Hierro fundidoes un grupo de aleaciones hierro-carbono con un contenido de carbono superior al 2%.Su utilidad deriva de su temperatura de fusión relativamente baja.Los componentes de la aleación afectan su color cuando se fracturan: el hierro fundido blanco tiene impurezas de carburo que permiten que las grietas pasen directamente, el hierro fundido gris tiene escamas de grafito que desvían una grieta pasajera e inician innumerables grietas nuevas a medida que el material se rompe, y el hierro fundido dúctil tiene formas esféricas. "nódulos" de grafito que impiden que la grieta siga progresando.

El carbono (C), que oscila entre el 1,8 y el 4% en peso, y el silicio (Si), entre el 1 y el 3% en peso, son los principales elementos de aleación del hierro fundido.Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como acero.

El hierro fundido tiende a ser quebradizo, a excepción de los hierros fundidos maleables.Con su punto de fusión relativamente bajo, buena fluidez, moldeabilidad, excelente maquinabilidad, resistencia a la deformación y resistencia al desgaste, los hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utilizan en tuberías, máquinas y piezas de la industria automotriz, como cilindros. culatas, bloques de cilindros y cajas de cambios.Es resistente al daño por oxidación.

Los primeros artefactos de hierro fundido datan del siglo V a. C. y fueron descubiertos por arqueólogos en lo que hoy es Jiangsu en China.El hierro fundido se utilizaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura.Durante el siglo XV, el hierro fundido se utilizó para cañones en Borgoña, Francia y en Inglaterra durante la Reforma.Las cantidades de hierro fundido utilizadas para los cañones requirieron una producción a gran escala. El primer puente de hierro fundido fue construido durante la década de 1770 por Abraham Darby III y se conoce como El Puente de Hierro en Shropshire, Inglaterra.El hierro fundido también se utilizó en la construcción de edificios.

Elementos de aleación

Las propiedades del hierro fundido se modifican añadiendo varios elementos de aleación o aleantes.Después del carbono, el silicio es el aleante más importante porque expulsa al carbono de la solución.Un bajo porcentaje de silicio permite que el carbono permanezca en solución formando carburo de hierro y la producción de hierro fundido blanco.Un alto porcentaje de silicio expulsa al carbono de la solución, formando grafito y produciendo hierro fundido gris.Otros agentes de aleación, manganeso, cromo, molibdeno, titanio y vanadio, contrarrestan el silicio, promueven la retención de carbono y la formación de esos carburos.El níquel y el cobre aumentan la resistencia y la maquinabilidad, pero no cambian la cantidad de grafito formado.El carbono en forma de grafito da como resultado un hierro más blando, reduce la contracción, la resistencia y la densidad.El azufre, en gran medida un contaminante cuando está presente, forma sulfuro de hierro, que previene la formación de grafito y aumenta la dureza.El problema del azufre es que vuelve viscoso el hierro fundido, lo que provoca defectos.Para contrarrestar los efectos del azufre, se agrega manganeso porque los dos forman sulfuro de manganeso en lugar de sulfuro de hierro.El sulfuro de manganeso es más liviano que la masa fundida, por lo que tiende a flotar fuera de la masa fundida hacia la escoria.La cantidad de manganeso necesaria para neutralizar el azufre es 1,7 × contenido de azufre + 0,3%.Si se añade más de esta cantidad de manganeso, se forma carburo de manganeso, lo que aumenta la dureza y la refrigeración, excepto en el hierro gris, donde hasta un 1% de manganeso aumenta la resistencia y la densidad.

El níquel es uno de los elementos de aleación más comunes porque refina la estructura de perlita y grafito, mejora la tenacidad e iguala las diferencias de dureza entre los espesores de las secciones.El cromo se agrega en pequeñas cantidades para reducir el grafito libre, producir frío y porque es un poderoso estabilizador de carburo;A menudo se añade níquel en conjunto.Se puede añadir una pequeña cantidad de estaño como sustituto del 0,5% de cromo.El cobre se agrega en la cuchara o en el horno, del orden de 0,5 a 2,5%, para disminuir el enfriamiento, refinar el grafito y aumentar la fluidez.Se añade molibdeno del orden de 0,3 a 1% para aumentar la refrigeración y refinar la estructura del grafito y la perlita;a menudo se agrega junto con níquel, cobre y cromo para formar hierros de alta resistencia.El titanio se añade como desgasificador y desoxidante, pero también aumenta la fluidez.Se agrega entre 0,15 y 0,5% de vanadio al hierro fundido para estabilizar la cementita, aumentar la dureza y aumentar la resistencia al desgaste y al calor.Un 0,1-0,3% de circonio ayuda a formar grafito, desoxidar y aumentar la fluidez.

En el hierro maleable fundido, se agrega bismuto, en una escala de 0,002 a 0,01%, para aumentar la cantidad de silicio que se puede agregar.En el hierro blanco, se añade boro para ayudar en la producción de hierro maleable;también reduce el efecto engrosamiento del bismuto.

