el mundo del acero.pdf

USO INTERNO EXCLUSIVO DE ACERALIA

Curso técnico para comercial de productos planos

UD.1 – La fabricación del acero 1

U.D. 1 EL MUNDO DEL ACERO

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción1.2 El acero

CAPITULO 2 SELECCIÓN DE MATERIALES

2.1 Propiedades y funciones2.2 Materiales y aplicaciones

CAPITULO 3 LA UTILIZACIÓN DEL ACERO

3.1 Introducción3.2 Automóvil3.3 Construcción3.4 Envases3.5 Electrodomésticos3.6 Construcciones mecánicas e ingeniería

CAPITULO 4 PRODUCTOS DEL GRUPO ACERALIA

CAPITULO 5 EL ACERO Y EL MEDIO AMBIENTE

CAPITULO 6 GRADOS DE ACERO

CAPITULO 7 POSICIÓN DEL ACERO

CAPITULO 8 FLUJO DE MATERIALES



UD.1 – La fabricación del acero – Cap1. Introducción 2

CAPITULO1. INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción

El acero sigue siendo uno de los sectores industriales más importantes en laactualidad. Las ventas mundiales en 1993 fueron superiores a 350.000 millonesUSD – equivalentes a las ventas de petróleo crudo. En 1993, el sectorsiderúrgico empleó aproximadamente 5 millones de personas. La producciónmundial de acero bruto es de aproximadamente 847 millones de toneladas. En2000, el consumo de acero en Europa (E15) ascendió a prácticamente 163millones de toneladas.

El beneficio neto del Grupo ACERALIA en el año 2000 fue de 60.117 millonesde pesetas (361,3 millones de euros), con una cifra de negocio de 666.491millones de pesetas (4.005,7 millones de euros) y un cash-flow Neto de100.400 millones de pesetas (603,4millones de euros). Estos datos representanun récord histórico y un gran éxito empresarial para el Grupo, de acuerdo conlas estrategias enmarcadas en el Proyecto Crecer Siglo XXI.

¿Cómo sería el mundo sin el acero? No dispondríamos clavos o tornillos paraunir las vigas de nuestros techos, nuestros muebles o nuestroselectrodomésticos. No existirían refuerzos en el hormigón de nuestros edificios.No existirían carrocerías o ruedas para nuestros automóviles. No habríalavadoras en nuestros hogares. No existirían los motores eléctricos que nosayudan en prácticamente todas nuestras actividades. No habría carriles otrenes para nuestro transporte. No existirían máquinas en nuestras fábricas oen nuestros campos. Sería preciso reinventar todo. La diferencia sería tal queresultaría desconcertante.

¿A qué se debe que el acero desempeñe un papel tan importante en la vidaeconómica en todo el mundo, y que forme parte de nuestro universo cotidiano?Intentaremos encontrar la respuesta en esta primera unidad didáctica.

Esta unidad didáctica está esencialmente dedicada al acero con bajo contenidode carbono y pequeñas cantidades de elementos de aleación, frente a lascalidades inoxidables o aceros especiales con elevados contenidos deelementos tales como cromo, níquel o molibdeno. Estos últimos se considerannormalmente como materiales “nobles”, debido a sus aplicaciones específicas,en ingeniería nuclear, química, petroquímica, etc., gracias su elevadaresistencia mecánica o su excelente resistencia a la corrosión. Por el contrario,los aceros normales al carbono o de baja aleación están erróneamenteconsiderados como aceros “ordinarios”.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap1. Introducción 3

1.2 El acero

El acero está compuesto por un mínimo de 98% de hierro y generalmente tieneun contenido de carbono inferior a 2%. También puede contener otroselementos. Si el contenido de carbono es superior a 2%, el material se conocecomo fundición. Los aceros bajos en carbono tienen un contenido de carbonoinferior a 0,2% y se utilizan en la fabricación de paneles de carrocería deautomóviles, tubos, paneles para electrodomésticos y otras aplicaciones deingeniería.

De hecho, el principal inconveniente de los aceros al carbono radicaba en susensibilidad a la corrosión, es decir, su tendencia a “oxidarse”.

Actualmente existen diversos tratamientos y recubrimientos protectores quegarantizan la protección de los aceros al carbono contra la corrosión, aplicadospor el productor mediante procesos tales como fosfatado, galvanizado porinmersión en caliente, recubrimientos por electrodeposición y pintura. Otrastécnicas que proporcionan una adecuada protección contra la corrosiónaparecen con el desarrollo de nuevos recubrimientos de acabado orgánicos einorgánicos, tales como pinturas, barnices, lacas, esmaltes, etc., aplicados porlos clientes. Esto ha conducido a numerosas nuevas aplicaciones en laindustria de la construcción y en la ingeniería civil, así como en los panelesexteriores de diversos equipos, en particular en el campo de loselectrodomésticos.

Otro factor fundamental, posiblemente el más importante, es el progresoalcanzado en la metalurgia de estos aceros. Las técnicas modernas permitenun mejor control de las impurezas tales como el azufre y el fósforo.Evidentemente, esto no se limita a los aceros normales al carbono. Sinembargo, en contraste con los aceros inoxidables para los que la variable másimportante es la composición, un área que resulta específica de los acerosbajos en carbono es la posibilidad de controlar la microestructura.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap2. Selección de materiales 4

CAPITULO 2 SELECCIÓN DE MATERIALES

2.1 Propiedades y funciones

La selección del material más adecuado para una determinada aplicación sebasa en una comparación de las diferentes funciones que proporcionan unaamplia gama de materiales. En el siguiente esquema se ven algunas de lasprincipales funciones consideradas en la selección de un material:

Propiedades de procesamientoAptitud al mecanizado, a lasoldadura, a la pintura, ...

Propiedades mecánicasResistencia, rigidez, elasticidad,resistencia al desgaste, ...

Características económicasPrecio, disponibilidad,condiciones de suministro, ...

Características socio-económicasSeguridad, reciclabilidad,contaminación, moda, ...

Propiedades no mecánicasResistencia a ataques químicos, a lacorrosión, termorresistenccia,conductividad eléctrica, ...

Selección de materiales basada en las diferentes propiedades y funciones

Entre las categorías de funciones técnicas que definen los campos deaplicación de los materiales, las relacionadas con las propiedades mecánicasresultan particularmente importantes, dado que afectan a la mayoría de lasaplicaciones. Las propiedades mecánicas de los materiales constituyentesdeterminan la estructura geométrica básica de un producto y permiten sumaterialización física.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap2. Selección de materiales 5

2.2 Materiales y aplicaciones

A continuación se relacionan los principales materiales (excepto los materialesnaturales piedra y madera) y sus aplicaciones:

? el cemento se utiliza principalmente en la industria de la construcción,pero representa volúmenes muy importantes? el acero, el más versátil de los materiales estructurales, se encuentrapresente en prácticamente todos los sectores: construcción y obraspúblicas, transporte, envases y embalajes, mobiliario, herramientas,ingeniería mecánica, bienes de equipo y de consumo, etc.? el papel y el cartón son ampliamente utilizados en embalajes y comosoporte de información, pero su uso es mucho más limitado en otrossectores? los plásticos son los materiales estructurales más modernos y se utilizanampliamente en productos cotidianos; están ganando terreno en la industriade envases y embalajes, en el sector de la construcción y para acabadosinteriores de vehículos de transporte? el vidrio se utiliza principalmente en envases, construcción, mobiliario yutensilios de cristalería y vajillas? el aluminio está firmemente establecido en los envases, estructuras detransporte ligeras, la industria de la construcción y en el sector de mobiliario.

Estos son los principales materiales estructurales artificiales dedicados amúltiples aplicaciones. El consumo de los demás materiales essignificativamente inferior. Las aplicaciones más importantes de caucho, cobrey otros metales están básicamente relacionadas con sus propiedadesfuncionales.

Recuerda

Los materiales estructurales con propiedades funcionales adicionales sedenominan “especiales” o “técnicos” (ej.: aceros y vidrios especiales, plásticosy papeles técnicos)

No obstante el proceso de mejora es continuo, y las nuevas calidadessustituyen a las que ofrecen un menor rendimiento. Los aceros que ayer eran“especiales” se han convertido en los actuales aceros “normales”.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.3 La utilización del acero 6

CAPITULO 3 LA UTILIZACIÓN DEL ACERO

3.1 Introducción

El papel fundamental que desempeña el acero en la vida cotidiana en todo elmundo no es un hecho fortuito. Si utilizamos el acero en tal medida es,evidentemente, debido a sus notables propiedades. Pueden resumirsebrevemente en seis características principales:

? coste extremadamente bajo? facilidad de conformación, por flexión o embutición? elevada resistencia – es “duro como el hierro”? diversidad? facilidad de ensamblaje, por soldadura, remachado, etc.? facilidad de reciclaje

No obstante, el acero presentaba tradicionalmente un punto débil: se oxidaba.Actualmente, este problema ha sido solventado en gran medida, y resultainfrecuente ver automóviles oxidados en la carretera. Las nuevas técnicas deprotección contra la corrosión están tan bien adaptadas a las condiciones deutilización que el óxido ha prácticamente desaparecido de nuestra vista.

Asimismo, el acero adquiere gradualmente una nueva propiedad: ligereza. Lasresistencias muy elevadas obtenidas mediante una metalurgia extremadamenteflexible, combinadas con los avances en la protección contra la corrosión,permiten la utilización de espesores más reducidos que conducen aimportantes reducciones de peso.Si el espesor puede reducirse a un tercio del utilizado con un material dosveces más ligero, la ventaja resulta evidente.

Los aceros son ampliamente utilizados en todos los principales sectores defabricación, es decir, la industria del transporte, la industria de la construcción,el sector de envases y embalajes, el sector de los electrodomésticos y laingeniería en general. Algunas aplicaciones típicas en estos campos son:

? Automóvil y transporte: coches, furgonetas, camiones, transporte ferroviarioy construcción naval

? Construcción: construcciones industriales y edificios? Envases y embalajes: botes, latas, bidones, contenedores? Electrodomésticos: neveras, lavadoras, estufas y hornos microondas? Ingeniería: equipos de proceso para las industrias químicas y petrolíferas,

tubos y componentes



UD.1 – La fabricación del acero – Cap3. La utilización del acero 7

3.2 Automóvil

El acero da forma al automóvil, inspirando su diseño y alojando susmecanismos, protegiendo a los pasajeros de las condiciones climáticas, ruidoy, sobretodo, del peligro de accidentes.

Los ingenieros de diseño del sector del automóvil han aprovechado al máximolas excepcionales propiedades del acero, del que su industria se ha convertidoen el expositor. Al mismo tiempo, han adquirido unos conocimientos sin igualen las prácticas de trabajo de este material, satisfaciendo no sólo los requisitosestéticos, sino también las restricciones impuestas por las mayores velocidadesde fabricación y por el aumento de productividad. La historia de los automóvilesa motor es indisociable de la del acero, y ha conducido a la estrechacolaboración que existe actualmente entre el fabricante de automóviles y elproductor siderúrgico. Los continuos progresos en las prestaciones de losvehículos han requerido mejoras paralelas de los materiales.

El desarrollo de las nuevas calidades responde principalmente a la demandapor parte de esta industria de materiales que permitan la producción, de laforma más rentable posible, de vehículos ligeros con un consumo eficiente decombustible.

De hecho, los principios de diseño de los automóviles reflejan las propiedadesdel material. Proporcionan la tenacidad, la resistencia y la integridad estructuralnecesarias para la seguridad de los pasajeros, satisfaciendo al mismo tiempolos crecientes requisitos de aspecto estético y de durabilidad.

En la tabla a continuación se ve brevemente cómo los nuevos grados de acerohan dado respuesta a las nuevas exigencias.

Evolución de las exigencias delmercado Respuesta (desarrollo de acero)

Automóviles más resistentes, másseguros y más económicos

Aceros de alta resistencia enespesores más finos

Fabricación más rápida y máseconómica de automóviles másresistentes

Aceros “Bake Hardening” y “DualPhase”

Vehículos más aerodinámicos, queconllevan formas y componentes máscomplejos

Aceros IF con mejor aptitud a laembutición profunda

Mayor durabilidad de los vehículos, conmejor resistencia a la corrosión Aceros recubiertos




Recuerda

Los cuatro pilares en los que se basa la competitividad del acero son:tenacidad, resistencia, durabilidad y coste.

Además de las propiedades mencionadas, el acero es ignífugo e inmune a lasradiaciones ultravioletas. La humedad no afecta a su microestructura y susdimensiones son relativamente insensibles a las variaciones de la temperaturaexterior.

La seguridad está íntimamente ligada a la resistencia, y múltiples nuevasfamilias de aceros cumplen estos requisitos. Los primeros grados que vienen ala mente son, naturalmente, los aceros de alta resistencia, cuya mayor rigidezpuede utilizarse tanto para absorber una gran cantidad de energía en caso deimpacto como para reducir el espesor, reduciendo así el peso y el coste. Otroenfoque elegante al mismo problema consiste en la utilización de aceros “bakehardening”. Estos aceros permiten modificar el límite elástico después de laconformación, durante el proceso de estufado de la pintura en las líneas deensamblaje de automóviles. Se trata de grados de acero inicialmente blandosque permiten una fácil embutición profunda, y que adquieren una elevadarigidez en el estado final de servicio. Este enfoque también permite aumentar laseguridad al mismo tiempo que se reducen el peso y los costes.

Una nueva tecnología consiste en la utilización de formatos presoldados,“Tailored blanks”, con la que se combinan eficazmente diversas ventajastécnicas: se optimiza la selección del grado de acero y del espesor del material;se reduce el peso al combinar diferentes espesores de material en los puntosadecuados; se reduce el número de componentes mediante la producción depaneles compuestos de mayor tamaño, lo que permite reducir el número deherramientas y de prensas necesarias en el proceso y obtener tolerancias másestrictas; se reduce el tiempo de proceso gracias al ensamblaje de panelescompuestos de mayor tamaño y la utilización de un subformato de mayorespesor sustituye a los refuerzos locales tradicionales.

La evolución de los aceros, junto con la creciente utilización de automatismos ytecnologías informáticas ha contribuido a revolucionar la industria delautomóvil. Gracias a las propiedades mecánicas extremadamentereproducibles del acero, las prensas modernas pueden producir hasta 15.000componentes de carrocería de gran tamaño por día, y se espera que losavances en la tecnología de embutición profunda permitan aumentar estascifras.

En otras aplicaciones se optimiza el equilibrio entre resistencia y ductilidad.Determinados componentes, tales como ruedas y los relacionados con laseguridad de las personas, deben tener una elevada resistencia a la rotura




para asegurar la resistencia a la fatiga, y suficiente aptitud a la conformaciónpara permitir una fácil fabricación.

Recuerda:

En el automóvil, el acero es garantía de seguridad para las personas

La satisfactoria respuesta que las propiedades del material proporcionan a laindustria del automóvil explica la importante posición que ocupa el acero. Lapráctica totalidad de las carrocerías y la mitad de los equipos de losautomóviles modernos están fabricados en acero. No obstante, las industriasdel plástico y del aluminio han realizado un esfuerzo considerable paraintroducirse en este mercado. Únicamente en la UE, los productores de chapade acero venden diariamente a la industria del automóvil el equivalente a másdel doble de la Torre Eiffel.




3.3 Construcción

La elevada resistencia mecánica del acero ha permitido obtener estructurasmás ligeras y de mayor rigidez, con vanos más amplios, y ha estimulado elespíritu creativo de ingenieros y arquitectos.

La unión de la piedra y el acero no se basa exclusivamente en factoresculturales. En Japón, esta tendencia se acentúa debido al alto riesgo demovimientos sísmicos. Únicamente la flexibilidad del metal proporciona laseguridad que se requiere. En la práctica, la debilidad inherente del hormigónreside en que sólo puede trabajar en compresión. La flexibilidad, que comportala resistencia a cargas de tracción, es siempre proporcionada por el acero, obien por independiente, o bien como barras de refuerzo.

El porcentaje de acero utilizado en inmuebles de viviendas (?2%) es muydiferente del utilizado en construcciones industriales (?50%). Sin embargo, entodos los casos en los que los argumentos funcionales prevalecen sobre losrazonamientos emocionales, las calidades mecánicas del acero marcan ladiferencia. De este modo, la posibilidad de construir vanos de granenvergadura se aprovecha ampliamente en fábricas, almacenes,construcciones de uso agrícola, instalaciones deportivas y centros comerciales.El acero no es sólo la elección racional, también es sinónimo de un diseñoatrevido. Permite un estilo más ligero, más aireado. Menos limitados porrestricciones de peso, y con la posibilidad de introducir cargas de tracción, losarquitectos pueden utilizar libremente diseños en voladizo y contornos noverticales.

Otra ventaja que presentan las estructuras de acero, ampliamente conocida enel sector de la construcción, es la rapidez de montaje. La programación delmontaje resulta mucho más sencilla, dado que los diversos elementos – vigas,cables y tubos – llegan al sitio de obra preparados para ensamblar. Loselementos instalados pueden someterse inmediatamente a cargas, dado queno se requieren operaciones de secado que ralentizan el desarrollo delmontaje. El trabajo se realiza en seco, de forma rápida y limpia. Estaspropiedades resultan particularmente ventajosas en proyectos de granenvergadura, donde la pérdida de tiempo y las incertidumbres en laplanificación aumentan los riesgos financieros.

La oposición entre los factores técnicos y culturales también afecta a losmétodos y materiales utilizados en cubiertas y revestimientos de paredes. Paralas cubiertas de viviendas, las consideraciones culturales prevalecen y elmercado está dominado por las tejas y otros materiales tradicionales, cuyocoste es frecuentemente superior al del acero. Por el contrario, el acero es elmaterial seleccionado para más del 50% de las fábricas y almacenes, edificioscomerciales y de oficinas e instalaciones dedicadas a actividades deportivas,




culturales y de ocio. Resulta económico, cumple los requisitos de las normasmás exigentes, su durabilidad está garantizada, permite una rápida instalacióny su aspecto puede adaptarse perfectamente a su entorno.

Además de estos usos, el acero encuentra muchas otras aplicaciones en elsector de la construcción. En los proyectos de reconstrucción frecuentementeaparecen imprevistos en el último momento, y la soldabilidad del acero ofreceuna rápida solución. El acero está presente en todos los equipos secundarios,por ejemplo, en marcos de puertas y ventanas, techos, conductos deventilación, conductos para cables, sistemas de aire acondicionado, radiadores,aislamiento de paredes y particiones. Dependiendo de su función, el aceropuede utilizarse sin recubrimiento, galvanizado, electrocincado, lacado oesmaltado.

Recuerda

Recientemente se ha observado un resurgimiento de la utilización del acero.Los arquitectos (re)descubren un material fascinante que ofrece multitud deventajas, tanto en interiores como en exteriores.




3.4 Envases

El mercado de los envases es inmenso. Naturalmente, los envases de acerorepresentan un elevado porcentaje. Esto se debe a múltiples razones. Enparticular, su reciclaje es fácil y económico. No alteran el sabor de la bebidaque contienen y proporcionan un excelente soporte para mensajes publicitarios.Son baratos, ligeros, robustos, seguros y se prestan con facilidad a laproducción masiva a altas velocidades.

La prueba más evidente de la seguridad que ofrecen los envases de acero esel hecho de que las sustancias más peligrosas se transportan generalmente enbidones de acero, incluyendo productos químicos, biológicos y radioactivos. Setrata, sobretodo, de envases resistentes y extremadamente estancos. Sonresistentes a impactos y soportan todo tipo de agresiones mecánicas. Conrespecto a la seguridad, otro ejemplo relevante son las bombonas utilizadaspara el almacenamiento de gases. Para permitir la entrada en nuestros hogaresde un gas altamente explosivo a presión, se requieren las máximasprecauciones y un envase que ofrezca total fiabilidad. De nuevo, el acero es elmaterial elegido.

Una de las principales razones de la buena relación existente entre el acero ylos envases reside en las propiedades funcionales de lo que se ha convertidoen un material altamente sofisticado.

Los avances tecnológicos en los materiales se han combinado y adaptado a losrequisitos de los diferentes tipos de envases, formando una amplia gama deproductos nuevos y complementarios. Por ejemplo, en los envases paraproductos alimenticios, las tapas de fácil apertura han sido posibles gracias aun riguroso control de la microestructura del acero. La mayor rigidez,combinada con propiedades mecánicas y dimensionales extremadamentehomogéneas, ha permitido la embutición profunda de chapas alcanzandoespesores cada vez más reducidos, economizando material y reduciendo elcoste del envase. Los factores económicos en juego son considerables, dadoque ninguno de los materiales competidores ha podido seguir el mismo.

La técnica de fabricación evoluciona rápidamente. Por ejemplo, la modelizaciónasistida por ordenador del proceso de embutición profunda ha reducido eltiempo necesario para el diseño y la fabricación a escala industrial de un nuevocontenedor de acero. Este enfoque ha permitido, asimismo, optimizar elnúmero de pasadas de embutición y el espesor correspondiente, lo que haconducido a mejoras, tanto en términos de productividad como en consumo dematerial.




3.5 Electrodomésticos

El campo de los electrodomésticos y utensilios del hogar incluye una granvariedad de mercados, en los que existe una fuerte competencia entre todoslos tipos de materiales. Se trata de un sector muy amplio, que abarca desdevídeos a lavadoras, desde utensilio de cocina hasta vajillas y cuberterías, ymuy diversas industrias buscan la manera de introducir sus productos ennuestros hogares. El éxito comercial depende en gran medida del precio, y laspolíticas de venta agresivas de los circuitos de distribución masiva, que ejercenuna gran presión sobre los fabricantes de equipos para reducir sus costes. Losmateriales desempeñan un papel importante en la innovación y en la reducciónde costes.

Muchos componentes mecánicos y estructurales pueden producirse de formamás económica utilizando aceros de mayor resistencia en espesores más finos.En los casos en los que la resistencia a la corrosión resulta importante, talescomo equipamientos de cocina o baño, se utilizan de forma creciente chapasde acero galvanizadas o electrocincadas. Cuando debe combinarse laresistencia mecánica con la resistencia a la agresión de productos químicos,los aceros inoxidables o esmaltados son una elección adecuada. Los nuevosgrados de acero facilitan el proceso de esmaltación, simplificando lapreparación de superficies y reduciendo el número de capas y tratamientos deestufado requeridos.

El coste, la robustez y el aspecto estético son requisitos indispensables paralos materiales que forman los paneles exteriores. La elección del producto deacero depende de la importancia relativa de cada una de estas propiedades.Cuando las consideraciones económicas no constituyen un factor diferencial, lamayoría de los principales fabricantes se decantan por la esmaltación. Lassuperficies esmaltadas combinan la belleza natural con la durabilidad y unaresistencia extrema a todo tipo de corrosión. También son higiénicas, dado queno son porosas y resultan fáciles de limpiar. Los aceros esmaltados se utilizanpara armarios o paneles exteriores de lavadoras, lavaplatos, secadoras,cocinas, neveras, congeladores y electrodomésticos similares.

En las aplicaciones en las que el bajo coste resulta esencial se utilizanacabados de pintura. En este caso, la bobina de chapa puede recubrirse en laplanta tras el galvanizado; a continuación se corta a medida, se conforma y seensambla. Los modernos productos galvanizados y pintados ofrecen unanotable flexibilidad y un aspecto atractivo, combinados con una adecuadaresistencia a todos los productos alimenticios y de limpieza (ej.: detergentes,desinfectantes, vinagre, vino, …). Su resistencia al envejecimiento y a las altastemperaturas resulta excelente. En la actualidad se dispone de una ampliagama de productos recubiertos en bobina que permite satisfacer los variadosrequisitos de los diferentes tipos de aplicaciones. Sin embargo, no todos los




materiales de paneles exteriores son productos prepintados; frecuentemente, lapintura se aplica sobre los componentes acabados en las instalaciones delfabricante de electrodomésticos. No obstante, pueden aplicarse tratamientossuperficiales a los aceros galvanizados en las instalaciones del productorsiderúrgico para facilitar la embutición, el desengrasado y la aplicación depinturas en polvo.

En los electrodomésticos de cocina, numerosos componentes estructuralesestán sometidos a temperaturas muy elevadas, superiores a 500 ºC en el casode los hornos pirolíticos autolimpiantes. Únicamente los productos esmaltadospueden soportar estas condiciones, y se utilizan en todo el mundo paraquemadores de gas o superficies de calentamiento eléctrico. La elevada durezade su superficie permite una fácil limpieza, y su resistencia a los productoscorrosivos – incluso a altas temperaturas – preserva su aspecto estético. Laúnica alternativa es un material relacionado: la vitrocerámica utilizada endeterminados tipos de cocina.




3.6 Construcciones mecánicas e ingeniería

Gracias a sus propiedades mecánicas, el acero ha sido prácticamente siempreel material líder en el campo de la ingeniería mecánica. Cumple una ampliagama de requisitos. Su metalurgia, única por su riqueza, y los conocimientostécnicos que posibilitan su óptimo aprovechamiento por los productoressiderúrgicos y sus clientes, permiten obtener una gran variedad decaracterísticas funcionales. Las propiedades tales como la resistencia elástica ya la tracción, la ductilidad, la resistencia a la fatiga y a la abrasión, lasoldabilidad, la conformabilidad (plasticidad), etc., pueden adaptarse formandoprácticamente infinitas combinaciones.

Un ejemplo ilustrativo de las ventajas de los aceros de alta resistencia son lasgrúas móviles. Para una determinada capacidad de izado, los perfiles más finosrepresentan una economía de metal y costes más reducidos. Sin embargo,también en este caso, el peso es un factor importante. El mismo razonamientoes aplicable a remolques de camiones articulados. Una estructura más ligerapermite una mayor capacidad de carga. Además, un remolque debe ser fácil dereparar, y la soldabilidad del acero es una característica fundamental.

Otro ejemplo, entre las múltiples aplicaciones de los aceros de alta resistencia,son los conductos para fluidos, donde la utilización de estos aceros permitereducir el espesor de las paredes. Para una misma presión de bombeo, lareducción de peso permite importantes ahorros de capital.

La corrosión también puede constituir una limitación en la ingeniería mecánica.Los componentes de acero, incluso con perfiles de elevado espesor destinadosa soportar grandes cargas, deben protegerse contra la agresión de lascondiciones naturales del entorno o de sustancias químicas con las que entrenen contacto en las condiciones de servicio.

La solución tradicional era el galvanizado, seguido de la aplicación de pinturasobre los componentes acabados. Actualmente, las líneas de galvanizadopermiten recubrir bandas de acero anchas laminadas en caliente conespesores de varios milímetros. En determinadas condiciones, la corrosión desoldaduras y bordes no recubiertos se evita mediante la “protección catódica”de modo que, en la mayoría de los casos, no se requiere un recubrimientoposterior con zinc. Los tanques de gas natural en estado líquido son una de lasaplicaciones que se han beneficiado de los avances en la protección contra lacorrosión.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap4. Productos del grupo Aceralia 16

CAPITULO 4 PRODUCTOS DEL GRUPO ACERALIA

Los productos siderúrgicos planos del grupo Aceralia pueden agruparse en lassiguientes categorías:

? Productos laminados en caliente: bobinas y chapas, acabado bruto delaminación o decapado.? Productos laminados en frío: bobinas y chapas.? Productos recubiertos: bobinas y chapas electrocincadas, galvanizadaspor inmersión en caliente y prepintadas.? Formatos soldados por láser? Productos de fleje? Hojalata

La selección final se basa en las propiedades de las diferentes calidades deacero. Las principales familias son: aceros para embutición y conformación,aceros estructurales, aceros de alta resistencia, aceros para esmaltación,aceros con composiciones químicas especiales. Estos grados se encuentrandisponibles como productos laminados en caliente y laminados en frío. Paraaplicaciones con espesores elevados, el acero laminado en caliente es laelección obvia. Cuando la planeidad y el acabado superficial son factoresimportantes, los productos laminados en frío resultan preferibles.

Algunos grados especiales de productos laminados en caliente son: acero paratubos, acero para construcción naval, aceros para contenedores de gas yrecipientes a presión, acero para corte de piezas por láser y acero para ruedas.

Entre los grados especiales de productos laminados en caliente están: acerocon bake hardening adicional, acero con valores de dureza típicos, aceros fullhard, acero eléctrico procesado y semiprocesado.

En las imágenes de este libro se ven algunos ejemplos típicos. En el programade ventas pueden encontrarse otras aplicaciones de cada tipo de acero (en laprimera página de cada apartado).

Recuerda

Las principales familias de acero en productos planos son cinco:

? Aceros para embutición y conformación? Aceros estructurales? Aceros de alta resistencia? Aceros para esmaltación? Aceros con composiciones químicas especiales.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.5 El acero y el medio ambiente 17

CAPITULO 5 EL ACERO Y EL MEDIO AMBIENTE

Desde el comienzo de la siderurgia, el reciclado del acero y de sus productosderivados ha sido un factor importante. El acero se reutiliza como chatarra en elproceso siderúrgico, por razones tanto económicas como medioambientales.

Sin embargo, la chatarra también representa una necesidad técnica. Dado queel soplado con oxígeno para la eliminación de carbono y otras impurezas es unproceso exotérmico, la chatarra se utiliza para enfriar el contenido delconvertidor. Sin ese enfriamiento, la temperatura inicial del arrabio –aproximadamente 1600 ºC – aumentaría enormemente, produciendo deteriorosen la instalación BOF.

Además de esta característica técnica, la adición de chatarra al arrabio permiteun incremento sustancial de la productividad. Cada 1000 kg de acero seproducen a partir de 900 kg de arrabio y la adición de aproxi-madamente 180kg de chatarra. Al mismo tiempo se producen unos 250 kg de escoria y 1500m3 de gases.

Dado que actualmente la producción de acero en horno eléctrico (proceso queopera prácticamente al 100% con chatarra) es mayor, la cantidad de aceroreciclado va en aumento.

Recuerda

Hoy en día, una tonelada de acero está compuesta, en promedio, por 55% deacero reciclado.

El acero es uno de los pocos materiales recuperados para el reciclado en todoel mundo desde hace años. La demanda de chatarra sigue siendo superior a laoferta.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.6 Grados de acero 18

CAPITULO 6. GRADOS DE ACERO

Debido a la gran versatilidad del acero, se utilizan múltiples clasificacionesdiferentes. Se distinguen los productos planos - tales como paneles decarrocerías de automóvil, bañeras, electrodomésticos, equipos musicales, etc.– de los productos largos – tales como perfiles, carriles y barras de refuerzo dehormigón. Otra clasificación se basa en el campo de aplicación: construcción,automóvil, envases, …

Para especificar el grado de acero seleccionado para una determinadaaplicación, el cliente utilizará las propiedades y la composición del acero. Enfunción de los requisitos, se definen diferentes tipos de acero. Cada tipo deacero puede solicitarse en diferentes grados. Actualmente existe unanormalización de los tipos y grados de acero a escala europea: las normas EN.La norma EN 10020 define los diferentes tipos de acero y su clasificación.Contiene una tabla que recoge las composiciones químicas aceptadas para losprincipales elementos de aleación. Se definen los aceros aleados y no aleados.La mayoría de los aceros estructurales y aceros para aplicaciones deconformación y de embutición profunda son aceros no aleados.

El acero inoxidable es un acero aleado. La presencia de cromo en el aceroinoxidable permite la formación de una fina capa de óxido de cromo en lasuperficie. Esta fina capa es muy densa y evita la oxidación del aceroinoxidable. Además de cromo, la mayoría de los aceros inoxidables incluyenadiciones de níquel y molibdeno como elementos de aleación. Existennumerosos tipos de acero inoxidable. Un grado especial es el denominadoacero Corten®. Se trata de un acero aleado con cobre.

La capa de óxido en el acero Corten no es tan densa como en los aceros alcromo, pero resulta suficiente para evitar una oxidación posterior en climasmoderados. Se utiliza principalmente en construcciones industriales comopuentes, chimeneas, etc.

Los aceros no aleados representan el porcentaje más elevado del consumo.Los tipos de acero disponibles se clasifican en laminados en caliente,laminados en frío y recubiertos. Se establece otra clasificación más detalladaen función de las propiedades mecánicas y químicas. La mayoría de los gradosde acero están normalizados. El método preferible es utilizar las normaseuropeas EN.

En la siguiente lista se relacionan las principales normas europeas relativas alos productos laminados en caliente y en frío:

EN 10111 acero laminado en caliente para aplicaciones de conformación yde embutición profunda



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.6 Grados de acero 19

EN 10025 acero estructural laminado en calienteEN 10149 acero de alta resistencia y baja aleación laminado en calienteEN 10208-2 acero laminado en caliente para tubosEN 10130 acero laminado en frío para aplicaciones de conformación y de

embutición profundaEN 10268 acero de alta resistencia y baja aleación laminado en fríoEN 10209 acero laminado en frío para esmaltación convencional

Recuerda

Las normas EN no definen únicamente los rangos de composición química;definen, asimismo, las propiedades físicas y mecánicas. También definen lastolerancias admisibles de variación de espesor, ancho, planeidad, etc.

Además de las dimensiones, el grado de acero y las tolerancias, en cadapedido deben especificarse las características superficiales de la chapa.

Con respecto a la superficie, se pueden distinguir la rugosidad y el acabadosuperficial. Una superficie con un acabado de calidad superior carecerátotalmente de defectos. Estos acabados se utilizan, por ejemplo, para panelesfrontales de electrodomésticos o paneles exteriores de carrocerías deautomóviles.

La rugosidad depende principalmente del tipo de conformación utilizado en elproceso de producción del cliente. La embutición profunda requiere lalubricación con aceite para mejorar la embutibilidad. Por lo tanto, los grados deacero para embutición profunda se solicitan aceitados con aceites especialesde embutición. Se aplica una rugosidad adecuada para asegurar unadistribución homogénea del aceite sobre la chapa durante el transporte,manipulación, almacenamiento y, en particular, durante la embutición profunda.

La rugosidad crea un perfil de picos y valles. Los valles se utilizan comomicrocontenedores de aceite. Cuanto mayor sea la rugosidad, mejor será laretención de aceite sobre la chapa, lo que mejorará el proceso de embuticiónprofunda. No obstante, el valor de la rugosidad está limitado por las posterioresetapas de la producción. La chapa de acero con alta rugosidad resulta másdifícil de desengrasar y aclarar, lo que redunda en un aspecto pobre delacabado de pintura. Un acabado de pintura brillante requiere un bajo nivel derugosidad de acabado de espejo.

En la mayoría de las aplicaciones, la embutición profunda debe realizarse antesde aplicar el acabado de pintura. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, laselección de la rugosidad se basa en un equilibrio entre estos factores.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.7 Posición del acero 20

CAPITULO 7 POSICIÓN DEL ACERO

Como se indica en la introducción, la siderurgia es una industria importante ydesempeña un papel fundamental en la economía actual. Numerosos paísescuentan con sus propias instalaciones de producción de acero. Los diversosproductores siderúrgicos, o industrias relacionadas, se agrupan en diferentesorganizaciones:

El IISI (Instituto Internacional del Hierro y del Acero) es una organización deinvestigación sin ánimo de lucro constituida por empresas siderúrgicas,federaciones nacionales o regionales y organizaciones dedicadas a lainvestigación en el campo del acero, de más de 50 países. El IISI lleva a caboactividades de investigación en los campos económico, financiero, tecnológico,medioambiental y comercial del acero en el mundo y estudios relativos adiversas materias primas y a los recursos humanos para el beneficio de susmiembros. También recopila, evalúa y difunde estadísticas relativas al acero aescala mundial. Además de sus numerosas publicaciones, el IISI dispone deuna página web de consulta on-line http://www.worldsteel.org y una direcciónde correo electrónico de contacto: [email protected].

A continuación se relacionan las principales asociaciones en este ámbito:

Asociaciones de productores siderúrgicos

InternacionalIISI International Iron & Steel Institute http://www.iisi.be

RegionalEurofer Federación de empresas siderúrgicas europeasILAFA Instituto Latinoamericano del Fierro y del Acero hhtp://www.ilafa.org

NacionalGSV Groupement de la Sidérurgie Belge – StaalinustrieverbondFFA Fédération Française de l’Acier http://www.ffa.frAISI American Iron & Steel Institute http://www.steel.orgISIJ Iron and Steel Institute of Japan http://www.isij.or.jpWirtschaftsvereinigung Stahl http://www.stahl-online.deUK Steel Association

http://www.uksteel.rorg.uk

Asociaciones de ingenierosAssociation of Iron & Steel Engineers http://www.aise.org



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.7 Posición del acero 21

Asociaciones relacionadas con el sector y con productos determinados

ECCA – European Coil Coating Association http://ecca-coilcoating-assn.beAPEAL – Asociación de Productores de Envases Europeos

http://www.apeal.orgAISI - Autosteel

http://www.autosteel.orgBauen mit Stahl http://www.bauen-mit-stahl.deECCS – Eropean Convention for Constructional Steelwork

http://www.steelconstruct.comOffice Technique pour l’Utilizsation de l’Acier (Francia)

http://www.otua.asso.frStaalbouw Institut

http://www.staalwound.nlNASS – National Association of Steel Stockholders (UK)

Otras

OECD Steelhttp://www.oecd.org/dsti/sti/industry/steel

Con la creciente globalización, se han llevado a cabo recientemente numerosasconsolidaciones o uniones de empresas en la industria siderúrgica.Actualmente (1999), los principales grupos siderúrgicos europeos son:

? Arbed (incluye Sidmar, Stahlwerke Bremen y Aceralia)? Usinor Sacilo (incluye Sollac, Cockerill Sambre y EKO Stahl)? Corus (incluye British Steel y Hoogovens)? TKS (incluye Thyssen, Krupp y Hoesch)

Los principales productores siderúrgicos a escala mundial son Posco (Corea),Nippon Steel (Japón), Ispat (UK + NL + I), NKK (Japón) y US Steel (EE.UU.).



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.8 Flujo de materiales 22

CAPITULO 8 FLUJO DE MATERIALES

En los apartados anteriores de esta unidad didáctica, se clasifican lasaplicaciones del acero en función de los diferentes sectores de utilización:construcción, automóvil, electrodomésticos, envases, …

Puede establecerse una clasificación más adecuada basada en el flujo demateriales. Este planteamiento es más lógico y permite a los investigadorescalcular de forma correcta las cuotas de mercado:

1. Transformación primaria: transformación de la chapa plana en otroproducto plano. Este sector incluye los relaminadores (bobina caliente,chapa fría y chapa negra) y los procesos de recubrimiento (por inmersión encaliente, electrocincado, recubrimiento de productos en bobina y hojalata).

2. Transformación secundaria: conformación de la chapa plana enproductos tales como perfiles, tubos, alambre, embutición profunda(excluyendo el automóvil).

3. Distribución: almacenistas, actividades comerciales y centros de serviciodel sector siderúrgico (dedicados al corte en flejes o chapas).

4. Usuarios finales: compuesto por los siguientes sub-sectores:

Transporte: carriles y trenes, paneles de carrocería para la industria delautomóvil y sus suministradores, sistemas de exhaustación de gases,ruedas y otros accesorios, camiones y furgonetas, vehículos militares yotros medios de transporte (motocicletas, bicicletas).Construcción: revestimientos de muros y cubiertas, techos, estructuras deobras públicas tales como puentes, señales de tráfico y otras aplicacionesen el sector de la construcción.

Fabricación eléctrica: productos de línea blanca (neveras, lavadoras,secadoras, …), productos de línea marrón (televisores, vídeos, equipos dealta fidelidad, ordenadores, …), aparatos eléctricos varios, HVAC (aireacondicionado, enfriadores, calderas, calentadores eléctricos), iluminación,motores y otros equipos eléctricos como instrumentos de medición, panelesde distribución, …Transformación de productos metálicos: mobiliario, bastidores, calentadoresy radiadores, objetos de metal tales como herramientas, cerraduras, … yelementos sanitarios.

Construcciones metálicas: maquinaria agrícola, instalaciones de la industriaalimenticia, maquinaria textil, dispositivos de elevación (grúas, ascensores,carretillas elevadoras), maquinaria de construcción (apisonadoras,excavadoras, …), maquinaria para conformación de chapas metálicas yotras construcciones mecánicas.



UD.1 – La fabricación del acero – Cap.8 Flujo de materiales 23

Envases: latas y botes, contenedores, tanques y depósitos, bidones.Recipientes: recipientes a presión.Construcción naval

Otros




U.D. 2 PRODUCCIÓN DE ACERO

CAPITULO 1 ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO SIDERURGICO

CAPITULO 2 MATERIAS PRIMAS

CAPITULO 3 REDUCCIÓN DEL MINERAL DE HIERRO

3.1 Introducción3.2 El Horno Alto3.3 Reducción directa del mineral de hierro

CAPITULO 4 LA FABRICACIÓN DEL ACERO

Introducción4.1 El Convertidor al oxígeno4.2 El horno eléctrico de arco4.3 Metalurgia secundaria4.4 La Colada del acero

CAPITULO 5 LAMINACIÓN EN CALIENTE

5.1 Introducción5.2 Tren de bandas en caliente5.3 Proceso compacto de colada y laminación de bobinas

CAPITULO 6 LAMINACIÓN EN FRÍO

6.1 Decapado y laminación en frío6.2 Procesos de recocido y temperizado




CAPITULO 2 MATERIAS PRIMAS

las materias primas requeridas en los procesos de producción de arrabio yacero son fundamentalmente:

? Las materias primas férricas (minerales de hierro, chatarra yprerreducidos).

? Las materias primas combustibles y agentes reductores (carbón, coksiderúrgico, gases y otros combustibles).

? Las materias primas fundentes (caliza, dolomía, cal, elementos paraaleación, etc.).

Minerales de hierro

El hierro, elemento básico constitutivo del acero, se encuentra en abundanciaen la naturaleza bajo la forma de minerales de hierro, que son componentes dehierro y oxígeno (óxidos diversos o carbonatos de hierro), junto con otroselementos o compuestos que se consideran impurezas (la ganga).

El mineral de hierro es una materia prima fundamental para la siderurgiaintegral, basada en el proceso del Horno Alto. Será preciso proceder a unaeliminación del oxígeno o reducción de los minerales, con descenso de lasimpurezas hasta los niveles requeridos.

La extracción, enriquecimiento y preparación de los minerales son actividadespropias de la minería. Se enriquece el mineral reduciendo su contenido enganga y se prepara mediante operaciones de trituración y cribado,obteniéndose:

? Minerales gruesos, que podrían ser usados, en las proporciones ycalidades precisos, como materia prima que dan la permeabilidad necesariaa la carga del Horno Alto.

? Minerales finos y concentrados (ultrafinos) destinados a los procesosde aglomeración, ya que no pueden usarse directamente en el Horno Altoporque impiden la circulación de los gases dentro del mismo.

