Introducción
Este artículo tiene como propósito enlistar algunos de los efectos de los elementos de microaleación en los aceros, pero primeramente es necesario comenzar a comprender algunos términos importantes.
¿Qué es un elemento de aleación?
Si bien conocemos que los aceros están compuestos principalmente de hierro (Fe) y carbono (C), estos elementos tienen limitaciones. Por ello, se agregan elementos adicionales en pequeñas cantidades para mejorar propiedades mecánicas específicas, como resistencia a la tensión, límite elástico, dureza o tenacidad. Sin embargo, estas adiciones también representan un aumento en el costo del material, por lo que es fundamental conocer el efecto de cada elemento para diseñar aceros eficientes y al mejor costo.
Los elementos de aleación pueden formar nuevas fases (como carburos o nitruros) o incorporarse a las fases existentes (ferrita, austenita, cementita). Cuando el átomo aleante tiene un tamaño similar al del hierro, puede sustituirlo en la red cristalina (solución sólida sustitucional). Si es mucho más pequeño, puede ubicarse en los intersticios (solución intersticial), como ocurre con el nitrógeno.
El rol de los elementos de aleación en la estabilización de fases
Algunos elementos presentes en los aceros funcionan como estabilizadores de ciertas fases y formación de carburos:
- Estabilizadores de austenita: Manganeso (Mn), Níquel (Ni)
- Estabilizadores de ferrita: Silicio (Si), Cromo (Cr), Niobio (Nb)
- Formadores de carburos: Titanio (Ti), Niobio (Nb), Molibdeno (Mo), Cromo (Cr)
Figura 1. Diagrama de equilibrio que muestra las fases y precipitados presentes en un acero “Dual-Phase (DP)” 0.12C-1.41Mn-0.21Si-0.2V-0.48Mo- Bal Fe.
Elementos de Microaleación
Ahora hablemos sobre los elementos de microaleación, a diferencia de los elementos de aleación, estos se agregan en pequeñas cantidades (<0.1%) y entre ellos se incluyen: Niobio (Nb), Vanadio (V) y Titanio (Ti). A diferencia de los elementos de aleación mayores, su efecto es extremadamente eficiente. El término de elementos de microaleación es aplicado en aceros para contrastar los elementos que son sustitucionales.
Propósito de los elementos de microaleación
Aunque son costosos, permiten alcanzar altos niveles de resistencia (hasta >1000 MPa) y buena conformabilidad, sin incrementar el contenido de carbono (lo cual comprometería la soldabilidad).
Aplicaciones
Gracias a las excelentes propiedades, los aceros microaleados se utilizan en la industria automotriz, construcción, offshore, transporte, oil & gas, maquinaria pesada, entre otros.
Efectos Metalúrgicos clave
A continuación, se enlista brevemente algunos de los efectos metalúrgicos que la combinación de estos mismos permiten lograr las buenas propiedades mecánicas (más adelante se detalla a fondo estos efectos):
- Refinador de grano austenítico durante el recalentamiento
- Control de la recristalización durante el laminado
- Control de la transformación de austenita a ferrita durante el enfriamiento
- Precipitación y formación de carburos y carbonitrutos
Si bien el Vanadio, Niobio y Titanio son bien conocidos por proporcionar estos efectos; El Aluminio también puede utilizarse como microaleante si el objetivo es controlar el tamaño de grano, el embargo los aceros con Al no son considerados generalmente como microaleados.
Precipitación
Los elementos de microaleación forman carburos (MC), nitruros (MN), y carbonitruros (MC,N) en combinación con el C y N. Estas particulas finas fortalecen la matriz ferritica.
Consideraciones en el procesamiento de aceros microaleados
Los aceros de medio carbono se tratan térmicamente para lograr propiedades deseadas. Si se requiere alta resistencia a la tensión, se utilizan temperaturas bajas de revenido(200 °C), para una resistencia moderada, se opta por temperaturas de revenido más altas ( 500 °C aprox).
