ALEACIONES FERROSAS Camilo Esteban Aulestia García Jorge Ivan Zapata Universidad libre Colombia Resumen
Las aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación. Los aceros que son aleaciones ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas de los aceros al carbono pueden variar considerablemente por trabajo en frío y recocido. Abstract : ferroalloys are produced by adding chemical elements into molten metal, usually during steelmaking. They impart distinctive qualities to steel and and cast cast iron iron or serve serve impor importa tant nt funct functio ions ns duri during ng produ product ctio ion n and and are, are, therefore, closely associated with the iron and steel industry, the leading consumer of ferroalloys.
Palabras claves: claves: Aleación, Acero, Carbono ! In Intr tro" o"uc ucci# ci#n n
Las aleaci aleacione ones s de ingeni ingenierí ería a pueden dividirse en dos tipos ferrosas y no ferrosas. Cuando el contenido de carbono de los aceros se incr ncrement enta por por enci ncima de !."# !."#,, pued pueden en ser ser trat tratad ados os t$rm t$rmic icam amen ente te por por temp temple le y revenido para conseguir resistencia con una ra%onable ducti ductilid lidad. ad. Los Los eleme elemento ntos s de aleación tales como el níquel, cromo y molibdeno se a&aden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleaci aleación. ón. Los Los acero aceros s de baja baja alea aleaci ción ón pre present sentan an buen buena a combinación de alta resistencia y tenacidad, y son de apli aplica caci ción ón com'n om'n en la
industria de automóviles para usos como engranajes y ejes. Las Las alea aleaci cion ones es de alum alumin inio io son las más importantes entre las no ferrosas principalmente por su ligere%a, endurecibilidad por deformació deformación, n, resistenc resistencia ia a la corrosión y su precio relat relativa ivamen mente te bajo. bajo. (l cobre cobre no aleado se usa en abundancia por su conductividad el$ctrica, resi esisten stenc cia a la cor corrosió osión, n, buen procesado y costo relat relativa ivamen mente te bajo, bajo, el cobre cobre se alea con el cinc para formar unas serie de latones que tienen mayor resistencia que el cobre sin alear. Los aceros ino)idables son las aleaciones ferrosas más 1
import portan ante tes s a causa ausa de su alta resistencia a la corrosión en medios o)idantes, para ser un ace acero ino)idabl able debe cont conten ener er al menos enos *+# *+# de cromo. Los hierros para fundición son otra otra famili familia a indust industria rialm lment ente e impor importan tante te de las aleaci aleacione ones s ferrosas. on de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un buena moldeabilidad, resistencia a la corrosi corrosión, ón, al choque choque t$rmico, t$rmico, al desgaste y durabilidad. La fund fundic ició ión n gris gris tien tiene e un alta alta maquin maquinabi abilid lidad ad y capaci capacidad dad de amortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas de gra-to en su estructura. tras tras aleaci aleacione ones s no ferro ferrosas sas son las de magnesio, titanio y níquel. Las de magnesio son e)cep )cepci cion onal alme ment nte e lige ligeras ras y tienen aplicaciones aeroespaciales. (1) on on bási básica came ment nte e alea aleaci cion ones es de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro, cont contie iene nen n más más carb carbon ono o del del necesario para saturar la austenita a temperatura eut$ctica y por lo tanto cont contie iene nen n entr entre e + y /,/0 /,/0#. #. Com Como el alt alto cont onteni enido de carbo arbono no tiene iene a hac hacer muy frági ágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre +,1 y 2# de C. La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no
siempre pueda trabajarse ni en frío ni en caliente. in embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre moldes de formas complejas. 3unque son frágiles y sus propi propied edade ades s mecá mecáni nica cas s son inferiores a las de los aceros, su costo bajo, su fácil colado y sus propiedades especí-cas los hace uno de los productos de mayor tonelaje de producción en el mundo. Las Las fund fundic icio ione nes s llam llamad adas as de primera fusión, tienen la siguiente composición C +, 1 4 2, 1 Si !, 1 4 2, 1 $n !, 1 4 !, 5 % !, * 4 + S 6 !, *1
&!%orcenta'e "e carbono
on básica básicame mente nte aleaci aleacione ones s de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro, cont contie iene nen n mas carb carbon ono o del del necesario para ara saturar la austenita a temperatura eut$ctica y por lo tanto cont contie iene nen n entr entre e + y /,/0 /,/0#. #. Com Como el alto alto cont conten eniido de carb carbon ono o tien tiene e a hace hacerr muy muy frág frágiil al hie hierro fund fundiido, do, la mayoría del material fabricado contiene entre +,1 y 2# de C. (l sistema de aleaciones binari binario o más impor importan tante te es el hier hierro ro4c 4carb arbon ono. o. Los Los acer aceros os y fundic fundicion iones es son aleaci aleacione ones s hierro4carbono. La clasi-cación de las aleaciones f$rreas 2
seg'n el contenido en carbono comprende tres grandes grupos hierro cuando contiene menos del !.!!5 # en peso de C, acero cuando la aleación 7e4 C tiene un contenido en C mayor del !.!!5 y menor del +.** # en peso 8aunque generalmente contienen menos del * #9, y fundición cuando la aleación 7e4 C tiene un contenido en C superior al +.* # 8aunque generalmente contienen entre el ".1 y el 2 # de C9.