Dentro del proceso de aglomeración distinguimos la sinterización y lapelletización.

La pelletización (o peletización) es el procedimiento de aglomeración de losminerales ultra finos y concentrados para la obtención de pequeños nódulos o




pellets, de dimensiones del orden de 10 o 15 mm y con moderado grado demetalización.

Los pellets son fácilmente transportables, por lo que las plantas depelletización se encuentran normalmente en las proximidades de las minas.

El parque de minerales

El proceso en el parque comienza con la recepción, almacenamiento,preparación y posterior distribución de diversos materiales a los diferentescentros de consumo: plantas de sinterizado, baterías de cok, hornos altos,acería.

Todas estas instalaciones están conectadas por una amplia red de cintastransportadoras, operando automáticamente desde un puesto central decontrol.

Los minerales de hierro (gruesos y finos) se apilan en montonesindependientes según su procedencia (características) y granulometría, pormedio de máquinas rotopalas que son capaces tanto de apilar, como derecoger el material para su envío a hornos altos o a la homogenizacióndependiendo de su granulometría.

Los materiales finos, que no pueden usarse directamente en el Horno Alto,previamente se homogenizan.

Este proceso de homogeneización consiste en la formación de una parva porsuperposición de capas de distintos tipos de mineral, con espesores variables,en función de la proporción en la que intervenga cada uno de ellos. Así, uncorte transversal de la parva da la mezcla deseada.

Estos cortes transversales se efectúan arañando simultáneamente material detodas las capas. El mineral desprendido se desliza por el talud hasta la base,de donde es recogido ya homogeneizado.

Al final se obtiene:

? Gruesos de mineral que son enviados al Horno Alto.

? Finos de mineral homogeneizados y mezclados con finos de fundentes yrecuperaciones de factoría, que se añadirán a la parva y que son enviadosa una planta llamada de sinterización para su aglomerado.




Sinterización

La sinterización es el proceso de aglomeración de los minerales finos para laobtención de sinterizado (o Sínter), cuyo empleo en el Horno Alto favorece sumarcha correcta (calidad, productividad y consumos específicos optimizados).

Los distintos tipos de finos (mineral, cok y fundentes), se mezclan enproporciones adecuados, se extienden sobre una cinta transportadora metálicacon orificios, a través de los cuales se efectúa una aspiración. Se prende fuegoal combustible superficial presente en la mezcla y, por el mismo procedimientoque fumar un cigarrillo, el fuego va profundizando en las capas de tal formaque, al llegar al final del recorrido de la cinta, el calor desprendido en lacombustión hace que los materiales lleguen a un estado pastoso, se aglomereny, lo que en un principio eran finos, se transformen en una torta que se trocea yse envía al Horno Alto.

Dado que el sinterizado se degrada en el transporte, las plantas de sinterizarestán instaladas en las proximidades de los hornos altos.

Chatarra

La materia prima más utilizada en la industria del acero es la chatarra, quecubre del orden del 40% de sus necesidades globales. Su empleo varía segúnel proceso de fabricación utilizado: en el caso de la fabricación del acero porconvertidor LD, representa del orden del 20 al 25% de la materia prima,mientras que el proceso por horno eléctrico puede emplearse hasta un 100%.En ambos casos se requiere necesariamente utilizar chatarra para fabricarnuevo acero; de ahí que el reciclaje del acero sea muy importante en laproducción del nuevo acero.

Carbón

El carbón es una roca sedimentaria de estructura heterogénea que proviene dela fosilización de las plantas. Desde el punto de vista de combustible sólido, elcarbón contiene elementos propiamente combustibles (el carbono, elhidrógeno, etc.) y no combustibles (el agua, el nitrógeno, el oxígeno), y un restode materias denominadas cenizas, y se caracteriza por su potencia calorífica.Una clasificación convencional de los carbones-empleada en gran medida en el ámbito energético- fija los tipos de carbonessobre la base de su contenido en carbono, volátiles y potencia calorífica,relacionado con su evolución geológica: antracitas, hullas, lignitos y turbas.

La aplicación actual del carbón en la siderurgia se basa en su empleo comomateria prima para la producción del cok siderúrgico y en su inyección por lastoberas del Horno Alto. Otros empleos son cuantitativamente minoritarios:




antracita como combustible en plantas de sinterizar, carbón para inyección enhornos eléctricos, etc.

Distinguiremos el uso del carbón para cok siderúrgico y para inyectar en loshornos altos.

El parque de carbones

La función del parque de carbones es recibir, almacenar, preparar y suministrarel carbón de hulla a los hornos de cok.

Los carbones son almacenados en el parque en distintos montones, según suprocedencia, en espera de su utilización posterior.

Los carbones de hulla sufren un molido que facilita los procesos siguientes.Una vez molidos pasan a unas parvas de homogeneización, similares a las delmineral donde se mezclan distintas hullas en la proporción requerida.

Al finalizar el proceso se obtiene una mezcla de carbones para la coquizacióndenominada pasta de carbón.

Para todo el movimiento y preparación de la pasta de carbón, el parque decarbones está equipado con rotopalas para almacenaje y recogida, apiladoraspara formar parvas de homogeneización y recogedoras que efectúan la mezclade carbones; máquinas todas ellas similares a las del parque de minerales.

Baterías de Hornos de Cok

El Cok (también denominado coque) es el producto de la destilación del carbónen cámara cerrada y a alta temperatura. Nos referimos aquí al cok siderúrgico,especialmente producido para su empleo en el Horno Alto, dadas suscaracterísticas de:

? Agente reductor, sobre la base de su alto contenido en carbono.

? Agente térmico, sobre la base de su alto contenido calorífico.

? Agente mecánico, sobre la base de su resistencia para soportar la cargadel Horno Alto dotándole de la permeabilidad necesaria.

Así, la función de los hornos de cok es eliminar del carbón de hulla la materiavolátil y aglutinarlo para obtener cok siderúrgico.

La pasta de carbón preparada en el parque que carbones se somete a unproceso de coquización, consistente en calentarla en ausencia de aire porencima de los 1.000º C. Y durante 16 horas, aproximadamente.




Este calentamiento se realiza en unos hornos cerrados que reciben el calor, através de paredes laterales, de unas cámaras de combustión donde se quemael gas, que se produce en la propia instalación.

Como consecuencia de este proceso, la materia volátil atrapada en la hulla sedesprende y se aglutinan los granos que formaban la pasta de carbón.

Terminado el proceso de fabricación se saca el cok del horno, que ardeespontáneamente al entrar en contacto con el oxígeno del aire. Para evitar quese consuma en esta combustión, se rocía con agua antes de ser enviado alHorno Alto.

Al final del proceso se obtiene un producto denominado cok siderúrgico, que esun material duro, poroso y con un contenido en carbono superior al 90%.

Como subproducto importante se obtiene, además, el gas bruto de las bateríasde cok, que posteriormente sufrirá una serie de depuraciones y tratamientos enel conjunto de las plantas de subproductos. Se eliminarán del gas el alquitrán,el amoníaco, los compuestos sulfurados, la naftalina y, en algunos casos,diversos tipos de hidrocarburos (benceno, tolueno, etc.), que servirán comosubproductos directamente comercializables o para la fabricación de otroscompuestos (sulfato amónico, por ejemplo). Los objetivos de depuración delgas y el diseño de las plantas de subproductos (verdaderas plantas químicas)determinan los tratamientos del gas realizados, así como el tratamiento ydepuración de los efluentes.

Carbón para inyección en Horno Alto

Debido en principio al coste del cok siderúrgico, se han desarrollado múltiplestécnicas de inyección de combustibles auxiliares por las toberas del Horno Alto,lo que originó diversas tecnologías de operación con repercusión, incluso, enlas instalaciones auxiliares, con modificación de estufas para lograr muy altastemperaturas del viento caliente soplado, inyección de oxígeno, etc., pararegular la temperatura adiabática de llama.

Primeramente se inyectaron combustibles líquidos, como alquitrán y fuelóleobajo en azufre. Las crisis del petróleo desecharon el empleo del fuelóleo y, deigual manera, el empleo de inyecciones de combustibles gaseosos (gasnatural, fundamentalmente). Se volvió a las marchas todo cok en los hornosaltos, que alcanzaron un grado de sofisticación y desarrollo importantes.

En la actualidad se emplea la inyección auxiliar de carbón por toberas,utilizándose carbones no coquizables y de menor precio.




El carbón a inyectar debe ser preparado adecuadamente, lo que requiere lainstalación de sistemas de almacenamiento, molienda y transportenormalmente neumático hasta el horno, empleando tecnologías que exigenelevado coste de inversión y altas medidas de control y seguridad.

Fundentes

La ganga de los minerales y las cenizas del cok tienen elevados puntos defusión (1.700 a 2.000º C) y tendrían grandes dificultades para fundir en elproceso del Horno Alto. Por ello, se añaden otros productos denominadosfundentes, con objeto de obtener una escoria de bajo punto de fusión (1.300 a1.400º C) y reducida viscosidad, que absorba los elementos indeseables quecontaminarían, en otro caso, al arrabio producido.

Los fundentes se emplean para obtener, con diversos objetivos, las escoriasadecuadas en procesos como la sinterización, fabricación del arrabio en HornoAlto, fabricación del acero, tratamiento en cuchara, etc. Hay que controlar sucomposición química (evitando impurezas no deseables), y su granulometría,además de otros aspectos relacionados con las peculiaridades de cadaproceso.

Los más importantes fundentes son la caliza, la dolomía, la cal, la dunita, etc.,así como la bauxita, el espato-flúor, etc., de composiciones y usos diversos.

Ferroaleaciones

Son aquellos materiales compuestos, ricos en Fe y en otros elementos,empleados para ajustar la composición del acero o alearlo, mejorar losparámetros del proceso de fabricación, desoxidar el acero, etc.

Materiales tales como ferromanganeso, ferrosilicio, ferrocromo, ferroniobio,ferrovanadio, etc., sirven para algunos de estos objetivos y sus característicasfísicas y químicas serán función de su modo de empleo en cada proceso:fabricación de acero en convertidor LD o en horno eléctrico, metalurgiasecundaria, etc.




CAPITULO 3 REDUCCIÓN DEL MINERAL DE HIERRO

3.1 Introducción

La siderurgia integral utiliza la ruta del horno alto para la reducción de losminerales de hierro, eliminando el oxígeno y alcanzando un enriquecimiento enhierro metálico que se traduce en un alto grado de metalización, es decircontenidos totales de hierro superiores al 95-96%, con lo que se obtiene elarrabio.

La difusión del horno alto a nivel mundial contribuye aproximadamente al 60%de la producción total de acero vía acería LD, siendo los países másdesarrollados los que ostentan una cota más alta de utilización de esta ruta.

La ruta del horno eléctrico se basa en el empleo de chatarra, pero la escasezde chatarras limpias ha potenciado la necesidad de encontrarprocesos de obtención de prereducidos de hierro, en base a la reduccióndirecta en fase sólida de los minerales de hierro con agentes reductores, talescomo gas natural o carbón.

La participación actual en la producción final de acero bruto de estos procesosvía horno eléctrico con productos prerreducidos alcanza un total del 5% de laproducción mundial de acero. A diferencia del proceso clásico de reducción delhorno alto, la reducción directa está fundamentalmente localizada en paísesincorporados al mundo del acero después de la guerra mundial, que disponengeneralmente de minerales y agentes reductores, en su mayoría gas natural.




3.2 El Horno Alto

El Horno Alto es un reactor vertical, de cuba, en el que se efectúa el proceso dereducción de los minerales, obteniéndose un producto intermedio: el arrabio.Este arrabio será tratado fuera del horno, normalmente en una planta dedesulfuración y será posteriormente afinado en la acería LD para obtener elacero.

El Horno Alto ha demostrado alta eficiencia, adaptabilidad y capacidadproductiva, a la vez que efectúa un cierto pretratamiento del producto obtenido,reduciendo los niveles de elementos no deseables en el arrabio producido(azufre, silicio, etc.) previo a su afino en la acería LD.

Aunque el Horno Alto constituye probablemente el proceso siderúrgico máscomplejo, se ha llegado a un elevado nivel tecnológico en su diseño y control,lo que junto con el proceso de acería LD, convierte a estas tecnologías en lasmás adecuadas para la obtención de elevadas cantidades de aceros de altapureza y calidad, no alcanzable normalmente por otros métodos productivos.

En el Horno Alto se cargan por el tragante, en capas alternadas, mineral,fundentes y cok; por las toberas, viento caliente y carbón pulverizado.

Los gases, producto de la combustión del cok delante de las toberas,ascienden. El espacio que se crea por esta combustión y la fundición de lasmaterias primas se rellena continuamente por el desplazamiento de la cargahacia la parte inferior del horno. Por lo tanto, el desplazamiento se produce endos direcciones opuestas: el ascenso del gas y el descenso de la carga.

El cok sufre una combustión incompleta desprendiendose el gas CO, que alentrar en contacto con el mineral, reacciona con éste apoderándose de suoxígeno, para formar CO2, segun la reacción FeO + CO ? Fe + CO2, lo queprovoca la reducción, es decir, la eliminación del oxígeno del mineral de hierro.Este proceso se conoce como reducción indirecta .

El monóxido de carbono se forma en la parte inferior del horno alto y asciende.Al mismo tiempo, la carga en descenso entra en contacto con este gasreductor, convirtiéndose en arrabio líquido que se recoge en el fondo del hornoalto.

Por otra parte, las impurezas del mineral son atrapadas por los fundentes queforman una escoria líquida que flota sobre el arrabio al tener menor pesoespecífico que éste.

Periódicamente, por un orificio practicado en el crisol, llamado piquera, sesacan el arrabio y la escoria, que son separados en el sifón.




Durante la producción de arrabio líquido, se forma una importante cantidad degas dentro del horno alto. Este gas se recoge en la parte superior del horno altoy se purifica. Posteriormente, pasa a la central térmica, donde se utiliza comocombustible para la generación de electricidad.

En el siguiente resumen se muestran los diferentes productos utilizados uobtenidos en el horno alto:

ENTRADA SALIDA

PARTESUPERIOR

A través del tragante

SínterCok

Aditivos

A través de la salida de gas deltragante:

Gas

PARTEINFERIOR

En las toberas:

Aire calienteCarbón pulverizado

En el orificio de colada:

ArrabioEscoria

El producto obtenido en el Horno Alto es el arrabio, material compuesto porhierro (95%), carbono (4,5%) y otros elementos en menor cuantía, tales comosilicio, manganeso, azufre y fósforo.

Fuera del Horno Alto y previo a su empleo en la acería LD, el arrabio seconduce a una planta de desulfuración, cuyo objetivo es reducir el contenido deazufre en el arrabio.

Se emplean agentes desulfurantes, que inyectados en el arrabio contenido enlas cucharas de transporte (normalmente denominadas, debido a su forma,cucharas torpedo) se combinan con el azufre del arrabio pasando a la escoria,que es retirada para evitar fenómenos de resulfuración. Existen diversosprocesos de desulfuración, normalmente relacionados con los tipos de agentesdesulfurantes utilizados.

Instalaciones principales del horno alto

El Horno Alto, propiamente dicho, está formado por una coraza construida enacero soldado y revestida interiormente de refractario, con calidades en cadazona de acuerdo a los solicitaciones requeridas, y cuyo volumen interno estáconstituido por diferentes zonas cilíndricas y troncocónicas, en función de losmateriales que en cada zona coexistan y de su estado (estado físico de losmateriales y gases, así como volúmenes que ocupan en cada zona). El perfil




del horno es variable a lo largo de su altura, distinguiéndose varias zonas osistemas principales:

? Sistema de evacuación del gas, constituido por las tuberías de evacuacióndel gas bruto pobre producido (pantalones) y dotado de válvulas dedescarga denominadas "cascabeles" o "chapines", y controles de presión,temperatura, composición del gas, etc.

? Tragante del horno, o parte superior del mismo. El "cargue" debe garantizaruna distribución controlada de cada material en el interior del horno.

? Cuerpo del horno, con un perfil que favorezca su funcionamiento y elintercambio entre sólidos y gases, que en diferente estado coexisten encada zona. Las más importantes son:

? La parte inferior del horno, constituida por el crisol, y su áreainferior o subcrisol, partes cilíndricas donde se alojan el arrabio y laescoria, que serán periódicamente colados del horno a través de laspiqueras o agujeros de colada.? Encima del crisol se sitúan los etalajes, zona de horno donde seinyecta el aire o viento caliente que, procedente de las estufas decalentamiento, llega a una tubería circular de la que a través de lastuberías de bajada es introducido en el horno por los orificios detoberas, a través de las cuales se realiza también la inyección decombustibles auxiliares.? Más arriba se sitúa la zona de etalajes paralelos o vientre delhorno y por encima la cuba, que termina en la parte superior o tragantedel horno.? El horno está revestido interiormente por refractario de diferentescaracterísticas, en función de las solicitaciones requeridas en cadazona y del diseño del horno, especialmente en lo referido a su sistemade refrigeración.

? El sistema de refrigeración del horno es variable en función de cada zonadel mismo, pero en cualquier caso el más eficiente e intenso posible paramejorar la fiabilidad de marcha, la duración del revestimiento refractario y,en última instancia, optimizar la duración de la campaña del horno.

? El sistema de control tiene por objeto gestionar el funcionamiento de losequipos del horno y de su proceso. Multitud de sensores, tales comocontroles de temperatura, presión, sondas de nivel, sondas de análisis degas, etc., están instalados en el propio horno y junto con otros múltiplessensores de sus instalaciones auxiliares constituyen un sistema global decontrol.




Instalaciones auxiliares del horno alto

Son las instalaciones al servicio del Horno Alto propiamente, para lapreparación y manipulación de materiales y fluidos de entrada y salida delhorno, el control de su proceso y funcionamiento, etc. Las principales son:

? El sistema de manipulación, almacenamiento en silos, cribado, pesaje ycontrol de los materiales o carga en el horno, fundamentalmente delsinterizado, pellets, minerales gruesos y cok siderúrgico.

? El sistema de viento caliente, que comienza en las soplantes, accionadaseléctricamente o por vapor, encargadas de suministrar la cantidad de aire oviento necesario a la presión prevista, que pasará por las estufas para sucalentamiento y su distribución a las toberas a través de la tubería circular o"morcilla".

? El sistema de depuración del gas pobre producido, cuya primera separaciónde polvo tiene lugar en el depurador o botellón. Posteriormente, un lavadohúmedo en torres de depuración de alta energía, permite obtener un gaspobre de contenidos en polvo bajo estrictos límites. Se procederá a ladepuración de los lodos provenientes de la depuración del gas, mediante elempleo de balsas de decantación y separador o filtros de lodo. Estosmateriales -polvo y lodos- son reciclados en la planta de sinterización.

? La "planchada" de colada, constituida por la plataforma de trabajo donde sesitúan las regueras de evacuación de arrabio y escoria, así como lasperforadoras de las piqueras o los "cañones" de tapado, conaccionamientos hidráulicos y/o neumáticos de alta fiabilidad. Existentambién plataformas de trabajo al nivel de las toberas, así como elementosde manipulación, incluidas las grúas instaladas en la nave de colada quealoja a la totalidad de los elementos y a la que se llega por amplios accesoso rampas adecuadas.

? Sistemas de recuperación de energía del gas pobre producido,aprovechando su alta presión de salida del tragante del horno frente a labaja presión necesaria para su distribución a las instalacionesconsumidoras para la producción de electricidad.

? Sistemas de preparación de combustible auxiliar a inyectar en toberas. Tales el caso de las voluminosas instalaciones de secado, molienda ytransporte del carbón a inyectar en las condiciones de seguridad requeridas.

? Sistema de refrigeración constituido por circuitos cerrados con sus torres derefrigeración, estaciones de bombeo, etc. Normalmente existen varios deestos sistemas, uno para cada área peculiar del horno: refrigeración detoberas a alta presión, refrigeración del subcrisol, etc. Los circuitos están




dotados de elementos de emergencia que garantizan su funcionamientoante cualquier eventualidad, como fallos de corriente eléctrica, etc.




3.3 Reducción directa del mineral de hierro

El proceso de reducción directa es una alternativa al proceso actual de hornoalto. En el proceso de reducción directa COREX, las materias primas son elmineral de hierro y el carbón. El carbono presente en el carbón actúa de formadirecta como agente reductor por la fórmula FeO + C ? Fe + CO. En esteproceso, el mineral de hierro se reduce en estado sólido a esponja de hierro,también llamada HDR (hierro de reducción directa) conocido en ingles comoDRI.

El proceso Sidcomet (desarrollado en la factoría de Sidmar) combina lareducción directa de mineral de hierro empleando carbón como agente reductorcon el proceso de fundición. De este modo, la esponja de hierro previamentereducida puede convertirse en arrabio, apropiado para su posteriorprocesamiento en una acería convencional.

La reducción directa del mineral de hierro tiene lugar en un horno de crisolrotativo. Al contrario que en la mayoría de procesos de reducción, aquí lasmaterias primas no requieren pretratamiento. El mineral de hierro, carbón yaditivos se cargan en el centro del horno de crisol rotativo y se desplazangradualmente hacia las paredes del horno. La temperatura de la mezcla seeleva rápidamente hasta unos 1400 ºC y al mismo tiempo las materias primasse mezclan mecánicamente, asegurando así el contacto entre el mineral dehierro, carbón y aditivos. Esto produce un bajo consumo de carbón y un tiempode proceso en el horno óptimo, lo que a su vez permite una alta capacidad deproducción. La presencia de un gas reductor dentro de la carga y rodeando ellecho de DRI evita la reoxidación de la esponja de hierro.

Inmediatamente después de su producción, la esponja de hierro se carga en elhorno eléctrico. Esto evita la oxidación, al mismo tiempo que utiliza el calorresidual. La esponja de hierro, con un 90% de contenido metálico, se reduce denuevo y se funde en el horno eléctrico. Por este proceso, se convierte enarrabio equivalente al producido en el horno alto.

Los principios básicos del proceso de reducción directa son siempre losmismos, siendo la única diferencia el agente reductor empleado: carbón o gasnatural. El 90% de la producción mundial de esponja de hierro se basa en lareducción por gas natural. Actualmente, estos procesos pueden seguirseúnicamente en los lugares en los que el gas natural resulta más económico,como Centroamérica y Oriente Medio. En Europa sólo resulta factible elproceso basado en el carbón.

En los hornos eléctricos la adición de esponja de hierro a la chatarra ofrece unaconsiderable serie de ventajas. Incrementa el contenido en carbono de la




mezcla, lo cual favorece de forma indirecta la eficacia actual de los electrodos yla reducción de contenido en nitrógeno. Asimismo, la presencia de esponja dehierro facilita la introducción de chatarra en el horno. Por último, los elementosno deseados que hayan sido introducidos junto con la chatarra puedencompensarse añadiendo DRI. Éste se añade a la carga del horno eléctrico enbriquetas (HBI o esponja de hierro en briquetas).




CAPITULO 4 LA FABRICACIÓN DEL ACERO

Introducción

La fabricación del acero se efectúa actualmente mediante dos rutas: laconvencional de la siderurgia integral, vía Horno Alto y Acería LD y la ruta delhorno eléctrico de arco.

La fabricación de acero en la acería al oxígeno LD es el proceso natural de losfabricantes integrales con Horno Alto y representó en 1996 un 60% de laproducción mundial, especialmente para la fabricación de productos planos dealta calidad, con especificaciones muy estrictas en contenidos de elementosresiduales y nitrógeno.

La fabricación de acero basada en la fusión de chatarra y en ocasiones deprerreducidos de hierro, en horno eléctrico de arco, ha experimentado uncrecimiento muy importante en las últimas décadas y representó en 1996 el33% de la producción mundial.

El resto de la producción de acero, que representa un 6-7%, corresponde alempleo de procesos ya en claro retroceso entre los cuales merece especialmención el horno Martin Siemens.

En España, la estructura de producción de acero supone del orden del 33% porconversión al oxígeno LD y de un 67%, aproximadamente, procedente delhorno eléctrico de arco.




4.1 El Convertidor al oxígeno

El arrabio producido en el Horno Alto, después de su posterior tratamiento dedesulfuración y en su caso de desiliciación y defosforación externas, contieneimpurezas y elementos que deben eliminarse o variarse para obtener lascaracterísticas del producto deseado: un acero concreto.

Se realiza el afino del arrabio mediante el soplado con oxígeno en elconvertidor de la acería LD, cuya primera operación comercial se efectuó acomienzos de la década de los 50 en Linz y Donawitz (Austria) dando origen alproceso LD (también conocido como BOS, BOF o BOP).

Los objetivos del proceso de afino son la descarburación del arrabio (reducciónde su contenido en carbono), la oxidación de los elementos perjudiciales quepasarán a la escoria (reducción del contenido en silicio, manganeso y fósforo) yla desoxidación (reducción del contenido de oxígeno por efecto del ferrosilicioy/o aluminio, es decir, el calmado del acero), y el ajuste de composición ytemperatura a los niveles requeridos, obteniéndose un acero de alta calidadcon bajos contenidos de nitrógeno, especialmente útil para la fabricación deproductos planos.

Las principales materias primas cargadas en el convertidor son:

? El arrabio líquido, que llega a la acería LD transportado en cucharastorpedo. Su ventana de calidad está definida por su composición química,en el entorno de un 4,5% de C y contenidos variables de manganeso,silicio, fósforo y azufre y su temperatura, del orden de 1.380º C de carga alconvertidor, y viene fijada para la obtención en la acería LD de un acero dela calidad requerida al mínimo coste.

? La chatarra, y en su caso el mineral o sinterizado, que constituye lacarga metálica adicional con especial incidencia en la regulación térmicadel proceso (efecto refrigerante).

? Las adiciones o fundentes, necesarias fundamentalmente para obteneruna adecuada composición y tipo de escoria. Entre ellos la cal dolomítica,el espato-flúor, etc., con granulometría, composición (elementosperjudiciales bajo límites), la reactividad en algún caso, etc., estrictamentecontrolados.

? El oxígeno, de gran pureza, inyectado a velocidad supersónica por laparte superior a través de una lanza refrigerada por agua, con suficienteenergía para asegurar el contacto y agitación del baño (reacciones metal-escoria).




El proceso comienza con la carga de la chatarra en el convertidor y del arrabioposterior, y continúa con el proceso de soplado y la incorporación de lasadiciones, hasta llegar a la introducción de la sublanza y soplado final paraajuste de las características del acero. El convertidor será volteado para lacolada del acero y de la escoria, evitando contaminación entre productos. En lafase final de colada del acero se añaden ferroaleaciones y elementosdesoxidantes para mejorar su composición.

El proceso de convertidor es oxidante, por lo que es escasamente desulfuranteaun con condiciones de escoria favorables. De ahí que convenga asegurar quelos materiales de carga, especialmente el arrabio, cuenten con niveles deazufre bajo límites establecidos.

El control del proceso LD, o de cualquiera de los adoptados como el sopladocombinado, es de la máxima importancia para optimizar la productividad,calidad y coste del acero a obtener. Para ello, es de interés el establecimientode los balances de materiales y térmicos del proceso.

Con una adecuada calidad del arrabio cargado en convertidor y con el sopladocombinado, se puede llegar a contenidos mínimos de carbono de 0,005%, denitrógeno de 0,0015% (es decir, 15 ppm.), e hidrógeno de 0,0001% ycontenidos máximos de fósforo de 0,008% sin necesidad de pretratamientosdel arrabio fuera del Horno Alto, además de obtener muy buen ajuste de latemperatura del acero. Con esos procesos podemos obtener, por ejemplo,aceros con muy bajo contenido en azufre, que si son tratados además en lametalurgia secundaria podrán convertirse en aceros ultra-bajos en azufre.

La metalurgia secundaria es, en los últimos tiempos, un complementoimprescindible de las modernas acerías al oxígeno para la obtención de acerosde calidad de forma económica. Además, y según aplicaciones, son yaexigibles contenidos bajo estrictos límites en algunos elementos, como en loscasos de los aceros ULC con contenidos máximos de carbono de10 ppm., de los aceros IF microaleados con carbono máximo de 30 ppm., delos productos planos para el automóvil con nitrógeno máximo de 40 ppm.,o del alambre para cablecillo de neumáticos, entre otros.

En lo relativo a las instalaciones, cabe normalmente distinguir el parque dechatarra, o sea, de almacenamiento y clasificación de la chatarra que serácargada en las bateas o recipientes especiales para su pesado y transportehasta su carga al convertidor.

Un sistema de manipulación y transporte hasta los silos de almacenamiento ytolva de pesaje y carga de adiciones al convertidor está instalado en la partesuperior de la nave de convertidores. Los convertidores, recipientes donde seefectúa el proceso de afino, están situados en dicha nave y dotados de los




mecanismos de volteo y sistema de lanzas de oxígeno, equipos de inyecciónde fondo, chimeneas refrigeradas de evacuación de gases, etc.

En la nave de colada están situadas las cucharas de acero y de escoria, en lasque se colarán estos productos al finalizar el proceso de afino del acero. Enesa misma nave, o en sus proximidades, se cuenta con equipos de reparacióny/o gunitado del refractario de las cucharas y mecheros de secado ycalentamiento de las mismas.

El acero producido es transportado en las cucharas a una nave, normalmenteanexa, donde se efectúan los procesos posteriores de tratamiento en cucharade acero y colada continua de planchones, blooms, palanquillas, etc.El conjunto de las naves cuenta con importantes puentes grúa, capaces detransportar pesadas cucharas llenas de los diferentes productos (arrabio yacero) y bateas de chatarra, etc.




4.2 El horno eléctrico de arco

La ruta de fabricación de acero mediante el horno eléctrico de arco (HEA) sebasa en la fusión de chatarras. La energía térmica, necesaria para la fusión,proviene del arco eléctrico que se produce (o salta) entre los electrodos delhorno.

Aunque en sus orígenes la producción de acero en el HEA se aplicabaprincipalmente a la fabricación de aceros especiales, la situación ha cambiadocon el aumento del tamaño de las coladas y las altas cotas de productividadhoraria que se han alcanzado con el empleo de enormes capacidades deenergía eléctrica para el proceso de fusión. Esta situación ha permitidodecisivas reducciones en el coste, al disminuir el consumo específico deenergía, electrodos y refractarios. En la actualidad, el horno eléctrico,combinado con la metalurgia secundaria, permite fabricar una parte muyimportante de la producción mundial de acero sobre la base del reciclajemasivo de la chatarra.

La producción de acero en España mediante este procedimiento estáalcanzando, con la incorporación de las últimas acerías eléctricas, cerca de 9millones de toneladas al año, lo que representa alrededor del 65% de laproducción total. En el caso de la Unión Europea la producción anual de acerode HEA alcanza 51 millones de toneladas, lo que representa el 35% de dichaproducción.

Las principales ventajas de la fabricación de acero en HEA son las siguientes:

? Fabricación de cualquier tipo de acero, con los únicos límites de lacalidad de la materia prima, dado que algunos elementos de aleaciónpresentes en la chatarra se conservan en el acero líquido.? Se pueden emplear todo tipo de cargas: chatarra, hierro de reduccióndirecta, lingote de hierro, arrabio, etc.? Baja inversión comparada con la ruta integral.? El proceso de fusión se puede programar y automatizar.? Alta eficiencia del proceso.

Generalmente, hoy en día, el HEA tiene como principal función la fusión de lacarga, para lo que está especialmente dotado. El proceso del horno eléctrico dearco tiene el siguiente modelo y secuencia de operaciones, suponiendo que seva a realizar luego una operación de metalurgia secundaria:

Carga de chatarra -> Fusión -> Oxidación y defosforación -> Calentamiento ->Colada.




Además de la chatarra o el hierro prerreducido, las cestas de chatarra incluyenlos fundentes y agentes carbonosos (cal y carbón). Una vez llenado el hornocon la primera cesta de carga, se conecta la corriente eléctrica y se inicia elproceso de fusión. Además de la aportación de corriente eléctrica también seinyecta oxígeno, para facilitar la fusión. Muchos hornos cuentan con mecherosde fuel o gas natural que se instalan en la puerta y en las paredes laterales delhorno para ayudar al proceso de fusión.

El volumen de la chatarra necesaria para completar una colada es muysuperior al volumen de la cuba del horno por lo que, cuando se ha completadoparte de la fusión de la chatarra de la primera cesta, se desocupa un granespacio del horno y se añade una nueva cesta de chatarra, después de abrirnuevamente la bóveda. Dependiendo del volumen del horno y de la densidadaparente de la chatarra, esta operación se repite con una tercera oexcepcionalmente una cuarta cesta.

El proceso de fusión de la chatarra se completa con la fase de oxidación ydefosforación, mediante la continua inyección de oxígeno que produce laformación del óxido de hierro. Este FeO sirve de elemento oxidante para oxidara su vez el silicio, manganeso, carbono y el fósforo y si tenemos una escoriaconvenientemente básica, el fósforo pasa a la escoria en forma de fosfatotricálcico y tetracálcico, completándose el proceso de defosforación.

El contenido en carbono del acero líquido producido en un horno eléctrico escomparable al del producto final obtenido en el horno alto. La presencia yconcentración de elementos diferentes al hierro dependen principalmente de lacomposición de la chatarra utilizada. El cobre residual y el estaño no puedeneliminarse. Para obtener una matriz pura de acero líquido, se debe utilizarchatarra muy pura o esponja de hierro de una planta de reducción directa. Porúltimo, el contenido en nitrógeno del acero de un horno eléctrico esnormalmente superior al del acero del convertidor.

El acero inoxidable se produce casi siempre en hornos eléctricos, así como losaceros para la construcción y grados de acero de aleación alta.




4.3 Metalurgia secundaria

El acero líquido, fabricado en el convertidor al oxígeno o en el horno eléctricode arco, no puede considerarse totalmente acabado. Tanto en losconvertidores, con tiempo de colada a colada de 25 a 40 minutos e inclusomenores, como en el horno eléctrico, con tiempos de 40 a 60 minutos, esnormalmente necesario completar las operaciones de afino, ya que el hornoeléctrico se centra en las operaciones de fusión y defosforación y el convertidorse centra en la descarburación (a veces no completa) y defosforación, etc. Hayotras operaciones que se realizan separadamente en lo que hoy se llamametalurgia secundaria, que permite aumentar la productividad de las acerías yobtener ventajas económicas derivadas.Por otra parte, han aumentado las exigencias de los usuarios del acero, que setraduce en especificaciones rigurosas en sus contenidos de azufre, oxígeno einclusiones no metálicas. La respuesta a estos requerimientos viene dada porla incorporación de la metalurgia secundaria a los procesos de fabricación delacero, tanto vía convertidor al oxígeno como vía horno eléctrico, en función delo requerido y de las peculiaridades de dichos procesos de obtención del acero.

Instalaciones de metalurgia secundaria

Los objetivos de la metalurgia secundaria son:

? El control de gases: desgasificación.? Reducción de la concentración de oxígeno, hidrógeno y nitrógeno en elacero, con vacío.? Alcanzar bajos contenidos de azufre.? Normalmente menores de 0,010% y a veces menores de 0,002%.? Conseguir aceros más limpios.? Eliminación de inclusiones no metálicas, fundamentalmente óxidos.? El control de la morfología de las inclusiones.? Dado que no es posible eliminar totalmente los óxidos indeseables en elacero, este proceso permite a los aceristas cambiar la posición y/o la formade las inclusiones indeseables, residuales en el acero, de manera que seancompatibles con propiedades mecánicas del acero final.? Encaje preciso de la composición del acero.

Tratamiento en vacío

El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse. Entre éstosestán los gases disueltos durante el proceso de fabricación, como hidrógeno,oxígeno y a veces nitrógeno. Para reducir al máximo el contenido de estosgases, en especial el hidrógeno, se somete al acero líquido a un tratamiento envacío.




Esquemáticamente, consiste en hacer circular repetidas veces el acero por unrecipiente que actúa de cámara de vacío.

Existen los métodos RH, DH y RH-OB, este último con inyección de oxígenoademás de gas inerte.

Los tratamientos en vacío se complementan hoy en día, en muchos casos, porcalentamiento mediante electrodos de grafito en los hornos-cuchara.

Horno-cuchara

Los métodos de vacío han tenido un gran éxito porque, además de ser unosexcelentes métodos para eliminar el hidrógeno, permiten la homogeneizacióndel acero, agregar de forma limitada ferroaleaciones y ayudar a la desoxidacióny a la desulfuración del baño. Su mayor inconveniente es que implican, sobretodo para largos tiempos de proceso, una importante caída de temperatura.

Así se llegó a la idea de la metalurgia en cuchara, pero disponiendo de unmétodo de calentamiento que permitiese compensar la referida caída detemperatura; dada la experiencia del acerista en el empleo del arco eléctrico setrató de usar este método de calentamiento.

El horno-cuchara, desarrollado por Daido Steel, se ha extendido de forma casigeneral en las acerías eléctricas y en gran número de acerías conconvertidores.

Consiste en una instalación dotada de una bóveda y tres electrodos que seacoplan a la parte superior de la cuchara, convirtiendo a la misma en unpequeño horno que permite calentar el acero.

La instalación permite efectuar las siguientes operaciones metalúrgicas.? Calentamiento del acero y homogeneización de la temperatura del baño.? Desoxidación.? Desulfuración.? Adición y encaje de elementos de aleación. Homogeneización de lacomposición en el baño.? Decantación y separación de inclusiones.

Con estos procesos se consigue una excelente homogeneización y control dela composición y de la temperatura. Asimismo, se logra la producción de aceroscon muy bajo contenido en azufre y gases, muy bien desoxidados y limpios eninclusiones. Efectuando las debidas adiciones se puede controlar la morfologíade las inclusiones.




Por todo ello, aunque estas instalaciones se comenzaron a usar para fabricaraceros especiales, actualmente son de aplicación universal en las aceríaseléctricas, independientemente del tipo de aceros que fabrican.

Sistema CAS

Una de las instalaciones más representativas de la metalurgia secundaria sinequipo específico de calentamiento es el sistema de tratamiento en cucharacas.

El procedimiento cuenta con un equipo de inyección del gas inerte argón por elfondo de la cuchara para provocar la agitación del baño, así como con unsistema de manipulación, almacenamiento, y dosificación de adiciones. No sedispone de equipos especiales para el calentamiento, tales como electrodos, nise efectúa vacío.

El procedimiento permite, por ejemplo, adicionar de forma controlada productosdesulfurantes como cal-espato-fluor, carburo cálcico, etc., consiguiendo bajoscontenidos finales de azufre y controlando, además, la morfología de lasinclusiones.

Esta tecnología CAS, utilizada por la siderurgia integral, permite ladesoxidación del acero, el ajuste estricto de su composición y temperatura, ycombinado con la desgasificación al vacío (por ejemplo, con el proceso RH-OB,etc.), hace viable la obtención de aceros de muy alta pureza empleadosnormalmente en la fabricación de productos planos.




4.4 La Colada del acero

El acero líquido necesita tratamientos posteriores con objeto de conformar losproductos que se utilizan en las aplicaciones industriales.

Para su transformación en productos útiles es preciso solidificarlo en lossiguientes procesos:

? Colar el acero sobre moldes con la forma de la pieza que se deseaobtener (acero moldeado).? Colar el acero líquido sobre moldes (lingoteras) para su transformaciónposterior por deformación en caliente: laminación, forja, etc., en una o variasetapas, conformando semiproductos o productos acabados.? Colada continua, en cuyo caso el acero se cuela en un molde abierto porel fondo del que se extrae en forma continua el producto solidificado, enforma de palanquillas, planchones, redondos, etc.

Aunque estos procesos se han colocado en orden histórico, desde el másantiguo, que es el acero moldeado, al más moderno, que es la colada continua,este último representa prácticamente la casi totalidad del acero coladoactualmente, tratándose habitualmente de un proceso intermedio para laobtención del producto final.

La colada continua es un proceso siderúrgico en el que el acero líquido sevierte directamente en un molde sin fondo, cuya sección transversal tiene laforma geométrica del semiproducto que se desea fabricar: desbastes ypalanquillas de sección cuadrada, redondos y secciones especiales,planchones y planchas de pequeña sección.

Se llama continua porque el semiproducto sale sin interrupción de la máquinahasta que la cuchara (o cucharas en caso de coladas en secuencia), havaciado todo el acero líquido que contiene.

Las máquinas de colada continua han ido evolucionando en su construcción,pasando de las primeras completamente verticales hasta máquinas que handisminuido notablemente su altura, de forma que el semiproducto se cuela enuna lingotera curva y solidifica con un radio determinado de curvatura,volviendo después de su solidificación a enderezarse para el corte final.Algunas máquinas modernas para aceros especiales de alta calidad mantienenel concepto de verticalidad en su totalidad para alcanzar la calidad metalúrgicadurante la solidificación del producto.




Elementos principales de una instalación de colada continua

Desde la zona superior de una máquina de colada continua, donde se sitúa lacuchara de acero, hasta la zona inferior, donde se desalojan los productoscolados, una máquina de colada continua tiene los siguientes elementosimportantes:

? La cuchara de colada que contiene el acero y que se encuentra alojadaen un asentamiento adecuado, en general instalado en una torreta que sepuede mover para desplazar la posición de la cuchara.? La artesa o distribuidor, recipiente intermedio que recibe el chorro deacero de la cuchara, lo acumula durante un cierto tiempo y lo distribuyeentre las distintas líneas regulando su caudal.? La lingotera o molde, generalmente de cobre y de paredes huecas -pordonde circula el agua de refrigeración-, que sirve para cristalizar la primeracapa o piel de acero solidificado y consecuentemente dar forma externa alproducto final.? El oscilador, que durante el proceso de colada permite que la lingoterase mueva alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con una frecuenciadeterminada, con el fin de que se despegue de la pared la costracristalizada que se ha formado como consecuencia de la importanterefrigeración primaria.? El sistema de refrigeración secundaria, constituido por duchas de aguaque enfrían la superficie exterior del acero y continúa evacuando el calornecesario para la solidificación total del producto.? La zona de enfriamiento por aire.? Los rodillos de arrastre, que conducen y guían el semiproducto. Estánaccionados automáticamente.? Los mecanismos de corte que trocean el semiproducto a las longitudesdeseadas. Se emplean sopletes o cizallas que se desplazan para obtenerun corte recto y minimizar los despuntes, reduciendo las pérdidas derendimiento.? Los sistemas de manipulación y evacuación de los semiproductosproducidos. En ocasiones, estos sistemas están diseñados de manera quela alimentación a los trenes de laminación se efectúa aprovechando granparte del calor sensible que tienen los semiproductos colados en las mesasde manipulación.

El conjunto de estos componentes forma lo que se llama una línea de coladacontinua, pero lo usual es que las instalaciones estén formadas por varias deestas líneas.

