Química de los Materiales: Clasificación y Propiedades

Química de los Materiales
Por:
Manta, 2008-2009

Química de los materiales
La economía y la continua evaluación de las estructuras metálicas requieren no
solo una buena formación frente a la situación actual, sino que exija del
profesional que esté a la altura de las necesidades técnicas. Por esta razón es
necesario que un Ingeniero Industrial, Civil, Eléctrico o Electro - Mecánico
aprenda Química de los Materiales.
Este libro está destinado a la asignatura de Química de los Materiales en
particular para las profesionales que tienen que trabajar con los diferentes tipos
de los materiales.
Ing. Tatiana Alexieva
Introducción
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Contenido
Tema Página
1. Clasificación de los materiales.........................................................................…… 3
1.1. Propiedades de los materiales…………………………………………………… 3
2. Subdivisión de los elementos………………………………………………………...8
3. Obtención del acero ………………………………………………………………...10
4. Fundiciones………………………………………………………………………… 15
5. Tratamiento del hierro bruto para convertirlo en acero……………………………………. 18
6. Procedimientos Bessemer y Thomas…………………………………………….….19
7. Procedimiento de insuflación de oxígeno…………………………………………... 20
8. Procedimiento Siemens – Marti……………………………………………………. 20
9. Procedimiento Eléctrico………………………………………………………………21
10. Transformaciones de fase en las aleaciones ferrosas……………………………… 22
11Propiedades y empleo de los aceros ………………………………………………..26
12.Materiales para herramientas ……………………………………………………...29
13. Ejemplos de pedidos. Normalización de los aceros………………………………..32
14. Tratamiento térmico...……………………………………………………………..35
15. Materiales metálicos no ferrosos…………………………………………………. 46
16.Amolado ………………………………………………………………………..... 55
17. Clases de lubricantes……………………………………………………………....65
18.Materiales sinterizados …………………………………………………………....66
19. Materiales oxiceramicos………………………………………………………….. 71
20. Materiales sintéticos…………………………………………………………....... 72
21.Ensayo de los materiales ………………………………………………………… 85
22.Procesos sin arranque de virutas ………………………………………………… 94
23. Materiales naturales……………………………………………………………… 107
24. Clasificación de materiales pétreos…………………………………………….….114
25. Extracción de piedras………………………………………………………….. …116
26.El vidrio………………………………………………………………………....... 118
27. Bibliografía…………………………………………………………………….… 120
1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Los materiales brutos, o primeras materias, tales como minerales, carbón, petróleo y madera
recorren diversos escalones de preparación antes de que puedan ser empleados para la fabricación de
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herramientas, máquinas y aparatos. Se llaman materiales auxiliares a aquellos que se emplean en la
fabricación y trabajo de los materiales como por ejemplo medios lubricantes y refrigerantes,
combustibles y medios abrasivos.
Materiales
Metales compuestos no metales
Metales férreos metales no férreos materiales
naturales
Acero materiales metales metales
Fundidos pesados ligeros
1.1. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
De todas las características de los materiales, se deben tener en cuenta aquellas de las cuales depende
su utilidad en la industria metalúrgica. Dichas características son unas veces cualidades, otras veces
defectos y en algunos casos sólo constantes físicas.
Se pueden clasificar en varios grupos, según sus propiedades físicas, químicas, tecnológicas y
mecánicas.
1.1.1. PROPIEDADES FISICAS
Dentro de este grupo se reúnen las propiedades primarias o básicas de la materia con otras que son
consecuencia de fenómenos motivados por agentes físicos exteriores. Las más importantes son:
Extensión
Es la propiedad de ocupar espacio. Este espacio ocupado se llama volumen.
Impenetrabilidad
Se denomina así la propiedad que tienen los cuerpos de no poder ser ocupado su espacio,
simultáneamente por otro cuerpo. La impenetrabilidad se debe a la sustancia que llena su volumen,
llamada masa. La unidad de masa es el gramo, igual al peso de 1cm3
de agua destilada a 4ºC.
Gravidez
Todos los cuerpos están sometidos a la acción de la gravedad; por tanto, son pesados. Se denomina
peso específico el peso de la unidad de volumen de un cuerpo. Comparando los metales, se ve que, a
igualdad de volumen, unos pesan más que otros, como si su masa fuera más compacta. Se denomina
densidad la relación entre el peso del volumen de un cuerpo y el peso del mismo volumen de agua
destilada a 4ºC. Esta relación es un número que carece de magnitud. Por ejemplo, el hierro tiene una
densidad de 7,8 lo cual indica que pesa 7,8 veces más que el agua.
Calor especifico
Acero de construc., acero
de herramienta
Hierro colado, acero
fundido, fund. Malea
Cobre, cinc,
plomo
Aluminio,
magnesio
Met. Sintet.
Met. duros
Madera, cuero,
amiat.
Vidrio, mat.
Sint.
Materiales
sintéticos
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Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo
desde 0 hasta 1ºC. Se expresa en calorías - gramo y es muy elevado en los metales. Su valor tiene
gran importancia porque permite conocer la cantidad de calor que se necesita suministrar a una masa
de metal para elevar su temperatura hasta la de transformación o de fusión.
Calor latente de fusión
Es la cantidad de calor que absorbe la unidad de masa de un metal al pasar del estado sólido al
líquido. Se expresa en calorías - gramo. Cuanto más baja es la temperatura de fusión de un metal,
menor es su calor específico, menor su calor latente de fusión y más económico su empleo para la
fusión y moldeado.
Conductividad calorífica
La conductividad calorífica o térmica es una propiedad de los metales que le permite el calor a través
de su masa. El coeficiente de conductividad térmica es la cantidad de calor, en calorías, capaz de
atravesar en un segundo y perpendicularmente una placa metálica de 1 cm2
de superficie y 1 cm de
espesor, siendo la diferencia entre las caras de placa de un grado. Se expresa en
cal/seg/cm2
/cm/grado.
Dilatación
Es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura. Esta propiedad
se suele expresar por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al elevarse en grado su
temperatura, llamada coeficiente de dilatación lineal.
Conductividad eléctrica
Es una propiedad casi exclusiva de los metales y consiste en la facilidad que ponen de transmitir la
corriente eléctrica a través de su masa. La inversa de la conductividad es la resistividad eléctrica, o
sea la resistencia que opone el paso de los electrones.
1.1.2. PROPIEDADES QUIMICAS
Las dos propiedades más importantes desde el punto de vista químico, y de mayor importancia para
nosotros, se refieren a la resistencia que oponen los materiales frente a las acciones químicas y
atmosféricas; es decir, a la oxidación y la corrosión.
Oxidación
Es el efecto productivo por el oxígeno en la superficie del metal y se acentúa al aumentar la
temperatura. Explicaremos porque se produce la oxidación.
La oxidación directa, sin intervención del calor, aparece en casi todas los metales por dos causas: por
la acción del oxígeno en estado atómico (naciente o disociado), que siempre existe en la atmósfera, y
por la menor estabilidad de los átomos superficiales del metal, que están enlazados menos
enérgicamente que los del interior.
Por esta oxidación directa es muy débil, pues la finísima película de óxido que se forma en la
superficie, cuyo espesor, a veces, no es mayor que el de una molécula, impide el contacto del resto de
la masa metálica con el oxígeno atmosférico haciendo que no progrese la oxidación.
Ahora bien, si la temperatura se eleva, la oxidación puede incrementarse por un fenómeno de doble
difusión. Por una parte, los átomos de oxigeno exteriores pasan a través de la capa de óxido y atacan
el interior del metal; por otra, los átomos del metal se difunden a través de la capa de óxido y son
atacados al llegar a la superficie. La película de óxido, por tanto, aumenta por sus dos caras, la
exterior y la interior.
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A medida que aumenta el espesor de película aumenta también la dificultad de difusión, hasta que al
llegar a determinado grueso se detiene y, por tanto, cesa también la oxidación. El espesor de óxido
necesario para que se produzca una acción protectora depende y varía mucho según sea la naturaleza
del metal.
Pero como, a medida que se eleva, la temperatura no sólo facilita la reacción del oxígeno con el
metal, sino que aumenta la permeabilidad de la película de óxido, el espesor de ésta necesario para
detener la oxidación dependerá no sólo del metal, sino también de la temperatura a que se encuentre.
A vista de lo expuesto, parece que la oxidación habría de detenerse siempre al alcanzar la capa de
óxido un espesor crítico protector perfectamente determinado para cada temperatura. Pero no sucede
así, pues, por la diferencia existente entre el coeficiente de dilatación de la capa de óxido y resto del
metal, aquélla acaba por agrietarse y por las grietas progresa la oxidación; e incluso, cuando la capa
alcanza cierto espesor, llega a desprenderse en forma de cascarilla, quedando así el metal expuesto
nuevamente a toda la intensidad de la oxidación.
En resumen, no existe ningún metal que resista la oxidación a cualquier temperatura. Pero puede
afirmarse que todos los metales resisten la oxidación hasta cierta temperatura por debajo de la cual
las películas de óxido que se forman son suficientemente impermeables para impedir la difusión a la
temperatura en que se hallan y suficientemente finas para mantenerse adheridas al metal sin sufrir
fisuras.
Corrosión
Es el deterioro lento y progresivo de un metal por un agente exterior. La corrosión atmosférica es la
producida por el efecto combinado del oxígeno del aire y la humedad. Pero se da también la corrosión
química, producida por los ácidos y los álcalis.
Como la atmósfera es siempre húmeda a la temperatura ambiente, los metales se destruyen más por
corrosión que por oxidación. La primera causa pérdidas enormes y desgracias incalculables, y son
numerosos los accidentes producidos por la rotura de piezas debilitadas por ambas.
Corrosión uniforme
El metal adelgaza uniformemente, como cuando se ataca una plancha de cobre con ácido nítrico. La
resistencia mecánica decrece proporcionalmente a la disminución del espesor.
Corrosión localizada
El metal queda picado y suele acabar mostrando grandes rugosidades en la superficie. En este caso,
su resistencia a la deformación disminuye más rápidamente de lo que podía esperarse por la pérdida
de masa. Es la clase de corrosión del agua del mar sobre el hierro.
Corrosión intergranular
Es la que afecta a la cohesión de los granos de los constituyentes del metal debilitando la resistencia
del conjunto, de manera que a veces se rompen las piezas al menor esfuerzo y sin que exteriormente
se observe ninguna alteración en la superficie.
1.1.3. PROPIEDADES TECNOLOGICAS
Son las relativas al grado de adaptación del material frente a distintos procesos de trabajo a los que
puede estar sometido. Las más importantes son:
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Maquinabilidad
Mayor o menor facilidad a ser labrado por herramientas o cuchillas de corte (arranque de virutas),
fuerzas tecnológicamente razonables, para romper la cohesión de las partículas.
Colabilidad
Mayor o menor facilidad a llenar bien un molde cuando está en estado líquido.
Soldabilidad
Soldables son los materiales en los que, por unión de las substancias respectivas (soldadura por
fusión o por prensado) puede conseguirse una cohesión local.
Ductilidad
Aptitud para la deformación de un metal dúctil en forma de hilo.
Maleabilidad
Son maleables los materiales sólidos que por la acción de fuerzas, admiten una variación plástica de
la forma, conservando su cohesión (deformado en láminas). El oro es el más maleable de los metales.
Templabilidad
Aptitud que tienen los cuerpos (los aceros) para dejarse penetrar por el temple, es decir que la dureza
del material puede modificarse por transposición de partículas.
Fusibilidad
Propiedad de fundirse bajo la acción del calor. La temperatura precisa para que se produzca se llama
temperatura o punto de fusión, y es una constante bien definida para los metales puros. En las
aleaciones, la fusión no acontece a una temperatura determinada, salvo en las llamadas eutécticas,
sino en un intervalo de temperaturas que varía para los mismos metales según sea la proporción en
que ignoran la aleación.
1.1.4. PROPIEDADES MECANICAS
Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas tendentes a
alterar su forma.
Tienen gran importancia porque son las que dan a algunos metales su superioridad sobre otros
materiales en cuanto a sus aplicaciones mecánicas. Para poder establecer una clasificación de dichas
propiedades, debe atenderse a la naturaleza de los esfuerzos que inciden sobre ellos. De este modo,
resultan ser las siguientes:
Resistencia
Es la capacidad de soportar una carga externa. Si el metal debe soportarla sin romperse, se denomina
carga de rotura. Como la rotura de un metal puede producirse por tracción, por compresión, por
torsión, por flexión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura para cada uno de estos
esfuerzos. Toda fuerza externa genera en el material tensiones de acuerdo con el tipo de solicitación.
La resistencia a la rotura se valora en kg/cm2
; o kg/mm2
, que es la más corriente.
Dureza
Es la propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción
directa de una carga determinada. Hay que distinguir dos clases de dureza: la física y la técnica. La
dureza técnica es la resistencia que opone a ser penetrado por otro más duro.
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Los filos de las herramientas de corte, p. ej. cincel, sierra y broca, deben ser más duro que el material
a trabajar. La dureza evita que las superficies que se tocan entre sí se desgasten rápidamente.
Materiales duros son el acero templado, el metal duro, la fundición dura y el diamante.
Elasticidad
Es la capacidad de un cuerpo elástico para recobrar su forma al cesar la causa que lo ha deformado.
Se llama límite elástico la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación
permanente. Su determinación tiene gran interés en el cálculo de toda clase de elementos mecánicos
(muelles, estructuras, ejes, máquinas, etc.), ya que en el proyecto se debe tener en cuenta que las
piezas trabajen siempre por debajo del límite elástico. Este, normalmente, se expresa en Kg/mm2
.
Plasticidad
Es la capacidad de deformación de un metal sin que llegue a romperse. Si la deformación se produce
por alargamiento mediante un esfuerzo de tracción, esta propiedad se llama ductilidad; cuando lo es
por aplastamiento mediante un esfuerzo de compresión, se llama maleabilidad; así también cuando
una chapa se dobla más allá su límite elástico, ya no recupera su posición inicial.
Tenacidad
Se define como la resistencia a la rotura por esfuerzos que deforman el metal. La tenacidad requiere
la existencia de resistencia y plasticidad. Así pues, son materiales tenaces los que son elásticos y
plásticos, los que poseen cierta capacidad de dilatación.
Fragilidad
Es la propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se
rompen en el límite elástico; es decir, su rotura se produce bruscamente al rebasar la carga el límite
elástico, p. ej. el vidrio y la fundición gris.
Resiliencia
Expresa la resistencia de un metal a su rotura por choque. En realidad, es el resultado de un ensayo y
se denomina así la energía consumida en romper una probeta de dimensiones determinadas.
Los valores de la resiliencia son mayores a medida que aumenta la tenacidad de un material.
Fluencia
Es la propiedad que tienen algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de
su propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta se denomina también creep o
creeping. En general, se presenta con más intensidad en los metales con temperaturas de fusión baja,
como el plomo.
Fatiga
Si se somete una pieza a la acción de cargas periódicas (alternativas o interminantes), se puede llegar
a producir su rotura incluso con cargas que, sí actúan de manera continua, no producirían
deformaciones.
Este efecto de desfallecimiento del metal motivado por cargas periódicas se llama fatiga.
2. SUBDIVISIÓN DE LOS ELEMENTOS
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Los elementos químicos se subdividen en dos grandes grupos cuyas propiedades se diferencian entre
sí: no metales y gases nobles.
No metales: Hay 22 elementos que son no metales. Conducen mal la electricidad y el calor. Dos no
metales importantes son el hidrógeno (H) y el oxígeno (O), ambos son gases y al combinarse forman
el agua. Los cuatro elementos: flúor (F) - un gas amarillento; cloro (Cl) - un gas verde; bromo (Br) -
un líquido marrón; yodo (I) - cristales sólidos, se designan bajo el nombre de halógenos (griego), que
significa formadores de sales.
De la misma forma se tiene el oxígeno (O) y el azufre (S) en el grupos de los que forman minerales,
