El documento habla sobre la introducción a la siderurgia y las características de los aceros. Explica que el acero es una aleación de hierro y carbono, y describe los procesos de obtención del acero como el alto horno y los métodos de refinado como el proceso de Bessemer, de oxígeno y de arco eléctrico. También clasifica los aceros según su contenido de carbono y elementos de aleación.

1. El acero Introducción a la siderurgia y características de los aceros

2. El acero El acero como material Obtención del acero Clasificación de los aceros Características básicas Incidencia de los elementos de aleación Tratamientos térmicos Recocido Normalizado Temple Revenido Otros tratamientos

3. El acero ¿Qué es el acero? Los metales y aleaciones empleados en la industria se pueden dividir en dos grandes grupos: Materiales NO Férreos No contienen Hierro Aluminio, zinc, cobre, níquel, plomo, titanio, etc. Aleaciones de los mismos Materiales Férreos Contienen el Hierro (Fe) como elemento principal Hierro dulce Ferro-aleaciones Aceros

4. El acero ¿Qué es el acero? (cont.) El acero es básicamente una aleación o combinación de Hierro (Fe) y Carbono (C), con un contenido de Carbono comprendido entre 0,05% y 2% aproximadamente. Esta combinación va acompañada de otros elementos de aleación, deseados o no, como se verá más tarde Obtención del acero El hierro no existe como elemento libre en la naturaleza. Se encuentra combinado (óxidos, silicatos, etc.) Los elementos principales para la obtención del acero son: Mineral de Hierro (Fe 2 O 3 ) Coque Piedra caliza Aire

5. El acero - Obtención El alto horno Depósito troncocónico en el que se cargan desde arriba capas alternadas de mineral de hierro y coque Al quemarse el coque, libera monóxido de Carbono (CO) El CO se combina con los óxidos de hierro, y los reduce a hierro metálico. La reacción química fundamental del alto horno es: Fe 2 O 3 + 3 CO 3 CO 2 + 2 Fe La caliza actua como fundente, se combina con la Sílice que hay en el mineral y forma SiO 3 Ca de menor punto de fusión, formando una escoria que flota sobre el metal fundido El arrabio resultante tiene un 92% de Fe entre un 3 y 4% de C entre 0.5% y 3% de Si

6. El acero - Obtención El arrabio resultante tiene un 92% de Fe entre un 3 y 4% de C entre 0.5% y 3% de Si entre 0.25% y 2.5% de Mn entre 0.04% y 2% de Fósforo algunas partículas de Azufre Este producto no puede ser empleado en la industria, por su elevado contenido de “impurezas” Hay que refinarlo

7. El acero - Refinado Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consite en quemar el exceso de carbono y otras impurezas Existen varios métodos de refinado: Proceso Bessemer. Convertidor en forma de pera, que se inclinaba laterlamente para la carga y descarga. Grandes cantidades de aire a través del metal fundido El oxígeno se combina con las impurezas y las elimina. El proceso más antiguo. En desuso

8. El acero - Refinado Proceso de lanza de oxígeno Parecido a Bessemer. Forma de pera Substituye el aire por una lanza de oxígeno puro Después de haberse completado la inyección de oxígeno, se analiza el contenido de carbono y la composición química de diversas muestras de la masa fundida. Cuando la composición es correcta, el horno se inclina para verter el acero fundido en una olla de colada. Se emplea generalmente para producir altos tonelajes de acero con un bajo nivel de carbono, que son los de mayor consumo. El proceso de refino dura menos de 45 minutos No se emplea para aceros aleados, por ser costoso

9. El acero - Refinado Proceso de Solera abierta (Open Hearth) Para poder llegar a las altas temperatursa de fusión del acero (>1400ºC), se utiliza un precalentado regenerativo del combustible gaseoso Los gases del horno pasan por una serie de cámaras llenas de ladrillos a las que ceden gran parte del calor A continuación se invierte el flujo através del horno, y el aire y el combustible son calentados por las paredes de ladrillo Se alcanzan temperaturas superiores a 1.650ºC El horno se carga con una mezcla de arrabio, chatarra de acero y mineral de hierro. Se añade caliza como fundente y fluorita para fluidificar la escoria El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad de acero en 45 minutos aproximadamente. Debido a esto, este horno ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno Básico.