(! )ratamientos t*rmicos en los aceros (!! tratamientos t*rmicos simples + Recoci"o interme"io e lleva a cabo a baja temperatura 85!:C a *0!:C bajo cero9, sirve para eliminar el efecto de deformación en frío en los aceros. Recoci"o normali,a"o ;roduce una perlita -na con mayor resistencia mecánica, el recocido hace que el acero se enfríe dando perlita gruesa y el normali%ado provoca que el acero se enfríe más rápido y produce perlita -na. Es-eroi"i,aci#n
las propiedades que se requieren en el acero. (!&! tratamientos t*rmicos isot*rmicos + Reveni"o en la -ase austenítica . recoci"o isot*rmico (l primero se usa para producir bainita, esto se logra con la austeniti%ación del acero a cierta temperatura y el recocido isot$rmico consiste en la austenti%ación con un enfriamiento velo% para que la austenia se convierta en perlita. E-ecto "el carbono sobre el "iagrama ))) ;roporciona ferrita y austenita en equilibrio, esto a partir de procesar acero. Interrupci#n "e la trans-ormaci#n isot*rmica 3l interrumpir el tratamiento t$rmico isot$rmico se crean micro estructuras complicadas como alguna que tendrá perlita, ferrita, bainita y martensita. (!(! )ratamientos t*rmicos "e templa"o . reveni"o! Austenita reteni"a (s la austenita que queda atrapada en la estructura, no logra transformarse en martensita durante el tratamiento de templado en ra%ón de la e)pansión volum$trica asociada con la reacción. Es-uer,os resi"uales . agrietamientos Los esfuer%os residuales se crean con el 3
cambio de volumen, si estos esfuer%os rebasan el límite elástico aparecen grietas de templado, el -n de esto es transformar acero en martensita. Rapi"e, "e templa"o (s la velocidad a la que se enfría el acero, esto depende de la temperatura y de las características t$rmicas del medio usado para el temple. (!/! E-ectos "e los elementos "e aleaci#n! )emplabili"a" (s la facilidad con la que se transforma acero en martenista, la templabilidad no se re-ere a la dure%a del acero. /! 0IAGRANA Fe1C
(n su forma más simple, los aceros son aleaciones del hierro 87(9 y del carbón 8C9. (l diagrama de fase de 7e4C se muestra abajo, hasta alrededor del carbón 7%.
(l hierro puro, al calentarse, e)perimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir. 3 temperatura ambiente se llama -errita o hierro alpha y tiene la estructura =CC. 3 >*+ ?C
la ferrita se transforma a austenita 7CC o hierro gamma. La austenita persiste hasta los *">2 ?C, temperatura a la cual se convierte a -errita "elta, =CC, que funde a *1"5 ?C.
Los puntos importantes son los siguientes 4
%unto eut*ctico. curre para un contenido de 2,"# de C. (n este punto la fase líquida se transforma a los **"! ?C en fase gamma 8austenita9 y 7e"C 8cementita /,0# C9 %unto eutectoi"e. curre para un contenido de !,00# de C. (n dicho punto la fase austenita se transforma a los 0+" ?C en fase alpha 8!,!++# C9 y 7e"C 8cementita /,0# C9. Los aceros con un contenido en carbono inferior a !,00 # se les denomina hipoeutectoides y los que contienen un contenido superior se les denomina hipereutectoides.
e)traordinaria ductilidad y tenacidad 2!&! Aceros me"ios en carbono7 contienen entre 5!&26 . 5!856 conteni"o "e C en su peso
Características
2! )ipos "e aceros
2!! Aceros ba'os en carbono 3constitu.en la ma.or parte "e to"o el acero -abrica"o4 contiene menos "el 5!&26 "e peso en C
Características
La micro estructura consisten en ferrita4perlita on de fácil mecani%ado, soldables y baratos
Características
e utili%an para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, laminas para tuberías, edi-cios y puentes
on relativamente blandos y poco resistentes pero con
on más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos d'ctiles y maleables 2!(! Aceros altos en carbono
(stos aceros pueden ser tratados t$rmicamente mediante la austeni%acion, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas e suelen usar para fabricar cinceles, martillos, cigDe&ales, pernos, etc.
Eeneralmente contienen entre !./!# a *.2# de carbono en su peso Casi siempre se utili%an con tratamientos de templado y revenido lo que los hace muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte on más duros y resistentes 8menos d'ctiles9 que otros aceros 5
al carbono
e utili%an en la ceración de cuchillos, navajas, brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos de alta resistencia, etc.
