Influencia de los Elementos de Aleación en las Propiedades del Acero

Elementos de Aleación en Aceros

Los elementos presentes en los aceros se clasifican según su origen y propósito:

Tipos de Elementos en Aceros

• Elementos ordinarios: Están siempre presentes. Son: P, S, Mn, Si y a veces Al y Ti. Los elementos desoxidantes están en mayor proporción en los aceros calmados que en los efervescentes.
• Elementos latentes: Su presencia es prácticamente inevitable. Son: O, N, H.
• Elementos accidentales: Su presencia tiene que ver con la materia prima utilizada o con el tipo de chatarra usada. Son: As, Sb, Sn, Cu, entre otros.
• Elementos de aleación: Son elementos que han sido añadidos intencionadamente con el fin de mejorar alguna propiedad en los aceros, variando su estructura.

Formas en que se Encuentran los Elementos de Aleación

Los elementos de aleación pueden encontrarse de las siguientes formas:

1. Formando solución sólida: (con alguna variedad alotrópica del hierro). La mayoría de los elementos aleantes pueden disolverse en hierro, excepto: C, N, O, B y los metaloides. Los que se encuentran a la derecha del hierro en la tabla periódica (Co, Ni, Cu, Si, Al,...) solo están en forma de disolución sólida. Los que se encuentran a la izquierda pueden estar además en otras formas.
2. En estado libre: El Pb es insoluble en hierro y el Cu es insoluble en hierro cuando está en cantidades superiores al 1%.
3. Formando carburos: (Ti > V > Cr > Mn > Zr > Nb > Mo > Hf > Ta > W). Se disuelven en la cementita o forman carburos independientes de ella. La tendencia a formar carburos depende del porcentaje de C presente. La tendencia a formar carburo es muy grande en el caso del Ti, V, Mo; moderada en el caso del Cr, W; y débil en el caso del Mn.
4. En forma de inclusiones no metálicas: Es el caso del Si, Mn, Al, Ti, formando óxidos (SiO₂, Al₂O₃), sulfuros (MnS) y silicatos (2MnO·Al₂O₃·3SiO₂), nitruros, carbonitruros y fosfuros. Los aceros efervescentes tienen una mayor cantidad de inclusiones no metálicas. Estas inclusiones pueden ser: a) exógenas: que penetran mecánicamente en el acero; b) endógenas: formadas en el proceso de reacciones de afino.
5. Formando compuestos intermetálicos: Solo es posible en aceros de alta aleación (ISO 4967, ASTM E45).

Proceso de Desoxidación (Aceros Calmados)

Una vez reducido el mineral de hierro y de que a continuación hemos oxidado, es momento de volver a desoxidar nuevamente. En los procesos de conversión hemos inyectado gran cantidad de oxígeno. La solubilidad del oxígeno en el fundido es del 0,16% y en el sólido solo de 0,003%. Cuando el acero solidifique, el oxígeno quedará atrapado formando huecos y burbujas dentro del material y creando importantes cantidades de FeO. Por eso se realizará el proceso de desoxidación justo al final del proceso de conversión y antes de colar, añadiendo Al en polvo, ya que desoxida fuertemente y es barato, aunque se utiliza también Si y Mn.

Reacciones de desoxidación comunes:

2Al + 3O ==> Al₂O₃
Si + 2O ==> SiO₂
Mn + O ==> MnO

Limpieza del Acero

Los aceros que provienen de países de nuevo desarrollo suelen venir con más inclusiones. Los ensayos usados para comprobar la cantidad de macroinclusiones son:

• Cualitativos: Registran la distribución de MnS y FeS (Impresión de azufre).
• Cuantitativos: Se tornea una probeta a distintos diámetros y se contabilizan las macroinclusiones según su tamaño. Cuando se multiplican por unos factores, se halla una macrocifra.

Efectos de Elementos Específicos

Azufre en el Acero

Suele ser indeseable y sus valores más tolerables son de 0,03% y 0,05%. Produce fragilidad en caliente. Se queda en los bordes de grano. Si queremos que se mecanice bien, encontraremos hasta un 0,3%.

Fósforo en Acero

Suele ser indeseable, con valores máximos de 0,03% y 0,04%. Produce fragilidad en frío, siendo extremadamente endurecedor, desplazando la línea frágil-dúctil.

Elementos de Inserción

En el acero fundido, el N reduce la ductilidad comunicando fragilidad; el O favorece la aparición de inclusiones no metálicas; y el H lo hace incluso en acero sólido, reduciendo la tenacidad y la ductilidad.

Nitrógeno y Copos

Los copos de nitrógeno hacen perder la capacidad de ductilidad. Hoy en día, el problema de los copos aparece poco.