Acero carbono

Aceros
Fases
Ferrito Austenita Cementita Martensita Grafito
Microestructuras
Esferoidita Perlita Bainita Ledeburita Martensita templada Estructuras de Widmanstätten
Clases
Acero de crisol Acero carbono Acero para muelles Acero aleado Acero maraging Acero inoxidable Acero de alta velocidad Acero resistente a la intemperie Acero para herramientas
Otros materiales a base de hierro
Hierro fundido Hierro gris Hierro blanco Hierro dúctil Hierro maleable Hierro forjado

El acero al carbono es un acero con un contenido de carbono de entre el 0,05 y el 2,1 por ciento en peso. La definición de acero al carbono del Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) establece lo siguiente:

• no se especifica ni se requiere ningún contenido mínimo de cromo , cobalto , molibdeno , níquel , niobio , titanio , tungsteno , vanadio , circonio o cualquier otro elemento que deba añadirse para obtener un efecto de aleación deseado;
• el mínimo especificado para el cobre no excede del 0,40%;
• o el máximo especificado para cualquiera de los siguientes elementos no exceda los porcentajes indicados: manganeso 1,65%; silicio 0,60%; cobre 0,60%. ^[1]

El término acero al carbono también puede utilizarse en referencia a un acero que no sea acero inoxidable ; en este sentido, el acero al carbono puede incluir aceros aleados . El acero con alto contenido de carbono tiene muchos usos diferentes, como fresadoras, herramientas de corte (como cinceles ) y alambres de alta resistencia. Estas aplicaciones requieren una microestructura mucho más fina, lo que mejora la tenacidad.

A medida que aumenta el porcentaje de contenido de carbono, el acero tiene la capacidad de volverse más duro y resistente mediante el tratamiento térmico ; sin embargo, se vuelve menos dúctil . Independientemente del tratamiento térmico, un mayor contenido de carbono reduce la soldabilidad . En los aceros al carbono, el mayor contenido de carbono reduce el punto de fusión. ^[2]

El acero al carbono suele dividirse en dos categorías principales: acero con bajo contenido de carbono y acero con alto contenido de carbono. También puede contener otros elementos, como manganeso, fósforo, azufre y silicio, que pueden afectar a sus propiedades. El acero al carbono se puede mecanizar y soldar fácilmente, lo que lo hace versátil para diversas aplicaciones. También se puede tratar térmicamente para mejorar su resistencia, dureza y durabilidad.

El acero al carbono es susceptible al óxido y la corrosión, especialmente en entornos con altos niveles de humedad y/o sal. Se puede proteger de la corrosión revistiéndolo con pintura, barniz u otro material protector. Alternativamente, se puede fabricar a partir de una aleación de acero inoxidable que contenga cromo, que proporciona una excelente resistencia a la corrosión. El acero al carbono se puede alear con otros elementos para mejorar sus propiedades, por ejemplo, añadiendo cromo y/o níquel para mejorar su resistencia a la corrosión y la oxidación o añadiendo molibdeno para mejorar su resistencia y tenacidad a altas temperaturas.

Es un material respetuoso con el medio ambiente, ya que es fácilmente reciclable y puede reutilizarse en diversas aplicaciones. Su producción es eficiente desde el punto de vista energético, ya que requiere menos energía que otros metales como el aluminio y el cobre. ^{[ cita requerida ]}

El acero dulce (hierro que contiene un pequeño porcentaje de carbono, fuerte y resistente pero que no se templa fácilmente), también conocido como acero al carbono simple y acero con bajo contenido de carbono, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y al mismo tiempo proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero dulce contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,30 % de carbono ^[1], lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de moldear. La dureza de la superficie se puede aumentar con la carburación . ^[3]

La densidad del acero dulce es de aproximadamente 7,85 g/cm3 ⁽ 7850 kg/m3 ^; 0,284 lb/cu in) ^[4] y el módulo de Young es de 200 GPa (29 × 10 ⁶  psi). ^[5]^

