Metal·lúrgia Secundària i Tractaments Tèrmics dels Metalls

Metal·lúrgia Secundària i Processos de l'Acer

La metal·lúrgia secundària se centra en l'obtenció de ferro a partir de ferralla. La fusió de la ferralla es pot produir amb o sense pellets, esponges o sínters, però sempre s'utilitzen additius i no coc. Aquest procés es realitza en forns elèctrics amb elèctrodes de grafit de carboni. Gràcies a aquest mètode, es redueix el volum de residus i el temps de procés, obtenint un producte de qualitat amb una composició química controlada. És un procés semblant al dels alts forns, però amb tractaments més intensius contra les impureses.

Fases de la Producció: Fusió i Afinament

• Fase de fusió: Introduïm la ferralla al forn amb agents reactius i escorificants. En aquest punt, no cal reduir el ferro. Desplacem la tapa fins a tancar el forn i es baixen els elèctrodes a una distància apropiada fins a fondre completament els materials. El volum d’acer constitueix una colada.
• Fase d'afinament: El primer afinament analitza la composició del bany fos i s’eliminen impureses injectant oxigen. Es realitza un primer reajustament de la composició química per addició de ferroaliatges. L’acer obtingut es buida en una cullera de colada que fa la funció de cuba en el segon forn d’afinament, on s’acaba d’ajustar la composició i es dona la temperatura adequada.
• Colada contínua: La cullera es porta fins al distribuïdor que reparteix el fluid en diverses línies. És un procediment on l’acer s’aboca directament dins d’un motlle que es desplaça amb una secció transversal que té la forma geomètrica del semiproducte desitjat.

Solidificació i Classificació dels Aliatges

Durant la solidificació, a partir de l’element semielaborat, podem obtenir un estat líquid no cristal·lí o lingots sòlids. En els lingots, es diferencia una zona externa amb estructura equiaxial, una zona mitjana columnar i un centre on es concentren les impureses a causa del refredament lent. Mitjançant la nucleació, es generen cristalls que poden ser microscòpics o macroscòpics. La cristal·lització finalitza quan els nuclis xoquen en les seves fronteres, que són les zones menys cristal·lines.

Quan la velocitat de cristal·lització és ràpida, es generen molts nuclis que creixen poc. En canvi, amb més líquid, la velocitat és lenta i es potencia el creixement. Podem modificar l’estructura del component per homogeneïtzar la forma gràcies als tractaments tèrmics (TT).

Classificació dels Aliatges Fèrrics

Els aliatges fèrrics es classifiquen en:

• Acers: De baix aliatge (alt, mig i baix carboni) o d’alt aliatge (eines, inoxidables).
• Ferros colats: Nodulars, mal·leables, grisos o blancs.

Classificació segons la microestructura

• Ferrítics: Ferrita (Fe-BCC o Fe-α). Tous, dúctils i poc resistents.
• Austenítics: Austenita (Fe-FCC o Fe-γ). Durs, resistents i de solubilitat elevada; no són estables a temperatura ambient.
• Martensítics: Martensita (obtinguda per tremp). Molt durs i fràgils.
• Eutectoides: Perlita (α + Fe3C). Molt durs i resistents.
• Hipoeutectoides: Ferrita + perlita.
• Hipereutectoides: Cementita (Fe3C) + perlita.

Efecte dels elements d'aliatge

• Cr (Crom): Millora la resistència mecànica, la duresa i la corrosió.
• Mn (Manganès): Millora la resistència i la trempabilitat.
• Mo (Molibdè): Incrementa la tenacitat i la duresa en calent.
• Ni (Níquel): Millora la tenacitat i la resistència a la corrosió.
• V (Vanadi): Limita el creixement del gra a temperatures elevades.

Ferros Colats: Característiques i Tipus

Els ferros colats són productes amb un contingut en carboni molt elevat, fet que els fa fràgils i no deformables plàsticament. Tenen una temperatura de fusió inferior a l'acer i una excel·lent fluïdesa per omplir motlles complexos. Són resistents al xoc tèrmic, a la corrosió i al desgast.

