desde el año 2000 AC. Consiste en vaciar metal fundido en un recipiente con la forma de la pieza u objeto que se desea fabricar y esperar a que se endurezca al enfriarse. Para lograr la producción de una pieza fundida es necesario hacer las siguientes actividades: 1. Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas. 2. Diseño del molde. 3. Preparación de los materiales para los modelos y los moldes. 4. Fabricación de los modelos y los moldes. 5. Colado de metal fundido. 6. Enfriamiento de los moldes. 7. Extracción de las piezas fundidas. 8. Limpieza de las piezas fundidas. 9. Terminado de las piezas fundidas. 10. Recuperación de los materiales de los moldes.
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Moldes temporales. Los recipientes con la forma deseada se conocen como moldes, éstos se fabrican de diferentes materiales como: arena, yeso, barro, metal, etc. Los moldes pueden servir una vez o varias. En el primer caso se les conoce como moldes temporales y los que se pueden utilizan varias veces, se les conoce como moldes permanentes. Modelos desechables y removibles. Los moldes se fabrican por medio de modelos los que pueden ser de madera, plástico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que éstos son disponibles o desechables y si los modelos sirven para varias fundiciones se les llama removibles. Fundición en moldes de arena. Uno de los materiales más utilizados para la fabricación de moldes temporales es la arena sílica o arena verde (por el color cuando está húmeda). El procedimiento consiste en el recubrimiento de un modelo con arena húmeda y dejar que seque hasta que adquiera dureza. Fundición en moldes de capa seca. Es un procedimiento muy parecido al de los moldes de arena verde, con excepción de que alrededor del modelo (aproximadamente 10 mm) se coloca arena con un compuesto que al secar hace más dura a la arena, este compuesto puede ser almidón, linaza, agua de melaza, etc. El material que sirve para endurecer puede ser aplicado por medio de un rociador y posteriormente secado con una antorcha. Fundición en moldes con arena seca. Estos moldes son hechos en su totalidad con arena verde común, pero se mezcla un aditivo como el que se utiliza en el moldeo anterior, el que endurece a la arena cuando se seca. Los moldes deben ser cocidos en un horno para eliminar toda la humedad y por lo regular se utilizan cajas de fundición, como las que se muestran más adelante. Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan bien las turbulencias del metal al colarse en el molde. Fundición en moldes de arcilla. Los moldes de arcilla se construyen al nivel de piso con ladrillos o con materiales cerámicos, son utilizados para la fundición de piezas grandes y algunas veces son reforzados con cajas de hierro. Estos moldes requieren mucho tiempo para su fabricación y no son muy utilizados. Fundición en moldes furánicos . Este proceso es bueno para la fabricación de moldes o corazones de arena. Están fabricados con arena seca de grano agudo mezclado con ácido fosfórico, el cual actúa como acelerador en el endurecimiento, al agregarse a la mezcla una resina llamada furánica. Con esta mezcla de ácido, arcilla y resina en dos horas el molde se endurece lo suficiente para recibir el metal fundido.
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Fundición co n moldes de CO2. En este tipo de moldes la arena verde se mezcla con silicato de sodio para posteriormente ser apisonada alrededor del modelo. Una vez armado el molde se inyecta bióxido de carbono a presión con lo que reacciona el silicato de sodio aumentando la dureza del molde. Con la dureza adecuada de la arena del molde se extrae el modelo, si este fuera removible, para posteriormente ser cerrado y utilizado. Ventajas de los mo delos desechables. 1. Para la fabricación de moldes sin máquinas de moldeo se requiere menos tiempo. 2. No requieren de tolerancia especiales. 3. El acabado es uniforme y liso. 4. No requiere de piezas sueltas y complejas. 5. No requiere de corazones 6. El moldeo se simplifica notablemente. Desventajas de los modelos desechables. 1. El modelo es destruido en el proceso de fundición. 2. Los modelos son más delicados en su manejo. 3. No se puede utilizar equipo de moldeo mecánico. 4. No se puede revisar el acabado del molde. Partes de un m olde.
1. Vasija de entrada. 2. Vasija de vaciado, es la entrada del metal fundido al molde. 3. Bebedero, conducto por el cual baja el metal fundido para la alimentación del metal al molde. 4. Corredor alimentador, vasija inferior que permite la entrada del material a la cavidad. 5. Rebosadero, son espacios que pueden ser ciegos o abiertos y que sirven para que la escoria del material fundido flote y sea atrapada.
Tolerancias en los modelos. En el diseño de los modelos que se utilizan para construir un molde es necesario tener en consideración varias tolerancias.
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1. Tolerancia para la contracción. Se debe tener en consideración que un material al enfriarse se contrae dependiendo del tipo de metal que se esté utilizando, por lo que los modelos deberán ser más grandes que las medidas finales que se esperan obtener. 2. Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene un modelo que se va a remover es necesario agrandar las superficies por las que se deslizará, al fabricar estas superficies se deben considerar en sus dimensiones la holgura por extracción. 3. Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada en necesario realizar algún trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, esto se logra puliendo o quitando algún material de las piezas producidas por lo que se debe considerar en el modelo esta rebaja de material. 4. Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de superficie irregular su enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de la pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los modelos. 5. Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser extraídos de los moldes, acción que genera la modificación de las dimensiones finales de las piezas obtenidas, estas pequeñas modificaciones deben ser tomadas en consideración en la fabricación de los modelos. Observe que cuando se utilizan modelos disponibles muchas de las tolerancias antes mencionadas no son aplicables.
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CAPÍTULO IV OBTENCIÓN DEL ACERO
4.1 -Describir los procesos de obtención del acero. Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en el mundo se obtiene a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren en un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio. También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro. Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa. Proceso de pudelado. El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material. Proceso por criso l abierto. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este método, los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC.
El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6 × 10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo Página 21 de 88
están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas. El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 kg de chatarra de acero, 11.000 Kg. de arrabio frío, 45.000 Kg. de arrabio fundido, 12.000 kg de caliza, 1.000 Kg. de mineral de hierro y 200 Kg. de fluorita. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor. Desde el punto de vista químico la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como silicio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una longitud de 1,5 m. Estos lingotes —la materia prima para todas las formas de fabricación del acero — pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.
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Proceso básico d e oxigeno. El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.
En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora. Proceso de horno eléctrico . En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas.
En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado. Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que — junto con el producido por el arco eléctrico — funde el metal con Página 23 de 88
rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor. Proceso de colada contin úa. Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de rodillos se van a procesar.
Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por le molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial 4.2.- Medios utilizados en la obtención del acero. Con la revolución industrial del siglo XX, se fueron mejorando los métodos para reducir el carbono del arrabio, con mayor rapidez y en mayor volumen; los métodos que tuvieron mayor éxito, fueron:
Via alto horno Via horno electrico
Un notable invento revoluciona a Inglaterra en el año 1850 modificando el antiguo procedimiento de fabricación del acero, haciendo del proceso algo mas económico practico y de alta producción. Henry Bessemer, ingeniero ingles, logra por insuflación de aire frió a la masa de hierro en estado liquido, producir Acero . El Convertidor es el nombre que le dio a este invento maravilloso, debido a que convertía el arrabio en acero. Página 24 de 88
El convertidor Bessemer se utiliza por primera vez en Estados Unidos en 1860 como una aplicación comercial, a partir de ese momento se avanza rápidamente y la producción de acero que era de 42000 ton. En 1871, pasa a 10000000 ton. en 1910. Inicialmente los convertidores de acero eran insuflados con aire, hasta que en 1948 en la ciudad de Linz Austria, se empieza a utilizar el horno L.D, con inyección de oxigeno que es el mas utilizado, hasta nuestros días. También, desde 1878, se estaban haciendo estudios, análisis y desarrollos para poder lograr un horno eléctrico y así producir acero de una manera diferente; claro que se debía vencer los problemas de energía eléctrica suficiente y la fabricación de electrodos que pudieran soportar la carga requerida para poder fundir el metal. Como resultado se pone en operación en 1890 el primer horno eléctrico “Heroult”.
Así, quedan establecidas las dos vías clásicas para producir acero: La vía alto horno y su proceso de aceración La vía horno eléctrico.
Los primeros procesos de aceración desarrollados, que muchos de ellos, se siguen usando, son los que se enumeran a continuación: Horno de pudelato Horno de crisol Horno Bassemer Horno Thomas Horno Martin Horno Siemens HornoL.D (Linz-Donawit)
Utilizado en el siglo XVII Para convertir arrabio en acero Inglaterra 1850 Inglaterra 1878 Francia 1870 Alemania 1870 Austria 1948
Los hornos eléctricos que mas se usan para fundir la chatarra y producir aceros son los siguientes: Horno Wilhelm von Siemens Alemania 1890 Horno Heroult Francia 1890 Horno Stassano Italia 1895
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CAPÍTULO V LOS ACEROS.
5.1.- Identificación de las propiedades de los aceros. Las propiedades de los metales se clasifican en físicas, mecánicas y tecnológicas. Las propiedades físicas dependen del tipo de aleación y las más importantes son:
Peso específico. Calor específico. Dilatación térmica. Temperatura de fusión y solidificación. Conductividad térmica y eléctrica. Resistencia al ataque químico.
Propiedades Físicas.
Peso específico. El peso específico puede ser absoluto o relativo: el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogéneo. El peso específico relativo es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia; para los sólidos y líquidos se toma como referencia el agua destilada a 4°C. Calor específico. Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 Kg. de determinada sustancia. El calor específico varía con la temperatura. En la práctica se considera el calor específico medio en un intervalo de temperaturas. Punto de fusión. Es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al líquido, transformación que se produce con absorción de calor. Punto de solidificación. Es la temperatura a la cual un líquido pasa al estado sólido, durante la transformación hay cesión de calor. Casi siempre coinciden los puntos de fusión y de solidificación. Calor latente de fusión. Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares del material (a la temperatura de fusión) y transformarlo de sólido en líquido. Resistencia a la corrosión. La corrosión de los metales puede originarse por: Reacciones químicas con los agentes corrosivos. Reacciones electroquímicas producidas por corrientes electrolíticas generadas en elementos galvánicos formados en la superficie con
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distinto potencial. Las corrientes electrolíticas se producen con desplazamiento de iones metálicos. La corrosión electrolítica puede producirse por: Heterogeneidad de la estructura cristalina Tensiones internas producidas por deformación en frío o tratamientos térmicos mal efectuados. Diferencia en la ventilación externa.
La protección de los metales contra la corrosión puede hacerse por: Adición de elementos especiales que favorecen la resistencia a la corrosión. Revestimientos metálicos resistentes a la corrosión. Revestimientos con láminas de resinas sintéticas o polímeros.
Propiedades Mecánicas.
Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma. Resistencia. Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura (Kg./mm²) para cada uno de estos esfuerzos. Dureza. Propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers. Elasticidad. Capacidad de un material elástico para recobrar su forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente. Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del límite elástico, se expresa en Kg/mm². Plasticidad. Capacidad de deformación permanente de un metal sin que llegue a romperse.
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Tenacidad. Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad. Fragilidad. Propiedad que expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se produce espontáneamente al rebasar la carga correspondiente al límite elástico. Resiliencia. Resistencia de un metal a su rotura por choque, se determina en el ensayo Charpy. Fluencia. Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta, se denomina también creep. Fatiga. Si se somete una pieza a la acción de cargas periódicas (alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con cargas menores a las que producirían deformaciones. Propiedades Tecnológicas .
Determina la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son: Ductilidad. Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en frío; aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales más dúctiles son el oro, plata, cobre, hierro, plomo y aluminio. Fusibilidad. Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas. Colabilidad. Es la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debe poseer gran fluidez para poder llenar completamente el molde. Los metales más fusibles y colables son la fundición de hierro, de bronce, de latón y de aleaciones ligeras. Soldabilidad. Es la aptitud de un metal para soldarse con otro idéntico bajo presión ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono.
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Endurecimiento por el temple. Es la propiedad del metal de sufrir transformaciones en su estructura cristalina como resultado del calentamiento y enfriamiento sucesivo y por ende de sus propiedades mecánicas y tecnológicas. Los aceros se templan fácilmente debido a la formación de una estructura cristalina característica denominada martensita.
Facilidad de mecanizado. Es la propiedad de un metal de dejarse mecanizar con arranque de viruta, mediante una herramienta cortante apropiada. Son muy mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas. 5. 2.- Los ensayos de materiales y sus finalidades. Los ensayos tienen por objetivo principal, poder llegar a conocer las propiedades de los materiales, la influencia de la composición química o de los tratamientos térmicos; lo anterior permitirá evaluar el futuro comportamiento de alguna pieza que esté en servicio. Los ensayos permiten determinar las causas posibles de una falla, ya sea cuando la pieza esta en servicio o no; pudiéndose evitar dicho desperfecto mediante alguna acción correctiva, también, los ensayos permiten seleccionar adecuadamente el tipo de material que se debe emplear para un uso determinado. Los ensayos se pueden clasificar según varios criterios siendo los mas conocidos, de acuerdo a su rigurosidad en científicos y tecnológicos; según la utilidad de la pieza luego de realizado el ensayo indestructivos y no destructivos; según la velocidad de aplicación del esfuerzo en estáticos y dinámicos; y finalmente de acuerdo a su naturaleza en químicos, métalográficos, físicos, mecánicos. Estos últimos veremos mas en detalle, ya que son los de mayor uso. Químicos. Determinan la composición química y resistencia a los agentes químicos del material. Métalográficos. Con el empleo de microscopios, se pueden observar la macro y microestructura, es decir, el tratamiento mecánico y térmico que ha sufrido un determinado material. Pueden ser microscópicos o macroscópicos Físicos. Permite evaluar las propiedades físicas y así detectar heterogeneidades y defectos internos del material. Pueden ser del tipo térmico, magnéticos, eléctricos, de penetración superficial, ultrasonido, rayos X etc.
