Hierro Fundido al Descubierto: Historia, Tipos, Propiedades y Aplicaciones Modernas

Un metal versátil, el hierro fundido tiene muchas aplicaciones únicas en el mundo comercial e industrial

La presencia del hierro en la vida cotidiana comenzó alrededor del 1200 a.C., abarcando una amplia gama de usos, desde implementos agrícolas hasta armas de guerra. Los herreros se convirtieron en una profesión crítica, trabajando el hierro para cambiar sus propiedades y dar forma a herramientas. Cada aldea y ciudad tenía una herrería, donde se producían hoces, arados, clavos, espadas, candelabros y más.

El descubrimiento del valor del hierro llevó a la Edad del Hierro, debido al dominio de este material en aplicaciones sociales y militares. Otro hito para los metales seguiría: la Revolución Industrial cambió la forma en que los metales se producían y trabajaban en productos, incluido el hierro.

Tipos de hierro

Hay dos tipos principales de hierro producidos: hierro forjado y hierro fundido. Dentro de estos, el hierro fundido incluye su propia familia de metales.

Hierro forjado

El primer tipo de hierro producido y trabajado por herreros fue el hierro forjado. Es hierro elemental virtualmente puro (Fe) que se calienta en un horno antes de ser forjado (trabajado) con martillos sobre un yunque. Martillar el hierro expulsa la mayor parte de la escoria del material y suelda las partículas de hierro entre sí.

Durante la revolución industrial y la aceleración asociada de actividades de construcción, se descubrió un nuevo uso para el hierro forjado. Su alta resistencia a la tracción (resistencia a la rotura bajo tensión) lo hizo ideal para vigas en grandes proyectos de construcción como puentes y edificios de gran altura. Sin embargo, su uso para este propósito se abandonó en gran medida a principios del siglo XX cuando se desarrollaron productos de acero con rendimiento superior al hierro para aplicaciones de construcción.

El hierro forjado se ha hecho famoso por piezas decorativas. Las iglesias de los siglos XV y XVI contienen finas piezas de hierro forjado producidas por artesanos hábiles. En el mundo moderno, barandillas, puertas y bancos todavía se fabrican de hierro forjado como piezas personalizadas.

Hierro fundido

El hierro fundido se produce fundiendo aleaciones hierro-carbono con un contenido de carbono superior al 2 %. Tras la fundición, el metal se vierte en un molde. La diferencia principal en la producción entre hierro forjado y fundido es que el hierro fundido no se trabaja con martillos y herramientas. También hay diferencias en la composición: el hierro fundido contiene 2–4 % de carbono y otras aleaciones, y 1–3 % de silicio, que mejora el rendimiento de fundición del metal fundido. Pequeñas cantidades de manganeso y algunas impurezas como azufre y fósforo también pueden estar presentes. Las diferencias entre hierro forjado y fundido también se encuentran en los detalles de la estructura química y las propiedades físicas.

Aunque tanto el acero como el hierro fundido contienen trazas de carbono y se ven similares, hay diferencias significativas. El acero contiene menos del 2 % de carbono, lo que permite que el producto final se solidifique en una única estructura microcristalina. El mayor contenido de carbono del hierro fundido significa que se solidifica como una aleación heterogénea, por lo que tiene más de una estructura microcristalina presente en el material.

Es la combinación de alto contenido de carbono y la presencia de silicio lo que da al hierro fundido su excelente fundibilidad. Se producen varios tipos de hierros fundidos usando diferentes tratamientos térmicos y técnicas de procesamiento, incluyendo hierro gris, hierro blanco, hierro maleable, hierro dúctil y hierro de grafito compactado.

Hierro gris

El hierro gris se caracteriza por la forma de escama de las moléculas de grafito en el metal. Cuando el metal se fractura, la rotura ocurre a lo largo de las escamas de grafito, lo que le da el color gris en la superficie del metal fracturado. El nombre «hierro gris» proviene de esta característica.

Es posible controlar el tamaño y la estructura de matriz de las escamas de grafito durante la producción ajustando la tasa de enfriamiento y la composición. El hierro gris no es tan dúctil como otras formas de hierro fundido y su resistencia a la tracción también es menor. Sin embargo, es un mejor conductor térmico y tiene un nivel más alto de amortiguación de vibraciones. Tiene una capacidad de amortiguación 20–25 veces superior al acero y superior a todos los demás hierros fundidos. El hierro gris también es más fácil de mecanizar que otros hierros fundidos, y sus propiedades de resistencia al desgaste lo convierten en uno de los productos de hierro fundido de mayor volumen.

Nuestros productos de paisajismo duro están hechos de hierro gris. La amortiguación de vibraciones y la resistencia al desgaste son propiedades que hacen de este el material adecuado para muchas aplicaciones viales. El hierro gris en bruto también produce una pátina que lo mantiene a salvo de la corrosión destructiva incluso en exteriores.

