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Alumno: Cristian González
Legajo N° 3149
Industrias mineras de base metálica - 2010 Página 1
Unidad N° 9
“Aleaciones Hierro-Carbono”
Introducción .............................................................................................................. 2
Diagrama de Fases metaestable Hierro-Carburo de hierro (Fe-Fe3C) ............................ 2
Desarrollo de microestructuras en aleaciones Hierro-Carbono ..................................... 4
Aceros eutectoides ..................................................................................................... 4
Aceros hipoeutectoides .............................................................................................. 6
Aceros hipereutectoides ............................................................................................. 8
Enfriamiento en no equilibrio ..................................................................................... 9
Influencia de los elementos de aleación ......................................................................... 9
Aceros comunes y aleados ........................................................................................ 10
Aceros al carbono ......................................................................................................... 11
Aceros bajos en carbono ....................................................................................... 11
Aceros medios en carbono ................................................................................... 12
Aceros altos en carbono ....................................................................................... 12
Aceros Aleados .............................................................................................................. 13
Aceros Inoxidables ................................................................................................ 13
Fundiciones .............................................................................................................. 14
Fundición gris ................................................................................................................ 15
Fundición dúctil (esferoidal) ......................................................................................... 16
Fundición blanca ........................................................................................................... 18
Fundición maleable ....................................................................................................... 18
Fundición atruchada ..................................................................................................... 19
Bibliografía .............................................................................................................. 21
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Industrias mineras de
IntroducciónEl sistema de aleacio
fundiciones, esto es, los
tecnológicamente avanzadas
Diagrama de F
(Fe-Fe3C)
La figura representa u
calentarse, experimenta dos
ambiente, la forma estable
experimenta a 912°C una tra
persiste hasta 1394°C, temp
como ferrita δ, que funde a
izquierdo en el diagrama de f
e Cuyo
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lez
base metálica - 2010
es binario más importante es el hierro-Carb
materiales estructurales primarios en to
son esencialmente aleaciones Hierro-Carbono.
ases metaestable Hierro-Carbur
a parte del diagrama de fases Hierro-Carbono.
cambios de la estructura cristalina antes de fun
se llama ferrita o hierro α y tiene la estructu
nsformación polifórmica a austenita FCC o hier
eratura a la que vuelve a convertirse en una f
1538°C. Todos estos cambios aparecen a lo lar
ases.
Página 2
no. Los aceros y
as las culturas
o de hierro
El hierro puro, al
ir. A temperatura
ra BCC. La ferrita
ro γ. La austenita
ase BCC conocida
o del eje vertical
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Industrias mineras de
El eje de composición
coincide con la del compuest
por una línea vertical. Así, el
• Una parte rica
• Otra parte (no
puro.
Prácticamente todos lo
6,7%; por lo tanto se conside
El carbono es un solut
α, con la ferrita δ, y con la a
muy pequeñas de carbono,
727°C. Esta pequeña solubili
posiciones intersticiales de l
carbono. Esta fase hierro-car
y tiene una densidad de 7,88
La austenita, o fase γ
debajo de los 727°C. La má
1148°C. Esta solubilidad es a
BCC, ya que las posiciones i
que al llenarse de átomos de
sea mucho menor. La austeni
La ferrita δ es como la
cual existen. Debido a que só
no se tratará.
Se forma cementita (ferrita α por debajo de 727
e Cuyo
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solo llega hasta 6,7% en peso de carbono, c
o intermedio carburo de hierro o cementita (Fe
istema Hierro-Carbono se puede dividir en dos
en hierro, que coincide con la figura anterior.
mostrada) de composición comprendida entre 6
s aceros y fundiciones tienen porcentajes de ca
ará sólo esta parte.
intersticial en el hierro y forma disoluciones só
ustenita γ. En la ferrita α BCC sólo son soluble
la solubilidad máxima es de 0,022% en peso
dad se explica teniendo en cuenta la forma y
estructura BCC que dificulta la acomodación
ono es relativamente blanda, magnética por d
g/cm3.
