Hierro forjado
Aleación de hierro con un contenido muy bajo de carbono.
Diversos ejemplos de hierro forjado
Aceros
Fases
Microestructuras
Clases
Otros materiales a base de hierro

El hierro forjado es una aleación de hierro con un contenido de carbono muy bajo (menos del 0,05 %) en contraste con el del hierro fundido (entre el 2,1 % y el 4,5 %). Es una masa de hierro semifundida con inclusiones de escoria fibrosa (hasta un 2 % en peso), que le dan un "grano" similar al de la madera que es visible cuando se graba, se oxida o se dobla hasta fallar . El hierro forjado es resistente, maleable, dúctil , resistente a la corrosión y se suelda fácilmente por forja , pero es más difícil de soldar eléctricamente.

Antes del desarrollo de métodos eficaces de fabricación de acero y de la disponibilidad de grandes cantidades de acero, el hierro forjado era la forma más común de hierro maleable. Se le dio el nombre de forjado porque se martillaba, laminaba o trabajaba de otra manera mientras estaba lo suficientemente caliente como para expulsar la escoria fundida. El equivalente funcional moderno del hierro forjado es el acero dulce , también llamado acero con bajo contenido de carbono. Ni el hierro forjado ni el acero dulce contienen suficiente carbono para ser endurecidos mediante calentamiento y temple. [1] : 145  [ verificación fallida ]

El hierro forjado es un material altamente refinado, con una pequeña cantidad de escoria de silicato forjada en fibras. Está compuesto por alrededor del 99,4 % de hierro en masa. [2] La presencia de escoria puede ser beneficiosa para las operaciones de herrería, como la soldadura en forja, ya que las inclusiones de silicato actúan como fundente y le dan al material su estructura fibrosa única. [3] Los filamentos de silicato en la escoria también protegen al hierro de la corrosión y disminuyen el efecto de la fatiga causada por golpes y vibraciones. [4]

Históricamente, una modesta cantidad de hierro forjado se refinaba para obtener acero , que se utilizaba principalmente para producir espadas , cuchillería , cinceles , hachas y otras herramientas afiladas, así como resortes y limas. La demanda de hierro forjado alcanzó su punto máximo en la década de 1860, siendo muy demandado para buques de guerra acorazados y para uso ferroviario . Sin embargo, a medida que propiedades como la fragilidad del acero dulce mejoraron con una mejor metalurgia ferrosa y el acero se volvió menos costoso de fabricar gracias al proceso Bessemer y al proceso Siemens-Martin , el uso de hierro forjado disminuyó.

Muchos artículos, antes de que se fabricaran en acero dulce , se producían a partir de hierro forjado, incluidos remaches , clavos , alambres , cadenas , rieles , acoplamientos de ferrocarril , tuberías de agua y vapor , tuercas , pernos , herraduras , pasamanos , neumáticos de carros, correas para cerchas de techos de madera y herrajes ornamentales , entre muchas otras cosas. [5] [nota 1]

El hierro forjado ya no se produce a escala comercial. Muchos productos descritos como de hierro forjado, como barandillas , muebles de jardín [6] y portones , están hechos de acero dulce. [7] Se los describe como "hierro forjado" solo porque se han fabricado para parecerse a objetos que en el pasado eran forjados (trabajados) a mano por un herrero (aunque muchos objetos decorativos de hierro, incluidas vallas y portones, a menudo se fundían en lugar de forjarse). [7]

Terminología

La palabra "forjado" es un participio pasado arcaico del verbo "trabajar", por lo que "hierro forjado" significa literalmente "hierro trabajado". [8] El hierro forjado es un término general para la mercancía, pero también se utiliza más específicamente para los productos de hierro terminados, como los fabricados por un herrero . Se utilizaba en ese sentido más estricto en los registros de aduanas británicos , dicho hierro manufacturado estaba sujeto a una tasa de derechos más alta que lo que podría llamarse hierro "en bruto". El hierro fundido , a diferencia del hierro forjado, es frágil y no se puede trabajar ni en caliente ni en frío.

En los siglos XVII, XVIII y XIX, el hierro forjado recibió una amplia variedad de términos según su forma, origen o calidad.

Mientras que el proceso de desbaste producía hierro forjado directamente a partir del mineral, el hierro fundido o arrabio eran los materiales de partida utilizados en la forja de refinación y el horno de pudling . El arrabio y el hierro fundido tienen un mayor contenido de carbono que el hierro forjado, pero tienen un punto de fusión más bajo que el hierro o el acero. El hierro fundido y, especialmente, el arrabio tienen un exceso de escoria que debe eliminarse al menos parcialmente para producir hierro forjado de calidad. En las fundiciones era común mezclar chatarra de hierro forjado con hierro fundido para mejorar las propiedades físicas de las piezas fundidas.