ya que se encuentran en muchos minerales metálicos.
Biológicamente importantes son el hidrógeno (H), el fósforo (P) y el carbono (C). El carbono es un
componente de todos los organismos vivos.
Los gases nobles son el helio (He), el neón (Ne), el el argón (Ar), el criptón (Kr), el xenón (Xe) y el
radón (Rn). Generalmente no se combinan con ningún otro elemento.
Metales: 66 elementos son metales. Son todos opacos y brillantes como consecuencia de la reflexión
de la luz. Los metales son buenos conductores de la electricidad y del calor. Importantes metales
pesados (ρ ≥ 4,5 g/cm3
) son el hierro (Fe), el níquel (Ni), el cobre (Cu), el cinc (Zn), el estaño (Sn),
el plomo (Pb), el mercurio (Hg) el oro (Au) y el platino (Pt).
Alos metales ligeros ( ρ ≤ 4,5 g/cm3
) pertenecen el sodio (Na), el potasio (K), el magnesio (Mg), el
calcio (Ca), el aluminio (Al) y el titanio (Ti).
La mayor parte de los metales no son nobles, es decir, se combinan fácilmente más o menos con el
oxígeno.
2.1. TEXTURA DE LOS MATERIALES METÁLICOS
ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES
Los líquidos tienen una ordenación atómica irregular, son cuerpos amorfos (amorph, del griego = sin
forma). Toman la forma del recipiente que los contiene.
Los metales han de tener la dureza y resistencia adecuadas a su empleo, ser lo suficientemente
elásticos y poseer, en determinadas condiciones, una gran capacidad de dilatación. Esto puede
conseguirse mediante los correspondientes tratamientos. Para comprender las propiedades de los
materiales es preciso conocer la estructura de los metales.
En éstos, los átomos forman retículas espaciales de estructura regular. Si las retículas están limitadas
por superficies planas, se habla de cristales.
Observando al microscopio superficies de metales pulidas y decapadas, se ven partes irregularmente
limitadas. Son las superficies de corte de figuras geométricas. Se reconoce entonces que los metales
se componen de partículas de forma regular (cristales).
En estado sólido los metales son cristalinos
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La forma de los cristales depende de cómo se ordenen los iones metálicos dentro del grano, al pasar
del estado líquido al sólido. El empaquetamiento de esferas (ordenación iónica) en cristalinas puede
dar un cubo (sistema cúbico) o columnas hexagonales (sistema hexagonal).
Si se dibujan sólo los centros de los iones metálicos y se marcan las limitaciones geométricas con
rectas imaginarias se obtiene la retícula espacial. La forma de la retícula depende de las fuerzas
electrostáticas. Así, por ejemplo, el hierroα, el cromo, el wólframio y el molibdeno poseen una
retícula cúbica centrada en el cuerpo, con 8 iones en los vértices y un ion cental; el hierro γ , el
aluminio y el cobre forman una retícula cúbica centrada en las caras, con 8 iones en los vértices y 6
iones en las caras; el magnesio el cinc y el titanio tienen una retícula hexagonal.
En la retícula cúbica más sencilla, en la cual sólo los vértices están ocupados por iones metálicos, no
cristaliza ningún metal.
En la conformación por fuerzas mecánicas, los iones metálicos se desplazan entre sí. La resistencia al
desplazamiento está condicionada notablemente a la obstaculización espacial de los iones
metálicos.Las retículas más maleables son las cúbicas centradas en el cuerpo, y las menos maleables
las hexagonales. Debido la densidad de la ordenación iónica, el peligro de rotura al doblar magnesio
y cinc es mayor que con el acero y el cobre.
3. OBTENCIÓN DEL ACERO
La maleabilidad de los metales depende de la estructura reticular.
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A los materiales hierro y acero se les puede dar las más diversas propiedades según sea la aplicación
que hayan de tener, mediante procedimientos variados de fabricación y de trabajo posterior, mediante
la adición de otros materiales (alear) y mediante adecuados procesos o tratamientos térmicos. Por
estos medios se convierten el hierro y el acero en los materiales más frecuentemente empleados en
técnica.
3.1. MINERALES DE HIERRO
El hierro no se presenta en la naturaleza en forma pura sino constituyendo minerales. Los minerales
de hierro son combinaciones químicas del hierro con otros materiales; contienen además
acumulaciones terrosas, gangas.
Los minerales de hierro son generalmente óxidos de hierro con acompañantes férricos, por
ejemplo, azufre, fósforo, manganeso, silicio y componentes terrosos como cal, arcilla y ácido
salicílico.
Las substancias básicas componentes de los cuerpos terrestres han formado combinaciones bajo la
influencia de determinadas condiciones, como son el calor, la presión, el viento y el agua. Por
ejemplo, el oxígeno, el azufre, el fósforo, el silicio y el carbono se han combinado con los metales
para formar minerales. El color pardo rojizo del suelo proviene de las combinaciones del hierro en los
minerales.
Los minerales son rocas. Los metales se presentan combinados químicamente en los minerales,
mezclados con rocas. Los minerales se aprovechan si desde un punto de vista económico contienen
suficiente cantidad de metal útiles los minerales de hierro el contenido mínimo del metal es del 25%, y
en los minerales de cobre el 0,6%.
Según el metal aprovechable se distingue minerales de hierro, cobre, estaño, plomo, cinc, níquel, etc.
Los minerales de hierro trabajados vienen del extranjero en proporción superior al 80% y de esto
aproximadamente 1/3 de Suecia, Noruega y Francia, 1/3 de África Occidental (Liberia, Mauritania y
Sierra Leona) y 1/3 de América (Brasil, Venezuela y Canadá).
Los principales minerales son la magnetita ( Fe3O4 ) con 60 a 70% de contenido de hierro, la
hematites roja (Fe2O3) con 40 a 60% de contenido de hierro y el hierro espático o siderita (FeCO3)
con 30 a 40% de contenido de hierro.
Tanto la magnetita como la hematites roja son unas veces ricas y otras pobres en fósforo; el hierro
espático es casi siempre pobre en fósforo.
3.2. ALTO HORNO
Los minerales se separan en el alto horno de sus gangas y mediante reducción con carbono se liberan
de su oxígeno y se convierten en hierro bruto.
Por reducción se entiende la sustracción de oxigeno de los óxidos.
Si de un mineral - el óxido metálico - se quiere obtener el metal, debe eliminarse el oxígeno. La
reducción se consigue con ayuda de reductores, es decir, elementos con gran avidez por el oxígeno,
hallándose el óxido metálico en estado líquido o sólo. Otros reductores son el hidrógeno y el
monóxido de carbono.
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El alto horno está constituido por dos cuerpos huecos de forma troncocónica colocados uno sobre
otro y construidos de obra de albañilería que se mantiene sujeta dentro de una envolvente de acero.
Sus partes principales son el soporte u obra, el etalaje, el vientre, la cuba y el tragante. Tiene una
altura de 30 a 80 m.; su diámetro máximo es de 10 a 14 m. La obra de albañilería está atravesada
por canales de refrigeración (refrigeración por agua) y es soportada por un armazón de acero. Por la
parte superior termina el alto horno con la plataforma de carga y el cierre campaniforme del tragante.
Alrededor de la parte más ancha del alto horno va dispuesta la conducción de viento en forma anular
de la cual salen las toberas que van al interior del horno.
3.2.1. INSTALACIÓN DE ALTO HORNO
El alto horno se carga alternativamente con una mezcla de minerales y fundentes, así como un coque.
Un montacargas inclinado lleva esos materiales al tragante. A cada alto horno le estén adscritos hasta
cuatro calentadores del viento que funcional alternativamente, ya sea para calentamiento de la obra
de albañilería mediante combustión del gas del tragante (colocado a gas), ya sea para calentamiento
del viento para el alto horno (colocado a viento). Las adiciones fundamentales (principalmente cal)
fluidifican los componentes térreos, difícilmente fusibles, de los minerales y de las cenizas del
combustible, convirtiéndolos en escoria. Frecuentemente se carga el alto horno con fundentes molidos
y sintetizados, sin más adiciones.
Al insuflar el aire caliente por las toberas se quema el coque. El gas caliente producido sube a través
de la carga del horno hacia el tragante. En las capas superiores se substrae a los materiales la
humedad, el anhídrido carbónico y en parte también el azufre. Los óxidos de hierro que quedan bajan
al hueco que ha quedado libre en la combustión del coque. Esos óxidos de hierro fuertemente
calentados se – reducen - por acción del gas ascendente, que contiene mucho óxido de carbono (CO),
y del coque incandescente, es decir que les es substraído el oxígeno. El hueco que queda libre absorbe
ahora el carbono, se fluidifica, baja y deposita en la –obra-. La escoria fundida flota sobre el hierro
por causa de su menor densidad. Al mismo las escorias absorben una parte importante del azufre del
mineral y del coque, que de otro modo se hubiera combinado con el hierro. La escoria fluye
generalmente de modo continuado por la reguera de escorias correspondiente. El hierro reunido en la
obra, llamado hierro bruto o fundición, se sangra cada tres o cuatro horas por la piquera o agujero
para la sangría. El hierro bruto fundido, según sea su composición, se cuela formando lingotes que
sirven como materia prima en los talleres de fundición o se hace llegar a calderas en baldes sobre
ruedas en los cuales es transportado en estado líquido a las acererías.
3.2.2. REDUCCIÓN DE LOS ÓXIDOS DE HIERRO
En un alto horno los óxidos minerales se reducen a metal con coque y monóxido de carbono como
reductor.
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1. Zona de precalentamiento
Fe2O3 · n H2O FeO3 + nH2O Se desprende vapor de agua.
2. Zona de reducción
3Fe2O3 + CO 2Fe3 O4 + CO2
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2
3. Zona de carburación
3FeO + 3CO 3Fe + CO2
3Fe + C Fe3C
Los procesos que se desarrollan en el alto horno pueden representarse en forma simplificada como se
indica a continuación.
1. En la zona de precalentamiento el mineral desprende azufre y agua.
2. En la zona de reducción el mineral es reducido a óxido de hierro (II) por la acción del
monóxido de carbono ascendente.
3. En la zona de carburación tiene lugar otra reducción a hierro metálico. Al mismo tiempo el
hierro absorbe carbono, silicio, manganeso, azufre y fósforo.
4. En la zona de fusión se funde completamente el mineral. Las impurezas se combinan con cal para
formar la escoria. El hierro bruto líquido y encima la escoria más ligera, van a parar a la
parte inferior del bastidor. A determinados intervalos de tiempo se deja salir (“sangra”) el
caldo.
En los procedimientos de reducción directa, el mineral de hierro se desliza lentamente por gravedad
a un horno de cuba. El gas reductor (CO, H2 ) calentado a 800°C entra en sentido contrario al
mineral, eliminando el oxígeno contenido en aquél. Se forma así la esponja de hierro, que se elabora
hasta obtener acero. La metalización del mineral tiene lugar por vía directa, es decir, sin fase líquida.
PRODUCTOS DE ALTO HORNO
Hierro bruto, o crudo, o fundición
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Peso especifico 7,0.... 7,3 Kg/dm3
Punto de fusión unos 1300 o
C
Contenido de carbono 3 ... 4 %
El hierro obtenido en el horno alto es muy impuro; es decir que se encuentra en estado bruto. Por eso
suele llamarse también a la fundición hierro bruto. Se distingue entre hierro bruto o fundición gris y
hierro bruto blanco o fundición blanca.
La fundición gris tiene una superficie de rotura gris. En este material predomina el efecto del silicio.
El silicio es causa de que el carbono, al enfriarse se separe en forma de grafito. La fundición gris es
frágil y se cuela fácilmente.
Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se sigue trabajando en ellas para hacer la fundición de
molde (fundición gris para moldeo o, simplemente, fundición).
La fundición blanca tiene una superficie de rotura blanca, de forma radiada.
En este material lo que predomina es el efecto del manganeso. El manganeso da lugar a una
combinación del carbono con el hierro para dar carburo de hierro.
La fundición blanca es el material de partida para la obtención del acero. Llega en estado líquido al
mezclador de hierro crudo o de fundición y de éste va a la acerería donde es transformado en acero.
SUBPRODUCTOS DEL ALTO HORNO
La escoria constituye un subproducto. Consta principalmente de silicato cálcico y se emplea en
construcción (balasto o macadán, ladrillos de escoria, lana de escoria, cemento Pórtland de escorias).
El gas tragante o de horno alto es también un subproducto. Contiene aproximadamente un 24% de
óxido de carbono y además anhídrido carbónico, hidrógeno y nitrógeno. Este gas de alto horno es
combustible y se utiliza para el calentamiento de los recuperadores de calor, calderas de vapor y
demás fines calefactores, como carburante gaseoso en motores de gas y para calentamiento de
cámaras de coque.
4. FUNDICIONES
HIERRO COLABLE (moldeable) Y ACERO COLADO
Fundición de hierro con laminillas de grafito (fundición gris) DIN 1691
En los talleres de fundición de hierro bruto gris, de chatarra de hierro y de chatarra de acero se
obtiene fundición de hierro en los hornos de fusión (cubilotes u hornos eléctricos). Para eliminación
de escorias se añade cal. Mediante esta fusión la estructura se hace más densa y la granulación más
fina y uniforme.
Al enfriarse lentamente se separa el carbono en forma de grafito y generalmente en laminillas
depositándose entre los cristales y el material básico.
Este material básico puede estar constituido por hierro por una mezcla de hierro y de carburo de
hierro y se llama en el primer caso ferrita, en el segundo perlita y en el estado intermedio ferrita-
perlita.
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Qué cantidad, tamaño y forma de grafito se separa es cosa que depende además de la composición
química, grandemente también de la velocidad de enfriamiento de la fundición de hierro. El contenido
de silicio y la lentitud de enfriamiento aumentan la formación de grafito; el contenido de manganeso
y la rapidez del enfriamiento ejercen una acción contraria. El contenido de grafito confiere a las
superficies de rotura de la fundición el típico color gris. Da origen a las buenas propiedades de
deslizamiento, a la fácil maquinabilidad y al amortiguamiento de vibraciones de la fundición de
hierro. El elevado contenido que varía entre 2,6 y 3,6% es la causa de su relativamente bajo punto de
fusión y de su buena colabilidad. En virtud de esta facilidad que representa la fundición para ser
colada, es empleada como material para hacer piezas que por su forma serían difíciles de obtener de
otro modo, como, por ejemplo, soportes, bastidores de máquinas, carcasas, tubos, etc.
Fundición de hierro con grafito en bolas DIN 1693
Si se añade a la fundición de hierro en la cuchara magnesio en forma de aleación de níquel y
magnesio o de hierro-silicio-magnesio, el grafito no se agregará forma de laminillas sino en forma de
bolas. Se llama por esta razón fundición de hierro con grafito esferoidal. Las bolas de grafito no dan
origen como las laminillas o escamas a una acción de entallado. Con esto aumentan notablemente, en
comparación con la fundición de hierro de laminar corriente, al alargamiento y las resistencias a la
flexión y a la atracción.
Signo abreviado GGG-1
Densidad 7,1 .. 7,3 Kg/dm3
Punto de fusión 1400 o
C
Resistencia a la tracción 38 .. 70 Kp/mm2
Alargamiento 12 .. 2 %
Medida de contracción
Fund. Ferrítica 0 %
Fund. Perlitica 1 %
La fundición de hierro con grafito esferoidal posee, sin tratamiento posterior, una resistencia a la
tracción de 38 a 70kp/mm2
y un alargamiento de 12 a 2% además de gran resistencia al desgaste y
buenas condiciones para el resbalamiento. Mediante recocido puede elevarse el alargamiento hasta el
17% con una disminución de resistencia hasta los 30kp/mm2
. Mediante mejora puede aumentar la
resistencia a la tracción hasta los 100kp/mm2
disminuyendo, de todos modos, con esto el
alargamiento hasta el 2%. Otras propiedades de la fundición de hierro con grafito esferoidal son su
gran resiliencia y su especialmente buena maquinabilidad.
Fundición dura
La fundición dura (designación alemana GH-)1
se produce cuando al solidificarse la fundición de
hierro no puede segregarse el carbono en forma de grafito, sino que se combina con el hierro para
constituir el componente duro de la estructura: El carburo de hierro. La formación de grafito puede
impedirse mediante un enfriamiento rápido, mediante un contenido bajo de silicio o mediante un
contenido bajo de silicio o mediante un contenido de manganeso convenientemente elevado.
Composición de la fundición dura: 2,8 a 4,0% de C; 0,2 a 1% de Si; 0,6 a 1,5 % de Mn; 0,2 a 0,5%
de P y 0,008% de S.
Si se cuela la fundición de hierro en coquillas o también en moldes recubiertos de acero o en moldes
de arena húmeda se obtendrá en la superficie de la pieza de fundición, en virtud del rápido
enfriamiento, una capa dura y resistente al desgaste. Las paredes delgadas se hacen duras en todo su
14

