Propiedades, composiciones y aplicaciones de los aceros estándar

Acero es el término genérico para una gran familia de aleaciones de hierro y carbono que son maleables, dentro de cierto rango de temperatura, inmediatamente después de la solidificación del estado fundido.

Las principales materias primas utilizadas en la fabricación de acero son el mineral de hierro, el carbón y la piedra caliza. Estos materiales se convierten en un alto horno en un producto conocido como "arrabio", que contiene cantidades considerables de carbono, manganeso, azufre, fósforo y silicio. El arrabio es duro, quebradizo e inadecuado para el procesamiento directo en formas forjadas. La fabricación de acero es el proceso de refinación de arrabio y chatarra de hierro y acero mediante la eliminación de elementos indeseables de la masa fundida y luego la adición de elementos deseables en cantidades predeterminadas. Una reacción principal en la mayor parte de la fabricación de acero es la combinación de carbono con oxígeno para formar un gas. Si el oxígeno disuelto no se elimina de la masa fundida antes o durante el vertido, los productos gaseosos continúan desprendiéndose durante la solidificación. Si el acero se desoxida intensamente mediante la adición de elementos desoxidantes, no se desprende gas y se dice que el acero está "muerto" porque permanece quieto en los moldes. Los grados crecientes de desprendimiento de gas (disminución de la desoxidación) caracterizan a los aceros llamados "semicalificados", "rematados" o "con borde". El grado de desoxidación afecta algunas de las propiedades del acero. Además de oxígeno, el acero líquido contiene cantidades mensurables de hidrógeno y nitrógeno disueltos. Para algunas aplicaciones críticas de acero, se pueden usar prácticas especiales de desoxidación y tratamientos de vacío para reducir y controlar los gases disueltos.

El contenido de carbono de los grados de acero comunes varía desde unas pocas centésimas de un por ciento hasta alrededor del 1 por ciento. Todos los aceros contienen también cantidades variables de otros elementos, principalmente manganeso, que actúa como desoxidante y facilita el trabajo en caliente. El silicio, el fósforo y el azufre también están siempre presentes, aunque solo sea en cantidades mínimas. Pueden estar presentes otros elementos, ya sea como residuos que no se agregan intencionalmente pero que resultan de las materias primas o de la práctica de fabricación de acero, o como elementos de aleación agregados para efectuar cambios en las propiedades del acero.

Los aceros se pueden moldear para darles forma, o el lingote o la hebra fundidos se pueden recalentar y trabajar en caliente mediante laminado, forjado, extrusión u otros procesos en una forma de molino forjado. Los aceros forjados son los materiales de ingeniería más utilizados y ofrecen una multitud de formas, acabados, resistencias y rangos de temperatura utilizables. Ningún otro material ofrece una versatilidad comparable para el diseño de productos.

Clasificación de acero estándar

Los aceros forjados pueden clasificarse sistemáticamente en grupos según alguna característica común, como la composición química, la práctica de desoxidación, el método de acabado o la forma del producto. La composición química es la base más utilizada para identificar y asignar designaciones estándar a los aceros forjados. Aunque el carbono es el principal elemento de endurecimiento y fortalecimiento del acero, ningún elemento por sí solo controla las características del acero. El efecto combinado de varios elementos influye en la respuesta al tratamiento térmico, la dureza, la resistencia, la microestructura, la resistencia a la corrosión y la formabilidad. Los aceros estándar se pueden dividir ampliamente en tres grupos principales:aceros al carbono, aceros aleados y aceros inoxidables.

