Introducción al hierro fundido:historia, tipos, propiedades y usos

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 año 1200 a. C. y abarca una amplia gama de usos, desde implementos agrícolas hasta armas de guerra. Los herreros se convirtieron en una profesión crítica, trabajando con hierro para cambiar sus propiedades y convertir el material en herramientas. Cada pueblo y ciudad tendría una herrería, donde se producían hoces, arados, clavos, espadas, candelabros y más.

El descubrimiento del valor del hierro condujo a lo que se conoce como la Edad del Hierro, debido al dominio de este material en aplicaciones sociales y militares. Seguiría otro hito para los metales:la Revolución Industrial cambió la forma en que se producían y transformaban los metales en productos, incluido el hierro.

Tipos de hierro

Se producen dos tipos principales de hierro:hierro forjado y hierro fundido. Dentro de ellos, el hierro fundido incluye su propia familia de metales.

Hierro forjado

El primer tipo de hierro producido y trabajado por los 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.

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

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

Hierro fundido

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

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

Es la combinación de un alto contenido de carbono y la presencia de silicio lo que le da al hierro fundido su excelente colabilidad. Se producen varios tipos de hierros fundidos utilizando diferentes tratamientos térmicos y técnicas de procesamiento, incluidos el hierro gris, el hierro blanco, el hierro maleable, el hierro dúctil y el hierro con grafito compactado.

Hierro gris

El hierro gris se caracteriza por la forma de escamas de las moléculas de grafito en el metal. Cuando el metal se fractura, la ruptura se produce 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 la matriz de las escamas de grafito durante la producción ajustando la velocidad 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 mayor nivel de amortiguación de vibraciones. Tiene una capacidad de amortiguación de 20 a 25 veces mayor que el 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 para superficies duras están hechos de hierro gris. La amortiguación de vibraciones y la resistencia al desgaste son propiedades que hacen de este material el adecuado para muchas aplicaciones en la calle. El hierro gris crudo también produce una pátina que lo mantiene a salvo de la corrosión destructiva, incluso al aire libre.

Hierro blanco

Con el contenido de carbono correcto y una alta velocidad 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 se corta el hierro blanco, la cara fracturada aparece blanca debido a la ausencia de grafito. La estructura microcristalina de cementita es dura y quebradiza con una 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 el calor del metal fundido rápidamente de esa área específica, mientras que el resto de la fundición se enfría a un ritmo más lento.

Uno de los grados más populares de hierro blanco es Ni-Hard Iron. La adición de aleaciones de cromo y níquel otorga a este producto excelentes propiedades para aplicaciones de abrasión por deslizamiento y bajo impacto.

Los hierros blancos y los hierros ni-duros caen bajo una clasificación de aleaciones denominada ASTM A532; la "Especificación estándar para hierros fundidos resistentes a la abrasión".

Hierro maleable

El hierro blanco se puede procesar aún más en hierro maleable a través de un proceso de tratamiento térmico. Un programa extendido de calentamiento y enfriamiento da como resultado la descomposición de las moléculas de carburo de hierro, liberando moléculas de grafito libres en el hierro. Diferentes velocidades 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 se forme en forma de esferoide en oposición a las escamas de hierro gris. El control de la 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. Se forman diferentes grados de hierro dúctil manipulando la estructura microcristalina alrededor del esferoide de grafito. Esto se logra a través del proceso de fundición, o mediante tratamiento térmico, como un paso de procesamiento posterior.

Debido a que el hierro dúctil se deforma con el 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 convierte en un buen hierro fundido para bolardos cerca del tráfico de vehículos.

Hierro con 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 romas de grafito que están interconectadas. Se utiliza una aleación, como el titanio, para suprimir la formación de grafito esferoidal. El hierro de grafito compactado tiene una mayor resistencia a la tracción y una ductilidad mejorada en comparación con el hierro gris. La estructura microcristalina y las propiedades se pueden ajustar mediante tratamiento térmico o la adición de otras aleaciones.

Resumen de composiciones de hierro fundido

Una tabla desarrollada por el Manual del ingeniero muestra los diferentes rangos de composición para los distintos tipos de hierro fundido:

GAMA DE COMPOSICIONES PARA FUNDICIONES TÍPICAS SIN ALEAR
VALORES EN PORCENTAJE (%)

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 (Cast White)

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

TIPO DE HIERRO

CARBONO

Gris

2,5 – 4,0

Dúctil

3,0 – 4,0

Grafito Compactado

2,5 – 4,0

Maleable (Cast White)

2.0 – 2.9

Blanco

1.8 – 3.6

TIPO DE HIERRO

SILICIO

Gris

1.0 – 3.0

Dúctil

1.8 – 2.8

Grafito Compactado

1.0 – 3.0

Maleable (Cast White)

0,9 – 1,9

Blanco

0,5 – 1,9

TIPO DE HIERRO

MANGANESO

Gris

0,2 – 1,0

Dúctil

0.1 – 1.0

Grafito Compactado

0,2 – 1,0

Maleable (Cast White)

0,15 – 1,2

Blanco

0,25 – 0,8

TIPO DE HIERRO

AZUFRE

Gris

0,02 – 0,25

Dúctil

0,01 – 0,03

Grafito Compactado

0,01 – 0,03

Maleable (Cast White)

0,02 – 0,2

Blanco

0,06 – 0,2

TIPO DE HIERRO

FÓSFORO

Gris

0.02 – 1.0

Dúctil

0,01 – 0,1

Grafito Compactado

0,01 – 0,1

Maleable (Cast White)

0,02 – 0,2

Blanco

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 las establecen organizaciones como la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) para que los usuarios puedan comprar materiales con la confianza de que cumplen con los requisitos de su aplicación. La especificación de hierro fundido gris más utilizada es ASTM A48.

