Obtención del acero.docx

Obtención del acero:

Nuestros antepasados metalúrgicos se las ingeniaron para producir la "reducción directa" del mineral que contenía el hierro, rodeándolo totalmente de carbón de leña y provocando la combustión de este último.

Los métodos rudimentarios de que disponían para activar la combustión, no permitían lógicamente obtener una temperatura lo suficientemente elevada para fundir el metal. En su lugar, obtenían una masa esponjosa, pastosa, mezcla de hierro y escoria, que había que martillear repetidamente al rojo vivo, para eliminar la escoria e impurezas. Estos martilleos, además, lo endurecían, consiguiendo así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un tipo primitivo del acero.

Más tarde conseguirían pasar el mineral a la forma líquida ("hierro colado") con la combustión del carbono vegetal. Para llegar al acero que ahora conocemos, hubo que sustituir el carbono vegetal por el coque, aumentar (progresivamente) las alturas de los hornos y aumentar la ventilación para avivar la combustión.

Clasificación de los aceros

Introducción

Es muy difícil establecer una clasificación precisa y completa para todos los tipos de acero existentes. Más difícil aún, es establecer una equivalencia exacta entre los aceros de diferentes denominaciones, ya que el ordenamiento de estos materiales en clasificaciones y normas difiere según el país de origen. En el caso de los aceros al Carbono comunes, los sistemas usuales de clasificación –SAE, AISI, COPANT, DIN, etc.- cubren apenas aquellos aceros hasta un porcentaje de Carbono del 1%. En el caso de los aceros aleados, la elaboración de sistemas de clasificación es más dificultosa aún, debido al constante nacimiento de nuevos tipos de acero, con la presencia de nuevos elementos de aleación. Aún así, para los tipos más comunes de aceros y las cantidades relativamente bajas de elementos aleantes, tanto la SAE, AISI y otras asociaciones técnicas, elaboraron sistemas de clasificación que atienden satisfactoriamente las necesidades de nuestro medio. Del mismo modo, ya se establecieron los sistemas de clasificación para algunos tipos de aceros especiales – aceros de herramienta, aceros inoxidables, aceros resistentes al calor, etc. Todas estas clasificaciones especifican principalmente las composiciones químicas de los aceros, subdivididos en un sinnúmero de grupos e incluyendo decenas de análisis químicos diferentes. En Chile existe un sistema de normalización para aceros ordenado según un criterio basado en las aplicaciones más comunes de este material; como ejemplo

se pueden citar las normas NCh 203. Of 77, para aceros de uso estructural, la NCh 204. Of78 para barras laminadas en caliente para hormigón armado, etc. Para los fines del presente documento, hablaremos de los aceros clasificados de acuerdo a su composición química y su aplicación. Clasificación de los aceros por composición química Este sistema de clasificación de los aceros considera como base la composición química de los aceros, los que a su vez, podrían ser considerados en los siguientes subgrupos: • Aceros al Carbono: aquellos aceros en los que está presente el Carbono y los elementos residuales, como el Manganeso, Silicio, Fósforo y Azufre, en cantidades consideradas como normales. • Aceros aleados de baja aleación: aquellos aceros en que los elementos residuales están presentes arriba de cantidades normales, o donde están presentes nuevos elementos aleantes, cuya cantidad total no sobrepasa un valor determinado (normalmente un 3,0 al 3,5%). En este tipo de acero, la cantidad total de elementos aleantes no es suficiente para alterar la microestructura de los aceros resultantes, así como la naturaleza de los tratamientos térmicos a que deben ser sometidos. • Aceros aleados de alta aleación: aquellos aceros en que la cantidad total de elementos aleantes se encuentra, en el mínimo, de un 10 a 12%. En estas condiciones, no sólo la microestructura de los aceros correspondientes puede ser profundamente alterada, sino que igualmente los tratamientos térmicos comerciales sufren modificaciones, exigiendo técnicas, cuidados especiales y frecuentemente, múltiples operaciones. • Aceros aleados de media aleación: aquellos aceros que pueden ser considerados un grupo intermedio entre los dos anteriores. Una de las clasificaciones por composición química más generalizadas y que inclusive, sirvió de base para el sistema adoptado en Chile, corresponde a la empleada por la American Iron and Steel Institute – AISI y la Society of Automotive Engineers – SAE. La tabla 1, extraída del Databook 1988 y editada por la American Society for Metals, muestra la designación adoptada por la AISI y SAE, las cuales a su vez, coinciden con el sistema de numeración Unified Numbering System – UNS, de la American Society for Testing Materials – ASTM y la SAE. En este sistema, las letras XX o XXX corresponden a las cifras que indican las cantidades porcentuales de Carbono. Por ejemplo, en las designaciones AISI – SAE, la clase 1023 significa acero al Carbono, con un 0,23% de Carbono en promedio y en la designación UNS, la clase G10230, significa la misma cantidad de Carbono promedio. Por otra parte, los dos primeros dígitos distinguen las variedades de aceros entre sí, con la presenta sólo del Carbono como principal elemento de aleación (además, claro está, de las impurezas normales como el Silicio, Manganeso, Fósforo y el Azufre) o de otros elementos aleantes, como el Níquel, Cromo, etc. Además del Carbono. De este modo, cuando los dos primeros dígitos son 10, los aceros son al Carbono; cuando son 11, son aceros de fácil maquinabilidad con alto contenido en Azufre; cuando son 40, los aceros son al Molibdeno con un 0,25 % de Molibdeno en promedio, y así sucesivamente. Los