La colada continua de productos próximos a su forma final




Con objeto de reducir las transformaciones en caliente de los productos, seestán colando en la máquina de colada continua formas cada vez másajustadas al producto final, mediante la aplicación de la tecnología denominadaNNSC. Especial mención de esta tendencia tecnológica es la fabricación deproductos con sección en forma de hueso de perro (beam blank) para lafabricación de grandes perfiles estructurales, como dobles T, o la fabricación encolada-laminación directa de bobinas en caliente.




CAPITULO 5 LAMINACIÓN EN CALIENTE

5.1 Introducción

Principios básicos de la laminación en caliente

Esquemáticamente la laminación consiste en hacer pasar el material (lingote,bloom, palanquilla, etc.) entre dos rodillos o cilindros, que giran a la mismavelocidad y en sentido contrario, y reducir la sección transversal del productode acero mediante la presión ejercida por éstos.

Es muy importante la resistencia a la deformación del acero, que disminuye amedida que aumentamos la temperatura de conformación.

Consecuentemente, la deformación del acero a alta temperatura es posible conun coste energético mínimo. Además, la deformación plástica a altatemperatura conlleva una recristalización de la estructura, sin aumento pordeformación. Precisamente este proceso de recristalización, durante lalaminación, y el endurecimiento por deformación que experimenta el acerolaminado a bajas temperaturas, sirve para clasificar los métodos deconformación del acero:

? Deformación en caliente por encima de la temperatura derecristalización, aproximadamente alrededor de 800 a 1.250º c.? Deformación en frío por debajo de la temperatura de recristalización.

Elementos básicos de la laminación:

CajasEl elemento básico para laminar se conoce con el nombre de caja y secompone esencialmente de los cilindros y una estructura llamada castillete quesirve de soporte.

Una caja formada por dos cilindros se llama dúo.

Cuando se pretenden obtener grandes reducciones, se emplean cajasllamadas cuartas por ir equipadas con cuatro cilindros, dos de pequeñodiámetro que son los de trabajo, es decir, que están en contacto con el acero alaminar, y otros dos para apoyo de los anteriores.

Caja universalSi es necesario dar al material un buen acabado dimensional, se recurre acajas llamadas universales, que van equipadas con cilindros horizontales yverticales.




TrenesSe denomina tren de laminación a la caja o conjunto de cajas, junto con loselementos auxiliares que permiten su gobierno y regulación, tales como losmotores de accionamiento de los cilindros, las mesas de rodillos para laentrada y salida del material, las cizallas, las escarpadoras, etc. La anchura útilde los cilindros de laminación se denomina tabla.

El tren más sencillo está compuesto por una caja dúo, generalmente reversible.Los dos cilindros pueden girar en ambos sentidos, lo que permite laminarhaciendo pasar el material alternativamente de derecha a izquierda y deizquierda a derecha.

Una caja trío dispone de tres cilindros con sus ejes paralelos en un mismoplano vertical. El material se lamina, alternativamente, en un sentido, con loscilindros medio e inferior y, en sentido contrario, con los cilindros medio ysuperior.

Cuando se pretende obtener grandes reducciones, es preciso ejercer fuertespresiones; para ello se utilizan cajas cuarto, que disponen de dos juegos decilindros: el primero (los cilindros de trabajo), de pequeño diámetro, entre losque pasa el material que se quiere laminar; sobre éstos se apoya el segundojuego (los cilindros de apoyo), de mayor diámetro, que transmiten el esfuerzo alos de trabajo. Una caja cuarto puede ser reversible. Dado que los cilindros delaminación experimentan un desgaste durante el proceso de laminado, elhecho de que los cilindros de trabajo sean de menor diámetro supone unahorro en costes y facilita las operaciones de cambio de cilindros, que implicanparadas de la instalación.

Cuando se lamina un material disminuye su sección y aumenta su longitud,manteniéndose constante el volumen. Si se desea obtener un producto desección mucho menor que la del semiproducto de partida, la longitud final es talque no es posible emplear un tren reversible de una sola caja, por la granlongitud del producto acabado y porque el material se enfriaría en las largaspasadas sucesivas. El problema se resuelve haciendo pasar el material porvarias cajas en cascada (tren continuo) que, aisladamente, son cajas noreversibles (cuarto en el caso de productos planos y dúo en el caso deproductos largos) y el producto laminado en una caja entra en la caja siguiente,donde sufre una nueva reducción. Estos conjuntos se denominan trenescontinuos.

Los hornos de recalentar

La laminación en caliente, como ya se ha indicado, se realiza a elevadastemperaturas, lo que exige que el material esté a temperatura adecuada, tantoen la superficie como en el interior (empapado).




En consecuencia, es necesario calentar los productos de entrada hasta latemperatura adecuada de laminación, lo que se realiza en los hornos derecalentar. En empresas integrales, estos hornos utilizan como combustible,bien una mezcla de gas de baterías y gas de Horno Alto, generados en lamisma planta, o bien gas natural y fuelóleo; en las plantas no integrales seutilizan combustibles de procedencia externa, gaseosos o líquidos (gas naturalo fuelóleo).

Los hornos de laminación pueden ser:

? Hornos de fosa (hornos pit) para lingotes y planchones.? Hornos de vagonetas para lingotes y desbastes.? Hornos de vigas galopantes para calentamiento de lingotes, desbastes,palanquillas y semiproductos de colada continua.? Hornos de empuje para lingotes, desbastes, palanquillas ysemiproductos de colada continua.




5.2 Tren de bandas en caliente

Son trenes que se encargan de transformar los desbastes planos, conocidostambién como slabs, procedentes de las máquinas de colada continua, previocalentamiento en los hornos, en bobinas. Estas bobinas tendrán que tener unespesor y un ancho determinados por las especificaciones de los clientes.Uno de los trenes más usados para la obtención de bandas es el trensemicontinuo, cuyo esquema tenemos a continuación. Para su estudio endetalle podemos dividirlo en cuatro zonas.

Zona de hornos. Para laminar en caliente necesitamos una temperaturaelevada, superior a los 1.200º C, por lo que precisaremos calentar losdesbastes en unos hornos. Estos hornos, en general, se prefiere que sean detipo continuo, lo que no permitirá su carga y descarga, sin interrupción en elproceso de laminación. En la actualidad los hornos que más se utilizan son loshornos de vigas galopantes.

Zona desbastadora. Comienza a la salida del horno de recalentar y termina ala entrada del tren acabador. La primera operación en la zona desbastadoraconsistirá en eliminar la cascarilla que se forma sobre el desbaste en loshornos de recalentamiento.

Una vez eliminada la cascarilla, el desbaste se conduce a una caja tipo cuartoreversible, con dos cilindros canteadores en la caja anterior y posterior. Aquílos desbastes se transformarán en chapones para su posterior laminado en eltren acabador.

Pasada la anterior zona o área de desbaste se sitúa la tijera para despunte decabeza y cola.

A continuación se encuentran los trenes de acabado, tratándose siempre detrenes continuos (no reversibles) formados por cajas cuarto. Normalmente sedispone de 6 o 7 cajas acabadoras.

A la salida del tren acabador, unas duchas de agua bajarán su temperaturahasta el ideal del bobinado.

La zona de bobinadoras. Abarca desde el final de las mesas de enfriamientohasta el final del proceso, incluyendo también el transporte de las bobinas, queson marcadas y flejadas para su almacenamiento u expedición a las fábricasacabadoras.




Procesos realizados durante la laminación en caliente

Los desbastes pueden considerarse productos intermedios con unacomposición bien definida. Las propiedades mecánicas finales, sumicroestructura y las dimensiones finales (espesor, ancho, longitud, peso debobina y planitud) se obtienen por medio de la laminación.

A la salida de la sección de laminación en caliente, la banda debe cumplir unaserie de especificaciones respecto a las siguientes propiedades:

? espesor: se obtiene por medio del control del proceso en el desbastadory en las cajas de acabado? ancho: se determina por los rodillos del borde en el tren reversible. Eltipo de ancho del desbaste se selecciona de acuerdo con el anchosolicitado. El programa de ancho continuo que se ofrece en el programa deventas se obtiene en la sección de laminación en caliente.? superficie limpia: el grado de oxidación es especialmente elevado entemperaturas altas. El óxido formado en la superficie de la chapa presentauna estructura dura y quebradiza y debe evitarse que se mezcle con elacero durante la laminación. Los descascarilladores y el mantenimientoadecuado de los cilindros de laminación permiten obtener una superficie lisay sin defectos. Una adecua programación contribuye también a laconsecución de una superficie sin defectos.? propiedades mecánicas: dependen principalmente de la composiciónquímica del acero, aunque también la temperatura en las cajas de acabado,el proceso de refrigeración y el bobinado tienen efecto sobre ellas.? sección transversal y planitud: dependen del perfil del rodillo y de lafuerza de laminación aplicada. Aunque se trata de términos relacionados,tienen diferentes significados. Una chapa completamente plana puedepresentar una sección transversal cóncava o convexa. Para guiar la chapacon una alineación apropiada durante el proceso de producción, su espesordebe ser ligeramente mayor en el centro que en los bordes. Una seccióntransversal totalmente rectangular provocaría un desplazamiento del acerohacia los bordes.? bobina: al final de la sección de laminación en caliente, la chapa sebobina por primera vez.

Tren de chapa gruesa

Los desbastes planos, producidos por la colada continua, se calientan a latemperatura apropiada para su laminación y en el caso de que pasen al tren dechapa gruesa, que es un tren cuarto reversible de una sola caja, son laminadospara obtener chapa destinada a calderería pesada y a construcción naval.




5.3 Proceso compacto de colada y laminación de bobinas

En la década de los 90 se ha empezado a utilizar un nuevo proceso compactode colada y laminación en línea de las bobinas en caliente. Este proceso seestá empleando fundamentalmente en conexión con acerías eléctricas, aunquepuede procesar acero LD, y permite la laminación en caliente directa avelocidad constante de un planchón delgado obtenido en la colada continua. Launidad compacta puede dividirse en tres áreas conectadas en línea:

? La colada continua, que fabrica un planchón fino (del orden de 50 mm.de espesor, frente al de 215/250 mm que habitualmente alimenta los trenesde bandas en caliente convencionales), permite realizar la solidificación delacero en tiempos menores, con mayores velocidades de colada y mayorestemperaturas en el planchón de salida, utilizando además una máquina decolada más corta y sencilla.

? El horno túnel para homogeneización de temperatura, donde seintroduce inmediatamente el planchón producido, una vez despuntado.Actúa como depósito de almacenamiento permitiendo la correcta conexiónentre el proceso de colada continua anterior con velocidad de 4,5/5,5 m/miny el proceso de laminación posterior con velocidad de 15/18 m/min en laprimera caja laminadora.

? El tren de laminación, normalmente con 6 cajas, efectúa en cada cajauna laminación de todo el planchón delgado a velocidad constante en cadacaja, debido a la temperatura uniforme del mismo, que tras su posteriorenfriamiento controlado llega a la bobinadora donde se enrolla la bobinalaminada.

Una de las primeras instalaciones europeas que ha utilizado esta tecnología hasido instalada en España (ACB) y puesta en servicio a finales de 1996, siendola primera en emplear el proceso CSP en Europa.

Existen varios tipos diferentes de acería compacta, dependiendo delsuministrador. La siguiente figura muestra los tipos actuales en comparacióncon el proceso convencional.

En principio, en las acerías compactas obtenían productos largos, pero hoy endía también se producen en ellas productos planos, especialmente aceros deconstrucción. Debido a la imposibilidad de llevar a cabo tanto la inspeccióncomo el escarpado entre la fase de colada y la de laminación en caliente,resulta especialmente difícil garantizar una superficie sin defectos. Suutilización en la industria del automóvil sólo será posible cuando se hayamejorado la calidad del producto final.




Las ventajas actuales son una ruta de producción más corta y una menorinversión, lo que implica el menor coste del producto final. Otra posibilidad es laproducción de bandas laminadas en frío especialmente finas a partir de chapasde colada de desbastes ultrafinos. Debido a la naturaleza del proceso y altamaño del lote, una acería compacta resulta más flexible. Una ventajaadicional es la posibilidad de reutilización de grandes cantidades de chatarrareciclada.

Productos de la laminación en caliente

Los diferentes productos pueden dividirse en segmentos cada vez másdiscretos. Un segmento incluye los grados de embutición profunda para lospaneles exteriores de carrocerías de automóvil y embalaje. Estas aplicacionesrequieren la utilización de un acero especialmente puro con un contenido enelementos de aleación extremadamente bajo. Hoy en día, estos grados puedenproducirse únicamente a partir de mineral de hierro por medio de la rutaconvencional en horno alto. Otro segmento incluye los grados de acero con unabaja concentración de componentes metaloides como carbono, nitrógeno,hidrógeno, oxígeno, azufre y fósforo. Se trata de grados de acero utilizados, porejemplo, en la fabricación de tuberías. Estos grados pueden producirse a partirde chatarra o de mineral de hierro, ya que resulta relativamente sencilloeliminar las impurezas del baño de metal líquido. Un tercer segmento incluyelos grados de acero con menores restricciones en relación con los elementosde aleación. Estos grados pueden producirse a partir de chatarra o de mineralde hierro.




CAPITULO 6 LAMINACIÓN EN FRÍO

6.1 Decapado y laminación en frío

El proceso de laminación en frío tiene el mismo fundamento que el de lalaminación en caliente, produce una deformación permanente en el material departida, aprovechando la ductilidad del acero, haciendo pasar el materiallaminado en caliente entre dos cilindros cuya separación es inferior al espesordel material de partida.

Los productos laminados en frío, basados en aceros al carbono y microaleadosprincipalmente, están constituidos por la denominada chapa fría o chapalaminada en frío temperizada. Esta chapa fría se fabrica partiendo de la bobinalaminada en caliente que sufre los procesos de decapado, laminado en frío,desengrasado, recocido en campana o en continuo.

La materia prima para la fabricación de la chapa laminada en frío es la bobinalaminada en el tren de bandas en caliente y que será transportada a las plantasacabadoras para la obtención final del producto laminado en frío.

Decapado

Después de la laminación en caliente, la banda presenta una capa de óxido.Esta cascarilla consiste en un compuesto químico de hierro y oxígeno duro yquebradizo. Para evitar que este óxido se mezcle con el acero en el posteriorprocesamiento, se debe eliminar antes de la laminación en frío. Para ello, sesometerá al proceso de decapado, durante el cual la banda se pasa a través deun baño de ácido caliente (ácido clorhídrico o ácido sulfúrico). Inmediatamentedespués del decapado, la banda de acero debe limpiarse y secarseminuciosamente.

El decapado requiere un contacto continuo y regular entre el ácido dedecapado y el material tratado. Esto significa que la banda debe desplazarse alo largo de los baños de decapado a una velocidad constante. Con este fin, lasbobinas se unen entre sí a la entrada en la línea de decapado, formando unabanda continua. Esta unión se realiza por medio de una soldadura a tope, demodo que los extremos se calientan y sueldan. Seguidamente, la soldadura seaplana para eliminar un exceso de espesor. La banda se envía a continuaciónal acumulador de entrada, que funciona como almacén entre la sección deentrada discontinua y la sección de decapado continua. Al final del decapadose sitúa un acumulador de salida para solucionar la diferencia de velocidadentre el proceso de decapado y el tratamiento aguas abajo.




Una vez decapada, limpia y seca, la banda puede cortarse longitudinalmentepara adecuarse al ancho solicitado por medio de la cizalla. Seguidamente, labanda se aceita, corta y bobina. El aceitado no es únicamente una proteccióncontra la oxidación, sino que funciona también como lubricante durante laposterior laminación en frío. Las tijeras cortan la banda a la longitud deseada.La banda puede cortarse en el punto de soldadura o en cualquier otro punto,dependiendo del peso de bobina requerido.

Las bobinas decapadas pueden venderse como bobinas o chapas o puedensometerse a una nueva laminación.

Laminación en frío

Mediante la laminación en frío se reduce el espesor de la banda, manteniendola constancia del espesor y planitud dentro de estrechas tolerancias, así comola calidad superficial. Esta reducción se logra por medio de una combinación defuerzas de tracción y compresión: presión sobre los rodillos y tensión entre lascajas. Se puede hacer en dos tipos de instalaciones:

Trenes reversibles. En los que en una sola caja cuarto, con dos cilindros deapoyo y dos de trabajo, se efectúan pasadas sucesivas hasta la reducción final.

Trenes tándem. En continuo, más modernos, en los que la banda pasa porvarias cajas laminadoras tipo cuarto, normalmente 4 o 5 cajas, en una solapasada.

Existen plantas en las que el proceso de decapado y tándem están integrados,lo que significa que las bobinas pueden pasar directamente a la laminación enfrío desde el decapado, sin interrupción.

En cualquier caso la instrumentación y control computarizado garantizan lacalidad final. El calor producido durante la laminación en frío se elimina con unbuena emulsión refrigerante/lubricante que mantiene la fricción en un nivel bajopara evitar una disminución de la productividad, de la calidad y de la forma dela banda, o un excesivo desgaste de los cilindros. La temperatura a la que selamina es inferior a la de recristalización, por lo que se distorsiona la estructuraintroduciendo dislocaciones que aumentan la resistencia mecánica y la durezay bajan su ductilidad. Los granos quedan alargados con una orientación ytextura determinadas en el sentido de la laminación, caracterizando laspropiedades de deformación de un material. La laminación en frío optimiza estevalor sometiendo el material a un porcentaje de reducción adecuado y,finalmente, la banda se restaurará y recristalizará con un tratamiento térmicodenominado recocido.




6.2 Procesos de recocido y temperizado

Desengrasado

Antes de proceder al recocido, se eliminan los restos de aceites de la superficiede la banda en la línea de desengrasado en continuo haciéndola pasar porbaños que tienen detergentes a un temperatura determinada e, incluso,mediante limpieza electrolítica.

Después de lavada y secada la banda, se inspecciona. Esta operación estáintegrada en la línea de recocido en continuo.

Procesos de recocido

El acero adquiere las propiedades mecánicas necesarias por medio delrecocido en una atmósfera inerte y a una temperatura de unos 700ºC. Existendos posibilidades: las bobinas pueden someterse a recocido en campana (BAF)o en la línea de recocido y proceso continuo (CAPL).

En las instalaciones de recocido en campana, las bobinas se sitúan ensoportes de horno. Pueden apilarse hasta 4 bobinas sobre cada uno de lossoportes. Una cubierta las protege de la atmósfera, y alrededor de esta cubiertase sitúa la campana de recocido real. El aire dentro de la cubierta se sustituyepor un gas reductor (hidrógeno puro o una mezcla de hidrógeno y nitrógeno)para proteger la chapa y evitar su oxidación durante el proceso de recocido.Este gas actúa también como medio de transmisión del calor. La temperaturadel recocido depende del grado de acero que se desee obtener, pero siempreserá cercana a los 700ºC. Después del recocido, se retira la campana y sesustituye por una campana de refrigeración con un ventilador en la partesuperior que refrigera el acero. Se trata de un proceso de varios días.

El proceso de recocido continuo es un método rápido de proporcionar untratamiento térmico homogéneo y uniforme al acero, que debería generar unaspropiedades de acero de una calidad al menos similar la resultante del procesoconvencional de recocido en campana. Como el término “línea de recocido yproceso continuo” indica, el proceso implica más que un simple recocido: en 10minutos, la bobina laminada en frío se desengrasa, se somete al recocido setemperiza, (en las lineas que disponen de skin-pass) se inspecciona, y se le daun acabado acorde con los requerimientos del cliente. Además del ahorro detiempo por este proceso de recocido, existen ciertos grados de acero que sólopueden producirse por medio del recocido continuo.

En la línea de recocido continuo, las bobinas se sueldan entre sí mediante lasoldadura por estampado de juntas, de modo que una banda continua pasa alo largo de toda la instalación.




En primer lugar, la banda se desengrasa totalmente. Una vez limpia y seca,llega al acumulador que une la sección de entrada discontinua y la sección delhorno continua. En el horno, la temperatura de la banda se eleva hasta unos700-800ºC, dependiendo de los requerimientos metalúrgicos. Esta temperaturade recocido se mantiene durante un corto periodo de tiempo. En la primera fasede refrigeración, la temperatura se reduce hasta unos 400ºC y la banda semantiene a esta temperatura durante un periodo fijo. Esto constituye elenvejecimiento acelerado o sobreenvejecimiento acelerado del acero. Porúltimo, la banda se refrigera aún más. El proceso completo de recocido sólodura unos minutos. Después del acumulador de salida, la banda pasa por unacaja de rodillos témper o tren skinpass donde adquiere la elongación, rugosidadsuperficial y planitud requeridas. Asimismo, se cizalla hasta el ancho requerido.Tras la inspección, aceitado y estampación, la banda se corta de acuerdo conel peso necesario con las tijeras y se enfría.

Temperizado

Las bobinas recocidas en campana, aún tienen que alcanzar la elongación,rugosidad superficial y planitud en el tren témper, así como las recocidas enlíneas de recocido continuo que no disponen de dicho tren

Los trenes témper o skin-pass, también llamados trenes de temple, estánconstituidos por una o dos cajas tipo cuarto con rodillos de laminación desuperficie, adecuada para obtener la rugosidad superficial prevista de la chapatemperizada. Se trata de una laminación suave, efectuada en seco,y que provoca un alargamiento del material entre el 1 y el 2%. Con trenestémper de mayor potencia y con empleo de lubricantes (en húmedo) se puedenobtener reducciones del 30 al 50% y endurecer el material, por ejemplo, paraproducir hojalata de doble reducción (DR).

La chapa laminada en frío recocida adecuadamente (en campana o encontinuo) y luego temperizada, puede emplearse como materia prima de laslíneas de recubrimiento, cuyos procesos no cuentan con recocido, es decir lafabricación de hojalata, chapa cromada y los distintos tipos de productoselectrocincados, o venderse como tal. En este caso puede comercializarsedirectamente o bien usando líneas de corte y de embalaje, expedir el productoen forma de paquetes de chapas o bobinas de flejes, tras su corte transversal olongitudinal. Se embalan luego cuidadosamente según su destino y medio detransporte a emplear.

Una banda laminada en frío debe cumplir los siguientes requerimientos:

? espesor: durante la laminación en frío, el espesor se reduce hastaalcanzar el valor solicitado por el cliente.




? superficie impecable: la capa de óxido de la bobina laminada en calientese elimina, en primer lugar, en la línea de decapado. Durante el proceso delaminación en frío se debe prestar especial atención para evitar cualquierimperfección. Los productos de calidad superior deben estar totalmentelibres de defectos.

? rugosidad: dependiendo de la aplicación, se requiere una rugosidadsuperficial u otra. La rugosidad final se obtiene en el tren témper o skinpass.Para ello, la rugosidad final requerida ya se tiene en cuenta en el trentándem. Los diferentes tipos de rugosidad se obtienen con los rodillos de laúltima caja del tren tándem. La rugosidad final se obtiene utilizando rodillosrugosos en el tren témper.

? propiedades mecánicas: cuando sale del tren tándem, el material nopuede utilizarse debido a la laminación en frío intensiva. El acero es en estemomento extremadamente duro, quebradizo e indeformable. Laspropiedades mecánicas necesarias sólo pueden obtenerse mediante elrecocido y temperizado.



UD.3 – Las propiedades del acero 1

U.D. 3 LAS PROPIEDADES DEL ACERO


1.1 Introducción1.2 La microestructura1.3 Los diagramas de fase

CAPITULO 2 ENSAYO Y MEDIDA DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO

2.1 La composición química2.2 Las propiedades mecánicas2.3 La microestructura2.4 El comportamiento elástico y plástico2.5 Los mecanismos de endurecimiento del acero2.6 Las propiedades tecnológicas

CAPITULO 3 INFLUENCIA DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO EN ELPRODUCTO FINAL

3.1 Aceros para conformación y embutición3.2 Aceros para la construcción3.3 Aceros de alta resistencia



UD.3 – Las propiedades del acero – Cap. 1 Introducción 2

CAPITULO 1 - INTRODUCCIÓN

1.1. Introducción

Cada grado de acero presenta una serie de propiedades típicas que lodiferencian de los demás grados. Las propiedades más importantes puedendividirse en tres grupos:

? propiedades físicas? propiedades químicas? características mecánicas

Las características mecánicas del acero están determinadas por su composiciónquímica y su microestructura. La composición química y los diferentes procesosde producción determinan la microestructura y las propiedades del productofinal, que son las propiedades intrínsecas del acero. Estas propiedadesintrínsecas se definen mediante una serie de normas internacionales. Sinembargo, determinados clientes pueden solicitar sus propias especificaciones,basadas en su experiencia y habitualmente más estrictas que la norma.

El cliente puede solicitar, además de determinadas propiedades intrínsecas delmaterial, que éste sea adecuado para ciertas aplicaciones o permita unasprestaciones específicas. De hecho, no parece lógico producir un materialconforme a una norma o a las especificaciones del cliente si no es adecuadopara la aplicación final. Estos requisitos se conocen como propiedadestecnológicas.

La elección final de un grado de acero específico depende de su precio, asícomo de la posibilidad de obtener una adecuada combinación de las diferentespropiedades requeridas.

1.1.1. Propiedades físicasEl elemento más importante en todos los grados de acero es el hierro. El aceroal carbono tiene un contenido mínimo de hierro del 98%. Los aceros aleados,tales como el acero inoxidable, presentan habitualmente un contenido de hierrosuperior al 70%.

Por lo tanto, la mayoría de las propiedades físicas del acero dependen de lapresencia de hierro:

? punto de fusión? densidad? conductividad térmica? dilatación térmica? propiedades eléctricas y magnéticas




En muchos casos, las normas y especificaciones hacen referencia únicamentea las características mecánicas y a la composición química, dado que laspropiedades físicas no son fácilmente modificables. Por ejemplo, los acerosaleados y no aleados tienen prácticamente la misma densidad: 7,85 g/cm3. Elefecto de la microestructura sobre la densidad y otras propiedades físicas esmínimo.

Sin embargo, las propiedades magnéticas constituyen una excepción. Enciertas aplicaciones, tales como los aceros utilizados en transformadores oimanes permanentes, las propiedades magnéticas resultan muy importantes.Los grados de acero no aleado son, normalmente, magnéticos a temperaturaambiente y no magnéticos a temperaturas elevadas. Las propiedadesmagnéticas se ven afectadas en gran medida por la microestructura y lacomposición química, y determinados grados de acero aleado, tales como losgrados de acero inoxidable de calidad superior, no son magnéticos.

La propiedad física más importante del acero es su estructura atómica. Estaestructura se modifica a determinadas temperaturas fijas. Los tratamientostérmicos, tales como el recocido se basan en este comportamiento.

1.1.2. Propiedades químicas

Por su naturaleza, el hierro reacciona fácilmente con el oxígeno presente en elaire formando óxido de hierro. En combinación con la humedad, esto seconoce como oxidación o corrosión. A temperaturas elevadas, como en el casode la laminación en caliente, se forma rápidamente una gruesa capa de óxido.

La composición química del acero determina en gran medida su resistencia a laoxidación o a la agresión de otros elementos. Así, la presencia de cromo en elacero crea sobre la superficie del mismo una fina capa de óxido de cromoresistente a la corrosión. Esta capa se regenera por sí misma. Los grados deacero aleado con alto contenido de cromo y níquel son resistentes a lacorrosión en la mayoría de los entornos. Se conocen como aceros inoxidables.

La microestructura puede afectar a las propiedades químicas. Las impurezasen el acero o un cambio de su microestructrura, debida por ejemplo a untratamiento térmico, pueden modificar su resistencia a la corrosión.

1.1.3. Características mecánicas

Las características mecánicas describen el comportamiento de los grados deacero frente a la aplicación de cargas mecánicas. Estas propiedades sedefinen en todas las especificaciones y dependen en gran medida de lacomposición química y de la microestructura.

Las características mecánicas varían en función de la temperatura y de lascondiciones ambientales. Por consiguiente, en los informes relativos a las




características mecánicas se deben indicar siempre las condiciones de ensayo.Las principales características mecánicas son: límite elástico, resistencia a latracción, alargamiento, dureza, tenacidad, resistencia a la fatiga, etc.

En la mayoría de los casos, las características mecánicas son el factor decisivoen la selección de un grado de acero para una determinada aplicación. El mejormétodo para especificar un grado de acero es haciendo referencia a una normainternacional. Estas normas ayudan tanto al cliente como al productor a definirlas características mecánicas necesarias y las propiedades tecnológicasrequeridas en la práctica.

1.1.4. Composición química

La composición química es otro aspecto fundamental del acero.

Además del hierro, el acero contiene otros elementos, tales como los aleantesañadidos intencionadamente o las impurezas no deseadas. Los principaleselementos son: carbono, manganeso, silicio, fósforo, azufre, aluminio,nitrógeno, titanio, niobio, vanadio, cobre, cromo, níquel y boro.

La composición química determina en gran medida la microestructura y laspropiedades físicas, mecánicas y tecnológicas del acero.

1.1.5. Propiedades tecnológicas

Estas propiedades están directamente relacionadas con la utilización o lostratamientos posteriores del material. Pueden considerarse como el resultadode una combinación de las propiedades intrínsecas del acero. Las principalespropiedades tecnológicas son:

? conformabilidad? soldabilidad? resistencia a la fatiga? aptitud al cizallado y punzonado? aptitud al esmaltado? aptitud al recubrimiento? aptitud al tratamiento térmico




1.2. Microstructura

Para comprender el comportamiento y las propiedades de los diferentes gradosde acero se requiere, en primer lugar, un cierto conocimiento de sumicroestructura. Los apectos más importantes son la red de cristales, lasimperfecciones reticulares y la textura.

La microestructura está determinada por la composición química y por lostratamientos termomecánicos aplicados durante el proceso.

1.2.1. Red cristalina

El componente principal del acero es el hierro. Los átomos de hierro sedistribuyen de forma regular en el espacio formando una red cristalina. Atemperatura ambiente, forman un sistema cúbico centrado en el cuerpo (bcc)con átomos de hierro en los vértices y un átomo en el centro del cubo.Esta estructura se mantiene hasta una temperatura de 910°C.

Entre 910°C y 1400°C, los átomos de hierro adoptan una distribución diferenteen el espacio: su estructura forma cubos apilados con un átomo de hierro encada vértice, y con átomos de hierro adicionales en el centro de cada una delas caras del cubo. Esta estructura, sistema cúbico centrado en las caras (fcc),se denomina hierro-? o austenita.

A temperaturas superiores a 1400°C, los átomos de hierro adoptan de nuevo laestructura de la ferrita. En este caso, para distinguir la estructura en función dela temperatura a la que obtiene, se denomina hierro-? .

Los espacios libres entre los diferentes átomos de hierro se denominanespacios o cavidades intersticiales. Son importantes para la solubilidad deátomos de menor tamaño como el carbono y el nitrógeno. A pesar de que elcristal de ferrita presenta un mayor número de cavidades intersticiales que elcristal de austenita, el tamaño de estas cavidades es menor en la ferrita. Porconsiguiente, la solubilidad del carbono y del nitrógeno es más baja en la ferritaque en la austenita.

En términos generales, el carbono no se disuelve en la ferrita; sin embargo, enla práctica existe una solubilidad muy baja. En la red de austenita, el átomo decarbono se introduce en la cavidad central del cubo. Esto se denomina soluciónintersticial y tiene un efecto extremadamente importante sobre las propiedadesdel acero: un mayor porcentaje de carbono disuelto implica un acero másresistente y más difícil de deformar.




1.2.2. Imperfecciones reticulares

Los granos (ferrita, austenita) están formados por miles de celdas unitarias.

Cada una de las redes cristalinas, formadas durante la solidificación o a travésde una recristalización posterior al proceso de laminación en frío, contiene unaserie imperfecciones reticulares, que tienen un efecto importante sobre laspropiedades del acero.

Las imperfecciones reticulares se clasifican en función de su posición en laretícula:

? en un punto – defectos puntuales? en una línea – defectos lineales? en un plano – defectos planares? imperfecciones en el seno del material

1.2.2.1. Defectos puntuales

Un defecto puntual es una interrupción claramente localizada de laregularidad de la estructura de red. Cuanto más rápida haya sido lasolidificación, más defectos puntuales presentará la estructura del acero.Existen varias posibilidades:

? cavidad: ausencia de un átomo, o una posición vacía en la red.? átomos intersticiales: un átomo ocupa una cavidad intersticial en la red.

Puede tratarse de un átomo del elemento que constituye la red o de unelemento diferente (por ejemplo, carbono). En ambos casos, el defectoproducirá distorsiones y por lo tanto tensiones internas en la estructura.

? átomos sustituidos: un átomo de un elemento diferente sustituye alátomo constitutivo de la red (por ejemplo, manganeso en lugar dehierro).

1.2.2.2. Defectos lineales o dislocaciones

Las dislocaciones (como se observa en la figura) son irregularidades en lared, normalmente provocadas por la ausencia de una fila de átomos. Lastensiones generadas afectan significativamente a la ductilidad del acero.Estas dislocaciones pueden ser de borde o espirales.

La aplicación de un esfuerzo cortante sobre el material puede causar eldesplazamiento de las dislocaciones. Mientras que los defectos puntualesrefuerzan la estructura cristalina (dificultando así su deformación), lasdislocaciones la debilitan.

En la deformación plástica del acero se produce un desplazamiento de lasdislocaciones. Las dislocaciones puntuales, tales como cavidades y átomosintersticiales, impiden este desplazamiento.

Dislocación




1.2.2.3. Defectos planares

El acero está formado por pequeños cristales, también denominadosgranos, con diferentes orientaciones. En la interfaz entre cristales, se alterala regularidad de la red. Esta interfaz entre granos es una capa de contornocon un elevado número de imperfecciones, en la que la densidad de átomoses menor que en la red cristalina.

Determinados grados de acero, tales como los aceros de fase dual,contienen diferentes fases. Las capas de contorno que causan lasimperfecciones bidimensionales en la red pueden contener a una o variasfases.

1.2.2.4. Imperfecciones en el seno del material

Ciertas impurezas, como los precipitados o inclusiones, son defectosubicados en el seno del material. Las inclusiones son habitualmenteimpurezas procedentes del proceso de producción del acero. Algunosejemplos son: inclusiones de escoria, residuos de polvo de colada, óxido dealuminio formado en la desoxidación, sulfuro de manganeso, etc. Su tamañovaría entre unas micras (1 micra = 10-6 m) y varios mm.

Los precipitados se forman durante los procesos de metalurgia secundaria,el proceso de solidificación o los tratamientos termomecánicos aplicadosdurante el proceso de producción. Se trata de compuestos de tamaño muyreducido, como carburo de titanio o sulfuro de titanio. Normalmente, sutamaño es de sólo unas nm (1 nm = 10-9 m).

Las microgrietas y poros también se consideran imperfecciones en el senodel material.

1.2.3. Textura cristalográficaEn cristalografía, la estructura se refiere a la distribución espacial, mientrasque la textura se refiere a la orientación o dirección con respeto a un punto dereferencia dado. Una de las propiedades típicas de los cristales, que afecta alas características del acero, es la anisotropía. Ésta hace referencia a ladependencia de las propiedades con respecto a la dirección. Existen una seriede propiedades dependientes de la dirección, tales como el módulo deelasticidad, la conductividad eléctrica, la magnetización, etc. En los materialesisotrópicos, estas propiedades no son dependientes de la dirección.

La orientación favorable de los cristales en el acero (denominada textura uorientación preferencial), permite obtener propiedades de deformaciónmejoradas

1.2.4. Resumen




La microestructura contiene la siguiente información:? tipo cristalográfico – p.ej. estructura de ferrita o austenita? descripción completa de las imperfecciones reticulares – p.ej.

cavidades, dislocaciones, contorno de grano, etc.? textura u orientación cristalográfica

La microestructura está determinada por? la composición química? los tratamientos termo-mecánicos

y afecta de forma significativa a las propiedades mecánicas y tecnológicas delacero.




1.3. Diagramas de fase

1.3.1. Diagrama de fase del hierro en una única fase

Los diagramas de fase representan las diferentes fases en función de latemperatura y de la composición química. En la siguiente figura se ve eldiagrama de fase del hierro puro como fase única.

Si se deja enfriar el hierro líquido, solidifica a una temperatura de 1535 °Cformando una estructura ?-hierro. Con un posterior enfriamiento, a latemperatura de 1400 °C se produce la transición de la fase ?-hierro a la faseaustenita. A 910 °C se produce la transición de la fase austenita a la ? -hierro y,finalmente, a 768 °C, el hierro pasa a ser magnético.

1.3.2. Diagrama de fase binaria de hierro y carbono

Además de su principal elemento, el hierro, el acero también contiene carbono.Dado que está constituido por dos componentes, el acero es una aleaciónbinaria. Una aleación no se considera como un compuesto químico, dado quelos compuestos químicos se caracterizan por una proporción determinada delos diferentes elementos. Por otra parte, la mayoría de los sistemas binariosmetálicos son polimorfos, es decir, pueden adoptar diferentes estructuras (conpropiedades muy distintas) dependiendo de la proporción de los componentesy de la temperatura. Por lo tanto, no se pueden generalizar las propiedadesespecíficas de los compuestos de hierro y carbono de forma general.

Los diagramas de fase binaria resultan sumamente útiles para el estudio de lasaleaciones. Estos diagramas reflejan la proporción a la que las diferentes fasesse encuentran en equilibrio entre sí, así como sus composiciones, en funciónde la temperatura. Representando en un diagrama los comportamientos desolidificación de varias aleaciones de hierro y carbono, se obtiene el diagramade fase hierro-carbono.

Numerosos procesos metalúrgicos que intervienen en la producción de acerose basan en las interacciones entre el hierro y el carbono. El diagrama de fasehierro-carbono muestra la relación entre la composición y las estructuras delacero en función de la temperatura, en condiciones de equilibrio. Lascondiciones de equilibrio se alcanzan manteniendo el material a estatemperatura durante un periodo de tiempo largo o cuando dicha temperatura sealcanza mediante un calentamiento o enfriamiento muy lento.

Cuando una aleación de hierro y carbono con un contenido en carbono inferiora 0,025%, se enfría desde el estado de fusión siguiendo la línea roja AB, no seobservará transición de la fase ? a ? a 910 °C. Con el enfriamiento posterior, seproducirá una transición parcial: parte de la austenita se convertirá en ferrita.Dado que la estructura de ferrita no puede contener tanto carbono como la




estructura de austenita original, la austenita se considera enriquecida encarbono. A medida que baje la temperatura aumentará la formación de ferrita.A una temperatura de 720 ºC, el contenido máximo de carbono en solución enestado sólido de la ferrita es de un 0,025%, lo que implica que la austenitaresidual contendrá un 0,8% de carbono. Con el posterior enfriamiento, estafase ? rica en carbono formará cementita (carburo de hierro o Fe3C) en loscontornos de grano. El grano de cementita puede ser grueso o finodependiendo de la velocidad de enfriamiento. Esto tiene una influenciasignificativa sobre las propiedades mecánicas del acero, por ejemplo, sutenacidad.

A una temperatura justo por encima de 720 °C, los grados de acero con uncontenido de carbono superior al 0,025% e inferior a 0,8%, contienen másaustenita. Con el posterior enfriamiento, esta austenita no se transforma encementita pura sino en una estructura laminar de ferrita (con escasa cantidadde carbono) y cementita (con más carbono); esta estructura laminar sedenomina perlita.

La perlita está compuesta por dos fases: ferrita y cementita. Se trata de unaestructura laminar característica, en la que se alternan las láminas de ferrita ycementita.

Cada transición de fase requiere cierto tiempo, dado que los átomos debendesplazarse en el proceso denominado difusión. Por consiguiente, la velocidadde calentamiento y de enfriamiento determina las propiedades del acero. Elenfriamiento y/o el calentamiento del acero, permite producir importantesmodificaciones estructurales como resultado de la difusión. Un ejemplo es elenvejecimiento del acero a temperatura ambiente resultante de la difusiónhacia las dislocaciones y contornos de los granos.

Un aspecto importante de las transiciones de fase es que permiten actuarsobre el tamaño del grano. El tamaño del grano es un factor determinante en lamicroestructura y en las propiedades del acero.

Además de las transiciones inducidas por el enfriamiento, por ejemplo durantela solidificación o el enfriamiento posterior a la laminación en caliente, tambiénes posible efectuar el proceso opuesto. Sometiendo al acero a un proceso decalentamiento, por ejemplo en el horno de recalentamiento de desbastes odurante el recocido y posterior enfriamiento, se pueden mejorar lamicroestructura y las características mecánicas.

1.3.3. Importancia del diagrama de fase hierro-carbono

El diagrama de fase hierro-carbono es la base de todos los tratamientostermomecánicos del acero. Existen dos estructuras cristalinas básicas deacero: ferrita y austenita. Además, el carbono puede aparecer como elementointersticial en solución sólida o como carburo de hierro (cementita). Ferrita,




austenita y cementita son las fases más importantes. La mezcla de ferrita ycementita presenta una microestructura característica denominada perlita.

La ferrita y la austenita son los componentes del acero de fase única.Contienen elementos disueltos como carbono y nitrógeno (intersticiales), silicio,manganeso y aluminio (sustituidos), así como una serie de fases menorescomo inclusiones, precipitados, etc. Dado que la ferrita y la austenita son muyblandas y fácilmente deformables, mientras que la cementita es dura y nodeformable, las fases del acero son especialmente importantes para suscaracterísticas mecánicas. Esto es aplicable no sólo en el producto final, sinotambién en las distintas etapas del proceso de producción del acero.

La laminación en caliente combina cambios externos (de forma) con cambiosinternos (en la estructura). Por lo tanto, la temperatura final de la laminación encaliente es un parámetro muy importante. En la práctica, esto implica que lalaminación en caliente se lleva a cabo habitualmente por encima de latemperatura de transición de ferrita a austenita, es decir, la temperatura óptimade laminación en caliente depende del contenido en carbono.Es necesario también saber que la temperatura de transición en el diagrama defase hierro-carbono varía en función de la presencia de otros elementosdiferentes del carbono.

1.3.4. Curva TTT

El diagrama de fase hierro-carbono representa las situaciones en equilibrio y.por lo tanto, no es aplicable a los procesos dinámicos causantes detransiciones de microestructura, tales como la laminación en caliente. Paracomprender estas transiciones de microestructura, se emplean las curvas TTT(curva tiempo-temperatura-transformación). Cada curva TTT corresponde auna composición química determinada y muestra las fases que se desarrollanen función de la temperatura y del tiempo.

