MATERIALES FERROSOS

UNIDAD II

Dr. Carlos Valdez S.

INTRODUCCION

Los materiales metálicos los utiliza el ser humano desde

tiempos prehistóricos y están presentes en todas las

actividades económicas hoy en día.

El consumo de productos base de hierro representa más

del 90% del total de materiales metálicos, debido a su

resistencia y a su costo de obtención, relativamente bajo.

La técnica de la obtención y tratamiento de los metales a

partir de minerales metálicos se llama METALURGIA.

Existe una rama de la metalurgia que trabaja sólo con

minerales de hierro que se llama SIDERURGIA

MATERIALES FERROSOS

• Son aquellos que contienen hierro (Fe) como su elemento

base, pueden además llevar otros materiales en pequeñas

proporciones.

• Clasificación:

– Hierro: hasta 0.03 %C

– Acero: 0,03 hasta 1,76 % C

– Fundición: 1,76 hasta 6,67 % C

– Ferroaleaciones: Otros componentes además del C;

Ej. Cr, Mn, V, etc.

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MATERIALES FERROSOS +IMPORTANTES

• ACEROS • HIERRO FUNDIDO

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MINERAL DE HIERRO

En la corteza es el cuarto elemento más abundante (5,63%

en peso), tras el Si, O, Al.

Nunca se presenta en estado puro sino en forma de óxidos,

hidróxidos, carbonatos y sulfuros.

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Sus componentes están

combinados químicamente en

los minerales.

La MENA o parte útil:

óxidos de hierro

La GANGA o parte no útil:

sílices, cal, alúmina, etc.

MINERAL DE HIERRO

MINERALNOMBRE

CIENTÍFICO

% en Fe del

mineralCARACTERÍSTICAS

ÓXIDOS

MAGNETITA

(Fe3O4)75%

Mineral más puro y rico. Color

gris-negruzco, magnético.

HEMATITES

(Fe2O3)70%

Tiene poco fósforo. Color rojizo,

gris

LIMONITAS

(2Fe2O3 +3 H2O)60%

Color ocre. Blandas y fáciles de

reducir. Contiene fósforo.

CARBONATOSSIDERITA

(Fe CO3)48%

Debe calcinarse en horno de cuba

para pasar a óxido de hierro.

SULFUROSPIRITA

(Fe S2)< 48%

Mineral de hierro mezclado con

cobre. Color amarillo.

Magnetita: 75% de pureza. Hematites, pureza: 70%

Limonita, pureza: 60% Siderita, pureza: 50%

MINERALES

DE

HIERRO

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EXTRACCION DEL HIERROHIERRO SHOUGANG PERU

MARCONA - NAZCA

HIERRO – SUBPRODUCTO DE LA MINA

PELETS - Hierro Esponja

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Hierro Triturado

OBTENCIÓN DEL ARRABIO

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OBTENCIÓN DEL ARRABIO

En un Alto Horno se transforma el mineral de hierro en arrabio:

• Mineral de hierro:

– Pelets, trozos de hierro y chatarra a base de hierro.

• Combustible: Carbón de Coque:

– Suministra calor necesario para la reacción termoquimica.

– Descompone los óxidos de hierro (reductor).

• Fundente:

– Caliza, se combina con las impurezas del hierro. Arrastra la ganga y las cenizas (escoria).

• Aire: Para la combustión del coque.11

OBTENCIÓN DEL ARRABIO

Reducción:

Es la sustracción o eliminación del

oxígeno de los óxidos.

Polvo de carbón, hidrógeno,

monóxido de carbón. (elementos

de gran avidez por el oxigeno).

La proporción de materia prima

para producir 1Tm de arrabio es

aproximadamente:

• 2 Tm de chatarra.

• 1 Tm de coque.

• 0,5 Tm de caliza.

• 3,5 Tm de aire12

ARRABIO - PRODUCTO PRINCIPAL

DEL ALTO HORNO

• El arrabio o hierro bruto contiene:

92% de hierro

3 a 4% de carbono

0,5 a 3% de silicio,

0,25% a 2,5% de manganeso

0,04 a 2% de fósforo

algunas partículas de azufre.

