6. FUNDICIONES

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INGENIERÍA MECÁNICA

5.1 INTRODUCCIÓN.

Al igual que los aceros, son aleaciones de hierro y carbono. Tienen un porcentaje de 2 a 6.67% Carbono. El alto contenido en carbono los hace muy frágiles. La ductilidad en estos es muy baja y no se los puede laminar, estirar o trabajarse a temperatura t emperatura ambiente. Como la FUNDICIÖN es el único proceso aplicable a estas aleaciones, se las conoce como HIERROS FUNDIDOS, estos pueden fundirse más fácilmente que los aceros. Comercialmente tienen un porcentaje de 2.5 a 4% de carbono. 5.2 CLASIFICACIÓN

De acuerdo al tipo de estructura metalográfica se puede clasificar a los HIERROS FUNDIDOS. FUNDIDOS. Las variables a considerar son: Contenido de carbono. Contenido de aleación. Control de fundición Rapidez de enfriamiento. Tratamiento térmico después de la fundición • •

5.3 HIERROS FUNDIDOS BLANCOS

Son aquellos en los cuales todo el carbono está en la forma combinada como cementita. Todos estos aceros son aleaciones hipoeutéticas. En la figura se muestra la microestructura, que consiste en dendritas de austenita transformada (perlita) en una red de cementita blanca ínter dendrítica. Las áreas obscuras son perlita. Este hierro contiene una cantidad de cementita relativamente grande, hace que este sea resistente al desgaste, pero muy frágil y difícil de maquinar. Los hierros fundidos completamente blancos tienen poca aplicación en Ingeniería debida a las dos últimas razones anteriores. APLICACIONES: Se usan en donde la resistencia al desgaste es lo más importante como:   

Mezcladores de cemento. Bolas para trituración para acería. Boquillas de extrusión.

PROPIEDADES MECÁNICAS. DUREZA BRINELL 375 a 600 RESISTENCIA TENSIL 20000 a 70000 lbs/plg2 RESISTENCIA COMPRESIVA COMPRESIVA 200000 a 250000lbs/plg 250000lbs/plg 2 MÓDULO DE ELASTICIDAD ELASTICIDAD 24 a 28 millones lbs/plg2 5.4 HIERRO FUNDIDO MALEABLE

Son aquellos en los cuales la mayoría o todo el carbono está sin combinar, en la forma de pequeñas partículas redondas irregulares, conocidas como carbono revenido, el mismo que se obtiene realizando un tratamiento térmico al hierro fundido blanco. Hay una tendencia a que la cementita se descomponga en hierro y carbono, pero en condiciones normales tiende a persistir indefinidamente en su forma original. En la primera etapa de recocido, la fundición del hierro blanco se recalienta lentamente a una temperatura entre 898.8 y 954.4°C. En la segunda etapa del recocido las piezas fundidas se enfrían lentamente a una rapidez de -15 a -9.4°C/hr a través del intervalo crítico en el cual tendría lugar la reacción eutectoide. El propósito de la maleabilización, es convertir todo el carbono combinado presente en el hierro blanco en nódulos irregulares de carbono revenido (grafito) y ferrita.

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Como el carbono revenido o libre no rompe la continuidad de la matriz ferrítica tenaz, da como resultado las siguientes características: mayor resistencia, mayor ductilidad. Son usados en:  Equipos automotrices, agrícola, ferroviario.  Juntas de expansión.  Conexiones para tubería.  Ferretería en general. 5.5 HIERRO PERLÍTICO MALEABLE

Si el carbono tiene un porcentaje de 0.3 a 0.9%, se retiene como carburo de hierro finamente distinguido, da distintas propiedades mecánicas. Si el temple en aire produce una rapidez de enfriamiento suficientemente rápida a través del intervalo eutectoide, la matriz será perlítica completamente. Si la rapidez de enfriamiento a través del intervalo crítico no es lo suficiente para retener todo el carbono combinado, las áreas que rodean los nódulos de carbono revenido serán grafitizadas completamente, en tanto que aquellas que están a mayor distancia de los nódulos serán perlíticas. Esta se conoce como estructura ojo de buey. Figura de la izquierda. El soldado de hierro perlítico se recomienda rara vez, debido a la formación de una capa de hierro blanco, frágil y de poca resistencia bajo el cordón de soldadura, producida por la fusión y rápido enfriamiento del hierro maleable. La adición de Cu cobre mejora: Resistencia a la corrosión •

Distribución de grafito

PROPIEDADES TENSILES: TIPO FERRÍTICO PERLÍTICO

RESIS. TENSIL 1000lbs/plg2 50-60 65-120

RESIS. A LA CEDENCIA 1000lbs/plg2 32-39 45-100

ELONGACIÓN % EN 2 plg 10-20 2-16

DUREZA BHN 110-145 163-269

APLICACIONES:

• •

Cajas para ejes y diferenciales. Ejes de levas y cigüeñales. Martillos Engranajes. Catalinas. Piezas para maquinaria. Llaves. Tuercas

5.6 HIERRO FUNDIDO GRIS

Son aquellos en los cuales la mayoría o todo el carbono están sin combinar, en la forma de escamas de grafito. Son aleaciones hipoeutécticas que contienen 2.5 y 4% de carbono, se solidifican formando primero austenita primaria.

