Materieles Usados en Tuberias R 0

8/19/2019 Materieles Usados en Tuberias R 0

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Depart am ento de Mecánic aTu b er ías

MATERIALES USADOS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SU SELECCIÓN. Rev. 0

Septiembre, 2014 Instructor. José Sáez Torrentó Pág. No. 1

Ingeniería Mecánica.

Área de tuberías.Disciplina de materiales.

MATERIALES USADOS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SU SELECCIÓN


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MATERIALES USADOS EN LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SU SELECCIÓN


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Tabla de contenidoMódulo I

Objetivo

Alcance

Materiales

Historia

Metalurgia


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Tabla de contenidoMódulo II

Procesos de Fabricación

Productos

Fundición de Hierro


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Tabla de contenidoMódulo III

Aceros

Clasificación de los aceros

Aceros al Carbono

Acero aleados


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Tabla de contenidoMódulo IV

Denominación de los aceros

Normas ASTM materiales de acero para sistemas detuberías


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Tabla de contenidoMódulo V

Procesos de conformación del acero

Tratamientos de los aceros


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Tabla de contenidoMódulo VI

Materiales metálicos no ferrosos

Normas ASTM materiales no Ferrosos para sistema detuberías

Materiales no metálicos


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Tabla de contenidoMódulo VII

Materiales plásticos

Soldadura y soldabilidad


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Tabla de contenidoMódulo VIII

Criterios para comparación de materiales

Bases para la selección de materiales

Normas de materiales para tuberías

Conclusiones


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Módulo I


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Objetivo

Esta presentación tiene como objetivo dar a conocer cuales son losmateriales más comúnmente usados en los sistemas de tuberías, definir loscriterios que se establecen para su comparación y establecer las premisasque se siguen en la selección de estos materiales según sea la naturalezadel fluido y las condiciones de diseño del sistema.

Para lograr el objetivo anterior se hará un resumen que abarcará losdiferentes materiales, sobre todo los materiales metálicos, en especial semencionará al hierro, su historia, metalurgia, el proceso de su fabricación,sobre los altos hornos y del acero, el acero al carbono, el acero aleados y losaceros inoxidables, se mencionará los principales procesos de conformacióndel los aceros, sus tratamientos térmicos y los superficiales, también sehablará sobre los materiales no ferrosos, los no metálicos, se mencionaránlos criterios de fallas, las bases de comparación y selección de losmateriales.

Módulo I


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Alcance

Esta información esta dirigida a los ingenieros que van a trabajar en el áreade materiales de la organización y esta enmarcada dentro de la política decalidad de la empresa que establece lo siguiente:

“Promover la mejora continua de cada uno de los procesos del

negocio y la eficacia operativa, durante la presentación de losservicios.”

Módulo I


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MATERIALES

Módulo I


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MATERIALES

En la naturaleza existen una infinidad de materiales que pueden componer alos distintos tipos de roca, de suelo o de nacimientos minerales, oacumulaciones de petróleo, asfalto, gas natural, etc.

Los materiales se dividen en 2 tipos, los naturales y los sintéticos o más bien

dicho, materias primas naturales que se obtienen de la naturaleza y que elhombre las utiliza a su antojo y la materia prima sintética, que es elaboradapor el hombre, mediante la manipulación y a veces mezcla de materia primanatural.

Módulo I


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MATERIALES

Los materiales se pueden clasificar en los siguientes grupos:

Ferrosos

Metálicos No ferrosos

Materiales cerámicos

No metálicos Materiales poliméricos

Materiales electrónicos

Módulo I


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MATERIALES

Metálicos

Se define a los materiales metálicos, como aquellos elementos químicos quese caracterizan por tener las siguientes propiedades:

Poseen una estructura interna común

Son sólidos a temperaturas normales, excepto el mercurio y el galioTienen una alta densidad

Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica

Tienen considerable resistencia mecánica

Suelen ser maleables

Se pueden fundir, conformar y reciclar

Módulo I


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MATERIALES

MetálicosPropiedades fisicoquímicas

Peso específicoPunto de fusiónCalor específico

Calor latente de fusiónDilatación y contracciónResistencia a la oxidaciónResistencia a la corrosión

AleabilidadFluenciaResistencia al impactoDurezaMagnetismoConductividad eléctricaConductividad térmica

Módulo I


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MATERIALES

MetálicosPropiedades Fisicoquímicas

Las propiedades principales que sirve de base para la selección ycomparación de materiales metálicos que se usan en tuberías, sonbásicamente las siguientes:

La composición química

El esfuerzo de fluencia

La resistencia al impacto

La dureza.

Cada una de estas propiedades se detallará más adelante.

Módulo I


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MATERIALES

Ferrosos Definición del Metal Ferroso

Un material es ferroso o férrico, cuando su componente principal es el hierro.

Normalmente posee pequeñas cantidades de Carbono que se hanincorporado en el proceso de obtención y otros metales incorporados, paraque la aleación resultante adquiera propiedades especiales.

El Fe puro no presenta buenas propiedades mecánicas, por lo que tiene muypocas aplicaciones técnicas.

Módulo I


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MATERIALES

FerrososCaracterísticas del hierro puro

-Es un material magnético- Color blanco azulado- Muy dúctil y maleable

- Punto de fusión: aproximadamente 1500 ºC- Densidad alta (7.870 kg/m3)- Buen conductor del calor y la electricidad- Se corroe y oxida con mucha facilidad- Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado)-Es un metal más bien blando

En la industria, el hierro se emplea aleado con carbono y otros materiales, loque mejora mucho sus propiedades.

