El acero al carbono es un acero con un contenido de carbono de entre el 0,05 y el 2,1 por ciento en peso. La definición de acero al carbono del Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) establece lo siguiente:
El término acero al carbono también puede utilizarse en referencia a un acero que no sea acero inoxidable ; en este sentido, el acero al carbono puede incluir aceros aleados . El acero con alto contenido de carbono tiene muchos usos diferentes, como fresadoras, herramientas de corte (como cinceles ) y alambres de alta resistencia. Estas aplicaciones requieren una microestructura mucho más fina, lo que mejora la tenacidad.
A medida que aumenta el porcentaje de contenido de carbono, el acero tiene la capacidad de volverse más duro y resistente mediante el tratamiento térmico ; sin embargo, se vuelve menos dúctil . Independientemente del tratamiento térmico, un mayor contenido de carbono reduce la soldabilidad . En los aceros al carbono, el mayor contenido de carbono reduce el punto de fusión. [2]
El acero al carbono suele dividirse en dos categorías principales: acero con bajo contenido de carbono y acero con alto contenido de carbono. También puede contener otros elementos, como manganeso, fósforo, azufre y silicio, que pueden afectar a sus propiedades. El acero al carbono se puede mecanizar y soldar fácilmente, lo que lo hace versátil para diversas aplicaciones. También se puede tratar térmicamente para mejorar su resistencia, dureza y durabilidad.
El acero al carbono es susceptible al óxido y la corrosión, especialmente en entornos con altos niveles de humedad y/o sal. Se puede proteger de la corrosión revistiéndolo con pintura, barniz u otro material protector. Alternativamente, se puede fabricar a partir de una aleación de acero inoxidable que contenga cromo, que proporciona una excelente resistencia a la corrosión. El acero al carbono se puede alear con otros elementos para mejorar sus propiedades, por ejemplo, añadiendo cromo y/o níquel para mejorar su resistencia a la corrosión y la oxidación o añadiendo molibdeno para mejorar su resistencia y tenacidad a altas temperaturas.
Es un material respetuoso con el medio ambiente, ya que es fácilmente reciclable y puede reutilizarse en diversas aplicaciones. Su producción es eficiente desde el punto de vista energético, ya que requiere menos energía que otros metales como el aluminio y el cobre. [ cita requerida ]
El acero dulce (hierro que contiene un pequeño porcentaje de carbono, fuerte y resistente pero que no se templa fácilmente), también conocido como acero al carbono simple y acero con bajo contenido de carbono, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y al mismo tiempo proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero dulce contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,30 % de carbono [1], lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de moldear. La dureza de la superficie se puede aumentar con la carburación . [3]
La densidad del acero dulce es de aproximadamente 7,85 g/cm3 ( 7850 kg/m3 ; 0,284 lb/cu in) [4] y el módulo de Young es de 200 GPa (29 × 10 6 psi). [5]
Los aceros con bajo contenido de carbono [6] presentan un punto de fluencia fuera de límite donde el material tiene dos puntos de fluencia . El primer punto de fluencia (o punto de fluencia superior) es más alto que el segundo y el límite de fluencia cae drásticamente después del punto de fluencia superior. Si un acero con bajo contenido de carbono solo se somete a tensión hasta cierto punto entre el punto de fluencia superior e inferior, la superficie desarrolla bandas de Lüder . [7] Los aceros con bajo contenido de carbono contienen menos carbono que otros aceros y son más fáciles de conformar en frío, lo que los hace más fáciles de manipular. [3] Las aplicaciones típicas del acero con bajo contenido de carbono son las piezas de automóviles, las tuberías, la construcción y las latas de alimentos. [8]
Los aceros de alta resistencia son de bajo carbono, o aceros en el extremo inferior del rango de carbono medio, [ cita requerida ] que tienen ingredientes de aleación adicionales para aumentar su resistencia, propiedades de desgaste o específicamente resistencia a la tracción . Estos ingredientes de aleación incluyen cromo , molibdeno , silicio , manganeso , níquel y vanadio . Las impurezas como el fósforo y el azufre tienen su contenido máximo permitido restringido.
