fundicion

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA
FACULTAD DE INGENIERIA
FUNDICION NODOLAR
FUNDICIONES:
Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio, aunque
generalmente contienen también manganeso, fósforo, azufre, etc. Son de
mayor contenido de carbono que los aceros ( de 2 al 4,5 %) y adquieren su
forma definitiva por colada, no siendo nunca las fundiciones sometidas a
procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente, por lo que no pueden
forjarse ni grises, que en la práctica son las más importantes, aparecen
laminarse.
En las fundiciones durante la solidificación y posterior enfriamiento laminas
de grafito, que al originar discontinuidades en la matriz, son la causa de que las
características mecánicas de las fundiciones grises sean, en general muy
inferiores a las de los aceros, aunque sean, sin embargo, suficientes para una
amplia variedad de aplicaciones.
En las fundiciones blancas aparecen en su solidificación un constituyente
llamado ledeburita, que es un eutéctico formado por austenita saturada y
cementita, que no existe en los aceros y que al enfriarse queda transformado
en agrupaciones muy particulares de cementita y perlita. La presencia de
cantidades importantes de cementita y de esos de cementita y perlita reunidos
en forma similar a la que corresponde a los eutécticos, es la causa de la gran
fragilidad de las fundiciones blancas.
Hay algunas fundiciones que son tenaces y tienen cierta ductilidad. En este
grupo se incluyen las fundiciones maleables y otras especiales como las
fundiciones nodulares también llamadas, fundiciones dúctiles de grafito
esferoidal o hierro dúctil.
El cubilote es la instalación mas empleada para la fabricación de la mayoría
de las piezas de fundición. Un porcentaje de piezas mucho menor se obtiene
utilizando hornos de reverbero, hornos con crisol y hornos eléctricos, siendo
estas ultimas instalaciones las mas utilizadas para la fabricación de fundiciones
de calidad, fundiciones aleadas y de alta resistencia. En algunos casos
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especiales se fabrican piezas de gran tamaño, colando directamente la
fundición desde el alto horno.
Para la fabricación de piezas de fundición se emplea generalmente como
materia prima el arrabio o lingote de hierro, utilizándose también en las cargas
de hornos y cubilotes, chatarras de fundición y a menudo chatarra de acero.
Durante los procesos de fabricación se suelen hacer algunas veces, adiciones
de ferrosilicio y ferromanganeso, y en algunas ocasiones especiales, se añade
ferrocromo, níquel, etc., para obtener en cada caso la composición deseada.
Teóricamente, las fundiciones pueden contener de acuerdo con el diagrama
hierro-carbono, de 1.7-6.67% de carbono. Sin embargo en la practica, su
contenido varia de 2-4.5%, siendo lo mas frecuente que oscile de 2.75-3.5%. el
contenido de silicio suele oscilar de 0.5-3.5% y el manganeso de 0.42%.excepcionalmente, los contenidos en silicio y manganeso llegan algunas
veces a 4% y en ocasiones se fabrican fundiciones especiales hasta de 15% de
silicio. Los porcentajes de azufre suelen oscilar de 0.01-0.20%, los de fósforo
de 0.04-0.08% y en algunos casos llega a 1.5%. para conseguir ciertas
características especiales, se fabrican fundiciones aleadas que, además de los
elementos citados, contienen también porcentajes variables de cobre, níquel,
cromo, molibdeno, etc..
PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES
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El empleo de la fundición para la fabricación de piezas para usos muy
diversos, ofrece, entre otras las siguientes ventajas:
 Las piezas de fundición son, en general más baratas que las de acero, y
su fabricación es también más sencilla por emplearse instalaciones
menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente poco
elevadas, siendo menores que las correspondientes a los aceros.
 Las fundiciones son, en general, mucho más fáciles de mecanizar que
los aceros.
 Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones
y también piezas pequeñas y complicadas, que se pueden obtener con
gran precisión de formas y medidas, siendo además en ellas mucho
menos frecuentes la aparición de zonas porosas que en las piezas
fabricadas con acero fundido.
 Para numerosos elementos d motores, maquinaria, etc., son suficientes
las características mecánicas que poseen las fundiciones. Su resistencia
a la compresión es muy elevada (50 a 100 Kg./mm²) y su resistencia a la
tracción (12 a 90 Kg./mm²) es también aceptable para muchas
aplicaciones. Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien
(mejor que el acero) las vibraciones de máquinas, motores, etc., a que a
veces están sometidas.
 Su fabricación exige menos precauciones que la del acero.
 Como la temperatura de fusión de las fundiciones es bastante baja, se
pueden sobrepasar con bastante facilidad, por lo que en general suele
ser bastante fácil conseguir que las fundiciones de estado líquido tengan
gran fluidez, y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco
espesor. En la solidificación presentan mucha menos contracción que
los aceros y además su fabricación no exige como en la de los aceros, el
empleo de refractarios relativamente especiales.
 En el caso particular de la fundición nodular, posee excelentes
características y en muchos casos llegan a ser una gran competencia
para el acero.
CLASIFICACION DE LAS FUNDICIONES
Por ser muchos y muy diferentes los factores que hay que tener en cuenta
para la calificación y selección de las fundiciones, es difícil establecer una
clasificación simple y clara de las mismas. La más antigua y conocida de las
clasificaciones establece cuatro grupos: fundición blanca, gris, atruchada y
maleable. A estos cuatro grupos se añade en la actualidad otro grupo, el de las
funciones especiales, en el que se pueden incluir las fundiciones aleadas que
contienen elementos especiales, las fundiciones nodulares, aciculares,
inoculadas, etc..
Clasificación de las funciones por su micro estructura:
Las fundiciones que se obtienen en los altos hornos y en los cubilotes se
pueden clasificar de acuerdo con la microestructura en tres grandes grupos:
 Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra combinado,
formando cementita y que al romperse presentan fractura de fundición
blanca.
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 Fundiciones en las que todo el carbono ser encuentra en estado libe,
formando grafito. Son fundiciones ferríticas.
 Fundiciones en las que parte del carbono se encuentra combinado
formando cementita y parte libre en forma de grafito. A este grupo que
es el más importante de todos pertenece la mayoría de las fundiciones
que se fabrican y utilizan normalmente, como son las fundiciones grises,
atruchadas, perlíticas, etc..
Es interesante señalar que en la práctica es muy difícil encontrar fundiciones
en las que todo el carbono aparezca en forma de grafito.
Con un criterio amplio, también se podrían incluir en este segundo grupo,
auque no encajan exactamente en él, las fundiciones maleables, cuya matriz es
de ferrita y en las que el grafito se presenta en forma de nódulos. La fundición
maleable se obtiene en dos etapas: primero se fabrica la fundición blancas y
luego, por recocido de esta, se obtiene la fundición maleable.
hierro nodular
hierro perlítico nodular
PRINCIPALES
FUNDICIONES
CONSTITUYENTES
MATERIALES DE INGENIERIA
MICROSCOPICOS
DE
LAS
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Los más importantes son la ferrita, la cementita, la perlita (formada por ferrita y
cementita), el grafito y la steadita. También aparecen en ocasiones, la sorbita,
la troostita, la bainita y la martencita. También se pueden señalar las
inclusiones no metálicas de sulfuro de manganeso, y como menos importante
los silicatos complejos de hierro y manganeso.
El grafito es una forma elemental del carbono. Es blando, untuoso, de color
gris oscuro, con peso específico = 2,25, que es aproximadamente 1/3 del que
tiene el acero. Se presenta en estado libre en algunas clases de fundiciones,
ejerciendo una influencia muy importante en sus propiedades y características.
Estas dependen fundamentalmente de la forma del grafito, de su tamaño,
cantidad y de la forma en que se encuentre distribuido.
En las fundiciones grises, que son las de mayor aplicación industrial, se
presentan en forma de láminas u hojuelas.
En las fundiciones maleables se presentan en forma de nódulos, y en otras
especiales en forma esferoidal.
En el caso de fundiciones grises, la presencia de grafito en cantidad
importante, baja la dureza, la resistencia y el módulo de elasticidad, en
comparación con los valores que corresponderían a las mismas
microestructuras sin grafito, es decir, a la matriz que se puede considerar como
un acero. El grafito, además reduce casi a cero su ductilidad, su tenacidad y su
plasticidad.
