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FUNDICIONES

Prof. Ing. Roberto Bozzolo

Son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmente contienen también magnesio, fósforo y azufre.

CARACTERÍSTICAS

•Su contenido en carbono (2 a 4,5 %)

•Se caracterizan porque adquieren su forma definitiva por colada.

•No son nunca sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente.

•Por lo general no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse.

FUNDICIONES GRISESLa mayoría de las fundiciones grises son aleaciones que contienen entre 2,5 y 4% de carbono. El proceso de grafitización se realiza con mayor facilidad si el contenido de carbono es elevado, las temperaturas elevadas y si la cantidad de elementos grafitizantes presentes, especialmente el silicio, es la adecuada.

Estructura Ferrítica

Estructura Perlítica

La fundición gris constituida por mezcla de grafito y ferrita:• es la más blanda •la de menor resistencia mecánica•la resistencia a la tracción y la dureza aumentan con la cantidad de carbono combinada que existe alcanzando su valor máximo en la fundición gris perlítica.

Estructura Perlítica (esteadita)

Son aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2,5 % de carbono.

FUNDICIONES BLANCAS

Características

• dureza y resistencia al desgaste • sumamente quebradiza• difícil de mecanizar• se utiliza en grandes cantidades, como material de partida, para la fabricación de fundición maleable

Principales propiedades•Son por lo general más fáciles de mecanizar que los aceros.

•Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y piezas pequeñas y de formas complicadas que se pueden obtener con gran precisión de formas y medidas.

•Su resistencia a la compresión es muy elevada, de 50 a 100 Kgf/mm2.

• Su resistencia a la tracción suele variar de 12 a 40 Kgf/mm2. Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien las vibraciones de las máquinas y motores.

•Como la temperatura de fusión es bastante baja se pueden sobrepasar con bastante facilidad, por lo que en general suele ser bastante fácil conseguir que las fundiciones en estado líquido tengan gran fluidez y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco espesor.

Clasificación de las

fundiciones

•Por su fractura

•Por su microestructura

Por su fractura: por el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de hierro obtenidos en el alto horno colados en arena y por el aspecto que tienen después de rotas las piezas fundidas, se clasifican en: •fundición gris •fundición blanca •fundición atruchada.

• La gris contiene por lo general mucho silicio (1,5 a 3,5 %).

•La blanca, poco silicio, generalmente menos de 1 %

•La atruchada tiene un valor intermedio variable de 0,6 a 1,5 %.

•El color oscuro que tienen las fracturas de las fundiciones grises y atruchadas se debe a la presencia en las mismas de gran cantidad de láminas de grafito.

•El contenido en silicio de las aleaciones hierro – carbono y la velocidad de enfriamiento, tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de fundición.

•Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de fundición gris

•El enfriamiento rápido tiende, en cambio, a producir fundición blanca.

•El azufre y el manganeso producen un efecto adverso a la del silicio y favorecen la formación de fundición blanca.

•Por su microestructura: •Fundiciones en las que todo el carbono esta combinado, formando cementita y que al romperse presentan fractura de fundición blanca.•Fundiciones en que todo el carbono se encuentra en estado libre, formando grafito. Son fundiciones ferríticas. •Fundiciones en las que parte del carbono se encuentra combinado formando cementita y parte libre en forma de grafito. A este grupo pertenecen las fundiciones grises, atruchadas y perlíticas.

Fundiciones con carbono en forma de grafito•En las fundiciones grises y atruchadas el grafito se presenta en forma de laminillas más o menos dispersas en la masa del metal. •En las maleables el grafito está en forma nodular•En las fundiciones grises el carbono que se encuentra en forma de grafito ocupa un volumen mucho mayor que el carbono que se presenta en forma combinada en las fundiciones blancas. •En el proceso de enfriamiento de las fundiciones grises se produce en la zona de 1000 a 800°C una ligera dilatación debida a la formación de grafito que no se observa en las fundiciones blancas.

Influencia del silicio en la formación de grafito

El silicio se presenta normalmente en las fundiciones disuelto en la ferrita o hierro alfa.

•entre el 0,1 a 0,6 % no ejerce influencia importante.

•de 0,6 a 3,5 % modifica completamente el carácter y las propiedades de las aleaciones hierro – carbono.

En las fundiciones a demás del silicio y la velocidad de enfriamiento, tienen gran importancia en la formación de grafito los contenidos de carbono, azufre y manganeso. El carbono favorece la formación de grafito y cuanto mayor sea su porcentaje más fácil será la formación de grafito. La acción del azufre y del manganeso es, en general, en contra de la grafitización.

