Monografías
Publicar | Monografías por Categorías | Directorio de Sitios | Software Educativo | Juegos Educativos | Cursos On-Line Gratis

 

Aleaciones del acero y alumínio parte 1 - Monografía



 
DESCARGA ESTA MONOGRAFÍA EN TU PC
Esta monografía en formato html para que puedas guardarla en tu pc e imprimirla.



Vínculo Patrocinado




Aquí te dejamos la descarga gratuita
Nota: para poder abrir archivos html solo necesitas tener instalado internet explorer u otro navegador web.




Metales. Propiedades mecánicas. Composición química. Aceros inoxidables. Fabricación. Tratamientos. Aplicaciones



PROCESAMIENTOS, CLASIFICACION Y APLICACIONES DE LAS ALEACIONES DEL ACERO INOXIDABLE Y EL ALUMINIO



Trabajo de investigación en la asignatura
Ciencia de los materiales entregado

28 de Abril

CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE LA COSTA, C.U.C.
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
BARRANQUILLA
2003
TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN



Los metales y las aleaciones poseen muchas propiedades útiles en ingeniería, lo que supone una extensa gama de aplicaciones en diseños y proyectos.  El hierro y sus aleaciones principalmente el acero representan aproximadamente el 90% de la producción mundial de metales, fundamentalmente a la combinación de su buena resistencia, tenacidad y ductibilidad con su relativo bajo costo.

El aluminio nativo no existe en natura. Aunque represente aproximadamente el 8% del total de los elementos en la tierra, el hombre ha tenido que inventarlo, extrayéndolo de la bauxita. Descubrir el aluminio ha significado descubrir un material con características excepcionales de ligereza, ductilidad, resistencia mecánica y a los agentes atmosféricos, inalterabilidad, buena conductividad termal y eléctrica. Estas características han hecho que el aluminio se convirtiera rápidamente en uno de los materiales más empleados en la producción de productos de consumo de gran serie, de hecho, hoy está en segundo lugar solamente al acero tendendo todavía a mejorar su posición.
Extraído hasta 1825 en laboratorio y explotado industrialmente solamente a partir de 1880, gracias a su fuerza y ligereza en poco más que un siglo ha sabido ponerse indispensable en una vasta gama de usos en tierra, mar y aire. Material con muy bajo impacto ambiental durante su producción así que llanamente reutilizable gracias a su total reciclabilidad, el aluminio y sus aleaciones tienen un impacto positivo muy alto en la calidad de la vida de cada uno de nosotros.


OBJETIVOS



- Objetivo general :



Crear criterios ingenieriles con respecto a los procesamientos, clasificacion y aplicaciones del acero inoxidable y el aluminio.

- Objetivos específicos :



- Tener claro los procesamientos por medio de los cuales se mejoran las cualidades de estos metales.
- Identificar detalladamente cada una estas cualidades las cuales determinan su clasificaciones.
- Consultar el actual mercado mundial para de esta forma determinar las aplicaciones del aluminio y el acero


PROCESAMIENTOS, CLASIFICACION Y APLICACIONES DEL ACERO INOXIDABLE


El Acero es una aleación de hierro que contiene entre un 0,04 y un 2,25% de carbono y a la que se añaden elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o vanadio, entre otros.


FABRICACIÓN DEL ACERO



El acero se obtiene eliminando las impurezas del arrabio, producto de fundición de los altos hornos, y añadiendo después las cantidades adecuadas de carbono y otros elementos. La principal dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. En 1855, Henry Bessemer desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre y en el que el proceso de refinado del arrabio se lleva a cabo mediante chorros de aire a presión que se inyectan a través del metal fundido. En el proceso Siemens-Martin, o de crisol abierto, se calientan previamente el gas combustible y el aire por un procedimiento regenerativo que permite alcanzar temperaturas de hasta 1.650 ºC.

PROCESO DE CRISOL ABIERTO



Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este método, los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC.
El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6 × 10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas.
El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 Kg. de chatarra de acero, 11.000 kg de arrabio frío, 45.000 Kg. de arrabio fundido, 12.000 Kg. de caliza, 1.000 kg de mineral de hierro y 200 Kg. de fluorita. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor.
Desde el punto de vista químico la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como silicio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una longitud de 1,5 m. Estos lingotes -la materia prima para todas las formas de fabricación del acero- pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.

PROCESO BÁSICO DE OXÍGENO



El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.
En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora.