Durante varios años después de la introducción del acero Bessemer y de hogar abierto, hubo diferentes opiniones sobre lo que diferenciaba al hierro del acero; algunos creían que era la composición química y otros que era si el hierro se calentaba lo suficiente como para fundirse y "fusionarse". Con el tiempo, la fusión se aceptó generalmente como relativamente más importante que la composición por debajo de una concentración baja de carbono dada. [9] : 32–39  Otra diferencia es que el acero se puede endurecer mediante tratamiento térmico .

Históricamente, el hierro forjado se conocía como "hierro comercialmente puro"; [10] [11] sin embargo, ya no califica porque los estándares actuales para el hierro comercialmente puro requieren un contenido de carbono de menos de 0,008 % en peso . [12] [13]

Tipos y formas

El término "hierro en barra" se utiliza a veces para distinguirlo del hierro fundido. Es el equivalente a un lingote de metal fundido, en una forma conveniente para su manipulación, almacenamiento, envío y posterior procesamiento hasta obtener un producto terminado.

Las barras eran el producto habitual de la forja de refinación , pero no necesariamente fabricadas mediante ese proceso:

  • Barra de hierro: cortada a partir de barras de hierro planas en un molino de corte longitudinal, proporcionaba la materia prima para clavos y puntas.
  • Aros de hierro: adecuados para los aros de los barriles, fabricados al pasar varillas de hierro a través de matrices de laminación.
  • Placa de hierro: láminas adecuadas para su uso como placa de caldera .
  • Chapa negra: láminas, quizás más delgadas que el hierro enchapado, provenientes de la etapa de laminado negro de la producción de hojalata .
  • Hierro de viaje: barra de hierro plana y estrecha, fabricada o cortada en barras de un peso determinado, un producto para la venta en África para el comercio de esclavos en el Atlántico . La cantidad de barras por tonelada aumentó gradualmente de 70 por tonelada en la década de 1660 a 75-80 por tonelada en 1685 y "casi 92 por tonelada" en 1731. [14] : 163–172 

Origen

  • Hierro forjado: hasta finales del siglo XVIII, el hierro forjado se fundía a partir de mineral utilizando carbón vegetal, mediante el proceso de fundición . El hierro forjado también se producía a partir de arrabio utilizando una fragua de precisión o en un hogar de Lancashire . El metal resultante era muy variable, tanto en su composición química como en su contenido de escoria.
  • Hierro en charco : el proceso de charco fue el primer proceso a gran escala para producir hierro forjado. En el proceso de charco, el arrabio se refina en un horno de reverbero para evitar la contaminación del hierro por el azufre del carbón o el coque. El arrabio fundido se remueve manualmente, exponiéndolo al oxígeno atmosférico, que lo descarbura. A medida que se remueve el hierro, la varilla agitadora (brazo o varilla agitadora) recoge los terrones de hierro forjado en bolas y las retira periódicamente el charcador. El charco se patentó en 1784 y se empezó a utilizar ampliamente después de 1800. En 1876, la producción anual de hierro en charco solo en el Reino Unido superaba los 4 millones de toneladas. En esa época, el horno de hogar abierto podía producir acero de calidad adecuada para fines estructurales y la producción de hierro forjado entró en declive.
  • Hierro molido : un tipo particularmente puro de hierro en barra fabricado en su mayor parte a partir de mineral de hierro de la mina Dannemora en Suecia . Su uso más importante era como materia prima para el proceso de cementación de la fabricación de acero.
  • Hierro de Danks: originalmente era hierro importado a Gran Bretaña desde Gdansk , pero en el siglo XVIII era más probable que fuera el tipo de hierro (del este de Suecia) que alguna vez vino de Gdansk.
  • Hierro del bosque: hierro procedente del bosque de Dean , en Inglaterra , donde el mineral de hematita permitió producir hierro resistente.
  • Hierro de Luke: hierro importado de Lieja , cuyo nombre holandés es "Luik". [15]
  • Hierro de Ames o hierro de Amys: otra variedad de hierro importada a Inglaterra desde el norte de Europa. Se ha sugerido que su origen es Amiens , pero parece haber sido importado de Flandes en el siglo XV y de Holanda más tarde, lo que sugiere un origen en el valle del Rin . Sus orígenes siguen siendo controvertidos. [15]
  • Hierro de Botolf o hierro de Boutall, de Bytów ( Pomerania polaca ) o Bytom ( Silesia polaca ). [15]
  • Hierro sable (o sable antiguo): hierro que lleva la marca (un sable ) de la familia Demidov de maestros herreros rusos , una de las mejores marcas de hierro ruso . [16]

