Fundamentos de la Metalurgia: Clasificación, Estructura y Procesamiento de Materiales Ferrosos

Clasificación y Estructura de Materiales

Tipos de Materiales

Naturales

Se encuentran directamente en la naturaleza.

Artificiales

Se obtienen a partir de materiales naturales mediante procesos de transformación.

Sintéticos

Fabricados a partir de materiales artificiales.

Estructura Cristalina de los Materiales

La disposición atómica define las propiedades fundamentales de los materiales:

BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo)

Un átomo en cada vértice y uno en el centro de la celda unitaria.

FCC (Cúbica Centrada en las Caras)

Un átomo en cada vértice y uno en el centro de cada cara.

HCP (Hexagonal Compacta)

Un átomo en cada vértice, tres en el centro del plano medio y uno en el centro de la cara superior e inferior.

Sostenibilidad y Uso Racional de los Materiales

Agotamiento Prematuro y Soluciones

El uso de materiales está condicionado por su naturaleza (renovable o no renovable), lo que lleva a la necesidad de un uso racional.

Problema: Agotamiento Prematuro

Se debe a la existencia de dos tipos de materiales: renovables y no renovables.

Soluciones Adoptadas

• Diseñar nuevos productos para aprovechar mejor el material.
• Implementar el reciclaje y la reutilización.

Metales Ferrosos: Composición y Clasificación

Los metales ferrosos o férricos son aquellos que contienen hierro (Fe) como elemento principal, pudiendo incluir pequeñas cantidades de otros metales. La clasificación se basa principalmente en el porcentaje de carbono (C) que contienen.

Productos Ferrosos según Contenido de Carbono

Hierros

Productos ferrosos cuyo porcentaje de carbono está entre el 0,01% y el 0,03%. Son muy blandos, quebradizos y difíciles de obtener.

Aceros

Aleaciones de hierro-carbono, con un porcentaje de carbono entre el 0,03% y el 1,76%.

Fundiciones

Aleaciones de hierro-carbono, con un porcentaje de carbono entre el 1,76% y el 6,67%.

Grafitos

Materiales con un porcentaje de carbono superior al 6,67%.

Tratamientos Térmicos para Modificación de Propiedades

Estos procesos se utilizan para alterar la microestructura del acero y, consecuentemente, sus propiedades mecánicas.

Temple

Consiste en un enfriamiento brusco. Enfría primero el exterior y luego el interior, lo que aumenta la dureza.

Recocido

Consiste en un enfriamiento muy lento, resultando en un material más blando.

Revenido

Proceso contrario al temple, cuyo objetivo es aumentar la tenacidad.

Normalizado

Busca aportar al acero una estructura microestructural considerada normal y uniforme.

Tipos de Fundiciones

Fundiciones Ordinarias

Contienen solamente hierro y carbono:

• Fundición blanca
• Fundición gris
• Fundición atruchada

Fundiciones Aleadas

Llevan elementos químicos adicionales que mejoran sus propiedades, además de hierro y carbono.

Fundiciones Especiales

Emplean como materia prima las fundiciones ordinarias y se someten posteriormente a un tratamiento químico:

• Maleable de corazón blanco
• Maleable de corazón negro
• Maleable perlítica
• Maleable de grafito esferoidal o nodular

Impacto Ambiental y Gestión de Residuos

Impacto Medioambiental de los Productos Ferrosos

1. Obtención de Materia Prima

   La mayoría de las minas de extracción de mineral son a cielo abierto, lo cual ocasiona un impacto acústico, paisajístico y de destrucción de hábitats.

2. Transformación del Mineral en Producto Comercial

   En estos procesos puede verse contaminado el aire, el agua y la tierra. Las medidas de mitigación incluyen: aislar las zonas de maquinaria para reducir el ruido, filtrar partículas, metales pesados y gases, y separar las zonas industriales de los núcleos urbanos.

3. Desecho o Reciclaje de Producto Ferroso Usado

   El reciclaje también genera impactos, aunque son significativamente menores que los generados durante la fabricación inicial de los productos.

Residuos Industriales

Tipos de Residuos

• Inertes
• Tóxicos y peligrosos

Operaciones de Gestión de Residuos

• Reducción en origen
• Tratamiento (físico, químico y biológico)
• Incineración
• Vertido controlado

Metalurgia del Acero: Constituyentes y Procesos

Constituyentes Microestructurales del Acero

Cementita

Es el constituyente más duro y frágil.

Martensita

Es el más duro, después de la cementita.

Bainita

Presenta una dureza media.

Perlita

El más blando. Tiene forma de perla y aparece cuando el enfriamiento es muy lento.

Ferrita

Cuanto menos carbono contiene el acero, más ferrita presenta.

Procesos de Colada y Conformado

Colada (Casting)

Colada Convencional

Se vierte el acero fundido sobre un molde con la forma de la pieza deseada, se deja enfriar y se obtiene la pieza final.

Colada Continua

Consiste en verter el acero fundido sobre un molde sin fondo ni tapa con la forma del producto a obtener. A medida que el acero se desplaza, se enfría y se forma el producto de manera continua.

Colada sobre Lingoteras

Si la demanda es baja, el acero se vierte en lingoteras para solidificarse. Cuando la demanda aumenta, estos lingotes se vuelven a fundir para su procesamiento.

Laminación (Formado)

Consiste en hacer pasar el acero solidificado entre dos rodillos que giran en sentido contrario para prolongar su longitud y reducir su sección. Existen dos tipos:

• Laminación en caliente: El material está a aproximadamente 1000 ºC.
• Laminación en frío: Se realiza a temperatura ambiente.

Clasificación y Presentaciones Comerciales del Acero

Tipos de Acero

No Aleados

Aquellos que tienen un porcentaje de elementos químicos que intervienen en la aleación por debajo del límite indicado.

Aleados

Aquellos que tienen un porcentaje de elementos químicos que intervienen en la aleación por encima del límite indicado.

Presentaciones Comerciales

Palastros

Chapas laminadas de entre 1x2 y 3x3 metros.

Barras

Piezas mucho más largas que anchas. Cuando son muy finas y largas, se denominan flejes.

Perfiles

Piezas huecas de sección variable (vigas, ángulos, etc.).