Estructura cristalina del hierro y sus aleaciones

METALES FERROSOS Ing. Héctor Chire Ramírez Profesor de Tecnología de materiales

EL HIERRO Y SUS ALEACIONES

Introducción

Los metales son los elementos químicos de mayor utilización, con fines
estructurales en edificios y medios de transporte, como conductores de calor y
electricidad, etc. Los metales se caracterizan por tener un brillo especial,
llamado metálico, por ser buenos conductores de la electricidad y del calor.
Esta gran conductibilidad, comparada con la de los no metales, se debe
probablemente a la existencia de electrones libres en su interior. Además los
metales tienen una molécula monoatómica y originan los hidróxidos al
disolverse los óxidos metálicos en agua.

El Hierro, debido a su abundancia y a sus propiedades químicas, de las
cuales hablaremos más adelante, se ha convertido en uno de los metales
más usados en la civilización actual. También, el hierro se puede
combinar con otros metales para formar nuevos compuestos con
diferentes propiedades, denominados “aleaciones”.

HIERRO

El Hierro, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco
plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición
del sistema periódico.

También, es uno de los elementos metálicos más abundantes en el planeta.
Constituye aproximadamente el 4.5% de la corteza terrestre. Generalmente es
encontrado en forma de óxido de magnetita (Fe304), hermatita (Fe203),
limonita, u óxidos hidratados (Fe203 + NH20) También existen pequeñas
cantidades de hierro combinadas con aguas naturales, en las plantas, y
además es un componente de la sangre.

El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para
fabricar armas. El objeto más antiguo existente, es un grupo de cuentas
oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.c. El término arqueológico
edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el
trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa
central hasta la mitad del siglo XIV.

Algunas características de este metal

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.

1.- ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIERRO

El hierro sufre cambios en su estructura cuando se le somete a diferentes
temperaturas . A estos cambios físicos se le denomina “ALOTROPIA” .

Los granos de los metales (hierro) están formados por cristales , y estos
cristales dependen de cómo se ordenan los iones metálicos dentro del grano ,
al pasar del estado liquido al solido .


El empaquetamiento de esferas (ordenaciones iónicas en cristales ) puede dar
lugar a un cubo (sistema cubico) o columnas hexagonales ( sistema hexagonal
) . Estas se denominan retículas espaciales .

La forma de la retícula depende de las fuerzas electroestáticas .

Los mas importantes son :

• Hierro α: Es la que se encuentra a temperatura ambiente; hasta los 788
ºC. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo y es
ferromagnético.
• Hierro β: 788 ºC - 910 ºC; tiene el mismo sistema cristalino que la α,
pero la temperatura de Curie es de 770 ºC, y pasa a ser paramagnético.
• Hierro γ: 910 ºC - 1400 ºC; presenta una red cúbica centrada en las
caras.
• Hierro δ: 1400 ºC - 1539 ºC; vuelve a presentar una red cúbica centrada
en el cuerpo

.

2.-CONSTITUCION DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Las aleaciones hierro carbono están formadas por grupos de cristales que
reciben el nombre de constituyentes y cuya naturaleza varia según las
proporciones de los componentes de la aleación y la temperatura .


En las aleaciones hierro carbono pueden encontrarse hasta once
constituyentes que se denominan :FERRITA , CEMENTITA , PERLITA ,
AUSTENITA , MARTENSITA , TROOSTITA , SORBITA , BAINITA ,
LEDEBURITA , STEADITA Y GRAFITO cuyas características son las
siguientes :

La ferrita (o hierro alfa) es una de las estructuras moleculares del hierro.
Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene
propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes
aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores
con níquel, zinc o manganeso.

La cementita o carburo de hierro se produce por efecto del exceso
de carbono sobre el límite de solubilidad. Si bien la composición química de la
cementita es Fe3C, la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica con 12
átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.


La cementita es muy dura y frágil y, por lo tanto, no es posible de utilizar para
operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las
concentraciones de esfuerzos.

Se trata de una fase soluble en estado sólido que puede hacerse desaparecer
mediante un tratamiento térmico adecuado (recocido de grafitización).

La perlita es la microestructura formada por capas o láminas alternas de las
dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a
temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de
una perla al observarse microscópicamente ( se asemeja a una huella digital).

La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos
de hierro y carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas
que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Está formado por una disolución sólida del
carbono de hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil,
blanda y tenaz.

DIAGRAMA DE FASES DEL SISTEMA HIERRO-CARBONO

El hierro y el carbono constituyen aleaciones únicamente hasta un 6,67% en
peso de carbono. Con esta concentración y con concentraciones superiores se


crea un compuesto químico denominado cementita (Fe3C) que no tiene
propiedades metálicas. Por lo tanto, únicamente se estudia el diagrama hasta
esa proporción.

En la solidificación aparece una solución sólida llamada ausentita para
proporciones inferiores al 1,76% de carbono, y con un 4,30% se crea un
eutéctico llamado ledeburita. Esto provoca la primera clasificación del sistema
hierro-carbono: se habla de aceros si la proporción de carbono es inferior a
1,76%, y de fundiciones para proporciones entre 1,76 y 6,67%.


A los aceros que tienen una proporción menor que 0,89% de carbono se les
denomina hipoeutectoides, y si tienen entre 0,89 y 1,76% de
carbono, hipereutectoides.

Recopilando todo, el diagrama del sistema hierro-carbono tiene este
aspecto:


ACERO

El acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono
(alrededor de 0,05 por ciento hasta menos del dos por ciento). Algunas veces
otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel)
se agregan con propósitos determinados.
Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más del 98 por
ciento), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de
arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.
El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste
solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que
químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido
de hierro (herrumbre). El óxido se encuentra en cantidades significativas en el
mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con
impurezas y materiales térreos.
3.2.-PROCESO DE OBTENCION DEL ACERO

Producción del Hierro y el Acero

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las
actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar
que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los
ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o
elaborar.


El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero.
Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200
ac.

Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Hematita (mena roja) 70% de hierro
Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro
Siderita (mena café 48.3% de hierro
pobre)
Limonita (mena café) 60-65% de
hierro

La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes
yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo
se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su
gran contenido de azufre.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos
fundamentales:

1. Mineral de hierro
2. Coque
3. Piedra caliza
4. Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes
de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está
controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros
comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la
fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales
proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse
al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada,
esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

ALTO HORNO

El alto horno es un elemento básico y fundamental en siderurgia, se emplea
para transformar el mineral de hierro en arrabio o hierro de primera fusión que
constituye la principal materia prima para la fabricación del acero. Una pequeña


parte del arrabio se utiliza para fabricar piezas por segunda fusión en el
cubilote o en el horno eléctrico. Al principio se utilizó carbón vegetal y al
aumentar el consumo de este se produjo un agotamiento en la riqueza forestal,
y la hulla que si es abundante en la naturaleza no se podía utilizar debido a que
por su gran altura estaba sometida a grandes presiones que la desmoronaban,
obstruyendo el paso de los gases, el otro inconveniente de la hulla es el
elevado contenido de azufre pues su eliminación es difícil y su presencia es
perjudicial tanto para los aceros como en la fundición de hierro.