Calidad

Hierro resistente
También escrito "tuf", no es frágil y es lo suficientemente fuerte como para usarse en herramientas.
Mezcla de hierro
Fabricado utilizando una mezcla de diferentes tipos de hierro fundido .
La mejor plancha
El hierro pasa por varias etapas de apilado y laminado hasta alcanzar la etapa considerada (en el siglo XIX) como la de mejor calidad.
Barra de hierro marcada
Fabricado por miembros de la Marked Bar Association y marcado con el logotipo del fabricante como muestra de su calidad. [17]

Defectos

El hierro forjado es una forma de hierro comercial que contiene menos del 0,10% de carbono, menos del 0,25% de impurezas totales de azufre, fósforo, silicio y manganeso, y menos del 2% de escoria en peso. [18] [19]

El hierro forjado se considera al rojo vivo o al rojo vivo si contiene azufre en exceso. Tiene suficiente tenacidad cuando está frío, pero se agrieta cuando se dobla o se termina al rojo vivo. [5] : 7  El hierro al rojo vivo se consideraba no comercializable. [1]

El hierro corto frío , también conocido como hierro de cizallamiento frío , Colshire , contiene un exceso de fósforo. Es muy frágil cuando está frío y se agrieta si se dobla. [5] : 7, 215  Sin embargo, se puede trabajar a alta temperatura. Históricamente, el hierro corto frío se consideraba suficiente para los clavos .

El fósforo no es necesariamente perjudicial para el hierro. Los herreros del antiguo Cercano Oriente no añadían cal a sus hornos. La ausencia de óxido de calcio en la escoria y el uso deliberado de madera con alto contenido de fósforo durante la fundición inducen un mayor contenido de fósforo (normalmente <0,3 %) que en el hierro moderno (<0,02-0,03 %). [1] [20] El análisis del pilar de hierro de Delhi arroja un 0,11 % en el hierro. [1] : 69  La escoria incluida en el hierro forjado también imparte resistencia a la corrosión.

Se descubrió que el alambre de música antiguo , fabricado en una época en la que se disponía de aceros al carbono producidos en masa, tenía un bajo contenido de carbono y un alto contenido de fósforo; el hierro con un alto contenido de fósforo, que normalmente causa fragilidad cuando se trabaja en frío, se estiraba fácilmente para fabricar alambres de música. [21] Aunque en ese momento el fósforo no era un componente del hierro que fuera fácil de identificar, se planteó la hipótesis de que el tipo de hierro había sido rechazado para su conversión en acero, pero que sobresalía cuando se probaba su capacidad de estirado. [21]

Historia

Porcelana

Durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), los nuevos procesos de fundición de hierro llevaron a la fabricación de nuevos implementos de hierro forjado para su uso en la agricultura, como la sembradora multitubo y el arado de hierro . [22] Además de los trozos accidentales de hierro forjado con bajo contenido de carbono producidos por el aire inyectado excesivo en los antiguos hornos de cubilote chinos . Los antiguos chinos crearon hierro forjado utilizando la forja de refinación al menos en el siglo II a. C., los primeros ejemplares de hierro fundido y de arrabio refinados en hierro forjado y acero se encontraron en el sitio de principios de la dinastía Han en Tieshengguo. [23] [24] : 186  Pigott especula que la forja de refinación existía en el período anterior de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.), debido al hecho de que hay artículos de hierro forjado de China que datan de ese período y no hay evidencia documentada de que la fragua se haya utilizado alguna vez en China. [24] : 186–187  El proceso de clarificación implicaba licuar el hierro fundido en un hogar de clarificación y eliminar el carbono del hierro fundido mediante oxidación . [24] : 186  Wagner escribe que además de los hogares de la dinastía Han que se cree que son hogares de clarificación, también hay evidencia pictórica del hogar de clarificación de un mural de una tumba de Shandong que data del siglo I al II d. C., así como un indicio de evidencia escrita en el texto taoísta Taiping Jing del siglo IV d. C. [25]

Mundo occidental

El proceso de pudling de fundición de mineral de hierro para hacer hierro forjado a partir de arrabio, ilustrado en la enciclopedia Tiangong Kaiwu de Song Yingxing , publicada en 1637.