el hierro, cuando está aleada con el carbono,
xima solubilidad del carbono en austenita es
roximadamente 100 veces superior que la máx
tersticiales de la estructura FCC tienen la for
carbono la deformación impuesta a los átomos
ta no es magnética.
ferrita α, y sólo se diferencian en el tramo de t
lo es estable a altas temperaturas, no tiene imp
e3C) cuando se excede el límite de solubilida°C (la composición está comprendida en la re
Página 3
oncentración que
3C), representado
artes:
,7 y 100% (grafito
r
bono inferiores a
lidas con la ferrita
concentraciones
y corresponde a
el tamaño de las
de los átomos de
bajo de los 768°C
no es estable por
2,11% en peso a
ima para la ferrita
a adecuada para
de hierro vecinos
mperaturas en el
ortancia técnica y
del carbono enión de fases α +
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Fe3C). La cementita también coexiste con la fase γ entre 727°C y 1148°C. La cementita, desde
el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la
resistencia de algunos aceros.
El diagrama de fases anteriormente visto no está verdaderamente en equilibrio porque
la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad
de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el
carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el diagrama de fases hierro carburo
de hierro es válido en la práctica.
En el diagrama se observan regiones bifásicas, y un eutéctico a 4,3% en peso de carbono
y 1148°C. La reacción eutéctica es:
+ (6,7%)
Se aprecia la existencia de un punto invariante a la composición de 0,77% en peso y a la
temperatura de 727°C. Esta reacción eutectoide se puede representar por:
(0,77%) (0,022%) + (6,7%)
La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido de carbono comprende 3
grupos:
• Hierro puro: contiene menos de 0,008% en peso de C, y comprende la fase
ferrita a temperatura ambiente.
• Aceros: contiene entre 0,008% y 2,11% en peso de C. La microestructura de la
mayoría de los aceros consiste en las fases α y Fe3C. En la práctica la
concentración de carbono de los aceros raramente excede del 1%.
• Fundiciones: contiene entre 2,11% y 6,7% en peso de C. Sin embargo las
fundiciones comerciales normalmente contienen menos del 4,5%.
Desarrollo de microestructuras en aleaciones Hierro-Carbono
Aceros eutectoides
Se tratarán algunas de las diferentes microestructuras que pueden ser producidas en las
aleaciones de acero y sus relaciones con el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. La
exposición se centra en el enfriamiento muy lento de las aleaciones de acero, en el cual se
mantienen continuamente condiciones de equilibrio.
Los cambios de fase que tienen lugar al pasar de la región γ al campo bifásico α +
Carburo de hierro son relativamente complejos. Por ejemplo, al enfriar una composición
eutéctica desde los 800°C de la región monofásica γ (punto a de la figura 9.22) equivale a
descender por la vertical xx’. Inicialmente la aleación de composición 0,77%C tiene la
microestructura austenítica indicada en la figura. Al enfriar no ocurre ningún cambio hasta
llegar a la temperatura eutectoide (727°C).
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En el punto b, por d
ecuación
0,77
La austenita de comp
(0,022%C) y Fe3C con un co
carbono porque las tres fases
La microestructura del
eutectoide es análoga a la de
o láminas alternas de las d
relación de los espesores de
punto b se denomina perli
microscópicamente.
La fotomicrografía de l
e Cuyo
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bajo de esta temperatura la austenita se tra
0,022% 6,7%
osición 0,77%C forma ferrita, con bajo conte
ntenido de 6,7%C. Este cambio de fase necesi
tienen distintas composiciones.
acero eutectoide enfriado lentamente a través
una aleación de composición eutéctica, es deci
s fases (α y Fe3C) durante la transformación.
las dos capas es de 8 a 1. La microestructura es
a porque tiene la apariencia de la madrepe
figura 9.23 corresponde a una perlita de un ac
Página 5
nsforma según la
nido en carbono
ta la difusión del
e la temperatura
, se forman capas
En este caso, la
uematizada en el
rla al observarse
ro eutectoide.
