El documento describe los procesos de fabricación de metales y aceros. Explica las características de los metales, las pruebas mecánicas a las que se someten, y los diferentes tipos y clasificaciones de aceros, incluyendo aceros al carbón, de baja aleación, inoxidables y de grado de herramienta. También resume los procesos de fabricación de acero, como el alto horno, refinación, hornos Siemens-Martin u hornos de oxígeno, y procesos posteriores como desoxidación y colada.

1. Metales
INDUSTRIA Y PROCESOS DE MANUFACTURA
KARLA CARBALLO VALDERRABANO

2. Características de los Metales
oEstado sólido a temperatura normal (excepto el mercurio)
oOpacos
oBuenos conductores eléctricos y térmicos
oBrillantes
oEstructura cristalina al solidificarse
oCapacidad para deformarse plásticamente
oForman aleaciones entre si o unidos a no metales

3. Pruebas mecánicas
oEnsayo a Tensión en la Máquina Universal
oDureza ( Brinell, Rockwell, Vickers, Shore, etc.)
oTorsión
oFlexión
oImpacto (Charpy e Izod )
oFatiga (viga rotatoria)
oTenacidad a la fractura
oDilatación y conductividad térmica
oEfectos de la temperatura
oMaquinabilidad
oTemplabilidad

4. Ensayo a Tensión
oMódulo de Elasticidad: Medida de rigidez
oEsfuerzo de Fluencia
oResistencia Máxima a la Tensión
oPorcentaje de alargamiento
oMétodo de corrimiento, compensación o
desplazamiento.

5. Gráfica Esfuerzo-Deformación Unitaria
de acero estructural A-36

6. Relación de Poisson
Deformaciones
◦ Axiales
◦ Laterales
Relación dentro del rango elástico
Entre 0.25 y 0.35
Módulo de rigidez o elasticidad a cortante

7. Dureza
Capacidad para resistir una deformación
permanente.
Método de resistencia a la penetración
◦ Rockwell (HR)
◦ Bola de acero de 1/16” para materiales blandos
◦ Cono de diamante de 120° en la punta para materiales
duros.
◦ Más usado en la industria
◦ Brinell (HB o BHN)
◦ Esfera de 10 mm de acero templado.
◦ En laboratorios.
◦ Resistencia a la Tensión en psi(acero)= 500 * BHN
◦ Vickers
◦ Penetrador de forma prismática.
◦ Mide la marca de la diagonal mayor.
◦ Escleroscópio Shore
◦ Caída de un martinete de diamante de 2,3 g
◦ Mide la altura del rebote.

8. Aceros
Aleación de hierro y carbono (0.03-1.7%), Mn (1.65% ), Si (0.60%) y algo de P y S.
Clasificación AISI/ SAE
◦ 4 dígitos
◦ 1: Elemento predominante de aleación
◦ 1= carbón, 2= níquel, 3= níquel cromo, 4= molibdeno, 5= cromo, 6= cromo-vanadio, 8= triple aleación, y el 9= silicio-magnesio.
◦ 2: Porcentaje aproximado en peso del elemento del primer dígito.
◦ 3 y 4: contenido de carbón en 0.01%
◦ AISI – Prefijos
◦ B acero Bessemer ácido
◦ C acero Siemens Martin básico
◦ D acero Siemens Martin ácido
◦ E acero de horno eléctrico, etc.

9. Aceros
Clasificación ASTM:
◦ De aceros estructurales
◦ p/e: A-36: dúctil, soldable, 60% de viguetas, resistencia a fluencia de 36000psi
Clasificación ASTM-SAE
◦ Prefijo UNS + Letra + 5 dígitos
◦ F hierro fundido
◦ G aceros al bajo carbono y de baja aleación
◦ K aceros especiales
◦ S inoxidables,
◦ T aceros de grado herramienta

10. Clasificación Aceros al carbón
90% del tonelaje total en la industria son aceros simples al carbono.
Bajo C
◦ Hasta 0.30% C y 0.4% Mn
◦ Fáciles de estirar, troquelar, embutir, maquinar y soldar
◦ Utilizados como láminas o tiras, como CR y recocido.
◦ Carrocerías, línea blanca y alambres.
◦ No aceptan tratamientos térmicos.
◦ Estructurales (hasta 0.3% C y a 1.5% Mn )
◦ Perfiles o placas en forjas, tubos sin costura y calderas.

