El acero es una aleación de hierro y carbono con mayor resistencia y resistencia a la fractura en comparación con otras formas de hierro. Muchos otros elementos pueden estar presentes o añadidos. Los aceros inoxidables , que son resistentes a la corrosión y la oxidación , normalmente necesitan un 11% adicional de cromo . Debido a su alta resistencia a la tracción y su bajo costo, el acero se utiliza en edificios, infraestructura, herramientas, barcos, trenes, automóviles, bicicletas, máquinas, electrodomésticos, muebles y armas.
El hierro es el metal base del acero. Dependiendo de la temperatura, puede tomar dos formas cristalinas (formas alotrópicas): cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras . La interacción de los alótropos del hierro con los elementos de aleación, principalmente el carbono, confiere al acero y al hierro fundido su gama de propiedades únicas. En el hierro puro, la estructura cristalina tiene relativamente poca resistencia a que los átomos de hierro se deslicen entre sí, por lo que el hierro puro es bastante dúctil , o blando y se forma fácilmente. En el acero, pequeñas cantidades de carbono, otros elementos e inclusiones dentro del hierro actúan como agentes endurecedores que impiden el movimiento de las dislocaciones .
El carbono en las aleaciones de acero típicas puede contribuir hasta el 2,14% de su peso. Variar la cantidad de carbono y muchos otros elementos de aleación, así como controlar su composición química y física en el acero final (ya sea como elementos solutos o como fases precipitadas), impide el movimiento de las dislocaciones que hacen que el hierro puro sea dúctil y, por lo tanto, controla y potencia sus cualidades. Estas cualidades incluyen la dureza , el comportamiento de enfriamiento , la necesidad de recocido , el comportamiento de revenido , el límite elástico y la resistencia a la tracción del acero resultante. El aumento de la resistencia del acero en comparación con el hierro puro sólo es posible reduciendo la ductilidad del hierro.
El acero se produjo en hornos de flor durante miles de años, pero su uso industrial a gran escala comenzó solo después de que se idearon métodos de producción más eficientes en el siglo XVII, con la introducción del alto horno y la producción de acero al crisol . A esto le siguió el proceso Bessemer en Inglaterra a mediados del siglo XIX y luego el horno de hogar abierto . Con la invención del proceso Bessemer, comenzó una nueva era de acero producido en masa . El acero dulce reemplazó al hierro forjado . Los estados alemanes experimentaron importantes avances siderúrgicos en Europa en el siglo XIX, [1] y la industria de producción de acero estadounidense se fabricó en ciudades como Pittsburgh y Cleveland hasta finales del siglo XX.
Otros refinamientos en el proceso, como la fabricación de acero con oxígeno básico (BOS), reemplazaron en gran medida los métodos anteriores al reducir aún más el costo de producción y aumentar la calidad del producto final. Hoy en día, el acero es uno de los materiales más fabricados en el mundo, con más de 1.600 millones de toneladas producidas anualmente. El acero moderno generalmente se identifica por varios grados definidos por diversas organizaciones de estándares . La industria siderúrgica moderna es una de las industrias manufactureras más grandes del mundo, pero también una de las industrias con mayor intensidad energética y de emisiones de gases de efecto invernadero , contribuyendo con el 8% de las emisiones globales. [2] Sin embargo, el acero también es muy reutilizable: es uno de los materiales más reciclados del mundo, con una tasa de reciclaje de más del 60% a nivel global . [3]
El sustantivo acero proviene del adjetivo protogermánico stahliją o stakhlijan 'hecho de acero', que está relacionado con stahlaz o stahliją 'estar firme'. [4]
El contenido de carbono del acero está entre 0,02% y 2,14% en peso para el acero al carbono simple ( aleaciones hierro - carbono ). Un contenido muy bajo de carbono deja al hierro (puro) bastante blando, dúctil y débil. Contenidos de carbono superiores a los del acero forman una aleación quebradiza comúnmente llamada arrabio . El acero aleado es acero al que se le han añadido intencionalmente otros elementos de aleación para modificar las características del acero. Los elementos de aleación comunes incluyen: manganeso , níquel , cromo , molibdeno , boro , titanio , vanadio , tungsteno , cobalto y niobio . [5] En el acero también son importantes elementos adicionales, considerados con mayor frecuencia indeseables: fósforo , azufre , silicio y trazas de oxígeno , nitrógeno y cobre .