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La perlita aparece en
están orientadas esencialme
otra. Las capas delgadas clar
oscuras. La mayoría de las
adyacentes no se distinguen
las perlitas tienen propieda
quebradiza cementita.
Aceros hipoeutectoi
Una aleación de comp
denomina aleación hipoeute
El enfriamiento de una
lo largo de la vertical yy’ de l
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ranos denominados “colonias”; dentro de cada
te en la misma dirección, y esta dirección varí
s son de ferrita y la cementita aparece como ca
capas de cementita son tan delgadas que lo
, a estos aumentos, las capas aparecen oscuras
des intermedias entre la blanda y dúctil fer
des
osición C0 a la izquierda del eutectoide, entre
ctoide.
aleación de esta composición está representad
figura 9.24.
Página 6
colonia las capas
de una colonia a
pas delgadas más
s límites de fase
. Mecánicamente,
rita, y la dura y
,022 y 0,77%C se
en el descenso a
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Hacia los 875°C, punt
como se muestra en la figur
fases coexisten, según indic
generan en los límites de losutilizando las rectas de repar
Cuando se enfría un ac
varía según la línea MN, del l
mismo tiempo la composició
composición frente a la temp
Enfriando desde el pun
γ, se aprecia un incremento
0,022%C mientras que la fase
Al descender la tempe
presente la temperatura Te, y
la reacción:
0,77
La fase α existente e
eutectoide: permanece co
microestructura del punto
presente en el acero procedeutectoide. La ferrita de la p
Se te denomina errita proeu
La figura 9.25 reprodu
corresponden a la ferrita pro
ferrita proeutectoide y perlit
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c, la microestructura consta enteramente de
a. En el punto d de la región bifásica α + γ, a
el esquema microestructural. La mayoría de l
granos γ originales. Las composiciones de las fao cuyos extremos coinciden con 0,020 y 0,50%C
ero a través de la región de fases α + γ, la com
ímite de fase α-(α + γ) y se enriquece ligerame
n de la austenita cambia de modo mucho más
eratura sigue la línea MO del límite de fase (α +
to d al e, muy próximo al eutectoide pero dentr
de la microestructura de la fracción de fase α. L
γ tiene la composición del eutectoide 0,77%C.
ratura al punto f , justo por debajo del eutectoi
con la composición del eutectoide se transform
0,022% 6,7%
el punto e prácticamente no cambia al cruz
o matriz continua alrededor de las coloni
aparece como indica la figura 9.24. De est
e del enfriamiento a través de la región α + γrlita se denomina ferrita eutectoide y la ferrita
ectoide.
ce una fotomicrografía de un acero 0,38%C. La
eutectoide. Cabe destacar la existencia de 2 mic
.
Página 7
granos de fase γ,
nos 775°C, estas
as partículas α se
es se determinan.
osición de ferrita
te en carbono. Al
drástico, pues la
)-γ.
o de la región α +
a fase α contiene
de, toda la fase γ
a en perlita según
r la temperatura
s de perlita. La
modo la ferrita
y de la reacciónformada antes de
regiones blancas
roconstituyentes:
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Aceros hipereutecto
El enfriamiento desde
entre 0,77 y 2,11%C, origi
composición C1
de la figura 9.
En el punto g sólo apa
campo de fase γ + Fe3C, has
límites iniciales de los grano
denomina cementita proeu
composición de la austenit
embargo, la composición d
eutéctico.
