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INSTITUTO TECNOLÓGICO

DE TAPACHULA

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

2do SEMESTRE

GRUPO “A”

Catedrático: Ana María Sonnemann Maret

Equipo: 1

ACEROS DE ALTO CARBONO

INTEGRANTES DE EQUIPO:

Castillo Díaz Alex Froylan

Díaz Fiallo Marco Antonio

Tercero Hernández Hernán

A 05 de Noviembre De 2014

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Índice pág. 1.- Introducción……………………………………………………

2.- Historia………………………………………………………..

3.- Características mecánicas y tecnológicas del acero………

4.- Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C)….

5.- Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación….

6.- Impurezas en el acero…………………

7.- Desgaste…………………………..

8.- Tratamientos térmicos……………………

9.- Acero laminado……………….

10.- Acero forjado………………………….

12.- Diagrama de Hasse……………

13.1.- Diagrama Tensión-Deformación….

13.2.- Límite elástico y Resistencia a la tracción………

13.3.- Módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young…..

13.4.- Soldabilidad………………………………………..

13.5.- Acero de horno eléctrico………..

13.6.- Clasificación del acero………..

13.7.- Técnicas y métodos de obtención del acero…

13.8.- La producción de acero……..

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Introducción

Según la norma UNE EN 10020:2001 define al acero como aquel material en el

que el hierro es el elemento predominante, el contenido en carbono es,

generalmente inferior al 2% y contiene además a otros elementos.

El límite superior del 2% en el contenido de carbono (C) es el límite que separa al

acero de la fundición. En general, un aumento del contenido de carbono en el

acero eleva su resistencia a la tracción, pero como contrapartida incrementa su

fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. En función de

este porcentaje, los aceros se pueden clasificar de la siguiente manera:

- Aceros dulces: Cuando el porcentaje de carbono es del 0,25% máximo. Estos

aceros tienen una resistencia última de rotura en el rango de 48-55 kg/mm2 y una

dureza Brinell en el entorno de 135-160 HB. Son aceros que presentan una buena

soldabilidad aplicando la técnica adecuada.

- Aceros semidulces: El porcentaje de carbono está en el entorno del 0,35%.

Tiene una resistencia última a la rotura de 55-62 kg/mm2 y una dureza Brinell de

150-170 HB. Estos aceros bajo un tratamiento térmico por templado pueden

alcanzar una resistencia mecánica de hasta 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245

HB.

Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces,

pernos, tornillos, herrajes.

- Aceros semiduro: Si el porcentaje de carbono es del 0,45%. Tienen una

resistencia a la rotura de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Después de

someterlos a un tratamiento de templado su resistencia mecánica puede aumentar

hasta alcanzar los 90 kg/mm2.

Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes,

cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

- Aceros duro: El porcentaje de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia

mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza Brinell de 200-220 HB. Bajo un

tratamiento de templado estos aceros pueden alcanzar un valor de resistencia de

100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB.

Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y

de espesores no muy elevados.

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Historia

No se conoce la fecha exacta en que se descubrió la técnica de fundir mineral de

hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros úti les de

hierro descubiertos datan del año 3000 a. C. pero se sabe que antes ya se

empleaba este mineral para hacer adornos de hierro. Los griegos descubrieron

hacia el 1000 a. C. una técnica para endurecer las armas de hierro mediante un

tratamiento térmico.

Todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.c se clasifican en la

actualidad como hierro forjado. Para obtener estas aleaciones, se calentaba en un

horno una masa de mineral de hierro y carbón vegetal. Mediante este tratamiento

se reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro llena de escoria formada por

impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta masa esponjosa se

retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos

para eliminar la escoria y darle una determinada forma. El hierro que se producía

en estas condiciones solía tener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de

otras impurezas. En algunas ocasiones, y por error, solían producir autentico

acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro acabaron por aprender a

fabricar acero, calentando hierro forjado y carbón vegetal en un recipiente de

arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para

convertirse en acero.

Después del siglo XIV se aumento el tamaño de los hornos empleados para fundir.

En estos hornos, el mineral de hierro de la parte superior se convertía en hierro

metálico y a continuación absorbía más corbono debido a los gases que lo

atravesaban. Como resultado daba arrabio, un metal que funde a temperatura

menor que el hierro y el acero. Posteriormente se refinaba el arrabio para obtener

acero.

En la producción moderna de acero se emplean altos hornos que son modelos

perfeccionados de los que se usaban antiguamente. El arrabio se refina mediante

chorros de aire. Este invento de debe a un bri tánico llamado Henry Bessemer, que

en 1855 desarrollo este inventó. Desde 1960 funcionan varios mini hornos que

emplean electricidad para la producción de acero a partir de chatarra pero las

instalaciones de altos hornos son esenciales para producir acero a partir de

mineral de hierro.

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Características mecánicas y tecnológicas del acero

Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de una fuerza ejercida

sobre una viga de acero.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido

a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos

térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con

combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se

pueden citar algunas propiedades genéricas:

Su densidad media es de 7850 kg/m³.

En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes

de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de

alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero

presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C,

y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que

se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las

aleaciones eutécticasque funden de golpe). Por otra parte el acero rápido

funde a 1.650 °C.15

Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.16

Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones

usadas para fabricar herramientas.

Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La

hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,

recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.

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Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de

recibir un tratamiento térmico.

Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se

deforman al sobrepasar su límite elástico.

La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr

mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los

cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros

con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial,

conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros

típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en

las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que

contienen cantidades significativas

de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para

medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.

Se puede soldar con facilidad.

