Fundición Gris propiedades
La fundición gris es la aleación de hierro colado más común, con una resistencia a la tracción mínima que varía desde 140 MPa (20 ksi) hasta más de 400 MPa (58 ksi) según la clase. Se distingue por la presencia de grafito en forma de laminillas (hojuelas) que le confieren alta maquinabilidad, buena capacidad de amortiguamiento, excelente conductividad térmica y una superficie de fractura de color gris oscuro. Se utiliza ampliamente en componentes donde la rigidez, la absorción de vibraciones y el costo reducido son críticos, como bloques de motor, discos de freno, carcasas de bombas y bancadas de máquinas herramienta.
| Propiedad típica (clase media ASTM A48 CL 30) | Valor SI | Valor Imperial |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | 225 MPa | 33 ksi |
| Dureza Brinell (BHN) | 175 | 175 |
| Densidad | 7,2 g/cm³ | 0,26 lb/in³ |
Composición química
Sección titulada «Composición química»El contenido de carbono oscila entre 2,5 % y 4,0 % en peso, mientras que el de silicio se sitúa entre 1 % y 3 %. Estos dos elementos son los principales responsables del carácter grafítico de la aleación; el silicio actúa como estabilizador del grafito y, con un 3 % de Si, prácticamente todo el carbono precipita como grafito libre en lugar de formar carburo de hierro (cementita). La composición exacta se deja a menudo a criterio del fabricante, como establece la norma EN 1561.
| Elemento | Rango típico (% en peso) | Observaciones |
|---|---|---|
| Carbono (C) | 2,5 – 4,0 | El alto carbono favorece la formación de grafito laminar. |
| Silicio (Si) | 1,0 – 3,0 | Estabilizador del grafito; afecta la resistencia y dureza. |
| Manganeso (Mn) | 0,2 – 1,0 | Neutraliza el azufre y refuerza la perlita. |
| Fósforo (P) | ≤ 0,3 | Cantidades controladas mejoran la fluidez en colada. |
| Azufre (S) | ≤ 0,15 | Se mantiene bajo para evitar fragilidad. |
La microestructura contiene entre un 6 % y un 10 % en volumen de grafito, que adopta forma de hojuelas en tres dimensiones y aparece como líneas finas en una sección pulida. La matriz puede ser ferrítica, perlítica o una mezcla de ambas, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y del tratamiento térmico.
Propiedades mecánicas por estado de tratamiento
Sección titulada «Propiedades mecánicas por estado de tratamiento»La fundición gris en estado bruto de colada presenta una resistencia a la tracción que va desde 138 MPa (20 ksi) en la clase ASTM A48-20B hasta aproximadamente 400 MPa (58 ksi) en las clases más altas aleadas. El alargamiento a la rotura es extremadamente bajo, típicamente < 1 %; por ello, no se caracteriza por ductilidad sino por su comportamiento frágil y su elevada resistencia a la compresión, que puede alcanzar de 3 a 5 veces la resistencia a la tracción.
| Clase (norma ASTM A48) | Resistencia a la tracción mínima (MPa / ksi) | Dureza Brinell orientativa (BHN) | Estado/Matriz típica |
|---|---|---|---|
| CL 20 | 138 / 20 | 160 | Ferrítica, alto carbono equivalente. |
| CL 25 | 172 / 25 | 170 | Ferrítico-perlítica. |
| CL 30 | 207 / 30 | 175 | Perlítica. |
| CL 35 | 241 / 35 | 180 | Perlítica. |
| CL 40 | 276 / 40 | 180 – 210 | Perlítica. |
| CL 45 – CL 60 | 310 – 414 / 45 – 60 | 200 – 250 | Aleada y/o tratada térmicamente, perlítica o bainítica. |
Las clases más elevadas (por encima de CL 40) requieren adiciones de elementos de aleación (Cr, Ni, Mo, Cu) y/o tratamientos térmicos para alcanzar mayor resistencia sin perder la conformabilidad en colada. El temple y revenido o el austemperado (ADI) no se aplican usualmente a la fundición gris laminar; sin embargo, un recocido de ablandamiento puede emplearse para obtener una matriz completamente ferrítica y reducir dureza. Las propiedades frente a fatiga y tenacidad son inherentemente bajas debido al efecto de entalla de las laminillas de grafito.
