El acero es el material de ingeniería y construcción más esencial del mundo y aparece en todos los aspectos de nuestras vidas, incluidos los electrodomésticos, los vehículos y diversos productos de construcción. Aunque consideramos el acero como un metal individual, no es un producto único ni técnicamente un metal.
De hecho, existen más de 3500 grados de acero con diferentes propiedades físicas, químicas y ambientales. Y para ser exactos, el acero es una aleación, lo que significa que no es un elemento puro, por lo que en realidad no es un metal. Está compuesto de hierro, un metal, pero el carbono que se utiliza para producir acero elimina su clasificación como metal.
La mayor parte del acero actual se desarrolló en los últimos 20 años, lo que lo hace más resistente pero hasta un 35% más liviano que en el pasado. Entonces, si una estructura más antigua como la Torre Eiffel fuera reconstruida hoy, ¡se necesitaría alrededor de un tercio del acero utilizado inicialmente!
¿Cómo se produce el acero?
Para empezar, el hierro se produce eliminando oxígeno y otras impurezas del mineral de hierro. Combinado con carbono, acero reciclado y pequeñas cantidades de diferentes elementos, se convierte en acero. El contenido de carbono del acero es de alrededor del 2%, y el resto son pequeñas cantidades de manganeso, silicio, fósforo, azufre y oxígeno.
El acero se produce utilizando dos métodos principales: el alto horno con oxígeno básico (BF-BOF) y el horno de arco eléctrico (EAF). La diferencia entre los métodos radica en el tipo de materia prima que consumen. Para BF-BOF, los materiales son mineral de hierro, carbón y acero reciclado, mientras que EAF utiliza acero reciclado y electricidad.
Aproximadamente el 70% del acero se produce mediante el método BF-BOF. El mineral de hierro primero se reduce a hierro y se convierte en acero en el horno de oxígeno básico. Después de fundir y laminar, el acero se entrega en forma de bobinas, placas o barras.
El acero fabricado en un horno de arco eléctrico utiliza electricidad para fundir el acero reciclado, mientras que se añaden aleaciones para ajustarlo a la composición química deseada. Varios procesos posteriores, incluidos la fundición, el recalentamiento y la laminación, son similares al método BF-BOF.
Características generales del acero
El acero tiene las siguientes características comunes:
- Resistencia: El acero es un material de alta resistencia, específicamente a tracción, ideal para cargas estructurales.
- Durabilidad: El acero es muy duradero y permanece rígido durante más de 100 años o más.
- Versatilidad: El acero es un material increíblemente versátil, y sus distintos grados tienen miles de aplicaciones.
- Maquinabilidad: la mayoría de los grados de acero son mecanizables, mientras que los grados de acero de fácil mecanización son altamente mecanizables.
- Soldabilidad: algunos grados de acero necesitan procedimientos de soldadura especiales, pero la mayoría son fácilmente soldables.
- Resistencia a la corrosión: si el acero se alea con cromo, níquel y molibdeno, resistirá mejor la corrosión.
- Conductividad: el acero suele tener una conductividad térmica y eléctrica más baja que otros metales, pero a menudo se utiliza como material de protección robusto y resistente al calor.
- Reciclaje: El acero es totalmente reciclable.
¿Cuáles son los diferentes tipos de acero?
El acero es uno de los materiales más versátiles y valiosos, compuesto principalmente de hierro (Fe) y carbono (C), y ofrece más de 3500 grados que contienen numerosas combinaciones de hierro y carbono. Las características y resistencia del acero se ven afectadas por esas mezclas y la inclusión de otros elementos, dándole al acero infinitas aplicaciones.
A continuación se detallan los cuatro tipos principales de acero, cómo se clasifican y los métodos de tratamiento térmico que mejoran sus propiedades mecánicas:
Acero carbono
Además de carbono y hierro, los aceros al carbono contienen pequeñas cantidades de otros componentes. Son los más comunes de los cuatro grados de acero y representan el 90% de la producción total de acero. El acero al carbono se clasifica en tres subgrupos según la cantidad de carbono del metal:
- Aceros bajos en carbono o aceros suaves (hasta 0,3% de carbono)
- Aceros de medio carbono (0,3–0,6% de carbono)
- Aceros con alto contenido de carbono (más del 0,6% de carbono)
Los fabricantes de acero producen estos aceros al carbono en grandes cantidades, ya que son relativamente económicos y lo suficientemente versátiles para proyectos de construcción a gran escala.
Aleación de acero
Los aceros aleados combinan acero con otros elementos de aleación como níquel, cobre, cromo o aluminio. La combinación de estos elementos aumenta la resistencia, la dureza, la ductilidad, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, la maquinabilidad y la tenacidad. Los elementos de aleación añadidos a la estructura base de hierro y carbono normalmente no suman más del 5% de la composición del acero aleado.
