Aceros Estándar: Composición, Propiedades y Aplicaciones

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El acero es el término genérico para una gran familia de aleaciones de hierro-carbono que son maleables, dentro de algún rango de temperatura, inmediatamente después de la solidificación desde el estado fundido.

Las materias primas principales utilizadas en la fabricación de acero son mineral de hierro, carbón y 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, frágil e inadecuado para el procesamiento directo en formas forjadas. La fabricación de acero es el proceso de refinar el arrabio, así como chatarra de hierro y acero, eliminando elementos indeseables de la fundición y luego añadiendo elementos deseables en cantidades predeterminadas. Una reacción primaria en la mayoría de los procesos de fabricación de acero es la combinación de carbono con oxígeno para formar un gas. Si el oxígeno disuelto no se elimina de la fundición antes o durante el vaciado, los productos gaseosos continúan evolucionando durante la solidificación. Si el acero se desoxida fuertemente mediante la adición de elementos desoxidantes, no se produce gas y el acero se llama «acero muerto» porque yace tranquilamente en los moldes. Grados crecientes de evolución de gas (disminución de la desoxidación) caracterizan a los aceros llamados «semimuerto», «tapado» o «con borde». El grado de desoxidación afecta algunas de las propiedades del acero. Además del oxígeno, el acero líquido contiene cantidades medibles 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 centésimas de porcentaje hasta aproximadamente 1 %. Todos los aceros también contienen cantidades variables de otros elementos, principalmente manganeso, que actúa como desoxidante y facilita el trabajo en caliente. Silicio, fósforo y azufre también están siempre presentes, aunque solo sea en cantidades traza. Otros elementos pueden estar presentes, ya sea como residuales que no se añaden intencionalmente pero resultan de las materias primas o la práctica de fabricación de acero, o como elementos de aleación añadidos para efectuar cambios en las propiedades del acero.

Los aceros pueden fundirse en forma, o el lingote o la banda fundida pueden recalentarse y trabajarse en caliente mediante laminación, forja, extrusión u otros procesos para obtener una forma de molino forjado. Los aceros forjados son los materiales de ingeniería más utilizados, ofreciendo una multitud de formas, acabados, resistencias y rangos de temperatura utilizables. Ningún otro material ofrece una versatilidad comparable para el diseño de productos.

Clasificación Estándar de Aceros

Los aceros forjados pueden clasificarse sistemáticamente en grupos basados en alguna característica común, como composición química, práctica de desoxidación, método de acabado o forma de 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 en el acero, ningún elemento individual controla las características del acero. El efecto combinado de varios elementos influye en la respuesta al tratamiento térmico, dureza, resistencia, microestructura, resistencia a la corrosión y conformabilidad. 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 está limitado al 1,65 % (máx), silicio al 0,60 % (máx) y cobre al 0,60 % (máx). Con la excepción de desoxidantes y boro cuando se especifica, no se añaden intencionalmente otros elementos de aleación, pero pueden estar presentes como residuales. Si alguno de estos elementos incidentales se considera perjudicial para aplicaciones especiales, se pueden especificar límites máximos aceptables. En contraste con la mayoría de los aceros aleados, los aceros al carbono se usan más a menudo sin un tratamiento térmico final; sin embargo, pueden recocerse, normalizarse, cementarse o templarse y revenirse para mejorar la fabricación o propiedades mecánicas. Los aceros al carbono pueden ser muertos, semimuertos, tapados o con borde, y, cuando es 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 añadan elementos diferentes a los usados para el acero al carbono, dentro de rangos específicos o mínimos específicos, para mejorar propiedades mecánicas, características de fabricación u otro atributo del acero. Por esta definición, los aceros aleados abarcan todos los aceros que no son aceros al carbono; sin embargo, por convención, los aceros que contienen más del 3,99 % 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 (aproximadamente 1-4 %) y generalmente dependen de tratamientos térmicos para desarrollar propiedades mecánicas específicas. Los aceros aleados siempre son muertos, pero se pueden especificar prácticas especiales de desoxidación o fusión, incluido el vacío, para aplicaciones críticas especiales. Los aceros aleados generalmente requieren 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 a los aceros al carbono y aleados convencionales de baja aleación porque contienen cantidades relativamente grandes de cromo. Aunque otros elementos también pueden aumentar la resistencia a la corrosión, su utilidad en este sentido es limitada.

