El hierro fundido es un metal sumamente versátil, con usos únicos en el ámbito comercial e industrial.
El uso del hierro en la vida cotidiana se remonta al año 1200 a.C., cuando comenzó a emplearse en una amplia variedad de objetos, desde herramientas agrícolas hasta armas de guerra. Los herreros desempeñaron un papel crucial, transformando el hierro para modificar sus propiedades y convertirlo en herramientas útiles. En cada aldea o pueblo existía una herrería, donde se elaboraban hoces, rejas de arado, clavos, espadas, candelabros y otros productos.
La importancia del hierro marcó el inicio de la Edad de Hierro, caracterizada por la preeminencia de este material en aplicaciones sociales y militares. Posteriormente, con la Revolución Industrial, se alcanzó otro hito significativo en el trabajo con metales, al revolucionar la forma en que eran producidos y empleados, incluido el hierro.
El hierro puede clasificarse en dos tipos principales: hierro forjado y hierro fundido, siendo este último una familia que abarca diversos tipos de metales.
El hierro forjado fue el primero en ser producido y trabajado por los herreros. Es un hierro elemental casi puro (Fe) que se calienta en un horno antes de ser moldeado mediante golpes de martillo sobre un yunque. Este proceso expulsa la mayor parte de las impurezas y une las partículas de hierro.
Durante la Revolución Industrial, con el auge de las construcciones, se encontró un nuevo propósito para el hierro forjado debido a su alta resistencia a la tensión, haciéndolo ideal para vigas en grandes proyectos como puentes y rascacielos. Sin embargo, hacia principios del siglo XX, el desarrollo del acero, con un rendimiento superior, desplazó al hierro forjado en este ámbito.
Hoy en día, el hierro forjado es conocido principalmente por su uso decorativo. Iglesias de los siglos XV y XVI exhiben intrincadas piezas elaboradas por artesanos. En la actualidad, barandales, puertas y bancas personalizadas siguen siendo fabricados con este material.
El hierro fundido se produce al fundir aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono superior al 2%. Una vez fundido, el metal se vierte en moldes. A diferencia del hierro forjado, no se trabaja con herramientas como martillos. En su composición, el hierro fundido contiene entre un 2% y 4% de carbono, además de otras aleaciones como 1-3% de silicio, lo cual mejora su rendimiento. También puede incluir pequeñas cantidades de manganeso e impurezas como azufre y fósforo.
Aunque el acero y el hierro fundido comparten la presencia de carbono, existen diferencias significativas entre ambos. El acero tiene menos del 2% de carbono, lo que permite que su estructura sea microcristalina homogénea. En contraste, el mayor contenido de carbono en el hierro fundido lo solidifica como una aleación heterogénea con múltiples estructuras microcristalinas.
La combinación de un alto contenido de carbono y la presencia de silicio otorgan al hierro fundido su excelente maleabilidad. Existen varios tipos de hierro fundido que se obtienen mediante diferentes tratamientos térmicos y técnicas de procesamiento, como la fundición gris, fundición blanca, fundición maleable, fundición dúctil y fundición de grafito compactado.
La fundición gris se distingue por la forma de escamas que adoptan las moléculas de grafito dentro del metal. Durante la fractura del material, la ruptura sigue el patrón de estas escamas, lo que le da su característico color gris en la superficie fracturada, de ahí su nombre.
El tamaño y la estructura matricial de las escamas de grafito pueden modificarse en el proceso de producción ajustando la velocidad de enfriamiento y la composición del material. Aunque la fundición gris no es tan dúctil como otras variedades de hierro ni posee una alta resistencia a la tracción, ofrece ventajas en otras áreas. Es un excelente conductor térmico y tiene una capacidad de amortiguación de vibraciones significativamente superior, hasta 20-25 veces mayor que la del acero, y superior a la de otros tipos de hierro fundido. Además, su facilidad para ser mecanizada y su resistencia al desgaste la convierten en uno de los materiales más utilizados en la industria de la fundición.
Los productos de paisajismo fabricados con fundición gris aprovechan su capacidad para amortiguar vibraciones y su resistencia al desgaste, lo que los hace ideales para aplicaciones en exteriores. Además, la fundición gris desarrolla una pátina protectora que previene la corrosión destructiva, incluso bajo condiciones climáticas adversas.
Una de las propiedades más destacadas de la fundición gris es su capacidad para resistir el desgaste incluso cuando el suministro de lubricante es escaso, como ocurre en las paredes superiores de los cilindros en bloques de motor. Por esta razón, la fundición gris se utiliza ampliamente en la fabricación de bloques de motor, cabezas de cilindro, colectores, quemadores de gas, piezas brutas de engranajes, cajas y carcasas.
