UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA NOTAS DE LA MATERIA “CIENCIA DE LOS MATERIALES II” I AUTOR: M.C. JOSE GUADALUPE QUEZADA AMEZCUA AGOSTO 2009 PROGRAMA DE LA MATERIA DE CIENCIA DE MATERIALES II CAPITULO I: ACEROS 1.1.- Extracción de minerales metálicos 1.2.- Beneficio de los minerales metálicos 1.3.- Proceso del alto horno 1.4.- Procesos de aceración (BOF y Arco eléctrico) 1.5.- Colado de los metales 1.6.- Estudio del diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, en el rango de los aceros 1.7.- Estructura de los aceros al carbono después del enfriamiento en equilibrio 1.8.- Clasificación de los aceros al carbono 1.9.- Especificación de los aceros al carbono de acuerdo a la sección tres del código ASTM CAPITULO II: TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO 2.1.- Determinación y construcción de los diagramas TTT 2.2.- Curvas de enfriamiento en los diagramas TTT 2.3.- Definición de templabilidad de los aceros al carbono 2.3.1.- Ensayo de templabilidad 2.4.- Recocido y normalizado 2.4.1.- Tipos de recocido 2.4.2.- Fenómenos de recristalización 2.4.3.- Efecto de las variables sobre la recristalización 2.4.4.- Recocido isotérmico completo intercritico 2.4.5.- Normalizado 2.4.6.- Diferencias entre recocido y normalizado 2.5.- Segregación y homogenización 2.6.- Temple y revenido 2.6.1.-Estructura martensitica y bainitica 2.6.2.- Envejecimiento y sobreenvejecimiento 2.7.- Austemplado y martemplado 2.7.1.- Técnica y objetivos 2.7.2.- Ventajas y desventajas 2.7.3.- Aplicaciones CAPITULO III: ACEROS ALEADOS 3.1.- Efecto de los elementos de aleación en los aceros 3.1.1.- Efecto de los elementos de aleación sobre la templabilidad 3.1.2.- Efecto sobre el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C 3.1.3.- Formadores de carburos y nitruros 3.1.4.- Aceros microaleados al Nb, V, Ti y Al 3.2.- Clasificación de los aceros aleados de acuerdo a las normas AISI y ASTM 3.3.- Aceros de gran resistencia 3.3.1.- Aceros al Cr-Ni-Mo 3.3.2.- Tratamientos térmicos y aplicaciones 3.4.- Aceros para muelles 3.4.1.- Características de los muelles de hoja y helicoidales 3.4.2.- Tipos de aceros y tratamientos térmicos 3.5.- Tratamientos termoquímicos 3.5.1.- Introducción 3.5.2.- Cementación 3.5.3.- Nitruración 3.6.- Aceros para herramientas 3.6.1.- Clasificación 3.6.2.- Tratamientos térmicos 3.7.- Aceros inoxidables y refractarios 3.7.1.- Introducción 3.7.2.- Clasificación 3.7.3.- Tratamientos térmicos 3.7.4.- Corrosión y su clasificación 3.7.5.- Aplicaciones CAPITULO IV: METALES Y ALEACIONES NO FERROSAS 4.1.- Introducción 4.2.- El cobre y sus aleaciones 4.3.- Aluminio y sus aleaciones 4.4.- Aleaciones en base NI-Cr BIBLIOGRAFIA 1.- José Apreiz Barreiro; Aceros especiales y otras aleaciones; Edit. Dossat 2.- Colombier-Hochman; Aceros inoxidables y aceros refractarios; Edit. Urmo 3.- Sydney- Avner; Introducción a la metalurgia física; Edit. Mc Graw- Hill 4.- Harold E. Mcyannon; Making, shapping and treating of steel 5.- José Ma. Lasheras; Tecnología del acero 6.- George Krauss; Steels, heat treatment and processing principles 7.- Sopeña e Irabien; Aceros, productos y derivados; Edit. Urmo 8.- William F. Smith; Ciencia e Ingeniería de Materiales; Edit. Mc. Graw-Hill MATERIA: CAPITULO I: CIENCIA DE MATERIALES ACEROS 1.1.- EXTRACCION DE LOS MINERALES Los materiales metálicos constituyen uno de los grupos mas importantes de los materiales que se utilizan en la industria. Sus principales diferencias con respecto a otro tipo de materiales materiales, se encuentran en términos de su buena conductividad térmica y eléctrica, su capacidad de deformación, su soldabilidad, su facilidad para ser colados y maquinados. Los metales son considerados como materiales resistentes, pesados y opacos. Su clasificación general es en dos grupos: grupos Metales ferrosos: En este grupo, se encuentran materiales y aleaciones como el arrabio, el acero y los hierros fundidos. Metales no ferrosos: En este grupo se encuentran materiales y aleaciones del aluminio, cobre, zinc, estaño, ño, plomo, magnesio, oro y plata principalmente. Los metales ferrosos son la base para fabricar el acero, el proceso que se sigue para su obtención consiste de varias etapas. Inicialmente nicialmente de su extracción de minas a poca profundidad o a cielo abierto. abierto Las minas son yacimientos de mineral de hierro (figura 1.1.), que se encuentran a cielo abierto o con poca profundidad, en ellas se encuentran diferentes tipos de minerales de hierro en forma de óxidos, silicatos,, sulfuros o carbonatos. Los minerales más importantes empleados para obtener hierro son: son Magnetita, Hematita, Limonita, Siderita y Pirita. Pirita Figura 1.1.- Proceso de extracción del mineral Existen diferentes métodos usados en el descubrimiento de minas y yacimientos de mineral de hierro. Están stán las técnicas geofísicas basadas en la instrumentación, perforación y otros métodos de estudio geológico tales como el mapeo, que se basa en las medidas contrarrestadas entre el mineral y sus rocas circundantes usando propiedades físicas como el magnetismo magnetismo y densidad de ellas Los medios que se utilizan para transportar transporta el mineral extraído de las minas hasta las plantas siderúrgicas son de diferente ín índole, pudiendo utilizarse barco,, ferrocarril, ferrocarril bandas o contenedores principalmente (figura 1.2 y 1.3). Figura 1.2.- Método de análisis de una mena de mineral Figura 1.3.- Medio de transporte de mineral MINERAL DE HIERRO El hierro es uno de los metales que más abunda en la naturaleza, donde aparece en forma de óxido, carbonato, sulfato o silicato. Ocupa cupa el cuarto lugar entre los cuerpos simples que forman la corteza terrestre. El orden de distribución de los principales elementos elementos que se encuentran en la superficie de la tierra es el siguiente: Elemento: % en la Corteza Terrestre Oxígeno 49.50% Silicio 23.30% Aluminio. 7.50% Hierro 5.08% El hierro se encuentra presente casi siempre en mayor o menor proporción en la mayoría de d las rocas y minerales.. Sin embargo, solamente cuatro minerales se pueden utilizar industrialmente en la actualidad: tres óxidos que se conocen generalmente con los los nombres de magnetita, he hematita y limonita, y carbonatos (ver tabla 1.1.). Desde el punto de vista industrial, pueden considerarse como minerales de hierro, aquellos que por su composición y características químicas y físicas, situación geográfica y por las reservas que hay en la zona donde se encuentran, pueden ser explotados en condiciones económicas satisfactorias. Los silicatos de hierro, son muy abundantes y tienen contenidos en hierro variables, variables del 10 al 40%, no se pueden utilizar como minerales, porque todavía no se ha descubierto ningún procedimiento industrial para extraer de los silicatos el hierro y el proceso pueda realizarse a precios aceptables. Tabla 1.1..- Minerales de hierro comunes en la corteza terrestre Generalmente, se consideran minerales ricos los que contienen más de 55% de hierro. De riqueza media, a los que contienen de 30 a 55% de hierro y minerales pobres, los de contenido inferior a 30%. En la actualidad se extraen minerales con contenidos bajos aproximadamente 25% de hierro. Magnetita (óxido ferroso-férrico, férrico, Fe = 72,4%) Este tipo de mineral recibió este nombre porque fue descubierto cerca de la ciudad de Magnesia, ubicada en Grecia. Es magnético de color gris ó negro, contiene cantidades importantes de fósforo y azufre y algunas cantidades de silicatos, carbonatos y arcillas de Titanio y Cobre, su contenido de hierro puede llegar hasta un 66 %. (figura 1.4) Es el mineral más rico en hierro rro que hay en la naturaleza y, si no fuera acompañado de impurezas, su composición sería de 72.4% de hierro y 27.6% de oxígeno; pero, debido a las materias extrañas que le acompañan, su riqueza suele variar en los buenos yacimientos de 55 a 66% de Fe. Figura 1.4.- Mineral de magnetita En algunas ocasiones, debido a la gran proporción de ganga, el mineral de magnetita, a pesar de su elevada ley teórica, se presenta sólo con un contenido del 25 al 50% de hierro. Su denominación química es oxido ferroso férrico rrico y su fórmula es (Fe3O4) o (FeO·Fe2O3) Por su capacidad y por su estado cristalino, es el mineral de hierro con más dificultad de reducción. Normalmente se prefiere la hematita hematit roja y parda. Hematita Oxido férrico anhidro (hematites roja, Fe = 70%) Este tipo de mineral de hierro exist existe en colores negro, gris y rojo; es el mineral de mayor contenido de hierro alcanzando hasta un 70 % y contiene bajas cantidades de fósforo y azufre, se puede encontrar en forma de roca o polvo. Los países donde se tienen mayores yacimientos son: USA, Brasil,l, Canadá, España, Rusia y Ucrania. (figura 1.5) Es el más abundante de los minerales y puede considerarse como el más importante de todos todos, ya que por su riqueza y comportamiento en el alto horno es el más solicitado de todos para la fabricación de arrabio arr o fundición. Figura 1.5.- Mineral de hematita Su fórmula es (Fe2O3) y contiene 70% de hierro y 30% de oxígeno. En la práctica, suele contener de 50 a 68% de Fe, debido a la ganga que le acompaña. Existen diversas variedades de este mineral y las principales son las siguientes Limonita (Hematites parda) (óxido férrico hidratado, Fe = 60%) Este mineral normalmente es un producto que se obtiene de la oxidación de otros compuestos de hierro, rara vez se encuentra en estado puro. Contiene cantidades importantes de arcilla, cuarzo o calcitas, su contenido de hierro oscila del 37 al 55 %,, es de color amarillo o pardo obscuro, puede ser peligroso porque en ocasiones es explosivo al contacto con las palas cargadoras. Normalmente tiene contenidoss de fósforo, azufre y vanadio (figura 1.6). Su composición es a base de óxidos férricos hidratados. Forman una serie ordenada de minerales, cuya fórmula general es es: (n Fe2O3 + m H2O). La denominación de cada uno de ellos se muestra en la tabla 1.2. Mineral Turguita Goethita Limonita Xanthosiderita Limnita Composición 2 Fe2O3 H2O Fe2O3 H2O 2 Fe2O3 3 H2O Fe2O3 2 H2O Fe2O3 3 H2O % Fe 66.20 62.90 60.00 57.10 52.30 Tabla 1.2.- Contenido de Fe en diferentes minerales La variedad más importante de limonita pura, es la que contiene aproximadamente 60% de hierro y 40% de oxígeno. En la práctica debido a la ganga e impurezas con que se encuentran mezclados, el porcentaje de hierro varía de 30 a 56%. Figura 1.6.- Mineral de Limonita Siderita (carbonato de hierro, Fe = 48.2%) Este tipo de mineral normalmente se presenta con contenidos de carbonatos como la cal, de magnesio o de manganeso. Su contenido de hierro es del 3045 %. Cuando llega a tener contacto con la atmósfera por la acción del oxigeno y la humedad se transforma lentamente en limonita (figura 1.7). Este mineral cuya fórmula es CO3Fe, contiene teóricamente 48.2% de hierro y 37.9% de anhídrido carbónico. En la práctica, sin embargo, su porcentaje de hierro suele variar de 30 a 45% por ir acompañado con una cierta cantidad de agua. Figura 1.7.- Mineral de siderita El carbonato constituye una parte muy pequeña del mineral de hierro explotable, pero en ciertos países como en Canadá, Inglaterra, Australia y Alemania, la explotación de los carbonatos tiene gran importancia. Pirita.