Aceros de Construcción

Los aceros de construcción son aquellos utilizados en la fabricación de diversas piezas y componentes para máquinas, equipos, instalaciones y construcciones en general, funcionando como elementos estructurales capaces de soportar cargas y solicitaciones mecánicas.

Características Principales

• Deben garantizar buenas propiedades mecánicas como límite elástico, resistencia a tracción, alargamiento a rotura, tenacidad y resistencia a fatiga.
• Deben poseer buena conformabilidad y facilidad de fabricación.
• Son aceros con un contenido medio/bajo de carbono (%C < 0,6%, habitualmente) y de baja o media aleación (% total de aleantes < 5%).

Aceros al Carbono

Composición Química

Contienen principalmente carbono (0,05-1,0%) y pequeñas cantidades de otros elementos como resultado del proceso de obtención. Se limitan los contenidos máximos admisibles de P y S (impurezas). El manganeso (0,25-1,7%) se añade para combinarse con el azufre e impedir la formación de FeS. El aluminio y silicio son desoxidantes para eliminar el FeO. Los aceros con %C > 0,30% deben ser desoxidados (aceros calmados).

Templabilidad

Baja; no se utilizan en estado de temple y revenido, se emplean en bruto de forja o laminación. Pueden llevar tratamientos de normalizado y/o recocido.

Microestructura

Habitualmente ferrítico-perlíticas.

Propiedades Mecánicas

• El aumento de carbono aumenta la perlita, lo que incrementa el límite elástico, la dureza y la resistencia mecánica.
• El manganeso (Mn) afina el tamaño de grano de la ferrita y aumenta el porcentaje de perlita, contribuyendo al endurecimiento.
• El aluminio (Al) afina el grano de la ferrita.
• Un mayor %C endurece el acero, pero disminuye drásticamente la tenacidad y la capacidad de ser soldado.
• Para fácil soldabilidad, el carbono equivalente (CE) debe ser inferior al 0,4%.

Influencia del Contenido en Inclusiones

Las inclusiones (alúmina, óxidos, silicatos, sulfuro de manganeso) pueden ser frágiles e indeformables o deformables a ciertas temperaturas. Durante la laminación, las inclusiones frágiles se fragmentan y orientan. Deterioran la tenacidad y bajan la resistencia. Se busca bajo contenido, tamaño pequeño y formas esféricas para minimizar el efecto de entalla.

a. Aceros Suaves de Bajo %C (Aceros Ferríticos)

Composición

Contienen entre 0,06 – 0,25 %C.

Aplicaciones

Chapas, productos planos, recipientes, construcción de edificios, cascos de buques, carrocerías de automóviles, puentes de ferrocarril.

Microestructura

Ferrítico-perlítica, con mayor porcentaje de ferrita matriz.

Propiedades

• Límite elástico y resistencia aumentan al incrementar la perlita y disminuir el tamaño de grano de la ferrita.
• Resistencia a tracción de 350-550 MPa.
• Temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT): Baja, pero aumenta con la perlita o el tamaño de grano. Bajar C y subir Mn ayuda a mantenerla por debajo de 0 ºC.
• Buena soldabilidad y alta ductilidad (A = 25-30%) a temperatura ambiente.
• Permiten laminación en frío.
• Pueden someterse a recocido contra acritud tras laminación en frío, y recibir protección superficial.
• Riesgo de “envejecimiento estático”: Causado por nitrógeno libre disuelto en la ferrita, que se difunde a las dislocaciones, anclándolas, aumentando dureza y resistencia pero disminuyendo ductilidad y aumentando la DBTT. Se evita añadiendo aluminio. A > 100 ºC, el C disuelto también puede causarlo.

Acero Corrugado

Acero al carbono laminado en caliente para refuerzo de estructuras de hormigón armado. Proporciona estructuras más sólidas y flexibles, absorbe esfuerzos de tracción y evita fisuras. Posee corrugas para adherencia y gran ductilidad para corte y doblado.

Bandeado

Riesgo en aceros laminados en caliente, microestructuras con bandas alternadas de ferrita y perlita debido a segregación de Mn. Deteriora las propiedades y causa anisotropía.

b. Aceros Semiduros (Aceros Ferrítico-Perlíticos)

Composición

Contienen entre 0,25 – 0,70 %C.

Microestructura

Ferrítico-perlítica, con mayor contenido de perlita a mayor C. Mantienen buena ductilidad (A = 10-25%).

Propiedades

• Límite elástico y resistencia aumentan con el porcentaje de perlita y menor espaciado interlaminar.
• Resistencia a tracción de 500-900 MPa.
• La DBTT aumenta con el %C o el tamaño de grano de la ferrita.
• La resistencia mejora al reducir el tamaño de grano (Al en colada, normalizado, laminación controlada).
• Menor soldabilidad que aceros de bajo carbono.

