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¿Cuáles son los tipos de hierro metalúrgico y sus propiedades?

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¿Cuáles son los tipos de hierro metalúrgico? Información sobre tipos de hierro, sus propiedades. ¿Qué es el hierro fundido?

TIPOS DE HIERRO METALÚRGICO

Arrabio.

El arrabio, que es el producto del alto horno, es una forma impura de hierro que contiene hierro, 3% a 4% de carbono, 2% a 3% de silicio, 0,5% a 2,0% de manganeso y aproximadamente 0,04% de azufre y fósforo. El nombre «arrabio» se originó en los primeros días de la reducción del mineral de hierro cuando la producción total del alto horno se fundía con arena en «cerdos», una masa de hierro que se asemeja más o menos a un cerdo reclinado. Ahora, la mayor parte del hierro se recibe del alto horno y se transporta en vagones cisterna de ferrocarril aislados directamente a los hornos de refinación, como el horno de solera abierta y, en menor medida, el convertidor Bessemer, para su purificación en acero.

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El arrabio que está previsto para su uso en la fundición en la industria del hierro fundido se cuela en cerdos que tienen un tamaño aproximado de 50,8 x 22,8 x 10,1 cm (20 x 9 x 4 pulgadas). El método más antiguo de fundición de cerdos se realiza en lechos de arena que consisten en un corredor principal llamado «cerda», conectado por corredores más pequeños a depresiones más pequeñas llamadas «cerdos». La fundición en arena de arrabio ha sido reemplazada en gran medida por las máquinas de fundición en fundición, que utilizan una cinta transportadora que lleva moldes de láminas debajo del pico del alto horno o cucharón de vertido. Los cerdos fundidos a máquina son mucho más limpios que los cerdos fundidos en arena y no tienen arena adherida que contamine los procesos de refusión posteriores.

El arrabio se clasifica por composición química en tres grados. El arrabio básico que se utiliza para la fabricación de acero es bajo en silicio (1,5% máximo) para evitar el ataque de los revestimientos refractarios de los hornos de refino y para controlar la formación de escoria. El arrabio básico debe ser bajo en azufre (0,04%) ya que el azufre es una impureza activa en el acero y no se elimina en los hornos de refino. El fósforo normalmente se mantiene en menos del 1% y el manganeso en un rango de 1 a 2%. El contenido de carbono varía de 3,5 a 4,4%.

El arrabio de fundición incluye todos los tipos que se utilizan para la producción de piezas de fundición de hierro. Con un contenido de 0,5% a 3,5% de silicio, hasta 0,05% de azufre, 0,035% a 0,9% de fósforo, 0,4% a 1,25% de manganeso y 3,0% a 4,5% de carbono, la composición específica de cada tipo de hierro fundido se discutirá en las secciones que describen los varios hierros fundidos.

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Las ferroaleaciones son aleaciones de arrabio, cada una rica en un elemento específico; se utilizan como aditivos en las industrias del acero y del hierro. Por ejemplo, el ferromanganeso es arrabio que contiene de 74% a 82% de mineral de manganeso. El ferrosilicio, con un contenido de silicio del 5% al ​​17%, y el ferrofósforo, con el 15% al ​​24% de fósforo, también se utilizan como aditivos para controlar o alterar las propiedades del hierro y el acero.

Plancha de esponja.

El hierro esponjoso se utiliza principalmente como base de fusión para aceros aleados de alta pureza para hornos eléctricos, como absorbente en ciertos procesos químicos y como fuente de hierro de alta pureza en la industria electrónica. Se produce mediante el proceso Krupp-Renn en el que el mineral sólido se reduce a hierro sólido. El hierro esponjoso es relativamente impuro, pero debido a su método de fabricación, la mayoría de las impurezas, excepto el azufre, no se reducen y se combinan con la escoria en lugar del hierro, como en el caso del hierro de alto horno. La fusión del hierro esponjoso libera muchas de las impurezas en forma de escoria, dejando una forma relativamente pura de hierro, con una pureza del 99,93%.