Con un enfriamiento lento, la microestructura obtenida a temperaturaambiente está compuesta por ferrita y perlita. Un enfriamiento rápido nopermite el tiempo suficiente para la formación de la estructura laminar deperlita y, en su lugar, se forman bainita o martensita. La bainita, yespecialmente la martensita, forman estructuras duras y frágiles, que sóloresultan útiles en grados de acero de alta resistencia.La presencia de ciertos elementos de aleación en determinadasconcentraciones provoca un desplazamiento de algunas fases hacia laderecha. Esto permite evitar la formación de la fase perlita, obteniéndose ensu lugar bainita.

1.3.5. Resumen

El diagrama hierro-carbono muestra las fases presentes en la función de lacomposición química y de la temperatura. En las curvas TTT se ven las




diferentes las fases de una determinada composición química, obtenidas enfunción de la velocidad de enfriamiento. Por lo tanto, ambos resultanfundamentales para todos los tratamientos termomecánicos del proceso deproducción del acero, así como para los tratamientos posteriores como elrecocido, temperizado, relaminación, recubrimiento, esmaltado, etc.

Factores importantes? alotropia del hierro? presencia de carbono:? como elemento intersticial o? en el estado de carbono libre o grafito (solo en fundiciones)? en forma de compuestos como la cementita, perlita, bainita o

martensita



UD.3 – Las propiedades del acero – Cap. 2 Ensayo y medida de las propiedades del acero 13

CAPITULO 2 ENSAYO Y MEDIDA DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO

2.1 Composición química

La composición química del acero se determina a partir de un análisis en laacería.

La composición química se determina online, mientras el acero está aún enestado líquido. Se toman muestras en diferentes fases del proceso (horno alto,desulfuración, convertidor y metalurgia secundaria). Estas muestras se envíaninmediatamente a los laboratorios de la acería, donde se determina lacomposición química por medio de una serie de análisis en función del elementoque se desee medir. En pocos minutos puede conocerse esta composición.

A continuación se indica el efecto de los diferentes elementos químicos. Algunosde estos efectos son favorables, por lo que los elementos que los causan seañaden intencionadamente durante la fabricación del acero. Sin embargo, otroselementos interfieren con las propiedades requeridas. Se trata básicamente delas impurezas, que se intentará separar durante el proceso de fabricación, paraeliminarlas de la fase líquida o convertirlas en compuestos menos perjudiciales.

? carbono (C): aumenta la resistencia.? manganeso (Mn): se añade habitualmente para fijar el azufre formando

sulfuro de manganeso, o bien como elemento sustitutivo para aumentarla resistencia del acero.

? silicio (Si): se añade como elemento sustitutivo para aumentar laresistencia del acero y, en algunos casos, para mejorar la soldabilidad.

? fósforo (P): se añade únicamente en casos especiales. Este elementoproduce un significativo aumento de la resistencia del acero, aunquepuede formar precipitados no deseables y causar tanto fragilidad comoproblemas de soldadura.

? azufre (S): se añade únicamente en los aceros para esmaltación, dadoque incrementa su aptitud a este tipo de recubrimiento. En general, elazufre tiene un efecto muy perjudicial sobre las propiedadessuperficiales y la limpieza interna.

? nitrógeno (N): se añade en determinados casos para aumentar laresistencia del acero mediante la formación de precipitados finos.Asimismo, se añade intencionadamente en los grados de acero paraembutición profunda recocidos en campana para obtener unaorientación preferencial favorable en la estructura cristalina. Comoelemento intersticial, el nitrógeno presenta la desventaja de provocarenvejecimiento.

? boro (B): se añade en determinadas casos para fijar el nitrógeno nodeseado, evitando así el envejecimiento del acero procesado enrecocido continuo; también se utiliza para evitar el aumento de lafragilidad en aceros IF-HSS.




? aluminio (Al): se añade para calmar o desoxidar el acero.? titanio (Ti): se trata de un elemento de aleación especial con efecto

purificante. El titanio reacciona con el nitrógeno, oxígeno y carbono,eliminando así los elementos presentes en solución intersticial en elacero. Estos grados de acero se denominan aceros IF (aceros carentesde elementos intersticiales). En algunos casos, el titanio se añade encombinación con niobio a los aceros HSLA (aceros microaleados dealta resistencia).

? cobre (Cu): en los aceros no aleados, el cobre es una impureza. Seañade únicamente a aleaciones de acero especiales, como el aceroresistente a la intemperie.

? cromo (Cr): generalmente, se trata de una impureza en grados de acerono aleado. Sólo se añade a los grados de acero DP (aceros de fasedual). En ciertas aleaciones, como el acero inoxidable, también seañade cromo en elevadas cantidades.

? níquel (Ni): en los grados de acero no aleado, el níquel se consideracomo una impureza. En ciertos grados de acero inoxidable, se empleacomo elemento de aleación.

? niobio (Nb): se añade en determinados casos a los grados de aceromicroaleado o a aceros IF.

? vanadio (V): se añade en algunos casos a grados de aceromicroaleado.

? calcio (Ca): se utiliza en algunos casos, en lugar del manganeso, parafijar el azufre.

La resistencia y la dureza del acero dependen en gran medida de sucomposición química. Una mayor cantidad de elementos de aleación produce unacero más duro. La composición química afecta asimismo a la microestructuradel acero: el tamaño del grano, segundas fases posibles, precipitados, texturapreferencial, etc.

A continuación se indican ejemplos de rangos de composición química utilizadosen especificaciones típicas:

? carbono 0,0015-0,200 % C? manganeso 0,06-1,70 % Mn? silicio 0,001-0,500 % Si? fósforo 0,005-0,100 % P? azufre 0,001-0,035 % S? nitrógeno 0,002-0,010 % N? aluminio 0,015-0,170 % Al? titanio 0,010-0,150 % Ti para aceros IF, hasta 0,060 % para

aceros HSLA? niobio 0,010-0,035 % Nb para acero Ti+Nb IF o hasta 0,080 %

para acero HSLA? vanadio hasta 0,010 % V o hasta 0,060 % para aceros HSLA? boro 0,0002-0,0040 % B? cobre 0,012-0,025 %, Cu sólo en aceros para esmaltación




? cromo 0,015-0,035 % Cr o hasta 0,070 para aceros de fase duallaminados en caliente

? níquel 0,015-0,035 % Ni? estaño hasta 0,015 % Sn? molibdeno hasta 0,015 % Mo, o hasta 0,25 % para aceros de fase

dual galvanizados en caliente? calcio hasta 0.010 % Ca




2.2 Características mecánicas

Las características mecánicas de un grado de acero se miden mediante unaserie de ensayos físicos normalizados.

2.2.1 Ensayo de tracción

2.2.1.1 Teoría

Durante el ensayo de tracción, se fija una probeta normalizada, con unalongitud inicial (l0) y una sección transversal (A0) conocidas, en una máquinade ensayo de tracción. Desplazando una de las mordazas, se somete laprobeta a una carga, provocando su alargamiento y la reducción de susección, y finalmente su rotura. Durante el ensayo, se miden la fuerzaaplicada (F) y el alargamiento (? l) de la probeta.

La fuerza (F), en valor absoluto, no aporta mucha información. Resulta másútil conocer la fuerza por unidad de superficie. Por lo tanto, se divide lafuerza F por la sección transversal inicial A0 de la probeta para así obtener latensión ? .

El valor absoluto del incremento de la longitud ? l tampoco aporta muchainformación. Resulta más útil expresar este incremento en función de lalongitud inicial para obtener la deformación ? = ? l/l0. Multiplicando este valorpor 100, se calcula la deformación en valor porcentual.

Representando estos valores en un gráfico se obtiene la curva de tensión-deformación o curva de tracción.

La primera parte de esta curva de tracción, desde el punto de origen hasta elvalor de tensión Re (línea desde el punto de origen hasta el punto A), es unalínea recta. Si interrumpimos la aplicación de carga durante el ensayo, laprobeta recuperará su forma y longitud originales. La pendiente de esta línease denomina módulo de elasticidad (E). Esta propiedad física es idéntica entodos los grados de acero (210.000 N/mm2). Es una medida de la rigidez yno depende de la microestructura.

En esta primera parte de la curva, el alargamiento de la probeta es elástico yestá limitado por el límite elástico Re. Cuando no existe una transiciónclaramente apreciable entre la región de deformación elástica y la zona dedeformación plástica, se utiliza un límite elástico convencional: límite elásticocorrespondiente a un alargamiento de la probeta del 0,2% (Rp0.2).

Cuando se supera el límite elástico, se pasa a la región de deformaciónplástica (AB en la gráfica). El alargamiento deja de ser reversible (elástico) y




pasa a ser permanente. Para seguir deformando la probeta, se requiere laaplicación de una carga continua. Este fenómeno se denominaendurecimiento por deformación del acero. Cuando se alcanza ladeformación máxima Rm, también denominada carga de rotura por tracción(punto B), se produce una reducción evidente de la sección transversal,llamada estricción.

Por último, la sección transversal se reduce hasta que el material se rompe(punto C). El alargamiento a la rotura (B) se determina a partir de la curva detensión-deformación en este punto. Au es el alargamiento uniforme, es decir,el alargamiento hasta la estricción.

Este es el método de ensayo convencional para determinar la curva detensión-deformación. En realidad, la probeta se alarga durante todo elensayo, por lo que su sección se reduce progresivamente. Si se tiene encuenta la reducción de la sección transversal, la curva de tracción sedesplaza hacia arriba y hacia la izquierda a partir del límite elástico. En lasiguiente figura se ve la curva real, en la que se observa más claramente elendurecimiento producido por la deformación del acero: a partir de esepunto, el alargamiento de la probeta requiere un esfuerzo cada vez mayor.El endurecimiento por deformación de un tipo de acero, se expresa comovalor n.

Cuando se deforma el acero, se modifican su longitud, su ancho y suespesor. Estas modificaciones se expresan como las deformaciones ? longitud,?ancho y ?espesor respectivamente. Para algunas aplicaciones, puede requerirseuna resistencia a la deformación en una dirección determinada. Porejemplo, puede requerirse un material cuyo ancho se reduzca, pero no suespesor. Este comportamiento anisotrópico se indica por el valor r, ocoeficiente de anisotropía., correspondiente a la relación entre la reducciónde ancho y la reducción de espesor.

2.2.1.2 Utilidad práctica

La utilidad práctica de la curva de tracción depende de la aplicación final delproducto. Para las estructuras, tales como puentes, la primera parte de lacurva (rigidez) resulta especialmente interesante. Es necesario conocer ellímite del comportamiento elástico de una estructura sometida a una cargadeterminada. El límite elástico indica el esfuerzo que puede soportar unmaterial sin que experimente una deformación permanente. En el ejemploindicado, se ha seleccionado un grado de acero para construcción, con unacurva esfuerzo-deformación similar a la que aparece a la izquierda en lasiguiente figura.

La industria del automóvil utiliza chapa de acero laminada (producto plano)para la fabricación de componentes de carrocería conformados porestampación en prensa. Para este tipo de aplicaciones, se utilizan gradosde aceros con bajo límite elástico, que requieren una fuerza menor para




producir una deformación permanente. Asimismo, se requiere un elevadoalargamiento, que permite una mejor deformación previa a la ruptura. Eneste ejemplo, la zona de deformación plástica de la curva de tracción resultaespecialmente interesante. Se utilizará, por lo tanto, un acero paraembutición profunda con una curva de tracción similar a la que aparece enla figura de la derecha.

Por razones prácticas, la caracterización de los diferentes grados de acerono se basa en sus curvas de tracción completas, sino sólo en susparámetros más relevantes: el límite elástico Ra en MPa, el alargamiento Ao Au en %, la carga de rotura Rm en MPa, el coeficiente de anisotropía r y elcoeficiente de endurecimiento por deformación n.

Existe una serie de probetas normalizadas utilizadas habitualmente paraensayos de tracción. Dado que los resultados del ensayo dependerán deltipo de probeta utilizada, el alargamiento se describe normalmente con uníndice. Por ejemplo, el valor A80 obtenido se refiere a un ensayo de tracciónrealizado con una probeta de 80 mm de longitud inicial y A50 al obtenido conuna probeta 50 mm de longitud inicial. En el caso de chapas de acero conun espesor superior a 3 mm, se utiliza un tipo de probeta diferente: A5. Eneste caso, la longitud inicial de la probeta se determina en función delespesor de la chapa, aplicado la fórmula l0 = 5,65? A0, donde l0 es lalongitud inicial de la probeta y A0 es la sección transversal inicial de laprobeta.

La mayoría de las características mecánicas dependen asimismo de ladirección. Por lo tanto, los valores más bajos se especifican para ladirección en la que la resistencia es de importancia crítica, tal como enaceros estructurales o aceros de alta resistencia. La dirección eshabitualmente la longitudinal. En otros casos, como los aceros paraembutición profunda, las propiedades se indican normalmente para ladirección transversal. En las normas puede encontrarse más información alrespecto.

A continuación se indican las características mecánicas más importantes:

Re el límite elástico indica la resistencia a la deformación plástica.

Rm la carga de rotura mide la resistencia a la rotura.

A el alargamiento a la rotura es una medida de la ductilidad del acero, esdecir, su potencial de deformación plástica previa a la rotura.

r el coeficiente de anisotropía indica hasta qué punto puede el acerosometerse a embutición profunda. Se trata de la relación entre lareducción del ancho y la reducción del espesor. Mide la reducción deespesor que puede soportar el acero.

n el coeficiente de endurecimiento por deformación es la medida delendurecimiento producido por una deformación creciente. Un valor n




más alto indica una distribución más homogénea de las fuerzas en elmaterial, lo que facilita la deformación.

Ejemplo:Anteriormente, la normalización de los grados de acero se basaba en sucarga de rotura. Dado que la unidad utilizada era el kg en lugar del N(Newton), se utilizaban códigos como St37. Este acero tiene un valor Rm

mínimo de 37 x 9,81 = 360 N/mm2 o 360 MPa. Sin embargo, dado que en laconstrucción la resistencia elástica es un parámetro más importante que lacarga de rotura, las nuevas normas se basan principalmente en el valor deRe. Un grado de acero con un valor Rm mínimo de 360 MPa tiene un Re

mínimo de 235 MPa. Por consiguiente, el grado anteriormente denominadoSt37 se denomina ahora S235J, según la nueva norma.

2.2.2 Ensayo de dureza

La dureza es un parámetro importante que refleja la resistencia del material ala abrasión. Existen varios métodos para medir la dureza, pero todos se basanen el mismo principio.

La dureza es la resistencia del material a la indentación permanenteprovocada por un cuerpo con una forma concreta sobre el que se aplica unafuerza determinada.

Los métodos de medición de la dureza se diferencian por el tipo de penetradorutilizado y por la fuerza aplicada. Existen los siguientes métodos:

? Ensayo Brinell con bola – abreviado como HB? Ensayo Vickers con pirámide – abreviado como HV? Ensayo Rockwell con bola – abreviado como HRB? Ensayo Rockwell con cono – abreviado como HRC

En todos estos ensayos se mide la profundidad de la huella, que constituyeuna medida de la dureza, ya que en un material más duro la huella serámenos profunda.

La dureza del acero se mide habitualmente según el método Rockwell,utilizando una bola (HRB). Dado que la dureza también expresa la resistenciaa la deformación plástica, existe una estrecha correlación entre la dureza y lacarga de tracción a la rotura.

2.2.3 Ensayo de resiliencia

Se define la tenacidad como la capacidad que tienen los materiales deabsorber energía antes de romperse.




No resulta sencillo expresar la tenacidad de un material con un valor numérico,como en el caso de la resistencia a la tracción, ya que la tenacidad no dependeúnicamente del material, sino también de las condiciones en las que se efectúela medición. Por este motivo, el ensayo de resiliencia se lleva a cabo encondiciones intencionadamente desfavorables. El ensayo consiste en romper,de un solo golpe, una probeta entallada. La energía necesaria para romper lamuestra es una medida de la tenacidad, a esta cantidad de energía sedenomina resiliencia.

Naturalmente, cuanto más tenaz es un material mayor será su resiliencia.

El resultado del ensayo depende en gran medida de la temperatura, por lonormalmente el ensayo se realiza a varias temperaturas diferentes. Cuantomás baja es la temperatura, menor es la tenacidad de la muestra y por lo tantomenor su resistencia al choque.

La resistencia al choque (KV) se expresa en el sistema Internacional en J/m2.Existen tres tipos de fractura:

? fractura frágil: la superficie de la fractura es lisa y brillante, y la probetapresenta escasa distorsión. Este tipo de fractura indica una bajaresistencia al choque.

? fractura dúctil: la superficie de la fractura es irregular, con aspectoaterciopelado. Este tipo de fractura indica una alta resistencia alchoque.

? fractura mixta: la superficie de la fractura es parcialmente frágil yparcialmente dúctil.

Debido al efecto de la temperatura sobre la resistencia al choque, se utilizafrecuentemente una temperatura de transición, a la que el material pasa de serfrágil a ser tenaz.

El ensayo de resiliencia sobre probeta entallada normalizado se denominatambién ensayo Charpy. Dado que no es posible obtener una probeta deensayo Charpy a partir de una chapa de acero laminada con un espesorinferior a 12 mm, se introduce una determinada desviación respecto a lasdimensiones recomendadas. La energía del choque debe calcularse de nuevopara el nuevo espesor (menor) de la probeta. No se debe realizar el ensayocon muestras de espesor inferior a 5 mm, ya que los resultados obtenidos conun material tan fino no son precisos.

2.2.4 Resumen

En la siguiente tabla se indican las características mecánicas más importantes:




ENSAYO DE TRACCIÓNRe límite elástico MPaRm carga de rotura MPaA alargamiento %r anisotropía -n coef. de endurecimiento por deformación -ENSAYO DE DUREZA

HRB dureza

ENSAYO DE RESILIENCIAKV resistencia al choque J/m²

temperatura de transición °C




2.3 Microestructura

Los aspectos más importantes de la microestructura son:? tamaño del grano? forma del grano? tipo, forma y distribución de las fases? distribución de la cementita? inclusiones

En la solidificación, o cristalización, se forman núcleos que se desarrollanformando celdas unitarias y, seguidamente, cristales. Los cristales formangranos cuyos contornos entran en contacto entre sí al final del proceso desolidificación.

La microestructura puede estudiarse mecanizando, puliendo y sometiendo a unmacroataque químico una probeta de acero, y examinándola posteriormente conun microscopio. Las líneas oscuras son los contornos de los granos. El análisismicroscópico también permite determinar el tamaño y la forma del grano.

En las siguientes fotografías se ven un grano equiaxial típico y un grano deestructura alargada (pancake).

El tamaño del grano se determina a partir de una fotografía con un aumentoconocido, contando el número de granos por unidad de superficie. La ASTM(American Society for Testing Materials) ha definido una serie de categorías detamaño de grano estándar. Esta clasificación permite realizar una estimaciónrápida del tamaño del grano. Un tamaño de grano menor corresponde a unnúmero ASTM más elevado en la categoría correspondiente.

Los granos finos producen una mayor resistencia y tienen un efecto positivosobre la resiliencia. Este tipo de granos se encuentra normalmente en grados deacero de alta resistencia.

Los granos gruesos confieren al acero una menor dureza. Un tamaño de granoexcesivo resulta perjudicial, dado que al deformar el acero se produce unaelevada rugosidad superficial (piel de naranja). Para los aceros utilizados enaplicaciones de embutición profunda, se requiere un equilibrio entre laconformabilidad (grano grueso), la resistencia (grano fino) y una adecuadacalidad superficial tras la embutición.

Ejemplo:

El tamaño de grano ASTM 10-11 es un grano fino. Corresponde a un diámetrode grano medio de aproximadamente 0,01 mm. Es decir, unos 12.000 granospor mm2, con unos 40.000 átomos de hierro por grano. Se trata de la estructuratípica del acero microaleado de alta resistencia.




El tamaño de grano ASTM 5-6 es un grano grueso, con un diámetro medio de0,05 mm. Es decir, unos 480 granos por mm2, con unos 200.000 átomos dehierro por grano. Se trata de la estructura típica del acero para embuticiónprofunda. El efecto “piel de naranja” aparece a partir de los tamaños ASTM 3-4.

El tamaño y la forma del grano (equiaxial o “pancake”) están determinados por lacomposición química y por los parámetros de procesos termomecánicos:

? En el horno de recalentamiento, la estructura cristalina original de ferrita(estructura de solidificación) se transforma de nuevo en austenita portransición y aumento del tamaño del grano.

? Durante la laminación en caliente, el acero se recristaliza después decada pasada de laminación. Los elementos microaleantes, tales comoel niobio, pueden retardar o impedir esta recristalización.

? Durante el enfriamiento en el tren acabador, la austenita se transformaen ferrita. Dependiendo de la composición química y de la velocidad deenfriamiento, pueden formarse una o varias fases adicionales con altocontenido en carbono, tales como perlita, bainita y martensita.

? La temperatura de bobinado influye sobre el crecimiento de los granosde ferrita y sobre la forma, situación y tamaño de la cementita.

? Después de la laminación en frío, el acero se recristaliza durante elproceso de recocido continuo o en campana, lo que permite obteneruna textura preferencial. El tamaño del grano depende, asimismo, de lacomposición química, de los parámetros de laminación en caliente, delporcentaje de reducción en frío, de la temperatura y duración delrecocido.

Las fases presentes en el acero tienen una influencia significativa sobre suscaracterísticas mecánicas. La ferrita es la fase más blanda. La perlita se formaen materiales con alto contenido en carbono. En los aceros más aleados, unenfriamiento rápido puede producir otras fases, por ejemplo martensita y bainita.Estas fases aumentan la resistencia del acero.

La distribución de la cementita es importante para ciertos grados de acero. Sedistinguen dos tipos de cementita: gruesa y fina.

Las inclusiones son generalmente perjudiciales y, por lo tanto, no deseables.

Los precipitados pueden afectar de forma favorable a la resistencia de los acerosmicroaleados, sin reducir su conformabilidad.




2.4 Comportamiento elástico y plástico

Para estudiar la deformación del acero a nivel atómico, el comportamientoelástico y plástico pueden representarse como se indica en la siguiente imagen:

La deformación es elástica cuando el átomo vuelve a su posición inicial alinterrumpir la aplicación de fuerza. Si el átomo ocupa una nueva posición en lared, se trata de deformación plástica.

Si el modelo de la imagen fuese válido, la deformación plástica seríasimplemente “átomos rodando uno sobre otro”. Sin embargo, los cálculosteóricos demuestran que la fuerza necesaria para lograr la deformación plásticaes unas 1000 veces superior a la fuerza que se observa en la práctica en unensayo de tracción. La diferencia se debe a las dislocaciones.

La presencia de dislocaciones facilita en gran medida la deformación plástica.Las dislocaciones se desplazan a lo largo de la red como resultado de unesfuerzo cortante relativamente reducido. Este fenómeno se ilustra en lasiguiente imagen con el modelo de la oruga:

El desplazamiento de las dislocaciones se conoce también como deslizamiento.A temperaturas elevadas, las dislocaciones pueden abandonar el plano a lolargo del cual se desplazan y “ascender”. Cuando aumenta la tensión en la red,las dislocaciones pueden evitar obstáculos tales como los átomos intersticiales.




2.5 Mecanismos de endurecimiento del acero

En teoría, existen dos maneras posibles de incrementar la resistencia a ladeformación plástica, por ejemplo, para grados de acero con un alto límiteelástico:

? evitando las dislocaciones? reduciendo la movilidad de las dislocaciones existentes

La primera posibilidad es sólo teórica, y su utilidad práctica es muy limitada. Lasegunda, conocida como aumento de la resistencia, se utiliza con relativafrecuencia. Aunque existen varios mecanismos, todos se basan en el mismoprincipio: las imperfecciones reticulares interrumpen la estructura y retardan elmovimiento de las dislocaciones.

2.5.1 Endurecimiento por medio de defectos puntuales en la red cristalina

? cavidades: aparecen a temperaturas elevadas y pueden mantenersepor medio de un enfriamiento rápido. Sin embargo, el aumento de laresistencia producido por el exceso de cavidades es relativamente bajoy la difusión provoca un ablandamiento, por lo que este método no seutiliza industrialmente.

? átomos intersticiales de la propia red: aparecen por la exposición a laradiación y aumentan la fragilidad del material. Este método se utilizaúnicamente en la industria nuclear.

? átomos intersticiales de elementos extraños: los átomos de, porejemplo, carbono, causan grandes distorsiones en la red. De limitadasolubilidad, producen un extraordinario aumento de la resistencia delmaterial. Se emplean, por ejemplo, en aceros de construcciónlaminados en caliente y bobinados a temperatura baja.

? átomos de sustitución: debido a que su tamaño es diferente (mayor omenor) que el de los átomos de la red, los átomos de sustituciónproducen grandes distorsiones en la red, lo que provoca tensionespositivas y negativas que limitan el movimiento de las dislocaciones. Elaumento de la resistencia está determinado por el tipo y la cantidad dealeantes. Ejemplo: el fósforo causa un incremento de 800 Mpa porpunto porcentual añadido; el silicio aumenta en 100 MPa la resistenciapor cada 1% añadido y el manganeso en 50 MPa. Algunos ejemplosson los grados de acero para construcción, grados aleados con fósforoy aceros IF HSS.

2.5.2 Endurecimiento por conformación en frío

La conformación en frío es una deformación plástica que provoca eldesplazamiento (y la fijación) de las dislocaciones existentes, así como lacreación de un gran número de dislocaciones nuevas. Los aceros sometidos a




procesos de deformación en frío contienen tantas dislocaciones que éstas sebloquean entre sí, causando un endurecimiento del material.

La chapa de acero laminada en frío presenta un elevado número dedislocaciones. El material alcanza un endurecimiento tal que ya no puededeformarse: cada una de las dislocaciones impide el desplazamiento de lasdemás.

La figura de la izquierda ilustra cómo el incremento de la deformación en fríoeleva el límite elástico y reduce la deformación a la rotura. Pueden obtenerseuna amplia gama de dureza, desde materiales muy blandos hasta materialesde extrema dureza.

2.5.3 Endurecimiento por reducción del tamaño del grano

La presencia de contornos de granos bloquea las dislocaciones dificultando sumovimiento. Un menor tamaño de grano implica un mayor número decontornos de granos; por lo tanto, las dislocaciones se bloquearán másrápidamente aumentando la resistencia del acero. Por consiguiente, en losaceros de alta resistencia se busca un grano de pequeño tamaño. Un ejemplode esto son los grados de acero Profilar? .

2.5.4 Endurecimiento en un material de fase dual

El movimiento de las dislocaciones también se bloquea por la presencia departículas de una fase diferente. Un ejemplo típico son los grados de acero defase dual, que contienen un 90% de ferrita junto con martensita, una fase másdura, como se ve en la siguiente figura. La línea de dislocación situada a laizquierda intenta desplazarse hacia la derecha, pero este movimiento se veinterrumpido por una segunda fase. Además de los aceros de fase dual, existengrados de acero ferríticos-bainíticos.

2.5.5 Endurecimiento por precipitación

Los precipitados actúan como los contornos de grano: impiden el movimientode las dislocaciones. Asimismo, los aceros que contienen precipitadospresentan siempre una estructura de grano fino.

Éste es el principio utilizado en los aceros microaleados Profilar? y BSK?




2.6 Características tecnológicas

2.6.1 Conformabilidad

La conformación es el proceso por medio del cual se confiere a una chapa deacero plana la forma deseada sin causar grietas, roturas o una excesivareducción del espesor. Entre las diferentes técnicas utilizadas se puedendistinguir el plegado, la embutición profunda y la conformación por estirado.

2.6.1.1 Plegado

Es el tipo de deformación más común. Se utiliza en prácticamente todos losprocesos de conformación. El acero debe poder plegarse sin romperse.Para obtener unas adecuadas propiedades de plegado, se requiere unabuena capacidad de alargamiento uniforme y una elevada pureza internadel acero.

2.6.1.2 Conformación por estirado

La conformación del acero es una operación compleja que comprendevarios tipos de deformación plástica simultáneos. Una prensa consta de lassiguientes partes.

Durante la conformación por estirado, los bordes de la chapa de acero sesujetan firmemente entre la copa y las mordazas. El material sujeto nopuede embutirse al interior de la copa por efecto del punzón y por lo tanto nose deformará. El acero debe soportar esta operación de alargamiento sinromperse. El valor n indica el comportamiento de alargamiento del acero.Para obtener unas adecuadas propiedades de conformación por estirado serequiere un alargamiento a la rotura elevado, un amplio rango dedeformación plástica (ratio Re/Rm reducido) y, especialmente, un alto valorn.

Ejemplos: tanques de expansión, techos de vehículos, etc.

2.6.1.3 Embutición profunda

Durante la embutición profunda, la chapa de acero se sujeta con menosfirmeza, de modo que la presión aplicada con el punzón hace que el materialsituado bajo la mordaza fluya al interior de la copa (matriz). Ésta es la partedel acero que experimenta la mayor deformación. Una buena aptitud para laembutición profunda requiere un coeficiente de anisotropía r alto.

Ejemplos: filtros de aceite, extintores de incendios, etc.




En la práctica, la mayoría de las aplicaciones requieren tanto la embuticiónprofunda como la conformación por estirado. Por lo tanto, se debencombinar las condiciones necesarias para ambos procesos.

2.6.2 Soldabilidad

La soldabilidad del acero se caracteriza generalmente por su carbonoequivalente (Ceq).

Ceq = C + Mn/6 + Ni/15 + Cu/15 + Cr/15 + Mo/5 + V/5

Un Ceq bajo permite una adecuada soldabilidad. En los grados de acero conun alto Ceq, tras el enfriamiento de la soldadura se pueden formar estructurasfrágiles, como la martensita, a su alrededor. Estas estructuras producen unapérdida de resiliencia del acero y pueden provocar la rotura frágil y la fatiga.

La soldabilidad se ve afectada, asimismo, por el contenido de fósforo, boro yazufre, que debe mantenerse al nivel más bajo posible para obtener unaadecuada soldabilidad.

2.6.3 Fatiga

Un material sometido a una carga intermitente dentro de su rango deresistencia elástica, puede fracturarse al cabo de una serie de ciclos. Laresistencia a la fatiga se expresa como la carga que puede aplicarse undeterminado número de veces sin llegar a la rotura.

Las inclusiones alargadas y las estructuras frágiles reducen significativamentela resistencia del material a la fatiga. Para obtener una adecuada resistencia ala fatiga se requiere una estructura de grano fino y una elevada pureza delacero.

2.6.4 Aptitud al cizallado y punzonado

Los factores que influyen en la aptitud al cizallado y punzonado del materialson la altura de la rebaba, la fuerza del punzonado y el aspecto de la superficiede fractura.

? cuanto más duro es el acero, menores son las rebabas y más limpio elcorte

? cuanto más duro es el acero, mayor es la fuerza de punzonadorequerida

? cuanto más duro es el acero, más irregular será la superficie de fractura.

2.6.5 Corte con plasma




El corte con plasma de los grados de acero con alto contenido en silicio resultaproblemático debido a la formación de rebabas.

2.6.6 Corte por láser

El proceso de corte por láser requiere una chapa de gran planitud quegarantice una distancia constante entre la chapa y el cabezal de corte. Senecesita, asimismo, un material con escasas tensiones internas, para evitar elalabeo del material durante la operación de corte con láser. Estas tensionesinternas puede evitarse eliminando los gradientes de temperatura. Lahomogeneidad del enfriamiento en la mesa de rodillos de salida del tren delaminación en caliente resulta especialmente importante.

2.6.7 Aptitud para la esmaltación

La esmaltación es un tratamiento superficial mediante el cual se aplica unrecubrimiento vítreo sobre el acero. Tras la aplicación del esmalte, pulverizadoo por inmersión, el producto recubierto se somete a un secado en horno a unatemperatura de unos 830 ºC. Durante el proceso de fusión del esmalte, selibera hidrógeno que se disuelve en el acero. Con el posterior enfriamiento dela pieza se reduce la solubilidad del hidrógeno, forzando la liberación delhidrógeno gaseoso. Sin embargo, el intervalo de tiempo transcurrido, la capade esmalte se habrá impermeabilizado, de modo que se generan elevadaspresiones de hidrógeno entre el acero y el recubrimiento de esmalte. Estopuede provocar la descamación del esmalte en el caso de piezas que hayansido esmaltadas por ambas caras. Para evitar esta descamación, se utiliza ungrado de acero con microcavidades en las que el hidrógeno puede quedarretenido.

Los grados de acero para esmaltación deben combinar unas adecuadaspropiedades de embutición profunda con la aptitud para la esmaltación. Estosgrados tienen requisitos especiales en términos de composición química,parámetros de laminación en caliente y condiciones de recocido.

2.6.8 Aptitud al recubrimiento

2.6.8.1 Galvanizado

El índice de galvanización es importante para el galvanizado aplicado enproceso discontinuo, donde primeramente se conforma y suelda la pieza detrabajo y, posteriormente, se sumerge en un baño de zinc.

Índice de galvanización = Si + 2,5 P

Con un contenido en silicio superior al 0,030%, el índice de galvanización nodebe ser superior al 0,050%. Si el contenido en silicio es inferior al 0,030%,




el índice de galvanización puede llegar hasta el 0,090%. Un índice superiorprovocaría un crecimiento excesivamente rápido de la capa de zinc,produciendo un recubrimiento espeso y poroso con escasa adherencia. Estose conoce como fenómeno de Sandelin. En el galvanizado continuo, esterequisito es menos importante.

2.6.8.2 Pintura

Para la aplicación de pintura se requiere, sobre todo, una elevada limpiezasuperficial. La impureza más común es el carbono, que se origina durante elproceso de producción, en forma de grafito procedente del acero o comoresiduo de los aceites y emulsiones de laminación.

Por lo tanto, los clientes cuyos procesos no incluyen un potente desgrasadoexigen una elevada limpieza superficial. Para estos clientes, se recomiendahabitualmente un material procesado por recocido continuo.

2.6.9 Envejecimiento

El envejecimiento es un proceso en el que se produce una lenta difusión de losátomos de carbono y nitrógeno aún disueltos en la red de cristales de hierrohacia las dislocaciones, inmovilizándolas. Por lo tanto, se requerirá una mayortensión para desplazar estas dislocaciones durante la deformación.

Por consiguiente, el envejecimiento produce un endurecimiento del acero. Dehecho, el acero envejecido tiene un límite elástico más elevado, lo que puederesultar perjudicial para determinadas aplicaciones, debido al riesgo deaparición de líneas de Lüdders.

El envejecimiento por difusión del carbono se emplea en algunos casos paraendurecer el acero en aquellas aplicaciones en las que el curado de la pinturase realiza después del proceso de conformación. Esto se conoce como “bake-hardening”. Los grados de acero BH se utilizan normalmente en el sector deautomoción. Combinan las características de un acero adecuado para laembutición profunda con las de un acero de alta resistencia: conformable enprensa pero con alta resistencia tras el proceso de secado en el horno.

El envejecimiento por difusión de nitrógeno se evita combinando el nitrógenocon otro elemento, normalmente aluminio, boro o titanio. El envejecimiento pordifusión de carbono, si resulta perjudicial, se evita introduciendo una etapa deenvejecimiento acelerado durante el proceso de recocido.

2.6.10 Aptitud para los tratamientos térmicos

Durante el tratamiento térmico o normalización, por ejemplo tras la realizaciónde soldaduras, se calienta el acero hasta la región austenítica. Con el procesode normalización se obtiene una reducción del tamaño del grano y una




estructura carente de tensiones internas, es decir, una resistencia elevada yuna adecuada resiliencia.

Este proceso de normalización es costoso y se sustituye normalmente por untratamiento termomecánico aplicado durante la laminación en caliente.



UD.3 – Las propiedades del acero – Cap. 3 Influencia de las propiedades del acero en elproducto final

32

CAPITULO 3 - INFLUENCIA DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO EN ELPRODUCTO FINAL

En el caso del acero para aplicaciones de plegado o embutición profunda, lapropiedad más importante es la ductilidad. En los aceros para construcción, lapropiedad más importante es la resistencia. Los grados de acero de altaresistencia combinan un elevado límite elástico, una elevada resistencia a latracción, una adecuada ductilidad y una excelente soldabilidad.

3.1 Acero para aplicaciones de plegado y embutición profunda

3.1.1 General

El acero para aplicaciones de plegado y de embutición profunda secomercializa en forma de productos laminados en caliente, en frío yrecubiertos. Tiene un bajo contenido en carbono y presenta una adecuadaductilidad, así como una excelente soldabilidad. Por medio del desgasado alvacío y la adición de titanio y/o niobio se obtiene una excelente ductilidad enmateriales laminados en frío y recubiertos.

El acero para plegado y embutición profunda debe cumplir los siguientesrequisitos:

? bajo límite elástico Re

? elevado alargamiento A? alto coeficiente n de endurecimiento por deformación? alto coeficiente r de anisotropía

Para satisfacer estas condiciones se requiere una composición química con unbajo contenido en aleantes, es decir, bajo contenido en carbono, nitrógeno,manganeso, silicio, etc. El acero resultante es de reducida dureza y, por lotanto, ofrece una buena conformabilidad (Re bajo).

Para obtener un valor r elevado, la textura debe seguir una determinadaorientación preferencial. Esto se consigue a través de un control preciso de losparámetros de proceso de laminación en caliente (temperatura en horno ytemperatura de bobinado), laminación en frío (grado de reducción) y recocido.Los valores de los parámetros de proceso dependen del método de recocidoutilizado (continuo o en campana).

Se requiere, asimismo, un adecuado acabado superficial, una planitudexcelente y una rugosidad controlada.




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Los grados de acero para embutición profunda laminados en caliente seidentifican con los códigos DD11, DD12, etc. Estos grados se utilizan en loscasos en los que la ductilidad resulta más importante que la resistencia,especialmente en la industria del automóvil y sectores relacionados, para lafabricación de máquinas herramientas, en el sector del transporte y en lafabricación de equipos y maquinaria.

Los grados de acero para embutición profunda laminados en frío se identificancon los códigos DC01, DC03 etc., o FeP01, FeP03, etc. Sus aplicacionesincluyen la industria del automóvil, la transformación de productos metálicos, lafabricación de tubos y tuberías, bidones y el sector de la construcción.

Los grados de acero para embutición profunda galvanizados por inmersión seidentifican como DX52D+Z, DX53D+Z, etc.

Los grados de acero sometidos a recocido continuo SIDCA? D-5, SIDCA? D-4,etc. se caracterizan por la uniformidad de sus características mecánicas, sulimpieza superficial y su planitud. Se utilizan, entre otras aplicaciones, en lafabricación de electrodomésticos, mobiliario y equipos de calor.

3.1.2 Grados de acero IF

Los grados de acero IF (carentes de elementos intersticiales) son acerosaleados con titanio y desgasificados al vacío, con un contenido ultra-bajo decarbono residual. Mediante el desgasado, se reduce el contenido en carbono aniveles ultra-bajos de carbono residual (<0,0030%) y, posteriormente, elcarbono y oxígeno restante se combinan con el titanio. Este proceso permiteobtener un acero carente de elementos intersticiales y, por lo tanto,especialmente dúctil. Los grados IF deben someterse a recocido derecristalización siguiendo unos perfiles de recocido especiales.

Los aceros IF ofrecen como ventajas adicionales el no ser susceptibles alenvejecimiento y su alto límite elástico.

Se utilizan en aplicaciones de embutición profunda especialmente difíciles.Comercialmente, se encuentran entre los grados de embutición profunda dealta ductilidad, como DC06, o entre los grados galvanizados por inmersión,como DX54D+Z, DX56D+Z.




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3.2 Acero para la construcción

Los grados de acero para la construcción se utilizan principalmente en todoslos campos de la industria de la construcción y de la construcción mecánica. Secomercializan como productos laminados en caliente, en frío y recubiertos.

Dado que las aplicaciones de construcción requieren una determinada rigidez yresistencia, en las especificaciones de estos grados de acero se indica siempreun requisito de resistencia mínima. Por parte, estos grados de acero de altaresistencia son más difícilmente conformables.

Esta resistencia se logra mediante la adición de elementos de aleación. Loselementos que aumentan la resistencia del acero son, primeramente, elcarbono, seguido del manganeso, silicio, fósforo, etc. Cuantos más aleantescontenga el material, mayor será su dureza. Dado que los aleantes afectantambién a la soldabilidad y a la aptitud para el galvanizado, los aleantes nopueden añadirse libremente.

Además de la composición química, también deben tenerse en cuenta losparámetros de proceso. Los aceros para construcción sometidos a un posteriorproceso de normalización requieren un tratamiento termomecánico especial enla laminación en caliente.

Los grados de acero para construcción laminados en caliente se identifican conlos códigos S185, S235J, etc. Se utilizan en perfiles, contenedores, depósitos,mobiliario urbano, etc.

No se dispone todavía de una norma EN relativa a los aceros para laconstrucción laminados en frío. Normalmente, las especificaciones de estosproductos se basan en la norma alemana DIN: St34, St37, etc.

Los grados de acero para construcción sometidos a recocido continuo con unascaracterísticas mecánicas garantizadas se comercializan bajo el nombreSIDCA? SE. Ofrecen como ventajas adicionales una limpieza superficial y unaplanitud excelentes.




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3.3 Aceros de alta resistencia

Acero de alta resistencia o HSS es el nombre genérico con el que se conocenlos grados de acero con elevados valores de limite elástico y de resistencia a latracción, en comparación con los aceros de construcción convencionales.Presentan, asimismo, adecuadas propiedades de conformabilidad y soldabilidad.

3.3.1 Acero microaleado de alto límite elástico (aceros HSLA)

Los aceros HSLA son grados de alta resistencia, obtenida a través de laadición de elementos microaleantes (tales como niobio, titanio y vanadio) quesustituyen a los elementos intersticiales convencionales (carbono y nitrógeno) osustitutivos (manganeso, silicio, fósforo). Estos microaleantes mejoran lasoldabilidad. El aumento de la resistencia se debe a la reducción del tamaño degrano, combinada con un endurecimiento producido por la presencia deprecipitados.

Los aceros HSLA se emplean en aquellas aplicaciones en las que suspropiedades (resistencia, ductilidad y soldabilidad) resultan especialmenteventajosas. Su utilización se traduce frecuentemente en una reducción delpeso.

Los aceros HSLA se comercializan como productos laminados en caliente, enfrío y recubiertos.

El acero HSLA sometido a recocido continuo se comercializa bajo la marcaregistrada SIDCA? M. Estos grados ofrecen unas características mecánicasextremadamente uniformes, así como una limpieza superficial y una planitudexcelentes.

3.3.2 Aceros Bake-hardening

Paradójicamente, los aceros Bake-hardening combinan dos característicasaparentemente incompatibles: adecuada aptitud para la embutición profunda yalta resistencia.

