Hierro Fundido: Propiedades Clave, Tipos y Aplicaciones Prácticas

¿Qué es el Hierro Fundido?

El hierro fundido es una aleación de hierro con 2-4 % carbono, así como cantidades variables de silicio y manganeso y trazas de impurezas como azufre y fósforo. Se produce reduciendo mineral de hierro en alto horno.

El carbono en hierro fundido suele existir en dos formas asociadas:

1. Como compuesto cementita (combinación química): hierro fundido blanco
2. Como carbono libre (mezcla mecánica): hierro fundido gris

El carbono en la primera forma = "carbono combinado", en la segunda = "carbono libre" o grafito.

Una etapa intermedia muestra parches grises en estructura blanca: hierro jaspeado (mottled iron).

El hierro fundido jaspeado (MCI) se usa en laminación, especialmente en últimas jaulas, por su combinación de alta resistencia, conductividad térmica y módulo elástico. En MCI, áreas microestructurales de blanco y gris resultan de la solidificación.

La calidad depende no solo de la cantidad absoluta de carbono, sino de las condiciones en que existe. Variedades comunes:

Tipos de Hierro Fundido

1. Hierro fundido gris
2. Hierro fundido blanco
3. Hierro fundido maleable
4. Hierro fundido nodular (dúctil)
5. Hierro fundido enfriado (chilled)
6. Hierro fundido aleado
7. Hierro fundido Meehanite

1. Hierro Fundido Gris

Obtenido dejando enfriar y solidificar lentamente el metal fundido. Al solidificar, contiene la mayor parte del carbono como escamas de grafito.

Contiene grandes cantidades de carbono y cantidades relativamente pequeñas de silicio, fósforo, azufre, manganeso.

Presenta estructura cristalina gris apagada o granular y luz fuerte da efecto brillante por reflexión de escamas de grafito libre. La presencia de grafito libre se ve al limar o mecanizar: mancha las manos de negro.

Es frágil y se rompe fácil con martillo pesado. Resistencia mucho mayor en compresión que en tensión. Resistencia última a tracción: 12-13 kgf/mm² (120-300 N/mm²) según composición. En compresión: 60-75 kgf/mm² (600-750 N/mm²) antes de fractura; en cizalladura: ~15-22 kgf/mm² (150-225 N/mm²). Dureza: 150-240 HBN. Ventajas: (1) barato, (2) baja temperatura de fusión (1150-1200 °C) y fluidez en estado fundido, (3) fácil mecanizado. El grafito libre actúa como lubricante; guías de máquinas grandes dan acción muy libre. La fluidez permite fundir piezas de formas intrincadas en casi todas las formas.

2. Hierro Fundido Blanco

Contiene carbono exclusivamente como cementita (carburo de hierro). Obtenido por cantidades relativamente grandes de manganeso, muy poco silicio, y enfriamiento rápido. Enfriamiento ordinario en arena produce grafito libre; enfriamiento rápido favorece cementita. El manganeso fomenta formación de carburo. Composición aproximada en Tabla 4.2.

Muy duro (400-600 HBN) y frágil; superficie de fractura plateada metálica. Desde ingeniería, aplicación limitada por dificultad de mecanizado y pobre capacidad de procesamiento mecánico. Usado para fabricar hierro forjado. También como material intermedio para hierro fundido maleable. No oxida tanto como el gris.

3. Hierro Fundido Maleable

El hierro fundido ordinario es duro y frágil, inadecuado para piezas delgadas, ligeras, sometidas a choque/vibración o fundiciones pequeñas en componentes de máquinas.

El término 'maleable' es impropio porque no son muy maleables comparados con estándares. Pero comparados con hierro gris (frágil), poseen tenacidad, de ahí el nombre.

Las fundiciones maleables se hacen primero de hierro con todo carbono combinado (hierro blanco). Dos métodos para maleabilizar: (1) Corazón blanco, (2) Corazón negro. Nombres por color de fractura. Composiciones aproximadas en Tabla 4.3.

4. Hierro Dúctil (Hierro Fundido Nodular)

Hierro grafito esferoidal, o hierro fundido nodular, grado superior porque grafito precipita no en escamas sino en esferoides. Logrado añadiendo: magnesio, cerio, calcio, bismuto, zinc, cadmio, titanio o boro.

Ferrosilicio también como inoculante. Hierro fundido esferoidal puede producirse en piezas más gruesas que maleable. Características: alta fluidez (fundición de formas intrincadas) y excelente combinación resistencia-ductilidad. Resistencia a tracción ~33 kgf/mm² (330 N/mm²). También llamado hierro dúctil.

Ampliamente usado en piezas donde densidad y estanqueidad a presión son cruciales: cilindros hidráulicos, válvulas, tuberías y accesorios, culatas para compresores y motores diésel. Rodillos para laminadores y muchas piezas centrifugadas también en hierro esferoidal.

