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Introducción a la Ciencia de Materiales – Capítulo VIII Dra. Ing. Rosalba Guerrero A. Universidad de Piura 29 8.10 Fundiciones férreas Las fundiciones férreas, con una producción anual estimada en 90 millones de toneladas, son, después de los aceros, el material metálico más usado en el mundo. Estos materiales presentan una serie de características ventajosas que los hacen preferibles a los aceros en aplicaciones en las que no requieran exigentes prestaciones mecánicas, ya que en resistencia y tenacidad siempre estarán en desventaja frente a éstos. Sin embargo, su facilidad para fundirse y su buena colabilidad, las hacen, por una parte más baratas que los aceros, y por otra, permiten obtener piezas con la forma final directamente desde la colada, lo que también redunda positivamente en la economía del proceso. Por su elevado contenido en carbono, suelen ser, además, bastantes resistentes al desgaste. Las fundiciones son aleaciones férreas que presentan un contenido en carbono comprendido entre 2,11%-6,67%, aunque en la práctica todas son menores que el 4,5%C. Según su solidificación sea metaestable o estable, se denominan, respectivamente, fundiciones blancas o grises. A continuación mostramos un esquema de clasificación general. Europea Americana maleable Fundición dúctiles o es Esferoidal ares La grises s Fundicione blancas s Fundicione - - - . 3 min : . 2 . 1 Las dos primera pueden ser aleadas o sin alear. 8.10.1 Fundiciones blancas Son aquellas que solidifican según el diagrama Fe-C metaestable. Se llaman fundiciones blancas porque su rotura tiene aspecto brillante. Por su contenido en carbono, estas aleaciones sufren la reacción eutéctica del diagrama Fe-C a 1148°C. C Fe C Liq Ledeburita C 3 % 11 , 2 . 1148 3 , 4 + γ ο Austenita (disperso) Fe3C (matriz) Figura 8.14. Esquema microestructural de la Ledeburita

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8.10 Fundiciones férreas Las fundiciones férreas, con una producción anual estimada en 90 millones de toneladas, son, después de los aceros, el material metálico más usado en el mundo. Estos materiales presentan una serie de características ventajosas que los hacen preferibles a los aceros en aplicaciones en las que no requieran exigentes prestaciones mecánicas, ya que en resistencia y tenacidad siempre estarán en desventaja frente a éstos. Sin embargo, su facilidad para fundirse y su buena colabilidad, las hacen, por una parte más baratas que los aceros, y por otra, permiten obtener piezas con la forma final directamente desde la colada, lo que también redunda positivamente en la economía del proceso. Por su elevado contenido en carbono, suelen ser, además, bastantes resistentes al desgaste. Las fundiciones son aleaciones férreas que presentan un contenido en carbono comprendido entre 2,11%-6,67%, aunque en la práctica todas son menores que el 4,5%C. Según su solidificación sea metaestable o estable, se denominan, respectivamente, fundiciones blancas o grises. A continuación mostramos un esquema de clasificación general.

Europea

AmericanamaleableFundición

dúctilesoesEsferoidal

aresLagrisessFundicione

blancassFundicione

.3

min:.2

.1

Las dos primera pueden ser aleadas o sin alear. 8.10.1 Fundiciones blancas Son aquellas que solidifican según el diagrama Fe-C metaestable. Se llaman fundiciones blancas porque su rotura tiene aspecto brillante. Por su contenido en carbono, estas aleaciones sufren la reacción eutéctica del diagrama Fe-C a 1148°C.

