Materiales siderurgicos

Materiales siderúrgicos:
Se obtienen de menas que contienen hierro. Las más utilizadas son óxidos, estos óxidos se someten a tratamientos mecánicos cuyo objetivo es la reducción de tamaño y la clasificación de materias primas. Para separar la mena y la ganga se utilizan procesos físicos (separación hidromecánica, flotación, separación magnética…). La mena obtenida sufre procesos de aglomeración y se introduce en un horno alto. En el tragante se introducen la mena junto con el fundente para dar lugar a la escoria y bajar la Tª de fusión. El carbón de coque produce el calor necesario para fundir la mena y hacer una reducción del mineral. La materia prima se introduce por el tragante y baja por una tubería revestida con material refractario. Se producen procesos de reducción a alta Tª que dan lugar a la escoria formada por óxidos, esta flota sobre el hierro fundido y se extrae por la bigotera. El arrabio obtenido no tiene aplicación industrial debido a su alto contenido en (C, Si, S, P, Mn…) pero es un producto muy duro y frágil que se oxida rápidamente, se transportan en hornos especiales hasta los convertidores que son hornos de afino donde se obtiene el acero o las fundiciones. Hay varios tipos de convertidores según el proceso que se utiliza para reducir los óxidos.

• Bessemer: consiste en introducir el arrabio líquido en el convertidor revestido con materiales ácidos. Se pone vertical, se para la carga, se gira y se inyecta aire por unas toberas para oxidar las impurezas. Se inclina y se extrae la escoria que flota sobre el acero.
• Thomas: es idéntico al anterior pero está revestido con materiales básicos, por lo que no elimina las impurezas de carácter básico
• Convertidor CD: en lugar de inyectar aire por unas toberas se inyecta oxigeno puro con una lanza refrigerada cuando el convertidor está vertical. Podemos utilizar arrabio, chatarra, fundentes básicos y nos permite eliminar impurezas de azufre y fósforo.
• Horno Martin-Siemens: es un horno de reverbero en él se introduce el arrabio y chatarra. Para mantener las altas Tª se añade carbón de coque y aire caliente. Es un proceso lento en el que se obtienen aceros de muy alta calidad
• Horno eléctrico: se introduce el arrabio, chatarra y fundente en el interior del horno, para producir las altas Tª se introducen electrodos que producen un arco eléctrico provocando la fusión del material. Se inyecta oxígeno que oxida las impurezas, se inclina para extraer la escoria y luego se añade carbón de coque y ferroaleaciones que dan lugar a aceros de muy alta calidad.

Los aceros se corroen al estar expuestos al aire y en condiciones húmedas, por lo que hay que protegerlo con otros materiales (galvanizado). Pueden experimentar pandeo y tienen fractura frágil (pérdida de ductilidad con cargas que producen fatiga a bajas Tª). Una vez obtenido el acero, sus propiedades se pueden modificar añadiendo elementos de aleación mediante tratamientos mecánicos, térmicos y termoquímicos.
-Elementos de aleación: la dureza y la resistencia mecánica aumentan con el porcentaje de carbono pero se obtienen aceros frágiles, difíciles de soldar y de mecanizar. La ductilidad aumenta cuanto menor es el porcentaje de carbono, pero es más débil. La resistencia mecánica aumenta al añadir (Cr, Ni, Si…) pero obtenemos aceros de difícil mecanizado. El cobre proporciona aceros muy resistentes a la corrosión, el vanadio proporciona una alta dureza superficial, resistencia a la fatiga y al choque por la tendencia del metal. El manganeso tiene una elevada dureza y resistencia al desgaste, la adición de otros elementos pueden cambiar el diagrama de fases del acero.

-Mediante tratamientos mecánicos: se combina energía mecánica y térmica para producir deformaciones plásticas y modificar propiedades (elasticidad, plasticidad, dureza, tenacidad...). Se dice que son en frío cuando la temperatura es menor que la de fusión y aumentan la dureza pero disminuye la resistencia. Son en caliente las que se realizan con el metal fundido que provoca una disminución en la dureza pero aumenta la ductilidad.

