Las fundiciones de hierro son un grupo de aleaciones hierro-carbono con un contenido de carbono superior al 2%. Su utilidad se deriva de su temperatura de fusión relativamente baja. Los constituyentes de la aleación afectan a su color cuando se fractura: la fundición blanca tiene impurezas de carburo que permiten que las grietas se propaguen directamente, la fundición gris tiene escamas de grafito que desvían una grieta que pasa e inician innumerables nuevas grietas a medida que el material se rompe, y la fundición dúctil tiene "nódulos" esféricos de grafito que impiden que la grieta siga avanzando.
Características generales El carbono (C), que oscila entre el 1,8 y el 4 %, en peso y el silicio (Si), con entre el 1 y el 3 % en peso, son los principales elementos de aleación del hierro fundido. Comúnmente las fundiciones más usadas están entre los valores de 2,5% y 4,5%, ya que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria. Además de hierro y carbono, lleva otros elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo, azufre y oxígeno. Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como acero.
La fundición de hierro tiende a ser frágil, excepto la fundición maleable. Gracias a su punto de fusión relativamente bajo, su buena fluidez, su colabilidad, su excelente maquinabilidad, su resistencia a la deformación y su resistencia al desgaste, el hierro fundido se ha convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utiliza en tuberías, máquinas y piezas de la industria del automóvil, como bloques de motores y sus culatas, y cajas de cambio. Es resistente a los daños causados por la oxidación, pero es notoriamente difícil de soldar.
Los primeros artefactos de hierro fundido datan del y fueron descubiertos por arqueólogos en la actual Jiangsu en China. El hierro fundido se utilizó en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. Durante el , el hierro fundido se utilizó para los cañones en Borgoña, Francia, y en Inglaterra durante la Reforma. Las cantidades de hierro fundido utilizadas para los cañones requerían una producción a gran escala. El primer puente de hierro fundido fue construido durante la década de 1770 por Abraham Darby III, y es conocido como el Puente de Hierro en Shropshire, Inglaterra. El hierro fundido también se utilizó en la construcción de edificios.
Estas fundiciones siguen el diagrama de equilibrio estable (Fe-C) (o su porción Fe-Fe3C) o metaestable dependiendo de distintos factores, principalmente de si se produce o no la grafitización.
Obtienen su forma definitiva por colada industrial, permitiendo la fabricación con relativa facilidad tanto de piezas de grandes dimensiones como de pequeños elementos con formas complicadas.
Son más baratas que los aceros y de fabricación más sencilla, al utilizarse en su producción instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas más bajas (además son fáciles de mecanizar). Actualmente, se fabrican fundiciones con excelentes propiedades mecánicas, haciéndole la competencia a los aceros tradicionales.
Se dividen en dos tipos:
Fundiciones grises: Presentan el carbono en forma de grafito laminar. Suelen estar aleadas con silicio (elemento muy grafitizante). Períodos de enfriamiento largos favorecen la formación de una fundición gris, ya que la lentitud en las reacciones facilita que se formen los constituyentes más estables: la cementita se transforma en ferrita y grafito (grafitización). Son fácilmente mecanizables ya que el grafito favorece la salida de la viruta. Fundiciones blancas: El carbono aparece en forma de cementita. La cantidad de silicio es mínima. Las velocidades rápidas de enfriamiento favorece la formación de la cementita. Tienen una alta resistencia mecánica y dureza, pero también gran fragilidad (propiedades debidas a la cementita), por lo que son difíciles de mecanizar.
Historia thumb|Modelo de diorama de un alto horno de la dinastía Han thumb|El León de hierro de Cangzhou, la mayor obra de arte de hierro fundido que se conserva de China, 953 d.C., periodo Zhou tardío thumb|Tubería de hierro fundido para desagües, residuos y ventilación thumb|Magdalena arrodillada, estatua de hierro fundido conservada en Orense (Galicia, España).
El hierro fundido y el hierro forjado pudieron producirse accidentalmente al fundir cobre utilizando mineral de hierro como fundente.
Los primeros artefactos de hierro fundido datan del , y fueron descubiertos por los arqueólogos en el actual condado de Luhe, Jiangsu, en China, durante el período de los reinos combatientes. Esto se basa en un análisis de las microestructuras de los objetos hallados.
Debido a que el hierro fundido es comparativamente frágil, no es adecuado para fines que requieran un borde afilado o flexibilidad. Es resistente a la compresión, pero no a la tensión. El hierro fundido se inventó en China en el y se vertió en moldes para fabricar rejas de arado y ollas, así como armas y pagodas. Aunque el acero era más deseable, el hierro fundido era más barato y, por lo tanto, se utilizaba en la antigua China más comúnmente para producir objetos cotidianos, mientras que el hierro forjado o el acero se utilizaban para fabricar armas. Los chinos desarrollaron un método de recocido del hierro fundido manteniendo las piezas fundidas calientes en una atmósfera oxidante durante una semana o más con el fin de quemar algo de carbono cerca de la superficie, con el fin de evitar que la capa superficial fuera demasiado frágil.Basado en los trabajos de Joseph Needham
En Occidente, donde no estuvo disponible hasta el , sus primeros usos fueron el cañón y las armas de fuego. Enrique VIII inició la fundición de cañones en Inglaterra. Pronto, los trabajadores del hierro ingleses que utilizaban altos hornos desarrollaron la técnica de producir cañones de hierro fundido, que, aunque eran más pesados que los cañones de bronce predominantes, eran mucho más baratos y permitieron a Inglaterra armar mejor a su marina de guerra. La tecnología del hierro fundido fue transferida desde China. Al-Qazvini, en el , y otros viajeros observaron posteriormente una industria del hierro en los Alburz al sur del Mar Caspio. Esto está cerca de la Ruta de la Seda, por lo que es concebible el uso de tecnología derivada de China.Wagner, Donald B. (2008). Science and Civilisation in China: 5. Chemistry and Chemical Technology: part 11 Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press, pp. 349-51. Los maestros metalúrgicos del Weald continuaron produciendo hierros fundidos hasta la década de 1760, y el armamento fue uno de los principales usos de los hierros después de la restauración inglesa.
