Definición de acero al carbono y los cinco elementos del acero
Las aleaciones de hierro y carbono que contienen menos del 2% de carbono se denominan acero. Los cinco elementos del acero al carbono se refieren a los principales constituyentes de su composición química, es decir, C (Carbono), Si (Silicio), Mn (Manganeso), S (Azufre) y P (Fósforo).
Además, durante el proceso de fabricación del acero, inevitablemente se mezclan gases como O (oxígeno), H (hidrógeno) y N (nitrógeno).
Además, en el proceso de desoxidación Aluminio-Silicio, el Al (aluminio) está inevitablemente presente en el acero fundido, y cuando el Als (aluminio soluble en ácido) es igual o superior al 0,020%, juega un papel en el refinado del tamaño del grano.
Los efectos de los elementos químicos sobre las propiedades del acero.
1. Carbono (C):
A medida que aumenta el contenido de carbono en el acero, aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción, pero disminuyen la plasticidad y la resistencia al impacto. Cuando el contenido de carbono supera el 0,23%, la soldabilidad del acero se deteriora.
Por lo tanto, para los aceros estructurales de baja aleación utilizados para soldadura, el contenido de carbono generalmente no excede el 0,20%. El mayor contenido de carbono también reduce la resistencia del acero a la corrosión atmosférica; El acero con alto contenido de carbono almacenado al aire libre es propenso a oxidarse. Además, el carbono puede aumentar la fragilidad en frío y la sensibilidad al envejecimiento del acero.
2. Silicio (Si):
El silicio se agrega en el proceso de fabricación del acero como reductor y desoxidante, por lo que el acero en bruto contiene entre un 0,15 y un 0,30 % de silicio. Si el contenido de silicio en el acero supera el 0,50-0,60%, el silicio se considera un elemento de aleación. El silicio puede aumentar significativamente el límite elástico, el límite elástico y la resistencia a la tracción del acero, lo que lo hace ampliamente utilizado en acero para resortes.
Al agregar entre 1,0 y 1,2 % de silicio al acero estructural templado y revenido, su resistencia se puede aumentar entre un 15 y un 20 %. El silicio, en combinación con elementos como molibdeno, tungsteno y cromo, aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación, útil para fabricar acero resistente al calor.
El acero con bajo contenido de carbono que contiene entre 1 y 4% de silicio tiene una permeabilidad magnética extremadamente alta y se utiliza en la industria eléctrica para láminas de acero al silicio. Un aumento en el contenido de silicio reduce la soldabilidad del acero.
3. Manganeso (Mn):
En el proceso de fabricación de acero, el manganeso actúa como un excelente desoxidante y desulfurador; el acero generalmente contiene entre 0,30 y 0,50 % de manganeso. Cuando al acero al carbono se le añade más del 0,70%, se le denomina “acero al manganeso”.
Este tipo de acero no sólo tiene suficiente tenacidad en comparación con el acero general, sino que también tiene mayor resistencia y dureza, lo que mejora la templabilidad del acero y las propiedades de procesamiento térmico.
Por ejemplo, el límite elástico del acero 16Mn es un 40% mayor que el del acero A3. El acero que contiene entre un 11% y un 14% de manganeso tiene una resistencia al desgaste extremadamente alta, lo que lo hace adecuado para cucharones de excavadoras, revestimientos de molinos de bolas, etc. Un aumento en el contenido de manganeso debilita la resistencia a la corrosión del acero y disminuye su soldabilidad.
4. Fósforo (P):
El fósforo es generalmente perjudicial para el acero. Aumenta la fragilidad en frío del acero, deteriora su soldabilidad, reduce la plasticidad y empeora su comportamiento de flexión en frío. En consecuencia, el contenido de fósforo en el acero debe ser generalmente inferior al 0,045 %, y el acero de alta calidad requiere niveles incluso más bajos.