Una aleación de Fe + C es un producto siderúrgico, que se define como todasustancia férrea que ha sufrido un proceso metalúrgico.

Módulo I


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HISTORIA DEL HIERRO, DE LOS ALTOS HORNOS Y DEL ACERO

Módulo I


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HISTORIA DEL HIERRO

Mucho antes de aprender a utilizar los minerales ferrosos terrestres, losantiguos trabajaron el hierro de los meteoritos.

Los guerreros dotados de armas de origen meteórico sentían el poder de loscielos en las batallas. Probablemente de allí viene la conexión entre lasiderurgia, la industria del hierro, y lo sideral, que se relaciona con lasestrellas.

La materia prima para fabricar las espadas de Damasco venía de la India yse llamaba "wootz". El wootz era un acero muy rico en carbono queproducían los herreros indios con la forma y el tamaño de un queso frescochico que se comercializaba intensamente en el Oriente.

Los herreros del Medio Oriente que compraban el wootz de la India, seguíanun proceso de forja para producir las hojas de espada.

Módulo I


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HISTORIA DEL HIERRO

Hierro wootz

Módulo I


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HISTORIA DEL HIERRO

Hay indicios de que alrededor del año 1200 A.C. ya se sabía cómo convertirla superficie del hierro forjado en acero.

Una vez conformada un hacha de hierro forjado, por ejemplo, se empacabaen medio de carbón de leña molido. El paquete se mantenía en un recipienteal rojo vivo por varias horas para que el carbono de la leña se difundierahacia el interior del hacha, formando una capa dura de acero (hierro +carbono) alrededor de una matriz de hierro.

Este proceso, con algunas variantes, todavía se emplea en la actualidad y seconoce como cementación.

Módulo I


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HISTORIA DEL HIERRO

En el siglo XVIII se desconocía el motivo por el cual el hierro forjado, el aceroy el arrabio eran distintos. No fue sino hasta 1820 cuando Kersten planteóque era el contenido de carbono la razón de sus diferencias. El primermétodo para determinar con precisión el contenido de carbono en el acerofue desarrollado en 1831 por Leibig.

Los chinos ya en el siglo VI de nuestra era, conocían y aprovechaban lacomposición eutéctica para producir fundiciones en hornos de leña. Eranhornos, mayores que los europeos y por su mayor escala podían alcanzartemperaturas superiores a los 1150 °C.

El producto de estos hornos era una aleación líquida llamada arrabio que

contenía abundantes impurezas. Por su baja temperatura de fusión, elarrabio servía como punto de partida para la fabricación de hierro fundido, alcual solamente se le eliminaban las impurezas manteniendo un altocontenido de carbono.

Módulo I


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HISTORIA DEL HIERRO

El primer paso para lograr la transformación masiva del arrabio en acero lodio el inglés Henry Bessemer en 1856.

La idea de Bessemer era simple: Eliminar las impurezas del arrabio líquido yreducir su contenido de carbono mediante la inyección de aire en un"convertidor" de arrabio en acero.

Módulo I

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HISTORIA DE LOS ALTOS HORNOS

Módulo I

http://explorepahistory.com/kora/files/1/2/1-2-FBE-25-ExplorePAHistory-a0k2t7-a_349.jpghttp://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=Bi9lVEsBVcJ8uM&tbnid=h5YMgamNpUaG3M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.infoacero.cl/catalogo/csh100_103.htm&ei=JcmqU-jSL5PF8QHpp4DoBA&bvm=bv.69620078,d.b2U&psig=AFQjCNHNkU7vrItjUzObtD9_9H5xJDvV2A&ust=1403787807553861


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El predecesor directo de los hornos que hoy se usan en Europa provino de laregión de Namur, Bélgica. El diseño se había extendido desde la región afines del siglo XV y fue introducido en Inglaterra en 1491. La industria delhierro alcanzó su mejor momento en 1590, y la mayoría del arrabio de estoshornos se llevaba a forjas de afino para la producción de hierro en barra.

La próxima evolución en la tecnología siderúrgica tuvo lugar en GranBretaña, en donde Abraham Darby introdujo exitosamente el coque en 1709.El combustible que se usaba antes en los altos hornos era el carbón vegetal.

La eficacia del proceso se mejoró aún más al cambiar por el viento caliente,desarrollado por James Beaumont Nelson en 1828. Dentro de unas décadas,

se empezó a usar la estufa, en la cual se quemaban los gases de escape.Luego se usaba el calor para precalentar el aire que se inyectaba al horno.

Módulo I


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Los altos hornos continúan siendo una parte importante de la producciónmoderna del hierro.

Los hornos modernos son altamente eficaces. Incluyen las estufas Cowperpara precalentar el aire soplado y usan sistemas de recuperación paraextraer el calor de los gases calientes que salen del horno. La competenciaque hay en la industria impulsa los índices de producción más altos.

Un alto horno grande tiene un volumen de 5500 m3 y produce alrededor de80.000 toneladas de hierro por semana, en comparación con los primerosaltos hornos que promediaban alrededor de 400 toneladas de hierro por año .

Módulo I


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HISTORIA DEL ACERO

La primera utilización de los productos elaboradas con acero datan deaproximadamente del año 3000 A.C., sin embargo los primeros acerosproducidos con características de calidad similares al acero actual fueronobtenidos por Sir Henry Bessemer en 1856 con la ayuda de un procesodiseñado por él, utilizando fósforo y azufre.

