EL
HIERRO
El hierro fue descubierto en la
prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas; es el objeto más
antiguo, aún existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y
data de 4000 años a.C.
El término arqueológico edad del
hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el
trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa
central hasta la mitad del siglo XIV d.C.
Propiedades
Las distintas propiedades físicas
de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono admitida
por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación,
dureza y temple del acero.
Químicamente el hierro es un metal
activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato y con
el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de
los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido
ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se
corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza,
escamosa, conocida comúnmente como orín.
La formación de orín es un
fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro
interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña
corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica.
El agua y los electrolitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el
hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar
el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el
orín, y la superficie del metal acaba agujereándose.
Al sumergir hierro en ácido
nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir,
no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido
protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve a
convertirse en activo.
ESTADO NATURAL
El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas
localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. En forma de compuestos químicos, está
distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los
elementos de la corteza terrestre; después del aluminio, es el más abundante de
todos los metales. Los principales minerales de hierro son las hematites.
Otros minerales importantes son la goetita, la
magnetita, la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, que es un
sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre es muy
difícil de eliminar. También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas
con aguas naturales y en las plantas.
APLICACIONES Y PRODUCCIÓN
El hierro puro, preparado por la electrólisis de una
disolución de sulfato de hierro II, tiene un uso limitado. El hierro comercial
contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que
alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente
añadiendo más carbono y otros elementos de aleación.
A principios de la década de 1990, la producción anual
de hierro se aproximaba a 920 millones de toneladas métricas.
HISTORIA DEL HIERRO
Desde la sencillez de los primeros objetos hasta la
complejidad de las actuales aeronaves, la evolución del hierro ha transcurrido
paralela a los grandes cambios que ha sufrido la humanidad.
Al principio, el hierro se utilizó como elemento de
diferenciación social, un mero objeto de lujo al alcance de las altas
jerarquías. Pero con el paso del tiempo fue convirtiéndose en un material de
gran importancia estratégica.
La utilización del hierro como material bélico,
poderoso e imprescindible, hizo posible el incremento cualitativo y
cuantitativo de la producción de este metal.
La adopción del hierro como material de construcción
supuso una revolución. Más adelante, la industrialización permitió aumentar la
producción del acero, siendo el pilar sobre el que se cimentó la entrada a la
modernidad.
El mundo actual no se podría concebir sin la presencia
del hierro. La industria naval, la ferroviaria, la automovilística o la
aeronáutica son los últimos resultados de una evolución iniciada muchos siglos
atrás.
OBTENCIÓN DEL HIERRO
La evolución de la metalurgia está relacionada con factores de carácter tecnológico,
para obtener el cobre que, aliado con el estaño, constituye el bronce se
necesitan 1.083º C.
En cambio, para fundir el hierro hay que llegar hasta
los 1.536º C. Esta diferencia de temperatura es una de las causas del porqué el
bronce se trabajó antes que el hierro.
Básicamente, hay dos técnicas conocidas: el procedimiento directo, usado desde los
inicios de la metalurgia del hierro hasta el siglo XIX, y el procedimiento indirecto, conocido ya
desde la edad media y consolidado a partir de la industrialización.
El procedimiento directo es la operación de reducción donde el hierro no llega al
estado de fusión. El metal que se obtiene es una masa esponjosa de hierro y escorias, que se tiene que separar del
metal. La separación de las escorias es un proceso complicado, que requiere un
trabajo de forja posterior para conseguirlo.
Entendemos como procedimiento indirecto la operación
de reducción donde el hierro
llega hasta el estado líquido: una fusión completa donde la ganga (el material sobrante) forma una
escoria líquida que se separa fácilmente del metal.
Cuando se consigue el hierro en estado líquido, éste
se puede trabajar de diversas maneras: a través de un molde o mediante procesos
químicos, térmicos o mecánicos.
HIERRO DULCE
Se considera hierro dulce al hierro
libre de impurezas, es el más puro que se encuentra en la naturaleza. Es
bastante blando por lo que se trabaja con facilidad, se utiliza preferentemente
en la fabricación de electroimanes, sin embargo la mayor parte del uso del
hierro se realiza en formas que han pasado por un tratamiento previo, como en
el caso del hierro colado o la fundición.