- Este mineral, prácticamente no se emplea en la industria siderurgica o se utiliza solo en ocasiones muy especiales. Es de forma compleja, cuya base es el sulfuro de hierro, es peligroso porque tiene cantidades de arsénico en su composición, normalmente se emplea mezclado con otro tipo de mineral para la obtención del arrabio, su contenido de hierro puede llegar hasta un 60 %. A pesar de su riqueza relativamente elevada, del orden de 45% y sobre todo, la que tienen después de la tostación (60% aprox.), solamente en casos excepcionales se emplean los residuos de piritas tostadas para enriquecer en hierro los lechos de fusión. Esto es debido a que es muy difícil eliminar la importante cantidad de azufre que contienen (del orden del 2%) y que para los aceros es muy perjudicial. El mineral compuesto por sulfuro de hierro tiene una formula química FeS2, que cristaliza en el sistema cúbico y se encuentra, con frecuencia, en forma de cristales bien definidos. El mineral es amarillo latón, opaco y tiene un brillo metálico. El parecido de la pirita con el oro hizo que muchos buscadores lo confundieran con este metal. Se distingue por su brillo y por su dureza que varía entre 6 y 6,5 en la escala de Mhoos (figura 1.8). La pirita es un mineral común en las rocas sedimentarias y también se encuentra en rocas ígneas y rocas metamórficas. Figura 1.8.- Mineral de Pirita La pirita suele estar asociada con formaciones de carbón y, a veces, con oro y con cobre. Se encuentran grandes yacimientos a lo largo del mundo; los de España y Portugal son los mayores. La pirita no se extrae como mena de hierro, excepto en países donde no se dispone de menas de óxido de hierro, por la dificultad de extraer el azufre. Se usa sobre todo en la producción comercial de ácido sulfúrico y de vitriolo verde (sulfato de hierro heptahidratado). La marcasita, es un mineral con la misma composición que la pirita, se llama ferropirita blanca. Es opaca, con un brillo metálico, pálida-amarillo bronce, y casi blanca cuando está recién fracturada. Su dureza es la misma que la de la pirita. La marcasita se distingue de la pirita por la diferencia de color, de hábito cristalino o por pruebas químicas. Se descompone con más facilidad que la pirita y es mucho menos común. Se usa, en mucha menor medida que la pirita, en la fabricación de ácido sulfúrico. 1.2.- PROCESO DE BENEFICIO DE LOS MINERALES La calidad y composición de un mineral de hierro depende fuertemente de la región geográfica de donde es extraído y de la edad geológica en que se formo. Por este motivo, la industria siderúrgica ha desarrollado diferentes métodos de beneficio para los minerales, cuyo propósito es mejorar las cantidades de hierro en el mismo. Métodos como la concentración y la aglomeración han ayudado a lograr este objetivo, ya que de esta manera se permite obtener productos finales como los aglomerados, los sinterizados y los pelets, todos con características uniformes en propiedades físicas y químicas. Los minerales después de ser extraídos deben sufrir, según sea su calidad, tratamientos diversos. A veces es necesario lavarlos para eliminar las materias terrosas o arcillas con las que suelen estar mezclados. Otras veces los carbonatos son calcinados para transformarlos en óxidos y también, a veces, se calcinan ciertas magnetitas muy duras y compactas para transformarlas en óxido férrico de más fácil reducción y aumentar su porosidad o para eliminar algo del azufre que contienen. El término “beneficiamiento” se emplea para designar todos aquellos métodos que se utilizan para procesar el mineral con el propósito de mejorar sus características químicas, físicas y metalúrgicas; y pueda obtenerse un arrabio de buena calidad. Los métodos que se utilizan para lograr este beneficio se clasifican en mecánicos, químicos y electrometalúrgicos, todos, siguen casi los mismos pasos para obtener el producto final enriquecido. La extracción de los minerales se realiza de maneras muy diversas según las circunstancias que concurren en cada caso. En general, como el mineral se suele presentar formando grandes masas, suele ser necesario emplear importantes cantidades de explosivos para romperlas y facilitar su extracción. Para arrancar el mineral se emplean potentes máquinas excavadoras (figura 1.9) y luego se machacan, trituran y criban los trozos de mineral hasta obtener tamaños apropiados para su transporte o utilización. Las explotaciones se hacen a cielo abierto o en galerías subterráneas. Los pasos más importantes en los diferentes métodos de beneficio a los minerales de hierro, se clasifican de la siguiente manera: Selección de la mena.- Este e primer paso consiste en una selección, ya sea primitiva ó tecnológica del lugar donde será extraído el mineral de hierro, con las primeras etapas de eliminación del barro, arcilla o arena que contenga, para lograr esta selección pueden emplearse diferentes diferent técnicas; desde una selección manual hasta una selección tecnificada, en esta etapa, la concentración magnética es la técnica con mayor capacidad de producción y menor costo. Trituración y Tamizado del mineral.mineral Esta parte consiste en clasificar por quebrantamiento, trituración ó molienda el mineral que será preparado para su posterior uso en el alto horno. El tamaño del mineral es importante ya que permitirá una reducción del oxido adecuada dentro del alto horno. Figura 1.9.- Equipo de excavación La trituración del mineral se realiza con diferentes equipos como pueden ser: Trituradoras de mandíbulas ó cónicas, molinos de bolas, de rodillos, de barras, giratorios ó autógenos (figura 1.10). Enseguida el mineral es pasado por diferentes mallas con el propósito de homogenizar el tamaño de las partículas que serán utilizadas en el tratamiento de finos y las que serán enviadas directamente al alto horno. Figura 1.10.- Proceso de beneficio de un mineral de hierro El machaqueo de los minerales de hierro sirve para reducir el tamaño de los grandes trozos obtenidos en las minas, y conseguir que queden en trozos con dimensiones más pequeñas y más adecuadas para el transporte y para los tratamientos y transformaciones que han de sufrir posteriormente. Generalmente, se suele separar en las minas los trozos de mineral inferiores a 1,5 m de diámetro, que son los mayores tamaños que suelen pasar a las grandes máquinas machacadoras que las reducen a trozos inferiores a 300 mm. La elección de la maquinaria depende de la naturaleza de los minerales a tratar, de las dimensiones de los trozos que se desea obtener y del destino final del producto. En la industria siderúrgica suelen montarse instalaciones llamadas de trituración primaria, secundaria y terciaria, que, en ocasiones, se instalan también en las minas. En las maquinas primarias, los grandes trozos que llegan a las fabricas se reducen a tamaños menores de 150 mm y en las secundarias a tamaños inferiores a 50 mm. Finalmente, en la trituración terciaria se llega a tamaños menores de 10 mm. El molino sirve para disminuir todavía más el tamaño de los minerales. Se cargan, generalmente, trozos de 3 a 8 mm y se obtiene polvo muy fino de 0.05 a 0.5 mm. Antiguamente los minerales relativamente porosos se cargaban en los altos hornos en tamaños variables de 25 a 75 mm. Los minerales compactos y densos como las magnetitas, por ejemplo, se cargaban en tamaños más pequeños, del orden de 25 a 50 mm. Mezclado del mineral.- Debido a que los minerales que ha sido triturados y tamizados tienen granulometría y composición química distintos, se requiere entonces lograr una homogenización de estos dos conceptos, por lo tanto los diferentes tamaños y composiciones del mineral triturado se acomodan por capas o por apilamiento para que sean mezclados y que durante el tratamiento de finos se obtenga un mineral con un mismo tamaño y composición química (figura 1.11). Tratamiento de finos.- Está parte del proceso se emplea para aglomerar el mineral de hierro tanto en tamaño fino como grueso, el mineral se convierte por algún método mecánico o químico en una masa compacta llamada “sinter”, la cual se quema para formar partículas con la forma geométrica final que tendrá el mineral, y que se utilizara en el alto horno. Los tres métodos que se utilizan para el tratamiento de los finos son: briqueteado, sinterizado y nodulizado. Figura 1.11.- Mezclado del mineral El proceso de finos se realiza en etapas, algunas de estas etapas son las siguientes: Concentración.- En esta parte del proceso se realiza la clasificación final del mineral y se utilizan diferentes técnicas de clasificación, las más importantes son las siguientes: i) ii) iii) iv) Concentración por gravedad, donde podemos mencionar la técnica de separación por medios densos y la Levigación de Jings (mesas de sacudida); La separación magnética; La separación electrostática y La separación por flotación. En la concentración de minerales,, en ocasiones se obtienen fangos (lodos) con partículas muy finas que contienen una gran cantidad de agua, que interesa eliminar. El secado es una operación que consiste en calentar los minerales concentrados a una temperatura que permita eliminar elimin el agua que acompaña a los materiales en forma de humedad o sea el agua atrapada entre las partículas por efecto de capilaridad o por absorción. Otro sistema muy utilizado para eliminar el agua es la filtración continua por el vacío. Los filtros usados s en metalurgia se componen de un tambor filtrante, dividido en varias células independientes, que gira en un gran depósito a donde se envía el líquido con las partículas a secar (figura 1.12). 1.12) Una parte de la superficie cilíndrica exterior metálica de este tambor esta perforada muy finamente y recubierta de una tela que deja pasar a través de ella el agua y no al mineral. En una parte al interior del tambor se hace una fuerte aspiración que arrastra al agua hacia la zona central. Proceso de coquización coquizació Coquización es un proceso de destilación seca destructiva de carbón para convertirlo de un material denso y frágil a uno fuerte y poroso usando calor externo (figura 1.13). Figura 1.12.- Filtrado continuo No todas las clases de carbón son útiles para fabricar coque. Entre los que no son útiles se encuentran los porosos con baja resistencia a la compresión o con residuos de polvo. De e las tres clases de carbón reconocidas en la industria: alta, media o baja volatilidad, volatilidad, solo una subclase entre los de alta volatilidad y algunas, pero no todas lass de media volatilidad son empleadas para el alto horno. Por lo tanto, la mezcla de diferentes tipos de carbón es de gran importancia. Grandes cantidades de carbón de alta lta volatilidad son mezcladas con carbón de media o baja volatilidad. Otra razón para mezclarlos es su química, y no la estructura del carbón. Muchos carbones contienen grandes cantidades de cenizas: arena de sílice, arcillas aluminosas, sulfuros de hierro y otros. Por lo tanto, casi todos los carbones deben ser lavados. El coque es clasificado de acuerdo con la temperatura final del proceso de coquización (coque de alta, media y baja temperatura). El coque con temperatura última entre los 1700 y 2000° F (930 y 1100° C) es el que se utiliza para el alto horno. Aunque algunos de los de bajas temperaturas se utilizan para mezcla con los de media y alta temperatura. Principios del proceso de Aglomeración La aglomeración es cuando se emplean procesos en los cuales el mineral o concentrado fino es aglomerado, es decir, se transforma en terrones o partículas de mayor tamaño, con el propósito de evitar los embanques y el arrastre de polvos metálicos. El producto final de la aglomeración debe cumplir con características como: Resistencia a la compresión. Resistencia a la abrasión. Porosidad ó reactividad. Tamaño adecuado de partícula. Los procesos de aglomeración más empleados en la industria siderúrgica son: Figura 1.13.- Proceso de coquización a).- Sinterización.