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Universidad Nororiental Privada “Gran Mariscal de Ayacucho”
Escuela de Ingeniería en Administración de Obras
Núcleo Cumaná
ACEROS
Cátedra: Materiales II
Profesor:Ing.Zoilo Fuentes
Integrantes
Jesús
González
Gianny Zorzini
Royer Mata
Cumaná, Marzo de 2015
INTRODUCCIÓN
Existe una gran diversidad en la forma de identificar y clasificar a los aceros. No
obstante, la mayoría de los aceros empleados industrialmente presentan una elección
normalizada expresada por medio de cifras, letras y signos. Existen dos tipos de
designaciones para cada tipo de material, una simbólica y otra numérica.
La designación simbólica enuncia las características físicas, químicas o tecnológicas del
material y, en la mayoría de los casos, otras características adicionales que permitan su
identificación de una forma más precisa.
Por otro lado, la designación numérica enuncia una codificación alfanumérica que
tiene un sentido de orden o de clasificación de elementos en grupos para facilitar su
identificación. De esta manera, la designación no tiene un sentido descriptivo de las
características del material.
Comúnmente, cuando se enfatiza el tema de hacer una clasificación de los aceros,
ésta arrojara resultados diferentes según el enfoque que se siga. Así, se puede realizar una
clasificación según la composición química de los aceros, o bien, según su calidad. Además
se pueden clasificar los aceros en función del uso a que estén destinados, o si se quiere,
atendiendo al grado de soldabilidad que presenten.
Con el presente informe pretendemos exponer los distintos criterios de clasificación
antes mencionados.
EL ACERO
Se denomina acero a las aleaciones del hierro con el carbono y otros elementos, que
al calentarlas hasta altas temperaturas, pueden ser sometidas a la deformación plástica por
laminado, estirado, forjado, estampado.
El acero contiene hasta 2% de carbono y ciertas cantidades de silicio y manganeso y
también impurezas nocivas: fósforo y azufre, las cuales no se pueden eliminar por completo
del metal por los métodos metalúrgicos. Aparte de estas impurezas los aceros pueden
contener algunos elementos de aleación: cromo, níquel, vanadio, titanio y otros.
COMO SE PRODUCE EL ACERO.
El acero se elabora primordialmente por la transformación del hierro fundido en
forma de arrabio que es un producto intermedio en el proceso de función. La tarea de la
transformación del arrabio en acero se reduce a la extracción de las cantidades sobrantes de
carbono, silicio, manganeso y las impurezas nocivas que contiene. Esta tarea se puede llevar
a cabo porque el carbono y las otras impurezas, bajo la acción de altas temperaturas, se unen
con el oxígeno de un modo más enérgico que el hierro y pueden extraerse con pérdidas
insignificantes de hierro. El carbono del arrabio al reaccionar con el oxígeno se transforma
en gas monóxido de carbono (CO) que se volatiliza.
Otras impurezas se transforman en óxidos (SiO2, MnO, y P2O5) que tienen una
densidad menor que la del metal fundido y por tanto flotan formando la escoria.
Para la transformación del arrabio a acero se utilizan dos métodos generales:
 El método de los convertidores.
 El uso de hornos especiales.
LOS CONVERTIDORES.
La esencia del método de los convertidores para la obtención del acero consiste en
que a través del hierro fundido líquido cargado al convertidor, se inyecta aire, que burbujea
dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida el carbono y otras impurezas.
El convertidor representa un recipiente en forma de pera, soldado con chapas gruesas
de acero y revestido interiormente con material refractario. En la parte central del
convertidor, exteriormente se hallan dos tetones cilíndricos llamados muñones que sirven de
soporte y permiten girar el convertidor. Uno de los muñones es hueco y se une con el tubo
conductor de aire. Del muñón el aire es conducido por un tubo y por la caja de aire al fondo.
En el fondo del convertidor están las toberas a través de las cuales el aire se suministra al
convertidor a presión. También se utiliza la insuflación de oxígeno con lo que el proceso se
hace más rápido y eficiente.
Para cargar el convertidor este se hace girar de la posición vertical a la horizontal, se
agrega el arrabio fundido y se regresa el convertidor a su posición vertical, en ese momento
se pone en marcha el soplado. El volumen de metal incorporado constituye de 1/5 a 1/3 del
volumen de la altura de la parte casi cilíndrica.
El calor necesario para calentar el acero hasta las altas temperaturas necesarias se
produce a expensas de la oxidación de las impurezas del arrabio, ya que todas las reacciones
de oxidación generan calor.
En dependencia de la composición del arrabio los convertidores se dividen en dos
tipos:
Convertidor con revestimiento ácido: (procedimiento Bessemer) utilizado para los
arrabios con una cantidad mínima de fósforo (0.07%) y azufre (0.06%).
Convertidor con recubrimiento básico: (procedimiento Thomas) utilizado para los
arrabios con mayor abundancia de fósforo (hasta 2.5%).
PROCEDIMIENTO BESSEMER.
Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos
refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen fundirse
a 1710°C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carácter ácido, por consiguiente
en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio.
El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia
interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas
comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través del metal
y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido.
Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres
períodos característicos:
 La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria.
 La quema del carbono.
 La desoxidación o la desoxidación-carburación.
Primer período:
En esta etapa se oxida el hierro, el silicio y el manganeso generando calor por lo que el metal
se calienta. Durante este tiempo se forma la escoria. Las reacciones químicas que se producen
son:
2Fe + O2 -----> 2FeO
Si + 2FeO ----> SiO2 + 2Fe
Mn + FeO ----> MnO + Fe
A su vez los óxidos generados entran en combinación según:
MnO + SiO2 -----> MnO.SiO2
FeO + SiO2 -----> FeO.SiO2
Y forma la escoria.
Si la cantidad de SiO2 por la oxidación del silicio contenido en el arrabio no es
suficiente, pasa a la escoria la sílice del revestimiento del convertidor.
Todos estos procesos de oxidación han calentado el metal y se produce la segunda
etapa.
Segundo período:
Dada la alta temperatura del metal comienza a quemarse el carbono:
C + FeO ----> CO + Fe
Este proceso se realiza con absorción de calor, pero el metal no se enfría porque al
mismo tiempo se está oxidando el hierro en el convertidor que suple el calor necesario para
mantener la temperatura.
El monóxido de carbono que se produce, produce una fuerte ebullición del metal y al
salir del convertidor se quema con el aire atmosférico, formando dióxido de carbono, el
convertidor genera una llamarada clara. A medida que se consume el carbono, la llama
comienza a extinguirse hasta desaparecer por completo, esto indica que el carbono se ha
quemado casi en su totalidad y marca el fin de la segunda etapa.
Tercer período:
En este momento se interrumpe la insuflación de aire, ya que con su suministro
ulterior y con muy poco carbono comenzará a oxidarse el propio hierro a óxido férrico con
las consiguientes pérdidas de metal.
Una vez interrumpido el suministro de aire el convertidor se lleva a la posición
horizontal para realizar la desoxidación y carburación del acero. El objetivo de este paso es
eliminar el oxígeno disuelto como FeO, como desoxidantes generalmente se utilizan las
ferroaleaciones y el aluminio puro. Para elevar el contenido de carbono en el acero a los
valores deseados se utiliza una fundición especial.
El material terminado se convierte a grandes lingotes para su uso en los laminadores.
El acero Bessemer se utiliza en piezas de uso general, varillas para hormigón armado,
vigas laminadas, hierro comercial para construcciones y similares.
 Las deficiencias de este método son:
 La imposibilidad de eliminar del metal el fósforo y el azufre.
 La elevada pérdida de hierro por oxidación (8-15%).
 La saturación del hierro con nitrógeno y óxido de hierro que empeoran su
calidad.
PROCEDIMIENTO THOMAS.
En este convertidor el interior se reviste de material refractario básico, ladrillos de
magnesita en las paredes y el fondo con una mezcla de brea de carbón mineral y dolomita.
Como fundente para la formación de la escoria se utiliza la cal viva (CaO) con un contenido
mínimo de los óxidos ácidos sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3).
Surge de la necesidad de tratar las fundiciones con alto contenido de fósforo,
obtenidas de menas ferrosas que se encuentran bastante propagadas en la corteza terrestre. A
su vez el contenido de sílice debe ser muy bajo (menos de 0.5%) para evitar el uso excesivo
de fundente neutralizador.
El proceso de fundición en un convertidor Thomas se efectúa del modo siguiente:
primero se carga el convertidor con la cal, después se vierte el hierro fundido, se inicia el
viento y se gira el convertidor a la posición vertical.
Lo primero que pasa es a oxidación del hierro según la reacción:
Fe + ½O2 ------> FeO
El óxido ferroso formado se disuelve en el metal y oxida el resto de las impurezas Si,
Mn, C y el fósforo.
Se distinguen tres períodos:
 Oxidación del silicio y el manganeso.
 Combustión intensa del carbono.
 Oxidación del fósforo.
Primer período:
La oxidación del silicio produce sílice, la sílice formada SiO2, se une a la cal (óxido
de calcio) según la reacción:
C + FeO ------> Fe + CO
El baño comienza a ebullir por la producción del monóxido de carbono y el horno
genera una llamarada clara por la boca debido a la combustión del CO con el oxígeno del
aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un valor mínimo y el metal se enfría
con lo que comienza el tercer período.
Tercer período:
En este momento comienza la oxidación del fósforo y comienza a elevarse de nuevo
la temperatura del metal, las reacciones características de esta etapa son:
2P + FeO -----> P2O5 + 5Fe
P2O5 + 3FeO ----> (FeO)3.P2O5 + 2Fe
(FeO)3.P2O5 + 4CaO ----> (CaO)4.P2O5 + 3Fe
En la oxidación del fósforo y la subsiguiente reacción de su óxido con otros, se
desprende una considerable cantidad de calor y el metal se calienta rápidamente. El fosfato
cálcico formado pasa a la escoria.
Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso a la escoria, el convertidor
se gira a la posición horizontal, se interrumpe el aire y se descarga la escoria para evitar que
el fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al metal.
Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa.
En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que pasa a la escoria en
forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio (CaS). Después de la desoxidación el
acero se sangra en la cuchara y se cuela en lingoteras para la producción de lingotes.
El acero producido tiene aplicación en el laminado de hierro en chapas, alambres e
hierro comercial.
El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su alto rendimiento, la
simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y la ausencia del consumo de
energía para calentar el metal, pero no resuelve de manera óptima la obtención de aceros de
diferentes calidades, no sirven para tratar todos los tipos de arrabio nacidos de la infinidad
de menas disponibles y en ellos solo puede utilizarse de manera limitada la gran cantidad de
chatarra disponible en la industria.
PRODUCCIÓN EN HORNOS.
El uso razonable del hierro fundido y la más completa utilización de la chatarra
ferrosa, se logra al producir aceros en horno.
A diferencia de los convertidores, los hornos de producción de acero son cámaras
revestidas con material refractario donde se vierte arrabio en lingotes o líquido y chatarra
ferrosa, junto con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos
necesarios para los procesos de oxidación. Luego el material se calienta por diversos métodos
hasta su fundición con lo que comienzan los procesos de oxidación de las impurezas y del
propio hierro y se va formando la escoria.
En estos hornos no se inyecta aire a la masa de metal fundido como en los
convertidores, por el contrario los procesos de oxidación de las impurezas se realizan al
interactuar los componentes de la escoria con el metal fundido de abajo.
Para lograr acero líquido dentro del horno se necesita una fuente intensa de calor que
interactúe con el contenido del horno y pueda fundir el metal. Se distinguen dos tipos
generales:
 Los que usan combustible (hornos Martin).
 Los que usan electricidad (de arco eléctrico y de inducción).
