FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES
LECTURAS DE INGENIERÍA 3
HIERROS FUNDIDOS
M. en I. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez.
CUAUTITLÁN IZCALLI 2007
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Tipos de hierros y fundiciones, Apuntes de Mecánica de Materiales
Fundiciones dulces y tipos de hierros
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 29
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FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES
LECTURAS DE INGENIERÍA 3
HIERROS FUNDIDOS
M. en I. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez.
CUAUTITLÁN IZCALLI 2007
ÍNDICE
- INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………………..…… Pág. - HIERROS FUNDIDOS (FUNDICIONES DE HIERRO) …………………………………. - 1.1. MICROCONSITUYENTES DE LAS FUNDICIONES …………………… …
- HIERROS FUNDIDOS BLANCOS ……………………………………………………….
- HIERROS FUNDIDOS GRISES …………………………………………………………..
- HIERROS FUNDIDOS NODULARES …………………………………………………...
- HIERROS FUNDIDOS BLANCOS ……………………………………………………….
- HIERRO FUNDIDO MALEABLE ……………………………………………………….
- HIERRO FUNDIDO ENDURECIDO LOCALMENTE (CHILLED IRON) ………….
- FUNDICIONES ALEADAS ………………………………………………………………. - 7.1. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS FUNDICIONES .. - 7.2. CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES ALEADAS ………………………. - 7.2.1. Fundiciones de baja y media aleación ………………………………... - 7.3. FUNDICIONES MARTENSÍTICAS RESISTENTES AL DESGASTE ……...…
- 7.4. FUNDICIONES RESISTENTES AL CALOR CON 1% DE CROMO …… ……
- 7.5. FUNDICIONES DE ALTA DUREZA CON 1 A 3 % DE CROMO ………………
- 7.6. FUNDICIONES ALEADAS AL ALTO CROMO ……………………………….
- 7.7. FUNDICIONES ALEDAS CON ALUMINIO …………………………………....
- FUNDICIONES ALEADAS ………………………………………………………………. - 7.1. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS FUNDICIONES .. - 7.2. CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES ALEADAS ………………………. - 7.2.1. Fundiciones de baja y media aleación ………………………………... - 7.3. FUNDICIONES MARTENSÍTICAS RESISTENTES AL DESGASTE ……...…
- BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………………...
- HIERRO FUNDIDO ENDURECIDO LOCALMENTE (CHILLED IRON) ………….
1.- HIERROS FUNDIDOS (FUNDICIONES DE HIERRO)
La industria de la producción de hierro fundido es una de las principales a nivel internacional. Anualmente son producidas piezas que son ensambladas y empleadas como componentes de equipos y maquinarias. La producción de hierro fundido es el triple al resto de las producciones de metales ferrosos y no ferrosos juntos, superado solo por la producción de acero laminado según datos obtenidos [1] ,[2]
Los hierros fundidos, como los aceros, son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Con relación al diagrama Fe-Fe 3 C (figura 1), los hierros fundidos contienen más carbono que el necesario para saturar la austenita a la temperatura eutéctica, por tanto, contienen entre 2 y 6.7 % de carbono. Como el alto contenido de este elemento tiende a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría de los tipos manufacturados están en el intervalo de 2. a 5 % de carbono, además, contienen silicio del 2 al 4%, manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo.
Figura 1.- Diagrama de Fases del Sistema Binario de Aleaciones Hierro-Carbono
La ductilidad del hierro fundido es muy baja y no puede laminarse, estirarse o trabajarse en frío o en caliente. Pero, se pueden vaciar de un horno de cubilote como el mostrado en la figura 2, para obtener piezas de muy diferente tamaño y complejidad siendo poco soldables pero sí maquinables, siendo relativamente duras y resistentes a la corrosión y al desgaste. Como la fundición de piezas es el único proceso aplicable a estas aleaciones se conocen como hierros fundidos, fundiciones de hierro o, hierros colados.
Además, mediante una aleación adecuada, buen control de la fundición y un tratamiento térmico adecuado, las propiedades de un hierro fundido pueden modificarse ampliamente. Los significativos progresos desarrollados en el control de la fundición han dado lugar a la producción de grandes tonelajes de hierros fundidos, cuyas propiedades suelen ser muy consistentes.