Cuando el contenido de carbono y la velocidad de enfriamiento son adecuados, los átomos de carbono se combinan con el hierro formando carburo de hierro, lo que resulta en la ausencia de moléculas libres de grafito en el material solidificado. Esta ausencia de grafito hace que, al fracturarse, la superficie del hierro blanco presente un color blanco característico.
La microestructura cristalina formada, conocida como cementita, es extremadamente dura y quebradiza, con una alta resistencia a la compresión y al desgaste. En ciertas aplicaciones especializadas, se requiere que la superficie del producto sea de fundición blanca, lo cual puede lograrse utilizando moldes que actúen como buenos conductores de calor. Estos moldes extraen el calor rápidamente de áreas específicas del metal fundido, mientras el resto se enfría de forma más lenta.
Entre los grados más destacados de fundición blanca se encuentra la fundición Ni-Hard, una aleación mejorada con la adición de cromo y níquel. Estas aleaciones proporcionan propiedades excepcionales para aplicaciones que requieren resistencia al desgaste por abrasión y bajo impacto. Tanto la fundición blanca como la fundición Ni-Hard están clasificadas dentro de las aleaciones ASTM A532, que especifica los estándares para fundiciones resistentes a la abrasión.
El método de enfriamiento empleado para fabricar fundición blanca produce un material altamente resistente al desgaste y la abrasión, aunque bastante quebradizo. Por esta razón, se utiliza para fabricar revestimientos de molinos, boquillas de granallado, zapatas de freno de ferrocarril, carcasas de bombas de lodos, rodillos de laminadores y trituradoras.
La fundición Ni-Hard, por su parte, es ideal para aplicaciones más específicas como palas mezcladoras, tornillos sinfín, matrices, placas de revestimiento para molinos de bolas, tolvas de carbón y guías de alambre para trefilar.
La fundición maleable se obtiene procesando fundición blanca mediante un tratamiento térmico prolongado. Este proceso consiste en ciclos de calentamiento y enfriamiento que provocan la ruptura de las moléculas de carburo de hierro, liberando grafito en el material. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento y la inclusión de aleaciones, se forma una estructura microcristalina específica en la fundición maleable.
La fundición maleable puede presentar distintas estructuras microcristalinas según su tratamiento, lo que determina sus propiedades y aplicaciones. Entre sus atributos destacados se encuentran la capacidad de almacenar lubricantes, la formación de partículas de desgaste no abrasivas y su superficie porosa, que atrapa residuos abrasivos. Este material es ampliamente utilizado en superficies de apoyo de alta resistencia, cadenas, ruedas dentadas, bielas, componentes de trenes de transmisión, ejes, equipos ferroviarios, maquinaria agrícola y equipos de construcción.
La fundición dúctil, también conocida como fundición nodular, adquiere sus características únicas mediante la adición de magnesio a la aleación. Este elemento induce la formación de grafito en forma esferoidal, a diferencia de las escamas presentes en la fundición gris. Un control preciso de la composición es fundamental durante el proceso de fabricación, ya que impurezas como el azufre y el oxígeno pueden reaccionar con el magnesio y alterar la forma del grafito.
Los diferentes grados de fundición dúctil se obtienen manipulando la estructura microcristalina que rodea a los esferoides de grafito, ya sea durante el proceso de fundición o mediante tratamientos térmicos posteriores. Gracias a su capacidad de deformarse bajo impacto en lugar de fracturarse, la fundición dúctil es ideal para fabricar bolardos cercanos al tráfico vehicular, protegiendo tanto a los peatones como a las infraestructuras.
La fundición dúctil presenta múltiples grados, cada uno con propiedades específicas que determinan sus usos más apropiados. Entre sus principales características se incluyen su facilidad para ser mecanizada, alta resistencia al desgaste, buen límite elástico y de fatiga, y una destacada ductilidad. Este material se emplea en la fabricación de componentes como nudillos de dirección, rejas de arado, cigüeñales, engranajes para cargas pesadas, elementos de suspensión de vehículos, componentes hidráulicos y bisagras de puertas de automóviles.
La fundición de grafito compacto combina las propiedades de la fundición gris y la fundición blanca. Su estructura microcristalina está formada por hojuelas de grafito interconectadas, lo que le otorga características únicas. Durante la producción, se utiliza una aleación como el titanio para evitar la formación de grafito esferoidal. Este tipo de fundición ofrece mayor resistencia a la tracción y mejor ductilidad en comparación con la fundición gris. Además, las propiedades y la estructura microcristalina pueden modificarse mediante tratamientos térmicos o la adición de otras aleaciones.
