El hierro fundido es una aleación de hierro y carbono con un contenido de carbono que oscila entre el 2,5% y el 4%, y normalmente supera el 2,11%. Está compuesto por varios componentes, incluidos 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 hierro fundido se clasifican principalmente según la forma del carbono y la morfología del grafito presente. Los siguientes son 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 frágil y rara vez se utiliza solo. El hierro fundido blanco es un producto intermedio para la fabricación de hierro fundido maleable, y el hierro fundido enfriado con una capa superficial de hierro fundido blanco se usa comúnmente para los rodillos.
Fundición gris: Todo o la mayor parte del carbono existe en forma de grafito, que es escamoso. Este tipo de hierro tiene diferentes aplicaciones dependiendo de la forma del grafito, como la fundición gris común (grafito escamoso) y la fundición vermicular (grafito de gusano).
Hierro fundido maleable: El grafito existe en forma floculenta, que se obtiene recociendo hierro fundido blanco de una determinada composición a altas temperaturas durante un largo período. Sus propiedades mecánicas, principalmente tenacidad y plasticidad, son superiores a las de la fundición gris.
Fundición dúctil: El grafito existe en forma esférica, obtenido mediante tratamiento de esferoidización antes de fundir la fundición. Este tipo de hierro no sólo tiene propiedades mecánicas superiores a las de la fundición gris y a la fundición maleable, sino que su proceso de fabricación es más sencillo que el de la fundición maleable. Además, sus propiedades mecánicas se pueden mejorar mediante tratamiento térmico.
Hierro fundido vermicular: el grafito existe en forma de gusano y tiene buenas propiedades mecánicas y de procesamiento.
Aleación de hierro fundido: para mejorar las propiedades mecánicas o físicas y químicas del hierro fundido, se puede agregar una cierta cantidad de elementos de aleación para obtener una aleación de hierro fundido. Este tipo de hierro incluye una variedad de aleaciones especiales de hierro fundido que son resistentes a la corrosión, el calor y el desgaste.
Tipos de hierro fundido
Según las diferentes formas del carbono
Según las diferentes formas de carbono en el hierro fundido, el hierro fundido se puede dividir 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, por lo que se le conoce como fundición blanca.
Actualmente, la fundición blanca se utiliza principalmente como materia prima en la fabricación de acero y como base para la producción de fundición maleable.
2. Hierro fundido gris
En el hierro fundido, la mayor parte o la totalidad del carbono existe como grafito en escamas y su fractura es de color gris oscuro. Por esta razón se le conoce como fundición gris.
3. Hierro fundido con etiqueta M
En el hierro fundido, una parte del carbono existe como grafito, al igual que el hierro fundido gris, mientras que la otra parte existe como cementita libre, similar al hierro fundido blanco.
Esto hace que la superficie de la fractura muestre manchas blancas y negras, lo que le valió el nombre de "hierro fundido teñido".
Desafortunadamente, este tipo de hierro fundido también es duro y quebradizo, lo que hace que rara vez se utilice en aplicaciones industriales.
Según diferentes formas de grafito.
Según las diferentes formas de grafito en el hierro fundido, el hierro fundido se puede dividir en:
- Hierro fundido gris
En la fundición gris, el carbono existe como grafito en escamas.
- Hierro fundido maleable
El hierro fundido maleable se obtiene recociendo hierro fundido blanco de una composición específica a altas temperaturas durante un período prolongado. Como resultado, el carbono del hierro fundido maleable existe en forma floculenta.
Este tipo de fundición presenta propiedades mecánicas mejoradas, principalmente en términos de tenacidad y plasticidad, en comparación con la fundición gris, de ahí su nombre de “fundición maleable”.
3. Hierro dúctil
En el hierro fundido, el carbono existe en forma de grafito esférico.
Esto se consigue mediante un tratamiento de esferoidización antes del proceso de fundición.
Este tipo de fundición tiene propiedades mecánicas superiores en comparación con la fundición gris y la fundición maleable. Además, su proceso de producción es más sencillo que el del hierro fundido maleable y sus propiedades mecánicas pueden mejorarse aún más mediante un tratamiento térmico. Como resultado, su uso en la producción está cada vez más extendido.
Clasificación y designación del hierro fundido.
El hierro fundido es una aleación de hierro y carbono que contiene más del 2,1% de carbono.
Se produce refundiendo arrabio fundido (un componente del arrabio para la fabricación de acero) en un horno y ajustando su composición añadiendo ferroaleaciones, chatarra de acero y hierro reciclado.
La principal diferencia entre el hierro fundido y el arrabio es que el hierro fundido pasa por un paso de procesamiento secundario y la mayor parte se funde en hierro fundido.