En cambio, el grafito mejora su resistencia al desgaste y a la corrosión.
Disminuye el peligro de los agarrotamientos por roces de mecanismos y piezas
de máquinas y motores, ya que en cierto modo actúa como un lubricante.
También mejoran la maquinabilidad y reduce las contricciones durante la
solidificación.
Cuando se presenta en forma de nódulos o esferoidal, la reducción de la
resistencia y de la tenacidad es menor. Por ello estas fundiciones tienen
mayores resistencia y alargamiento que las fundiciones grises ordinarias.
La steadita es un compuesto de naturaleza eutéctica, duro y frágil de bajo
punto de fusión ( 960 º c) que aparece en las fundiciones de alto contenido en
fósforo ( en general se presentan cuando el P> 0.15%). La steadita tiene un
10 % de fósforo y su peso especifico es próximo al del hierro.
Las principales características de la ferrita se señalan al estudiar el acero.
Cuando se presenta en las fundiciones suele tener en disolución cantidades
muy importantes de silicio que elevan su dureza y resistencia.
Perlita . Aquí conviene señalar que, debido a la presencia de silicio, el
contenido de carbono de la perlita de las fundiciones es menor al de los aceros.
Al variar en las fundiciones el silicio de 0.5 a 3 %, varia el % de carbono de la
perlita de 0.8 a 0.5 %.
Ledeburita. Es el constituyente eutéctico que se forma en el enfriamiento de
las fundiciones a 1145º C aproximadamente, en el momento en el que termina
la solidificación. Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita
saturada. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones
ordinarias, debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita.
Sin embargo, en las fundiciones se puede conocer las zonas donde existió la
ledeburita, por el aspecto eutéctico con que quedan esas agrupaciones de
perlita y cementita.
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FUNDICIONES NODULARES CON GRAFITO ESFEROIDAL
Las fundiciones nodulares con grafito esferoidal, que de aquí en adelante
llamaremos hierro dúctil, por simplificación y por ser la denominación
empleada en los países industrializados, se conocen solo desde fines de la
década del 40, pero ha crecido en importancia y actualmente representa a
rededor de un 20 a 30 % de la producción de fundiciones en los países mas
industrializados. A diferencia del hierro gris, el cual contiene grafito en hojuelas,
el hierro dúctil es una estructura fundida que contiene partículas de g5rafito en
forma de pequeños, redondeados y esferoidales nódulos en una matriz
metálica dúctil. Por lo tanto, el hierro dúctil tiene mucha mayor resistencia que
el hierro gris y un considerable grado de ductilidad, ambas propiedades del
hierro dúctil, como también muchas otras pueden ser además mejoradas por
tratamientos térmicos.
El hierro dúctil también supera las propiedades y aplicaciones de las
fundiciones maleables. Este tiene la ventaja de no tener que ser colado como
fundición blanca y luego recocido para fundiciones de espesores de 6 mm y
mayores, pudiendo ser manufacturadas en secciones con espesores de muy
variables dimensiones. Sin embargo, no puede ser producido rutinariamente en
secciones muy delgadas con la misma ductilidad, y dichas secciones necesitan
usualmente de un tratamiento térmico para desarrollar su ductilidad. Este tiene
la ventaja, en común con el hierro gris de una excelente fluidez, pero requiere
más cuidados para asegurar buenas coladas y para evitar bordes duros y
carburos en las secciones, generalmente se obtienen rendimientos de coladas
menores que en el hierro gris. Comparado al acero y a la fundición maleable,
es más fácil hacer buenas coladas y se obtiene un mejor rendimiento, sin
embargo, a veces se requieren más cuidados en el moldeo y el fundido.
El hierro dúctil se logra tratando el hierro fundido líquido de bajo contenido de
azufre, con un aditivo que contiene magnesio y seguidamente es inoculado
justo antes o durante la colada con una aleación que contiene silicio. Hay
muchas variaciones en la práctica comercial de este tratamiento. En general el
rango de la composición es similar al del hierro gris, pero hay un número de
diferencias importantes.
MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCION DE HIERRO DUCTIL
La forma esferidal del grafito que caracteriza al hierro dúctil es producida
usualmente con un contenido de magnesio de aproximadamente de 0.04 a 0.06
%. El magnesio es un elemento altamente reactivo a la temperatura del hierro
fundido, combinándose fácilmente con oxígeno y azufre. Para economizar
magnesio y por la limpieza del metal, el contenido de azufre del hierro a ser
tratado debe ser bajo (preferiblemente < 0.02%), esto se logra fácilmente en un
horno eléctrico por fundición de cargas basadas en chatarra de acero a hierro
en lingotes de calidad especial para la producción del hierro dúctil, junto con
chatarra de hierro dúctil. El bajo contenido de azufre puede obtenerse también
por fundición en una cúpula básica, ya que el ácido del hierro fundido de la
cúpula tiene un alto contenido de azufre y normalmente necesita ser
desulfurado antes del tratamiento por desulfurización continua o en serie en un
cucharón o recipiente especial. El tratamiento en cúpula ácida del hierro
fundido sin la desulfurización previa no es recomendable, porque el hierro
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consume más magnesio y produce excesiva escoria de sulfuro de magnesio,
que es difícil de remover por completo. Para producir hiero dúctil con la mejor
combinación de resistencia, alta ductilidad y dureza, las materias primas que
deben elegirse serán aquellas con bajo contenido de elementos indeseables,
particularmente aquellos que promueven una matriz de estructura perlítica. Un
bajo contenido de magnesio es también necesario para conseguir ductilidad del
material colado y para facilitar el éxito de los tratamientos térmicos para
producir una estructura ferrítica. Para este propósito es necesario usar chatarra
de acero de calidad especial o hierro en lingotes, también de calidades
especiales.
Las calidades de alta resistencia de hierro dúctil pueden ser hechas de
chatarra de acero estructural, hierro en lingotes y retornos de fundición, pero
determinados elementos, tales como, plomo, antimonio y titanio, son
mantenidos siempre lo más bajo posible para lograr una buena estructura de
grafito. Esos efectos indeseables, sin embargo, ser compensados con la
adición de una pequeña cantidad de cerio que da un contenido residual de
cerio de 0.003 a 0.01%. Un importante control de las materias primas implica la
exclusión del aluminio que puede promover fragilizaciones y defectos
superficiales en el siguiente cuadro se muestran los contenidos típicos de los
elementos menores de tres materias primas usadas en la manufactura de
hierro dúctil.
Elementos
menores
Manganeso
Azufre
Fósforo
Níquel
Cromo
Cobre
Molibdeno
Aluminio
Estaño
Astuto
Boro
Vanadio
Hierro en lingotes Acero
0.04
0.015
0.013
0.06
0.01
0.02
0.01
<0.005
<0.01
<0.01
0.0005
<0.01
0.26
0.015
0.016
0.01
0.01
0.02
0.01
<0.005
<0.01
<0.01
0.0006
0.01
Acero estructural
(scrap)
0.4-0.9
0.023
0.015
0.08
0.2
0.08
0.02
<0.005
0.02-0.04
0.01-0.04
0.0008
0.02
CONTROL DE LA COMPOSICION
Carbono. En la práctica de la fundición en hornos eléctricos, el carbono deriva
del hierro en lingotes, carburizantes y chatarra de hierro fundido. La
carburización de cargas de chatarra de acero se logra agregando grafito de
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bajo azufre o coque grafitizado, la proporción de solución y la recuperación del
carbono aumenta con la pureza de la fuente de carbono usada. En cúpula de
fundido, el carbono también deriva del coque cargado. El rango óptimo para
este elemento es de 3.4 a 3.85%, dependiendo del contenido de silicio. Por
encima de este rango, hay peligro de flotación de grafito, (especialmente en
secciones pesadas) y de un aumento en la expansión durante la solidificación,
que conlleva a fragilizaciones, particularmente en moldes de arena blanda. Por
debajo de este rango, las fragilidades pueden también ocurrir por la falta de
carbono.
