Acero

El hierro se encuentra comúnmente en la corteza terrestre en forma de mineral , generalmente un óxido de hierro, como la magnetita o la hematita . El hierro se extrae del mineral de hierro en condiciones reductoras, donde el oxígeno reacciona con el carbono del combustible para producir monóxido de carbono, que luego reduce el óxido de hierro a hierro metálico. ^{[ 16 ]} 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, el bronce, que tiene un punto de fusión inferior a 1083 °C (1981 °F) . En comparación, el hierro se funde a unos 1540 °C (2800 °F) , una temperatura inalcanzable al comienzo de la Edad del Hierro . En la antigüedad, se fundían pequeñas cantidades de hierro en estado semilíquido calentando repetidamente el mineral en un fuego de carbón y luego soldando los grumos resultantes con un martillo. Este proceso eliminaba gran parte de las impurezas, dando como resultado la producción de hierro forjado . A medida que los hornos alcanzaban temperaturas más altas debido a las mejoras en los fuelles que permitían un mayor flujo de aire, se pudo producir hierro con mayor contenido de carbono. ^{[ 17 ]} A diferencia del cobre y el estaño, ^{[ 18 ] [ 19 ]} el hierro líquido o sólido disuelve el carbono con bastante facilidad. ^{[ 20 ]}        

Todas estas temperaturas podrían alcanzarse con métodos antiguos utilizados desde la Edad del Bronce . Dado que la tasa de oxidación del hierro aumenta rápidamente por encima de los 800 °C (1470 °F) , es importante que la fundición se realice en un ambiente con bajo contenido de oxígeno. La fundición, utilizando carbono para reducir los óxidos de hierro, da como resultado una aleación ( arrabio ) que retiene demasiado carbono para ser considerada acero. ^{[ 17 ]} El exceso de carbono y otras impurezas se eliminan mediante un procesamiento posterior. ^{[ 21 ]}  

A menudo se añaden otros materiales a la mezcla de hierro y 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 austenítica de la solución de hierro-carbono sea más estable; el cromo aumenta la dureza y la temperatura de fusión; y el vanadio también aumenta la dureza a la vez que lo hace menos propenso a la fatiga del metal . ^{[ 22 ]}

Para inhibir la corrosión, se puede añadir 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 un 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. En general, sin embargo, los elementos del bloque p, como el azufre, el nitrógeno , el fósforo y el plomo, se consideran contaminantes que hacen que el acero sea más frágil y, por lo tanto, se eliminan del acero durante el proceso de fusión. ^{[ 22 ]}

La densidad del acero varía según los componentes de aleación, pero generalmente oscila entre 7750 y 8050 kg/m³ ⁽ 484 y 503 lb/pie³ ) , o entre 7,75 y 8,05 g/cm³ ⁽ 4,48 y 4,65 oz/pulg³ ) . ^{[ 23 ]}      

Incluso en un rango estrecho de concentraciones de mezclas de carbono y hierro que forman el acero, pueden formarse varias estructuras metalúrgicas diferentes, con propiedades muy distintas. Comprender estas propiedades es esencial para fabricar acero de calidad. A temperatura ambiente , la forma más estable del 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 solo 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 % (38 veces más que la ferrita), ^{[ 24 ]} a 1148 °C (2098 °F) , lo que refleja el contenido de carbono superior del acero, más allá del cual se encuentra el hierro fundido. ^{[ 25 ]} Cuando el carbono sale de la solución con el hierro, forma un material muy duro, pero quebradizo, llamado cementita (Fe₃C ₎ . ^{[ 20 ]}       