Influencia de la velocidad de enfriamiento en la formación de grafito

•Los enfriamientos rápidos tienden a producir fundiciones blancas

•Los enfriamientos lentos favorecen la formación de grafito y por lo tanto la formación de fundiciones grises.

•Esta influencia es tan marcada que con una misma composición al variarse la velocidad de enfriamiento se obtienen diferentes calidades con distintas durezas y microestructuras.

Principales características y composiciones de las

fundiciones grises

•son más blandas

•de fractura grisácea

•una parte del carbono se encuentra en forma de grafito

•para obtener fundiciones grises el porcentaje de azufre y manganeso debe ser bastante bajo

•las fundiciones atruchadas están entre las blancas y las grises.

Las principales características que deben cumplir son: •Que cuelen bien

•Que se mecanicen con facilidad

•Que no tengan poros

Para que cuelen bien deben:• ser de baja temperatura de fusión y para ello deben tener contenidos de carbono elevado entre 3 y 3,75 % •el contenido de silicio debe ser de 1,25 a 2,50 %. •En la práctica el contenido de carbono debe variar de 2,75 a 3,50 %. •La fundición gris ordinaria puede considerarse normal con un contenido de C = 3,25 % y Si = 1,75 %. •Para que sean fácil de mecanizar el porcentaje de silicio debe ser elevado. Prof. Ing. Roberto Bozzolo

Formación de grafitoLa aparición de grafito en vez de cementita en las aleaciones hierro - carbono, es debida a la inestabilidad del carburo de hierro en determinadas circunstancias y condiciones que hacen imposible su existencia y favorecen, en cambio, la formación del grafito. Las principales circunstancias que favorecen la formación de grafito son: un elevado porcentaje de silicio y un enfriamiento relativamente lento. La máxima temperatura alcanzada por la aleación durante la fusión y la temperatura de colada, también influyen en la cantidad, tamaño y distribución de las láminas de grafito. En algunos casos el grafito se forma directamente y en otros al desdoblarse la cementita en grafito y hierro según la siguiente reacción: Fe3C 3 Fe + C

Influencia del azufre, fósforo,

manganeso, oxígeno e

hidrógeno en las fundiciones

Azufre: se opone a la grafitización del carbono y favorece la formación de cementita. El azufre tiene una fuerte afinidad con el manganeso y al combinarse ambos elementos forman el sulfuro de manganeso que no tiene ninguna influencia en la formación de grafito o cementita. Cuando el azufre existe en exceso en una fundición con poco manganeso forma con el hierro el sulfuro de hierro que favorece la formación de cementita y tiende a blanquear la fundición. En las fundiciones el contenido de azufre suele variar de 0,010 a 0,20 %.

Fósforo: se suele añadir a veces intencionalmente con el objeto de favorecer su colabilidad y se emplea cuando se quiere fabricar piezas de forma complicada o de carácter decorativo u ornamental. El fósforo no ejerce influencia muy sensible sobre la grafitización y se opone a ella. La presencia de fósforo da lugar a un aumento de la fragilidad y de la dureza. Un contenido normal en fósforo es de 0,15 % empleándose contenidos más bajos cuando se desea obtener alta resistencia y más elevados, de 0,5 a 1,5 % cuando se desea alta colabilidad.

Manganeso: se opone a la grafitización del carbono y favorece la formación de cementita. Tiende a blanquear las fundiciones y a aumentar su dureza dificultando la mecanización. Suelen contener de 0,4 a 1,5 % de manganeso. El manganeso con el azufre forma inclusiones de sulfuro de manganeso y éste neutraliza el azufre evitando la formación se sulfuro de hierro.

Oxígeno: es un antigratificante enérgico que se encuentra presente en mayor o menor cantidad en todas las fundiciones. Se presenta principalmente en forma de inclusiones no metálicas, muchas submicroscópicas, de óxido de hierro, de manganeso, de aluminio y de silicio. El porcentaje de oxígeno suele variar de 0,002 a 0,020 %. Con altos porcentajes de oxígeno la colabilidad del metal disminuye mucho, se producen rechupes importantes y la estructura puede sufrir sensibles modificaciones.

Hidrógeno: se presenta también casi siempre como impureza gaseosa en las fundiciones y dar lugar a porosidades en las piezas cuando el porcentaje es importante. Suele provenir de la humedad de los moldes, del vapor de agua contenido en el aire soplado, de la humedad del coque. La solubilidad del hidrógeno en la fundición aumenta con el porcentaje de silicio. Las fundiciones altas en silicio suelen ser más porosas que las de bajo contenido.

Fundiciones aleadasSon las que contienen Ni, Cr y Mo, Cu, entre otros componentes, suficientes para mejorar las propiedades mecánicas o para comunicarles alguna propiedad especial., como alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la corrosión, al calor. Los elementos de aleación modifican la microestructura de las fundiciones y con esto su dureza y resistencia..