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OBTENCIÓN DEL ARRABIO

PRODUCTOS SECUNDARIOS EN EL

ALTO HORNO

• Escoria: impurezas de los minerales

Silicato de calcio

Oxido de manganeso

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Gases de

salida: SO2

CO

CO2

N2

PRODUCCIÓN DE

DERIVADOS DEL ARRABIO

(HIERRO BRUTO)

DE HIERRO BRUTO (ARRABIO) A

ACERO

• Para conseguir un material duro, resistente y tenaz, es

necesario reducir el contenido de carbono y modificar la

composición de los demás elementos presentes en el

arrabio.

• A temperaturas superiores a 1600ºC, el hierro bruto

pierde carbono, reduciéndolo a menos de 1,76% de

carbono.

• Así se obtiene el acero, a este proceso se le llama AFINO

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OBTENCIÓN DEL ACERO

RESUMEN DE OBTENCION DEL

ACERO

• En el Alto Horno:

– Entra: mena de hierro + caliza + carbón de coque

– Sale: escoria y arrabio

• En el Convertidor:

– Entra: arrabio + oxígeno

– Sale: Acero + escoria

• En el Área de Laminación

– Entra: Palanquillas de acero

– Sale: Barras y Planchas de acero

CLASIFICACIÓN DE ACEROS

• Aceros no aleados, presentan

menos del 1% de otros

elementos. Ej.: perfiles de

construcción.

• Aceros de baja aleación,

presentan entre 1% y 5% de

otros elementos. Ej.:

rodamientos

• Aceros de alta aleación,

presentan más del 5% de otros

elementos. Ej.: instrumentos

quirúrgicos

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CONTENIDO DE CARBÓN

% de Carbón Clasificación

0% Hierro puro

0.025% a 0.25% Acero de bajo carbono

0.25% a 0.5% Acero de medio carbono

0.5% a 2% Acero de alto carbono

2% a 6% Hierro fundido

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PROCESOS DE AFINO MÁS

EMPLEADOS

• De inyección de oxígeno.

• Siemens - Martin.

• Eléctricos.

• Bessemer y Thomas.

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PROCEDIMIENTO DE INYECCIÓN DE O2

• EL 70% de los aceros se hacen por este método

• Las materias primas necesarias son: arrabio, chatarra de alta calidad y aditivos

• Proceso:

– Se inyecta O2

– Se oxida el carbono y se libera calor

– La elevada temperatura se neutraliza agregando chatarra fría

– Formación de escoria mediante la adición de CAL(reacciona con Si, P y S)

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PROCEDIMIENTO SIEMENS-MARTINPermite obtener directamente acero de calidad partiendo de chatarra.

PROCESO:

• Se llena la cuba con 70%de chatarra de acero, el resto con hierro bruto y cal para formar la escoria.

• Se fusionan estas materias a 1800°C (la temperatura se logra con una llama abierta de gas o aceite, y el aire se precalienta a 1100 °C).

• El proceso de afino tiene lugar con exceso de O2 (los otros componentes del hierro como Si, P y S se transforman en óxidos no solubles y forman la escoria con la cal).

• La cocción del caldo se produce debido a la formación de gases de CO24

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Si se añaden elementos de aleación (Cr, Ni, Mo), antes de terminar el proceso de fusión, se obtienen aceros de baja aleación.

PROCEDIMIENTO SIEMENS-MARTIN

PROCEDIMIENTO ELÉCTRICO

• Procedimiento para obtener aceros finos en especial aceros altamente aleados

• La generación del calor esta libre de impurezas

• Se utilizan básicamente dos tipos de horno:

– Horno de arco voltaico.

– Horno de inducción.

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HORNO DE ARCO VOLTAICO

• Posee dos a tres electrodos de

carbón.

• Se aprovecha el calor liberado

por un arco eléctrico entre los

electrodos y el metal a fundir.

• Calentamiento rápido.

• Temperatura regulable

fácilmente.

• Se le utiliza para fundir aceros

altamente aleados (HSS).

