El hierro fundido es una clase de aleaciones hierro - carbono con un contenido de carbono superior al 2% y un contenido de silicio de entre el 1% y el 3%. [1] Su utilidad se deriva de su temperatura de fusión relativamente baja. Los elementos de aleación determinan la forma en que aparece su carbono: el hierro fundido blanco tiene su carbono combinado en un carburo de hierro llamado cementita , que es muy duro, pero quebradizo, ya que deja pasar las grietas; 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" esféricos de grafito que impiden que la grieta siga progresando.
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. Se conocen como acero las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono .
El hierro fundido tiende a ser quebradizo , a excepción de los hierros fundidos maleables . Con su punto de fusión relativamente bajo, buena fluidez, moldeabilidad , 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 hoy es Jiangsu , China. El hierro fundido se utilizaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. [2] Durante el siglo XV d.C., el hierro fundido se utilizó para 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. [3] 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 .
El hierro fundido se fabrica a partir de arrabio , que es el producto de la fusión del mineral de hierro en un alto horno . El hierro fundido se puede fabricar directamente a partir del arrabio fundido o volviendo a fundir el arrabio, [4] a menudo junto con cantidades sustanciales de hierro, acero, piedra caliza, carbono (coque) y tomando varias medidas para eliminar contaminantes indeseables. El fósforo y el azufre pueden quemarse del hierro fundido, pero esto también quema el carbono, que debe ser reemplazado. Dependiendo de la aplicación, el contenido de carbono y silicio se ajusta a los niveles deseados, que pueden oscilar entre 2% y 3,5% y 1% y 3%, respectivamente. Si se desea, se añaden otros elementos a la masa fundida antes de que se produzca la forma final mediante fundición . [ cita necesaria ]
El hierro fundido a veces se funde en un tipo especial de alto horno conocido como cúpula , pero en aplicaciones modernas, se funde más a menudo en hornos de inducción eléctrica o en hornos de arco eléctrico. [5] Una vez completada la fusión, el hierro fundido se vierte en un horno o cucharón de mantenimiento. [ cita necesaria ]
Las propiedades del hierro fundido se modifican añadiendo varios elementos de aleación o aleantes . Después del carbono , el silicio es el aleante más importante porque expulsa al carbono 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 expulsa al carbono de la solución, formando grafito y produciendo hierro fundido 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, la resistencia y la densidad. El azufre , que en gran medida es un contaminante cuando está presente, forma sulfuro de hierro , que previene la formación de grafito y aumenta la dureza . El problema del azufre es que vuelve viscoso el hierro 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 flotar fuera de la masa fundida hacia la escoria . La cantidad de manganeso necesaria para neutralizar el azufre es 1,7 × contenido de azufre + 0,3%. Si se añade más de esta cantidad de manganeso, entonces 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. [6]
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 ; A menudo se añade níquel en conjunto. 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 añade molibdeno del orden de 0,3 a 1% para aumentar la refrigeración y refinar la estructura del grafito y la perlita; a menudo se agrega junto con níquel, cobre y cromo para formar hierros de alta resistencia. El titanio se añade como desgasificador y desoxidante, pero también aumenta la fluidez. Se agrega entre 0,15 y 0,5% de vanadio al hierro fundido para estabilizar la cementita, aumentar la dureza y aumentar la resistencia al desgaste y al calor. Un 0,1-0,3% de circonio ayuda a formar grafito, desoxidar y aumentar la fluidez. [6]
En el hierro maleable fundido, 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 añade boro para ayudar en la producción de hierro maleable; también reduce el efecto engrosamiento del bismuto. [6]
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 hierro. El hierro fundido gris tiene menos resistencia a la tracción y a los golpes que el acero, pero su resistencia a la compresión es comparable a la del acero con 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 según las pautas dadas por la ASTM . [7]
