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Introducción al Hierro Fundido: Historia, Tipos, Propiedades y Usos

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Un metal versátil, el hierro fundido tiene muchas aplicaciones únicas en el mundo comercial e industrial

El hierro fundido tiene una excelente maleabilidad debido a la combinación de alto contenido de carbono y silicio.

La presencia del hierro en la vida cotidiana comenzó en el 1200 a.C., abarcando una amplia gama de usos, desde utensilios de labranza hasta armas de guerra. Los herreros se convirtieron en una profesión importante, trabajando con hierro para cambiar sus propiedades y moldear el material en herramientas. Cada aldea y pueblo tendría una herrería, donde se fabricaban hoces, rejas de arado, clavos, espadas, candelabros y mucho más.

El descubrimiento de la importancia del hierro llevó a lo que se conoce como la Edad de Hierro, debido al dominio de este material en aplicaciones sociales y militares. Después seguiría otro logro para los metales, la Revolución Industrial, la cual cambió la manera en que los metales eran producidos y trabajados en productos, incluyendo el hierro.

Tipos de hierro

Existen dos tipos principales de hierro producidos: hierro fundido y hierro forjado. Dentro de estos el hierro fundido tiene sus propias familias de metales.

Hierro forjado

El primer tipo de hierro producido y trabajado por los herreros fue el hierro forjado. Es un hierro elemental prácticamente puro (Fe) que es calentado en un horno antes de ser forjado (trabajado) con martillos sobre un yunque. El martilleo del hierro expulsa la mayor parte de la escoria del material y suelda las partículas de hierro entre sí.

Durante la revolución industrial y la aceleración asociada con las actividades de construcción, se descubrió un nuevo uso del hierro forjado. Su alta resistencia a la tensión (resistencia a romperse cuando está bajo tensión) lo hizo ideal para ser usado en las vigas en los grandes proyectos de construcción como puentes y rascacielos. Sin embargo, el uso de hierro forjado para este propósito fue abandonado a principios del siglo XX cuando se desarrollaron productos de acero desarrollados con rendimiento superior al hierro para las aplicaciones de construcción.

El hierro forjado se ha hecho famoso para las pieza decorativas. Las iglesias del siglo XV y XVI contenían piezas finas de hierro forjado producidas por hábiles artesanos. En el mundo moderno, los barandales, puertas y bancas aún son hechas con hierro forjado como piezas personalizadas.

Hierro fundido

El hierro fundido se obtiene fundiendo aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono superior al 2%. Tras la fusión, el metal se vierte en un molde. La diferencia principal en la producción entre el hierro forjado y el fundido es que el hierro fundido no se trabaja con martillos y herramientas. También existen diferencias en la composición, el hierro fundido contiene 2-4% de carbono y otras aleaciones y 1-3% de silicio, el cual mejora el rendimiento del metal fundido. Pequeñas cantidades de manganeso y otras impurezas como el sulfuro y fósforo también pueden estar presentes. Las diferencias entre hierro forjado y fundido también pueden encontrarse en los detalles de la estructura química y propiedades físicas.

Aunque tanto el acero como el hierro fundido contienen trazas de carbono y parecen ser similares, existen diferencias importantes entre los dos metales. El acero contiene menos del 2% de carbono, lo cual permite al producto final solidificarse en una estructura microcristalina única. Un mayor contenido de carbono de la fundición de hierro significa que se solidifica como una aleación heterogénea y, por tanto, tiene más de una estructura microcristalina presente en el material.

Es la combinación de alto contenido de carbono y la presencia de silicio la que le da al hierro fundido su excelente maleabilidad. Varios tipos de hierro fundido son producidos usando diferentes tratamientos térmico y técnicas de procesamiento, incluyendo La fundición gris, la fundición blanca, la fundición maleable, la fundición dúctil y la fundición de grafito compactado.

Los detalles en el diseño del hierro fundido son producidos fundiendo metales y vertiéndolos en un molde
Fundición gris

La fundición gris se caracteriza por la forma de escama de las moléculas de grafito en el metal. Cuando el metal se fractura, la rotura se produce a lo largo de las escamas de grafito durante la producción, lo cual le da el color gris en la superficie fracturada del metal. El nombre de fundición gris viene de esta característica.

Es posible controlar el tamaño y la estructura matricial de las escamas de grafito durante la producción ajustando la velocidad de enfriamiento y la composición. La fundición gris no es tan dúctil como otras formas de hierro y su resistencia a la tracción también es menor. Sin embargo, es un mejor conductor termal y tiene un nivel más alto de amortiguación a la vibración. Su capacidad de amortiguación es 20-25 veces superior a la del acero y superior a la de todos los demás hierros fundidos. La fundición gris es más fácil de usar en máquina que otras fundiciones de hierro y sus propiedades de resistencia al desgaste la convierten en uno de los productos de fundición de mayor volumen.