El mejor método para clasificar el hierro fundido es de acuerdo con su estructura metalográfica, así, las variables a considerar y que dan lugar a los diferentes tipos de hierros fundido son: El contenido de carbono El contenido de elementos aleantes e impurezas La rapidez de enfriamiento, durante y después de la solidificación y El tratamiento térmico posterior
Estas variables controlan la fundición, o sea la condición del carbono y también su forma física. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de hierro (Fe 3 C) o existir como carbono libre en forma de grafito. La forma y distribución de las partículas de carbono sin combinar influye en forma determinante sobre las propiedades mecánicas del hierro fundido. Estas aleaciones se clasifican por lo tanto, según el estado en que se encuentra el carbono en la microestructura, así como por la microestructura de la matriz, siendo los principales tipos los siguientes:
a) Hierro fundido blanco. El carbono se encuentra en gran porcentaje, formando una red de Fe 3 C
b) Hierro fundido gris. El carbono se encuentra libre en la matriz , en forma de hojuelas de grafito c) Hierro dúctil o nodular. El carbono se encuentra libre en forma de nódulos o esferas
d) Hierro maleable. El grafito se encuentra en forma de terrones o nódulos informes (carbono recocido) e) Hierros fundidos aleados.
+ matriz de acero (ferrita, perlita, martensita, etc)
1.1. MICROCONSTITUYENTES DE LAS FUNDICIONES
Las fundiciones de hierro pueden presentar los mismos constituyentes de los aceros, más el eutéctico ledeburita, compuesto de austenita y cementita, el eutéctico ternario de cementita, ferrita y fosfuro de hierro (esteadita) y el carbono en forma de láminas, nódulos o esferitas de grafito, su microestructura se basa en el diagrama hierro carbono estable.
Ledeburita. Una reacción eutéctica ocurriendo a 1148 ºC y una composición de 4.3 %C. A esta temperatura y composición la fase líquida esta en equilibrio con la fase sólida cementita, con 6.7 %C y austenita saturada conteniendo 2.11 %C. El producto de esta reacción se conoce como “ledeburita”.
L ←→ γ + Fe 3 C (ledeburita)
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 pueden conocer la zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.
Esteadita. Es un constituyente de naturaleza eutéctica duro, frágil (300 a 350 Vickers) y de bajo punto de fusión (960 °C), que aparece en las fundiciones de alto contenido en fósforo (más de 0. l5 % P)
2. HIERROS FUNDIDOS BLANCOS
Se les da este nombre por la apariencia que tiene el material fracturarse. Se forma al enfriar rápidamente la fundición de hierro desde el estado líquido, siguiendo el diagrama hierro-cementita metaestable; durante el enfriamiento, la austenita solidifica a partir de la aleación fundida en forma de dendritas. A los 1148 °C el líquido alcanza la composición eutéctica (4.3%C) y se solidifica como un eutéctico de austenita y cementita llamado ledeburita. Este eutéctico aparece en su mayor parte como cementita blanca que rodea las dendritas de forma de helecho. Figura 3
3. HIERROS FUNDIDOS GRISES
Para explicar el hierro fundido gris es necesario entender que el carburo de hierro es básicamente una fase metaestable y que con un enfriamiento anormalmente lento (o en presencia de ciertos aleantes como el silicio) se cristalizará el grafito (carbono puro) y el hierro (figura 4). Además, si se calienta el carburo de hierro por un periodo prolongado se descompondrá de acuerdo a la reacción siguiente: Carburo de hierro Æ Hierro + C (grafito)
Figura 4. Hojuelas de grafito en el hierro fundido gris.
Por lo tanto, el diagrama de equilibrio verdadero es el sistema hierro-grafito que se muestra con línea discontinua en la figura 1. No es necesario un nuevo diagrama, porque para todos los propósitos prácticos solamente hay que sustituir el grafito por el carburo de hierro en las regiones de dos fases, como se indica en la figura 1 y mover la línea vertical de la derecha hasta el 100 %.
Los principales elementos de aleación son carbono y silicio. El alto contenido de carbono incrementa la cantidad de grafito o de Fe 3 C e incrementando el contenido de carbono y silicio incrementa el potencial de grafitización y fluidez del hierro fundido, sin embargo su resistencia se ve afectada, ya que se promueve la formación de ferrita y el engrosamiento de la perlita.
La influencia combinada del carbono y el silicio normalmente se evalúa mediante la expresión siguiente:
CE = %C + 0.3 (%Si) + 0.33 (%P) - 0.027 (%Mn) + 0.4 (%S)
El contenido de manganeso varía en función de la matriz deseada, típicamente, puede ser tan baja como 0.1% para hierros ferríticos y tan alta como 1.2% para hierros perlíticos, ya que el manganeso es un fuerte promotor de la perlita.