Silicio. El silicio entra al hierro dúctil desde las materias primas, incluyendo
chatarra de hierro fundido, hierro en lingotes y ferroaleaciones, y en pequeña
parte desde el contenido de silicio de las aleaciones agregadas durante la
inoculación. El rango preferente es de alrededor de 2 a 2.8%. Más bajos
niveles de silicio conducen a una alta ductilidad en hierros tratados
térmicamente, pero a peligros de carburos en las secciones delgadas, mientras
que un alto contenido de silicio acelera el recocido y ayuda a evitar carburos en
las secciones delgadas. Así como crece el contenido de silicio, la temperatura
de transición dúctil-frágil en hierro ferrítico aumenta. La dureza y la resistencia
a la tracción también aumentan.
Carbono equivalente (CE). Los contenidos de carbono, silicio y fósforo
pueden ser considerados juntos como un valor de CE, que puede ser una guía
muy útil para analizar el comportamiento de las fundiciones y algunas
propiedades. Hay varias formulas de CE, y son muy usadas para calcular las
propiedades de la fundición y la estructura solidificada del hierro. Cuando el
carbono equivalente:
CE = c% +1/3 (Si% + P%)
Es igual a 4.3%, el hierro será de composición y estructura completamente
eutéctica, y la desviación del valor de CE desde este valor es una medida de la
cantidad relativa de eutéctico. Si CE es menor que 4.3%, habrá una porción de
dendritas; si CE es mayor que 4.3%, habrá nódulos de grafito primario en la
estructura. El grado de saturación Sc, es a veces usado, para expresar la
proximidad a la composición eutéctica. El valor de Sc puede determinarse por
la siguiente ecuación:
Sc = %C / 4.23 – 0.3 (%Si + % P)
Cuando Sc es menor que 1, el hierro es hipoeutéctico y contendrá dendritas
primarias. Si Sc es mayor que 1, habrá grafito primario en la estructura. El
carbono equivalente líquido (CEL) es una medida de la temperatura de
líquidus, la cual tiene un mínimo valor en la composición eutéctica; que es CEL
= %C + %Si /4 + %P /2. la máxima fluidez ocurre cuando es alcanzado este
valor. El CEL solo puede ser medido convenientemente para hierros no
tratados previamente con magnesio. Es usual pretender valores cercanos a 4.4
– 4.5, valores muy superiores a estos se restringen para evitar la flotación del
grafito.
Manganeso. La principal fuente de manganeso es la chatarra de acero usada
en la carga. Este elemento debe ser evitado para obtener la máxima ductilidad.
En hierros ferríticos este debe ser de 0.2% o menos. En hierros para ser usados en la
condición perlitica, este puede estar en 1%. El manganeso esta sujeto a una
microsegregacion indeseable, esto es así especialmente en
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secciones pesadas, en las que el manganeso fomenta la aparición de carburos
en los bordes de grano, lo cual promueve a una baja ductilidad, baja tenacidad
y perlita persistente.
Magnesio. El contenido de magnesio requerido para producir grafito esferoidal,
varia entre 0.04 y 0.06%. Si el contenido de azufre inicial es mas bajo que
0.015%, un contenido de magnesio mas bajo (0.035 a 0.04%) pude ser
satisfactorio. Si el contenido de magnesio es demasiado bajo pueden
obtenerse estructuras de grafito compacto con propiedades inferiores, mientras
que un contenido demasiado alto puede promover a defectos superficiales.
Azufre. El azufre deriva del cargado de materias primas metálicas. En cúpulas
de fundido, este también es absorbido por el coque. Antes del tratamiento con
magnesio, el contenido de azufre debe ser lo más bajo posible, preferiblemente
por debajo de 0.02%. El contenido final de azufre del hierro dúctil está
generalmente por debajo del 0.015%, pero si el cerio está presente, éste puede
ser más alto por la presencia de sulfuro de cerio en el hierro. Contenidos finales
excesivos de azufre son asociados con escorias de sulfuro de magnesio.
Cuando se usa cúpula de hierro fundido, es común desulfurizar el metal –
generalmente con cal o carbura de calcio, continuamente o en series, antes del
tratamiento de magnesio- a niveles de 0.02% o menores.
Cerio. Puede ser agregado para neutralizar partículas indeseables de
elementos que interfieren en la formación del grafito esferoidal y para ayudar a
la inoculación, en % que pueden variar entre 0.003 y 0.01%. En fundiciones de
muy bajo contenido de elementos menores, el cerio puede ser indeseable y
puede promover formaciones de grafito no esferoidal, especialmente en
secciones gruesas. El cerio es agregado como un constituyente menor en
aleaciones de adición de magnesio e inoculantes para mejorar la estructura del
grafito.
Elementos menores que promueven el grafito no esferoidal. Plomo,
antimonio, bismuto y titanio son elementos indeseables que pueden
incorporarse en pequeñas partes con las materias primas en la carga, pero sus
efectos pueden ser neutralizados con la adición de cerio.
Elementos menores que promueven la perlita. Níquel, cobre, manganeso,
estaño, arsénico y antimonio, todos promueven la perlita y son listados en
orden creciente de influencia. Pueden ingresar en el hierro como partículas
constituyentes de la materia prima. El cobre hasta un 0.3% y el estaño hasta un
0.1% son usados deliberadamente cuando se requieren estructuras
completamente perlíticas. Una carga de alta pureza es esencial para lograr
estructuras completamente ferríticas o con recocido mínimo.
Aluminio. La presencia de finísimas cantidades uniformes de aluminio en el
hierro dúctil promueve la porosidad subsuperficial y superficial, por lo tanto
debe ser evitado. La mayoría de las fuentes comunes de aluminio son
contaminantes en aceros y en chatarra de hierro fundido (como ejemplo
tenemos, los pistones de aluminio provenientes de las chatarras de motores de
aluminio). Otra fuente es el aluminio contenido en los inoculantes. Un
porcentaje de aluminio tan bajo como 0.01% puede ser suficiente como para
causar cavidades en el hierro dúctil conteniendo magnesio.
Fósforo. Es normalmente mantenido por debajo del 0.05%, porque promueve
fragilidades y reducciones en la ductilidad.
Elementos menores que promueven carburos. Cromo, vanadio y boro son
todos promotores de carburos. El magnesio puede también acentuar los
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efectos estabilizantes de carburos de estos elementos, especialmente en
secciones pesadas donde la segregación provoca la formación de carburos en
los bordes de grano. Son controlados por una cuidadosa selección de las
materias primas metálicas para fundición.
Elementos aleantes que promueven el endurecimiento. El níquel hasta un
2% y el molivdeno hasta un 0.75% son los elementos que se agregan
generalmente para promover el endurecimiento cuando se vayan a aplicar
tratamientos térmicos. Pequeñas cantidades de manganeso y cobre
promueven también el endurecimiento, pero son normalmente usados en
combinación con otros elementos. El cobre tiene una solubilidad limitada y
debe ser mantenido por debajo del 1.5%.
Elementos aleantes para lograr propiedades especiales. Las estructuras de
matriz austenítica son logradas por adición de 20% o más cuando se requiere
resistencia al calor, a la corrosión o a la oxidación, y hasta un 5% de cromo
puede también agregarse para tales fines. Los contenidos de níquel hasta un
36% producen hierros de propiedades controladas de baja expansión. Hasta un
10% de manganeso en los hierros austeníticos conduce a una baja
permeabilidad magnética, y se acepta un bajo contenido de níquel para lograr
una austenita estable.
Un contenido de silicio de hasta un 6% produce estructuras de matriz
ferríticas con reducido crecimiento, distorsión térmica y rotura a elevadas
temperaturas. La adición de hasta un 2% de molibdeno a los hierros perlíticos,
ferríticos y austeníticos confieren mejoras en el creep y resistencia a
temperaturas elevadas.
TRATAMIENTO DEL METAL FUNDIDO
El tratamiento para producir hierro dúctil implica la adición de magnesio para
cambiar la forma del grafito, seguido por o combinado con la inoculación de un
material conteniendo silicio para asegurar una estructura de grafito libre de
carburos.