En los hornos Martin se elabora probablemente la mayor parte del acero producido
en el mundo. En estos hornos el combustible utilizado puede ser gaseoso, líquido, sólido en
polvo o sus combinaciones, las principales características que debe tener el combustible son:
 Que pueda producir una llama muy caliente, 2000°C o más; ya que el metal
fundido al final del proceso tiene una temperatura de cerca de 1650°C.
 Que la llama sea lo más radiante posible para que transmita calor por radiación
al interior del horno, y así calentar el contenido de manera rápida y
homogénea, y producir gases de escape más fríos que afecten mínimamente
los dispositivos de evacuación de gases.
 Que no introduzca elementos nocivos al proceso.
El horno Martin se compone de las siguientes partes principales:
 El espacio activo o de fundición (5).
 Conductos para manipular los gases de entrada y salida a ambos lados (3) y (4).
 Las cámaras regeneradoras de calor con enrejado refractario (1) y (2).
 Los mecanismos de conmutación de las cámaras de regeneración.
 Los separadores de polvo de los gases finales de escape y la chimenea (no mostrados).
 Los separadores de escoria (no mostrados).
 Dentro del espacio activo o de fundición se pueden distinguir:
o La bóveda (7), la parte superior del horno.
o La solera (6), que es la parte inferior del espacio de fundición.
o Las puertas de carga (8). Colocadas en la pared frontal del horno.
o Los orificios para sangrar el acero (no visibles), colocados en la pared trasera del
horno.
Si asumimos ahora que el horno Martin mostrado funciona con combustible gaseoso
podemos notar que hay cuatro conductos que dan acceso a la zona activa. Por el conducto 4
se insufla aire muy caliente, cuyo calor fue adquirido en el recuperador de la derecha, lo
mismo con el conducto 3, pero en este caso se inyecta el gas combustible también muy
caliente que ha pasado por el correspondiente regenerador. Al juntarse dentro del espacio
activo con el aire, el gas se inflama produciendo la llama que calentará el metal contenido en
el horno desde su superficie.
Note que los gases calientes producto de la combustión se retiran del horno por los
conductos de la izquierda, estos gases calientan a su paso el enrejado refractario
correspondiente a los dos regeneradores de ese lado, cuando los regeneradores de la derecha
se han enfriado lo suficiente debido al paso de los gases fríos de entrada (aire y combustible)
se giran los mecanismos conmutadores y se invierte el proceso. Ahora los regeneradores de
la izquierda (muy calientes) calentarán los gases de entrada y los productos de la combustión
calentarán los regeneradores de la derecha, obteniendo de esta manera un calentamiento
continuo de los gases que entran al horno.
Procesos físico-químicos del horno Martin.
En el trabajo de fundición del horno Martin, la oxidación de las impurezas se produce
por procesos físico-químicos que se desarrollan entre los gases del horno- escoria y entre
escoria-metal.
En el contacto de los gases de la combustión es solo con la capa de escoria, y por ello
esta se calienta en primer lugar. Con una capa excesiva de escoria o con escoria de difícil
fusión el calentamiento del metal se dificulta. Correspondientemente, las cualidades de la
escoria y su cantidad influyen considerablemente sobre la marcha de la fundición. Lo que
obliga a separar de vez en cuando parte de la escoria producida, y a utilizar un fundente
adecuado para fundir los óxidos y hacerlos flotar en la masa del metal fundido como escoria.
Al iniciar la fundición, y durante la fusión del metal ("baño frío") el primero que se
oxida es el Fe y luego este al Si, Mn, y P. Según las reacciones:
Si + 2FeO -----> 2Fe + SiO2
Mn + FeO ----> Fe + MnO
2P + 5FeO ----> 5Fe + 2P2O5
De estos óxidos y por el fundente se forma la escoria, después por debajo de la capa
de la escoria se oxidan el resto de las impurezas.
La fuente principal de oxígeno para la oxidación de las impurezas es el FeO que se
encuentra en la escoria. El óxido ferroso de la escoria reacciona con el oxígeno de los gases
del horno según la reacción:
6FeO + O2 ------> 2Fe3O4 + Calor
Esta reacción genera calor por eso la escoria se puede oxidar activamente a
temperaturas del horno relativamente bajas.
Los óxidos superiores que se forman se difunden a través de la escoria hacia el metal
de abajo y lo oxidan según la reacción:
Fe + Fe3O4 ------> 4FeO
El óxido ferroso regenerado se disuelve en el metal y oxida las impurezas que
contiene, La oxidación del hierro en "baño frío" se efectúa de un modo más enérgico, pero la
reducción del óxido ferroso por el carbono presente suele ser más lenta, ya que esta reacción
consume calor:
FeO + C ------> Fe + CO - Calor
Esta necesidad energética del proceso se suple adicionando más combustible para
calentar el metal. Cuando se calienta el metal ("baño caliente") se invierten las actividades,
la oxidación de la escoria suele ser más lenta, mientras que la reducción del óxido de hierro
por el carbono suele ser más enérgica y el baño puede ebullir debido a la generación del CO,
esto hace que el metal se mueva y se mezcle en el baño favoreciendo su calentamiento
homogéneo y rápido.
De manera resumida podemos decir que:
 Una temperatura baja del baño contribuye a la oxidación de la escoria y del metal que
se encuentra por debajo.
 Una temperatura alta favorece la obtención de escoria y metal poco oxidados.
 En consecuencia manejando la temperatura en el espacio activo del horno se pueden
dirigir los procesos de reducción-oxidación en su interior y obtener un acero de las
cualidades y características deseadas en cuanto a contenido de impurezas y cantidad
de carbono.
 En los hornos Martin se pueden tratar los desechos sólidos de la producción, la
chatarra ferrosa, obtener exactamente una composición química dada del acero,
desoxidar bien el metal, obtener simultáneamente gran cantidad de metal homogéneo
e incluso obtener más cantidad de metal que el vertido originalmente en el horno
(hasta 105%), ya que se puede usar parte de mena como aditivo ventajoso al horno,
pero paralelamente también tiene sus deficiencias, ya que los gases participan en los
procesos químicos, oxidando, simultáneamente con las impurezas comunes, a otro
elementos de aleación que hay en el metal (vanadio titanio y otros) y saturando el
metal. A consecuencia de esto se dificulta la obtención de acero aleado.
Hornos eléctricos.
Los hornos eléctricos para la producción de acero son de dos tipos principales:
 Hornos de arco.
 Hornos de inducción.
 Hornos de arco.
La construcción de los hornos de arco voltaico se basa en el calor generado por el
arco eléctrico, formado entre los electrodos de grafito (o de carbón) y el baño metálico, que
producen una temperatura de 3500°C o más. En estos hornos se puede obtener acero de alta
calidad, casi desprovistos de impurezas nocivas, con un contenido de carbono muy exacto y
con elementos aleantes en proporciones definidas. Es decir acero especiales para altas
prestaciones.
El horno consta de una camisa cilíndrica con fondo esférico, recubiertas con
materiales refractarios y aislados térmicamente de tal manera que se forme el espacio activo
del horno. La bóveda del horno se prepara de manera que sea desarmable y está construida
de ladrillos refractarios sujetos por una armadura de acero en forma de aro.
El horno tiene una puerta de carga y un orificio para sangrar el metal. Está asentado
sobre dos soportes en forma de arco, colocados sobre las guías del cimiento que permiten
girarlo para la carga y descarga del horno. En la bóveda del horno se colocan en orificios
elaborados para ello los electrodos. Los electrodos durante la fundición ascienden y
descienden con la ayuda de un mecanismo especial.
La corriente se suministra de un transformador a los electrodos a través de cables
flexibles y barras de cobre.
Para llevar a cabo la fundición en los hornos de arco, este se alimenta con una mezcla
de chatarra, hierro fundido, mena de hierro, fundentes, desoxidantes y ferro aleaciones, que
sirven para formar las aleaciones.
Para la oxidación de las impurezas, después de fundida la mezcla inicial, se le agrega
al horno la mena. Los óxidos de hierro oxidan las impurezas del metal (Si, Mn, P, y C) a
consecuencia de lo cual se forma la escoria férrica que contiene (FeO)3. P2O5. Esta escoria
sustrae fósforo del metal. Para formar un compuesto más estable se agrega a la escoria cal
recién calcinada de forma que se forme una sal fósforo-cálcica que se retiene en la escoria.
Esta reacción tiene éxito ya que la temperatura del metal no es muy elevada, pero es una
reacción exotérmica que calienta el baño y durante esta etapa es usual que comience a
oxidarse el carbono y el baño entre en ebullición. En ese momento se retira la escoria
fosfórica.
Si se ha quemado mucho carbono, y este, en el metal, está por debajo del nivel
requerido se cargan al horno portadores de carbono tales como coque o arrabio de bajo
contenido de impurezas nocivas.
Más tarde, y en dependencia de los requerimientos del acero pueden cargarse al horno
nuevos fundentes y desoxidantes para retirar el azufre, agregar los elementos aleantes
requeridos y se hace una última desoxidación con aluminio puro.
En algunos casos se introduce al espacio activo del horno oxígeno, que favorece la
oxidación de las impurezas y reduce el consumo energético.
Hornos de inducción.
Estos hornos se basan en el calor generado por elevadísimas corriente que se generan
en la masa del metal. Estas corrientes son inducidas por una bobina que rodea al crisol donde
está el metal, y por la cual se hace circular corriente alterna de alta frecuencia. En esencia el
horno recrea un transformador en el que el metal es el bobinado secundario en corto circuito.
En estos hornos el calor se genera en el metal y se trasmite a la escoria, por lo que la
temperatura media de esta es menor que la del metal. Por eso no se efectúan las reacciones
activas de intercambio entre la escoria y el metal, y por consecuencia, es imposible sustraer
del metal las impurezas nocivas (fósforo y azufre).
La fundición se hace rápidamente y antes de terminar se introducen al horno los
desoxidantes y si es necesario las adiciones de aleación.
Las ventajas de este método son que en él se puede calentar el metal a temperaturas
muy altas y sin grandes dificultades hacer la fundición al vacío, por eso, además de producir
aceros normales, se pueden producir aceros especiales como los inoxidables, los
termoresistentes y otros de destinación muy especial.
TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO.
Se clasifican según profundidad del tratamiento así como la velocidad a la que se
enfría la pieza:
A) Tratamientos que afectan a la totalidad de la pieza a tratar:
1. Tratamientos con disminución gradual de la temperatura:
1.1. TEMPLE: Enfriamientos súbitos (a gran velocidad) empleando agua o
líquidos refrigerantes. Tiene como finalidad aumentar la dureza, la resistencia
mecánica y el límite elástico del acero tratado.
1.2. NORMALIZADO: Enfriamientos lentos, al aire, para aceros con muy
bajo contenido en carbono (<0,25 % C), con objeto de homogeneizar su estructura y
eliminar tensiones internas.
1.3. RECOCIDO: Enfriamientos muy lentos, inicialmente en el horno y
posteriormente al aire. Tiene como finalidad ablandar el material para procesos de
mecanizado (mejorar su ductilidad y maleabilidad).
1.4. REVENIDO: es un tratamiento complementario del temple y posterior a
éste. Se calienta el acero templado sin llegar a la temperatura de austenización y se
deja enfriar en el horno o al aire para eliminar tensiones internas y mejorar su
ductilidad y tenacidad.
2. Tratamientos isotérmicos con disminución de la temperatura en intervalos de
tiempo. (La pieza se mantiene durante cierto tiempo a una determinada temperatura)
- Temple escalonado o martempering. En aceros hipoeutectoides (con media o baja
templabilidad) que requieran gran resistencia al desgaste (con este tratamiento se consigue
más profundidad de temple). Se obtiene martensita y es necesario después realizar un
revenido. El inconveniente es que es un tratamiento más caro que el temple normal, ya que
para mantener la temperatura constante se deben introducir las piezas en baños de sales.
- Temple bainítico o austempering. En aceros hipoeutectoides. Se obtiene
bainita y no hace falta realizar revenido después.