Al descender por deba
composición eutectoide se tr
consiste en perlita y cementi
Obsérvese en la figura
aparece con una tonalida
proeutectoide, a veces eshipereutectoides.
e Cuyo
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ides
el campo γ de aceros al carbono, de composi
a transformaciones y microestructuras análo
27 se enfría descendiendo por la vertical zz’.
recen granos de fase γ y composición C1. Al en
a el punto h, por ejemplo, la fase cementita v
γ, esto es similar al punto d de la figura 9.24.
ectoide, porque se forma antes de la reacci
permanece constante (6,70%C) al variar la
la austenita se desplaza a lo largo de la lí
o de la temperatura eutéctica, toda la austenit
ansforma en perlita. De este modo, la microest
a proeutectoide como microconstituyentes.
9.28 que en la fotomicrografía de un acero de 1
clara. Ya que tiene una apariencia pare
difícil distinguir la microestructura de lo
Página 8
ión comprendida
gas. El acero de
riar a lo largo del
creciendo en los
Esta cementita se
n eutectoide. La
temperatura. Sin
ea PO antes del
remanente de la
uctura resultante
4%C la cementita
ida a la ferrita
aceros hipo e
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Industrias mineras de
Enfriamiento en noEn la discusión de la e
se supone que a lo largo de
equilibrio metaestable, es
alcanzar el ajuste composici
previstas por el diagrama de
Influencia de los
La adición de otros
drásticamente el diagrama
alteraciones de las posicion
dependen del elemento de al
Uno de estos importa
con respecto a la temperatur
Las figuras 9.29 y 9.30
composición en función de la
e Cuyo
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quilibrioolución de las microestructuras de las aleacion
l enfriamiento se mantienen continuamente l
ecir, se necesita tiempo suficiente a cada t
nal de las fases y el ajuste en cuanto a las ca
ases hierro-carburo de hierro.
lementos de aleación
elementos aleantes (cromo, níquel, titan
de fases binario hierro-carburo de hierro. La
es de los límites de fases y la forma de los
eación y de su concentración.
tes cambios es el desplazamiento de la posici
a y a la concentración de carbono.
ilustran los efectos de la modificación de la te
concentración de varios elementos de aleación.
Página 9
es hierro-carbono
s condiciones de
emperatura para
ntidades relativas
i
o, etc.) cambia
magnitud de las
campos de fases
n del eutectoide
peratura y de la
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Aceros comuneLos aceros se clasifican
en:
Aceros al car
distintas al car
Aceros aleado
concentracion
e Cuyo
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y aleadosde acuerdo con la concentración de otros elem
ono: sólo contienen concentraciones residua
ono.
s: los elementos de aleación de añaden inten
s específicas.
Página 10
entos de aleación
les de impurezas
cionadamente en
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Aceros al carbono
Se clasfican en:
Aceros bajos en carbono
Aceros medios en carbono
Aceros altos en carbono
Aceros bajos en carbono
La mayor parte de todo el acero fabricado es bajo en carbono. Contiene menos del
0,25%C, no responde al tratamiento térmico para formar martensita y es endurecible por
acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita, por lo tanto son relativamente blandos
y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Además son de fácil
mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas, y
láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas estañadas.
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Un grupo muy importante dentro de los aceros bajos en carbono es el de los aceros de
alta resistencia y baja aleación (HSLA), que contienen elementos de aleación como cobre,
vanadio, níquel, y molibdeno, en concentraciones combinadas de aproximadamente 10%, y
poseen mucha mayor resistencia mecánica. También son más resistentes a la corrosión ysuelen reemplazar a los de bajo carbono en puentes, torres, columnas de soporte de edificios y
recipientes a presión
Aceros medios en carbono
Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25
y 0,6%C. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y
revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se utilizan para fabricar ruedas y rieles de
trenes, engranajes, cigüeñales, y otros componentes estructurales que necesitan alta
resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad.
Aceros altos en carbonoContienen normalmente entre 0,6 y 1,4%C y son más duros, resistentes y aún menos
dúctiles que los otros aceros al carbono. Son especialmente resistentes al desgaste y capaces
de adquirir la forma de herramienta de corte. Estos aceros se utilizan como herramientas de
corte y matrices para hechurar materiales, así como cuchillos, navajas, hojas de sierra, muelles
e hilos de alta resistencia.