Tratamiento de magnesio: para este tratamiento,
normalmente en una temperatura de 1450 a 1510ºc.
el
hierro
estará
Tratamiento con magnesio metálico: la reacción entre el magnesio metálico y el
hierro fundido es violenta. El magnesio es vaporizado encendido
vigorosamente con aire. Se necesitan recipientes de reacción cerrados
especiales. Uno de los procesos establecidos usa un convertidor en el cual los
lingotes de magnesio son introducidos en la parte inferior del metal líquido en
un recipiente inclinable bajo la presión atmosférica. Otros métodos implican el
uso de magnesio en polvo, varillas o alambres dentro del metal fundido, con
recipientes atmosféricos o presurizados, diseñados para eliminar el aire y para
prevenir la expulsión del metal fundido y gases durante el proceso.
Las partículas de magnesio se compactan con el magnesio, lo cual reduce un
tanto la violencia de la reacción. Estos materiales pueden ser agregados en
recipientes especiales o por inmersión en el cucharón en una campana
refractaria. En otra técnica el coque impregnado con magnesio es sumergido
en el hierro líquido.
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Adición de aleaciones de magnesio: puede agregarse una aleación de níquel
con un 10 a 14% de magnesio en el cucharón o durante la carga por inmersión.
La reacción es espectacular, pero no violenta y se obtiene consistente mejora.
Una desventaja radica en el aditamento de níquel y el costo de la aleación.
Otras aleaciones con menor contenido de magnesio (menor a 4%) han sido
también usadas e implican una reacción mucho más quieta. La mayoría de las
aleaciones usadas para introducir magnesio en el hierro fundido son en base
de ferrosilicio conteniendo de 3 a 10.5% de magnesio. La reacción varia entre
bastante violenta (con 10% de Mg) a quieta (con 3% de Mg). La aleación puede
ser sumergida en una campana refractaria o agregada en el cubilote (cucharón)
usándose para esto muchas técnicas diferentes, incluyendo lluvia de hierro
fundido sobre la aleación en la parte posterior del cubilote; cuando se utiliza
este método la aleación se deposita frecuentemente en una cavidad diseñada
especialmente y cubierta con una capa de acero (esto es conocido como
proceso sandwich). El tratamiento tiene lugar en cubilotes con una relación
altura-diámetro de aproximadamente 2:1 para contener cualquier salpicadura
del metal, mientras que el uso de una cubierta con un plato a través del cual el
hierro puede ser vertido reduciendo cualquier expulsión de metal, gas y llama,
mejorando el rendimiento del magnesio.
Un método de tratar el metal fundido como este, llenando el cubilote, es el
proceso Flotret, en el cual la aleación de magnesio es depositada en una
cavidad en un recipiente cerrado a través del cual el metal fundido es vertido
entre el horno y el cucharón. Este método puede ser usado cuando el metal es
vertido de un cucharón a otro.
Tratamiento en el molde (proceso Inmold): las aleaciones conteniendo
magnesio pueden agregarse en el molde. La aleación, usualmente de
ferrosilicio magnesio, es depositada en una cámara diseñada especialmente o
extendiendo el sistema de colada antes de cerrar el molde, la aleación se
disuelve y también es colada. Este método contiene la reacción en el molde y
evita expulsión de gases y llamaradas. Se utiliza hierro con bajo azufre (menor
a 0.01%) para evitar problemas que resultan de las inclusiones de sulfuro en la
fundición.
Control del contenido de magnesio. En todos los métodos de tratamiento de
magnesio, es esencial una medición exacta del peso del metal tratado y de la
cantidad de aditivo. El contenido de azufre inicial del hierro y la temperatura de
tratamiento debe también conocerse porque ésta influye en el contenido de
magnesio final. La recuperación de Mg se expresa como:
Recuperación = ((% inicial Mg) / ((% agregado de Mg) – ¾ * (% inicial de S)))
El sulfuro de magnesio producido por la reacción fluye en la escoria en la
parte superior del cubilote y es removido por raspaje superficial o usando un
cubilote tipo tetera. Los valores típicos de recuperación a una temperatura de
tratamiento de 1450ºc son:
 50% para una aleación de 15% Ni-Mg agregado en el cubilote.
 40% para un 9% de ferrosilicio-Mg agregado usando el proceso
sandwich.
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 60% para un 5% de ferrosilicio-Mg agregado usando el proceso
sandwich.
 50% para Mg puro agregado en el convertidor.
 45% para el proceso Inmold o proceso Flotret.
Inoculación. siguiendo el tratamiento de Mg, el hierro es sujeto a una
inoculación final, a veces llamada post-inoculación. Es comúnmente llevada a
cabo en un cubilote usando un inoculante granular, el cual puede ser ferrosilicio
comercial conteniendo 75% de Si o un rango de las mismas aleaciones
conteniendo 60 a 80% de Si. La cantidad de inoculante agregado variará desde
0.25 a1%. Un alto % de Si en la adición de Mg puede dar una menor
inoculación. el inoculante puede ser agregado durante el revertido, agitado en
el metal, depositado en la parte inferior del cubilote antes del llenado, o
sumergido en una campana refractaria, lo más tarde posible antes de la colada.
Es necesario un agitado efectivo, y una forma de conseguir esto es por
burbujeo de aire o nitrógeno a través del metal fundido usando una toma
porosa en la parte inferior del cubilote.
La inoculación reduce el bajo enfriamiento durante la solidificación y ayuda a
evitar la presencia de carburos en la estructura, especialmente en secciones
delgadas. Esto aumenta el número de nódulos de grafito, mejorando así la
homogeneidad, asistiendo en la formación de ferrita y promoviendo la
ductilidad. Esto ayuda a reducir el tiempo de recocido y reduce la dureza.
El efecto de un inoculante es mayor cuanto antes se disuelva, después de lo
cual éste se va desvaneciendo en un período de 20 a 30 minutos. Tanto la
potencia inicial, como el grado de apagado son influenciados por pequeñas
partículas de elementos, entre los cuales se incluyen calcio, aluminio, cerio,
estroncio, bario y bismuto.
La dicción tardía de un inoculante a medida que el metal se comienza a colar
es mucho más efectiva y puede ser logrado por la colocación de inoculante
granular o cortada en partículas inoculantes en el molde en una extensión del
mismo o en una cámara especial del sistema. Alternativamente el inoculante
granular fino puede agregarse al flujo de metal vertido tanto por despacho al
bebedero del molde o encajándosete por una abertura y pasándolo dentro del
bebedero del molde. Estos últimos métodos de inoculación requieren solo 1/5 a
1/10 del total del inoculante usado en la inoculación y son a veces usados para
suplementar la inoculación del cubilote, particularmente cuando el apagado
ocurre por mucho tiempo en el cubilote.
La última inoculación es a veces practicada junto con otros métodos de
inoculación como una manera de intensificar el efecto de la inoculación o como
salvaguarda contra el apagado de la inoculación en el cubilote, especialmente
cuando se hacen fundiciones muy delgadas. cuando el tratamiento de Mg se
hace en el molde, la aleación de Mg contiene el suficiente Si para producir el
efecto de inoculación requerido, pero debe también ser suplementado
mezclando inoculantes adicionales con la aleación de Mg.
Colado y solidificación.
El hierro dúctil comparte con el hierro gris las propiedades de muy buena
fluidez y colabilidad, pero sus características de colado y solidificación tienen
algunas diferencias importantes que requieren especial atención.
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Sistemas de exclusa: dado que el hierro dúctil normalmente contiene
magnesio, la oxidación de este elemento, junto con el silicio, puede aumentar la
presencia de pequeñas inclusiones y escoriaciones tanto en el cubilote como
en el sistema de exclusa. Estas escoriaciones no deben entrar en la fundición,
donde pueden causar nudos, superficies ásperas, o cierta porosidad. Otras
recomendaciones son las siguientes:
 Debe usarse un sistema de exclusa de tamaño adecuado, diseñado para
lograr un rápido llenado del molde con mínima turbulencia de metal.
 El uso de un filtro cerámico en el sistema de exclusa, remueve pequeñas
inclusiones de escoria y ayuda a un flujo uniforme del metal.
 El metal agarrado en el cubilote debe ser retirado.
 El contenido de magnesio debe ser mantenido en un mínimo.
