Hierro fundido
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El hierro fundido es una clase de aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono superior al 2 %. Su utilidad se deriva de su temperatura de fusión relativamente baja. Los componentes de la aleación afectan su color cuando se fracturan; el hierro fundido blanco tiene impurezas de carburo que permiten que las grietas pasen directamente, el hierro fundido gris tiene escamas de grafito que desvían una grieta que pasa e inician innumerables grietas nuevas a medida que el material se rompe, y el hierro fundido dúctil tiene "nódulos" de grafito esféricos; que impiden que la grieta progrese más.
El carbono (C), que oscila entre el 1,8 y el 4 % en peso, y el silicio (Si), entre el 1 y el 3 % en peso, son los principales elementos de aleación del hierro fundido. Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como acero.
El hierro fundido tiende a ser quebradizo, a excepción de los hierros fundidos maleables. Con su punto de fusión relativamente bajo, buena fluidez, colabilidad, excelente maquinabilidad, resistencia a la deformación y resistencia al desgaste, los hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utilizan en tuberías, máquinas y piezas de la industria automotriz, como cilindros. culatas, bloques de cilindros y cajas de cambios. Es resistente al daño por oxidación pero es notoriamente difícil de soldar.
Los primeros artefactos de hierro fundido datan del siglo V a. C. y fueron descubiertos por arqueólogos en lo que ahora es Jiangsu, China. El hierro fundido se usaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. Durante el siglo XV d. C., el hierro fundido se utilizó para fabricar cañones en Borgoña, Francia y en Inglaterra durante la Reforma. Las cantidades de hierro fundido utilizadas para los cañones requerían una producción a gran escala. El primer puente de hierro fundido fue construido durante la década de 1770 por Abraham Darby III y se conoce como el Puente de Hierro en Shropshire, Inglaterra. El hierro fundido también se utilizó en la construcción de edificios.
Producción
El hierro fundido está hecho de arrabio, que es el producto de la fundición del mineral de hierro en un alto horno. El hierro fundido se puede fabricar directamente a partir del arrabio fundido o mediante la refundición del arrabio, a menudo junto con cantidades sustanciales de hierro, acero, piedra caliza, carbón (coque) y tomando varios pasos para eliminar los contaminantes indeseables. El fósforo y el azufre pueden quemarse del hierro fundido, pero esto también quema el carbón, que debe ser reemplazado. Dependiendo de la aplicación, el contenido de carbono y silicio se ajusta a los niveles deseados, que pueden oscilar entre el 2 y el 3,5 % y entre el 1 y el 3 %, respectivamente. Si se desea, se añaden otros elementos a la masa fundida antes de que se produzca la forma final por colada.
El hierro fundido a veces se funde en un tipo especial de alto horno conocido como cubilote, pero en las aplicaciones modernas, se funde con mayor frecuencia en hornos eléctricos de inducción o de arco eléctrico. Una vez que se completa la fusión, el hierro fundido fundido se vierte en un horno de mantenimiento o cuchara.
Tipos
Elementos de aleación
Las propiedades del hierro fundido se modifican al agregar varios elementos de aleación o aleantes. Después del carbono, el silicio es el aleante más importante porque obliga al carbono a salir de la solución. Un bajo porcentaje de silicio permite que el carbono permanezca en solución formando carburo de hierro y la producción de hierro fundido blanco. Un alto porcentaje de silicio obliga al carbono a salir de la solución formando grafito y la producción de fundición gris. Otros agentes de aleación, manganeso, cromo, molibdeno, titanio y vanadio, contrarrestan el silicio, promueven la retención de carbono y la formación de esos carburos. El níquel y el cobre aumentan la resistencia y la maquinabilidad, pero no cambian la cantidad de grafito formado. El carbono en forma de grafito da como resultado un hierro más blando, reduce la contracción, reduce la resistencia y disminuye la densidad. El azufre, en gran medida un contaminante cuando está presente, forma sulfuro de hierro, lo que evita la formación de grafito y aumenta la dureza. El problema con el azufre es que vuelve viscoso el hierro fundido fundido, lo que provoca defectos. Para contrarrestar los efectos del azufre, se agrega manganeso porque los dos forman sulfuro de manganeso en lugar de sulfuro de hierro. El sulfuro de manganeso es más liviano que la masa fundida, por lo que tiende a salir flotando de la masa fundida hacia la escoria. La cantidad de manganeso requerida para neutralizar el azufre es 1,7 × contenido de azufre + 0,3%. Si se agrega más de esta cantidad de manganeso, se forma carburo de manganeso, lo que aumenta la dureza y el enfriamiento, excepto en el hierro gris, donde hasta un 1 % de manganeso aumenta la resistencia y la densidad.
