EL ACERO: FABRICACIÓN Y LOS PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN EN CALIENTE

1.) DEFINICIÓN DE ACERO:

Según la norma UNE 36-004 es la siguiente:

"Material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2% y contiene otros elementos. Aunque un limitado número de aceros puede tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición".

2.) ORÍGENES DEL ACERO:

Nuestros antepasados metalúrgicos se las ingeniaron para producir la "reducción directa" del mineral que contenía el hierro, rodeándolo totalmente de carbón de leña y provocando la combustión de este último.

Los métodos rudimentarios de que disponían para activar la combustión, no permitían lógicamente obtener una temperatura lo suficientemente elevada para fundir el metal. En su lugar, obtenían una masa esponjosa, pastosa, mezcla de hierro y escoria, que había que martillear repetidamente al rojo vivo, para eliminar la escoria e impurezas. Estos martilleos, además, lo endurecían, consiguiendo así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un tipo primitivo del acero.

Más tarde conseguirían pasar el mineral a la forma líquida ("hierro colado") con la combustión del carbono vegetal. Para llegar al acero que ahora conocemos, hubo que sustituir el carbono vegetal por el coque, aumentar (progresivamente) las alturas de los hornos y aumentar la ventilación para avivar la combustión.

3.) FABRICACIÓN DEL ACERO:

El acero se obtiene a partir de dos materias primas fundamentales: el arrabio obtenido en horno alto y la chatarra.

La fabricación del acero en síntesis se realiza eliminando las impurezas del arrabio y añadiendo las cantidades convencionales de Mg, Si y de los distintos elementos de aleación.

Los métodos más importantes de fabricación de aceros son los siguientes:

Métodos antiguos: Hornos de Reverbero (Siemens-Martin); Convertidor Bessemer.

Métodos modernos: Convertidor L.D.; Hornos eléctricos de arco H.E.A.; Convertidor A.O.R.; Horno de inducción.

Métodos actuales: Metalurgia secundaria en cuchara.

Sin embargo, sólo me voy a referir a los métodos actuales.

La metalurgia secundaria se lleva a cabo en equipos diversos, tales como cucharas, convertidores u hornos especiales. Según el objeto que tratan de conseguir se clasifican en tres grandes categorías:

A.) Tratamiento de desgasificación: El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse. Entre éstos están los gases disueltos durante el proceso de fabricación; Hidrógeno; Oxígeno; Nitrógeno. Para reducir el tamaño al máximo del contenido de estos gases, en especial el Hidrógeno, se somete al acero líquido al vacío, según distintos procesos, que pueden agruparse en tres técnicas principales:

A.1.) Desgasificación del chorro de colada: Consiste en situar el recipiente receptor del acero líquido (cuchara o lingotera) en una cámara de vacío, sobre la que se ajusta la cuchara que contiene el acero líquido. El chorro de acero, por efecto del vacío, se fracciona en gotas que favorecen las eliminación de los gases.

A.2.) Desgasificación del acero en la cuchara: La cuchara se sitúa previamente en una cámara de vacío. Para facilitar la desgasificación, el acero se remueve por una corriente de gas inerte (Argón) o electromagnéticamente.

A.3.) Desgasificación por recirculación: Consiste en hacer circular repetidas veces el acero por un recipiente que actúa de cámara de vacío.

B.) Tratamiento de afino de los aceros inoxidables: La chatarra se funde en un horno eléctrico de arco de inducción. Después de colada la cuchara con el acero fundido en la cámara y hecho el vacío, se inyecta oxígeno con una lanza situada en la parte superior, que elimina el carbono con un mínimo de oxidación metálica. Al mismo tiempo, se pasa Argón a través de un tapón poroso situado en el fondo de la cuchara, para homogeneizar la masa del acero líquido.

C.) Tratamiento de homogeneización por barboteo: Consiste en la agitación del baño mediante la inyección de un gas inerte, generalmente Argón, a través del fondo de la cuchara o por una lanza.

D.) Tratamientos de desulfuración y desoxidación: Se insuflan estos productos en polvo, a través de una lanza, por medio de un gas inerte. Los productos más frecuentes para insuflar son el (SILICIO-CALCIO) "Si-Ca" y diversas escorias sintéticas. La agitación del acero por el paso del gas produce excelente homogeneidad de composición y temperaturadel baño y una mejora de la limpieza.

