Metalotecnia - Fundiciones No Aleadas

siderurgia.etsii.upm.es

MATERIALES I :

FUNDICIONES NO ALEADAS por Víctor M. Blázquez

Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 1 de 29


FUNDICIONES NO ALEADAS

1

1.

INTRODUCCIÓN

3

2.

FUN UND DIC ICIION ONES ES BLA BLANC NCAS AS

4

3.

FUN UNDI DICI CION ONE ES GRI GRISE SES S

7

MICROESTRUCTURA URA. 3.1. CLASIFICACIÓN Y MICROESTRUCT

7

3.2. PROPIEDADES

17

3.3. FUNDICIONES PERLÍTICAS DE ALTA RESISTENCIA

21

4.

FUND FU NDIC ICIO IONE NES S ATRU ATRUCH CHAD ADAS AS

23

5.

TRATA TRA TAMIE MIENTO NTOS S TÉRMI TÉRMICOS COS DE LAS FU FUNDI NDICIO CIONES NES

25

ECOCIDO DE ELIMINACIÓN DE TENSIONES 5.1. R ECOCIDO

25

ECOCIDO DE FERRITIZA FERRITIZACIÓN CIÓN 5.2. R ECOCIDO

25

ECOCIDO DE ABLANDAMIENTO 5.3. R ECOCIDO

27

5.4. NORMALIZADO

27

5.5. TEMPLE Y REVENIDO

27

5.6. TEMPLE SUPERFICIAL

29


Fecha:09/04/02

Página 2 de 29


1. INTRODUCCIÓN

En el tema anterior se estudió el diagrama estable hierro-carbono y los factores que influyen en que la solidificación, y el enfriamiento posterior, transcurran según dicho diagrama o, por el contrario, según el diagrama metaestable hierro-cementita. En función, por tanto, de la forma de aparición del carbono pueden clasificarse las fundiciones de la siguiente forma:

•

Fundiciones

blancas:

todo

el

carbono

aparece

combinado

y

uno

de

los

microconstituyentes es siempre la pseudoledeburita.

•

Fundiciones atruchadas: el carbono aparece combinado y como grafito libre, siendo nuevamente siempre uno de los microconstituyentes la pseudoledeburita.

•

Fundiciones grises: el carbono puede aparecer combinado y/o libre no existiendo nunca la pseudoledeburita como constituyente. Si se presenta en las dos formas se habla de fundiciones grises de matriz hipereutectoide, eutectoide o hipoeutectoide, y de fundiciones grises ferríticas cuando todo el carbono aparece como libre.

La clasificación anterior responde, por tanto, a todas las posibilidades de comportamiento termodinámico de las fundiciones durante la solidificación y el enfriamiento. Las fundiciones blancas siguen siempre el diagrama metaestable, mientras que las fundiciones atruchadas solidifican primero según el estable y luego según el metaestable, siendo el enfriamiento siempre según éste último. Por el contrario, las fundiciones grises de matriz hipereutectoide, eutectoide o hipoeutectoide solidifican y realizan la primera parte del enfriamiento según el diagrama estable, mientras que sólo la última parte la realizan según el metaestable. Por último, las fundiciones grises de matriz ferrítica responden a cualquier temperatura al diagrama estable.

La clasificación anterior no considera las fundiciones aleadas o las fundiciones especiales con grafito modificado, que se estudiarán posteriormente, y que pueden tener microestructuras distintas a las consideradas hasta ahora.

A continuación se estudian las microestructuras, propiedades y aplicaciones características de las fundiciones blancas, atruchadas y grises, sin elementos especiales de aleación, así como los tratamientos térmicos habituales que se les pueden aplicar.


Fecha:09/04/02

Página 3 de 29


2. FUNDICIONES BLANCAS

Las fundiciones blancas pueden clasificarse en hipoeutécticas, eutécticas e hipereutécticas en función de su microestructura, aunque las dos últimas carecen de aplicación industrial.

Las microestructuras de estas fundiciones vienen reflejadas en las micrografías 2-1, 2-2 y 2-3, respectivamente. Las tres microestructuras contienen ledeburita transformada como microconstituyente matriz, constituida por granos de contornos redondeados, típicos de la morfología eutéctica, en los que sobre una matriz blanca de cementita destacan zonas negras de perlita. Las fundiciones blancas eutécticas sólo contienen en su microestructura la pseudoledeburita, mientras que las hipoeutécticas están formadas además por perlita como microconstituyente disperso. Por último, las fundiciones blancas hipereutécticas tienen como constituyente disperso la cementita primaria o proeutéctica, que solidifica en forma de grandes láminas o agujas blancas.

Micrografía 2-1. Fundición blanca hipoeutéctica. Ataque nital-3. (x 500).


Fecha:09/04/02

Página 4 de 29


Micrografía 2-2. Fundición blanca eutéctica. Ataque nital-3. (x 500).

Micrografía 2-3. Fundición blanca hipereutéctica. Ataque nital-3. (x 500).


Fecha:09/04/02

Página 5 de 29

siderurgia.etsii.upm.es La gran fragilidad (KCU = 0; A

0%) y baja resistencia mecánica a la tracción de las

≈

fundiciones blancas eutécticas e hipereutécticas, justifican la ausencia de aplicación industrial a pesar de la extraordinaria dureza que presentan (HB > 550; R m < 90 MPa).

