Acero
El acero es una aleación de hierro y carbono en un porcentaje de este último elemento variable entre el 0,008% y 2,11% en masa de su composición.[1] La rama de la metalurgia que se especializa en producir acero se denomina siderurgia o acería.
El acero producido antes de la detonación de las primeras bombas atómicas es acero de bajo fondo, no contaminado por radionucleidos. Actualmente la principal fuente de este acero, requerido para la construcción de equipos de medición de radiación muy sensibles, son los barcos hundidos que se construyeron antes de la prueba de Trinity, siendo los más famosos los buques de guerra alemanes hundidos en Scapa Flow durante la Primera Guerra Mundial.[2]
No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal duro y relativamente dúctil. Por su parte, el carbono es un no metal de diámetro menor (dA = 1,54 Å), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma de diamante). La difusión de este elemento en la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos, formándose un compuesto intersticial.
La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,008 % y el 2,11%;[1] por encima de este porcentaje a las aleaciones se las denomina fundiciones.
Según la velocidad a la que se enfríe el metal fundido, proceso denominado templado, la microestructura del acero, cambia, y por tanto también sus propiedades mecánicas. Algunas de las fases que se pueden encontrar en el acero son martensita, perlita, cementita, bainita y ferrita. Para conocer las fases que posee un acero en función de su composición y temple se emplea un diagrama de fases hierro-carbono.
El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas. Sin embargo, si la aleación posee una concentración de carbono mayor del 2.11 %, se producen fundiciones,[1] que son mucho más frágiles que el acero y no es posible forjarlas, sino que tienen que ser moldeadas.
Existen muchos tipos de acero [3] en función del elemento o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como por ejemplo 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 además de ser los primeros fabricados y los más empleados,[4] 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».[5]
A medida que se incrementa la resistencia del acero al añadir carbono o someterlo a diferentes tratamientos térmicos también disminuye significativamente la elasticidad y plasticidad. Por tanto, es necesario buscar un equilibrio, según la aplicación que se vaya a dar al material, entre resistencia y flexibilidad.
Historia
El término acero procede del latín «aciarius», y este de la palabra «acies», que es como se denomina en esta lengua el filo de un arma blanca. «Aciarius» sería, por tanto, el metal adecuado, por su dureza y resistencia, para ponerlo en la parte cortante de las armas y las herramientas. Se desconoce la fecha exacta en que se descubrió la técnica para obtener hierro a partir de la fusión de minerales. Sin embargo, los primeros restos arqueológicos de utensilios de hierro datan del 3000 a. C. y fueron descubiertos en Egipto, aunque hay vestigios de adornos anteriores. Quinto Horacio Flaco señala que armas de acero como la falcata eran utilizadas en la península ibérica ya en el siglo I a. C., mientras que el acero nórico (en latín: chalybs noricus) era empleado por las tropas romanas.[6] Durante la dinastía Han de China se produjo acero al derretir hierro forjado con hierro fundido, en torno al siglo I a. C.[7][8] También adoptaron los métodos de producción para la creación de acero wootz, un proceso surgido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 a. C. y exportado a China hacia el siglo V. Este temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por los monzones.[9][10] También conocido como acero de Damasco, era una aleación de hierro con gran número de diferentes materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000 partes por millón o 0,1% de la composición de la roca. Estudios realizados por Peter Paufler sugirieron que en su estructura se incluían nanotubos de carbono, lo que podría explicar algunas de las cualidades de este acero -como su durabilidad y capacidad de mantener un filo-, aunque debido a la tecnología de la época es posible que las mismas se hayan obtenido por azar y no por un diseño premeditado.[11]
Entre los siglos IX y X se produjo en Merv el acero de crisol, en el cual el acero se obtenía calentando y enfriando el hierro y el carbón por distintas técnicas. Durante la dinastía Song del siglo XI en China, la producción de acero se realizaba empleando dos técnicas: la primera producía acero de baja calidad por no ser homogéneo —método «berganesco»— y la segunda, precursora del método Bessemer, quita el carbón con forjas repetidas y somete la pieza a enfriamientos abruptos.[12]
El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 a. C., en Metsamor y el monte Ararat, en Armenia.[13] La tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 a. C.