8! Clasi9caci#n AISI:SAE
La designación 3FFG3( consta de cuatro cifras. Las dos primeras indican el contenido en aleantes y las dos segundas en carbono. Las dos primeras para aceros al carbono son * y ! mientras que en aceros aleados puede ser por ejemplo *", 2* o 2". Las cifras tercera y cuarta indican el contenido en carbono multiplicado por cien. ;or ejemplo, el acero código 3FFG3( *!*!, es un acero al carbono 8sin elementos aleantes adicionales9 y un !.* # de CH un acero 2"2! 3FF, es un acero aleado que contiene o.2#C, el 2" indica la presencia de otros elementos aleantes. e pueden identi-car por medio de la norma 3FFG3(
Las convenciones para el primer dígito son * 4 I3JE3J( + 4 JFKU(L " 4 JFKU(L4CI, principal aleante el cromo
2 4 ILF=M(J 1 4 CI / 4 CI4N3J3MF, principal aleante el cromo 5 4 JFKU(L4CI4ILF=M(J, principal aleante el molibdeno > 4 JFKU(L4CI4ILF=M(J, principal aleante el níquel. ;! Aceros ino
Los aceros ino)idables ferríticos se obtienen por recocido y los más comunes son a9 7e, C !.!5 #, Cr ** #,
Los aceros ino)idables austeníticos tambi$n se obtienen por recocido y son los más comunes Ase tiene la micro estructura austenítica por la presencia de grandes cantidades de JiB son 6
a9 7e, C !.!5 #, Cr *5 #, Ji 5 y In +# que se emplea en la industria alimentaria. b9 7e, C !.!" #, Cr *0 #, Ji *+ #, Io +.1 y In + # que se utili%a en estructuras soldadas. on los más comunes.
Los aceros ino)idables martensíticos se obtienen por recocido, templados y revenidos, y las dos composiciones más comunes son a9 7e, C !.*1 #, Cr *+.1 # y In *# que se emplea por ejemplo en ca&ones de riOes. b9 7e, C !.0! #, Cr *0 #, Io !.01 y In * # que se utili%a por ejemplo en cuchillería e instrumental quir'rgico.
iP!.1!#H InP!.>!#H ;P!.*!!# y P!.*!!#. Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utili%arse para la fabricación de aceros aleados son níquel, manganeso, cromo, vanadio, Qolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, elenio, aluminio, boro y Jiobio =!! Clasi9caci#n "e los aceros alea"os
=! Aceros alea"os e da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos carbono, silicio, manganeso, fósforo y a%ufre, contienen tambi$n cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales.
Aceros en los >ue tiene una gran importancia la templabili"a"+ 3ceros de gran resistencia 3ceros de cementación 3ceros de muelles 3ceros indeformables Aceros "e ?erramientas+ 3ceros rápidos 3ceros de corte no rápidos 3ceros indeformables 3ceros resistentes al desgaste 3ceros para trabajos de choque 3ceros ino)idables y resistentes al calor. Aceros "e construcci#n+ 3ceros de gran resistencia 3ceros de cementación 3ceros para muelles 3ceros de nitruración 3ceros resistentes al desgaste 3ceros para imanes 3ceros para chapa magn$tica 3ceros ino)idables y resistentes al calor @! Aleaciones ms comunes Aluminio deso)idante
3ct'a para el
como acero 7
7undido y produce un 3cero de Erano 7ino. A,u-re Jormalmente es una impure%a y se mantiene a un bajo nivel. in embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades 8!,!/ a !,"!#9 para aumentar la maquinabilidad 8habilidad para ser trabajado mediante cortes9 de los aceros de aleación y al carbono. Boro 3umenta la templabilidad 8la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido9. Cromo 3umenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión. u adición origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy durosH sin embargo, el acero resultante es más d'ctil que un acero de la misma dure%a producida simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura. Cobre Iejora la resistencia a la corrosión. $anganeso (lemento básico en todos los aceros comercialesH el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de deso)idación y desulfuración, pero si el contenido de manganeso es superior a *#, el acero se clasi-ca como un acero aleado al manganeso. 3demás de actuar como deso)idante, neutrali%a los efectos nocivos del a%ufre, facilitando la laminación,
moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. 3umenta tambi$n la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dure%a. educe el intervalo crítico de temperaturas. )itanio e emplea como un deso)idante y para inhibir el crecimiento granular. 3umenta tambi$n la resistencia a altas temperaturas. $olib"eno Iejora las propiedades del tratamiento t$rmico. u aleación con acero forma carburos y tambi$n se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo que intensi-ca su dure%a y la tenacidad. (l molibdeno abate sustancialmente el punto de transformación. Mebido a este abatimiento, el molibdeno es ideal para optimi%ar las propiedades de templabilidad en aceite o en aire. ()cepto el carbono, es el que tiene el mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad. torga gran dure%a y resistencia a altas temperaturas. Ní>uel Iejora las propiedades del tratamiento t$rmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. La aleación con níquel amplía el nivel crítico de temperatura, no forma carburos u ó)idos. (sto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. (l cromo se utili%a con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el 8
níquel, y la resistencia al desgaste y la dure%a que aporta el cromo. Silicio e emplea como deso)idante y act'a como endurecedor en el acero de aleación. Cuando se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un material frágil con baja p$rdida por hist$resis y alta permeabilidad magn$tica. (l silicio se usa principalmente, junto con otros elementos de aleación como manganeso, cromo y vanadio, para estabili%ar los carburos. )ungsteno e emplea en muchos aceros de aleación para herramientas. 3'n estando $stas candente o al rojoH les otorga una gran resistencia al desgaste y dure%a a altas temperaturas. ana"io (l vanadio es un fuerte deso)idante y promueve un tama&o -no de grano, mejorando la tenacidad del acero. (l acero al vanadio es muy difícil de suavi%ar por revenido, por ello se lo utili%a ampliamente en aceros para herramientas. Fmparte dure%a y ayuda en la formación de granos de tama&o -no. 3umenta la resistencia al impacto 8resistencia a las fracturas por impacto9 y a la fatiga. 5!