5. Azufre (S):
El azufre normalmente es perjudicial para el acero. Induce fragilidad en caliente, lo que reduce la ductilidad y tenacidad del acero, lo que provoca grietas durante el forjado y el laminado. El azufre también es perjudicial para el rendimiento de la soldadura y reduce la resistencia a la corrosión.
Por lo tanto, generalmente es necesario que el contenido de azufre sea inferior al 0,055%, y el acero de alta calidad requiere menos del 0,040%. Agregar entre un 0,08 y un 0,20 % de azufre al acero puede mejorar la maquinabilidad; Este acero a menudo se denomina acero de fácil mecanización.
6. Cromo (Cr):
En aceros estructurales y para herramientas, el cromo aumenta significativamente la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste, pero al mismo tiempo reduce la plasticidad y la tenacidad. El cromo aumenta la resistencia a la oxidación y la corrosión del acero, convirtiéndolo en un elemento integral de los aceros inoxidables y resistentes al calor.
7. Níquel (Ni):
El níquel aumenta la resistencia del acero, manteniendo una buena plasticidad y tenacidad. El níquel tiene una alta resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis y es resistente a la oxidación y al calor a altas temperaturas.
Sin embargo, al tratarse de un recurso escaso, el níquel debería sustituirse por otros elementos de aleación siempre que sea posible, especialmente en los aceros al níquel-cromo.
8. Molibdeno (Mo):
El molibdeno refina la estructura del grano del acero, aumenta la templabilidad y la resistencia térmica, y mantiene suficiente resistencia y resistencia a la fluencia a altas temperaturas (la fluencia se refiere a la deformación bajo tensión prolongada a altas temperaturas).
Agregar molibdeno al acero estructural mejora las propiedades mecánicas y suprime la fragilidad causada por el calor en el acero aleado. En los aceros para herramientas, aumenta la dureza en caliente.
9. Titanio (Ti):
El titanio es un fuerte desoxidante del acero. Densifica la estructura interna del acero, afina el tamaño del grano, reduce la sensibilidad al envejecimiento y la fragilidad en frío y mejora la soldabilidad. Agregar titanio apropiado al acero inoxidable austenítico 18Cr-9Ni puede prevenir la corrosión intergranular.
10. Vanadio (V):
El vanadio es un excelente desoxidante del acero. Agregar 0,5% de vanadio al acero refina la estructura del grano, aumentando la resistencia y la tenacidad. Los carburos formados a partir de vanadio y carbono pueden mejorar la resistencia a la corrosión del hidrógeno a altas temperaturas y presiones.
11. Tungsteno (W):
El tungsteno tiene un alto punto de fusión, alta densidad y es un elemento de aleación costoso. El carburo de tungsteno tiene alta dureza y resistencia al desgaste. Agregar tungsteno al acero para herramientas aumenta significativamente la dureza y la resistencia al calor, lo que lo hace adecuado para herramientas de corte y troqueles de forja.
12. Niobio (Nb):
El niobio refina el tamaño del grano y reduce la sensibilidad al sobrecalentamiento y la fragilidad del acero, aumentando la resistencia pero reduciendo la plasticidad y la tenacidad. La adición de niobio al acero común de baja aleación aumenta la resistencia contra la corrosión atmosférica y la corrosión por hidrógeno, nitrógeno y amoníaco a altas temperaturas. El niobio mejora la soldabilidad. Cuando se agrega al acero inoxidable austenítico, puede prevenir la corrosión intergranular.
13. Cobalto (Co):
El cobalto es un metal precioso poco común que se utiliza a menudo en aceros y aleaciones especiales, como acero resistente al calor y materiales magnéticos.
14. Cobre (Cu):
El acero refinado a partir del mineral de Daye por Wuhan Iron and Steel generalmente contiene cobre. El cobre aumenta la resistencia y la tenacidad, especialmente la resistencia a la corrosión atmosférica. La desventaja es que tiende a causar falta de calor durante el procesamiento en caliente, y si el contenido de cobre excede el 0,5%, la plasticidad disminuye significativamente. Cuando el contenido de cobre es inferior al 0,50%, no afecta la soldabilidad.
