Hierro Fundido vs Acero Fundido: Diferencias Clave y Casos de Uso

¿Cuál es la diferencia entre hierro fundido y acero fundido?

La fundición ofrece capacidad excepcional para detalle de diseño, a menudo eliminando la necesidad de fabricación y ensamblaje adicionales. Muchos materiales pueden fundirse, incluyendo varios tipos de metales y sintéticos, pero el hierro y el acero en particular presentan excelentes propiedades mecánicas para una amplia gama de aplicaciones.

Aunque el hierro fundido y el acero pueden parecer similares en la superficie, cada uno tiene ventajas y desventajas distintas desde la producción hasta la aplicación. Entender estas ventajas y desventajas y elegir apropiadamente puede marcar la diferencia entre fuerza y durabilidad implacables y piezas fracturadas o deformadas que perderán rápidamente su lustre.

El contenido de carbono es la diferencia principal

El hierro y el acero son ambos metales ferrosos compuestos principalmente de átomos de hierro. En fabricación, sin embargo, no es tan simple —hay muchas aleaciones y grados diferentes usados en producción. Para entenderlos, es importante distinguir entre el hierro usado en productos cotidianos, y el elemento hierro (Fe) científico. El hierro elemental es el que se encuentra en la naturaleza, típicamente en forma oxidada que requiere procesamiento intensivo llamado fundición para extraer.

El hierro elemental puro es demasiado blando para ser útil en la mayoría de aplicaciones. Se vuelve más duro, y por tanto más útil, cuando se alea, o mezcla, con carbono. De hecho, la composición de carbono es la distinción principal entre hierro fundido y acero. El hierro fundido típicamente contiene más del 2 % de carbono, mientras que el acero fundido a menudo contiene entre 0,1–0,5 % de carbono.

Características

La siguiente tabla proporciona una visión general de las cualidades de cada material. Aunque hay muchos tipos diferentes de hierro y acero a considerar, esta tabla se centra en hierro gris, hierro dúctil y acero al carbono.

Comparación de Propiedades

Propiedad	Hierro Gris	Hierro Dúctil	Acero
Maquinabilidad	★★★	★★	★
Fundibilidad	★★	★★★	★
Amortiguación de Vibraciones	★★★	★★	★
Resistencia a la Corrosión	★★	★★★	★
Tenacidad	★	★★★	★★★
Fragilidad	★★★	★	★
Resistencia a Compresión	★	★★★	★★
Resistencia a Tracción	★	★★	★★★
Dureza	★★★	★★	★★
Aplicaciones	Bloques de motor, culatas, colectores, quemadores de gas, esbozos de engranajes, recintos, carcasas, productos de exterior, sartenes, cajas eléctricas, fundiciones decorativas, piezas de estufa, contrapesos	Bolardos, mobiliario urbano, nudos de dirección, cigüeñales, engranajes de servicio pesado, componentes de suspensión automotriz y camiones, componentes hidráulicos, bisagras de puertas de automóvil	Bolardos, ruedas industriales, engranajes de fundición, cuerpos de válvulas, maquinaria minera, ruedas de turbinas hidroeléctricas, prensas de forja, bastidores de vagones de ferrocarril, carcasas de bombas, equipo marino, carcasas de motor, camiones pesados, equipo de construcción

Fundibilidad

La mayoría de la gente no ha encontrado hierro o acero en estado fundido —lo cual es comprensible, ya que el hierro se funde a unos 1260 °C (2300 °F) y el acero a 1427 °C (2600 °F), y ambos se vierten en moldes a temperaturas aún más altas. Quienes trabajan con hierro y acero líquidos descubren rápidamente que difieren dramáticamente en fluidez y tasas de contracción.

El hierro fundido es relativamente fácil de fundir, ya que fluye fácilmente y no se contrae tanto como el acero. Esto significa que llena fácilmente los huecos complejos de un molde y requiere menos material fundido para hacerlo. Esta fluidez hace del hierro fundido un metal ideal para estructuras de hierro arquitectónico u ornamentado como vallas y bancos.