11. Clasificación Aceros al carbón
Medio C
◦ De 0.30 a 0.55% C, y de 0.6 a 1.65% Mn.
◦ Piezas forjadas y mecanizadas como flechas, rieles, coples y cigüeñales
◦ Mayor resistencia mecánica
◦ Rolado en caliente
◦ Ductilidad y maquinabilidad
◦ Con un ulterior tratamiento térmico.
Alto C
◦ De 0.60 a 0.95% C
◦ Excelentes propiedades al desgaste o para filos cortantes.
◦ Herramientas sencillas de corte (buriles, brocas, machetes), formones, resortes y equipo agrícola.
◦ Siempre con tratamiento térmico

12. Aceros
Dulce
◦ Ha sido laminado, estirado o procesado en frío
◦ De muy bajo contenido de C.
HR
◦ Surtidos en placa, barra o perfil
◦ Se reciben como sale del laminado
◦ Torcidos, con la cascarilla del decarburado y no son exactos dimensionalmente .
CR
◦ Barras estiradas a través de dados en frío en el acabado
◦ A la medida nominal
◦ Acabado pulido.
◦ Por el estirado aumenta la resistencia.

13. Aceros
Baja aleación y alta resistencia (HSLA)
◦ Resistencia mecánica y a la corrosión
◦ Más baratos
◦ Tratamiento especial= soldables y resistencia > ac. al carbono
◦ Misma resistencia, más delgados
◦ Para estructuras, vagones
◦ 0.1-0.3% C y hasta 5% de contenido de aleación (Mo, Cr, Ti, Mn, Cu, Ni)
Aleados
◦ Va, Mo, [Mn, Si, Cu]>ac. al carbono
◦ Engranes de transmisión, ejes, baleros, cuchillos de corte

14. Aceros
AISI 8620
◦ Dureza superficial y buenas propiedades de corazón
◦ Aceptable profundidad de temple
◦ No zonas no duras en parte cementada
◦ Baja distorsión
◦ Flechas estiradas, pasadores de pistón, bujes, piñones, engranes cementados.
AISI 4140
◦ Buena penetración de temple
◦ Estabilidad en caliente hasta 400°C
◦ No fragilidad de revenido
◦ Apto para fatiga y torsión
◦ Cigüeñales, bielas, engranes, espárragos y tornillos (trabajo a 150-300°C: calderas, turbinas de vapor)

15. Aceros
Grado herramienta
◦ Aleados
◦ 0.6-1.3% C
◦ Tratamientos térmicos
◦ Condiciones extremas de trabajo, muy altas temperaturas o velocidades
◦ Resistencia a impactos, desgaste y abrasión
◦ Dados de forja, troquelado, extrusión, moldes de inyectoras, cuchilla de cizallas
◦ HSS-alta velocidad
◦ Altos en tungsteno o molibdeno, con vanadio y algo de cobalto para mejorar dureza al rojo

16. Aceros
Inoxidables
◦ Al menos 10.5% Cr, Ni y otros elementos
◦ Capa de CrO2= brillantes, resistencia a herrumbre y oxidación
◦ Algunos son muy duros, resistentes, resistentes a temperaturas extremas.
◦ Tuberías y tanques de refinerías, fuselajes de aviones, equipos quirúrgicos, sustituir huesos rotos,
utensilios de cocina
◦ Martensíticos
◦ Templables
◦ 1% C, 4-6% Cr
◦ Cuchillería, resortes, tornillos, baleros
◦ Menos resistentes a corrosión