aceros de alto contenido aleante, como los inoxidables, refractarios, para herramientas, etc. Son clasificados según su composición química empleando una codificación diferente: por ejemplo, un acero al Carbono con un contenido medio de Carbono de 0,45 % como C45; 37 MnSi5, corresponde a un acero con un contenido medio de Carbono igual a 0,35 %y con cantidades medias en Manganeso y Silicio de

La normalización del acero

El proceso conocido como la normalización del acero se utiliza para producir metales con propiedades más fuertes y más dúctiles para usar en la producción de productos de acero. El uso del proceso de normalización se confunde a menudo con un proceso similar conocido como el recocido, que es a menudo intercambiable con el proceso de normalización.

Proceso

El proceso de normalización se completa calentando la pieza deseada de metal a una temperatura de alrededor de 100 grados Fahrenheit (40 grados celsius) por encima de la temperatura crítica superior, de acuerdo con la Universidad estatal de Farmingdale. El acero se mantiene a esta temperatura durante un período de tiempo especificado para garantizar que el proceso de normalización ha concluido. Una vez calentado a la temperatura correcta, la normalización se ha completado enfriando la pieza de acero a temperatura ambiente, que es un proceso de enfriamiento más rápido que otros tratamientos de calor de acero que se utilizan comúnmente.

Usos

Al completar la normalización del acero, la resistencia de la pieza de acero se puede mejorar, en comparación con el acero que no se normaliza o se trata con otro proceso de calentamiento. El rendimiento dúctil del acero también se puede mejorar a través de la normalización; esto es posible sin la reducción de la dureza o resistencia como puede suceder con otros tratamientos térmicos. Al utilizar el proceso de normalización, se pueden hacer modificaciones a la estructura del grano del acero para que sea utilizable para propósitos específicos. Los aceros con niveles bajos de carbono no tienen su tasa de ductilidad alterada utilizando el proceso de normalización. La normalización se utiliza generalmente para las

piezas de acero que requieren la máxima cantidad de fuerza y resistencia al impacto.

Temperatura

El uso del proceso de normalización se basa en el conocimiento de las temperaturas críticas superiores e inferiores de los diferentes tipos de acero. La temperatura crítica superior de acero es la temperatura a la que el metal se convierte en una estructura sólida y permite que los átomos de carbono y de acero dentro del metal se unan entre sí para formar estructuras más resistentes, de acuerdo con Tratamiento de Calor Especial del Suroeste. Cada pieza de acero tiene tanto una temperatura crítica inferior, que se refiere a la temperatura a la que las alteraciones en la estructura y el tamaño de grano empieza, como una temperatura crítica superior, que es el punto donde se completa el proceso. Para ser calificado como un proceso de normalización finalizado, el acero debe asumir una estructura cristalizada antes del enfriamiento, de acuerdo con ASM International.

Tratamiento

El proceso de normalización se confunde a menudo con un proceso de tratamiento térmico similar conocido como recocido. La diferencia entre los dos es a menudo pequeña, el proceso de recocido se completa a través de un proceso de enfriamiento más corto llamado enfriamiento en el horno. El acero recocido es generalmente más suave y más débil que el acero que se normaliza.