Temperatura y velocidad de vertido. Gradientes excesivos de temperatura en
la colada y el vertido del metal frío son indeseables, ya que promueve la
formación de carburos en las seccione delgadas y en los extremos de la
fundición. Esto puede ser evitado realizando el vertido a no menos de 1315ºc
para coladas de 25 mm de sección, arriba de 1425 para coladas de 6 mm de
sección y en ambos casos modificar el sistema de exclusa. No hay reglas
absolutas para la velocidad de vertido, sin embargo, hay valores típicos con los
que se trabaja con éxito, los mismos se muestran en el siguiente cuadro:
Solidificación y alimentación. El cambio desde el grafito en hojuelas al grafito
nodular es acompañado por importantes diferencias en el comportamiento de la
solidificación. Los hierros hipereutécticos, la segregación y la flotación de
grafito ocurren más fácilmente que en el hierro gris. Esa segregación puede
agravar los problemas superficiales cuando se dan en regiones localizadas de
alto carbono, las cuales afectan negativamente las propiedades mecánicas.
Durante la solidificación, la precipitación de grafito en forma nodular produce
fundiciones de hiero dúctil que se expande en mayor grado y con más fuerza
que el hierro gris. Consecuentemente esto requiere moldes más rígidos y
mayor atención en la alimentación, si se quiere fundiciones robustas.
En algunos casos es posible hacer buenas fundiciones de hierro dúctil de
formas simples sin el uso de desmontadores, usando la ventaja de la
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expansión del grafito, la cual ocurre durante la solidificación eutéctica. Los
requerimientos son:
 Un molde rígido de arena (bien compactada) contenida en una moldura
rígida.
 Un carbono equivalente de 4.3% y un contenido de carbono de 3.6%.
 Una baja temperatura de colada, probablemente inferior a 1350ºc.
 Un sistema de exclusa y una velocidad de flujo que minimice los
gradientes de temperatura desarrollados en el molde.
CONTROLES METALURGICOS EN LA PRODUCCION DE HIERRO DUCTIL
Composición del metal. Antes del tratamiento de Mg es necesario conocer el
contenido de azufre del hierro líquido. Esto se determina tomando una muestra
del tamaño de una moneda y enfriándola para un análisis espestroscópico. El
contenido final de silicio después de la inoculación puede ser necesario tener
que determinarlo químicamente con perforaciones tomadas de una muestra
colada después del tratamiento. Un rápido control de carbono equivalente,
carbono y silicio puede llevarse a cabo por análisis térmico del metal, pero este
debe hacerse antes del tratamiento.
Otras propiedades del hierro pueden deducirse de los datos del análisis
térmico, incluyendo el subenfriamiento del eutéctico, el cual da una idea del
número de nódulos y la tendencia del enfriamiento.
Nodularidad y numero de nódulos. El éxito del tratamiento de Mg libre de
partículas de elementos indeseables, y la adecuada post-inoculación en la
producción de un hierro con una buena estructura de grafito nodular y un
número adecuado de nódulos para asegurar la ausencia de carburos y el
correcto rendimiento de las propiedades, es generalmente determinado con
rapidez examinando un cupón de prueba de un diseño tal como el
recomendado por American foundrymen`s society (AFS), el cual se muestra en
la siguiente figura:
Alternativamente, muestras pequeñas para análisis metalográfico se pueden
tomar de fundiciones seleccionadas o de otro tipo de probetas. El número de
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nódulos en un área especificada se cuentan usando una magnificación,
aproximadamente de 100x.
Para la mayoría de los propósitos, un 85 a 100% de grafito debe estar en
forma esferoidal. Las muestras de las fundiciones o probetas serán
periódicamente examinadas para verificar el grafito y evaluar los contenidos de
ferrita y perlita, y para verificar l existencia de carburos indeseables,
inclusiones, y escoriaciones, como un control general del proceso de
producción.
ESPECIFICACIONES
Las especificaciones estandar para las calidades de las fundiciones de hierro
dúctil clasifican los grados de acuerdo a la resistencia a la tracción de una
probeta cortada de una colada prescripta. En la siguiente tabla se resumen las
especificaciones ISO 1083 y ASTM A 536.
Grado
Resistencia
a
La tracción
MPa
Sigma 0.2 Elongación Dureza Estructura
%
Min. %
BHN
MPa
800-2
800
480
2
700-2
700
420
2
600-3
600
370
3
500-7
500
320
7
400-12
370-17
400
370
250
230
414
414
448
485
552
690
827
276
290
310
345
379
483
621
ISO
1083
Standard
Perlita
12
17
248352
229302
192269
170241
< 201
< 179
10
10
12
5
6
3
2
----------------------
-----------------------------
Perlita
Perlita
ferrita
Perlita
ferrita
Ferrita
Ferrita
+
+
ASTM A 536
60-40-18
60-42-10
65-45-12
70-50-05
80-55-06
100-70-03
120-90-02
FACTORES QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES
Estructuras de grafito. La cantidad y forma del grafito queda determinada
durante la solidificación y no puede ser alterada por subsecuentes tratamientos
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térmicos. Todas las propiedades mecánicas y físicas características en esta
clase de materiales resultan de la transformación del grafito sustancial o
completamente en forma nodular esferoidal, y la aparición de cualquier forma
diferente de esta, causa alguna desviación de estas propiedades. Es común
intentar producir más de un 90% de grafito en esta forma (90% de nodularidad),
aun así las estructuras entre un 80 y 100% de nodularidad son a veces
aceptadas.
Todas las propiedades relativas a la resistencia y la ductilidad decrecen en la
proporción en que aumenta el grafito no nodular, y están relacionadas a fallas,
tales como la resistencia a la tracción y la resistencia a la fatiga, mientras que
la tensión de prueba no es tan adversamente modificada.
La forma del grafito no nodular es también importante, ya que las hojuelas
delgadas de grafito con bordes agudos tienen un efecto más adverso sobre las
propiedades de resistencia que las formas compactas de grafito con bordes
redondeados. La forma del grafito también afecta al módulo de elasticidad, el
cual puede ser medido por frecuencia de resonancia o con ultrasonido, tales
mediciones son por lo tanto frecuentes como una guía de nodularidad.
Una baja nodularidad reduce la resistencia a la fatiga, aumenta la posibilidad
de fallas, aumenta la conductividad térmica y reduce la resistencia eléctrica.
Cantidad de grafito. Con el aumento de la cantidad de grafito, hay una relativa
disminución en la resistencia y la elongación, una disminución en el módulo de
elasticidad y una disminución en la densidad. En general, estos defectos son
pequeños comparados con los defectos de otras variables, porque el contenido
de carbono equivalente en el hierro de grafito esferoidal, no es una variable
mayor y generalmente se mantiene cerca del valor eutéctico.
Estructura de la matriz. El principal factor en la determinación de las
diferentes cualidades de hierro dúctil, es la estructura de la matriz. En la
condición as-cast (recién colado), la matriz consistiera en proporciones
variables de perlita y ferrita, como mayor sea la cantidad de perlita, aumentara
la resistencia y dureza del hierro.
Las propiedades de ductilidad e impacto son principalmente determinadas por
las proporciones de perlita y ferrita en la matriz. Con la disminución de la
cantidad de perlita, aumenta la máxima energía de impacto en la condición
dúctil y el rango de temperatura de transición dúctil-frágil cae.
La estructura de la matriz puede cambiarse por tratamientos térmicos, luego
del cual –en la mayoría de los casos- se realiza un recocido para producir una
matriz completamente ferrítica y normalizado para obtener una matriz
sustancialmente perlítica. En general el recocido produce una matriz más dúctil
con una temperatura de transición más baja que la obtenida en hierros
ferríticos as-cast. El normalizado produce una más alta resistencia a la tracción
y una más alta elongación que la obtenida en hierros completamente perlíticos
as-cast. En el primer caso las propiedades se deben a un refinado grano
ferrítico, en el último caso el aumento de la ductilidad y la resistencia resulta de
la homogenización y de una fina estructura perlítica que ocurre en la condición
as-cast. En la figura siguiente se muestra como el contenido de perlita influye
en la resistencia a la tracción y en la tensión de prueba; como el tratamiento
térmico aumente la resistencia y como la reducida nodularidad baja la
resistencia para un contenido de perlita dado.