Por el contrario, las fundiciones blancas hipoeutécticas, para las que también la resiliencia y el alargamiento son nulos, son muy utilizadas en aplicaciones en las que se requiera una gran resistencia al desgaste sin grandes choques: bolas de molinos, trituradoras, placas de rozamiento, etc. Las propiedades mecánicas de estas fundiciones dependen de su contenido en carbono, disminuyendo la resistencia a la tracción de 170 MPa a 100 MPa cuando el carbono aumenta del 2’8 al 4%, y aumentando, sin embargo, su dureza de 300 a 550 HB.

La resistencia a la compresión de las fundiciones blancas es muy superior a la resistencia a la tracción, siendo la diferencia tanto más acusada cuanto menor sea la de tracción. En general, puede suponerse: R mc (3 – 5) R mt. ≈

La contracción lineal de las fundiciones blancas es similar a la de los aceros, 1’2 a 2%, siendo la contracción volumétrica del orden del 4’4%.

Las composiciones de las fundiciones blancas hipoeutécticas suelen estar comprendidas entre los siguientes límites:

C: 2-4%; Si: 0’50-1’90%; Mn: 0’20-1’00%; P < 0’20%; S < 0’18%

La composición se elige en función de la dureza requerida y el espesor máximo de la pieza. La relación perlita / cementita en estas fundiciones define el compromiso entre la resistencia al choque y la resistencia al desgaste para una aplicación determinada.

Las llamadas “fundiciones blancas templadas” han tenido una gran aplicación en la fabricación de ruedas de ferrocarril y cilindros de laminación, aunque actualmente van siendo desplazadas por otras aleaciones. Estas fundiciones se colaban en coquilla metálica y su composición química tenía una formulación capaz de dar fundición gris en el núcleo y una capa exterior de fundición blanca resultante del enfriamiento rápido. De esta forma mientras que el núcleo presentaba una resistencia mecánica adecuada, la periferia de alta dureza proporcionaba la resistencia al desgaste precisa. Estas fundiciones contenían un 3% de carbono y un 1% de silicio, con lo que podían obtenerse hasta 35 mm de capa dura.

Un fenómeno opuesto al “blanqueo”, obtención de fundición blanca en la periferia y fundición gris en el núcleo de piezas, es el llamado “temple invertido”. Ahora, mientras que la periferia tiene una estructura de fundición gris, el núcleo tiene zonas de fundición blanca. La Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 6 de 29

siderurgia.etsii.upm.es explicación reside en la segregación del azufre que para contenidos altos, y bajo porcentaje de manganeso, forma FeS de gran poder blanqueante.

3. FUNDICIONES GRISES

3.1. Clasificación y microestructura. Anteriormente se ha caracterizado a las fundiciones grises por la ausencia de pseudoledeburita como microconstituyente y la aparición de grafito libre como fase dispersa. Igualmente se han clasificado las fundiciones grises en función del tipo de matriz metálica que presentan: matriz hipereutectoide, perlítica o eutectoide, hipoeutectoide o ferrítico-perlítica y, finalmente, ferrítica.

El tipo de matriz obtenida depende del contenido en carbono de la austenita a la llamada temperatura de paso del diagrama estable al metaestable. Si el contenido en carbono de la austenita es superior al del eutectoide del diagrama metaestable se obtienen matrices hipereutectoides; si es igual al del eutectoide matrices perlíticas; hipoeutectoides para contenidos en carbono intermedios entre el del eutectoide del diagrama metaestable y el eutectoide del estable y, por último, matrices ferríticas cuando el contenido en carbono de la austenita es igual al del eutectoide del diagrama estable.

En las figuras 3-1, 3-2 y 3-3 se representan los diagramas verticales de enfriamiento de fundiciones grises hipoeutécticas de matriz hipereutectoide, perlítica y ferrítico-perlítica, respectivamente, mientras que la figura 3-4 corresponde al de una fundición gris hipereutéctica de matriz ferrítica. En estos diagramas, para simplificar, se han supuesto constantes las temperaturas de las reacciones eutéctica y eutectoide del diagrama estable, cuando realmente se trata de un intervalo de temperaturas por tratarse de equilibrios monovariantes en aleaciones ternarias Fe-C-Si (L = C+1-F = 3+1-3 = 1).


Fecha:09/04/02

Página 7 de 29


Fig. 3-1. Diagrama vertical de enfriamiento de una fundición gris h ipoeutéctica de matriz hipereutectoide

Fig. 3-2. Diagrama vertical de enfriamiento de una fundición gris hipoeutéctica de matriz perlítica Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 8 de 29


Fig. 3-3. Diagrama vertical de enfriamiento de una fundición gris hipoeutéctica de matriz ferrítico-perlítica

e’

e


Fecha:09/04/02

Página 9 de 29


Fig. 3-4. Diagrama vertical de enfriamiento de una fundición gris hipereutéctica de matriz ferrítica

Dado que una fundición gris es en realidad una aleación ternaria Fe-C-Si, el contenido en carbono

tanto

del

eutéctico

como

del

eutectoide

del

diagrama

estable

dependen

fundamentalmente de los porcentajes de carbono y silicio de la fundición.

