Metalurgia y tratamientos del acero

Introducción a los Metales

Los metales tienen propiedades específicas gracias al enlace metálico. Este enlace permite al material sufrir movimientos en la estructura interna causados por dislocaciones en las fibras dendríticas. Estas dislocaciones causan plasticidad y ductilidad. Si al mismo tiempo el metal tiene una alta resistencia, se produce la tenacidad.

Aleaciones de Hierro-Carbono (Fe-C)

% de Carbono en Aleaciones Fe-C

Existen tres tipos de aleaciones según el porcentaje de carbono:

• 0-0,03%: Hierro
• 0,03-1,78%: Acero
• 1,78%-6,67%: Hierro forjado o fundido

El porcentaje de carbono afecta a las propiedades mecánicas del material.

Propiedades Mecánicas

• Ductilidad: Capacidad de ser deformado antes de romperse.
• Tenacidad: Capacidad de absorber grandes cantidades de energía antes de romperse. Se mide con el test de resiliencia, desarrollado por el péndulo de Charpy.

Corrosión y Oxidación

• Oxidación: Ataque del oxígeno (normalmente del aire o del agua) a un material, produciendo corrosión.
• Corrosión: Deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno.
  • Corrosión uniforme o generalizada: Cuando un metal es atacado de forma uniforme en toda su superficie.
  • Corrosión intergranular: Tiene lugar entre los gránulos cristalinos del metal, causada por las impurezas que los rodean.
  • Corrosión localizada: Ataques zonales, químicos o mecánicos, originan la corrosión localizada.

Protección Frente a la Corrosión

1. Selección adecuada de materiales (aleaciones anticorrosivas, evitar el par galvánico, geometría adecuada).
2. Pasivación: Formación de una capa de óxido estable y adherente que frena el avance de la corrosión.
3. Protección anódica: Aplicar corriente para formar capas pasivadoras. Se sumerge el material para hacerlo impermeable.
4. Inhibidores de la corrosión: Sustancias añadidas al sistema que reaccionan para disminuir la corrosión.
5. Protección catódica: Suministrar electrones (electrolisis) con un metal no corrosivo y una fuente de corriente continua. Se forma un ánodo de sacrificio.
6. Recubrimientos metálicos: Galvanizado → protección superficial de zinc.
7. Recubrimientos orgánicos.

Temple en el Acero

Se calienta el acero a una temperatura más elevada que la crítica, temperatura de austenización (entre 900-950 °C), y se enfría rápidamente en un medio como el agua. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción y disminuye la ductilidad. 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, se transforma en martensita, un material muy duro y frágil.

El temple aumenta: la resistencia, el límite elástico, la dureza y la fragilidad.

El temple disminuye: el alargamiento y la tenacidad.

Metalurgia: Extracción y Preparación de Metales

1. Explotación minera: a cielo abierto o subterránea.
2. Concentración de la mena: tamizado, filtración o flotación.
3. Reducción del mineral para obtener metal libre.
4. Afino metalúrgico:
   • Fusión: aprovechar las diferentes temperaturas de fusión del compuesto y añadir escorificantes que reaccionan separando la materia según la densidad.
   • Reacción selectiva: aprovechar la reacción de las impurezas para separarlas del metal.
   • Electrolisis: aplicar una corriente eléctrica mediante dos electrodos, teniendo un electrolito en disolución, donde los iones positivos son atraídos por el cátodo y los negativos por el ánodo.
5. Mezcla del metal con otros elementos para modificar sus propiedades.

Tratamientos Térmicos (sin cambios en la composición química)

• Normalizado: Calentar 50 °C por encima de la temperatura crítica y dejar enfriar al aire, eliminando las tensiones internas.
• Recocido: Calentar y ablandar para trabajar mejor el material. Mejora la trabajabilidad y elimina tensiones internas.
• Temple: (explicado arriba, temple del acero) Calentar y enfriar rápidamente. Aumenta la dureza, el límite elástico y la resistencia a la tracción.
• Revenido: Complementario y posterior al temple. Se calienta a una temperatura inferior a la temperatura crítica, seguido de un enfriamiento para eliminar tensiones internas.

Tratamientos Termoquímicos (cambiando la composición química)

• Cementación: Modificar la composición química de un acero enriqueciéndola en carbono para posteriormente templarla, consiguiendo gran dureza superficial, resistencia al desgaste y manteniendo un núcleo tenaz. Se calienta el metal (870-950 °C) rico en carbono. El hecho de templar la pieza implica la necesidad de mecanizarla previamente y, además, el enfriamiento tan rápido produce tensiones, por lo que se necesitará un revenido.
• Nitruración: Absorción del nitrógeno para obtener gran dureza del material.
• Carbonitruración: Absorción de N₂ y C mediante la vaporización de gases para mayor dureza.
• Sulfinización: Absorber N₂, C y S para mejorar la resistencia al desgaste superficial.
• Cianuración: N₂ y C mediante un baño de cianuro para conseguir mayor dureza (de elevado coste).
• Maleabilización: Recocido oxidante para descarburar la superficie y hacerla maleable.

Siderurgia: Fabricación del Acero

• C < 0,03%: Hierro dulce, blando, maleable, utilizado en elementos de forja.
• C < 1,76%: Acero normalizado, buena resistencia mecánica.
• C < 6,67%: Fundición, poco deformables, gran resistencia mecánica.

Otras relaciones:

• Fe + Mn → resistencia a la corrosión y maleabilidad
• Fe + S → disminución de la resistencia mecánica
• Fe + Cr → resistencia a la corrosión
• Fe + Al → facilita el moldeo
• Fe + Si → resistencia a la corrosión
• Fe + P → disminuye la temperatura de fusión
• Fe + Sn → producto menos deformable

Tipos de Fundiciones

Ordinarias

• Gris: cementita, moldeo fácil.
• Blanca: enfriamiento de la fundición gris.
• Atruchada: gran capacidad dúctil para elementos que trabajen a tracción.
• Maleable: deformable a esfuerzos de compresión.

Especiales

• Fe-Mn: Mn > 30%
• Fe-Si: Si > 8%
• Síliceo-Mn

Obtención del Acero

Altos Hornos

Materias primas: Fe₂O₃, C (1500 °C), fundentes (gangas, escorias, arrabio).

Reducción: Fe₂O₃ + C → Fe + CO → Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Tipos de escorias:

• Normal: enfriamiento por lavado.
• Granulada: enfría por inmersión.
• Dilatada: enfría al aire, para aligerar hormigones.

Hornos Eléctricos

• Reverbero: bóveda de ladrillo refractario.
• Martin-Siemens: fundición con chatarra.
• Convertidores: eliminan impurezas.