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Cuando hablamos de aleaciones hierro-carbono, encontramos un diagrama de fases dividido en dos
regiones. Una región existente entre el 0 y el 2.11 % C, que componen los aceros, y otra entre el 2.11 y el
6.67 % C, que forma la fundición de hierro , fundiciones , o hierro fundido.
Aunque pueden abarcar un amplio espectro de porcentajes de carbono, las fundiciones comerciales
suelen contener entre el 2.11 y el 4.5 % en peso. Al igual que los aceros, las fundiciones pueden estar
aleadas con otros compuestos, lo que las proporciona distintas características mecánicas y distintos
microconstituyentes.
Tecnológicamente el uso de fundiciones de hierro está muy extendido para una gran variedad de
aplicaciones, dejando a los aceros el papel de piezas de altas prestaciones en servicio. Algunas de las
ventajas de las fundiciones frente a los aceros son:
- Son más fáciles de maquinizar que los aceros.
- Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.
- En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.
- Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes.
- Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y poseen buena resistencia al desgaste. 1. GRAFITIZACIÓN
Si estudiamos en diagrama de Fe-C, podemos ver que a partir de la línea A cm
el carbono empieza a
precipitar como carburo de hierro-3, ya que excede el límite de solubilidad.
En el caso de los aceros siempre tendremos perlita + cementita desde la eutectoide hasta el 2.11%C,
pero en las fundiciones podemos tener, a demás, disociaciones de cementita en hierro-3 y grafito (C)
según la reacción:
𝟑
Esta disociación, llamada grafitización , hace que aparezca grafito puro en la microestructura, confiriendo
al material determinadas características en función de: su forma, su tamaño etc.
La grafitización va a depender de una serie de factores, haciendo que se vea favorecida por:
- Las altas temperaturas.
- Las velocidades de enfriamiento muy lentas, ya que eso favorece la formación de
compuestos más estables.
- Altos porcentajes de carbono y silicio.
TEMA: 8 “FUNDICIONES”
Otro factor que influye en la grafitización es la composición química de la mezcla:
1. Silicio.
Es uno de los principales elementos de aleación de las fundiciones, actúa favoreciendo la
descomposición de cementita en grafito. El silicio se disuelve muy bien en el hierro y tiene un
comportamiento netamente alfágeno (favorece la aparición de ferrita alfa). Estas características hacen que
se suela usar más en fundiciones grises; además modifican las concentraciones en el punto eutéctico y
eutectoide según las formulas:
234254657
(%)>
?
23425476@
(%)>
C
2. Manganeso.
Por su tendencia a formar carburos se opone a la grafitización, y neutraliza el efecto que puede originar
el azufren formando MnS.
3. Azufre.
También se opone a la grafitización, pero de manera más intensa que el manganeso.
4. Fosforo.
Se opone ligeramente a la grafitización debido a la formación del eutéctico Steadita. Además, favorece
la colabilidad.
5. Oxígeno.
Antigrafitizante enérgico que se encuentra en mayor o menor medida en todas la fundiciones, se presenta
en forma de inclusiones no metálicas, como óxidos submicroscópicos.
Todos estos elementos hacen que la concentración final de carbono se vea modificada, dando así un
carbono equivalente final :
𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆
474IJ
Según el índice de grafitización (alto o bajo) podemos tener dos tipos de fundiciones, atendiendo a la
presencia de grafito:
- Fundiciones GRISES: por causas que se estudiarán más
adelante (temperaturas, composiciones, velocidad de
enfriamiento etc.) la cementita puede disociarse en Fe y C,
adquiriendo este último forma de grafito. El grafito otorga
color gris a las fundiciones, lo que les da su nombre. Estas
aleaciones siguen el diagrama estable.
- Fundiciones BLANCAS: Son aquellas en las que aparece
únicamente cementita más otros microconstituyentes. Siguen
el llamado diagrama metaestable.
Nota:
Aquí llamamos fundición gris
a toda aquella que posea
grafito, en función luego de
la forma de este se tendrán
diversas características que
darán divisiones distintas
en los tipos de fundición:
gris ordinaria, aleada o
especiales.
1. Laminar: se presenta fundamentalmente en las fundiciones grises ,
con forma de laminas dispersas en la matriz.
Introduce una gran discontinuidad produciendo fragilidad en la
pieza, también produce una disminución de la resistencia
mecánica, dureza y límite elástico.