EL HIERRO FORJADO
Es un material de hierro que posee la propiedad de
poder ser forjado y martillado cuando esta muy caliente (al rojo) y que se endurece enfriándose
rápidamente. Funde a temperatura mayor de 1500 °C, es poco tenaz y puede
soldarse mediante forja.
Se caracteriza por el bajo contenido de carbono (entre 0,05% y 0,25%), siendo una de las variedades,
de uso comercial, con más pureza en hierro. Es duro, maleable y fácilmente aleable con otros metales, sin
embargo es relativamente frágil, y poco apto para ser utilizado en la
confección de láminas, tales como espadas, etc. El
hierro forjado ha sido empleado durante miles de años, y ha sido la composición
más habitual del "hierro" tal como se ha conocido a lo largo de la
historia.
Tradicionalmente, el hierro forjado ha sido obtenido a
partir del mineral de hierro calentado a
altas temperaturas en una forja. Luego, se procedía a golpearlo, en
un proceso en el que se buscaba eliminar las impurezas y escorias contenidas en el mineral.
Los procesos industriales del siglo XIX permitieron producir hierro forjado en grandes
cantidades, de modo que se pudo utilizar este material en la construcción de grandes estructuras de arquitectura e ingeniería.
La dificultad de realizar uniones de elementos de hierro
forjado mediante soldadura ha relegado el empleo de este
material a usos decorativos o secundarios en la construcción, tales como
enrejados y otras piezas.
MATERIALES DE
USO TÉCNICO
Los metales se obtienen de
minerales, que son rocas naturales que contienen el metal que deseamos extraer
junto con otros elementos químicos en distintas proporciones. Por lo tanto los
metales no se encuentran en la naturaleza, tal como nosotros los conocemos, si
no que es necesario procesar los minerales para obtener los metales. El proceso
de extracción del metal de su mineral, cambia en cada caso, los primeros
metales que se fabricaron fueron el cobre y una aleación llamada bronce. El
aluminio por el contrario es un metal que se ha podido fabricar hace poco
tiempo.
Como los metales no se suelen
encontrar en la naturaleza tal como los conocemos, si no que necesitan de un
proceso de extracción; no están tan disponibles como la madera, por ejemplo,
por este motivo los metales se han empezado a emplear mas tarde que la madera.
Los primeros metales que se emplearon fueron el cobre y el oro, ya que se
pueden encontrar en la naturaleza tal como los conocemos, aunque en pequeñas
cantidades. Sin embargo el aluminio, aunque se conoce desde antiguo no se ha
empezado a emplear hasta hace poco, ya que no se conocían procesos industriales
para extraer, el aluminio de la bauxita.
Los metales son mas duros y
resistentes que la madera, conducen el calor y la electricidad y se pueden
fundir y deformar para construir barras, planchas, láminas, tubos, alambres o
otras formas específicas.
El mejor conductor de la
electricidad es la plata y el peor el bismuto. Todos los metales se contraen
con el frío y se dilatan con el calor (coeficiente de dilatación positivo).
METALES FÉRREOS.
Los metales férreos se caracterizan
por que su principal componente es el hierro. En la extracción del hierro se
emplea el carbón dando lugar a varias aleaciones de hierro y carbono. Conforme
aumenta el contenido en carbono de una aleación férrica aumenta su dureza y su
fragilidad y disminuye la plasticidad. Estudiaremos los metales férreos desde
el hierro que es el que menos carbono tiene hasta la fundición que es la
aleación férrea con más carbono.
Hierro (C<0.1%)
El hierro es sin duda el más
importante de los metales, por su abundancia y por sus aplicaciones
industriales. Los principales minerales de hierro son: magnetita, oligisto,
limonita, y siderita.
El hierro es un material duro,
tenaz, resistente, trabajable y muy dúctil. Se emplea en la fabricación de
perfiles, la elaboración de acero y de un sinfín de piezas metálicas.
Consideramos hierro a una aleación férrea de hierro y carbono con un contenido
de carbono inferior al 0.1%.
La temperatura de fusión del hierro
es de 15360C y su densidad de 7.86 g/cm3.
