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CAPÍTULO I
FUNDICIONES GRISES
1.1 Introducción a las fundiciones férreas.
Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmente contienen también manganeso, fósforo, azufre, etc. Son de mayor contenido en carbono que los aceros (2,5 a 4 %) y adquieren su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca las fundiciones sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente. En general, no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse, pero existen algunas fundiciones que son excepción, las cuales son tenaces y tienen cierta ductilidad. En este grupo de excepción se incluyen las fundiciones maleables y otras especiales como las fundiciones “dúctiles” de grafito esferoidal, cuya fabricación se ha iniciado todavía hace muy pocos años (1949).
El cubilote es la instalación más empleada para la fabricación de la mayoría de las piezas de fundición. Un porcentaje de piezas mucho más pequeñas se obtienen utilizando hornos de reverbero, hornos de crisol y hornos eléctricos, siendo estas últimas instalaciones las más utilizadas para la fabricación de fundiciones de calidad, fundiciones aleadas y de alta resistencia. En algunos casos excepcionales se fabrican piezas de gran tamaño, colando directamente la fundición desde el horno alto.
Para la fabricación de piezas de fundición, se emplean generalmente como materia prima fundamental el arrabio. Además se utilizan, también en las cargas de los hornos y cubilotes, chatarras de fundición, y a veces, se emplean además cantidades variables de chatarra de acero. Durante los procesos de fabricación se suelen hacer algunas veces adiciones de ferrosilicio y ferromanganeso y, en algunas ocasiones especiales, se añade también ferrocromo, níquel, etc., para obtener en cada caso la composición deseada.
En la práctica, el contenido de carbono varía de 2,5 a 4 %, siendo lo más frecuente que oscile de 2,75 a 3,5 %. El contenido en silicio suele oscilar de 1 a 3,8 % y el de manganeso de 0,4 a 1,5 %. Muy raras veces los contenidos de silicio y manganeso llegan al 4 %, y en ocasiones se fabrican fundiciones especiales hasta el 15 % de silicio. Los porcentajes de azufre suelen oscilar de 0,01 a 0,12 %, los de fósforo de 0,020 a 0,10 % y en algunos casos llega a 1,5 %. Para conseguir ciertas características especiales, se fabrican fundiciones aleadas que, además de los elementos citados, contienen también porcentajes variables de cobre, níquel, cromo, molibdeno, etc.
1.2 Clasificación de las fundiciones férreas.
Por ser muchos y muy diferentes los factores que hay que tener en cuenta para la clasificación y selección de las fundiciones, es difícil establecer una clasificación simple y clara de las mismas. La más antigua y conocida de las clasificaciones establece cuatro grupos: fundición blanca, gris, atruchada y maleable. A estos cuatro grupos se le añade en la actualidad otro grupo, el de las fundiciones especiales, en el que se pueden incluir las fundiciones aleadas que contienen elementos especiales, las fundiciones nodulares, aciculares, inoculadas, etc. A continuación estudiaremos las fundiciones clasificadas de dos formas diferentes: primero de acuerdo a su fractura y luego, por su microestructura.
1.2.1 Por su fractura.
El criterio es el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de hierro, obtenidos en el horno alto colados en arena. Por el aspecto que tienen después de rotas las piezas fundidas, se clasifican en: fundición gris, blanca y atruchada. La fundición gris contiene, en general mucho silicio, 1 a 3,8 %; la blanca poco silicio, generalmente menos del 1 %, y la atruchada tiene, comúnmente, un contenido de silicio intermedio, variable de 0,6 a 1,5 %. El color oscuro que tienen las estructuras de las fundiciones grises y atruchadas, se debe a la presencia en las mismas de gran cantidad de láminas de grafito.
El contenido en silicio de las aleaciones hierro - carbono y la velocidad de enfriamiento, tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de fundición. Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de fundición gris; el enfriamiento rápido tiende en cambio, a producir fundición blanca.
