Aceros y aleaciones con propiedades especiales
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Los aceros y aleaciones con propiedades especiales se diseñan cuando la durabilidad de un componente ya no viene determinada únicamente por los parámetros mecánicos clásicos y una función dominante pasa a primer plano. Por ejemplo, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión o la estabilidad a altas temperaturas, o características físicas deliberadamente moldeadas, como la alta resistencia eléctrica, la expansión térmica específica o las propiedades magnéticas. En estos materiales, la composición química y el procesamiento no se seleccionan «en general», sino directamente para el mecanismo que va a funcionar durante su uso: el material debe endurecerse en la capa superficial, pasivarse en un entorno determinado o formar una capa protectora en gases calientes.
En la práctica, es muy raro encontrar una aleación que sea «resistente a todo». La resistencia a la corrosión depende, en gran medida, del tipo de entorno, la resistencia a la abrasión depende de si predomina el «desgaste», la fricción o el desgaste bajo alta presión e impacto, y las propiedades a alta temperatura deben considerarse por separado como resistencia al calor (resistencia a la oxidación) y resistencia al calor (resistencia a la fluencia). Por lo tanto, una descripción significativa de los aceros especiales se basa en comprender «qué produce el efecto» y «cuáles son las condiciones límite» en lugar de memorizar unos pocos nombres.
Aceros resistentes a la abrasión
Un material muy característico con alta resistencia a la abrasión es el acero austenítico al manganeso 11G12, que contiene aproximadamente 1‑1,3 % de C y 11‑14 % de Mn, con una relación carbono/manganeso recomendada cercana a 1:10, ya que solo un contenido suficiente de carbono garantiza la durabilidad de la estructura austenítica. Este acero, conocido como acero Hadfield, se distingue por tener un conjunto de propiedades inusuales: tiene un bajo límite elástico (del orden de Re ≈ 400 MPa) y baja dureza (aproximadamente 210 HB), al tiempo que tiene una resistencia a la tracción muy alta (aproximadamente Rm ≈ 1050 MPa) y unas propiedades plásticas y una resistencia al impacto excepcionalmente buenas (incluyendo A ≈ 50 % y una alta resistencia al impacto Charpy).
La fuente de su resistencia al desgaste no es su «dureza inicial», sino su comportamiento bajo carga. Debido a que el acero tiene un bajo límite elástico, se endurece fácilmente y con mucha fuerza, de forma mucho más intensa que muchos aceros estructurales típicos. Además, bajo presión, la austenita de la capa superficial puede transformarse en martensita, lo que aumenta localmente la dureza y dificulta que se produzca un mayor desgaste. Este mecanismo hace que el acero Hadfield sea resistente tanto a la abrasión como al impacto, mientras que los aceros endurecidos clásicos, aunque resistentes a la abrasión, suelen perder en aplicaciones de impacto debido a su fragilidad.
Una estructura austenítica homogénea es un requisito previo para obtener las propiedades deseadas. Cuando se enfría lentamente, aparecen precipitados de carburo junto con austenita, lo que deteriora las propiedades. Por lo tanto, el acero 11G12 se sobresatura a unos 950‑1000 °C con enfriamiento por agua para obtener la austenita más homogénea posible. Desde un punto de vista práctico, el límite de aplicabilidad también es importante: el acero Hadfield es resistente a la abrasión, principalmente, cuando el desgaste va acompañado de una presión superficial significativa; en condiciones de «desgaste» sin presión, no muestra su ventaja. Por este motivo, se utiliza para cruces de vías férreas, mandíbulas de trituradoras y vías de vehículos, es decir, donde se producen simultáneamente cargas de alta presión e impactos frecuentes. El precio de estas ventajas es una maquinabilidad muy difícil que en la práctica solo es posible con herramientas de carburo.
Aceros inoxidables, resistentes al ácido y al óxido
La corrosión es el proceso de destrucción del metal causado por el entorno externo. Este comienza en la superficie y avanza hacia el interior, y este avance es, a veces, desigual. En términos de mecanismo, se distingue entre corrosión química, típica de la acción de gases secos a altas temperaturas, y corrosión electroquímica, que se produce en líquidos (sobre todo en soluciones acuosas) con la participación de electrolitos y flujo de corriente en celdas locales. La observación clave es que el proceso puede inhibirse si en la superficie se forma una capa de productos de corrosión que cumpla las condiciones de una «barrera protectora»: debe cubrir herméticamente el metal, no disolverse en el entorno, adherirse bien y tener un coeficiente de expansión similar al del metal para que no se agriete durante los cambios de temperatura. Esto lleva intuitivamente a la idea de los aceros inoxidables, cuya resistencia se debe al mantenimiento de una capa pasiva estable y hermética.