Nuestros productos para paisajismo están hechos de fundición gris. La amortiguación a la vibración y resistencia al desgaste que hacen a este el material correcto para muchas aplicaciones en la calle. La fundición gris en bruto también produce una pátina que la mantiene a salvo de la corrosión destructiva incluso en exteriores.

Fundición blanca

Con el contenidos de carbono correcto y una velocidad de enfriamiento alta, los átomos de carbono se combinan con hierro para formar carburo de hierro. Esto significa que apenas hay moléculas de grafito libres en el material solidificado. Cuando el hierro blanco es cillazado, la cara fracturada se vuelve blanca debido a la ausencia de grafito. La estructura microcristalina de la cementita es dura y quebradiza, con una elevada resistencia a la compresión y una buena resistencia al desgaste. En ciertas aplicaciones especializadas, es deseable tener la fundición blanca en la superficie del producto. Esto puede ser alcanzado usando un buen conductor de calor para hacer parte del molde. Esto sacará el calor del metal fundido de esa zona específica, mientras que el resto de la pieza se enfriará a un ritmo más lento.

Uno de los grados más populares de la fundición blanca es la fundición ni-hard. La adición de aleaciones de cromo y níquel le da a este producto excelentes propiedades para aplicaciones de bajo impacto y abrasión por deslizamiento.

La fundición blanca y la fundición ni-hard pertenece a una clasificación de aleaciones denominada ASTM A532; la “Especificación estándar para fundiciones resistentes a la abrasión“.

Fundición Maleable

La fundición blanca puede ser procesada a fundición maleable a través de un proceso de tratamiento térmico. Un programa extendido de calentamiento y enfriamiento resulta en la ruptura de las moléculas de carburo de hierro, liberando moléculas de grafito libres en el hierro. Los diferentes índices de enfriamiento y la adición de aleaciones, produce una fundición maleable con estructura microcristalina.

Fundición dúctil (fundición nodular)

La fundición dúctil, o fundición nodular, obtiene sus propiedades especiales mediante la adición de magnesio a la aleación. La presencia de magnesio hace que el grafito se forme en forma esferoidal, a diferencia de las escamas de la fundición gris. El control de la composición es muy importante en el proceso de manufactura. Pequeñas cantidades de impurezas como el azufre y el oxígeno reaccionan con el magnesio, afectando a la forma de las moléculas de grafito. Los diferentes grados de hierro dúctil se forman manipulando la estructura microcristalina alrededor del esferoide de grafito. Esto es alcanzado a través del proceso de fundición o mediante tratamiento térmico, como fase posterior del proceso.

Debido a que la fundición dúctil se deforma con el impacto, en vez de romperse en pedazos, usamos el material para hacer nuestros bolardos de hierro fundido. El perfil de impacto de la fundición dúctil lo convierte en una buen hierro para bolardos cerca del tráfico de vehículos.

Fundición de grafito compacto

La fundición de grafito compacto tiene una estructura de grafito y propiedades asociadas que son una mezcla de fundición gris y blanca. La estructura microcristalina es formada alrededor de hojuelas de grafito que están interconectadas. Una aleación, como el titanio, se utiliza para suprimir la formación de grafito esferoidal. La fundición de grafito compacto tiene una mayor resistencia a la tracción y una ductilidad mejorada en comparación con la fundición gris. La estructura microcristalina y las propiedades pueden ser ajustadas a través de un tratamiento térmico o la adición de otras aleaciones.

Resumen de las composiciones de hierro fundido

Una tabla desarrollada por el Manual del Ingeniero muestra los diferentes rangos de composición para los diferentes tipos de hierro fundido:

RANGO DE COMPOSICIONES PARA FUNDICIONES NO ALEADAS TÍPICAS
VALORES EN PORCENTAJE (%)

TIPO DE HIERRO

CARBÓN

SILICIO

MANGANESO

AZUFRE

FÓSFORO

Gris

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.02 – 0.25

0.02 – 1.0

Dúctil

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0.1 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

Grafito Compacto

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

Maleable (Fundición blanca)

2.0 – 2.9

0.9 – 1.9

0.15 – 1.2

0.02 – 0.2

0.02 – 0.2

Blanca

1.8 – 3.6

0.5 – 1.9

0.25 – 0.8

0.06 – 0.2

0.06 – 0.2

RANGO DE COMPOSICIONES PARA FUNDICIONES NO ALEADAS TÍPICAS
VALORES EN PORCENTAJE (%)