CFeCLiqLedeburita

C

3%11,2.1148

3,4 +→ γο

Austenita (disperso)

Fe3C (matriz)

Figura 8.14. Esquema microestructural de la Ledeburita

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Por tanto, según se indica en el diagrama de equilibrio, una aleación de 4,3%C, solidificaría mediante la reacción eutéctica dando ledeburita, constituída por una matriz de cementita y gránulos dispersos de austenita de 2,11%C. Una vez que termina la solidificación, continúa el enfriamiento metaestable, a medida que baja la temperatura, la austenita va perdiendo carbono desde 2,11 hasta 0,77%C, y el carbono que cede se combina con el fierro para formar cementita. Cuando se alcanza la temperatura de 727 Cο , la austenita de0,77%C se transforma en perlita. Quedando al final del enfriamiento hasta temperaturas ambientales, constituido por una matriz de cementita y como disperso, los globulillos de perlita. A la mezcla se le sigue llamanado Ledeburita. Figura 8.15 Esquema microestructural de ledeburita a temperatura ambiente. Una aleación hipoeutéctica, por ejemplo, de 3,5%C, solidificaría dando dendritos de austenita (austenita primaria), conforme baja la temperatura, disminuye la cantidad de líquido y aumenta la de austenita, al mismo tiempo que aumenta el contenido en carbono de ambas fases. Antes de llegar a 1148°C, existirían dendritos de austenita de 2,11%C , en equilibrio con líquido de 4,3%C. Cuando se alcance la temperatura eutéctica (1148°C), el líquido solidificará a temperatura constante dando Ledeburita, que sería el constituyente matriz. Si continúa el enfriamiento en condiciones de equilibrio metaestable, la austenita va perdiendo carbono hasta alcanzar 0,77% y, a la temperatura de 727°C, se convertirá en perlita. La fase cementita no sufre cambios. De modo que a temperatura ambiente, se tendrá matriz de cementita y disperso de perlita.

Antes de la reacción eutectoide A temperatura ambiente

Figura 8.16 Esquema microestructural de una fundición hipoeutectoide a temperatura ambiente.

Perlita(disperso)

Fe3C (matriz)

Cementita (matriz)

Perlita

Austentia

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Una aleación hipereutéctica, tal como 5%C, solidificaría dando agujas de cementita primaria. Conforme baje la temperatura el líquido aumenta su contenido en carbono hasta llegar a tener 4,3%C. Cuando el sistema llegue a 1148°C, el líquido solidificará según la reacción e utéctica dando ledeburita que quedará como fase matriz. Una vez concluida la solidificación, la austenita de la mezcla eutéctica perderá carbono hasta alcanzar el 0,77% a 727°C, momento en que se transformará en perlita mediante la reacción eutectoide. A temperatura ambiente se tendría una estructura constituida por matriz de cementita, agujas de cementita y granulitos de perlita, tal como se muestra en el esquema de las figuras. Figura 8.17 Esquema microestructural de una fundición hipereutectoide a temperatura ambiente. Figura N° 8.18 Esquema del diagrama Fe-C metaestabl e en la zona correspondiente a las fundiciones blancas.

Líquido

Cementita

Perlita

Austenita

Liq + Fe3C

Líquido

γ + Fe3C

Liq. + γ

γ

2,11 4,3 Fe3C 0,77 5% 3,5%

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Propiedades y aplicaciones Las fundiciones blancas tienen siempre matriz cementítica, por tanto son muy frágiles y muy duras, altamente resistentes al desgaste. Es difícil de maquinar. Se usan cuando se requiere bastante resistencia al desgaste, camisas para mezcladoras de cemento, bolas de trituración de minerales, etc. Tienen una dureza de 375v- 600 HB, su resistencia a la tracción varía entre 20.000 y 70.000lb/pg2. No presentan alargamiento en el ensayo de tracción. En las siguientes figuras se muestra la estructura micrográfica de dos fundiciones blancas después del ataque con Nital.

a) Fundición blanca hipoeutéctica b)Fundición blanca hipereutéctica Figura 8.19 Estructura micrográfica de dos fundiciones blancas no aleadas. 8.10.2 Fundiciones grises 8.10.2.1 Solidificación de fundiciones grises Son aleaciones que solidifican según el diagrama Fe- C estable, es decir, el carbono no solidifica como cementita sino como grafito. Para conseguir la presencia del carbono en forma de grafito, se agregan a la aleación elementos grafitizantes, principalmente silicio, en la cantidad adecuada. Otros elementos que suelen estar presentes son fósforo, aluminio, níquel y cobre. Generalmente el porcentaje mínimo de silicio para que tenga una acción eficaz sobre la solidificación estable es de 2%, aunque esta cantidad puede ser mayor según