En los aceros inoxidables, el componente más importante es el cromo, ya que solo un contenido suficientemente alto de Cr permite una pasivación permanente. El material distingue, entre otros, los aceros al cromo con diferentes contenidos de carbono y muestra cómo la composición afecta a la estructura en el sistema Fe‑Cr‑C. Con contenidos de carbono muy bajos (por debajo de aproximadamente el 0,1 %), el campo de ferrita puede extenderse a lo largo de todo el rango de temperaturas. Así pues, el acero tiene una estructura ferrítica; con un contenido medio de carbono (aproximadamente 0,20‑0,30 %), aparece austenita parcial después del calentamiento y, tras el enfriamiento, se obtiene una mezcla de ferrita y martensita, lo que da como resultado aceros semiférricos. Con un contenido de carbono más alto, el acero se transforma completamente en austenita después del calentamiento y se convierte en martensítico después del enfriamiento. En este contexto, se dan ejemplos de aceros al cromo típicos: 0H13 como ferrítico, 1H13 como semiférrico y 2H13‑4H13 como martensítico, con un tratamiento térmico que consiste en su endurecimiento a 950‑1000 °C y templado a 600‑700 °C, lo que permite obtener una amplia gama de resistencias en función del contenido de carbono. Estos aceros son resistentes a la corrosión en vapor de agua y en algunos ácidos (por ejemplo, nítrico o acético), pero no son resistentes a los ácidos clorhídrico y sulfúrico, lo que demuestra claramente que la «inoxidabilidad» no es absoluta, sino ambiental.
En la práctica, también existen aceros inoxidables al cromo con un mayor contenido de Cr. Por ejemplo, grados en el rango del 16‑18 % de Cr y aproximadamente el 0,1 % de C (por ejemplo, H17), a menudo con una estructura ferrítica o ferrítico‑martensítica, utilizados en la industria alimentaria o para productos de uso cotidiano. También existen aceros con 25‑28 % de Cr (por ejemplo, H25T) con una estructura ferrítica, menos dúctiles, pero también útiles como materiales resistentes al calor a temperaturas más altas. Una limitación significativa de los aceros ferríticos es que no sufren transformación alotrópica, por lo que no pueden «mejorarse» mediante el tratamiento térmico clásico; el refinamiento del grano se consigue, principalmente, mediante trabajo plástico.
La mayor resistencia a la corrosión en muchas aplicaciones se consigue con aceros austeníticos al cromo‑níquel. Los grados modernos suelen contener entre un 18 y un 25 % de Cr y entre un 8 y un 20 % de Ni, y el más común es el acero 18/8 (y sus variantes), que es resistente a muchos medios corrosivos. Las adiciones de aleación permiten «ajustar» la resistencia: el molibdeno (aproximadamente 1,5‑2,5 %) aumenta la resistencia en entornos con ácido sulfúrico, el cobre (aproximadamente 3 %) reduce la susceptibilidad a la corrosión por tensión y el silicio (aproximadamente 2‑3 %) puede mejorar la resistencia al ácido clorhídrico. Para garantizar la obtención de una estructura austenítica homogénea, estos aceros se someten a saturación a 1050‑1100 °C con enfriamiento por agua, que es uno de los elementos clave de la tecnología del acero inoxidable.
Al mismo tiempo, los aceros austeníticos al cromo‑níquel tienen una «trampa operativa» típica: una tendencia a la corrosión intergranular tras la exposición a temperaturas en el rango de aproximadamente 450‑700 °C. Es decir, cuando los carburos de cromo pueden liberarse en los límites de grano, agotar los límites de cromo y eliminar localmente la pasivación. El material indica formas clásicas de limitar este fenómeno: un contenido muy bajo de carbono (en el rango de 0,02‑0,03 %), la estabilización con elementos fuertemente formadores de carburos (titanio, niobio, etc.), un recocido estabilizador a unos 850 °C y la supersaturación. Este es un buen ejemplo de cómo, en los aceros especiales, el resultado viene determinado no solo por la composición, sino también por el «historial térmico» del material.
