El hierro gris , o fundición gris , es un tipo de hierro fundido que presenta una microestructura grafítica . Debe su nombre al color gris de la fractura que forma, que se debe a la presencia de grafito. [1] Es el hierro fundido más común y el material fundido más utilizado en función del peso. [2]
Se utiliza para carcasas donde la rigidez del componente es más importante que su resistencia a la tracción , como bloques de cilindros de motores de combustión interna , carcasas de bombas , cuerpos de válvulas, cajas eléctricas y piezas fundidas decorativas . La alta conductividad térmica y la capacidad calorífica específica del hierro fundido gris a menudo se aprovechan para fabricar utensilios de cocina y rotores de frenos de disco de hierro fundido . [3]
Su antiguo uso generalizado [ aclarar ] en los frenos de los trenes de mercancías se ha reducido considerablemente en la Unión Europea debido a la preocupación por la contaminación acústica . [4] [5] [6] [7] Deutsche Bahn, por ejemplo, había reemplazado los frenos de hierro gris en 53.000 de sus vagones de carga (85% de su flota) por modelos más nuevos y silenciosos para 2019, en parte para cumplir con una ley que entró en vigor en diciembre de 2020. [8] [9] [10]
Una composición química típica para obtener una microestructura grafítica es de 2,5 a 4,0% de carbono y de 1 a 3% de silicio en peso. El grafito puede ocupar del 6 al 10% del volumen del hierro gris. El silicio es importante para fabricar hierro gris a diferencia del hierro fundido blanco , porque el silicio es un elemento estabilizador del grafito en el hierro fundido, lo que significa que ayuda a que la aleación produzca grafito en lugar de carburos de hierro ; con un 3% de silicio, casi nada de carbono se mantiene en forma química como carburo de hierro. Otro factor que afecta la grafitización es la tasa de solidificación; cuanto más lenta sea la velocidad, mayor será el tiempo para que el carbono se difunda y se acumule en el grafito. Una velocidad de enfriamiento moderada forma una matriz más perlítica , mientras que una velocidad de enfriamiento rápida forma una matriz más ferrítica . Para lograr una matriz completamente ferrítica, la aleación debe recocerse . [1] [11] El enfriamiento rápido suprime parcial o completamente la grafitización y conduce a la formación de cementita , que se llama hierro blanco . [12]
El grafito adopta la forma de una escama tridimensional. En dos dimensiones, como una superficie pulida, las escamas de grafito aparecen como líneas finas. El grafito no tiene una resistencia apreciable, por lo que pueden tratarse como huecos. Las puntas de las escamas actúan como muescas preexistentes en las que se concentran las tensiones y, por tanto, se comporta de forma frágil . [12] [13] La presencia de escamas de grafito hace que el hierro gris sea fácilmente mecanizable, ya que tienden a agrietarse fácilmente a través de las escamas de grafito. El hierro gris también tiene muy buena capacidad de amortiguación y, por lo tanto, se utiliza a menudo como base para montajes de máquinas herramienta.
En los Estados Unidos, la clasificación más comúnmente utilizada para el hierro gris es la norma A48 de ASTM International . [2] Esto ordena el hierro gris en clases que se corresponden con su resistencia mínima a la tracción en miles de libras por pulgada cuadrada (ksi); por ejemplo, el hierro gris clase 20 tiene una resistencia a la tracción mínima de 20.000 psi (140 MPa). La clase 20 tiene un alto equivalente de carbono y una matriz de ferrita. Las fundiciones grises de mayor resistencia, hasta la clase 40, tienen equivalentes de carbono más bajos y una matriz de perlita . El hierro gris por encima de la clase 40 requiere una aleación para proporcionar fortalecimiento con solución sólida y se utiliza tratamiento térmico para modificar la matriz. La clase 80 es la clase más alta disponible, pero es extremadamente frágil. [12] ASTM A247 también se usa comúnmente para describir la estructura del grafito. Otras normas de ASTM que tratan sobre el hierro gris incluyen ASTM A126, ASTM A278 y ASTM A319. [2]
En la industria automotriz, la norma SAE J431 de SAE International (SAE) se utiliza para designar grados en lugar de clases. Estos grados son una medida de la relación entre resistencia a la tracción y dureza Brinell . [2] La variación del módulo de elasticidad a la tracción de los distintos grados es un reflejo del porcentaje de grafito en el material, ya que dicho material no tiene ni resistencia ni rigidez y el espacio ocupado por el grafito actúa como un vacío, creando así un material esponjoso. .
El hierro gris es una aleación de ingeniería común debido a su costo relativamente bajo y buena maquinabilidad , que resulta del grafito que lubrica el corte y rompe las virutas. También tiene buena resistencia al desgaste y al desgaste porque las escamas de grafito se autolubrican. El grafito también confiere al hierro gris una excelente capacidad de amortiguación porque absorbe la energía y la convierte en calor. [3] El hierro gris no se puede trabajar (forjado, extruido, laminado, etc.) ni siquiera a temperatura.
El hierro gris también experimenta menos contracción por solidificación que otros hierros fundidos que no forman una microestructura de grafito. El silicio promueve una buena resistencia a la corrosión y una mayor fluidez durante la fundición. [12] El hierro gris generalmente se considera fácil de soldar. [16] En comparación con las aleaciones de hierro más modernas, el hierro gris tiene una baja resistencia a la tracción y ductilidad ; por lo tanto, su resistencia a impactos y golpes es casi inexistente. [dieciséis]