Aceros y fundiciones de hierro: clasificación, propiedades y elementos aleantes

Clasificación de las Aleaciones Ferrosas

Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar en: Aceros y Fundiciones de Hierro (hierros colados).

Aceros Simples: Clasificación por Contenido de Carbono

Los aceros, dependiendo de su contenido de carbono y de otros elementos de aleación, se clasifican en:

Aceros Simples: Aleación de hierro con carbono con un contenido de C en el rango de 0.02% hasta el 2%, con pequeñas cantidades de otros elementos que se consideran como impurezas (tales como P, S, Mn, Cu, Si). Ejemplos: Estructuras; Elementos de máquinas (ejes, resortes, engranes); Tornillos; Herramientas de mano.

Tipos de Aceros Simples según el Carbono

• Aceros de bajo carbono (0.02% < %C < 0.3%): Son fácilmente deformables, cortables, maleables, maquinables y soldables; en una palabra, son muy "trabajables". Muy económicos.
• Aceros de medio carbono (0.3% < %C < 0.65%): Se emplean cuando se requiere mayor resistencia, pues siguen manteniendo un buen comportamiento dúctil, aunque su soldadura ya requiere cuidados especiales. Puede ser forjado. Son más frágiles que los anteriores.
• Aceros de alto carbono (0.6% < %C < 1.2%): Presentan alta resistencia, son muy duros, pero su fragilidad es alta y son difíciles de soldar. Ejemplos: cinceles, limas, algunos machuelos, sierras, barras, rieles de tren. Requieren un tratamiento térmico para modificar su fragilidad.
• Aceros de ultra alto carbono (1.2% < %C < 2.1%): Ejemplos: espadas, sables, cuchillos.

Incidencia de los Elementos de Aleación en el Acero

La adición de elementos de aleación modifica significativamente las propiedades del acero:

Efecto del Carbono (C) y las Impurezas

• Cuando el %C aumenta:
  • AUMENTA: Límite elástico, Carga de rotura, Dureza.
  • DISMINUYE: Ductilidad, Tenacidad, Soldabilidad, Facilidad de mecanizado.
• Cuando el %S (azufre) aumenta:
  • AUMENTA: Facilidad para la mecanización.
  • DISMINUYE: Ductilidad, Soldabilidad.
• Cuando el %P (fósforo) aumenta:
  • AUMENTA: Facilidad de mecanizado, Resistencia a la tracción.
  • DISMINUYE: Ductilidad, Soldabilidad.
• Cuando el %Si (silicio) aumenta:
  • AUMENTA: Resistencia a la tracción, Dureza, Elasticidad.
  • DISMINUYE: Facilidad de mecanizado, Soldabilidad (si Si > 0.65%).

Elementos Aleantes Específicos

• Cromo (Cr)

  Importantísimo en los aceros aleados. Aumenta la templabilidad del acero y la resistencia a la oxidación y corrosión.

• Níquel (Ni)

  Elemento gammágeno por excelencia. Favorece la formación y persistencia de estructuras austeníticas. Mejora las propiedades mecánicas del acero de manera importante, en especial la ductilidad y la resiliencia (tenacidad a bajas temperaturas).

• Cobre (Cu)

  Elemento sin gran reputación entre los aleantes del acero. Actualmente se utiliza como un elemento que favorece el endurecimiento por precipitación. Se utiliza en el rango de 0.2–0.3% como aleante de los aceros al C para formar una película superficial de Óxido de Cobre que retarda y evita la corrosión atmosférica.

• Nitrógeno (N)

  Se pretende evitar el contacto del N del aire con el baño de fusión (gases atrapados que pueden producir porosidad). En algunos aceros aleados se emplea para mejorar sus características mecánicas.

• Aluminio (Al)

  Utilizado en pequeñas cantidades como desoxidante y afinador del grano. Es un elemento alfágeno, formador de ferrita. Presenta gran afinidad por el oxígeno, con el que reacciona para formar AL₂O₃, un sólido blanquecino de elevado punto de fusión.

Fundiciones de Hierro (Hierros Colados)

Son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro contienen más carbono del necesario, entre 2% y 6.67%. Como el alto contenido de carbono tiende a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2.5% y 4% de C.

Propiedades de las Fundiciones

• Buena resistencia a la compresión.
• Baja resistencia a la tracción.
• Resistencia a las vibraciones.
• Fragilidad.
• Moldeabilidad en caliente.
• Resistencia al desgaste.

Ventajas de la Fundición en la Fabricación de Piezas

El empleo de la fundición es principalmente para la fabricación de piezas. Ofrece, entre otras, las siguientes ventajas:

1. Las piezas de fundición son, en general, más baratas que las de acero, y su fabricación es más sencilla por emplearse instalaciones más económicas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente bajas.
2. Las fundiciones son, en general, mucho más fáciles de mecanizar que los aceros.
3. Su fabricación exige menos precauciones que la del acero.