En el límite entre los aceros inoxidables clásicos, se encuentran los aceros que son difíciles de oxidar, y estos se utilizan principalmente para la corrosión atmosférica. La idea es que, con el tiempo, la superficie se cubra con una capa de óxido compacto y de baja permeabilidad que se adhiera bien al sustrato y ralentice la corrosión; este óxido protector se denomina pátina. El cobre (aproximadamente entre un 0,20 % y un 0,50 %) desempeña un papel importante en este grupo y, para que el efecto protector sea más pronunciado, también se utilizan cromo (hasta aproximadamente un 1,3 %) y níquel. Por su parte, el fósforo, en presencia de estos componentes, aumenta aún más la resistencia, por lo que a veces se incrementa su contenido. Como ejemplos se citan el conocido acero «Cor-ten A» y su equivalente (10HNAP), que muestran claramente que a veces el objetivo no es la inoxidabilidad total, sino lograr una protección estable en condiciones atmosféricas.
Resistencia al calor, durabilidad térmica, fluencia y selección de grupos de materiales
Trabajar a altas temperaturas plantea dos requisitos diferentes. La resistencia al calor implica resistencia al efecto oxidante de los gases a temperaturas superiores a 550 °C, es decir, en el rango de incandescencia, donde el acero al carbono forma rápidamente una cascarilla y la velocidad de oxidación aumenta rápidamente con la temperatura. La resistencia al calor se incrementa mediante aditivos como el cromo, el silicio y el aluminio que, al tener una mayor afinidad por el oxígeno que el hierro, forman una capa compacta y muy adherente de óxidos que inhibe una mayor oxidación. El material ofrece una relación muy práctica: con un contenido superior al 10 % de Cr, el acero puede ser resistente al calor a unos 900 °C, mientras que para garantizar la resistencia al calor a 1100 °C se requiere normalmente un 20‑25 % de Cr. También es fundamental que el acero resistente al calor no sufra transformaciones alotrópicas dentro del rango de temperatura de funcionamiento, ya que los cambios de volumen asociados pueden comprometer la integridad de la capa protectora.
El segundo requisito es la resistencia al calor, es decir, la capacidad de soportar cargas prolongadas a altas temperaturas sin deformarse en exceso. Aquí es donde entra en juego el fenómeno de la fluencia: bajo una tensión constante, el material se alarga con el tiempo, y una curva de fluencia típica incluye una sección en la que la velocidad de deformación es aproximadamente constante. Esta sección es la que resulta especialmente importante a la hora de comparar materiales. La fluencia puede entenderse como una «lucha» entre dos procesos: el endurecimiento por el aumento de la densidad de dislocaciones y la recuperación a alta temperatura, que elimina este endurecimiento. Por lo tanto, en los materiales resistentes al calor, el objetivo es garantizar que la estructura resista la recuperación y la recristalización de la forma más eficaz posible a las temperaturas de funcionamiento.
En los aceros resistentes al calor, las adiciones de molibdeno, tungsteno y vanadio son importantes, pero por sí solas no proporcionan resistencia a la oxidación. Por ello, en la práctica, los aceros resistentes al calor las combinan con aditivos que aumentan la resistencia al calor, principalmente el cromo, pero también el silicio y el aluminio. Si se requiere una estructura austenítica, también se utilizan el níquel y el manganeso. El material también indica el enfoque estándar de las características de resistencia al calor (en el contexto de la fluencia) a través de valores temporales: la tensión que provoca una deformación permanente específica después de un tiempo determinado a una temperatura determinada y la tensión que provoca la ruptura después de un tiempo determinado a una temperatura determinada, lo que pone de relieve que la «resistencia a altas temperaturas» siempre está relacionada con el tiempo de exposición.
La elección del material a altas temperaturas depende, en gran medida, del rango de trabajo. El material presenta una división práctica: en el rango de aproximadamente 350‑500 °C, se utilizan aceros aleados ferríticos o ferríticos‑perlíticos. En el rango de 500‑650 °C, son más comunes los aceros austeníticos. En el rango de 650‑900 °C, se utilizan aleaciones a base de níquel y cobalto y, por encima de 900 °C, aleaciones de metales refractarios (incluidos el molibdeno y el cromo). Esta división explica bien por qué los aceros Cr‑Mo con aditivos moderados son típicos para calderas e instalaciones eléctricas, mientras que las turbinas y los motores a reacción requieren aleaciones con una «clase» de estabilidad estructural completamente diferente.