Las aleaciones simples de carbono y hierro con un contenido de carbono superior al 2,1% se conocen como hierro fundido . Con técnicas modernas de fabricación de acero , como la formación de polvo metálico, es posible fabricar aceros con muy alto contenido de carbono (y otros materiales de aleación), pero no son comunes. El hierro fundido no es maleable incluso cuando está caliente, pero se puede formar mediante fundición ya que tiene un punto de fusión más bajo que el acero y buenas propiedades de moldeabilidad . [5] Ciertas composiciones de hierro fundido, si bien conservan las economías de fusión y fundición, pueden tratarse térmicamente después de la fundición para fabricar objetos de hierro maleable o de hierro dúctil . El acero se distingue del hierro forjado (hoy en gran medida obsoleto), que puede contener una pequeña cantidad de carbono pero grandes cantidades de escoria .
El hierro se encuentra comúnmente en la corteza terrestre en forma de mineral , generalmente un óxido de hierro, como magnetita o hematita . El hierro se extrae del mineral de hierro eliminando el oxígeno mediante su combinación con un compañero químico preferido, como el carbono, que luego se pierde a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Este proceso, conocido como fundición , se aplicó por primera vez a metales con puntos de fusión más bajos , como el estaño , que se funde a unos 250 °C (482 °F), y el cobre , que se funde a unos 1100 °C (2010 °F). y la combinación, bronce, que tiene un punto de fusión inferior a 1.083 °C (1.981 °F). En comparación, el hierro fundido se funde a aproximadamente 1375 °C (2507 °F). [6] En la antigüedad se fundían pequeñas cantidades de hierro, en estado sólido, calentando el mineral en un fuego de carbón y luego soldando los grumos con un martillo y en el proceso exprimiendo las impurezas. Con cuidado, el contenido de carbono podría controlarse moviéndolo en el fuego. A diferencia del cobre y el estaño, el hierro líquido o sólido disuelve el carbono con bastante facilidad. [ cita necesaria ]
Todas estas temperaturas se podían alcanzar con métodos antiguos utilizados desde la Edad del Bronce . Dado que la tasa de oxidación del hierro aumenta rápidamente más allá de los 800 °C (1470 °F), es importante que la fundición se lleve a cabo en un ambiente con poco oxígeno. La fundición, que utiliza carbono para reducir los óxidos de hierro, da como resultado una aleación ( arrabio ) que retiene demasiado carbono para llamarse acero. [6] El exceso de carbono y otras impurezas se eliminan en un paso posterior. [ cita necesaria ]
A menudo se añaden otros materiales a la mezcla de hierro/carbono para producir acero con las propiedades deseadas. El níquel y el manganeso en el acero aumentan su resistencia a la tracción y hacen que la forma austenita de la solución de hierro y carbono sea más estable, el cromo aumenta la dureza y la temperatura de fusión, y el vanadio también aumenta la dureza y lo hace menos propenso a la fatiga del metal . [7]
Para inhibir la corrosión, se puede agregar al menos un 11% de cromo al acero para que se forme un óxido duro en la superficie del metal; esto se conoce como acero inoxidable . El tungsteno ralentiza la formación de cementita , manteniendo el carbono en la matriz de hierro y permitiendo que la martensita se forme preferentemente a velocidades de enfriamiento más lentas, lo que da como resultado acero de alta velocidad . La adición de plomo y azufre disminuye el tamaño del grano, lo que hace que el acero sea más fácil de tornear , pero también más frágil y propenso a la corrosión. Sin embargo, estas aleaciones se utilizan con frecuencia para componentes como tuercas, pernos y arandelas en aplicaciones donde la tenacidad y la resistencia a la corrosión no son primordiales. Sin embargo, en su mayor parte, los elementos del bloque P , como azufre, nitrógeno , fósforo y plomo, se consideran contaminantes que hacen que el acero sea más quebradizo y, por lo tanto, se eliminan del acero durante el proceso de fusión. [7]
La densidad del acero varía según los componentes de la aleación, pero generalmente oscila entre 7.750 y 8.050 kg/m 3 (484 y 503 lb/cu ft), o 7,75 y 8,05 g/cm 3 (4,48 y 4,65 oz/cu in). [8]
