metales ferrosos

METALES FERROSOS Ing. Héctor Chire Ramírez Profesor de Tecnología de materiales

EL HIERRO Y SUS ALEACIONES

Introducción

Los metales son los elementos químicos de mayor utilización, con fines estructurales en edificios y medios de transporte, como conductores de calor y electricidad, etc. Los metales se caracterizan por tener un brillo especial, llamado metálico, por ser buenos conductores de la electricidad y del calor. Esta gran conductibilidad, comparada con la de los no metales, se debe probablemente a la existencia de electrones libres en su interior. Además los metales tienen una molécula monoatómica y originan los hidróxidos al disolverse los óxidos metálicos en agua.

El Hierro, debido a su abundancia y a sus propiedad es químicas, de las cuales hablaremos más adelante, se ha convertido en uno de los metales más usados en la civilización actual. También, el h ierro se puede combinar con otros metales para formar nuevos compu estos con diferentes propiedades, denominados “aleaciones”.

HIERRO

El Hierro, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico.

También, es uno de los elementos metálicos más abundantes en el planeta. Constituye aproximadamente el 4.5% de la corteza terrestre. Generalmente es encontrado en forma de óxido de magnetita (Fe304), hermatita (Fe203), limonita, u óxidos hidratados (Fe203 + NH20) También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales, en las plantas, y además es un componente de la sangre.

El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas. El objeto más antiguo existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.c. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV.

Algunas características de este metal

El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria, y es difícil magnetizarlo en caliente. A unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. El punto de fusión del hierro, es de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C. La densidad relativa de este metal es de 7,86. Su masa atómica es 55,847.


Estructura

El hierro tiene una estructura centrada en el cuerpo, a temperaturas normales. A temperaturas más altas, tiene una estructura cúbica centrada en la cara. Este hecho es de gran importancia practica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átomos de carbono son menores que los átomos de hierro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. Cuando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños. Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño tan grande de los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo de hierro, Fe 3C.

Los cristales del hierro y del Fe3 existen en muchos tamaños y formas. La estructura final del cristal está determinada por el por ciento del hierro y la rapidez de enfriamiento. Estas diferencias en la estructura cristalina, le dan la gran versatilidad que tiene el acero como un material industrial. También explican el hecho de que las propiedades del acero se pueden cambiar gradualmente por el tratamiento del calor.

Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose, osea, se corroe.

Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo.

Aplicaciones y producción

El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (II), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación.


La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre.

En 1994, la producción anual de hierro se aproximaba a los 975 millones de toneladas.

Compuestos

Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde, que normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos.

El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base, y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro.

Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4[Fe(CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe(CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3[Fe(CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero.

1.- ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIERRO

El hierro sufre cambios en su estructura cuando se le somete a diferentes temperaturas . A estos cambios físicos se le denomina “ALOTROPIA” .

Los granos de los metales (hierro) están formados por cristales , y estos cristales dependen de cómo se ordenan los iones metálicos dentro del grano , al pasar del estado liquido al solido .


El empaquetamiento de esferas (ordenaciones iónicas en cristales ) puede dar lugar a un cubo (sistema cubico) o columnas hexagonales ( sistema hexagonal ) . Estas se denominan retículas espaciales .

La forma de la retícula depende de las fuerzas electroestáticas .

Los mas importantes son :

• Hierro α: Es la que se encuentra a temperatura ambiente; hasta los 788 ºC. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo y es ferromagnético.

• Hierro β: 788 ºC - 910 ºC; tiene el mismo sistema cristalino que la α, pero la temperatura de Curie es de 770 ºC, y pasa a ser paramagnético.

• Hierro γ: 910 ºC - 1400 ºC; presenta una red cúbica centrada en las caras.

• Hierro δ: 1400 ºC - 1539 ºC; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo

.

2.-CONSTITUCION DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Las aleaciones hierro carbono están formadas por grupos de cristales que reciben el nombre de constituyentes y cuya naturaleza varia según las proporciones de los componentes de la aleación y la temperatura .


En las aleaciones hierro carbono pueden encontrarse hasta once constituyentes que se denominan :FERRITA , CEMENTITA , PERLITA , AUSTENITA , MARTENSITA , TROOSTITA , SORBITA , BAINITA , LEDEBURITA , STEADITA Y GRAFITO cuyas características son las siguientes :

La ferrita (o hierro alfa) es una de las estructuras moleculares del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, zinc o manganeso.

La cementita o carburo de hierro se produce por efecto del exceso

de carbono sobre el límite de solubilidad. Si bien la composición química de la

cementita es Fe3C, la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica con 12

átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.


La cementita es muy dura y frágil y, por lo tanto, no es posible de utilizar para

operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las

concentraciones de esfuerzos.

Se trata de una fase soluble en estado sólido que puede hacerse desaparecer

mediante un tratamiento térmico adecuado (recocido de grafitización).

La perlita es la microestructura formada por capas o láminas alternas de las

dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a

temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de

una perla al observarse microscópicamente ( se asemeja a una huella digital).

La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos

de hierro y carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas

que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Está formado por una disolución sólida del

carbono de hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil,

blanda y tenaz.

DIAGRAMA DE FASES DEL SISTEMA HIERRO-CARBONO

El hierro y el carbono constituyen aleaciones únicamente hasta un 6,67% en

peso de carbono. Con esta concentración y con concentraciones superiores se


crea un compuesto químico denominado cementita (Fe3C) que no tiene

propiedades metálicas. Por lo tanto, únicamente se estudia el diagrama hasta

esa proporción.

En la solidificación aparece una solución sólida llamada ausentita para

proporciones inferiores al 1,76% de carbono, y con un 4,30% se crea un

eutéctico llamado ledeburita. Esto provoca la primera clasificación del sistema

hierro-carbono: se habla de aceros si la proporción de carbono es inferior a

1,76%, y de fundiciones para proporciones entre 1,76 y 6,67%.


A los aceros que tienen una proporción menor que 0,89% de carbono se les

denomina hipoeutectoides , y si tienen entre 0,89 y 1,76% de

carbono, hipereutectoides .

Recopilando todo, el diagrama del sistema hierro-ca rbono tiene este

aspecto:


ACERO

El acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05 por ciento hasta menos del dos por ciento). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.

Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más del 98 por ciento), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.

El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro (herrumbre). El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.

3.2.-PROCESO DE OBTENCION DEL ACERO

Producción del Hierro y el Acero

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.


El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac.

