El Hierro y sus aleacionesPor: David Levy Pérez

Ciencia de los materiales Grupo 4

El hierro• Su símbolo es Fe del latín fĕrrum.

• El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre (5%) y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante (8%).

• El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro (70%) y níquel, generando al moverse un campo magnético.

• El hierro un metal maleable, tenaz, de color gris plateado y magnético a temperatura ambiente .

El hierro• Sus isótopos estables naturales y su

abundancia son: 54Fe (5,8%), 56Fe (91,7%), 57Fe (2,2%) y 58Fe (0,3%).

• Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre los que destacan la hematita (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO (OH)), la siderita (FeCO3), la pirita (FeS2), la ilmenita (FeTiO3), etc.

• En los animales puede encontrarse como componente de la hemoglobina de la sangre.

• Raramente se encuentra libre.

El hierro• Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema

cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).

• Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc).

• Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo.

• El hierro es ferromagnético hasta la temperatura de Curie (768 °C), a partir de la cual pasa a ser paramagnético.

• Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión nuclear.

Historia del hierro• Los primeros utensilios de este metal descubiertos en

Egipto datan del año 3000 a. C.

• Entre 1600 a. C. y 1200 a. C. va aumentando su uso en Oriente Medio, pero no sustituye al uso del bronce.

• Entre los siglos XII a. C. y X a. C. se produce una rápida transición en Oriente Medio desde las armas de bronce a las de hierro. A este periodo, que se produjo en diferentes fechas según el lugar, se denomina Edad de Hierro, sustituyendo a la Edad de Bronce.

• La sustitución del bronce por el hierro fue paulatina, pues era difícil fabricar piezas de hierro: localizar el mineral, luego fundirlo a temperaturas altas para finalmente forjarlo.

Historia del hierro• Hacia el 450 a. C. se desarrolló la segunda Edad de

Hierro.

• Junto con esta transición del bronce al hierro se descubrió el proceso de carburización, consistente en añadir carbono al hierro.

• Bajo la dinastía Han, entre el 202 a. C. y el 220 d. C., se creó acero al derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón intermedio, el acero.

• En la Edad Media, y hasta finales del siglo XIX, muchos países europeos empleaban como método siderúrgico la Farga catalana.

Historia del hierro• Fué Benjamin Huntsman el que desarrolló

un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono, obteniendo de esta forma el primer acero conocido.

• En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo posible la fabricación de acero en grandes cantidades, pero su procedimiento ha caído en desuso, porque solo podía utilizar hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones.

• En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero, que en la actualidad ha caído en desuso

Historia del hierro• En el siglo XVIII, en Inglaterra, comenzó a escasear

y hacerse más caro el carbón vegetal, y esto hizo que comenzara a utilizarse coque.

• Fue utilizado por primera vez por Abraham Darby, a principios del siglo XVIII, que construyó en un alto horno.

• El coque se empleó como fuente de energía en la Revolución industrial. En este periodo la demanda de hierro fue cada vez mayor, por ejemplo para su aplicación en ferrocarriles.

• Hacia finales del siglo XVIII y comienzos del XIX se comenzó a emplear ampliamente el hierro como elemento estructural

Historia del hierro• Siemens había experimentado en 1878 con la

electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult —coinventor del método moderno para fundir aluminio— quien inició en 1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos a arco.

• Gustave Eiffel diseñó la Torre Eiffel para la Exposición universal de 1889 en París, en donde se utilizaron miles de toneladas de hierro.

Obtención del hierro• El hierro es el metal más usado, con el

95% en peso de la producción mundial de metal.

• El hierro se extrae del mineral por medio de los altos hornos.

• En estos, se reducen los óxidos de los minerales en presencia de coque y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante.

• Finalmente se produce la combustión y desulfuración mediante la entrada de aire caliente.

• Por último se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio

Obtención del hierro

El acero• El acero es una aleación de hierro y

carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación.

• El acero alcanza normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3% de carbono.

• La Ingeniería Metalúrgica denomina como acero a una familia muy numerosa de aleaciones metálicas, teniendo como base la aleación hierro-carbono.

Características mecánicas y tecnológicas del acero

• Su densidad media es de 7850 kg/m³.• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o

fundir.• el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de

alrededor de 1.375 °C • Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.• Es un material tenaz, dúctil y maleable• Permite una buena mecanización en.• Tiene gran dureza• Se puede soldar con facilidad.• Los aceros se oxidan con suma facilidad • Posee una alta conductividad eléctrica. • Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales.

