I. Definición del Acero
Es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y 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; 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; el resto es acero aleado: aleaciones de hierro con carbono y otros elementos tales como magnesio, níquel, cromo, molibdeno y vanadio.
II. 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 y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente 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 eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C.
· Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.
· 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 lámina 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. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
· 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 de 3 • 106 S/m. 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 ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden del 10% además de algunos maleantes en menor proporción.
· Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 • 10−5 (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. 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.
III. Procesos Productivos del Acero:
La producción del acero, ya sea partiendo de los minerales naturales o de las chatarras, se realiza a través de varios procedimientos, figurando entre los más usuales los siguientes:
· Convertidores Bessemer y Thomas
El arrabio fundido se vierte en un convertidor, por cuyo fondo se inyecta una corriente de aire que quema las impurezas de la fundición; esta combustión desprende el calor necesario para elevar la temperatura desde 1,200 °C hasta 1,600 °C logrando la fusión del acero. En el convertidor se logra una descarburación total y se agrega la cantidad de carbono de acuerdo al acero que se desea; finalmente se cuela y se deja solidificar en lingotes o palanquillas que aún calientes pasan a ser laminados. Con este proceso se obtienen únicamente aceros ordinarios y al carbono.
· Convertidores Siemens Martin
Se carga el arrabio junto con los aceros reciclables ( chatarras ) los cuales son mezclados para luego aportarle el oxígeno necesario para la descarburación, después Se le agrega la cantidad de carbono adecuada para el acero deseado; una vez alcanza la fusión se elimina la escoria y se procede a la colada, obteniendo aceros ordinarios, al carbono y especiales.
· Hornos de arco eléctrico o de inducción
Es el proceso de producción más utilizado ya que es más controlable y exacto. Siempre y cuando exista mano de obra calificada, este procedimiento permite obtener productos de alta calidad. Normalmente estos hornos son trifásicos, el calentamiento se realiza por un arco eléctrico formado por electrodos de carbono y otros materiales cargados en el horno estos tienen que fundir a una temperatura entre 1400 y 1500°C para ser moldeados con facilidad. Una vez fundida la carga se procede al afino, añadiéndole los elementos de adición propios del acero deseado.
IV. Productos:
• BARRAS PARA HORMIGÓN
Estas barras con acero limpio, obtenido a partir del mineral de hierro, permitiendo satisfacer así las exigencias de ductilidad en obras proyectadas para zonas de alta sismicidad, como es Chile.
Son producidas con nervadura llamada resalte lo que aumenta la adherencia entre el acero y el concreto.
• BARRAS PARA MOLIENDA
Es un producto usado como carga directa a molinos de barras o para la fabricación de bolas de molienda en el caso de molinos de bolas.
• ALAMBRON
El alambrón es un producto de sección circular, superficie lisa, no decapada, que se fabrica en calidades al carbono, conforme a una composición química conocida y que se obtiene al laminar una palanquilla.
• PLANCHAS GRUESAS
Se laminan en forma individual a partir de planchones y corresponden a aquellas cuyo espesor final es igual a mayor a 6 mm y cuyos extremos están cortados mecánicamente o por soplete.
• ROLLOS Y PLANCHAS LAMINADOS EN CALIENTE
Estos productos, dependiendo de la calidad y de los espesores, pueden ser entregados en su estado de laminación o decapados, cortados a guillotina o a oxicorte y pueden ser entregados en rollos o en planchas cortadas.
• ROLLOS Y PLANCHAS LAMINADOS EN FRIO
Pueden ser entregados en rollos o en planchas cortadas. El Acero para Conformar en Frío posee una superficie apta para pintar, recubrir o esmaltar. El Acero para Tambores permite soldabilidad del material y los procesos de rodonado y de emballetado. El Acero para Enlozado Vítreo permite obtener las embuticiones previas al proceso de enlozado. Y el Acero para Estampado y Embutición garantiza su aptitud para ser deformado por embutición o por estampado en procesos industriales, dejando la pieza final con buena resistencia a golpes, abrasión y uso en general. El Acero sin recocer mantiene un alto grado de acritud en su estructura interna, tiene alta dureza superficial y baja capacidad de deformación.