Aceros. (0.1%<C<1.7%)
El acero es una aleación metálica, formada por hierro y carbono
principalmente, aunque pude contener otros componentes como el Vanadio y el
cromo, para hacerlo mas duro o inoxidable respectivamente.
Es un material muy duro y resistente y flexible, se emplea para construir
estructuras, vehículos, maquinas, herramientas y un sinfín de objetos mas.
Los aceros parten de un 0.1% de contenido de carbono hasta el 1.7%. Vamos a
clasificar a los aceros según su contenido en carbono.
Aceros con bajo contenido en carbono o aceros suaves
(C 0.1% - 0.3%).
El acero bajo en carbono es mas duro y menos plástico
que el hierro y tiene una resistencia mas alta a la tracción. Su densidad es de
7.8g/cm3 y funde a 1600 0C. Se comercializa en perfiles
de distintas formas para posteriormente transformarlo en otras piezas.
Las aplicaciones del acero bajo en carbono, se
relacionan con su deformabilidad o plasticidad; se emplea en la fabricación de
productos que pueden deformarse en frío, como: tornillería, clavos, herrajes
para muebles, andamios, estanterías o las carrocerías de distintos vehículos.
Aceros con un contenido medio de carbono (C 0.3% -
0.7%).
Al aumentar su contenido de carbono aumenta la dureza y
disminuye su plasticidad. Aprovechando su dureza, se emplea en la fabricación
de piezas sometidas a desgaste, como los engranajes o los segmentos del pistón
de un motor de explosión. También se emplea en la fabricación de herramientas y
en piezas que deben ser tenaces, ya que con este contenido en carbono, el acero
no es todavía muy frágil.
Aceros con alto contenido en carbono o aceros duros
(C 0.7% - 1.3%).
Por último los aceros con un alto contenido de carbono,
se emplean en la fabricación de herramientas de corte casi exclusivamente ya
que el aumento de dureza, también implica un aumento de fragilidad.
Acero inoxidable.
El acero inoxidable es una aleación de hierro, carbono
y cromo o níquel, el contenido de cromo está entre el 13 y el 27%. Además del
cromo y el níquel pueden contener otros metales para añadir nuevas
características.
La principal característica del acero inoxidable es su
resistencia a la corrosión debido a la protección que le da el níquel, que se
oxida en la superficie. El óxido de níquel es un material duro que impide que
la corrosión penetre en el interior de la pieza de acero inoxidable.
El acero inoxidable se emplea en la fabricación de
cubiertos, fregaderos, menaje de cocina, instrumentos quirúrgicos y piezas de
maquinaria expuestas a la corrosión.
Fundición.
La fundición es el hierro que se obtiene en los altos
hornos, antes de ser “refinado”; tiene un alto porcentaje de carbono (C 3% -
6%) y de otras impurezas. La fundición o hierro colado es muy dura, por su alto
contenido en carbono, pero muy frágil, las acumulaciones de carbono provocan
fracturas en la estructura que la hacen muy vulnerable a los golpes y a los
esfuerzos de tracción. Funde a una temperatura entre 1400 y 1500 ºC.
La fundición es un material especialmente útil para
realizar piezas fundidas en moldes. Se emplea en la construcción de bloques
para motores soportes de y carcasas herramientas, tapaderas de alcantarillas y
otros registros, etc.
METALES NO FÉRREOS.
a. Cobre.
(Cu)
El cobre es un metal de color rojizo. Es blando, dúctil
y maleable, por lo tanto, fácil de trabajar; es buen conductor del calor y de
la electricidad, funde a 1080 ºC y tiene una densidad de 8 g./Cm3.
El cobre es uno de los primeros metales utilizados, ya que podemos encontrarlo,
en algunas ocasiones, en estado natural, aunque es mas habitual encontrarlo en
forma de minerales.
Sus aplicaciones se relacionan con su alta
conductividad eléctrica y térmica. Se emplea en la fabricación de conductores
eléctricos, circuitos impresos, materiales eléctricos y electrónicos, calderas,
radiadores, soldadores eléctricos, tuberías y utensilios de cocina. También se
emplea para elaborar aleaciones como el latón y el bronce.
b. Aluminio.