)ipos "e ?ierro -un"i"o
(l mejor m$todo de clasi-cación es de acuerdo a su estructura metalográ-ca. Las variables a considerar son el contenido de
carbono, los aleantes, las impure%as, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento t$rmico. (stas variables controlan la condición y forma del carbono en la estructura. (l carbono se puede presentar en forma libre 8gra-to9 o combinada 8Cementita9. La forma y distribución del carbono inOuirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. e pueden clasi-car en Fun"ici#n blanca Monde todo el carbono encuentra combinado
se
Fun"ici#n Gris La mayor parte del carbono se encuentra sin combinar en forma de gra-to
Fun"ici#n $aleable Carbono mayormente sin combinar en forma de nódulos irregulares o carbono revenido
Fun"ici#n no"ular Iediante aleantes especiales, el gra-to forma esferoides compactos.
Fun"ici#n especial Las propiedades y estructura de las anteriores se modi-ca por el agregado de 3leantes
5!! Fun"ici#n blanca Las fundiciones blancas no contienen gra-to libre, en cambio todo el carbono se presenta combinado como 7e+C. us características son 9
4 ()cepcional dure%a y resistencia a la abrasión 4 Eran rigide% y fragilidad 4 ;obre resistencia al choque 4 Mi-cultad para lograr uniformidad de estructura metalográ-ca seg'n el espesor. Mesde el estado líquido, se forman cristales de austenita que disuelven cada ve% más carbono hasta llegar a la temperatura eut$ctica, en donde el líquido remanente reacciona para formar el eut$ctico ledeburita y cementita. Como la reacción ocurre a alta temperatura 8**!!RC9 la ledeburita aparece como una me%cla gruesa. 3l bajar la temperatura, la austenita segrega carbono porque baja la solubilidad, de manera que da lugar a la precipitación de cementita proeutectoide mayormente sobre la cementita ya presente. 3 la temperatura eutectoide 80+"RC9, la austenita con !,5# de carbono se transforma en perlita por la reacción eutectoide. La estructura típica de una fundición blanca consiste en dendritas de austenita transformada 8perlita9 rodeadas de una red interdendrítica de cementita. La cementita es un compuesto intermetálico duro y frágil que forma una red interdendrítica. (sta característica hace a la fundición blanca muy dura y resistente al desgaste pero frágil y difícil de maquinar. u aplicación esta en aquellos
lugares donde la resistencia a la abrasión y desgaste es lo más importante ya que no admite ninguna deformación. us propiedades mecánicas son las siguientes 4 Mure%a =rinell entre "01 y /!! 4 esistencia a la tracción entre *"! y 1!! I;a 4 esistencia a la compresión entre *,2 y *,0 E;a $icrogra-ías Blanca
5!&!