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

Hematita (mena roja) 70% de hierro

Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro

Siderita (mena café pobre)

48.3% de hierro

Limonita (mena café) 60-65% de hierro

La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

1. Mineral de hierro 2. Coque 3. Piedra caliza 4. Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

ALTO HORNO

El alto horno es un elemento básico y fundamental en siderurgia, se emplea para transformar el mineral de hierro en arrabio o hierro de primera fusión que constituye la principal materia prima para la fabricación del acero. Una pequeña


parte del arrabio se utiliza para fabricar piezas por segunda fusión en el cubilote o en el horno eléctrico. Al principio se utilizó carbón vegetal y al aumentar el consumo de este se produjo un agotamiento en la riqueza forestal, y la hulla que si es abundante en la naturaleza no se podía utilizar debido a que por su gran altura estaba sometida a grandes presiones que la desmoronaban, obstruyendo el paso de los gases, el otro inconveniente de la hulla es el elevado contenido de azufre pues su eliminación es difícil y su presencia es perjudicial tanto para los aceros como en la fundición de hierro. La producción de acero ordinario se basa en la obtención del arrabio por reducción y fusión del mineral y por afino del arrabio. Para la obtención del arrabio, se introduce en el alto horno una mezcla (lecho de fusión) del mineral de hierro (óxidos de hierro), de combustible (coque, que actúa a la vez de reductor) y de fundente. Se insufla una corriente de aire caliente (viento), originando con el coque, óxido de carbono que reduce al mineral. Por combinación con el fundente, la ganga pasa al estado de escoria, fusible hacia los 1300°C; a esta temperatura el hierro se combina con el carbono y se forma arrabio, aleación compleja, con un contenido máximo de 95% de hierro; el arrabio y la escoria es estado líquido, se separan por orden de densidades. El acero se obtiene por afino del arrabio, en cuya operación se rebaja la proporción de carbono de 3.5% a menos de 1%. Esta concentración consiste esencialmente en un conjunto de oxidaciones parciales producidas por: acción de una corriente de aire que atraviesa la masa de arrabio líquido (afino por aire), en los convertidores, acción de un óxido de hierro (mineral o chatarra) en un horno de solera (afino por solera), o en el horno eléctrico (afino eléctrico) Carga en el alto horno: Las materias primas necesarias para la siderurgia son: los minerales (y chatarra), los combustibles, los fundentes y el aire. Los minerales de hierro más importantes son los óxidos: se emplean también los carbonatos y algunos sulfuros. 1. Óxidos de hierro: El óxido magnético (Fe3O4) en estado puro es el más rico de todos los minerales de hierro. La ganga, generalmente siliciosa, está exenta de fósforo. Entre los óxidos férricos anhídridos (Fe2 O3), los más importante son el hierro oligisto (cristalizado) y la hematites roja amorfa. Los óxidos férricos hidratados, tienen una composición Fe2O3nH2O, son fáciles de reducir, pero su ganga contiene combinaciones fosfatadas o sulfuradas. 2. Carbonatos de hierro: formados por carbonato ferroso (CO3Fe), asociado a una ganga compuesta de carbonatos isomorfos (CO3Ca). 3. A estos minerales, pueden añadirse: los óxidos férricos resultado de la tostación de piritas (S2Fe), virutas, residuos de fabricación, exceso de lingotes, chatarra, escorias del horno Martín, minerales de magnesio en estado de fusión, para facilitar la obtención de la fundición blanca y productos de la sinterización y peletización de los minerales de Fe. 4. El combustible en el alto horno debe presentar una buena resistencia a la compresión, a fin de poder descender en la cuba sin desmoronarse y una gran porosidad, condición necesaria para la regularidad de su combustión.


La hulla en general no cumple con estas condiciones, en utiliza el coque metalúrgico obtenido por pirogenación (destilación en vacío) de la hulla grasa de llama corta. Características del coque metalúrgico: la resistencia a la compresión de 170 kg/cm2 ha permitido elevar la altura de los hornos a 60 m. el poder calorífico de 7500 Kcal/Kg, la mayor parte es carbono, 15% de cenizas, 1% de azufre. Al utilizar carbón de madera limita a unos 1 2m la altura de los hornos, restringiendo la capacidad de producción. La ganga del mineral, generalmente silícea o calcárea es infusible. Para transformarla en escoria fusible hacia 1300°C, es preciso combinar esta ganga con una sustancia, de manera que pueda formarse un silicato de fácil fusión. El viento o aire insuflado a presión dentro del alto horno (60cm) de columna de mercurio de sobrepresión, se calienta a una temperatura previa de 1000 °C y contiene humedad de 15 g de agua por m3. Se consume alrededor de 5 toneladas de viento para obtener una tonelada de arrabio.

Fe2O

3+CO-----Fe

3O

4+CO

2

Fe3O

4+CO-----FeO+CO

2

FeO + CO------Fe+CO2

C +O2--- --CO

2

C +CO2--- --2CO

REDUCCION DIRECTA DEL MINERAL DE HIERRO

Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pellets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.

Diagrama de producción de hierro esponja


En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.

DIFERENTES PROCESOS DE OBTENCION DEL HIERRO Y ACERO

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.


PROCESO DE PUDELADO

El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material.

HORNOS BESSEMER

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad

HORNO DE ARCO ELECTRICO

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza.

Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.

Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.


Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

HORNO DE INDUCCION

Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de moto generador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.

HORNO DE AIRE DE CRISOL

Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.

Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.


Hornos de crisol para metales no ferrosos

HORNO CUBILOTE

Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno.


También estos hornos se pueden cargar con pellets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.

Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C.

Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

CLASIFICACION DE ACEROS

Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación.

En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón.

Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto

B = Acero ácido de Bessemer al carbono

C= Acero básico de convertidos de oxígeno

D = Acero ácido al carbono de hogar abierto


E = Acero de horno eléctrico

A10XXX

A= Proceso de fabricación

10 = Tipo de acero

X = % de la aleación del tipo de acero

X X= % de contenido de carbono en centésimas.

LINGOTES Y COLADA CONTINUA

Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de rodillos se van a procesar.

COLADA CONTINUA

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por le molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Colada continua


Ilustración de colada continua del libro Operación de Máquinas Herramientas de Krar.

Algunos elementos químicos en la fundición del hierro

Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos.

Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.

Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.

Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.

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

Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.


ACEROS ESPECIALES

Concepto de acero: Acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), con un

máximo de hasta 2.5% C. Las propiedades del acero pueden ser mejoradas,

mediante la adición de elementos como: cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo),

vanadio (V), tungsteno (W), cobalto (Co), manganeso (Mn), entre otros. Al adicionar

estos elementos, el acero se denominará “aleado”

ACERO AL CARBONO: Fe + C

Mn – Si son elementos presentes en el acero como desoxidantes.

ACEROS ALEADOS: Fe + C + elementos aleantes

Ej. Un acero inoxidable del tipo 304, posee en su composición química a parte del Fe

y C, porcentajes importantes de cromo y níquel que le dan el carácter de inoxidable.

Esta adición

de Cr y Ni, han cambiado notablemente las características del material base y las

diferencias físicas y mecánicas son evidentes.

En IBCA manejamos aceros al carbono y aceros aleados, así:

Aceros al carbono: AISI 1018 y 760 (AISI 1045).

Aceros aleados: DF2, XW5, XW41, D3, CALMAX, 718, STAVAX, 8407, 705,

709, 7210, 147-M, 304, 304-L, 316, 316-L, 310S.

