Aleaciones en aceros.

¿Qué son las aleaciones de acero?

En cualquier tipo de acero en el que se agregan uno o más elementos para obtener una característica o propiedad física deseada, por ejemplo, resistencia térmica o resistencia a la corrosión, etc., se denominan aleaciones de acero.

Los elementos más comunes que se añaden a estas aleaciones de acero son molibdeno, manganeso, níquel, silicio, boro, cromo y vanadio.

Este tipo de posts, aunque puedan parecer largos y aburridos de leer, en realidad son fundamentales para entender mejor cómo se comportan los aceros que se utilizan, es un aspecto de la cultura de un fabricante de cuchillos que creo que son un aspecto importante para entender cómo se comportan los aceros y las diversas influencias de las aleaciones.

Claramente, todavía puedes construir un cuchillo, pero este tipo de conocimiento te hace más consciente de cómo se comporta lo que estás usando.

¿Cuántas veces has leído en un sitio de cuchillos o has escuchado de un amigo que compró un cuchillo hecho con acero al vanadio, o más simplemente cuando estabas en un brico o una ferretería para comprar una broca y leíste sobre las brocas de pared en widia, ¿O aquellos con un 8% de cobalto para cortar acero?

Aquí en este post si lo lees hasta el final con calma y paciencia y será más fácil entender lo que significa que un acero contenga estos elementos de aleación.

Cada acero tiene su propia “receta” (composición química) hecha con sus propios ingredientes (elementos de aleación), que mezclados en las dosis correctas le dan características únicas.

Hay básicamente dos métodos para crear estas recetas:

• utilizando materias primas puras (se crean recetas precisas y de alta calidad);
• o utilizando elementos derivados del reciclaje de aceros existentes (se crean recetas sucias que contienen cantidades, aunque pequeñas, de elementos de aleación no deseados).

¿Cuántas veces has escuchado de un amigo que compró un cuchillo hecho con acero al vanadio, o lo escuchas hablar sobre las puntas de pared widia, o aquellas con 8% de cobalto para cortar acero?

Ahora le explicaré lo que significa que un acero contenga estos elementos de aleación.

Cada acero tiene su propia receta (composición química) hecha con sus propios ingredientes (elementos de aleación), que mezclados en las dosis correctas le dan características únicas.

Hay básicamente dos métodos para crear estas recetas:

• utilizando materias primas puras (se crean recetas precisas y de alta calidad);
• o utilizando elementos derivados del reciclaje de aceros existentes (se crean recetas sucias que contienen cantidades, aunque pequeñas, de elementos de aleación no deseados).

Elementos aleados de acero y su función en aceros utilizados para cubiertos

Cómo influyen los elementos de aleación en las características del acero es una pregunta que a menudo se hacen aquellos que buscan el acero adecuado para hacer su cuchillo hecho a mano, pero a menudo los mismos fabricantes usan algunos tipos de aceros un poco para la moda, un poco porque si usas ciertos aceros “no te equivocas” y un poco porque están acostumbrados a usar un determinado acero y lo conocen bien y continúan usándolo.

Características del acero

El acero puede considerarse, como primera aproximación, como una aleación binaria que consiste en hierro y un porcentaje de carbono no superior al 2,11%, más allá del cual las aleaciones obtenidas se denominan hierro fundido.

Es importante tener en cuenta que en los aceros el carbono no aparece como un componente independiente, sino que siempre se combina con hierro en forma de carburo (Fe₃C) también llamado cementita.

Por lo tanto, es más correcto considerar los aceros como aleaciones de hierro y cementita.

Esta característica es de fundamental importancia durante los procesos de transformación de los aceros y, de hecho, las diferentes condiciones de transformación implican una descomposición diferente de la cementita, con la consiguiente variación en el contenido de carbono, la estructura molecular y, en general, las características químico-físicas de la aleación de acero.

Tratamientos térmicos

La transformación de las aleaciones de acero se lleva a cabo a través de tratamientos térmicos que se pueden dividir en tres fases fundamentales:

• precalentamiento,
• mantenimiento en temperatura,
• Refrigeración controlada .