Pueden utilizarse las expresiones:

CE’ = 4’3 -

%Si 3

; Ce’ = 0’8 -

%Si 9

para obtener aproximadamente los porcentajes de carbono de los puntos eutéctico (E’) y eutectoide (e’) del diagrama estable, siendo C E = 4’3 y Ce = 0’8 los valores correspondientes al diagrama metaestable.

Una mayor aproximación para C E’ puede obtenerse con la fórmula de Fletcher:

CE’ = 4’3-0’286 Si-0’387 P+0’048 (Mn-1’8 S)

donde los símbolos químicos representan el porcentaje en peso del elemento considerado. Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 10 de 29


Al ser el diagrama estable Fe-C un diagrama pseudobinario, obtenido para %Si = cte del diagrama ternario Fe-C-Si, una fundición gris será hipoeutéctica, eutéctica o hipereutéctica en función del llamado “carbono equivalente” definido por la expresión:

C.E. = %C +

%Si

+

3

%P 3

que para contenidos bajos de fósforo puede aproximarse por:

C.E. = %C +

%Si 3

Una fundición gris será hipoeutéctica cuando el carbono equivalente sea menor que 4’3, si C.E. > 4’3 la fundición será hipereutéctica y, por último, cuando C.E. = 4’3 será eutéctica.

La microestructura de las fundiciones grises será la correspondiente a una matriz metálica, similar a la de los aceros, dependiente del contenido en carbono de la austenita a la temperatura de paso, y de una fase dispersa que es el grafito. El grafito en las fundiciones grises puede tener cuatro orígenes distintos: el grafito primario o proeutéctico, obtenido en las fundiciones hipereutécticas antes de T E’; el grafito eutéctico obtenido a la temperatura T E’; el llamado grafito secundario o proeutectoide proveniente de la segregación de la austenita entre las temperaturas TE’ y la temperatura de paso T F y, por último, el grafito eutectoide obtenido a Te’. Los grafitos proeutectoide y eutectoide engrosan el grafito eutéctico y son indistinguibles de aquél.

En resumen, una fundición gris hipereutéctica estará formada por la matriz metálica, el grafito primario y el grafito eutéctico, mientras que las fundiciones hipoeutécticas y eutécticas sólo contendrán grafito eutéctico y la matriz metálica.

Las morfologías más habituales que suele presentar el grafito en las fundiciones grises de mayor aplicación industrial se representan en la figura 3-5, aunque pueden aparecer otras morfologías,

intencionadamente

o

no,

más

específicas:

grafito

compacto,

Widmannstätten, grafito estallado, grafito chunky, etc.


Fecha:09/04/02

Página 11 de 29

grafito


TIPO A

TIPO B

TIPO D

TIPO C

TIPO E

Fig. 3-5. Formas del grafito habituales en las fundiciones grises (x 100)

El grafito tipo A es el que interesa que aparezca en la mayor parte de las aplicaciones. Este grafito, llamado grafito laminar, está formado por el grafito que junto con la austenita forma el eutéctico anormal o divorciado que solidifica a la temperatura eutéctica del diagrama estable. Es un eutéctico anormal típico, dada la diferencia de temperaturas de fusión de las fases que lo componen y sus muy distintos porcentajes en peso relativos. Como se ha indicado anteriormente el grafito secundario segregado por la austenita en el enfriamiento posterior de la fundición engrosa las láminas eutécticas y es indistinguible de éstas.

Este tipo de grafito en láminas aparece en la mayor parte de las fundiciones grises hipoeutécticas coladas en arena.

Dada la importancia del tamaño de las láminas en la resistencia a la tracción de las fundiciones grises, el grafito tipo A se clasifica a su vez en ocho tallas, correspondiendo la talla 8 al grafito de longitud menor que 1’5 mm en la observación a 100 aumentos de la probeta en estado de pulido, mientras que la talla 1 corresponde a láminas superiores a 100 mm.


Fecha:09/04/02

Página 12 de 29

siderurgia.etsii.upm.es Para una observación correcta del grafito es aconsejable efectuar varios ciclos consecutivos de pulido y ataque con nital-3, acabando siempre con un pulido; de esta forma se evita que al fluir el grafito durante el pulido enmascare su contorno real engrosándolo.

El grafito tipo B, llamado grafito en rosetas, aparece en fundiciones con carbono equivalente muy próximo al eutéctico que enfrían moderadamente rápido, por ejemplo, secciones estrechas o periferia de piezas gruesas. Este grafito representa una distribución menos uniforme que el grafito tipo A y por ello es más perjudicial que aquél para las características mecánicas.

El grafito tipo C aparece en las fundiciones hipereutécticas y está formado por el grafito primario, que aparece en forma de grandes láminas o placas, y el grafito eutéctico tipo A con su forma laminar característica. Las grandes placas de grafito primario son muy perjudiciales para la resistencia a la tracción de la fundición, que además contiene un alto porcentaje de grafito libre, por lo que las aplicaciones industriales son escasas.

