Tipos de hierro fundido: clasificación, grado y aplicación

La fundición es una aleación de hierro y carbono con un contenido de carbono que oscila entre 2,5% y 4%, superando normalmente los 2,11%. Se compone de varios componentes, como hierro, carbono y silicio, y también puede contener impurezas como manganeso, azufre y fósforo, que son más frecuentes que en el acero al carbono.

Los tipos de fundición se clasifican principalmente en función de la forma del carbono y de la morfología del grafito presente. A continuación se enumeran los principales tipos de hierro fundido:

Hierro fundido blanco: El carbono existe en forma de cementita (Fe3C), y la superficie de fractura es de color blanco plateado. Es quebradizo y rara vez se utiliza solo. La fundición blanca es un producto intermedio para la fabricación de fundición maleable, y la fundición en frío con una capa superficial de fundición blanca suele utilizarse para rodillos.

Fundición gris: La totalidad o la mayor parte del carbono existe en forma de grafito, que es escamoso. Este tipo de hierro tiene distintas aplicaciones según la forma del grafito, como la fundición gris ordinaria (grafito escamoso) y la fundición vermicular (grafito en forma de gusano).

Fundición maleable: El grafito existe en forma floculante, obtenida por recocido de fundición blanca de una determinada composición a altas temperaturas durante mucho tiempo. Sus propiedades mecánicas, especialmente la tenacidad y la plasticidad, son superiores a las de la fundición gris.

Fundición dúctil: El grafito existe en forma esférica, obtenida por tratamiento de esferoidización antes de verter el hierro fundido. Este tipo de hierro no sólo tiene propiedades mecánicas superiores a las de la fundición gris y la fundición maleable, sino que su proceso de fabricación es más sencillo que el de la fundición maleable. Además, sus propiedades mecánicas pueden mejorarse aún más mediante tratamiento térmico.

Hierro fundido vermicular: El grafito existe en forma de gusano y tiene buenas propiedades mecánicas y de transformación.

Fundición aleada: Para mejorar las propiedades mecánicas o físico-químicas de la fundición, se puede añadir una cierta cantidad de elementos de aleación para obtener una fundición aleada. Este tipo de hierro incluye una variedad de fundiciones de aleación especial resistentes a la corrosión, al calor y al desgaste.

Tipos de fundición

Según las distintas formas de carbono

Según las diferentes formas de carbono en el hierro fundido, éste puede dividirse en:

1. Hierro fundido blanco

En el hierro fundido, el carbono existe principalmente como cementita, con sólo una pequeña cantidad disuelta en ferrita.

Su fractura tiene un aspecto blanco plateado, de ahí que se conozca como fundición blanca.

En la actualidad, la fundición blanca se utiliza principalmente como materia prima en la siderurgia y como base para producir fundición maleable.

2. Fundición gris

En la fundición, la mayor parte o la totalidad del carbono existe en forma de grafito en escamas, y su fractura presenta un color gris oscuro. Por ello, se denomina hierro fundido gris.

3. Mhierro fundido ottled

En el hierro fundido, parte del carbono existe en forma de grafito, al igual que en el acero. hierro fundido grismientras que la otra parte existe como cementita libre, similar a la fundición blanca.

Esto hace que la superficie de fractura presente manchas blancas y negras, lo que le ha valido el nombre de "fundición moteada".

Por desgracia, este tipo de hierro fundido también es duro y quebradizo, por lo que rara vez se utiliza en aplicaciones industriales.

Según las diferentes formas de grafito

Según las diferentes formas de grafito en el hierro fundido, éste puede dividirse en:

1. Fundición gris

En la fundición gris, el carbono existe en forma de grafito en escamas.

2. Fundición maleable

La fundición maleable se obtiene recocido fundición blanca de una composición específica a altas temperaturas durante un período prolongado. Como resultado, el carbono de la fundición maleable existe en forma floculenta.

Este tipo de fundición presenta mejores propiedades mecánicas, sobre todo en cuanto a tenacidad y plasticidad, que la fundición gris, de ahí su nombre de "fundición maleable".

