¿Qué hace que el acero sea fuerte y duradero? El secreto reside en su composición química. Este artículo profundiza en los efectos de 19 elementos diferentes, como el carbono, el silicio y el manganeso, en las propiedades del acero. Desde la mejora de la resistencia y la tenacidad hasta la soldabilidad y la resistencia a la corrosión, descubrirá cómo cada elemento desempeña un papel crucial. Sumérjase para comprender cómo la combinación adecuada de elementos puede adaptar el acero a diversas aplicaciones, proporcionándole una visión de la ingeniería de materiales.
El papel del carbono en el acero es un delicado equilibrio. Por un lado, como contenido en carbono aumenta, el límite elástico y la resistencia a la tracción del acero aumentan, pero en cambio disminuyen su plasticidad y su resistencia al impacto.
En consecuencia, el contenido de carbono debe adaptarse al uso previsto del acero. Cuando el contenido de carbono supera los 0,23%, el rendimiento de la soldadura se deteriora significativamente, razón por la cual el contenido de carbono de los aceros estructurales de baja aleación utilizados para la soldadura no debe superar los 0,20%.
Además, un contenido excesivo de carbono reduce la resistencia del acero a la corrosión atmosférica, por lo que los aceros con alto contenido de carbono en ambientes al aire libre son vulnerables a la corrosión.
Sin embargo, un alto contenido de carbono no es del todo negativo, ya que también puede mejorar la fragilidad del acero en frío y su sensibilidad al envejecimiento.
El silicio se añade como agente reductor y desoxidante durante el proceso de fabricación del acero, lo que da como resultado un acero que contiene 0,15-0,30% de silicio. Cuando el contenido de silicio supera 0,50-0,60%, se considera un elemento de aleación.
El silicio puede aumentar considerablemente el límite elástico, límite elásticoy la resistencia a la tracción del acero, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para muelles, como el 65Mn y el 82B, que contienen 0,15-0,37% de silicio.
Añadir silicio 1,0-1,2% a templado y revenido acero estructural puede aumentar su resistencia en 15-20%.
Además, cuando se combina con elementos como el molibdeno, el wolframio y el cromo, el silicio mejora la resistencia del acero a la corrosión y la oxidación, y se utiliza para producir acero resistente al calor.
El acero de bajo contenido en carbono con silicio 1,0-4,0% tiene una permeabilidad magnética extremadamente alta y se utiliza para fabricar chapas de acero al silicio en la industria eléctrica.
Sin embargo, el silicio tiene el inconveniente de que reduce el rendimiento de la soldadura del acero.
Durante el proceso de fabricación del acero, el manganeso actúa como un buen desoxidante y desulfurante, y el acero suele contener 0,30-0,50% de manganeso.
Si se añade más de 0,70% de manganeso al acero al carbono, se considera "acero al manganeso".
Este tipo de acero no sólo tiene una tenacidad adecuada, sino también una mayor resistencia y dureza que el acero normal. El manganeso mejora la templabilidad y la trabajabilidad en caliente del acero; por ejemplo, el límite elástico del acero 16Mn es 40% superior al del acero A3.
El acero con manganeso 11-14% tiene una resistencia al desgaste extremadamente alta y se utiliza para aplicaciones como cazos de excavadoras y revestimientos de molinos de bolas. Sin embargo, el alto contenido de manganeso también tiene inconvenientes.
Cuando el contenido de manganeso es elevado, el acero es más propenso a la fragilidad por revenido. El manganeso favorece el crecimiento del grano, lo que debe tenerse en cuenta durante el tratamiento térmico. Cuando la fracción másica de manganeso supera los 1%, el rendimiento de soldadura del acero disminuye.
El azufre es un elemento nocivo en el acero que procede del mineral siderúrgico y del coque de combustible. En el acero, el azufre existe en forma de FeS y forma compuestos con el Fe que tienen un punto de fusión bajo (985°C), mientras que la temperatura de trabajo en caliente del acero suele ser de 1150-1200°C.