Durante el proceso de conformación, estos grados resultan blandos y dúctiles,pero se endurecen significativamente tras el curado de la pintura comoresultado del bake-hardening. Sus valores r y n son elevados, logrando así suaptitud para la embutición profunda y una resistencia mínima garantizada. Conel curado en horno de la pintura (>160°C durante 20 min) realizado en lasinstalaciones del cliente, su resistencia aumenta entre 40 y 80 MPa.

Esto se debe a un envejecimiento especial del acero que se produceúnicamente a altas temperaturas. El elemento causante del envejecimiento




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natural es el nitrógeno, un átomo de reducido tamaño con una movilidadsuficiente para que su difusión hacia las dislocaciones (que inmoviliza) seproduzca a temperatura ambiente. En el proceso de bake-hardening, el efectode envejecimiento se debe a la difusión de carbono. A temperatura ambiente,la movilidad de los átomos de carbono es demasiado baja para que seproduzca su difusión hacia las dislocaciones; para ello se requiere una elevadatemperatura.

Los grados Bake-hardening resultan especialmente adecuados paraaplicaciones en el sector del automóvil, para la fabricación de componentestales como puertas, techos, portones de maletero, etc. La fabricación de estoscomponentes requiere un acero con buenas propiedades para la embuticiónprofunda. Por otra parte, también requieren una alta resistencia que permitareducir el espesor de la chapa, a fin de reducir el peso del vehículo y elconsumo de carburante. El producto acabado ofrece, asimismo, una mayorresistencia al deterioro por partículas de grava y abolladuras en general,especialmente interesante en carrocerías de vehículos.

Los especificaciones de grados Bake-hardening se basan en la norma SEW093 (grados ZstE 180 BH, ZstE 220 BH, etc.).

3.3.3 Aceros refosforados

Los aceros refósforados son aceros de alta resistencia, con bajo contenido encarbono y manganeso y con adición de fósforo. Se comercializan comoproductos laminados en frío o galvanizados.

El fósforo es un aleante que aumenta significativamente la resistencia del aceropor sustitución. Incluso en cantidades reducidas, permite limitar la pérdida deductilidad.Estos grados se clasifican como ZStE 220P, ZstE 260P, según la norma SEW094. Si se galvanizan por inmersión en caliente, se denominan H220PD+Z,H260PD+Z, según la norma prEN 10292.

3.3.4 Aceros IF-HSS

En la industria del automóvil, se observa una creciente tendencia hacia lautilización de grados de acero de alta resistencia. Esto se debe a la necesidadde producir automóviles más ligeros y por lo tanto más económicos,manteniendo sin embargo excelentes prestaciones de seguridad. Los gradosde acero bake-hardening fueron el primer paso hacia el material de altaresistencia, pero su campo aplicación es limitado. Especialmente para lafabricación de piezas complejas, estos aceros no ofrecen la conformabilidadnecesaria. Esto ha llevado a un aumento de la demanda de grados HSS conuna ductilidad mejorada: los aceros IF-HSS (aceros de alta resistencia carentesde elementos intersticiales)




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Se trata de aceros IF aleados al titanio y al niobio. Se utilizan, principalmente,como material electrocincado o galvanizado por inmersión. Al igual que losaceros IF, son aceros degasificados al vacío con contenidos ultra-bajos decarbono residual. Debido a la ausencia de elementos intersticiales, ofrecen unaalta ductilidad. Su elevada resistencia se obtiene mediante la adición defósforo.

Los aceros IF-HSS galvanizados por inmersión se comercializan comoH180YD+Z, H220YD+Z, etc. (norma prEN10292). Los aceros IF-HSSlaminados en frío y no galvanizados, aparecen en el catálogo de productoscomo IF HSS 220, etc.

3.3.5 Aceros multifase

Se trata de aceros de alta resistencia desarrollados recientemente. Se conocentambién como aceros de resistencia ultra alta (UHSS). La elevada resistenciade estos materiales se debe a la presencia de una segunda fase y a lareducción del tamaño del grano.

Los principales grados UHSS son:? Grados de acero de fase dual (DP), comercializados como material

laminado en caliente (DP600) y galvanizado por inmersión (DP500+Z yDP600+Z) (sobre pedido). Además de ferrita, contienen martensitacomo segunda fase.

? Los aceros ferrítico-bainíticos (FB), comercializados como materiallaminado en caliente (FB600). Además de ferrita, contienen bainita.

Sus aplicaciones más habituales son las llantas (FB) y discos de ruedas (DP).Además de la resistencia, son especialmente importantes su soldabilidad yresistencia a la fatiga.

Para formar la segunda fase (bainita o martensita), el acero debe alearse conuna elevada cantidad de manganeso, pues es la única manera de evitar laformación de perlita (ver curvas TTT).

En el caso de los grados de acero de fase dual galvanizados por inmersión, se debetener en cuenta el paso de la banda por el baño de cinc fundido después del recocido.Para formar martensita sin que se produzca perlita ni bainita, la aleación debe tener unmayor contenido de manganeso, cromo y molibdeno.



UD.4 – La superficie 1

U.D. 4 LA SUPERFICIE


1.1 Introducción

CAPITULO 2 LA RUGOSIDAD

2.1 Introducción2.2 Aplicación de la rugosidad2.3 Medición de la rugosidad2.4 Parámetros de la rugosidad2.5 Influencia de la calidad superficial en el producto final

CAPITULO 3 LIMPIEZA DE LA SUPERFICIE

CAPITULO 4 EL ACEITADO

CAPITULO 5 DEFECTOS DE SUPERFICIE

5.1 Defectos superficiales debidos a la laminación en caliente5.2 Defectos superficiales debidos al decapado5.3 Defectos superficiales debidos a la laminación en frío5.4 Defectos superficiales debidos al revestimiento

CAPITULO 6 CONTROL DE LA CALIDAD SUPERFICIAL



UD.4 – La superficie – Cap.1 Introducción 2


Además de las propiedades químicas, metalúrgicas y de recubrimiento, laspropiedades topográficas constituyen otra de las características relevantes delos productos planos de acero. La rugosidad, la limpieza superficial y laausencia de defectos superficiales resultan factores significativos en estecontexto. Además, también el aceitado repercute en las características delproducto final y en las propiedades del material de cara a posterioresprocesamientos del mismo.

En los productos laminados en caliente sin decapar, los requisitos relativos a lacalidad superficial son habitualmente menos estrictos, dado que estosproductos suelen someterse a tratamientos posteriores o se utilizan enaplicaciones menos críticas. No obstante, los defectos superficialesimportantes, como sojas, agujeros, etc. no son aceptables en ningún caso.

Dependiendo de la aplicación final, los defectos superficiales producidosdurante la fase de laminación en caliente serán aceptables hasta cierto punto.No obstante, el material laminado en caliente y decapado deberá cumplir unosrequisitos más estrictos con respecto a la calidad superficial y, de hecho, seconsideran inaceptables tanto un sobredecapado como un decapadoinsuficiente. Los fabricantes de ruedas son los clientes más exigentes encuanto a especificaciones de calidad superficial para material laminado encaliente y decapado.

En el caso de productos finales laminados en frío, los requisitos relativos a sucalidad superficial son especialmente estrictos, y sólo se toleran ciertosdefectos superficiales, dependiendo de la aplicación. A todo ello se suma elhecho de que los productos laminados en frío deben cumplir una serie deexigencias en materia de rugosidad y limpieza superficial.

Los productos recubiertos también deben presentar una elevada calidadsuperficial. En el caso de productos recubiertos por medio de tratamientostérmicos (galvanizado por inmersión en caliente o recubrimiento con aluminio oaluminio/cinc), se establecen tres categorías de calidad superficial (normal,mejorada y superior). Adicionalmente, el cliente puede solicitar unrecubrimiento con o sin estrella. Por su parte, los productos recubiertos porelectrolisis únicamente están disponibles en calidades superficiales mejoradaso superiores.



UD.4 – La superficie – Cap.2 La rugosidad 3

CAPITULO 2 LA RUGOSIDAD

2.1 Rugosidad

Al igual que en los mapas topográficos empleados en geología, la topografía deuna chapa de acero presenta “picos” y “valles”. A escala micro-geométrica,estas irregularidades de la superficie se denominan “rugosidad”.

La topografía de la chapa de acero resulta extremadamente importante en elprocesamiento posterior que tendrá lugar en las instalaciones del cliente, dadoque determinará el comportamiento del acero durante el proceso deconformación, así como el aspecto de la pintura que se aplicaráposteriormente. Otros procesos, como el soldeo o la aplicación de adhesivos,dependen en menor medida de la topografía del acero.Durante el proceso de conformación, la superficie de la chapa entra encontacto con la matriz y el troquel de la prensa de conformación. Elcomportamiento del acero en su proceso de conformación es extremadamentecomplejo y se ve afectado por diversos parámetros. La presión ejercida por laprensa se distribuye sobre los “picos”, mientras que los “valles” funcionan comodepósitos del agente lubricante en los que también se acumulan residuos. Unaelevada rugosidad permite a la superficie del acero retener una gran cantidadde aceite que, de este modo, actuará como lubricante durante el proceso deconformación.

Y al contrario, lograr que el aspecto de la pintura sea uniforme depende engran medida de que la superficie del acero presente un alto grado de planitud -es decir, que presente un nivel bajo de rugosidad - ya que una topografía debajo perfil puede disimularse fácilmente mediante la aplicación de capas depintura.

Por lo tanto, pueden distinguirse dos tipos de aplicaciones:

? aquellas en las que el aspecto de la pintura sea de la máximaimportancia, por ejemplo, en neveras, hornos microondas, etc.? aquellas en las que una buena aptitud al conformado del acero seconvierte en un factor preeminente: bañeras, carretillas, hormigoneras…

Para algunas aplicaciones, como la fabricación de piezas expuestas deautomóvil, el ideal sería poder combinar ambas condiciones, por lo que se seránecesario alcanzar un nivel de equilibrio en cuanto a la rugosidad del material.

Existen diversos términos que se utilizan a la hora de definir el grado derugosidad: brillante, satinado, mate, rugoso, etc. Pero, a pesar de que estostérminos dan una idea aproximada del grado de rugosidad, no son suficientes




desde un punto de vista cuantitativo. Es necesario disponer de unosdescriptores numéricos para referirse de manera más precisa a la rugosidadsuperficial, lo que hace necesario la determinación de métodos decuantificación y de parámetros de rugosidad específicos.




2.2 Aplicación de rugosidad

La primera de las dos fases en las que se aplica rugosidad al acero tiene lugardurante la laminación en frío, en la última caja del tren tándem. Esta “rugosidadtándem” se aplica para facilitar los procesos posteriores a los que se somete elmaterial. Por ejemplo, evita que se produzcan pegaduras en el proceso derecocido en campana y mejora el comportamiento de la banda durante elrecocido continuo y el proceso de galvanizado por inmersión en caliente. Larugosidad final se aplica en el tren témper después del recocido.

Para que el acero presente la rugosidad deseada, la textura superficial de loscilindros de trabajo del tren tándem queda marcada sobre la superficie de lachapa de acero.

En términos generales, se distinguen dos tipos de procesos de recubrimiento:por deposición electrolítica o por inmersión en caliente. En el recubrimientoelectrolítico, se utiliza como material de entrada una banda que ya ha sidosometida a recocido y que presenta cierto grado de rugosidad, a la que seaplica una capa de cinc (ZE) o cinc-níquel (ZNE) a una temperaturarelativamente baja (entre 50 y 60°C). Con este proceso, se mantiene el patrónde rugosidad existente en el acero, lo que significa que la deposiciónelectrolítica prácticamente no repercute en las propiedades mecánicas de larugosidad.

En los procesos de recubrimiento por inmersión en caliente (por ejemplo, en elgalvanizado o aluminizado por inmersión en caliente), el sustrato se sumergeen un baño de cinc o aluminio fundidos. La temperatura del baño esrelativamente alta, dependiendo de la temperatura de fundición delrecubrimiento (aprox. 460°C para Z, y aprox. 680°C para AS). En ambos casos,es preciso precalentar el sustrato para poder aplicar el recubrimiento, por loque antes de sumergirlo se somete el material a un proceso de recocido,aplicado en la misma línea de recubrimiento. El sustrato que entra en la líneaes full hard (o laminado en caliente) y no ha sido sometido a recocido, lo queimplica que el acero no adquiere las propiedades mecánicas adecuadas hastaque no abandona la sección de recubrimiento. Tras el proceso de recubrimientopor inmersión en caliente, el recubrimiento metálico fundido se solidifica en elsustrato y cubre completamente la rugosidad existente. Las propiedades finalesde rugosidad se obtienen una vez aplicado el recubrimiento, al pasar el materialpor la sección de skinpass, aunque, no obstante, no todo el material essometido a este tratamiento.

Dada la importancia de la rugosidad y cómo ésta afecta tanto alcomportamiento en prensa como al aspecto de la pintura, es necesario conocerlas diferentes clases de rugosidad existentes y cuáles son los diferentesmétodos para la aplicación de rugosidad a los cilindros.




2.2.1.1 Texturización por granallado (técnica SBT)Una turbina chorrea granalla de acero contra la superficie del cilindro. Losresultados dependen únicamente del tipo de granalla utilizado (forma, tamaño,dureza, etc.) y de la velocidad de la turbina.

Las principales desventajas de la técnica SBT son:? No se pueden variar de forma independiente los parámetros derugosidad, como el número de picos y el valor Ra.? Los resultados siempre abarcan una amplia gama.? El proceso necesita un alto grado de mantenimiento.? La rugosidad del acero muestra un alto grado de ondulación.

2.2.1.2 Texturización por electrodescarga (EDT)Las descargas eléctricas generan chipas que provocan pequeñas marcas en lasuperficie del cilindro. Con esta técnica resulta más difícil limitar la influenciasobre los resultados finales pero es más fácil de controlar que la SBT.

2.2.1.3 Texturización por láser (LT)Se puede utilizar un láser para aplicar rugosidad Lasertex® al cilindro. Larugosidad generada está formada por una sucesión de cráteres adyacentes,situados a una distancia constante de la espiral del cilindro. Estos cráteres seproducen por la fusión localizada de la superficie del cilindro, y presentan unborde circular que sobresale de la superficie del mismo.

Sin embargo, la técnica Lasertex® presenta ciertos inconvenientes, como lacorta vida útil de los cilindros, que no se observan en el proceso EBT.

2.2.1.4 Texturización por haz de electrones (EBT)Se introduce en una cámara de vacío el cilindro a texturizar, donde va girandoa la vez que se le somete a la acción de un haz de electrones modulado, con elresultado de la aparición de pequeños cráteres regulares en la superficie delcilindro. Al contrario que otras técnicas, el haz de electrones puede controlarsecon una gran precisión, a la vez que el vacío evita la formación de óxidosfrágiles. Esta técnica puede utilizarse para producir una amplia variedad detexturas de rugosidad reproducibles.

Cuando al cilindro del tren témper se le aplica una rugosidad empleando latécnica EBT, la texturización se denomina SIBETEX®, cualquiera que sea latécnica utilizada para producir la rugosidad del cilindro del tren tándem. Latécnica EBT tiene la ventaja de poder combinar un buen aspecto de la pinturacon un alto nivel de rugosidad, lo que supone una buena conformabildad delmaterial.




2.2.1.5 Electrodeposición con cromo (ECD)

Esta técnica de creación relativamente reciente fue introducida en Salzgitter yse comercializa con el nombre de Pretex®. Consiste en hacer girar un cilindrosumergido en un electrolito con cierto contenido en cromo entre una serie deelectrodos. De esta forma, se depositan varias capas de cromo en forma desemiesferas, variando el tamaño de los depósitos y el grado de recubrimiento almodificar los parámetros del proceso.

Dado que se trata de un desarrollo muy reciente no existen aún estudioscomparativos con otras técnicas.




2.3 Medida de la rugosidad

La topografía o rugosidad de la chapa de acero suele medirse con unprofilómetro bidimensional, mediante el cual se examina el perfil de rugosidadcon la ayuda de una aguja de diamante. Las mediciones tridimensionales,realizadas mediante el barrido de un determinado número de perfilesadyacentes hasta completar un modelo tridimensional de la superficie, resultanútiles en las áreas de investigación y control interno del proceso, pero se tratade técnicas que requieren cierto tiempo. No obstante, en los últimos años sehan venido desarrollando diversos métodos de medición de la rugosidad porsistemas ópticos en los que se elimina esta desventaja.

Por otra parte, la recientemente desarrollada rugosidad EBT puede definirsesegún los parámetros tradicionales de rugosidad, utilizando un sencilloinstrumento de medición bidimensional.

2.3.1.1 Principio de la medición tradicional de la rugosidad con sistemabidimensional

La mayoría de los instrumentos utilizados en la industria para medir larugosidad siguen el principio de perfilometría, representado en la siguientefigura.

El dispositivo de accionamiento (5) desplaza una aguja de diamante (2) sobrela chapa a una velocidad constante para realizar el barrido de la superficie (4).El movimiento vertical de la aguja se convierte, por medio de un transductor (1),en una señal de medición (6). El movimiento vertical se mide con relación a unasuperficie de referencia (3). La señal de medición puede ser análoga o digital.Se han normalizado los valores de velocidad horizontal, longitud de barrido,longitud de muestreo (longitud sobre la que se calculan los parámetros) ymétodo de filtrado. La función del filtro (8) es distinguir en el perfil medido entrerugosidad, ondulación y los defectos de forma.

2.3.1.2 FiltradoLa diferencia que hay entre los términos “defecto de forma”, “ondulación” y“rugosidad” radica únicamente en su grado y podría decirse que es unadistinción un tanto artificial. La ondulación hace referencia a defectos en losque la distancia vertical entre los picos es mucho mayor que la amplitud de lospicos (con una variación de entre 1000:1 y 100:1). Las variaciones de perfil conunas longitudes de ondas mayores se consideran defectos. La siguiente figurarepresenta cómo se desglosa un perfil en rugosidad, ondulación y defecto.

Es posible establecer estas diferencias en el proceso de filtrado gracias a lautilización de una longitud de onda de corte específica (? de cut-off). Ésta sedefine como la longitud de onda de una hipotética superficie sinusoidal, que




permite que el 50% de la amplitud pase el filtro. La siguiente figura muestra lascaracterísticas de filtrado de un filtro de Gauss para longitudes de ondas de:

? ? f de corte = 8 mm defecto / ondulación (bajapermeabilidad)

? ?c de corte = 2,5 mm ondulación / rugosidad (bajapermeabilidad)

? ?s de corte = 8 µm ruido de fondo (alta permeabilidad)

En otras palabras, los perfiles topográficos que presentan unas longitudes deonda mayores que la longitud de onda de corte ?c se consideran ondulaciones,mientras que aquellos perfiles que presentan longitudes de onda inferiores a lade longitud de onda de corte ?c se consideran rugosidades.

En la determinación de ondulación, es necesario eliminar el defecto de formaque aparece en el perfil medido y, de hecho, el mismo problema se plantea a lahora de determinar la diferencia entre rugosidad y ondulación. El defecto deforma, que se caracteriza por mayores longitudes de onda que la ondulación,suele eliminarse trasladando este perfil a una línea de referencia que tenga lamisma forma que el perfil nominal. Normalmente, esto se realiza minimizandola suma de los cuadrados de las desviaciones. La mayoría de las normasinternacionales conciben esta línea de referencia como una línea recta. Laeliminación del defecto de forma no constituye un factor tan importante a lahora de cuantificar la rugosidad, ya que los componentes de mayor longitud deonda (es decir, ondulación) se eliminan en el filtrado. Sin embargo, alcuantificar la ondulación propiamente dicha, es absolutamente necesarioeliminar el defecto de forma, que es el que marca el límite superior de corte dela ondulación.

Nota: En casi todos los gráficos que muestran perfiles de rugosidad, la escalautilizada en el eje Y (µm) es diferente a la utilizada en el eje X (mm).

En el siguiente gráfico se incluyen un perfil no filtrado y el perfil de ondulaciónobtenido tras la aplicación de un filtro de Gauss de 0.8 mm; en la parte inferioraparece el perfil de rugosidad (tras aplicar un filtro de Gauss de 0.8 mm).




2.4 Parámetros de rugosidadEl objetivo a alcanzar es cuantificar el perfil medido utilizando el menor númerode parámetros posible. En la industria siderúrgica, los parámetrosespecificados más frecuentes son la rugosidad media (valor Ra) y el recuentode picos (RPc). Todos estos parámetros se miden a partir de la media del perfilde rugosidad. Esta línea media divide el perfil de tal manera que el área de lospicos (situados por encima de la línea media) es igual que el área de los valles(situados por debajo de la línea media).

2.4.1.1 Rugosidad media (Ra)

La definición de Ra es : RaL

z dxL

? ? ??1

0

donde L es la longitud de muestreo, normalmente L = 5 * ?cz es la altura del perfil de rugosidad medida a partir dela línea de referencia (línea media después del filtrado).

Ra es, por tanto, una representación gráfica de la altura media de un perfil, si lasección que se encuentra por debajo de la línea media está reflejada sobre lalínea media (ver figura más abajo). Ra es el parámetro más utilizado para medirla rugosidad.

El parámetro Ra suele determinarse para la mayoría de las aplicacionesutilizando ?c = 0.8 mm. Sin embargo, la industria siderúrgica está empezando aaplicar un filtro de Gauss con un valor de corte mayor, ?c = 2.5 mm (‘StahlEisen Prüfblatt’ SEP1940). La utilización de esta longitud de onda de corte ?cpermite incluir longitudes de onda mayores (hasta 2.5 mm) a la hora de calcularel valor Ra. Esto significa que el parámetro Ra dará una indicación más precisasobre el aspecto de la pintura, ya que las longitudes de onda mayoresrepercuten negativamente en el aspecto de la pintura.

2.4.1.2 Recuento de picos (RPc)Para determinar el recuento de picos, o RPc, se trazan dos líneas secantesequidistantes de la línea media, una por encima de ésta y otra bajo ella. Elvalor RPc cuenta los picos que sobrepasan la línea superior como la líneainferior.

El valor RPc se define como el número de picos existentes por cm (picos/cm).En el contexto siderúrgico actual, el valor RPc se determina aplicando lasmismas normas que para el cálculo del valor Ra (SEP1940 [4]). Las dos líneasse han trazado a una distancia de aproximadamente 0.5 µm con respecto a lalínea media. Comúnmente, se especifican unos valores altos de RPc(normalmente RPc > 70 picos/cm) para obtener un buen aspecto de la pintura.




2.4.1.3 Distancia media (Sm)Si el valor Sm,i es la distancia horizontal entre intersecciones sucesivas de lalínea media que define el periodo, entonces la distancia media entre los picospuede definirse como:

Sn

Sm m i? ?1

,

donde n es el número de picos de la longitud de muestreo.

2.4.1.4 Distribución de altura, curva de AbbottEs evidente que la utilización de los tres parámetros mencionados hasta ahora(Ra, RPc y Sm) no permite obtener una descripción íntegra de un perfil derugosidad. Por ello, también se ha extendido la aplicación de la curva dedistribución de alturas de picos (histograma) y de la curva de porcentaje decontacto (curva de Abbott). Ambas curvas permiten analizar exhaustivamentela distribución de los diversos componentes a una altura de perfil determinada,ya que proporcionan información estadística tanto sobre el perfil vertical comosobre el perfil lateral (ver figura). La curva de distribución de alturas de picos esun gráfico en el que se expresa la distribución de frecuencias para una alturade picos determinada (comparable al histograma utilizado en estadística). Eneste caso, se pueden utilizar parámetros estadísticos, como la simetría y lacurtosis, para caracterizar el histograma. La curva de Abbott, la cual presentaesta distribución de alturas de forma cumulativa, tiene un significado físico:puede considerarse como una “curva de porcentaje de contacto”.

Al presionar una chapa perfectamente plana contra una superficie rugosa, lachapa entra en contacto, en primer lugar, con el pico más alto del perfil. Justoantes de que se produzca ese contacto, el porcentaje de la superficie contactosupondrá del 0% del área medida. Si posteriormente se presiona la chapa sinque ésta sufra ninguna deformación, el porcentaje de material irá aumentandode forma progresiva hasta alcanzar el 100%, momento en el que entra encontacto con el valle más profundo. Este concepto es muy similar al desgastegradual de los picos del perfil en ensayos de desgaste o abrasión. La curva deAbbott puede utilizarse para definir varios parámetros de acuerdo con la normaISO 13565-1/96. Un perfil con una asimetría negativa (por ejemplo, un perfilcon un porcentaje de superficie de mesetas) normalmente tendrá buenaspropiedades tribológicas.

2.4.1.5 Método MotifTodos los parámetros anteriores se calculan a partir de la línea media del perfilde rugosidad. A principios de la década de los 70, la industria francesa delautomóvil comenzó a buscar un método alternativo para determinar la




rugosidad y la ondulación. Se empezó a utilizar el término “motif” para designara una sección del perfil comprendida entre dos picos (por lo que siempreincluirá un valle). Un motif está definido por 3 puntos y se representagráficamente con 3 líneas.

En este caso, no se tienen en cuenta las pequeñas irregularidades. En otraspalabras, se intentan combinar diferentes motifs para obtener un motif másrepresentativo que tendrá que cumplir 4 criterios para ser considerado válido (elpico común no debe exceder los 2 límites -máximo y mínimo-, el nuevo valor Tdebe ser igual o mayor que los 2 valores T “anteriores”, etc). Se introducen“operadores” para establecer la diferencia entre ondulación y rugosidad.

Norma ISO:? operador de rugosidad 0.5 mm? operador de ondulación 2.5 mm

La longitud del motif debe ser siempre inferior al operador: es decir, para AR<0.5 mm, y para AW <2.5 mm.

La ondulación se representa gráficamente uniendo los puntos más altos de losmotifs de rugosidad (línea envolvente superior) y corrigiéndolos, sin tener encuenta los valores situados fuera del rango. Utilizando este perfil de ondulación,se buscan motifs siguiendo este mismo procedimiento. Los parámetros R & Windican la altura media de estos motifs de rugosidad y ondulación. El cálculo deestos parámetros se ha estandarizado en la norma ISO 12085. Las siguientesfiguras representan un motif de ondulación (arriba) y un motif de rugosidad(abajo).

2.4.1.6 FFTLa técnica FFT (transformada rápida de Fourier), permite desglosar el perfil derugosidad en diferentes frecuencias (o longitudes de onda). Los resultados deun análisis FFT permiten prever con cierta precisión cuál será el aspecto de lapintura, ya que éste depende principalmente de las longitudes de frecuencialargas.

La figura que aparece a continuación representa el análisis FFT de un perfil derugosidad. La amplitud media de la longitud de onda larga (representada por lalínea roja en el gráfico inferior) permite prever cuál será el aspecto de lapintura.




2.5 Influencia de la calidad superficial en el producto final

La topografía superficial de la chapa de acero juega un papel importante enmuchos procesos, como en la conformación y en la aplicación de pintura.

Durante el proceso de conformación, el comportamiento de fricción (tribología)de la chapa de acero con respecto a la herramienta dependerá de la rugosidadde la superficie. El comportamiento tribológico viene determinado por elcontacto entre los picos de ambas superficies a medida que éstas se desplazanuna sobre la otra. Esta superficie de contacto representa sólo una pequeñafracción del total de la superficie geométrica.

Además, la superficie de la chapa debe contener el número suficiente de vallespara retener el aceite necesario - es decir, para conseguir la lubricaciónadecuada - y para prevenir defectos superficiales derivados del rozamiento.Los valles también deben ser el tamaño suficiente para poder albergarcualquier residuo que se forme en el proceso de conformación, manteniéndolosasí lejos las zonas de contacto. De no ser así, la chapa podría resultarseriamente dañada durante el proceso de conformación y si esto sucede, esnecesario proceder a la limpieza del equipo, lo que se traduce en paradas ypérdidas de producción.

Además del proceso de conformación de la chapa de acero, su aspectodespués de la aplicación de la pintura es un criterio de calidad de sumaimportancia en la industria. Además de determinar las propiedades físicas,químicas y de aplicación de la pintura, la topografía también afecta al aspectode la misma.

Ambas aplicaciones (conformación y aspecto de la pintura) requieren unatopografía específica de la chapa de acero. Sin embargo, los requisitostopográficos para alcanzar una buena aptitud al conformado del material no sondel todo compatibles con las características topográficas necesarias paraobtener un buen aspecto de la pintura.

Siempre se ha dicho que cuanto mayor sea el grado de rugosidad del material,mejores serán sus propiedades de conformabilidad y peor será el aspecto delmismo tras la aplicación de la pintura. No obstante, los métodos detexturización de reciente desarrollo, como la técnica de EBT, pueden simularvarios tipos de topografías y permiten obtener un buen acabado de pinturaincluso cuando el material presenta un alto índice de rugosidad (esto es, buenaconformabilidad).

Las investigaciones más recientes determinan que los cráteres deben guardaruna mínima separación entre ellos, es decir, deben ser adyacentes. Estatextura, que puede determinarse mediante los parámetros y equipos de




medición de rugosidad utilizados habitualmente, permite obtener propiedadesmejoradas de embutición profunda y un buen aspecto del material tras laaplicación de la pintura.

Los estudios realizados en este campo han puesto de manifiesto que es laondulación, y no la rugosidad, el factor que repercute negativamente en elaspecto de la pintura. La representación gráfica tridimensional de la rugosidadantes, durante y después de la aplicación de pintura (ver figura) demuestra quela ondulación no desaparece tras aplicarle la pintura, mientras que la rugosidad(cráteres), sí.



UD.4 – La superficie – Cap.3 Limpieza de la superficie 15

CAPITULO 3 LIMPIEZA DE LA SUPERFICIE

La limpieza de la chapa de acero constituye un factor fundamental para losmateriales laminados en frío, un proceso en el que los mayores problemas sonaquellos que se derivan de la presencia de finos de hierro y de carbonosuperficial. Los finos de hierro son partículas de hierro muy pequeñas que sedesprenden de la superficie del acero durante la laminación por acción de laselevadas fuerzas de cizallamiento que se producen entre la chapa de acero y elcilindro.

Tanto los finos de hierro como el carbono superficial repercuten negativamenteen el aspecto de la chapa y en los posteriores tratamientos o recubrimientos alos que se somete el material: galvanizado, recubrimiento orgánico, etc.También es preciso eliminar estos contaminantes a la hora de fabricar la carainterna de bidones o en los procesos de conformación de piezas expuestas.

Prácticamente la totalidad del carbono amorfo y de los finos de hierro sonproducto del proceso de laminación en frío y de todo lo que este procesoconlleva: aplicación de emulsión refrigerante, rociado y secado de la chapa,grado de reducción, velocidad de laminación y recocido. Es importante utilizarun refrigerante con unas propiedades lubricantes óptimas que permitanalcanzar la máxima velocidad de laminación con una producción mínima definos de hierro, y, con ello, obtener un alto grado de limpieza superficial delacero. Otra norma general es que cuanta mayor sea la dureza del material,mayor será la fuerza de laminación requerida y mayor será el riesgo de obteneruna superficie contaminada.

La película de aceite también influye en el grado de limpieza de la superficie dela chapa de acero. En el proceso de recocido, la película de aceite aúnpresente se evapora parcialmente y se elimina junto con el gas protector.Cuanto mejor sea la circulación y el suministro de gas bajo la cubiertaprotectora o en el horno de recocido, más limpia será la superficie de la chapa:

? En el proceso de recocido en campana con gas HNx (95% N2 + 5% H2),el gas protector no puede eliminar los residuos de aceite existentes entrelas espiras, lo que deriva en un nivel relativamente elevado de deposiciónde carbono en la superficie.? En el proceso de recocido en campana con hidrógeno, que es unamolécula muy pequeña, el gas protector penetra mejor entre las espiras, loque implica una mejor limpieza superficial al finalizar el ciclo de recocidofrente a la resultante cuando se utiliza HNx.? En la sección de entrada del horno de recocido continuo, la chapa se vesometida a un exhaustivo proceso de limpieza y desengrasado antes depasar al recocido. En este proceso, la banda se desbobina y ambos ladosentran en contacto directo con los gases “de limpieza”. Entre otras



UD.4 – La superficie – Cap.3 Limpieza de la superficie 16

propiedades, la calidad superficial del material sometido a recocido continuopresenta un destacado nivel de limpieza una vez concluido el proceso.

La limpieza de la chapa suele determinarse utilizando un sencillo método: sepega una cinta adhesiva normal en la chapa seca, se quita rápidamente y luegose pega sobre un cartón. Se mide entonces la reflectividad del cartón, siendoésta la que nos indica el grado de limpieza de la chapa.



UD.4 – La superficie – Cap.4 El aceitado 17

CAPITULO 4 EL ACEITADO

A petición del cliente, se puede aplicar una capa de aceite por ambas cara delmaterial, tanto si se trata de chapa laminada en caliente y decapada, laminadaen frío o recubierta.

El tipo y la cantidad de aceite a aplicar dependen de los procesos posteriores alos que se va a someter el material en las instalaciones del cliente, laslimitaciones de éstas y, sobre todo, de la rugosidad del acero, pues, porejemplo, la chapa laminada en frío con bajo nivel de rugosidad tiene unasuperficie lisa y puede solamente retener una cantidad muy limitada de aceite.

El aceitado del acero se realiza, fundamentalmente, para protegerlo de lacorrosión durante su transporte y almacenamiento. Algunos tipos de aceitetambién actúan como lubricante, lo que mejora la conformabilidad del material yminimiza la necesidad de volver a aceitarlo durante el proceso deconformación.

La cantidad de aceite viene indicada en g/m2 o como ligeramente aceitado,aceitado normal, aceitado abundante, etc. Los tipos y cantidades aceites quese pueden aplicar, así como otros detalles, se especifican en las tablas deacondicionamiento para cada una de las líneas de producción que aparecen enel último catálogo de productos.

La aplicación del aceite se realiza mediante unos rodillos de fieltro oelectrostáticamente. Se puede aplicar aceite a todo tipo de material excepto alas bobinas sin decapar. Las unidades de aceitado están ubicadas a la salidade la unidad de decapado, en la línea de recocido continuo, en el tren témper(skinpass), a la salida de cada una de las líneas de recubiertos, y en las líneasde inspección o corte.

Los grados del aceite dependen del equipo y la cantidad de aceite que puedeaplicarse a la chapa depende en gran medida de su rugosidad. En términosgenerales, la cantidad normal es entre 0 y 2.0 ~ 0.5 g/m2 por cada lado. Se hanestablecido las siguientes categorías: no aceitado, muy ligeramente aceitado,ligeramente aceitado, aceitado normal y aceitado abundante. Para conocermás detalles al respecto, consultar las hojas de datos de acondicionamiento enel catálogo de productos.

Si el aceite aplicado a la chapa es excesivo en relación a la rugosidad de lamisma, se producirá un goteo del aceite de las bobinas o de los paquetes o desus respectivos embalajes.

Por otro lado, la cantidad de aceite aplicado es insuficiente, surgirándificultades en el proceso de conformación o se formará óxido.



UD.4 – La superficie – Cap.4 El aceitado 18

La elección del tipo de aceite es una cuestión primordial. El aceite se utilizacomo una protección temporal contra la corrosión y sirve de gran ayuda en elproceso de conformación. La elección de un grado específico de aceite se haceen base al destino del material, al tipo de embalaje y, sobre todo, al uso finalque se le va a dar al producto.

Algunos clientes, como los procedentes del sector del automóvil, utilizan unlubricante adicional para procesos complicados de embutición profunda. Eneste caso, se debe prestar especial atención al aceite que aplicado por elfabricante de acero, pues deberá ser compatible con estos lubricantesadicionales.

La mayoría de los tipos de aceite tienden a deteriorarse con el tiempo, a pesarde los esfuerzos que hacen los suministradores de aceite para intentar evitarque esto suceda. Una consecuencia directa de este deterioro es que dificulta laeliminación total de los viejos residuos de aceite del sustrato.

En algunos casos, el cliente puede preferir que el producto no se suministreaceitado, sobre todo en el caso de aplicaciones que no impliquen procesos deconformación muy complejos. Una vez procesada la chapa, puede pintarse lapieza inmediatamente sin necesidad de someter a la misma a un desengrasadoprevio. Para evitar que el sustrato se oxide, el cliente puede solicitar que se leaplique un tratamiento posterior como la fosfatación o el cromatado.

Evidentemente, los pedidos de productos no aceitados que no hayan recibidoun post-tratamiento no pueden estar garantizados contra la corrosión.



UD.4 – La superficie – Cap.5 Defectos de superficie 19

CAPITULO 5 DEFECTOS DE SUPERFICIE

5.1 Defectos superficiales debidos a la laminación en caliente

Evidentemente, el objetivo a cumplir es tratar de minimizar la presencia de losdefectos superficiales más comunes producidos durante el procesamiento delmaterial. Por lo tanto, la programación de las fases de laminación en caliente yen frío deberá tener en cuenta la calidad superficial del material, ya que laobtención de una buena calidad conlleva una serie de restricciones a la hora defabricar ciertos productos en un momento determinado.

El programa de laminación en caliente determina el orden en el que se van aprocesar los productos, y está diseñado en función del grado de acero y delcontenido de la cartera de pedidos. Se debe diferenciar entre la planificacióngeneral de la instalación, en la que se incluye el cambio de los cilindros deapoyo, y el programa de producción detallado, en el que se incluye el cambiode los cilindros de trabajo.

A comienzo de cada programa de laminación, los cilindros se calientanlentamente para alcanzar un buen perfil térmico y evitar así las tensiones deorigen térmico, lo que podría provocar la aparición de grietas en los cilindros.Cada programa entre cambios de cilindros comienza con una fase inicial yacaba con una fase final.

En la fase inicial, la temperatura de los cilindros se eleva hasta los niveles deservicio y al final de esta fase se alcanza el ancho máximo de laminación. En laprimera parte de la fase inicial se procesa material crítico para piezasexpuestas, y, a partir de este momento, el ancho va disminuyendo de formagradual. Dado que el mayor desgaste de los cilindros se produce en la zona encontacto con los bordes de la banda, no es posible, por lo general, pasar otravez a laminar material más ancho en la fase final, lo que significa quedeterminados productos sólo pueden fabricarse una vez cada 10 días,aproximadamente. Excepcionalmente, cabe la posibilidad de cambiar algunascajas de cilindros de forma individual durante un programa, lo que es aplicablea la última caja, que, en la mayoría de las ocasiones, determina la calidad de lasuperficie de la banda. Las primeras cajas también pueden cambiarse duranteun programa si los cilindros están demasiado desgastados evitando, de estemodo, la posibilidad de que aparezcan marcas de óxidos en el producto.

A continuación se describen los defectos superficiales más habituales. Paramás detalles, consultar muestras de referencia y catálogos de defectos de lasdiferentes líneas de producción.

Sojas




Una soja es una superposición irregular o una grieta poco profunda en lachapa; difiere de otros defectos similares por presentar marcas cortas oirregulares. Las sojas suelen ser defectos localizados que se producen deforma dispersa en la superficie.

Costuras

Una costura es una soja con rebaba en el sentido de laminación. Parecen sojasalargadas; la única diferencia entre ellas es su longitud.

Sojas en bordes

Difieren de las sojas o de las costuras en que están localizadas en el borde.Algunos tipos de acero con una composición química específica son másproclives a la formación de sojas en bordes, las cuales suelen producirse a lolargo de un tramo de longitud considerable.

Ampollas

Las ampollas tienen el aspecto de ondulaciones o burbujas que se encuentranbajo la superficie. La chapa parece más gruesa pero, en realidad, esteincremento localizado del espesor se debe al crecimiento indebido de unacavidad. Las ampollas pueden romperse en el proceso de conformación,produciendo así una costura.

Marcas de óxido

Las manchas de óxido parecen puntos negros. No son defectos aislados, sinoque aparecen de forma dispersa por toda la superficie. La superficie de labanda debería estar libre de cascarilla incrustada, presentado únicamente lacapa natural, fina, homogénea y negra de óxido que se forma en la banda entrela entrada a la última caja y las bobinadoras. Algunas clases de acero son másproclives a la formación de óxido que otras. Las manchas de óxido se formanprincipalmente a temperaturas elevadas. Poseen una estructura dura y frágil ydeben ser eliminadas en un descascarillador antes de proceder a la laminación.

Arañazos

Son surcos largos, afilados y finos que se orientan en el sentido de laminación.Se originan con el arrastre de la banda y pueden aparecer por todo el ancho dela misma, aunque casi siempre aparecen únicamente en la cara inferior.Difieren de los defectos de desalineación en número, longitud y ancho.




Marcas térmicas

Forman una red de líneas irregulares perpendiculares al sentido de laminación.Son producto de las grietas termo-mecánicas existentes en los cilindros delaminación.

Marcas mecánicas

Se producen cuando los cilindros, la bobinadora o el rodillo tractor de la mesade rodillos presentan irregularidades, que se transfieren a la banda durante elproceso de laminación.

Incrustaciones

El impacto o vibración de la banda en la caja de salida puede provocar eldesprendimiento de algunas impurezas de las cajas de laminación. Éstas sedepositan sobre la banda y se incrustan en la misma por efecto de lalaminación. Suelen tener forma de cometa con unas finas franjas en la cola y,normalmente, se producen de forma localizada.

Acostillado

Los acostillados se producen durante el proceso de bobinado, de desbobinado,o en los trenes reversibles en los que se ha excedido de forma muy localizadael límite de fluencia de material. Esto puede ocurrir si la tensión es demasiadoelevada o si el radio curvatura es demasiado pequeño.La probabilidad de que surjan acostillados es mayor cuanto más gruesa es lachapa y cuanto más blando es el grado de acero, como en el caso del aceropara embutición profunda.El aspecto de los acostillados es el de líneas Lüder perpendiculares uorientadas aproximadamente a 45° respecto al sentido de laminación. Puestoque la posibilidad de que esto suceda es mayor en las chapas de mayorespesor, los acostillados aparecen con mayor frecuencia en bandas laminadasen caliente. Sin embargo, también pueden producirse en material laminado enfrío e incluso pueden formarse en un proceso posterior, al ser desbobinado enlas instalaciones del cliente.




5.2 Defectos superficiales debidos al decapado

Decapado insuficiente

Si la banda laminada en caliente no se ha decapado lo suficiente, la cascarillade óxido no se elimina por completo.

Sobredecapado

Durante una parada de la línea de decapado, puede que se produzca unsobredecapado. La superficie de la banda laminada en caliente decapadacambia de color y cabe la posibilidad de que su espesor se vea reducido.




5.3 Defectos superficiales debidos a la laminación en frío

Los defectos que aparecen en la banda laminada en caliente lógicamentepermanecen en la banda después de la laminación en frío, aunque presentanuna forma alargada (laminada). La laminación en frío sólo puede eliminar losdefectos mecánicos muy pequeños que se encuentran en la banda laminadaen caliente.