Finalmente, el azufre y el manganeso ejercen también una cierta influencia contraria a la del silicio, y favorecen la formación de fundición blanca. Sin embargo, el manganeso y el azufre, cuando se encuentran formando inclusiones no metálicas de sulfuro de manganeso, no ejercen influencia favorable ni desfavorable en la formación de grafito, ni en la aparición de fundiciones grises o blancas. Además de estos tres tipos de fundición, se fabrican también desde hace muchos años (1722 aproximadamente) las fundiciones maleables. Éstas, en lugar de obtenerse por simple fusión, como las que acabamos de citar,
Su colabilidad es mejor en cuanto mayor sea el contenido de carbono por ser pequeño el intervalo de temperaturas entre líquidus y sólidus. Algunas de ellas, las de composición eutéctica, solidifican a temperatura constante.
Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1 % de contracción lineal aproximadamente, inferior a la de los aceros y fundiciones blancas. La pequeña contracción al solidificar se debe a que su densidad (entre 6,95 y 7,35 g/cm^3 , menor cuanto más carbono) es inferior a la de las fundiciones blancas (7,7 g/cm^3 ) y a la de los aceros (7,87 g/cm^3 ).
La característica radical de las fundiciones grises es que no presentan ledeburita. En su estructura micrográfica aparece grafito, que puede ser de diversos tipos, disperso en una matriz similar a la de un acero.
El comportamiento mecánico de una fundición gris resulta parecido al de un acero con numerosas microfisuras taponadas por grafito. La cohesión entre el grafito y la matriz metálica es casi nula. Debido a la gran diferencia entre los coeficientes de dilatación del hierro y del grafito, este se despega fácilmente de la matriz.
Lo descrito en el párrafo anterior explica varias propiedades de estas fundiciones. Por ejemplo: el color gris que presentan las fracturas, la capacidad para amortiguar vibraciones (mayor cuanto más grafito), su maquinabilidad (generalmente buena), las moderadas resistencias a tracción y bajos alargamientos, la dispersión habitual en valores de microdureza, etc.
La presencia de grafito equivale a microentallas, manifiestamente en fundiciones no esferoidales. Por eso, el alargamiento a la tracción de las fundiciones grises laminares es pequeño (generalmente menor de 0,6 %). La existencia previa de esas microentallas esclarece también la débil sensibilidad de esas fundiciones a la influencia complementaria de entallas mecánicas superficiales. Por ello, en fundiciones grises laminares no es preciso evitar con tanto cuidado como en los aceros la presencia de rayas de mecanizado, ángulos vivos, etc.
La tenacidad de las fundiciones grises es mayor que la de las fundiciones blancas, pero por el efecto de entalla debido al grafito laminar, resulta insuficiente. Por eso, cuando se requiere un material tenaz, no debe utilizarse fundición blanca, ni tampoco fundición gris laminar.
Puede señalarse, con carácter general, que la resistencia a la tracción disminuye en las fundiciones grises laminares al aumentar el contenido de carbono. El grafito disminuye la sección real del constituyente matriz, el que aguanta el esfuerzo de tracción. Además, el efecto entalla del grafito laminar, disminuye la tenacidad.
Gracias a la buena colabilidad de las fundiciones grises es posible moldear piezas de paredes delgadas, tales como tubos para aletas con radiadores, rodetes para bombas, anillos para compresores, etc. Para una buena colabilidad, se requiere que el intervalo de solidificación sea el menor posible, o lo que es igual, altos valores de carbono equivalente.
Las fundiciones grises ordinarias presentan buena resistencia a la corrosión, superior a los aceros. Los productos de corrosión quedan apresados por el esqueleto de grafito y dificultan el deterioro de zonas más profundas.
1.4 Clasificación de las fundiciones grises.
Las fundiciones grises se pueden clasificar de varia formas, pero una de las más usuales es la clasificación por la estructura de la matriz:
a) Fundición gris perlítica.
Su estructura está formada de perlita con inclusiones de grafito (en la figura 1.1a, el grafito se ve en forma de vetas pequeñas). Como se sabe, la perlita contiene un 0,8 % de C, por consiguiente, esta unidad de carbono se halla en la fundición perlítica gris en estado ligado (es decir, en forma de cementita). La cantidad restante se encuentra en estado libre, o sea, en forma de grafito.
b) Fundición gris ferrítica.