Acero inoxidable
Los grados de acero inoxidable están aleados con entre un 10% y un 20% de cromo, níquel, silicio, manganeso y carbono. Debido a su mayor capacidad para soportar condiciones climáticas adversas, estos aceros tienen una alta resistencia a la corrosión y son seguros para la construcción en exteriores. Los grados de acero inoxidable también se utilizan habitualmente en dispositivos eléctricos.
Por ejemplo, el acero inoxidable 304 se usa ampliamente por su capacidad para tolerar el medio ambiente y al mismo tiempo mantener seguros los materiales eléctricos.
Aunque en la construcción de edificios se utilizan varios grados de acero inoxidable, incluido el acero inoxidable 304, a menudo se elige por sus propiedades sanitarias. Ejemplos de estas aplicaciones incluyen tuberías, recipientes a presión, dispositivos médicos, maquinaria de procesamiento de alimentos e instrumentos de corte.
Herramienta de acero
Como sugiere el nombre, el acero para herramientas es excelente para equipos de perforación y herramientas de corte. Agregar tungsteno, cobalto, molibdeno y vanadio mejora la resistencia al calor y la durabilidad general del material. Dado que mantiene su forma a pesar del uso excesivo, se prefiere el acero para herramientas para la mayoría de las herramientas manuales.
Clasificaciones de acero adicionales
Además de los cuatro grupos, el acero suele clasificarse utilizando diferentes variables, entre ellas:
- Método de acabado: laminado en caliente, laminado en frío, acabado en frío, etc.
- Composición: gama de carbono, aleación, inoxidable, etc.
- Método de producción: horno de arco eléctrico, horno de oxígeno básico, etc.
- Microestructura: austenítica, ferrítica, perlítica, martensítica, etc.
- Fuerza física: usando estándares ASTM
- Proceso de desoxidación: muerto o semi-muerto
- Tratamiento térmico: recocido, revenido, normalizado, etc.
- Nomenclatura de calidad: calidad comercial, calidad de recipiente a presión, calidad de embutición, etc.
Métodos de calentamiento y endurecimiento del acero.
Como se mencionó, el acero es una aleación fabricada a partir de hierro y otros elementos. Los diferentes tipos de acero dependen de qué otras piezas se utilicen junto con el hierro.
A efectos de control de calidad, para que una aleación se denomine acero, debe cumplir todo lo siguiente:
- Aluminio
- Carbón
- Manganeso
- Nitrógeno
- Oxígeno
- Fósforo
- Silicio
- Azufre
Aunque se pueden agregar otros elementos para cambiar las propiedades del acero, esos ocho deben estar presentes. Las proporciones de estos elementos afectan la dureza, durabilidad, flexibilidad, etc. del acero. El acero está diseñado para su aplicación utilizando estos elementos, pero la aleación de metal debe someterse a un proceso de tratamiento térmico para darle forma y cortarlo en un producto final.
Los ingenieros crean el acero de calidad y forma correcta que necesitan utilizando uno de varios enfoques para tratar térmicamente el acero. Esos procesos incluyen, entre otros, los siguientes:
- Recocido: Calentar y enfriar lentamente el acero lo refina, haciéndolo más suave.
- Carburación: el proceso de carburación transforma acero con bajo contenido de carbono en acero con alto contenido de carbono exponiéndolo a una atmósfera densa de carbono, generalmente en un horno.
- Endurecimiento: el acero cementado y de enfriamiento rápido mantiene el centro suave mientras la capa exterior se endurece.
- Endurecimiento con cianuro: similar al endurecimiento por cementación, este método utiliza sal de cianuro fundida para la carcasa dura en lugar de carbono.
- Descarburización: Eliminación del carbono de la aleación de acero mediante calor u oxidación.
- Nitruración: Agregar nitrógeno a la superficie del acero con calor y un líquido o gas rico en nitrógeno.
- Embutido o revenido: Recalentar el acero a una temperatura específica para eliminar dureza.
Pasar una aleación de acero sin refinar por varios procesos de tratamiento térmico es la única forma de fabricar piezas de acero acabadas. Aunque no todos los productos de acero deben pasar por todos los pasos del tratamiento térmico, todo el acero debe ser tratado.
Grados de acero más comunes
Aunque ningún grado de acero es adecuado para todas las aplicaciones, la siguiente lista representa los grados de acero que se usan comúnmente y se consideran las mejores series de cada tipo:
- Aceros al carbono: A36, A529, A572, 1020, 1045 y 4130
- Aceros aleados: 4140, 4150, 4340, 9310 y 52100.
- Aceros inoxidables: 304, 316, 410 y 420
- Aceros para herramientas: D2, H13 y M2
Propiedades físicas del acero
Las propiedades físicas del acero incluyen alta resistencia, bajo peso, durabilidad, ductilidad y resistencia a la corrosión. Aunque el acero es un material liviano, tiene una resistencia excepcional, siendo la relación resistencia-peso del acero la más baja de cualquier material de construcción. Y “ductilidad” se refiere a la capacidad del acero de moldearse para adoptar diversas formas.
La estabilidad dimensional del acero es otro de sus beneficios ya que mantiene las dimensiones incluso después de muchos años de condiciones ambientales extremas. También es un excelente conductor de electricidad y se enfría rápidamente a partir de temperaturas abrasadoras después de haber sido expuesto a agua o aceite. A diferencia de su componente fundamental, el hierro, el acero no se corroe fácilmente tras la exposición a la humedad y al agua.
Los grados de acero se clasifican según la composición y las propiedades físicas del metal. El factor decisivo para la calidad del acero es su composición química. Un mayor contenido de carbono produce un material más duro y robusto, mientras que el acero de alta calidad con menos carbono es más dúctil. La fabricación actual de acero se centra en menos carbono y en un proceso de enfriamiento rápido mediante temple para conservar las propiedades físicas deseables del metal.
Otros tipos de acero, incluido el galvanizado y el acero inoxidable, son resistentes a la corrosión. El acero galvanizado está recubierto con zinc para protegerlo de la corrosión, mientras que el acero inoxidable contiene aproximadamente un 10 por ciento de cromo en su composición.
Propiedades mecánicas del acero al carbono frente al acero aleado frente al acero inoxidable frente al acero para herramientas
La siguiente tabla destaca las diferencias en las propiedades mecánicas de los cuatro tipos principales de acero:
Acero carbono
Aleación de acero
Acero inoxidable
Herramienta de acero
Densidad
7,85
7,85
7,75-8,1
7,72-8,0
Elasticidad (GPa)
190-210
190-210
191-210
190-210
El coeficiente de Poisson
0,27-0,3
0,27-0,3
0,27-0,3
0,27-0,3
Resistencia a la tracción
276-1882
758-1882
515-827
640-2000
Fuerza de producción
186-758
366-1793
207-552
380-440
% de elongación
10-32
4-34
12-40
5-25
Dureza Brinell
86-388
149-627
137-595
210-620
Tipos de acero y sus usos
Acero carbono
El acero al carbono contiene pocos elementos de aleación (aparte del carbono) y se clasifica como de bajo, medio o alto contenido de carbono, según el contenido de carbono. El acero con bajo contenido de carbono (hasta 0,3% C) fabrica remaches, alambres y estampados en los rangos de carbono más bajos y formas estructurales, engranajes, piezas forjadas en frío y tubos soldados en los rangos medio y superior.
El acero con contenido medio de carbono (0,3-0,5% C), a veces llamado acero para maquinaria, funciona bien para producir engranajes, ejes, bielas y tubos sin costura. El acero con alto contenido de carbono (más de 0,5% C) se utiliza para resortes, cuchillos, herramientas manuales, machos de roscar, troqueles y fresas.
Aleación de acero
El acero aleado se utiliza comúnmente para fabricar tuberías, particularmente aquellas para aplicaciones relacionadas con la energía. También fabrica elementos calefactores en electrodomésticos como tostadoras, cubiertos, ollas y sartenes y recipientes resistentes a la corrosión.
Acero inoxidable
El acero inoxidable, que normalmente incluye cromo, níquel o molibdeno, es el más resistente a la corrosión de los cuatro grupos. Como era de esperar, se utiliza a menudo en la manipulación y procesamiento de alimentos, instrumentos médicos, hardware y electrodomésticos.
Herramienta de acero
Debido a su dureza, resistencia al desgaste, tenacidad y resistencia al ablandamiento a altas temperaturas, el acero para herramientas es muy adecuado para producir herramientas, incluidos escariadores, taladros, matrices para máquinas y herramientas manuales.
En resumen
El acero es duradero, resistente y versátil, y proporciona soluciones de diseño rentables, sostenibles y robustas para propietarios de viviendas y negocios, arquitectos, ingenieros y contratistas. El acero es fácil de producir en masa con una calidad uniforme, ideal para diseños livianos y puede transportarse y manipularse con relativa rapidez.
El acero es sostenible y el material más reciclado del planeta. Como material no combustible, brinda beneficios de seguridad a largo plazo a los ocupantes y resiste bien durante terremotos, huracanes y otros eventos extremos. Mecanizable, soldable, versátil y reciclable, no es de extrañar que el acero esté en todas partes, desde puentes, edificios y túneles hasta automóviles, barcos y aviones.