espesor. Se obtiene también una fundición dura en toda su sección transversal (pieza maciza de
fundición dura), reduciendo el contenido de silicio o añadiendo manganeso hasta que su acción supere
a la del silicio (fundición dura por aleación). Si se quiere que únicamente algunas partes de la
superficie resulten duras, por ejemplo, en varillas levanta válvulas y en los listones de guía de las
bancadas de torno, se colocan en el molde de arena y en esas zonas placas de enfriamiento de acero
(fundición dura en coquilla).
Fundición maleable DIN 1692
La fundición maleable se obtiene partiendo de hierro bruto especial, de chatarra y de otras adiciones,
en cubilotes o en hornos eléctricos. La estructura de su superficie de rotura es blanca cuando no ha
sido sometida la pieza a tratamiento térmico. Después de la colada se someten las piezas brutas a un
largo tratamiento térmico. Se distinguen dos tipos: la fundición maleable blanca y la negra.
Fundición maleable blanca (GTW)
Para la fabricación de fundición maleable blanca se sustrae carbono a la superficie exterior de las
piezas de fundición bruta. En este procedimiento, llamado –afino por cementación oxidante-, se
envuelven las piezas en un recipiente o caja de cementación con piedras de hematites roja de grano
fino de modo que queden herméticos al aire y se introducen en hornos para templar donde se tienen de
2 a 5 días a temperaturas entre los 900º y los 1050ºC. Según procedimientos más modernos se
calienta al rojo la fundición bruta sin envoltura ninguna en hornos eléctricos o calentados con gas en
una mezcla de óxido de carbono y anhídrido carbónico. Mediante el calentamiento a incandescencia
en las hematites rojas o en el anhídrido carbónico queda oxígeno en libertad que se combina con el
carbono de la pieza de fundición. Con esto se baja el contenido de C desde 2,5 a 3,5% hasta el 0,5 a
1,8%. La estructura obtiene especialmente en la capa marginal descarburada un aspecto brillante
como de plata (“blanco”) y el material que antes era duro y frágil resulta con las mismas propiedades
que un acero tenaz y resistente.
Fundición maleable negra (GTS)
Para la obtención de fundición maleable negra se envuelven en arena las piezas brutas de fundición y
se someten, bajo cierre hermético al aire, a temperaturas de 800º a 900º C durante varios días. Con
esto no se produce descarburación alguna, sino sólo una variación en la estructura. El carburo de
hierro de la pieza no recocida se descompone en ferrita y carbón de recocido, un grafito flocúlento.
La estructura de las superficies de rotura obtiene con ello un aspecto negro granulento. En este tipo
de fundición maleable no se está ligado a un espesor de pared determinado.
15