Los grafitos tipos D y E, conocidos como grafitos interdendríticos, aparecen en fundiciones de bajo carbono equivalente coladas desde alta temperatura o enfriadas rápidamente. El subenfriamiento conduce a una solidificación a temperatura inferior a T E’, tanto más baja cuanto mayor sea el sobrecalentamiento de la fundición o su velocidad de enfriamiento. Entre T E’ y la temperatura real de solidificación crecen las dendritas de la austenita y el líquido eutéctico ocupa los espacios interdendríticos, lo que justifica la morfología de este tipo de grafito.

El grafito tipo D se obtiene en piezas que no presentan gradientes térmicos acusados y que dan lugar a dendritas en forma de alvéolos elípticos, mientras que el grafito tipo E aparece en piezas con enfriamientos dirigidos en las que los gradientes térmicos conducen a dendritas alargadas y estrechas. Igual que en el caso del grafito en rosetas los grafitos tipos D y E reducen la homogeneidad de la estructura y disminuyen la resistencia a la tracción.

Las pequeñas láminas de grafito interdendrítico eutéctico favorecen la precipitación posterior del grafito, e inducen la aparición de matrices ferríticas en las que todo el carbono aparece como carbono libre.

Las fundiciones sintéticas, obtenidas a partir de los elementos puros Fe, C y Si sin presencia de Mn, P, S, etc., siempre presentan grafito interdendrítico, independientemente de su composición y temperatura de colada. En este caso, la ausencia de impurezas que actúen como gérmenes de nucleación del grafito, da lugar a la solidificación tardía de éste (grafito subenfriado). La adición de azufre a estas fundiciones sintéticas da lugar a la aparición de


Fecha:09/04/02

Página 13 de 29

siderurgia.etsii.upm.es grafito tipo A, ya que la disminución por el azufre de la tensión superficial del líquido se traduce en una energía libre más favorable para la germinación.

En las micrografías 3-1, 3-2 y 3-3 se representa, mediante microscopía electrónica de barrido, el aspecto del grafito de los tipos A, C y D.

Micrografía 3-1. Grafito tipo A. Micrografía electrónica de barrido (x 400).

Micrografía 3-2. Grafito tipo C. Micrografía electrónica de barrido (x 400). Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 14 de 29


Micrografía 3-1. Grafito tipo D. Micrografía electrónica de barrido (x 800).

La clasificación correcta de una fundición gris debe considerar no sólo el tipo de matriz sino la forma del grafito, por la influencia que ésta tiene en sus características mecánicas, de ahí que se hable de fundiciones con grafito laminar y matriz perlítica, fundiciones con grafito en rosetas y matriz ferrítico-perlítica, fundiciones con grafito interdendrítico y matriz ferrítica, etc.

Las micrografías 3-4, 3-5 y 3-6 representan las fundiciones grises más habituales obtenidas en bruto de colada: fundición gris perlítica con grafito laminar, fundición gris ferrítico-perlítica con grafito laminar y fundición gris ferrítica hipereutéctica con grafito tipo C, respectivamente.


Fecha:09/04/02

Página 15 de 29


Micrografía 3-4. Fundición gris perlítica con grafito laminar. Ataque nital-3 (x 1.000).

Micrografía 3-5. Fundición gris ferrítico-perlítica con grafito laminar. Ataque nital-3 (x 500).


Fecha:09/04/02

Página 16 de 29


Micrografía 3-6. Fundición gris ferrítica hipereutéctica con grafito tipo C. Ataque nital-3 (x 2 00).

3.2. Propiedades Una fundición gris puede asimilarse a un material compuesto y sus propiedades mecánicas dependen, como en aquéllos, de las propiedades individuales de la matriz, de las de la carga, de la morfología y distribución de ésta y, por último, de los porcentajes relativos de la matriz y de la carga.

La expresión:

Rm (MPa) = α (500+600C)

proporciona con aproximación suficiente la resistencia a la tracción de las fundiciones grises hipoeutécticas, siendo

un coeficiente variable entre 0’2 y 0’5 que depende del porcentaje de

α

grafito libre, su tamaño y morfología, mientras que C es el tanto por ciento de carbono combinado que posee la matriz metálica. El valor de C es 0’8% para matriz perlítica y 0% para matriz ferrítica.


Fecha:09/04/02

Página 17 de 29

siderurgia.etsii.upm.es La resistencia a la tracción de las fundiciones grises variará entre 100 MPa ( α=0’2; C=0%) para las fundiciones de matriz ferrítica y grafito tipo A de láminas gruesas, y los 490 MPa (α=0’5; C=0’8%) de las fundiciones perlíticas con láminas finas de grafito.

La geometría más favorable del grafito en las fundiciones grises es la de láminas finas, de pequeña longitud, separadas entre sí lo máximo posible y homogéneamente distribuidas, ya que los extremos de las láminas actúan como concentradores de tensiones. Esta morfología corresponde a las fundiciones con pequeño porcentaje de grafito libre, es decir, de bajo contenido en carbono y grafito tipo A.

En la figura 3-6 se representa la resistencia que puede obtenerse en redondos de diferente diámetro al variar el carbono equivalente.

