ACEROS

INDICE:

1. ¿Que es el acero?
2. Características físicas de los aceros
3. Diagrama hierro carbono
4. Clasificación de los aceros en función del porcentaje de carbono
5. Relación entre características físicas y tamaño de grano
6. Aleantes y características que aportan al acero
7. Tratamientos térmicos
   

¿QUE ES EL ACERO?

Se trata de una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que,en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico (dA) de 2,48 Å, con temperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C.

La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el 1,075%, a partir de este porcentaje se consideran otras aleaciones con hierro.

Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza, perlita, cementita y ferrita; además de la austenita (para mayor información consultar un Diagrama Hierro-Carbono con sus constituyentes).

El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

Existen muchos tipos de acero en función del o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL ACERO

Estas son algunas de las propiedades mas importantes del acero:

1. Su densidad media es de 7850 kg/m³. En función de la temperatura el acero sepuede contraer, dilatar o fundir.
2. El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededorde 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presentafrecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes, (excepto las aleaciones auténticas que funden de golpe).
3.  Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C. Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.

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 (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente`, de tal forma que el proceso de mezcla se realiza completamente.

Aquí vemos un diagrama de hierro-carbono en el cual se nos muestra y explica bien todo, veamos le en inglés, para que nos vaya sonando un poco :

En este otro diagrama, vemos de forma clara las distintas fases ya que se encuentran coloreadas para ayudarnos:

Podemos ver aquí otro diagrama, en castellano y mas sencillo que los anteriores:

Comenzaremos haciendo una clasificación de los aceros atendiendo a su porcentaje en carbono, para ello vemos aquí un esquema en el cual se nos muestra de forma clara, concisa y completa:

Dicho esto, podemos meternos a explicar los diferentes constituyentes del acero atendiendo a su porcentaje de carbono. Hablaremos de:

• Austenita
• Ferrita
• Cementita
• Perlita

-La primera, la austenita, se encuentra en la fase líquida, en dicha fase es el único componente que encontramos,se puede decir que su porcentaje máximo de carbono es del 2,11%. Si hablamos de sus propiedades, diremos que es dúctil, banda y tenaz. La austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura.

Podemos ver aquí su estructura cristalina:

-La ferrita, también conocida como hierro alfa, es un material cerámico ferromagnético, podemos encontrarla en la zona sólida, por debajo de los 723ºC y entre el 0% y el 0.89% de carbono, junto a la perlita, aunque también podría decirse que se encuentra entre el 0.89% y el 1.76% puesto que en esta zona además de cementita encontramos perlita, de tal forma que, si la perlita es una mezcla de ferrita y cementita, estaría en ambas zonas.

Podemos observar aquí la estructura de la ferrita:

-En cuanto a la cementita, podemos decir que tiene una composición del 6.67% de carbono, hablando de sus propiedades decir que, es un componente muy duro, el más duro de los que componen el acero al carbono. Es frágil, tiene un alargamiento nulo y tiene poca resiliencia.

Al igual que la ferrita, la cementita se encuentra entre el 0% y el 1.76% de carbono, ya sea sola, o en la perlita junto a la ferrita.

Aquí vemos la estructura cristalina de la cementita:

-La perlita, es un compuesto de ferrita y cementita, exactamente lleva un 13.5% de cementita y un 86.5% de ferrita. La perlita aparece en granos denominados colonias, dentro de cada colonia las capas están orientadas en la misma dirección, y esta dirección varía de una colonia a otra. En el punto eutectoide encontramos solamente perlita, en cambio en ambos lados de dicha zona podemos encontrarla junto a ferrita o cementita como ya hemos contado anteriormente.

Hay dos tipos de perlita:

• Perlita fina: dura y resistente.
• Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

En cuanto a los tratamientos térmicos se refiere diremos que:

Consisten en someter al acero a una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, con el fin de variar las proporciones de sus constituyentes y así producir las propiedades deseadas sobre él. Las variaciones de las propiedades en el material que se producen como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido.

Los tratamientos térmicos más utilizados son el temple, el revenido, el recocido y la normalización. Todos los procedimientos se basan en la transformación o descomposición de la austenita. Por tanto, el primer paso en cualquier tratamiento térmico de un acero será calentar el material a la temperatura que conlleve la formación de la austenita.

El temple se aplica cuando se quiere conseguir un acero de elevada dureza y resistencia mecánica. El inconveniente es que aporta fragilidad a la pieza templada.

