Imende-materiales y Procesos Metalurgicos.

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Tipo de imperfeccin

Puntual por la vacancia de un tomo en la red.

Lineal por la presencia de una Dislocacin por intersticialidad

Lineal por la presencia de una Dislocacin

Bidimensional por la presencia de un Lmite de grano

o Q o 1) o o o 1) 1)

QOtn'i'm Q 11 O . ' o 1) o () , OG " . }

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Fig. 1.4 representacin de algunos tipos de imperfecciones

Aleaciones En los materiales metlicos se pueden encontrar dentro de sus redes cristalinas

tomos de otros elementos que son impurezas, en ocasiones estos elementos son agregados intencionalmente para darle propiedades especficas a los metales, a estos elementos se les conoce como aleantes.

El empleo de metales casi puros es poco frecuente en la industria y solo se emplean para aplicaciones especficas como por ejemplo el aluminio con pureza del 99.99+% con el que se fabrican los envases de las bebidas enlatadas, el cobre de alta pureza 99.99+ %, para aplicaciones en la electrnica, la plata 97.5% para las navajas de los interruptores,en contactos elctricos de alta energa o para acuar monedas.

Los metales puros tienen pocas aplicaciones en la ingeniera mecnica ya que sus propiedades mecnicas generalmente no son adecuadas.

Los materiales metlicos de uso comercial no son metales puros, sino con mezclas de metales y elementos no metlicos. Estas mezclas reciben el nombre de aleaciones. Los elementos de aleacin presentes en un metal ocasionan imperfecciones (discontinuidades) en la estructura cristalina que pueden mejorar o disminuir sus propiedades mecnicas.

En la prctica existen dos tipos de aleantes que son: Aleantes de proceso. Son aquellos que provienen del proceso de fabricacin y

que no pueden eliminarse fcilmente ya que provienen de los minerales o "menas" o del proceso de fabricacin, tal es el caso en los aceros del Azufre, el Fsforo y el Carbono.

Estructura de los materiales 5

Aleantes de adicin. Son aquellos que intencionalmente se adicionan al metal para obtener ciertas propiedades o caractersticas, tal es el caso del Manganeso, el Cromo o el Nquel por citar los mas frecuentemente empleados en los aceros.

En trminos generales, Los materiales metlicos que empleamos son aleaciones, es decir, son una solucin al estado slido en que existe de un metal base o matriz que esta presente en mayor proporcin y en el que se encuentran disueltos o mezclados otros elementos que pueden ser metlicos, no metlicos o compuestos qumicos como el xido de silicio, o el sulfuro de manganeso en el caso de los aceros. La presencia de estos elementos y compuestos influyen en las propiedades fsicas, qumicas y mecnicas como son la dureza ola resistencia a la corrosin del metal principal.

Los aleantes pueden acomodarse en al menos dos formas esenciales en la red cristalina.

Aleante intersticial. Se dice que son aleantes intersticiales cuando el radio atmico del aleante es mucho menor al de los tomos del metal de la matriz, en este caso el aleante se acomodar en los espacios que hay entre los tomos de la matriz. Ejemplos de este tipo de aleantes son el Carbono, el Boro y el Azufre en los aceros.

Aleante sustitucional. Los aleantes sustitucionales son aquellos que su radio atmico es similar al de los tomos del metal de la matriz, en este caso el tomo del aleante desplaza un tomo de la matriz y ocupa su lugar en el arreglo cristalino. El Manganeso, el Molibdeno, el Cromo y el Nquel son ejemplos de este tipo de aleantes en los aceros.

Aleante intersticial Aleante sustitucional Fig. 1.5 tipos de aleantes

El tipo de solucin slida y el grado de solubilidad dependen de varios factores. Para que dos metales sean totalmente solubles entre si en todas las proporciones, deben satisfacer las condiciones conocidas como reglas de Hume-Rothery que son:

La diferencia en el dimetro atmico aparente no debe ser mayor de 15%. Deben tener la misma estructura cristalina. Deben tener igual electronegatividad. Deben tener la misma valencia. Deben ser totalmente solubles en estado lquido.

Dos metales que satisfagan estas cond iciones como es el caso de la combinacin del cobre con la plata, formaran una solucin slida sustitucional en todas las proporciones, por lo que las aleaciones de dos metales solubles en todas las proporciones en el estado slido son soluciones homogneas, es decir, presentan la misma composicin y la misma estructura.

6 Materiales y procesos

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Si no se cumplen la totalidad de las reglas de Hume-Rothery, la solubilidad solo ser parcial, adicionalmente si la diferencia entre los radios atmicos es mayor al 15%, se formaran soluciones slidas intersticiales y la solubilidad estar mucho mas restringida, debido a esto, se tendr un slido heterogneo que puede presentar cambios estructurales por la forma en que se distribuyen en la matriz metlica las regiones con diferentes composiciones o concentraciones de algunos de los aleantes, estos cambios pueden provocar la formacin de segregaciones, o bien, puede existir la posibilidad de la aparicin de estructuras cristalinas diferentes que van a diferir en composicin qumica y estructura cristalina con respecto de la solucin slida original. Estas estructuras diferentes se les denominan "fases".

La forma y distribucin de las fases son caractersticas importantes de los materiales slidos, especialmente de los metales y sus aleaciones. Las fases no son estticas y sus transformaciones dependern del cambio de alguna condicin termodinmica, por lo que pueden modificarse o alterarse mediante tratamientos trmicos, por conformado o por deformacin mecnica.

Como cada metal puede tener su propio sistema de fases y este puede modificarse dependiendo del tipo de aleante o aleantes que se mezclen, por este motivo es necesario estudiar los cambios y transformaciones mediante ejemplos especficos, por su empleo generalizado hemos seleccionado las aleaciones de fierro, especialmente las de los aceros al carbono para estudiar los cambos de fases.

En funcin de la micro estructura se ha definido anteriormente como fase de un metal a las regiones que difieren entre s en composicin, estructura o ambas a la vez. Para poder describir adecuadamente la estructura de un material, se han trazado grficas conocidas como diagramas, estos diagramas reciben el nombre de diagramas de equilibrio cuando cada fase esta en equilibrio con su entorno, en caso contrario reciben el nombre de diagramas de fase.

Una fase esta en equilibrio o es estable si no tiende a reaccionar para formar nuevas fases.

Una fase metaestable, no esta en equilibrio y el cambio de alguna variable termodinmica puede desencadenar la reaccin de precipitacin para la formacin de estructuras de equilibrio.

Los diagramas de fase y de equilibrio que son mas comunes son los de sistemas binarios, es decir de la mezcla de dos materiales. En el caso de las aleaciones puede llegar a suceder alguna de las siguientes situaciones

Si al mezclarse dos metales para formar una aleacin, estos se disuelven en cualquier proporcin y cumplen con las reglas de Hume-Rothery, entonces su diagrama ser muy sencillo y el producto de la solidificacin siempre ser una sola fase.

Si al mezclarse dos materiales, estos son solubles al estado lquido, pero parcialmente solubles al estado slido, podemos tener dos tipos de diagramas de equilibrio: los diagramas eutcticos y los diagramas peritcticos. El diagrama de equilibrio de las aleaciones fierro-carbono es un diagrama eutctico (Fig. 1.6)

La diferencia entre los diagramas es el producto de las reacciones invariantes. Estas reacciones se describen en forma de ecuaciones donde la fase lquida se representa por una letra "L" y las fases slidas por letras del alfabeto griego.


En cualquier diagrama de fases podemos tener reacciones invariantes que son de dos tipos:

El primero que es durante el enfriamiento una fase se transforma en dos fases nuevas.

Tipo de reaccin Fase transformndose Productos de la durante el enfriamiento transformacin

Monotctica L1 a + L2 Eutctica L a+J3 Eutectoide y ~

El segundo es que durante el enfriamiento dos fases reaccionan para producir una tercera fase completamente diferente a las dos primeras.

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Tipo de reaccin Fase transformndose Productos de la durante el enfriamiento transformacin

Sintctica L1+L2 B Peritctica + L ... ,., +L ~ Peritectoide u,

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L -7 y+ Fe3C

Reaccin eutectoide

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1000' e Austenita

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'Y + Fe3C

Ferrita + cementita

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"IoC

Fig. 1.6 diagrama de equilibrio Fierro-Carburo de Fierro.

Este diagrama esta caracterizado por tres reacciones invariantes:

Una reaccin peritctica a 1493 C y 0.17% C.

Una reaccin eutctica a 1147 C y 4.3% C Una reaccin eutectoide a 723 C y 0.8% e

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Fases estables y Transformaciones del fierro puro La propiedad de un elemento qumico de presentar ms de una estructura

cristalina es conocida como polimorfismo y si el cambio de estructura es reversible se le llama alotropa; se denominan transformaciones alotrpicas a estos cambios de estructura cristalina

Por definicin, un acero es aquella aleacin de fierro-carbono que tiene un mnimo de 0.08% hasta un mximo de 2% de contenido de carbono. En el caso de los aceros al carbono, se considera que no hay otros aleantes de adicin, si bien existen aleantes de proceso.

El fierro puro, sin otros aleantes y con contenidos de carbono menores del 0.02%, tiene la caracterstica de presentar diferentes estructuras cristalinas dependiendo de la temperatura a la que se encuentre.

El fierro al solidificar por debajo de los 1537 e y hasta una temperatura cercana a los 1400 e presenta una estructura cbica cuerpo centrado (e Be), que es la fase 5 (delta) tambin llamada ferrita delta. Es una estructura de alta temperatura en el fierro.

La fase 5, a temperaturas menores a los 1400 e, sufre un cambio de fase en el que la estructura cbica cuerpo centrado se transforma en cbica cara centrada (eFe), esta nueva fase que es llamada austenita o fase y g~mma) ~s estable entre los 910 e y los 1400 e.

Finalmente a temperaturas inferiores a los 910 e, el fierro presenta una nueva transformacin en que la estructura cambia de cbica cara centrada a cbica cuerpo centrado, esta fase es llamada ferrita o fase a.

Estas temperaturas y transformaciones de equilibrio son caractersticas del fierro puro, sin embargo al aumentar el contenido de carbono tenemos cambios significativos, tanto en las fases que se forman como en las temperaturas a las que suceden.