Las piezas de fundición de hierro tienen excelentes propiedades de fundición y pueden moldearse en formas complejas. También tienen buena maquinabilidad y son conocidos por su resistencia al desgaste y absorción de impactos, además de su bajo costo.
Designación de hierro fundido: (según GB5612-85)
Los códigos de hierro fundido se componen de la primera letra del alfabeto chino, indicando sus características específicas.
Cuando dos nombres de hierro fundido tienen la misma letra de código, se pueden diferenciar añadiendo letras minúsculas después de la letra mayúscula.
Para el hierro fundido con el mismo nombre que requiere una clasificación adicional, se agrega al final la primera letra del Pinyin chino que representa las características de su subclase.
Descripción del nombre, código y marca del hierro fundido:
| nombre de hierro fundido | Código/Grado | Ejemplo de método de representación |
| Hierro fundido gris | HT | HT100 |
| Fundición vermicular de grafito | Rutina | RuT400 |
| Fundición nodular | cuarto de galón | QT400-17 |
| Hierro fundido maleable con corazón negro. | KHT | KHT300-06 |
| Hierro fundido maleable con corazón blanco. | kbt | KBT350-04 |
| Hierro fundido maleable perlítico | KZT | KZT450-06 |
| Hierro fundido resistente al desgaste | MONTE | MT Cu1PTi-150 |
| Hierro fundido blanco resistente al desgaste | KmBT | KmBTMn5Mo2Cu |
| Hierro dúctil resistente al desgaste | KmQT | KmQTMn6 |
| Hierro fundido enfriado | LT | LTCrMoR |
| Hierro fundido resistente a la corrosión | CALLE | STSi15R |
| Hierro dúctil resistente a la corrosión | SQT | SQTAl15Si5 |
| Hierro fundido resistente al calor | TR | RTCr2 |
| Hierro dúctil resistente al calor | RQT | RQTA16 |
| Hierro fundido austenítico | EN EL | —- |
Nota: Una serie de números después del código en la clase indica el valor de resistencia a la tracción.
En los casos en que hay dos conjuntos de números, el primer conjunto representa el valor de resistencia a la tracción y el segundo conjunto representa el valor de alargamiento.
Estos dos conjuntos de números están separados por un "uno".
Los elementos de aleación están representados por símbolos de elementos internacionales. Si el contenido es igual o superior al 1%, se representa como un número entero. Si el contenido es inferior al 1%, generalmente no se indica.
Los elementos comunes como C, Si, Mn, S y P normalmente no están etiquetados. Los símbolos y contenidos de sus elementos sólo se marcan si sirven para un propósito específico.
Uso de varios hierros fundidos.
Hierro fundido blanco
En el hierro fundido blanco, todo el carbono existe en forma de carbono permeable (Fe3C), lo que da como resultado una superficie de fractura de color blanco brillante.
Por esta razón se le conoce como fundición blanca.
Sin embargo, debido a la alta concentración de Fe3C duro y quebradizo, el hierro fundido blanco tiene un alto nivel de dureza, pero también es muy quebradizo y difícil de procesar.
Como resultado, no se usa comúnmente directamente en aplicaciones industriales, excepto en algunas aplicaciones que requieren resistencia al desgaste sin impacto, como matrices de trefilado y bolas de hierro para molinos de bolas.
En cambio, se utiliza principalmente como materia prima para la fabricación de acero y la producción de hierro fundido maleable.
Hierro fundido 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 como resultado una superficie de fractura gris.
La fundición gris tiene buenas propiedades de fundición, es fácil de mecanizar, tiene buena resistencia al desgaste, procesos simples de fusión y dosificación y bajo costo, lo que lo hace ampliamente utilizado para la producción de piezas fundidas con estructuras complejas y piezas resistentes a la intemperie.
La fundición gris se puede dividir en fundición gris a base de ferrita, fundición gris a base de ferrita-perlita y fundición gris a base de perlita según su estructura de matriz.
Debido a la presencia de grafito en escamas, la fundición gris tiene baja densidad, resistencia, dureza y plasticidad y nula 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 soporte y aumenta el número de grietas, lo que resulta en baja resistencia y baja tenacidad en el hierro fundido gris, lo que lo hace inadecuado para el procesamiento bajo presión. . .
Para mejorar sus propiedades, se añaden al hierro fundido antes de la fundición ciertos inoculantes como ferrosilicio y silicato de calcio para refinar la matriz de perlita.