- Es un proceso de aglomeración para partículas con un diámetro mayor o igual a 200 mallas, su objetivo es permitir la unión entre partículas en las zonas de contacto para formar cuellos en dichas áreas, utiliza un calentamiento a temperaturas menores al punto de fusión del mineral. Al calentar las partículas se ablandan en la superficie ya que se producen pequeñas fases fundidas y al estar en contacto unas con otras se unen a través de un crecimiento de cristales o por medio de una difusión en estado sólido. La capacidad de sinterización depende factores como: i) La velocidad de succión del aire a través de la carga a sinterizar, ii) Del vacío aplicado (generalmente 0.1 a 0.2 atmósferas), iii) De la permeabilidad de la carga, iv) Del tamaño de las partículas (mayores a 100 mallas), v) De la humedad (10% máximo), vi) Del tipo de coque empleado. Mecanismos de sinterización En la sinterización se permite la difusión de la materia en estado sólido presentándose los siguientes pasos: 1.- La difusión de átomos de la superficie hacia el cuello o área de contacto entre dos o más partículas. 2.- La difusión atómica del interior de las partículas hacia el cuello de contacto. 3.- La vaporización y condensación de la materia en la región del cuello de contacto. 4.- La recristalización ecristalización de la materia cuando fueron sometidas a deformaciones ya que se libera de esfuerzos e incrementa la región de contacto. Proceso general para sinterizar una carga oxidada Se tienen 4 tolvas de almacenaje con diferentes contenidos en cada una, como es mineral, coque, fundente y material de retorta; de las cuales a través de bandas dosificadoras de velocidad variable se extrae la cantidad necesaria de cada una, para formar un composito y enviarlo a los patios de homogenización. Una cama homogénea previamente sinterizada llamada sinter de retorno, se carga en el fondo del equipo para absorber calor y evitar la fusión de la parrilla y encima se carga una altura de 30 a 40 cm, del composito a sinterizar (figura 1.14). Se enciende iende la mufla hasta alcanzar 1 700°K que es la temperatura de ignición para calentar los gases existentes en la parte superior de la carga a sinterizar. Se hace succión en forma descendente de los gases calientes para encender la carga e iniciar la sinterización ización (figura 1.15). Si la carga a sinterizar contiene un 9% de pirita o un 5% de azufre se puede ahorrar el consumo de combustible Figura 1.14.1.1 Cama de sinter Figura 1.15.1.1 Esquema de una maquina de sinterización Peletización.- Es una operación de aglomeración para concentrados o minerales de tamaños de 200 mallas (0.1 mm) que no es posible sinterizar, el propósito es aumentar el tamaño de las partículas y obtenerlas en forma esférica, particularmente se usa para menas de hierro. La operación de rolado o boleo del mineral para la formación del pelet se basa en el principio de la bola de nieve en la pendiente de un cerro, como aglutinante se utiliza en esta etapa la humedad, aunque puede ser bentonita, CaCl2, NaCl, FeSO4, CuSO4, CaSO4, la función de estos aglutinantes son: regular la basicidad, hacer las partículas esféricas, aumentar la tensión superficial, la resistencia a los choques térmicos y evitar la fragilidad del pelet. Otros factores que aumentan la aglomeración son: Las fuerzas de atracción (magnéticas y electrostáticas) entre las partículas Las propiedades físicas (humectabilidad, capilaridad o porosidad del material, superficie de la partícula, forma, aspereza) La estructura cristalina. El equipo para formar los pelets está conformado por un tambor rotatorio o un disco con cierta inclinación como se muestra en la figura 1.16, el tamaño de partícula a obtener varía de 10 a 30mm, aunque se pueden fabricar de 3mm. El tamaño resultante depende de factores como: 1.- El ángulo de inclinación del equipo: Mayor inclinación menor tamaño de partícula. 2.- La velocidad de rotación del equipo: Mayor velocidad menor tamaño de partícula. 3.- La Humedad, la cual, varia del 5 al 10%, dependiendo de los huecos entre las partículas. El exceso de humedad produce una mezcla pastosa que no permite la formación del pelet. Cocimiento o endurecimiento del pelet. Está operación se realiza con el propósito de eliminar la humedad y algunas sustancias volátiles a una temperatura de operación entre los 1200 y 1300°C, al evaporarse el agua los pelets, se volverían polvo nuevamente ya que la tensión superficial del agua mantenía unidas las partículas, pero por la adición del aglutinante permanece su forma aún después de la cocción. Figura 1.16.- Equipo de peletización Las características generales del pelet deben ser: i) Resistencia a la abrasión para soportar los medios de transporte que los conduce hacia la cocción, ii) Resistencia a la compresión para soportar el peso de la carga sobre ellos en la cocción y en los hornos para obtener el metal, iii) La porosidad ya que aumenta la permeabilidad y la transferencia de calor hacia el núcleo, iv) El tamaño y forma homogéneos para permitir un mayor flujo de gases entre las partículas y hacia el núcleo del pelet, v) La composición química homogénea para aumentar la capacidad de reducción del mineral. 1.3.- ALTO HORNO El mineral de hierro una vez concentrado es reducido en el alto horno. Estos son instalaciones complejas cuyo principal objetivo es obtener obten el arrabio, este material está compuesto por hierro y carbono principalmente,, este último en porcentajes que oscilan entre el 2.5% y 6.7%, 6.7% además tiene otros elementos que están presentes como impurezas. Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada internamente con un material no metálico y res resistente al calor, como el asbesto o ladrillos refractarios,, tiene alturas entre 30 y 80 metros, y un diámetro máximo entre 10 y 14 metros, las paredes alcanzan un espesor de hasta 2.5 metros. Además de otros accesorios,, las partes más importantes del de alto horno son (figura1.17): (figura1.1 i) ii) iii) iv) v) vi) El tragante La cuba El etalaje El crisol La base El vientre. vientre Ell tragante y el sistema de escape de gases se encuentran en n la zona superior del horno. El Tragante es por donde se introducen las materias primas necesarias sarias para la producción del arrabio. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. El tragante consiste en dos tolvas en forma de campana, provistas de un dispositivo de apertura y cierre que evita que se escapen los gases en el momento de la carga. Figura 1.17.- Diagrama de un alto horno Por su parte, el Sistema de escape permite extraer los gases generados durante el proceso. Los gases que desprende un alto horno son el monóxido y dióxido de carbono, así como óxidos de otros elementos presentes en el proceso como Si, S, Mn, etc., etc. estos stos gases se desprenden todavía calientes caliente y se pueden aprovechar, bien sea para calentar el aire que se debe insuflar por la parte inferior haciendo uso de recuperadores de calor como para la generación de energía eléctrica mediante sistemas de cogeneración. La cuba representa la mitad del horn horno, o, tiene forma de tronco de cono ensanchado hacia abajo para evitar que la carga se adhiera a las paredes. En la parte superior de la cuba tiene lugar el primer calentamiento de la carga, eliminándose la humedad del mineral de hierro y calcinándose la caliza cali con desprendimiento de dióxido de carbono y formación de cal. Al mismo tiempo, el monóxido de carbono producido por la combustión del carbón en la parte inferior comienza la reducción de los óxidos de hierro. La temperatura en esta primera parte de la cuba oscila entre los 200 ºC y los 700 ºC, y las reacciones químicas que tienen lugar son: CaCO3 CaO + CO2 3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 La reducción del Fe2O3 ocurre para formar Fe3O4, la cual tiene lugar a unos 400º C, mientras que las otras dos reacciones tienen lugar a los 600º C. En una segunda zona de la cuba tiene lugar la reducción del FeO a Fe, la cual transcurre a partir de los 700º C, donde el porcentaje de CO en los gases es de un 60%. C + CO2 2 CO FeO + CO Fe + CO2 CaO + SiO2 CaSiO3 (escoria) El monóxido de carbono procede de la parte inferior del horno ya que la reacción entre el coque y el CO2 (procedente de la combustión del coque) tiene lugar a 900º C. A esta temperatura, que corresponde a la parte inferior de la cuba, tiene lugar la descomposición total de la caliza y comienza a formarse el Fe3C (cementita) por la acción del CO sobre el FeO. El vientre es la zona más ancha de la cuba, en esta parte del horno se alcanzan temperaturas de 1,500 ºC y es donde tiene lugar la fusión del mineral de hierro y se inicia la formación de la escoria, por lo anterior, se le denomina zona de fusión. El hierro es necesario que se encuentre totalmente reducido al llegar a esta zona, ya que si se encuentra en forma de óxido puede combinarse con la sílice para formar silicatos férricos (FeSiO3) que pasarían a formar parte de la escoria. El vientre coincide con la zona de unión entre la cuba y la parte inferior del alto horno, denominada etalaje. El etalaje presenta también una forma de tronco de cono, pero con la parte más ancha dirigida hacia arriba con objeto de facilitar la distribución de los gases, además de compensar la disminución de volumen del material que se produce como consecuencia de su reducción y pérdida de materias volátiles. Es en esta zona donde se introduce el aire caliente a través de unas toberas. Este aire no sólo es necesario para la combustión del coque, sino que también remueve la mezcla de carga favoreciendo los procesos. La temperatura que puede alcanzarse en esta zona es la más alta de todo el horno, llegando hasta los 1 800 ºC. El crisol es la parte más baja del alto horno y es donde se depositan el arrabio y la escoria. Esta última flota sobre el arrabio y se recoge por las denominadas bigoteras o piqueras de escoria, que se hallan en un plano superior a la piquera de arrabio, que es por donde fluye, en estado líquido, el arrabio hacia las cucharas. En esta zona también se hallan unas compuertas para la limpieza periódica que debe realizarse al horno. Las partes que conforman un alto horno se pueden apreciar en la figura 1.18 Al proceso de vaciar el arrabio del crisol se le conoce como “sangrado”. Este proceso consiste en retirar los tapones de arcilla que obstruyen el orificio de la piquera de arrabio, este orificio esta colocado cerca del fondo del horno y así permite que el material fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y llegue a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta 100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio fundido se transporta a la fábrica siderúrgica. Los altos hornos funcionan de manera continua. La materia prima que se introduce en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que son cargadas a intervalos. En un proceso normal, la escoria que flota sobre el metal fundido se retira cada dos horas, y el hierro se sangra cinco veces al día. El aire insuflado en el alto horno a través de las toberas, se precalienta precalienta a una temperatura situada entre los 550 y los 900 °C. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas (cilindros que contienen estructuras de ladrillo refractario). Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos de oxígeno básicos, icos, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En estas as plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio fundido. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran gran cuchara antes de convertirlo en acero. Figura 1.18.- Dibujo esquemático de las partes que forman un alto horno 1.4.