La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro

se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando

grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se

consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido

protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen

aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de

construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o

los aceros inoxidables.

Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición

es aproximadamente de17 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta

tensiónse utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de

acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para

incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.

Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una

pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta

cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto,

inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero

inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero

inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro

conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros

inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del

orden del 10 % además de algunos aleantes en menor proporción.

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Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un

aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede

valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de

dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α =

0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes

problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o

menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen

esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata

y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de

dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la

construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón

armado.18 El acero da una falsa sensación de seguridad al ser

incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven

gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los

perfiles en el transcurso de un incendio.

Normalización de las diferentes clases de acero

Llave de acero aleado para herramientas o acero al cromo-vanadio.

Para homogeneizar las distintas variedades de acero que se pueden producir,

existen sistemas de normas que regulan la composición de los aceros y las

prestaciones de los mismos en cada país, en cada fabricante de acero, y en

muchos casos en los mayores consumidores de aceros.

Por ejemplo, en España están regulados por la norma UNE-EN 10020:2001 y

antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-36010, ambas editadas

por AENOR.

Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de uso

mucho más extendido internacionalmente), ASTM, DIN, o la ISO 3506.

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Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C)

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones

que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el

calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo

que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —

temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por

métodos diversos.

Fases de la aleación de hierro-carbono

Austenita (hierro-ɣ. duro)

Ferrita (hierro-α. blando)

Cementita (carburo de hierro. Fe3C)

Perlita (88 % ferrita, 12 % cementita)

Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4,3 % carbón)

Bainita

Martensita

Tipos de acero

Acero al carbono (0,03-2,1 % C)

Acero corten (para intemperie)

Acero inoxidable (aleado con cromo)

Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)

Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)

Otras aleaciones Fe-C

Hierro dulce (prácticamente sin carbón)

Fundición (>2,1 % C)

Fundición dúctil (grafito esferoidal)

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Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la

aleación

Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM y UNS,

establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de elemento. Estos

elementos se agregan para obtener unas características determinadas

como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia

al desgaste,soldabilidad o maquinabilidad.21 A continuación se listan algunos de

los efectos de los elementos aleantes en el hacer.

Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta

dureza en concentraciones cercanas al 1 % y en porcentajes inferiores al

0,008 % como desoxidante en aceros de alta aleación.

Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006 %) aumenta la

templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono

para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. Es usado en

aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y

alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como

trampa de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación, para obtener

valores de N menores a 80 ppm.

Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la

resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los

aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los

aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.

Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza,

resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros

elementos, mejora la resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de

penetración del endurecimiento por tratamiento termoquímico como

la carburación o la nitruración. Se usa en aceros inoxidables, aceros para

herramientas y refractarios. También se utiliza en revQEestimientos

embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste,

como émbolos, ejes, etc.

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Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la

profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los

aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la

resistencia a la corrosión.

Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación

de austenita.

Níquel: es un elemento gammageno permitiendo una estructura austenítica

a temperatura ambiente, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto.

El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta

la resistencia a la corrosión.

Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma

de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece

la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado,

etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila

entre 0,15 % y 0,30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores

inferiores al 0,5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la

tenacidad en caliente. Se añade a algunos aceros para mejorar mucho la

maquinabilidad.

Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento

desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las

propiedades del acero a alta temperatura. Se uti liza su gran afinidad con el

Carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.

Wolframio: también conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos

muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas.

En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es

posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para

herramientas.

Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos

complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a

la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

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Impurezas en el acero

Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de

los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como

consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se

procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las

propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o

sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.

Azufre: límite máximo aproximado: 0,04 %. El azufre con el hierro

forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a

un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en

bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados

en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca

el desgranamiento del material.

Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El

manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar

de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades

plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente cinco veces la

concentración de S para que se produzca la reacción.

El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición

menos porosa, y por lo tanto de mayor calidad.

Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para

mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje

de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.

Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04 %. El fósforo resulta perjudicial, ya

sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también

por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro, junto con la

austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado esteadita,

el que es sumamente frágil y posee un punto de fusión relativamente bajo,

por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su

fragilidad.

Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la

ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar

la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.

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Desgaste

Es la degradación física (pérdida o ganancia de material, aparición de grietas,

deformación plástica, cambios estructurales como transformación de fase o

recristalización, fenómenos de corrosión, etc.) debido al movimiento entre la

superficie de un material sólido y uno o varios elementos de contacto.

Tratamientos superficiales

Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto

con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie

de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión.

Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos

embellecedores y decorativos de los metales.

Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:

Cincado: tratamiento superficial antioxidante por

proceso electrolítico o mecánico al que se somete a diferentes

componentes metálicos.

Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y

embellecer.

Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.

Niquelado: baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación.

Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero,

como la tornillería.

Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.

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Tratamientos térmicos

Rodamiento de acero templado.

Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente

las propiedades mecánicas de dureza, tenacidady resistencia mecánica del acero.

Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las

propiedadesmacroscópicas del acero también son alteradas.

Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su

composición química son:

temple

revenido

recocido

normalizado

Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de

los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en

la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos

químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso

de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los

objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial

de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir

el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia

al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a

la corrosión.

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Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero

dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se

consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal

durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el

contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por

medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al

desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial,

aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la

composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el ace ro a

temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de

gas amoníaco, más nitrógeno.

Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de

acero. Se uti lizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican

temperaturas entre 760 y 950 °C.

Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y

nitrógeno en una capa superficial, pero

con hidrocarburos como metano, etano opropano; amoníaco (NH3)

y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de

650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción

del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja

temperatura (565 °C) en un baño de sales.

Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se

encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas

condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero

vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su

inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.

El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el

acero tome sus propiedades comerciales.

Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefi jo

indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es

indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el

prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al

golpeo (Shock resistant).

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Acero laminado

El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras

públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfi les

normalizados.

El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero

fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso

de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión

llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado hasta

conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones de las secciones

conseguidas de esta forma no se ajustan a las tolerancias requeridas y por eso

muchas veces los productos laminados hay que someterlos a fases de

mecanizado para ajustar sus dimensiones a la tolerancia requerida.

Acero forjado

Biela motor de acero forjado.

La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación

plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de

impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se

mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.

El sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad

de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En

la forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la

estampa, compuesta por dosmatrices que tienen grabada la forma de la pieza que

se desea conseguir.

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Diagrama de Hasse

Elementos de P( P( P(P({})))) en Diagrama de Hasse.

En matemáticas, un diagrama de Hasse es una representación gráfica simplificada

de un conjunto parcialmente ordenado finito. Esto se consigue eliminando

información redundante. Para ello se dibuja una arista ascendente entre dos

elementos solo si uno sigue a otro sin haber otros elementos intermedios.

En un diagrama de Hasse se elimina la necesidad de representar:

ciclos de un elemento, puesto que se entiende que una relación de orden

parcial es reflexiva.

aristas que se deducen de la transitividad de la relación.

De dos miembros x e y de un conjunto parcialmente ordenado S que «y

sigue a x» si x ≤ y y no hay elemento de S entre x e y.

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El orden parcial es entonces precisamente la clausura transitiva de

la relación de seguir.

El diagrama de Hasse de S se define como el conjunto de todos los pares

ordenados (x, y) tales que y sigue a x, es decir, el diagrama de Hasse se

puede identificar con la relación de seguir.

Ejemplo:

Concretamente, uno representa a cada miembro de S como un punto negro en la

página y dibuja una línea que vaya hacia arriba de x a y si y sigue a x.

Por ejemplo, sea el conjunto A = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30, 60} (todos los

divisores de 60). Este conjunto está ordenado parcialmente por la relación

de divisibilidad. Su diagrama de Hasse puede ser representado como sigue:

Por ejemplo, en el diagrama de Hasse del poset de todos los divisores de un

número n, ordenados parcialmente por divisibilidad, n mismo está en el tope del

diagrama, el número 1 estaría en el fondo, y los divisores más pequeños (primos)

seguirían al elemento inferior.

Relación con los Grafos

Un diagrama de Hasse puede verse también como un grafo al que se le quitan

todos sus bucles y sus aristas que pueden deducirse con la propiedad

transitiva y propiedad reflexiva.

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La dificultad de encontrar un buen diagrama de Hasse

Las relaciones «seguir a» queda definida de modo único a partir de la relación de

orden inicial. Esto hace que las aristas del diagrama de Hasse y los puntos que

conectan queden determinados también de forma única. Pero existe un problema

adicional: encontrar una ubicación adecuada para los vértices que pueda reflejar

alguna de las simetrías subyacentes. En este sentido, encontrar un buen diagrama

es difícil.

Se han propuesto varios algoritmos para dibujo de «buenos» diagramas, pero hoy

en día su construcción sigue basándose en una fuerte intervención humana. De

hecho, incluso un humano necesita bastante práctica para elaborarlos.

Los siguientes ejemplos corresponden a diagramas de Hasse de una misma

relación de orden:

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1- Diagrama Tensión-Deformación

El diagrama tensión-deformación resulta de la representación gráfica del ensayo

de tracción, normalizado en UNE-EN 10002-1, y que consiste en someter a una

probeta de acero normalizada a un esfuerzo creciente de tracción según su eje

hasta la rotura de la misma. El ensayo de tracción permite el cálculo de diversas

propiedades mecánicas del acero.

La probeta de acero empleada en el ensayo consiste en una pieza cilíndrica cuyas

dimensiones guardan la siguiente relación de proporcionalidad:

L0= 5.65 x √S0

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Donde L0 es la longitud inicial, S0 es la sección inicial y D0 es el diámetro inicial de

la probeta. Para llevar a cabo el ensayo de tracción, las anteriores variables

pueden tomar los siguientes valores:

D0 = 20 mm, L0 = 100 mm, ó bien,

D0 = 10 mm, L0 = 50 mm.

El ensayo comienza aplicando gradualmente la fuerza de tracción a la probeta, lo

cual provoca que el recorrido inicial en la gráfica discurra por la línea recta que

une el origen de coordenadas con el punto A.

Hasta llegar al punto A se conserva una proporcionalidad entre la tensión

alcanzada y el alargamiento unitario producido en la pieza. Es lo que se conoce

como Ley de Hooke, que relaciona linealmente tensiones con las deformaciones a

través del modulo de elasticidad E, constante para cada material que en el caso

de los aceros y fundiciones vale aproximadamente 2.100.000 Kg/cm2.

Otra particularidad de este tramo es que al cesar la solicitación sobre la pieza,

ésta recupera su longitud inicial. Es decir, se comporta de manera elástica, y el

punto A se denomina Límite de Proporcionalidad.

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Pasado el punto A y hasta llegar al punto B, los alargamiento producidos incluso

crecen de manera más rápida con la tensión, y se cumple que al cesar la carga, la

pieza recupera de nuevo su geometría inicial, es decir, se sigue comportando

elásticamente. El punto B marca el límite a este comportamiento, y por ello al

punto B se le denomina Límite Elástico.

