Tema 1.AleacionesFerreas
Anuncio
ALEACIONES FÉRREAS (Constituyen 95 % de los materiales metálicos empleados por el hombre) (85% aceros, 10 % fundiciones) Las aleaciones denominadas férreas tienen al hierro como principal componente, aunque pueden contener carbono y otros elementos de aleación. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido de carbono comprende tres grupos: HIERRO, ACERO Y FUNDICIÓN. Poseen un amplio rango de microestructuras y propiedades asociadas. La mayoría de los diseños de ingeniería que requieren soportar cargas estructurales o transmisión de potencia implican el uso de aleaciones férreas. EL HIERRO PURO contiene menos de 0.008 % en peso de C y, en el diagrama de equilibrio, comprende la fase ferrita (α) a temperatura ambiente. LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO que contienen entre 0.008 y 2.11 % en peso de C se clasifican como ACEROS. Si contienen, además, otros elementos de aleación ese contenido máximo de carbono puede disminuir. La microestructura de la mayoría de los aceros consiste en las fases α y Fe3C. Todas las aleaciones comprendidas en este tramo de composición, al enfriarlas desde el campo γ a temperatura ambiente, originan una serie de microestructuras. Aunque un acero puede contener como máximo un 2.11 % en peso de C, en la práctica la concentración de carbono raramente excede del 1.0 %. Existen miles de aceros que tienen distintas composiciones y/o tratamientos térmicos y químicos. LAS FUNDICIONES se definen como aleaciones férreas que contienen entre 2.11 y 6.70 % en peso de C. Sin embargo, las fundiciones comerciales normalmente contienen menos del 4.5 % C. ALEACIONES FÉRREAS El uso generalizado de las aleaciones férreas se debe a tres factores: (1) En la corteza de la tierra abundan los compuestos de hierro. El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, pre-cedido solamente por el oxígeno, silicio y aluminio. (2) Los aceros se fabrican mediante técnicas de extracción, afino, aleación y conformado relativamente económicas (3) Las aleaciones férreas son extremadamente versátiles, ya que se pueden adaptar para que tengan una gran variedad de propiedades físicas y mecánicas. El principal inconveniente de las aleaciones férreas es la susceptibilidad a la corrosión y a la oxidación. Se discutirán las composiciones, microestructuras y propiedades de diferentes tipos de aceros y fundiciones. Dentro de los aceros debe distinguirse el empleo o no de una cantidad significativa de elementos de aleación diferentes del carbono. Los ELEMENTOS DE ALEACIÓN deben seleccionarse cuidadosamente porque suponen un IMPORTANTE AUMENTO DEL COSTE DEL MATERIAL. Su uso queda justificado solamente por mejoras esenciales en ciertas propiedades, tales como una mayor resistencia o un mejor comportamiento frente a la corrosión. Las propiedades mecánicas dependen de la composición química, en la que está el contenido en carbono (que suele ser inferior al 1 %) y de los tratamientos a que sean sometidos. Los aceros más comunes se clasifican según el contenido en carbono: BAJO, MEDIO Y ALTO EN CARBONO. Además, en cada grupo existen subclases de acuerdo con la concentración de otros elementos de aleación. LOS ACEROS AL CARBONO sólo contienen concentraciones residuales de impurezas distintas al carbono. En LOS ACEROS ALEADOS, los elementos de aleación se añaden intencionadamente en concentraciones específicas. Son aquellos que sólo contienen concentraciones residuales de otros elementos, distintos al carbono. Contienen además de hierro y carbono otros elementos tales como: cromo, níquel, molibdeno, manganeso, silicio, ... CLASIFICACIÓN ACEROS Y FUNDICIONES CON RESPECTO AL CONTENIDO EN C Según el diagrama de fases Fe-C metaestable se diferencian: ● ACEROS: % C < 2.11 % -Perlíticos -Ferritoperliticos -Ferríticos -Otros ● FUNDICIONES BLANCAS: 2.11 <% C <6.67 % En los aceros un aumento del contenido de C le confiere una mayor dureza, pero disminuye el alargamiento antes de la rotura. Por ejemplo, los botes de Coca-Cola necesitan un bajo contenido en C, ya que requieren una buena conformabilidad, mientras que los railes del ferrocarril requieren mayor resistencia al desgaste. Ferrocarril: Mina (0.35- 0.5 % C) RENFE: • Mercancias (0.5- 0.6 % C) • Talgo (0.65- 0.7 % C), • Ave (0.77- 0.8 % C) Fe3C Consumos de acero Acero ferrítico……………………………………………………………………….40 % Acero ferritoperlítico…………………………………………………………….25 % Acero perlítico………………………………………………………………………15 % Aceros de media y alta aleación Un acero soldable tiene un % C 0.25 y el no soldable mayor (Inoxidable, herramientas, aplicaciones especiales)……………..20 % Entre los materiales estructurales, el acero ocupa un lugar preponderante tanto en la industria de la energía —oleoductos, gasoductos, tendidos eléctricos,—como de la construcción (edificios, plataformas marinas, recipientes, etc) y del transporte ya sea naval, aéreo o terrestre (ferrocarriles y automoción). Las grandes producciones de acero se destinan fundamentalmente a hierros comerciales y barras corrugadas para construcción, tirantes para hormigón armado, almas de acero para conductores eléctricos, vigas y toda suerte de perfiles largos —entre ellos railes de ferrocarril—, planchas y chapas para construcción de barcos, plataformas marinas, tanques de almacenamiento, tuberías, carrocerías de automóvil, vagones, calderería, etc. Para esas aplicaciones se requieren aceros de composición meramente hierro y carbono, sin elementos de aleación, más baratos por tanto que los aceros aleados, y consecuentemente con escasa templabilidad: se utilizan con la estructura micrográfica que corresponde al diagrama de equilibrio Fe-C. Los aceros "binarios" —de solo Fe y C— resultan ser: • plenamente ferríticos (si %C<0.0218%) • erritoperlíticos (para %C entre 0.1%-0.5%) • perlitoferriticos (si el carbono está comprendido entre 0.5% y 0.77%) • cementitoperliticos (%C>0.77, hipereutectoides) Con frecuencia se agrupan bajo una denominación genérica de "aceros al carbono“(*) y se encuadran en: • Aceros de bajo carbono (<0.25 %C), • Aceros de medio carbono (0.25-0.6 %C) • Aceros de alto carbono (>0.6 % C). (*) Según ASTM (American Society Testing Materials), se considera que son "aceros al carbono" cuando: no se especifica un contenido mínimo de Cr, Co, Nb, Mo, Ni, Ti, W, V, Zr o cualquier otro elemento de adición para obtener un determinado efecto; el contenido máximo especificado para los elementos manganeso y Si no excede de 1.65 % Mn o 0.6 % Si; el contenido mínimo especificado para el Cu es menor de 0.4 %. 1.- ACEROS HIPOEUTECTOIDES (C<0.77 %) [ACEROS BAJOS (< 0.25 %C) Y MEDIOS EN CARBONO(0.25 %<C<0.6 %)]. a.- Soldables: dan lugar a la formación de martensita cúbica C < 0.1 %: (i) F + P (Ferritoperlítico): Low carbón (C<0.1 %) (ii) Puramente ferrítico [Fe(α)]: acero para deformación en frío (envases, chapas de automoción, aceros de esmaltería,..) ELC (Extra low carbón): C<0.0218 % ULC (Ultra low carbón): C<0.01 % EULC (Extra ultra low carbón): C<0.008 % 0.1< C < 0.25 %: F + P (Ferritoperlítico) para chapas soldables, un poco más duros que los de antes. Aptos para deformación en frío (no tanto como los de antes). Susceptibles de afino de grano por tratamiento térmico. Buen comportamiento frente a solicitaciones mecánicas a gran temperatura, así como buen comportamiento frente a impacto. b.- No soldables: da lugar a la formación de martensita tetragonal (menos tenaz y, por tanto, más frágil) (% C > 0.25) Hay dos tipos: (i) F + P (Ferritoperlítico). Chapas de alta resistencia con ciertas propiedades de antiadherencia. Se pueden conformar en frío por trefilado (para obtener alambres y derivados) (ii) En el estado de Temple+Revenido se pueden fabricar chapas de alta resistencia (C> 0.45 %). El proceso tiene un alto coste ACEROS FERRÍTICOS (EXTRA LOW CARBON: C < 0.0218) Seguimos la línea de enfriamiento roja. Al descender la temperatura por debajo de A3, se inicia la nucleación de la ferrita [Fe()] en las juntas de grano o puntos triples. Al proseguir el enfriamiento por debajo de 727 ºC el C disuelto en la ferrita rebasa la línea de solubilidad y reacciona con el Fe para dar cementita terciaria o vermicular. La precipitación suele tener lugar en forma de pequeños gusanos en las juntas de grano de la ferrita, o bien en puntos triples. También puede tener lugar en el interior de los granos cuando la velocidad de enfriamiento es mayor. En los ACEROS HIPOEUTECTOIDES, ya sean ferríticos o ferritoperlíticos, por ser la ferrita su constituyente matriz, se tiene: 1.- El límite elástico y la carga de rotura por tracción aumentan con el contenido en carbono. R e ( MPa) 54 32(% Mn) 83Si(%) 17 d 12 354 N f C C Rm ( Acero) 800 500 f ( ) 800 500 1 1 300 500 1 300 650C1 0.77 0.77 R m ( MPa) 295 28(% Mn) 83Si(%) 4(% perlita) 8d 12 Nf= % de nitrógeno libre —no combinado a modo de nitruros o carbonitruros— solubilizado en la ferrita; valor que tiene un marcado efecto en el aumento del límite elástico y, además, es muy desfavorable por lo que respecta a la tendencia a la estricción y a la posibilidad de envejecimiento del acero. La expresión de Rm toma en consideración además del contenido de carbono (expresado como porcentaje de perlita): el tamaño de grano ferritico —diámetro d (en mm)—, la influencia de la fricción interna y el endurecimiento de la ferrita por elementos en solución sólida. 2.- Su alargamiento antes de rotura por tracción —su deformabilidad en frío—, así como su tenacidad —la temperatura ITT ºC—, disminuyen al aumentar el porcentaje de carbono ITT C 19 44(% Si) 700 N f 2.2(% Perlita) 11.5d 1/2 3.- Existe cierta correlación entre su resistencia a tracción Rm y su dureza Brinell (HB). En definitiva una y otra orientan sobre la resistencia que el acero opone a ser deformado: Rm a la deformación por tracción y HB a la deformación —localizada— por compresión. Puede admitirse que la equivalencia entre ambas —las dimensiones de la dureza Brinell se expresan en Kg/mm2— viene determinada por: HB= 0.303Rm (Rm en MPa). Los aceros de bajo contenido de carbono (%C< 0.08%C) —poco resistentes— resultan blandos. Suelen denominarse "dulces" (del francés "doux", blandos) o "suaves"(del inglés "mild"). Los aceros de medio carbono, semiduros o duros y los de alto carbono extraduros. Los aceros hipoeutectoides con más de 0.30 %C son difíciles de deformar en fase alfa —se dice que "no son deformables en "frio" (por debajo de la temperatura A1)— debido a su elevada proporción de perlita. En cambio los aceros de contenido inferior a 0.1 %C pueden ser deformados en frío a pesar de su estructura bifásica ferritoperlítica —poca perlita cuando %C>0.0218— o ferritocementitica (sin nada de perlita cuando C<0.0218 %C). Macroestructura de los lingotes de acero según el grado de desoxidación Según la práctica de la desoxidación, los aceros suelen denominarse: - Calmados ("killed") - Semicalmados ("semikilled") - Efervescencia interrumpida ("capped") - Efervescentes ("rimmed") - Aceros colados al vacío. El acero líquido lleva gases disueltos —nítrogeno, oxígeno, hidrógeno— que luego confieren propiedades negativas al sólido. El oxígeno es el más relevante. A cada temperatura el contenido de oxígeno en el acero líquido aumenta cuanto menor es el %C del acero, debido a los equilibrios químicos que se establecen entre el FeO, Fe, C, O. Así, por ejemplo, a 1600 ºC el % de oxigeno en equilibrio es solamente 0.005 % para aceros de carbono superior a 0.3 %C. Para aceros de 0.2 % es de 0.02 % de oxígeno y para aceros de menos de 0.15 %C considerablemente mayor (0.05 a 0.1 %). En el acero liquido, el oxígeno y el carbono disueltos reaccionan para dar monóxido de carbono que tiende a desprenderse del líquido y desoxidar al acero. La saturación en CO del líquido es mayor a medida que desciende la temperatura ya que el equilibrio químico se desplaza en el sentido de la formación de óxido de carbono. Si el contenido en carbono es muy bajo (<0.04 %C) el oxígeno no puede eliminarse del líquido a modo de óxido de carbono debido a la insuficiente cantidad de C. En aceros desde 0.04 % hasta 0.15 %C la emisión gaseosa puede ser abundante y permitir la desoxidación espontánea del líquido. Si se aprovecha esa posibilidad de desoxidación —sin recurrir a agentes desoxidantes— el acero recibe el nombre de efervescente ("rimmed). La efervescencia, a modo de hervido, no se produce instantáneamente al llenar el lingote sino cuando comienza la solidificación y, con ella, el brusco descenso de solubilidad de los gases disueltos en el líquido. Además, al formarse CO, el oxígeno y el carbono que lo integran se eliminan del fundido en proporción a sus respectivos pesos atómicos. Por ello la concentración de oxígeno en el acero líquido decrece más rápidamente que el contenido de carbono. Esto, como es lógico, influye en el ritmo de desprendimiento gaseoso posterior. Todo ello hace que los aceros efervescentes son solamente aptos para colada en lingotera. ACEROS CALMADOS (se utilizan cuando se requiere una estructura homogénea) Se llama ACERO CALMADO al desoxidado en grado suficiente como para evitar el desprendimiento de gas durante la solidificación. Esto puede lograrse mediante la adición de agentes externos desoxidantes como pueden ser el ferrosilicio y/o aluminio a la cuchara, para transformar el oxígeno presente en el acero liquido de la cuchara en inclusiones no metálicas (silicato y/o de alúmina). Se utiliza poco en aceros de bajo carbono. En éstos, al ser grande la cantidad de oxígeno disuelta en el líquido, el acero resulta "sucio" por la gran cantidad de inclusiones (Los tratamientos en "cuchara" permiten, hoy en día, desgasificar, eliminar y/o globulizar inclusiones en los aceros). Es una posible alternativa a la efervescencia o a la desgasificación al vacío (es decir, exponiendo el metal fundido a una baja presión ambiental para quitar todo el oxígeno disuelto, sin necesidad de agentes desoxidantes). Todos los aceros de 0.30 %C son de tipo calmado, puesto que en ellos la cantidad de oxígeno disuelto en el liquido, por su equilibrio con C, es pequeña. Por tanto, el desprendimiento gaseoso en la solidificación no alcanza los niveles que darían los tipos semicalmado, de efervescencia interrumpida y efervescente. Por el contrario, pueden ser del tipo calmado los aceros de bajo carbono (salvo que tengan