15. Aluminio (Al):
El aluminio es un desoxidante común en el acero. Agregar una pequeña cantidad de aluminio al acero puede refinar la veta y mejorar la resistencia al impacto, como en el acero 08Al utilizado para la embutición profunda de láminas delgadas.
El aluminio también tiene resistencia a la oxidación y a la corrosión. Cuando se usa junto con cromo y silicio, puede mejorar significativamente la resistencia a las incrustaciones y a la corrosión a altas temperaturas del acero. La desventaja del aluminio es que afecta la trabajabilidad en caliente, la soldabilidad y la maquinabilidad del acero.
16. Boro (B):
Agregar pequeñas cantidades de boro puede mejorar la densidad y las propiedades de laminación en caliente del acero, aumentando su resistencia.
17. Nitrógeno (N):
El nitrógeno puede aumentar la resistencia, la tenacidad a bajas temperaturas y la soldabilidad del acero, así como aumentar su sensibilidad al envejecimiento.
18. Tierras raras (Xt):
Los elementos de tierras raras se refieren a los 15 elementos lantánidos con números atómicos del 57 al 71 en la tabla periódica. Estos elementos son todos metales, pero sus óxidos son como “tierra”, por lo que comúnmente se les llama tierras raras.
La adición de tierras raras al acero puede cambiar la composición, la forma, la distribución y las propiedades de las inclusiones en el acero, mejorando así diversas propiedades como la tenacidad, la soldabilidad y la trabajabilidad en frío. Agregar tierras raras al acero del arado puede mejorar su resistencia al desgaste.
Proceso de producción
1. ¿Cómo se fabrica el acero?
La tarea principal de la industria del acero es ajustar el contenido de carbono y los elementos de aleación del acero dentro del rango especificado de acuerdo con los requisitos de calidad del tipo de acero que se produce y reducir el contenido de impurezas como P, S, H, O, N por debajo de los límites permitidos.
El proceso de fabricación del acero es esencialmente un proceso de oxidación. El exceso de carbono en la carga del horno se oxida y se quema hasta convertirse en gas CO y se escapa, mientras que otros elementos como Si, P, Mn se oxidan y entran en la escoria. Parte del S ingresa a la escoria y otra parte se descarga como SO2.
Cuando la composición y la temperatura del acero fundido cumplen con los requisitos del proceso, el acero se puede roscar. Para eliminar el exceso de oxígeno del acero y ajustar la composición química se pueden añadir desoxidantes y ferroaleaciones o elementos de aleación.
2. Breve introducción a la producción de acero convertidor.
El metal caliente transportado desde el carro torpedero, después de los tratamientos de desulfuración y bloqueo de escoria, se puede verter en el convertidor como carga principal, junto con menos del 10% de chatarra de acero. Luego se sopla oxígeno al convertidor para quemarlo, el exceso de carbono en el metal caliente se oxida y libera una gran cantidad de calor. Cuando la sonda detecta el bajo contenido de carbono predeterminado, se detiene el soplo de oxígeno y se utiliza el acero.
Las operaciones de desoxigenación y de ajuste de la composición se producen generalmente en la cáscara; Luego, se dejan caer cáscaras de arroz cementadas sobre la superficie del acero fundido para evitar que se oxide, listas para ser enviadas al área de colada continua o en molde.
Para los tipos de acero de alta demanda, el argón soplado, el tratamiento al vacío RH y el tratamiento por pulverización de polvo (pulverización de polvo de Si-Ca y cal modificada) pueden reducir eficazmente los gases y las inclusiones en el acero y reducir aún más el carbono y el azufre. Después de estas medidas de refinado secundarias, la composición se puede ajustar con precisión para cumplir con los requisitos de los materiales de acero de alta calidad.