Traspasado el punto B el material pasa a comportarse de manera plástica, es

decir, que no recupera su longitud inicial, quedando una deformación remanente al

cesar la carga. De esta manera, el proceso de descarga se realiza siguiendo la

trayectoria según la línea punteada mostrada del diagrama tensión-deformación,

que como se ve, corta al eje de deformaciones, ΔL/L0, a una cierta distancia del

origen, que se corresponde con la deformación remanente que queda.

Concretamente, el punto B o Límite Elástico es aquel que le corresponde una

deformación remanente del 0.2%.

Si se sigue aplicando carga se llega al punto identificado en la gráfica como C,

donde a partir de aquí y hasta el punto D, las deformaciones crecen de manera

rápida mientras que la carga fluctúa entre dos valores, llamados límites de

fluencia, superior e inferior. Este nuevo estadio, denominado de fluencia, es

característico exclusivamente de los aceros dúcti les, no apareciendo en los aceros

endurecidos.

Más allá del punto de fluencia D es necesario seguir aplicando un aumento de la

carga para conseguir un pronunciado aumento del alargamiento. Entramos ya en

la zona de las grandes deformaciones plásticas hasta alcanzar el punto F, donde

la carga alcanza su valor máximo, lo que dividida por el área inicial de la probeta

proporciona la tensión máxima de rotura o resistencia a la tracción.

A partir del punto E tiene lugar el fenómeno de estricción de la probeta,

consistente en una reducción de la sección en la zona de la rotura, y el

responsable del periodo de bajada del diagrama, dado que al reducirse el valor de

la sección real, el valor de la carga aplicado a partir del punto E también se va

reduciendo hasta alcanzar el punto F de rotura.

22

2- Límite elástico y Resistencia a la tracción

La determinación de las propiedades mecánicas en el acero, como el límite

elástico (fy), la resistencia a tracción (fu), así como de otras características

mecánicas del acero como el Módulo de Elasticidad (E), o el alargamiento máximo

que se produce en la rotura, se efectuará mediante el anteriormente definido

ensayo de tracción normalizado en la UNE-EN 10002-1.

El valor de la tensión última o resistencia a la tracción se calcula a partir de este

ensayo, y se define como el cociente entre la carga máxima que ha provocado el

fallo a rotura del material por tracción y la superficie de la sección transversal

inicial de la probeta, mientras que el límite elástico marca el umbral que, una vez

se ha superado, el material trabaja bajo un comportamiento plástico y

deformaciones remanente.

En la sección ANEXOS se pueden consultar los valores del límite elástico y la

resistencia a tracción para las distintas calidades de aceros según las normativas

europeas y americana.

Se adjunta tabla con los valores de la resistencia a la tracción, así como del límite

elástico y dureza, según la norma americana AISI:

23

24

A continuación, en estas otras tablas se recogen también las especificaciones

correspondientes al límite elástico (fy) y resistencia a tracción (fu) para los distintos

tipos de acero según se indican en la Instrucción de Acero Estructural (EAE)

española.

• Aceros no aleados laminados en caliente:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)

Tipo

Espesor nominal de la pieza, t (mm)

t ≤ 40 40 < t ≤ 80

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

S 235 235 360 < fu < 510 215 360 < fu < 510

S 275 275 430 < fu < 580 255 410 < fu < 560

S 355 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630

En los siguientes apartados se definen las características resistentes para los

aceros con características especiales:

• Aceros saldables de grano fino, en la condición de normalizado:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)

Tipo

Espesor nominal de la pieza, t (mm)

t ≤ 40 40 < t ≤ 80

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

S 275 N/NL 275 370 < fu < 510 255 370 < fu < 510

S 355 N/NL 355 470 < fu < 630 335 470 < fu < 630

S 420 N/NL 420 520 < fu < 680 390 520 < fu < 680

S 460 N/NL 460 540 < fu < 720 430 540 < fu < 720

25

• Aceros soldables de grano fino, laminados termo mecánicamente:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)

Tipo

Espesor nominal de la pieza, t (mm)

t ≤ 40 40 < t ≤ 80

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

S 275 M/ML 275 370 < fu < 530 255 360 < fu < 520

S 355 M/ML 355 470 < fu < 630 335 450 < fu < 610

S 420 M/ML 420 520 < fu < 680 390 500 < fu < 660

S 460 M/ML 460 540 < fu < 720 430 530 < fu < 710

• Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)

Tipo

Espesor nominal de la pieza, t (mm)

t ≤ 40 40 < t ≤ 80

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

S 235 J0W 235 360 < fu < 510 215 360 < fu < 510

S 235 J2W 235 360 < fu < 510 215 360 < fu < 510

S 355 J0W 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630

S 355 J2W 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630

S 355 K2W 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630

26

• Aceros de alto límite elástico, en la condición de templado y revenido:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)

Tipo

Espesor nominal de la pieza, t (mm)

t ≤ 40 40 < t ≤ 80

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

Límite

elástico, fy

Resistencia a

tracción, fu

S 460 Q

460 550 < fu < 720 440 550 < fu < 720 S 460 QL

S 460 QL1

27

3- Módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young

Para los estadios iníciales donde la deformación es pequeña, ΔL/L0 <<1, se

obtiene experimentalmente que hasta que la fuerza aplicada F no alcance un

rango limitado, éste incremento ΔL de la probeta es proporcional a la fuerza

aplicada (F), a su longitud original (L0) e inversamente proporcional al área de su

sección transversal (A), es decir que:

ΔL es proporcional a

F · L0

A

A esta constante de proporcionalidad, o más bien a su inversa, se designan con

las letras E, o también con Y, y se les denomina Módulo de Young o Módulo de

Elasticidad longitudinal, y es una propiedad intrínseca de cada material.