La producción de acero ordinario se basa en la obtención del arrabio por
reducción y fusión del mineral y por afino del arrabio. Para la obtención del
arrabio, se introduce en el alto horno una mezcla (lecho de fusión) del mineral
de hierro (óxidos de hierro), de combustible (coque, que actúa a la vez de
reductor) y de fundente. Se insufla una corriente de aire caliente (viento),
originando con el coque, óxido de carbono que reduce al mineral. Por
combinación con el fundente, la ganga pasa al estado de escoria, fusible hacia
los 1300°C; a esta temperatura el hierro se combina con el carbono y se forma
arrabio, aleación compleja, con un contenido máximo de 95% de hierro; el
arrabio y la escoria es estado líquido, se separan por orden de densidades.

El acero se obtiene por afino del arrabio, en cuya operación se rebaja la
proporción de carbono de 3.5% a menos de 1%. Esta concentración consiste
esencialmente en un conjunto de oxidaciones parciales producidas por: acción
de una corriente de aire que atraviesa la masa de arrabio líquido (afino por
aire), en los convertidores, acción de un óxido de hierro (mineral o chatarra) en
un horno de solera (afino por solera), o en el horno eléctrico (afino eléctrico)
Carga en el alto horno: Las materias primas necesarias para la siderurgia son:
los minerales (y chatarra), los combustibles, los fundentes y el aire.

Los minerales de hierro más importantes son los óxidos: se emplean también
los carbonatos y algunos sulfuros.

1. Óxidos de hierro: El óxido magnético (Fe3O4) en estado puro es el más rico
de todos los minerales de hierro. La ganga, generalmente siliciosa, está exenta
de fósforo. Entre los óxidos férricos anhídridos (Fe2 O3), los más importante
son el hierro oligisto (cristalizado) y la hematites roja amorfa. Los óxidos
férricos hidratados, tienen una composición Fe2O3nH2O, son fáciles de
reducir, pero su ganga contiene combinaciones fosfatadas o sulfuradas.
2. Carbonatos de hierro: formados por carbonato ferroso (CO3Fe), asociado a
una ganga compuesta de carbonatos isomorfos (CO3Ca).

3. A estos minerales, pueden añadirse: los óxidos férricos resultado de la
tostación de piritas (S2Fe), virutas, residuos de fabricación, exceso de lingotes,
chatarra, escorias del horno Martín, minerales de magnesio en estado de
fusión, para facilitar la obtención de la fundición blanca y productos de la
sinterización y peletización de los minerales de Fe.
4. El combustible en el alto horno debe presentar una buena resistencia a la
compresión, a fin de poder descender en la cuba sin desmoronarse y una gran
porosidad, condición necesaria para la regularidad de su combustión.


La hulla en general no cumple con estas condiciones, en utiliza el coque
metalúrgico obtenido por pirogenación (destilación en vacío) de la hulla grasa
de llama corta. Características del coque metalúrgico: la resistencia a la
compresión de 170 kg/cm2 ha permitido elevar la altura de los hornos a 60 m.
el poder calorífico de 7500 Kcal/Kg, la mayor parte es carbono, 15% de
cenizas, 1% de azufre. Al utilizar carbón de madera limita a unos 1 2m la altura
de los hornos, restringiendo la capacidad de producción. La ganga del mineral,
generalmente silícea o calcárea es infusible. Para transformarla en escoria
fusible hacia 1300°C, es preciso combinar esta ganga con una sustancia, de
manera que pueda formarse un silicato de fácil fusión. El viento o aire insuflado
a presión dentro del alto horno (60cm) de columna de mercurio de
sobrepresión, se calienta a una temperatura previa de 1000 °C y contiene
humedad de 15 g de agua por m3. Se consume alrededor de 5 toneladas de
viento para obtener una tonelada de arrabio.

Fe2O3+CO-----Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO-----FeO+CO2
FeO + CO------Fe+CO2

C +CO2--- --2CO

C +O2--- --CO2

REDUCCION DIRECTA DEL MINERAL DE HIERRO

Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción
directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque,
aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento
consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes
reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del
hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro
esponja que consiste en unos pellets de mineral de hierro los que pueden ser
utilizados directamente para la producción de hierro con características
controladas.

Diagrama de producción de hierro esponja


En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de
hierro, se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen
630 toneladas de hierro esponja.

DIFERENTES PROCESOS DE OBTENCION DEL HIERRO Y ACERO

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro
para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o
sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales
procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.


PROCESO DE PUDELADO

El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no
más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso
conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un
horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o
gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón,
el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el
horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica
(ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno
en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la
fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos
modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de
reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor
cantidad de material.

HORNOS BESSEMER

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o
básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido,
posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la
temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva.
Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad

HORNO DE ARCO ELECTRICO

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta
calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta
calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos
hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están
recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de
material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres
horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno
puro por medio de una lanza.

Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que
pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría
de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.

Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con
refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de
acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y
la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la
carga por medio de una grúa viajera.


Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y
pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como
varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

HORNO DE INDUCCION

Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol
en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es
enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es
suministrada por un sistema de moto generador. Estos hornos se cargan con
piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo
de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los
productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.

HORNO DE AIRE DE CRISOL

Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce
como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los
que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un
confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los
productos de la combustión.

Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de
metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.


Hornos de crisol para metales no ferrosos

HORNO CUBILOTE

Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer
fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de
longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte
superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la
combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión,
este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno.


También estos hornos se pueden cargar con pellets de mineral de hierro o
pedacería de arrabio sólido.

Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a
10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren
40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C.

Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada
tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus
dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es
que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso
que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo
tanto no se autoriza su operación.

CLASIFICACION DE ACEROS

Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que
hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron
and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes
tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la
clasificación.

En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de
acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una
letra antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de
aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo,
6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso
del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero
2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así
en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de
níquel y .4% de carbón.

Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el
proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto

B = Acero ácido de Bessemer al carbono

C= Acero básico de convertidos de oxígeno

D = Acero ácido al carbono de hogar abierto


E = Acero de horno eléctrico

A10XXX

A= Proceso de fabricación

10 = Tipo de acero

X = % de la aleación del tipo de acero

X X= % de contenido de carbono en centésimas.

LINGOTES Y COLADA CONTINUA

Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es
necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos
o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El
proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una
forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la
forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe
tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal
fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y
pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes
(cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño
con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias
toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de
rodillos se van a procesar.

COLADA CONTINUA

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades
se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar
un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una
válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material
fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al
pasar el material fundido por le molde frío se convierte en pastoso y adquiere la
forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de
rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema.
Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud
adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar
perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios
calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo
para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Colada continua


Ilustración de colada continua del libro Operación de Máquinas Herramientas
de Krar.

Algunos elementos químicos en la fundición del hierro

Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a
las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus
efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos
elementos.

Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir
que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes
formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las
aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono
en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los
temas anteriores.

Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el
elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en
las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor.
Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los
tratamientos térmicos.

Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del
0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del
azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de
escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.

Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.

Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la
temperatura de fusión.