En muchos altos hornos ingleses se fabricaban entonces ollas de hierro fundido. En 1707, Abraham Darby patentó un nuevo método para fabricar ollas (y marmitas) más finas y, por tanto, más baratas que las fabricadas por métodos tradicionales. Esto significó que sus hornos de Coalbrookdale se convirtieron en proveedores dominantes de ollas, actividad a la que se unieron en las décadas de 1720 y 1730 un pequeño número de otros altos hornos de coque.
La aplicación de la máquina de vapor para accionar los fuelles de fundición (indirectamente mediante el bombeo de agua a una rueda hidráulica) en Gran Bretaña, que comenzó en 1743 y se incrementó en la década de 1750, fue un factor clave para aumentar la producción de hierro fundido, que se disparó en las décadas siguientes. Además de superar la limitación de la energía hidráulica, el alto horno accionado por agua bombeada a vapor proporcionó temperaturas más altas a los hornos, lo que permitió el uso de mayores proporciones de cal, permitiendo la conversión del carbón vegetal, cuyos suministros de madera eran inadecuados, al coque.
Puentes de hierro fundido El uso del hierro fundido con fines estructurales comenzó a finales de la década de 1770, cuando Abraham Darby III construyó el Puente de Hierro, aunque ya se habían utilizado vigas cortas, como en los altos hornos de Coalbrookdale. Le siguieron otros inventos, entre ellos uno patentado por Thomas Paine. Los puentes de hierro fundido se convirtieron en algo habitual a medida que la Revolución Industrial se aceleraba. Thomas Telford adoptó el material para su puente aguas arriba en Buildwas, y luego para el Acueducto de Longdon-on-Tern, un canal de Acueducto navegable en Longdon-on-Tern en el Canal de Shrewsbury. Le siguieron el Acueducto de Chirk y el Acueducto de Pontcysyllte, que siguen en uso tras las recientes restauraciones.
La mejor manera de utilizar el hierro fundido para la construcción de puentes era mediante el uso de arcos, de manera que todo el material está en compresión. El hierro fundido, al igual que la mampostería, es muy resistente a la compresión. El hierro forjado, como la mayoría de los otros tipos de hierro y, de hecho, como la mayoría de los metales en general, es fuerte en tensión, y también duro - resistente a la fractura. La relación entre el hierro forjado y el hierro fundido, a efectos estructurales, puede considerarse análoga a la relación entre la madera y la piedra.
Los puentes de vigas de hierro fundido fueron utilizados ampliamente por los primeros ferrocarriles, como el puente de Water Street en 1830 en la terminal de Mánchester del ramal de tren Liverpool-Mánchester, pero los problemas de su uso se hicieron demasiado evidentes cuando un nuevo puente por el que pasaba el tren de Chester y Holyhead a través del río Dee en Chester se derrumbó matando a cinco personas en mayo de 1847, menos de un año después de su inauguración. El desastre del puente del Dee fue causado por una carga excesiva en el centro de la viga por el paso de un tren, y muchos puentes similares tuvieron que ser demolidos y reconstruidos, a menudo en hierro forjado. El puente había sido mal diseñado, ya que se había construido con tirantes de hierro forjado, que se pensó erróneamente que reforzaban la estructura. Los centros de las vigas se pusieron en flexión, con el borde inferior en tensión, donde el hierro fundido, como la mampostería, es muy débil.
No obstante, el hierro fundido siguió utilizándose de forma inadecuada en las estructuras, hasta que el desastre del puente del ferrocarril del Tay de 1879 puso seriamente en duda el uso del material. Las orejetas cruciales para sujetar las barras de unión y los puntales en el puente de Tay se habían fundido de forma integral con las columnas, y fallaron en las primeras fases del accidente. Además, los orificios para pasar los pernos también se habían moldeado, en vez de perforarse. Así, debido al ángulo de inclinación de las piezas de fundición, la tensión de las barras de unión se localizaba en el borde del orificio en lugar de repartirse a lo largo del mismo. El puente de sustitución se construyó en hierro forjado y acero.
Sin embargo, se produjeron más derrumbes de puentes, que culminaron con el accidente ferroviario de Norwood Junction de 1891. Miles de puentes de vigas de hierro fundido acabaron siendo sustituidos por equivalentes de acero hacia 1900 debido a la preocupación generalizada por los puentes de hierro fundido en la red ferroviaria de Gran Bretaña.
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