El hierro es el metal duro más usado y se usa en la industria siderurgica, utilizando al hierro como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos que le van a conferir distintas propiedades al material.
En la siguiente imagen, podemos observar un yacimiento de hierro, concretamente el de el mutún en puerto suarez y debajo la antigua mina de hierro de Cabárceno, en Cantabria
Una vez hecha esta breve introducción, haremos hincapié en el concepto de hierro como matriz.
Este concepto va a ser fundamental para que en esta entrada podamos desgranar todos los procesos que hacen que al alearse con otros materiales, como por ejemplo el carbono, podamos conseguir el valioso acero, que va a conservar las características metálicas del hierro en estado puro, pero que al añadirle carbono y otros elementos tanto metálicos como no metálicos, va a hacer que mejore sus propiedades fisico-químicas.
Obtención del hierro y su uso industrial
El mineral de hierro se extrae de las minas, normalmente subterráneas, aunque el desbordante crecimiento de la construcción ha multiplicado el aprovechamiento de las minas a cielo abierto.
EL transporte del mineral dentro y fuera de la mina obliga a usar numerosos vehículos.
Cuando llega el mineral de hierro a la industria se procesa junto a caliza y carbón mineral,que son otros minerales que deben extraerse de las minas. Después se introduce en los altos hornos donde ocurren las reacciones que transforman el óxido de hierro inicial en hierro metálico.
Producción del acero
Como ya he explicado de forma breve en la introducción, el acero es una aleación del hierro con el carbono y otros elementos que al calentarlos hasta altas temperaturas, pueden ser sometidas a la deformación plástica por laminado, estirado, forjado, estampado.
El acero puede contener hasta un 2% de carbono y ciertas cantidades de silicio y manganeso e impurezas nocivas como fósforo y azufre, las cuales no se pueden eliminar completamente del metal por los métodos metalúrgicos. Además de estas impurezas, los aceros pueden contener algunos elementos de aleación como el cromo, níquel, vanadio y titanio entre otros.
El acero se elabora por la transformación del hierro fundido en forma de arrabio. Esta tarea consiste en extraer las cantidades sobrantes de carbono, silicio, manganeso y las impurezas nocivas que contiene.
Esta tarea se puede llevar a cabo debido a que al someterlo a altas temperaturas, el carbono y el resto de impurezas se unen con el oxígeno de un modo más enérgico que el hierro y pueden extraerse con apenas pérdidas de hierro.
El carbono del arrabio, al reacionar con el oxígeno se transforma en gas monóxido de carbono que se volatiliza. Otras impurezas se transforman en óxidos que tienen una densidad menor que la del metal fundido y flotan formando escoria.
Para transformar el arrabio a acero, se usan dos métodos generales:
-El método de los convertidores
-El uso de hornos especiales
En el método de los convertidores consiste en cargar un convertidor con hierro fundido líquido. De esta forma se va a inyectar aire que burbujea dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida el carbono y otras impurezas
Explicación de este proceso de carga del convertidor
Para cargar el convertidor se gira de la posición vertical a la horizontal. Se agrega el arrabio fundido y el convertidor regresa a su posición vertical. En este momento se pone en marcha el soplado.
Al producir aceros en hornos ,se hace un uso razonable de hierro fundido con chatarra ferrosa.
A diferencia de los convertidores, los hornos de producción de acero, son cámaras revestidas con material refractario donde se vierte el arrabio en lingotes o líquido y chatarra ferrosa, junto con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos necesarios para los procesos de oxidación
Después el material se calienta por diversos métodos hasta su fundición, con lo que comienzan los procesos de oxidación de las impurezas y del propio hierro y se va formando la escoria
En estos hornos no se inyecta aire a la masa como en el caso que he descrito antes de los convertidores. Los procesos de oxidación de las impurezas se realizan al interactuar los componentes de la escoria con el metal fundido de abajo.
Para lograr acero líquido dentro del horno se necesita una fuente intensa de calor que entre en contacto con el contenido del horno y pueda fundir el metal.
Encontramos los hornos Martin que son los más usados a nivel mundial para producir acero. Usan combustible y los hornos de arco eléctrico y de inducción, que usan electricidad para conseguir ese calor que hemos descrito.
Clasificación de los aceros por %C
Vamos a clasificar los aceros en función del porcentaje de carbono que presentan y ello conllevara que tenga una mayor o menor resistencia mecánica, y le condicione aspectos como la dureza o el temple.
Este apartado que voy a tratar en esta entrada lo considero especialmente importante debido a que en función del porcentaje de carbono que tenga el acero, tendremos una resistencia mecánica, tendra mayores facilidades para soldarse, para templarse...
Ya que estamos estudiando Automoción es importante poder acercaros estos conceptos debido a que por ejemplo para los cilindros de motores de explosión se utiliza acero semiduro y para las transmisiones se podrá usar el semiduro y el duro para ejes y también en transmisiones.
En estas tres imágenes podemos ver la clasificación atentiendo a los criterios ya descritos anteriormente y a modo de resumen podemos comprobar como el templado hace que aumenten tanto la resistencia como la dureza.
¿Qué son los constituyentes de los aceros?
FERRITA (Feα )
Es una solución sólida de carbono en hierro alfa.
Su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por lo que se considera 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 BCC, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.
Al microscopio se observa como granos poligonales claros.
La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita.
En los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.
CEMENTITA (Fe3C)
Es carburo de hierro Fe3C y contiene 6.67% C.
Es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrómbica.
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%.
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.
Su nombre se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas.
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
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%.
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.
Su nombre se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas.
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. No es estable a la temperatura ambiente.
La austenita cristaliza en la red FCC, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.
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%.
Es muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados
TROOSTITA
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita que se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple, por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500ºC a 600ºC, o por revenido a 400ºC.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita: tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%.
Es un constituyente nodular oscuro y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
SORBITA
Es también un agregado fino de cementita y ferrita.
Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600ºC a 650ºC, o por revenido a la temperatura de 600ºC.
Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%.
Tanto la trostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
BAINITA
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250ºC a 500°C.
Se diferencian dos tipos de estructuras:
- la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500ºC-580°C.
-la bainita inferior, formada a 250ºC-400ºC tiene un aspecto acicular similar a la
martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas
placas de carburos.
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
Relación de los constituyentes con los granos de los aceros
El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. 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. 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. 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.
La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones.
Relación de los constituyentes con los cristales de los aceros
- 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
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.
En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. 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. 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
Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencia tanto al desgastes como a la tensión.
Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencia tanto al desgastes como a la tensión.
Pasamos a describirlos:
-Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente elevada y se enfría luego mas o menos rápidamente.
-Revenido: Solo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad.
-Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente elevada y se enfría luego mas o menos rápidamente.
-Revenido: Solo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad.
-Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenizacion seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar elasticidad, mientras que disminuye la dureza.
-Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono.
Diagramas de enfriamiento(curvas de s)
Los diagramas TTT son gráficas que representan la temperatura frente al tiempo (normalmente en escala logarítmica).
Son muy útiles para entender las transformaciones de un Acero que se enfría isotérmicamente. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más concretamente para la fase Austenita, que es inestable debajo de la temperatura de transformación eutectoide, se necesita saber cuánto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo precisará para estar completamente trasformada y cuál será la naturaleza del producto de esta transformación.
Los diagramas tiempo-temperatura-transformación para transformaciones isotérmicas y para transformaciones de enfriamiento continuo se usan para predecir la microestructura y dureza deseadas.
