Metales

Elementos químicos que se caracterizan por tener las siguientes propiedades: estructura interna común; alta densidad; sólidos a temperatura ambiente menos mecurio; elevada conductividad térmica y eléctrica; maleabilidad, se pueden hacer láminas; ductilidad, se pueden hacer hilos; tenacidad, gran resistencia a romperse; resistencia mecánica; dureza variable, resistencia a ser rayados.

Estructuras cristalinas:

los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales:

Cristalino

 constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio, son los metales, los materiales cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad suficiente.

Amorfo

solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia, son los vidrios y los polímeros vítreos. La estructura espacial de un solido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva celda unidad, en los vértices de estas celdas unidad se sitúan los átomos, la repetición de las celdas en el espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas simples, también existe la posibilidad de situar átomos en los centros de las celdas (red cristalina centrada) o de las caras (red cristalina de caras centradas).

Clasificación de los metales férreos:

Hierro puro: pureza del 100 %. Industrialmente no se alcanza nunca la pureza absoluta y normalmente un metal con un 99,8% de riqueza se considera como puro, el hierro puro es el elemento Fe, con un porcentaje de carbono inferior al 0,03%. El hierro ordinario cristaliza en el sistema cúbico centrado y se denomina Feα (BCC), aunque existen otras variedades alotrópicas denominadas Feγ(CCC) y Feδ (BCC), que se diferencian por la estructura cristalina y por su constante reticular.
Carácterísticas: material magnético, color blanco azulado, muy dúctil y maleable, punto de fusión 1535 ºC, densidad alta (7,87 g/cm3), buen conductor del calor y la electricidad, se corroe y oxida con mucha facilidad, bajas propiedades mecánicas: es precisamente por esto por lo que el hierro puro prácticamente no se emplea en la industria (salvo para hacer imanes), por lo que se emplea aleado con carbono y otros metales. Hierro dulce/forjado: con carbono <0.1%. Se=”” oxida=”” muy=”” fácilmente,=”” en=”” cuestión=”” de=”” horas=”” se=”” forma=”” una=”” capa=”” marrón=”” que=”” va=”” destruyendo=”” el=”” material.=”” es=”” un=”” material=”” blando=”” y=”” magnético,=”” por=””>0.1%.> su principal aplicación es emplearlo en piezas de electroimanes. Tratado también se utiliza en la construcción de grandes estructuras como puentes, para fabricar rejas, puertas, cerraduras y pestillos.

Aceros:

donde 0,03% < c=””><> Material donde el carbono es menor al 2%. También se oxidan, son más duros al tener más carbono, tenaces, dúctiles y maleables. Se pueden soldar sin problemas.

Fundiciones:

carbono es mayor del 1.76% y menor del 6.67%. A mayor carbono, mayor dureza, pero la ductilidad y tenacidad empeoran. Funden a temperaturas menores y son apropiados para fabricar piezas complicadas (se adaptan muy bien al molde). Metalurgia: ciencia que trata la extracción de los metales y la preparación adecuada de los mismos mediante aleaciones y tratamientos para mejorar sus propiedades. Los minerales se encuentran formando compuestos químicos complejos, el mineral propiamente dicho se denomina mena y aparece mezclado con otros materiales denominados ganga. Fraccionamiento: el mineral que se extrae de las minas hay que reducirlo a unas dimensiones adecuadas.
Se realiza sobre los primeros bloques obtenidos en la mina con las quebrantadoras de mandíbulas o los quebrantadores de martillo. El mineral va pasando por sucesivas máquinas para que su tamaño sea cada vez más pequeño hasta que el mineral queda reducido a tamaños de 1 mm y en ocasiones menor.

Cribado:

tiene por objeto separar por diferencia de tamaños los trozos de mineral molido con cribas o cedazos.

Separación:

Hidromecánica: concentración por gravedad y diferencia de densidades. Magnética: los cuerpos ferromagnéticos en presencia de un campo magnético son imantados por inducción y por lo tanto atraídos. Sinterización: los polvos de mineral deben sufrir una aglomeración conveniente antes de introducirlos en el horno, para evitar la obturación de los intersticios entre los trozos de carga y que los gases puedan salir. Se lleva a cabo calentando los polvos el mineral y añadiéndoles carbón.