17. Aceros Inoxidables
◦ Ferríticos
◦ Bajo de C pero 30% Cr
◦ Trabajo en frío (estirado y troquelado)
◦ Embutidos en utensilios de cocinas, molduras de autos, partes de motor a reacción.
◦ Algunos son magnetizables
◦ Austeníticos
◦ 70% del inoxidable
◦ Contienen Cr y Ni, menos de 0.1% de C
◦ Endurecimiento por trabajo en frío
◦ Más soldables
◦ Mejor ductilidad y tenacidad
◦ No templables
◦ No maquinables
◦ Equipos de procesos químicos y alimenticios, turbinas de gas.
◦ Alta resistencia a corrosión a altas temperaturas

18. Estructura del hierro aleado con carbono
Estados alotrópicos
◦ Cúbica de cuerpo centrado (bcc)
◦ Duros y fuertes
◦ 9 átomos
◦ Hierro a temperatura ambiente (hierro α). Cr, Mo, Va, W
◦ Cúbica de cara centrada (fcc)
◦ Hierro a 910°C (hierro γ)
◦ 14 átomos
◦ Metales dúctiles: Al, Ag, Cu, Au, Ni, Pb,
◦ Hexagonal compacta
◦ 17 átomos
◦ Be, Cd, Mg, Ti
◦ Endurecimiento por trabajo en frío
◦ No maleables ni dúctiles
◦ Frágiles

19. Fabricación de Aceros
Alto horno
Minerales de Hierro
Gases obtenidos del coque
◦ Amoniaco
◦ Azufre
◦ Aceites
◦ Alquitranes
Alquitranes
◦ Colorantes
◦ Plásticos
◦ Perfumes
◦ Sulfas

20. Fabricación de Aceros
Alto Horno
oDiámetro: 8 a 10 m y Altura superior de los 30 m
oDe lámina de acero con un forro de 3 a 5 pies de
ladrillo y asbesto refractario de alta calidad.
oTiempo de vida dependiente de refractario
oIncluye
o Toberas: paso de aire (parte inferior).
o Respiraderos para los gases de escape (parte superior)
o Tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de
campana, para la carga en el horno

21. Fabricación de Aceros
Alto Horno
o Coque- combustible (hasta 1650° para fundir el metal) y ayuda en el proceso de reducción (libera CO)
o Caliza –sustancia fundente y separador de escoria Funcionamiento continuo.
o Inyección de aire caliente a 550° reduciendo consumo de coque un 70%
o Presurización de los hornos.
o Después de la segunda guerra mundial
o Mejor combustión del coque y mayor producción de hierro (hasta 25%)
o Alimentación por intervalos de 10 y 15 minutos
o Sangrado de hierro cinco veces al día (orificio al fondo)
o Retiro de escoria cada dos horas (por arriba del sangrado)
o Por cada tonelada de hiero se produce ½ de escoia

22. Fabricación de Aceros
Arrabio o hierro crudo
Poca calidad: duro y frágil
Composición:
◦ 92% de hierro
◦ 3-4% de carbono
◦ 0,5-3% de silicio
◦ 0,25- 2,5% de manganeso
◦ 0,04-2% de fósforo
◦ Algunas partículas de azufre.
Producto de la fusión primaria del hierro
Materia prima de los hierros y aceros comerciales.

