¿Son magnéticos el hierro fundido y el acero fundido?
El magnetismo es una de las propiedades físicas básicas de los materiales metálicos, originada por el momento magnético generado por el espín y el movimiento orbital de los electrones dentro del material. Los materiales ferromagnéticos (como el hierro, el cobalto, el níquel y sus aleaciones) presentan un fuerte magnetismo por debajo de la temperatura de Curie. El proceso de magnetización incluye dos mecanismos básicos: el movimiento de las paredes de dominio y la rotación del momento magnético. El hierro fundido y el acero fundido son los materiales de ingeniería más importantes. Sus propiedades magnéticas influyen directamente en su rendimiento en equipos electromagnéticos, sistemas mecánicos y entornos especiales.
1. ¿Es magnético el hierro fundido?
La mayoría de las fundiciones son magnéticas, pero también existen fundiciones no magnéticas (débilmente magnéticas). Que una fundición sea magnética o no depende principalmente de la composición de la aleación y del proceso de tratamiento térmico.
(1). ¿Por qué la mayoría de los hierros fundidos son magnéticos?
La razón fundamental por la que el hierro fundido es magnético es su principal componente químico: el hierro (Fe).
El hierro es un material ferromagnético:
El hierro puro en sí mismo posee un fuerte ferromagnetismo, lo que significa que es fácilmente atraído por los imanes y también puede magnetizarse.
Los componentes principales del hierro fundido:
El hierro fundido es una aleación de hierro (Fe), carbono (C) y silicio (Si), con un alto contenido de carbono (generalmente superior al 2 %). Aunque se añaden carbono y otros elementos, la matriz de hierro sigue ocupando una posición dominante absoluta, conservando así las propiedades ferromagnéticas del hierro.
Tipos comunes de hierro fundido:
La mayor parte del hierro fundido que vemos en nuestra vida diaria, como por ejemplo: bloques de motor, bases de máquinas herramienta, ollas de hierro fundido, radiadores, tuberías de alcantarillado, etc., son hierro fundido grisEn este tipo de hierro fundido, el carbono existe principalmente en forma de escamas de grafito, pero su matriz metálica sigue siendo perlita o ferrita, ambas ferromagnéticas.
Por lo tanto, si utilizas un imán común para atraer imanes comunes productos de hierro fundido, el imán podrá atraerlos firmemente.
(2). ¿Existe algún hierro fundido no magnético?
Sí, así es. Esto depende principalmente de la composición de la aleación y del proceso de tratamiento térmico del hierro fundido.
Cuando el hierro fundido se alea con grandes cantidades de elementos de aleación como níquel (Ni), cromo (Cr) y manganeso (Mn), y se somete a un tratamiento térmico especial, la estructura interna de su matriz metálica se transforma de perlita o ferrita ferromagnética a austenita no magnética (o débilmente magnética).
El hierro fundido no magnético más típico es:
Hierro fundido austenítico:
Este tipo de hierro fundido suele contener altos niveles de níquel (como el hierro fundido Ni-Resist) o manganeso.
Estos elementos de aleación estabilizan la estructura de la austenita, lo que le permite mantener su estructura austenítica incluso a temperatura ambiente.
La austenita es paramagnética, lo que significa que responde muy débilmente a los campos magnéticos y no puede ser atraída por imanes comunes.
Aplicaciones principales: Debido a su excelente resistencia a la corrosión, resistencia al calor y propiedades no magnéticas, hierro fundido austenítico Se utiliza habitualmente en bombas y válvulas químicas, equipos para la industria alimentaria y componentes que necesitan evitar interferencias magnéticas en campos magnéticos intensos.
(3). Propiedades magnéticas de diferentes hierros fundidos
(1). Propiedades magnéticas del hierro fundido gris
El grafito laminar en la fundición gris destruye la continuidad de la matriz de ferrita y dificulta el movimiento de los dominios magnéticos. Su permeabilidad magnética relativa suele estar entre 200 y 400, mucho menor que los 5000 del hierro puro. Cuanto mayores y más numerosas sean las escamas de grafito, menor será la permeabilidad magnética. La fundición gris presenta una elevada fuerza coercitiva (80-160 A/m) y grandes pérdidas por histéresis, lo que la hace inadecuada para su uso en campos magnéticos alternos.
