MATERIALES FERROSOS Los materiales ferrosos o férricos son aquellos cuyo constituyente base es el hierro (Fe). El Hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales,. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal muy especial, pues es el metal más pesado que puede producir la fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más pesados que el hierro solo pueden crearse en supernovas El año 3000 a.C. algunas algunas antiguas civilizaciones civilizaciones ya disponían disponían de utensilios utensilios de hierro, en en el 1000 a.C. los griegos conocian tratamientos tratamientos térmicos para endurecer endurecer el hierro. Actualmente la producción producción de hierro y acero representa el 90 % de la producción mundial mundial de metal debido a que los materiales ferrososos tienen bajos costes de producción producción y excelentes propiedades respecto al resto de metales. Los materiales ferrosos son normalmente una mezcla de hierro(Fe), carbono (C) y otros elementos , pues el hierro puro no tiene apenas aplicaciones industriales, dependiendo las propiedades de los materiales materiales ferrosos de la proporcion de carbono. carbono.
PRO PIEDA DES FÍSICA S:
• Brillo: reflejan la luz que incide sobre su superficie. La inmensa mayoría presenta un brillo metálico muy intenso. • Dureza: las superficies de los metales oponen resistencia a dejarse rayar por objetos agudos. • Tenacidad: los metales presentan menor o mayor resistencia a romperse cuando se ejerce sobre ellos una presión. • Ductibilidad: los metales son fácilmente estirados en hilos finos (alambres), sin romperse. • Maleabilidad: ciertos metales, tales como la plata, el oro y el cobre, presentan la propiedad de ser reducidos a delgadas laminas, sin romperse. • Conductividad calórica: los metales absorben y conducen la energía calórica. • Conductividad eléctrica: los metales permiten el paso de la corriente eléctrica a través de su masa.
Características principales: • Superficie brillante, de color blanco azulado. • Punto de fusión 1535 ºC, aunque disminuye al aumentar a umentar el contenido de carbono. • Elevada conductividad al calor y a la electricidad
Elevada resistencia mecánica, maleabilidad y ductilidad. Densidad: 7.87 g/cm2 la inmensa mayoría de los metales presentan altas •
densidades. • Fusibilidad: la inmensa mayoría de los metales presentan elevadísimos puntos de fusión, en mayor o menor medida, para ser fundidos. PROPIEDADES QUIMICAS
• Tendencia a la perdida de electrones de la última capa para transformarse en iones electropositivos (cationes). Cuando las sales que los contienen se disuelven en agua y se hace circular por ella corriente eléctrica, se disocian, dando origen a iones metálicos positivos o cationes, que se dirigen hacia el polo negativo o cátodo. • La mayoría se combinan con el oxígeno para formar óxidos. • Reaccionan con los ácidos para formar sal es. • Forman aleaciones (mezclas homogéneas formada por dos o más metales o elementos de carácter metálico en mezcla, disolución o combinación).
El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria, y es difícil magnetizarlo en caliente. A unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. El punto de fusión del hierro, es de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C. La densidad relativa de este metal es de 7,86. Su masa atómica es 55,847.