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Mecánicos. Permiten evaluar la elasticidad y resistencia de los materiales. Pueden ser ensayos estáticos, ensayos con tensiones múltiples, ensayos de dureza, ensayos de duración y ensayos tecnológicos. Ensayo Estáticos. Tracción: Estudio del comportamiento de un material, sometido a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente, ejercido por una maquina apropiada, hasta conseguir la rotura. Compresión: Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, ejercido por una maquina apropiada, hasta conseguir la rotura o el aplastamiento. Cizallamiento: Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante progresivamente creciente, ejercido por una maquina apropiada, hasta conseguir la rotura por deslizamiento a lo largo de la sección de cizallamiento. Flexión: Estudio del comportamiento de un material apoyado libremente por sus extremos, sometido a un esfuerzo en su parte central progresivamente creciente, ejercido por una maquina apropiada, midiéndose la deformación producida. Pandeo: Estudio del comportamiento de un material cuya longitud es relativamente grande con respecto de la sección sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, ejercido por una maquina apropiada, hasta conseguir la flexión lateral o pandeo. Torsión: Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de torsión progresivamente creciente, ejercido por una maquina apropiada, hasta conseguir la rotura. Ensayo con tensiones múltiples. Estudio del comportamiento de un material sometido a esfuerzos que actúan en varias direcciones; los más conocidos son los ensayos de tracción con probetas entalladas (triaxiales), y los ensayos por choque, (método de Charpy). Ensayos de dureza (estáticos). Existen distintos tipos de ensayos que permiten medir la dureza de un material, ellos son los ensayos de dureza Brinell (la impresión se produce mediante una bola de acero extraduro), Vickers (la impresión se produce mediante una pirámide cuadrangular de diamante), y Rockwell(la impresión se produce mediante un penetrador de diamante en forma cónica), los que se diferencian en la forma del penetrador, la carga aplicada, y la forma de expresar los resultados. Ensayos de dureza (dinámico) En esta sistema se conoce el método de choque (Poldi) similar al ensayo Brinell, con la diferencia que aquí la bola actúa por golpe. También se conoce el método del retroceso (esclerómetro Shore y duroscopio) se mide el retroceso de un martillo Página 30 de 88
con punta redondeada de diamante al golpear con el material; en el esclerómetro de Shore el martillo cae perpendicularmente en cambio en el duroscopio el martillo cae pendularmente. Ensayo de duración: Fatiga: Dentro de estos ensayos, que solo buscan la rotura del material con la aplicación de cargas variables inferiores al límite de rotura, incluso al límite elástico, pero que actúen durante un tiempo suficientemente prolongado se destacan los siguientes: De tracción –compresión con esfuerzo axial, De flexión rotativa, De flexión plana, De torsión. Fluencia viscosa (creep): Deformación lenta en función del tiempo, después de la aplicación del esfuerzo, de materiales sometidos a temperaturas muy elevadas (3001400ºc) y cargas permanentes. Ensayos tecnológicos. Con estos ensayos no se pretende obtener valores cuantitativos, si no un juicio rápido y aproximado sobre alguna característica del material, entre ellos se distinguen: Ensayo de chispa, de fractura, de forjado, de desgaste, de plegado, doble plegado, de ensanchamiento, de embutido etc. 5.3.- Aceros al carbono. El principal producto siderúrgico es el acero, siendo aproximadamente el 90% de la producción acero al carbono y el 10%, acero aleado. Por lo tanto, el material metálico más importante para la industria es el acero al carbono. El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros). El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. Los aceros se clasifican teniendo en cuenta sus propiedades y utilización, en tres grandes grupos: aceros de construcción, aceros de herramientas y aceros inoxidables. Aceros de c on struc ción . Son los aceros que se utilizan para la fabricación de piezas, órganos o elementos de maquinas, motores, instalaciones, carriles, vehículos, etc.
a) Aceros al carbono que se usan en bruto de laminación para construcciones metálicas y para piezas de maquinaria en general. b) Aceros de baja aleación y alto límite elástico para grandes construcciones metálicas, puentes, torres etc. Página 31 de 88
c) Aceros de fácil mecanización en tornos automáticos. Los aceros de construcción generalmente se emplean para la fabricación de piezas, órganos o elementos de máquinas y de construcción de instalaciones. En ellos son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento. Aceros ordinarios al carbono que se usan en bruto de forja o laminación. Se incluyen los aceros cuyas propiedades dependen principalmente del porcentaje de carbono que contienen. Se emplean en grandes cantidades para la construcción de estructuras metálicas de edificios, para elementos y piezas de maquinaria, motores, ferrocarriles, etc., y su contenido de carbono suele variar desde 0.03 a 0.70%. Además siempre contienen pequeñas cantidades de manganeso y silicio que se emplean como elementos auxiliares en los procesos de fabricación, fósforo y azufre que son impurezas perjudiciales que provienen de las materias primas (lingotes, chatarra, combustibles y minerales). En general los aceros ordinarios contienen: Mn < 0.90%, Si < 0.50%, P < 0.10%, S < 0.10% De acuerdo con las propiedades mecánicas, se establecen una serie de grupos de aceros ordenados por su resistencia a la tracción. Cuando se desean resistencias de 38 a 55 Kg./mm2 se emplean aceros en bruto de forja o laminación. Para resistencias de 55 a 80 Kg./mm2 se emplean unas veces los aceros al carbono en bruto de forja y laminación, y otras veces se emplean los aceros al carbono tratados (templados y revenidos), para resistencias superiores a 80 Kg./mm2 se suelen emplear aceros tratados. Aceros de b ajo co ntenido d e carb on o. Estos aceros contienen menos del 0.25% C, no adquieren dureza sensible con un temple. Su resistencia media en estado normalizado varia de 35 a 53 Kg./mm2 y los alargamientos de 33 a 23%. Teniendo en cuenta sus características, se suelen agrupar en tres clases:
Con estos aceros de 0.06 a 0.25% de carbono, se fabrican los puentes de ferrocarril, las grandes estructuras de las estaciones, las columnas metálicas de las líneas eléctricas, los cascos de los buques, las estructuras de las casas, las carrocerías de los automóviles, los tubos de las bicicletas, los clavos, los alfileres, las cerraduras de las puertas, los asientos de las clases y muchos objetos más que utilizamos diariamente. En la mayoría de los casos se utiliza el acero tal como viene de las acerías, sin darle ningún tratamiento térmico especial. Aceros semiduros forjados o laminados para la construcción de piezas de maquinaria en general.
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Los aceros ordinarios de contenido en carbono comprendido entre 0.25 y 0.70% de C que se emplean en estado bruto de forja o laminación se suelen emplear para piezas de maquinaria en general Aceros de 0.30% de C. Ejes para vagones, ruedas, piezas de maquinaria, etc. (R=57 Kg./mm2, A = 23%) Aceros de 0.40% e C. Elementos de máquinas y motores, alambres para cables, ejes para locomotoras, etc. (R = 65 Kg/mm2, A = 19%) Aceros de 0.50% de C. Bandejas, alambres, flejes, herramientas agrícolas forjadas etc. (R = 74 Kg/mm2, A=17%). Aceros de 0.60% de C. Para fleje duro, alambre, herramientas para agricultura, etc. (R = 82 Kg/mm2, A = 15%). Influencia de elementos extraños en las características mecánicas de los aceros de bajo contenido en carbono. La presencia de fósforo y azufre, salvo en muy pocas ocasiones, es perjudicial para la calidad de los aceros, procurándose eliminar esos elementos en los procesos de fabricación. En general se recomienda que en los aceros ordinarios el contenido de cada uno de esos elementos no pase del 0.06%, y en los aceros de calidad se suele exigir porcentajes de fósforo y azufre inferiores a 0.03%. El azufre cuando se presenta como sulfuro de hierro, provoca durante los procesos de forja o laminación del acero poca resistencia y a veces se agrieta por iniciarse la fusión de éste, que se encuentra en el acero en forma de retícula en la microestructura del acero. Por el contrario cuando aparece como sulfuro de manganeso, tiene una temperatura de fusión muy elevada, y no da paso a la fragilidad en caliente; en ambos casos el alargamiento y la resistencia del acero queda muy disminuido. El fósforo se encuentra siempre disuelto en los granos de ferrita a los que comunica gran fragilidad. 5.4.- Aceros aleados. Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%.
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Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio. La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono. Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Hay aceros inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de máquinas y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes corrosivos. Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc. 5.5.- Los Aceros Inoxidables. Son una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de Cromo. El Cromo forma en la superficie del acero una película extremadamente delgada, continua y estable. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables. El extenso rango de propiedades y características secundarias, presentes en los aceros inoxidables hacen de ellos un grupo de aceros muy versátiles. La selección de los aceros inoxidables puede realizarse de acuerdo con sus características: Resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas. Propiedades mecánicas del acero. Características de los procesos de transformación a que será sometido. Costo total (reposición y mantenimiento) Disponibilidad del acero. Los aceros inoxidables tienen una resistencia a la corrosión natural que se forma automáticamente, es decir no se adiciona. Tienen una gran resistencia mecánica, de al menos dos veces la del acero al carbono, son resistentes a temperaturas elevadas y a temperaturas criogénicas. Son fáciles de transformar en gran variedad de productos y tiene una apariencia estética, que puede variarse sometiendo el acero a diferentes tratamientos superficiales para obtener acabado a espejo, satinado, coloreado, texturizado, etc.
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5.6.- Aceros de herramientas. En este grupo se incluyen todos los aceros que normalmente se emplean para la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta. Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%). Principales tipos de aceros de herramientas: Aceros al carbono. Para la fabricación de herramientas para los usos más diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. Para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y picas; se emplean medios contenidos en carbono 0.50 a 0.70%. Para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas; calidades intermedias de 0.70 a 1%. Para conseguir en cada caso la máxima dureza, deben ser templados en agua. Aceros rápidos. La característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi a l rojo (600º) sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%. Aceros indeformables. Reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%. Aceros al corte no rápidos. Se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricación de herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rápidos y los aceros al carbono, y la mayoría de herramientas fabricadas con ellos suelen quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C.
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Otra clasificación del acero desde el punto de vista de su producción es: efervescente, calmado, semicalmado o tapado. En los aceros efervescentes sólo se ha eliminado una pequeña parte del oxígeno mientras dura el proceso de solidificación, lo que deja una capa exterior o cerco relativamente libre de carbono, o sea que el centro del lingote tiene un mayor contenido de carbono que el exterior. Esta superficie con una porción de carbono extremadamente baja es muy dúctil, tiene excelentes cualidades de su superficie y muy buenas características para su conformado en frío. Los aceros calmados son lo opuesto a los efervescentes; a estos aceros se les ha extraído gran cantidad de oxígeno, de donde resulta un acero relativamente libre de carbono. Los aceros calmados son útiles cuando se necesitan técnicas severas de conformado, pero siempre requiere un tratamiento térmico al terminar la técnica de conformado de manufactura. Los aceros semicalmados tienen una composición y propiedades mecánicas que varían entre las de los aceros efervescentes y los calmados. Los aceros tapados combinan las características de los aceros efervescentes y las de los semicalmados o sea, el cerco de carbono se forma en la superficie del acero, y el grueso de la sección transversal interior tiene las características del acero semicalmado. 5.7.- Influencia de los elementos de aleación en las propiedades de los aceros. Níquel. Una de las ventajas más grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un limite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para maquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Los aceros al níquel más utilizados son los siguientes: a) Aceros al níquel con 2, 3 y 5%. Con 0.10 a 0.25% de carbono se utilizan para cementación, y con 0.25 a 0.40% de carbono para piezas de gran resistencia. Página 36 de 88
b) Aceros cromo-níquel-molibdeno con porcentajes de níquel variables desde 1 a 5%; con bajos porcentajes de carbono (0.10 a 0.22%) se emplean para cementación y con porcentajes de 0.25 a 0.40% de carbono se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de estos elementos aleados suelen estar en relación aproximada de 1% de cromo y 3% de níquel. c) Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel-manganeso. Se suelen emplear para piezas de gran resistencia y para piezas cementadas con porcentajes de carbono variables de 0.25 a 0.40% en el primer caso y de 0.10 a 0.25% en el segundo, variando el contenido en níquel de 1 a 2%, el de manganeso de 1 a 1.5% y el molibdeno de 0.15 a 0.40%. d) Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níqueles, con 8 a 25% de níquel que son de estructura austenitica. e) Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níqueles para estampación en caliente y para herramientas. Cromo. Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30 a 30, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, inoxidabilidad, etc. Los aceros con cromo de mayor utilidad son: a) Aceros de construcción, de gran resistencia mecánica de 0.50 a 1.50% de cromo y 0.30 a 0.45% de carbono, aleados según los casos, con níquel y molibdeno para piezas de gran espesor, con resistencias variables de 70 a 150 Kg./mm2. b) Aceros de cementación con 0.50 a 1.50% de cromo y 0.10 a 0.25% de carbono, aleados con níquel y molibdeno. c) Aceros de nitruración cromo-aluminio-molibdeno. d) Aceros para muelles cromo-vanadio y cromo-silicio. e) Aceros de herramientas con 0.30 a 1.50% de cromo y 0.070 a 1.50% de carbono. En ellos el cromo mejora la penetración de temple, la resistencia al desgaste, permite el temple en aceite y evita deformaciones deformaciones y grietas. f) Aceros indeformables indeformables con 5 a 12% de cromo. g) Aceros rápidos y de trabajos en caliente. h) Aceros inoxidables martensiticos con 12 y 17% de cromo, aceros austeniticos con 14 a 25% de cromo en cantidades de níquel variables de 8 a 25% y aceros inoxidables con 27% de cromo. El cromo se disuelve en la ferrita y muestra una fuerte tendencia a formar carburos de cromo y carburos complejos.