A fin de poder comprender mejor las estructuras metaestables que resultan de inhibir la reaccin eutectoide del acero, es conveniente recordar que es posible disolver mas carbono en los espacios intersticiales entre los tomos de la estructura cbica cara centrada que es la estructura de la austenita o fase y, que en los espacios intersticiales de la estructura cbica cuerpo centrado de la ferrita o fase a. Al enfriar lentamente un acero que contenga mas del 0.02% de e, desde la regin austentica, inicialmente en los lmites de grano se iniciara la transformacin de austenita en ferrita y el carbono ser expulsado por lo que reaccionar formando el carburo de fierro, Una razn de estas modificaciones se debe a que mientras la austenita puede disolver hasta 6.67% en peso de carbono, la ferrita solo puede disolver un mximo de 0.02% de carbono, esta diferencia de solubilidades da como resultado la formacin de nuevas fases como lo veremos a continuacin.

Al estudiar el diagrama de fierro-carburo de fierro, de las tres transformaciones invariantes mostradas por el diagrama (peritctica, eutctica y eutectoide), la nica que sucede de forma total es la reaccin eutectoide, pero como la difusin del carbono en el fierro es relativamente lenta, puede inhibirse total o parcialmente al enfriar bruscamente el acero desde una temperatura superior a los 723 e. a esta temperatura se le conoce como temperatura crtica de transformacin.


Fig. 1.7 micrografas de austenita y ferrita (recocida)

Fases metaestables de la aleacin Fe-carburo de Fe. Tericamente, las fases de equilibrio de un acero al carbono (sin la presencia

significativa de otros aleantes) a temperatura ambiente, debera ser ferrita y grafito. En la prctica esto no sucede en los aceros y se forma en cambio ferrita y un compuesto metaestable que es el carburo de fierro Fe3e, llamado cementita. Sin embargo, aunque la cementita es metaestable, a la temperatura ambiente, no se descompone en miles de aos, la razn de esto es que si bien las fases de equilibrio deben ser ferrita y grafito, la reaccin de formacin de la cementita es mucho ms rpida que la formacin del grafito. Al analizar la historia trmica de los aceros podemos ver que la reaccin eutectoide primaria tiene lugar a la temperatura aproximada de 7230 e, a esta temperatura y con la composicin nominal de los aceros, es despreciable la formacin de grafito y la estructura primaria estar formada por capas sucesivas de ferrita y de cementita (carburo de fierro) que es conocida como perlita. A temperaturas superiores a los 4000 5000 e, se formar la perlita gruesa y a temperaturas un poco menores se formar la perlita fina. Si el acero se enfra mas rpidamente y se alcanza una temperatura comprendida entre los 2000 y los 4000 e, la austenita se transforma ahora en agujas muy finas de cementita y de ferrita que es provocada por la dispersin submicroscpica de carburos de fierro dentro de una matriz de ferrita fuertemente distorsionada por contener mas de 0.02% de carbono que queda atrapado en los espacios intersticiales de la red. A esta nueva estructura se le denomina bainita, que tambin puede presentar dos formas diferentes que son bainita superior y bainita inferior.

Las transformaciones de austenita a perlita y a bainita, as como la trasformacin de austenita a ferrita y cementita, ocurren por un proceso de nucleacin y crecimiento que es controlada por la velocidad de difusin y dependen adicionalmente del tiempo y la temperatura.

Si la austenita es enfriada an mas rpidamente y a temperaturas inferiores a 200 0

e, puede formarse otra fase nueva llamada martensita, que es una fase muy dura y sumamente frgil, en la cual todo el carbono queda retenido en una solucin slida sobresaturada de carbono


Fig. 1.8 fases metaestables de los aceros de izquierda a derecha:

Ferrita+Perlita; perlita (ferrita + cementita); martensita.

La presencia de este exceso de carbono distorsiona la estructura cristalina pasando de cbica centrada en las caras a tetragonal centrada en el cuerpo. La magnitud de esta distorsin es aproximadamente proporcional al contenido de carbono. La transformacin de austenita a martensita, se produce sin que exista difusin y es lo suficientemente rpida para ser independiente del tiempo, pero la fraccin de austenita que se transforma en martensita depende casi totalmente de la temperatura a la que suceda la transformacin ya que la velocidad de transformacin es cercana a la velocidad del sonido, es decir casi instantnea.

Para poder predecir estas reacciones de no equilibrio, los diagramas de fases dejan de ser tiles y es mas fcil estudiarlas empleando los diagramas de transformacin isotrmica.

Los diagramas de transformacin isotrmica En el diagrama de fases, no es posible encontrar las fases de martensita y bainita

ya que estas no son de equilibrio y aparecen cuando el acero es enfriado de forma rpida.

Para la aplicacin prctica de las transformaciones de los aceros, se han realizado curvas empricas en las que muestras de una aleacin determinada son sometidas a transformaciones isotrmicas y se registran los tiempos en los que se inicia y termina la transformacin de la austenita. Los datos se grafican, el eje de las ordenadas es funcin de la temperatura y el eje de las abscisas es funcin del tiempo. A estas grficas se le conoce como diagramas tiempo-temperatura-transformacin o diagramas T-T-T (Fig. 1.7).

Los diagramas T -T -T han sido desarrollados para poder estudiar las transformaciones al estado slido de diferentes materiales, las mas empleadas y conocidas son los diagramas para aceros.

En un diagrama T-T-T podemos ver que las curvas tienen una forma de S en las que sobresalen dos lneas; la primera que marca el inicio y la segunda que marca terminacin de la reaccin de conversin de austenita a perlita o de austenita en bainita. La curva presenta una inflexin que marca el tiempo mnimo

De transformacin y en el cual la velocidad es mxima, a este punto se le llama "nariz de la perlita" o simplemente "nariz".

La transformacin ms rpida de austenita en perlita ocurrir precisamente en el momento de tocar la punta de la nariz de la curva que en nuestro ejemplo de la figura 1.7 se encuentra entre los 5000 y los 600 0 e y que ocurrir en aproximadamente 1.5 segundos de residencia y terminar aproximadamente a los 8 segundos.


Si en cambio deseamos obtener estructuras bainticas, debemos enfriar a una temperatura entre los 4000 y los 4500 e y la transformacin se iniciar a los 15 segundos de residencia y terminara 2 minutos despus.

Si el enfriamiento es demasiado rpido y se evita cortar la "nariz" de la curva, llegaremos a una lnea horizontal que marca el inicio de la conversin de la austenita en martensita, esta lnea esta marcada como Ms, en ocasiones los diagramas tiene lneas paralelas a Ms para indicar el grado de conversin de austenita en martensita y as tenemos las lneas M50 y M90 que indica que se convierte el 50% y el 90% de la austenita en martensita, existe una lnea mas marcada como Mf que indica el fin de la conversin a martensita. Estas lneas son horizontales ya que la conversin de austenita a martensita depende nicamente de la temperatura.

La velocidad con que se transforma la austenita en perlita o bainita, en un acero al carbono, es dependiente de la velocidad de difusin del carbono a travs de la austenita, y que no se formar la ferrita hasta que el contenido local sea aproximadamente de 0.02% de carbono, y no se iniciar la formacin de cementita hasta que la concentracin local sea aproximadamente de 6.67% de carbono, adicionalmente, tambin deben reacomodarse por difusin los tomos de los otros elementos aleantes.

La velocidad de transformacin de la austenita en martensita es independiente del tiempo y depende de la temperatura a la que se inicie la reaccin.

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En resumen podemos concluir de forma general que dependiendo de la temperatura seleccionada podemos obtener:

Austenita que se transforma en perlita gruesa o fina a una temperatura relativamente alta y que se lleva ms rpidamente en la nariz de la curva. Es decir el enfriamiento no es brusco.

Austenita que se transforma en bainita superior y acicular si la velocidad de enfriamiento lleva al material a una temperatura moderada y en un tiempo lo suficientemente rpido que no toque la punta de la nariz.

Austenita que se transforma de forma instantnea en martensita si la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rpida para no tocar la nariz.

Estas curvas se aplican tanto en el sentido de enfriamiento como el de calentamiento y base a estos diagramas que se han desarrollado los tratamientos trmicos de los materiales, de forma que podemos establecer que tipo de estructura vamos a obtener y por lo tanto la dureza y resistencia de un material.

Efecto de los aleantes de adicin La martensita es una estructura dura y frgil en los aceros, bajo ciertas

condiciones es deseable obtenerla por su alta resistencia al desgaste y a la compresin, para lograrlo, debemos enfriar bruscamente el material, a este tratamiento trmico lo llamamos "temple". En nuestra curva ejemplo para poder templar el material tan solo tenemos un lapso menor a un segundo, lo que solo permite el templado de piezas muy delgadas ya que en el momento que se cruce la lnea de la nariz se iniciar la reaccin de formacin de perlita.

Con la finalidad de hacer mas templable un acero y permitir velocidades menores de enfriamiento, lo mejor es hacer que la nariz se recorra hacia el lado derecho del diagrama para tener un mayor tiempo de templado, esto se logra con la adicin de aleantes que ayuden a retrazar la conversin austenita-perlita.

Los aleantes como el Cromo, el Manganeso, el Vanadio y el Molibdeno, que tambin se difunden pero lo hacen a una velocidad mas lenta que los tomos de carbono y retardan o atrasan el punto de equilibrio para la formacin de las fases perlticas o bainticas, este atraso, promueve la formacin de la martensita a velocidades mas rpidas sin necesidad de enfriamientos muy bruscos, es decir hacen que la aleacin sea mas fcilmente endurecible o templable.

Otros aleantes como el nquel, al alcanzar ciertas concentraciones, tambin pueden retardar la transformacin en equilibrio disminuyendo la temperatura de la reaccin eutectoide a un valor en el cual la difusin de carbono se vuelve muy lenta con lo que inhiben la transformacin y el acero permanece austentico.

Los elementos de aleacin influyen de manera especfica sobre las propiedades de los aceros y sobre su comportamiento en procesos tales como tratamiento trmico y soldadura. La descripcin que se hace a continuacin de sus efectos debe ser tomada con reservas ya que el efecto de un solo aleante puede ser sinergizado o bien neutralizado o minimizado por la presencia de otros aleantes.


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CAPITULO 2 EXTRACCiN DE METALES A PARTIR DE LOS MINERALES.