400 Rm (MPa)

300

10 mm

200

30 mm

50 mm 100 3

4

% C.E.

5

Fig. 3-6. Resistencia a la t racción de redondos de diferente diámetro con carbono equivalente variable

La resistencia a la compresión de las fundiciones grises es entre 2’5 y 5 veces superior a la resistencia a la tracción, siendo las deformaciones en compresión apreciables mientras que son prácticamente nulas en tracción (inferiores al 1%).


Fecha:09/04/02

Página 18 de 29

siderurgia.etsii.upm.es En estas fundiciones no existe proporcionalidad entre tensiones y deformaciones, es decir, no presentan periodo ni límite elástico en el ensayo de tracción.

La figura 3-7 representa la curva de tracción característica de una fundición gris de 200 MPa de resistencia.

Rm (MPa) 200

150

100

50

0’1

0’2

0’3

0’4

A (%)

Fig. 3-7. Diagrama de tracción de una fundición gris de 200 MPa de resistencia.

El módulo elástico, relación entre carga y deformación producida, se suele definir para las fundiciones grises como el correspondiente al 75% de la carga de rotura. Para la fundición de la figura 4-6, el módulo elástico sería:

E=

0'75 · 200 0'2 · 10

- 2

=

150 2 · 10 -3

= 75.000 MPa

En general, las fundiciones grises tienen módulos elásticos entre 65.000 y 170.000 MPa, es decir, su valor no es constante como en los aceros (210.000 MPa) y disminuye al aumentar la carga.

La resistencia a la flexión es intermedia entre la resistencia a la tracción y a la compresión, ya que en estos ensayos parte de la probeta está sometida a tracción y el resto a compresión.


Fecha:09/04/02

Página 19 de 29

siderurgia.etsii.upm.es El grafito no afecta significativamente a la dureza de las fundiciones grises, siendo prácticamente la de la matriz. La dureza de la ferrita en las fundiciones grises es superior a la de los aceros, debido al efecto endurecedor del silicio. Son normales resistencias de 450 MPa y durezas de 120 HB para la ferrita con 1’5-2’5%Si, mientras que para los aceros los valores normales son de 300 MPa y 90 HB, respectivamente.

La dureza de las fundiciones grises oscila entre los 100 HB de las ferríticas a los 260 HB de las perlíticas.

Una característica importante de las fundiciones es que, debido a las discontinuidades que suponen las láminas de grafito, son poco sensibles a los concentradores de tensiones, por lo que no son tan críticos los defectos superficiales (ángulos vivos, entallas, etc.) para la rotura como en el caso de los aceros.

Igualmente, las láminas de grafito justifican la gran capacidad de amortiguación de las fundiciones, muy superior a la del acero, de ahí su empleo generalizado en la fabricación de bancadas de máquinas, cuerpos de motores, etc.

El grafito libre mejora la mecanizabilidad de las fundiciones, rompiendo la continuidad de la viruta. Las fundiciones que presentan mejor aptitud para el mecanizado son las de matriz hipoeutectoide o ferrítica.

La resistencia al desgaste de las fundiciones grises es excelente para su nivel de dureza, siendo su comportamiento similar al de aceros tratados con durezas muy superiores. La fundición perlítica es la que presenta una mayor resistencia al desgaste, reduciendo la ferrita considerablemente dicha resistencia.

En el desgaste por fricción la presencia del grafito libre mejora la lubrificación reduciendo el coeficiente de rozamiento y, por tanto, el desgaste. En estos casos es importante el tamaño y forma del grafito, dando los mejores resultados láminas grandes del tipo A. El peor resultado se obtiene con los grafitos interdendríticos, siendo los grafitos B y C intermedios a dichos efectos.

Siendo las láminas de grafito discontinuidades en la matriz metálica, equivalentes a auténticas grietas en la fundición, ésta resulta un material poroso a los gases oxidantes que es la atmósfera existente en la mayor parte de los hornos industriales. El trabajo continuado, o intermitente, a temperaturas del orden de los 800ºC, da lugar a la precipitación de grafito y a la oxidación interna de la fundición. Ambos fenómenos transcurren con un aumento de volumen que puede alcanzar hasta el 25%. Es conveniente en estos casos que la fundición presente matriz ferrítica y que el grafito sea lo más fino posible. Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 20 de 29


3

3

La baja densidad del grafito (2’25 g/cm ) con respecto a la del hierro (7’8 g/cm ) da lugar a una menor contracción de las fundiciones grises con respecto a las blancas y al acero. Mientras que la contracción volumétrica del acero es del 5’2% y 4’4% la de las fundiciones blancas, la de las fundiciones grises es de sólo un 2’1%. En cuanto a las contracciones lineales, la del acero es del 1’5-2%, la de la fundición blanca es 1’2-2% y la de la gris es de 0’71’3%. Esta menor contracción de las fundiciones grises se traduce en una mayor aptitud para el conformado por moldeo y colada, dando lugar a piezas más sanas que precisan menos mazarotaje, y tienen menor número de defectos que las obtenidas con los otros tipos de aleaciones férreas.