Propiedades: ambos grupos de fundición maleable son fácilmente trabajables con arranque de viruta.
Soportan bien la soldadura a estaño. La soldadura fuerte no le admiten bien nada más que la GTW y
especialmente los tipos fuertemente descarburados, por ejemplo, la GTW-36. En las fundiciones
maleables negras se produce a temperaturas superiores a los 700º C una transformación de le
estructura. No es soldable nada más que la calidad especial de la fundición maleable blanca GTW-
38. Ambos grupos de fundición maleable son templados y susceptibles de mejora o afino; ahora bien,
la fundición maleable blanca fuertemente descarburada no admite nada más que el temple superficial.
La superficie puede protegerse mediante recubrimientos metálicos y no metálicos.
Fundición especial
Todas las clases de fundición de hierro pueden alearse con metales, como, por ejemplo, níquel,
cromo, molibdeno, vanadio, etc., con objeto de lograr propiedades especiales tales como resistencia al
calor, a la oxidación, a los ácidos o a las lejías. Las fundiciones que no tiene más del 5% de
componentes aleados se llaman fundiciones de baja aleación o débilmente aleadas; las que tienen
más del 5% se denominan fundiciones de alta aleación o fuertemente aleadas.
Fundición de acero DIN 1681 y 17245
La fundición de acero (acero moldeado) es un acero colado en moldes. Después de colado, y con
objeto de suprimir las tensiones producidas en la fundición a consecuencia de la rápida contracción,
se someten las piezas, según sea su contenido de carbono, a un reconocido a temperaturas que oscilan
entre los 800º y los 900º C. Con esto se produce una modificación en la cristalización de la
estructura. Mediante un rápido enfriamiento a 700º y subsiguiente enfriamiento lento se afina el
grano, con lo cual mejora las propiedades de resistencia.
La fundición de acero con un contenido de C de hasta un 0,2% puede templarse superficialmente y
con 0,22 a 0,6% de contenido de C puede mejorarse. La fundición de acero se suministra en calidad
normal y en calidad especial.
Signo abreviado GS-
Densidad 7,85 Kg/dm3
Punto de fusión 1300 - 1400 o
C
Resistencia a la tracción 30.. 60 Kp/mm2
Alargamiento 25 .. 8 %
Medida de contracción 2 %
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Las calidades normales de la fundición de acero tienen una resistencia a la de 38 hasta 60kp/mm2
,
un alargamiento de 25 a 8%. Se funden por los procedimientos Bessemer, Siemens-Martin o de horno
eléctrico, generalmente en hornos pequeños.
5. TRATAMIENTO DEL HIERRO BRUTO PARA CONVERTIRLO EN ACERO
El hierro crudo tiene un elevado contenido de oxígeno de carbono (3 a 5%).
Por el contrario el contenido de carbono del acero sin alear se halla por debajo del 15%. Además, el
hierro crudo contiene impurezas no deseables o excesivas de silicio, manganeso, azufre y fósforo.
Con la transformación del hierro crudo en acero baja fuertemente el contenido de carbono; los
componentes secundarios no deseables son casi totalmente eliminados. Esta transformación del hierro
crudo en acero se llama –afino-. Existen varios procedimientos de afino.
6. PROCEDIMIENTOS BESSEMER Y THOMAS
En ambos procedimientos se reduce el contenido de carbono en el hierro bruto, mediante combustión.
Con esto se convierte el hierro bruto en acero.
Para la combustión del carbono se hace pasar a través del contenido líquido del convertidos Bessemer
o del convertidor Thomas aire o aire y oxígeno (refino con viento). El convertidor Thomas tiene un
recubrimiento de carácter básico constituido por ladrillos de dolomita rica en cal y se presta con ello
para trabajar en él hierro bruto rico en fósforo. El convertidor Bessemer con su recubrimiento ácido
de cuarzo o de espato flúor no se presta para este tipo de hierro bruto. Por esta razón apenas si se
emplea en Alemania el convertidor Bessemer.
PROCESO DEL PROCEDIMIENTO
El convertidor Thomas es basculante. El convertidor se pone en posición de llene y se vierte en él el
hierro bruto, fundido, con adicción de cal. Entonces se le sopla aire o aire con oxígeno procedente de
la caja de viento y se endereza el convertidor. El aire (oxígeno) que atraviesa la masa líquida que
quema el carbono y las gangas de silicio y manganeso. Aquí hay que tener en cuenta que es
prácticamente imposible detener la combustión al llegar al contenido de carbono deseado en los
aceros que se producen. La cal se combina con el fósforo contenido en el hierro bruto y forma
escorias.
El proceso de combustión que dura de 15 a 20 minutos hace subir la temperatura hasta unos 1600º
C, a la cual permanece fluido incluso el acero fuertemente descarburado.
El convertidor se vuelve a girar a su posición de llene, se quita el viento y se añade el carbono
necesario para el acero en forma de hierro especular, un hierro crudo blanco. Mediante una buena
mezcla con cal se elimina casi totalmente el fósforo.
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En la posición de vaciado se elimina la escoria que flota sobre el acero y se vierte el producto fundido
en la vagoneta preparada para ello. El siguiente trabajo del acero se realiza en la acerería colocándolo
para formar lingotes y laminándolo después para conseguir las formas corrientes en el comercio.
Como producto secundario se obtiene la escoria Thomas (fosfato cálcico). Se muele esta escoria para
formar la harina Thomas empleada como abono. El acero Thomas tiene un contenido de carbono de
0,05 a 0,5%; es forjable y soldable y se trabaja para obtener productos laminados tales como
varillas, barras, perfiles, chapas y lingotes de acero.
7. PROCEDIMIENTO DE INSUFLACIÓN DE OXÍGENO
Para la obtención del acero han sido desarrollados unas series de nuevos procedimientos de afino en
los cuales en vez del aire se emplea oxígeno puro. Por esta razón se llama a estos procedimientos:
procedimientos de oxigenación. En estos procedimientos no se insufla el oxígeno desde abajo
atravesando el baño fundido, sino que se insufla desde arriba a través del baño. El más conocido es el
procedimiento llamado procedimiento LD (Linz-Donawitz). El convertidor usado en el
procedimiento LD tiene el fondo cerrado; se le suele llamar crisol se alimenta con chatarra, hierro
crudo en estado líquido y cargas para la formación de escoria.
Después se lanza el chorro de oxígeno verticalmente sobre el hierro fundido a través de una –lanza de
oxígeno- con presión efectiva de 4 a 12 at. La masa fundida se descarbura con ello; además se
queman cuerpos perjudicales que la acompañan. El empleo de oxígeno da origen a muy altas
temperaturas que acelerarían la merma en el hierro y el deterioro en el revestimiento. Por esta razón
se añaden para el enfriamiento chatarra y minerales de hierro. Los aceros LD no contienen apenas
nitrógeno ya que para el afino no se emplea aire, por lo cual los aceros obtenidos son de alta calidad.
8. PROCEDIMIENTOS SIEMENS-MARTI
El procedimiento Siemens- Martin es un –afino en hogar bajo-. Los hermanos Siemens desarrollaron
a este efecto la calefacción y los hermanos Martin construyeron el horno de reverbero con el hogar de
fusión en forma de artesa.
En este sistema de calefacción se aporta al combustible (gas de horno de coque, gas natural, aceite)
aire precalentado. El precalentamiento del aire se verifica en uno de los acumuladores de calor
instalados debajo del hogar.
18

Las llamadas a temperaturas de 1800º a 2000º C lamen el material fundido y producen la
transformación del hierro bruto en acero. Los gases de escape del hogar son guiados a través de uno
de los acumuladores de calor y calientan su obra de albañilería. Mediante alternativa inversión del
aire a presión para la combustión se consigue que en todo momento uno de los acumuladores esté
calentándose, mientras el otro está cediendo su calor al aire de combustión.
A este aire se le añade además frecuentemente oxígeno para aumentar la temperatura. Otra
posibilidad consiste en soplar directamente en el baño el oxígeno mediante un tubo refrigerado por
agua y que recibe el nombre de lanza de oxígeno. Con esto se hace posible la aleación con metales de
alto punto de fusión; por otro lado pueden conseguirse en breve tiempo aceros con muy bajo
contenido de carbono para fines de embutición. Todas estas previsiones elevan la calidad del acero y
la economía del procedimiento.
La especial importancia económica del procedimiento Siemens-Martín estriba en que se puede
emplear chatarra en forma de paquetes para un nuevo aprovechamiento. De este modo de la
alimentación puede ser totalmente con chatarra.
En el horno Siemens-Martín también se forma escoria que absorbe las impurezas. El revestimiento de
estos hornos puede ser como en los convertidores –básico- o –ácido-. En el caso de revestimiento
básico puede eliminarse también fósforo del acero. La descarburación se produce mediante el oxígeno
del viento caliente insuflado, mediante el oxígeno de las cargas añadidas y mediante el del óxido de la
chatarra. Para la recarburación y para la substracción de oxígeno (desoxidación) se procede a
adiciones (función especular y ferro manganeso) al final del proceso de función. Mediante adición de
cromo, níquel y vanadio pueden obtenerse aceros de baja aleación con elevadas resistencias
mecánica, tenacidad y resistencia a la corrosión.
9. PROCEDIMIENTO ELÉCTRICO
En el horno eléctrico no se produce acero, sino que se refina. El procedimiento al horno eléctrico hace
posible la fusión de aceros especialmente puros con muy pequeño contenido de fósforo y azufre ya
que en este procedimiento no existen gases combustibles que puedan dar origen a impurezas. Estos
aceros se denominan por su pureza aceros finos y por su procedimiento de obtención aceros al
horno eléctrico. Pueden no tener aleación, pero por lo general la tienen en grado menor o mayor. La
electricidad como fuente de calor resulta muy cara.
Por esta razón no se emplea generalmente nada más que para el último refino del acero proveniente
de un convertidor o de un horno Siemens- Martín o también para fundir juntos varios metales para
constituir aleaciones. En los hornos eléctricos cabe distinguir entre los de arco voltaico y los llamados
crisoles de inducción.
El horno de arco voltaico tiene por lo general tres electrodos de carbón. El arco voltaico que se
establece entre estos electrodos y la masa de fusión puede producir temperaturas de hasta 3500º C.
Con esto la chatarra de acero añadida al acero previamente refinado se funde y toda la carga del
horno se libera ampliamente de las impurezas azufre, fósforo y carbono que se queman. El oxígeno
necesario para la combustión se toma en parte del aire que está en contacto con el baño y en parte de
las adicciones que lo contenga.
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Para terminar el proceso se lleva al acero a la composición que se desee mediante las
correspondientes adicciones.
Los hornos de arco voltaico se construyen para la carga de hasta 100t. Las elevadas temperaturas del
horno hacen posible la aleación del acero, con metales difícilmente fusibles como lo son el volframio
(o tungsteno), el tántalo y el molibdeno. Los aceros de herramientas se funden casi siempre en el
horno de arco voltaico y lo mismo puede decirse de los aceros de construcción que hayan de estar
sometidos a muy altas solicitaciones.
En los hornos crisol de inducción se hace pasar una corriente alterna por una bobina de tubo de
cobre refrigerada por una y dispuesta alrededor del crisol de fusión. Las corrientes vagabundas, o de
Foucault, que se produce con ello en el metal, hacen que la carga empiece a fundirse rápidamente.
Los hornos de inducción son hornos de refundición en los cuales no se afina. Se usan para fundir y
mantener calientes metales ligeros y pesados, pero sobre todo también para la obtención de acero de
alta aleación con resistencias especialmente altas a la corrosión y al calor o con muy notables
propiedades magnéticas. También se usa ventajosamente el horno de inducción para fundir o refundir
la fundición de hierro con vistas a la producción de fundición con grafito en bolas y de fundición
aleada.
I0.TRANSFORMACIONES DE FASE EN LAS ALEACIONES FERROSAS.
Influencia de los materiales de adición y los componentes de las aleaciones sobre el acero y el
hierro.
Las propiedades del acero y del hierro dependen mucho de los materiales de adición no metálicos y de
los componentes de sus aleaciones.
20

