Propiedades del Acero

CARACTERISTICAS MECANICAS Y TECNOLOGICAS DEL ACERO

Por lo general resulta muy complicado poder establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero por motivo de que estas van variando con los ajustes realizados en la composición de este metal y los diversos tratamientos térmicos, químicos, o mecánicos que se les aplica con los que se consigue aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, aquí citaremos algunas propiedades genéricas:

La densidad del acero es de 7850kg/ m³.

El acero en función de la temperatura que tenga se podrá contraer, dilatar o fundir.

El acero tiene un punto de fusión muy dependiente del tipo de aleación y de los porcentajes de elementos aleantes. El punto de fusión del hierro que es su componente principal es de alrededor de 1510°C en su estado puro es decir sin ser aleado, sin embargo podemos decir que el acero frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375°C, y generalmente la temperatura necesaria para la fusión aumenta en medida que va aumentando en la composición del acero el porcentaje de carbono y de otros aleantes.

Se puede decir que el acero se funde a una temperatura promedio de 1650°C.

El acero tiene como punto de ebullición una temperatura aproximada de 3000°C.

Se puede acotar que es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

El acero es relativamente dúctil, con el podemos obtener hilos delgados llamados también alambres.

El acero es maleable permite obtener laminas súper delgadas llamadas hojalata. Estas láminas de acero tienen un espesos de entre 0,5 y 0,12 mm, que está recubierta x lo general de forma electrolítica, por estaño.

Tiene una buena mecanización en máquinas antes de recibir un tratamiento térmico.

El acero tiene una dureza que va ir variando entre el acero y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales entre los más conocido este el templado del acero, el cual se lo aplica a los aceros con alto contenido de carbono. Los aceros que tienen gran cantidad de dureza superficial son los empleados como herramienta de mecanizado, denominados también aceros rápidos que contienen porcentajes significativos de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.

El acero tiene la capacidad de ser soldado con facilidad.

Los aceros tienen una gran desventaja que es la corrosión ya que el hierro se oxida con mucha facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza entera.

Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales muy diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia muy mejorada a la corrosión como los aceros inoxidables.

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Procesos para elaborar el acero (2da parte)

PROCEDIMIENTO SIEMENS-MARTIN

Este procedimiento tiene una particular importancia que es permitir obtener directamente acero de calidad partiendo desde la chatarra. Se utiliza hornos de gas fijo de llama e forma de cuba. En el método de la chatarra, se llena el 70% con chatarra de acero y el resto con hierro y cal para formar escoria.

La temperatura de fusión y oxidación, de unos 1800°C, se consigue mediante una llama, precalentando 1100°C el aire necesario para la combustión. El precalentamiento tiene lugar en cámaras de precalentamiento, calentadas por los gases de salida.

El proceso de afino tiene lugar con exceso de oxígeno. El silicio, fosforo y manganeso que acompañan al hierro, se transforman en óxidos no solubles que forman escoria con cal. Si se añaden elementos de aleación (cromo, níquel, y otros) antes de terminar el proceso de fusión, se obtienen aceros de baja aleación.

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PROCEDIMIENTO DE HORNO DE ARCO ELÉCTRICO

En el del proceso de Horno de Arco Eléctrico básicamente se hace uso de la electricidad para fabricar acero a partir de casi  el 100% de acero viejo para fabricar acero nuevo. El proceso consiste en los siguientes pasos:

·        Los residuos de metal son colocados en un contenedor el cual se compone por residuos de chatarra de autos, línea blanca y con hierro fundido para mantener el equilibrio químico.

·   La chatarra es colocada en una cesta donde se realiza un pre-calentamiento y será llevada al horno  EAF donde se dejará caer esta chatarra. Es generada una gran cantidad de energía a la hora de dejar caer la chatarra en el horno EAF.

·        Una vez cargado el horno con la chatarra de metal se colocan unos electrodos que serán alimentados de electricidad por el horno de arco que permitirán triturar el metal empezando por la parte superior, voltajes inferiores son seleccionados para esta primera parte de la operación para proteger el techo y las paredes del calor excesivo y daño de los arcos eléctricos. Una vez que los electrodos han llegado a la gran fusión en la base del horno y los arcos están protegidos por la chatarra de metal, el voltaje se puede aumentar. Esto permite  que se funda más rápido el metal.

·         Una parte importante de la producción de acero es la formación de escoria, que flota en la superficie del acero fundido. esta escoria por lo general consiste de metales óxidos, y  ayudan a quitar las impurezas del metal.

