Acero - Steel

El acero es una aleación compuesta de hierro con unas pocas décimas de porcentaje de carbono para mejorar su fuerza y resistencia a la fractura en comparación con otras formas de hierro. Pueden estar presentes o añadidos muchos otros elementos. Los aceros inoxidables que son resistentes a la corrosión y a la oxidación necesitan típicamente un 11% adicional de cromo . Debido a su alta resistencia a la tracción y bajo costo, el acero se utiliza en edificios , infraestructura , herramientas , barcos , trenes , automóviles , máquinas , electrodomésticos 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 la cara . La interacción de los alótropos del hierro con los elementos de aleación, principalmente carbono, le da al acero y al hierro fundido su rango de propiedades únicas.

En el hierro puro, la estructura cristalina tiene relativamente poca resistencia al deslizamiento de los átomos de hierro 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 evitan el movimiento de las dislocaciones .

El carbono en las aleaciones de acero típicas puede contribuir hasta el 2,14% de su peso. La variación de la cantidad de carbono y muchos otros elementos de aleación, así como el control de su composición química y física en el acero final (ya sea como elementos solutos o como fases precipitadas), ralentiza el movimiento de esas dislocaciones que hacen que el hierro puro sea dúctil y, por lo tanto, controla y realza sus cualidades. Estas cualidades incluyen la dureza , el comportamiento de temple , 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 solo es posible reduciendo la ductilidad del hierro.

El acero se produjo en hornos de bloomery 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 horno de hogar abierto y luego el proceso Bessemer en Inglaterra a mediados del siglo XIX. 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 vieron una gran proeza en el acero en Europa en el siglo XIX.

Los refinamientos adicionales 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 artificiales más comunes en el mundo, con más de 1,6 mil millones de toneladas producidas anualmente. El acero moderno generalmente se identifica por varios grados definidos por una variedad de organizaciones de estándares .

Definiciones y materiales relacionados

Pieza de trabajo de acero incandescente en esta representación del arte del herrero

El sustantivo acero se origina en el adjetivo protogermánico stahliją o stakhlijan 'hecho de acero', que está relacionado con stahlaz o stahliją 'mantenerse firme'.

El contenido de carbono del acero está entre el 0,002% y el 2,14% en peso para el acero al carbono simple ( aleaciones de hierro y carbono ). Demasiado poco contenido de carbono deja el hierro (puro) bastante blando, dúctil y débil. Los contenidos de carbono más altos que los del acero hacen una aleación frágil comúnmente llamada arrabio . El acero de aleación es acero al que se han añadido intencionadamente 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 . Otros elementos, considerados indeseables con mayor frecuencia, también son importantes en el acero: 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 las técnicas modernas de fabricación de acero , como la formación de polvos metálicos, 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 fundición . Ciertas composiciones de hierro fundido, aunque retienen 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 (ahora en gran parte obsoleto), que puede contener una pequeña cantidad de carbono pero grandes cantidades de escoria .

Propiedades materiales

Diagrama de fases hierro-carbono , que muestra las condiciones necesarias para formar diferentes fases. No se muestra la martensita , ya que no es una fase estable.

Orígenes y producción

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 socio químico preferido, como el carbono, que luego se pierde en 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 1.100 ° C (2.010 ° 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 derrite a aproximadamente 1.375 ° C (2.507 ° F). En la antigüedad, se fundían pequeñas cantidades de hierro, en estado sólido, calentando el mineral en un fuego de carbón y luego soldando los grupos 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.

Todas estas temperaturas se pudieron 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 entorno 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 ser llamada acero. El exceso de carbono y otras impurezas se eliminan en un paso posterior.

A menudo se agregan 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 de 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 .

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 reduce el tamaño del grano, lo que hace que el acero sea más fácil de tornear , pero también más frágil y propenso a la corrosión. No obstante, 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 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 de la masa fundida de acero durante el procesamiento.

Propiedades

La densidad del acero varía según los componentes de la aleación, pero por lo general varía 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).

Incluso en un rango estrecho de concentraciones de mezclas de carbono y hierro que fabrican 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 alfa. 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 0.021% en peso a 723 ° C (1.333 ° 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) de carbono a 1.148 ° C (2.098 ° F), lo que refleja el contenido superior de carbono del acero, más allá del cual se encuentra el hierro fundido. . Cuando el carbono sale de la solución con el hierro, forma un material muy duro pero quebradizo llamado cementita (Fe 3 C).