TIPO DE HIERRO

CARBÓN

Gris

2.5 – 4.0

Dúctil

3.0 – 4.0

Grafito Compacto

2.5 – 4.0

Maleable (Fundición blanca)

2.0 – 2.9

Blanca

1.8 – 3.6

TIPO DE HIERRO

SILICIO

Gris

1.0 – 3.0

Dúctil

1.8 – 2.8

Grafito Compacto

1.0 – 3.0

Maleable (Fundición blanca)

0.9 – 1.9

Blanca

0.5 – 1.9

TIPO DE HIERRO

MANGANESO

Gris

0.2 – 1.0

Dúctil

0.1 – 1.0

Grafito Compacto

0.2 – 1.0

Maleable (Fundición blanca)

0.15 – 1.2

Blanca

0.25 – 0.8

TIPO DE HIERRO

AZUFRE

Gris

0.02 – 0.25

Dúctil

0.01 – 0.03

Grafito Compacto

0.01 – 0.03

Maleable (Fundición blanca)

0.02 – 0.2

Blanca

0.06 – 0.2

TIPO DE HIERRO

FÓSFORO

Gris

0.02 – 1.0

Dúctil

0.01 – 0.1

Grafito Compacto

0.01 – 0.1

Maleable (Fundición blanca)

0.02 – 0.2

Blanca

0.06 – 0.2

Propiedades mecánicas del hierro fundido

Las propiedades mecánicas de un material indican cómo responde bajo tensiones específicas, lo que ayuda a determinar su idoneidad para diferentes aplicaciones.  Las especificaciones son establecidas por organizaciones como la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) para que los usuarios puedan comprar materiales con la confianza de que cumplirán los requerimientos para su aplicación. La especificación más comúnmente usada para la fundición gris es ASTM A48.

Para poder clasificar productos de fundición de acuerdo con sus especificaciones, una práctica estándar es fundir una barra de prueba junto con las piezas de fundición de ingeniería. Las pruebas ASTM son aplicadas a esta barra de prueba y los resultados son usados para clasificar toda la rama de piezas fundidas.

Las especificaciones también son importantes al soldar piezas de hierro fundido. La soldadura debe cumplir o exceder las propiedades mecánicas de los materiales que están siendo soldados, es decir, que pueden ocurrir fracturas o fallos.

Al soldar es crítico que la soldadura cumpla o exceda las propiedades mecánicas del material para evitar fracturas y fallas.

Algunas propiedades mecánicas comunes del hierro fundido incluyen:

  • Resistencia – la resistencia del material a la abrasión e indentación
  • Dureza – la capacidad del material de absorber energía
  • Ductilidad – la capacidad del material de deformarse sin fracturarse
  • Elasticidad – la capacidad del material de retornar a sus dimensiones originales después de que ha sido deformado
  • Maleabilidad – la capacidad del material de deformarse bajo compresión sin romperse
  • Resistencia a la tracción – El mayor estrés longitudinal que un material puede soportar sin romperse
  • Resistencia a la fatiga – El máximo estrés que un material puede soportar para un determinado número de ciclos sin romperse

Esta tabla resume algunas de las propiedades mecánicas clave para los diferentes grados de hierro fundido. Para más información, ver “aleaciones de hierro”, un gran documento de referencia de la Sociedad Americana de Fundición.

DUREZA BRINELL

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

MÓDULO DE ELASTICIDAD

% DE ALARGAMIENTO (EN 50 MM)

Fundición gris clase 25

187

29.9 ksi

16.1 Msi

Fundición gris clase 40

235

41.9 ksi

18.2 Msi

Fundición dúctil grado 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24.5 Msi

Fundición dúctil grado 129-90-02

240 – 300

120 ksi

25.5 Msi

CGI grado 250

179 max

36.2 ksi min

3

CGI grado 450

207 – 269

65.2 ksi min

1

DUREZA BRINELL

Fundición gris clase 25

187

Fundición gris clase 40

235

Fundición dúctil grado 60-40-18

130 – 170

Fundición dúctil grado 129-90-02

240 – 300

CGI grado 250

179 max

CGI grado 450

207 – 269

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

Fundición gris clase 25

29.9 ksi

Fundición gris clase 40

41.9 ksi

Fundición dúctil grado 60-40-18

60 ksi

Fundición dúctil grado 129-90-02

120 ksi

CGI grado 250

36.2 ksi min

CGI grado 450

65.2 ksi min

MÓDULO DE ELASTICIDAD

Fundición gris clase 25

16.1 Msi

Fundición gris clase 40

18.2 Msi

Fundición dúctil grado 60-40-18

24.5 Msi

Fundición dúctil grado 129-90-02

25.5 Msi

CGI grado 250

CGI grado 450

% DE ALARGAMIENTO (EN 50 MM)

Fundición gris clase 25

Fundición gris clase 40

Fundición dúctil grado 60-40-18

Fundición dúctil grado 129-90-02

CGI grado 250

3

CGI grado 450

1

Aplicaciones comunes de hierro fundido

Las distintas propiedades de los diferentes tipos de hierro fundido dan como resultado el tipo adecuado para aplicaciones específicas.