3. Lanzamiento preliminar
Los lingotes de acero fundido se calientan en un horno de recalentamiento utilizando el nuevo proceso de carga y entrega en caliente, y luego se laminan en desbastes, palanquillas, palanquillas cuadradas pequeñas y otros productos laminados preliminares a través de un laminador de desbaste y un laminador continuo.
Después del corte de la cabeza y la cola, la limpieza de la superficie (limpieza con llama, rectificado), los productos de alta calidad también requieren pelado y detección de defectos para las palanquillas laminadas preliminarmente. Después de pasar la inspección, se almacenan en el almacén.
En la actualidad, los productos del laminado preliminar son desbastes preliminares, palanquillas laminadas cuadradas, palanquillas de acero para cilindros de oxígeno, palanquillas de tubos redondos para engranajes, palanquillas para ejes de vehículos ferroviarios y acero para moldes de plástico.
El planchón preliminarmente laminado suministra principalmente al laminador en caliente como materia prima; La palanquilla cuadrada laminada, además de suministrarse externamente, se envía principalmente al laminador de alambrón de alta velocidad como materia prima. Debido al avance de los desbastes de colada continua, la demanda de desbastes prelaminados se ha reducido considerablemente y, por lo tanto, se ha desplazado hacia los demás productos mencionados anteriormente.
4. Laminación en caliente continua
Utilizando losas de colada continua o losas de adelgazamiento como materia prima, se calientan en un horno de calentamiento gradual y ingresan al tren de laminación en bruto después de desincrustarlas con agua a alta presión.
Las materias primas laminadas se cortan en la cabeza y en la cola y luego ingresan al laminador de acabado, donde se implementa el laminado controlado por computadora. Después de la laminación final, se someten a un enfriamiento laminar (velocidad de enfriamiento controlada por computadora) y a un bobinado mediante una bobinadora, formando una bobina caliente.
La cabeza y la cola de la bobina caliente a menudo aparecen en forma de lengua y cola de pez, con espesor y precisión de ancho deficientes, y defectos como curvaturas, bordes doblados y formas de torre son comunes en los bordes.
La bobina es relativamente pesada, con un diámetro interno de 760 mm (que generalmente se prefiere en la industria de fabricación de tubos). La bobina caliente, después de cortarse en la cabeza, la cola y los bordes, y de someterse a múltiples rondas de enderezamiento y aplanamiento en la línea de acabado, se corta aún más en placas o se rebobina, formando productos como placas de acero laminadas en caliente, láminas laminadas en caliente. Bobinas aplanadas en caliente y tiras longitudinales.
Si la bobina laminada en caliente terminada se lava con ácido para eliminar las incrustaciones y luego se lubrica, se convierte en una bobina laminada en caliente decapada. Este producto, con su tendencia de sustitución local de láminas laminadas en frío y su precio moderado, es ampliamente preferido por los usuarios.
5. Laminación en frío continua
Como materia prima se utilizan bobinas de acero laminadas en caliente, que primero se lavan con ácido para eliminar la película de óxido y luego se laminan en frío. El producto es una bobina laminada dura. La deformación continua en frío provoca endurecimiento por trabajo, lo que aumenta la resistencia y dureza de la bobina laminada dura y reduce su tenacidad y plasticidad.
Como resultado, su rendimiento de estampado se deteriora y sólo puede usarse para piezas con deformación simple. Las bobinas laminadas duras se pueden utilizar como materia prima para plantas de galvanizado en caliente, ya que estas plantas están equipadas con líneas de recocido. El peso de las bobinas laminadas duras generalmente oscila entre 6 y 13,5 toneladas, con un diámetro interno de 610 mm.
Las placas y bobinas de laminación continua en frío estándar deben someterse a un recocido continuo (en unidad CAPL) o recocido en horno de campana para eliminar el endurecimiento por trabajo y las tensiones de laminación, logrando los indicadores de desempeño mecánico establecidos por las normas respectivas.