ACEROS ESPECIALES

Concepto de acero: Acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), con un
máximo de hasta 2.5% C. Las propiedades del acero pueden ser mejoradas,
mediante la adición de elementos como: cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo),
vanadio (V), tungsteno (W), cobalto (Co), manganeso (Mn), entre otros. Al adicionar
estos elementos, el acero se denominará “aleado”
ACERO AL CARBONO: Fe + C
Mn – Si son elementos presentes en el acero como desoxidantes.
ACEROS ALEADOS: Fe + C + elementos aleantes
Ej. Un acero inoxidable del tipo 304, posee en su composición química a parte del Fe
y C, porcentajes importantes de cromo y níquel que le dan el carácter de inoxidable.
Esta adición
de Cr y Ni, han cambiado notablemente las características del material base y las
diferencias físicas y mecánicas son evidentes.
En IBCA manejamos aceros al carbono y aceros aleados, así:
Aceros al carbono: AISI 1018 y 760 (AISI 1045).
Aceros aleados: DF2, XW5, XW41, D3, CALMAX, 718, STAVAX, 8407, 705,
709, 7210, 147-M, 304, 304-L, 316, 316-L, 310S.
Los elementos aleantes pueden darle al acero características como:
resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia mecánica, inoxidabilidad, dureza, etc.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Son operaciones de calentamiento y enfriamiento, a temperaturas y condiciones
controladas a las que se somete al acero para poderlo utilizar.
Los principales tratamientos térmicos son:
TEMPLE
CEMENTACIÓN
NITRURACIÓN
RECOCIDOS


Existen otros tipos de tratamientos, pero no se los estudiará al momento, ya que no
son de mayor interés en el medio ecuatoriano.
TEMPLE: El temple tiene como objetivo el endurecimiento del acero en toda la
sección.
Dureza se requiere por ej. en aplicaciones de aceros grado herramienta, en donde
con
ella, vamos a tener resistencia al desgaste en operaciones de trabajo en frío u
operaciones con moldes de plástico o trabajo en caliente, principalmente.
El temple es una operación de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento brusco.
La temperatura de temple es propia de cada acero, por ej.: DF2 (790-850 ºC) y XW5
(940-980ºC). Así mismo el enfriamiento se deberá hacer en el medio que el fabricante
sugiere como aceite, agua, sales, al aire etc. Se debe tomar exactamente el medio
adecuado, caso contrario tenemos el riesgo de no lograr durezas adecuadas o fisurar
el material. Esta información está en el catálogo de aceros de IBCA.
Un gráfico explicativo del proceso podría ser así:


1) Curva calentamiento del acero
2) Tiempo de mantenimiento a la temperatura de austenización.
Normalmente se dice 1-2 min/mm de espesor o diámetro del acero a tratar.
3) Luego de transcurrido el tiempo de mantenimiento se procede a hacer el
enfriamiento brusco, en el medio que indica los catálogos del fabricante.
4) Luego de producido el enfriamiento brusco, normalmente el acero se ha
endurecido,
por los cambios que se han producido en la estructura del material y el material en
ese punto es extremadamente duro, pero frágil al mismo tiempo, por lo que muy difícil
será
su uso y aplicación.
La dureza que se obtiene se mide en diferentes escalas, recordando que dureza es la
característica de los materiales a no dejarse rayar o penetrarse por otros.
Dos son las escalas más usadas: Dureza Brinell y Dureza Rockwell.
Normalmente se habla de dureza Brinell (HB) para materiales que no tienen altas
durezas y de Rockwell C (HRC) para materiales muy duros. Puede haber
equivalencias entre HRC y HB, así como la hay entre milímetros y pulgadas, para
saberlo debemos recurrir a tablas
de equivalencia como la que se maneja en el catálogo de aceros de IBCA.


Por ej.. un acero XW5 luego del enfriamiento en aceite puede tener dureza de 64-
66HRC que lo hacen tan frágil que prácticamente resistirían ninguna operación de
impacto por su baja tenacidad (tenacidad característica del material de soportar
impacto o esfuerzo puntuales elevados).
Para evitar esta fragilidad es necesario hacer REVENIDO.


Revenido es una operación de calentamiento a una temperatura controlada, con la
finalidad de disminuir la dureza excesiva del material, darle tenacidad y conseguir la
dureza que se requiere para la aplicación.
Para determinar la temperatura a la cual debemos elevar al acero, el fabricante ha
hecho varios ensayos que se grafican en curvas y que permiten al templador, en
forma exacta disponer de la temperatura que utilizará. Para ej. tenemos la siguiente
curva del acero DF2, podemos decir que el material estaría listo para poder entrar en
una etapa de rectificado, antes de la puesta en producción.
CEMENTACIÓN: Persigue un objetivo similar al temple, que es el endurecimiento,
pero en este caso no se realiza en toda la sección del material, sino en una capa
superficial que no supera 1 mm de espesor.
Se aplica a aceros que tienen ≤0.20 %C, como nuestros aceros 7210, 147-M y 1018.
Esto se da en medios sólidos como el carbón vegetal, líquido como las sales de
cianuro
y gaseoso como el uso de gas propano (tecnología de DETESA).
El proceso se da por el calentamiento a la temperatura de cementación o
carburización (donde se difunde el carbono). Posteriormente se procede a hacer el
enfriamiento en el medio que indica el fabricante.
Revenido se hace inmediatamente, para eliminar la dureza excesiva y darle más
tenacidad. Aplicable en piñonería, pines, bocines o generalmente en piezas duras de
maquinaria.
La cementación finalmente tiene dureza en la superficie del material y un núcleo
tenaz. En aceros como nuestro 7210 o 147-M se pueden lograr durezas de 58-60
HRC.


NITRURACIÓN: Similar a la cementación, se logra un endurecimiento superficial,
pero de capa mucho más delgada (0.3-0.4 mm). La condición esque el acero debe
estar pre templado (como nuestros 705 o 709).Los aceros deben tener por lo menos
Cr-Al-Mo en su composición química y los aceros que pueden nitrurarse son XW5,
XW41, 8407, 705, 709 y 718. La capa nitratado puede ser dar diferentes durezas
dependiendo del tipo de acero, por ej. aceros como 8407, XW41 o XW5 pueden
lograr durezas superiores a 65 HRC. 705, 709, 718 puede lograr como máximo 54
HRC.
Los aceros inoxidables no deben nitrurarse, ya que pierden resistencia a la corrosión.
Los materiales que no están en el grupo de nitrurables, no logran efecto de
endurecimiento.
RECOCIDOS: Normalmente su objetivo es ablandamiento, pero cierto tipos son
aplicables para alivios de tensiones:
El recocido como tal sirve para el ablandamiento de los aceros que por algún motivo
están endurecidos y se requiere dejarlos en baja dureza para por ej. una operación
de mecanizado. Posterior se puede volver a hacer un tratamiento de endurecimiento,
pero una Planta como DETESA no podrá dar garantía ya que los materiales que son
continuamente calentados tienden a sufrir fatiga térmica y puede haber problemas de
fisuras deformaciones. El recocido de alivio de tensiones se usa como su nombre
indica, para aliviar las tensiones producidas por:
1. Mecanizado: cuando se desbasta más del 30% del material en bruto.
Tiene como objetivo de que al realizarlo se presentarán las deformaciones, previo a
la operación final de mecanizado, así:
- Mecanizado de desbaste
- Alivio de tensiones
- Mecanizado de acabado + tolerancia para absorber las deformaciones producidas
por el tratamiento térmico.
- Tratamiento térmico
- Rectificado, el cual se puede realizar debido a la tolerancia que se dejó previo
tratamiento térmico
- Puesta en producción
- Nota recordatoria: Para lo que es nitruración gaseosa, se sugiere en forma
obligatoria que se haga un alivio de tensiones, previo a dejar la medida final, caso
contrario a la temperatura de nitruración se presentarán deformaciones.