El níquel es uno de los elementos de aleación más comunes porque refina la estructura de perlita y grafito, mejora la tenacidad y nivela las diferencias de dureza entre los espesores de las secciones. El cromo se agrega en pequeñas cantidades para reducir el grafito libre, producir frío y porque es un poderoso estabilizador de carburo; el níquel se agrega a menudo en conjunción. Se puede añadir una pequeña cantidad de estaño como sustituto del 0,5 % de cromo. El cobre se agrega en la cuchara o en el horno, del orden de 0,5 a 2,5%, para disminuir el enfriamiento, refinar el grafito y aumentar la fluidez. Se agrega molibdeno del orden de 0,3 a 1% para aumentar el enfriamiento y refinar la estructura de grafito y perlita; a menudo se agrega junto con níquel, cobre y cromo para formar hierros de alta resistencia. El titanio se agrega como desgasificador y desoxidante, pero también aumenta la fluidez. Se agrega 0.15–0.5% de vanadio al hierro fundido para estabilizar la cementita, aumentar la dureza y aumentar la resistencia al desgaste y al calor. 0.1–0.3% de circonio ayuda a formar grafito, desoxidar y aumentar la fluidez.
En las fundiciones de hierro maleable, se agrega bismuto, en una escala de 0,002 a 0,01 %, para aumentar la cantidad de silicio que se puede agregar. En el hierro blanco, se agrega boro para ayudar en la producción de hierro maleable; también reduce el efecto de engrosamiento del bismuto.
Hierro fundido gris
La fundición gris se caracteriza por su microestructura grafítica, lo que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto gris. Es el hierro fundido más utilizado y el material fundido más utilizado en función del peso. La mayoría de los hierros fundidos tienen una composición química de 2,5 a 4,0 % de carbono, 1 a 3 % de silicio y el resto de hierro. El hierro fundido gris tiene menos resistencia a la tracción y resistencia a los golpes que el acero, pero su resistencia a la compresión es comparable al acero de bajo y medio carbono. Estas propiedades mecánicas están controladas por el tamaño y la forma de las escamas de grafito presentes en la microestructura y pueden caracterizarse de acuerdo con las pautas dadas por la ASTM.
Hierro fundido blanco
El hierro fundido blanco muestra superficies fracturadas blancas debido a la presencia de un precipitado de carburo de hierro llamado cementita. Con un contenido de silicio más bajo (agente grafitante) y una velocidad de enfriamiento más rápida, el carbono en el hierro fundido blanco precipita del fundido como la fase metaestable de cementita, Fe3C, en lugar de grafito. La cementita que precipita del fundido se forma como partículas relativamente grandes. A medida que el carburo de hierro se precipita, extrae carbono de la masa fundida original, moviendo la mezcla hacia una que está más cerca de la eutéctica, y la fase restante es la austenita con contenido inferior de hierro y carbono (que al enfriarse podría transformarse en martensita). Estos carburos eutécticos son demasiado grandes para brindar el beneficio de lo que se denomina endurecimiento por precipitación (como en algunos aceros, donde precipitados de cementita mucho más pequeños podrían inhibir [la deformación plástica] al impedir el movimiento de las dislocaciones a través de la matriz de ferrita de hierro puro). Más bien, aumentan la dureza aparente del hierro fundido simplemente en virtud de su propia dureza muy alta y su fracción de volumen sustancial, de modo que la dureza aparente se puede aproximar mediante una regla de mezclas. En cualquier caso, ofrecen dureza a expensas de tenacidad. Dado que el carburo constituye una gran fracción del material, el hierro fundido blanco podría clasificarse razonablemente como cermet. El hierro blanco es demasiado frágil para usar en muchos componentes estructurales, pero con buena dureza y resistencia a la abrasión y un costo relativamente bajo, encuentra uso en aplicaciones tales como superficies de desgaste (impulsor y voluta) de bombas de lodo, revestimientos de carcasa y barras elevadoras en bola. molinos y molinos de molienda autógenos, bolas y anillos en pulverizadores de carbón, y los dientes de la cuchara de excavación de una retroexcavadora (aunque el acero martensítico de medio carbono fundido es más común para esta aplicación).