- PROCESO DE ACERACION A CRISOL ABIERTO Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, lo cual impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar esta dificultad se desarrolló el horno a crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular (figura 1.19) de aproximadamente 6x10 metros, con un techo a 2.5 metros de altura. El crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno típico produce 100 toneladas de acero cada 11 horas. El horno se carga con una mezcla de arrabio (líquido y sólido), chatarra de acero y mineral de hierro, este último proporciona el oxígeno adicional durante el proceso. Se añade caliza como fundente y espatoflúor para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones varían mucho, sin embargo, una carga típica puede consistir de 60,000 Kg. de chatarra de acero, 11,000 Kg. de arrabio frío, 45,000 Kg. de arrabio fundido, 12,000 Kg. de caliza, 1,000 Kg. de mineral de hierro y 200 Kg. de espatoflúor. Figura 1.19.- Fotografía de un horno a crisol abierto Desde el punto de vista químico la acción de este horno consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar elementos considerados como impurezas, (silicio, fósforo, manganeso y azufre), que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal dentro del horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre 1 550 y 1 650 °C durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se analiza la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y sometiéndola a un examen físico o un análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un agujero situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm. y una longitud de 1.5 mts. Estos lingotes pasan a ser la materia prima para todas las formas de fabricación del acero. Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos. Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son; que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida. ACERO DE HORNO BOF El proceso de producción de acero con oxígeno básico es uno de los más recientes; en la actualidad se produce alrededor de la tercera parte del acero a nivel mundial por este proceso. Su ventaja principal es el corto tiempo del ciclo (55 minutos aproximadamente), su eficiencia se debe al oxígeno de alta pureza (99.0 %) que se inyecta dentro del crisol como agente oxidante del arrabio y de refinación del mismo. Una hornada típica consta de arrabio fundido, chatarra de acero, piedra caliza como fundente y oxígeno. El horno es un recipiente de acero en forma de pera forrado interiormente con ladrillo refractario y montado sobre muñones que permiten una inclinación hasta de 1800 (figura 1.20). El proceso consiste primeramente en inclinar el horno para cargar los materiales utilizados durante la fusión, enseguida se eleva el horno a su posición vertical y se le introduce una lanza por donde será inyectado el oxígeno. El oxígeno puro al entrar en contacto con el arrabio fundido reacciona de manera violenta, lo cual genera calor y provoca la elevación de la temperatura hasta los 1 650 0C. Mientras avanza la oxidación se agrega la piedra caliza para limpiar la superficie del metal fundido de las impurezas del proceso y formar la escoria que será retirada. Posteriormente el horno se inclina para descargarlo en una olla de colada y ser transportado hasta la fabrica de colada continua. La capacidad de producción por este proceso varía de las 35 a las 200 toneladas por colada. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno normalmente está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. Figura 1.20.- Esquema de un horno BOF La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió primeramente el horno tipo Bessemer. ACERO DE HORNO DE ARCO ELÉCTRICO En algunos hornos, el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Las as condiciones de refinado en estos hornos se pueden regular de manera más estricta que en los os hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno. Por lo regular son n hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta resistencia,, de resistencia a la temperatura o inoxidables, inoxidables o bien para aceros de aleación que deben ser fabricados con especificaciones especificaciones más exigentes. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el qu que se deposita la carga por medio de una grúa viajera (figura 1.21). Figura 1.21.- Dibujo esquemático de un horno de arco eléctrico Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases del de proceso se inyecta oxígeno o de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario par producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas. Antes de utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado. Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrod electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco voltaico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente corrient genera calor, que junto con el producido por el arco voltaico funde al metal con rapidez (figura 1.22). 1.22) Figura 1.22.- Corte de un horno de arco eléctrico 1.5.- COLADO DE METALES En los procesos antes descritos, el acero se obtiene en estado fundido (liquido) y se denomina “fundición ó colada”, el acero se transporta transport en ollas denominadas cucharas para su transformación en productos semi-terminados, terminados, esto implica, implica que es necesario solidificarlo, para lo cual c se pueden seguir diferentes procedimientos. Un primer método es el vaciar de la cuchara el metal líquido en un molde con la forma geométrica de la pieza que se desea obtener. Este procedimiento regularmente no se suele emplear ya que resulta costoso, y sólo se emplea cuando la forma de la pieza es muy complicada, siendo difícil obtenerla por otros métodos de conformación. Para colar el metal en estado líquido, se introduce el mismo en una cavidad preformada llamada “molde”,, el cual tiene la forma geométrica geom exacta de la pieza por obtener (figura 1.23), 1.23) dentro de este tipo de colada existen dos tipos de vaciado; en molde no permanente o permanente, los primeros son fabricados con arena refractaria mientras que los segundos son fabricados de metal. Las p piezas que se producen por este proceso varían en tamaño, precisión, rugosidad de la superficie, complejidad de la pieza, volumen de producción, costos y calidad de la pieza. Figura 1.23.1.23. Metodo de colada en molde no permanente El segundo método es el vaciado del metal en lingoteras para la obtención de lingotes de forma prismática. Los lingotes deben introducirse en los denominados hornos de fosa a fin de que la solidificación se lleve a cabo de forma uniforme. Esto se debe a que el enfriamiento superficial es más rápido que en el interior del lingote, lo que puede originar roturas internas. Las lingoteras son recipientes de paredes gruesas que se colocan sobre placas de hierro fundido que tienen una serie de canales conductores para el llenado de la misma (figura 1.24). 1.24) Figura 1.24.- Metodo de colada en lingoteras Una vez obtenidos los lingotes se pasan a los trenes de laminación, bien en frío o en caliente, donde se les dará la forma del semiproducto deseado. Figura 1.25.1.25. Proceso de colada continúa El tercer método es el procedimiento denominado colada continua (figura 1.25) 1.25), que en la actualidad es el más empleado. En este procedimiento, acero líquido se vierte en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma del semiproducto que se desea obtener. El término colada continúa se debe a que el semiproducto sale sin interrupción de la máquina hasta que la cuchara ha vaciado todo su contenido. La forma de los semiproductos en colada continua son básicamente básicamente dos: la palanquilla o bloom, de sección cuadrada de entre 30 y 150 mm. de lado, y los planchones o slab,, de sección rectangular de un espesor entre 100 y 250 mm. y una longitud de unos 6 metros (figura 1.26). 1.26) Las palanquillas son pasadas a continu continuación a los trenes de fermachines en donde, se laminan en forma circular y, tras operaciones de estirado y calibrado, se transforman en alambres, barras calibradas, etc. También pueden ser pasadas a los trenes de perfiles estructurales en donde se transforman man en perfiles. Los perfiles comerciales habituales son: angular, doble T, zeta, tubo, te y cuadrado hueco, y en lo que se refiere a las barras tenemos: pletinas, media caña, triangular, cuadrada, redonda y hexágono. Por su parte, los planchones se introducen primeramente en los trenes de banda en caliente, caliente donde se transforman en chapas gruesas ó medias, con espesores de 3 a 50 mm. mm y longitudes hasta 40 metros; metros otras son las chapas finas con espesores hasta 1.6 mm mm. y longitudes hasta 600 metros. Las chapas obtenidas pueden pasarse a los trenes de laminación en frío,, obteniéndose chapas de espesores de hasta 0.1mm. Todas estas chapas suelen suele empacarse posteriormente en bobinas o rollos. Figura 1.26. 1.26.- Productos de la colada continúa 1.6.- DIAGRAMA DE EQUILIBRIO FeFe Fe3C Un diagrama de equilibrio Fe- Fe3C es el mapa o carta que emplean los ingenieros para una correcta interpretación de los fenómenos que ocurren en los aceros y los hierros cuando tienen diferentes composiciones químicas de estos dos elementos. Este diagrama se utiliza principalmente como una un guía, ya que la mayoría de los aceros contienen otros elementos en su composición química, los cuales modifican la posición de cada una de las fases, puntos y líneas que lo conforman. Es valido únicamente para presiones de una atmósfera porque en los casos casos donde se consideren presiones mayores a una atmósfera, los limites entre las líneas y los puntos cambian y aparecen fases nuevas. Las cantidades de cada una de las composiciones y fases que se pueden presentar en el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C y que representen una aleación se indican normalmente en cantidades dadas en por ciento en peso ( %wt ); en algunas ocasiones las cantidades se pueden dar en por ciento atómico ( %at ). La Figura 1.27 representa ell diagrama diagram de equilibrio Fe-Fe3C, este ste diagrama indica el contenido de carbono que existe en un acero o un hierro, el cual puede variar desde un 0.0 % hasta un 6.67 %, este rango es el que se utiliza para la gran mayoría de las aplicaciones practicas que tienen estas aleaciones. FASES DEL DIAGRAMA Fe-Fe3C En términos generales en la figura 1.27 1. se indican las diferentes fases que pueden presentarse en el acero ó en el hierro cuando se encuentran en estado líquido o sólido, es práctica común el dar nombres especiales a la mayoría de las estructuras que aparecen en el diagrama (normalmente en letras griegas) mismas que se mencionan a continuación: Figura 1.27.1. Diagrama de equilibrio hierro- carbono Ferrita.- Esta fase es también conocida como hierro alfa ( );; es la fase que tiene mas ductilidad y la mas suave, su dureza promedio es de 90 Br,, tiene una resistencia a la tensión de 28 Kg/mm2 y su ductilidad es del 35 al 40 % (figura 1.28). Cementita.- Esta fase esta conformada por carburo de hierro (Fe3C); la cual contiene un 6.67 %C y un 93.33 %Fe, es la fase mas dura y frágil formada por solidificación del acero, alcanza una dureza hasta los 700 Br (38 Rc) y es magnética hasta los 2100 C. Perlita.- Esta fase esta constituida por un 66.5 % de ferrita y un 33.5 % de cementita, se forma de placas o láminas alternadas de cada una de estas fases (figura 1.29); 1.29) se le dio este nombre porque refleja la luz de manera similar a una perla. Figura 1.28.- Fases ferrita y perlita de un acero La perlita tiene iene una un dureza promedio de 200 Br, una resistencia a la tensión de 80 Kg/mm2; su ductilidad es del 15 % en promedio. Puede presentarse en dos estructuras diferentes según la velocidad de enfriamiento del material, una se conoce como perlita sorbítica y la otra como perlita globular. Austenita.- Esta fase se forma por la disolución del Fe3C en el hierro gamma ( ), la proporción del carburo de hierro disuelto puede variar en un rango de del 0 % hasta el 25.5 %; lo que equivale al rango de del 0 % hasta el 1.76 %C, cantidad que representa la máxima solubilidad a la temperatura de 1, 1300 C. Figura 1.29.