Hierro reducido en hidrógeno.

La reducción con hidrógeno del óxido de hierro es un proceso extremadamente complejo que implica la reducción real, la fusión al vacío y una mayor purificación; produce hierro que es similar al hierro esponjoso pero con impurezas metálicas totales tan bajas como 0,001%. El hierro reducido en hidrógeno, debido a su alto costo y bajo rendimiento, se utiliza exclusivamente en actividades de investigación.

Hierro carbonilo.

El carbonil hierro se utiliza para preparar fluidos magnéticos, para la fabricación de núcleos de alta frecuencia en la industria electrónica y como material de investigación.

El carbonilo de hierro, generalmente en forma de pentacarbonilo de hierro, Fe (CO) 5, produce hierro excepcionalmente puro cuando se descompone térmicamente en hierro y monóxido de carbono. Se prepara haciendo reaccionar hierro reducido en hidrógeno finamente dividido con monóxido de carbono en presencia de un catalizador, como amoniaco, bajo presión y calentado. El material que se forma es volátil y se descompone a 200 ° C.

Hierro electrolítico.

El hierro electrolítico, otra forma de hierro de alta pureza, se produce por deposición electrolítica de hierro a partir de compuestos como el cloruro férrico. Según el tipo de electrodos utilizados, la densidad de corriente y el propio electrolito, se produce hierro con una pureza superior al 99,9%.

Hierro Lingote.

El hierro en lingotes se desarrolló alrededor de 1905 y se considera la forma más pura de hierro producida en una escala de tonelaje. Se utiliza principalmente en forma de chapa que suele estar galvanizada o esmaltada; también se utiliza en aplicaciones que requieren una gran ductilidad y resistencia a la corrosión. Los tubos de alcantarilla, canalones, refrigeradores y otras carcasas de electrodomésticos representan un gran porcentaje de la producción de lingotes de hierro.

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En realidad, el hierro en lingotes técnicamente no es hierro, sino acero con muy bajo contenido de carbono (aproximadamente 0,012%) fabricado mediante el proceso de hogar abierto. El lingote de hierro se diferencia del acero de hogar abierto del mismo contenido de carbono en que el procesamiento se controla de manera mucho más rígida y la purificación continúa, en términos de tiempo y reacciones de los componentes, en un grado mucho mayor que para el acero. El hierro resultante tiene un contenido total de las impurezas habituales (carbono, manganeso, silicio, azufre y fósforo) de menos del 0,06%.

Hierro forjado.

El hierro forjado es la forma de hierro más antigua conocida; se menciona en la Biblia, y en una de las pirámides de Egipto se han encontrado implementos de hierro forjado de 5.000 años de antigüedad. Se utiliza principalmente en la fabricación de tubos, en industrias pesadas, como ferrocarriles y construcción naval, y en la industria automotriz y de implementos agrícolas.

El hierro forjado consiste en hierro de alta pureza con fibras finamente divididas y dispersas de escoria de silicato de hierro como una mezcla física; se ha producido mediante una amplia variedad de procesos. El hierro forjado más antiguo se hizo calentando mineral de hierro, piedra caliza y carbón vegetal hasta que el mineral de hierro se redujo y la masa pastosa resultante se pudo trabajar, o forjar, en la forma deseada con escoria como parte de la estructura. Se utilizaron varios refinamientos del procesamiento directo de hierro forjado a partir de mineral de hierro hasta que el alto horno evolucionó a partir de los primeros intentos de fundir el hierro mediante la adición de pilas a los hornos primitivos.

