Aceros QUÍM.

Categoria:

Química

Los aceros son, básicamente, aleaciones de Fe y C a las que se pueden incorporar otros elementos (Cr, Ni, Mo, V, etc.) con objeto de mejorar, en algún sentido determinado, sus propiedades. Los a. comerciales contienen, además, Mn, Si, S, P, generalmente en calidad de impurezas incorporadas inevitablemente en algún momento de la fabricación (cantidades máximas: Mn, 1°,b; Si, 0,3°,b; S, 0,05°,b; P, 0,05°10). Las múltiples aleaciones de base Fe representan el 90% de toda la producción mundial de metales y, de aquéllas, más de la mitad son a. al carbono; es decir, simplemente aleaciones Fe+C con las impurezas del caso.

Aceros al carbono. El hierro forjado es blando, porque su contenido en C es muy bajo; el arrabio o hierro que sale del horno alto (v. SIDERURGIA) es frágil, porque contiene demasiado C. Pronto se descubrió que los a. con contenidos de C intermedios eran superiores tanto al hierro forjado como a la fundición o arrabio por la buena combinación de sus propiedades (dureza, resistencia y tenacidad), a la que se puede llegar, casi a voluntad, por adecuado tratamiento técnico. Que las propiedades de los a. Son susceptibles de modificarse por adecuados calentamientos y enfriamientos era ya conocido hace aproximadamente 3.000 años; el rito más que la técnica de estos tratamientos se ocultaba celosamente y el a. era por ello un material caro, raro y desigual, sólo empleado en las mejores armas y herramientas del momento, hasta que a mediados del siglo pasado Henry Bessemer inauguró la moderna edad del a., concibiendo y realizando un proceso de conversión que permite transformar, en menos de 20 minutos, cargas de arrabio líquido de 50 t. en aproximadamente el mismo peso de a. de bajo contenido en C (0,10,2% C). El proceso, en su origen, tenía sus limitaciones; p. ej., necesitaba menas que no contuvieran P. Estas limitaciones fueron resueltas por Thomas y Gilchrist unos años más tarde recubriendo el horno convertidor con refractarios básicos. Por la misma época, Siemens y Martin desarrollaron su horno de solera (unos años antes que apareciera la modificación del convertidor (Bessemer), que permite tratar, al mismo tiempo, hasta 500 t. de material, de las cuales aproximadamente la mitad pueden ser chatarra. El proceso es lento; se tardan cinco horas en cargar el horno, cuatro en fundir y formar la escoria y tres en afinar, acabar y descargar. Es, por tanto, más caro; pero da más calidad, por mejor control.

En los convertidores se eliminan las impurezas y el C, hasta alcanzar la concentración deseada, por oxidación, inyectando aire a través del arrabio líquido. En el horno de solera, el oxígeno para esta purificación se agrega en forma de óxido de hierro y su concentración se controla a través de la escoria que cubre el metal fundido.

Recientemente ha vuelto a revolucionarse la fabricación de a. La posibilidad de disponer de oxígeno barato en grandes cantidades ha estimulado el desarrollo de nuevas técnicas que están reemplazando rápidamente a las de conversión citadas anteriormente. Son los procesos Kaldo (Suecia); Rotor (Alemania); L.D. (Linz y Donawitz, Austria), que utilizan hornos de hasta 200 t. de capacidad. En todos ellos se inyecta o sopla oxígeno sobre la superficie de la carga líquida a través de un tubo o lanza de cobre, refrigerado.

En el proceso Kaldo la secuencia de operaciones es análoga a la citada para el horno de solera (Siemens y Martin), pero sólo necesita 35 minutos. El proceso Rotor es similar al anterior, pero la inyección de oxígeno se hace dentro de la masa fundida y sobre la superficie de la escoria. El contacto escoriametal es muy extenso y facilita la eliminación de P y S. El proceso L.D. ha sido .ampliamente aceptado por su eficacia y por su simplicidad, sobre todo después de haber sido mejorado en Luxemburgo y Francia inyectando, simultáneamente, Ca0 en polvo (procedimiento L.D.A.C.).

Por último, debe citarse el reciente procedimiento desarrollado por la British Iron and Steel Research Association, en el que se hace pasar arrabio líquido a través de un anillo que proyecta sobre la corriente de arrabio unos chorros de oxígeno que le dispersan en pequeñas gotas; así disperso, se somete a la acción de Ca0 y otros fundentes pulverizados. El proceso es muy rápido y barato.

