Hierro fundido

Las propiedades del hierro fundido se modifican mediante la adición de diversos elementos de aleación, o aleantes . Junto con el carbono , el silicio es el aleante más importante, ya que desplaza el carbono de la solución. Un bajo porcentaje de silicio permite que el carbono permanezca en solución, formando carburo de hierro y produciendo hierro fundido blanco. Un alto porcentaje de silicio desplaza el carbono de la solución, formando grafito y produciendo hierro fundido gris. Otros agentes de aleación, como el manganeso , el cromo , el molibdeno , el titanio y el vanadio , contrarrestan el silicio y favorecen la retención de carbono y la formación de dichos carburos. El níquel y el cobre aumentan la resistencia y la maquinabilidad, pero no modifican la cantidad de grafito formado. El carbono en forma de grafito produce un hierro más blando, reduce la contracción, disminuye la resistencia y reduce la densidad. El azufre , que en gran medida actúa como contaminante cuando está presente, forma sulfuro de hierro , lo que impide la formación de grafito y aumenta la dureza . El azufre hace que el hierro fundido sea viscoso, lo que provoca defectos. Para contrarrestar los efectos del azufre, se añade manganeso, ya que ambos forman sulfuro de manganeso en lugar de sulfuro de hierro. El sulfuro de manganeso es más ligero que el metal fundido, por lo que tiende a flotar y a formar escoria . La cantidad de manganeso necesaria para neutralizar el azufre es 1,7 × contenido de azufre + 0,3 %. Si se añade más manganeso, se forma carburo de manganeso , lo que aumenta la dureza y la fragua , excepto en el hierro gris, donde hasta un 1 % de manganeso aumenta la resistencia y la densidad. ^{[ 7 ]}

El níquel es uno de los elementos de aleación más comunes, ya que refina las estructuras de perlita y grafito, mejora la tenacidad y uniformiza las diferencias de dureza entre los espesores de sección. El cromo se agrega en pequeñas cantidades para reducir el grafito libre, producir enfriamiento rápido y porque es un potente estabilizador de carburos ; a menudo se agrega junto con el níquel. Se puede agregar una pequeña cantidad de estaño como sustituto del 0,5 % de cromo. El cobre se agrega en la cuchara o en el horno, en el orden del 0,5 al 2,5 %, para disminuir el enfriamiento rápido, refinar el grafito y aumentar la fluidez. El molibdeno se agrega en el orden del 0,3 al 1 % para aumentar el enfriamiento rápido 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 añade vanadio al hierro fundido en una proporción de 0,15 a 0,5% para estabilizar la cementita, aumentar la dureza y mejorar la resistencia al desgaste y al calor. El circonio, en una proporción de 0,1 a 0,3%, contribuye a la formación de grafito, la desoxidación y el aumento de la fluidez. ^{[ 7 ]}

En las fundiciones de hierro maleable, se añade bismuto en una proporción de 0,002 a 0,01 % para aumentar la cantidad de silicio que se puede añadir. En el hierro blanco, se añade boro para facilitar la producción de hierro maleable; además, reduce el efecto de engrosamiento del bismuto. ^{[ 7 ]}

El hierro fundido gris se caracteriza por su microestructura grafítica, que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto grisáceo. Es el hierro fundido más utilizado y el material de fundición más extendido en términos de peso. La mayoría de los hierros fundidos tienen una composición química de 2,5-4,0 % de carbono, 1-3 % de silicio y el resto hierro. El hierro fundido gris tiene menor resistencia a la tracción y al impacto que el acero, pero su resistencia a la compresión es comparable a la del acero de bajo y medio contenido de carbono. Estas propiedades mecánicas están controladas por el tamaño y la forma de las láminas de grafito presentes en la microestructura y pueden caracterizarse según las directrices de la ASTM . ^{[ 8 ]}

El comportamiento tribológico de las aleaciones estructurales durante la fricción por deslizamiento está fuertemente influenciado por la microestructura y la composición de fases. Los aceros al manganeso austeníticos y las fundiciones de manganeso presentan mecanismos de desgaste complejos asociados con el endurecimiento por deformación, la deformación plástica de la capa superficial y la formación de residuos de desgaste durante la fricción. Dichos materiales pueden desarrollar capas superficiales endurecidas durante el contacto por deslizamiento, lo que influye significativamente en la resistencia al desgaste y la estabilidad de la fricción. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