El grafito aparece como placas irregulares, generalmente alargadas y curvas, las cuales dan a este hierro su característica fractura de color grisáceo o negruzco. El proceso de grafitización es ayudado por el alto contenido de carbono, la temperatura y la adecuada cantidad de elementos de grafitización, sobre todo el SILICIO. La resistencia de este hierro depende casi por completo de la matriz en que está incrustado el grafito, la cual es determinada por la condición de la cementita eutectoide. La mezcla grafito-ferrita es el hierro gris más suave y débil. PROPIEDADES MECÁNICAS Los hierros superiores a 40000lbs/plg 2 en resistencia tensil generalmente se consideran HIERROS DE ALTA RESISTENCIA, son muy costosos y muy difíciles de maquinar. RESISTENCIA TENSIL: Importante para piezas sometidas a cargas estáticas indirectas de tensión o de flexión.


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RESISTENCIA A COMPRESIÓN: Importante cuando este hierro es utilizado en cementación o soportes para maquinaria. La resistencia a compresión es más grande que la de tensión. APLICACIONES

Contrapesos para elevadores. Puertas de hornos industriales. Cajas para engranajes, bombas, turbinas de vapor. Cubiertas para alcantarillas. 5.7 INFLUENCIA DE ELEMENTOS SOBRE LOS HIERROS FUNDIDOS GRISES. SILICIO: Elemento muy importante en la metalurgia del hierro gris.

Incrementa la fluidez, es un grafitizador es decir favorece la solidificación de acuerdo al sistema estable hierro-grafito. Con este elemento este hierro tiene baja ductilidad y baja resistencia. La máxima resistencia tensil se obtiene con 2.75% de carbono y 1.5% de silicio. AZUFRE: Comercialmente está entre 0.06 y 0.12% de azufre.

Su efecto es contrario al silicio, a mayor contenido de azufre mayor será la cantidad de carbono combinado, produciendo un hierro duro y frágil. En grandes cantidades tiende a reducir la fluidez y suele causar cavidades en las piezas. MANGANESO: Es un estabilizador de carbono. Aumenta la cantidad de carbono combinado.

Es menos potente que el azufre, en exceso influye muy poco en la solidificación. Retarda débilmente la grafitización primaria.

FÓSFORO: Se encuentra presente entre 0.10 0.90% originario del mineral del hierro.

Reduce la tenacidad, hace más frágil al hierro. Incrementa la grafitización cuando este es menor que el contenido de silicio. Debe controlarse cuidadosamente para obtener propiedades mecánicas óptimas. 5.8 TRATAMIENTO TÉRMICO DEL HIERRO GRIS.

La supresión de tensiones internas es probablemente el tratamiento térmico que más se aplica a este tipo de fundición. Estas tensiones se originan debido a que el enfriamiento avanza a diferentes rapideces por todas las secciones del elemento fundido. Estas tensiones producen en el material: Reducción de su resistencia, Deformaciones y Fisuras Para una máxima supresión de tensiones con mínima descomposición de carburo, se realiza a un intervalo de temperaturas de (538 a 566°C). Cuando se requiere una completa liberación de esfuerzos (más del 85%), se puede emplear una temperatura mínima de 593°C. RECOCIDO: Para este tipo de hierro, consiste en calentarlo a una temperatura alta para suavizarlo y mejorar

su maquinabilidad. Para este tratamiento se realizan a temperaturas entre 704 y 760°C. Hasta aproximadamente 593°C el efecto de la temperatura sobre la estructura del hierro fundido gris es insignificante. NORMALIZACIÓN: Para la normalización de este hierro el intervalo de temperatura es de 885 a 927°C. La

normalización puede utilizarse para: Mejorar las propiedades mecánicas como dureza y resistencia tensil. •

TEMPLADO Y REVENIDO: Se realiza recalentando en un intervalo de temperaturas de 145 a 649°C para

aumentar la tenacidad y suprimir las tensiones.

El medio de templado puede ser agua, aceite, sal caliente o aire, dependiendo de la composición y tamaño de la sección. Se usa aceite en el temple cuando se busca un endurecimiento profundo y completo de la pieza. El hierro fundido gris generalmente se templa y reviene para incrementar la resistencia al desgaste y a la abrasión, aumentando la dureza.