A pesar de que reduce a cero la ductilidad, ofrece una mejor
resistencia al desgaste, a la corrosión y a la maquinabilidad
(haciendo que salte mejor la viruta).
2. Nodular: suele presentarse en fundiciones especiales maleables ,
ya que, debido a su forma redondeada, no genera tantas
discontinuidades en la matriz, lo que le da mayor ductilidad.
Este grafito proviene de la descomposición de la cementita a altas
temperaturas.
La apariencia que posee es de nódulos más o menos irregulares,
dando una forma similar a la de un cangrejo.
3. Esferoidal: aparece en fundiciones especiales dúctiles ,
presentando morfología de esferulita (no se confunda con
esferoidita) con gran uniformidad y reparto por la matriz, lo que
hace que sean fundiciones de mejor calidad.
El tamaño es algo menor que el nodular, aunque es bastante más
ductil. Los esferoides se han obtenido gracias a la inclusión de
metales como el céreo (Ce) y el magnesio (Mg), y consisten en una
serie de “cristales” que crecen a partir de un centro común.
3. Mezclas eutécticas. 1. Ledeburita: es el eutéctico que se forma en la reacción entre
los 1147ºC y los 727ºC, con un 48% de austenita y 52% de
cementita. No es estable a temperatura ambiente, por lo
que no podemos verlo como tal, sin embargo, debido a la
transformación de la austenita en perlita al pasar por debajo
de 727ºC, podemos identificarlo como agrupaciones de
nódulos de perlita en un matriz de cementita.
Origina fragilidad.
2. Steadita: aparece en fundiciones con alto contenido en fósforo. Es un
eutéctico de gran dureza y fragilidad con un bajo punto de fusión:
960ºC.
En fundiciones grises: eutéctico bifásico → Ferrita + Fe 3
P.
En fundiciones blancas: eutéctico trifásico → Ferrita + Fe 3
P +
Fe 3
C.
**3. CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES.
- Fundiciones ordinarias.**
a) Fundición GRIS.
Los contenidos de carbono son de 3 a 3.5 % en peso.
Los contenidos de silicio son de 1.5 a 2.2 % en peso.
Los contenidos de manganeso son de 0.4 a 1 % en peso.
Los posibles contenidos de azufre son menores al 0.1%.
El carbono en estas fundiciones precipita en forma de grafito, que a menudo suele
tener forma de copos (similares a copos de maíz), aunque esto depende de varios
factores, haciendo que haya una gran variedad de posibles formas. Estos copos se
encuentran rodeados por una matriz de ferrita-𝛼 o perlita.
Mecánicamente, la fundición gris es comparativamente poco resistente a tracción
y frágil, a consecuencia de su microestructura. Esto se debe a que las puntas de las
laminas de grafito actúan de acumulador de tensiones al aplicar una carga de tracción externa. Su
resistencia y ductilidad son mucho mayores bajo cargas de compresión.
Las cargas de rotura aumentan con la subida del % de perlita, y la disminución del espesor de las láminas
de grafito.
Son muy eficaces para amortiguar energías de vibración, lo que hace que se utilicen para fabricar
bancadas de máquinas y equipos que vibran. También poseen una alta resistencia al desgaste.
A la temperatura de fusión tienen elevada fluidez, lo que hacen que se
puedan moldear piezas complejas fácilmente. A demás presentan poca
contracción por solidificación y buen mecanizado.
Si las comparamos con las blancas son más resistentes y algo más blandas.
Aunque las fundiciones grises posean grafito laminar, este a menudo, puede configurar diversas
estructuras, haciendo que podamos dividirlo en:
1. Tipo A: laminas de grafito distribuidas uniformemente sin orientación
preferente. Es el tipo más común observado.
Aparece en las fundiciones grises si el contenido en P y Si no son muy
elevados.
2. Tipo B: grafito en rosetas.
Este grafito se asocia a velocidades de enfriamiento muy altas, y se suele encontrar en la
superficie de piezas que posean grafito A en su interior.
Cada roseta tiene por origen un centro de cristalización, a partir del cual las láminas de grafito
han crecido radialmente.
FUNDICIONES
Ordinarias
Gris
Blanca
Aleadas Atruchada
Especiales
Maleables
Dúctiles
Nota:
Las fundiciones grises presentan
problemas de hinchamiento a
partir de los 450ºC.
Pieza obtenida por
colada de fundición gris.
b) Fundición BLANCA.
Los contenidos de carbono son de 2.5 a 3 % en peso.
Los contenidos de silicio son de 0.5 % en peso.
