SEP Tecnológico Nacional de México ®

Instituto Tecnológico de Toluca

Metales y Aleaciones

Calificación de investigación documentada de la unidad “3” _______

Carrera: Mecatrónica

Materia: Ciencia e Ingeniería de materiales

Grupo: 160402

Profesor: Ing. Adelfo Ortiz García

Alumnos:

ESTRADA MILLAN JOSE NICOLAS 6

ORTEGA LOPEZ HUGO DAVID 22

TORRES CEJUDO FERNANDO KEVIN 32

VELÁSQUEZ MARTÍNEZ TOMÁS 33

VELÁZQUEZ VILLEGAS JOSE DANIEL 34

Metepec, Estado de México, a 2 de Marso de 2016.

Unidad 3: Metales y aleaciones.

3.1 El hierro y sus aleaciones.

El hierro o fierro  es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe y tiene una masa atómica de 55,6 u.

Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70 %. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel en forma metálica, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro.

El hierro es el metal duro más usado, con el 95 % en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5 %) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material.

Fig.3.1. Hierro estructural.

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.

Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón).

En la historia del hierro se remontan hasta los siguientes años:

Los años 3000 a.c. en Egipto donde se descubrieron los primeros utensilios de este metal.

Entre 1600 a.c. y 1200 a.c. va aumentando su uso en el oriente medio, pero no sustituye al uso del bronce.

Entre los siglos XII a.c. y X a.c. se produce una rápida transición en Oriente medio desde las armas de bronce a las de hierro. A este periodo, que se produjo en diferentes fechas según el lugar, se denomina Edad de Hierro, sustituyendo a la Edad de bronce.

La sustitución del bronce por el hierro fue paulatina, pues era difícil fabricar piezas de hierro: localizar el mineral, luego fundirlo a temperaturas altas para finalmente forjarlo.

3.1.1 Las aleaciones del hierro.

Cuando fundimos un metal y lo mezclamos con otros metales o elementos, estamos produciendo una aleación. Las aleaciones se hacen para mejorar las propiedades de un metal de cara a un determinado uso, pues en estado puro ese metal puede no ser adecuado para lo que deseamos construir. Por ejemplo, podría interesarnos que fuera más duro, o más resistente a la corrosión, o más ligero. Las aleaciones de mayor uso industrial son las del Hierro. Algunas de ellas son las fundiciones (entre 1.7 %y 6.6% de carbono) y los aceros (menos del 1.7% de carbono).

Las aleaciones que más se emplean en la industria son las que se obtienen de mezclar el hierro con carbono, y en algunos casos, con otros elementos como el cromo o el níquel. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (CFe3). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.

3.1.2 Aleaciones hierro – carbono.

Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.

 El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura.

Es uno de los metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo combinado con otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad.

 El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87. Funde de 1536.5ºC a 1539ºC reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la electricidad y se imanta fácilmente.

Fig. 3.2. Hierro

3.2 Procesos de obtención de hierros y acero.

La producción del hierro y del acero empieza con las menas de hierro y otros materiales requeridos (mena = mineral metalífero, principalmente el de hierro, tal como se extrae del yacimiento y antes de limpiarlo). La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hemetita), otras menas incluyen la magnetita, la siderita y la limonita. Las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentración; la hematita contiene casi 70% de hierro. Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza.

El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno durante varias horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento. La coquificación del carbón mineral deja, como subproducto, gas de alto poder calorífico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos subsiguientes. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción:

1. Es un combustible que proporciona calor para la reacción química.2. produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro.

La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (Ca CO 3). Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria.

3.2.1 La producción del hierro.

Para producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Está formado por un recipiente cilíndrico de acero forrado con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes.

La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno.

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. Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas una corriente de gases y aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para realizar la combustión y la reducción del hierro efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C.

Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales.

Fig. 3.3. Altos hornos.

El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno. El hierro fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio). Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día.

El arrabio o hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo cuyos contenidos son muy variables.

Refinación Del Arrabio En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono).

Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación.

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial.

Fig. 3.4. Arrabio.

3.2.2 Proceso de obtención del acero.

En la entrada de producción de arrabio hemos visto cuales son los materiales de partida y el funcionamiento de un alto horno para convertir la mena de hierro en arrabio, con un alto contenido en hierro, pero con algunas impurezas (0.6-1.2% de silicio, cerca de un 0.2% de fósforo, 0.4-2% de manganeso y cerca de un 0.03% de azufre, entre otros). Una pequeña parte del arrabio producido se destina directamente al moldeo de primera fusión (fundiciones moldeadas). La mayor parte se destina a la fabricación de acero (transportado en estado líquido hacia la planta que lo fabrica), y el resto se cuela en lingoteras para ser sometido a una nueva fusión para obtener las fundiciones de segunda fusión.