En esta fundición la matriz es ferrita y todo el carbono que hay en la aleación está en forma de grafito (ver figura 1.1c).
c) Fundición gris ferrito-perlítica.
La estructura de esta fundición está formada por ferrita y perlita e inclusiones de grafito. En esta fundición la cantidad de carbono ligado es menor que el 0,8 % de C (ver figura 1.1 b).
Figura 1.1. Microestructura de la fundición gris: a) fundición perlítica, tomada a 200 aumentos; b) fundición ferrito - perlítica, tomada a 100 aumentos; c) fundición ferrítica, tomada a 100 aumentos 1.
1.5 Formas del grafito en las fundiciones grises.
El grafito de las fundiciones puede tener cuatro formas principales: grafito laminar, grafito vermicular, grafito esferoidal y grafito nodular.
1.5.1 Grafito laminar.
En la fundición gris ordinaria el grafito toma la forma de vetas pequeñas, este grafito se llama laminar. En la figura 1.2a se muestra la estructura de una fundición ferrítica ordinaria
(^1) Gulyavev, A., “Physical Metallurgy”, Mir Publishers, 1980, Volumen 1, p. 204
a (^) b c
- Grafito tipo C, cuando un fundido tiene composición hipereutéctica (%C + %Si / 3 + %P / 3, es superior a 4,25 %) la solidificación comienza con la formación de grafito primario, en el intervalo entre la temperatura del líquidus y la temperatura eutéctica. Este grafito se desarrolla libremente en el interior del líquido, sin obstáculos para su crecimiento, y proporciona láminas rectas cuyo espesor supera al que presentará el grafito eutéctico cuando llegue a formarse. Este grafito primario recibe el nombre de grafito tipo C (ver figura 1.4c).
- Grafito tipo D, este tipo de grafito tiene una distribución aleatoria. Al igual que el grafito tipo E, se forma cuando se tiene temperaturas de enfriamiento altas (ver figura 1.4d).
- Grafito tipo E, se suele presentar cuando la fundición es muy hipoeutéctica, es decir, cuando tiene bajo contenido en carbono. Dicho sea de paso, requerirá más silicio para evitar el blanqueo o aparición de ledeburita. Formándose también cuando la temperatura de colada es elevada, como consecuencia de los fenómenos de subenfriamiento (ver figura 1.4e).
Figura 1.4. Tipos de grafito que suelen aparecer en las fundiciones^4 : a) Grafito tipo A; b) Grafito tipo B; c) Grafito tipo C; d) Grafito tipo D y e) Grafito tipo E.
1.5.2 Grafito esferoidal.
En las fundiciones modernas de alta resistencia, que se fabrican adicionando una pequeña cantidad de magnesio o de cerio, el grafito toma la forma de esfera. En la figura 1.2b se puede observar la microestructura de una fundición gris con grafito esferoidal.
1.5.3 Grafito nodular.
Si en la colada se obtiene fundición blanca y después, aprovechando la inestabilidad de la cementita se somete a recocido para descomponerla, el grafito que se obtiene toma una forma compacta, casi equiaxial, pero no redonda. Este grafito se llama nodular o de
(^4) José Apraiz Barreiro, Fundiciones, 6ta Edición, 1998, p.
a (^) b c
d e
recocido. La microestructura de la fundición con grafito nodular se muestra en la figura 1.2c.
En la práctica, la fundición con grafito nodular se llama fundición maleable_._ Por lo tanto, la fundición laminar se llama fundición gris ordinaria, y la fundición con grafito esferoidal, fundición de alta resistencia.
1.5.4 Grafito vermicular.
Forma de grafito degenerado que consiste en láminas gruesas con apariencia de gusanillo (del latín, vermiculus ) redondeado, usualmente como resultado de bajo magnesio residual.
1.6 Solidificación de las fundiciones grises.
1.6.1 El diagrama fierro - carbono estable y metaestable.
En la figura 1.5 se muestran las fases de las aleaciones Fe - C. Las líneas continuas determinan la temperatura de las fases de equilibrio de austenita (ferrita) - cementita y las líneas discontinuas, la fase de equilibrio entre la austenita (ferrita) y grafito.
Figura 1.5. Diagrama Fe-C estable (línea de rayas discontinuas) y diagrama Fe-C metaestable (líneas continuas).
