Acero al carbono fundido: propiedades y aplicaciones clave

El acero al carbono fundido es una categoría de acero que se caracteriza por su alto contenido de carbono y su método de producción, que consiste en la fundición de metal fundido en moldes. Este grado de acero se clasifica principalmente como acero de bajo o medio carbono, según su contenido de carbono, que suele oscilar entre el 0,05 % y el 0,30 %. El principal elemento de aleación del acero al carbono fundido es el carbono (C), que influye significativamente en su dureza, resistencia y ductilidad. Otros elementos pueden ser el manganeso (Mn), el silicio (Si) y pequeñas cantidades de azufre (S) y fósforo (P), que pueden afectar a las propiedades mecánicas y el rendimiento del acero.

Descripción general completa

El acero al carbono fundido es conocido por su excelente maquinabilidad y soldabilidad, lo que lo convierte en una opción popular en diversas aplicaciones de ingeniería. Entre sus características más destacadas se incluyen su buena resistencia a la tracción, su resistencia al desgaste y la posibilidad de ser tratado térmicamente para mejorar sus propiedades. Las propiedades inherentes del acero al carbono fundido permiten su uso en aplicaciones donde la resistencia y la durabilidad son primordiales.

Ventajas del acero al carbono fundido:
- Alta resistencia: ofrece buena resistencia a la tracción y al rendimiento, lo que lo hace adecuado para aplicaciones estructurales.
- Rentable: Generalmente menos costoso que los aceros aleados y los aceros inoxidables.
- Versátil: se puede fundir fácilmente en formas complejas, lo que reduce la necesidad de un mecanizado extenso.

Limitaciones del acero al carbono fundido:
- Susceptibilidad a la corrosión: Propenso a la oxidación y la corrosión si no se trata o recubre adecuadamente.
- Menor tenacidad: En comparación con los aceros aleados, puede presentar menor tenacidad, especialmente a bajas temperaturas.
- Rendimiento limitado a altas temperaturas: no es ideal para aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas.

Históricamente, el acero al carbono fundido ha jugado un papel crucial en el desarrollo de maquinaria e infraestructura industrial, siendo ampliamente utilizado en la fabricación de componentes como engranajes, ejes y marcos.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	C10, C20, C30	EE.UU	Equivalentes más cercanos a aceros de bajo y medio carbono
AISI/SAE	1020, 1045	EE.UU	Diferencias menores en la composición: 1020 es bajo en carbono, 1045 es medio en carbono.
ASTM	A216	EE.UU	Especificación para piezas fundidas de acero al carbono
ES	1.0402, 1.0503	Europa	Grados equivalentes para acero fundido de bajo y medio carbono
ESTRUENDO	G20Mn5, G40Mn2	Alemania	Designaciones para aceros al carbono fundidos con contenido específico de manganeso
JIS	SCW 40	Japón	Norma japonesa para piezas fundidas de acero al carbono

Las diferencias entre grados equivalentes pueden afectar significativamente el rendimiento. Por ejemplo, si bien AISI 1020 y 1045 suelen considerarse similares, el mayor contenido de carbono del 1045 proporciona mayor dureza y resistencia, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones que requieren propiedades mecánicas mejoradas.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,05 - 0,30
Mn (manganeso)	0,30 - 0,90
Si (silicio)	0,10 - 0,40
P (Fósforo)	≤ 0,04
S (Azufre)	≤ 0,05

La función principal del carbono en el acero al carbono fundido es mejorar la dureza y la resistencia mediante el endurecimiento por solución sólida y la formación de carburos. El manganeso mejora la templabilidad y la resistencia a la tracción, mientras que el silicio actúa como desoxidante y puede mejorar la resistencia del acero a la oxidación.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Valor/rango típico (unidades métricas - SI)	Valor/rango típico (unidades imperiales)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Recocido	370 - 480 MPa	54 - 70 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Recocido	210 - 310 MPa	30 - 45 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Recocido	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Dureza (Brinell)	Recocido	120 - 180 HB	120 - 180 HB	ASTM E10
Resistencia al impacto	Charpy con muesca en V, -20 °C	20 - 40 J	15 - 30 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de estas propiedades mecánicas hace que el acero al carbono fundido sea adecuado para aplicaciones que requieren buena resistencia y ductilidad, como componentes estructurales y piezas de maquinaria. Su capacidad para ser tratado térmicamente mejora aún más su rendimiento en entornos exigentes.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (Unidades métricas - SI)	Valor (Unidades Imperiales)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	490 libras/pie³
Punto/rango de fusión	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	50 W/m·K	29 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F)
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,00001 Ω·m	0,00001 Ω·pulgada

La densidad del acero al carbono fundido contribuye a su resistencia, mientras que su conductividad térmica es esencial para aplicaciones que implican transferencia de calor. La capacidad calorífica específica indica la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, lo cual es crucial en aplicaciones térmicas.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
Atmosférico	Varía	Ambiente	Justo	Propenso a oxidarse sin protección
cloruros	Varía	Ambiente	Pobre	Riesgo de corrosión por picaduras
Ácidos	Varía	Ambiente	No recomendado	Altamente susceptible
Alcalino	Varía	Ambiente	Justo	Resistencia moderada