Es difícil enfriar fundiciones gruesas lo suficientemente rápido como para solidificar la masa fundida como hierro fundido blanco por completo. Sin embargo, se puede usar un enfriamiento rápido para solidificar una capa de hierro fundido blanco, después de lo cual el resto se enfría más lentamente para formar un núcleo de hierro fundido gris. La fundición resultante, llamada fundición enfriada, tiene los beneficios de una superficie dura con un interior algo más resistente.
Las aleaciones de hierro blanco con alto contenido de cromo permiten la fundición en arena de fundiciones masivas (por ejemplo, un impulsor de 10 toneladas), ya que el cromo reduce la velocidad de enfriamiento requerida para producir carburos a través de los mayores espesores de material. El cromo también produce carburos con una impresionante resistencia a la abrasión. Estas aleaciones con alto contenido de cromo atribuyen su dureza superior a la presencia de carburos de cromo. La forma principal de estos carburos son los carburos eutécticos o primarios M7C3, donde "M" representa hierro o cromo y puede variar según la composición de la aleación. Los carburos eutécticos se forman como haces de varillas hexagonales huecas y crecen perpendiculares al plano basal hexagonal. La dureza de estos carburos está dentro del rango de 1500-1800HV.
Hierro fundido maleable
El hierro maleable comienza como una fundición de hierro blanco que luego se trata con calor durante uno o dos días a aproximadamente 950 °C (1740 °F) y luego se enfría durante uno o dos días. Como resultado, el carbono del carburo de hierro se transforma en grafito y ferrita más carbono. El proceso lento permite que la tensión superficial forme el grafito en partículas esferoidales en lugar de escamas. Debido a su relación de aspecto más baja, los esferoides son relativamente cortos y están lejos unos de otros, y tienen una sección transversal más baja en comparación con una grieta o fonón que se propaga. También tienen bordes romos, a diferencia de las escamas, lo que alivia los problemas de concentración de tensiones que se encuentran en el hierro fundido gris. En general, las propiedades del hierro fundido maleable son más parecidas a las del acero dulce. Existe un límite en el tamaño de una pieza que se puede fundir en hierro maleable, ya que está hecha de hierro fundido blanco.
Hierro fundido dúctil
Desarrollado en 1948, el nodular o hierro fundido dúctil tiene su grafito en forma de nódulos muy pequeños con el grafito en forma de capas concéntricas que forman los nódulos. Como resultado, las propiedades del hierro fundido dúctil son las de un acero esponjoso sin los efectos de concentración de tensiones que producirían las escamas de grafito. El porcentaje de carbono presente es de 3 a 4 % y el porcentaje de silicio es de 1,8 a 2,8 %. Pequeñas cantidades de 0,02 a 0,1 % de magnesio y solo de 0,02 a 0,04 % de cerio añadidas a estas aleaciones ralentizan el crecimiento de precipitados de grafito al adherirse a los bordes. de los planos de grafito. Junto con el control cuidadoso de otros elementos y el tiempo, esto permite que el carbono se separe como partículas esferoidales a medida que el material se solidifica. Las propiedades son similares al hierro maleable, pero las piezas se pueden moldear con secciones más grandes.
Tabla comparativa de calidades de fundiciones
| Nombre | Composición nominal [% en peso] | Forma y condición | Fuerza de rendimiento [ksi (0,2% offset)] | Fuerza de tensil [ksi] | Elongación [%] | Hardness [Bscalera de Sangre] | Usos |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hierro fundido gris (ASTM A48) | C 3.4, Si 1.8, Mn 0.5 | Cast | — | 50 | 0.5 | 260 | bloques de cilindro de motor, volantes, cajas de cambio, bases de herramientas |
| hierro fundido blanco | C 3.4, Si 0.7, Mn 0.6 | Cast (como cast) | — | 25 | 0 | 450 | Superficies de rodamientos |
| Hierro maleable (ASTM A47) | C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55 | Fundido (amasado) | 33 | 52 | 12 | 130 | Rodamientos de eje, ruedas de pista, cigüeñales automotrices |
| Hierro ductil o nodular | C 3.4, P 0.1, Mn 0.4, Ni 1.0, Mg 0.06 | Cast | 53 | 70 | 18 | 170 | Gears, camshafts, crankshafts |
| Hierro ductil o nodular (ASTM A339) | — | Funda (quench temped) | 108 | 135 | 5 | 310 | — |
| Ni-hard tipo 2 | C 2.7, Si 0.6, Mn 0.5, Ni 4.5, Cr 2.0 | Sand-cast | — | 55 | — | 550 | Aplicaciones de alta resistencia |
| Tipo 2 | C 3.0, Si 2.0, Mn 1.0, Ni 20.0, Cr 2.5 | Cast | — | 27 | 2 | 140 | Resistencia al calor y la corrosión |
Historia
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El hierro fundido y el hierro forjado se pueden producir de forma no intencionada al fundir cobre utilizando mineral de hierro como fundente.