Incluso en un rango estrecho de concentraciones de mezclas de carbono y hierro que forman el acero, se pueden formar varias estructuras metalúrgicas diferentes, con propiedades muy diferentes. Comprender estas propiedades es esencial para fabricar acero de calidad. A temperatura ambiente , la forma más estable de hierro puro es la estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) llamada hierro alfa o hierro α. Es un metal bastante blando que puede disolver sólo una pequeña concentración de carbono, no más del 0,005% a 0 °C (32 °F) y el 0,021% en peso a 723 °C (1333 °F). La inclusión de carbono en el hierro alfa se llama ferrita . A 910 °C, el hierro puro se transforma en una estructura cúbica centrada en las caras (FCC), llamada hierro gamma o hierro γ. La inclusión de carbono en el hierro gamma se llama austenita. La estructura FCC más abierta de la austenita puede disolver considerablemente más carbono, hasta un 2,1% [9] (38 veces más que la ferrita) de carbono a 1148 °C (2098 °F), lo que refleja el contenido superior de carbono del acero, más allá. que es de hierro fundido. [10] Cuando el carbono sale de la solución con el hierro, forma un material muy duro pero quebradizo llamado cementita (Fe 3 C). [ cita necesaria ]
Cuando se enfrían aceros con exactamente 0,8% de carbono (conocido como acero eutectoide), la fase austenítica (FCC) de la mezcla intenta volver a la fase de ferrita (BCC). El carbono ya no encaja dentro de la estructura de austenita FCC, lo que resulta en un exceso de carbono. Una forma en que el carbono abandona la austenita es precipitando de la solución como cementita , dejando una fase circundante de hierro BCC llamada ferrita con un pequeño porcentaje de carbono en solución. Las dos, ferrita y cementita, precipitan simultáneamente produciendo una estructura en capas llamada perlita , llamada así por su parecido con el nácar . En una composición hipereutectoide (más de 0,8% de carbono), el carbono primero precipitará como grandes inclusiones de cementita en los límites de los granos de austenita hasta que el porcentaje de carbono en los granos haya disminuido a la composición eutectoide (0,8% de carbono), en la cual punto se forma la estructura de perlita. Para los aceros que tienen menos del 0,8% de carbono (hipoeutectoide), primero se formará ferrita dentro de los granos hasta que la composición restante aumenta al 0,8% de carbono, momento en el que se formará la estructura de perlita. No se formarán grandes inclusiones de cementita en los límites del acero hipoeutectoide. [11] Lo anterior supone que el proceso de enfriamiento es muy lento, lo que permite suficiente tiempo para que el carbono migre. [ cita necesaria ]
A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, el carbono tendrá menos tiempo para migrar y formar carburo en los límites de los granos, pero tendrá cantidades cada vez mayores de perlita de una estructura cada vez más fina dentro de los granos; por lo tanto, el carburo está más disperso y actúa para evitar el deslizamiento de defectos dentro de esos granos, lo que resulta en el endurecimiento del acero. A las velocidades de enfriamiento muy altas producidas por el temple, el carbono no tiene tiempo de migrar, sino que queda encerrado dentro de la austenita centrada en la cara y forma martensita . La martensita es una forma sobresaturada de carbono y hierro, altamente tensa y estresada, y es extremadamente dura pero quebradiza. Dependiendo del contenido de carbono, la fase martensítica adopta diferentes formas. Por debajo del 0,2% de carbono, adquiere forma de cristal de ferrita BCC, pero con un mayor contenido de carbono adquiere una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). No existe energía de activación térmica para la transformación de austenita a martensita. [ se necesita aclaración ] No hay ningún cambio de composición, por lo que los átomos generalmente conservan a sus mismos vecinos. [12]
La martensita tiene una densidad menor (se expande durante el enfriamiento) que la austenita, por lo que la transformación entre ellas resulta en un cambio de volumen. En este caso se produce expansión. Las tensiones internas de esta expansión generalmente toman la forma de compresión sobre los cristales de martensita y tensión sobre la ferrita restante, con una buena cantidad de cizallamiento en ambos constituyentes. Si el enfriamiento se realiza incorrectamente, las tensiones internas pueden hacer que una pieza se rompa al enfriarse. Como mínimo, provocan endurecimiento interno y otras imperfecciones microscópicas. Es común que se formen grietas cuando el acero se enfría con agua, aunque es posible que no siempre sean visibles. [13]
Hay muchos tipos de procesos de tratamiento térmico disponibles para el acero. Los más comunes son el recocido , el temple y el revenido .