Por último, la resistencia a la corrosión por agua o atmosférica, incluso en ambientes marinos, de las fundiciones grises es muy superior a la de los aceros comunes, siendo la pérdida de peso mitad de la de aquéllos. Esta resistencia a la corrosión es consecuencia del grafito libre, siendo las fundiciones grises hipereutécticas las que presentan un mejor comportamiento.

3.3. Fundiciones perlíticas de alta resistencia Las fundiciones de matriz perlítica con grafito laminar fino y bien distribuido son, como ya se ha visto, las que presentan mayor resistencia a la tracción. Las fundiciones blancas, atruchadas y grises de matriz hipereutectoide, aún siendo de mayor dureza, tienen menor resistencia. Las fundiciones grises de matriz hipoeutectoide y ferríticas, además de una menor dureza, también tienen menor resistencia que las perlíticas.

Las fundiciones grises perlíticas no aleadas son difíciles de obtener en la práctica, pues con frecuencia aparecen zonas blancas o atruchadas en secciones estrechas que dificultan el mecanizado y disminuyen la resistencia a la tracción. Esta tendencia se conoce como sensibilidad al espesor de la fundición.

La sensibilidad al espesor, para una composición química determinada, suele determinarse colando una pieza de morfología similar a la representada en la figura 3-8.


Fecha:09/04/02

Página 21 de 29


1’’

1’’

1’’

1’’

1’’

1’’ 1 1 8

’’

1

4

’’

Fig. 3-8. Probeta pa ra determinar la sensibilidad al espesor de las fundiciones grises.

Habitualmente, la composición química de la fundición para obtener matriz perlítica, sin problemas de blanqueo, responde a formulaciones como las siguientes:

•

Espesor menor que 25 mm:

C=3’25% ; Si=2’25% ; Mn=0’50% ; P<0’25% ; S<0’10%

•

Espesor entre 25-50 mm:

C=3’25% ; Si=1’75% ; Mn=0’50% ; P<0’25% ; S<0’10%

•

Espesor mayor que 50 mm:

C=3’25% ; Si=1’25% ; Mn=0’50% ; P<0’25% ; S<0’10%

La resistencia que se obtiene para estas fundiciones perlíticas es de 200-250 MPa y durezas comprendidas entre 180-250 HB. Para durezas inferiores a 180 HB aparece ferrita en la matriz y para superiores a 250 HB aparece cementita proeutectoide, disminuyendo en ambos casos la resistencia con respecto a la fundición perlítica.

Cuando se quieren obtener valores elevados de resistencia mecánica (250-350 MPa) con fundiciones grises perlíticas, no aleadas, se emplean las llamadas fundiciones aceradas, el sobrecalentamiento y la inoculación de la fundición.

Las fundiciones aceradas son aquéllas que contienen bajos contenidos de carbono y silicio (3%C-1%Si) y, por tanto, presentan un pequeño porcentaje de grafito libre. La disminución de la colabilidad de estas fundiciones, por su mayor punto de fusión, se contrarresta precalentando los moldes de arena, a temperaturas entre 100º y 500ºC, antes de la colada. De Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 22 de 29

2

’’

siderurgia.etsii.upm.es esta forma disminuye la velocidad de enfriamiento reduciéndose la tendencia al blanqueo, y se aumenta la colabilidad.

El sobrecalentamiento de la fundición líquida, aumento de la temperatura de colada hasta los 1.500º-1.550ºC, permite aumentar la resistencia a la tracción de las fundiciones perlíticas con carbono equivalente bajo, pero no debe sobrepasarse dicha temperatura para evitar la aparición de grafito interdendrítico, lo que se traduce en una disminución de la resistencia.

La inoculación de la fundición consiste en añadir a la fundición líquida sobrecalentada, en la cuchara de colada, pequeñas cantidades de aleaciones grafitizantes y desoxidantes. Estas adiciones suelen ser Fe-Si, Si-Ca, cerio, mezclas de óxidos de tierras raras (michmetal), etc.

La inoculación sólo se emplea para fundiciones de carbono equivalente bajo (3’2-3’8%) y permite obtener fundiciones perlíticas con resistencias entre 300-350 MPa, exentas de zonas blancas o atruchadas incluso para espesores pequeños y con una gran regularidad de resultados. La inoculación evita el subenfriamiento y la aparición del pernicioso grafito interdendrítico.

Una fundición con 3’71% de carbono equivalente (3%C – 2’13%Si) en la que todo el silicio se encuentra en la carga proporciona 260 MPa de resistencia, mientras que si el 15% del silicio total se añade en la cuchara (0’32%) aquélla aumenta hasta 340 MPa.

Las fundiciones grises perlíticas inoculadas de alta resistencia tienen gran aplicación industrial: ruedas dentadas, tambores de frenos, cilindros de máquinas de vapor, segmentos, camisas de cilindros, pistones, tubos, etc.

Las fundiciones grises ferrítico-perlíticas y ferríticas, de mucha menor resistencia mecánica, se reservan para piezas de pequeña responsabilidad, con gran trabajo de mecanizado y en las que son precisas una colabilidad alta y que, sin embargo, no requieren una resistencia mecánica elevada: bancadas, grandes piezas de maquinaria, etc.