Los aceros con bajo contenido de carbono ^[6] presentan un punto de fluencia fuera de límite cuando el material tiene dos puntos de fluencia . El primer punto de fluencia (o punto de fluencia superior) es más alto que el segundo y el límite de fluencia cae drásticamente después del punto de fluencia superior. Si un acero con bajo contenido de carbono solo se somete a tensión hasta cierto punto entre el punto de fluencia superior e inferior, la superficie desarrolla bandas de Lüder . ^[7] Los aceros con bajo contenido de carbono contienen menos carbono que otros aceros y son más fáciles de conformar en frío, lo que los hace más fáciles de manipular. ^[3] Las aplicaciones típicas del acero con bajo contenido de carbono son las piezas de automóviles, las tuberías, la construcción y las latas de alimentos. ^[8]

Los aceros de alta resistencia son de bajo contenido de carbono, o aceros en el extremo inferior del rango de carbono medio, ^{[ cita requerida ]} que tienen ingredientes de aleación adicionales para aumentar su resistencia, propiedades de desgaste o específicamente resistencia a la tracción . Estos ingredientes de aleación incluyen cromo , molibdeno , silicio , manganeso , níquel y vanadio . Las impurezas como el fósforo y el azufre tienen su contenido máximo permitido restringido.

• Acero 41xx
  • Acero 4140
  • Acero 4145
• Acero 4340
  • Acero 300M
• Acero EN25 – Acero al 2,521% níquel-cromo-molibdeno
• Acero EN26

Los aceros al carbono que pueden someterse con éxito al tratamiento térmico tienen un contenido de carbono en el rango de 0,30 a 1,70 % en peso. Las impurezas traza de varios otros elementos pueden afectar significativamente la calidad del acero resultante. Las cantidades traza de azufre en particular hacen que el acero sea rojo-corto , es decir, quebradizo y desmenuzable a altas temperaturas de trabajo. El acero al carbono de baja aleación, como el grado A36 , contiene aproximadamente 0,05 % de azufre y se funde alrededor de 1426 a 1538 °C (2600 a 2800 °F). ^[9] A menudo se agrega manganeso para mejorar la templabilidad de los aceros con bajo contenido de carbono. Estas adiciones convierten el material en un acero de baja aleación según algunas definiciones, pero la definición de acero al carbono de AISI permite hasta 1,65 % de manganeso en peso. Hay dos tipos de aceros con mayor contenido de carbono que son el acero con alto contenido de carbono y el acero con ultra alto contenido de carbono. La razón del uso limitado de acero con alto contenido de carbono es que tiene una ductilidad y soldabilidad extremadamente bajas y tiene un costo de producción más alto. Las aplicaciones más adecuadas para los aceros con alto contenido de carbono son su uso en la industria de resortes, la industria agrícola y en la producción de una amplia gama de alambres de alta resistencia. ^{[10] [11]}

El siguiente método de clasificación se basa en la norma estadounidense AISI/SAE . Otras normas internacionales incluyen DIN (Alemania), GB (China), BS/EN (Reino Unido), AFNOR (Francia), UNI (Italia), SS (Suecia), UNE (España), JIS (Japón), ASTM y otras.

El acero al carbono se divide en cuatro clases según el contenido de carbono: ^[1]

El acero con bajo contenido de carbono tiene entre un 0,05 y un 0,15 % de contenido de carbono (acero al carbono simple). ^[1]

El acero de medio carbono tiene un contenido de carbono de aproximadamente 0,3 a 0,5 %. ^[1] Equilibra la ductilidad y la resistencia y tiene buena resistencia al desgaste. Se utiliza para piezas grandes, forjado y componentes automotrices. ^{[12] [13]}

El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente entre un 0,6 y un 1,0 % de contenido de carbono. ^[1] Es muy resistente y se utiliza para resortes, herramientas de filo y alambres de alta resistencia. ^[14]

El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente entre un 1,25 % y un 2,0 % de contenido de carbono. ^[1] Aceros que se pueden templar hasta alcanzar una gran dureza. Se utilizan para fines especiales, como cuchillos (no industriales), ejes y punzones . La mayoría de los aceros con más de un 2,5 % de contenido de carbono se fabrican mediante pulvimetalurgia .