Este proceso fue sustituido por el sistema inventado por Sir William Siemensen 1857, en el cual se descarburiza la aleación de acero con la ayuda de oxidode hierro.

Módulo I


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HISTORIA DEL ACERO

Como se obtiene el acero

Para conseguir un material duro,resistente y tenaz, es necesarioreducir el contenido de carbono ymodificar la composición de losdemás elementos presentes en elarrabio. Esta operación sedenomina afino y de ella seobtienen los aceros.

Módulo I

Proceso de afino del arrabio

d á

http://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=XVzRNv5EyIW7qM&tbnid=fGKzOQJ-5IYooM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.tpa.or.th/writer/read_this_book_topic.php?pageid=42&bookID=1818&read=true&count=true&ei=-mOxU8uxKonjsATT3YHYBQ&bvm=bv.69837884,d.cWc&psig=AFQjCNG4Yf-KzL7csgeMkej4F5ZswsNiLA&ust=1404220206075444


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METALURGIA Fe-C

Módulo I

D d M á i


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METALURGIA Fe-C

Estructura cristalina de los materiales

Los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales

Amorfo.Cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia.Es el caso de los vidrios y de los polímeros vítreos.

Cristalino .Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en elespacio. En este grupo se encuentran englobados los metales, losmateriales cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad

suficiente.

Módulo I

D d M á i


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METALURGIA Fe-C


Conviene destacar que la mayor parte de los metales de interés industrialúnicamente cristalizan en tres tipos de redes:

Cubica centrada en el cuerpo

Cubica centrada en las caras

Hexagonal compacta

En la próxima lámina se muestra un esquema de cada una de estas

estructuras.

Módulo I

D t t d M á i


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Cúbica centrada en el cuerpo (que sedesigna abreviadamente por BCC).

Cúbica centrada enlas caras (FCC).

Hexagonal compacta (HCP).

METALURGIA Fe-C


Módulo I

D t t d M á i


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METALURGIA Fe-C


A continuación se puede observar el tipo de red cristalina presente enalgunos metales y los tipos de metales que cristalizan en este tipo de redescristalinas.

Módulo I

D t t d M á i


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METALURGIA Fe-C


En la tabla se muestra el tipode red cristalina presente enalgunos metales y la dimensiónfundamental de la celda .

Módulo I

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METALURGIA Fe-C

Diagrama de fases o equilibrio de Fe-C

En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan lastransformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura,admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muylentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienentiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmenteidentificando los puntos críticos y las temperaturas a las que se producen lassucesivas transformaciones.

Las principales transformaciones ocurren en el punto eutectoide, y estascondicionan el tipo de microestructuras que presentan los aceros y que

definirán la mayoría de las propiedades físicas.Tal como se muestra el la figura siguiente, el punto eutectoide, ocurre parauna aleación hierro - carbono cuando el porcentaje de carbono correspondeal 0,8% del peso de la aleación.

Módulo I


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METALURGIA Fe-C

Microestructuras de las aleaciones Fe-C

En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once microestructurasconstituyentes diferentes, que se denominan:

FerritaCementitaPerlita

AustenitaMartensitaTroostita sorbitaBainita

LedeburitaSteaditaGrafito

Módulo I



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Tamaño del grano

El tamaño de grano tiene considerable influencia en las propiedadesmecánicas de los metales y aleaciones, por eso es de gran interés conocerlo.

Así pues, podemos entender que la realización de los diferentes tratamientostérmicos tenga como principal objetivo obtener el tamaño de grano deseado..

Cálculo teórico del tamaño de grano

El tamaño de grano se expresa, según norma ASTME112 , mediante elnúmero G obtenido de la expresión:

Número de granos / pulg 2 a 100X = 2G-1

Donde G es el número de tamaño de grano de uno a ocho; este método seaplica a metales que han recristalizado completamente.Según el mismo criterio, se considera: grano grueso cuando G < 5 (diámetro de grano 62 micras) grano fino cuando G > 7 (diámetro de grano 32 micras)

Módulo I



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Módulo I

Tamaño del grano

Podemos hacernos una idea del tamaño de grano, según el índice G siobservamos la siguiente figura:

Tamaño de grano ordenadodesde G=1 (esquina superiorizquierda) hasta 8 (esquinainferior derecha).

Estas imágenes han sidotomadas sobre una superficiede 0.01mm2



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Módulo I

Tamaño del grano

Determinación del tamaño de grano

1

1

2

3

4

8

5

6

7

2

15

14

4 5

6

7

8

910111213

3

Granos enteros: 8Medios granos: 15Granos totales:8 + 15 / 2 = 15,5



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Módulo I

Tamaño del grano

Determinación del tamaño de granoSegún ASTM E 112 American Society for Testing Materials

n= 2N-1@100xSiendo:n = número de granos en una pulgada cuadrada a 100 xN = número de grano ASTM (E 112)Tamaño de la micrografía: (77 mm * 101 mm)n = Granos totales / (tamaño micrografía/25,42)n = 15,5 / [(77*101)/(25,4*25,4)] = 1,3 granos/inch2n = 1,3n = 2N-1 log 1,3 = (N - 1) log 2N = (log 1,3 / log 2) + 1N = 1,4N ≈ 1



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Tamaño del grano

Los límites de grano, son el lugar en que ocurren, preferentemente, lasreacciones en estado sólido. En general, la energía libre de una cantidad demasa de metal dada disminuye a medida que aumenta el tamaño de grano.