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Aceros Aleados
Los principales aceros aleados son los Aceros Inoxidables
Aceros Inoxidables
Resisten la corrosión en muchos ambientes, especialmente en la atmosfera. El cromo es
el principal elemento de aleación, en una concentración mínima del 11%. La resistencia a la
corrosión mejora con adiciones de níquel y molibdeno.
Los aceros inoxidables se clasifican en función de la microestructura constituyente:
Martensíticos: La martensita se genera debido al tratamiento térmico de los
aceros austeníticos.
Ferríticos: Están constituidos por la fase ferrita α (BCC).
Austeníticos: La austenita (fase γ) permanece estable a temperatura ambiente.
Se utilizan en ambientes rigurosos a elevadas temperaturas debido a su resistencia a la
oxidación y a la integridad mecánica en estas condiciones. Las aplicaciones típicas son: turbinas
de gas, generadores de vapor, hornos de tratamiento térmico, aviones, misiles, y generadoresde energía nuclear.
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FundicionesLas fundiciones se clasifican como aleaciones férreas con un contenido en carbono
superior al 2,1%C; sin embargo, en la práctica, la mayoría de las fundiciones contienen entre 3
y 4,5%C y otros elementos de adición. La observación del diagrama de fases hierro-carburo de
hierro revela que las aleaciones comprendidas en este tramo de composiciones funden a
temperaturas incluidas entre 1150 y 1300°C, considerablemente más bajas que los aceros. Por
este motivo las fundiciones funden y se moldean con facilidad. Además, algunas fundiciones
son frágiles y el moldeo es la técnica de conformación más conveniente.
La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, se
disocia en 2 componentes: ferrita α y grafito de acuerdo a la siguiente reacción:
→ 3 ()
El verdadero diagrama de equilibrio hierro-carbono no es el anteriormente visto sino el
que se presenta a continuación:
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Industrias mineras de
Ambos diagramas son
las temperaturas eutéctica y
727°C respectivamente, en l
también abarca la región de
6,7%C.
La tendencia a la grafi
y la velocidad de enfriamient
la grafitización, al igual que l
la mayoría de las fundicion
propiedades mecánicas depe
Los tipos más comunes
Fundición gris
Fundición blan
Fundición esfe
Fundición mal
Fundición gris
Los contenidos de carb
la mayoría de las fundiciones
matriz de ferrita α o perlita.
figura 12.5 a.
e Cuyo
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base metálica - 2010
prácticamente idénticos en la región rica en hi
eutectoide para el sistema hierro-carburo de
gar de 1174 y 738°C del sistema hierro-carbo
l 100% de carbono, donde el grafito sustituye
ización (formación de grafito) se regula median
o. La presencia de silicio, en porcentaje superio
velocidad más lenta de enfriamiento durante l
s de carbono aparece como grafito y la micr
nden de la composición y del tratamiento térmi
de fundición son:
ca
oidal
able
ono y de silicio varían entre 2,5 a 4 y 1 a 3% re
grises, el grafito aparece como escamas o lámin
La microestructura de una fundición gris típica
Página 15
rro (por ejemplo,
ierro son 1148 y
o). La figura 12.4
a la cementita de
te la composición
es al 1%, facilitan
solidificación. En
oestructura y las
o.
pectivamente. En
as, dentro de una
se muestra en la
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El nombre fundición gris procede del color de la superficie fracturada, el cual se debe a
la presencia de estas escamas.
Mecánicamente son, a consecuencia de su microestructura, frágiles y poco resistentes a
la tracción, ya que las láminas de grafito actúan como puntos de concentración de tensiones al
aplicar un esfuerzo. Tienen propiedades muy características y útiles, como por ejemplo la
efectividad en el amortiguamiento de la energía vibracional. Las bancadas para equipos que
vibran se suelen construir de fundición gris. Además, la fundición gris tiene alta resistencia al
desgaste. Finalmente, es uno de los materiales metálicos más baratos.
