Acero

### **Definición y Características**

   El acero es una aleación de hierro y carbono (máximo 2.11% de carbono), al cual se le adicionan variados elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para su diferente utilización en la industria.

Los principales elementos de aleación son: Cromo, Tungsteno, Manganeso, Níquel, Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre, Azufre y Fósforo. Los productos ferrosos con más de 2.11% de carbono denominan fundiciones de hierro.

### Propiedades

El motivo principal está centrado
en la enormidad de usos que se le puede dar, y la versatilidad de sus  propiedades
mecánicas. Otra ventaja, es  que algunas de estas propiedades pueden
ser modificadas para ajustarse al destino final que se le quiera
dar al producto.

Dentro de las propiedades podemos
mencionar las siguientes:

•   Ductilidad, se refiere a la capacidad
del acero para deformarse, al
soportar esfuerzos
de tracción sin llegar
a la rotura.

•   Dureza se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material.

•   Resistencia, la fuerza máxima por unidad de área, que puede soportar el acero al
ser estirado.

•   Maleabilidad es la capacidad que presenta el
acero de soportar la deformación, sin romperse, al ser sometido
a un esfuerzo de
comprensión.

•   Tenacidad, la cual viene siendo la conjugación de dos propiedades: ductilidad y resistencia. Un
material tenaz será aquel que posee una buena ductilidad y una buena resistencia al
mismo
tiempo.

La forma en que se determinan con qué propiedades cuenta
un material, es mediante
la realización de diferentes
pruebas o ensayos. En
base a ellos es posible
determinar qué material es el que emplearemos, por ejemplo, en levantar determinada estructura o edificio.

Algunos ensayos a
que se someten los aceros:

•   Ensayo de tracción

•   Ensayo de dureza

•   Ensayo de impacto

•   Ensayo de doblado

**ELEMENTOS DE ALEACIÓN**

**Carbono:** Es el elemento que
tiene más influencia en el comportamiento del acero; al aumentar el porcentaje
de carbono, mejora la resistencia mecánica, la Templabilidad y disminuye la
ductilidad.

**Boro:** El Boro que se encuentra
en el acero proviene exclusivamente de las adiciones voluntarias de este
elemento en el curso de su fabricación. Ejerce una gran influencia sobre la
templabilidad del acero, bastando porcentajes muy pequeños, a partir de
0.0004%, para aumentarla notablemente.

**Azufre:** Aumenta la Maquinabilidad,
ya que forma inclusiones no metálicas llamadas sulfuros de magnesio,
discontinuidades en la matriz metálica que favorecen la formación de viruta
corta.

**Cromo:** Es un gran formador de
carburos, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste, y solo reduce la
ductilidad. Mejora la resistencia a la alta temperatura y a la formación de
cascarilla. En cantidades mayores al 12%, hace al acero resistente a la
corrosión.

**Fósforo:** Incrementa la
resistencia y reduce la ductilidad de la ferrita. Aumenta la brillantez. Este
elemento, en cantidades superiores al 0.004%, disminuye todas las propiedades
mecánicas del acero. Molibdeno: Formador de carburos, reduce el crecimiento del
grano, mejora la resistencia al desgaste y la capacidad de conservar la dureza
a temperaturas altas.

**Cobalto:** Elemento que desplaza
las curvas TTT hacia la izquierda, aumentando la velocidad crítica y disminuyendo la templabilidad. Aumenta la dureza, y asociado al níquel o al
cromo, forman aceros de débil coeficiente de dilatación, cercano al vidrio.
Aumenta la velocidad crítica de enfriamiento y en los aceros para trabajo en
caliente y rápidos incrementa la disipación de temperatura.

**Manganeso:** Mejora la
resistencia a la tracción y al desgaste, tiene buena influencia en la forja, la
soldadura y la profundidad de temple. Facilita el mecanizado.

### Clasificaciones

Los aceros se pueden clasificar de acuerdo a su utilización, calidad y composición.

De acuerdo con la calidad, los aceros se clasifican según el proceso de producción y van desde los aceros de calidad ordinaria obtenidos por proceso Bessemer, los Siemens Martín, los de hornos eléctrico, etc.; hasta los aceros obtenidos por electro - refinación de escorias, desgasificación en vacío y procesos de pulvimetalurgía, para obtener aceros calidad herramienta.