La causa del cambio de energía es la disminución de la energía interfacialasociada a los límites de grano. Esta disminución de energía es la fuerzaimpulsora que tiende a producir el crecimiento del grano.

Ahora bien, en la mayoría de las condiciones de aplicación de los metales, lavelocidad de crecimiento del grano es muy pequeña, y sólo a temperaturaselevadas el crecimiento se produce rápidamente. Un material de grano finoserá, por lo tanto, más duro y más resistente que un material de grano

grueso, el cuál (este último) tendrá más juntas de grano donde seacumularán más tensiones.

Por todo lo anterior debe verificarse que la dureza es inversamenteproporcional al tamaño de grano

Módulo I



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Tamaño del grano

En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño queuno grande.

Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayordureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también sonmenos susceptibles al agrietamiento.

El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en losaceros el grano grueso incrementa el endurecimiento, lo cual es deseablepara los aceros que se someterán a largos procesos de trabajo en frío

Módulo I



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METALURGIA Fe-C

Punto Euctetoide

Considerando la importancia que tiene el punto de transformación euctetoide,a continuación se describirá los cambios de este punto así como el de lospuntos adyacentes que son las transformaciones hipoeutectoide yhipereutectoide.

Aceros hipoeutectoides:Son aquellos que poseen menos de 0,77% C. La microestructurapresente en estos aceros, consiste de ferrita y perlita.

Aceros Eutectoides:Los que poseen la composición eutectoide, 0,77% C, su estructura es

100% Perlita.Aceros hipereutectoides:Son aquellos que contienen más de 0,77% C hasta 2,11% C suestructura es Perlita - Cementita (Ferrita - Cementita).

Módulo I

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METALURGIA Fe-C

Punto EuctetoideAceros transformación eutectoide

α = Ferritaγ = Austenita

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Perlita eutecotide, la fase oscura es cementita y la blanca ferrita

METALURGIA Fe-C

Punto EuctetoideMicroestructura de un acero eutectoide enfriado lentamente

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METALURGIA Fe-C

Punto Hipo eutectoide

α = Ferritaγ = Austenita

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El constituyente blancoes ferrita y el oscuro esperlita.

METALURGIA Fe-C

Punto Hipo eutectoideMicroestructura de un acero hipoeutectoide con 0,35% de C enfriadolentamente

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El constituyente blanco escementita pro eutectoideque se formo en los limitesde grano de la austenita y elresto es perlita laminar.

METALURGIA Fe-C

Punto Híper eutectoideMicroestructura de un acero híper eutectoide con 1,2% de C enfriadolentamente

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Módulo II



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PROCESOS DE FABRICACIÓN

Módulo II



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Arrabio

El arrabio se obtiene como material fundido en un alto horno mediantereducción del mineral de hierro. Y se utiliza como materia prima en laobtención del acero en los hornos siderúrgicos. El arrabio tiene un altocontenido en carbono, generalmente entre 3,5 - 4,5%, además de sílice yotras impurezas, que lo hacen muy frágil por lo que tiene limitados usos comomaterial.

Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral dehierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar elhorno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos

de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico.La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:

Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe.

Módulo II



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Esquema del proceso de fabricación del arrabio

Módulo II



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Esquema de un alto horno

Módulo II



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Tipos de Aceros

La norma COVENIN 803 - 89 Aceros, Definiciones y clasificaciones, clasificalos aceros según sea el método empleado su elaboración tal como sigue:

Acero Thomas Acero Bessemer Acero Básico al oxigeno Acero EléctricoSiemens - MartinSiemens - Martin ÁcidoSiemens - Martin Básico

Acero Calmado Acero Efervescente Acero Semicalmado

Módulo II



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Aceros Definiciones

Acero Thomas Es el acero obtenido insuflándole aire en la masa de arrabio en un convertidorprovisto de revestimiento básico.

Acero Bessemer Es el acero obtenido insuflándole aire en la masa de arrabio en un convertidorprovisto de revestimiento básico.

Acero Básico al oxigeno Es el acero obtenido a partir del carbono líquido en un convertidor provisto de

revestimiento básico, insuflándole oxigeno por la parte superior , a través deuna tobera enfriada por agua.

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Aceros Definiciones

Acero Eléctrico Es un acero de alta calidad, aleado o no, fabricado mediante horno de arcoeléctrico.

Siemens - Martin Es el acero producto de la transformación de arrabio y chatarra mediante loshornos de regeneración. Las altas temperaturas que se alcanzan durante lafabricación de este acero, son el resultado de la utilización del calor de losgases de escape para calentar el combustible y el aire en los recuperadores.

Siemens - Martin ácido

Es aquel acero Siemens - Martin que presente escoria de carácter ácido.

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Aceros Definiciones

Siemens - Martin Básico Es aquel acero Siemens - Martin que presente escoria de carácter básico.

Acero Calmado Es un acero desoxidado mediante la adición de un fuerte desoxidante, talcomo, el silicio o el aluminio, para reducir el contenido de oxigeno a un niveldonde no ocurra un desprendimiento gaseoso durante la solidificación.

Acero Efervescente Es un acero no desoxidado o con pequeñas adiciones de desoxidantes, conel objeto de obtener suficiente oxigeno, para crear una evolución continua yvigorosa de los gases durante la solidificación del lingote, resultando una pielde lingote libre de poros.

Módulo II


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Convertidores

Para explicar el proceso de fabricación de cada uno de los aceros mencionadosanteriormente, se debe hacer un paréntesis para explicar que son losconvertidores.