"e
-un"ici#n
Fun"ici#n gris
(s la que más se utili%a en la industria. u estructura está formada por una matri% metálica conteniendo gra-to precipitado en forma de láminas de diversos
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tama&os y grosores o formas variadas como rosetas, etc. Las principales características de las fundiciones grises son 4 ()celente colabilidad 4 =uena resistencia al desgaste 4 ()celente respuesta a los tratamientos t$rmicos de endurecimiento super-cial 4 ;oca resistencia mecánica. (n este tipo de hierro fundido, la mayor parte del carbono está en estado primario o gra-to. La tendencia de la cementita a separarse en gra-to y austenita es favorecida controlando la composición y velocidad de enfriamiento de la aleación. La mayoría son hipoeut$cticas con + a 2# de carbono. (stas fundiciones, solidi-can primero formando austenita primaria. La formación de cementita a temperatura eut$ctica es minimi%ada por el alto contenido de carbono y la presencia de elementos gra-ti%antes como el ilicio. (l gra-to primario precipita en forma de placas o láminas irregulares tridimensionales, que dan en su fractura el típico color gris oscuro. Murante el enfriamiento posterior, la austenita segrega más carbono al bajar la solubilidad y lo hace en forma de gra-to o cementita proeutectoide que gra-ti%a rápidamente. La resistencia de la fundición gris depende casi e)clusivamente de la matri% en que esta incrustado el gra-to. (sta matri% depende
de la condición de la cementita eutectoide. i la rapide% de enfriamiento y composición son tales que esta cementita gra-ti%a, entonces la matri% será completamente ferrítica, por el contrario si persiste la cementita eutectoide, la matri% será totalmente perlítica. La composición de la matri% puede variar en in-nitas combinaciones entre ambos e)tremos. La me%cla gra-to4ferrita da la fundición gris más suave y d$bil. La resistencia y dure%a aumentan al aumentar la proporción de cementita hasta alcan%ar el má)imo en la matri% gra-to4perlita. InDuencia "el Silicio (l silicio incrementa la Ouide% y despla%a la composición eut$ctica hacia la i%quierda, lo cual baja la temperatura de solidi-cación. 3l aumentar el ilicio decrece el área de la austenita y el contenido de carbono eutectoide. 3l ser un en$rgico gra-ti%ador, si no es balanceado por otros elementos formadores de carburo, el carbono primario precipita como hojuelas de gra-to. Una ve% que se constituye el carbono primario como gra-to su forma ya no puede alterarse. (stas hojuelas rompen la continuidad de la matri% y generan un efecto concentrador de esfuer%os como verdaderas entallas, lo cual e)plica la baja resistencia y ductilidad de la fundición gris.
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(n la
-gura se ve como el contenido de ilicio afecta la formación de carburos, dando como resultado las distintas matrices de la fundición gris. (n la región media hay su-ciente silicio como para provocar la gra-ti%ación de todos los carburos e)cepto la cementita eutectoide, de manera que se obtiene matri% perlítica y hojuelas de gra-to. e requiere de un cuidadoso control del contenido de silicio y de la velocidad de enfriamiento para gra-ti%ar la cementita eut$ctica y proeutectoide pero no la eutectoide a -n de lograr una matri% totalmente perlítica de alta resistencia. InDuencia "el a,u-re
y peque&as que no perjudican demasiado a la matri%. InDuencia "el manganeso (s un estabili%ador de carburos, pero menos potente que el a%ufre. (n la proporción correcta 8" a * con el a%ufre9 forma In, reduciendo el carbono combinado y el efecto del a%ufre. (l e)ceso retarda un poco la gra-ti%ación primaria y estabili%a la cementita eutectoide.
InDuencia "el -#s-oro La mayor parte proviene del mineral de hierro y del carbón mineral. e combina con el hierro para formar 7e";, que constituye un eut$ctico ternario con la cementita y la perlita llamado esteadita . La esteadita es frágil y con alto contenido de fósforo, tiende a formar redes interdendríticas alrededor de la austenita primaria y por lo tanto le con-ere fragilidad a la 12
fundición. u contenido debe controlarse cuidadosamente. u efecto aumenta la Ouide% y favorece la gra-ti%ación primaria junto al silicio. (s 'til para pie%as muy delgadas.
InDuencia "el gra9to (l tama&o y distribución del gra-to inOuyen drásticamente sobre las propiedades de la fundición. Las hojuelas interrumpen la continuidad de la matri%, reduciendo la resistencia y ductilidad. Las hojuelas peque&as son menos da&inas por lo que se pre-eren. (l tama&o esta normali%ado y se determina por comparación con foto micrografías de muestra. La muestra pulida se observa a *!!).
4 (l enfriamiento lento de la fundición favorece la gra-ti%ación pero tambi$n la formación de grandes cristales de austenita primaria, dando como resultado pocas hojuelas grandes y gruesas.