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Molibdeno. Mejora notablemente la resistencia a la tracción, la templabilidad y la resistencia al creep de los aceros. Añadiendo solo pequeñas cantidades de molibdeno a los aceros cromo-níqueles, se disminuye o elimina casi completamente la fragilidad Krupp, que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de 450º a 550º. El molibdeno a aumenta también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio. El molibdeno se disuelve en la ferrita, pero tiene una fuerte tendencia a formar carburos. Es un potente estabilizador de los carburos complejos y tiende a retarde el ablandamiento de los aceros, durante el revenido. Los aceros de molibdeno más utilizados son: a) Aceros de manganeso-molibdeno, cromo-molibdeno y cromoníquel-molibdeno de bajo contenido de carbono para cementación, y de 0.15 a 0.40% de carbono para piezas de gran resistencia. b) Aceros rápidos con 6 a 10% de molibdeno; son de utilización relativamente parecida a los aceros rápidos al wolframio, pero en ellos el wolframio es sustituido por el molibdeno. c) Aceros de 0.50 a 6% de molibdeno que se emplean principalmente para construcciones metálicas, tuberías e instalaciones en refinerías de petróleo, en las que llegan a calentasen de 100º a 300º y deben resistir bien el efecto de esos calentamientos relativamente moderados. Wolframio. (tungsteno) Es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros de herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte y aceros para trabajos en caliente. Sirve para mantener la dureza de los aceros a elevada temperatura y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500º o 600º. También se usa para la fabricación de aceros para imanes. El wolframio se disuelve ligeramente en la ferrita y tiene una gran tendencia a formar carburos. c arburos. Los carburos de wolframio tienen gran estabilidad. estabilidad. Los aceros más utilizados de wolframio son: a) Los aceros rápidos con 18% de wolframio y cantidades variables de cromo, vanadio y molibdeno y 0.701% aproximadamente de carbono. b) Aceros para trabajos en caliente con 9 a 15% de wolframio y 0.30 a 0.40% de carbono. Para algunos usos de menos responsabilidad se emplean aceros de más baja aleación con 1 a 5% de wolframio.
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c) Aceros para la fabricación de herramientas varias con n1 a 14% de wolframio y otros elementos: cromo, manganeso, vanadio, etc., que se emplean para trabajos de corte. d) Aceros inoxidables cromo-níqueles con wolframio, de gran resistencia mecánica a elevada temperatura. temperatura. Vanadio. Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiene una gran tendencia a formar carburos. El vanadio tiene una gran tendencia muy fuerte a formar carburos, por esta razón, basta con añadir pequeñas cantidades, y pocos aceros, excepto los de herramientas, contienen más de 0.02% de vanadio. Una característica de los aceros con vanadio, es su gran resistencia al ablandamiento por revenido. Los aceros con vanadio más utilizados son: a) Aceros rápidos que suelen contener de 0.50 a 1% de vanadio. b) Aceros de herramientas de diversas clases. Para troqueles indeformables, etc., que suelen tener de 0.10 a 0.30% de vanadio. c) Aceros para muelles cromo-vanadio. Manganeso. Aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado liquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0.30 a 0.80%. Los aceros al mangan m anganeso eso de uso más frecuente son: a) Aceros al manganeso de gran resistencia, que generalmente pertenecen al grupo de aceros de media aleación, en los que al Página 39 de 88
emplearse el manganeso en cantidades variables de 0.80 a 1.60%, con contenidos en carbono de 0.30 a 0.050%, se consigue mejorar la templabilidad y obtener excelentes combinaciones de características mecánicas aun en piezas de cierto espesor. b) Aceros indeformables al manganeso con 1 a 3% de Mn y 1% de carbono, aproximadamente, en los que la presencia de un alto porcentaje de manganeso, hace posible el temple con simple enfriamiento en aceite, o el aire, con lo que las deformaciones de las herramientas son muy pequeñas. c) Aceros austeniticos al manganeso con 12% de Mn y 1% de carbono, aproximadamente, que a la temperatura ambiente son austeniticos y tienen gran resistencia al desgaste, empleándose principalmente, para cruzamientos de vías, mordazas de maquinas trituradoras, trituradoras, excavadoras, excavadoras, etc. Silicio. Este elemento aparece en todos los aceros, lo mismo que el manganeso, porque se añade intencionadamente durante el proceso de fabricación. Se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero los poros y otros defectos internos. Los aceros pueden tener porcentajes variables de 0.20 a 0.34% de Si. Se emplean aceros de 1 a 4.5% de Si y bajo porcentaje de carbono para la fabricación de chapas magnéticas, ya que esos aceros, en presencia de campos magnéticos variables, dan lugar solo a perdidas magnéticas muy pequeñas, debido a que el silicio aumenta mucho su resistividad. Mejora ligeramente ligeramente la templabilidad y la resistencia de los aceros a disminuir la tenacidad, y en ciertos casos mejora también su resistencia a la oxidación. Cobalto. Se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento al ser incorporado en los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y su resistencia. Es uno de los pocos elementos aleados que mueva el punto eutectoide hacia la derecha y reduce la templabilidad de los aceros. El cobalto se suele emplear en los aceros rápidos al wolframio de máxima calidad en porcentajes variables de 3 a 10%. Aluminio. Se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0.001 a 0.008%.
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Titanio. Se suele añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión intercristalina. Cobre El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0.15 a 0.30% de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas. Se suele emplear contenidos en cobre variables de 0.40 a 0.50%. Boro
Se ha visto que en cantidades pequeñísimas de boro del orden de 0.0001 a 0.0006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el más efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos.
5.8.- Identificación de los aceros según su uso: Aceros al c arbo no par a cemen tac ión:
Acero 1010: Acero muy tenaz, para piezas de pequeño tamaño y forma sencilla, en las cuales no sean necesarios altos valores de resistencia mecánica (bujes, pasadores, etc.). Se usa con temple directo en agua. En estado normalizado o como laminado sirve para piezas embutidas o estampadas en frío. Acero 1015: Para construcciones mecánicas de baja resistencia. Tiene los mismos usos del 1010 pero se prefiere cuando se necesita un corazón más duro y tenaz. Acero 1022: Para partes de vehículos y maquinaria que no sean sometidas a grandes esfuerzos mecánicos. Posee mejor resistencia en el núcleo que el 1015. Aceros al carbono de temple y revenido Acero 1020: Esta clase de acero puede ser empleado en piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos.
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Considerando la escasa penetración de temple que tiene, generalmente se usa en estado normalizado. Puede emplearse en estado templado y revenido para piezas de pequeño espesor. Puede ser cementado cuando se requieren en el núcleo propiedades mecanizas más altas de las que pueden obtenerse con el tipo 1015 en cuyo caso se aplican las mismas normas de cementación que las especificadas para este acero. Acero 1030: Acero para temple y revenido para los más amplios usos, tales como ejes, árboles y todas aquellas piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos. Como no tiene gran penetración de temple, este tipo de acero es aconsejable solamente para piezas templadas y revenidas de tamaño pequeño. Acero 1040: La templabilidad de este acero es mejor que la de los dos anteriores; se usa para piezas de maquinas de pequeño y mediano espesor y sirve para piezas que deban ser templadas a inducción, o con soplete. Acero 1045: Es un acero muy apropiado para piezas de pequeño tamaño que deban templarse a inducción, obteniéndose una dureza superficial de 54-56 Rc. Se emplea para herramientas forjadas de todo tipo, como: hachas, azadones, rastrillos, picas, martillos de varios usos, porras, etc. Acero 1050: Gracias a la buena penetración de temple que tiene este acero, es apto para piezas de maquinas que deban soportar esfuerzos altos, longitudinales y transversales, pero sin impactos continuos. Para piezas de pequeño espesor es preferible el temple en aceite; para las piezas de mayor espesor y forma sencilla, en agua. Acero 1055: Tiene más o menos los mismos usos del 1050. Sirve para fabricar pasadores que deban soportar esfuerzos muy elevados. En este caso se pueden templar las piezas por inducción. Se usan para herramientas agrícolas que deban tener más resistencias que las fabricadas con acero 1045. Acero 1060: Como acero de construcción tiene los mismos usos que el 1055, pero para piezas que deban tener una resistencia mecánica más elevada. Como acero de corte sirve para herramientas de trabajos plásticos, madera y materiales no ferrosos (latan, bronce, etc). Página 42 de 88
Este acero tiene una buena penetración de temple, aun en piezas de tamaño medio y con temple en aceite. Con temple de inducción y con temple al soplete se pueden obtener buenos resultados en piezas de no muy alta resistencia mecánica que sean sometidos a desgaste. Este acero puede ser también usado para resortes. Acero 1070: Como acero de construcción para todo tipo de piezas que requieran al ta resistencia y que sean sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos, por ejemplo: partes móviles de molinos y trituradoras y cuchillas para moler materiales blandos. Como acero para resortes sirve para fabricar este tipo de piezas con excelente calidad y con especialidad aquellas de tipo helicoidal. Como acero para herramientas para todas las piezas que requieran dureza, tenacidad y resistencia al desgaste. Acero 1095: Este es el acero al carbono de mayor resistencia, usado para la fabricación de resortes de todos los tipos y para todos los usos. A semejanza de los otros tipos con porcentajes de C más bajo, que puede ser también trefilado a través de tratamientos térmicos adecuados, puede emplearse también en frío para la construcción de resortes especiales. Acero 1541(0.36-0.44% de C): Para partes que deban tener un limite de fluencia alto y fuerte resistencia al desgaste. Particularmente apto para forjar, por ejemplo: herramientas agrícolas y de mano. Se usa para fabricar tortillería de alta resistencia y es uno de los aceros más apropiados para la fabricación de grapas automotores. NOTA: las temperaturas de revenido son: Como acero de construcción 560ºC/640ºC Como acero de resortes 420ºC/480ºC Como acero de herramientas 200ºC/350ºC.
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Aceros al c arbo no de al ta maquinabili dad. (res ul furado s) Esta clase de aceros se usa en aquellos casos donde se desea una maquinabilidad mejor que la de los aceros al carbón. Se logran costos más bajos aumentando la producción con mayores velocidades de maquinado y mejor vida de la herramienta, o eliminando operaciones secundarias a través de una mejoría en la superficie terminada. La adición de azufre ocasiona algún sacrificio en las propiedades de soldabilidad, forja y conformación en frío.
SAE 1110 - 1111 - 1112 - 1113: Tienen excelentes características de maquinabilidad y buena resistencia estirados en frío. Estos aceros se pueden cianurar o carburar. La maquinabilidad aumenta en este grupo al aumentar el azufre, el cual se combina principalmente con el manganeso del acero y precipita como inclusiones de sulfuros, las cuales favorecen la maquinabilidad al proporcionar la formación de virutas pequeñas, y al suministrar un lubricante propio evita que las virutas se agarren a la herramienta y emboten el filo. Al disminuir esta adherencia, se necesita menos potencia, se mejora la superficie y la velocidad de maquinado se puede doblar en comparación de un acero no resulfurado. SAE 1108 - 1109 - 1116 - 1117 - 1118 - y 1119: Los aceros de este grupo se usan cuando se necesita una combinación de buena maquinabilidad y respuesta a tratamiento térmico. En variedades de bajo carbono se usan para partes pequeñas que deben cianurarse o carbonitrurarse. SAE 1117 - 1118 y 1119: Tienen más manganeso para mejor templabilidad, permitiendo temple en aceite después de la carburación. SAE 1132 - 1137 - 1140 - 1141 - 1144 - 1145 - 1146 y 1151: Cada tipo tiene características comparables a los aceros al carbono del mismo nivel del carbón. Se usan para partes donde es necesario una gran cantidad de maquinado, o donde la presencia de roscas, estrías, u otra operación ofrece problemas especiales de herramental. SAE 1132 -1137 - 1141 - 1144: De alto manganeso ofrecen mayor templabilidad y los tipos de alto carbono son adecuados para temple en aceite, para temple por inducción o para temple con llama.