ACERO DE HORNO ELÉCTRICO



En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas.
En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado.
Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que -junto con el producido por el arco eléctrico- funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor.

TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO



El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de endurecimiento, que forman martensita, crean grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor. El temple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.
El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del acero.
Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última fase del enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el metal si el enfriamiento es demasiado rápido. Se han desarrollado tres procesos relativamente nuevos para evitar el agrietamiento. En el templado prolongado, el acero se retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura en la que empieza a formarse la martensita, y a continuación se enfría despacio en el aire. En el martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento que el templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal. Después se deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas de formación de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos 300 ºC hasta la temperatura ambiente. En el austemplado, el acero se enfría en un baño de metal o sal mantenido de forma constante a la temperatura en que se produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese baño hasta que el cambio es completo, antes de pasar al enfriado final.

Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o forman nitruros en su capa superficial. En la carburización la pieza se calienta cuando se mantiene rodeada de carbón vegetal, coque o de gases de carbono como metano o monóxido de carbono. La cianurización consiste en endurecer el metal en un baño de sales de cianuro fundidas para formar carburos y nitruros. La nitrurización se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros de aleación.

CARACTERÍSTICAS  DE LOS ACEROS INOXIDABLES



La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables es debida a una delgada película de óxido de cromo que se forma en la superficie del acero; como consecuencia del agregado de los elementos cromo, níquel, molibdeno, titanio, niobio y otros se producen distintos tipos de acero inoxidable, cada uno con diferentes propiedades.
A pesar de ser sumamente delgada ésta película invisible fuertemente adherida al metal, lo protege contra los distintos tipos de corrosión, renovándose inmediatamente cuando es dañada por abrasión, corte, maquinado, etc. Aunque la mínima cantidad de cromo necesaria para conferir esta resistencia superior a la corrosión depende de los agentes de corrosión, el Instituto Estadounidense de Hierro y Acero ha elegido el 10 por ciento de cromo como la línea divisoria entre aceros aleados y aceros inoxidables, mientras que otros establecen ese límite entre el 10,5% y el 11%.
Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron en secreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial. Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920 y de un limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia de los aceros inoxidables ha crecido en forma impresionante.
En la actualidad se cuenta con un gran número de tipos y grados de acero inoxidable en diversas presentaciones, y con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos, etc. Atendiendo a la estructura predominante de cada tipo, los aceros pueden ser clasificados en tres grupos:
- Austeníticos
- Martensíticos
- Ferriticos

CLASIFICACION DE LOS ACEROS INOXIDABLES



Los aceros inoxidables no son indestructibles, sin embargo con una selección cuidadosa, sometiéndolos a procesos de transformación adecuados y realizando una limpieza periódica, algún integrante de la familia de los aceros inoxidables resistirá las condiciones corrosivas y de servicio más severas.
Serie 400- Los Aceros Inoxidables Martensíticos :

Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%.
Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 y 431
Las propiedades básicas son: Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico) y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada.
Principales aplicaciones: Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería.
Serie 400- Aceros Inoxidables Ferríticos:

También se consideran simplemente al Cromo, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo < 0.2%.
Los tipos más comunes son el AISI 430, 409 y 434
Las propiedades básicas son: Buena resistencia a la corrosión. La dureza no es muy alta y no pueden incrementarla por tratamiento térmico.
Principales aplicaciones: Equipo y utensilios domésticos y en aplicaciones arquitectónicas y decorativas.
Serie 300- Los Aceros Inoxidables Austeníticos:
Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varia de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%.
Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317.
Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas.
Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaria, tanques, tuberías, etc.

ACERO INOXIDABLE AISI 316 CON ADICION DE MOLIBDENO



Análisis Químico


5376.gif

Usos y Aplicaciones



Resiste a la mayoría de los ácidos y agentes químicos industriales hasta 800°C además de agua salada. Para industrias químicas, alimenticia, y vitivinícola, petróleo, laboratorios, construcciones navales y aeronáuticas. La adición de molibdeno mejora la resistencia a la corrosión en ciertos medios. Alta resistencia al ataque de ácidos orgánicos e inorgánicos.
Tratamientos Térmicos
Templado: 1100°C enfriamiento enº agua o aire.


ACERO INOXIDABLE AISI 410 MARTENSITICO



Análisis Químico



5377.gif

Usos y Aplicaciones


Resiste la oxidación debida al agua dulce, agentes naturales de la intemperie y ácidos diluidos. Empleado para álabes de turbinas, ejes de bombas, pistones de motores marinos, válvulas y piezas para petróleo.