El objetivo del tratamiento térmico del acero al carbono es cambiar las propiedades mecánicas del acero, generalmente la ductilidad, la dureza, el límite elástico o la resistencia al impacto. Nótese que la conductividad eléctrica y térmica solo se modifican ligeramente. Como ocurre con la mayoría de las técnicas de fortalecimiento del acero, el módulo de Young (elasticidad) no se ve afectado. Todos los tratamientos del acero intercambian ductilidad por mayor resistencia y viceversa. El hierro tiene una mayor solubilidad para el carbono en la fase austenítica ; por lo tanto, todos los tratamientos térmicos, excepto la esferoidización y el recocido de proceso, comienzan calentando el acero a una temperatura en la que pueda existir la fase austenítica. Luego, el acero se enfría (se extrae el calor) a una velocidad moderada a baja, lo que permite que el carbono se difunda fuera de la austenita formando carburo de hierro (cementita) y dejando ferrita, o a una velocidad alta, atrapando el carbono dentro del hierro formando así martensita. La velocidad a la que se enfría el acero hasta la temperatura eutectoide (aproximadamente 727 °C o 1341 °F) afecta la velocidad a la que el carbono se difunde fuera de la austenita y forma cementita. En términos generales, un enfriamiento rápido dejará el carburo de hierro finamente disperso y producirá una perlita de grano fino y un enfriamiento lento dará una perlita más gruesa. El enfriamiento de un acero hipoeutectoide (menos de 0,77 % en peso de C) da como resultado una estructura laminar-perlítica de capas de carburo de hierro con ferrita α (hierro casi puro) entre ellas. Si es un acero hipereutectoide (más de 0,77 % en peso de C), entonces la estructura es perlita completa con granos pequeños (más grandes que la lámina de perlita) de cementita formada en los límites de grano. Un acero eutectoide (0,77 % de carbono) tendrá una estructura de perlita en todos los granos sin cementita en los límites. Las cantidades relativas de los componentes se encuentran utilizando la regla de la palanca . A continuación se muestra una lista de los tipos de tratamientos térmicos posibles:

Esferoidización

La esferoidita se forma cuando el acero al carbono se calienta a aproximadamente 700 °C (1300 °F) durante más de 30 horas. La esferoidita se puede formar a temperaturas más bajas, pero el tiempo necesario aumenta drásticamente, ya que se trata de un proceso controlado por difusión. El resultado es una estructura de varillas o esferas de cementita dentro de una estructura primaria (ferrita o perlita, según el lado del eutectoide en el que se encuentre). El propósito es ablandar los aceros con mayor contenido de carbono y permitir una mayor conformabilidad. Esta es la forma más blanda y dúctil del acero. ^[15]

Recocido completo

El acero al carbono se calienta a aproximadamente 400 °C (750 °F) durante 1 hora; esto garantiza que toda la ferrita se transforme en austenita (aunque aún podría existir cementita si el contenido de carbono es mayor que el eutectoide). Luego, el acero debe enfriarse lentamente, en el rango de 20 °C (36 °F) por hora. Por lo general, solo se enfría en el horno, donde el horno se apaga con el acero todavía dentro. Esto da como resultado una estructura perlítica gruesa, lo que significa que las "bandas" de perlita son gruesas. ^[16] El acero completamente recocido es blando y dúctil , sin tensiones internas, lo que a menudo es necesario para un conformado rentable. Solo el acero esferoidizado es más blando y dúctil. ^[17]

Recocido de proceso

Proceso utilizado para aliviar la tensión en un acero al carbono trabajado en frío con menos de 0,3 % de C. El acero se suele calentar a entre 550 y 650 °C (1000 y 1200 °F) durante 1 hora, pero a veces se alcanzan temperaturas de hasta 700 °C (1300 °F). La imagen de arriba muestra el área de recocido del proceso.

Recocido isotérmico

Es un proceso en el que el acero hipoeutectoide se calienta por encima de la temperatura crítica superior. Esta temperatura se mantiene durante un tiempo y luego se reduce por debajo de la temperatura crítica inferior y se mantiene nuevamente. Luego se enfría a temperatura ambiente. Este método elimina cualquier gradiente de temperatura.