Aplicaciones

Piezas baratas de resistencia media, elementos forjados, ejes para vehículos y máquinas, herrajes, engranajes, resortes, herramientas agrícolas.

Aceros Dulces

Composición

Contenido muy pequeño de carbono (microestructura prácticamente ferrítica con mínimas cantidades de perlita o cementita).

Propiedades

Propiedades mecánicas bajas en general, pero gran ductilidad. Permiten fabricar piezas de formas complejas por conformado en frío.

Endurecimiento

Por afino de grano, deformación plástica en frío o solución sólida. Son aceros calmados, con adición de Al para eliminar oxígeno y formar AlN, que afina el grano de la ferrita. Los aceros con muy bajo contenido en carbono (< 0,02%C) se transforman totalmente en ferrita, sin perlita. La cementita terciaria precipita en los bordes de grano. La reducción del C (< 0,002%) y eliminación de N libre con Al, permiten obtener aceros prácticamente libres de envejecimiento.

Aplicaciones

Fabricación de perfiles, alambres, clavos, tornillos, barras, varillas. Piezas de resistencia media con buena tenacidad y aptitud para deformación en frío, embutición, plegado, herrajes. También carrocerías de automóviles, marcos de motocicletas, tuberías, cercados, electrodomésticos, utensilios de cocina. Son muy económicos, soldables y fácilmente reciclables.

Aceros Microaleados (HSLA)

Características Generales

Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) o microaleados son aceros de muy bajo contenido en carbono (0,008-0,03%), y contenidos en Mn hasta 1,5%, a los que se añaden pequeñas cantidades de niobio (0,04%), vanadio (0,15%) y/o titanio (0,03%). Estos aceros son laminados en caliente de forma controlada para obtener una estructura de grano muy fino con altos valores de límite elástico y resistencia.

Los aceros microaleados tienen microestructura ferrítico-perlítica, con gran cantidad de ferrita y consiguen una resistencia superior a la de los aceros al carbono convencionales gracias a:

• La estructura de grano de muy pequeño tamaño de la ferrita (que se controla durante el proceso de laminación).
• La precipitación de compuestos de Nb, V y/o Ti (carburos y nitruros), de muy pequeño tamaño y muy numerosos, durante la fase de enfriamiento tras la laminación.

Aparte del alto límite elástico (hasta 650 MPa), al mantener bajo contenido en C y un grano muy fino se tiene mejor tenacidad a baja temperatura, mejor soldabilidad que los aceros al carbono, buena conformabilidad, buen comportamiento a fatiga y bajo precio (aunque dependerá del proceso de obtención, que puede encarecer el producto final).

Ventajas

• La matriz ferrítica proporciona buena conformabilidad, resistencia a fatiga, soldabilidad y capacidad de absorción de energía.
• Su mayor resistencia permite fabricar piezas de menor sección, reduciendo el peso final de la estructura hasta un 15%.

Aplicaciones

Industria automotriz (partes del chasis, carcasas, soportes de electrónica) debido a su capacidad de deformación y tenacidad para estampación. Para eliminar el recocido intercrítico, se alean con Cr y Mo para enfriar directamente desde la laminación.

Estampación de Metales

Tecnología de fabricación automatizada que obtiene piezas metálicas por compresión entre moldes (estampas o matrices).

Estampación en Caliente

Material a temperatura mayor que su temperatura de recristalización.

Estampación en Frío

Material a menor temperatura que la de recristalización. Para piezas de menor espesor, mayor precisión dimensional.

Aceros de Cementación

Definición

Tratamiento termoquímico para conseguir un importante enriquecimiento en carbono de la zona superficial de la pieza.

Beneficios

El alto contenido en carbono proporciona elevada dureza superficial, buena resistencia a la abrasión y al desgaste (engranajes, ruedas dentadas), y buen comportamiento a fatiga.

Proceso

Calentar el acero en un ambiente rico en C a temperatura austenítica (850-950ºC), el carbono se difunde hacia el interior.

Capa Cementada

Zona superficial enriquecida en C.

Capa Dura

Zona con dureza > 700 HV (corresponde a > 0,5% C). El espesor de la capa d crece con el tiempo (d = K . t^1/2) y la temperatura.

Composición del Acero para Cementar

Bajo contenido en carbono (< 0,2% C) para que el núcleo sea tenaz.

Contenido de Carbono en Superficie

Entre 0,8 y 1%, disminuyendo hacia el interior. Contenidos superiores son indeseables por fragilidad y austenita retenida.

