El acero es una aleación de hierro con pequeñas
cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1%
aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua fría adquiere
por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen
además, en pequeñísima proporción, cromo, níquel, titanio, volframio o vanadio.
Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el
hierro. Este resiste muy poco la def0rmacion plástica, por estar constituida
solo con cristales de ferrita; cuando se alea con carbono, se forman
estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su
resistencia. Ésta cualidad del acero y la abundancia de hierro le colocan en un
lugar preeminente, constituyendo el material básico del S.XX. Un 92% de todo el
acero es simple acero al carbono; el resto es acero aleado: aleaciones de
hierro con carbono y otros elementos tales como magnesio, níquel.
miércoles, 25 de julio de 2012
Historia
Durante toda la Edad Media y El Renacimiento el acero era
producido en pequeñas cantidades por corporaciones de artesanos que guardaban
en secreto el método de fabricación. El primer proceso de obtención industrial
del acero fue ideado por el relojero inglés B.Huntsman en 1740; el proceso se
llamó “al crisol”, porque consistía en cementar ( es decir, enriquecer en
contenido de carbono ) el hierro con carbón vegetal y fundir sucesivamente en
un crisol el producto obtenido. La fundición se conocía en Europa ya en el
siglo XIV, como producto secundario de los hornos altos de producción de
hierro; en un principio sólo se utilizó como sustitutivo del bronce. Antes de
que pudiera emplearse en gran escala en la producción del acero, fue necesario
que el inglés H. Cort inventase en 1874 un procedimiento de afina, en el que se
producía el hierro en un horno de reverbero alimentado con carbón mineral; el
carbón era quemado sobre una parrilla cuya solera estaba constituida por una
capa que contenía óxido de hierro. Durante el proceso, llamado “pudelado”, la
fundición era removida a mano con unas largas varillas de hierro, y luego
comprimida en una prensa; el lingote resultante se laminaba al calor. Con tales
procedimientos la producción de hierro fundido dejó de estar supeditada al
consumo de carbón vegetal, solucionando el gravísimo problema que representaba
para muchos países europeos el incremento de la tala de bosques.
El acero producido al crisol era de óptima calidad, pero
el coste de producción era muy superior al fabricado por pudelado. Ambos métodos
fueron abandonados al introducirse los procedimientos modernos de producción en
gran escala de Bessemer y de Tomas.
El proceso Bessemer, ideado en 1856 por Henry Bessemer,
consiste en obtener directamente acero mediante el afino de la fundición, introduciendo
una corriente de aire en un aparato, actualmente llamado “convertidor” y
entonces, por su forma, “pera de Bessemer”. En él, el calor que mantiene
líquida la colada lo suministra la reacción exotérmica de oxidación del Si.Dado
que el convertidor ( la cuba de afino ) está revestido de sílice (ácida), el
proceso es idóneo para una función de estas características. En el mismo
período se patentaba en América un proceso análogo, el de William Kelly. En
1877, el inglés Sydney Gilchrist Thomas tuvo la idea de sustituir el
revestimiento ácido del convertidor Bessemer por un revestimiento básico
(dolomía), lo que permitía obtener escorias básicas; por consiguiente, se podía
convertir fundición fosforosa en aceros. Entre 1860 y 1865 el francés Pierre
Martín y los alemanes Wilhelm y Friedrich Siemens desarrollaron un tipo de
horno alimentado por gas, denominado posteriormente “horno Martín-Siemens”.
Este tipo de horno permite obtener acero fundiendo en la solera grandes
cantidades de chatarra de hierro y fundición o bien fundición y minerales. W.
Siemens, entre 1878 y 1879, efectuó los primeros intentos de obtener acero a
partir de chatarra de fundición de hierro en hornos de arco eléctrico. En 1898,
E. Stassano instaló en Roma un horno de arco eléctrico para fabricar acero
directamente del mineral, horno en que la colada era calentada por irradiación.
Casi simultáneamente, en 1900, el francés P. T. L. Héroult, en América,
iniciaba sus ensayos para obtener acero en un horno también de arco, siguiendo
un procedimiento muy similar al Martín-Siemens.
Los procesos Bessemer, Thomas, Martín-Siemens y más tarde
los de acerería eléctrica inauguran la edad del acero, desplazando rápidamente
a la madera como material estructural en las obras de ingeniería civil, y
después al hierro fundido con materia prima de la construcción de raíles,
barcos, cañones, etc.
Producción
El acero se obtiene a partir del producto de alto horno,
el arrabio líquido, en los convertidores o en otros hornos que trabajan con
carga líquida dentro de la misma instalación industrial. El arrabio, lingote de
horno alto o lingote de hierro, pues de estas maneras suele denominarse, es
frágil y poco resistente. Su composición, que es distinta según la procedencia
del mineral de hierro, está constituida por un elevado tanto por ciento de
carbono ( 4-5%) y otras impurezas como azufre, fósforo, silicio, manganeso,
etc. Se transforma en acero mediante un proceso de descarburación y regulación
de las otras impurezas. Existen, además, otros procedimientos que permiten
obtener directamente acero partiendo del mineral sin pasar por el arrabio.
