Introducción a los Productos Siderúrgicos y la Siderurgia
Conceptos Fundamentales de la Siderurgia
¿Qué es la Siderurgia?
Proceso de transformación del óxido de hierro o mineral de hierro con el fin de obtener distintos tipos de aleaciones del mismo material.
Definición de Producto Siderúrgico según la UNE
Según la Norma UNE, se considera producto siderúrgico a todas aquellas sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico.
Importancia y Producción Mundial
La gran producción mundial de los productos siderúrgicos se debe a la gran variedad de características que se pueden conseguir en los productos férreos, a un coste relativamente bajo.
Contexto Histórico: La Explotación Minera de Vizcaya
La explotación minera de Vizcaya ha sido conocida debido a su abundancia y buena calidad de mineral, así como a la gran producción de carbón empleado para fundir el mineral y la existencia de torrentes de agua que accionarían las maquinarias de las primeras ferrerías.
Clasificación de Productos Férreos
Criterios de Clasificación
La clasificación más común de los productos siderúrgicos se realiza atendiendo a su porcentaje de carbono (%C) y a los elementos aleantes de los que dispone.
El Hierro Puro
El producto siderúrgico denominado como hierro (o hierro puro) posee un porcentaje de carbono entre 0.01% y 0.03%. Sus características principales son que es muy blando y difícil de obtener, por lo que tiene pocas aplicaciones industriales.
Los Aceros
Clasificación de Aceros según Contenido de Carbono
Los aceros se clasifican en función de su contenido en carbono de la siguiente manera:
- Aceros de bajo carbono: %C < 0.25%
- Aceros de medio carbono: 0.25% < %C < 0.55%
- Aceros de alto carbono: 0.55% < %C < 2%
Clasificación de Aceros según Aplicación
La clasificación de los aceros en función de su aplicación incluye:
- Aceros de construcción
- Aceros de uso general
- Aceros cementados
- Aceros para temple y revenido
- Aceros inoxidables o para usos especiales
- Aceros para herramientas de corte y mecanizado
- Aceros rápidos
Aceros Inoxidables
El elemento aleante principal de los aceros inoxidables es el Cromo, con un mínimo del 10.5%, y un máximo del 1.2% de Carbono.
Las Fundiciones
Las fundiciones son aleaciones Fe-C que generalmente contienen también Manganeso (Mn), Fósforo (P) y Azufre (S). Su contenido en Carbono (2% – 4.5%) es superior al contenido en Carbono de los aceros (0.1% al 1.5%).
Diagramas de Equilibrio y Transformaciones Metalúrgicas
Conceptos de Diagramas de Equilibrio
¿Qué es un Diagrama de Equilibrio?
Son representaciones gráficas que nos permiten relacionar la temperatura y la concentración de elementos constitutivos, y obtener así gran cantidad de información sobre las características de una aleación.
Información Obtenida a través de un Diagrama de Equilibrio
A través de un diagrama de equilibrio se obtiene la siguiente información:
- Qué fases se encuentran presentes para distintas concentraciones a distintas temperaturas.
- A qué temperatura puede comenzar y terminar un cambio de fase.
- La solubilidad que tienen los componentes en estado sólido y líquido.
Diagramas Binarios
Los diagramas binarios son aquellos en los que se representa toda la información sobre la aleación de dos elementos. Se obtienen indicando las concentraciones en el eje X (siendo los extremos metales puros) y las temperaturas de las transformaciones en el eje Y (coincidiendo en los extremos con las temperaturas de solidificación de los elementos puros).
Transformación Eutéctica
Una transformación eutéctica ocurre cuando un mismo líquido, compuesto por dos componentes, al solidificarse se transforma en dos sólidos.
El Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C)
Definición y Utilidad
El diagrama hierro-carbono corresponde al diagrama binario de equilibrio de las aleaciones de Fe-C. Sirve para analizar sus microconstituyentes característicos y su comportamiento en función de las concentraciones y la variación de temperatura.
El Hierro como Metal Alotrópico
Que el hierro sea un metal alotrópico significa que su estructura cristalina sufre variaciones con la temperatura.
Estructura Cristalina del Hierro durante el Proceso de Enfriado
El carbono condiciona los cambios de estructura del hierro, haciendo que la admisión de carbono en su interior varíe en función de la temperatura. Durante el proceso de enfriado, la estructura cristalina del hierro es la siguiente:
- 1539 ºC – 1400 ºC: Fe $\delta$
- 1400 ºC – 910 ºC: Fe $\gamma$ (Austenita)
- 910 ºC – 768 ºC: Fe $\beta$
- Menor de 768 ºC: Fe $\alpha$ (Ferrita)
Formas de Aparición del Carbono en los Aceros
El carbono puede aparecer en los aceros en las siguientes formas:
- FeC (Carburo de Hierro)
- Grafito
- Fe₃C (Cementita)
Transformaciones en Aceros y Fundiciones
Aceros Hipoeutectoides
Un acero hipoeutectoide es aquel cuya concentración de carbono es inferior a la composición eutectoide.
Transformación de Aceros Hipoeutectoides en función del Enfriamiento
La transformación se da en las siguientes etapas:
- Por encima de 1539 ºC: Líquido
- 1539 ºC – 910 ºC: Austenita (Sólido)
- 910 ºC – 723 ºC: Austenita + Ferrita (Sólido)
- A 723 ºC: Ferrita + Perlita (Sólido)
Aceros Eutectoides
Transformación de Aceros Eutectoides en función del Enfriamiento
La transformación se da en las siguientes etapas:
- Por encima de 1539 ºC: Líquido
- 1539 ºC – 723 ºC: Austenita
- 723 ºC – 0 ºC: Perlita
Aceros Hipereutectoides
Transformación de Aceros Hipereutectoides en función del Enfriamiento
La transformación se da en las siguientes etapas:
- Por encima de 1539 ºC: Líquido
- 1539 ºC – 1400 ºC: Líquido + Austenita
- 1400 ºC – ± 1000 ºC: Austenita
- ± 1000 ºC – 723 ºC: Austenita + Cementita
- 723 ºC – 0 ºC: Perlita + Cementita
Transformaciones en el Enfriamiento de las Fundiciones
Las transformaciones en el enfriamiento de las fundiciones varían en función de su concentración de carbono:
Fundiciones Hipoeutécticas (C < 4.3%)
- Líquido
- Líquido + Austenita
- Austenita + Ledeburita
- Ledeburita + Cementita + Perlita
Fundiciones Eutécticas (4.3% C)
- Líquido
- Ledeburita
Fundiciones Hipereutécticas (C > 4.3% C)
- Líquido
- Líquido + Cementita
- Cementita + Ledeburita
- Cementita + Ledeburita
Microconstituyentes Significativos de Aceros y Fundiciones
A continuación, se mencionan los microconstituyentes más significativos, destacando sus propiedades:
- Austenita ($\gamma$): Microconstituyente de partida para transformar en lo que necesitemos.
- Ferrita ($\alpha$): Microconstituyente más blando (más parecido a plastilina), con bajo contenido de carbono.
- Cementita (Fe₃C): Microconstituyente más duro (por su alto % en carbono), muy poco maleable y muy frágil.
- Perlita: Estructura laminar compuesta por Ferrita + Cementita.
Estructuras Finales Resultantes (Resumen)
- Hipoeutectoides: Ferrita + Perlita (Ferrita + Ferrita + Cementita)
- Hipereutectoides: Cementita + Perlita (Cementita + Cementita + Ferrita)