ACEROS AL CARBONO

El principal producto siderúrgico es el acero, siendo aproximadamente el 90% de la producción acero al carbono y el 10%, acero aleado. Por lo tanto, el material metálico más importante para la industria es el acero al carbono.

El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros).

El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad.

Los aceros se clasifican teniendo en cuenta sus propiedades y utilización, en tres grandes grupos: aceros de construcción, aceros de herramientas y aceros inoxidables.

ACEROS DE CONSTRUCCIÓN.

Son los aceros que se utilizan para la fabricación de piezas, órganos o elementos de maquinas, motores, instalaciones, carriles, vehículos, etc.

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 límite elástico para grandes construcciones metálicas, puentes, torres etc.

3. Aceros de fácil mecanización en tornos automáticos.

Los aceros de construcción generalmente se emplean para la fabricación de piezas, órganos o elementos de maquinas y de construcción de instalaciones. En ellos son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento

Aceros ordinarios al carbono que se usan en bruto de forja o laminación.

Se incluyen los aceros cuyas propiedades dependen principalmente del porcentaje de carbono que contienen. Se emplean en grandes cantidades para la construcción de estructuras metálicas de edificios, para elementos y piezas de maquinaria, motores, ferrocarriles, etc., y su contenido de carbono suele variar desde 0.03 a 0.70%. Ademas siempre contienen pequeñas cantidades de

manganeso y silicio que se emplean como elementos auxiliares en los procesos de fabricación, fósforo y azufre que son impurezas perjudiciales que provienen de las materias primas (lingotes, chatarra, combustibles y minerales).

En general los aceros ordinarios contienen:

Mn < 0.90%, Si < 0.50%, P < 0.10%, S < 0.10%

De acuerdo con las propiedades mecánicas, se establecen una serie de grupos de aceros ordenados por su resistencia a la tracción.

Cuando se desean resistencias de 38 a 55 Kg/mm2 se emplean aceros en bruto de forja o laminación. Para resistencias de 55 a 80 Kg/mm2 se emplean unas veces los aceros al carbono en bruto de forja y laminación, y otras veces se emplean los aceros al carbono tratados (templados y revenidos), para resistencias superiores a 80 Kg/mm2 se suelen emplear aceros tratados.

ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE CARBONO

Estos aceros contienen menos del 0.25% C, no adquieren dureza sensible con un temple.

Su resistencia media en estado normalizado varia de 35 a 53 Kg/mm2 y los alargamientos de 33 a 23%. Teniendo en cuenta sus características, se suelen agrupar en tres clases:

Denominación Características aproximadas

R (Kg/mm2) A% Carbono%

Semidulces, Dulces, Extradulces 5045 <40 2528>30 0.200.15<0.08

R: resistencia a la tracción

A: alargamiento

Con estos aceros de 0.06 a 0.25% de carbono, se fabrican los puentes de ferrocarril, las grandes estructuras de las estaciones, las columnas metálicas de las lineas eléctricas, los cascos de los buques, las estructuras de las casas, las carrocerías de los automóviles, los tubos de las bicicletas, los clavos, los alfileres, las cerraduras de las puertas, los asientos de las clases y muchos objetos más que utilizamos diariamente. En la mayoría de los casos se utiliza el acero tal como viene de las acerías, sin darle ningún tratamiento térmico especial.

aceros semiduros forjados o laminados para la construcción de piezas de maquinaria en general.

Los aceros ordinarios de contenido en carbono comprendido entre 0.25 y 0.70% de C que se emplean en estado bruto de forja o laminación se suelen emplear para piezas de maquinaria en general

Aceros de 0.30% de C. Ejes para vagones, ruedas, piezas de maquinaria, etc. (R=57 Kg/mm2, A = 23%)

Aceros de 0.40% e C. Elementos de maquinas y motores, alambres para cables, ejes para locomotoras, etc. (R = 65 Kg/mm2, A = 19%)

Aceros de 0.50% de C. Bandejas, alambres, flejes, herramientas agrícolas forjadas etc. (R = 74 Kg/mm2, A=17%).

Aceros de 0.60% de C. Para fleje duro, alambre, herramientas para agricultura, etc. (R = 82 Kg/mm2, A = 15%).