23. Fabricación de Aceros
Reducción directa del material
Agentes reactivos reductores
◦ gas natural, coque, aceite combustible,
monóxido de carbono, hidrógeno o grafito.
Proceso (HYL)
◦ Triturar la mena de hierro
◦ Paso por un reactor con los agentes reductores,
eliminando elementos no convenientes para la
fusión.
◦ Produce hierro esponja: pelets de hierro

24. Fabricación de Aceros
Refinación

25. Fabricación de Aceros
Horno de hogar abierto o Siemens-Martin
Flama directa sobre la carga: horno de reverbero.
Combustible: gas, brea o petróleo
Chimeneas laterales:
◦ Expulsar los gases
◦ Calientan al aire y al combustible (horno regenerativo)
Recubrimientos
◦ Línea básica: Controla o elimina P, S, Si, Mn y C, más cara
◦ Línea ácida: Controla C
Cada vez menos utilizado por costo y tamaño
Carga con arrabio (fundido o sólido) puro o con
chatarra de acero
Fundición en 10h, con oxígeno menos de 7h

26. Fabricación de Aceros
Horno Bessemer
Obsoleto
Forma de pera, refractario de línea básica o ácida
Carga: chatarra fría y arrabio derretido
Inyección de aire a alta presión=eleva temperatura y el hierro hierve
Acero de regular calidad

27. Fabricación de Aceros
Horno básico de Oxígeno
El más utilizado
Parecido al Bessemer pero inyecta oxígeno de
alta pureza a 180 psi cerca del nivel de carga
Carga: arrabio fundido y hasta 30% chatarra
Temperatura hasta 1650°
Aceros de la mejor calidad, p/e: acero para
herramientas
Ciclo completo 50 minutos, produce 300
toneladas por horneada

28. Fabricación de Aceros
Horno de arco eléctrico
Chatarra de acero de alta calidad
Fusión de aceros para herramientas, alta calidad,
resistentes a la temperatura e inoxidables.
Recubrimiento de ladrillo de línea básica
Inyección de oxígeno con lanza.
115 ton- 3 hrs – 50 000 kwh
3 electrodos de grafito a 40 V y 12000 A
Crisol de acero y bóveda sostenida por cincho de
acero enfriado con agua
Industrias pequeñas y medianas.
Fines determinados p/e: varilla corrugada

29. Fabricación de Aceros
Desoxidación
Eliminar sopladuras de CO, CO2, H y N en la solidificación.
Parcial: Acero agrio o efervescente para laminados finos y línea blanca
Con Aluminio y Ferromagneso en el horno: Acero calmado o apagado: mejores características
Ferromagneso en horno, ferrosilicio en caldero y aluminio en lingote: acero semicalmado
parcialmente desoxidado, bordeado con soplete.

30. Fabricación de Aceros
Colada continua
El metal fundido en moldes = planchones (palanquillas para solera,
cuadrados o rendondos)
Lingotes (cilindros de diferentes extremos) o lupias (lingotes con secciones
rectangulares) de diferentes tamaños
Rolado: paso de material por rodillos, aplicando presión para dar la forma.
Colada continua
◦ Dosificar material fundido a un molde debajo de un crisol.
◦ Molde enfriado por sistema de agua, pasa el metal fundido, se convierte pastoso
y adquiere la forma.
◦ Serie de rodillos lo conforman y arrastran al exterior
◦ Forma de planchón o bilet
◦ Corte y almacenamiento
◦ Para material de sección constante: perfiles, varillas, barras, láminas o placas

31. Fabricación de Acero

32. Fundición Gris (Hierro Colado)
2.6-4% C o hasta 6.67%
Color a la fractura
Es frágil y de baja ductilidad
Moldeado con facilidad
Maquinado en seco y soldadura eléctrica y autógena no muy difícil.
Buena resistencia a la compresión, unas 4 veces su resistencia a tensión.
Poroso
Capacidad de amortiguación: bancadas y armaduras sujetas a vibración y engranes grandes.
Resistencia a la fricción por deslizamiento: cojinetes planos de alta carga y baja velocidad

33. Horno de Cubilote
Fundición de hierros colados.
Tubo de más de 4 metros de longitud y 0.8-1.4 m de diámetro
Carga con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza o con pelets de mineral de hierro o
pedacería de arrabio sólido.
Inyección de aire con ventiladores de alta presión por toberas en la parte inferior.
20 ton cada 3 hrs
Parecido al alto horno
Equipo de control de emisiones muy costoso- no se controla – operación desautorizada

