• Author / Uploaded
• gomibat

Citation preview

CAPITULO 40

FUNDICIONES 1.

Generalidades

Al estudiar las aleaciones hierro-carbono definimos téoricamentecomo fundición toda aleación hierro-carbono que contiene más del 1,76 070 de carbono. Sin embargo, en la práctica, el contenido de carbono de las fundiciones oscila entre el 2,5 yel 4,5 %. Además del carbono, suelen contener las fundiciones otros elementos, como el sicilio, manganeso, azufre y fósforo, en las proporciones siguientes: Carbono, 2,5 a 4,5 % Silicio, 0,5 a 4% Manganeso, 0,3 a 2070 Azufre, a 0,20% Fósforo, a 1,5 %

°°

Hay también fundiciones especiales qué tienen hasta un 15% de silicio y elementos de aleación como el niquel,cromo, molibdeno,.cobre,etc. La fundición se utiliza siempre para la obtención de piezas por moldeo, en moldes de arena o metálicos, y aunque pueden colarse directamente las piezas desde el horno alto, ya que el arrabio obtenido en ellos es fundición, casi siempre se utiliza fundición de segunda fusión, preparada: en crisoles, para pequeñas coladas; en bomos eléctricos, para fundicionesdecalidad;enbornos de reverbero, para fundir grandes piezas,yen hornos denominados cubilotes, que es donde se obtiene la mayor parte de la fundición. Los cubilotes sonhomoscilindricosde marcha discontinua y ventilación forzada, que se cargan por su parte superior con cargas alternadas dearrabiodealto horno, cok metalúrgico y castina como fundente, en las proporciones respectivas aProximadas de SOa 10 yaO,5. También se utiliza chatarra de hierro y acero sustituyendo a parte de la carga dearrabio.

2. Aplicaciones de las fundiciones La fundieiónseempleapara la fabricación de un número de piezascadadia mayor, desplazando incluso al acero en algunas piezas, como, >por .ejemplo, loscigiieñalesde motores, que tradicionalmente se fabricaban deac.ero. Esto se débea las innegables ventájasquetiene la fundieión,cuyos inconvenientes se han eliminado, en gran parte, en las fundiciones especiales. Las fundiciones tienen las siguientes ventajas: l.a La fabricaeiónde piezas con fundición es más sencilla que con acero: a) Porque la temperatura de fusión de lafundieiónes más baja y no necesita.de regulación especial. b) Se funden muy fáeilmentepiezas muy grandes y muy pequeñas. e) 'La mecanizaeiónde la fundición es más fácil que la del acero. 525

2.a Las fundiciones tienen características muy aceptables para muchas aplicaciones: resistencia a la compresión hasta 100 Kg. por mm2 , y a la tracción, hasta 90 Kg./mm2; muy buena resistencia al desgaste; una capacidad superior al acero para absorber vibraciones; cualidades autolubricantes, y más resistencia a la oxidación que el acero al carbonoo. 3.a Las piezas de fundición, por razón de su más fácil fabricación, son más baratas que las de acero.

3. Clases de fundiciones Hasta hace pocos años sólo se utilizaban tres clases de fundiciones: las blancas, las atrochadas y las grises. Sin embargo, el descubrimiento de las fundiciones maleables y la introducción de elementos de aleación han abierto un amplio campo a las fundiciones. Actualmente, las fundiciones pueden clasificarse con arreglo al siguiente cuadro: Blancas FuNDICIONES ORDINARIAS

.

Grises

Ferríticas Grises ordinarias Perlíticas

1

Atruchadas

De baja aleación FuNDICIONES ALEADAS

o

•••••••••

De alta aleación

Maleables FUNDICIONES ESPECIALES

.

! [

Resistentes a la rotura Resistentes al desgaste Resistentes al calor De alta dureza Al Al Al Al

níquel cromo silicio aluminio

Corazón blanco (europeas) Corazón negro (americanas) Maleable perlítica

1

De grafito esferoidal De grafito difuso FuNDICIONES ORDINARIAS

Las fundiciones ordinarias son las que únicamente contienen hierro, carbono y pequefias cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo, sin que en su elaboración intervenga ninguna técnica especial. Por el aspecto que presentan sus superficies de fractura, se clasifican las fundiciones ordinarias en blancas, grises y atrochadas. Las fundiciones blancas se denominan así porque el color que presenta su superficie de fractura es predominantemente blanco. En estas fundiciones todo el carbono que contienen está combinado con el hierro en forma de carburo de hierro (CFe3), o sea, cementita. Las fundiciones blancas son duras y frágiles. Las fundiciones grises deben su llombreal color gris que presenta su superficie de fractura, debido a que la mayor parte del carbono que las constituyen está en forma de grafito. Las fundiciones grises pueden clasificarse en ferríticas, grises ordinarias y perlíticas. 526

Las fundiciones ferríticas son las que contienen de 0,3 a 0,5 OJo de carbono combinado, Y entonces, del 20 al 50 OJo de su hierro está en forma de ferrita. Las fundiciones grises ordinarias contienen del 0,4 al 0,6 por ciento de carbono combinado. Y, por fin, las fundiciones perlíticas contienen aproximadamente 0,80 OJo de carbono combinado con el hierro, formando perlita. Las fundiciones grises, en general, son menos duras que las blancas, pero más tenaces. Su resistencia a la tracción varía con la proporción del carbono combinado: de 12 Kg.lmm2 en las fundiciones ferríticas, a 20 Kg.lmm2 en las fundiciones perlíticas. Las fundiciones atrochadas son intermedias entre las fundiciones blancas y grises, y sus superficies de fractura son también blancas y grises. En el cuadro n.o 1 figura la composición de los arrabios normalmente producidos en España, que son fundiciones ordinarias. CUADRO N.o 1 COMPOSICION DE LOS ARRABIOS MAS CORRIENTES OBTENIDOS EN LOS HORNOS ALlOS ESPAÑOLES Calidades

N.O N.O N.O N.O N.O

Composición %

C

Si

1

;

2 3 4 5

. . . .