4. FUNDICIONES ATRUCHADAS

La microestructura de una fundición atruchada hipoeutéctica se representa en la micrografía 4-1. La microestructura es similar a la de una fundición blanca hipoeutéctica (perlita y pseudoledeburita) pero con láminas de grafito eutéctico. Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 23 de 29


Micrografía 4-1. Microestructura de una fundición atruchada. Ataque nital-3. (x 500).

Las fundiciones atruchadas son duras, frágiles, difíciles de mecanizar y de menor resistencia mecánica que las fundiciones grises de matriz eutectoide o perlítica. Habitualmente aparecen de forma no intencionada en la periferia o zonas de pequeña sección de piezas coladas en arena que deberían tener estructura de fundición gris perlítica. Sin embargo, otras veces la aparición en ciertas zonas superficiales de piezas de fundición atruchada es intencionada. Este es el caso de piezas que deben poseer en dichas zonas una dureza alta para mejorar la resistencia al desgaste y que, sin embargo, requieren la resistencia de la fundición gris perlítica. Un ejemplo característico son las correderas de las bancadas de máquinas-herramienta, que se obtienen de fundición atruchada disponiendo enfriadores metálicos próximos a las zonas adecuadas del molde de arena. De esta forma, con una composición química propia de la fundición gris perlítica, pueden obtenerse zonas atruchadas al aumentar la velocidad de enfriamiento selectivamente.

La dureza de las fundiciones atruchadas varía entre 250 y 360 HB, siendo su resistencia a la tracción de 200-250 MPa, mientras que la resistencia a la compresión puede aproximarse por:

Rmc ≈ 3 Rmt


Fecha:09/04/02

Página 24 de 29

siderurgia.etsii.upm.es La resiliencia y alargamiento de estas fundiciones es, igual que en el caso de las blancas, prácticamente nula.

5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS FUNDICIONES

Los tratamientos térmicos que se aplican a las fundiciones son el recocido de eliminación de tensiones, el recocido de ferritización, el recocido de ablandamiento, el normalizado, el temple y revenido y el temple superficial.

No se estudian en este momento los recocidos de maleabilización, que tienen por objeto convertir una fundición blanca en fundición maleable -de mayor resistencia mecánica y plasticidad- al ser objeto estas fundiciones especiales de un tema posterior.

A continuación se estudian cada uno de dichos tratamientos separadam ente.

5.1. Recocido de eliminación de tensiones El recocido de eliminación de tensiones se aplica a piezas de fundición gris, en estado bruto de colada, que tengan morfologías complicadas o que deban quedar con tolerancias dimensionales muy precisas tras el mecanizado.

El tratamiento consiste en un calentamiento lento a temperaturas entre 500º-570ºC con mantenimiento variable en función del espesor máximo (una hora por pulgada). La velocidad de enfriamiento debe ser del orden de 30º-60ºC/h que corresponde a enfriamientos en el horno.

Este tratamiento no afecta a las características mecánicas de la fundición ni altera su microestructura.

5.2. Recocido de ferritización Este recocido se utiliza en el caso de piezas fundidas de matriz perlítica o ferrítico-perlítica que deban sufrir importantes mecanizados, para lo que interesa tener la mínima dureza correspondiente a la matriz ferrítica. Si se requiere para la pieza una vez mecanizada la resistencia a la tracción de la matriz perlítica, puede darse posteriormente el tratamiento de normalizado que se describe más adelante.


Fecha:09/04/02

Página 25 de 29

siderurgia.etsii.upm.es El recocido de ferritización consiste en un mantenimiento adecuado a la temperatura de 760ºC, poco superior a las del intervalo de temperaturas de la reacción eutectoide (720º740ºC). En la estancia isoterma la perlita se transforma en austenita y grafito. Un enfriamiento lento de la austenita (15ºC/h) al atravesar las temperaturas de la reacción eutectoide, y enfriamiento al aire desde los 650º-600ºC, conduce a una microestructura de ferrita y grafito laminar de mínima dureza y resistencia.

Este recocido de ferritización es el tratamiento usual para obtener fundiciones grises hipoeutécticas con matriz ferrítica y grafito laminar tipo A, a partir de fundiciones también hipoeutécticas con matriz perlítica o hipoeutectoide, pues matrices ferríticas en bruto de colada sólo se obtienen con fundiciones hipereutécticas que dan lugar a grafito tipo C, o bien con fundiciones hipoeutécticas subenfriadas con grafito interdendrítico. Estos dos tipos de fundiciones ferríticas tienen resistencia mecánica muy inferior a la fundición hipoeutéctica ferrítica con grafito laminar: 80-120 MPa para las de grafito tipo C e interdendrítico y 120-180 MPa para las de grafito laminar.

La micrografía 5-1 representa la microestructura de una fundición gris ferrítica hipoeutéctica con grafito laminar obtenida por recocido ferritizante. Nótese la menor cantidad de grafito que presenta con respecto a la fundición gris ferrítica hipereutéctica con grafito tipo C obtenida en bruto de colada, y cómo ahora se revelan los bordes de grano ferríticos (micrografía 3-6).

