Tema 7: metales ferrosos

1. Vocabulario.

Mena: mineral a partir del cual se extrae un metal, tal como se encuentra en el yacimiento. El mineral objeto de comercialización se suele encontrar en la explotación asociado a otros minerales que no son aprovechables. Ejemplos de menas son la calcopirita para el cobre, la galena para el plomo o la magnetita para el hierro.

Ganga: minerales que no son aprovechables en la producción del hierro.

Arrabio: material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reducción del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la obtención de las aleaciones férricas fundamentales: las fundiciones y los aceros.

Escoria: residuo impuro formado fundamentalmente por calcio, hierro, aluminio y silicato de magnesio que aparece en el proceso de producción de arrabio y acero y en la fundición de metales como el cobre, el plomo o el níquel.

Coque: residuo duro y poroso que resulta después de la destilación destructiva del carbón. El coque se emplea como agente reductor para la fundición de hierro y como combustible; tiene un color gris negruzco y un brillo metálico. Contiene fundamentalmente carbono, alrededor del 92%; casi el 8% restante es ceniza. El poder calorífico del coque es muy elevado.

Siderurgia: técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de éste o de sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero y las fundiciones. Los más utilizados son los óxidos, hidróxidos y carbonatos.

Metalurgia: ciencia y técnica de la obtención y tratamiento de los metales desde minerales metálicos, hasta los no metálicos. También estudia la producción de aleaciones.

2. El hierro.

El hierro, de símbolo químico Fe (del latín ferrum, 'hierro'), es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. El hierro se encuentra presente en la naturaleza en forma de óxidos, hidróxidos, carbonatos, silicatos y sulfuros.

2.1 Propiedades.

El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790°C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C y una densidad relativa de 7,86. Su masa atómica es 55,845.

El metal existe en tres formas alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro-a (hierro-alfa), hierro-g (hierro-gamma) y hierro-δ (hierro-delta). La disposición interna de los átomos en la red del cristal varía en la transición de una forma a otra. La transición de hierro-a a hierro-g se produce a unos 910 °C, y la transición de hierro-g a hierro-δ se produce a unos 1.400 °C. Las distintas propiedades físicas de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono admitida por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación, dureza y temple del acero.

Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferroso férrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín o herrumbre. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose.

Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo.

El hierro en estado natural sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. También se encuentra en los meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; después del aluminio, es el más abundante de todos los metales. El principal mineral de hierro es la hematita (Fe2O3). Otros minerales importantes son la goetita, la magnetita (Fe3O4), la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, que es un sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre es muy difícil de eliminar. También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales y en las plantas; además, es un componente de la sangre.

2.2. Aplicaciones y producción.

El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (II), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación.

La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre. Según estimaciones para 2008, la producción anual de hierro se sitúa en torno a los 1.100 millones de toneladas. 

2.3. Compuestos.

El hierro forma compuestos en los que tiene valencia +2 (antiguamente compuestos ferrosos) y compuestos en los que tiene valencia +3 (antiguamente compuestos férricos). Los compuestos de hierro (II) se oxidan con facilidad a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), Fe SO 4, denominado caparrosa verde; normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos.

El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base, y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro.

Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4 [Fe (CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (ll) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (ll) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe (CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3 [Fe (CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero.

3. Materiales férricos.

Hierro fundido: contiene entre un 2,25 y un 5% de carbono.

Fundición Gris: se usa para moldeo. El nombre se debe al color de fractura que le otorga el grafito.

Fundición Blanca o Arrabio: se obtiene el carburo de hierro y se usa para la producción de Acero.

Ferroaleaciones: alto contenido de cromo, silicio y magnesio (contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación). Son usados como aditivos en fundiciones.

Hierro de crisol abierto: contiene un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas.

Hierro forjado: contiene un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas.

Escorias: son residuos ácidos con alto contenido de sílice. Se usan como ladrillo o polvo en aislaciones térmicas

Gas: el gas del tragante se recicla y se le usa como combustible industrial.

Aceros: aleación de hierro y carbono, ala que suelen añadirse otros elementos. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono.

Acero común: producto descarbonatado y libre de impurezas obtenido a partir del arrabio. 

Aceros de alta resistencia: estos se obtienen a través de procedimientos destinados a lograr una elevación del límite elástico y la desaparición del límite de fluencia.

Aceros de dureza natural: se obtienen por laminado en caliente modificando la composición química del material con la elevación del tenor de carbono y la adición de manganeso y silicio. La elevación del límite elástico obliga a conferirle una textura con resaltos a efectos de asegurar el fenómeno de adherencia con el hormigón.

Aceros endurecidos en frío: se obtienen por el estirado en frío del acero ordinario conjuntamente con el retorcido que le confiere el espiral de adherencia necesaria.

Acero inoxidable: son aleaciones de hierro y cromo principalmente, capaces de presentar un amplio rango de resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y posibilidades de ser trabajado.

Acero galvanizado: tratamiento realizado sobre el acero en base a un baño electrolítico. Las propiedades protectoras de este procedimiento son muy eficientes y su tecnología muy simple.

4. El alto horno.

Alto horno, horno en forma de torre para refinar mineral, cuyo funcionamiento consiste en forzar que un chorro de aire pase por una mezcla de combustible sólido y mineral para quemar las impurezas no deseadas o convertirlas en escoria insoluble, que flota en el metal fundido y puede retirarse con facilidad. El nombre de alto horno suele restringirse a los hornos metalúrgicos que reducen el mineral metálico, y en particular al empleado para obtener arrabio a partir del mineral de hierro.

Para transformar mineral de hierro en arrabio útil hay que eliminar sus impurezas. Esto se logra en un alto horno forzando el paso de aire extremadamente caliente a través de una mezcla de mineral, coque y caliza, la llamada carga. Unas vagonetas vuelcan la carga en unas tolvas situadas en la parte superior del horno. Una vez en el horno, la carga es sometida a chorros de aire de hasta 870 ºC (el horno debe estar forrado con una capa de ladrillo refractario para resistir esas temperaturas). El metal fundido se acumula en la parte inferior. Los residuos (la escoria) flotan por encima del arrabio fundido. Ambas sustancias se extraen periódicamente para ser procesadas.

Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe.

La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre. 

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el hierro se sangra cinco veces al día.

El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura comprendida entre los 550 y los 900 ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. 

Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas. Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.