Los elementos aleantes pueden darle al acero características como:

resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia mecánica, inoxidabilidad, dureza, etc.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Son operaciones de calentamiento y enfriamiento, a temperaturas y condiciones

controladas a las que se somete al acero para poderlo utilizar.

Los principales tratamientos térmicos son:

� TEMPLE

� CEMENTACIÓN

� NITRURACIÓN

� RECOCIDOS


Existen otros tipos de tratamientos, pero no se los estudiará al momento, ya que no

son de mayor interés en el medio ecuatoriano.

TEMPLE: El temple tiene como objetivo el endurecimiento del acero en toda la

sección.

Dureza se requiere por ej. en aplicaciones de aceros grado herramienta, en donde

con

ella, vamos a tener resistencia al desgaste en operaciones de trabajo en frío u

operaciones con moldes de plástico o trabajo en caliente, principalmente.

El temple es una operación de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento brusco.

La temperatura de temple es propia de cada acero, por ej.: DF2 (790-850 ºC) y XW5

(940-980ºC). Así mismo el enfriamiento se deberá hacer en el medio que el fabricante

sugiere como aceite, agua, sales, al aire etc. Se debe tomar exactamente el medio

adecuado, caso contrario tenemos el riesgo de no lograr durezas adecuadas o fisurar

el material. Esta información está en el catálogo de aceros de IBCA.

Un gráfico explicativo del proceso podría ser así:


1) Curva calentamiento del acero

2) Tiempo de mantenimiento a la temperatura de austenización.

Normalmente se dice 1-2 min/mm de espesor o diámetro del acero a tratar.

3) Luego de transcurrido el tiempo de mantenimiento se procede a hacer el

enfriamiento brusco, en el medio que indica los catálogos del fabricante.

4) Luego de producido el enfriamiento brusco, normalmente el acero se ha

endurecido,

por los cambios que se han producido en la estructura del material y el material en

ese punto es extremadamente duro, pero frágil al mismo tiempo, por lo que muy difícil

será

su uso y aplicación.

La dureza que se obtiene se mide en diferentes escalas, recordando que dureza es la

característica de los materiales a no dejarse rayar o penetrarse por otros.

Dos son las escalas más usadas: Dureza Brinell y Dureza Rockwell.

Normalmente se habla de dureza Brinell (HB) para materiales que no tienen altas

durezas y de Rockwell C (HRC) para materiales muy duros. Puede haber

equivalencias entre HRC y HB, así como la hay entre milímetros y pulgadas, para

saberlo debemos recurrir a tablas

de equivalencia como la que se maneja en el catálogo de aceros de IBCA.


Por ej.. un acero XW5 luego del enfriamiento en aceite puede tener dureza de 64-

66HRC que lo hacen tan frágil que prácticamente resistirían ninguna operación de

impacto por su baja tenacidad (tenacidad característica del material de soportar

impacto o esfuerzo puntuales elevados).

Para evitar esta fragilidad es necesario hacer REVENIDO.


Revenido es una operación de calentamiento a una temperatura controlada, con la

finalidad de disminuir la dureza excesiva del material, darle tenacidad y conseguir la

dureza que se requiere para la aplicación.

Para determinar la temperatura a la cual debemos elevar al acero, el fabricante ha

hecho varios ensayos que se grafican en curvas y que permiten al templador, en

forma exacta disponer de la temperatura que utilizará. Para ej. tenemos la siguiente

curva del acero DF2, podemos decir que el material estaría listo para poder entrar en

una etapa de rectificado, antes de la puesta en producción.

CEMENTACIÓN: Persigue un objetivo similar al temple, que es el endurecimiento,

pero en este caso no se realiza en toda la sección del material, sino en una capa

superficial que no supera 1 mm de espesor.

Se aplica a aceros que tienen ≤0.20 %C, como nuestros aceros 7210, 147-M y 1018.

Esto se da en medios sólidos como el carbón vegetal, líquido como las sales de

cianuro

y gaseoso como el uso de gas propano (tecnología de DETESA).

El proceso se da por el calentamiento a la temperatura de cementación o

carburización (donde se difunde el carbono). Posteriormente se procede a hacer el

enfriamiento en el medio que indica el fabricante.

Revenido se hace inmediatamente, para eliminar la dureza excesiva y darle más

tenacidad. Aplicable en piñonería, pines, bocines o generalmente en piezas duras de

maquinaria.

La cementación finalmente tiene dureza en la superficie del material y un núcleo

tenaz. En aceros como nuestro 7210 o 147-M se pueden lograr durezas de 58-60

HRC.


NITRURACIÓN: Similar a la cementación, se logra un endurecimiento superficial,

pero de capa mucho más delgada (0.3-0.4 mm). La condición esque el acero debe

estar pre templado (como nuestros 705 o 709).Los aceros deben tener por lo menos

Cr-Al-Mo en su composición química y los aceros que pueden nitrurarse son XW5,

XW41, 8407, 705, 709 y 718. La capa nitratado puede ser dar diferentes durezas

dependiendo del tipo de acero, por ej. aceros como 8407, XW41 o XW5 pueden

lograr durezas superiores a 65 HRC. 705, 709, 718 puede lograr como máximo 54

HRC.

Los aceros inoxidables no deben nitrurarse, ya que pierden resistencia a la corrosión.

Los materiales que no están en el grupo de nitrurables, no logran efecto de

endurecimiento.

RECOCIDOS: Normalmente su objetivo es ablandamiento, pero cierto tipos son

aplicables para alivios de tensiones:

El recocido como tal sirve para el ablandamiento de los aceros que por algún motivo

están endurecidos y se requiere dejarlos en baja dureza para por ej. una operación

de mecanizado. Posterior se puede volver a hacer un tratamiento de endurecimiento,

pero una Planta como DETESA no podrá dar garantía ya que los materiales que son

continuamente calentados tienden a sufrir fatiga térmica y puede haber problemas de

fisuras deformaciones. El recocido de alivio de tensiones se usa como su nombre

indica, para aliviar las tensiones producidas por:

1. Mecanizado: cuando se desbasta más del 30% del material en bruto.

Tiene como objetivo de que al realizarlo se presentarán las deformaciones, previo a

la operación final de mecanizado, así:

- Mecanizado de desbaste

- Alivio de tensiones

- Mecanizado de acabado + tolerancia para absorber las deformaciones producidas

por el tratamiento térmico.

- Tratamiento térmico

- Rectificado, el cual se puede realizar debido a la tolerancia que se dejó previo

tratamiento térmico

- Puesta en producción

- Nota recordatoria: Para lo que es nitruración gaseosa, se sugiere en forma

obligatoria que se haga un alivio de tensiones, previo a dejar la medida final, caso

contrario a la temperatura de nitruración se presentarán deformaciones.


2. Por operación de soldadura: Cuando se suelda un acero especial, se debe

homogenizar la estructura afectada por el calor, para evitar fragilidad y baja

resistencia mecánica ante una carga elevada.