Sustituyendo en la expresión anterior, ésta quedaría como sigue:

ΔL =

1

·

F · L0

—— ——————

E A

Por otro lado, el cociente F/A representa el nivel tensional o la tensión normal de la

pieza σ, y el cociente ΔL/L0 es la deformación unitaria, ε, con lo que la expresión

anterior también puede escribirse de la forma siguiente,

σ = E · ε

Que es la expresión conocida como Ley de Hooke.

28

El Módulo de Elasticidad o Módulo de Young, para el cálculo y diseño de

estructuras de acero en el rango elástico, toma convencionalmente el siguiente

valor:

E= 210.000 N/mm2

A continuación, en la tabla siguiente se indica el Módulo de Elasticidad o Módulo

de Young para otros distintos metales,

Metal Módulo de Young, Y·1010 N/m2

Cobre estirado en frío 12,7

Cobre, fundición 8,2

Cobre laminado 10,8

Aluminio 6,3-7,0

Acero al carbono 19,5-20,5

Acero aleado 20,6

Acero, fundición 17,0

Cinc laminado 8,2

Latón estirado en frío 8,9-9,7

Latón naval laminado 9,8

Bronce de aluminio 10,3

Titanio 11,6

Níquel 20,4

Plata 8,27

29

30

4- Soldabilidad

La soldabilidad mide la capacidad de un acero que tiene a ser soldado, y que va a

depender tanto de las características del metal base, como del material de aporte

empleado.

Un parámetro úti l para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de

CARBONO EQUIVALENTE (CEV), que equipara las soldabilidades relativas de

diferentes aleaciones de acero y las compara con las propiedades de un acero al

carbono simple.

El Código API 1104- A B presenta la ecuación desarrollada por el Instituto

Internacional de Soldadura, y cuya expresión es la siguiente, donde los contenidos

de los elementos químicos se expresan en tanto por ciento (%):

CEV = C +

Mn

+

Cr + Mo + V

+

Ni + Cu

——— —————————— ———————

6 5 15

A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la soldabilidad de la

aleación de acero que se trate decrece.

Aunque esta ecuación fue inicialmente desarrollada para caracterizar la tendencia

a la fisuración por hidrógeno en chapas de acero, también se ha venido utilizando

para evaluar el endurecimiento del acero basado en su composición química.

Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente,

obtenido según la fórmula anterior, es menor a 0,4%.

No obstante, este parámetro no es suficiente para evaluar la soldabilidad de los

distintos aceros, dado que la soldabilidad no depende sólo de la composición

química del acero, sino que existen otros factores como puede ser el espesor de la

junta, un factor que va a condicionar la elección de la temperatura de

precalentamiento y/o tratamientos térmicos post-soldadura, o la adecuada elección

del material de aporte. Otros aspectos como la historia térmica del material y

tensiones mecánicas desarrolladas antes, durante y después de realizada la

unión, van a influir también en la soldabilidad del acero.

31

5- Acero de horno eléctrico

En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad

y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos

se pueden regular más estrictamente, los hornos eléctricos son sobre todo úti les

para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según

unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara

hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma

rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso

de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza para aumentar la temperatura del

horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero.

En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por

material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y

clasificada. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de

mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras

impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga

o después, cuando se vierte a la cuchara de acero.

32

6- Clasificación del acero

Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros

aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de

herramientas.

Aceros al carbono

El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad

diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un

0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican maquinas, carrocerías de

automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc.

Aceros aleados

Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio,

molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso,

silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar

engranajes, ejes, cuchillos, etc.

Aceros de baja aleación ultrarresistentes

Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos

que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de

materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial

que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este

material se emplea para la fabricación de bagones porque al ser más resistente,

sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor.

Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También

se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.

33

Aceros inoxidables

Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los

mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son

muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho

tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean

mucho con fines decorativos. También se emplean mucho para tuberías,

depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y

para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque

resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de

útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de

limpiar.

Aceros de herramientas

Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y

modelado de maquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de

aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.

34

7- Técnicas y métodos de obtención del

acero

Se introducen en el alto horno los materiales necesarios tales como el mineral de

hierro, el carbón de coque que hace de combustible y también se introduce la

piedra caliza que realiza la función de acelerar la fundición del hierro y su fusión

con el carbono. Del alto horno salen dos productos uno llamado escoria que son

los residuos del propio alto horno y otro es el producto deseado que se llama

arrabio pero el arrabio es un acero con alto contenido en carbono por eso que se

transporta cuando sale del alto horno en vagonetas llamadas torpedos que lo

transportan hasta el convertidor donde este arrabio se le baja el contenido de

carbono mediante ferroaleciones, fúndente o chatarra este tres productos puede ir

directamente al convertidor para ayudar en la obtención del acero o también

puede ser convertidos en acero en un horno eléctrico y pasar directamente al paso

posterior al convertidor que es el transportado en cucharas hasta los tres tipos de

colada que son:

COLADA CONTINUA: Se produce cuando el acero liquido se vierte sobre un

molde de fondo desplazable cuya sección tiene la forma que nosotros deseamos

que tenga el producto final " cuadrados, redondos, triangulares, planchas..." se le

llama colada continua porque el producto sale sin parar hasta que se acaba el

contenido de la cuchara, por lo tanto con este método se ahorra mucho dinero ya

que no se necesita moldes, se consume menos energía, etc.

.