M hierro permitido
El hierro maleable está hecho de una base de hierro fundido blanco a partir de una aleación de hierro-carbono con bajo contenido de carbono y silicio. Después de un recocido prolongado a alta temperatura, la cementita se descompone en grupos de grafito floculento, dando como resultado un tipo de hierro fundido blanco grafitizado.
El hierro fundido maleable se puede dividir en dos tipos según su microestructura después del tratamiento térmico: hierro maleable de núcleo negro y hierro maleable nacarado. La estructura del hierro fundido maleable con núcleo negro es principalmente una base de ferrita (F) con grafito floculento, mientras que la estructura del hierro fundido maleable perlítico es principalmente una matriz de perlita (P) con grafito floculento.
El tercer tipo es el hierro fundido maleable con núcleo blanco, que tiene una estructura que depende del tamaño de la sección. Para secciones pequeñas, la matriz es ferrita, mientras que para secciones más grandes, el área superficial es ferrita con el centro perlita y carbono recocido.
El hierro fundido de inoculación se produce cuando el grafito se vuelve fino y se distribuye uniformemente después del tratamiento de inoculación.
Hierro dúctil
Antes de fundir el hierro fundido (arrabio nodular), se agrega un agente esferoidizante, comúnmente hecho de ferrosilicio o magnesio, para esferoidizar el grafito en el hierro fundido. La adición de agente esferoidizante mejora en gran medida la resistencia a la tracción, el límite elástico, la plasticidad y la resistencia al impacto del hierro fundido nodular. Esto se debe a que el carbono (grafito) en la matriz de hierro fundido existe en forma esférica, lo que mejora su efecto de división en la matriz.
El hierro fundido nodular tiene varias ventajas, entre ellas resistencia al desgaste, absorción de impactos, buen rendimiento del proceso y bajo costo. Estas ventajas han llevado a su uso generalizado para reemplazar el hierro fundido maleable, así como 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 del hierro fundido?
Los elementos de aleación comunes en las aleaciones de hierro fundido incluyen silicio, manganeso, fósforo, níquel, cromo, molibdeno, cobre, aluminio, boro, vanadio, titanio, antimonio y estaño. Estos elementos mejoran el rendimiento del hierro fundido a través de varios 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 normalmente se consideran 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 cambiar la estructura interna del hierro fundido, dando lugar a nuevos cambios de fase, mejorando así el rendimiento del proceso, 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, aumentando la compacidad y dureza 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 del hierro fundido, los elementos de aleación mejoran el rendimiento general de la aleación de hierro fundido.
¿Cuáles son las aplicaciones detalladas y las características de rendimiento del hierro fundido blanco?
El hierro fundido blanco, llamado así por su superficie de fractura de color blanco plateado, es un tipo de hierro fundido 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 da como resultado una dureza elevada (generalmente superior a HB500), pero también es muy quebradiza. Debido a su alta dureza y resistencia al desgaste, así como a su bajo costo, el hierro fundido blanco es una opción viable para aplicaciones resistentes al desgaste, a pesar de considerarse demasiado frágil para muchos componentes estructurales.
Los principales campos de aplicación del hierro fundido blanco incluyen piezas resistentes al desgaste, como herramientas agrícolas, bolas de molienda, piezas de molinos de carbón, cuchillas de máquinas de granallado, piezas de bombas de lodo, tubos de arena de fundición y la capa exterior de rodillos laminadores duros y fríos. Además, se utiliza como materia prima para la fabricación de acero y como pieza bruta para la producción de hierro fundido maleable. Específicamente, el hierro fundido blanco de tungsteno y manganeso y el hierro fundido blanco de tungsteno y cromo se utilizan para piezas que requieren mecanizado mecánico y condiciones con grandes cargas de impacto, desgaste abrasivo de bajo estrés y desgaste abrasivo de rectificado de alto estrés, respectivamente.
En términos de características de rendimiento, el hierro fundido blanco es duro y quebradizo, no es fácil de mecanizar y rara vez se usa directamente para fundir piezas. Su carbono existe íntegramente en forma de cementita (Fe3C), lo que le confiere 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, el hierro fundido blanco no resiste el trabajo en frío o en caliente y sólo puede utilizarse directamente en estado fundido.
El hierro fundido blanco, con su alta dureza y resistencia al desgaste, juega 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 el hierro gris y el hierro maleable?
Las diferencias específicas en las propiedades mecánicas entre el hierro gris y el hierro maleable se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
Morfología del grafito: el grafito en el hierro gris tiene forma de escamas, mientras que el grafito en el hierro maleable tiene forma de gusano. Esta diferencia en la morfología del grafito conduce a diferencias en las propiedades mecánicas. El grafito en escamas confiere al hierro gris un cierto grado de fragilidad, mientras que el grafito en forma de gusano ayuda a mejorar la tenacidad del material.