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Un elevado número de nódulos, obtenido por una buena inoculación, tenderá
a aumentar la cantidad de ferrita en la condición as-cast y conducirá a un más
rápido recocido con menor riesgo de tener perlita retenida después de un
tiempo de recocido dado.
La presencia de carburos reduce la ductilidad, incrementa la dureza y
promueve fallas en tensión, fatiga y cargas de impacto. Un cuidado especial es
necesario para evitar presencia de carburos, ya que son difíciles de detectar
por los principales métodos no destructivos.
Composición. En la adición de elementos estabilizantes de perlita y
retardadores de la transformación (lo cual facilita los tratamientos térmicos para
cambiar la estructura y las propiedades), ciertos aspectos de la composición
tienen una influencia importante sobre algunas propiedades. El silicio endurece
y tensiona a la ferrita y eleva su temperatura de transición, por lo tanto el silicio
debe mantenerse en un contenido práctico lo más bajo posible –por debajo de
2%- para lograr la máxima ductilidad y tenacidad. Además se obtienen mejoras
en las propiedades de impacto con un contenido de fósforo inferior al 0.05%; el
fósforo también tiene un potencial efecto fragilizante en la ferrita del hierro
dúctil y por lo tanto hay que mantenerlo bajo.
El níquel también pensiona a la ferrita, pero tiene un efecto reductor de la
ductilidad mucho menor que el del silicio. Cuando se producen calidades de
hierro as-cast con requerimientos de alta resistencia y ductilidad.
Casi todos los elementos presentes en pequeñísimas cantidades se combinan
y reducen la formación de ferrita, es por eso que para producir hierros ferríticos
en condición as-cast deben usarse cargas de alta pureza. Similarmente todos
los carburos y el manganeso deben ser mantenidos en un bajo porcentaje para
lograr la más alta ductilidad y baja dureza. El silicio se agrega para evitar
carburos y para promover la ferrita as-cast en secciones delgadas.
Las propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas son influenciadas por la
estructura de la matriz. En general a medida que aumenta la cantidad de
elementos aleantes, aumenta la resistividad y la conductividad térmica
disminuye.
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TRATAMIENTOS TERMICOS DEL HIERRO DUCTIL
La primera etapa de la mayoría de los tratamientos térmicos diseñados para
cambiar la estructura y propiedades del hierro dúctil consiste en calentar y
mantener en una temperatura entre 850-950 `C durante 1hs mas 1hs por cada
25 mm de espesor de sección, para homogeneizar el hierro. Cuando se
presentan carburos en la estructura la temperatura debe ser aproximadamente
900-950 `C, lo cual descompone los carburos previo a los siguientes pasos del
tratamiento térmico. El tiempo puede extenderse de 6-8 hs si se presentaran
elementos estabilizantes de carburos. Para fundiciones de forma compleja,
donde pueden aparecer tensiones por un calentamiento no uniforme, el
calentamiento inicial hasta 600 `C debe ser lento, preferentemente 50-100
`C/hs.
Para prevenir escamaduras y descarburización de la superficie durante esta
etapa del tratamiento, se recomienda que la temperatura en horno no-oxidante
sea mantenida usando un horno sellado; puede ser requerida una atmósfera
controlada. Deben tomarse más cuidados en fundiciones susceptibles a
distorsión y evitar el apilamiento.
Los tratamientos térmicos más importante y sus propósitos son:
 Aliviamiento de tensiones, tratamiento a baja temperatura, para reducir
o aliviar tensiones internas remanentes después de la colada.
 Recocido, para mejorar la ductilidad y tenacidad, para reducir dureza y
remover carburos.
 Normalizado, para mejorar la resistencia con algo de ductilidad.
 Temple y revenido, para aumentar la dureza o mejorar la resistencia y
una más alta tensión de prueba (sigma 0.2).
 Austemperizado, para producir estructuras bainíticas de alta resistencia
con algo de ductilidad y buena resistencia al desgaste.
 Endurecimiento superficial por inducción, para mejorar resistencia al
desgaste.
Aliviamiento de tensiones: el objeto de este tratamiento térmico es remover
tensiones residuales sin causar ningún cambio en la estructura y propiedades.
Altas tensiones pueden presentarse después de la colada en fundiciones de
hierro dúctil de forma compleja y pueden ser sustancialmente removidas
mediante un tratamiento térmico a aproximadamente 500-600 `C. La fundición
típicamente es calentada a 50`C por hora, de 200 a 600`C, mantenida a
600`C durante una hora por cada 25mm de espesor de sección más una hora
y luego enfriada en el horno a 50`C por hora por debajo de los 200`C, después
de lo cual la fundición puede ser enfriada al aire a temperatura ambiente. Esto
es de suma importancia para asegurar que la tasa de calentamiento y
enfriamiento sean lo suficientemente lentas para evitar shok térmicos y la
formación de nuevas tensiones debidas a altos gradientes de temperatura en
la fundición. El alivio de tensiones no es necesario para fundiciones recocidas,
pero puede ser requerido para fundiciones perlíticas as-cast y para aquellas
que han sido enfriadas al aire durante el normalizado.
Recocido: el propósito principal del mismo es generar una estructura ferrítica y
remover perlita y carburos, longrandose así la máxima ductilidad y tenacidad.
El recocido puede ser usado para lograr propiedades específicas, como un
15% o más de elongación. El tratamiento puede tener variantes, pero los más
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comunes son el enfriamiento interrumpido, enfriamiento lento controlado y
tratamiento en una sola etapa.
- Enfriamiento interrumpido: la primera etapa es homogeneizar el hierro
como se ha descrito antes. Esto es seguido por un enfriamiento hasta 680700 `C y mantenido a esta temperatura de 4-12 hs para desarrollar la
ferrita. Cuanto mayor sea la pureza del hierro, mas corto será el tiempo
requerido. Las fundiciones de forma sencillas pueden ser enfriadas en
horno por debajo de los 650 `C y enfriadas al aire, pero las fundiciones
complejas que pueden desarrollar tensiones residuales deben ser enfriadas
en horno de acuerdo a las recomendaciones mencionadas para el
aliviamiento de tensiones.
- Enfriamiento lento controlado: la primer etapa es la homogenización como
se ha dicho antes; esto es seguido por un enfriamiento a razón de 30-60 `C
por hora desde los 800-650 `C. Hierros de más baja pureza requieren de
tasas de enfriamiento más lentas. El enfriamiento a temperatura ambiente
se lleva a cabo como el método interrumpido.
- Tratamiento de una sola etapa: la fundición es calentada desde la
temperatura ambiente hasta los 680-700 `C, sin una austenización previa,
es entonces mantenida a esta temperatura por 2-16 hs para que grafitice la
perlita. El tiempo aumenta con la disminución de la pureza del metal, y
generalmente es mayor que para los otros métodos debido a la falta de una
homogenización previa. El enfriamiento a temperatura ambiente se lleva a
cabo como en el método de enfriamiento interrumpido. Este tratamiento se
aplica solo para quitar la perlita en hierros con carburo no eutéctico. Si el
hierro contiene carburos debe usarse el método del enfriamiento
interrumpido o el del enfriamiento lento controlado.
Selección del tratamiento del recocido: los recocidos más rápidos se dan en
los hierros de más alto contenido de silicio, bajo Mn, Cu, Sn, As y Sb, y
generalmente bajo contenido de partículas de elementos menores. Si el hierro
no contiene carburos cualquier método de los explicados se puede usar, pero
para una óptima ductilidad debe elegirse el método de enfriamiento
interrumpido. Debe remarcarse que con el tratamiento en una sola etapa los
granos de ferrita en la estructura serán menores que para los otros
tratamientos y también será menor la ductilidad y tenacidad. La temperatura de
formación de ferrita de 680-700 `C, puede aumentarse con el aumento del
contenido de silicio.
El ciclo del recocido se puede variar para obtener estructuras de matrices
mezcladas de perlita y ferrita, con una alta resistencia y ductilidad intermedia.
Un marcado aumento de las dimensiones ocurre durante el recocido debido a
la grafitización de la perlita y carburos.