Post-Tratamiento

Temple directo (estructura martensítica en la capa, el interior depende de templabilidad y enfriamiento) seguido de un revenido a baja temperatura (≤ 200ºC) para relajar tensiones.

Técnicas de Cementación

• Sólida: Piezas cubiertas de carbón vegetal/coque en horno. Lenta, cara, no para producción en masa.
• Líquida: Piezas sumergidas en sales de cianuro/carbonatos. Rápida, no distorsiona, buen control de profundidad.
• Gaseosa: La más utilizada. Se usan hidrocarburos gaseosos. Se tratan piezas complejas, indicada para gran escala.

Espesores Habituales

Delgadas (< 0,50 mm), medias (0,50 a 1,50 mm, las más usadas), de gran espesor (> 1,50 mm). Para piezas complejas o mayor resistencia interior, se usan aceros aleados (Cr, Ni, Mo), con mayor templabilidad.

Aceros de Nitruración

Definición

Tratamiento termoquímico para endurecer la superficie mediante enriquecimiento superficial en nitrógeno.

Mecanismo

El nitrógeno precipita formando nitruros, lo que incrementa la dureza. El interior mantiene propiedades iniciales.

Proceso

Se realiza con el acero en estructura matriz ferrítica (N es gammágeno), por calentamiento a 500-560ºC. La temperatura es inferior a 590 ºC para evitar Fe₄N frágil.

Pre-Tratamiento

Las piezas deben someterse a temple y revenido a muy alta temperatura (550 a 700ºC) antes de la nitruración.

Enfriamiento

No precisa enfriamiento rápido, no hay distorsión ni tensiones adicionales.

Espesores de Capa

Entre 0,2 – 0,7 mm, con tiempos de 20 a 80 horas.

Propiedades

Gran dureza superficial (hasta 500 ºC), gran resistencia al desgaste, y mejor comportamiento a corrosión.

Precauciones

Se forma una capa superficial blanca (nitruro ε (Fe₂N)) dura y frágil que debe eliminarse.

Aceros para Nitrurar

No se nitruran aceros al carbono habitualmente. Tienen contenido medio en carbono (0,25-0,40 %C) y elementos aleantes formadores de nitruros (Al, Cr, V, Mo). Especialmente eficaz el Al (0,85-1,5%) para gran dureza (baja tenacidad). El Cr da menor dureza pero más tenacidad. Todos estos aceros se nitruran en estado de temple + revenido alto. También pueden nitrurarse aceros de herramientas, inoxidables.

Ventajas de la Nitruración

• Capa superficial de elevadísima dureza, a menudo superior a la cementación (aunque menor espesor).
• Gran resistencia frente al desgaste y abrasión.
• Mejor comportamiento a fatiga.
• No produce distorsión en las piezas.
• Pueden trabajar en servicio a temperaturas razonablemente elevadas (no posible con piezas cementadas).

Carbonitruración

Objetivo: Enriquecer simultáneamente la superficie en C y N. La dureza es de la martensita más la de los nitruros. Se realiza en fase austenítica, seguido de temple y revenido a baja temperatura. Temperaturas algo inferiores a cementación (750-850 ºC). Capas más finas que las cementadas (0,1-0,75 mm), tiempo de tratamiento más corto (1-4 horas).

Aceros de Construcción Tratados Térmicamente

Desarrollo

Necesidad de aceros con características mecánicas cada vez más altas.

Mejora de Templabilidad

Introducción de aleantes en la composición. Permite temple en aceite o aire, reduciendo riesgo de deformaciones o grietas.

Tratamientos Térmicos

Temple + Revenido. Son aceros aleados.

Aceros de Baja Aleación

Contenido total de aleantes no supera el 5% en peso.

Aceros de Alta Aleación

Contenido total de aleantes supera el 5% en peso. Incluyen UHSS, cementación, nitruración, muelles, etc.

Aceros de Baja Aleación y Alta Resistencia con Tratamiento Térmico

Características Generales

• Contenido de carbono entre 0,30-0,45 %C.
• Principales aleantes: Cr, Ni y Mo (solos o combinados).
• Templabilidad: Elevada, mucho mayor que los aceros al carbono.
• Permiten fabricar piezas de mayor grosor (ej: 100 mm de diámetro con resistencias > 1300 MPa).
• Pueden fabricarse piezas de formas complejas sin deformación al templar (en aceite).
• Calidad del acero: Menor contenido en impurezas e inclusiones resulta en mejores propiedades mecánicas y soldabilidad.

Tratamiento de Revenido

Pueden someterse a revenidos bajos (< 200 ºC) o elevados (450-650 ºC). La dureza secundaria se aprovecha con elementos formadores de carburos.