Influencia de elementos extraños en las características mecánicas de los aceros de bajo contenido en carbono.

La presencia de fósforo y azufre, salvo en muy pocas ocasiones, es perjudicial para la calidad de los aceros, procurándose eliminar esos elementos en los procesos de fabricación. En general se recomienda que en los aceros ordinarios el contenido de cada uno de esos elementos no pase del 0.06%, y en los aceros de calidad se suele exigir porcentajes de fósforo y azufre inferiores a 0.03%.

El azufre cuando se presenta como sulfuro de hierro, provoca durante los procesos de forja o laminación del acero poca resistencia y a veces se agrieta por iniciarse la fusión de éste, que se encuentra en el acero en forma de retícula en la microestructura del acero. Por el contrario cuando aparece como sulfuro de manganeso, tiene una temperatura de fusión muy elevada, y no da paso a la fragilidad en caliente; en ambos casos el alargamiento y la resistencia del acero queda muy disminuido.

El fósforo se encuentra siempre disuelto en los granos de ferrita a los que comunica gran fragilidad.

TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO DE CONSTRUCCION

RECOCIDO: el objeto de este tratamiento es ablandar el acero, homogenizar su estructura y composición química y aumentar su ductilidad. Se presentan cuatro formas:

-Recocido de regeneración: Cuando después de la forja o laminación se desea mecanizar en las mejores condiciones posibles los aceros con porcentajes de carbono variables de 0.35 a 0.60%.

-Recocido de ablandamiento: En algunos casos en que interesa disminuir la dureza de los aceros al carbono.

-Recocidos contra acritud: Se emplea para aceros de bajo contenido en carbono (inferior a 0.30%) que han sufrido un fuerte trabajo en frío por laminado o estirado y en los que la dureza ha aumentado por deformación de los cristales, habiéndose disminuido al mismo tiempo la ductilidad y el alargamiento hasta limites tan bajos que no se puede seguir el proceso mecánico de transformación en frío porque se rompe el acero.

-Recocido globular: En algunos casos excepcionales en que se interesa que los aceros queden con estructuras globulares debe calentarse durante largo tiempo el acero a temperaturas entre 700º a 740ºC y luego enfriar lentamente. De esta forma el material tiene una extraordinaria ductilidad.

-Normalizado: Este tratamiento consiste en calentar el acero a unos 50ºC por encima de la temperatura crítica Ac y enfriarlo luego al aire. Su empleo es importante cuando la estructura cristalina del acero es gruesa por haber sufrido calentamientos a temperaturas muy elevadas, o porque el trabajo de forja ha sido insuficiente para destruir la estructura en bruto de colada o la estructura cristalina no es la correcta.

-Temple y revenido: Al dar a los aceros al carbono un temple y revenido se consiguen muy buenas características cuando el perfil es delgado. En un acero al carbono bien templado o revenido, el valor del limite elástico suele llegar a ser un 75% de la carga de rotura.

Cuando interesa fabricar piezas con resistencia de 38 a 55 Kg/mm2 es, en general, muy poco ventajoso el tratamiento térmico (temple y revenido), ya que por tratarse de aceros de bajo contenido de carbono (0.15 a 0.30%). Cuando quieren fabricarse piezas con esas resistencias en general, conviene utilizar aceros en bruto de forja, laminados o normalizados. Sin embargo en casos excepcionales cuando se desea conseguir la mejor combinación de características (resistencia, alargamiento y alto limite elástico) se pueden templar y revenir los aceros de 0.15 a0.30% de C obteniéndose, resistencias variables de 38 a 55 Kg/mm2, alargamientos y limites de elasticidad ligeramente superiores a los que corresponden al estado normalizado. Cuando se trata de piezas de gran espesor

el tratamiento es casi inútil porque se presenta el problema de poca penetración de temple o templabilidad.

Los aceros al carbono templados y revenidos con porcentajes de carbono variables de 0.25 a 0.55%, se suelen emplear generalmente con resistencias comprendidas entre 55 y 90 Kg/mm2 y, a veces, en casos excepcionales como el de fabricación de muelles, se usan hasta resistencias de 150 a 200 Kg/mm2.