Los primeros artefactos de hierro fundido datan del siglo V a. C. y fueron descubiertos por arqueólogos en lo que ahora es el moderno condado de Luhe, Jiangsu en China durante el período de los Reinos Combatientes. Esto se basa en un análisis de las microestructuras del artefacto.
Debido a que el hierro fundido es relativamente frágil, no es adecuado para fines en los que se requiere un borde afilado o flexibilidad. Es fuerte bajo compresión, pero no bajo tensión. El hierro fundido se inventó en China en el siglo V a. C. y se vertió en moldes para fabricar arados y ollas, así como armas y pagodas. Aunque el acero era más deseable, el hierro fundido era más barato y, por lo tanto, se usaba más comúnmente para implementos en la antigua China, mientras que el hierro forjado o el acero se usaban para armas. Los chinos desarrollaron un método para recocer el hierro fundido manteniendo las fundiciones calientes en una atmósfera oxidante durante una semana o más para quemar algo de carbono cerca de la superficie y evitar que la capa superficial se vuelva demasiado quebradiza.
En el oeste, donde no estuvo disponible hasta el siglo XV, sus primeros usos incluyeron cañones y perdigones. Enrique VIII inició la fundición de cañones en Inglaterra. Pronto, los trabajadores del hierro ingleses que usaban altos hornos desarrollaron la técnica de producir cañones de hierro fundido que, aunque eran más pesados que los cañones de bronce predominantes, eran mucho más baratos y permitieron a Inglaterra armar mejor a su armada. La tecnología del hierro fundido fue transferida desde China. Al-Qazvini en el siglo XIII y otros viajeros notaron posteriormente una industria del hierro en las montañas Alburz al sur del Mar Caspio. Esto está cerca de la ruta de la seda, por lo que es concebible el uso de tecnología derivada de China. Los herreros de Weald continuaron produciendo hierro fundido hasta la década de 1760, y el armamento fue uno de los principales usos del hierro después de la Restauración.
Las ollas de hierro fundido se fabricaban en muchos altos hornos ingleses de la época. En 1707, Abraham Darby patentó un nuevo método para fabricar ollas (y teteras) más delgadas y, por lo tanto, más baratas que las fabricadas con métodos tradicionales. Esto significó que sus hornos Coalbrookdale se volvieron dominantes como proveedores de ollas, una actividad a la que se unieron en las décadas de 1720 y 1730 por un pequeño número de otros altos hornos alimentados con coque.
La aplicación de la máquina de vapor para accionar fuelles de explosión (indirectamente mediante el bombeo de agua a una rueda hidráulica) en Gran Bretaña, a partir de 1743 y aumentando en la década de 1750, fue un factor clave en el aumento de la producción de hierro fundido, que se disparó en los siguientes décadas. Además de superar la limitación de la energía hidráulica, la explosión impulsada por agua bombeada a vapor proporcionó temperaturas de horno más altas que permitieron el uso de proporciones de cal más altas, lo que permitió la conversión de carbón (los suministros de madera para los cuales eran inadecuados) a coque.
Puentes de hierro fundido
El uso de hierro fundido con fines estructurales comenzó a fines de la década de 1770, cuando Abraham Darby III construyó el Puente de hierro, aunque ya se habían utilizado vigas cortas, como en los altos hornos de Coalbrookdale. Siguieron otros inventos, incluido uno patentado por Thomas Paine. Los puentes de hierro fundido se convirtieron en un lugar común a medida que la Revolución Industrial se aceleraba. Thomas Telford adoptó el material para su puente río arriba en Buildwas, y luego para el acueducto de Longdon-on-Tern, un acueducto a través del canal en Longdon-on-Tern en el canal de Shrewsbury. Le siguieron el acueducto Chirk y el acueducto Pontcysyllte, los cuales siguen en uso después de las recientes restauraciones.