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Aceros aleado s. Clasificación de los aceros aleados de acuerdo con su utilización. En estos aceros tiene una gran importancia la templabilidad:
Aceros de gran resistencia. Aceros de cementación. Aceros de muelles. Aceros indeformables. Aceros de construcción. Aceros de gran resistencia. Aceros de cementación. Aceros para muelles. Aceros de nitruración. Aceros resistentes al desgaste. Aceros para imanes. Aceros para chapa magnética. Aceros inoxidables y resistentes al calor. Aceros de herramientas. Aceros rápidos. Aceros de corte no rápidos. Aceros indeformables. Aceros resistentes al desgaste. Aceros para trabajos de choque. Aceros inoxidables y resistentes al calor. Aceros aleado s p ara c emen tació n.
15Cr3. Para partes de construcción de tamaño pequeño. Puede subsistir los aceros al Cr, Ni, Mo, cuando no se requieren grandes características de tenacidad en el núcleo. Es aconsejable seguir un recocido de estabilización a las piezas, antes de realizar la cementación, con el fin de prevenir deformaciones durante el temple. Se recomienda el doble temple. 16MnCr5. Para partes de alta resistencia al desgaste y expuestas a esfuerzos elevado. Por ejemplo: ruedas dentadas, ruedas para cadenas, etc. El doble temple es aconsejable. 3415. Para partes de maquinas que exijan una superficie muy dura y un núcleo de alta tenacidad, como por ejemplo ruedas dentadas en engranajes de alto rendimiento, eje de levas, etc.
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En este tipo de acero se aconseja el recocido de estabilización antes de la cementación. El doble temple es aconsejable para piezas complicadas y para los casos en que la profundidad de cementación sea mayor de 1 mm. Las piezas sencillas pueden templarse directamente desde el horno de cementación. 4320.
Este tipo de acero se emplea para piezas cementadas de medio y gran espesor. Combina una gran dureza superficial a un corazón muy tenaz y durante el temple se deforma muy poco. Es aconsejable dar un recocido de estabilización antes de ejecutar la cementación. También es aconsejable el doble temple.
8620. Ofrece muy buena dureza superficial y buenas propiedades del corazón. Tiene aceptable profundidad de temple, ausencia de zonas no duras en la parte cementada y baja distorsión Se utiliza en: ejes ranurados, pasadores de pistón, bujes, piñones para cajas y transmisión de automotores, etc. Es aconsejable un recocido de estabilización antes de efectuar la cementación. Se aconseja el segundo temple de dureza desde 810/840ºC. 4130.
4140.
Es un acero con buena penetración de temple y con buenas características de estabilidad hasta temperaturas de más o menos 400ºC. Tiene una elevada resistencia al deslizamiento en caliente y no presenta fragilidad de revenido. Para piezas que necesitan una dureza superior se debe usar 4140 o 4150. Es un acero de buena penetración de temple y con buenas características de estabilidad en caliente hasta 400ºC. Sin fragilidad de revenido, muy versátil y apto para esfuerzos de fatiga y torsión. Piezas templadas a inducción pueden dar una dureza de 57-69 Rockwell C. Tiene amplia aplicación en construcción de vehículos por ejemplo para cigüeñales, brazos de ejes, bielas, pernos, ejes de contramarcha, ejes de bombas y engranajes. Muy utilizado en piezas forjadas como herramientas, llaves de mano, destornilladores, etc. Página 46 de 88
Se usa también para espárragos y tornillos den la construcción de plantas que trabajen a temperatura entre 150ºC y 300ºC, como calderas, turbinas de vapor, plantas químicas, etc. 4150.
4340.
Sirve para los mismos usos del 4140 cuando se requieren durezas superiores. Piezas templadas a inducción de 4150 pueden dar una dureza superficial de 60-62 HRC. Tiene los mismos usos del 9840 y es usado cuando se requiere una dureza superior y mejor resistencia al impacto. Piezas templadas a inducción de 4340 pueden dar una dureza superficial de 60-62 Rockwell C. Sirve para tornillos prisioneros de bloques motores, ejes traseros de transmisión, mandriles porta-herramientas, ejes y excéntricas para cizallas, ejes de transmisión de grandes dimensiones, etc.
5135. Para piezas de buena tenacidad y que no requieran una profundidad de temple muy alta. Se usa en partes para vehículos, tractores, pasadores, tornillos y tuercas de alta resistencia. 5160. Este acero esta especialmente indicado para la construcción de resortes para automóviles y camiones, sea en ballestas, sea para resortes helicoidales y también para barras de torsión. 6150.
Se usa este acero para la construcción de resortes de muy alta resistencia, resortes helicoidales y barras de torsión para automóviles.
9260. Este es el tipo de acero más usado y más económico entre los aceros aleados para la construcción de resortes, particularmente para automóviles y camiones. Se templa muy fácilmente y tiene buena penetración de temple. Puede también usarse para la construcción de herramientas para maquinas agrícolas y otros implementos de la misma índole. 9840. Este acero tiene una buena penetración de temple y buena tenacidad. Se puede usar en construcción de piezas de tamaño medio que estén sometidas a esfuerzos de torsión. Por su contenido en Mo no esta expuesto a la fragilidad de revenido.
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Los aceros inoxidables. Los aceros inoxidables no son indestructibles, sin embargo con una selección cuidadosa, sometiéndolos a procesos de transformación adecuados y realizando una limpieza periódica, algún integrante de la familia de los aceros inoxidables resistirá las condiciones corrosivas y de servicio más severas.
Serie 400. Aceros Inoxidables Martensíticos Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%. Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 y 431. Las propiedades básicas son: Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico) y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada. Principales aplicaciones: Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería. Aceros Inoxidables Ferríticos. También se consideran simplemente al Cromo, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo <0.2%. Los tipos más comunes son el AISI 430, 409 y 434. Las propiedades básicas son: Buena resistencia a la corrosión. La dureza no es muy alta y no pueden incrementarla por tratamiento térmico. Principales aplicaciones: Equipo y utensilios domésticos y en aplicaciones arquitectónicas y decorativas. Serie 300. Los Aceros Inoxidables Austeníticos. Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317. Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene y limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas. Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaría, tanques, tuberías, etc Los aceros inoxidables ofrecen resistencia a la corrosión, una adecuada relación resistencia mecánica - peso, propiedades higiénicas, resistencia a temperaturas elevadas y criogénicas y valor a largo plazo. Son totalmente reciclables y amigables con el medio ambiente.
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Los aceros inoxidables son ampliamente utilizados en varios sectores, desde la más sofisticada aplicación industrial hasta los utensilios domésticos. Contribuyen, de manera indirecta, a satisfacer las necesidades humanas básicas tales como alimentación, salud, construcción, medio ambiente, transporte y energía. Algunos ejemplos de productos fabricados con aceros inoxidables son los equipos de procesos químicos y petroquímicos, equipos de proceso de alimentos y bebidas, equipos farmacéuticos, cámaras de combustión, sistemas de escape y filtros automotrices, vagones de ferrocarril, aplicaciones arquitectónicas y estructurales, mobiliario urbano, paneles de aislamiento térmico, intercambiadores de calor, tanques y recipientes, barriles de cerveza, instrumentos quirúrgicos, agujas hipodérmicas, monedas, tarjas, ollas y sartenes, cubiertos, lavadoras, lavavajillas y utensilios de cocina. En la industria química y petroquímica, los aceros inoxidables ofrecen elevada resistencia a la corrosión y excelentes propiedades mecánicas así como un bajo costo de mantenimiento. En la industria de alimentos y bebidas y en la industria farmacéutica, proveen excelentes condiciones de higiene además de su resistencia a la corrosión y duración a largo plazo. 5.10.- Selección de los aceros. Existen tantas formas diferentes para designar un mismo acero como países e instituciones relacionados a su fabricación y uso .Así entonces podría designarse un acero inoxidable 304, siendo equivalentes, el S30400 (UNS), el X5CrNi 18-10 (DIN), el 14301 (WNr),el Z7 CN 18-09 (AFNOR), el 2333 (SS), el SUS 304 (JIS) o el 304S31 (BS). Las influencias de organizaciones americanas son relevantes, ya que existe una gran cantidad de ellas que se dedican a dictar tanto normas de fabricación como designaciones a los aceros y productos fabricados con ellos, entre ellas se encuentran las que se indican ASTM (American Society for Testing and Materials), ASME (American Society of Mechanical Engineers), SAE (Society of Automotive Engineers), ANSI (American nacional Standars Institute), ACI (American Casting Institute), AWS (American Welding Institute). Nomenclatura de los aceros: Sist ema SAE – A.I.S.I S Como la microestructura del acero determina la mayoría de sus propiedades y aquella esta determinada por el tratamiento y la composición química; uno de los sistemas más generalizados en la nomenclatura de los aceros es el que está basado en su composición química.
Todos los países y muchas instituciones tienen sistemas para clasificar los aceros. Entraremos a detallar un poco el sistema SAE - A.I.S.I de clasificación de aceros. En 1912, la Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores (Society of Automotive Engineers, SAE) promovió una reunión de productores y consumidores de aceros, para establecer una nomenclatura y composición de los aceros. Más tarde, el
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Instituto Norteamericano del Hierro y el Acero, A.I.S.I, tomó la nomenclatura de la SAE y la expandió. En el sistema SAE - A.I.S.I, los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primer dígito especifica la aleación principal, el segundo dígito indica la aleación secundaria y los dos últimos dígitos dan la cantidad de carbono presente en la aleación. Las convenciones para el primer dígito son: 1 – Manganeso 2 – Níquel 3 - Níquel-cromo, principal aleante el cromo 4 – Molibdeno 5 – Cromo 6 - Cromo-vanadio, principal aleante el cromo 8 - Níquel-cromo-molibdeno, principal aleante el molibdeno 9 - Níquel-cromo-molibdeno, principal aleante el níquel No hay aceros numerados 7xxx porque estos aceros resistentes al calor prácticamente no se fabrican. En estos sistemas, para la designación al carbono o aleados, se utilizan cuatro dígitos, así, entonces los dos últimos dígitos indican el contenido de carbono en centésimas de porcentaje. Para aceros al carbono, el primer digito es 1. Los aceros al carbono corrientes se designan 10xx (Ej.:1045 es acero al carbono con 0.45% de carbono).n los aceros aleados los dos primeros dígitos indican los principales elementos de aleación y sus rangos. A veces se intercalan letras después de los dos primeros dígitos, para indicar otra característica (B indica boro, L indica plomo). También pueden usarse prefijos (M indica calidad corriente, E indica horno eléctrico, H indica de los aceros endurecible). A continuación se presentan algunas tablas tanto de equivalencia de las distintas normas, como de las composiciones químicas de los aceros:
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EQUIVALENCIA EN NORMAS ESPA A ALEMANIA FRANCIA G.BRETA A ITALIA SUECIA URSS USA UNE
DIN Stand AFNOR Nº
B.S.