El acero al carbono fundido presenta una resistencia aceptable a la corrosión atmosférica, pero es susceptible a la oxidación si no se recubre o mantiene adecuadamente. En entornos con cloruros, es propenso a picaduras, mientras que la exposición a ácidos puede provocar una rápida degradación. En comparación con los aceros inoxidables, la resistencia a la corrosión del acero al carbono fundido es significativamente menor, lo que lo hace menos adecuado para aplicaciones marinas o químicas.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	400 °C	752 °F	Más allá de esto, las propiedades pueden degradarse.
Temperatura máxima de servicio intermitente	500 °C	932 °F	Sólo exposición a corto plazo
Temperatura de escala	600 °C	1112 °F	Riesgo de oxidación a esta temperatura
Consideraciones sobre la resistencia a la fluencia	300 °C	572 °F	Empieza a perder fuerza

A temperaturas elevadas, el acero al carbono fundido puede sufrir oxidación y pérdida de propiedades mecánicas. La temperatura máxima de servicio continuo indica el límite superior para una exposición prolongada, mientras que la temperatura de incrustación resalta el riesgo de degradación superficial.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argón/CO2	Bueno para secciones delgadas
TIG	ER70S-2	Argón	Soldaduras de alta calidad
Palo	E7018	N / A	Adecuado para secciones más gruesas.

El acero al carbono fundido generalmente se considera de buena soldabilidad, especialmente con los metales de aportación adecuados. En secciones más gruesas, puede ser necesario precalentarlas para evitar el agrietamiento, y el tratamiento térmico posterior a la soldadura puede mejorar su integridad.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero al carbono fundido	AISI 1212	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	70	100	Buena maquinabilidad, pero varía según el contenido de carbono.
Velocidad de corte típica (torneado)	30-50 m/min	60-80 m/min	Ajuste según las herramientas y la configuración

El acero al carbono fundido ofrece buena maquinabilidad, especialmente en grados con bajo contenido de carbono. Unas velocidades de corte y herramientas óptimas pueden mejorar el rendimiento, mientras que un mayor contenido de carbono puede requerir herramientas más robustas debido a su mayor dureza.

Formabilidad

El acero al carbono fundido se puede conformar mediante procesos en frío y en caliente. El conformado en frío es adecuado para secciones más delgadas, mientras que el conformado en caliente es preferible para materiales más gruesos. El material presenta endurecimiento por acritud, lo que puede afectar los radios de curvatura y los límites de conformado.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C/°F)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Recocido	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 horas	Aire o agua	Suavidad, ductilidad mejorada
Temple	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 minutos	Aceite o agua	Endurecimiento, mayor resistencia.
Templado	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 hora	Aire	Reducir la fragilidad, mejorar la tenacidad.

Los procesos de tratamiento térmico alteran significativamente la microestructura del acero al carbono fundido, mejorando sus propiedades mecánicas. El recocido ablanda el material, mientras que el temple aumenta la dureza. El revenido es esencial para aliviar tensiones y mejorar la tenacidad.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección (breve)
Automotor	Bloques de motor	Alta resistencia, buena maquinabilidad.	Durabilidad y rendimiento
Construcción	Vigas estructurales	Alta resistencia a la tracción, soldabilidad.	Aplicaciones de soporte de carga
Maquinaria	Cajas de cambios	Resistencia al desgaste, tenacidad	Fiabilidad bajo estrés
Petróleo y gas	Componentes de la tubería	Resistencia a la corrosión, resistencia	Seguridad e integridad

Otras aplicaciones incluyen:
* - Componentes de maquinaria pesada
* - Equipos agrícolas
* - Herramientas y accesorios

El acero al carbono fundido se elige para estas aplicaciones debido a su equilibrio entre resistencia, maquinabilidad y rentabilidad, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de usos industriales.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero al carbono fundido	AISI 4140	Acero inoxidable 304	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Buena resistencia a la tracción	Mayor resistencia	Menor resistencia	El 4140 ofrece mayor resistencia pero a un costo mayor
Aspecto clave de la corrosión	Resistencia justa	Buena resistencia	Excelente resistencia	El acero inoxidable es superior en entornos corrosivos.
Soldabilidad	Bien	Justo	Excelente	El acero inoxidable requiere técnicas especiales.
Maquinabilidad	Bien	Justo	Pobre	El acero al carbono fundido es más fácil de mecanizar
Formabilidad	Bien	Justo	Pobre	El acero inoxidable es menos moldeable
Costo relativo aproximado	Bajo	Medio	Alto	El costo es un factor importante en la selección
Disponibilidad típica	Alto	Medio	Alto	El acero al carbono fundido está ampliamente disponible

Al seleccionar acero al carbono fundido, se deben considerar la rentabilidad, la disponibilidad y los requisitos específicos de la aplicación. Si bien ofrece buenas propiedades mecánicas y maquinabilidad, su susceptibilidad a la corrosión puede requerir recubrimientos o tratamientos protectores en ciertos entornos. Comprender las ventajas y desventajas del acero al carbono fundido y otros materiales alternativos es crucial para una selección óptima del material en aplicaciones de ingeniería.