#### **Aceros Estructurales de Alta Resistencia y Aleación**

Estos son los aceros microaleados, se elaboran con bajos contenidos de carbono y se alean con pequeñas cantidades de V, N, Ti, Nb, además de Ca, Zr para controlar la forma de los sulfuros.

Estos aceros tienen buena tenacidad, debido al buen control de inclusiones que se ejerce en su fabricación.

#### **Aceros al Carbono para Herramientas Matrices**

 al Desgaste y Tenaces

#### RECONCHATUMARE

El Acero para herramientas es el acero que normalmente se emplea para la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta.

Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.5 a 0.30%).

***Principales tipos de aceros de herramientas***

-Aceros al carbono: para la fabricación de herramientas para los usos más diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y picas; se emplean medios contenidos en carbono 0.50 a 0.70%. para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas; calidades intermedias de 0.70 a 1%. Para conseguir en cada caso la máxima dureza, deben ser templados en agua.

-Aceros rápidos: la característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi a l rojo (600º) sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%.

-Aceros indeformables: reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%.

-Aceros al corte no rápidos: se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricación de herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rápidos y los aceros al carbono, y la mayoría de herramientas fabricadas con ellos suelen quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C.

#### **Aceros Rápidos**

Los aceros rápidos, de alta velocidad o HSS (High Speed Steel) se usan para herramientas, generalmente de series M y T (AISI-SAE). Con molibdeno y wolframio (también puede tener vanadio y cromo), tienen buena resistencia a la temperatura y al desgaste. Generalmente es usado en brocas y fresolines, machos, para realizar procesos de mecanizado con máquinas herramientas.

El HSS fue descubierto en 1898 por Frederick Winslow Taylor un ingeniero estadounidense más conocido por haber puesto las bases de la Organización Científica del Trabajo (Taylorismo). Trabajó en la Bethleem Steel y descubrió, tras muchos experimentos, que añadiendo wolframio a un acero aleado en una proporción 18-8, aumentaba su punto de fusión desde 500 ºC hasta 800 ºC.

Se basó en el acero RMS descubierto por Robert Mushet 30 años atrás y que venía siendo empleado como mejor acero para herramientas de corte.

Pensado como acero de herramienta, pudo aumentar la velocidad de corte habitual de 10 m/min hasta 40 m/min.

Los Acero Rápidos (HSS) tienen altos niveles de dureza y muy buena resistencia al desgaste a altas temperaturas de laminación. Esta calidad se produce por el método de Doble Colada Centrifugada (CC Duplex) y el material del núcleo es hierro de Grafito Esferoidal (SG) Perlítico.

Su composición y subsecuente tratamiento térmico aseguran que la dureza de la capa exterior del material HSS alcanzará los 80/85° shore `C', con una dureza uniforme a lo largo de su vida útil, mientras que la estructura de carburos complejos de vanadio, tungsteno, niobio y molibdeno en una matriz martensítica asegura un desgaste uniforme, así como una alta resistencia al desgaste. Este tipo de cilindro se utiliza en posiciones de acabado para incrementar los tiempos de campaña y obtener un mejor acabado en la superficie del producto laminado.

Hoy en día disponemos de una variedad de aceros rápidos:

-HSS

-HSSE Acero con contenido en Cobalto

-HSS Co5 (aleación de cobalto a un 5%)

-HSS Co8 (aleación de cobalto a un 8%)

-HSS Co10 (aleación de cobalto a un 10%)

-HSS-G Acero rápido calidad M2 o Alto Re

#### **Aceros para Trabajo en Caliente**

Generalmente se dominan aceros para trabajo en caliente aquellos aceros de herramientas que en su applicación, son sometidos a temperaturas permanentes superiores a los 200ºC (392ºF).

Una reducida tendencia a la adhesión con los materiales a transformar, alta resistencia a la erosión, a la corrosión, a temperaturas elevadas y a la oxidación, estabilidad dimensional durante el tratamiento térmico, buena maquinabilidad, y bajo ciertas circunstancias, buena capacidad de ser elevados en frío, son requisitos que los aceros para trabajar en caliente deben cumplir.

Y... ¿qué tipo de acero se utiliza para temperaturas que excedan los 500°C?...  En dicho rango de temperatura -y hasta los  1,150°C - es donde  la resistencia a la deformación por fatiga juega un papel muy importante y en donde ocurre la corrosión a altas temperaturas.   Cualquier aplicación en donde la temperatura exceda los 500 °C como por ejemplo, la industria cementera, las plantas de conversión de energía, equipos de tratamiento térmico y  tubos radiantes  requieren de aceros con alta resistencia a la deformación y a la erosión.