3,25 3,25 3,50 3,50 3,50

3,50 2,40 2,10 1,80 1,40

Fundiciones atruchadas

.

4,00

0,90

Fundiciones blancas

.

4,00

0,80

Fundiciones grises

S

Mn

P

0,01-0,2

0,4-1,5

0,04-0,8

FUNDICIONES ALEADAS

Las fundiciones aleadas son las que contienen elementos de aleación, como níquel, cromo, molibdeno y manganeso, en cantidades suficientes para mejorar las propiedades mecánicas o químicas de las fundiciones ordinarias. Las fundiciones aleadas con menos del 5 OJo de elementos de aleación se denominan de baja aleación, y las que los contienen en proporciones superiores, de alta aleación. FuNDICIONES ESPECIALES

Las fundiciones maleables son fundiciones blancas, a las que se somete después a un tratamiento de recocido que se denomina de maleabilización, con objeto de transformar su constitución y aumentar su tenacidad y resistencia a la tracción. Hay tres clases de fundiciones maleables: la de corazón blanco, obtenida por el procedimiento europeo; la de corazón negro, obtenida por el procedimiento americano, y la maleable perlítica, que es una maleable de corazón negro a la que se ha sometido a un tratamiento complementario. Las fundiciones maleables tienen resistencia a la tracción y alargamiento superiores a las fundiciones ordinarias, llegando a una resistencia de tracción de 35 Kg.lmm2 y un alargamiento de un 20 OJo. Las fundiciones de grafito esferoidal son fundiciones especiales obtenídas mediante la adición de magnesio o de algún otro elemento, en el proceso de su elaboración, con 527

lo que se consigue que el grafito, que en las fundiciones ordinarias está en forma laminar, adquiera la forma esferoidal o nodular. El resultado de este cambio de estructura es un aumento en la resistencia a la tracción hasta de 90 Kg.lmm2 , y un alargamiento hasta un 15OJo. Las fundiciones de grafito difuso se obtienen partiendo de fundiciones blancas, que, una vez convenientemente tratadas, adquieren una constitución similar a los aceros eutectoides, con diminutos nódulos de grafito repartidos por toda su masa. La resistencia a la tracción de algunas condiciones de este tipo supera los 80 Kg.lmm2 , y el alargamiento resulta superior, algunas veces, al 4 OJo.

!1mclic;oI1PJ

. !lrÍJeJ'

3

,1

Aceros

l'

I ~

I

I I I'ul1ebciom>J 6/anccu

ti

"

o

{

2

3

5 ~ tleC

Fig. l.-Composición en carbono y silicio más corriente de las fundiciones grises, de las fundiciones blancas y de los aceros.

4.

Fundiciones blancas

Las fundiciones blancas son aleaciones hierro·carbono constituidas esencialmente por perlita y cementita. Su porcentaje de carbono puede variar entre 1,76 y 6,67 %. A medida que aumenta el porcentaje de carbono, aumenta el porcentaje de la cementita, desde el 27% que tiene con 1,76% de carbono, hasta el 100% cuando tiene 6,67% de C. y disminuye el porcentaje de perlita desde el 85 hasta el 0%. Las fundiciones blancas con un 4,3 OJo de carbono, que es la proporción eutéctica, se denominan fundidones eutécticas. Las fundiciones blancas con un contenido de carbono inferior al 4,3 % se denominan hipoeutécticas. Y las fundiciones blancas con contenido de carbono comprendido entre 4,3 y 6,67 % se denominan hipereutécticas. Las fundiciones blancas hipoeutécticas tienen una microestructura observable en el microscopio formada por agrupaciones derivadas de la ledeburita compuestas por cementita y perlita. . En cambio, la microestructura de las fundiciones blancas hipereutécticas está formada por grandes masas de cementita primaria (en lugar de la perlita de las hipoeutécticas) rodeadas también de agrupaciones de perlita y cementita. derivadas de la ledeburita. Las fundiciones blancas, en general, son muy duras, de 300 a 350 Brinell, pero frágiles y de poca tenacidad. Las fundiciones blancas no tienen mucho interés industrial, empleándose en su mayor parte para la obtención de fundiciones maleables, corno veremos más adelante;

5.

Fundiciones grises

Así como en las fundiciones blancas todo el carbono que contienen está en forma de carburo de hierro (eFe3)' o sea, f·ormando con el hierrocementita, en las fundi~ 528

ciones grises, teóricamente, todo el carbono debería estar en forma de grafito, y, por lo tanto, el hierro estaría en forma de ferrita. En la práctica, sin embargo, no existen ni se emplean fundiciones grises en que todo el carbono está en forma de grafito, sino fundiciones en que parte del carbono se encuentra formando cementita, y parte, en forma de grafito. CUADRO N.o 2 COMPOSICION DE LAS FUNDICIONES ORDINARIAS MAS EMPLEADAS EN ESPAÑA

Clase de fundición

Composición %

Gris ordinaria Gris alta resistencia Blanca

. .. .

C

Si

Mn

P

S

2,5-4,00 2,8-3,30 1,8-3,20

1,0-3,80 1,4-2,00 0,5-1,90

0,40-1,0 0,50-0,8 0,25-0,8

0,05-1,00 0,05-0,15 0,05-0,20

0,05-0,25 0,05-0,12 0,06-0,18

2,5-3,00 2,0-2,75

0,5-1,25 0,5-1,20

0,40-0,6 0,40-0,6

0,05-0,10' 0,05-0,10

0,05-0,10 0,05-0,10

Fundiciones blancas para la obtención de maleables: De corazón blanco (europeas) De corazón negro (americana)

. .