5. Hierro Fundido Enfriado (Chilled)

Enfriamiento rápido = "enfriado" (chilling); hierro resultante = "hierro enfriado". Todas las fundiciones se enfrían en superficie exterior por contacto con arena fría del molde. Como el hierro fundido tiene mayor conductividad térmica que arena, las partes enfriadas solidifican y enfrían rápido, produciendo superficie dura. Pero esta dureza solo penetra 1-2 mm.

A veces se enfría intencionalmente, a veces accidentalmente a poca profundidad. Enfriado intencional: usar hierro fundido en vez de arena en partes del molde donde se requieren superficies duras. Al tocar metal fundido, superficie se enfría súbitamente convirtiéndose en hierro blanco. En fundición con enfriamiento, moldes permanentes de acero resistente al calor o hierro fundido con grafito laminar.

Los enfriadores (chills) se usan donde algunas partes requieren dureza de hierro blanco, otras núcleo blando y tenaz de hierro gris.

6. Hierro Fundido Aleado

Desarrollados en años recientes para superar deficiencias inherentes del hierro fundido ordinario y dar cualidades para propósitos especiales. Adición de níquel, cromo, molibdeno, titanio, silicio, cobre y otros elementos confiere propiedades especiales.

Uso de 1-2 % níquel en hierro de buena calidad ofrece medio simple y efectivo de mejorar propiedades y servicio. Asegura mecanizabilidad y uniformidad de estructura. Con ~25 % níquel, vida mejorada en piezas sujetas a desgaste abrasivo.

7. Hierro Fundido Meehanite

Cilindros o camisas de todos los tamaños, desde pequeños a grandes, son ejemplos destacados. Hierro al níquel también para resistir corrosión cáustica: ollas, tuberías y fundiciones en contacto con licor cáustico.

Solo 1 % níquel da beneficio integral. Factor principal: obtener densidad y estanqueidad en fundiciones con secciones grandes y variables. Lleva a aplicación en piezas de maquinaria de vapor e hidráulica, compresores y motores de combustión interna.

Cuando mejora en desgaste es importante, adiciones de cromo con níquel suelen ser útiles. Hierro aleado así usado en bombas de todos tipos donde considerar desgaste friccional y erosivo. Hierro con 10-30 % Cr y 1-3 % C total, alta resistencia al calor combinada con resistencia a alta temperatura.

Hierro con 10 % Ni y 6 % Mn se vuelve no magnético. Hierro fundido no magnético patentado: "Nomag".

HIERRO FUNDIDO MEEHANITE

Hierros fundidos tratados con silicuro de calcio, nombre comercial Meehanite. Silicuro de calcio actúa como grafitizante produciendo estructura de grafito fino dando hierro de excelentes propiedades mecánicas. Las altas calidades no son solo por silicuro de calcio sino por control cuidadoso de todos los factores en fundición en cupola u horno eléctrico y en moldeo. Muy poco silicuro queda tras solidificación.

Metal bajo en silicio, moderadamente bajo en carbono (2,5-3 %). Normalmente sería blanco si se funde, pero grafitización por sistema Meehanite da gama de materiales para amplios requisitos de ingeniería.

Hay >26 tipos de metal Meehanite bajo 5 clasificaciones: (a) ingeniería general, (b) resistente al calor, (c) resistente al desgaste, (d) resistente a corrosión, (e) nodular tipo 'S'.

Todos los hierros Meehanite tienen alta resistencia, tenacidad, ductilidad y fácil mecanizabilidad. Pretenden cubrir hueco entre hierro fundido ordinario y acero. Fundiciones de 500-6000 kg. Metal de grano cerrado, Brinell 200-210.

Hierro Meehanite responde a tratamiento térmico a diferencia del gris ordinario; endurece total o superficialmente. También puede tenazificarse para fundiciones de máquinas herramienta.

Producción de Hierro Fundido

El hierro fundido se hace de arrabio, subproducto de fundir mineral en alto horno. Puede hacerse directamente de arrabio fundido o refundiendo arrabio, a menudo con cantidades significativas de hierro, acero, caliza, carbono (coque), y pasos para eliminar contaminantes indeseables. Fósforo y azufre pueden quemarse del hierro fundido, pero esto también quema carbono, que debe reponerse. Contenido de carbono y silicio se ajustan a niveles deseados (2-3,5 % y 1-3 % respectivamente, según aplicación). Otros elementos pueden añadirse antes de colar forma final.

A veces se funde en tipo especial de alto horno llamado cupola, pero modernamente más común en hornos de inducción eléctrica o arco eléctrico. El hierro fundido fundido se vierte en horno de espera o cuchara al terminar.