Hierro blanco

Con el contenido de carbono adecuado y una alta tasa de enfriamiento, los átomos de carbono se combinan con el hierro para formar carburo de hierro. Esto significa que hay pocas o ninguna molécula de grafito libre en el material solidificado. Cuando el hierro blanco se cizalla, la cara fracturada aparece blanca debido a la ausencia de grafito. La microestructura de cementita es dura y frágil con alta resistencia a la compresión y buena resistencia al desgaste. En ciertas aplicaciones especializadas, es deseable tener hierro blanco en la superficie del producto. Esto se puede lograr usando un buen conductor de calor para hacer parte del molde. Esto extraerá calor del metal fundido rápidamente en esa área específica, mientras el resto de la fundición se enfría a una tasa más lenta.

Uno de los grados más populares de hierro blanco es el Hierro Ni-Hard. La adición de aleaciones de cromo y níquel da a este producto excelentes propiedades para aplicaciones de abrasión deslizante de bajo impacto.

Los hierros blancos y Ni-Hard caen bajo una clasificación de aleaciones referida como ASTM A532; la «Especificación Estándar para Hierros Fundidos Resistentes a la Abrasión».

Hierro maleable

El hierro blanco puede procesarse further en hierro maleable mediante un proceso de tratamiento térmico. Un programa extendido de calentamiento y enfriamiento resulta en la descomposición de las moléculas de carburo de hierro, liberando moléculas de grafito libre en el hierro. Diferentes tasas de enfriamiento y la adición de aleaciones producen un hierro maleable con una estructura microcristalina.

Hierro dúctil (Hierro nodular)

El hierro dúctil, o hierro nodular, obtiene sus propiedades especiales mediante la adición de magnesio a la aleación. La presencia de magnesio hace que el grafito forme una forma esferoidal en lugar de las escamas del hierro gris. El control de composición es muy importante en el proceso de fabricación. Pequeñas cantidades de impurezas como azufre y oxígeno reaccionan con el magnesio, afectando la forma de las moléculas de grafito. Diferentes grados de hierro dúctil se forman manipulando la estructura microcristalina alrededor de la esferoide de grafito. Esto se logra a través del proceso de fundición o mediante tratamiento térmico como paso de procesamiento posterior.

Debido a que el hierro dúctil se deforma al impacto en lugar de romperse en fragmentos, usamos el material para fabricar nuestros bolardos de hierro fundido. El perfil de impacto del hierro dúctil lo hace un buen hierro fundido para bolardos cerca del tráfico vehicular.

Hierro de grafito compactado

El hierro de grafito compactado tiene una estructura de grafito y propiedades asociadas que son una mezcla de hierro gris y blanco. La estructura microcristalina se forma alrededor de escamas de grafito romas que están interconectadas. Una aleación, como el titanio, se usa para suprimir la formación de grafito esferoidal. El hierro de grafito compactado tiene una resistencia a la tracción más alta y una ductilidad mejorada comparado con el hierro gris. La estructura microcristalina y las propiedades pueden ajustarse mediante tratamiento térmico o la adición de otras aleaciones.

Resumen de composiciones de hierro fundido

Una tabla desarrollada por el Engineer's Handbook muestra los diferentes rangos de composición para los diversos tipos de hierro fundido:

TIPO DE HIERRO	CARBONO (%)	SILICIO (%)	MANGANESO (%)	AZUFRE (%)	FÓSFORO (%)
Gris	2.5–4.0	1.0–3.0	0.2–1.0	0.02–0.25	0.02–1.0
Dúctil	3.0–4.0	1.8–2.8	0.1–1.0	0.01–0.03	0.01–0.1
Grafito Compactado	2.5–4.0	1.0–3.0	0.2–1.0	0.01–0.03	0.01–0.1
Maleable (Fundido Blanco)	2.0–2.9	0.9–1.9	0.15–1.2	0.02–0.2	0.02–0.2
Blanco	1.8–3.6	0.5–1.9	0.25–0.8	0.06–0.2	0.06–0.2

Propiedades mecánicas del hierro fundido

Las propiedades mecánicas de un material indican cómo responde bajo tensiones específicas, lo que ayuda a determinar su idoneidad para diferentes aplicaciones. Las especificaciones son establecidas por organizaciones como la Sociedad Americana de Ensayo y Materiales (ASTM) para que los usuarios puedan comprar materiales con confianza de que cumplen los requisitos para su aplicación. La especificación de hierro gris fundido más común es ASTM A48.

Para calificar productos fundidos según sus especificaciones, una práctica estándar es fundir una barra de prueba junto con las fundiciones diseñadas. Las pruebas ASTM se aplican a esta barra y los resultados se usan para calificar todo el lote.

Las especificaciones también son importantes al soldar piezas de hierro fundido. La soldadura debe cumplir o superar las propiedades mecánicas del material que se suelda; de lo contrario, pueden ocurrir fracturas y fallos.

