Tema 38 – Los materiales férricos – clasificación, obtención y aplicaciones

I. INTRODUCCIÓN.

II. CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES FÉRRICOS.

A. HIERROS. B. ACEROS.

1. Tipos y aplicaciones.

2. Designación convencional de los aceros.

3. Presentación comercial del acero. C. FUNDICIONES.

D. CONGLOMERADOS FÉRREOS.

III. OBTENCIÓN DE LOS PRINCIPALES MATERIALES FÉRRICOS.

A. PROCESO SIDERÚRGICO.

B. CONFORMACIÓN DE ACEROS. LOS PRODUCTOS COMERCIALES DEL ACERO Y SU PRESENTACIÓN.

IV. CONCLUSIÓN. V. BIBLIOGRAFÍA.

I. INTRODUCCIÓN.

Los metales han estado siempre presentes en la historia de la humanidad desde tiempos muy antiguos, hasta el punto de que su utilización preferente en distintas épocas ha servido de pauta para la denominación de largos periodos del tiempo prehistórico: Edad del bronce o Edad del hierro.

Se llaman materiales férricos a aquellos en los que el hierro es el elemento predominante. El hierro es un material químicamente activo, ya que puede combinarse con halógenos, azufre, fósforo, carbono y silicio. Expuesto al aire se corroe, formando una sustancia pardo rojiza escamosa.

El hierro puro tiene, industrialmente, aplicaciones muy limitadas (electroimanes, láminas metálicas galvanizadas, etc.), a causa de sus bajas propiedades mecánicas. Por ello se utiliza más frecuentemente aleado con carbono.

Los metales ferrosos (materiales derivados del hierro) han ocupado (armas, corazas, herramientas…) y ocupan actualmente (puentes, estructuras en la construcción…) un lugar preferente en el conjunto de los materiales metalúrgicos, como pone de manifiesto el hecho de que su producción mundial sea 20 veces superior a la del resto de materiales que se pueden obtener a partir de él mediante distintos procesos y operaciones, y justifica por sí misma el porque de su inclusión en el currículo de tecnología.

II. CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES FÉRRICOS.

El hierro industrialmente puro carece de buenas propiedades mecánicas, por ello se utiliza aleado con carbono, o con carbono y otros metales. Según el contenido en carbono se distinguen los siguientes productos férreos:

A. HIERROS (0.008-0.03%C).

El hierro con un contenido en carbono menor del 3% posee unas características mecánicas inadecuadas, y por ello apenas se emplea industrialmente.

B. ACEROS (0.03-1.76%C).

Cuanto mayor sea el contenido en carbono de un acero, mayores serán su dureza y su resistencia a la tracción, pero su ductilidad disminuirá y se incrementará su fragilidad. En general se puede decir que los aceros presentan las siguientes propiedades:

– Son dúctiles y maleables.

– La soldabilidad disminuye con el contenido en carbono.

– Se oxidan fácilmente (salvo los aceros inoxidables).

1. Tipos y aplicaciones.

Por regla general, además de Fe y C, en los aceros se encuentran presentes otros elementos que pueden modificar notablemente sus propiedades. Así, se tiene:

a) Aceros al carbono (no aleados). Son aquellos cuyo contenido en otros elementos no supera unos límites establecidos (vienen tabulados para cada elemento). Dependiendo del porcentaje en carbono se denominan:

b) Aceros aleados. Además de Fe y C, contienen otros elementos en proporciones mayores a las establecidas para que sean no aleados. Cada uno de estos elementos modifica o mejora propiedades en los aceros. Veamos algunos ejemplos:

– Azufre: su efecto es perjudicial, confiere fragilidad a los aceros. Se contrarresta añadiendo manganeso.

– Cromo: aumenta la dureza, la resistencia a la corrosión y la tenacidad. Está presente en los aceros inoxidables.

– Molibdeno: es el elemento más eficaz para aumentar la dureza.

– Niquel: al igual que el Cr, constituye un componente fundamental del acero inoxidable, y aumenta la resistencia a la tracción.