E.) Desoxidación del acero por el carbono en el vacío o (VCD): Al ser tratado el acero en el vacío conteniendo carbono y oxígeno disueltos estos elementos reaccionan entre sí, dando origen a CO, de esta forma se elimina el oxígeno del acero sin dejar residuos sólidos (inclusiones no metálicas). El CO (gas) es eliminado del sistema (vacío), siguiendo la reacción hasta prácticamente la eliminación total del oxígeno. La deshidrogenación también es más elevada, al ser ayudada por el desprendimiento de burbujas de CO, que facilitan el arrastre del hidrógeno.

F.) Tratamientos de afino con calentamiento de acero en cuchara: Por este proceso pueden conseguirse aceros con muy bajo contenido de azufre y gases, muy limpios y con control de la morfología de las inclusiones. También se consigue excelente control de la composición y la temperatura. Las cucharas se montan con tampones porosos por los que se inyecta Argón. Una vez obtenido el grado de desulfuración deseado se añaden las ferroaleaciones requeridas obteniéndose el acero programado.

G.) Adición de Aluminio y Calcio por medio de alambre o de proyectiles: El alambre se introduce a gran velocidad en el acero mediante un mecanismo especial. Al mismo tiempo se remueve el acero de la cuchara inyectando Argón. En el caso de adición por proyección, los proyectiles se lanzan a una velocidad controlada para que almacenen el fondo de la cuchara, por medio de un aparato que funciona como una metralleta de aire comprimido.

H.) Refusión por arco bajo vacío (VAR) y bajo escoria electroconductora (E.S.R.): Por estos métodos se producen lingotes de acero de gran pureza. Ambos métodos consisten en la refusión de un electrodo de la composición química deseada, en un crisol enfriado por agua, realizándose simultáneamente la fusión del electrodo y la solidificación del acero.

4.) LA COLADA DEL ACERO

Permite pasar directamente del acero líquido a un semiproducto transformable posteriormente por laminación.

A.) La colada del acero en lingotera: (recipientes de paredes gruesas construidos normalmente con fundición).Las lingoteras se colocan sobre unas placas de hierro fundido que tienen una serie de canales o ramificaciones, en donde se colocan los conductores de ladrillo reflactario y el bebedero o "REINA".

A los lingotes de aceros especiales siempre se les pone en la parte de la cabeza lo denominado mazarota, que consiste en una pieza de cerámica revestida interiormente de un material exotérmico y a la que ese adiciona en el momento de la llegada del acero al final del llenado, nuevamente material exotérmico, con el fin de aumentar la temperatura en esa zona y ser la parte de enfriamiento lento del lingote, de manera que se concentre en esa zona el fenómeno de contracción del paso líquido a sólido (rechupe). También en esta zona es donde más concentración existe de segregación principal y donde quedan decantadas las inclusiones no metálicas más gruesas, que por ser de menor densidad que el acero flotan en las zonas líquidas que solidifican últimamente.

Durante la colada se debe proteger el chorro de acero entre la cuchara y el bebedero para evitar oxidaciones del chorro y por tanto disminución de las inclusiones óxidas.

Durante la ascensión del caldo, para impedir el contacto de la superficie del acero con el aire, se adicionan productos llamados "pielizantes", que también cumplen la labor de lubricar el contacto caldo-lingotera; formando una nueva película , que posteriormente mejora la superficie de la piel de los lingotes, favoreciendo las transformaciones posteriores. El acero después de la colada se deja reposar durante un tiempo determinado en la lingotera para que termine de solidificar y después se "desmoldean", procurando siempre que la temperatura sea superior a los 800º C, trasladándolos a continuación a los hornos de calentamiento para transformación por laminación o forja.

B.) La colada continua: De la cuchara se vierte el chorro en una "ARTESA" (es una especie de distribuidor del caldo) y de la artesa se vierte en un molde de fondo desplazable y cuya sección transversal tiene la forma de palanquilla o semiproducto que se quiera fabricar.

Se denomina continua porque el producto sale sin interrupción de la máquina, hasta que la cuchara o cucharas de alimentación se hayan agotado.

El chorro, tanto al pasar de la cuchara a la artesa como al pasar de ésta al molde, es protegido de la atmósfera con buzas sumergidas.