F-111*0 F-1120 F-1131 F-1130 F-1132 F-1140 F-1140 F-1142 F-1150 -
Ck15 Ck25 Ck30 Ck35 Ck45 Ck55 Ck60
080 070M26 080 080 080 080 080M46 080 070M55 080 A62
1.1141 1.1158 1.1178 1.1181 1.1191 1.1203 1.1221
XC-15 XC-25 XC-32 XC-35 XC-38 XC-42 XC-45 XC-48 XC-54 XC-60
UNI A15 C-15 C-25 A32 C-30 A35 C-35 A37 C-38 A42 C-43 C-45 A47 C-48 C-55 C-60
SS
GOST AISI/SAE JIS
1370 1572 1672 1678
15 25 30L-II 35 45 55 60
1015 1025 1030 1035 1038 1042 1045 1049 1055 1060
Composición Química. Stand Nº DIN
C
Mn
Si
1.1141 1.1158 1.1178 1.1181 1.1191 1.1203 1.1221
0.15 0.25 0.32 0.35 0.38 0.42 0.45 0.48 0.55 0.60
0.60 0.65 0.70 0.70 0.70 0.75 0.70 0.70 0.70 0.70
0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
Ck-15 Ck-25 Ck-30 Ck-35 Ck-45 Ck-55 Ck-60
JAPON
S15C S25C S33C S35C S38C S43C S45C S48C S55C S58C
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A CEROS ALEADOS PARA TEMPLE REVENIDO. Normas. ESPA A ALEMANIA
FRANCIA G. JAPON SUECIA URSS BRETAÑA
USA
UNE
DIN
Stand AFNOR Nº
B. S.
JIS
SS
GOST
AISI/ SAE
F-1515 F-1203 F-1200 F-1201 F-1202 F-222 F-1251 F-1250 F-1252 F-123 F-122 F-1280 F-1262 F-1272 F-1270
20Mn5 36Mn5 40Mn4 38Cr2 34Cr4 37Cr4 41Cr4 25CrMo4 34CrMo4 42CrMo4 31NiCr14 35NiCr18 36CrNiMo4 32NiCrMo12.5 40NiCrMo6 35NiCrMo16
1.1133 1.1167 1.1157 1.7003 1.7033 1.7044 1.7035 1.7218 1.7220 1.7225 1.5755 1.5864 1.6511 1.6655 1.6565 1.2766
120M19 150M36 530 A32 530 A36 530M40 708 A25 708 A30 708 A37 708M40 826M31 817M40 835M30
SMn420 SMn438 SCr430 SCr435 SCr440 SCM420 SCM430 SCM435 SCM440 SNC836 SNCM439 -
2165 2120 2245 2225 2233 2234 2244 -
20GL 35G2 40G 35Ch 38ChA 40Ch 25ChGM 30ChM 35ChM 30ChN3A 40ChN2MA 38ChN3MA 40Ch2N2MA -
1024 1036 1039 5132 5135 5140 4130 4135 4140 3435 9840 4340 -
20M5 35M5 38C2 32C4 38C4 42C4 25CD4 30CD4 34CD4 42CD4 30NC11 35NC15 35NCD4 30NCD12 39NCD16
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Composición Química. DIN
Stand Nº
C
Mn
Si
Cr
Mo
Ni
20Mn5 36Mn5 40Mn4 38Cr2 34Cr4 37Cr4 41Cr4 25CrMo4 34CrMo4 42CrMo4 31NiCr14 35NiCr18 36CrNiMo4 32NiCrMo12.5 40NiCrMo6 35NiCrMo16
1.1133 1.1167 1.1157 1.7003 1.7033 1.7044 1.7035 1.7218 1.7220 1.7225 1.5755 1.5864 1.6511 1.6655 1.6565 1.2766
0.22 0.36 0.40 0.38 0.31 0.37 0.41 0.25 0.30 0.35 0.42 0.32 0.30 0.35 0.32 0.41 0.34
1.50 1.50 1.00 0.70 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.60 0.60 0.65 0.60 0.70 0.50
0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
0.50 1.00 1.00 1.05 1.00 1.00 1.00 1.05 0.70 1.15 0.75 0.70 0.80 1.55
0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.40 0.25 0.40
3.00 4.20 0.85 2.75 1.85 4.00
A CEROS DE CEMENTACIÓN
ESPAÑA
ALEMANIA
UNE
DIN
F-1510 F-1511 F-1515 F-150B F-1516 F-150D F-1551 F-1550 F-1523 F-1581 F-1540 F-1522 F-1525 F-1560
Ck-10 Ck-15 20Mn5 15Cr3 16MnCr5 20MnCr5 015CrMo5 20CrMo5 20CrMo5 14NiCr10 21NiCrMo2 30NiCrMo22 20NiCrMo65 -
FRANCIA
G. BRETAÑA
SUECIA
URSS
USA
JAPON
Stand Nº
AFNOR
B. S.
SS
GOST
AISI/SAE
JIS
1.1121 1.1141 1.1133 1.7015 1.7131 1.7147 1.7262 1.7264 1.7321 1.5732 1.6523 1.6545 1.6757 -
XC-10 XC-15 20M5 12C3 16MC5 20MC5 12CD4 18CD4 14NC11 20NCD2 20NCD7 16NCD13
045M10 1265 060 A15 1312 120M19 2165 527M17 590 A15 590M17 635H15 2511 655M13 805 A17 2506 815H17 832H13 -
10 15 20GL 15Ch 18ChG 20ChGR 20ChM 20ChML 20ChN3A 20ChN2M -
1010 1015 1024 5115 4119 3415 8620 8627 4317 -
S10C S15C SMn420 SCr415 SCr420 SCM415 SCM420 SCMV1 SNC815 SNCM220 SNCM415 -
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Composición química. Normas. DIN
Stand Nº
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Ck-10 Ck-15 20Mn5 15Cr3 16MnCr 20MnCr5 15CrMo5 20CrMo5 20CrMo5 14NiCr10 21NiCrMo2 30NiCrMo22 20NiCrMo65
1.1121 1.1141 1.1133 1.7015 1.7131 1.7147 1.7262 1.7264 1.7321 1.5732 1.6523 1.6545 1.6757
0.10 0.16 0.20 0.15 0.16 0.20 0.27 0.12 0.16 0.20 0.20 0.16 0.15 0.20 0.27 0.20
0.45 0.45 1.25 0.65 1.15 1.25 1.05 0.65 0.85 0.80 0.80 0.75 0.60 0.80 0.80 0.70
0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.28 0.30 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
0.75 1.05 1.10 1.05 1.00 1.05 1.10 0.55 0.60 0.80 0.50 0.50 0.50
0.90 2.75 0.50 0.50 1.55
0.22 0.20 0.22 0.45 0.22 0.22 0.35
ACEROS DE NITRURACIÓN Normas ESPAÑA ALEMANIA
FRANCIA AFNOR
G. SUECIA URSS BRETAÑA
USA
JAPON
B. S.
AISI/SAE
JIS
UNE
DIN
Stand Nº
F-1712 F-1721 F-1740
31CrMo12 31CrMoV9 41CrAIMo7
1.8515 30CD12 720M32 1.8519 1.8509 40CAD6.12 905M39
SS
GOST
2240 2940
30Ch3MF 38Ch2MJuA A355Cl.A SACM645
Composición química. DIN Stand Nº C
Mn
Si
Cr
Mo
OTROS
31CrMo12 31CrMoV9 41CrAIMo7
0.60 0.60 0.65
0.25 0.25 0.25
3.00 2.50 1.65
0.45 0.20 0.33
V = 0.15 Al =1.00
1.8515 1.8519 1.8509
0.31 0.30 0.41
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ACERO DE FÁCIL MECANIZACIÓN Normas ESPAÑA ALEMANIA
FRANCIA
G.BRETAÑA SUECIA URSS USA
UNE
DIN
Stand AFNOR Nº
B.S.
F-2111 F-2112 F-2113 F-2114 F-2121 F-2122 F-210G F-2133
9SMn28 9SMnPb28 9SMn36 9SMnPb36 10S20 10SPb20 35S20 45S20 -
1.0715 1.0718 1.0736 1.0737 1.0721 1.0722 1.0726 1.027 -
230M07 1912 1914 240M07 1926 212M36 1957 216 A42 226M44 1973 -
S250 S250Pb S300 S300Pb 10F2 10PbF2 35MF4 45MF4 -
SS
JAPON
GOST AISI/SAE JIS AS14 A-12 -
1213 12L13 1215 12L14 1108 11L08 1141 1144
SUM22 SUM22L SUM25 SUM25L SUM42 SUM43 -
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Composición química. DIN
Stand Nº
C
Mn
Si
OTROS
9SMn28 9SMnPb28 9SMn36 9SMnPb36 10S20 10SPb20 35S20 45S20 -
1.0715 1.0718 1.0736 1.0737 1.0721 1.0722 1.0726 1.027 -
0.14 0.14 0.15 0.15 0.15 0.15 0.10 0.10 0.35 0.42 0.45 0.47
1.10 1.10 1.25 1.25 1.20 1.20 0.70 0.70 0.70 1.50 0.70 1.40
0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.25 0.25 0.25 0.35 0.25 0.20
S = 0.280 S = 0.280 S = 0.360 S = 0.360 S = 0.300 S = 0.300 S = 0.200 S = 0.200 S = 0.200 S = 0.110 S = 0.200 S = 0.250
Pb Pb Pb Pb Pb -
=
0.25
= = =
0.25 0.25 0.25
=
0.25
Se / Te Se / Te / Bi -
ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO Normas. ESPAÑA
ALEMANIA
UNE
DIN
F-3517 F-3507 F-3508 F-3504 F-3503 F-3534 F-3533 F-3535 F-3523 F-3524
X12CrNi17 7 X12CrNi18 8 X10CrNiS18 9 X5CrNi18 10 X2CrNi19 11 X2CrNiN18 10 X5CrNiMo17 12 2 X2CrNiMo1713 2 X6CrNiMoTi17 12 2 X2CrNiMoN17 12 2 X6CrNiTi18 10
G.BRETAÑA
SUECIA
URSS
USA
JAPON
Stand Nº
B. S.
SS
GOST
AISI/SAE
JIS
1.4310 1.4300 1.4305 1.4301 1.4306 1.4311 1.4401 1.4404 1.4571 1.4406 1.4541 1.4550
301S21 302S31 303S31 304S15 304S11 304S62 316S31 316S11 320S31 316S61 321S31 347S31
2331 2346 2333 2352 371 2347 2348 2350 2337 2338
12Ch18N9 08Ch18N10 03Ch18N11 10Ch17N13M2T 09Ch18N10T 08Ch18N12B
301 302 303 304 304L 304LN 316 316L 316F 316Ti 316LN 321 347
SUS301 SUS302 SUS303 SUS304 SUS304L SUS304LN SUS316 SUS316L SUS316LN SUS3221 SUS347
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Composición química. DIN
Stand Nº
X12CrNi17 12CrNi18
7 1.4310 8 1.4300 1.4305 X10CrNiS18 9 1.4301 X5CrNi18 10 1.4306 X2CrNi19 11 1.4311 X2CrNiN18 10 1.4401 X5CrNiMo17 12 2 1.4404 X2CrNiMo17 13 2 1.4571 X6CrNiMoTi17 12 2 1.4406 X2CrNiMoN17 12 2 1.4541 X6CrNiTi18 10 1.4550
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Otros
0.15 0.12 0.15 0.08 0.03 0.03 0.08 0.03 0.08 0.08 0.03 0.08 0.08
2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 1.70 2.00 2.00 2.00 2.00 1.70 2.00 2.00
1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.50 1.00 1.00 1.00 1.00 0.50 1.00 1.00
17.00 18.00 18.00 19.00 19.00 18.25 17.00 17.00 18.00 17.00 16.50 18.00 18.00
7.00 9.00 9.00 10.00 10.00 9.75 12.00 12.00 13.00 12.00 11.25 10.50 11.00
opc 2.5 2.5 2.3 2.5 2.5 -
S>=0.15 S>=0.10 Ti>=5xC Ti>=5xC Cb+Ta>=10xC
ACERO INOXIDABLE MARTENSÍTICO Normas. ESPAÑA ALEMANIA
FRANCIA
G.BRETAÑA
SUECIA URSS
USA
JAPON
UNE
DIN
Stand Nº
AFNOR
B. S.
SS
GOST
AISI/SAE JIS
F-3401 F-3411 F-3402 F-3403 F-3405 F-3423 F-3427 -
X10Cr13 X12CrS13 X20Cr13 X30Cr13 X46Cr13 X45CrMoV15 X35CrMo17 X20CrNi17 2 X12CrMoS17
1.4006 1.4005 1.4021 1.4028 1.4034 1.4116 1.4122 1.4057 1.4104
Z12C13 Z12CF13 Z20C13 Z30C13 Z40C14 Z15CN16.02 -
410S21 16S21 420S29 420S45 431S29 -
2302 2380 2303 2304 2321 2383
12Ch13 20Ch13 30Ch13 40Ch13 20Ch17N2 -
410 416 420 420 431 -
SUS410 SUS416 SUS420J1 SUS420J2 SUS431 -
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Composición química. DIN
Stand Nº
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Otros
X10Cr13 X12CrS13 X20Cr13 X30Cr13 X46Cr13 X45CrMoV15 X35CrMo17 X20CrNi17 2 X12CrMoS17
1.4006 1.4005 1.4021 1.4028 1.4034 1.4116 1.4122 1.4057 1.4104
<=0.15 <=0.15 0.20 0.30 0.45 0.45 0.38 0.48 0.17 0.16
1.00 1.50 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.50
1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
12.50 13.00 13.00 13.00 13.00 14.50 16.50 16.50 16.50 16.50
<=1.00 <=1.00 2.25 -
<=0.60 0.53 1.15 1.15 <=0.60
S>=0.15 S>=0.15
V=0.12 -
A CERO INOXIDABLE FERRÍTICO Normas ESPA A ALEMANIA
FRANCIA G.BRETA A SUECIA URSS
UNE
DIN
Stand AFNOR Nº
B. S.
F-3113 F-3117 -
X6Cr17 1.4016 Z8C17 430S17 X4CrMoS18 1.4105 Z10CF17 X6CrMo17 1.4113 Z8CD17.01 434S17
USA
JAPON
SS
GOST
AISI/SAE JIS
2320 2325
12Ch17 430 430F 434
SUS430 SUS430F SUS434
Composición q uímica DIN
Stand Nº
C
Mn
Si
Cr
Mo
Otros
Ni
X6Cr17 X4CrMoS18 X6CrMo17
1.4016 1.4105 1.4113
0.12 0.12 0.07
1.00 1.50 1.00
1.00 1.00 1.00
17.00 17.00 17.00
<=0.60 -
S>=0.15 -
-
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A CERO DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJAR EN FRÍO Normas. ESPAÑA
ALEMANIA
FRANCIA
UNE
DIN
F-5118 F-5238 F-5242 F-5229 F-5220 F-5227 F-5212 F-5211
102V 1.2833 120W4 1.2516 60WCrV8 1.2550 50NiCr13 1.2721 90MnCrV8 1.2842 95MnCrW8 1.2510 X100CrMoV5 1 1.2363 X210Cr12 1.2080 X155CrVMo121 1.2379