La mejor forma de utilizar el hierro fundido para la construcción de puentes era utilizando arcos, de modo que todo el material estuviera en compresión. El hierro fundido, nuevamente como la mampostería, es muy resistente a la compresión. El hierro forjado, como la mayoría de los otros tipos de hierro y, de hecho, como la mayoría de los metales en general, es resistente a la tensión y también resistente a la fractura. La relación entre el hierro forjado y el hierro fundido, para fines estructurales, puede considerarse análoga a la relación entre la madera y la piedra.
Los primeros ferrocarriles utilizaron mucho los puentes de vigas de hierro fundido, como el Water Street Bridge en 1830 en la terminal de Manchester del Liverpool and Manchester Railway, pero los problemas con su uso se hicieron evidentes cuando se construyó un nuevo puente que transportaba el El ferrocarril Chester y Holyhead que cruza el río Dee en Chester se derrumbó y mató a cinco personas en mayo de 1847, menos de un año después de su apertura. El desastre del puente Dee fue causado por una carga excesiva en el centro de la viga por un tren que pasaba, y muchos puentes similares tuvieron que ser demolidos y reconstruidos, a menudo en hierro forjado. El puente había sido mal diseñado, ya que estaba atado con correas de hierro forjado, que se pensó erróneamente que reforzarían la estructura. Los centros de las vigas se sometieron a flexión, con el borde inferior en tensión, donde el hierro fundido, como la mampostería, es muy débil.
Sin embargo, el hierro fundido siguió utilizándose de formas estructurales inadecuadas, hasta que el desastre del puente ferroviario Tay de 1879 planteó serias dudas sobre el uso del material. Las orejetas cruciales para sujetar las barras de unión y los puntales en el puente Tay se habían fundido integralmente con las columnas y fallaron en las primeras etapas del accidente. Además, los orificios de los pernos también se moldearon y no se taladraron. Por lo tanto, debido al ángulo de desmoldeo de la fundición, la tensión de las barras de unión se colocó en el borde del orificio en lugar de distribuirse a lo largo del orificio. El puente de reemplazo fue construido en hierro forjado y acero.
Sin embargo, se produjeron más derrumbes de puentes que culminaron en el accidente ferroviario de Norwood Junction en 1891. Miles de puentes subterráneos de rieles de hierro fundido finalmente fueron reemplazados por equivalentes de acero en 1900 debido a la preocupación generalizada sobre los puentes de hierro fundido en la red ferroviaria en Bretaña.
El puente de hierro sobre el río Severn en Coalbrookdale, Inglaterra (acabado 1779)
El Puente del Torneo Eglinton (completo c1845), North Ayrshire, Escocia, construido a partir de hierro fundido
Puente de Tay original del norte (acabado 1878)
Fallen Tay Puente del norte
Edificios
Las columnas de hierro fundido, que fueron pioneras en los edificios industriales, permitieron a los arquitectos construir edificios de varias plantas sin los muros enormemente gruesos necesarios para los edificios de mampostería de cualquier altura. También abrieron espacios de piso en fábricas y líneas de visión en iglesias y auditorios. A mediados del siglo XIX, las columnas de hierro fundido eran comunes en los almacenes y edificios industriales, combinadas con vigas de hierro forjado o fundido, lo que eventualmente condujo al desarrollo de rascacielos con estructura de acero. El hierro fundido también se utilizó a veces para la decoración de fachadas, especialmente en los Estados Unidos, y el distrito Soho de Nueva York tiene numerosos ejemplos. También se usó ocasionalmente para edificios prefabricados completos, como el histórico Iron Building en Watervliet, Nueva York.
Fábricas textiles
Otro uso importante fue en las fábricas textiles. El aire de los molinos contenía fibras inflamables del algodón, el cáñamo o la lana que se hilaba. Como resultado, las fábricas textiles tenían una propensión alarmante a incendiarse. La solución fue construirlos íntegramente con materiales incombustibles, y se consideró conveniente dotar al edificio de una estructura de hierro, en gran parte de fundición, en sustitución de la madera inflamable. El primer edificio de este tipo estaba en Ditherington en Shrewsbury, Shropshire. Muchos otros almacenes se construyeron utilizando columnas y vigas de hierro fundido, aunque los diseños defectuosos, las vigas defectuosas o la sobrecarga a veces causaron derrumbes de edificios y fallas estructurales.
Durante la Revolución Industrial, el hierro fundido también se usó ampliamente para la estructura y otras partes fijas de la maquinaria, incluidas las máquinas de hilar y, más tarde, tejer en las fábricas textiles. El hierro fundido se volvió ampliamente utilizado y muchas ciudades tenían fundiciones que producían maquinaria industrial y agrícola.
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