- Patentado o patenting. En aceros de 0,3 a 0,85 % C para el estirado en alambres. (Se
suele acompañar este tratamiento de un recocido de regeneración cuando comienza a
aparecer acritud en el proceso de trefilado). Se obtiene perlita fina.
B) Tratamientos superficiales (afectan sólo a la superficie de la pieza a tratar):
Temple superficial: a la llama, por inducción, por rayo láser, por bombardeo
electrónico.
DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS
IMPORTANTES
TEMPLE
- Temperatura límite (crítica) de temple: temperatura mínima que debe alcanzar un
acero para que toda su masa pueda transformarse en cristales de austenita.
En la práctica se sobrepasa la temperatura A3 o Acm en 50 º C. El tiempo de permanencia
dependerá del espesor de la pieza (aprox. por cada 1mm 1 min)
- Velocidad crítica de temple: velocidad mínima de enfriamiento de un acero para que
la austenita se transforme en martensita. Depende del contenido en carbono del acero (a
mayor % C menor será esta velocidad) y también de si el acero está aleado con otros
materiales (los aceros aleados tienden a desplazar las curvas TTT hacia la derecha y a
disminuir esta velocidad)
- Factores que influyen en el temple:
 Tamaño de las piezas: mayor espesor dificulta el enfriamiento del interior.
 Composición del acero: aceros con <0,2 % C no se pueden templar.
 Temperatura y medio de enfriamiento.
- Templabilidad: aptitud o cualidad de un acero para facilitar la penetración del
temple. Su determinación nos permitirá conocer el diámetro crítico de la pieza a templar
(máximo diámetro para que el interior de la pieza tenga el 50 % de martensita) y por tanto el
resultado del tratamiento realizado.
Determinación de la templabilidad de un acero:
- Tiñendo la sección transversal de la pieza templada con nital (ácido nítrico y etanol),
de modo que se colorea la zona templada.
- Estudiando la dureza a lo largo de la sección transversal de la pieza tratada.
- Por medio del ensayo de Jominy .
Con los tratamientos de temple la estructura resultante siempre tiene una parte de martensita.
RECOCIDO
Se clasifican en función de la temperatura máxima a la que se calienta el acero y en
función de las condiciones y velocidades de enfriamiento:
a) Con calentamientos a temperaturas superiores a la de austenización:
- Recocido de regeneración o de austenización completa: para aceros hipoeutectoides. Se
calienta de modo que todo el material se transforme en austenita y se enfría lentamente (hasta
500º C) de manera que la austenita se transforma en ferrita y perlita de grano grueso. Después
se enfría al aire.
- Recocido globular de austenización incompleta. Para aceros hipereutectoides y aceros
aleados usados en herramientas. Se calienta el acero de modo que sólo la ferrita se transforma
en austenita (la cementita no se transforma y adopta la forma de glóbulos incrustados en la
austenita). Se hace luego un enfriamiento lento en el horno hasta que la austenita se
transforma (500º C) y después se enfría al aire.
b) Con calentamientos a temperaturas inferiores a la de austenización (subcríticos).
- Recocido globular subcrítico: se enfría muy lentamente hasta 500º C y después al
aire. Se consigue frente al anterior una cementita de estructura globular más perfecta.
(La cementita que forma parte de la perlita en forma de láminas adopta ahora una
estructura en forma de glóbulos- se forma perlita sorbítica).
- Recocido de ablandamiento o de homogenización: se calienta el acero a una
temperatura de 700 a 725º C y se deja enfriar al aire. Se emplea en aceros después de la forja
o laminación, generalmente en aceros aleados de gran resistencia para devolverles sus
propiedades mecánicas iniciales.
-Recocido de estabilización o de relajación de tensiones: se calienta la pieza a
100-200º C durante un tiempo muy prolongado (100 h o más). Con ello se pretende eliminar
las tensiones internas que quedan en las piezas.
Con los tratamientos de recocido la estructura resultante siempre es ferrita-perlita o perlita-
cementita de grano más o menos grueso, de escasa dureza y gran plasticidad.
OTROS TRATAMIENTOS
TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
Son tratamientos que varían la composición química superficial de los aceros
mediante la adición de otros elementos y con aporte de calor, con objeto de mejorar sus
propiedades superficiales. Los principales tratamientos termoquímicos son:
Cementación
Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa superficial,
mediante difusión. Se introduce la pieza en un medio carburante a
temperatura elevada y una vez que se incrementó su contenido en
Carbono se somete la pieza a diferentes tratamientos térmicos para
mejorar su tenacidad y dureza superficial.
Nitruración
Se somete la pieza a una corriente de amoniaco a temperatura inferior a
la de cementación, por lo que no suele ser necesario un tratamiento
térmico posterior. El nitrógeno aportado no se difunde en la red sino que
suele formar nitruros con los elementos químicos del acero aleado,
aumentado notablemente la dureza superficial del acero tratado
Cianuración o
carbonitruración
Es una mezcla de cementación y nitruración, incrementando la cantidad
de carbono y nitrógeno en la superficie de la pieza a tratar.
Sulfinización
Consiste en añadir una pequeña capa superficial a la pieza de azufre,
Nitrógeno y carbono (estos dos últimos en menor cantidad), al introducir
la pieza a tratar en un baño con sales de los anteriores elementos.
Aplicaciones:
- Cementación: en aceros con bajo contenido en carbono para obtener piezas
resistentes al desgaste y los golpes (gran dureza superficial pero que conserven gran
tenacidad)-por ejemplo ejes y levas.
- Nitruración: en piezas sometidas a gran desgaste y resistente a la fatiga y la
corrosión-por ejemplo pistones, cigüeñales,…
- Cianuración: también para aceros con medio y alto contenido en carbono, para mejorar
su resistencia y dureza superficial.
- Sulfinización: para mejorar la resistencia la desgaste al favorecer la lubricación y
reducir el rozamiento. (Partes de herramientas sometidas a rozamiento).
TRATAMIENTOS MECÁNICOS
Se trata de modificar la forma de un elemento metálico por deformación plástica,
aplicando al material una fuerza externa superior al límite elástico del material. El
conformado se puede realizar en frío o en caliente.
Conformado en caliente Conformado en frío
Se generan grandes deformaciones con menor
aporte energético
Mal acabado superficial (suelen sufrir oxidación)
Mejora de las propiedades mecánicas (aumenta
resistencia y reduce ductilidad)
Mejor acabado superficial
Las técnicas de conformado más comunes son:
- Forja: conformado de una pieza golpeándola fuertemente. La forja contribuye a la
eliminación de irregularidades en la pieza y al afino del grano.
- Laminación: consiste en pasar una preforma metálica entre dos rodillos, reduciendo
el espesor de la pieza.
- Extrusión: empleado para fabricar elementos tubulares que deben pasar por un
orificio más estrecho aplicando una fuerza de compresión mediante un émbolo.
- Trefilado: empleado para fabricar alambres o piezas de pequeño diámetro,
aplicando una fuerza de tracción a una pieza sujeta con mordazas.
RECUBRIMIENTOS SUPERFICIALES
Utilizados para mejorar la resistencia a la oxidación y corrosión de los aceros. Los
recubrimientos superficiales metálicos generalmente también mejoran la dureza superficial
y por tanto su resistencia la desgaste.
- Metálicos: realizados mediante diferentes procedimientos:
 Electrolisis: la pieza que se pretende recubrir se coloca como cátodo, como
ánodo el metal a recubrir y de electrolito una disolución de sus iones. Se utiliza
para el aluminio, magnesio y titanio, principalmente.
 Mediante inmersión de la pieza a tratar en un baño del metal a recubrir
fundido.
Los más empleados son el estaño, el cinc, el aluminio y el plomo.
- Metalización: proyección del metal fundido pulverizándolo sobre la superficie del
otro.
- Orgánicos: mediante la aplicación de pinturas, lacas y otras sustancias polímeras.
Otro tipo de protección contra la oxidación y corrosión sería también aplicar un
tratamiento termoquímico en el que se introduciría la pieza en un medio que contiene los
átomos del metal a difundir a elevada temperatura y por difusión los átomos de dicho metal
pasarían a formar parte de la estructura superficial del acero a tratar.
Mediante este procedimiento se recubren superficialmente piezas de acero con cromo,
boro, aluminio y cinc.
Algunos de los recubrimientos más empleados son:
- Cromado: recubrimiento de la superficie del acero con cromo mediante electrolisis
o por difusión.
- Galvanizado: acero recubierto de una pequeña capa de cinc, mediante un baño de
cinc fundido o por electrolisis.
- Estañado u hojalata, sustituido actualmente por la aluminización: acero recubierto
de una capa de estaño (o aluminio), normalmente mediante inmersión en un baño de estaño
fundido.
PROCESOS DE OXIDACIÓN Y CORROSIÓN EN METALES OXIDACIÓN
La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden
electrones. Cuando este proceso ocurre en contacto con el oxígeno, este último gana los
electrones perdidos por el metal convirtiéndose en un ión que al combinarse con el metal dan
origen al óxido del material. Por ejemplo, para un metal divalente (valencia 2) se verifica:
𝑀 +
1
2
𝑂2 → 𝑀𝑂 {
𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙: 𝑀 → 𝑀2+
+ 2𝑒−
𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜:
1
2
𝑂2 + 2𝑒−
→ 𝑂2−
El óxido aparece en la superficie y se pueden presentar varios casos:
 Que la capa de óxido sea porosa y permita que la oxidación siga avanzando (como le
ocurre al magnesio o al hierro).
 Que la capa de óxido sea adherente e impermeable y proteja al metal (como ocurre
con el aluminio o el cromo) Así, la velocidad y energía de oxidación para cada
elemento varía y al alear un metal de fácil oxidación con otro más difícilmente
oxidable, este último protege al primero, como ocurre en el caso de los aceros
inoxidables, aleados principalmente con cromo.
CORROSIÓN
Es un caso especial de oxidación en el que al encontrarse en un ambiente húmedo y
conductor de la electricidad, la capa de óxido no se deposita sobre el material protegiéndolo
del avance de la oxidación, sino que este se disuelve (corroe). El proceso de corrosión
normalmente está basado en la formación de celdas electroquímicas, en las que aparece un
ánodo (lugar donde se ceden electrones-se produce la oxidación) un cátodo (aquel que recibe
los electrones-se produce una reducción) y un electrolito o medio conductor a través del cual
se mueven los iones.
CELDA GALVÁNICA
Si colocamos dos metales sumergidos en una solución acuosa de sus iones (llamada
electrolito) y separados por un tabique poroso que sólo permita el paso del ión (SO4)2+ y
unimos eléctricamente ambos metales, las reacciones químicas que se producirán serán:
Ánodo (oxidación): Zn → Zn2+ + 2e−
Cátodo (reducción): 𝐶𝑢2+ + 2e− → Cu
Este es el principio de funcionamiento de una pila eléctrica. Para conocer qué metal
hará de ánodo y cual de cátodo se debe conocer el potencial de electrodo de cada uno,
actuando de cátodo el de mayor potencial.
CORROSIÓN
El metal se disuelve al actuar como ánodo y las reacciones químicas serán:
Ánodo (oxidación) Fe → Fe2+ + 2𝑒−
Cátodo (reducción):
a) en ausencia de oxígeno: 2H+
+ 2e−
→ 𝐻2
b) con oxígeno: 𝑂2 + 4H+ + 4e− → 2𝐻2 𝑂
c) con iones metálicos disueltos en el electrolito:
M2+ + 2e− → M
ELECTROLISIS
Forzamos el sentido de circulación de los electrones, creando una diferencia de potencial
entre ambos electrodos y empleando como electrolito una solución con iones del metal que
queremos emplear para recubrir. De esta forma el Fe actuaría de cátodo sobre el que se
depositaría el metal colocado en el cátodo.
