Hierro fundido vs acero fundido

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

La fundición ofrece una capacidad excepcional para los detalles de diseño, a menudo eliminando la necesidad de fabricación y montaje adicionales. Se pueden moldear muchos materiales, incluidos varios tipos de metales y sintéticos, pero el hierro y el acero en particular presentan excelentes propiedades mecánicas para una amplia gama de aplicaciones.

Si bien el hierro fundido y el acero pueden parecer similares en la superficie, cada uno tiene distintas ventajas y desventajas desde la producción hasta la aplicación. Comprender estas ventajas y desventajas y elegir adecuadamente puede significar la diferencia entre una resistencia y durabilidad implacables y piezas fracturadas o deformadas que perderán rápidamente su brillo.

El contenido de carbono es la principal diferencia

El hierro y el acero son metales ferrosos compuestos principalmente de átomos de hierro. En la fabricación, sin embargo, no es tan simple:se utilizan muchas aleaciones y grados diferentes en la producción. Para entenderlos, es importante distinguir entre el hierro que se usa en los productos cotidianos y el elemento científico hierro (Fe). El hierro elemental es el material que se encuentra en la naturaleza, generalmente en una forma oxidada que requiere un procesamiento intensivo llamado fundición para extraer.

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

Características

La siguiente tabla proporciona una descripción general de las cualidades de cada material. Si bien hay muchos tipos diferentes de hierro y acero a considerar, esta tabla se centra en el hierro gris, el hierro fundido y el acero al carbono.

Hierro Gris

Hierro Dúctil

Acero

Maquinabilidad

★

Castabilidad

★

Amortiguación de vibraciones

★

Resistencia a la corrosión

★

★

Resistencia

★

Fragilidad

★

Resistencia a la compresión

★

Resistencia a la tracción

★

Dureza

★

Aplicaciones

Bloques de motor, culatas, colectores, quemadores de gas, engranajes en bruto, recintos, carcasas, productos para exteriores, sartenes, cajas eléctricas, fundiciones decorativas, piezas de estufas, pesas

Bolardos, muebles del sitio, manguetas de dirección, cigüeñales, engranajes de servicio pesado, componentes de suspensión de automóviles y camiones, componentes hidráulicos, bisagras de puertas de automóviles

Bolardos, ruedas industriales, engranajes de fundición, cuerpos de válvulas, maquinaria de minería, ruedas de turbinas hidroeléctricas, prensas de forja, bastidores de vagones de ferrocarril, carcasas de bombas, equipos marinos, carcasas de motores, camiones pesados, equipos de construcción

Hierro Gris

Maquinabilidad

★

Castabilidad

Amortiguación de vibraciones

★

Resistencia a la corrosión

★

Resistencia

Fragilidad

★

Resistencia a la compresión

Resistencia a la tracción

Dureza

★

Aplicaciones

Bloques de motor, culatas, colectores, quemadores de gas, engranajes en bruto, recintos, carcasas, productos para exteriores, sartenes, cajas eléctricas, fundiciones decorativas, piezas de estufas, pesas

Hierro Dúctil

Maquinabilidad

Castabilidad

★

Amortiguación de vibraciones

Resistencia a la corrosión

★

Resistencia

Fragilidad

Resistencia a la compresión

★

Resistencia a la tracción

Dureza

Aplicaciones

Bolardos, muebles del sitio, manguetas de dirección, cigüeñales, engranajes de servicio pesado, componentes de suspensión de automóviles y camiones, componentes hidráulicos, bisagras de puertas de automóviles

Acero

Maquinabilidad

Castabilidad

Amortiguación de vibraciones

Resistencia a la corrosión

Resistencia

★

Fragilidad

Resistencia a la compresión

Resistencia a la tracción

★

Dureza

Aplicaciones

Bolardos, ruedas industriales, engranajes de fundición, cuerpos de válvulas, maquinaria de minería, ruedas de turbinas hidroeléctricas, prensas de forja, bastidores de vagones de ferrocarril, carcasas de bombas, equipos marinos, carcasas de motores, camiones pesados, equipos de construcción

Castabilidad

La mayoría de las personas no han encontrado hierro o acero en su estado fundido, lo cual es comprensible, ya que el hierro se derrite a aproximadamente 2300 ˚F y el acero se derrite a 2600 ˚F, y ambos se vierten en moldes a temperaturas aún más altas. Las personas que trabajan con hierro y acero líquidos descubren rápidamente que difieren drásticamente en cuanto a la capacidad de vertido y las tasas de contracción.