Verter acero es mucho más difícil. Es menos fluido que el hierro fundido, y más reactivo a materiales del molde. También se contrae más al enfriarse, lo que significa que se debe verter más material fundido —típicamente en un depósito de exceso, llamado alimentador o "riser", del cual la fundición toma material mientras se enfría.

Las fundiciones, sin embargo, típicamente no se enfrían uniformemente en sus estructuras internas. Áreas externas y porciones más delgadas se enfriarán y contraerán a diferentes ritmos que áreas internas y porciones más voluminosas —a menudo creando tensión interna, o estrés, que solo puede aliviarse mediante tratamiento térmico. El acero es mucho más susceptible que el hierro a tensiones de contracción, y en algunas situaciones, estas tensiones pueden llevar a vacíos internos y/o externos significativos, y posibles fracturas eventuales.

Por estas razones, el acero fundido requiere más atención e inspección durante el proceso de fundición, haciendo la producción más intensiva en recursos.

Maquinabilidad

Dependiendo de la aplicación final, las piezas fundidas pueden necesitar mecanizado para lograr tolerancias específicas, o para crear un acabado deseado. Como mínimo, objetos como canales de alimentación y bebederos deben cortarse y rectificarse.

La maquinabilidad es la medida de lo fácil que es cortar o rectificar un material dado; algunos materiales son más difíciles de mecanizar que otros. Como regla general, metales con altas adiciones de aleación para mejorar el rendimiento mecánico tienen menor maquinabilidad.

El hierro fundido es típicamente mucho más fácil de mecanizar que el acero. La estructura de grafito en el hierro fundido se rompe más fácilmente, y de manera más uniforme. Hierros más duros, como el hierro blanco, son mucho más difíciles de mecanizar debido a su fragilidad.

El acero no es tan fácil de cortar con la misma consistencia, y causa más desgaste de herramienta, resultando en mayores costes de producción. Aceros endurecidos, o aquellos con mayor contenido de carbono, también aumentan el desgaste de herramienta. El acero más blando no es necesariamente mejor —aceros de bajo carbono, a pesar de ser más blandos, pueden volverse gomosos y difíciles de trabajar.

Amortiguación de vibraciones

Las propiedades de amortiguación deben considerarse al seleccionar un material de fundición, ya que la falta de capacidad de amortiguación puede llevar a vibración y ruido excesivos, como timbres o chirridos. Dependiendo de dónde se use un material, una amortiguación efectiva puede resultar en un rendimiento más robusto y fiable.

Las estructuras de grafito en el hierro fundido, especialmente las formaciones escamosas en hierro gris fundido, son especialmente buenas para absorber vibración. Esto hace del hierro fundido ideal para bloques de motor, carcasas de cilindros, y bancadas de máquina, y otras aplicaciones donde la robustez y precisión son importantes. Reducir vibración puede minimizar estrés y prevenir desgaste en piezas móviles.

Resistencia a compresión

La resistencia a compresión es la capacidad de un material para soportar fuerzas que reducirían el tamaño del objeto. Es opuesta a fuerzas dirigidas a separar un material. La resistencia a compresión es beneficiosa en aplicaciones mecánicas donde la presión y contención son factores. Típicamente, el hierro fundido tiene mejor resistencia a compresión que el acero.

Resistencia al impacto

Hasta ahora, podría parecer que hay más ventajas en usar hierro fundido que acero, pero el acero tiene una ventaja significativa: resistencia al impacto. El acero es excelente para soportar impactos repentinos sin doblarse, deformarse o romperse. Esto se debe a su tenacidad: su capacidad para soportar altas fuerzas de tensión y deformación.

La resistencia sin ductilidad resulta en un material frágil altamente susceptible a fractura —y el hierro fundido es el niño poster de resistencia sin ductilidad. Debido a su fragilidad, el hierro fundido tiene un rango limitado de aplicación.

Al mismo tiempo, alta ductilidad, o la capacidad de deformarse sin fallar, no sirve de mucho sin la resistencia para soportar impacto significativo. Una goma elástica, por ejemplo, puede pasar por deformación significativa sin romperse, pero la cantidad de fuerza que puede aguantar es muy limitada.