35

COLADA DE LINGOTES: El acero se vierte sobre unas lingoteras o moldes que

tienen una forma determinada y que al enfriarse y solidificarse dan un producto

deseado para su transformación.

COLADA CONVENCIONAL: El acero se vierte sobre unos moldes que tienen la

forma del producto final y que cuando se enfría tiene la forma del mismo de las

tres coladas vistas es la única que no necesita una transformación posterior al

proceso.

Las dos primeras coladas necesitan procesos posteriores para lograr el producto

final, por ejemplo el producto que sele de la colada de lingotes tiene que pasar por

un horno de fosa en el cual se unifican las temperaturas de interior y del exterior

del producto, o sea, del acero.

De este proceso se pasa a otro que también se pasa directamente de la colada

continua y que se llama tren desbastador en que los lingotes en caliente pasan por

una serie de cilindros giratorios de gran potencia que los transforma en blooms y

slab

El bloom es una especie de plancha cuadraday el slab es una plancha fina de

acero.

36

Del proceso anterior se puede pasar a un tren estructural en el cual los bloons en

caliente se deforman para obtener perfiles estructurales, carriles, barras, etc.

También se pude pasar al tren de farmachine en el cual los bloons en caliente se

transforman y son deformados para obtener barras, alambres, redondos

calibrados, telas metálicas, etc.

También se puede pasar a un tren de bandas en caliente donde los slab son

transformados en rollos de chapa de distintas medidas y espesores llamados

bobinas que son esos rollos de chapa que muchas veces hemos visto en los

trenes de mercancías que pasan por la zona.

Desde este último proceso se puede pasar al tren de bandas en frío en el cual los

bobinas obtenidas anteriormente se someten a deformaciones en frío mejorar sus

propiedades mecánicas de este proceso se puede obtener multitud de

aplicaciones como por ejemplo en la industria de la automoción.

Ya por ultimo desde este proceso se puede pasar a otra maquina donde las

bobinas son transformados en hojalata y aceros galvanizados mediante diferentes

procesos y diferentes aplicaciones.

Como veis para obtener los aceros y productos de este hace falta una cantidad

enorme de procesos pero pese a todo el cero es una aleación muy apreciada por

sus características y se usa en multitud de aplicaciones pese a que en otras se

está sustituyendo por nuevos materiales con mejores cualidades que el acero.

También hay que decir que muchos de los productos que salen del los procesos

anteriores luego pueden pasar a otros procesos como el mecanizado, laminación,

acuñado, sintetizado, prensado...

37

8- La producción de acero

El acero es un metal fabricado a partir de mineral de hierro y contiene cantidades traza de carbono. Es a la vez más resistente que el hierro forjado y menos

quebradizo que el hierro fundido. Se encuentra tanto en forma aleada como no aleada. El acero no aleado es un acero básico que sólo contiene carbono. El acero aleado se fabrica mezclando elementos químicos adicionales para darle al metal

unas características concretas. El acero inoxidable, por ejemplo, se obtiene mezclando cromo y níquel en un determinado porcentaje durante el proceso de

fabricación. El Profesor Joseph S. Spoerl señala que el primer proceso que permitió la producción masiva de acero fue desarrollado en 1856 por Sir Henry Bessemer. El proceso Bessemer dominó la producción de acero durante la

segunda mitad del siglo XIX, pero fue sustituido por el método de crisol abierto a principios del siglo XX. Actualmente existen dos procesos de fabricación de acero

de uso muy extendido: el proceso del oxígeno básico y el de horno de arco eléctrico.

La primera fase del proceso de fabricación de acero es la conversión del mineral de hierro en hierro fundido. Existen tres métodos de elaboración del hierro. El

primero de ellos es el método del horno de coque-horno de sinterización. El mineral pasa por un proceso de sinterización, con el fin de prepararlo para el alto horno. Se introduce el hierro y el coque en un alto horno. Con esto se consigue un

hierro fundido que se introduce en el horno de oxígeno o que se moldea en lingotes. Un sistema alternativo es el de reducción directa. Este método implica triturar el mineral y utilizar carbón, monóxido de carbono e hidrógeno para eliminar

el oxígeno y otras impurezas. Con esto se consigue un hierro muy puro llamado hierro de reducción directa que puede utilizarse en hornos de arco eléctrico. El

último método consiste en la fundición mediante reducción. Hay varios procesos de fundición, que generalmente consisten en introducir el coque en un gasificador para producir hierro a partir del mineral.

El primer método de producción de acero requiere un horno básico de oxígeno. El

hierro fundido, que puede ser producto del proceso de fundición o del alto horno, se introduce directamente en el horno de oxígeno. El hierro fundido se somete a una descarburización (oxidación del carbono), que produce el acero fundido. En el

otro método disponible se emplea un horno de arco eléctrico. Se introducen en él deshechos de acero, hierro de reducción directa o lingotes de hierro, y se funden

mediante un arco eléctrico, que produce el hierro fundido. Ambos métodos producen acero crudo mediante fundición continuada.

El acero semiacabado después será convertido en acero al carbono o en acero

aleado. El acero al carbono se relamina tal y como está en la forma deseada. El acero aleado tiene que ser tratado con las sustancias químicas adecuadas antes

de ser relaminado.

38

23- Producción Del Hierro Y El Acero

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las

actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que

los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los

ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero.

Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac.

Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Hematita (mena roja) 70% de hierro

Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro

Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro

Limonita (mena café) 60-65% de hierro

39

La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes

yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se

pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran

contenido de azufre.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos

fundamentales:

1. Mineral de hierro

2. Coque

3. Piedra caliza

4. Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de

que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado

y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales.

Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del

hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al

alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto

se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

El Alto Horno

En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una

altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.

Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24

h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del

horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000

toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800

toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire

caliente.

Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un

70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de

hierro se produce 1/2 de escoria.

40

Alto horno

24- Reducción Directa Del Mineral De Hierro

Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción

directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque,

aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento

consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes

reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del

hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro

esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser

utilizados directamente para la producción de hierro con características

controladas.

41

Diagrama de producción de hierro esponja

En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de

hierro, se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630

toneladas de hierro esponja.

25- Diferentes Procesos De Producción De Hierro Y

Acero

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para

que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en

hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de

fabricación de los hierros y aceros comerciales.

42

Hornos Bessemer

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o

básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido,

posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura

por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior

las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha

sido substituido por el BOF, el que a continuación se describe.

Horno Básico De Oxígeno (BOF)

Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en

lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se

eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy

43

reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario

de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida

por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La

temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado

como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este

horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como

en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire,

con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito.

Horno básico de oxígeno

Horno De Hogar Abierto

Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un

horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su

interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga,

por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser

gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las

que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible,

por lo que se consideran como hornos regenerativos.

Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea

básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y

paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una

ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el

silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al

carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida.

44

Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la

combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en

estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista

para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7

h, además de que se ahorra el 25% de combustible.

Horno De Arco Eléctrico

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta

calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad,

de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son

para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con

ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de

material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres

horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno

puro por medio de una lanza.

Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que

pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de

los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.

45

Clasificación De Los Aceros

Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay

en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and

Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos

de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación.

En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de

acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra

antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de

aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo

vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del

elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540,

indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en

el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y

.4% de carbón.

Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso

que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto

B = Acero ácido de Bessemer al carbono

C= Acero básico de convertidos de oxígeno

D = Acero ácido al carbono de hogar abierto

E = Acero de horno eléctrico

A10XXX

A= Proceso de fabricación

10 = Tipo de acero

X = % de la aleación del tipo de acero

X X= % de contenido de carbono en centésimas.

46

26- Algunos Elementos Químicos En La Fundición Del Hierro

Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a

las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos

muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos.

Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que

es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en

las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su

grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las

aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.

Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento

predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones

de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con

bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.

Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5%

sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el

manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También

aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.

Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.

47

Glosario

Acero

Metal conformado por fierrro

y de un máximo aproximado

del 1.5% de carbono y

generalmente con pequeñas

cantidades de manganeso,

fósforo, sulfuro y silicón.

Acero De Aleación

Acero que contiene un

elemento de aleación

adicional.

Acero De Alto Carbono

Acero al carbono que contiene más del 0.5%

del carbono.

Acero De Bajo Carbono

Acero al carbono que contiene menos del 0.3%

de carbono.

Acero De Medio Carbono

Acero al carbono que contiene entre el 0.3 y

0.5% de carbono.

Acero Inoxidable

Tipo de acero que contiene más del 15% de

cromo y demuestra excelente resistencia a la

corrosión.

Acero Inoxidable Austenítico

Tipo de acero inoxidable con una estructura

cristalina FFC. Es relativamente caro, pero es

el más eficaz para resistir a la corrosión.

Acero Inoxidable Ferrítico

Tipo de acero inoxidable con estructura

cristalina BCC. Es magnético y relativamente

barato.

Acero Inoxidable Martensítico

Tipo de metal inoxidable con una estructura

cristalina BCC deformada. Es relativamente

resistente, pero menos eficaz para resistir la

corrosión.

Acero Para Herramientas De Alto Carbono Y Alto Cromo

Acero para herramientas que es trabajado en

frío con cantidades importantes de cromo y

carbono. Los aceros para herramientas de alto

carbono y alto cromo proporcionan precisión

dimensional, resistencia al desgaste y

maquinabilidad.

Acero Para Herramientas De Propósito Especial

Acero de baja aleación para herramientas que

proporciona profundidad de templado medio y

una variedad de propiedades específicas.

Acero Para Herramientas De Templado Al Agua

Acero para herramientas de baja aleación y

barato. Proporciona varios niveles de dureza y

resistencia al desgaste.

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Acero Para Herramientas De Templado Al Aire

Acero para herramientas que ha sido trabajado

en frío. Es barato y generalmente usado para

elaborar punzones y moldes.

Acero Para Herramientas De Templado En Aceite

Acero para herramientas que se trabaja en frío

y que mantiene sus dimensiones eficazmente.

Se usa para elaborar piezas para construcción,

cribas y cojinetes.

Acero Para Herramientas De Trabajo En Caliente

Acero para herramientas que se usa para crear

herramientas que forma metales a

temperaturas altas.

Acero Para Herramientas De Trabajo En Frío

Grupo de aceros para herramientas que se

usan principalmente para estampas que forman

al metal a temperaturas no elevadas.

Acero Para Herramientas Resistentes Al Choque

Acero de bajo carbono para herramientas

creado con excelente tenacidad y usado para

elaborar cinceles neumáticos y punzones muy

resistentes.

Acero Para Moldes

Acero de bajo carbono para herramientas que

se usa para elaborar moldes de plástico.

Acero Rápido

Grupo de aceros para herramientas que se usa

para metales para máquinas a altas

velocidades de corte. Los aceros rápidos se

mantienen duros a temperaturas altas y

resisten la abrasión.

Acero Resulfurizado

Acero al carbono al que se le ha añadido

sulfuro para mejorar la maquinabilidad.