Aplicaciones de la fundición gris

Una de las principales características de la fundición gris es su capacidad para resistir el desgaste incluso cuando el suministro de lubricante es limitado (por ejemplo, las paredes superiores de los cilindros en los bloques de motor). La fundición gris es usada para hacer bloques de motor y cabezas de cilindro, colectores, quemadores de gas, piezas brutas de engranajes, cajas y carcasas.

Aplicaciones de la fundición blanca

El proceso de enfriamiento utilizado para fabricar la fundición blanca da como resultado un material quebradizo muy resistente al desgaste y la abrasión. Por esta razón, es usado para hacer revestimientos de molinos, boquillas de granallado, zapatas de freno de ferrocarril, carcasas de bombas de lodos, rodillos de laminadores y trituradoras.

La fundición Ni-Hard es específicamente usada para palas mezcladoras, tornillos sinfín y matrices, placas de revestimiento para molinos de bolas, tolvas de carbón y guías de alambre para trefilar.

La fundición blanca resistente a la abrasión es usado para producir una variedad de partes de maquinaría como las carcasas de las bombas de lodo.

Aplicaciones de la fundición dúctil

La fundición dúctil puede dividirse en diferentes grados, cada uno con sus propias especificaciones de propiedad y aplicaciones más adecuadas. Es fácil de mecanizar, tiene un buen límite elástico y de fatiga y es resistente al desgaste. Su característica más conocida, sin embargo es la ductilidad. El hierro dúctil puede ser usado para hacer nudillos de dirección, rejas de arado, cigüeñales, engranajes para cargas pesadas, componentes de suspensión de automóviles y camiones, componentes hidráulicos y bisagras de puertas de automóviles.

Aplicaciones de la fundición maleable

Los grados diferentes de la fundición maleable corresponde a diferentes estructuras microcristalinas. Los atributos específicos que hacen de la fundición maleable atractiva son su capacidad de retener y almacenar lubricantes, las partículas de desgaste no abrasivas, y la superficie porosa que atrapa otros residuos abrasivos. La fundición maleable es usada para superficies de apoyo de alta resistencia, cadenas, ruedas dentadas, bielas, componentes de trenes de transmisión y ejes, material rodante ferroviario y maquinaria agrícola y de construcción.

El hierro maleable es usado para superficies de rodamiento de alta resistencia, como componentes del tren de transmisión y del eje.

Aplicaciones de la fundición de granito compacto

La fundición de granito compacto está empezando a ser conocido dentro de las aplicaciones comerciales. La combinación de las propiedades de la fundición gris y blanca crearon un producto de alta resistencia y conductividad térmica, adecuada para bloques y chasis de motores diésel, camisas de cilindros, discos de freno para trenes, colectores de escape y placas de engranajes en bombas de alta presión.

Mecanizado y acabado

Las propiedades de dureza del hierro fundido demandan una selección cuidadosa de materiales para máquinas herramienta. Los carburos revestidos son efectivos en entornos de mecanizado de producción, pero se están desarrollando continuamente nuevos materiales a medida que mejora la tecnología.

El acabado superficial de los productos de fundición varía mucho según el uso. Algunas aplicaciones comunes son:

  • Galvanoplastia
  •  Inmersión en caliente
  •  Pulverización térmica
  •  Recubrimiento por difusión
  •  Revestimiento por conversión
  •  Esmaltado de porcelana
  •  Recubrimiento orgánico líquido
  •  Revestimiento orgánico en polvo seco

El hierro fundido y el futuro

Desde los inicios de uso hace 3000 años, el hierro ha sido parte integral de la sociedad humana. La producción de hierro ha avanzado mucho desde los siglos en que los herreros trabajaban el hierro hasta la invención del hierro fundido en la era industrial.

Desde entonces, el hierro forjado se ha vuelto casi obsoleto excepto para usos decorativos.

En contraste, el hierro fundido aún sigue avanzando en términos de composición, microestructura y propiedades mecánicas y continúa haciendo su marca en el mundo moderno.

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