El programa del tren tándem se basa en el cambio de los cilindros de apoyo yde los cilindros de trabajo, el tonelaje, o la longitud requerida. Dentro de cadaprograma, el material se lamina en ancho decreciente, de tal forma quepermanezca dentro de las zonas de desgaste de los cilindros.

El cambio de cilindros afecta, principalmente, a la planitud de la banda, perotambién determina su rugosidad en la última caja.

Los materiales laminados en frío tienen que cumplir unos requisitos de calidadsuperficial cada vez más exigentes. Los defectos más habituales en este tipode materiales son los siguientes:

Manchas de emulsión producidas en el tren tándem

Los residuos de emulsión de los cilindros presentan un aspecto de manchasoscuras e irregulares con bordes negros. En ocasiones se acompañan de laformación de óxido.

Cambio de color por consecuencia del recocido

El color de las zonas irregulares de los bordes de la chapa se torna marrónclaro u oscuro, azul o negro. Algunos grados de acero son más proclives asufrir estos cambios de color durante el recocido. A veces se produce por laoxidación en la sección de recocido en campana. El color adquirido depende dela temperatura.

Pegaduras

Se trata de surcos en forma de U o de media luna perpendiculares al sentidode laminación que se producen cuando las espiras se han soldado durante elrecocido continuo y, posteriormente, separado en el desenrollado de lasbobinas en el tren témper, resultando en una deformación permanente de lachapa.




Daños mecánicos

Son los defectos más habituales que se producen en los materiales laminadosen frío. Las marcas, las indentaciones, y los arañazos pueden aparecer endiferentes etapas del proceso de laminación en frío y de manipulación. Si lasmarcas se reproducen a intervalos regulares, es porque se han transferido a labanda a través de los cilindros o los trenes de laminación. Se puede localizarsu origen midiendo la distancia entre dos marcas.




5.4 Defectos superficiales debidos al proceso de recubrimiento

Al igual que los estratos laminados en caliente y en frío, el acero recubiertopuede presentar marcas, arañazos u otros daños. Aparte de éstos, existenotros defectos habituales en el recubrimiento, algunos de los cualesdescribimos a continuación.

Moho blanco

El rasgo más característico de este defecto es la presencia de puntos blancosen la banda. Su aparición se debe a la oxidación del cinc por la acción de lahumedad en el aire. La capa de cinc se disuelve y el espesor de la capa derecubrimiento disminuye, junto con sus propiedades protectoras. Resultante detodo ello es la formación de óxido de cinc en la banda. Para evitarlo, se puedeaceitar la banda tras la aplicación del recubrimiento metálico o aplicar un post-tratamiento de fosfatado o de cromatado.

Coloración de pasivado

Al aplicar tratamientos de soluciones químicas pasivantes, como un aclaradocon cromato o cromatado, pueden producirse irregularidades que derivan en laaparición de manchas por cromatado. Este defecto se debe a una aplicaciónexcesiva de cromatado, provocando la aparición de manchas amarillas en labanda.

5.4.1 Galvanizado por inmersión en caliente

Natas de cincLa existencia de impurezas en el pote de cinc puede dar lugar a laformación de defectos en el recubrimiento, distinguiéndose entre rayas (enel sentido de laminación) e incrustaciones de natas de cinc. Las natas decinc son finas partículas de metal que se forman en el pote de cinc y queacaban adheriéndose a la superficie del acero cuando se haceninmersiones demasiado violentas en el pote.

Zonas no recubiertasSe trata de lagunas en la capa de recubrimiento debidas a una inmersióninsuficiente del sustrato, producidas principalmente por los óxidos u otrasimpurezas existentes en la superficie de la banda antes de ser sometida alproceso de recubrimiento.

NubesLas nubes conforman unos trazos ondulados, consecuencia de lasirregularidades que se dan en el espesor de la capa de recubrimiento.




Descuelgues (exceso de cinc)Se trata de abolladuras irregulares localizadas de la capa de recubrimientoy perpendiculares al sentido de laminación.

Crestas de cinc longitudinalesSe producen por una obturación local de las cuchillas de aire. Sonrelativamente anchas y discurren en el sentido de laminación.

SalpicadurasLas salpicaduras son irregularidades con forma de puntos que aparecen enel recubrimiento. Se producen por las turbulencias que se generan en lacapa líquida de recubrimiento al desplazarse la banda entre las cuchillas deaire.

5.4.2 Recubrimiento electrolítico

Defectos por contacto con el ánodoEste tipo de defecto se produce cuando la chapa entra en contacto con unánodo en la sección de recubrimiento. Un contacto leve con un ánodooriginará marcas de quemaduras localizadas, normalmente, en los bordesde la banda, mientras que un mayor grado de contacto produciráquemaduras en una parte de la chapa.

FlashEste defecto sólo se produce en el recubrimiento por una sola cara. Elacero presenta una franja de recubrimiento que no ha sido eliminado con eldecapado. El color que presenta el flash contrasta con el color del resto dela banda.

Espesor irregular del recubrimientoEl espesor del recubrimiento no es uniforme y, en ocasiones, puedenobservarse variaciones en los tonos grises. Suele originarse por grandesfluctuaciones en la velocidad.

ManchasSu aspecto es similar al de gotas o zonas decoloradas irregulares en lasuperficie del acero. Entre las causas más frecuentes de estos defectos seencuentran fugas de aceite, salpicaduras de electrolitos o agua.

5.4.3 Recubrimiento orgánico

Se distinguen varios defectos característicos del material recubierto:




QuemadurasLa pintura cambia de color como consecuencia de una parada de la línea.Dependiendo de la temperatura, el cambio de coloración puede presentardiferentes tonalidades que van del beige al marrón. El brillo de la pinturadesaparece. Las quemaduras suelen estar precedidas o seguidas de unazona recubierta únicamente con una capa de imprimación y una zona nopintada.

Zonas sin recubrirSe originan al retraer las boquillas de pintura de la máquina de pintado.

Deterioros producidos en el desbobinadoSe producen como resultado de la fricción entre las espiras. Su aspecto esel de pequeños arañazos con forma de lágrima.

Marcas producidas en la medición del espesor del recubrimientoAl medir el espesor de la capa de recubrimiento pueden quedar marcas enla película húmeda. Su longitud suele ser muy limitada.



UD.4 – La superficie – Cap.6 Control de la calidad superficial 28

CAPITULO 6 CONTROL DE LA CALIDAD SUPERFICIAL

El control de calidad superficial cumple con dos objetivos principales:

? Inspección de la calidad superficial: los productos que no cumplan lasespecificaciones son apartados y, en muchos casos, rechazados.? Control del proceso: las observaciones permiten tomar accionescorrectivas inmediatas o medidas preventivas a largo plazo.

A lo largo de los diferentes procesos de producción se realiza la inspección -tanto ocular como mediante cámaras - de la calidad del material. Este controlde la calidad superficial comienza en la fase de producción de desbastes, en laque es posible eliminar mediante escarpado cualquier defecto detectado en losmismos. En fases posteriores, se deben tomar las precauciones necesariaspara no dañar la superficie. Cualquier defecto que aparezca se registra junto asu grado de gravedad y su localización exacta en la bobina (con respecto a sulongitud y ancho). De este modo, las zonas que presenten defectos puedenvolver a ser examinadas en una fase posterior, al procesar el material en laslíneas de inspección a una velocidad adecuada en donde se procederá a sueliminación.

La evaluación de calidad del producto final se hace en base a unos criterios deevaluación específicos que dependen de la naturaleza del pedido, es decir,estará supeditada al uso que se le va a dar al producto, el tipo del producto, eldestino del material, y la calidad superficial requerida.

El material destinado a la fabricación de piezas expuestas (de automóviles, deelectrodomésticos, etc.) se revisa siempre en su totalidad en la línea deinspección (al menos por una de las caras). Esta operación permite eliminar deforma selectiva, en la medida de lo posible, aquellas partes de la bobina quepresentan defectos en la línea de inspección o en la línea de corte, evitando asíuna degradación innecesaria.

En base a los índices de producción obtenidos en el pasado, es posiblecalcular el tonelaje inicial que se va a programar en la planta siderúrgica paraobtener el tonelaje requerido del producto final.

La aceptación del producto, su degradación o su reacondicionamiento, sedetermina, en la medida de lo posible, directamente en la línea de proceso.

Medida de la calidad superficial

A lo lardo de todo el proceso de producción, se inspecciona el material alfinalizar cada una de las fases de fabricación. Y así, se asigna un índice de



UD.4 – La superficie – Cap.6 Control de la calidad superficial 29

calidad a cada desbaste, mientras que las bobinas y las chapas soninspeccionadas en los diferentes puestos previstos para tal fin en lasinstalaciones, en donde se comprueba si las propiedades del material cumplenlas exigencias especificadas en el pedido, es decir, que el acero no presenta nidefectos superficiales ni impurezas internas. En este contexto, la pureza internase define como la ausencia de inclusiones no metálicas.

Los aspectos que deben tenerse en cuenta a la hora de formular los pedidosde material laminado en frío o recubierto son: tipo de producto, aplicación,aspecto (normal = A, mejorado = B, o superior = C) y su uso final/destino.



UD.5 – Aspectos dimensionales más importantes 1

U.D. 5 ASPECTOS DIMENSIONALES MÁS IMPORTANTES


1.1 Introducción

CAPITULO 2 DIMENSIONES

2.1 Introducción2.2 Espesor2.3 Ancho2.4 Longitud2.5 Bobina

CAPITULO 3 PLANITUD

CAPITULO 4 PESO DE LAS BOBINAS



UD.5 – Aspectos dimensionales más importantes – Cap.1 Introducción 2


En relación con la calidad dimensional, los principales requisitos solicitados delcliente hacen referencia a:

? dimensiones: espesor y ancho de la banda, así como longitud en elcaso de chapas? planitud? peso de bobina o paquete

En el caso de dimensiones y planitud, las desviaciones admitidas (= tolerancia)se encuentran descritas en las diversas normas al respecto:

? EN 10051, para bobinas y chapas laminadas en caliente con un espesor= 25 mm? EN 10029, para chapas laminadas en caliente con un espesor > 3 mm? EN 10131, para productos laminados en frío y recubiertos por procesoselectrolíticos? EN 10143, para productos recubiertos por procesos en caliente

Los productos laminados en caliente se encuentran también disponibles con unatolerancia de espesor reducida (1/2 ó 1/3). Se pueden acordar especificacionesespeciales de planitud para productos laminados en caliente al formular delpedido.

En el caso de productos laminados en frío y recubiertos, las normas especificantolerancias “normales” y “restringidas” respecto a espesor, ancho y longitud. Parala planitud de estos productos, normalmente se diferencia entre tolerancia“normal” y “especial”.

La relación de tolerancias para productos cortados longitudinalmente y chapasse encuentra en tablas específicas en las normas para productos de anchocompleto, y son habitualmente más restringidas.

Nota: dado que los productos cortados longitudinalmente se obtienen a partir deproductos de ancho completo, las mismas tolerancias de espesor son aplicadasen ambos casos.



UD.5 – Aspectos dimensionales más importantes – Cap.2 Dimensiones 4

2.1 EspesorEl espesor final del material laminado en caliente se obtiene en el acabador deltren de laminación en caliente. El espesor final del material laminado en frío sedetermina en el tren tándem, teniendo en cuenta la posterior reducción delespesor obtenida tras el procesamiento del material en el tren témper o skin-pass.

En la práctica, el espesor del producto final mostrará una ligera variaciónrespecto al espesor solicitado, variación que se produce tanto longitudinalcomo transversalmente. Por lo tanto, la especificación del espesor siempreindicará:

? espesor deseado en mm: nominal o mínimo? tolerancia según una norma

En el material con bordes brutos de laminación, el espesor se mide a unadistancia mínima del borde de 40 mm, mientras que en el material con bordescizallados esta distancia es de 25 mm.

La siguiente figura muestra las fluctuaciones reales del espesor final en toda lalongitud de una banda laminada en caliente:

En la actualidad, los fabricantes de acero pueden reducir la tolerancia deespesor hasta 1/2 -e incluso 1/3-, lo cual conlleva dos ventajas principales. Enprimer lugar, una menor tolerancia presenta una clara ventaja técnica en elprocesamiento y, en segundo lugar, existe la ventaja económica, ya que elcliente puede producir un mayor número de piezas por tonelada. Aunque estoslímites de tolerancia más restringidos suponen un extra en el precio de losproductos, el cliente también se resulta beneficiado de las ventajas que de ellose derivan.

En las costuras de soldadura, la tolerancia de espesor puede sobrepasarse,como máximo, en un 60% en una longitud de 15 m, excepto cuando el pedidoespecifique lo contrario. Igualmente, los extremos de la bobina puedensobrepasar la tolerancia a lo largo de l (longitud), siendo l:

nominal espesor90

l ? con l máx. = 20 m

donde la longitud l se expresa en [m] y el espesor nominal en [mm].

Aquellos clientes para los que esto no sea suficiente, pueden solicitar 1/3 de lastolerancias en toda la longitud de la banda laminada en caliente, aunque estosupone un incremento en el precio. Se saneará la cabeza y cola de la bandacuando se sobrepase el límite de 1/3 de tolerancias. En el caso de materiallaminado en frío, la tolerancia hace referencia siempre a la longitud total de labanda.




Además de las variaciones longitudinales de espesor, también pueden darsefluctuaciones en el espesor en dirección transversal de la bobina. Éstas sedeterminan por medio del examen del perfil de la banda. En teoría, el perfil osección de la banda debería ser perfectamente rectangular. Sin embargo, esimposible producir algo así. La laminación requiere un perfil de bandaligeramente esférico, como se ve en la siguiente figura. Este perfil ligeramenteesférico produce un efecto de centrado sobre la banda durante la laminación,asegurando así un comportamiento estable de la misma. Aun así, el perfil de labanda no debe ser demasiado pronunciado, ya que el espesor debemantenerse dentro de los límites permitidos por el ancho de la banda.

El perfil del espesor en el ancho de la banda se conoce también como corona.La corona se expresa como valor Cz. La diferencia de espesor se determinaentre el espesor en el centro de la banda (Hm) y el espesor medio (Ha y Hb) a40 mm del borde. Esto se conoce como valor C40. En el caso de bordescizallados, Ha y Hb se medirán a 25 mm del borde.

2)(

40ba

mHH

HC?

??

En los productos laminados en caliente, el valor C40 varía dependiendo delgrado de acero, pero se mantiene habitualmente entre 30 y 80 µm.

Para obtener el perfil requerido en una banda laminada en frío, esimprescindible que los parámetros de laminación del tren tándem se definan enfunción del perfil de la banda laminada en caliente, ya que resultaprácticamente imposible rectificar un perfil inadecuado durante el proceso delaminación en frío.

La determinación del espesor se basa en la medición de la absorción parcial deradiactividad del material. Para ello, se utiliza una fuente radiactiva, que emiteun haz circular y homogéneo de radiación, y un detector formado por unacámara de ionización con un electrodo medidor y un electrodo con un ciertovoltaje. Los rayos que penetran la cámara excitan los electrones, con carganegativa, que se ven atraídos por el electrodo medidor. El resultado de todoello es la generación de una pequeña corriente eléctrica, cuya magnitud varíaen función del espesor de la chapa de acero. La señal de medición se registraa lo largo de toda la longitud de la chapa.




2.2 AnchoEl ancho obtenido en la máquina de colada depende del ancho solicitado parael producto final. El ancho del desbaste se obtiene ajustando ancho del molde yrealizando un corte longitudinal del desbaste en los casos en los que proceda.Durante la laminación en caliente, es posible obtener una ligera reducción delancho en los canteadores del tren.

Una vez laminado el producto, su ancho exacto se logra por medio del cizalladode los bordes en la sección de salida. Los flejes (< 600 mm) se procesan en loscentros de servicio para corte longitudinal de la banda.

Tanto las bobinas decapadas como las laminadas en frío pueden cizallarsepara obtener el ancho de bobina solicitado, aunque cabe señalar que ciertosgrados son sensibles a la estricción. El ancho final deseado se obtienemediante cizallado de bordes en la sección de salida. Dependiendo del cliente,los productos se suministran con bordes cizallados o sin cizallar.

El ancho de la banda se detecta por el contraste entre dos cámarasestereoscópicas de infrarrojos. Durante el cálculo del ancho, el anchoespecificado por el cliente es el punto de inicio a partir del que se calculan losanchos de las diferentes fases de producción aguas arriba, teniendo en cuentalas limitaciones de producción de cada una de las fases.




2.3 LongitudEsta dimensión se aplica únicamente a las chapas. Las tolerancias admitidasse encuentran especificadas en las normas. En el momento de cortar lachapa, es especialmente importante mantener su escuadrado. En la figura serepresenta el modo de determinar el escuadrado de la chapa de acuerdo conla norma.

Dado que en la práctica no siempre resulta sencillo, se puede realizar unacomprobación preliminar midiendo ambas diagonales. En caso de que surjandiscrepancias al respecto, la única medida válida es la correspondiente a lanorma.




2.4 BobinaLa bobina es uno de los formatos más habituales para la manipulación ytransporte de productos planos de acero. No obstante, pueden producirseciertas irregularidades durante el bobinado, dando lugar a bobinasimperfectas.

Los siguientes ejemplos muestran los defectos más comunes de las bobinas,que pueden presentarse en diferentes grados.

TelescopicidadLas espiras de la bobina se superponen de forma irregular. Esto puede causarun daño mecánico en los bordes. Se establece una distinción entre latelescopicidad interna y externa, dependiendo de si la desviación se produceen las espiras internas o externas.

Desplazamiento lateralSe ha producido un bobinado irregular y en ciertas partes las espiras se handesplazado hacia el interior o exterior de las bobinas.

Bobina ovaladaLa forma de la bobina no es totalmente circunferencial sino ovalada, lo quepuede deberse a una excesiva temperatura en el bobinado.

Espiras sueltasLas espiras de la bobina están demasiado flojas.

Defecto de bordesDurante la laminación, o debido a un defecto de bobinado, los bordes puedensufrir daños. Si los bordes sobresalen de la bobina, pueden resultar dañadosdurante su manipulación o transporte.

PlieguesPueden producirse pliegues del material durante el bobinado, especialmenteen el caso de los materiales de menor espesor. Algunas zonas de la chapapueden doblarse durante el bobinado de la banda.

CordónEl defecto de cordón se produce debido un incremento localizado del espesordel material. Este defecto puede aparecer tanto en el borde como en el centrode la bobina.

SableEl defecto de sable, en el que la banda ha perdido su rectitud, se pone demanifiesto durante la fase de desbobinado del material. Este defecto es muycaracterístico en flejes de anchos muy reducidos. Como norma general, sepuede decir que, para evitar el sable, el ancho de la banda debe ser > 10veces superior a su espesor.



UD.5 – Aspectos dimensionales más importantes – Cap.3 Planitud 9

CAPITULO 3 PLANITUD

Uno de los requisitos exigidos por el cliente en el caso de productos laminadosen caliente, frío y recubiertos, es que el acero sea plano. La planitud es unrequisito imprescindible para obtener un óptimo producto final en un gran númerode aplicaciones: por ejemplo, paneles para frigoríficos, lavadoras, mobiliariometálico, revestimientos para paredes, encerados, etc.

Sin embargo, también aquellas piezas que van a ser sometidas a un alto gradode conformación deben cumplir normas de planitud cada vez más estrictasdebido a la elevada velocidad de las prensas industriales utilizadas actualmente.

Un material cuya planitud no sea la adecuada podría dañar los equipos,provocando largas paradas en las instalaciones del cliente. Para evitar este tipode reclamaciones, los fabricantes de acero someten a sus productos a los másestrictos controles en términos de planitud y perfil.

La chapa se compone de una sucesión de fibras adyacentes y la chapaperfectamente plana estará formada por fibras de idéntica longitud. Si se colocauna chapa plana de acero sobre una tabla plana, la totalidad de la superficieestará en contacto con esta tabla. Si, por el contrario, existe algún tipo devariación en la reducción del espesor a lo ancho de la chapa, se habrá producidoun alargamiento de las fibras, las cuales habrán alcanzado diferentes longitudes,provocando tensiones dentro de la chapa. Cuando estas tensiones exceden uncierto límite, el resultado es un acero sin la planitud necesaria y, en este caso, notoda la superficie de la chapa estará en contacto con la tabla plana.

Junto con los defectos de planitud, se distinguen también defectos en el perfil.Una chapa perfectamente plana puede mostrar algún defecto en el perfil yviceversa. Los defectos del perfil se deben a un defecto en la forma de laseparación entre los cilindros, mientras que los defectos de planitud se deben aun alargamiento irregular de las fibras de la chapa de acero.

La obtención de un determinado valor de planitud y perfil de chapa depende deuna serie de factores que rigen la forma de la separación entre cilindros:

? Diferencias de temperatura y diferencias de dureza durante lalaminación? Dimensiones del material a laminar (resulta más difícil mantener laplanitud en material ancho y fino)? Perfil del material original? Curvatura del perfil de los cilindros por rectificado de los mismos? Curvatura del perfil de los cilindros por efecto del calor? Patrón de desgaste de los cilindros? Flexión y desplazamiento de los cilindros? Deformación residual en la separación entre cilindros

Teóricamente, la separación entre cilindros puede controlarse incrementando oreduciendo la velocidad de laminación como una función de la curvatura de origentérmico de los cilindros. Sin embargo, en la práctica, el ajuste de la forma de la



UD.5 – Aspectos dimensionales más importantes – Cap.3 Planitud 10

separación entre cilindros se realiza mediante la flexión o el desplazamiento de losmismos. En el tren tándem también se puede controlar la separación entre cilindrospor medio del enfriamiento selectivo de éstos. El diámetro del cilindro puede ajustarselocalmente aplicando un mayor o menor grado de refrigeración a zonas concretas.

Los defectos de perfil y planitud en la banda laminada en caliente provocan unadistribución irregular de la fuerza de laminación, causando variaciones en el grado dereducción a lo ancho de la banda, lo que, a su vez, produce defectos de planitud en elmaterial laminado en frío.

El rango de tolerancias admitidas para los defectos de planitud es más amplio parachapa laminada en caliente que para el material laminado en frío, y va aumentando amedida que aumenta el límite elástico y el ancho y espesor de la chapa.

El producto obtenido de la laminación será plano solamente si la reducción del espesorse realiza de manera totalmente uniforme en la separación entre cilindros en todo elancho de la banda laminada. Incluso en el caso de que la separación entre cilindrosfuese perfectamente paralela, puede ocurrir que el material producido no seatotalmente plano, pues existen muchos otros factores que influyen en el resultado final:que el espesor de la banda de entrada sea irregular, que el calentamiento de la bandano sea completamente homogéneo, que existan variaciones localizadas en la durezadel material, una curvatura o desgaste irregulares de los cilindros de laminación, etc.

En la práctica, resulta muy difícil mantener unas condiciones de laminación constantesy que la separación entre cilindros sea perfectamente rectangular. En las siguientesfiguras se recogen algunos de los defectos de planitud más comunes: ondulacióncentral, bordes ondulados, cazuelas, teja y sable. Estos dos últimos defectos se debena tensiones internas y solamente se evidencian después del corte.

El grado de severidad del defecto de planitud puede determinarse midiendo la alturade la flecha, para lo cual la chapa no deberá estar sometida a tensión alguna.

Para igualar la planitud del material se utiliza una aplanadora bajo tensión, en dondese hace pasar la banda por una serie de rodillos de aplanado y se somete a esfuerzosalternativos de tensión y compresión, que producen un alargamiento de las fibrashasta su zona plástica. No obstante, se debe procurar no exceder los límites deesfuerzo interno del material tras el aplanado, lo cual se hace evidente durante lasoperaciones de corte convencional o por láser. Por ello, a veces las tensiones internastambién se denominan “falta de planitud latente o invisible”.



UD.5 – Aspectos dimensionales más importantes – Cap.4 Peso de las bobinas 11

CAPITULO 4 PESO DE LAS BOBINAS Peso de bobina

La venta de acero se realiza, por lo general, según su peso. La densidad del acero es de 7850 kg/m3. Una tonelada (= 1000 kg) corresponde por lo tanto físicamente a un cubo de acero de aproximadamente 0,5 x 0,5 x 0,5 m3. El peso de una bobina será de aproximadamente 25-35 toneladas, dependiendo del ancho de la banda. En términos generales, la carrocería de un coche de tamaño medio contiene aprox. 250 kg de acero, mientras que el acero de una bañera pesa unos 30 kg. El kilogramo es una unidad de masa. No obstante, hablamos habitualmente de peso de bobina, aunque sería más correcto hablar de masa de bobina. Las dimensiones del producto y el peso de la bobina se ven limitados, principalmente, por las dimensiones y la capacidad de los equipos de producción y, en algunas ocasiones, por requisitos de calidad o restricciones de los programas en las diferentes etapas de los procesos de laminación en caliente o en frío. Tanto las dimensiones como el peso del producto juegan un papel decisivo en las restricciones de producción, en donde es preciso optimizar el peso de bobina a suministrar al cliente. Junto con el tonelaje solicitado, en el formulario del pedido también se indican el peso de bobina y los valores mínimos y máximos permitidos. Para lograr el peso de bobina especificado, se deberán tener en cuenta los siguientes factores:

? Dimensiones del desbaste (restricciones del desbaste) ? Pérdida de material durante el proceso de laminación (rendimiento – 0/00) ? Aceptación o no de soldaduras en la bobina ? Inspección final y corte de la bobina

A lo largo de las diversas fases de producción, se somete el material a acciones como escarpado, corte de despuntes, rebordeado o muestreo, en donde se pierden pequeñas cantidades del material. En nuestro contexto, se utiliza como valor referencia el material inicial o rendimiento en 0/00 (mise au mille), definido como el número de unidades iniciales necesarias para producir 1000 unidades de producto útil en la siguiente fase de producción. La programación también tiene en cuenta un factor de rendimiento basado en la experiencia y que determina la cantidad de material que se deberá colar para lograr el peso de bobina especificado por el cliente. En la práctica, el rendimiento en 0/00 determina el tamaño de las unidades del material y el factor de rendimiento determina el número de unidades necesarias para satisfacer un pedido. Las bobinas se unen mediante soldaduras para poder realizar el cambio de proceso discontinuo a proceso continuo (por ejemplo, decapado, recocido continuo, galvanizado, etc.) o para formar una bobina de mayor tamaño a partir de bobinas menores laminadas en frío. Los métodos utilizados para soldar bobinas son muy variados, algunos de los cuales describimos a continuación.




En procesos de soldadura a tope, los extremos de las bobinas se calientan eléctricamente y se unen, tras lo cual se procede a aplanar la costura generada. En principio, este tipo de soldadura no origina un sobreespesor en la zona soldada. La soldadura a tope se emplea a la entrada de la sección de decapado, por lo que en SAP se denomina “pickled weld” (soldadura decapada). En el caso de la soldadura con costura - denominada “preplap weld” en SAP (soldadura con solape) -, los extremos de la bobina se superponen y se sueldan mediante dos electrodos, uno en la cara superior y el otro en la inferior, que se desplazan transversalmente sobre la banda. Se trata en realidad de un tipo de soldadura continua por puntos, en la que, además, se produce sobreespesor en la zona de la costura. Se utiliza esta técnica de soldadura a la entrada de la sección de recocido continuo, línea de galvanizado, línea de inspección, etc. Ciertas instalaciones están dotadas de equipos para soldeo por láser. La principal ventaja es que permite soldar aceros de alta resistencia o de espesor relativamente elevado sin que se incremente el espesor final del material. En el caso de que el cliente acepte la presencia de soldaduras en sus bobinas, el número de posibilidades para alcanzar el peso de bobina solicitado aumenta. Las soldaduras por láser y a tope son difícilmente localizables en las bobinas, por lo que algunos clientes solicitan que se marque la posición de las soldaduras para cortarlas en sus propias instalaciones.

Durante la inspección final, se sanea el material que no cumpla las especificaciones de calidad, lo que puede reducir aún más el peso de bobina. En el caso de que el peso resultante sea sustancialmente menor, se contactará con el cliente. Para optimizar el peso de bobina especificado por el cliente, se pueden cortar las bobinas y dividir el material en otras de menores dimensiones. En cualquier caso, las bobinas resultantes deben cumplir las especificaciones del cliente en cuanto a dimensiones, soldaduras y peso. Cuando el material se divide en varias bobinas, se reduce el tamaño de bobinas de grandes dimensiones, y las bobinas resultantes, de menor tamaño, se sueldan en la sección de acabado, en donde también se pueden sanear las soldaduras no deseadas. Si el cliente especifica que no desea la presencia de soldaduras decapadas en las bobinas suministradas, cada bobina laminada en frío se obtendrá a partir de una bobina laminada en caliente. En los demás casos, una bobina laminada en frío estará formada por una o más partes de bobinas laminadas en caliente.

4.1 Diámetro de bobina Resulta evidente que el diámetro interno y externo de la bobina determinará el peso de la bobina. La selección del diámetro interno viene dada por las limitaciones de las líneas de producción. En la mayoría de los casos, el




diámetro interno será de 762, 610, 508 o en ocasiones 420 mm. En las condiciones de suministro recogidas en los catálogos se incluyen listados con la disponibilidad de material por línea de producción.

4.2 Cantidad del pedido El peso específico de la bobina (también denominado valor KIM) viene expresado en kg/mm y hace referencia a la masa por mm de ancho del desbaste o banda. El peso específico de la bobina resulta de vital importancia en el cálculo de la cantidad del pedido. Las cantidades de pedido para los productos cortados longitudinalmente también pueden calcularse a partir del peso específico de bobina.

El peso de bobina solicitado por el cliente se especifica habitualmente indicando un peso mínimo y un peso máximo. Si el cliente especifica “sin soldaduras”, las posibilidades se ven limitadas. Si se trata de cantidades pequeñas de pedido, éstas deberán ser múltiplo exacto de la cantidad mínima del pedido. De no ser así, la producción del peso de bobina requerido resultaría complicada y, sobre todo, muy costosa. En las condiciones de suministro recogidas en los catálogos se incluye información sobre las cantidades mínimas de pedido, que, en último término, dependen de la longitud de desbaste estándar en cada una de las unidades de producción. De acuerdo con la norma, la cantidad suministrada puede presentar una desviación de ± 10% con respecto a la cantidad solicitada



UD.6 – Acero recubierto 1

U.D. 6 ACERO RECUBIERTO

CAPITULO 1 GENERAL

1.1 Introducción1.2 Corrosión1.3 Recubrimientos

CAPITULO 2 TIPOS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS

2.1 Introducción2.2 Recubrimiento por electrodeposición2.3 Recubrimiento por inmersión en caliente

CAPITULO 3 TIPOS DE RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS

CAPITULO 4 POSTRATAMIENTOS

CAPITULO 5 FABRICACIÓN DE LOS PRODUCTOS RECUBIERTOS

5.1 Recubrimiento por deposición electrolítica5.2 Recubrimiento por inmersión en caliente5.3 Recubrimientos orgánicos

CAPITULO 6 PROPIEDADES DE LOS RECUBRIMIENTOS METÁLICOS

6.1 Adherencia del revestimiento de zinc6.2 Aspecto6.3 Conformado6.4 Soldabilidad6.5 Unión mediante adhesivos6.6 Aptitud al pintado6.7 Adherencia de la pintura6.8 Comportamiento frente a la corrosión

CAPITULO 7 PROPIEDADES DE LOS REVESTIMIENTOS ORGÁNICOS

7.1 Adherencia7.2 Flexibilidad7.3 Durabilidad



UD.6 – Acero recubierto – Cap.1 General 1

CAPÍTULO 1 GENERAL

1.1. Introducción

El consumo anual de acero recubierto ha aumentado significativamente en las últimasdécadas. En el gráfico a continuación se ve la evolución del porcentaje de productosrecubiertos en el consumo total de acero en Europa. Este reciente incremento hatenido lugar principalmente en la industria del automóvil, motivado en gran medida porla mayor vida útil promedio (garantía de protección contra el óxido), la crecienteutilización de sal sobre carreteras con hielo y el objetivo de reducción del peso de losautomóviles. El gráfico siguiente refleja el aumento del porcentaje de consumo deacero con recubrimientos metálicos y orgánicos en Europa (UE13).

RecuerdaLa resistencia mejorada a la corrosión resulta esencial para poder garantizar unamayor vida útil de chapas de acero de bajo espesor. Para conseguirlo, se aplicanrecubrimientos metálicos sobre el sustrato de acero.




1.2 Corrosión

¿Qué es la corrosión?

La tendencia que presentan la mayoría de los metales y aleaciones a adoptar estadostermodinámicamente óptimos resulta normalmente contraria a nuestro deseo deobtener productos de acero duraderos con una larga vida útil. La corrosión del aceroes un proceso natural. Durante la fabricación del acero se elimina el oxígeno delmineral de hierro. Cuando el acero entra en contacto con la atmósfera, tiendenaturalmente a regresar a su estado oxidado original.

La corrosión es una reacción química en la que se producen los siguientes pasos:

Reacción de oxidación (ánodo)Me ? Men+ + n e- (1)Se produce una disolución del metal

Reacción de reducción (cátodo)Reducción del oxígeno (del aire)O2 + 2H2O + 4e- ? 4 OH- (2)

Reducción de protones (ácido)2H+ + 2e- ? H2 (3)

La oxidación y la reducción se producen simultáneamente. Normalmente, el procesode corrosión está catalizado o acelerado. Pequeñas cantidades de iones dehidrógeno, cloruros, sulfatos u otros electrolitos actúan como catalizadores delproceso.

¿Cuándo se produce la corrosión?

Para que pueda tener lugar el proceso electroquímico de corrosión deben cumplirseuna serie de condiciones. En primer lugar, el metal debe pasar a un estado en el quesea soluble, siguiendo la reacción indicada a continuación:

Me ? Men+ + n e-

Sin embargo, para que la corrosión prosiga, la reacción anterior también debeproseguir.

Por lo tanto, en segundo lugar, deben eliminarse los iones metálicos. Según losprincipios de la electricidad, debe producirse una reacción de los electrones de laecuación anterior. Según las reacciones de reducción (2) y (3), esta reacción requierela presencia de oxígeno y/o protones.




La tercera condición fundamental es que todos los reactivos deben desplazarse a lasuperficie del metal, dado que el intercambio de electrones se produce siempre en lasuperficie. Es decir, se requiere un medio de transporte o electrolito. Este fluido (oelectrolíto) es generalmente agua. Nótese que una fina película de agua, como rocío,por ejemplo, o una elevada humedad atmosférica, resulta suficiente.

¿Cómo evitar la corrosión?

Dado que la corrosión sólo puede tener lugar si se cumplen las tres condicionesanteriormente expuestas, la respuesta a esta pregunta reside en eliminar una o másde dichas condiciones.

En primer lugar, puede evitarse la disolución del metal. Esto se puede lograr utilizandoun metal más noble, como oro o plata, en lugar de acero. Evidentemente, estasolución es únicamente viable si se puede justificar el considerable coste adicional.

Dado que el agua y el oxígeno se encuentran en cantidades abundantes en nuestroplaneta, se cumple normalmente la segunda y la tercera condición necesaria para lacorrosión. No obstante, si se puede proteger la superficie sellándola con unrecubrimiento adecuado, se puede aislar de estos compuestos perjudiciales.

Una solución obvia consiste en sellar la chapa mediante la aplicación de un sistemade pintura. Sorprendentemente, la permeabilidad de la mayoría de los sistemas depintura es suficiente para permitir la continuidad de la corrosión del metal a unavelocidad razonable. Sin embargo, la menor permeabilidad al oxígeno retarda elproceso de corrosión. Asimismo, los sistemas de pintura ofrecen una permeabilidadsignificativamente baja a iones tales como cloruros y sulfuros, que normalmenteaceleran el proceso de corrosión.

Existen incontables ejemplos prácticos que demuestran la eficacia de los sistemas depintura. Sin embargo, esta capa protectora de pintura se degrada por efecto de losrayos solares (rayos ultravioleta); cuando esto ocurre, permite la corrosión a unavelocidad incluso más elevada. La corrosión se produce primeramente alrededor depequeñas rayas y desconches de la pintura producidos, por ejemplo, por impactos degravilla (ver fotografías). Los productos de la corrosión del acero tienen un volumenequivalente al doble del acero a partir del cual se han formado, lo que produceampollas en el recubrimiento de pintura que dejan el sustrato de acero expuestodirectamente a la atmósfera. A partir de ese momento, el acero reacciona de igualforma que si no estuviese protegido con una capa de pintura.

Esta es la razón por la que los recubrimientos metálicos resultan tan eficaces. Losprincipales tipos de recubrimientos metálicos utilizados para aplicaciones industrialesson zinc, aleaciones de zinc, aluminio y aleaciones de aluminio. Estos recubrimientosproporcionan una protección excelente contra la corrosión, dado que se basa en el




doble principio de un efecto de barrera combinado, y en el caso de los recubrimientosde zinc y aleaciones de zinc, una protección catódica.

El efecto de barrera se consigue mediante el sellado físico de la superficie del metalcon un recubrimiento. Esto protege al metal del efecto perjudicial del oxígeno del aire,de los gases y líquidos corrosivos, de la sal depositada sobre carreteras heladas, etc.Este efecto de barrera resulta incluso mejor si se aplica un sistema de pintura sobre elrecubrimiento metálico.

El segundo principio es la protección catódica. Dado que el zinc es un metal menosnoble que el hierro, será atacado y se disolverá antes que este último. Es decir, la vidaútil de un recubrimiento es proporcional al espesor de la capa aplicada. El zincdisuelto forma óxidos e hidróxidos de zinc, los cuales, a diferencia de los óxidos dehierro, forman una capa más o menos protectora y frenan considerablemente elproceso de corrosión.

El principio de protección catódica es particularmente importante en aquellos puntosen los que se haya producido un deterioro de la capa de cinc y en los bordescizallados. En los puntos con arañazos y en los bordes cizallados, el zinc sigueproporcionando protección al acero (ver fotografía). Este efecto protector depende dela agresividad del entorno y del espesor y composición química del recubrimiento dezinc; generalmente, el acero permanece protegido en puntos con defectos de hasta1,5 mm. Esto significa que, para chapas de acero de elevado espesor, la proteccióncatódica del zinc resulta insuficiente y se requiere una protección contra la corrosiónadicional en los bordes cizallados.




1.3. Recubrimientos

Recubrimientos metálicos

El zinc no es el único metal que puede utilizarse para proteger el sustrato de acerocontra una corrosión prematura. En principio, todos los metales menos nobles que elacero pueden cumplir esta función. La nobleza de un metal está definida por suclasificación electroquímica. Se trata de una clasificación de elementos por orden depotencial eléctrico en condiciones de equilibrio tomando el hidrógeno como referencia.Cuanto más negativo es el potencial de un metal, menos noble es. A continuación seincluye una lista reducida.

NobleOro Au3+ + 3e- ? Au Eº = +1,50 VPlata Ag+ + e- ? Ag Eº = +0,80 VHidrógeno 2H+ + 2e- ? H2 Eº = 0,00 VEstaño Sn2+ + 2e- ? Sn Eº = -0,14 VNíquel Ni2+ + 2e- ? Ni Eº = -0,23VHierro Fe2+ + 2e- ? Au Eº = -0,44 VZinc Zn2+ + 2e- ? Au Eº = -0,76 V

?

?

Básico

RecuerdaTanto el zinc como el hierro tienen un potencial negativo, con respecto al H2 que setoma como referencia. Sin embargo, dado que el potencial del hierro es superior al delzinc (-0,44 V > -0,76 V), el zinc es menos noble que el hierro. Por lo tanto, en unentorno corrosivo, el zinc se disolverá antes que el acero.

A pesar de que la diferencia de potencial entre las aleaciones de hierro y de zinc ZnNiy ZnFe sea relativamente pequeña, estas aleaciones ofrecen una resistenciasuficiente para proteger el sustrato de acero. En las siguientes fotografías se ven tresmuestras sometidas al mismo ensayo de corrosión acelerada: una sin recubrimiento,una galvanizada y una con un recubrimiento de ZnNi.

La clasificación electroquímica indicada más arriba es únicamente una informaciónorientativa. En la práctica, existen otros factores que se deben tener en cuenta, talescomo la concentración, el grado de acidez del entorno, la solubilidad de los óxidos,etc. En la práctica, también se utilizan recubrimientos metálicos de aluminio yaleaciones de aluminio/zinc así como de zinc puro. El aluminio sólo proporciona unefecto de barrera, sin protección catódica.

RecuerdaLos productos de la corrosión del hierro son de color rojo mientras que los del zinc sonde color blanco. Por lo tanto, nos referimos a ellos como “óxido rojo” y “óxido blanco”.Los recubrimientos de aluminio oxidados presentan depósitos de color negro.




Los recubrimientos aplicados a una sola cara, protegen el sustrato exclusivamentecontra el óxido procedente del interior, la denominada corrosión por perforación (ej.:en objetos huecos). Si también se requiere protección contra la corrosión externa - porejemplo por razones estéticas – (alrededor de arañazos o deterioros debido aimpactos, etc.) se debe aplicar el recubrimiento en ambas caras.

Recubrimientos no metálicos

Además de los recubrimientos metálicos, el suministrador de acero puede aplicarrecubrimientos orgánicos, o una combinación de ambos. Los recubrimientos metálicoscombinados con un sistema de pintura ofrecen una mayor resistencia a la corrosiónque la suma de las protecciones que se obtienen con la pintura y con el recubrimientometálico por separado. Además de la resistencia a la corrosión, un recubrimientoorgánico puede aportar otras propiedades al material. En el caso del recubrimiento debandas la pintura aporta un efecto estético que hace innecesario un posterior acabadodecorativo después del proceso de conformación. En algunos casos, se aplicanrecubrimientos orgánicos de reducido espesor como tratamiento posterior alrecubrimiento metálico, por ejemplo, para mejorar las propiedades de fricción delrecubrimiento, o para asegurar una buena adherencia de la pintura aplicada en unaetapa posterior.

Pueden añadirse componentes inorgánicos, tales como polvo de zinc, para mejorar laconductividad y, por lo tanto, las propiedades de soldadura del producto.

Frecuentemente se aplican capas de conversión. Se trata de una películaextremadamente fina de un compuesto de cromato o de fosfato. Estas capas deconversión tienen un efecto de pasivado que retarda el proceso de corrosión ycontribuye a mejorar la adherencia de los sistemas de pintura aplicadosposteriormente. En las siguientes fotografías se ven probetas de ensayo de acerogalvanizado, con y sin recubrimiento de fosfato, tras la exposición al mismo ensayo decorrosión acelerada. Este tipo de capas de conversión pueden aplicarse comotratamiento posterior (por el productor de acero) o como pretratamiento (por el cliente).Otra posibilidad consiste en una combinación de un tratamiento posterior y unpretratamiento.