Cuando los aceros con exactamente 0,8 % de carbono (conocidos como aceros eutectoides) se enfrían, la fase austenítica (FCC) de la mezcla intenta revertir a la fase ferrítica (BCC). El carbono ya no cabe 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 atrás una fase circundante de hierro BCC llamada ferrita con un pequeño porcentaje de carbono en solución. Las dos, cementita y ferrita, precipitan simultáneamente produciendo una estructura en capas llamada perlita , llamada así por su semejanza con el nácar . ^{[ 26 ]} En una composición hipereutectoide (mayor de 0,8 % de carbono), el carbono primero precipitará como grandes inclusiones de cementita en los límites de grano de la austenita hasta que el porcentaje de carbono en los granos haya disminuido a la composición eutectoide (0,8 % de carbono), momento en el que se forma la estructura de perlita. ^{[ 27 ]} Para aceros con menos del 0,8 % de carbono (hipoeutectoide), la ferrita se formará primero dentro de los granos hasta que la composición restante alcance el 0,8 % de carbono, momento en el que se formará la estructura perlítica. En el acero hipoeutectoide no se formarán grandes inclusiones de cementita en los límites. Lo anterior supone que el proceso de enfriamiento es muy lento, lo que permite tiempo suficiente para que el carbono migre. ^{[ 28 ]}

A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, el carbono tendrá menos tiempo para migrar y formar carburo en los límites de grano, 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 ampliamente disperso y actúa para prevenir el deslizamiento de defectos dentro de esos granos, lo que resulta en el endurecimiento del acero. A velocidades de enfriamiento muy altas producidas por el temple, el carbono no tiene tiempo para migrar, sino que queda atrapado dentro de la austenita centrada en las caras y forma martensita . ^{[ 29 ]} La martensita es una forma sobresaturada de carbono y hierro altamente deformada y tensada, y es extremadamente dura pero frágil. Dependiendo del contenido de carbono, la fase martensítica toma diferentes formas. Por debajo del 0,2 % de carbono, toma una forma cristalina BCC de ferrita, pero a un contenido de carbono más alto toma una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). No hay barrera de energía de activación térmica que impida la transformación de austenita a martensita. No hay cambio composicional, por lo que los átomos generalmente conservan sus mismos vecinos. ^{[ 30 ]}

La martensita tiene una densidad menor (se expande durante el enfriamiento) que la austenita, por lo que la transformación entre ellas produce un cambio de volumen. En este caso, se produce una expansión. Las tensiones internas derivadas de esta expansión generalmente se manifiestan como compresión en los cristales de martensita y tensión en la ferrita restante, con una cantidad considerable de cizallamiento en ambos constituyentes. Si el temple se realiza incorrectamente, las tensiones internas pueden provocar que una pieza se fracture al enfriarse. Como mínimo, causan endurecimiento por deformación interna y otras imperfecciones microscópicas. Es común que se formen grietas de temple cuando el acero se templa en agua, aunque no siempre son visibles. ^{[ 31 ]}

Existen muchos tipos de procesos de tratamiento térmico disponibles para el acero, como 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 localizadas. No produce un ablandamiento general del producto, sino que solo alivia localmente las tensiones y deformaciones atrapadas en el material. El recocido consta de tres fases: recuperación , recristalización y crecimiento de grano . La temperatura necesaria para recocer un acero en particular depende del tipo de recocido que se desee lograr y de los componentes de aleación. ^{[ 32 ]}

El temple consiste en calentar el acero para crear la fase austenítica y luego enfriarlo rápidamente en agua o aceite . Este enfriamiento rápido da como resultado una estructura martensítica dura pero frágil. ^{[ 30 ]} Posteriormente, el acero se templa, que es 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 , reduciendo así las tensiones internas y los defectos. El resultado es un acero más dúctil y resistente a la fractura. ^{[ 33 ]}

El acero era conocido en la antigüedad y se producía en hornos de forja y crisoles . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

La producción más antigua conocida de acero se observa en piezas de hierro excavadas en un yacimiento arqueológico en Anatolia ( Kaman-Kalehöyük ) que tienen casi 4000 años de antigüedad, datando del 1800  a. C. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

El acero Wootz se desarrolló en el sur de la India y Sri Lanka en el primer milenio a. C. ^{[ 35 ]} En Sri Lanka, las plantas metalúrgicas empleaban hornos de viento impulsados ​​por los vientos monzónicos, capaces de producir acero con alto contenido de carbono. La producción a gran escala de acero Wootz en la India , utilizando crisoles, se produjo hacia el siglo VI  a. C., siendo el precursor pionero de la producción moderna de acero y la metalurgia. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