Aunque su desarrollo ha sido y es muy limitado, se pueden citar como métodos
más importantes: Hoganäs, Norsk-Staal, Krupp-Renn, afino sólido, etc. El
procedimiento de la forja catalana respondía a este último tipo de obtención:
el hierro se reducía con carbón vegetal formando fundición, la cual, en la
parte más caliente del horno, se transformaba en acero. romo, molibdeno y
vanadio.
Clasificación de los aceros
Los aceros se clasifican en cinco grupos principales:
aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes,
aceros inoxidables y aceros de herramientas.
Aceros al carbono
El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros
contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un
0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican
maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de
pelo, etc.
Aceros aleados
Estos aceros están compuestos por una proporción
determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades
mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros
se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.
Aceros de baja aleación ultrarresistentes
Es la familia de aceros más reciente de las cinco. Estos
aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen
menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un
tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del
acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque
al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de
carga es mayor.
Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un
mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.
Aceros inoxidables
Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos
de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos
aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa
resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo,
los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También se emplean
mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su
resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o
sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales.
Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a
que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.
Aceros de Herramientas
Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de maquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.
Oxidación y Corrosión
Los dos componentes básicos del aire atmosférico son el
nitrógeno (79%) y el oxígeno (21%). El nitrógeno es un gas muy poco activo,
pero el oxígeno es el responsable de la mayoría de los procesos químicos que
tienen lugar en los materiales expuestos a la intemperie.
-En ambiente
seco y cálido, el oxígeno provoca la oxidación de muchos materiales.
-En ambiente
húmedo, lo que se produce es la corrosión.
La Oxidación
Desde el punto de vista químico, la oxidación es una
reacción en la cual el elemento que se oxida cede electrones al elemento
oxidante.
Aunque el más popular de los oxidantes es el oxígeno (O2
), la oxidación de los metales puede ser provocada por otras sustancias como el
cloro (Cl2), el bromo (Br2), el azufre (S), el hidrógeno (H2), el yodo (I2), etc.
En algunos metales, como el cobre, el níquel, el estaño,
el aluminio o el cromo, el proceso de oxidación depende de la temperatura.
-A temperatura
ambiente, la capa de óxido que los recubre es compacta. Esto impide el
contacto del metal con el agente corrosivo y evita que continúe la oxidación.
-Si la temperatura
se eleva, se puede producir un agrietamiento de la capa de óxido y una
difusión del oxigeno a través de ella, con lo que la oxidación llega al
interior del metal.
La Corrosión
Se denomina así la destrucción lenta y progresiva de un
material producida por el oxígeno del aire combinado con la humedad.
Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos,
ya que en la superficie del metal se generan micro pilas galvánicas en las que
la humedad actúa como electrólito.
Por consiguiente, se producen dos reacciones químicas
simultáneas: una reacción anódica y una reacción catódica.
-La reacción anódica tiene lugar en la superficie del
metal, que actúa como ánodo y cede electrones, con lo que se forma el óxido
correspondiente.
-La reacción catódica consiste en la captura de los
electrones por los radiales y el posterior desprendimiento de hidrógeno gas.
Los agentes corrosivos más habituales son el cloruro de
sodio, presente en el agua del mar, y el dióxido de azufre que se produce en
las combustiones.
La corrosión puede ser uniforme, localizada e
intergranular.
Corrosión uniforme:
El espesor de la zona afectada es igual en toda la
superficie del metal. Al disminuir el espesor de la pieza, también decrece su
resistencia mecánica.
Corrosión localizada:
Produce picaduras, hoyos y surcos en la superficie del
metal. En este tipo de corrosión, disminuye la capacidad de deformación y es
muy difícil de prevenir.
Corrosión intergranular:
El ataque se localiza en la unión de los granos de los
constituyentes de los metales y provoca pérdida de cohesión entre ellos. El metal
puede llegar a desintegrarse totalmente sin que se aprecie ninguna alteración
superficial.
Protección contra la corrosión:
Como los tratamientos superficiales no alteran las
propiedades mecánicas del metal base, cuando se desea protegerlo de la corrosión,
se recurre a diferentes técnicas de recubrimiento.
Modificación química de la superficie:
Es uno de los métodos denominados de capa o barrera, y
consiste en la creación, por procedimientos químicos de una capa protectora o
capa de conversión sobre la superficie del metal que se desea proteger. En este
grupo distinguimos el cromatizado, la fosfatación y la oxidación anódica. El cromatizado y la fosfatación se consiguen
mediante tratamientos químicos, mientras que la oxidación anódica se lleva a
cabo en un proceso electrolítico.
Suscribirse a:
Entradas (Atom)