Acero al Carbono y Fundiciones: Propiedades, Tipos y Procesos de Fabricación

Acero al Carbono: Composición y Estructura

El acero al carbono es una aleación de hierro y carbono que contiene una pequeña cantidad de carbono, que oscila entre el 0,23% y el 2,1%. Aunque puede contener trazas de otros elementos, se considera esencialmente una aleación binaria de hierro y carbono. En los aceros de baja aleación, los componentes distintos al carbono no superan el 5%, mientras que en los aceros de alta aleación, como los aceros inoxidables, estos componentes superan el 5%.

Estructura Cristalina del Acero

• Ferrita (Fe-α): Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) con 2 átomos por celda. Es blanda, dúctil, maleable y magnetizable.
• Austenita (Fe-γ): Estructura cúbica centrada en las caras (FCC) con 4 átomos por celda. Es más dura que la ferrita, tenaz, dúctil y no magnética.
• Cementita (Fe₃C): Compuesto de alta dureza, frágil, inestable, con baja conductividad térmica y eléctrica.
• Ledeburita: Mezcla eutéctica de austenita y cementita.
• Perlita: Mezcla eutectoide de ferrita y cementita. A mayor temperatura, mayor espesor de las capas.

Tipos de Acero

• Aceros Hipoeutectoides: Contienen granos de perlita en una matriz de ferrita. Son blandos y dúctiles, adecuados para la edificación. No son templables. La separación entre las capas de Fe-α y Fe₃C influye en su ductilidad y resistencia.
• Aceros Hipereutectoides: Contienen entre 0,8% y 2% de carbono. Presentan granos de perlita en una matriz de cementita. Son templables y se utilizan en cuchillería y herramientas. Son más duros, resistentes y frágiles.

Producción del Acero

El acero se produce principalmente a través de dos rutas:

• Convertidor BOF (Basic Oxygen Furnace): Se utiliza arrabio y chatarra. Se realiza una descarburación del arrabio mediante la inyección de oxígeno a través de una lanza refrigerada.
• Horno Eléctrico de Arco: Se basa en la fusión de chatarra mediante una corriente eléctrica.

Laminación del Acero

La laminación consiste en reducir sucesivamente la sección de la palanquilla mediante su paso por diversos cilindros de laminación.

• Laminación en Caliente: Se realiza a temperaturas superiores a la temperatura de recristalización.
• Laminación en Frío: Mejora las prestaciones del acero mediante procesos como el recocido y el temperizado.

Tratamientos Térmicos del Acero

• Temple: Calentar el acero hasta una temperatura adecuada y enfriarlo rápidamente para formar martensita a partir del estado austenítico.
• Revenido: Calentar el acero templado para incrementar su tenacidad y ductilidad.
• Recocido: Tratamiento para ablandar el acero calentándolo por encima de su temperatura crítica.
• Cementado: Proceso para aumentar la dureza superficial del acero.

Designación del Acero

Ejemplo: S 275 JR

• S: Indica el tipo de acero (estructural en este caso).
• 275: Valor mínimo del límite elástico (en N/mm²).
• JR: Grado que indica la aptitud para la soldadura.

Productos Acabados de Acero

• Acero Estructural: Perfiles y planchas para armaduras en hormigón.
• Otras Aplicaciones: Alambres, perfiles, barras (distintas secciones).
• Perfiles Estructurales: HEB, HEA, IPE, IPN.
• Productos Transformados: Alambre y barra corrugadas, perfiles huecos, paneles, tubos.

Propiedades del Acero

• Soldabilidad: Depende del porcentaje de carbono (>0,25% dificulta la soldadura) y del procedimiento, tipo, posición de la unión, electrodos, espesores de chapas y cordones.
• Magnético
• Dúctil
• Tenaz
• Oxidable

Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones férricas con un alto contenido en carbono. A mayor contenido de carbono, mayor dureza, fragilidad, maleabilidad y resistencia a la compresión. No son adecuadas para aplicaciones de flexión y son poco oxidables. Se fabrican por moldeo (colada). A mayor contenido de carbono, mayor retracción al enfriar y menor conductividad, soldabilidad y dilatabilidad que los aceros. Tienen mala conductividad y no son dúctiles. La lentitud del enfriamiento influye en sus propiedades.

• Fundiciones Hipoeutectoides: Perlita y ledeburita en una matriz de cementita.
• Fundiciones Hipereutécticas: Ledeburita en una matriz de cementita.

Tipos de Fundición

• Fundición Gris: La más frecuente. El carbono de la aleación supera la cantidad que puede disolverse en la austenita y se precipita como escamas de grafito en una matriz de perlita. Apta para tratamientos térmicos, amortigua las vibraciones y es de difícil soldadura.
• Fundición Blanca: Forma carburos de hierro en lugar de grafito durante la solidificación. Es dura, frágil y tiene una matriz de perlita. Se utiliza como materia prima para fabricar fundiciones maleables y en aplicaciones que requieren resistencia al desgaste o abrasión.
• Fundición Dúctil (Nodular o Esferulítica): Similar a la fundición gris, pero con menor porcentaje de fósforo y azufre, y la adición de magnesio. Tiene buena moldeabilidad y reemplaza a la fundición gris en elementos de edificios históricos por sus características mecánicas similares.
• Fundiciones Maleables: Composición similar a la fundición blanca. Tienen propiedades similares a las del acero, con alta resistencia y ductilidad. La grafitización se produce calentando la fundición por encima de 940ºC entre 3 y 20 horas, transformando el carburo de hierro blanco en grafito y austenita.

Diferencias Clave entre Aceros y Fundiciones

• Aceros: Bajo contenido en carbono (0,15% < C < 2%). Pasan por una fase sólida austenítica durante el enfriamiento. Se fabrican por laminación, son soldables, tienen alta resistencia a la tracción, son tenaces, dúctiles, oxidables y magnéticos.
• Fundición: Alto contenido en carbono (3-4,5%). Componente principal: cementita (Fe₃C). Se fabrican por moldeo y colada, no son forjables ni soldables. Tienen mejor resistencia a la compresión que a la tracción, son frágiles, duras, poco oxidables y diamagnéticas.