El principal objetivo del recocido es ablandar el acero eliminando posibles tensiones o anomalías internas de su estructura que pueden haberse originado como consecuencia de algún tratamiento previo (forja, laminación, etc) que endurecen el material.

El revenido se aplica cuando se quiere aumentar la tenacidad y ductilidad de los aceros que han estado sometidos al temple.

El normalizado del acero consiste en un calentamiento hasta la temperatura de austenización y un enfriamiento al aire libre a velocidad más lenta que el templado pero más rápida que el recocido.

CLASIFICACION DE LOS ACEROS EN FUNCIÓN DEL PORCENTAJE DE CARBONO

- Aceros Extrasuaves: el contenido de carbono varia entre el 0.1 y el 0.2 %

- Aceros suaves: El contenido de carbono esta entre el 0.2 y 0.3 %

- Aceros semisuaves: El contenido de carbono oscila entre 0.3 y el 0.4 %

- Aceros semiduros: El carbono esta presente entre 0.4 y 0.5 %

- Aceros duros: la presencia de carbono varia entre 0.5 y 0.6 %

- Aceros extramuros: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 07 %

RELACION ENTRE CARACTERISTICAS FISICAS Y TAMAÑO DE GRANO

El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades del acero . Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.

Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la capacidad de endurecerese, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío.

Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.

ALEANTES

Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM y UNS, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas características determinadas como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad o maquinabilidad.21 A continuación se listan algunos de los efectos de los elementos aleantes en el acero:22 23

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.

Acería.
Nótese la tonalidad del vertido.

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, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores 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.

NITROGENO
Se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.

NIQUEL
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 el contenido 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.

WOLFRAMIO
También conocido como tungsteno. 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, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

La base para entender los tratamientos térmicos de los aceros es el diagrama de fases Fe-C, que repasaremos brevemente. En la Fig. IV.1 se muestran dos diagramas: el estable hierro-grafito (líneas de rayas) y el metaestable Fe-Fe3C. En ellos se muestran las fases de equilibrio (o equilibrio metaestable) para diferentes combinaciones de concentración de carbono y temperatura. La condición estable usualmente tiene lugar con enfriamientos extremadamente lentos, especialmente en rangos de baja temperatura y bajo carbono, por lo tanto el de mayor interés es el diagrama metaestable. En la Tabla 1 se resumen las fases y microconstituyentes de importancia metalúrgica. 

Diagrama de equilibrio Fe-C hasta 6.67 % C: en líneas llenas, diagrama metaestable Fe-Fe3C; en líneas de rayas, diagrama estable hierro-grafito. 

Para bajos porcentajes de carbono, se encuentra la ferrita (Fea), que puede disolver hasta 0,025 % C 

a 723º C, y austenita (Feg), con solubilidad máxima de 2 % C a 1130º C. En el otro extremo se encuentra la cementita (Fe3C). La ferrita-d, es de menor interés excepto para aceros fuertemente aleados, y se encuentra a temperaturas más altas. 

Entre los campos monofásicos se encuentran regiones con mezclas de dos fases, tal como ferrita + 

cementita, austenita + cementita, y ferrita + austenita. A temperaturas más elevadas se halla el líquido, y por 

debajo de él, hay regiones de dos fases: líquido + austenita, líquido + cementita, y líquido + ferrita-d. En los 

tratamientos térmicos, la fase líquida siempre se evita. Algunos límites entre fases tienen denominaciones 

especiales que facilitan la comunicación. Se trata de: 

· A1, temperatura eutectoide, la mínima a la que se puede encontrar austenita 

· A3, límite de la región austenítica para aceros de bajo contenido de carbono, es decir, el límite g/g + a. 

· Acm, límite equivalente para aceros de alto contenido de carbono, es decir, el límite g/g+ Fe3C. 

Algunas veces se incluyen las letras c, e, o r. En la Tabla 2 se encuentran definiciones relevantes de 

los términos asociados con las transformaciones de fases en los aceros. Metalografía y Tratamientos Térmicos IV - 3 -El contenido de carbono correspondiente a la temperatura mínima de la austenita (0.8 %) se denomina eutectoide. La mezcla de ferrita-cementita formada durante el enfriamiento para esta composición, denominada perlita, tiene una apariencia característica; se trata de un microconstituyente de láminas alternadas de ambas fases, que degenera (“esferoidiza” o “embastece”) en partículas de cementita dispersas en una matriz de ferrita, cuando se mantiene por tiempo prolongado cerca de A1.