Aceros al carbono

Un acero califica como acero al carbono cuando su contenido de manganeso se limita a 1,65 por ciento (máximo), silicio a 0,60 por ciento (máximo) y cobre a 0,60 por ciento (máximo). Con la excepción de los desoxidantes y el boro cuando se especifica, no se agregan intencionalmente otros elementos de aleación, pero pueden estar presentes como residuos. Si alguno de estos elementos incidentales se considera perjudicial para aplicaciones especiales, se pueden especificar límites máximos aceptables. A diferencia de la mayoría de los aceros aleados, los aceros al carbono se utilizan con mayor frecuencia sin un tratamiento térmico final; sin embargo, pueden recocerse, normalizarse, cementarse o templarse y revenirse para mejorar las propiedades mecánicas o de fabricación. Los aceros al carbono se pueden matar, semimatar, tapar o bordear y, cuando sea necesario, se puede especificar el método de desoxidación.

Aceros aleados

Los aceros aleados comprenden no solo aquellos grados que superan los límites de contenido de elementos para el acero al carbono, sino también cualquier grado al que se le agreguen elementos diferentes a los utilizados para el acero al carbono, dentro de rangos específicos o mínimos específicos, para mejorar las propiedades mecánicas, las características de fabricación o cualquier otro atributo del acero. Según esta definición, los aceros aleados abarcan todos los aceros distintos de los aceros al carbono; sin embargo, por convención, los aceros que contienen más del 3,99 por ciento de cromo se consideran "tipos especiales" de acero aleado, que incluyen los aceros inoxidables y muchos de los aceros para herramientas.

En un sentido técnico, el término acero aleado se reserva para aquellos aceros que contienen una cantidad modesta de elementos de aleación (alrededor de 1 a 4 por ciento) y generalmente dependen de tratamientos térmicos para desarrollar propiedades mecánicas específicas. Los aceros aleados siempre se matan, pero se pueden especificar prácticas especiales de desoxidación o fusión, incluido el vacío, para aplicaciones críticas especiales. Los aceros aleados generalmente requieren un cuidado adicional durante su fabricación porque son más sensibles a las operaciones térmicas y mecánicas.

Aceros Inoxidables

Los aceros inoxidables son aceros de alta aleación y tienen una resistencia a la corrosión superior al carbono y los aceros convencionales de baja aleación porque contienen cantidades relativamente grandes de cromo. Aunque otros elementos también pueden aumentar la resistencia a la corrosión, su utilidad a este respecto es limitada.

Los aceros inoxidables generalmente contienen al menos un 10 por ciento de cromo, con o sin otros elementos. Sin embargo, ha sido costumbre en los Estados Unidos incluir en la clasificación del acero inoxidable aquellos aceros que contienen tan solo un 4 por ciento de cromo. Juntos, estos aceros forman una familia conocida como aceros inoxidables y aceros resistentes al calor, algunos de los cuales poseen muy alta resistencia y resistencia a la oxidación. Sin embargo, pocos contienen más del 30 % de cromo o menos del 50 % de hierro.

En el sentido más amplio, los aceros inoxidables estándar se pueden dividir en tres grupos en función de sus estructuras:austenítico, ferrítico y martensítico. En cada uno de los tres grupos, hay una composición que representa la aleación básica de uso general. Todas las demás composiciones se derivan de la aleación básica, con variaciones específicas en la composición para obtener propiedades muy específicas.

Los grados austeníticos no son magnéticos en estado recocido, aunque algunos pueden volverse ligeramente magnéticos después del trabajo en frío. Pueden endurecerse solo por trabajo en frío, y no por tratamiento térmico, y combinan una excelente resistencia a la corrosión y al calor con buenas propiedades mecánicas en un amplio rango de temperaturas. Los grados austeníticos se clasifican además en dos subgrupos:los tipos de cromo-níquel y los tipos de cromo-manganeso-bajo-níquel menos utilizados. La composición básica en el grupo de cromo-níquel es ampliamente conocida como 18-8 (Cr-Ni) y es el grado austenítico de uso general. Este grado es la base de más de 20 modificaciones que se pueden caracterizar de la siguiente manera:la relación cromo-níquel se ha modificado para cambiar las características de formación; el contenido de carbono se ha reducido para evitar la corrosión intergranular; se han añadido los elementos niobio o titanio para estabilizar la estructura; o se ha agregado molibdeno o se ha aumentado el contenido de cromo y níquel para mejorar la resistencia a la corrosión o la oxidación.