El hierro forjado se ha utilizado durante muchos siglos y es el "hierro" al que se hace referencia a lo largo de la historia occidental. La otra forma de hierro, el hierro fundido , se utilizó en China desde la antigüedad, pero no se introdujo en Europa occidental hasta el siglo XV; incluso entonces, debido a su fragilidad, solo se podía utilizar para un número limitado de propósitos. Durante gran parte de la Edad Media, el hierro se producía mediante la reducción directa del mineral en fábricas de hierro operadas manualmente , aunque la energía hidráulica había comenzado a emplearse en 1104. [26]

La materia prima producida por todos los procesos indirectos es el arrabio. Tiene un alto contenido de carbono y, como consecuencia, es frágil y no se puede utilizar para fabricar piezas de ferretería. El proceso de Osmond fue el primero de los procesos indirectos, desarrollado en 1203, pero la producción de arrabio continuó en muchos lugares. El proceso dependía del desarrollo del alto horno, del que se han descubierto ejemplos medievales en Lapphyttan , Suecia y en Alemania .

Los procesos de bloomery y osmond fueron sustituidos paulatinamente a partir del siglo XV por los procesos de finery , de los que existían dos versiones, la alemana y la valona, ​​y a su vez, a partir de finales del siglo XVIII, por el puddling , con algunas variantes como el proceso sueco de Lancashire , que también han quedado obsoletos y el hierro forjado ya no se fabrica comercialmente.

Proceso de Bloomery

El hierro forjado se producía originalmente mediante una variedad de procesos de fundición, todos ellos descritos hoy como "bloomeries". Se utilizaban diferentes formas de bloomery en diferentes lugares y épocas. El bloomery se cargaba con carbón y mineral de hierro y luego se encendía. Se insuflaba aire a través de una tobera para calentar el bloomery a una temperatura algo inferior al punto de fusión del hierro. En el transcurso de la fundición, la escoria se fundía y se derramaba, y el monóxido de carbono del carbón reducía el mineral a hierro, que formaba una masa esponjosa (llamada "bloom") que contenía hierro y también minerales de silicato fundidos (escoria) del mineral. El hierro permanecía en estado sólido. Si se dejaba que el bloomery se calentara lo suficiente como para fundir el hierro, el carbono se disolvería en él y formaría arrabio o hierro fundido, pero esa no era la intención. Sin embargo, el diseño de un bloomery dificultaba alcanzar el punto de fusión del hierro y también impedía que la concentración de monóxido de carbono fuera alta. [1] : 46–57 

Una vez finalizada la fundición, se retiraba el tocho y se podía volver a iniciar el proceso. Por tanto, se trataba de un proceso discontinuo, en lugar de uno continuo, como el de un alto horno. El tocho debía forjarse mecánicamente para consolidarlo y darle forma de barra, expulsando escoria en el proceso. [1] : 62–66 

Durante la Edad Media , se aplicó la energía hidráulica al proceso, probablemente inicialmente para accionar fuelles, y solo más tarde a martillos para forjar los lingotes. Sin embargo, aunque es seguro que se utilizó energía hidráulica, los detalles siguen siendo inciertos. [1] : 75–76  Esa fue la culminación del proceso directo de fabricación de hierro. Sobrevivió en España y el sur de Francia como Catalan Forges hasta mediados del siglo XIX, en Austria como stuckofen hasta 1775, [1] : 100–101  y cerca de Garstang en Inglaterra hasta aproximadamente 1770; [27] [28] todavía estaba en uso con aire caliente en Nueva York en la década de 1880. [29] En Japón, la última de las antiguas fábricas de tatara utilizadas en la producción de acero tamahagane tradicional , empleado principalmente en la fabricación de espadas, se extinguió recién en 1925, aunque a fines del siglo XX la producción se reanudó a baja escala para abastecer el acero a los espaderos artesanales.

Proceso de Osmond

El hierro de Osmond consistía en bolas de hierro forjado, producidas mediante la fusión de arrabio y la captura de gotas en un palo, que se hacía girar frente a una ráfaga de aire para exponer la mayor cantidad posible de este al aire y oxidar su contenido de carbono. [30] La bola resultante a menudo se forjaba en barras de hierro en un molino de martillos.

Proceso de gala

En el siglo XV, el alto horno se extendió a lo que hoy es Bélgica, donde fue mejorado. Desde allí, se extendió a través del Pays de Bray en la frontera de Normandía y luego a Weald en Inglaterra. Con él, se extendió la forja de refinación. En ella se fundía nuevamente el arrabio y (en efecto) se quemaba el carbono, produciendo una tolva, que luego se forjaba en barras de hierro. Si se necesitaban barras de hierro, se utilizaba un laminador de corte longitudinal.