Ánodo (oxidación) Cr → Cr2+ + 2e−
Cátodo (reducción) Cr2+ + 2e− → Cr
DESIGNACION DE LOS ACEROS SEGÚN LAS NORMAS
NORMA ASTM
La norma ASTM (American Society for Testing and Materials) no especifica la
composición directamente, sino que más bien determina la aplicación o su ámbito de empleo.
Por tanto, no existe una relación directa y biunívoca con las normas de composición.
El esquema general que esta norma emplea para la numeración de los aceros es:
YXX donde,
Y es la primera letra de la norma que indica el grupo de aplicación según la siguiente
lista:
A: si se trata de especificaciones para aceros;
B: especificaciones para no ferrosos;
C: especificaciones para hormigón, estructuras civiles;
D: especificaciones para químicos, así como para aceites, pinturas, etc.
E: si se trata de métodos de ensayos;
Otros...
Ejemplos:
A36: especificación para aceros estructurales al carbono;
A285: especificación para aceros al carbono de baja e intermedia resistencia para uso
en planchas de recipientes a presión;
A325: especificación para pernos estructurales de acero con tratamiento térmico y
una resistencia a la tracción mínima de 120/105 ksi;
A514: especificación para planchas aleadas de acero templadas y revenidas con alta
resistencia a la tracción, adecuadas para soldar;
A continuación se adjunta una tabla con las características de los aceros que son más
comunes, según esta norma.
NORMA AISI
La norma AISI (American Iron and Steel Institute ) utiliza un esquema general para
realizar la especificación de los aceros mediante 4 números:
AISI ZYXX
Además de los números anteriores, las especificaciones AISI pueden incluir un prefijo
mediante letras para indicar el proceso de manufactura. Decir que las especificaciones SAE
emplean las mismas designaciones numéricas que las AISI, pero eliminando todos los
prefijos literales.
El significado de los anteriores campos de numeración es la siguiente:
 XX indica el tanto por ciento (%) en contenido de carbono (C) multiplicado
por 100;
 Y indica, para el caso de aceros de aleación simple, el porcentaje aproximado
del elemento predominante de aleación;
 Z indica el tipo de acero (o aleación). Los valores que puede adoptar Z son los
siguientes:
 Z=1: si se trata de aceros al Carbono (corriente u ordinario);
 Z=2: si se trata de aceros al Níquel;
 Z=3: para aceros al Níquel-Cromo;
 Z=4: para aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo;
 Z=5: para aceros al Cromo;
 Z=6: si se trata de aceros al Cromo-Vanadio;
 Z=7: si se trata de aceros Al Tungsteno-Cromo;
 Z=8: para aceros al Ni-Cr-Mo;
Etc.
Como ya se indicó, la anterior designación puede incorpora también letras adicionales
para indicar lo siguiente:
 E: para indicar Fusión en horno eléctrico básico.
 H: para indicar Grados de acero con templabilidad garantizada.
 C: para indicar Fusión en horno por arco eléctrico básico.
 X: para indicar alguna desviación del análisis de norma.
 TS: para indicar que se trata de una Norma tentativa.
 B: para indicar que se trata de Grados de acero con un probable contenido
mayor de 0.0005% en boro.
 LC: para indicar Grados de acero con extra-bajo contenido en carbono (0.03%
máx.).
 F: Grados de acero automático.
A continuación se incluyen algunos ejemplos de designación de tipos de aceros según
la norma AISI, que incluyen algunas notas aclaratorias:
- AISI 1020:
1: para indicar que se trata de un acero corriente u ordinario;
0: no aleado;
20: para indicar un contenido máx. de carbono (C) del 0.20%.
- AISI C 1020:
La letra C indica que el proceso de fabricación fue SIEMENS-MARTIN-básico. Puede ser
B (si es Bessemer-ácido) ó E (Horno eléctrico-básico).
NORMA SAE
La norma SAE (Society of Automotive Engineers) clasifica los aceros en distintos grupos, a
saber:
 Aceros al carbono;
 Aceros de media aleación;
 Aceros aleados;
 Aceros inoxidables;
 Aceros de alta resistencia;
 Aceros de herramienta, etc.
ACEROS AL CARBONO:
La denominación que emplea la normativa SAE para los aceros al carbono es según el
siguiente esquema:
SAE 10XX, donde XX indica el contenido de Carbono (C).
Ejemplo:
SAE 1010 (con un contenido en carbono entre 0,08 - 0,13 %C)
Por otro lado, dentro de los aceros alcarbono, según su contenido, se pueden diferenciar los
siguientes grupos:
• Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015)
Estos aceros son usados para piezas que van a estar sometidas a un conformado en frío.
• Aceros de bajo % de carbono (desde SAE 1016 a 1030)
Este grupo tiene mayor resistencia y dureza, pero menor capacidad de deformación. Son los
comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas.
Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053)
Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más
elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento
Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095)
Se usan en aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y
conseguir altos niveles de dureza en elmaterial que no pueden lograrse conacerosde menor contenido
de C.
ACEROS DE MEDIA ALEACIÓN:
Son aceros alMn, y su denominación según SAE es del tipo SAE 15XX, donde el porcentaje
de Mn varía entre 1,20 y 1,65, según el %C.
Ejemplo:
SAE 1524, con contenido en elrango de 1,20 - 1,50 %Mn, y son empleados para construcción
de engranajes;
ACEROS DE FÁCIL MAQUINABILIDAD Ó ACEROS RESULFURADOS:
El esquema de denominación de estos aceros, según SAE, es de la siguiente forma:
SAE 11XX y SAE 12XX
Son aceros de alta maquinabilidad. La presencia de gran cantidad de sulfuros genera viruta
pequeña y dado que los sulfuros poseen alta plasticidad, éstos actúan como lubricantes internos. No
son aptos para soldar, ni para someterlos a tratamientos térmicos, ni forja debido a su bajo punto de
fusión.
Ejemplo:
SAE 11XX, donde el contenido de S oscila entre 0,08 - 0,13 %S;
Este tipo de aceros pueden dividirse a su vez en tres grupos:
• Grupo I (SAE 1110, 1111, 1112, 1113, 12L13, 12L14, y 1215):
Son aceros efervescentes de bajo % de carbono, con excelentes condiciones de maquinado.
• Grupo II (SAE 1108, 1109, 1116, 1117, 1118 y 1119):
Son un grupo de acero de bajo % de carbono y poseen una buena combinación de
maquinabilidad y respuesta al tratamiento térmico.
 Grupo III (SAE 1132, 1137, 1139, 1140, 1141, 1144, 1145, 1146 y 1151)
Estos aceros de medio contenido % de carbono combinan su buena maquinabilidad con su
respuesta al temple en aceite.
ACEROS ALEADOS:
Se considera que un acero es aleado cuando el contenido de un elemento excede uno o más
de los siguientes límites:
• 1,65% de manganeso (Mn)
• 0,60% de silicio (Si)
• 0,60% de cobre (Cu)
• ó cuando hay un % especificado de cromo, níquel, molibdeno, aluminio, cobalto, niobio,
titanio, tungsteno, vanadio o zirconio.
Los aceros aleados se usan principalmente cuando se pretende conseguir cualquiera de las
siguientes propiedades:
• desarrollar el máximo de propiedades mecánicas con un mínimo de distorsión y fisuración;
• favorecer la resistencia al revenido, incrementar la tenacidad, disminuir la sensibilidad a la
entalla;
• mejorar la maquinabilidad en condición de temple y revenido, comparándola con un acero
de igual % de carbono en la misma condición.
Generalmente se los usa tratados térmicamente. De hecho el criterio más importante para su
selección es normalmente su templabilidad, pudiendo todos ser templados en aceite.
Aceros aleados de bajo % de carbono, para cementar:
A su vez, este grupo se puede dividir, según su templabilidad en:
• De baja templabilidad (series SAE 4000, 5000, 5100, 6100 y 8100);
• De templabilidad intermedia (series SAE 4300, 4400, 4500, 4600, 4700, 8600 y 8700);
• De alta templabilidad (series SAE 4800 y 9300).
Estos últimos se seleccionan para piezas de grandesespesoresy que soportan cargasmayores.
Los otros, de baja o media templabilidad, para piezas pequeñas, de modo que en todos los
casos el temple se pueda efectuar en aceite.
2.- Aceros aleados de alto % de carbono, para temple directo:
A su vez, este grupo se puede subdividir según el contenido de carbono:
• Contenido de carbono nominal entre 0,30 - 0,37 %: pueden templarse en agua para piezas
de secciones moderadas o en aceite para las pequeñas.
Ejemplos de aplicación: bielas, palancas, puntas de ejes, ejes de transmisión, tornillos, tuercas.
Contenido de carbono nominal entre 0,40-0,42 %: se utilizan para piezas de medio y gran
tamaño que requieren alto grado de resistencia y tenacidad. Ejemplos de aplicación: ejes, palieres,
etc., y piezas para camiones y aviones.
Contenido de carbono nominal 0,45-0,50 %: se utilizan en engranajes y otras piezas que
requieran alto dureza, resistencia y tenacidad.
Contenido de carbono nominal 0,50-0,60 %: se utilizan para resortes y herramientas
manuales.
Contenido de carbono nominal 1,02 %: se utilizan para pistas, bolas y rodillos de cojinetes,
además de otras aplicaciones en las que se requieren alta dureza y resistencia al desgaste. Comprende
tres tipos de acero, cuya templabilidad varía según la cantidad de cromo que contienen.
ACEROS INOXIDABLES:
Se dividen en los siguientes grupos:
• Austeníticos:
Ejemplos:
AISI 302XX, donde XX no es el porcentaje de C
17-19 % Cr ; 4-8 % Ni ; 6-8 % Mn
Los aceros inoxidables austeníticos no son duros ni templables, además de poseer una alta
capacidad de deformarse plásticamente. El más ampliamente utilizado es el 304.
A esta categoría pertenecen los aceros refractarios (elevada resistencia a altas temperaturas).
Ejemplo, 30330 (35% Ni, 15% Cr)
• Martensíticos
Ejemplo:
AISI 514XX
11 - 18 % Cr
Estos son templables. Si se persigue conseguir durezas más elevadas se debe aumentar el %
Cr (formación de carburos de Cr). Se usan para cuchillería, dado que tienen excelente resistencia a la
corrosión.
Ferríticos
Ejemplos:
AISI 514XX, 515XX
Poseen bajo % de C y alto Cr (10 - 27 %) por lo que pueden mantener la estructura ferrítica
aún a altas temperaturas.
ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACIÓN:
La denominación SAE de estos aceros es del tipo 9XX, donde XX · 103
lb/pulg2
, indica el
límite elástico del acero.
Ejemplo: SAE 942.
Son de bajo % de C y aleados con Va, Nb, N, Ti, en aproximadamente 0,03% para cada uno,
de manera que precipitan carbonitruros de Va, Nb, Ti que elevan el límite elástico entre 30 y 50 %.
Presentan garantía de las propiedades mecánicas y ángulo de plegado. Son de fácil
soldabilidad y tenaces, aunque no admiten tratamiento térmico.
ACEROS PARA HERRAMIENTAS:
Se denominan según las siguientes letras:
W: Templables al agua. No contienen elementos aleantes y son de alto % de carbono (0,75 a
1.00%). Son los más económicos y en general tienen limitación en cuanto al diámetro, debido a su
especificación de templabilidad.
Para trabajos en frío se usan los siguientes:
 0 para indicar que sólo son aptos para trabajo en frío, dado que si se aumenta la
temperatura disminuye la dureza.
 A si están templados al aire. No soportan temple en aceite pues se fisurarían. Se usan
para formas intrincadas (matrices) dado que el alto contenido de cromo (Cr) otorga
temple homogéneo.
 D o de alta aleación. Contienen alto % de carbono para formar carburos de Cr (1,10
- 1,80 %C). Poseen una gran resistencia al desgaste.