- Fase perlita en forma de laminas En los aceros al carbono, la austenita se empieza a formar a la temperatura de 7230 C (punto critico inferior A1), a partir de la temperatura critica superior A3 toda la masa de acero esta conformada solamente por cristales de austenita. Si en estas condiciones, el acero fuera enfriado de manera muy rápida, al llegar a la temperatura ambiente se tendrá una microestructura microestructura formada por granos austeniticos únicamente. La austenita es una fase metaestable, esto es, que al paso del tiempo se transformara en una combinación de fases como son: ferrita+perlita ó ferrita+cementita. Esta fase tiene una dureza promedio de 300 Br y una resistencia a la tensión de los 100 Kg/mm2; su ductilidad es del 30 % en promedio. Martensita.- Esta fase es una solución sobresaturada de Fe3C en el hierro alfa ( ), que se produce por un enfriamiento rápido de la austenita. austenita. Su dureza promedio es de 50 a 68 Rc, con una resistencia a la tensión de 200 Kg/mm2; y una ductilidad del 2.5 %.. Su microestructura se observa normalmente en forma de agujas, y cristaliza en un sistema cúbico con los átomos de Fe3C sobre las aristas de la l celda. Bainita.- La bainita es una fase que resulta de la transformación isotérmica de la austenita en temperaturas comprendidas entre los 2500 y los 5500 C Para ara producir bainita en un acero debe efectuarse un temple conocido con el nombre de “temple bainitico”; ”; si la bainita se forma en el rango de los 500-550 0C, la bainita se conoce con el nombre de “bainita “bainita superior”, superior en cambio cuando se forma en el rango de temperatura de los 250 250-400 0C, recibirá el nombre de “bainita bainita inferior”, inferior esta fase tiene una gran semejanza con la martensita pudiendo llegar a confundirse cuando no se tiene experiencia en diferenciarlas. La bainita esta constituida por placas de Fe3C en una matriz ferritica. Como ya fue señalado, el diagrama tiene diferentes puntos y líneas qu que e representan los límites de las fases que conforman la aleación, a continuación realizaremos una rápida descripción de los que son considerados de mayor importancia: Línea vertical (GFD).- Esta ta línea limita al diagrama por su lado derecho, la cual corresponde corre al limite de 6.67 %C. Este es el máximo porcentaje que puede contener la aleación, ya que cuando se rebasa este porcentaje, el carbono excedente estará en forma de grafito. Punto C.- Este punto del diagrama es conocido como “Punto eutectico”; señala el punto de fusión mas bajo para la aleación (1,1300 C) y corresponde a un contenido del 4.3 %C, es el punto donde la aleación solidifica totalmente a una sola temperatura. Línea (ABCD).- Esta línea señala la temperatura a la cual comienza la solidificación de la aleación. Por arriba de esta línea, todo el metal se encuentra en estado líquido. Línea (AHJECF).- Esta línea determina la temperatura a la cual finaliza la solidificación de la aleación. Por debajo de esta línea, todo el metal se encuentra en estado sólido. Punto (E).- Este punto del diagrama es el que señala la solubilidad máxima del Fe3C en el hierro gamma ( ), corresponde a un contenido del 1.76 %C, y es el que divide las aleaciones del acero en dos campos importantes: i) ACEROS.- Aleaciones que tienen un contenido de carbono desde 0.03 % hasta un 1.76 %C ii) FUNDICIONES.- Aleaciones conocidas como hierros, que tienen un contenido de carbono desde un 1.76 % hasta un 6.67 %C Punto (S).- Este punto del diagrama es conocido como “Punto Eutectoide”, es análogo con el punto eutectico, pero tienen la siguiente diferencia: Mientras que en el punto eutectico el cambio que ocurre es una transformación de estado líquido a sólido ó viceversa, en el punto eutectoide la transformación que ocurre es en el estado sólido únicamente. Este punto indica la composición a la cual la fase austenitica permanece estable a la temperatura mas baja, corresponde a un 0.8 %C. También indica cuando la austenita se transforma íntegramente a perlita al ser enfriada la aleación. Cuando el contenido de carbono es mayor o inferior al 0.8 %C, la austenita que se transforma a perlita, primero se transforma en una nueva fase, hasta mientras la aleación alcanza la temperatura de los 7230 C, que es cuando se transforma totalmente en perlita. Punto (J).- Este punto señala la temperatura más alta (1,4920 C) a la cual la austenita permanece estable, es conocido como “punto peritectico”, su contenido de carbono es del 0.18 %C. Punto (H).- Este punto es el que indica el mas alto contenido de carbono (0.08 %C) que el hierro delta ( ) puede contener en solución sólida. Punto (P).- Este punto señala el máximo contenido de carbono (0.025 %C) que puede disolver en solución sólida la fase ferritica. Punto (A0).- Es la línea de temperatura (2100 C) del diagrama donde ocurre el cambio magnético de la cementita. Punto (A1).- Es la línea de temperatura (7230 C) que marca el limite para la formación de la fase ferrita. Punto (A2).- Es la línea de temperatura (7680 C) a la cual ocurre el cambio magnético de la fase ferrita. Punto (A3).- Es la línea de temperatura (7230 a 9100 C) para la formación de la fase ferrita, y depende del contenido de carbono en la aleación. Punto (Acm).- Es la línea de temperatura (7230 a 1,1300 C) para la formación de la cementita, y depende del contenido de carbono. Punto (A4).- Es la línea de temperatura donde se encuentra el limite superior para la formación de la austenita. Tarea 2: 1.- Investigar y redactar que son las siguientes fases: Troostita; Sorbita y Ledeburita 2.- Investigar y redactar que es una transformación isotérmica 3.- Dibujar un diagrama hierro-carbono a la escala correspondiente a una hoja tamaño carta Notas: La nueva fase que puede formar la austenita antes de alcanzar la temperatura de los 7230 C; dependerá del contenido de carbono en la aleación, cuando el contenido es superior al 0.79 %C, la austenita segregara en forma de cementita, mientras que para contenidos inferiores al 0.79 %C la fase que será segregada es la ferrita. El contenido mínimo que tiene una aleación para que sea reconocida como un acero en el diagrama de equilibrio hierro-carbono, es del 0.03 %C; el cual esta señalado cerca del origen del diagrama. Para contenidos menores a esta cantidad, la aleación se considera técnicamente como un hierro puro. Cuando el contenido de carbono es inferior al 4.3 %, entre los puntos que marcan el inicio y la conclusión de la solidificación, ocurre la precipitación de la austenita; mientras que para contenidos mayores a este porcentaje, la fase que precipita entre los dos puntos, es la cementita. Cuando la solidificación ocurre en el punto del 4.3 %C, la fase que se forma, se conoce como ledeburita. 1.7.- ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS ACEROS AL CARBONO TEMPERATUR A °F La estructura cristalina fundamental del hierro está caracterizada por la estructura cúbica; dependiendo de la temperatura a la que se encuentre el hierro, por ser un metal alotrópico puede existir en más de un tipo de estructura reticular (figura 1.30). FASE LIQUIDA (NO HAY RETICULA) 28 00 HIERRO DELTA: CÚBICA DE CUERPO CENTRADO (BCC) 25 52 HIERRO GAMMA: CÚBICA DE CARA CENTRADA (FCC) 16 70 HIERRO ALFA: CÚBICA DE CUERPO CENTRADO (BCC) NO MAGNETICO 14 14 TEMPERATURA AMBIENTE HIERRO ALFA: CÚBICA DE CUERPO CENTRADO (BCC) NO Figura 1.30.- Diferentes formas de estructura de un hierro puro TIEMPO Las figuras 1.30, 1.31 y 1.32 muestran muestra las diferentes estructuras y cambios que sufre el hierro mientras cambia la temperatura; ya sea durante el calentamiento o el enfriamiento. En la figura 1.30 se muestra la curva de enfriamiento de un hierro puro, en ella se aprecian lo cambios reticulares que el hierro tiene en cada una de sus fases. En el caso de las figuras 1.31 y 1.32 presentan las estructuras reticulares bcc y fcc de una fase cristalina típica del hierro. Figura 1.31.- Celda unitaria de una estructura bcc (cúbica centrada en cuerpo) Figura 1.32.- Celda unitaria de una estructura fcc (cúbica centrada en las caras) EFECTO DEL CARBONO EN EL DIAGRAMA La adición del carbono al hierro produce varios cambios importantes en las fases de equilibrio del hierro puro. La estructura (bcc) de la ferrita y la estructura (fcc) de la austenita pueden ser modificadas al introducir átomos de carbono en su estructura cristalina básica. Los átomos de carbono se introducen en los huecos ó en los puntos intersticiales de los átomos de hierro. Esto significa significa que la austenita y la ferrita en las aleaciones hierro-carbono carbono y en los aceros son fases que se encuentran como una solución sólida intersticial. El carbón es un elemento que estabiliza la fase austenita y por lo tanto incrementa el rango de formación mación de la austenita en los aceros. Del diagrama hierro-carbono hierro carbono puede observarse como el área del austenita se expande desde los 910 °C hasta los 1400 °C aproximadamente con un amplio rango de temperatura y composición. La fase ferrita en cambio, como tiene una menor habilidad para disolver el carbono, en el diagrama puede observarse que la máxima cantidad de carbono que la ferrita puede disolver es del 0.02 %C a una temperatura de 727 °C, dando como resultado en un área más pequeña de la fase ferritica ferritica, a temperatura ambiente la solubilidad del carbón en la ferrita se hace casi intangible. Cuando la solubilidad de carbono en la austenita y la ferrita es excedida aparece una nueva fase en la aleación o el acero: El carburo de hierro ó cementita. La cementita cementita puede asumir muchas formas, arreglos o tamaños y junto con la ferrita son los responsables de la gran variedad de microestructuras que tienen los aceros. ESTRUCTURA CRISTALINA DE ALEACIONES Fe Fe-C Como ya se menciono, la mayor diferencia entre las estructuras de ferrita y austenita de un acero y las fases correspondientes de un hierro puro son los átomos de carbono introducidos en el arreglo cristalino. Hay dos tipos de huecos cristalinos que pueden incrustar átomos dentro de las estructuras bcc y fcc del hierro puro.. Estos espacios cristalinos se conocen como estructura octahedrica y tetrahedrica para la estructura fcc y bcc respectivamente y derivan erivan su nombre por el número de caras que se forman en el poliedro con los átomos de hierro. Cada átomo de carbón tiene como vecinos a 6 átomos de hierro para el caso de la estructura octahedrica y 4 átomos de hierro para el caso de la estructura tetrahedrica. Este acomodo se aprecia en las siguientes figuras 1.33 y 1.34. Figura 1.33.- Acomodo octahedrico en una red fcc Figura 1.34.