No hay registros de que la templabilidad fuera conocida hasta la Edad Media. Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire, con una posterior expulsión de las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.[14] La técnica fue desarrollada por Benjamin Huntsman.
En 1856, Henry Bessemer, desarrolló un método para producir acero en grandes cantidades, pero dado que solo podía emplearse hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones, fue dejado de lado. Al año siguiente, Carl Wilhelm Siemens creó otro, el procedimiento Martin-Siemens, en el que se producía acero a partir de la descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro como producto del calentamiento con aceite, gas de coque, o una mezcla de este último con gas de alto horno. Este método también quedó en desuso.
Aunque en 1878 Siemens también fue el primero en emplear electricidad para calentar los hornos de acero, el uso de hornos de arco eléctricos para la producción comercial comenzó en 1902 por Paul Héroult, quien fue uno de los inventores del método moderno para fundir aluminio. En este método se hace pasar dentro del horno un arco eléctrico entre chatarra de acero cuya composición se conoce 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 cual con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, 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 necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena.
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.[15]
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 deseados. 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,[16] 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.[cita requerida]
Aceros ordinarios. Aceros aleados o especiales.
Los aceros aleados o especiales contienen otros elementos, además de carbono, que modifican sus propiedades. Estos se clasifican según su influencia:
Elementos que aumentan la dureza: fósforo, níquel, cobre, aluminio. En especial aquellos que conservan la dureza a elevadas temperaturas: titanio, vanadio, molibdeno, wolframio, cromo, manganeso y cobalto. Elementos que limitan el crecimiento del tamaño de grano: aluminio, titanio y vanadio. Elementos que determinan en la templabilidad: aumentan la templabilidad: manganeso, molibdeno, cromo, níquel y silicio. Disminuye la templabilidad: el cobalto. Elementos que modifican la resistencia a la corrosión u oxidación: aumentan la resistencia a la oxidación: molibdeno y wolframio. Favorece la resistencia a la corrosión: el cromo. Elementos que modifican las temperaturas críticas de transformación: Suben los puntos críticos: molibdeno, aluminio, silicio, vanadio, wolframio. Disminuyen las temperaturas críticas: cobre, níquel y manganeso. En el caso particular del cromo, se elevan los puntos críticos cuando el acero es de alto porcentaje de carbono pero los disminuye cuando el acero es de bajo contenido de carbono.
Componentes
Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala. Esta variedad y disponibilidad[17] lo hace apto para numerosos usos como la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, contribuyendo al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.[14] A pesar de su densidad (7850 kg/m³ de densidad en comparación a los 2700 kg/m³ del aluminio, por ejemplo) el acero es utilizado en todos los sectores de la industria, incluso en el aeronáutico, ya que las piezas con mayores solicitaciones (ya sea al impacto o a la fatiga) solo pueden aguantar con un material dúctil y tenaz como es el acero, además de la ventaja de su relativo bajo costo.
Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación
Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM y UNS, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas características determinadas como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad o maquinabilidad.[18] A continuación se listan algunos de los efectos de los elementos aleantes en el acero:[19] [20]
- Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1% y en porcentajes inferiores al 0,008% como desoxidante en aceros de alta aleación.
- Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006%) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. 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.
- Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.
- Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento por tratamiento termoquímico como la carburación o la nitruración. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
- 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: es un elemento gammageno permitiendo una estructura austenítica a temperatura ambiente, 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. Se utiliza su gran afinidad con el carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.
- Wolframio: también conocido como tungsteno. 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 los 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.
- Niobio: Se utiliza para darle dureza, flexibilidad y elasticidad al acero, principalmente se utiliza para el acero estructural y para aceros automotrices.
Impurezas
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 un 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.
Clasificación
Según el modo de fabricación
- Acero eléctrico
- Acero fundido
- Acero calmado
- Acero efervescente
- Acero fritado
- Acero estirado
Según el modo de trabajarlo
- Acero moldeado
- Acero forjado
- Acero laminado
Según la composición y la estructura
- Aceros ordinarios
- Aceros aleados o especiales
Los aceros aleados o especiales contienen otros elementos, además de carbono, que modifican sus propiedades. Estos se clasifican según su influencia:
- Elementos que aumentan la dureza: fósforo, níquel, cobre, aluminio. En especial aquellos que conservan la dureza a elevadas temperaturas: titanio, vanadio, molibdeno, wolframio, cromo, manganeso y cobalto.
