¿Qué es el hierro fundido?

El hierro fundido es una aleación de hierro con un contenido del 2% al 4% de carbono, cantidades variables de silicona y manganeso y trazas de impurezas tales como azufre y fósforo. Este se fabrica mediante la reducción del mineral de hierro en un alto horno. La temperatura de fundición normalmente oscila entre 1150°C y 1200°C. El hierro líquido se funde o se vierte y endurece en lingotes en bruto conocidos como lingotes de arrabio que se mezclan nuevamente con chatarra y elementos de aleación en hornos de cubilote y se vuelven a fundir en moldes para fabricar diversos productos. Las aleaciones de hierro con cantidades inferiores de carbono se conocen como aceros..


Puente construido en hierro fundido: Iron Bridge, Inglaterra.


El hierro fundido tiende a ser quebradizo, a excepción de los hierros fundidos maleables. Con un punto de fundición relativamente bajo, buena fluidez, capacidad de fundición, excelente maquinabilidad, resistencia a la deformación y al desgaste, los hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con diversidad de aplicaciones y son utilizados en tuberías, aparatos, y partes para la industria automotriz tales como cabezales de cilindro (uso en declive), bloques de cilindros y cajas de cambios (uso en declive). Son resistentes a la destrucción y debilitación por oxidación (herrumbre).

Historia del hierro fundido:

Los primeros utensilios de hierro fundido datan del siglo V a. C., y fueron descubiertos por arqueólogos en la región que hoy se conoce como Jiangsu en China. Esto se comprobó a partir del análisis de las microestructuras de los artefactos. Puesto que el hierro fundido es relativamente quebradizo, no es adecuado en casos que requieran un borde cortante o flexibilidad. Es resistente a la compresión pero no a la tensión. El hierro fundido se inventó en China en el siglo V a. C. y se vertía en moldes para fabricar arados y vasijas tanto como armas y pagodas. Aunque el acero era preferible, el hierro fundido era más económico y por lo tanto más utilizado en la fabricación de utensilios en la antigua China, mientras que el hierro forjado o el acero se utilizaba en la fabricación de armas.
Los utensilios de cocina en hierro fundido gozan de excelentes propiedades de retención de calor y pueden ser fabricados y moldeados con un nivel relativamente bajo de tecnología. Los tipos de utensilios en hierro fundido incluyen prensas panini, planchas para gofres, sartenes para crepes, cacerolas profundas con tapa, sartenes para freír, freidoras, teteras woks, parrillas con tapa llana, planchas, y fondos de cacerolas. El hierro fundido esmaltado es un hierro fundido con un barniz de esmalte vítreo. La capa de esmalte aplicada sobre el hierro fundido evita la oxidación, elimina la necesidad de aceitar el metal y permite una limpieza completa. Además, los pigmentos utilizados en el proceso de esmaltado pueden producir colores brillantes.

Los chinos fabricaron hierro fundido ya en el siglo V a. C., y en Europa, se empezó a producir de forma esporádica a partir del siglo XIV. Se introdujo en Inglaterra alrededor del año 1500; y en América, los primeros talleres de fundición se establecieron sobre el río James, Virginia en 1619. Durante los siglos XVIII y XIX, el hierro fundido era un material de ingeniería más económico que el hierro forjado porque no requería refinación ni trabajo con martillos, pero era más quebradizo y de menor resistencia a la tensión. No obstante, su capacidad portante lo convertía en el metal estructural más importante y fue utilizado en los primeros rascacielos. En el siglo XX, el acero reemplazó al hierro fundido en la construcción pero el hierro fundido continúa teniendo muchas aplicaciones industriales.

Siglo VI a. C. Ilustración de un horno para la producción del hierro, en un jarrón griego

Siglo VI a. C. Ilustración de un horno para la producción del hierro, en un jarrón griego


 



 Estructura de temple de hierro fundido

La mayor parte del hierro fundido se conoce como fundición gris o fundición blanca, los colores que aparecen tras su fractura. La fundición gris contiene más silicona, es menos dura y más trabajable que la fundición blanca. Ambas son quebradizas, sin embargo en el siglo XVIII, en Francia, se desarrolló un hierro fundido maleable producido mediante un tratamiento térmico prolongado, y en 1948, en los Estados Unidos y Gran Bretaña, se inventó un hierro fundido dúctil. Estos hierros dúctiles ahora constituyen una familia importante de metales ampliamente utilizados para engranajes, troqueles, cigüeñales para automóviles y muchas otras piezas para maquinaria. Puesto que el hierro se oxida en tierra, este no desempeñaría su función sin su previa desoxidación.

