Ferro fundidoé un grupo de aliaxes ferro-carbono cun contido de carbono superior ao 2%.A súa utilidade deriva da súa temperatura de fusión relativamente baixa.Os constituíntes da aliaxe afectan á súa cor cando se fracturan: a fundición branca ten impurezas de carburo que permiten que as gretas pasen directamente, a fundición gris ten escamas de grafito que desvían unha greta que pasa e inician innumerables novas fisuras cando o material se rompe, e a fundición dúctil ten forma esférica. "nódulos" de grafito que impiden que a fenda siga avanzando.

O carbono (C) que varía de 1,8 a 4% en peso, e o silicio (Si) 1-3% en peso, son os principais elementos de aliaxe do ferro fundido.As aliaxes de ferro con menor contido de carbono coñécense como aceiro.

O ferro fundido adoita ser fráxil, excepto os ferros fundidos maleables.Co seu punto de fusión relativamente baixo, boa fluidez, fundición, excelente maquinabilidade, resistencia á deformación e resistencia ao desgaste, os ferros fundidos convertéronse nun material de enxeñería cunha ampla gama de aplicacións e utilízanse en tubos, máquinas e pezas da industria do automóbil, como cilindros. culatas, bloques de cilindros e caixas de cambios.É resistente ao dano pola oxidación.

Os primeiros artefactos de ferro fundido datan do século V a. C. e foron descubertos polos arqueólogos no que hoxe é Jiangsu en China.O ferro fundido utilizábase na antiga China para a guerra, a agricultura e a arquitectura.Durante o século XV, o ferro fundido utilizouse para canóns en Borgoña, Francia e en Inglaterra durante a Reforma.As cantidades de ferro fundido utilizadas para os canóns requirían unha produción a gran escala. A primeira ponte de ferro fundido foi construída durante a década de 1770 por Abraham Darby III, e coñécese como The Iron Bridge en Shropshire, Inglaterra.Tamén se utilizou o ferro fundido na construción de edificios.

Elementos de aliaxe

As propiedades do ferro fundido cámbianse engadindo varios elementos de aliaxe ou aliantes.Xunto ao carbono, o silicio é o aliante máis importante porque forza o carbono a saír da solución.Unha baixa porcentaxe de silicio permite que o carbono permaneza en solución formando carburo de ferro e a produción de fundición branca.Unha alta porcentaxe de silicio obriga o carbono a saír da solución formando grafito e a produción de fundición gris.Outros axentes de aliaxe, manganeso, cromo, molibdeno, titanio e vanadio contrarrestan o silicio, favorecen a retención de carbono e a formación deses carburos.O níquel e o cobre aumentan a resistencia e a maquinabilidade, pero non cambian a cantidade de grafito formado.O carbono en forma de grafito dá como resultado un ferro máis brando, reduce a contracción, reduce a resistencia e diminúe a densidade.O xofre, en gran parte contaminante cando está presente, forma sulfuro de ferro, que impide a formación de grafito e aumenta a dureza.O problema do xofre é que fai viscoso o ferro fundido, o que provoca defectos.Para contrarrestar os efectos do xofre, engádese manganeso porque os dous se forman en sulfuro de manganeso en lugar de sulfuro de ferro.O sulfuro de manganeso é máis lixeiro que o fundido, polo que tende a flotar fóra do fundido e na escoura.A cantidade de manganeso necesaria para neutralizar o xofre é de 1,7 × contido de xofre + 0,3%.Se se engade máis que esta cantidade de manganeso, fórmase carburo de manganeso, o que aumenta a dureza e o arrefriamento, excepto no ferro gris, onde ata un 1% de manganeso aumenta a resistencia e a densidade.

O níquel é un dos elementos de aliaxe máis comúns porque refina a estrutura de perlita e grafito, mellora a tenacidade e iguala as diferenzas de dureza entre os espesores de sección.Engádese cromo en pequenas cantidades para reducir o grafito libre, producir frío e porque é un poderoso estabilizador de carburo;níquel adoita engadirse en conxunto.Pódese engadir unha pequena cantidade de estaño como substituto do 0,5% de cromo.O cobre engádese na cuncha ou no forno, na orde do 0,5-2,5%, para diminuír o arrefriamento, refinar o grafito e aumentar a fluidez.Engádese molibdeno na orde do 0,3-1% para aumentar o frío e refinar a estrutura de grafito e perlita;adoita engadirse xunto con níquel, cobre e cromo para formar ferros de alta resistencia.O titanio engádese como desgasificador e desoxidante, pero tamén aumenta a fluidez.Engádese 0,15-0,5% de vanadio ao ferro fundido para estabilizar a cementita, aumentar a dureza e aumentar a resistencia ao desgaste e á calor.0,1-0,3% de circonio axuda a formar grafito, desoxidarse e aumentar a fluidez.

Nas fontes de ferro maleable, engádese bismuto, nunha escala de 0,002-0,01%, para aumentar a cantidade de silicio que se pode engadir.No ferro branco, engádese boro para axudar na produción de ferro maleable;tamén reduce o efecto de engrosamento do bismuto.