El hierro fundido blanco muestra superficies blancas fracturadas 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 del hierro fundido blanco precipita de la masa fundida como cementita en fase metaestable , Fe 3 C, en lugar de grafito. La cementita que precipita de la masa fundida se forma como partículas relativamente grandes. A medida que el carburo de hierro precipita, extrae carbono de la masa fundida original, moviendo la mezcla hacia una más cercana a la eutéctica, y la fase restante es la austenita inferior de hierro y carbono (que al enfriarse podría transformarse en martensita ). Estos carburos eutécticos son demasiado grandes para proporcionar el beneficio de lo que se llama endurecimiento por precipitación (como en algunos aceros, donde precipitaciones de cementita mucho más pequeñas 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 debido a su propia dureza muy elevada y a su importante fracción volumétrica, de modo que la dureza aparente puede aproximarse mediante una regla de mezclas. En cualquier caso, ofrecen dureza a costa de dureza . 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 usarse 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 bolas. molinos y molinos autógenos , bolas y anillos en pulverizadores de carbón y los dientes de la cuchara excavadora de una retroexcavadora (aunque el acero martensítico fundido de medio carbono es más común para esta aplicación). [ cita necesaria ]
Es difícil enfriar piezas fundidas gruesas lo suficientemente rápido como para solidificar la masa fundida como hierro fundido blanco por completo. Sin embargo, se puede utilizar 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 las ventajas de una superficie dura con un interior algo más resistente. [ cita necesaria ]
Las aleaciones de hierro blanco con alto contenido de cromo permiten fundir en arena piezas fundidas masivas (por ejemplo, un impulsor de 10 toneladas), ya que el cromo reduce la velocidad de enfriamiento necesaria para producir carburos en los espesores mayores del material. El cromo también produce carburos con una impresionante resistencia a la abrasión. [8] 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 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 está dentro del rango de 1500-1800HV. [9]
El hierro maleable comienza como una fundición de hierro blanco que luego se trata térmicamente 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 lento proceso permite que la tensión superficial forme el grafito en partículas esferoidales en lugar de escamas. Debido a su menor relación de aspecto , los esferoides son relativamente cortos y están lejos unos de otros, y tienen una sección transversal más baja frente a una grieta o fonón que se propaga . También tienen límites 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 se parecen más 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. [ cita necesaria ]
Desarrollado en 1948, el hierro fundido nodular o dúctil tiene su grafito en forma de nódulos muy pequeños y 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 del 3 al 4 % y el porcentaje de silicio es del 1,8 al 2,8 %. Pequeñas cantidades de 0,02 a 0,1 % de magnesio y solo de 0,02 a 0,04 % de cerio agregado a estas aleaciones retardan el crecimiento de los precipitados de grafito al unirse a los bordes. de los planos de grafito. Junto con un control cuidadoso de otros elementos y el tiempo, esto permite que el carbono se separe en forma de partículas esferoidales a medida que el material se solidifica. Las propiedades son similares a las del hierro maleable, pero se pueden fundir piezas con secciones más grandes. [ cita necesaria ]
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El hierro fundido y el hierro forjado se pueden producir involuntariamente al fundir cobre utilizando mineral de hierro como fundente. [11] : 47–48
Los primeros artefactos de hierro fundido datan del siglo V a. C. y fueron descubiertos por arqueólogos en lo que hoy es el moderno condado de Luhe , Jiangsu, China, durante el período de los Estados Combatientes . Esto se basa en un análisis de las microestructuras del artefacto. [2]
Debido a que el hierro fundido es comparativamente frágil, no es adecuado para fines donde 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 vasijas, así como armas y pagodas. [12] 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. [2] Los chinos desarrollaron un método para recocer el hierro fundido manteniendo las piezas fundidas 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 sea demasiado quebradiza. [13] : 43
En lo profundo de la región del Congo en el bosque centroafricano, los herreros inventaron hornos sofisticados capaces de soportar altas temperaturas hace más de 1000 años. Hay innumerables ejemplos de soldadura y hierro fundido creados en crisoles y vertidos en moldes. Estas técnicas se emplearon para el uso de herramientas y armas compuestas con hojas de hierro fundido o acero e interiores de hierro forjado blando y flexible. También se produjo alambre de hierro. Los primeros misioneros europeos dieron numerosos testimonios del pueblo luba que vertía hierro fundido en moldes para hacer azadas. Estas innovaciones tecnológicas se lograron sin la invención del alto horno, que fue el requisito previo para el despliegue de tales innovaciones en Europa y Asia. [14]
En Occidente, 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 ingleses del hierro que utilizaban altos hornos desarrollaron la técnica de producir cañones de hierro fundido que, si bien 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. [15] Al-Qazvini en el siglo XIII y otros viajeros posteriormente notaron 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. [15] Los maestros del hierro 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 .
