Materias primas del acero

La composición de un acero viene definida por su fórmula química, fundamentalmente hierro y carbono, así como la presencia de una variada gama de metales que aportan las características especiales y necesarias para cada tipo de utilización.

Para la elaboración del acero en horno eléctrico (hoy en día el más usado) se parte de chatarra seleccionada que se mezcla con ferroaleaciones para obtener la composición química y especificación deseada, siendo imprescindible la adición de otros elementos, denominados fundentes, que colaboran en el proceso de obtención del acero absorbiendo y eliminando los elementos indeseables.

La chatarra
La principal materia prima en la fabricación del acero en horno eléctrico es la chatarra, cuyo coste puede presentar el 50% de los costes de producción de una palanquilla de acero al carbono, y cuyas propiedades y características van a repercutir en el producto final obtenido.

Las ferroaleaciones
Las ferroaleaciones son combinaciones de hierro con manganeso y silicio, principalmente, y de bajo contenido en fósforo y azufre, que se añaden en el baño para conseguir la composición final deseada en el acero. En ocasiones se añaden metales puros. Los más utilizados suelen ser el níquel, cobalto, cobre y aluminio.

Los fundentes
La principal función de los materiales fundentes es la formación de una escoria que recoja, durante los procesos de fusión y afino, los elementos que se introducen con la carga que pueden ser perjudiciales para el acero final, dejando el baño limpio de impurezas.

El fundente más utilizado es la cal, que puede incluso inyectarse en polvo con oxígeno en el horno a través de una lanza, fluyendo rápidamente sobre la escoria y disolviéndose en la misma.

Clases de acero e influencia de los aleantes

La primera clasificación para los aceros es: aceros al carbono o no aleados y aceros aleados.

El acero es una aleación hierro-carbono cuyo contenido en carbono no supera el límite de solubilidad de este elemento en la austenita, y además no contiene elementos de aleación en proporciones superiores a las establecidas en las normas UNE.

Influencia de la composición química

• Silicio: El silicio es empleado como desoxidante. Tiene un efecto doble, por un lado como agente efervescente y por otro se puede combinar con el oxígeno disuelto en el acero para disminuir las malas propiedades que este elemento pueda dar al acero (Si + O2 -> SiO2 (sílice)). El contenido en silicio no conviene que sea mayor del 0,2% en aceros que se van a soldar, debido a que el sílice tiene un punto de fusión muy alto. Sin embargo el silicio puede ser de hasta 0,3% en aceros obtenidos por moldeo, ya que le da al acero fundido fluidez. En aceros con alto contenido en carbono, el contenido de silicio deber ser bajo, ya que favorece la descomposición de la cementita y la transforma en grafito. (Fe3C -> 3Fe+C)
  
• Azufre: Junto con el fósforo, el azufre es el elemento más problemático, ya que prácticamente es insoluble en el hierro y se presenta fundamentalmente en forma de sulfuro de hierro (FeS). El eutéctico que se forma es: L->Fe (0,01% S) + FeS a 988ºC. Este eutéctico se forma fundamentalmente en los límites de grano del acero. Al ser la temperatura tan baja, en procesos de laminación o forja se funde el eutéctico, volviéndose más frágil el acero en los límites de grano, propiedad conocida como fragilidad en caliente. Para evitarlo se utiliza manganeso, favoreciendo la formación de MnS en lugar de FeS.
  