Debido a su composición química, estos austeníticos poseen una excepcional resistencia a la deformación por fatiga, una alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas,  alta resistencia a la corrosión uniforme y una alta resistencia a la erosión; así como buena formabilidad y buena soldabilidad.

#### **Aceros para Propósitos Especiales**

La fabricacion de piezas, equipos y estructuras se hace con herramientas. Se necesitan guillotinas para cizallar; dados para forjar; brocas para perforar; moldes para conformar; martillos y cinceles para golpear. Hay un acero para cada uso.

A un contemporáneo y colaborador de Bessemer en Inglaterra, de nombre Robert Mushet, se le suele atribuir la paternidad de los aceros especiales para fabricar herramientas. Esto, obviamente, es injusto, porque la búsqueda de mejores herramientas ha sido tarea de la humanidad por siglos. Tres décadas antes de los desarrollos de Mushet, el ingeniero ruso Pavel Anosof había publicado, en dos tomos, su redescubrimiento del arte legendario de la producción del acero de Damasco y propuso su aplicación para fabricar una gran variedad de herramientas. Sin embargo, lo cierto es que Mushet tuvo mejor suerte porque las ideas de Anosof nunca se aplicaron.

Robert Mushet fue lo que hoy en día se conoce como un diseñador de aleaciones. En realidad, los diseñadores de aleaciones son metalurgistas con "intuición educada" o colmillo largo. Se la pasan con uno o más problemas en mente, generando nuevas aleaciones a base de prueba y error. Eso de la "intuición educada" les sirve para proponer los elementos de aleación que van a considerar ante un problema dado y los intervalos de composiciones donde se van a mover. Habiendo tantos elementos en la naturaleza y siendo infinitas las combinaciones posibles, los diseñadores de aleaciones dependen (exactamente en ese orden, dirían los maliciosos) de su suerte, de su "intuición educada" y de su capacidad para producir y caracterizar el máximo número de combinaciones posibles.

#### **Inoxidables**

En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa. Otros metales que puede contener por ejemplo son el molibdeno y el níquel.

El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.

Los aceros inoxidables que contienen cromo y Ni equivalente inferior al 8 % se llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada por ferrita, y con contenidos superiores de Ni equivalente, este será de composición ferrítica en disminución. Los aceros ferríticos son magnéticos (se distinguen porque son atraídos por un imán). Con porcentajes de carbono inferiores al 0,1 % de C, estos aceros no son endurecibles por tratamiento térmico. En cambio, aceros entre 0,1 % y 1 % en C sí son templables (tienen martensita dura, pues con porcentajes inferiores hay muy poco C como para lograr endurecimiento). Se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica siendo magnéticos, para aceros altamente aleados inoxidables, el acero martensítico puro (sin mezcla con austenítico y ferrítico) con Ni equivalente inferior al 18 % (Cr equivalente de 0 %) a "13 % de Cr equivalente y 7 % de Ni equivalente", y hasta 8 % de Cr equivalente y 0 % de Ni equivalente (esto puede ser fácilmente seguido en el diagrama de Schaeffler de Cr-Ni equivalentes).

 -% Ni equivalente = % Ni + 30 \* (C + N) + 0,5 Mn

 -% Cr equivalente = % Cr + Mo + 1,5 \* Si + 0,5 \* (Ti + Nb)

Los aceros inoxidables que contienen:

más de un 12 % de Ni equivalente al 17 % de Cr equivalente,

más de un 25 % de Ni equivalente a 0 % de Cr equivalente, y

menos de un 34 % de Cr equivalente a 30 % de Ni equivalente,

se llaman Aceros austeníticos, ya que tienen una estructura formada básicamente por austenita a temperatura ambiente (el níquel es un elemento "gammágeno" que estabiliza el campo de la austenita). No son magnéticos.

Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita (el carbono estabilizado de manera metaestable en forma de hierro gamma, se transforma a la forma estable de hierro alfa y martensita, pues el carbono es menos soluble en la matriz de hierro alfa, y este expulsa el C). Se convierten en parcialmente magnéticos (tanto como porcentaje de carbono haya sido convertido en martensita), lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos.

