El hierro y sus aleaciones (en primer lugar el acero) representan casi 90 por ciento de

la produccin mundial de metales, sobre todo por su satisfactoria combinacin de

resistencia, tenacidad y ductilidad a costo relativamente bajo.

Las aleaciones a base de hierro se llaman aleaciones ferrosas y las que se basan en

otros metales se llaman aleaciones no ferrosas.

PRODUCCIN DE HIERRO Y ACERO

Produccin de arrabio en un alto horno

La mayor parte del hierro se extrae de mineral de hierro en altos hornos muy grandes.

En el alto horno, el coque (carbono) acta como agente reductor para reducir xidos

de hierro (principalmente Fe2O3) para producir arrabio en bruto, el cual contiene casi 4

por ciento de carbono adems de otras impurezas, de acuerdo con la siguiente

reaccin tpica:

El arrabio del alto horno se transfiere usualmente en estado lquido a un horno para

fabricar acero.

Fabricacin de acero y procesamiento de formas importantes de productos de ese

material.

Los aceros al carbono simples son, en esencia, aleaciones de hierro y carbono que

contienen hasta 1.2 por ciento de carbono aproximadamente.

Sin embargo, la mayora de los aceros contienen menos de 0.5 por ciento de carbono.

La mayora de los aceros se fabrican mediante la oxidacin del carbono y otras

impurezas del arrabio hasta que el contenido de carbono en el hierro se reduce al nivel

necesario.

El procedimiento ms comn para convertir el arrabio en acero es el proceso bsico de

oxgeno.

En dicho proceso el arrabio y hasta 30 por ciento de chatarra de acero se introducen a

un convertidor con revestimiento refractario, en forma de barril, en el cual se inserta

una lanza de oxgeno.

El oxgeno puro proveniente de la lanza reacciona con el bao lquido para formar

xido de hierro. Enseguida, el carbono del acero reacciona con el xido de hierro y

forma monxido de carbono:

Inmediatamente antes que comience la reaccin del oxgeno se agregan cantidades

controladas de fundentes (principalmente cal) que forman escoria.

En este proceso, el contenido de carbono del acero se puede reducir de manera rpida

en casi 22 minutos, al tiempo que se reduce la concentracin de impurezas como

azufre y fsforo.

El acero derretido que viene del convertidor se vierte en moldes estacionarios o se

vaca continuamente en largas planchas de las cuales se cortan peridicamente

grandes secciones.

Actualmente, casi 96 por ciento del acero se vierte de manera continua y casi 4 000

lingotes se funden todava de manera individual.

Sin embargo, casi la mitad del acero en bruto se produce mediante el reciclaje de

acero viejo, como la chatarra de automviles y antiguos aparatos electrodomsticos.

Despus de ser fundidos, los lingotes se calientan en un horno de termodifusin y se

laminan en caliente para formar planchas y palanquillas billet o bloom.

Laminado en caliente de una tira de acero. Esta fotografa muestra, al fondo, los rodillos de laminado en

caliente del tren de desbaste y, frente a ellos, seis rodillos del tren de acabado por laminado en caliente.

Una tira de acero sale del ltimo rodillo de acabado y se templa rpidamente con agua.

Despus las planchas se laminan en caliente y en fro para formar lminas y placas de

acero.

Las palanquillas billet se laminan en caliente y en fro para formar barras, varillas y

alambre, mientras que las palanquillas bloom se laminan en caliente y en fro para

crear perfiles como vigas en doble T y rieles.

EL SISTEMA HIERRO-CARBONO

Las aleaciones de hierro y carbono que contienen desde una cantidad muy pequea de

carbono (casi 0.03 por ciento) hasta 1.2 por ciento de carbono casi, de 0.25 a 1.00 por

ciento de manganeso y cantidades menores de otros elementos reciben el nombre de

aceros al carbono simples.

Sin embargo los aceros al carbono simples se consideran esencialmente como

aleaciones binarias de hierro y carbono.

Diagrama de fases hierro carburo de hierro.

