Los elementos aleantes, al combinarse con el hierro, pueden modificar significativamente sus propiedades. Los elementos más comunes que se encuentran en el hierro son: C, Si, Mn, P (impurezas), S (impurezas), Ni, Cr, Mo, Cu y Co.
Efectos de los Principales Elementos Aleantes
- Carbono (C): Un aumento en el contenido de carbono incrementa el límite elástico y la carga de rotura, aumentando la dureza del acero. Sin embargo, afecta negativamente la ductilidad y reduce la deformación en rotura.
- Manganeso (Mn): Comúnmente presente en aceros de construcción, se añade durante el afino como desoxidante y desulfurante. Aumenta la resistencia al desgaste; con más del 12% de Mn, el acero se vuelve difícil de labrar. Mejora las propiedades mecánicas, aunque en menor medida que el carbono (una parte de carbono tiene el efecto de ocho partes de manganeso).
- Silicio (Si): Utilizado en el afino como desoxidante, es habitual en aceros de construcción. Mejora las propiedades mecánicas de manera similar al manganeso. Aumenta la resistencia a tracción, el límite elástico y la resistencia a la fatiga. Mejora la trabajabilidad. Sin embargo, en bajas proporciones, puede disminuir la resistencia a la corrosión. Afecta la soldabilidad, aunque menos que el manganeso.
- Vanadio (V): Actúa como afinador del grano. Se introduce en la metalurgia secundaria para obtener un acero con mayor resiliencia y tenacidad.
Elementos Aleantes para Mejorar Propiedades Específicas
Los siguientes elementos se incorporan a las aleaciones para optimizar características particulares:
- Níquel (Ni): Afinador del grano. Una aleación con 8% de Ni y 18% de Cr produce acero inoxidable. Altas cantidades de Ni generan aceros Invar, con un coeficiente de dilatación térmica prácticamente nulo entre la temperatura ambiente y 100°C, útiles en equipos de medición de alta precisión (calibres, reglas, etc.). El níquel fue uno de los primeros elementos utilizados en aleaciones en proporciones significativas. Actualmente, se usa en proporciones de alrededor del 5%. Los aceros para construcción suelen contener alrededor de un 3,5% de níquel. Aumenta la dureza, la resistencia a tracción, el límite elástico, la resiliencia y la tenacidad. Sin embargo, reduce el alargamiento en rotura. Impide el crecimiento excesivo del grano. Se combina comúnmente con molibdeno y cromo. Disminuye la corrosión y, junto con el cromo, forma los aceros inoxidables. El acero Invar (con el menor coeficiente de dilatación térmica conocido) contiene un 36% de níquel.
- Molibdeno (Mo): Permite obtener aceros que mantienen sus propiedades mecánicas a altas temperaturas. Se utiliza en hornos y aplicaciones de alta temperatura (hasta 300°C). Aumenta significativamente la resistencia a tracción y el límite elástico (en menor proporción). Mejora la templabilidad y se usa en elementos estructurales que operan a temperaturas elevadas, proporcionando una alta resistencia en caliente.
- Cobre (Cu): Importante en aceros de construcción, se utiliza en la fabricación de aceros Corten (0.30-0.45% de Cu). Mejora la resistencia a la corrosión atmosférica. En presencia de oxígeno y humedad, el acero se recubre con una capa de óxido de hierro enriquecido en cobre, formando una capa compacta (1-1.5 mm de espesor) que impide el avance de la corrosión. Aumenta la resistencia a tracción y el límite elástico.
- Cobalto (Co): En cantidades elevadas (12%), produce aceros resistentes a la corrosión atmosférica y a ambientes químicamente agresivos. Mejora las propiedades frente a la corrosión.
- Cromo (Cr): En aceros de construcción, se encuentra en proporciones de 0.5-1.5%, junto con Ni y Mo. Aumenta la dureza, la resistencia a tracción, el límite elástico y disminuye la corrosión. Los aceros inoxidables, que también contienen níquel, poseen entre un 11% y un 15% de cromo. El cromo forma una película de óxido fina, densa y pasivante que protege el acero.
Efectos sobre la Templabilidad y Limitaciones
Todos los elementos mencionados, aunque beneficiosos, aumentan la templabilidad del acero. Esto significa que velocidades de enfriamiento al aire pueden inducir el temple, generando estructuras martensíticas muy frágiles, indeseables en aceros de construcción. Esto se debe al desplazamiento de las curvas de transformación (curvas S) hacia la derecha. Por lo tanto, su contenido en aceros de construcción está limitado.
Efectos Perjudiciales del Fósforo y el Azufre
El fósforo y el azufre son perjudiciales en los aceros de construcción:
- Fósforo (P): Aunque puede mejorar el límite elástico, la carga de rotura y la resistencia a la corrosión en piezas mecánicas, es indeseable porque causa fragilidad en frío, provocando fisuras durante el enfriamiento. Su proporción está estrictamente limitada.
- Azufre (S): Se combina con el hierro formando sulfuro de hierro, con un bajo punto de fusión (900°C), lo que provoca fisuración en caliente. Además, aumenta el riesgo de corrosión.
Las normativas establecen umbrales máximos para cada elemento, determinando cuándo un acero se considera aleado.
Aceros Inoxidables
Los aceros inoxidables son resistentes a la corrosión en medios medianamente agresivos. Contienen un mínimo de 11% de cromo, que forma una capa pasivante de óxido de cromo autoregenerable. Este efecto se potencia con la adición de níquel (más del 6%), mejorando las propiedades mecánicas: ductilidad, tenacidad (tanto en frío como en caliente) y soldabilidad.