Ingeniería de Soldadura – PUCP Fundiciones

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FUNDICIONES

Las fundiciones, como los aceros, son en esencia aleaciones de Fe y C (sin embargo, por su proceso de fabricación éstas contienen además: Si, Mn, P y S).

Teóricamente : 2,0 < %C < 6,67 Comercialmente : 2,5 < %C < 4,30

A diferencia de los aceros, las fundiciones son aleaciones de Fe-C "no deformables" (no son forjables, no se pueden laminar, estirar, extruir, etc.) por su baja ductilidad o elevada fragilidad. Sin embargo, funden fácilmente por su relativamente baja temperatura de fusión y, por su buena fluidez, pueden moldearse formas complicadas (en referencia a su relación con el proceso de fundición se les llaman fundiciones).

Se les conoce también como hierros fundidos.

Las fundiciones se clasifican en función a su microestructura. Existen 4 variables que determinan la microestructura de las fundiciones (básicamente la condición y forma física del carbono, ):

1. El contenido (%) y la forma como se encuentra el carbono:

- Formando una solución sólida de C en Fe: Ferrita (α). - Formando un compuesto con el Fe: Cementita (Fe3C). - Carbono puro: Colonias de grafito.

2. El contenido de elementos de aleación e impurezas: silicio, cerio, magnesio, manganeso, fósforo, azufre, etc.

3. La velocidad de enfriamiento durante y después de la solidificación: rápido, moderado o lento.

4. El tratamiento térmico que reciben posteriormente: Recocido de maleabilización, templado y revenido, etc.

De acuerdo al control de estas variables (que determinan la microestructura) se tienen los siguientes tipos de fundiciones:

A. Fundiciones blancas.

B. Fundiciones laminares (grises o grises ordinarias).

C. Fundiciones nodulares (dúctiles).

D. Fundiciones maleables

Además:

Fundiciones aleadas, fundiciones en coquilla (fundición blanca en la periferia y fundición gris en el núcleo), fundiciones tratadas térmicamente, etc.

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figura 1. Microestructura de las fundiciones (500 aumentos) en las que además se muestran las huellas del ensayo de microdureza Vickers (rombos)

a) fundición blanca: 3,5%C – 0,5%Si; cementita masiva (islas blancas)-1500HV; perlita-300HV; tal como está fundida.

b) fundición laminar: 3%C – 2%Si; grafito laminar; perlita-285HV; ferrita (blanca)–195HV; tal como está fundida.

c) fundición nodular: 3,5%C – 2%Si – 0,05%Mg; grafito esferoidal o nodular; perlita-300HV; ferrita (blanca)–190HV; tal como está fundida.

d) fundición maleable: 2,5%C – 1%Si; grafito revenido (nódulos irregulares); ferrita (blanca)–190HV; perlita-345HV; tratado térmicamente a 954°C durante 12h y enfriado en aire.

a

d c

b Glaminar

Gnodular

Fe3Cmasiva

Grevenido

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A. FUNDICIONES BLANCAS

Se caracterizan porque el carbono se encuentra - en mayor parte - formando la cementita y, consecuentemente, por su microestructura formada por cementita (Fe3C) masiva y perlita (P).

Cuando se quiebran muestran una zona de fractura de color "blanco", por la cementita masiva que contienen; razón por la cual se las denomina fundiciones blancas.

figura 2. Microestructura típica de las fundiciones blancas (izquierda: 20x; derecha: 200x).

Generalmente todas las fundiciones blancas son aleaciones hipoeutécticas, cuyas composiciones se encuentran dentro de los siguientes rangos: 2,5 a 3,5 %C / 0,2 a 3,0 %Mn / 0,3 a 1,0 %Si / 0,03 a 1,5 %P / 0,03 a 0,2 %S. El %Si debe ser relativamente bajo.

Se obtienen por enfriamiento rápido, desde su estado líquido (directamente de la fusión), en moldes refrigerados con agua.

figura 3. Microestructura típica de las fundiciones blancas hipoeutécticas (izquierda) e hipereutécticas (derecha).

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Propiedades: Como estas fundiciones contienen cantidades relativamente grandes de cementita, se caracterizan por su elevada dureza y resistencia al desgaste. Por el contrario, son sumamente quebradizas (frágiles) y difíciles de mecanizar (ver tabla final).

Aplicaciones: Se emplean sólo en los casos en que no se requieren ductilidad, como en los forros de los molinos, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión. También se utilizan en grandes cantidades, como material de partida para la fabricación de la fundición maleable y del acero (ver tabla final).

B. FUNDICIONES LAMINARES (GRISES O GRISES ORDINARIAS)

Este tipo se caracteriza por que en ellas la mayor parte del carbono se encuentra puro en forma de colonias de grafito laminar (hojuelas) en una matriz ferrítica y/o perlítica. Se les llama grises, porque cuando se fracturan muestran una zona de rotura de color "gris" por la presencia de las colonias de grafito.

La mayoría de las fundiciones laminares son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre 2,1 y 4,0 %C. Además, será necesaria la utilización de elementos grafitizantes. El %Si es grafitizante y debe ser relativamente alto (1,2 < %Si < 3,8).

Para obtener fundiciones grises se precisan, además, enfriamientos lentos (matriz ferrítica) o moderados (matriz perlítica).

figura 4. Microestructura típica de las fundiciones laminares ferríticas (izquierda) y perlíticas (derecha).

