¿De qué está hecho el acero? La respuesta breve es: hierro y carbono. La completa abre un mundo. El acero es una aleación metálica compuesta por más del 95% de hierro, pero son los elementos restantes los que determinan sus características.
Comprender la composición del acero significa entender por qué un S355 se comporta de forma diferente a un 42CrMo4, por qué un AISI 304 resiste a la corrosión mientras que un C40 no, y cómo interpretar una designación para elegir el grado más adecuado para el propio componente.
Por definición, el acero es una aleación hierro-carbono con un contenido de carbono comprendido entre aproximadamente el 0,02% y el 2,1% en peso. Por debajo del 0,02% se habla de hierro técnicamente puro; por encima del 2,1% se entra en el campo de las fundiciones, caracterizadas por propiedades y comportamientos muy diferentes.
El carbono es el elemento que más que ningún otro influye en las propiedades del acero:
El hierro constituye la matriz cristalina: a temperatura ambiente se presenta en fase ferrítica (cúbica centrada en el cuerpo, dúctil) o, tras el temple, en fase martensítica (dura y resistente). Las transformaciones de fase del acero, descritas por el diagrama hierro-carbono, son la base de todos los tratamientos térmicos.
El hierro puro es un metal relativamente blando (carga de rotura ~250 MPa) y poco utilizable estructuralmente. El acero es hierro con una adición controlada de carbono, comprendida entre el 0,02% y el 2,1%, que aumenta sensiblemente su resistencia, dureza y tratabilidad térmica. En la práctica industrial, el "hierro" vendido comercialmente es casi siempre un acero dulce de bajo contenido de carbono.
Además del carbono, en el acero pueden añadirse numerosos elementos en cantidades controladas para modificar propiedades específicas. Cada uno desempeña una función precisa.
El cromo es el elemento que distingue a los aceros inoxidables de los demás: con un contenido igual o superior al 10,5%, el acero forma en la superficie una película pasiva de óxido de cromo que lo protege de la corrosión. En los aceros de bonificado, en porcentajes más bajos (0,5-2%), mejora la templabilidad y la resistencia al desgaste.
El níquel estabiliza la fase austenítica a temperatura ambiente, dando origen a los aceros inoxidables austeníticos de la serie AISI 300, caracterizados por una excelente resistencia a la corrosión, tenacidad a bajas temperaturas y amagnetismo. En los aceros de bonificado, como el 39NiCrMo3, mejora la tenacidad y la templabilidad.
El molibdeno aumenta la resistencia a la corrosión por picadura en los aceros inoxidables, representando la principal diferencia entre el AISI 304 y el 316. Mejora además la resistencia a las altas temperaturas y la templabilidad de los aceros de construcción.
Presente en casi todos los aceros en porcentajes comprendidos entre el 0,3% y el 1,5%, el manganeso mejora la templabilidad, contrarresta los efectos negativos del azufre formando sulfuros de manganeso en lugar de los frágiles sulfuros de hierro, y aumenta la resistencia mecánica sin reducir excesivamente la ductilidad.
El silicio es un desoxidante utilizado en fundición y un elemento que refuerza la ferrita. En porcentajes elevados, comprendidos entre el 1% y el 3%, aumenta sensiblemente el límite elástico y es por tanto la base de los aceros para muelles. Mejora también la resistencia a la oxidación a alta temperatura.
El vanadio afina el grano y forma carburos muy duros. Incluso en pequeñas cantidades, entre el 0,1% y el 0,3%, mejora sensiblemente la resistencia y la tenacidad. Está presente en los aceros para herramientas y en muchos aceros de bonificado de altas prestaciones.
El tungsteno forma carburos estables a las altas temperaturas, esenciales en los aceros rápidos para herramientas de corte. El cobalto contribuye a mantener la dureza en caliente. Juntos caracterizan los aceros rápidos HSS empleados en los mecanizados.
El nitrógeno refuerza la austenita y se utiliza en los aceros inoxidables dúplex y superausteníticos para aumentar la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión por picadura, sustituyendo en parte al níquel.