(2). Propiedades magnéticas del hierro dúctil
El grafito esférico en hierro dúctil Tiene un pequeño efecto de ruptura en la matriz, y las propiedades magnéticas mejoran significativamente. La permeabilidad magnética relativa del hierro dúctil ferrítico puede alcanzar 800-1200, y la fuerza coercitiva se reduce a 40-80 A/m. Las propiedades magnéticas pueden mejorarse aún más optimizando la tasa de esferoidización y la estructura de la matriz. El hierro dúctil perlítico tiene una baja permeabilidad magnética y una alta fuerza coercitiva debido a la presencia de cementita.
(3). Magnetismo de fundiciones especiales
El hierro fundido austenítico (como el hierro fundido austenítico con alto contenido de níquel) es paramagnético a temperatura ambiente, con una permeabilidad magnética cercana a 1 y buenas propiedades no magnéticas. La capa blanca en la superficie del hierro fundido enfriado tiene alta coercitividad y remanencia, es resistente al desgaste pero tiene propiedades magnéticas deficientes.
2. ¿Es magnético el acero fundido?
La mayoría de los aceros fundidos de uso común son fuertemente magnéticos, pero al igual que con el hierro fundido, ajustando la composición de la aleación y realizando tratamientos térmicos específicos, se puede modificar la microestructura del acero, haciendo que pierda su magnetismo.
(1). ¿Por qué la mayoría de los aceros fundidos son fuertemente magnéticos?
La esencia del acero fundido es fundición de acero. El origen de su magnetismo es similar al del hierro fundido, pero la razón es más pura:
El componente principal es el hierro (Fe):
El acero es una aleación cuyo elemento principal es el hierro. El hierro puro es, por lo general, un material ferromagnético.
Estructura estable a temperatura ambiente:
La microestructura de lo ordinario acero carbono y acero fundido de baja aleación A temperatura ambiente, se compone principalmente de ferrita y perlita. Ambas estructuras son ferromagnéticas.
Manifestación magnética:
Por lo tanto, la mayoría de las piezas de fundición de acero que se ven en la vida cotidiana, como engranajes, ejes, anclas, desvíos ferroviarios, estructuras de edificios, etc., de maquinaria pesada, pueden ser atraídas firmemente por imanes.
(2). ¿Existe algún acero fundido no magnético?
Sí, ajustando la composición de la aleación y realizando un tratamiento térmico específico, se puede modificar la microestructura del acero, haciendo que pierda su magnetismo.
El ejemplo más típico es:
Fundiciones de acero inoxidable austenítico:
Grados representativos: CF8 (equivalente a acero forjado 304) y CF8M (equivalente a acero forjado 316) son los dos más comunes.
Función de los elementos de aleación: Este tipo de acero fundido contiene una alta proporción de cromo (Cr) y níquel (Ni) (generalmente con un contenido de níquel superior al 8%). El níquel puede estabilizar la estructura austenítica, lo que permite que se mantenga desde altas temperaturas hasta temperatura ambiente.
La austenita es paramagnética, lo que significa que responde muy débilmente a los campos magnéticos aplicados. Los imanes comunes no pueden atraerla, o solo experimentan una atracción muy débil (debido a la presencia de pequeñas cantidades de fases magnéticas).
Principales aplicaciones: Gracias a su excelente resistencia a la corrosión y sus propiedades no magnéticas, se utiliza ampliamente en bombas y válvulas químicas, equipos de procesamiento de alimentos, instrumentos médicos y componentes que deben evitar la interferencia magnética en campos magnéticos intensos (como los que se encuentran alrededor de los escáneres de resonancia magnética).
Fundiciones de acero con alto contenido de manganeso:
Grado representativo: X120Mn12 (Acero resistente al desgaste)
Características: Este acero también contiene una alta cantidad de manganeso (Mn), que es un elemento estabilizador de la austenita, lo que provoca que forme una estructura austenítica a temperatura ambiente, haciéndolo no magnético.
Aplicaciones principales: Utilizando sus propiedades no magnéticas y sus propiedades extremadamente resistentes al desgaste y a los impactos, se utiliza comúnmente en maquinaria para la minería, zapatos de pista, desvíos ferroviarios y otras aplicaciones.