El proceso de refinamiento existía en dos formas ligeramente diferentes. En Gran Bretaña, Francia y partes de Suecia, solo se utilizaba el proceso valón . En él se empleaban dos hogares diferentes, un hogar de refinamiento para terminar el hierro y un hogar de chafery para recalentarlo durante el proceso de extracción de la toba en una barra. El hogar de refinamiento siempre quemaba carbón, pero el de chafery podía encenderse con carbón mineral , ya que sus impurezas no dañaban el hierro cuando estaba en estado sólido. Por otro lado, el proceso alemán, utilizado en Alemania, Rusia y la mayor parte de Suecia, utilizaba un solo hogar para todas las etapas. [31]

La introducción del coque para su uso en el alto horno por parte de Abraham Darby en 1709 (o quizás otros un poco antes) tuvo poco efecto en la producción de hierro forjado. Recién en la década de 1750 se empezó a utilizar el arrabio de coque en una escala significativa como materia prima para las forjas de artículos de joyería. Sin embargo, el carbón vegetal siguió siendo el combustible para las piezas de joyería.

Encapsulado y estampado

A partir de finales de la década de 1750, los maestros del hierro comenzaron a desarrollar procesos para fabricar barras de hierro sin carbón. Existían varios procesos patentados para ello, que hoy se conocen como encapsulado y estampado . Los primeros fueron desarrollados por John Wood de Wednesbury y su hermano Charles Wood de Low Mill en Egremont , patentados en 1763. [32] : 723–724  Otro fue desarrollado para la Coalbrookdale Company por los hermanos Cranage . [33] Otro importante fue el de John Wright y Joseph Jesson de West Bromwich . [32] : 725–726 

Proceso de formación de charcos

Dibujo esquemático de un horno de pudling

A medida que comenzó la Revolución Industrial durante la segunda mitad del siglo XVIII, se idearon varios procesos para fabricar hierro forjado sin carbón . El más exitoso de ellos fue el charco, utilizando un horno de charco (una variedad del horno de reverbero ), que fue inventado por Henry Cort en 1784. [34] Posteriormente fue mejorado por otros, incluido Joseph Hall , quien fue el primero en agregar óxido de hierro a la carga. En ese tipo de horno, el metal no entra en contacto con el combustible y, por lo tanto, no se contamina con sus impurezas. El calor de los productos de la combustión pasa sobre la superficie del charco y el techo del horno reverbera (refleja) el calor sobre el charco de metal en el puente de fuego del horno.

A menos que la materia prima utilizada sea hierro fundido blanco, el arrabio u otro producto crudo del pudling primero tenía que refinarse para obtener hierro refinado o metal refinador. Esto se hacía en una refinería donde se utilizaba carbón crudo para eliminar el silicio y convertir el carbono dentro de la materia prima, que se encuentra en forma de grafito, en una combinación con hierro llamada cementita.

En el proceso plenamente desarrollado (de Hall), este metal se colocaba en el hogar del horno de pudling donde se fundía. El hogar estaba revestido con agentes oxidantes como hematita y óxido de hierro. [35] La mezcla se sometía a una fuerte corriente de aire y se agitaba con barras largas, llamadas barras de pudling o rabbles, [36] : 165  [37] a través de puertas de trabajo. [38] : 236–240  El aire, la agitación y la acción de "ebullición" del metal ayudaron a los agentes oxidantes a oxidar las impurezas y el carbono del arrabio. A medida que las impurezas se oxidaban, formaban una escoria fundida o se dispersaban como gas, mientras que el hierro restante se solidificaba en hierro forjado esponjoso que flotaba en la parte superior del charco y se extraía de la masa fundida en forma de bolas de charco, utilizando barras de charco. [35]

Tejas

Todavía quedaba algo de escoria en las bolas de charco, por lo que mientras aún estaban calientes se las recubría con tejas [39] para eliminar la escoria y la ceniza restantes. [35] Esto se lograba forjando las bolas con un martillo o apretando el tocho en una máquina. El material obtenido al final del recubrimiento se conoce como tocho. [39] Los tochos no son útiles en esa forma, por lo que se laminaban para obtener un producto final.