Normalizando

El acero al carbono se calienta a aproximadamente 550 °C (1000 °F) durante 1 hora; esto garantiza que el acero se transforme completamente en austenita. Luego, el acero se enfría con aire, lo que supone una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 38 °C (100 °F) por minuto. Esto da como resultado una estructura perlítica fina y una estructura más uniforme. El acero normalizado tiene una mayor resistencia que el acero recocido; tiene una resistencia y una dureza relativamente altas. ^[18]

Temple

El acero al carbono con al menos 0,4 % en peso de C se calienta a temperaturas de normalización y luego se enfría rápidamente (se templa) en agua, salmuera o aceite hasta la temperatura crítica. La temperatura crítica depende del contenido de carbono, pero como regla general es menor a medida que aumenta el contenido de carbono. Esto da como resultado una estructura martensítica; una forma de acero que posee un contenido de carbono supersaturado en una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) deformada, denominada apropiadamente tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), con mucha tensión interna. Por lo tanto, el acero templado es extremadamente duro pero frágil , generalmente demasiado frágil para fines prácticos. Estas tensiones internas pueden causar grietas por tensión en la superficie. El acero templado es aproximadamente tres veces más duro (cuatro con más carbono) que el acero normalizado. ^[19]

Martemperado (marquenching)

El martemperado no es en realidad un procedimiento de templado, de ahí el término marquenching . Es una forma de tratamiento térmico isotérmico aplicado después de un enfriamiento inicial, normalmente en un baño de sal fundida, a una temperatura justo por encima de la "temperatura de inicio de la martensita". A esta temperatura, se alivian las tensiones residuales dentro del material y se puede formar algo de bainita a partir de la austenita retenida que no tuvo tiempo de transformarse en otra cosa. En la industria, este es un proceso utilizado para controlar la ductilidad y dureza de un material. Con un marquenching más prolongado, la ductilidad aumenta con una pérdida mínima de resistencia; el acero se mantiene en esta solución hasta que las temperaturas interna y externa de la pieza se igualan. Luego, el acero se enfría a una velocidad moderada para mantener el gradiente de temperatura mínimo. Este proceso no solo reduce las tensiones internas y las grietas por tensión, sino que también aumenta la resistencia al impacto. ^[20]

Templado

Este es el tratamiento térmico más común, ya que las propiedades finales se pueden determinar con precisión mediante la temperatura y el tiempo de revenido. El revenido implica recalentar el acero templado a una temperatura inferior a la temperatura eutectoide y luego enfriarlo. La temperatura elevada permite que se formen cantidades muy pequeñas de esferoidita, lo que restaura la ductilidad pero reduce la dureza. Las temperaturas y los tiempos reales se eligen cuidadosamente para cada composición. ^[21]

Temple austenítico

El proceso de austemperización es el mismo que el de martemperización, excepto que se interrumpe el enfriamiento y el acero se mantiene en el baño de sal fundida a temperaturas entre 205 y 540 °C (400 y 1000 °F), y luego se enfría a una velocidad moderada. El acero resultante, llamado bainita, produce una microestructura acicular en el acero que tiene gran resistencia (pero menor que la martensita), mayor ductilidad, mayor resistencia al impacto y menos distorsión que el acero martensita. La desventaja de la austemperización es que solo se puede utilizar en unas pocas láminas de acero y requiere un baño de sal especial. ^[22]

Los procesos de cementación endurecen únicamente el exterior de la pieza de acero, creando una capa dura y resistente al desgaste (la "capa") pero conservando un interior resistente y dúctil. Los aceros al carbono no son muy templables , lo que significa que no se pueden endurecer en secciones gruesas. Los aceros aleados tienen una mejor templabilidad, por lo que se pueden endurecer completamente y no requieren cementación. Esta propiedad del acero al carbono puede ser beneficiosa, porque le da a la superficie buenas características de desgaste pero deja el núcleo flexible y con capacidad de absorción de impactos.

^[23]

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Acero al carbono .

• DeGarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (novena edición), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Oberg, E.; y col. (1996), Manual de maquinaria (25.ª edición), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de materiales (4.ª ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.