Al llevar el fluido a temperaturas superiores a 723 ° C, la aleación de acero asume una conformación estable llamada Austenita en la que el carbono se dispersa uniformemente en solución sólida.

A temperaturas superiores a 912 ° C, las moléculas de hierro están dispuestas de tal manera que disuelven una mayor cantidad de carbono (hierro gamma con red cúbica centrada en la cara).

En la fase de enfriamiento, el hierro asume la configuración alfa (red cúbica centrada en el cuerpo) que tiene un poder de solubilidad más bajo que el carbono.

Esto implica que cantidades de carbono insoluble migran para formar otros compuestos moleculares.

Por lo tanto, la aleación resultante depende del porcentaje de carbono y puede consistir en:

• Ferrita+perlita en aceros (hipoeutectoides) con porcentajes de carbono 0,77<%.
• Perlita en aceros (eutectoides) con porcentajes de carbono = 0,77%.
• Perilita+Cementita secundaria en aceros (hipereutectoides) con un porcentaje de carbono del >0,77%.

Estos tres elementos tienen características mecánicas muy diferentes:

la ferrita tiene baja dureza, alrededor de 90 Brinell, baja resistencia a la tracción (280-300 N/mm²) y gran plasticidad;
la perlita tiene una dureza de aproximadamente 250 Brinell y una alta resistencia a la tracción, aproximadamente 900 N / mm²;
La cementita tiene una dureza muy alta y una alta fragilidad.

Se puede deducir que las características mecánicas de la aleación resultante están estrechamente relacionadas con la presencia de estos tres elementos.

Tiempo de enfriamiento

El tiempo de enfriamiento también afecta en gran medida la composición de la aleación.

Tomemos, por ejemplo, un acero con 0,44% C (hipoeutectoide).

Después de un enfriamiento lento desde el estado austenítico a temperatura ambiente, consistirá en aproximadamente 50% de ferrita y 50% de perlita.

Al acelerar el proceso de enfriamiento, el porcentaje de ferrita tiende a disminuir, mientras que el de perlita aumenta.

Esto se explica por el hecho de que en un enfriamiento rápido los átomos de carbono no tienen tiempo de migrar para acumularse en láminas de cementita, permaneciendo incorporados en las moléculas de ferrita y aumentando el volumen de perlita.

Por lo tanto, un acero enfriado con una velocidad significativamente alta muestra características mecánicas similares a las de un acero con un mayor contenido de carbono, pero enfriado lentamente.

Si la velocidad de enfriamiento excede un cierto valor (característico del tipo de acero) llamado velocidad de endurecimiento crítico, la aleación asume una estructura diferente de la estructura normal de ferrita y perlita.

Está compuesto de martensita y tiene una dureza mucho más alta de lo normal.

El enfriamiento realizado con la velocidad suficiente para llevar el acero al estado martensítico se llama enfriamiento.

Al someter el acero endurecido a una nueva fase de calentamiento a temperaturas moderadas (300-500 ° C) se inicia el proceso de templado, en el que el hierro alfa comienza la expulsión de los átomos de carbono que se incorporaron por la fuerza durante la fase de endurecimiento.

Estos átomos se concentran en pequeños gránulos de carburo de hierro que ayudan a formar aleaciones con menor dureza y fragilidad que la martensita.

Análisis dimensional

El tamaño de la fundición es un aspecto adicional que influye en la composición estructural de la aleación de acero.

En principio, durante la fase de enfriamiento, las moléculas de carbono tienden a migrar a áreas de mayor temperatura, por lo que las secciones periféricas tenderán a tener un menor contenido de carbono.

Además, para piezas fundidas grandes es impensable respetar los tiempos de enfriamiento lentos porque esto podría llevar incluso años.

Por lo tanto, se ve obligado a forzar la velocidad de enfriamiento con las consecuencias que acabamos de ver.

De ello se deduce que en la fase de diseño de la aleación este fenómeno debe tenerse en cuenta para dosificar de manera óptima el contenido de carbono de acuerdo con las características requeridas de la propia aleación.