En el grupo de aceros ferríticos y ferrítico‑perlíticos resistentes al calor destinados a soportar un funcionamiento prolongado, normalmente hasta unos 500‑550 °C, el material ofrece ejemplos de aceros para tubos de calderas que contienen aproximadamente 0,1‑0,2 % de C, alrededor de 1‑2 % de Cr, y 0,5-1 % de Mo. Son soldables, pero requieren precalentamiento antes de la soldadura y, después de la soldadura, la unión se normaliza y se templa (el material especifica un templado a aproximadamente 700 °C) para obtener la estructura más estable posible. Esto demuestra que, en los aceros de alta temperatura, la tecnología de fabricación de uniones forma parte del «paquete de materiales» y no es un complemento que se añada al final.
Los aceros resistentes al calor incluyen los aceros al cromo‑aluminio, al cromo‑silicio y al cromo‑níquel. Y, en aplicaciones tales como válvulas de motor, se utilizan aceros con un mayor contenido de cromo y silicio, por ejemplo, los denominados silcromos, que contienen aproximadamente 0,4‑0,5 % de C, 8‑10 % de Cr y 2‑3 % de Si. Su tratamiento térmico incluye un endurecimiento a unos 1050 °C y un templado a 680‑700 °C, lo que combina la resistencia al calor del componente (cromo/silicio) con los requisitos de solidez del elemento.
Para las condiciones más exigentes, especialmente en turbinas y motores a reacción, el material se describe mediante grupos especiales de aleaciones resistentes al calor: aleaciones austeníticas a base de hierro con cromo y níquel, aleaciones complejas de Cr‑Ni‑Co‑Fe, aleaciones a base de cobalto y aleaciones a base de níquel (Nimonic). Se indican los rangos de temperatura de funcionamiento típicos y los tratamientos térmicos característicos, por ejemplo, la supersaturación y el envejecimiento (para las aleaciones de Cr‑Ni‑Co‑Fe, la supersaturación en un rango de temperatura muy alto y el envejecimiento a varios cientos de grados; para las aleaciones Nimonic, la supersaturación en el rango de aproximadamente 1050‑1200 °C y el envejecimiento a aproximadamente 700 °C). Se trata de una filosofía diferente a la de los aceros estructurales: en este caso, las propiedades se deben en gran medida a la resistencia a la fluencia y al endurecimiento por precipitación controlada a altas temperaturas, y no solo al «endurecimiento y templado».
Propiedades físicas especiales
En los elementos calefactores eléctricos y de resistencia, se requieren materiales con alta resistencia específica, bajo aumento de la resistencia a altas temperaturas y, al mismo tiempo, alta resistencia al calor, baja expansión térmica y alto punto de fusión. El material destaca que una estructura de solución sólida es ventajosa en este caso, ya que este tipo de estructura favorece que exista una mayor resistencia eléctrica que las mezclas de fases. En la práctica, se utilizan dos familias principales de materiales: las aleaciones de níquel‑cromo (nicrómicas) o los aceros austeníticos de cromo‑níquel con una composición similar a la de los aceros resistentes al calor, así como los aceros ferríticos de cromo‑aluminio conocidos por sus nombres comerciales (por ejemplo, Kanthal, Alchrom, etc.).
Un grupo aparte está formado por aquellas aleaciones diseñadas para tener un coeficiente de expansión térmica específico. El material muestra una dependencia especialmente fuerte de la expansión en la composición de las aleaciones Fe‑Ni. Un ejemplo clásico es el invar, que contiene aproximadamente un 36 % de Ni y presenta una expansión muy baja en el rango de aproximadamente –80 a +150 °C, con un aumento significativo del coeficiente fuera de este rango. Se consigue una expansión aún menor en un determinado rango de temperaturas con el superinvar, que contiene aproximadamente un 30‑32 % de Ni, un 4‑6 % de Co y muy poco carbono. Estas aleaciones se utilizan en instrumentos y mecanismos que no deben cambiar sus dimensiones con las fluctuaciones de temperatura, así como en dispositivos de condensación de gas.
La segunda familia de aleaciones de Fe‑Ni se selecciona para que su expansión coincida con la del vidrio. Un ejemplo es la platinoita, con un contenido aproximado de 46 % de Ni y un bajo contenido de carbono, que se utiliza para fundir vidrio en bombillas y tubos electrónicos. En el mismo ámbito de aplicación, también existen los bimetales, es decir, tiras de dos capas obtenidas mediante la soldadura de materiales con diferentes coeficientes de expansión. Cuando un elemento de este tipo se calienta, la diferencia de expansión hace que se doble, lo que se utiliza en dispositivos de medición y control de temperatura, interruptores, relés y dispositivos de protección térmica.