- Elementos que limitan el crecimiento del tamaño de grano: aluminio, titanio y vanadio.
- Elementos que determinan en la templabilidad: aumentan la templabilidad el manganeso, molibdeno, cromo, níquel y silicio, mientras que el cobalto la disminuye.
- Elementos que modifican la resistencia a la corrosión u oxidación: aumentan la resistencia a la oxidación: molibdeno y wolframio. Favorece la resistencia a la corrosión: el cromo.
- Elementos que modifican las temperaturas críticas de transformación: Suben los puntos críticos: molibdeno, aluminio, silicio, vanadio, wolframio. Disminuyen las temperaturas críticas: cobre, níquel y manganeso. En el caso particular del cromo, se elevan los puntos críticos cuando el acero es de alto porcentaje de carbono pero los disminuye cuando el acero es de bajo contenido de carbono.
Según los usos
- Acero para imanes o magnético
- Acero autotemplado
- Acero de construcción
- Acero de corte rápido
- Acero de decoletado
- Acero de corte
- Acero indeformable
- Acero inoxidable
- Acero de herramientas
- Acero para muelles
- Acero refractario
- Acero de rodamientos
Según su aplicación
- Aceros de construcción
- Aceros de uso general
- Aceros cementados
- Aceros para temple y revenido
- Aceros inoxidables o para usos especiales
- Aceros para herramientas de corte y mecanizado
Propiedades mecánicas y física química del acero
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
- Su densidad media es de 7850 kg/m³.
- En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
- El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 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 temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1650 °C.[21]
- Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °C.[22]
- Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
- Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.
- Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
- Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.
- Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
- La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
- Se puede soldar con facilidad.
- La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.
- Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de[23] 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando este 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: , siendo al coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir ). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado.[24] 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.
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.
Normalización de las diferentes clases de acero
Para homogeneizar las distintas variedades de acero que se pueden producir, existen sistemas de normas que regulan la composición de los aceros y las prestaciones de los mismos en cada país, en cada fabricante de acero, y en muchos casos en los mayores consumidores de aceros.
Por ejemplo, en España están regulados por la norma UNE-EN 10020:2001 y antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-36010, ambas editadas por AENOR.[25]
Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de uso mucho más extendido internacionalmente), ASTM, DIN, o la ISO 3506.
Formación del acero
Tratamientos del acero
Tratamientos superficiales
Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales.
Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
- Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o mecánico al que se somete a diferentes componentes metálicos.
- Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer.
- Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.
- Niquelado: baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación.
- Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tornillería.
- Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.
Tratamientos térmicos
Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.
Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composición química son:
Tratamientos termoquímicos
Son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.
- Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
- Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
- Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.
- Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.
- Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.
Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.
El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales.
Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra O es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y A es la inicial de aire; el prefijo S es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (shock resistant).
Mecanizado del acero
Acero laminado
El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados.
El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado hasta conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones de las secciones conseguidas de esta forma no se ajustan a las tolerancias requeridas y por eso muchas veces los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado para ajustar sus dimensiones a la tolerancia requerida.
Acero forjado
La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.
El sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En la forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que se desea conseguir.
Acero corrugado
El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para emplearlo en hormigón armado. Se trata de barras de acero que presentan resaltos o «corrugas» que mejoran la adherencia con el hormigón. Está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético.
Las barras de acero corrugado están normalizadas. Por ejemplo, en España están cubiertas por las Normas UNE 36068:2011, UNE 36065:2011 y UNE 36811:1998 IN.
Las barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de 6 a 40 mm, en la que se cita la sección en cm² que cada barra tiene así como su peso en kg.
Las barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras.
Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción:
- límite elástico Re (Mpa)
- carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa)
- alargamiento de rotura A5 (%)
- alargamiento bajo carga máxima Agt (%)
- relación entre cargas Rm/Re
- módulo de Young E
Estampado del acero
La estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados.
Troquelación del acero
La troquelación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y matrices.
Mecanizado blando
Las piezas de acero permiten mecanizarse en procesos de arranque de virutas en máquinas-herramientas (taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.) luego endurecerlas por tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos abrasivos en los diferentes tipos de rectificadoras que existen.