Las fundiciones grises tienen un peso específico de 7,25, inferior al peso específico de las blancas, que es alrededor del 7,7. Ello es debido a que el carbono en forma de grafito tiene un volumen mayor que combinado con el hierro en forma de cementita. Esto se traduce en un aumento de volumen de las fundiciones grises al enfriarse, entre los 1.000 0 y 800°, que son las temperaturas en que se forma el grafito. Las contracciones en la solidificación de las fundiciones varían con la clase de fundición. Así, las fundiciones grises se contraen solamente un 2,1 070, aproximadamente, en volumen (en longitud, 0,7 a 1,3 %), mientras que las fundiciones blancas se contraen un 4,4% en volumen (en longitud, 1,2 a 2%). El acero se contrae un 5,2% en volumen (en longitud, 1,5 a 2,6 %) (fig. 2). COH¿'or:aDhN" o

CÚ"/are:t'ClOITL".1 L"IT

.x

7r----------~----___.

i~: f

14M"

E,,¡;',__,eITb

f+PIJO fZIJO O (fJf)I)' /JDD o

--

6(J(J"

'HJD0

31M-

·C

Fi.g. 2.-Contraccíón en el enfriamiento de. las fundiciones blancas y grises.

La formación de grafito en las fundiciones, o sea, la formación de fundiciones grises en lugar de blancas, se debe a la influencia del silicio, que cuando está en proporción de 0,1 a 0,6%. en la fundición, no ejerce ninguna influencia apreciable; pero en proporciones de 0,6 a 3,5 % favorece la formación de grafito y, por tanto, modifica sustancialmente las propiedades de las fundiciones. Así, por ejemplo, una fundición de 4,5% 529

de e y 0,6 OJo de Si, es una fundición blanca; y, en cambio, otra fundición del mismo porcentaje de carbono y 2,5 OJo de silicio, es una fundición gris. Otra circunstancia que ejerce una gran influencia en la formación de fundiciones grises o fundiciones blancas es la velocidad de enfriamiento. Los enfriamientos lentos favorecen la formación de grafito y, por tanto, la formación también de fundiciones grises. Los enfriamientos rápidos favorecen la formación de fundiciones blancas. Así se ha observado que en piezas que tienen secciones de diferente espesor se forman fundiciones blancas en las secciones delgadas, y grises en las gruesas, a pesar de ser inicialmente toda la pieza de la misma composición (fig. 3). J)v,,,za

8,.;17,,/1

~(,o q::::::tt::--'--l-¡ 3110

320 300

260 260 2~0

220

200

E.rI'I!/o""" "..."...

J 3

+

""""';;--";;"""'-rr

\ I'v"t:ó~on hla"~a

Fig. 3.-Influencia del espesor de las piezas de fundición ordinaria en su composición y dureza.

PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES GRISES

Las fundiciones grises se mecanizan fácilmente. Tienen una gran resistencia a la corrosión; por eso son muy empleadas para la fabricación de piezas que han de quedar a la intemperie. Tienen también gran resistencia al desgaste, buenas cualidades autolubricantes y un gran capacidad de amortiguación a las vibraciones. Thdas estas. cualidades son principalmente debidas al grafito. La resistencia a la tracción de las fundiciones grises depende del carbono combinado, y puede calcularse, aproximadamente, por la fórmula: R = A (50 + 60 C) en la que R es la resistencia a la tracción, y A, un coeficiente que depende del tipo de grafito y varía de 0,2, si las láminas de grafito son grandes y numerosas, a 0,4, si son pocas y pequeñas, llegando a valer 0,8 en algunas fundiciones especiales. Por ejemplo, una fundición de grandes láminas de grafito y 0,4 OJo de carbono tendrá una resistencia de R

= 0,2

(50 + 60 x 0,4)

= 14,8

Kg.lmm 2

La resistencia a la tracción de las fundiciones grises ordinarias oscila entre 15 y 25 Kg.lmm2 , no superando nunca los 30 Kg.lmm2 • La resistencia a la compresión de las fundiciones grises no es igual a la tracción, como ocurre en los aceros, sino de 2 a 5 veces mayor. 530

CUADRO N.o 3 COMPOSICION DE LAS FUNDICIONES GRISES MAS UTILIZADAS PARA LAS APLICACIONES INDICADAS Clase de la pieza

Composición %

!

Espesor pequeño Espesor medio ... Espesor grande ... Piezas de ornamentación ................. Grandes ...................... Tubos Medianos ..................... Segmentos Camisas de cilindros ..................... Pistones de motores de explosión .......... Zapatas de freno ........................ Piezas delgadas de alta resistencia ......... Lingoteras Piezas blandas de máquinas .............. Ruedas ................................ Resistente al calor ....................... Piezas de maquinaria

{

•••••••••••••••••••

o

•••••••

••••••••••

o'

••

o'

•••••

o

•••••••••

C

Si

Mn

P

S

3,25 3,25 3,25 3,50 3,40 3,60 3,50 3,25 3,35 3,10 2,75 3,50 3,40 3,35 3,50

2,25 1,75 1,25 2,75 1,75 2,00 3,00 2,25 2,25 1,70 2,25 1,00 2,60 0,65 1,15

0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,65 0,65 0,65 0,50 0,80 0,90 0,65 0,60 0,80

0,25 0,25 0,25 1,00 0,80 0,80 0,50 0,75 0,15 0,15 0,10 0,20 0,30 0,35 0,10

0,10 0,10 0,10 0,10 0,08 0,08 0,06 0,08 0,10 0,10 0,09 0,07 0,10 0,12 0,07

COMPOSICIÓN DE LAS FUNDICIONES GRISES

Las fundiciones grises más empleadas tienen una composición de 3,25 OJo de C y 1,75 % de Si, siendo su resistencia a la tracción de unos 15 Kg./mm2 , y su dureza, unos 150 Brinell. La composición de las fundiciones grises no suele darse en porcentaje de carbono y silicio, sino por un número que representa la suma de los porcentajes de carbono y silicio (C + Si), o por el valor de % C