(Al)
El aluminio es un metal de color blanco brillante,
aunque cuando se oxida su color pasa a ser de un gris apagado. El aluminio se
extrae de la bauxita y es un metal, menos denso, (más ligero) que los
anteriores pero muy resistente, es buen conductor del calor y de la
electricidad aunque menos que el cobre. Una característica muy valiosa es que
sólo se oxida muy superficialmente y esta capa de óxido impide que el material
se siga deteriorando. El aluminio es un material blando y dúctil funde a 660 ºC
y tiene una densidad de 2.7 g./Cm3.
Se emplea en la construcción de aviones y estructuras
de poco peso, escaleras, latas de bebidas, utensilios de cocina, cables de alta
tensión y para envolver alimentos, en forma de láminas finas o de recipientes
desechables.
Su baja densidad lo hace adecuado para el transporte,
por lo que se emplea cada vez mas en automóviles, aviones, e incluso en la
construcción.
c. Plomo.
(Pb)
Metal dúctil, maleable, blando y muy pesado, de color
gris azulado y con baja temperatura de fusión; esta última característica lo
hace adecuado para aleaciones empleadas en soldadura y fusibles. Es conductor
tanto del calor como de la electricidad, aunque no muy bueno. Su principal
aplicación consiste en la elaboración de acumuladores eléctricos y aleaciones
de estaño para soldar. Otra característica que no debemos olvidar es su alta
toxicidad.
El plomo tiene una temperatura de fusión de 3280C
y un densidad de 11.34g/cm3.
d. Estaño.
(Sn)
El estaño no se oxida en contacto con el aire, e igual
que el plomo tiene un baja temperatura de fusión y es blando, dúctil y
maleable. Su baja temperatura de fusión lo hace adecuado como metal de
soldadura, una de sus principales aplicaciones. Como no se oxida se emplea como
recubrimiento en las latas de conservas y en la hojalata.
El estaño tiene una temperatura de fusión de 2310C
y un densidad de 7.3g/cm3.
e. Oro
y plata. (Au) y (Ag)
La plata es el mejor conductor del calor y de la
electricidad, aunque no se emplea habitualmente como conductor por su elevado
precio. Es un metal dúctil y maleable aunque menos que el oro, es químicamente
muy estable y blando. La plata también se emplea en la fabricación de material
fotográfico, como carretes fotográficos, radiografías, papel fotográfico, etc.
El oro tiene una temperatura de fusión de 10630C
y un densidad de 19.3g/cm3.
La plata tiene una temperatura de fusión de 960.80C
y un densidad de 10.5g/cm3.
ALEACIONES.
Con las aleaciones, combinamos las propiedades de
varios metales para conseguir un compuesto con las propiedades deseadas. La
aleación se construye fundiendo los componentes y mezclándolos y haciéndoles
reaccionar químicamente. Cuando la mezcla se enfría obtenemos una aleación con
propiedades distintas a la de sus componentes
a. Bronce.
El bronce es una aleación de cobre y estaño, aunque
también tiene pequeñas cantidades de plomo, cinc y plata. El bronce es una
aleación dura, superada por el acero, pero mas resistente a la corrosión que
este y mas lubricable y tiene un punto de fusión bajo.
b. Latón.
El latón es una aleación de cobre y cinc de color
amarillento, muy dúctil y maleable. La temperatura de fusión es inferior a la
del cobre.
El latón no se oxida y admite bien el pulido
superficial, por lo que se emplea en la fabricación de objetos decorativos. Los
latones especiales, que contiene estaño, manganeso, aluminio o hierro aumentan
su resistencia mecánica y a la corrosión, lo que los convierte en adecuados
para piezas de barcos y grifería.
c. Súper
aleaciones eutécticas.
Se consiguen con una solidificación direccional e
introduciendo pequeñas cantidades de otro metal que va formando hilos o tiras
delgadas que aumenta la resistencia de la pieza fabricada, de forma similar a
como el acero aumenta la resistencia del hormigón armado.
TRABAJO DEL METAL.
a. Deformación.
Como su propio nombre nos indica, las técnicas de
trabajar los metales basadas en la deformación, consiste en deformar los
metales aplicando fuerzas.
b. Estampación y troquelado.