Estructura
El hierro tiene una estructura centrada en el cuerpo, a temperaturas normales. A temperaturas más altas, tiene una estructura cúbica centrada en la cara. Este hecho es de gran importancia practica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átomos de carbono son menores que los átomos de hierro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. Cuando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños. Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño tan grande de los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo de hierro, Fe 3C. Los cristales del hierro y del Fe3 existen en muchos tamaños y formas. La estructura final del cristal está determinada por el por ciento del hierro y la rapidez de enfriamiento. Estas diferencias en la estructura cristalina, le dan la gran versatilidad que tiene el acero como un material industrial. También explican el hecho de que las propiedades del acero se pueden cambiar gradualmente por el tratamiento del calor. 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 electrólitos 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, osea, se corroe. 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 así a ser activo. 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. La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre. En 1994, la producción anual de hierro se aproximaba a los 975 millones de toneladas. Compuestos
Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde, que normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos. El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base, y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al
calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro. Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4[Fe(CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe(CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3[Fe(CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero. Diagrama de Fases del Sistema Fe-C
El hierro puro, al calentarlo, experimenta dos cambios de fase antes de fundir. La ferrita o hierro alpha es estable a temperatura ambiente (BCC). A 912deg.C se transforma en austenita, Fe-gamma, FCC. A 1394deg.C se convierte en ferritadelta (BCC), que funde a 1538deg.C. Cementita: Es la combinación Fe-C con 6.7% de C, Fe3C. Prácticamente, todos los aceros y fundiciones tienen contenidos en C inferiores al 6.7%. En la ferrita Fe-alpha-BCC sólo son solubles concentraciones muy pequeñas de C, por debajo del 0.022% en peso. La austenita (Fe-gamma) aleada con C no es estable por debajo de 727deg.C. La máxima solubilidad de C (2.11% en peso) se alcanza a 1148deg.C. La ferrita-delta es como la ferrita-alpha, diferenciándose sólo en el intervalo de temperatura de estabilidad. No es técnicamente interesante. La cementita es dura y frágil y su presencia aumenta la resistencia de algunos aceros. Al enfriar lentamente desde 800deg.C un acero gamma ( austenita) que contiene 0.77% de C, por debajo de 727deg.C la austenita "segrega" Fe-alpha (ferrita, con 0.022% C) y cementita Fe3C. La estructura obtenida se denomina perlita, pues al microscopio tiene el aspecto de la madreperla. En la transformación por enfriamiento a velocidad moderada de la austenita, se forma otro constituyente denominado bainita. Su microestructura consta de ferrita y cementita; forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación. Cuando la perlita se calienta durante 18-24 h a 700deg.C se forma una nueva microestructura denominada esferoidita, cementita globular o esferoidal. Si el enfriamiento de la austenita se hace rápidamente (temple) hasta temperatura próxima a la ambiente, se forma la martensita, con granos en forma de láminas o agujas. La martensita obtenida por el temple es muy dura y frágil, debido a las tensiones internas producidas durante el temple. La ductilidad y tenacidad pueden aumentarse (reduciendo las tensiones internas) mediante el tratamiento térmico
del revenido, calentando a 250-650deg.C durante un tiempo específico y formando así martensita revenida, casi tan dura como la martensita, pero más dúctil y tenaz
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las Aleaciones férreas son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a: Abundancia de hierro en la corteza terrestre Técnicas de fabricación de los aceros es económica. Alta versatilidad. Pero sin duda, uno de los inconvenientes de estas aleaciones férreas es que estas son de fácil corrosión. Una Aleación, es una sustancia compuesta por dos o más metales. Las aleaciones, al igual que los metales puros, poseen brillo metálico y conducen bien el calor y la electricidad, aunque por lo general no tan bien como los metales por los que están formadas. Las sustancias que contienen un metal y ciertos no metales, particularmente las que contienen carbono, también se llaman aleaciones. La más importante entre estas últimas es el acero. El acero de carbono simple contiene aproximadamente un 0,5% de manganeso, hasta un 0,8% de carbono, y el resto de hierro. Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una aleación que en los metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los metales puros. El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, que es prácticamente hierro puro, y se usa en cantidades mucho mayores. Los aceros aleados, que son mezclas de acero con metales como cromo, manganeso, molibdeno, níquel, volframio y vanadio, son más resistentes y duros que el acero en sí, y muchos de ellos son también más resistentes a la corrosión que el hierro o el acero. Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características. Un caso importante en el que son necesarias unas características particulares es el diseño de cohetes y naves espaciales y supersónicas. Los materiales usados en estos vehículos y en sus motores deben pesar poco y ser muy resistentes y capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Para soportar esas temperaturas y reducir el peso total, se han desarrollado aleaciones ligeras y de gran resistencia hechas de aluminio, berilio y titanio. Para resistir el calor generado al entrar en la atmósfera de la Tierra, en los vehículos espaciales se están utilizando aleaciones que contienen metales como el tántalo, niobio, volframio, cobalto y níquel.