Este diagrama de fases no es un verdadero diagrama de equilibrio porque el

compuesto carburo de hierro (Fe3C) que se forma no est en una fase de equilibrio

real.

En ciertas condiciones, el Fe3C, que se llama cementita, se puede descomponer en las

fases de hierro y carbono (grafito) que son ms estables. Sin embargo, el Fe3C es muy

estable en la mayora de las condiciones prcticas y, por lo tanto, se considerar como

una fase de equilibrio.

Fases slidas en el diagrama de fases Fe-Fe3C

Ferrita (). Esta fase es una solucin slida intersticial de carbono en una estructura

cristalina BCC. Como se indica en el diagrama de fases Fe-Fe3C, el carbono es slo

ligeramente soluble en ferrita y alcanza una solubilidad de slidos mxima de 0.02

por ciento a 723C. La solubilidad del carbono en ferrita disminuye a 0.005 por

ciento a 0C.

Austenita (). La solucin slida intersticial del carbono en hierro se conoce con el

nombre de austenita. La austenita tiene una estructura cristalina fcc y una solubilidad

slida mucho ms alta para el carbono que la ferrita . La solubilidad slida del

carbono en la austenita alcanza un mximo de 2.08 por ciento a 1 148C y disminuye a

0.8 por ciento a 723C.

Cementita (Fe3C). El compuesto intermetlico Fe3C se llama cementita. La cementita

tiene lmites de solubilidad insignificantes y una composicin de 6.67% C y 93.3% Fe. La

cementita es un compuesto duro y frgil.

Ferrita, . La solucin slida intersticial de carbono en hierro se llama ferrita . Tiene

una estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (BCC) igual que la ferrita , pero

con una constante de red ms alta. La solubilidad slida mxima del carbono en la

ferrita es de 0.09 por ciento a 1 465C.

Reacciones invariantes en el diagrama de fases Fe-Fe3C

Reaccin peritctica. En el punto de reaccin peritctica, el lquido con 0.53% C se

combina con ferrita de 0.09% C para formar austenita de 0.17% C. Esta reaccin,

que ocurre a 1 495C, puede escribirse as:

Reaccin eutctica. En el punto de reaccin eutctica, el lquido de 4.3% C forma

austenita de 2.08% C y el compuesto intermetlico Fe3C (cementita) de 6.67% C. Esta

reaccin, que ocurre a 1 148C, puede escribirse as:

Esta reaccin no se produce en los aceros al carbn simples porque su contenido de

carbono es demasiado bajo.

Reaccin eutectoide. En el punto de reaccin eutectoide, la austenita slida de 0.8% C

produce ferrita con 0.02% C y Fe3C (cementita) que contiene 6.67% C. Esta reaccin,

que ocurre a 723C, puede escribirse as:

Esta reaccin eutectoide, que se produce ntegramente en estado slido, es

importante para algunos tratamientos trmicos de aceros al carbono simples.

Un acero al carbono simple que contiene 0.8% C se conoce como acero eutectoide

porque cuando la austenita de esta composicin es enfriada lentamente a menor

temperatura de la eutectoide se forma una estructura totalmente eutectoide de ferrita

y Fe3C. Cuando un acero al carbono simple contiene menos de 0.8% C se llama acero

hipoeutectoide, y si el acero contiene ms de 0.8% C se le llama acero hipereu-

tectoide.

La metaestabilidad es la propiedad que un sistema con varios estados de equilibrio,

tiene de exhibir, durante un considerable perodo de tiempo, un estado de equilibrio

dbilmente estable. Sin embargo, bajo la accin de perturbaciones externas (a veces

no fcilmente detectables) dichos sistemas exhiben una evolucin temporal hacia un

estado de equilibrio fuertemente estable. Normalmente la metaestabilidad es debida a

transformaciones de estado lentas.