En ocasiones, las ferreterías europeas se saltaban por completo el proceso de tejas y hacían rodar las bolas de charco. El único inconveniente de esto era que los bordes de las barras en bruto no se comprimían tan bien. Cuando se recalentaban las barras en bruto, los bordes podían separarse y perderse en el horno. [39]

Laminación

La tolva se pasaba por rodillos para producir barras. Las barras de hierro forjado eran de mala calidad, llamadas barras de barro [39] [36] : 137  o barras de charco. [35] Para mejorar su calidad, las barras se cortaban, se apilaban y se ataban con alambres, un proceso conocido como faggoting o piling. [39] Luego se recalentaban hasta un estado de soldadura, se soldaban en forja y se laminaban nuevamente en barras. El proceso podía repetirse varias veces para producir hierro forjado de la calidad deseada. El hierro forjado que se ha laminado varias veces se llama barra comercial o hierro comercial. [37] [40]

Proceso de Lancashire

La ventaja del pudling era que utilizaba carbón, no carbón vegetal, como combustible. Sin embargo, esto no era muy ventajoso en Suecia, donde faltaba carbón. Gustaf Ekman observó las mejores fábricas de carbón en Ulverston , que eran bastante diferentes a las de Suecia. Después de su regreso a Suecia en la década de 1830, experimentó y desarrolló un proceso similar al pudling, pero que utilizaba leña y carbón vegetal, que fue ampliamente adoptado en Bergslagen en las décadas siguientes. [41] [14] : 282–285 

Proceso Aston

En 1925, James Aston, de los Estados Unidos, desarrolló un proceso para fabricar hierro forjado de forma rápida y económica. Consistía en tomar acero fundido de un convertidor Bessemer y verterlo en escoria líquida más fría. La temperatura del acero es de unos 1500 °C y la escoria líquida se mantiene a aproximadamente 1200 °C. El acero fundido contiene una gran cantidad de gases disueltos, por lo que cuando el acero líquido tocó las superficies más frías de la escoria líquida, se liberaron los gases. El acero fundido se congeló para producir una masa esponjosa con una temperatura de unos 1370 °C. [35] La masa esponjosa se terminaría entonces al ser enchapada y laminada como se describe en el método de pudling (arriba). Se podrían convertir de tres a cuatro toneladas por lote con el método. [35]

Rechazar

El acero comenzó a reemplazar al hierro en los rieles de ferrocarril tan pronto como se adoptó el proceso Bessemer para su fabricación (1865 en adelante). El hierro siguió siendo dominante para aplicaciones estructurales hasta la década de 1880, debido a problemas con el acero frágil, causados ​​por el nitrógeno introducido, el alto contenido de carbono, el exceso de fósforo o la temperatura excesiva durante el laminado o un laminado demasiado rápido. [9] : 144–151  [nota 2] Para 1890, el acero había reemplazado en gran medida al hierro para aplicaciones estructurales.

La chapa de hierro (hierro puro al 99,97 % Armco) tenía buenas propiedades para su uso en electrodomésticos, siendo muy adecuada para esmaltar y soldar, y siendo resistente al óxido. [9] : 242 

En la década de 1960, el precio de la producción de acero estaba cayendo debido al reciclaje, e incluso utilizando el proceso Aston, la producción de hierro forjado requería mucha mano de obra. Se ha estimado que la producción de hierro forjado es aproximadamente el doble de cara que la de acero con bajo contenido de carbono. [7] En los Estados Unidos, la última planta cerró en 1969. [7] La ​​última en el mundo fue Atlas Forge de Thomas Walmsley and Sons en Bolton , Gran Bretaña, que cerró en 1973. Su equipo de la década de 1860 se trasladó al sitio de Blists Hill del Museo Ironbridge Gorge para su conservación. [42] Todavía se produce algo de hierro forjado para fines de restauración del patrimonio, pero solo mediante el reciclaje de chatarra.

Propiedades

La microestructura del hierro forjado, que muestra inclusiones de escoria oscura en la ferrita.

Las inclusiones de escoria, o filamentos , en el hierro forjado le otorgan propiedades que no se encuentran en otras formas de metal ferroso. Hay aproximadamente 250.000 inclusiones por pulgada cuadrada. [7] Una fractura reciente muestra un color azulado claro con un alto brillo sedoso y apariencia fibrosa.