El empleo de los aceros al carbono templados y revenidos para la fabricación de piezas con esas resistencias tiene varias ventajas. Una muy importante es que el limite de elasticidad es más elevado que en los aceros normalizados o recocidos, y otra que la combinación de características (resistencia y alargamiento) también se mejora.

En cambio si esa resistencia se consigue templando y reviniendo la pieza después de mecanizada, el trabajo de torno o fresa se podrá hacer previamente en estado recocido mucho más fácil.

En el caso de que por mecanizado haya que quitar material, preferible, como hemos dicho, mecanizar en estado de recocido y luego templar y revenir, dejando generalmente en el mecanizado un exceso de medidas para eliminar luego las deformaciones que se producen en el temple y revenido. Cuando la cantidad de material a eliminar por mecanizado es pequeña puede convenir templar y revenir el material y luego mecanizar las piezas pudiéndolas dejar así a las medidas definidas.

ACEROS AL CARBONO PARA CEMENTACION

Acero 1010:

q Acero muy tenaz, para piezas de pequeño tamaño y forma sencilla, en las cuales no sean necesarios altos valores de resistencia mecánica (bujes, pasadores, etc.).

q Se usa con temple directo en agua.

q En estado normalizado o como laminado sirve para piezas embutidas o estampadas en frío.

Acero 1015:

q Para construcciones mecánicas de baja resistencia.

q Tiene los mismos usos del 1010 pero se prefiere cuando se necesita un corazón más duro y tenaz.

Acero 1022:

q Para partes de vehículos y maquinaria que no sean sometidas a grandes esfuerzos mecánicos.

q Posee mejor resistencia en el núcleo que el 1015.

Aceros al carbono de temple y revenido

Acero 1020:

q Esta clase de acero puede ser empleado en piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos.

q Considerando la escasa penetración de temple que tiene, generalmente se usa en estado normalizado.

q Puede emplearse en estado templado y revenido para piezas de pequeño espesor.

q Puede ser cem4entado cuando se requieren en el núcleo propiedades mecanizas más altas de las que pueden obtenerse con el tipo 1015 en cuyo caso se aplican las mismas normas de cementación que las especificadas para este acero.

Acero 1030:

q Acero para temple y revenido para los más amplios usos, tales como ejes, arboles y todas aquellas piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos.

q Como no tiene gran penetración de temple, este tipo de acero es aconsejable solamente para piezas templadas y revenidas de tamaño pequeño.

Acero 1040:

q La templabilidad de este acero es mejor que la de los dos anteriores; se usa para piezas de maquinas de pequeño y mediano espesor y sirve para piezas que deban ser templadas a inducción, o con soplete.

Acero 1045:

q Es un acero muy apropiado para piezas de pequeño tamaño que deban templarse a inducción, obteniéndose una dureza superficial de 54-56 Rc.

q Se emplea para herramientas forjadas de todo tipo, como: hachas, azadones, rastrillos, picas, martillos de varios usos, porras, etc.

Acero 1050:

q Gracias a la buena penetración de temple que tiene este acero, es apto para piezas de maquinas que deban soportar esfuerzos altos, longitudinales y transversales, pero sin impactos continuos.

q Para piezas de pequeño espesor es preferible el temple en aceite; para las piezas de mayor espesor y forma sencilla, en agua.

Acero 1055:

q Tiene más o menos los mismos usos del 1050. Sirve para fabricar pasadores que deban soportar esfuerzos muy elevados. En este caso se pueden templar las piezas por inducción.

q usan para herramientas agrícolas que deban tener más resistencias que las fabricadas con acero 1045.

Acero 1060:

q Como acero de construcción tiene los mismos usos que el 1055, pero para piezas que deban tener una resistencia mecánica más elevada.

q Como acero de corte sirve para herramientas de trabajas plásticos, madera y materiales no ferrosos (latan, bronce, etc).

q Este acero tiene una buena penetración de temple, aun en piezas de tamaño medio y con temple en aceite. Con temple de inducción y con temple al soplete se pueden obtener buenos resultados en piezas de no muy alta resistencia mecánica que sean sometidos a desgaste.

q Este acero puede ser también usado para resortes.