Aceros
Los aceros son aleaciones Fe-C con concentraciones apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en C (<1%). Pueden ser: *A c e r o s b a j o s e n c a rb o n o (<0.25% C). La microestructura consiste en ferrita y perlita, son blandos y poco resistentes, dúctiles y tenaces y de fácil mecanizado. Se utilizan en carrocerías de automóviles, vigas, etc. Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) contienen elementos como Cu, V, Ni, Mo en un total inferior al 10%; son mucho más resistentes mecánicamente que los aceros bajos al carbono y más resistentes a la corrosión. *A c e r o s m e d i o s e n c a r b o n o (0.25-0.6% C). Pueden tratarse térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas y suelen emplearse con microestructura de martensita revenida. La adición de Cr, Ni, Mo mejora su capacidad para ser tratados térmicamente. Se utilizan para ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales, etc. *A c e r o s a l t o s e n c a r b o n o (0.6-1.4% C). Son más duros, resistentes y menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Se utilizan templados y revenidos, son muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir forma de herramientas de corte. Se utilizan para fabricar herramientas y matrices, tras añadirles, además, Cr, V, W, Mo. *A c e r o s i n o x i d a b l e s Resisten la corrosión (herrumbre) en muchos ambientes, especialmente en la atmósfera. El principal elemento componente es el cromo(>11%).
La Siderurgia
La Siderurgia, es la tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas `hierros' contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo.
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.
Existen cuatro variedades alotrópicas del hierro (diferentes tipos de estructuras cristalinas) |Estables a diferentes intervalos de temperatura y de contenido en carbono, que condicionan sus propiedades fisicas. • Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una distancia • interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono. • Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura cristalina • FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en • carbono y es una variedad de Fe amagnético. • Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia • interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro •
•
•
El hierro es un metal químicamente activo (se combina con halógenos, S, P, C y Si) y expuesto al aire se
Corroe
1 Productos férreos industriales • • • • • • • •
Según el contenido en carbono se distinguen los siguientes productos férreos industriales: Hierro dulce. Cuando el porcentaje de carbono es inferior a 0,03 %. Acero. Cuando el contenido de carbono está comprendido entre 0,03 y 1,67 %. Fundición. El porcentaje de carbono está comprendido entre 1,67 y 6,67%.
Las aleaciones con un contenido de carbono superior al 5% carecen de interés industrial, ya que son extremadamente frágiles ¿Sabías que?
La cantidad de acero en la basura doméstica varía entre el 1 y 2% en peso, siendo principalmente latas de alimentos.
1.4 ¿Porqué reciclar el acero?
Utilizando acero reciclado en vez de minerales vírgenes, se logran grandes ventajas ambientales tales como reducción de la contaminación del aire y agua, menor generación de residuos y menor uso de energía. Asimismo, se conservan los recursos naturales y se prolonga la vida útil de los sitios de disposición final de residuos. Según algunas estimaciones se logran los siguientes beneficios(2):
74% menos uso de energía 90% de ahorro en uso de materiales vírgenes 86% de reducción de la contaminación atmosférica 40% menos uso del agua 76% menos contaminación de agua por efluentes líquidos 97% de reducción en la generación de residuos En el reciclaje de acero se ahorran 1,5 toneladas de minerales de hierro y media tonelada de carbón comparándolo con el procesamiento con material virgen. Hoy en día, el acero es el principal material reciclado, por lo tanto existe todo un mercado desarrollado en torno al reciclaje de acero, con su consecuente generación de empleo. Son tan altos los ahorros generados por el reciclaje de acero que a nivel mundial esta actividad es considerada rentable. En el país se trata de una actividad que permite generar un ahorro de divisas considerable, al no tener que importar materia vírgen ya que esta se procesa acero para la construcción, productos agropecuarios o exportación basándose tan solo en chatarra.
Conclusión
Tras la investigación realizada respecto al hierro, descubrimos interesantes rasgos, características y utilidades de este metal, como por ejemplo, que de él se obtiene el acero, del cual fue necesario hablar debido a su importancia, ya que al igual que el fierro, es muy usado debido a su bajo costo y propiedades. Sin embargo, considero que las aleaciones del fierro son más usadas en la actualidad, ya sea por sus especiales características o por determinadas especificaciones o exigencias determinadas por el uso que se le va a dar, que el fierro por sí solo no satisface. Esto no le resta importancia a este metal, ya que es la base de varios metales como el acero, que provienen del fierro, pero tienen otras cualidades. Bibliografía
Internet (varias páginas de información)
Poster de información acerca del Hierro y el Acero
Microsoft Encarta 99 en inglés
Merril QUIMICA, de los autores: Smoot/Prince/Smith/Arce/Arce de Sanabia/Olano