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 deja la austenita es que se precipite de la solución como cementita , dejando una fase circundante de hierro BCC llamada ferrita con un pequeño porcentaje de carbono en solución. Los 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 del 0,8% de carbono), el carbono se precipitará primero 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 el cual punto la estructura de la perlita se forma. Para los aceros que tienen menos del 0,8% de carbono (hipoeutectoide), la ferrita se formará primero dentro de los granos hasta que la composición restante se eleve al 0,8% de carbono, momento en el que se formará la estructura de la perlita. No se formarán grandes inclusiones de cementita en los límites del acero hipoeuctoide. Lo anterior asume que el proceso de enfriamiento es muy lento, permitiendo suficiente tiempo para que el carbono migre.

A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, el carbono tendrá menos tiempo para migrar para 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 se dispersa más ampliamente y actúa para prevenir 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 enfriamiento rápido, el carbono no tiene tiempo para migrar, pero está bloqueado dentro de la austenita centrada en la cara y forma martensita . La martensita es una forma sobresaturada de carbono y hierro muy tensada y estresada, y es extremadamente dura pero quebradiza. Dependiendo del contenido de carbono, la fase martensítica toma diferentes formas. Por debajo del 0,2% de carbono, adquiere una forma de cristal de ferrita BCC, pero con un contenido de carbono más alto adquiere una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). No hay energía de activación térmica para la transformación de austenita en martensita. Además, no hay ningún cambio en la composición, por lo que los átomos generalmente retienen a sus mismos vecinos.

La martensita tiene una densidad menor (se expande durante el enfriamiento) que la austenita, por lo que la transformación entre ellas da como resultado un cambio de volumen. En este caso, se produce la expansión. Las tensiones internas de esta expansión generalmente toman la forma de compresión en los cristales de martensita y tensión en la ferrita restante, con una cantidad considerable de cizallamiento en ambos componentes. Si el temple no se realiza correctamente, las tensiones internas pueden hacer que una pieza se rompa mientras se enfría. Como mínimo, causan endurecimiento por trabajo interno y otras imperfecciones microscópicas. Es común que se formen grietas por enfriamiento cuando el acero se enfría con agua, aunque es posible que no siempre sean visibles.

Tratamiento térmico

Diagrama de fases Fe-C para aceros al carbono; mostrando las temperaturas críticas A 0 , A 1 , A 2 y A 3 para tratamientos térmicos.

Hay muchos tipos de procesos de tratamiento térmico disponibles para el acero. Los más comunes son el recocido , templado y revenido . El tratamiento térmico es eficaz en composiciones por encima de la composición eutectoide (hipereutectoide) de 0,8% de carbono. El acero hipoeutectoide no se beneficia del tratamiento térmico.

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 solo 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 en particular depende del tipo de recocido que se va a lograr y de los componentes de la aleación.

El temple implica calentar el acero para crear la fase de austenita y luego enfriarlo en agua o aceite . Este enfriamiento rápido da como resultado una estructura martensítica dura pero quebradiza. Luego, el acero se templa, que es solo un tipo de recocido especializado, 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 internas y los defectos. El resultado es un acero más dúctil y resistente a las fracturas.

Producción de acero

Pellets de mineral de hierro para la producción de acero

Cuando el hierro se funde a partir de su mineral, contiene más carbono del deseable. Para convertirse en acero, debe reprocesarse para reducir el carbono a la cantidad correcta, momento en el que se pueden agregar otros elementos. En el pasado, las instalaciones de acero 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 está cerca de la composición final y se cuela continuamente en losas largas, se corta y se le da forma en barras y extrusiones y se trata térmicamente para producir un producto final. En la actualidad, aproximadamente el 96% del acero se fabrica de forma continua, mientras que solo el 4% se produce en lingotes.

A continuación, los lingotes se calientan en un pozo de remojo y se laminan en caliente en planchas, palanquillas o brotes . Las losas se laminan en caliente o en frío para formar láminas o placas de metal . Los tochos se enrollan en caliente o en frío en barras, varillas y alambre. Las flores se laminan en caliente o en frío en 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 de mineral y la salida de productos de acero terminados. A veces, después del laminado final de un acero, se trata térmicamente para aumentar su resistencia; sin embargo, esto es relativamente raro.

