EL ACERO
EL ACERO
MANOGRAFIA
MANOGRAFIA
El acero es en la actualidad la más importante de las aleaciones metálicas
El acero es en la actualidad la más importante de las aleaciones metálicas
conocidas, no habiendo existido en ninguna época otro material que tanto haya
conocidas, no habiendo existido en ninguna época otro material que tanto haya
contribuido al progreso de la humanidad.
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
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FACULTAD DE INGENIERIA CIENCIAS FISICAS Y
FACULTAD DE INGENIERIA CIENCIAS FISICAS Y
MATEMATICA
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ESCUELA DE ING
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENIERIA CIVIL
ENSAYO DE MA
ENSAYO DE MATERIALES I
TERIALES I
MONOGRAFIA
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TEMA
TEMA
::
EL ACERO
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NOMBRES
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::
AMAGUAÑA AMAGUA DANIEL
AMAGUAÑA AMAGUA DANIEL ERNESTO
ERNESTO
YACCHIREMA TARAGUAY PATRICIO X.
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PROFESOR
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::
ING. RAUL CAMANIERO.
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CURSO:
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TERCERO
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PARALELO
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::
SEGUNDO
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SEMESTRE LECTIVO 2010
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PARALELO
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SEGUNDO
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SEMESTRE LECTIVO 2010
CONTENIDO
CONTENIDO
1. 1. Objetivo __________________________Objetivo _______________________________________________________________________________________ _________ 44 2. 2. Introducción _________________________________________________________ 5Introducción _________________________________________________________ 5 3. 3. Historia Historia_____________________________________________________________ 7 _____________________________________________________________ 7 4.4. Características Mecánicas Y Tecnológicas Del AceroCaracterísticas Mecánicas Y Tecnológicas Del Acero _______________________ 11_______________________ 11 5.
5. Normalizació Normalización De Las Difen De Las Diferentes Clarentes Clases De Aceses De Aceroro _________________________ 14_________________________ 14 6.
6. Formación De Formación Del Acero. Diagl Acero. Diagrama Hierro-Crama Hierro-Carbono (arbono (Fe-C)Fe-C) ___________________ 14___________________ 14 7.
7. Microconstituyentes Microconstituyentes __________________________________________________________________________ __________________________ 1515 8.
8. Otros Elementos En El AceroOtros Elementos En El Acero __________________________________________ 18 __________________________________________ 18 9.
9. Clasificación General De Los Aceros Clasificación General De Los Aceros ________________________________________________________________ ____________ 2323 10.
10. Aceros De Gran Resis Aceros De Gran Resistencia. tencia. ___________________________________________________________________ _________________ 3434 11.
11. Aceros De Sediment Aceros De Sedimentación. ación. _____________________________________________________________________ _________________ 3434 12.
12. Aceros De Nitruración Aceros De Nitruración. . _______________________________________________________________________ _____________________ 3535 13.
13. Tratamientos Del AceroTratamientos Del Acero _____________________________________________ 44_____________________________________________ 44 14.
14. Mecanizado Del Ace Mecanizado Del Aceroro ______________________________________________ 47 ______________________________________________ 47 15.
15. Aplicaciones Aplicaciones ______________________________________________________ 52______________________________________________________ 52 16.
16. Ensayos Mecánicos De Ensayos Mecánicos Del Acerol Acero________________________________________ 54________________________________________ 54 17.
17. Producción Y Consu Producción Y Consumo De Aceromo De Acero_____________________________________ 56_____________________________________ 56 18.
18. Reciclaje Del Acer Reciclaje Del Aceroo ____________________________ _________________________________________________ _____________________ 5959 19.
19. Aceros Estructurales: Aceros Estructurales: _________________________________________________________________________ _____________________ 6161 20.
20. Conclusiones. Conclusiones. _________________________________________________________________________________________________________ ___ 6666 21.
1. Conocer el origen del acero según su historia y la creación de este y la
utilidad que se le da a este y como lo fabrican.
2. Determinar las tablas de constitución del acero, los diagramas del acero
con sus propiedades mecánicas ―resistencia, elasticidad, plasticidad,
rigidez, capacida
d energética‖3. Indicar los tipos de acero que se utilizan en la construcción de las obras
civiles y cuáles son los materias primas que se utilizan
4. Analizar las propiedades físicas y mecánicas del acero con sus
respectivos diagramas y módulos.
El acero es en la actualidad la más importante de las aleaciones metálicas conocidas, no habiendo existido en ninguna época otro material que tanto haya contribuido al progreso de la humanidad.
Se puede decir de una manera general que bajo la denominación de ―acero‖ se agrupan
todas las aleaciones de hierro forjables.
La extraordinaria difusión del acero, se debe a sus notables propiedades a la existencia de numerosos yacimientos de minerales de hierro, y al desarrollo de procedimientos de fabricación relativamente simple.