El hierro fundido es relativamente fácil de fundir, ya que se vierte fácilmente y no se encoge tanto como el acero. Esto significa que llenará fácilmente los vacíos complejos en un molde y requiere menos material fundido para hacerlo. Esta fluidez hace que el hierro fundido sea un metal ideal para estructuras arquitectónicas u ornamentadas de hierro, como cercas y bancos.

Verter acero es mucho más difícil. Es menos fluido que el hierro fundido y más reactivo a los materiales del molde. También se encoge más cuando se enfría, lo que significa que se debe verter más material fundido, generalmente en un depósito sobrante, llamado tubo ascendente, del que extrae la pieza fundida a medida que se enfría.

Sin embargo, las piezas fundidas normalmente no se enfrían de manera uniforme en todas sus estructuras internas. Las áreas exteriores y las porciones más delgadas se enfriarán y encogerán a diferentes velocidades que las áreas internas y las porciones más voluminosas, a menudo creando tensión interna o estrés que solo se puede aliviar mediante un tratamiento térmico. El acero es mucho más susceptible que el hierro a las tensiones de contracción y, en algunas situaciones, estas tensiones pueden generar vacíos internos y/o externos significativos y posibles fracturas eventuales.

Por estas razones, el acero fundido requiere más atención e inspección durante todo el proceso de fundición, lo que hace que la producción requiera más recursos.

Maquinabilidad

Según la aplicación final, es posible que sea necesario mecanizar las piezas fundidas para lograr tolerancias específicas o para crear el acabado deseado. Como mínimo, los objetos como portones y corredores deben cortarse y triturarse.

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

El hierro fundido suele ser mucho más fácil de mecanizar que el acero. La estructura de grafito en hierro fundido se rompe más fácilmente y de manera más uniforme. Los 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 provoca un mayor desgaste de la herramienta, lo que genera mayores costos de producción. Los aceros endurecidos, o aquellos con mayor contenido de carbono, también aumentan el desgaste de la herramienta. Sin embargo, el acero más blando no es necesariamente mejor:los aceros con bajo contenido de carbono, a pesar de ser más blandos, pueden volverse gomosos y difíciles de trabajar.

Amortiguación de vibraciones

Las propiedades de amortiguación deben tenerse en cuenta al seleccionar un material de fundición, ya que la falta de capacidad de amortiguación puede provocar un exceso de vibración y ruido, como zumbidos o chirridos. Dependiendo de dónde se use un material, la amortiguación efectiva puede dar como resultado un rendimiento más sólido y confiable.

Las estructuras de grafito en el hierro fundido, especialmente las formaciones en escamas en el hierro fundido gris, son especialmente buenas para absorber vibraciones. Esto hace que el hierro fundido sea ideal para bloques de motores, carcasas de cilindros y bancadas de máquinas, y otras aplicaciones donde la robustez y la precisión son importantes. La reducción de la vibración puede minimizar el estrés y evitar el desgaste de las piezas móviles.

Resistencia a la compresión

La resistencia a la compresión es la capacidad de un material para soportar fuerzas que reducirían el tamaño del objeto. Esto es opuesto a las fuerzas dirigidas a separar un material. La resistencia a la compresión es beneficiosa en aplicaciones mecánicas donde la presión y la contención son factores. Por lo general, el hierro fundido tiene una mejor resistencia a la compresión que el acero.

Resistencia al impacto

Hasta ahora, puede parecer que hay más ventajas en el uso de hierro fundido que de acero, pero el acero tiene una ventaja importante:la resistencia al impacto. El acero es excelente para soportar impactos repentinos sin doblarse, deformarse ni romperse. Esto se debe a su tenacidad:su capacidad para soportar grandes esfuerzos y fuerzas de deformación.

