Propiedades, Tratamientos y Fabricación de Materiales Metálicos Férricos

Tipos de Esfuerzos Mecánicos

• Flexión: La fuerza tiende a curvar el objeto.
• Torsión: Tiende a retorcer el objeto.
• Cortadura: Tiende a romper o cortar el objeto.

Introducción a los Ensayos de Materiales

• Ensayo de tracción: Mide la resistencia de un material a una fuerza de estiramiento.
• Tensión de rotura: Máxima tensión que un material puede soportar antes de romperse bajo tracción.
• Ensayo de fatiga: Evalúa cómo se comporta un material bajo cargas cíclicas.
• Ensayo de dureza: Mide la resistencia de un material a ser penetrado o rayado. Se utilizan diversas escalas (Brinell, Rockwell, Vickers).
• Ensayo de resistencia: Término general que puede abarcar varios tipos de ensayos para determinar la capacidad de un material para soportar cargas.

Transformaciones al Enfriar o Calentar Hierro Puro

Si se enfría o calienta el hierro puro, su estructura interior (cristalina) cambia a diferentes temperaturas, lo que afecta sus propiedades.

Algunos Constituyentes de los Aceros

Los aceros son aleaciones de hierro y carbono, y pueden contener diferentes microestructuras según su composición y tratamiento térmico:

1. Cementita (Fe₃C): Constituyente muy duro y frágil de los aceros.
2. Martensita: Aparece cuando el enfriamiento es extremadamente brusco. Es muy dura pero frágil.
3. Bainita: Se forma a velocidades de enfriamiento intermedias, más bajas que para la martensita pero más altas que para la perlita.
4. Perlita: Constituyente relativamente blando de los aceros, resultado de un enfriamiento lento. Está formado por capas alternas de ferrita y cementita.
5. Ferrita (Hierro α): Hierro con muy poco carbono disuelto. Es blanda y dúctil.
6. Austenita (Hierro γ): Fase del hierro estable a altas temperaturas, capaz de disolver una cantidad significativa de carbono.

Modificaciones de Propiedades de Metales: Tratamientos Térmicos

Para mejorar las propiedades de los metales, se someten a tratamientos térmicos.

Consiste en: Calentamiento controlado de la pieza a una temperatura determinada, mantenimiento a esa temperatura y posterior enfriamiento controlado (que puede ser más lento o brusco).

En ocasiones, se le añaden ciertos elementos de aleación para mejorar propiedades específicas.

Las curvas TTT (Transformación, Tiempo, Temperatura) se usan para estudiar y diseñar los tratamientos térmicos, mostrando cómo se transforma la austenita a diferentes temperaturas y tiempos.

Tratamientos Térmicos Más Importantes

1. Temple: Es un enfriamiento brusco (generalmente en agua, aceite o aire) desde la temperatura de austenización. Busca obtener una estructura dura como la martensita. Puede generar tensiones internas.
2. Recocido: Enfriamiento lento (normalmente dentro del horno) tras el calentamiento. Su objetivo es ablandar el material, mejorar la maquinabilidad, eliminar tensiones internas y homogeneizar la estructura. Los átomos se reordenan en posiciones de menor energía.
3. Revenido: Tratamiento complementario que se aplica después del temple. Consiste en calentar la pieza templada a una temperatura inferior a la de transformación y enfriarla lentamente. Reduce la fragilidad de la martensita y alivia tensiones, a costa de una ligera disminución de la dureza.
4. Normalizado: Calentamiento por encima de la temperatura crítica superior seguido de un enfriamiento al aire. Busca afinar el grano y obtener una estructura más uniforme (perlítica fina o bainítica, dependiendo del acero) que el recocido, con mejores propiedades mecánicas.

Criterios de Selección de Materiales y Tratamientos

• Propiedades requeridas (dureza, tenacidad, resistencia, etc.).
• Esfuerzos que debe soportar la pieza.
• Diseño de la pieza y su aplicación.

Uso Racional de los Materiales

Problemas

1. Agotamiento prematuro de recursos materiales.
   • Renovables: Madera, papel, algodón, lino.
   • No renovables: Metales, combustibles fósiles.

Soluciones

1. Nuevos diseños más eficientes (ej.: reducción del material en latas de refrescos).
2. Reciclar: Recuperar materiales de productos desechados mediante métodos de separación y reprocesamiento (ej.: automóvil al final de su vida útil).
3. Reutilización: Volver a usar un producto para el mismo fin u otro diferente (ej.: botellas retornables, componentes de coches usados).
4. Medidas socioeconómicas: Incentivos, regulaciones, concienciación.