Ningún otro metal ni aleación posee sus notables propiedades, que lo hacen insustituible para muchas aplicaciones.
Una de las propiedades más importantes de los aceros es su gran plasticidad y maleabilidad a elevada temperatura, que permite transformar su forma o dimensiones por laminado o martillado en caliente con gran facilidad. Además los aceros son dúctiles y por trabajo en frío se pueden laminar o estirar en forma de chapas, flejes, alambres o hilos de muy pequeño espesor o diámetro.
Otra de las propiedades más valiosas de los aceros, es la facultad de adquirir con el temple una dureza extraordinaria.
Hasta mediados del siglo XIX no se conocían más que dos clases de aleaciones de hierro forjables: el llamado hierro dulce (0,40 a 0,20% de carbono), que se emplea para fabricar máquinas, verjas, vehículos, etc., y herramientas. Ambos materiales se diferenciaban sin dificultad porque el hierro era muy blando y el acero, en cambio, era duro.
En la actualidad, en cambio, hay muchos tipos de aceros de las más diversas composiciones y propiedades, y cualquier acerería moderna fabrica más de cien clases diferentes, dependiendo principalmente sus características y propiedades de la composición y de los tratamientos térmicos que se les da.
En otras palabras el acero no es más que una aleación a base de hierro (Fe) y principalmente de carbono además de otros elementos de aleación como el manganeso, silicio, azufre, fósforo y en ocasiones especiales níquel, cromo, molibdeno, tungsteno y vanadio. El contenido de su principal elemento de aleación (carbono) va desde 0.03 hasta 1.7 o llegando en algunos casos excepcionales hasta 2.5%.
Es común hablar del acero como una aleación de hierro-carbono, mas sin embargo lo correcto sería decir que el acero es una aleación Hierro-Carburo de Hierro, ya que el carbono salvo algunas excepciones no existe en estado libre en el acero. Por tanto siempre que hablemos de carbono en los aceros, tenemos que acordarnos que se encuentra en forma de carburo de hierro y que los componentes fundamentales del acero son el hierro y el carburo de hierro, siendo la cantidad y la forma de distribución de este ultimo lo que le da el toque final a la personalidad de un acero ordinario.
El acero es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en pesode la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar — a diferencia de los aceros — , se
moldean.
La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que éste último es el único aleante o los demás presentes lo están en cantidades muy pequeñas pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas que reciben denominaciones específicas en virtud ya sea de 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, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que amén de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».
Por la variedad ya apuntada y por su disponibilidad
Por la variedad ya apuntada y por su disponibilidad — — sus dos elementos primordialessus dos elementos primordiales
abundan en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales
abundan en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales — — los aceroslos aceros
son las aleaciones más utilizadas en la
son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria,construcción de maquinaria, herramientas,herramientas, edificiosedificios yy obras públicas,obras públicas, habiendo contribuido al alto nivel de desarrollo tecnológico de lashabiendo contribuido al alto nivel de desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.
sociedades industrializadas. Sin embargo, en ciertos sectores, como la construcciónSin embargo, en ciertos sectores, como la construcción aeronáutica,
aeronáutica, el acero apenas se utiliza debido a que es un material muy denso, casi tresel acero apenas se utiliza debido a que es un material muy denso, casi tres veces más denso que el
veces más denso que el aluminioaluminio (7850 kg/m³ de densidad frente a los 2700 kg/m³ del(7850 kg/m³ de densidad frente a los 2700 kg/m³ del aluminio).
aluminio).
Historia
Historia
Histórico
Histórico horno Bessemer horno Bessemer
Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la técnica de fundir Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la técnica de fundir mineral de
mineral de hierrohierro para producir unpara producir un metalmetal susceptible de ser utilizado, los primeros utensiliossusceptible de ser utilizado, los primeros utensilios de este metal descubiertos por los arqueólogos en
de este metal descubiertos por los arqueólogos en EgiptoEgipto datan del año 3000 a. C. Tambiéndatan del año 3000 a. C. También se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de
se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro.hierro.
El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por el método El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por el método de
materiales naturales resistentes al calor, y en el cual se sopla aire
materiales naturales resistentes al calor, y en el cual se sopla aire — — para que su producto,para que su producto,
una masa porosa de hierro (
una masa porosa de hierro (bloombloom) contuviese carbón.) contuviese carbón.
Algunos de los primeros aceros provienen del Este de África, fechados cerca de 1400 a. C. Algunos de los primeros aceros provienen del Este de África, fechados cerca de 1400 a. C. En el
En el siglo IV a. C.siglo IV a. C. armas como laarmas como la falcatafalcata fueron producidas en lafueron producidas en la península Ibérica.península Ibérica. La
La ChinaChina antigua bajo laantigua bajo la dinastía Han,dinastía Han, entre el 202 a. C. y el 220 d. C., creó acero alentre el 202 a. C. y el 220 d. C., creó acero al derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón intermedio, el acero, en torno al siglo I a. C.
intermedio, el acero, en torno al siglo I a. C.
Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos de producción para la creación de
de producción para la creación de acero wootz,acero wootz, una idea importada deuna idea importada de IndiaIndia a China haciaa China hacia el
el siglo Vsiglo V
El acero wootz fue producido en
El acero wootz fue producido en IndiaIndia y y enen Sri LankaSri Lanka desde aproximadamente el añodesde aproximadamente el año 300 a. C.
300 a. C. Este temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por losEste temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por los monzones.monzones. También conocido como acero Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y También conocido como acero Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un filo. Originalmente fue creado de un número diferente de capacidad de mantener un filo. Originalmente fue creado de un número diferente de materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000
materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000 partespartes por millón
por millón o 0,1% de la composición de la roca. Era esencialmente una complicadao 0,1% de la composición de la roca. Era esencialmente una complicada aleación con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que en aleación con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que en su estructura se incluían
su estructura se incluían nanotubos de carbono,nanotubos de carbono, lo que quizá explique algunas de suslo que quizá explique algunas de sus cualidades legendarias; aunque teniendo en cuenta la tecnología disponible en ese momento cualidades legendarias; aunque teniendo en cuenta la tecnología disponible en ese momento fueron probablemente producidos más por casualidad que por diseño.
fueron probablemente producidos más por casualidad que por diseño. El
El acero crucibleacero crucible ((Crucible steelCrucible steel)) — — basado en distintas técnicas de producir aleaciones debasado en distintas técnicas de producir aleaciones de
acero empleando calor lento y enfriando hierro puro y carbón
acero empleando calor lento y enfriando hierro puro y carbón — — fue producido enfue producido en MervMerv
entre el
entre el siglo IXsiglo IX y ely el siglo X.siglo X. En China, bajo la
En China, bajo la dinastía Songdinastía Song deldel siglo XI,siglo XI, hay evidencia de la producción de acerohay evidencia de la producción de acero empleando dos técnicas: una de un método "berganesco" que producía un acero de calidad empleando dos técnicas: una de un método "berganesco" que producía un acero de calidad
utilizaba una descarbonización a través de repetidos forjados bajo abruptos enfriamientos utilizaba una descarbonización a través de repetidos forjados bajo abruptos enfriamientos ((cold blast cold blast ).).
Grabado que muestra el trabajo en una
Grabado que muestra el trabajo en una fraguafragua en laen la Edad Media.Edad Media.
El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año
El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 a. C.,1500 a. C., enen Medzamor,Medzamor, cerca decerca de Ereván,
Ereván, capital decapital de ArmeniaArmenia y del montey del monte Ararat.Ararat. La tecnología del hierro se mantuvo muchoLa tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 a. C.
tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 a. C.
Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y
Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbóncarbón vegetal
vegetal en recipientes deen recipientes de arcillaarcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficientedurante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono
carbono para convertirse en acero auténtico.para convertirse en acero auténtico. Las características conferidas por la
Las características conferidas por la templabilidadtemplabilidad no consta que fueran conocidas hasta lano consta que fueran conocidas hasta la Edad Media,
Edad Media, y hasta el añoy hasta el año 17401740 no se produjo lo que hoy día denominamos acero.no se produjo lo que hoy día denominamos acero. Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener
Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulcehierro dulce en elen el horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de las escorias por horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en
cementación fundiendo el acero cementado en crisolescrisoles de arcilla y ende arcilla y en SheffieldSheffield (Inglaterra)(Inglaterra) se obtuvieron, a partir de
Fue Benjamín Huntsman el que desarrolló un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono, obteniendo de esta forma el primer acero conocido.
En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo posible la fabricación de acero en grandes cantidades, pero su procedimiento ha caído en desuso, porque solo podía utilizar hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones.
En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero, que en la actualidad ha caído en desuso, el procedimiento Martin Siemens, por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro, calentando con aceite, gas de coque, o una mezcla da gas de alto horno y de coque. Siemens había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult — coinventor del método moderno para fundir aluminio — quien inició en
1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos a arco.
El método de Héroult consiste en introducir en el horno chatarra de acero de composición conocida haciendo saltar un arco eléctrico entre la chatarra y unos grandes electrodos de carbono situados en el techo del horno.
En 1948 se inventa el proceso del oxígeno básico L-D. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz, Donawitz desarrolló el proceso del oxígeno básico o L-D.
En 1950 se inventa el proceso de colada continua que se usa cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de sección constante y en grandes cantidades. El proceso consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma
En la actualidad se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia.
Actualmente, el proceso de fabricación del acero, se completa mediante la llamada Metalurgia Secundaria. En esta etapa, se otorgan al acero líquido las propiedades químicas, temperatura, contenido de gases, nivel de inclusiones e impurezas deseadas. La unidad más común de Metalurgia Secundaria es el Horno Cuchara. El acero aquí producido está listo para ser posteriormente colado, en forma convencional o en colada continua.
