LOS ACEROS

ÍNDICE:

1. Definición.
2.  Características físicas del acero.
3. Diagrama hierro-carbono.
4. Clasificación en función de porcentaje en carbono.
5. Relación entre características físicas y tamaño de grano.Otros productos siderúrgicos y sus características.
6. Aleantes y características que aporta el acero.
7. Tratamientos térmicos del acero. Desarrollo diagrama TTT.

1. DEFINICIÓN:

El acero es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir,hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que sumergido en agua fría adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen además, en pequeñísima proporción, cromo, níquel, titanio, volframio o

vanadio. Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el hierro. Este resiste muy poco la deformación plástica, por estar constituida solo con cristales de ferrita,que cuando se alea con carbono, se forman estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su resistencia. Ésta cualidad del acero y la abundancia de hierro le colocan en un lugar preeminente, constituyendo el material básico del S.XX. Un 92% de todo el acero es simple acero al carbono,y el resto es acero aleado,tales como aleaciones de hierro con carbono y otros elementos tales como magnesio, níquel, cromo, molibdeno y vanadio.

2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL ACERO:

1. Su densidad media es de 7850 kg/m3. 
2. En función de la temperatura el acero se puede encoger, estirar o derretir.
3. 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 (2500 ºF). Por otra parte el acero rápido funde a 1650ºC .
4. Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC(5400ºF).
5. Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
6. Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.
7. 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.
   
8. Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.
9. Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
10. Se puede soldar con facilidad.
11. La corrosión es la mayor desventaja de los acero 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.

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 temple, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles (véase también endurecimiento del acero). 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.

3. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO:

En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (oenfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Las aleaciones hierro-carbono

pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

1. Fe-Fe3C(metalestable): Este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito).
2. Fe-C (estable): En el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe-Fe3C y Fe-C).

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, que contiene 6.67 % de carbono por peso, por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro – carburo de hierro.

Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del estado sólido.

FASES Y CONSTITUYENTES

• Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC3), el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α o ferrita.
  Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de la aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad, se suele llamar también AC2). La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.
• Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
• Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.
• A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los instersticios de la red cristalina de éste último, sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación decementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

Además de éstos, existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre que se da a la composición eutética sólida,que se presenta únicamente en el hierro colado y, después de la transformación que se lleva a cabo al enfriarse a la temperatura ambiente, adquiere un aspecto moteado. La lebedurita transformadaconsiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita. La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra tanto en el acero como en el hierro colado. La perlita tiene valores de dureza y ductilidad intermedios a los de la ferrita y la cementita.

4. CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN DE SU PORCENTAJE EN CARBONO:

1. Aceros al carbono: son aquellos aceros que contienen menos del 3% en elementos diferentes al hierro o carbono.
2. Aceros de alto carbono: contiene más de 0,5% de carbono.
3. Aceros de bajo carbono: contiene menos de 0.3% de carbono.
4. Aceros de carbono medio: contiene entre 0.3 y 0.5% de carbono.
5. Acero de aleación: acero que contiene otro metal que fue añadido intencionalmente con el fin de mejorar ciertas propiedades del metal.

También existen otros aceros en función de su contenido en carbono, se pueden clasificar en :

1. Aceros Extrasuaves: su contenido de carbono varia entre el 0.1 y el 0.2%.
2. Aceros suaves: su contenido de carbono esta entre el 0.2 y 0.3%.
3. Aceros semisuaves: su contenido de carbono oscila entre 0.3 y el 0.4%.
4. Aceros semiduros: su carbono está presente entre 0.4 y 0.5%.
5. Aceros duros: la presencia de carbono varia entre 0.5 y 0.6%.
6. Aceros extraduros: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 07 %.

5. RELACIÓN ENTRE CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y TAMAÑO DEL GRANO:

Insensibilidad al agrandamiento del tamaño de grano y al sobrecalentamiento: es de todos conocido que al someter un acero a temperaturas superiores a las críticas se experimenta un agrandamiento del tamaño de grano. Este agrandamiento puede ser progresivo (dependerá de la temperatura) o bien puede suceder bruscamente al estar a cierta temperatura, coincidiendo con la disolución de algún constituyente (carburo o nitruro) que se oponía al agrandamiento del grano.

Si el tamaño de grano permanece grande, de forma que no puede ser afinado con tratamientos térmicos sucesivos, se dice que el acero se ha sobrecalentado, y la fragilidad del acero se hace definitiva, volviendo al mismo inservible, con pésimas características de resistencia al golpe, maquinabilidad y deformabilidad.

Por otra parte, impurezas o elementos tales como el aluminio, provocan agrandamiento del tamaño de grano y sobrecalentamiento. De lo anterior, entonces, se prefiere que el tamaño de grano sea pequeño para presentar mejores características mecánicas.

OTROS PRODUCTOS SIDERÚRGICOS

Son productos siderúrgicos que se obtienen por la reducción de los óxidos de hierro en los altos hornos, en los que se introducen los minerales, combustibles, fundentes y aire.  Dependiendo del contenido en carbono de la aleación de hierro encontramos tres tipos:

• Fundición: Son aleaciones hierro-carbono con contenidos de entre el 1.7 al 6.7% de carbono.
  