El hierro forjado carece del contenido de carbono necesario para endurecerse mediante tratamiento térmico , pero en áreas donde el acero era poco común o desconocido, a veces se trabajaban las herramientas en frío (de ahí el nombre de hierro frío ) para endurecerlas. [ cita requerida ] Una ventaja de su bajo contenido de carbono es su excelente soldabilidad. [7] Además, el hierro forjado en láminas no se puede doblar tanto como la chapa de acero cuando se trabaja en frío. [43] [44] El hierro forjado se puede fundir y moldear; sin embargo, el producto ya no es hierro forjado, ya que las escorias características del hierro forjado desaparecen al fundirse, por lo que el producto se parece al acero Bessemer fundido impuro. No existe ninguna ventaja de ingeniería en fundir y moldear hierro forjado, en comparación con el uso de hierro fundido o acero, que son ambos más baratos. [45] [46]

Debido a las variaciones en el origen del mineral de hierro y la fabricación del hierro, el hierro forjado puede ser inferior o superior en resistencia a la corrosión, en comparación con otras aleaciones de hierro. [7] [47] [48] [49] Hay muchos mecanismos detrás de su resistencia a la corrosión. Chilton y Evans descubrieron que las bandas de enriquecimiento de níquel reducen la corrosión. [50] También descubrieron que en el hierro encharcado, forjado y apilado, el trabajo sobre el metal esparce impurezas de cobre, níquel y estaño que producen condiciones electroquímicas que ralentizan la corrosión. [48] Se ha demostrado que las inclusiones de escoria dispersan la corrosión en una película uniforme, lo que permite que el hierro resista las picaduras. [7] Otro estudio ha demostrado que las inclusiones de escoria son vías de corrosión. [51] Otros estudios muestran que el azufre en el hierro forjado disminuye la resistencia a la corrosión, [49] mientras que el fósforo aumenta la resistencia a la corrosión. [52] Los iones de cloruro también disminuyen la resistencia a la corrosión del hierro forjado. [49]

El hierro forjado se puede soldar de la misma manera que el acero dulce, pero la presencia de óxido o inclusiones dará resultados defectuosos. [53] El material tiene una superficie rugosa, por lo que puede retener los enchapados y recubrimientos mejor que el acero liso. Por ejemplo, un acabado de zinc galvánico aplicado al hierro forjado es aproximadamente un 25-40% más grueso que el mismo acabado en acero. [7] En la Tabla 1, se compara la composición química del hierro forjado con la del arrabio y el acero al carbono . Aunque parece que el hierro forjado y el acero al carbono simple tienen composiciones químicas similares, eso es engañoso. La mayor parte del manganeso, azufre, fósforo y silicio en el hierro forjado se incorporan a las fibras de escoria, lo que hace que el hierro forjado sea más puro que el acero al carbono simple. [39]

Tabla 1: Comparación de la composición química del arrabio, el acero al carbono simple y el hierro forjado
MaterialHierroCarbónManganesoAzufreFósforoSilicio
Hierro fundido91–943,5–4,50,5–2,50,018–0,10,03–0,10,25–3,5
Acero carbono98,1–99,50,07–1,30,3–1,00,02–0,060,002–0,10,005–0,5
Hierro forjado99–99,80,05–0,250,01–0,10,02–0,10,05–0,20,02–0,2
Todas las unidades son porcentajes de peso.
Fuente: [39]
Tabla 2: Propiedades del hierro forjado
PropiedadValor
Resistencia máxima a la tracción [psi (MPa)] [54]34.000–54.000 (234–372)
Resistencia máxima a la compresión [psi (MPa)] [54]34.000–54.000 (234–372)
Resistencia máxima al corte [psi (MPa)] [54]28.000–45.000 (193–310)
Punto de fluencia [psi (MPa)] [54]23.000–32.000 (159–221)
Módulo de elasticidad (en tensión) [psi (MPa)] [54]28.000.000 (193.100)
Punto de fusión [°F (°C)] [55]2.800 (1.540)
Peso específico7.6–7.9 [56]
7,5–7,8 [57]

Entre sus otras propiedades, el hierro forjado se ablanda al rojo vivo y se puede forjar y soldar fácilmente . [58] Se puede utilizar para formar imanes temporales , pero no se puede magnetizar de forma permanente, [59] [60] y es dúctil , maleable y resistente . [39]

Ductilidad

Para la mayoría de los propósitos, la ductilidad, en lugar de la resistencia a la tracción, es una medida más importante de la calidad del hierro forjado. En las pruebas de tracción, los mejores hierros son capaces de soportar un alargamiento considerable antes de fallar. El hierro forjado con mayor resistencia a la tracción es frágil.

