1. Introducción
Hierro fundido dúctil, a menudo llamado hierro fundido nodular o hierro de grafito esferoidal.
En 1948, Keith Millis descubrió que agregar una pequeña cantidad de magnesio al hierro fundido creó nódulos de grafito casi esféricos en lugar de copos.
Este avance produjo hierro fundido dúctil (DE), que combina la capacidad de castigación y la economía con la resistencia y el alargamiento de la tracción notablemente mejorada.
Este artículo profundiza en la naturaleza fundamental de la hierro fundido dúctil, su química y microestructura, rendimiento mecánico, rutas de procesamiento, resistencia a la corrosión,
aplicaciones clave, Ventajas y limitaciones, y comparaciones con materiales alternativos.
2. ¿Qué es el hierro fundido dúctil??
Hierro fundido dúctil (DE) califica como una familia de hierro fundido caracterizada por esferoidal (nodular) Inclusiones de grafito dispersas uniformemente en una matriz metálica.
En contraste con el grafito en forma de escamas de Gray Iron, propenso a la concentración de estrés, Los nódulos de grafito de DI detienen la propagación de grietas, habilitar el comportamiento dúctil.
El hierro dúctil une la brecha de rendimiento entre el hierro gris y el acero de baja aleación.
Los fabricantes explotan el hierro fundido dúctil para componentes bajo cargas cíclicas, Donde importan tanto la alta resistencia como la resistencia al impacto.
Además, La maquinabilidad de DI y la capacidad de forma cercana a la red reducen los costos de procesamiento posterior.
3. Composición química y sistemas de aleación
Composición base: Fe - C - SI - MN - P - S
La base de hierro fundido dúctil se encuentra en una típica carga de hierro gris.hierro (fe), carbón (do), silicio (Y), manganeso (Minnesota), fósforo (PAG), y azufre (S).
Un rango químico representativo para un grado común (ASTM A536 65-45-12) podría ser:
- do: 3.5 – 3.8 WT %
- Y: 2.2 – 2.8 WT %
- Minnesota: 0.1 – 0.4 WT %
- PAG: ≤ 0.08 WT %
- S: ≤ 0.025 WT %
Silicio alto (≥ 2 WT %) Promueve la formación de grafito en lugar de cemento, Mientras que bajo azufre (< 0.025 WT %) previene inclusiones excesivas que interfieren con la formación de nódulos.
Elementos nodulizantes: Magnesio (magnesio), Cerio (ce), y tierras raras (RE)
La nodularidad en el hierro fundido dúctil surge al agregar magnesio, típicamente 0.03% – 0.05% magnesio—To de hierro fundido.
Las fundiciones introducen magnesio a través de MG - Fe Master Aleys o cables con núcleo. La fuerte afinidad de magnesio por las formas de azufre, Entonces controlan firmemente el azufre para permanecer bajo 0.025%.
Muchas fundiciones también agregan 0.005 – 0.01 WT% Cerium o elementos de tierra rara Para refinar la forma y el tamaño del nódulo, Mejora de la consistencia mecánica, Especialmente en secciones gruesas.
Estas adiciones RE reducen aún más la sensibilidad a las variaciones en el azufre y el oxígeno.
Aleación adicional: Cobre (Cu), Níquel (En), Molibdeno (Mes), Cromo (cr)
Para adaptar la fuerza, tenacidad, o resistencia a la corrosión, Las fundiciones incorporan elementos de aleación secundarios:
- Cobre (Cu): 0.2 – 0.5 WT % aumenta la formación de perlitas, elevando la fuerza por 10 – 20 %.
- Níquel (En): 0.5 – 1.5 WT % Mejora la tenacidad a baja temperatura y la resistencia a la corrosión.
- Molibdeno (Mes): 0.2 – 0.4 WT % Mejora la enduribilidad y la resistencia a la fluencia para el servicio de temperatura superior.
- Cromo (cr): 0.2 – 0.5 WT % confiere resistencia a la corrosión leve y una microestructura más firme.