Stand Nª
G.BRETAÑA
SUECIA
URSS
USA
JAPON
AFNOR
B. S.
SS
GOST
AISI/SAE
JIS
Y90C 100WC20 55WC20 55NCD12 90MV8 90MCV5 Z100CDV5 Z200C12 Z160CDV12
BW-2 BF-1 BS-1 BO-2 BO-1 BA-2 BD-3 BD-2
2710 1550 2140 2260 2310
B1 6ChW2S 9ChWG Ch12 Ch12M
W209 F-1 S-1 O-2 0-1 A-2 D-3 D-2
SKS-43 SKD-12 SKD-1 -
Composición q uímica DIN
Stand Nº C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
V
W
102V 120W4 60WCrV8 50NiCr13 90MnCrV8 95MnCrW8 X100CrMoV5 1 X210Cr12 X155CrVMo12 1
1.2833 1.2516 1.2550 1.2721 1.2842 1.2510 1.2363 1.2080 1.2379
0.30 0.30 0.30 0.60 2.00 1.10 0.60 0.30 0.40
0.20 0.20 0.90 0.25 0.25 0.25 0.25 0.30 0.30
1.25 1.00 0.40 0.50 5.30 11.50 12.00 -
3.00 -
0.35 1.10 0.75
0.20 0.20 0.10 0.10 0.20 0.75
1.00 2.00 0.50 -
0.85 1.15 0.50 0.55 0.90 0.95 1.00 2.05 1.60
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A CERO DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJ AR EN CAL IENTE Normas. ESPAÑA
ALEMANIA
UNE
DIN
F-5319 F-5307 F-5317 F-5318 F-5313 F-5323
X50CrMoW91.1 56NiCrMoV7 X40CrMoV5 1 X40CrMoV5 1 X32CrMoV3 3 X30WCrV9 3
FRANCIA
G.BRETAÑA
SUECIA
URSS
USA
JAPON
Stand Nº
AFNOR
B. S.
SS
GOST
AISI/SAE
JIS
1..2631 1.2714 1.2343 1.2344 1.2365 1.2581
55NCDV7 Z38CDV4 Z40CDV5 32DCV28 Z30WCD9
BL-6 BH-11 BH-13 BH-10 BH-21
2242 2730
5ChNM 4Ch5MF S 4Ch5MF 1S 3Ch3M3 F 3Ch2W8 F
L-6 H-11 H-13 H-10 H-20
SKT-4 SKD-6 SKD-61 SKD-5
Composición química. DIN
Stand Nº
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
V
W
X50CrMoW9 1.1 56NiCrMoV7 X40CrMoV5 1 X40CrMoV5 1 X32CrMoV3 3 X30WCrV9 3
1..2631 1.2714 1.2343 1.2344 1.2365 1.2581
0.50 0.55 0.38 0.39 0.35 0.32
0.50 0.70 0.40 0.40 0.30 0.30
1.00 0.25 1.00 1.00 0.30 0.30
8.00 1.00 5.00 5.30 3.00 2.60
1.70 -
1.50 0.50 1.50 1.50 2.80 -
0.50 0.10 0.40 1.00 0.50 0.35
9.00
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CAPÍTULO VI TRATAMIENTOS TÉRMICOS 6.1.- Estructura de los aceros. Las aleaciones de hierro y carbono -aceros y fundiciones- son las aleaciones metálicas más importantes de la civilización actual. Por su volumen, la producción de fundición y de acero supera en más de diez veces la producción de todos los demás metales juntos. Corrientemente se da el nombre de acero y fundición, a las aleaciones hierro carbono (si tienen más del 2% de C son fundiciones y si tienen menos del 2% de C son aceros). El hierro forma soluciones con muchos elementos: con los metales, soluciones por sustitución, con el carbono, nitrógeno e hidrógeno, soluciones por inserción. La solubilidad del carbono en el hierro depende de la forma cristalográfica en que se encuentra el hierro. La solubilidad del carbono en el hierro (cúbica centrada en el cuerpo ) es menor que el 0,02% y en el hierro (cúbica centada en las caras ) es hasta el 2%. Se distinguen tres grupos de aceros al carbono: eutectoides, que contienen cerca de un 0,8% de C, cuya estructura está constituida únicamente por perlita: Hipoeutectoides, que contienen menos del 0,8% de C, con estructura formada por ferrita y perlita; e Hipereutectoides, que contienen del 0,8 al 2% de C y cuya estructura consta de perlita y cementita. Microestructuras de los Aceros Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar: Diagrama Fe-C
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Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono son: FERRITA. (Hierro α) Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos. El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierrocarburo de hierro o Cementita. considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C. La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 Kg./mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros. En los aceros, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten. La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado. CEMENTITA. Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica. En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
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PERLITA.
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.
AUSTENITA. Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. La austenita, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. MARTENSITA. Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el Página 63 de 88
acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio. TROOSTITA. Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C. 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 con estructura radial apreciable a unos 1000X 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 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. 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%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro; de hecho tanto la troostita 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 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-4000C 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 constituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
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6.2.- Tratamientos. Son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por transformación de sus constituyentes. El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación. Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación de algún elemento a la superficie de la pieza. Tratamientos térmicos : Según la definición dada por el libro Metals Handbook,, tratamiento térmico es “Una combinación d e operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá propiedades deseadas”. También se dice que son ciclos de
calentamiento y enfriamiento a los cuales se somete un material con el fin de variar su dureza y cambiar su resistencia mecánica. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. Estos son: recocido, normalizado, temple, revenido. Tratamientos termoqu ímicos: Son tratamientos de recubrimiento superficial en los cuales interviene un elemento químico el cual se deposita por proceso de difusión en la superficie del material.
Los principales tratamientos termoquímicos son: cementación, nitruración, cianurización, etc. Tratamientos mecánicos: Se somete al metal a operaciones de deformación frío o caliente para mejorar sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas.
Al deformar mecánicamente un metal mediante martillado, laminado, etc., sus granos son deformados alargándose en el sentido de la deformación. Lo mismo pasa con las impurezas y defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del metal.
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Tratamientos en frío: Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de recristalizacion, pueden ser profundos o superficiales.
Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción y disminuye su plasticidad y tenacidad. Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas, se dice entonces que el metal tiene acritud (cuanto más deformación, más dureza). Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de homogeneidad en la deformación iguales tensiones en las diferentes capas del metal). Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la deformación. A continuación se expondrán algunos tratamientos térmicos y termoquímicos mas utilizados en la industria. Recocido total: Este proceso consiste en calentar el acero a la temperatura adecuada y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante al calor. La finalidad de este proceso, puede ser refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y, un algunos casos mejorar el maquinado .Como el volumen total del horno debe enfriarse junto con el material, el recocido es un proceso muy lento de enfriamiento. Recocido para eliminación de esfuerzos: Este proceso, algunas veces le llaman recocido subcrítico, es útil para eliminar los esfuerzos residuales debidos a un maquinado fuerte u otros procesos de trabajos en frío. Normalmente se efectúa a temperaturas por debajo de la línea critica inferior (1000 a 1200 ºF). Recocido de proceso: Este proceso, se utiliza en las industrias que laminan y fabrican alambres, y se lleva a efecto al calentar el acero a una temperatura por debajo de la línea crítica; se aplica después de los trabajos en frío y así se suaviza el acero. Normalizado: Este proceso se lleva a cabo al calentar el acero aproximadamente a los 100ºF por encima de la línea de temperatura crítica superior (1300 a 1350 ºF), seguida por un enfriamiento en aire quieto hasta la temperatura ambiente.
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El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que el obtenido por recocido total. También puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición y mejorar el grano de algunos aceros. Temple y Revenido: El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad.
El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 1450 °F y 1525 °F (790 a 830 °C) lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.
Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Página 67 de 88
Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla. Mejoran ampliamente las propiedades de resistencia de los aceros dándoles una dureza elevada. Para disminuir la fragilidad y aumentar la resistencia al impacto, el acero templado se somete a un nuevo calentamiento, a baja temperatura, se mantiene en ella un tiempo y se enfría al aire. Este proceso es el que se conoce como REVENIDO. Aunque la dureza se reduce, el acero templado queda libre de tensiones internas y con una resistencia muy elevada. Tabla de temperaturas para templar acero endureci do. Color
Grados Grados F C Paja claro 430 220
Tipos de aceros
460
240
Herramientas como brocas, machuelos Punzones dados y fresas
490
255
Cizallas y martillos
520
270
Azul 570 obscuro Azul claro 600
300
Árboles y cinceles para madera Cuchillos y cinceles para acero Destornilladores y resortes
Paja mediano Paja obscuro Morado
320
Bonificado:
El proceso completo de Temple y Revenido se conoce como BONIFICADO. Cementación: Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas.
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Empacado para carburazación:
Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 1650 o 1700 °F (900 a 927 °C) durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbón que se encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Entre más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbón de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para posteriormente sacarla y volverla a calentar entre 1400 y 1500 °F (rojo cereza) y proceder al enfriamiento por inmersión. La capa endurecida más utilizada tiene un espesor de 0.38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 4mm. Carburización en baño liquido: El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 1500 °F (845 °C) durante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0,75 mm. Carburización con gas: En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 1650 y 1750 °F (900 y 927 °C). Después de un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 1400 °F (760 °C) y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 6 mm, pero por lo regular no exceden de 0.7 mm. Cianurado y nitrurado: Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del nitrógeno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoniaco se logran superficies duras como en los métodos anteriores.
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6.3.- Medios de calentamiento y enfriamiento: Para el calentamiento de los aceros, con la finalidad de realizarles tratamientos termicos se utiliza una gran variedad. Para los tratamientos térmicos se tiene una clasificación de los diferentes tipos de hornos según el material empleado. Para el acero se tiene:
Convertidor Bessenmer. Horno Hoger abierto. Convertidor Thomas. Convertidor de oxigeno básico. Horno directo de arco directo. Horno eléctrico de inducción de baja frecuencia. Horno Martín Siemens.
En este caso los mejores hornos para fundir acero son: el convertidor de oxigeno básico y el horno eléctrico de arco directo. Para los hierros grises se tiene:
Horno de cubilote. Horno de cuba. Horno eléctrico de arco directo. Horno eléctrico de arco indirecto. Horno eléctrico de baja frecuencia. Horno eléctrico de resistencia metálica y no metálica. En este caso los mejores hornos para fundir hierros grises son: el horno directo de arco directo y el horno eléctrico de baja frecuencia.
A continuación se expondrá una breve reseña de los tipos de horno mas usados en el calentamiento de los aceros ya sea para fundirlos o realizar tratamientos térmicos Horno Bassemer: Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF.
Horno básico de oxigeno: Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henry Bessemer a mediados
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de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer. Horno de hogar abierto. H Es un horno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.
Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida. Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25% de combustible. Horno de arco eléctrico Por lo general son hornos que se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.
Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kw/h de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc. Página 71 de 88
Hornos de refinación: Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin.
Hornos de inducción: Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.
Horno de aire o crisol: El proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg. Horno de cubilote: Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.
Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa, a 15.5°C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.
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6.4.- Elementos de enfriamiento. Con el fin de enfriar los materiales calentados se emplean entre otros el agua, el aceite, sales y el aire.
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CAPÍTULO VII ALEACIONES 7.1.-Metales y aleaciones no ferrosas: Una aleación es la combinación química de dos o más elementos en los que al menos uno es un metal. Las aleaciones permiten mejorar las propiedades químicas y mecánicas de los materiales que se combinan. Aleaciones no ferrosas: Aleaciones d e Alumi nio. El aluminio es un metal ligero, con una densidad de 2.70 g/cm 3, o sea, con un tercio de la densidad del acero. Aunque las aleaciones de aluminio tienen propiedades a la tensión relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente.
El Aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automotores. Aleaciones d e Magnesio. El Magnesio es más ligero que el Aluminio, con una densidad de 1.74 g/cm 3. Aunque las Aleaciones de Magnesio no son tan resistentes como las de Aluminio, sus relaciones resistencia-peso son comparables. En consecuencia, las aleaciones de Magnesio se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, maquinaria de alta velocidad, y equipo de transporte y manejo de materiales. Aleaciones d e Cob re. Las Aleaciones de Cobre son más pesadas que el Hierro pero tienen mayor resistencia a la fatiga y al desgaste abrasivo que las ligeras aleaciones de Aluminio y de Magnesio; presentan una excelente ductilidad, resistencia a la corrosión, conductividades eléctrica y térmica.