La esencia del método de los convertidores para la obtención del aceroconsiste, en que a través del hierro fundido líquido cargado al convertidor, seinyecta aire, que burbujea dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida elcarbono y otras impurezas.

Figura de un convertidor

Módulo II



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Figura de un convertidor


ConvertidoresEl recipiente (reactor o convertidor) estácompuesto por una carcaza de acero,revestida internamente con ladrillosrefractarios (magnesita o dolomita),sostenida por un robusto anillo de aceroequipado con muñones, cuyo eje esaccionado por un sistema basculante o devolcado.

Esta geometría típica de un convertidormuestra la nariz (N), la lanza de oxígeno

(L), el anillo de muñones (B), el muñón(T), el mecanismo basculante (M), y lapiquera (H).

Módulo II



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Convertidores

El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su altorendimiento, la simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y laausencia del consumo de energía para calentar el metal, pero no resuelve demanera óptima la obtención de aceros de diferentes calidades, no sirven paratratar todos los tipos de arrabio nacidos de la infinidad de menas disponiblesy en ellos solo puede utilizarse de manera limitada la gran cantidad dechatarra disponible en la industria.

Módulo II


http://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=UqvPwh-8b27suM&tbnid=WY4HzAPCV24L7M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.tecnoloxia.org/principal/?p=4162&ei=RM2qU9SsBeqO8gH9wYDQCQ&bvm=bv.69620078,d.b2U&psig=AFQjCNEhdybH-P6kxG57Hq2_YBRfZnD--A&ust=1403788848656620http://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=UqvPwh-8b27suM&tbnid=WY4HzAPCV24L7M:&ved=0CAUQjRw&url=http://inggodoybarbosa.blogspot.com/2013/05/produccion-del-hierro-y-del-acero.html&ei=Is2qU_buMaiN8gGFg4GIBg&bvm=bv.69620078,d.b2U&psig=AFQjCNEhdybH-P6kxG57Hq2_YBRfZnD--A&ust=1403788848656620


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Acero Básico al oxigeno

Un horno de oxígeno básico o BOF (por sus siglas en inglés) crea el acero dela fundición en bruto producida a partir de mineral de hierro en un alto horno,

junto con un máximo de 25 por ciento de la chatarra de acero.

Este horno funciona mediante la inyección de oxígeno a alta presión en elhierro fundido para quemar el exceso de carbono y otras impurezascombustibles.

Los compuestos fundentes añadidos a la masa fundida eliminan lasimpurezas no combustibles que flotan a la parte superior de la masa fundida

como escorias.El BOF obtiene la energía necesaria para convertir el hierro en acero delcalor original del hierro fundido junto con el calor generado por la quema deexceso del carbono y otras impurezas en la presencia de oxígeno puro.

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Acero Básico alOxigeno BOF

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Hierro de Reducción Directa y MIDREX Procesos de HRD

Varios métodos se han usado durante los últimos 50 años para producirhierro de reducción directa. En la práctica, funcionan tres procesosprincipales: MIDREX, HyL (I, II y III) y FIOR.

La unidad de FIOR en Venezuela, usa un lecho fluidizado para lareducción del mineral de hierro.

Módulo II



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Desgasificación del acero

En las lingoteras puede haber o no desprendimiento de gases, dependiendodel grado de desgasificación, la cual se realiza en el acero porque éste enestado fundido ha retenido en su interior sustancias gaseosas como el O, N,H y CO las cuales dan malas propiedades mecánicas, baja ductilidad y bajaresistencia a la fatiga y dependiendo de si se añadieron o no agentes deefervescencia; algunos de estos agentes son el silicio, aluminio y manganesolos cuales se combinan con el oxigeno del FeO evitando la formación del CO.

Si + 2FeO 2Fe + SiO2 2Al + 3FeO 3Fe + Al2O3

Mn + FeO Fe + MnO(Estos agentes se añaden al finalizar el proceso de afino) .

Módulo II


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Desgasificación del aceroAceros Calmados

Este tipo de acero es sometido a un tratamiento mediante la adición demanganeso, silicio o aluminio antes de la colada.

Esto permite conseguir piezas perfectas pues no se producen gases durantela solidificación, de modo que tal adición impide la formación de sopladuras.

El acero calmado se emplea generalmente para piezas solicitadasdinámicamente, por ejemplo, en la construcción de maquinaria o para piezasque deben ser sometidas a fuertes conformaciones o para mecanizado con

arranque de viruta.

Módulo II



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Desgasificación del aceroCaracterísticas Principales

Aceros Calmados

Especial para el estiradoPropiedades uniformesEmbutidos severosEl nitrógeno se combina con aluminio formando otro compuestoCondiciones aceptable para almacenarseLámina recocida muestra elongación en el punto de cedenciaEl laminado de temple elimina permanentemente el punto decedencia

Acero Semicalmado

Son aquellos en los que se produce un incremento gradual en lacantidad de gases desprendidos durante la solidificación .

Módulo II



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Desgasificación del aceroAcero Efervescente

Los aceros efervescentes son aceros a los que no se les adiciona siliciocomo desoxidante; se fabrican realizando una desoxidación incompleta ycontrolada por medio de la adición de ferromanganeso. Suelen contener Mn0,35% y nada de silicio, a estos aceros se les suele añadir, en ocasiones,una pequeña cantidad de aluminio a la cuchara o a las lingoteras pararegular más exactamente su grado de desoxidación.