+ % Si + % P, recibiendo este valor el nombre de

3 3 carbono equivalente. De acuerdo con esto, se denominan fundiciones eutécticas las de carbono equivalente igual a 4,3; hipoeutécticas, las de carbono equivalente inferior a 4,3, e hipereutécticas, las de valor superior. Se han desarrollado también gráficos que dan la resistencia de las fundiciones grises en función de carbono equivalente y del espesor de las piezas (fig. 4). Sin embargo, el valor que todavía se sigue utilizando más es el del e + Si. "9 "U11'

4ar----,..---,..----,------,

30 t----"'""~-__+"___/_-+_--_l

(o 7 " - - - - ' - - - - - L - - - - ' - - - - - ; ; !

3

% Cqrbono

'+

er¡vl/K7!l1/lfe

:;

(% e -¡- fr /'-1- ?)

Fig. 4.-Resistencia a la tracción de las fundicioncs cn función del porcentaje de carbono equivalente.

531

6.

Fundiciones perliticas

Las fundiciones perlíticas son fundiciones grises cuyo carbono combinado está formando perlita laminar. Pueden considerarse estas fundiciones como aceros eutécticos con láminas de grafito incrustadas en la masa de la perlita. La perlita de las fundiciones contiene aproximadamente 0,80070 de carbono, es decir, una proporción algo menor que la del acero, que como se recordará contiene 0,80 % de C.

%C 5t--.--.-~.--.--.--r--"

4.3

l¡.

A

Fig. 5.-Diagrama de Maurer,que da la constitución de las fundiciones según el porcentaje de carbono y silicio que contienen. Zona 1: Fundiciones blancas. Zona II a: Fundiciones con perlita ycemenfita. Zona JI: Fundiciones perliticas. Zona II b:Fundiciones con perlita y ferrita. Zona lII:Fundiciones ferríficas. La zona rayada indica los porcentajes de carbono y silicio más adecuados para obtener fundiciones perlificas.

Como el carbono total que contienen las fundiciones perlíticas es la suma del carbonografítico y del carbono perlítico (0,80 %), tendremos: % de carbono grafítico =%decarbono total -

0,80%

A medida que disminuye el carbono total, disminuirá el porcentaje de grafito y, por tanto, aumentará la resistencia a la tracción de las fundiciones tanto más cuanto más se aproxime su composición a la perlítica, () sea, a un O,S007o de carbono total. Las resistencias a la tracción de las fundiciones perlíticasvarían de 20 a 35 Kg.lmm2 , y su dureza de ISO a 250 Brinell, teniendo una gran resistencia al desgaste. CUADRO N.o 4 INFillENCIA DE LA FORMA DE INTRODUCIR EL SILlCIOENLASCARACTERISTICAS MECANICAS DE UNAFUNDICIONDELA SIGUIENTECOMPOSICION: 3,04 a 3,10 % deC, 2,08 a 2,15% de Si y 0,88 a 0,90 % de Mn % Si

En las cargas .. En lacuchara

Total,

0'"

••••••••••

,

,

•••

0 '• • • • • • • •

DurezaBrinéll '" . Resistencia a la tracción en Kg.lmm2 532

2,17

1,50 0,58

1,00 1,15

0,50 1,57

2,13

2,17

2;08

2,15

2,07

2,13

228 25,0-27

223

217

28,4-30,2

33,2~33,3

217 33,7-34

217 27,6-27,7

.

Estas fundiciones tienen el inconveniente de que son difíciles de elaborar, por las temperaturas tan elevadas que es preciso alcanzar en el cubilote.

1. Inoculación La inoculación consiste en añadir al metal fundido en el canal de colada o en la cuchara, ferrosilicio o siliciuro cálcico, que son sustancias grafitantes y desoxidantes. Este procedimiento mejora notablemente la resistencia a la tracción de las fundiciones (fig. 6), y además evita la aparición de zonas blancas. En el cuadro n.O 4 puede verse la resistencia a la tracción de fundiciones a las que se ha aplicado este procedimiento. La fundición conocida con el nombre comercial de Meehanite es una fundición de 2,8 %de e y 1,1 OJo de Si, a laque se inocula siliciurocálcico en la cuchara de colada.

8. fundicionesaleadas Las fundiciones aleadas contienen, además del hierro y carbono y los elementos que impurifican las fundiciones ordinarias, otros elementos de aleación,algunoscomoelsilicio y manganeso que también se encuentran en las fundiciones no aleadas, pero en menor proporción, y otros que únicamente forman parte de este tipo de aleaciones; como son elníquel, cromo,aluminio, cobre, molibdeno, vanadio y titanio.

Fig.6.-Influenciade lainoculaciánen la resistencia a la tracciánde las fundíciones.

De los elementos de aleación citados, silicio, aluminio, níquel, titanio y cobre favorecen la grafitación del carbono, ysedisuelvenen la ferrita y la endurecen aumentando, porconsiguiellte, la resistencia a la tracción de las fundiciones. Encambio,cromQ, manganeso y molibdeno formancarbnrosconelcarbono y se oponen a lagrafitación, favoreciendo, por tanto, la formación de fundición blanca. 533