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1154°C

738°C

los otros elementos de aleación, tamaño de la pieza, condiciones de enfriamiento, etc. Una vez que tenemos la cantidad adecuada de elemento grafitizante y aseguramos una solidificación de equilibrio estable, podemos analizar la microestructura de la aleación en un diagrama binario Fe-C. En la figura N° 8.19 se muestra un esquema del dia grama Fe-C en la zona correspondiente a las fundiciones.

Figura 8.19 Esquema del diagrama Fe-C estable Como se observa, la presencia de elementos grafitizantes modifica algunas temperaturas y puntos críticos del diagrama. La reacción eutéctica es ahora a 1154°C, la eutecto ide a 738°C, el punto eutéctico tiene ahora 4,25%C, el eutectoide tiene 0,68%C, el máximo contenido de carbono en la austenita es 2,09%C. En general, los elementos grafitizantes modifican el contenido en carbono de los puntos eutéctico y eutectoide de la siguiente manera:

Cgraf

Líquido

γ + Cgraf

Liq. + γ

γ

2,09 4,25 0,68 5% 3,5%

Cg +Líq

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3

P

3

Si34Ceutéctico

%%,% −−=

9

P

9

Si770Ceutecoide

%%,% −−=

La reacción eutéctica es ahora: fitoC092

C1154

C254 CLiq gra%,%, +→°

γ que se conoce

como la "eutéctica estable". La morfología de esta eutéctica es una matriz de austenita en la que se encuentra embebida el grafito en forma de rosetas, como se muestra en el siguiente esquema:

Figura 8.20 Esquema microestructural de la eutéctica estable Una aleación con contenido en carbono 4,25%, solidificaría a 1154°C dando totalmente mezcla eutéctica. Una vez acabada la solidificación, si el enfriamiento sigue el diagrama Fe-C estable, a temperatura ambiente la microestrutura estará constituida por una matriz de ferrita con grafito embebido en ella. Pero si el enfriamiento sigue el diagrama metaestable, la austenita perderá carbono hasta alcanzar el 0,77%C y entonces se convertirá en perlita según la reacción eutectoide del sistema metaestable. Figura 8.21. Esquema microestructural según el enfriamiento después de solidificación estable. Una aleación hipoeutéctica, solidificaría dando en primer lugar dendritos de austenita, a la temperatura de 1154°C, el líquido sobrante, que tendría 4,25%C, solidificaría dando la mezcla eutéctica.

Austenita

Grafito

Ferrita

Grafito

Perlita

Grafito

Microestructura de solidificación y Enfriamiento estable

Microstructura de solidificación estable y Enfriamiento metaestable

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Figura 8.22 Esquema de la microestructura de solidificación de una fundición hipoeutéctica. Después de la solidificación la microestructura puede ser de matriz ferrítica o perlítica por razones similares a las explicadas en el caso de la fundición eutéctica. Para una fundición hipereutéctica, la solidificación comienza con láminas de grafito que crecen libremente en el líquido, hasta que éste solidifica según la reacción eutéctica. Después de la solidificación se tendrá una matriz de austenita, el grafito primario (tipo C) y el grafito eutéctico (rosetas), tal como se muestra en el esquema de la figura 8.14. Figura 8.23 Esquema de la microestructura de solidificación de una fundición hipereutéctica. Igual que en los casos anteriores, a temperatura ambiente la matriz será ferrítica, si el enfriamiento sigue el sistema estable o, perlítica si sigue el sistema metaestable. En la figura 8.15 se muestran las tipos de matriz que se pueden obtener según el enfriamiento que sigue a una fundición gris. 8.10.2.2 Características del grafito El grafito es una forma alotrópica del Fe y presenta una estructura hexagonal no compacta, es decir, los átomos de los planos intermedios no son tangentes a los basales, tal como se muestra en la figura Nº 8.16 Las fuerzas de enlace entre los átomos de los planos basales es diferente – y notoriamente superior- que la fuerza entre los átomo de los otros planos. En