(3). Propiedades magnéticas del acero fundido
1. Propiedades magnéticas de las piezas fundidas de acero al carbono
El acero fundido con bajo contenido de carbono presenta excelentes propiedades magnéticas blandas, con permeabilidades magnéticas relativas que alcanzan entre 1500 y 2000. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta la cantidad de cementita, disminuye la permeabilidad magnética y aumenta la coercitividad. Las piezas de acero fundido normalizado presentan una estructura más uniforme y mejores propiedades magnéticas que el acero fundido sin tratar.
2. Propiedades magnéticas de los aceros fundidos aleados
Las piezas fundidas de acero al silicio (con un contenido de silicio del 2.5 al 4.5 %) presentan excelentes propiedades magnéticas blandas, alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas por efecto Joule, lo que las hace ideales para motores y transformadores. Las piezas fundidas de acero al cromo-molibdeno mantienen una permeabilidad magnética moderada a la vez que mejoran su resistencia mecánica y térmica. El acero con alto contenido de manganeso (acero Hadfield) experimenta cambios en sus propiedades magnéticas tras el endurecimiento por deformación.
3. Propiedades magnéticas de las piezas fundidas de acero inoxidable
Los aceros inoxidables martensíticos (como el CA15) son ferromagnéticos y poseen una alta permeabilidad magnética. Los aceros inoxidables ferríticos también son ferromagnéticos. Los aceros inoxidables austeníticos (como el 304 y el 316) suelen ser no magnéticos o débilmente magnéticos, pero el trabajo en frío puede inducir una transformación martensítica, lo que puede generar magnetismo. Los aceros inoxidables dúplex presentan propiedades magnéticas intermedias.
3. Diferencias esenciales en las propiedades magnéticas del hierro fundido y del acero fundido.
Las diferencias magnéticas entre el hierro fundido y el acero fundido se deben principalmente a las diferencias en su composición química y microestructura. El hierro fundido suele contener un mayor contenido de carbono (2.5-4.0%), principalmente en forma de grafito, mientras que el acero fundido tiene un menor contenido de carbono (0.1-0.5%), presente como cementita. Esta diferencia fundamental conlleva diferencias significativas en sus propiedades magnéticas.
Desde el punto de vista microestructural, la morfología del grafito (en láminas, glóbulos o estructuras vermiculares) en el hierro fundido interrumpe la continuidad de la matriz de ferrita, dificultando el movimiento de los dominios magnéticos. El acero fundido, en cambio, presenta una estructura de matriz más uniforme, lo que facilita el movimiento de los dominios magnéticos. Esta diferencia estructural da como resultado que el acero fundido generalmente tenga una mayor permeabilidad magnética y una menor coercitividad.
4. Factores clave que afectan las propiedades magnéticas del hierro fundido y del acero fundido.
(1). Influencia de la composición química
El aumento del contenido de carbono reduce la permeabilidad magnética y aumenta la coercitividad. El silicio aumenta la resistividad y reduce las pérdidas por corrientes parásitas. Los elementos de impureza, como el fósforo y el azufre, suelen ser perjudiciales para las propiedades magnéticas. Los elementos de aleación afectan a las propiedades magnéticas al modificar la composición y distribución de fases.
(2). Influencia de la microestructura
La ferrita presenta las mejores propiedades magnéticas blandas, con alta permeabilidad y baja coercitividad. La cementita dentro de la perlita es una fase magnética dura que reduce la permeabilidad. La austenita es una fase no magnética. La morfología, el tamaño y la distribución del grafito desempeñan un papel decisivo en las propiedades magnéticas del hierro fundido.
(3). Influencia del tratamiento térmico
El recocido alivia las tensiones de fundición y mejora las propiedades magnéticas. La normalización refina la microestructura y aumenta la permeabilidad magnética. El temple produce martensita, lo que incrementa significativamente la coercitividad. La temperatura y el tiempo de revenido influyen en la precipitación de carburos y la recuperación de las propiedades magnéticas.