-Mediante tratamientos térmicos: no modifica la composición pero si su composición y estructura, modificando algunas propiedades (aumento de la dureza y resistencia, disminuye la acritud, eliminar presiones internas...). Este tratamiento obtiene constituyentes metaestables a partir de austenita. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono el hierro alfa y se obtiene por el enfriamiento rápido de la austenita. La bainita es una mezcla de ferrita y cementita y se forma por enfriamiento lento de austenita.

Temple:
Tratamiento terreno convencional, su objetivo es la obtención de aceros martensíticos. La austenita se calienta a una temperatura superior, se mantiene el tiempo necesario y después enfriar rápidamente (para obtener una estructura cristalina reformada). Los factores que influyen el temple son: la composición del acero, la temperatura que qué calentar, el tiempo de calentamiento y la velocidad de enfriamiento.

Medios de enfriamiento:
El agua es el medio más rápido y más usado. El aceite sería más lento y consigan temple suave y utilizado con aceros aleados.
Diagramas TTT:
Representa el tiempo necesario a cualquier temperatura para que se inicie y termine el cambio de fase. Se obtiene realizando ensayos sobre probetas.
Por encima de la temperatura AC1 toda la estructura es austenita. La línea Ps indica el inicio del cambio a perlita y la línea Pf indica el final. Bs marca el inicio del cambio de bainita y Bf el final. Ms el inicio de cambio de martensita y Mf el final. El temple sucede siempre que la velocidad de enfriamiento sea rápida para que entre en la zona de las S.
Tipos de temple:
Temple de austenización: se aplica a todos los aceros, calentándolo por encima de la Tª de austenización y enfriando en el medio adecuado.
Temple martenpering: se calienta el acero por encima de la temperatura de austenización, se mantiene el tiempo necesario y después se enfría en un baño de sales hasta una Tª superior de la transformación en martensita, se mantiene el tiempo necesario y se enfría rápidamente.
Temple austempering: idéntico al martempiring pero con una permanencia diferente en el baño de sales que debe ser largo para traspasar las curvas S y la austenita pase a bainita. La bainita no sufre modificaciones posteriores.
Temple superficial: consiste al calentamiento de la pieza de forma rápida hasta que alcanza la temperatura de austenización y se enfría rápidamente, por lo que se tiene una capa delgada de martensita y el resto permanece intacto.
Se define como templabilidad la aptitud de un acero para endurecerse por la formación de martensita por un tratamiento térmico, se determina con el ensayo Jominy que consiste en mantener constantes todos los factores que influyen en el endurecimiento de la pieza. La probeta se lleva hasta la Tª de austenización, se mantiene un tiempo, se saca del horno, se enfría rápidamente y se desbasta y determina la dureza.

Recocido:
Consiste en calentar la pieza por debajo de la Tª de austenización y enfriarla lentamente, recubriendo la pieza con ceniza o arena caliente. El objetivo es eliminar tensiones y defectos del temple, obtener estructuras homogéneas de grano fino, eliminar la acritud, disminuir la dureza y aumentar la plasticidad y tenacidad
Revenido:
Tratamiento térmico que sigue al temple que sirve para eliminar la fragilidad y las tensiones internas. Disminuye la dureza pero aumenta la tenacidad. Consiste en calentar por debajo de la Tª de austenización con lo que se obtienen estructuras más estables y se enfría la pieza rápidamente.
Normalizado:
Consiste en calentar aceros no aleados a Tª mayores de la de austenización, mantenerlas hasta la transformación completa y enfriar el aire. Se consigue afinar el acero, se eliminan tensiones y se obtienen productos blandos.
Tratamientos superficiales -> termoquímicos:
Modifican la composición química de la superficie del acero mediante la adición de otros elementos que mejoran las propiedades.