Propiedades magnéticas: materiales blandos, duros y no magnéticos
En ingeniería eléctrica, los materiales se dividen en magnéticamente blandos, magnéticamente duros y no magnéticos, y los requisitos para cada grupo son diferentes. Los materiales magnéticamente blandos son fáciles de magnetizar y desmagnetizar, por lo que su estructura debe ser de grano grueso y lo más cercana posible al equilibrio. Así mismo, el contenido de carbono e impurezas nocivas (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno, etc.) debe ser lo más bajo posible, ya que aumentan la coercitividad y las pérdidas. El ejemplo más sencillo es el hierro técnicamente puro utilizado para electroimanes y núcleos de relés, pero también se utilizan comúnmente aceros con bajo contenido en carbono. En la práctica, los aceros al silicio, en los que el silicio está presente en una solución sólida, también son muy importantes; estos son los materiales básicos para las láminas de acero eléctrico.
El material también señala que las aleaciones de hierro y níquel pueden presentar propiedades magnéticas especialmente buenas, y el Permalloy (una aleación de hierro y níquel con un alto contenido en níquel) se cita a menudo como ejemplo de aleación clásica con una permeabilidad magnética muy alta, lo que se corresponde bien con la práctica de utilizar aleaciones de níquel en equipos de precisión. En el campo de los imanes permanentes, es decir, los materiales magnéticamente duros, el objetivo es que el material conserve su magnetización después de la magnetización, lo que requiere diferentes características estructurales y, a menudo, diferentes aditivos de aleación. El material destaca que, en el contexto de los imanes, los aceros que contienen cobalto presentan las mejores propiedades magnéticas, aunque su uso está limitado por la disponibilidad de este metal.
Una familia muy importante de imanes de aleación son las aleaciones de Fe‑Ni‑Al‑Co, conocidas como «alnico», que suelen contener entre un 14 % y un 28 % de Ni, entre un 6 % y un 12 % de Al y entre un 5 % y un 35 % de Co. Sus propiedades se obtienen no solo a través de su composición, sino también mediante un tratamiento térmico que implica la homogeneización a alta temperatura, seguida de la supersaturación (en agua o aceite) y, a continuación, el envejecimiento en un rango de temperatura medio. Esto permite utilizar el alnico para fabricar imanes potentes de pequeñas dimensiones y bajo peso, lo cual es crucial en muchos dispositivos.
Sin embargo, en algunas aplicaciones, se necesitan materiales no magnéticos que se comporten de forma neutra en un campo magnético. El material indicado aquí es el acero al cromo‑níquel‑manganeso (por ejemplo, H12N11G6) y acero al cromo‑manganeso (por ejemplo, G18H3), que se tratan térmicamente por supersaturación y cuyas propiedades mecánicas pueden mejorarse aún más mediante deformación en frío. Esto demuestra que, en el grupo «magnético», se pueden diseñar aceros especiales tanto para maximizar como para minimizar los fenómenos magnéticos.
Aceros y aleaciones con propiedades especiales: resumen
Los aceros y aleaciones con propiedades especiales son materiales que están diseñados más para el mecanismo de trabajo dominante que para una solidez «media». En los aceros resistentes al desgaste, como el acero Hadfield, el autotemplado bajo carga y la posibilidad de transformación superficial son fundamentales, puesto que proporciona resistencia al desgaste al tiempo que mantiene la resistencia al impacto, pero al mismo tiempo introduce limitaciones operativas y tecnológicas (presión, maquinabilidad, etc.). En los aceros inoxidables y resistentes a los ácidos, la base es la pasivación basada principalmente en el cromo, mientras que la durabilidad real depende de la estructura, los aditivos de aleación y el historial térmico.
Un ejemplo de esto es el problema de la corrosión intergranular en los aceros austeníticos después de calentarlos a determinadas temperaturas. En aplicaciones de alta temperatura, los requisitos de resistencia al calor y resistencia térmica deben separarse en función del papel de la capa protectora y la fluencia, y la elección de materiales varía desde aceros Cr‑Mo hasta superaleaciones a base de níquel y cobalto a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento. Por último, las propiedades físicas como la resistencia eléctrica, la expansión térmica y el magnetismo muestran que el acero y las aleaciones pueden diseñarse como componentes funcionales de un dispositivo, desde cables de resistencia y bimetales térmicos hasta imanes permanentes de aluminio y acero no magnético para su uso en campos magnéticos.