• Manganeso: El manganeso también es un elemento desoxidante, además de utilizarse como desulfurante como ya hemos dicho. Pero para la formación de MnS, ha de utilizarse el proceso básico en los hornos. El manganeso que no se combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero.
• Fósforo: Normalmente, el fósforo se disuelve en la ferrita hasta un 1%, pero por encima de este valor, aparece en forma de Fe3P. El fósforo aumenta la fragilidad de los aceros, y al igual que el azufre, tiene una gran tendencia a la segregación, produciendo el fenómeno de la segregación complementaria del acero (zonas de distinta concentración). En las zonas donde el contenido de carbono es mayor, hay más perlita y menos ferrita. Por el contrario, en las zonas con menor contenido en carbono, el porcentaje de perlita es menor y el de ferrita mayor. Esto provoca la aparición de bandas alternas de ferrita y cementita, conocidas como bandas fantasmas. El contenido de fósforo en el acero no debería ser superior a 0,05%.
• Niquel: Disminuye las temperaturas críticas del acero y aumenta la templabilidad del acero. No tiende a formar carburos. Se pueden obtener aceros resistentes con menos contenido en carbono, incrementándose la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Es un elemento caro.
• Cromo: Aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en la austenita, aumenta también la templabilidad. En los aceros con un alto contenido en carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Es menos caro que el niquel.
• Molibdeno: Es un fuerte formador de carburos y aumenta fuertemente la templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia mecánica de los aceros a altas temperaturas y reduce la susceptibilidad a la fragilidad de revenido en aceros al cromo-niquel. Da dureza secundaria de revenido. Además aumenta la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables en presencia de disoluciones de cloruros.
• Cobalto: Es el único aleante que desplaza las curvas TTT del acero hacia la izquierda. Da dureza secundaria de revenido. Aumenta la resistencia a la formación de óxidos a altas temperaturas. La adición de 8 a 10% de cobalto a los aceros para herramientas, aumenta sus propiedades de corte.
• Cobre: La presencia de cobre permite que las aleaciones puedan ser endurecidas por precipitación, dando una gran resistencia a la tracción y un elevado límite elástico. Mejora la resistencia a la corrosión electroquímica de los aceros (weathering steels).
• Plomo: Permanece disperso en forma de pequeñas partículas esféricas insolubles en el acero. Aumenta la maquinabilidad de los aceros en pequeñas proporciones (0,25%).
• Boro: Aumenta de manera muy notable la templabilidad en los aceros calmados de medio contenido en carbono. El porcentaje de boro siempre es muy pequeño (entre 0,0005 y 0,005%).
  

Diagrama FeC

Este es el Diagrama FeC en el cual en el eje 'x' se muestra el % de Carbono.

El hierro puro, al calentarse, experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir. A temperatura ambiente se llama ferrita o hierro alpha y tiene la estructura BCC. A 912 ºC la ferrita se transforma a austenita FCC o hierro gamma. La austenita persiste hasta los 1394 ºC, temperatura a la cual se convierte a ferrita delta, BCC, que funde a 1538 ºC. Todos estos cambios aparecen a lo largo del eje vertical izquierdo del diagrama de fases (Línea A).

El eje 'x' sólo llega hasta 6,70% en peso de C, concentración que coincide con la del compuesto intermedio carburo de hierro o cementita (Fe3C), representado por una línea vertical en el diagrama de fases. Prácticamente todos los aceros y fundiciones tienen porcentajes inferiores a 6,70% C, por lo tanto sólo se considera este tramo.

El carbono es un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita alpha y delta y con la austenita.
En la ferrita alpha sólo son solubles pequeñas concentraciones (0,022% peso a 727 ºC). Esta fase es blanda y magnética por debajo de 768 ºC.
La austenita no es estable por debajo de los 727 ºC y la máxima solubilidad del carbono en la austenita es 2,11% a 1148 ºC, ya que las posiciones intersticiales en la estructura FCC tienen la forma adecuada para que al llenarse de átomos de carbono la deformación a los átomos de hierro vecinos sea mucho menor.
La ferrita delta es como la ferrita alpha, sólo se diferencian en el tramo de temperaturas en el cual existen. Como sólo existe a altas temperaturas no tiene importancia técnica.

Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita alpha por debajo de 727 ºC (la composición está comprendida en la región alpha+Fe3C). La cementita es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de los aceros. La cementita no es un compuesto estable, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente pero si se caliente entre 650 y 700 ºC durante varios años, se transforma en hierro alpha y carbono, en forma de grafito.

Los puntos importantes son los siguientes:

• Punto eutéctico. Ocurre para un contenido de 4,3% de C. En este punto la fase líquida se transforma a los 1130 ºC en fase gamma (austenita) y Fe3C (cementita 6,7% C)
  
• Punto eutectoide. Ocurre para un contenido de 0,77% de C. En dicho punto la fase austenita se transforma a los 723 ºC en fase alpha (0,022% C) y Fe3C (cementita 6,7% C). Los aceros con un contenido en carbono inferior a 0,77 % se les denomina hipoeutectoides y los que contienen un contenido superior se les denomina hipereutectoides.