Los aceros al carbono que pueden someterse con éxito al tratamiento térmico tienen un contenido de carbono en el rango de 0,30 a 1,70 % en peso. Las impurezas traza de varios otros elementos pueden afectar significativamente la calidad del acero resultante. Las cantidades traza de azufre en particular hacen que el acero sea rojo-corto , es decir, quebradizo y desmenuzable a altas temperaturas de trabajo. El acero al carbono de baja aleación, como el grado A36 , contiene aproximadamente 0,05 % de azufre y se funde alrededor de 1426 a 1538 °C (2600 a 2800 °F). [9] A menudo se agrega manganeso para mejorar la templabilidad de los aceros con bajo contenido de carbono. Estas adiciones convierten el material en un acero de baja aleación según algunas definiciones, pero la definición de acero al carbono de AISI permite hasta 1,65 % de manganeso en peso. Hay dos tipos de aceros con mayor contenido de carbono que son el acero con alto contenido de carbono y el acero con ultra alto contenido de carbono. La razón del uso limitado de acero con alto contenido de carbono es que tiene una ductilidad y soldabilidad extremadamente bajas y tiene un costo de producción más alto. Las aplicaciones más adecuadas para los aceros con alto contenido de carbono son su uso en la industria de resortes, la industria agrícola y en la producción de una amplia gama de alambres de alta resistencia. [10] [11]
El siguiente método de clasificación se basa en la norma estadounidense AISI/SAE . Otras normas internacionales incluyen DIN (Alemania), GB (China), BS/EN (Reino Unido), AFNOR (Francia), UNI (Italia), SS (Suecia), UNE (España), JIS (Japón), ASTM y otras.
El acero al carbono se divide en cuatro clases según el contenido de carbono: [1]
El acero con bajo contenido de carbono tiene entre un 0,05 y un 0,15 % de contenido de carbono (acero al carbono simple). [1]
El acero de medio carbono tiene un contenido de carbono de aproximadamente 0,3 a 0,5 %. [1] Equilibra la ductilidad y la resistencia y tiene buena resistencia al desgaste. Se utiliza para piezas grandes, forjado y componentes automotrices. [12] [13]
El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente entre un 0,6 y un 1,0 % de contenido de carbono. [1] Es muy resistente y se utiliza para resortes, herramientas de filo y alambres de alta resistencia. [14]
El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente entre un 1,25 % y un 2,0 % de contenido de carbono. [1] Aceros que se pueden templar hasta alcanzar una gran dureza. Se utilizan para fines especiales, como cuchillos (no industriales), ejes y punzones . La mayoría de los aceros con más de un 2,5 % de contenido de carbono se fabrican mediante pulvimetalurgia .
El objetivo del tratamiento térmico del acero al carbono es cambiar las propiedades mecánicas del acero, generalmente la ductilidad, la dureza, el límite elástico o la resistencia al impacto. Nótese que la conductividad eléctrica y térmica solo se modifican ligeramente. Como ocurre con la mayoría de las técnicas de fortalecimiento del acero, el módulo de Young (elasticidad) no se ve afectado. Todos los tratamientos del acero intercambian ductilidad por mayor resistencia y viceversa. El hierro tiene una mayor solubilidad para el carbono en la fase austenítica ; por lo tanto, todos los tratamientos térmicos, excepto la esferoidización y el recocido de proceso, comienzan calentando el acero a una temperatura en la que pueda existir la fase austenítica. Luego, el acero se enfría (se extrae con calor) a una velocidad moderada a baja, lo que permite que el carbono se difunda fuera de la austenita formando carburo de hierro (cementita) y dejando ferrita, o a una velocidad alta, atrapando el carbono dentro del hierro formando así martensita. La velocidad a la que se enfría el acero hasta la temperatura eutectoide (aproximadamente 727 °C o 1341 °F) afecta la velocidad a la que el carbono se difunde fuera de la austenita y forma cementita. En términos generales, un enfriamiento rápido dejará el carburo de hierro finamente disperso y producirá una perlita de grano fino y un enfriamiento lento dará una perlita más gruesa. El enfriamiento de un acero hipoeutectoide (menos de 0,77 % en peso de C) da como resultado una estructura laminar-perlítica de capas de carburo de hierro con ferrita α (hierro casi puro) entre ellas. Si es un acero hipereutectoide (más de 0,77 % en peso de C), entonces la estructura es perlita completa con granos pequeños (más grandes que la lámina de perlita) de cementita formada en los límites de grano. Un acero eutectoide (0,77 % de carbono) tendrá una estructura de perlita en todos los granos sin cementita en los límites. Las cantidades relativas de los componentes se encuentran utilizando la regla de la palanca . A continuación se muestra una lista de los tipos de tratamientos térmicos posibles:
Los procesos de cementación endurecen únicamente el exterior de la pieza de acero, creando una capa dura y resistente al desgaste (la "capa") pero conservando un interior resistente y dúctil. Los aceros al carbono no son muy templables , lo que significa que no se pueden endurecer en secciones gruesas. Los aceros aleados tienen una mejor templabilidad, por lo que se pueden endurecer completamente y no requieren cementación. Esta propiedad del acero al carbono puede ser beneficiosa, porque le da a la superficie buenas características de desgaste pero deja el núcleo flexible y con capacidad de absorción de impactos.
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