Típicamente, Los grados dúctiles de hierro fundido permanecen dentro 1 – 2 WT % de CU combinado + En + Mes + cr, Garantizar la rentabilidad al cumplir con los objetivos de rendimiento.
Estándares y calificaciones
- ASTM A536 (EE.UU): 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 calificaciones.
- ISO 1083 (Europa): En-gjs-400-15, GJS-450-10, GJS-700-2.
- Tu uno 1563 (Alemania): GG-25, GS-32, Equivalentes GS-45.
4. Propiedades físicas y mecánicas del hierro fundido dúctil
Resistencia a la tracción, Fuerza de producción, y ductilidad
La firma de Ductile Iron es su Combinación de alta fuerza y ductilidad apreciable:
| Calificación | UTS (MPa) | Producir (0.2% compensar, MPa) | Alargamiento (%) | Matriz |
|---|---|---|---|---|
| 60-40-18 (A536) | 400 – 550 | 245 – 415 | 10 – 18 | Ferrítico |
| 65-45-12 (A536) | 450 – 650 | 275 – 450 | 8 – 12 | Perlítico -ferrítico |
| 80-55-06 (A536) | 700 – 900 | 415 – 620 | 3 – 6 | Totalmente perlítico |
En contraste, Productos de hierro gris estándar solamente 200 – 300 MPa resistencia a la tracción prácticamente sin alargamiento.
Porque los nódulos de grafito de DI se rockedrian el inicio de la grieta, El alargamiento salta a los dos dígitos para calificaciones de menor resistencia.
Dureza y resistencia al desgaste
La dureza del hierro dúctil se extiende 170 – 320 media pensión, dependiendo de la calificación y la matriz:
- Una calificación ferrítica (60-40-18) entrega 170 media pensión, Adecuado para piezas de fundición de uso general (colectores, marcos).
- Una calificación perlítica de alta resistencia (80-55-06) logra 260 – 320 media pensión, acero de baja aleación rivalizante en resistencia al desgaste para engranajes, pañales, y impulsores de bombas.
Cuando la resistencia al desgaste es crítica, Los fabricantes a menudo seleccionan hierro dúctil (Adi),
que alcanza 300 – 450 media pensión Después del tratamiento térmico, Equilibrio de dureza con dureza residual.
La vida de la fatiga y la dureza del impacto
El grafito esférico de Ductile Iron mejora significativamente el rendimiento de la fatiga:
- Límite de fatiga típicamente se encuentra en ≈ 40% de UTS. por un 65-45-12 calificación (Uts ≈ 500 MPa), La resistencia de la fatiga alcanza 200 MPa a 10⁷ ciclos bajo flexión invertida.
- Dureza de impacto (Charpy en V muesca en 20 °C) va desde 15 – 60 j, dependiendo de la calificación. Inferior de fuerza, Las calificaciones ricas en ferríticas se absorben a 60 j, mientras que las calificaciones completamente perlíticas se sumergen 15 j.
Estos valores superan el hierro gris (10 – 20 j) y acercarse al acero de baja aleación, Hacer que el hierro fundido dúctil sea ideal para aplicaciones de alto ciclo como cigüeñales y bielas.
Módulo de elasticidad y capacidad de amortiguación
A diferencia del hierro gris 100 – 120 GPa módulo, mide el módulo de hierro dúctil 170 – 200 GPa, coincidir aproximadamente con el de acero de baja aleación.
Esta alta rigidez, combinado con capacidad de amortiguación alrededor 0.005 a 0.010 (disminución logarítmica),
Asegura que las piezas de hierro fundido dúctil se resistan a la deflexión bajo carga mientras atenúan vibraciones, beneficiosas en componentes del motor y bases de maquinaria.
Conductividad térmica y coeficiente de expansión térmica
| Propiedad | Hierro dúctil | Hierro gris | Acero (A36) |
|---|---|---|---|
| Conductividad térmica (W/m·K) | 35 – 50 | 35 – 45 | 45 |
| Coeficiente de expansión térmica (× 10⁻⁶/° C) | 12 – 13 | 10 – 12 | 11 – 13 |
La conductividad térmica del hierro dúctil es paralelo a la de hierro gris y acero, habilitando la disipación de calor eficiente en bloques de motor y tambores de freno.