Acero 1070:

q Como acero de construcción para todo tipo de piezas que requieran al ta resistencia y que sean sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos, por ejemplo: partes móviles de molinos y trituradoras y cuchillas para moler materiales blandos.

q Como acero para resortes sirve para fabricar este tipo de piezas con excelente calidad y con especialidad aquellas de tipo helicoidal.

q Como acero para herramientas para todas las piezas que requieran dureza, tenacidad y resistencia al desgaste.

NOTA: las temperaturas de revenido son:

Como acero de construcción 560ºC/640ºC

Como acero de resortes 420ºC/480ºC

Como acero de herramientas 200ºC/350ºC

Acero 1095:

q Este es el acero al carbono de mayor resistencia, usado para la fabricación de resortes de todos los tipos y para todos los usos. A semejanza de los otros tipos con porcentajes de C más bajo, que puede ser también trefilado a través de tratamientos térmicos adecuados, puede emplearse también en frío para la construcción de resortes especiales.

Acero 1541(0.36-0.44% de C):

q Para partes que deban tener un limite de fluencia alto y fuerte resistencia al desgaste. Particularmente apto para forjar, por ejemplo: herramientas agrícolas y de mano.

q Se usa para fabricar tornilleria de alta resistencia y es uno de los aceros más apropiados para la fabricación de grapas automotores.

ACEROS AL CARBONO DE ALTA MAQUINABILIDAD (RESULFURAD0S)

Esta clase de aceros se usa en aquellos casos donde se desea una maquinabilidad mejor que la de los aceros al carbón. Se logran costos más bajos aumentando la producción con mayores velocidades de maquinado y mejor vida de la herramienta, o eliminando operaciones secundarias a través de una mejoría en la superficie terminada. La adición de azufre ocasiona algún sacrificio en las propiedades de soldabilidad, forja y conformación en frío.

SAE 1110 - 1111 - 1112 - 1113: Tienen excelentes características de maquinabilidad y buena resistencia estirados en frío. Estos aceros se pueden cianurar o carburar. La maquinabilidad aumenta en este grupo al aumentar el azufre, el cual se combina principalmente con el manganeso del acero y precipita como inclusiones de sulfuros, las cuales favorecen la maquinabilidad al proporcionar la formación de virutas pequeñas, y al suministrar un lubricante propio evita que las virutas se agarren a la herramienta y emboten el filo. Al disminuir esta adherencia, se necesita menos potencia, se mejora la superficie y la velocidad de maquinado se puede doblar en comparación de un acero no resulfurado.

SAE 1108 - 1109 - 1116 - 1117 - 1118 - y 1119. Los aceros de este grupo se usan cuando se necesita una combinación de buena maquinabilidad y respuesta a tratamiento térmico. En variedades de bajo carbono se usan para partes pequeñas que deben cianurarse o carbonitrurarse.

SAE 1117 - 1118 y 1119, tienen más manganeso para mejor templabilidad, permitiendo temple en aceite después de la carburación.

SAE 1132 - 1137 - 1140 - 1141 - 1144 - 1145 - 1146 y 1151. Cada tipo tiene características comparables a los aceros al carbono del mismo nivel del carbón. Se usan para partes donde es necesario una gran cantidad de maquinado, o donde la presencia de roscas, estrías, u otra operación ofrece problemas especiales de herramental.

SAE 1132 -1137 - 1141 - 1144: de alto manganeso ofrecen mayor templabilidad y los tipos de alto carbono son adecuados para temple en aceite, para temple por inducción o para temple con llama.

Otra clasificación del acero desde el punto de vista de su producción es: efervescente, calmado, semicalmado o tapado.

En los aceros efervescentes sólo se ha eliminado una pequeña parte del oxígeno mientras dura el proceso de solidificación, lo que deja una capa exterior o cerco relativamente libre de carbono, o sea que el centro del lingote tiene un mayor contenido de carbono que el exterior. Esta superficie con una porción de carbono extremadamente baja es muy dúctil, tiene excelentes cualidades de su superficie y muy buenas características para su conformado en frío.

Los aceros calmados son lo opuesto a los efervescentes; a estos aceros se les ha extraído gran cantidad de oxígeno, de donde resulta un acero relativamente libre de carbono. Los aceros calmados son útiles cuando se necesitan técnicas severas de conformado, pero siempre requiere un tratamiento térmico al terminar la técnica de conformado de manufactura.