Las placas de acero laminadas en frío tienen una calidad superficial, apariencia y precisión dimensional superiores en comparación con las placas laminadas en caliente, con espesores de productos laminados de hasta aproximadamente 0,18 mm, por lo que son muy preferidas por los usuarios.
El procesamiento profundo de productos basados en bobinas de acero laminadas en frío da como resultado productos de alto valor agregado. Los ejemplos incluyen galvanización galvanizada, galvanización en caliente, galvanoplastia resistente a huellas dactilares, bobinas de láminas de acero recubiertas de color, placas de acero compuestas con amortiguación de vibraciones y placas de acero laminado de PVC.
Estos productos, con sus cualidades estéticas y alta resistencia a la corrosión, tienen una amplia aplicación.
Después del recocido, las bobinas de acero laminadas en frío deben someterse a un acabado, incluido el corte de la cabeza y la cola, el corte de los bordes, la nivelación, el aplanamiento, el rebobinado o el revestimiento de corte longitudinal. Los productos laminados en frío se utilizan ampliamente en la fabricación de automóviles, electrodomésticos, interruptores de instrumentos, construcción, muebles de oficina y otras industrias.
El peso de cada haz de láminas de acero es de 3 a 5 toneladas, mientras que el peso de los subrollos aplanados generalmente oscila entre 3 y 10 toneladas por rollo, con un diámetro interior de 610 mm.
La mayor parte del procesamiento del acero se lleva a cabo mediante métodos basados en la presión, lo que provoca que la pieza de acero (por ejemplo, palanquillas o lingotes) sufra deformación plástica. El procesamiento del acero se puede dividir en trabajo en frío y trabajo en caliente según la temperatura aplicada. Los principales métodos para procesar acero incluyen:
Laminación: este es un método de procesamiento a presión en el que una pieza de metal pasa a través de un espacio entre un par de rodillos giratorios de varias formas. La compresión con rodillos reduce el área de la sección transversal del material y aumenta su longitud. Este es el método más común de producción de acero, utilizado principalmente para la producción de perfiles, láminas y tubos. Incluye laminación en frío y en caliente.
Forja: este método de procesamiento a presión utiliza el impacto alternativo de un martillo de forjado o la presión de una prensa para darle a la pieza la forma y el tamaño deseados. Generalmente se divide en forja libre y forja con matriz, que a menudo se usa para producir materiales grandes, y forja con matriz abierta con dimensiones de sección transversal más grandes.
Estirado: consiste en tirar de piezas metálicas ya laminadas (perfiles, tubos, productos, etc.) a través de orificios en el troquel en un proceso que reduce el área de la sección transversal y aumenta la longitud. Este método se utiliza ampliamente en el trabajo en frío.
Extrusión: este proceso implica colocar el metal en un cilindro de extrusión sellado y aplicar presión en un extremo. El metal se extruye a través de un orificio específico para producir productos terminados de la misma forma y tamaño. Este método se utiliza principalmente para la producción de materiales metálicos no ferrosos.
6. Propiedades mecánicas del acero.
6.1 Tasa de rendimiento
La relación entre el límite elástico es el cociente entre el límite elástico y la resistencia a la tracción (σs/σb). Cuanto mayor sea el rendimiento, más resistente será el material. Por otro lado, cuanto menor sea el límite elástico, mejor será la plasticidad y la conformabilidad del estampado. Por ejemplo, el índice de límite elástico de una chapa de acero de embutición profunda es ≤0,65.
El acero para resortes se utiliza generalmente dentro del rango del límite elástico y no puede sufrir deformación plástica bajo carga. Por lo tanto, es necesario que el acero para resortes tenga un límite elástico y una relación de límite elástico lo más altos posible después del templado y revenido (σs/σb≥0,90). Además, la vida a fatiga suele estar fuertemente correlacionada con la resistencia a la tracción y la calidad de la superficie.