Su coeficiente de expansión térmica (~ 12 × 10⁻⁶/° C) se alinea estrechamente con el acero, Simplificando el diseño multimaterial.
5. Comportamiento de corrosión y resistencia ambiental
Películas pasivas y oxidación de la superficie
El hierro dúctil forma un óxido de hierro (Fe₃o₄/fe₂o₃) Película cuando se expone al oxígeno. Esta capa pasiva ralentiza una oxidación adicional en ambientes suaves.
Adiciones de aleación como 0.5 – 1.5% En o 0.2 – 0.5% cr mejorar el rendimiento corrosivo estabilizando la película pasiva.
A diferencia del hierro gris, que puede desarrollar picaduras, la matriz de DI puede resistir mejor el ataque localizado, Especialmente cuando se cubre.
Tasas de corrosión comparativas vs. Hierro gris y acero
| Ambiente | DE (Sin recubrimiento, mm/y) | Hierro gris (mm/y) | Acero dulce (mm/y) |
|---|---|---|---|
| Agua dulce | 0.05 – 0.10 | 0.10 – 0.15 | 0.20 – 0.30 |
| Agua de mar | 0.20 – 0.35 | 0.40 – 0.60 | 0.50 – 1.00 |
| Ácido (ph 3 – 4) | 0.15 – 0.25 | 0.30 – 0.40 | 0.50 – 1.00 |
| Alcalino (ph 9 – 10) | 0.02 – 0.05 | 0.05 – 0.08 | 0.10 – 0.20 |
en cada caso, La tasa de corrosión del hierro fundido dúctil permanece aproximadamente 50% el de hierro gris y 30–40% el de acero suave.
Aplicando recubrimientos epoxi o poliuretano reduce la corrosión de Di a < 0.01 mm/año en entornos agresivos.
Cuando está enterrado o sumergido, Los diseñadores emplean Anodos de sacrificio de zinc o aluminio para proteger tuberías y accesorios de hierro fundido dúctil no recubierto.
Control de corrosión: Recubrimientos, Protección catódica, y selección de material
- Recubrimientos: Epoxi de construcción alta (200 µm) o rociado de la llama zinc/aluminio Las capas extienden la vida útil en plantas marinas o de procesamiento químico.
- Protección catódica: Los ánodos de corriente o sacrificio impresos mantienen la integridad de la tubería de hierro fundido dúctil en instalaciones subterráneas o submarinas.
- Selección de materiales: En condiciones altamente corrosivas (ph < 3 o cloruro > 10 000 PPM), Los ingenieros especifican At-Alleyed se convierte o acero inoxidable en lugar de calificaciones estándar.
6. Procesos de fabricación de hierro fundido dúctil
Métodos de moldeo: Fundición en arena, Moldura de concha, y casting de inversión
- Casting de arena verde sigue siendo el método predominante. Las fundiciones empacan arena de sílice con arcilla o aglutinantes químicos en matraces alrededor de los patrones.
Los moldes de arena acomodan los elevadores, núcleo, y sistemas de activación adaptados a la fluidez de DI. El grosor de sección mínimo típico se cierne alrededor 6 – 8 milímetros Para evitar defectos de contracción. - Moldura de concha Utiliza una mezcla de arena con resina calentada presionada alrededor de un patrón de metal calentado.
Este proceso produce acabados superficiales de RA = 1–3 µm y tolerancias ± 0.3 milímetros, a una prima de costo de ~ 20 % sobre arena verde. - Fundición a la cera perdida (Cera perdida) facilita secciones delgadas (hacia abajo 3 milímetros) y geometrías complejas con tolerancias ± 0.1 milímetros.
Sin embargo, Comando de inversión de hierro fundido dúctil 2–3 × El costo de los equivalentes de fundición a la arena, restringir el uso a piezas de bajo volumen o intrincados.
Tratamiento térmico: Recocido, Normalizando, Temple del este (Adi)
El tratamiento térmico adapta la matriz y el rendimiento mecánico de DI:
- Recocido: Enfriamiento lento de 900 °C hasta la temperatura ambiente produce una matriz totalmente ferrítica, Maximización de la ductilidad (~ 18 % alargamiento) y maquinabilidad (400 MPA UTS).