Normalizado: consiste en calentar las fundiciones a alta temperatura con lo
cual éstas quedan completamente austenizadas, y cualquier carburo
descompuesto, seguido por un enfriamiento al aire en una tasa que produce
una matriz de fino grano perlítico con partículas de ferrita y libre de otros
productos de la transformación. El normalizado puede aplicarse para conseguir
resistencias de 700-900 Mpa, y para mejorar la relación entre el sigma 0.2 y la
resistencia a la tracción. Un ciclo típico es como el siguiente:
El primer paso del tratamiento es la homogenización. Las fundiciones son
luego removidas del horno y enfriadas al aire a temperatura ambiente. La tasa
de enfriamiento al aire a través de un rango de 780-650 `C debe ser lo
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suficientemente rápido para obtener una matriz completamente perlítica en la
sección de la fundición que es tratada. Esto puede requerir el uso de un
soplador de aire especialmente para secciones de mayor espesor. En algunos
casos las fundiciones son suspendidas individualmente, agitadas o sacudidas
sobre una criba, pero no solo depositadas sobre el piso ni en cestos u otros
contenedores. Esto completa el ciclo.
Para lograr una estructura sustancialmente perlítica, la matriz de hierro debe
ser saturada en carbono a la temperatura de austenizacion antes del
enfriamiento al aire: esto se logra instantáneamente si el hierro es
sustancialmente perlítico as-cast. Si el hierro contiene una matriz de ferrita ascast, se requiere un tiempo más largo a la misma temperatura o el mismo
tiempo a una temperatura más alta para lograr la adecuada solución de
carbono de los nódulos de grafito. Como mayor sea la tasa de enfriamiento,
más fina será la perlita, la resistencia y la dureza aumentarán, y la elongación
puede disminuir. Al aumentar la temperatura de austenización, la resistencia
aumenta y disminuye la elongación, debido al alto contenido de carbono de la
matriz. Los elementos que promueven la formación de perlita en la condición
as-cast son: Mn, Cu, Ni y Sn, que acortan el tiempo requerido en el tratamiento
y permiten obtener estructuras completamente perlíticas en secciones de
grandes espesores. En la figura siguiente se muestra una típica estructura
normalizada.
Temple y revenido: el hierro dúctil de alta resistencia, generalmente superior
a 700 Mpa y con una baja elongación, se obtiene calentando hasta 875-925
`C, manteniendo esa temperatura por 2-4 hs o más si se requiere eliminar
carburos, apagando en un baño de aceite para producir estructura de
martensita, y luego revenido a 400-600 `C para producir una matriz de
estructura de martensita revenida. Deben tomarse recaudos para evitar
fracturas complicadas en las fundiciones durante el apagado, esto se logra
apagando en aceite caliente a, por ejemplo 100 `C, seguida por un
enfriamiento final a temperatura ambiente. Este paso también puede hacerse
apagando en aceite caliente a 200 `C y luego enfriando a temperatura
ambiente, pero en baño de agua para obtener la estructura y propiedades
deseadas.
Para un buen temple, durante el apagado debe obtenerse una estructura
completamente martensítica, y excepto para secciones muy delgadas, esto
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requiere de aleación con elementos que mejoran la templabilidad: Cu, Ni, Mn y
Mo, aumentan la templabilidad con creciente eficiencia. El Cu puede ser usado
con poca frecuencia en el hierro dúctil debido a su limitada solubilidad. Aun
cuando el silicio aumenta la templabilidad en los aceros, tiene un efecto
opuesto en el hierro dúctil disminuyendo la solubilidad del carbono, mientras
que aumentando el contenido de carbono también disminuye ligeramente la
templabilidad por el aumento de la cantidad de grafito en relación con el
carbono en solución.
En la práctica, el aumento de la templabilidad se logra por combinación de
elementos aleantes. Las combinaciones listadas en la tabla siguiente son
ejemplos que muestran los efectos del Mn, Ni y Mo, en el aumento de la
templabilidad.
Elementos aleantes
usados %
C
Si Mn Ni
3.4 2.0 0.3 ---3.4 2.5 0.3 ---3.4 2.0 0.3 1.0
3.4 2.0 1.3 ---3.4 2.0 0.3 ---3.4 2.0 0.9 1.5
Max. diam.de barra
a templar en aceite
Mo mm
---- 25
---- 28
---- 30
---- 38
0.5 51
0.25 63
El revenido debe hacerse en un horno con circulación de aire como mínimo
durante 4 hs, tiempo en el cual hay una progresiva disminución de la
resistencia y la dureza y un aumento de la ductilidad.
Austempering (revenido austenítico): si el hierro dúctil es austenizado y
apagado en un baño salino o en un baño de aceite caliente a 320-550 `C y
mantenido en esta temperatura, se da lugar a una transformación hacia una
estructura que contiene principalmente bainita con una proporción menor de
austenita. Los hierros que son transformados de esta manera son
denominados hierros dúctiles austemperizados. Este proceso genera un rango
de estructuras que dependen del tiempo de la transformación y de la
temperatura del baño donde ésta tiene lugar. Las propiedades se caracterizan
por una muy alta resistencia, algo de ductilidad y tenacidad, y frecuentemente
buena resistencia al desgaste: las propiedades dependen principalmente de la
temperatura y del tiempo, típicamente este tratamiento se clasifica en dos
categorías:
- calentar a 875-925 `C, mantener en esta temperatura de 2-4 hs, apagar en
baño salino hasta 400-450 `C, mantener de 1-6 hs y enfriar a temperatura
ambiente.
- Lo mismo que antes, pero mantener de 1-6 hs a 235-350 `C.
El primer tratamiento mencionado produce alta ductilidad y alta resistencia
con una dureza intermedia. El segundo produce muy alta resistencia con algo
de ductilidad y una excelente dureza.
El austempering tiene éxito sólo si en el apagado se evita la formación de
perlita. Esto puede requerir la presencia de elementos aleantes para secciones
mayores de 15 mm. Las aleaciones típicas son: de Cu, Ni y Mo. El Mn
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generalmente no se recomienda porque crea segregación, lo cual puede ser
un obstáculo para lograr la última combinación de propiedades. La alta
resistencia al desgaste se da cuando existe un alto contenido de austenita
residual, la cual resulta de emplear tiempos cortos y transformación incompleta
a bainita y esto se favorece con un alto contenido de elementos aleantes, en
especial, por un contenido relativamente alto de silicio en el hierro dúctil.
Endurecimiento superficial: estos tratamientos consisten en endurecimiento
por llama o inducción, nitruración y refundido superficial por láser.
Endurecimiento por llama o inducción. Es generalmente empleado para
producir una dura capa superficial sobre la fundición. La llama o un serpentín
especialmente formado es pasado por la superficie de la fundición en una tasa
que hace subir la temperatura de la superficie a 850-950 `C a una profundidad
cercana a 2-4 mm. La llama o fuente de inducción es seguida por un apagado
con agua, produciendo una capa martensítica con una dureza de 600-700 Hv.
El desarrollo de la máxima dureza depende del contenido de carbono de la
matriz, la cual se transforma a austenita una vez calentado y a martensita
durante el apagado. El tiempo conferido normalmente no permite una
adecuada solución del carbono en las estructuras inicialmente ferríticas de la
matriz: por lo tanto es importante usar grados de hierro completamente
perlíticos para el endurecido por llama o inducción. La profundidad de
endurecido lograda puede ser aumentada por aleación, como se indica
continuación.
Composición
Dureza inicial Dureza superficial
HRC
Después del tratam.
HRC
60
62
Fe-0.4Mn-0.07Ni0.05Mo-0.1Cu-...
Fe-0.32Mn-0.75NI- 61
0.44Mo-0.56Cu-...
62.5
Profundidad de la
Capa endurecida
mm
1.5
3.5
El endurecimiento por llama e inducción se usa para endurecer componentes
que requieren una gran resistencia al desgaste, tales como balancines, levas,
laminadores y engranajes, y puede reducir la cantidad de desgaste por 5-6
veces.