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HORNO DE INDUCCIÓN

• Poseen una bobina por

donde pasa corriente

alterna.

• El calentamiento es

producido por el paso

de corrientes parásitas

por el material a fundir.

• Es utilizado para

fabricar aceros

altamente aleados,

fundición aleada.

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PROCEDIMIENTO BESSEMER Y

THOMAS

• Reduce el contenido de C en el hierro bruto mediantecombustión.

• Para la combustión del C se hace pasar a través delcontenido liquido del convertidor Bessemer - Thomasaire o aire y O2.

• Como producto secundario se obtiene la escoriaThomas (Fosfato de calcio) que se muele y se utilizacomo abono.

29

30

PROCESO:

• Convertidor en posición de llenado (se vierten hierro bruto fundido con cal)

• Se sopla aire o aire con O2 y se endereza el convertidor. El aire atraviesa la masa liquida y quema el carbono, Si y el Mn.

• El convertidor se vuelve a girar a posición de llenado. Se evacua el viento y se añade el C necesario para el acero.

• El convertidor pasa a la posición de vaciado y se elimina la escoria que flota sobre el acero

PROCEDIMIENTO BESSEMER Y

THOMAS

ELEMENTOS PARA ALEACIONES

Ni > Resistencia < Oxidación

Cr > Resistencia > Dureza

Cr-Ni >> Resistencia < Oxidación > Dureza 18% Cr- 8% Ni

Inox 12% Cr- 5% Ni

Si > 0,3% > Elasticidad Resortes

Mg Neutraliza al azufre para temple Para alto desgaste

Al 1,5% > dureza superficial

Mo > Resistencia tracción Para temple

V < Fragilidad Resortes y herramientas

W > Dureza Herramientas

Co -W >> Dureza Herramientas

Ti < Oxidación

NORMAS EN LA DESIGNACIÓN DEL

ACERO

• En el acero la proporción de carbono establece el

tipo de acero, siendo esta inferior a la de las

fundiciones.

• Las normas permiten hablar un lenguaje común

entre el fabricante, el comerciante y el usuario

– Norma AISI – SAE (Americana)

– Norma DIN (Alemana)

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NORMA AISI – SAE (Americana)

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• La norma usa 4 o 5 dígitos que determinan la composición

del acero.

• El contenido nominal de C se da por la centésima parte de

los 2 o 3 últimos dígitos.

• Las aleaciones se indican el los primeros dígitos

ACERO 1020

TIPO DE ALEACIÓN:

ACERO CORRIENTE

% CARBONO

10 20

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Construcción

Aleados

DENOMINACION SEGUN AISI – SAE

NORMA AISI – SAE (AMERICANA)

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FERROALEACIONES

Productos siderúrgicos que contienen además del

hierro, uno o varios elementos que lo caracterizan.

Se emplean como materia prima para procesos

metalúrgicos:

– Ferromanganesos,

– Ferrocromos,

– Ferrosilicios,

– Ferrovanadios,

– Ferroníquel,

– Ferrovolframio.

ACEROS INOXIDABLES

• Son aleaciones de acero:

Cr > 10.6% y C < 1.2%.

• Elevada resistencia a la corrosión.

• Cr gran afinidad por el 02 reacciona con él formando

una capa pasivadora.

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ACEROS INOXIDABLES

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• Biológicamente neutros

• Resistentes al calor

• Buena estética

• Fácil limpieza

• Bajo costo del ciclo de vida total

• Buen ratio resistencia peso

• Reciclable

CLASIFICACION DE ACEROS INOXIDABLES

Series 400

Martensíticos

Acero – Cromo

Cr=12 a 15%,

C=0.2 a 1.2%

Usos: Cuchillería, cojinetes

Mas comunes: AISI 410, 420, 431

Ferríticos

Acero – cromo

Cr=14 a 27%,

C menor a 0.2%

Usos: Recipientes para química,

alimentos

Mas comunes: AISI 409, 430, 434.

