Tipos de acero al carbono: características, aplicaciones y procesos de fabricación

El viaje del acero al carbono desde las antiguas forjas hasta los modernos procesos industriales representa uno de los logros tecnológicos más significativos de la humanidad. En la antigüedad, aunque no se conocía como «acero al carbono» tal y como lo entendemos hoy, ya existían técnicas primitivas que conseguían incorporar carbono al hierro, que es como se fabrica el acero. Los primeros indicios de la existencia del acero se remontan aproximadamente al año 1800 a.C. en la antigua Anatolia (actual Turquía). Los herreros de aquella época descubrieron, probablemente por accidente, que cuando el hierro se calentaba en contacto con carbón vegetal, el metal resultante era más duro y resistente al desgaste.

Más tarde este proceso se perfeccionó mediante el proceso de Wootz en la India y sofisticados métodos en la China de la dinastía Han, y acabó transformándose en una fabricación precisa y controlada durante la Revolución Industrial. El convertidor Bessemer marcó un momento crucial, al permitir la producción en masa de acero asequible con propiedades específicas, ya que convertía rápidamente el hierro fundido en acero soplando aire a través de él para eliminar impurezas como escoria y gas.

Esta evolución tecnológica permitió a ingenieros y fabricantes desarrollar distintas categorías de acero al carbono, cada una con un contenido de carbono cuidadosamente calibrado para servir a aplicaciones específicas. El actual sistema de clasificación del acero al carbono refleja siglos de conocimientos metalúrgicos, dividiendo este versátil material en tres categorías principales basadas en el porcentaje de carbono, cada una de las cuales ofrece un equilibrio único de propiedades adecuadas a las diferentes necesidades industriales.

¿Hay acero sin carbono?

Por definición, todos los aceros son aleaciones de hierro con carbono. El acero siempre contiene carbono como principal elemento de aleación, aunque sea en pequeñas cantidades. Es precisamente la presencia de carbono lo que diferencia el acero del hierro puro.

Los que sí existen son:

• Aceros simples al carbono: Son aceros en los que el carbono es el único elemento de aleación intencional (aunque siempre contienen pequeñas cantidades de manganeso, silicio, fósforo y azufre como elementos residuales del proceso de fabricación). Se utilizan mucho en la industria.
• Aceros de baja aleación: Contienen carbono más pequeñas cantidades de otros elementos de aleación (menos del 5% en total) como cromo, níquel, molibdeno, vanadio, etc.
• Aceros de alta aleación: Con carbono y cantidades significativas de otros elementos (más del 5% en total).

El hierro comercialmente puro (con contenidos de carbono extremadamente bajos, inferiores al 0,008%) existe y se conoce como hierro forjado, pero tiene aplicaciones muy limitadas debido a sus propiedades mecánicas inferiores y se utiliza principalmente en aplicaciones eléctricas/magnéticas específicas donde su alta permeabilidad magnética es ventajosa.

Por lo tanto, en la industria, prácticamente todo lo que se conoce como «acero» contiene siempre carbono como elemento de aleación fundamental.

Sin embargo, tiene sentido hablar de «acero al carbono» aunque todos los aceros contienen carbono. Esta nomenclatura se utiliza principalmente para diferenciar los aceros en los que el carbono es el principal elemento de aleación (y prácticamente el único en cantidades significativas) de otros tipos de aceros que contienen cantidades importantes de otros elementos de aleación.

La terminología «acero al carbono» (o «acero simple al carbono») sirve para distinguirlos de:

• Aceros aleados: Que contienen cantidades importantes de otros elementos como cromo, níquel, molibdeno, etc.
• Aceros inoxidables: Que contienen cromo (mínimo 10,5%) y otros elementos para resistir la corrosión.
• Aceros para herramientas: Especialmente aleados para aplicaciones de herramientas de corte.
• Aceros especiales: Desarrollados para aplicaciones específicas con propiedades muy particulares.