Además, níquel, manganeso y cobre aumentan la estabilidad de la austenita, como ocurre en los aceros, favoreciendo la formación de fundiciones de matriz (1) austenítica a la temperatura ambiente. En cambio, silicio, aluminio y molibdeno aumentan la estabilidad de la ferrita y favorecen la formación de fundiciones ferríticas. Además de los elementos citados, pueden contener las aleaciones aleadas, lo mismo que las ordinarias, azufre, fósforo, oxígeno e hidrógeno. El azufre es generalmente aportado a la fundición por el cok en el proceso de su fabricación. Se encuentra en forma de sulfuro de hierro y sulfuro de manganeso. El azufre favorece la formación de cementita y se opone a la grafitación del carbono. Pero como al combinarse con el manganeso forma sulfuro de manganeso, y en este compuesto químico ni el azufre ni el manganeso ofrecen ninguna influencia sobre la grafitación, resulta que si se añade azufre a una fundiCión que contiene manganeso, al principio neutraliza a éste y favorece la grafitación (el manganeso se opone a la grafitación) y sólo en cantidades mayores favorece el azufre la formación de cementita. Lo mismo ocurre cuando se añade manganeso a una fundición que tiene azufre. El contenido de azufre de las fundiciones, tanto aleadas como ordinarias, varía de 0,1 a 0,2 % Ysi el porcentaje es mayor puede dar lugar al fenómeno denominado temple invertido, pues el azufre en exceso queda segregado en la zona central de los lingotes, en la que favorece la formación de cementita, resultando por esto más dura que la periferia. El fósforo se añade a las fundiciones muchas veces con objeto de favorecer su fluidez cuando se quieren fabricar piezas de forma complicada. La influencia en el aumento de la fluidez de las fundiciones por parte del fósforo se debe a la formación del eutéctico steadita que describimos con anterioridad, cuyo punto de fusión muy bajo hace descender el de la fundición. El contenido normal de fósforo en una fundición es de 0,15 %, empleando contenidos más bajos para aumentar la resistencia a la tracción y contenidos más altos, de 0,50 a 2,50 OJo, para favorecer la fluidez. El oxígeno se encuentra en las fundiciones en forma de inclusiones no metálicas de óxido de hierro, óxido de manganeso, óxido de aluminio y óxido de silicio. El porcentaje de oxígeno oscila entre 0,002 y 0,02 %. El oxígeno se opone a la grafitación del carbono y disminuye la fluidez del metal en la colada. El hidrógeno es un elemento indeseable en las fundiciones que se presenta como impureza gaseosa que produce fundiciones porosas. El hidrógeno proviene del vapor de agua, del aire soplado, y de la humedad del cok y de la arena de los moldes.

9.

Fundiciones de baia aleación

Las fundiciones aleadas se suelen clasificar en dos grupos: las de baja aleación, con porcentajes del elemento aleado inferior al 5 %, y las de alta aleación, con porcentajes superiores al 5 %. Las fundiciones de baja aleación se suelen agrupar por la característica o propiedad que resulta más favorecida con la aleación en los siguientes grupos: 1. o Fundiciones de alta resistencia a la tracción. 2. o Fundiciones resistentes al desgaste. 3. o Fundiciones resistentes al calor. 4. o Fundiciones de gran dureza. LAS FUNDICIONES DE ALTA RESISTENCIA A LA TRACCiÓN tienen como elementos de aleación níquel, cromo y molibdeno en proporciones que llegan hasta 4,50 % de Ni, 2 % de Cr, 1 % deMo y 1,75 % de Cu. Algunas de estas aleaciones alcanzan una resistencia hasta de 50 Kg.lmm2 •

(1) . Se suele denominar «matriz» en la fundición al conjunto de sus constituyentes, excepto el grafito. 534

CUADRO N.o 5 COMPOSICION DE LAS ALEACIONES DE BAJA ALEACION MAS UTILIZADAS PARA LAS APLICACIONES INDICADAS (APRAIZ)

Fundidones aleadas de alta resistencia %C

Camisas de cilindros de motores de automóviles ..................

3,35 3,25 3,25 3,20 3,25 , 3,35

% SI

%Mn

% Cr

2,20 2,25 2,00 2,15 2,20 2,00

0,75 0,60 0,70 0,70 0,60 0,70

0,35 0,30

-

3,30 3,25 3M 3.20

2,25 2,00 2,40 1,90

0,65 0,60 0,70 0,70

2,50 2.80 3,00 1,50

2,50 2,10 2,00 0,95

1,00 0,70 0,80 0,70

Troqueles para estampaci,)n de chapa ..............................

3,25 3,50 '3,00 3,00

1,SO 1,50 2,20 1,45

1,25 0,50 0,75 0,90

Bancadas de máquinas ............

3,30 3,00 2,90

1,60 1,00 1,90

0,60 0,75 0,90

3,00 3,00 3,10 3,SO 3,40

0,60 0,55 0,60 0,90 0,60

0,25 0,20 0,20 1,30 0,25

Tambores de freno ..................

Cigüeñales ...........................

Cilindros de laminación en ca· liente ...............................

% Cu

-

%Mo

N°

'fe

-

0,75 0,25

0,50 1,00

-

-

-

0,60

0,50 0,50 0,35

-

1,00

-

0,50 0,20 1,75

0,30

-

-

0,25

-

1,00

0,50 0,75

-

-

-

1,00 0,60 0,75

1,00 1,75 1.50

0,50

-

-

-

-

-

-

0045

1,75

-

-

0,70

-

-

1,00 1,50

-

-

-

0;60 -

1,75 2,00 3,00

0,25 0,35

-

0,20

-

-

1,00 1,25 l,SO

-

-

-

2,20

0,35 0,90

0,25

O, 2,00 1,30

-

-

0,35 0,25 0,40

-

0,40

0,25 3,50' 4,50 4,SO

Fundiciones aleadas resistentes al desgaste CrNi alta en carbono (blanca) CrNi haja en carbono (blanca) Al manganeso (blanca) Fundición gris martensítica Alta aleación de cromo Alta aleación de molibdeno

. . . .. .. .