(Nota: No puede fosfatarse un material previamente cromatado.)

Otra posibilidad consiste en la aplicación de un recubrimiento antihuella (anti-fingerprint coating = AFP). El efecto de esta fina capa de recubrimiento no esmeramente estético: ha demostrado beneficiosas propiedades de lubricación duranteel proceso de conformación en las instalaciones del cliente.




RecuerdaExisten múltiples maneras de optimizar un acero recubierto en función de laresistencia a la corrosión que se requiera y de la aplicación específica a la que sedestine. También es posible recurrir a diversas combinaciones de estosrecubrimientos, lo que nos permite ofrecer una amplio rango de productos recubiertos.Sin embargo, no todas las combinaciones son viables o deseables.



UD.6 – Acero recubierto – Cap.2 Tipos de recubrimientos metálicos 8

CAPÍTULO 2. TIPOS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS

2.1 Introducción

Dada la elevada versatilidad del acero, sus aplicaciones abarcan una amplia gama desectores que incluyen la industria del automóvil, la construcción, los productos delínea blanca, los envases, etc.

Existen recubrimientos metálicos con diferentes composiciones; cada tipo puedeaplicarse sobre una o ambas caras del sustrato. La denominación de las diversascalidades de acero recubierto procede normalmente de su composición (inicial(es)) yde la masa del recubrimiento (valores numéricos). Generalmente, un recubrimientopuede solicitarse en varios espesores. El espesor puede especificarse en micras (1?m = 1/1000 mm = 1/1000000 m) por cara, o en masa de recubrimiento (g/m2) porambas caras. La conversión de espesor de recubrimiento a masa de recubrimiento (yviceversa) es sencilla, aplicando la densidad del recubrimiento en g/cm3. Esimportante tener en cuenta para el cálculo si el valor de recubrimiento se refiere a unao a ambas caras.

EjemploZ275Se trata de una calidad galvanizada por inmersión en caliente (= Z) con una masa derecubrimiento de 275 g/m2 (suma de ambas caras). La masa de recubrimiento en cadacara es 275/2 = 137,5 g/m2. La densidad del zinc es 7,15 g/cm3. Por lo tanto, elespesor de la capa de zinc en cada cara es 137,5/7,15 (g/m2 x cm3/g) o bien19,2/1000000 m o bien ?20 ?m.

El acero recubierto mediante electrodeposición se especifica normalmente según elespesor del recubrimiento.Nota: La especificación ZE50/50 indica un espesor de 5 micras en ambas caras, no50 micras. Los revestimientos aplicados térmicamente se especifican normalmentemediante peso de capa.

La densidad del recubrimiento variará según la composición. Por lo tanto, seproporciona junto con la abreviatura correspondiente a la composición en el texto queaparece abajo. La composición del revestimiento y el modo de aplicación determinalas propiedades de aplicación del producto. En este capítulo únicamente semencionan los más importantes.




2.2 Recubrimiento por electrodeposición

Durante el recubrimiento por electrodeposición del acero, se deposita unrecubrimiento metálico sobre éste a través de un electrolito de solución acuosa ensucesivas celdas de electrodeposición. Debido a la diferencia de voltaje entre elcátodo (carga negativa: acero) y el ánodo (carga positiva), se produce una migraciónde los iones de metal con carga positiva al cátodo, donde se descargan convirtiéndoseen átomos neutros y se depositan sobre la superficie del acero. De forma similar, losiones con carga negativa se desplazan al ánodo.

Los electrolitos están normalmente compuestos por:? una “fuente” de iones metálicos = sal metálica del metal que se desea depositarsobre el sustrato de acero? conductores = ácidos o sales? amortiguadores = estabilizadores de pH

La cantidad de metal depositado sobre el sustrato es proporcional a la cantidad decorriente eléctrica (Ley de Faraday). En la práctica, también deben tenerse en cuentaparámetros tales como la velocidad de la banda, el número de celdas y el rendimientode la corriente eléctrica.

La electrodeposición de un recubrimiento es un proceso electroquímico que tienelugar a temperaturas relativamente bajas (típicamente 50-60 ºC). Esto significa que nose alteran las propiedades mecánicas del sustrato. Incluso la rugosidad del aceroqueda, en principio, replicada en el recubrimiento.

Zinc puro

Actualmente, el electrozincado (ZE o ELO) se utiliza principalmente para componentesexteriores visibles de la industria del automóvil y para paneles en la industria de líneablanca. La capa de zinc se deposita sobre una o ambas caras. Los espesores derecubrimiento solicitados oscilan entre 2,5 y 15 ? m o 18 o 105 g/m2 por cara (ladensidad del zinc es 7,15 g/cm3). Dado que la resistencia a la corrosión del zinc puroes proporcional al espesor de la capa, no se recomienda utilizar espesores inferiores a7 ?m para aplicaciones en exteriores y/o en entornos agresivos.

Níquel-zinc

Los recubrimientos electrolíticos de níquel-zinc (ZNE) típicos contienen de 10 a 14%de Ni. Con ZNE pueden obtenerse los mismos niveles de resistencia a la corrosiónque con el ZE, pero aplicando recubrimientos más finos. El espesor menor de la capay el punto de fusión más elevado del recubrimiento ZNE indican que éste ofrecemejores propiedades de soldadura que el ZE. El recubrimiento ZNE presenta




pequeñas microgrietas que no tienen un efecto perjudicial sobre la adherencia delrecubrimiento sobre el sustrato de acero.

Sin embargo, existe una mayor velocidad de corrosión tras la conformación, enparticular con recubrimientos con altos contenidos de Ni. A pesar de ello, lasensibilidad a la corrosión sigue siendo baja en comparación con el recubrimiento deZn puro, debido al excelente efecto de barrera. Para determinadas aplicaciones sesolicita el recubrimiento ZNE sobre una sola cara debido a problemas de alergia porcontacto con el níquel. Los espesores comercialmente disponibles abarcan un rangode 2,5 a 10 ?m (es decir, 18 a 73 g/m2 por cara, densidad de ZnNi = 7,32 g/cm3).

Típicamente, los clientes solicitan recubrimientos de ZNE 5 ?m de espesor en unasola cara para componentes exteriores.

Hierro-zinc

En comparación con el zinc puro (ZE), el recubrimiento electrolítico de hierro-zinc(ZFE) presenta mejores propiedades de soldadura y una mayor resistencia a lacorrosión. Este recubrimiento contiene típicamente hasta 15% de hierro, y secomercializa en espesores de 5 a 7 ? m. A pesar de sus numerosas ventajas, el ZFEse produce únicamente en Japón y en EE.UU. Esto se debe a la extrema criticidad delproceso de producción y a la dificultad para controlar el contenido de Fe3+ en el bañosi se utilizan ánodos insolubles.

Estaño

El estaño (Sn) depositado sobre un sustrato de acero de bajo espesor (<0,5 mm) seutiliza principalmente en la industria de envases (de alimentos). En primer lugar, elrecubrimiento se aplica por electrodeposición y, a continuación se somete a unafusión; de este modo se obtiene un delgada fase intermetálica de FeSn2 con unaadherencia excelente sobre la superficie del acero. La hojalata resulta particularmenteadecuada para la industria conservera debido a sus buenas prestaciones en términosde soldabilidad, conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, coeficiente derozamiento y aptitud al pintado. Se suministra normalmente como sustrato conrecubrimiento en ambas caras. Si se requiere, se puede comercializar con masas derecubrimiento diferentes en ambas caras: este producto se denomina hojalatadiferencial. Para evitar confusión se utiliza una codificación con líneas. La cara con elrecubrimiento de mayor espesor se marca normalmente con líneas continuas,mientras que la cara con el recubrimiento más fino, si se marca, se identifica conlíneas discontinuas. Las masas de recubrimiento típicas oscilan entre 1,00 y 11,20g/m2 por cara.




Cromo

El sustrato de acero con cromado electrolítico (ECCS) se utiliza principalmente en laindustria de envases (alimentos), al igual que la hojalata. Sin embargo, a diferencia deésta, resulta difícil de soldar; se utiliza básicamente en cápsulas, tapas y envases dedos componentes. El recubrimiento se compone de dos capas: primeramente sedeposita una capa de cromo metálico sobre el sustrato de acero y, a continuación, seaplica una capa de óxidos de cromo. Este sistema dúplex se denominafrecuentemente “Acero Exento de Estaño” (Tin Free Steel = TFS). En la mayoría delos casos, se recubre con barniz. La composición del recubrimiento de cromo es lasiguiente: cromo metálico (mínimo 50 y máximo 90 mg/m2, por cara) y óxido de cromo(mínimo 7 y máximo 15 mg/m2, por cara).




2.2. Recubrimiento por inmersión en caliente

El recubrimiento por inmersión en caliente es un proceso continuo en el que la bandade acero pasa a través de un baño de metal fundido con la composición química derecubrimiento requerida. Cuando la banda sale del pote, el exceso de metal fundido seelimina mediante cuchillas de aire para obtener el espesor deseado. En el caso de losrecubrimientos con zinc, este proceso se conoce como galvanizado o galvanizado porinmersión en caliente. La misma técnica puede utilizarse con aluminio o aleaciones dealuminio-zinc.

En el galvanizado por inmersión en caliente, se somete la banda de acero a unrecocido antes de pasar a través de un baño de zinc fundido a una temperatura de460 ºC. Por consiguiente, las propiedades mecánicas de una banda galvanizada porinmersión en caliente son generalmente diferentes a las de una banda no recubierta,con la misma composición química. Tras el galvanizado por inmersión en caliente, labanda debe pasar a través de un tren Skin-pass para aplicar la rugosidadespecificada.

Zinc puro

La chapa de acero galvanizada (Z), o galvanizado por inmersión en caliente (HDG), ogalvanizado (GI) es el tipo de recubrimiento metálico más frecuentemente utilizado.Ha sido utilizado con éxito durante años en numerosas aplicaciones en el sector de laconstrucción y en la industria del automóvil. En el pasado se utilizaba principalmenteen componentes no expuestos; la mayoría de estos componentes requerían capas dezinc con espesores relativamente elevados, y el aspecto estético del recubrimientoresultaba irrelevante.

El precio relativamente bajo de este producto y los grandes avances alcanzados entérminos de calidad superficial han promovido su creciente utilización en componentesexpuestos en la fabricación de automóviles. Esta mejor calidad se debe en parte a lamejora de los pretratamientos inmediatamente anteriores al galvanizado, un mejorcontrol del baño de zinc y los recubrimientos de zinc sin contenido de plomo quepermiten obtener una estrella mínima.

El espesor de la capa de zinc está comprendido entre 5 y 20 ? m, y en la actualidad seaplica prácticamente siempre sobre ambas caras del sustrato de acero. Este espesor,siendo la densidad del Zn 7,15 g/cm3, corresponde a una masa de recubrimiento entre70 y 275 g/m2 (suma de ambas caras). El producto GI está disponible con estrellamínima (M) y con estrella normal (N).

Para asegurar una buena adherencia y obtener un recubrimiento de zinc conpropiedades adecuadas, es preciso añadir una cantidad muy reducida de aluminio (<




0,5%) al baño de zinc. La estructura del recubrimiento de zinc comprende una capahomogénea de zinc adherida sobre el sustrato de acero y una fina fase intermetálicade Fe2Al5.

Hierro-zinc

La aleación hierro-zinc (ZF) aplicada por inmersión en caliente se somete a untratamiento de galvanneal (galvanizado + recocido = GA). Tras el paso por el pote dezinc, el producto se somete a un breve calentamiento, de forma que se produce unareacción entre el hierro del sustrato y el zinc fundido. De este modo se forman unaserie de fases intermetálicas duras en el recubrimiento. Sobre el sustrato de acero seforma una fina capa ? seguida de una fase ? . La superficie del recubrimiento estáconstituida por una fase ? porosa. El producto GA está disponible con espesores derecubrimiento de 5 a 8 ?m (70 a 120 g/m2, suma de ambas caras). El contenido de Fevaría entre 8 y 12%. Se trata de un contenido promedio dado que debido a lanaturaleza del proceso, el contenido de hierro más elevado en la capa de zinc seencuentra en la zona de contacto con el sustrato, y el más bajo en la superficie (lafase ? ).

Debido a la presencia de hierro y al menor contenido de aluminio en la superficie, esterecubrimiento ofrece mejores prestaciones para la soldadura que el zinc puro. Lavelocidad de corrosión es menor, pero el hierro presente conduce a la formación deóxido rojo. Además, las frágiles fases intermetálicas confieren a este recubrimientouna mayor propensión a la descamación - conocida como “desconchamiento”(flaking) y “desprendimiento de polvo” (powdering) – durante el proceso deconformación.

Galfan ®

Esta aleación de zinc (ZA) contiene un 5% de aluminio y 0,01 a 0,02% de lantano ycerio. El recubrimiento se encuentra disponible en espesores de 7 - 20 ?m, es decir,90 - 260 g/m2, suma de ambas caras (densidad = 6,6 g/cm3). El Galfan ofrece unamejor resistencia a la corrosión que el zinc puro, y tiene una fase intermetálicaextremadamente fina en la interfaz entre el acero y el recubrimiento. Esto proporcionauna mejor resistencia al agrietamiento durante el plegado. El contenido de aluminiodificulta la soldadura de este recubrimiento que, por lo tanto, no resulta adecuado paraaplicaciones en el sector del automóvil. El Galfan es excelente para el recubrimientode bobinas.

Aluzinc ® - Algafort ®

El Aluzinc ® (AZ) contiene 55% de aluminio y 1,6% de sílice, además del zinc. Graciasa su excelente resistencia a la corrosión atmosférica, el producto AZ puede utilizarsesin un recubrimiento posterior de pintura para aplicaciones en exteriores, incluso en




entornos industriales agresivos. Existen ejemplos de cubiertas de AZ que permanecenen buen estado después de 20 años.

RecuerdaEl contenido de aluminio garantiza un excelente efecto de barrera, mientras que elefecto catódico del zinc protege el acero de la corrosión alrededor de arañazos o deagujeros taladrados. Debido a la manera en que se forma la capa de recubrimiento,los bordes cizallados carecen de protección catódica. Por lo tanto, el Aluzinc essensible al avance de la corrosión desde los bordes.

Las ventajas que ofrece este producto son la resistencia a temperaturas más elevadas(315 ºC frente a 250 ºC en el caso del zinc puro) y su mayor reflectividad (capacidadpara reflejar los rayos solares). Cuanto más luz solar refleje, más baja puedepermanecer la temperatura del área cubierta con un tejado de AZ. Por ello, el AZ seutiliza con frecuencia para cubiertas no pintadas. El AZ no es un material de fácilconformación; sin embargo, encuentra numerosos aplicaciones en el sector de laconstrucción.

Dado que el aluminio es mucho más ligero que el zinc, y que el recubrimiento contiene55% de aluminio, la densidad del AZ es de únicamente 3,75 g/cm3. Esto significa quecon el mismo tonelaje de Aluzinc se recubren más m2 que con zinc puro. Cuanto másfino sea el sustrato de acero, más ventajoso resulta para el cliente en este aspecto.

Ejemplo:Con un espesor de sustrato de 0,50 mm (incluido el recubrimiento), una tonelada deAluzinc equivale a 265 m2 de chapa de acero recubierta, mientras que una toneladade Z275 equivale a únicamente 256 m2. Ambos productos tienen el mismo sustrato yun espesor de recubrimiento de 20 ?m por cara. Es decir, para cubrir la mismasuperficie el cliente sólo requiere 96,5 toneladas de AZ150, en lugar de 100 toneladasde Z275.

Aceralia produce Aluzinc bajo la denominación comercial de Algafort ®. También seproduce en EE.UU. y se comercializa con el nombre comercial de Galvalume ®.

Asimismo, se han desarrollado otras aleaciones de aluminio-zinc diferentes de Galfany Aluzinc para diversos clientes. Estos productos encuentran sus aplicacionesprincipalmente en la industria de recubrimiento de bobinas.

Alugal ®

El Alugal ® (AS o chapa de acero aluminizada de tipo I) es un recubrimiento metálicocompuesto de 90% de aluminio y 10% de sílice. El Alugal se encuentra disponible enespesores de recubrimiento de 13 a 34 ? m por cara, lo que equivale a una masa derecubrimiento de 80 a 200 g/m2 como suma de ambas caras (densidad de AS = 3,0




g/cm3). La propiedad más importante del Alugal es su excepcional resistencia a altastemperaturas (480 ºC) combinada con una buena resistencia a la corrosión , inclusoen entornos agresivos. Gracias a esto, el Alugal resulta sumamente adecuado parasistemas de exhaustación y para pantallas térmicas. Nótese que el AS adquiere uncolor negro con la exposición a temperaturas tan elevadas. Una carga térmica de estamagnitud también reduce significativamente su ductilidad.

El Alugal se utiliza de forma creciente para depósitos de combustible (diesel) decamiones, dada su buena resistencia a la corrosión. Este recubrimiento tambiénpermite una fácil esmaltación. Se utiliza un esmalte de aluminio de secado en horno auna temperatura relativamente baja (aproximadamente 550 ºC). El Alugal se esmaltatípicamente por una sola cara, dado que la cara no vista ya es resistente a la corrosióngracias al recubrimiento de aluminio. Este producto se utiliza para hornos, hornosmicroondas y parrillas.

El acero aluminizado de tipo II también está comercializado. Se trata de unrecubrimiento de aluminio puro, sin adición de sílice u otros elementos. Produce uncompuesto de aluminio-hierro especialmente frágil en la interfaz, lo que prácticamenteimposibilita la conformación del mismo. Se utiliza para aplicaciones en las que serequiere una elevada reflectividad.

Emplomado

Para que esta lista resulte completa se debe mencionar la aplicación por mediostérmicos de un recubrimiento de plomo y estaño (Pb con 4 - 8% de Sn). Esterecubrimiento económico se utilizó con éxito en el pasado para depósitos de todo tipo.Sin embargo, la utilización de este recubrimiento resistente a la corrosión hadisminuido en Europa debido a los problemas de salud y medioambientales ligados alplomo. El recubrimiento emplomado sigue utilizándose en Japón y EE.UU., dondeestá siendo gradualmente sustituido por otros recubrimientos metálicos, o por plásticocomo material alternativo para la fabricación de depósitos de combustible.

Resumen

En el gráfico siguiente se ve la evolución del uso de productos recubiertos en Europa,desglosada en tipos de recubrimiento.




Nombre Composición Densidad Aplicación típica

ZE Electrocincado Zinc 7,15 g/cm Paneles exteriores paraautomóviles yelectrodomésticos

ZNE Recubrimientoelectrolítico dezinc-niquel

Zinc + 12% Níquel 7,32 g/cm3 Componentes paraautomóviles

Sn Hojalata Estaño Envases productosalimenticios

Cr Recubrimiento decromo porelectrodeposición

Cromo Tapas y cápsulas

Z Galvanizado porinmersión encaliente

Zinc 7,15 g/cm3 Piezas de automóviles,paneles y cubiertas

ZF Galvanneal Zinc + 10% Hierro 7,22 g/cm3 Automoción

ZA Galfan Zinc +5% Aluminio 6,6 g/cm3 Revestimientos exterioresde paredes

AZ Aluzinc o Algafort Zinc +55% Aluminio +

1,6% Silicio

3,75 g/cm3 Revestimientos deparedes y cubiertas

AS Alugal 90% Aluminio +10% Silicio

3,0 g/cm3 Sistemas de ventilación,escudos térmicos, tubosde escape, bidonesgasóleo diésel,esmaltación en horno poruna cara, barbacoas



UD.6 – Acero recubierto – Cap.3 Tipos de recubrimientos orgánicos 17

CAPÍTULO 3. TIPOS DE RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS

En este capítulo se describen con un mayor grado de detalle los diversosrecubrimientos orgánicos aplicados en procesos de recubrimiento de bobinas. Elmaterial con este tipo de recubrimiento se denomina frecuentemente OCS (acero conrecubrimiento orgánico). Se aplica un sistema de pintura orgánica sobre el sustrato enun proceso continuo mediante rodillos aplicadores. El sustrato puede ser acero norecubierto o acero con recubrimientos metálicos de diferentes calidades. También sedispone de material recubierto en bobinas con un sustrato de aluminio puro.

A diferencia del consumo de acero, indicado en toneladas, la producción de acero conrecubrimiento orgánico se expresa normalmente en m2. En el siguiente gráfico se ve laproducción de acero con recubrimiento orgánico en Europa durante el primer trimestrede 1999.

La ventaja más importante que ofrece el recubrimiento de bobinas reside en el hechode que la superficie se recubre estando plana. El prepintado ofrece numerosasventajas, en comparación con la aplicación posterior de pintura por el cliente sobre elproducto acabado:

? Con el recubrimiento de bobinas, la calidad del producto es mucho másuniforme: el proceso de producción continuo permite un excelente control delespesor del recubrimiento, del color, brillo, aspecto superficial, resistencia a lacorrosión y adherencia de la pintura.

? El recubrimiento en bobinas tiene un impacto medioambiental mucho menor:los residuos de pintura son muy limitados. Las emisiones se reducen al mínimo.Los disolventes residuales se eliminan en incineradores, recuperándose su poderenergético en el proceso de producción.

? El recubrimiento en bobinas es mucho más eficaz y, por lo tanto, mucho máseconómico: las inversiones de los clientes son menores dado que no requieren suspropias instalaciones de limpieza y pretratamiento, líneas de pintura niinstalaciones de tratamiento de agua o disolventes. Este proceso también permiteun ahorro energético y de superficie para el cliente, y los requisitos de seguridadcontra incendios y de certificación medioambiental son menos estrictos.

En el proceso de recubrimiento de bobinas, se limpia primeramente el sustrato y serecubre con una capa de conversión para asegurar una adecuada adherencia de lascapas de pintura. A continuación, se recubre el sustrato pretratado con unaimprimación y, generalmente, con una segunda capa funcional. En la cara posterior(cara no vista) se aplica un sistema de pintura de una sola capa, denominado capaposterior (bacck coat), suele ser suficiente. Las capas de recubrimiento orgánico seaplican en forma de película líquida o como una lámina sólida. En ambos casos, la




banda pasa a través de hornos, para el curado del recubrimiento en el caso de lapintura liquida o para fundir el ádhesivo en el caso de la lámina sólida.

Existen diversos tipos de recubrimientos orgánicos disponibles. A continuación seincluye una descripción general de los sistemas de uso más frecuente.

La pintura se aplica sobre el sustrato mediante rodillos. El primer rodillo recibe lapintura de una bandeja y la aplica de manera uniforme sobre la superficie del rodilloaplicador que, a su vez, la aplica sobre el sustrato en una capa del espesor deseado.El diagrama siguiente es una representación esquemática de este proceso. La pinturapuede aplicarse mediante un sistema de dos o tres rodillos.

A continuación, la pintura húmeda se seca y se cura en un horno continuo. A la salidadel horno, la banda se enfría y se puede aplicar otra capa de pintura si procede.

Imprimación

La imprimación es la primera capa de recubrimiento orgánico aplicada con un rodilloaplicador sobre el sustrato pretratado. Esta imprimación no tiene función estética, peropermite obtener una buena adherencia del recubrimiento sobre el sustrato de acero.En la mayoría de los casos, se selecciona una imprimación universal con buenaresistencia a la corrosión y un precio adecuado.

Existen imprimaciones universales comercializadas como pinturas con base dediferentes polímeros incluyendo epoxi, poliuretano, poliéster, acrilatos, etc. Laimprimación se aplica típicamente en capas de 5 a 10 ? m de espesor. Puede aplicarsesobre uno o ambos lados del sustrato con el primer rodillo aplicador de pintura.

RecuerdaEn las especificaciones de material recubierto en bobina, el espesor del recubrimientose refiere siempre al espesor total, incluyendo la imprimación.

Generalmente se utiliza una imprimación epoxi, o de poliuretano si se requiere unamayor flexibilidad. Los productos epoxi no son resistentes a los rayos ultravioletas.

Capa posterior

La capa posterior es el sistema de pintura aplicado sobre el reverso del materialrecubierto en bobinas (es decir, sobre la cara no vista). En la mayoría de los casos,para esta capa posterior se utiliza una imprimación universal. Sin embargo,determinadas condiciones especiales pueden requerir una capa posterior diferente. Sifuera preciso, se puede aplicar incluso un sistema de dos capas.




En principio, una capa posterior universal tiene buenas propiedades espumantes y deadherencia. Normalmente se utiliza una capa posterior de pintura epoxi;alternativamente, se pueden aplicar pinturas poliuretanadas o de poliéster.

Capa de Acabado

Normalmente, la capa de acabado se aplica únicamente sobre la cara frontal (caravista). Existe una amplia gama de tipos de pintura, colores y acabados, a elección delcliente en función de los requisitos del producto final.

Evidentemente, un sistema de pintura para aplicaciones en exteriores en un entornoagresivo precisa una resistencia a la corrosión superior a la de aplicaciones eninteriores, tales como paneles de techos, etc. En climas cálidos, por ejemplo, laresistencia a los rayos ultravioletas y a la decoloración son propiedades cruciales.

Poliéster

Los productos de poliéster (PE) constituyen un sistema de pintura adecuado paraaplicaciones en exteriores y en interiores. Cuando se requiera una mayor resistencia,puede aplicarse la capa de acabado de poliéster con espesores más elevados.Típicamente, el espesor de recubrimiento es de 15 ?m para aplicaciones en interioresy de 25 o 35 ?m (incluyendo la imprimación) para aplicaciones en exteriores. Elsustrato también se selecciona en función de la aplicación. Para usos en exteriores,se recomienda normalmente un sustrato de acero galvanizado por inmersión encaliente con un espesor de recubrimiento de zinc de 275 g/m2 (Z275).

Además del poliéster “estándar”, existen asimismo variantes compuestas porpoliésteres modificados con silicona y poliamida. Estas variantes ofrecen,respectivamente, una mejor resistencia a las condiciones atmosféricas exteriores yuna mayor resistencia al rayado y a la abrasión.

Las pinturas de poliéster y sus variantes se encuentran comercialmente disponibles enuna amplia gama de colores y grados de brillo. Se utilizan en numerosas aplicacionesen interiores y exteriores, tales como revestimientos de paredes y cubiertas, panelesde techos, neveras y lavadoras, apliques, bidones, mobiliario, etc.

La ventaja más importante de estos productos reside en su precio, mientras que suflexibilidad relativamente limitada constituye una desventaja. Este material no resultaadecuado para radios de plegado muy reducidos.

Poliuretano

Las pinturas de poliuretano (PU o PUR) tienen una mejor resistencia al envejecimientoy a la deformación que los productos de poliéster. Típicamente, el espesor delrecubrimiento es de 50 ?m (incluida la imprimación). El sustrato se selecciona en




función de la aplicación. Para usos en exteriores, se recomienda normalmente unsustrato de acero galvanizado por inmersión en caliente con un espesor derecubrimiento de zinc de 275 g/m2 (Z275).

Como ejemplos de aplicación pueden mencionarse los revestimientos de paredes ycubiertas, puertas de garajes, neveras y lavadoras, sistemas de aire acondicionado,máquinas expendedoras de bebidas, etc.

Las ventajas más importantes que ofrecen estos productos de pintura son unaadecuada resistencia a la corrosión, buena estabilidad de color y de brillo y unaexcelente flexibilidad. Los sistemas de pintura de poliuretano son más caros que losde poliéster. Permiten la estampación en relieve y pueden utilizarse como alternativaal Plastisol.

Plastisol

El Plastisol (PVC o cloruro de polivinilo) se aplica en recubrimientos con espesoresrelativamente elevados (100 o 200 ? m). Esto confiere al Plastisol una excelenteresistencia a la abrasión y a la corrosión. Asimismo, este sistema de pintura esextremadamente flexible y, por lo tanto, resulta adecuado para aplicaciones deplegado con radios reducidos.

El espesor de la capa (200 ?m) permite la estampación en relieve, normalmente conuna estructura superficial de imitación de cuero. Esta técnica de estampación enrelieve confiere al recubrimiento una mayor resistencia al rayado.

Entre los ejemplos de aplicación figuran los revestimientos de paredes y cubiertas,puertas de garaje y persianas.

Las ventajas más importantes de estos productos son su adecuada resistencia a lacorrosión, su flexibilidad y su aptitud a la estampación en relieve que permite obteneruna mayor resistencia al rayado. El Plastisol es relativamente caro y en determinadospaíses (en particular en los países escandinavos) existen restricciones de utilizacióndebido a su contenido de cloruros. Este producto se puede utilizar únicamente a bajastemperaturas y su resistencia a los rayos ultravioleta es limitada.

PVDF

El PVDF o fluoruro de polivinilideno ofrece excelentes propiedades de estabilidad decolor y de brillo, gracias a su excepcional resistencia a los rayos ultravioleta. Estapropiedad lo convierte en un material particularmente adecuado para la pintura deedificios en colores vivos. El espesor del recubrimiento es típicamente de 25 o 35 ?m(incluyendo la imprimación). En las aplicaciones de múltiples capas se puedenobtener efectos especiales de color y de aspecto superficial.




El PVDF combina todas las ventajas de las capas de acabado descritasanteriormente: resistencia a la corrosión, flexibilidad, resistencia a la agresión químicay estabilidad de color y brillo. Este sistema de pintura puede utilizarse sin problema,incluso en regiones con niveles de radiación ultravioleta extremadamente altos yelevadas temperaturas y humedad relativa. Sin embargo, se trata de un producto muycaro.

Por consiguiente, el PVDF se utiliza únicamente para aplicaciones exteriores enentornos muy agresivos cuando el aspecto estético constituye un factor importante.

Resumen

En la siguiente tabla se resumen las características principales de los diferentes tiposde pintura.

Nombre Espesor de recubrimiento Aplicación típica

Imprimación 5 - 10 ? m Aplicado como “capa base”

Capa posterior 5 - 10 ? m Reverso (cara no vista)

PE Poliéster 15, 25 o 35 ?m Revestimiento de paredes y cubiertas,paneles de techo, neveras, bidones,mobiliario, apliques

PU oPUR

Poliuretano 50 ? m Revestimientos de paredes y techos lisos ocon relieve, puertas de garajes y persianas

PVC Plastisol 100 o 200 ? m Revestimiento de paredes

PVDF Fluoruro de polivinilideno 25 o 35 ?m



UD.6 – Acero recubierto – Cap.4 Postratamientos 22

CAPÍTULO 4 POSTRATAMIENTOS

Los productos con recubrimientos metálicos reciben a menudo un tratamientoadicional antióxido para protegerlos durante el transporte o almacenamiento de losmismos. Esto puede parecer contradictorio, dado que el recubrimiento metálico seaplica sobre el acero específicamente para protegerlo contra la corrosión. Sinembargo, la capa de óxido protectora sólo debe formarse sobre el producto acabado:no debe existir una capa de óxido presente antes de la conformación y de laaplicación de la pintura.

La superficie de un producto que se desee pintar debe presentar la máxima limpiezaposible para asegurar una adherencia óptima. Asimismo, las condiciones atmosféricasexistentes durante el transporte y el almacenamiento no son siempre favorables.

La ventilación es frecuentemente inadecuada y los cambios de temperatura extremosproducen a menudo condensación. Estos dos fenómenos pueden dar lugar a laaparición del temido “óxido blanco” sobre el acero galvanizado.

Existen numerosos tratamientos que permiten hacer frente a estos problemas, y seseleccionan en función del tipo de recubrimiento y de los procesos a los que sesometa el material posteriormente.

Al igual que el acero no recubierto, también es posible aceitar aceros conrecubrimiento metálico. Debe especificarse el tipo y cantidad de aceite en el pedido,dado que el aceite debe ser compatible con los productos utilizados en el procesadoposterior a llevar a cabo por el cliente.

El aceite, a modo de barrera física, protege el acero de la corrosión durante eltransporte y almacenamiento, también, proporciona un efecto beneficioso adicionaldurante el proceso de conformado, durante el que será necesario añadir menosaceite, o incluso no será necesario añadirlo en absoluto. Por otro lado, el aceitado nodebe perjudicar el uso de adhesivos o selladores durante el proceso de montaje.

El tratamiento de desengrasado previo al pintado debe eliminar el aceite de formasatisfactoria. Además, una cantidad excesiva o escasa de aceite también puedeprovocar problemas relativos al apilado automático. Otras desventajas consistirían enel deterioro del aceite por el paso del tiempo, la tendencia del mismo a escurrirse si elacero no está apilado de forma perfectamente horizontal, y el impacto medioambientaldel proceso de desengrasado previo al pintado del acero.

En principio, el aceitado no se considera un postratamiento. Debido a las desventajasque supone el aceitado, se están desarrollando en la actualidad tratamientosalternativos. Se trata de revestimientos orgánicos tanto permanentes como nopermanentes con propiedades lubricantes. Existen diferentes tipos de prelubricantes,lubricantes secos y películas secas. Los prelubricantes y lubricantes secos se aplican




de forma convencional, al igual que el aceite, mediante nebulización electrostática orodillo aplicador. Las películas secas (Dry Films, DF) se aplican mediante un aplicadorde tratamiento químico y posteriormente se secan. Este tipo de revestimientos seconsideran postratamientos . Más adelante se describen brevemente.

Los revestimientos permanentes se mantienen sobre el acero a lo largo de todo elproceso de producción en las instalaciones del cliente, incluyendo el proceso depintado. Como ejemplo de esto puede mencionarse el revestimiento antihuellas(Antifingerprint). El cliente elimina los revestimientos no permanentes en la fase dedesengrasado.

Pueden utilizarse aceites combinados con uno de los tratamientos que se describenmás adelante.

Cromatado

Se trata de una técnica frecuentemente utilizada. Consiste en un cromatado conaclarado al final de la línea de galvanizado, mediante el cual se deposita una pequeñacantidad de ácido crómico resistente a la corrosión sobre el recubrimiento,normalmente entre 20 y 40 mg/m2.

El éxito de este tratamiento se debe a la extraordinaria resistencia a la corrosión y laexcelente adherencia de la pintura a aplicar posteriormente. Sin embargo, dado que elcromo constituye un contaminante medioambiental, cada vez se está reemplazandocon mayor frecuencia por tratamientos exentos de cromo.

Aún puede utilizarse cromo a nivel industrial, siempre y cuando el efluente seasometido a un tratamiento apropiado antes de proceder a la descarga del mismo. Apesar de esto, las cargas de efluentes son tan elevadas que deben mantenerse almínimo los efluentes de cromo. Esta es la razón por la que en la actualidad se utilizala tecnología “sin lavado”, mediante la cual ya no resulta necesario llevar a cabo estepaso final, para llevar a cabo el tratamiento de cromatado. Además, no es posiblellevar a cabo un tratamiento de fosfatado sobre acero tratado con ácido crómico.

Una superficie cromatada es completamente pasiva, lo que implica que no puedenformarse cristales de fosfato sobre la misma. Además, los residuos de cromatocontaminan el baño de fosfato y lo inutilizan.

Debido a que los fabricantes de automóviles siempre aplican un fosfatado antes delpintado, no debe suministrarse en ningún caso material cromatado o cromatado conaclarado para aplicaciones automovilísticas.




Fosfatado

El productor de acero aplica en ocasiones un tratamiento de fosfatado. De hecho setrata de un tratamiento breve de prefosfatado mediante el que se aplica una capaextremadamente fina de (< 1 ?m) de cristales de fosfato al sustrato como protecciónanticorrosión durante el transporte y como “imprimación” para un posterior fosfatado arealizar por el cliente.

El tratamiento de prefosfatado presenta la ventaja añadida de proporcionar lubricaciónadicional durante el conformado. La banda de acero sometida a este pretratamientoposee un coeficiente de fricción más estable, con lo que se evitan las pegadurasdurante el proceso de conformado.

En la práctica, el prefosfatado se aplica normalmente a la banda electrocincada,aunque se han realizado pruebas y ensayos para aplicarlo a la chapa minimizada.

Recubrimientos orgánicos finos

Como ya se ha mencionado en la introducción, aparte del aceitado, el tratamiento deprefosfatado y cromatado, en la actualidad se dispone de una amplia variedad derevestimientos orgánicos finos. Pueden ser permanentes o no permanentes, y con osin cromo. Si es necesario, puede añadirse polvo de zinc para mejorar la soldabilidaddel material. Estos revestimientos finos realizan normalmente más de una función:mejorar la resistencia a la corrosión, favorecer la adherencia de la pintura, mejorar lalubricación, etc.

Existen diversos suministradores que disponen de un elevado número de estosproductos, muchos de los cuales se encuentran aún en fase de desarrollo. Sinembargo, algunos de ellos ya han encontrado aplicaciones industriales satisfactorias.

El revestimiento antihuellas o AFP (Antifingerprint) constituye uno de losrevestimientos orgánicos finos más antiguos. Como indica el nombre del mismo, esterevestimiento protege el acero frente a la manipulación. Este producto se utilizageneralmente para la carcasa exterior de equipos hi-fi, revestimiento de paredes deascensores, etc. También permite el pintado.

Las películas secas (DF) proporcionan al acero un mejor coeficiente de friccióndurante el conformado. No presentan las desventajas del aceite, que tiende aescurrirse si no se almacena el acero de forma completamente horizontal, yproporciona además un revestimiento con un grado de homogeneidad mucho máselevado.




Bonazinc? es una combinación de un pretratamiento de cromato y un revestimientoorgánico fino que contiene polvo de zinc para mejorar la soldabilidad.

Se trata de una marca registrada de la compañía que suministra el polímero orgánicocon polvo de zinc. Existe un producto similar ofertado por otra compañía con elnombre comercial de Granocoat? .

En primer lugar se aplica un tratamiento de cromatado al acero galvanizado.Seguidamente se aplica el polímero y se procede al curado del mismo. Esta es larazón por la que Bonazinc? se produce generalmente en líneas de revestimiento debobinas. Debido a que el recubrimiento de cromato no se encuentra en la superficie,no se producen problemas si el cliente aplica posteriormente un tratamiento defosfatado. En la actualidad sólo algunos fabricantes de automóvil utilizan Bonazinc? .

Hasta ahora Bonazinc? sólo se ha utilizado en material electrocincado, aunque enprincipio también puede aplicarse a otros sustratos metálicos.

Durasteel? se aplica a un sustrato recubierto con zinc-níquel por deposiciónelectrolítica. Después de aplicar un pretratamiento de cromato se aplica unrevestimiento orgánico con silicio por una sola cara. Hasta hace poco, Durasteel? sefabricaba, entre otros lugares, en la línea de Sidmed de Aceralia, y se comercializababajo el nombre de Dumed. Sollac fabrica un producto similar denominado Solplex.

Resumen

La tabla que se muestra a continuación proporciona una visión general de losdiferentes tipos de postratamiento, con un ejemplo representativo de cada uno deellos.

Aceite

Aceite mineralPrelubricanteLubricante secoPre-fosfatado

Cromato con aclarado




Revestimiento orgánico: 1 capa

P. ej. Antihuellas

Revestimiento orgánico: 2 capas

P. ej. Bonazinc 3000 Granocoat ZE

La tabla que aparece a continuación muestra las combinaciones más comunes derevestimientos metálicos y postratamientos. Pueden darse otras combinaciones,aunque no son comunes.

Postratamiento

ZEElectrocincado

Cromato con aclarado o prefosfatado, aceitado/no aceitado, con o sinun revestimiento orgánico fino (tipo Bonazinc? )

ZNERecubrimientoelectrolítico con zinc-níquel

Aceitado/no aceitado, con/sin revestimiento orgánico fino (tipoDurasteel)

SnHojalata

Aceitado

ECCSCromo

Aceitado

ZGalvanizado porinmersión en bañocaliente

Cromato con aclarado, aceitado/no aceitado, con/sin revestimientoorgánico fino (antihuellas)

ZFGalvannealed


AZAluzinc


ASAlugal




UD.6 – Acero recubierto – Cap.5 Fabricación de los productos recubiertos 27

CAPÍTULO 5 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS

5.1. Recubrimiento por deposición electrolítica

Existen cuatro secciones: pretratamiento, recubrimiento, postratamiento, y la secciónde salida.

Pretratamiento

En primer lugar se suministran las bobinas laminadas en frío y recocidas a la línea derecubrimiento por deposición electrolítica. Para pasar de un proceso discontinuo(bobinas separadas) a un proceso continuo (banda continua) se coloca una soldadoraa la entrada.

Se procede al desbobinado y limpieza de la bobina siguiendo una serie de pasos. Estepretratamiento es necesario para asegurar un buen grado de adherencia de ladeposición electrolítica y un aspecto óptimo de la superficie.

El primer paso a realizar para llevar a cabo la limpieza de la bobina consiste en undesengrasado alcalino de la banda de acero, en la que una instalación denebulizadores y cepillos retiran el aceite, las impurezas y los restos de emulsión.Inmediatamente después se alimenta la banda a un acumulador que actúa como unazona de regulación entre el proceso de entrada discontinuo y la sección derecubrimiento continuo.

Seguidamente se pasa la banda de acero a través de una enderezadora-aplanadorapara la corrección de la planitud y el posicionamiento adecuado de la banda. Elsiguiente paso consiste en preparar la banda para proceder al recubrimiento de lamisma.

Esto tiene lugar en la unidad de, donde se desengrasa la banda, se procede alaclarado de la misma, se decapa y se aclara de nuevo. Después de esto la banda yaestá lista para recibir el recubrimiento.

Recubrimiento

Se pasa la banda a través de diversas células de electrodeposición. El diagrama quese muestra a continuación presenta un esquema detallado de una de ellas.

En realidad, la banda pasa a través de un cierto número de células para acumular elespesor de revestimiento necesario. Puede aplicarse el recubrimiento en las dos caraso sólo en una de ellas. Cuando se precisa el recubrimiento de una sola cara sedesconectan los ánodos internos. En la línea de recubrimiento por deposiciónelectrolítica de Sikel y SIDMED puede depositarse sobre la banda zinc puro o unaaleación de zinc-níquel, dependiendo del electrolito seleccionado.




Postratamiento

El cliente solicita a menudo que se realice un postratamiento posterior del materialpara evitar la oxidación prematura del mismo o formación de óxido blanco durante eltransporte y almacenamiento. Las líneas de Sikel, Giebel y SIDMED tienen lacapacidad de proporcionar tanto tratamientos de prefosfatado como de cromatado conaclarado. Puede aplicarse el tratamiento de prefosfatado en una o ambas caras. Elcromatado con aclarado se realiza en ambas caras.

Sección de salida

En la sección de salida, en primer lugar se mide el espesor del recubrimiento de zinc.Seguidamente la banda entra en otro acumulador, con lo que se asegura que elproceso puede seguir de forma continua durante las breves paradas que se producenen la sección de salida. Si es necesario, existe la posibilidad de proceder alrebordeado de la banda, aceitado, corte, y bobinado. Puede aceitarse banda sometidaa un proceso de prefosfatado, cromatado con aclarado o banda no tratada. Una vezrealizada esta operación el material ya está listo para su envío.