El método indirecto de producción de hierro forjado a partir de arrabio refundido introdujo el proceso de encharcamiento, en el que el arrabio se fundía en un horno de solera utilizando carbón como combustible. A medida que el arrabio se derritió, los gases calientes del combustible en combustión oxidaron el carbono del hierro, que tenía un contenido de carbono inicial de 3,5% a 4%. El silicio del arrabio también se oxidó y la escoria resultante se formó sobre los cerdos fundidos. A medida que la fusión continuaba hasta completarse, se añadió cascarilla (óxido de hierro magnético) para oxidar la mayor parte del carbono, silicio, azufre, fósforo y manganeso del hierro fluido; los óxidos luego pasaron a formar parte de la escoria.

Durante la oxidación de las impurezas, un operador agitó manualmente el hierro fundido utilizando una varilla de acero larga. A medida que continuaba la purificación, el punto de fusión del hierro subía hasta que el operador, o charco, ya no podía agitar el hierro pastoso intercalado con escoria fluida. En ese momento, se retiró del horno la bola similar a una esponja de mezcla de escoria de hierro, se exprimió el exceso de escoria y se rodó la bola en planchas. En un intento por asegurar la uniformidad, las losas se cortaron en trozos cortos, se apilaron y se recalentaron a la temperatura de soldadura, y luego se volvieron a enrollar en las formas deseadas.

El hierro forjado, en lotes que pesaban aproximadamente 540 kg (1.200 libras), continuó siendo producido por variaciones de los procesos de encharcamiento, tanto manuales como mecánicos, hasta aproximadamente 1930, cuando se desarrolló el proceso Aston-Byers. Este proceso, que está actualmente en uso, utiliza un enfoque algo diferente al separar los pasos usados ​​en el charco manual o mecánico. El arrabio se funde, se desulfura y luego se refina en un convertidor Bessemer a hierro casi puro. El hierro fundido, a aproximadamente 1510 ° C, se vierte luego a una velocidad controlada en una cuchara oscilante que contiene una escoria líquida de silicato de hierro; la escoria se mantiene a una temperatura de aproximadamente 1320 ° C. A medida que el metal más caliente entra en contacto con la escoria, libera los gases disueltos, se rompe en fragmentos debido a la solidificación repentina y se deposita en el fondo de la cuchara donde forma una bola de hierro similar a una esponja intercalada con la escoria, que todavía está en estado líquido. formulario. Estas bolas, que pesan entre 3 y 10 toneladas, se exprimen y enrollan como en los procesos anteriores.

La composición de un hierro forjado típico incluye 0,08% de carbono, 0,03% de manganeso, 0,18% de silicio, 0,11% de fósforo, 0,015% de azufre y aproximadamente 2,85% de escoria en peso. En una buena muestra de hierro forjado, debe haber al menos 250.000 fibras de escoria por pulgada cuadrada. Debido a su estructura, el hierro forjado posee una excelente resistencia a la fatiga y a la corrosión debido al contenido de escoria químicamente inerte y discontinua.

Hierro fundido.

Hierro fundido es un término general que describe una serie de aleaciones de hierro-carbono-silicio, que se producen al verter la aleación fundida en moldes. A diferencia del acero, en el que el carbono se combina químicamente con el hierro, los hierros fundidos contienen más carbono del que se puede retener en solución. Al variar el contenido de carbono y silicio de la aleación, se producen varios tipos de hierro fundido, cada uno con propiedades y usos distintivos. La producción de un objeto de hierro fundido, independientemente del tipo de hierro, implica varios pasos. Consulte también Casting.

Se hace una réplica o patrón del objeto que se va a fundir, utilizando madera o metal y dimensionando el patrón para permitir la contracción del hierro fundido a medida que se solidifica. El molde se forma empaquetando una mezcla húmeda de arena y arcilla alrededor del patrón en un recipiente o matraz adecuado. El patrón se retira del molde y se vierte una aleación de hierro fundido en la cavidad creada por el patrón. Puede ser necesario un tratamiento térmico de la pieza bruta para alterar sus propiedades, dependiendo del tipo de estructura requerida.