Clasificación de los aceros al carbono

• Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en carbono oscila entre 0.02% y 0,8%.

• Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es de 0,8%.

• Los aceros hipereutectoides con contenidos en carbono de 0,8% a 2%.

• El Fe3C se conoce como cementita

• La perlita o ledeburita es la mezcla de ferrita y cementita, dependiendo del contenido en carbono.

Diagrama hierro-carbono (Fe-C)

Proceso de producción del acero• El proceso tiene por objetivo reducir el alto contenido de

carbono introducido al fundir el arrabio y eliminar las impurezas tales como azufre y fósforo.

• Al mismo tiempo, se agregan los elementos necesarios para producir el tipo de acero demandado.

• Finalmente se moldea el acero en forma de lingotes o de colada continua, dependiendo de su uso.

Horno Bessemer

Horno Bessemer

Horno Martin-Siemens

Convertidor de inyección de oxigeno

Horno de arco eléctrico

Tipos de acero• Las fundiciones son aleaciones hierro-

carbono donde el contenido de carbono varía entre 2,14% y 6,67%.

• Además de hierro y carbono lleva otros elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo y azufre .

• Obtienen su forma definitiva por colada.

• Son más baratas que los aceros y de fabricación más sencilla.

• Son aleaciones muy duras y fragiles.• Son poco mecanizables

Tipos de acero• El hierro forjado (acero dulce) 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.

• 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 dúctil

Tipos de acero• El acero inoxidable es una aleación

de hierro con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa.

• El acero inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el wolframio y otros aleantes reaccionan con el oxigeno formando una capa pasivadora.

• Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.

Tipos de acero• El acero microaleado es un tipo de

aleación metálica que provee mejores propiedades mecánicas o mejor resistencia a la corrosión que los acero. Los aceros microaleados son fabricados para cumplir con propiedades mecánicas específicas.

• Tienen un contenido de carbono entre 0,05% y 0,25%.

• Otros elementos de aleación incluyen hasta un 2,0% de Manganeso y pequeñas cantidades de Cobre, Níquel, Niobio, Nitrógeno, Vanadio, Cromo, Molibdeno, Titanio, Calcio, tierras raras, o Zirconio.

Tipos de acero• Los aceros rápidos, de alta velocidad , son

aleaciones que soportan esfuerzos grandes y altas temperaturas exigidas en el área de trabajo

• Tienen como aleantes al molibdeno y tungsteno (también puede tener vanadio y cromo),

• Tienen buena resistencia a la temperatura y al desgaste.

• Generalmente son usados en brocas y fresolines, machos, para realizar procesos de mecanizado con máquinas herramientas.

Aplicaciones del acero• El acero está presente de forma

abrumadora en nuestra vida cotidiana.

• Está en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte de electrodomésticos.

• También es parte de las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos.

• Uno de los grandes consumidores del acero son los grandes astilleros constructores de barcos, especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas.

Reciclaje del acero• Todos los metales, y el acero entre ellos,

pueden ser reciclados una vez que su uso inicial ha llegado a su fin.

• De esta manera todas las máquinas, estructuras, barcos, automóviles, trenes, etc., se desguazan al final de su vida útil y se compactan, para convertirse en chatarra.

• Se envían nuevamente a las acerías, donde se consiguen de nuevo nuevos productos siderúrgicos.

• Se estima que la chatarra reciclada cubre el 40% de las necesidades mundiales de acero (cifra de 2006).

• Generalmente los metales reciclados se funden en hornos de arco eléctrico

Falconbridge Dominicana• Falcondo (Falconbridge Dominicana, C. por A.) es

una operación a cielo abierto de ferroníquel cuya capacidad de producción anual alcanza las 28.000 toneladas de níquel contenido en ferroníquel.

• El ferroníquel, un compuesto de hierro y níquel, es utilizado casi exclusivamente para la fabricación de acero inoxidable.

• La operación está ubicada en la localidad de Bonao, en República Dominicana, está compuesta por una planta metalúrgica, una refinería de petróleo, y una central térmica de 200 megawatts.

• Tasa de producción en 2004 fué 29.477 toneladas de níquel contenido en ferroníquel

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