Como resultado, durante el trabajo en caliente, el compuesto FeS se funde prematuramente, provocando el agrietamiento de la pieza, fenómeno conocido como "fragilidad en caliente". Cuanto mayor sea el contenido de azufre, más grave será la fragilidad en caliente, por lo que debe controlarse el contenido de azufre.
Para el acero de alta calidad, el contenido de azufre es inferior a 0,02-0,03%; para el acero de calidad, es inferior a 0,03-0,045%; y para el acero ordinario, es inferior a 0,055-0,07%. En algunos casos, se añade azufre al acero.
Por ejemplo, añadir 0,08-0,20% de azufre al acero puede mejorar su trabajabilidad al corte, dando lugar a lo que se conoce como free-acero de corte.
Sin embargo, el azufre también tiene efectos negativos sobre el rendimiento de la soldadura y puede reducir la resistencia a la corrosión.
El fósforo se introduce en el acero a través del mineral. En general, el fósforo es un elemento nocivo en el acero. Aunque puede aumentar la resistencia y dureza del aceroreduce en gran medida su plasticidad y tenacidad al impacto.
A bajas temperaturas, el fósforo hace que el acero sea considerablemente quebradizo, fenómeno conocido como "fragilidad en frío", que deteriora su capacidad de trabajo en frío y su resistencia a la corrosión. soldabilidad.
Cuanto mayor es el contenido de fósforo, más grave es la fragilidad en frío, por lo que el control del contenido de fósforo en el acero es estricto.
El acero de alta calidad tiene un contenido de fósforo inferior a 0,025%, el acero de calidad tiene un contenido de fósforo inferior a 0,04% y el acero ordinario tiene un contenido de fósforo inferior a 0,085%.
El oxígeno es un elemento nocivo para el acero que entra de forma natural en el proceso de fabricación. A pesar de la adición de manganeso, silicio, hierro y aluminio para la desoxidación al final de la siderurgia, no es posible eliminar todo el oxígeno.
El oxígeno aparece en el acero en forma de FeO, MnO, SiO2, Al2O3 y otras inclusiones, que disminuyen la resistencia y la plasticidad del acero. En particular, tiene un impacto significativo en resistencia a la fatiga y resistencia al impacto.
La ferrita tiene poca capacidad para disolver el nitrógeno. Cuando el nitrógeno está sobresaturado en el acero, precipita en forma de nitruros tras un largo periodo de tiempo o tras calentarlo a 200-300°C, lo que aumenta la dureza y la resistencia del acero, pero reduce su plasticidad y provoca su envejecimiento.
Para eliminar la tendencia al envejecimiento, se puede añadir Al, Ti o V al acero fundido para el tratamiento de fijación de nitrógeno, que fija el nitrógeno en forma de AlN, TiN o VN.
El cromo aumenta considerablemente la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste del acero estructural y del acero para herramientas, y confiere al acero una buena resistencia a la oxidación y a la corrosión.
Por ello, el cromo es un elemento de aleación importante para el acero inoxidable y el acero resistente al calor. El cromo también mejora la templabilidad del acero y es un elemento de aleación crucial.
Sin embargo, el cromo también aumenta la temperatura de transición frágil del acero, incrementa su fragilidad en el revenido y puede causar dificultades en el proceso de transformación.
El níquel aumenta la resistencia del acero al tiempo que conserva una buena plasticidad y tenacidad. Tiene una gran resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis y es resistente a la oxidación y al calor a altas temperaturas. Sin embargo, como el níquel es un recurso escaso, a menudo se utilizan otros elementos de aleación en lugar del acero al cromo-níquel.
El molibdeno refina la estructura del grano del acero, mejora la templabilidad y la resistencia en caliente, y mantiene la suficiente resistencia y resistencia a la fluencia a altas temperaturas (cuando se produce una deformación bajo tensión prolongada a altas temperaturas).