Los aceros inoxidables generalmente contienen al menos un 10 % de cromo, con o sin otros elementos. Ha sido costumbre en Estados Unidos, sin embargo, incluir en la clasificación de acero inoxidable aquellos aceros que contienen tan solo un 4 % de cromo. Juntos, estos aceros forman una familia conocida como aceros inoxidables y resistentes al calor, algunos de los cuales poseen una resistencia y resistencia a la oxidación muy altas. Pocos, sin embargo, 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 basados en sus estructuras: austeníticos, ferríticos y martensíticos. En cada uno de los tres grupos, hay una composición que representa la aleación básica de propósito 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 son no magnéticos en condición recocida, aunque algunos pueden volverse ligeramente magnéticos después del trabajo en frío. Solo pueden endurecerse por trabajo en frío, no por tratamiento térmico, y combinan una excelente resistencia a la corrosión y al calor con buenas propiedades mecánicas en un amplio rango de temperatura. Los grados austeníticos se clasifican further en dos subgrupos: los tipos cromo-níquel y los tipos cromo-manganeso-bajo níquel, menos utilizados. La composición básica en el grupo cromo-níquel es ampliamente conocida como 18-8 (Cr-Ni) y es el grado austenítico de propósito general. Este grado es la base para más de 20 modificaciones que se pueden caracterizar de la siguiente manera: la relación cromo-níquel se ha modificado para cambiar las características de conformado; el contenido de carbono se ha disminuido para prevenir la corrosión intergranular; se han añadido los elementos niobio o titanio para estabilizar la estructura; o se ha añadido molibdeno o se han aumentado los contenidos 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 en cierta medida 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 se restringen a un rango más estrecho de condiciones corrosivas que los grados austeníticos. El grado ferrítico básico contiene un 17 % de cromo. En esta serie, hay modificaciones de libre mecanizado y grados con mayor contenido de cromo para mejorar la resistencia a la descamación. También en este grupo ferrítico hay un acero con 12 % de cromo (la composición básica del grupo martensítico) con otros elementos, como aluminio o titanio, añadidos para prevenir el endurecimiento.

Los grados martensíticos estándar son magnéticos y pueden endurecerse por temple y revenido. Contienen cromo y, con dos excepciones, no níquel. El grado martensítico básico normalmente contiene un 12 % de cromo. Hay más de 10 composiciones estándar en la serie martensítica; algunas se modifican para mejorar la mecanizabilidad y otras tienen pequeñas adiciones de níquel u otros elementos para mejorar las propiedades mecánicas o su respuesta al tratamiento térmico. Otras aún tienen un contenido de carbono muy aumentado, en el rango de aceros para herramientas, y son endurecibles a los niveles más altos de todos los aceros inoxidables. Los grados martensíticos son excelentes para servicio en ambientes suaves como la atmósfera, agua dulce, vapor y ácidos débiles, pero no son resistentes a soluciones severamente corrosivas.

Sistemas de Numeración para Metales y Aleaciones

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

El Sistema Unificado de Numeración (UNS) se desarrolló mediante un esfuerzo conjunto de ASTM y 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 usa más de un número de identificación para especificar el mismo material, o cuando el mismo número se asigna a dos materiales completamente diferentes. Es importante entender que un número UNS no es una especificación; es un número de identificación para metales y aleaciones para los cuales las especificaciones detalladas se proporcionan en otra parte. Los números UNS se muestran en la Tabla 1; cada número consiste en un prefijo de letra seguido de cinco dígitos. En algunos, la letra sugiere la familia de metales identificada 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 aceros al carbono comunes, aleados y para herramientas se dan en la Tabla 2.

Resumen

Este artículo describió los principales tipos de aceros estándar. Obtenga más información sobre las propiedades de los materiales en el Manual de Maquinaria, 30.ª Edición, publicado y disponible en Industrial Press en Amazon.

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