El hierro fundido es una aleación a base de hierro que contiene aproximadamente entre un 2 % y un 4 % de carbono, además de silicio, manganeso y pequeñas cantidades de azufre y fósforo. Ese nivel de carbono es la principal diferencia entre el hierro fundido y el acero. Una aleación de hierro debe contener más del 2 % de carbono para poder clasificarse como hierro fundido; en comparación, el acero fundido suele contener entre un 0,1 % y un 0,5 % de carbono.
El nombre puede llevar a error. Como la palabra «hierro» aparece en el nombre, a veces se da por sentado que el hierro fundido es casi hierro puro. En realidad, los aceros al carbono contienen una mayor proporción de hierro que la mayoría de los hierros fundidos. El hierro fundido no es un único metal, sino una familia de aleaciones, y las diferencias entre los miembros de esta familia son más importantes de lo que sugiere el nombre común. Esta familia cuenta con una larga trayectoria: las fundiciones chinas ya producían hierro fundido en el siglo VI a. C., y hoy en día sigue siendo muy utilizado en aplicaciones industriales.
¿De qué está hecho el hierro fundido?
El hierro fundido es una aleación en la que el hierro es el metal base y el carbono es el elemento característico. El contenido de carbono suele oscilar entre el 2 y el 4 por ciento, con pequeñas cantidades de silicio y manganeso añadidas, mientras que el azufre y el fósforo se mantienen en niveles bajos. Estos elementos se añaden deliberadamente para modificar el comportamiento del metal y producir propiedades específicas tipos de hierro fundido.
La forma que adopta el carbono influye en la práctica. El grafito hace que el metal sea más blando y más fácil de mecanizar, mientras que el carburo de hierro lo hace más duro y más frágil. El silicio favorece la formación de grafito durante el enfriamiento, por lo que se controla junto con el carbono.
| Elemento | Importe habitual | Función |
|---|---|---|
| Hierro (Fe) | Saldo | Metal común; aporta resistencia y propiedades magnéticas |
| Carbono (C) | 2–4% | Se presenta en forma de grafito (más blando y más fácil de mecanizar) o de carburo de hierro (más duro y más frágil) |
| Silicio (Si) | 1–3% | Favorece la formación de grafito durante la solidificación |
| Manganeso (Mn) | 0,5–11 TP3T | Contrarresta el efecto debilitante del azufre |
| Azufre (S) | Hasta aproximadamente 0,081 TP3T | Se mantiene bajo; un exceso de azufre aumenta la fragilidad |
| Fósforo (P) | Hasta unos 1% | Aumenta la fluidez y la rigidez |
La composición determina la estructura, y la estructura determina las propiedades de la pieza acabada. Dos piezas fundidas que comparten la denominación de «hierro fundido» pueden comportarse de forma muy diferente si su composición o su enfriamiento difieren.
¿Cómo se fabrica el hierro fundido?
El nombre proviene del proceso de fabricación. El mineral de hierro se reduce en un alto horno hasta convertirlo en hierro fundido, que se moldea en lingotes en bruto, denominados tradicionalmente «pigs». Los lingotes se vuelven a fundir en un horno de cúpula junto con chatarra de acero y elementos de aleación; se ajusta la composición para alcanzar la calidad deseada y la masa fundida preparada se vierte en un molde.
El hierro fundido fundido fluye mejor que el acero y se funde a una temperatura más baja. Ambas características lo hacen idóneo para la fundición: las cavidades complejas de los moldes se rellenan con mayor facilidad y la energía necesaria para la fusión se mantiene dentro de unos límites razonables.
La solidificación no es el final del proceso. Una vez que la pieza fundida se enfría, se retiran los canales de colada, los elevadores y las rebabas; y, dependiendo del grado de calidad y del plano, pueden realizarse posteriormente operaciones como el tratamiento térmico, el mecanizado, el acabado superficial o la inspección. El molde da forma a la pieza; las operaciones posteriores determinan sus propiedades finales.
Tipos de fundición
El hierro fundido se clasifica según la forma en que se presenta el carbono. Esta característica estructural determina la maquinabilidad, la tenacidad, la resistencia al desgaste y la amortiguación, por lo que es necesario identificar el tipo antes de seleccionar una calidad.
Hierro gris
Hierro gris contiene grafito en forma de escamas. Cuando se produce una fractura en una pieza fundida de hierro gris, la grieta sigue el trazado de las escamas y la superficie de fractura presenta un aspecto grisáceo, de ahí su nombre. La estructura en escamas hace que el hierro gris sea fácil de mecanizar y le confiere una gran capacidad para amortiguar las vibraciones.
Las escamas conllevan una desventaja. El hierro gris es menos dúctil que otros tipos de hierro fundido y presenta una menor resistencia a la tracción. Es adecuado para piezas sometidas principalmente a cargas de compresión o que requieran control de vibraciones; en cambio, para piezas que soporten cargas de choque repetidas, es preferible optar por otros grados.