- Acomodo tetrahedrico en una red bcc EFECTO DE OTROS ELEMENTOS Hasta este momento hemos descrito solamente el diagrama y la estructura cristalina de una aleación binaria Fe-C; sin embargo los aceros contienen elementos e impurezas que regularmente son incorporados a la austenita, ferrita o cementita. Esta incorporación se efectúa usualmente por el reemplazo de los átomos de hierro cuando el elemento o la impureza son aproximadamente del mismo diámetro atómico que los átomos de hierro, otras veces los átomos se introducen en los espacios intersticiales. Cuando la cantidad del elemento excede los límites de solubilidad en estas fases, se tiene como resultado la formación de otro tipo de fases, por ejemplo: pequeñas adiciones de cromo en una aleación Fe-C, a 890 °C la fase cementita se presenta como una combinación de carburo de hierro y carburo de cromo del tipo M3C (donde se alterna la fase metálica con la fase carburo combinando átomos de Cr y Fe en la cementita); en cambio si se adicionan cantidades grandes de cromo el resultado es la formación de carburos metálicos del tipo M7C3. Elementos como el manganeso y el níquel estabilizan la austenita en los aceros; mientras que otros como el silicio, niobio y cromo estabilizan la ferrita. Elementos que son fuertes formadores de carburos son el Titanio, Niobio, Molibdeno, y Cromo lograran este efecto siempre y cuando estén presentes en cantidades suficientes. Una manera de conocer el efecto de los elementos en el diagrama hierrocarbono es con la temperatura eutectoide (indicada por la línea horizontal a los 727 °C del diagrama); elementos como el Ti, Mo y W, la elevan mientras que elementos como el Mn y Ni la disminuyen. TEMPERATURAS CRÍTICAS El diagrama hierro-carbono tiene tres temperaturas criticas de interés para los aceros tanto durante la solidificación como para los tratamientos térmicos. Estas son la temperatura A1, A3 y Acm; los cambios que ocurren a estas temperaturas se asume que suceden en condiciones de equilibrio; esto significa que se necesitan periodos grandes de tiempo y velocidades de enfriamiento o calentamiento extremadamente lentas. Algunos autores las designan con las letras Ae1, Ae3 y Aecm respectivamente; la letra “e” significa que están en condiciones de equilibrio. Las transformaciones que ocurren a temperaturas críticas son por difusión controlada; sin embargo son sensibles a la composición y a las velocidades de enfriamiento. Calentamientos muy rápidos disminuyen el tiempo de difusión, lo cual, tiende a incrementar las temperaturas críticas por arriba de la temperatura de equilibrio. Por otra parte enfriamientos rápidos tienden a bajar las temperaturas críticas con respecto a la de equilibrio. Estos efectos han contribuido al uso de otros símbolos para las temperaturas críticas que son: Ac y Ar, quedando como sigue Ac1, Ac3 y Accm y Ar1, Ar3 y Arcm. Generalmente las temperaturas críticas para un acero en particular se determinan de manera experimental, sin embargo existen algunas formulas empíricas para mostrar el efecto de los elementos de aleación en los aceros sobre estas temperaturas. Un ejemplo de esto son las siguientes formulas. Ac3 = 910 – 203 C - 5.2 Ni + 44.7 Si + 104 V + 31.5 Mo + 13.1 W Ac1 = 723 – 10.7 Mn – 16.9 Ni + 29.1 Si + 16.9 Cr +290 As + 6.38 W La parte del diagrama que corresponde a los aceros reviste un gran interés, interés lo anterior porque es la parte que suministra la información básica en el entendimiento de las transformaciones microestructurales y de fase que ocurre en los aceros, como se puede ver a continuación. Ejemplo: Si consideramos un acero hipoeutectoide con un contenido contenido del 0.20% C (ver figura 1. 1.35), en el intervalo de la austenita, la aleación es una solución sólida intersticial uniforme donde cada grano contiene un 20 %C disuelto en los espacios de la estructura reticular fcc.. Al enfriar y cruzar la línea A3, la ferrita debe comenzar a formarse en las fronteras de los granos austeniticos como una “ferrita “ proeutectoide”; como la ferrita solo puede disolver bajas cantidades de carbono, entonces de las partes que han cambiado a ferrita, algunos átomos de carbono carbono regresan a la austenita, el cual es disuelto nuevamente por la austenita restante en la aleación. De esta manera, conforme avanza el enfriamiento y la cantidad de ferrita aumenta, la austenita restante se hace más rica en carbono. Este exceso de carbon carbono o hace que el contenido de este elemento en la austenita se mueva hacia abajo y a la derecha la línea A3. Cuando la aleación alcanza la línea A1 la microestructura consta aproximadamente de un 25% de austenita rica en carbono y un 75% de ferrita proeutectoide, ide, en este punto la austenita contiene 0.8 %C y experimenta una reacción conocida como “Reacción Eutectoide” que es representada por la siguiente reacción: Enfriamiento Ferrita + Cementita Austenita Calentamiento Perlita Definición de reacción eutectoide. utectoide.- Cuando una transformación de fases es reversible y ocurre que una fase sólida es remplazada por dos fases sólidas diferentes, se le denomina reacción eutectoide. Cuando uando la reacción eutectoide se completa totalmente, la microestructura final del acero mostrara aproximadamente un 25 % de fase perlita y un 75 % de fase ferrita proeutectoide, estas fases al ser estructuras estables permanecen con esta constitución, hasta que la aleación alcanza la temperatura ambiente. Figura 1.35.- Cambios durante el enfriamiento en un acero hipoeutectoide con 0.2 %C El ejemplo de la figura 1.35 hace referencia para cuando un acero tiene 0.2 %C, sin embargo para cualquier otro acero hipoeutectoide que tenga un contenido diferente de carbono, los cambios descritos para dicho ejemplo no serán los mismos. La diferencia que se presentará presentar en los aceros será en las cantidades relativas finales de cada una de las fases de ferrita y perlita en la microestructura microestr del acero. Las cantidades relativas finales de cada fase se aprecian en la siguiente figura 1. 1.36. Figura 1.36.- Cantidades relativas de ferrita, perlita y cementita para aceros al carbono Otro ejemplo: Un acero hipereutectoide con un contenido del 1.0 %C (ver figura 1.37); ); en el intervalo de la fase de austenita, los granos tienen disuelto intersticialmente en solución sólida el 1.0 %C, cuando el acero es enfriado lentamente y alcanza la línea de temperatura crítica de transfor transformación Acm, la austenita comienza a transformarse a cementita en las fronteras del grano austenitico, esta transformación se debe al exceso de carbono en la austenita. Al continuar el enfriamiento y la aleación alcance la temperatura crítica A1,3; las fases constituyentes de la aleación estarán conformadas por un 96.6 % de austenita y un 3.4 % de cementita proeutectoide. Al rebasar la aleación la temperatura crítica la austenita restante se transformará a perlita de acuerdo con la reacción eutectoide eutecto ya descrita. También en este caso, cuando se tiene un contenido de carbono diferente al considerado en el ejemplo, la transformación de las fases del acero hipereutectoide que ocurrirán serán las mismas, con la única diferencia en las cantidades relativas de las fases finales como se indica en la figura 1.36. 1.3 Figura 1.37.- Cambios durante el enfriamiento de un acero hipereutectoide con 1.0 %C 1.8.- CLASIFICACION DE LOS ACEROS AL CARBONO Para clasificar el acero se utilizan varios criterios, los más importantes son los siguientes: Por su proceso de manufactura.- Este criterio da lugar a clasificarlo como acero bessemer, de hogar abierto, de horno eléctrico, de crisol, siemens martín, BOF, convertidor thomas, etc. Por su aplicación.- Esta manera de clasificarlo se refiere al uso final que se le dará al acero, por tal motivo se clasifica como acero para herramientas, para muelles, para resortes, inoxidables, estructurales, resistentes al calor, etc. Por su composición química.- Este criterio es el más utilizado, este método se realiza por medio de un sistema numérico, donde el contenido aproximado de los elementos químicos más importantes que tiene el acero se indican por medio de números o letras. Así tenemos aceros al carbono, aleados, inoxidables, resistentes al calor y especiales. De acuerdo con está clasificación, los aceros ordinarios llamados aceros al carbono, son aquellos constituidos fundamentalmente por hierro y carbono, considerándose al resto de los elementos como impurezas (con porcentajes inferiores al 0.07%). Estos aceros pueden a su vez dividirse en función del porcentaje en carbono en: i) ii) iii) Aceros hipoeutectoides Aceros eutectoides Aceros hipereutectoides (Bajo carbono) (Medio carbono) (Alto carbono) Los aceros hipoeutectoides puede también dividirse en función del porcentaje de carbono en: a) b) c) d) e) f) Extrasuaves Suaves Semisuaves Semiduros Duros Extraduros (0.1-0.2 %C) (0.2-0.3 %C) (0.3-0.4 %C) (0.4–0.5 %C) (0.5-0.6 %C) (0.7-0.8 %C). Las propiedades de estos aceros están en función del porcentaje de carbono, así por ejemplo, a medida que aumenta dicho porcentaje aumenta la dureza, la fragilidad y la resistencia a los choques, disminuyendo la soldabilidad. Estas características pueden ser modificadas mediante tratamientos térmicos, que serán abordados posteriormente. Dado que todos los aceros poseen carbono, estas características van a ser comunes a todos los aceros. Los aceros aleados son aquellos que, además de carbono, contienen otros elementos en la aleación. Pueden dividirse en: 1) Aceros de baja aleación, si el porcentaje de los otros elementos es inferior al 1.5 % 2) Aceros de media aleación si el porcentaje está entre 1.5 y 5.5 %, 3) Aceros de alta aleación si el porcentaje es superior al 5.5 %. Los aceros aleados pueden contener una gran variedad de otros elementos en diferentes proporciones, lo que les confiere diversas propiedades. Entre los elementos de aleación más destacados tenemos: Níquel: Proporciona un aumento de la templabilidad, un incremento de la resistencia a la tracción y límite elástico, sin que disminuya en gran medida la ductilidad. Confiere excelentes propiedades anticorrosivas. Las características y aplicaciones de los aceros aleados con níquel dependen del porcentaje de éste. Si el porcentaje es de un 9.0 % resiste bien temperaturas hasta de –200 ºC empleándose en recipientes criogénicos; si el porcentaje es del 35.5 %, el acero presenta un coeficiente de dilatación nula, empleándose en la elaboración de patrones. Cromo: La adición de cromo favorece que no se pierda dureza durante el revenido y trabajos a altas temperaturas; favorece la existencia de grano fino, por lo que se emplea en aceros para la fabricación de herramientas; evita la descarburación periférica; y produce carburos más duros que la cementita, aumentando la dureza, la resistencia a la tracción y al desgaste, pero aumentando la fragilidad. Mejora también en gran medida las propiedades anticorrosivas, y junto con el níquel constituyen los aceros inoxidables, que es un acero que contiene diferentes proporciones de cromo y níquel: 18-8, 18-10, 1720, 8-12. Si se desea fabricar aceros inoxidables para emplearse en altas temperaturas es necesario aumentar estos porcentajes, por ejemplo: 25-13, 25-20, 18-36. Manganeso: El manganeso se encuentra presente en la mayoría de los aceros, por encontrarse presente desde el arrabio. Su presencia en el acero aumenta la templabilidad de forma muy considerable, la resistencia al desgaste (al igual que el cromo forma carburos), y al combinarse con el azufre más fácilmente que el hierro elimina el FeS, el cual forma un eutéctico con el hierro que da lugar a que se destruya el acero en caliente. El acero al manganeso más empleado es el que contiene un 1215 %Mn, que es conocido como acero austenítico, que una vez enfriado, y por medio de un tratamiento de deformación en frío dan lugar a la formación de la martensita. Este hecho hace que a medida que se utilizan estos aceros se vayan volviendo más duros, por lo que su aplicación sea en máquinas de esmerilar, ejes de engranajes, etc. Vanadio: Este elemento aumenta la resistencia a la fatiga y al choque, es el elemento que más favorece la templabilidad, por lo que se pueden obtener piezas templadas de gran tamaño y muy alta calidad aunque sean enfriadas al aire. Las proporciones empleadas son pequeñas y oscilan entre el 0.02 y 0.5%. El vanadio es un gran formador de carburos y nitruros lo que hace que los aceros al vanadio se puedan endurecer superficialmente. En combinación con el cromo forma aceros empleados en la fabricación de herramientas como martillos, destornilladores, etc. Otros elementos empleados para fabricar aceros aleados son: el cobalto, el molibdeno, el wolframio, el plomo, el silicio, el niobio, etc.. Los elementos antes descritos y estos últimos pueden entrar a formar parte de los aceros de manera separada o en mezclas más o menos complejas como la de los aceros denominados aceros maraging, que son aceros de composición química compleja, pero que se caracterizan por su bajo contenido en carbono (~ 0.02 %C ). Una composición típica de este tipo de aceros sería por ejemplo: (0.02 %C, 18 %Ni, 8 %Co, 5 %Mo y 0.4 %Ti). 