El hierro fundido blanco presenta superficies de fractura blancas debido a la presencia de un precipitado de carburo de hierro llamado cementita. Con un menor contenido de silicio (agente grafitizante) y una velocidad de enfriamiento más rápida, el carbono en el hierro fundido blanco precipita del metal fundido como la fase metaestable cementita , Fe₃C _, en lugar de grafito. La cementita que precipita del metal fundido se forma como partículas relativamente grandes. A medida que el carburo de hierro precipita, extrae carbono del metal fundido original, acercando la mezcla a una fase más cercana al eutéctico , y la fase restante es la austenita de menor contenido de hierro-carbono (que al enfriarse puede transformarse en martensita ). Estos carburos eutécticos son demasiado grandes para proporcionar el beneficio de lo que se denomina endurecimiento por precipitación (como en algunos aceros, donde precipitados de cementita mucho más pequeños pueden inhibir la deformación plástica al impedir el movimiento de dislocaciones a través de la matriz de ferrita de hierro puro). Más bien, aumentan la dureza global del hierro fundido simplemente en virtud de su propia dureza muy alta y su fracción de volumen sustancial, de modo que la dureza global puede aproximarse mediante una regla de mezclas. En cualquier caso, ofrecen dureza a expensas de la tenacidad . Dado que el carburo constituye una gran fracción del material, el hierro fundido blanco podría clasificarse razonablemente como un cermet . El hierro blanco es demasiado quebradizo para su uso en muchos componentes estructurales, pero con buena dureza y resistencia a la abrasión y un costo relativamente bajo, se utiliza en aplicaciones tales como las superficies de desgaste ( impulsor y voluta ) de bombas de lodos , revestimientos de carcasa y barras elevadoras en molinos de bolas y molinos de molienda autógena , bolas y anillos en pulverizadores de carbón .

Es difícil enfriar piezas fundidas gruesas con la suficiente rapidez como para solidificar completamente el metal fundido en forma de hierro fundido blanco. Sin embargo, se puede utilizar un enfriamiento rápido para solidificar una capa de hierro fundido blanco, tras lo cual el resto se enfría más lentamente para formar un núcleo de hierro fundido gris. La pieza fundida resultante, denominada pieza fundida enfriada , presenta las ventajas de una superficie dura con un interior algo más resistente. ^{[ 13 ]}

Las aleaciones de hierro blanco con alto contenido de cromo permiten la fundición en arena de piezas masivas (por ejemplo, un impulsor de 10 toneladas), ya que el cromo reduce la velocidad de enfriamiento necesaria para producir carburos a través de los mayores espesores del material. El cromo también produce carburos con una impresionante resistencia a la abrasión. ^{[ 14 ]} Estas aleaciones con alto contenido de cromo deben su dureza superior a la presencia de carburos de cromo. La forma principal de estos carburos son los carburos eutécticos o primarios M ₇ C ₃ , 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 perpendicularmente al plano basal hexagonal. La dureza de estos carburos se encuentra en el rango de 1500-1800 HV. ^{[ 15 ]}

El hierro maleable comienza como una pieza de hierro blanco fundido que luego se somete a un tratamiento térmico durante uno o dos días a unos 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 láminas. Debido a su menor relación de aspecto , los esferoides son relativamente cortos y están muy separados entre sí, y tienen una sección transversal menor con respecto a una grieta o fonón que se propaga . También tienen límites romos, a diferencia de las láminas, 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 las piezas que se pueden fundir en hierro maleable, ya que se fabrica a partir de hierro fundido blanco.  

Desarrollado en 1948, el hierro fundido nodular o dúctil presenta grafito en forma de nódulos muy pequeños, dispuestos en capas concéntricas. Como resultado, sus propiedades son similares a las de un acero esponjoso, sin los efectos de concentración de tensiones que producirían las escamas de grafito. El porcentaje de carbono es del 3 al 4%, y el de silicio, del 1,8 al 2,8%. Pequeñas cantidades de magnesio (0,02 a 0,1%) y de cerio (0,02 a 0,04%) añadidas a estas aleaciones ralentizan el crecimiento de los precipitados de grafito al unirse a los bordes de los planos de grafito. Junto con un control preciso de otros elementos y tiempos de solidificación, esto permite que el carbono se separe en partículas esferoidales durante la solidificación del material. Sus propiedades son similares a las del hierro maleable, pero permite la fundición de piezas de mayor tamaño.

El uso del hierro fundido con fines estructurales comenzó a finales 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. Le siguieron otros inventos, incluido uno patentado por Thomas Paine . Los puentes de hierro fundido se hicieron comunes a medida que la Revolución Industrial cobraba impulso. Thomas Telford adoptó el material para su puente aguas arriba en Buildwas , y luego para el Acueducto de Longdon-on-Tern , un acueducto de canal en Longdon -on-Tern en el Canal de Shrewsbury . Le siguieron el Acueducto de Chirk y el Acueducto de Pontcysyllte , ambos aún en uso tras las recientes restauraciones.