tanto oxígeno disuelto, que haga falta una gran cantidad de desoxidante. lo que encarece el proceso y además produce gran numero de inclusiones). Mediante colada en vacio es posible obtener aceros calmados de bajo C. En cambio resulta ventajosa la adición de los desoxidantes: que por la pequeña cantidad existente de oxigeno disuelto darán pocas inclusiones. Al calmar con aluminio se elimina también el nitrógeno a modo de AIN y los aceros son resistentes al envejecimiento. Complementariamente, al no producirse efervescencia, la solidificación se realiza "con intercara estacionaria" y la segregación global es muy inferior a la de los aceros efervescentes y a la de los aceros semicalmados. La cabeza del lingote calmado con desoxidantes es ligeramente cóncava y presenta macrorrechupe en la zona superior. Habitualmenle se suelen impedir esos defectos mediante el empleo de mazarotas que alojen el rechupe. De todas maneras estos aceros suelen obtenerse en la actualidad por colada continua. El progreso de esta técnica y la ausencia de desprendimientogaseoso durante la solidificación ha desplazado, en buena medida a la colada en lingotes de los aceros calmados. Morfología de lingotes con diversos grados de desoxidación. ACEROS SEMICALMADOS (“SEMIKILLED”) Reciben el nombre de aceros semicalmados aquéllos con más oxígeno disuelto que los aceros calmados. Son calmados parcialmente con ferrosilicio y algo de aluminio, pero dejando un resto de oxígeno disuelto suficiente para reaccionar con el C y producir un ligero desprendimiento de CO que compense aproximadamente el rechupe. Las burbujas aparecen al final de la solidificación, cuando la temperatura es menor, y allí donde la presión ferrostática es más baja, es decir, en la mitad superior del lingote. Los contenidos de C para aceros semicalmados oscilan entre el 0.15 y el 0.30 % C. El grado de desoxidación es menor que el de los aceros calmados. La desoxidación, con ferrosilicio y algo de Al, suele hacerse o bien sólo en cuchara, o —a veces— tanto en cuchara como en lingotera. Si la desoxidación es insuficiente, el lingote puede adoptar la morfología de la figura: aparecen sopladuras de piel y la presión del gas en la región que solidifica en último término puede llegar a romper la cabeza del lingote ya solidificada y forzar al líquido residual, produciendo un sangrado. ACEROS EFERVESCENTES Durante muchos años los aceros efervescentes resultaron interesantes por su piel o corteza —( de ahí la denominación anglosajona "rimmed")— Esa piel es muy pura, de excelente comportamiento para el trefilado y muy apta para recubrimientos de estañado, pintura, etc. Pero actualmente los aceros efervescentes van cayendo en desuso. De una parte no son aptos para colada continua: técnica que va superando a la colada en lingotera. De otra, al no eliminarse el nitrógeno solubilizado en el líquido —y permanecer posteriormente solubilizado en la ferrita—los aceros efervescentes no permiten obtener por laminación las texturas favorables para una buena embutibilidad. Además, por el N no eliminado, son propensos al envejecimiento. Complementariamente presentan gran segregación global —heterogeneidad química entre periferia y núcleo del lingote— porque la agitación del líquido producida por las corrientes ascensionales durante el hervido tiende a uniformizar en composición el líquido durante la solidificación (predomina el modelo de "solidificación progresiva" sobre la solidificación "con intercara estacionaria"). En esos aceros de bajo carbono, incluso en los de C<0.04 %, y, por tanto, de muy alto contenido de oxígeno disuelto en el líquido la desoxidación puede lograrse alternativamente sin recurrir a la efervescencia: efectuando bajo vacío la colada del acero. Esa colada en vacío permite el desprendimiento del oxigeno del líquido antes de llenar el molde o lingotera en que va a solidificar. Esta técnica tiene además la ventaja de eliminar además otros gases disueltos (nitrógeno, hidrógeno). Cuando la emisión gaseosa es muy grande —y esto sucede en aceros con un alto contenido de oxígeno en el líquido y un porcentaje en carbono inferior a 0.15 %C— cabe utilizar ese abundante desprendimiento de gases para lograr una piel o periferia del lingote muy pura. Sin embargo, si el contenido en carbono es muy bajo, inferior a 0.04 %; resulta insuficiente para dar monóxido de carbono por combinación con el oxígeno y, aunque la cantidad de oxígeno en el fundido es grande, no se produce una adecuada efervescencia, por esa imposibilidad de formación del CO. Estos aceros efervescentes se cuelan sin adición de desoxidantes al horno y sólo con pequeñas adiciones a la cuchara para ajustar el grado de efervescencia deseado. En efecto, el grado de efervescencia puede variar. La efervescencia, a modo de hervido, no se produce instantáneamente al llenar el lingote, sino cuando comienza la solidificación y, con ella, el brusco descenso de solubilidad de los gases disueltos en el líquido. Además, al formarse CO, el oxígeno y el carbono que lo integran se eliminan del fundido en proporción a sus respectivos pesos atómicos. Por ello, la concentración de oxígeno en el acero líquido restante decrece más rápidamente que el contenido en carbono. Esto, como es natural, influye en el ritmo del desprendimiento gaseoso posterior. ACEROS EFERVESCENTES Si la efervescencia es notable, se forman muchas burbujas en la cabeza y pie del lingote. Las burbujas de cabeza se desprenden del frente sólido y escapan de la masa líquida. En el pie del lingote, a partir de un cierto momento de la solidificación, no llegan a vencer la presión ferrostática: quedan localizadas, con formas abocinadas, en cotas de poca altura y en situación tanto más próxima a la pared de la lingotera cuanto más cercanas al pie del lingote (figura V.16.). El total de venteaduras puede llegar a superar la magnitud del rechupe y la cabeza del lingote puede ser convexa. Cuanto mayor es el grado de efervescencia se forman más burbujas en cabeza y pie del lingote, y por consiguiente, escapan con mayor facilidad. Las sopladuras de piel aparecen sólo en el pie del lingote y más alejadas de la periferia. Una gran efervescencia disminuye el total de venteaduras y compensa aproximadamente el rechupe. En las figura V.16.7 se esquematiza la morfología del acero efervescente típico. En aceros demasiado efervescentes, por no haber ajustado el oxígeno adecuadamente, también se forman burbujas en cabeza y pie, pero escapan con facilidad. La efervescencia excesiva libera la casi totalidad del gas; apenas aparecen sopladuras, y las formadas no llegan a compensar el rechupe, que aparece como en los aceros calmados (figura V.16.8). ACEROS EFERVESCENTES Si se tiene en cuenta el proceso de su formación, se comprende que los aceros efervescentes, no se obtienen por colada continua, sino que se cuelan siempre en lingotera. La piel de los lingotes efervescentes es muy pura y presenta un excelente comportamiento al trefilado, muy buena resistencia a la corrosión después de estañado o pintura, y otras propiedades ventajosas. Para ciertas aplicaciones la presencia de una piel de esas características hace preferible el empleo de aceros efervescentes, en vez de aceros calmados, aunque son propensos al envejecimiento. Conviene que la piel sea ancha, pues si las sopladuras de piel llegan a alcanzar la periferia, se oxidan y causan defectos periféricos durante la laminación del lingote. Empleando lingoteras muy frías, o eficazmente refrigeradas en su periferia, se produce un desprendimiento gaseoso enérgico, una solidificación con granos columnares, y, en consecuencia, "pieles" anchas. Para favorecer el espesor máximo de metal antes que la presión externa (ferrostática y atmosférica) impida la salida de gases a la atmósfera y provoque la adherencia de las burbujas, son convenientes las coladas lentas (con pequeño diámetro de la buza) y en sifón; ambos factores, al retardar el aumento de presión ferrostática, favorecen el desprendimiento de gases. ACEROS EFERVESCENTES Para un pronto inicio de la efervescencia, resultan convenientes las temperaturas de colada bajas. Como contrapartida, esto exige colar a velocidades altas, para evitar que se produzcan fondos de cuchara solidificados. Por tanto, la elección de la temperatura y la velocidad de colada suponen un compromiso: para lograr una efervescencia adecuada y, al mismo tiempo, evitar la formación de esos fondos de cuchara. Puede aumentarse también el espesor de la piel, incrementando adecuadamente el grado de efervescencia del acero; por ejemplo, añadiendo oxígeno, o polvos que produzcan desprendimiento de oxígeno en el baño líquido. De este modo se consigue una mayor presión de CO y, por tanto, a igualdad de otros factores, se producirá mayor desprendimiento de las burbujas formadas junto a la pared del frente de solidificación. A la inversa, la piel resultará algo más estrecha y, por consiguiente, las sopladuras de piel más próximas a la periferia, cuando se interrumpe la efervescencia mediante bloqueado mecánico de la cabeza del lingote. ACEROS DE EFERVESCENCIA INTERRUMPIDA La denominación "aceros de efervescencia interrumpida"("capped) —para esos aceros de contenido habitualmente igual o mayor de 0.15 %C y siempre menor de 0.3 %C— hace referencia a la posibilidad de una efervescencia inicial para favorecer así una "piel" pura, e interrumpir luego la efervescencia. Son consecuencia de una variación de la práctica empleada para obtener aceros efervescentes Conviene que el contenido de oxígeno en el acero antes de colar no sea superior, y preferiblemente algo inferior, al requerido para los aceros efervescentes. Se cuelan en lingoteras de botella, tapándose la cabeza de éstas al cabo de poco más de un minuto de iniciada la efervescencia. Al principio se produce un gran desprendimiento gaseoso con corrientes de convección que arrastran los gases formados en la pared y permiten su salida a la atmósfera. En la mitad inferior del lingote, las sopladuras no aparecen hasta que la evolución del hervido se modera por el taponado de la lingotera. Debido al aumento de presión producido por el blocaje, las burbujas no pueden ya despegarse de la pared del sólido en que se formaron (figura V.16.5.). ACEROS DE EFERVESCENCIA INTERRUMPIDA La interrupción de la efervescencia puede conseguirse también por medios químicos como, por ejemplo, adición masiva de Aluminio (o de otros desoxidantes, por ejemplo Titanio) en la cabeza del lingote para obtener (por calmado de la zona superior) una pronta solidificación de la cabeza y un cierre prematuro del lingote. Así pues, una vez conseguido el espesor de piel deseado, se frena el desprendimiento de CO por medios mecánicos o químicos, y el resto del acero líquido solidifica de modo similar a los aceros semicalmados. Una interrupción demasiado prematura del hervido daría como resultado la morfología de la figura V.16.4, con sopladuras de piel perjudiciales por estar prácticamente en contacto con el exterior. Cuanto mayor es la tendencia a "ascender" de un lingote efervescente, (ver morfologías correspondientes a la cabeza del lingote en la figua V.16.), mayor es el espesor sano de piel en la zona baja del lingote (las muestras suelen tomarse a 30 cm de la base). ACEROS CON EFERVESCENCIA En general, puede decirse que la efervescencia durante la solidificación aumenta la segregación química debido a la agitación del líquido. Por ello, LA SEGREGACIÓN en el interior de lingotes de acero de efervescencia interrumpida es, a igualdad de tamaño, menor que en los aceros efervescentes, aunque mayor que en los aceros semicalmados. Entre los cuatro tipos considerados - calmados, semicalmados, de efervescencia interrumpida y efervescentes -, los aceros calmados son los que producen menor grado de segregación, no envejecen a temperatura ambiente y, por laminación pueden obtenerse texturas favorables para embutición. ACEROS BAJOS EN CARBONO (C<0.25 %C) La mayor parte de todo el acero fabricado es bajo en carbono. Este tipo de acero no responde al tratamiento térmico para formar martensita y es endurecible por acritud. LA MICROESTRUCTURA CONSISTE EN FERRITA Y PERLITA. Como consecuencia, estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Además, son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas (en forma de I, canales y ángulos) y láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas estañadas. ACEROS BAJOS EN CARBONO / Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) (aceros microaleados) Otro grupo de aceros bajos en carbono está constituido por los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, High Strength Low Alloy), que contienen elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentraciones combinadas de aproximadamente el 10 % en peso y poseen mucho mayor resistencia mecánica que los aceros bajos en carbono. Se aumenta la resistencia por tratamiento térmico y el límite elástico excede de 480 Mpa. Además son dúctiles, hechurables y mecanizables: en las tablas 1a y 1b se han listado algunos. En el ambiente atmosférico, los aceros HSLA son más resistentes a la corrosión que los aceros al carbono, a los que suelen reemplazar en muchas aplicaciones donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soporte de altos edificios y recipientes a presión. Son aceros con muy bajo carbono (típicamente por debajo del 0.2 % en peso de C), y alrededor de un 1 % en peso o menos de elementos tales como Mn, P, Si, Cr, Ni, Mo, y pequeñísimas cantidades Nb, V y Ti. Estos aceros son laminados en caliente de forma controlada para obtener una estructura de grano muy fino, con valores elevados del límite elástico y la resistencia, junto con una baja temperatura de transición dúctil-frágil. Las tablas 1a y 1b indican las composiciones y las propiedades mecánicas de varios aceros bajos en carbono, respectivamente. Estos aceros suelen tener un límite elástico de 275 MPa, una resistencia a la tracción comprendida entre 415 y 550 MPa y una ductilidad del 25 % EL Tabla 1a.-Composiciones 5 aceros bajos en carbono y 3 aceros de baja aleación y alta resistencia Tabla 1b.- Características mecánicas de material laminado en caliente y aplicaciones típicas de aceros de bajos en carbono y aceros de alta resistencia y baja aleación ACEROS MEDIOS EN CARBONO Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0.25 y 0.6 %. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se suelen utilizar en la condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, sólo tratables en piezas de delgada sección y velocidades de temple muy rápidas. Las adiciones de cromo, níquel y molibdeno mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente, generando así gran variedad de combinaciones resistencia-ductilidad. Estos aceros tratados térmicamente son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se utilizan para fabricar ruedas y railes de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad. ACEROS MEDIOS EN CARBONO En la tabla 2a se presentan las composiciones de varios aceros con contenido medio en carbono, cuyo esquema de designación se comenta seguidamente. La "Society of Automotive Engineers" (SAE), el "American Iron and Steel Institute" (AISI) y la "American Society for Testing and Materials" (ASTM) son los responsables de la clasificación y de la especificación de los aceros y de sus aleaciones. La designación AISI/SAE de los aceros consta de cuatro cifras: los dos primeros dígitos indican el tipo y contenido en aleantes del acero y las dos o tres últimas cifras se corresponden con el contenido medio en carbono (en porcentaje en peso, multiplicado por 100). Las dos primeras cifras de aceros al carbono son 1 y 0; mientras que las de los aceros aleados son, por ejemplo 13, 41, 43. Las cifras tercera y cuarta representan el porcentaje en carbono multiplicado por 100; por ejemplo, un acero 1060 significa un acero al carbono con 0.60 % C. Un acero al carbono con un 0.40 % en peso de C es un acero 1040, mientras que un acero con un 1.45 % en peso de Cr y un 1.5 % en peso de C es un acero 52150. Tabla 2a.- Sistema de designación AISI/SAE y UNS y tramos de composición para aceros al carbono y aceros de baja aleación ACEROS MEDIOS EN CARBONO Con el fin de uniformar las aleaciones férreas y no férreas se utiliza el sistema numérico uniformado (UNS), que consiste en una letra, como prefijo, seguida de un número de cinco cifras. La letra indica la familia metálica a que pertenece la aleación. La designación UNS de estos aceros empieza con una G seguida por el número AISI/SAE; el quinto dígito es un cero. La tabla 2b contiene las características mecánicas y las aplicaciones típicas de estos aceros, después de templados y revenidos. Tabla 2b.- Aplicaciones típicas e intervalo de propiedades mecánicas de aceros al carbono y templados en aceite y revenidos 1.-ACEROS HIPOEUTECTOIDES (0.0218 < C < 0.77 %).Mayor aplicación ingenieril Tienen una estructura de granos de fase αproeutectoide circundando a las colonias de perlita. Inician su transformación alotrópica en A3. Germen reactor: Fase α –proeutectoide. La nucleación tiene lugar de forma heterogénea en las juntas de grano y puntos triples. Entre A3 y A1 va creciendo la fase α en virtud de la expulsión de C de la fase γ. A 727 ºC la fase γ tiene un 0.77 % de C. Se verifica la reacción eutectoide (0.77 % C ) (0.023 % C ) Fe C 727 ºC 3 PERLITA Se forman colonias de perlita. La matriz es ferrita proeutectoide. En aceros binarios forjados o laminados en caliente, la ferrita proeutectoide aparece como matriz de manera clara (en forma de red o malla que contornea a la perlita) cuando C < 0.55 %. Para 0.55<C<0.77 %, no suele adoptar esa forma, sino que se presentan cristales entremezclados en las colonias de perlita. Bruto de moldeo: materiales de acero colados. Tienen una estructura de grano descomunal, donde la ferrita crece acicularmente, dando estructura de Widmanstäten. Esto ocurre cuando el tamaño de grano austenitico es muy grande. Domina el crecimiento en vez de la nucleación heterogénea (los pocos gérmenes que aparecen crecen muy rápido), porque hay pocos sitios para ello, debido al gran tamaño de grano. La acicula tiene gran superficie en relación a su volumen (S/V ↑), luego a través suyo expulsa C y desprende calor (Q). Esta estructura acicular, ingenierilmente, es mala. En el borde de la acícula existe una gran concentración de esfuerzos, con lo que puede producirse la rotura del material (no tiene uso ingenieril) A3 ACEROS ALTOS EN CARBONO (normalmente contienen entre 0.60 y 1.4 % C) 0.60 Los aceros altos en carbono pueden ser hipoeutectoides, eutectoides o hipereutectoides. Son más duros, resistentes y aún menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan en la condición templada y revenida, en la cual son especialmente resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Las herramientas y las matrices se fabrican con aceros aleados altos en carbono que contienen, generalmente, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Estos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar carburos muy duros y resistentes al desgaste: por ejemplo, Cr23C6, V4C3 y WC. En la tabla 3 están listados algunos aceros de herramienta y sus composiciones. Estos aceros se utilizan como herramientas de corte y matrices para hechurar materiales, así como cuchillos, navajas, hojas de sierra, muelles e hilos de alta resistencia. Tabla 3.- Designaciones, composiciones y aplicaciones de seis aceros de herramientas 1.4 2.- ACEROS EUTECTOIDES (C=0.77 %) 0.77 Aceros 100 % perlíticos. En minería se utilizan para obtener las bolas y barras de los molinos. No se emplean para hacer chapas Tomamos la composición del acero tal que C = 0.77 %. Por encima de 727 ºC tenemos una estructura homogénea de fase γ. Al alcanzar la temperatura de 727 ºC se inicia la transformación a temperatura constantes según la reacción eutectoide. El germen reactor de la nucleación es el núcleo de Fe3C (simplificando, en puntos triples aparece la perlita). (0.023 % C ) Fe C (0.77 % C ) 3 727 ºC PERLITA La fase α admite en solución un 0.0218 % C. Al enfriar, la fase α expulsa C hasta la cementita engrosándola (es un material compuesto natural) En el caso de que existan grietas, cuanto más fina sea la cementita mejor y cuanto mayor sea el número mejor, para que la grieta no avance. A mayor anchura de la fase α mejor. Se amortigua la vibración debida a la grieta Se desarrolla perlita en los puntos triples 1.- ACEROS HIPEREUTECTOIDES (0.77 < C < 2.11 %) No se usa en el estado convencional debido a su baja tenacidad y si en el estado de temple + maduración. Mediante revenido se utiliza para herramientas (de conformado de chapa en frío), donde se puede incluir los materiales sometidos a esfuerzos cíclicos Al bajar la temperatura y alcanzar la línea Acm se verifica la transformación: γFe3C. El germen reactor es el Fe3C. La fase γ se va empobreciendo en C. A la temperatura de 727 ºC aparece una red continua de cementita previa al eutectoide (cementita proeutectoide). La fase γ que falta por transformar tiene un contenido en C del 0.77 %. Como la cementita proeutectoide es el constituyente matriz y es cerámica, podrá soportar esfuerzos altos, pero el alargamiento antes de la rotura es muy pequeño, de ahí que no sea útil. Colonia de perlita: zona donde las láminas de perlita tienen la misma orientación Hasta que no se extinga la última porción de γ0.77 la temperatura no baja, luego si. El contenido de fase α baja del 0.0218 % al 0.008 %. Ha dejado de admitir carbono (fase α expulsa C). Hay un recrecimiento de las zonas de cementita previamente formada. La máxima solubilidad en C de la fase α a temperatura ambiente son 80 ppm (0.008 %). La estructura a temperatura ambiente cementita (matriz) + perlita, luego de nula aplicación ingenieril. Estructura micrográfica formada por colonias de perlita contorneadas por una red más o menos continua de cementita (matriz)-cementita proeutectoide. Las cantidades se calculan mediante la regla de los segmentos inversos (0.023 % C ) Fe C (0.77 % C ) 3 727 ºC Schematic representation of the formation of pearlite from austenite; direction of carbón diffusion indicated by arrows. Schematic representations of the microstructures for an iron– carbon alloy of hypereutectoid composition C1 (containing between 0.76 and 2.14 wt% C), as it is cooled from within the austenite phase region to below the eutectoid temperature. Photomicrograph of a 1.4 wt % C steel having a microstructure consisting of a white proeutectoid cementite network surrounding the pearlite colonies.x1000 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN Se consideran aceros de alta aleación aquellos en los que el total de elementos de aleación distintos del carbono superan el 5 % en peso. La adición de esos elementos encarece el acero, y sólo se justifica por la mejora sustancial de ciertas propiedades. Así, los aceros inoxidables requieren la adición de aleantes para evitar ser dañados por un ambiente corrosivo. En los aceros de herramientas los elementos aleantes se añaden con el fin de obtener la dureza requerida para aplicaciones de mecanizado. ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables resisten la corrosión (herrumbre) en muchos ambientes, especialmente en la atmósfera. El cromo es el principal elemento de aleación, en una concentración mínima del 12 %. La denominación de “inoxidables” hace referencia a su comportamiento en medio acuoso. En ese medio el hierro puro tiende a pasar a la forma iónica. En cambio, para contenidos en Cr superiores al 12 %, el Fe se reviste de un film de óxido con alto contenido en Cr, de espesor inferior a 10 nm y, por tanto, invisible, que lo pasiva: modifica la posición del Fe en la serie electromotriz y su comportamiento pasa a ser catódico. Para producir el óxido protector, el acero inoxidable ha de estar expuesto a agentes oxidantes. Por otro lado, la invisible película protectora resulta también resistente a los ácidos oxidantes y a numerosas soluciones salinas. Si resultara dañada la película pasiva vuelve a reconstruirse con tal de que el ambiente sea suficientemente oxidante y el oxígeno pueda entrar en contacto con la aleación. La película, en cambio, no resiste frente a ácidos reductores. La resistencias la corrosión mejora con adiciones de níquel y molibdeno. Las adiciones de los elementos de aleación en concentraciones significativas producen dramáticas alteraciones en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Los aceros inoxidables se clasifican en función de la microestructura constituyente: martensítica, ferrítica o austenítica. Familias de aceros inoxidables (a).- Cr < 12 % (por ejemplo, Cr=4.3 %). Usos para conseguir aceros con suficiente resistencia al ataque químico. (b).- Cr > 12 % 1.- Cr > 25 %. Aceros superferriticos: muy refractarios. Llevan el mínimo de % C posible Aplicación: bandas continuas Dwight-Lloyd Riesgo: formación de fase γ promueve la Fragilización de materiales 2.- Cr ≈12-14 %. -Aceros inoxidables ferríticos: estructura bruta de moldeo grande. Bajo % C Aplicaciones: potas, fregaderos,... Son susceptibles de atracción magnética - Aceros inoxidables martensiticos. El % C es mayor. Se usan donde la dureza y el inoxidabilidad son exigidas (bisturis) (c).- 18 %Cr-8 %Ni. Aceros austeniticos. Usados en revestimientos internos de recipientes a presión. Son resistentes a la corrosión. Debido al Ni, no se deben usar en presencia del S (existe mucha afinidad entre ellos) ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS Los aceros inoxidables ferríticos son esencialmente aleaciones binarias hierro-cromo que contienen alrededor de un 12 a un 30 % de cromo. Se llaman ferríticos porque su estructura permanece en su mayor parte ferrítica (BCC, hierro tipo ) en condiciones normales de tratamiento térmico. Como el cromo tiene la misma estructura cristalina BCC que la ferrita , puede extender la región de fase , y suprimir la región de fase . Como resultado, se forma un “lazo ” en el diagrama de fases hierrocromo y lo divide en regiones FCC y BCC. Los aceros inoxidables ferríticos , puesto que contienen más del 12 % de cromo, no pasan de la transformación FCC a BCC y se enfrían desde altas temperaturas como soluciones sólidas de cromo en hierro-. 1.- Los aceros inoxidables ferríticos son relativamente baratos, ya que no contienen níquel. No endurecen por acritud, ya que no son susceptibles al temple. Principalmente se usan como materiales de construcción general, en los que se requiere su especial resistencia al calor y a la corrosión. La presencia de carburos en este acero reduce, en cierto grado, su resistencia a la corrosión. 2.