Los aceros semicalmados tienen una composición y propiedades mecánicas que varían entre las de los aceros efervescentes y los calmados. Los aceros tapados combinan las características de los aceros efervescentes y las de los semicalmados o sea, el cerco de carbono se forma en la superficie del acero, y el grueso de la sección transversal interior tiene las características del acero semicalmado.

Aceros aleados

Aceros aleados, influencia de los elementos de aleación

Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, también contienen cantidades relativamente importantes de otros elementos como molibdeno, cromo, níquel, etc., que sirven para mejorar algunas de sus características fundamentales. También pueden considerarse aceros aleados, a los aceros con mayor proporción que los porcentajes normales de los aceros al carbono de los cuatro elementos diferente del carbono que antes hemos citado y cuyos limites superiores suelen ser los siguientes: Si = 0,50%, Mn = 0,90%, P = 0,10%, S = 0,10%

Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro.

Clasificación de los aceros aleados de acuerdo con su utilización:

A continuación se señalan los grupos clásicos

Utilizando aceros aleados se puede lograr:

Piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior

Grandes durezas con tenacidad

Mantener una resistencia elevada a grandes temperaturas

Aceros inoxidables

Aceros resistente a la acción de agentes corrosivos

Herramientas que realicen trabajos muy forzados y que no pierdan dureza al calentarse

Esto nos muestra que la influencia que ejercen los elementos de aleación en los aceros es muy variada, lo cual nos permite obtener ciertas características que no se pueden obtener con los aceros ordinarios al carbono

Las influencias directas de los diversos elementos de aleación antes mencionados en ciertas características de los aceros podrían señalarse en forma general como:

La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa, y la tendencia que en cambio tiene otros a formar carburos

La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros

La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad

La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el revenido

Mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calor, resistencia a la abrasión, etc.

 Influencia que ejercen en las características y propiedades de los aceros los elementos de aleación

Níquel:

Desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vio que este elemento mejora las propiedades de los aceros. El empleo de aceros con níquel es sobre todo interesante para la construcción de piezas de maquinas y motores de alta calidad. Una de las ventajas más importantes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en tratamientos térmicos, lo que sirve para conseguir siempre con ellos gran tenacidad. Los aceros al níquel sometidos a temperaturas demasiado elevadas, quedan después del temple y revenido con muy buena tenacidad. El níquel, hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos térmicos pueden hacerse a temperaturas ligeramente mas bajas que las correspondientes 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 mas elevado y mayores alargamientos y resistencias que con aceros al carbono. También es muy interesante señalar que para la misma dureza su resistencia a la fatiga es un 30% superior a la de los aceros de baja aleación.

Entre todos los elementos aleados, el níquel, que cristaliza como austenita en cubos de caras centradas, es el único que forma con el hierro una serie continua de soluciones sólidas. El níquel hace descender la temperatura de transformación gamma-alfa y, por lo tanto, tiende a estabilizar a bajas temperaturas la fase austenítica de caras centradas.Las aleaciones con mas de 30% de niquel son austeníticas a la temperatura ambiente, y poseen ciertas propiedades magnéticas.

El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas. La aleación hierro-níquel con menos de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación muy baja, casi nula, entre 0°C y 100°C y recibe el nombre de invar..

Los aceros al níquel más utilizados son los siguientes:

- Aceros al de níquel: 2,3% - 5% de Ni, 0,1-0,25% de C (para cementación) y con 0,25-0,4% de C (para piezas de gran resistencia)

- Aceros cromo-níquel y aceros cromo níquel molibdeno: con porcentajes variables de C (0,1-0,22%) se emplean para cementación y con 0,25-0,4% de C se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de cromo-níquel suelen tener una relación aproximada de 1% Cr y 3% Ni.

- Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel manganeso: 0,25- 0,4% de C para piezas de gran resistencia y con 0,1-0,25% para piezas cementadas, Ni de 1-2%, Mn 1-1,5%, Molibdeno 0,15-0,4%.

- Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níquel: con 8-25% de Ni

- Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níquel para estampación en caliente, algunos de los aceros al níquel para herramientas, y otros de uso poco frecuente

 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 0,3 a 30% de Cr 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 inoxibilidad,etc.

 Molibdeno:

Este elemento mejora la resistencia a la tracción, la templabilidad, la resistencia al <<creep>> de los aceros. Añadiendo pequeñas cantidades a los aceros cromo-níquel , se disminuye o elimina la fragilidad Krupp que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de los 450°C a 550°C.