En esto no es sólo decisivo el porcentaje de las aleaciones sino también su composición, ya que sus
acciones se influyen mutuamente.
Con las aleaciones pueden controlarse ciertas propiedades deseadas, tales como dureza, resistencia,
elasticidad, existencia al calor o la corrosión.
Metal de una sola sustancia
Las aleaciones se forman mezclando metales con metales o
con no metales en estado líquido.
21

En estado líquido los iones metálicos se mueven libremente. Al solidificarse se observa un punto de
retención en el cual la temperatura pertenece constante cierto tiempo. Durante este tiempo prosigue la
cristalización partiendo de los llamados núcleos decristalización (por ejemplo partículas de suciedad).
Los átomos metálicos se apoyan unos en otros, actúan las fuerzas de enlace y forman cristales. Cada
cristal crece como si los demás no existen. Los cristales en crecimiento chocan entre sí de forma que
las series continuas de átomos se rompen de repente, continuando en los cristales próximos hacia
otras direcciones. Las direcciones cambian por tanto de grano en grano, formándose una textura
cristalina cuyos límites se llaman granos.
Aleaciones
El punto de solidificación de un metal cambia al alearse, dependiendo de la relación de la mezcla. En
la figura pueden verse las curvas de solidificación de dos aleaciones de níquel y cobre.
22

En el caldo los átomos de los metales mezclados están disueltos unos en otros. Al solidificarse, los
átomos de los metales aleados forman núcleos de cristalización desde los cuales parte el crecimiento
de los cristales. Pueden aparecer dos retículas.
Mezcla de cristales: Los componentes de la aleación forman cristales por sí mismos. Resulta por
tanto una serie de cristales diferentes, o sea que la textura no es homogénea.
Cristales mezcla: Los componentes de la aleación forman una retícula común. En cada cristalita
están contenidos los diferentes átomos metálicos y se habla de cristales mezcla, siendo la textura
homogénea.
DUREZA Y RESISTENSIA DE UNA ALEACIÓN
Frente a un metal de una sola sustancia, las aleaciones poseen una dureza y resistencia mayores, lo
cual se explica por las irregularidades en la estructura de la retícula. Si los átomos de los
componentes de la aleación tienen un diámetro mayor que los átomos de la sustancia base, producen
una tensión en la retícula base. Si actúan fuerzas externas, esta tensión y la resistencia adicional
consecuencia del tamaño diferente de los átomos, dificultan la propagación del desplazamiento.
Si en los límites del grano se cortan dos planos de deslizamiento, se acumulan allí los
desplazamientos y se produce un endurecimiento del material.
23

La multiplicidad de procedimientos empleados para la producción del acero, hace posible satisfacer
los distintos deseos en cuanto a propiedades del mismo. Se distinguen los siguientes grandes grupos:
aceros corrientes de construcción (aceros producidos en gran escala), aceros de calidad y aceros
refinados.
Los aceros corrientes de construcción son aceros sin alear en los cuales la resistencia a la tracción
es característica determinante para su aplicación.
Los aceros de calidad son aceros de cementación o mejorados. En cuanto a su composición son más
puros y uniformes que los aceros corrientes de construcción. Sus propiedades vienen determinadas
ampliamente por su contenido de carbono.
Los aceros refinados son aceros, aleados o sin alear, con muy poco contenido de azufre u de fósforo
y de especial pureza y uniformidad.
11. PROPIEDADES Y EMPLEO DE LOS ACEROS
Las numerosas clases de aceros que se emplean en las técnica pueden agruparse en los dos grupos
principales siguientes: acero para construcciones (o acero de construcción) y acero de herramientas.
Dentro de estos dos grupos hay aceros sin alear, aceros de baja aleación y aceros de alta aleación.
Los aceros sin alear (o sin aleación) contienen 0.06 a 1.5% de carbono, así como pequeñas mezclas
de manganeso, silicio, fósforo y azufre. Los aceros de baja aleación contienen para una cantidad
parecida de carbono hasta un 5% de metales de aleación tales como cromo, níquel, tungsteno,
cobalto, manganeso, molibdeno, vanadio y aluminio. En los aceros de alta aleación el contenido de
carbono varia entre 0.03 y 2.2% y los metales aleados pueden variar entre el 5 y el 45%. No siempre
es posible establecer una separación clara entre las distintas clases de aceros.
ACEROS PARA CONSTRUCCIONES
Se llaman así los aceros que sirven tanto para fines constructivos como para la fabricación de piezas
de máquina de cualquier clase. Los aceros para construcciones constituyen más del 90% de la
fabricación total de acero. Hay aceros para construcciones para aplicaciones corrientes y aceros
para construcciones que han de satisfacer las más fuertes exigencias.
ACEROS CORRIENTES PARA CONSTRUCCIONES
Los aceros corrientes para construcciones (DIN 17100) son aceros sin alear en los cuales la
resistencia a la tracción es decisiva para su aplicación .Por esto se indican la simbología DIN, por
24

ejemplo, St 50. La resistencia a la tracción es tanto mas elevada cuanto mas alto es el contenido de
carbono. Pero al aumentar el contenido de carbono desciende el alargamiento, es decir, que el acero
se hace más frágil mas agrio. Empeoran también la deformabilidad en caliente y en frío, la
soldabilidad y la facilidad de trabajarse mediante arranque de viruta.
ACEROS PARA TORNOS AUTOMATICOS
En el caso de aceros que han de ser trabajados en tornos automáticos (DIN 1651), las virutas habrán
de romper en corto con objeto de hacer posible un trabajo libre de perturbaciones en el torno. Esta
propiedad (virutas cortas) se obtienen mediante un contenido conveniente de azufre .Los aceros
para tornos automáticos contienen 0.07 a 0.65% de carbono, 0.18 a 0.4% de azufre, 0.6 a 1.5% de
manganeso y 0.05 a 0.4 % de silicio, y cuando se pierde una especialmente buena fragilidad de
virutas y superficies lisas 0.15 a 0.3 % de plomo
ACEROS DE CEMENTACION
Con aceros de cimentación (DIN 17210) se fabrican piezas que hayan de tener una superficie dura,
resistente al desgaste y un núcleo tenaz. Estas piezas pueden ser, por ejemplo pernos, árboles, ruedas
dentadas, piezas de maniobra o distribución timonearía y otras semejantes que hayan de estar
sometidas a desgaste. La superficie dura la obtienen las piezas mediante cimentación, es decir, por
carburación de la superficie y posterior templado. Con objeto de que el núcleo de la pieza se
mantenga tenaz, el contenido de carbono de los aceros de cimentación no podrá ser superior al
0.2%. Los aceros de cementaciòn sin alear Ck 10 y Ck 15, así como todos los aleados de
cementaciòn, por ejemplo, 15 Cr 3 ò 17 Cr Ni Mo 6 son aceros finos. Poseen una gran uniformidad,
mejor calidad superficial y menor proporción de fósforo y de azufre que los aceros de calidad C10
y C15.
ACEROS MEJORADOS
Los aceros mejorados (o refinados) (DIN 17200) se emplean para piezas que mediante la mejora, es
decir, mediante un temple seguido de revenido a 500º hasta 700ºC obtienen elevadas resistencia a
fracción y resiliencia. Son adecuados para piezas que han de estar sometidas a percusiones y
choques, tales como árboles cigüeñales, árboles de excéntrica para estampadoras, ejes en
construcción de automóviles así como también piezas pequeñas de construcción tales como pernos,
tornillos prisioneros y tornillos cilíndricos con hexágono interior. El contenido de carbono de los
aceros mejorados esta comprendido entre un 0.2 y un 0.6%. Son aceros mejorados, por ejemplo, los
siguientes: C22, Ck60, CrMo 4.
ACEROS NITRURADOS
Las de aceros de nitruración (DIN 17211) obtienen mediante aportación de nitrógeno una superficie
muy dura. Estos aceros están aleados con cromo, molibdeno y aluminio, por ejemplo, 31 CrMo 12 ò
34 CrAlNi 7. Estos metales favorecen la absorción del nitrogenen la nutrición.
Los aceros nitrurados se emplean para husillos de amolar que se mueven a gran velocidad, bulones
de pistones, calibres, aparatos para mediciones de precisión, etc.
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ACEROS DE RESORTE
Los aceros para resortes (DIN17220 a17225) tienen que ser eléctricos y resistentes a la oscilación
continua, además de poseer una elevada resistencia a la tracción. Estas propiedades no depende
únicamente de la composición de los aceros, si no que pueden modificarse dentro de limites muy
amplios mediante tratamiento térmicos y forja en frió. En la construcción corriente de maquinas y de
automóviles se emplean aceros de resortes sin alear y aceros aleados, como, por ejemplo, los
siguientes: C 67; 55 Si 7; 58 Cr V 4.
ACEROS ESPECIALES
Los aceros resistentes en caliente y al fuego se emplean para calderas de vapor, recalentadotes,
árboles de turbinas de vapor y de gas, así como también en las válvulas de escape de los motores de
combustión interna. Estos aceros conservan sus propiedades de resistencia hasta los 600 C y resisten
la oxidación hasta los 800 C.
ACEROS INOXIDABLES
Tales como el X 3 CrNi 18 10 o como el X 10 CrNiMoTi 18 12, por ejemplo son resistentes a la
corrosión frente a la humedad atmosférica, al agua y a la mayoría de los ácidos y lejías. Se emplea
en la industria química y en las industrias de productos alimenticios para recipientes, tuberías y
piezas de máquinas de todo tipo.
Los aceros no magnetizables tienen excepción de algunos inoxidables, un elevado contenido de
manganeso, por ejemplo, el X 50 MnCr 18 o el X 12 MnCr 18 10. Su resistencia a la tracción es
de 65 a 100 kp/mm y su alargamiento de rotura de 50 a 20%. Pueden por lo tanto forjarse bien en
frío.
El reforzamiento que se produce con la forja en frío puede soslayarse mediante calentamiento a unos
1000ºC y rápido enfriamiento en agua. Estos aceros se vuelven, por lo tanto, blandos y tenaces
cuando se les “templa”. Son, sin embargo, difíciles para el arranque de viruta
12. MATERIALES PARA HERRAMIENTAS
ACEROS DE HERRAMIENTAS
Los aceros de herramientas sirven para trabajar otros materiales con o sin arranque de viruta. Se
clasifican según su composición en aceros sin alear, débilmente aleados o fuertemente aleados; según
el procedimiento empleado para su enfriamiento brusco, o temple, en aceros templados al agua, al
aceite o al aire y según su aplicación (temperatura de trabajo) en aceros para trabajo en frío o para
trabajo en caliente. El contenido de carbono de herramientas sin alear y de los de baja aleación está
comprendido entre 0,5 y 1,5%; los aceros de herramientas de alta aleación pueden llegar a contener
hasta un 2,2% de carbono.
DIN 17006 ofrece la posibilidad de designar los aceros de herramientas independientemente de las
marcas con que los designan las firmas fabricantes. De la composición de los aceros se puede deducir
su aplicación. Todos los aceros de herramientas, incluso los no aleados, son aceros finos, ya que
poseen un elevado grado de pureza y han sufrido un trabajo posterior cuidadoso.
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Con aceros para trabajo en frío pueden trabajarse materiales con arranque de viruta y sin arranque
de viruta. Partiendo de ellos se fabrican cuchillos para torno y para cepilladuras, brocas, fresas,
herramientas para tallado de roscas y herramientas para cizallar y para estampar.
Poseen, a una temperatura de trabajo de 200ºC, una dureza, tenacidad, consistencia de corte y
resistencia al impacto mayores que los aceros no aleados.
Con aceros para trabajo en caliente se confeccionan troqueles para forja y prensa, moldes para
colada a presión, matrices para prensas de extorsión, cizallas para corte en caliente, etc. Con ellos se
trabajan en caliente lo mismo el acero que los metales pesados y los ligeros.
Son aceros para una temperatura permanente de 200ºC. Propiedades importantes son la resistencia
mecánica, la resistencia al desgaste y la tenacidad, todas a altas temperaturas.
Las denominaciones templadas en agua, en aceite o al aire brindan al taller una posibilidad de
discriminar los aceros según el medio que hay que emplear para su enfriamiento en el templado.
Aceros de herramientas sin alear (aceros al carbono)
En los aceros de herramientas sin alear el contenido de carbono (0,5 a 1,5% C) es decisivo para el
empleo. Cuanto más elevado sea el contenido de carbono, mayor será la dureza alcanzable. Los
aceros de herramientas sin alear se templan a 760º hasta 850º C y según el empleo que hayan de tener
se revienen a 200º hasta un 300º C. Un acero con la designación DIN 17006 C 150 W1 se hace más
duro que un acero de alta aleación pero pierde su gran dureza a una temperatura de trabajo que
sobrepase los 200º C. La temperatura de forja de los aceros para herramientas sin alear está
comprendida entre los 1000º y los 800 0
C.
El acero C 150 W1 se emplea para limas triangulares de afilar sierras y para turbo-herramientas. El
acero C 110 W1 se presta por esta razón de su buena templabilidad y suficiente tenacidad para
herramientas de arranque de viruta, el acero redondo pulido (llamado también acero plata) según DIN
175 se fabrica de C 110 W1, de acero de baja aleación o de acero rápido. Para herramientas sencillas
de corte o de estampación se presta bien el C 90 W2. Los cinceles y los martillos se hacen con C 75
W3 y las cuchillas de tijera, hachas, etc., con C 55 WS.
Aceros de herramientas de baja aleación
Los aceros de herramientas de baja aleación van aleados con Cr, W, Ni Mo y V hasta un total del
5%. Su temperatura de temple se halla comprendida entre los 780º y los 850º C y la temperatura de
forja entre 1100º y 900º C. Hay que tener, sin embargo, en cuenta las prescripciones de tratamiento
de las casas suministradoras. Admiten en el arranque de viruta velocidades de corte más elevadas que
los aceros de herramientas sin alear. Pierden su dureza y su consistencia del corte sólo cuando se
llega a temperaturas de trabajo de los 400º C.
Los aceros de baja aleación son también adecuados para herramientas de cizallamiento y
estampación, troqueles, moldes para colada a presión por inyección y para prensado, así como para
instrumentos de medición.
El acero 105 WCrMn 6 4 posee buena consistencia de corte y se emplea para brocas, herramientas
de tallado de rocas, etc.
El 145 WV 13 es apropiado para turbo-herramientas de diente fino; su dureza Rockwell puede
alcanzar hasta los 67 HRC.
El 90 MnCrV 8 es un acero pobre en vibraciones dimensionales, es decir, que las medidas y formas
de piezas varían muy poco con el temple. Se emplea para herramientas cillazantes y de estampación,
así como para instrumentos de medición y calibres. El acero para trabajo en caliente 45 CrMoV 6
para troqueles y matrices de prensa tiene una dureza Rockwell de 40 a 50 HRC y mantiene esta
27

