El hierro fundido y el acero son metales ferrosos compuestos principalmente de átomos de hierro (etiquetados como Fe en la tabla periódica). El hierro elemental se encuentra abundantemente en la Tierra, pero normalmente existe en forma oxidada y requiere un procesamiento intensivo, llamado fundición, para extraerlo.
El hierro puro, con sus altas propiedades magnéticas, se emplea a menudo en la fabricación de núcleos de equipos electromagnéticos. Sin embargo, su textura suave y su tendencia a deformarse limitan su uso directo en la fabricación industrial. Por lo tanto, normalmente se alea con otros elementos, en particular carbono, para mejorar sus propiedades. El hierro fundido y el acero, por ejemplo, son materiales metálicos ampliamente utilizados derivados de esta aleación de hierro mejorada.
Si bien el hierro fundido y el acero tienen una apariencia similar, cada uno posee propiedades distintas que son cruciales para aplicaciones específicas. Este artículo proporciona una comparación detallada de estos dos metales para ayudarle a elegir el metal adecuado para su proyecto.
¿Qué es el hierro fundido?
El hierro fundido es un tipo de aleación de hierro y carbono, con un contenido de carbono relativamente alto, entre el 2% y el 4%. Se fabrica fundiendo primero el mineral de hierro en un alto horno para producir arrabio. Luego, el arrabio se funde junto con cantidades de chatarra y el metal fundido se vierte en moldes para que se solidifique. El nombre "hierro fundido" proviene de este proceso de fundición utilizado para darle forma.
Además de su contenido de carbono, normalmente contiene entre un 1% y un 3% de silicio, junto con trazas de manganeso, fósforo y azufre. El carbono y el silicio son elementos clave que influyen en la estructura y propiedades del hierro fundido. La forma y distribución del grafito, que se origina a partir del contenido de carbono, son cruciales para determinar el tipo y las características del hierro fundido. Según la forma del carbono y la microestructura, el hierro fundido se puede clasificar en:
Hierro fundido gris: el grafito aparece en forma de escamas, lo que proporciona buenas propiedades de fundición y amortiguación de vibraciones, pero es bastante frágil.
Hierro fundido blanco: El carbono está presente como carburo de hierro (Fe3C), lo que lo hace duro y quebradizo con alta resistencia al desgaste.
Hierro fundido dúctil (nodular): el grafito tiene forma de nódulos esféricos, lo que le confiere alta resistencia y tenacidad.
Hierro fundido maleable: mediante el recocido, el carbono está presente en forma de grafito grumoso, lo que proporciona buena tenacidad y maquinabilidad.
¿Qué es el acero?
El acero es una aleación de hierro, con un contenido de carbono que varía pero que normalmente incluye menos del 2%. El acero se fabrica refinando el arrabio fundido en un horno de oxígeno básico (BOF) o en un horno de arco eléctrico (EAF) para reducir el contenido de carbono y eliminar las impurezas, y luego verterlo en moldes y enfriarlo para formar acero sólido.
Se añaden elementos adicionales y el contenido de carbono se ajusta durante el proceso para producir diferentes grados de acero con propiedades específicas. Por ejemplo, el acero es generalmente propenso a la corrosión y la oxidación, pero el acero inoxidable se convierte en una excepción, ya que exhibe una notable resistencia a la corrosión y la oxidación debido a su bajo contenido de carbono y un mínimo de 10,5% de cromo.
Según la diferencia de composiciones y usos, el acero se puede dividir en muchos tipos. Los siguientes son algunos tipos comunes de acero:
Acero carbono:A type of steel containing carbon as the main alloying element, which can be further divided into low carbon steel, medium carbon steel and high carbon steel.
Acero aleado:Besides iron and carbon, it also contains other alloying elements, such as chromium, nickel, molybdenum, vanadium. Common alloy steels are stainless steel, tool steel, etc.
Las diferencias entre hierro fundido y acero
Para diferenciar los dos metales, comencemos examinando la tabla que se muestra a continuación para hacer una comparación preliminar.
Elementos
Hierro fundido
Acero
Contenido de carbono
2% ~ 4%
Menos del 2%
Punto de fusión
2102~2372 grados Fahrenheit
2500~2750 grados Fahrenheit
Castabilidad
Fácil de moldear debido a su baja contracción y buena fluidez.
Menos fácil de moldear debido a la baja fluidez y a una mayor contracción.
Fortaleza
Mayor resistencia a la compresión
Más resistencia a la tracción; resistencia al impacto superior
Resistencia al desgaste
Bien
No tan resistente como el hierro fundido.
Resistencia a la corrosión
Más resistente a la corrosión, pero a menudo limitado a la resistencia a la oxidación de la superficie.