Los aceros efervescentes que se usan en la industria tienen un contenido encarbono menor al 0,15%, los aceros con bajo contenido en carbono sueldan

mas fácilmente en estado sólido. Éste tipo de aceros se empleafundamentalmente para chapa y alambre de acero. Las chapas y flejesfabricados con lingotes efervescentes son de muy buena calidad superficialy su capa periférica, de 10 a 20 mm de espesor, no tiene porosidades y estáconstituida por hierro de muy alta pureza.

Módulo II



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Desgasificación del aceroCaracterísticas Principales de los Aceros Efervescente

Presencia de Carbono y Nitrógeno.

Alta ductilidad.

Elongación en punto de fluencia.

Costo relativamente bajo.

Favorito para aplicaciones de embutido.

La superficie con muy bajo carbono favorece el esmaltado.

El nivelado con rodillos es necesario para desaparecer las bandas deLüders lo que reduce la ductilidad.

Módulo II



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PRODUCTOS DEL HIERRO EN FUNCIÓN A SU COMPOSICIÓN QUÍMICA

Clasificación:

Fundición de Hierro

Acero al carbono

Módulo II



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Fundición de hierro

La fundición es una aleación hierro carbono con tenores mínimos y máximosen el orden de 2,11% y hasta el 6,67% en peso de carbono, con cantidadesde silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo.

Cuando se solidifica la fundición de hierro resulta un material muy duro, perosu contenido en carbono y otras impurezas hace que sea frágil y quebradizoy que no admita la forja ni la soldadura.

En estas condiciones no puede utilizarse para fabricar piezas que vayan aestar sometidas a esfuerzos.

Según las impurezas que contiene, se distinguen la fundición gris y lafundición blanca, nombre que reciben por el aspecto que presenta susuperficie de fractura.

Módulo II



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Fundición de hierro

La fundición es una aleación hierro carbono con tenores mínimos y máximosen el orden de 2,11% y hasta el 6,67% en peso de carbono, con cantidadesde silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo.

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FUNDICIONES DE HIERRO

Características generales

Se caracterizan por que se pueden vaciar del horno cubilote para obtenerpiezas de muy diferente tamaño y complejidad pero no pueden ser sometidasa deformación plástica, no son dúctiles ni maleables y son poco soldablespero sí maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosión y aldesgaste.

Módulo II



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Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantesson:

- Son más fáciles de maquinar que los aceros.- Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.- En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.- Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como auto lubricantes.-Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buenaresistencia al desgaste.

De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden sergrises, blancas, atruchadas, aunque también existen las fundiciones

maleables, nodulares y especiales o aleadas.

Módulo II



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Propiedades de las fundiciones

Las fundiciones son muy frágiles, su dureza es baja de unos 80 a 100 HB, esresistente al choque térmico, a la corrosión, absorbe las vibraciones, tienenun bajo costo y son poco soldables en comparado con el acero.

A continuación se describen las principales propiedades mecánicas de lasfundiciones:

-Peso específico de las fundiciones-Resistencia a la tracción-Resistencia a la flexión-Resistencia al choque-Dureza-Resistencia química

Módulo II



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Tipos de fundiciones

Las fundiciones se pueden clasificar en los siguientes tipos:

Fundición Gris

Fundición Nodular

Fundición Maleable

Fundición Blanca

Fundición Atruchada

Fundición Aleada

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Fundición Gris

Es la que se obtiene cuando el contenido desilicio es elevado. El carbono cristalizaentonces en forma de grafito y sólo puedeemplearse para piezas moldeadas.

La mayor parte del contenido de carbono enel hierro gris se da en forma de escamas oláminas de grafito, las cuales dan al hierro sucolor y sus propiedades.

El hierro gris es fácil de maquinar, tiene altacapacidad de templado y buena fluidez parael colado, pero es quebradizo y de bajaresistencia a la tracción.

Microestructura del hierrogris (ferrita y perlita)

Módulo II



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Clasificación de las láminas de grafito según la forma, tamaño y distribución


Fundición Gris

Módulo II

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Fundición Blanca

Es la que se obtiene cuando el contenido de manganeso es elevado. Enestas condiciones, el carbono se combina con el hierro formando carburo dehierro y se utiliza como una de las materias primas para la obtención delacero.

Se forma al enfriar rápidamente la fundición de hierro desde el estado líquido,siguiendo el diagrama hierro - cementita metaestable; durante elenfriamiento, la austenita solidifica a partir de la aleación fundida en forma dedendritas. A los 1130 °C el líquido alcanza la composición eutéctica (4,3% C)y se solidifica como un eutéctico de austenita y cementita llamado ledeburita.

Este eutéctico aparece en su mayor parte como cementita blanca que rodealas dendritas de forma de helecho .

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Fundición Atruchada

Se caracteriza por tener una matriz de fundición blanca combinadaparcialmente con fundición gris. El carbono se encuentra libre y combinado,siendo difícilmente maquínable.

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Fundición AleadaLas fundiciones aleadas son aquellas que contienen Ni, Cr, Mo, Cu, etc., enporcentajes suficientes para mejorar las propiedades mecánicas de lasfundiciones ordinarias o para comunicarles alguna otra propiedad especial,como alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la corrosión, al calor etc.

Efectos de los elementos de aleación en las fundiciones:-Los elementos de aleación modifican la microestructura de lasfundiciones y con ello su dureza y resistencia, estando en ocasionesestos cambios influenciados, además, por una variación de latemplabilidad. Ciertos elementos como el Silicio, aluminio, níquel ycobre, que se disuelven en la ferrita, la endurecen y la hacen aumentar

su resistencia, Son elementos que favorecen la grafitización.-Otros elementos como el cromo, manganeso, y molibdeno sonformadores de carburos, son elementos que tienden a formar fundiciónblanca en vez de gris y dificultan la grafitización.