Las aleaciones de Cobre son únicas en cuanto a que pueden seleccionarse para producir un valor decorativo apropiado. El Cobre puro es rojizo. Las adiciones de Zinc producen un color amarillo dorado y el Níquel un color plateado. Principales aleaciones de cobre. Bronce (cobre - estaño): Dependiendo de los porcentajes del estaño, se obtienen bronces de distintas propiedades. Con un bronce de 5-10% de estaño se genera un producto de máxima dureza (usado en el pasado para la fabricación de espadas y cañones).
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El bronce que contiene entre 17-20% de estaño tiene alta calidad de sonido, ideal para la elaboración de campanas, y sobre un 27%, una óptima propiedad de pulido y reflexión (utilizado en la Antigüedad para la fabricación de espejos). En la actualidad, las aleaciones de bronce se usan en la fabricación de bujes, cojinetes y descansos, entre otras piezas de maquinaria pesada, y como resortes en aplicaciones eléctricas. Latón (cobre - zinc): El latón es blando, fácil de tornear, grabar y fundir. Es altamente resistente al ambiente salino, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos. Existe una gran variedad de aleaciones de latón. Las más comunes contienen 3045% de zinc, y se aplican en todo tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas, candados, ceniceros y candelabros. Tanto el cobre, el bronce y latón son aptos para los diversos tratamientos de dorado y plateado. Hoy, el cobre se utiliza en una amplia gama de aleaciones, como por ejemplo: cobre con plomo, manganeso, berilio, aluminio, níquel y fierro. Aleaciones d e Níquel y Cobalt o. Las Aleaciones de Níquel y Cobalto se usan para obtener protección contra la corrosión y para lograr resistencia a la deformación a temperaturas elevadas, aprovechando sus altos puntos de fusión y elevadas resistencias mecánicas. Aleaciones d e Tit anio. El Titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta relación resistenciapeso y propiedades favorables a temperaturas altas. Resistencias hasta de 200,000 psi (libras por pulgada cuadrada) aunadas a una densidad de 4.505 g/cm 3 proporcionan las excelentes propiedades mecánicas, mientras que una capa protectora de TiO 2 confiere una excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación por debajo de 535 °C.
7.2.-Metales no Ferrosos. De todos los metales utilizados para la industria el 20% son no ferrosos, estos en diferentes aleaciones cubren los requerimientos de ingeniería y las propiedades químicas necesarias para fabricar artículos útiles para la industria y la sociedad. Las características fundamentales de las aleaciones no ferrosas son la resistencia a la tensión, corrosión, conductibilidad eléctrica y maquinabilidad. La selección de una aleación determinada dependerá de los resultados de diferentes pruebas mecánicas, el volumen de producción, el costo de producción y las propiedades estéticas del producto.
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La mayoría de los metales no ferrosos son más resistentes a la corrosión o a la humedad, pueden utilizarse en exteriores sin pinturas o recubrimientos. Sin embargo se debe tener especial cuidado con el manejo de los metales no ferrosos ya que cada uno responde de manera particular a los efectos de la naturaleza; por ejemplo el magnesio resiste muy bien la atmósfera ordinaria, pero se corroe rápidamente con el agua de mar. Para la producción de los metales no ferrosos se establecen como base los siguientes procesos: 1. Extracción. 2. Refinado o concentrado. 3. Fusión. 4. Afinado. Cada uno de estos procesos se da de diferentes maneras en la producción de los metales no ferrosos, incluso en la producción algunos no se dan todos. Extracción. Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en la superficie de la tierra o bien en yacimientos bajo la superficie. En ambos casos se deben seguir técnicas de explotación eficiente y rentable. Refinado o concentrado. También conocido como preparación. Los minerales de los que se obtienen los metales no ferrosos nunca se encuentran en estado puro y en cantidades comerciales, por lo que se deben separar y preparar. Entre los procesos de preparación más utilizados está el pulverizar al mineral y luego mezclarlo con agua y un aceite, para que al aplicar una acción violenta se forme espuma en la que los elementos metálicos quedan suspendidos. Posteriormente se retira la espuma y con ella los minerales necesarios para la producción de los metales no ferrosos. Fusión. Los hornos más utilizados para la fusión de los minerales de metales no ferrosos son los altos hornos (de menor tamaño que los de arrabio) y los hornos de reverbero (aquellos en los que la flama ilumina a la carga). Aunque no todos los metales no ferrosos necesitan ser fundidos primero para ser procesados. En los hornos para la producción de los metales no ferrosos siempre existen equipos para el control de las emisiones de polvo. Más que una medida de control de la contaminación ambiental es una necesidad, ya que los polvos son valiosos porque tienen el mineral que se está procesando o porque de esos polvos se pueden obtener otros materiales con un valor representativo o rentable. Afinado. Para lograr las características de calidad y pureza necesarias en los metales no ferrosos se pueden utilizar diferentes procesos como las tinas electrolíticas con las que el mineral adquiere niveles de calidad muy altos.
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El Aluminio y su Producci ón: El aluminio es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales.
El aluminio puro es un metal suave, blanco y de peso ligero. Al ser mezclado con otros materiales como: silicón, cromo, tungsteno, manganeso, níquel, zinc, cobre, magnesio, titanio, circonio, hierro, litio, estaño y boro, se producen una serie de aleaciones con propiedades específicas que se pueden aplicar para propósitos diferentes. El aluminio puede ser fuerte, ligero, dúctil y maleable. Es un excelente conductor del calor y de la electricidad; el valor de su densidad es de 2.7 y las temperaturas de fusión y ebullición son de 660º C y 2.467º C, respectivamente. No se altera en contacto con el aire ni se descompone en presencia de agua, debido a que su superficie queda recubierta por una fina capa de óxido que lo protege del medio. Sin embargo, su reactividad con otros elementos es elevada: al entrar en contacto con oxígeno produce una reacción de combustión que origina una gran cantidad de calor, y al combinarse con halógenos y azufre da lugar a la formación de haluros y sulfuros. Diagrama de flujo que muestra los procesos de producción del Aluminio
El mineral del cual se puede obtener aluminio comercial se llama BAUXITA, la cual regularmente puede ser encontrada en minas de depósito abierto, para lograr uniformidad en el material se tritura y con agua a presión se lava para eliminar otros materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente el material se refina para obtener a la alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener lingotes por medio del proceso de fundición.
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También existe el proceso de producción de aluminio llamado BAYER, el cual consiste en: 1. La bauxita después de haber sido pulverizada y obtenida de los procesos de espumado se carga a un digestor el que contienen una solución de sosa cáustica bajo presión y a alta temperatura. 2. Producto del digestor se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor generado. 3. Los sólidos insolubles como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados y el licor con la alúmina se bombea a depósitos llamados precipitadores. 4. En los precipitadores se agregan uno cristales finos de hidróxido de aluminio, estos cristales se hacen circular por entre el licor concentrado para que sirvan de simientes, van creciendo en dimensiones a medida que el hidróxido de aluminio se separa del licor. 5. El hidróxido de aluminio que se adhirió a los cristales se calcina en hornos que operan por arriba de los 900ºC. Esto convierte a la alúmina en un producto de alta calidad para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad. 6. La alúmina producto de los hornos de calcinado es procesada en tinas electrolíticas llamadas celdas reductoras. Estas tinas funcionan con un baño de ciolita (fluoruro de aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el cátodo es la misma tina. En estas tinas se obtiene el aluminio metálico. 7. El aluminio obtenido de las celdas reductoras es moldeado y procesado en hornos de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad. Para la producción de cada kilogramo de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de electricidad. El magnesio y su Producci ón: El Magnesio, Mg, numero atómico 12, peso atómico 24.32 esta en el grupo II del sistema periódico. El magnesio en sus diversos compuestos esta muy diseminado en la naturaleza, sus principales minerales son la dolomita la magnesita y la carnalita. El magnesio se produce por la reducción térmica del oxido de carbón, ferrosilcio u otros reductores o por la electrólisis del cloruro de magnesio en mezclas de sales fundidas.
El magnesio metálico tiene un color blanco plata, tiene de densidad aproximadamente 1.74, es el material metálico estructural mas ligero,. Para las aplicaciones de ingeniería se alea con uno o varios elementos de un grupo que comprende el cinc, aluminio, manganeso, circonio, y el cerio para producir algunas de las aleaciones que tienen las más elevadas razones de resistencia peso, entre los materiales metálicos estructurales. Las características más notables que hacen que las aleaciones de magnesio ofrezcan interés comercial son su poco peso, la facilidad con que se trabaja y la adaptabilidad a muchos procesos de fabricación y montaje. Otras características que hacen que el magnesio sea muy requerido son su buena conductividad térmica y eléctrica.
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No presentan ningún peligro de toxicidad conocido. Las aleaciones de magnesio se encuentran en el comercio en casi todas las formas usuales para los metales entre ellas las siguientes: lingote, piezas fundidas en arena , moldes permanentes y en matrices , piezas forjadas ,barras, varillas , tubos formas especificas de extrusión, planchas y laminas. Los usos potenciales importantes del magnesio en operaciones no estructurales son las adiciones metalúrgicas a las aleaciones de níquel, cinc, aluminio, la adición a la fundición de hierro, el uso químico en la producción de metales. Diagrama de flujo que muestra los procesos de producción de Magnesio
El magnesio comercial se obtiene del agua de mar y conchas. 1. Las conchas son pasadas por un horno rotatorio a 1320ºC, para producir cal. 2. La cal es mezclada con agua de mar, la que tiene 1300 ppm de magnesio, lo que genera una reacción que produce hidrato de magnesio, el que se deposita en el fondo de un tanque de sedimentación. 3. El hidrato de magnesio se extrae del tanque como una pasta a la que se le agrega ácido clorhídrico, con lo que se logra obtener cloruro de magnesio. 4. La mezcla es filtrada consecutivamente para aumentar su concentración. 5. Se realiza un secado especial hasta que el cloruro de magnesio logra obtener una concentración superior al 68%. 6. El cloruro de magnesio en forma granular se transfiere a una celda electrolítica en la el ánodo es de grafito y el cátodo es la propia tina. En la celda se hace circular corriente eléctrica a 60,000A con lo que se logra la descomposición del cloro y el magnesio. 7. El cloro con agua se convierte en ácido clorhídrico, el cual sirve para convertir al hidrato de magnesio en cloruro de magnesio en el inicio del proceso. 8. El magnesio que flota en la tina electrolítica es recogido y moldeado en lingotes de 8kg, los que posteriormente son fundidos y utilizados para las aleaciones de magnesio.
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El Cobre y su Producc ión: En la naturaleza existen distintos tipos de yacimientos de cobre, los que se presentan de diversas maneras, dependiendo de los procesos geológicos que dieron origen a su concentración.
Un tipo de yacimiento es aquel que se origina vía disolución del cobre desde los magmas (o rocas fundidas) por aguas termales, las que son conducidas hacia la superficie de la tierra a través de fracturas en las rocas. El cobre aparece entonces como vetas de mineral de alta ley o incluso de cobre nativo. Esta fue la primera fuente de cobre que utilizó el hombre. Otra forma de concentración de cobre, también a partir de magmas, viene de las fuentes termales submarinas, que son verdaderos géyseres ricos en metales. Al salir y mezclarse con el agua fría del mar, los metales precipitan en forma de sulfuros que quedan agrupados en el sedimento del fondo marino. Millones de años más tarde, producto del levantamiento de la corteza terrestre, estos sedimentos emergen a la superficie en forma de yacimientos. También existen los yacimientos denominados porfíricos, muy abundantes en el cordón andino. Se caracterizan por contener grandes masas de rocas con cobre sulfurado que generalmente es de baja ley. Estos se originan por el ascenso de rocas fundidas cuando la corteza oceánica se introduce bajo la corteza continental. Ejemplos de ello en Chile son Chuquicamata, El Salvador, Andina y El Teniente. Hay, además, otros yacimientos donde el cobre se encuentra en la parte superior que ha sido alterada por la acción de agentes atmosféricos a través de millones de años. Son los llamados yacimientos de cobre oxidado, también muy frecuentes en Chile, como la mina Radomiro Tomic, El Abra y la parte superior, ya explotada, de Chuquicamata. Cerca de la mitad de los recursos de cobre del mundo se concentran en el ambiente geológico de la Cordillera de Los Andes. 1. Inicialmente, cuando aún no se disponía de hornos adecuados, el hombre recolectó cobre nativo y le dio la forma deseada (pendientes, cuchillos, agujas y hachas) mediante calentamiento y martilleo. 2. Al formarse las primeras culturas urbanas y contar con mejores hornos alfareros, fue posible fundir malaquita (carbonato de cobre) o cobre oxidado con carbón, y obtener pequeñas pepitas de cobre. Esta innovación, junto a una creciente demanda del metal y al agotamiento del cobre nativo superficial, llevó al perfeccionamiento de un proceso que dominó la producción por más de mil años, hasta que los minerales oxidad de tostado son derretidos en un horno de reverbero, en este horno se elimina el hierro en forma de escoria. 3. El material derretido del horno de reverbero, que se conoce como ganga, es introducido a un horno parecido al convertidos Bessemer, del cual sus gases son utilizados para obtener ácido sulfúrico y el producto de su vaciado es cobre conocido como cobre Blister, el que tiene 98% de pureza y que puede ser refinado todavía más por métodos electrolíticos. Página 80 de 88
Diagrama de flujo de los procesos de producción del cobre
El cobre se obtiene fundamentalmente de un mineral llamado CALCOPIRITA el que contiene grandes cantidades de cobre, azufre y fierro. 1. La calcopirita es mezclada con cal y materiales silicos, los que son pulverizados por medio de molinos de quijadas y transferidos a una tinas estratificadoras. 2. En las tinas estratificadoras el mineral es extraído al flotar con la espuma producto de la agitación. La espuma se forma al mezclar agua con aceite y agitarlos enérgicamente. 3. El mineral extraído se pasa por un horno de tostado para eliminar el azufre. Los polvos de los gases producto del horno de tostado son capturados y procesados para obtener plata, antimonio y sulfuros. 4. Los concentrados del horno de tostado son derretidos en un horno de reverbero, en este horno se elimina el hierro en forma de escoria. 5. El material derretido del horno de reverbero, que se conoce como ganga, es introducido a un horno parecido al convertidos Bessemer, del cual sus gases son utilizados para obtener ácido sulfúrico y el producto de su vaciado es cobre conocido como cobre Blister, el que tiene 98% de pureza y que puede ser refinado todavía más por métodos electrolíticos
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El Plomo y su Produc ción: El plomo es un metal de color grisáceo, muy brillante cuando es cortado pero que se oxida con mucha rapidez volviéndose de color gris mate. Funde a 327º de temperatura generando vapores de alta toxicidad. En la Naturaleza se encuentra de forma abundante en forma de galena o sulfuro de plomo. Es muy dúctil y maleable, por esta razón es muy utilizado en aleaciones y en la fabricación de proyectiles
Diagrama de flujo de los procesos producción del plomo.
