Metal·lúrgica i Siderúrgia

INTRODUCCIÓ

• Des dels inicis l'ésser humà s'ha sentit atret per petites pedres brillants, en aquella época encara no tenien un nom, però avui ja ho coneixem com or. Des de que l'home ha tingut la necessitat d'algun utensili ha recorregut a les matèries primeres i una de moltes ha estat els minerals.

• Per poder gaudir de les utilitats de qualsevol material s'han de seguir tres processos molt similars:

• Mineria: consisteix en l'extracció i l'enriquiment dels minerals

• Metal·lúrgia: consisteix en l'obtenció i l'afinament

• Indústria Metàl·lica: la qual està encarregada de la mecanització i la conformació del producte final.

• Els diferents minerals que podem trobar a la capa terrestre, la natura, no ens posa gents fàcil la seva extracció, de tal manera que d'una mina de ferro, per exemple, no en surt ja un ferro pur, per aquest motiu podem diferenciar entre mena (és la part del mineral rica en el metall que busquem) i la ganga (la qual posseeix poca quantitat del mineral que busquem).

ALIATGES

• Podem parlar dels metalls purs, però hi ha moltes vegades que no obtenim el màxim rendiment d'un material fins que no el combinem en un altre, gràcies en això disposem de materials molt més bons, aquestes "combinacions" de materials s'anomenen aliatges. Cal destacar i recordar, que l'obtenció d'un bon aliatge depen de la quantitat de cada material en ell, no per més quantitat és millor, la proporcionalitat és molt important en aquest àmbit.

Un exemple dels aliatges més comuns

• Una part important a l'hora d'aconseguir un aliatge és molt important la solidificació d'aquest, a diferencia dels metalls, un aliatge té tres àrees de refredament:

• L'àrea de fase líquida (estat líquid)

• L'àrea de fase líquida + sòlida (estat "semi")

• L'àrea de la fase sòlida (estat sòlid)

• Una característica important també és el fet que durant la seva solidificació la temperatura es manté constant. La temperatura de fusió és la més baixa de tots els components que el formen. Són mescles finíssimes i molt homogènies, en les quals no es poden distingir ni capes ni filaments solidificació, els quals manifestarien una mala fusió dels components.

EL FERRO I ELS SEUS ALIATGES

• Característiques del ferro: 

• Punt de fusió: 1539 ºC
• Color: blanc grisós
• Densitat: 7,87 g/cm3
• Propietats mecàniques: dúctils i mal·leables
• Fàcilment magnetitzable

• Industrialment coneixem un aliatge anomenat ferro pur, el qual es el resultat entre la unió del ferro i el carboni, sempre hi quan la taxa de carboni no superi el 0.03%.

- Solidificació del ferro:

• A la solidificació del ferro és pot observar el fenomen anomenat varietats al·lotròpiques, que són el resultat de les estructures cristal·lines que pot solidificar un metall; gràcies en aquest fenomen podem separar diferents tipus de ferro per la seva concentració en carboni:

• Varietat delta (𝝳): als 1539ºC la temperatura és manté constant i aquesta capa és solidifica.

• Varietat gamma (𝜸): als 1390ºC aquí és torna a mantenir constant durant una estona i mentre la massa canvia la seva estructura cristal·lina.

• Varietat beta (𝞫): després de que la temperatura decaigui fins als 900ºC  la massa canvia cap a aquesta varietat

• Varietat alfa (α):  aquí la temperatura ja ha baixat fins als 750ºC, aquí la massa es de la varietat alfa i es manté fins aconseguir la temperatura ambiental.

- Aliatges ferro-carboni

• Les formes d'aquest aliatge són condicionades per la quantitat de carboni posades en la combinació:

• Ferrita (0.02% de carboni) és un aliatge amb la varietat del ferro alfa amb una duresa de 90 HBW.

• Cementita (6.67% de carboni) és un aliatge que forma el carbur de ferro. posseeix una duresa de 700 HBW.

• Perlita:  (+85.5% de carboni → ferrita     +13,5% de carboni → cementita)  amb un índex HBW de 200.

• Austenita (1,76% de carboni) s'obté de combinar el carboni amb el ferro gamma, amb el qual obtens uns 300 HBW.

• Martensita (0.89% de carboni) aliatge de carboni amb ferro alfa, amb una duresa entre els 495 i els 745 HBW

L'ACER I LES FOSES

• L'acer es el producte entre els aliatges de ferro-carboni els quals estan entre el 0,1% i el 1,76%, és consideren foses quan el contingut de carboni oscil·la entre l'1,76% i el 6,67% i a més a més contenen silici. A la pràctica el contingut de carboni de les foses està entre el 3 i el 4,5%.

- Tipus d'acers: 

• Baix (<0,3) carrosseries d'automòbils

• Mitjà (de 0,3 a 0,6) rodes i carrils de tren

• Alt ( de 0,6 a 1,4) eines de tall i molles

- Tipus de foses:

• Blanca: cilindres dels trens del laminatge de l'acer

• Grisa laminar: estructures de màquines

• Grisa dúctil: cossos de bombes

• Processos d'obtenció del ferro colat i l'acer

En aquest esquema següent es pot observar clarament el funcionament d'un alt forn, on les principals matèries són:

             

                   - Mineral de ferro

                   -Carbó de coc

                   - Pedra calcària 

• Per altra banda també existeixen els convertidors d'oxigen, on l'objectiu és el mateix, fondre el ferro i el carboni a altes temperatures per poder facilitar el seu aliatge i d'aquesta manera obtenir l'acer.

• El forn elèctric, consisteix en en un cilindre d'acer refrigerat per un circuit d'aigua al seu voltant, el qual consisteix en portar les temperatures fins als "límits" mitjançant un mecanisme d'elèctrodes.

TRACTAMENTS TÈRMICS

Consisteix en sotmetre l'acer a uns canvis de temperatura controlats, per tal de variar les proporcions dels seus constituents

Gràfica del procés del tremp

- El tremp:

• Aquest procés s'aplica quan és vol aconseguir una elevada duresa i resistència mecànica. Consisteix en obtenir un acer amb una gran quantitat de martensita. Aquest procés consisteix en agafar l'acer en estat plasmàtic i posar-lo directament en aigua o en oli usat de cotxe, d'aquesta manera l'austenita es transforma en martensita.

- El revingut:

Gràfica procés del revingut

• Consisteix en un escalfament a temperatura inferior als 723ºC (d'aquesta manera evitem la formació d'austenita) i un refredament posterior a l'aire. D'aquesta manera millorem la tenacitat de l'acer i reduïm les tensions de l'acer trempat.

- La recuita:

Gràfic procés de la recuita

• S'utilitza quan és vol disminuir la duresa i incrementar la plasticitat d'un acer per poder-lo deformar i treballar fàcilment. En general consisteix en un escalfament a temperatura elevada i un refredament lent.

-El normalitzat:

Gràfica procés del normalitzat

• Consisteix amb l'escalfament fins a la temperatura d'austenització i un refredament a l'aire (a velocitat més lenta que el tremp però més ràpida que la recuita).