El recocido es el proceso de calentar el acero a una temperatura suficientemente alta para aliviar las tensiones internas locales. No crea un ablandamiento general del producto sino que sólo alivia localmente las tensiones y tensiones encerradas dentro del material. El recocido pasa por tres fases: recuperación , recristalización y crecimiento del grano . La temperatura requerida para recocer un acero particular depende del tipo de recocido que se desea lograr y de los componentes de la aleación. [14]
El enfriamiento implica calentar el acero para crear la fase de austenita y luego enfriarlo en agua o aceite . Este rápido enfriamiento da como resultado una estructura martensítica dura pero quebradiza. [12] Luego, el acero se templa, que es solo un tipo especializado de recocido, para reducir la fragilidad. En esta aplicación, el proceso de recocido (templado) transforma parte de la martensita en cementita o esferoidita y, por lo tanto, reduce las tensiones y defectos internos. El resultado es un acero más dúctil y resistente a las fracturas. [15]
Cuando el hierro se funde a partir de su mineral, contiene más carbono del deseable. Para convertirse en acero, se debe reprocesar para reducir el carbono a la cantidad correcta, momento en el que se pueden agregar otros elementos. En el pasado, las instalaciones siderúrgicas fundían el producto de acero en bruto en lingotes que se almacenaban hasta su uso en procesos de refinamiento posteriores que daban como resultado el producto terminado. En las instalaciones modernas, el producto inicial se aproxima a la composición final y se moldea continuamente en largas losas, se corta y se le da forma en barras y extrusiones y se trata térmicamente para producir un producto final. Hoy en día, aproximadamente el 96% del acero se fabrica de forma continua, mientras que sólo el 4% se produce en forma de lingotes. [dieciséis]
Luego, los lingotes se calientan en un pozo de remojo y se laminan en caliente para formar placas, palanquillas o bloques . Las losas se laminan en frío o en caliente para formar láminas o placas de metal. Los tochos se laminan en frío o en caliente para formar barras, varillas y alambres. Las flores se laminan en frío o en caliente para formar acero estructural , como vigas en I y rieles . En las acerías modernas, estos procesos a menudo ocurren en una línea de ensamblaje , con la entrada del mineral y la salida de los productos de acero terminados. [17] A veces, después del laminado final de un acero, se lo trata térmicamente para darle resistencia; sin embargo, esto es relativamente raro. [18]
El acero era conocido en la antigüedad y se producía en floreros y crisoles . [19] [20]
La producción de acero más antigua conocida se ve en piezas de hierro excavadas en un sitio arqueológico en Anatolia ( Kaman-Kalehöyük ) y tienen casi 4.000 años de antigüedad y datan del 1800 a.C. [21] [22] Horacio identifica armas de acero como la falcata en la Península Ibérica , mientras que el acero nórdico fue utilizado por los militares romanos . [23]
La reputación de Seric Iron of India (acero wootz) creció considerablemente en el resto del mundo. [20] Los sitios de producción de metales en Sri Lanka empleaban hornos eólicos impulsados por los vientos monzónicos, capaces de producir acero con alto contenido de carbono. La producción de acero Wootz a gran escala en la India utilizando crisoles se produjo en el siglo VI a. C., el precursor de la producción de acero y la metalurgia modernas. [19] [20]
Los chinos del período de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.) tenían acero templado , [24] mientras que los chinos de la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.) crearon acero fundiendo hierro forjado con hierro fundido, produciendo así una aleación de carbono. -acero intermedio hacia el siglo I d.C. [25] [26]
Hay pruebas de que los antepasados del pueblo Haya fabricaban acero al carbono en el oeste de Tanzania hace ya 2.000 años mediante un complejo proceso de "precalentamiento" que permitía que las temperaturas dentro de un horno alcanzaran entre 1.300 y 1.400 °C. [27] [28] [29] [30] [31] [32]