Propiedades físicas
Sección titulada «Propiedades físicas»La densidad de la fundición gris es de aproximadamente 7,20 g/cm³ (7200 kg/m³), equivalente a 0,260 lb/in³. La proporción de grafito y la composición exacta provocan ligeras variaciones, pero la mayoría de las aleaciones comerciales se sitúan entre 7,1 y 7,3 g/cm³.
| Propiedad física | Valor típico SI | Valor Imperial |
|---|---|---|
| Densidad | 7,20 g/cm³ | 0,260 lb/in³ |
| Punto de fusión (rango) | 1140 – 1200 °C | 2085 – 2190 °F |
| Velocidad de propagación del sonido (longitudinal) | ~ 4500 m/s | – |
| Coeficiente de Poisson | 0,26 – 0,29 | – |
Propiedades térmicas
Sección titulada «Propiedades térmicas»La conductividad térmica de la fundición gris es de 45 – 55 W/(m·K) (26 – 32 BTU/(hr·ft·°F)) a temperatura ambiente, dependiendo del contenido de grafito. Esta alta conductividad, junto con un calor específico de 460 J/(kg·K) (0,11 BTU/(lb·°F)), la hace ideal para aplicaciones que requieren rápida disipación de calor, como discos de freno y utensilios de cocina.
| Propiedad térmica | Valor típico SI | Valor Imperial |
|---|---|---|
| Conductividad térmica (a 100 °C) | 50 W/(m·K) | 29 BTU/(hr·ft·°F) |
| Calor específico | 460 J/(kg·K) | 0,11 BTU/(lb·°F) |
| Coeficiente de dilatación térmica (20 – 200 °C) | 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹ | 5,8 × 10⁻⁶ in/in·°F |
| Temperatura máxima de servicio continuo (sin carga) | Aprox. 500 °C | 930 °F |
La capacidad de amortiguamiento de vibraciones promedia un 0,01 a 0,02 de decremento logarítmico, entre 5 y 30 veces mayor que la del acero, gracias a las interfaces grafito/matriz.
Propiedades eléctricas
Sección titulada «Propiedades eléctricas»La resistividad eléctrica de la fundición gris es de 0,06 a 0,12 × 10⁻⁶ Ω·m (6 – 12 µΩ·cm) a 20 °C, valor que aumenta con el contenido de silicio y con la presencia de grafito. Esta resistividad es aproximadamente el doble que la del acero al carbono, lo que limita su uso en aplicaciones que requieran alta conductividad eléctrica.
| Propiedad eléctrica | Valor típico |
|---|---|
| Resistividad eléctrica (20 °C) | 80 × 10⁻⁹ Ω·m (8 µΩ·cm) |
| Conductividad eléctrica IACS | ≈ 8 – 12 % |
Propiedades magnéticas
Sección titulada «Propiedades magnéticas»La fundición gris es ferromagnética con una permeabilidad magnética relativa inicial de alrededor de 100 – 300. Muestra una coercitividad baja (50 – 200 A/m) y una inducción de saturación que alcanza aproximadamente 1,5 – 1,8 T. La elevada amortiguación magnética se debe a la microestructura heterogénea, lo que la hace útil en núcleos de máquinas eléctricas de baja frecuencia, aunque su uso ha sido desplazado por aceros al silicio en transformadores.
| Propiedad magnética | Valor típico |
|---|---|
| Permeabilidad relativa inicial | 150 |
| Inducción de saturación | 1,6 T (16 kG) |
| Coercitividad (Hc) | 100 A/m |
Soldadura
Sección titulada «Soldadura»La fundición gris presenta una soldabilidad muy limitada: una unión exitosa requiere precalentamiento a 400 – 600 °C (750 – 1100 °F) y enfriamiento extremadamente lento para evitar la formación de martensita dura y frágil en la zona afectada por el calor. Se suele recurrir más a procedimientos de soldadura en frío (con electrodos de níquel) o, preferiblemente, a la soldadura fuerte (braseado) o al metalizado. Las reparaciones de piezas grandes como bloques de motor o bancadas se realizan a menudo mediante el método “metalock” (cosido en frío). En todo caso, la resistencia de la unión nunca iguala a la del material base y la zona soldada queda con tendencia a la fisuración.