ACEROS GRADO HERRAMIENTA PARA TRABAJO EN FRÍO:

Son aquellos que nos sirven para operaciones de corte y conformado en frío, como

cizallas, cuchillas, matrices de corte, punzones de corte, cuchillas de dobladoras,

rodillos de conformado, rodillos guías, etc. Estos aceros principalmente trabajan

sobre metal, madera y plástico, por ej: latas para atún, cuchillas de conformado de

madera o molinos de plástico (trituración).

La principal función de estos aceros es trabajar generalmente con durezas altas, que

generan una gran resistencia al desgaste, combinada con la tenacidad que se

requiere para el trabajo a efectuar, sin embargo, la dureza será obtenida de

experiencia del usuario, quien determinará la mejor combinación dureza-tenacidad,

en base a la experiencia de su trabajo

Estos aceros para poderlos escoger, se lo debe hacer principalmente en base de 2

parámetros que son: Resistencia al desgaste y tenacidad.

Con estas condiciones, la selección se facilita, ya que por ej. si se requiere cortar

material fino, la cantidad de impacto será mínima, por lo que se requerirá entonces


tener un material de alta resistencia al desgaste y caso contrario, si el material es

grueso, tendremos que generar un gran esfuerzo que puede estar combinado con

impacto, en este caso se requerirá un acero de alta tenacidad.

Otra forma de dar tenacidad a un acero, es bajando su dureza, por ej. Un acero XW5

con 60 HRC será más resistente al desgaste que el mismo acero pero con 50 HRC,

pero a 50 HRC el acero será más tenaz que a 60 HRC.

Normalmente en nuestro medio para aplicaciones de corte de material fino se ha

logrado buenos resultados con 58 HRC.

Si las aplicaciones que se requieren no tienen poder de impacto, siempre se sugerirá

tener la mayor dureza posible para generar la mejor resistencia al desgaste.

Ej. de aplicaciones:

1. Corte de lata para atún: Normalmente se está utilizando XW5 o XW41 con valores

de dureza de 58 HRC.

2. Corte de chapa para construir cocinas, normalmente se utiliza XW5 o XW41 con 58

HRC.

3. Rodillos de conformado para fabricación de tubos de acero de bajo carbono, o

techos metálicos, normalmente se está utilizando XW41 con valores de dureza de 58-

60 HRC.

4. Cuchillas para corte de plancha negra gruesa ha dado buenos resultados Calmax

con durezas entre 54-58 HRC. Recordemos que mientras menos dureza tendremos

mayor tenacidad.

ACEROS PARA MOLDES DE PLÁSTICO: Como su nombre lo indica, estos aceros

son usados para fabricar moldes para los distintos elementos plásticos que a diario

vemos. Normalmente su principal característica es la pulibilidad seguida de

resistencia al desgaste producida por el plástico.


718: Es un acero bonificado (templado y revenido) que algunos lo conocen como

acero P20, debido a la norma americana AISI. Tiene una excelente pulibilidad y se lo

puede trabajar en el estado de suministro (tornear, fresar, etc.). Su dureza bordea los

310 HB, por lo que tiene una dureza similar a la de los aceros 705 y 709.

Si se requiere una dureza mayor, puede ser factible la nitruración, por lo que la

dureza máxima que podría alcanzar sería de 53-54 HRC. Puede trabajar con

plásticos que no sean corrosivos (el cliente normalmente podrá respondernos esa

pregunta, ya que por ej. corrosivos son el PVC, acetatos, etc). Otra forma de


endurecerlos sería con temple por llama, pero ello requiere entonces una gran

experiencia para no dañar al acero.

STAVAX: Es un acero inoxidable (AISI 420), que tiene una alta pureza y por tanto se

lo utiliza para moldes de plástico. Tiene las siguientes características:

� Posee la mejor capacidad de pulibilidad de todos los aceros para moldes de

plástico que manejamos.

� Es un acero que deja el mejor acabado en el producto final.

� Para obtener su característica real de inoxidable en todo su potencial, es

recomendable hacer tratamiento térmico de temple. En nuestro medio los clientes lo

usan, tal y como lo vendemos (en estado de suministro), no logrando con ello 100%

de las propiedades de inoxidable.

� Es obligatorio el uso para cuando se trabaje con plásticos corrosivos como PVC.

En este caso, normalmente los clientes sabe de lo corrosivo o no de los plásticos a

manejar.

� La dureza máxima que se puede lograr con Stavax es 52-54 HRC, lo cual es

suficiente para el trabajo con plásticos.

PRODAX: Nuestro duraluminio para moldes de plástico. Es un aluminio con adiciones

de níquel, cromo, hierro, etc. Estos metales le dan la dureza característica de este

material, así como el alto nivel de pulibilidad que posee.

Su principal aplicación está en moldes para soplado, principalmente para botellas,

como las de agua o bebidas gaseosas.

Otros tipos de materiales de moldes de plástico que se pueden usar son Calmax y

8407. La aplicación básica sería para moldes para temple, en donde prevalece la

resistencia al desgaste y disminuye la necesidad de excelencia en el acabado.

ACEROS PARA TRABAJO EN CALIENTE:

Son aceros que normalmente van a trabajar a alta temperatura. Ideal par atrabajo con

metales calientes en inyección, forja, extrusión, etc.

IBCA tiene en stock el acero 8407 (Orvar Supreme) (AISI H13), que normalmente

puede trabajar con buen rendimiento con metales como zamak, zinc y aluminio.


ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables son aleaciones ferro-cromo con un mínimo de 11% de

cromo.

El agregado de otros elementos a la aleación permite formar un amplio

conjunto de materiales, conocidos como la familia de los aceros inoxidables.

Entre los elementos de aleación, dos se destacan: el cromo, elemento presente

en todos los aceros inoxidables por su papel en la resistencia a la corrosión y el

níquel por la memoria en las propiedades mecánicas.La siguiente es una visión

panorámica de la familia de los aceros inoxidables, sus principales

características y aplicaciones.

ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS

En los aceros inoxidables martensíticos, el carbono está en una concentración

tal, que permite la formación de austenita a altas temperaturas, que a su vez se

transforma en martensita durante el enfriamiento.La martensita es una fase rica

en carbono, frágil y extraordinariamente dura. magnéticos y endurecibles por

tratamiento térmico, presentando cuando templados una micro estructura

acicular (en forma de agujas).Es importante observar que estos aceros son


normalmente producidos por la industria siderúrgica en estado recocido, con

ductilidad razonablemente buena. Solamente después de templados serán muy

duros y poco dúctiles. Pero es precisamente en esta condición (templados),

que serán resistentes a la corrosión.El más utilizado de los aceros inoxidables

martensíticos es el Tipo 420. En estado recocido (estructura ferrítica), no

presenta buen comportamiento frente a la corrosión atmosférica. Esto porque

durante la operación de recocido, a una temperatura aproximada de 760 ºC, el

carbono y el cromo se combinan para formar carburos de cromo, Cr23C6.