Se encuentran pruebas de la producción más temprana de acero con alto contenido de carbono en la India en Kodumanal en Tamil Nadu , el área de Golconda en Andhra Pradesh y Karnataka , y en las áreas de Samanalawewa , Dehigaha Alakanda, de Sri Lanka . [33] Esto llegó a ser conocido como acero Wootz , producido en el sur de la India aproximadamente en el siglo VI a.C. y exportado a todo el mundo. [34] [35] La tecnología del acero existía antes del 326 a. C. en la región, como se menciona en la literatura de Sangam tamil , árabe y latín como el acero más fino del mundo exportado a los mundos romano, egipcio, chino y árabe en Esa vez, lo que llamaron Seric Iron . [36] Un gremio comercial tamil del año 200 a. C. en Tissamaharama , en el sureste de Sri Lanka, trajo consigo algunos de los artefactos y procesos de producción de hierro y acero más antiguos a la isla del período clásico . [37] [38] [39] Los chinos y los lugareños en Anuradhapura , Sri Lanka, también habían adoptado los métodos de producción para crear acero Wootz de los tamiles de la dinastía Chera del sur de la India en el siglo V d.C. [40] [41] En Sri Lanka, este primer método de fabricación de acero empleaba un horno eólico único, impulsado por los vientos monzónicos, capaz de producir acero con alto contenido de carbono. [42] [43] Dado que la tecnología fue adquirida de los tamiles del sur de la India, [44] el origen de la tecnología del acero en la India se puede estimar de manera conservadora entre 400 y 500 a. [34] [43]
La fabricación de lo que se dio en llamar Wootz, o acero de Damasco , famoso por su durabilidad y capacidad para sujetar un filo, pudo haber sido tomada por los árabes de Persia, quienes lo tomaron de la India. Fue creado originalmente a partir de varios materiales diferentes, incluidos varios oligoelementos , aparentemente en última instancia a partir de los escritos de Zosimos de Panopolis . [ cita necesaria ] En 327 a. C., Alejandro Magno fue recompensado por el derrotado rey Porus , no con oro ni plata, sino con 30 libras de acero. [45] Un estudio reciente ha especulado que se incluyeron nanotubos de carbono en su estructura, lo que podría explicar algunas de sus cualidades legendarias, aunque, dada la tecnología de esa época, tales cualidades se produjeron por casualidad y no por diseño. [46] Se utilizó viento natural donde el suelo que contenía hierro se calentaba mediante el uso de madera. Los antiguos cingaleses lograron extraer una tonelada de acero por cada 2 toneladas de suelo, [42] una hazaña notable en ese momento. Uno de esos hornos se encontró en Samanalawewa y los arqueólogos pudieron producir acero como lo hacían los antiguos. [42] [47]
El acero de crisol , formado calentando y enfriando lentamente hierro puro y carbono (normalmente en forma de carbón vegetal) en un crisol, se produjo en Merv entre los siglos IX y X d.C. [35] En el siglo XI, hay evidencia de la producción de acero en la China Song utilizando dos técnicas: un método "berganesco" que producía acero inferior y no homogéneo, y un precursor del moderno proceso Bessemer que utilizaba la descarburación parcial mediante forjado repetido. bajo una ráfaga de frío . [48]
Desde el siglo XVII, el primer paso en la producción europea de acero fue la fundición del mineral de hierro en arrabio en un alto horno . [49] Aunque originalmente se empleaba carbón vegetal, los métodos modernos utilizan coque , que ha demostrado ser más económico. [50] [51] [52]
En estos procesos, el arrabio elaborado a partir de mineral de hierro en bruto se refinaba (refinaba) en una forja fina para producir barras de hierro , que luego se utilizaba en la fabricación de acero. [49]
La producción de acero mediante el proceso de cementación se describió en un tratado publicado en Praga en 1574 y se utilizó en Nuremberg desde 1601. Un proceso similar para el endurecimiento de armaduras y limas se describió en un libro publicado en Nápoles en 1589. El proceso fue introducido en Inglaterra alrededor de 1614 y utilizado para producir dicho acero por Sir Basil Brooke en Coalbrookdale durante la década de 1610. [53]
