INDICE.
- INTRODUCCION
- FUNDICIONES. CONCEPTO Y TRANSFORMACIONES METALÚRGICAS
- ESTRUCTURA METALOGRÁFICA
3.1 Grafito
3.2 Steadita
3.3 Ledeburita
3.4 Ferrita
3.5 Cementita
- CLASIFICACIÓN
4.1 Fundición gris
4.2 Fundición blanca
4.3 Fundición atruchada
4.4 Fundición maleable
4.5 Fundición nodular
4.6 Fundición de grafito difuso
4.7 Fundición aleada.
- INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS
5.1 Recocido
5.2 Normalizado
5.3 Temple
5.4 Revenido
5.5 Temple superficial
5.6 Tratamientos en los que existe cambio de composición
- RESUMEN
- INTRODUCCIÓN
La producción mundial de acero es de alrededor de 700 millones de toneladas al año. La producción de piezas fundidas se aproxima al 14% (97 millones de toneladas). En países desarrollados ronda el 15-20% mientras en países poco desarrollados menos del 7%. La fabricación de fundición, pese a lo que se puede pensar es directamente proporcional al desarrollo tecnológico del país.
FALTA INTRODUCCIÓN.
- FUNDICIONES.
Según la norma UNE 36003, la fundición es una aleación de Fe y C, en pieza moldeada, donde el contenido en C es superior al punto de saturación, es decir, aproximadamente superior al 2%. Teóricamente las fundiciones pueden contener de acuerdo con el diagrama Fe-C de 1.7 a 6.667% C, sin embargo en la práctica sólo varía del 2.75 al 3.5% C. Además suelen contener cantidades importantes de Si (0.5-3%), Mn (0.4-2%) e impurezas de S y P.
Se caracterizan porque adquieren su forma directamente por colada, no siendo nunca las fundiciones sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente pues de forma general no son dúctiles ni maleables. Por tanto, no tiene sentido aquí hablar de formas comerciales como en el caso de los aceros u otras aleaciones.
El empleo de la fundición para la fabricación de piezas ofrece entre otras las siguientes ventajas:
1º.-Debido a una Tº de fusión mucho menor que los aceros el gasto energético en la producción es mucho menor, siendo en general más económicos que el acero.
2º.-Son en general más fáciles de mecanizar que el acero aunque como decimos este será un modo de conformación secundario.
3º.-Gran versatilidad tanto en la forma de las piezas como en su volumen, desde piezas muy pequeñas y complicadas a piezas de decenas de toneladas. La colabilidad será su característica más destacable.
4º.-Al ser la Tº de trabajo menor exige menos precauciones de seguridad que el acero.
- PROCESOS METALÚRGICOS
En lo referente a la obtención de las fundiciones los procesos se realizan en dos fases:
Primeramente los minerales del hierro (en forma de óxidos) son fundidos y reducidos en altos hornos con coque (que actúa como reductor y como combustible) y piedra caliza (que actúa como fundente), produciendo hierro fundido que es moldeado como lingotes de hierro bruto (arrabio) o conducido a la siguiente fase como hierro fundido.
La segunda fase, tiene por objetivo reducir el alto contenido de carbono que el coque introdujo al fundir el mineral y eliminar las impurezas tales como S y P. Es lo que se conoce como afino de las fundiciones. Además durante los procesos de fabricación se suelen hacer adiciones de ferrosilicio o ferromanganeso para obtener las propiedades buscadas.
El cubilote es la instalación más empleada para la fabricación de la mayoría de las piezas de fundición. Un porcentaje elevado de piezas de menor tamaño se obtiene utilizando hornos de reverbero, hornos de crisol y hornos eléctricos siendo estas últimas instalaciones las más utilizadas para la fabricación de piezas de calidad, fundiciones aleadas y de alta resistencia.
Para la fabricación de piezas de fundición se emplea generalmente como materia prima fundamental el arrabio o lingote de Fe. Además, en los hornos o cubilotes se emplean también chatarras de fundición y a veces se emplean también chatarras de acero.
- ESTRUCTURA METALOGRÁFICA
Como paso previo a realizar una clasificación de las diferentes clases de fundiciones, es conveniente describir la estructura metalográfica para conocer mejor las propiedades mecánicas que los constituyentes les conferirán al material.
Desde el punto de vista metalográfico las fundiciones pueden ser consideradas como mezclas de acero y grafito. Por tanto pueden hallarse presentes los constituyentes de los aceros más los específicos de éstas: grafito, ledeburita y steadita.
4.1 Grafito.
Cristaliza en el sistema hexagonal, es muy blando, quebradizo, untuoso y de color gris. Se presenta casi siempre en la masa metálica en forma de láminas curvadas con aristas muy finas (grafito laminar de las fundiciones grises).