El uso intensivo que tiene y ha tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la ciencia de materiales. Así, el 7 de noviembre de 1940 el mundo asistió al colapso del puente Tacoma Narrows al entrar en resonancia con el viento. Ya durante los primeros años de la Revolución Industrial se produjeron roturas prematuras de ejes de ferrocarril que llevaron a William Rankine a postular la fatiga de materiales y durante la Segunda Guerra Mundial se produjeron algunos hundimientos imprevistos de los cargueros estadounidenses Liberty al fragilizarse el acero por el mero descenso de la temperatura, problema inicialmente achacado a las soldaduras.
En muchas regiones del mundo, el acero es de gran importancia para la dinámica de la población, industria y comercio.
Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de una fuerza ejercida sobre una viga de 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 1510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 °C, y en general la tempera necesaria para la fusión aumenta a medida que se funde (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1650 °C.
Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °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 lamina 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
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 aleantes 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
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.
Normalización de las diferentes clases de acero
Como existe una variedad muy grande de clases de acero diferentes que se pueden producir en función de los elementos aleantes que constituyan la aleación, se ha impuesto, en cada país, en cada fabricante de acero, y en muchos casos en los mayores consumidores de aceros, unas Normas que regulan la composición de los aceros y las prestaciones de los mismos.
Por ejemplo en España actualmente están regulados por la norma UNE-EN 10020:2001 y antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-36010, ambas editadas por AENOR.21 Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de hace 70 años, y de uso mucho más extenso internacionalmente), ASTM, DIN, o la ISO 3506.
Formación del acero. Diagrama hierro-carbono
(Fe-C)
Fases de la aleación de hierro-carbono Austenita (hierro-ɣ. duro)
Cementita (carburo de hierro. Fe3C)
Perlita (88% ferrita, 12% cementita)
Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4,3% carbono) Bainita
Martensita Tipos de acero
Acero al carbono (0,03-2,1% C) Acero corten (para intemperie)
Acero inoxidable (aleado con cromo)
Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)
Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico) Otras aleaciones Fe-C
Hierro dulce (prácticamente sin carbono) Fundición (>2,1% C)
Fundición dúctil (grafito esferoidal)
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.
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.
1.1.
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.
Las microestructuras 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.
Otros elementos en el acero
Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación
Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles.
Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruracion, que
suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en
calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a 0,008%. También se utiliza como elemento desoxidante.
Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,0015%) logra aumentar la
capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la templabilidad. 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 dureza en
caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de
aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad (con concentraciones superiores al 12%), etc. Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero
que conforman la hojalata.
Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a
que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0,30 a 0,80%.
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.
Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita. Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el
crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros níquel y
cromo-níquel-molibdeno. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de austenita, 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.
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 loa 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.
Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.
Los porcentajes de cada uno de los aleantes que pueden configurar un tipo determinado de acero están normalizados.
Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.
Azufre: límite máximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma sulfuro, el
que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material.
Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente cinco veces la concentración de S para que se produzca la reacción.
El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición menos porosa, y por lo tanto de mayor calidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.
Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta perjudicial, ya sea al
disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado esteadita, el que es sumamente frágil y
posee punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
1.4.
Desgaste
Es la degradación física (pérdida o ganancia de material, aparición de grietas, deformación plástica, cambios estructurales como transformación de fase o recristalización, fenómenos de corrosión, etc.) debido al movimiento entre la superficie de un material sólido y uno o varios elementos de contacto.
Es interesante conocer una clasificación general que agrupe todas las calidades de todos los aceros que sea clara y simple. Los aceros se clasifican teniendo en cuenta sus propiedades y utilización en tres grandes grupos.
1.- Aceros de construcción.
a) Aceros que su usan en bruto de forja o laminación, sin tratamiento
1. Aceros al carbono que se usan en bruto de laminación para construcciones metálicas y para piezas de maquinaria en general.
2. Aceros de baja aleación y alto limite elástico para grandes construcciones metálicas, puentes, torres, etc.
3. Aceros de fácil mecanización para emplear en tornos automáticos, etc. b) Aceros que se usan después del tratamiento.
Aceros al carbono.
Aceros de gran resistencia. Aceros de cementación. Aceros de nitruración. Aceros para muelles.
Aceros de propiedades eléctricas especiales. Aceros Maraging.
2. Aceros de herramientas.
Aceros al carbono. Aceros rápidos.
Aceros para trabajos en caliente. Aceros indeformables.
Aceros de corte no rápidos.
3. Aceros inoxidables y resistentes al calor.
Aceros martensíticos de 13 a 18 % de cromo. Aceros ferríticos de 16 a 30 % de cromo. Aceros cromo-níquel del grupo 18/8.
Aceros cromo-níquel austenícos de alta aleación. Aceros para válvulas.