La materia prima para este proceso eran barras de hierro. Durante el siglo XVII, se descubrió que el mejor acero procedía de las minas de hierro de una región al norte de Estocolmo , Suecia. Ésta seguía siendo la fuente habitual de materia prima en el siglo XIX, casi mientras se utilizó el proceso. [54] [55]
El acero de crisol es acero que ha sido fundido en un crisol en lugar de haber sido forjado , con el resultado de que es más homogéneo. La mayoría de los hornos anteriores no podían alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el acero. La industria moderna del acero al crisol fue el resultado de la invención de Benjamin Huntsman en la década de 1740. El acero blister (fabricado como se indica arriba) se fundía en un crisol o en un horno y se fundía (generalmente) en lingotes. [55] [56]
La era moderna en la fabricación de acero comenzó con la introducción del proceso de Henry Bessemer en 1855, cuya materia prima era el arrabio. [57] Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo precio, por lo que el acero dulce pasó a utilizarse para la mayoría de los fines para los que antes se utilizaba el hierro forjado. [58] El proceso Gilchrist-Thomas (o proceso Bessemer básico ) fue una mejora del proceso Bessemer, realizado recubriendo el convertidor con un material básico para eliminar el fósforo.
Otro proceso de fabricación de acero del siglo XIX fue el proceso Siemens-Martin , que complementaba el proceso Bessemer. [55] Consistía en co-fundir barras de hierro (o chatarra de acero) con arrabio.
Estos métodos de producción de acero quedaron obsoletos por el proceso Linz-Donawitz de fabricación de acero con oxígeno básico (BOS), desarrollado en 1952, [59] y otros métodos de fabricación de acero con oxígeno. La fabricación de acero con oxígeno básico es superior a los métodos de fabricación de acero anteriores porque el oxígeno bombeado al horno limitaba las impurezas, principalmente nitrógeno, que previamente habían entrado desde el aire utilizado, [60] y porque, con respecto al proceso de hogar abierto, se necesitaba la misma cantidad de acero. de un proceso BOS se fabrica en una doceava parte del tiempo. [59] Hoy en día, los hornos de arco eléctrico (EAF) son un método común para reprocesar chatarra para crear acero nuevo. También se pueden utilizar para convertir arrabio en acero, pero consumen mucha energía eléctrica (alrededor de 440 kWh por tonelada métrica) y, por lo tanto, generalmente sólo son económicos cuando hay un suministro abundante de electricidad barata. [61]
La industria del acero a menudo se considera un indicador de progreso económico, debido al papel fundamental que desempeña el acero en el desarrollo económico general y de infraestructura . [62] En 1980, había más de 500.000 trabajadores siderúrgicos estadounidenses. En 2000, el número de trabajadores siderúrgicos había caído a 224.000. [63]
El auge económico de China y la India provocó un aumento masivo de la demanda de acero. Entre 2000 y 2005, la demanda mundial de acero aumentó un 6%. Desde 2000, varias empresas siderúrgicas indias [64] y chinas [65] se han expandido para satisfacer la demanda, como Tata Steel (que compró Corus Group en 2007), Baosteel Group y Shagang Group . [actualizar]Sin embargo, desde 2017 , ArcelorMittal es el mayor productor de acero del mundo . [66] En 2005, el Servicio Geológico Británico declaró que China era el principal productor de acero con aproximadamente un tercio de la participación mundial; Le siguieron Japón, Rusia y Estados Unidos, respectivamente. [67] La gran capacidad de producción de acero también genera una cantidad significativa de emisiones de dióxido de carbono inherentes a la principal ruta de producción. En 2021, se estimó que alrededor del 7% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero provinieron de la industria del acero. [68] [69] Se espera que la reducción de estas emisiones provenga de un cambio en la ruta principal de producción que utiliza coque, un mayor reciclaje de acero y la aplicación de tecnología de captura y almacenamiento de carbono o tecnología de captura y utilización de carbono.