Cada molécula de carburo de cromo contiene, en peso, aproximadamente 95%

de cromo. Considerando el alto tenor de carbono y el bajo tenor de cromo del

acero inoxidable 420 (aproximadamente 0,35%C y 12,50% Cr), como todo el

carbono precipita como carburo de cromo durante el recocido, esta

precipitación retirará de la solución sólida aproximadamente la mitad del cromo

disponible. En esta condición el material no resiste a la corrosión y no puede

ser considerado propiamente como un acero inoxidable (ya que no tiene un

mínimo de 11% de cromo en solución sólida).Por eso, el acero inoxidable 420,

es colocado en servicio por el usuario, solamente después de un tratamiento de

temple. Cuando templado, el carbono forma parte de la fase martensítica, no

siendo encontrado en la aleación precipitado como carburo de cromo.

La alta dureza y la consecuente resistencia al desgaste, determinan las

aplicaciones de este material, utilizado en cuchillería, discos de freno, equipos

quirúrgicos, odontológicos y turbinas.Si la cantidad elevada de carbono es un

inconveniente en el acero inoxidable 420 en estado recocido, una solución

lógica es la de disminuir este tenor, lo que se hace en el inoxidable Tipo 410.

Como este material tiene un máximo de 0,15% de carbono, esta cantidad no es

suficiente para remover tanto cromo de la solución sólida y, consecuentemente,

presenta una buena resistencia a la corrosión atmosférica, tanto en la condición

de recocido como de templado.Después del tratamiento de temple, las durezas

alcanzadas por este material no son tan altas como las presentadas por el

inoxidable 420. Las principales aplicaciones del inoxidable 410 son en equipos

para refinación de petróleo, válvulas, componentes de bombas y cuchillería.

Aumentando la cantidad de azufre se obtiene el inoxidable 420 F, una variedad

del 420, con buena maquinabilidad.Adiciones de carbono (para obtenerse

durezas todavía mayores) y de cromo y molibdeno (mejorando también la


resistencia a la corrosión) nos llevan a los aceros inoxidables martensíticos

Tipo 440, utilizados en cuchillos de corte profesional.

ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS

Los aceros inoxidables ferríticos también son magnéticos. A pesar de tener una

menor cantidad de carbono que los martensíticos, se tornan parcialmente

austeníticos a altas temperaturas y consecuentemente precipitan martensita

durante el enfriamiento. Puede decirse que son parcialmente endurecibles por

tratamiento térmico.Los aceros inoxidables ferríticos contienen, de un modo

general, un tenor de cromo superior al de los martensíticos. Este aumento en la

cantidad de cromo mejora la resistencia a la corrosión en diversos medios, pero

sacrifica en parte otras propiedades, como la resistencia al impacto.

El más utilizado de los aceros inoxidables ferríticos es el Tipo 430, que

contiene 16 a 18% de cromo y un máximo de 0,12% de carbono. Entre sus

aplicaciones, se puede mencionar: cubiertos, vajillas, cocinas, piletas,

monedas, revestimientos, mostradores frigoríficos. Uno de los mayores

problemas del inoxidable 430 es la pérdida de ductilidad en las regiones

soldadas, que normalmente son frágiles y de menor resistencia a la corrosión.

El elevado crecimiento del tamaño de grano, la formación parcial de martensita

y la precipitación de carbonitruros de cromo, son las principales causas

generadoras de este problema. Para enfrentar este inconveniente, se adiciona

titanio y/o niobio, como estabilizadores del carbono. Los Tipos 409, 430 Ti y

430 Nb son muy utilizados, principalmente en silenciadores y escapes de

automóviles.

El aluminio se utiliza también como un estabilizador de ferrita. El inoxidable

405, con aluminio entre 0,10 y 0,30% es muy utilizado en la fabricación de

estructuras que no podrán ser recocidas después de la operación de soldado.

El aumento en el tenor de azufre, permite mejorar la maquinabilidad, en el Tipo

430 F.

ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS

Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos y no pueden ser

endurecidos por tratamiento térmico. Son muy dúctiles y presentan excelente


soldabilidad.

El inoxidable austenítico más popular es el Tipo 304, que contiene básicamente

18% de cromo y 8% de níquel, con un tenor de carbono limitado a un máximo

de 0,08%. Tiene gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de

alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte..

En determinados medios, especialmente en aquellos que contienen iones

cloruro, el inoxidable 304 muestra propensión a una forma de corrosión llamado

corrosión por picado. Es un tipo de corrosión extraordinariamente localizada, en

la cual en determinados puntos de la superficie del material, el medio agresivo

consigue quebrar la película pasiva para después progresar en profundidad.

equipo fuera de servicio .La corrosión por rendijas, puede ser considerada

como una corrosión por picado artificial. El aspecto es frecuentemente

semejante al de la corrosión por picado y el proceso de crecimiento es también

autocatalítico. Pero, la existencia de una rendija es necesaria para la

ocurrencia del fenómeno, lo que no sucede en la corrosión por picado. Los

mismos medios capaces de provocar la corrosión por picado, promueven la

corrosión por rendijas en los aceros inoxidables. El molibdeno es introducido

como elemento de aleación en los aceros inoxidables precisamente para

disminuir la susceptibilidad a estas formas de corrosión. La presencia de

molibdeno permite la formación de una capa pasiva más resistente y en casos

en que el inoxidable 304 no resiste a la acción de determinados medios,

corroyendo por picado o por rendijas, los inoxidables 316 y 317 constituyen una

excelente solución. Son aceros con gran utilización en las industrias químicas,

de alcohol, petroquímicas, de papel y celulosa, en la industria petrolífera,

industrias textil y farmacéutica.Cuando están sometidos por algún tiempo a las

temperaturas entre 450 y 850 ºC, los aceros inoxidables austeníticos están

sujetos a la precipitación de carburos de cromo en sus contornos de granos, lo

que los torna sensibilizados. Esta precipitación abundante de carburos, la

sensibilización, resulta en la disminución del tenor de cromo en las regiones

vecinas a los bordes, regiones que tienen así su resistencia a la corrosión

drásticamente comprometida, tornando el material susceptible a la corrosión

intergranular en ciertos medios. Las zonas térmicamente afectadas por

operaciones de soldado son particularmente sensibles a esta forma de

corrosión, ya que durante el ciclo térmico de soldado parte del material es


mantenido en la faja crítica de temperaturas. La consideración de este

fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables austeníticos extra bajo carbono,

304L, 316L y 317L, en los cuales el tenor de carbono es controlado en un

máximo de 0,03%, quedando así extremadamente reducida la posibilidad de

sensibilización.

La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema

de la sensibilización. El titanio, adicionado como elemento de aleación, inhibe

la formación de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor

por el carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de

titanio y el cromo permanece en solución sólida. Con la misma finalidad puede

ser utilizado el niobio.Tanto el titanio como el niobio son estabilizadores del

carbono y los aceros inoxidables así obtenidos, el 321 y el 347 son conocidos

como aceros inoxidables estabilizados. El inoxidable 316 Ti es la versión

estabilizada del tipo 316. Para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y

900 ºC, los aceros inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya

que conservan mejores propiedades mecánicas en esas temperaturas que los

aceros de extra bajo carbono; notoriamente la resistencia al creep.