Deficiente para el acero al carbono, pero el acero inoxidable ofrece una resistencia superior a la oxidación.
maquinabilidad
Más fácil de mecanizar
Más tiempo y más herramientas
Soldabilidad
Difícil de soldar
Mejor soldabilidad, desde pobre hasta muy buena.
Costo
A menudo es más barato debido a los menores costos de materiales, energía y mano de obra necesarios para producir hierro y acero.
Es más costoso de comprar y requiere más tiempo y atención para emitirlo.
La tabla anterior proporciona una comparación general entre el hierro fundido y el acero. Puede prestar atención a los elementos principales enumerados en la primera columna. Ahora, lo llevaremos a comprenderlos en profundidad uno por uno.
Contenido de carbono y composición química
La principal diferencia entre los dos metales es su contenido de carbono. El hierro fundido suele contener más del 2% de carbono, mientras que el acero contiene menos del 2% de carbono. Normalmente, un mayor contenido de carbono da como resultado una mayor dureza y fragilidad.
Además, el contenido de silicio en el hierro fundido influye significativamente en sus propiedades, proporcionando una mejor fluidez y una reducción de la contracción durante la fundición. Por el contrario, el acero suele contener otros elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno, que mejoran su resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión.
Punto de fusión
El punto de fusión del hierro fundido suele oscilar entre 1150 °C y 1300 °C (2100 °F a 2370 °F), mientras que el punto de fusión del acero suele estar entre 1370 °C y 1510 °C (2500 °F a 2800 °F). ).
El punto de fusión más bajo del hierro fundido le permite tener una mejor fluidez en estado fundido, lo que facilita el llenado de moldes con formas complejas y la formación de piezas fundidas densas. Además, su punto de fusión más bajo conduce a una velocidad de enfriamiento relativamente más lenta, lo que otorga más tiempo al metal líquido dentro de la pieza fundida para llenar los huecos resultantes de la contracción. En consecuencia, esto minimiza la formación de poros y grietas durante el proceso de fundición, lo que da como resultado una fundición con mayor densidad. Por el contrario, el punto de fusión más alto del acero le permite mantener su resistencia y tenacidad durante el procesamiento mecánico y el tratamiento térmico a altas temperaturas.
Castabilidad
Como se mencionó anteriormente, el hierro fundido tiene un punto de fusión más bajo y contiene cierto silicio; exhibe una fluidez excelente y menos contracción durante el enfriamiento, ya que el grafito precipita durante la solidificación, compensando parcialmente la contracción del volumen. Por lo tanto, en comparación con el acero, el hierro fundido posee una capacidad de fundición superior.
Por el contrario, el acero es menos fluido, más reactivo con los materiales del molde, se encoge más durante el enfriamiento y requiere más atención e inspección durante todo el proceso de fundición.
Fortaleza
Tanto el hierro fundido como el acero son muy apreciados por su durabilidad, pero difieren significativamente en sus diversos aspectos de resistencia. Exploremos las diferencias entre sus resistencias a la tracción, la compresión y el impacto.
Resistencia a la tracción: El hierro fundido posee una resistencia a la tracción relativamente baja. Esto se debe a las escamas de grafito o grafito nodular presentes en su estructura, que tienden a convertirse en puntos de concentración de tensiones, haciéndolo susceptible a fracturarse bajo fuerzas de tracción. Por el contrario, la microestructura del acero es más uniforme y su resistencia a la tracción puede mejorarse enormemente mediante aleaciones y tratamientos térmicos.
Resistencia a la compresión: En términos generales, el hierro fundido posee una resistencia a la compresión superior en comparación con el acero. Bajo tensión de compresión, la estructura del grafito en el hierro fundido no contribuye a la concentración de la tensión, sino que ayuda a dispersarla, produciendo así una alta resistencia a la compresión. Por el contrario, el acero exhibe un rendimiento comparable tanto en resistencia a la compresión como a la tracción, con una gama más amplia de resistencias a la compresión.
Resistencia al impacto: Ambos exhiben una buena resistencia al impacto, pero el acero generalmente supera al hierro fundido, especialmente en su capacidad para soportar impactos repentinos y cargas dinámicas. Esto se atribuye a la ductilidad y la microestructura uniforme del acero, que le permite absorber una cantidad significativa de energía sin fracturarse bajo cargas de impacto. Además, el acero se endurece durante la carga de impacto, lo que mejora aún más su resistencia. Por otro lado, la fragilidad del hierro fundido lo hace propenso a fracturarse bajo el impacto. Sin embargo, el hierro dúctil, una variante del hierro fundido, presenta una mayor resistencia al impacto que supera significativamente al hierro gris. Aun así, el hierro dúctil no puede igualar la resistencia al impacto del acero.