Aplicaciones por industria
Sección titulada «Aplicaciones por industria»Las aplicaciones más representativas de la fundición gris abarcan:
| Industria | Componentes típicos | Propiedad aprovechada |
|---|---|---|
| Automotriz y transporte | Bloques de motor, discos y tambores de freno, volantes, colectores de escape | Conductividad térmica, amortiguamiento, estabilidad dimensional |
| Maquinaria y bienes de equipo | Bancadas, carcasas, engranajes de baja velocidad, poleas, cabezales de máquinas herramienta | Amortiguamiento de vibraciones, rigidez, bajo costo |
| Hidráulica y neumática | Cuerpos de válvulas, carcasas de bombas y compresores, cilindros | Resistencia a la compresión, maquinabilidad, estanqueidad |
| Generación de energía y ferrocarril | Bloques para motores diésel estacionarios, tapas de cilindro, contrapesos, suelas de freno (ya en retroceso por ruido) | Estabilidad térmica, desgaste controlado |
| Electrodomésticos y menaje | Utensilios de cocina (sartenes, ollas), planchas, cuerpos de estufas y chimeneas | Alta capacidad calorífica, resistencia al choque térmico, retención de calor |
| Construcción y arquitectura | Tapas de alcantarilla, rejillas, postes ornamentales, mobiliario urbano | Bajo coste, durabilidad, moldeabilidad |
Comparativa con materiales similares
Sección titulada «Comparativa con materiales similares»La fundición gris se compara usualmente con la fundición dúctil (nodular) y la fundición maleable. La tabla siguiente resume las diferencias más significativas con valores de resistencia a la tracción de grados representativos.
| Material y grado (norma) | Resistencia a la tracción (MPa / ksi) | Alargamiento (%) | Dureza BHN | Característica principal |
|---|---|---|---|---|
| Fundición gris ASTM A48 CL 30 | 207 / 30 | < 0,5 | 175 | Excelente amortiguamiento, bajo costo, frágil. |
| Fundición dúctil ASTM A536 60-40-18 | 430 / 62 | 20 | 170 | Alta ductilidad y tenacidad, grafito esferoidal. |
| Fundición dúctil ASTM A536 80-55-06 | 575 / 83 | 7 | 190 | Mayor resistencia, ductilidad moderada. |
| Fundición maleable ferrítica | 310 / 45 | 10 | 120 – 150 | Buena ductilidad, pero proceso más costoso. |
| Fundición blanca (sin grafito) | 250 – 500 / 36 – 73 | ~0 | 350 – 450 | Extrema resistencia al desgaste, imposible de maquinar. |
Frente a la fundición dúctil, la gris es notablemente más frágil pero ofrece mejor capacidad de amortiguamiento, mayor conductividad térmica y una facilidad de colada superior. Con la fundición maleable, la gris comparte la matriz perlítica pero la maleable, al carecer de grafito laminar, absorbe energía de forma dúctil. Comparada con los aceros al carbono colados, la fundición gris sacrifica resistencia y tenacidad en favor de la facilidad de moldeo y el bajo coste.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Sección titulada «Preguntas frecuentes (FAQ)»¿Cuál es la resistencia a la tracción típica de la fundición gris?
Sección titulada «¿Cuál es la resistencia a la tracción típica de la fundición gris?»La resistencia a la tracción mínima oscila entre 140 MPa (20 ksi) en la clase ASTM A48 CL 20 y 400 MPa (58 ksi) en grados aleados como la clase CL 60.
¿Qué dureza Brinell se puede esperar en una fundición gris clase 30?
Sección titulada «¿Qué dureza Brinell se puede esperar en una fundición gris clase 30?»La clase ASTM A48 CL 30 presenta una dureza Brinell típica de 175 BHN, dentro de un intervalo habitual de 160 a 210 BHN para grados comerciales no aleados.
¿Cuál es la conductividad térmica de la fundición gris a temperatura ambiente?
Sección titulada «¿Cuál es la conductividad térmica de la fundición gris a temperatura ambiente?»La conductividad térmica se sitúa alrededor de 50 W/(m·K) (29 BTU/(hr·ft·°F)), aproximadamente el doble que la de muchos aceros al carbono.
¿Hasta qué temperatura puede operar una pieza de fundición gris de forma continua?
Sección titulada «¿Hasta qué temperatura puede operar una pieza de fundición gris de forma continua?»Puede utilizarse sin carga estructural hasta unos 500 °C (930 °F); por encima de esa temperatura la oxidación y el cambio microestructural limitan la vida útil.
¿Se puede soldar la fundición gris para reparar una grieta?
Sección titulada «¿Se puede soldar la fundición gris para reparar una grieta?»Sí, pero las probabilidades de éxito son modestas; se requiere precalentar a 400 – 600 °C y enfriar muy lentamente, o bien usar electrodos especiales de níquel y procedimientos de soldadura en frío.
¿Cuánto grafito contiene una fundición gris típica en volumen?
Sección titulada «¿Cuánto grafito contiene una fundición gris típica en volumen?»El grafito ocupa entre el 6 % y el 10 % del volumen total, lo que otorga a la fractura el color gris característico y facilita la maquinabilidad.
Fuentes consultadas
Sección titulada «Fuentes consultadas»- azom.com: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=3864
- engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/cast-iron-d_1163.html
- steelnumber.com: https://www.steelnumber.com/en/steel_composition_eu.php?name_id=1505