Diagrama FeC. Cuando se disuelve C en Fe fundido se obtiene la aleación fundida de Fe+C, lo que, en términos termodinámicos, se llama el sistema FeC. La evolución de ese sistema, cómo y cuándo cambia de estado, qué fases hay presentes a cada temperatura y cómo se distribuyen el Fe y el C entre las fases presentes, se recoge en lo que se conoce como diagrama de equilibrio del sistema FeC a la presión de 1 atmósfera o diagrama FeC (fig. 1), aunque en este caso debiera titularse diagrama [FeFe3C], ya que el C no se separa como tal (grafito) más que en las fundiciones y en ciertas condiciones, y sí lo hace en forma de cementita (Fe3C); aunque ésta no sea la fase de equilibrio, sí es la que se forma más fácilmente y es muy estable. En el eje de abscisas está representado el contenido de C en porcentaje en peso (escala logarítmica); en la parte superior, la correspondencia a este porcentaje en peso, en átomos de C por 100 del total. En el eje de ordenadas la temperatura en grados centígrados. Cada punto del plano limitado por estos dos ejes corresponde a una aleación FeC con un cierto contenido en C y a una determinada temperatura; dependiendo de ese porcentaje de C y de la temperatura, el sistema será líquido o sólido, homogéneo (una sola fase) o heterogéneo (dos o más fases) (v. TERMODINÁMICA), y los elementos Fe y C se distribuirán, entre las distintas fases, cuando el sistema esté en equilibrio, según indica el diagrama, cuyo trazado se ha hecho a partir de datos obtenidos experimentalmente.

Convencionalmente se han llamado hierros a aquellas aleaciones FeC que contienen como máximo un 0,025% de C; aceros aquellas que tienen hasta un 2% de C, y fundiciones las que tienen más del 2% de C.

Entre los a. se distinguen, a su vez, los hipoeutectoides (con menos de 0,8% de C), y los hipereutectoides (de 0,8 a 2% de C). El punto o la composición eutectoide (0,8% de C) representa, metalográficamente, una microestructura característica, llamada perlita (fig. 2), constituida por una fase rica en Fe (prácticamente hierro puro) llamada ferrita (campos claros), y otra rica en C (6,67% C) llamada cementita, que es, en realidad, el carburo de hierro, de fórmula Fe3C (láminas y glóbulos). Puesto que la fase que aparece cuando debiera aparecer C no es tal, sino Fe3C, el diagrama debiera denominarse diagrama FeFe3C; sin embargo, hay razones para seguir denominándole FeC si nos referimos al sistema en equilibrio y ello no quita rigor a la información que puede obtenerse del diagrama.

En la microestructura de los a. hipo o hipereutectoides a temperatura ambiente varía la proporción de las fases citadas (ferrita y cementita). En los hipoeutectoides (fig. 3) aparecen colonias perlíticas (ferrita+cementita) alojadas en una matriz ferrítica (campos claros). En los hipereutectoides (fig. 4), las colonias perlíticas aparecen enmarcadas por la fase cementita que dibuja los contornos de los granos o cristales de una fase previa, llamada austenita, estable sólo a altas temperaturas en los a. al carbono (fig. 1). Éstas son fases y estructuras de equilibrio. Es decir, a ellas se llega enfriando lentamente un a. al carbono desde su estado fundido o desde la fase austenita. Las propiedades que ofrecen los a. en este estado (con esta microestructura) son suficientes para muchas aplica. ciones, pero son mejorables, desde el punto de vista mecánico, por tratamiento térmico.

Tratamiento térmico. La posibilidad de mejorar, de acuerdo con lo deseable, las propiedades mecánicas de los a. calentándolos hasta una determinada temperatura, manteniéndolos a esa temperatura durante cierto tiempo (recocido), enfriándolos con mayor o menor rapidez (temple), para volverlos a calentar, en algunos casos, a temperaturas moderadas (revenido), se funda en cuatro hechos: 1) la existencia de dos modificaciones alotrópicas para el Fe (v. HIERRO) (la alotrópía es una propiedad de algunos elementos químicos de presentarse, en estado sólido, en dos o más formas cristalinas; pasan de una a otra a una temperatura fija, como si se tratase de un cambio de estado): la forma y, que cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras, y la forma a, que lo hace en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (v. CRISTALOGRAFÍA). 2) La distinta solubilidad del C en cada una de estas formas. La forma y (fig. 1) puede llegar a disolver un 2% de C a 1.130° C (recocido) y la forma a, como máximo, un 0,025%, a 723° C; es decir, aproximadamente 100 veces menos. 3) La posibilidad de retener el C en forma de solución sólida sobresaturada por enfriamiento rápido (temple), aunque en estas condiciones la red ferrítica tenga que adoptar una forma tetragonal tensa, que presenta, como consecuencia, gran dureza (martensita). 4) Cuando esta solución sobresaturada, dura y frágil, se calienta por debajo de 723° C (revenido) (fig. 1), tiende a alcanzar la estructura de equilibrio formada por las fases ferrita+cementita, precipitándose ésta en forma de pequeñas partículas dispersas, con lo cual el a. conserva suficiente dureza y es, además, resistente y tenaz.