La formación del grafito va acompañada de un aumento de volumen, lo que hace que la contracción de solidificación de las fundiciones sea muy leve.
4.2 Steadita.
Es una eutéctica dura y frágil con Tº de fusión de 960º C. La formación de la steadita está directamente ligada a la presencia de P.
En las fundiciones grises la steadita está compuesta de un eutéctico celular binario de ferrita y fosfuro de hierro Fe3P.
En las fundiciones atruchadas y blancas la steadita está formada por un compuesto ternario de Ferrita+ Fe3P+Cementita.
4.3 Ledeburita.
Es un constituyente eutéctico formado por austenita y cementita; se forma en el enfriamiento de las fundiciones a 1145ºC aprox. en el momento en que termina la solidificación.
En las fundiciones ordinarias no aparece a Tº amb. Debido a que se descompone en perlita y cementita.
4.4 Ferrita.
El Feα es un constituyente blando y maleable. La de las fundiciones se diferencia de las de los aceros en que lleva en disolución cantidades elevadas de Si, que las hacen más resistentes. Así la resistencia de la ferrita de una fundición con 2.5% Si es un 47% mayor que la de los aceros.
4.5 Cementita.
La cementita es carburo de hierro. Cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es el constituyente más duro y frágil de las fundiciones y aceros.
4.6 Perlita.
Es un constituyente eutectoide formado por capas alternadas de Feα y Fe3C (ferrita y cementita). Se diferencia de la de los aceros en que el contenido en carbono es menor. Esto es debido a la presencia de Si y Mn y la formación de carburos.
- CLASIFICACIÓN
La norma UNE 36003, clasifica las fundiciones por la forma de presentarse el carbono en la microestructura, así existen:
5.1 Fundición Gris.
Es con diferencia la más ampliamente utilizada. En la fundición gris todo o gran parte del C se presenta en forma de grafito laminar. Su matriz estará formada por perlita, ferrita o una mezcla de ambas, interrumpidas por las láminas grafito que no poseen ninguna resistencia y además son blandas, frágiles y las hace muy maquinables (no forma viruta sino polvo). Reciben su nombre por el color grisáceo que presentan sus fracturas gracias al grafito.
La aparición de C en forma de grafito se ve favorecida por elementos tales como el C, Si, o Al mientras que el Mn y el S tienen un efecto contrario. La fundición gris contiene gran cantidad de C (3-3.5%) así como de Si (1.5-2.2%) mientras que el porcentaje de Mn será bajo 0.4-1%.
Además de la composición un enfriamiento lento favorece la formación de los constituyentes más estables como lo es el grafito.
Por su baja temperatura de fusión (1100-1200ºC) y su pequeño coeficiente de contracción en el momento de la solidificación se emplea ampliamente para la obtención de piezas moldeadas tales como bancadas de motores y máquinas herramientas, cárters, culatas, camisas de pistones…etc.
5.2 Fundición Blanca
El contenido en C en las fundiciones blancas será menor (2.5-3%) al igual que el de Si, mientras que el de Mn (0.8-1.5%) será superior. A diferencia de la fundición gris, aquí, si la velocidad de enfriamiento es suficientemente rápida, solidificará según el diagrama de equilibrio metaestable, con ausencia total de láminas de grafito. El carbono se encuentra todo o gran parte combinado en forma de carburo de hierro (cementita).
La presencia de cementita hace que las fundiciones blancas hipereutécticas tengan muy poco interés industrial y que las hipoeutécticas, aún con menor porcentaje, sean a su vez muy duras, frágiles y difíciles de maquinar. Además presentan graves problemas para ser soldadas. Es por esto que solamente se emplean para piezas que necesiten gran dureza superficial como ruedas de molinos, cilindros de laminación…etc.
5.3 Fundición Atruchada
Se puede considerar como una mezcla de las dos anteriores clases. Su estructura es una combinación de la fundición gris y fundición blanca, así, parte del C se encuentra en forma de cementita y parte como grafito.
El mayor porcentaje de cada componente le conferirá a la fundición atruchada el color y las propiedades mecánicas características de las anteriores.
5.4 Fundición Maleable
La fundición maleable se obtiene a partir de f. blanca mediante un tratamiento térmico adecuado, para que adquiera maleabilidad. Se distinguen:
Þ Maleable Europea o de corazón blanco, en ella el C de la cementita ha sido total o parcialmente eliminado por un proceso de descarburación.
Þ Maleable Americana o de corazón negro, el C de la cementita precipita como grafito en forma de copos (grafito nodular).
5.5 Fundición Nodular
En esta clase de fundición, el grafito se presenta en forma de esferoides o nódulos.
Fue lograda por 1ª vez por William y Morrogh en 1948 mediante la adición de Cerio en el momento de la colada. Más tarde se añadió Mg, siendo este el que se sigue empleando junto a elementos alcalinos y alcalinotérreos.