Residuos Industriales

Tipos de Residuos

• Inertes: No presentan riesgo significativo para el ambiente ni para las personas. Ejemplos: escombros, fibras textiles naturales, grava, cerámica.
• Tóxicos y Peligrosos: Originan peligro para la salud humana y el medio ambiente debido a sus características (inflamables, corrosivos, tóxicos, reactivos, etc.). Ejemplos: disolventes, aceites usados, pinturas, lodos con metales pesados. Pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.

Operaciones a Realizar

• Reducción en origen: Minimizar la generación de residuos en el propio proceso productivo.
• Tratamiento:
  • Físico: Objetivo de separar componentes (ej.: filtración, decantación, separación magnética).
  • Químico: Neutralización, oxidación, reducción para transformar los residuos en sustancias menos peligrosas (reacción con reactivos).
  • Biológico: Ideal para residuos orgánicos; se utilizan microorganismos para descomponer la materia (ej.: fermentación, compostaje).
• Incineración: Combustión controlada en hornos especiales, reduce volumen y puede generar energía, pero produce cenizas y gases que deben ser tratados.
• Vertidos Controlados (Vertederos): Disposición final en instalaciones preparadas para minimizar el impacto ambiental, aunque existe riesgo de filtraciones si no se gestionan adecuadamente.

Metales

Metales Férricos o Ferrosos

Son aquellos que tienen hierro (Fe) como componente principal en su composición.

Procesos de Obtención

• Altos Hornos: Principal método para producir arrabio (hierro primario con alto contenido de carbono) a partir de mineral de hierro, coque (carbón) y fundentes. Alcanzan temperaturas muy elevadas (hasta ~2000°C o más en la zona de combustión).
• Hornos Eléctricos (de Arco o Inducción): Se utilizan principalmente para producir acero a partir de chatarra de hierro y acero, o de arrabio. Permiten un control más preciso de la composición. Pueden alcanzar temperaturas de hasta 3500°C, manejar cargas de ~100 toneladas y realizar hornadas en ~50 minutos.

  Funcionamiento Básico (Horno de Arco Eléctrico):

  1. Introducir la carga (chatarra, arrabio).
  2. Bajar los electrodos de grafito y generar un arco eléctrico que funde el metal.
  3. Inyectar oxígeno para acelerar la fusión y refinar el baño metálico (eliminar impurezas como el carbono).
  4. Inclinar el horno para retirar la escoria (impurezas flotantes).
  5. Añadir ferroaleaciones para ajustar la composición final del acero.
  6. Verter el acero líquido en cucharas para su posterior procesamiento.

Laminación de Acero

Proceso de conformado en el que se pasa el acero (en forma de lingotes o planchas) entre rodillos para reducir su espesor y darle forma. Los rodillos giran a la misma velocidad periférica.

• Laminación en frío: Se realiza a temperatura ambiente. Aumenta la dureza y la resistencia, mejora el acabado superficial y la precisión dimensional, pero reduce la ductilidad.
• Laminación en caliente: Se realiza a altas temperaturas (por encima de la temperatura de recristalización). Permite grandes deformaciones, requiere menos fuerza y no endurece tanto el material.

Tipos de Aceros

Se clasifican principalmente en no aleados (o al carbono) y aleados.

• Aceros no aleados (al carbono): Sus propiedades dependen principalmente del contenido de carbono.
  • Extrasuave y Suave (<0.25% C): Muy dúctiles, fáciles de conformar. Usos: clavos, alambres, chapas.
  • Semisuave y Semiduro (0.25% - 0.6% C): Buen equilibrio entre resistencia y ductilidad. Usos: ejes, tornillos, herramientas (destornilladores).
  • Duro y Extraduro (>0.6% C): Alta dureza y resistencia al desgaste, pero menor ductilidad. Usos: herramientas de corte (tenazas), muelles, cables de alta resistencia.
• Aceros aleados: Contienen otros elementos (cromo, níquel, manganeso, vanadio, etc.) además de carbono, añadidos intencionadamente para mejorar propiedades específicas (resistencia a la corrosión, dureza a alta temperatura, templabilidad, etc.).