El efecto del azufre puede ser balanceado con el manganeso, sin manganeso en el hierro el indeseable compuesto sulfuro de hierro (FeS) se formará en el límite de grano. Si el azufre se balancea con manganeso, se formara sulfuro de manganeso (MnS), el cual es menos dañino ya que se distribuye dentro del grano. La relación óptima entre el manganeso y azufre para una estructura libre de sulfuro de azufre y máxima cantidad de ferrita es:
%Mn = 1.7x(%S) + 0.
En la práctica es más difícil regular la cantidad de carbono que la de silicio, por eso, se elige un contenido tal de carbono que garantice relativamente buenas propiedades de colada, esto es, fluidez y poca contracción. La relación entre el contenido de carbono y silicio y la estructura de la fundición se presenta en forma gráfica en el diagrama estructural de la figura 5a). El campo del diagrama está dividido en cinco zonas estructurales, según sea el contenido de silicio (por la línea horizontal) y carbono (por la línea vertical). El diagrama está construido para lingotes con un espesor de pared constante, que corresponde al bloque de prueba de 30 mm de diámetro; en él no se toma en consideración el efecto de la velocidad de enfriamiento sobre al estructura de la fundición. El enfriamiento retardado eleva el grado de formación de grafito.
Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general en forma de grafito adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”, este grafito es el que da la típica coloración gris a las superficies de fractura en las piezas elaboradas con esta aleación. Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez de enfriamiento después del vaciado, tamaño y espesor de las piezas, práctica de vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales como la naturaleza de la matriz y la forma y tamaño de las hojuelas de grafito. Las hojuelas adoptan diferentes patrones irregulares o tipos. El tipos y tamaño de hojuela se determina de manera tradicional por simple comparación contra el patrón ASTM (American Society for Testing and Materials), norma A247. Esto se realiza mediante observaciones de microscopia óptica a 100X sobre probetas pulidas a espejo, sin ataque químico. En general, se habla de 5 tipos de hojuelas, denominados A, B, C, D y E como se aprecia en la figura 6.
Figura 6. Tipos de hojuelas en los hierros grises, según clasificación de ASTM
Las normas hacen referencia a ocho tamaños de hojuelas, asignándoles números del 1 al 8 como se muestra en la Tabla 1.
_Tabla 1. Tamaños de hojuelas AFS-ASTM_*
En general para la mayoría de las aplicaciones se prefieren las hojuelas del tipo A de tamaño “pequeño”, los tamaños grandes reducen la resistencia y ductilidad del hierro como resultado de interrumpir seriamente la continuidad del material.
Las propiedades mecánicas en general de las fundiciones grises son variables y están en función directa de la microestructura; por lo general poseen una resistencia a la compresión de dos a tres veces mayor que su resistencia a la tensión, siendo su ductilidad bastante pequeña. Muchos de las grados de hierro gris tienen mayor resistencia al corte torsional que algunos tipos de acero. Estas características junto con una baja sensibilidad a la presencia de muescas (concentradores de esfuerzo) hacen del hierro gris un material adecuado para diversos tipos de flechas y ejes.
La capacidad de amortiguación del hierro gris es una propiedad que no se mide muy a menudo, pero que vale la pena considerar, ya que estas aleaciones tienen la habilidad de absorber la energía y por lo tanto de detener la vibración. Por ejemplo una barra de acero produce un sonido metálico, un abarra de hierro fundido no lo produce. Esta característica explica las muchas armazones de máquinas que se hacen de hierro fundido gris. El hierro gris es fácil de maquinar, debido a la presencia de carbono libre (grafito), pero no es fácil de soldar. La soldadura puede hacerse pero requiere de una técnica especial y generalmente queda confinada a reparaciones.
4. HIERROS FUNDIDOS NODULARES
También se conoce como hierro dúctil, hierro de grafito esferoidal, hierro esferulítico; en este tipo de hierro fundido el grafito se encuentra presente como pequeñas bolas o esferoides las cuales interrumpen con menor brusquedad la continuidad que las hojuelas de grafito en de un hierro gris, dando como resultado una mayor resistencia y tenacidad, comparada con una estructura semejante a la del hierro gris. El hierro fundido nodular difiere del maleable en que generalmente se obtiene como resultado de la solidificación y no requiere de tratamiento térmico. Las esferorides son más redondas que los agregados irregulares de carbono revenido encontrados en el hierro maleable.
El grafito esferoidal es producido por la adición de uno más elementos al metal fundido: magnesio, cerio, calcio, litio, sodio, bario y otros elementos producen también grafito esferoidal. De éstos, el magnesio y el cerio son comercialmente importantes y como el contenido total de carbono en el hierro nodular es el mismo que en hierro gris, las matrices ferriticas y perliticas se obtienen de manera similar a la de los hierros fundidos grises.