Ferro fundido gris

A fundición gris caracterízase pola súa microestrutura gráfica, que fai que as fracturas do material teñan un aspecto gris.É a fundición máis utilizada e o material de fundición máis utilizado en función do peso.A maioría dos ferros fundidos teñen unha composición química de 2,5-4,0% de carbono, 1-3% de silicio e o resto de ferro.O ferro fundido gris ten menos resistencia á tracción e resistencia aos choques que o aceiro, pero a súa resistencia á compresión é comparable ao aceiro de baixo e medio carbono.Estas propiedades mecánicas están controladas polo tamaño e forma das escamas de grafito presentes na microestrutura e pódense caracterizar segundo as directrices dadas pola ASTM.

Ferro fundido branco

O ferro fundido branco presenta superficies brancas fracturadas debido á presenza dun precipitado de carburo de ferro chamado cementita.Cun menor contido de silicio (axente de grafitización) e unha velocidade de arrefriamento máis rápida, o carbono do ferro fundido branco precipita fóra do fundido como a cementita de fase metaestable, Fe.₃C, en lugar de grafito.A cementita que precipita da fusión fórmase como partículas relativamente grandes.A medida que o carburo de ferro precipita, retira o carbono do fundido orixinal, movendo a mestura cara a outra máis próxima á eutéctica, e a fase restante é a austenita de ferro e carbono inferior (que ao arrefriarse pode transformarse en martensita).Estes carburos eutécticos son demasiado grandes para proporcionar o beneficio do que se denomina endurecemento por precipitación (como nalgúns aceiros, onde precipitados de cementita moito máis pequenos poden inhibir [a deformación plástica] ao impedir o movemento das dislocacións a través da matriz de ferrita de ferro puro).Pola contra, aumentan a dureza a granel do ferro fundido simplemente en virtude da súa propia dureza moi alta e da súa fracción de volume substancial, de xeito que a dureza a granel pode ser aproximada mediante unha regra de mesturas.En calquera caso, ofrecen dureza a costa da dureza.Dado que o carburo constitúe unha gran fracción do material, o ferro fundido branco podería razoablemente clasificarse como cermet.O ferro branco é demasiado fráxil para o seu uso en moitos compoñentes estruturais, pero cunha boa dureza e resistencia á abrasión e un custo relativamente baixo, atopa uso en aplicacións como as superficies de desgaste (impulsor e voluta) de bombas de purín, revestimentos de casca e barras de elevación en bola. muíños e molinos autóxenos, bolas e aneis en pulverizadores de carbón e os dentes do cubo de excavación dunha retroescavadora (aínda que o aceiro martensítico de carbono medio fundido é máis común para esta aplicación).

É difícil arrefriar as fundicións grosas o suficientemente rápido como para solidificar o fundido como ferro fundido branco todo o camiño.Non obstante, pódese usar un arrefriamento rápido para solidificar unha casca de ferro fundido branco, despois do cal o resto arrefría máis lentamente para formar un núcleo de fundición gris.A fundición resultante, chamada afundición fría, ten as vantaxes dunha superficie dura cun interior algo máis resistente.

As aliaxes de ferro branco con alto contido de cromo permiten que as fundicións masivas (por exemplo, un impulsor de 10 toneladas) sexan fundidas en area, xa que o cromo reduce a velocidade de arrefriamento necesaria para producir carburos a través dos maiores espesores de material.O cromo tamén produce carburos cunha impresionante resistencia á abrasión.Estas aliaxes ricas en cromo atribúen a súa dureza superior á presenza de carburos de cromo.A forma principal destes carburos son o eutéctico ou primario M₇C₃carburos, onde "M" representa ferro ou cromo e pode variar dependendo da composición da aliaxe.Os carburos eutécticos fórmanse como feixes de varillas hexagonais ocas e medran perpendicularmente ao plano basal hexagonal.A dureza destes carburos está dentro do rango de 1500-1800HV.

Fundición maleable

O ferro maleable comeza como unha fundición de ferro branco que despois se trata térmicamente durante un ou dous días a uns 950 °C (1.740 °F) e despois se arrefría durante un ou dous días.Como resultado, o carbono do carburo de ferro transfórmase en grafito e ferrita máis carbono (austenita).O proceso lento permite que a tensión superficial forme o grafito en partículas esferoidais en lugar de escamas.Debido á súa menor relación de aspecto, os esferoides son relativamente curtos e afastados uns dos outros, e teñen unha sección transversal máis baixa fronte a unha fenda ou fonón que se propaga.Tamén teñen límites contundentes, en oposición aos flocos, o que alivia os problemas de concentración de tensión que se atopan na fundición gris.En xeral, as propiedades do ferro fundido maleable parécense máis ás do aceiro suave.Hai un límite para o tamaño dunha peza que se pode fundir en fundición maleable, xa que está feita de fundición branca.

Fundición dúctil