Figura 1.6. Influencia del contenido en silicio de las fundiciones en el porcentaje de carbono de las composiciones eutéctica y eutectoide^5.
1.6.2 Solidificación de la fundición gris.
A continuación explicaremos algunos procesos de solidificación, de manera que pueda entenderse cómo es este proceso a lo largo de todo el diagrama. En la figura 1.7 se muestran las curvas de enfriamiento de una aleación de composición binaria (Fe - C), que siguen un enfriamiento estable
Figura 1.7. Esquema que muestra las curvas de enfriamiento A1, A2, A3 de la solidificación estable de las fundiciones.
(^5) José Apraiz Barreiro, Fundiciones, 6ta Edición, 1998, p.
La aleación eutéctica A1 (4,26 % C) empieza a solidificar a una temperatura constante de 1154 °C (punto1), a modo de dos fases: grafito (100 %C) + austenita del 2,08 %C, solidificando completamente en el punto 1". Por debajo del punto eutéctico el grafito es formado por precipitación de carbono desde la austenita eutéctica y se acumula en las partículas ya existentes. Este proceso continúa hasta la temperatura eutectoide de 738 °C (punto 2) en la que la austenita contiene 0,68 %C y es aquí donde ocurre la reacción eutectoide a temperatura constante y la austenita se transforma en ferrita + grafito (punto 2"). Luego continúa el enfriamiento hasta la temperatura ambiente, obteniendo de esta manera ferrita y grafito.
Una aleación hipoeutéctica A2 empieza a solidificar en el punto 3 de la línea de líquidus. La aleación líquida solidifica en forma de dendritas de austenita que crecen y se desarrollan desde el líquido. A la temperatura de 1154 °C termina la solidificación de la austenita primaria y el líquido alcanza la composición eutéctica (punto 4), solidificando entonces el eutéctico austenita – grafito (punto 4"). A medida que continúa el enfriamiento de la aleación ya solidificada, se formarán nuevas cantidades de grafito por precipitación de carbono desde la austenita, en tanto que la concentración de esta se acerca a la composición de la eutectoide de 0,68 % de carbono. A la temperatura de 738 °C (punto 5) comienza la reacción eutectoide y la austenita de 0,68 %C se descompone en ferrita y grafito, para terminar en el punto 5". El grafito se une con las partículas ya existentes y no se presenta separado del grafito eutéctico. Luego continúa la solidificación hasta la temperatura ambiente, obteniéndose finalmente ferrita y grafito.
Una aleación líquida hipereutéctica estable A3 (con %C mayor a 4,26) empieza a solidificar en la línea líquidus (punto 6) con la precipitación de cristales de grafito. A este grafito se le llama grafito primario y en todo momento de su desarrollo hasta el punto 7 se encuentra en estado de suspensión, que por su baja densidad con respecto a la del líquido tiende a flotar en la superficie. En el punto 7 ocurre la reacción eutéctica, para terminar en el punto 7". El grafito eutéctico se caracteriza del grafito primario por ser más fino y de menor tamaño. Por debajo de la temperatura eutéctica el grafito sigue formándose por precipitación de carbono desde la austenita eutéctica, y a 738 °C empieza la reacción eutectoide (punto 8) a temperatura constante y la austenita se transforma en ferrita + grafito, terminando en el punto 8". Posteriormente continúa el enfriamiento hasta llegar a temperatura ambiente, obteniendo de esta manera ferrita y grafito.
La aparición del grafito en vez de cementita en las aleaciones hierro - carbono, es debida a la inestabilidad del carburo de hierro en determinadas circunstancias y condiciones que hacen posible su existencia y favorecen, en cambio, la formación del grafito.