3. Hierro dúctil

En la fundición, el carbono existe en forma de grafito esférico.

Esto se consigue mediante un tratamiento de esferoidización previo a la proceso de fundición.

Este tipo de fundición presenta unas propiedades mecánicas superiores a las de la fundición gris y la fundición maleable. Además, su proceso de producción es más sencillo que el de la fundición maleable, y sus propiedades mecánicas pueden mejorarse aún más mediante tratamiento térmico. Por ello, su uso en la producción está cada vez más extendido.

Clasificación y designación de la fundición

La fundición es una aleación de hierro y carbono que contiene más de 2,1% de carbono.

Se produce refundiendo arrabio (un componente del arrabio siderúrgico) en un horno y ajustando su composición mediante la adición de ferroaleaciones, chatarra de acero y hierro reciclado.

La diferencia clave entre la fundición y el arrabio es que la fundición se somete a una fase de transformación secundaria, y la mayor parte de ella se funde en fundiciones de hierro.

Fundición de hierro poseen excelentes propiedades de fundición y pueden moldearse en formas complejas. También tienen buena maquinabilidad y son conocidos por su resistencia al desgaste y a la absorción de impactos, así como por su bajo coste.

Designación de la fundición: (según GB5612-85)

Los códigos de fundición están formados por la primera letra del alfabeto chino, que indica sus características específicas.

Cuando dos nombres de fundición tienen la misma letra de código, pueden diferenciarse añadiendo letras minúsculas después de la mayúscula.

Para las fundiciones con el mismo nombre que requieran una clasificación más detallada, se añade al final la primera letra del Pinyin chino que representa las características de su subclase.

Descripción del nombre, código y marca de la fundición:

Nota: Una serie de números a continuación del código del grado denotan el valor de la resistencia a la tracción.

En los casos en que hay dos series de números, la primera representa el valor de la resistencia a la tracción y la segunda el valor del alargamiento.

Estos dos grupos de números están separados por un "uno".

Elementos de aleación se representan utilizando símbolos de elementos internacionales. Si el contenido es igual o superior a 1%, se representa como un número entero. Si el contenido es inferior a 1%, no suele indicarse.

Los elementos comunes como C, Si, Mn, S y P no suelen marcarse. Los símbolos de los elementos y su contenido sólo se marcan si tienen una finalidad específica.

Utilización de diversas fundiciones

Hierro fundido blanco

En la fundición blanca, todo el carbono existe en forma de carbono permeable (Fe3C), lo que da lugar a una superficie de fractura de color blanco brillante.

Por ello, se denomina fundición blanca.

Sin embargo, debido a la alta concentración de Fe3C duro y quebradizo, la fundición blanca tiene un alto nivel de dureza, pero también es muy quebradiza y difícil de procesar.

Por ello, no suele utilizarse directamente en aplicaciones industriales, salvo en unas pocas aplicaciones que requieren resistencia al desgaste sin impacto, como las matrices de trefilado de alambre y las bolas de hierro para molinos de bolas.

En cambio, se utiliza principalmente como materia prima para la siderurgia y la producción de fundición maleable.

Fundición gris

En el hierro fundido, la mayor parte o la totalidad del carbono existe como grafito en forma de lámina en estado libre, lo que da lugar a una superficie de fractura gris.

La fundición gris tiene buenas propiedades de moldeado, es fácil de mecanizar, presenta buena resistencia al desgaste, procesos sencillos de fusión y dosificación, y un bajo coste, por lo que se utiliza ampliamente para la producción de piezas de fundición con estructuras complejas y piezas resistentes al desgaste.

La fundición gris puede dividirse en fundición gris con base de ferrita, fundición gris con base de ferrita perlita y fundición gris con base de perlita en función de su estructura matricial.

Debido a la presencia de grafito en forma de escamas, la fundición gris tiene baja densidad, resistencia, dureza y nula plasticidad y tenacidad.

La existencia de este grafito es similar a la presencia de muchas pequeñas muescas en el sustrato de acero, lo que reduce el área de apoyo y aumenta el número de grietas, dando como resultado una baja resistencia y una escasa tenacidad en la fundición gris, y haciéndola inadecuada para el procesamiento a presión.