La sociedad ha sufrido grandes cambios en su evolucin gracias en parte al empleo de herramientas cada vez mas complejas y sofisticadas. Muchas de estas herramientas no hubiera sido posible su existencia sin la presencia de algn material metlico, de hecho, la historia de la evolucin humana esta dividida por perodos en funcin del metal empleado, as pues tenemos la edad de piedra, la del cobre la del bronce y finalmente la del hierro, en la cual an seguimos viviendo . A la separacin de los metales de sus minerales se le conoce como metalurgia extractiva.

Si bien hoy en da existe una mayor cantidad de materiales metlicos no ferrosos, el hierro y el acero siguen siendo pilar importante de la civilizacin moderna, por tal motivo iniciaremos con el estudio de la obtencin de los metales ferrosos.

Clasificacin de los Materiales. Los materiales que empleamos en las distintas ramas de la ingeniera pueden

clasificarse de manera general de la figura 2.1 :

r..,\A.TER IAlES

HIERROS

Figura 2.1: Clasificacin de los materiales empleados en ingeniera.

La metalurgia extractiva. A la separacin de los metales de sus minerales se le conoce como metalurgia

extractiva .

Al igual que otras tecnologas hoy en da, la fabricacin de hierro y acero cambia con suma rapidez a fin de competir en los mercados mundiales. En esta parte, se resumen los mtodos clsicos de reduccin de minerales y purificacin de los metales extrados,

puesto que muchos an estn en uso. Algunos de los procesos modernos se utilizan cada vez ms y se estn construyendo nuevas plantas metalrgicas para su aplicacin. Otros an se encuentran e la etapa experimental. El arrabio, el hierro colado y el acero se conocen como metales ferrosos y a todos los otros metales se les conoce como metales no ferrosos . En una segunda parte describiremos la obtencin del cobre, el aluminio y otros metales no ferrosos a partir de sus respectivos minerales.

Para poder continuar, debemos definir varios trminos empleados en siderurgia.

, Fierro es el elemento qumico El fierro es el cuarto elemento ms abundante en la corteza terrestre. Casi nunca se le encuentra en su estado nativo o metlico, sino como parte de diferentes compuestos naturales llamados minerales.

ArraQio es una aleacin fierro-carbono, que contiene entre 3 y 4.5% en peso de carbono. W;.o ~k'fO de. \0. rv5.~dV\. (9Ij- Ift9V\)

Hierro es una aleacin de fierro-carbono, que contiene mas de 2% en peso de carbono.

Acero es una aleacin de fierro-carbono, que contiene entre 0.08 y 2% en peso de carbono. O-\\oOtW~ecJo :6.e.l-e.. ~'veY---( .. c:.Aec,\-o~Je~) . Explotacin de minerales del hierro.

Los minerales del hierro se encuentran en todo el mundo, pero en el pasado slo ciertos depsitos se consideraban lo bastante ricos en hierro para ser explotados. Hace pocos aos, la mayora de los fabricantes de hierro y de acero no haban considerado la explotacin de un mineral cuyo contenido de hierro fuera menor del 30%, sobre todo si el mineral era difcil del procesar. Sin embargo, actualmente un mineral llamado tacan ita es una de las fuentes primarias para la produccin de arrabio en los altos hornos. En la tabla 2.1 se puede ver que el conten ido de hierro de la Taconita se halla entre en 25% y 35%. Otro mineral empleado es la Hematita, el cual contiene alta concentracin de hierro, del 68%. En la tabla 2.1 se indican algunos minerales de Fe.

Los minerales de fierro generalmente se extraen por la tcnica de explotacin s a cielo abierto. Cuando el mineral se extrae de la mina, se limpia y se separa de la ganga, o roca sin valor, por medio de un proceso llamado de preparacin y concentracin del

Retleticlo de flotacin, ag lomeracin y separacin magntica. Por medio de estos procesos, los i mineral. Este proceso podra llevarse a cabo por uno de los siguientes mtodos, como el

minerales de baja ley, se enriquecen y paletizan antes de ser transportados a las fbricas de acero.

Nombre Frmula 111% Fierro

Magnetita Fe304 72.4

Hematina Fe20 3 70.0

Limonita 2Fe20 3, 3H2O 59.8

Goetita Fe20 3, H20 62.9

Siderita FeC03 8.2

Taconita Fe30 3 25-35

Tabla 2.1. Minerales de hierro mas empleados en siderurgia.


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Figura 2.2. Explotacin minera en tajQ abierto.

Figura 2.3. Mineral de fierro

Figura 2.4. Pala de veinticinco yardas al momento de cargar un camin de 150 toneladas en una mina de tajo abierto.

Fierro esponja y polvo de hierro. Actualmente existe una oferta creciente de fierro esponja y puede esperarse un

rpido incremento en su produccin ya que el mineral puede explotarse en zonas cercanas a los yacimientos y transportarse econmicamente como pelets de metal enriquecido. En la actualidad muchos otros sistemas convierten al mineral directamente en forma de pelets (figura 2.5). Los procesos HyL, el Midrex y el SL/RN se emplean para producir pequeos pelets de fierro esponja que contienen alrededor de 95% de fierro. Los

La obtencin de los metales 17

pelets se pueden emplear como materia prima en los hornos de aceracin, pero la mayor parte se utiliza en hornos elctricos. En la actualidad se producen solo pocos millones de toneladas anualmente de fierro esponja, comparado con mas de 125 millones de toneladas de arrabio producidos en los altos hornos tan solo en los Estados Unidos.

Figura 2.5. Pelets de hierro producidos por reduccin directa.

El proceso es simple ya que el mineral de fierro es mezclado con otros materiales para formar esferas metlicas con dimetros que pueden variar entre 3 y 5 cm llamadas "pelet", los cuales se alimentan en un reactor dentro del cual se hace pasar una corriente gaseosa que contiene: gas natural, monxido de carbono y vapor de agua y que producen la reaccin de reduccin del mineral a metal, este proceso es por cargas o lotes (proceso en "batch").

El polvo de fierro se ha producido directamente a partir del mineral ya desde los aos 20 y se utiliza para producir partes pequeas formndolas bajo la accin de altas presiones y sinterizndola~en un horno.

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Produccin del coque. I ' Uno de los tres ingredientes principales en la produccin del arrabio es el coque, que

es el producto de un proceso de destilacin del carbn de piedra en ausencia de aire. Cuando el carbn de piedra se calienta en hornos de coquizacin figura 2.6, se eliminan gran parte de las impurezas quedando finalmente el coque que un material duro, frgil y poroso que contiene del 85% al 90% de carbono y que retiene cenizas, azufre y fsforo . Un tipo ms antiguo de horno de coque, llamado horno de colmena debido a su forma, ya es obsoleto debido a que desperdiciaba los gases que se producan durante el proceso. Del gas que se produce en los hornos de coquizacin se obtienen muchos productos tiles: gas combustible, amoniaco, azufre, aceites y alquitranes. De los alquitranes del carbn de piedra provienen muchos productos importantes, tales como colorantes, plsticos, hules sintticos, perfumes, sulfas y aspirina.

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Figura 2.6. planta de coquizacin y celda de coquizacin.

Figura 2.7. descarga de coque.

Produccin de arrabio. El mineral de hierro se convierte en arrabio en un alto horno. En la figura 2.7 se

muestra un alto horno. El mineral de hierro, el coque la caliza y otros minerales como la fluorita, se vacan a intervalos por el tragante que se encuentra la parte superior del alto horno, haciendo as continuo el proceso. Para producir una tonelada de hierro se requieren aproximadamente dos toneladas de mineral, una tonelada de coque y media tonelada de caliza.

El primer paso para obtener hierro o acero primario es la obtencin del arrabio por reduccin, que es un proceso qumico en el que el oxgeno (O) del mineral de fierro se combina con el carbono (C) y se obtiene fierro metlico y bixido de carbono. Cuando el mineral de hierro y el coque se ponen en alto horno, se libera el fierro metlico de su estado de xido por reduccin. Los materiales slidos, el coque, la caliza y el mineral entran al alto horno por el tragante en la parte superior, mientras que en el fondo se inyecta aire caliente a presin.


Figura 2.8. Alto horno.

En el horno, el coque se quema cerca del fondo y el calor sube para encontrarse con la carga descendente de mineral de fierro, coque y fundentes. A temperaturas alrededor de los 1650C, el coque reacciona con el oxgeno del chorro de aire y se convierte en monxido de carbono (CO) que asciende y reacciona con el xido de fierro ocasionando la reduccin y se produce elfierro metlico (Fe) y dixido de carbono (C02). El dixido de carbono reacciona con el carbono del coque remanente para formar de nuevamente CO que ayuda a reducir mas xido de Fierro. Por otra parte, el fierro lquido disuelve parte del carbono y forma una aleacin fierro carbono que es el arrabio.

Simultneamente, la caliza acta como fundente y escorificante y se utiliza para separar principalmente la slice (Si02) del fierro y otras impurezas que se mezclan para formar un compuesto de menor temperatura de fusin llamado escoria. Durante esta reaccin qumica, la caliza se descompone para formar xido de calcio y dixido de carbono (CaC03 -> CaO + CO2). El xido de calcio tiene una respuesta bsica y reacciona con la ganga silcea que es cida y se forma el silicato de calcio (CaO Si02) que se convierte en parte de la escoria que es ms ligera que el metal fundido de fierro por lo que flota encima de l protegindolo de la oxidacin. Conforme contina el proceso, se obtiene el fierro metlico y escoria que se acumulan en el crisol que se encuentra fondo del horno en donde permanecen como una masa fundida; la escoria se extrae peridicamente para transportarlo en carros para escoria como subproducto que algunas veces se muele para obtener un agregado que se utiliza en el concreto asfltico y en los bloques de construccin de concreto.


Figura 2.9. Carro termo o torpedo

Cada vez que el crisol se llena se extrae el arrabio en un proceso llamado colada y se colecta en un carro especial llamado carro termo o "torpedo", el cual mantiene caliente el metal fundido (figura 2.8). para transportarlo a los convertidores de acero. Antiguamente el arrabio se verta directamente en moldes abiertos de arena que consistan en un canal o artesa con muchos moldes pequeos a cada lado, a semejanza de una cerda y su cra, de donde proviene el nombre (en ingles) de "pig iron" . Los lingotes de arrabio se volvan a fundir en los talleres de fundicin de hierro colado o en fbricas de acero.