- Sin un alto contenido en níquel, la estructura BCC es estable, como ocurre en los aceros inoxidables ferríticos. Poseen más de un 12 por ciento en Cr (y no hay más elementos; el contenido en C es bajo, 0.10.2 por ciento, para no disminuir la plasticidad). No se producen transformaciones, y la estructura es ferrita hasta fusión. En el caso de muchas aplicaciones que no requieren la elevada resistencia a corrosión de los aceros inoxidables austeníticos, los aceros inoxidables ferríticos, menos aleados (y con un menor coste), resultan bastante útiles. Son aceros ferromagnéticos, al igual que los martensíticos. Los aceros inoxidables ferríticos tienen comportamiento magnético Diagrama de fases de hierro-cromo ACEROS INOXIDABLES MARTENSITICOS Los aceros inoxidables martensíticos son esencialmente aleaciones de hierro-cromo que contienen del 12 % al 17 % de cromo con suficiente carbono (0.15 al 1%), que amplía el bucle , de tal modo, que es posible obtener una estructura martensítica, por temple desde la región de fase austenítica. Estas aleaciones se llaman martensíticas, pues son capaces de desarrollar una estructura martensítica después de un tratamiento térmico de austenización y temple. Puesto que la composición de los aceros inoxidables martensíticos, se ajusta para optimizar resistencia y dureza, la resistencia a la corrosión de estos aceros es relativamente pobre, comparada con los austeníticos y ferríticos. Poseen alta resistencia. Resultan excelentes en aplicaciones tales como cuberterías o muelles. El tratamiento térmico de los aceros inoxidables martensíticos destinado a aumentar resistencia y tenacidad, es básicamente el mismo que para los aceros al carbono y los de baja aleación. Es decir: la aleación es austenizada, enfriada lo suficientemente rápido como para producir una estructura martensítica y después, tratada para reducir tensiones y aumentar la tenacidad. La alta templabilidad de las aleaciones de hierro –del 12 al 17 % de cromo- evita la necesidad de temple por agua y permite una velocidad de enfriamiento más lenta para producir la estructura martensítica. Cuando el contenido en carbono de las aleaciones hierro-cromo se incrementa hasta un 1 % de carbono, el lazo se hace mayor. En consecuencia, las aleaciones hierro-cromo con alrededor de un 1 % de carbono pueden contener sobre un 16% de cromo y ser capaces aún de producir una estructura martensítica por austenización y temple. Los aceros inoxidables martensíticos tienen comportamiento magnético ACEROS INOXIDABLES AUSTENITICOS. Se mantiene retenida la estructura de la austenita a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos son esencialmente aleaciones ternarias de hierro-cromo-níquel; contienen entre un 16 % y un 25% de cromo y desde un 7% a un 20% de níquel. Se añade Mo (2 %) para evitar la corrosión por picaduras en caliente Estas aleaciones se denominan austeníticas, porque su estructura recuerda a la austenita (FCC, hierro tipo ) a todas las temperaturas normales de tratamiento térmico. Esta estructura se puede presentar a temperatura ambiente siempre que sea estabilizada por un elemento de aleación apropiado, como el níquel. La presencia de níquel que poseen una estructura cristalina FCC, permite retener la estructura FCC a temperatura ambiente. La elevada conformabilidad de los aceros austeníticos es debida a su estructura FCC. Los aceros inoxidables austeníticos no endurecen por acritud, ya que no son susceptibles al temple. Los aceros inoxidables austeníticos tienen normalmente mejor resistencia a la corrosión que los ferríticos y martensíticos, porque los carburos pueden retenerse en solución sólida por enfriamiento rápido desde altas temperaturas. Sin embargo, si estos aceros, austeníticos, han de ser soldados, o enfriados lentamente desde altas temperaturas, a través del rango 870 a 600 º C, pueden ser susceptibles de corrosión intergranular porque los carburos de cromo precipitan en los bordes de grano. Esta dificultad, puede evitarse en cierto grado o bien descendiendo el máximo contenido de carbono hasta aproximadamente el 0.03 % de carbono, o bien, añadiendo un elemento aleante, tal como el niobio, para que se combine con el carbono existente. Son aceros de baja resistencia y gran capacidad de deformación (estructura FCC). No son ferromagnéticos. La austenita podría transformarse en martensita por deformación plástica (TRIP). Puede haber sensibilización a la corrosión intergranular por la precipitación de carburos de cromo en bordes de grano, por permanencia entre 500 y 900 °C. Los aceros inoxidables dúplex son aceros con una estructura combinada de ferrita y austenita, a los que se le ha añadido menos Ni en comparación con el Cr, y presentan propiedades intermedias. 4.Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación (PH) se utilizan en piezas resistentes a la corrosión con responsabilidad estructural. Tienen alta resistencia y tenacidad. Se aprovecha la formación de compuestos intermetálicos a altas temperaturas de revenido. ACEROS INOXIDABLES En la tabla 4 figuran las composiciones químicas, las propiedades mecánicas y las aplicaciones de cuatro clases de aceros inoxidables. La amplia gama de propiedades mecánicas combinadas con la excelente resistencia a la corrosión hacen que este tipo de acero sea muy versátil. Algunos aceros inoxidables se utilizan en ambientes rigurosos a elevadas temperaturas debido a su resistencia a la oxidación y a la integridad mecánica en estas condiciones; en atmósferas oxidantes hasta 1000°C. Las turbinas de gas, generadores de vapor, hornos de tratamiento térmico, aviones, misiles y generadores de energía nuclear están construidos con estos aceros inoxidables. La tabla 4 también incluye aceros inoxidables de muy alta resistencia mecánica y a la corrosión (17.7 PH): endurecidos por precipitación mediante tratamiento térmico Tabla 4.- Designaciones, composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas para los aceros inoxidables ferríticos, austeniticos, martensiticos y endurecidos por precipitación ACEROS DE HERRAMIENTAS Los aceros de herramientas presentan resistencia y dureza máximas, y se emplean para cortar, mecanizar o dar forma a otro material. Algunos de los tipos principales de aceros de herramientas se resumen en la Tabla 11.4. Al final de la tabla se incluye un acero al carbono (W1), adecuado en operaciones de conformado no demasiado exigentes. Hoy día resulta común la adición de gran cantidad de aleantes a este tipo de materiales, y las propiedades deseadas determinan la composición. Se requiere límite elástico elevado, por lo que la estructura óptima es la de bonificado con revenidos bajos y alto contenido en carbono. Para mejorar la tenacidad se añade silicio. Para tener resistencia en caliente se añaden W, Mo, Cr y V. Si se busca indeformabilidad durante el tratamiento térmico, se añaden grandes proporciones de Cr y Mn. Los aceros rápidos presentan gran dureza en caliente y se utilizan para mecanizar a gran velocidad. ACERO F+P FORJADO ACERO F+P BRUTO DE MOLDEO + NORMALIZADO FUNDICIONES Las fundiciones son aleaciones férreas con un contenido en carbono superior al 2.11 % (C de saturación de la austenita a la temperatura eutéctica). Sin embargo, en la práctica, la mayoría de las fundiciones contienen entre 3 y 4.5 % C y otros elementos de adición. La observación del diagrama de fases Fe-Fe3C revela que las aleaciones comprendidas en este tramo de composiciones funden a temperaturas incluidas entre 1150 y 1300°C, considerablemente más bajas que los aceros. Por este motivo las fundiciones funden y se moldean con facilidad. Además, algunas fundiciones son frágiles y el moldeo es la técnica de conformación más conveniente. 3 4.5 Las fundiciones resultan excelentes para moldeo por sus temperaturas de fusión y viscosidad de la fase líquida relativamente bajas, porque no forman capas superficiales indeseadas durante la colada y por experimentar una contracción moderada durante la solidificación y el enfriamiento. Esto permite obtener piezas con formas complejas, si bien las propiedades mecánicas serán inferiores a las de las aleaciones de forja. La resistencia de las fundiciones es variable, en función del tipo. Clasificación de las fundiciones. Blancas no aleadas Fundiciones blancas Hipoeutécticas (las que más se usan) Eutécticas Hipereutécticas Blancas aleadas: Alto cromo (muy usadas en minería) Grises no aleadas Fundiciones grises Grises maleables Resistentes al calor Inoxidables Resistentes al desgaste Laminares De grafito compacto. Se obtienen por nodulación defectuosa Nodulares: se les añade Mg para que el C(g) desarrolle un hábitat globular con nodulizados con Mg (No puede contener elementos carburígenos como el Cr) Europea Americana En una primera clasificación las fundiciones férreas pueden ser " blancas" o " grises" según su solidificación siga el equilibrio metaestable HierroCementita o bien el equilibrio estable Hierro-Grafito. Suele denominarse diagrama de equilibrio Fe-C al indicado en la Figura 1; diagrama que, en realidad, corresponde a un equilibrio Hierro-Cementita, y no al verdadero equilibrio estable Hierro- Carbono. En efecto -para los enfriamientos usuales- el líquido compuesto por Fe y 4.3 %C solidifica habitualmente a 1148 ºC a modo de un agregado eutéctico denominado ledeburita, constituida por austenita (2.11 %C) y cementita (6.67 %C), cuyas proporciones en peso de austenita y cementita son respectivamente 51.9 % y 48.1 % (como se desprende del diagrama metaestable de la Figura 1 ). Pero, para enfriamientos suficientemente lentos, un líquido de aquella composición (para ser más exactos de 4.25% de C) puede solidificar según el diagrama estable de la Figura 2, a 1154 ºC, dando una eutéctica de C (en forma de grafito) y austenita (de 2.08 %C), en proporciones de 2.33 % y 97.77 % en peso, respectivamente. Con frecuencia en piezas de gran masividad pueden encontrarse ambas eutécticas al finalizar la solidificación: ledeburita en las zonas externas de la pieza, y eutéctica de grafito y austenita en el centro enfriado más lentamente. Por tanto, para un líquido de composición próxima a 4,3% de C existen, dos posibilidades de solidif icación eutéctica, según se siga el diagrama estable o bien el diagrama metaestable. Las secciones gruesas pueden tener una sola capa superficial de fundición blanca que se ha "enfriado" durante el moldeo, mientras que en el interior, donde la velocidad de enfriamiento es más lenta, se forma fundición gris. Figura 1.Diagrama metaestable Fe-C. Figura 2.Diagrama estable Fe-C. El fundido no solidifica instantáneamente al alcanzar la correspondiente temperatura; se requiere un cierto tiempo para la nucleación del grafito, o bien de la cementita, rectores de la solidificación. La cinética de formación de la cementita es más rápida que la de agrupación de átomos de carbono para formar grafito: en la aparición de cementita interviene la afinidad entre carbono y hierro para dar el compuesto intermetálico Fe3C, por lo que ésta se logra en menos tiempo que el grafito. Se comprende que un líquido binario (compuesto solamente por Hierro y Carbono) solidifique habitualmente en forma de ledeburita (cementita y austenita), en lugar de formar la eutéctica de grafito + austenita. Para lograr esta eutéctica serían necesarios unos enfriamientos tan lentos que posibilitaran, en un intervalo de sólo 6 ºC, a temperaturas comprendidas entre 1154 ºC y 1148 ºC, tiempos de permanencia suficiente para lograr la agrupación de átomos de carbono en forma de grafito. Así, si el descenso de temperatura es rápido y se alcanzan temperaturas inferiores a 1148 ºC antes de que puedan formarse el grafito y la austenita, el fundido daría cementita ledeburítica: además de ser posible su aparición a temperaturas inferiores a 1148 ºC, la afinidad química entre el Hierro y el Carbono, para formar cementita, posibilita la rápida formación de ésta. En realidad, para lograr la formación de grafito en el caso de líquidos eutécticos y enfriamientos industriales, aunque sean lentos, se hace necesaria la utilización de componentes, llamados "GRAFITIZANTES", tales como Si, P, Al, Ni, Cu (en orden de mayor a menor eficiencia). La presencia de estos elementos en el líquido resulta eficaz por un efecto de DILUCIÓN y un efecto de AFINIDAD. Al diluir los preagrupamientos entre átomos de Fe y C, necesarios para la formación de núcleos de cementita, se retarda la cinética de formación de ésta y se posibilita la aparición de grafito. Por otro lado algunos elementos -como el Si, P, Al- con afinidad por el Fe (para dar siliciuros, fosfuros, aluminuros) añaden al simple efecto de dilución antes citado, una tendencia a formar con el Fe los preagrupamientos propios de estos compuestos, y con ello importunan los preagrupamientos de Fe y C necesarios para formar cernentita. Los ferrosilicios, y también algunos compuestos llamados " INOCULANTES"- tales como siliciuros de Calcio, aleaciones de Zirconio, de Estroncio, etc- aceleran la formación del grafito al facilitar la nucleación heterogénea de éste, sin ser propiamente grafitizantes. La inoculación provoca la multiplicación y afino de las partículas de grafito; y da origen, además, a la formación de un mayor número de células eutécticas. Algunos, como el Mg o el B, pueden originar una morfología esferoidal de grafito, en vez de su forma habitual que es laminar. La eficacia de los inoculantes desaparece con el tiempo, por lo que, después de la inoculación, conviene colar la fundición lo antes posible. Los elementos con aptitud para formar carburos más estables que la cementita, o para estabilizar a ésta como carburo complejo, -tales como Ti, Zr, Ni, V, W, Mo, Cr, Mn-, reciben el nombre de "ANTIGRAFITIZANTES". La presencia de estos elementos en el líquido resulta desfavorable para la formación del grafito (se forman preferentemente carburos}; y, por tanto, son perjudiciales para la formación de la eutéctica de grafito + austenita. Las fundiciones "altamente aleadas con Cr", utilizadas por su buena resistencia a la abrasión, a la corrosión y a las altas temperaturas, son fundiciones sin grafito (blancas). FUNDICIONES La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, se disocia a dos componentes en ferrita y grafito, de acuerdo con la reacción Fe C 3Fe C grafito 3 La tendencia a la grafitización (formación de grafito) se regula mediante la composición y la velocidad de enfriamiento. La presencia de silicio, en porcentajes superiores al 1 %, facilitan la grafitización, al igual que la velocidad más lenta de enfriamiento durante la solidificación. En la mayoría de las fundiciones el carbono aparece como grafito y la microestructura y las propiedades mecánicas dependen de la composición y del tratamiento térmico. El Silicio es el principal agente grafitizante. El Aluminio, por ejemplo, es un grafitizante enérgico; pero su adicción disminuye la colabilidad y suele producir, también, defectos superficiales en las piezas. Generalmente contienen hasta un 3 % en peso de Si para controlar la cinética de formación de carburos, lo que permite que el sistema evolucione según el diagrama de equilibrio estable, formándose grafito en lugar de cementita durante la solidificación. También poseen Mn, hasta el 1.5 %, P hasta el 1.8 % (que proporciona a la aleación una colabilidad excelente) y hasta un 0.25 por % de S. Además de estas fundiciones ordinarias, existen fundiciones aleadas, que contienen cantidades sensibles de otros elementos de aleación (Cu, Ni, Mo, Ti, Al) para modificar sus propiedades físicas y mecánicas, incrementando por ejemplo la resistencia al desgaste, a la abrasión o a la corrosión. Los diagramas de equilibrio Fe- Fe3C y Fe-C carbono son prácticamente idénticos en la región rica en hierro. La figura también abarca la región del 100 % C, donde el grafito sustituye a la cementita de 6.7% C. Las temperaturas eutéctica y eutectoide para el sistema Fe-Fe3C son 1148 y 727 ºC, respectivamente en lugar de los 1154 y 738 °C del sistema Fe-C. 1153 740 º DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES BLANCAS Las fundiciones blancas obedecen al diagrama Fe-C metaestable [Fe-Fe3C], bien por mantener un CONTENIDO BAJO EN SILICIO, bien por obtenerse con ALTAS VELOCIDADES DE ENFRIAMIENTO. La mayoría del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, como indica la figura 1. El nombre lo toman de la superficie de rotura característica, blanca y brillante. Tras la solidificación, el carbono se encuentra en forma de cementita en una matriz de perlita. Son duras, resistentes al desgaste y muy frágiles, difíciles de mecanizar. No se pueden forjar ni templar, pues rompen a causa de las tensiones. Se emplean, por ejemplo, en forros y palas de molinos, o en rodillos de laminación. Las fundiciones integralmente blancas tienen una gama de empleo limitada a causa de su baja resiliencia -menor que las grises- y de su difícil mecanizado -mucha cementita- esta última característica hace que la fundición blanca sea extremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de ser inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad: bolas de molino, forros de machacadoras de mandíbulas, revestimiento de tolvas, cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar FUNDICIÓN MALEABLE. Figura 1 El contenido en Si de las fundiciones blancas es pequeño: para favorecer la solidificación según Figura 2.