10. El acero - Refinado Horno de arco eléctrico Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero Alcanza temperaturas de hasta 1930ºC y puede controlarse con mucha precisión. No se emplea combustible alguno, no se introduce impurezas Se carga con chatarra de acero seleccionada. El resultado es un acero más limpio. Se forma un arco eléctrico entre los electrodos gigantes y la carga metálica,que produce un calor tremendo que funde la chatarra Se inyecta oxígeno con una lanza para eliminar exceso de C, y se añaden elementos aleantes

11. El acero - Desgasificación A continuación del refinado, hay que eliminar el exceso de gases absorbidos o producidos durante el proceso Si no se eliminan estos gases se puede producir sopladuras, inclusiones, microfisuras, etc.. La desgasificación del acero fundido se lleva a cabo por medio del vacío sobre la superficie de la masa líquida. El gradiente de presiones entre el interior y la superficie, hace que los gases fluyan al exterior.

12. El Hierro – Formas Alotrópicas Formas alotrópicas Son las diversas formas en que un metal alotrópico puede presentarse, según su estructura cristalográfica Metal alotrópico Metal monocomponente o monofásico que, sin haber variado su composición química, sufre un cambio reversible de su estructura cristalina El Hierro es un metal alotrópico que pasa de.. Hierro Alfa (b.c.c.), desde Tª amb. Hasta 910ºC Hierro Gamma (f.c.c.) desde 912ºC hasta 1.500ºC Hierro Delta (b.c.c.) desde 1.500ºC hasta 1.540ºC

13. El Hierro – Formas Alotrópicas Hierro Alfa (b.c.c.) Cristaliza en b.c.c., o cúbica de cuerpo centrado Los parámetros de red son iguales, la estructura es un cubo perfecto Un átomo completo se coloca en el centro del cubo y 8 átomos en las esquinas Por cada “cubo” o celda unitaria hay, pues 1 + 8 x 1/8 de átomos = 2 átomos Hierro Delta (b.c.c.) Similar a la fase Alfa, sólo que está presente a Tº superior 1.400ºC Las fases Alfa y Delta son Magnéticas

14. El Hierro – Formas Alotrópicas Hierro Gamma (f.c.c.) Fase que cristaliza en f.c.c. (cúbica de cara centrada), en la que 6 átomos se ubican en las caras de la celda o “cubo” y 8 átomos en las esquinas La celda unitaria tiene, pues, 8 átomos x 1/8 + 6 átomos centrados en las caras x ½ = 4 átomos Es más densa que la b.c.c. ( factor de llenado 0,74 contra 0,68) En los “huecos” se alojarán los átomos de carbono No magnético

15. Acero – Otras estructuras Austenita: Solución sólida de C en Hierro Gamma La máxima solubilidad es del 2% de C a 1.130ºC Carga de rotura, 150 Ksi, dureza Rockwell C 40, elongación 10% en 2” Tenacidad alta Generalmente no es estable a Tª ambiente, aunque hay circunstancias en que sí (Aceros inoxidables austeníticos) Cementita: Carburo de Hierro Fe 3 C con un 6.67% de C Compuesto intersticial muy duro y frágil Es el más duro del diagrama Su estructura es ortorrómbica

16. Acero – Otras estructuras Ferrita: Solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de C disuelto en hierro  Máxima solubilidad, 0,025% de C a 723ºC Disuelve sólo 0,008% de C a Tª ambiente Es la estructura más suave del diagrama Carga de rotura, 40 Ksi, dureza menor que Rockwell C 0, elongación 40% en 2” Perlita: Mezcla eutectoide que contiene 0,8% C y se forma a 723ºC, a un enfriamiento muy lento Formada por finas capas alternadas de Cementita y Ferrita Resistencia a la tracción. 120 Ksi, Dureza Rockwell C 20 , elongación 20% en 2”