Propiedades mecánicas: debido a la diferencia en la morfología del grafito, las propiedades mecánicas del hierro maleable son generalmente superiores a las del hierro gris. Las propiedades mecánicas del hierro maleable se encuentran entre el hierro dúctil y el hierro gris, lo que significa que es más fuerte que el hierro gris pero no tan fuerte como el hierro dúctil.
Rendimiento de fundición: El rendimiento de fundición del hierro maleable se sitúa entre el hierro gris y el hierro dúctil. Esto indica que el hierro maleable tiene buena adaptabilidad y flexibilidad en el proceso de fundición, capaz de satisfacer las demandas de diversos escenarios de aplicación.
Sensibilidad a la composición química: en comparación con el hierro gris, el hierro 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 para ajustar su composición química para optimizar su rendimiento.
Capacidad de tratamiento térmico: el hierro maleable puede someterse a varios tratamientos térmicos, incluido el enfriamiento isotérmico, que ofrece la posibilidad de mejorar aún más sus propiedades mecánicas mediante un tratamiento térmico.
¿Cómo se cuantifica el impacto del proceso de recocido en las propiedades mecánicas del hierro fundido maleable?
La influencia del proceso de recocido sobre las propiedades mecánicas del hierro fundido maleable se puede cuantificar de las siguientes maneras:
Mejora de la resistencia y plasticidad: Mediante el tratamiento de recocido por grafitización, el hierro fundido maleable puede alcanzar mayor resistencia, plasticidad y resistencia 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 comportamiento ante impactos a bajas temperaturas.
Resistencia al desgaste y amortiguación de vibraciones mejoradas: La resistencia al desgaste y la amortiguación de vibraciones del hierro fundido maleable superan al acero al carbono común, como resultado de su microestructura y composición química específicas. La optimización durante el proceso de recocido puede mejorar aún más estas propiedades.
Acortar los ciclos de producción y reducir el consumo de energía: las mejoras en el proceso de recocido, como ajustar el contenido de carbono y silicio y agregar elementos como bismuto, boro y aluminio para el tratamiento de modificación, no solo pueden acortar el ciclo de recocido, sino también aumentar las tasas de calificación 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.
Mayor grado de grafitización: durante el proceso de recocido, la cementita eutéctica en hierro fundido blanco se grafitiza, un proceso crucial para aumentar la tenacidad y plasticidad del hierro fundido maleable. La optimización del proceso de recocido por grafitización ayuda a mejorar las propiedades mecánicas de la fundición.
Aumento 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 del hierro fundido maleable. Al optimizar el tiempo de recocido y otros parámetros relevantes del proceso, se puede mejorar eficazmente la resistencia a la fractura del hierro fundido maleable, lo cual es crucial para aumentar su vida útil y confiabilidad.
¿Cuál es el proceso de tratamiento de esferoidización del hierro dúctil y su papel específico en la mejora de las propiedades mecánicas?
El proceso de tratamiento de esferoidización del hierro 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 del hierro fundido, incluida la plasticidad, la tenacidad y la resistencia. Específicamente, el tratamiento de esferoidización permite que el grafito exista en forma esférica dentro del hierro fundido. Esta estructura, en comparación con el grafito tradicional en escamas o floculento, es más propicia para reducir la concentración de tensiones en el material, mejorando el rendimiento general.
El papel específico del tratamiento de esferoidización radica en mejorar la microestructura del hierro fundido, lo que conduce a una distribución más uniforme del grafito y reduce el riesgo de grietas y fracturas provocadas por la concentración de tensiones durante el uso. Además, la presencia de grafito esférico mejora la resistencia al desgaste y la amortiguación de vibraciones del hierro fundido, lo cual es especialmente importante para aplicaciones que necesitan soportar cargas elevadas y condiciones de tensión complejas. Por ejemplo, en piezas como cigüeñales de máquinas eléctricas, el hierro dúctil se utiliza ampliamente debido a sus excelentes propiedades integrales.
El proceso de tratamiento de esferoidización del hierro dúctil, al cambiar la forma del grafito, no solo aumenta la plasticidad, tenacidad y resistencia del hierro fundido, sino que también ayuda a mejorar su resistencia al desgaste y amortiguación de vibraciones, mejorando así el rendimiento mecánico hasta cierto punto. Estas mejoras hacen del hierro dúctil un material con alta resistencia, buena tenacidad y plasticidad. Su rendimiento integral es cercano al del acero, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones de ingeniería que requieren tensiones complejas, alta resistencia y buena tenacidad.
