En el sistema hierro‑cobre, el cobre puede disolverse en el hierro fundido, formando una solución sólida líquida en un amplio rango de concentraciones. A 1477 °C, la solubilidad del cobre en Fe alcanza el 8 %, y a medida que disminuye la temperatura, dicha solubilidad incluso aumenta; por ejemplo, a 1094 °C, puede llegar hasta el 8,5 %. Cuando la temperatura se encuentra por debajo de 650 °C, la solubilidad se aproxima a un valor fijo, alrededor del 0,35 %. A temperatura ambiente, la solubilidad del cobre en el hierro es muy baja. Tanto en estado líquido como sólido, cuando la cantidad de cobre supera la solubilidad correspondiente a cada temperatura, se forma una fase rica en cobre. La solubilidad del cobre en el hierro fundido ronda entre el 3 % y el 5 %. Elementos como el manganeso, el aluminio y el níquel aumentan la solubilidad del cobre en el hierro fundido, mientras que el magnesio la reduce. En presencia de magnesio, cuando la concentración de cobre supera el 2 %, precipita una fase rica en cobre de color amarillo, compuesta en un 97 % por cobre. Si la concentración de cobre llega al 3,8 %, el número de fases ricas en cobre aumenta considerablemente.
El cobre tiene un efecto limitado sobre la temperatura de transición eutéctica del hierro fundido. El cobre es un elemento poco grafitizante, lo que puede reducir ligeramente la tendencia a la formación de zona blanca. Además, el cobre disminuye la temperatura de transformación eutectoide; por cada aumento del 1 % en el contenido de cobre, la temperatura eutectoide se reduce entre 6 y 10 °C, lo cual contribuye a estabilizar la austenita. Asimismo, el cobre aumenta la cantidad de perlita, refina la estructura eutectica y facilita la obtención de una microestructura perlítica durante el normalizado del hierro fundido. Por lo tanto, el cobre favorece la transformación de la austenita en perlita y dificulta la grafitización durante la transformación eutectoide. También fortalece la ferrita y mejora su resistencia.
Cuando el contenido de cobre es inferior al 2,0 %, no se observa un efecto significativo sobre la tasa de esferoidización, el número de esferas ni su diámetro, y la tasa de esferoidización puede mantenerse superior al 90 %. Sin embargo, cuando el contenido de cobre supera el 2 %, el efecto esferoidizante se ve afectado: tanto la tasa de esferoidización como el número de esferas disminuyen abruptamente. Al alcanzar un contenido de cobre del 2,5 %, aparecen grafitos aglomerados y una fase rica en cobre de color amarillo. La fase rica en cobre presenta un punto de fusión más bajo que el del hierro fundido; tras la precipitación del grafito, esta fase rica en cobre puede encapsular parte del grafito, provocando que el grafito pase gradualmente de una forma esférica a una forma aglomerada.
La anti-esferoidización del cobre está relacionada con otros elementos. Por ejemplo, en el hierro fundido nodular con magnesio que contiene un 0,04 % de titanio, si aparece grafito aglomerado en una pieza de cobre al 0,94 %, la adición de un 0,02–0,03 % de cerio puede contrarrestar este efecto anti-esferoidizante del cobre.
La influencia del cobre sobre el efecto nodulizante está relacionada con el tamaño y el espesor de la pieza fundida. Añadir entre un 3 y un 4 % de cobre a una pieza con un espesor de pared superior a 300 mm puede eliminar el grafito aglomerado en el núcleo de la pieza. Cabe señalar que este efecto del cobre solo resulta eficaz cuando se incorpora junto con elementos de tierras raras.
El cobre favorece la formación de perlita en el hierro fundido nodular; esta perlita es 10 veces más grande que la producida por el níquel, pero apenas una décima parte de la generada por el estaño. En los ensayos se añade aproximadamente un 0,5 % de cobre para lograr que el contenido de perlita en una barra de prueba de hierro dúctil de 25 mm alcance el 90 %; cuando se incorpora un 1,5 % de cobre, el contenido de perlita se aproxima al 100 %. Sin embargo, si supera el 1,5 %, en su lugar aparecerá ferrita. Este beneficioso efecto del cobre permite obtener hierro dúctil perlítico como fundición sin necesidad de tratamiento térmico.
Efecto del cobre sobre las propiedades del hierro fundido gris. Cuando el contenido de cobre es inferior al 0,5 %, la resistencia a la tracción, el límite elástico y el módulo de elasticidad aumentan, aunque la relación no es lineal. Con un contenido de cobre de aproximadamente el 0,8 %, la resistencia alcanza valores elevados. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de cobre, la tenacidad al impacto del hierro fundido gris disminuye.
El cobre influye en las propiedades mecánicas del hierro fundido nodular al promover la formación de perlita y fortalecer la matriz metálica. Con una pequeña cantidad de cobre (por debajo del 0,5 %) añadida, el contenido de perlita aumenta considerablemente, al igual que la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza, mientras que la elongación disminuye abruptamente. Cuando la cantidad añadida supera el 0,5 %, la matriz ya es perlítica, pero la resistencia y la dureza siguen aumentando, y la elongación deja de reducirse. Esto se debe a que el cobre refuerza la matriz metálica. Además, el cobre actúa como un finificador de las esferas de grafito, lo que mejora la resistencia a la fatiga del hierro fundido nodular que contiene cobre.
La solubilidad sólida del cobre en el hierro fundido a temperatura ambiente es del 0,35 %. La adición de más del 0,5 % de cobre modifica la velocidad de difusión de los átomos de carbono durante las transformaciones austenítica y eutectoide, favorece la formación de perlita y refina su estructura. Al enfriarse la pieza fundida, especialmente durante el envejecimiento, el cobre precipita desde la solución sólida, fortaleciendo la matriz y mejorando significativamente la microdureza de la perlita. El aumento del contenido de cobre puede incrementar la resistencia al desgaste de las piezas fundidas. Durante el recocido de alivio de tensiones, el cobre no reduce la dureza, sino que incluso eleva el valor HB10.