El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del orificio del hierro cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y caiga a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta 100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica.

Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.

4.1 Otros métodos de refinado del hierro.

Aunque casi todo el hierro y el acero que se fabrica en el mundo, se obtiene a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada.

-Método directo: para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren en un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio.

-Electrólisis: se produce hierro prácticamente puro, haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro (II).

4.2 Proceso de crisol abierto.

Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este método, los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC.

El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6 × 10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas.

El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 Kg. de chatarra de acero, 11.000 Kg. de arrabio frío, 45.000 Kg. de arrabio fundido, 12.000 Kg. de caliza, 1.000 Kg. de mineral de hierro y 200 Kg. de fluorita. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor.

Desde el punto de vista químico, la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como silicio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a la temperatura de

fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una longitud de 1,5 m. Estos lingotes —la materia prima para todas las formas de fabricación del acero— pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.

4.3. Proceso básico de oxígeno (proceso Bessemer).

El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.

En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora.

4.4. Acero de horno eléctrico.

En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas.

En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado.

Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que —junto con el producido por el arco eléctrico— funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor.

4.5. Hierro forjado.

El proceso antiguo para fabricar la aleación resistente y maleable conocida como hierro forjado se diferencia con claridad de otras formas de fabricación de acero. Debido a que el proceso, conocido como pudelización, exigía un mayor trabajo manual, era imposible producir hierro forjado en grandes cantidades. El desarrollo de nuevos sistemas con convertidores Bessemer y hornos de crisol abierto permitieron producir un volumen mayor de hierro forjado. Sin embargo, el hierro forjado ya no se fabrica habitualmente con fines comerciales, debido a que se puede sustituir en casi todas las aplicaciones por acero de bajo contenido en carbono, con menor costo de producción y calidad más uniforme.

El horno de pudelización empleado en el proceso antiguo tiene un techo abovedado de poca altura y un crisol cóncavo en el que se coloca el metal en bruto, separado por una pared de la cámara de combustión donde se quema carbón bituminoso. La llama de la cámara de combustión asciende por encima de la pared, incide en el techo abovedado y reverbera sobre el contenido del crisol. Cuando el horno ha adquirido un calor moderado, el operario que maneja el horno recubre el crisol y las paredes con una pasta de óxido de hierro, por lo general hematites. A continuación, el horno se carga con unos 250 Kg. de arrabio y se cierra la puerta. Al cabo de unos 30 minutos, el arrabio se ha fundido, y el operario añade a la carga más óxido de hierro o residuos de laminado, mezclándolos con el hierro mediante una barra de hierro curvada. El silicio y la mayor parte del manganeso contenidos en el hierro se oxidan, y se elimina parte del azufre y el fósforo. A continuación se eleva un poco la temperatura del horno, y el carbono empieza a quemarse formando óxidos de carbono gaseosos. Según se desprende gas, la escoria aumenta de volumen y el nivel de la carga sube. Al quemarse el carbono, la temperatura de fusión aumenta, y la carga se vuelve cada vez más pastosa y vuelve a su nivel anterior. A medida que se incrementa la pureza del hierro, el operario remueve la carga con la barra para garantizar una composición uniforme y una cohesión adecuada de las partículas. La masa resultante, pastosa y esponjosa, se divide en pedazos o bolas de unos 80 o 90 Kg. Las bolas se retiran del horno con unas tenazas y se colocan directamente en una prensa que expulsa de la bola la mayor parte de la escoria de silicio mezclada y suelda entre sí los granos de hierro puro. A continuación se corta el hierro en piezas planas que se apilan unas sobre otras, se calientan hasta la temperatura de soldadura y se laminan para formar una sola pieza. A veces se repite el proceso de laminado para mejorar la calidad del producto.

La técnica moderna para fabricar hierro forjado, emplea hierro fundido procedente de un convertidor Bessemer y escoria fundida, que suele prepararse fundiendo mineral de hierro, residuos de laminado y arena en un horno de crisol abierto. Cuando el hierro fundido, que lleva disuelta una gran cantidad de gas, se vierte en la cuchara que contiene la escoria fundida, el metal se solidifica de modo casi instantáneo y libera el gas disuelto. La fuerza ejercida por el gas hace estallar el metal en partículas diminutas que son más pesadas que la escoria y se acumulan en el fondo de la cuchara, donde se aglomeran formando una masa esponjosa similar a las bolas producidas en un horno de pudelización. Cuando se vierte la escoria de la parte superior de la cuchara se retira la bola de hierro y se la somete al mismo tratamiento que el producto del horno de pudelización.

5. Las fundiciones.

Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad, sin perder la permeabilidad, que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido.

5.1. Etapas del proceso.

-Diseño del modelo. El modelo es la pieza que se pretende reproducir, pero con algunas modificaciones derivadas de la naturaleza del proceso de fundición. Debe ser ligeramente más grande que la pieza final, ya que se debe tener en cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. El porcentaje de reducción depende del material empleado para la fundición. A esta dimensión se de debe dar una sobre medida en los casos en el que se dé un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta. Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Este ángulo se denomina ángulo de salida. Se recomiendan ángulos entre 0.5º y 2º. Incluir todos los canales de alimentación y mazarotas necesarios para el llenado del molde con el metal fundido. Si es necesario incluirá portadas, que son prolongaciones que sirven para la colocación del macho.

-Fabricación del modelo. En lo que atañe a los materiales empleados para la construcción del modelo, se puede emplear desde madera o plásticos como el uretano, hasta metales como el aluminio o el hierro fundido. Usualmente se fabrican dos semi-modelos, correspondientes a sendas partes del molde que es necesario fabricar.

-Compactación de la arena alrededor del modelo. Para ello primeramente se coloca cada semi-modelo en una tabla, dando lugar a las llamadas tablas modelo, que garantizan que posteriormente ambas partes del molde encajarán perfectamente.

Actualmente, se realiza el llamado moldeo mecánico, consistente en la compactación de la arena por medios automáticos, generalmente, mediante pistones (uno o varios) hidráulicos o neumáticos.

-Colocación del macho. Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será necesario disponer machos que eviten que el metal fundido rellene dichas oquedades. Los machos se elaboran con arenas especiales debido a que deben ser más resistentes que el molde, ya que es necesario manipularlos para su colocación en el molde. Una vez colocado, se juntan ambas caras del molde y se sujetan.

-Colada. Vertido del material fundido.