3,25 2,75 2,00 3,10 2.60 2,70

0,50 O,SO 2,90 1,75 1,SO l,SO

0,50 0,50 3,00 0,901 0,60 0,80

2,00 2,00 0,25 0,80 20,00 3,00

4,50 4,50 1,50 O,SO

1,50 6,00

4,10 2,00

2,00

Fundiciones aleadas resistentes al calor (400° a 750°) Al cromo tbaja aleación) .........

3,50 3,10 3,00

3,4ü

2,25 2,10 2,00 2.00

0,60 0,60 0,60 0,60

1,25 1,00

0,75 0,60

1,50

535

LAS FUNDICIONES RESISTENTES AL DESGASTE más utilizadas son de tres tipos:

1) Las fundiciones blancas al níquel, que contienen de 2,75 a 3,35 OJo de C, 4,5 % de Ni, 2 % de Cr y bajo contenido de silicio (0,5 %). Con estas fundiciones, una vez templadas y, por tanto, con matriz de constitución martensítíca, se obtienen durezas de 700 a 900 Vickers. 2) Las fundiciones blancas al manganeso contienen un 2 % de C, 2,90 % de Si y 3 % de Mn. Una vez templadas y, por tanto, con su matriz martens{tica, tienen unos 700 Vickers de dureza, es decir, son menos duras y más frágiles que las fundiciones blancas al níquel, pero son más baratas. 3) Las fundiciones grises autotemplantes se denominan así porque quedan templadas al enfriarse en la colada. Tienen 3 % de C, 1,75 % de Si, 4 % de Ni y 0,80 % de Cr. Su dureza oscila entre 450 y 500 Vickers. LAS FUNDICIONES RESISTENTES AL CALOR contienen de 1,50 al 2 % de silicio para limitar la grafitación del carbono, que es una de las causas que produce el hinchamiento de las fundiciones ordinarias cuando se calientan a temperatura superior a 500°. También contienen 1,25 % de cromo para estabilizar los carburos. Con estos elementos de aleación resisten perfectamente estas fundiciones temperaturas hasta 750°. LAS FUNDICIONES DE GRAN DUREZA son fundiciones blancas que tienen como elemento de aleación hasta 3 % de cromo. Son muy duras y resistentes a la abrasión, pero poco tenaces.

10.

Fundiciones de alta aleación

Las fundiciones de alta aleación contienen como elementos aleados níquel, cromo, silicio y aluminio principalmente en proporciones superiores al 5%. Las fundiciones con aleación del 15 al 35 % de níquel y porcentajes inferiores de cobre y cromo son austeníticas a la temperatura ambiente. Estas fundiciones son muy resistentes al calor sin sufrir hinchazón,. pero su propiedad principal es su alta resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis, por lo que se emplean mucho para la construcción de recipientes para la industria química. Tienen el inconveniente de que su coeficiente de dilatación es muy alto, por lo que resisten mal los calentamientos y enfriamientos bruscos. Las fundiciones con porcentajes de cromo comprendidos entre 6 % Y 33 % resisten bien el calor hasta temperaturas de 1.000° y las variaciones bruscas de temperatura. Son también muy resistentes a la corrosión de los ácidos y álcalis. Las fundiciones con porcentajes de silicio variables entre 6,50 y 15 % resisten también temperaturas muy elevadas,. hasta 750°. Son muy resistentes a la oxidación y corrosión de los ácidos.

Y, por fin, las fundiciones aleadas con aluminio en proporciones del 7 al 8 OJo resisten bien temperaturas hasta de 2.000°, pero son difíciles de mecanizar. Su resistencia a la tracción es de unos 14 Kg.lmm2 y su dureza de unos 400 Brinell.

11 ~

Tratamientos termicos de las fundiciones. Recocido

Las fundiciones ordinarias y aleadas mejoran de propiedades sometidas a los tratamientos térmicos fundamentales de recocido, temple y revenido. Los ablandamientos que se obtienen en los recocidos y endurecimientos en los temples,. son inferiores a los que se obtienen con los aceros, pues sólo una parte de los constituyentes de las fundiciones son susceptibles de transformación. Sin embargo, las variaciones en dureza y resistencia son suficientemente importantes para justificar la aplicación de los tratamientos térmicos a las fundiciones. 536

RECOCIDO DE LAS FUNDICIONES

Del 1. ° 2. ° 3. °

recocido se emplean tres modalidades para las fundiciones: Recocido de estabilización. Recocido de ablandamiento. Recocido de maleabilización.

El recocido de estabilización tiene por objeto eliminar las tensiones producidas por los calentamientos y enfriamientos más o menos rápidos o por la variación de forma en la conformación de las fundiciones. Se realiza calentando las piezas muy lentamente hasta los 550°, manteniendo después esta temperatura de 30 a 60 minutos y enfriando después lo más lentamente posible. El recocido de ablandamiento se aplica principalmente a las fundiciones grises y atruchadas y se realiza calentando a temperaturas comprendidas entre 740° y 900°. Si el calentamiento no ha rebasado los 740° puede enfriarse al aire obteniéndose durezas de unos 125 Brinen. Pero si la dureza inicial de las piezas es superior a 250 Brinen, resulta insuficiente el ablandamiento obtenido calentando hasta 740° y es necesario elevar la temperatura de recocido de 800° a 900°, debiendo enfriar después lentamente hasta 700° y a partir de esta temperatura continuar el enfriamiento al aire. El recocido de maleabllización es un recocido especial que se aplica a las fundiciones blancas para transformarlas en maleables, como veremos más adelante.

12.

Temple y revenido de las fundiciones

El temple y revenido se aplica también a las fundiciones grises y aleadas con objeto de aumentar su dureza, resistencia a la tracción y resistencia al desgaste. Sin embargo, el resultado de la aplicación del temple y revenido no proporcionan los mismos resultados con las fundiciones que con los aceros, y pudiéramos decir que son contrarios en cuanto a la resistencia a la tracción se refiere. Dureza

Reslsfencla /(!lm.m Jl 600 ~--r---"'--r--""--""--""--"""""--; 60

Brtnell

50

ZOO fO

100 ~~~~~~.~.~.~.~.~.~~

léml'el'O/tua ot> revenido Fig.