2. Por operación de soldadura: Cuando se suelda un acero especial, se debe
homogenizar la estructura afectada por el calor, para evitar fragilidad y baja
resistencia mecánica ante una carga elevada.

ACEROS GRADO HERRAMIENTA PARA TRABAJO EN FRÍO:

Son aquellos que nos sirven para operaciones de corte y conformado en frío, como
cizallas, cuchillas, matrices de corte, punzones de corte, cuchillas de dobladoras,
rodillos de conformado, rodillos guías, etc. Estos aceros principalmente trabajan
sobre metal, madera y plástico, por ej: latas para atún, cuchillas de conformado de
madera o molinos de plástico (trituración).
La principal función de estos aceros es trabajar generalmente con durezas altas, que
generan una gran resistencia al desgaste, combinada con la tenacidad que se
requiere para el trabajo a efectuar, sin embargo, la dureza será obtenida de
experiencia del usuario, quien determinará la mejor combinación dureza-tenacidad,
en base a la experiencia de su trabajo

Estos aceros para poderlos escoger, se lo debe hacer principalmente en base de 2
parámetros que son: Resistencia al desgaste y tenacidad.

Con estas condiciones, la selección se facilita, ya que por ej. si se requiere cortar
material fino, la cantidad de impacto será mínima, por lo que se requerirá entonces


tener un material de alta resistencia al desgaste y caso contrario, si el material es
grueso, tendremos que generar un gran esfuerzo que puede estar combinado con
impacto, en este caso se requerirá un acero de alta tenacidad.
Otra forma de dar tenacidad a un acero, es bajando su dureza, por ej. Un acero XW5
con 60 HRC será más resistente al desgaste que el mismo acero pero con 50 HRC,
pero a 50 HRC el acero será más tenaz que a 60 HRC.
Normalmente en nuestro medio para aplicaciones de corte de material fino se ha
logrado buenos resultados con 58 HRC.
Si las aplicaciones que se requieren no tienen poder de impacto, siempre se sugerirá
tener la mayor dureza posible para generar la mejor resistencia al desgaste.
Ej. de aplicaciones:
1. Corte de lata para atún: Normalmente se está utilizando XW5 o XW41 con valores
de dureza de 58 HRC.
2. Corte de chapa para construir cocinas, normalmente se utiliza XW5 o XW41 con 58
HRC.
3. Rodillos de conformado para fabricación de tubos de acero de bajo carbono, o
techos metálicos, normalmente se está utilizando XW41 con valores de dureza de 58-
60 HRC.
4. Cuchillas para corte de plancha negra gruesa ha dado buenos resultados Calmax
con durezas entre 54-58 HRC. Recordemos que mientras menos dureza tendremos
mayor tenacidad.
ACEROS PARA MOLDES DE PLÁSTICO: Como su nombre lo indica, estos aceros
son usados para fabricar moldes para los distintos elementos plásticos que a diario
vemos. Normalmente su principal característica es la pulibilidad seguida de
resistencia al desgaste producida por el plástico.


718: Es un acero bonificado (templado y revenido) que algunos lo conocen como
acero P20, debido a la norma americana AISI. Tiene una excelente pulibilidad y se lo
puede trabajar en el estado de suministro (tornear, fresar, etc.). Su dureza bordea los
310 HB, por lo que tiene una dureza similar a la de los aceros 705 y 709.
Si se requiere una dureza mayor, puede ser factible la nitruración, por lo que la
dureza máxima que podría alcanzar sería de 53-54 HRC. Puede trabajar con
plásticos que no sean corrosivos (el cliente normalmente podrá respondernos esa
pregunta, ya que por ej. corrosivos son el PVC, acetatos, etc). Otra forma de


endurecerlos sería con temple por llama, pero ello requiere entonces una gran
experiencia para no dañar al acero.
STAVAX: Es un acero inoxidable (AISI 420), que tiene una alta pureza y por tanto se
lo utiliza para moldes de plástico. Tiene las siguientes características:
Posee la mejor capacidad de pulibilidad de todos los aceros para moldes de
plástico que manejamos.
Es un acero que deja el mejor acabado en el producto final.
Para obtener su característica real de inoxidable en todo su potencial, es
recomendable hacer tratamiento térmico de temple. En nuestro medio los clientes lo
usan, tal y como lo vendemos (en estado de suministro), no logrando con ello 100%
de las propiedades de inoxidable.
Es obligatorio el uso para cuando se trabaje con plásticos corrosivos como PVC.
En este caso, normalmente los clientes sabe de lo corrosivo o no de los plásticos a
manejar.
La dureza máxima que se puede lograr con Stavax es 52-54 HRC, lo cual es
suficiente para el trabajo con plásticos.
PRODAX: Nuestro duraluminio para moldes de plástico. Es un aluminio con adiciones
de níquel, cromo, hierro, etc. Estos metales le dan la dureza característica de este
material, así como el alto nivel de pulibilidad que posee.
Su principal aplicación está en moldes para soplado, principalmente para botellas,
como las de agua o bebidas gaseosas.
Otros tipos de materiales de moldes de plástico que se pueden usar son Calmax y
8407. La aplicación básica sería para moldes para temple, en donde prevalece la
resistencia al desgaste y disminuye la necesidad de excelencia en el acabado.

ACEROS PARA TRABAJO EN CALIENTE:
Son aceros que normalmente van a trabajar a alta temperatura. Ideal par atrabajo con
metales calientes en inyección, forja, extrusión, etc.
IBCA tiene en stock el acero 8407 (Orvar Supreme) (AISI H13), que normalmente
puede trabajar con buen rendimiento con metales como zamak, zinc y aluminio.


ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables son aleaciones ferro-cromo con un mínimo de 11% de
cromo.
El agregado de otros elementos a la aleación permite formar un amplio
conjunto de materiales, conocidos como la familia de los aceros inoxidables.
Entre los elementos de aleación, dos se destacan: el cromo, elemento presente
en todos los aceros inoxidables por su papel en la resistencia a la corrosión y el
níquel por la memoria en las propiedades mecánicas.La siguiente es una visión
panorámica de la familia de los aceros inoxidables, sus principales
características y aplicaciones.

ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS

En los aceros inoxidables martensíticos, el carbono está en una concentración
tal, que permite la formación de austenita a altas temperaturas, que a su vez se
transforma en martensita durante el enfriamiento.La martensita es una fase rica
en carbono, frágil y extraordinariamente dura. magnéticos y endurecibles por
tratamiento térmico, presentando cuando templados una micro estructura
acicular (en forma de agujas).Es importante observar que estos aceros son


normalmente producidos por la industria siderúrgica en estado recocido, con
ductilidad razonablemente buena. Solamente después de templados serán muy
duros y poco dúctiles. Pero es precisamente en esta condición (templados),
que serán resistentes a la corrosión.El más utilizado de los aceros inoxidables
martensíticos es el Tipo 420. En estado recocido (estructura ferrítica), no
presenta buen comportamiento frente a la corrosión atmosférica. Esto porque
durante la operación de recocido, a una temperatura aproximada de 760 ºC, el
carbono y el cromo se combinan para formar carburos de cromo, Cr23C6.
Cada molécula de carburo de cromo contiene, en peso, aproximadamente 95%
de cromo. Considerando el alto tenor de carbono y el bajo tenor de cromo del
acero inoxidable 420 (aproximadamente 0,35%C y 12,50% Cr), como todo el
carbono precipita como carburo de cromo durante el recocido, esta
precipitación retirará de la solución sólida aproximadamente la mitad del cromo
disponible. En esta condición el material no resiste a la corrosión y no puede
ser considerado propiamente como un acero inoxidable (ya que no tiene un
mínimo de 11% de cromo en solución sólida).Por eso, el acero inoxidable 420,
es colocado en servicio por el usuario, solamente después de un tratamiento de
temple. Cuando templado, el carbono forma parte de la fase martensítica, no
siendo encontrado en la aleación precipitado como carburo de cromo.
La alta dureza y la consecuente resistencia al desgaste, determinan las
aplicaciones de este material, utilizado en cuchillería, discos de freno, equipos
quirúrgicos, odontológicos y turbinas.Si la cantidad elevada de carbono es un
inconveniente en el acero inoxidable 420 en estado recocido, una solución
lógica es la de disminuir este tenor, lo que se hace en el inoxidable Tipo 410.
Como este material tiene un máximo de 0,15% de carbono, esta cantidad no es
suficiente para remover tanto cromo de la solución sólida y, consecuentemente,
presenta una buena resistencia a la corrosión atmosférica, tanto en la condición
de recocido como de templado.Después del tratamiento de temple, las durezas
alcanzadas por este material no son tan altas como las presentadas por el
inoxidable 420. Las principales aplicaciones del inoxidable 410 son en equipos
para refinación de petróleo, válvulas, componentes de bombas y cuchillería.
Aumentando la cantidad de azufre se obtiene el inoxidable 420 F, una variedad
del 420, con buena maquinabilidad.Adiciones de carbono (para obtenerse
durezas todavía mayores) y de cromo y molibdeno (mejorando también la


resistencia a la corrosión) nos llevan a los aceros inoxidables martensíticos
Tipo 440, utilizados en cuchillos de corte profesional.

ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS

Los aceros inoxidables ferríticos también son magnéticos. A pesar de tener una
menor cantidad de carbono que los martensíticos, se tornan parcialmente
austeníticos a altas temperaturas y consecuentemente precipitan martensita
durante el enfriamiento. Puede decirse que son parcialmente endurecibles por
tratamiento térmico.Los aceros inoxidables ferríticos contienen, de un modo
general, un tenor de cromo superior al de los martensíticos. Este aumento en la
cantidad de cromo mejora la resistencia a la corrosión en diversos medios, pero
sacrifica en parte otras propiedades, como la resistencia al impacto.
El más utilizado de los aceros inoxidables ferríticos es el Tipo 430, que
contiene 16 a 18% de cromo y un máximo de 0,12% de carbono. Entre sus
aplicaciones, se puede mencionar: cubiertos, vajillas, cocinas, piletas,
monedas, revestimientos, mostradores frigoríficos. Uno de los mayores
problemas del inoxidable 430 es la pérdida de ductilidad en las regiones
soldadas, que normalmente son frágiles y de menor resistencia a la corrosión.
El elevado crecimiento del tamaño de grano, la formación parcial de martensita
y la precipitación de carbonitruros de cromo, son las principales causas
generadoras de este problema. Para enfrentar este inconveniente, se adiciona
titanio y/o niobio, como estabilizadores del carbono. Los Tipos 409, 430 Ti y
430 Nb son muy utilizados, principalmente en silenciadores y escapes de
automóviles.
El aluminio se utiliza también como un estabilizador de ferrita. El inoxidable
405, con aluminio entre 0,10 y 0,30% es muy utilizado en la fabricación de
estructuras que no podrán ser recocidas después de la operación de soldado.
El aumento en el tenor de azufre, permite mejorar la maquinabilidad, en el Tipo
430 F.

ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS

Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos y no pueden ser
endurecidos por tratamiento térmico. Son muy dúctiles y presentan excelente


soldabilidad.
El inoxidable austenítico más popular es el Tipo 304, que contiene básicamente
18% de cromo y 8% de níquel, con un tenor de carbono limitado a un máximo
de 0,08%. Tiene gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de
alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte..
En determinados medios, especialmente en aquellos que contienen iones
cloruro, el inoxidable 304 muestra propensión a una forma de corrosión llamado
corrosión por picado. Es un tipo de corrosión extraordinariamente localizada, en
la cual en determinados puntos de la superficie del material, el medio agresivo
consigue quebrar la película pasiva para después progresar en profundidad.
equipo fuera de servicio .La corrosión por rendijas, puede ser considerada
como una corrosión por picado artificial. El aspecto es frecuentemente
semejante al de la corrosión por picado y el proceso de crecimiento es también
autocatalítico. Pero, la existencia de una rendija es necesaria para la
ocurrencia del fenómeno, lo que no sucede en la corrosión por picado. Los
mismos medios capaces de provocar la corrosión por picado, promueven la
corrosión por rendijas en los aceros inoxidables. El molibdeno es introducido
como elemento de aleación en los aceros inoxidables precisamente para
disminuir la susceptibilidad a estas formas de corrosión. La presencia de
molibdeno permite la formación de una capa pasiva más resistente y en casos
en que el inoxidable 304 no resiste a la acción de determinados medios,
corroyendo por picado o por rendijas, los inoxidables 316 y 317 constituyen una
excelente solución. Son aceros con gran utilización en las industrias químicas,
de alcohol, petroquímicas, de papel y celulosa, en la industria petrolífera,
industrias textil y farmacéutica.Cuando están sometidos por algún tiempo a las
temperaturas entre 450 y 850 ºC, los aceros inoxidables austeníticos están
sujetos a la precipitación de carburos de cromo en sus contornos de granos, lo
que los torna sensibilizados. Esta precipitación abundante de carburos, la
sensibilización, resulta en la disminución del tenor de cromo en las regiones
vecinas a los bordes, regiones que tienen así su resistencia a la corrosión
drásticamente comprometida, tornando el material susceptible a la corrosión
intergranular en ciertos medios. Las zonas térmicamente afectadas por
operaciones de soldado son particularmente sensibles a esta forma de
corrosión, ya que durante el ciclo térmico de soldado parte del material es