La mejor manera de utilizar el hierro fundido en la construcción de puentes era mediante arcos , de modo que todo el material estuviera sometido a compresión. El hierro fundido, al igual que la mampostería, es muy resistente a la compresión. El hierro forjado, como la mayoría de los demás tipos de hierro y, de hecho, como la mayoría de los metales en general, es resistente a la tracción y también tenaz, es decir, 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 ampliamente puentes de vigas de hierro fundido, como el puente de Water Street en 1830 en la terminal de Manchester del ferrocarril de Liverpool y Manchester , pero los problemas con su uso se hicieron demasiado evidentes cuando un nuevo puente que transportaba el ferrocarril de Chester y Holyhead sobre el río Dee en Chester se derrumbó en mayo de 1847, matando a cinco personas, menos de un año después de su inauguración. El desastre del puente del Dee fue causado por una carga excesiva en el centro de la viga por el paso de un tren, y muchos puentes similares tuvieron que ser demolidos y reconstruidos, a menudo en hierro forjado . El puente había sido mal diseñado, siendo reforzado con correas de hierro forjado, que erróneamente se creyó que reforzarían la estructura. Los centros de las vigas se flexionaron, con el borde inferior en tensión, donde el hierro fundido, al igual que la mampostería , es muy débil.

Sin embargo, el hierro fundido continuó utilizándose de forma inadecuada en estructuras, hasta que el desastre del puente ferroviario de Tay en 1879 generó serias dudas sobre la idoneidad del material. Los soportes cruciales para sujetar las barras de unión y los puntales del puente de Tay se habían fundido integrados a las columnas, y fallaron en las primeras etapas del accidente. Además, los orificios para los pernos también se fundieron y no se perforaron. Por lo tanto, debido al ángulo de desmoldeo de la fundición , la tensión de las barras de unión se concentró en el borde del orificio en lugar de distribuirse a lo largo del mismo. El puente de reemplazo se construyó en hierro forjado y acero.

Sin embargo, se produjeron nuevos derrumbes de puentes, que culminaron en el accidente ferroviario de Norwood Junction en 1891. Miles de pasos inferiores de ferrocarril de hierro fundido fueron finalmente reemplazados por equivalentes de acero hacia 1900 debido a la preocupación generalizada por los pasos inferiores de hierro fundido en la red ferroviaria de Gran Bretaña.

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  El puente de hierro sobre el río Severn en Coalbrookdale, Inglaterra (terminado en 1779).
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  El puente del torneo de Eglinton (terminado hacia 1845), en North Ayrshire , Escocia , construido en hierro fundido.
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  Puente original sobre el río Tay visto desde el norte (terminado en 1878)
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  Puente de Tay caído visto desde el norte

Las columnas de hierro fundido , pioneras en los edificios de molinos, permitieron a los arquitectos construir edificios de varias plantas sin los enormes muros necesarios para las construcciones de mampostería de cualquier altura. También ampliaron el espacio interior de las fábricas y mejoraron la visibilidad en iglesias y auditorios. A mediados del siglo XIX, las columnas de hierro fundido eran comunes en almacenes y edificios industriales, combinadas con vigas de hierro forjado o fundido, lo que finalmente condujo al desarrollo de rascacielos con estructura de acero. El hierro fundido también se utilizó en ocasiones para fachadas decorativas, especialmente en Estados Unidos, y el distrito de Soho en Nueva York cuenta con numerosos ejemplos. Asimismo, se empleó ocasionalmente para edificios prefabricados completos, como el histórico Iron Building en Watervliet, Nueva York .

Otro uso importante fue en las fábricas textiles . El aire en las fábricas contenía fibras inflamables del algodón, cáñamo o lana que se hilaban. Como resultado, las fábricas textiles tenían una alarmante propensión a incendiarse. La solución fue construirlas completamente con materiales no combustibles, y se consideró conveniente dotar al edificio de una estructura de hierro, principalmente de hierro fundido, en sustitución de la madera inflamable. El primer edificio de este tipo se construyó en Ditherington en Shrewsbury , Shropshire. ^{[ 22 ]} Muchos otros almacenes se construyeron utilizando columnas y vigas de hierro fundido, aunque los diseños defectuosos, las vigas defectuosas o la sobrecarga a veces causaban derrumbes y fallos estructurales.

Durante la Revolución Industrial, el hierro fundido también se utilizó ampliamente para la estructura y otras partes fijas de la maquinaria, incluidas las máquinas de hilar y, posteriormente, las de tejer en las fábricas textiles. El hierro fundido se popularizó y muchas ciudades contaban con fundiciones que producían maquinaria industrial y agrícola. ^{[ 23 ]}