7.~Influencia

de las temperaturas de revenido en la dureza y tracción de las fundiciones grises (Apráiz).

Como se recordará, en los aceros con el temple se aumentaba la resistencia a la tracción y posteriormente con el revenido se reducía esta resistencia mejorando la tenacidad. En las fundiciones, sin embargo, el temple disminuye la resistencia a la tracción de las fundiciones y el revenido la aumenta (fig.1) hasta una temperatura determinada, por encima de la cual la disminuye también como en los aceros. 537

La dureza, en cambio, resulta como en los aceros aumentada con el temple y disminuida con el revenido. Los resultados de la aplicación del temple y revenido a las fundiciones depende, como es natural, de la constitución de éstas. Si están formadas por una matriz ferrítica no se obtendrán resultados apreciables en el tratamiento, pero si la matriz está formada por perlita pueden obtenerse grandes mejoras en la dureza y resistencia al desgaste, pero nunca se obtendrá una gran mejora en la resistencia de tracción. El temple se realiza como en los aceros, calentando las fundiciones a una temperatura suficientemente elevada para transformar su constitución, por lo menos en parte, en austenita, enfriando después a una velocidad superior a la crítica para que la austenita se transforme en martensita o en otros constituyentes, cuyas propiedades sean preferibles a la martensita por alguna circunstancia especial como es la bainita. Las temperaturas utilizadas varían entre 750° y 900°. El enfriamiento se recomienda realizar en aceite, pues si se enfría en agua se originan fuertes tensiones entre las diversas zonas de las piezas que pueden degenerar en deformaciones y roturas. Sin embargo, el enfriamiento en aceite no se puede aplicar si las piezas son gruesas más que a las fundiciones aleadas con cromo, cobre, níquel y molibdeno que mejoran su templabilidad, pues las fundiciones ordinarias enfriadas en aceite quedan sin templar. Esto sucede porque el tamaño de las piezas tiene la misma influencia en el temple de las fundiciones que tenía en el temple del acero. REVENIDO DE LAS FUNDICIONES

Los revenidos se realizan a temperaturas altas de 450° a 650° cuando interesa obtener buena resistencia a la tracción y una tenacidad aceptable. En cambio, cuando se desea principalmente mejorar la dureza y resistencia al desgaste, se reviene a temperaturas entre 200° y 450°.

13.

Temple superficial de las fundiciones

De la misma manera que en los aceros, puede endurecerse la superficie de las piezas de fundición, calentándolas superficialmente por inducción y más frecuentemente con una llama oxiacetilénica y enfriando inmediatamente después con agua. Por este procedimiento se transforma en martensita la matriz de una zona superficial de la fundición, que, por tanto, aumenta su dureza y resistencia al desgaste. En cambio, el núcleo de la pieza conserva su dureza y tenacidad inicial. Este tratamiento, que también se denomina flameado de las fundiciones, tiene una gran aplicación a las fundiciones perlíticas de 0,6 a 0,8 OJo de carbono y tiene las ventajas de su rapidez y de la casi total ausencia de las tensiones residuales, que forzosamente se producen cuando se calienta y templa la totalidad de las piezas.

14. l

Nitruración de las fundiciones

También la nitruración, que vimos cómo se aplicaba a los aceros, se emplea para el tratamiento de algunas fundiciones de bajo contenido de carbono aleadas con cromo y aluminio. La nitruración se realiza calentando las piezas a 510° durante 90 a 100 horas en atmósfera de amoníaco disociado, con lo que la dureza alcanza de 800 a 1.000 Vickers.

15.

Fundiciones maleables

Las fundiciones ordinarias son poco tenaces, lo que las hace poco recomendables cuando se han de resistir golpes o tracciones bruscas. Por eso y desde hace muchos años se ha trabajado en la mejora de la tenacidad de las fundiciones ordinarias variando su composición y sometiéndolas a tratamientos complementarios. Las primeras fundiciones de características mejoradas fueron las denomi538

nadas maleables, que, conservando las buenas cualidades típicas de las fundiciones, como son la facilidad de moldeo, resistencia a la oxidación, propiedades autolubricantes, etc., tienen también alargamientos hasta de un 20 Ojo que resultan perfectamente aceptables para muchas aplicaciones. El proceso de fabricación de las fundiciones maleables se realiza en dos fases principales: 1. o Fabricación de las piezas en fundición blanca. 2. o Recocido de maleabilización de las piezas fabricadas. Para la realización de estos dos ciclos, existen dos procedimientos que se han denominado Europeo y Americano, con los que se producen fundiciones maleables de corazón .blanco por el procedimiento Europeo, y fundiciones maleables de corazón negro por el procedimiento Americano. La fundición maleable perlítica es una maleable de corazón negro de constitución especial.

J

2

,J+~--o+o>----"'-----l"""---'=--~

Dias

~

Fig. 8.-Ciclo de recocido para la obtención de la fundición maleable de corazón blanco.

FuNDICIÓN MALEABLE DE CORAZÓN BLANCO

La fundición maleable de corazón blanco se fabrica partiendo de piezas moldeadas con fundición blanca, y aunque teóricamente pueden éstas tener cualquier porcentaje de carbono, interesa que sea lo más bajo posible, para que así sea menor el que haya que transformar o eliminar. El porcentaje de silicio debe variar, según el espesor de las piezas, entre 0,60 y 1,5 %. Una composición típica de la fundición blanca para fabricación de fundición maleable por el procedimiento Europeo es la siguiente: 2,5 a 3 % de e, 0,5 a 1,25 % de Si, 0,50OJo de Mn, 0,10% de P y 0,10% de S, o sea, e + Si = 4%.

