Hierro gris
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El hierro gris , o fundición gris , es un tipo de hierro fundido que presenta una microestructura grafítica . Recibe su nombre por el 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 de fundición más utilizado en función del peso. [2]
Se utiliza para carcasas en las que 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 decorativas. La alta conductividad térmica y la capacidad calorífica específica del hierro fundido gris se aprovechan a menudo para fabricar utensilios de cocina de hierro fundido y rotores de frenos de disco . [3]
Su uso generalizado anterior [ aclarar ] en los frenos de los trenes de mercancías se ha reducido considerablemente en la Unión Europea debido a las preocupaciones sobre 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 mercancías (el 85% de su flota) con modelos más nuevos y silenciosos en 2019, en parte para cumplir con una ley que entró en vigor en diciembre de 2020. [8] [9] [10]
Estructura
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 de 6 a 10% del volumen de hierro gris. El silicio es importante para hacer hierro gris en lugar de hierro fundido blanco , porque el silicio es un elemento estabilizador de grafito en el hierro fundido, lo que significa que ayuda a la aleación a producir 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 a la grafitización es la velocidad de solidificación; cuanto más lenta sea la velocidad, mayor será el tiempo para que el carbono se difunda y se acumule en 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 ser recocida . [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 adquiere la forma de una lámina tridimensional. En dos dimensiones, como superficie pulida, las láminas de grafito aparecen como líneas finas. El grafito no tiene una resistencia apreciable, por lo que se pueden tratar como huecos. Las puntas de las láminas actúan como muescas preexistentes en las que se concentran las tensiones y, por lo tanto, se comporta de manera frágil . [12] [13] La presencia de láminas de grafito hace que el hierro gris sea fácilmente mecanizable, ya que tienden a agrietarse fácilmente a través de las láminas de grafito. El hierro gris también tiene una muy buena capacidad de amortiguación y, por lo tanto, se utiliza a menudo como base para los montajes de las máquinas herramienta.
Clasificaciones
En los Estados Unidos, la clasificación más comúnmente utilizada para el hierro gris es la norma ASTM International A48. [2] Esta clasifica el hierro gris en clases que corresponden con su resistencia mínima a la tracción en miles de libras por pulgada cuadrada (ksi); por ejemplo, el hierro gris de clase 20 tiene una resistencia mínima a la tracción de 20 000 psi (140 MPa). La clase 20 tiene un alto equivalente de carbono y una matriz de ferrita. Los hierros 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 aleación para proporcionar un fortalecimiento de la solución sólida , y se utiliza un tratamiento térmico para modificar la matriz. La clase 80 es la clase más alta disponible, pero es extremadamente frágil. [12] La ASTM A247 también se utiliza comúnmente para describir la estructura del grafito. Otras normas ASTM que tratan el hierro gris incluyen ASTM A126, ASTM A278 y ASTM A319. [2]
En la industria automotriz, se utiliza la norma SAE J431 de la SAE International (SAE) para designar grados en lugar de clases. Estos grados son una medida de la relación entre la resistencia a la tracción y la dureza Brinell . [2] La variación del módulo de elasticidad a la tracción de los diversos 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.
| Clase | Resistencia a la tracción (ksi) | Resistencia a la compresión (ksi) | Módulo de tracción, E ( Mpsi ) |
|---|---|---|---|
| 20 | 22 | 83 | 10 |
| 30 | 31 | 109 | 14 |
| 40 | 57 | 140 | 18 |
| 60 | 62,5 | 187,5 | 21 |
| Calificación | Dureza Brinell | t/h † | Descripción |
|---|---|---|---|
| G1800 | 120–187 | 135 | Ferrítico-perlítico |
| G2500 | 170–229 | 135 | Perlítico-ferrítico |
| G3000 | 187–241 | 150 | Perlítico |
| G3500 | 207–255 | 165 | Perlítico |
| G4000 | 217–269 | 175 | Perlítico |
| † t/h = resistencia a la tracción/dureza | |||
Ventajas y desventajas
El hierro gris es una aleación de ingeniería común debido a su costo relativamente bajo y buena maquinabilidad , que resulta de la lubricación del grafito en el corte y la rotura de las virutas. También tiene buena resistencia al desgaste y al desgaste porque las escamas de grafito se autolubrican. El grafito también le da 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 (forjar, extruir, laminar, etc.) incluso a temperatura.
| Materiales | Capacidad de amortiguación † |
|---|---|
| Hierro gris (alto equivalente de carbono ) | 100–500 |
| Hierro gris (equivalente de bajo carbono) | 20–100 |
| Hierro dúctil | 5–20 |
| Hierro maleable | 8–15 |
| Hierro blanco | 2–4 |
| Acero | 4 |
| Aluminio | 0,47 |
| † Logaritmo natural de la relación de amplitudes sucesivas | |
El hierro gris también experimenta una contracción de solidificación menor 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 al impacto y al choque es casi inexistente. [16]
Véase también
Notas
- ^Ab Smith y Hashemi 2006, pág. 431.
- ^ abcd Schweitzer 2003, pág. 72.
- ^ ab "Introducción a la metalurgia de rotores de freno de fundición gris" (PDF) . SAE . Consultado el 24 de mayo de 2011 .
- ^ "Medidas de reducción del ruido en el material rodante actual". Comisión de las Comunidades Europeas (pdf) (en alemán). 8 de julio de 2008.
- ^ Tomás, Pedro. "Gegen Lärm von Güterzügen: Mit Flüsterbremse und Schallschutzwand". Faz.net .
- ^ Tomás, Pedro. "Bahnverkehr: Gegen den Lärm der Güterzüge - Technik & Motor - FAZ". Faz.net .
- ^ "Schienenverkehr ist deutlich leiser geworden | Allianz pro Schiene". 12 de noviembre de 2021.
- ^ "Progresos del DB en la reducción de la contaminación acústica del transporte ferroviario de mercancías | Railway-News". 23 de abril de 2019.
- ^ "Para trenes de mercancías con bajo nivel de ruido: los equipos de servicio móviles reemplazan las zapatas de freno en cualquier lugar". www.db-fzi.com . Archivado desde el original el 2021-11-16 . Consultado el 2021-11-16 .
- ^ "Ley de mitigación del ruido ferroviario | Deutsche Bahn AG". Archivado desde el original el 2023-02-06 . Consultado el 2021-11-16 .
- ^ Smith y Hashemi 2006, pág. 432.
- ^ abcd Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 77.
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 76.
- ^ por Schweitzer 2003, pág. 73.
- ^ "Propiedades mecánicas del hierro gris - Capacidad de amortiguación". www.atlasfdry.com .
- ^ ab Miller, Mark R. (2007), Guía de estudio para el examen de licencia de soldadura, McGraw-Hill Professional, pág. 191, ISBN 9780071709972.
Referencias
- Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (novena edición), Wiley, ISBN 9780471033066.
- Schweitzer, Philip A. (2003), Materiales metálicos, CRC Press, ISBN 9780203912423.
- Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de materiales (4.ª ed.), McGraw-Hill, ISBN 9780072921946.
Lectura adicional
- Stefanescu, Doru Michael (2002), Ciencia e ingeniería de la solidificación de piezas fundidas, Springer, ISBN 978-0-306-46750-9.