Series 300

Austeníticos

Acero-cromo-niquel

Cr=16 a 18%,

Ni=3.5 a 22%, Molibdeno= 1.5 a 6%

Usos: Medicina, Alimentos

Mas comunes AISI 304, 304L, 3116, 3116L, 310, 317. 39

Ejemplo

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HIERRO FUNDIDO

• Aleación Fe-C con mas

del 1.7% de C.

• En la práctica puede

tener 2.5% y 4.5% de C.

• Tiene además elementos

como: Si, Mn, S, P.

• Es colable.

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VENTAJAS DE LAS FUNDICIONES

• Las coladas son más

sencillas que con el

acero.

– Temperaturas bajas

sin regulación

especial.

– Se funden con

facilidad piezas

grandes y pequeñas

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VENTAJAS DE LAS FUNDICIONES

• Características aceptables.

– Resistencia al desgaste.

– Soporta vibraciones.

– Propiedades autolubricantes

– Mayor resistencia a la

oxidación.

• Más barato que el acero.

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CLASIFICACIÓN DE FUNDICIONESOrdinarias

F. Blanca

Zona de rotura color blanco, muy duras y

frágiles, resistentes al desgaste, no maquinables

F. Gris

Zona de rotura color gris, son

usados comúnmente en coladas

Aleadas

F. Grafito Esferoidal

Pequeñas cantidades de

Mg y Cu, resistencia

similar al acero luego de

tratamiento térmico, son

mecanizables.

Especiales

F. Maleables

Se obtienen de las fundiciones

blancas mediante trat.

térmicos, tenaces y

resistentes a la tracción,

propiedades mecánicas

similares a las del acero.

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45

Se pueden clasificar por el aspecto de su fractura

distinguiéndose las cuatro (04) siguientes:

• Fundiciones negras

• Fundiciones grises

• Fundiciones blancas

• Fundiciones atruchadas

FUNDICIONES ORDINARIAS

FUNDICIÓN GRIS, presenta el C en forma de grafito laminar:

• Funde a 1200º C

• Tenaz, pero poca dureza

• Soporta altas presiones y temperaturas sin dilatarse

FUNDICIÓN BLANCA, presenta el carbono en forma de carburo

de hierro Fe3C (cementita) de color blanco.

• Funde a 1150º C

• Es muy dura, pero frágil

• Difícil de mecanizar por su dureza.

FUNDICIÓN ATRUCHADA, propiedades mezcla de las anteriores

FUNDICIONES ORDINARIAS

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FUNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA, mediante recocido a 900º C

de la fundición blanca se produce a su descarburación (de 2-4%

a 1-1.5%), eliminando la fragilidad, aumentando la resistencia a

tracción.

FUNDICIÓN MALEABLE BLANCA, el C de la cementita, ha

desaparecido total o parcialmente.

FUNDICIÓN MALEABLE NEGRA, C de la cementita precipita en

copos de grafito.

FUNDICIÓN DE GRAFITO ESFEROIDAL O NODULAR, por

adición de Cerio o Mg.

FUNDICIONES ESPECIALES Y ALEADA

DESIGNACIÓN DE LAS FUNDICIONES

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CONGLOMERADOS FÉRREOS

Formados por la unión entre sí de distintos tipos de polvos

metálicos. Se comprimen en un molde a altas presiones y

temperaturas, obteniéndose una masa compacta solidificada.

El proceso se llama SINTERIZADO o metalurgia de polvos.

PRESENTACIÓN COMERCIAL

DEL ACERO

• Productos planos, planchas y chapas de 0.5 – 3 mm

• Productos largos, sección pequeña y gran longitud, barras

de distintas secciones:

Cuadrada

Rectangular (pletina)

Redonda

Hexagonal

Media caña

Triangular

Alambre

PRESENTACIÓN COMERCIAL DEL

ACERO

• Perfiles, formas variadas y longitud variable:

angular de lados iguales (L),

angular de lados desiguales (L),

angular en I, H (o doble T),

en U,

en T,

perfiles tubulares (redondo, cuadrado, perfilado)

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RECICLADO DEL ACERO

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FIN DE UNIDAD

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