2. Designación convencional de los aceros.

Para evitar que cada fabricante designe los aceros que produce con una denominación arbitraria, la Instituto del Hierro y del Acero (IHA) adoptó una clasificación según su aplicación que se ha incluido en las normas UNE españolas. Hoy en día, se maneja de forma más cotidiana la nomenclatura UNE con cuatro cifras que explicaremos seguidamente. La que propuso el IHA es en todo igual, sólo que tiene tres cifras, la última cifra equivaldría a las dos últimas de la nomenclatura que se utiliza más comúnmente, ya que la nomenclatura de cuatro cifras ofrece mayor capacidad de clasificación.

Los aceros se definen mediante la letra F, que sirve par identificar el acero, seguida de cuatro cifras. La primera cifra indica grandes grupos de acero, según su utilización. La segunda cifra establece distintos subgrupos con características comunes. Las dos últimas cifras diferencia un tipo de acero de otro, según van siendo definidos cronológicamente.

3. Presentación comercial del acero.

Las formas más comunes de los aceros que se emplean en la industria mecánica y metálica se pueden clasificar en tres grandes categorías: barras, perfiles y palastros. Se obtienen por laminación en trenes de acabado o también por forja, estirado y trefilado.

– Barras: Se obtiene por laminación en caliente/frío, pudiéndose encontrar secciones como las mostradas en la figura adjunta. Si el diámetro de los redondos es menor de 5 mm y tiene gran longitud se llaman alambres.

Pletinas. Triangular

Media caña. Cuadrado. Redondo. Hexágono

– Perfiles. Se obtienen por laminación. Su longitud es de 5 a 12 metros. Los más

normales se indican a continuación.

– Palastros. Son chapas laminadas, cuyas medidas oscilan entre 1×2 metros a 3×3 metros.

C. FUNDICIONES.

Se denomina fundición a la aleación de carbono y hierro con un contenido entre 1.67-

6.67 % C, (en la practica el contenido está entre el 2-5%), pudiendo contener otros elementos como silicio, manganeso, azufre y fósforo.

Las fundiciones son fácilmente fusibles (de ahí su nombre), y generalmente se utilizan para la obtención de piezas por moldeo en moldes de arena o metálicos.

Su densidad es menor que la del acero (7,2-7,6 g/cm3), y su punto de fusión oscila entre 1050 y 1300 ºC.

En general, no son dúctiles ni maleables, tampoco se pueden forjar ni soldar con facilidad pero presentan las siguientes ventajas:

• Su fabricación es más sencilla que la del acero, ya que su punto de fusión es más bajo y, por lo tanto, la mecanización resulta más fácil.

• Poseen características mecánicas aceptables; resistencia a la tracción de 90 kg/mm2, buena resistencia al desgaste, mayor resistencia al la oxidación que el acero…

• Las piezas de fundición, por su fácil fabricación, son más baratas que las de acero.

1. Clasificación.

Las fundiciones pueden clasificarse según se indica en el siguiente cuadro:

FUNDICIONES ORDINARIAS

Son aquellas que únicamente contienen Fe y C, pudiendo contener pequeñas cantidades de otros elementos como Si, Mn, S y P. Tienen el inconveniente de que no se pueden forjar. Por el aspecto que presenta su fractura se pueden clasificar en:

• Fundición blanca. El C está combinado con el Fe en forma de carburo de hierro (III) (Fe3C), también denominado cementita. La presencia de este componente confiere al material gran dureza y fragilidad, a la vez qu e una tenacidad muy pequeña. Su fractura es de color blanco brillante, de hay su nombre. Son muy difíciles de mecanizar, y carecen prácticamente de interés industrial.

• Fundición gris. La mayor parte del C está dispuesto en forma de grafito (una de las dos formas alotrópicas del carbono). Son menos duras que las blancas pero más tenaces. Se mecanizan fácilmente y tienen una elevada resistencia a la corrosión y al desgaste. Pueden ser: ferríticas, grises ordinarias y perlíticas, según el porcentaje de carbono presente en forma de grafito. Se emplean para la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de mecanismos (carcasas de motores, bancadas de máquinas…).

• Fundición atruchada. Presenta propiedades intermedias entre la fundición blanca y la gris. Reciben este nombre porque el color enla fractura es parecido al de las truchas.