Una de las principales ventajas de los aceros microaleados es el ahorro energético durante el tratamiento térmico. Estos aceros permiten la precipitación de carburos directamente desde las temperaturas de forja, utilizando un enfriamiento directo, lo que elimina la necesidad de recalentamientos y múltiples etapas térmicas (Ver Figura 2).
Durante el forjado de piezas complejas, es necesario trabajar a altas temperaturas en la región de la fase austenítica. Esta etapa es clave en la producción de aceros de forja microaleados, ya que los carbonitruros se disuelve durante el calentamiento. Como resultado, los elementos de microaleación (en su mayoría el vanadio), permanecen en solución dentro de la austenita, lo que permite su posterior precipitación como partículas finas durante el enfriamiento.
Figura 2. Diagrama representativo del proceso de Tratamiento térmico estándar y proceso de tratamiento térmico modificado para aceros microaleados
Microestructura de los aceros microaleados
Como ya se mencionó anteriormente, la resistencia adicional de estos aceros se debe a la formación de precipitados finos durante el enfriamiento directo. Obteniendo una microestructura de ferrita, perlita ó martensita + carburos + nitruros.
Estudio de caso (Rodriguez- Galeando et al. 2024)
En el artículo: Influence of Cr and Cr+Nb on the interphase precipitation and mechanical properties of V-Mo microalloyed steels (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509324000716), los autores realizan una comparación entre el mismo grado de acero dual-phase (DP) microaleado y detallan el efecto tiene sobre estos mismos la adición de Cr, y Cr+Nb.
Para comprar los resultados de los autores y para fines de publicación de este artículo, se ha realizado las simulaciones de la microestructura en Thermo-Calc software. A continuación se muestran solo algunos de los resultados simulados.
Tabla 1: Composición química de 3 aceros DP
Ref:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509324000716
Carburos de Vanadio y Niobio
Analicemos primeramente la cantidad de carburos presentes en función de la composición química. La figura #3 muestra la comparación para los 3 aceros DP.
Figura 3. Grafica comparativa de cantidad de VC y NbC y el efecto de Cr y Cr+Nb en los aceros realizada en Thermo-Calc software.
La presencia de Cr favorece la precipitación de carburos del tipo VC y NbC, al modificar las condiciones termodinámicas del sistema y hacer este proceso más favorable.
Este efecto se debe a que, al incrementarse la concentración de Cr, se intensifica la competencia entre los elementos formadores de carburos (V y Nb) por átomos de carbono, generando una redistribución en la formación de fases. Adicionalmente, el Cr afecta los límites de solubilidad de los elementos, modificando la energía libre de Gibbs y, por ende, las fases en equilibrio.
Por otro lado, la adición de Nb en el acero promueve la formación de NbC. Se observa un cambio en el panorama termodinámico que favorece una precipitación más sostenida de VC. Comparando sistemas sin Cr, con Cr únicamente, y con Cr+Nb, las aleaciones con la combinación Cr+Nb exhiben una formación de carburos más amplia y estable, lo que contribuye a una mejora significativa de las propiedades mecánicas (Figura 4). La presencia de NbC proporciona sitios preferenciales de nucleación; por ello, en el estudio, los autores realizan un tratamiento de homogenizado a 1100 °C en la química #3, con el fin de evitar la disolución completa de dichos carburos.
Figura 4. Curvas de esfuerzo deformación de las 3 diferentes químicas para el acero DP a)V-Mo, b) V-Mo-Cr y c) V-Mo-Cr-Nb.
Efecto de los elementos microaleantes en el proceso de Homogenización
Una de las primeras etapas empleadas por los autores para inducir la precipitación en la interfase es el proceso de homogeneización. Este tratamiento térmico tiene como objetivo disolver los precipitados formados durante la solidificación, con el fin de eliminar la microsegregación y permitir la posterior precipitación de carburos de manera controlada, favoreciendo así una microestructura más homogénea.