A finales de 2008, la industria siderúrgica se enfrentó a una fuerte crisis que provocó numerosos recortes. [70]
El acero es uno de los materiales más reciclados del mundo, con una tasa de reciclaje de más del 60% a nivel mundial; [3] Sólo en los Estados Unidos, se reciclaron más de 82.000.000 de toneladas métricas (81.000.000 de toneladas largas; 90.000.000 de toneladas cortas) en el año 2008, para una tasa de reciclaje general del 83%. [71]
Dado que se produce más acero del que se desguaza, la cantidad de materias primas recicladas es aproximadamente el 40% del total de acero producido: en 2016, se eliminaron 1.628.000.000 de toneladas (1.602 × 10 9 toneladas largas; 1.795 × 10 9 toneladas cortas) de acero bruto. producido a nivel mundial, con 630.000.000 de toneladas (620.000.000 toneladas largas; 690.000.000 toneladas cortas) recicladas. [72]
Los aceros modernos se fabrican con diversas combinaciones de metales aleados para cumplir muchos propósitos. [7] El acero al carbono , compuesto simplemente de hierro y carbono, representa el 90% de la producción de acero. [5] El acero de baja aleación se alea con otros elementos, generalmente molibdeno , manganeso, cromo o níquel, en cantidades de hasta el 10% en peso para mejorar la templabilidad de las secciones gruesas. [5] El acero de alta resistencia y baja aleación tiene pequeñas adiciones (generalmente <2% en peso) de otros elementos, generalmente 1,5% de manganeso, para proporcionar resistencia adicional por un modesto aumento de precio. [73]
Las recientes regulaciones corporativas de economía promedio de combustible (CAFE) han dado lugar a una nueva variedad de acero conocida como acero avanzado de alta resistencia (AHSS). Este material es resistente y dúctil para que las estructuras de los vehículos puedan mantener sus niveles de seguridad actuales utilizando menos material. Hay varios grados de AHSS disponibles comercialmente, como el acero de doble fase , que se trata térmicamente para contener una microestructura ferrítica y martensítica para producir un acero conformable y de alta resistencia. [74] El acero de plasticidad inducida por transformación (TRIP) implica tratamientos térmicos y de aleación especiales para estabilizar cantidades de austenita a temperatura ambiente en aceros ferríticos de baja aleación que normalmente no contienen austenita. Al aplicar tensión, la austenita sufre una transición de fase a martensita sin adición de calor. [75] El acero de plasticidad inducida por hermanamiento (TWIP) utiliza un tipo específico de deformación para aumentar la efectividad del endurecimiento por trabajo de la aleación. [76]
Los aceros al carbono suelen estar galvanizados , mediante inmersión en caliente o galvanoplastia en zinc para protegerlos contra la oxidación. [77]
Los aceros inoxidables contienen un mínimo de 11% de cromo, a menudo combinado con níquel, para resistir la corrosión . Algunos aceros inoxidables, como los aceros inoxidables ferríticos , son magnéticos , mientras que otros, como los austeníticos , no son magnéticos. [78] Los aceros resistentes a la corrosión se abrevian como CRES.