Para iniciar la operación de la colada continua, se cierra el fondo del molde con un cabezal metálico que tiene la sección del molde unido a una barra metálica larga (FALSA BARRA), de esta forma queda tapado el fondo del molde evitando que el caldo caiga al vacío. Poco después, a medida que el caldo pasa por el molde va arrastrando a la barra que finalmente se desprende y es retirado hasta que sea necesario iniciar una nueva colada.

5.) LA TRANSFORMACIÓN EN CALIENTE DEL ACERO

Tanto la laminación en caliente como la forja son tratamientos metalúrgicos que mejoran la homogeneidad del acero reduciendo los efectos de la segregación, aumentan la compacidad soldando las discontinuidades internas no oxidadas y afinan el grano de austenita. La formación de fibra (estiramiento de las impurezas o inclusiones) genera propiedades direccionales, mejorando las longitudinales en detrimento de las transversales.

A.) Laminación en caliente: Consiste en hacer pasar un material (lingote o semiproducto) entre dos rodillos o "CILINDROS" , que giran a la misma velocidad en sentidos contrarios, y reducir la sección transversal mediante la presión ejercida por estos.

Las fases principales de un proceso de laminación en caliente son:

A.1.) Calentamiento: Las instalaciones de calentamiento más usuales son: hornos de empuje, de largeros, de fosa, de vagonetas o carros, durmientes o carros, etc.

Los hornos de empuje o con ligeros matices los de carros, son instalaciones que disponen de una cámara alargada, con una boca de entrada (boca de carga) de los lingotes fríos y otra boca de salida por donde salen los lingotes calientes, construida con ladrillo reflactario o modernamente manta aislante, revestida exteriormente de chapa. A lo largo del horno existen varios mecheros calentadores de gas o fuel-oil repartidos por zonas de calentamiento.

Los hornos de fosa son instalaciones compuestas normalmente por varias cámaras en forma de fosa cubiertas por una tapadera móvil. Las fosas disponen de uno o varios mecheros de gas o fuel. Los lingotes se disponen normalmente en posición vertical, se meten y sacan de uno en uno por medio de una grúa especial.

El ciclo térmico seguido es: enhornamiento, rampa de calentamiento, mantenimiento a la temperatura de laminación según geometría del lingote y calidad del acero.

A.2.) Laminación: El tren de laminación es el conjunto de "cajas laminadoras" donde se realiza el proceso de laminación. Cuando por estas cajas el material sólo pasa una vez, estando una caja a continuación de otra se llama "tren continuo".

Para conseguir que el lingote o la palanquilla de salida adquiera la forma deseada es necesario que el material sufra una serie de pasadas por varios cilindros. Para ello hay que diseñar previamente los canales de los cilindros para que secuencialmente conformen el lingote o palanquilla a la configuración geométrica final.

A.3.) Corte y enfriamiento: Tras la laminación del desbaste hay que cortar los extremos del lingote para eliminar la mazarota y el pie. Esta operación se realiza por cizalladura o por sierra en caliente.

El enfriamiento debe estar muy controlado para que no se produzcan agrietamientos superficiales y estalladuras en las barras.

B.) La forja: es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica producida por presión o impacto. Esta deformación controlada del metal, realizada a alta temperatura, produce mejor calidad metalúrgica y mejora las propiedades mecánicas.

Al calentarla es importante conseguir la uniformidad de temperatura en toda la pieza. Si el corazón del lingote o desbaste está "frío" (menos de 1250º C) pueden aparecer roturas internas, al no tener la misma plasticidad que la superficie.

B.1.) Forja libre: se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada. Es utilizado cuando la cantidad de piezas a fabricar es pequeña o si el tamaño de la pieza a forjar es muy grande.

Existen dos tipos de forja libre: la forja con martillo, donde el lingote del desbaste se apoya en yunque inferior y este a su vez en la "chabota" produciéndose la deformación por los fuertes golpes de la maza que cae sobre el lingote; y la forja en prensa, los lingotes grandes se sitúan entre el yunque superior y el inferior de prensas hidráulicas.

B.2.) Forja por estampación: la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa. El material se coloca entre dos matrices que tienen huecos grabados con la forma de la pieza que se desea obtener. El metal llena completamente los huecos de la estampa por medio de golpes o presión empleando martillos o prensas. El proceso de estampado termina cuando las dos matrices llegan a ponerse prácticamente en contacto.

Se puede realizar en caliente (unos 1000ºC), en semicaliente (entre 850ºC y 1250ºC) o en frío (temperatura ambiente).