Fundición dúctil (esferoidal)
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Industrias mineras de
Adiciones de pequeña
líquido produce diferentes m
esferoides, que originan dist
dúctil o esferoidal, cuya micr
La matriz que rodea
tratamiento térmico, en la p
700°C durante varias horas la
La fundición dúctil es
laminar. Tiene propiedades
cuerpos de bombas, cigüe
maquinaria.
En la siguiente figurtratamientos térmicos:
e Cuyo
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s cantidades de magnesio y cerio a la fundici
icroestructuras, en las que el grafito en lugar
intas propiedades mecánicas. De este modo re
oesctructura se muestra en la figura 12.5 b.
los esferoides de grafito es ferrita o perlita
ieza sólo moldeada es perlita, sin embargo un
transforma en ferrita.
más resistente y obviamente más dúctil que
mecánicas similares al acero. Se utiliza para
ales, pistones, y otros componentes del a
a se muestran las microestructuras que re
Página 17
n gris en estado
e escamas forma
sulta la fundición
dependiendo del
calentamiento a
la gris de grafito
fabricar válvulas,
tomóvil y de la
sultan de varios
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Fundición blanca
Contiene poco silicio (menos del 0,8%), bastante manganeso (más del 1%) para facilitar
la disolución del carbono, 1,5 a 2,5% de fósforo, y sólo trazas de azufre, ya que este produce
fragilidad.
Se puede obtener en el alto horno con temperaturas moderadas (para que se reduzca
poco silicio) y con escorias muy fusibles. Al colar se la enfría bruscamente para evitar la
precipitación del carbono, que en mayor parte queda como cementita y en solución sólida con
el hierro. A consecuencia de la gran cantidad de fase cementita, la fundición blanca es
extremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de ser inmecanizable.
Las secciones gruesas pueden tener una sola capa superficial de fundición blanca que se
ha “enfriado” durante el moldeo, en el interior, donde la velocidad de enfriamiento es más
lenta, se forma fundición gris.
La fundición blanca generalmente se obtiene como producto de partida para fabricar
fundición maleable.
Fundición maleable
Calentando la fundición blanca a temperaturas comprendidas entre 800 y 900°C durante
períodos prolongados de tiempo en atmósfera neutra (para prevenir la oxidación), la
cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rocetas dentro de una matriz
ferrítica o perlítica. La estructura de la matriz depende de la velocidad de enfriamiento. La
figura 12.5 d reproduce una fotomicrografía de la fundición maleable.
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Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria
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Legajo N° 3149
Industrias mineras de base metálica - 2010 Página 19
Se observa que la microestructura es similar a la de la fundición esferoidal y origina
resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad. Sus aplicaciones más
representativas son tubos de dirección, engranajes de transmisión y cajas de diferencial para la
industria automovilística, rebordes, muelles tabulares y partes de válvulas para ferrocarriles,
marina, y otros servicios.
Fundición atruchada
Este nombre se aplica a productos que son mezclas de fundición blanca y fundición gris
con 2,5 a 3%C y 0,8 a 1,5%Si. Son productos heterogéneos utilizables para el moldeo; la
velocidad de enfriamiento tiene una gran importancia.
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En la siguiente tabla se muestra a modo de resumen algunas fundiciones con sus
propiedades mecánicas, composiciones y aplicaciones:
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Bibliografía Abril, E.R. “Metalurgia Técnica y Fundición”. Librería y editorial Alsina. Buenos
Aires, Argentina, año 1956.
Callister, W.D. “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales 1”.Editorial Reverté. Barcelona, España, año 2007.
Avner, S.H. “Introducción a la Metalurgia Física”. Editorial McGraw Hill. Mexico
DF, año 1988.
Quevron, L.; Oudine, L. “Curso de metalurgia”. 7ma Edición. Ed. Aguilar, S.A. de
ediciones. Madrid, España. Año 1963.
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