1.9.- NORMATIVIDAD DE LOS ACEROS Las clasificaciones mencionadas hasta este momento son satisfactorias para una aplicación sencilla, sin embargo los diferentes tipos de aceros se han diversificado de tal forma que ha sido necesario elaborar una clasificación por normas para muchos de los aceros que se fabrican en la industria. Existen diferentes organismos internacionales que se han dedicado a la clasificación de los aceros, esta e clasificación esta definida por las normas internacionales de la AISI (American Iron and Steel Institute) y ASTM (American Society for Testing and Materials), Materials), quienes han clasificado los aceros según la composición química y la aplicación final que van a tener los aceros y que a la postre será lo que defina sus propiedades. La forma mas empleada para identificar los aceros es con una letra seguida de cuatro dígitos, en otros casos la identificación se realiza con cuatro ó cinco dígitos únicamente.. En el sistema AISI, el primer dígito indica el elemento principal de la aleación, el segundo segundo indica el contenido de la aleación y los dos o tres últimos dígitos señalaran el contenido de carbono en el acero. Ejemplo: Un acero SAE-AISI 1049 indica que se trata de un acero simple al carbono con un 0.49 %C en el acero. En cambio un acero SAE-AISI AISI 5050 indica que se refiere a un acero al cromo con un contenido del 0.50 %C en el mismo. Una clasificación mas completa de los aceros SAE-AISI SAE se muestra en la siguiente figura 1.38. Figura 1.38.- Clasificación de los aceros de acuerdo con la normatividad SAE-AISI SAE En las siguientes tablas se pueden apreciar algunos ejemplos de los diferentes contenidos que tienen las normas de la ASME y ASTM, que pueden ser consultadas para fabricar, analizar y car caracterizar aceros. American Society of Mechanical Engineers (ASME). Authorized Inspection / Automotive Lifting Devices Boiler & Pressure Vessel Code Chains / Compressors / Controls / Conveyors / Cranes and Hoists Dimensions / Drawings and Terminology Elevators and Escalators Fasteners / Flow Measurement Gage Blanks / Gauges High Pressure Systems Keys Machine Guarding / Manlifts / Measurement / Metric System Nuclear Offshore / Operators Qualification and Certification Pallets / Performance Test Codes / Piping / Plumbing / Powered Platforms Pressure Vessels / Pumps Reinforced Thermo set Plastic Corrosion Resistant Equipment Screw Threads / Steel Stacks / Storage Tanks / Surface Quality Tools / Turbines Valves, Fittings, Flanges, Gaskets STANDARDS QUICK FIND A13, A17, A90, A112, A120, AG, B1, B4, B5, B15, B16, B17, B18, B19, B20, B27, B29, B30, B31, B32, B36, B40, B46, B47, B73 B89, B94, B96, B107, B133, BPE, CSD, FAP, HPS, HST, MFC, MH1, N278, N509, N510, N626, NOG, NQA, NUM, OM, PALD, PTC, PVHO, QAI, QFO, QEI, QHO, QME, QMO, QRO, RTP, SI, SPPE, STS, Y14, Y32, ASME Boiler & Pressure Vessel Code, 2004 The Boiler and Pressure Vessel Code establishes rules of safety governing the design, fabrication and inspection of boilers, pressure vessels, and nuclear power plant components during construction. The objective of the rules is to assure reasonably certain protection of life and property and to provide a margin for deterioration in service. Advancements in design and materials and the evidence of experience are constantly being added by addenda. For more information or to purchase, click on the desired section below: Section I, Power Boilers Section II, Materials Section III, Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components Section IV, Heating Boilers Section V, Nondestructive Examination Section VI, Rules for the Care and Operation of Heating Boilers Section VII, Guidelines for the Care of Power Boilers Section VIII, Pressure Vessels Section IX, Welding and Brazing Qualifications Section X, Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels Section XI, Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components Section XII, Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks Code Cases: Boilers and Pressure Vessels Code Cases: Nuclear Components Complete Set The ASME Code Simplified Binders for the ASME Boiler & Pressure Vessel Code 2004 ASME Boiler & Pressure Vessel Code (An International Code.) Contents of Section II Materials Part A - Ferrous Material Specifications Part B - Nonferrous Material Specifications Part C - Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler Metals Part D - Properties Practical Guide to ASME Section II 2004 ASME Boiler & Pressure Vessel Code (An International Code.) B0002A 2004 BPVC Section II-Materials-Part A-Ferrous Material $525.00 Description: This part is a service book to the other Code Sections, providing material specifications for ferrous materials adequate for safety in the field of pressure equipment. These specifications contain requirements and mechanical properties, test specimens, and methods of testing. They are designated by SA numbers and are derived from ASTM "A" specifications ASME Valves, Fittings, Flanges, and Gaskets Standards (Standards for pressure-temperature ratings, materials, dimensions, tolerances, markings and testing of valves, fittings, flanges and gaskets.) B16.1 - 1998 - Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings B16.3 - 1998 - Malleable Iron Threaded Fittings B16.4 - 1998 - Gray Iron Threaded Fittings B16.5 - 2003 - Pipe Flanges and Flanged Fittings B16.9 - 2003 - Factory-Made Wrought Steel Butt welding Fittings B16.10 - 2000 (R2003)- Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves B16.10 - 1992 - Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves B16.11 - 2001 - Forged Steel Fittings, Socket-Welding and Threaded B16.11 - 1996 - Forged Steel Fittings, Socket-Welding and Threaded B16.12 - 1998 - Cast Iron Threaded Drainage Fittings B16.14 - 1991 - Ferrous Pipe Plugs, Bushings and Locknuts with Pipe Threads B16.15 - 1985 (R2004) - Cast Bronze Threaded Fittings, Classes 125 and 250 B16.18 - 2001 - Cast Copper Alloy Solder Joint Pressure Fittings B16.20 - 1998 (R2004) - Metallic Gaskets for Pipe Flanges-Ring-Joing, Spiral-Would, and Jacketed B16.21 - 2005 - Nonmetallic Flat Gaskets for Pipe Flanges B16.22 - 2001 - Wrought Copper and Copper Alloy Solder Joint Pressure Fittings B16.23 - 2002 - Cast Copper Alloy Solder Joint Drainage Fittings (DWV) B16.24 - 2001 - Cast Copper Alloy Pipe Flanges and Flanged Fittings B16.25 - 2003 - Butt welding Ends B16.26 - 1988 - Cast Copper Alloy Fittings for Flared Copper Tubes B16.28 - 1994 - Wrought Steel Buttwelding Short Radius Elbows and Returns B16.29 - 2001 - Wrought Copper and Wrought Copper Alloy Solder Joint Drainage Fittings (DWV) B16.33 - 2002 - Manually Operated Metallic Gas Valves for Use in Gas Piping Systems Up to 125 psig B16.34 - 1996 - Valves - Flanged, Threaded, and Welding End B16.36 - 1996 - Orifice Flanges B16.39 - 1998 - Malleable Iron Threaded Pipe Unions B16.40 - 2002 - Manually Operated Thermoplastic Gas Shutoffs and Valves in Gas Distribution Systems B16.42 - 1998 - Ductile Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings, Classes 150 and 300 B16.44 - 2002 - Manually Operated Metallic Gas Values for use in Above Ground Piping Systems up to 5 psi B16.45 - 1998 - Cast Iron Fittings for Solvent Drainage Systems B16.47 - 1996 - Large Diameter Steel Flanges: NPS 26 through NPS 60 B16.48 - 1997 - Steel Line Blanks B16.49 - 2000 - Factory-Made Wrought Steel Butt welding Induction Bends for Transportation and Distribution Systems B16.50 - 2001 - Wrought Copper and Copper Alloy Braze-Joint Pressure Fittings Por lo que respecta a la norma ASTM, podemos decir que normalmente este organismo aplica en su norma para identificar un acero un sistema de cuatro dígitos; el primer dígito corresponde a la letra que identifica la norma de la ASTM y los tres dígitos restantes identifican la aplicación que tendrá el acero de acuerdo con la norma que se este consultando. Ejemplo: La norma ASTM A-501, se refiere a tubos de acero al carbono con costura para uso estructural formados en caliente, mientras que la norma ASTM A-513 es para tubos de acero al carbono soldados por resistencia eléctrica y para aceros aleados que tengan usos mecánicos. ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS 2005-2006 EDITION (15 sections, 77 volumes, 12,000+ standards) Section 00 Section 01 Section 02 Section 03 Section 04 Section 05 Section 06 Section 07 Section 08 Section 09 Section 10 Section 11 Section 12 Section 13 Section 14 Index Iron & Steel Products Nonferrous Metal Products Metals Test Methods & Analytical Procedures Construction Petroleum Products, Lubricants, & Fossil Fuels Paints, Related Coatings, & Aromatics Textiles Plastics Rubber Electrical Insulation & Electronics Water & Environmental Technology Nuclear, Solar, & Geothermal Energy Medical Devices & Services General Methods & Instrumentation Section 15 General Products, Chemical Specialties, End Use Products To select volumes of Section 1, click below: Volume 01.01 Volume 01.02 Volume 01.03 Volume 01.04 Volume 01.05 Volume 01.06 Volume 01.07 Volume 01.08 Steel--Piping, Tubing, Fittings Ferrous Castings; Ferroalloys Steel--Plate, Sheet, Strip, Wire Structural, Reinforcing, Pressure Vessel, Railway Steel--Bars, Forgings, Bearing, Chain, Springs Coated Steel Products Shipbuilding Fasteners ASTM Book of Standards (Print and CD-ROM) Volume 01.01, January 2005 Steel - Piping, Tubing, Fittings Table of Contents A53/A53M-04a Standard Specification for Pipe, Steel, Black and Hot-Dipped, Zinc-Coated, Welded and Seamless A105/A105M-03 Standard Specification for Carbon Steel Forgings for Piping Applications A106/A106M-04b Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service A134-96(2001) Standard Specification for Pipe, Steel, Electric-Fusion (Arc)-Welded (Sizes NPS 16 and Over) A135-01 Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Steel Pipe A139/A139M-04 Standard Specification for Electric-Fusion (Arc)-Welded Steel Pipe (NPS 4 and Over) A178/A178M-02 Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Carbon Steel and CarbonManganese Steel Boiler and Superheater Tubes A179/A179M-90a(2001) Standard Specification for Seamless Cold-Drawn Low-Carbon Steel Heat-Exchanger and Condenser Tubes A181/A181M-01 Standard Specification for Carbon Steel Forgings, for General-Purpose Piping A182/A182M-04a Standard Specification for Forged or Rolled Alloy-Steel Pipe Flanges, Forged Fittings, and Valves and Parts for High-Temperature Service A192/A192M-02 Standard Specification for Seamless Carbon Steel Boiler Tubes for High-Pressure Service A193/A193M-04c Standard Specification for Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting Materials for HighTemperature Service A194/A194M-04a Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Nuts for Bolts for High Pressure or High Temperature Service, or Both A209/A209M-03 Standard Specification for Seamless Carbon-Molybdenum Alloy-Steel Boiler and Superheater Tubes A210/A210M-02 Standard Specification for Seamless Medium-Carbon Steel Boiler and Superheater Tubes A213/A213M-04b Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes A214/A214M-96(2001) Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Carbon Steel Heat-Exchanger and Condenser Tubes A234/A234M-04 Standard Specification for Piping Fittings of Wrought Carbon Steel and Alloy Steel for Moderate and High Temperature