Hierro blanco
El hierro blanco casi no contiene grafito. El carbono está presente principalmente en forma de carburo de hierro, lo que confiere a la superficie de fractura un aspecto blanco y hace que el material sea duro y frágil. El hierro blanco ofrece una elevada resistencia a la compresión y una excelente resistencia al desgaste, por lo que se utiliza para medios de molienda, placas de desgaste y otras piezas sometidas a una abrasión intensa.
Su fragilidad limita su uso. El hierro blanco no se deforma antes de romperse, y en las aplicaciones en las que se utiliza se acepta ese comportamiento a cambio de una vida útil superior a la de los materiales más blandos.
Hierro maleable
El hierro maleable se obtiene a partir del hierro blanco mediante un tratamiento térmico prolongado. Este tratamiento descompone el carburo de hierro y libera carbono en forma de partículas compactas de grafito, lo que confiere al material un comportamiento diferente al del hierro blanco frágil del que procede.
Este tratamiento se desarrolló en Francia en el siglo XVIII. El hierro maleable sigue siendo una opción para piezas de fundición de paredes delgadas y de formas complejas que requieren cierto grado de tenacidad, y sus propiedades son muy similares a las del hierro dúctil.
Hierro dúctil
El hierro dúctil, también denominado hierro nodular, se fabrica añadiendo magnesio a la masa fundida, lo que hace que el grafito se solidifique en forma de esferoides en lugar de escamas. La forma redondeada del grafito mejora notablemente la tenacidad y la resistencia en comparación con el hierro gris y confiere al material una mayor resistencia al impacto.
El hierro dúctil se desarrolló en Estados Unidos y Gran Bretaña en 1948 y se ha convertido en una de las principales familias de materiales de ingeniería utilizados para engranajes, matrices, cigüeñales y numerosas piezas de maquinaria. Un tipo relacionado, el hierro de grafito compactado, presenta grafito en forma de gusano y se sitúa entre el hierro gris y el dúctil en cuanto a prestaciones. Para piezas que requieren la resistencia del hierro dúctil en volúmenes de producción, nuestra guía sobre el hierro dúctil debería revisarse antes de fijar la nota.
Propiedades del hierro fundido
El hierro fundido se elige por un conjunto de propiedades que se dan en todas las calidades:
- Resistencia a la compresión. El hierro fundido soporta cargas pesadas sin deformarse, lo que lo hace idóneo para columnas, bases de máquinas y soportes estructurales.
- Dureza y resistencia al desgaste. Tanto el grafito como el carburo contribuyen a ello, y las superficies que están en contacto continuo, como los engranajes, los pistones y las placas de desgaste, se benefician de ello.
- Amortiguación. El hierro gris absorbe las vibraciones entre 20 y 25 veces mejor que el acero, una característica que los fabricantes de máquinas-herramienta llevan aprovechando desde hace más de un siglo.
- Mecanizabilidad. El hierro gris, en concreto, se corta con facilidad porque las escamas de grafito actúan como rompevirutas y como lubricante seco.
- Retención del calor. El hierro fundido almacena y conserva bien el calor; este mismo comportamiento se aplica a los utensilios de cocina, los moldes, las matrices y los componentes de los hornos.
- Coste. Los elementos de aleación son comunes y el proceso de fabricación es económico, por lo que el hierro fundido sigue siendo uno de los materiales de ingeniería más asequibles.
¿Dónde se utiliza el hierro fundido?
El hierro fundido se utiliza cuando la dureza, la resistencia al desgaste, la amortiguación o la rentabilidad son más importantes que la tenacidad a la tracción. Las aplicaciones se clasifican de forma natural según el tipo:
- Automoción y maquinaria: discos de freno, engranajes, ruedas dentadas, cadenas, segmentos de pistón y bloques de motor.
- Manejo de fluidos: carcasas de bombas, cuerpos de válvulas y accesorios para tuberías (consulte nuestro Estudio de caso sobre la fundición del cuerpo de una válvula).
- Herramientas y piezas de desgaste: matrices, moldes, bancadas de máquinas-herramienta y componentes resistentes a la abrasión.
- Arquitectura y asuntos municipales: tapas de alcantarilla, elementos decorativos de hierro forjado, bases estructurales y rejillas.
- Energía y minería: equipos de minería, cigüeñales y carcasas pesadas.
Hierro fundido nodular – Fabricante de piezas de hierro fundido
Ese es el tipo de decisión en la que una fundición puede ayudar. Envíe el plano, las condiciones de servicio y las cantidades a [nuestros ingenieros](/contact-us/), y deje que ellos analicen el tipo de aleación, el proceso de moldeo y los pasos de acabado antes de dar el visto bueno al utillaje. Resolver estos aspectos en una fase temprana resulta más económico que corregirlos una vez iniciada la producción.
