acero

Diagrama de fases C/Fe, con condiciones para la formación de fases individuales. Para cambios de temperatura infinitamente lentos.

 

Hierro y carbono

Carbono es la aleación más importante. La calidad del acero no depende solo del contenido de carbono, sino también del tipo de tratamiento térmico.

En la imagen se muestran las fases individuales:

1. α - hierro puro - hierro alfa
2. γ - austenita
3. * - ledeburita
4. después de † - ferrita
5. encima de † - perlita
6. I - fundido

En el gráfico se puede ver la llamada característica en forma de V, que ocurre en sistemas que son completamente solubles en estado líquido y poco solubles en estado sólido (ver eutéctico).

En esencia, este diagrama se puede dividir en partes:

• Eutéctica - por debajo del fundido, con eutéctico a 1150 °C, contenido de carbono 4,3 %
• Eutéctoide - transformación de fases en estado sólido, por debajo de la región γ, con eutéctoide a 723 °C, contenido de carbono 0,8 %
• Peritéctica - región bastante pequeña arriba a la izquierda (cristales delta) con peritéctico alrededor de 1430 °C.

Estas fases, sin embargo, solo aparecen durante el enfriamiento o calentamiento infinitamente lento. Durante el enfriamiento rápido (templado) se forma por ejemplo martensita, que aumenta la dureza. Durante el enfriamiento lento, en aceros austeníticos, normalmente aumenta la tenacidad.

Para procesos dinámicos se utilizan diagramas TTT. La posición de los diagramas TTT se puede representar de tal manera que perpendicular al diagrama binario añadimos un eje temporal ("saliendo" del gráfico). Estos cambian bastante según el contenido de carbono y aleaciones. En ellos también aparecen etapas intermedias como por ejemplo bainita.

Un efecto significativo tiene manganeso, que hace que el acero sea austenítico incluso con un mayor contenido de carbono y favorece la formación de martensita incluso durante el enfriamiento lento.

Demasiado carbono generalmente aumenta la fragilidad, es decir, reduce tenacidad a la fractura, este problema no afecta a fundición dúctil.

Se añade ya sea en forma de carburo al fundido o se permite que se impregne superficialmente en el acero austenitizado (por ejemplo, durante la cementación).

Elementos de aleación

Más información en el artículo principal: Aleación

Durante la producción de distintos tipos de acero (según el propósito) se utilizan distintos elementos de aleación (aleaciones), que se añaden al fundido con el fin de modificar las propiedades del acero. Las aleaciones se añaden principalmente introduciéndolas directamente en el hierro fundido. A veces, la aleación se derrite más difícilmente que el hierro o al revés. Allí se utilizan trucos como eutectización, pero no se obtiene una aleación pura. En el caso de una solubilidad insuficiente de la aleación en el fundido de acero, es necesario utilizar metalurgia de polvos. Se le llama también sinterizado.

• Dureza

La dureza se incrementa mediante aleaciones: vanadio - debido a la carburoformación, wolframio - carburos extremadamente duros, capaces de cortar incluso materiales resistentes al calor

• Resistencia

La resistencia se incrementa mediante aleaciones manganeso, cromo, níquel, así como mediante modificaciones mecánicas adicionales, por ejemplo laminado en frío y tratamientos térmicos, por ejemplo templado. La resistencia teórica del hierro con una red cristalina ideal (valor calculado) es de alrededor de 40000 N.mm^-2. El acero más resistente del mercado tiene 1500 N.mm^-2.

• Resistencia al desgaste

Esta propiedad es necesaria para piezas sometidas a desgaste (por ejemplo, uniones de minas) o para herramientas de mecanizado donde se desgasta la punta. Para mejorar esta propiedad utilizamos aleaciones: Carbono - martensita, así como cementita, Cobalto, Vanadio, Wolframio

• Resistencia al calor, resistencia a altas temperaturas

El acero normal pierde sus propiedades (principalmente dureza y resistencia) bajo carga térmica (ya a 300 °C) (motores, turbinas ...). La resistencia a altas temperaturas mejora al añadir aleaciones: níquel, wolframio, cromo, molibdeno, vanadio. La temperatura de trabajo nominal para tales aceros es de 300 °C a 550 °C. Los aceros por encima de 550 °C son ya aceros de alta temperatura. Por encima de 800 °C la mayoría de los aceros ya no es utilizable. En condiciones de laboratorio se puede producir acero que aún a 1000 °C tiene aproximadamente 500 N.mm^-2, pero es extremadamente difícil de producir (en varios pasos de fabricación y después de un endurecimiento duro).