17. Acero – Otras estructuras Martensita: Solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en hierro Alfa, lo que produce una estructura b.c.t (Tetragonal de cuerpo centrado) Es una estructura distorsionada, razón de su dureza (Rockwell C 64) Muy frágil Formada por un enfriamiento muy rápido del acero que no deja que el C se difunda fuera de la estructura de austenita, quedando el C atrapado en la solución

18. Aceros - Diagrama Fe-C

19. El acero - Clasificación Atendiendo al contenido de Carbono Aceros Hipoeutectoides Contenido en Carbono inferior a 0,8% Aceros Eutectoides Contenido en Carbono igual a 0,8% Aceros Hipereutectoides Contenido en Carbono comprendido entre 0,8% y 2% Los aceros de construcción, soldables son todos del tipo Hipoeutectoide

20. Estructura de un acero Hipoeutectoide Componentes de un acero con un 0,4% C Estructura Austenítica 100% Parte de la Austenita se convierte en Ferrita Un poco antes de 723ºC, hay un 50% de Austenita y un 50% de Ferrita A los 723ºC, toda la austenita se transforma en Perlita  + Fe 3 C)  quedando a Tª ambiente, un acero con 50% de Ferrita primaria y un 50% de Perlita 1 2 3 4

21. El acero - Clasificación Atendiendo a los elementos constituyentes Aceros al Carbono Contienen, además de Fe y Carbono; Manganeso (Mn) =< 1,65% Silicio (Si) =<0,6% Cobre (Cu) =<0,6% Azufre (S) =<0,05% Fósforo (P) =<0,05% Aceros Aleados

22. El acero - Clasificación Atendiendo a los elementos constituyentes (cont) Aceros Aleados Microaleados; contienen pequeñas cantidades de elementos capaces de formar Carburos, Nitruros, etc Niobio (Nb), Ti tanio (Ti), Vanadio (V) Aceros Aleados; contienen cantidades más significativas de elementos aleantes, para aplicaciones específicas Cromo (Cr), Molibdeno (Mo), Niquel (Ni), Vanadio (V), y mayor cantidad de Manganeso (Mn) y Silicio (Si) Aceros Inoxidables Son aceros aleados en los que el elemento principal de aleación, que los previene de la corrosión es el Cromo (Cr),con un valor superior al 12%

23. El acero - Clasificación Aceros Inoxidables (cont) Hay tres tipos principales Aceros ferríticos: estructura ferrítica a cualquier temperatura 15-18% de Cr C =<0,12% Más resistentes a la corrosión que los martensíticos Difíceles de soldar. Son magnético Aceros martensíticos: estructura martensítica, de gran dureza Diferentes grados de composición, pero con alto contendo en C (hasta 1,2%) No soldables Resistente a corrosión y desgaste. Cuchillería

24. El acero - Clasificación Aceros Inoxidables (cont) Aceros Austeníticos Presentan una estructura austenítica a cualquier temperatura, por su alto contenido en Niquel (Ni) Baja conductividad calorífica (La mitad que la de los aceros al C). Se deforman mucho Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, agua de mar, productos alimenticios, etc Soldables, con cierto cuidado en las temperaturas entre pasadas 304 : Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10% 316: Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%, Mo entre 2 y 3%

25. El acero - Características básicas Las características mas importantes en un acero de construcción son Elasticidad Es la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza. Carga de rotura Máxima carga soportada de manera continua, hasta la rotura Dureza Resistencia a ser “rayado” por otro cuerpo Ductilidad La habilidad del metal para fluir plásticamente antes de fractura . Tenacidad Capacidad de absorber energía en un impacto

26. El acero - Características básicas ¿Cómo se miden estas características básica? Mediante ensayos mecánicos y análisis químicos Elasticidad (límite elástico), carga de rotura, ductilidad, por medio del ensayo de Tracción Dureza, por medio de los diferentes ensayos de dureza (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore) Tenacidad, por medio del ensayo de Resiliencia o impacto (Péndulo Charpy, Péndulo Izod) La composición química del material nos va a revelar el contenido de cada elemento, lo que va a incidir directamente en los parámetros anteriores Análisis micro y macrográfico, para observar la estructura del material.