6.2 Plasticidad
La plasticidad se refiere a la capacidad de un material metálico para soportar una deformación permanente antes de fallar bajo tensión. La plasticidad generalmente se representa estirando y reduciendo las proporciones de área. Cuanto mayor sea el alargamiento y la reducción de las proporciones de área, mejor será la plasticidad.
7. Resistencia al impacto
La tenacidad al impacto, representada por αk, se refiere al trabajo de impacto gastado por unidad de área de sección transversal en la muesca de una muestra de metal cuando se fractura bajo una carga de prueba de impacto específica.
La muestra común es de 10 × 10 × 55 mm con una muesca en V de 2 mm de profundidad, y el estándar adopta directamente el trabajo de impacto (valor J Joule) AK, no el valor αK, porque el trabajo de impacto por unidad de área no tiene significado práctico.
El trabajo de impacto es más sensible para examinar la transformación de fragilidad de los materiales metálicos a diferentes temperaturas, y los accidentes de fractura catastróficas en condiciones de servicio reales a menudo están relacionados con el trabajo de impacto del material y la temperatura de servicio.
Por lo tanto, las normas suelen estipular valores de trabajo de impacto específicos a una temperatura determinada y exigen que la FATT (temperatura de transición de apariencia de fractura) sea inferior a una temperatura determinada.
La denominada FATT es la temperatura correspondiente a la fractura frágil que ocupa el 50% del área total tras romperse un grupo de probetas de impacto a diferentes temperaturas. Debido a la influencia del espesor de la placa de acero, para placas con un espesor ≤10 mm, se pueden obtener muestras de impacto de tamaño 3/4 (7,5 × 10 × 55 mm) o muestras de impacto de tamaño 1/2 (5 × 10 × 55 mm).
Sin embargo, cabe señalar que sólo se pueden comparar valores de trabajo de impacto bajo las mismas especificaciones y la misma temperatura.
Sólo bajo las condiciones estipuladas en la norma se puede convertir el trabajo de impacto en el trabajo de impacto de la muestra de impacto estándar de acuerdo con el método de conversión estándar y luego compararlo.
8. Prueba de dureza
La capacidad de un material metálico para resistir la penetración de un penetrador (una bola de acero endurecido o un penetrador de diamante con un cono o ángulo de 120 grados) se llama dureza. Dependiendo de los métodos y alcances de prueba aplicables, la dureza se puede clasificar en dureza Brinell, dureza Rockwell, dureza Vickers, dureza Shore, así como microdureza y dureza a alta temperatura. Los productos metalúrgicos generalmente utilizan dureza Brinell y dureza Rockwell.
9. Estándar corporativo de Baosteel (Q/BQB)
Los grados de acero en los estándares corporativos de Baosteel se pueden dividir aproximadamente en tres fuentes: los trasplantados del estándar JIS japonés, el estándar DIN alemán y los desarrollados y producidos por el propio Baosteel.
Los grados de acero trasplantados del estándar JIS generalmente comienzan con S (acero); los trasplantados del estándar DIN suelen comenzar con ST (Stahl, la palabra alemana para “acero”); Los grados de acero desarrollados y producidos por la propia Baosteel generalmente comienzan con B, la inicial en la ortografía fonética de Baosteel.
10. Placas y tiras de acero estructural laminadas en caliente y en frío.
El acero estructural generalmente se clasifica según su resistencia y los números en la calidad del acero generalmente representan la resistencia mínima a la tracción. Debido a que este tipo de acero se usa comúnmente para fabricar componentes estructurales, se le llama acero estructural.
Los mecanismos de fortalecimiento del acero estructural tienden a favorecer la descarbonización y el fortalecimiento de la ferrita con soluciones sólidas de manganeso, el refinamiento de la perlita y la adición de microaleaciones para el fortalecimiento por precipitación, el fortalecimiento de sedimentos y el fortalecimiento de grano fino.
Esto asegura que, al tiempo que aumenta la resistencia, el acero mantenga una buena tenacidad, niveles de plasticidad y una excelente soldabilidad.