También existen los aceros dúplex (20 % < Cr < 30 %), (5 % < Ni < 8 %), (C < 0,03 %), no endurecibles por tratamiento térmico, muy resistentes a la corrosión por picaduras y con buen comportamiento bajo tensión. Estructura de ferrita y austenita.

A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros y otras propiedades.

#### **Para Resortes**

El acero elástico es una variedad de acero de alta flexibilidad que se utiliza en la fabricación de elementos que recuperan su estado después de sufrir una cierta deformación, como muelles, resortes y ballestas. También es utilizado en la fabricación de chasis de coches y otros vehículos al tener la capacidad de absorción de la energía cinética de una forma gradual y eficiente, reduciendo la que llega a los pasajeros del mismo en un accidente.

***Tipos de aceros elásticos***

Dependiendo de la forma de templado, de revenido y de los elementos añadidos a la aleación se consiguen tipos de acero con diferentes características apropiados para diferentes aplicaciones. Algunos de estos aceros son:

***Aceros al carbono con temple en aceite:*** realizado con un temple en aceite a temperatura entre 815ºC y 825ºC y un revenido entre los 425ºC y 450ºC, este acero se utiliza para la fabricación de muelles y resortes, cuerdas de piano, flejes y piezas de pequeño espesor en general.

***Aceros al carbono con temple en agua:*** realizado con un temple en agua a temperatura entre 800ºC y 820ºC y un revenido entre los 425ºC y 450ºC, este acero se utiliza para la fabricación de muelles y resortes, cuerdas de piano, flejes y piezas de pequeño espesor en general.

***Aceros al cromo vanadio:*** con una composición de cromo del 1% y de vanadio del 0,2%, templados en aceite en temperaturas entre 850ºC y 900ºC y revenidos entre 400ºC y 450ºC es indicado para la fabricación de muelles de muy altas prestaciones y ciclos de trabajo, como los de las válvulas de los motores de explosión. También es utilizado para realizar piezas, engranajes, ejes y cremalleras, que trabajaran muy cargados.

***Acero mangano-silicioso:*** con una composición de manganeso del 0,75% y de silicio del 1,75%, templados en aceite en temperaturas entre 850ºC y 900ºC y revenidos entre 400ºC y 500ºC se usa para la fabricación de resortes y muelles de grandes dimensiones.

***Acero TWIP (Twinning-Induced Plasticity):*** son aceros de un alto contenido en manganeso, entre el 17 y el 24% que lo hacen completamente austeníticos a temperatura ambiente y más dúctil y flexible que el acero convencional, puede llegar a deformarse un 1.250%. Se utiliza para la fabricación de elementos deformables en las carrocerías de los vehículos y piezas que deben mantener sus propiedades a temperaturas muy frías.

#### El acero eléctrico, también llamado acero magnético, acero al silicio, o acero para transformadores, es un acero especial fabricado para poseer determinadas propiedades magnéticas, tales como una zona de histéresis pequeña (poca disipación de energía por ciclo), que equivale a bajas pérdidas en el núcleo y una alta permeabilidad magnética.

El material se fabrica habitualmente en forma de chapas laminadas en frío de 2 mm de espesor o menos. Estas chapas se apilan y una vez reunidas, forman los núcleos de transformadores o de estatores y rotores de motores eléctricos. Las láminas se pueden cortar a su forma final mediante troquelado; para cantidades pequeñas, el material se puede cortar con láser o por electroerosión. ====
El acero eléctrico es una aleación de hierro con un contenido de silicio que varía de cero a 6,5% (Si:5Fe). El silicio aumenta significativamente la resistencia eléctrica del acero, lo que disminuye las corrientes de Foucault inducidas por el campo magnético y por lo tanto reduce las pérdidas en el núcleo. Se pueden añadir también manganeso y aluminio hasta en una proporción de 0,5%.

Sin embargo, la estructura del grano así logrado aumenta tanto la dureza como la fragilidad del metal, lo cual trae desventajas durante la laminación. Durante el proceso de aleación, los niveles de concentración de carbono, azufre, oxígeno y nitrógeno deben mantenerse bajos, ya que estos elementos elevan la presencia de carburos, sulfuros, óxidos y nitruros. La presencia de estos compuestos, aun en partículas tan pequeñas como un micrómetro de diámetro, aumenta las pérdidas por histéresis mientras que reduce la permeabilidad magnética. El carbono tiene un efecto más perjudicial que el azufre y el oxígeno, pues provoca una gradual reducción de las propiedades magnéticas al precipitar en forma de carburos, lo que a su vez resulta en un aumento de las pérdidas en el material. Por estas razones, el nivel de carbono se debe mantener en 0,005% o menos. Para reducirlo, se puede recocer el acero en un ambiente descarbonizante, por ejemplo, rico en hidrógeno.