Los aceros aleados son aceros al carbono simples a los que se les han añadido pequeñas cantidades de elementos de aleación como cromo y vanadio. Algunos aceros más modernos incluyen aceros para herramientas , que están aleados con grandes cantidades de tungsteno y cobalto u otros elementos para maximizar el endurecimiento en solución . Esto también permite el uso del endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia a la temperatura de la aleación. [5] El acero para herramientas se utiliza generalmente en hachas, taladros y otros dispositivos que necesitan un filo afilado y duradero. Otras aleaciones para fines especiales incluyen aceros resistentes a la intemperie como el Cor-ten, que se resisten adquiriendo una superficie estable y oxidada y, por lo tanto, pueden usarse sin pintar. [79] El acero martensítico está aleado con níquel y otros elementos, pero a diferencia de la mayoría del acero contiene poco carbono (0,01%). Esto crea un acero muy fuerte pero aún maleable . [80]
El acero Eglin utiliza una combinación de más de una docena de elementos diferentes en cantidades variables para crear un acero de costo relativamente bajo para su uso en armas rompe-búnkeres , y el acero Hadfield (después de Sir Robert Hadfield ) o acero al manganeso contiene entre un 12% y un 14% de manganeso que, cuando Se desgasta y se endurece para formar una piel muy dura que resiste el desgaste. Los usos de esta aleación en particular incluyen orugas de tanques , bordes de hojas de excavadoras y hojas cortantes en las mandíbulas de la vida . [81]
Las organizaciones de normalización clasifican la mayoría de las aleaciones de acero más utilizadas en varios grados. Por ejemplo, la Sociedad de Ingenieros Automotrices tiene una serie de grados que definen muchos tipos de acero. [82] La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales tiene un conjunto separado de estándares, que definen aleaciones como el acero A36 , el acero estructural más comúnmente utilizado en los Estados Unidos. [83] La JIS también define una serie de grados de acero que se utilizan ampliamente en el Japón y en los países en desarrollo.
El hierro y el acero se utilizan ampliamente en la construcción de carreteras, vías férreas, otras infraestructuras, electrodomésticos y edificios. La mayoría de las grandes estructuras modernas, como estadios y rascacielos, puentes y aeropuertos, están sostenidas por un esqueleto de acero. Incluso aquellos con estructura de hormigón emplean acero como refuerzo. Tiene un uso generalizado en grandes electrodomésticos y automóviles . A pesar del crecimiento en el uso del aluminio , el acero sigue siendo el material principal para las carrocerías de los automóviles. El acero se utiliza en una variedad de otros materiales de construcción, como pernos, clavos y tornillos y otros productos domésticos y utensilios de cocina. [84]
Otras aplicaciones comunes incluyen construcción naval , oleoductos , minería , construcción costa afuera , aeroespacial , electrodomésticos (por ejemplo, lavadoras ), equipos pesados como excavadoras, muebles de oficina, lana de acero , herramientas y armaduras en forma de chalecos personales o armaduras para vehículos (mejor conocido como armadura homogénea enrollada en este papel).
Antes de la introducción del proceso Bessemer y otras técnicas de producción modernas, el acero era caro y solo se usaba cuando no existía una alternativa más barata, particularmente para el filo de cuchillos , navajas , espadas y otros artículos donde se necesitaba un filo duro y afilado. También se utilizó para resortes , incluidos los utilizados en relojes y relojes . [55]
Con la llegada de métodos de producción más rápidos y baratos, el acero se ha vuelto más fácil de obtener y mucho más barato. Ha sustituido al hierro forjado para multitud de propósitos. Sin embargo, la disponibilidad de plásticos en la última parte del siglo XX permitió que estos materiales reemplazaran al acero en algunas aplicaciones debido a su menor costo de fabricación y peso. [85] La fibra de carbono está reemplazando al acero en algunas aplicaciones que no son sensibles a los costos, como equipos deportivos y automóviles de alta gama.
El acero fabricado después de la Segunda Guerra Mundial quedó contaminado con radionucleidos debido a las pruebas de armas nucleares . El acero de bajo fondo, acero fabricado antes de 1945, se utiliza para determinadas aplicaciones sensibles a la radiación, como contadores Geiger y protección contra la radiación .