Siderurgia: parte de la metalurgia que se dedica al tratamiento del hierro

Horno alto:

El hierro de primera fusión, hierro colado o arabio se obtiene del horno alto, para obtenerlo se necesitan:
Minerales, los principales minerales de los que forma parte el hierro son la hematites roja( Fe2o3, 70% de Fe, color rojizo intenso), la limonita (2Fe2O3, 60% Fe, color amarillento), la magnetita (Fe3O4, 72,4% de Fe, color pardo, propiedades magnéticas), la siderita (CO3Fe, entre 30 y 40% de Fe, color blanco o amarillo oscuro) y la pirita (SFe, color amarillento, ya no se utilizan). Fundentes: compuestos químicos que tienen como misión separar la ganga de la mena, formando un producto viscoso, que por diferencia de densidades, se sitúa sobre el metal fundido y se evacuara por el orificio de piquera de escoria. La naturaleza del fundente viene determinada por la de la ganga, si ésta es ácida el fundente es básico y viceversa. Combustible: El combustible empleado es carbón de coque, generado a partir de hullas grasas y semigrasas, con un porcentaje de azufre menor del 1% y un porcentaje de cenizas menor del 8%, es un carbón muy resistente (debe resistir el peso de la columna de mineral sin fraccionarse), poroso y con pocas sustancias volátiles además de una alto poder calorífico. Comburente: Se emplea fundamentalmente el oxígeno del aire insuflado a presión, mezclado con oxígeno puro, va recalentado a una temperatura de unos 800 °C. Horno: Es un horno de contracorriente, en el cual las cargas según van descendiendo se van encontrando con los gases que ascienden y que ceden calor a esas cargas. Está formado por dos conos y 2 cilindros. La forma cónica de la Cuba facilita que los materiales en descenso no encuentren impedimentos en su bajada por la ficción de las paredes.
La forma cilíndrica del vientre permite que las cargas se encuentren durante más tiempo en contacto con los gases calientes. En los etalajes se reduce el volumen para compensar la disminución de las cargas al irse quemando el carbón. En la obra se sitúan las toberas, por las que penetra al horno el aire insuflado desde unas máquinas soplantes. Desde ellas el aire es impulsado hacia un recuperador de calor y tras el hacia un cinturón de viento que rodea el horno y del que salen unos conductos que alimentan las toberas. En el crisol van situados los orificios de piquera de escoria y en la parte inferior los de piquera de arrabio. Las partes citadas van recubiertas con ladrillos refractarios interiormente y exteriormente con una envolvente de chapa de acero laminado con refuerzos en forma de aros. Las cargas del horno se realizan por el tragante.

Funcionamiento del horno: Las cargas se realizan de forma automática (mineral 2T, coque 1T, fundente 0,5T), deben calcularse para que no se pueda dar el caso de que uno de los componentes se encuentre en desproporción con los otros. Las reacciones que aparecen en el horno son- oxígeno del aire insuflado mas coque incandescente (C+O2=CO2+Q), reducción directa (Fe2O3+C=2FeO+CO//FeO+C=Fe+CO), reducción indirecta (Fe2O3+CO=2FeO+CO2//FeO+CO=Fe+CO2). En los etalajes se producen las reacciones que dan origen a la formación de escorias. En el crisol, sobre las toberas se producen las máximas temperaturas y el metal y las escorias fundidos se separan por densidades. El metal es vertido en unos depósitos llamados torpedos, que permiten conservar el calor del metal. El arrabio fundido se vierte directamente en torpedos y se transporta a las lingoteras, para obtener lingotes de hierro a los convertidores, donde se transforma en acero. Gases del horno: Antes de su expulsión por la chimenea, deben sufrir un desempolvado, para lo cual se usan diversos sistemas: Colectores de cámara- se deposita el polvo por efecto de la disminución de la velocidad y los cambios de sección; Colector centrífugo- usa la fuerza centrífuga para precipitar las partículas; Lavado de gases- se hacen pasar los gases por una cortina de agua; Precipitación electrostática- se les hace pasar entre campos magnéticos, con lo que el polvo metálico se precipita sobre ellos. Tratamiento del arrabio:
La proporción de carbono en el arrabioextraído del alto horno se encuentra en el intervalo correspondiente a las fundiciones.
Para poder utilizar convenientemente el hierro colado, es preciso reducir los porcentajes de estos elementos, a la vez que se añaden otros compuestos que le darán nuevas propiedades, ya sea para convertirlo en uno de los múltiples tipos de fundición o en materia prima para un acero.