 Para trabajo en caliente: H
Aceros rápidos:
 T en base a tungsteno
 M en base a molibdeno
Los tres tipos anteriores mantienen su dureza al rojo (importante en cuchillas), y contienen
carburos que son estables a alta temperatura. El Cr aumenta la templabilidad ya que se encuentra
disuelto, mientras que el tungsteno y el molibdeno son los formadores de carburos. El más divulgado
es el conocido como T18-4-1, que indica contenidos de W, Cr y Mo respectivamente.
 S son aceros para herramientas que trabajan al choque. Fácilmente templables en aceite. No
se pueden usar en grandes secciones o formas intrincadas.
ANEXOS
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4 Figura 5 Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Figura 11
Figura 12
Figura 13

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Aceros materiales 2

  • 1. Universidad Nororiental Privada “Gran Mariscal de Ayacucho” Escuela de Ingeniería en Administración de Obras Núcleo Cumaná ACEROS Cátedra: Materiales II Profesor:Ing.Zoilo Fuentes Integrantes Jesús González Gianny Zorzini Royer Mata
  • 2. Cumaná, Marzo de 2015 INTRODUCCIÓN Existe una gran diversidad en la forma de identificar y clasificar a los aceros. No obstante, la mayoría de los aceros empleados industrialmente presentan una elección normalizada expresada por medio de cifras, letras y signos. Existen dos tipos de designaciones para cada tipo de material, una simbólica y otra numérica. La designación simbólica enuncia las características físicas, químicas o tecnológicas del material y, en la mayoría de los casos, otras características adicionales que permitan su identificación de una forma más precisa. Por otro lado, la designación numérica enuncia una codificación alfanumérica que tiene un sentido de orden o de clasificación de elementos en grupos para facilitar su identificación. De esta manera, la designación no tiene un sentido descriptivo de las características del material. Comúnmente, cuando se enfatiza el tema de hacer una clasificación de los aceros, ésta arrojara resultados diferentes según el enfoque que se siga. Así, se puede realizar una clasificación según la composición química de los aceros, o bien, según su calidad. Además se pueden clasificar los aceros en función del uso a que estén destinados, o si se quiere, atendiendo al grado de soldabilidad que presenten. Con el presente informe pretendemos exponer los distintos criterios de clasificación antes mencionados.
  • 3. EL ACERO Se denomina acero a las aleaciones del hierro con el carbono y otros elementos, que al calentarlas hasta altas temperaturas, pueden ser sometidas a la deformación plástica por laminado, estirado, forjado, estampado. El acero contiene hasta 2% de carbono y ciertas cantidades de silicio y manganeso y también impurezas nocivas: fósforo y azufre, las cuales no se pueden eliminar por completo del metal por los métodos metalúrgicos. Aparte de estas impurezas los aceros pueden contener algunos elementos de aleación: cromo, níquel, vanadio, titanio y otros. COMO SE PRODUCE EL ACERO. El acero se elabora primordialmente por la transformación del hierro fundido en forma de arrabio que es un producto intermedio en el proceso de función. La tarea de la transformación del arrabio en acero se reduce a la extracción de las cantidades sobrantes de carbono, silicio, manganeso y las impurezas nocivas que contiene. Esta tarea se puede llevar a cabo porque el carbono y las otras impurezas, bajo la acción de altas temperaturas, se unen con el oxígeno de un modo más enérgico que el hierro y pueden extraerse con pérdidas insignificantes de hierro. El carbono del arrabio al reaccionar con el oxígeno se transforma en gas monóxido de carbono (CO) que se volatiliza. Otras impurezas se transforman en óxidos (SiO2, MnO, y P2O5) que tienen una densidad menor que la del metal fundido y por tanto flotan formando la escoria. Para la transformación del arrabio a acero se utilizan dos métodos generales:  El método de los convertidores.  El uso de hornos especiales.
  • 4. LOS CONVERTIDORES. La esencia del método de los convertidores para la obtención del acero consiste en que a través del hierro fundido líquido cargado al convertidor, se inyecta aire, que burbujea dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida el carbono y otras impurezas. El convertidor representa un recipiente en forma de pera, soldado con chapas gruesas de acero y revestido interiormente con material refractario. En la parte central del convertidor, exteriormente se hallan dos tetones cilíndricos llamados muñones que sirven de soporte y permiten girar el convertidor. Uno de los muñones es hueco y se une con el tubo conductor de aire. Del muñón el aire es conducido por un tubo y por la caja de aire al fondo. En el fondo del convertidor están las toberas a través de las cuales el aire se suministra al convertidor a presión. También se utiliza la insuflación de oxígeno con lo que el proceso se hace más rápido y eficiente. Para cargar el convertidor este se hace girar de la posición vertical a la horizontal, se agrega el arrabio fundido y se regresa el convertidor a su posición vertical, en ese momento se pone en marcha el soplado. El volumen de metal incorporado constituye de 1/5 a 1/3 del volumen de la altura de la parte casi cilíndrica. El calor necesario para calentar el acero hasta las altas temperaturas necesarias se produce a expensas de la oxidación de las impurezas del arrabio, ya que todas las reacciones de oxidación generan calor. En dependencia de la composición del arrabio los convertidores se dividen en dos tipos: Convertidor con revestimiento ácido: (procedimiento Bessemer) utilizado para los arrabios con una cantidad mínima de fósforo (0.07%) y azufre (0.06%). Convertidor con recubrimiento básico: (procedimiento Thomas) utilizado para los arrabios con mayor abundancia de fósforo (hasta 2.5%).
  • 5. PROCEDIMIENTO BESSEMER. Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen fundirse a 1710°C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carácter ácido, por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio. El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido. Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres períodos característicos:  La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria.  La quema del carbono.  La desoxidación o la desoxidación-carburación. Primer período: En esta etapa se oxida el hierro, el silicio y el manganeso generando calor por lo que el metal se calienta. Durante este tiempo se forma la escoria. Las reacciones químicas que se producen son: 2Fe + O2 -----> 2FeO Si + 2FeO ----> SiO2 + 2Fe Mn + FeO ----> MnO + Fe A su vez los óxidos generados entran en combinación según: MnO + SiO2 -----> MnO.SiO2 FeO + SiO2 -----> FeO.SiO2 Y forma la escoria.
  • 6. Si la cantidad de SiO2 por la oxidación del silicio contenido en el arrabio no es suficiente, pasa a la escoria la sílice del revestimiento del convertidor. Todos estos procesos de oxidación han calentado el metal y se produce la segunda etapa. Segundo período: Dada la alta temperatura del metal comienza a quemarse el carbono: C + FeO ----> CO + Fe Este proceso se realiza con absorción de calor, pero el metal no se enfría porque al mismo tiempo se está oxidando el hierro en el convertidor que suple el calor necesario para mantener la temperatura. El monóxido de carbono que se produce, produce una fuerte ebullición del metal y al salir del convertidor se quema con el aire atmosférico, formando dióxido de carbono, el convertidor genera una llamarada clara. A medida que se consume el carbono, la llama comienza a extinguirse hasta desaparecer por completo, esto indica que el carbono se ha quemado casi en su totalidad y marca el fin de la segunda etapa. Tercer período: En este momento se interrumpe la insuflación de aire, ya que con su suministro ulterior y con muy poco carbono comenzará a oxidarse el propio hierro a óxido férrico con las consiguientes pérdidas de metal. Una vez interrumpido el suministro de aire el convertidor se lleva a la posición horizontal para realizar la desoxidación y carburación del acero. El objetivo de este paso es eliminar el oxígeno disuelto como FeO, como desoxidantes generalmente se utilizan las ferroaleaciones y el aluminio puro. Para elevar el contenido de carbono en el acero a los valores deseados se utiliza una fundición especial. El material terminado se convierte a grandes lingotes para su uso en los laminadores.
  • 7. El acero Bessemer se utiliza en piezas de uso general, varillas para hormigón armado, vigas laminadas, hierro comercial para construcciones y similares.  Las deficiencias de este método son:  La imposibilidad de eliminar del metal el fósforo y el azufre.  La elevada pérdida de hierro por oxidación (8-15%).  La saturación del hierro con nitrógeno y óxido de hierro que empeoran su calidad. PROCEDIMIENTO THOMAS. En este convertidor el interior se reviste de material refractario básico, ladrillos de magnesita en las paredes y el fondo con una mezcla de brea de carbón mineral y dolomita. Como fundente para la formación de la escoria se utiliza la cal viva (CaO) con un contenido mínimo de los óxidos ácidos sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3). Surge de la necesidad de tratar las fundiciones con alto contenido de fósforo, obtenidas de menas ferrosas que se encuentran bastante propagadas en la corteza terrestre. A su vez el contenido de sílice debe ser muy bajo (menos de 0.5%) para evitar el uso excesivo de fundente neutralizador. El proceso de fundición en un convertidor Thomas se efectúa del modo siguiente: primero se carga el convertidor con la cal, después se vierte el hierro fundido, se inicia el viento y se gira el convertidor a la posición vertical. Lo primero que pasa es a oxidación del hierro según la reacción: Fe + ½O2 ------> FeO El óxido ferroso formado se disuelve en el metal y oxida el resto de las impurezas Si, Mn, C y el fósforo. Se distinguen tres períodos:  Oxidación del silicio y el manganeso.  Combustión intensa del carbono.  Oxidación del fósforo.
  • 8. Primer período: La oxidación del silicio produce sílice, la sílice formada SiO2, se une a la cal (óxido de calcio) según la reacción: C + FeO ------> Fe + CO El baño comienza a ebullir por la producción del monóxido de carbono y el horno genera una llamarada clara por la boca debido a la combustión del CO con el oxígeno del aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un valor mínimo y el metal se enfría con lo que comienza el tercer período. Tercer período: En este momento comienza la oxidación del fósforo y comienza a elevarse de nuevo la temperatura del metal, las reacciones características de esta etapa son: 2P + FeO -----> P2O5 + 5Fe P2O5 + 3FeO ----> (FeO)3.P2O5 + 2Fe (FeO)3.P2O5 + 4CaO ----> (CaO)4.P2O5 + 3Fe En la oxidación del fósforo y la subsiguiente reacción de su óxido con otros, se desprende una considerable cantidad de calor y el metal se calienta rápidamente. El fosfato cálcico formado pasa a la escoria. Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso a la escoria, el convertidor se gira a la posición horizontal, se interrumpe el aire y se descarga la escoria para evitar que el fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al metal. Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa. En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que pasa a la escoria en forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio (CaS). Después de la desoxidación el acero se sangra en la cuchara y se cuela en lingoteras para la producción de lingotes.