Service A249/A249M-04a Standard Specification for Welded Austenitic Steel Boiler, Superheater, HeatExchanger, and Condenser Tubes A250/A250M-04 Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Ferritic Alloy-Steel Boiler and A252-98(2002) A254-97(2002) A268/A268M-04a A269-04 Superheater Tubes Standard Specification for Welded and Seamless Steel Pipe Piles Standard Specification for Copper-Brazed Steel Tubing Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic and Martensitic Stainless Steel Tubing for General Service Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Tubing for General Service A270-03a Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Sanitary Tubing A312/A312M-04b Standard Specification for Seamless, Welded, and Heavily Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes A320/A320M-04 Standard Specification for Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting Materials for LowTemperature Service A333/A333M-04a Standard Specification for Seamless and Welded Steel Pipe for Low-Temperature Service A334/A334M-04a Standard Specification for Seamless and Welded Carbon and Alloy-Steel Tubes for Low-Temperature Service A335/A335M-03 Standard Specification for Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipe for High-Temperature Service A350/A350M-04a Standard Specification for Carbon and Low-Alloy Steel Forgings, Requiring Notch Toughness Testing for Piping Components A358/A358M-04 Standard Specification for Electric-Fusion-Welded Austenitic Chromium-Nickel Stainless Steel Pipe for High-Temperature Service and General Applications A369/A369M-02 Standard Specification for Carbon and Ferritic Alloy Steel Forged and Bored Pipe for High-Temperature Service A370-03a Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products A376/A376M-04 Standard Specification for Seamless Austenitic Steel Pipe for High-Temperature Central-Station Service A381-96(2001) Standard Specification for Metal-Arc-Welded Steel Pipe for Use With High-Pressure Transmission Systems A403/A403M-04 Standard Specification for Wrought Austenitic Stainless Steel Piping Fittings A409/A409M-01 Standard Specification for Welded Large Diameter Austenitic Steel Pipe for Corrosive or High-Temperature Service A420/A420M-04 Standard Specification for Piping Fittings of Wrought Carbon Steel and Alloy Steel for Low-Temperature Service A423/A423M-95(2004) Standard Specification for Seamless and Electric-Welded Low-Alloy Steel Tubes A437/A437M-04 Standard Specification for Alloy-Steel Turbine-Type Bolting Material Specially Heat Treated for High-Temperature Service A450/A450M-04a Standard Specification for General Requirements for Carbon, Ferritic Alloy, and Austenitic Alloy Steel Tubes A453/A453M-04 Standard Specification for High-Temperature Bolting Materials, with Expansion Coefficients Comparable to Austenitic Stainless Steels A498-04 Standard Specification for Seamless and Welded Carbon Steel Heat-Exchanger Tubes with Integral Fins A500-03a Standard Specification for Cold-Formed Welded and Seamless Carbon Steel Structural Tubing in Rounds and Shapes A501-01 Standard Specification for Hot-Formed Welded and Seamless Carbon Steel Structural Tubing A511-04 Standard Specification for Seamless Stainless Steel Mechanical Tubing A512-96(2001) Standard Specification for Cold-Drawn Buttweld Carbon Steel Mechanical Tubing A513-00 Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Carbon and Alloy Steel Mechanical Tubing A519-03 Standard Specification for Seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical Tubing A522/A522M-01 Standard Specification for Forged or Rolled 8 and 9% Nickel Alloy Steel Flanges, Fittings, Valves, and Parts for Low-Temperature Service A523-96(2001) Standard Specification for Plain End Seamless and Electric-Resistance-Welded Steel Pipe for High-Pressure Pipe-Type Cable Circuits A524-96(2001) Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for Atmospheric and Lower A530/A530M-04a A540/A540M-04 A554-03 Temperatures Standard Specification for General Requirements for Specialized Carbon and Alloy Steel Pipe Standard Specification for Alloy-Steel Bolting Materials for Special Applications Standard Specification for Welded Stainless Steel Mechanical Tubing A556/A556M-96(2001) Standard Specification for Seamless Cold-Drawn Carbon Steel Feedwater Heater Tubes A587-96(2001) Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Low-Carbon Steel Pipe for the Chemical Industry A589-96(2001) Standard Specification for Seamless and Welded Carbon Steel Water-Well Pipe A595-04a Standard Specification for Steel Tubes, Low-Carbon, Tapered for Structural Use A608/A608M-02 Standard Specification for Centrifugally Cast Iron-Chromium-Nickel High-Alloy Tubing for Pressure Application at High Temperatures A618/A618M-04 Standard Specification for Hot-Formed Welded and Seamless High-Strength LowAlloy Structural Tubing A632-04 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Tubing (Small-Diameter) for General Service A660-96(2001) Standard Specification for Centrifugally Cast Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service A671-04 Standard Specification for Electric-Fusion-Welded Steel Pipe for Atmospheric and Lower Temperatures A672-96(2001) Standard Specification for Electric-Fusion-Welded Steel Pipe for High-Pressure Service at Moderate Temperatures A688/A688M-04 Standard Specification for Welded Austenitic Stainless Steel Feedwater Heater Tubes A691-98(2002) Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Pipe, Electric-Fusion-Welded for High-Pressure Service at High Temperatures A694/A694M-03 Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Forgings for Pipe Flanges, Fittings, Valves, and Parts for High-Pressure Transmission Service A707/A707M-02 Standard Specification for Forged Carbon and Alloy Steel Flanges for LowTemperature Service A714-99(2003) Standard Specification for High-Strength Low-Alloy Welded and Seamless Steel Pipe A727/A727M-02 Standard Specification for Carbon Steel Forgings for Piping Components with Inherent Notch Toughness A733-03 Standard Specification for Welded and Seamless Carbon Steel and Austenitic Stainless Steel Pipe Nipples A751-01 Standard Test Methods, Practices, and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products A758/A758M-00 Standard Specification for Wrought-Carbon Steel Butt-Welding Piping Fittings with Improved Notch Toughness A774/A774M-02 Standard Specification for As-Welded Wrought Austenitic Stainless Steel Fittings for General Corrosive Service at Low and Moderate Temperatures A778-01 Standard Specification for Welded, Unannealed Austenitic Stainless Steel Tubular Products A787-01 Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Metallic-Coated Carbon Steel Mechanical Tubing A789/A789M-04a Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless Steel Tubing for General Service A790/A790M-04a Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless Steel Pipe A795/A795M-04 Standard Specification for Black and Hot-Dipped Zinc-Coated (Galvanized) Welded and Seamless Steel Pipe for Fire Protection Use A803/A803M-03 Standard Specification for Welded Ferritic Stainless Steel Feedwater Heater Tubes A813/A813M-01 Standard Specification for Single- or Double-Welded Austenitic Stainless Steel Pipe A814/A814M-03 Standard Specification for Cold-Worked Welded Austenitic Stainless Steel Pipe A815/A815M-04 Standard Specification for Wrought Ferritic, Ferritic/Austenitic, and Martensitic Stainless Steel Piping Fittings A822/A822M-04 Standard Specification for Seamless Cold-Drawn Carbon Steel Tubing for Hydraulic A836/A836M-02 A847-99a(2003) A858/A858M-00 System Service Standard Specification for Titanium-Stabilized Carbon Steel Forgings for Glass-Lined Piping and Pressure Vessel Service Standard Specification for Cold-Formed Welded and Seamless High Strength, Low Alloy Structural Tubing with Improved Atmospheric Corrosion Resistance Standard Specification for Heat-Treated Carbon Steel Fittings for Low-Temperature and Corrosive Service A860/A860M-00 Standard Specification for Wrought High-Strength Low-Alloy Steel Butt-Welding Fittings A865-03 Standard Specification for Threaded Couplings, Steel, Black or Zinc-Coated (Galvanized) Welded or Seamless, for Use in Steel Pipe Joints A872/A872M-04 Standard Specification for Centrifugally Cast Ferritic/Austenitic Stainless Steel Pipe for Corrosive Environments A908-03 Standard Specification for Stainless Steel Needle Tubing A928/A928M-04 Standard Specification for Ferritic/Austenitic (Duplex) Stainless Steel Pipe Electric Fusion Welded with Addition of Filler Metal A941-04a Terminology Relating to Steel, Stainless Steel, Related Alloys, and Ferroalloys A943/A943M-01 Standard Specification for Spray-Formed Seamless Austenitic Stainless Steel Pipes A949/A949M-01 Standard Specification for Spray-Formed Seamless Ferritic/Austenitic Stainless Steel Pipe A953-02 Standard Specification for Austenitic Chromium-Nickel-Silicon Alloy Steel Seamless and Welded Tubing A954-02 Standard Specification for Austenitic Chromium-Nickel-Silicon Alloy Steel Seamless and Welded Pipe A960/A960M-04a Standard Specification for Common Requirements for Wrought Steel Piping Fittings A961/A961M-04a Standard Specification for Common Requirements for Steel Flanges, Forged Fittings, Valves, and Parts for Piping Applications A962/A962M-04 Standard Specification for Common Requirements for Steel Fasteners or Fastener Materials, or Both, Intended for Use at Any Temperature from Cryogenic to the Creep Range A972/A972M-00(2004) Standard Specification for Fusion Bonded Epoxy-Coated Pipe Piles A984/A984M-03 Standard Specification for Steel Line Pipe, Black, Plain-End, Electric-ResistanceWelded A988/A988M-98(2002)e1 Standard Specification for Hot Isostatically-Pressed Stainless Steel Flanges, Fittings, Valves, and Parts for High Temperature Service A989/A989M-98(2002)e1 Standard Specification for Hot Isostatically-Pressed Alloy Steel Flanges, Fittings, Valves, and Parts for High Temperature Service A994-03 Standard Guide for Editorial Procedures and Form of Product Specifications for Steel, Stainless Steel, and Related Alloys A999/A999M-04a Standard Specification for General Requirements for Alloy and Stainless Steel Pipe A1005/A1005M-00(2004) Standard Specification for Steel Line Pipe, Black, Plain End, Longitudinal and Helical Seam, Double Submerged-Arc Welded A1006/A1006M-00(2004) Standard Specification for Steel Line Pipe, Black, Plain End, Laser Beam Welded A1012-02 Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic, Austenitic and Duplex Alloy Steel Condenser and Heat Exchanger Tubes With Integral Fins A1014-03 Standard Specification for Precipitation-Hardening Bolting Material (UNS N07718) for High Temperature Service A1015-01 Standard Guide for Videoborescoping of Tubular Products for Sanitary Applications A1016/A1016M-04a Standard Specification for General Requirements for Ferritic Alloy Steel, Austenitic Alloy Steel, and Stainless Steel Tubes A1020/A1020M-02 Standard Specification for Steel Tubes, Carbon and Carbon Manganese, Fusion Welded, for Boiler, Superheater, Heat Exchanger and Condenser Applications A1024/A1024M-02 Standard Specification for Steel Line Pipe, Black, Plain-End, Seamless E527-83(2003) Standard Practice for Numbering Metals and Alloys (UNS) Otros ejemplos de normas de la ASTM que ayudan a la fabricación fab ón específica de un acero se pueden apreciar en las siguientes tablas Tabla 1.1.- Especificaciones ASTM para diferentes tipos de acero Tarea 3: a).- Elaborar una celda cristalina cúbica centrada en cuerpo (bcc) b).- Elaborar una celda cristalina cúbica centrada en las caras (fcc) c).- Elaborar y estudiar metalograficamente una muestra de acero