Hg. 9.-Consütueióri de una lúridición maleable de corazón blanco x 100. En la periferia (parte derecha), la constitución es ferrítica Y el núcleo (parte izquierda) está constituido por ferrita y nódulos aislados de grafito.

539

El recocido de maleabilización de la fundición blanca por el procedimiento Europeo se realiza envolviendo las piezas con un material oxidante, como mineral de hierro, cascarillas de laminación, etc., dentro de cajas cerradas que se calientan en un horno a temperaturas comprendidas entre 900° y 1.000°.. El proceso dura seis días; un día para elevación de temperatura muy lentamente, tres días de permanencia a la temperatura máxima y dos días para el enfriamiento (fig. 8). Por medio de este recocido se descarbura la fundición blanca, por la acción oxidante de la cascarilla que rodea las piezas. Primero se descarbura una zona superficial y después por difusión del carbono del interior hacia el exterior se va descarburando la totalidad de la pieza, si no es de mucho espesor. Modernamente se acorta el del ciclo de recocido de las fundiciones blancas en el procedimiento Europeo utilizando hornos potentes y atmósferas descarburantes, en lugar de material oxidante y cajas de recocido. Con este sistema se acorta extraordinariamente la duración del ciclo, como puede verse en el cuadro n.O 6. CUADRO N.O 6 DURACION DEL RECOCIDO DE MALEABILIZACION A 1.000° C PARA LA OBTENCION DE FUNDICION MALEABLE DE CORAZON BLANCO, EN CICro NORMAL EN CAJAS O EN CICro RAPIDO EN ATMOSFERA CARBURANTE Espesor de las piezas en mm. . .. . . .. . .. . .. . . Duración en horas del recocido dentro de cajas y rodeado de mineral.......... Duración en horas del recocido, sin cajas, con atmósfera descarburante .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .

5

10

15

20

55

170

225

275

45

65

72

80

Después del recocido de maleabilización queda la fundición de corazón blanco con una resistencia a la tracción de R = 35 Kg./mm2 y un alargamiento de A = 5 a 100/0. fuNDICIÓN MALEABLE DE CORAZÓN NEGRO

La fundición maleable de corazón negro se prepara con fundiciones blancas de contenidos de silicio de 1 a 1,2 % y, por tanto, superiores a los empleados en las fundiciones blancas para la obtención de las fundiciones maleables por el procedimiento Europeo. El contenido de carbono debe ser necesariamente bajo y también los contenidos de manganeso y azufre, debiendo estar estos últimos elementos en la relación de % de Mn = 070 de S X 1,7 + 0,20%

oc

1~·,..--_-I-

-+

-,

Fig. 1O.-Ciclo de recocido para la obtención de la fundición maleable de corazón negro.

540

Una composición muy corriente de fundiciones blancas para la fabricación de maleables es la siguiente: 2 a 2,75 OJo de C, 1,20 % de Si, 0,5 % de Mn, 0,10 % de P y 0,20 % de S, o sea, C + Si = 3,5 %. El recocido de maleabilización por el procedimiento Americano se realiza colocando las piezas de fundición blanca apropiada rodeadas de un material neutro, como arena, en lugar de un material oxidante, como en el procedimiento Europeo, dentro de cajas cerradas que se someten después a un calentamiento hasta una temperatura de 875°, empleando un día para elevar la temperatura, dos para mantenerla y tres para enfriar. En total, seis días (fig. 10). Modernamente se ha logrado acortar este ciclo de calentamiento reduciéndolo a 50 horas utilizando el proceso de la figura l2-A, y hasta una duración total de 40 horas utilizando el ciclo de la figura l2-B.

Hg. H.-Constitución de la fundición maleable de corazón negro, formada por nódulos de grafito sobre ferrita. x 250. Reactivo nital = 4.

Con este recocido, la fundición blanca no se descarbura como en el procedimiento Europeo, sino que el carbono se precipita en forma de nódulos de grafito, resultando un material muy tenaz con una resistencia de tracción hasta de R = 38 Kg.lmm 2 y alargamientos A = 10 al 20 %. Es decir, características superiores a las obtenidas con la maleable Europa, teniendo la ventaja además de que pueden tratarse piezas de más de 30 mm. de espesor, mientras que por el procedimiento Europeo no conviene pasar de 10 mm. FuNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA

La fundición maleable perlítica es una variante moderna de la maleable Americana de corazón negro, que tiene en lugar de matriz ferrítica como ésta una matriz perlítica más dura y resistente. Se fabrica como la maleable Americana, con la diferencia de que el enfriamiento, que en ésta es lento, debe ser mucho más rápido. Pero si se utilizan fundiciones blancas con proporción de manganeso superior a lo normal, se obtienen fundiciones maleables perlíticas enfriando a la velocidad normal del procedimiento Americano, pues el manganeso favorece la formación de la perlita (fig. 13). La dureza obtenible en una fundición maleable de perlita varía según la velocidad de enfriamiento, pudiendo tomar como orientación para un descenso de temperatura d~ 10° por minuto, una dureza de 165 Brinen y una resistencia a la tracción R

= 60 Kg.lmm2 •

541

De

1000'rO

o

10

ZO

JD 40 50

o

-,

lo

20 30 -'10 50

hOhZJ A

horcV

B

Fig. 12.-Ciclos de recocido rápido para obtención de fundiciones de corazón negro, realizadas en instalaciones que no emplean cajas de recocido.

16.

Fundiciones de grafito esferoidal

Las fundiciones de este tipo tienen el grafito en forma de nódulos, sensiblemente esféricos, de un diámetro aproximado de 0,05 mm. Para su fabricación se parte de fundiciones grises ordinarias, a las que se añade magnesio en la cuchara de colada, y un inoculante, una vez que se han trasvasado a una segunda cuchara de colada.

r - - - - - - - - - - - - - r f~