Figura 2.10. Colada de un alto horno

Los hierros Tcnicamente un hierro se define como una aleacin de fierro-carbono que tiene un

contenido mayor al 2% de carbono, sobre esta aleacin inicial, se pueden obtener otros hierros. Por costumbre a los hierros tambin se les llama fundiciones pero esto debido a que es el nico proceso de fabricacin empleado actualmente para producir piezas de hierro.


El arrabio que se obtiene del alto horno contiene entre 3 y 4.5% de Carbono, aproximadamente 4% de Silicio, hasta 1 % Magnesio y algunas otras impurezas indeseables tales como fsforo y azufre.

Hierro forjado. Antes de la revolucin industrial, el hierro se produca al calentar el mineral para

separar las impurezas en una fragua o en hornos de cubilote hasta obtener una colada blanca y producir hierro. El fuego de carbn vegetal en la fragua no era lo bastante intenso para fundir el hierro y el resultado era una masa pastosa de hierro que se forjaba para eliminar la "ganga" fundida o escoria. El resultado era hierro forjado blando que contena poco o nada de carbono. Este mtodo de fundir el mineral de hierro no se ha utilizado comercialmente desde la Edad Media.

Antes de que se conocieran los procesos de produccin de acero modernos el hierro forjado se utilizaba para barras, rieles y formas estructurales para puentes, calderas y muchos otros usos. El hierro forjado se obtena por un proceso de pudelado en el cual se funda arrabio en un horno de hogar abierto. se aada entonces cal y fluorita para formar una escoria. Luego, el hierro se enfriaba lentamente hasta la consistencia de una masa pastosa que se mezclaba manualmente con "hurgones" y se pudelaba, El carbono y otras impurezas se separaban del hierro como escoria. La masa de hierro se separaba y se forjaba o laminaba para acabar de separar la escoria, sin embargo, mucho de ella permaneca en el hierro. El resultado era un hierro blando, de muy bajo carbono y fibroso (debido a la escoria atrapada). El hierro as obtenido se utilizaba para fabricar piezas tales como pasamanos para escaleras, tubera y otros productos expuestos al deterioro por oxidacin. Las ventajas de este material son su alta ductibilidad (puede deformarse fcilmente sin que ocurra rotura), una buena soldabilidad y resistencia a la corrosin.

Procesos de fabricacin de acero. Debido a que el arrabio presenta un alto contenido de carbono y otras impurezas,

debe refinarse para producir acero.

Como ya se menciono, el acero es una aleacin de fierro que contiene de 0.08% a 2% de carbono y en algunos casos otros elementos aleantes. Ms del 90% de todo el acero que se produce se clasifica como acero al carbono simple, ya que su contenido de carbono se controla usualmente por debajo del 0.3%. Y se agregan pequeas cantidades de manganeso y silicio para controlar el azufre y otras impurezas que an permanecen en la colada. Una colada es una cantidad de metal que se produce en una operacin de aceracin.

Los principales procesos de fabricacin de acero son:

El convertidor Bessemer

El convertidor oxgeno bsico BOF

El horno de hogar abierto

El Horno elctrico.

Convertidor Bessemer El convertidor Bessemer fue el primero de los convertidores de gran capacidad y

utiliza aire para quemar el exceso de carbono y otras impurezas. No obstante que el convertidor es rpido ya que tarda aproximadamente 20 minutos para una colada, actualmente se produce muy poco acero por este proceso debido a la baja calidad del producto y a que el convertidor Bessemer se limita a utilizar arrabio para fabricar acero y


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no permite el empleo de chatarra. En este proceso el convertidor se carga con arrabio fundido y se inyecta aire por la parte inferior lo que ocasiona que el metal fundido entre en contacto con la atmsfera gaseosa y se produzca la combustin del carbono, una vez terminada la aceracin, se retira la escoria fundida, se agregan pequeas cantidades de carbono y algn otro aleante y se vaca el metal fundido en la ollas de transporte, por sus limitaciones el proceso Bessemer solo se emplea para fabricar aceros al carbono.

Figura 2.11. Convertidor Bessemer.

Convertidor bsico de oxgeno. Un desarrollo moderno es el convertidor bsico de oxgeno (BOF) y est diseado

para fabricar aceros de alta calidad en un periodo muy corto en comparacin con el proceso de hogar abierto. El proceso BOF utiliza una lanza que inyecta oxgeno desde la parte superior del horno para quemar las impurezas Tiene la ventaja adicional de que se puede mezclar el arrabio con chatarra y acelerar el proceso. Alrededor del 60% de la produccin mundial de acero se obtiene utilizando los convertidores BOF.

Figura 2.11. Momento en el que se carga hierro fundido del alto horno el BOF


Figura 2.12. Carga de chatarra del BOF.

Figura 2.13. Muestreo para anlisis de composicin en un BOF.

El convertidor BOF, puede producir unas 200 toneladas por colada y los elementos aleantes se agregan en condiciones controladas al final de proceso de aceracin. El convertidor se carga con arrabio fundido, mineral de hierro, chatarra de acero y fundentes como la caliza, la cual reacciona con las impurezas y forma una escoria sobre el metal fundido. La lanza es enfriada por agua y baja hasta introducirse en el metal fundido al mismo tiempo que se inyecta una corriente de oxgeno a ms de 20 Kg/cm2 de presin sobre la superficie del bao. La oxidacin del carbono y de las impurezas provoca una fuerte agitacin del bao fundido, poniendo todo el metal en contacto con la corriente de oxgeno. Una vez terminada la aceracin, el convertidor se inclina para eliminar la escoria. Se aaden carbono y otros elementos aleantes para obtener la composicin qumica deseada del acero, se agita el bao y finalmente se le hace girar para vaciar el acero fundido en una olla de transporte.


Horno de hogar abierto. Actualmente, el acero tambin se produce en aceros de hogar abierto o

convertidores Siemmens-Martin este tipo de convertidores produce un acero de alta calidad. Los hornos que utilizan este proceso producen entre 100 Y 375 toneladas por colada pero tienen el inconveniente que el proceso tarda entre 4 y 8 horas. En este tipo de convertidor la superficie del metal fundido compuesto por arrabio y chatarra son expuestos a una corriente de aire caliente que en ocasiones es mejorada con la inyeccin de oxgeno, lo que ocasiona la combustin del carbono y otras impurezas, una vez terminada la aceracin, se retira la escoria y se agregan los aleantes para ajustar la composicin qumica de la colada y se vaca el metal fundido a una olla de transporte.

Figura 2.14. Colada de un horno de hogar abierto

Hornos elctricos. El acero de horno elctrico constituye casi 20% de la produccin de acero a nivel

mundial. Igual que con el proceso de hogar abierto, el horno elctrico utiliza arrabio, chatarra seleccionada y otros aleantes.

Figura 2.15. Horno elctrico


En donde se encuentra muy poco carbn y mineral de hierro, est disponible chatarra de acero en cantidades considerables y electricidad barata, el horno elctrico es un productor competitivo de acero de alta calidad esto debido a que tanto la temperatura como la atmsfera pueden controlarse. El horno elctrico es ideal para producir acero con especificaciones estrictas por lo que la mayora de las aleaciones especiales, tales como los aceros inoxidables y los aceros para herramienta se producen empleando este horno. Una limitacin con estos hornos es que el proceso completo requiere de 4 a 12 horas, esto depende del tipo de acero que se producir.

FIGURA 2.16: Electrodos de un horno elctrico.

Clases de aceros obtenidos. En los procesos de aceracin el metal fundido generalmente retiene una gran

cantidad de gases y se le conoce acero efervescente, esto debido a que se forman cavidades de gas cuando el acero solidifica, dando por resultado un lingote que presenta una superficie externa libre de defectos mientras que las impurezas y cavidades de gas atrapado se concentran en el centro del lingote.

Para producir un acero calmado (silicon killed) despus de la aceracin y durante el ajuste de la composicin qumica se aade ferrosilicio al bao metlico, el cual reacciona con el oxigeno presente y se produce una escoria que cubre el bao metlico (calmado), el acero es desoxidado en la olla o cuchara para evitar que se produzca evolucin de gas en la lingotera y de esta forma se obtiene un acero de mejor calidad.

Algunas veces se agrega aluminio metlico (desoxidacin con aluminio) y obtener un acero de grano mas fino y menos poroso y sobre la cabeza del molde se pone un material exotrmico para reducir el efecto de la contraccin por solidificacin del metal.


Figura 2.17: Olla con acero calmado al silicio

Cuando se requiere de una mayor calidad en el acero se puede necesitar la desgasificacin al vaco y la metalurgia de inyeccin en la olla de colada.

La desgasificacin al vaco se realiza haciendo pasar el acero fundido en una cmara donde los gases disueltos en el metal fundido tales como oxgeno, nitrgeno e hidrgeno son extrados por el vaco. El acero desgasificado se retorna a la olla, de ser necesario, el ciclo se repite hasta que todo el acero ha sido expuesto al vaco.

Tambin se producen aceros excepconalmente puros inyectando gas argn, aleaciones y fundentes pulverizados en una olla tapada que contiene el acero fundido.

Estos procesos no slo purifican el acero al reducir su contenido de azufre y otras impurezas, sino que incrementan su homogeneidad, mejoran su maquinabilidad y hacen posible la elaboracin de aceros especializados con una composicin y calidad altamente predecibles.

Figura 2.18: Campana para desgasificacin al vaco de aceros


Cuando el acero esta listo se vaca a la olla de transporte y Mediante una gra se levantan las ollas con alrededor de 100 toneladas de acero fundido que se pueden llevar a las lingoteras donde se vierte el metal fundido por medio de una abertura que est en el fondo de la cuchara (figura 2.14). En otros casos, el acero es transportado directamente a los trenes de laminacin continua.

Figura 2.19: Vaciado en lingoteras

Figura 2.20: Tren de laminacin continua


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Obtencin del cobre. El uso del cobre se remonta a la prehistoria. Las comunidades neolticas de

esquimales y los habitantes de Turqua, Egipto y Norteamrica forjaban el cobre nativo para obtener herramientas y ornamentos. El cobre, comparativamente, es uno de los pocos metales que se encuentran en la naturaleza en estado "nativo" o metlico.

