Acero forjado: propiedades y aplicaciones clave

El acero forjado es una categoría de acero que se moldea y refuerza mediante el proceso de forjado, que implica la aplicación de fuerzas de compresión para deformar el material. Este proceso puede realizarse a diversas temperaturas, lo que da lugar a diferentes clasificaciones de acero forjado, como el forjado en caliente y el forjado en frío. El acero forjado se clasifica típicamente como acero de aleación de medio carbono, que contiene una mezcla equilibrada de carbono y elementos de aleación que mejoran sus propiedades mecánicas.

Descripción general completa

El acero forjado se compone principalmente de hierro, carbono y diversos elementos de aleación, como manganeso, cromo, níquel y molibdeno. Estos elementos influyen significativamente en las características del acero, como la resistencia, la tenacidad y la resistencia al desgaste. El proceso de forjado mejora la estructura del grano del acero, lo que resulta en mejores propiedades mecánicas en comparación con el acero fundido.

Características principales:
- Resistencia y tenacidad: El acero forjado exhibe una resistencia a la tracción y al impacto superiores debido a su estructura de grano refinado.
- Ductilidad: El proceso de forjado permite una mejor ductilidad, permitiendo que el material se deforme sin fracturarse.
- Resistencia a la fatiga: el acero forjado es menos propenso a fallas por fatiga, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alto estrés.

Ventajas:
- Alta relación resistencia-peso
- Excelente resistencia a la fatiga
- Mayor tenacidad y ductilidad.
- Capacidad de soportar condiciones extremas

Limitaciones:
- Costes de fabricación más elevados en comparación con el acero fundido.
- Formas y tamaños limitados en comparación con otras formas de acero.
- Requiere equipo especializado para el proceso de forja.

Históricamente, el acero forjado se ha utilizado en aplicaciones críticas como la industria aeroespacial, la automoción y la maquinaria pesada, donde el rendimiento y la fiabilidad son primordiales. Su posición en el mercado se mantiene sólida gracias a sus propiedades mecánicas superiores y su versatilidad en diversas aplicaciones.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	A1050	EE.UU	Equivalente más cercano a AISI 1045
AISI/SAE	1045	EE.UU	Acero de medio carbono con buena maquinabilidad
ASTM	A36	EE.UU	Acero estructural de menor resistencia
ES	S355J2	Europa	Comparable al AISI 1045 pero con mayor límite elástico
ESTRUENDO	C45	Alemania	Similar al AISI 1045, pero con un contenido de carbono ligeramente diferente
JIS	S45C	Japón	Equivalente a AISI 1045, comúnmente utilizado en Japón
ISO	1.0503	Internacional	Designación estándar para acero de medio carbono

Las sutiles diferencias entre estos grados suelen residir en su contenido específico de carbono y la presencia de elementos de aleación adicionales, lo que puede afectar su rendimiento en aplicaciones específicas. Por ejemplo, si bien AISI 1045 y DIN C45 son similares, este último puede presentar propiedades mecánicas ligeramente diferentes debido a variaciones en las normas de fabricación.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,40 - 0,50
Mn (manganeso)	0,60 - 0,90
Si (silicio)	0,15 - 0,40
Cr (cromo)	0,00 - 0,25
Ni (níquel)	0,00 - 0,25
Mo (molibdeno)	0,00 - 0,15
P (Fósforo)	≤ 0,04
S (Azufre)	≤ 0,05

Los principales elementos de aleación en el acero forjado incluyen:
- Carbono (C): Mejora la dureza y la resistencia; un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia al desgaste.
- Manganeso (Mn): Mejora la templabilidad y la resistencia a la tracción; también ayuda a desoxidar el acero durante la producción.
- Cromo (Cr): Aumenta la resistencia a la corrosión y la dureza; contribuye a la resistencia general del acero.
- Níquel (Ni): Mejora la tenacidad y la resistencia al impacto, especialmente a bajas temperaturas.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Temperatura de prueba	Valor/rango típico (unidades métricas - SI)	Valor/rango típico (unidades imperiales)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Templado y revenido	Temperatura ambiente	600 - 850 MPa	87 - 123 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	350 - 550 MPa	51 - 80 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	Temperatura ambiente	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Dureza	Templado y revenido	Temperatura ambiente	28 - 35 HRC	28 - 35 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto	Templado y revenido	-20 °C (-4 °F)	30 - 50 J	22 - 37 pies-lbf	ASTM E23

Las propiedades mecánicas del acero forjado lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones que requieren alta resistencia y durabilidad. Su alto límite elástico y de tracción le permiten soportar cargas significativas, mientras que su elongación y resistencia al impacto garantizan que pueda absorber energía sin fracturarse, lo que lo hace ideal para aplicaciones estructurales.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (Unidades métricas - SI)	Valor (Unidades Imperiales)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto de fusión	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	50 W/m·K	34,5 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F)
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,000001 Ω·m	0,000001 Ω·pulgada
Coeficiente de expansión térmica	Temperatura ambiente	11,0 x 10⁻⁶ /K	6,1 x 10⁻⁶ /°F