Historia de la siderurgia

Acero antiguo

El acero era conocido en la antigüedad y se producía en bloomeries y crisoles .

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, que datan del 1800 a. C. Horacio identifica armas de acero como la falcata en la Península Ibérica , mientras que el acero nórdico fue utilizado por los militares romanos .

La reputación del hierro Seric del sur de la India (acero wootz) creció considerablemente en el resto del mundo. Los sitios de producción de metales en Sri Lanka empleaban hornos eólicos impulsados ​​por los vientos del monzón, 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 pionero de la producción moderna de acero y la metalurgia.

Los chinos del período de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.) tenían acero templado , 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.

Existe evidencia de que el acero al carbono fue fabricado en el oeste de Tanzania por los antepasados ​​del pueblo Haya hace 2.000 años mediante un complejo proceso de "precalentamiento" que permite que las temperaturas dentro de un horno alcancen entre 1300 y 1400 ° C.

Acero Wootz y acero Damasco.

La evidencia de la producción más temprana de acero con alto contenido de carbono en la India se encuentra en Kodumanal en Tamil Nadu , el área de Golconda en Andhra Pradesh y Karnataka , y en las áreas de Samanalawewa de Sri Lanka . Esto llegó a conocerse como acero Wootz , producido en el sur de la India alrededor del siglo VI a. C. y exportado a nivel mundial. La tecnología del acero existía antes del 326 a. C. en la región, ya que se mencionan en la literatura de Sangam Tamil , árabe y latín como el mejor acero del mundo exportado a los mundos romano, egipcio, chino y árabe en ese momento, lo que llamaron Hierro Serico . 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 . 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. En Sri Lanka, este primer método de fabricación de acero empleó un horno de viento único, impulsado por los vientos del monzón, capaz de producir acero con alto contenido de carbono. Dado que la tecnología se adquirió de los tamiles del sur de la India, el origen de la tecnología del acero en la India se puede estimar de manera conservadora entre 400 y 500 a. C.

La fabricación de lo que llegó a llamarse Wootz, o acero de Damasco , famoso por su durabilidad y capacidad para sostener una ventaja, pudo haber sido tomada por los árabes de Persia, quienes lo tomaron de la India. Originalmente fue creado a partir de varios materiales diferentes, incluidos varios oligoelementos , aparentemente en última instancia de los escritos de Zosimos de Panopolis . En el 327 a. C., Alejandro Magno fue recompensado por el derrotado rey Poro , no con oro o plata, sino con 30 libras de acero. Estudios recientes han sugerido 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 más que por diseño. Se utilizó viento natural donde el suelo que contenía hierro se calentó mediante el uso de madera. Los antiguos cingaleses lograron extraer una tonelada de acero por cada 2 toneladas de suelo, 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.

El acero al crisol , formado al calentar y enfriar lentamente hierro puro y carbono (típicamente en forma de carbón vegetal) en un crisol, se produjo en Merv entre los siglos IX y X d.C. 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 y no homogéneo, y un precursor del moderno proceso Bessemer que utilizaba la descarbonización parcial mediante la forja repetida bajo un frío. explosión .

Acería moderna

Un convertidor Bessemer en Sheffield , Inglaterra

Desde el siglo XVII, el primer paso en la producción de acero europea ha sido la fundición de mineral de hierro en arrabio en un alto horno . Originalmente empleando carbón vegetal, los métodos modernos usan coque , que ha demostrado ser más económico.

Procesos a partir de barra de hierro

En estos procesos, el arrabio se refinaba (clarificaba) en una forja de galas para producir barras de hierro , que luego se usaba en la fabricación de acero.

La producción de acero mediante el proceso de cementación se describió en un tratado publicado en Praga en 1574 y estaba en uso en Nuremberg desde 1601. Un proceso similar para el endurecimiento de la caja 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 tal acero por Sir Basil Brooke en Coalbrookdale durante la década de 1610.

La materia prima para este proceso fueron barras de hierro. Durante el siglo XVII, se descubrió que el mejor acero provenía del hierro de los yacimientos de una región al norte de Estocolmo , Suecia. Esta seguía siendo la fuente habitual de materia prima en el siglo XIX, casi mientras se utilizó el proceso.