Clasificación de los aceros por contenido de carbono

Dependiendo del contenido de carbono, los aceros se dividen en:

• extra dulce: carbono entre 0,05% y 0,15%;
• Semillas dulces: carbono entre 0,15% y 0,25%
• dulces: carbono entre 0,25% y 0,40%;
• semillas duras: carbono entre 0,40% y 0,46%;
• duro: carbono entre 0,60% y 0,70%;
• muy duro: carbono entre 0,70% y 0,80%;
• Extra duro: carbono entre 0.80% y 0.85%.

Aunque existe una tendencia a considerar los aceros dulces como menos valiosos, se puede decir más precisamente que la calidad de una aleación de acero es tanto mejor cuanto más cumplan sus características con los requisitos de las aplicaciones para las que está destinada.

Así que si fabricas cuchillos tienes que pensar en el acero a utilizar para ese uso específico y ligado a las características que debe tener un cuchillo y en su campo de aplicación.

Un cuchillo de buceo, un cuchillo de supervivencia, un cuchillo de cocina, un cuchillo de uso diario para llevar en muchas ocasiones, un cuchillo de alta resistencia, etc.

Como puede imaginar, la elección del acero cambia porque la resistencia a la corrosión, la estanqueidad del alambre, la resistencia a la flexión del acero, etc. son una de las cosas a tener en cuenta, que luego se conectan con la elección del diseño, el grosor del acero, la calidad de la ejecución del tratamiento térmico, el costo del cuchillo, etc., pero como está claro, no puede ser una elección aleatoria.

También está claro que si quieres un cuchillo superior hay algunos aceros que son una garantía, digamos que nunca te equivocas pero que claramente llevan automáticamente el precio del cuchillo a valores más importantes y que para algunas aplicaciones son excesivos.

¿Cómo afectan los elementos de aleación a las características del acero?

Las características físico-mecánicas de una aleación de acero se pueden modificar agregando elementos secundarios de aleación , además del carbono, como para darle propiedades específicas adecuadas para usos particulares.

Los fabricantes que construyen cuchillos, los más atentos, miran estas características para elegir el acero más adecuado para la realización del cuchillo teniendo en cuenta el uso previsto, el tipo de acabado de la hoja, la relación calidad-precio, etc.

Aquí hay una lista de elementos de aleación que normalmente se utilizan en la producción de aceros:

C – Carbono

Es el elemento principal en la estructuración de aleaciones de acero, es el elemento que no puede faltar cuando se trata de acero.

• Aumenta su dureza y templabilidad.
• Aumenta fuertemente la dureza en todos los estados de tratamiento y especialmente en aleaciones sometidas a endurecimiento.
• En forma de cementita secundaria, en aceros hipereutectoides también determina su fragilidad.

Es el elemento principal de todo acero.

El carbono se utiliza en todos los aceros.

Al – Aluminio

Se utiliza principalmente en aceros de grano fino.

Al ser uno de los principales elementos de aleación del hierro y el acero, el aluminio (Al) desempeña el papel de desoxidación y refinamiento del grano, lo que puede mejorar la resistencia al impacto del acero y reducir la tendencia al frío y al envejecimiento.

• El aluminio también puede mejorar la resistencia a la corrosión del acero, especialmente cuando se usa con molibdeno, cobre, silicio, cromo y otros elementos que producirán mejores resultados.
• La adición de Al en el acero Cr-Mo o Cr puede mejorar su resistencia al desgaste, y la presencia de Al en el acero para herramientas con alto contenido de carbono puede hacer que el endurecimiento sea frágil.
• Pero Al afectará la propiedad de trabajo en caliente, la propiedad de soldadura y la propiedad de corte del acero.

Es ampliamente utilizado en aleaciones especiales, incluyendo acero de nitruración, acero resistente al ácido inoxidable, acero resistente al calor, aleación electrotérmica, aleación magnética dura y magnética blanda, etc.