- Normalizando: Calefacción a 900 – 920 °C seguido de enfriamiento de aire produce una microestructura ferrítica -perlítica equilibrada, ofreciendo UTS ≈ 450 MPA y 12 % alargamiento.
- Temple del este (Adi): La fundición dúctil de hierro fundido sufre solución en 900 °C disolver los carburos, luego se enfría en un baño de sal en 250 – 375 °C para 1 – 4 horas.
Esto produce un ferrita baínítica + austenita retenida enriquecida estructura.
Las calificaciones de ADI van desde 400 MPa a 1 400 MPa UTS, con alargios entre 2 – 12 %, y rendimiento de fatiga excepcional (Límites de resistencia a 400 MPa).
Postprocesamiento: Mecanizado, Acabado de superficies, Revestimiento
- Mecanizado: Máquinas dúctiles de hierro fundido de manera similar al acero al carbono. Velocidades típicas de giro para 65-45-12 pasar el rato en 150–250 m/i con herramientas de carburo.
Rango de velocidades de perforación 50–100 m/i. La lubricación de refrigerante evita el borde acumulado. La falta de grafito de escamas de DI reduce el astillado de herramientas. - Acabado de superficies:
-
- Granallado con arena de acero (20–40 malla) elimina la arena y proporciona un acabado mate (Real academia de bellas artes 2 – 5 µm).
- Molienda/pulido logra Ra < 0.8 µm para las superficies de sellado.
- Revestimiento:
-
- Recubrimiento epoxi/polvo: Deposita una película de 50–200 µm para protegerse contra la corrosión en entornos marinos o industriales.
- Metalizar (Zinc o aluminio): El aerosol térmico aplica un 100 – 150 µm Capa de sacrificio para piezas enterradas o sumergidas.
7. ¿Qué es el hierro dúctil austempered? (Adi)
Hierro dúctil (Adi) representa una subclase especializada de hierro fundido dúctil que ofrece una combinación excepcional de fuerza, ductilidad, y resistencia a la fatiga.
A diferencia del hierro dúctil convencional, que típicamente tiene una matriz ferrítica -perlítica o totalmente perlítica,
La microestructura única de ADI consiste en bien placas de ferrita bainítica inmerso en una matriz de austenita retenida enriquecida.
Esta microestructura surge de un proceso de tratamiento térmico de tres pasos: solucionante, apagado a una temperatura intermedia, y austemper.
Una vez completado, El hierro dúctil austempered ofrece resistencias a la tracción tan alta como 1 400 MPa (en el adi 900-650 calificación) mientras preserva el alargamiento en el 2 – 5% rango.
Ruta de producción de hierro dúctil austempered: Solucionante, Temple, y austemper
Los pasos clave en el procesamiento de hierro dúctil austempered incluyen:
- Solucionante: Calentar la fundición de hierro dúctil para 880 – 920 °C Durante 1 a 2 horas para disolver los carburos y homogeneizar el carbono.
- Temple: Transferir a un baño de sal a 250 – 375 °C. Esta temperatura intermedia previene la martensita.
- Temple del este: Sostener hasta que la matriz se transforme en ferrita baínítica más austenita retenida enriquecida-típicamente 1–4 horas, Dependiendo del grosor de la sección.
- Enfriamiento: Apagado de aire o petróleo a temperatura ambiente, bloqueo en la microestructura baínítica.
Microestructura de hierro dúctil austempered: Ferrita bainítica y austenita enriquecida con carbono
La microestructura de ADI consiste en:
- Agujas de ferrita bainítica: Cuchillas de ferrita α-hierro extremadamente finas que se nuclean en los límites de austenita.
- Austenita retenida: Películas de austenita ricas en carbono que permanecen estables a temperatura ambiente, tensión absorbente y dureza aumentando.
Esta combinación imparte un "Transformación Turging" efecto: bajo estrés aplicado, transformaciones de austenita retenidas a martensite, fortaleciendo localmente la matriz.
