Metalurgia: bórax, copos, carburos, puntos críticos y elementos de aleación en el acero

¿Qué es el Bórax?

El Bórax es el nombre comercial de la sal de boro, un compuesto importante del elemento boro (B).

Una mezcla de cloruro de Bórax y NH₄ (amonio) se utiliza como fundente al soldar hierro o acero, ya que baja el punto de fusión del óxido de hierro (FeO). Además, el Bórax es capaz de disolver óxidos metálicos, especialmente si su pH está entre 12 y 13, momento en el que forma sales de BO₂^- en un ambiente alcalino.

Reacciones del Horno Alto

En el proceso de reducción en el horno alto, ocurren las siguientes reacciones clave:

• Hematita: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂
• Magnetita: Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂
• Wustita: FeO + CO → Fe + CO₂

¿Qué son los Copos en el Acero?

Los copos son defectos internos que aparecen como manchas brillantes en la fractura del acero cuando este contiene una cantidad excesiva de hidrógeno (no nitrógeno, como se indicaba erróneamente). Estos defectos afectan negativamente a las propiedades mecánicas, reduciendo significativamente la tenacidad y la ductilidad del material.

Desplazamiento de los Puntos Críticos (Temperaturas A₃ y A₄)

Los elementos de aleación modifican las temperaturas a las que ocurren las transformaciones de fase en el acero (puntos críticos A₃ y A₄):

• Alfágenos: Estabilizan la fase alfa (ferrita, BCC). Reducen la diferencia de temperatura entre A₄ y A₃, cerrando el campo de la austenita. Ejemplos: Al, Cr, Mo, Si, V, W, Ti.
• Ganmágenos: Estabilizan la fase gamma (austenita, FCC). Aumentan la diferencia de temperatura entre A₄ y A₃, ampliando el campo de la austenita. Ejemplos: Mn, Co, Cu, Ni, N, C.

Formación de Carburos

Los carburos son compuestos de carbono con elementos metálicos que influyen notablemente en las propiedades del acero.

Tipos de Carburos:

• Carburos Complejos (o de Aleación): Pueden disolverse en la austenita a altas temperaturas. Son del tipo M₃C, M₇C₃, M₆C, M₂₃C₆, donde M representa elementos como Cr, V, Mn, W, Mo.
• Carburos Simples (o Estables): Son generalmente insolubles o muy poco solubles en la austenita, incluso a altas temperaturas. Son del tipo MC, M₂C, donde M representa elementos como Ti, Zr, Nb, Ta, V.

Efectos de los Carburos:

• Ambos tipos tienden a afinar el grano de austenita si precipitan adecuadamente.
• Aumentan la resistencia al desgaste.
• Mejoran la dureza en caliente (capacidad de mantener propiedades mecánicas a altas temperaturas).
• Los aceros con alta concentración de carburos duros se utilizan como aceros para herramientas.

Influencia en el Tamaño de Grano Austenítico

• El Manganeso (Mn) y el Boro (B) tienden a aumentar el tamaño de grano austenítico si no hay otros elementos presentes.
• Elementos como V, Nb, Ti, Zr son fuertes afinadores del grano, formando carburos o nitruros estables que impiden el crecimiento del grano incluso a altas temperaturas. Al también es un afinador importante (forma AlN). Cr y Mo tienen un efecto afinador moderado.
• Elementos como Ni, Si, Co, Cu no forman carburos estables y, por lo tanto, influyen poco en el tamaño de grano por sí mismos.

Endurecimiento de la Ferrita por Solución Sólida

Los elementos de aleación disueltos en la ferrita aumentan su dureza. El orden de efectividad (de mayor a menor) es aproximadamente:

P > C > N > Si > Mn > Cu > Ni > Mo > V > W > Cr > Al

Nota: El Fósforo (P) es el endurecedor más potente, pero es peligroso porque una cantidad excesiva fragiliza gravemente el acero, especialmente a bajas temperaturas.

Importancia del Manganeso (Mn) en el Acero

El Manganeso (Mn) es un elemento crucial en la mayoría de los aceros por varias razones:

• Control del Azufre: Reacciona con el azufre (S), un elemento perjudicial, para formar sulfuro de manganeso (MnS) en lugar de sulfuro de hierro (FeS). El MnS es menos perjudicial para las propiedades de impacto y la ductilidad que el FeS.
• Desoxidante: Ayuda a eliminar el oxígeno disuelto durante la fabricación del acero, impidiendo la formación de óxido de hierro (FeO) perjudicial.
• Prevención de Fragilidad: Al controlar el azufre, evita la fisuración en caliente durante la solidificación y la laminación, y reduce la fragilidad al rojo (fragilidad alrededor de 800-1000°C).
• Mejora la Templabilidad: Aumenta la capacidad del acero para endurecerse durante el temple.
• Endurecedor: Contribuye al endurecimiento por solución sólida en la ferrita y perlita.