Mientras que el hierro puede ser más fácil de trabajar en la mayoría de aplicaciones de fundición, el acero tiene una mezcla óptima de resistencia y ductilidad para muchas aplicaciones, y el acero fundido es extremadamente tenaz. Las cualidades resistentes al impacto y la naturaleza de soporte de carga del acero lo hacen deseable para muchas aplicaciones mecánicas y estructurales —por eso el acero es el metal más usado en el mundo.

Resistencia a la corrosión

El hierro tiene mejor resistencia a la corrosión que el acero. Ambos metales se oxidan en presencia de humedad, pero el hierro desarrolla una pátina para prevenir corrosión profunda de la integridad del metal.

Otra forma de prevenir corrosión es con pintura o recubrimiento en polvo, o IronArmor para protección añadida. Cualquier astilla o grieta que exponga el metal subyacente resultará en corrosión, así que el mantenimiento regular es importante para metales recubiertos.

Si la resistencia a la corrosión manteniendo un aspecto de metal crudo plateado es un factor importante, las aleaciones de acero son probablemente una mejor opción —específicamente los aceros inoxidables, que tienen cromo y otras aleaciones añadidas para prevenir oxidación.

Resistencia al desgaste

El hierro fundido típicamente tiene mejor resistencia al desgaste mecánico que el acero, especialmente en situaciones de desgaste por fricción. Una cierta cantidad de contenido de grafito en la matriz de hierro fundido crea un lubricante seco grafítico que permite que superficies sólidas se deslicen unas contra otras sin deteriorar la calidad superficial, haciéndolo más difícil de desgastar.

El acero se desgasta más fácilmente que el hierro pero puede seguir siendo resistente a ciertos tipos de abrasión. Ciertas adiciones de aleación también pueden mejorar las cualidades de abrasión del acero.

Coste

El hierro fundido es a menudo más barato que el acero fundido debido a menores costes de material, energía y mano de obra requeridos para producir un producto final. El acero en bruto es más costoso de comprar, y requiere más tiempo y atención para fundir. Al diseñar productos fundidos, sin embargo, vale la pena considerar uso a largo plazo y costes de reemplazo. Piezas que son más caras de fabricar pueden terminar costando menos a largo plazo.

El acero también está disponible en muchas formas prefabricadas —como chapas, barras, tubos y vigas— y a menudo puede mecanizarse o ensamblarse para adaptarse a una aplicación particular. Dependiendo del producto y cantidad requerida, fabricar productos de acero existentes puede ser una opción rentable.

Diferentes tipos de hierro fundido y acero fundido

Hemos comparado las cualidades de las formas más básicas de hierro fundido (hierro gris) y acero fundido (acero dulce o al carbono), pero la composición específica y estructura de fase del hierro y acero pueden afectar grandemente las propiedades mecánicas. Por ejemplo, el carbono en un hierro gris estándar toma la forma de escamas de grafito afiladas, mientras que el hierro dúctil presenta estructuras de grafito más esferoidales. El grafito escamoso es lo que hace al hierro gris frágil, mientras que las partículas redondas de grafito en hierro dúctil mejoran la tenacidad —haciéndolo más adecuado para aplicaciones de resistencia al impacto.

Las aleaciones pueden añadirse tanto a hierro como a acero para diseñar propiedades deseadas. El manganeso, por ejemplo, aumenta la tenacidad, mientras que el cromo mejora la resistencia a la corrosión. El contenido variable de carbono también distingue entre aceros de bajo, medio y alto carbono —mayores cantidades haciendo materiales mucho más duros.

En última instancia, la elección entre hierro fundido y acero fundido dependerá del tipo y aplicación de la instalación final.

Para más información sobre hierro o acero, o para solicitar un presupuesto para un proyecto personalizado, contáctenos.

Fuentes

• American Foundry Society. "Machining Cast Iron Components". afsinc.org
• American Foundry Society. "Understanding Material Specifications for Steel Castings". afsinc.org
• Machine Design. "Cast Iron". machinedesign.com
• Nickel Institute. "Cast Irons & Cast Alloys". nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Iron and Steel. Cambridge University Press. 2012.
• Woodford, Chris. "Iron and steel". explainthatstuff.com