Una de las partes del desarrollo de la cvilización más importante es la obtención de los metales con los que fabricar herramientas. Pero como en casi todo hay un gran impacto sobre el medio ambiente, que debe minimizarse en lo posible.
Primero hay que sacar el mineral de la mina, que suele ser subterránea en el caso del hierro, aunque el desbordante crecimiento de la construcción ha multiplicado el aprovechamiento de las minas a cielo abierto; este tipo de mina genera un enorme impacto, hasta el punto de que genera el 75% de todos los residuos industriales de España, según el Instituto Nacional de Estadística.
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| Minas de Hierro en Almería. |
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| Minas de Hierro de Alquife. |
Cuando llega el mineral de hierro a la industria, se procesa junto a caliza y carbón mineral (otros minerales que deben extraerse de minas) en altos hornos, de forma semejante a grandes chimeneas, donde ocurren las reacciones que transforman el óxido de hierro inicial en hierro metálico.
El hierro obtenido contiene una gran cantidad de impurezas, entre ellas el carbono, que si excede cierta proporción, convierte a la aleación en frágil y muy dura.
Para eliminar las impurezas y el carbono en exceso se usan los convertidores, que mediante calentamiento e inyección de gases convierten la mezcla en acero, que no es más que hierro con carbono, al que se puede añadir la proporción deseada de otros elementos.
- Producción del acero:
Se denomina acero a las aleaciones del hierro con el carbono y otros elementos, que al calentarlas hasta altas temperaturas, pueden ser sometidas a la deformación plástica por laminado, estirado, forjado, estampado.
El acero está elaborado primordialmente por la transformación del hierro fundido en forma de arrabio (producto obtenido de la primera fusión del hierro en los altos hornos que contiene más carbono que el acero o que el hierro forjado y se rompe con mayor facilidad).
La tarea de la transformación del arrabio en acero se reduce a la extracción de las cantidades sobrantes de carbono, silicio, manganeso y las impurezas nocivas que contiene.
Esta tarea se puede llevar a cabo porque el carbono y las otras impurezas, bajo la acción de altas temperaturas, se unen con el oxígeno de un modo más enérgico que el hierro y pueden extraerse con pérdidas insignificantes de hierro. El carbono del arrabio al reaccionar con el oxígeno se transforma en gas, monóxido de carbono (CO) que se volatiliza.
Os dejo por aquí un video del proceso, es un poco largo pero espero que os guste. 😋
- Clasificación de los aceros por el % de Carbono (C):
Según las normas del AISI/SAE (clasificación de aceros y aleaciones de materiales no ferrosos. Es el más común en los EEUU; AISI es el acrónimo en inglés de Amercan Iron and Steel Institute, instituto americano del hierro y del acero, mientras que el SAE es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers, sociedad de ingenieros automotores) los aceros se pueden clasificar en:
1. Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015).
Se seleccionan en piezas cuyo requisito primario es el conformado en frío.
Los aceros no calmados se utilizan para embutidos profundos por sus buenas cualidades de deformación y terminación superficial. Los calmados son más utilizados cuando se necesita forjarlos o llevan tratamientos térmicos.
Son adecuados para soldadura.
Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado en frío. Son susceptibles al crecimiento del grano, y a fragilidad y rugosidad superficial si después del formado en frío se los calienta por encima de 600ºC.
2. Aceros de bajo % de carbono (desde SAE 1016 a 1030).
Este grupo tiene mayor resistencia y dureza, disminuyendo su deformabilidad. Son los comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas.
Su respuesta al temple depende del % de C (Carbono) y Mn (Manganeso); los de mayor contenido tienen mayor respuesta de núcleo.
Los de más alto % de Mn, se endurecen más convenientemente en el núcleo y en la capa.
Son aptos para soldadura y brazing (soldadura más fuerte).
La maquinabilidad de estos aceros mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido.
3. Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053).
Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento.
Utilizadas en una gran variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas.
El contenido de C y Mn, depende de una serie de factores. Por ejemplo, cuando se desea incrementar las propiedades mecánicas, la sección o la templabilidad, normalmente se incrementa el % de C, de Mn o de ambos.
Los de menor % de carbono se utilizan para piezas deformadas en frío, aunque los estampados se encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y generalmente llevan un recocido o normalizado previo.
Los de mayor % de C, deben ser normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad.
Son también ampliamente usados para piezas maquinadas, partiendo de barras laminadas. Dependiendo del nivel de propiedades necesarias, pueden ser o no tratadas térmicamente.
Pueden soldarse pero deben tenerse precauciones especiales para evitar fisuras debido al rápido calentamiento y enfriamiento.
4. Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095).
Se usan en aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y altas durezas que no pueden lograrse con aceros de menor contenido de C. En general no se utilizan trabajados en frío, salvo plaqueados o el enrollado de resortes.
Prácticamente todas las piezas son tratadas térmicamente antes de usar, debiéndose tener especial cuidado en estos procesos para evitar distorsiones y fisuras.
- Estructuras cristalográficas del acero:
Lo primero de todo explicar un poco lo qué es la cristalografía, es la ciencia que se dedica al estudio y resolución de estruccturas cristalinas. La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando se forman en condiciones favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y la geometría de estos cristales.