Las principales circunstancias que favorecen la formación de grafito son: un elevado porcentaje de silicio y un enfriamiento relativamente lento. Experimentalmente se ha comprobado también que la presencia de núcleos de cristalización en la fase líquida ejercen gran influencia en la formación del grafito. La máxima temperatura alcanzada por la aleación durante la fusión y la temperatura de colada, también influyen en la cantidad, tamaño y distribución de las láminas de grafito. En algunos casos el grafito se forma directamente, y en otros se forma al desdoblarse la cementita en grafito y hierro, según la siguiente reacción:
1.6.3.2 Cementita.
Llamada también carburo eutéctico, es un compuesto intermetálico duro y frágil. Su formación es favorecida en áreas del fundido donde tiene lugar una rápida velocidad de enfriamiento, tales como: esquinas, en toda la superficie de la pieza y en secciones delgadas. Los hierros con bajo carbono equivalente, particularmente aquellos con bajo contenido de silicio, son propensos a contener cementita.
Este compuesto posee una dureza del orden de los 68 HRC, siendo el componente más duro del diagrama metaestable, lo cual implica que es muy frágil. Cristalográficamente se presenta en celdas ortorrómbicas, es un material magnético por debajo de los 210 °C y tiene un punto de fusión indeterminable ya que cuando se llega a 1227 °C, éste se descompone y no funde.
1.6.3.3 Perlita.
Es el producto de una transformación eutectoide y, en el hierro gris, consiste en láminas intercaladas de ferrita y cementita. Esta posee mayor dureza y resistencia a la tracción que la ferrita pero su ductilidad es más baja. La dureza y la resistencia a la tracción asociada a la perlita dependen principalmente del espaciado interlaminar entre la ferrita y la cementita. Los valores más altos corresponden a la perlita con espaciado interlaminar fino.
1.6.4 Estructura del constituyente matriz de una fundición gris, para diferentes enfriamientos en estado sólido.
El compromiso entre transformaciones estables y metaestables en estado sólido puede afrontarse siguiendo la figura 1.8. En ella, por simplicidad, se admite que la temperatura de transformación eutectoide estable es constante e igual a la temperatura eutectoide metaestable.
Figura 1.8. Modalidades de enfriamiento de una fundición gris ya solidificada. Compromiso entre enfriamiento estable y metaestable 6.
(^6) José Antonio Pero-Sanz Elorz, Materiales para ingeniería Fundiciones Férreas, 1994, p.38.
Supóngase que una fundición gris es enfriada muy lentamente (establemente) entre la temperatura eutéctica y la eutectoide. El carbono disuelto en la austenita va perdiendo solubilidad en ésta y, al ser expulsado de la red cristalina, se combina con otros átomos para precipitar como grafito proeutectoide en muy pequeña cantidad. Complementariamente, suele advertirse un proceso de ferritización de la austenita, denominado ferritización directa, en las zonas contiguas al grafito de solidificación. Ello es debido a que algunos átomos de carbono de la austenita emigran por difusión y se depositan sobre aquel grafito - sobre todo si se trata de los tipo B ó D -, con lo cual la austenita se empobrece en carbono y se transforma localmente en ferrita.
Al alcanzar la temperatura eutectoide con un enfriamiento lento en el intervalo “a” de la figura 1.8 la estructura estará constituida por: grafito de solidificación, grafito proeutectoide en muy pequeña cantidad, algo de ferrita y austenita eutectoide.
Si a la temperatura eutectoide el enfriamiento sigue siendo lento, del tipo estable, lo cual en la práctica es menos probable, la austenita se transformará en ferrita y grafito. Al final, a la temperatura ambiente, si el enfriamiento fue plenamente "estable" desde la temperatura de solidificación, se obtendrá una estructura micrográfica de matriz plenamente ferrítica con grafito como constituyente disperso. El grafito será de varios tipos: grafito de solidificación - el más abundante -, grafito proeutectoide, grafito eutectoide y grafito formado en el intervalo “c” de la figura 1.8 por pérdida de solubilidad del carbono en la ferrita.
Si, en cambio, la transformación de la austenita al alcanzar la temperatura eutectoide hubiera sido metaestable, es decir perlítica, debido a un enfriamiento algo más rápido que el "estable", la estructura matriz sería ferrito-perlítica. Aparecería como constituyente disperso el grafito de solidificación y en menor cantidad, a veces inapreciable, grafito proeutectoide.
