Aceros: Propiedades, Fabricación y Tratamientos

Constituyentes del Acero

Ferrita: Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver a 0,008 % de C. Por esto, prácticamente, se considera la ferrita como hierro alfa puro. La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 ºC. La ferrita es el constituyente más blando y dúctil de los aceros. Cristaliza en la red cúbica centrada. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la rotura de 28 kg/mm², llegando hasta un alargamiento del 35 al 40%. Es magnética.

Cementita: Es carburo de hierro, de fórmula CFe3, y contiene por tanto, 6,67 % de carbono y 93,33 % de hierro. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 RC). Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde el magnetismo; esta temperatura recibe el nombre de punto Curie de la cementita. Cristaliza en la red ortorrómbica.

Perlita: Es un componente eutectoide. Está compuesta por el 86,5 % de ferrita y el 13,5 % de cementita, o, dicho de otra manera, hay 6,4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Brinell, con una resistencia a la rotura de 80 kg/mm² y un alargamiento del 15 %. El nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las de las perlas. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica, aunque por otros autores se considera en este caso más bien sorbita. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura un poco inferior a la crítica (inferior a 723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

Austenita: Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La proporción de carbono disuelto varía desde el 0 hasta el 1,76 %, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1.130 ºC. La austenita en los aceros sin ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723º (A1 punto crítico inferior), y a partir de la temperatura crítica superior (A3 o ACM) la totalidad de la masa de acero está formada por cristales de austenita. Puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a la temperatura ambiente enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido en carbono o muy alta aleación desde una temperatura por encima de la crítica superior, pero como esta austenita no es estable, con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o cementita y perlita. Excepcionalmente hay algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma C.C.C, con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro del cubo. La austenita tiene una dureza Brinell de unos 300, una resistencia de unos 100 kg/mm² y un alargamiento de un 30%. No es magnética.

Martensita: Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal en lugar de la C.C. correspondiente a hierro alfa, debido a la deformación que produce en la red cristalina la inserción de los átomos de carbono. La dureza de la martensita puede atribuirse precisamente a la tensión que produce en sus cristales esta deformación, de la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión, el aumento de dureza que experimentan. La proporción de carbono de la martensita no es constante sino que varía hasta un máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 RC; su resistencia mecánica, de 175 a 250 kg/mm² y su alargamiento, de 2,5 a 0,5 %. Es magnética.

Bainita: Se forma la bainita en la transformación isotérmica de la austenita, entre temperaturas de 250º y 550º. Es decir, enfriando la austenita rápidamente hasta una temperatura comprendida entre 250º y 550º y manteniéndola después a una temperatura constante hasta la transformación total de la austenita en bainita. La bainita no se produce como la troostita y sorbita en un temple, que pudiéramos llamar defectuoso, por defecto de la velocidad de enfriamiento, sino que se produce por un temple denominado isotérmico o bainítico, cuyo fin no es la trasformación de la austenita en martensita, como ocurre en el temple clásico, sino que se pretende la transformación íntegra de la austenita en bainita. En realidad, se admiten 2 bainitas: la superior, de aspecto arborescente, que se forma a temperaturas entre 500º y 550º, y la inferior, de aspecto acicular, similar a la martensita, y que se forma a temperaturas entre 250º y 400º. Las 2 bainitas están constituidas por placas de carburo sobre una matriz ferrítica.

¿Qué es el Acero?

El acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta – de 1,2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (cromo) o Ni (níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (+ de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro – herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.

Materias Primas

Mineral de Hierro

El principal mineral de hierro es la hematites, el cual cuando es puro contiene 70% hierro. Cuando este óxido de hierro contiene agua se denomina limonita, y contiene 60% de hierro cuando es puro. La magnetita se halla con menos abundancia. La siderita se ha empleado como mineral, pero debido a su pequeño contenido en hierro no se emplea con frecuencia en la actualidad.

Las impurezas más corrientes del mineral de hierro son con sílice, titanio y fósforo. Los minerales que contienen las cantidades más pequeñas de estas impurezas son los que tienen más valor. Una gran cantidad de sílice y titanio resulta perjudicial porque requiere cantidades extras de fundentes para escorificarlos en el horno alto, mientras que el fósforo y el azufre son perjudiciales debido a su efecto nocivo sobre el hierro y acero. Los minerales de hierro suecos están casi enteramente exentos de fósforos y azufre, lo cual explica la fama de los aceros y hierro suecos por su gran pureza. Casi las 3 cuartas partes del mineral de hierro empleado en los Estados Unidos vienen del distrito del Lago Superior. El mineral de estos depósitos naturales es hematites y contiene un 68% de hierro. La mayor parte del mineral de este distrito se presenta tan cerca de la superficie que puede extraer económicamente a cielo abierto.