Austenita

Grafito primario

Grafito eutéctico

Austenita

Líquido

Grafito

Austenita

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efecto, la energía de enlace en los planos basales es de 100 – 120 Kcal/mol,

Temperatura

Euctéctica

Eutectoide

Grafito

Austenita Austenita

Grafito

Austenita

Austenita

Grafito Ferrita

Austenita Líquido

Ferrita

Grafito

Martensita

Grafito

Perlita Grafito

1 2

3 4 5 6

Velocidades de enfriamiento

1.- Enfriamiento muy lento. Ferritización directa de la matriz

4.- Enfriamiento lento. Parcialmente estable. Matriz ferrito-perlítica

2.- Enfriamiento lo suficientemente rápido para impedir la ferritización directa de la matriz 5.- Enfriamiento metaestable. Matriz perlítica

3.- Enfriamiento muy lento. Matriz ferrítica

6.- Enfriamiento de no equilibrio. Matriz: bainítica, martensítica, etc.

Figura N° 8.24 Modalidades de enfriamiento de una fundición gris ya solidificada.

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mientras que, la energía de enlace entre átomos de planos contiguos es de 1 -2 Kcal/mol. Como consecuecia de esto, el grafito se exfolia con facilidad (como hojas de láminas), por ello es un buen lubricante. Conductividad térmica en las direcciones paralelas a los planos basales es 100 veces mayor a la conductividad de los planos perpendiculares a éstos Los parámetros de red son a = 2,2614 Å, c = 6,7014 Å, c/a = 1, 6333

8.10.2.3 Tipos de grafito El grafito puede aparecer en forma de láminas con distinto tipo de distribución. Según esto pueder ser: - TipoB: en forma de rosetas, es el grafito eutéctico. - Tipo A: hojuelas delgadas - Tipo C: láminas gruesas como agujas, es el grafito hipereutéctico - Tipos D y E: en fundiciones muy hipoeutécticas. La figura Nº 8.26, muestra esquemáticamente los distintos tipos de distribución 8.10.2.4 Propiedades de las fundiciones grises no a leadas 1.- Tienen buena capacidad para amortiguar vibraciones (por la discontinuidad en la matriz metálica que causa la presencia de grafito) 2.- Son fácilmente mecanizables (el grafito permite romper fácilmente la viruta) 3.- Tienen buena conductividad térmica (mayor que los aceros) debido a la presencia de grafito (por eso se usan en la fabricación de lingoteras) 4.- Tienen buena resistencia al desgaste (debido al alto carbono) 5.- Tienen buena resistencia a la corrosión

Figura Nº 8.25 Estructura cristalina del grafito

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6.- No tienen límite elástico 7.- Son menos resistentes que los aceros 8.- No son tenaces (aunque lo son más que las blancas)

Aplicaciones de las fundiciones grises Se usa en la fabricación de piezas ornamentales, tapas para desagüe, monoblocks, bancada de máquinas herramientas, tuberías, etc. 8.10.3 Fundiciones esferoidales o dúctiles Las buenas características de las fundiciones grises laminares se ven disminuidas por baja tenacidad causada por el efecto entalla del grafito laminar, de modo que, si se consigue cambiar la forma laminar por una esferoidal, las propiedades mejoran notablemente. La formación de grafito esferoidal se consigue agregando al fundido, antes de colar, agentes nucleantes o inoculantes, que pueden ser el magnesio o el cerio. Acabada la solidificación, se tiene austenita y grafito esferoidal, a partir de allí, la matriz dependerá del enfriamiento de la austenita: será ferrítica si sigue el diagrama estable, perlítica si el enfriamiento es metaestable, martensítica si se somete a temple, bainítica si se somete a un austempering.