27. Incidencia de los elementos de aleación en la soldabilidad de los aceros Soldabilidad : Aptitud de los metales a ser unidos por soldadura Tipos: Soldabilidad Operativa Condiciones en las que deben realizarse las uniones para que no aparezcan defectos. Soldabilidad Metalúrgica Ligada a las transformaciones físico-químicas que sufre el metal base durante el ciclo térmico de la soldadura Soldabilidad Constructiva Debida a las propiedades de conjunto de las construcciones soldadas

28. Incidencia de los elementos de aleación en la soldabilidad de los aceros La soldabilidad de los aceros al Carbono depende, a la vez, del contenido de ese elemento y de las impurezas que pueda llevar bien en estado disuelto – sulfuros, fosfuros, nitruros – o bajo forma de inclusiones Por regla general, cuantos más elementos de aleación, menor es la soldabilidad Un parámetro que define de manera práctica la soldabilidad de un acero al carbono y aleado, el el Carbono Equivalente (IIW) Cev = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15 Los aceros con Cev superiores a 0,45 son soldables pero hay que tener un cuidado especial Los aceros con Cev > 0,35 requieren precalentamiento, por regla general

29. El acero - Incidencia de los elementos de aleación CARBONO Elemento de mayor influencia en la soldabilidad de los aceros Cuando %C aumenta Aumenta Disminuye El límite elástico La carga de rotura La dureza Ductilidad Tenacidad Soldabilidad Facilidad de mecanizado Cuando el enfriamiento es muy rápido, da lugar a zonas templadas, duras y frágiles, en ZAT, que pueden agrietarse en el enfriamiento Aceros con un contenido en C superior a 0,3% son dificilmente soldables

30. El acero - Incidencia de los elementos de aleación AZUFRE En general, elemento perjudicial. Conviene mantenerlo por debajo del 0,05% Cuando %S aumenta Aumenta Disminuye Facilidad para la mecanización Ductilidad Soldabilidad El azufre reacciona con el hierro, dando Sulfuro de Hierro, que es soluble en el acero fundido, formando un eutéctico Fe-Sfe a unos 980ºC, que se deposita en los bordes de los granos de austenita, facilitando el “agrietamiento en caliente”

31. El acero - Incidencia de los elementos de aleación FOSFORO En general, elemento perjudicial. Conviene mantenerlo por debajo de 0,05%. Valores superiores producen “Fragilización en Frío” Cuando %P aumenta Aumenta Disminuye Facilidad de mecanizado Resistencia a la tracción Ductilidad Soldabilidad Durante la solidificación, el Fósforo reacciona con el Hierro formado Fosfuro de Hierro Fe 3 P, que aumenta el tamaño del grano, y en consecuencia, la fragilidad en fío Para no afectar a la soldabilidad de los aceros al Carbono, se debe mantener S+P =<0,08%

32. El acero - Incidencia de los elementos de aleación MANGANESO (Mn) Tiene mayor afinidad que el Fe para combinarse con el O 2 ,S y C. Se emplea como desoxidante y desulfurante Cuando %Mn aumenta Aumenta Disminuye Resistencia a la tracción Dureza Ductilidad (Mn<1,5%) Resiliencia Soldabilidad (Mn<1,5%) Ductilidad (Mn>2%) Soldabilidad (Mn>2%) Al aumentar C, debe aumentar la relación Mn/C para evitar fisuración en caliente. Elemento Gammageno. Retiene la Austenita

