Aceros: Propiedades, Constituyentes y Procesos de Fabricación

Constituyentes del Acero

Ferrita: Es una disolución de carbono en hierro α. Debido a su baja solubilidad, la ferrita es prácticamente hierro α, con propiedades similares al hierro puro. Es magnética y presenta características mecánicas bajas. En la práctica, podemos considerar las siguientes propiedades: dureza Brinell HB80 y resistencia a la rotura de 30 kg/mm².

Cementita: Es un compuesto químico de hierro y carbono (Fe₃C). Su temperatura de fusión es de 1250 °C. A bajas temperaturas, es débilmente ferromagnética, perdiendo esta propiedad a 217 °C. Posee gran dureza, pero su plasticidad es muy baja, casi nula.

Perlita: Es un constituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita. Contiene aproximadamente seis partes de hierro y una de carbono, lo que corresponde a un 13.5% de Fe₃C y un 85% de ferrita. Es ferromagnética y posee características mecánicas equilibradas, siendo más resistente y dura que la ferrita y mucho más tenaz que la cementita. Existen tres tipos de perlita:

• Perlita gruesa: Con una separación relativamente grande entre capas, una dureza de 200 Brinell, obtenida por enfriamiento lento.
• Perlita normal: Con una separación media entre capas y 220 Brinell de dureza.
• Perlita fina: Con una distancia muy reducida entre capas y unos 300 Brinell de dureza.

Austenita: Es una solución sólida de carbono en hierro γ. Puede contener de 0 a 2% de carbono, siendo un constituyente de composición variable. Su estructura cristalina es una red de hierro γ. Solo es estable a temperaturas superiores a 723 °C, transformándose en otros constituyentes al enfriar. Se caracteriza por ser no magnética, blanda, muy dúctil y tenaz.

Martensita: Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro α, obtenida por enfriamiento rápido de los aceros desde alta temperatura. Cristaliza en el sistema tetragonal. Tiene una resistencia de 170 a 250 kg/mm², una dureza de 50 a 60 Rockwell C y un alargamiento de 0.5 a 2.5%. Es un constituyente muy duro y frágil.

Bainita: Se forma durante el enfriamiento de la austenita a temperaturas de baño entre 250 y 600 °C. Existen dos tipos:

• Bainita superior: De aspecto arborescente, formada a 500-530 °C.
• Bainita inferior: Formada a 250-400 °C, con forma de aguja.

Obtención del Acero

El acero se obtiene a partir del arrabio (del horno alto) y chatarra de acero. Para fabricar acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con oxígeno, mientras que para la chatarra se utiliza el horno eléctrico. La obtención del acero requiere eliminar las impurezas del arrabio o las chatarras mediante reacciones químicas a altas temperaturas. Los distintos procesos se diferencian en la forma de aportar energía:

• Hornos de reverbero (Martin-Siemens): La energía se aportaba quemando combustible líquido o gaseoso.
• Convertidores: Insuflando aire o inyectando oxígeno puro.
• Hornos eléctricos: Aprovechando el calor de un arco eléctrico (hornos de arco) o las corrientes inducidas (hornos de inducción).

Procesos que Parten del Arrabio

El arrabio del horno alto se vierte en un mezclador para mantener la temperatura y homogeneizar la composición. En el convertidor, se carga arrabio y chatarra (20%), junto con adiciones (principalmente cal) para formar la escoria.

Proceso de Conversión con Oxígeno

Consiste en inyectar oxígeno a presión en el baño metálico (arrabio y chatarra) dentro de un convertidor, a través de una lanza refrigerada, hasta transformar completamente el arrabio en acero.

Partes de una Acería de Conversión

• Convertidor: Recipiente cilíndrico de chapa gruesa, revestido con refractario. Su capacidad varía de 45 a 250 toneladas.
• Lanza: Tubo de acero refrigerado por agua, por donde fluye el oxígeno a presión.
• Sistema de captación y depuración de humos: Recoge y depura los humos y gases.