Acero Resulfurizado Y Refosforado

Acero al carbono al que se le ha añadido

sulfuro y fósforo para mejorar la

maquinabilidad.

Aceros Al Carbono

Tipo básico de acero que contiene menos del

3% de otros elementos a parte del fierro y

carbono.

Aceros De Alta Resistencia Y Baja Aleación

Tipo de aceros que contiene bajos niveles de

carbono y elementos de aleación que

demuestran buena resistencia y es

relativamente barato. Estos aceros son usados

comúnmente para estructuras grandes.

Aceros De Libre Maquinado

Grado de acero que ha sido manufacturado con

una mezcla y tratamiento térmico con el fin de

mejorar la maquinabilidad del metal.

Aceros Para Herramientas

Tipo especializado de acero de aleación que

demuestra excelente resistencia, tenacidad y

resistencia al desgaste. Los aceros para

herramientas se usan para herramientas de

corte, punzones y otras fabricaciones

industriales.

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Carburo

Compuesto producido por la combinación de

carbono y, generalmente, cromo, tungsteno o

titanio que se usa para herramientas de corte

de metal por su dureza y resistencia al

desgaste.

Colada

Vaciado de un material líquido a un molde para

que se enfríe y se forme al solidificarse.

Cromo

Metal gris, duro y brillante que se usa para las

aleaciones ferrosas con el fin de añadir dureza

y resistencia al desgaste en el acero. Los

aceros inoxidables contienen grandes

cantidades de cromo.

Ductilidad

Capacidad de un metal para ser laminado,

estirado o formado sin romperse.

Estructura Cristalina

Patrón de átomos regular y repetitivo en un

metal. Las estructuras cristalinas se desarrollan

a medida que el metal se solidifica.

Fierro Fundido

Metal que contiene fierro, más del 2.11% de

carbono y del 1 al 3% de silicón. Los fierros

fundidos normalmente contienen vestigios de

cantidades de otros elementos.

Fierro Fundido Blanco

Tipo de fierro fundido con bajos niveles de

carbono y mayor resistencia a la tensión.

Fierro Fundido Dúctil

Tipo de fierro fundido con una composición

similar a la del fierro fundido gris, pero con

mayor ductilidad. El fierro fundido dúctil

contiene pequeñas bolitas de grafito.

Fierro Fundido Gris

Tipo de fierro fundido que altos niveles de

carbono y de excelente resistencia a la

compresión. Es el acero fundido más común.

Fierro Fundido Maleable

Tipo de acero fundido con una composición

similar a la del fierro fundido blanco, pero con

mayor maleabilidad. El fierro fundido maleable

es sometido al recocido.

Grafito

Forma del carbono negra y blanda. El exceso

de carbono aparece en forma de escamas en

los fierros fundidos y ayuda a amortiguar las

vibraciones y a mejorar la maquinabilidad.

Manganeso

Metal gris claro, duro y quebradizo, se usa en

aleaciones ferrosas para agregar resistencia y

dureza al acero y a otros metales.

Metal Ferroso Metal que contiene fierro.

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Molibdeno

Metal duro de color plateado claro que se usa

en las aleaciones ferrosas para agregar

tenacidad, resistencia a la fluencia y resistencia

al desgaste en el acero. El molibdeno es un

elemento primordial en muchos de los aceros

rápidos para herramientas.

Níquel

Metal duro y maleable de color plateado claro

que se usa en las aleaciones ferrosas para

agregar resistencia, tenacidad y resistencia al

impacto en el acero.

No Ferrosa Que no contiene o no está compuesto de fierro.

Óxido De Cromo

Capa protectora que se produce en la

superficie del acero inoxidable y ayuda a

prevenir la corrosión.

Punzón

Instrumento de metal que se utiliza para

perforar o formar al metal. Los punzones se

utilizan en la industria de formación del metal.

Recocido

Constante caldeo de un metal a ciertas

temperaturas seguido por un proceso gradual

de enfriamiento.

Resistencia A La Cedencia

Máxima fuerza que un material puede soportar

antes de que comience su deformación.

Resistencia A La Compresión

Capacidad de un metal para resistir a fuerzas

que intenten apretarlo o comprimirlo.

Resistencia A La Fluencia

Capacidad de un metal para soportar un peso

constante o fuerza a temperaturas elevadas.

Soldabilidad

Capacidad del metal para facilitar el proceso de

soldadura y crear una unión eficaz.

Superaleaciones

Aleación conformada por tres o más elementos

que son muy caros. Creada para rendir bajo

temperaturas elevadas.

Trabajo En Caliente

Conformación de metal a temperaturas

cercanas al punto de fusión del metal. Se

trabaja el metal comúnmente a temperaturas

aproximadas a los 1300° F.

Trabajo En Frío

Conformación del metal a temperatures mucho

más bajas que las necesarias en el punto de

fusión. El acero a menudo es trabajado en frío

a temperatura ambiente.

Tratamiento Térmico

Procesos de calentamiento y enfriamiento que

se usan para cambiar la estructura del metal y

alterar sus propiedades mecánicas.

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Bibliografía

http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html

http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_III.html

http://www.ehowenespanol.com/proceso-fabricacion-del-acero-como_10599/

http://www.toolingu.com/class-501210-metales-ferrosos-y-sus-aleaciones-210.html

http://es.slideshare.net/tango67/clasificacin -del-acero

http://cienciamateriales.argentina-foro.com/t94-53-aceros-de-alto-carbono-caracteristicas-y-aplicaciones

http://allstudies.com/clasificacion-acero.html

http://www.atmosferis.com/tipos-de-acero/