Metalurgia y Aceros: Propiedades, Procesos y Estructuras Clave

Clasificación de los Metales

• Metálicos:
  • Ferrosos
  • No Ferrosos
• No Metálicos:
  • Sintéticos (se obtienen por síntesis)
  • Naturales

Metalurgia del Hierro y el Acero

Forma Estructural del Hierro

El hierro, en estado sólido, presenta sus átomos en forma de cristal, constituyendo una estructura cristalina.

• Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): Presenta un átomo en cada arista del cubo, más un átomo en el centro del cubo.
• Estructura Cúbica Centrada en la Cara (FCC).
• Estructura Tetragonal Compacta.

Tratamientos Térmicos

• Temple: Es el aumento de la dureza del acero mediante un enfriamiento rápido desde una temperatura elevada.
• Tratamiento Térmico General: Es la modificación de las propiedades mecánicas de un material en general, mediante ciclos de calentamiento y enfriamiento.

Solidificación de Materiales

La solidificación es el cambio de estado físico de líquido a sólido, que ocurre a una temperatura (T°) determinada, denominada Punto de Fusión o Solidificación.

• Los metales puros se solidifican a T° constante.
• Las aleaciones se solidifican en un intervalo de T°.

Aleaciones y Segregación

• Aleación: Unión intencionada de dos o más metales (o un metal con uno o más elementos no metálicos), a fin de modificar sus propiedades y obtener un material con características mejoradas.
• Segregación: Consiste en que el primer sólido que se forma tiene un mayor porcentaje del elemento con mayor punto de fusión. En cambio, el último sólido formado tiene un mayor porcentaje del elemento con menor punto de fusión.

Efecto de la Velocidad de Enfriamiento

• Enfriamiento Rápido: Mayor número de núcleos de menor tamaño.
• Enfriamiento Lento: Menor número de núcleos de mayor tamaño.

Características y Propiedades de los Materiales

• Características Generales: Puntos de T° de Fusión y Solidificación.
• Propiedades Físicas: Peso Específico, Densidad, Densidad Relativa.
• Propiedades Mecánicas: Resistencia a Esfuerzos de Tracción, Compresión, Torsión, Flexión, Fatiga, Fluencia.

Esfuerzo de Fatiga

El esfuerzo de fatiga se indica en horas, y es el tiempo en que el material resiste hasta su fractura bajo un esfuerzo intermitente o alterno.

Nota: El muestreo indica el porcentaje de confianza con el que se obtuvo un resultado.

El Acero y el Diagrama Hierro-Carbono

Definición y Composición del Acero

El acero es el metal de mayor uso en la industria, siendo una aleación de Hierro (Fe) y Carbono (C). El carbono es el principal elemento que confiere dureza al acero, pudiendo alcanzar un porcentaje del 6.67% (máxima solubilidad del carbono en la cementita).

Fases y Puntos Clave del Diagrama Fe-C

• Perlita o Eutectoide: Precipitado de la austenita. Se obtiene a 723 °C y 0.77 % C. Es el punto más bajo en el que la austenita es estable.
• Eutéctico: Es el punto más bajo de T° donde se produce un cambio de estado de líquido a sólido en una aleación. Para el sistema Fe-C, ocurre a 1148 °C y 4.3% C. También se puede definir como la T° más baja a la que funde una aleación Fe-C, o el punto en que se pasa directamente de sólido a líquido.
• Hipoeutectoides: Hierros que contienen menos del 0.77 % de C.
• Hipereutectoides: Hierros que contienen más del 0.77 % de C.

Producción del Acero

El hierro, componente principal del acero, proviene de minerales como: Hematita, Magnetita y Siderita. Este se obtiene del arrabio, que se compone de fundente (caliza), combustible (coque), mineral de Fe y refrigerante (agua-aire).

En el proceso de carga, se utilizan Carbono, Caliza y Mineral de hierro. Un alto porcentaje de C (3.75% a 4.5%) le confiere mucha dureza; un porcentaje ideal para ciertas aplicaciones es 1.8%.

En un convertidor se elimina el Fósforo, Azufre y Carbono, obteniendo un acero con bajo contenido de carbono (aproximadamente 0.1%).

Tipos de Hornos para la Producción de Acero

• Bessemer-Thomas: Para arrabio (proceso Simplex).
• Siemens-Martin: Para arrabio y chatarra (proceso Dúplex).
• Eléctrico: (proceso Triple).

Arena de Moldeo

La arena de moldeo se compone de Arena, Arcilla y Agua.

Tipos de Arena de Moldeo

• Circular: Favorece un enfriamiento rápido.
• Piramidal: Favorece un enfriamiento muy lento.

Lo ideal es una mezcla de tipos de arena para optimizar las propiedades del molde. La arena de moldeo es una opción con gran versatilidad, económica y artesanal.