Aunque la mayor parte del oxígeno de los óxidos de hierro ya ha sido removido en el alto horno, el arrabio aún contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas (silicio, fósforo, manganeso) que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de objetos tecnológicos; siendo necesario su purificación en un proceso que tiene como principales objetivos:

Reducir el contenido en carbono Eliminar impurezas Añadir otros elementos que les confiera las características o propiedades

deseadas.

Básicamente, el proceso de refinación consiste en un proceso de oxidación, llamado afino. Dicha operación puede lograrse con el oxígeno de aire y óxidos férricos en forma de chatarra. Así, al oxidarse (quemarse) el carbono con el aire se libera monóxido y dióxido de carbono escapando ambos en forma de gas, mientras que el silicio, el manganeso y el fósforo forman óxidos que se escapan con la escoria.

Una dificultad para la fabricación de los derivados del arrabio es su alto punto de fusión (1400-1500ºC) lo que impide que el proceso de refinado sea llevado a cabo en hornos convencionales. En el afino del arrabio se emplean los siguientes materiales de partida:

1. Arrabio: procedente del alto horno suele transportarse en estado fundido.2. Chatarra: aporta óxidos de hierro. 3. Fundentes: con las mismas funciones que en el alto horno, y la cuál conllevará

la formación de escoria.4. Ferroaleaciones: aleaciones con altos contenidos en otros elementos (cromo,

boro, wolframio, molibdeno, cobre, níquel...) para aportar nuevas propiedades y facilitar tratamientos posteriores del acero (como por ejemplo el temple).

A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes tipos de hornos o convertidores (horno de hogar abierto, horno Martin-Siemens, convertidores Thomas-Bessener, hornos de arco eléctricos, hornos de inducción) siendo el horno de oxígeno básico, LD o BOF el más usado para el tratamiento de arrabios.

El convertidor LD consta de una cubeta basculante de acero recubierta interiormente de material refractario. En posición inclinada se carga el arrabio líquido y la chatarra (25%). A continuación, en posición vertical, se hace descender una lanza de oxígeno puro o de oxígeno disuelto en argón refrigerado durante unos 20 min, al mismo tiempo que se añade el fundente. Al lanzar el oxígeno se producen una serie de reacciones de oxidación (no voy a entrar en ellas) que altamente exotérmicas (desprenden mucho calor), por lo que no precisa de combustible. Tras cesar el aporte de oxígeno, se obtiene una muestra del metal fundido, la cual se somete a análisis para determinar su composición.

Fig.3.5. Hornos convertidores.

De acuerdo con los resultados, se puede añadir más oxígeno, inyectándolo o más mineral. Cuando se obtiene la composición deseada, se elimina la escoria inclinando el horno, se vierte el acero en una cuchara y se añade carbón (normalmente antracita) y/o las ferroaleaciones para ajustar la composición fina y producir aceros con diferentes propiedades. Las ventajas de este convertidor frente a otros son que proporciona aceros de alta calidad con bajos contenidos en carbono, dosajes exactos, bajos costes, altos rendimientos y todo ello en un espacio corto de tiempo.

Una vez obtenido el acero propiamente dicho, es necesario llevarlo a estado sólido mediante su colada o vaciado. Habitualmente se distinguen dos tipos de colada:

1. Colada en lingotes: Es el procedimiento convencional. Por medio de una cuchara se va vertiendo el acero fundido en lingoteras, que una vez enfriadas dan lugar a lingotes manejables para seguir con el resto de procesos.

2. Colada en continuo: El método más empleado hoy en día, procedimiento mediante el cual se producen unas barras, perfiles o planchas que se solidifican a medida que se va vertiendo el metal líquido en una lingotera sin fondo, que se alimenta indefinidamente.

Fig. 3.6. Lingotes.

http://www.librosvivos.net/smtc/pagporformulario.asp?idIdioma=ES&TemaClave=1122&pagina=2&est=0

http://es.slideshare.net/scourge/el-hierro-y-sus-aleaciones

https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm

http://pelandintecno.blogspot.mx/2010/09/obtencion-de-acero-y-fundiciones.html#sthash.0ssMNSKC.dpuf