• Tiene un efecto desoxidante energético.
• Forma nitruros muy duros con nitrógeno.
• Combinado con molibdeno y cromo de notable dureza superficial.
• Da resistencia a la oxidación en caliente.
• Empeora la soldabilidad.
• De hecho, además de tener un alto poder desoxidante, refina enormemente el grano de acero.
• Utilizado junto con molibdeno y cromo aumenta la dureza de la superficie.
• Mezclado con nitrógeno, por otro lado, permite crear nitriros muy duros.

Sin embargo, su uso también trae efectos negativos, de hecho disminuye la resistencia, soldabilidad, contracción (es decir, la reducción de la sección transversal sufrida por un cuerpo sometido a tracción), forjabilidad y resistencia a la oxidación.

Utilizado en aceros tipo: no se utiliza en acero para cubiertos.

B – Boro

En porcentajes muy pequeños aumenta la aptitud para los tratamientos térmicos.

• Se utiliza en aleaciones de bajo para aumentar la templabilidad y, por lo tanto, su aptitud para tratamientos térmicos en dosis entre 0.0005 y 0.003%.

Utilizado en aceros tipo: 30 MN B5.

Co-Cobalto

Se utiliza mucho en aceros de trabajo en caliente rápidos y súper rápidos.

• No forma carburos por sí mismo, sino que es un multiplicador de efectos de los otros elementos.
• Previene la oxidación y hace que la martensita sea más estable, pero disminuye la penetración de endurecimiento.

Utilizado en aceros tipo: CPM S110V, N690Co, VG10, ATS-55, COS-Laminado.

Cr – Cromo

Es uno de los elementos más utilizados en la carburación y templado de aceros, normalmente acompañado de níquel y molibdeno.

• Aumenta considerablemente la capacidad de endurecimiento porque reduce considerablemente la velocidad de enfriamiento crítica.
• Aumenta la resistencia al desgaste.
• Aumenta la estabilidad del templado.
• Reduce la fragilidad por frío.
• Con porcentajes superiores al 12% por ciento, se utiliza en aceros inoxidables ferríticos y martensíticos para mejorar la resistencia a la corrosión.

Es el elemento que distingue a los llamados aceros al carbono de los aceros inoxidables, de hecho se convierten en inoxidables cuando su presencia es mayor o igual al 12%.

Como regla general, se usa junto con níquel y molibdeno.

Aumenta la resistencia a la corrosión, la resistencia al desgaste y la estabilidad al temple.

También aumenta la dureza, el límite de elasticidad y la formación de carburos resistentes al desgaste, mejora la resistencia a la tracción y reduce la fragilidad por frío.

Se utiliza en todos los aceros inoxidables y en algunos carbonosos en pequeñas cantidades.

Cu – Cobre

Mejora la resistencia a la corrosión atmosférica.

Puede causar fallas estructurales como resultado del trabajo en caliente.

• Se utiliza a menudo en aceros CORTEN (bajo elemento de aleación) y mejora su resistencia a la corrosión atmosférica y la resistencia a la fatiga.

Utilizado en aceros tipo: COR-TEN, 125 SC, C70.

Mn – Manganeso

Está presente en pequeños tenores en todo tipo de acero.

• Reduce la fragilidad térmica causada por sulfuros de otros elementos.
• Reduce la velocidad de enfriamiento al aumentar la templabilidad del acero.
• Aumenta la resistencia mecánica.
• En altos porcentajes aumenta la resistencia al desgaste, pero hace que el acero sea muy susceptible a la fragilidad del templado.

Es probablemente uno de los elementos de aleación más utilizados en el acero después del carbono.

Se comporta un poco como el aluminio como desoxidante, pero también como desulfurador, de hecho reduce la fragilidad caliente causada por los sulfuros de otros elementos.

Logra reducir la velocidad de enfriamiento aumentando así la templabilidad, también aumenta la resistencia mecánica y la dureza.

Utilizado en casi todos los aceros pero en grados de cantidad en estos: O1, 5160, A2, 440, N690.

Mo – Molibdeno

Es uno de los elementos más utilizados en el tratamiento de aceros, a menudo combinado con níquel y cromo.