33. El acero - Incidencia de los elementos de aleación SILICIO (Si) Su mayor importancia, es ser un gran agente desoxidante, para controlar el contenido de Oxígeno en el acero Cuando % Si aumenta Aumenta Disminuye Resistencia a la tracción Dureza Elasticidad Facilidad de mecanizado Soldabilidad (Si>0,65%) Es un elemento alfágeno, formador de ferrita Su contenido en los aceros al C puede llegar hasta el 0.35%, y en los aceros aleados hasta el 0,65%

34. El acero - Incidencia de los elementos de aleación CROMO (Cr) Importantísimo en los aceros aleados Aumenta la templabilidad del acero Aumenta la resistencia a la oxidación y corrosión Características del Cr Gran afinidad por el C, àra formar Carburos de Cromo A altas temperaturas se combina con O 2 para formar óxidos de Cr, no metálico y refractario Es un gran formador de ferrita En aceros aleados con Cr>3%, gran resistencia a elevadas temperaturas, hay que emplear técnicas de soldeo especiales Los aceros Inoxidables contienen un mínimo de 12% de Cr para aumentar su resistencia a la corrosión.

35. El acero - Incidencia de los elementos de aleación NIQUEL (Ni) Elemento gammágeno por excelencia. Favorece la formación y persistencia de estructuras austeníticas Mejora las propiedades mecánicas del acero de manera importante, en especial La ductilidad Resiliencia. (Tenacidad a bajas temperaturas) No forma óxidos ni carburos ya que su afinidad por el Oxígeno y el Carbono es menor que la del Hierro. Imprescindible e aceros inoxidables austeníticos (>8%) y en aceros aleados para usos criogénicos.

36. El acero - Incidencia de los elementos de aleación COBRE (Cu) Elemento que no tiene gran reputación entre los elementos aleantes del acero Actualmente se utiliza como eun elemento que favorece el endurecimiento por precipitación Se utiliza en el rango de 0,2 – 0,3% como aleante de los aceros al C, para formar una película superficial de Oxido de Cobre que retarda y , a veces, evita la corrosión atmosférica, dando a la estructura una pátina rojiza que se acrecienta con el tiempo. (Estructura del BBVA en Pº Castellana, Madrid)

37. El acero - Incidencia de los elementos de aleación NITROGENO (N) Se pretende evitar el contacto del N del aire con el baño de fusión. (Gases atrapados que pueden producir porosidad) En algunos aceros aleados se emplea para mejorar sus características mecánicas Su uso correcto depende de la presencia de otros elementos (Al, Cr, Ti) con los que combinarse para dar Nitruros, en vez de que lo haga con el Fe para dar N 3 Fe que fragilizaría la soldadura. Aceros “Nitrurados”, con extremada dureza en una capa superficial Es un poderoso elemento austenizante. (Gammágeno)

38. El acero - Incidencia de los elementos de aleación ALUMINIO (Al) Utilizado en pequeñas cantidades como desoxidante y afinador del grano ES un elemento alfágeno, formador de ferrita Presenta gran afinidad por el Oxígeno con el que reacciona para formar AL 2 O 3 , sólido blanquecino de elevado punto de fusión.

39. El acero - Incidencia de los elementos de aleación NIOBIO (Nb/Cb) TITANIO (Ti) Presentan gran afinidad por el Carbono para formar Carburos, por el Oxígeno y por el Nitrógeno (Sobretodo el Titanio) Ambos actúan como formadores o estabilizadores de ferrita Disueltos en hacer, aumenta su templabilidad, sin embargo, su tendencia a formar Carburos es tan grande, que en forma de Carburos insolubles, disminuye la templabilidad de los aceros. Su mayor propiedad es la de ser Estabilizadores de Carburos en soldaduras de aceros inoxidables Austeníticos, para evitar la migración de los posible Carburos de Cromo, al borde de los granos

40. Propiedades físicas de acero Dependen de la composición y de los tratamientos térmicos Para un acero al Carbono típico, las propiedades son: Peso específico: 7,8 kg/dm 3 Punto de Fusión (a 1 Ata): 1.450 – 1.530 ºC Módulo de Elasticidad: 2,1x10 3 kp/mm 2 Coef. Dilatación térmica: 12,5 x 10 -6 ºC -1 Coef. Conductividad térmica 1,1x10 -1 cal/s/cm/ºC Resistividad eléctrica: 11,78  .cm/cm 2 a 20ºC