La resistencia sin ductilidad da como resultado un material quebradizo que es altamente susceptible a la fractura, y el hierro fundido es el ejemplo perfecto de resistencia sin ductilidad. Debido a su fragilidad, el hierro fundido tiene un rango de aplicación limitado.

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

Mientras que el hierro puede ser más fácil de trabajar en la mayoría de las aplicaciones de fundición, el acero tiene una combinación óptima de resistencia y ductilidad para muchas aplicaciones, y el acero fundido es extremadamente resistente. Las cualidades resistentes a los impactos y la naturaleza de soporte de carga general del acero lo hacen deseable para muchas aplicaciones mecánicas y estructurales; es por eso que el acero es el metal más utilizado 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 evitar la corrosión profunda de la integridad del metal.

Otra forma de prevenir la corrosión es con pintura o recubrimiento en polvo, o IronArmor para mayor protección. Cualquier astillado o grieta que exponga la lata de metal subyacente provocará corrosión, por lo que es importante un mantenimiento regular para los metales revestidos.

Si la resistencia a la corrosión y el mantenimiento de un aspecto de metal bruto en tono plateado es un factor importante, los aceros aleados son probablemente una mejor opción, específicamente los aceros inoxidables, a los que se les agrega cromo y otras aleaciones para evitar la oxidación.

Resistencia al desgaste

El hierro fundido suele tener una mejor resistencia al desgaste mecánico que el acero, especialmente en situaciones de desgaste por fricción. Cierta cantidad de contenido de grafito en la matriz de hierro fundido crea un lubricante grafítico seco que permite que las superficies sólidas se deslicen entre sí sin deteriorar la calidad de la superficie, lo que dificulta su desgaste.

El acero se desgasta más fácilmente que el hierro, pero aun así puede ser resistente a ciertos tipos de abrasión. Ciertas adiciones de aleaciones también pueden mejorar las cualidades de abrasión del acero.

Coste

El hierro fundido suele ser más barato que el acero fundido debido a los menores costos de materiales, energía y mano de obra necesarios para producir un producto final. El acero crudo es más costoso de comprar y requiere más tiempo y atención para su fundición. Sin embargo, al diseñar productos de fundición, vale la pena considerar el uso a largo plazo y los costos de reemplazo. Las piezas que son más costosas de fabricar pueden terminar costando menos a largo plazo.

El acero también está disponible en muchas formas prefabricadas, como láminas, varillas, barras, tubos y vigas, y a menudo se puede mecanizar o ensamblar para adaptarse a una aplicación particular. Según el producto y la cantidad requerida, la fabricación de 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 la estructura de fase del hierro y el acero pueden afectar en gran medida 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 en escamas es lo que hace que el hierro gris sea quebradizo, mientras que las partículas redondas de grafito en el hierro dúctil mejoran la tenacidad, haciéndolo más adecuado para aplicaciones de resistencia al impacto.

Las aleaciones se pueden agregar tanto al hierro como al acero para diseñar las propiedades deseadas. El manganeso, por ejemplo, aumenta la dureza, mientras que el cromo mejora la resistencia a la corrosión. El contenido de carbono variable también es lo que distingue entre los aceros con bajo contenido de carbono, estándar y alto contenido de carbono:las cantidades más altas hacen que los materiales sean mucho más duros.

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

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

Fuentes

• Sociedad Americana de Fundición. "Mecanizado de componentes de hierro fundido". afsinc.org
• Sociedad Americana de Fundición. "Comprensión de las especificaciones de materiales para fundiciones de acero". afsinc.org
• Diseño de máquinas. "Hierro fundido". machinedesign.com
• Instituto del Níquel. "Hierros fundidos y aleaciones fundidas". www.nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Hierro y acero. Prensa de la Universidad de Cambridge. 2012.
• Woodford, Chris. "Hierro y acero". explica esas cosas.com