Mejora de Propiedades en Aleaciones de Acero: Efecto de Elementos y Clasificación

Influencia de Elementos Aleantes en las Propiedades del Acero

Las aleaciones T5 mejoran propiedades como la templabilidad, resistencia a la corrosión y fatiga. Las impurezas son perjudiciales. Los elementos gammágenos estabilizan la fase gamma (FCC), retrasando su transformación a ferrita. Esto extiende la existencia de la fase gamma al disminuir la temperatura eutectoide y retardar la precipitación de carburos. Estos elementos son: Co, Cu, Mn, N, Ni. Los elementos alfágenos estabilizan la ferrita (BCC), acelerando su transformación. Estos son: Cr, V, W, Mo, Nb, Si, Al, Ti. El titanio (Ti) tiene un alto poder alfágeno. Los aleantes disminuyen la solubilidad del carbono (C) en la austenita, desplazando el eutectoide hacia la izquierda, resultando en aceros perlíticos. El níquel (Ni) produce una reducción menor. Se forman carburos con Cr, V, Mo, Ti, Nb, W. Los elementos Ni, Co, Al, Si favorecen la grafitización.

Efectos Específicos de Elementos Aleantes

• ALUMINIO: Desoxida en pequeñas cantidades, mejora la tenacidad a la fractura, evita la formación de óxido en el acero, refina el grano, mejora la templabilidad y favorece la grafitización.
• AZUFRE: Impureza (máx. 0.05%). Reduce la resistencia al impacto, ductilidad, soldabilidad. Forma FeS que precipita en los límites de grano y se elimina con Mn. El azufre alargado crea puntos de estado triaxial de tensiones, pero mejora la maquinabilidad.
• ARSÉNICO: Impureza que aumenta la fragilidad del temple, disminuye la tenacidad y la soldabilidad.
• ANTIMONIO: Impureza que reduce la tenacidad.
• BORO: Mejora la templabilidad.
• CARBONO: Endurece, aumenta la resistencia mecánica, templabilidad, resistencia al desgaste y abrasión. Disminuye la ductilidad, soldabilidad, tenacidad y maquinabilidad.
• CROMO: Permite la creación de aceros inoxidables con 20%. Aumenta la templabilidad, resistencia al desgaste, abrasión y a altas temperaturas. Mejora la resistencia a la corrosión y oxidación, pero reduce la resistencia al impacto. Forma carburos.
• CALCIO: Desoxida, no es aleante.
• COBRE: Mejora la resistencia a la corrosión atmosférica, pero reduce la capacidad de trabajo en caliente y afecta negativamente la superficie.
• COBALTO: Mejora la templabilidad, limita el crecimiento de la austenita, mejora la resistencia mecánica y favorece la grafitización.
• ESTAÑO: Impureza que fragiliza el revenido.
• NIOBIO: En concentraciones de 0.02% aumenta el límite elástico y la resistencia mecánica. Forma carburos y retarda la cristalización de la austenita.
• FÓSFORO: Impureza (máx. 0.04%). Forma esteatita Fe₃P que fragiliza el material. Aumenta la resistencia y dureza, pero reduce la ductilidad, resistencia al impacto y aumenta la resistencia a la corrosión. Mejora la maquinabilidad. Forma carburos de forma despreciable.
• HIDRÓGENO: Perjudicial, fragiliza el acero.
• MANGANESO: En concentraciones de 0.3-0.85% (máx. 1.65%). Desoxida, neutraliza el azufre, facilita la laminación, moldeo y operación en caliente. Mejora la templabilidad y favorece la formación de martensita. Aumenta la resistencia al desgaste, pero reduce la ductilidad y soldabilidad. Forma carburos.
• MOLIBDENO: Mejora las propiedades de temple, dureza y resistencia a altas temperaturas. Contrarresta la tendencia a la fragilidad de revenido. Forma carburos.
• NÍQUEL: Mejora la templabilidad, tenacidad al impacto y favorece la grafitización. Utilizado en aceros inoxidables.
• NITRÓGENO: Forma precipitados duros.
• OXÍGENO: Perjudicial, reduce la resistencia al impacto.
• PLOMO: Facilita el mecanizado.
• SILICIO: En concentraciones de 0.1-0.3% (máx. 0.6%). Desoxida, aleante en láminas magnéticas y eléctricas. Mejora la resistencia a la corrosión y la templabilidad en elementos sin grafitizantes.
• TITANIO: Desoxida, inhibe el crecimiento granular, mejora el temple y las propiedades mecánicas. Alta tendencia a formar carburos.
• VANADIO: Refina el grano, mejora la resistencia al impacto, fatiga y temple. Forma carburos fuertes.
• ZIRCONIO: Controla las características de las inclusiones.

Consideraciones en el Tratamiento Térmico del Acero (T6)

No se debe aumentar la resistencia sin perder tenacidad y ductilidad. Las secciones anchas no pueden fabricarse con estructura martensítica. Los temples rápidos son necesarios para producir endurecimiento martensítico, pero pueden causar distorsión y agrietamiento. El acero tiene poca resistencia al impacto a altas temperaturas y pobre resistencia a la corrosión. Las bajas temperaturas causan corrosión y las altas temperaturas oxidación.

Clasificación de los Aceros según su Contenido de Carbono

Hierro Dulce

Hierro con bajo contenido de carbono (menos de 0.05%) y libre de impurezas, fácil de trabajar. El acero inoxidable austenítico tiene maclas, mientras que el hierro dulce (ferrítico) no. La ferrita es magnética, la austenita no.

Aceros Bajos en Carbono (0.1-0.3%)

Son blandos pero dúctiles, pueden endurecerse superficialmente por carburación. Se utilizan en productos planos laminados. Con %Mn < 0.4% y %C < 0.3% se usan para carrocerías de automóviles y alambre. Con %Mn ≈ 1.5% y %C ≈ 0.3% se usan para secciones y chapas estructurales. Se añade manganeso para aumentar la resistencia. Se utilizan en puentes de ferrocarril, columnas metálicas, cascos de buques, carrocerías de automóviles, clavos, alfileres y cerraduras.

Aceros Medios en Carbono (0.2-0.6%)

Son la forma más común de acero, con precio relativamente bajo. Pueden ser forjados y tratados térmicamente por temple y revenido para mejorar sus propiedades. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono (%Mn = 0.6-1.65%), pero menos dúctiles. Se usan en piezas de ingeniería que requieren resistencia mecánica y al desgaste, como railes, ruedas de tren, tuberías y partes de motores.

Aceros Altos en Carbono (0.6-1%)

Son más resistentes pero menos dúctiles, con alta dureza por temple (%Mn = 0.3-0.9%). Su uso es restringido debido a su alto precio y dificultad de conformado. Se utilizan en muelles y alambres de alta resistencia.

Aceros Ultraaltos en Carbono (1.25-2%)

Son aceros experimentales con pocas aplicaciones. Se procesan termomecánicamente para romper la cementita y obtener una estructura de ferrita fina equiaxial con distribución fina y homogénea de cementita esferoidal. Esta microestructura presenta comportamiento superplástico.