34. Fundición blanca
Enfriado bruscamente al fundir
Extremadamente dura (500 HB)
Casi imposible maquinarlo
Rodillos de laminación, dados de extrusión.
Al mantenerla a 930°F por 40 hrs y se enfría lentamente hasta 704° se
genera fundición maleable.
Pedales de frenos, soportes para motor, accesorios para tubería y
partes de ferrocarriles

35. Fundición nodular o hierro dúctil
Hierro fundido con un poco de magnesio o cerio en el cucharón.
Grafito libre forma esferas o nódulos en lugar de escamas como en el
hierro gris-
Más dúctil, resistente, tenaz y menos porosa que la fundición gris
Resistente a corrosión.
Cigüeñales pequeños, pistones, engranes…

36. Aluminio
Segundo metal más utilizado
Elevada proporción resistencia-peso: aviones, cohetes, vagones, automóviles…
Endurecimiento por precipitación ó envejecimiento.
Elevada conductividad térmica: utensilios de cocina y pistones de motores de combustión interna.
63% de la conductividad eléctrica del cobre pero pesa menos de la mitad
Usado con propósitos estructurales y ornamentales.
Aislantes.
Fácil moldeo.
Resistencia a la corrosión al agua de mar: mecanismos acuáticos.
Obtenido maquinado (velocidades moderadas, buen refrigerante y herramientas afiladas), extruído, vaciado, forjado,
laminado, estampado,…
Mala resistencia a desgaste y baja resistencia a la fatiga

37. Producción de Aluminio (Bayer)
Bauxita de minas de depósito abierto, se pulveriza y somete a espumado.
Digestor con sosa cáustica bajo presión y alta temperatura.
Se forma aluminato de sodio
Las impurezas se filtran y el licor con alúmina se bombea a depósitos.
Se agregan cristales de hidróxido de aluminio (simientes que van creciendo).
Hidróxido de aluminio se calcina arriba de 900°C.
Alúmina producto de los hornos de calcinado
Procesado en tinas electrolíticas con un baño de ciolita (fluoruro de aluminio sódico)
◦ Ánodo = electrodo de carbón, cátodo= tina
Aluminio metálico
Moldeo y procesado en hornos de concentración para hacer Al de alta calidad

38. Cobre, latón y bronce
Elevada conductividad del calor y electricidad: Uso más común en la industria eléctrica
Resistencia a la corrosión: uso en plomería
Maleabilidad y ductilidad
Aproximadamente 250 aleaciones de cobre.
Latón.- Cu y 5-10% Zn
◦ Más duro, es dúctil y puede forjarse en planchas finas.
◦ Piezas mecánicas: levas, poleas, vástagos, tuercas y varillas aleadas para soldadura autógena.
Bronce
◦ Cobre, Estaño + Zn, Pb y otros
◦ Resistente al desgaste y poroso
◦ Piezas fundidas de válvulas, bielas, engranes, cojinetes planos
◦ Bronce al aluminio, al manganeso, al berilio, al fósforo

39. Obtención del cobre
Mineral calco pirita (Cu, S, Fe)
Mezclada con cal y materiales silicos y pulverizados
En tinas estratificadoras, el mineral es extraído al flotar con la espuma que viene de una mezcla
agitada de agua y aceite
El mineral pasa por un horno de tostado para eliminar azufre
De los polvos de los gases producto se obtiene plata, antimonio y sulfuros
Los concentrados son derretidos en horno de reverbero, eliminando la escoria de hierro
Se obtiene ganga, es introducido al convertidor Bessemer, y sus gases se usan para obtener ácido
sulfúrico
Vaciado = cobre Blister (98%)
Refinado por métodos electrolíticos