El acero con alto contenido de carbono se produjo en Gran Bretaña en Broxmouth Hillfort desde el 490 hasta el 375 a. C., ^{[ 38 ] [ 39 ]} y el acero con contenido ultraalto de carbono se produjo en los Países Bajos desde el siglo II hasta el IV d. C. ^{[ 40 ]} El autor romano Horacio identifica armas de acero como la falcata en la península ibérica , mientras que el acero nórico fue utilizado por el ejército romano . ^{[ 41 ]}

Los chinos del período de los Reinos Combatientes (403-221 a .  C.) tenían acero templado , ^{[ 42 ]} mientras que los chinos de la dinastía Han (202  a. C.-  220 d. C.) crearon acero fundiendo hierro forjado con hierro fundido, produciendo así un acero intermedio al carbono en el siglo I  d. C. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

Hay evidencia de que el acero al carbono fue fabricado en el oeste de Tanzania por los ancestros del pueblo Haya hace ya 2000 años mediante un complejo proceso de "precalentamiento" que permitía que las temperaturas dentro de un horno alcanzaran los 1300 a 1400  °C. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

La evidencia de la producción más antigua de acero con alto contenido de carbono en el sur de Asia se encuentra en Kodumanal en Tamil Nadu , el área de Golconda en Telangana y Karnataka , regiones de la India , así como en Samanalawewa y Dehigaha Alakanda, regiones de Sri Lanka . ^{[ 51 ]} Este llegó a ser conocido como acero wootz , producido en el sur de la India hacia el siglo VI  a. C. y exportado a nivel mundial. ^{[ 52 ] [ 53 ]} La tecnología del acero existía antes del 326  a. C. en la región, ya que se menciona en la literatura del Sangam Tamil , árabe y latín como el acero más fino del mundo exportado a los mundos romano, egipcio, chino y árabe en ese momento, lo que ellos llamaban hierro Seric . ^{[ 54 ]} Un gremio comercial tamil del 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 . ^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]} Los chinos y los locales de Anuradhapura , Sri Lanka, también habían adoptado los métodos de producción de acero wootz de los tamiles de la dinastía Chera del sur de la India hacia el siglo V  d. C. ^{[ 58 ] [ 59 ]} En Sri Lanka, este método primitivo de fabricación de acero empleaba un horno de viento único, impulsado por los vientos monzónicos, capaz de producir acero con alto contenido de carbono. ^{[ 60 ] [ 61 ]} Dado que la tecnología se adquirió de los tamiles del sur de la India, ^{[ 62 ]} el origen de la tecnología del acero en la India se puede estimar de forma conservadora entre el 400 y el 500  a. C. ^{[ 52 ] [ 61 ]}

La fabricación de acero wootz y acero de Damasco , famoso por su durabilidad y capacidad para mantener el filo, pudo haber sido tomada por los árabes de Persia, quienes a su vez la tomaron de la India. En el 327  a. C., Alejandro Magno fue recompensado por el rey derrotado Porus , no con oro ni plata, sino con 30  libras de acero. ^{[ 63 ]} El alquimista griego Zósimo de Panópolis atestiguó el origen indio del acero wootz, afirmando que «los indios fabricaban espadas de alta calidad fundiendo hierro dulce en crisoles». ^{[ 64 ]} 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 la época, tales cualidades se produjeron por casualidad más que por diseño. ^{[ 65 ]} Se utilizaba el viento natural donde el suelo que contenía hierro se calentaba con leña. Los antiguos cingaleses lograron extraer una tonelada de acero por cada dos  toneladas de suelo, ^{[ 60 ]} una hazaña notable para la época. Se encontró uno de esos hornos en Samanalawewa y los arqueólogos pudieron producir acero como lo hacían los antiguos. ^{[ 60 ] [ 66 ]}

El acero de crisol , formado por el calentamiento y enfriamiento lento de hierro puro y carbono (típicamente en forma de carbón vegetal) en un crisol, se producía en Merv entre los siglos IX y X  d. C. ^{[ 53 ]} En el siglo XI, hay evidencia de la producción de acero en la China Song utilizando dos técnicas: un método "berganesco" que producía un acero inferior e inhomogéneo, y un precursor del moderno proceso Bessemer que utilizaba la descarburación parcial mediante forjado repetido bajo un aire frío . ^{[ 67 ]}