En todo caso, las posibles transformaciones como consecuencia de los tratamientos térmicos son función de la composición del a., de la temperatura y del tiempo. Bain inició estudios teniendo en cuenta estas variables y, siguiendo su pauta, se han trazado las llamadas curvas TTT (temperaturatiempotransformación) (figs. 5 y 6).

Con los a. al carbono que contienen entre 0,07 y 0,30% de C (a. suaves) se fabrican los productos laminados (chapas, flejes, perfiles), trefilados (vainillas e hilos), o extruidos (tubos), que se emplean en caapitería, carpintería metálica, calderería, estructuras metálicas, etc. Con los a. que contienen entre 0,3 y 0,6% de C (semisuaves) se fabrican grandes piezas forjadas (ejes, cigüeñales, cadenas, ganchos). Por encima del 0,6% de C se emplean en la fabricación de llantas y carriles ferroviarios, ballestas, cables, sierras, matrices para estampación, cortafríos, cizallas, brocas, etc.

Los a. al carbono tienen las siguientes limitaciones: 1) No es posible obtener resistencias a la tracción superiores a 75 Kg/mmz si, a la vez, interesa conservar unos valores mínimos de tenacidad y ductilidad. 2) No pueden templarse debidamente piezas de secciones grandes por baja templabilidad de estas aleaciones (la templabilidad es la propiedad de los a. de endurecerse por temple, referida a la profundidad que alcanza éste para una determinada sección). 3) Es preciso templarlos en agua para que el temple sea total; ello supone un evidente riesgo de deformación y agrietamiento. 4) Su resistencia a la corrosión y a la oxidación a elevadas temperaturas es pequeña.

Aceros aleados. Precisamente para superar estas limitaciones y poder atender las necesidades prácticas, se han desarrollado los a. aleados incorporando a los a. al carbono otros elementos como Ni, Cr, Mn, Mo, Si, W, V, Co, Cu, etc.

El efecto de estos elementos puede ser: a) Hacerlos más resistentes por incorporarse a la solución sólida y producir cierta distorsión en su estructura cristalina. b) Precipitar en forma de carburos complejos, asociados a la cementita, cuando se ha alcanzado el límite de su solubilidad en Fe (p. ej., el Mn, Cr, W, V). c) Provocar la separación del C en forma de grafito, lo que reduce considerablemente la resistencia, ductilidad y tenacidad del a. El Si, Ni y Al son elementos "grafitizantes" y este efecto se contrarresta añadiendo también elementos que forman carburos. d) Favorecer el crecimiento o el afino de los granos o cristales de la estructura. El Ni, p. ej., tiende a afinarlos, mientras que el Cr y el Si tienden a hacerlos mayores. e) Reducir el contenido en C para el cual aparecería la estructura eutectoide (perlita), por lo cual algunos a. aleados presentan en su microestructura más perlita de la que pudiera esperarse por su porcentaje en C. f) Elevar o bajar los puntos críticos de la transformación y>a, estabilizando la ferrita o la austenita, respectivamente. El Cr, S, W, V y Mo estabilizan la ferrita; el Ni, Mn, Co y Cu estabilizan la austenita. g) Hacer menores las velocidades críticas de enfriamiento aumentando la templabilidad del a. Por ello los a. debidamente aleados endurecen en mayor profundidad (mayores secciones) que los a. al C, templando enfriados en aceite, e incluso al aire.

Además de estos efectos, algunos elementos concretos pueden producir otros específicos como son: mejorar la resistencia a la corrosión (Cr); modificar las propiedades magnéticas (W, Co), o facilitar la "limpieza" del a., produciéndolo libre de impurezas.

Los a. tienen un futuro bien asegurado por la ventajosa combinación de propiedades y precio, fundamentado, desde hace aún pocos años, en el conocimiento científico de su fabricación y propiedades.

V. t.: HIERRO; SIDERURGIA; SIDEROMETALÚRGICA, INDUSTRIA.

FELIPE A. CALVO.

BIBL.: E. JIMENO y F. R. MORRAL, Metalurgia general: extractiva, física, mecánica y química, Madrid 1955; A. H. COTTRELL, An introduction to Metallurgy, Londres 1968; C. BODSWORTH, Physical Chemistry of ¡ron and steel manufacture, Londres 1963; J. APRAIz, Tratamientos térmicos de los aceros, Madrid 1961; íD, Aceros especiales, Madrid 1961; R. E. REEDHILL, Principios de Metalurgia física, México 1968; F. W. J. BAILEY, Fundamentals of Engineering Metallurgy, 2 ed. Londres 1964; E. R. PETTY, Physical Metallurgy of engineering materials, Londres dres 1968.