• ZINCALUM EN PLANCHAS O ROLLOS
Este producto consiste en una delgada lámina de acero, revestida por ambas caras por una capa de Aluminio y Zinc (Al-Zn), aplicada mediante proceso continuo, lo que le otorga una resistencia a la corrosión única en su tipo. Ambos, Aluminio y Zinc, protegen el acero formando una barrera entre éste y el medio ambiente. El Aluminio es particularmente estable ya que sus óxidos en la superficie son insolubles y ello proporciona una excelente resistencia a la corrosión a largo plazo. Adicionalmente, el Zinc protege el acero corroyéndose preferentemente -fenómeno conocido como "acción de sacrificio"-. Así, da protección a las rayaduras, bordes cortados, perforaciones y otras áreas expuestas. El efecto combinado de estos dos elementos protectores en la proporción 55% Al, demostró ser la mejor defensa contra la corrosión.
• HOJALATA ELECTROLÍTICA EN LAMINAS Y ROLLOS
Es una lámina de acero, de espesor igual o inferior a 0,35 mm., recubierta de estaño por ambas caras, por electrodeposición.aplicaciones: Fabricación de envases conserveros: lácteos, Hortofrutícola, productos del mar. Envases no conserveros en general: bandejas, envases de pintura, juguetes, pegamentos, etc. Láminas de espesor 0,18 a 0,30 mm. Largo de 487 a 950 mm. Ancho 700 a 950 mm. Rollos de 0,18 a 0,35 mm. de espesor, ancho de 700 a 950 mm. Peso entre 4,3 a 7,3 tons.
• TUBULARES: TUBOS SOLDADOS POR ARCO SUMERGIDO
Es un producto plano de acero que por medios mecánicos se dobla sobre su eje longitudinal imaginario hasta alcanzar la circunferencia completa y luego se suelda longitudinalmente por fusión al arco eléctrico, en el cual el arco se produce dentro de un material granular de propiedades especiales que al fundirse y flotar sobre la zona del metal fundido lo protege contra la acción de los gases atmosféricos. Dependiendo de las dimensiones finales del tubo de acero, puede estar constituido por uno o más tramos soldados circularmente y/o por varios paños en su manto, soldados longitudinalmente.
V. Formación del acero: diagrama del hierro-carbono
En el diagrama de equilibro, 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 modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones por métodos diversos.
· Microconstituyentes
El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:
Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.
Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) 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 centrado en el cuerpo 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 intersticios 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 de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.
· Transformación de la austenita
Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono. Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en abscisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:
Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3 los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.
Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.
La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:
Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.
· Otros microconstituyentes
Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:
La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros.
Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla.
También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.
Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.
VI. Tipos de Aceros
• Acero aleado o especial: Acero al que se han añadido elementos no presentes en los aceros al carbono o en que el contenido en magnesio o silicio se aumenta más allá de la proporción en que se halla en los aceros al carbono.
• Acero autotemplado: Acero que adquiere el temple por simple enfriamiento en el aire, sin necesidad de sumergirlo en aceite o en agua. Este efecto, que conduce a la formación de una estructura martensitica muy dura, se produce añadiendo constituyentes de aleación que retardan la transformación de la austenita en perlita.
• Acero calmado o reposado: Acero que ha sido completamente desoxidado antes de colarlo, mediante la adición de manganeso, silicio o aluminio. Con este procedimiento se obtienen lingotes perfectos, ya que casi no hay producción de gases durante la solidificación, lo que impide que se formen sopladuras.
• Acero de construcción: Acero con bajo contenido de carbono y adiciones de cromo, níquel, molibdeno y vanadio.
• Acero de rodamientos: Acero de gran dureza y elevada resistencia al desgaste; se obtiene a partir de aleaciones del 1% de carbono y del 2% de cromo, a las que se somete a un proceso de temple y revenido. Se emplea en la construcción de rodamientos a bolas y en general, para la fabricación de mecanismos sujetos al desgaste por fricción.