Resistencia al desgaste
El hierro fundido generalmente muestra una mejor resistencia al desgaste mecánico que el acero (acero al carbono). Esto se atribuye a su dureza y estructura única de grafito, que actúa como lubricante natural. Sin embargo, la fragilidad del hierro fundido limita su aplicación en entornos de desgaste dinámico. Como resultado, es más adecuado para fabricar componentes estáticos y resistentes al desgaste de bajo impacto, como marcos de camas mecánicos, cojinetes deslizantes y revestimientos de fricción.
El acero, con su alta tenacidad, mantiene una buena resistencia al desgaste en entornos de desgaste dinámico y resiste la fractura. Es adecuado para fabricar componentes dinámicos y resistentes al desgaste de alto impacto, como engranajes, herramientas de corte y piezas de alto desgaste.
Resistencia a la corrosión
Ambos metales siguen siendo susceptibles a la corrosión o la oxidación cuando se exponen al oxígeno y la humedad. Sin embargo, el hierro desarrolla una pátina que ayuda a prevenir la corrosión profunda, preservando la integridad del metal.
Para prevenir la corrosión, un método es aplicar pintura o recubrimiento en polvo para mayor protección. Alternativamente, se pueden incorporar al acero elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión del acero y adaptarlo a diferentes entornos corrosivos.
maquinabilidad
El hierro fundido posee buena maquinabilidad. La presencia de grafito sirve como lubricante natural, reduciendo el desgaste de la herramienta y extendiendo su vida útil. Además, la fragilidad del hierro fundido (especialmente el hierro fundido gris) permite que las virutas se fracturen fácilmente en pedazos pequeños durante el mecanizado. Esto evita que se adhieran a la herramienta de corte, lo que resulta en un proceso de mecanizado más suave.
Por el contrario, la maquinabilidad del acero varía mucho según su composición. El acero endurecido o el acero con alto contenido de carbono plantean desafíos, ya que son más resistentes al mecanizado y pueden acelerar el desgaste de las herramientas. Por otro lado, el acero con bajo contenido de carbono, aunque es más blando, puede volverse adhesivo durante el mecanizado, lo que dificulta su manipulación. Por lo tanto, es imperativo considerar cuidadosamente las técnicas de mecanizado y la selección de herramientas para lograr un mecanizado exitoso del acero.
Soldabilidad
El acero presenta una soldabilidad significativamente mejor en comparación con el hierro fundido. Debido a su alto contenido de carbono y su fragilidad, el hierro fundido es propenso a agrietarse durante la soldadura. Además, el hierro fundido absorbe fácilmente nitrógeno y oxígeno del aire, lo que provoca la formación de poros.
El bajo contenido de carbono del acero facilita el control durante el proceso de soldadura y es adecuado para una variedad de métodos de soldadura, incluida la soldadura por arco (SMAW), la soldadura con gas protegido (GMAW, TIG), la soldadura láser, etc.
Costo
El hierro fundido tiende a ser más barato que el acero principalmente porque sus materias primas, como el mineral de hierro, están más fácilmente disponibles y son más baratas en comparación con el hierro y las aleaciones de mayor calidad que se utilizan en la producción de acero. Además, el proceso de producción de hierro fundido es más sencillo y consume menos energía que el del acero.
Hierro fundido versus acero: ¿cuál elegir?
Según la introducción detallada y la comparación anterior, ahora debería tener una comprensión completa de las diferencias entre estos dos metales. Para ayudarle a elegir el mejor metal para sus necesidades, puede consultar rápidamente la siguiente tabla para ver sus ventajas, limitaciones y aplicaciones principales únicas.
Ventajas
Limitaciones
Aplicaciones
ElencoHierro
▪ Cheaper and easier to cast than steel ▪ High compressive strength ▪ Excellent wear resistance ▪ Good machinability, especially softer cast irons like gray iron ▪ Offers high hardness ▪ Good properties for a low cost ▪ Good anti-vibration property
▪ Low tensile strength ▪ High brittleness
▪ Pipes and fittings in water and sewage systems ▪ Automotive components like engine blocks, cylinder heads, brake discs, etc ▪ Manhole covers, street furniture, residential fence gates, decorative light posts, fireplace elements, and other furnishings in construction ▪ Cast iron frying pans and other cookware ▪ Bases and frames for heavy machinery
▪ More expensive ▪ Prone to corrosion and rust, especially low carbon steel
▪ Structural beams, rebar, and building frameworks ▪ Automotive body panels, chassis components, and safety components ▪ Rail car wheels, frames, and bolsters ▪ Mining machinery, construction equipment, and heavy trucks ▪ Heavy duty pumps, valves, and fittings ▪ Turbines and other components in power station assemblies
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