• Elasticidad

La elasticidad es una propiedad que indica hasta qué punto se puede deformar el acero para que regrese a su estado original. Esta propiedad se utiliza, por ejemplo, en resortes. Para mejorar la elasticidad, el acero se alea con silicio.

• Aleaciones especiales

Magnesio - favorece la formación de grafito esférico en fundiciones dúctiles (fundiciones con propiedades similares al acero), Berilio - aleaciones de acero Cu-Be, reduce la fatiga del material (bajo carga repetida), por ejemplo, en resortes

 

Clasificación del acero

Según el contenido de carbono

• Subeutéctoides - con contenido de carbono inferior al 0,8 %
• Eutéctoides - 0,8 % de carbono
• Supereutéctoides - entre 0,8 % y 2,06 %

Según la aleación

• Bajo aleado
• Altamente aleado - más del 5% de elementos de aleación

Según el tratamiento de calor

• Tratados - el oxígeno ha sido eliminado
• No tratados

Según el uso

1. Acero automático - acero destinado a un mecanizado adicional de viruta
2. Acero para temple - acero destinado a un tratamiento térmico adicional
3. Acero de cementación - acero destinado a endurecer piezas desgastadas. Acero poco aleado o no aleado con menos del 0,25% de carbono, se cementa (se carbura) y se temple en la superficie. También después del temple tienen buenas propiedades plásticas.
4. Acero estructural - acero para estructuras de construcción y maquinaria, para el uso es decisiva también la rentabilidad
5. Acero nitrurado - extremadamente duro y resistente al desgaste. Dureza 750 HV a 1200 HV.
6. Acero para resortes - alta resistencia elástica.
7. Acero antifragil (acero criogénico) - acero que no se fragiliza a bajas temperaturas. No aleado hasta -60 °C, bajo aleado hasta -120 °C y altamente aleado hasta -250 °C.
8. Acero para rodamientos
9. Acero para herramientas - acero para fabricar herramientas, ya sea para mecanizado de viruta o herramientas manuales
10. Acero alimentario - acero especial de alta pureza con cero contenido de metales pesados y contaminantes
11. Acero para extrusión profunda - acero para chapas laminadas, por ejemplo, para la fabricación de carrocerías de automóviles. Normalmente acero de bajo carbono.

 

Actualidad

Producción

Base

Actualmente, el acero se produce de dos maneras: o se produce como acero primario (solo su base) en hornos altos. En realidad, solo hierro bruto - que luego se desoxida y se calma y luego se añaden aleaciones. Aquí se utiliza Convertidor LD o, en los últimos tiempos, Corex.

Las hornos Siemens-Martin ya están completamente obsoletos hoy en día.

O se mezcla con precisión el acero en hornos eléctricos. Este método se utiliza con frecuencia en la producción de pequeña y mediana serie debido a su flexibilidad económica.

Método Donawitz (Convertidor LD)

A través de una larga tubería fina - copio - se inyecta oxígeno del 98% de oxígeno. También se añade chatarra y mineral para reducir la proporción de hierro bruto. El oxígeno reacciona con el hierro y se forma óxido férrico FeO, que quema las impurezas no deseadas en este orden:

• Silicio - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Manganeso - FeO + Mn → MnO + Fe
• Carbono - FeO + C → CO + Fe
• Fósforo - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Azufre - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Con este método, sin embargo, también debe añadirse fundido para que la carga no se enfríe. El acero terminado se vierte luego del convertidor en la olla para un procesamiento posterior. La capacidad máxima del convertidor es de aproximadamente 250t.

El método más económico para producir acero en grandes cantidades.