Fundiciones de hierro fundido: Fundamentos e importancia industrial

El descubrimiento del valor del hierro llevó a la llamada Edad del Hierro, debido al dominio de este material en aplicaciones sociales y militares. Habrá otro hito para los metales: la revolución industrial cambió la forma en que los metales se producían y transformaban en productos, incluido el hierro.

Hierro fundido

El hierro fundido se produce fundiendo hierro y aleaciones de carbono que tienen un contenido de carbono superior al 2 %. Después de la fundición, el metal se vierte en el molde. La principal diferencia en la producción entre hierro forjado y hierro fundido es que el hierro fundido no se procesa 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, lo que mejora las propiedades de fundición del metal fundido. También puede haber pequeñas cantidades de manganeso y algunas impurezas como azufre y fósforo. Las diferencias entre hierro forjado y hierro fundido también se pueden encontrar en los detalles de la estructura química y propiedades físicas.

Aunque tanto el acero como el hierro fundido contienen trazas de carbono y parecen similares, hay 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 única 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.

Esta combinación de alto contenido de carbono y la presencia de silicio da al hierro fundido una excelente fundibilidad. Varios tipos de hierro fundido se producen usando diversas técnicas de tratamiento térmico y procesamiento, incluyendo gris, blanco, maleable, dúctil y grafito compacto.

Puente de hierro fundido

Los detalles de construcción de hierro fundido se hacen fundiendo el metal y vertiéndolo en un molde.

Hierro gris

El hierro fundido gris se caracteriza por la forma escamosa de las partículas de grafito en el metal. Cuando el metal se fractura, la fractura ocurre a lo largo de las escamas de grafito, dándole un color gris a 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 escamas de grafito durante la producción ajustando la velocidad de enfriamiento y la composición. El hierro fundido 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 de calor y tiene un nivel más alto de amortiguación de vibraciones. Tiene una capacidad de amortiguación 20-25 veces superior a la del acero y es superior a todos los demás hierros fundidos. El hierro fundido gris también es más fácil de mecanizar que otros hierros fundidos, y su resistencia al desgaste lo convierte en uno de los productos de hierro fundido con mayor volumen.

Nuestros productos de paisajismo duro están hechos de hierro fundido gris. La amortiguación de vibraciones y la resistencia al desgaste son propiedades que lo hacen un material adecuado para muchas aplicaciones viales. El hierro fundido gris en bruto también produce una pátina que lo protege de la corrosión dañina incluso en el exterior.

Hierro blanco

Con el contenido de carbono adecuado 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 partícula de grafito libre en el material solidificado. Cuando el hierro blanco se cizalla, la superficie agrietada aparece blanca debido a la falta de grafito. La estructura microcristalina de cementita es dura y frágil con alta resistencia a la compresión y buena resistencia a la abrasión. En algunas aplicaciones especializadas, es deseable que haya hierro blanco en la superficie del producto. Esto puede lograrse usando un buen conductor de calor para hacer las partes del molde. Esto eliminará rápidamente el calor del metal fundido de esa área específica, mientras que el resto de la fundición se enfriará más lentamente.

Uno de los tipos más populares de hierro blanco es el Hierro Ni-Hard. La adición de aleaciones de cromo y níquel da a este producto un excelente rendimiento en aplicaciones de abrasión deslizante de bajo impacto.

El hierro blanco y el hierro duro ni-hierro caen dentro de la clasificación de aleación en ASTM A532; "Especificación estándar para hierro fundido resistente a la abrasión".

Hierro fundido

El hierro fundido blanco puede procesarse further en hierro fundido maleable mediante un proceso de tratamiento térmico. Un extenso programa de calentamiento y enfriamiento descompone las partículas de carburo de hierro, liberando partículas de grafito libre en el hierro. Debido a las diferentes velocidades de enfriamiento y la adición de aleaciones, se obtiene hierro dúctil con una estructura microcristalina.

Hierro dúctil (Hierro nodular)

El hierro dúctil, o hierro nodular, obtiene sus propiedades especiales añadiendo magnesio a la aleación. La presencia de magnesio hace que el grafito forme una forma esférica en lugar de las escamas del hierro gris. El control de la composición es muy importante en el proceso de producción. Pequeñas cantidades de impurezas como azufre y oxígeno reaccionan con el magnesio, afectando la forma de las partículas de grafito. Diferentes grados de hierro dúctil se hacen manipulando la estructura microcristalina alrededor de una esfera de grafito. Esto se logra ya sea por el proceso de fundición o por el tratamiento térmico como siguiente paso de procesamiento.

Debido a que el hierro dúctil se deforma al impacto en lugar de romperse en pedazos, usamos este material para hacer nuestros postes de hierro fundido. El perfil de impacto del hierro nodular lo hace un buen hierro fundido para bolardos cerca del tráfico.

Hierro fundido con grafito compacto

El hierro de grafito compacto tiene una estructura de grafito y propiedades relacionadas que son una mezcla de hierro gris y blanco. La estructura microcristalina se forma alrededor de escamas de grafito romas que están unidas entre sí. Una aleación, como el titanio, sirve para inhibir la formación de grafito esferoidal. El hierro fundido de grafito compacto tiene mayor resistencia a la tracción y mejor ductilidad comparado con el hierro fundido gris. La estructura y las propiedades microcristalinas pueden ajustarse por tratamiento térmico o la adición de otras aleaciones.

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIERRO FUNDIDO

Las propiedades mecánicas de un material indican cómo reacciona bajo ciertas condiciones, lo que ayuda a determinar su idoneidad para diferentes aplicaciones. Las especificaciones son establecidas por organizaciones como la Sociedad Americana para Pruebas 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 más comúnmente usada es ASTM A48.

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

Las especificaciones también son importantes al soldar piezas de hierro fundido juntas. La soldadura debe cumplir o superar las propiedades mecánicas del material a soldar; de lo contrario, pueden ocurrir grietas y daños.

Soldadura de hierro fundido

Al soldar, es extremadamente importante que la soldadura cumpla o supere las propiedades mecánicas del material para prevenir grietas y fallos.

Algunas propiedades mecánicas comunes del 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 después de deformarse
• Maleabilidad – capacidad del material para deformarse bajo compresión sin romperse
• Resistencia a la tracción – el mayor esfuerzo longitudinal que un material puede soportar sin romperse
• Resistencia a la fatiga – el mayor esfuerzo que un material puede soportar para un número dado de ciclos sin romperse