Aceros con elevada resistencia a la fluencia en caliente (creep). Aceros inoxidables endurecibles por precipitación.
Nomenclatura.
Antiguas denominaciones.
Hierro. Recibían esa denominación las aleaciones de hierro y carbono muy tenaces que se obtenían en estado pastoso en hornos bajos primitivos o en hornos de pudelar y que no se endurecían con el temple. Su contenido en carbono era generalmente inferior a 0.20 %. Acero. Se denominaban así las aleaciones de hierro forjables que se obtenían en estado líquido por fusión en crisoles, de barras de hierro cementadas y que adquirían gran dureza al templar. Generalmente tenían de 0,7 a 1,4 % de carbono.
Se denominan fundiciones, las aleaciones de hierro frágiles no forjables, cuyo contenido de carbono variaba de 2,5 a 4 %.
Denominaciones adoptadas a partir del descubrimiento de Bessemer.
A partir del año 1855, en que el procedimiento Bessemer comenzó a adquirir gran desarrollo, surgieron dudas al interpretar las denominaciones clásicas.
Al fabricarse en el convertidor toda clase de aceros de 0,1 a 0,7 % de carbono, la definición del hierro hubo que modificarla, pues desde entonces se comenzó ya a fabricar en estado líquido el material que hasta entonces se conocía con el nombre de hierro.
Como consecuencia de todo ello, y al ver que la obtención en estado pastoso o líquido no limitaba bien las calidades, se generalizaron las denominaciones siguientes.
Hierro, aleaciones hierro-carbono forjable, obtenido en estado pastoso o en estado líquido que no se endurecían al templar y cuyo contenido en carbono era inferior a 0,25 % aproximadamente.
Aceros, aleaciones hierro-carbono forjables, obtenidas en estado líquido con más de 0,25 % de carbono aproximadamente, que se endurecen con el temple. Fundiciones, aleaciones hierro-carbono no forjables.
Modernas denominaciones.
Las denominaciones que mayor aceptación tienen en la actualidad son:
Hierro.- Esta denominación se refiere exclusivamente al cuerpo simple hierro, con símbolo Fe y una pureza garantizada por un porcentaje de carbono menor de 0,03 % aproximadamente.
Acero.-Toda aleación de hierro-carbono forjable.
Aceros ordinarios.-Son los aceros que no contienen elementos aleados y cuyas características dependen principalmente del carbono que contienen.
Aceros especiales.-Son los que deben sus propiedades más importantes, principalmente, a uno o varios elementos aleados que llevan distintos del carbono.
Fundición.-Toda aleación de hierro-carbono no forjable. Esta definición, resulta imperfecta, pues hoy en día se fabrican algunas fundiciones especiales que también son forjables.
Temple y revenido.
El temple de los aceros al carbono se hace normalmente calentando a temperaturas variables de 800° a 925°, siempre superiores en agua para alcanzar, si es posible, velocidades de enfriamiento superiores a las críticas de temple. El temple en aceite de los aceros al carbono se realiza en muy pocas ocasiones. El revenido se suele hacer calentar las piezas templadas a temperaturas variables de 550° a 650° y luego enfriando al aire.
Aceros Aleados
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales.
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro.
Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. Hay aceros inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de máquinas y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes corrosivos. Se pueden construir herramientas que realicen trabajos muy forzados y que a pesar de calentarse no pierdan dureza. Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc.
Clasificación de los aceros aleados por su estructura microscópica.
Se suelen usar las denominaciones de aceros perlíticos, martensíticos, austeníticos, ferríticos y con carburos, según sea la estructura con que suelen quedar normalmente los aceros, cuando después de un calentamiento a elevada temperatura son enfriados al aire. A continuación indicaremos las particularidades de cada una de estas diferentes clases de aceros.
1. ° Aceros perlíticos.- Además de los aceros al carbono, pertenecen también a este grupo los aceros de baja y media aleación. Se caracterizan porque en el enfriamiento al aire desde elevada temperatura (750°-900°). El temple de estos aceros suele hacerse con enfriamiento en agua o en aceite, según el espesor.
2. ° Aceros martensíticos.- Aceros clásicos de este grupo son los llamados aceros de temple al aire, como los cromo-níquel (C= 0,35 %; Cr = 1 %; Ni = 4 %), o cromo-níquel-molibdeno empleados para la construcción de engranes, y los aceros al cromo inoxidables de C = 0,30 %; Cr =13 %. En estos aceros en el enfriamiento al aire desde elevada temperatura (1.050°-800°), la austenita se transforma en la zona de 20°-350°.
