Acero: Composición, Elementos de Aleación y Propiedades Esenciales en Metalurgia

Acero Calmado: Definición y Proceso

Un acero calmado o reposado es aquel que ha sido desoxidado por completo previamente a la colada, por medio de la adición de metales. Mediante este procedimiento se consiguen piezas perfectas, pues no producen gases durante la solidificación, evitando las sopladuras.

Este tipo de acero es sometido a tratamiento mediante la adición de manganeso, silicio o aluminio antes de la colada.

Elementos de Aleación en el Acero

Clasificación General de los Elementos de Aleación

• Ordinarios: Fósforo (P), Azufre (S), Manganeso (Mn), Silicio (Si), y a veces Aluminio (Al) y Titanio (Ti).
• Elementos latentes: Oxígeno (O), Nitrógeno (N) e Hidrógeno (H).
• Accidentales: Antimonio (Sb), Estaño (Sn) y Cobre (Cu).
• Aleación: Los más importantes son Cobre (Cu), Níquel (Ni) y Molibdeno (Mo). Aunque también se incluyen elementos como: Vanadio (V), Titanio (Ti), Niobio (Nb), Wolframio (W), Cobalto (Co), Boro (B), Telurio (Te), Selenio (Se) y Plomo (Pb).

Clasificación por Comportamiento en la Aleación

Los elementos de aleación también se pueden clasificar según su comportamiento en la matriz del acero:

• Formadores de solución sólida: Carbono (C), Nitrógeno (N), Oxígeno (O), Boro (B), Cobalto (Co), Níquel (Ni), Cobre (Cu), Silicio (Si), Aluminio (Al), entre otros.
• En estado libre: Cuando el Plomo (Pb) y el Cobre (Cu) superan el 1%.
• Formando carburos: Titanio (Ti), Vanadio (V), Molibdeno (Mo), Cromo (Cr), Wolframio (W) y Manganeso (Mn).
• Formando inclusiones no metálicas: Silicio (Si) como óxido, Manganeso (Mn) como sulfuro, Aluminio (Al) como óxido y Titanio (Ti) como carburo y óxido.
• Compuestos intermetálicos.

Limpieza del Acero y su Impacto en las Propiedades

Criterios y Medición de la Limpieza del Acero

La limpieza del acero se define en función de la composición, el tamaño, el número y la distribución de las inclusiones no metálicas presentes. La presencia de tan solo un 0,01-0,02% de inclusiones puede tener un efecto significativo sobre diversas propiedades del material:

• La direccionalidad de las propiedades mecánicas
• La resistencia a la tracción
• La ductilidad
• La tenacidad
• El límite de fatiga
• La resistencia a la corrosión
• La soldabilidad
• El acabado superficial
• La maquinabilidad

La limpieza del acero se puede medir mediante ensayos macrográficos cualitativos y ensayos macrográficos cuantitativos.

Influencia de Elementos Específicos en las Propiedades del Acero

Efectos del Azufre (S) en el Acero

El azufre (S) es un elemento indeseable en el acero y sus valores máximos deben limitarse a 0,03-0,04%. Si su concentración es superior, se forma el sulfuro de hierro, un eutéctico con un punto de fusión más bajo que el resto del material. Este sulfuro se funde antes, lo que puede provocar la fractura del material durante el procesamiento en caliente (fragilidad en caliente). Sin embargo, gracias a las prácticas metalúrgicas modernas, este problema es menos común en la actualidad.

Dentro del rango aceptable (hasta 0,04%), cuanto mayor sea la cantidad de azufre, el material en la zona dúctil pierde una gran capacidad de absorber energía al impacto. Además, la temperatura de transición frágil-dúctil también aumenta, lo que reduce el intervalo de temperaturas de funcionamiento seguro del material.

Influencia del Carbono (C) en el Comportamiento Frágil-Dúctil

El contenido de carbono (C) tiene una influencia significativa en la tenacidad del acero. Cuanto mayor es la concentración de carbono, menor es la energía que el material puede absorber al impacto. Asimismo, la temperatura de transición frágil-dúctil aumenta con el incremento del carbono.

En aceros con bajo contenido de carbono, el paso de un comportamiento frágil a uno dúctil es muy brusco, cambiando drásticamente en pocos grados de temperatura.

Efectos del Fósforo (P) en el Acero

Al igual que el azufre, el fósforo (P) es un elemento indeseable en el acero, con valores máximos recomendados de 0,03-0,04%. El fosfuro de hierro (Fe₃P) que se forma fragiliza el material. Es el elemento que más endurece la ferrita, pero este endurecimiento excesivo conlleva una fragilización significativa, conocida como fragilidad en frío.

Clasificación de Elementos por su Influencia Específica

Elementos Carburígenos (de mayor a menor capacidad)

1. Titanio (Ti)
2. Vanadio (V)
3. Cromo (Cr)
4. Manganeso (Mn)
5. Circonio (Zr)
6. Niobio (Nb)
7. Molibdeno (Mo)
8. Hafnio (Hf)
9. Tantalio (Ta)
10. Wolframio (W)

Elementos Endurecedores sobre la Ferrita (de mayor a menor efecto)

1. Fósforo (P)
2. Silicio (Si)
3. Manganeso (Mn)
4. Níquel (Ni)
5. Molibdeno (Mo)
6. Vanadio (V)
7. Wolframio (W)
8. Cromo (Cr)