Las diferentes estructuras del acero dependen de la temperatura y el porcentaje de carbono que contenga:
Debajo de 723 %C :
• Ferrita (Fe)
• Grafito (C)
• Cementita (Fe3C)
• Perlita
Arriba de 723 %C :
• Austenita
• Ledeburita
• Mertensita (Austenita
retenida)
• Estructuras resultantes de tratamientos térmicos:
• Sorbita
• Stelita
• Bainita
• Troostit
- ¿Qué son los constituyentes de los aceros?:
Constituyentes de los aceros:
- Austenita
- Bainita
- Cementita
- Ferrita
- Martensita
- Perlita
Austenita:
Es una solución solida de carbono en hierro cuya
concentración varía en función de la temperatura. 2,8% de C a 1130ºC, a un
0,88% a temperatura ambiente.
La resistencia varía con el carbono disuelto de 88 a 105
kg/mm2, y su alargamiento de un 30% a un 60%.
Es bastante resistente, dúctil y tenaz, siendo elevada su
resistencia al desgaste aun en durezas poco considerables.
No es magnética y es el constituyente más denso de todos los
aceros, por la compacidad de la red del hierro y su menor volumen de átomos de
carbono.
Bainita:
Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los
perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas
de cementita en una matriz férrica.
Debido a eso to presentan una combinación de resistencia y ductilidad.
Cementita:
Es un carburo del hierro cuya fórmula es
C, lo que equivale a un 6,67% de C.
Es el constituyente más duro y frágil, y
magnético a temperatura ambiente, pero pierde esta propiedad a 218ºC.
Tiene una dureza de 68 en la escala de
Rockwell.
Ferrita:
Es hierro α casi puro, ya que no admite apenas carbono en
disolución.
Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros
Características:
Alargamiento: 35%
Carga de rotura: 28 kg/
Dureza: 90 Unidades Brinell
Martensita:
Es el constituyente típico de los aceros templados. Está
formado por una solución solida sobresaturada de carbono y se obtiene por
enfriamiento rápido del acero desde alta temperatura.
Sus propiedades físicas varían con su composición,
aumentando su dureza, resistencia y fragilidad con el contenido en carbono,
hasta un máximo para C=0,80% C aproximadamente. Después de la cementita, es el
constituyente más duro de los aceros.
Su resistencia varía entre 170 y 250 kg/mm2, con una dureza
de 50 a 68 Rockwell-C y un alargamiento de 2,5 a 0,5%; además de ser magnética.
Perlita:
Es un constituyente eutectoide formado por un 86,5% de
Ferrita y un 13,5% de cementita. Forma láminas paralelas y alternas, lo que le
da una alta dureza y resistencia mecánica.
Tiene una dureza de unos 200 HB con una resistencia a la
rotura de 80kg/mm2 y un alargamiento del 15%.
Transformaciones de fases de los aceros:
- ¿Relación de los constituyentes con los granos de los aceros?:
Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande.
En los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío. Sin embargo los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 ºC) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.
- ¿Relación de los constituyentes con los cristales de los aceros?:
La mayoría de los metales tienen cristales elementales como: cúbico espacial centrado (figura A), cúbico centrado en las caras (figura B) y hexagonal compacto (figura C):
Los metales más densos, que contienen la máxima cantidad de átomos en un mismo volumen, esto es, tienen distancias ínter-atómicas menores, son los que tienen cristales elementales cúbicos centrados en las caras y hexagonales compactos.
- Tienen una red espacial cúbica centrada:
Hierro (por debajo de 910 oC)
Cromo, Volframio, Molibdeno, Tantalio, Niobio.
- Red cúbica centrada en las caras:
Hierro (por encima de 910 oC).
Cobre, Níquel,
- Red hexagonal compacta:
Cinc, Magnesio.
- Relación entre tamaño y forma de grano y las características físicas de los acero:
El tamaño del grano se expresa, según norma ASTM, mediante el número G obtenido de la expresión:
Número de granos / pulg² a 100X = 2G-1
Donde G es el número de tamaño de grano de uno a ocho; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente.
El grano
fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano
grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la
carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de
trabajo en frío.
Todos los
metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo,
existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas
(alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme
aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se
conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama
amplia de tamaños de grano.
- Tratamientos térmicos en los aceros. Influencia en las propiedades mecánicas y por tanto en los constituyentes:
El tratamiento térmico es uno de los pasos fundamentales
para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las que está creado.
Este tipo de proceso consiste en el calentamiento y
enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades
físicas.
Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los
esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir
una superficie dura con un interior dúctil.
La clave de los tratamientos térmicos consiste en las
reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las
aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y
enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.
Los principales tratamientos térmicos son:
Temple:
- Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del
acero.
- Para ello, se calienta el acero a una temperatura
ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900-950 °C) y se enfría
luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio
como agua, aceite, etc.
Revenido:
- Sólo se aplica a aceros previamente templados, para
disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y
aumentar la tenacidad.
- El revenido disminuye la dureza y resistencia de los aceros
templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la
tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada.
- Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura
máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido:
- Consiste básicamente en un calentamiento hasta la
temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento.
- Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad,
mientras que disminuye la dureza.
- Facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la
estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que
produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalizado:
- Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es
decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del
carbono.
- Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al
revenido.
- Diagramas de enfriamiento (curvas de S):
Esta sería una gráfica en la que se representa el diagram de enfriamiento.
Bueno mis niños espero que no os hayais dormido mucho con esta entrada y que hayais aprendido algo. 😘
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