4 (l e)ceso de carbono incrementa la formación de eut$ctico y de gra-to, lo que puede debilitar la matri% de la fundición en mayor proporción que una hojuela de menor tama&o. 4 (l silicio en e)ceso incrementa la formación de eut$ctico y por lo tanto da hojuelas más -nas y peque&as. ;ero tambi$n es un en$rgico gra-ti%ador, por lo tanto tendera a formar una matri% ferrítica de baja resistencia mecánica. 4 (l mejor m$todo para reducir el tama&o y distribución del gra-to es mediante el agregado de inoculantes. (stos agentes inoculantes como Calcio, 3luminio, titanio, %irconio, carburo de silicio, etc., causan la nucleación de la austenita primaria originando muchos peque&os granos, lo cual reduce el tama&o y mejora la distribución del gra-to. La forma de las hojuelas se clasi-ca en 1 tipos 83, =, C, M, (9. (l tipo M y ( resultan de la gra-ti%ación de una estructura eut$ctica típica de hierros de alta pure%a o en fundiciones enfriadas rápidamente. i bien las hojuelas son peque&as, la conformación interdendrítica de las mismas debilita la estructura de manera que son indeseables. Con menor velocidad de enfriamiento no ocurren. Las pocas hojuelas grandes y rectas del tipo C indican que el hierro es hipereutSctico en contenido de carbono. (l silicio y otros elementos de aleación reducen este efecto. en general 13
estas estructuras no son deseables. Las hojuelas tipo = son comunes solo en la región intermedia de una fundición colada en molde frío, conocida como manchada, donde la rapide% de enfriamiento es la má)ima que permite el proceso de gra-ti%ación. (l tipo de hojuela más deseable es el 3, que resulta de una estructura eut$ctica completamente separada. (n este caso el tama&o peque&o de las mismas está determinado por el de los cristales de austenita primaria alrededor del cual se forman. Las características mecánicas de una fundición gris son las siguientes 4 Mure%a =rinell entre *1/ y "!+ 4 esistencia a la tracción entre *1! y 2"! I;a 4 esistencia a la compresión entre 10! y *," E;a $icrogra-ías Gris
"e
-un"ici#n
14
5!(!
Fun"ici#n maleable
Las pie%as se cuelan en fundición blanca y subsecuentemente se les reali%a un tratamiento t$rmico destinado a descomponer la cementita para producir la segregación de nódulos de gra-to irregular. e distinguen dos clases $aleable "e cora,#n blanco Kue consiste en un proceso de decarburación acentuado
$aleable "e cora,#n negro ferríticas o perlíticas, donde se precipita gra-to en forma de nódulos. Las diversas estructuras obtenidas, le otorgan las siguientes características
4 ()celente resistencia a tracción 4 Muctilidad y resistencia choque 4 =uena colabilidad
la al
Ferrítica
La cementita es una fase meta estable, de manera que bajo condiciones particulares, hay una tendencia de la misma a descomponerse en Tierro y carbono. (sta reacción es favorecida por la temperatura, la presencia de impure%as no metálicas y de elementos gra-ti%antes. La maleabili%ación consiste en convertir todo el carburo presente en la fundición blanca 15
en carbono revenido en forma irregular 8gra-to y ferrita9. (l proceso requiere de + etapas de recocido (n la primer etapa, la fundición blanca se recalienta a una temperatura entre >!! y >1!:C. Murante el calentamiento, la perlita se convierte en austenita, la que a su ve% disuelve parte de la cementita. (l proceso de maleabili%ación comien%a cuando el carbono se segrega de la austenita saturada como gra-to libre. (ste proceso se forma a partir de n'cleos que van agotando el carbono de la interfase austenita4cementita adyacente hasta el punto en que esos n'cleos coalecen como nódulos irregulares en toda la estructura. La velocidad de descomposición depende de la facilidad de difusión del carbono y por lo tanto de la temperatura y el tiempo. i $sta es demasiado elevada, la pie%a se deforma e)cesivamente. La segunda etapa de recocido se reali%a a 0/!:C, donde se dejan enfriar lentamente las pie%as hasta el ambiente. La reacción eutectoide ocurre a esta temperatura de manera que el carbono que segrega la austenita se convierte en gra-to sobre los nódulos ya e)istentes. La austenita se transforma en su mayor parte en ferrita. (sta fundición llamada maleable ferrítica , es ahora mucho más resistente a la tracción y d'ctil que la blanca o la gris. 3demás se puede maquinar con facilidad.