Se estima que en el año 1700 a. C., el Imperio hitita obtuvo por primera vez el hierro mediante la desoxidación del mineral de hierro. Se presume que fabricaban productos de hierro mediante un horno discontinuo que desoxida la arena de hierro a través del carbón vegetal y extrae hierro cercano al hierro puro esponjoso que podían recoger en el fondo del horno para una forja de calor. Uno de los poemas épicos de Homero del año 800 a. C. indica que el hierro tenía un gran valor. Su valor era probablemente mucho mayor que el del oro.
Además, puesto que también se hace alusión a un herrero, se podría presumir que los mecanismos de endurecimiento ya se habían establecido en la era de Homero. Un dato curioso es que en Europa la producción de hierro mediante la forja continuó hasta el siglo XIV mientras que la fundición para verter metal líquido en moldes no se puso en práctica hasta después del siglo XIV. El hecho de que las armas utilizadas en Europa en ese entonces fuesen cuchillos y sables tal vez se debía a esta diferencia en la historia del hierro. La tecnología de la fundición que fabrica productos mediante el vertido de metales líquidos en moldes se desarrolló inicialmente en China alrededor del siglo VII a. C. Se estima en general que la tecnología china de utensilios en bronce alcanzó una temperatura extremadamente alta mediante la utilización de fuelles y se presume que de esta línea de tecnología se derivó el arrabio desarrollado mediante la fundición de hierro con alto contenido de carbono. El hierro con alto contenido de carbono tiene una baja temperatura de fusión cercana a los 1150°C y buena capacidad de fluidez, lo cual ha facilitado la fundición del hierro. Los componentes del hierro fundido de los alrededores del siglo IV a. C. en China eran: C2,5%-4.3%; Si0,1%-0.2%; Mn0,01%-0,2%; P0,1%-0,5%; S0,01%-0,1%. Por su bajo contenido de silicio esta estructura llamada estructura de temple, no tiene grafito y es dura y quebradiza. Su carácter quebradizo probablemente llevó a que la tecnología de fundición no se introdujera en Europa hasta el siglo XIV. No fue sino hasta 1779 que se construyó Iron Bridge en Inglaterra, en el que se encontró con una estructura sin temple y alto contenido en silicio.

Desde el siglo VII a. C. hasta el periodo de la revolución industrial en el siglo XVIII, el hierro fundido era duro y quebradizo. Por lo tanto no es de extrañar que el hierro adherente que podía ser endurecido mediante productos utilizados para la forja fuera más apreciado. No obstante, el incremento del contenido de silicio ha modificado significativamente las propiedades del hierro fundido. Este hierro fundido no templado se convirtió en un material importante de apoyo a la industria. Empezaron a surgir todo tipo de productos de fundición como puentes y cañones en la línea de manufactura. En cuanto al hierro fundido moderno existen dos desarrollos significativos.


High strength flake graphite

Uno de ellos es el método de fabricación a través de la fundición de grafito esferoidal basada en la tecnología de inoculación desarrollada por G. F. Meehan y O. Smalley en los años 1940. Esta tecnología permitió producir hierro fundido de alta resistencia con fuerza de tensión superior a 300 N/mm2 de forma estable.
La segunda es la fundición de grafito esferoidal descubierta por Morrogh en Inglaterra en el año 1947. Este descubrimiento permitió la fabricación de hierro fundido con una resistencia aún mayor a los 800 N/mm2. En 1945, cuando Japón llegaba al final de la guerra, su tecnología del hierro fundido había progresado significativamente. Japón aprovechó la tecnología de los países extranjeros en la posguerra, la mejoró y estableció el más alto nivel de tecnología de fundición en el mundo. Más aún, a partir de ahí la tecnología de fundición japonesa se desarrolló paralelamente al proceso acelerado de la industria automotriz.