Con estas fundiciones se logran caracteristicas similares a las de los aceros, por lo que al ser más económica que el mecanizado de los aceros, no es de extrañar que se use cada vez más para fabricar todo tipo de piezas como, levas, ruedas para cadenas e incluso engranajes…etc.
5.6 Fundición de grafito difuso
En ella el grafito se presenta dividido en partículas finísimas ganando el material algo de resistencia. Se obtiene a partir de la fundición gris.
5.7 Fundiciones aleadas
Mediante la adición de elementos como Ni, Cr, Cu, Al, Mo, ó Ti, se puede conseguir que la fundición gris varíe la forma del grafito mejorando las propiedades mecánicas de la fundición. Podemos distinguir entre
Þ Fundiciones de baja y media aleación, se denominan con este nombre cuando la suma del porcentaje de elementos aleantes no sobrepasa el 5%.
Þ Fundiciones de alta aleación, sobrepasan dicho porcentaje de aleación. Con ellas se resisten bien las altas temperaturas y los agentes corrosivos.
6. INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS
Las fundiciones, como mezclas de acero y grafito, son, al igual que los aceros susceptibles de tratamientos térmicos, si bien es necesario tener en cuenta que durante los mismos no se afecta a la estructura del grafito a menos que haya un elevado porcentaje de carbono en forma de cementita. Este es el motivo por el cual hay que partir de fundición blanca para obtener una maleable pues el grafito laminar que se forma en las fundiciones grises no puede transformarse posteriormente en nodular por ningún tratamiento térmico. Los tratamientos térmicos más comunes desarrollados en las fundiciones son:
5.1 Recocido
De forma general consiste en calentar las fundiciones hasta una cierta Tº rondando la Tª de austenización, mantenerlo un determinado tiempo seguido de un enfriamiento característicamente lento. De esta manera se uniforma el tamaño de grano y se eliminan tensiones internas de tratamientos anteriores. Se aumenta así la ductilidad del material a costa de una pérdida de dureza. Dependiendo de estos factores (Tª, tiempo, velocidad de enfriamiento) y del fin del tratamiento podemos distinguir varios tipos de recocido:
Recocido de Regeneración, Ablandamiento o Globular, careciendo aquí de sentido el recocido contra Acritud.
5.2 Normalizado
Tratamiento térmico muy parecido al recocido del que se diferencia en que la velocidad de enfriamiento es algo mayor que la anterior. La estructura que se obtiene varía con la composición y dimensiones de la pieza, si bien se consigue una estructura que subjetivamente se considera normal.
Se consiguen mayores durezas que con el recocido.
5.3 Temple
Es el tratamiento térmico en que la austenita, enfriada rápidamente (con velocidad de enfriamiento superior a la crítica) se transforma en el constituyente estructural martensita de gran dureza. La dureza y resistencia máxima de una fundición tras el temple dependen exclusivamente del porcentaje de carbono y aumentan con este.
Cabe destacar que la gran cantidad de C que contienen las fundiciones hace que se necesiten velocidades críticas muy rápidas lo cual va a provocar diferencias de dilataciones entre la periferia y el núcleo así como tensiones internas.
5.4 Revenido.
Se aplica este tratamiento a las piezas de acero que han sido previamente templadas. Con su consecución, se disminuye la dureza y resistencia de las funciones templadas.
5.5 Temple superficial.
Se funda en producir un calentamiento superficial muy rápido, de forma que sólo una delgada capa exterior puede alcanzar la Tº de austenización, seguido de un enfriamiento también muy rápido. Así se logra una capa superficial de martensita sin que el núcleo experimente transformación alguna. Muy útil para piezas que están sometidas a choques, vibraciones y rozamiento superficial intenso.
5.6 Tratamientos en los que existe cambio de composición
Su finalidad es obtener piezas con gran dureza superficial y resistencia al desgaste a la vez que un núcleo tenaz. Se realizan en atmósferas ricas en los elementos que queremos se introduzcan en la superficie de la pieza. Podemos destacar la cementación, nitruración y cianuración.
Estos tratamientos raramente se utilizan en piezas de fundición.
- CONCLUSIÓN
Queremos finalizar la exposición resaltando que las fundiciones son pueden cubrir de una manera satisfactoria las necesidades de productos donde la ductilidad y tenacidad no son importantes y se busca buena dureza y resistencia.
Queda claro que el campo de necesidades cubiertas con las fundiciones es limitado y que siempre se han de completar con aceros al carbono o aceros aleados para determinadas aplicaciones. Además como hemos visto la soldadura de fundiciones es susceptible de presentar problemas de grietas y roturas.
Aun así, la gran variedad de formas y tamaños aptos para su fabricación por colada hace que el número de toneladas producidas con este material siderúrgico vaya en aumento cada año.