Las características mecánicas de una maleable ferrítica son las siguientes 4 Mure%a =rinell entre **! y *21 4 esistencia a la tracción entre "2! y 2!! I;a 5!/! Fun"ici#n maleable perlítica
i una cantidad de carbono se retiene como carburo combinado -namente distribuido, resulta una estructura totalmente diferente a la ferrítica y la resistencia y la dure%a se incrementan en forma apreciable. La primer etapa de recocido es la misma que para la maleable ferrítica. La segunda etapa de recocido se reempla%a por un temple, generalmente al aire, el cual enfría las pie%as a trav$s del intervalo eutectoide lo su-cientemente rápido como para retener los carburos dispersos en la matri%. La cantidad de perlita formada depende de a qu$ temperatura empie%a el temple y la velocidad de enfriamiento. i el efecto es su-cientemente en$rgico, toda la matri% será perlítica. i la velocidad de enfriamiento a trav$s del punto crítico no es su-ciente como para retener todo el carburo, las áreas que rodean los nódulos serán gra-ti%adas totalmente y las áreas alejadas de ellos serán perlíticas. Jormalmente se recurre a una tercer etapa que consiste en revenir la pie%a entre 1!! y /1! 16
?C para esferoidi%ar la perlita, mejorar la maquinabilidad, tenacidad, etc. tra característica de la fundición maleable, es que mediante un temple desde la temperatura de austeni%ación total puede obtenerse una matri% totalmente martensítica o bainítica, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Con esto se logran dure%as del orden del /! Tc. (n general se utili%an fundiciones blancas aleadas para fabricar la fundición maleable perlítica, que estabili%an carburos en la etapa eutectoide e impiden la formación de matrices ferríticas. Los más comunes son el Ianganeso y el 3%ufre. tros, como el cobre aumentan la resistencia mecánica, a la corrosión y mejoran las distribución del gra-to. Las características mecánicas de una maleable perlítica son las siguientes 4 Mure%a =rinell entre */" y +/> 4 esistencia a la tracción entre 21! y 5"! I;a $icrogra-ías $aleable
"e
-un"ici#n
5!2! Fun"ici#n No"ular 3quí el gra-to se presenta en forma en estado bruto de colada en forma de esferoides por el agregado de magnesio, calcio y Cerio, todos agentes altamente noduli%antes. (stas fundiciones presentan características comparables a las de un acero
4 ()celente ductilidad elongación 4 ()celente resistencia a tracción 4 =uena colabilidad
y la
(n esta fundición el gra-to aparece como esferoides más o menos regulares y de tama&o parejo, distribuidos uniformemente en la matri%. (sta forma del gra-to no interrumpe tan marcadamente la continuidad de la matri% como en la fundición gris, lo cual da una mayor resistencia y tenacidad al material. La fundición nodular se obtiene directamente por moldeo a diferencia de la maleable que requiere de varios tratamientos t$rmicos. (l contenido de carbono es el mismo que el de la gris, pero la diferencia reside en que se
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agregan aleantes especiales llamados inoculantes, como el Iagnesio y el Cerio, que noduli%an el gra-to. (sta operación se reali%a en la cuchara antes del colado ya que el efecto de los inoculantes dura poco tiempo. e debe controlar especialmente el contenido de 3%ufre en la aleación ya que $ste neutrali%a en$rgicamente el efecto de los inoculantes. Ferrítica La matri% ferrítica se consigue controlando la composición química y la velocidad de enfriamiento para que sea lo más lenta posible a -n de permitir la difusión y la total gra-ti%ación. (sta estructura proporciona má)ima ductilidad, maquinabilidad, elongación y buena tenacidad. Las características mecánicas de una maleable ferrítica son las siguientes
4 Mure%a =rinell entre +!! y +01 4 esistencia a la tracción entre 11! y >!! I;a $artensitica i la fundición nodular se templa en aceite desde >"! RC, se obtiene una estructura netamente martensítica, normalmente se reali%a un revenido de la misma para disminuir la dure%a y mejorar la tenacidad. Con este proceso se obtienen las más altas resistencias a la tracción. Las características mecánicas de una nodular martensítica son las siguientes
4 Mure%a =rinell entre +*1 y "+! 4 esistencia a la tracción entre /5! I;a y *,!" E;a $icrogra-ías No"ular
"e
-un"ici#n
4 Mure%a =rinell entre *"! y +*! 4 esistencia a la tracción entre "5! y /"! I;a %erlítica La matri% perlítica se consigue mediante un tratamiento t$rmico de normali%ado desde 50! ?C o directamente de colada por la adición de aleantes especiales. (sta estructura proporciona mucha más resistencia y tenacidad, pero es menos d'ctil. Las características mecánicas de una nodular perlítica son las siguientes 18
5!8! Fun"iciones Especiales Los aleantes se a&aden para mejorar determinadas propiedades especí-cas, como resistencia al desgaste, la corrosión o la temperatura de cada tipo de fundición. (l efecto general de todos ellos es el de acelerar o retardar la gra-ti%ación, los más comunes son Cromo, níquel, Cobre, Iolibdeno y Nanadio. (l Cromo incrementa el carbono combinado formando carburos complejos más estables.