***Propiedades físicas***

(valores típicos para un contenido de silicio ~3.1%)

-Punto de fusión: ~ 1500 °C1

-Densidad: 7650 kg/m3

-Resistividad: 47.2 × 10-8 Ω·m

####

### **Nomenclatura de los Aceros**

Se emplea el sistema AISI / SAE.

Para tener una idea global de cómo este sistema nombra los aceros se deben tener los siguientes criterios: Los aceros se dividen en tres aplicaciones: Aceros para construcción de partes de maquinaria, Aceros para herramientas y Aceros resistentes al calor y a la oxidación.

#### **Aceros Resistentes al Calor y a la Oxidación**

**CALIDAD**

De acuerdo con la calidad, los
aceros se clasifican según el proceso de producción y van desde los aceros de
calidad ordinaria obtenidos por proceso Bessemer, los Siemens Martín, los de
hornos eléctrico, etc.; hasta los aceros obtenidos por electro - refinación de
escorias, desgasificación en vacío y procesos de pulvimetalurgía, para obtener
aceros calidad herramienta.

Nomenclatura de los aceros.
Sistema AISI / SAE

Para tener una idea global de
cómo este sistema nombra los aceros se deben tener los siguientes criterios:

Los aceros se dividen en tres
aplicaciones: Aceros para construcción de partes de maquinaria,

Aceros para herramientas y
Aceros resistentes al calor y a la oxidación.

2.1 ACEROS PARA CONTRUCCIÓN DE
PARTES DE MAQUINARIA

En 1912, la Sociedad Americana
de Ingenieros Automotores  (SAE) promovió
una reunión de productores y consumidores de acero, con el fin de establecer
una nomenclatura de la composición de los aceros. Más tarde, el Instituto
Americano de Hierro y del Acero (AISI) tomó esa nomenclatura y la expandió.

En el sistema AISI / SAE, los
aceros para partes de maquinaria se clasifican con cuatro dígitos.

El primer dígito especifica la
aleación principal, el segundo modifica al primero y los dos últimos dígitos
dan la cantidad de carbono en centésimas más 0.02 % o menos 0.03 %. En algunos
aceros  al cromo de alto carbono hay
números de cinco dígitos, los tres últimos dan el porcentaje de carbono.

Las convenciones para el
primer dígito son:

1. Carbono

2. Níquel

3. Níquel - Cromo. Principal
aleante el Níquel

4. Molibdeno

5. Cromo

6. Cromo - Vanadi

7. No se fabrican.

8. Níquel - Cromo - Molibdeno,
principal aleante el Molibdeno

9. Níquel - Cromo - Molibdeno,
principal aleante el Níquel

Se observa que si el primer
dígito es 1 se sabe que es un acero al carbono; si el dígito siguiente es el
cero, se trata de un acero sin aleación. Así AISI 1030 es un acero al carbono
con 0.3 % C. Si el segundo dígito es 1, la designación es 11XX y significa que
se trata de un acero resulfurado, es decir que se le añadió azufre para hacerlo
más maquinable. Si el segundo dígito es 3, la designación es 13XX y se trata de
un acero con manganeso entre 1.5 y 2.0.

Si el primer dígito es 3, se
trata de un acero al Ni - Cr. Por ejemplo el AISI / SAE 3135 es un acero con
1.10 - 1.40 % de Níquel y 0.55 - 0.75 de Cromo.

### Referencias

InfoAcero. (s.f.). *¿Que es el acero?*
 Obtenido de InfoAcero: http://www.infoacero.cl/acero/que\_es.htm

Unión de Empresas Siderúrgicas. (s.f.). *¿Como*
 se hace el acero? *Obtenido de Unesid:*
 http://www.unesid.org/siderurgia-modos-de-produccion.php

Valencia, Asdrúbal. Tecnología del tratamiento térmico de los metales. Ed. Universidad de Antioquia. 1992