-Enfriamiento y solidificación. Esta etapa es crítica de todo el proceso, ya que un enfriamiento excesivamente rápido puede provocar tensiones mecánicas en la pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es demasiado lento disminuye la productividad.

-Desmoldeo. Rotura del molde y extracción de la pieza. En el desmoldeo también debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena se recicla para la construcción de nuevos moldes.

-Desbarbado. Consiste en la eliminación de los conductos de alimentación, mazarota y rebabas procedentes de la junta de ambas caras del molde.

-Acabado y limpieza de los restos de arena adheridos. Posteriormente la pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico, etc.

5.1.1. Variantes.

-Moldeo en arena verde. Consiste en la elaboración del molde con arena húmeda y colada directa del metal fundido. Es el método más empleado en la actualidad, con todo tipo de metales, y para piezas de tamaño pequeño y medio. No es adecuado para piezas grandes o de geometrías complejas, ni para obtener buenos acabados superficiales o tolerancias reducida.

-Moldeo en arena seca. Antes de la colada, el molde se seca a elevada temperatura (entre 200ºC y 300ºC). De este modo se incrementa la rigidez del molde, lo que permite fundir piezas de mayor tamaño, geometrías más complejas y con mayor precisión dimensional y mejor acabado superficial.

-Moldeo mecánico. Consiste en la automatización del moldeo en arena verde. La generación del molde mediante prensas mecánicas o hidráulicas, permite obtener moldes densos y resistentes que subsanan las deficiencias del moldeo tradicional en arena verde. 

-Moldeo a la cera perdida o micro fusión. En este caso, el modelo se fabrica en cera o plástico. Una vez obtenido, se recubre de una serie de dos capas, la primera de un material que garantice un buen acabado superficial, y la segunda de un material refractario que proporciones rigidez al conjunto. Una vez que se ha completado el molde, se calienta para endurecer el recubrimiento y derretir la cera o el plástico para extraerla del molde en el que se verterá posteriormente el metal fundido. Este método tiene dos ventajas principales, la ausencia de machos y de superficies de junta, con lo que se logran fieles reproducciones del modelo original sin defectos superficiales (líneas de junta y rebabas) que luego haya. 

-Fundición en coquilla.En este caso, el molde es metálico.

6. Los aceros.

El acero (al carbono) es la aleación de hierro y carbono, en la cual, el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. En porcentajes mayores al 2% de carbono, se da lugar a las fundiciones; aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a diferencia de los aceros—, se moldean.

La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que, éste último es el único aleante, o los demás aleantes presentes, lo están en cantidades muy pequeñas, pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas (aceros especiales), que reciben denominaciones específicas, en virtud de:

-Los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio).

-Su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación).

-Alguna característica potenciada (aceros inoxidables).

-La función de su uso (aceros estructurales).

Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de, “los comunes” o "al carbono", que amén de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».

Por su variedad y por su disponibilidad, los aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas. Sin embargo, en ciertos sectores, como la construcción aeronáutica, el acero apenas se usa debido a que es un material muy pesado. El acero es casi tres veces más pesado que el aluminio (7,85/2,7).

6.1. Características mecánicas y tecnológicas del acero.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:

-Su densidad media es de 7850 kg/m3.

-En función de la temperatura, el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

-El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 ºC. Sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 ºC. Por otra parte el acero rápido funde a 1650ºC

-Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC

-Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

-Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

-Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lamina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.

-Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.

-Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.

-La dureza de los aceros varía, entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos, entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio.

-Se puede soldar con facilidad.

-La corrosión es la mayor desventaja de los aceros, ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.

-Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de19 3*106 S m-1. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.

-Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán debido a que en su composición hay un alto porcentaje de cromo y níquel.

-Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado. El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

6.2. Elementos aleantes y mejoras obtenidas con la aleación.

Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles.

Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante, se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad, contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a 0,008%.

Boro: logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado.

Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.

Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc. Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.

Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata.

Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros. Se añade como elemento de adición para neutralizar el azufre y el oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos, durante los procesos de fabricación. Actúa también como desoxidante y en la solidificación del acero evita que se formen porosidades. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.), que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0,30 a 0,80%.

Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos, contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.

Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. Los aceros aleados con níquel se obtienen, para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. Es un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción, empleados en la fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad (aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno). El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo, se emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.

Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, lo que favorece la mecanización por arranque de viruta al ser un buen lubricante de corte (torneado, cepillado, taladrado, etc.). El porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5% porque dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.

Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero.

Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.

Vanadio: posee una potente acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.

6.3. Impurezas en el acero.

Impurezas son todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.

-Azufre: límite máximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a una aleación de punto de fusión mínima, llamada eutéctico Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material. La presencia de sulfuro se controla añadiendo manganeso, porque su punto de fusión es alto y proporciona buenas propiedades plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente 5 veces la concentración de S para que se produzca la reacción. El resultado final, es una fundición menos porosa, y por lo tanto de mayor calidad.

-Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta perjudicial, y aunque se considera un elemento nocivo en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.

6.4. Normalización de las diferentes clases de acero.

Al existir una variedad muy grande de clases de acero distintos, se han impuesto unas Normas que regulan la composición de los aceros y las prestaciones de los mismos. 

-España: actualmente están regulados por la norma UNE-EN 10020:2001 (editada por AENOR) y antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-36010. Es una normalización o clasificación de los aceros para que sea posible conocer las propiedades de los mismos. Esta Norma indica la cantidad mínima o máxima de cada componente y las propiedades mecánicas que tiene el acero resultante. En España, el Instituto del Hierro y del Acero (IHA) creó esta norma que clasifica a los aceros en cinco series diferentes a las que identifica por un número. Cada serie de aceros se divide a su vez en grupos, que especifica las características técnicas de cada acero, matizando sus aplicaciones específicas.

-AISI: de hace 70 años, y de uso mucho más extenso internacionalmente.

-ASTM

-DIN

-ISO 3506

6.5. Tratamientos del acero.

-Tratamientos superficiales. Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente protegerlo de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales. Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:

Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico al que se somete a diferentes componentes metálicos.

Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer. 

Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.

Niquelado: baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación.

Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tornillería.

Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.

-Tratamientos térmicos. Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar notablemente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero son: temple, cementación, nitruración, revenido, recocido, cianuración, normalizado.

Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.

El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales. Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite, y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo.