Considérese ahora un enfriamiento suficientemente rápido - "metaestable" - como para impedir la ferritización directa de la matriz austenítica en el intervalo “a” de la figura 1.8. En este caso la pérdida de solubilidad del carbono en la austenita no hubiera producido grafito sino cementita proeutectoide. Si, además, el enfriamiento hubiera seguido siendo "metaestable" hasta la temperatura ambiente se tendría una estructura de fundición gris y matriz perlítica. Estas fundiciones grises perlíticas, que son las más comúnmente empleadas por su equilibrio entre bajo precio y buenas propiedades, reciben el nombre de fundiciones mecánicas.
1.6.5 Composición de una fundición gris.
Las fundiciones no son resultado de aleaciones simples de Fe – C, sino que influyen en su estructura y propiedades diversos elementos. Son cinco los elementos básicos que caracterizan a una función: C – Si – S – Mn – P.
Los niveles de carbono y silicio encontrados en el hierro comercial varían ampliamente como se muestra en la tabla 1.1.
cuando el contenido en manganeso es más fuerte (temperatura de solidificación de MnS, 1620 °C). Estos sulfuros se localizan en inclusiones grises hexagonales, aislados en la estructura y sin inconveniente para las características mecánicas.
El azufre también provoca efectos sobre el enfriamiento y empeora las propiedades del hierro colado (en particular baja la fluidez). Así mismo el azufre juega un papel importante en la nucleación del grafito. Por ello es importante que el contenido de azufre sea balanceado con manganeso para formar el sulfuro de manganeso; para esto se emplea normalmente la Ec.2.
%Mn ≥ 1,7 %S + 0,3 % Ec. 2
1.6.5.4 El manganeso.
El manganeso tiene la función esencial de fijar el azufre según la Ec. 2. A parte de esto, el manganeso estabiliza la perlita y eventualmente la cementita. El manganeso tiene un efecto contrario al del silicio, es decir, impide la grafitización o mejor dicho favorece la solidificación metaestable.
1.6.5.5 El fósforo.
El fósforo no tiene casi efecto en la grafitización, sin embargo es una impureza útil en el hierro, puesto que mejora la fluidez. La fluidez que otorga el fósforo al hierro se debe a la formación de un eutéctico de baja temperatura de solidificación (950 °C), llamado comúnmente esteadita. Se trata de un eutéctico ternario formado por austenita, cementita y fosfuro de hierro (Fe – Fe 3 C – Fe 3 P) a 2 %C y a 6,9 %P, o eutéctico seudobinario (Fe – Grafito – Fe 3 P). Reúne prácticamente todo el fósforo de la composición, (1 %P – 14,5 % eutéctico ternario) y favorece las segregaciones directas (elementos carburígenos). Aparece en las juntas de las células y puede llegar a formar una red continua de esteadita para un contenido en fósforo suficientemente elevado (P > 0,3 %).
En general, la esteadita se presenta cuando el contenido de fósforo es mayor a 0,15 %. Altos niveles de este elemento pueden promover porosidad por contracción, mientras que niveles bajos de fósforo incrementan la colabilidad del metal dentro del molde. El fosfuro eutéctico incrementa la dureza total y la resistencia al desgaste del hiero colado. El nivel de fósforo en el hierro gris debe estar aproximadamente en el rango de 0,02 a 0,10 %P.
1.6.5.6 El carbono equivalente.
Los elementos Si y P sustituyen una parte del carbono. El carbono equivalente expresa cuantitativamente esta sustitución y permite citar una fundición sobre el diagrama binario Fe – C para relacionarlo con el eutéctico binario (Ceq = 4,3 %). Permite, por lo tanto, conocer aproximadamente sus temperaturas de inicio y fin de solidificación, evitando recurrir a incómodos diagramas ternarios. Así mismo, las propiedades de las fundiciones se pueden expresar en función del carbono equivalente.
Con un carbono equivalente igual a la del eutéctico la colabilidad es máxima y la tendencia de la contracción es mínima, con el aumento de carbono equivalente la tendencia al temple y la resistencia mecánica disminuyen. El carbono equivalente es una noción cómoda que permite traer de nuevo la metalurgia de las fundiciones sobre un diagrama binario
constituyendo una simplificación no rigurosa de los fenómenos. Sin embargo el concepto no es válido para contenidos elevados de silicio.