En el inoxidable 904 L (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), la adición de elementos de

aleación busca mejorar no sólo la resistencia al picado sino también la

resistencia a la corrosión en medios ácidos reductores. El elevado tenor de

níquel mejora también el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión.

En los casos en que se pretende una buena resistencia mecánica y no existe

gran preocupación por la corrosión intergranular, los aceros inoxidables 304H y

316H, con tenores de carbono en el rango de 0,04/0,10%, son recomendados.

La precipitación de una fina red de carburos de cromo, tan perjudicial bajo el

punto de vista de la corrosión, se torna benéfica cuando lo que interesa son las

propiedades mecánicas.Aumentos considerables en los tenores de cromo y

níquel permiten elevar la temperatura de formación de cascarilla (escamado)

de los aceros inoxidables austeníticos. El inoxidable 304 es recomendado para

trabajo al aire libre, a temperaturas inferiores a 925 ºC en servicios continuos.

En las mismas condiciones, el inoxidable 310, con cromo 24/26% y níquel

19/22%, resiste temperaturas de hasta 1150 ºC. Es un material clasificado

como acero inoxidable refractario.Grandes aumentos de níquel, llevan a las

aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el elemento con mayor presencia en el material ya


no es el hierro sino el níquel, Estos materiales no son conocidos como aceros

inoxidables sino como aleaciones a base de níquel y presentan excelente

resistencia a la corrosión en diversos medios a altas temperaturas. El elevado

tenor de níquel da también garantía de una buena resistencia a la corrosión

bajo tensión.El inoxidable 304 es un material con excelente ductilidad. Para

casos de estampado extra profundo, un aumento en el tenor de níquel permite

mejorar todavía más la ductilidad. Con esta finalidad fue desarrollado el Tipo

305.

Ligeras reducciones en el tenor de níquel disminuyen la estabilidad de la

austenita, permitiendo la aparición de martensita inducida por deformación en

frío, consiguiéndose así excelentes propiedades para aplicaciones

estructurales. Es el Tipo 301, disponible en las versiones 1/4, 1/2, 3/4 y

totalmente duro y con gran utilización en las industrias ferroviarias, de trenes

metropolitanos y de carrocerías de ómnibus.El Tipo 303 resulta del aumento

del tenor de azufre en el 304 con la finalidad de mejorar la maquinabilidad. La

ductilidad y la resistencia a la corrosión quedan comprometidas por este

aumento en la cantidad de azufre.Los aceros de la serie 200, resultan de una

substitución parcial de níquel por manganeso. Son utilizados en aplicaciones

estructurales, presentando resistencia a la corrosión inferior al 301.


RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLE S

Todos los aceros inoxidables contienen el cromo suficiente para darles sus

características de inoxidables. Muchas aleaciones inoxidables contienen

además níquel para reforzar aun más su resistencia a la corrosión. Estas

aleaciones son añadidas al acero en estado de fusión para hacerlo “inoxidable

en toda su masa”. Por este motivo, los aceros inoxidables no necesitan ser ni

chapeados, ni pintados, ni de ningún otro tratamiento superficial para mejorar

su resistencia a la corrosión. En el acero inoxidable no hay nada que se pueda

pelar, ni desgastar, ni saltar y desprenderse. EI acero ordinario, cuando queda

expuesto a los elementos, se oxida y se forma óxido de hierro pulverulento en

su superficie. Si no se combate, la oxidación sigue adelante hasta que el acero

esté completamente corroído.También los aceros inoxidables se oxidan, pero

en vez de óxido común, lo que se forma en la superficie es una tenue película

de óxido de cromo muy densa que constituye una coraza contra los ataques de

la corrosión. Si se elimina esta película de óxido de cromo que recubre los

aceros inoxidables, se vuelve a formar inmediatamente al combinarse el cromo


con el oxígeno de la atmósfera ambiente.El empleo de acero inoxidable estará

bajo la dependencia de las características oxidantes del ambiente. Si imperan

condiciones fuertemente oxidantes, los aceros inoxidables resultan superiores

a los metales y aleaciones más nobles. Sin embargo, en la misma familia de los

aceros inoxidables la resistencia a la corrosión varía considerablemente de un

tipo al otro. En el grupo al cromo níquel, los tipos 301 y 302 son menos

resistentes a la corrosión que los tipos 310 y 316. En el grupo más sencillo al

cromo, los tipos 405 y 410 son menos resistentes a la corrosión que los tipos

430 y 442.

La utilización de los aceros al cromo (Serie 400) para fines industriales se debe

principalmente a las condiciones de resistencia a la oxidación. Un acero al

cromo con el 12 % desarrollará una película de óxido superficial al cabo de

varias semanas de exposición a una atmósfera industrial. La película, una vez

formada, actúa como barrera contra la corrosión más pronunciada, pero si se

ha de tener en cuenta la apariencia del metal, el tipo 410 y el tipo 405 pueden

resultar objetables. El tipo 430, con el 17% de cromo, necesita varios meses

hasta que se forma la película superficial de óxido, mientras que el tipo 442,

con más del 20 % de cromo, se vuelve pasivo en la atmósfera sin que se

desarrolle una película de óxido visible. Otro procedimiento para evitar que en

condiciones semejantes se forme óxido, consiste en añadir más del 7 % de

níquel a una aleación con el 17 % o más de cromo, como son los tipos 301,

302 y 304. En atmósferas que contengan aire salino o humos procedentes de

fábricas de productos químicos, la adición de molibdeno aumenta la resistencia

a la corrosión, como es el caso con el tipo 316.Si se revisan brevemente los

recientes desarrollos experimentados por los adornos y piezas inoxidables que

se emplean en los automóviles, lo que acabamos de decir quedará ilustrado

más claramente, Los fabricantes norteamericanos de automóviles han utilizado

el tipo 430 para las molduras y adornos de la carrocería y el tipo 301 para los

taparuedas y embellecedores que son difíciles de conformar. Sin embargo, al

aumentar más cada año el uso de sales corrosivas y de abrasivos para

acelerar el deshielo de calles y carreteras durante el invierno, también los

fracasos del tipo 430 se han incrementado. En cambio, el tipo 301 para los

embellecedores ha resistido con buen éxito a los ataques de la corrosión.


CORROSION: CAUSAS Y REMEDIOS

Son cinco los riesgos que amenazan el éxito del uso de los aceros inoxidables.

Estos son: la corrosión intergranular, la corrosión por efecto galvánico, la

corrosión por contacto, la corrosión en forma de picado o de pinchazos de

alfiler, y la corrosión por fatiga. Muchos fracasos pueden ser evitados dándose

cuenta sencillamente de los riesgos involucrados y adoptando las medidas

apropiadas para eliminarlos.

1. Corrosión intergranular

Un tratamiento térmico inadecuado del acero inoxidable puede producir una

retícula de carburos en los aceros con más del 0,03 por ciento de carbono, o

sin adición de titanio. El metal que contenga tal retícula es susceptible de

corrosión intergranular que podrá ser causa de fracaso en condiciones muy

corrosivas y reducir la duración útil en muchos servicios relativamente ligeros.