Ventajas mecánicas: Balance de alta resistencia -producción, Resistencia a la fatiga
| ADI Grado | Resistencia a la tracción (MPa) | Fuerza de producción (MPa) | Alargamiento (%) | Dureza Brinell (media pensión) | Límite de fatiga (MPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| Adi 400-120 | 400 – 550 | 275 – 415 | 8 – 12 | 180 – 260 | 220 – 260 |
| Adi 600-350 | 600 – 900 | 350 – 600 | 4 – 8 | 260 – 360 | 300 – 350 |
| Adi 900-650 | 900 – 1 400 | 650 – 1 000 | 2 – 5 | 350 – 450 | 400 – 450 |
En comparación con el hierro dúctil normalizado de composición similar, El hierro dúctil austempered se logra 50% Mayor UTS Mientras retiene 2 – 5% alargamiento.
Su resistencia de fatiga a menudo excede 400 MPa, superando tanto a la hierro gris y a muchos aceros de aleación bajo flexión invertida.
Aplicaciones típicas de hierro dúctil austemperado
Los ingenieros usan hierro dúctil austempered donde la alta resistencia al desgaste, alta resistencia, y la vida de fatiga confiable:
- Automotor: Engranajes, cigüeñales, árboles de levas, y jaulas de rodamiento.
- Maquinaria agrícola: Piñones, usar platos, y ejes de rodillos.
- Aceite & Gas: Herramientas de fondo de pozo, ejes de bomba, y componentes de la válvula que requieren resistencia a la fatiga de corrosión.
- Equipo minero: Rejillas, rollos de triturador, y revestimientos de molinos sujetos a polvo abrasivo.
8. Aplicaciones de hierro fundido dúctil
Componentes automotrices: Crankshafts, Engranajes, Piezas de suspensión
Los fabricantes de automóviles aprovechan la alta resistencia a la fatiga del hierro fundido dúctil (≥ 250 MPa) y amortiguación para cigüeñales y árboles de levas en motores de servicio mediano.
Los engranajes dúctiles de hierro soportan la carga de choque mientras reducen el ruido. Los brazos de control y los nudillos de dirección se benefician de la rigidez de Di (E ≈ 180 GPa) y resistencia al impacto.
Manejo de tuberías y fluidos: Tubería, Bridas, Alza de bombas, Cuerpos de válvula
Sistemas de tuberías de hierro fundido dúctil (En-gjs-400-15) transportar agua potable o aguas residuales a presiones hasta 25 bar.
Las válvulas y las bridas dúctiles resisten las oleadas de presión cíclica. Las tasas de corrosión bajo el pH alcalino o neutral siguen siendo mínimos, Hacer DI rentable en comparación con el acero inoxidable en muchas aplicaciones de enrutamiento.
Equipo agrícola y de construcción: Piñones, Rodillos, Marcos
Los componentes del equipo de campo regularmente enfrentan suelos abrasivos y altos tensiones mecánicas.
Las ruedas dúctiles de hierro fundido y los ejes de los rodillos se logran Usa la vida superior 1 000 horas En entornos severos,
mientras que los marcos y las fundiciones estructurales minimizan los costos de soldadura y mejoran la vida de la fatiga.
Sector energético: Carcasas de turbina eólica, Tripas de la caja de cambios, Componentes de campo petrolero
La alta amortiguación del hierro fundido dúctil amortigua vibraciones torsionales en las cajas de cambios de turbina eólica, Mejora de la confiabilidad.
Las carcasas de la caja de cambios hechas de ADI reducen el peso por 10% en comparación con la inercia del acero y el rotor inferior.
En campos petroleros, Las herramientas de fondo de fondo y los cuerpos de la válvula soportan las salmueras corrosivas mientras resisten la presión cíclica hasta 50 MPa.
Electrodomésticos y herramientas de consumo
El hierro fundido dúctil ofrece masa térmica y durabilidad para utensilios de cocina (Hornos holandeses, sartenes de hierro fundido).