1.6.6 Defectos que se producen el la fundición gris.
Las discontinuidades en la matriz de las fundiciones grises disminuyen las propiedades de las piezas fundidas debido a que reducen la sección útil de las piezas moldeadas y disminuyen su resistencia.
Es necesaria por eso una identificación cuidadosa previa de éstos, de manera que puedan ser eliminadas o minimizados. El lugar, la forma y el tamaño de un defecto proveen valiosos indicios acerca de su origen. A continuación se estudian los defectos comunes encontrados en las fundiciones grises.
1.6.6.1 Porosidades.
Se refiere a aquellos defectos que se encuentran debajo de la superficie superior del fundido y en el centro del molde. Estos defectos pueden ser de forma esférica o irregular. Muchos de estos huecos contienen escoria, y algunas cavidades contienen metal segregado.
El metal frío, resultante de una temperatura de vaciado baja, es la causa principal de estas porosidades. Esto explica porqué el fundido último, vaciado de una cuchara, es el que más posibilidades tiene de resultar defectuoso. La combinación de excesivos niveles de azufre y manganeso producen también piezas con defectos de este tipo. Por tanto, para evitar este tipo de defectos se deben evitar altos contenidos de azufre y de manganeso, y, asimismo, bajas temperaturas de vaciado.
La formación de las porosidades se debe a que cuando la temperatura del metal fundido cae, se forman sulfuros de manganeso y se separan del metal fundido. Estos flotan sobre la superficie donde se mezclan con la escoria de la cuchara (silicatos de hierro y de manganeso), creando una escoria de muy alta fluidez. Esta escoria entra en las cavidades del molde, reacciona con el grafito precipitado durante la reacción eutéctica, y resulta en la evolución de monóxido de carbono y la formación de las porosidades. Temperaturas apropiadas del metal, niveles balanceados de azufre y manganeso, cucharas limpias, y una buena práctica de quitar la capa de escoria de la superficie minimizan estas porosidades.
1.6.6.2 Rechupe.
La densidad de un metal líquido es generalmente inferior a la densidad de ese mismo metal solidificado. El metal se contrae en estado líquido desde la temperatura de colada (contracción líquida), también se contrae durante el cambio de estado líquido - sólido. A la suma de la contracción líquida y de la contracción por solidificación, se le denomina rechupe. Cuanta más alta sea la temperatura en el momento de colar, más acentuada será la diferencia entre el volumen específico del líquido y el del sólido y, por tanto, mayor será el rechupe.
El rechupe así definido comprende tanto la contracción macroscópica, o macrorrechupe, como la contracción microscópica o microrrechupe. Frecuentemente aparece en los
Estas cavidades reciben el nombre de sopladuras y pueden ser periféricas o internas.
El aire que llenaba el molde y queda retenido durante la colada puede dar origen también a cavidades, en la masa metálica. Los gases ocluidos en las piezas moldeadas pueden deberse también a la acción del metal líquido sobre el agua que humedece los moldes: el rápido desprendimiento del vapor de agua del molde origina poros superficiales denominados picaduras.
1.7 Propiedades y características de fundiciones grises.
1.7.1 Influencia del grafito en las propiedades de la fundición gris.
La estructura de hierro gris consiste de una matriz metálica y grafito, las propiedades serán determinadas por las propiedades de la matriz y de la cantidad y tipo de inclusiones de grafito. El hierro gris tiene propiedades inferiores a las del acero, las inclusiones de grafito se consideran, en primera aproximación, como huecos o grietas. Por consiguiente, el hierro gris puede ser considerado como un acero infectado, con numerosas grietas o huecos. Las propiedades del hierro son más bajas a mayor volumen de grafito, por contribuir a un mayor número de grietas o huecos.
Para un volumen igual de grafito, las propiedades del hierro son determinadas por la forma, distribución y tamaño de las partículas. Consecuentemente las propiedades del hierro serán menores a contenidos más altos de grafito y a mayor grosor de estas inclusiones, más desintegran la matriz metálica. Propiedades mecánicas deficientes se derivan de hierros en las cuales las partículas de grafito forman una red o cadena cerrada (grafito tipo E, D).