Consiste en colocar una lámina metálica entre dos
piezas metálicas con formas complementarias y comprimir estas dos piezas con
una prensa. La lámina tomará la forma de estas piezas o troqueles. Las láminas
se deforman e incluso se taladran por este método, de una forma rápida y
eficiente. Si la deformación es compleja se realiza en varios pasos mediante un
troquelado progresivo.
Se fabrican por este método, radiadores, arandelas,
carrocerías de coche, rejillas de ventilación, etc. El material empleado es
acero de bajo contenido en carbono u otros metales laminados.
c. Forja.
Este método de conformación se realiza en caliente para
aumentar la plasticidad del material; consiste en colocar un bloque metálico a
una temperatura alta (Rojo vivo o rojo blanco) sobre un molde y golpear con
fuerza hasta que la pieza tome la forma del molde. Para terminar una pieza esta
se hace pasar por varios troqueles hasta alcanzar su forma definitiva.
d. Encabezado en frío.
Consiste en formar la cabeza de tornillos, remaches,
clavos, etc, colocándolos en un molde con la forma de la parte recta y una zona
mas ancha con la forma de la cabeza. La forma se consigue golpeando la pieza
metálica hasta que esta toma la forma de la cabeza.
Para dar forma mediante este proceso se emplean metales
muy plásticos como el hierro, el latón o el acero con bajo contenido de
carbono.
e. Laminado en frío o en caliente.
El laminado consiste en dar forma a una pieza de metal,
lámina o perfil, haciéndole pasar por dos rodillos complementarios presionando
uno sobre el otro. La pieza pasa por varios rodillos que de forma progresiva
van adaptando la forma de la pieza original hasta la forma que se quiere
conseguir.
Por este método de deformación se fabrican todo tipo de
perfiles metálicos, como vigas, barras en “L”, perfiles cuadrados huecos, etc.
Dependiendo de la deformación que se desea conseguir y
de la plasticidad del metal se empleará el laminado en frío o en caliente.
f. Extrusión.
La extrusión consigue dar forma a los metales aplicando
fuerzas de tracción o de compresión. La extrusión hacia delante consiste en
empujar el metal a una temperatura alta para hacerle salir por un agujero o
troquel con la forma que deseamos darle al perfil. Este método de fabricación
se emplea para fabricar perfiles de aluminio de formas complejas como los
empleados en carpintería metálica.
La extrusión en frío se emplea para estirar una pieza
de metal hasta darle la forma deseada. Por este método se fabrican las latas de
bebidas, estirando un tubo de mayor grosor que el conseguido en la lata.
MOLDEADO.
Dar forma a los metales mediante moldeado consiste en
fundirlos hasta convertirlos en líquido e introducirlos en un molde, por
gravedad o a presión.
a.
Fundición en arena.
Los moldes de arena se emplean para dar forma a metales
que funden a una temperatura muy alta, por lo que no se pueden emplear metales
para el molde. El proceso a seguir comienza con la colocación de una pieza
modelo en una base de arena, posteriormente se rellena el resto con arena
húmeda y se presiona; por último se saca el modelo, se cierra el molde y se
echa el metal fundido, que rellenará la cavidad.
Los tornillos de banco y los bloques de motores se
fabrican por este método.
b.
Fundición a presión.
La fundición a presión se usa con metales de una
temperatura de fusión baja. El método consiste en introducir el metal líquido a
presión en un molde metálico; la presión se mantiene mientras se solidifica el
metal. Por este procedimiento se pueden conseguir piezas de formas complejas y
de alta precisión.
c.
Sinterizado.
El sinterizado consiste en fabricar piezas metálicas
sometiendo a presión en un molde polvos metálicos; la pieza prensada se
introduce posteriormente en un horno para tomar la forma definitiva. Con este
proceso de fabricación se consiguen piezas metálicas muy precisas que no
necesitan mecanizado posterior. También se emplea este método de fabricación
para construir piezas autolibricadas.
MECANIZADO.
Mecanizar consiste en dar forma a una pieza mediante el
arranque de virutas. Son operaciones de mecanizado: serrar, taladrar, limar,
tornear o el fresado.
0 comentarios:
Publicar un comentario