Además de los pasos del proceso que se describen arriba, también se realizanmediciones en la línea de producción, y se lleva a cabo la inspección de la banda.




5.2 Recubrimiento por inmersión en caliente

A diferencia del proceso de recubrimiento por deposición electrolítica, el recubrimientopor inmersión en caliente se realiza en acero laminado en caliente o en frío sinrecocido posterior. El recocido constituye una parte integrada en la línea derecubrimiento.

A continuación se describe la galvanización por inmersión en baño caliente deproductos laminados en frío. El proceso de recubrimiento para el material laminado encaliente es el mismo, con la excepción de la fase de limpieza y recocido. También semantiene el mismo principio cuando el recubrimiento que va a aplicarse consiste enaluminio o una aleación de zinc-aluminio. La composición del metal en el “pote dezinc” y la temperatura del mismo será diferente, dado que esta última depende delpunto de fusión de la aleación.

También consta de cuatro secciones: pretratamiento, recubrimiento, postratamiento ysección de salida.

Pretratamiento

En primer lugar se montan las bobinas en la desbobinadora. Para pasar de unproceso discontinuo (bobinas separadas) a un proceso de producción continua (bandacontinua), existe una soldadora a la entrada, seguida de un acumulador. Este últimosirve como zona de regulación. Seguidamente se somete la banda a unpretratamiento como preparación para el recubrimiento posterior. Prácticamentetodas las líneas disponen de una zona de desengrasado que puede estar equipadacon cepillos para eliminar los finos de hierro, mientras que en otras líneas sólo se tratamaterial no aceitado.

RecuerdaEl pretratamiento en una línea de galvanizado por inmersión en caliente esparticularmente importante para la producción de material destinado a la fabricaciónde piezas visibles de automóvil. En este caso resulta esencial obtener un aspectosuperficial óptimo.

Recubrimiento

En primer lugar se calienta el acero full-hard y posteriormente se somete a un procesode recocido en el horno (a una temperatura aproximada de 800 ºC), con el fin deobtener las propiedades mecánicas necesarias. El ciclo de recocido requeridodepende de la calidad que se va a producir. Tras un proceso de refrigeración parareducir la temperatura de la banda a 460 ºC, ésta es guiada a través del pote de zinc.A medida que sale del pote, las cuchillas de aire escurren el recubrimiento líquido dela superficie de la banda para alcanzar el espesor de recubrimiento requerido. En elcaso de material galvanneal (ZF), la banda pasa a través de un horno de recocido una




vez fuera del pote de zinc. Durante este breve proceso de recocido, el zinc setransforma en una aleación de zinc-hierro. Una vez completado el proceso degalvanizado, se somete la banda a un proceso de refrigeración.

El proceso de galvanizado produce un revestimiento de zinc de estrella minimizada (Mpara zinc y R para galvanneal) o estrella normal (N), dependiendo de la existencia ono de plomo en el baño de zinc.

Acabado superficial y postratamiento

Con objeto de optimizar el aspecto superficial y planitud de la banda de acero, cabe laposibilidad de pasar la banda por las instalaciones de skin-pass y enderezadora-aplanadora. El skin-pass elimina el endurecimiento por acritud en el punto de límiteelástico y al mismo tiempo proporciona la rugosidad necesaria a la superficie.

A menudo se solicita un postratamiento del material para proteger el acero de unaoxidación prematura o formación de óxido blanco durante el transporte yalmacenamiento del mismo.

Sección de salida

En la sección de salida existe otro acumulador, de modo que puede llevarse a cabo elproceso de forma continua durante las breves paradas que se producen en la secciónde salida. Si resulta necesario, puede procederse al rebordeado de la banda,aceitado, cortado y bobinado. Puede aceitarse la banda cromatada o no tratada. Elmaterial galvanizado está entonces ya listo para su envío.

Además de los pasos del proceso que se describen arriba, también se realizanmediciones en la línea de producción, y se lleva a cabo la inspección del producto.

Resumen

La siguiente tabla proporciona detalles de las líneas de galvanizado de Sidstahl (a fecha deAgosto de 1999):

Producción Recubrimiento metálico Postratamientolíneas ZE ZNE Sn Cr Z ZF AZ AS Cromatado

conaclarado

Pre-fosfatado

AFP DF Dura-steel

Aceralia x x XGiebel x X x x #Sikel x x X xSidmed x x X x x x xAvilés1 x x X xAvilés 2 x x X # # #Aceralia T. xBregal x x X x x #Galmed x x XGaltec= x x x




Sidgal 1Galvalange x x x x #Galwa # #LDD x xSegal x xSidgal 1 x x xSidgal 2 # # # #Sidgal 3 # # # # # #Solmed x # # # #

x disponible# en construcción o planificado, aunque no disponible aún




5.3 RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS

En la instalación para recubrimiento de bobinas existen tres secciones: pretratamiento,recubrimiento y salida.

Pretratamiento

El sustrato puede ser acero laminado en frío no recubierto o con un recubrimientometálico.Se montan las bobinas en la desbobinadora. Para cambiar de un proceso discontinuo(bobinas separadas) a un proceso de producción continuo (banda continua) se sueldala cola de una bobina a la cabeza de otra. Esta instalación está seguida de unacumulador, que sirve como zona de regulación. Seguidamente se prepara la bobinapara el revestimiento.Este pretratamiento se lleva a cabo en varios pasos. En primer lugar se desengrasa labobina y se aplica un recubrimiento de conversión. En el caso de material conrecubrimiento metálico se trata de un tratamiento de cromatado sin aclarado. En elcaso de banda no recubierta puede aplicarse también un tratamiento de cromatado,aunque resulta mejor un tratamiento de fosfatado.

Después de esto la banda está lista para el tratamiento de pintado.

Proceso de recubrimiento

Se pinta la banda en un proceso continuo mediante aplicación con rodillos. Algunos deestos sistemas disponen de dos o tres rodillos. Pueden ser de alimentación superior oinferior, aunque el principio de funcionamiento es el mismo. Un rodillo captador tomala pintura y la transfiere al rodillo aplicador. Si existe un tercer rodillo, éste funcionacomo rodillo dosificador.

Se aplican todas las capas de pintura de la misma manera. El reverso, quenormalmente no es visible, se recubre generalmente con una capa posterior. La carafrontal (visible) se recubre con una capa de imprimación seguida de una capa deacabado. También puede aplicarse una segunda capa de pintura al reverso si esnecesario.

El sistema de pintura se aplica a ambas caras de la banda mediante el aplicador derecubrimiento a bobinas.En primer lugar se aplica la imprimación. La banda presenta entonces una película depintura húmeda en ambas caras. Se procede al secado y curado de la misma en unhorno continuo durante un intervalo de 30 segundos. El ciclo de curado influye deforma significativa sobre la calidad del sistema de pintura con respecto a la dureza,adherencia, resistencia mecánica y química. Después de salir del horno se refrigera labanda, y si es necesario se aplica una segunda capa de pintura con el aplicador decapa de acabado. Seguidamente se lleva a cabo otro ciclo de curado en un horno




continuo. Si se trata de un recubrimiento grueso de Plastisol, es posible estampar undibujo sobre la superficie de pintura antes de que se enfríe completamente una vezque la banda ha salido del horno (estampación en relieve). Seguidamente se refrigerala banda.

En función de la aplicación el cliente puede seleccionar un recubrimiento final depoliéster, poliuretano, Plastisol o PVDF en una amplia gama de colores. Además deproducir bobinas de acero recubierto con una capa de acabado destinadas al sectorde la construcción o para aplicaciones domésticas, puede utilizarse una línea derecubrimiento de bobinas para aplicar un tratamiento posterior orgánico permanentecon destino al automovil. Se trata de un recubrimiento extremadamente fino de unpolímero, con la adición de polvo de zinc o un pigmento resistente a la corrosión,como por ejemplo Bonazinc? . Se aplica el recubrimiento de cromato a la banda deacero electrocincada y seguidamente, se aplica la capa orgánica con contenido enzinc a una o ambas caras de la banda, en la línea de Decosteel.

Sección de salida

La banda pasa por la aplanadora y seguidamente por el acumulador de salida,llegando finalmente a la bobinadora.

En adición a los pasos del proceso que se describen arriba, se realizan mediciones enla línea de producción, y se lleva a cabo una inspección del producto.

Resumen

El diagrama de abajo muestra una visión general de las diferentes capas aplicadas en elrecubrimiento de bobinas.

La naturaleza del proceso de recubrimiento de bobinas implica que el sustrato debe reunirespecificaciones muy estrictas. Los aspectos más importantes comprenden la planitud de labanda y la limpieza de la superficie de la misma.



UD.6 – Acero recubierto – Cap.6 Propiedades de los recubrimientos metálicos 34

CAPÍTULO 6 PROPIEDADES DE LOS RECUBRIMIENTOS METÁLICOS

6.1 Adherencia del revestimiento de zinc

Una propiedad esencial en todo revestimiento consiste en el grado de adherencia alsustrato que presentan. En el caso del electrocincado, la adherencia de los diversostipos de recubrimiento de zinc es excelente en general. Los recubrimientos porinmersión en baño caliente de zinc puro también exhiben una buena capacidad deadherencia. Sin embargo, en el caso de zinc-hierro o recubrimientos de galvanneal,esto depende en gran medida del contenido en hierro del revestimiento. La capacidadde adherencia disminuye a medida que aumenta el contenido en hierro.

Se utilizan dos tipos de prueba para cuantificar la capacidad de adherencia delrecubrimiento de zinc: una prueba de flexión y una prueba de resistencia alcizallamiento del solape. En el ensayo de flexión se dobla una banda plana en formade V y seguidamente se devuelve a la posición original. Las partículas de zinc que sedesprenden se retiran con cinta adhesiva. Se pesa la muestra antes y después de laprueba de flexión, y la diferencia constituye una medición de la capacidad deadherencia del recubrimiento de zinc.

La prueba de resistencia al cizallamiento del solape determina la resistencia alcizallamiento del recubrimiento de zinc. Se unen dos muestras con un adhesivosolapando los bordes, y seguidamente se procede a la tracción de ambos extremos enuna máquina de pruebas de tensión. Si la adherencia del revestimiento es excelente,las muestras se separarán por la zona de la capa adhesiva. Esto se denomina unafractura cohesiva. Si la adherencia del revestimiento no es tan fuerte como la deladhesivo, las muestras se separarán entre el recubrimiento de zinc y el sustrato deacero; este tipo de fractura se denomina adhesiva. Los valores típicos de resistenciaal cizallamiento del solape se proporcionan en la tabla de la página anterior.




6.2 Aspecto

El aspecto del acero es especialmente importante en el caso de piezas exteriores deautomóviles, partes externas de electrodomésticos, etc. En otras palabras, las piezasvisibles, combinadas con pintura con un alto grado de brillo, son las más importantes aeste respecto. Un acabado con alto grado de brillo acentúa cualquier irregularidad. Enel caso de acabados satinados y mate este problema es menos acusado.

El material electrocincado presenta un aspecto excelente, gracias a que el espesor delrecubrimiento es extremadamente homogéneo. Esto explica que aún se utilice para lafabricación de piezas visibles exteriores, mientras que el acero galvanizado porinmersión en baño caliente se utiliza para piezas internas y aplicaciones menoscríticas. El coste de los productos recubiertos por inmersión en baño caliente esmenor que el de los productos electrocincados, y la elección final se basanormalmente en un compromiso entre el coste y el aspecto visual. Por ejemplo,algunos fabricantes de automóviles utilizan acero galvanizado por inmersión en bañocaliente para sus modelos más pequeños y de coste más bajo, y materialelectrocincado para las piezas exteriores de los modelos de gama alta.

Durante los últimos años, Sidmar ha desarrollado el texturado superficial Sibetex? .Con Sibetex, el material galvanizado por inmersión en baño caliente puede obtener,en teoría, la misma calidad superficial que el acero electrocincado una vez que se haprocedido al pintado del material.

RecuerdaLos recubrimientos de zinc con estrella normal no son adecuados para los sistemasde pintura con brillo elevado debido a las irregularidades en la estructura superficial delos mismos.

La línea de recubrimiento también desempeña un papel determinante en la calidadvisual de la superficie. Una instalación sin un equipo de desengrasado o cepillos nopuede proporcionar un recubrimiento perfectamente inmaculado. En ocasiones sedejan pequeñas partículas sobre el sustrato, que pueden conducir a la aparición depequeños defectos durante el proceso de galvanizado.




6.3 Conformado

Durante el conformado de acero recubierto entran en juego una serie de factores. Elrendimiento del conformado del material depende de las propiedades de lubricacióndel recubrimiento (coeficiente de fricción), la adherencia del recubrimiento de zinc(desconchamiento), y el desprendimiento de polvos (powdering). Tanto eldesconchamiento como el desprendimiento de polvos ensucia las herramientas, con loque pueden producirse marcas o defectos.

En el caso de material electrocincado, el rendimiento del mismo a la hora de realizar elconformado puede verse afectado únicamente por la presencia misma delrevestimiento. En el caso de material recubierto por inmersión en baño calientetambién es necesario contar con la influencia del proceso de recocido, que modificalas propiedades mecánicas del sustrato y por lo tanto también las propiedadesrelativas al conformado. Tras el recocido y el galvanizado, el material galvanneal sesomete a un tratamiento térmico adicional, y como resultado del mismo se forman lasdiferentes fases de Fe-Zn. Estas fases de Fe-Zn presentan un alto grado de fragilidady por lo tanto suponen un efecto negativo sobre la capacidad de adherencia,desprendimiento de polvos y desconchamiento.

En general, puede decirse que se produce un mayor grado de excoriación conrecubrimientos blandos como por ejemplo el zinc puro. Las aleaciones como zinc-hierro y zinc-níquel producen menos excoriación pero presentan una mayor tendenciaal desprendimiento de polvos y al desconchamiento. Los recubrimientos de zinc puropresentan un bajo coeficiente de fricción, mientras que las aleaciones de zincpresentan un coeficiente de fricción comparable al del acero no recubierto.

RecuerdaLos recubrimientos de aluminio y aleaciones de zinc con aluminio poseen menospropiedades favorables al conformado que el zinc puro o los recubrimientos de zinc-hierro y zinc-níquel.

Con objeto de probar las propiedades de conformado de los productos recubiertos, noresulta suficiente llevar a cabo una serie de pruebas de flexión. Con el fin de obteneruna visión completa, debemos tener en cuenta los diferentes métodos de deformaciónutilizados en el conformado industrial (elongación, deformación plana y embuticiónprofunda). Se han desarrollado un gran número de pruebas para este propósito. Laprueba Nakazima se utiliza principalmente para valorar la adherencia delrecubrimiento, y la prueba de pérdida de peso en copas, la prueba con matriz plana yla prueba de curvado U miden la resistencia al desgaste del recubrimiento . Puedendesprenderse partículas como resultado de un problema de abrasión o adherenciainadecuada. Dado que ambos fenómenos pueden producirse simultáneamente, laprueba de pérdida de peso sólo puede indicar la suma de las pérdidas de peso debidoa ambas posibles causas.

Desprendimientode polvo




6.4. Soldabilidad (por puntos)

La soldabilidad del acero siempre disminuye con la aplicación de un recubrimiento.Para producir una soldadura de resistencia es necesario el uso de calor y presión, enla que el calor se genera mediante una corriente eléctrica. A continuación se detallanproblemas típicos que se producen cuando se sueldan por puntos productosrecubiertos:

? desgaste prematuro de los electrodos de soldadura? adherencia de los electrodos a la pieza de trabajo? daños en la superficie de la pieza de trabajo en cada soldadura? calidad de la soldadura

Estos problemas se deben principalmente a la diferencia existente entre laspropiedades físicas del acero y del zinc. Las más importantes se detallan en la tablaque se muestra a continuación:

Hierro Zinc

Punto de fusión 1520 ºC 420 ºCResistencia eléctrica 0,12 ?ohm.m 0,6 ?ohm.mConductividad térmica 55 W/mºK 106 W/mºK

A causa de estas diferencias, para soldar material recubierto se precisa una corrientede soldadura más elevada. El electrodo se contamina rápidamente, en vista del bajopunto de fusión del zinc y el grado más bajo de dureza del recubrimiento. Losrecubrimientos de zinc puro aplicados por electrodeposición presentan propiedades desoldadura más favorables que los recubrimientos de zinc aplicados mediante elmétodo de inmersión en baño caliente. Esto se debe en parte a que el espesor delrecubrimiento conseguido mediante electrodeposición es menor y posee mayorhomogeneidad, y en parte a la presencia de aluminio en el acero galvanizado porinmersión en baño caliente. El acero galvanneal presenta propiedades de soldaduramucho más favorables que el acero galvanizado, gracias a la presencia de Fe. Laspropiedades del acero galvanneal se encuentran en posición intermedia entre las delhierro y el zinc. Además, el contenido en aluminio del acero galvanneal esconsiderablemente menor, lo que implica una menor contaminación del electrodo.

Los recubrimientos de zinc-níquel presentan también mejores propiedades desoldadura que los recubrimientos de zinc puro. Esto se debe al punto de fusión máselevado, menor espesor del recubrimiento y mayor dureza de los mismos. Resultamás difícil soldar recubrimientos prefosfatados que recubrimientos no prefosfatados,dado que el recubrimiento prefosfatado no es conductor. Por esta razón, no debeexcederse en ningún caso el peso de recubrimiento máximo especificado para elrecubrimiento prefosfatado.




Las cifras que aparecen en el siguiente gráfico muestran la diferencia en soldabilidadresultante del posicionamiento del revestimiento de zinc, que en el caso del aceroelectrocincado consiste en el recubrimiento de una sola cara.

Otro fenómeno que se produce es el relativo a la toxicidad de los gases que sedesprenden durante el proceso de soldadura. Se trata de un problema que no sóloaparece en el caso de soldadura de recubrimientos metálicos, sino que apareceespecialmente en el caso de recubrimientos orgánicos.

En general, puede afirmarse que la diferencia en soldabilidad entre los productosrecubiertos y no recubiertos tiene como resultado una corriente de soldadura máselevada y un mayor desgaste de los electrodos. La corriente de soldadura requeridaviene determinada por el espesor y la dureza del recubrimiento, y sobre todo por lacomposición. Las aleaciones de zinc presentan propiedades de soldadura másfavorables que los recubrimientos de zinc puro. La calidad ZE presenta un mejorgrado de soldabilidad que la calidad Z, debido a la ausencia de óxido de aluminio en lasuperficie.

Puede compensarse parcialmente el bajo grado de soldabilidad de los recubrimientosmetálicos mediante la optimización de los parámetros de soldadura y la elección delos electrodos. Para conseguir esto se determina la zona a soldar, la curva decrecimiento medida y el desgaste de los electrodos registrado.

Esto se refiere principalmente a la soldadura por puntos, aunque puede aplicarse lomismo a la soldadura con costura y recalcado posterior. En el caso de soldaduramediante láser, por otra parte, resulta esencial disponer de bordes de corte limpio enambos lados a soldar. En el caso de los recubrimientos, relativamente blandos, dezinc puro, es posible que se extienda el zinc sobre el borde cortado, lo que sería fatalpara la soldadura por láser. Este fenómeno se produce menos frecuentemente en elcaso de recubrimientos de aleación de zinc, de mayor dureza.




6.5 Unión mediante adhesivos

Cuando se une acero recubierto o no recubierto mediante un adhesivo, la elección deladhesivo y su compatibilidad con el aceite utilizado es extremadamente importante.En el caso de pruebas de homologación destinadas a clientes del sectorautomovilístico, se prueban diversas combinaciones de adhesivo/recubrimiento/tipo derugosidad/envejecimiento. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, tambiéndebe tenerse en cuenta el hecho de que no todos los recubrimientos se adhieren conla misma fuerza al sustrato.

Los recubrimientos galvanneal ofrecen una resistencia al cizallamiento del solapemenor que otros revestimientos. La resistencia al cizallamiento del solape depende engran medida de la estructura de fase, el contenido en hierro y el tipo de sustrato.

Sin embargo, el mayor de los problemas referente a adhesivos no reside en laelección de sustratos adecuados. A diferencia de una junta soldada, una junta unidamediante un adhesivo sólo alcanza la máxima resistencia después de un cierto tiempoo una vez aplicado un tratamiento de calor.

En la industria del automóvil, el ciclo de curado al que debe someterse la pintura seutiliza también para completar el curado de un adhesivo aplicado en una fase previa.Sin embargo, aún existe el problema de conseguir una fijación temporal previa alcurado, dado que el adhesivo se aplica antes del pretratamiento y el recubrimiento. Esnecesario mantener las piezas firmemente unidas durante estos procesos, de modoque el conjunto permanezca dimensionalmente estable. Además, el pretratamiento nodebería eliminar el adhesivo. También aparecen problemas importantes con loscontroles de calidad no destructivos, debido a que no es posible probar una películade adhesivo mediante técnicas de ultrasonido o rayos X, como sucede con lasoldadura.

Sin embargo, existe un gran potencial para los adhesivos en este campo, y losfabricantes están lanzando continuamente al mercado productos de calidad superior.Se están desarrollando rápidamente técnicas de adherencia y con el tiempo, éstasreemplazarán a numerosas operaciones de soldadura.




6.6 Aptitud al pintado

La mayoría de las aplicaciones requieren el pintado del acero. Antes de proceder aesta operación se aplica un recubrimiento de conversión (un tratamiento de fosfatadoo cromatado) para mejorar la resistencia a la corrosión y garantizar una buenaadherencia de la pintura al sustrato. Los recubrimientos de conversión pueden seraplicados como postratamiento en una línea de galvanizado, como pretratamiento enuna línea de pintado continuo o como pretratamiento aplicado por el cliente.

Todos los recubrimientos metálicos son adecuados para el tratamiento de fosfatado ocromatado. El resultado final depende del tipo de recubrimiento y del proceso deaplicación. Con parámetros de proceso equivalentes, el peso del recubrimiento defosfato es más elevado en el caso de ZF que en el caso de Z, ZE y ZNE. La presenciade aluminio en Z y, en menor medida, en ZF indica que es preciso añadir fluoruros a lasolución de fosfato. Sin embargo, esto no implica problemas posteriores.

Las fotos que aparecen a continuación muestran los cristales de fosfatocaracterísticos obtenidos mediante fosfatación tricatiónica, tal como se realizafrecuentemente en la industria automovilística:

Una vez aplicado el recubrimiento de conversión, el acero recubierto está listo pararecibir la primera capa de pintura. Normalmente se aplica una imprimación en primerlugar para garantizar una buena adherencia. En ocasiones la imprimación contiene unpigmento resistente a la corrosión. La imprimación sirve también para alisar cualquierrugosidad o irregularidad que presente el sustrato. Seguidamente se aplica elrecubrimiento. Además de cumplir una función estética, relativa a color y brillo, elrecubrimiento proporciona una protección química al sustrato.

En la industria automovilística, en la que se precisa un acabado de máxima calidad, seutiliza un proceso especial de pintado. Se aplica la imprimación medianteelectrodeposición (también denominado cataforesis “e-coat”). Se trata de un métodode extrema efectividad para la aplicación de un recubrimiento uniforme de pintura aáreas de difícil acceso. Las partículas de pintura adquieren una carga positiva y sedesplazan bajo la influencia del campo eléctrico creado a la carrocería del automóvilque funciona como cátodo. Se selecciona el voltaje según el espesor delrecubrimiento que se precisa y el recubrimiento metálico utilizado.

Cada recubrimiento se caracteriza por un cierto valor umbral más allá del cual seproducen defectos como la formación de cráteres. Se trata de pequeñas roturas en elrevestimiento que se producen cuando la pintura resulta dañada a causa de una“chispa”. Este defecto permanece visible incluso después de aplicar la capa deacabado. Estas chispas se producen principalmente en los puntos en los que existenirregularidades del recubrimiento metálico. Existen más posibilidades de que un




recubrimiento con una aleación (especialmente ZF) produzca cráteres que losrevestimientos de zinc puro o el acero no revestido.En la práctica esto significa que debe utilizarse un voltaje menor para llevar a cabo elrecubrimiento de material ZF, y que la pieza del automóvil debe permanecersumergida durante un intervalo de tiempo más largo con el fin de obtener el espesordel recubrimiento necesario. La nueva generación de pinturas e-coat ha sidooptimizada para que disminuya la frecuencia de aparición de cráteres.

Una vez aplicada la cataforesis, se aplica una capa intermedia o selladora. La funciónde esta consiste en una nivelación adicional de la rugosidad inicial de la superficie delsustrato, y aumentar la resistencia del material al impacto de gravilla, etc. contra lasuperficie. Por esta razón suele utilizarse un sistema de pintura elástica, de modo quela pintura absorba la energía de un golpe sin desprenderse del sustrato.

Finalmente, se cubre esta capa intermedia con una doble capa de acabado. Laprimera capa actúa como capa posterior, que proporciona el color final a la carrocería.En el caso de un acabado metálico o perlado, las partículas de metal o mica seincorporan en esta capa posterior. El acabado final lo proporciona un recubrimiento debarniz incoloro que aporta un alto grado de brillo y resistencia mecánica y química dela pintura. La capa de pintura que se aplica en la industria automovilística tiene unespesor total aproximado de 90 ?m.

En el caso de aplicaciones fuera del sector automovilístico el sistema de pinturacomprende normalmente la aplicación de dos capas: una imprimación para asegurarun grado de adherencia satisfactorio y una capa de acabado para obtener un color ybrillo concretos, además de otras propiedades específicas. Las propiedadesrequeridas depende en gran medida del producto final de que se trate. Por ejemplo, espreciso que los productos finales destinados al contacto directo con alimentos nocontengan sustancias o pigmentos tóxicos; los electrodomésticos se recubren con unsistema de pintura resistente a las manchas; los sistemas de pintura para lavadoras ysecadoras deben ser resistentes a los detergentes, etc.

Cuando se utiliza pintura en polvo, generalmente basta con aplicar una capa. Segarantiza una buena adherencia al sustrato mediante un pretratamiento efectivo:desengrasado y un recubrimiento de conversión (tratamiento de fosfatado ocromatado).




6.7 Adherencia de la pintura

La adherencia de un sistema de pintura al sustrato recubierto o no recubierto dependeprincipalmente del sistema de pintura mismo y el pretratamiento aplicado. Lainfluencia del recubrimiento metálico es de menor relevancia en este caso.

Puede probarse la adherencia de la pintura de diversas formas. Las pruebas másconocidas comprenden el ensayo de cuadriculado o ensayo Gitterschnitt, el ensayo deadherencia en húmedo y el ensayo de proyección de gravilla.

En el ensayo de cuadriculado se raya la muestra recubierta trazando líneas paralelas,de profundidad suficiente como para alcanzar el sustrato de acero. Se rayaseguidamente trazando líneas perpendiculares a las primeras con lo que se obtieneun dibujo de tablero de ajedrez. El porcentaje de partículas de pintura que sedesprenden constituyen una medida de la resistencia de la adherencia.

La prueba de adherencia en húmedo se basa en la misma técnica, sin embargoprueba también la permeabilidad al agua y la calidad del recubrimiento de conversión.La muestra se sumerge en agua desmineralizada a 40 ºC durante 24 horas, yposteriormente se extrae la muestra y se somete a la prueba de cuadriculado. Serepite el ensayo una vez que se ha secado completamente el sistema de pintura. Deeste modo, puede probarse tanto la adherencia en húmedo de la pintura, además decualquier mejora en la adherencia de la pintura una vez seca.

El ensayo de proyección de gravilla se utiliza principalmente para aplicaciones delsector automovilístico. Para llevar a cabo este ensayo se proyecta, mediante airecomprimido, gravilla o granalla de acero contra una muestra pintada. Las partículasde pintura que se desprenden se retiran con cinta adhesiva. Después del ensayo seexamina el número, el tamaño y sobre todo la profundidad de las muescasprovocadas por el impacto de las partículas. Dado que en el impacto entran en juegofuerzas de cizallamiento principalmente, puede simularse este ensayo mediante elensayo de resistencia al cizallamiento en el solape que se describió anteriormente (veradherencia del revestimiento de zinc).




6.8 Comportamiento frente a la corrosión

La presencia de un recubrimiento metálico mejora sustancialmente la resistencia a lacorrosión del sustrato de acero. Un recubrimiento de zinc o de una aleación de zincproporciona al sustrato un efecto barrera además de protección catódica.

RecuerdaCuanto mayor espesor tenga el recubrimiento de zinc, mayor será la proteccióncatódica que proporciona. Sin embargo, la protección catódica en los bordescizallados o donde se haya producido algún deterioro sólo resulta efectiva a lo largode una distancia determinada. El espesor del acero constituye un factor importante eneste aspecto: con espesores de >1,5 mm, la distancia es demasiado elevada para unaprotección catódica adecuada.

A diferencia del zinc, el aluminio no se sacrifica en primer lugar para proteger el acero.Ésta es la razón por la que los revestimientos que contienen zinc y aluminio son tanventajosos para el recubrimiento de bobinas. Garantiza la protección contra lacorrosión cosmética y el avance de la corrosión provocada por pequeños arañazos uotros daños queda limitada gracias a la presencia de aluminio. Esto explica el éxito delAluzinc en el sector de la construcción En los diagramas que aparecen a continuaciónse ilustra este principio. Sin embargo, es importante tener en cuenta que este principiono se aplica a los bordes cizallados. En esta zona desprotegida aparece óxido rojocon bastante rapidez, debido a que la distancia es demasiado elevada para unaprotección catódica adecuada.

Los recubrimientos de aleación de zinc (con hierro, níquel o aluminio) presenta menosgrado de avance de la corrosión a partir de arañazos o deterioro de la pintura. Estosrecubrimientos presentan además un rendimiento sustancialmente superior al del zincpuro cuando se mide la pérdida de peso tras un ensayo de corrosión. Sin embargo, siel criterio que se cuestiona consiste en la formación o no formación de óxido rojo coneste recubrimiento, galvanneal no ofrece un buen rendimiento.

Como regla general la protección frente a la corrosión aumenta a medida queaumentan los espesores del recubrimiento. Los recubrimientos metálicos de 2,5 ? mofrecen una protección insuficiente, por lo que sólo resultan adecuados paraaplicaciones de interior en las que la protección frente a la corrosión no constituye unfactor crítico. Un tratamiento de prefosfatado mejora significativamente la resistencia ala corrosión. Diversos ensayos han demostrado que con un tratamiento deprefosfatado, un revestimiento de 7,5 ?m de zinc proporciona la misma protecciónfrente a la corrosión que un revestimiento de 10? m no tratado.

La excelente resistencia a la corrosión que proporcionan los sistemas de doble capacomo Bonazinc? , Granocoat? y Durasteel? puede atribuirse al efecto barreraadicional de este acabado orgánico. La proteción frente a la corrosión en forma derecubrimiento metálico en combinación con un recubrimiento orgánico proporciona un




nivel más elevado de protección que la suma de los efectos de dos recubrimientosaplicados individualmente, es decir 1+1>2.

Se establecen ensayos de corrosión para evaluar la resistencia a la corrosión de losrecubrimientos metálicos. Normalmente consisten en pruebas de exposición ambientalo atmosferica, por ejemplo en el caso de aplicaciones para el sector de laconstrucción. Se monta una muestra estándar sobre un soporte. La velocidad con laque se produce la corrosión depende del grado de agresividad del ambiente en el quese coloca el soporte. Podemos distinguir entre un clima marítimo (presencia decloruros en el aire), un clima urbano (gases de escape razonablemente agresivos) yun clima industrial (gases de agresividad elevada como SO2). El clima también puedeconsistir en una combinación, por ejemplo, marítima e industrial. Otros factoressignificativos son: temperatura media máxima y mínima, tiempo de humectación ynúmero de horas de sol (rayos UV). Los resultados de este tipo de ensayo deexposición pueden interpretarse únicamente después de que hayan transcurrido uncierto número de años.

Dado que en la industria del automóvil o de los electrodomésticos un periodo detiempo tan largo no es aceptable, se han desarrollado pruebas de corrosión acelerada.Resulta esencial que en estos ensayos sólo se varíe la velocidad de la corrosión,manteniendo inalterado el mecanismo de la misma. Sin embargo, no resulta fácilalcanzar este objetivo, debido a que prácticamente en todas las pruebas de corrosióndesarrolladas existe un riesgo elevado de que se produzcan otros fenómenoscorrosivos que no tendrían lugar en la vida real. Por ejemplo, el ensayo de nieblasalina no resulta en absoluto adecuado para la evaluación acelerada delcomportamiento frente a la corrosión de los recubrimientos de zinc. En esta prueba semantienen las muestras húmedas de forma artificial a lo largo de toda la prueba. Lasmuestras no deben secarse en ningún momento, con lo que el zinc no puede formaróxidos protectores. Las pruebas de corrosión cíclica en las que se alternan intervaloshúmedos e intervalos secos resultan más realistas y por lo tanto mucho más fiables.Los ensayos 3C y VDA 621-415 constituyen ejemplos típicos de pruebas cíclicas decorrosión acelerada.

Dado que la corrosión constituye un proceso electroquímico cabe pensar que pararealizar pruebas de corrosión deberían seleccionarse técnicas electroquímicas. Sinembargo, la desventaja existente consiste en que los ensayos deben ser realizadosutilizando un equipo de análisis delicado, que no resulta en absoluto adecuado parasu utilización en un entorno de producción. Otra desventaja a la que nos enfrentamosconsiste en que el análisis de los resultados de los datos electroquímicos es una tareacompleja.

Resumen

La información proporcionada en los párrafos anteriores se resume en la siguientetabla, según el recubrimiento metálico utilizado. Como se menciona antes, deben




utilizarse los datos resumidos en este tipo de tablas con precaución. En ningún casodeben aplicarse estos datos sin tener en cuenta los demás factores implicados, comose describe arriba.

Propiedad CRS ZE ZNE Z ZF AZ ASPropiedades de conformado - --

Desprendimiento depolvo

++ + 0 + --

Excoriación 0 -- + -- +Resistencia a la corrosión

No conformado -- 0 + 0 + ++ ++Conformado -- 0 + 0 0 0 -Pintado - + ++ + ++ 0 0Protección catódica -- ++ + ++ + 0 --

Adherencia de la pintura ++ ++ ++ + + + -Soldabilidad ++ + ++ 0 ++ - --Reflectividad 0 0 0 0 - + ++Aspecto ++ ++ ++ 0 + - -Unión mediante adhesivo ++ + + + - + +Coste (º) ++ -- -- + 0 0 0

++ excelente, + buena, 0 media, - baja, -- muy baja

(º) : coste relativo del recubrimiento para el mismo tipo de acero con propiedades mecánicascomparables y un aspecto superficial normal. No se han tenido en cuenta propiedadesadicionales como aspecto superficial, planitud, etc. mejorados.



UD.6 – Acero recubierto – Cap.7 Propiedades de los recubrimientos orgánicos 46

CAPÍTULO 7 PROPIEDADES DE LOS REVESTIMIENTOS ORGÁNICOS

7.1 Adherencia

Como se ha explicado anteriormente, la adherencia de un recubrimiento al sustratodepende en gran medida del pretratamiento que se haya aplicado al sustrato. Antesde aplicar la primera capa de pintura el sustrato debe encontrarse exento de aceite,suciedad y otros contaminantes. Una vez realizada la limpieza del sustrato se aplicauna capa de conversión al mismo (tratamiento de cromatado o fosfatado) para mejorarla capacidad de adherencia y la resistencia a la corrosión del producto.

La adherencia de la pintura sobre el acero recubierto en bobina se evalúafrecuentemente mediante ensayos destructivos: la prueba de cuadriculado y la pruebade impacto. En esta última se eleva un peso determinado a cierta altura y se dejacaer. La evaluación visual del impacto sobre la muestra pintada constituye una formade medir la adherencia del recubrimiento.

En el ensayo de tracción se adhieren una serie de objetos (dollies) a la superficiepintada y se arrancan una vez seco el adhesivo. Si la adherencia de la pintura no esadecuada, se despegará de la superficie conjuntamente con el objeto. Si laadherencia es satisfactoria, la cola constituirá el enlace más débil y el objeto seseparará del recubrimiento sin dañarlo.

Además de los ensayos arriba mencionados, existe una gama completa de pruebasadicionales (ensayos de plegado en T, etc.) que también prueban la adherencia, hastacierto punto, del recubrimiento. Normalmente estos ensayos ponen a prueba, almismo tiempo, la elasticidad o flexibilidad del recubrimiento.




7.2 Flexibilidad

Dado que se aplica el revestimiento al material antes del conformado, la flexibilidaddel recubrimiento orgánico es muy importante. Esta propiedad se caracteriza por ladeterminación del radio menor sobre el que puede curvarse el material sin que seproduzca agrietamiento del recubrimiento. El radio mínimo varía también según elespesor del sustrato.

Esta prueba se conoce generalmente como ensayo de plegado en T, y se realiza atemperatura ambiente. El diagrama que aparece a continuación muestra elprocedimiento para llevar a cabo esta prueba. Cuanto más bajo sea el valor T, másflexible será el recubrimiento. Normalmente se especifica un valor T entre 0 y 2,dependiendo de la aplicación.

Los sistemas de pintura de poliéster son menos flexibles que los sistemas depoliuretano y PVDF. El plastisol presenta una flexibilidad excepcionalmente elevada.

Existe otra prueba menos extrema que consiste en plegar una muestra pintadaalrededor de un mandril cónico o cilíndrico. Pueden encontrarse más detalles de éstay otras pruebas en los métodos de pruebas normalizadas para material recubierto enbobina.

Además de la flexibilidad, también se prueba la resistencia a la abrasión y dureza delos recubrimientos orgánicos.




7.3 Durabilidad

Los productos recubiertos en bobina se utilizan principalmente en la industria de laconstrucción. Las aplicaciones exteriores requieren una durabilidad excelente. En lapráctica esto significa que los sistemas de pintura utilizados deben presentar unacapacidad adecuada de retención del color y del brillo. La resistencia a la corrosiónconstituye otro aspecto importante.

Brillo y color

Pueden suministrarse productos recubiertos en bobina en una amplia gama decolores. Generalmente se indica el color requerido según el código RAL. Se trata deun código reconocido internacionalmente para la definición de colores. Puede definirsecualquier color de forma precisa matemáticamente. La foto a la izquierda muestra elmodo en que se definen las coordenadas de un color. la luminosidad ( valor L) de uncolor viene determinada por el eje vertical. En el eje horizontal se determina laposición del color con referencia a los colores azul-amarillo ( valor b) y los coloresverde-rojo ( valor a). De este modo se establecen los valores L, a y b para cada color.Cuando se suministran varias remesas para una misma aplicación, se pone especialcuidado en asegurar que existe la variación de color mínima entre remesas.

La retención del color en función del tiempo es al menos tan importante como el colorinicial. Los colores pueden variar bajo la influencia de la luz solar. La desviaciónmáxima permitida se define por lo tanto como delta E o ? E. Cuanto más elevado seael valor de ? E, menor será la retención del color. Algunos colores presentan mayortendencia a deteriorarse con el tiempo que otros, y el tipo de pintura tambiénconstituye un factor significativo en este caso. El “Chalking” constituye un fenómenohabitual mediante el cual la superficie del sistema de pintura se vuelve mate y seforma un depósito blanco sobre la misma. Los sistemas de pintura más oscuros sonmás sensibles al “Chalking” que los colores claros. Sin embargo, los colores másclaros presentan mayor tendencia a amarillear.

El aspecto de un sistema de pintura no sólo viene determinado por el color sinotambién por el grado de brillo. Existen versiones con alto grado de brillo, satinadas ymate. El grado de brillo se define midiendo la reflectancia de la superficie pintada.Cuanto mayor luz refleje, mayor grado de brillo. Al igual que sucede con el color, nosólo es importante el brillo inicial sino la capacidad de retención del mismo. Ésta seexpresa como un porcentaje del brillo inicial. Cuanto más elevado sea esteporcentaje, más satisfactoria será la retención de brillo.

Los siguientes gráficos muestran las curvas típicas de color y brillo para plastisol,poliéster y PVDF.




En general puede decirse que el Plastisol presenta la resistencia más baja a lapérdida de color y brillo. El poliéster y el poliuretano ofrecen una mayor retención decolor y brillo. Para climas muy soleados, se recomiendan los recubrimientos dePVDF, más costosos, dado que presentan un excelente grado de retención de color ybrillo.

Resistencia a la corrosión

La resistencia a la corrosión de los sistemas de pintura recubiertos en bobina no sólodependen del tipo de sistema de pintura utilizado, sino también el pretratamiento y elsustrato. Puede utilizarse tanto acero no recubierto como con recubrimiento metálicopara aplicaciones de recubrimiento de bobinas. En este apartado nos centraremos enla comparación de diversos sistemas de pintura.

Las propiedades de resistencia a la corrosión de un sistema de pintura dependen delespesor del recubrimiento y del tipo de pintura utilizado. Por ejemplo, existenrecubrimientos de poliéster de espesores 15, 25 y 35 ?m. Cuanto más agresivo sea elentorno de aplicación, más elevado será el espesor requerido. El poliuretano y elPVDF ofrecen una mejor resistencia a la corrosión que el poliéster medio. El Plastisolpresenta una resistencia a la corrosión notable.

La elección de un sistema de pintura en base a las propiedades de resistencia a lacorrosión de la misma dependen principalmente del entorno en el que se vayan autilizar. ¿Se trata de un entorno interior o exterior? ¿Se trata de un ambiente húmedo,seco, normal? ¿Existe riesgo de condensación?. Si el sistema de pintura va destinadoa una aplicación exterior, debe tenerse también en cuenta el grado de agresividad delambiente. ¿Existen cloruros (clima marítimo) gases de combustión (entorno urbano)compuestos de azufre (entorno industrial) o rayos UV (clima soleado)? Antes derealizar la elección final, resulta aconsejable consultar los folletos de la línea derecubrimiento que incluye las tablas de propiedades de los diversos tipos disponibles.Esta elección suele consistir en un compromiso entre durabilidad y coste.




ResumenLa siguiente tabla proporciona un resumen de las propiedades más importantes de losdiversos sistemas de pintura:

Propiedad Poliéster Poliuretano Plastisol PVDFRetención de color y brillo + + 0 ++Conformabilidad 0 + ++ +Resistencia a los arañazos - + ++ 0Resistencia al calor + + - ++Resistencia a la corrosión 0 + ++ +Espesor típico delrecubrimiento

25 ?m 50 ?m 200 ?m 25 ?m

Superficie Lisa Lisa oestampada enrelieve

Lisa oestampada enrelieve

Lisa

- = no satisfactorio, 0 = normal, + = satisfactorio, ++ = excelente

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