(4). Influencia del proceso de fundición
La velocidad de enfriamiento afecta la morfología del grafito y la estructura de la matriz, influyendo así en las propiedades magnéticas. Las variaciones en el espesor de la pared generan inhomogeneidades estructurales, lo que produce anisotropía en las propiedades magnéticas. Los defectos de fundición (como la contracción y la porosidad) pueden interrumpir la continuidad del circuito magnético.
5. Métodos de ensayo y caracterización magnética
(1). Ensayos magnéticos convencionales
La pesada magnética se utiliza para distinguir materiales ferromagnéticos de no magnéticos. El ensayo de partículas magnéticas aprovecha las propiedades magnéticas de los materiales para realizar ensayos no destructivos. Los fluxómetros miden la densidad de flujo magnético para el control de calidad y la clasificación de materiales.
(2). Pruebas estándar de propiedades magnéticas
Las curvas de magnetización de CC y las pérdidas de hierro de CA se miden utilizando probetas cuadradas o anulares de Epstein. Los magnetómetros de muestra vibrante (VSM) miden la magnetización de saturación y la coercitividad. Los analizadores de impedancia miden las propiedades magnéticas de alta frecuencia.
(3). Análisis de la estructura magnética microscópica
La microscopía óptica magnética de Kerr permite observar la estructura de dominios magnéticos. La microscopía electrónica de transmisión de Lorentz investiga estructuras magnéticas a nanoescala. La microscopía magnética de fuerza atómica proporciona una resolución a nivel nanométrico de las propiedades magnéticas de la superficie.
6. Magnetismo en hierro fundido y acero fundido en aplicaciones de ingeniería
1. Aplicaciones de equipos electromagnéticos
Los núcleos de los motores y transformadores requieren una alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas de hierro, y acero al silicio o Fundiciones de acero con bajo contenido de carbono Se utilizan habitualmente. Los mandriles electromagnéticos y los equipos de separación magnética requieren una alta magnetización de saturación, y a menudo se utiliza acero fundido con bajo contenido de carbono. Los dispositivos de blindaje magnético requieren una permeabilidad magnética y una magnetización de saturación determinadas.
2. Aplicaciones de sistemas mecánicos
Las cajas de engranajes y los sistemas de transmisión deben tener en cuenta los efectos de las propiedades magnéticas sobre la lubricación y el desgaste. Las herramientas y equipos no magnéticos utilizan hierro fundido austenítico o fundiciones de acero inoxidableLas bases de los instrumentos de precisión requieren materiales con estabilidad magnética.
3. Aplicaciones en entornos especiales
Los equipos de las centrales nucleares requieren materiales con bajo contenido de cobalto y propiedades magnéticas estables. Los equipos médicos (como las resonancias magnéticas) requieren materiales no magnéticos. La industria aeroespacial tiene normas estrictas para las propiedades magnéticas de los materiales.
4. Influencias magnéticas durante el procesamiento
La soldadura y el tratamiento térmico pueden alterar las propiedades magnéticas locales. Las tensiones generadas por el mecanizado afectan a las propiedades magnéticas. Las fluctuaciones de temperatura durante el uso pueden alterar las propiedades magnéticas.
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(1). Selección precisa de materiales:
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Serie de hierro fundido:
·Hierro fundido gris:
Ofrece una excelente amortiguación de vibraciones y resistencia al desgaste, es rentable y se utiliza ampliamente en bases de máquinas herramienta, bloques de motor, discos de frenoy otras aplicaciones que requieren una criba circular vibratoria.
·Hierro dúctil:
Al combinar la procesabilidad del hierro fundido con una resistencia y tenacidad que se aproximan a las del acero, es una opción ideal para sistemas de tuberías, engranajes, cigüeñalesy componentes de maquinaria pesada.
Hierro fundido resistente a la corrosión y al calor:
Su aleación especial está diseñada para entornos corrosivos y de alta temperatura (como las industrias química y metalúrgica).
Fundición de acero:
• Fundición de acero al carbono:
Alta resistencia y tenacidad, adecuadas para entornos de cargas pesadas y de impacto, como maquinaria minera, engranajes y acoplamientos.
·Fundiciones de acero de baja aleación:
Gracias a la adición de elementos de aleación, presentan propiedades mecánicas superiores y se utilizan en la generación de energía, la energía eólica y en componentes de recipientes a presión.
·Fundiciones de acero inoxidable austenítico:
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