Ferro colat

Una peça de fosa o ferro colat^[1] és un aliatge de ferro amb més d'un 2% de carboni. Les foses presenten una elevada colabilitat, cosa que fa que s'utilitzin molt en peces fabricades per fusió i emmotllament (p. ex. blocs de motor, cossos de vàlvules...)^[2]

Les columnes i altres peces del Mercat del Born són de ferro colat.

Pont de ferro colat (The Ironbridge) sobre el riu Severn.

La fosa metal·lúrgica deriva del lingot d'alt forn, i normalment es refereix al ferro gris, també identifica un gran grup d'aliatges ferrosos que solidifiquen eutècticament. El color de la seva superfície fracturada es pot usar per identificar els seus aliatges.

Els seus principals components són el carboni (C) i el silici (Si) en quantitats respectives de 2,1 a 4 en% sobre el pes i 1 a 3 en% sobre el pes%,. Els aliatges de ferro amb menys contingut de carboni són coneguts com a acers. Les temperatures de fusió es troben entre 1.150 a 1.200 °C les quals són uns 300 °C més baixes que la temperatura de fusió del ferro pur.

El ferro de fosa tendeix a ser trencadís, tret del ferro colat mal·leable. Per les seves propietats, com per exemple la resistència a la deformació, ha esdevingut el material usat en l'enginyeria amb moltes aplicacions. Resisteix l'oxidació (rovellat).

Característiques generals

El carboni (C), que oscil·la entre el 1,8 i el 4% , en pes i el silici (Si), amb entre l'1 i el 3%  en pes, són els principals elements d'aliatge del ferro colat. Comunament les foses més usades estan entre els valors de 2,5% i 4,5%, ja que les de major contingut de carboni manquen de valor pràctic en la indústria. A més de ferro i carboni, porta altres elements d'aliatge com silici, manganès, fòsfor, sofre i oxigen. Els aliatges de ferro amb menor contingut de carboni es coneixen com a acer.

La fosa de ferro tendeix a ser fràgil, excepte la fosa mal·leable. Gràcies al seu punt de fusió relativament baix, la seva bona fluïdesa, la seva colabilitat, el seu excel·lent maquinabilitat, la seva resistència a la deformació i la seva resistència al desgast, el ferro colat s'ha convertit en un material d'enginyeria amb una àmplia gamma d'aplicacions i s'utilitza en canonades, màquines i peces de la indústria de l'automòbil, com blocs de motors i les seves culates, i caixes de canvi. És resistent als danys causats per l'oxidació, però és notòriament difícil de soldar.

Els primers artefactes de ferro colat daten del segle v van ser descoberts per arqueòlegs en l'actual Jiangsu a la Xina. El ferro colat es va utilitzar en l'antiga Xina per a la guerra, l'agricultura i l'arquitectura.^[3] Durant el segle xv, el ferro colat es va utilitzar per als canons en Borgonya, França, i a Anglaterra durant la Reforma. Les quantitats de ferro colat utilitzades per als canons requerien una producció a gran escala.^[4] El primer pont de ferro colat va ser construït durant la dècada de 1770 per Abraham Darby III, i és conegut com el Pont de Ferro a Shropshire, Anglaterra. El ferro colat també es va utilitzar en la construcció d'edificis.

Aquestes foses segueixen el diagrama d'equilibri estable (Fe-C) (o la seva porció Fe-Fe₃C) o metaestable depenent de diferents factors, principalment de si es produeix o no la grafitització.

Obtenen la seva forma definitiva per bugada industrial, cosa que permet la fabricació amb relativa facilitat tant de peces de grans dimensions com de petits elements amb formes complicades.

Són més barates que els acers i de fabricació més senzilla, en utilitzar-se en la seva producció instal·lacions menys costoses i realitzar-se la fusió a temperatures més baixes (a més són fàcils de mecanitzar). Actualment, es fabriquen foses amb excel·lents propietats mecàniques, fent-li la competència als acers tradicionals.

