Fundición de Hierro Gris (CI): Composición, Color y Prevención de Grietas

Los componentes de la aleación afectan su color al fracturarse: el hierro blanco contiene impurezas de carburo que crean vías para que la grieta se propague. El hierro gris puede poseer láminas de grafito que simulan grietas, iniciando innumerables nuevas fracturas al romperse. El hierro dúctil contiene grafito esférico ("nódulos") que inhiben la propagación de fracturas.

Carbono (C): 1,8-4 % en peso. Silicio (Si): 1-3 % en peso. Son los principales elementos de aleación del hierro fundido. Solo aleaciones de hierro con contenido mínimo de carbono se definen como acero. El hierro fundido es frágil, excepto el maleable. Su punto de fusión relativamente bajo proporciona buena fluidez, excelente maquinabilidad, resistencia a la deformación y al desgaste.

Los hierros fundidos se han convertido en materiales de ingeniería con amplia gama de aplicaciones: tuberías, maquinaria, piezas de automoción. Aplicaciones típicas: culatas, bloques de motor, cajas de cambio. Resisten la oxidación, lo que aumenta su utilidad.

Historia de la Fundición de Hierro

Los primeros artefactos de hierro fundido datan del siglo V a.C., descubiertos en Jiangsu, China. Los investigadores creen que su uso comenzó temprano en China continental para productos agrícolos, domésticos y bélicos.

En el siglo XV, se usó para cañones en Borgoña, Francia e Inglaterra durante la Reforma, requiriendo producción a gran escala. El primer puente de hierro fundido se construyó en 1770 por Abraham Darby III (Puente de Hierro, Shropshire, Inglaterra). También se usó en edificios, volviéndose prevalente en arquitectura.

Uso del Hierro Fundido en Producción Industrial en Masa

El hierro fundido se crea principalmente a partir de arrabio fundido o re-fundido, a menudo con cantidades sustanciales de hierro, acero, caliza, carbono (coque) y pasos para eliminar contaminantes. Según la aplicación, se ajustan carbono y silicio a niveles deseados (2-3,5 % y 1-3 % respectivamente).

El arrabio es subproducto de fundir mineral de hierro en alto horno. Fósforo y azufre se eliminan quemándolos del hierro fundido, pero esto también elimina carbono que debe reponerse. Otros elementos se añaden al baño antes del colado final. A veces se funde en alto horno tipo cupola, pero hoy es más común en hornos de inducción o arco eléctrico. Terminada la fundición, el hierro fundido se vierte en horno de espera o cuchara.

Propiedades del Hierro Fundido

Las propiedades se modifican añadiendo elementos de aleación. Además del carbono, el silicio es el más importante: desplaza al carbono de la solución. Bajo % de silicio permite que el carbono permanezca en solución, formando carburo de hierro y produciendo hierro blanco. Alto % de silicio desplaza al carbono, creando grafito y produciendo hierro gris. Otros elementos (manganeso, cromo, molibdeno, titanio, vanadio) contrarrestan al silicio y promueven retención de carbono y formación de carburos. Níquel y cobre aumentan resistencia y maquinabilidad, sin cambiar la cantidad de grafito.

El carbono como grafito ablanda el hierro, reduce contracción, baja resistencia y densidad. Azufre (como impureza) forma sulfuro de hierro, impide formación de grafito y aumenta dureza. El problema: hace el hierro fundido pegajoso, causando defectos. Para contrarrestar, se añade manganeso: ambos forman sulfuro de manganeso en lugar de sulfuro de hierro. El sulfuro de manganeso es más ligero y fluye a la escoria. Manganeso necesario para neutralizar azufre = 1,7 x % azufre + 0,3 %. Exceso forma carburo de manganeso, aumentando dureza y enfriamiento, salvo en hierro gris donde hasta 1 % Mn aumenta resistencia y densidad.

Materiales Refinados para Fundición

• Níquel: Refina estructura de perlita y grafito, mejora ductilidad, iguala dureza entre espesores.
• Cromo: Pequeñas cantidades reducen grafito libre, enfrían, estabilizan carburos; a menudo con níquel. Sustituto: 0,5 % Cr.
• Cobre: 0,5-2,5 % en cuchara o horno reduce enfriamiento, refina grafito, aumenta fluidez.
• Molibdeno: 0,3-1 % aumenta enfriamiento, mejora grafito y perlita; a menudo con Ni, Cu, Cr para hierros de alta resistencia.
• Titanio: Desgasificador y desoxidante, aumenta fluidez.
• Vanadio (0,15-0,5 %): Estabiliza cementita, aumenta dureza, resistencia al desgaste y calor.
• Circonio (0,1-0,3 %): Ayuda formar grafito, desoxida, aumenta fluidez.
• Bismuto en hierro maleable (0,002-0,01 %): Aumenta silicio efectivo.
• Boro en hierro blanco: Ayuda producir hierro maleable; reduce efecto grueso del bismuto.

El Tipo Más Común: Hierro Gris

Caracterizado por microestructura de grafito que hace que las grietas aparezcan grises. Es el hierro fundido más usado y el material de fundición más empleado por peso. Composición típica: 2,5-4,0 % C, 1-3 % Si, resto Fe. Menor resistencia a tracción e impacto que el acero, pero resistencia a compresión comparable a aceros de bajo/medio carbono. Propiedades controladas por tamaño y forma de láminas de grafito, caracterizables según normas ASTM.

En resumen, la fundición CI es simplemente hierro fundido: parte del grupo especializado de aleaciones hierro-carbono. Atención al contenido de carbono >2 %: punto de fusión muy bajo. Los ingredientes cambian el color al fracturar: hierro blanco (carburos) permite propagación de grietas; hierro gris (grafito) refleja grietas e inicia muchas nuevas; hierro dúctil (nódulos esféricos) inhibe fracturas. ¡Esto es la fundición CI!