Figura2.21. Mineral de cobre y pepita de cobre nativo

La mayor parte del cobre utilizado actualmente se extrae de diferentes minerales por mtodos de fundicin. Los sulfuros minerales se trituran finamente y se procede a la separacin del mineral de la ganga por medio de flotacin, lixiviacin o separacin mecnica . El concentrado de mineral generalmente es un sulfuro por lo que se requiere de un proceso de tostacin en el cual por oxidacin se elimina el azufre, y se obtiene el xido de cobre. El xido de cobre tambin contiene oro, plata y otras impurezas, las cuales se eliminan mas adelante.

Figura 2.22. Concentrado de cobre por flotacin

Una vez tostado el mineral de cobre se produce la reduccin en un horno de beneficio del cual se obtiene cobre metlico impuro llamada mata y que presenta adicionalmente metales como el oro, plata, tungsteno en menor cantidad. El siguiente paso en el proceso es volver a fundir el metal e inyectarle aire para producir un cobre refinado conocido como cobre ampollado (blister) el cual se solidifica en forma de electrodos planos para su refinacin electroltica.


Figura 2.23. Horno de tostado del mineral de cobre

Figura 2.24. La mata de cobre se carga en el convertidor y vaciado de los nodos de 300 Kg.

En la refinacin electroltica las impurezas tales como el oro y la plata se colectan en el fondo de los tanques y se separan del lodo por otro proceso. El cobre electroltico as obtenido tiene una pureza de 99.9%


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Figura 2.25 Celdas de refinacin electrolt ica y cobre electroltico con pureza del 99.9%

Figura 2.26 Lingotes de cobre y productos de cobre

Obtencin del Aluminio. Aunque el aluminio es un material muy abundante en la corteza terrestre (8,1%),

raramente se encuentra libre. El tipo de tierra de que se extrae el aluminio se llama mineral de bauxita. La bauxita es un mineral rico en xido de aluminio, formado a lo largo de millones de aos mediante la erosin qumica de rocas que contienen silicatos de aluminio. Muchos de los minerales terrestres contienen aluminio, pero el mineral de ms uso en la produccin de aluminio es la bauxita, el cual se encuentra en relativamente pocos lugares, Primero se extrajo en Francia y desde entonces se ha encontrado en otros lugares en todo el mundo. Actualmente, la mayor parte de la minera de bauxita est situada en el Caribe, Australia y frica.

Figura 2.27 Mineral de bauxita y alumina purificada (y 6~~J.c, d..~ ().lvy~JV\~o)

Cuando el Aluminio fue descubierto se encontr que era extremadamente difcil su separacin de las rocas de las que formaba parte, por lo que durante un tiempo fue considerado un metal precioso, ms caro que el oro. Sin embargo, con las mejoras de los procesos los precios bajaron continuamente hasta colapsarse en 1889 tras descubrirse un mtodo sencillo de extraccin del metal. Las primeras sntesis del metal se basaron en la reduccin del cloruro de aluminio con potasio elemental. En 1859 Henri Sainte-Claire


Deville public dos mejoras al proceso de obtencin al sustituir el potasio por sodio y el cloruro simple por doble; posteriormente, la invencin del proceso Hall-Hroult en 1886 abarat el proceso de extraccin del aluminio a partir del mineral, lo que permiti , junto con el proceso Bayer del mismo ao, que se extendiera su uso hasta hacerse comn en multitud de aplicaciones. Actualmente el proceso ordinario de obtencin del metal consta de dos etapas, la obtencin de almina por el proceso Bayer a partir de la bauxita, y posterior electrlisis del xido para obtener el aluminio.

Obtencin de la alumina por el proceso Bayer La bauxita pasa bsicamente por dos procesos de refinacin. El primero es aqul

en el cual el mineral se desintegra triturando la bauxita hasta pulverizarla, el mineral es entonces lixiviado en recipientes a alta presin mezclndolo con cal viva y sosa custica (hidrxido de sodio NaOH). El silicato y el xido de aluminio se disuelven en la solucin, dejando las impurezas en los lodos de lixiviacin.

El segundo paso es sacar de los tanques la solucin custica y evaporar el r''l ua para provocar la precipitacin del hidrxido de aluminio, el precipitado se lava ' ra eliminar la sosa custica y finalmente se aplica calor para eliminar el agua, deshidraL J y obtener un polvo blanco que es el xido de aluminio (AI20 3) llamado alumina.

Con cuatro toneladas de bauxita, es posible refinar aproximadamente dos toneladas de almina. A partir de esas dos toneladas de almina se puede fundir una tonelada de aluminio.

Figura 2.28. Celdas de electrolisis de aluminio

Obtencin del aluminio por el proceso Hall-Hroult. En la segunda etapa, la almina (xido de aluminio Ab03), se somete a una reaccin

de reduccin electroltica a alta temperatura para formar aluminio metlico.

La elevada reactividad del aluminio imPide extraerlo de la almina mediante reduccin directa, siendo necesaria la electrlisis del xido, lo que exige a su vez que ste se encuentre en estado lquido. No obstante, la almina tiene un punto de fusin de 2000 oC, excesivamente alta para acometer el proceso de forma econmica. Al descubrirse que el xido de aluminio se poda disolver en criolita fundida se logro disminuir la temperatura a unos 1000C, lo que hizo rentable el proceso de obtencin industrial del aluminio. Actualmente, la criolita se sustituye cada vez ms por la ciolita un fluoruro artificial de aluminio, sodio y calcio.


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La reaccin que ocurre en la celda electroltica es bastante simple La celda o cuba es construida con grafito, al hacer pasar la corriente elctrica se funde la criolita que acta tanto como disolvente como electrlito del proceso y se mantiene a una temperatura entre los 800 y 1000C, una vez lquida, se procede a disolver la alumina en la criolita, la celda tiene electrodos en la parte superior e inferior que provocan la descomposicin electroltica del xido de aluminio y se produce oxgeno en el lado del nodo y el aluminio se decanta por su densidad en el piso de la cuba que acta como ctodo. Una vez que se alcanza cierto nivel de aluminio este se extrae por medio de un sifn y el aluminio lquido se cuela en lingoteras.

Figura 2.29 Carga de la celda con alumina y detalle de la criolita fundida

Figura 2.30 Extraccin de aluminio por medio del sifn y lingotes de aluminio

Hasta aqu llega este resumen de la obtencin de los materiales metlicos de uso mas frecuente en nuestra industria, sin embargo existen muchos mas procesos de metalurgia extractiva algunos de ellos mas complejos para obtener y procesar metales tales como: nquel, titanio, zirconio, tungsteno, columbio, cerio y muchos metales raros. Existen muchas publicaciones que pueden ser consultadas, incluyendo las del Bureau of Mines, que explican estos procedimientos en detalle.

La continuacin de este tema es el de la metalurgia adaptativa que sirve para obtener las piezas metlicas que se emplean en la ingeniera.


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1

CAPITULO 3

LOS MATERIALES FERROSOS.

Debido a que las aleaciones de fierro son las ms usadas en la industria, los metales y sus aleaciones se clasifican en ferrosos y no ferrosos.

Las aleaciones ferrosas y en particular los aceros, se clasifican en base a algunas caractersticas comunes y existen muchos sistemas de clasificacin, mismos que difieren entre un autor y otro y entre una fuente y otra. Algunas clasificaciones se basan en los procesos de fabricacin como laminados en fro o en caliente y otras en base a la forma del producto barras, placas, tubos , y perfiles estructurales y una mas en sus aplicaciones como estructural y grado herramienta.

Las clasificaciones modernas se hacen en base a la composicin qumica ya que el acero es una aleacin que contiene entre el 0.08 y el 2% de carbono como aleante principal por lo que consiste normalmente del casi 98% de fierro , y tambin contiene pequeas cantidades variables de silicio, manganeso, azufre, fsforo y otros elementos.

El carbono es el elemento que tiene mayor efecto en las propiedades del acero. La dureza y resistencia aumentan a medida que el porcentaje de carbono se eleva, pero disminuyen considerablemente la tenacidad y la soldabilidad. Una menor cantidad de carbono hace al acero ms suave y ms dctil pero tambin disminuye su resistencia a la tensin .

La adicin de elementos tales como cromo, slice y nquel modifican las propiedades mecnicas fsicas y qumicas de una aleacin de acero y dependiendo de la combinacin y proporcin de estos aleantes se pueden obtener aceros con propiedades muy diferentes y de aplicacin especfica.

HIERR OS

HIERR O BLANCO

HIERR O GRI S

HI ERRO NODULAR

IERR O MALEABLE

MATERIALES

ACEROS AL ACEROS CARBONO ALEADOS

ACEROS ACER OS BAJO CARBONO BAJA ALEACION

AC ER OS MEDIO CARBONO

ACEROS ALTO CARBONO

ACEROS MEDIA AL EACION

AC EROS AL TA ALEACION

Tabla 3.1: clasificacin general de los materiales ferrosos en base a su

Sistemas de clasificacin de los materiales ferrosos.

Clasificacin por el sistema unificado de identificacin. El Sistema Unificado de Numeracin para Metales y Aleaciones (en

ingls UNS), fue propuesto por ISO (Internacional Standard Organization) y proporciona un sistema de designacin para todos las aleaciones presentes y futuras. La SAE la ASTM ya utilizan este sistema de identificacin.

El sistema unificado de numeracin establece 15 series para los metales y aleaciones. Cada nmero UNS consiste de una letra simple como prefijo seguido por cinco dgitos. La letra indica la familia de metales que identifica; por ejemplo, la letra A para el aluminio y la letra P para los metales preciosos.

Designacin unificada

Metales ferrosos

000001 -099999

F00001-F99999

G00001-G99999

H00001-H99999

K00001-K99999

S00001-S99999

TOOOO 1-T99999

Metales no ferrosos

AOOOO 1-A99999

COOOO 1-C99999

E00001 -E99999

L00001-L99999

MOOOO 1-M99999

N00001-N99999

POOOO 1-N99999

R00001 -R99999

Aleaciones comprendidas

Aceros de propiedades mecnicas especificadas.

Hierros colados: gris, maleable, perltico maleable, dctil (nodular). Colados de acero al carbono, colados de acero de baja aleacin.

Aceros al carbono y aleados (AISI-SAE) .

Aceros "H" AISI.

Miscelneos de aceros y aleaciones ferrosas.

Aceros inoxidables.

Aceros para herramienta.