Esta diferenciación es útil en contextos industriales y metalúrgicos porque los aceros al carbono (simples) tienen comportamientos metalúrgicos, procesos de fabricación y aplicaciones diferentes que los aceros con aleaciones complejas.

Por lo tanto, cuando se habla de «acero al carbono», se está especificando que se trata de un acero en el que el carbono es el único elemento de aleación principal, sin adiciones significativas de otros elementos metálicos que modifiquen sus propiedades.

Tipos de acero al carbono

Acero de bajo carbono (0,05-0,3 % C)

Este grupo de aceros se caracteriza por su excelente maleabilidad, ductilidad y facilidad de conformación.

Características principales:

• Resistencia a la tracción: 345-450 MPa.
• Dureza: 120-180 HB (Brinell).
• Excelente soldabilidad sin pretratamientos.
• Buena conformabilidad en frío y en caliente.
• No se pueden endurecer mediante tratamientos térmicos convencionales.

Aplicaciones específicas:

• Construcción: perfiles estructurales, vigas, columnas.
• Automoción: carrocerías, chapas metálicas, travesaños.
• Tubos y perfiles: tuberías comerciales, conductos de ventilación.
• Alambres y clavos: malla, alambres para vallas.
• Chapas laminadas: para electrodomésticos, muebles metálicos.
• Aplicaciones generales: tanques de almacenamiento, cubiertas, revestimientos.

Ejemplos comunes: aceros AISI/SAE 1010, 1018, 1020

Acero al carbono medio (0,3-0,6 % C)

Estos aceros ofrecen un equilibrio entre resistencia mecánica y ductilidad suficiente para aplicaciones mecánicas.

Características principales:

• Resistencia a la tracción: 450-700 MPa.
• Dureza: 180-250 HB.
• Puede tratarse térmicamente para mejorar sus propiedades.
• Soldabilidad moderada (a menudo requiere precalentamiento).
• Buena resistencia al desgaste cuando se trata térmicamente.

Aplicaciones específicas:

• Componentes de maquinaria: Ejes, ejes, piñones.
• Automoción: Bielas, pistones, componentes de suspensión.
• Engranajes de resistencia media: Engranajes de transmisión.
• Herramientas agrícolas: Arados, discos, cuchillas.
• Herramientas manuales: Llaves, martillos.
• Elementos de fijación: tornillos y pernos de alta resistencia.

Ejemplos comunes: aceros AISI/SAE 1035, 1040, 1045

Acero con alto contenido de carbono (0,6-1,0 % C)

Estos aceros proporcionan una alta dureza y resistencia al desgaste a costa de una menor ductilidad.

Características principales:

• Resistencia a la tracción: 700-900 MPa.
• Dureza: 250-400 HB (puede alcanzar 60-66 HRC después del temple).
• Excelente respuesta a los tratamientos térmicos.
• Soldabilidad reducida (requiere técnicas especiales).
• Alta resistencia a la fatiga cuando se trata adecuadamente.

Aplicaciones específicas:

• Herramientas de corte: cizallas, hojas de sierra, cuchillos.
• Elementos elásticos: muelles, ballestas.
• Cables de alta resistencia: para grúas, ascensores.
• Herramientas de percusión: cinceles, punzones.
• Elementos de desgaste: matrices, moldes.
• Elementos ferroviarios: raíles, ruedas de tren.
• Rodamientos: bolas y pistas para rodamientos de alto rendimiento.

Ejemplos comunes: aceros AISI/SAE 1060, 1075, 1095

Cada uno de estos tipos de acero al carbono ocupa un nicho específico en el espectro de aplicaciones industriales, donde su contenido de carbono determina el equilibrio entre ductilidad, maquinabilidad, resistencia y capacidad de tratamiento térmico.

La fabricación del acero al carbono: Un proceso paso a paso

Selección del proceso en función del contenido y la aplicación

La selección específica de procesos para fabricar acero al carbono depende principalmente del contenido de carbono y de las propiedades finales deseadas para su aplicación. No todos los aceros se fabrican de la misma manera, y aquí es donde empieza la ciencia metalúrgica.