C.) El moldeo del acero: consiste en verter (colar) el acero en un molde hueco, cuya cavidad reproduce la forma deseada de la pieza y se deja solidificar el metal en dicho molde. La calidad es mucho menor pero también es mucho más económico. El proceso de moldeo consta de las siguientes etapas:

• Construcción y preparación del "moldeo".

• Fabricación del "molde" a partir del modelo.

• Elaboración del moldeo líquido.

• Colada del acero líquido en los moldes.

• Desmoldeo de la pieza.

• Limpieza (desarenado y rebabado).

• Tratamiento térmico.

• Acabado final.

LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS ESPECIALES

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones determinadas a que se someten los aceros para conseguir las propiedades y características más adecuadas a su empleo o transformación. No modifican la composición química pero sí otros factores tales como los constituyentes estructurales y como consecuencia las propiedades mecánicas.

2.) DESARROLLO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Constan de tres fases:

A.) Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperatura de consigna): La elevación de temperatura debe ser uniforme, por lo que cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la temperatura muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos críticos, este último es el calentamiento escalonado.

B.) Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida. Puede considerarse como suficiente una permanencia de unos dos minutos por milímetro de espesor en el caso de querer obtener una austenización completa en el centro y superficie. Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son "muy peligrosos" ya que el grano austenítico crece rápidamente dejando el acero con estructuras finales groseras y frágiles.

C.) Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la temperatura ambiente: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento que se realice.

3.) CLASIFICACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

• Tratamientos en la masa: recocidos y normalizados, temples y revenidos.

• Tratamientos superficiales: temple superficial y tratamientos termoquímicos (cementación, carbonitruración, boruración y nitruración).

• Tratamientos de superficie (depósitos).

4.) TRATAMIENTOS EN LA MASA MÁS UTILIZADOS

A.) Normalizado: Se realiza calentando el acero a una temperatura unos 50ºC superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido.

Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura.

Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono.

A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente. Esta variación será más acusada cuanto más cerac del núcleo realicemos el ensayo.

B.) Recocido: Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar su mecanizado posterior. También es utilizado para regenerar el grano o eliminar las tensiones internas.

Se debe tener en cuenta que los recocidos no proporcionan generalmente las características más adecuadas para la utilización del acero y casi siempre el material sufre un tratamiento posterior con vistas a obtener las características óptimas del mismo. Cuando esto sucede el recocido se llama también "tratamiento térmico preliminar" y al tratamiento final como "tratamiento térmico de calidad".

Los tipos de recocidos son los siguientes: recocido de regeneración, recocido de engrosamiento de grano, recocidos globulares o esferoidales (recocido globular subcrítico, recocido regular de austenización incompleta o recocido globular oscilante), recocido de homogenización, recocidos subcríticos (de ablandamiento o de acritud), recocido isotérmico y recocido blanco.

C.) Temples: es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima llamada "crítica".

El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple es aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la austenita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros templados.

El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad del mismo que debe ser siempre superior a la crítica para obtener martensita.

La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes".

Los factores que influyen en la práctica del temple son:

• El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.

• La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.

• El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.

• El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.

Los tipos de temple son los siguientes: temple total o normal, temple escalonado martensítico o "martempering", temple escalonado bainítico o "austempering", temple interrumpido y tratamiento subcero.

D.) Revenido: es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a éste. Al conjunto de los dos tratamientos también se le denomina "bonificado".

El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero después de normalizado o templado, a una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.

Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble revenido, el primero con enfriamiento rápido y el segundo con enfriamiento lento hasta 300ºC.

Los fines que se consiguen con este tratamiento so los siguientes:

- Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad.

- Disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.

- Modificar las características mecánicas, en las piezas templadas produciendo los siguientes efectos:

· Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.

· Aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.

Los factores que influyen en el revenido son los siguientes: la temperatura de revenido sobre las características mecánicas, el tiempo de revenido (a partir de un cierto tiempo límite la variación es tan lenta que se hace antieconómica su prolongación, siendo preferible un ligero aumento de temperatura de revenido), la velocidad de enfriamiento (es prudente que el enfriamiento no se haga rápido) y las dimensiones de la pieza (la duración de un revenido es función fundamental del tamaño de la pieza recomendándose de 1 a 2 horas por cada 25mm de espesor o diámetro).