dureza hasta temperaturas de unos 500º C. El 90 MnSi 8 se emplea en moldes para materiales
sintéticos y para fundición prensada e intentada, que se fabrican mediante arranque de viruta. Son
fácilmente pulimentadles y se deforman muy poco en el tratamiento térmico. El 5 CrMo 10 se
emplea para moldes que se fabrican mediante embutición en frío.
Multiplicador para las sustancias añadidas
Los aceros aleados se designan según su composición química.
En la norma se recogen principalmente aceros de baja aleación, tal como se emplean en
construcción.
En los aceros de baja aleación, la suma de los componentes aleados son los que poseen unos
componentes aleados en proporción por debajo del 5% de la masa.
Los números de aleación detrás de los símbolos indican el porcentaje de elementos aleados.
El contenido medio nominal de los elementos aleados resulta de dividir el número característico por el
multiplicador fijado para este elemento.
Porcentaje = Número característico de la aleación
Multiplicador
Los multiplicadores no son los mismos para todos los elementos aleados. Se colocan detrás de la
abreviatura de la aleación, en la misma secuencia que aquéllos.
Multiplicador 4 Multiplicador 10 Multiplicador 100
Cromo Cr
Cobalto Co
Manganeso Mn
Niquel Ni
Silicio Si
Tungsteno W
Aluminio Al
Molibdeno Mo
Titanio Ti
Vanadio V
Carbono C
Fósforo P
Azufre S
Nitrógeno N
Ejemplo: Acero de cementación aleado 20 MnCr 5
Los elementos de aleación son el manganeso y el cromo, tiene 20 /100 =0,2 % de C
El porcentaje de manganeso es 5/ 4 = 1,25%
Aceros para herramientas de alta aleación
Pertenecen al tipo de aceros de herramientas de alta aleación los aceros rápidos para arranque de
viruta, los aceros para trabajo en caliente con estampas y matrices de prensa, así como los aceros de
pocas variaciones dimensionales para herramientas de corte y estampación. Como la temperatura de
temple de estos aceros está comprendida según su composición y empleo que hayan de tener entre los
920º y los 1320º C y las temperaturas de revenido oscilan entre los 100º y los 670º C hay que
mantener exactamente las prescripciones que para los tratamientos térmicos dan las acererías.
Trabajando con aceros rápidos la velocidad de corte puede ser notablemente más elevada que con los
aceros de baja aleación. Admiten temperaturas de trabajo hasta aproximadamente los 550º C. Su
temperatura de temple es de 1180º C y su temperatura de revendido de 530º a 590º C. Mediante el
revendido a estas temperaturas se produce un aumento de la dureza.
Por ejemplo, la dureza Rockwell de X 80 WCr 18 5 (según la Hoja de Materiales Acero-Hierro S
18-1-2-5) vale después del temple HRC = 63 y por revenido a los 570ºC sube esa duraza a HRC ) 66
28

(revenido elevador de dureza). Este acero se presta especialmente bien para trabajos de desbastado
con grandes velocidades de corte y grandes secciones de viruta. A causa de su elevada duración de
corte y su resistencia al desgaste del acero rápido X 130 WCoMo 10 10 (S 10-4-3-10) se ha
acreditado para trabajos de desbaste y de acabado en tornos automáticos y tornos revólver.
El acero para trabajo caliente X 30 WCrCoV 9 2 se presta para matrices o punzones fuertemente
solicitados con los que se trabajan aleaciones difícilmente prensadles. Se templa ese acero hasta unos
1160º C y se reviene a 630º o 670º C, con lo cual su dureza resulta de HRC
Los aceros rápidos:
Son aceros de alta aleación para herramientas, clases 32 y 33. Mediante un enlace químico del
carbono y el hierro con los elementos aleados, se forman carburos de acero rápido, p. ejemplo. El
Fe4 WCr, los cuales son duros y resistentes al desgaste y a las altas temperaturas. La secuencia de los
componentes es siempre la misma: W-Mo-V-Co (porcentajes aproximados).
Ejemplos: S 3-3-2 - acero para hojas de sierra para metales, tiene 3% W, 3% Mo, 2% V.
S 6-5-2-5 – acero aleado para herramientas (acero rápido), para fresas, brocas helicoidales, machos
de roscar, tiene 6% W, 5% Mo, 2% V, 5% Co.
Aceros de alta aleación
Son aceros con más del 5% en masa de componentes aleados. Antes de la indicación del material se
pone una X. Todos los componentes de la aleación poseen el multiplicador 1; para el carbono es 100.
Ejemplo: acero inoxidable x 5 CrNiMo 18 13
Acero de alta aleación
Índice de carbono
Elementos aleados
X 5 Cr Ni Mo18 13
Bajo porcentaje en Mo
13% de níquel
18% de cromo
5/100 = 0,05% de carbono
Designación de un acero fino de alta aleación
14. EJEMPLOS DE PEDIDOS, NORMALIZACION DE LOS ACEROS
Formas comerciales de los aceros
Los aceros llegan generalmente al comercio en formas normalizadas.
Las acererías suministran: aceros redondos, planos, cuadrados y hexagonales en estado brillante,
laminado en caliente o forjado. Los aceros redondos brillantes se suministran en diámetros de 1 a 200
mm de acuerdo con los campos de tolerancia ISO h11, h9 ó h8 en longitudes hasta de 12 m, los
esmerilados y pulidos incluso dentro de los campos de tolerancia h7 y h6.
29

Las barras planas, cuadradas y hexagonales se fabrican de acuerdo con el campo de tolerancia ISO
h11.
Las chapas se suministran en forma de chapa finísima, fina, media gruesa y chapa para calderas, los
tubos sin soldadura o soldados, el alambre laminado o estirado. Los perfiles L, U, T y Z, así como
los de doble T se suministran en varias dimensiones.
Formas comerciales y símbolos de los aceros - ejemplos de pedidos
Denominación, dimensión y material Símbolo
Acero redondo brillante con diámetro de 32 mm. según ISO
zona de tolerancia h8, de acero para tornos automáticos 35 S
20, forjado en frío.
Rd 32 DIN 670-35 S 20 K
O bien
∅ 32 DIN 670-35 S 20 K
Acero redondo pulido con diámetro de 8 mm. según ISO zona
de tolerancia h9, de acero de herramientas sin alear C 45 K.
Rd 8 DIN 59361 - C 45 K
O bien
∅ 8 DIN 59361 - C 45 K
Acero redondo laminado en caliente con diámetro de 125
mm. de acero de cementación 16 Mn Cr 5, recocido de
calentamiento.
Rd 125 DIN 1013-16 Mn Cr 5 G
O bien
∅ 125 DIN 1013-16 Mn Cr 5 G
Acero hexagonal brillante con 45 mm. entre caras de acero
para tornos automáticos 9 C 20, forjado en frio.
6 kt 46 DIN 176-9 S 20 K
O bien
46 DIN 176-9 S 20 K
Acero plano brillante de cantos vivos con 80 mm. de anchura
y 25 m de espesor de St 50-2, laminado en frio.
FP 80 x 25 DIN 174 – St 50 – 2 K
O bien
80 x 25 DIN 174 – St 50 – 2 K
Acero cuadrado laminado en caliente con 110 mm de lado de
acero calmado Siemens-Martin St 42-2.
4 kt 110 DIN 1014 – MRSt 42 - 2
O bien
110 DIN 1014 – MRSt 42 - 2
Chapa para embutición profunda de acero no calmado con
muy buena superficie mate de 1,5 mm. de espesor, 1000 mm.
ancho y 2000 mm. largo.
Chapa para embutición profunda 1.5 x
1000 x 2000
DIN 1541 – U St 13 05 m.
Chapa para calderas de acero de clase H III con 45 mm. de
espesor, 1500 mm. de ancho y 5000 mm. de largo.
BI 45 x 1500 x 5000 DIN 1543 – HIII
Tubo de acero semipesado, soldado, con diámetro nominal de
2 ½”, cincado.
Tubo roscado 2 ½” DIN 2440 cincado.
Tubo de acero de precisión sin soldadura con 60 mm. de
diámetro exterior y 4 mm. de espesor, de St 45, recocido de
normalización.
Tubo 60 x 4 DIN 2391 – St 45 N.
Alambre de acero cincado con diámetro de 2.8 mm. Alambre de acero 2.8 DIN 177 cincado
Alambre de acero de resorte de la clase C. con diámetro de
0.18 mm.
Alambre 0.18 C DIN 2076 C.
Acero angular de lados iguales con lados de 60 mm. y 8 mm.
de espesor, de St 34.
L 60 x 8 DIN 1028 – St. 34
Acero angular de los lados desiguales de 130 mm. y 75 mm.
respectivamente y 10 mm. de espesor, de St 37 – 3 y colada
especialmente calmada.
L 130 x 75 x 10 DIN 1029 – St 37 – 3
Acero T de alma alta de 120 mm. y acero Martin St 42 T 120 DIN 1024 – M St 42
Acero T de patin ancho con 35 mm. de altura de St. 37 – 2,
calmado
TB 35 DIN 1024 – R St 37 – 2
30