Convertidores:

hornos cuya forma recuerda la de una pera y que tienen un eje sobre el cual puede girar, que tienen tres posiciones, carga, marcha y descarga. El afino en los convertidores consiste en quemar el carbono y otras impurezas, por mediación del oxígeno del aire inyectado a presión, que atraviesa el producto férreo que se encuentra en estado fundido. Proceso:
El arrabio se transporta líquidodesde el alto horno hasta la acería en unos depósitos llamados torpedos. Se introduce en el convertidor chatarra, fundentes y oxígeno, una vez realizada la carga comienza a insuflarse aire. El oxígeno reacciona con las impurezas y facilita la eliminación de la escoria, el fundente facilita la formación de la escoria, que flota sobre el metal fundido. Los elementos resultantes son acero líquido, escoria y gases (sobre todo monóxido y dióxido de carbono). La producción de la hornada es de entre 100 y 300 toneladas. El proceso final consiste en extraer el acero líquido del convertidor para verterlo en moldes con la forma que se quiera obtener y se deja solidificar (colada). Tratamientos térmicos: Son operaciones de calentamiento, mantenimiento a temperaturas elevadas y posterior enfriamiento a distintas velocidades según el fin deseado. No modifican la composición química, pero si modifican la constitución estructural. Son:

Temple:

Consiste en enfriar rápidamente un metal previamente calentado por encima de su temperatura crítica. Con este tratamiento se consigue aumentar la dureza superficial y la fragilidad, debido a que el metal queda con una estructura cristalina deformada.

Revenido:

Consiste en calentar una pieza previamente templada, por debajo de la temperatura crítica y dejar enfriar normalmente al aire. Con esto se consigue variar las carácterísticas extremas del temple, mejorando la tenacidad del material a costa de disminuir ligeramente su dureza.

Bonificado:

Es un temple más un revenido.

Recocido:

Tiene como objetivo ablandar el metal mediante un tratamiento térmico.

Normalizado:

Consiste en calentar el metal por encima de la temperatura crítica y dejarlo enfriar posteriormente al aire. Estudio de los productos férreos: Hierro puro es ferrita, es el constituyente más blando de los aceros. Austentita es Fe cristalizado en el sistema cúbico de caras centradas. Cementita es carburo de hierro Fe3C es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Perlita está compuesta por ferrita 88% y cementita 12% en láminas, mas finas cuanto mas lento sea el enfriamiento, dureza aumenta al hacerlo la velocidad de enfriamiento. Grafito es carbono amorfo cristalizado en un sistema hexagonal, es blando, untuoso y quebradizo y disminuye la dureza del metal y acentúa la fragilidad, actúa como lubricante sólido. Aceros: Una de las propiedades más importantes de los aceros es su gran plasticidad y maleabilidad a alta temperatura, que permite transformar su forma y dimensiones por laminado en caliente con gran facilidad. Además los aceros son dúctiles y por trabajo en frío se pueden laminar o estirar en forma de chapas, o hilos de pequeño diámetro. También son fácilmente soldables y pueden adquirir con el temple dureza. Cuanto mayor sea el porcentaje de carbono, mayor es su dureza y resistencia a la tracción, pero tiene el inconveniente de que es más frágil y menos dúctil. Además su soldabilidad también disminuye. Clasificación de los aceros: Aceros no aleados, son aquellos que sólo incluyen hierro y carbono. Aceros aleados o especiales, además de hierro y carbono se añaden otros elementos, en cantidades lo suficientemente grandes para que modifiquen sus carácterísticas. Los elementos de aleación,  normalmente son otros metales. El objetivo es mejorar alguna propiedad en concreto del acero. Estos aceros son los más empleados. Aceros aleados:

Aceros al níquel:

El níquel aumenta la templabilidad, la resistencia a la tracción, el límite elástico, sin que disminuya la ductilidad. Confiere excelentes propiedades anticorrosivas. Entre sus aplicaciones  están las lámparas de incandescencia y los patrones de medida, junto con el cromo es un componente fundamental en los aceros inoxidables.