La industria de la fundición, una de las primeras de las industrias básicas, debe su éxito y longevidad a varios factores. Casi no hay límite para la complejidad de los elementos que se pueden lanzar. El proceso se puede ajustar a cualquier tasa de producción, desde un solo pedido no repetitivo hasta una báscula completamente automatizada e informatizada. La industria es extremadamente versátil y produce piezas fundidas que pesan desde unas pocas onzas hasta cientos de toneladas. Al ajustar la química de las aleaciones, se pueden hacer piezas fundidas que varían desde vidrio duro y quebradizo hasta blando y dúctil.

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En comparación con otros métodos de conformado, como la forja y el mecanizado, la industria de la fundición generalmente disfruta de una posición favorable debido al bajo costo de las materias primas y la menor inversión de capital. Debido al mayor contenido de carbono y silicio, los hierros fundidos comienzan a fundirse a 1130 ° C y la mayoría de los grados se funden completamente a aproximadamente 1300 ° C. Por esta razón, los revestimientos refractarios de los hornos tienen una vida mucho más larga. Por la misma razón, el hierro fundido tiene una fluidez mucho mayor que el hierro puro fundido, lo que resulta en una mayor facilidad para verter formas complicadas.

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Los hierros fundidos se producen normalmente fundiendo arrabio con chatarra seleccionada en el horno de cubilote; el coque, con piedra caliza y otros fundentes, se utiliza como combustible. El horno de cubilote tiene básicamente el mismo diseño que el alto horno, pero su tamaño es aproximadamente una cuarta parte. Al controlar la química del hierro fundido, principalmente el contenido de silicio y carbono, son posibles varios tipos de hierros fundidos.

Hierro fundido gris.

El hierro fundido gris representa el mayor porcentaje de hierro fundido fabricado en los Estados Unidos. En realidad, la fundición gris no es una aleación, sino una serie de aleaciones cuya composición varía dentro de límites bastante amplios; todas las aleaciones de la serie poseen propiedades mecánicas similares. Una fundición gris típica puede contener 3,2% de carbono, 2,2% de silicio, 0,65% de manganeso, 0,15% de fósforo y 0,10% de azufre. A medida que la aleación fundida se enfría a aproximadamente 1250 ° C, los granos comienzan a formarse a partir del líquido. Estos granos son una solución sólida de hierro y carbono que se llama austenita. A medida que la temperatura continúa bajando, se forma más austenita; simultáneamente, el carbono, en forma de escamas de grafito, precipita de la aleación líquida.

La congelación continúa hasta que la aleación es completamente sólida a aproximadamente 1130 ° C. Esta temperatura se denomina isoterma eutéctica, ya que la porción final de líquido solidifica sin una caída apreciable de la temperatura. Por debajo de 1130 ° C, si la velocidad de enfriamiento ha sido muy lenta, la aleación consta de granos de austenita mezclados con escamas de grafito. A medida que continúa el enfriamiento lento, el carbono, en forma de grafito, se rechaza de la austenita. A 723 ° C, la austenita, que es inestable a esta temperatura, se transforma isotérmicamente en grafito y ferrita, siempre que la aleación se enfríe extremadamente lentamente. No se producen más cambios cuando la aleación se enfría a temperatura ambiente.

La estructura final se llama hierro fundido gris ferrítico; este es el tipo más suave de hierro fundido gris y tiene un límite elástico de 15,000 a 25,000 psi y prácticamente no tiene ductilidad debido a la estructura discontinua causada por la presencia de escamas de grafito. La formación de escamas de grafito cuando la aleación solidificó se debió a la presencia del silicio y al contenido de carbono relativamente alto, lo que resultó en más carbono del que podía retenerse en solución con el hierro.