• Ferros colats blancs: El carboni està en forma de cementita; presenten alta duresa i fragilitat.
• Ferros colats grisos: El carboni està en forma de grafit. Són menys fràgils i treballen millor.
• Ferro colat dúctil (esferoidal): El carboni té forma esferoïdal, proporcionant major tenacitat.
• Ferro colat ADI: Presenta estructures conegudes com a "ull de bou" al microscopi.
• Ferro colat mal·leable: S'obté afavorint la descomposició de la cementita a altes temperatures.

Aliatges No Fèrrics

• Alumini: Densitat baixa, molt abundant i reciclable.
• Coure: Excel·lent conductor i resistent a la corrosió.
• Titani: Lleuger, molt resistent i costós.
• Magnesi: Molt inestable en entorns marins.
• Níquel: Resistent a temperatures elevades i estèticament agradable.

Tractaments Tèrmics (TT) dels Metalls

Els tractaments tèrmics són processos d'escalfament i refredament controlats per millorar les propietats mecàniques (duresa, resistència, tenacitat) sense variar la composició química. Es divideixen en tractaments de preparació, intermedis i del component acabat.

Paràmetres Crítics dels Tractaments Tèrmics

• Temperatura d'escalfament: Paràmetre crític determinat pel diagrama d'equilibri.
• Temps de manteniment: Ha de ser suficient per garantir la uniformitat tèrmica i l'homogeneïtzació.
• Velocitat de refredament: Etapa determinant que defineix la microestructura final. Es pot refredar al forn (molt lent), a l'aire (lent), en oli (ràpid) o en aigua (molt ràpid).
• Atmosfera: Controlada per evitar l'oxidació o la descarburació.

Repàs del Diagrama Fe-Fe3C

L'austenita és inestable i es transforma en perlita, bainita o martensita segons el refredament. Els acers es prefereixen en fase austenítica (estructura FCC) per la seva alta solubilitat, cosa que facilita l'homogeneïtzació.

Classificació dels Tractaments Tèrmics

Tractaments Màssics de Refredament Continu

• Recuit: Baixa la duresa, elimina tensions i recupera la ductilitat. Existeixen variants com el de regeneració, globulització o contra l'acritud.
• Normalitzat: Busca una microestructura uniforme i fina, refredant a l'aire.
• Tremp: Refredament molt ràpid per obtenir martensita, augmentant dràsticament la duresa.
• Revingut i Bonificat: Escalfaments subcrítics posteriors al tremp per reduir la fragilitat i millorar la tenacitat.

Tractaments Isotèrmics i Corbes TTT

Les corbes TTT (Temps-Temperatura-Transformació) indiquen el temps necessari per a la transformació de l'austenita a una temperatura constant.

• Recuit isotèrmic: Per obtenir 100% perlita en peces complexes.
• Austempering: Transforma l'austenita en bainita, evitant esquerdes.
• Martempering: Cerca una martensita homogènia en peces grans minimitzant tensions.

Tractaments Tèrmics Superficials i Termoquímics

Aquests tractaments busquen una capa exterior dura amb un nucli tenaç:

• Tremp a la flama: Escalfament localitzat amb torxa oxiacetilènica.
• Tremp per inducció: Ús de bobines conductores; requereix materials magnètics.
• Tremp per làser o feix d'electrons: Mètodes d'alta precisió i cost elevat per a peces complexes.
• Cementació (Termoquímic): Difusió de carboni en la superfície d'acers de baix contingut en carboni per augmentar-ne la duresa superficial.

Tractaments en Aliatges No Fèrrics

En l'alumini, s'utilitza l'enduriment per precipitació, que consta de tres etapes: solució, tremp i envelliment (natural o artificial) per formar precipitats que incrementen la duresa.