Obtención del hierro: altos hornos

La fabricación del acero comienza con la obtención del hierro. En el método tradicional se utilizan altos hornos donde el mineral de hierro se mezcla con coque (carbón procesado) y piedra caliza. En el interior de este enorme horno, el carbono del coque reacciona con los óxidos de hierro del mineral, liberando hierro metálico y produciendo dióxido de carbono. Durante este proceso, parte del carbono se incorpora al hierro, formando lo que conocemos como fundición, que contiene entre un 3% y un 4,5% de carbono.

Ajuste del contenido de carbono: el convertidor

Como esta fundición tiene demasiado carbono para considerarse acero, el siguiente paso es reducir su contenido. Esto se hace en un convertidor, normalmente del tipo LD o BOF (Basic Oxygen Furnace). Allí se inyecta oxígeno a alta presión sobre el hierro líquido, lo que provoca la oxidación del exceso de carbono, que se elimina en forma de gases. Este proceso permite ajustar con precisión el porcentaje de carbono para obtener el tipo de acero deseado.

Método alternativo: horno eléctrico de arco

Como alternativa, hoy en día muchos aceros se producen en hornos de arco eléctrico, en los que la principal materia prima es la chatarra de acero reciclada. Estos hornos utilizan electricidad para generar arcos entre electrodos de grafito que funden el metal. Este método es más flexible y menos contaminante que el tradicional alto horno.

Refinado de la composición: metalurgia secundaria

Una vez que el acero tiene la composición química adecuada, pasa por un proceso denominado metalurgia secundaria. En esta fase, el acero líquido se trata en una cuchara donde se ajusta con precisión su composición añadiendo elementos de aleación, se desoxida y se controla la temperatura. Este paso es crucial para garantizar la calidad y uniformidad del acero.

Solidificación: colada continua

Tras este tratamiento, el acero líquido pasa a la colada continua, un proceso en el que el metal se solidifica progresivamente a medida que pasa por un molde enfriado, formando un flujo continuo de material sólido que se corta a las medidas deseadas. Así se obtienen productos semiacabados como palanquillas, desbastes u otros formatos que servirán de base para la siguiente etapa.

Conformación: laminación y forja

La conformación del acero se consigue principalmente mediante el laminado. En el laminado en caliente, el acero se calienta a temperaturas de 1100-1250°C y se hace pasar entre cilindros que reducen progresivamente su espesor. Este proceso no sólo da forma al acero, sino que también mejora su microestructura. Para productos que requieren una mayor precisión dimensional o un mejor acabado superficial, se utiliza el laminado en frío, que se realiza a temperatura ambiente y produce un endurecimiento adicional del acero.
Para piezas con formas más complejas o que requieren propiedades mecánicas específicas, se utiliza la forja, en la que el acero se deforma bajo presión o impacto, ya sea manualmente o con prensas hidráulicas.

Ajuste de las propiedades: tratamientos térmicos

Por último, los tratamientos térmicos permiten ajustar las propiedades finales del acero. El recocido, por ejemplo, consiste en calentar el acero y dejarlo enfriar lentamente para eliminar tensiones internas y mejorar su ductilidad. El normalizado, por su parte, consiste en enfriar en aire tras el calentamiento, afinando el tamaño del grano y homogeneizando la estructura. Para los aceros de medio y alto contenido en carbono, el temple y el revenido son esenciales: el acero se calienta y se enfría rápidamente (temple) para endurecerlo, y luego se recalienta a una temperatura inferior (revenido) para ajustar el equilibrio entre dureza y tenacidad.

El factor determinante: el contenido de carbono

Los aceros con bajo contenido en carbono son más fáciles de conformar y soldar, pero no responden bien a los tratamientos térmicos de temple. Por el contrario, los aceros con alto contenido en carbono son excelentes candidatos para tratamientos térmicos que aumentan significativamente su dureza, pero son más difíciles de soldar y conformar. Esta diferencia fundamental determina no sólo los procesos de fabricación, sino también las aplicaciones finales en las que cada tipo de acero será más adecuado.