La densidad del acero forjado contribuye a su resistencia y durabilidad, mientras que su conductividad térmica y capacidad calorífica específica son cruciales en aplicaciones que implican transferencia de calor. El coeficiente de expansión térmica también es importante en aplicaciones con fluctuaciones de temperatura, ya que afecta la estabilidad dimensional.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	3-5%	20-60 °C (68-140 °F)	Justo	Riesgo de corrosión por picaduras
Ácido sulfúrico	10%	25 °C (77 °F)	Pobre	No recomendado
Agua de mar	-	25 °C (77 °F)	Justo	Resistencia moderada
Atmosférico	-	-	Bien	Susceptible a la oxidación

El acero forjado presenta una resistencia moderada a la corrosión, especialmente en condiciones atmosféricas. Sin embargo, es susceptible a la corrosión por picaduras en ambientes con cloruros y puede sufrir corrosión en condiciones ácidas. En comparación con los aceros inoxidables, el acero forjado tiene una resistencia a la corrosión 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	Adecuado para aplicaciones de alta temperatura.
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 altas temperaturas
Consideraciones sobre la resistencia a la fluencia	300 °C	572 °F	La fluencia puede ocurrir a temperaturas elevadas

A temperaturas elevadas, el acero forjado mantiene su resistencia y tenacidad, lo que lo hace adecuado para aplicaciones con altas cargas térmicas. Sin embargo, es importante considerar la oxidación y la formación de incrustaciones, que pueden afectar la integridad del material con el tiempo.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Mezcla de argón + CO2	Bueno para secciones delgadas
TIG	ER70S-2	Argón	Excelente para trabajos de precisión.
Palo	E7018	-	Adecuado para trabajos al aire libre.

El acero forjado generalmente es soldable, pero puede ser necesario precalentarlo para evitar grietas, especialmente en secciones más gruesas. El tratamiento térmico posterior a la soldadura también puede mejorar las propiedades de la pieza soldada.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero forjado	AISI 1212	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	60%	100%	El acero forjado es menos mecanizable que el AISI 1212
Velocidad de corte típica (torneado)	30 metros por minuto	50 metros por minuto	Ajustar las velocidades según las herramientas

El acero forjado presenta una maquinabilidad moderada, lo que requiere una cuidadosa selección de herramientas de corte y velocidades. La presencia de elementos de aleación puede afectar el desgaste de la herramienta y la eficiencia de corte.

Formabilidad

El acero forjado presenta una buena conformabilidad, lo que permite procesos de conformado tanto en frío como en caliente. Puede moldearse en geometrías complejas, pero debe evitarse el endurecimiento por acritud, que puede dificultar una mayor deformación. Debe considerarse el radio de curvatura mínimo durante las operaciones de conformado para evitar el agrietamiento.

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	Suaviza, mejora la ductilidad
Temple	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 minutos	Aceite o agua	Endurecimiento, aumento de la 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 forjado, mejorando sus propiedades mecánicas. El temple aumenta la dureza, mientras que el revenido reduce la fragilidad, haciendo que el material sea más adecuado para aplicaciones dinámicas.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección (breve)
Aeroespacial	Tren de aterrizaje de aeronaves	Alta resistencia, resistencia a la fatiga.	Componentes críticos para la seguridad
Automotor	Cigüeñales	Dureza, resistencia al impacto	Aplicaciones de alto estrés
Construcción	Vigas estructurales	Resistencia, ductilidad	Estructuras portantes
Petróleo y gas	brocas	Resistencia al desgaste, tenacidad	Condiciones de funcionamiento duras

• Aeroespacial: El acero forjado se utiliza en componentes críticos como el tren de aterrizaje debido a su alta resistencia y resistencia a la fatiga.
• Automotriz: Los cigüeñales están hechos de acero forjado para soportar altos esfuerzos e impactos.
• Construcción: Las vigas estructurales hechas de acero forjado proporcionan la resistencia y ductilidad necesarias para aplicaciones de soporte de carga.
• Petróleo y gas: Las brocas requieren resistencia al desgaste y tenacidad, lo que hace que el acero forjado sea una opción ideal.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero forjado	AISI 4140	AISI 1045	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta resistencia	Fuerza moderada	Fuerza moderada	El acero forjado ofrece una resistencia superior
Aspecto clave de la corrosión	Justo	Bien	Pobre	AISI 4140 tiene mejor resistencia a la corrosión.
Soldabilidad	Bien	Justo	Bien	El acero forjado es más fácil de soldar que el AISI 4140
Maquinabilidad	Moderado	Bien	Bien	El AISI 4140 es más fácil de mecanizar
Formabilidad	Bien	Justo	Bien	El acero forjado se puede moldear en formas complejas.
Costo relativo aproximado	Moderado	Moderado	Bajo	El costo varía según el procesamiento y la aleación.
Disponibilidad típica	Alto	Moderado	Alto	La disponibilidad puede variar según la región.

Al seleccionar acero forjado para una aplicación específica, es fundamental considerar factores como las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión, la soldabilidad y la maquinabilidad. Si bien el acero forjado ofrece mayor resistencia y tenacidad, alternativas como el AISI 4140 pueden ofrecer una mayor resistencia a la corrosión, lo que las hace más adecuadas para ciertos entornos. Además, el costo y la disponibilidad también deben considerarse en la toma de decisiones, ya que pueden influir en la viabilidad general del uso de acero forjado en un proyecto.

En resumen, el acero forjado es un material versátil con una amplia gama de aplicaciones gracias a sus excelentes propiedades mecánicas. Comprender sus características, ventajas y limitaciones es crucial para ingenieros y diseñadores a la hora de seleccionar materiales para aplicaciones exigentes.