Figura Nº 8. 26 Distribuciones del grafito laminar.

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Propiedades y aplicaciones 1.- Tienen “ductilidad” y tenacidad mayores que las fundiciones grises laminares porque no hay el “efecto entalla”. 2.- Si la matriz es ferrítica, son dúctiles: %A ≈ 25%. 3.- Presentan límite elástico. 4.- Su resistencia a la tracción es mayor que las grises laminares, aproximadamente el doble. 5.- Tienen buena maquinabilidad. 6.- Menor capacidad para amortiguar vibraciones y menor conductividad térmica que las grises laminares. En general compiten con los aceros por sus buenas propiedades mecánicas y bajo costo. Se usan en componentes de máquinas y piezas de automoción: zapatas para frenos de disco, árboles de levas, cigüeñales, etc. En estado de temple y revenido se usa para engranajes, ruedas dentadas, cilindros de laminación, etc. Dentro de las fundiciones esferoidales, hay un familia que se llama Austempered Ductile Iron, comúnmente, las fundiciones ADI. Son fundiciones esferoidales que se someten al tratamiento térmico de Austempering para conseguir una matriz de bainita inferior. Tienen muy buenas propiedades y llegan a alcanzar los 1000 MPa de carga de rotura, 750MPa de límite elástico y muy buena tenacidad. Se usan en engranajes como alternativa a los aceros cementados, también en cigüeñales en lugar de los aceros de bonificación. La figura 8.18 muestra una fundición esferoidal de matriz ferrítica. 8.10.4 Fundiciones altamente aleadas Al igual que los aceros, las fundiciones tienen en su constitución ,otros elementos aparte del carbono, fierro y silicio, para que se consideren aleadas la suma de los porcentajes de los elementos de aleación debe ser mayor que 10%.

Figura Nº 8.27 Fundición esferoidal de matriz ferrítica.

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En las fundiciones los elementos de aleación se agregan básicamente con tres objetivos: 1.- Mejorar la resistencia a la abrasión 2.- Mejorar la resistencia a la corrosión 3.- Mejorar la resistencia al calor. Las fundiciones altamente aleadas más comunes son: 1.- Fundición DURINON.- Es una fundición gris alta en silicio- 16%- que resiste bien los medios oxidantes tales como, el H2SO4, HNO3. etc. Es de matriz ferrítica, muy dura, resistente al desgaste, frágil.

2.- Fundición SILAL. Es una fundición gris resistente al calor (las fundiciones grises comune se descascarillan a 450°C), con 6% de Silicio, matriz ferrítica. Es mecanizable. 3.- Fundición Ni-Resist. Fundición gris muy alta en níquel 15-35%. Es austenítica, resistenten a la corrosión, a los ácidos reductores. Son más blandas que las Durinon.

Fundición Durirón

Fundición Nicrosilal”, Ni 18 %, 6 %Si

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4.- Fundición NI HARD. Es una fundición blanca de 2,5-3,5%C, 1%Mo, 1,5-4%Cr, 3,5-5%Ni. Es muy dura debido a su microestructura constituida por carburos, austenita retenida -no transformada- y martensita. Es tenaz. Se usa como abrasivo para trituración en aplicaciones mineras. Bibliografía

1. Pero- Sanz, José Antonio “Ciencia e Ingeniería de Materiales” Editorial Dossat, Madrid, 1996.

2. Pero- Sanz, José Antonio “Fundiciones Férreas” Editorial Dossat, Madrid, 1994.

3. Smith, William “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales” Editorial Mc Graw-Hill, tercera edición, 1998, Madrid.

4. Sidney Avner, “Introducción a la Metalurgia Física” Segunda edición, Editorial McGraw-Hill, México.1994.

Fundición Nihard