Micrografía 5-1. Fundición gris ferrítica hipoeutéctica obtenida por recocido ferritizante. Ataque nital-3 (x 100) Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 26 de 29


5.3. Recocido de ablandamiento Este tipo de recocido se aplica a fundiciones grises perlíticas que en ciertas zonas presentan, no intencionadamente, estructuras atruchadas por su mayor velocidad de enfriamiento. Cuando esto ocurre pueden calentarse las piezas hasta temperaturas próximas a los 900ºC y, tras mantenimiento variable en función del espesor de las piezas y de la composición química de la fundición, se enfrían en horno hasta los 760ºC para evitar la precipitación de cementita proeutectoide y se sacan posteriormente al aire. Este tratamiento permite descomponer la cementita, a la temperatura de 900ºC, en austenita y grafito desapareciendo la ledeburita. Durante el enfriamiento lento hasta los 760ºC la fundición evoluciona según el diagrama estable segregando grafito la austenita, y en el enfriamiento al aire la austenita se transforma en perlita. Como resultado del tratamiento se obtiene una microestructura formada por perlita y grafito laminar correspondiente a una fundición gris de matriz perlítica, que exenta de zonas atruchadas es fácilmente mecanizable y posee mayor resistencia y tenacidad.

5.4. Normalizado Cuando se obtienen piezas de fundición que en bruto de colada presentan zonas ferríticoperlíticas o ferríticas en secciones gruesas, e interesa tener la máxima resistencia correspondiente a la matriz perlítica se normaliza la fundición.

El normalizado es un calentamiento a temperaturas de 800º-900ºC y un enfriamiento al aire. De esta forma la austenita al atravesar la zona de temperaturas eutectoide se transforma en perlita.

La velocidad del enfriamiento en el intervalo de temperaturas eutectoide determina el tipo de matriz obtenida para la fundición. Velocidades de enfriamiento en horno de 10º-20ºC/h conducen a matrices ferríticas, ferrítico-perlíticas para velocidades más altas y perlíticas para enfriamientos al aire en calma. Enfriamientos en aire forzado, aceite, baños de sales, etc., proporcionan matrices hipereutectoides, sorbíticas, bainíticas, etc., de mayor dureza y resistencia al desgaste que las perlíticas.

5.5. Temple y revenido Aunque no es un tratamiento habitual puede obtenerse una mayor dureza y resistencia en las fundiciones grises con este tratamiento, mejorando su resistencia al desgaste. Suele aplicarse casi exclusivamente a las fundiciones perlíticas. Fundiciones no aleadas

Fecha:09/04/02

Página 27 de 29


En la figura 5-1 se representa el efecto de este tratamiento en función de la temperatura de revenido alcanzada. Se observa que tras el temple la fundición queda con un máximo de dureza y un mínimo de resistencia, mientras que al aumentar la temperatura de revenido disminuye la dureza aumentando la resistencia. El máximo de resistencia se obtiene para revenidos próximos a los 500ºC, disminuyendo aquélla para temperaturas superiores.

600

600 Rm (MPa)

HB 500

500

HB Rm

400

400

300

300

200

200

100

100

Templada En bruto

Temperatura de revenido 100

200

300

400

500

600

700 ºC

Fig. 5-1. Evolución de la dureza y resistencia de las fundiciones grises templadas con l a temperatura de revenido

La temperatura de temple oscila entre 800º-900ºC, temperaturas en las que la austenita disuelve gran cantidad de carbono, transformándose en el enfriamiento en martensita o mezclas de martensita y bainita.

El enfriamiento suele efectuarse en aceite, debido al peligro de agrietamiento que tienen las fundiciones al templarse en agua. Las fundiciones también presentan una velocidad crítica de temple como los aceros, siendo la composición química, el espesor de las piezas y la severidad del medio de temple los principales factores que determinan su templabilidad. El ensayo Jominy es muy utilizado también en las fundiciones para estudiar la influencia de dichos factores sobre la templabilidad.


Fecha:09/04/02

Página 28 de 29

siderurgia.etsii.upm.es Cuando quiere obtenerse la máxima dureza se emplean temperaturas de revenido entre 200º-400ºC, mientras que para obtener la máxima resistencia son de 450º-600ºC.

La microestructura obtenida tras el temple y revenido de una fundición gris perlítica se representa en al micrografía 5-2, estando compuesta por martensita revenida y agujas blancas de ferrita orientadas en el sentido de la primitiva martensita.

Micrografía 5-2. Fundición gris perlítica templada en aceite desde 875ºC y revenida 1h a 500ºC. Ataque nital-3. (x 200)

5.6. Temple superficial Este tratamiento se emplea cuando interesa tener una periferia de alta dureza y un núcleo más blando, siendo muy utilizado en el caso de piezas que tengan tendencia al agrietamiento por un temple en masa, o cuando sólo interesa endurecer ciertas zonas superficiales.

El calentamiento se efectúa por temple oxiacetilénico, siendo mucho menos frecuente el temple por inducción por su mayor precio. El temple superficial sustituye muchas veces con ventaja a las fundiciones templadas coladas en coquilla metálica, o a las fundiciones que, por el empleo de enfriadores metálicos en los moldes de arena, presentan zonas atruchadas.


Fecha:09/04/02

Página 29 de 29

Metalotecnia - Fundiciones No Aleadas

Recommend Documents