- Fundición blanca: las regiones claras el sistema metaestable Tramo correspondiente a las composiciones de las fundiciones industriales del diagrama de fases hierro-carbono. Se muestran también las microestructuras que resultan de varios tratamientos térmicos. Gf, escamas de grafito; Gr rosetas de de cementita están rodeadas por perlita, grafito; Gn, esferoides de grafito; P, perlita; , ferrita estructura laminar de ferrita y cementita. x 400. DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES BLANCAS Calentando la fundición blanca a temperaturas comprendidas entre 800 y 900°C durante períodos prolongados de tiempo en atmósfera neutra (para prevenir la oxidación), la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una matriz ferrítica o perlítica. La estructura de la matriz depende de la velocidad de enfriamiento, como indica la figura 1. La Figura 2d reproduce una fotomicrografía de la FUNDICIÓN MALEABLE: la microestructura es similar a la de la fundición esferoidal (Figura 2b) y origina resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad. Figura 1 (d) Fundición maleable: grafito oscuro en forma de rosetas (deposición del carbono) rodeadas de uña matriz ferrítica . (x 150). (b) Fundición dúctil (esferoidal): los esferoides oscuros de grafito están embebidos en una matriz ferrítica . (x 200) Tramo correspondiente a las composiciones de las fundiciones industriales del diagrama de fases hierro-carbono. Se muestran también las microestructuras que resultan de varios tratamientos térmicos. Gf, escamas de grafito; Gr rosetas de grafito; Gn, esferoides de grafito; P, perlita; , ferrita FUNDICIONES BLANCAS (2.11 % <C < 6.67 % ) Las fundiciones blancas se clasifican en: hipoeutécticas e hipereutecticas, a partir de la reacción eutéctica: LEDEBURITA (2.11 % C ) Fe C (6.67 % C ) Liq (4.3 % C ) 3 1148 ºC El producto resultante de la reacción eutéctica se denomina ledeburita y sus proporciones en fase γ y Fe3C son: 6.67 4.3 100 52 % 6.67 2.11 4.3 2.11 % cementita ( Fe3C ) 100 48 % 6.67 2.11 % austenita ( fase ) La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. 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 las agrupaciones de perlita y cementita. Microestructura interna de la ledeburita FUNDICIONES BLANCAS HIPOEUTÉCTICAS El constituyente primario formado es la austenita, quedando finalmente austenita del 2.11 % C, embebida en la matriz eutéctica denominada ledeburita (2.11 % C ) Fe3C (6.67 % C ), cementita eutectica LEDEBURITA 52 % 48 % Al llegar a la temperatura TL aparece el primer primario. A medida que baja la temperatura se desprende calor con rotura del equilibrio, cambiando la pendiente y apareciendo dendritos de la fase . Al llegar a 1148 ºC tendremos un liquido de 4.3 % C y fase de 2.11 % C. El liquido solidifica como fase de 2.11 % C y Fe3C eutéctica. Al bajar la temperatura precipita cementita dentro de la austenita (primaria y eutéctica), empobreciéndose la austenita en C hasta el 0.77 %. Bajamos de 1148 ºC (*), la fase γ pierde solubilidad en C, aumentando el % de Fe3C secundaria (precipita en los contornos de grano de austenita o en el interior). Esto da una estructura de fase primaria → p + Fe3C y ledeburita (Fe3C y fase γ que da p) . La cementita secundaria (azul) también se denomina proeutectoide. Dendritos de la fase γ TL FUNDICIONES BLANCAS HIPOEUTÉCTICAS A 727 ºC la austenita de 0.77 % C pasa a perlita (rayada) formada por fase α y Fe3C (cementita eutectoide) (*) La austenita es la suma de la primaria y eutectica y la cementita es suma de la eutectica y la formada por pérdida de solubilidad de C en la austenita, llamada cementita secundaria o proeutectoide. Al bajar la temperatura de 727 ºC (**), la fase α pierde solubilidad y forma la cementita (Fe3C) terciaria, la cual precipita En las micrografías el negro es disperso (austenita eutectica) y el blanco matriz (cementita). Se observan también pequeñas precipitaciones de cementita. Se usan como abrasivos. A medida que varía la composición lo hacen las aplicaciones. La estructura (2) es más resistente que la (1) a la abrasión, pero menos tenaz (↑ % C ↑ % ledeburita). FUNDICIONES BLANCAS HIPEREUTECTICAS A medida que enfriamos el liquido, al pasar la temperatura liquidus, aparecen bastoncillos de cementita primaria. El liquido va perdiendo C y va disminuyendo en proporción respecto a la proporción de Fe3C. A 1148 ºC se produce la reacción eutectica donde liquido de 4.3 %C pasa a formar fase de 2.11 %C y cementita eutectica (ledeburita). Seguimos enfriando y se va formando cementita (Fe3C) secundaria, disminuyendo la proporción de fase que cede carbono a esa cementita secundaria. Al alcanzar la fase la composición de 0.77 %C a los 727 ºC se produce la reacción eutectoide donde la austenita dará lugar a ferrita de 0.0218 %C y cementita eutectoide (perlita). Por debajo de esa temperatura aparece lo que se denomina cementita terciaria. La Fe3C primaria da fragilidad (una grieta se desplaza fácilmente gracias a ella). Las fundiciones hipereutecticas son poco tenaces, por presentar bastones de Fe3C, que dan lugar a un efecto entalla que multiplican el valor de las tensiones. MATRIZ: Fe3C de la ledeburita; DISPERSOIDE: Fe3C primario (bastones) y E de la perlita VENTAJAS TECNOLOGICAS DE LAS FUNDICIONES BLANCAS RESPECTO A LOS ACEROS • Tienen una menor temperatura de fusión, menor riesgo de oxidación • Tienen menos microrechupes (menor rechupe) • Tienen mejor colabilidad (el ensayo de colabilidad es verter liquido en un recipiente y cuanto más lejos llegue, mejor colabilidad) NOTA: Los estados brutos de moldeo dan lugar a granos muy grandes. La estructura micrográfica de la aleación ilustrada con la figura VIII.10.- resulta plenamente acorde con el diagrama de equilibrio. En efecto, a 100 aumentos se aprecian la morfología del constituyente disperso austenita -formada antes de 1148 ºC y transformada ya en perlita-, y la matriz eutéctica constituida por cementita (constituyente blanco) y por puntos oscuros correspondientes a la austenita eutéctica transformada ya también en perlita. La figura VIII.11. muestra con más detalle la estructura micrográfica de la figura VII.10. A 250 aumentos puede verse que el constituyente oscuro -tanto el primario como el que aparece en la eutéctica- es perlita producida por transformación de la austenita durante el enfriamiento. Fundición blanca hipereutectica Estas fundiciones, a diferencia de las hipoeutécticas, tendrán como constituyente primario o disperso, agujas de Fe3C (cementita primaria) formadas antes de la solidificación de la eutéctica. FUNDICIONES BLANCAS EN GENERAL: (a) (b) (c) (d) (e) Son preferibles las fundiciones blancas hipoeutecticas Todas presentan poco alargamiento en el ensayo de tracción Muy resistentes a la abrasión (resistentes al desgate) Las más “tenaces” son las fundiciones blancas hipoeutecticas Como desventaja es que no son mecanizables (no se pueden trabajar). El diagrama Fe-C no distingue la obtención de acero por siderurgia integral o por acería eléctrica. La necesidad de calor para alcanzar el estado liquido un acero aumenta a medida que se incrementa el contenido de C. En el horno alto se obtiene arrabio (similar a una fundición, pues es una aleación con ≈4.3 %C). El arrabio se lleva al convertidor donde pierde C por reacción con el oxígeno (decarburación), obteniéndose acero liquido a medida que crece la decarburación. Horno alto → Arrabio (pig iron)→Convertidor → Acero liquido→ Colada → Continua o lingotera O2 ↑ La laminación para obtener distintos perfiles es necesario hacerla en caliente ( T > TAUSTENIZACIÓN). Cuando el %C es bajo puede hacerse el conformado en frío. Luego hay aceros para deformación en caliente y en frío. Prácticamente todas las funciones blancas industriales son hipoeutécticas. Pueden tener contenido bajo en elementos de aleación, para favorecer la templabilidad. Entre estas señalamos por su interés la fundición Ni-Hard que templa fácilmente; dado el alto contenido en Ni aparecerá además de martensita gran cantidad de austenita retenida. En condiciones de trabajo esta austenita retenida puede pasar -por acritud- a martensita. DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES GRISES (solidifican sin formación de ledeburita, dando como constituyentes ferrita y grafito, en lugar de cementita. ) El diagrama metaestable se denomina así porque hay uno más estable - Diagrama Fe-C estable: diagrama entre 0 y 100 % de C (grafito – austenita) - Diagrama Fe-C metaestable: entre 0 y 6.67 % de C (cementita – austenita) En el diagrama estable las fundiciones que aparecen se denominan fundiciones grises , debido al color grisáceo de la fractura (por la presencia de grafito) en contraposición a las fundiciones blancas (fractura blanquecina). Fundición blanca: Matriz de ledeburita, ya que a 1148 ºC en el diagrama metaestable se tiene: (2.11 % C ) Fe C (6.67 % C ) (1) Liq (4.3 % C ) 3 1148 ºC El C en el enfriamiento sale de la estructura cristalina y reacciona con el Fe dando cementita En el diagrama estable, el C reacciona con el C dando grafito, luego el sistema estable da: Liq (4.25 % C ) (2.09 % C ) Grafito(100 % C ) 1148 ºC (2) Para que se de la reacción (2) los enfriamientos deben ser muy lentos, para que sea posible que el C reaccione consigo mismo, o que se trate de piezas muy grandes. Para obtener fundiciones grises lo que se hace no es enfriar muy lentamente, sino que se usan elementos grafitizantes (como el Si). El Si diluye los reagrupamientos de Fe y C retrasando la cinética de formación de la cementita y favoreciendo la formación del grafito. Otros elementos grafitizantes con el Ni, Cu,…. A parte del efecto diluyente, la afinidad Si-Fe favorece la aparición del grafito, disminuyendo su tiempo de aparición, con respecto al de aparición de la cementita. El Cr, Mo, W (Carburigenos) favorecen la formación de ledeburita DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES GRISES El grafito cristaliza en el sistema hexagonal (Figura ). La energía de enlace de los átomos situados en un mismo plano basal es de 100-120 Kcal/mol (enlaces covalentes en las láminas ), en tanto que la energía de enlace entre átomos de planos contiguos es notablemente inferior: 1-2 Kcal/mol. El grafito se diferencia de la cementita (Fe3C), en que en este el enlace es metálico y covalente. Sus parámetros de celda, a la temperatura de 20 °C, son: a= 2.2614 Å y c = 6.7014 Å. Como resultado de ello la relación [c/a] es mayor de 1.633333 por lo que resulta una estructura "aérea", no compacta, en la que los átomos de los planos intermedios, B, no son tangentes a los átomos de los planos basales A. Los cristales se exfolian con facilidad -por eso el grafito es un buen lubricante- y la conductividad térmica en las direcciones paralelas a los planos basales es 100 veces mayor a la conductividad en dirección normal a éstos. A B EUTECTICA ANORMAL. La eutéctica del sistema estable Fe-C, constituida por grafito + austenita, es una eutéctica "anormal"; por dos motivos: • Gran diferencia que hay entre las proporciones de uno y otro constituyente [2.33% de grafito (100 %C) y 97.77 % en peso de austenita(2.09 %C)] • Notables diferencias entre la temperatura de fusión del grafito (2930 °C) y de la austenita (inferior a 1394 °C). Estos dos aspectos-temperatura de fusión de los constituyentes y proporción ponderal entre ambos condicionan en buena medida la estructura y propiedades de la eutéctica. Liq (4.25 % C ) (2.09 % C ) Grafito(100 % C ) 1148 ºC En efecto, en toda eutéctica solidifica en primer lugar el constituyente de punto de fusión más alto: habida cuenta que la fuerza inductora para su solidificación es el salto térmico entre la temperatura de fusión de ese constituyente, en este caso 2930 °C para él grafito, y la temperatura de la eutéctica (inferior a 1154 °C). Al solidificar una porción de grafito, el líquido contiguo se empobrece localmente en carbono; por lo que solidificará a continuación el otro constituyente, austenita (que envuelve al grafito), en la cantidad necesaria para que el líquido pueda seguir manteniendo la proporción eutéctica. Por consiguiente, el grafito es el constituyente rector de la eutéctica estable: su cinética de solidificación resulta más rápida que la de la austenita, por el gran salto térmico y porque, además, es un buen nucleante heterogéneo para la austenita (en tanto que la austenita no es buen nucleante para el grafito). Tras formarse un núcleo de grafito crece a más velocidad planarmente, en el plano (0001), que en la dirección normal a éste (velocidad de crecimiento de las láminas mayor en el sentido longitudinal que en el transversal). El crecimiento es ramificado y libre mientras no solidifique la cantidad equivalente de austenita, que casi envolverá plenamente las láminas de grafito debido a la gran cantidad de austenita solidificada, 97.77 % en peso, respecto al grafito. La lámina de grafito, así envuelta, crece habitualmente por sus extremos; salvo que estos resultaran también recubiertos por austenita debido a una rápida formación de ésta. Así, por ejemplo, para una gran velocidad de enfriamiento, la célula eutéctica resulta ser una pequeña laminilla de grafito -denominado tipo D-, envuelto por austenita. Figura 2.- a) Crecimiento del grafito El grafito crece en sentido longitudinal. La distinta cinética de formación eutéctico en láminas alabeadas de la fase γ y del grafito, da lugar a una estructura de solidificación formando una roseta. b) Detalle de una sección transversal. similar a la “rosa del desierto” (láminas dobladas = roseta, figura) El crecimiento de las láminas, habitualmente por sus extremos, con aparición de nuevas ramas durante su crecimiento, origina una superficie alabeada; similar a una roseta, envuelta por austenita (Figura 2). La célula eutéctica así solidificada recibe el nombre de "roseta eutéctica". Como es lógico, en el interior de un líquido eutéctico aparecen al cabo del tiempo varios núcleos de grafito cuyo desarrollo proporciona otras tantas células eutécticas. Su número y morfología dependerá de la velocidad de nucleación del grafito y de las velocidades de crecimiento cooperativo del grafito y austenita. En definitiva dependerá de la velocidad de enfriamiento del líquido. Para enfriamientos lentos del líquido eutéctico aparecerán pocos núcleos de grafito. En consecuencia se producirán pocas células eutécticas, y éstas serán de gran tamaño. Además, la roseta de grafito alcanzará mayores grosores de lámina al no haberse visto precozmente envuelta por austenita durante su crecimiento en espesor, habida cuenta que la lenta velocidad de enfriamiento comporta también una menor velocidad de solidificación de la austenita. Recíprocamente, si la velocidad de enfriamiento del líquido fuera mayor, aumentará la velocidad de nucleación del grafito y se formarán más células eutécticas; por lo que éstas, al finalizar su crecimiento, resultarán más pequeñas. El grafito será más curvo, y más delgado, porque habrá crecido casi exclusivamente en dirección basal y prontamente envuelto, excepto en sus extremos, por la austenita Añadiendo al fundido, justo en el momento de colar, determinados agentes nucleantes heterogéneos (Por ejemplo, Mg, Mg-Ni, Mg-Fe-Si, etc), el grafito puede adoptar excepcionalmente la forma de un esferoide (grafito N) según se ilustra en las figuras. Ello se produce por crecimiento radial, en sectores, cuando la velocidad de crecimiento en la dirección del eje "C" supera a la de crecimiento planar. La adición de esos inoculantes al líquido para esferoidización del grafito, produce subenfriamiento de la eutéctica estable, por lo que las fundiciones esferoidales han de tener contenidos en Silicios más altos que las fundiciones grises laminares. Figura 1.- Modo de crecimiento de grafito esferoidal Si los enfriamientos fueran tan rápidos que produjeran una precoz envuelta del grafito durante su crecimiento, se impediría la formación de rosetas. En la figura puede verse, en estado pulido, sin ataque, que los dendritos de austenita resaltan sobre una eutéctica cuyo grafito aparece como puntual (grafito tipo D). Para esa misma fundición, si el enfriamiento del líquido fuera mucho más rápido, podría llegar a alcanzarse la temperatura de la eutéctica metaestable sin dal tiempo para la formación del grafito; solidificaría entonces cementita y, por tanto, aparecería ledeburita en vez de la eutéctica estable de austenita y grafito. Figura .- Grafito tipo D entre dendritos de austenita. Probeta simplemente pulida; sin ataque. 100 X Suponemos la suficiente adición de Si para seguir el sistema estable, teniendo: Fundiciones grises hipoeutecticas Al bajar la temperatura aparece la fase γ en el liquido de manera que al alcanzar la temperatura eutéctica aparecen glóbulos de fase y liquido de composición eutéctica, que dará grafito solidificado como rosetas Queda una matriz de γ con el grafito como dispersoide. Fundiciones grises hipereutecticas Al bajar la temperatura primero precipita grafito primarios en el interior del liquido sin ver restringido su crecimiento por una envolvente (crece libremente). Al alcanzar la temperatura eutéctica, el grafito proeutectico o primario se ve rodeado por células eutécticas (primero grafito y luego células eutécticas) Ambas tienen los mismos componentes finales pero la distribución de grafito cambia, lo que hace que cambien las propiedades. (2.09 % C ) Grafito(100 % C ) Liq (4.25 % C ) 1148 ºC C (Grafito) (0.68 % C ) 738 ºC DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES GRISES Con elementos alfagenos no carburigenos grafitizantes se tiene: En el eutéctico: %CE 4.3 Si (%) P(%) Los elementos alfagenos modifican la posición del eutéctico, el cual se desplaza 3 3 a la izquierda. Eutéctico: T = 1154 ºC y CE = 4.25 % Si (%) P(%) Se desplaza a la izquierda. Eutectoide: T = 738 ºC y CE = 0.68 % 9 9 Con estas fórmulas determinamos rápidamente si la composición es hipo o hiper. En el eutectoide: %Ce 0.89 La fundición gris es algo similar a un acero con fracturas cubiertas de grafito, luego no tienen la tenacidad de las fundiciones blancas, poseen un alargamiento pequeño, de forma que tienen malas propiedades mecánicas. El grafito al no ser compacto con la fase γ, se amortiguan mejor las vibraciones (amortiguan la sonoridad), luego esta es una de las aplicaciones de las fundiciones grises. NOTA: el eutéctico en el diagrama estable, por el uso de grafitizantes se produce con un contenido en C que cumple: < 4.3 hipoeutectica Si P Ceq C Se puede usar el diagrama Fe-C estable para fundiciones > 4.3 hipereutectica 3 3 con un valor de C equivalente dado por: (Transforma el Si y el P en C) = 4.3 eutectica El fósforo (P) se usa como grafitizante cuando el %C es mayor de 0.77 Las fundiciones grises son MATERIALES COMPUESTOS de matriz metálica (autenita) y un material disperso cerámico (grafito). Es similar a un acero con hendiduras rellenas de grafito. Las propiedades dependen de la matriz, como se ha formado y la forma del grafito. (pequeños puntos o láminas continuas) DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // TIPOS DE GRAFITO Tomamos micrografías de 100 aumentos (100x) El grafito puede observarse al microscopio directamente sobre probeta pulida, sin necesidad de ataque químico. Al examinar la muestra, no llegará a advertirse la morfología de "rosetas eutécticas" si las células son tan grandes que el campo de observación no llega a abarcar una célula completa. Esto ocurre casi siempre en las fundiciones grises. En ese caso el grafito, cuyo aspecto puede verse en la Figura 1, recibe el nombre de GRAFITO TIPO A. Figura 1.- Grafito laminar tipo A. Probeta simplemente pulida; sin ataque. 100 X Si la solidificación hubiera sido más rápida, a causa de una mayor velocidad de enfriamiento, el número de células eutécticas sería mayor, éstas serán de menor tamaño, y su observación microscópica a 100 aumentos permitiría advertir las rosetas (ver Figura 2.b). ESTE GRAFITO RECIBE EL NOMBRE DE TIPO B. Si el grafito se ve envuelto rápidamente por fase γ dando un sin número de células se denomina GRAFITO TIPO D. Si la velocidad de solidificación es más rápida que en D, en lugar de aparecer el grafito, la eutectica daría ledeburita (aparece el diagrama metaestable). Para remediarlo aumentaríamos la cantidad adicionada de Si y entrar de nuevo en el diagrama estable. Figura 2.- Tipos de grafito laminar vistos a 100x DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // TIPOS DE GRAFITO La solidificación de FUNDICIONES HIPOEUTÉCTICAS se inicia con la aparición de austenita primaria, que finaliza una vez alcanzada la temperatura eutéctica, al formarse las rosetas de grafito y austenita eutéctica. La interacción de los dendritos de austenita primaria y las células eutécticas se resume en una estructura micrográfica constituida por austenita -no se diferencian la primaria y la eutéctica- y por grafito. Cuando la fundición es muy hipoeutectica es decir, cuándo tiene poco C (se requerirá más Si para evitar el blanqueo o aparición de ledeburita), ocurre que antes de alcanzar la temperatura eutéctica casi todo el líquido habrá solidificado a modo de dendritos de austenita primaria. En los reducidos espacios interdendríticos deberá alojarse la pequeña cantidad de líquido eutéctico restante; éste, al solidificar sin espacio suficiente para el desarrollo en forma rosetas, produce una morfologia de grafito típico de las fundiciones muy hipoeutécticas (muy próxima al 2 %) , denominado GRAFITO TIPO E, que delinea a modo de costillas los espacios interdendríticos. (Figuras 1 y 2). La cantidad de fase γ que se forma es grande dando γ como producto de la eutectica en los espacios interdendriticos Figura 2.- Probeta ligeramente atacada, con Nital 2, para delinear la localización del grafito laminar tipo E en los espacios interdentríticos. 100 X Figura 1.- Evolución de la estructura durante la solidificación de una fundición gris hipereutectica DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // TIPOS DE GRAFITO Cuando un fundido tiene COMPOSICIÓN HIPEREUTÉCTICA (%C+%Si/3+%P/3 > 4.25 %) la solidificación comienza con la formación de grafito primario, entre la temperatura del líquidus y la temperatura eutéctica. Este grafito se desarrolla libremente en el interior del líquido, sin obstáculos para para su crecimiento y proporciona láminas rectas cuyo espesor supera al que presentará el grafito eutéctico cuando llegue a formarse. Ese grafito primario recibe el nombre de "GRAFITO TIPO C". A veces les denominado también "grafito espuma"; porque -en el intervalo de temperaturas entre el liquidus y la eutéctica- solamente hay este sólido en el interior del líquido y tiende, por su baja densidad, a flotar en la superficie. El grafito tipo C tiende a crecer mucho por ser el primer producto de la solidificación. Tipo C La figura 1 muestra diferentes momentos de la solidificación de una fundición hipereutéctica: su inicio, la aparición de células al alcanzar la temperatura eutéctica, y el final de la solidificación. Cuando la solidificación finaliza existen, al menos, dos morfologías diferentes de grafito: grafito primario tipo C y grafito eutéctico. Siendo éste de tipo A o de tipo, B según la velocidad de enfriamiento haya sido más o menos lenta. Tanto para las fundiciones hipoeutécticas como para las eutécticas y las hipereutécticas los constituyentes de la estructura micrográfica al término de la solidificación estable son iguales: UNA MATRIZ DE AUSTENITA Y GRAFITO DISPERSO EN EL INTERIOR DE ESA MATRIZ. Esa peculiar estructura micrográfica justifica, varias propiedades comunes a estos materiales. Entre otras su capacidad de amortiguar vibraciones y un comportamiento mecánico similar al de materiales metálicos pero con pequeñas cavidades taponadas por grafito. Figura 1.- Evolución de la estructura durante la solidificación de una fundición gris hipereutectica DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // TIPOS DE GRAFITO El último grafito es el ESFEROIDAL (pequeñas esferas). Estructura tetragonal dispuesta en sectores debido a la nucleación heterogenea (grafito laminar), que en conjunto da una esfera. Con técnicas de inoculación evitamos la formación de fundiciones grises laminares, pasando a esferoidales o ductiles (mayor alargamiento antes de la rotura). Para esto en la solidificación intentamos favorecer la nucleación heterogénea. Grafito esferoidal DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES GRISES Los contenidos de carbono y de silicio de la fundición gris varían entre 2.5 a 4.0 y 1.0 a 3.0%, respectivamente. En la mayoría de las fundiciones grises el grafito aparece como escamas o láminas, dentro de una matriz de ferrita o de perlita. La microestructura de una fundición gris típica se reproduce en la figura 1 y en la figura 2. El nombre fundición gris procede del color de la superficie fracturada, el cual se debe a la presencia de estas escamas. Figura 1.- Fundición gris: las escamas de grafito oscuras están embebidas en una matriz ferrítica . (x 500) Figura 2.- Sección de un motor de automóvil de 4 cilindros de fundición gris. Micrografía electrónica de barrido de una fundición gris, similar a la del motor. Se puede observar la estructura laminar del grafito Mecánicamente las fundiciones grises son, a consecuencia de su microestructura, comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción; pues las láminas de grafito actúan como puntos de concentración de tensiones al aplicar un esfuerzo de tracción exterior. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. En la Tabla 12.5 se han listado las composiciones y las propiedades mecánicas de las fundiciones grises más comunes. Las fundiciones grises presentan algunas propiedades muy características y útiles, como por ejemplo la efectividad en el amortiguamiento de la energía vibracional, que se representa y compara con la del acero en la figura 1. Las bancadas para máquina y equipos que vibran se suelen construir de fundición gris. Además, la fundición gris tiene alta resistencia al desgaste. Por otro lado, a la temperatura de colada, tienen, elevada fluidez, lo que permite moldear piezas de formas intrincadas y también presentan poca contracción. Finalmente, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos. En la Tabla 12.5 se han listado algunas características mecánicas típicas. Sus aplicaciones más representativas son tubos de dirección, engranajes de transmisión y cajas de diferencial para la industria automovilística, rebordes, Figura 1.- Comparison of the relativevibrational damping capacities muelles tabulares y partes de válvulas para ferrocarriles, (a) steel and marina y otros servicios. (b) gray cast iron. DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // FUNDICIONES GRISES Modificando la composición y/o aplicando tratamientos térmicos se obtienen microestructuras distintas de las registradas en la figura 1a. Por ejemplo, disminuyendo el contenido en silicio o aumentando la velocidad de enfriamiento se previene la completa disociación de la austenita a grafito Fe3C 3Fe C grafito En estas condiciones, la microestructura consiste en escamas de grafito embebidas en una matriz perlítica. La figura 2 compara esquemáticamente las microestructuras de varias fundiciones grises obtenidas variando la composición y el tratamiento térmico. Figura 1a.- Fundición gris: las escamas de grafito oscuras están embebidas en una matriz ferrítica . (x 500) Figura 2.- Tramo correspondiente a las composiciones de las fundiciones industriales del diagrama de fases Fe-C. Se muestran también las microestructuras que resultan de varios tratamientos térmicos. Ge, escamas de grafito; Gr rosetas de grafito; Gn, esferoides de grafito; P, perlita; a, ferrita FUNDICIÓN DÚCTIL (O ESFEROIDAL) Adiciones de pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio a la fundición gris en estado líquido producen diferentes microestructuras, en las que el grafito en lugar de escamas forma esferoides, que originan distintas propiedades mecánicas. De este modo resulta la fundición dúctil o esferoidal, cuya microestructura típica se muestra en la Figura 1b. La matriz que rodea a los esferoides de grafito es ferrita o perlita, dependiendo del tratamiento térmico (Figura 2); en la pieza sólo moldeada es perlita, sin embargo, un calentamiento a 700°C durante varias horas la transforma en ferrita, como se indica en dicha figura. La fundición dúctil es más resistente y más dúctil que la gris de grafito laminar, como indican las propiedades mecánicas de la Tabla 12.5. La fundición dúctil tiene propiedades mecánicas parecidas a las del acero. Por ejemplo, la fundición dúctil ferrítica tiene una resistencia a la tracción comprendida entre 380 y 480 MPa y una ductilidad del 10 al 20 %. Este material se utiliza para fabricar válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, pistones y otros componentes del automóvil y de maquinaria. (b) Fundición dúctil (esferoidal): los esferoides oscuros de grafito están embebidos en una matriz ferrítica . (x 200) Figura 2.- Tramo correspondiente a las composiciones de las fundiciones industriales del diagrama de fases Fe-C. Se muestran también las microestructuras que resultan de varios tratamientos térmicos. Ge, escamas de grafito; Gr rosetas de grafito; Gn, esferoides de grafito; P, perlita; a, ferrita Tratamientos isotérmicos. Las fundiciones austemperizadas ADI (Austempered Ductile Iron) Las ADI son fundiciones esferoidales, de MATRIZ BAINÍTICA, que resultan competitivas con algunos aceros, por su menor coste y elevadas características. La dureza del constituyente matriz de estas fundiciones, y las ventajosas propiedades mecánicas del conjunto, justifican su empleo creciente. Se usan generalmente para guías y engranajes, como una alternativa a los aceros cementados, pero se utilizan también en la fabricación de algunos cigüeñales en vez de emplear aceros bonificados. Tratamiento de «austempering» para una fundición dúctil. 900 En estas fundiciones esferoidales bainíticas pueden lograrse sin dificultad niveles promedios de resistencia a tracción de 1000 MPa, con límite elástico de 750 MPa y tenacidad, sobre probeta DVM, de 15 Julios a temperatura ambiente. Para lograr la estructura bainítica, de modo uniforme en todo el espesor de la pieza, se utiliza el tratamiento isotérmico de "austempering" cuyo ciclo de tratamiento se esquematiza en la figura. Las temperaturas de austenización no suelen superar los 900 ºC. El tamaño de grano austenítico de la fundición crece poco con la temperatura, pero la austenita se estabilizaría con el paso del tiempo, haciéndose más refractaria a la transformación por enfriamiento. La austenización debe hacerse en hornos de sales, o en hornos de atmósfera controlada, debido a los riesgos de decarburación inherentes a toda fundición. Las piezas se calientan a unos 900 ºC y se mantiene ésta temperatura durante unos 30 - 45 minutos, lo cual, para los espesores de pieza utilizados habitualmente, consigue la plena austenización. Por otro lado mayores tiempos podrían dar lugar a la precipitación de silicarburos. El enfriamiento se realiza a temperatura constante, comprendida ésta entre 250-400 ºC, en horno de sales, habitualmente durante 45 minutos. Conviene que esa temperatura isotérmica para la transformación bainítica en ningún caso exceda de 450 ºC, para evitar la aparición de estructuras perlíticas. Aunque a fin de lograr tenacidades aceptables -en piezas tales como cigüeñales, montantes de manguetas, manivelas, etces preferible que la temperatura isotérmica sea más bien alta, por ejemplo 370 ºC, para obtener bainita superior. Parece comprobado que la bainita superior confiere mejores ductilidades, aunque su dureza y resistencia sean inferiores, que la bainita inferior. Al formarse las agujas de ferrita - constitutivas, junto con los carburos, de la bainita superior-, parte de los átomos de carbono expulsados de las agujas alfa precipitan en los flancos de éstas en forma de ultramicrocarburos, pero otra parte no llega a precipitar porque el Silicio presente dificulta la formación de carburos, sino que emigra a la austenita contigua: la "recarbura", y de ese modo la hace más estable. Con ello se consigue que el aumento de austenita residual, así localizado, mejore la resiliencia y el alargamiento a temperatura ambiente, aunque disminuya ligeramente la resistencia. Mediante austemperizados con enfriamiento isotérmico a temperaturas próximas a 370 °C pueden obtenerse 1000 MPa de carga de rotura a la tracción y 800 Mpa de límite elástico con alargamientos del 10 al 15 %. Austemperizando a unos 250 °C llegan a alcanzarse, en cambio, 1500 MPa de resistencia y 1300 MPa de límite elástico, con alargamientos de 5-8 %, lo cual resulta atrayente para aplicaciones en que - interesando ambas propiedades- deba anteponerse a la tenacidad la resistencia al desgaste: por ejemplo en algunos tipos de engranajes. En cualquier caso, logicamente, las estructuras obtenidas -y por tanto las propiedades-, dependerán de la forma y posición de la curva TTT de la fundición. Hay que recordar que cuanto más próxima al origen de tiempos esté su curva TTT menor es la templabilidad. La templabilidad de la fundición debe ser suficiente para que cada pieza, tanto en su periferia como en el núcleo, pueda alcanzar la temperatura de austemperizado sin que la austenita haya comenzado a transformarse todavía. Es decir, en el tiempo transcurrido entre la salida del horno de austenización y su introducción en el horno de austemperizado. Pero no conviene una gran templabilidad: para que los tiempos de transformación isotérmica de la austenita no resulten excesivos; por eso los contenidos de Niquel no acostumbran a ser superiores a 2.5 %. En definitiva la fundición esferoidal para austemperizado debe ser de media aleación y con carbono equivalente ligeramente hipereutectoide. Se recomienda entre 3.6 y 3.8 %C. El contenido de Silicio de 2.5 a 3%; no más pues favorecería la ferritización de la matriz austenítica; por otra parte, las agujas de ferrita bainítica con más de 3 % de Silicio en solución sólida favorecen la fractura frágil. En cuanto al Magnesio residual éste, tras haber proporcionado una correcta esferoidización, deberá estar próximo a 0, 04%. Para evitar la ferritización directa convienen, además de Níquel, otros elementos gammágenos en solución sólida. El Manganeso, que además es carburígeno, debe limitarse, por ese motivo, a 0,3%. A este respecto el Cobre, gamágeno y no carburígeno, resulta interesante en porcentajes próximos a 0.6 %; este contenido es tan eficaz frente a la ferritización como un 1.5 % de Manganeso o un 1.5 % Niquel. No interesan proporciones superiores a 0.8 % el Cobre porque éste podría precipitar en la matriz y ello es desfavorable. Finalmente, entre las composiciones recomentadas se admite hasta 0.04 % máximo de Fosforo y 0.04% máximo de Azufre. Compromiso entre solidificación estable y metaestable Una misma fundición, dependiendo de las condiciones de enfriamiento, puede solidificar como fundición gris -con estructura de austenita y grafito- o bien como fundición blanca, por solidificación metaestable, con ledeburita como constituyente matriz. La solidificación estable comporta siempre lentas velocidades de enfriamiento del líquido. La velocidad de enfriamiento depende de múltiples y variados factores, tales como temperatura de colada, calor latente de solidificación, difusividad térmica del molde, modalidad de refrigeración de éste, etc. Para iguales condiciones de refrigeración, como por ejemplo moldeo en coquilla y enfriamiento al aire, el descenso de temperatura de la masa líquida será más lento,-y por tanto será más probable la solidificación estable - cuanto mayor sea el tamaño de la pieza. O, por decirlo más exactamente, cuanto mayor sea el módulo de masividad de la pieza (V/A), siendo V el volumen de la pieza, y A la superficie). Por tanto, si se desea evitar el blanqueo en pieza de pequeño espesor (pequeño valor de (V/A)), se precisarán mayores contenidos de silicio. Por otro lado, para piezas de igual valor de (V/A) los contenidos en silicio deberán ser mayores cuanto menor sea el contenido en C de la fundición. De igual modo se justifica que en fundiciones de contenido alto en C los % de silicio puedan variar entre límites más amplios. Si en lugar de elementos grafitizantes adicionamos Cr, Mo, W (elementos carburigenos) se favorecerá la formación de ledeburita. Por tanto, para la obtención de fundiciones grises interesa la adición de elementos grafitizantes. A fin de controlar la influencia de las variaciones locales de sección, sobre la tendencia al blanqueo de una determinada fundición, suelen emplearse probetas en escalera como la de la Figura 1. Mixtos (grafito+ledeburita) Figura 1.-Probeta en escalera para determinar la sensibilidad de una fundición al espesor. Para ilustrar sobre la influencia del tamaño se indica, a modo de ejemplo sobre esa figura, una estimación de las estructuras que podrían obtenerse a partir de una misma fundición líquida. Lógicamente para una fundición de igual contenido en carbono y mayores contenidos de Silicio puede obtenerse fundición gris incluso en las zonas de menor espesor de la probeta en escalera. FUNDICIONES ATRUCHADAS (Solidifican en parte siguiendo el diagrama estable y, en parte, siguiendo el metaestable). Se denominan fundiciones atruchadas porque presentan, simultáneamente, grafito y ledeburita; de ahí su coloración moteada, parcialmente blanca parcialmente gris. La fundición se denomina "atruchada" cuando su microestructura presenta simultáneamente grafito y ledeburita (como puede verse en la Figura 1). Recibe aquel nombre por unos r-flejos, similares a escamas de pescado, visibles en la sección de una probeta metalográfica pulida y atacada con nital, cuando se observa a simple vista. Figura 1.- Fundición atruchada (ledeburita en grafito). 100 X M 5. Composición química: 3,6 %C; 0,90 %Si; 0,57 %Mn; 0,018 %S; 0,048 %P. A 100 × se observa la presencia conjunta de grafito y ledeburita; ésta aparece preferentemente en la periferia de la muestra (enfriamiento rápido). Macroscópicamente puede verse el aspecto moteado “atruchado” de la fundición. Modalidades de enfriamiento de una fundición gris ya solidificada. Compromiso entre enfriamiento estable y metaestable En el diagrama estable, la eutéctica de láminas de C (grafito) contorneadas por γ. A velocidad de enfriamiento mayor, se favorece la propensión al blanqueo (cementita). Pasando a la eutectoide, a velocidades de enfriamiento altas, la γ0,77 producirá perlita, y si dicha velocidad es mucho mayor, la matriz se convierte en martensita o bainita. A velocidades bajas se dan áreas de ferritización directa (se forma α en las cercanías del C(grafito). Ocurre en presencia de elementos alfagenos. Tras la eutectoide (al finalizar), hay 4 posibilidades: 1.- Equilibrio total: matriz de ferrita y láminas de C(grafito) (plenamente estable). Es la más tenaz de las 4 posibilidades. 2.- Condiciones estables con formación de ferritización directa y formación de perlita (transformación a temperatura eutectoide según el diagrama metaestable). 3.- Matriz de perlita y acículas rellenadas por C(grafito) 4.- Velocidad de enfriamiento muy alta: matriz de martensita o bainita y acículas rellenadas por C(grafito). Son las más resistentes al desgate y las menos tenaces (este comportamiento lo da la matriz) Modalidades de enfriamiento de una fundición gris ya solidificada. Compromiso entre enfriamiento estable y metaestable Las que tienen matriz perlitica son susceptibles a hinchamiento por calentamiento: no debe usarse porque la cementita de la matriz se puede descomponer en C+3Fe (con hinchamiento). FUNDICIONES MALEABLES Las fundiciones maleables son aleaciones férreas que en estado bruto de solidificación eran fundiciones blancas y que, por recocidos adecuados, modifican su estructura para dar un producto relativamente tenaz y dúctil. De ahí reciben su nombre. El tratamiento térmico de maleabilización tiene por objeto descomponer toda la cementita (la ledeburítica y la perlítica) en átomos de Fe y de C. Por ello, para poder "maleabilizar“ piezas de fundición blanca, éstas deben ser de pequeño espesor (no superior a 20 mm). Así se posibilita que dichos átomos de C, y también los disueltos en solución sólida de inserción dentro del Hierro, puedan difundir hasta la periferia de la pieza y oxidarse allí dando CO2. Supongamos una pieza bruta de colada de estructura totalmente blanca en todo su espesor. Por recocido adecuado podríamos: •Decarburar plenamente la pieza según las reacciones - Fe3C → CO + Feα - Austenita → CO + Feα y obtener en el enfriamiento una estructura totalmente ferrítica. •Si la composición química de la pieza en fundición blanca fuera suficientemente alta en Si podríamos, -es otra modalidad-, por recocido apropiado, obtener la grafitización de la estructura, según las reacciones - Fe3C → Grafito + Feα - Austenita → Grafito + Feα En estas consideraciones anteriores, se apoya el principio de obtención de las fundiciones maleables; que aprovechando la facilidad de moldeo (colabilidad) de las fundiciones, por medio de recocidos apropiados, transforman su estructura para dar un producto relativamente tenaz y dúctil. Es indispensable que las piezas brutas de colada tengan estructura blanca en todo su espesor; de no ser así el grafito obtenido al solidificar se presentaría en forma de láminas, que no podrían ser eliminadas por tratamiento térmico y disminuirían las características mecánicas de las piezas; además, deben ser hipoeutécticas, para no tener que eliminar excesivo carbono. FUNDICION MALEABLE EUROPEA (de corazón blanco). El proceso de maleabilización es fundamentalmente un recocido oxidante (Figura). Antes del tratamiento térmico las piezas de fundición blanca suelen ser embaladas en cajas juntamente con material que proporcione oxígeno, como por ejemplo el óxido de Hierro. Después se calienta a una temperatura de 950°C-1050 ºC y se permanece durante un tiempo comprendido entre 75 y 100 horas. Con ello se intenta descomponer toda la cementita en átomos de C y de Fe. Simultáneamente se pretende, también, decarburar el Fe(), que a la temperatura de tratamiento puede llegar a tener en solución sólida entre 1.4 y 1.7% de C. La composición química de la fundición blanca de la que se parte, suele estar comprendida entre los siguientes límites, 2.7-3.2 %C; 0.6-0.9 %Si; 0.2-0.45 %Mn; 0.08-0.2 %S; 0.05-0.2 %P El recocido para decarburar plenamente la fundición blanca original se hace en estado austenítico (a 950 - 1000º durante unas 80 - 100 horas) en atmósfera oxidante. A estas temperaturas la estructura se convierte en austenítica de muy bajo % en C y, por consiguiente, en el enfriamiento se transforma en ferrita. Si el espesor de la pieza es grande, la estructura puede resultar heterogénea: totalmente ferrítica en zonas delgadas y la presencia de perlita + ferrita + grafito en zonas masivas. Por eso, las piezas para fundición maleable europea suelen ser delgadas (Ø < 6 mm). El hecho de que en las fundiciones maleables europeas la superficie sea ferrítica confiere la posibilidad de galvanización. Otras propiedades de las fundiciones maleables europeas son: la posibilidad de soldeo (el %C < 0.25 %), resistencia al agua de mar y alargamientos A comprendidos entre 10 – 20 %. Ciclo de tratamiento térmico para obtener fundición maleable europea. FUNDICIÓN MALEABLE AMERICANA (de corazón negro). El tratamiento térmico para maleabilizar una fundición blanca mediante la transformación de la cementita en grafito sin modificar la composición química de la fundición, proporciona un material metálico que suele denominarse fundición maleable americana. El tratamiento térmico se realiza en atmósfera neutra o bien en atmósfera controlada, para evitar que el carbono desagregado de la cementita se oxide posteriormente. Exactamente lo contrario de lo que se procura para obtener fundición maleable europea. Aquí, en cambio, no se modifica la composición química de la fundición blanca original, y las reacciones para maleabilización, en estado austenítico, a temperaturas T1 de 890 °C-950 °C, son las siguientes: Fe3C → grafito + austenita (con el %C correspondiente a T1) Austenita → grafito + austenita(con el %C correspondiente a T1) Para temperaturas T1 superiores a 950 °C la grafitización podría realizarse en menos tiempo, pero el grafito crecería en forma laminar y ello resulta desfavorable. Con la permanencia a 850-950 °C se obtienen morfologías nodulares, que confieren buenas características de tenacidad. El tiempo de permanencia 5 - 20 horas (tanto más tiempo cuanto menor sea el contenido en el elemento grafitizante Si). Los enfriamientos se realizan a diferente velocidad según sea el tipo de matriz que se busca en cada caso. Si bien, en todos los casos, el enfriamiento desde T1 hasta 760 °C suele hacerse tan rápidamente como lo permita la inercia térmica del horno. La composición química de la fundición blanca original suele ser: 2-2.8 %C; 0.9-1.7 %Si; 0.25-0.65 %Mn; 0.06-0.25 %S; 0.08-0.25 %P Tiene un mayor contenido en Si que la composición química, anteriormente indicada, para la fundición maleable europea; con el fin de facilitar la grafitización Ciclo de tratamiento térmico para la obtención de fundición maleable americana Fundición maleable americana ferrítica Para que la matriz sea plenamente ferritica conviene un enfriamiento, muy lento hasta temperaturas inferiores a la eutectoide: a fin de que las transformaciones sigan el diagrama de equilibrio estable Fe-C y evitar la formación de perlita (10 a 30 horas desde 760º a 700 ºC). Una vez obtenida la matriz plenamente ferrítica las piezas se enfrían al aire. La presencia de ferrita haría tal vez suponer que estas fundiciones maleables pueden soldarse por fusión; pero esto no es posible, entre otras razones, porque tras la fusión local se obtendría ledeburita al solidificar ya que las fundiciones americanas, de cualquier matriz, tienen la misma composición que la fundición blanca original. La ledeburita llevaría al traste la maleabilidad. Las zonas afectadas por calor dan puntos débiles de cualquier estructura. Por soldadura por braseado se podría, eliminando el grafito superficial, puesto que la baja SV del grafito impediría el mojado. Las fundiciones maleables americanas ferríticas son susceptibles de tratamiento térmico. Fundición maleable americana de matriz ferrítica (grafito Así, por austenización a 840 °C – 870 °C seguida de un enfriamiento al aire, puede obtenerse nodular sobre fondo de ferrita) Ataque Nital 2. 100 X matriz perlítica, con lo que la carga de rotura pasaría a ser de unos 550 Mpa y el alargamiento de 3-4 %. Esta posibilidad de tratamiento térmico justifica también el empleo, a veces, de temple superficial: para endurecimiento del constituyente matriz por transformación en martensita. La fundición maleable americana, de matriz ferrítica (Figura 26), tiene habitualmente entre 250 y 375 MPa de carga de rotura por tracción, un límite elástico de 160 a 250 MPa -las fundiciones grises laminares, en cambio, no presentan límite elástico- y alargamientos que pueden alcanzar incluso 25 %. En los casos más desfavorables, el alargamiento es muy superior al de las fundiciones grises. En estas fundiciones, al igual que en las fundiciones grises, y a diferencia de los aceros, las cargas de rotura evolucionan en el mismo sentido que los alargamientos: a mayor carga de rotura, indicio de una menor cantidad de grafito, mayor alargamiento. La fundición maleable americana ferrítica se utiliza para piezas de automóvil, para juntas de dilatación de puentes, para válvulas de presión, etc. En estas fundiciones, el grafito, por aparecer en forma de nódulos, no produce “efecto de entalla” (como el grafito laminar) ni afecta prácticamente a la resistencia ni al alargamiento en el ensayo de tracción. La matriz, por ser ferrítica, es dulce y muy maleable; permite ángulos de plegado importantes y posee una excelente maquinabilidad; esta propiedad viene mejorada aún por la presencia de grafito, que permite el desprendimiento rápido de las virutas; al mismo tiempo se asegura una lubricación de la cara de corte de la herramienta. Fundición maleable americana, de matriz perlítica La composición química de la aleación es similar a la anterior. El recocido grafitizante también es similar. La matriz perlítica puede obtenerse directamente después del tratamiento para maleabilización mediante enfriamiento en corriente de aire desde 760-780 ºC (Más rápido que en el caso de la fundición de matriz ferrítica). La austenita eutectoide se transformará en perlita. Cuando el enfriamiento entre T1 y la temperatura 760 °C-780 °C es muy lento pueden aparecer áreas desfavorables de ferrita, por ferritización directa, en el entorno del grafito nodular. Este enfriamiento puede ser también hecho en forma de temple al que sigue después un revenido: de esta forma se obtienen las buenas características mecánicas –de resistencia y tenacidad- de la martensita revenida. Las propiedades de las fundiciones maleables americanas perlíticas y las de las ferríticas guardan, entre sí, una relación semejante a la existente entre aceros perlíticos y aceros ferríticos. Las fundiciones maleables perlíticas difieren de las fundiciones maleables ferríticas de corazón negro como los aceros de contenido medio en carbono difieren de los aceros dulces: son más resistentes, más duras y menos dúctiles. Las fundiciones perlíticas presentan gran capacidad para amortiguar vibraciones, son algo menos mecanizables que las ferríticas, tienen excelente resistencia al desgaste, y proporcionan un aceptable comportamiento a esfuerzos alternados que llegarían a producir fatiga. Además de sus características mecánicas y de la posibilidad de tratamiento térmico de bonificado, poseen una estructura relativamente uniforme, buena rigidez y resistencia a la fatiga. La fundición americana perlítica puede tratarse térmicamente. Por ejemplo, después de austenización permite temple en aceite. Los tiempos para revenido de la martensita así formada suelen ser de 2 horas, o más, para conseguir uniformidad. También resulta posible globulizar la cementita de una fundición perlítica mediante recocido subcrítico; estas estructuras de perlita globular, obtenidas con menos coste, compiten en sus aplicaciones con las de martensita revenida; aunque, obviamente, son menos tenaces que ésta. La facilidad de moldeo que presentan las fundiciones, unida a las excelentes propiedades que pueden lograrse tras la maleabilización que produce grafito nodular, justifica el amplio campo de sus aplicaciones industriales. Estas fundiciones resultan a veces competitivas con los aceros en partes de maquinaria agrícola, en elementos para ferrocarriles y en piezas varias para automoción -engranajes, bielas, pistones, árboles de levas, y en general formas complejas- obtenidas ventajosamente por solidificación frente a una conformación más cara, por forja, requerida habitualmente por el acero. DIAGRAMA Fe-C ESTABLE // PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES GRISES (a) No tienen ledeburita. Cuando aparece la ledeburita las aleaciones son resistentes a la mecanización, por ello las fundiciones grises no se pueden mecanizar. (b) Para que un acero sea inoxidable debe tener Cr (> 12 %), pasa de anódico a catódico (se situa por debajo del H). Ninguna fundición gris puede tener un contenido en Cr mayor del 12 %, ya que el Cr es carburigeno y por mucho Si que adicionaramos no obtendríamos grafito. Aunque no sea inoxidable en medio acuoso, la resistencia a la corrosión en medio acuoso es buena, ya que el grafito mantiene unidos en superficie a los óxidos de hierro evitando que continue la corrosión en el Fe. (c) Mejor conductividad térmica que los aceros, pues el grafito es muy conductor. Por esto se usan para fabricar lingoteras, donde la disipación de calor (Q) es más rápida que en la lingotera férrea (↑ %C ↑ % grafito ↑ disipación de calor , luego es mejor que C+(Si/3)+(P/3) sea mayor que 4.3). (d) Resisten bien a compresión y mal a tracción (≈140-400 MPa). Es material estructural a compresión (3 o 4 veces tracción), pero no a tracción (e) Dureza (fenómeno local de resistencia a la deformación). En los aceros hay una correlación dureza-resistencia a la tracción. Dicha relación no existe para las fundiciones grises laminares. La unión grafito-metal hace que la dureza no sea proporcional a la resistencia a la tracción. (f) Estanqueidad. Se usan para tuberías de liquidos o gases donde interesa que no haya fugas (↑ %C ↑ % grafito). El grafito tiene diferente coeficiente de contracción que la matriz, aparecen zonas de porosidad que se puede interconectar (si alcanzan el centro de la tubería, hay fugas). Interesa, por tanto, que: ↑ %C ↑ estanqueidad ↓porosidad (g) Carga de rotura. Se expresa en KSI (clase de fundición). ↑ %C ↓ Rm, debido a la mayor cantidad de grafito y, por tanto, de entallas. Para los aceros ↑ %C ↑ Rm. PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES GRISES 1.- Presentan poco rechupe (1 %), menor que los aceros y las fundiciones blancas. Esto se debe a que la temperatura T E el C(g) aparece en gran volumen, llegando el líquido a taponar las oquedades. Expansión grafítica en la reacción eutéctica. En la reacción eutéctica el germen reactor es el C (Grafito) en láminas. Al ser el liquido incompresible, lo empuja rellenando el posible microrechupe. 2.- Comportamiento mecánico. Las láminas de C(g) actúan como elementos amortiguadores de vibraciones. Tienen buena capacidad de amortiguamiento (bancadas de apoyo de máquinas herramientas). El alargamiento total (AT) es bajo, no son aptas para el conformado(AT ≈ 1 %). Tienen baja tenacidad (capacidad de absorber energía antes de la rotura): ECVM = 5-12 J (pequeña energía absorbida) Para solicitación e impacto aguantan más que las fundiciones blancas. Rm(tracción)= 1400 Mpa (baja, la mitad del valor de la ferrita a tracción) Rm(compresión) = Muy alta 3.- Buenas propiedades térmicas. El C(g) es buen conductor térmico y eléctrico (aplicaciones en horno eléctricos, sartenes, radiadores,…). Tienen gran resistencia a la fatiga (choque) térmica (pastillas de freno de trenes) Fatiga térmica: ET ; T El C(g) gana y cede rápidamente el calor, consiguiendo que ΔT baje, con lo que no se generan tensiones (baja la propensión a rotura por origen térmico). De ahí la aplicación en tambores de ferrocarril y lingoteras. 4.- Buena resistencia a la corrosión (tuberías de conducción de aguas fecales) PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES GRISES 5.- Fácilmente mecanizables debido a: a) Sea la pieza de la figura: la viruta, para que sea fácil de mecanizar, debe quebrarse para que se corte (esto lo consigue la función gris). Al cortar la viruta es discontinua debido al dispersoide grafito. b) Da una mayor vida a las herramientas de corte: ejerce poder de lubricante en seco sobre la herramienta. Además el C(g) en la viruta, consigue que este tenga siempre la misma temperatura, con lo que no hay oscilación de la temperatura en las herramientas, por tanto, no hay choque térmico y la herramienta no se estropea. 6.- Susceptibles de ser soldadas por braseado: Tomamos una fundición gris y un elemento de aportación de 450 ºC < TF<TS . Para ello es necesario eliminar previamente el grafito superficial. De no hacerlo así, y habida cuenta de la baja energía de superficie sólido/vapor del grafito, éste no sería mojado por el líquido de aportación y en consecuencia el braseado sería imperfecto. Al desaparecer el C(g) de la superficie, la gota del cordón se extiende (moja) dando lugar al cordón de soldadura (la soldadura es falsa, no hay fusión de la fundición gris). Existe la posibilidad de soldadura verdadera con electrodos de niquel. En este caso hay que evitar la austenización. FUNDICIÓN ESFERORIDAL DE MATRIZ F+P FUNDICIÓN ATRUCHADA FUNDICIÓNNI-HARD Fundición Ni-Hard 200X. FUNDICIÓN GRIS LAMINAR FUNDICIÓN SILAL Fundición Silal (6% de Silicio; 2,35% Carbono).200 X FUNDICIÓN DURIRON FundiciónDuriron (16 %Si; 0.8 %C). 200 X FUNDICIÓN NI-RESIST Fundición Ni-Resist; 15 %Ni; 3.2 %C; 2.09 % Si. 200 X