·     Una vez hecho este primer proceso de fundición puede volver se a cargar el horno y fundirse, después de este proceso se puede revisar y corregir la composición química del acero. Con la formación de escoria se pueden eliminar las impurezas de silicio, azufre, fósforo, aluminio, magneso y calcio. La eliminación de carbono tiene lugar después de que estos elementos se han quemado, ya que tienen mayor afinidad al oxígeno. Los metales que tiene una afinidad más pobre de oxígeno que el hierro, tales como el níquel y cobre, no se pueden quitar a través de la oxidación y  debe ser controlado a través del tratamiento químico solo de la chatarra.

·      Una vez que la temperatura y la química son correctas, el acero se extrae en un cazo pre-calentado a través de la inclinación del horno. Para algunos tipos de acero especiales, incluyendo el acero inoxidable, la escoria se vierte en el contenedor, así, para ser tratado en el horno para recuperar los valiosos elementos de aleación.

Actualmente el proceso de fabricación del acero por medio de EAF representa un 60% de la fabricación en Estados Unidos.

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Procesos para elaborar el acero

PROCEDIMIENTO DE HORNO BASICO DE OXIGENO BESSEMER

Este afinamiento también se lo conoce como soplo el cual consiste básicamente en quemar tanto las impurezas (fosforo, azufre) así como el exceso de carbono que se encuentra en el arrabio líquido, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión.

Se calcula que aproximadamente el 70% de todos los aceros se obtienen por medio de este procedimiento ya que es bastante más económico que el procedimiento Siemens-Martin.

Este procedimiento está constituido por una lanza refrigerada por agua se inyecta oxígeno en el caldo a una sobrepresión de 12bar. En la oxidación del carbono y de los materiales que acompañan al hierro se genera una gran cantidad de calor y hace que el caldo se ponga en movimiento acelerado, esta elevada temperatura es neutralizada adicionando chatarra fría. Mediante la adición de la cal, los acompañantes como el manganeso, silicio, fosforo y azufre, se unen formando escoria.

El gran problema de este convertidor es que producen óxido de hierro y nitrógeno por lo que los aceros obtenidos son de calidad media aptos para elaborar tubos, chapas, perfiles laminados y alambre.

PROCEDIMIENTO DE HORNO DE OXÍGENO BÁSICO BOF

El proceso de Horno de Oxígeno Básico básicamente funde hierro rico en carbono que se transforma en acero, su proceso se distingue por los siguientes pasos:

·         El hierro es fundido en un horno, posteriormente es vertido en un contenedor grande para realizarle un pre-tratamiento llamado contenedor BOF.

·         Este pre- tratamiento consiste en tratar al metal para reducir la carga de azufre, silicio y fósforo. La cantidad de impurezas que se quita del metal determina la calidad final del acero fabricado.

·         El proceso BOF se distingue por hacer uso de hierro viejo para fabricar acero nuevo, así que es necesario balancear la carga del acero nuevo con hierro viejo, se hace en una proporción aproximada de 50% de cada tipo de metal.

·         Una vez en el contenedor, se le inyecta oxigeno 99% puro dentro del acero y hierro, se quema el carbono disolviéndose en el acero para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono, causando que la temperatura suba cerca de los 1700°C. Cuando es fundido, el metal reduce su contenido de carbono y ayuda a remover los indeseados elementos químicos. Este es el uso del oxígeno es este proceso.

·         Se mezcla cal viva o dolomita para formar un tipo de residuo que absorbe las impurezas en el proceso de fabricación del acero

·         El recipiente de BOS se inclina de nuevo y el acero se vierte en un cazo gigante. El acero se refina en este horno, mediante la adición de productos de aleación para dar a las propiedades de aceros especiales requeridos por el cliente. A veces, argón o nitrógeno gaseoso. El acero ahora contiene 0.1-1% de carbono. Cuanto más carbono en el acero, más duro es, pero también es más frágil y menos flexible.

·         Después el acero se retira del recipiente de BOS, los residuos llena de impurezas, se separan y enfrían.

Este proceso para realizar el acero constituye en 40% de fabricación de acero en Estados Unidos

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Elaboracion del Acero

Para obtener acero debemos realiza la aleación básicamente de hierro, carbono y otros materiales, donde el porcentaje de carbono no puede superar el 2.1% de peso dentro de la composición de la aleación obtenida, alcanzando regularmente porcentajes entre el 0.2% y el 0.3%.

Gracias a la variedad y la disponibilidad de sus dos componentes primordiales en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales, todo acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, por lo que es ideal para fabricaciones mediante muchos métodos, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos en calor, trabajo mecánico, o mediante las aleaciones.

Las aleaciones de acero se realizan generalmente a través del horno de arco eléctrico, incluyendo el acero inoxidable. En algunos tipos de acero inoxidable se añade a su composición molibdeno, titanio, niobio u otro elemento con el fin de conferir a los aceros distintas propiedades.

El acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales:

 • El arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de alto horno (proceso integral);

• Las chatarras tanto férricas como inoxidables, El tipo de materia prima condiciona el proceso de fabricación. En líneas generales, para fabricar acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con oxígeno, mientras que partiendo de chatarra como única materia prima se utiliza exclusivamente el horno de arco eléctrico (proceso electro-siderúrgico). Los procesos en horno de arco eléctrico pueden usar casi un 100% de chatarra metálica como primera materia [Steel Recycling Institute; 2000], convirtiéndolo en un proceso más favorable desde un punto de vista ecológico. Aun así, la media de las estadísticas actuales calcula que el 85% de las materias primas utilizadas en los hornos de arco eléctrico son chatarra metálica [Wolf, B.; et al; 2001].

La calidad de la chatarra depende de tres factores:

- Su facilidad para ser cargada en el horno

- Su comportamiento de fusión (densidad de la chatarra, tamaño, espesor, forma)

- Su composición, siendo fundamental la presencia de elementos residuales que sean difíciles de eliminar en el proceso del horno

Atendiendo a su procedencia, la chatarra se puede clasificar en tres grandes grupos:

a) Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la propia fábrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad.

b) Chatarra de transformación: producida durante la fabricación de piezas y componentes de acero (virutas de máquinas herramientas, recortes de prensas y guillotinas, etc.).

c) Chatarra de recuperación: suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acería y procede del desguace de edificios con estructura de acero, plantas industriales, barcos, automóviles, electrodomésticos, etc.

TRANSFORMACIÓN DEL ARRABIO EN ACERO

El arrabio es la mezcla de hierro, el carbón que no se ha quemado y algunas impurezas que aún no se han podido eliminar. Esta mezcla pesa más que la escoria por lo que se queda en la parte baja del horno. En la parte inferior hay un orificio que se llama piquera de arrabio por donde sale esta mezcla. La proporción de carbono en el arrabio extraído del alto horno se encuentra en el intervalo correspondiente a las fundiciones. Así pues, se trata de un material duro y frágil, que no puede ser extendido en hilos ni en láminas; por este motivo apenas tiene aplicación industrial. Se hace necesario, pues, reducir el contenido en carbono del arrabio para convertirlo en acero; que es un material que sigue siendo duro, pero más elástico, dúctil, maleable y capaz de soportar impactos.

Esta transformación del arrabio en acero se lleva a cabo en un recipiente llamado convertidor, y se realiza suministrando oxígeno al arrabio líquido. Veamos como es este proceso llamado afino. Los convertidores son hornos, siendo empleados hoy en día los eléctricos, donde se lleva a cabo un proceso de fusión.

1. El arrabio se transporta líquido desde el alto horno hasta la acería (donde está el convertidor). El arrabio se transporta en unos depósitos llamados torpedos.

2. Se introduce en el convertidor, además del arrabio, chatarra, fundentes (cal) y oxígeno. El convertidor, a diferencia del alto horno, no se le proporciona calor extra.

3. El oxígeno reacciona con las impurezas, especialmente el carbono que sobra (se oxidan) y facilita la eliminación de la escoria formada. El fundente también facilita la formación de la escoria, que flota sobre el metal fundido. Los productos obtenidos del convertidor son: - Acero líquido: que será transportado por medio de otra cuchara para ser sometido a procesos siderúrgicos. Este acero ya es de calidad. - Escoria: que se recicla para otros fines, especialmente la construcción. - Gases: Especialmente monóxido de carbono y dióxido de carbono, resultantes de la combustión de carbono. En el convertidor también se lleva a cabo la aleación del acero con otros metales (Ni, Cr, Mo, etc.) para obtener aceros aleados que mejoran las propiedades del metal original. Producción por hornada: Entre 100 y 300 toneladas, dependiendo del tipo de convertidor.

4. El proceso final consiste en extraer el acero líquido del convertidor para verterlo en moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener, posteriormente se deja solidificar y luego se extrae la pieza. A este proceso se le llama colada

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Calidad de Aceros (2da parte)

ACEROS NO ALEADOS

Se consideran aceros no aleados aquellos en los cuales el porcentaje de elementos químicos que forman el acero no supera el valor indicado en la siguiente tabla:

Contenido límite para aceros no aleados
Elemento	Contenido
Aluminio	0,10
Bismuto	0,10
Boro	0,0008
Cobalto	0,10
Cobre	0,40
Cromo	0,30
Manganeso	1,60
Molibdeno	0,08
Novio	0,05
Níquel	0,30
Plomo	0,40
Silicio	0,60
Titanio	0,05
Vanadio	0,10
Volframio	0,10
Lantánidos	0,05
Otros excepto (P, C, N y O)	0,05

En los aceros no aleados, el contenido de carbono suele ser sólo un 0.8%, mientras que los aceros aleados tienen elementos de aleación adicionales. La dureza varía entre 90 y 350 HB. Un mayor contenido de carbono (>0.2%) permite el endurecimiento del material.