FUNDICIONES ALEADAS

Son aquellas que, además de Fe y C, contienen Ni, Cr, Si, Al, Mo, Ti, V y otros elementos en cantidades suficientes para modificar las características de las fundiciones ordinarias presentan propiedades mecánicas mejores que las fundiciones ordinarias

FUNDICIONES ESPECIALES

Se obtienen a partir de las ordinarias, mediante determinados tratamientos o con la adición de algún elemento químico. Existen tres tipos:

• Fundiciones maleables. Se obtiene a partir de la fundición blanca después de someterlas a un tratamiento térmico (maleabilización).

• Fundiciones de grafito esferoidal. Se obtienen añadiendo manganeso a las ordinarias. El grafito, que estaba dispuesto en láminas, pasa a tener forma esferoidal o nodular.

• Funiciones de grafito difuso. Se obtiene a partir de las fundiciones blancas, mediante una serie de tratamientos especiales que difunden el grafito en forma de pequeños nódulos.

D. CONGLOMERADOS FÉRREOS.

Son productos (pequeñas piezas) formados por la unión entre si de distintos materiales férreos en polvo, a los que se comprime en un molde a altas presiones y temperaturas un poco inferiores a las de fusión, obteniéndose una masa compacta. La metalurgia del polvo o sinterizado tiene por objeto la obtención de piezas de gran precisión.

Se denomina sinterizado al proceso porque el polvo una vez comprimido es sometido a un tratamiento térmico denominado sinterizado, que consiste en someter las piezas a temperaturas ligeramente por debajo del punto de fusión en hornos de atmósfera reductora, confiriéndole de esta forma mejores propiedades. Si se quiere conseguir un

producto lo menos poroso posible debe combinarse el sinterizado con una compresión de la pieza.

Aplicaciones. Los materiales sinterizados tienen grandes aplicaciones industriales. Según la porosidad:

– Altamente porosos: en piezas de elementos de filtrado.

– Porosos: fabricación de cojinetes autolubricados.

– Densos: obtención de piezas de precisión.

– Superdensos: herramientas de corte, contactos de motores, etc.

III. OBTENCIÓN DE LOS PRINCIPALES MATERIALES FÉRRICOS.

A. PROCESO SIDERÚRGICO.

Se conoce con el nombre de proceso siderúrgico al conjunto de operaciones que es preciso realizar para llegar a obtener un metal férreo de unas determinadas características. Abarca desde la extracción del mineral de hiero en las minas hasta la fabricación final de un producto comercial.

Las fases del proceso de obtención del acero:

1º. Obtención del mineral de hierro.

El hierro es uno de los minerales más abundantes de la naturaleza, sin embargo rara vez se encuentra en estado puro, sino en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros.

El mineral que se extrae de las minas de hierro contiene una parte de óxidos, carbonatos o sulfuros de hierro (MENA), acompañada de sustancias no ferrosas (GANGA), tales como rocas, sílice, etc. Una vez triturado el material, la mena (parte útil) se separa de la ganga (parte inútil), aprovechado sus diferentes densidades o sus diferentes comportamientos frente a un campo magnético.

La obtención industrial del hierro se basa en la reducción (eliminación de oxígeno) de los óxidos de hierro, que son los minerales que presentan un mayor porcentaje de metal. Los carbonatos se calcinan (calentamiento en ausencia de oxígeno) y los sulfuros se tuestan (calentando en presencia de oxígeno) y a partir de ellos se obtiene el Fe por reducción.

2º. Obtención del Carbón de coque.

En el proceso siderúrgico, el carbón de coque actúa como combustible y como reductor de los óxidos de hierro.

De todos los carbones disponibles, sólo algunos tipos de hullas son aptos para la fabricación del coque, son las llamadas hullas grasas y semigrasas, que poseen un contenido en materias volátiles entre el 22-30%, y con un bajo contenido en azufre (<1%) y cenizas (<8%).

El carbón de coque siderúrgico se obtiene industrialmente introduciendo la pasta de carbón (mezcla de diferentes tipos de hullas trituradas finamente) en las llamadas baterías de hornos de coque, y calentando por encima de 1000ºC en ausencia de aire. El coque sederúrgico que se obtiene es un material duro y poroso, con un contenido en carbono superior al 90%.