Es divideixen en dos tipus:

• Foses grises:
  • Presenten el carboni en forma de grafit laminar.
  • Solen estar aliades amb silici (element molt grafititzant).
  • Períodes de refredament llargs afavoreixen la formació d'una fosa grisa, ja que la lentitud en les reaccions facilita que es formin els constituents més estables: la cementita es transforma en ferrita i grafit (grafitització). Són fàcilment mecanitzables, ja que el grafit afavoreix la sortida de l'encenall.
• Foses blanques:
  • El carboni apareix en forma de cementita.
  • La quantitat de silici és mínima.
  • Les velocitats ràpides de refredament afavoreix la formació de la cementita.
  • Tenen una alta resistència mecànica i duresa, però també gran fragilitat (propietats degudes a la cementita), per la qual cosa són difícils de mecanitzar.

Producció

El ferro colat es produeix tornant a fondre el lingot d'alt forn sovint amb quantitats substancials de ferralla de ferro i acer i necessita diversos passos per eliminar-ne els contaminants indesitjats com el fòsfor i el sofre. De vegades el ferro es fon en un tipus especial d'alt forn (forn cúpola) però més sovint es fon en un forn elèctric d'inducció. Els ferros colats més econòmics de preu tenen la major quantitat d'impureses de sofre i fòsfor.

Les foses poden presentar com a components microestructurals ferrita, perlita, cementita i grafit.

Tipus

La morfologia del carboni de les foses és el principal criteri de classificació. Aquest es pot presentar en forma de cementita (carbur de ferro) o de grafit (carboni pur).

D'aquesta manera tenim:

• Fosa grisa: el carboni es presenta en forma de grafit laminar.
• Fosa blanca: el carboni es presenta en forma de cementita.
• Fosa pigallada: el carboni es presenta en forma de grafit laminar i de cementita.
• Fosa nodular (també coneguda com a dúctil o esferoïdal): el carboni es presenta majoritàriament en forma de grafit esferoïdal. Aquesta es diferencia de les altres per la seva apreciable ductilitat.

Història

Model de diorama d'un alt forn de la dinastia Han

El Lleó de ferro de Cangzhou, la major obra d'art de ferro colat que es conserva de la Xina, 953 d. C., període Zhou tardà

Canonada de ferro colat per a desguassos, residus i ventilació

Placa de ferro colat en un piano de cua

El ferro colat i el ferro forjat van poder produir-se accidentalment en fondre coure utilitzant mineral de ferro com a fundent.^[5]:47-48

Els primers artefactes de ferro colat daten del segle v i van ser descoberts pels arqueòlegs en l'actual comtat de Luhe, Jiangsu, a la Xina, durant el període dels regnes combatents. Això es basa en una anàlisi de les microestructures dels objectes trobats.^[3]

Pel fet que el ferro colat és comparativament fràgil, no és adequat per a fins que requereixin una vora esmolada o flexibilitat. És resistent a la compressió, però no a la tensió. El ferro colat es va inventar a la Xina al segle v es va abocar en motlles per a fabricar reixes d'arada i olles, així com armes i pagodes.^[6] Encara que l'acer era més desitjable, el ferro colat era més barat i, per tant, s'utilitzava en l'antiga Xina més comunament per a produir objectes quotidians, mentre que el ferro forjat o l'acer s'utilitzaven per a fabricar armes.^[3] Els xinesos van desenvolupar un mètode de recuita del ferro colat mantenint les peces foses calentes en una atmosfera oxidant durant una setmana o més amb la finalitat de cremar una mica de carboni prop de la superfície, amb la finalitat d'evitar que la capa superficial fos massa fràgil.^[7]:43