Coque

El calor requerido para fundir el mineral en los hornos altos se obtiene de la combustión del coque. El coque es el residuo que queda después de calentar ciertos carbones en ausencia de aire. Es un material duro quebradizo y poroso, que contiene de 85% a 90% de carbono, junto con alto de cenizas, azufre y fósforo. La resistencia mecánica, fragilidad e impurezas del coque dependen del carbón empleado y del método de fabricación utilizado. Existen 2 maneras de hacer coque. En el procedimiento antiguo, en el cual las materias volátiles se destruían, se fabricaban en hornos de mufla sin aprovechar los subproductos destilados. En el proceso moderno se fabrica en retortas y se obtienen al mismo tiempo de los productos destilados muchos subproductos, tales como brea, amoníaco y benzol.

Chatarra

Solo los metales pueden ser utilizados varias veces. Otros materiales, tales como la madera, vidrio y hormigón constituyen un escombro cuando han perdido su utilidad. En cambio, los metales procedentes de estructuras inservibles, tales como calderas, puentes, buques, automóviles, etc., se convierten en chatarra aprovechable. La necesidad de chatarras en la fabricación de metales y aleaciones férricos y no férricos es uno de los principales problemas que se le presentan al fabricante, particularmente en la industria del acero, en la que se necesitan grandes cantidades de chatarras clasificadas. Durante los periodos ordinarios de productividad no sería la dificultad de obtener chatarra de buena calidad en suficiente cantidad; no obstante, constituye un factor importante en el funcionamiento cotidiano de una acería. La mayor parte de la chatarra llega como subproducto de los procesos de manipulación de metal, o bien de material anticuado, o pérdidas y producto de metal considerados como inútiles, comprendidos entre pequeñas piezas y acorazados. La chatarra requiere una clasificación apropiada con el fin de que resulten satisfactoria. La clasificación comprende la separación por tamaños, forma, clasificación de composición, etc; así como la separación completa de los metales no férricos y férricos, separación de los aceros aleados de los aceros al carbono, y la clasificación de calidades y composición de aceros aleados, esto es, al cromo tungsteno, etc.

Horno Alto

El hierro se extrae del mineral por medio de los hornos altos. El hierro tal como se obtiene del horno alto puede volverse a fundir y colar para darle cualquier forma, o bien refinarse para transformarlo en acero o hierro forjado. Hoy en día los hornos pueden producir entre 500 y 1200 toneladas de hierro por día. El mineral se reduce a metal en el horno alto por medio del coque cargado con el mineral, las impurezas se escorifican mediante la castina cargada también con el mineral. El aire inyectado a través del horno, se calienta previamente en estufas que constituyen una parte importante de la instalación del horno alto. La combustión del coque suministra el calor necesario, y el óxido de carbono formado por la combustión parcial del coque, junto con el coque, producen el hierro. El hierro líquido y la escoria se depositan en el fondo del horno, de donde se sacan periódicamente por medio de sangrados. El mineral, coque y castina se elevan desde el nivel del suelo al tragante del horno mediante 2 vagonetas que se mueven sobre planos inclinados. Los materiales se pesan cuidadosamente con el fin de que se carguen en proporciones correctas, las cuales varían según sea el horno y la calidad de mineral usado. Las vagonetas descargan su contenido en el tragante y cae sobre la campana inferior al bajar la campana superior; de esta forma, al bajar la campana inferior entra dentro del horno. El empleo de estas 2 campanas impide que los gases llamas salgan al exterior por el tragante del horno cada vez que se carga. El aire caliente se inyecta por las toberas, cerca del fondo del horno. Los gases producidos se sacan a nivel próximo al tragante y a continuación se hacen pasar por el separador de polvo y por un lavador. Estos gases contienen nitrógeno, anhídrido carbónico y óxido de carbono. El óxido de carbono es combustible y puede quemarse para producir energía o calor. Aproximadamente un tercio de estos gases se emplea para calentar los recuperadores los cuales a su vez calientan el aire inyectado en el horno alto. Al quemarse los gases calientan los ladrillos y una vez calientes se suspende la circulación de los gases y en su lugar se hace pasar el aire que se ha de inyectar en el horno. A medida que se forma el hierro y la escoria van cayendo en el crisol situado en el fondo del horno debido a que el hierro es más denso que la escoria, se deposita en el fondo, mientras que la escoria flota sobre el hierro fundido. Cerca del fondo del horno existen 2 orificios. El más bajo, o piquera, sirve para sangrar el hierro y se tapa con bolas de arcilla disparadas mediante aire comprimido. El orificio superior o bigotera sirve para sacar la escoria y se cierra por medio de un tapón metálico. El hierro se sangra cada 4 o 5 horas quitando el tapón de arcilla; la escoria se saca 2 o 3 veces entre cada 2 sangrados de hierro. Muchas de las impurezas del mineral son recogidas y evacuadas con la castina fundida formando la escoria. El hierro que sale del horno alto se conduce por canales a la cuchara, sobre dichos canales se coloca un espumador para separar la escoria y verterla en una vagoneta. El hierro vertido en la cuchara se calienta a continuación en lingoteras, o bien se transporta en estado líquido a los hornos para fabricar acero. Algunas veces las escorias son apropiadas para la fabricación de cemento, pero la mayoría de los casos se descargan en los escoriales. El hierro tal como sale del horno tiene de 3 a 4% de carbono y cantidades variable de silicio, azufre, fósforo y manganeso. Las cantidades de silicio y azufre se regulan entre ciertos límites con la conducción del horno pero el contenido de fósforo depende exclusivamente de las materias empleadas. El azufre y fósforo son 2 de las impurezas más perjudiciales, y como quiera que la eliminación del azufre resulta difícil, excepto si se emplean tratamientos eléctricos especiales, es importante producir hierro con bajo porcentaje de azufre.