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Clasificación de las fundiciones aleadas

De una forma general, se pueden clasificar las fundiciones aleadas en dosgrupos:

Fundiciones de baja y media aleación

Fundiciones de alta resistencia a la tracción

Módulo II



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Clasificación de las fundiciones aleadasFundiciones de baja y media aleación

-Se caracterizan por tener pequeñas cantidades de Ni, Cr, Mo, y Cu,generalmente en porcentajes inferiores a 5%. En general, sonfundiciones de alta resistencia a la tracción, de 25 a 50 kg/mm2 ,

muy superior a la de las fundiciones ordinarias.-Suelen ser de estructura perlitica, sorbítica, bainítica y martensítica.También pertenecen a este grupo de fundiciones de baja aleaciónlas fundiciones con 1 a 2% de cromo resistente al calor y lasfundiciones martensíticas muy resistentes al desgaste.

Fundiciones de alta resistencia a la tracción

En esta familia, se suelen agrupar las fundiciones muy resistentes aldesgaste, al calor y a la corrosión y cuya micro estructura suele seraustenítica o ferriítica.

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Módulo III



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ACERO AL CARBONO

Módulo III



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ACERO AL CARBONO

ACERO Definición según COVENIN 803

El acero es una aleación hierro - carbono, capaz de ser deformadoplásticamente, con tenores mínimos y máximos de carbono en el orden de0,008 % y 2% en peso de carbono respectivamente, pudiendo contener otros

elementos de aleación, así como también impurezas inherentes al procesode fabricación.

El porcentaje de carbono en el acero es el factor más importante, este factorgobierna las propiedades del acero y por consiguiente sus aplicaciones.

En un principio el acero se fabricaba por un proceso de adición de carbono alhierro forjado en estado sólido, por un tratamiento térmico llamadocementación. En la actualidad todos los aceros se fabrican partiendo delhierro en estado de fusión y el carbono se añade al hierro liquido.

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ACERO AL CARBONO

Definición según COVENIN 803

El acero al carbono es unaaleación de hierro - carbono quecontiene además otros elementos,cuyas proporciones no deben

exceder los limites establecidos enla tabla que se muestra acontinuación.

Módulo III

Elemento de aleación en los acerosElemento Concentración En % Aluminio 0,10%Manganeso 1,65%Silicio 0,50%Manganeso + silicio 2,00%Cobre 0,40%Níquel 0,30%Molibdeno 0,08%Vanadio 0,10%Tungsteno 0,10%Cobalto 0,10%Plomo 0,40%Bismuto 0,10%Boro 0,008%Circonio 0,10%Niobio 0,05%Selenio 0,10%Telurio 0,102%Titanio 0,05%Lantánidos 0,05%Otros (excepto C; P; S; N y O) 0,05%


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ACERO AL CARBONO

Elementos constituyentes de los aceros aleados

Azufre - S:Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo,alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado

mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono, los aceros altos enazufre son difíciles de soldar y pueden causar porosidad en las soldaduras.

Módulo III


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ACERO AL CARBONO


BORO - B:El Boro logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero estatotalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de Boro, (0,001%) tiene unefecto marcado en el endurecimiento del acero, ya que también se combina

con el carbono para formar los carburos que dan al acero características derevestimiento duro.

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ACERO AL CARBONO


Cobalto - Co: Aumenta la dureza del acero en caliente y su resistencia a la corrosión, a laoxidación y al desgaste. Los aceros con cobalto poseen unas propiedadesmagnéticas más acusadas. Sin embargo el Cobalto es un elemento poco

habitual en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento.

Módulo III


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ACERO AL CARBONO


Cromo - Cr:Es un formador de ferrita, aumentando la profundidad del endurecimiento. Asímismo, aumenta la resistencia a altas temperaturas y evita la corrosión.También aumenta la dureza, la resistencia a la corrosión y la tenacidad del

acero. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables,y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos orecubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes,etc.

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ACERO AL CARBONO


Fósforo - P:Fósforo se considera un elemento perjudicial en los aceros, casi unaimpureza, al igual que el Azufre, ya que reduce la ductilidad y la resistencia alimpacto. Sin embargo, en algunos tipos de aceros se agrega

deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar lamaquinabilidad.

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ACERO AL CARBONO


Manganeso - Mn:El Manganeso es uno de los elementos fundamentales e indispensables, estapresente en casi todas las aleaciones de acero. El Manganeso es unformador de austenita, y al combinarse con el azufre previene la formación de

sulfuro de hierro en los bordes del grano, altamente perjudicial durante elproceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar sucapacidad de endurecimiento.

Módulo III


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ACERO AL CARBONO


Molibdeno - Mo:El Molibdeno también es un elemento habitual, ya que aumenta mucho laprofundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto.El Molibdeno es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del

acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida deresistencia por templado. Los aceros inoxidables austeíticos contienenMolibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

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ACERO AL CARBONO


Níquel - Ni:Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistenciaal impacto y a la tracción. El Níquel se utiliza mucho en los acerosinoxidables, para aumentar la resistencia a la corrosión. El Níquel ofrece

propiedades únicas para soldar la fundición.

Módulo III



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ACERO AL CARBONO

Elementos constituyentes de los acerosaleados

Nitrógeno - N:El Nitrógeno puede agregarse a algunos tipos deacero, para promover la formación de austenita.