  • 9. El acero producido tiene aplicación en el laminado de hierro en chapas, alambres e hierro comercial. El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su alto rendimiento, la simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y la ausencia del consumo de energía para calentar el metal, pero no resuelve de manera óptima la obtención de aceros de diferentes calidades, no sirven para tratar todos los tipos de arrabio nacidos de la infinidad de menas disponibles y en ellos solo puede utilizarse de manera limitada la gran cantidad de chatarra disponible en la industria. PRODUCCIÓN EN HORNOS. El uso razonable del hierro fundido y la más completa utilización de la chatarra ferrosa, se logra al producir aceros en horno. A diferencia de los convertidores, los hornos de producción de acero son cámaras revestidas con material refractario donde se vierte arrabio en lingotes o líquido y chatarra ferrosa, junto con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos necesarios para los procesos de oxidación. Luego el material se calienta por diversos métodos hasta su fundición con lo que comienzan los procesos de oxidación de las impurezas y del propio hierro y se va formando la escoria. En estos hornos no se inyecta aire a la masa de metal fundido como en los convertidores, por el contrario los procesos de oxidación de las impurezas se realizan al interactuar los componentes de la escoria con el metal fundido de abajo. Para lograr acero líquido dentro del horno se necesita una fuente intensa de calor que interactúe con el contenido del horno y pueda fundir el metal. Se distinguen dos tipos generales:  Los que usan combustible (hornos Martin).  Los que usan electricidad (de arco eléctrico y de inducción). En los hornos Martin se elabora probablemente la mayor parte del acero producido en el mundo. En estos hornos el combustible utilizado puede ser gaseoso, líquido, sólido en polvo o sus combinaciones, las principales características que debe tener el combustible son:
  • 10.  Que pueda producir una llama muy caliente, 2000°C o más; ya que el metal fundido al final del proceso tiene una temperatura de cerca de 1650°C.  Que la llama sea lo más radiante posible para que transmita calor por radiación al interior del horno, y así calentar el contenido de manera rápida y homogénea, y producir gases de escape más fríos que afecten mínimamente los dispositivos de evacuación de gases.  Que no introduzca elementos nocivos al proceso. El horno Martin se compone de las siguientes partes principales:  El espacio activo o de fundición (5).  Conductos para manipular los gases de entrada y salida a ambos lados (3) y (4).  Las cámaras regeneradoras de calor con enrejado refractario (1) y (2).  Los mecanismos de conmutación de las cámaras de regeneración.  Los separadores de polvo de los gases finales de escape y la chimenea (no mostrados).  Los separadores de escoria (no mostrados).  Dentro del espacio activo o de fundición se pueden distinguir: o La bóveda (7), la parte superior del horno. o La solera (6), que es la parte inferior del espacio de fundición. o Las puertas de carga (8). Colocadas en la pared frontal del horno. o Los orificios para sangrar el acero (no visibles), colocados en la pared trasera del horno. Si asumimos ahora que el horno Martin mostrado funciona con combustible gaseoso podemos notar que hay cuatro conductos que dan acceso a la zona activa. Por el conducto 4 se insufla aire muy caliente, cuyo calor fue adquirido en el recuperador de la derecha, lo mismo con el conducto 3, pero en este caso se inyecta el gas combustible también muy caliente que ha pasado por el correspondiente regenerador. Al juntarse dentro del espacio activo con el aire, el gas se inflama produciendo la llama que calentará el metal contenido en el horno desde su superficie. Note que los gases calientes producto de la combustión se retiran del horno por los conductos de la izquierda, estos gases calientan a su paso el enrejado refractario
  • 11. correspondiente a los dos regeneradores de ese lado, cuando los regeneradores de la derecha se han enfriado lo suficiente debido al paso de los gases fríos de entrada (aire y combustible) se giran los mecanismos conmutadores y se invierte el proceso. Ahora los regeneradores de la izquierda (muy calientes) calentarán los gases de entrada y los productos de la combustión calentarán los regeneradores de la derecha, obteniendo de esta manera un calentamiento continuo de los gases que entran al horno. Procesos físico-químicos del horno Martin. En el trabajo de fundición del horno Martin, la oxidación de las impurezas se produce por procesos físico-químicos que se desarrollan entre los gases del horno- escoria y entre escoria-metal. En el contacto de los gases de la combustión es solo con la capa de escoria, y por ello esta se calienta en primer lugar. Con una capa excesiva de escoria o con escoria de difícil fusión el calentamiento del metal se dificulta. Correspondientemente, las cualidades de la escoria y su cantidad influyen considerablemente sobre la marcha de la fundición. Lo que obliga a separar de vez en cuando parte de la escoria producida, y a utilizar un fundente adecuado para fundir los óxidos y hacerlos flotar en la masa del metal fundido como escoria. Al iniciar la fundición, y durante la fusión del metal ("baño frío") el primero que se oxida es el Fe y luego este al Si, Mn, y P. Según las reacciones: Si + 2FeO -----> 2Fe + SiO2 Mn + FeO ----> Fe + MnO 2P + 5FeO ----> 5Fe + 2P2O5 De estos óxidos y por el fundente se forma la escoria, después por debajo de la capa de la escoria se oxidan el resto de las impurezas. La fuente principal de oxígeno para la oxidación de las impurezas es el FeO que se encuentra en la escoria. El óxido ferroso de la escoria reacciona con el oxígeno de los gases del horno según la reacción: 6FeO + O2 ------> 2Fe3O4 + Calor
  • 12. Esta reacción genera calor por eso la escoria se puede oxidar activamente a temperaturas del horno relativamente bajas. Los óxidos superiores que se forman se difunden a través de la escoria hacia el metal de abajo y lo oxidan según la reacción: Fe + Fe3O4 ------> 4FeO El óxido ferroso regenerado se disuelve en el metal y oxida las impurezas que contiene, La oxidación del hierro en "baño frío" se efectúa de un modo más enérgico, pero la reducción del óxido ferroso por el carbono presente suele ser más lenta, ya que esta reacción consume calor: FeO + C ------> Fe + CO - Calor Esta necesidad energética del proceso se suple adicionando más combustible para calentar el metal. Cuando se calienta el metal ("baño caliente") se invierten las actividades, la oxidación de la escoria suele ser más lenta, mientras que la reducción del óxido de hierro por el carbono suele ser más enérgica y el baño puede ebullir debido a la generación del CO, esto hace que el metal se mueva y se mezcle en el baño favoreciendo su calentamiento homogéneo y rápido. De manera resumida podemos decir que:  Una temperatura baja del baño contribuye a la oxidación de la escoria y del metal que se encuentra por debajo.  Una temperatura alta favorece la obtención de escoria y metal poco oxidados.  En consecuencia manejando la temperatura en el espacio activo del horno se pueden dirigir los procesos de reducción-oxidación en su interior y obtener un acero de las cualidades y características deseadas en cuanto a contenido de impurezas y cantidad de carbono.  En los hornos Martin se pueden tratar los desechos sólidos de la producción, la chatarra ferrosa, obtener exactamente una composición química dada del acero, desoxidar bien el metal, obtener simultáneamente gran cantidad de metal homogéneo e incluso obtener más cantidad de metal que el vertido originalmente en el horno
  • 13. (hasta 105%), ya que se puede usar parte de mena como aditivo ventajoso al horno, pero paralelamente también tiene sus deficiencias, ya que los gases participan en los procesos químicos, oxidando, simultáneamente con las impurezas comunes, a otro elementos de aleación que hay en el metal (vanadio titanio y otros) y saturando el metal. A consecuencia de esto se dificulta la obtención de acero aleado. Hornos eléctricos. Los hornos eléctricos para la producción de acero son de dos tipos principales:  Hornos de arco.  Hornos de inducción.  Hornos de arco. La construcción de los hornos de arco voltaico se basa en el calor generado por el arco eléctrico, formado entre los electrodos de grafito (o de carbón) y el baño metálico, que producen una temperatura de 3500°C o más. En estos hornos se puede obtener acero de alta calidad, casi desprovistos de impurezas nocivas, con un contenido de carbono muy exacto y con elementos aleantes en proporciones definidas. Es decir acero especiales para altas prestaciones. El horno consta de una camisa cilíndrica con fondo esférico, recubiertas con materiales refractarios y aislados térmicamente de tal manera que se forme el espacio activo del horno. La bóveda del horno se prepara de manera que sea desarmable y está construida de ladrillos refractarios sujetos por una armadura de acero en forma de aro. El horno tiene una puerta de carga y un orificio para sangrar el metal. Está asentado sobre dos soportes en forma de arco, colocados sobre las guías del cimiento que permiten girarlo para la carga y descarga del horno. En la bóveda del horno se colocan en orificios elaborados para ello los electrodos. Los electrodos durante la fundición ascienden y descienden con la ayuda de un mecanismo especial. La corriente se suministra de un transformador a los electrodos a través de cables flexibles y barras de cobre.
  • 14. Para llevar a cabo la fundición en los hornos de arco, este se alimenta con una mezcla de chatarra, hierro fundido, mena de hierro, fundentes, desoxidantes y ferro aleaciones, que sirven para formar las aleaciones. Para la oxidación de las impurezas, después de fundida la mezcla inicial, se le agrega al horno la mena. Los óxidos de hierro oxidan las impurezas del metal (Si, Mn, P, y C) a consecuencia de lo cual se forma la escoria férrica que contiene (FeO)3. P2O5. Esta escoria sustrae fósforo del metal. Para formar un compuesto más estable se agrega a la escoria cal recién calcinada de forma que se forme una sal fósforo-cálcica que se retiene en la escoria. Esta reacción tiene éxito ya que la temperatura del metal no es muy elevada, pero es una reacción exotérmica que calienta el baño y durante esta etapa es usual que comience a oxidarse el carbono y el baño entre en ebullición. En ese momento se retira la escoria fosfórica. Si se ha quemado mucho carbono, y este, en el metal, está por debajo del nivel requerido se cargan al horno portadores de carbono tales como coque o arrabio de bajo contenido de impurezas nocivas. Más tarde, y en dependencia de los requerimientos del acero pueden cargarse al horno nuevos fundentes y desoxidantes para retirar el azufre, agregar los elementos aleantes requeridos y se hace una última desoxidación con aluminio puro. En algunos casos se introduce al espacio activo del horno oxígeno, que favorece la oxidación de las impurezas y reduce el consumo energético. Hornos de inducción. Estos hornos se basan en el calor generado por elevadísimas corriente que se generan en la masa del metal. Estas corrientes son inducidas por una bobina que rodea al crisol donde está el metal, y por la cual se hace circular corriente alterna de alta frecuencia. En esencia el horno recrea un transformador en el que el metal es el bobinado secundario en corto circuito. En estos hornos el calor se genera en el metal y se trasmite a la escoria, por lo que la temperatura media de esta es menor que la del metal. Por eso no se efectúan las reacciones
  • 15. activas de intercambio entre la escoria y el metal, y por consecuencia, es imposible sustraer del metal las impurezas nocivas (fósforo y azufre). La fundición se hace rápidamente y antes de terminar se introducen al horno los desoxidantes y si es necesario las adiciones de aleación. Las ventajas de este método son que en él se puede calentar el metal a temperaturas muy altas y sin grandes dificultades hacer la fundición al vacío, por eso, además de producir aceros normales, se pueden producir aceros especiales como los inoxidables, los termoresistentes y otros de destinación muy especial. TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO. Se clasifican según profundidad del tratamiento así como la velocidad a la que se enfría la pieza:
  • 16. A) Tratamientos que afectan a la totalidad de la pieza a tratar: 1. Tratamientos con disminución gradual de la temperatura: 1.1. TEMPLE: Enfriamientos súbitos (a gran velocidad) empleando agua o líquidos refrigerantes. Tiene como finalidad aumentar la dureza, la resistencia mecánica y el límite elástico del acero tratado. 1.2. NORMALIZADO: Enfriamientos lentos, al aire, para aceros con muy bajo contenido en carbono (<0,25 % C), con objeto de homogeneizar su estructura y eliminar tensiones internas. 1.3. RECOCIDO: Enfriamientos muy lentos, inicialmente en el horno y posteriormente al aire. Tiene como finalidad ablandar el material para procesos de mecanizado (mejorar su ductilidad y maleabilidad). 1.4. REVENIDO: es un tratamiento complementario del temple y posterior a éste. Se calienta el acero templado sin llegar a la temperatura de austenización y se deja enfriar en el horno o al aire para eliminar tensiones internas y mejorar su ductilidad y tenacidad. 2. Tratamientos isotérmicos con disminución de la temperatura en intervalos de tiempo. (La pieza se mantiene durante cierto tiempo a una determinada temperatura) - Temple escalonado o martempering. En aceros hipoeutectoides (con media o baja templabilidad) que requieran gran resistencia al desgaste (con este tratamiento se consigue más profundidad de temple). Se obtiene martensita y es necesario después realizar un revenido. El inconveniente es que es un tratamiento más caro que el temple normal, ya que para mantener la temperatura constante se deben introducir las piezas en baños de sales. - Temple bainítico o austempering. En aceros hipoeutectoides. Se obtiene bainita y no hace falta realizar revenido después.