Para mejorar sus propiedades, se añaden ciertos inoculantes, como ferrosilicio y silicato cálcico, al hierro fundido antes de la colada para refinar la matriz de perlita.

Mhierro aliable

La fundición maleable se fabrica a partir de una base de fundición blanca que se moldea a partir de una aleación de hierro y carbono con bajo contenido en carbono y silicio. Tras someterse durante largo tiempo a altas temperaturas recocidoLa cementita se descompone en grupos de grafito floculento, dando lugar a un tipo de fundición blanca grafitizada.

La fundición maleable puede dividirse en dos tipos en función de su microestructura tras el tratamiento térmico: fundición maleable de núcleo negro y fundición maleable perlítica. La estructura de la fundición maleable de núcleo negro es principalmente de base ferrita (F) con grafito floculento, mientras que la estructura de la fundición maleable perlítica es principalmente de matriz perlítica (P) con grafito floculento.

El tercer tipo es la fundición maleable de núcleo blanco, cuya estructura depende del tamaño de la sección. En las secciones pequeñas, la matriz es de ferrita, mientras que en las secciones más grandes, la superficie es de ferrita y el centro de perlita y carbono recocido.

La fundición por inoculación se produce cuando el grafito se vuelve fino y se distribuye uniformemente tras el tratamiento de inoculación.

Hierro dúctil

Antes de verter el hierro fundido (arrabio nodular), se añade un agente esferoidizante, normalmente de ferrosilicio o magnesio, para esferoidizar el grafito de la fundición. La adición del agente esferoidizante mejora enormemente la resistencia a la tracción, límite elásticode la fundición nodular. Esto se debe a que el carbono (grafito) en la matriz de hierro fundido existe en forma esférica, mejorando su efecto de división en la matriz.

La fundición nodular tiene varias ventajas, como la resistencia al desgaste, la absorción de impactos, el buen rendimiento de los procesos y el bajo coste. Estas ventajas han propiciado su uso generalizado en sustitución de la fundición maleable, así como de algunas piezas de acero fundido y acero forjado, como cigüeñales, bielas, rodillos y ejes traseros de automóviles.

¿Cómo mejoran los elementos de aleación el rendimiento de la fundición?

Los elementos de aleación más comunes en las fundiciones aleadas son el silicio, el manganeso, el fósforo, el níquel, el cromo, el molibdeno, el cobre, el aluminio, el boro, el vanadio, el titanio, el antimonio y el estaño. Estos elementos mejoran el rendimiento de la fundición mediante diversos mecanismos:

• Silicio (Si): Como elemento beneficioso, favorece la grafitización, mejorando las propiedades mecánicas y la resistencia al desgaste de las piezas fundidas.
• Manganeso (Mn): Afina la estructura del grano, mejorando así las propiedades mecánicas.
• Fósforo (P) y azufre (S): Aunque suelen considerarse impurezas, pueden mejorar la maquinabilidad en determinadas circunstancias.
• Otros elementos de aleación como níquel (Ni), cromo (Cr), molibdeno (Mo), cobre (Cu), aluminio (Al), vanadio (V), titanio (Ti), antimonio (Sb) y estaño (Sn): La adición de estos elementos aumenta significativamente la resistencia, dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión del hierro fundido.

Además, la inclusión de elementos de aleación puede alterar la estructura interna de la fundición, dando lugar a nuevos cambios de fase, mejorando así su rendimiento en los procesos, como la termoplasticidad, la deformabilidad en frío, la maquinabilidad, la templabilidad y la soldabilidad. Por ejemplo, el silicio y el carbono juntos promueven la grafitización, mejorando la compacidad y tenacidad de las piezas fundidas, reduciendo la tendencia a la boca blanca, estabilizando la austenita y refinando el grafito y la perlita.

Al mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia al desgaste, la resistencia a la oxidación y la resistencia a la corrosión de la fundición, los elementos de aleación mejoran el rendimiento global de la fundición aleada.

¿Cuáles son las aplicaciones detalladas y las características de rendimiento de la fundición blanca en fundición?