El concentrado de plomo o GALENA contiene 65 a 68 % de plomo. 1. La galena es pasada por un horno de tostado para eliminar en lo posible la gran cantidad de azufre que contiene este material. Los gases del horno son procesados para obtener ácido sulfúrico y el material desulfurizado pasa a un mezclador. 2. El concentrado producto del horno de tostado es mezclado con caliza, arena, escoria y mena de hierro, la que es pasada a un horno de sinterizado. 3. El material aglomerado por el horno de sinterizado se pasa a un alto horno del cual se obtiene cadmio al procesar sus gases y su producto es transferido a un tanque espumador. 4. En el tanque la espuma es recogida y enviada a una marmita a la que se le agrega azufre y con ello se obtiene cobre. 5. El sedimento del tanque espumador pasa a un horno de oxidación, también conocido como horno ablandador. La escoria de este horno contiene antimonio y arsénico. El plomo derretido se pasa a una marmita de vacío. 6. En la marmita de vacío se agrega zinc con el que el oro y la plata se disuelven, las aleaciones de oro y plata en la marmita flotan y se desnatan para ser pasadas a un horno de retorta del cual se recupera el zinc por medio de un condensador y el oro y la plata por medio de un baño electrolítico.
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7. El plomo derretido pasa a la cámara de vacío luego derramado en una marmita a la que se agrega sosa cáustica de la cual se obtiene el plomo de gran calidad.
El Estaño y su Producció n: El estaño es un elemento químico de símbolo Sn, que pertenece al grupo IV de la tabla periódica. Su número atómico es 50 y su peso atómico 118,69. Forma compuestos estañosos (Sn) y estañicos (Sn), así como sales complejas de los tipos estannito y estannato.
Se puede alear fácilmente con casi todos los metales. En la naturaleza se puede hallar en estado nativo, pero generalmente se encuentra en forma de oxido estañoso, de formula son Sn O, que como agregado mineral se conoce con el nombre de casiterita. Por lo que respecta a sus características físicas, el estaño es un metal no tóxico, blando y dúctil. Funde a 231.88 C es altamente fluido en estado fundido lo que facilita su uso como revestimiento de otros metales. Reacciona con ácidos y bases fuertes, pero es relativamente inerte frente a soluciones neutras. Expuesto a ambientes exteriores e interiores mantiene su color blanco plateado por su notable resistencia a la corrosión. Existe dos formas alotrópicas (distintas estructuras cristalinas): estaño blanco (forma Beta) y estaño gris (forma alfa). La temperatura de transformación entre ambas es de 13.2 C, aunque el cambio estructural solamente tiene lugar si el metal es de gran pureza. La transformación inversa se produce a baja temperatura. Del estaño se obtienen con facilidad fases ínter metálicas (aleaciones de dos o más metales) duras y frágiles. Pequeñas aplicaciones de trabajado mecánico aumentan la dureza. Sin embargo, como consecuencia de la baja temperatura de recristalización, la mayoría de las aleaciones de estaño se ablandan espontáneamente a la temperatura ambiente. Los elementos de aleación como el cobre, el antimonio, el bismuto, el cadmio o la plata aumentan su dureza. Las aleaciones mas utilizadas son las soldaduras blandas, que se emplean para cierres y juntas de metales; el material de aportación es una aleación de estaño y cobre. El material de aportación para usos especiales se contribuye de aleaciones de estaño, antimonio, plata, indio, y zinc. La combinación de bismuto y cadmio con estaño y plomo produce aleaciones con bajo punto de fusión, que se emplean como fusibles para extintores de fuego, tapones de calderas, etc. Las aleaciones de cobre y estaño reciben el nombre genérico de bronces y pueden llevar o no elementos de modificación como zinc, plomo o manganeso. El estaño se emplea por su ductilidad, suavidad de superficie, resistencia a la corrosión y cualidades higiénicas principalmente en chapas, tubos, alambres y tubos plegables. También se puede utilizar como revestimiento de acero y cobre. La banda de acero revestida de estaño denominada hojalata constituye uno de los materiales empleados con mayor profusión en la industria conservera. Para su fabricación, el revestimiento de estaño se puede aplicar por inmersión en cubetas de metal fundido o por electroposición.
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Sistema de producción. Electroposición. Este procedimiento consiste en depositar un metal sobre el polo negativo o cátodo de una solución de sus iones y permite obtener recubrimientos de muy bajo espesor. Algunos compuestos del estaño, tanto inorgánicos como orgánicos, han encontrado aplicación en el campo de la cerámica (vidriados especiales) y en el tratamiento e investigación de materiales plásticos. Infortunadamente, el estaño, rara vez se encuentran en estado puro y en cantidades comerciales. En virtud de que deben ser separados de la ganga antes de que el mineral se pueda reducir se efectuará un proceso conocido como preparación del mineral. Uno de los métodos para concentrar o "preparar el mineral" es familiar a quienes han lavado oro. En virtud de que los metales y los compuestos metálicos son más pesados que la ganga, se depositarán en el fondo con más rapidez, si dicha mezcla se agita en el agua. Se han desarrollado métodos especiales para acelerar la acumulación de compuestos metálicos utilizando este principio. En otro método de “preparación del mineral”, el mineral y la ganga se
pulverizan finamente y se mezcla con agua. Se añade una cierta cantidad de aceite específico y se induce un mezclado violento. Aparece una acción espumante y los compuestos metálicos quedan suspendidos en la espuma de donde son extraídos para ser procesados. La manera en que se vende en las ferreterías es en carretes y en barra que es una aleación con 50% de estaño y 50% de plomo y se utiliza para soldar. Debido a que el estaño es un mineral no ferroso su obtención es más difícil por que se encuentra combinado con otros minerales. En lo que más se utiliza es en la soldadura blanda de tubos de cobre, para la conservación de alimentos enlatados en algunas industrias. El Antimonio y su Producc ión: Antimonio, que proviene del griego anti + monos que sugiere que el metal no se encuentra sólo en la naturaleza. Se conoce desde la antigüedad, fue identificado como elemento por Nicolás Némery a principios del siglo XVII.
En la naturaleza existe ocasionalmente como elemento libre, asociado a la plata, el arsénico o el bismuto. El principal mineral del antimonio es la estibina, la cual se trata primeramente por fusión hasta que su contenido en sulfuro de antimonio alcanza la proporción de 90%. Este elemento ocupa el lugar 64 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Se presenta en estado puro o en forma de sulfuro u óxido. La Antimonita es blanda, pesada, perfectamente exfoliable. Fracturable y séctil en dirección ortogonal; los cristales son flexibles pero no elásticos. En escamas delgadas funde a la llama de un fósforo, en Página 84 de 88
polvo es fusible en ácido clorhídrico concentrado y se descompone fácilmente en hidrato de potasio, produciendo una solución de color amarillo naranja. Para extraerlo, se reduce al fuego el sulfuro y luego se disminuye el óxido resultante con carbón. Se forma en los yacimientos o filones hidrotermales de baja temperatura junto con el Cinabrio, la Pirita, la Fluorita, la Calcita, el Cuarzo, la Baritina y la Calcedonia; se encuentra también como depósito químico de soluciones termominerales. Es utilizado en metales para conservas, plomo duro, componentes del plomo de acumuladores y del estaño para soldar, metal para caracteres de imprenta, también se utiliza en las gomas en los esmaltes y en los colorantes. En la antigüedad se usaba como expectorante, al enfriarse el antimonio líquido puede rellenar las grietas de moldes por lo que se usa para hacer tipos de imprenta, algunos compuestos como el sulfuro de antimonio rojo se utiliza en fósforos de seguridad y para vulcanizar caucho; el cristal de antimonio se usa como pigmento amarillo en el vidrio y la porcelana, y la manteca de aluminio se usa para broncear el acero, como mordiente en los tintes y como sustancia cáustica en medicina. El zinc y su produ cción : El zinc es un elemento metálico blanco azulado que tiene muchas aplicaciones industriales. El cinc es uno de los elementos de transición del sistema periódico; su número atómico es 30. Los minerales de cinc se conocen desde hace mucho tiempo, pero el cinc no fue reconocido como elemento hasta 1746, cuando el químico alemán Andreas Sigismund Marggraf aisló el metal puro calentando calamina y carbón de leña.
Propiedades y estado natural El cinc puro es un metal cristalino, insoluble en agua caliente y fría, y soluble en alcohol, en los ácidos y en los álcalis. Es extremadamente frágil a temperaturas ordinarias, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 C, y se lamina fácilmente al pasarlo entre rodillos calientes. No es atacado por el aire seco, pero en aire húmedo se oxida, cubriéndose con una película carbonada que lo protege de una posterior corrosión. Tiene un punto de fusión de 420 C, un punto de ebullición de 907 C y una densidad relativa de 7,14. Su masa atómica es 65,38. Ocupa el 24º lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. No existe libre en la naturaleza, sino que se encuentra como óxido de cinc (ZnO) en el mineral cincita y como silicato de cinc (2ZnO·SiO2H2O) en la hemimorfita. También se encuentra como carbonato de cinc (ZnCO3) en el mineral esmitsonita, como óxido mixto de hierro y cinc (Zn(FeO2)O2) en la franklinita, y como sulfuro de cinc (ZnS) en la esfalerita, o blenda de cinc. Las menas utilizadas más comúnmente como fuente de cinc son la esmitsonita y la esfalerita. El primer paso en el proceso metalúrgico es transformar los minerales en óxidos, sometiéndolos a altas temperaturas. Después se reducen los óxidos con carbono en un horno eléctrico y el cinc hierve y se destila en la retorta, en donde tiene lugar la reducción. El cinc obtenido por destilación contiene pequeñas cantidades de hierro, arsénico, cadmio y plomo, y es conocido en metalurgia como peltre. En otro método de refinarlo, los Página 85 de 88
minerales se calcinan y se lixivian con ácido sulfúrico. Después de separar las impurezas, la disolución se electroliza. El cinc electrolítico es puro y tiene cualidades superiores como, por ejemplo, una mayor resistencia a la corrosión. El metal se usa principalmente como capa protectora o galvanizador para el hierro y el acero, y como componente de distintas aleaciones, especialmente del latón. También se utiliza en las placas de las pilas (baterías) eléctricas secas, y en las fundiciones a troquel. El óxido de cinc, conocido como cinc blanco, se usa como pigmento en pintura. También se utiliza como rellenador en llantas de goma y como pomada antiséptica en medicina. El cloruro de cinc se usa para preservar la madera y como fluido soldador. El sulfuro de cinc es útil en aplicaciones relacionadas con la electroluminiscencia, la fotoconductividad, la semiconductividad y otros usos electrónicos; se utiliza en los tubos de las pantallas de televisión y en los recubrimientos fluorescentes.
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CAPÍTULO VIII MATERIALES NO METÁLICOS 8.1.-Materiales no metálicos. La clasificación más general de los materiales no metálicos, se puede considerar como: Materiales Naturales y Materiales Artificiales. Los materiales naturales, como su nombre lo indica son aquellos que se encuentran en la misma naturaleza, y que por lo tanto pueden ser empleados directamente por el hombre o solo es necesario realizar con ellos solo trabajos de forma o acomodamiento, para su posterior empleo. Los materiales artificiales son aquellos que es necesario realizar algún o algunos procesos de preparación para poder ser usados como materiales o materia prima propiamente tal.
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