Si la misma aleación se vuelve a fundir y enfría a una velocidad ligeramente más rápida, la estructura resultante será diferente de la del hierro fundido gris ferrítico. A medida que la aleación se enfría a 723 ° C, la austenita no tendrá tiempo suficiente para descomponerse completamente en ferrita y grafito. En cambio, se transformará en una mezcla mecánica de hierro y carburo de hierro, FesC. Esta reacción se denomina reacción eutectoide y la mezcla se denomina fundición gris perlítica. Esta mezcla es incluso menos dúctil que la fundición gris ferrítica, ya que la estructura perlítica es más dura que la ferrita y el grafito en escamas está presente como en el tipo ferrítico. La resistencia a la tracción varía de 20.000 a 40.000 psi.

El hierro fundido gris se mecaniza fácilmente y, debido a su contenido de grafito, se considera un material relativamente «muerto», es decir, absorbe las vibraciones; por lo tanto, se usa ampliamente en la fabricación de máquinas herramienta, bloques de motores de automóviles y una gran variedad de artículos que requieren una aleación con rigidez, buena resistencia a la compresión y facilidad de fundición y mecanizado.

Hierro fundido refrigerado.

El hierro fundido enfriado se forma mediante el enfriamiento rápido de la fundición de hierro gris recién solidificada. El enfriamiento rápido no deja suficiente tiempo para que ocurran las diversas transformaciones, y el producto final está completamente estructurado como carburo de hierro. El hierro fundido frío, que es quebradizo y tan duro como el vidrio, se utiliza para aplicaciones abrasivas, como la superficie exterior de algunos tipos de ruedas de vagones de ferrocarril, zapatas de freno, trituradoras de rocas y aplicaciones similares.

Hierro fundido blanco.

El hierro fundido blanco se produce reduciendo el contenido de carbono y silicio de la aleación. Con menos carbono para formar grafito y menos silicio para actuar como promotor del grafito, el constituyente final consiste enteramente en carburo de hierro después de enfriar. Una composición típica de hierro fundido blanco es 2,5% de carbono, 1,0% de silicio, 4,5% de manganeso, 0,18% de fósforo y 0,16% de azufre. El examen metalográfico del hierro fundido blanco no revela grafito y cantidades variables pero bajas de perlita, con el componente predominante mostrándose como carburo de hierro. El hierro fundido blanco, como en el caso del hierro fundido frío, se utiliza para aplicaciones abrasivas, pero su uso principal es la transformación en hierro fundido maleable.

Hierro fundido maleable.

El hierro fundido maleable es blando, dúctil, tan mecanizable como el acero con bajo contenido de carbono y tiene una resistencia a la tracción que varía de 60.000 a 100.000 psi. Se utiliza en las industrias automotriz y ferroviaria; También se utiliza en accesorios de tubería, carcasas de motores eléctricos, hardware, máquinas herramientas, herramientas manuales y muchos otros elementos que requieren una fácil conformabilidad, resistencia y ductilidad moderada.

El hierro fundido maleable se deriva del hierro fundido blanco mediante procesos de tratamiento térmico. La producción de hierro maleable comienza con el vertido de piezas fundidas de hierro blanco en moldes de arena. La composición del hierro blanco debe ser tal que no se forme grafito libre durante la solidificación de la fundición. Después de enfriar, las piezas de fundición duras y quebradizas de hierro blanco se retiran de los moldes, se limpian y se envasan en hornos adecuados para su tratamiento térmico. Dependiendo de cuál de los varios ciclos de maleabilización se utilice, el tiempo total del ciclo puede variar de 25 a 100 horas. Normalmente se utilizan hornos de aire o de atmósfera controlada.

Al entrar en el horno como carburo de hierro, las piezas de fundición de hierro blanco se calientan a aproximadamente 925 ° C y se mantienen a esa temperatura durante 10 a 20 horas, nuevamente dependiendo del ciclo que se use. A 925 ° C, el carburo de hierro del hierro blanco se transforma lentamente en austenita (una solución sólida de hierro y carbono) y grafito por difusión del carbono. La principal diferencia entre la fundición maleable y la fundición gris radica en el tiempo de formación y la forma del grafito.