Figura 5. Concentración de perfil de Vanadio después del proceso de homogeneización a 1250 °C y 1100 °C por 2 horas.
| Química | Perfil de concentración | Interpretación |
| V-Mo | Perfil constante (Homogeneización completa) | El V es completamente homogéneo, sin segregación residual tras la solidificación ni precipitación significativa. |
| V-Mo-Cr | El perfil incrementa | El Cr reduce la solubilidad del V, lo que favorece la estabilidad del VC. |
| V-Mo-Cr-Nb | Curva mas pronunciada | La adición de Nb intensifica el efecto, con menor homogeneización y un fuerte enriquecimiento intendendrítico. |
Podemos deducir que cualquier modificación en la microestructura, mediante la adición de elementos de aleación, requiere considerar ajustes en los parámetros del tratamiento térmico si se busca que el proceso de homogeneización sea eficiente. Por ejemplo, al analizar los perfiles de concentración, podría ser necesario aumentar el tiempo de homogeneización.
El uso de herramientas termodinámicas, como Thermo-Calc Software, nos permite realizar simulaciones que sirven de base para evaluar si es necesario modificar nuestros procesos.
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El rol de los elementos de microaleación en la reducción de Huella de Carbono
Como se ha analizado en este artículo, existen beneficios significativos al incorporar elementos de microaleación en los aceros. Uno de los más relevantes, además de la mejora en propiedades mecánicas, es su contribución a la reducción de la huella de carbono durante el tratamiento térmico.
Uno de los efectos clave está relacionado con la disminución de pasos innecesarios en el proceso térmico, lo cual impacta directamente en el ahorro energético y la reducción de emisiones.
- En un artículo publicado por Heat Treat Today (https://www.heattreattoday.com/how-to-reduce-the-carbon-footprint-during-heat-treatment/)se muestra cómo la modificación de aceros mediante elementos de microaleación, junto con una correcta adaptación del tratamiento térmico, ha permitido reducir significativamente las emisiones de CO₂.
- Ahorro de material gracias al aumento en resistencia: la microaleación con vanadio permite el diseño de estructuras más ligeras sin comprometer su resistencia mecánica, lo que implica un menor volumen de acero requerido (https://niobium.tech/-/media/niobiumtech/attachments-biblioteca-tecnica/nt_high-strength-steel-as-a-solution-for-the-lean-design-of-industrial-buildings.pdf)
- En el caso de vigas de hormigón armado, es posible lograr hasta un 40 % de reducción en la huella de carbono, con aproximadamente un 26.6 % menos de energía incorporada y un 18 % menos de emisiones de CO₂ https://capital10x.com/vanadium-carbon-energy-savings-steel-buildings/
En resumen: menor cantidad de material, ahorro energético por eliminación de pasos innecesarios en el proceso, y reducción directa en las emisiones de CO₂.
En conclusión, los elementos de microaleación ofrecen beneficios destacados no solo en términos de resistencia y comportamiento mecánico, sino también en sostenibilidad ambiental. En este post revisamos cómo su incorporación afecta directamente la microestructura de los aceros. La resistencia final de estos aceros no depende exclusivamente de la formación de martensita, sino también de los carburos que precipitan durante el enfriamiento.
No te pierdas nuestra próxima sesión corta en vivo “Efecto de los elementos microaleantes en el acero” este próximo 17 de Julio 2025 vía zoom, aquí te dejo el link de registro:
https://zoom.us/meeting/register/QDBGQGMAT0qQzu0p_of-BA
Referencias:
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/microalloyed-steel
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/microalloyed-steel
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/eutectoid-steel
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/austenite
https://www.mdpi.com/1996-1944/15/3/922
https://link.springer.com/article/10.1007/s13632-022-00864-9
https://www.mdpi.com/2075-4701/13/12/1912
https://digitalcommons.mtu.edu/etdr/1598
https://www.heattreattoday.com/how-to-reduce-the-carbon-footprint-during-heat-treatment/
Bhadeshia, H. K. D. H. & Honeycombe, R.
Steels: Microstructure and Properties, 5th Edition.
George Krauss
Steels: Processing, Structure, and Performance, 2nd Edition.
Articulo redactado por: M.C. Ana Laura Hernández Sustaita