​Piezas habituales

Entre los usos más habituales de los aceros no aleados tenemos: acero estructural, acero para construcción, productos estampados y embutidos, los aceros para recipientes a presión. Entre los usos generales de estos aceros podemos incluir: ejes, tubos, husillos, forjados y construcciones soldadas donde (C<0.25%).

Los aceros no aleados según su calidad se dividen en:

-Aceros no aleados de calidad: Son aquellos aceros que se caracterizan específicamente en relación a su tenacidad, formabilidad, tamaño de grano, etc. .

- Aceros no aleados especiales: estos son los aceros que presentan una mayor pureza que los aceros no aleados de calidad, especialmente en relación al contenido de inclusiones no metálicas. Todos estos aceros se han destinado a tratamientos de temple y revenido, teniendo como característica importante un buen comportamiento frente a estos tratamientos. Durante su fabricación se lleva a cabo bajo un control exhaustivo de su composición y condiciones de manufactura. Este proceso dota a estos tipos de acero de valores en su límite elástico o de templabilidad elevados, a la vez, que un buen comportamiento frente a la conformabilidad en frío, soldabilidad o tenacidad.

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Calidad de Aceros

Cuando hablamos del acero tenemos que tener en cuenta que es un material súper versátil ya que según su pureza, sus aditivos aleados y los distintos tratamientos  que es sometido este metal puede ser duro o blando, resistente a la tracción, al desgaste, a la corrosión y al calor.

ACEROS ALEADOS

Cuando un acero esta aleado es porque compuesto por acero agregándole varios elementos los cuales sirven para poder mejorar las propiedades mecánicas, físicas, y químicas especiales. Los aceros aleados se subdividen a su vez en aceros de calidad y en aceros finos:

Aceros de calidad.

Son aquellos que presentan buen comportamiento frente a la tenacidad, control de tamaño de grano o a la formabilidad. Estos aceros no se suelen destinar a tratamientos de temple y revenido, o al de temple superficial. En lo que respecta a características superficiales, soldabilidad, conformación en frio y en caliente, están fabricados con gran cuidado.

Aceros finos.

Estos aceros poseen un bajo contenido de inclusiones no metálicas. Los aceros finos aleados tienen un límite de fluencia muy garantizado de 420 N/mm2 como mínimo. Se funden con el mayor cuidado consiguiéndose así una textura especialmente uniforme.

Los efectos de la aleacion son:

·         Mayor resistencia y dureza

·         Mayor resistencia al impacto

·         Mayor resistencia al desgaste

·         Mayor resistencia a la corrosion

·         Mayor resistencia a altas temperaturas

·         Penetración de temple (aumento de la profundidad a la cual el acero puede endurecer)

ALEACIONES

·    Aluminio: Actúa Aluminiocomo desoxidante para el acero fundido y produce un acero de Grano Fino.

·        Azufre: Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono.

·         Boro: Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido).

·     Cromo: Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión. Su adición origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de la misma dureza producida simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.

·        Cobre: Mejora la resistencia a la corrosion. 

·        Manganeso: Elemento básico en todos los aceros comerciales; el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de desoxidación y desulfuración, pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el acero se clasifica como un acero aleado al manganeso. Además de actuar como desoxidante, neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza. Reduce el intervalo crítico de temperaturas.

·      Molibdeno: Mejora las propiedades del tratamiento térmico. Su aleación con acero forma carburos y también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo que intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a este abatimiento, el molibdeno es ideal para optimizar las propiedades de templabilidad en aceite o en aire. Excepto el carbono, es el que tiene el mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad. Otorga gran dureza y resistencia a altas temperaturas.

·   Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. La aleación con níquel amplía el nivel crítico de temperatura, no forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el cromo.

·     Silicio: Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación. Cuando se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un material frágil con baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El silicio se usa principalmente, junto con otros elementos de aleación como manganeso, cromo y vanadio, para estabilizar los carburos.

·     Titanio: Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas.

·    Tungsteno: Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas. aún estando candente o al rojo; les otorga una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas.

·   Vanadio: El vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano, mejorando la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por revenido, por ello se lo utiliza ampliamente en aceros para herramientas. Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia al impacto (resistencia a las fracturas por impacto) y a la fatiga.

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