El hierro fundido es un tipo importante de aleación a base de hierro, ampliamente utilizado en estructuras de ingeniería y fabricación mecánica. Es una aleación eutéctica de hierro y carbono, con un contenido de carbono típicamente superior al 2%, que también contiene silicio (1% - 3%), así como otros elementos traza o de aleación. Debido a las diferencias en sus características de composición y métodos de solidificación, el hierro fundido presenta diversas microestructuras y propiedades mecánicas, lo que da lugar a múltiples clasificaciones diferentes.
I. Características básicas del hierro fundido
En comparación con el acero,hierro fundidoTiene un mayor contenido de carbono y silicio, por lo que su microestructura presenta una fase carbonada más abundante, presente principalmente en forma de grafito o carburos. La solidificación depende principalmente de la composición de la aleación, la velocidad de enfriamiento y el método de tratamiento de fusión, y puede formar dos estructuras eutécticas: la estructura metaestable de austenita-carburo de hierro (Fe₃C) o la estructura estable de austenita-grafito.
El hierro fundido se caracteriza por su alta dureza, alta resistencia al desgaste y buenas propiedades de fundición, pero presenta una tenacidad relativamente baja, baja resistencia al impacto, características de fractura frágil y carece de capacidad de detección temprana de fallas. El grafito, como defecto natural, puede reducir la resistencia del material, pero también ofrece buena absorción de impactos, lubricidad y maquinabilidad.
Ii. Equivalente de carbono (CE) y propiedades del hierro fundido
Para facilitar la determinación de la influencia de la composición de la aleación en la microestructura, el equivalente de carbono CE se utiliza comúnmente para representar:
Fórmula básica
CE = %C + 1/3 × %Si
Al considerar el contenido de fósforo:
CE = %C + (%Si + %P)/3
Cuando CE ≈ 4,3, indica que la aleación tiene una composición eutéctica. Por debajo de este valor se considera subeutéctica y por encima, hipereutéctica. CE no solo afecta la morfología estructural durante el proceso de solidificación, sino que también influye en el rendimiento de la fundición y en el servicio.
iii. Principales factores que afectan la microestructura del hierro fundido
La microestructura final del hierro fundido está influenciada por los siguientes cuatro factores principales:
Composición química.
Tasa de enfriamiento.
Tratamiento de inoculación por fusión.
Tratamiento térmico posterior.
Además, el contenido de silicio tiene un impacto significativo en la temperatura crítica del hierro y promueve la estabilidad de la ferrita.
Iv. Clasificación tradicional y moderna del hierro fundido
1. Clasificación por color de fractura (tradicional)
Blancohierro fundidoLa fase eutéctica es Fe₃C, la superficie de fractura es blanca, dura y quebradiza, y presenta buena resistencia al desgaste. Se utiliza frecuentemente en trituradoras, impulsores de bombas, etc.
Fundición gris: La fase eutéctica consiste en escamas de grafito, la superficie de fractura es gris, presenta alta resistencia a la compresión, buena absorción de impactos y excelente maquinabilidad. Se utiliza frecuentemente en bloques de motor, discos de freno, etc.
2. Los cuatro tipos básicos de los tiempos modernos
Tipo: Morfología del grafito, microestructura, características de rendimiento, principales aplicaciones
El hierro fundido blanco sin grafito, con carburo de hierro y perlita, es extremadamente duro y quebradizo, resistente al desgaste y difícil de procesar para trituradoras, molinos y piezas de bombas.
Las láminas de grafito de hierro fundido gris con ferrita/perlita + grafito tienen buena absorción de impactos, son resistentes al desgaste y son fáciles de procesar en bloques de cilindros, volantes y bancadas de máquinas herramienta.
Hierro dúctilCon su matriz esférica de ferrita de grafito o perlita, ofrece alta resistencia, excelente ductilidad y buen comportamiento a la fatiga. Se utiliza en cigüeñales, engranajes, componentes militares y ferroviarios.
La fundición maleable, la ferrita de grafito templado o la perlita, tienen una tenacidad y ductilidad entre la fundición gris y la fundición dúctil. Piezas de dirección, componentes de transmisión y piezas estructurales de maquinaria agrícola.
3. Otros métodos de clasificación
Clasificados según la forma de grafito:
FG: Grafito en escamas (fundición gris).
SG: Grafito esférico (Hierro dúctil).
CG: Grafito vermicular (fundición de grafito vermicular).
TG: Grafito templado (Fundición maleable).
Clasificados por matriz organizacional:
Tipo ferrítico, tipo perlado, tipo austenítico, tipo martensítico, tipo bainítico.
V. Tipos especiales de hierro fundido
Además de los tipos básicos, el hierro fundido también se puede clasificar en varias categorías especiales para satisfacer los requisitos de condiciones de trabajo especiales:
Hierro fundido enfriado: el enfriamiento rápido local forma una estructura de hierro fundido blanco y la superficie tiene una excelente resistencia al desgaste.
Pórfido: Microestructura especial formada en la zona mixta de hierro gris y hierro blanco.
Fundición de grafito vermicular: El grafito se presenta en forma vermicular, combinando resistencia y maquinabilidad, y se utiliza ampliamente en sistemas de frenado de alta resistencia.
Hierro fundido con grafito de alta aleación: se agregan elementos de aleación (como cromo y níquel) para mejorar la resistencia a la corrosión y la resistencia a altas temperaturas.
Fundición especial: Con un contenido de aleación superior al 3%, presenta excelentes propiedades como resistencia a la corrosión, resistencia al calor y resistencia al desgaste.
Vi. Conclusión
El hierro fundido, como material ampliamente utilizado, ofrece una amplia gama de aplicaciones gracias a su compleja microestructura y a sus diversos métodos de clasificación. Desde el hierro gris y el hierro blanco tradicionales hasta el hierro dúctil y el hierro vermicular modernos, pasando por el hierro fundido especial de alta aleación, la continua evolución de los procesos metalúrgicos impulsa a los materiales de hierro fundido hacia un mayor rendimiento y una mayor adaptabilidad. Un conocimiento profundo de las leyes de clasificación y evolución de la microestructura del hierro fundido es fundamental para su diseño y aplicación.
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