Las llaves de enchufe de hierro dúctil y los cuerpos de la pipa de la tubería absorben el choque sin fracturar, extendiendo la vida útil de la herramienta.
9. Pros y contras centrales de hierro fundido dúctil
Ventajas
Fuerza y dureza equilibradas:
El hierro dúctil ofrece resistencias a la tracción de 400–1 000 MPa y alargios de 2–18%, Lograr una relación de fuerza / peso superior.
En aplicaciones automotrices, Por ejemplo, El peso del cigüeñal puede pasar 20–30% en comparación con las contrapartes de acero.
Excelente desgaste y resistencia a la fatiga:
Los nódulos de grafito esferoidales minimizan las concentraciones de tensión, habilitar los límites de fatiga hasta 300 MPa.
Esto hace que el hierro dúctil sea ideal para engranajes, componentes de suspensión, y otras partes bajo carga cíclica.
Castabilidad superior:
Con un líquido relativamente bajo de 1 150–1 200 °C y buena fluidez, El hierro dúctil forma geometrías intrincadas con contracción mínima (0.8–1.0%).
Costos de fundición y mecanizado se ejecutan 30–50% más bajo que las paradas de acero comparables.
Corrosión y estabilidad térmica:
Los nódulos de grafito proporcionan una barrera natural contra la corrosión. Después de los tratamientos superficiales, Los accesorios de hierro fundido dúctil a menudo duran un siglo en ambientes de suelo o agua.
Resistirá las temperaturas a 300 °C con un bajo coeficiente de expansión térmica.
Rentabilidad:
Las materias primas son económicas, y la fusión requiere energía relativamente baja.
Las calificaciones modernas, como el rendimiento de acero de alta resistencia a la hierro dúctil austempered, después del tratamiento térmico, ofreciendo un significado ahorro general de costos.
Contras
Control de procesos ajustados:
Lograr los nódulos uniformes exige un control preciso de Mg/que niveles y azufre/oxígeno mínimo. La garantía de calidad se suma a la complejidad y el costo de la producción.
Rendimiento limitado a altas temperaturas:
Arriba 350 °C, La fuerza disminuye bruscamente y el grosero de grafito conduce a la fluencia.
El hierro dúctil no es adecuado para los colectores de escape u otros componentes sostenidos de calor alto.
Desafíos de mecanizado:
El alto contenido de carbono requiere precalentamiento o recocido posterior a la soldado para evitar agrietarse.
Graphite usa herramientas rápidamente, Requerir cortadores de carburo y estrategias de mecanizado especializadas.
Menor rigidez:
Con un módulo de elasticidad alrededor 160–170 GPA (versus acero ≈ 210 GPa), El hierro fundido dúctil se deforma más bajo carga. Los diseñadores a menudo necesitan secciones más gruesas para compensar.
Impacto ambiental:
Merfiamiento y nodulización Consumir una energía significativa y puede generar contaminantes.
La eliminación de desechos debe cumplir con los estándares regulatorios. En ambientes marinos o ácidos, El hierro fundido dúctil requiere recubrimientos protectores adicionales.
10. Comparación con otros materiales
Cuando los ingenieros evalúan el hierro fundido dúctil (DE) para una aplicación en particular, Con frecuencia sopesan sus propiedades contra las de hierro fundido gris., hierro maleable, aleaciones de acero, aluminio, y bronce.