6.6. Mecanizado del acero.

-Acero laminado. El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados de acuerdo a las Normas Técnicas de Edificación NTE. El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación. Estos cilindros van conformando el perfil deseado hasta conseguir las medidas adecuadas. Las dimensiones del acero que se consigue, no tienen tolerancias muy ajustadas y por eso muchas veces a los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado para ajustar su tolerancia.

-Acero forjado. La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.

El cometido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En la forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que se desea conseguir.

-Acero corrugado. Es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para armar el hormigón. Son barras de acero que presentan resaltos o corrugas, que mejoran la adherencia con el hormigón. Está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético. Se denominan REA y TOR.

Las barras de acero corrugado, están normalizadas, por ejemplo en España las regulan las normas (UNE 36068:1994- UNE 36065:2000 –UNE36811:1996)

Se producen en una gama de diámetros que van de 6 a 40 mm, en la que se cita la sección en cm2 que cada barra tiene así como su peso en kg. Las barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras. Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción: 

Límite elástico ―Re‖ (MPA=Materias primas abrasivas).

Carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción ―Rm‖ (MPA= Materias primas abrasivas).

Alargamiento de rotura As (%).

Alargamiento bajo carga máxima Agt (%).

Relación entre cargas Rm/Re.

-Estampado del acero. La estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados.

-Troquelación del acero. La troquelación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y matrices.

-Mecanizado blando. Las piezas de acero permiten mecanizarse en procesos de arranque de virutas en máquinas-herramientas (taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.), luego endurecerlas por tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos abrasivos en los diferentes tipos de rectificadoras que existen.

-Rectificado. El proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas para la construcción de maquinaria y equipos de calidad. Pero el tamaño de la pieza y la capacidad de desplazamiento de la rectificadora pueden presentar un obstáculo.

-Mecanizado duro. En ocasiones especiales, el tratamiento térmico del acero puede llevarse a cabo antes del mecanizado en procesos de arranque de virutas, dependiendo del tipo de acero y los requerimientos que deben ser observados para determinada pieza. Con esto, se debe tomar en cuenta que las herramientas necesarias para dichos trabajos deben ser muy fuertes por llegar a sufrir desgaste apresurado en su vida útil. Estas ocasiones peculiares, se pueden presentar cuando las tolerancias de fabricación son tan estrechas que no se permita la inducción de calor en tratamiento por llegar a alterar la geometría del trabajo, o también por causa de la misma composición del lote del material (por ejemplo, las piezas se están encogiendo mucho por ser tratadas). En ocasiones es preferible el mecanizado después del tratamiento térmico, ya que la estabilidad óptima del material ha sido alcanzada y, dependiendo de la composición y el tratamiento, el mismo proceso de mecanizado no es mucho más difícil.

-Mecanizado por descarga eléctrica. En algunos procesos de fabricación que se basan en la descarga eléctrica con el uso de electrodos, la dureza del acero no hace una diferencia notable.

-Taladrado profundo. En muchas situaciones, la dureza del acero es determinante para un resultado exitoso, como por ejemplo en el taladrado profundo al procurar que un agujero mantenga su posición referente al eje de rotación de la broca de carburo. O por ejemplo, si el acero ha sido endurecido por ser tratado térmicamente y por otro siguiente tratamiento térmico se ha suavizado, la consistencia puede ser demasiado suave para beneficiar el proceso, puesto que la trayectoria de la broca tenderá a desviarse.

-Doblado. El doblado del acero que ha sido tratado térmicamente no es muy recomendable pues el proceso de doblado en frío del material endurecido es más difícil y el material muy probablemente se haya tornado demasiado quebradizo para ser doblado; el proceso de doblado empleando antorchas u otros métodos para aplicar calor tampoco es recomendable puesto que al volver a aplicar calor al metal duro, la integridad de este cambia y puede ser comprometida.

-Perfiles de acero. Para su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles metálicos, siendo éstos de diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares. Un tipo de acero laminado que se utiliza para las estructuras de hormigón armado son barras de diferentes diámetros con unos resaltes, que se llama acero corrugado.

6.7. Aplicaciones del acero.

El acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general así como en las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos.

Los fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones) y los de maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero. También son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de índole ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la fabricación de todo tipo de material rodante. Otro tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento, especialmente la dedicada a construir armamento pesado, vehículos blindados y acorazados.

También consumen mucho acero los grandes astilleros constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas. Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles porque muchos de sus componentes significativos son de acero.

A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del automóvil que son de acero: 

-Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección.

-De chapa de estampación son las puertas y demás componentes de la carrocería.

-De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor.

-Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles de válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc.

-De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los automóviles. De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que son de aleaciones de aluminio. De acero son todos los tornillos y tuercas.

Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su antigüedad y deterioro, se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o piezas de fundición de hierro.

6.8. Reciclaje del acero.

Todos los metales, y el acero entre ellos, tienen una propiedad que desde el punto de vista medioambiental es muy buena: pueden ser reciclados. De esta manera todas las máquinas, estructuras, barcos, automóviles, trenes, etc., se desguazan al final de su vida útil y se separan los diferentes materiales que los componen, originando unos desechos seleccionados que se conocen con el nombre de chatarra.

Esta chatarra se prensa y se hacen grandes compactos en las zonas de desguace que se envían nuevamente a las acerías, donde se consiguen de nuevo nuevos productos siderúrgicos, tanto aceros como fundiciones. Se estima que la chatarra reciclada cubre el 45% de las necesidades mundiales de acero.

El comercio de chatarra es un buen negocio que suministra materiales de segunda mano para su reutilización o reciclaje. La chatarra es un recurso importante, sobre todo porque recorta el gasto de materias primas y el de energía empleado en procesos como la fabricación del acero.

Debido al gran auge y gran demanda en el proceso constructivo en edificación, el precio del acero se está incrementando considerablemente, suponiendo el coste de la chatarra de acero un 25% del precio de mercado.

En el manejo de chatarra hay que tomar las medidas oportunas para no sufrir cortes que provoquen heridas, ya que es altamente infecciosa, produciendo la infección del tétanos, por eso el personal que maneja chatarra debe estar siempre vacunado contra esta infección y así no sufrir los daños provocados por los cortes que pueda sufrir.

Cualquier persona que sufra un corte con un elemento de acero, debe acudir a un Centro Médico para que le vacunen contra el tétanos.