Desde el siglo XVII, el primer paso en la producción de acero europea ha sido la fundición del mineral de hierro en arrabio en un alto horno . ^{[ 68 ]} Originalmente se empleaba carbón vegetal, pero los métodos modernos utilizan coque , que ha demostrado ser más económico. ^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]}

Procesos que parten del arrabio

La era moderna en la siderurgia comenzó con la introducción del proceso de Henry Bessemer en 1855, cuya materia prima era el arrabio. ^{[ 76 ]} Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo costo, por lo que el acero dulce pasó a utilizarse para la mayoría de los fines para los que antes se utilizaba el hierro forjado. ^{[ 77 ]} El proceso Gilchrist-Thomas (o proceso Bessemer básico ) fue una mejora del proceso Bessemer, realizada recubriendo el convertidor con un material básico para eliminar el fósforo. ^{[ 78 ]}

Otro proceso de fabricación de acero del siglo XIX fue el proceso Siemens-Martin , que complementaba el proceso Bessemer, ^{[ 74 ]} que originalmente consistía en la fusión conjunta de chatarra de hierro forjado con arrabio. ^{[ 79 ]}

Estos métodos de producción de acero quedaron obsoletos con el proceso Linz-Donawitz de fabricación de acero con oxígeno básico (BOS), desarrollado en 1952, ^{[ 80 ]} y otros métodos de fabricación de acero con oxígeno. La fabricación de acero con oxígeno básico es superior a los métodos anteriores de fabricación de acero porque el oxígeno bombeado al horno limitaba las impurezas, principalmente nitrógeno, que antes entraban del aire utilizado, ^{[ 81 ]} y porque, con respecto al proceso de hogar abierto, la misma cantidad de acero de un proceso BOS se fabrica en una doceava parte del tiempo. ^{[ 80 ]} Hoy en día, los hornos de arco eléctrico (EAF) son un método común para reprocesar chatarra metálica y 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 solo son económicos cuando hay un suministro abundante de electricidad barata. ^{[ 82 ]}

Los aceros modernos se fabrican con diversas combinaciones de metales de aleación para cumplir múltiples propósitos. ^{[ 22 ]} El acero al carbono , compuesto simplemente de hierro y carbono , representa el 90% de la producción de acero. ^{[ 7 ]} El acero de baja aleación se alea con otros elementos, generalmente molibdeno , manganeso , cromo o níquel , en cantidades de hasta un 10% en peso para mejorar la templabilidad de secciones gruesas. ^{[ 7 ]} El acero de baja aleación de alta resistencia tiene pequeñas adiciones (generalmente menos del 2% en peso) de otros elementos, típicamente 1,5% de manganeso, para proporcionar resistencia adicional con un modesto aumento de precio. ^{[ 93 ]}

Las recientes regulaciones sobre el consumo medio de combustible de las empresas (CAFE) han dado lugar a una nueva variedad de acero conocida como acero avanzado de alta resistencia (AHSS). Este material es a la vez resistente y dúctil, lo que permite que las estructuras de los vehículos mantengan sus niveles de seguridad actuales utilizando menos material. Existen varios grados de AHSS disponibles comercialmente, como el acero de doble fase , que se somete a un tratamiento térmico para contener una microestructura ferrítica y martensítica, produciendo así un acero de alta resistencia y conformable. ^{[ 94 ]} El acero de plasticidad inducida por transformación (TRIP) implica aleaciones especiales y tratamientos térmicos para estabilizar la cantidad de austenita a temperatura ambiente en aceros ferríticos de baja aleación que normalmente no contienen austenita. Al aplicar tensión, la austenita experimenta una transición de fase a martensita sin la adición de calor. ^{[ 95 ]} El acero de plasticidad inducida por maclado (TWIP) utiliza un tipo específico de tensión para aumentar la eficacia del endurecimiento por deformación en la aleación. ^{[ 96 ]}

Los aceros al carbono a menudo se galvanizan , mediante inmersión en caliente o electrodeposición en zinc para protegerlos contra la oxidación. ^{[ 97 ]}