Rectificado
El proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas para la construcción de maquinaria y equipos de calidad. Pero el tamaño de la pieza y la capacidad de desplazamiento de la rectificadora pueden presentar un obstáculo.
Mecanizado duro
En ocasiones especiales, el tratamiento térmico del acero puede llevarse a cabo antes del mecanizado en procesos de arranque de virutas, dependiendo del tipo de acero y los requerimientos que deben ser observados para determinada pieza. Con esto, se debe tomar en cuenta que las herramientas necesarias para dichos trabajos deben ser muy fuertes por llegar a sufrir desgaste apresurado en su vida útil. Estas ocasiones peculiares, se pueden presentar cuando las tolerancias de fabricación son tan estrechas que no se permita la inducción de calor en tratamiento por llegar a alterar la geometría del trabajo, o también por causa de la misma composición del lote del material (por ejemplo, las piezas se están encogiendo mucho por ser tratadas). En ocasiones es preferible el mecanizado después del tratamiento térmico, ya que la estabilidad óptima del material ha sido alcanzada y, dependiendo de la composición y el tratamiento, el mismo proceso de mecanizado no es mucho más difícil.
Mecanizado por electroerosión
En algunos procesos de fabricación que se basan en la descarga eléctrica con el uso de electrodos, la dureza del acero no hace una diferencia notable.
Taladrado profundo
En muchas situaciones, la dureza del acero es determinante para un resultado exitoso, como por ejemplo en el taladrado profundo al procurar que un agujero mantenga su posición referente al eje de rotación de la broca de carburo. O por ejemplo, si el acero ha sido endurecido por ser tratado térmicamente y por otro siguiente tratamiento térmico se ha suavizado, la consistencia puede ser demasiado suave para beneficiar el proceso, puesto que la trayectoria de la broca tenderá a desviarse.
Doblado
El doblado del acero que ha sido tratado térmicamente no es muy recomendable pues el proceso de doblado en frío del material endurecido es más difícil y el material muy probablemente se haya tornado demasiado quebradizo para ser doblado; el proceso de doblado empleando antorchas u otros métodos para aplicar calor tampoco es recomendable puesto que al volver a aplicar calor al metal duro, la integridad de este cambia y puede ser comprometida.
Perfiles de acero
Para su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles metálicos, siendo éstos de diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares.
Aplicaciones
El acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general así como en las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos. En este contexto existe la versión moderna de perfiles de acero denominada Metalcón.
Los fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones) y los de maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero.
También son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de índole ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la fabricación de todo tipo de material rodante.
Otro tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento, especialmente la dedicada a construir armamento pesado, vehículos blindados y acorazados.
También consumen mucho acero los grandes astilleros constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas.
Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles porque muchos de sus componentes significativos son de acero.
A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del automóvil que son de acero:
- Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección.
- De chapa de estampación son las puertas y demás componentes de la carrocería.
- De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor.
- Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles de válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc.
- De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los automóviles.
- De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que son de aleaciones de aluminio.
- De acero son todos los tornillos y tuercas.
Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su antigüedad y deterioro se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o piezas de fundición de hierro.
Ensayos mecánicos del acero
Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la dureza superficial, la resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido, el grado de acabado del mecanizado o la presencia de grietas internas en el material, lo cual afecta directamente al material pues se pueden producir fracturas o roturas.
Hay dos tipos de ensayos, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos.
Todos los aceros tienen estandarizados los valores de referencia de cada tipo de ensayo al que se le somete.[26]
Ensayos no destructivos
Los ensayos no destructivos son los siguientes:
- Ensayo microscópico y rugosidad superficial: microscopios y rugosímetros.
- Ensayos por ultrasonidos.
- Ensayos por líquidos penetrantes.
- Ensayos por partículas magnéticas.
- Ensayo de dureza (Brinell, Rockwell, Vickers); mediante durómetros.
Ensayos destructivos
Los ensayos destructivos son los siguientes:
- Ensayo de tracción con probeta normalizada.
- Ensayo de resiliencia.
- Ensayo de compresión con probeta normalizada.
- Ensayo de cizallamiento.
- Ensayo de flexión.
- Ensayo de torsión.