Aluminio y, aleaciones de aluminio.

Cobre y aleaciones de cobre.

Metales de tierras raras y similares .

Metales de bajo punto de fusin.

Metales miscelneos.

Nquel y aleaciones de nquel.

Metales preciosos.

Metales reactivos y refractarios.

Tabla 3.2 . Sistema de numeracin unificado para metales y aleaciones.

Siempre que es factible se incorporan los nmeros de identificacin de sistemas existentes en los nmeros UNS. Por ejemplo, el acero al carbono, identificado anteriormente por AISI 1020, queda cubierto por el UNS G11 020; el latn de corte libre; identificado como CDA360, queda cubierto por el UNS C36000.

Clasificacion AISI/SAE Los sistemas ms comunes utilizados en Estados Unidos para clasificar

los aceros segn su composicin qumica los cre la Society of Automotive

36 materiales y procesos

1 )

1

1

1

1

1

1

1

1

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1

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J

Engineers (SAE) y el American lron ad Steel Institute (AISI).Los sistemas SAE y AISI utilizan un nmero de cuatro o cinco dgitos.

Designacin : Esta es la identificacin especfica de cada grado, tipo o clase de acero por medio de nmeros, letras, smbolos, nombres o una combinacin de estos para definir un acero particular.

El primer nmero indica el tipo de acero. Por ejemplo, el carbono se indica por el nmero 1, el 2 es para un acero al nquel , el 3 para un acero al nquel-cromo etc.

El segundo dgito indica el porcentaje aproximado del elemento aleante predominante . Por ejemplo el 4140 denota un acero al cromo-molibdeno que contiene alrededor de 1.0% de aleante principal que es cromo.

El tercero y el cuarto dgitos, representados por XX, denotan el porcentaje de carbono en centsimas. Por ejemplo, el nmero 1040 denota a un acero al carbono con 0.40% de carbono.

En la clasificacin de los aceros tambin se emplean trminos para los productos de acero que tienen aplicaciones especficas .

Grado: Indica la composicin qumica. Tipo: Indica la practica y el grado de desoxidacin empleada pueden ser: Aceros efervescentes. Aquellos que no han sido refinados para eliminar los gases del proceso de fabricacin. Aceros calmados al Silicio. Son aquellos que despus del proceso de aceracin se les agrega ferrosilicio para desoxidarlos y obtener un acero de mejor calidad . Clase: Describe algn atributo particular, nivel de resistencia, o tratamiento trmico .

El sistema numrico AISI es el mismo que el sistema SAE con ciertos prefijos de letras maysculas . Estos prefijos designan el proceso que se utiliza para producir el acero.

Prefijos AISI:

B

C

CB

D

E

H

Descripcin

Aceros al carbono fabricados en convertidor Bessemer.

Aceros al carbono fabricados en horno cido de hogar abierto.

Aceros al carbono fabricados en horno bsico al oxgeno

Aceros al carbono fabricado en horno cido de hogar abierto.

Aceros aleados fabricados en horno elctrico.

indica la templabilidad (opcional)

Los materiales ferrosos 37

Tipo de aleacin

Al carbono

Al carbono para corte libre, resulfurados

Aceros al manganeso

Aceros al nquel

Con 0.50% de nquel

Con 1.50% de nquel

Con 3.5% de nquel

Con 5.00% de nquel

Aceros al nquel-cromo

1.25% de nquel, 0.65% de cromo




Aceros resistentes al calor y a la corrosin

Aceros al Cromo

Cromo-molibdeno

Cromo-nquel

Al bajo cromo

Al cromo medio

Al alto cromo

Aceros al cromo-vanadio

Aceros al Nquel

Aceros al tungsteno

Aceros triplemente aleados

Aceros al silicio-manganeso

Aceros al plomo

Designacin

10xx

11xx

13xx

20xx

21xx

23xx

25xx

31xx

32xx

33xx

34xx

303xx

41xx

43xx

50xx

51xx

52xx

6xx

46xx y 48xx

7xxx

8xxx

9xxx

11 Lxx

Tabla 3.3. Designacin numrica SAE-AISI de los aceros.


1

I

J

I

J

J

I

I

J

J

J

Aceros al carbono Son los aceros cuyo principal elemento de aleacin es el carbono , y se

clasifican en base a su contenido de carbono de la siguiente manera :

Aceros Bajo Carbono

---1 Acero 1 con 0.005% C mx.

Acero ---1

Con 0.03% C mx.

Acero ---1

Con 0.15% C mx.

Acero o...... O ~SIYJp Con ~C mx.

Aceros al Carbono

I

I I

l Aceros Medio Carbono I

[Acero con

0.35 a 0.60% C Mx.

Aceros Alto Carbono

I Acero con 1

0.60 a .1.e% C mx.

.; tto e 'r(\;'$,

Tabla 3.4 Clasif icacin de los aceros al carbono.

Aplicaciones Si bien las aplicaciones de cada aleacin pueden ser muy amplias de

cada uno de los aceros de bajo carbono, a continuacin se presentan las mas frecuentes.

Acero con 0.005% e mx. Se emplea para la fabricacin de lmina para embutido profundo.

Acero con 0.03% e mx. Se emplea en la fabricacin de lmina galvanizada ligera, lmina para esmaltado y lmina para embutido ligero y medio as como alambres delgados.

Acero con 0.15% e mx. Sus aplicaciones son la fabricacin de estructuras automotrices (chasis) carroceras automotrices, alambrn y alambres. Lminas para prensado, troquelado o conformado en fro, lmina galvanizada de calibre medio. Fabricacin de materiales y perfiles conformados en fro (cold roll ed)

Acero con 0.15 a 0.35% e mx. Tienen un amplio campo de aplicaciones desde las estructurales como perfiles y vigas para construccin , tuberas, placas y lminas de servicio genera l

Aceros de medio carbono con 0.35 a 0.60% e mx. Se emplean para la fabricacin de herramientas y pa rtes de maquinaria de bajo costo .


Aceros de alto carbono con 0,60 a 1,00% C mx. Algunas de sus aplicaciones son la fabricacin de rieles econmicos, dados y algunos tipos de resortes y muelles.

Aceros aleados Son aquellos en los que el lmite especificado de elementos de aleacin

no excede del 1.65% Mn, 0.60% Si, 0.20% Mo, o bien, tienen un intervalo o una cantidad mnima definida de los siguientes elementos: Cromo, Nquel, Molibdeno, Manganeso, Titanio, tungsteno, vanadio.

Puede considerarse de manera ms o menos arbitraria, que los aceros de baja aleacin son aquellos que tienen un contenido total de aleantes hasta de 5%, los de media aleacin de 5 al 10% Y los de alta aleacin de ms de 10% Y menos de 50% de elementos aleantes.

Las propiedades mecnicas, fsicas y qumicas de estos aceros dependen de la aleacin y del tratamiento trmico.

,

Aceros Aleados

I

Aceros Aceros Aceros Baja Aleacin Med ia Aleacin Alta Aleacin

Aceros Aceros al Aceros al

--i baja aleac in --i Nquel. r-I Manganeso. y alta resistencia.

I--i Aceros al

--i Aceros al

r-I Aceros al

Cromo-Nquel. Cromo-Molidbeno Cromo

Aceros al Aceros al I--i

Cromo-Molibdeno. --i Cromo-Nquel

-Molibdeno

......., Aceros Con 0.35% C mx.

Tabla 3.5 c lasificacin simplificada de los aceros aleados

Efecto de los aleantes Los elementos de aleacin influyen de manera especfica sobre las

propiedades de los aceros y sobre su comportamiento en procesos ta les como tratamiento trmico y la soldadura. La descripcin que se hace a continuacin de sus efectos es genera l ya que el efecto de un solo aleante puede ser sinerg izado o bien neutralizado o minimizado por la presencia de otros aleantes .


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Carbono En los aceros, puede estar presente hasta en un 2% (limite terico) ;

puede estar solucin slida o formando carburos con otros elementos. Su presencia en ciertas concentraciones aumenta la resistencia mecnica y mejora la respuesta a los tratamientos trmicos al aumentar el endurecimiento por temple o templabilidad, en concentraciones superiores al 0.30% disminuye severamente la soldabilidad. Al variar el contenido de carbono y combinar la presencia de otros aleantes se puede obtener una gama muy amplia de propiedades mecnicas en los aceros.

Manganeso Es un elemento soluble en el fierro, su presencia tiende a mejorar las

propiedades mecnicas y la templabilidad del acero, su presencia como aleante ayuda a disminuir los afectos adversos del azufre, ya que forma sulfuro de manganeso (MnS), tambin tiene afinidad por el oxgeno por lo que forma el xido de Manganeso estos compuestos tienen una solubilidad limitada y una densidad menor que el fierro fundido por lo que tienden a flotar y pueden ser removidos como escoria. Si esta presente en cantidades mayores, se combinar con el carbono para formar carburo de manganeso. Es un elemento promotor de la austenita y a contenidos mayores al 10% convierte al acero en austentico a temperatura ambiente. En contenidos mayores a 1.00% reduce la soldabilidad.

Azufre Generalmente esta presente como aleante de proceso; su presencia es

mantenida a niveles muy bajos debido a que forma sulfuro de fierro que es un compuesto eutctico de bajo punto a fusin . Como aleante es indeseable para las operaciones de soldadura. En contenidos mayores de 0.05% causa fragilizacin en caliente y reduce la soldabilidad. Se adiciona como aleante en los aceros de maquinado rpido (Free Cutting Steel) .

Fsforo Generalmente esta presente como aleante de proceso. Su presencia en

contenidos mayores al 0.04% causa fragilizacin en fro y reduce la tenacidad a bajas temperaturas. Su presencia debe estar controlada para las operaciones de soldadura . Se adiciona como elemento de aleacin en los aceros de maquinado rpido (refosforados) .

Silicio Es un aleante de adicin Se disuelve en el fierro y aumenta la resistencia

mecnica y la tenacidad. Comnmente se emplea como desoxidante en los aceros ya que forma dixido de silicio (Si02), que por su densidad menor que el fierro flota en la superficie como escoria o queda atrapado como inclusin .