3. ° Aceros austeníticos.- Los aceros más importantes de este grupo son los aceros cromo-níquel inoxidables y también el acero de 12 % de manganeso. En estos aceros al ser enfriados desde elevada temperatura, la mayor parte de la austenita queda sin transformar. 4. ° Aceros ferríticos.- Reciben este nombre ciertos aceros cuya estructura es normalmente ferrítica. Entre los aceros de esta clase, se encuentran los aceros inoxidables al cromo de bajo contenido en carbono y elevado contenido de cromo generalmente superior al 16 % y ciertos aceros al silicio de más de 3 % de este elemento, empleados para usos eléctricos. 5. ° Aceros con carburos.- Estos aceros suelen ser de elevado contenido en elementos de aleación y su porcentaje de carbono suele ser generalmente superior a .60%, aunque en ocasiones hay también aceros con carburos hasta de .30% de carbono. Se caracterizan por presentar lo mismo en estado recocido, que en cualquier otro estado de tratamiento, un
porcentaje de carburos en su estructura muy superior a lo que suele observar en los aceros al carbono.
El porcentaje de carburos con que quedan estos aceros después de un calentamiento de austenización a elevada temperatura, varía con la temperatura alcanzada en el calentamiento y con la velocidad de enfriamiento. Con velocidades lentas de enfriamiento (recocido) aparecen más carburos que con enfriamientos rápidos (temple).
Hay algunos aceros de este grupo que a veces suelen ser llamados aceros ledeburíticos. Esto es debido a que en el proceso de solidificación y enfriamiento, se solidifica en algunas zonas un eutéctico que presenta una estructura ledeburítica, análoga a la de las fundiciones. Los carburos correspondientes al eutéctico son muy groseros y no pueden ser afinados por tratamiento térmico, siendo la forja el único método útil que puede emplearse para romperlos.
Influencia que ejercen en las características y propiedades de los aceros los elementos de aleación.
Níquel
El níquel fue uno de los primeros metales que se utilizo como elemento de aleación para la fabricación de aceros especiales. Este elemento se comenzó a emplear en los últimos años del pasado siglo XIX, observándose que adicionando a los aceros al carbono cantidades variables de 2 a 5%, se aumentaba su resistencia y limite de elasticidad, sin disminuir la tenacidad.
El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas. Estos aceros son austeníticos a la temperatura ambiente y no admiten el temple. La aleación hierro-níquel con menos de .10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación térmica muy baja, casi nula, entre 0° y 100° y recibe el nombre de invar. Los aceros más utilizados al níquel son los siguientes:
1°. Aceros al níquel con 2, 3, y 5%, muy empleados a principios de siglo y que actualmente se emplean mucho menos que en aquella época. Con .10% a .25% de carbono se utilizan para cementación, y con .25 a 40% de carbono para piezas de gran resistencia.
2°. Aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno con porcentajes de níquel variables desde 1 a 5%; con bajos porcentajes de carbono se emplean para cementación y con porcentajes de .25 a 40% de carbono se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de estos elementos aleados suelen estar en la relación aproximada de 1% de cromo y 3% de níquel.
3°. Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel-manganeso. Se suelen emplear para piezas de gran resistencia y para piezas cementadas con porcentajes de carbono variables de 0.25 a 0.40% en el primer caso y de 0.10 a 0.25% en el segundo, variando el contenido en níquel de 1 a 2%, el de manganeso de 1 a 1.5% y el del molibdeno de 0.15 a 0.40%.
4°. Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-niqueles, con 8 a 25% de níquel que son de estructura austenítica.
5°. Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-niqueles para estampación en caliente.
Cromo
Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,30 a 30 %, según los casos, y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide la deformación en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc.
1. ° Aceros de construcción, de gran resistencia mecánica con 0,50 a 1,50 % de cromo y 0,30 a 0,45 % de carbono, aleados según los casos, con níquel y molibdeno para piezas de gran espesor, con resistencias variables de 70 a 150 kg/mm2.
2. ° Aceros de cementación con 0,50 a 1,50 % de cromo y 0,10 a 1,25 % de carbono, aleados con níquel y molibdeno.
3. ° Aceros de nitruración cromo-aluminio-molibdeno. 4. ° Aceros para muelles cromo-vanadio y cromo-silicio.
5. ° Aceros para herramientas, con 0,30 a 1,50 % de cromo y 0,70 a 1,50 % de carbono. En ellos el cromo mejora la penetración de temple, la resistencia al desgaste, permite el temple en aceite y evita deformaciones y grietas.
6. ° Aceros indeformables con 5 y 12 % cromo. 7. ° Aceros rápidos y de trabajos en caliente.
8. ° Aceros inoxidables martensíticos con 12 y 17 % de cromo, aceros austeníticos con 14 a 25 % y aceros inoxidables férricos con 27 % de cromo.
Molibdeno.
Es un elemento de uso relativamente reciente. Mejora notablemente algunas propiedades de los aceros.
Este elemento mejora notablemente la resiste a la tracción, la templabilidad y la resistencia
al ―creep‖ de los aceros.
El molibdeno aumenta también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.