7. Tecnología de producción del acero: laminado, estirado, extrusionado y forjado (perfiles y barras).

7.1. Laminado.

Proceso mecánico del metal que tiende a disminuir el espesor de la pieza y aumentar su ancho y largo a través de cilindros giratorios llamados rodillos. La relación entre el largo final L1 y el largo inicial L se denomina coeficiente de alargamiento, siendo también proporcional a la relación entre áreas inicial F y final F1. K = L1 / L = F / F1

Proceso de laminado:

1) pieza a laminar.

2) rodillos.

3) pieza laminada.

Tipos de rodillos:

Lisos: chapas y cintas.

Escalonados: planchuelas.

Perfilados: perfiles.

Especiales: tubos, discos, materiales Industriales.

Accionamientos:

Rodillos de giro inverso y velocidad uniforme.

Reversibles. Admite giros inversos alternados para agilitar el proceso.

3 en hilera. Los extremos con igual sentido de giro y el central inverso. Duplica la producción. No es reversible.

Doble dúo. Dos rodillos laterales de fricción y dos centrales de laminado. Sistema reversible para gran volumen de producción.

Cuando el sistema de laminación es continuo se usan los trenes de laminación, que constan de una sucesión de cajas de trabajo con calibrado y velocidad de giro diferente cada una de ellas.

Tipos de Laminadoras: Angular, T, Doble T, U, Z, Raíl, Redondo, Cuadrado, Hexagonal 

-Desbastan el material dando lugar a los palastros (chapas anchas en bruto).

-De perfiles. Conforman desde los estructurales hasta los más pequeños.

-De chapa. Se obtienen elementos planos divididos en gruesos (mayores a 4 mm) y finos. El palastro es la materia prima, y pueden elaborarse en frío para aumentar la dureza y obtener superficie limpia y precisa.

-Oblicuos. Se fabrican tubos, tanto soldados como sin costura.

7.2. Estirado.

Proceso de deformación en frío para obtener material de elevada resistencia a la tracción. Para redondos inferiores a 6 mm. Se usa el proceso de trefilado, que consiste en pasar la pieza bruta a través de un orificio de menor sección. También se usa para calibrar secciones de redondos mayores.

7.3. Extrusión.

Este procedimiento nos permite obtener redondos, tubos y perfiles de alta complejidad. Es de mucha precisión, pero produce material de desecho. Se lleva el material a estado plástico, pastoso, y se le hace fluir a través de una boquilla que le otorga la forma. 

4. Forjado.

Consiste en modificar la forma del material en caliente mediante esfuerzos mecánicos. Operaciones habituales que se realizan por forjado:

-Aplastamiento: reducción de la altura.

-Alargamiento: aumento de longitud.

-Doblado: curvado.

-Punzonado: oradado o agujereado.

Retorcido: torsionado.

-Corte: Trozado o seccionado.

-Soldado: Añadido o adicionado.

Otro procedimiento de forjado pero de mayor exactitud en el resultado es el estampado, que mejora la tenacidad y elimina sobre espesores.

8. Técnicas de mecanizado, conformación y unión de piezas metálicas. Herramientas y útiles característicos.

Las técnicas de mecanizado, conformación y unión de piezas permiten producir productos y útiles de consumo a partir de materiales o materias primas. La técnica más adecuada para la realización de un producto depende del coste de fabricación del producto, del tipo de material empleado, de las dimensiones del material y de las herramientas y máquinas que dispongamos para su producción. Hoy en día disponemos de un grado de tecnificación tan avanzado que permite fabricar un mismo producto mediante diversos procedimientos.

8.1. Técnicas de mecanizado de piezas metálicas. Herramientas y útiles característicos.

El mecanizado es una técnica que consiste en la eliminación de material sobrante en forma de virutas, recortes o limaduras según el procedimiento empleado para obtener el producto final. Es una técnica costosa para la fabricación de productos debido a que, además del consumo de energía que se produce en las máquinas hay que añadir la pérdida del material que se produce durante el proceso de mecanizado. Puede realizarse con herramientas manuales o con máquinas herramientas.

8.1.1. Mecanizado con herramientas manuales.

Las herramientas manuales mecanizan mediante limado, aserrado y cincelado.

-Limado. Es una operación manual que cambia la forma o superficie de una pieza al cortar pequeñas virutas con unos dientes diminutos tallados en la superficie de una herramienta denominada lima.

El limado se realiza en primer lugar mediante un desbastado con lima basta que arranca gran cantidad de material y se finaliza mediante un pulido con lima fina que arranca poca cantidad de material dando el aspecto final a la pieza.

La lima es una barra de forma cuadrada, rectangular, redondeada o de media caña fabricada de acero templado cuya superficie se encuentra estriada, que acaba en un extremo en punta para introducirse por los huecos y acaba en el otro extremo en una empuñadura a la que se acopla un mango para ser manejada.

El proceso de limado se efectúa sujetando previamente la pieza a un torno sin que sobresalga excesivamente de este para evitar vibraciones. Posteriormente se adelanta el pie izquierdo y se coge la lima con la mano derecha por el mango y se apoya la mano izquierda en la punta de la lima para ejercer presión sobre la pieza. Finalmente se procede a limar arrastrando la lima sobre el cuerpo, acompañando el movimiento de la lima balanceando el tronco.

-Aserrado. Es una operación manual para conseguir formas y dimensiones adecuadas que se realiza cortando el material total o parcialmente con un útil denominado sierra. La sierra consta de un mango solidario a un arco que tracciona una cinta flexible de acero denominada hoja.

La hoja dispone de dientes triangulares doblados alternativamente a izquierda y derecha, para garantizar un corte de espesor mayor que el espesor de la hoja, impidiendo que el roce de la hoja con la ranura de corte impida serrar.

Previamente, al serrado se señala con una ranura el lugar del corte con una lima para guiar la hoja de la sierra. Posteriormente se procede a aserrar adelantando el pie izquierdo y se sujeta el mango de la sierra con la mano derecha y se agarra el arco con la mano izquierda. Finalmente se desliza la sierra con una inclinación de hoja entre 20 y 30º apretando ligeramente en el avance y no ejerciendo presión en el retroceso.

-Cincelado. El cincelado es una operación que arranca trozos de material por cortes con un cincel al ser golpeado por un martillo. El cincel es una herramienta prismática dotada de filo.