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

Las especificaciones también son importantes cuando se sueldan 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 fallas.

Algunas propiedades mecánicas comunes del hierro fundido incluyen:

• Dureza:la resistencia del material a la abrasión y las hendiduras
• Tenacidad:la capacidad del material para absorber energía
• Ductilidad:la capacidad del material para deformarse sin fracturarse
• Elasticidad:la capacidad del material para volver a sus dimensiones originales después de haber sido deformado
• Maleabilidad:la capacidad del material para deformarse bajo compresión sin romperse
• Resistencia a la tracción:la mayor tensión longitudinal que un material puede soportar sin desgarrarse
• Resistencia a la fatiga:la tensión más alta que un material puede soportar durante un número determinado de ciclos sin romperse

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

DUREZA BRINELL

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

MÓDULO DE ELASTICIDAD

% DE ELONGACIÓN (EN 50 MM)

Hierro gris clase 25

187

29,9 ksi

16,1 Msi

–

Hierro gris clase 40

235

41,9 ksi

18,2 Msi

–

Hierro dúctil grado 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24,5 Msi

–

Hierro dúctil grado 129-90-02

240 – 300

120 ksi

25,5 Msi

–

CGI grado 250

179 máx

36,2 ksi min

3

CGI grado 450

207 – 269

65,2 ksi min

1

DUREZA BRINELL

Hierro gris clase 25

187

Hierro gris clase 40

235

Hierro dúctil grado 60-40-18

130 – 170

Hierro dúctil grado 129-90-02

240 – 300

CGI grado 250

179 máx

CGI grado 450

207 – 269

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

Hierro gris clase 25

29,9 ksi

Hierro gris clase 40

41,9 ksi

Hierro dúctil grado 60-40-18

60 ksi

Hierro dúctil grado 129-90-02

120 ksi

CGI grado 250

36,2 ksi min

CGI grado 450

65,2 ksi min

MÓDULO DE ELASTICIDAD

Hierro gris clase 25

16,1 Msi

Hierro gris clase 40

18,2 Msi

Hierro dúctil grado 60-40-18

24,5 Msi

Hierro dúctil grado 129-90-02

25,5 Msi

CGI grado 250

CGI grado 450

% DE ELONGACIÓN (EN 50 MM)

Hierro gris clase 25

–

Hierro gris clase 40

–

Hierro dúctil grado 60-40-18

–

Hierro dúctil grado 129-90-02

–

CGI grado 250

3

CGI grado 450

1

Aplicaciones comunes del hierro fundido

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

Aplicaciones de 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 (por ejemplo, las paredes superiores de los cilindros en los bloques del motor). El hierro gris se usa para fabricar bloques de motores y culatas, colectores, quemadores de gas, engranajes en bruto, recintos y carcasas.

Aplicaciones de hierro blanco

El proceso de enfriamiento utilizado para fabricar hierro blanco da como resultado un material quebradizo que es muy resistente al desgaste y la abrasión. Por esta razón, se utiliza para fabricar revestimientos de molinos, boquillas de granallado, zapatas de frenos de ferrocarril, carcasas de bombas de lodos, rodillos de laminación y trituradoras.

Ni-Hard Iron se usa específicamente para paletas mezcladoras, barrenas y troqueles, placas de revestimiento para molinos de bolas, tolvas de carbón y guías de alambre para estirar alambre.

Aplicaciones de hierro dúctil

El hierro dúctil en sí se puede dividir 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 a la fluencia, además de ser resistente al desgaste. Sin embargo, su característica más conocida es la ductilidad. El hierro dúctil se puede usar para fabricar muñones de dirección, rejas de arado, cigüeñales, engranajes de servicio pesado, componentes de suspensión de automóviles y camiones, componentes hidráulicos y bisagras de puertas de automóviles.

Aplicaciones de hierro maleable

Diferentes grados de hierro maleable corresponden a diferentes estructuras microcristalinas. Los atributos específicos que hacen que el hierro maleable sea atractivo son su capacidad para retener y almacenar lubricantes, las partículas de desgaste no abrasivas y la superficie porosa que atrapa otros desechos abrasivos. El hierro maleable se utiliza para superficies de cojinetes de alta resistencia, cadenas, ruedas dentadas, bielas, componentes de ejes y trenes de transmisión, material rodante ferroviario y maquinaria agrícola y de construcción.

Aplicaciones de hierro con grafito compactado

El hierro de grafito compactado está comenzando a hacerse notar en aplicaciones comerciales. La combinación de las propiedades del hierro gris y el hierro blanco crea un producto de alta resistencia y alta conductividad térmica, adecuado para bloques y estructuras de motores diésel, camisas de cilindros, discos de freno para trenes, colectores de escape y placas de engranajes en bombas de alta presión.

Mecanizado y acabado

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

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

• Galvanizado
• Inmersión en caliente
• Rociado térmico
• Recubrimiento de difusión
• Recubrimiento de conversión
• Porcelain enameling
• Liquid organic coating
• Dry powder organic coating

Cast iron and the future

From its early use over 3,000 years ago, iron has remained an integral part of human society. Iron production has come a long way since the centuries of working iron by blacksmiths to the invention of cast iron in the industrial age.

Since then, wrought iron has become largely obsolete except for decorative uses. Contrastingly, cast iron is still progressing in terms of composition, microstructure, and mechanical properties—continuing to make its mark in the modern world.

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