mantenido en la faja crítica de temperaturas. La consideración de este
fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables austeníticos extra bajo carbono,
304L, 316L y 317L, en los cuales el tenor de carbono es controlado en un
máximo de 0,03%, quedando así extremadamente reducida la posibilidad de
sensibilización.
La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema
de la sensibilización. El titanio, adicionado como elemento de aleación, inhibe
la formación de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor
por el carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de
titanio y el cromo permanece en solución sólida. Con la misma finalidad puede
ser utilizado el niobio.Tanto el titanio como el niobio son estabilizadores del
carbono y los aceros inoxidables así obtenidos, el 321 y el 347 son conocidos
como aceros inoxidables estabilizados. El inoxidable 316 Ti es la versión
estabilizada del tipo 316. Para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y
900 ºC, los aceros inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya
que conservan mejores propiedades mecánicas en esas temperaturas que los
aceros de extra bajo carbono; notoriamente la resistencia al creep.
En el inoxidable 904 L (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), la adición de elementos de
aleación busca mejorar no sólo la resistencia al picado sino también la
resistencia a la corrosión en medios ácidos reductores. El elevado tenor de
níquel mejora también el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión.
En los casos en que se pretende una buena resistencia mecánica y no existe
gran preocupación por la corrosión intergranular, los aceros inoxidables 304H y
316H, con tenores de carbono en el rango de 0,04/0,10%, son recomendados.
La precipitación de una fina red de carburos de cromo, tan perjudicial bajo el
punto de vista de la corrosión, se torna benéfica cuando lo que interesa son las
propiedades mecánicas.Aumentos considerables en los tenores de cromo y
níquel permiten elevar la temperatura de formación de cascarilla (escamado)
de los aceros inoxidables austeníticos. El inoxidable 304 es recomendado para
trabajo al aire libre, a temperaturas inferiores a 925 ºC en servicios continuos.
En las mismas condiciones, el inoxidable 310, con cromo 24/26% y níquel
19/22%, resiste temperaturas de hasta 1150 ºC. Es un material clasificado
como acero inoxidable refractario.Grandes aumentos de níquel, llevan a las
aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el elemento con mayor presencia en el material ya


no es el hierro sino el níquel, Estos materiales no son conocidos como aceros
inoxidables sino como aleaciones a base de níquel y presentan excelente
resistencia a la corrosión en diversos medios a altas temperaturas. El elevado
tenor de níquel da también garantía de una buena resistencia a la corrosión
bajo tensión.El inoxidable 304 es un material con excelente ductilidad. Para
casos de estampado extra profundo, un aumento en el tenor de níquel permite
mejorar todavía más la ductilidad. Con esta finalidad fue desarrollado el Tipo
305.
Ligeras reducciones en el tenor de níquel disminuyen la estabilidad de la
austenita, permitiendo la aparición de martensita inducida por deformación en
frío, consiguiéndose así excelentes propiedades para aplicaciones
estructurales. Es el Tipo 301, disponible en las versiones 1/4, 1/2, 3/4 y
totalmente duro y con gran utilización en las industrias ferroviarias, de trenes
metropolitanos y de carrocerías de ómnibus.El Tipo 303 resulta del aumento
del tenor de azufre en el 304 con la finalidad de mejorar la maquinabilidad. La
ductilidad y la resistencia a la corrosión quedan comprometidas por este
aumento en la cantidad de azufre.Los aceros de la serie 200, resultan de una
substitución parcial de níquel por manganeso. Son utilizados en aplicaciones
estructurales, presentando resistencia a la corrosión inferior al 301.


RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES

Todos los aceros inoxidables contienen el cromo suficiente para darles sus
características de inoxidables. Muchas aleaciones inoxidables contienen
además níquel para reforzar aun más su resistencia a la corrosión. Estas
aleaciones son añadidas al acero en estado de fusión para hacerlo “inoxidable
en toda su masa”. Por este motivo, los aceros inoxidables no necesitan ser ni
chapeados, ni pintados, ni de ningún otro tratamiento superficial para mejorar
su resistencia a la corrosión. En el acero inoxidable no hay nada que se pueda
pelar, ni desgastar, ni saltar y desprenderse. EI acero ordinario, cuando queda
expuesto a los elementos, se oxida y se forma óxido de hierro pulverulento en
su superficie. Si no se combate, la oxidación sigue adelante hasta que el acero
esté completamente corroído.También los aceros inoxidables se oxidan, pero
en vez de óxido común, lo que se forma en la superficie es una tenue película
de óxido de cromo muy densa que constituye una coraza contra los ataques de
la corrosión. Si se elimina esta película de óxido de cromo que recubre los
aceros inoxidables, se vuelve a formar inmediatamente al combinarse el cromo


con el oxígeno de la atmósfera ambiente.El empleo de acero inoxidable estará
bajo la dependencia de las características oxidantes del ambiente. Si imperan
condiciones fuertemente oxidantes, los aceros inoxidables resultan superiores
a los metales y aleaciones más nobles. Sin embargo, en la misma familia de los
aceros inoxidables la resistencia a la corrosión varía considerablemente de un
tipo al otro. En el grupo al cromo níquel, los tipos 301 y 302 son menos
resistentes a la corrosión que los tipos 310 y 316. En el grupo más sencillo al
cromo, los tipos 405 y 410 son menos resistentes a la corrosión que los tipos
430 y 442.

La utilización de los aceros al cromo (Serie 400) para fines industriales se debe
principalmente a las condiciones de resistencia a la oxidación. Un acero al
cromo con el 12 % desarrollará una película de óxido superficial al cabo de
varias semanas de exposición a una atmósfera industrial. La película, una vez
formada, actúa como barrera contra la corrosión más pronunciada, pero si se
ha de tener en cuenta la apariencia del metal, el tipo 410 y el tipo 405 pueden
resultar objetables. El tipo 430, con el 17% de cromo, necesita varios meses
hasta que se forma la película superficial de óxido, mientras que el tipo 442,
con más del 20 % de cromo, se vuelve pasivo en la atmósfera sin que se
desarrolle una película de óxido visible. Otro procedimiento para evitar que en
condiciones semejantes se forme óxido, consiste en añadir más del 7 % de
níquel a una aleación con el 17 % o más de cromo, como son los tipos 301,
302 y 304. En atmósferas que contengan aire salino o humos procedentes de
fábricas de productos químicos, la adición de molibdeno aumenta la resistencia
a la corrosión, como es el caso con el tipo 316.Si se revisan brevemente los
recientes desarrollos experimentados por los adornos y piezas inoxidables que
se emplean en los automóviles, lo que acabamos de decir quedará ilustrado
más claramente, Los fabricantes norteamericanos de automóviles han utilizado
el tipo 430 para las molduras y adornos de la carrocería y el tipo 301 para los
taparuedas y embellecedores que son difíciles de conformar. Sin embargo, al
aumentar más cada año el uso de sales corrosivas y de abrasivos para
acelerar el deshielo de calles y carreteras durante el invierno, también los
fracasos del tipo 430 se han incrementado. En cambio, el tipo 301 para los
embellecedores ha resistido con buen éxito a los ataques de la corrosión.


CORROSION: CAUSAS Y REMEDIOS

Son cinco los riesgos que amenazan el éxito del uso de los aceros inoxidables.
Estos son: la corrosión intergranular, la corrosión por efecto galvánico, la
corrosión por contacto, la corrosión en forma de picado o de pinchazos de
alfiler, y la corrosión por fatiga. Muchos fracasos pueden ser evitados dándose
cuenta sencillamente de los riesgos involucrados y adoptando las medidas
apropiadas para eliminarlos.