1. ° Aceros manganeso-molibdeno, cromo-molibdeno y cromo-níquel-molibdeno de bajo contenido en carbono para cementación, y de 0,15 a 0,40 % de carbono para piezas de gran resistencia.
2. ° Aceros rápidos con 6 a 10 % de molibdeno; son de utilización relativamente parecida a los aceros rápidos al wolframio, pero en ellos el wolframio es sustituido por el molibdeno. 3. ° Aceros de 0,50 a 6 % de molibdeno que se emplean principalmente para construcciones metálicas, tuberías e instalaciones en refinerías de petróleo, en las que llegan a calentarse de 100° a 300° y deben resistir bien el efecto de esos calentamientos relativamente moderados. Wolframio (tungsteno).
El wolframio es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros de herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte y aceros para trabajos en caliente. Sirve para mantener la dureza de los aceros a elevada temperatura y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° ó 600°. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.
Los aceros de wolframio más utilizados son:
1. ° Los aceros rápidos con 18 % de wolframio y cantidades variables de cromo, vanadio y molibdeno y 0,70 % aproximadamente de carbono.
2. ° Aceros para trabajos en caliente con 9 a 15 % de wolframio y 0,30 a 0,40 % de carbono.
3. ° Aceros para la fabricación de herramientas varias que se emplean para trabajos de corte.
4. ° Aceros para imanes con 6 % de wolframio.
5. ° Aceros inoxidables cromo-níquel con wolframio, de gran resistencia mecánica a elevada temperatura.
Vanadio.
Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiende a formar carburos.
El vanadio tiene una tendencia muy fuerte a formar carburos. Una característica de los aceros con vanadio, es su gran resistencia al ablandamiento por revenido.
Los aceros con vanadio más utilizados son:
1. ° Aceros rápidos que suelen contener de 0,50 a 1% de vanadio,
2. ° Aceros de herramientas de diversas clases. Para troqueles indeformables, etc., que suelen contener de 0,10 a 0,30 % de vanadio.
3. ° Aceros para muelles cromo-vanadio. Manganeso.
El manganeso aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adicción para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxígeno, que suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material.
Empleando el manganeso en porcentajes superiores a 11 %, hace austenítico al acero. Los aceros al manganeso de uso más frecuente son:
1.° Aceros al manganeso de gran resistencia, en los que al emplearse rl manganeso en cantidades variables de 0,80 a 1,60 %, con contenidos en carbono de 0,30 a 0,50 %, se consigue mejorar la templabilidad y obtener excelentes combinaciones de características
2. ° Aceros indeformables al manganeso con 1 a 3 % de Mn y 1 % de Ca.
3.° Aceros austeníticos al manganeso con 12 % de Mn y 1% de carbono, que a la temperatura ambiente son austeníticos y tienen gran resistencia al desgaste, empleándose, principalmente, para cruzamientos de vías, mordazas de máquinas trituradoras, excavadoras, etc.
Silicio.
Este elemento aparece en todos los aceros, porque se añade intencionalmente durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más enérgico que el manganeso y se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero poros y otros defectos internos.
Cobalto.
El cobalto se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento, al ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y resistencia.
Aluminio.
El aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener 1 % aproximadamente de aluminio. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir 300gramos por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el grano.
Titanio.
Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno.
El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0,15 a 0,30 % de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas.
Boro.
El boro es un elemento de aleación que ha comenzado a ser empleado muy recientemente. Se ha visto que cantidades pequeñísimas de boro mejoran notablemente la templabilidad. Su eficacia para mejorar la templabilidad es extraordinaria.
A este grupo de aceros de gran resistencia pertenecen una serie de aceros aleados, que se usan para la construcción de piezas de máquinas.
Aceros que pertenecen a este grupo.
En general, los aceros de este grupo tienen de 0,25 a 0,45 % de carbono, y como elementos de aleación se usan, principalmente, el cromo, el níquel y el molibdeno.
En la actualidad se fabrican diversos tipos de aceros al níquel, al níquel, cromo-molibdeno, manganeso- cromo-molibdeno, cromo-níquel-cromo-molibdeno, etc. La suma de los elementos de aleación no suele pasar del 5 %.
El uso de los aceros de gran resistencia se inició en los primeros años de nuestro siglo. En cambio, desde los años de la segunda guerra, se ha marcado una tendencia a emplear esos aceros ricos y clásicos sólo para los casos de mucha responsabilidad, y a emplear, en cambio, para la mayoría de las aplicaciones aceros de triple aleación y bajo contenido en elemento de aleación.
Reciben el nombre de aceros de cementación, un grupo de aceros de bajo contenido en carbono (variable generalmente de 0,50 a 0,25 %), que se utilizan para la fabricación de ciertas piezas de máquinas y motores al choque.
PRINCIPALES CLASES DE ACEROS DE CEMENTACIÓN.
Excepcionalmente cuando no interesa conseguir una gran tenacidad en el núcleo central se llegan a emplear, a veces, aceros hasta de 0,40 % de carbono.