Hierro fundido gris vs. Hierro dúctil
| Métrico | Hierro fundido gris (soldado americano) | Hierro fundido dúctil (DE) |
|---|---|---|
| Forma de grafito | Escama | Esferoidal (nódulo) |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 200 – 300 | 400 – 900 |
| Alargamiento (%) | < 2 % | 3 – 18 % |
| Resistencia a la fatiga (MPa) | 80 – 120 | 200 – 400 |
| Dureza al impacto (CVN, j) | 10 – 20 | 15 – 60 |
| Módulo de elasticidad (GPa) | 100 – 120 | 170 – 200 |
| Costo de lanzamiento vs. Acero | Bajo | 10 – 20 % más alto que GI |
| Costo de la parte total | El más bajo | 20 – 30 % más bajo que GI (Cuando la fuerza crítica) |
| Usos típicos | Camas de máquina, rotores de freno, bloques de motor no críticos | Crankshafts, engranajes, brazos colgantes, alza de bombas |
Hierro maleable VS. Hierro dúctil
| Métrico | Hierro maleable | Hierro fundido dúctil (DE) |
|---|---|---|
| Proceso de producción | Recocido de hierro blanco (48–72 H @ 900 °C) | Nodulización de un solo paso (magnesio, RE) |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 200 – 350 | 400 – 900 |
| Alargamiento (%) | 3 – 10 % | 3 – 18 % |
| Complejidad del tratamiento térmico | Largo, intensivo en energía | Nodulización + Tratamiento térmico opcional |
| Tiempo de ciclo | 2–3 días (recocer) | Horas (fundición + nodulización) |
| Costo (por kg) | Moderado | Más bajo (proceso más simple) |
| Usos típicos | Herramientas manuales, pequeños soportes, guarniciones | Componentes automotrices, piezas de maquinaria pesada |
Aleaciones de acero vs. Hierro dúctil
| Métrico | Acero de baja aleación (p.ej., 4140) | Hierro fundido dúctil (DE) |
|---|---|---|
| Densidad (gramos/cm³) | ~ 7.85 | ~ 7.20 |
| Módulo de elasticidad (GPa) | ~ 200 | 170 – 200 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 800 – 1 100 | 400 – 900 |
| Alargamiento (%) | 10 – 15 % | 3 – 18 % |
| Límite de fatiga (MPa) | 300 – 400 | 200 – 400 |
| Castabilidad | Pobre (Requiere falsificación/mecanizado) | Excelente (fundido) |
| Calificación de maquinabilidad | 30 – 50 % (acero de referencia = 100) | 60 – 80 % |
| Soldabilidad | Bueno con el tratamiento térmico de precalentamiento/post-soldado | Pobre (necesita precalentamiento y alivio del estrés) |
| Costo (fundición + mecanizado) | Alto (palanquillas forjadas o mecanizadas) | 20 – 50 % más bajo (forma cercana a la red) |
| Usos típicos | Ejes de alta resistencia, recipientes a presión, componentes estructurales pesados | Crankshafts, alza de bombas, cajas de cambios, marcos de maquinaria |
Hierro dúctil vs. Aluminio y bronce
| Métrico | Aleación de aluminio (p.ej., 6061-T6) | Bronce (p.ej., C93200) | Hierro fundido dúctil (DE) |
|---|---|---|---|
| Densidad (gramos/cm³) | ~ 2.70 | 8.4 – 8.9 | ~ 7.20 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 290 – 310 | ~ 350 | 400 – 900 |
| Alargamiento (%) | 12 – 17 % | 10 – 15 % | 3 – 18 % |
| Conductividad térmica (W/m·K) | ~ 205 | ~ 50 – 100 | 35 – 50 |
| Resistencia a la corrosión | Excelente (anodizado) | Excelente (ambiente marino) | Moderado (requerido recubrimiento o aleación) |
| Resistencia al desgaste | Moderado | Muy bien (antifricción) | Bueno a excelente (dependiendo de la calificación) |
| Costo (por kg) | Moderado | Alto (2–3 × de) | Bajo a moderado |
| maquinabilidad | Excelente (RA ~ 0.2-0.4 µm) | Moderado | Bien (Requiere herramientas de carburo) |
| Usos típicos | Estructuras de aviones, intercambiadores de calor, electrónica de consumo | Aspectos, casquillos, hardware marino | Engranajes, componentes de suspensión, alza de bombas, bloques de motor |
Cuándo favorecer el hierro fundido dúctil
- Componentes cíclicos o de alta carga: La combinación de Di de resistencia a la tracción (≥ 500 MPa), resistencia a la fatiga (≥ 200 MPa), Y la amortiguación lo hace ideal para cigüeñales, engranajes, y brazos de suspensión.
- Complejidad de forma cercana a la red: El hierro fundido dúctil de fundición de arena o concha reduce los subsidios de mecanizado por 30–50% en comparación con el acero, Reducir el costo general de la parte.