Los procedimientos normales de soldadura introducen en el metal la

susceptibilidad a la precipitación de los carburos. Que el acero sea susceptible

de corrosión intergranular no significa necesariamente que será atacado por

ella. En servicio, el resultado puede ser satisfactorio. Pero la posibilidad de

corrosión intergranular deberá ser tenida en cuenta siempre que no quede

excluida según la experiencia previa. La precipitación de carburos puede ser

eliminada por uno de los tres procedimientos indicados a continuación:

a) Por recocido:

Una vez terminadas las operaciones de elaboración y de soldadura, el acero

deberá ser calentado hasta una temperatura lo suficientemente alta para

disolver los carburos, lo que es generalmente entre 1036 ºC y 1150 ºC, para

enfriarlo luego con la rapidez suficiente para evitar que se vuelva a precipitar el

carburo y utilizando para ello un chorro de aire o agua. Un tratamiento térmico

localizado en la zona inmediatamente adyacente a la soldadura no da

resultados satisfactorios. Para un recocido efectivo, toda la pieza deberá ser

calentada y apropiadamente enfriada con rapidez.


b) Utilizando acero que contenga menos de 0,03 % de carbono.

c) Utilizando un acero estabilizado:

el titanio se combina con el carbono y evitan las precipitaciones perjudiciales.

Los aceros estabilizados son necesarios para todo servicio que implique

prolongadas exposiciones a las temperaturas entre 426º C y 871 ºC.

El peligro inherente a la precipitación de carburo de cromo ha llegado a ser tan

bien conocido y tan fácilmente evitado que ocurren pocos fracasos debidos a

esta causa.

2. Corrosión galvánica

La corrosión galvánica ejerce una acción localizada que puede sobrevenir

cuando una junta de unión entre dos metales disimilares está sumergida en

una solución que puede obrar como electrolito. En un medio corrosivo, los dos

metales diferentes forman unos electrodos cortocircuitados y constituyen una

celda electroquímica. De ello resulta la disolución del electrodo anódico,

mientras que el cátodo permanece inalterable. El potencial variará según la

posición ocupada por los metales y aleaciones en el cuadro de las series

galvánicas que se acompaña.

El empleo de distintos metales en una solución corrosiva no significa que la

corrosión galvánica sea inevitable. Los factores que influencian la corrosión

galvánica incluyen:

a) Conductividad del circuito:

Tiene que existir el contacto entre metales diferentes en una solución de alta

conductividad para que se produzca el ataque galvánico.

b) Potencial entre ánodo y cátodo:

la posición que ocupa cada metal en la serie galvánica determina el potencial y

la dirección del flujo de corriente cuando se compone una celda. El metal que

ocupa la posición más alta en la serie constituye el cátodo. El otro metal es el

ánodo y, debido a ello, es el que resulta atacado por la acción de la celda. El


potencial se incrementa cuanto más apartadas unas de otras son las

posiciones ocupadas por cada metal en la serie. Los aceros inoxidables en

estado pasivo figuran en la serie justo a continuación de la plata, del grafito y

del oro. Así pues, en una solución oxidante, los aceros inoxidables pasivos

suelen constituir el cátodo, mientras que serán los otros metales los que serán

atacados. Cuando la solución es reductora, el acero inoxidable se vuelve activo

y los metales tales como el cobre y el bronce constituirán el cátodo y

acelerarán la corrosión del acero inoxidable. El acero y la fundición de hierro

ocupan puestos inferiores en la serie galvánica que el que ocupa el acero

inoxidable activo por lo que éste será atacado si se forma una célula entre ellos

y el acero inoxidable, lo mismo si están sumergidos en una solución oxidante

que en una reductora.

c) Polarización:

Este efecto es el que se produce sobre los electrodos de una celda galvánica

por el depósito sobre los mismos de los gases liberados por la corriente. La

evolución de los iones de hidrógeno puede cambiar de pasiva en activa la

superficie del acero inoxidable, acelerando así la corrosión del ánodo.

d) Areas relativas del cátodo y ánodo:

el área relativa de las superficies ejerce un efecto pronunciado sobre el daño

producido por la acción galvánica. Un pequeño ánodo con un cátodo grande

produce una corriente de elevada densidad y acelera la corrosión en el ánodo.

Deberán evitarse las pequeñas áreas del metal menos noble. No se utilizarán

piezas de sujeción de aluminio para el acero inoxidable. En cambio, el empleo

de piezas de sujeción de acero inoxidable para aluminio da resultados

satisfactorios.

e) Relación geométrica entre superficies de distintos metales:

Un borde o una esquina del metal menos noble no deberá estar en contacto

con el centro de un área de gran superficie del metal que ha de constituir el

cátodo si llega a formarse una celda galvánica.

La corrosión se atribuye frecuentemente a la acción galvánica cuando su


verdadera causa se debe efectivamente a unas condiciones anormales de

operación. Así por ejemplo, el uso de ácido clorhídrico, para sustituir un

material de limpieza normal, puede destruir la película pasiva del acero

inoxidable. En tal caso se puede formar una celda galvánica que empezará a

funcionar tan pronto como la pieza en cuestión entre en función. El volver a

proyectar y a construir una pieza que sea completamente de acero inoxidable

puede ser muy costoso y la nueva pieza proyectada puede ser difícil de

fabricar. Así pues, cuando aparentemente la acción galvánica sea la única

causa de un desperfecto en una unidad que, demostradamente, es de un buen

diseño, convendrá realizar una verificación meticulosa para cerciorarse de que

todas las condiciones de operación son normales.

3. Corrosión por contacto

El tercer riesgo es la corrosión por contacto. Una diminuta partícula de acero al

carbono, una escama de óxido, cobre u otra substancia extraña cualquiera

incrustada en el acero inoxidable puede ser suficiente para destruir la pasividad

en el punto de contacto. El ataque empieza al formarse una celda galvánica

con la partícula de material extraño como ánodo. Mientras dura la acción

electroquímica que disuelve lo contaminado, iones de hidrógeno se liberan

haciendo que el acero inoxidable se vuelva activo en el punto de contacto. La

acción de picado puede proseguir después de haber sido eliminada la partícula

extraña por haberse constituido una celda activa-pasiva entre la diminuta

superficie anódica atacada y la extensa área catódica circunvecina. Cuando las

secciones inoxidables entran en servicio deberán estar limpias de escamas de

óxido, de aceite, de pequeñas partículas metálicas procedentes de las

herramientas, troqueles e hileras, así como de todo material extraño. La

corrosión por contacto puede iniciarse al cabo de mucho tiempo de estar la

pieza en servicio si los métodos de limpieza empleados no son meticulosos.

Oxido y suciedad en los conductos de vapor, herramientas impregnadas con

acero al carbono, e inclusive aparatos de transporte sucios, pueden acarrear

substancias creadoras de corrosión por contacto hasta los recipientes de acero

inoxidable durante un período de limpieza. Unas superficies limpias y lisas, así


como la ausencia de arañazos y grietas reduce el riesgo de que se produzca

corrosión por contacto.