8.1.2. Mecanizado con máquinas herramientas.

Las máquinas herramientas son máquinas que disponen de una herramienta de corte accionada por una fuente de energía exterior que desprendiendo grandes cantidades de material durante cizallado o aserrado, virutas de material durante torneado, taladrado o fresado o limas de material durante el rectificado.

-Cizallado. El cizallado es una operación mecánica para separar material partes de material útil para después ser conformado mediante un corte rectilíneo con unas herramientas que disponen de unos filos que trabajan unos contra otros. Las principales herramientas de cizallado son la cizalla y la guillotina. La cizalla es una tijera manual o palanca de primer género empleada para cortar chapas delgadas. La técnica para manejar la cizalla realizar el mínimo esfuerzo es utilizar unos brazos lo más largos posibles y colocar la pieza a cortar lo más cerca posible de la articulación. La guillotina es una bancada con unas cuchillas que cortan chapas gruesas apoyadas en una mesa.

-Aserrado. El aserrado con máquina herramienta se realiza cuando la cantidad de material a cortar es tan grande que no es rentable hacerlo de forma manual. El aserrado se realiza con máquinas de sierra circular, de cinta sin fin o alternativa. La máquina de sierra circular es un disco dentado que gira sobre un eje de giro, pudiéndose regular la velocidad de giro, la profundidad de corte y la inclinación del disco.

La máquina de sierra de cinta sin fin utiliza una lámina dentada continua impulsada por fricción de unas poleas moviéndose siempre en el mismo sentido. La máquina de sierra alternativa es una hoja gruesa dentada sujetada por un extremo que corta por un movimiento lineal alternativo de ida y vuelta.

-Taladrado. El taladrado es una operación que tiene como finalidad realizar agujeros cilíndricos en piezas para alojar tornos, remaches, pasadores o conductos para dar paso a gases o líquidos, etc. La taladradora es una máquina aloja un motor normalmente eléctrico que transmite un momento torsor a un porta brocas donde se inserta una broca. Una broca que es una barra de acero templado cuyo extremo distal acaba en un filo helicoidal que penetra por corte circular de virutas en el material al girar la broca sobre su eje longitudinal, las virutas se eliminan por unas acanaladuras helicoidales. La broca es distinta según el material empleado, en este caso se utiliza una broca metálica a una velocidad de giro que depende de la dureza del material a taladrar. Previamente a taladrar se sujeta la pieza sobre la mesa con mordazas y se puntea con una broca o granete el lugar del taladro. Posteriormente con una broca de diámetro ligeramente inferior al diámetro deseado se realiza el agujero presionando la broca contra el material. Finalmente se repasa el taladro con una broca especial que recibe el nombre de escariador.

-Torneado. El torneado es una operación mecánica que labra una pieza en revolución arrancando virutas con una cuchilla en una máquina denominada torno, siendo un proceso económico debido a que el arranque de virutas se produce de forma continua.

El torno es una máquina herramienta que gira una pieza de revolución y que dispone de una cuchilla que posee un movimiento de penetración para arrancar viruta y otro de desplazamiento paralelo a la pieza para posicionarse.

El torneado se utiliza para realizar superficies circulares a piezas simétricas respecto al eje de giro, como bulones, casquillos o formas ovales. A la hora de tornear hay que tener en cuenta aspectos como el ángulo de incidencia entre la cuchilla y el material o el ángulo de salida de la viruta y emplear un refrigerante, que normalmente es la taladrina, que es un aceite soluble emulsionado con agua al 10 % que lubrica y refrigera evitando el desgaste excesivo al evacuar el calor generado.

-Fresado. El fresado es una técnica de mecanizado para productos donde haya que realizar superficies planas o productos complejos, como ruedas dentadas, levas o figuras geométricas por arranque de virutas con unos elementos de corte llamados fresas en las fresadoras.

La fresa es una herramienta de corte de filos múltiples que gira a gran velocidad arrancando virutas de metal en una máquina llamada fresadora. La fresa permanece en una posición desplazándose el material a mecanizar a la fresa.

-Rectificado. El rectificado es una operación de conformación de piezas al eliminar material sobrante de centésimas de milímetro mediante un movimiento de rotación de una herramienta denominada muela, que se emplea para acabado de superficies mecanizadas previamente o para mecanizar piezas de gran dureza artificial.

Las muelas son herramientas de forma cilíndrica o troncocónica compuesta por granos abrasivos duros afilados unidos por material aglomerante que desgastan el material sobrante por fricción.

8.2. Técnicas de conformado de piezas metálicas. Herramientas y útiles característicos.

Las técnicas de conformado de piezas metálicas son unos procedimientos para dar forma a los productos sin se produzca pérdida de material. Se basan en la fusión de metal en estado líquido para que se adapte a una cavidad o forma o en deformación plásticas del material en estado sólido.

8.2.1. Técnicas basadas en la fusión del metal.

Las principales técnicas basadas en la fusión del metal como su nombre indican son aquellas en las que el metal se funde a estado líquido: El conformado por moldeo y la extrusión.

-Conformado por moldeo. El conformado por moldeo se produce al solidificarse el metal fundido dentro de la cavidad de un molde. Un molde es un recipiente constituido por distintas piezas que generan una cavidad que tiene la misma forma que el producto que se quiere obtener, de forma, que se producen productos al solidificarse el metal fundido en la cavidad.

El conformado por fusión y moldeo se divide en moldeo por gravedad y moldeo por presión.

a) Moldeo por gravedad. En el moldeo por gravedad el líquido fundido se pega a las paredes del molde por la acción de la gravedad.

b) Moldeo por presión. En el moldeo por gravedad el líquido fundido se pega a las paredes del molde por una presión que se ejerce contra él, por fuerza centrífuga o por inyección de un pistón que ejerce presión sobre el líquido.

-Extrusión. La extrusión consiste en obligar a pasar mediante potentes prensas hidráulicas, a un metal blando caliente a través de un orificio provisto de una boquilla, cuya sección es igual a la del perfil que se quiere obtener.

8.2.2. Técnicas basadas en deformaciones plásticas.

La conformación por deformación se produce al someter los metales blandos y dúctiles (el acero laminado, el aluminio y el latón) a la acción de fuerzas que vencen el límite de elasticidad generando deformaciones plásticas permanentes. Puede realizarse en frío o en caliente necesitándose menos esfuerzo cuando las piezas están calientes con esfuerzos de tracción o compresión. Las principales técnicas basadas en deformaciones plásticas son la forja, la estampación, la laminación y el trefilado.