Algunas propiedades mecánicas comunes para el hierro fundido incluyen:

• Dureza – resistencia del material a la abrasión e indentación
• Tenacidad – capacidad del material para absorber energía
• Ductilidad – capacidad del material para deformarse sin fractura
• Elasticidad – capacidad del material para volver a sus dimensiones originales tras deformarse
• Maleabilidad – capacidad del material para deformarse bajo compresión sin romperse
• Resistencia a la tracción – la mayor tensión longitudinal que un material puede soportar sin romperse
• Resistencia a la fatiga – la mayor tensión que un material puede soportar para un número dado de ciclos sin romperse

Esta tabla resume algunas de las propiedades mecánicas clave para varios grados de hierro fundido. Para más información, véase «Aleaciones de Hierro», un excelente documento de referencia de la American Foundry Society.

GRADO	DUREZA BRINELL	RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (ksi)	MÓDULO DE ELASTICIDAD (Msi)	% ALARGAMIENTO (EN 50 MM)
Hierro gris clase 25	187	29.9	16.1	—
Hierro gris clase 40	235	41.9	18.2	—
Hierro dúctil grado 60-40-18	130–170	60	24.5	—
Hierro dúctil grado 129-90-02	240–300	120	25.5	—
CGI grado 250	179 máx	36.2 mín	—	3
CGI grado 450	207–269	65.2 mín	—	1

Aplicaciones comunes del hierro fundido

Las diversas propiedades de los diferentes tipos de hierro fundido resultan en que cada tipo sea adecuado para aplicaciones específicas.

Aplicaciones del hierro gris

Una de las características clave del hierro gris es su capacidad para resistir el desgaste incluso cuando el suministro de lubricación es limitado (ej. paredes superiores de cilindros en bloques de motor). El hierro gris se usa para fabricar bloques de motor y culatas, colectores, quemadores de gas, blancos de engranajes, recintos y carcasas.

Aplicaciones del hierro blanco

El proceso de enfriamiento rápido usado para hacer hierro blanco resulta en un material frágil muy resistente al desgaste y abrasiones. Por eso se usa para fabricar revestimientos de molinos, boquillas de chorro de arena, zapatas de freno ferroviario, carcasas de bombas de lodo, rodillos de laminación y trituradoras.

El Hierro Ni-Hard se usa específicamente para paletas de mezcladoras, tornillos sin fin y matrices, placas de revestimiento para molinos de bolas, tolvas de carbón y guías de alambre para estirado de alambres.

Aplicaciones del hierro dúctil

El hierro dúctil puede desglosarse en diferentes grados, cada uno con sus propias especificaciones de propiedades y aplicaciones más adecuadas. Es fácil de mecanizar, tiene buena resistencia a la fatiga y al rendimiento, al tiempo que es resistente al desgaste. Su característica más conocida, sin embargo, es la ductilidad. El hierro dúctil se usa para fabricar nudos de dirección, rejas de arado, cigüeñales, engranajes de servicio pesado, componentes de suspensión automotrices y de camiones, componentes hidráulicos y bisagras de puertas de automóviles.

Aplicaciones del hierro maleable

Diferentes grados de hierro maleable corresponden a diferentes estructuras microcristalinas. Atributos específicos que hacen atractivo al hierro maleable son su capacidad para retener y almacenar lubricantes, partículas de desgaste no abrasivas, y la superficie porosa que atrapa otros desechos abrasivos. El hierro maleable se usa para superficies de rodamiento de servicio pesado, cadenas, piñones, bielas, componentes de tren de transmisión y ejes, material rodante ferroviario, y maquinaria agrícola y de construcción.

Aplicaciones del hierro de grafito compactado

El hierro de grafito compactado comienza a hacerse presente en aplicaciones comerciales. La combinación de propiedades de hierro gris y blanco crea un producto de alta resistencia y alta conductividad térmica, adecuado para bloques de motor diésel y bastidores, camisas de cilindro, discos de freno para trenes, colectores de escape y platos de engranajes en bombas de alta presión.

Mecanizado y acabado

Las propiedades de dureza del hierro fundido exigen una cuidadosa selección de materiales de herramientas de máquina. Los carburos recubiertos son efectivos en entornos de mecanizado de producción, pero se desarrollan continuamente materiales más nuevos a medida que mejora la tecnología.

El acabado superficial de productos de hierro fundido varía mucho según el uso. Algunas aplicaciones comunes:

• Electrodeposición
• Inmersión en caliente
• Pulverización térmica
• Recubrimiento por difusión
• Recubrimiento de conversión
• Esmalte de porcelana
• Recubrimiento orgánico líquido
• Recubrimiento orgánico en polvo seco

El hierro fundido y el futuro

Desde su uso temprano hace más de 3 000 años, el hierro ha permanecido como parte integral de la sociedad humana. La producción de hierro ha recorrido un largo camino desde los siglos de trabajo por herreros hasta la invención del hierro fundido en la era industrial.

Desde entonces, el hierro forjado se ha vuelto prácticamente obsoleto excepto para usos decorativos. En contraste, el hierro fundido sigue progresando en términos de composición, microestructura y propiedades mecánicas, continuando su huella en el mundo moderno.

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