Tratamientos Térmicos


Forjado: 1150-750°C
Recocido: 850°C. R = 55 Kg/mm2
Templado: 975-1000°C enfriar en aceite
Revenido: 600°C. R = 85 Kg/mm2 750°C. R = .65 Kg/mm2

ACERO INOXIDABLE AISI 420 MARTENSITICO



Análisis Químico


5378.gif

Usos y aplicaciones


Resiste la oxidación debida al agua dulce, agentes naturales de la intemperie y ácidos diluidos. Empleado para moldes para vidrios y plásticos, instrumentos de medición, válvulas, pistones, piezas para hornos con temperatura hasta 700°C. No apto para soldar.

Tratamientos Térmicos


Forjado: 1100-850°C
Recocido: 850°C. R = 65 Kg/mm2
Templado: 975-1000°C al aceite
Revenido: 600°C. R = 100 Kg/mm2 750°C. R = 70 Kg/mm2


ACERO INOXIDABLE AISI 310



Análisis Químico


5379.gif

Usos y Aplicaciones



Acero Austenítico, resistente a altas temperaturas, hasta 1200°C, a emplearse en temperaturas superiores de 900°C. Utilizado en la construcción de hornos industriales, calderas, fabricación de vidrios, porcelanas, industria del esmalte, cemento, cerámica, etc.

Tratamientos Térmicos


5380.gif

ACERO INOXIDABLE AISI 304 ANTIMAGNETICO TIPO 18/8



Análisis Químico


5381.gif

Usos y Aplicaciones


Resiste la mayoría de los ácidos y agentes químicos industriales hasta 800°C aproximadamente, además de la acción atmosférica y agua salada. Todo tipo de empleo en la industria química, alimenticia y vitivinícola, petróleo, laboratorios. Construcciones navales y aeronáuticas no soldadas.

Tratamientos Térmicos


Templado: 1100°C enfriamiento en agua o aire. Se obtiene R = 52 Kg/mm2

CORROSIÓN DEL ACERO INOXIDABLE



Todos los aceros inoxidables contienen el cromo suficiente para darles sus características de inoxidables, muchas aleaciones inoxidables contienen además níquel para reforzar aun más su resistencia a la corrosión.
Estas aleaciones son añadidas al acero en estado de fusión para hacerlo inoxidable en toda su masa, por este motivo, los aceros inoxidables no necesitan ser ni chapeados, ni pintados, ni de ningún otro tratamiento superficial para mejorar su resistencia a la corrosión.
En el acero inoxidable no hay nada que se pueda pelar, ni desgastar, ni saltar o desprenderse. El acero ordinario, cuando queda expuesto a los elementos, se oxida y forma óxido de hierro pulverulento en su superficie; si esta no se combate, la oxidación sigue adelante hasta que el acero esté completamente corroído.
También los aceros inoxidables se oxidan, pero en vez de óxido común, lo que se forma en la superficie es una tenue película con un espesor típico de 8 a 10 Ángstroms (1 Angstrom = 10-8 cm) de óxido de cromo -que también contiene hierro y níquel- muy densa que constituye una coraza contra los ataques de la corrosión. Si por cualquier razón esta película de óxido de cromo que recubre los aceros inoxidables es eliminada, se vuelve a formar inmediatamente otra es su reemplazo al combinarse el cromo con el oxígeno de la atmósfera ambiente.
Cuando dicha capa está limpia y adecuadamente formada, es bastante inerte bajo la mayoría de las condiciones ambientales o de proceso; se dice entonces que el acero inoxidable está en estado “pasivo”. El empleo de acero inoxidable siempre estará bajo la dependencia de las características oxidantes del ambiente; si en un determinado proceso imperan condiciones fuertemente oxidantes, los aceros inoxidables resultan superiores a los metales y aleaciones más nobles.
Sin embargo, en la misma familia de los aceros inoxidables la resistencia a la corrosión varía considerablemente de un tipo al otro.

TABLA DE DEFECTOS SUPERFICIALES Y TÉCNICAS PARA SU ELIMINACIÓN



5382.gif





Creative Commons License
Estos contenidos son Copyleft bajo una Licencia de Creative Commons.
Pueden ser distribuidos o reproducidos, mencionando su autor.
Siempre que no sea para un uso económico o comercial.
No se pueden alterar o transformar, para generar unos nuevos.

 
TodoMonografías.com © 2006 - Términos y Condiciones - Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons. Creative Commons License