-Forja. La forja es un proceso en el que somete a un material plástico a grandes esfuerzos y presiones por golpeo manualmente con martillo y yunque o mecánicamente en martillo pilón o prensa después de realizar un calentamiento suave, para procurar que haya la misma temperatura en la superficie que en el interior de la pieza.

La forja mecánica se realiza con máquinas herramientas como el martillo pilón o las prensas. Un martillo pilón (o martinete) es un martillo neumático, hidráulico o mecánico que golpea la pieza contra un yunque mediante golpes sucesivos. Una prensa es una máquina que moldea mediante presión progresiva sin golpes bruscos.

-Estampación. La estampación se produce al situar el metal caliente entre dos moldes denominados estampas unidos a una prensa que los someten a un esfuerzo de compresión hasta que el material llena el hueco existente entre ellas por deformación, adoptando el material la forma de la pieza que se desea obtener.

-Laminación. La laminación consiste en hacer pasar una lámina metálica fría o caliente por un laminador que les deja el espesor deseado por presión.

Un laminador son dos o más rodillos superpuestos de acero fundido que giran en sentido contrario accionados por motores eléctricos. Los aceros laminados se empelan mucho en la construcción.

-Trefilado. El trefilado consiste en disminuir la sección y un aumento de la longitud de un

alambre en un banco de trefilar al traccionar el alambre con una bobina de arrastre

obligando al alambre a pasar a través de un orificio. El alambre se somete finalmente

a un proceso de recocido.

8.2.3. Técnicas de unión de piezas metálicas. Herramientas y útiles característicos.

Los productos muchas veces están constituidos por distintas piezas unidas, pudiendo ser uniones desmontables, como elementos roscados y pasadores o uniones fijas como remaches y soldaduras.

Los elementos roscados son elementos mecánicos que disponen de un canal

continuo en forma de hélice en un cilindro: Son la tuerca y el tornillo.

Una tuerca es un cilindro hueco con una rosca de hélice interior, que se arrolla sobre un tornillo cuando son del mismo diámetro, filete y número de filetes.

Un tornillo es un cilindro con una rosca de hélice exterior al cilindro, pudiendo ser un perno, un espárrago o un tirafondo.

El perno es un torno con una cabeza fija en un extremo y una rosca de hélice en el otro donde se inserta la tuerca.

El espárrago es un torno con rosca de hélice filetes en los dos extremos donde se enroscan dos tuercas.

Los tirafondos son tornos troncocónicos variables en diámetro acabados en punta que atraviesan el material al girarlos, careciendo de tuerca.

Los pasadores son unos dispositivos que impedir el desplazamiento relativo entre dos o más piezas, no fijando las piezas, pues una puerta puede girar respecto a otra.

Un remache es una unión fija formada por una pieza cilíndrica dotada de cabeza en un extremo y de un extremo distal que se deforma por compresión formando una cabeza de cierre empleándose para sujetar dos o más piezas.

La soldadura es una técnica para unir sólidamente dos piezas metálicas, mediante elevación de la temperatura de las superficies a soldar o aportando metal fundido. Los principales tipos de soldadura son la soldadura heterogénea y la soldadura homogénea.

La soldadura heterogénea es aquella que utiliza un material de aportación distinto del metal base a unir, donde las piezas bases a unir no se funden pero si el material de aportación. La soldadura heterogénea puede ser soldadura blanda cuando el material de aportación tiene una temperatura de fusión baja o soldadura caliente cuando el material de aportación tiene una temperatura de fusión elevada.

a) Soldadura blanda. La soldadura blanda se realiza con un soldador eléctrico que funde por debajo de los 200 ºC una aleación de plomo y estaño presentada en barras o carretes de hilo que se emplea para unir hojalatas, chapa galvanizada, latón y realizar conexiones electrónicas.

b) Soldadura caliente. La soldadura fuerte se usa un soldador soplete de gas que funde un material a unos 800 ºC como latón o cobre, que al fundir a mayor temperatura e s una aleación más fuerte, empleándose para materiales como acero, bronce o fundición.

La soldadura homogénea es aquella que no utiliza material de aportación o el material aportado es semejante al de la base realizándose la soldadura por fusión y por presión. Puede ser por soplete o por arco eléctrico.

a) Soldadura por soplete o oxiacetilénica. La soldadura por soplete o oxiacetilénica se utiliza para unir piezas de metal que tengan un punto de fusión elevado utilizando un soplete alimentado por oxígeno y acetileno y varillas metálicas de la misma composición que el metal que se desea soldar.

b) Soldadura por arco eléctrico. La soldadura eléctrica aprovecha el efecto Joule asociado a la circulación de la corriente eléctrica para generar el calor necesario para la realización de la soldadura. El circuito eléctrico se establece entre una varilla de material de aportación denominada electrodo y las piezas de metal a unir.

8.2.4. Procesos de ensamble.

La soldadura es un proceso de unión de materiales en la cual se funden las superficies de contacto de dos (o más) partes mediante la aplicación conveniente de calor o presión. Es un proceso relativamente nuevo, su importancia comercial y tecnológica se deriva de lo siguiente:

1. Proporciona unión permanente

2. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales.

3. En general, la soldadura es una forma más económica de unir componentes, en términos de uso de materiales y costos de fabricación.

4. No se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en ―in situ‖, en obra.

A continuación se nombran los tipos de soldadura:

-Soldadura plástica. El material en estado plástico se une por los bordes mediante una fuerza exterior. No hay cambios importantes en la estructura interna.

-Soldadura por fusión. El material en estado de fundición se une por los bordes endureciéndose el baño de metal para formar la soldadura. Es más económico y versátil pero genera modificaciones químicas y en la estructura de la unión.

-Acero eléctrico. Se basa en el calor producido (6000º C) por un arco eléctrico para producir la fusión, en puntos concentrados, de una varilla de carbono llamada electrodo.

-Soldadura por contacto. Se basa en el pasaje de corriente eléctrica a través de la zona a soldar. Cuando se obtiene el calor de soldadura los metales se empalman mediante aplicación de una fuerza exterior. Método de mayor precisión, usado para la producción industrial en serie.

-Soldadura autógena. Se unen los bordes con un material de adición fundido por exposición de llama directa producida por una combustión de oxígeno con acetileno. El material fundente (alambres de carbono) se mezcla con el metal básico, asegurando el llenado de los bordes. 