A Occident, on no va estar disponible fins al segle xv, els seus primers usos van ser el canó i les armes de foc. Enric VIII va iniciar la fosa de canons a Anglaterra. Aviat, els treballadors del ferro anglesos que utilitzaven alts forns van desenvolupar la tècnica de produir canons de ferro colat, que, encara que eren més pesats que els canons de bronze predominants, eren molt més barats i van permetre a Anglaterra armar millor a la seva marina de guerra. La tecnologia del ferro colat va ser transferida des de la Xina. Al-Qazvini, en el segle xiii, i altres viatgers van observar posteriorment una indústria del ferro en els Alburz al sud del Mar Caspi. Això està prop de la ruta de la seda, per la qual cosa és concebible l'ús de tecnologia derivada de la Xina.^[8] Els mestres metal·lúrgics del Weald van continuar produint ferros fosos fins a la dècada de 1760, i l'armament va ser un dels principals usos dels ferros després de la restauració anglesa.

En molts alts forns anglesos es fabricaven llavors olles de ferro colat. En 1707, Abraham Darby va patentar un nou mètode per a fabricar olles (i marmites) més fines i, per tant, més barates que les fabricades per mètodes tradicionals. Això va significar que els seus forns de Coalbrookdale es van convertir en proveïdors dominants d'olles, activitat a la qual es van unir en les dècades de 1720 i 1730 un petit número d'altres alts forns de coc.

L'aplicació de la màquina de vapor per a accionar les manxes de fosa (indirectament mitjançant el bombament d'aigua a una roda hidràulica) a Gran Bretanya, que va començar en 1743 i es va incrementar en la dècada de 1750, va ser un factor clau per a augmentar la producció de ferro colat, que es va disparar en les dècades següents. A més de superar la limitació de l'energia hidràulica, l'alt forn accionat per aigua bombada a vapor va proporcionar temperatures més altes als forns, la qual cosa va permetre l'ús de majors proporcions de calç, permetent la conversió del carbó vegetal, els subministraments de fusta del qual eren inadequats, al coc.^[9]:122

Ponts de ferro colat

L'ús del ferro colat amb finalitats estructurals va començar a la fi de la dècada de 1770, quan Abraham Darby III va construir el Pont de Ferro, encara que ja s'havien utilitzat bigues curtes, com en els alts forns de Coalbrookdale. Li van seguir altres invents, entre ells un patentat per Thomas Paine. Els ponts de ferro colat es van convertir en una cosa habitual a mesura que la Revolució Industrial s'accelerava. Thomas Telford va adoptar el material per al seu pont aigües amunt en Buildwas, i després per a l'Aqüeducte de Longdon-on-Tern, un canal d'Aqüeducte navegable en Longdon-on-Tern en el Canal de Shrewsbury. Li van seguir l'Aqüeducte de Chirk i l'Aqüeducte de Pontcysyllte, que segueixen en ús després de les recents restauracions.

La millor manera d'utilitzar el ferro colat per a la construcció de ponts era mitjançant l'ús d'arcs, de manera que tot el material està en compressió. El ferro colat, igual que la maçoneria, és molt resistent a la compressió. El ferro forjat, com la majoria dels altres tipus de ferro i, de fet, com la majoria dels metalls en general, és fort en tensió, i també dur—resistent a la fractura. La relació entre el ferro forjat i el ferro colat, a efectes estructurals, pot considerar-se anàloga a la relació entre la fusta i la pedra.

Els ponts de bigues de ferro colat van ser utilitzats àmpliament pels primers ferrocarrils, com el pont de Water Street en 1830 en la terminal de Manchester del ramal de tren Liverpool-Manchester, però els problemes del seu ús es van fer massa evidents quan un nou pont pel qual passava el tren de Chester i Holyhead a través del riu Dee en Chester es va esfondrar matant a cinc persones el maig de 1847, menys d'un any després de la seva inauguració. El desastre del pont del Dee va ser causat per una càrrega excessiva en el centre de la biga pel pas d'un tren, i molts ponts similars van haver de ser demolits i reconstruïts, sovint en ferro forjat. El pont havia estat mal dissenyat, ja que s'havia construït amb tirants de ferro forjat, que es va pensar erròniament que reforçaven l'estructura. Els centres de les bigues es van posar en flexió, amb la vora inferior en tensió, on el ferro colat, com la maçoneria, és molt feble.