Generalmente considerados impurezas, el azufre y el fósforo se mantienen en niveles muy bajos en la mayoría de los aceros. El azufre puede añadirse intencionadamente, en porcentajes comprendidos entre el 0,15% y el 0,35%, en los aceros de fácil mecanización para mejorar su maquinabilidad, aceptando sin embargo una reducción de la ductilidad. El fósforo es casi siempre indeseable porque hace el acero más frágil.
La composición química es el primer criterio utilizado para clasificar los aceros. Las familias principales son cinco.
Contienen principalmente hierro y carbono, con pequeñas cantidades de manganeso, silicio e impurezas. Se distinguen según el contenido de carbono:
Contienen del 0,25% al 0,50% de carbono y cantidades moderadas de cromo, níquel y molibdeno, generalmente inferiores al 5% para cada elemento. Diseñados para ser templados y revenidos, alcanzan resistencias elevadas manteniendo una buena tenacidad. Entre los más comunes figuran el 42CrMo4, el 39NiCrMo3 y el 34CrNiMo6.
Contienen al menos el 10,5% de cromo y se dividen en cuatro subfamilias según la microestructura.
Se caracterizan por un elevado contenido de carbono y de elementos formadores de carburos, como el cromo, el tungsteno, el molibdeno y el vanadio. Diseñados para resistir el desgaste, el calor y la deformación en condiciones extremas, comprenden los aceros rápidos HSS, los de mecanizados en frío, como el X210Cr12, y los de mecanizados en caliente, como el X40CrMoV5-1.
Contienen pequeñas adiciones de vanadio, niobio o titanio, generalmente inferiores al 0,1%, que afinan el grano y mejoran la resistencia y la tenacidad incluso sin tratamiento térmico. Se utilizan en las estructuras soldadas, en las conducciones de alta presión y en el sector del automóvil.
La designación describe la composición del acero. En el mercado coexisten dos sistemas.
Sistema europeo (EN 10027): la sigla indica los elementos de aleación y su respectivo contenido. Ejemplo: 42CrMo4 → 0,42% de C, cromo como principal elemento de aleación y molibdeno; el número final expresa el contenido según los factores previstos por la norma. X5CrNi18-10 (AISI 304) → 0,05% de C, 18% de Cr y 10% de Ni.
Sistema americano (AISI/SAE/UNS): utiliza códigos numéricos. Las series 1xxx identifican los aceros al carbono, las 41xx los aceros Cr-Mo y las 43xx los Ni-Cr-Mo. Los inoxidables siguen la clasificación AISI de tres cifras, como 304, 316 y 430.
Para el diseñador, la designación permite remontarse a la ficha técnica del grado: composición garantizada, propiedades mecánicas, tratamientos aplicables, soldabilidad y normas de producto.
El acero es el material más mecanizado del mundo por arranque de viruta. En la producción on-demand mediante mecanizado CNC, los grados más solicitados son:
El material en bruto se suministra en forma de barra redonda, barra plana, plancha o bloque, con certificado EN 10204 3.1 que acredita su composición y propiedades mecánicas. Weerg mecaniza estos aceros en centros CNC de 5 ejes, transformándolos en componentes acabados con tolerancias estrictas y acabado superficial controlado.
El acero está compuesto por hierro y carbono, pero son los elementos de aleación los que definen su verdadera identidad: el cromo lo hace inoxidable, el níquel estabiliza su estructura austenítica, el molibdeno lo protege del pitting y el vanadio afina su grano. Para diseñadores y técnicos, conocer la composición significa saber leer la designación, comprender el material, elegir el grado más adecuado y dialogar con proveedores y laboratorios a través de un lenguaje compartido.
En la producción on demand, el acero sigue siendo el protagonista del mecanizado CNC: desde el S355 estructural hasta el 42CrMo4 bonificado, desde el AISI 304 para el sector alimentario hasta el AISI 316 para aplicaciones marinas, cada grado parte de material en bruto certificado y se convierte en pocos días en un componente acabado.
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