- Ensayo de plegado.
- Ensayo de fatiga.
Producción y consumo de acero
Evolución del consumo mundial de acero (2021)
El consumo mundial de productos acabados de acero terminados en 2021 llegó a los 1800 millones de toneladas, un aumento del 2,7 % comparado con 2020. El mayor consumidor de acero a nivel mundial es China, que ocupa un 52 % del acero a nivel mundial. Sin embargo, su consumo respecto a años anteriores ha disminuido en un 5.4%. En contraste, el resto del mundo ha aumentado su utilización y consumo, con la Unión Europea 16%, Centro y Sudamérica 3%, y Estados Unidos, Canadá y México un 20%.[27]
Producción mundial de acero (2021)
La producción mundial de acero bruto en 2021 ascendió a 1879 millones de toneladas, lo que supone un incremento del 3,8 % con respecto a 2021. Esta evolución resultó común a través de la mayoría de países. Como una de las pocas excepciones, China, la cual disminuyó su producción total de acero en un 3 %. En cambio, India, Japón y Estados Unidos, han aumentado su producción en un 17 %, 16 % y 18 % respectivamente. Aun así, la mayoría de la producción mundial esta en el continente asiático, el cual genera el 72% de la totalidad del acero.[27]
La distribución de la producción de acero en 2021 fue la siguiente según cifras estimadas por World Steel Association en junio de 2022.[27]
| Europa | 310 152 105 |
| Norteamérica y Centroamérica | 117 86 |
| Suramérica | 46 36 |
| Asia | 1403 1033 96 |
| Resto del mundo | 73 |
| Datos en millones de toneladas | |
Producción mundial
Datos disponibles de la producción mundial de acero en 2019, en millones de toneladas por año :[28][29]
| Puesto | País | Millones de toneladas |
|---|---|---|
| 1 |  China | 996,3 |
| 2 |  India | 111,2 |
| 3 |  Japón | 99,3 |
| 4 |  Estados Unidos | 87,9 |
| 5 |  Rusia | 71,6 |
| 6 |  Corea del Sur | 71,4 |
| 7 |  Alemania | 39,7 |
| 8 |  Turquía | 33,7 |
| 9 |  Brasil | 32,2 |
| 10 |  Irán | 31,9 |
| 15 |  México | 18,6 |
| 17 |  España | 13,6 |
| 31 |  Argentina | 4,6 |
Reciclaje del acero
El acero, al igual que otros metales, puede ser reciclado. Al final de su vida útil, todos los elementos construidos en acero como máquinas, estructuras, barcos, automóviles, trenes, etc., se pueden desguazar, separando los diferentes materiales componentes y originando unos desechos seleccionados llamados comúnmente chatarra. La misma es prensada en bloques que se vuelven a enviar a la acería para ser reutilizados. De esta forma se reduce el gasto en materias primas y en energía que deben desembolsarse en la fabricación del acero. Se estima que la chatarra reciclada cubre el 40% de las necesidades mundiales de acero (cifra de 2006).
El proceso de reciclado se realiza bajo las normas de prevención de riesgos laborales y las medioambientales. El horno en que se funde la chatarra tiene un alto consumo de electricidad, por lo que se enciende generalmente cuando la demanda de electricidad es menor. Además, en distintas etapas del reciclaje se colocan detectores de radiactividad, como por ejemplo en la entrada de los camiones que transportan la chatarra a las industrias de reciclaje.
Cuidado con la manipulación de la chatarra
El personal que manipula chatarra debe estar siempre vacunado contra la infección del tétanos, pues puede infectarse al sufrir alguna herida con la chatarra. Cualquier persona que sufra un corte con un elemento de acero, debe acudir a un centro médico y recibir dicha vacuna, o un refuerzo de la misma si la recibió con anterioridad.
Véase también
Referencias
- Callister, William D. (julio 2007). Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales (1). Reverté. pp. 284-285. ISBN 978-84-291-7253-9. Consultado el 7 de junio de 2022.
- Butler, Daniel Allen (2006). Distant Victory: The Battle of Jutland and the Allied Triumph in the First World War (en inglés). Praeger Security International. ISBN 978-0-313-08134-7. Consultado el 10 de enero de 2023.