3º Sinterización del mineral de hierro.

El mineral de hierro se mezcla con el carbón de coque y con granos de materiales denominados fundentes (por lo general caliza). Se obtiene un aglomerado de mineral y fundentes denominado sinter, que es el adecuado para la introducción en el alto horno. El proceso de reducción se verá doblemente favorecido por esta sinterización, ya que al ser el sínter un material poroso presenta una elevada superficie de contacto con el gas reductor, y además, el gas se encuentra íntimamente ligado al fundente.

4º Obtención del arrabio (alto horno).

Las materias primas se introducen por la parte superior en proporciones adecuadas:

• Mineral de hierro………..2 Tn

• Carbón de coque……….1 Tn

• Fundente (piedra caliza)..1/2 Tn

En el interior del horno alto se llegan a producir temperaturas de 1650 ºC, suficientes para que el mineral de Fe se transforme en gotas de Fe que se depositan en el fondo. La

caliza (fundente) se une a las impurezas, formando la escoria, que por diferencia de densidades flota sobre el hierro fundido.

Cada dos horas aproximadamente se extrae escoria, que flota sobre el hierro fundido, por un agujero llamado piquera de escoria. La escoria se suele emplear como fertilizante y en la fabricación de cementos.

Periódicamente se sangra el horno, es decir, se vacía el crisol por un orificio practicado en la parte baja del mismo (piquera de arrabio). A la salida del horno alto del arrabio (hierro fundido) se deposita en unos recipientes denominados vagones torpedo, para su traslado a la siguiente fase del proceso siderúrgico.

5º Transformación del arrabio en acero.

El problema que tiene el arrabio obtenido en el horno alto es que posee un exceso de elementos tales como carbono, silicio, azufre o fósforo, que lo hacen demasiado frágil y poco adecuado para el empleo industrial. Se hace necesario reducir el contenido en esos materiales para convertirlo en un acero. Material duro, elástico, capaz de soportar impactos y que se puede extender en láminas e hilos.

El arrabio se transporta en torpedos desde el horno alto , bien hasta la acería para la transformación en acero (afino del arrabio), bien a la máquina de colar (lingoteras), donde se vierte en moldes para obtener un producto sólido, lingote de hierro, que posteriormente se tratan para fabricar piezas de este material.

Mediante un recipiente denominado cuchara se vierte el arrabio en el convertidor. Además, se introducen en él chatarra, fundentes y oxígeno. El oxígeno, que realiza la oxidación del exceso de carbono, se inyecta en el convertidor mediante un tubo vertical denominado lanza, y sobre 50 cm por debajo del nivel del líquido.

En el convertidor se obtiene como productos finales:

– Acero líquido, que será transportado por medio de otra cuchara hacia las siguientes etapas.

– Escoria, que se utiliza fundamentalmente como firme de carreteras.

– Gases, que se aprovechan debido a su poder calorífico.

Los hornos de afino más importantes son: los eléctricos, los Martín-Siemens, los de crisol y los convertidores Bessemer.

6º Metalurgia secundaria.

La función de la metalurgia secundaria consiste en modificar la composición del acero para acomodarlo a unas determinadas necesidades. Para ello, se somete a uno o varios de los siguientes tratamientos:

• Ajuste de la composición. Se añaden al acero los elementos necesarios para que la composición sea la adecuada.

• Desulfuración. El azufre es un componente indeseable en los aceros, pues le confiere gran fragilidad.

• Desgasificación. Se extraen los gases contenidos en el interior del metal, ya que podrían dar lugar a sopladuras indeseables.

• Calentamiento.

7º Colada de acero.

En los procesos anteriores se dejó el acero en estado líquido, el proceso de colada consiste en solidificarlo.

• Colada convencional. La función de la colada convencional es transvasar el acero a unos moldes o lingoteras de forma troncopiramiedal para su solidificación. El ACRO contenido en una cuchar se pasa a las lingoteras a través de un orificio en el fondo de la cuchara. Puede ser colada directa, se llenan las lingoteras sucesivamente, una tras otra, o colada en sifón, en la que se vacía la cuchara en un conducto centra que comunica con las lingoteras mediante vasos comunicantes.