No obstant això, el ferro colat va continuar utilitzant-se de manera inadequada en les estructures, fins que el desastre del pont del ferrocarril del Tay de 1879 va posar seriosament en dubte l'ús del material. Les orelles crucials per a subjectar les barres d'unió i els puntals en el pont de Tay s'havien fos de manera integral amb les columnes, i van fallar en les primeres fases de l'accident. A més, els orificis per a passar els perns també s'havien modelat, en comptes de perforar-se. Així, a causa de l'angle d'inclinació de les peces de fosa, la tensió de les barres d'unió es localitzava en la vora de l'orifici en lloc de repartir-se al llarg d'aquest. El pont de substitució es va construir en ferro forjat i acer.

No obstant això, es van produir més ensulsiades de ponts, que van culminar amb l'accident ferroviari de Norwood Junction de 1891. Milers de ponts de bigues de ferro colat van acabar sent substituïts per equivalents d'acer cap a 1900 a causa de la preocupació generalitzada pels ponts de ferro colat en la xarxa ferroviària de la Gran Bretanya.

• 
  El Pont de ferro sobre el riu Severn en Coalbrookdale, Anglaterra (acabat en 1779)
• 
  El Pont del Torneig de Eglinton (acabat c1845), North Ayrshire, Escòcia, construït amb ferro colat
• 
  Pont del Tay original vist des del nord (acabat en 1878)
• 
  Pont del Tay caigut, vist des del nord

Edificis

Les columnes de ferro colat, que es van utilitzar per primera vegada en els edificis dels molins, van permetre als arquitectes construir edificis de diverses plantes sense els murs enormement gruixuts que requereixen els edificis de maçoneria de qualsevol altura. També van permetre ampliar l'espai de les fàbriques i les línies de visió en esglésies i auditoris. A mitjan segle xix, les columnes de ferro colat eren habituals en els magatzems i edificis industrials, combinades amb bigues de ferro forjat o fos, la qual cosa finalment va conduir al desenvolupament dels gratacels amb estructura d'acer. El ferro colat també es va utilitzar a vegades per a façanes decoratives, especialment als Estats Units, i el districte del Soho de Nova York compta amb nombrosos exemples. També es va utilitzar ocasionalment per a edificis prefabricats complets, com l'històric Edifici de Ferro a Watervliet, Nova York (els Estats Units).

Fàbriques tèxtils

Un altre ús important era en les fàbriques tèxtils. L'aire de les fàbriques contenia fibres inflamables procedents del cotó, el cànem o la llana que es filava. Per això, les fàbriques tèxtils tenien una alarmant propensió a incendiar-se. La solució va ser construir-les completament amb materials incombustibles, i es va trobar la conveniència de dotar a l'edifici d'una estructura de ferro, en gran part de fosa, en substitució de la fusta inflamable. El primer edifici d'aquest tipus va ser el Molí de Lli de Ditherington a Shrewsbury, Shropshire.^[10] Molts altres magatzems es van construir utilitzant columnes i bigues de ferro colat, encara que dissenys inadequats, bigues defectuoses o la sobrecàrrega a vegades van provocar ensulsiades en els edificis i fallades estructurals.

Durant la Revolució Industrial, el ferro colat també es va utilitzar àmpliament per als bastidors i altres peces fixes de la maquinària, incloses les màquines de filar i posteriorment de teixir a les fàbriques tèxtils. L'ús del ferro colat es va generalitzar, i moltes ciutats tenien foses que produïen maquinària industrial i agrícola.