El acero al crisol es el acero que se ha 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 temprana industria moderna del acero al crisol resultó de la invención de Benjamin Huntsman en la década de 1740. El acero blister (fabricado como arriba) se fundió en un crisol o en un horno y se fundió (normalmente) en lingotes.

Procesos a partir de arrabio

Un horno de hogar abierto Siemens-Martin en el Museo de Industria de Brandenburgo .

La era moderna en la fabricación de acero comenzó con la introducción de Henry Bessemer 's proceso de Bessemer en 1855, la materia prima para la que fue arrabio. Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo precio, por lo que el acero dulce llegó a usarse para la mayoría de los fines para los que anteriormente se usaba el hierro forjado. El proceso de Gilchrist-Thomas (o proceso básico de Bessemer ) fue una mejora del proceso de Bessemer, hecho al revestir 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 complementó el proceso Bessemer. Consistía en co-fusión de barras de hierro (o chatarra de acero) con arrabio.

Acero al rojo vivo saliendo de un horno de arco eléctrico.

Estos métodos de producción de acero quedaron obsoletos por el proceso Linz-Donawitz de fabricación de acero con oxígeno básico (BOS), desarrollado en 1952, 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 habían ingresado previamente desde el aire utilizado, y porque, con respecto al proceso de hogar abierto, la misma cantidad de acero de un El proceso BOS se fabrica en una doceava parte del tiempo. Hoy en día, los hornos de arco eléctrico (EAF) son un método común de reprocesamiento de 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 solo son económicos cuando hay un suministro abundante de electricidad barata.

Industria metalúrgica

Producción de acero (en millones de toneladas) por país en 2007

La industria del acero a menudo se considera un indicador del progreso económico, debido al papel fundamental que desempeña el acero en la infraestructura y el desarrollo económico general . En 1980, había más de 500.000 trabajadores siderúrgicos estadounidenses. En 2000, el número de trabajadores siderúrgicos se había reducido a 224.000.

El auge económico en China e 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 y chinas han ganado importancia, como Tata Steel (que compró Corus Group en 2007), Baosteel Group y Shagang Group . Sin embargo, a partir de 2017, ArcelorMittal es el mayor productor de acero del mundo . 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 EE. UU., Respectivamente. La gran capacidad de producción de acero también resulta en una cantidad significativa de emisiones de dióxido de carbono inherentes relacionadas con la ruta de producción principal. En 2019, se estimó que del 7 al 9% de las emisiones globales de dióxido de carbono provenían de la industria del acero. Se espera que la reducción de estas emisiones provenga de un cambio en la ruta de producción principal utilizando coques, más reciclaje de acero y la aplicación de tecnología de captura y almacenamiento de carbono o captura y utilización de carbono.

En 2008, el acero comenzó a cotizar como producto básico en la Bolsa de Metales de Londres . A finales de 2008, la industria del acero se enfrentó a una fuerte recesión que provocó muchos recortes.

Reciclaje

El acero es uno de los materiales más reciclados del mundo, con una tasa de reciclaje de más del 60% a nivel mundial; solo en los Estados Unidos, más de 82,000,000 de toneladas métricas (81,000,000 de toneladas largas; 90,000,000 de toneladas cortas) se reciclaron en el año 2008, para una tasa de reciclaje general del 83%.

Como se produce más acero del que se desecha, la cantidad de materias primas recicladas es aproximadamente el 40% del total de acero producido: en 2016, se produjeron 1.628.000.000 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 de toneladas largas; 690.000.000 de toneladas cortas) recicladas.

Acero contemporáneo

Bethlehem Steel (en la foto de las instalaciones de Bethlehem, Pensilvania ) era uno de los mayores fabricantes de acero del mundo antes de su cierre en 2003

Aceros al carbono

Los aceros modernos se fabrican con diversas combinaciones de metales de aleación para cumplir con muchos propósitos. El acero al carbono , compuesto simplemente de hierro y carbono, representa el 90% de la producción de acero. 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 las secciones gruesas. El acero de alta resistencia y baja aleación tiene pequeñas adiciones (generalmente <2% en peso) de otros elementos, típicamente 1,5% de manganeso, para proporcionar resistencia adicional por un modesto aumento de precio.