• Afecta en gran medida el aumento de la capacidad de endurecimiento, la estabilidad del templado y la disminución de la sensibilidad al sobrecalentamiento.
• Aumenta la dureza, la tenacidad y la resistencia al desgaste.
• Aumenta en gran medida la resistencia mecánica al calor.
• Reduce fuertemente la fragilidad del templado en aceros que son susceptibles a ella.
• También es ampliamente utilizado en todos los aceros a menudo combinados con níquel y cromo.
• Afecta significativamente la templabilidad y la estabilidad en el revenido.

Logra aumentar la dureza, la resistencia al desgaste, la tenacidad, la resistencia a la corrosión y la resistencia a la fatiga.

Utilizado en casi todos los aceros pero en grados cuantitativos en estos: ATS-34, CPM 3V, CPM S90V, CPM M4, Niolox, Becut, Sleipner, A2, Vanadis 4.

N – Nitrógeno

Se utiliza principalmente en aceros inoxidables para aumentar la resistencia mecánica y estabilizar el estado de la austenita.

• Se utiliza en aceros inoxidables ya que aumenta en gran medida la resistencia a la corrosión (picaduras), también aumenta la resistencia mecánica y estabiliza el estado de la austenita.
• También se utiliza para la producción de procesos de sinterizado y recocido.

Utilizado en aceros tipo: NITRO B, 14C28N, 420MOD.

Ni – Níquel

El níquel también es ampliamente utilizado en el tratamiento de aceros.

• Combinado con cromo y molibdeno aumenta la aptitud para el tratamiento térmico.
• Incluso a bajas temperaturas mejora la compleja resistencia-tenacidad.
• Provoca la disminución de puntos críticos, reduce la velocidad crítica de enfriamiento aumentando la capacidad de endurecimiento.
• Aumenta la dureza y la resistencia mecánica.
• Reduce la sensibilidad al sobrecalentamiento.
• Aumenta la dureza, la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión y la templabilidad.
• No forma carburos.

Utilizado en aceros tipo: AUS 8, D2, N695, O1, CPM M4.

Nb – Niobio (Nb)

Es un metal duro, con la capacidad de refinar el grano.

• Su uso evita el astillado
• Aumenta la resistencia al desgaste, creando así un acero capaz de tener una gran resistencia al clavo de bordes.

Utilizado en aceros tipo: CPM S35VN, CPM S110V, Niolox, Cos, CTS-XHP.

P – Fósforo

Disminuye la fragilidad cuando se usa en altas concentraciones.

• También aumenta la dureza, la resistencia a la corrosión y la maquinabilidad.
• Si se excede una concentración de 0.2%, la resiliencia decae a 0.

Utilizado en aceros tipo: 125 SC, Shirogami 1, Shirogami 2.

Pb – Plomo

Facilita el mecanizado a máquinas herramienta.

• Aumenta la maquinabilidad del acero, pero no tiene ningún efecto conocido sobre las propiedades mecánicas del acero cuando se utiliza en rangos de concentración específicos.

Utilizado en aceros tipo: 125 SC, Shirogami 1, Shirogami 2.

Sí – Silicio

Al igual que el manganeso, está presente en todos los tipos de acero.

• Aumenta la dureza, la resistencia, la templabilidad, la estabilidad al templado y la resistencia al desgaste.
• Aumenta el límite de elasticidad, por lo que se utiliza en aceros de resorte y laminaciones magnéticas.
• Los aceros al silicio tienen una tendencia a la fragilidad, fibrosidad y agrandamiento del grano.
• Junto con el manganeso está presente en todos los tipos de acero y al igual que el manganeso se utiliza para desoxidar.
• Aumenta la templabilidad, dureza, resistencia, estabilidad al templado y resistencia al desgaste.
• A menudo se utiliza en aceros de resorte, ya que es capaz de aumentar el límite de elasticidad.
• Por otro lado, los aceros al silicio tienen una tendencia a la fragilidad y la hinchazón del grano.

Utilizado en grandes porcentajes en aceros tipo: M390, N690, N695, 420, 440C, AUS 8, Sleipner, Becut.