Los grados ferríticos estándar son siempre magnéticos y contienen cromo pero no níquel. Pueden endurecerse hasta cierto punto por trabajo en frío, pero no por tratamiento térmico, y combinan resistencia a la corrosión y al calor con propiedades mecánicas moderadas y atractivo decorativo. Los grados ferríticos generalmente están restringidos a un rango más estrecho de condiciones corrosivas que los grados austeníticos. El grado ferrítico básico contiene 17 por ciento de cromo. En esta serie, hay modificaciones y calidades de mecanizado libre con mayor contenido de cromo para mejorar la resistencia a la incrustación. También en este grupo ferrítico hay un 12 por ciento de acero al cromo (la composición básica del grupo martensítico) con otros elementos, como aluminio o titanio, agregados para evitar el endurecimiento.

Los grados martensíticos estándar son magnéticos y pueden endurecerse mediante temple y revenido. Contienen cromo y, con dos excepciones, no contienen níquel. El grado martensítico básico normalmente contiene 12 por ciento de cromo. Hay más de 10 composiciones estándar en la serie martensítica; algunos están modificados para mejorar la maquinabilidad y otros tienen pequeñas adiciones de níquel u otros elementos para mejorar las propiedades mecánicas o su respuesta al tratamiento térmico. Otros tienen un contenido de carbono mucho mayor, en el rango de acero para herramientas, y son templables a los niveles más altos de todos los aceros inoxidables. Los grados martensíticos son excelentes para el servicio en ambientes templados como la atmósfera, agua dulce, vapor y ácidos débiles, pero no son resistentes a soluciones severamente corrosivas.

Sistemas de numeración para metales y aleaciones

Varias asociaciones comerciales, sociedades profesionales de ingeniería, organizaciones de normalización e industrias privadas han desarrollado varios sistemas de numeración diferentes para metales y aleaciones para su propio uso. El código numérico utilizado para identificar el metal o la aleación puede o no estar relacionado con una especificación, que es una declaración de los requisitos técnicos y comerciales que debe cumplir el producto. Los sistemas de numeración en uso incluyen los desarrollados por el Instituto Estadounidense del Hierro y el Acero (AISI), la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM), el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI), la Sociedad de Fundadores del Acero de América, Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Sociedad Estadounidense de Soldadura (AWS), Asociación de Aluminio, Asociación de Desarrollo del Cobre, Departamento de Defensa de EE. UU. (Especificaciones militares) y la Oficina de Contabilidad General (Especificaciones federales).

El Sistema de Numeración Unificado (UNS) fue desarrollado a través de un esfuerzo conjunto de la ASTM y la SAE para proporcionar un medio de correlacionar los diferentes sistemas de numeración para metales y aleaciones que tienen una posición comercial. Este sistema evita la confusión causada cuando se utiliza más de un número de identificación para especificar el mismo material, o cuando se asigna el mismo número a dos materiales completamente diferentes. Es importante comprender que un número UNS no es una especificación; es un número de identificación para metales y aleaciones para los cuales se proporcionan especificaciones detalladas en otro lugar. Los números UNS se muestran en la Tabla 1; cada número consta de un prefijo de letra seguido de cinco dígitos. En algunos, la letra sugiere la familia de metales identificados por la serie, como A para aluminio y C para cobre. Siempre que sea posible, los números en los grupos UNS contienen secuencias de numeración tomadas directamente de otros sistemas para facilitar la identificación del material; por ejemplo, el número UNS correspondiente para el acero AISI 1020 es G10200. Los números UNS correspondientes a los números AISI-SAE comúnmente utilizados para identificar los aceros al carbono, aleados y para herramientas se proporcionan en la Tabla 2.

Resumen

Este artículo describe los principales tipos de aceros estándar. Obtenga más información sobre las propiedades de los materiales en Machinery's Handbook, 30th Edition, que está publicado y disponible en Industrial Press en Amazon.

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