Hierro fundido gris

La fundición gris se caracteriza por su microestructura grafítica, lo que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto gris.Es el hierro fundido más utilizado y el material fundido más utilizado en función del peso.La mayoría de los hierros fundidos tienen una composición química de 2,5 a 4,0% de carbono, 1 a 3% de silicio y el resto hierro.El hierro fundido gris tiene menos resistencia a la tracción y a los golpes que el acero, pero su resistencia a la compresión es comparable a la del acero con bajo y medio carbono.Estas propiedades mecánicas están controladas por el tamaño y la forma de las escamas de grafito presentes en la microestructura y pueden caracterizarse de acuerdo con las pautas dadas por la ASTM.

Hierro fundido blanco

El hierro fundido blanco muestra superficies blancas fracturadas debido a la presencia de un precipitado de carburo de hierro llamado cementita.Con un menor contenido de silicio (agente grafitizante) y una velocidad de enfriamiento más rápida, el carbono del hierro fundido blanco precipita de la masa fundida como cementita en fase metaestable, Fe.₃C, en lugar de grafito.La cementita que precipita de la masa fundida se forma como partículas relativamente grandes.A medida que el carburo de hierro precipita, extrae carbono de la masa fundida original, moviendo la mezcla hacia una más cercana a la eutéctica, y la fase restante es la austenita con menor contenido de hierro y carbono (que al enfriarse podría transformarse en martensita).Estos carburos eutécticos son demasiado grandes para proporcionar el beneficio de lo que se llama endurecimiento por precipitación (como en algunos aceros, donde precipitaciones de cementita mucho más pequeñas podrían inhibir [la deformación plástica] al impedir el movimiento de las dislocaciones a través de la matriz de ferrita de hierro puro).Más bien aumentan la dureza aparente del hierro fundido simplemente debido a su propia dureza muy elevada y a su importante fracción volumétrica, de modo que la dureza aparente puede aproximarse mediante una regla de mezclas.En cualquier caso, ofrecen dureza a costa de dureza.Dado que el carburo constituye una gran fracción del material, el hierro fundido blanco podría clasificarse razonablemente como cermet.El hierro blanco es demasiado frágil para usarse en muchos componentes estructurales, pero con buena dureza y resistencia a la abrasión y un costo relativamente bajo, encuentra uso en aplicaciones tales como superficies de desgaste (impulsor y voluta) de bombas de lodo, revestimientos de carcasa y barras elevadoras en bolas. molinos y molinos autógenos, bolas y anillos en pulverizadores de carbón y los dientes de la cuchara de excavación de una retroexcavadora (aunque el acero martensítico fundido de medio carbono es más común para esta aplicación).

Es difícil enfriar piezas fundidas gruesas lo suficientemente rápido como para solidificar la masa fundida como hierro fundido blanco por completo.Sin embargo, se puede utilizar un enfriamiento rápido para solidificar una capa de hierro fundido blanco, después de lo cual el resto se enfría más lentamente para formar un núcleo de hierro fundido gris.La fundición resultante, llamadafundición enfriada, tiene las ventajas de una superficie dura con un interior algo más resistente.

Las aleaciones de hierro blanco con alto contenido de cromo permiten fundir en arena piezas fundidas masivas (por ejemplo, un impulsor de 10 toneladas), ya que el cromo reduce la velocidad de enfriamiento necesaria para producir carburos en los espesores mayores del material.El cromo también produce carburos con una impresionante resistencia a la abrasión.Estas aleaciones con alto contenido de cromo atribuyen su dureza superior a la presencia de carburos de cromo.La forma principal de estos carburos son los eutécticos o primarios M.₇C₃carburos, donde "M" representa hierro o cromo y puede variar según la composición de la aleación.Los carburos eutécticos se forman como haces de varillas hexagonales huecas y crecen perpendicularmente al plano basal hexagonal.La dureza de estos carburos está dentro del rango de 1500-1800HV.

Hierro fundido maleable

El hierro maleable comienza como una fundición de hierro blanco que luego se trata térmicamente durante uno o dos días a aproximadamente 950 °C (1740 °F) y luego se enfría durante uno o dos días.Como resultado, el carbono del carburo de hierro se transforma en grafito y ferrita más carbono (austenita).El lento proceso permite que la tensión superficial forme el grafito en partículas esferoidales en lugar de escamas.Debido a su menor relación de aspecto, los esferoides son relativamente cortos y están lejos unos de otros, y tienen una sección transversal más baja en comparación con una grieta o un fonón que se propaga.También tienen límites romos, a diferencia de las escamas, lo que alivia los problemas de concentración de tensiones que se encuentran en el hierro fundido gris.En general, las propiedades del hierro fundido maleable se parecen más a las del acero dulce.Existe un límite en el tamaño de una pieza que se puede fundir en hierro maleable, ya que está hecha de hierro fundido blanco.

Fundición dúctil