Enfriamiento lento de aceros al carbono simples

Aceros eutectoides al carbono simples

Si una muestra de 0.8 por ciento de acero (eutectoide) al carbono simple se calienta a

unos 750C y se mantiene as el tiempo suficiente, su estructura se convertir en

austenita homognea. Este proceso se conoce como austenitizado. Si despus este

acero eutectoide se enfra muy lentamente hasta que apenas rebase la temperatura

eutectoide, su estructura continuar siendo austentica, como se indica en el punto a

de la figura 9.7.

Transformacin de un acero eutectoide (0.8% C) bajo enfriamiento lento.

Si se sigue enfriando hasta la temperatura eutectoide o apenas por abajo de ella, toda

la estructura de austenita se transformar en una estructura laminar de placas

alternadas de ferrita y cementita (Fe3C). Apenas por abajo de la temperatura

eutectoide, en el punto b de la figura 9.7, la estructura laminar aparecer como se

muestra en la figura 9.8.

Esta estructura eutectoide se llama perlita por su semejanza con la madreperla.

Debido a que la solubilidad del carbn en la ferrita y el Fe3C vara muy poco desde

723C hasta la temperatura ambiente, la estructura de la perlita se mantiene

esencialmente invariable en este intervalo de temperaturas.

Aceros al carbono simples hipoeutectoides

Si una muestra de acero al carbono simple con 0.4% C (acero tipo eutectoide) se

calienta a casi 900C (punto a en la figura 9.9) durante suficiente tiempo, su

estructura llegar a ser de austenita homognea.

Despus, si ese acero se enfra lentamente hasta la temperatura b de la figura 9.9

(casi 775C), la ferrita proeutectoide sufre una nucleacin y crece especialmente en

los lmites del grano austentico. Si esta aleacin se enfra lentamente desde la

temperatura b hasta c de la figura 9.9, la cantidad de ferrita proeutectoide formada

seguir incrementndose hasta que casi 50 por ciento de la austenita se haya

transformado.

Mientras el acero se enfra de b a c, el contenido de carbono de la austenita restante

se incrementa de 0.4 a 0.8 por ciento. A 723C, si persisten las condiciones de

enfriamiento lento, la austenita restante se transformar isotrmicamente en perlita

mediante la reaccin eutectoide: austenita ferrita + cementita. La ferrita contenida

en la perlita se llama ferrita eutectoide para distinguirla de la ferrita proeutectoide que

se forma primero arriba de 723C.

La figura 9.10 es una micrografa ptica de la estrutura de un acero hipoeutectoide de

0.35% C que se austenitiz y luego se enfri lentamente hasta la temperatura

ambiente.

Aceros al carbono simples hipereutectoides

Si una muestra de acero al carbono simple con 1.2% C (acero hipereutectoide) es

calentada a casi 950C y se mantiene as el suficiente tiempo, toda su estructura

llegar a estar formada esencialmente por austenita (punto a de la figura 9.11).

Despus, si ese acero se enfra muy lentamente hasta la temperatura b de la figura

9.11, la cementita proeutectoide empezar a nuclearse y crecer principalmente en los

lmites del grano de la austenita. Si se sigue enfriando lentamente hasta llegar al punto

c de la figura 9.11, el cual se encuentra apenas arriba de los 723C, se producir ms

cementita protoeutectoide lo que suceder en las fronteras de grano de la austenita. Si

las condiciones prximas al equilibrio se mantienen mediante enfriamiento lento, el

contenido general de carbono de la austenita restante en la aleacin cambiar de 1.2 a

0.8 por ciento.

Si el enfriamiento lento contina hasta 723C o muy ligeramente por debajo de esa

temperatura, la austenita restante se transformar en perlita por la reaccin

eutectoide, segn se indica en el punto d de la figura 9.11. La cementita formada por

la reacin eutectoide se llama cementita eutectoide para distinguirla de la cementita

proeutectoide que se forma a temperaturas arriba de los 723C. As mismo, la ferrita

formada por la reaccin eutectoide se denomina ferrita eutectoide. La figura 9.12 es

una micrografa ptica de la estructura de un acero hipereutectoide con 1.2% C que

fue austenitizada y enfriada lentamente hasta la temperatura ambiente.