PRODUCCION, PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRATAMIENTOS TERMICOS DE ACEROS AL CARBONO

GILBERTO ANTONIO CASTRO ESCOBARPONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

BOGOTA – COLOMBIA

Resumen

El acero es un material muy usado en la ingeniería y particularmente en la construcción como refuerzo del concreto, entre muchas otras aplicaciones. Con el presente trabajo se busca ilustrar acerca de los procesos de producción de los aceros al carbono, evidenciando la complejidad de los mismos viendo también la alta cantidad de energía necesaria para la obtención de los productos de acero al carbono. En segunda parte se muestran las propiedades de los diferentes tipos de acero dependiendo del contenido de carbono, siendo que para contenidos más bajos se tienen aceros mas dúctiles y menos resistentes relativamente y para aceros con contenidos de carbono más altos se obtienen materiales menos dúctiles y más resistentes. A continuación se muestran algunos de los tratamientos térmicos más utilizados y las propiedades y estructuras que se forman de cada tratamiento. Finalmente se muestra la influencia de la soldadura en los aceros al carbón, debido a que la soldadura genera unas altas temperaturas que según la velocidad de enfriamiento puede producir nuevas estructuras en las zonas de aplicación de la soldadura.

Palabras Claves: Acero al carbón, Tratamientos térmicos, soldabilidad

Introducción

Las propiedades del acero al carbono se desarrollan a partir de su composición química la cual depende de las materias primas y de los procesos de producción del acero. Además, también es importante la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico correspondiente usado según la utilización que se le quiera dar al acero.

Estos aspectos influyen de manera importante en las propiedades mecánicas del material. Por esta razón surge la necesidad de abordar este tema para poder comprender el resultado final de cada proceso y en donde puede ser usado cada uno de los aceros al carbono según el contenido de este ultimo en el material.

Adicionalmente es importante tener en cuenta que los procesos de soldadura en los aceros deben hacerse de tal manera que no se vea afectada su estructura, ya que la soldadura eleva la temperatura del material y según sea la velocidad de enfriamiento pueden producirse estructuras nuevas en las juntas, las cuales pueden modificar las propiedades mecánicas, incluso generando zonas de posibles fallas en el material.

Producción de arrabio en un alto horno

La mayor parte del hierro se extrae de minerales de hierro en alto horno (Figura 1). Al interior del horno, el coque (carbono) actúa como agente reductor reduciendo los óxidos de hierro

(principalmente Fe2O3) para producir arrabio, que contiene aproximadamente 4% de carbono junto a algunas otras impurezas según la siguiente reacción:

Fe2O3+3CO→2 Fe+3CO2

El arrabio de alto horno se transfiere normalmente en estado líquido al horno de fabricación de acero.

FIGURA 1. Sección transversal de la operación general de un alto horno. Fuente: Smith, W. Ciencia e ingeniería de materiales, 2004 pág. 264

Fabricación de acero y procesado de perfiles habituales en productos de acero

La mayor parte de acero se obtiene por oxidación del carbono y otras impurezas del arrabio hasta que el contenido de carbono se reduce al nivel deseado. Generalmente los contenidos de carbono están por debajo del 0,5%.

El proceso más comúnmente utilizado para convertir el arrabio en acero es el proceso del convertidor de oxígeno. En este proceso el arrabio y hasta un 305 de chatarra de acero se cargan a un convertidor de forma abarrilada revestido de un material refractario, en el que se inserta una lanza de oxígeno. El oxígeno puro de la lanza reacciona con el baño líquido para formar óxido de hierro. El carbono de acero reacciona con el óxido de hierro para formar monóxido de carbono:

Fe❑O❑+C→Fe+C O❑

Inmediatamente antes de que empiece la reacción con oxígeno se añaden cantidades controladas de fundentes para formar la escoria (principalmente de cal). En este proceso el contenido de carbono en el acero puede reducirse drásticamente en un tiempo aproximado de 22 minutos, consiguiendo al mismo tiempo una reducción en la concentración de impurezas como azufre y fosforo.