Fundiciones

Aleaciones de hierro (Fe) y carbono (C) con un contenido de carbono generalmente superior al 2%, lo que las hace más frágiles que los aceros pero con buena colabilidad (facilidad para ser vertidas en moldes).

Tipos de Fundiciones

• Ordinarias:
  1. Blanca: El carbono está combinado como cementita (Fe₃C). Muy dura y frágil, resistente al desgaste. Usos: materia prima para fundición maleable, piezas resistentes a la abrasión.
  2. Gris: El carbono aparece en forma de láminas de grafito. Buena maquinabilidad, capacidad de amortiguar vibraciones. Usos: bloques de motor, bancadas de máquinas.
  3. Atruchada: Estructura mixta entre blanca y gris.
• Aleada: Fundición (Fe + C) a la que se añade otro elemento para mejorar propiedades.
• Especial:
  • Maleable: Se obtiene por tratamiento térmico de la fundición blanca. El grafito aparece en nódulos irregulares. Más dúctil que la gris. Tipos: de corazón blanco, de corazón negro, perlítica.
  • Dúctil (o nodular): Se añade magnesio o cerio al metal líquido antes de colar. El grafito precipita en forma de esferas. Propiedades similares al acero (buena resistencia y ductilidad).

Fabricación de Piezas sin Arranque de Viruta

Métodos para dar forma a los materiales sin eliminar material en forma de virutas.

• Por unión (soldadura, pegado, ensamblado).
• Por fusión (colada, moldeo por inyección).
• Por deformación plástica (laminación, forja, extrusión, trefilado).
• Mediante forja (conformado por golpes o presión, usualmente en caliente).
• Por corte (cizallado, troquelado - aunque puede generar pequeñas virutas, se considera a menudo en este grupo).
• Impresión 3D (Fabricación aditiva).
• Sinterizado.

Sinterizado (Pulvimetalurgia)

Técnica para la obtención de piezas de gran precisión dimensional a partir de polvos del material (metálico o cerámico). Consiste en comprimirlos en un molde y luego calentarlos (sinterizarlos) a altas temperaturas, por debajo del punto de fusión, para que las partículas se unan.

Proceso

1. Obtención del polvo.
2. Prensado en el molde.
3. Sinterizado en horno con atmósfera controlada.
4. Acabado (calibrado, mecanizado, tratamiento térmico si es necesario).

Ensamblado

Unión de piezas mediante ajustes mecánicos, sin necesidad de materiales intermedios como adhesivos o soldadura (aunque a veces se combinan).

Ejemplos

• Unión a cola de milano.
• Unión a media madera.
• Unión de caja y espiga.
• Unión a inglete con espiga.

Tejidos

Para fabricar tejidos se utilizan conjuntos de hilos entrecruzados (trama y urdimbre) mediante telares.

Conformación por Fusión (Colada)

Proceso que consiste en calentar el material (generalmente metal) hasta su temperatura de fusión para convertirlo en líquido, transportarlo y verterlo en un molde con la forma deseada, donde se solidifica.

Colada por Gravedad sobre Moldes de Arena

Método de fundición muy común, especialmente para piezas grandes o series cortas.

Consiste en: Mezclar arena de sílice y arcilla (aglutinante) con agua hasta formar una masa pastosa y moldeable. Esta mezcla se compacta alrededor de un modelo de la pieza dentro de una caja de moldeo. Una vez retirado el modelo, queda la cavidad donde se vierte el metal fundido. El molde de arena se destruye para extraer la pieza solidificada (moldeo fungible).

Cuando se utiliza arena húmeda, se denomina moldeo en verde.

Preparación del Molde

1. Disponer del modelo de la pieza (generalmente de madera, metal o plástico), ligeramente más grande que la pieza final para compensar la contracción del metal al solidificar.
2. Colocar una mitad del modelo sobre una base plana dentro de una de las mitades de la caja de moldeo (caja inferior).
3. Rodear el modelo con la mezcla de arena preparada y apisonarla (compactarla) firmemente.
4. Colocar la otra mitad de la caja (caja superior) encima. Colocar la otra mitad del modelo si es necesario. Crear los canales de colada y alimentación (bebederos, mazarotas).
5. Llenar la caja superior con arena y apisonarla.
6. Separar las cajas con cuidado, retirar el modelo, realizar acabados en la cavidad si es necesario y volver a ensamblar las cajas. El molde está listo para recibir el metal fundido.