En aquella época se fabricaban ollas de hierro fundido en muchos altos hornos ingleses. En 1707, Abraham Darby patentó un nuevo método para hacer ollas (y teteras) más delgadas y, por tanto, más baratas que las fabricadas con métodos tradicionales. Esto significó que sus hornos de Coalbrookdale se volvieron dominantes como proveedores de ollas, actividad a la que se les unieron en las décadas de 1720 y 1730 un pequeño número de otros altos hornos alimentados con coque .
La aplicación de la máquina de vapor para accionar fuelles (indirectamente bombeando agua a una rueda hidráulica) en Gran Bretaña, que comenzó en 1743 y aumentó en la década de 1750, fue un factor clave en el aumento de la producción de hierro fundido, que aumentó en las décadas siguientes. Además de superar la limitación de la energía hidráulica, la explosión impulsada por agua bombeada por vapor proporcionó temperaturas de horno más altas, lo que permitió el uso de proporciones de cal más altas, lo que permitió la conversión de carbón vegetal (el suministro de madera para el cual era inadecuado) a coque. [16] : 122
El uso de 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. Siguieron otros inventos, incluido uno patentado por Thomas Paine . Los puentes de hierro fundido se convirtieron en algo 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 de canal en Longdon-on-Tern en el Canal de Shrewsbury . Le siguieron el acueducto Chirk y el acueducto Pontcysyllte , los cuales siguen en uso tras las recientes restauraciones.
La mejor forma de utilizar hierro fundido para la construcción de puentes fue mediante arcos , de modo que todo el material quede comprimido. El hierro fundido, al igual que 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 las fracturas. 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 se construyó un nuevo puente que llevaba las líneas Chester y Holyhead. El ferrocarril que cruzaba el río Dee en Chester se derrumbó y mató a cinco personas en mayo de 1847, menos de un año después de su inauguración. El desastre del puente 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, ya que estaba sujeto con correas de hierro forjado, que se pensó erróneamente que reforzarían la estructura. Los centros de las vigas se pusieron 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 forma estructural inapropiada, hasta que el desastre del puente ferroviario Tay de 1879 arrojó 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 para los pernos también fueron moldeados y no perforados. Por lo tanto, debido al ángulo de inclinación de la pieza fundida, la tensión de las barras de unión se colocó en el borde del agujero en lugar de distribuirse a lo largo del agujero. El puente de reemplazo fue construido en hierro forjado y acero.
Sin embargo, se produjeron más colapsos de puentes, que culminaron en el accidente ferroviario de Norwood Junction en 1891. Miles de puentes ferroviarios de hierro fundido fueron finalmente reemplazados por equivalentes de acero en 1900 debido a la preocupación generalizada por el hierro fundido debajo de los puentes en la red ferroviaria en Gran Bretaña.
Las columnas de hierro fundido , pioneras en los edificios de los molinos, permitieron a los arquitectos construir edificios de varios pisos sin los muros enormemente gruesos necesarios para los edificios de mampostería de cualquier altura. También abrieron espacios en las fábricas y líneas de visión 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 Soho de Nueva York tiene numerosos ejemplos. También se utilizó ocasionalmente para edificios prefabricados completos, como el histórico Iron Building en Watervliet, Nueva York . [ cita necesaria ]
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 hilaban. Como resultado, las fábricas textiles tenían una alarmante propensión a quemarse. La solución fue construirlos íntegramente con materiales no combustibles, y se consideró conveniente dotar al edificio de una estructura de hierro, en gran parte de hierro fundido, en sustitución de la madera inflamable. El primer edificio de este tipo estaba en Ditherington en Shrewsbury , Shropshire. [17] Muchos otros almacenes se construyeron utilizando columnas y vigas de hierro fundido, aunque los diseños defectuosos, las vigas defectuosas o la sobrecarga a veces provocaron derrumbes de edificios y fallas estructurales. [ cita necesaria ]
Durante la Revolución Industrial, el hierro fundido también se utilizó ampliamente para armazones y otras partes fijas de maquinaria, incluidas máquinas de hilar y más tarde tejer en fábricas textiles. El hierro fundido se utilizó ampliamente y muchas ciudades tenían fundiciones que producían maquinaria industrial y agrícola. [18]
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