Las recientes regulaciones corporativas de economía de combustible promedio (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 acero conformable de alta resistencia. El acero de plasticidad inducida por transformación (TRIP) implica aleaciones especiales y tratamientos térmicos para estabilizar cantidades de austenita a temperatura ambiente en aceros ferríticos de baja aleación normalmente libres de austenita. Al aplicar tensión, la austenita experimenta una transición de fase a martensita sin la adición de calor. El acero de plasticidad inducida por hermanamiento (TWIP) utiliza un tipo específico de deformación para aumentar la efectividad del endurecimiento por trabajo en la aleación.

Los aceros al carbono a menudo se galvanizan mediante inmersión en caliente o galvanoplastia en zinc para protegerlos contra la oxidación.

Aceros aleados

Forjar un miembro estructural de acero

Los aceros inoxidables contienen 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 son magnéticos. Los aceros resistentes a la corrosión se abrevian como CRES.

Los aceros aleados son aceros al carbono simple en los que se han agregado 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 de la solución . Esto también permite el uso de endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia a la temperatura de la aleación. El acero para herramientas se utiliza generalmente en ejes, taladros y otros dispositivos que necesitan un filo afilado y duradero. Otras aleaciones de uso especial incluyen aceros resistentes a la intemperie como el Cor-ten, que envejecen adquiriendo una superficie estable y oxidada, por lo que pueden usarse sin pintar. El acero maraging está aleado con níquel y otros elementos, pero a diferencia de la mayoría de los aceros, contiene poco carbono (0,01%). Esto crea un acero muy fuerte pero aún maleable .

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 usar en armas destructoras de búnkeres . El acero Hadfield (después de Sir Robert Hadfield ) o el acero al manganeso contienen entre un 12% y un 14% de manganeso que, cuando se desgasta, se endurece por deformación para formar una piel muy dura que resiste el desgaste. Los ejemplos incluyen orugas de tanques , bordes de cuchillas de bulldozer y cuchillas de corte en las mandíbulas de la vida .

Estándares

La mayoría de las aleaciones de acero más comúnmente utilizadas se clasifican en varios grados por las organizaciones de normalización. Por ejemplo, la Sociedad de Ingenieros Automotrices tiene una serie de grados que definen muchos tipos de acero. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales tiene un conjunto separado de estándares, que definen aleaciones como el acero A36 , el acero estructural más utilizado en los Estados Unidos. La JIS también define una serie de grados de acero que se utilizan ampliamente en Japón y en los países en desarrollo.

Usos

Un rollo de lana de acero

El hierro y el acero se utilizan ampliamente en la construcción de carreteras, ferrocarriles, 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 una estructura de hormigón emplean acero como refuerzo. Además, ve un uso generalizado en los principales electrodomésticos y automóviles . A pesar del crecimiento en el uso del aluminio , sigue siendo el material principal para las carrocerías. 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.

Otras aplicaciones comunes incluyen construcción naval , tuberías , minería , construcción en alta mar , aeroespacial , electrodomésticos (por ejemplo, lavadoras ), equipo pesado como excavadoras, muebles de oficina, lana de acero , herramientas y armaduras en forma de chalecos personales o armaduras de vehículos (mejor conocido como armadura homogénea enrollada en este papel).

Histórico

Un cuchillo de acero al carbono

Antes de la introducción del proceso Bessemer y otras técnicas de producción modernas, el acero era caro y solo se usaba donde 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 .

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 una 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. La fibra de carbono está reemplazando al acero en algunas aplicaciones insensibles a los costos, como equipos deportivos y automóviles de alta gama.

Acero largo

Un puente de acero
Una torre de acero que suspende las líneas eléctricas aéreas

Acero al carbono plano

Acero resistente a la intemperie (COR-TEN)

Acero inoxidable

Una salsera de acero inoxidable

Acero de fondo bajo

El acero fabricado después de la Segunda Guerra Mundial se contaminó con radionucleidos por las pruebas de armas nucleares . El acero de fondo bajo, el acero fabricado antes de 1945, se utiliza para ciertas aplicaciones sensibles a la radiación, como los contadores Geiger y el blindaje contra la radiación .

Ver también

Referencias

Bibliografía

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  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Acero: manual para la investigación e ingeniería de materiales, volumen 2: Aplicaciones . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg y Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1993, 839 páginas, ISBN  3-540-54075-X , 3-514-00378-5 .
  • Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006). Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de los materiales (4ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-295358-6.

Otras lecturas

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