41. Tratamientos térmicos del acero Los tratamientos térmicos modifican en gran medida la estructura y, en consecuencia, las características mecánicas de los aceros. El acero puede ser suministrado en diferentes estados, aunque las Especificaciones, en nuestro caso API 5L, establecen cómo pueden ser suministrados. As rolled (sin ningún tratamiento, tras la laminación) Normalizado Normalizado y Revenido Templado y revenido (Solamente los grados X) Influyen la Tª que alcanza, y la velocidad de enfriamiento, así como la propia naturaleza del material

42. Curvas de enfriamiento continuo

43. Velocidades de enfriamiento

44. Velocidades de enfriamiento

45. Velocidades de enfriamiento / estructuras Influencia de la velocidad de enfriamiento en la estructura de un acero eutectoide

46. Tratamientos térmicos. Recocido Hay varios tipos de Recocido De regeneración. Recocido Completo Subcríticos De ablandamiento Contra acritud Globular AC3 AC1

47. Recocido total de un acero 0,2%C Estructura original. Perlita y Ferrita de grano grueso Justo por encima de A1; La perlita se ha transformado en pequeños granos de Austenita y la ferrita no ha cambiado Por encima de A3; Sólo Austenita de grano fino. Después de enfriar en el horno, a Tª ambiente; Ferrita de grano fino y pequeñas áreas de perlita gruesa

48. Tratamientos térmicos. Normalizado Es un tratamiento que produce un microestructura fina de ferrita y perlita Se caliente el acero por encima de la Tª crítica AC 3 , (se Austeniza), hasta obtener un grano fino de Austenita Se enfría al aire. Se obtiene una estructura de ferrita /perlita media-Fina Hay que tener cuidado con piezas de gran espesor, en las que la superficie exterior se enfría rápidamente y se pueden crear esfuerzos residuales En piezas muy delgadas, en aceros microaleados, la velocidad de enfriamiento al aire puede ser los suficientemente rápida como para producir estructuras bainíticas o martensíticas en lugar de ferrítico perlíticas.

49. Tratamientos Térmicos. Normalizado Comparación entre Normalizado y Recocido

50. Tratamientos Térmicos. El Temple En aceros de construcción no se emplea el temple como tratamiento final del acero, ya que le confiere a éste una gran dureza y fragilidad, lo que lo convierte en difícilmente soldable El temple consiste en calentar el acero hasta una temperatura de unos 900ºC, por encima de la AC3, y enfriarlo rápidamente, en salmuera, agua o aceite. Se obtiene una estructura martensítica, muy dura con elevado límite elástico y carga de rotura, pero bastante frágil, y con abundantes tensiones internas Las especificaciones exigen que tras el temple, se someta al material a un Revenido

51. Tratamientos térmicos. Revenido El objeto del tratamiento de revenido es aumentar la tenacidad de las piezas, reducir las tensiones resultantes del temple y reducir la dureza. El sistema tradicional de revenido consiste en un calentamiento a temperaturas relativamente bajas (entre 150 y 700 ºC) durante un tiempo del orden de más de una hora y dejarlas enfriar lentamente. Hay que tener mucho cuidado con la temperatura que se selecciona, ya que hay tres zonas bien diferenciadas 150ºC – 200ºC, ligero aumento de tenacidad 260ºC – 370ºC, disminuye la tenacidad. Fragilización por la martensita revenida 450ºC – 650ºC, gran aumento de tenacidad, disminución de L.E. Y carga de rotura

52. Tratamientos Térmicos. Revenido

53. Tratamientos térmicos (Cont.)

54. Tratamiento Térmico; Bonificado (Temple + Revenido) Típico en aceros aleados, con buenas características de Soldabilidad, Resistencia mecánica y Tenacidad Aceros Bonificados

55. Tratamientos Térmicos (Cont.)