• Hierros:  aceros extrasuaves con 0.05 a 0.15% de carbono.
• Aceros: son aleaciones con menos del 2% de carbono. De carácter maleable, templan bien debido a que su contenido de carbono supera el 0,25%.  Al aumentar el porcentaje de carbono, mejoran ciertas propiedades como la resistencia a la tracción, límite elástico y dureza. Sin embargo disminuye la ductibilidad, resiliencia y alargamiento de rotura. Se distinguen diferencian varios tipos:

1. Aceros ordinarios: se clasifican en función de su contenido en carbono.  Pertenecen a este tipo los denominados F-115 y F-145, que se utilizan en la fabricación de ejes para anclajes y chapas.
2. Aceros aleados: son aceros a los que se añaden elementos adicionales al hierro y al carbono para modificar sus propiedades.  Normalmente incorporan manganeso, níquel, cromo, molibdeno, vanadio, wolframio, silicio, etc.  De esta manera el cromo aumenta la dureza y constituye la base de los aceros inoxidables, el wolframio se usa en aceros rápidos para la fabricación de herramientas, el níquel hace aumentar la tenacidad.
3. Aceros aleados de gran resistencia: para usos en los que sea necesaria una gran resistencia a la tracción con buena tenacidad y resiliencia.  Se encuentran aceros al níquel, cromo-níquel, cromo-molibdeno y cromo-níquel-molibdeno. Se emplea para pitones y clavos y tornillos de hielo.
4. Aceros de gran elasticidad: deben tener suficiente resiliencia sin que disminuya mucho el límite elástico.
5. Aceros de cementación: son aceros de bajo contenido en carbono que se destinan a la fabricación de piezas cuyo núcleo debe ser tenaz y su superficie muy dura y resistente.  Se logran sometiendo a las piezas a un proceso de carburación superficial.
   
6. Aceros inoxidables: son aceros destinados a resistir el efecto corrosivo de los medios naturales o industriales. Están constituidos por mezclas de cromo con contenidos de carbono que le dan dureza. 
7. Aceros de alto contenido en carbono: incorporan adicionalmente cromo y wolframio,que proporcionan dureza y resistencia al desgaste.
8. Aceros rápidos: utilizados en la fabricación de herramientas cortantes, como el llamado18-4-1 (18% de Wolframio, 4% de cromo, 1 % de vanadio y 0. 7-0.8% de carbono).

6.  ALEANTES Y CARACTERÍSTICAS QUE APORTA EL ACERO:

• Aluminio: Se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1% y en porcentajes inferiores al 0,008% como desoxidante en aceros de alta aleación.
  
• Boro:  En muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006%) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos,proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm.
  
• Cobalto: Muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.
  
• Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento por tratamiento termoquímico como la carburación o la nitruración.Se usa en aceros inoxidables para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientosembellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
  
• 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.
  
• Níquel: Es un elemento gammageno permitiendo una estructura austenítica a temperatura ambiente, 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, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse elcontenido de carbono a valores inferiores al 0,5% debido a que 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, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar 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 los aceros al carbono para herramientas.
  
• Vanadio: Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, queproporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
  

7. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO:

Con este tipo de tratamiento, los metales son sometidos a procesos térmicos en los que no se varía su composición química aunque sí su estructura interna y,por tanto,sus propiedades. Existen 4 tratamientos térmicos fundamentales del acero:

1. TEMPLE: Consiste en el calentamiento de un metal acompañado de un posterior
   enfriamiento de forma súbita. De este modo, se obtiene un metal muy duro y 
   resistente mecánicamente a causa de su estructura cristalina deformada. El endurecimiento aportado por el temple se puede comparar al que se consigue
   por medio de la deformación en frío. Este tratamiento es propio de los aceros y consiste en su austenización, es decir, un calentamiento hasta una temperatura superior a la de austenización (727ºC), seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica.
2. REVENIDO: Se aplica exclusivamente a los metales templados, y es, por lo tanto, un
   tratamiento complementario del temple. Con el revenido se pretende mejorar la 
   tenacidad del metal templado a expensas de disminuir un poco su dureza.
3. NORMALIZADO: Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que
   arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio de él, se eliminan tensiones internas y se uniformiza el
   tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido
   trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y
   también se utiliza en aquellos casos en los que se desean eliminar los efectos de
   
   un tratamiento anterior defectuoso. En este tratamiento, la velocidad de tratamiento no es lo suficientemente elevada como para formar martensita y la estructura resultante es perlita y ferrita o cementita de grano fino. Es un tratamiento adecuado para los aceros con bajo contenido en carbono pues mejora sus propiedades mecánicas.
4. RECOCIDO: Consiste en calentar el acero a una cierta temperatura (similar a la del
   normalizado) y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y maleabilidad para conformado plásticamente o darle su forma final por mecanizado.

La diferencia entre los tratamientos de temple, normalizado y recocido estriba en la velocidad de enfriamiento que sirve para definir la dureza y la resistencia finales de la pieza.

DIAGRAMAS TTT

Un diagrama TTT (temperatura, tiempo, transformación) o curva S resume las posibles transformaciones de la austenita para cada acero, imprescindibles tanto para el diseño de tratamientos térmicos como para la interpretación de las microestructuras resultantes después de los mismos. Su construcción experimental se realiza mediante un determinado número de muestras de acero que, previamente austenizadas, se enfrían en baños de sales a diferentes temperaturas y tiempos determinados. La microestructura obtenida en cada una de las muestras se analiza y representa, obteniéndose así el diagrama TTT para ese acero. Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que, fijada una temperatura constante cualquiera (proceso isotermo), la austenita se transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama. Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior a la de temperatura de austenización y mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la probeta se haya austenizado completamente.