1. Corrosión intergranular

Un tratamiento térmico inadecuado del acero inoxidable puede producir una
retícula de carburos en los aceros con más del 0,03 por ciento de carbono, o
sin adición de titanio. El metal que contenga tal retícula es susceptible de
corrosión intergranular que podrá ser causa de fracaso en condiciones muy
corrosivas y reducir la duración útil en muchos servicios relativamente ligeros.
Los procedimientos normales de soldadura introducen en el metal la
susceptibilidad a la precipitación de los carburos. Que el acero sea susceptible
de corrosión intergranular no significa necesariamente que será atacado por
ella. En servicio, el resultado puede ser satisfactorio. Pero la posibilidad de
corrosión intergranular deberá ser tenida en cuenta siempre que no quede
excluida según la experiencia previa. La precipitación de carburos puede ser
eliminada por uno de los tres procedimientos indicados a continuación:

a) Por recocido:

Una vez terminadas las operaciones de elaboración y de soldadura, el acero
deberá ser calentado hasta una temperatura lo suficientemente alta para
disolver los carburos, lo que es generalmente entre 1036 ºC y 1150 ºC, para
enfriarlo luego con la rapidez suficiente para evitar que se vuelva a precipitar el
carburo y utilizando para ello un chorro de aire o agua. Un tratamiento térmico
localizado en la zona inmediatamente adyacente a la soldadura no da
resultados satisfactorios. Para un recocido efectivo, toda la pieza deberá ser
calentada y apropiadamente enfriada con rapidez.


b) Utilizando acero que contenga menos de 0,03 % de carbono.

c) Utilizando un acero estabilizado:

el titanio se combina con el carbono y evitan las precipitaciones perjudiciales.
Los aceros estabilizados son necesarios para todo servicio que implique
prolongadas exposiciones a las temperaturas entre 426º C y 871 ºC.
El peligro inherente a la precipitación de carburo de cromo ha llegado a ser tan
bien conocido y tan fácilmente evitado que ocurren pocos fracasos debidos a
esta causa.

2. Corrosión galvánica

La corrosión galvánica ejerce una acción localizada que puede sobrevenir
cuando una junta de unión entre dos metales disimilares está sumergida en
una solución que puede obrar como electrolito. En un medio corrosivo, los dos
metales diferentes forman unos electrodos cortocircuitados y constituyen una
celda electroquímica. De ello resulta la disolución del electrodo anódico,
mientras que el cátodo permanece inalterable. El potencial variará según la
posición ocupada por los metales y aleaciones en el cuadro de las series
galvánicas que se acompaña.

El empleo de distintos metales en una solución corrosiva no significa que la
corrosión galvánica sea inevitable. Los factores que influencian la corrosión
galvánica incluyen:

a) Conductividad del circuito:

Tiene que existir el contacto entre metales diferentes en una solución de alta
conductividad para que se produzca el ataque galvánico.

b) Potencial entre ánodo y cátodo:

la posición que ocupa cada metal en la serie galvánica determina el potencial y
la dirección del flujo de corriente cuando se compone una celda. El metal que
ocupa la posición más alta en la serie constituye el cátodo. El otro metal es el
ánodo y, debido a ello, es el que resulta atacado por la acción de la celda. El


potencial se incrementa cuanto más apartadas unas de otras son las
posiciones ocupadas por cada metal en la serie. Los aceros inoxidables en
estado pasivo figuran en la serie justo a continuación de la plata, del grafito y
del oro. Así pues, en una solución oxidante, los aceros inoxidables pasivos
suelen constituir el cátodo, mientras que serán los otros metales los que serán
atacados. Cuando la solución es reductora, el acero inoxidable se vuelve activo
y los metales tales como el cobre y el bronce constituirán el cátodo y
acelerarán la corrosión del acero inoxidable. El acero y la fundición de hierro
ocupan puestos inferiores en la serie galvánica que el que ocupa el acero
inoxidable activo por lo que éste será atacado si se forma una célula entre ellos
y el acero inoxidable, lo mismo si están sumergidos en una solución oxidante
que en una reductora.

c) Polarización:

Este efecto es el que se produce sobre los electrodos de una celda galvánica
por el depósito sobre los mismos de los gases liberados por la corriente. La
evolución de los iones de hidrógeno puede cambiar de pasiva en activa la
superficie del acero inoxidable, acelerando así la corrosión del ánodo.

d) Areas relativas del cátodo y ánodo:

el área relativa de las superficies ejerce un efecto pronunciado sobre el daño
producido por la acción galvánica. Un pequeño ánodo con un cátodo grande
produce una corriente de elevada densidad y acelera la corrosión en el ánodo.
Deberán evitarse las pequeñas áreas del metal menos noble. No se utilizarán
piezas de sujeción de aluminio para el acero inoxidable. En cambio, el empleo
de piezas de sujeción de acero inoxidable para aluminio da resultados
satisfactorios.

e) Relación geométrica entre superficies de distintos metales:

Un borde o una esquina del metal menos noble no deberá estar en contacto
con el centro de un área de gran superficie del metal que ha de constituir el
cátodo si llega a formarse una celda galvánica.
La corrosión se atribuye frecuentemente a la acción galvánica cuando su


verdadera causa se debe efectivamente a unas condiciones anormales de
operación. Así por ejemplo, el uso de ácido clorhídrico, para sustituir un
material de limpieza normal, puede destruir la película pasiva del acero
inoxidable. En tal caso se puede formar una celda galvánica que empezará a
funcionar tan pronto como la pieza en cuestión entre en función. El volver a
proyectar y a construir una pieza que sea completamente de acero inoxidable
puede ser muy costoso y la nueva pieza proyectada puede ser difícil de
fabricar. Así pues, cuando aparentemente la acción galvánica sea la única
causa de un desperfecto en una unidad que, demostradamente, es de un buen
diseño, convendrá realizar una verificación meticulosa para cerciorarse de que
todas las condiciones de operación son normales.

3. Corrosión por contacto

El tercer riesgo es la corrosión por contacto. Una diminuta partícula de acero al
carbono, una escama de óxido, cobre u otra substancia extraña cualquiera
incrustada en el acero inoxidable puede ser suficiente para destruir la pasividad
en el punto de contacto. El ataque empieza al formarse una celda galvánica
con la partícula de material extraño como ánodo. Mientras dura la acción
electroquímica que disuelve lo contaminado, iones de hidrógeno se liberan
haciendo que el acero inoxidable se vuelva activo en el punto de contacto. La
acción de picado puede proseguir después de haber sido eliminada la partícula
extraña por haberse constituido una celda activa-pasiva entre la diminuta
superficie anódica atacada y la extensa área catódica circunvecina. Cuando las
secciones inoxidables entran en servicio deberán estar limpias de escamas de
óxido, de aceite, de pequeñas partículas metálicas procedentes de las
herramientas, troqueles e hileras, así como de todo material extraño. La
corrosión por contacto puede iniciarse al cabo de mucho tiempo de estar la
pieza en servicio si los métodos de limpieza empleados no son meticulosos.
Oxido y suciedad en los conductos de vapor, herramientas impregnadas con
acero al carbono, e inclusive aparatos de transporte sucios, pueden acarrear
substancias creadoras de corrosión por contacto hasta los recipientes de acero
inoxidable durante un período de limpieza. Unas superficies limpias y lisas, así


como la ausencia de arañazos y grietas reduce el riesgo de que se produzca
corrosión por contacto.