Cromo Es un elemento soluble en el fierro fundido y slido y tiende a retener la

fase ferrita por lo que aumenta la templabilidad. En contenidos de hasta de un 9% , aumenta la resistencia de la corrosin, la templabilidad y la resistencia mecnica a altas temperaturas , pero reduce la soldabil idad. En contenidos mayores al 11 .5% aumenta la resistencia a la corrosin a tal grado que forma la familia de los aceros inoxidables ferritico-martensticos.


Molibdeno Como aleante esta presente en contenidos no mayores al 2%. Su

presencia en bajas concentraciones sirve para mejorar las propiedades mecnicas despus de los tratamientos trmicos, afinar el grano y mejorar la tenacidad, en contenidos mayores yen combinacin con el Cromo aumenta la resistencia mecnica a altas temperaturas y aumenta la templabilidad en combinacin con el Cromo, Nquel y Molibdeno aumenta la resistencia a la corrosin, por lo general su presencia disminuye la soldabilidad.

Nquel Es un aleante que se agrega en para mejorar la tenacidad y ductilidad a

bajas temperaturas pero disminuye la resistencia a la tensin, mejora la soldabilidad; en mayores concentraciones al 8% y en presencia del cromo y el molibdeno forma los aceros inoxidables austenticos ya que es promotor de la fase austentica en el acero.

Aluminio Se emplea como desoxidante, afina le grano y mejora la tenacidad;

tambin es un elemento formador de ferrita.

Columbio y Titanio Tienen afinidad por el carbono, oxgeno y nitrgeno y actan como

formadores de ferrita.

Tungsteno Es un formador de ferrita, tiene una fuerte tendencia a formar carburos e

incremente la templabilidad.

Vanadio Es formador de ferrita, tiene un fuerte tendencia a formar carburos e

incrementa la templabilidad y reduce el crecimiento de grano austentico durante el calentamiento.

Cobalto Es un formador dbil de austenita, tiene menos afinidad por el oxigeno y

menor tendencia a formar carburos que el fierro y disminuye la templabilidad.

Selenio El selenio tiene un efecto en el acero casi idntico al del azufre y ambos

elementos podran ser usados de manera intercambiable.

Aceros de baja aleacin La mayora de estos se clasifican en uno de los siguientes grupos:

a) Aceros de alta resistencia y baja aleacin (para usos estructurales o para la construccin de recipientes a presin).

b) Aceros para maquinaria y para usos automotriz y aeronutico. c) Aceros para servicios a bajas temperaturas. d) Aceros para servicios a temperaturas elevadas.

Aceros de alta resistencia y baja aleacin Estos aceros tambin conocidos como microaleados poseen una

excelente soldabilidad, son aleaciones de bajo contenido de carbono que


contienen pequeas cantidades de aleantes para mejorar sus propiedades mecnicas, su resistencia a la tensin o su tenacidad a bajas temperaturas.

Los principales aleantes que se emplean para incrementar la resistencia de estos aceros son niobio y el vanadio que se adicionan en contenidos de aproximadamente el 0.10%. Para algunas aplicaciones en secciones de espesor grueso o donde se requiere mayor resistencia tambin se adicionan Cromo, Nquel y Molibdeno en la aleacin.

Aceros media aleacin En este grupo destacan las aleaciones al nquel y al cromo molibdeno. Los aceros al Nquel se emplean principalmente para servicio a baja

temperatura, en esta clase de aleaciones, se agrega entre el 3 y el 8% nquel dependiendo de las condiciones del servicio, entre mayor es el contenido de nquel, mas baja es la temperatura del servicio que pueden trabajar.

Aceros al Cromo Molibdeno tiene dos aplicaciones particulares, las de servicio en alta temperatura y las de servicio de alta resistencia mecnica.

Para el servicio a alta temperatura la aleacin tiene contenidos de cromo de entre 4 y 6%, por lo general, poseen mucho ms resistencia a la corrosin que los aceros comunes, son adecuados para condiciones de corrosin moderada o a temperaturas inferiores a unos 5400 C y se utilizan ampliamente para equipo de refineras petroleras, tales como intercambiadores de calor, cuerpos de vlvula y anillos para bombas.

Sus propiedades mecnicas pueden mejorarse por medio de tratamientos trmicos como el templado en aceite o al aire.

Las propiedades de estos aceros son intermedias entre los aceros martensticos con 13% Cromo y los aceros al carbono.

Aceros de alta aleacin Como se mencion anteriormente, los aceros de alta aleacin contienen

ms de un 10% de contenido total de aleantes, principalmente de cromo, nquel y manganeso y molibdeno.

Dentro de este grupo estn clasificados los aceros austFmticos al manganeso, los aceros resistentes a la corrosin y los resistentes al calor.

Aceros austenticos al manganeso Estas aleaciones que contienen 10% o ms de manganeso y alto

carbono, son conocidas como aceros Hardfield o al manganeso, poseen gran tenacidad y pueden ser endurecidos cuando son sometidos a trabajo en fro. Su estructura es austentica debido a que el alto contenido de manganeso retiene esta estructura cristalina a la temperatura ambiente. Son adecuados para condiciones de servicio en las que se requiere buena resistencia contra la abrasin o a cargas de impacto, por ejemplo en equipo para movimiento de tierra o en cruces o puntos de cambio de carriles de ferrocarril.

Aceros resistentes a la corrosin y/o altas temperaturas (inoxidables).

Los aceros resistentes a la corrosin de alta aleacin son aquellos que resisten el ataque de muchos medios corrosivos a diferentes temperaturas o condiciones ambientales severas. Esta resistencia se debe a su contenido de por lo menos el 11.5%, de Cromo que provoca que en las superficies se forme


una pelcula densa y delgada de xido de cromo, misma que protege contra la corrosin posterior.

Estos aceros estn divididos en aceros ferrticos cuando su contenido de cromo es superior al 13% y el carbono es menor al 0.05%

Aceros ferrtico martensticos cuando su contenido de cromo es mayor al 11.5% y el carbono es superior al 0.12% y poseen alta templabilidad.

Aceros austenticos en los cuales para mejorar su resistencia a la corrosin se les adiciona ms del 7% de nquel para retener la estructura austentica a temperatura ambiente y se mantiene el carbono entre 0.08 y 0.15%. Otros elementos de aleacin empleados en estos aceros son el molibdeno, el manganeso, el titanio, el vanadio y el columbia.

Adems de su alta resistencia a la corrosin, algunos de los aceros austenticos poseen propiedades tales como tenacidad a bajas temperaturas, buena resistencia mecnica a altas temperaturas o la capacidad de mantenerse en condicin no magntica bajo una gran variedad de condiciones.

Tambin existen aleaciones endurecibles por precipitacin, y las superaustenticas, superferrticas y duplex.

Los grados comunes de los aceros resistentes a la corrosin en forma de piezas fundidas, laminadas o forjadas estn clasificados en base a su composicin qumica.

Las designaciones AISI clasifican a los aceros inoxidables en series y en grados. Por ejemplo, el grado 304 es la aleacin mas comn de la serie 300, que corresponde a los aceros inoxidables austenticos al cromo-nquel. Dentro de esta serie existen aproximadamente 30 grados, por ejemplo, el 316, que tambin contiene molibdeno. Adems de los tres dgitos principales que componen las designaciones bsicas, en algunos casos se adiciona un sufijo para denotar alguna caracterstica o variante de algn grado. Por ejemplo, la designacin 304L indica que este grado, que tiene la misma composicin de carbono, que para el grado "L" es menor que para el grado estndar.

Para el caso de las piezas fundidas de acero inoxidable, el Instituto de Aleaciones Coladas (ACI) e la Sociedad de Fundidores de Acero de Amrica, los diferentes tipos o clases de aleacin estn estandarizados y se designan de manera tpica por un sistema alfanumrico que sigue el modelo "HX-XX" o "CX-XX". La letra C indica servicio resistente a la corrosin y la letra H servicio resistente al calor, la segunda letra indica la localizacin aproximada de los contenidos de nquel y cromo del grado de la aleacin en el diagrama ternario Fe-Cr-Ni; el dgito o dgitos que siguen representan el contenido mximo de carbono para servicio H, en centsimas de punto porcentual, y las letras que siguen a este dgito representan elementos qumicos especiales en el grado de la aleacin.

Por ejemplo; la clasificacin CF8M indica que se trata de una aleacin resistente a la corrosin, F la posicin correspondiente a los contenidos de cromo y nquel en el diagrama ternario mencionado, 8 se refiere a un contenido mximo de 0.08% C y la M indica que tiene molibdeno. Muchos tipos de aleaciones coladas son similares a sus contrapartes laminadas con designacin AISI, as, la aleacin CF8M fundida corresponde a la composicin qumica a la aleacin AISI 316 laminada.

Por otra parte, se han desarrollado clases especiales de aceros de alta aleacin o aceros inoxidables para ser usados en servicio a altas temperaturas, y en la actualidad existen aceros resistentes al calor que son muy parecidos a


ciertos aceros inoxidables y a veces solo difieren de estos por pequeas modificaciones en su composicin qumica.

aleantes Estructura propiedades

Martensita Tipos 410, 416 Y 420 son templables Cromo y cromo

Tipo 405 y 14 SF Tipos 430, 442 Y 446 molibdeno Ferrita No son templables.

Tipos 301, 302, 304 Y 316 No son

Austenita templa bies Tipos 314, 17-14CuMo y 22-4-9 Se hace ms resistente por envejecimiento

cromo-nquel PH 15-7 Mo, 17-7 PH Endurecimiento por y Semi-austentica precipitacin

Cromo nquel molibdeno

Martensita 17-4 PH, 15-5 PH Endurecimiento por precipitacin

Tabla 3.6 Caractersticas de las diferentes aleaciones resistentes a la corrosin yo altas temperaturas.


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CAPITULO 4 LOS PROCESOS DE FABRICACiN

Los procesos empleados para darle forma a un material metlico se denominan metalurgia adaptativa. Estos procesos estn divididos en dos grandes ramas, la primera que comprende a los procesos que se llevan a altas temperaturas y la segunda la que comprende los procesos que se llevan a una temperatura por debajo de la temperatura de crtica de transformacin .

Procesos De

Fabricacin I

Procesos de Procesos de Otros procesos

Conformado en Caliente Conformado en Fro

1-- Fundicin - Laminado en fro f--I Forjado - Trefilado

I----i Laminado en caliente 1-- Embutido

- Extruido --- Estampado y troquelado Tabla 4.1 Los procesos de fabricacin.