La fundición de grafito compacto está ganando popularidad en aplicaciones comerciales gracias a su combinación de alta resistencia y conductividad térmica. Estas propiedades la hacen ideal para la fabricación de bloques y chasis de motores diésel, camisas de cilindros, discos de freno para trenes, colectores de escape y placas de engranajes en bombas de alta presión.
En la siguiente tabla se detallan los rangos de composición para los distintos tipos de hierro fundido, destacando las diferencias clave en las proporciones de carbono, silicio y otros elementos que determinan las propiedades específicas de cada tipo:
| TIPO DE HIERRO | CARBÓN | SILICIO | MANGANESO | AZUFRE | FÓSFORO |
|---|---|---|---|---|---|
| Gris | 2.5 – 4.0 | 1.0 – 3.0 | 0.2 – 1.0 | 0.02 – 0.25 | 0.02 – 1.0 |
| Dúctil | 3.0 – 4.0 | 1.8 – 2.8 | 0.1 – 1.0 | 0.01 – 0.03 | 0.01 – 0.1 |
| Grafito Compacto | 2.5 – 4.0 | 1.0 – 3.0 | 0.2 – 1.0 | 0.01 – 0.03 | 0.01 – 0.1 |
| Maleable (Fundición Blanca) | 2.0 – 2.9 | 0.9 – 1.9 | 0.15 – 1.2 | 0.02 – 0.2 | 0.02 – 0.2 |
| Blanca | 1.8 – 3.6 | 0.5 – 1.9 | 0.25 – 0.8 | 0.06 – 0.2 | 0.06 – 0.2 |
Propiedades mecánicas del hierro fundido
Las propiedades mecánicas de un material describen cómo responde bajo tensiones específicas, permitiendo evaluar su adecuación para diversas aplicaciones. Estas propiedades están reguladas por organizaciones como la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM), lo que garantiza que los materiales cumplan con los requisitos establecidos. En el caso de la fundición gris, la especificación más utilizada es la ASTM A48.
Para clasificar productos de fundición de acuerdo con las especificaciones, es una práctica común fundir una barra de prueba junto con las piezas de ingeniería. Las pruebas estandarizadas de ASTM se realizan sobre esta barra, y los resultados obtenidos se utilizan para clasificar toda la serie de piezas fundidas relacionadas.
Estas especificaciones son igualmente cruciales en procesos de soldadura. La soldadura debe cumplir o superar las propiedades mecánicas del material que se está uniendo. Si no se alcanza este estándar, pueden ocurrir fracturas o fallas en las uniones.
Algunas de las propiedades mecánicas más relevantes del hierro fundido incluyen:
Esta tabla con las propiedades mecánicas clave de los distintos grados de hierro fundido proporciona información más detallada:
| Dureza Brinell | Resistencia a la Tracción | Módulo de Elasticidad | % de Alargamiento (en 50 mm) | |
|---|---|---|---|---|
| Fundición gris clase 25 | 187 | 29.9 ksi | 16.1 Msi | – |
| Fundición gris clase 40 | 235 | 41.9 ksi | 18.2 Msi | – |
| Fundición dúctil grado 60-40-18 | 130 – 170 | 60 ksi | 24.5 Msi | – |
| Fundición dúctil grado 129-90-02 | 240 – 300 | 120 ksi | 25.5 Msi | – |
| CGI grado 250 | 179 max | 36.2 ksi min | – | 3 |
| CGI grado 450 | 207 – 269 | 65.2 ksi min | – | 1 |
La dureza del hierro fundido requiere una cuidadosa selección de materiales para las herramientas de mecanizado. Los carburos revestidos han demostrado ser efectivos en entornos de producción industrial, aunque la constante evolución tecnológica está generando materiales más avanzados para este propósito.
El acabado superficial del hierro fundido varía ampliamente en función de su aplicación específica. Entre los procesos de acabado más comunes se encuentran: galvanoplastia, inmersión en caliente, pulverización térmica…
Desde su introducción hace más de 3,000 años, el hierro ha sido un material esencial en la evolución de la sociedad. A lo largo del tiempo, la producción de hierro ha pasado de las manos de herreros que moldeaban piezas de hierro forjado a los avances tecnológicos que dieron lugar al hierro fundido durante la era industrial.
Aunque el hierro forjado ha quedado prácticamente relegado a usos decorativos, el hierro fundido sigue evolucionando. Los avances en su composición, microestructura y propiedades mecánicas lo mantienen relevante y aseguran su impacto continuo en la industria moderna y en la sociedad.