Plomo - Pb:El Plomo es un ejemplo de elemento casi insolubleen Hierro. Se añade plomo a muchos tipos deacero para favorecer el mecanizado del acero porprocedimientos de arranque de viruta, puesto queel plomo hace de lubricante (su punto de fusión esbajo). No se debe sobrepasar el 0,5% de plomopues, en caso contrario, se dificultaría laposibilidad de templado del acero y se disminuiríasu tenacidad en caliente.

Módulo III



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ACERO AL CARBONO


Silicio - Si:Elimina el exceso de oxígeno en los aceros y lescomunica una gran elasticidad. En proporcionessuficientes confiere a los aceros unas buenas

características magnéticas. Titanio - Ti:Básicamente, el Titanio se utiliza para estabilizar ydesoxidar acero, aunque debido a sus propiedades,pocas veces se usa en soldaduras.

Módulo III


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ACERO AL CARBONO

Elementos constituyentes de los acerosaleados

Vanadio - V:Elimina el oxígeno, al igual que el silicio.Proporciona al acero una buena resistencia a la

fatiga y a la tracción. El Vanadio facilita laformación de grano pequeño y reduce la perdida deresistencia durante el templado, aumentando por lotanto la capacidad de endurecimiento.

Wolframio - W:(Tungsteno). Le confiere una gran dureza a todaslas temperaturas. Con porcentajes elevados seobtienen los llamados aceros rápidos, utilizadospara construir herramientas de corte.

Módulo III


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ACERO AL CARBONO

Efectos del contenido del carbono en la resistencia de los aceros

Módulo III



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ACERO AL CARBONO

Efectos del contenido del carbono en la ductibilidad de los aceros

Módulo III



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CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

Módulo III



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Por tipos

Acero al carbono

Aceros aleados

Aceros inoxidables

Módulo III



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Acero al carbono Acero de bajo carbono ( C < 0,30%) Acero de medio carbono ( 0,30 < C < 0,55%) Acero de alto carbono ( 0,55 < C < 1,40%)

Aceros aleados Aceros de baja aleación, cuando tienen hasta 5% de elementos adicionales. Aceros de media aleación, entre 5% y 10% de elementos adicionales. Aceros de alta aleación, más de 10% de elementos adicionales

Aceros inoxidables Aceros inoxidables Austeníticos Aceros inoxidables Ferríticos

Aceros inoxidables MartensíticosInoxidables Austeníticos - Ferríticos Aceros Dúplex Aceros Súper Dúplex

Módulo III


ód l


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Módulo III


Mód l III


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ACEROS AL CARBONO

Aceros bajos en carbono o aceros suaves (C 0,1% - 0,3%).

Constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Su densidad es de 7,8g/cm3 y funde a 1600 °C.

No responde al tratamiento térmico para dar martensita. La microestructura

consiste en ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente blandos y pocoresistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Son de fácilmecanizado, soldables y baratos.

Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas paratuberías edificios y puentes.

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ACEROS AL CARBONO


Otro grupo de aceros de bajo contenido en carbono son los de altaresistencia y baja aleación.

Contienen concentraciones variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando≈ 10% en

peso.Poseen mucha más resistencia mecánica, que puede aumentar portratamiento térmico y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. Seemplean en componentes donde la resistencia mecánica es crítica: puentes,torres, columnas de soportes de edificios altos, bastidores de camiones yvagones de tren.

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ACEROS AL CARBONO


Un ejemplo de este tipo de acero es el ASTM A 106 Gr A, cuya composiciónquímica es:

C % max. Mn % Si %

0,25 0,27-0,93 0,10Y sus principales propiedades mecánicas son :

Ruptura (Kg/mm2) Fluencia (Kg/mm2)34 20

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ACEROS AL CARBONO

Aceros medios en carbono.

Contienen entre el 0,25 y 0,60% en peso de C.

Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización,temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas.

La microestructura generalmente es martensita revenida. Las adiciones deCr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su ausencia es difícil y útilsolo para secciones de pieza relativamente delgadas.

Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos dúctiles ymaleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales,pernos, etc.

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ACEROS AL CARBONO

Aceros medios en carbono.

Un ejemplo de este tipo de acero es el ASTM A 106 Gr B

Cuya somposición quimica es la siguiente:

C % max. Mn % Si %0,30 0,29 - 1,06 0,10

Y sus propiedades mecánicas son:


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ACEROS AL CARBONO

Aceros altos en carbono.

Generalmente contienen entre el 0,60 y 1,4% en peso de C.

Son más duros y resistentes (y menos dúctiles) que los otros aceros alcarbono.

Casi siempre se utilizan con tratamientos de templado y revenido que lohacen muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma deherramienta de corte.

Generalmente contienen Cr, V, W y Mo, los cuales dan carburos muy duroscomo Cr 23C6, V4C3 y WC. Se utilizan como herramientas de corte, matricespara fabricar materiales, herramientas de herrería y carpintería. Por ejemplo,cuchillos, navajas, hojas de sierra, brocas para cemento, corta tubos,troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos de alta resistencia.

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ACEROS AL CARBONO

Aceros altos en carbono.

Un ejemplo de este tipo de acero es el ASTM A 106 Gr C, cuya composiciónquímica es la siguiente :

C % max. Mn % Si %

0,35 0,29-1,06 0,10Y sus propiedades mecánicas son:


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Materieles Usados en Tuberias R 0