Glossari de Metal·lúrgia: Conceptes, Aliatges i Tractaments Tèrmics

Conceptes Fonamentals de la Metal·lúrgia

Processos d'Obtenció i Preparació

• Mineria: Extracció del mineral d'un jaciment adequat i la seva preparació.
• Metal·lúrgia: Separació dels metalls dels altres elements amb els quals es troba combinat químicament.
• Indústries Metàl·liques: Elaboració del metall obtingut per a l'obtenció d'articles útils.

Components del Material

• Mena: Part aprofitable del material.
• Ganga: Part no aprofitable del material.
• Enriquiment: Separar el màxim possible dels components no desitjats.

Tipus de Compostos

Els metalls es troben combinats químicament en la natura, formant:

• Òxids: Metall + Oxigen.
• Sulfurs: Metall + Sofre.
• Carbonats: Metall + Carboni + Oxigen.

Aliatges i Propietats dels Metalls

Definició d'Aliatge

Aliatge: Producte obtingut a partir de la unió de dos o més elements químics (un d'ells metall) que presenta característiques pròpies de metall. L'aliatge modifica l'estructura cristal·lina del metall, alterant la plasticitat, la duresa i la resistència mecànica.

Metalls Purs vs. Aliatges

• Metalls Purs: Presenten un valor fix de temperatura de fusió.
• Aliatges: La temperatura de fusió no és fixa, sinó que depèn de les proporcions de cada element d'aliatge i no té un únic valor.

Proporció Eutèctica

Proporció Eutèctica: Presenten un mínim a la línia de líquids i sempre coincideix amb els sòlids. El punt s'anomena punt eutèctic i es coneix com a temperatura eutèctica. Són importants perquè:

• Solidifiquen a temperatura constant.
• La seva temperatura de fusió és la més baixa possible.
• Generen mescles finíssimes, ideals per fabricar peces per a emmotllament, donant peces homogènies.

Classificació i Característiques del Ferro

Classificació General

• Fèrrics: Acers, foses, ferros.
• No Fèrrics: Purs o aliatges.

Propietats del Ferro

Ferro:

• Temperatura de fusió: 1539 ºC.
• Color: Blanc grisós.
• Densitat: 7,87 g/cm³.
• Propietats: Dúctil i mal·leable, conductor elèctric i magnetitzable.

Es considera ferro pur quan l'aliatge ferro-carboni no supera el 0,03% de carboni. S'utilitza principalment en la fabricació de xapes.

Varietats Al·lotròpiques del Ferro

El ferro canvia la seva estructura cristal·lina segons la temperatura:

• 1539 ºC: Varietat delta.
• 1390 ºC: Varietat gamma.
• 900 ºC: Varietat beta.
• 750 ºC: Varietat alfa.

Aliatges Ferro-Carboni

• Acers: Aliatges de ferro-carboni amb un contingut de carboni entre 0,1% i 1,76%.
• Foses: Aliatges de ferro-carboni amb un contingut de carboni entre 1,76% i 6,67%, i que a més contenen silici.

Processos de Conformació i Obtenció

Mètodes de Conformació

• Forja: Situar una massa sòlida de metall calent entre les dues meitats d'un motlle o matriu.
• Emmotllament: Introduir el metall en fase líquida a l'interior d'un motlle tancat i desemmotllar-lo quan s'ha solidificat.

Components Addicionals

• Elements d'Aliatge: S'afegeixen voluntàriament per millorar les propietats del metall.
• Impureses: S'afegeixen involuntàriament i empitjoren les propietats del metall.

Tipus de Foses

Quan el ferro es troba oxidat, se sotmet a un procés de reducció per eliminar l'oxigen.

• Fosa Blanca: Molt fràgil, molt dura i molt resistent al desgast.
• Fosa Grisa Laminar: Fràgil, poc resistent a la tracció, però molt resistent a la compressió.
• Fosa Grisa Nodular: Resistent, dúctil i mal·leable.
• Fosa Grisa Esferoïdal: Resistent i més dúctil.

Obtenció del Ferro Colat i Afinament de l'Acer

Components per a l'Obtenció del Ferro Colat

El procés requereix:

1. Mineral de Ferro: Aporta el ferro oxidat, que un cop reduït s'obté en forma de ferro colat.
2. Carbó de Coc: Actua com a combustible i aporta el carboni necessari per a la reducció.
3. Pedra Calcària: S'utilitza per obtenir l'escòria, que separa les impureses del ferro.

Zones del Procés (Alt Forn)

El procés d'obtenció del ferro colat es divideix en quatre zones principals:

1. Deshidratació: Eliminació de matèries primeres en forma de vapor d'aigua.
2. Reducció: L'oxigen s'elimina (surt CO₂).
3. Carburació: El carboni es combina amb el ferro.
4. Fusió: El ferro es fon amb el carboni i s'escola en forma líquida.

Ferro Colat: Aliatge de ferro i carboni amb aproximadament un 4% de carboni i un 2% de silici, entre altres quantitats més petites.

Afinament de l'Acer

Per obtenir acer a partir de ferro colat, s'utilitzen mètodes d'afinament:

• Convertidor d'Oxigen: Recipient d'acer de forma cilíndrica amb un tronc cònic a la part superior i un revestiment interior. S'hi introdueix una sonda que injecta oxigen pur a pressió damunt del líquid.
• Forn Elèctric: Recipient d'acer refrigerat externament per un circuit d'aigua. S'hi introdueix el ferro colat (en fase líquida per estalviar energia), la ferralla i la calç per obtenir la composició desitjada de l'acer.

Tractaments Tèrmics de l'Acer

Objectiu i Punts Crítics

Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre l'acer a canvis controlats de temperatura (escalfaments i refredaments) per tal de variar les proporcions dels seus constituents.

• AC1: Temperatura a la qual comença a aparèixer austenita.
• AC3: Temperatura a la qual tot el material es converteix en austenita.

Tipus de Tractaments Tèrmics

Tremp

S'utilitza quan es vol aconseguir un acer amb elevada duresa i resistència mecànica. Implica un escalfament fins a obtenir austenita, seguit d'un refredament ràpid. Aquest refredament ràpid comporta el risc de produir defectes.

Revingut

Consisteix en un escalfament a una temperatura inferior a 723 ºC (per evitar la formació d'austenita) i un refredament posterior a l'aire. S'aplica normalment després del tremp per reduir la fragilitat excessiva.

Recuita

S'aplica quan es vol disminuir la duresa i incrementar la plasticitat d'un acer per poder-lo deformar i treballar fàcilment. Implica un escalfament fins a obtenir austenita i un refredament molt lent.

Normalitzat

Consisteix en un escalfament fins a la temperatura d'austenització i un refredament a l'aire. La velocitat de refredament és més lenta que la del tremp i més ràpida que la de la recuita, buscant una estructura més uniforme.