Clasificación de elementos residuales
Los elementos residuales en el acero se clasifican en tres grupos según su potencial de oxidación: elementos totalmente retenidos, elementos parcialmente retenidos y elementos mínimamente retenidos.
Los elementos totalmente retenidos (Cu, Ni, Co, As, W, Mo, Sn, Sb) tienen un potencial de oxidación menor que el del hierro. Estos elementos no participan en las reacciones de oxidación durante la fabricación del acero y se retienen casi por completo en el producto final.
Los elementos parcialmente retenidos (S, P, Mn, Cr, C, H, N) tienen potenciales de oxidación similares al del hierro. Durante la fusión, solo una parte de estos elementos se oxida y se elimina. El grado de eliminación depende de las características específicas de cada elemento.
Los elementos mínimamente retenidos (Pb, Zn, V, Ti, Si, Al, Zr, Mg, Ca, Nb) tienen un potencial de oxidación mayor que el del hierro. Estos elementos se oxidan preferentemente durante la fusión y, en su mayoría, entran en la fase de escoria, quedando solo pequeñas cantidades en el acero.
Fuentes de elementos residuales
Los elementos residuales del acero provienen principalmente del mineral de hierro y la chatarra. El mineral de hierro suele contener elementos coexistentes como V, Ti, P, As, Sn, Sb y tierras raras (Re), que se introducen en el acero durante la fundición. En la fabricación de acero de proceso corto, las principales fuentes de elementos residuales son la chatarra de acero aleado, el acero revestido o chapado (p. ej., con estaño, níquel, cobre, cromo o zinc) y diversos metales no ferrosos.
Entre todos los elementos residuales, el cobre es el que presenta mayor cantidad, entrando principalmente en el horno de fabricación de acero a través de la chatarra automotriz. El antimonio (Sb) y el arsénico (As) provienen principalmente del mineral de hierro primario. Si bien pueden diluirse mediante la adición de chatarra limpia, tienden a acumularse gradualmente en el acero reciclado. El hidrógeno (H) y el nitrógeno (N) se absorben principalmente de la atmósfera del horno durante la fabricación de acero. Su contenido depende tanto de la composición del acero como del proceso específico de fabricación empleado.
Segregación de elementos residuales en el acero
La mayoría de los elementos residuales presentan una fuerte tendencia a la segregación. Esta segregación elemental puede ocurrir tanto durante la solidificación como mediante las posteriores transformaciones de fase en estado sólido. Estas transformaciones requieren un tiempo de difusión prolongado. Los elementos segregados pueden dar lugar a la formación de inclusiones, lo que resulta en regiones localizadas con mayor dureza en comparación con el resto del lingote. En estado sólido o durante el procesamiento térmico, los elementos residuales pueden segregarse en los límites de grano. Este fenómeno contribuye a la fragilización de los límites de grano, como la fragilización por revenido de tipo II en aceros aleados, comúnmente causada por la segregación de P, Sn, As y Sb.
Efectos de los elementos residuales
Los elementos beneficiosos totalmente retenidos, como el Ni, el Co, el W y el Mo, mejoran la templabilidad del acero. El cobre (Cu) desempeña una doble función: puede causar fragilización en caliente (fragilización durante el procesamiento a alta temperatura) y también mejora la resistencia a la corrosión atmosférica. Los elementos residuales nocivos, como el Sn, el As y el Sb, no solo agravan la fragilización inducida por el cobre, sino que también contribuyen a la fragilización por revenido de Tipo II. Entre ellos, el estaño (Sn) es particularmente perjudicial, ya que reduce significativamente las propiedades mecánicas a alta temperatura de los aceros y aleaciones.
Entre los elementos parcialmente retenidos, el cromo (Cr) mejora la resistencia a la oxidación, la resistencia a la corrosión y la templabilidad, pero también aumenta la tendencia a la fragilización por revenido; el nitrógeno (N) ayuda a refinar el tamaño del grano de austenita, pero puede provocar envejecimiento por deformación en el acero; el hidrógeno (H) es un elemento dañino que causa defectos internos como manchas blancas y agrietamiento, especialmente en aceros de baja aleación y alta resistencia.