Acero U con 240 mm. de altura colado sin calmar, acero
Thomas St. 34
U 240 DIN 1026 – TUSt 34
Acero Z con altura de 50 mm. de St 37. Z 50 DIN 1027 – St 37
Viga T estrecha con altura de 400 mm. de St 50 T 450 DIN 1025 St 50
Viga doble T de alas anchas con superficies paralelas en alas
de 700 mm. de altura y de acero St 37-2
PB 700 DIN 1025 – St 37 – 2
Viga doble T de alas anchas con las superficies interiores de
las alas inclinadas de 160 mm. de altura y de St 37
B 160 DIN 1025 – St. 37
Normalización de materiales para el acero y el hierro
La designación de materiales según las normas DIN hace posible la indicación de la clase de material
mediante signos abreviados. De este modo se consigue en forma muy corta una clara inteligencia
entre el fabricante, el comerciante y el que ha de trabajar con el material.
Datos en las tres partes de la designación del material
Parte referente a la
fabricación
Parte referente a la
composición
Parte referente al
tratamiento
Clase de función, propiedades
especiales, signos de materiales
colados
Composición, resistencia, a tracción,
grupo de calidad
Tratamiento térmico, clase de
deformación, alcance de la
garantía.
Contiene solamente letras, no
hay cifras
Empieza con C o St o con cifras y
termina con cifras
Empieza con letras o con un
punto.
Ejemplos:
Parte referente a
la fabricación
Parte referente
a la composición
Parte referente al
tratamiento
La designación del material
contiene
GS 17 Cr MoV 5 11 N
Parte referentes a la fabricación,
composición y tratamiento.
TR St 42-2
Parte referente a la fabricación y
composición
Ck 45 V 75
Parte referente a la composición y
tratamiento.
18 Cr Ni 8
Solamente parte referente a
composición
Denominación sistemática de los materiales de hierro y de acero
La designación de materiales para el hierro y el acero está fijada en DIN 17006.
Mediante esta designación pueden expresarse la fabricación, la composición, el estado de tratamiento
y las propiedades de los materiales férreos. Se emplean para ello letras y cifras. Su significado
depende del lugar que ocupan y del orden de sucesión en que aparecen en la designación del material.
Una designación de material completa se compone de tres miembros principales: la parte referente a
la fabricación, la referente a la composición y la referente al tratamiento.
31

Datos en la parte referente a la fabricación
En la referente a la fabricación no hay nada más que letras.
Las letras dan información sobre la clase de fusión. Así, por ejemplo, significan B = acero Bessemer,
T = acero Thomas, E = acero al horno eléctrico. Además pueden citarse propiedades especiales, por
ejemplo, S = soldable por fusión, R = colada reposada, A1
= resistente al envejecimiento. Otras letras
dan la clase de los materiales que se cuelan, por ejemplo, GG2
- = hierro colado o fundición gris, GS3
- = acero colado, GT4
- = fundición maleable. Los símbolos indicativos del material colado se
separan del resto de los datos mediante un guión.
Datos en la parte referente a la composición
En la parte referente a la composición del material se indican ya sea la composición o ya la
resistencia a la tracción o ya el grupo de calidad de los aceros.
Los elementos añadidos al material se indican mediante los símbolos químicos correspondientes. Si
en el acero existen varios materiales de adicción, los símbolos químicos correspondientes se ordenan
según la cuantía del contenido empezado por el valor máximo.
Las designaciones para aceros corrientes de construcción comienzan con el símbolo St (acero)5
al
cual sigue un dato sobre la resistencia.
Los aceros sin alear que son adecuados para un tratamiento térmico, llevan al principio el símbolo C
(carbono) al cual sigue en los aceros con alto grado de pureza la letra k (Ck). En los aceros aleados
se suprimen estas letras. Para caracterizar los aceros de alta aleación se antepone referente a
composición la letra X.
En los aceros corrientes de construcción, la cifra que va detrás del símbolo St indica la resistencia
mínima a tracción en kp/mm2
, así por ejemplo, St 42 es un acero con 42 kp/mm2
de resistencia
mínima a la tracción.
42 a HRC = 51.
El acero de pobres variaciones dimensionales X 210 CrW121 se emplea para punzones y placas de
corte fuertemente solicitados. Las temperaturas de temple se hallan comprendidas entre 920º y 980º
C y las de revenido entre 100º y 350º C. Se caracteriza por reducida deformación al templar,
magnífica duración de facultades de corte y elevada resistencia al desgaste. Para punzones de
penetración o rehundir con los que se consiguen en frío formas o moldes huecos, por ejemplo en
herramientas para fundición inyectada, se presta bien el X 170 CrMo 12, ya que este acero tiene una
gran resistencia a la compresión con una buena tenacidad.
14. TRATAMIENTO TERMICO
Los tratamientos térmicos se proponen modificar la estructura de los materiales metálicos mediante
calentamiento y dar con ello a los materiales otras propiedades.
Tratamiento térmico de los aceros
Las herramientas y las piezas de máquinas tienen que tener una dureza, una permanencia de poder
cortante y una resistencia adecuadas a la utilización que han de tener. El filo de un cincel, por
ejemplo, ha de estar enteramente templado. Los dientes de una rueda dentada, por el contrario, deben
tener capas exteriores duras y con ello resistentes al desgaste. Los núcleos de los dientes sin embargo,
32

tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elásticamente ante de las
solicitaciones a choques y a la flexión, Estas diferentes propiedades pueden obtenerse mediante la
elección de un material apropiado y de un conveniente tratamiento térmico.
Componentes de la estructura y transformación, o conversión, de la estructura de un acero no
aleado
Para las propiedades en el acero no aleado al contenido del carbono es una circunstancia de carácter
decisivo. Según sea el contenido de carbono se pueden distinguir tres grupos principales de aceros no
aleados:
Acero con un 0,86% de contenido de C, acero eutectoide del griego (eutectoide, = nivelado,
igualado) tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa
cristales homogéneos, uniformes. Estos cristales se llaman perlita, a causa de su aspecto perlado,
nacarado, en la micrografía metalográfica.
Acero con menos de un 0,86% de C, acero hipereutectoide que contiene demasiado poco C para
poder formar estructura que esté constituida únicamente por cristales de perlita; queda todavía ferrita
sobrante. Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita-perlita.
Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita.
33

El acero con más de un 0,86% de C, acero subhetectoide, contiene tanto C, que después de la
formación de perlita queda todavía sobrante carburo de hierro (cementita). Es una estructura no
equilibrada y se designa con el nombre de perlita- cementita. Los cristales de hierro y carbono
(carburo de hierro Fe3C) se llaman cementita. La cementita es el componente más duro de la
estructura del acero.
Los diferentes estados de la estructura, que son dependientes del contenido de C y de la temperatura,
aparecen representados en el diagrama hierro-carbono.
Diagrama hierro - carbono.
En el caso del acero con 0,86% de C se realiza la transformación de la estructura repentinamente al
llegar el calentamiento a los 723º C (punto de transformación). En este punto se descompone la
perlita y en carbono se disuelve completamente en el hierro. Este proceso se consuma en el estado
34

sólido, se forma una disolución sólida. La nueva estructura formada de Hama austenita, por el
nombre del investigador inglés Austen.
En los aceros con menos de un 0,86% de C al llegar con el calentamiento a los 723º C (línea P-S,
-puntos inferiores de parada o de transformación-, pasa toda la perlita a la solución, mientras que la
ferrita restante se transforma en austenita en el campo de temperaturas comprendido entre las líneas
P-S y G-S (-puntos superiores o de transformación-).
Por encima de la línea G-S ha pasado a austenita toda la ferrita restante.
Los aceros con más de un 0,86% de C cambian su estructura al sobrepasar la línea S-K. La perlita
pasa a austenita; la cementita no se transforma. Para el temple se calientan los aceros unos 30º a 60º
por encima de la línea G-S-K para tener plena garantía de haberse obtenido una superficie
transformación estructural (línea de temperaturas de temple H-J)
En el enfriamiento lento vuelve la estructura a su estado de partida. Pero si el acero se hace enfriar
bruscamente desde un estado por encima de la línea H-J no hay tiempo para la evolución regresiva
de la estructura, sino solamente para la transformación. De la austenita se forma que va desde
estructura de agujas finas hasta una estructura finamente granulada que es de dureza varias veces
mayor que la de la ferrita.
Esta nueva estructura se llama martensita, nombre dado en recuerdo del investigador alemán
Martens. En este proceso se apoya el templado de los aceros.
Para los aceros aleados no es aplicable el diagrama hierro-carbono, ya que la influencia de los
componentes de la aleación y la del carbono se sobreponen frecuentemente.
35

La austenita formada al calentar para el templado es muy poco estable. Se transforma, al enfriarse,
nuevamente en la estructura de partida del acero. La estructura austenita se hace, mediante
abundante aleación de níquel y manganeso, por ejemplo, tan estable que permanece inalterable hasta
bajar la bajar la temperatura al nivel ambiente. Estos aceros así obtenidos se llaman aceros
austeníticos. Permanecen a este tipo, por ejemplo, los aceros
X 5 CrNi 1811 y X 120 Mn 12.
Recocido
En el tratamiento térmico de los aceros se distinguen entre recocer y templar. Se entiende por recocer
la operación de calentar lentamente a una determinada temperatura, la detención a esa temperatura y
el lento enfriamiento subsiguiente.
Se distingue entre recocido para eliminar tensiones, recocido para ablandar y recocido de
normalización.
El recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada, el
cilindrado, la forja, la soldadura o por una conformación con fuerte arranque de viruta. Para ello se
calientan las piezas de una a dos horas y a continuación se enfrían muy lentamente. Las temperaturas
para aceros sin alear están comprendidas entre los 550 °y los 600 ° C; para aceros de baja aleación la
temperatura será de 650° a 700 °C.
Con el recocido de ablandamiento se vuelven a ablandar, para poderlos trabajar bien, los aceros
templados o los endurecidos en frío. Se calienta el acero durante el número de horas que indiquen las
prescripciones del fabricante y después se deja enfriar lentamente. Los aceros sin alear se calientan a
temperatura entre los 680° y los 730°C, los de baja aleación entre los 710° y los 730°C y los de alta
aleación desde los 800° a los 850°C.
El recocido de normalización se emplea cuando la estructura ha obtenido en el cilindrado, en la
forja, en la colada o por tratamiento de calentamiento, por ejemplo en el cementado, una granulación
desigual o gruesa. Las piezas obtienen con ello nuevamente una estructura fina y regular.
Generalmente basta con un calentamiento de corta duración a temperatura que para los aceros no
aleados es de 820° a 910°C y para los de baja aleación de 850° 920°C.
Defectos en el recocido
El recocido a temperatura demasiado bajo no da la deseada transformación de estructura. Así por
ejemplo, el acero reforzado en frío puede no ablandarse suficientemente.
Con recocido a temperatura demasiado alta el acero resulta recalentado y con ello su granulado se
hace basto. Ahora bien, mediante repetición del recocido, pero de modo correcto (normalización),
puede afinarse de nuevo. Si el acero al carbono se calienta hasta el rojo blanco, se quema el carbono
y el acero resulta totalmente inutilizado.
El acero quemado es inservible.
Un recocido demasiado largo a temperatura correcta disminuye la resistencia por formación de
granulación basta. Existe además el peligro de que el acero se descarbure en las zonas marginales
por combinarse el carbono con el oxígeno del aire.
36