Nitrurado: es un proceso que implica la difusión de nitrógeno en la superficie a
una temperatura de 550-600 `C. La fuente más común del nitrógeno es el
amoníaco, y el proceso produce una capa superficial de 0.1 mm de
profundidad con una dureza de aproximadamente 1100 HV. La capa
superficial es normalmente blanca y uniforme en una microestructura atacada,
pero las agujas de nitruro pueden encontrarse justo debajo de esta. Algunos
elementos aleantes pueden usarse para aumentar la dureza. Se han logrado
buenos resultados con 0.5-1 % de Al, Ni y Mo. El nitrurado provee además de
una alta dureza una gran resistencia anti desgaste, mejora la vida útil y la
resistencia a la corrosión. Las aplicaciones típicas son: en cilindros, cojinetes y
pequeños ejes y árboles.
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La nitruración puede también ser llevada a cabo en baños líquidos salinos
basados en cianuro. Tales procesos son a baja temperatura, por lo que
disminuirá la profundidad. Este proceso también puede realizarse en plasma,
pero es muy costoso.
Endurecido por refundido: con el más alto calentamiento local obtenible por
plasma o láser es posible conseguir fundir una muy pequeña área sobre la
superficie de un componente de hierro dúctil. Esta área resolidifica
rápidamente por el efecto de auto apagado de la masa fundida. La región
refundida y resolidificada tiene una estructura de hierro blanco que es
sustancialmente libre de grafito y por lo tanto tiene una alta dureza y
resistencia al desgaste. El área que es fundida por un láser de 2 Kw es muy
pequeña, típicamente 1.5 mm de diámetro, 0.5-2 mm de profundidad, y tiene
una dureza cercana a los 900 HV sin fracturas. El área endurecida por este
método encuentra gran utilidad en levas, balancines y otros pequeños
componentes sujetos a desgaste por rozamiento.
PROPIEDADES MECANICAS
Las tablas siguiente resumen varias medidas de la mayoría de las
propiedades mecánicas conforme a especificaciones británicas, la mayoría de
las cuales son las mismas que para las especificaciones ISO.
Es de notar que la resistencia a la compresión es mas alta que la resistencia a la
tracción.
PROPIEDADES MECANICAS DE TIPOS BASICOS DE HIERRO NODULAR
TIPO
CONTENIDO RESIST.
RESIST. A LA ELONG., % BHN
DE ALEACION TENSIL,
CEDENCIA,
EN
LB / PULG² LB / PULG²
2 PULG
FERRITICO
BAJO
55.000
35.000
25
130
ALTO
90.000
70.000
12
210
PERLITICO
BAJO
80.000
60.000
10
200
BAJO+
130.000
90.000
7
275
ALTO
130.000
110.000
2
275
TEMPLADO
100.000
80.000
10
215
150.000
130.000
2
320
AUSTENITICO 3% C,2.5%Si
60.000
30.000
40
130
20%Ni,2%Mn
3%C,2%Si,
60.000
40.000
10
160
20%Ni,1%Mn
1.5%Cr
Grado
Grados
Ferríticos
350/22
350/22L40
400/18
400/18L20
420/12
Resist. Sigma ElonSigma Reset.
A la
0.2% Gacion 0.2% Al
Tracción
comp. Corte
MPa
MPa
%
MPa
MPa
Resist.
A
Torsión
MPa
Mod.
De
Elast.
GPa
Mod.
Dureza
De
Rigidez
GPa
BHN
350
215
22
229
315
315
169
65.9
400
259
18
273
360
360
169
65.9
420
278
12
292
378
378
169
65.9
MATERIALES DE INGENIERIA
107130
120140
140155
23
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA
FACULTAD DE INGENIERIA
Grados
Intermedios
450/10
450
305
10
319
405
405
169
65.9
500/7
500
339
7
351
450
450
169
65.9
600/3
600
372
3
382
540
540
174
67.9
Perlítico as-cast
y
Normalizado
700/2
700
416
2
425
630
630
176
68.6
800/2
900/2
Grados
Templados y
Revenidos
700/2
800
900
471
526
2
2
480
535
720
810
720
810
176
176
68.6
68.6
700
550
2
559
630
630
172
67.1
800/2
900/2
800
900
630
710
2
2
639
719
720
810
720
810
172
172
67.1
67.1
150172
172216
216247
247265
>265
>265
232259
>259
>259
Propiedades mecánicas a elevadas temperaturas
La resistencia a la tracción de los hierros dúctiles perlíticos disminuye
continuamente con el aumento de la temperatura y a los 400`C es
aproximadamente 2/3 de la resistencia a temperatura ambiente. Para hierros
ferríticos la disminución es menos pronunciada y a los 400`C la resistencia es
aproximadamente ¾ del valor a temperatura ambiente. El sigma 0.2%, tanto
para hierros ferríticos como perlíticos, prácticamente se mantiene estable hasta
los 350-400`C, por encima de esta temperatura falla rápidamente. La dureza en
caliente se mantiene también hasta los 400`C, fallando por encima de este
valor.
Para temperaturas de hasta 300`C la tensión admisible en estructuras
estáticas, como a temperatura ambiente, puede basarse sobre los valores del
sigma 0.2% obtenidos a temperatura ambiente. A temperaturas superiores a
los 300`C las tensiones admisibles deben calcularse sobre datos de fluencia.
Una pequeña cantidad de molibdeno mejora considerablemente las
propiedades de resistencia y fluencia en caliente tanto para hierros ferríticos
como para perlíticos. Las mejoras que se consiguen con el agregado de Mo
permiten extender las propiedades de resistencia y fluencia hasta los 459`C.
Propiedades de tracción a bajas temperaturas
Como para las propiedades de impacto, hay una temperatura por debajo de
la cual la elongación a la tracción disminuye. El sigma 0.2% aumenta
continuamente con el descenso de la temperatura, pero la resistencia a la
tracción sufre una transición. Por encima del rango de temperatura de
transición la resistencia a la tracción tiende a permanecer constante o
aumentar, pero una vez pasada la temperatura de transición, la resistencia a la
tracción disminuye. El silicio y el fósforo aumentan la temperatura de transición
y reducen la resistencia en el rago dúctil.
PROPIEDADES FISICAS
MATERIALES DE INGENIERIA
24
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA
FACULTAD DE INGENIERIA
En el cuadro siguiente se muestran las propiedades físicas, según
especificaciones británicas.
Grado
Grados
Ferríticos
350/22
350/22L20
400/18
400/18L20
420/12
Grados
Intermedios
450/10
500/7
600/3
Perlítico
As-cast y
Revenido
700/2
800/2
900/2
Grado
Templado y
Revenido
700/2
800/2
900/2
Conductividad Calor
Térmica
Específico
100`C
De 20 a 400`C
J / Kg. K
Coeficiente de Resistividad
Expansión
Eléctrica
Térmica
De 20 a 400 `C Micro ohm/metro
36.5
603
12.5
0.500
36.5
603
12.5
0.500
36.5
603
12.5
0.500
36.5
36.5
32.8
603
603
603
12.5
12.5
12.5
0.500
0.510
0.530
31.4
31.4
31.4
603
603
603
12.5
12.5
12.5
0.540
0.540
0.540
33.5
33.5
33.5
603
603
603
12.5
12.5
12.5
>0.540
>0.540
>0.540
Densidad
Disminuye ligeramente con el aumento del contenido de grafito y ferrita. Los
valores típicos para las calidades ISO y británicas a 20`C son:
Grado
370/17 420/12 500/7
600/3
700/2
Densidad g/cm3 7.10
7.10
7.10-7.17 7.17-7.20 7.20
Coeficiente de expansión térmica
Las características de expansión de las fundiciones de hierro son complejas
debido a las transformaciones que tienen lugar en la solución, debidas a la
precipitación del grafito, la grafitizacion de la perlita y la formación de austenita
por encima de los 700`C.
Resistencia a la corrosión
En algunas aplicaciones la resistencia a la corrosión del hierro dúctil es
similar a la del hierro gris y frecuentemente superior a la de los aceros. Los
tubos de hierro dúctil normalmente aplicados en cloacas, pueden ser
protegidos por anodinado, revestido de zinc, cubiertas plásticas y, en algunos
casos, revestido con poliuretano.
MATERIALES DE INGENIERIA
25