miércoles, 25 de julio de 2012

ACEROS - DEFINICIÓN


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.

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.