El acero no se endurece en las capas descarburadas.
TEMPLE
El templado del acero se realiza en tres escalones: calentamiento a temperatura de temple, detención a
esta temperatura y enfriamiento rápido.
Calentamiento
El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y después llevarlo rápidamente a la
temperatura de temple.
Enfriamiento rápido
Esta rápida substracción de calor evita la regresión de la estructura. La dureza conseguida depende
no solamente de la composición de los aceros, sino también de la rapidez del enfriamiento. La
velocidad mínima de enfriamiento que se necesita para evitar la regresión de la estructura y con ello
la obtención de la dureza, se llama velocidad crítica de enfriamiento. Para evitar tensiones y grietas
de temple hay que realizar el enfriamiento a velocidad tan baja como se pueda. Esta velocidad
depende de la clase de acero, por esto se necesita disponer de medios enfriadores de acción brusca y
de acción más suave.
Con agua se obtiene un rápido enfriamiento. Su temperatura será de 20ºC. Las adiciones de sal
común y de ácidos aumentan la acción refrigeradora. Las adiciones de lechada de cal, glicerina y
aceites solubles en agua suavizan esa acción. El agua caliente obra más suavemente que la fría. En
algunos aceros la temperatura del medio enfriador tiene que estar por debajo de los 20º C para pasar
a martensita la austenita (austenita restante) todavía no transformada. Se mezcla para ello agua con
hielo o se emplean mezclas hielo - sal. Con nieve carbónica como medio refrigerante se obtienen
-70º C.
Los aceites actúan más suavemente que el agua. Se emplean aceites minerales. Se han desarrollado
aceites para templar cuyas velocidades de refrigeración son aproximadamente dobles que las de los
aceites normales.
El aire en reposo da la refrigeración más lenta; con aire seco de soplante se obtienen velocidades de
enfriamiento más pequeñas.
Revenido
El revenido es volver a calentar después del temple.
37

Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas. Según sea la temperatura de
revenido así se elevan con ello más o menos la tenacidad del acero, pero también disminuirá
correlativamente su dureza. Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados
colores de revenido, de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada. Los colores
de revenido se forman por la piel de óxido que se hace cada vez más gruesa, variando con ello la
refracción. Cuando se presenta el color de revenido deseado vuelve a enfriar bruscamente. El acero
tiene ahora la tenacidad necesaria para la aplicación que ha de tener y al mismo tiempo también la
necesaria dureza de uso.
Mediante envejecimiento (almacenaje) pierden las piezas las tensiones internas formadas en el
tratamiento térmico, sin que por ello disminuya su dureza.
Con el envejecimiento natural se prolonga este proceso a temperatura ambiente un largo espacio de
tiempo. Las piezas trabajadas previamente y endurecidas después por ejemplo calibres normales de
caras paralelas, tienen, por esta razón, que guardarse en almacén hasta doce meses antes de que se
las pueda trabajar a sus medidas definitivas.
En el caso de envejecimiento artificial se produce la distensión en tiempo notablemente más corto y
especialmente con calentamiento entre 100º C y 15º C se produce la distensión hasta en 200 horas.
El mismo efecto se obtiene todavía en menor tiempo mediante tratamiento con ultrasonido o por
medio de vibración. En el fondo, el revenido es en realidad un envejecimiento artificial.
TEMPLADO POR NITRURACIÓN
La nitruración es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitrógeno por la superficie de la
pieza. En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitrógeno, los llamados nitruros.
Estos componentes son aquí los que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al
súbito enfriamiento del temple. Producen una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida
en la cementación con carbono. La profundidad de dureza es solamente de algunas décimas de
milímetro.
Se distingue entre nitruración mediante gas y nitruración mediante baño.
En la nitruración con gas se somete la pieza introducida en un horno calefaccionado eléctricamente
a temperatura entre los 505ºC y los 520 ºC a la acción de una corriente de gas amoniaco (NH3)
durante 12 a 96 horas.
38

Instalación de nitruración
Con esto penetra el nitrógeno del gas amoniacal en la capa exterior de la pieza. Si hay partes de la
pieza que no deben ser endurecidas, se estañarán o se cubrirán con pasta. El barro de arcilla es
permeable al nitrógeno y por ello inadecuado. Las piezas largas tales como árboles o husillos pueden
nitrurarse con gas suspendiéndolas libremente en muflas altas. Para la nitruración gaseosa se prestan
únicamente los aceros que están aleados con cromo y aluminio, como por ejemplo los aceros 27 CrAl
6 ó los 33 CrAlNi.
El nitrurado en baño (cianurado) es una nitruración realizada en baños que contienen cianógeno
(cianuros de potasio y de sodio). Con objeto de evitar una cristalización de sal fundida se llevan las
piezas precalentadas al baño calentado a temperatura comprendida entre los 500º y los 550º C y se
dejan allí durante 10 a 90 minutos. A continuación se refrigeran las piezas exponiéndolas al aire en
reposo y finalmente se enjuagan con agua. Para esta nitruración en baño se prestan los aceros para
construcción aleada y sin alear, los aceros resistentes a la oxidación y los ácidos, así como el hierro
fundido y el sinterizado. Mediante la nitruración en baño aumenta notablemente la duración de las
herramientas de acero rápido y de las que han de trabajar en caliente.
El endurecimiento por nitruración tiene frente a otros procedimientos de endurecimiento o de temple
superficial las siguientes ventajas: temperatura de tratamiento relativamente más baja (500º a 520º
C); endurecimiento sin el enfriamiento súbito y con ello ausencia de deformaciones; la más alta
dureza de superficie obtenible en el acero y en la fundición de hierro; la dureza se mantiene
(estabilidad de revenido) hasta más allá de los 500º C; las piezas pueden recibir su trabajo de
acabado antes de nitruración, ya que no se produce costra alguna de óxido ni queda ningún sensible
aumento de volumen; se obtiene una mejor facilidad de deslizamiento y una mayor resistencia al
desgaste por frotamiento entre superficies nitruradas. El endurecimiento por nitruración encuentra
aplicación en aquellas piezas o partes de las máquinas, que están expuestas a altas temperaturas de
funcionamiento y que han de ser además resistentes al desgaste y a la fatiga, así como resistentes a la
corrosión. Estas piezas son, por ejemplo, camisas para cilindros, válvulas de escape de motores de
combustión interna, así como ruedas dentadas de bombas y husillos.
La Carbo nitruración es un procedimiento mixto. En él se carbura (se cementa) y se nitrará
simultáneamente. Este procedimiento es en realidad un procedimiento de templado o endurecimiento
por cementación. La adición de carbono contribuye a que se establezca una buena unión entre la capa
nitrurada, y muy dura, con el material de base.
Se distingue entre carbonitruración por medio de gas (amónico, metano, propano) o por medio de un
baño.
TEMPLE POR CEMENTACIÓN
39

En los aceros con menos del 0,3 % en masa de carbono, la transformación en martensita no produce
ningún aumento notable de la dureza. Con ayuda del carbono que penetra por difusión se consigue,
sin embargo, carburar suficientemente la capa exterior de las piezas. El procedimiento se denomina
endurecimiento por cementación.
Se denomina cementación a la carburación de las piezas con un tratamiento térmico ulterior que
produce su endurecimiento.
Las capas exteriores se enriquecen con carburo (carburación) o con carbono y nitrógeno
(carboniruración). Esto se consigue a temperaturas entre 860ºC y 930ºC con agentes de carburación
sólidos, como el carbón vegetal o el negro de humo, con agentes líquidos, como los cianuros potásico
o sódico, o con gases como el gas de la red o el metano. La profundidad de cementación varía entre
0,01 y 5 mm. Por medio de un enfriamiento brusco ulterior se consigue el temple (formación de
martensita) de la capa exterior carburada. Es ventajoso que la profundidad de cementación sea
uniforme, independientemente de la forma de la pieza.
Aceros para cementación
Aceros de calidad: C10 , C15
Aceros finos: Ck 10, Ck 15, 16 Mn Cr 5 , 18 Cr Ni 8.
Aceros de herramientas
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Los aceros de herramientas sirven para trabajar otros materiales con o sin arranque de viruta. Se
clasifican según su composición en aceros sin alear, débilmente aleados o fuertemente aleados; según
el procedimiento empleado para su enfriamiento brusco, o temple, en aceros templados al agua, al
aceite o al aire y según su aplicación (temperatura de trabajo) en aceros para trabajo en frío o para
trabajo en caliente. El contenido de carbono de herramientas sin alear y de los de baja aleación está
comprendido entre 0,5 y 1,5%; los aceros de herramientas de alta aleación pueden llegar a contener
hasta un 2,2% de carbono.
DIN 17006 ofrece la posibilidad de designar los aceros de herramientas independientemente de las
marcas con que los designan las firmas fabricantes. De la composición de los aceros se puede deducir
su aplicación. Todos los aceros de herramientas, incluso los no aleados, son aceros finos, ya que
poseen un elevado grado de pureza y han sufrido un trabajo posterior cuidadoso.
Con aceros para trabajo en frío pueden trabajarse materiales con arranque de viruta y sin arranque
de viruta. Partiendo de ellos se fabrican cuchillos para torno y para cepilladuras, brocas, fresas,
herramientas para tallado de roscas y herramientas para cizallar y para estampar.
Con aceros para trabajo en caliente se confeccionan troqueles para forja y prensa, moldes para
colada a presión, matrices para prensas de extorsión, cizallas para corte en caliente, etc. Con ellos se
trabajan en caliente lo mismo el acero que los metales pesados y los ligeros.
Las denominaciones templados en agua, en aceite o al aire brindan al taller una posibilidad de
discriminar los aceros según el medio que hay que emplear para su enfriamiento en el templado.
Aceros de herramientas sin alear (aceros al carbono)
En los aceros de herramientas sin alear el contenido de carbono (0,5 a 1,5% C) es decisivo para el
empleo. Cuanto más elevado sea el contenido de carbono, mayor será la dureza alcanzable. Los
aceros de herramientas sin alear se templan a 760º hasta 850º C y según el empleo que hayan de tener
se revienen a 200º hasta un 300º C. Un acero con la designación DIN 17006 C 150 W1 se hace más
duro que un acero de alta aleación pero pierde su gran dureza a una temperatura de trabajo que
sobrepase los 200º C. La temperatura de forja de los aceros para herramientas sin alear está
comprendida entre los 1000º y los 800 0
C.
El acero C 150 W1 se emplea para limas triangulares de afilar sierras y para turbo-herramientas. El
acero C 110 W1 se presta por esta razón de su buena templabilidad y suficiente tenacidad para
herramientas de arranque de viruta, el acero redondo pulido (llamado también acero plata) según DIN
175 se fabrica de C 110 W1, de acero de baja aleación o de acero rápido. Para herramientas sencillas
de corte o de estampación se presta bien el C 90 W2. Los cinceles y los martillos se hacen con C 75
W3 y las cuchillas de tijera, hachas, etc., con C 55 WS.
Aceros de herramientas de baja aleación
Los aceros de herramientas de baja aleación van aleados con Cr, W, Ni Mo y V hasta un total del
5%. Su temperatura de temple se halla comprendida entre los 780º y los 850º C y la temperatura de
forja entre 1100º y 900º C. Hay que tener, sin embargo, en cuenta las prescripciones de tratamiento
de las casas suministradoras. Admiten en el arranque de viruta velocidades de corte más elevadas que
los aceros de herramientas sin alear. Pierden su dureza y su consistencia del corte sólo cuando se
llega a temperaturas de trabajo de los 400º C.
Los aceros de baja aleación son también adecuados para herramientas de cizallamiento y
estampación, troqueles, moldes para colada a presión por inyección y para prensado, así como para
instrumentos de medición.
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