Los aceros de cementación, de acuerdo con los elementos de aleación que contienen, se pueden clasificar en tres grupos: 1. ° Aceros al carbono; 2. ° Aceros de media aleación; y 3. ° Aceros de alta aleación.
El contenido en carbono de los aceros de nitruración 0,250 y 0,50 %. En la nitruración las mayores durezas se consiguen con los aceros que contienen 1 % de aluminio aproximadamente. Con los aceros de 3 % de cromo.
Para realizarse la nitruración a temperaturas muy próximas a los 500° los aceros de nitruración contienen porcentajes de molibdeno, variables de 0,20 a 1 %.
Características mecánicas. La resistencia del núcleo central de las piezas nitratadas suelen variar de 75 a 130 kg/mm2, en algunas ocasiones hasta 150 kg/mm2.
La dureza superficial es variable y depende de la composición. Las piezas nitratadas tienen una excepcional resistencia a la fatiga con poca sensibilidad a la influencia de las entallas. Esto es debido a ciertos esfuerzos de comprensión que se desarrollan en la superficie de las piezas, como consecuencia del aumento de volumen que experimentan después de la nitruración.
Ventajas de la nitruración.
Gran dureza.- Después de la nitruración, se consiguen durezas elevadísimas que no se obtienen por otros procedimientos de endurecimiento superficial. Cuando interesa que la capa dura sea de gran tenacidad, conviene utilizar aceros, que después de la nitruración queden con durezas relativamente bajas (650 a 850 Vickers), porque las capas nitruradas de máxima dureza tienen menor tenacidad.
Gran resistencia a la corrosión.- Los aceros, después de la nitruración, resisten mejor la acción corrosiva del agua dulce, agua salada, vapor o atmósfera húmeda que los aceros ordinarios, y por eso, este proceso es muy utilizado para las piezas que deben sufrir la acción de ciertos agentes corrosivos.
Ausencia de deformaciones.- Como en el tratamiento de nitruración no es necesario enfriar las piezas rápidamente desde alta temperatura en agua o aceite, se evitan los graves inconvenientes de los enfriamientos rápidos, que pueden dar origen a deformaciones importantes.
Endurecimientos exclusivos de determinadas superficies de las piezas. Durante la nitruración se pueden proteger perfectamente las superficies de las piezas que no se desea endurecer.
Retención de las durezas a temperaturas elevadas.- Las capas nitruradas conservan gran dureza hasta los 500°, especialmente cuando la duración del calentamiento no es muy prolongada. Las diversas nitruradas mantienen a temperaturas elevadas durezas superiores a las que se consiguen con otros procedimientos de endurecimiento de la capa periférica, como la cementación, temple superficial, etc., ya que la capa dura obtenida por estos métodos, pierde dureza muy rápidamente a partir de los 220°.
ACEROS PARA LA FABRICACIÓN DE CHAPAS MAGNÉTICA.
En la actualidad, son muchos, cada día más numerosos, los materiales que se usan en máquinas, instalaciones o aparatos eléctricos, y también son más complejas las características y propiedades que a los mismos se les exige.
Los aceros o aleaciones que se fabrican especialmente para cumplir especificaciones de carácter eléctrico, pueden clasificarse en los siguientes grupos:
1. ° Aceros para la fabricación de chapa magnética. 2. ° Aceros o aleaciones de alta permeabilidad. 3. ° Aceros o aleaciones magnéticas.
4. ° Aceros o aleaciones para imanes.
Aceros para la fabricación de chapa magnética.
Estos aceros se emplean generalmente en forma de chapa o fleje para la fabricación de núcleos o piezas de máquinas eléctricas y transformadores, que están sometidos a la acción de campos magnéticos que cambian rápidamente de valor.
En la actualidad, el material más empleado es el acero de bajo contenido con 2 a 4,5 % de silicio, también se emplea en algunos casos, aunque muy limitados, otros materiales como el hierro dulce de calidad corriente, el hierro Armeo, el acero moldeado, la fundición, etc. Definiciones de ciertas propiedades magnéticas.
Permeabilidad magnética.- Es la facultad que tienen algunos materiales de facilitar el paso a través de ellos del flujo creado por un campo magnético exterior.
Pérdidas por histéresis.- Se conoce con el nombre de histéresis magnética la propiedad que tienen los materiales magnéticos de presentar cierta inercia molecular o resistencia al cambio de orientación de sus moléculas, al variar la intensidad y el sentido de un campo magnético exterior que actúa sobre ellos.
Pérdidas por corriente de Foucault.- Las corrientes de Foucalt son corrientes que circulan en el interior de los materiales magnéticos, como resultado de fuerzas electromotrices inducidas en los mismos, por efecto de las variaciones de flujo que experimentan cuando están sometidos a la acción de campos magnéticos de intensidad variable.