Figura 7. Microestructura de la fundición nodular ferrítico-perlítica
Los hierros perlíticos nodulares son más fuertes pero menos dúctiles que los ferríticos. También se puede obtener una matriz martensítica templando en aceite o en agua desde una temperatura de 870 a 930 °C, figura 8. Las estructuras templadas generalmente se revienen después del endurecimiento a los niveles de resistencia y dureza deseados.
Figura 8. Matriz martensítica en un hierro nodular.
Poseen mayor resistencia a la tensión que los hierros grises, resistencia al desgaste y dureza similares, poseen alta resistencia al impacto térmico y mayor maquinabilidad. Algunas aplicaciones típicas del hierro nodular son:
- Cigüeñales, pistones, y cabeza de cilindros para automóviles y motores diesel
- En acerías, rodillos de trabajo, puertas para horno, rodetes de mesa y cojinetes.
- Llaves para tuercas, palancas, manivelas, marcos de sujeción y chucks.
- Troqueles diversos para dar forma al acero, aluminio, bronce, latón y titanio.
Cada día se están sustituyendo muchos elementos de máquinas que tradicionalmente eran de fundición gris o acero por fundición nodular. Finalmente, en la tabla 3 se presentan las propiedades mecánicas de este tipo de hierro según ASTM.
Tabla 3. Clasificación de la fundición nodular teniendo en cuenta sus características mecánicas de acuerdo con la norma ASTM A-536.
Figura 10. Cambios de microestructura como función del ciclo de maleabilización
Para obtener una estructura perlítica, se puede agregar manganeso durante el ciclo regular para retener carbono combinado por toda la matriz o se puede variar la segunda etapa del proceso, es decir se varía la velocidad de enfriamiento a partir de la temperatura de 760 °C. La cantidad de perlita formada depende de la temperatura a que empiece el enfriamiento y la rapidez de éste. Las altas temperaturas de temple y la rapidez de enfriamiento (aire en ráfaga) dan como resultado mayor cantidad de carbono retenido o perlita. Si el temple es en aire produce una rapidez de enfriamiento suficientemente grande a través del intervalo eutectoide y la matriz será perlítica completamente
Las características de estos hierros fundidos se pueden considerar intermedias entre los hierros grises y los hierros fundidos nodulares, siendo los hierros maleables con matriz perlítica los más resistentes, pero un poco menos dúctiles. Poseen buena resistencia al desgaste, al impacto térmico, excelente maquinabilidad y poca capacidad de ser soldados especialmente los de matriz perlítica.
Sus principales aplicaciones son:
Para la clase ferrítica, en equipo automotriz, agrícola y ferroviario; juntas de expansión y piezas fundidas para barandales de puentes; ensambles de grúas de cadena y rodetes industriales; conexiones para tuberías y muchas aplicaciones en ferretería general.
Algunas aplicaciones del hierro perlítico maleable son: cajas para ejes y diferenciales, ejes de levas y cigüeñales para automóviles, engranes, catarinas, pernos de unión para cadenas y ménsulas elevadoras en equipo transportador, etc.
Finalmente, debe decirse que actualmente ha decrecido de manera sustancial el tonelaje producido de hierro maleable como consecuencia de lo costoso del tratamiento térmico necesario para obtener las rosetas de grafito. En las tablas 4 y 5 se presentan las propiedades mecánicas de los hierros fundidos maleables, según ASTM:
Tabla 4. Propiedades mecánicas de los hierros maleables ferríticos.
Designación
Diámetro de la probeta mm
Resistencia máxima N/mm²
Resistencia a la fluencia N/mm²
% ε (L 0 = 3d) % min
Dureza BHN W 35-04 9 - 15 340 - 360 - 5 - 3 230 W 38-12 9 - 15 320 - 380 170 - 210 15 - 8 200 W 40-05 9 - 15 360 - 420 200 - 230 8 - 4 220 W 45-07 9 - 15 400 - 480 230 - 280 10 - 4 220
Tabla 5. Propiedades mecánicas del hierro fundido maleable perlítico
Designación
Diámetro de la probeta mm
Resistencia máxima N/mm²
Resistencia a la fluencia N/mm²
% ε (L 0 = 3d) % min
Dureza BHN B 30-06 12 - 15 300 - 6 150 max B 32-12 12 - 15 320 190 12 150 max B 35-10 12 - 15 350 200 10 150 max P 45-06 12 - 15 450 270 6 150- P 50-05 12 - 15 500 300 5 160- P 55-04 12 - 15 550 340 4 180- P 60-03 12 - 15 600 390 3 200- P 65-02 12 - 15 650 430 2 210- P 70-02 12 - 15 700 530 2 240- P 80-01 12 - 15 800 600 1 270-