• Colada continua. El acero líquido se vierte sobre un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar. Se llama colada continua porque el semiproducto sale sin interrupción de la máquina, hasta que la cuchara ha vaciado todo el contenido.

8º Horno de fosa.

Como los lingotes se solidifican rápidamente en la superficie, pero lentamente en el centro, deben colocarse en un horno especial donde se consigue que toda la masa solidifique uniformemente.

9º Laminación del acero.

El acero obtenido se somete a un proceso de laminación para darle forma. Consiste en pasar un material entre dos rodillos o cilindros que giran, y así reducir la sección transversal mediante la presión ejercida, alargándose la longitud considerablemente. Se lleva a cabo en trenes de laminación.

La laminación aprovecha la ductilidad y maleabilidad del acero, siendo su capacidad de deformación mayor cuanto mayor es la temperatura. Se distinguen dos tipos de laminación:

– Laminación en caliente.

– Laminación en frío (a temperatura ambiente).

B. CONFORMACIÓN DE ACEROS. LOS PRODUCTOS COMERCIALES DEL ACERO Y SU PRESENTACIÓN.

Para poder utilizar los aceros obtenidos en los hornos es preciso dar forma a los lingotes y transformarlos en productos comerciales. Esta transformación de los lingotes en productos comerciales mediante la forja y el laminado.

La forja es una técnica muy antigua, empleada ya por los primeros herreros, que consiste en golpear los lingotes al rojo vivo y darles forma golpeándolos o mediante presión (esta se realiza en las prensas de forjar).

El laminado consiste en calentar los lingotes y hacerlos pasar a través de una serie de rodillos, mediante los cuales el metal se vuelve más delgado, largo y ancho.

Según el perfil de los rodillos, el producto resultante puede ser una chapa, una viga, una barra, etc.

Los perfiles laminados pueden ser trabajados posteriormente mediante estampación o troquelado. La estampación consiste en dar forma a las planchas y otros perfiles laminados prensándolos con moldes llamados estampas. El troquelado consiste en obtener piezas de diferentes formas recortándolas de láminas de chapa mediante unos moldes llamados troqueles.

C. CONCLUSIÓN.

Los metales férricos o ferrosos tienen importantes utilidades en nuestro alrededor, ya sea en nuestro hogar como pueden ser los cubiertos, planchas, ordenadores, frigoríficos o radiocasetes, como en la industria desde la fabricación de herramientas hasta la construcción de instalaciones.

En nuestro país los principales yacimientos ricos en mineral de hierro se encuentran en:

– Coto Wagner (León).

– Polanco (Bilbao).

– Agrominsa (Bilbao).

– Ojos negros (Teruel).

– Jerez-Villatranca (Badajoz).

– Riotinto (Huelva)

– Tharsis (Huelva).

– Alquife (Granada).

– Conjuro (Almeria).

Entre las múltiples características que presentan los materiales férricos cabe destacar las siguientes:

Tienen una superficie brillante, aunque la mayor parte de ellos suele oxidarse con suma facilidad.

Conducen muy bien el calor y la electricidad.

Proceden de minas (del interior de la tierra) y posteriormente, en general, han sido fundidos y refinados para separarlos de otros materiales e impurezas.

Tienen gran dureza.

D. BIBLIOGRAFÍA.

– Gil Espinosa, J. Carlos; ”MANUAL DE MECÁNICA INDUSTRIAL. Tomo I Soldadura y Materiales”. Ed. Cultural, S.A. 1999.

– Fidalgo Sánchez, José Antonio; Fernández Pérez, Manuel Ramón; “TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1” Ed. Everest. 2002

– Harry S. Parker, M.S.; James Ambrose, M.S.; “MECÁNICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES. TEXTO SIMPLIFICADO”. Ed. Limusa, S.A. 2000.

– Ney J; “MECÁNICA Y METALURGIA” Ed. Urmo. Bilbao. 1968.

– Temario Tecnología. Ed. MAD