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En el hierro gris, el grafito precipitó rápidamente en forma de escamas al solidificarse, dando como resultado el tipo de hierro quebradizo. Durante el período de calentamiento de la maleabilización, los átomos de carbono se difunden desde el carburo de hierro y se aglomeran en «rosetas» de grafito espaciadas al azar, a menudo denominadas carbono templado. Luego, la temperatura se reduce hasta justo por encima de la temperatura (723 ° C) donde la austenita se transformará en perlita. La temperatura del ciclo de enfriamiento generalmente se reduce a aproximadamente 760 ° C, y el enfriamiento final a menos de 723 ° C se regula de manera que se requieran de 10 a 20 horas.

El lento enfriamiento a través de la temperatura de formación de la perlita da como resultado la descomposición de la austenita en ferrita y grafito, en lugar de perlita. El producto final se llama hierro fundido maleable ferrítico y tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 55.000 psi y una ductilidad medida como un 15% de alargamiento. Debido a la forma aproximadamente esferoidal del grafito, a diferencia de la forma de escamas en el hierro fundido gris, el grafito no actúa como un aumento de tensión (un aumento de tensión es cualquier cosa que cause una concentración de tensiones en un área pequeña, como un rasguño sobre una placa de vidrio) al igual que las escamas de grafito, lo que da como resultado una ductilidad mucho mayor sin sacrificar la resistencia.

Si se lleva a cabo una fundición de hierro blanco similar a través del mismo ciclo de calentamiento que el que da como resultado la estructura ferrítica, pero se deja enfriar más rápidamente por debajo de 723 ° C (sin detención a 760 ° C), no hay suficiente tiempo disponible para la descomposición de la austenita en ferrita y grafito. En cambio, se transforma en perlita. El producto final en este caso es la perlita con el grafito rosetón, y se llama hierro fundido maleable perlita. Dado que la perlita es un componente algo más duro que la ferrita, la ductilidad es aproximadamente un tercio de la del hierro ferrítico, mientras que la resistencia varía de 75.000 a 100.000 psi.

Hierro fundido nodular.

El tipo de hierro fundido desarrollado más recientemente, que se ha utilizado en cantidades rápidamente crecientes desde aproximadamente 1940, es el hierro fundido nodular o dúctil. Es ligeramente más alto en carbono y silicio y más bajo en azufre que el hierro fundido gris; la aleación fundida se solidifica directamente en una pieza fundida de tipo maleable sin necesidad de tratamiento térmico. El hierro fundido nodular se usa en muchas de las mismas áreas que el hierro fundido maleable, pero probablemente no suplantará al hierro maleable convencional por razones técnicas y económicas.

Para producir una fundición de hierro nodular, el molde se prepara de la misma manera que para las fundiciones de hierro gris o maleable, y la aleación se funde en una cúpula u otro tipo de horno de fusión. Inmediatamente antes de verter el metal fundido en el molde de arena, el metal se inocula con cerio o magnesio en forma de aleación. Después de verter, a medida que la fundición se acerca a la temperatura de solidificación, el grafito comienza a precipitar de los líquidos; pero en lugar de formar las escamas habituales, se nuclea y crece en pequeños nódulos, que tienen una forma más cercana a la esferoidal que el grafito en roseta de hierro fundido maleable. Generalmente se cree que la adición de la aleación de cerio o magnesio al metal fundido provoca la formación de partículas de óxido insolubles en el líquido, proporcionando así núcleos para la formación de los nódulos de grafito.

El hierro fundido nodular tiene un promedio de aproximadamente 80.000 psi en resistencia a la tracción y 3% de alargamiento en la condición de fundición. Si está recocido, la ductilidad se triplica, pero la resistencia a la tracción se reduce a aproximadamente 60.000 psi. Tanto los hierros fundidos grises como los nodulares se pueden templar y templar para aumentar su resistencia a la tracción. Todos los tipos de hierro oriental se presentan en formas de aleación para mejorar o suprimir ciertas propiedades.

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