Tipos de Colada de Acero

El acero líquido obtenido a través del horno eléctrico o utilizando el convertidor se solidifica, empleando alguno de los siguientes métodos de colada:

Colada Convencional: El acero se vierte sobre unos moldes que tienen la forma del producto final y que cuando se enfría tiene la forma del mismo. De las 3 coladas vistas es la única que no necesita una transformación posterior al proceso.
Colada Continua: Se produce cuando el acero líquido se vierte sobre un molde de fondo desplazable cuya sección tiene la forma que nosotros deseamos que tenga el producto final » cuadrados, redondos, triangulares, planchas…» Se le llama colada continua porque el producto sale sin parar hasta que se acaba el contenido de la cuchara, por lo tanto con este método se ahorra mucho dinero ya que no se necesita moldes, se consume menos energía, etc.
Colada sobre Lingoteras: El acero se vierte sobre unas lingoteras o moldes que tienen una forma determinada y que al enfriarse y solidificarse dan un producto deseado para su transformación. Este método es usado cuando la demanda de hierro es baja ya que se pueden almacenar.

Formas Alotrópicas del Hierro

El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%). La variedad Beta existe de 768ºC a 910ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2905ºC a 900ºC. La variedad Gamma se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es amagnético. La variedad Delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

Tratamientos Térmicos Principales

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900 – 950º C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc. Al elevar la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y en perlita, pero si el enfriamiento es repentino, la austenita se convierte en martensita, de dureza similar a la ferrita, pero con carbono en disolución sólida.
Revenido: Solo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenización (800 – 925º C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Tratamientos Termoquímicos del Acero para Obtener Fuerza

Se efectúa en aceros de bajo porcentaje de carbono (- del 0,30 % C). En el caso de los tratamientos termoquímicos, no solo se producen cambios en la estructura del acero, sino también en su composición química, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes dejando el núcleo más blando y flexible. Requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales.

Cementación: Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los 3 métodos de cementación más comunes son: cajas para carburación, baño líquido y gas. La cementación se aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple.
Nitruración: Al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 – 525º C, dentro de una corriente de gas amoniaco, más nitrógeno. Consiste en enriquecer la superficie de la pieza en nitrógeno calentándola en una atmósfera específica a temperatura comprendida entre 500 y 580 ºC, formándose una capa de muy poca profundidad pero de dureza muy superior a la capa de cementado. Durante el proceso no hay deformaciones y obtenemos una mayor resistencia a la corrosión.
Cianuración: Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 º C. Consiste en endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno. Posteriormente hay que templar las piezas. Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas,(cianuro,CN), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N. Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre, revisión de la composición del baño en forma periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que estas son venenosas.
Sulfinización: Es un tratamiento termoquímico que consiste en introducir una pequeña capa superficial a base de S, N y C en aleaciones férreas y de cobre. Las piezas a tratar se introducen en baños de sales de NACN (95% ) y NA2S03 (5%) calentadas a 560-570 ºC. En 3 horas de tratamiento se puede conseguir una capa sulfinizada de 0,3 mm; las dimensiones de la pieza aumentan ligeramente. Con la sulfinización se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Las herramientas de corte sulfinizadas tienen una duración de 5 a 6 veces más que sin sulfinizar.

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 proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles 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 o mecánico al que se somete a diferentes componentes metálicos.
Cromizado: Recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer.
Galvanizado: Tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.
Calorizado: Implica la difusión de aluminio en el acero al carbono, aleaciones de aceros y aleaciones de níquel y cobalto.

Clasificación de los Aceros

Los aceros se clasifican en 5 grupos principales:

Aceros al Carbono: El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de 1 1,65% de manganeso, 1 0,6% de silicio y 1 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican máquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, entre otros.
Aceros Aleados: Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.
Aceros de Baja Aleación Ultra Resistente: Es la familia de aceros más resistente de los 5. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono.
Aceros Inoxidables: Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos.

Corrosión

Se define como el paso de un metal en estado libre a estado combinado, consecuencia de la tendencia de los metales a volver a su estado natural por la acción destructora del oxígeno en el aire y los agentes electroquímicos, que favorecen el proceso de corrosión.

Tipos de Corrosión

Corrosión Uniforme: Es el caso de la herrumbre en el acero o la capa que recubre algunos objetos decorativos.
Corrosión Galvánica: Tiene lugar al poner próximos 2 metales o aleaciones distintas que están expuestas a un electrolito. El metal menos noble es el que se corroe.
Picaduras: Es una forma localizada de corrosión que penetra desde la superficie al interior. Una pequeña grieta donde se inicie la corrosión hará que la superficie bajo ella se quede sin oxígeno.