5. Corrosión por fatiga

La corrosión por fatiga es otro de los riesgos que han de ser eliminados. Casi
todos los metales y aleaciones, incluso el acero austenítico inoxidable, pueden
fallar al agrietarse o quebrarse debido a la corrosión por fatiga en condiciones
que impliquen esfuerzos aplicados o tensiones residuales combinadas con
agentes ligeramente corrosivos. Las soluciones de cloruro son de lo más
perjudicial al provocar el agrietamiento de los aceros inoxidables austeníticos.
El mecanismo causante de la corrosión por fatiga todavía no ha sido
determinado. Es principalmente transgranular y puede ir acompañado de
ataques de picado. Son muy susceptibles las piezas que han estado sometidas
a un fuerte trabajo en frío, pero el acero recocido puede también agrietarse
cuando se le somete a condiciones difíciles. Es más fácil que el agrietamiento
se produzca en soluciones calientes que en las frías. El tipo 315 y el tipo 317,
en la condición de recocido, ofrecen mayor resistencia al ion cloruro que el tipo
302 y el tipo 304. Pero si están bajo tensiones fuertes, pueden fallar lo mismo
en un ambiente conducente a la corrosión por fatiga.Tensiones fuertes y
débiles en el mismo elemento producen una condición que fácilmente puede
conducir a la corrosión por fatiga en presencia de cloruros. Ha sido investigado
cierto número de fracasos debidos a planchas perforadas. Las grietas en forma
de rayos que parten de los taladros son típicas del agrietamiento debido a la
corrosión por fatiga. Los productores canadienses han resuelto este problema
completamente recociendo a fondo las planchas después de taladradas.
Los aceros inoxidables, estirados, embutidos o trabajados en frío se agrietan
fácilmente en sistemas que contengan sulfuro de hidrógeno acuoso. Distintos
medios, incluso las soluciones cáusticas calientes bajo presión, han causado el
agrietamiento según ha sido informado, aunque en la mayoría de estos casos
pueden haber sido causadas por impurezas no observadas contenidas en el
cloruro.
Para eliminar completamente las tensiones internas, sin perjuicio para la
resistencia a la corrosión, se deberá recocer por encima de 926 ºC, con


enfriamiento rápido para que los carburos permanezcan en solución. Como no
es posible hacer esto con los recipientes grandes, un tratamiento de revenido a
648 º C puede ser suficiente para reducir las tensiones residuales. Este
tratamiento a 648 ºC podrá ser aplicado únicamente para los tipos 304 L, 316
L, 317 L, 321 y 347, y para estos metales tan sólo cuando se sepa que el nivel
de la tensión en el cual puede ocurrir la corrosión sea más bajo que lo que se
espera después de semejante tratamiento térmico a baja temperatura. Cuando
se utiliza acero inoxidable como forro para un recipiente de acero al carbono no
será posible aligerar las tensiones debido a que los coeficientes de expansión
son muy diferentes. Lo mismo ocurre cuando se trata de recipientes de acero
inoxidable que lleven soldados refuerzos, soportes o sujeciones de acero al
carbono.
6. Proyecto y fabricación.

Cómo reducir al mínimo la corrosión. Los fracasos debidos a la corrosión
pueden ser frecuentemente eliminados modificando apropiadamente el diseño
sin necesidad de cambiar el tipo de acero. La forma de las juntas, la
continuidad de la superficie y la concentración de las tensiones deberán ser
tomadas en consideración. Las soldaduras a tope son preferibles a las
soldaduras en solapa, y se deberán utilizar buenos métodos de soldadura. El
uso de piezas complementarias, tales como de planchas o placas de refuerzo
rodeadas de costuras o cordones de soldadura, deberá ser reducido al mínimo
ya que esto produce tensiones biaxiales difíciles de eliminar por tratamiento
térmico. Cuando se tengan que sujetar patas de acero dulce a un tanque de
acero inoxidable, se deberá soldar las patas primeramente a un asiento de
acero inoxidable que, a su vez, será soldado al fondo del tanque. Con esto se
evita la difusión del carbono en el acero inoxidable del tanque.
Todo el equipo deberá ser meticulosamente limpiado a fondo para eliminar toda
contaminación producida por óxidos, polvo de hierro, partículas procedentes de
las herramientas, fundente de soldadura, suciedades y substancias orgánicas.
Estas substancias extrañas pueden ser eliminadas limpiándolas a chorro o por
decapado. Una buena solución para el decapado consiste en el 10 por ciento
de ácido nítrico y el 1 por ciento de ácido fluorhídrico.
Un ajuste defectuoso causa tensiones al forzar las piezas para ponerlas en


posición. Cuando se fabrican piezas para una unidad que deba contener
material corrosivo, será prudente reformar las piezas que ajusten mal y
recocerlas de manera que las piezas en cuestión se ajusten limpiamente en el
recipiente. El conformar en frío, tal como el cilindrar tubos en la chapa, son
trabajos que deberían reducirse al mínimo.

DUREZA
El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más
empleados en la selección y control de calidad de los metales. Intrínsecamente
la dureza es una condición de la superficie del material y no representa ninguna
propiedad fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos
procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de
una herramienta de determinada geometría.El ensayo de dureza es simple, de
alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para
evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del
material.Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen
básicamente por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las
condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir)
la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de
factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.

2.- Dureza Vickers


La fig. nº 4 es una microfotografía, con un aumento de 50 veces, de una
superficie especular obtenida mediante un tratamiento mecánico con cepillo y
pasta de pulir. Se aprecian claramente las pequeñas cavidades y rayas con
bordes agudos, que dificultarán posteriormente las acciones de limpieza. En
cambio, en la fig. nº 5, la misma superficie electropulida muestra la ausencia de
huecos con bordes definidos. En este tipo de terminación no podrán alojarse
materiales extraños.-Por lo tanto, una superficie plana electropulida, aunque
brillante, no tendrá el aspecto especular del pulido mecánico. Sin embargo, a
nivel microscópico y sanitario, es mejor, y el usuario deberá comprender que
una superficie similar a la de un espejo, no necesariamente implica que a nivel
microscópico esté libre de imperfecciones que pueden alojar colonias de
microorganismos y/o iniciar procesos de corrosión localizada.

APLICACIONES
De acuerdo con las características del proceso de electropulido explicado
anteriormente, algunos de los posibles usuarios son:
- Industria alimenticia en general, fundamentalmente láctea, cervecera,
vitivinícola y frigorífica. Industrias químicas, del plástico, mecánicas, fotográfica,
textil y del cuero.

-Fabricantes de instrumental quirúrgico y odontológico.

-Fabricantes de máquinas y elementos para la industria papelera.
-Fabricantes de elementos ópticos, prótesis médicas, máquinas envasadoras,
accesorios marinos.

Ing. Héctor Chire Ramírez

Email: autoschiresaaqp@hotmail.com

Arequipa - Perú

Estructura cristalina del hierro y sus aleaciones

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