La fundición blanca, llamada así por su superficie de fractura de color blanco plateado, es un tipo de fundición que no precipita grafito durante el proceso de cristalización. Este tipo de fundición tiene una gran cantidad de cementita libre en su estructura, lo que se traduce en una gran dureza (generalmente superior a HB500), pero también es muy quebradiza. Debido a su elevada dureza y resistencia al desgaste, junto con su bajo coste, la fundición blanca es una opción viable para aplicaciones resistentes al desgaste, a pesar de considerarse demasiado quebradiza para muchos componentes estructurales.

Los principales campos de aplicación de la fundición blanca incluyen piezas resistentes al desgaste, como herramientas agrícolas, bolas de molienda, piezas de molinos de carbón, cuchillas de granalladoras, piezas de bombas de lodos, tubos de arena de fundición y la capa exterior de rodillos de laminación en frío de gran dureza. Además, se utiliza como materia prima para la siderurgia y como pieza en bruto para producir fundición maleable. Concretamente, la fundición blanca de manganeso y tungsteno y la fundición blanca de tungsteno y cromo se utilizan para piezas que requieren mecanizado mecánico y condiciones con grandes cargas de impacto, desgaste abrasivo de baja tensión y desgaste abrasivo de rectificado de alta tensión, respectivamente.

En cuanto a sus prestaciones, la fundición blanca es dura y quebradiza, no es fácil de mecanizar y rara vez se utiliza directamente para piezas de fundición. Su carbono existe enteramente en forma de cementita (Fe3C), lo que le confiere unas propiedades mecánicas superiores a las de la fundición gris y la fundición maleable, y su proceso de producción es relativamente sencillo. Sin embargo, debido a su fragilidad, la fundición blanca no soporta el trabajo en frío ni en caliente y sólo puede utilizarse directamente en estado de colada.

La fundición blanca, con su elevada dureza y resistencia al desgaste, desempeña un papel importante en escenarios de aplicación específicos, aunque su fragilidad limita su aplicación en un rango más amplio.

¿Cuáles son las diferencias específicas en las propiedades mecánicas entre la fundición gris y la fundición maleable?

Las diferencias específicas en las propiedades mecánicas entre la fundición gris y la fundición maleable se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:

Morfología del grafito: El grafito de la fundición gris tiene forma de escama, mientras que el grafito de la fundición maleable tiene forma de gusano. Esta diferencia en la morfología del grafito da lugar a diferencias en sus propiedades mecánicas. El grafito en escamas confiere a la fundición gris cierto grado de fragilidad, mientras que el grafito en forma de gusano contribuye a mejorar la tenacidad del material.

Propiedades mecánicas: Debido a la diferencia en la morfología del grafito, las propiedades mecánicas de la fundición maleable suelen ser superiores a las de la fundición gris. Las propiedades mecánicas de la fundición maleable se sitúan entre la fundición dúctil y la fundición gris, lo que significa que es más resistente que la fundición gris, pero no tanto como la fundición dúctil.

Rendimiento de la fundición: El rendimiento de fundición de la fundición maleable se sitúa entre la fundición gris y la fundición dúctil. Esto indica que la fundición maleable tiene una buena adaptabilidad y flexibilidad en el proceso de fundición, capaz de satisfacer las demandas de diferentes escenarios de aplicación.

Sensibilidad a la composición química: En comparación con la fundición gris, la fundición maleable tiene un impacto menor en las propiedades mecánicas cuando el contenido de carbono y silicio cambia de hipoeutéctico a eutéctico. Esto implica que el hierro maleable tiene mayor flexibilidad a la hora de ajustar su composición química para optimizar su rendimiento.

Capacidad de tratamiento térmico: El hierro maleable puede someterse a diversos tratamientos térmicos, incluido el enfriamiento isotérmico, lo que ofrece la posibilidad de mejorar aún más sus propiedades mecánicas mediante el tratamiento térmico.

¿Cómo se cuantifica el impacto del proceso de recocido en las propiedades mecánicas de la fundición maleable?