Fragilidad de revenido: Puede ocurrir en aceros Cr-Ni entre 450-550 ºC. Se corrige con revenido a mayor temperatura o adición de molibdeno. La temperatura de revenido limita la temperatura máxima de utilización del acero en servicio.

Aceros de Ultra Alta Resistencia (UHSS)

Características

Son aceros tratados térmicamente.

Propiedades

Alcanzan límites elásticos por encima de 1200 MPa, manteniendo plasticidad y tenacidad para usos estructurales.

Importancia

Clave en industria aeronáutica y automoción para minimizar el peso, compitiendo con aleaciones ligeras. Menos volumen que aluminio.

Pureza

Requieren niveles extraordinariamente bajos de impurezas (S y P no deben superar el 0,002%, y bajos en As, Sb, Sn, H, O, N). Esto implica procesos de fabricación muy sofisticados y costosos (ej: coladas en vacío).

Inconvenientes

Muy sensibles a la entalla, a la fragilización por hidrógeno y propensos a sufrir corrosión bajo tensiones.

Clasificación de UHSS

Aceros Endurecidos por Temple y Revenido

Basados en martensita hierro-carbono. Altas resistencias por revenidos bajos o altos (dureza secundaria). La baja temperatura de revenido no relaja significativamente las tensiones residuales. Algunos llevan vanadio para afinar el grano y mejorar la tenacidad. Pueden usar temple escalonado («ausbay») para evitar tensiones. Alto Si (1,5-2,0%) puede desplazar la fragilidad de revenidos bajos, permitiendo revenido a ~300ºC, mejorando tenacidad y relajación de tensiones. Fenómeno importante de dureza secundaria a ~500 ºC durante el revenido.

Ventajas: Permiten templar piezas más gruesas, temple más suave (menos distorsión/tensiones), mayor relajación de tensiones en revenido, y pueden trabajar en servicio a altas temperaturas. Alto Ni (9-10%) mejora la tenacidad. El Co sube la temperatura Ms (que el Ni baja). Bajo contenido en carbono para una martensita más tenaz. Gran precipitación de carburos durante el revenido (~500ºC) por Cr y Mo, favorecida por Co, obteniendo gran dureza secundaria. Endurecimiento adicional por solución sólida de Ni y Co. Buen comportamiento a corrosión. Usados en trenes de aterrizaje.

Aceros de Baja Aleación

Similares a aceros convencionales (0,30-0,45%C, bajas impurezas). Se utilizan con temple y revenido bajo (~200ºC) para mantener alta resistencia. Llevan Cr-Mo o Cr-Ni-Mo para mejorar templabilidad.

Aceros de Aleación Media

Cuentan con un 5% de cromo y otros aleantes. Mejor templabilidad y no contienen Ni (para evitar la bajada de Ms).

Aceros de Alta Aleación con Ni-Co

Alcanzan simultáneamente niveles muy elevados de resistencia y tenacidad. Gran templabilidad.

Aceros No Endurecidos por Precipitación de Carburos (Maraging)

Calentamiento a zona austenítica (800-850 ºC) («solución»). Enfriamiento al aire para una transformación martensítica. Esta martensita es dúctil (~30 HRC) y con dislocaciones, pero sin mucha distorsión. Gran templabilidad. Calentamiento a ~500ºC durante 2-4 horas («maduración» o «aging»): produce precipitación fina y homogénea de intermetálicos, que frena las dislocaciones, resultando en enorme mejora de dureza, límite elástico y resistencia, manteniendo plasticidad y muy alta tenacidad. El Mo y Ti bajan Ms, compensado por Co. Abreviatura de «martensite age hardening».

Aleaciones de muy bajo contenido en carbono (< 0,03%), basadas en Fe-Ni. Endurecen por temple y posterior precipitación de compuestos intermetálicos (ej: Ni₃Mo, Ni₃Ti, FeTi) en la matriz.

Composición: ~18% Ni, y cantidades variables de Mo, Ti, Co, Nb y Al. Mn y Si son muy perjudiciales (< 0,10%).

Características Principales: Altísimas propiedades mecánicas, tratamiento térmico sencillo, buena aptitud para conformado/mecanizado, fácilmente soldables, buena resistencia a oxidación y corrosión.

Tratamiento Térmico: Pueden usarse a alta temperatura (450 ºC).

Aplicaciones: Industria aeronáutica (trenes de aterrizaje, recubrimientos de misiles, piezas estructurales criogénicas, tornillos de alta resistencia), matrices para extrusión en caliente, ejes de transmisión, muelles, engranajes. Más caros que aceros convencionales.