El acero fundido procedente del convertidor se moldea en moldes fijos o de modo continuo, en grandes planchas rectangulares de las que se cortan periódicamente grandes secciones. Después de la colada, los lingotes se calientan en un horno de homogenización y se laminan en caliente en planchas, palanquilla (lingotes de sección cuadrada) y palancones o tochos. Luego de esto, la planchas se laminan en caliente y en frio para obtener chapa (< ¼) y placa (> 1/4) de acero. Las palanquillas se laminan en frio o en caliente para obtener barras, varillas y alambres, mientras que los tochos o palancones son laminados en caliente y en frio en perfiles estructurales como vigas o rieles. La Figura 2 muestra un diagrama de flujo en donde se muestra las etapas de los principales procesos que tienen lugar en la conversión de las materias primas en los perfiles habituales de los productos de acero.

FIGURA 2 a. Diagrama de flujo que muestra las etapas de los principales procesos que tienen lugar en la conversión de las materias primas en las formas habituales de los productos, sin incluir los productos recubiertos. Fuente: Smith, W. Ciencia e ingeniería de materiales, 2004 pág. 264

FIGURA 2 b. Diagrama de flujo que muestra las etapas de los principales procesos que tienen lugar en la conversión de las materias primas en las formas habituales de los productos, sin incluir los productos recubiertos. Fuente: Smith, W. Ciencia e ingeniería de materiales, 2004 pág. 264

Clasificación y propiedades mecánicas típicas de aceros al carbono

Los aceros al carbono se designan más comúnmente por un código AISI-SAE de cuatro dígitos. Los dos primeros dígitos son 10 e indican que este acero es un acero al carbono. Los dos últimos dígitos indican el contenido nominal en carbono del acero en centésimas referido al porcentaje. Por ejemplo, el número de código AISI – SAE 1030 para un acero indica que se trata de un acero al carbono que contiene un 0,30% de carbono.

Las propiedades mecánicas típicas de aceros al carbono se indican en la tabla 1. Los aceros al carbono con un bajo contenido de carbono tienen relativamente baja resistencia pero muy elevada ductilidad. Estos aceros son utilizados en el reforzamiento de concreto y paneles de carrocerías de autos entre otros. En cuanto el contenido de carbono aumenta, el acero se vuelve más resistente pero menos dúctil. Los aceros con contenido medio de carbono (1020 – 1040) se utilizan para ejes y engranajes. Los aceros con altos contenidos de carbono (1060-1095) se utilizan, por ejemplo, para muelles, portamatrices, cuchillas y hojas de tijeras.

TABLA 1. Propiedades mecánicas típicas y aplicaciones de aceros al carbono.

Fuente. Smith, W. Ciencia e Ingeniería de materiales, 2004, pág. 283

Tratamientos térmicos de acero al carbono

Variando la forma en que los aceros al carbono se calientan y enfrían, se pueden obtener diferentes combinaciones de propiedades mecánicas en los mismos. A continuación se analizaran algunos de los más importantes tratamientos térmicos que se realizan a los aceros al carbono.

Martensita

Si una muestra de acero al carbono en condiciones austeníticas se enfría rápidamente hasta temperatura ambiente mediante temple con agua, su estructura cambiara de austenita a martensita. La martensita de los aceros al carbono es una fase metaestable formada por una disolución solida intersticial sobresaturada de carbono en hierro cúbico centrado en el cuerpo o hierro tetragonal centrado en el cuerpo.

Recocido y normalizado

Los dos tipos más comunes de procesos de recocido son el recocido total y el recocido en proceso.

En el recocido total, los aceros hipoeuctectoides y eutectoides se calientan en la región austenítica, unos 40°C por encima del límite austenita-ferrita dejando el tiempo necesario a temperatura elevada y después enfriando lentamente hasta temperatura ambiente, generalmente en el horno de tratamiento. Para los aceros hipereutectoides es costumbre austenizar en la región

bifásica austenita más cementita (Fe3C❑), aproximadamente 40°C por encima de la temperatura del eutectoide. La micro estructura de los aceros hipoeutectoides después del recocido total consiste en ferrita proeutectoide y perlita.