La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes denominada unión por soldadura, así es como se denomina a este contacto de los bordes o superficies de las partes que han sido unidas. Tipos de uniones:

(a) Unión empalmada: en esta unión, las partes se encuentran en el mismo plano y unen sus bordes.

(b) Unión de esquina: Las partes en una unión de esquina forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo.

(c) Unión superpuesta: Esta unión consiste de dos partes que se sobreponen.

(d) Unión T: Una parte es perpendicular a la otra cuando se unen.

(e) Unión de bordes: las partes en una unión de bordes están paralelas con al menos uno de sus bordes en común y la unión se hace en el borde común.

Existe otros tipos de soldadura como la soldadura metálica con arco protegido, soldadura metálica con arco eléctrico y gas, soldadura con núcleo fundente, soldadura electro gaseosa y soldadura con arco sumergido.

La soldadura por resistencia es principalmente un tipo de soldadura por fusión, donde el calor se obtiene mediante la generación de un gran resistencia eléctrica dirigida hacia el flujo de corriente en la unión que se va a soldar.

8.2.5. Uniones adhesivas.

El uso de adhesivos data de épocas antiguas, y el pegado fue probablemente el primero de los métodos de unión permanente utilizado. Los adhesivos tienen un alto rango de aplicaciones de unión y sellado, para integrar materiales similares y diferentes, como metales, plásticos, cerámica, madera, papel y cartón entre otros. La unión con adhesivos es un proceso en el cual se usa un material ajeno a los materiales que se desea unir para la fijación de ambas superficies.

Generalmente, las uniones con adhesivos no son tan fuertes como las que se hacen con soldadura, y para eso se toman en cuenta algunos principios:

1. Se debe maximizar el área de contacto de la unión.

2. Los pegados son más fuertes en cizalla y en tensión, y las uniones deben diseñarse para que se apliquen tensiones de esos tipos. (a) y (b).

3. Los pegados son más débiles en hendiduras o desprendimientos, y deben diseñarse para evitar este tipo de tensiones. (c) y (d).

Existe una gran cantidad de adhesivos comerciales, pero todos estos pueden clasificarse dentro de 4 categorías: naturales, inorgánicos y sintéticos.

Los adhesivos naturales son materiales derivados de fuentes como plantas y animales, e incluyen las gomas, el almidón, la dextrina, el flúor de soya y el colágeno. Este tipo de adhesivos se limita aplicaciones de bajo tensión.

Los adhesivos inorgánicos se basan principalmente en el silicio de sodio y el oxicloruro de magnesio, aunque el costo de estos es relativamente bajo, su resistencia es similar a los naturales.

Los adhesivos sintéticos constituyen la categoría más importante en la manufactura; incluyen diversos polímeros termoplásticos y duroplásticos.

Estos adhesivos se aplican mediante brocha, rodillos manuales, serigrafía, por flujo, por aspersión o atomización, con aplicadores automáticos y recubrimiento mediante rodillo.

8.2.6. Tornillos, tuercas, pernos, remaches y ojillos.

Los tornillos y los pernos son sujetadores con roscas externas. Hay una diferencia técnica entre un tornillo y un perno, que con frecuencia se confunde en el su uso popular. Un tornillo es un sujetador con rosca externa que, por lo general, se ensambla en un orificio roscado ciego. Un perno es un sujetador con rosca externa que se inserta a través de orificios en las partes y se asegura con una tuerca en el lado opuesto.

Los remaches son sujetadores que se utilizan ampliamente para obtener una unión permanente en forma mecánica. Estos remaches son una punta con cabeza y sin rosca que se usa para unir dos(o más) partes, la punta pasa a través de orificios en las partes y después forma una segunda cabeza en la punta del lado opuesto.

Los ojetes u ojillos son sujetadores tubulares de paredes delgadas con un reborde en un extremo. Se usan para producir una unión empalmada permanente entre dos (o más) partes planas.

8.2.7. Ajustes por interferencia.

Los ajustes de agarre automático son la unión de dos partes, en las cuales los elementos que coinciden poseen una interferencia temporal mientras se oprimen juntos, pero una vez que se ensamblan se entrelazan para conservar el ensamble.

Existen otros ajustes por interferencia como:

a) Puntillado. Es una operación de sujeción en a cual se usa una maquina que produce las puntillas en forma de U de alambre de acero, y de inmediato las inserta a través de las dos partes que se van a unir.

b) Engrapado. Son grapas en forma de U que se clavan a través de dos partes que se van a unir.

c) Cosido. Es un método de unión común para partes suaves y flexibles, tales como telas y piel, el método implica el uso de un cordón o hilo largo entrelazado con las partes para producir una costura continua entre ellas.

8.2.8. Diseño para ensambles.

En años recientes el diseño de ensambles ha recibido mucha atención, pero sus operaciones tienen un enorme costo de mano de obra, y para que el diseño sea exitoso se plantean dos puntos sencillos:

1) Diseñar el producto con la menor cantidad de partes posibles.

2) Diseñar las partes restantes para que se ensamblen con facilidad.

Y se siguen algunos principios para dicho diseño:

-Usar la menor cantidad de partes posible para reducir la cantidad de ensambles requeridos:

-Reducir la cantidad de sujetadores roscados requeridos.

-Estandarizar los sujetadores.

-Reducir dificultades de orientaciones de las partes.

-Evitar las partes que se enredan..

8.2.9. Diseño para ensamble automatizado.

Además de los métodos de ensamble manual, hay diversos sistemas automatizados para realizar operaciones de ensamble mecánico, entre ellos están las máquinas de propósito especial y los sistemas programables.

Las máquinas de propósito especial generalmente consisten en una serie de estaciones de trabajo, en las cuales se añaden partes y/o se ejecutan operaciones de unión.

Los sistemas de ensamble programables se utilizan para producir una variedad limitada de ensambles distintos. Con frecuencia se emplean robots industriales, ya sea como estaciones de trabajo bajo múltiples o como un robot único en una estación.

Para facilitar el ensamble automatizado se siguen estos puntos:

a) Usar la modularidad en el diseño de productos.

b) Reducir la necesidad de que se manejen varios componentes a la vez.

c) Limitar las direcciones requeridas de acceso.

d) Componentes de alta calidad.

e) Usar ajustes de agarre automático.