Ti – Titanio

• Aumenta la resistencia a la corrosión en aceros inoxidables.
• Reduce el tamaño del grano.
• Inhibe la fragilidad de las estructuras soldadas de acero inoxidable.
• Pertenece al grupo del cromo y es el elemento que tiene mayor tendencia a formar carburos.
• Contrarresta la formación de austenita en aceros con alto contenido de cromo, aumenta la resistencia a la corrosión en aceros inoxidables y reduce el tamaño de grano.
• Reduce la dureza y la templabilidad en aceros con contenido medio de cromo y forma carburos altamente abrasivos, reduciendo así la maquinabilidad de la herramienta, restando carbono de la matriz.

Utilizado en aceros tipo: NITINOL, 316 Ti

V – Vanadio

Tiene una tendencia muy fuerte a la formación de carburos, por lo tanto, aumenta la dureza incluso cuando está caliente, la estabilidad al revenido y reduce la sensibilidad al sobrecalentamiento.

• No se utiliza normalmente en el acero de la construcción.
• Al igual que el titanio, también pertenece al grupo del cromo.
• Tiende a formar muchos carburos pero resta carbono de la matriz, por lo que muchos aceros sinterizados con un alto contenido de V tienen enormes cantidades de carbono en su receta de aleación.
• Junto con el tungsteno, le da a los aceros una dureza extrema incluso a altas temperaturas.
• Se dividen en aceros rápidos (vanadio-tungsteno) y aceros súper rápidos (vanadio-tungsteno-cobalto).

En cubiertos confiere características como alta resistencia al impacto y dureza, a la vez que inhibe el crecimiento del trigo.

Utilizado en aceros tipo: CPM S90V, CPM M4, D2, Vanadis 23, Elmax, M390, Niolox, Becut, SG2, Aogami.

W – Tungsteno

• Da dureza y resistencia al desgaste.
• Se utiliza en aceros de alta velocidad y aceros de trabajo en caliente.
• Limita la conductividad térmica del acero.
• Sus efectos son muy similares a los del molibdeno dando dureza y resistencia al desgaste.

Una aleación con presencia de tungsteno es extremadamente dura y resistente al calor y tiene una excelente capacidad de endurecimiento.

Gracias a su conductividad térmica es ampliamente utilizado en acero rápido, ya que no pierde enfriamiento hasta 600°, y en acero autoendurecible, ya que se endurece espontáneamente en el aire después de alcanzar la temperatura austenítica.

Utilizado en aceros tipo: VG7, W1, W2, CPM M4, Aogami, Cos, Vanadis 23, M390.

S – Azufre

También es un elemento que debe considerarse dañino pero, si se usa en pequeñas cantidades, ayuda a aumentar la trabajabilidad.

Utilizado en aceros tipo: 125SC, C70, C100.

Conclusiones

En este punto, la situación parece haberse vuelto simple, pero no es así.

Lo que te escribí es solo un poco para acercarte un poco más al mundo de la metalurgia.

Ahora, sin embargo, si quieres entender algo más, trata de ver la tabla a continuación y trata de entender para qué sirve un acero en lugar de otro.

Finalmente, resumimos los efectos de los elementos de aleación haciendo referencia explícita a las variaciones en las características del acero:

• Aumento de la dureza: [Cr,Mn, Mo, Ni, Si, V].
• Aumento de la dureza en caliente: [Cr, Mo, V]
• Disminución de la velocidad de enfriamiento crítica y consiguiente aumento de la capacidad de endurecimiento: [Cr,Mn, Mo, Ni, Si, V].
• Mejora de la resistencia compleja: [Cr, Mn, Mo, Ni].
• Disminución de la sensibilidad al sobrecalentamiento: [Cr, Mo, Ni, V].
• Mayor estabilidad del temple: [Cr, Mo, V].
• Reducción de la tendencia a la fragilidad del temperamento: Mn.
• Límite de elasticidad aumentado: [Mo, Si, V].

El efecto ejercido por un solo agente de aleación no es necesariamente acumulativo con la aplicación simultánea de varios elementos.

El efecto resultante depende de las interacciones mutuas entre los diversos elementos.