• Acero dulce Denominación general para todos los aceros no aleados, obtenidos en estado fundido.
• Acero duro: Es el que una vez templado presenta un 90% de martensita. Su resistencia por tracción es de 70kg/mm2 y su alargamiento de un 15%. Se emplea en la fabricación de herramientas de corte, armas y utillaje, carriles, etc. En aplicaciones de choque se prefiere una gradación de dureza desde la superficie al centro, o sea, una sección exterior resistente y dura y un núcleo más blando y tenaz.
• Acero efervescente: Acero que no ha sido desoxidado por completo antes de verterlo en los moldes. Contiene gran cantidad de sopladuras, pero no grietas.
• Acero fritado: El que se obtiene fritando una mezcla de hierro pulverizado y grafito, o también por carburación completa de una masa de hierro fritado.
• Acero fundido o de herramientas: Tipo especial de acero que se obtiene por fusión al crisol. Sus propiedades principales son:
1) resistencia a la abrasión
2) resistencia al calor
3) resistencia al choque
4) resistencia al cambio de forma o a la distorsión al templado
5) aptitud para el corte
Contienen de 0,6 a 1,6% de carbono y grandes proporciones de metales de aleación: tungsteno, cromo, molibdeno, etc.
• Acero indeformable: El que no experimenta prácticamente deformación geométrica tanto en caliente( materias para trabajo en caliente ) como en curso de tratamiento térmico de temple( piezas que no pueden ser mecanizadas después del templado endurecedor)
• Acero inoxidable: Acero resistente a la corrosión, de una gran variedad de composición, pero que siempre contiene un elevado porcentaje de cromo (8-25%). Se usa cuando es absolutamente imprescindible evitar la corrosión de las piezas. Se destina sobre todo a instrumentos de cirugía y aparatos sujetos a la acción de productos químicos o del agua del mar (alambiques, válvulas, paletas de turbina, cojinetes de bolas, etc.)
• Acero magnético: Aquel con el que se fabrican los imanes permanentes. Debe tener un gran magnetismo remanente y gran fuerza coercitiva. Los aceros de esta clase, tratándose aplicaciones ordinarias, contienen altos porcentajes de tungsteno (hasta el 10%) o cobalto(hasta el 35% ).Para aparatos de calidad se emplean aceros de cromo-cobalto o de aluminio-níquel (carstita, coercita).
• Acero no magnético: Tipo de acero que contiene aproximadamente un 12% de manganeso y carece de propiedades magnéticas.
• Acero moldeado: Acero de cualquier clase al que se da forma mediante el relleno del molde cuando el metal esta todavía líquido. Al solidificar no trabajado mecánicamente.
• Acero para muelles: Acero que posee alto grado de elasticidad y elevada resistencia a la rotura. Aunque para aplicaciones corrientes puede emplearse el acero duro, cuando se trata de muelles que han de soportar fuertes cargas y frecuentes esfuerzos de fatiga se emplean aceros al silicio con temple en agua o en aceite y revenido.
• Acero pudelado: Acero no aleado obtenido en estado pastoso.
• Acero rápido: Acero especial que posee gran resistencia al choque y a la abrasión. Los más usados son los aceros tungsteno, al molibdeno y al cobalto, que se emplean en la fabricación de herramientas corte.
• Acero refractario: Tipo especial de acero capaz de soportar agentes corrosivos a alta temperatura.
• Acero suave: Acero dúctil y tenaz, de bajo contenido de carbono. También se obtiene este tipo de acero, fácil de trabajar en frió, aumentando el porcentaje de fósforo (aumentando un 0,15%) y de azufre (hasta un 0,2%). Tiene una carga de rotura por tracción de unos 40 kg/mm2, con un alargamiento de un 25%.
• Aceros comunes: Los obtenidos en convertidor o en horno Siemens básico.
• Aceros finos: Los obtenidos en horno Siemens ácido, eléctrico, de inducción o crisol.
• Aceros forjados: Los aceros que han sufrido una modificación en su forma y su estructura interna ante la acción de un trabajo mecánico realizado a una temperatura superior a la de recristalización.