En la solidificación de estas aleaciones, lo primero que se forma (zona I) es austenita primaria y líquido (γ+L), apareciendo por primera vez cementita (Fe3C) al verificarse la reacción eutéctica a 1129°C (ver figura 9).

Puesto que el enfriamiento es relativamente lento (por ejemplo en moldes de arena), se propicia la disociación de la cementita (que es inestable) a elevadas temperaturas (zona II: 723°C<T<1129°C) y en presencia de elementos grafitizantes (Si):

CFe3CFe3 +→

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El C puro, resultante, formará colonias de grafito laminares, en tanto que el Fe disolverá C para formar solución sólida γ.

El proceso de grafitización se realiza con mayor facilidad si el contenido de carbono es elevado, las temperaturas altas y si la cantidad de elementos grafitizantes, especialmente el silicio, es adecuada.

Propiedades: Las fundiciones laminares son las más blandas y de fácil maquinado, por la presencia de las láminas de grafito en su microestructura; pero, al mismo tiempo, su ductilidad y resistencia mecánica son bajas, debido al efecto concentrador de tensiones de estas láminas que rompen la continuidad de la matriz (ver tabla final).

Aplicaciones: Se emplean principalmente en los talleres de fundición para fabricar piezas moldeadas (moldes, utencillos, etc.); asimismo, en herramientas para máquinas, bloques, bancadas de máquinas, tubos, artefactos sanitarios, etc. (ver tabla final).

C. FUNDICIONES NODULARES (DUCTILES)

Son las fundiciones en las cuales, mediante la adición de elementos de aleación "nodulizantes", se logra que el C quede en su mayor parte puro formando colonias esferoidales o nodulares compactas (figura 5).

El contenido total de C y Si (grafitizante) de la fundición nodular es igual al de la fundición gris.

Para la "nodulización" se le añade -a la fundición en estado líquido- cerio (Ce) o magnesio (Mg) en pequeñas cantidades (0,05%). Debido a la gran afinidad del azufre (S) con el cerio y el magnesio, esta fundición debe ser previamente desulfurizada (%S<0,015).

Las velocidades de enfriamiento deben ser también relativamente lentas o moderadas, obteniéndose matrices ferríticas y/o perlíticas.

figura 6. Microestructura típica de las fundiciones nodulares ferríticas (izquierda) y perlíticas (derecha).

figura 5. Nódulos de grafito (MEB)

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Propiedades: Al encontrarse el grafito en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se interrumpe menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidad mayores que en la fundición gris ordinaria (ver tabla final).

Aplicaciones: La fundición nodular se utiliza en las diversas ramas de la industria, y entre sus aplicaciones más importantes podemos citar: piezas de tractores y arados (industria de maquinaria agrícola); cigüeñales, cajas de cambios, pistones y culatas (industria automotriz); tambores de gruas, poleas motrices, volantes y montacargas (industria minera); cilindros de laminar perfiles, puertas de hornos (industria siderúrgica); en la fabricación de estampas y matrices; para fabricar llaves inglesas, palancas, tornillos de banco y matrices diversas para la estampación de piezas de acero, aluminio, latón, bronce, etc. (ver tabla final).

D. FUNDICIONES MALEABLES

En estas fundiciones, la mayoría del C se encuentra puro, formando partículas redondeadas de forma irregular conocidas como "carbono revenido".

La fundición maleable, a diferencia de la fundición nodular que se obtiene directamente de la fusión (estado líquido), es el resultado de un recocido de maleabilización (tratamiento térmico) aplicado a la fundición blanca.

Las fundiciones blancas adecuadas para la producción de fundición maleable generalmente contienen: 2,1 < %C < 3% y 0,9 < %Si < 1,4 . El %Si debe ser relativamente medio.

El tratamiento térmico aplicado a las fundiciones blancas, consiste inicialmente en un calentamiento alrededor de la temperatura de 950°C por 30 ó más horas, seguido de un enfriamiento lento (matriz ferrítica) o rápido (matriz perlítica). Ver figura 8.

figura 7. Microestructura típica de las fundiciones maleables ferríticas (izquierda) y ferrítico-perlíticas (derecha).

A la temperatura de 950°C (zona II), la perlita se transforma en austenita (γ) y cementita (Fe3C). La cementita se descompone, produciéndose así la grafitización y la formación de las colonias esferoidales irregulares de carbono revenido (ver figura 9).

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Una vez realizada la grafitización (desprendimiento del C de la cementita), la estructura no sufre ninguna nueva modificación durante el enfriamiento a temperatura ambiente.

La reacción CFe3CFe3 +→ se ve favorecida por las altas temperaturas, por la presencia de impurezas sólidas no metálicas, por contenidos de C más elevados y por la existencia de elementos que ayudan a la descomposición de la Fe3C.

figura 8. Gráfica del proceso de tratamiento térmico de maleabilización de una fundición blanca para obtener fundición maleable ferrítica o perlítica.

Propiedades: Sus propiedades son semejantes a las de la fundición nodular, al quedar constituida por partículas redondeadas o nódulos de carbono revenido en una matriz ferrítica o perlítica, muy tenaz, la fundición maleable aumenta considerablemente en resistencia y ductilidad con relación a los valores que presenta la fundición laminar (ver tabla final). Aplicaciones: La fundición maleable ha sido utilizada en la fabricación de piezas para equipos automotrices, ferroviarios y de maquinaria agrícola (ver tabla final).

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figura 9. Resumen de las microestructuras y fases de las fundiciones que coexisten a diferentes temperaturas.

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