- «Lámina losacero: Conoce sus beneficios, usos y tipos». 10 de mayo de 2023. Consultado el 6 de julio de 2023.
- Aproximadamente el 90 % del acero comercializado es «al carbono». Ashby, Michael F.; David R. H. Jones (1992) [1986]. Engineering Materials 2 (en inglés) (corregida edición). Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-08-032532-7.
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- "Noricus ensis", Horace, Odes, i. 16.9
- Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4, Part 3, Civil Engineering and Nautics. Taipei: Caves Books, Ltd. p. 563.
- Gernet, 69.
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- G. Juleff (1996). «An ancient wind powered iron smelting technology in Sri Lanka». Nature 379 (3): 60-63. doi:10.1038/379060a0.
- Sanderson, Katharine (15 de noviembre de 2006). «Sharpest cut from nanotube sword: Carbon nanotech may have given swords of Damascus their edge». Nature. Consultado el 17 de noviembre de 2006.
- Hartwell, Robert. «Markets, Technology and the Structure of Enterprise in the Development of the Eleventh Century Chinese Iron and Steel Industry.» Journal of Economic History 26 (1966). pp. 53-54.
- Museo de la metalurgia Elgóibar
- VV. AA. (1984). Enciclopedia de Ciencia y Técnica. Tomo 1 Acero. Salvat Editores S.A. ISBN 84-345-4490-3.
- Museo de la Metalurgia Elgóibar
- Constance Tripper, del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Cambridge, determinó que las roturas en el casco de los cargueros Liberty se debieron a que el acero fue sometido a temperatura suficientemente baja para que mostrara comportamiento frágil y estableciendo en consecuencia la existencia de una temperatura de transición dúctil-frágil.
- Se estima que el contenido en hierro de la corteza terrestre es del orden del 6% en peso , mientras que el carbón vegetal pudo fácilmente obtenerse de las masas forestales para la elaboración del acero por el procedimiento de la forja catalana. La industrialización del acero conllevó la sustitución del carbón vegetal por el mineral cuya abundancia en la corteza terrestre se estima alrededor del 0,2% .
- (Kalpakjian, 2002, p. 144)
- Tabla de los porcentajes admisibles de ocho componentes en los aceros normalizados AISI/SAE
- Galeano Peña, Publio. «Aceros aleados». Materiales metálicos. Archivado desde el original el 10 de septiembre de 2011. Consultado el 27 de junio de 2011.
- Información sobre el punto de fusión del acero
- «Temperaturas aproximadas de fusión y ebullición del acero». Archivado desde el original el 20 de abril de 2007. Consultado el 7 de junio de 2007.
- Datos Archivado el 23 de abril de 2014 en Wayback Machine. de resistividad de algunos materiales (en inglés)
- Tabla de perfiles IPN normalizados
- Norma UNE 36010
- Millán Gómez, Simón (2006). Procedimientos de Mecanizado. Madrid: Editorial Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.
- «World Steel in Figures 2022». worldsteel.org (en inglés estadounidense). Consultado el 21 de agosto de 2023.
- «World Crude Steel Production - Summary». World Steel (en inglés). Archivado desde el original el 30 de enero de 2020. Consultado el 2 de abril de 2021.
- «Global crude steel output increases by 3.4% in 2019». World Steel (en inglés).
Bibliografía
- Millán Gómez, Simón (2006). Procedimientos de Mecanizado. Madrid: Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.
- Sandvik Coromant (2005). Guía Técnica de Mecanizado. AB Sandvik Coromant.
- Larburu Arrizabalaga, Nicolás (2004). Máquinas. Prontuario. Técnicas máquinas herramientas. Madrid: Thomson Editores. ISBN 84-283-1968-5.
- Varios autores (1984). Enciclopedia de Ciencia y Técnica. Salvat Editores. ISBN 84-345-4490-3.
- Luis Colasante (2006). L’étude des superficies de l’acier inoxydable austénitique AISI 304 après une déformation plastique et un procédé d’abrasion. Venezuela, Mérida: Universidad de Los Andes.
- Nueva Enciclopedia Larousse. 1984. ISBN 84-320-4260-9.
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Acero.
Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre acero.- steeluniversity.org (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
- Cuadros de la industria de acero
- International Iron and Steel Institute