5. Corrosión por fatiga

La corrosión por fatiga es otro de los riesgos que han de ser eliminados. Casi

todos los metales y aleaciones, incluso el acero austenítico inoxidable, pueden

fallar al agrietarse o quebrarse debido a la corrosión por fatiga en condiciones

que impliquen esfuerzos aplicados o tensiones residuales combinadas con

agentes ligeramente corrosivos. Las soluciones de cloruro son de lo más

perjudicial al provocar el agrietamiento de los aceros inoxidables austeníticos.

El mecanismo causante de la corrosión por fatiga todavía no ha sido

determinado. Es principalmente transgranular y puede ir acompañado de

ataques de picado. Son muy susceptibles las piezas que han estado sometidas

a un fuerte trabajo en frío, pero el acero recocido puede también agrietarse

cuando se le somete a condiciones difíciles. Es más fácil que el agrietamiento

se produzca en soluciones calientes que en las frías. El tipo 315 y el tipo 317,

en la condición de recocido, ofrecen mayor resistencia al ion cloruro que el tipo

302 y el tipo 304. Pero si están bajo tensiones fuertes, pueden fallar lo mismo

en un ambiente conducente a la corrosión por fatiga.Tensiones fuertes y

débiles en el mismo elemento producen una condición que fácilmente puede

conducir a la corrosión por fatiga en presencia de cloruros. Ha sido investigado

cierto número de fracasos debidos a planchas perforadas. Las grietas en forma

de rayos que parten de los taladros son típicas del agrietamiento debido a la

corrosión por fatiga. Los productores canadienses han resuelto este problema

completamente recociendo a fondo las planchas después de taladradas.

Los aceros inoxidables, estirados, embutidos o trabajados en frío se agrietan

fácilmente en sistemas que contengan sulfuro de hidrógeno acuoso. Distintos

medios, incluso las soluciones cáusticas calientes bajo presión, han causado el

agrietamiento según ha sido informado, aunque en la mayoría de estos casos

pueden haber sido causadas por impurezas no observadas contenidas en el

cloruro.

Para eliminar completamente las tensiones internas, sin perjuicio para la

resistencia a la corrosión, se deberá recocer por encima de 926 ºC, con


enfriamiento rápido para que los carburos permanezcan en solución. Como no

es posible hacer esto con los recipientes grandes, un tratamiento de revenido a

648 º C puede ser suficiente para reducir las tensiones residuales. Este

tratamiento a 648 ºC podrá ser aplicado únicamente para los tipos 304 L, 316

L, 317 L, 321 y 347, y para estos metales tan sólo cuando se sepa que el nivel

de la tensión en el cual puede ocurrir la corrosión sea más bajo que lo que se

espera después de semejante tratamiento térmico a baja temperatura. Cuando

se utiliza acero inoxidable como forro para un recipiente de acero al carbono no

será posible aligerar las tensiones debido a que los coeficientes de expansión

son muy diferentes. Lo mismo ocurre cuando se trata de recipientes de acero

inoxidable que lleven soldados refuerzos, soportes o sujeciones de acero al

carbono.

6. Proyecto y fabricación.

Cómo reducir al mínimo la corrosión. Los fracasos debidos a la corrosión

pueden ser frecuentemente eliminados modificando apropiadamente el diseño

sin necesidad de cambiar el tipo de acero. La forma de las juntas, la

continuidad de la superficie y la concentración de las tensiones deberán ser

tomadas en consideración. Las soldaduras a tope son preferibles a las

soldaduras en solapa, y se deberán utilizar buenos métodos de soldadura. El

uso de piezas complementarias, tales como de planchas o placas de refuerzo

rodeadas de costuras o cordones de soldadura, deberá ser reducido al mínimo

ya que esto produce tensiones biaxiales difíciles de eliminar por tratamiento

térmico. Cuando se tengan que sujetar patas de acero dulce a un tanque de

acero inoxidable, se deberá soldar las patas primeramente a un asiento de

acero inoxidable que, a su vez, será soldado al fondo del tanque. Con esto se

evita la difusión del carbono en el acero inoxidable del tanque.

Todo el equipo deberá ser meticulosamente limpiado a fondo para eliminar toda

contaminación producida por óxidos, polvo de hierro, partículas procedentes de

las herramientas, fundente de soldadura, suciedades y substancias orgánicas.

Estas substancias extrañas pueden ser eliminadas limpiándolas a chorro o por

decapado. Una buena solución para el decapado consiste en el 10 por ciento

de ácido nítrico y el 1 por ciento de ácido fluorhídrico.

Un ajuste defectuoso causa tensiones al forzar las piezas para ponerlas en


posición. Cuando se fabrican piezas para una unidad que deba contener

material corrosivo, será prudente reformar las piezas que ajusten mal y

recocerlas de manera que las piezas en cuestión se ajusten limpiamente en el

recipiente. El conformar en frío, tal como el cilindrar tubos en la chapa, son

trabajos que deberían reducirse al mínimo.

DUREZA

El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más

empleados en la selección y control de calidad de los metales. Intrínsecamente

la dureza es una condición de la superficie del material y no representa ninguna

propiedad fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos

procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de

una herramienta de determinada geometría.El ensayo de dureza es simple, de

alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para

evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del

material.Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen

básicamente por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las

condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir)

la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de

factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.

2.- Dureza Vickers


La fig. nº 4 es una microfotografía, con un aumento de 50 veces, de una

superficie especular obtenida mediante un tratamiento mecánico con cepillo y

pasta de pulir. Se aprecian claramente las pequeñas cavidades y rayas con

bordes agudos, que dificultarán posteriormente las acciones de limpieza. En

cambio, en la fig. nº 5, la misma superficie electropulida muestra la ausencia de

huecos con bordes definidos. En este tipo de terminación no podrán alojarse

materiales extraños.-Por lo tanto, una superficie plana electropulida, aunque

brillante, no tendrá el aspecto especular del pulido mecánico. Sin embargo, a

nivel microscópico y sanitario, es mejor, y el usuario deberá comprender que

una superficie similar a la de un espejo, no necesariamente implica que a nivel

microscópico esté libre de imperfecciones que pueden alojar colonias de

microorganismos y/o iniciar procesos de corrosión localizada.

APLICACIONES

De acuerdo con las características del proceso de electropulido explicado

anteriormente, algunos de los posibles usuarios son:

- Industria alimenticia en general, fundamentalmente láctea, cervecera,

vitivinícola y frigorífica. Industrias químicas, del plástico, mecánicas, fotográfica,

textil y del cuero.

-Fabricantes de instrumental quirúrgico y odontológico.

-Fabricantes de máquinas y elementos para la industria papelera.

-Fabricantes de elementos ópticos, prótesis médicas, máquinas envasadoras,

accesorios marinos.

Ing. Héctor Chire Ramírez

Email: [email protected]

Arequipa - Perú

metales ferrosos

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