Fases del Proceso de Conversión con Oxígeno

• Fase de carga: Se carga la chatarra (20%) y el arrabio líquido. Se coloca el convertidor en vertical y se introduce la lanza.
• Fase de soplado y afino: Se insufla oxígeno a presión, iniciando las reacciones de oxidación. Se añade cal para formar la escoria. El oxígeno reacciona con el metal, elevando la temperatura (2500-3500 °C), lo que facilita las reacciones de afino. La escoria atrapa las impurezas, y el carbono se quema formando CO y CO₂. Esta fase dura de 12 a 15 minutos.
• Fase de colada: Se detiene el oxígeno, se homogeneiza el baño y se vierte el metal en una cuchara, con una capa de escoria para evitar la oxidación.

Control del Proceso

Después de cada colada, se analizan muestras del caldo y la escoria. Debido a la rapidez de las reacciones, el control se basa en datos de coladas anteriores. Los datos básicos son: composición del arrabio (silicio), peso y proporción de la carga, cantidad de oxígeno, temperatura y composición de la escoria.

Las instalaciones de recuperación son cruciales para el medio ambiente. Los humos y partículas se recogen y se enfrían para que las partículas sólidas se depositen.

Influencia de los Elementos de Aleación en el Acero

Diversos elementos químicos aportan propiedades específicas al acero:

• Aluminio: Desoxidante y afinador del grano.
• Azufre: Aumenta la fragilidad y mejora la maquinabilidad.
• Boro: Aumenta la templabilidad y la dureza de aceros inoxidables.
• Carbono: Aumenta la resistencia, el límite elástico y la dureza, pero disminuye la ductibilidad y maleabilidad.
• Circonio: Desoxidante, afinador del grano y mejora la embutición.
• Cobalto: Reduce la profundidad de temple, aumenta la resistencia a la corrosión, la tracción y el límite elástico.
• Cobre: Aumenta la resistencia a la tracción y la corrosión, pero confiere fragilidad en caliente.
• Cromo: Aumenta la resistencia a la corrosión, la abrasión y la templabilidad. A altas temperaturas, aumenta la resistencia mecánica.
• Fósforo: Eleva la resistencia en aceros bajos en carbono, la resistencia a la corrosión y la maquinabilidad, pero disminuye la tenacidad.
• Hidrógeno: Produce fragilidad (nocivo).
• Manganeso: Elimina la fragilidad en caliente, aumenta la templabilidad y la resistencia.
• Molibdeno: Aumenta la templabilidad, la resistencia en caliente y al desgaste.
• Niobio: Afina el grano, aumenta la resistencia a baja temperatura y, en aceros bajos en carbono, la resistencia y el límite elástico.
• Níquel: Eleva la resistencia de aceros no templados, proporciona tenacidad (especialmente a bajas temperaturas) y mejora la resistencia a la corrosión.
• Nitrógeno: Controla el tamaño del grano, aumenta la templabilidad y la resistencia de algunos aceros inoxidables.
• Oxígeno: Aumenta la fragilidad (nocivo) y disminuye la resistencia al choque.
• Plomo: Mejora la maquinabilidad.
• Silicio: Desoxidante, elemento de aleación en chapas magnéticas y aumenta la resistencia.
• Titanio: Desoxidante, afina el grano y mejora la conformación.
• Vanadio: Afina el grano, aumenta la templabilidad y mejora la resistencia en aceros bajos en carbono.
• Volframio: Aumenta la resistencia y dureza en aceros de medio y alto carbono, la resistencia al desgaste en aceros de herramientas y la templabilidad.

Objetivos de los Sistemas de Metalurgia Secundaria

• Control de gases: Desgasificación y reducción de oxígeno y nitrógeno.
• Bajos contenidos de azufre: (Menos del 0.010%, a veces hasta 0.002%).
• Aceros más limpios: Eliminación de inclusiones no metálicas (óxidos y sulfuros).
• Control de la morfología de las inclusiones: Para mejorar las propiedades mecánicas.
• Mejora de las propiedades mecánicas.