Aceros al manganeso:

Es un buen desoxidante y desulfurante. Aumenta la templabilidad de forma considerable, de manera parecida a como lo hace el vanadio pero es mucho más barato.

Aceros al cromo:

Este elemento  favorece que no se pierda dureza en trabajos a alta temperatura, evita la descarburación periférica, aumenta la dureza, la fragilidad y la resistencia al desgaste y la  corrosión. Es junto con el níquel componente de los aceros inoxidables.

Aceros al vanadio:

Este elemento  es el que más favorece la templabilidad y es el mejor desoxidante. También hace que aumente la resistencia a la fatiga y al choque.

Aceros molibdeno- wolframio:

Son aceros duros y estables, aumenta la resistencia al desgaste, se usan como aditivos para mejorar las propiedades de otros aceros.

Aceros maragin (Ni, Co, Mo, Ti):

Son aceros de composición compleja, que se caracterizan por ser autotemplables y tenaces.

Aceros inoxidables:

Son los que se utilizan para resistir la influencia de atmósferas húmedas, agentes corrosivos y los que son capaces de resistir durante largo tiempo elevadas temperaturas sin deformación o modificación apreciable. Generalmente se usa Cr-Ni

 
 


 
Fundiciones: Fundiciones blancas: Presentan en su fractura reciente una coloración blanca, propia del carburo de hierro o cementita. Sus propiedades mecánicas más carácterísticas sonelevada dureza, baja maquinabilidad, baja colabilidad y alto coeficiente de contracción.
Sus aplicaciones, debido a su extrema dureza quedan bastante reducidas, se utiliza para cilindros laminadores por su resistencia a la abrasión y sobre todo se utilizan como materia prima para las fundiciones aleables. Fundiciones grises: Presentan una coloración gris en corte reciente, debido a que parte del carbono precipita durante la solidificación en forma de grafito, no posee cementita libre. Es fundamental en estas fundiciones la formación del grafito, habrá elementos que lo favorezcan como el Si y otros que lo inhiban como el Mn. Otra carácterística que influye mucho en las propiedades es la forma de presentarse el grafito, a igualdad de volumen es preferible mayor abundancia de laminas y que estas sean de menor tamaño. Son las fundiciones de uso más frecuente por sus carácterísticas: Alta maquinabilidad por el poder lubricante del grafito, Bajo coeficiente de contracción, Buena colabilida y Tenacidad. Se utiliza para piezas masivas de máquinas que no deban ser sometidas a altas solicitaciones.

Fundiciones atruchadas

Presentan en su fractura una coloración combinada del gris y del blanco, originando una coloración moteada. Son en definitiva una mezcla de fundiciones grises y blancas, parte del C precipita en forma de grafito y parte  forma cementita.

Fundiciones aleadas

Son aquellas que contienen elementos como el Cr, Ni, Mo, Cu… en un porcentaje tal que su presencia se haga patente en el cambio de propiedades mecánicas y químicas. Las podemos clasificar: Fundiciones aleadas de baja aleación, cuando los elementos de aleación no sobrepasan el 5 %; Fundiciones aleadas de alta aleación, cuando los elementos de aleación sobrepasan el 5 %.

Fundiciones especiales:

Fundiciones maleables de corazón blanco o europea: Se obtiene a partir de piezas de fundición blanca, con un recocido en atmósfera oxidante o descarburante. El proceso de recocido y enfriamiento es muy largo. Fundiciones maleables de corazón negro o americana:Se obtienen a partir de fundiciones blancas con un recocido en atmósfera neutra. El carbono precipita en forma de nódulos de grafito. Funciones maleables perlíticas: Se parte de fundiciones blancas a las que se las somete a un recocido en horno de atmósfera neutra, y a un enfriamiento mas rápido que a las anteriores. Estas tendrán mayor dureza y resistencia mecánica. Fundiciones de grafito difuso o esteroidal: Se obtienen a partir de fundiciones grises, sometíéndolas a un temple y posteriormente a un revenido para que el grafito pase a tener forma esferoidal o nodular, también se les suele añadir magnesio ya que este es un elemento que favorece la formación de grafito.