  • 17. - Patentado o patenting. En aceros de 0,3 a 0,85 % C para el estirado en alambres. (Se suele acompañar este tratamiento de un recocido de regeneración cuando comienza a aparecer acritud en el proceso de trefilado). Se obtiene perlita fina. B) Tratamientos superficiales (afectan sólo a la superficie de la pieza a tratar): Temple superficial: a la llama, por inducción, por rayo láser, por bombardeo electrónico. DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS IMPORTANTES TEMPLE - Temperatura límite (crítica) de temple: temperatura mínima que debe alcanzar un acero para que toda su masa pueda transformarse en cristales de austenita. En la práctica se sobrepasa la temperatura A3 o Acm en 50 º C. El tiempo de permanencia dependerá del espesor de la pieza (aprox. por cada 1mm 1 min) - Velocidad crítica de temple: velocidad mínima de enfriamiento de un acero para que la austenita se transforme en martensita. Depende del contenido en carbono del acero (a mayor % C menor será esta velocidad) y también de si el acero está aleado con otros materiales (los aceros aleados tienden a desplazar las curvas TTT hacia la derecha y a disminuir esta velocidad) - Factores que influyen en el temple:  Tamaño de las piezas: mayor espesor dificulta el enfriamiento del interior.  Composición del acero: aceros con <0,2 % C no se pueden templar.  Temperatura y medio de enfriamiento.
  • 18. - Templabilidad: aptitud o cualidad de un acero para facilitar la penetración del temple. Su determinación nos permitirá conocer el diámetro crítico de la pieza a templar (máximo diámetro para que el interior de la pieza tenga el 50 % de martensita) y por tanto el resultado del tratamiento realizado. Determinación de la templabilidad de un acero: - Tiñendo la sección transversal de la pieza templada con nital (ácido nítrico y etanol), de modo que se colorea la zona templada. - Estudiando la dureza a lo largo de la sección transversal de la pieza tratada. - Por medio del ensayo de Jominy . Con los tratamientos de temple la estructura resultante siempre tiene una parte de martensita. RECOCIDO Se clasifican en función de la temperatura máxima a la que se calienta el acero y en función de las condiciones y velocidades de enfriamiento: a) Con calentamientos a temperaturas superiores a la de austenización: - Recocido de regeneración o de austenización completa: para aceros hipoeutectoides. Se calienta de modo que todo el material se transforme en austenita y se enfría lentamente (hasta 500º C) de manera que la austenita se transforma en ferrita y perlita de grano grueso. Después se enfría al aire. - Recocido globular de austenización incompleta. Para aceros hipereutectoides y aceros aleados usados en herramientas. Se calienta el acero de modo que sólo la ferrita se transforma en austenita (la cementita no se transforma y adopta la forma de glóbulos incrustados en la
  • 19. austenita). Se hace luego un enfriamiento lento en el horno hasta que la austenita se transforma (500º C) y después se enfría al aire. b) Con calentamientos a temperaturas inferiores a la de austenización (subcríticos). - Recocido globular subcrítico: se enfría muy lentamente hasta 500º C y después al aire. Se consigue frente al anterior una cementita de estructura globular más perfecta. (La cementita que forma parte de la perlita en forma de láminas adopta ahora una estructura en forma de glóbulos- se forma perlita sorbítica). - Recocido de ablandamiento o de homogenización: se calienta el acero a una temperatura de 700 a 725º C y se deja enfriar al aire. Se emplea en aceros después de la forja o laminación, generalmente en aceros aleados de gran resistencia para devolverles sus propiedades mecánicas iniciales. -Recocido de estabilización o de relajación de tensiones: se calienta la pieza a 100-200º C durante un tiempo muy prolongado (100 h o más). Con ello se pretende eliminar las tensiones internas que quedan en las piezas. Con los tratamientos de recocido la estructura resultante siempre es ferrita-perlita o perlita- cementita de grano más o menos grueso, de escasa dureza y gran plasticidad. OTROS TRATAMIENTOS TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Son tratamientos que varían la composición química superficial de los aceros mediante la adición de otros elementos y con aporte de calor, con objeto de mejorar sus propiedades superficiales. Los principales tratamientos termoquímicos son:
  • 20. Cementación Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa superficial, mediante difusión. Se introduce la pieza en un medio carburante a temperatura elevada y una vez que se incrementó su contenido en Carbono se somete la pieza a diferentes tratamientos térmicos para mejorar su tenacidad y dureza superficial. Nitruración Se somete la pieza a una corriente de amoniaco a temperatura inferior a la de cementación, por lo que no suele ser necesario un tratamiento térmico posterior. El nitrógeno aportado no se difunde en la red sino que suele formar nitruros con los elementos químicos del acero aleado, aumentado notablemente la dureza superficial del acero tratado Cianuración o carbonitruración Es una mezcla de cementación y nitruración, incrementando la cantidad de carbono y nitrógeno en la superficie de la pieza a tratar. Sulfinización Consiste en añadir una pequeña capa superficial a la pieza de azufre, Nitrógeno y carbono (estos dos últimos en menor cantidad), al introducir la pieza a tratar en un baño con sales de los anteriores elementos. Aplicaciones: - Cementación: en aceros con bajo contenido en carbono para obtener piezas resistentes al desgaste y los golpes (gran dureza superficial pero que conserven gran tenacidad)-por ejemplo ejes y levas. - Nitruración: en piezas sometidas a gran desgaste y resistente a la fatiga y la corrosión-por ejemplo pistones, cigüeñales,…
  • 21. - Cianuración: también para aceros con medio y alto contenido en carbono, para mejorar su resistencia y dureza superficial. - Sulfinización: para mejorar la resistencia la desgaste al favorecer la lubricación y reducir el rozamiento. (Partes de herramientas sometidas a rozamiento). TRATAMIENTOS MECÁNICOS Se trata de modificar la forma de un elemento metálico por deformación plástica, aplicando al material una fuerza externa superior al límite elástico del material. El conformado se puede realizar en frío o en caliente. Conformado en caliente Conformado en frío Se generan grandes deformaciones con menor aporte energético Mal acabado superficial (suelen sufrir oxidación) Mejora de las propiedades mecánicas (aumenta resistencia y reduce ductilidad) Mejor acabado superficial Las técnicas de conformado más comunes son: - Forja: conformado de una pieza golpeándola fuertemente. La forja contribuye a la eliminación de irregularidades en la pieza y al afino del grano. - Laminación: consiste en pasar una preforma metálica entre dos rodillos, reduciendo el espesor de la pieza. - Extrusión: empleado para fabricar elementos tubulares que deben pasar por un orificio más estrecho aplicando una fuerza de compresión mediante un émbolo. - Trefilado: empleado para fabricar alambres o piezas de pequeño diámetro, aplicando una fuerza de tracción a una pieza sujeta con mordazas.
  • 22. RECUBRIMIENTOS SUPERFICIALES Utilizados para mejorar la resistencia a la oxidación y corrosión de los aceros. Los recubrimientos superficiales metálicos generalmente también mejoran la dureza superficial y por tanto su resistencia la desgaste. - Metálicos: realizados mediante diferentes procedimientos:  Electrolisis: la pieza que se pretende recubrir se coloca como cátodo, como ánodo el metal a recubrir y de electrolito una disolución de sus iones. Se utiliza para el aluminio, magnesio y titanio, principalmente.  Mediante inmersión de la pieza a tratar en un baño del metal a recubrir fundido. Los más empleados son el estaño, el cinc, el aluminio y el plomo. - Metalización: proyección del metal fundido pulverizándolo sobre la superficie del otro. - Orgánicos: mediante la aplicación de pinturas, lacas y otras sustancias polímeras. Otro tipo de protección contra la oxidación y corrosión sería también aplicar un tratamiento termoquímico en el que se introduciría la pieza en un medio que contiene los átomos del metal a difundir a elevada temperatura y por difusión los átomos de dicho metal pasarían a formar parte de la estructura superficial del acero a tratar. Mediante este procedimiento se recubren superficialmente piezas de acero con cromo, boro, aluminio y cinc. Algunos de los recubrimientos más empleados son: - Cromado: recubrimiento de la superficie del acero con cromo mediante electrolisis o por difusión.
  • 23. - Galvanizado: acero recubierto de una pequeña capa de cinc, mediante un baño de cinc fundido o por electrolisis. - Estañado u hojalata, sustituido actualmente por la aluminización: acero recubierto de una capa de estaño (o aluminio), normalmente mediante inmersión en un baño de estaño fundido. PROCESOS DE OXIDACIÓN Y CORROSIÓN EN METALES OXIDACIÓN La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones. Cuando este proceso ocurre en contacto con el oxígeno, este último gana los electrones perdidos por el metal convirtiéndose en un ión que al combinarse con el metal dan origen al óxido del material. Por ejemplo, para un metal divalente (valencia 2) se verifica: 𝑀 + 1 2 𝑂2 → 𝑀𝑂 { 𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙: 𝑀 → 𝑀2+ + 2𝑒− 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜: 1 2 𝑂2 + 2𝑒− → 𝑂2− El óxido aparece en la superficie y se pueden presentar varios casos:  Que la capa de óxido sea porosa y permita que la oxidación siga avanzando (como le ocurre al magnesio o al hierro).  Que la capa de óxido sea adherente e impermeable y proteja al metal (como ocurre con el aluminio o el cromo) Así, la velocidad y energía de oxidación para cada elemento varía y al alear un metal de fácil oxidación con otro más difícilmente oxidable, este último protege al primero, como ocurre en el caso de los aceros inoxidables, aleados principalmente con cromo. CORROSIÓN Es un caso especial de oxidación en el que al encontrarse en un ambiente húmedo y conductor de la electricidad, la capa de óxido no se deposita sobre el material protegiéndolo
  • 24. del avance de la oxidación, sino que este se disuelve (corroe). El proceso de corrosión normalmente está basado en la formación de celdas electroquímicas, en las que aparece un ánodo (lugar donde se ceden electrones-se produce la oxidación) un cátodo (aquel que recibe los electrones-se produce una reducción) y un electrolito o medio conductor a través del cual se mueven los iones. CELDA GALVÁNICA Si colocamos dos metales sumergidos en una solución acuosa de sus iones (llamada electrolito) y separados por un tabique poroso que sólo permita el paso del ión (SO4)2+ y unimos eléctricamente ambos metales, las reacciones químicas que se producirán serán: Ánodo (oxidación): Zn → Zn2+ + 2e− Cátodo (reducción): 𝐶𝑢2+ + 2e− → Cu Este es el principio de funcionamiento de una pila eléctrica. Para conocer qué metal hará de ánodo y cual de cátodo se debe conocer el potencial de electrodo de cada uno, actuando de cátodo el de mayor potencial. CORROSIÓN El metal se disuelve al actuar como ánodo y las reacciones químicas serán: Ánodo (oxidación) Fe → Fe2+ + 2𝑒− Cátodo (reducción): a) en ausencia de oxígeno: 2H+ + 2e− → 𝐻2 b) con oxígeno: 𝑂2 + 4H+ + 4e− → 2𝐻2 𝑂 c) con iones metálicos disueltos en el electrolito: M2+ + 2e− → M
  • 25. ELECTROLISIS Forzamos el sentido de circulación de los electrones, creando una diferencia de potencial entre ambos electrodos y empleando como electrolito una solución con iones del metal que queremos emplear para recubrir. De esta forma el Fe actuaría de cátodo sobre el que se depositaría el metal colocado en el cátodo. Ánodo (oxidación) Cr → Cr2+ + 2e− Cátodo (reducción) Cr2+ + 2e− → Cr DESIGNACION DE LOS ACEROS SEGÚN LAS NORMAS NORMA ASTM La norma ASTM (American Society for Testing and Materials) no especifica la composición directamente, sino que más bien determina la aplicación o su ámbito de empleo. Por tanto, no existe una relación directa y biunívoca con las normas de composición. El esquema general que esta norma emplea para la numeración de los aceros es: YXX donde, Y es la primera letra de la norma que indica el grupo de aplicación según la siguiente lista: A: si se trata de especificaciones para aceros; B: especificaciones para no ferrosos; C: especificaciones para hormigón, estructuras civiles; D: especificaciones para químicos, así como para aceites, pinturas, etc. E: si se trata de métodos de ensayos; Otros...