haciendo menos frágil la matri%, pero sobre todo aumenta la resistencia a la corrosión. Com'nmente se la utili%a para fundiciones maleables especiales. (l níquel es gra-ti%ador, retarda la transformación de la austenita y estabili%a la perlita permitiendo lograr matrices totalmente perlíticas. e lo utili%a en combinación con el Cromo en la fundición =lanca para lograr una matri% combinada de carburos, martensita y austenita retenida, que logran una resistencia a la abrasión y dure%a superiores 0i-erentes tipos "e -un"iciones alea"as Los elementos de aleación y tratamientos t$rmicos adecuados, permiten la obtención de una gama de materiales, en los cuales las estructuras y las propiedades mecánicas se adaptan a las aplicaciones particulares. Fun"ici#n gris austenítica ;ara resistir altas temperaturas y atmósferas corrosivas. Fun"ici#n gris o blanca martensítica ;ara resistencia al desgaste a altas presiones de contacto y resistencia a la abrasión Fun"ici#n gris acicular ;ara resistencia a los esfuer%os alternados Fun"ici#n gris al alto silicio
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esistencia a la o)idación a alta temperatura y a la corrosión de ácidos T+2 y TJ" Fun"ici#n blanca al alto cromo esistencia e)cepcional a los ácidos T+2 y TJ" Aptitu"es tecnol#gicas "e las -un"iciones Es-uer,os estticos o repetitivos esistencia a la tracción Las fundiciones cubren una amplia gama de valores, donde el límite superior es de alrededor de *!!! I;3. (sta resistencia depende de la composición química, de la estructura metalográ-ca, de la velocidad de enfriamiento, del espesor de la pie%a, del m$todo de obtención, de los tratamientos t$rmicos, etc. Las fundiciones grises muestran resistencias de entre *1! y 2!! I;a Las maleables, entre "1! y 0!! I;a. Las esferoidales entre 2!! y 0!! I;a esistencia a la compresión Las fundiciones grises son " a 2 veces más resistentes a la compresión que a la tracción. ;udiendo superar incluso al acero. Las fundiciones maleables y nodulares presentan valores similares a la tracción y la compresión. esistencia a la fatiga (l límite de fatiga por Oe)ión rotativa alternativa es de !,"" a !,/!, dependiendo de la composición. Las pie%as de
fundición gris presentan sensibilidad a la entalla.
alta
! Es-uer,o "e c?o>ue Muctilidad olo las fundiciones maleables y esferoidales presentan una ductilidad interesante. Jo así las grises y las blancas. esiliencia La resistencia al choque varía con el tipo y la estructura de la fundición Las grises presentan una alta sensibilidad a la entalla y la energía absorbida varía entre *! y 1! . Las maleables y esferoidales ferríticas poseen gran ductilidad y absorción de energía, pero menores que los aceros al carbono. (n cambio, las de matri% perlítica presentan gran resistencia al choque comparable con los aceros al carbono. &! 0esgaste . corrosi#n Mesgaste por frotamiento o desli%amiento Las fundiciones maleables y esferoidales perlíticas tienen una buena resistencia al desgaste. (n lo que respecta a las grises, el efecto del gra-to laminar hace que sus resistencia al desgaste sea e)celente. (stas fundiciones permiten el endurecimiento super-cial que pueden llegar a los /! Tc necesario para lograr un buen desempe&o. abrasión y frotamiento con alta presión de contacto Las fundiciones blancas y martensíticas son las que mejor resisten la abrasión en ambientes h'medos o secos. se pueden lograr dure%as de 5!! 20
NicVers. (stas dure%as se obtienen ya sea por tratamiento t$rmico o por aleantes especiales. corrosión Las fundiciones en general presentan un buena resistencia a la corrosión atmosf$rica. Las fundiciones aleadas, austeníticas, al alto cromo y ilicio, resisten tanto los ácidos orgánicos como inorgánicos, loa álcalis y soluciones salinas más comunes que se utili%an en la industria. (! Altas . ba'as temperaturas Las fundiciones se pueden utili%ar en un amplio rango de temperaturas, que van desde los W+!!:C hasta casi los *!!!:C. (!! Ba'as temperaturas Las fundiciones grises no presentan una transición d'ctil4 frágil apreciable, de manera que mantienen su resistencia a bajas temperaturas. Las grises austeníticas son a'n mejores. Las maleables y esferoidales presentan características similares a los aceros al carbono por debajo de !:C. Las austeníticas conservan su ductilidad y resistencia a la entalla hasta 4*>/:C pero disminuye su resistencia a la tracción. (!&! Altas temperaturas 4 esistencia a la o)idación 4 (stabilidad estructural 4 esistencia al choque t$rmico 4 esistencia mecánica hasta 2!!:C
3mortiguación de vibraciones Las fundiciones, especialmente las grises, poseen una gran capacidad de amortiguación de vibraciones, los fenómenos de resonancia, la transmisión de ruidos, etc. contra los aceros que cuya amortiguación es pobre. * + " 2 1 /! Bibliogra-ía httpGGQQQ.mitecnologico.comGI ainG3leaciones7errosasXJo7erros as 8*9
httpGGdescubrelosmateriales.blog spot.comG+!!5G!1Gdiagrama4 fec.html httpGGQQQ.uam.esGdocenciaGlabv fmatGlabvfmatGpracticasGpractica 2Gfases#+!del#+!acero.htm httpGGQQQ.esi+.us.esGFII+G;ract 4htmlGdiagrama.html httpGGQQQ.slideshare.netGVri%)Gdi agrama4fe4c httpGGes.scribd.comGdocG+2/>/5* GIetalogra-a4Miagrama4fec httpGGQQQ.Qestarco.comGFnfo
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