También aumenta la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de aceros rápidos, pudiendo emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.

 Wolframio:

el wolframio es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros para herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte, y aceros para trabajos en calientes. Sirve para aumentar la dureza a elevadas temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° ó 600°C. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.

 Vanadio:

Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte.

 Manganeso:

El 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 el proceso de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a la formación de porosidades perjudiciales en el material.

Este se suele usar también como elemento de aleación. Al aumentar de 0,6 a 1,6% aproximadamente el porcentaje de manganeso en los aceros, se aumenta ligeramente su resistencia, se mejora su templabilidad, siendo interesante destacar que el manganeso es un elemento de aleación relativamente barato.

 Silicio:

Este elemento aparece en todos los aceros, al igual que el manganeso, 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 defectos internos. Las adicione de silicio se hacen durante la fabricación, suelen ser relativamente pequeñas y variables ( 0,2- 0,35% de Si).

Una clase de acero para muelles muy empleadas contiene cantidades de silicio de 1,5 a 2,25% de Si. En los aceros, el silicio sirve para aumentar ligeramente la templabilidad y elevar sensiblemente el límite elástico y la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su tenacidad.

Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la fabricación de chapa magnética.

 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. En los aceros de alto porcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los aceros al wolframio endurece la ferrita con lo que facilita el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de las herramientas a elevada temperatura.

El cobalto se suele emplear en los aceros rápidos al wolframio de máxima calidad en porcentaje variable de 3 a 10%

Los aceros para imanes con cobalto, contienen además cromo y wolframio

 Aluminio:

El aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener 1% aproximadamente de aluminio. También se usa en algunos aceros resistentes al calor. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir 300gr por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el grano.

En general los acero aleados de calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008% de Al.

 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. En los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión ínter cristalina.

 Cobre:

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. Se suelen emplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5 %.

 Boro:

El boro es un elemento de aleación que a comenzado a ser empleado recientemente. Experimentalmente se ha visto que cantidades pequeñísimas de boro del orden 0,001 a 0,006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el mas efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos. Su eficacia para mejorar la templabilidad es extraordinaria, y para 0,40% de carbono puede decirse que su efecto es, aproximadamente, unas 50 veces mayor que el del molibdeno, unas 75 veces mayor que el cromo, unas 150 veces mayor que el manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel

Composición base

Cantidad de elemento a añadir a la composición base para que haga el mismo efecto que la adición de 0,004% de Boro

C % Mn % Mn % Ni % Cr % Mo %

0,20 0,75 0,85 2,40 0,45 0,35

0,30 0,75 0,65 1,90 0,35 0,25

0,60 0,75 0,45 1,20 0,20 0,15

0,80 0,75 0,25 0,40 0,07 0,05

La utilización de este elemento se comprende que es de un interés extraordinario, pero su empleo, que tiene sobre todo eficacia en los aceros de0,30 a 0,50% de carbono, presenta bastantes dificultades.

La solubilidad del boro en el hierro es de 0,15% a 1174° y de 0,06% a la temperatura ambiente. Durante los procesos de fabricación su incorporación al baño metálico es difícil, ya que por ser un desoxidante enérgico es un elemento que se oxida fácilmente y tiene también gran avidez con el nitrógeno que contiene el acero.

Aceros de corte aleados (HSS)

Las siglas HSS son el acrónimo en Inglés "High Speed Steel" y se conocen en Español como "aceros rápidos" debido a que pueden ejecutarse cortes a alta velocidad sin que se afecte apreciablemnte el filo de la herramienta. Son en general mas duros que los aceros al carbono y mucho mas resistentes a lacorrosión.

En estos aceros, además del carbono, existen otros elementos aleantes que aumentan la dureza y reducen en mucho la pérdida de esta durante el calentamiento, razón por la cual pueden hacerse cortes a alta velocidad sin que el calentamiento propio de este trabajo afecte la capacidad de corte de la herramienta.

Entre los elementos aleantes principales se encuentran el cromo y el vanadio.

Estos aceros son sometidos a un tratamiento térmico complejo para lograr las mejores propiedades.

De aceros rápidos se fabrican; brocas, cuchillas de tornear, fresas de corte etc.