Cuando se añade al acero estructural, el molibdeno mejora sus propiedades mecánicas y reduce su fragilidad. acero aleado debido al fuego. Además, cuando se añade al acero para herramientas, el molibdeno mejora su dureza al rojo.
Titanio es un fuerte desoxidante del acero. Hace que la estructura interna del acero sea más densa, refina su estructura de grano, reduce la sensibilidad al envejecimiento y la fragilidad en frío y mejora el rendimiento de la soldadura. La adición de la cantidad adecuada de titanio al acero inoxidable austenítico Cr18Ni9 puede prevenir corrosión intergranular.
El vanadio es un excelente desoxidante del acero. Al añadir vanadio 0,5% al acero, se refina la estructura del grano y se mejoran la resistencia y la tenacidad. Los carburos formados por la combinación de vanadio y carbono mejoran la resistencia a la corrosión por hidrógeno a alta temperatura y presión.
El wolframio tiene un punto de fusión y una densidad elevados, lo que lo convierte en un elemento de aleación crucial. Los carburos formados a partir de tungsteno y carbono tienen una gran dureza y resistencia al desgaste. La adición de tungsteno al acero para herramientas mejora significativamente su dureza al rojo y su resistencia al calor, lo que lo hace adecuado para su uso como herramientas de corte y matrices de forja.
El niobio refina la estructura de grano del acero y reduce su sensibilidad al sobrecalentamiento y la fragilidad del temple, al tiempo que mejora su resistencia, pero disminuye su plasticidad y tenacidad.
La adición de niobio al acero ordinario de baja aleación mejora su resistencia a la corrosión atmosférica y a la corrosión por hidrógeno, nitrógeno y amoníaco a altas temperaturas. El niobio también mejora el rendimiento de la soldadura. Cuando se añade al acero inoxidable austenítico, el niobio evita la corrosión intergranular.
El cobalto es un metal raro y valioso que se utiliza sobre todo en aceros y aleaciones especiales, como el acero resistente al calor y los materiales magnéticos.
El acero WISCO, fabricado a partir del mineral Daye, suele contener cobre. El cobre aumenta la resistencia y la tenacidad, sobre todo la resistencia a la corrosión atmosférica. El inconveniente es que es más probable que se produzca fragilidad en caliente durante el procesamiento en caliente. Cuando el contenido de cobre es superior a 0,5%, la plasticidad se reduce mucho, pero cuando el contenido de cobre es inferior a 0,50%, no influye en la soldabilidad.
El aluminio es un desoxidante habitual del acero. Al añadir una pequeña cantidad de aluminio al acero, se refina la estructura del grano y se mejora la tenacidad al impacto, como se observa en el acero 08Al utilizado para chapas de embutición profunda. El aluminio también es resistente a la oxidación y la corrosión.
Cuando se combina con cromo y silicio, el aluminio mejora enormemente el rendimiento antidesgaste a alta temperatura y la resistencia a la corrosión a alta temperatura. Sin embargo, el aluminio afecta negativamente a la trabajabilidad en caliente, el rendimiento de la soldadura y el rendimiento de corte del acero.
Al añadir una pequeña cantidad de boro al acero, se mejoran la compacidad y las propiedades de laminación en caliente del acero y se aumenta su resistencia.
Los elementos de tierras raras son los 15 lantánidos con números atómicos 57-71 de la tabla periódica. Todos estos elementos son metales, pero sus óxidos son similares a "tierra", por lo que se les suele denominar tierras raras. La adición de elementos de tierras raras al acero modifica la composición, la forma, la distribución y las propiedades de las inclusiones en el acero, mejorando diversas propiedades como la tenacidad, la soldabilidad y la trabajabilidad en frío. La adición de elementos de tierras raras al hierro de reja mejora la resistencia al desgaste.
Véase también:
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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