El acero inoxidable contiene un mínimo de 11 % de cromo, a menudo combinado con níquel, para resistir la corrosión . Algunos aceros inoxidables, como los ferríticos , son magnéticos , mientras que otros, como los austeníticos , no lo son. ^{[ 98 ]} Los aceros resistentes a la corrosión se abrevian como CRES. ^{[ 99 ]}

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 se alean con grandes cantidades de tungsteno y cobalto u otros elementos para maximizar el endurecimiento por solución . Esto también permite el uso del endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia a la temperatura de la aleación. ^{[ 7 ]} El acero para herramientas se usa generalmente en hachas, taladros y otros dispositivos que necesitan un filo de corte afilado y duradero. Otras aleaciones de uso especial incluyen aceros resistentes a la intemperie como el Cor-ten, que se oxidan adquiriendo una superficie estable y oxidada, por lo que se pueden usar sin pintar. ^{[ 100 ]} El acero maraging se alea con níquel y otros elementos, pero a diferencia de la mayoría de los aceros, contiene poco carbono (0,01%). Esto crea un acero muy resistente pero aún maleable . ^{[ 101 ]}

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 antibúnker . El acero Hadfield , llamado así en honor a Robert Hadfield , o acero al manganeso, contiene entre un 12 y un 14 % de manganeso que, al ser sometido a abrasión, se endurece por deformación formando una capa muy dura que resiste el desgaste. Los usos de esta aleación en particular incluyen orugas de tanques , filos de cuchillas de excavadoras y cuchillas de corte en las mandíbulas de rescate . ^{[ 102 ]}

La mayoría de las aleaciones de acero más utilizadas se clasifican en diferentes grados por organizaciones de normalización. Por ejemplo, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) tiene una serie de grados que definen muchos tipos de acero. ^{[ 103 ]} La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales ( ASTM ) tiene un conjunto de normas independiente que define aleaciones como el acero A36 , el acero estructural más utilizado en Estados Unidos. ^{[ 104 ]} La JIS también define una serie de grados de acero ^{[ 105 ]} que se utilizan ampliamente en Japón y países vecinos. ^{[ 106 ]}

Antes de la introducción del proceso Bessemer y otras técnicas de producción modernas, el acero era caro y solo se utilizaba cuando no existía una alternativa más económica, especialmente para el filo de cuchillos , navajas de afeitar , espadas y otros objetos que requerían un filo duro y afilado. También se utilizaba para muelles , incluidos los de relojes . ^{[ 74 ]}

Con la llegada de métodos de producción más rápidos y económicos, el acero se ha vuelto más fácil de obtener y mucho más barato. Ha reemplazado al hierro forjado para multitud de propósitos. Sin embargo, la disponibilidad de plásticos a finales del siglo XX permitió que estos materiales sustituyeran al acero en algunas aplicaciones debido a su menor coste de fabricación y peso. ^{[ 113 ]} La fibra de carbono está sustituyendo al acero en aplicaciones de refuerzo debido a su alto módulo de elasticidad (hasta 5 veces superior al del acero), pero su elevado coste es una barrera para su uso generalizado en el transporte. ^{[ 114 ]}

• Como barras y mallas de refuerzo en hormigón armado ^{[ 115 ]}
• Vías férreas ^{[ 116 ]}
• Acero estructural en edificios y puentes modernos ^{[ 117 ]}
• Cables ^{[ 118 ]}
• Entrada para aplicaciones de reforja ^{[ 119 ]}

• Electrodomésticos principales ^{[ 120 ]}
• Núcleos magnéticos ^{[ 121 ]}
• La carrocería interior y exterior de los automóviles, ^{[ 122 ]} trenes, ^{[ 122 ]} y barcos. ^{[ 123 ]}

• Contenedores intermodales ^{[ 124 ]}
• Esculturas al aire libre ^{[ 125 ]}
• Arquitectura ^{[ 126 ]}

El acero fabricado después de la Segunda Guerra Mundial está contaminado con radionúclidos , ya que su producción utiliza aire y la atmósfera está contaminada con polvo radiactivo producido por las pruebas de armas nucleares . El acero de baja radiación de fondo, fabricado antes de 1945, se utiliza para ciertas aplicaciones sensibles a la radiación, como contadores Geiger y blindaje contra la radiación . ^{[ 135 ]}

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