Propiedades y Procesos Fundamentales de Hierro, Acero y Cobre en Tecnología Industrial

Propiedades Fundamentales del Hierro

• Hierro (Fe): Dúctil, maleable. Densidad ($\rho$): 7,86 g/cm³. Temperatura de Fusión ($T_f$): 1530 ºC. Buen Coeficiente de Conductividad Eléctrica ($K_e$) y Térmica ($K_t$). Es imantable.

Proceso de Obtención del Hierro en el Alto Horno

El proceso se desarrolla en el Alto Horno, donde se introduce la carga compuesta por:

• Mineral de hierro.
• Carbón (coque).
• Fundente.

Las zonas de temperatura son:

1. Deshidratación: 200 ºC – 400 ºC.
2. Zona de Reducción: 400 ºC – 1200 ºC.
3. Carburación: 1200 ºC – 1800 ºC.
4. Zona de Fusión: 1800 ºC.

El producto principal de esta etapa es el Arrabio.

Procesos de Afino

El arrabio se refina mediante diversos métodos:

• Convertidor Bessemer.
• Tomas (para fundiciones).
• Horno Martin Siemens.
• Horno Eléctrico (produce acero de buena calidad, pero es costoso).
• Crisol (utilizado para materiales preciosos).

Aceros Estructurales Metálicos (Normativa Europea)

Clasificación según la norma de aceros estructurales:

• S235: Grados JR, J0, J2.
• S275: Grados JR, J0, J2.
• S355: Grados JR, J0, J2, K2.
• S450: Grado J0.

Microconstituyentes y Aleaciones del Hierro

Las propiedades del acero dependen de sus componentes aleantes y microestructuras:

• Ferrita ($\alpha$-Fe): Baja solubilidad de Carbono (C). Es blanda y dúctil. Dureza Brinell (HB): 90. Resistencia a la Tracción ($R_t$): 28 kg/mm².
• Cementita ($\text{Fe}_3 ext{C}$): Carburo de Hierro. Es dura y frágil. Dureza Brinell (HB): 700.
• Perlita: Mezcla de Cementita + Ferrita. Presenta una estructura laminar. Dureza Brinell (HB): 200. Resistencia a la Tracción ($R_t$): 80 kg/mm².
• Austenita ($\gamma$-Fe): Comienza a formarse a 723 ºC. Se obtiene a temperatura ambiente enfriando rápidamente, pero es inestable. Dureza Brinell (HB): 300. Resistencia a la Tracción ($R_t$): 100 kg/mm². No magnética.
• Martensita: Solución sólida de Carbono en Hierro alfa ($\alpha$). Se forma por enfriamiento rápido. Es muy dura. Dureza Brinell (HB): 700. Resistencia a la Tracción ($R_t$): 175–250 kg/mm². Magnética.

Clasificación de Tipos de Aceros

Clasificación generalizada por aplicaciones:

• F-100: Aceros finos de construcción general (incluye grados para elasticidad, cementación y nitruración).
• F-200: Aceros finos de usos especiales (mecanización, soldadura, magnéticos, dilatación, fluencia).
• F-300: Aceros resistentes a la oxidación y corrosión (inoxidables, resistentes al calor).
• F-400: Aceros de emergencia.
• F-500: Aceros para herramientas.
• F-600: Aceros comunes.
• F-700: Aceros para moldear.
• F-800: Fundiciones.
• F-900: Aleaciones férreas especiales.

Fundiciones: Ventajas y Tipos

Ventajas Generales de las Fundiciones

• Fabricación más sencilla y económica, especialmente en series grandes.
• Resistencia a la compresión ($R_c$) hasta 100 $ ext{kg/mm}^2$.
• Resistencia a la tracción ($R_t$) hasta 90 $ ext{kg/mm}^2$.
• Excelente resistencia al desgaste.
• Mejor capacidad para absorber vibraciones que el acero.
• Propiedades autolubricantes (beneficioso para mecanizados).
• Mayor resistencia a la oxidación y corrosión que el acero.

Tipos de Fundiciones

• Fundición de Grafito Esferoidal: Alta rigidez y resistencia al impacto; no es quebradiza; buena resistencia a la tracción; menor absorción de vibraciones; mala conductividad.
• Fundiciones Maleables: Obtenidas a partir de fundición casi blanca mediante tratamiento térmico. El material es menos sensible a las fisuras, presenta mayor resistencia y ruptura por elongación.
• Fundiciones Blancas: Compuestas principalmente por cementita. Presentan un color blanco brillante al fracturarse. Se caracterizan por su gran dureza, fragilidad, alta resistencia al desgaste y a la abrasión, y dificultad para ser mecanizadas. Son el material de partida para las fundiciones maleables.

El Cobre y sus Aleaciones

Propiedades del Cobre (Cu)

• Minerales: Calcopirita, Cuprita, Malaquita.
• Densidad ($\rho$): 8,96 g/cm³.
• Temperatura de Fusión ($T_f$): 1083 ºC.
• Temperatura de Ebullición ($T_{eb}$): 2595 ºC.
• Excelente Conductividad Eléctrica ($K_e$) y Térmica ($K_t$).
• Muy dúctil y maleable.
• Su dureza aumenta con la deformación en frío.
• Resiste el agua a cualquier temperatura.
• Facilidad de Aleación: Con Ag, Sn, Zn, Ni.
• Dificultad de Aleación: Con Pb y Fe.

Tratamientos del Cobre

Se aplican tratamientos mecánicos y térmicos:

• Mecánicos: Forjado, laminado, trefilado.
• Térmicos: Recocido de estabilización y recocido contra-acritud.

Aleaciones del Cobre

Latones

Aleación de Cobre ($ ext{Cu}$) y Zinc ($ ext{Zn}$).

• Precio inferior al Cobre puro.
• Propiedades mecánicas similares al Cobre.
• El Zinc facilita el trabajo, aumenta la fusibilidad, la facilidad de moldeo y la resistencia mecánica.
• Densidad ($\rho$): $\approx$ 8,5 g/cm³.
• Aplicaciones: Cojinetes, herrajes, grifería, bisutería (por su facilidad de fundición).

Bronces

Aleación de Cobre ($ ext{Cu}$) y Estaño ($ ext{Sn}$).

• Productos fáciles de moldear.
• Densidad ($\rho$): 7,2 ÷ 8,9 g/cm³. Color rojo pálido.
• La conductividad eléctrica ($K_e$) disminuye al reducirse el contenido de Cu.
• La resistencia a la corrosión aumenta con el porcentaje de Sn.
• Resisten bien el agua fría, caliente y el vapor recalentado.
• Resisten agua de mar, ácido nítrico, sulfúrico y ácidos orgánicos.
• Aplicaciones: Cojinetes (por su cualidad de rozamiento), saneamiento y grifería (resistencia a la corrosión), monedas y estatuas (por su bello aspecto), campanas (por su sonoridad).