Las aleaciones ferrosas que tienen un contenido de carbono superior al 2% se denominan fundiciones. Aunque los hierros fundidos pueden tener un porcentaje de carbono entre 2 y 6,67, el límite práctico suele estar entre 2 y 4%. Estos son importantes principalmente por sus excelentes cualidades de fundición.
En el diagrama de equilibrio del hierro-carbono, se puede observar que los hierros fundidos tienen esencialmente cementita y ferrita. Debido al mayor porcentaje de carbono, la cantidad de cementita es alta, lo que da como resultado cualidades de dureza y fragilidad muy altas para el hierro fundido.
Cuando el hierro fundido se enfría lentamente, la cementita se descompone en hierro y carbono en forma de grafito, lo que se denomina grafitización. Las fundiciones en las que un gran porcentaje de cementita se descompone mediante grafitización se denominan fundiciones grises. Hierro fundido en el que no se ha producido grafitización, es decir. e, todo el carbono está en forma combinada, se llama hierro fundido blanco. El proceso de grafitización requiere tiempo y, por lo tanto, cuando el hierro fundido líquido se enfría rápidamente, se obtiene hierro fundido blanco. El hierro fundido blanco tiene propiedades comparables a las de los aceros con alto contenido de carbono. Sin embargo, es muy frágil y, como tal, no se utiliza para piezas estructurales. Es útil para piezas donde hay desgaste abrasivo. La resistencia a la tracción varía entre 170 y 345 MPa y suele ser de unos 240 MPa. La dureza oscila entre 350 y 500 BHN. Debido a la muy alta dureza, la maquinabilidad es pobre y comúnmente se termina mediante rectificado.
En presencia de elementos grafitizantes como el níquel y el silicio, el carburo de hierro se descompone de la siguiente manera: Fe3C→3Fe+C
Diagrama de equilibrio del hierro-carbono
La descomposición está controlada por los agentes grafitizantes y por la velocidad de enfriamiento.
El carbono disociado se encuentra en forma de grafito, que es muy blando y sin resistencia. Así, reduce la dureza y aumenta la maquinabilidad del hierro fundido. La forma del grafito presente en el hierro fundido afectaría en gran medida su resistencia. Cuando tiene forma de escama-como en el hierro fundido gris, el grafito rompe la continuidad del hierro y lo debilita enormemente. Pero también ayuda a absorber la energía vibratoria, por lo que normalmente se utiliza fundición gris para las bancadas de las máquinas herramienta. El hierro fundido gris es fácilmente mecanizable y es la forma más barata de hierro fundido. Debido a su baja temperatura de fusión, mayor fluidez y contracción insignificante al enfriarse, se utiliza ampliamente en procesos de fundición.
La otra forma de hierro fundido se conoce como hierro maleable en el que el carbono libre está presente en forma de nódulos en la matriz de cementita y ferrita. Esto se logra enfriando primero la pieza fundida para que se forme todo el hierro fundido blanco, seguido de un proceso de tratamiento térmico controlado para que parte de la cementita se transforme en ferrita y nódulos de carbono libre. Este material es más dúctil que la fundición gris. Esta forma sólo es adecuada para componentes con espesores de sección muy pequeños, ya que todo el hierro fundido blanco constituye el punto de partida del hierro maleable.
Cuando el grafito está presente en forma de partículas pequeñas, redondas y bien-bien distribuidas, su efecto debilitante es pequeño y dichos hierros fundidos tendrían una mayor ductilidad. Este tipo de fundición se denomina hierro dúctil o nodular o grafito esferoidal o simplemente hierro SG. Esta forma de grafito se puede lograr agregando magnesio o cerio elemental o una combinación de los dos elementos al hierro fundido. Se agrega magnesio en cantidades del 0,07 al 0. 10%, seguido de la adición de ferro-silicio para promover la grafitización. Durante la solidificación, el magnesio ayuda a la distribución del grafito por todo el metal.
El hierro dúctil tiene una mejor relación resistencia-a-peso, mejor maquinabilidad y mayor valor de impacto. Además, los componentes de hierro dúctil se producen mediante un proceso de fundición en el que se puede lograr un mejor control de la forma de los componentes en comparación con el forjado por estampación. Por lo tanto, muchos componentes, como cigüeñales y bielas, fabricados habitualmente mediante forjado por estampación, están siendo sustituidos cada vez más por piezas fundidas de hierro dúctil. En la siguiente tabla se ofrece una comparación típica de diferentes materiales de fundición:
| Propiedad | Hierro fundido gris | Hierro maleable | Hierro dúctil | acero C30 |
| Temperatura de fusión, grado | 1175 | 1200 | 1150 | 1450 |
| Peso específico, kg/m³ | 6920 | 6920 | 6920 | 7750 |
| Amortiguación de vibraciones | excelente | Bien | Bien | Pobre |
| Módulo de elasticidad, MPa | 126174 | 175126 | 173745 | 210290 |
| Modolus de rigidez, MPa | 48955 | 70329 | 66190 | 78600 |
Componentes típicos de fundición de hierro fundido:
