Fundiciones Año 2017 1 Fundiciones La descomposición de la Cementita: Fe3C 3 Fe + C Grafito (Diagrama Fe-C Estable) Dureza Grafito Maquinabilidad 2 Fundiciones ¿Cómo puede aparecer el C en los aceros? ¿Y en las fundiciones? - solución sólida combinado (compuestos intersticiales) grafito combinado en forma de gas 3 Las líneas punteadas corresponden al sistema metaestable Fe-Fe3C 4 (OKAMOTO Ho. The C-Fe (Carbon-Iron) System. Journal of Phase Equilibria Vol 13 (5): 543-565) Fundiciones - Aleaciones Fe – C (en forma de grafito) - Se ubican en el diagrama de equilibrio desde un % de C ~ 2,14% - Contienen otros elementos: Si, Mn, P y S, los cuales tienen cierta influencia sobre las mismas Contenido de carbono utilizado en la práctica Contenidos usuales de los demás elementos Ventajas respecto al acero 3,0 a 4,5 % Si: 0,5 a 3,5 % Mn: 0,4 a 2 % S: 0,01 a 0,2 % P: 0,04 a 0,8 % Bajo costo Alta maquinabilidad Buena resistencia al desgaste Buena colabilidad - Empleadas exclusivamente en la fabricación de piezas por el proceso de colado - Debido a su escasa plasticidad, no es posible la aplicación de tratamientos mecánicos (forja, laminación, estampado) EXCEPTO PARA Fundiciones DÚCTILES 5 Fundiciones ¿Cuáles son las desventajas de una fundición respecto a un acero? 6 Fundiciones 7 Fundiciones Blanca Clasificación según el tipo de fractura Gris Atruchada Blanca: fractura fina y brillante. El C se encuentra totalmente combinado en forma de Fe3C. Gris: fractura grosera y oscura, causada por la gran presencia de carbono libre en forma de grafito (requiere Si). Atruchada: fractura de aspecto intermedio entre las antes mencionadas, por encontrarse el carbono en parte como grafito y en parte como Fe3C. 8 Fundiciones 50 m CE < 4,3% (hipoeutectica) Blanca C = 3,6% y Si = 2,1% Gris (matriz perlítica) Atruchada 9 (https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/microstructural_exam/castiron.php) Fundiciones Factores que influyen en la clasificación anterior: Silicio: posee acción grafitizante, por su afinidad con el Fe deja el C libre dando fundiciones grises Velocidad de enfriamiento: a mayor velocidad se tienden a formar fundiciones blancas, mientras que a menor velocidad, se tienden a formar fundiciones grises. Acción combinada de ambos: lo antedicho no es absoluto, ya que ambos factores actúan en contraposición, combinando sus acciones y produciendo una amplia gama de posibilidades estructurales entre la fundición blanca y la gris 10 Fundiciones Factores que influyen en la clasificación anterior: 11 Fundiciones C = 3,25% Si = 1,75% S = 0,045% P = 0,050% 12 (Adaptado de Apraiz Barreiro, Fundiciones, Editorial Dossat, Madrid, 1971) Fundiciones Clasificación: Según forma y distribución del C Blanca Maleable Blanca TT recocido Maleable Atruchada Gris Nodular TT isotermico ADI Aleadas Atruchada Gris Nodular 13 Según su estructura: Modo de presentarse el grafito Clase de fundición Constituyente Fundición blanca hipereutécticas Fe3C primaria, Fe3C secundaria y perlita Fundición blanca hipoeutécticas Fe3C secundaria y perlita Fundición atruchada Grafito laminar, Fe3C y perlita Fundiciones CON GRAFITO EN FORMA DE LAMINAS Parte del carbono esta combinado y parte como laminas de grafito Fundición perlítica Grafito laminar y perlita Fundición gris Grafito laminar, perlita y ferrita Fundiciones CON GRAFITO EN FORMA DE LAMINAS Todo el carbono esta como grafito en laminas Fundición ferrítica Grafito laminar y ferrita GRAFITO VERMICULAR El carbono en forma de rosetas/vermicular Fundición maleable Fundiciones SIN GRAFITO Todo el carbono esta combinado GRAFITO NODULAR El carbono en forma nodular y combinado Ferrita y grafito vermicular Ferrita, perlita y grafito vermicular Fundición nodular Fundición nodular austemperizada Ferrita, grafito esferoidal y a veces perlita. Bainita y grafito esferoidal 14 Fundiciones Fundición gris: - Son aleaciones ternarias de Fe-C-Si - Contienen Mn, P y S - Contenido de C 2,5 - 4,2% (hipoeutécticas) - Contenido de C 4,2 - 6,7% (hipereutécticas, menos comunes) - Contenido de Si 1,0 - 3,0% Propiedades Menor costo respecto del acero Mayor facilidad para mecanizar y colar Elevados valores de resistencia a la comprensión (500 a 1000 MPa) Buena resistencia al desgaste Absorben apropiadamente las vibraciones de las máquinas 15 Fundiciones Microconstituyentes en las fundiciones: Ferrita: solución sólida de C en Fe- (BCC) Austenita: solución sólida saturada de C en Fe- (FCC). Aparece a T º ambiente, al adicionar Ni. Cementita: Compuesto intermetálico de 6,67% C Perlita: Es el constituyente eutectoide. Se forma a una T º de ~721 ºC. Compuesta por láminas alternadas de ferrita y cementita. Ledeburita: Es el constituyente eutéctico de las fundiciones. Se forma a una temperatura de 1130 ºC. Compuesta por austenita en forma de lagunas en la matriz de cementita. Por debajo de 721 ºC la austenita se transforma en perlita, dando origen a la ledeburita transformada Steadita: eutéctico fosforoso de muy bajo punto de fusión (960 ºC), que contiene ~10% de P. Favorece la colabilidad de la fundición por poseer un bajo punto de fusión, pero por otro lado ejerce un efecto fragilizante. Su estructura esta constituida por ferrita, cementita primaria y fosfuro de hierro. 16 Fundiciones - Grafito: - Inclusión no metálica de tipo endógena. - Su presencia, depende del porcentaje de Si y de la velocidad de enfriamiento. - Ejerce gran influencia en las propiedades, en función de su forma y tamaño - Con distribución uniforme y menor tamaño, mejores serán las características de la fundición, ya que tendrá una menor discontinuidad microestructural. - Se lo encuentra en forma laminar, vermicular y nodular. 17 laminar vermicular nodular Fundiciones Clasificación del grafito Forma Tamaño Distribución Los tamaños se clasifican del 1 al 6. Tanto el tamaño y tipo de grafito se evalúan por comparación con laminas patrones a 100x. Tamaño Distribución 18 Fundiciones - Tipo A (distribución Random): es la más común, aparece en el núcleo de las piezas de cierto espesor fabricadas con fundiciones grises comunes de composición próxima a la eutéctica. - Tipo B (forma de rosetas): aparece en general cuando los % de silicio y carbono son elevados, en piezas enfriadas rápidamente y también en piezas de poco espesor coladas en arena. - Tipo C (laminas gruesas de gran espesor y longitud): corresponden a fundiciones hipereutécticas de muy alto contenido en carbono. - Tipos D (rectas cortas distribuidas en los espacios ínterdendríticos, orientación random) - Tipo E (alojadas en los espacios ínterdendríticos orientación preferida): no son convenientes y aparecen en fundiciones de bajo contenido de carbono (Hipoeutécticas) con altas temperaturas de colada y subenfriadas. 19 Fundiciones Fundiciones acoquilladas: - Se obtienen colando en coquillas metálicas - Enfriamiento muy rápido favoreciendo la formación de fundición blanca de alta dureza (400 a 500 HB). - Se emplea bajo silicio de manera de evitar la grafitización. - Comúnmente se las llama fundiciones templadas. Fundiciones maleables: Obtención de fundición blanca. Recocido T° = 800 °C – 1000 °C Atmosfera inerte u oxidante Dependiendo del enfriamiento matriz F o P 20 Fundiciones Fundiciones nodulares: De gran aplicación industrial por sus excelentes propiedades y bajo costo respecto de las maleables. Se obtienen directamente en bruto de colada por inoculación de una fundición gris determinada. Efecto combinado de un nodulizante y un grafitizante Nodulizantes Magnesio Cerio Litio Grafitizante Ferro-Silicio Ferrita rodeando los nódulos de grafito + perlita como matriz (ojo de buey) 21 Fundiciones (Petty, E. R.; Physical Metallurgy of Engineering Materials; G. Allen & Unwin; 1970) 22 Fundiciones Tratamiento térmico de las fundiciones: Las microestructuras de las fundiciones pueden ser modificadas por medio de tratamientos térmicos. Tratamientos más empleados Recocido Normalizado Temple Revenido Austemperizado 23 Fundiciones Fe 3,5%C 2,5%Si 0,1%Mn 0,045%Mg Diagrama de curva TTT y ciclo térmico de un tratamiento térmico de austemperizado (http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2001/miguel.thesis.pdf) 24 Fundiciones Ejemplo de especificación ADI ASTM A897 110-70-11 Rm = 110 ksi Rp02 = 70 ksi A = 11% densidad = 7,1 g/cm3 Típica microestructura de una fundición ADI (http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2001/miguel.thesis.pdf) 25 Fundiciones Acero Fundición Gris 26 ¿Dónde debe ubicarse y cómo sería el esquema de una fundición ADI? 27 Microestructura y propiedades mecánicas Láminas Grafito (Forma, Cantidad, Tamaño y Distribución) Rosetas Nódulos Dureza y Resistencia Matriz Perlítica / P+F / Ferrítica Ductilidad y Resistencia (Tenacidad) Ductilidad 28 Proceso: fundición Los modelos sirven para hacer los moldes en tierra de moldeo. Los modelos mas comunes se hacen de madera. Para grandes series se eligen materiales metálicos, aluminio o alguna de sus aleaciones. Nunca los modelos tienen las medidas de las piezas terminadas, debido al fenómeno de la contracción y del sobreespesor necesario para el mecanizado de las piezas. Contracción: es el achicamiento que sufren las piezas al pasar del estado líquido al sólido. La contracción es una característica de cada material, el modelista debe preveer este fenómeno 29 Proceso: fundición Los modelos de piezas sin huecos interiores se hacen igual que la pieza, mas los sobreespesores para mecanizado o contracción. Los modelos se hacen yuxtaponiendo las vetas de la madera. Los modelos de piezas con huecos interiores, la parte interior se hace mas grande teniendo en cuenta la contracción. Los huecos serán formados por una pieza de arena llamada noyo. El modelo tiene salientes llamados “portada” dentro de las mismas se coloca el noyo. El noyo consiste en un modelo de arena prensada, tiene un esqueleto de alambre que sobresale del mismo de donde se cuelga en la estufa para su secado. Cajas de noyo: son moldes que permiten fabricar el noyo, hay que tener las mismas precauciones que en los modelos. 30 Salida de gases Colada con caída lateral a sifón Noyo 31 Proceso: fundición El método de moldeado es muy antiguo y al mismo tiempo actual, sea el moldeado manual, mecanizado, artístico o de piezas únicas Sobre Cajas metálicas Fondo Tierra o arena de moldeo Noyo Sistemas de colada: Directa: el metal cae directo al molde Colada lateral o colada fuerte: el agujero de colada esta separado y penetra por la parte baja del molde y sube por vasos comunicantes 32 Colada a sifón: el chorro no incide directo y se atenúa el choque Moldeado a mano: Existen varias maneras, una de ellas es la llamada por “falsa caja”, en la “bajera se coloca tierra de moldeo, se apisona ligeramente, se coloca el modelo hasta la mitad, luego se coloca el “sobre” por los pernos guías, se llena de tierra de moldeo, se colocan los montantes y la colada, se apisona fuertemente, se abre la caja, se extrae el modelo, se retoca el molde, se cierra la caja, se coloca en la cancha de moldeo, se desarma la caja, y se comienza de nuevo. 