La influencia del proceso de recocido en las propiedades mecánicas de la fundición maleable puede cuantificarse de las siguientes maneras:

Mejora de la resistencia y la plasticidad: Mediante el tratamiento de recocido de grafitización, la fundición maleable puede alcanzar una mayor resistencia, plasticidad y tenacidad al impacto, lo que le permite sustituir en cierta medida al acero al carbono. En comparación con la fundición gris, la fundición maleable tiene mejor resistencia y plasticidad, especialmente su resistencia al impacto a bajas temperaturas.

Mejora de la resistencia al desgaste y la amortiguación de vibraciones: La resistencia al desgaste y la amortiguación de las vibraciones de la fundición maleable superan a las del acero al carbono ordinario, como resultado de su microestructura y composición química específicas. La optimización durante el proceso de recocido puede mejorar aún más estas propiedades.

Acortamiento de los ciclos de producción y reducción del consumo de energía: Las mejoras en el proceso de recocido, como el ajuste del contenido de carbono y silicio y la adición de elementos como el bismuto, el boro y el aluminio para el tratamiento de modificación, no sólo pueden acortar el ciclo de recocido, sino también aumentar las tasas de cualificación del producto sin sacrificar el rendimiento mecánico. Además, la investigación sobre procesos de recocido rápido ha indicado que la optimización de las condiciones de recocido puede reducir eficazmente el consumo de energía y la contaminación ambiental.

Aumento del grado de grafitización: Durante el proceso de recocido, la cementita eutéctica de la fundición blanca experimenta una grafitización, un proceso crucial para mejorar la tenacidad y plasticidad de la fundición maleable. Optimizar el proceso de recocido de grafitización ayuda a mejorar las propiedades mecánicas de la fundición.

Elevación de la tenacidad a la fractura: El proceso de tratamiento de precalentamiento y su microestructura tienen un efecto significativo en la tenacidad a la fractura de la fundición maleable. Optimizando el tiempo de recocido y otros parámetros relevantes del proceso, se puede mejorar eficazmente la tenacidad a la fractura de la fundición maleable, lo que resulta crucial para aumentar su vida útil y su fiabilidad.

¿En qué consiste el proceso de tratamiento de esferoidización de la fundición dúctil y cuál es su función específica en la mejora de las propiedades mecánicas?

El proceso de tratamiento de esferoidización de la fundición dúctil incluye principalmente la esferoidización y la inoculación, mediante las cuales se obtiene grafito esférico. Este método de tratamiento reduce eficazmente el efecto de fractura del grafito en la matriz, mejorando significativamente las propiedades mecánicas de la fundición, incluidas la plasticidad, la tenacidad y la resistencia. Concretamente, el tratamiento de esferoidización permite que el grafito exista en forma esférica dentro de la fundición. Esta estructura, en comparación con el grafito escamoso o floculento tradicional, es más propicia para reducir la concentración de tensiones dentro del material, mejorando el rendimiento general.

La función específica del tratamiento de esferoidización consiste en mejorar la microestructura de la fundición, lo que da lugar a una distribución más uniforme del grafito y reduce el riesgo de grietas y fracturas causadas por la concentración de tensiones durante el uso. Además, la presencia de grafito esférico mejora la resistencia al desgaste y la amortiguación de vibraciones de la fundición, lo que es especialmente importante para aplicaciones que deben soportar cargas elevadas y condiciones de tensión complejas. Por ejemplo, en piezas como los cigüeñales de maquinaria eléctrica, la fundición dúctil se utiliza mucho por sus excelentes propiedades integrales.

El proceso de tratamiento de esferoidización de la fundición dúctil, al cambiar la forma del grafito, no sólo mejora la plasticidad, la tenacidad y la resistencia de la fundición, sino que también contribuye a mejorar su resistencia al desgaste y la amortiguación de las vibraciones, mejorando así en cierta medida el rendimiento mecánico. Estas mejoras hacen de la fundición dúctil un material de gran resistencia, buena tenacidad y plasticidad. Su rendimiento global se aproxima al del acero, lo que la hace adecuada para diversas aplicaciones de ingeniería que requieren tensiones complejas, alta resistencia y buena tenacidad.