  • 26. Ejemplos: A36: especificación para aceros estructurales al carbono; A285: especificación para aceros al carbono de baja e intermedia resistencia para uso en planchas de recipientes a presión; A325: especificación para pernos estructurales de acero con tratamiento térmico y una resistencia a la tracción mínima de 120/105 ksi; A514: especificación para planchas aleadas de acero templadas y revenidas con alta resistencia a la tracción, adecuadas para soldar; A continuación se adjunta una tabla con las características de los aceros que son más comunes, según esta norma. NORMA AISI La norma AISI (American Iron and Steel Institute ) utiliza un esquema general para realizar la especificación de los aceros mediante 4 números: AISI ZYXX Además de los números anteriores, las especificaciones AISI pueden incluir un prefijo mediante letras para indicar el proceso de manufactura. Decir que las especificaciones SAE emplean las mismas designaciones numéricas que las AISI, pero eliminando todos los prefijos literales. El significado de los anteriores campos de numeración es la siguiente:  XX indica el tanto por ciento (%) en contenido de carbono (C) multiplicado por 100;  Y indica, para el caso de aceros de aleación simple, el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleación;  Z indica el tipo de acero (o aleación). Los valores que puede adoptar Z son los siguientes:
  • 27.  Z=1: si se trata de aceros al Carbono (corriente u ordinario);  Z=2: si se trata de aceros al Níquel;  Z=3: para aceros al Níquel-Cromo;  Z=4: para aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo;  Z=5: para aceros al Cromo;  Z=6: si se trata de aceros al Cromo-Vanadio;  Z=7: si se trata de aceros Al Tungsteno-Cromo;  Z=8: para aceros al Ni-Cr-Mo; Etc. Como ya se indicó, la anterior designación puede incorpora también letras adicionales para indicar lo siguiente:  E: para indicar Fusión en horno eléctrico básico.  H: para indicar Grados de acero con templabilidad garantizada.  C: para indicar Fusión en horno por arco eléctrico básico.  X: para indicar alguna desviación del análisis de norma.  TS: para indicar que se trata de una Norma tentativa.  B: para indicar que se trata de Grados de acero con un probable contenido mayor de 0.0005% en boro.  LC: para indicar Grados de acero con extra-bajo contenido en carbono (0.03% máx.).  F: Grados de acero automático. A continuación se incluyen algunos ejemplos de designación de tipos de aceros según la norma AISI, que incluyen algunas notas aclaratorias: - AISI 1020: 1: para indicar que se trata de un acero corriente u ordinario; 0: no aleado; 20: para indicar un contenido máx. de carbono (C) del 0.20%.
  • 28. - AISI C 1020: La letra C indica que el proceso de fabricación fue SIEMENS-MARTIN-básico. Puede ser B (si es Bessemer-ácido) ó E (Horno eléctrico-básico). NORMA SAE La norma SAE (Society of Automotive Engineers) clasifica los aceros en distintos grupos, a saber:  Aceros al carbono;  Aceros de media aleación;  Aceros aleados;  Aceros inoxidables;  Aceros de alta resistencia;  Aceros de herramienta, etc. ACEROS AL CARBONO: La denominación que emplea la normativa SAE para los aceros al carbono es según el siguiente esquema: SAE 10XX, donde XX indica el contenido de Carbono (C). Ejemplo: SAE 1010 (con un contenido en carbono entre 0,08 - 0,13 %C) Por otro lado, dentro de los aceros alcarbono, según su contenido, se pueden diferenciar los siguientes grupos: • Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015) Estos aceros son usados para piezas que van a estar sometidas a un conformado en frío. • Aceros de bajo % de carbono (desde SAE 1016 a 1030)
  • 29. Este grupo tiene mayor resistencia y dureza, pero menor capacidad de deformación. Son los comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas. Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053) Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095) Se usan en aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y conseguir altos niveles de dureza en elmaterial que no pueden lograrse conacerosde menor contenido de C. ACEROS DE MEDIA ALEACIÓN: Son aceros alMn, y su denominación según SAE es del tipo SAE 15XX, donde el porcentaje de Mn varía entre 1,20 y 1,65, según el %C. Ejemplo: SAE 1524, con contenido en elrango de 1,20 - 1,50 %Mn, y son empleados para construcción de engranajes; ACEROS DE FÁCIL MAQUINABILIDAD Ó ACEROS RESULFURADOS: El esquema de denominación de estos aceros, según SAE, es de la siguiente forma: SAE 11XX y SAE 12XX Son aceros de alta maquinabilidad. La presencia de gran cantidad de sulfuros genera viruta pequeña y dado que los sulfuros poseen alta plasticidad, éstos actúan como lubricantes internos. No son aptos para soldar, ni para someterlos a tratamientos térmicos, ni forja debido a su bajo punto de fusión. Ejemplo: SAE 11XX, donde el contenido de S oscila entre 0,08 - 0,13 %S; Este tipo de aceros pueden dividirse a su vez en tres grupos: • Grupo I (SAE 1110, 1111, 1112, 1113, 12L13, 12L14, y 1215):
  • 30. Son aceros efervescentes de bajo % de carbono, con excelentes condiciones de maquinado. • Grupo II (SAE 1108, 1109, 1116, 1117, 1118 y 1119): Son un grupo de acero de bajo % de carbono y poseen una buena combinación de maquinabilidad y respuesta al tratamiento térmico.  Grupo III (SAE 1132, 1137, 1139, 1140, 1141, 1144, 1145, 1146 y 1151) Estos aceros de medio contenido % de carbono combinan su buena maquinabilidad con su respuesta al temple en aceite. ACEROS ALEADOS: Se considera que un acero es aleado cuando el contenido de un elemento excede uno o más de los siguientes límites: • 1,65% de manganeso (Mn) • 0,60% de silicio (Si) • 0,60% de cobre (Cu) • ó cuando hay un % especificado de cromo, níquel, molibdeno, aluminio, cobalto, niobio, titanio, tungsteno, vanadio o zirconio. Los aceros aleados se usan principalmente cuando se pretende conseguir cualquiera de las siguientes propiedades: • desarrollar el máximo de propiedades mecánicas con un mínimo de distorsión y fisuración; • favorecer la resistencia al revenido, incrementar la tenacidad, disminuir la sensibilidad a la entalla; • mejorar la maquinabilidad en condición de temple y revenido, comparándola con un acero de igual % de carbono en la misma condición. Generalmente se los usa tratados térmicamente. De hecho el criterio más importante para su selección es normalmente su templabilidad, pudiendo todos ser templados en aceite.
  • 31. Aceros aleados de bajo % de carbono, para cementar: A su vez, este grupo se puede dividir, según su templabilidad en: • De baja templabilidad (series SAE 4000, 5000, 5100, 6100 y 8100); • De templabilidad intermedia (series SAE 4300, 4400, 4500, 4600, 4700, 8600 y 8700); • De alta templabilidad (series SAE 4800 y 9300). Estos últimos se seleccionan para piezas de grandesespesoresy que soportan cargasmayores. Los otros, de baja o media templabilidad, para piezas pequeñas, de modo que en todos los casos el temple se pueda efectuar en aceite. 2.- Aceros aleados de alto % de carbono, para temple directo: A su vez, este grupo se puede subdividir según el contenido de carbono: • Contenido de carbono nominal entre 0,30 - 0,37 %: pueden templarse en agua para piezas de secciones moderadas o en aceite para las pequeñas. Ejemplos de aplicación: bielas, palancas, puntas de ejes, ejes de transmisión, tornillos, tuercas. Contenido de carbono nominal entre 0,40-0,42 %: se utilizan para piezas de medio y gran tamaño que requieren alto grado de resistencia y tenacidad. Ejemplos de aplicación: ejes, palieres, etc., y piezas para camiones y aviones. Contenido de carbono nominal 0,45-0,50 %: se utilizan en engranajes y otras piezas que requieran alto dureza, resistencia y tenacidad. Contenido de carbono nominal 0,50-0,60 %: se utilizan para resortes y herramientas manuales. Contenido de carbono nominal 1,02 %: se utilizan para pistas, bolas y rodillos de cojinetes, además de otras aplicaciones en las que se requieren alta dureza y resistencia al desgaste. Comprende tres tipos de acero, cuya templabilidad varía según la cantidad de cromo que contienen. ACEROS INOXIDABLES: Se dividen en los siguientes grupos:
  • 32. • Austeníticos: Ejemplos: AISI 302XX, donde XX no es el porcentaje de C 17-19 % Cr ; 4-8 % Ni ; 6-8 % Mn Los aceros inoxidables austeníticos no son duros ni templables, además de poseer una alta capacidad de deformarse plásticamente. El más ampliamente utilizado es el 304. A esta categoría pertenecen los aceros refractarios (elevada resistencia a altas temperaturas). Ejemplo, 30330 (35% Ni, 15% Cr) • Martensíticos Ejemplo: AISI 514XX 11 - 18 % Cr Estos son templables. Si se persigue conseguir durezas más elevadas se debe aumentar el % Cr (formación de carburos de Cr). Se usan para cuchillería, dado que tienen excelente resistencia a la corrosión. Ferríticos Ejemplos: AISI 514XX, 515XX Poseen bajo % de C y alto Cr (10 - 27 %) por lo que pueden mantener la estructura ferrítica aún a altas temperaturas. ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACIÓN: La denominación SAE de estos aceros es del tipo 9XX, donde XX · 103 lb/pulg2 , indica el límite elástico del acero. Ejemplo: SAE 942.
  • 33. Son de bajo % de C y aleados con Va, Nb, N, Ti, en aproximadamente 0,03% para cada uno, de manera que precipitan carbonitruros de Va, Nb, Ti que elevan el límite elástico entre 30 y 50 %. Presentan garantía de las propiedades mecánicas y ángulo de plegado. Son de fácil soldabilidad y tenaces, aunque no admiten tratamiento térmico. ACEROS PARA HERRAMIENTAS: Se denominan según las siguientes letras: W: Templables al agua. No contienen elementos aleantes y son de alto % de carbono (0,75 a 1.00%). Son los más económicos y en general tienen limitación en cuanto al diámetro, debido a su especificación de templabilidad. Para trabajos en frío se usan los siguientes:  0 para indicar que sólo son aptos para trabajo en frío, dado que si se aumenta la temperatura disminuye la dureza.  A si están templados al aire. No soportan temple en aceite pues se fisurarían. Se usan para formas intrincadas (matrices) dado que el alto contenido de cromo (Cr) otorga temple homogéneo.  D o de alta aleación. Contienen alto % de carbono para formar carburos de Cr (1,10 - 1,80 %C). Poseen una gran resistencia al desgaste.  Para trabajo en caliente: H Aceros rápidos:  T en base a tungsteno  M en base a molibdeno Los tres tipos anteriores mantienen su dureza al rojo (importante en cuchillas), y contienen carburos que son estables a alta temperatura. El Cr aumenta la templabilidad ya que se encuentra disuelto, mientras que el tungsteno y el molibdeno son los formadores de carburos. El más divulgado es el conocido como T18-4-1, que indica contenidos de W, Cr y Mo respectivamente.  S son aceros para herramientas que trabajan al choque. Fácilmente templables en aceite. No se pueden usar en grandes secciones o formas intrincadas.
  • 35. Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7