Las partículas de grafito laminar se consideran como grietas o cortes pronunciados en la matriz. Por ello, ante un esfuerzo de tracción, las partes extremas de la lámina de grafito actuarán como concentradores de esfuerzos que fomentan la falla o quiebre. Ante esta consideración, las propiedades mecánicas del hierro se caracterizan por una baja resistencia debido a la propagación de la grieta. El grafito tipo A es el que da mejores características. El tipo B, disminuye la resistencia mecánica. El tipo C da resistencia al choque térmico, pero débil resistencia a la tracción. El tipo D es desfavorable porque la matriz en contacto con este se ferritiza fácilmente y da poca resistencia al desgaste.
En los casos en que el esfuerzo de tensión es mínimo (por ejemplo en el caso de compresión), las propiedades del hierro resultan ser elevadas y muy próximas a las propiedades de un acero de la misma composición y estructura de la matriz del hierro. La resistencia a la compresión es tres a cuatro veces superior a la tracción. Esto es porque la resistencia a la compresión última y dureza del hierro dependen significativamente de la estructura de la matriz metálica y sus diferencias son mínimas respecto a las del acero.
Las propiedades de resistencia a la rotura, la resistencia a la flexión y a la torsión, están determinadas significativamente por el contenido forma y tamaño de las partículas de grafito y difieren apreciablemente de las propiedades del acero. Por ejemplo, un hierro hipoeutéctico tiene mayor resistencia a la tracción que un hierro hipereutéctico.
Los efectos de las inclusiones de grafito disminuyen con la variación de la forma, desde laminar a esferoidal, reduciéndose bruscas concentraciones de esfuerzos y la formación de grietas en la matriz va desapareciendo. Las fundiciones de grafito esferoidal tienen una
resistencia a la tracción y a la flexión más alta que una fundición de grafito laminar. Los valores intermedios de resistencia se presentan en la fundición maleable.
La ductilidad de las fundiciones se puede caracterizar por los siguientes valores de alargamiento relativo en porcentaje:
Tipo Laminar Vermicular Esferoidal % 0,20 - 0,5 5 - 10 10 - 15
Una fundición esferoidal tiene mayor resiliencia, ductilidad y alargamiento que las fundiciones laminares. La ductilidad depende de la estructura de la matriz, los más bajos valores son típicos de las fundiciones perlíticas y los más altos de las ferríticas. La dureza Brinell determinada por la matriz puede tener los siguientes valores.
Fundición Ferrítica Ferrito - perlítica Perlítica HB 130 180 220
1.7.2 Propiedades generales de las fundiciones grises.
Tal vez convenga subrayar, a modo de introducción a las propiedades, que las fundiciones grises son un material compuesto de grafito, y de otro material matriz. Este material a su vez, frecuentemente está compuesto por un intermetálico "cerámico" - la cementita -, y otro material - la ferrita - que es metálico.
- Las fundiciones son aleaciones férreas que requieren para su elaboración menos energía que los aceros , porque con similar capacidad calorífica su temperatura de fusión es menor. Presentan, además, excelentes características de colabilidad y dan poco rechupe.
- Su colabilidad es mejor cuanto mayor es su contenido de carbono, por ser pequeño el intervalo de temperaturas entre el líquidus y sólidus. Algunas de ellas, las de composición eutéctica, solidifican a temperatura constante.
- Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1 % de contracción lineal aproximadamente, inferior al de los aceros y fundiciones blancas, como puede verse en la tabla 1.2. La pequeña contracción al solidificar se debe a que su densidad (entre 6,95 y 7,35 g/cm^3 , menor cuanto más carbono) es inferior a la de las fundiciones blancas (7,7 g/cm^3 ) y a la de los aceros (densidad del hierro 7,97 g/cm^3 ).
Tabla 1.2. Contracción durante la solidificación^8 (A.S.M) Tipo de Fundición %Contracción Fundición dúctil 0,0 – 0, Fundición gris 1, Fundición maleable 1, Fundición austenítica 1,3 – 1, Fundición blanca 2, Acero al carbono 2, Acero aleado 2,
(^8) José Antonio Pero-Sanz Elorz, Materiales para ingeniería Fundiciones Férreas, 1994, p.