El silicio, aluminio, níquel y cobre que se disuelven en ferrita la endurecen y hacen aumentar su resistencia. Son elementos que favorecen la grafitización. El cromo, magnesio y molibdeno son formadores de carburo, tienden a formar fundición blanca y dificultan la grafitización. El níquel, el manganeso y el cobre aumentan la estabilidad de la austenita y favorecen la formación de una matriz austenítica. El silicio y el aluminio aumentan la estabilidad de la ferrita y favorecen la formación de fundiciones de matriz ferrítica.

Aluminio: Al aumentar el aluminio de 2 a 4 % la acción gratificante decrece hasta 0.

Titanio: con 0,1 a 0,2 % produce una acción gratificante más intensa que el silicio, mientras que para mayores porcentajes su acción es inferior.

Cobre: la acción gratificante baja hasta 0,05 % cuando los contenidos en carbono son mayores de 3 %.

Manganeso: Por debajo de 0,8 % la acción de Mn es menos intensa. Puede llegar a favorecer la formación de grafito por debajo de 0,6 % si se combina con el azufre.

Molibdeno: Porcentajes inferiores a 0,8 % tienen una acción más débil y contenidos más elevados tienen una acción más intensa.

Cromo: estabiliza la cementita y evita la grafitización. Reduce ligeramente el tamaño de las láminas de grafito y afina y aumenta la dureza de la matriz. Se fabrican fundiciones con 12 a 30 % para resistir a la corrosión y altas temperaturas. Forma carburos de cromo que son muy estables a alta temperatura.

Níquel: facilita la grafitización, se disuelve en el hierro y disminuye la estabilidad del carbono. Aumenta la dureza y resistencia de la matriz y reduce el tamaño de las láminas de grafito y el tamaño del grano, evita formación de fundición blanca en las esquinas y secciones delgadas de las piezas y mejora su maquinabilidad. Para la fabricación de fundiciones de alta resistencia (35 a 50 Kgf/cm2) se suele emplear de

0,5 a 3 % de Ni. De 3,5 a 5 % se emplea para obtener fundiciones martensíticas de elevada dureza y más de 15 % para fabricar fundiciones austeníticas muy resistentes a la corrosión y al calor.

Clasificación de las

fundiciones aleadas

1° Fundiciones de baja y media aleación: se caracterizan por tener pequeñas cantidades de Ni, Cr, Mo y Cu, generalmente en porcentajes inferiores a 5 %. Son fundiciones de alta resistencia a la tracción (25 a 50 Kgf/cm2). Suelen

ser de estructura perlítica, sorbítica, bainítica y martensítica. Pertenecen también a este grupo de fundiciones de baja aleación a las que poseen de 1 a 2 % de cromo resistentes al calor y las martensíticas muy resistentes al desgaste.

2° Fundiciones de alta aleación: agrupan todas las demás clases. En esta familia se agrupan las muy resistentes al desgaste, al calor y a la corrosión y cuya microestructura suele ser austenítica o ferrítica.

Tratamientos térmicos de las

fundiciones

Recocido

Suelen aplicarse tres tipos:

•de eliminación de tensiones

• de ablandamiento

• de maleabilización.

Ciclos más empleados para el recocido de las fundiciones

Temple y revenido

Por medio de tratamientos térmicos se puede endurecer y aumentar la resistencia a la tracción de las fundiciones grises. De esta forma se consigue un gran aumento de dureza y en menor medida de la resistencia a la tracción y al desgaste. En general se somete a las fundiciones a un temple primero y luego a un revenido. Las fundiciones con gran cantidad de ferrita y grafito no son las más recomendables para ser endurecidas por estos tratamientos. Con las fundiciones de matriz perlítica se pueden conseguir mejoras importantes de dureza y de resistencia al desgaste. Con el temple aumenta la dureza y con el posterior revenido disminuye la dureza y esta disminución es tanto más sensible cuanto más elevada sea la temperatura. Con el temple disminuye la resistencia y luego con el revenido aumenta.

Influencia del temple y revenido en la resistencia a la tracción y en la dureza de las fundiciones grises

Nitruración de las fundiciones

Se puede endurecer las fundiciones superficialmente por nitruración:•Calentándolas a 510° C durante períodos de 90 horas en presencia de amoníaco disociado.

•Se emplean fundiciones aleadas con cromo y aluminio de bajo contenido en carbono.

•Se puede utilizar una fundición con las siguientes características: C = 2,63 %, Si = 2,5 %, Mn = 0,6 %, Cr = 1,6 %, Al = 1,4 %.

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