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5.9 HIERRO FUNDIDO MOLDEADO EN FRÍO

Son aquellos en los cuales una capa superficial de hierro fundido blanco esta combinada con una interior de hierro fundido gris. Estos se realizan vaciando el metal fundido contra un enfriador metálico, dando como resultado una superficie de hierro fundido blanco resistente a la abrasión. SILICIO: Es un grafitizador, la profundidad de enfriado rápido disminuye al

aumentar el contenido de silicio.

MANGANESO: Disminuye la profundidad de la capa de hierro blanco hasta que el

azufre ha sido neutralizado mediante la formación de sulfuro de manganeso. Por encima de esta cantidad aumenta la profundidad del enfriado rápido y la dureza.

FÓSFORO: Disminuye la profundidad de la capa de hierro blanco. Con carbono y silicio constante, un

incremento de 0.1% de fósforo disminuirá la profundidad de la capa de hierro blanco en aproximadamente 0.1 de pulgada. NÍQUEL: Reduce la profundidad de la capa de hierro blanco, su influencia es ¼ de la del silicio. CROMO: En pequeñas cantidades controla la profundidad de la capa de hierro blanco.

Se utiliza en cantidades de 1 a 4% en hierros moldeados en frío, para aumentar la dureza y mejorar la resistencia a la abrasión. En cantidades de 12 a 35% este proporciona resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas. COBRE: Con 4% se disminuye la profundidad de la capa de hierro blanco, si se excede de esta cantidad, la

capa y la dureza aumentarán.

5.10 HIERRO FUNDIDO NODULAR

Son aquellos en los cuales mediante adiciones de aleaciones especiales, el carbono está grandemente sin combinar en la forma de esferoides compactas. Conocido como hierro dúctil, de grafito esferoidal , el grafito está presente como esferas pequeñas o esferoides. El hierro fundido nodular difiere del hierro maleable, en que generalmente como resultado de la solidificación y no requiere tratamiento térmico. Las esferoides son más redondas que los agregados irregulares de carbono revenido encontrados en el hierro maleable. Los elementos formadores de los nódulos son MAGNESIO y CERIO. Estos hierros con una matriz que tiene un máximo de 10% de PERLITA se conocen como hierros ferríticos. Esta estructura proporciona máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad. Una matriz cuya estructura sea grandemente perlítica puede producirse por fundido o mediante normalizado. El normalizado se lleva acabo por enfriamiento en aire desde una temperatura de 871 hasta una de 898.8 °C. Los hierros perlíticos dúctiles son más fuertes pero menos dúctiles que los de ferrita. Los hierros austeníticos dúctiles son altamente aleados que mantienen su estructura austenítica hasta 24°C, tienen alta resistencia a la corrosión, buena fluencia a altas temperaturas.


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Las aplicaciones típicas de hierro nodular son piezas para tractores y herramientas agrícolas, cigüeñales, pistones y más. 5.11 HIERROS FUNDIDOS ALEADOS

Son aquellos en los cuales las propiedades o estructura de cualquier hierro fundido se modifican mediante la adición de elementos de aleación. El silicio, manganeso, azufre y fósforo no se consideran adiciones de aleación. El cromo, cobre, molibdeno, níquel y vanadio son elementos de aleación comunes, estos se añaden para dar al hierro resistencia a la corrosión y al desgaste.

CROMO: Incrementa el carbono combinado, formando carburos complejos de hierro-cromo más estables que

el carburo de hierro. Disminuye la maquinabilidad. En pequeñas cantidades incrementa: La resistencia, dureza, resistencia al desgaste, al calor. Profundidad de la capa de hierro blanco. • •

COBRE: Es un grafitizador. Es 1/5 más efectivo que el silicio.

Para aplicaciones en ingeniería el contenido es de 0.25 a 2.5% de cobre. MOLIBDENO: Mejora las propiedades mecánicas, es un leve estabilizador de carburos.

Mejora también:  

Resistencia a la fatiga. Resistencia tensil transversal Resistencia al calor. La dureza

Retarda la transformación de la austenita incrementando: La templabilidad. Deformación. Libertad de presencia de fisuras •

VANADIO: Es un formador de carburos muy potente. Estabiliza la cementita.

Reduce la grafitización. Con 0.10 y 0.25% incrementa: Resistencia tensil. Resistencia transversal. Dureza •

NIQUEL: Es también un grafitizador. Es 1/2 de efectivo que el silicio.

Con 0.5 a 0.6%: Controla la estructura, retardando la transformación de austenita. Estabiliza la perlita. • •

En combinación con 1% de molibdeno, la matriz tiende a ser bainítica. Con 14 a 30% de níquel la matriz sería austenítica dando alta resistencia al calor y a la corrosión.


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