Debido a la gran cantidad de explosiones de calderas en los barcos de vapor a principios del siglo XIX, el Congreso de los Estados Unidos aprobó una ley en 1830 que aprobaba fondos para corregir el problema. El Tesoro otorgó un contrato de 1500 dólares al Instituto Franklin para realizar un estudio. Como parte del estudio, Walter R. Johnson y Benjamin Reeves realizaron pruebas de resistencia en el hierro de las calderas utilizando un comprobador que habían construido en 1832 basado en un diseño de Lagerhjelm en Suecia. Debido a los malentendidos sobre la resistencia a la tracción y la ductilidad, su trabajo hizo poco para reducir las fallas. [5]

La importancia de la ductilidad fue reconocida por algunos desde muy temprano en el desarrollo de las calderas tubulares, como lo demuestra el comentario de Thurston:

Si estuvieran hechas de un hierro tan bueno como el que los fabricantes afirmaban haber puesto en ellas "que funcionaba como el plomo", se abrirían, como también se afirmaba, al romperse y descargarían su contenido sin producir las desastrosas consecuencias habituales de la explosión de una caldera. [61]

Varias investigaciones del siglo XIX sobre explosiones de calderas, especialmente las realizadas por compañías de seguros, descubrieron que las causas más comunes eran el funcionamiento de las calderas por encima del rango de presión seguro, ya sea para obtener más potencia o debido a válvulas de alivio de presión defectuosas en las calderas y dificultades para obtener indicaciones confiables de la presión y los niveles de agua. La fabricación deficiente también era un problema común. [62] Además, el espesor del hierro en los tambores de vapor era bajo, según los estándares modernos.

A finales del siglo XIX, cuando los metalúrgicos pudieron comprender mejor qué propiedades y procesos hacían que el hierro fuera bueno, el acero fue el sustituto del hierro en las máquinas de vapor. Además, las antiguas calderas cilíndricas con tubos de humo fueron reemplazadas por calderas acuotubulares, que son inherentemente más seguras. [62]

Pureza

En 2010, Gerry McDonnell [63] demostró en Inglaterra mediante análisis que un desbaste de hierro forjado, de una fundición tradicional, podía transformarse en hierro puro al 99,7 % sin evidencia de carbono. Se descubrió que no presentaba las vetas comunes a otros hierros forjados, lo que lo hacía muy maleable para que el herrero lo trabajara en caliente y en frío. Existe una fuente comercial de hierro puro que los herreros utilizan como alternativa al hierro forjado tradicional y a otros metales ferrosos de nueva generación.

Aplicaciones

Los muebles de hierro forjado tienen una larga historia que se remonta a la época romana . En la Abadía de Westminster de Londres hay puertas de hierro forjado del siglo XIII y los muebles de hierro forjado parecieron alcanzar su máxima popularidad en Gran Bretaña en el siglo XVII, durante el reinado de Guillermo III y María II . [ cita requerida ] Sin embargo, el hierro fundido y el acero más barato provocaron un declive gradual en la fabricación de hierro forjado; las últimas fábricas de hierro forjado en Gran Bretaña cerraron en 1974.

También se utiliza para fabricar artículos de decoración para el hogar, como estantes de panadero , estantes de vino , estantes de ollas , estanterías , bases de mesa, escritorios, puertas, camas, candelabros, barras de cortinas, barras y taburetes de bar.

La gran mayoría del hierro forjado disponible en la actualidad proviene de materiales recuperados. Los puentes antiguos y las cadenas de anclas dragadas de los puertos son fuentes importantes. [ cita requerida ] La mayor resistencia a la corrosión del hierro forjado se debe a las impurezas silíceas (que se encuentran de forma natural en el mineral de hierro), a saber, el silicato ferroso . [64]

El término hierro forjado se ha utilizado durante décadas como término genérico en toda la industria de las puertas y las cercas , aunque para fabricar estas puertas de "hierro forjado" se utiliza acero dulce . [65] Esto se debe principalmente a la disponibilidad limitada de hierro forjado auténtico. El acero también se puede galvanizar por inmersión en caliente para evitar la corrosión, lo que no se puede hacer con el hierro forjado.

Véase también

Notas

  1. ^ Algunos de estos elementos, pero no todos, se mencionan en Gordon, RB (1996) [5].
  2. ^ De Misa, TJ (1995): [9] "Los problemas de calidad con los rieles le dieron al acero Bessemer una reputación tan mala que los ingenieros y arquitectos se negaron a especificarlo para aplicaciones estructurales. El acero de hogar abierto tenía una mejor reputación y desplazó al hierro estructural en 1889..."

Referencias

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  • Medios relacionados con Hierro forjado en Wikimedia Commons
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