33 Proceso: fundición MOLDEO POR CENTRIFUGACION: para hacer los caños de fundición, se utiliza el método de centrifugación, con ello se reemplaza el costoso método de moldeado en tierra, por una coquilla metálica refrigerada. Esta coquilla cilíndrica de diámetro y longitud determinada gira a una velocidad suficientemente grande y el material fundido es volcado en su interior, la fuerza centrifuga y la correcta dosificación del material hacen que el espesor del caño sea homogéneo. Esta forma de fundir permite que las piezas no tengan poros ni rechupes gracias a la compactación del material contra las paredes del molde. El caño luego de enfriado es sometido a un tratamiento térmico de recocido en hornos de túnel. Las coquillas son moldes metálicos refrigerados, las piezas obtenidas por este método son de fundición blanca,( muy duras y frágiles). Este método se utiliza para la fabricación de materiales mas blandos, aluminio y sus aleaciones y/o cobre y sus aleaciones, latones y bronces. 34 35 Proceso: fundición En una fundición pequeña la cuchara es manejada por dos operarios, que van vertiendo el material fundido en las coladas. En las fundiciones mas grande la cuchara de colada es sostenida por un aparejo. 36 Proceso: fundición Otra vista del vertido de material fundido dentro del molde. 37 Preguntas 1. Defina fundición de hierro 2. ¿Cuáles son las principales diferencias entre las propiedades mecánicas de un acero y de una fundición? 3. ¿Qué tipos de fundiciones de hierro existen? 4. ¿Qué es un fundición blanca? 5. ¿Porque existe grafito en fundiciones de hierro en vez de Fe3C? 6. ¿Cómo influye la velocidad de enfriamiento en la generación de grafito en una fundición de hierro? 7. ¿Con qué fin se agrega P a una fundición de hierro? 8. ¿Qué es una fundición nodular? ¿Qué características tiene? 9. ¿Qué elementos de aleación son necesarios para obtener fundiciones nodulares? 38 Preguntas 10. Cuál de las siguientes fundiciones presenta la mejor aptitud para el conformado por deformación plástica 1. 2. 3. 4. 11. Para qué se utliza un noyo en un proceso de fundición 1. 2. 3. 4. 12. gris dúctil blanca perlítica para corregir la contracción de solidificación para obtener zonas más duras permite la salida de gases para producir zonas huecas en la pieza ¿A partir de que tipo de fundición de hierro se producen las fundiciones ADI? 1. 2. 3. 4. gris dúctil blanca perlítica 39 Preguntas 13. ¿Cuál de las siguientes condiciones es mejor para obtener un fundición gris con matriz ferrítica? 1. 2. 3. 4. 14. ¿Qué elemento suele utilizarse como nodulizante del grafito en la fundiciones nodulares? 1. 2. 3. 4. 15. alto Si y alta velocidad de enfriamiento alto Si y baja velocidad de enfriamiento bajo Si y alta velocidad de enfriamiento bajo Si y baja velocidad de enfriamiento Si Mg C P ¿Cuál de las siguientes fundiciones de hierro requiere de un tratamiento térmico de recocido en su proceso de fabricación? 1. 2. 3. 4. gris blanca dúctil maleable 40 Preguntas 16. ¿Qué tipo de matriz tienen las fundiciones ADI? 1. 2. 3. 4. 17. ¿Cómo se llama el tratamiento térmico utilizado para la fabricación de fundiciones ADI? 1. 2. 3. 4. 18. ferrítica perlítica martensitica bainítica austenizado templado austemperizado recocido ¿Cuál de las siguientes familias de fundiciones son más tenaces? 1. 2. 3. 4. blanca gris dúctil ADI 41