Los contenidos de manganeso son de 0.8 a 1 .5 % en peso.
Los posibles contenidos de azufre son menores al 0.1%.
En las fundiciones de hierro con bajo contenido en silicio y con elevadas velocidades de enfriamiento, la
mayoría del carbono aparece en forma de cementita, en lugar de grafito. Lo que hace que presenten un
corte blanco brillante, que les dará su nombre.
Al igual que en los temples de aceros de grandes dimensiones, en los
que la martensita solo aparece en el exterior; la fundición blanca solo
se aprecia en la superficie de grandes piezas, mientras que en su
interior aparece la fundición gris.
Debido a su alto contenido en cementita, la fundición blanca es
extremadamente dura, pero también muy frágil, hasta el punto en el
que prácticamente no es mecanizable. Su uso por tanto queda limitado
a aplicaciones resistentes al desgaste con poca ductilidad, como
rodillos de laminación etc.
Generalmente la fundición blanca se usa como producto de partida
para producir fundición maleable o nodular.
Como en este caso no hay presencia de grafito, no hay necesidad de estudiar sus tipos (como ocurría en
la fundición gris), por lo que vamos a estudiar los tipos de fundición blanca en función de su
microestructura.
1. Fundición blanca hipoeutéctica: posee grandes cristales de perlita derivados de la austenita
primaria, estos se encuentran rodeados de cementita.
2. Fundición blanca eutéctica: esta formada por agrupaciones de perlita y cementita derivada de
la ledeburita.
3. Fundición blanca hipereutéctica: formada por grandes masas de cementita primaria y
agrupaciones de cementita y perlita derivada de la ledeburita. Suele presentar grandes
columnas blancas de cementita.
Nota:
Las fundiciones blancas están
favorecidas por la presencia de
azufre (S) y manganeso (Mn).
Fundición blanca eutéctica. Presenta
una matriz de cementita y nódulos de
perlita.
EUTÉCTICA HIPOEUTÉCTICA
HIPEREUTÉCTICA
2. Fundiciones aleadas.
Cuando necesitamos propiedades especiales en una fundición, podemos agregar aleantes para mejorar
su comportamiento.
Llamamos fundiciones aleadas a todas aquellas que tienen una suficiente concentración de aleantes,
como para modificar significativamente sus propiedades mecánicas y físicas. Los principales elementos
de aleación son: cromo (Cr), cobre (Cu), Molibdeno (Mo) y níquel (Ni).
Vamos a dar ahora algún ejemplos de aleación y sus características: (en la tabla 13.5 se dan algunas
concretas)
- En virtud de su contenido de aleantes: podemos obtener fundiciones bainíticas y martensíticas.
Estos microconstituyentes elevan significativamente la resistencia.
- Fundición GRIS +Cr (1%): producen materiales resistentes a altas temperaturas. - Fundición GRIS + P: mejora la colabilidad, reduce la temperatura de fusión de la aleación y forma
esteadita. La esteadita recordemos que es un microconstituyente duro pero frágil, lo que
mejora el comportamiento al desgaste.
- Fundiciones resistentes a la corrosión: añadiendo Cu, Ni o Cr. 3. Fundiciones especiales.
Al calentar la fundición blanca a temperaturas entre 800ºC y 900ºC durante
un periodo de tiempo prolongado y una atmosfera neutra (para evitar la
oxidación), se provoca la descomposición de la cementita y la formación
de grafito, en forma de agrupaciones nodulares o rosetas, rodeadas de una
matriz de ferrita o perlita (en función de la velocidad de enfriamiento); es
en este momento cuando tenemos fundición especial maleable.
Presenta una relativa alta resistencia y apreciable ductilidad o maleabilidad. El hecho de que el grafito se
presente en forma nodular hace que se reduzca el efecto de entalla.
Dentro de las principales aplicaciones encontramos: bielas, engranajes de transmisión, y elementos
específicos de la industria del automóvil, y otros servicios de trasporte pesados.
Dentro de las fundiciones maleables podemos encontrar dos tipo:
- Fundición maleable EUROPEA o de corazón blanco: se obtienen por medio de la
descarburación de la fundición blanca.
- Fundición maleable AMERICANA o de corazón negro: se obtienen mediante recocido de larga
duración de la fundición blanca.
Fundición maleable, agrupación
grafítica en rosetas.
OTRAS TABLAS DE CARACTERÍSITAS DE ACEROS Y FUNDICIONES :