El recocido en proceso, al que también se conoce como relajación de tensiones, ablanda parcialmente los aceros de bajo carbono trabajados en frío por relajación de las tensiones internas generadas por el trabajo en frio.

El normalizado es un tratamiento térmico en que el acero se calienta hasta la región austenítica y se deja enfriar en aire estático. La microestructura en secciones delgadas de aceros al carbono hipereutectoides normalizados consta de ferrita proeuctectoide y perlita fina. El objetivo para proceder a un normalizado es variable. Por ejemplo:

Afinar el tamaño de grano Incrementar resistencia del acero (comparada con el acero recocido) Reducir las segregaciones composicionales en coladas y forjados y obtener así una

estructura más uniforme.

Revenido de aceros al carbono

El revenido es un proceso de calentamiento de acero martensítico a una temperatura por debajo de la temperatura de la transformación eutectoide para hacerlo más blando y más dúctil.

Formas de presentación de algunos aceros al carbono para la construcción

El acero estructural, según su forma, se clasifica en:

Perfiles estructurales: Los perfiles estructurales son piezas de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T, canal o ángulo.

Barras: Las barras de acero estructural son piezas de acero laminado, cuya sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos los tamaños.

Planchas: Las planchas de acero estructural son productos planos de acero laminado en caliente con anchos de 203 mm y 219 mm, y espesores mayores de 5,8 mm y mayores de 4,5 mm, respectivamente.

Aceros para Hormigón – Acero de refuerzo para armaduras

- Barras corrugadas- Alambrón- Alambres trefilados (lisos y corrugados)- Mallas electro soldadas de acero- Armaduras básicas en celosía.- Alambres, torzales y cordones para hormigón pretensado.- Armaduras pasivas de acero

- Redondo liso para Hormigón Armado- Aceros para estructuras en zonas de alto riesgo sísmico.

Para estructuras de hormigón se utilizan barras lisas y corrugadas, con diámetros que oscilan entre los 6mm y los 40mm, aunque lo común en una armadura de hormigón es que difícilmente superen los 32mm. Además el acero de refuerzo se utiliza en las mallas electro soldadas constituidos por alambres de diámetros entre 4mm a 12mm.

Soldabilidad del acero

Durante el proceso de soldadura, el metal cercano al cordón de soldadura se calienta por encima de la temperatura eutectoide y se forma austenita. Durante el enfriamiento, la austenita en esta zona afectada por el calor se transforma en una nueva estructura, dependiente de la rapidez de enfriamiento y del diagrama de enfriamiento continuo para este acero. Los aceros de bajo carbono tienen una templabilidad baja tal que las velocidades normales de enfriamiento raramente producen martensita. Sin embargo, algunos aceros pueden requerir ser precalentados para disminuir la rapidez de enfriamiento, o bien postcalentando para revenir cualquier martensita que se forme.

Conclusiones

De acuerdo a la composición química del concreto y especialmente del contenido de carbono se pueden obtener una gran variedad de aceros con diferentes propiedades mecánicas y dependiendo de estas pueden ser aplicables en distintos campos de la ingeniería, por ejemplo para refuerzo de estructuras el contenido de carbono debe estar cercano al 0,10%.

El tipo de tratamiento térmico utilizado en cada caso también caracteriza a los aceros al carbono en propiedades y aplicaciones. Es importante tener claro cuál será el tratamiento adecuado para lograr el tipo de acero requerido según el uso que se le quiera dar. Además, esta selección es importante ya que hay tratamientos que requieren mayor tecnología y energía por lo que hacen que los materiales sean más costosos.

El tipo y la forma en la que se aplica la soldadura es muy importante ya que pueden llegar a variar las propiedades del material produciendo zona débiles o propensas a las fallas, es muy importante tener en cuenta la velocidad de enfriamiento de la zona donde se aplica la soldadura para evitar estos cambios en las propiedades químicas y mecánicas de los aceros al carbón.

Bibliografía

SMITH, William Fortune, Ciencia e Ingeniería de materiales, McGraw Hill, 2004.

ASKELAND, Donald R., La ciencia e ingeniería de los materiales. Grupo Editorial Iberoamérica, 1985.