Los metales ferrosos

Los metales ferrosos, definidos como aquellos cuya composición principal es el hierro (Fe), son el grupo de materiales más importante para la civilización industrial contemporánea. Esta categoría abarca el hierro puro, las fundiciones o hierros fundidos y, fundamentalmente, el acero. La hegemonía de estos materiales se basa en la combinación imbatible de abundancia mineral (principalmente hematita, magnetita y siderita), bajo costo de producción masiva y la extrema versatilidad de sus propiedades mecánicas, que pueden ser finamente ajustadas mediante aleación. El hierro puro es un metal de transición relativamente blando, dúctil y fuertemente ferromagnético. Sin embargo, es su capacidad para disolver otros elementos lo que desbloquea su potencial.

El elemento de aleación fundamental es el carbono (C). Su porcentaje define la línea divisoria entre el acero (con menos del 2.06% de carbono) y la fundición (con más del 2.06% de carbono). El carbono se inserta en la matriz cristalina del hierro, aumentando la dureza, la rigidez y la templabilidad. El acero, al ser una aleación de carbono, es maleable y puede ser trabajado en caliente y mediante tratamientos térmicos de endurecimiento, mientras que la fundición, por su alto contenido de carbono, tiene un punto de fusión más bajo, es ideal para el moldeo, pero resulta inherentemente más frágil y menos dúctil.

El hierro puro, en estado elemental, es un metal de transición blando, dúctil y maleable, con una dureza de aproximadamente 4 en la escala de Mohs. Es fuertemente ferromagnético, una propiedad que comparte con el cobalto y el níquel. Sin embargo, en ingeniería, el hierro puro rara vez se utiliza debido a sus pobres propiedades estructurales. Su verdadera utilidad reside en su capacidad para formar aleaciones, en particular con el carbono (C).

La adición de carbono al hierro crea dos familias de materiales cruciales: el acero y la fundición. El acero es la aleación de hierro y carbono que contiene menos del 2.06% de carbono (típicamente entre 0.05% y 1.5%). El carbono se disuelve en la matriz de hierro, creando una estructura que es significativamente más dura, más rígida y más resistente que el hierro puro, permitiendo que sea tratado térmicamente para alcanzar niveles de dureza muy altos. La gran mayoría del acero producido es acero al carbono, que puede ser clasificado en bajo, medio o alto carbono dependiendo de su porcentaje.

Por su parte, las fundiciones, también conocidas como hierros fundidos, son aleaciones que contienen más del 2.06% de carbono (y a menudo hasta un 4%). Este exceso de carbono no se disuelve completamente, sino que precipita como grafito o como cementita (Fe3​C), resultando en un material que tiene un punto de fusión más bajo que el acero, lo que facilita su moldeado. Aunque las fundiciones son más resistentes a la compresión que el acero, son inherentemente más frágiles y menos dúctiles.

La funcionalidad del hierro se extiende enormemente gracias a tres metales de transición que están íntimamente ligados a su procesamiento y propiedades: el manganeso (Mn), el níquel (Ni) y el cobalto (Co).

El manganeso es el estabilizador universal en la metalurgia del acero. Su función primaria es la de desoxidante y desulfurador, eliminando el oxígeno y el azufre que, de permanecer, harían al acero quebradizo y propenso a la formación de grietas en caliente. Una vez cumplida su función purificadora, el manganeso restante se integra en la aleación, aumentando la dureza, la resistencia al desgaste y mejorando la templabilidad, es decir, la capacidad del acero de endurecerse profundamente mediante tratamiento térmico.

El níquel es crucial para el desarrollo de materiales de alta tenacidad y resistencia a la corrosión. En el campo de los aceros inoxidables, el níquel (típicamente entre 8% y 12%) estabiliza la fase austenítica a temperatura ambiente. La estructura cristalina austenítica confiere al acero inoxidable una ductilidad excepcional, no magnética y una formidable resistencia a la corrosión, especialmente en entornos criogénicos. Además, el níquel es un componente esencial de las superaleaciones de base níquel-hierro, que se utilizan en la industria aeroespacial y en turbinas por su capacidad de mantener la resistencia mecánica a temperaturas extremas.

El cobalto es el aleante que imparte la notable propiedad de la dureza en caliente. Aunque es más caro que sus homólogos ferrosos, el cobalto es indispensable en los aceros rápidos y en las herramientas de corte de alto rendimiento. Cuando las herramientas de corte trabajan a gran velocidad, la fricción genera temperaturas elevadísimas que harían que otros aceros perdieran rápidamente su dureza. El cobalto mitiga este efecto, permitiendo que la herramienta mantenga su filo y su integridad estructural bajo un estrés térmico intenso.

La principal debilidad inherente a los metales ferrosos es su reactividad y, por tanto, su marcada susceptibilidad a la corrosión (herrumbre). A diferencia de metales como el titanio o el aluminio, cuyo óxido forma una capa pasiva protectora, el óxido de hierro es poroso y se desprende, permitiendo que la oxidación penetre y degrade el material.

Este problema se resuelve mediante la adición de cromo (Cr). Cuando el acero contiene un mínimo de 10.5% de cromo, este reacciona preferentemente con el oxígeno para formar una película superficial de óxido de cromo (Cr2​O3​). Esta película, densa, invisible y auto-reparable, es conocida como la capa pasiva, y es el mecanismo que confiere a los materiales su denominación de acero inoxidable. Por lo tanto, el cromo, asistido por el níquel y el manganeso, es el que permite que el hierro trascienda su limitación natural y se convierta en un material de ingeniería universalmente duradero y fiable.