- Producción de volumen medio sensible a los costos: Cuando las paradas de acero o el aluminio mecanizado incurren en costos excesivos, El hierro dúctil ofrece un equilibrio de rendimiento y economía.
- Accesorios corrosivos o resistentes al desgaste: Con recubrimientos adecuados o aleación, Las tuberías dúctiles de hierro fundido y las carcasas de bombas perduran décadas en entornos agresivos.
Cuando prevalecen otros materiales
- Requisitos de peso ultraligero: En pieles de fuselaje aeroespacial, cuerpos de vehículos eléctricos, o electrónica portátil, Las aleaciones de aluminio o magnesio ofrecen ahorros de peso inigualables.
- Entornos corrosivos extremos: Zonas, líneas de proceso cloradas,
o el drenaje ácido a menudo exigen aceros inoxidables (p.ej., 316, dúplex) cuyas películas pasivas superan las barreras recubiertas o aleatorias de DI. - Servicio de alta temperatura (> 350 °C): En componentes de turbina o colectores de escape,
Superalloys a base de níquel o aceros resistentes al calor (p.ej., 17-4 PH) sostener la fuerza donde el hierro fundido dúctil sufriría la fluencia. - Máxima tenacidad y soldadura: Las vigas de acero estructurales y las tuberías chapadas permanecen preferidas al forjar, soldadura, o la formación de frío requiere consistente, rendimiento documentable.
11. Conclusión
El hierro fundido dúctil se destaca como un versátil, material de ingeniería rentable.
Es grafito esferoidal La microestructura ofrece una rara mezcla de alta resistencia a la tracción, ductilidad sustancial, y Excelente vida de fatiga.
Los fabricantes pueden lanzar formas cercanas a la red, minimizar el mecanizado posterior, y adaptar las propiedades a través del tratamiento térmico, más notablemente en forma de hierro dúctil austemperado (Adi).
A pesar de la modesta vulnerabilidad de corrosión, Reciclabilidad del hierro dúctil, capacidad de amortiguación,
y una amplia gama de grados estandarizados lo hace indispensable a través del automóvil, tubería, agrícola, energía, y mercados de consumo.
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Preguntas frecuentes
Lo que distingue el hierro fundido dúctil del hierro fundido gris?
Hierro fundido dúctil (DE) contiene esferoidal (nodular) grafito en lugar del grafito de escamas que se encuentra en el hierro gris.
Esos nódulos esféricos propagación de crack roma, produciendo una resistencia a la tracción significativamente mayor (400–900 MPA) y elongación (3–18 %) en comparación con los 200–300 MPa de Gray Iron y < 2 % alargamiento.
Qué consideraciones de mecanizado se aplican al hierro dúctil?
Máquinas dúctiles de hierro fundido de manera similar al acero al carbono pero requiere Herramientas de carburo Debido a sus nódulos altos de carbono.
Las velocidades de corte recomendadas van desde 150–250 m/i, con alimentos de 0.1–0.3 mm/rev.
El uso adecuado del refrigerante evita el borde acumulado. Las calificaciones de alta duración o ADI pueden requerir velocidades más lentas o herramientas de cerámica para evitar un desgaste prematuro.
¿Cómo se compara el hierro dúctil en costo con materiales alternativos??
- Hierro dúctil vs. Hierro gris: Costos de materia prima de hierro fundido dúctil ~ 10–20 % más alto.
Sin embargo, El espesor de la pared reducido y los subsidios de mecanizado a menudo producen costos de pieza totales de 20 a 30 años. % Mayores en aplicaciones críticas de fuerza. - Acero vs. Hierro dúctil: Las piezas fundidas de hierro dúctil con frecuencia cuestan 20–50 % Foras de acero menos que equivalentes o componentes de maquinado pesado.
- Aluminio/bronce vs. Hierro dúctil: El hierro dúctil es menos costoso por kg que el bronce (2–3 × costo mayor) y, Aunque más pesado que el aluminio,
Ofrece una fuerza mucho mayor, vida de fatiga, y menor costo del material cuando el peso no es la principal preocupación.