La Fundicin El vaciado de metales fundidos en moldes para producir artculos tiles es uno

de los mtodos ms antiguos para obtener formas metlicas. Se han encontrado herramientas y ornamentos colados de hace 4000 aos provenientes de las culturas Azteca, Maya, Mixteco Zapoteca Egipcia, Asira y China .

La fundicin representa gran segmento de la industria metlica. Las piezas fundidas que se producen varan desde las pequeas e intrincadas partes de precisin hasta las enormes secciones de maquinaria que pesan varias toneladas.

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Tabla 4.2 Tcnicas del proceso de fundicin.

Preparacin del modelo. Casi cualquier metal se puede vaciar en moldes a partir de su estado fundido. El

hierro, el acero, el aluminio, el latn, el bronce y los metales colados a presin son ejemplos de esto. El proceso de colada requiere del uso de un modelo (el cual tiene la forma de la pieza que se desea colar) y del de un molde, el cual se obtiene el modelo. El molde debe fabricarse de tal manera que resista el calor del metal fundido, ya sea de arena, de yeso, de cermica o de metal. Con frecuencia se utiliza de madera para los moldes patrn, pero tambin se usan los metales y la cera.

Para fabricar una pieza fundida el primer paso es la fabricacin del modelo que es una imitacin generalmente en madera o aluminio que tiene la forma de la pieza que se quiere fabricar pero con dimensiones un poco mayores para compensar la contraccin del metal durante su solidificacin, los fabricantes de moldes acostumbran a compensar la contraccin, dependiendo del metal que se utilice para la colada; por ejemplo, 1/8 pulg por pie para el hierro colado. todos los modelos deben tener un ngulo de salida de modo que se puedan sacar fcilmente de la arena sin maltratar el molde. El modelo puede ser de una o varias partes dependiendo de la complejidad de la pieza a fabricar y de la "lnea de particin" que es la gua para hacer el molde superior o inferior de una pieza.

Las cavidades que en ocasiones llevan las piezas fundidas son generadas por los "corazones" que tienen la forma de las cavidades que se quieren obtener y que


respiraderos para permitir la salida de los gases y asegurar que el metal llena completamente los espacios de lo que ser la pieza fundida. A continuacin se llenan los espacios restantes con arena para darle consistencia se compacta y apisona por medio de prensas o vibradores.

Figura 4.4. Armado de una caja de vaciado o colada y colocacin de corazones.

Se fabrican dos cajas la superior y la inferior las cuales se ensamblan para formar el molde. Las cavidades interiores de la pieza se obtienen colocando los corazones que son fijados en su lugar mediante soportes conocidos como insertos o

. "chaplets" o bien con extensiones que salen del modelo sin afectar la forma de la pieza final.

Figura 4.5 armado de una caja de vaciado y detalle del armado

Procesos de fabricacin 51

Figura 4.6. Apisonamiento de un molde de arena manual y por mquina

Molde obtenido por el proceso de cscara o "shell"

Otra forma de obtener un molde es mediante el proceso de moldeo en cscara, que se utiliza para colar partes de acero de alta resistencia. Este mtodo requiere el uso de modelos metlicos, los cuales se calientan a 450F (232C), se revisten con un agente lubricante de silicn y se pone en una caja de moldeo. Luego, se vierte sobre ellos la arena preparada. La arena se prepara mezclando con arena slica y resina fenlica como aglutinante. Algo de la arena se adhiere al molde formando una cscara alrededor de l. El espesor de la cscara se determina por la duracin del tiempo que el modelo est en contacto con la arena. El modelo y la arena adherida se colocan en un horno y se calientan hasta una temperatura de 316C durante 1 2 minutos para solidificar la cscara una vez endurecida, se separa el molde del modelo. Las ventajas que tiene el moldeo en cscara respecto a otras formas de colada en arena son las de que es posible obtener alta precisin, los buenos acabados y que formas ms complejas requieren menos operaciones de maquinado.

Figura 4.7 fabricacin de moldes de cascara o "shell"


Molde para fundicin de precisin de cera perdida. Uno de los mtodos ms antiguos de colar metales es el de preclslon o

proceso a la cera perdida. En este caso, el modelo se hace de cera. Usualmente, los modelos de cera, incluyendo sus bebederos y alimentadores, se cuelan en moldes metlicos (dados) o se forman por moldeo de inyeccin.

Los moldes se unen a un elemento principal llamado rbol el cual es recubierto con material refractario para formar un molde mayor.

Molde para fundicin de precisin por espuma perdida. En este caso el modelo es de espumas de poliuretano o un material similar que

se inyecta en un molde con la forma del objeto que queremos fabricar. Los moldes se unen a un rbol por medio de adhesivos y posteriormente siguen el proceso de recubrimiento con refractario.

El modelo es recubierto con un con un material refractario que puede ser el yeso de pars y que se ha utilizado durante mucho tiempo para obtener moldes para el colado de precisin Los moldes de yeso solo pueden utilizarse con los metales de baja temperatura de fusin tales como el aluminio, el zinc, el estao y algunos bronces

Para los metales que tienen mayores temperaturas de vaciado como el oro, la plata, el acero y el hierro colado, el modelo de cera se sumerge en una lechada de diversos compuestos refractarios y se seca. Este proceso se repite hasta que se forma una cscara con un espesor conveniente de hasta 5 mm. Luego, este molde se calienta en una estufa para fundir la cera, la cual se recolecta y se vuelve a utilizar. En el caso de la espuma perdida el polmero empleado en el modelo se quema crendose as la cavidad para fundir la pieza. Finalmente la cscara se calcina en un horno a 871C y esta lista para verter el metal fundido.

Figura 4.8. moldes de fundicin de precisin.


Obtencin del metal fundido.

Hornos elctricos. El acero de horno elctrico constituye casi 20% de la produccin de acero a nivel

mundial. Igual que con el proceso de hogar abierto, el horno elctrico utiliza arrabio, chatarra seleccionada y junto con otras ferroaleaciones.

Los hornos elctricos de arco directo son los ms usuales para fabricar aceros aleados. En stos, la corriente pasa desde un electrodo a travs de un arco hacia la carga metlica y luego a travs de un arco a otro electrodo.

Figura 4.9. Hornos elctricos

El horno de induccin Es otro tipo de horno elctrico empleado en la fundicin y se utilizan para

refundir metales como el hierro colado en un taller de fundicin de hierro. O para producir aleaciones no ferrosas como bronces, latones o aluminios de alta calidad. En este tipo de horno, una bobina rodea a un crisol y se pasa una corriente de alta frecuencia que provoca el calentamiento del metal.

Figura 4.10 Horno de induccin


El horno de cubilote El cubilote ha tenido primordial importancia para fundir hierros colados. Antes de

que surgieran los diferentes tipos de hornos elctricos, el hierro colado se funda en hornos de cubilote.

Figura 4.11. Horno de cubilote.

El horno de cubilote es una coraza cilndrica de acero revestida con ladrillos refractarios. Est equipado con un soplador, un ducto de aire y una caja de viento con toberas para la admisin del aire dentro del horno. Para su operacin se prepara una cama de coq~e y se quema con sopletes de propano a la vez que se coloca en el horno una carga de arrabio o chatarra de hierro y de chatarra de acero. Como fundente se utiliza la caliza. Se pone a funcionar el soplador y el hierro empieza a fundir en la parte superior de la cama de coque. El hierro fundido se extrae en una cuchara despus de que se efecten pruebas metalrgicas convenientes.

Afinado del acero antes de colarlo. Se utilizan varios mtodos para afinar el acero despus de que sale del horno.

Esta es una operacin especialmente importante para aceros de calidad. Dos de los procesos ms importantes son la desgasificacin al vaco y la

metalurgia de inyeccin en la olla de colada. La desgasificacin al vaco se realiza haciendo pasar por ciclos el acero fundido

en una cmara de vaco donde los gases indeseables que provocan inclusiones en el acero, tales como oxgeno, nitrgeno e hidrgeno son extrados por el vaco. el ciclo se mantiene hasta que todo el acero ha sido expuesto al vaco.

Tambin se producen aceros de alta calidad inyectando gas argn, aleaciones y fundentes pulverizados en una olla tapada que contiene acero fundido. Estos procesos no slo afinan el acero al reducir su contenido de azufre y otras impurezas, sino que incrementan su homogeneidad, mejoran su maquinabilidad y hacen posible la elaboracin de hacer especializados con un contenido de aleantes y una calidad altamente predecible.

La colada o vaciado en el molde. Aunque el acero es algo ms difcil de colar en arena que el hierro gris, El

tamao de de las piezas que se obtienen varan desde las partes pequeas hasta las voluminosas piezas coladas de las carcazas de turbinas o partes de mquinas herramienta con peso de varias toneladas.


Figura 4.12. des gasificacin del acero.

Antes del vaciado el molde es precalentado a una temperatura adecuada para permitir que el metal fundido fluya fcilmente por las cavidades, permitir la desgasificacin del molde mientras se hace la colada y reducir las contracciones por el enfriamiento rpido del metal.

Figura 4.13 Molde listo para recibir el metal fundido

Una vez que los moldes estn listos y el metal tiene la temperatura y la composicin adecuadas, se vaca el metal del horno y se recibe en las ollas de cola-la si el volumen es grande, o bien en crisoles si la cantidad de metal es menor o se pUGGe contaminar fcilmente por una exposicin prolongada al aire.


Figura 4.14 Vaciado en las ollas de colada

La olla o el crisol es llevado por medio de gras o polipastos a la zona de colada donde estn los moldes y se procede a efectuar el "vaciado", bien sea vertiendo el crisol o abriendo una compuerta en la parte inferior de las ollas.

Figura 4.15 Llenado de los moldes con metal fundido

Figura 4.16. colada empleando crisoles de vaciado en moldes de precisin

Una vez terminada la colada, el molde se deja enfriar y se procede al desmoldeado rompiendo el molde de arena, dependiendo del tamao de la pieza, es posteriormente limpiada empleando cinceles, chorros de perdign o agentes qumicos.


La siguiente parte es eliminar los alimentadores y respiraderos empleando oxicorte y finalmente se puede terminar el acabado por medio de esmerilado, en algunos casos las piezas tienen que ser reparadas o terminadas empleando diferentes procesos de soldadura, a continuacin

Imende-materiales y Procesos Metalurgicos.

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