Fundiciones y sus tipos

República Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” Extensión Mérida Ciencia de los Materiales

Fundiciones

Bachiller: Félix Jesús Álvarez salas C.I 26191002 Carrera: Ing. Química

Fundición Fundición es el proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, este consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica. Por ejemplo, el proceso más común es la fundición en arena, por ser esta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido. La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida ya sólida.

La fabricación de fundición es una de las técnicas de fabricación más antiguas del mundo. Sin embargo, a pesar de que la industria de la fundición tiene siglos de antigüedad, los procedimientos para quemar metal y fabricar moldes se han actualizado debido a varios avances técnicos a lo largo de los años.

Tipos de Fundiciones Las fundiciones son una familia de aleaciones férreas con una gran variedad de propiedades, y que con contenidos en carbono superiores al 2% se centran en la transformación eutéctica del Fe-C. El segundo elemento de aleación en importancia, de las fundiciones es el silicio cuyo efecto es el de grafitizar el carbono obteniendo por lo tanto transformaciones que se apartan de aquellas descritas por el diagrama de equilibrio descrito anteriormente.

Estos materiales tienen una elevada colabilidad, tanto por su fluidez en estado líquido como por baja absorción de gases en estado líquido. Durante la solidificación no tienen una excesiva contracción y se consigue resistencias bastante elevada aunque por otra parte son bastante frágiles, con bajas resistencias al impacto. Sin embargo, presentan una fácil maquinabilidad, elevada absorción de vibraciones y bajos coeficientes de rozamiento, lo que las hace aplicables, junto a su bajo costo y facilidad de conformación, ampliamente en usos industriales.

Las fundiciones pueden clasificarse en cinco grandes grupos: blanca, grises, maleables y atruchada. Estas fundiciones muestran composiciones químicas diferentes aunque muchos elementos tienen propiedades antagónicas de manera que se enmascaran sus efectos por lo que no es posible su diferenciación por análisis químico.

Grises

Blancas

Maleables

Atruchada

Fundiciones Grises En general, las fundiciones grises tienen un porcentaje en masa de carbono entre el 2.5% y el 4%. Suelen añadírseles, además, elementos grafitizantes que dificultan la combinación del carbono con el hierro para formar Fe3C y, por tanto, promueven la aparición de carbono libre, en forma de grafito, C(gr). Tanto el Si como el P son elementos grafitizantes, y suelen encontrarse en las fundiciones grises en porcentajes que oscilan entre el 0.5% y el 3.5% para el caso del Si, y entre el 0.8% y el 1.5%, para el P. La estructura de la fundición estará constituida por una matriz de perlita con laminillas de grafito y, por esto, se denomina fundición gris perlítica. La perlita hace que esta fundición tenga una mayor resistencia que las grises ferrificas, con el inconveniente de que son menos dúctiles.

Mediante enfriamientos con ritmos intermedios entre los que dan lugar a las fundiciones grises perlíticas y ferríticas, pueden obtenerse matrices constituidas por mezcla de ferrita y perlita (fundiciones grises ferrítico-perlíticas), que tienen propiedades intermedias entre las puramente perlíticas y las puramente ferríticas.

Fundiciones Blancas Los porcentajes de carbono presente en esta fundición oscilan entre un 1,8 y un 3,6%, mientras que el contenido en silicio es bastante bajo, entre el 0,5 y el 2%. Además contiene manganeso en cantidades que oscilan entre un 0,2 y un 0,8%, un 0,18% de fósforo y un 0,1% de azufre. Presentando una estructura es fibrosa y de grano pequeño. Alta resistencia al desgaste elevada resistencia a la abrasión Alta velocidad de enfriamiento para evitar la formación de grafito poco maleable poca resistencia al choque. Estas fundiciones son conocidas como insoldables. Esto se debe a que en su estructura el carbono cristaliza combinado con el hierro formando la cementita. Esta fase es bastante dura y frágil, con alta tendencia a la fisuración. Las fundiciones blancas son bastante utilizadas por su alta dureza. Aunque se han conocido casos exitosos de reparaciones sobre ellas, no se recomienda este tipo de procedimiento.

Fundiciones Maleables Se obtienen a partir de la fundición blanca y por un proceso de recocido (maleabilización) que favorece la descomposición de la cementita en nódulos de grafito irregulares. Las propiedades mecánicas de la fundición varían en función del tratamiento térmico de recocido empleado. El espesor de las piezas está limitado por la necesidad de emplear una rápida velocidad de solidificación para obtener primeramente la fundición blanca. Esta fundiciones no es más que la aleación hierro carbono Fe-C donde parte o todo el carbono aparece como grafito, pero precipitando éste en forma de copos. Su fractura, según la base metálica, es oscura o color acero.

Fundiciones Atruchadas Las fundiciones atruchadas se caracterizan por tener una matriz de fundición blanca combinada parcialmente con fundición gris, dado que en este caso la aleación solidifica, en parte siguiendo el diagrama estable y, en parte, siguiendo el metaestable. De ahí deriva que se denominen fundiciones atruchadas, porque presentan, simultáneamente, grafito y ledeburita, que le confiere su peculiar coloración moteada, parcialmente blanca, parcialmente gris. El carbono en este tipo de fundiciones se encuentra en parte libre y combinado a la vez, siendo difícilmente maquinable. Las fundiciones atruchadas se pueden dar en coladas de piezas pequeñas en fundición que era potencialmente gris. De esta forma, aunque el núcleo solidifique según el sistema estable, dando grafito, la periferia puede (por ser su enfriamiento más rápido) solidificar "metaestablemente" dando ledeburita. En el caso que las piezas sean muy pequeñas (Ø < 5mm), su proceso de enfriamiento será muy rápido, y su estructura será totalmente blanca.

Propiedades Mecánicas de Fundiciones Grises • • • • •

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La fundición gris tiene una carga de rotura a la tracción pequeña, entorno a los 15 kg/mm² y llega a los 30 , 40 y 45 kg/ mm² según sea su composición.

Su Resistencia a la comprensión es mayor, y para las fundiciones grises normales resulta cerca de tres veces la de la tracción, por eso, sus aplicaciones principales se da en piezas sometidas a esfuerzos de compresión, más bien que a los de tracción.

Puesto que en la flexión las fibras del elemento quedan tensas en la parte convexa, y comprimidas en la cóncava, la resistencia a la flexión varia según la orientación de la sección.

El choque y la resiliencia son solicitaciones dinámicas, y en su confrontación la fundición se comporta de un modo particular. Las fundiciones grises , resisten muy mal los choques y son frágiles porque no sufren deformaciones plásticas.

La dureza de la fundición gris es relativamente elevada, esta varía entre 140 a 250 Brinell según sea su composición. A pesar de su elevada dureza se puede mecanizar fácilmente, porque la viruta se desprende mejor y por la presencia de grafito liberado, que lubrica el paso de la viruta sobre el corte de la herramienta.

La fundición tiene poca resistencia química, y se deteriora con los ácidos, los álcalis y las oxidaciones.

Propiedades Mecánicas de Fundiciones Blancas • • • • •

Puesto que en la flexión las fibras del elemento quedan tensas en la parte convexa, y comprimidas en la cóncava, la resistencia a la flexión varia según la orientación de la sección.

Su resistencia a la tracción esta entre 130 y 500 MPa Resistencia a la compresión entre 1,4 y 1,7 GP Las fundiciones blancas tienen una dureza superior a 350 a 400 Brinell.

En cuanto a la resistencia química tiene una discreta resistencia química, es decir, a los ácidos, a los álcalis, a las oxidaciones y al fuego.

Propiedades Mecánicas de Fundiciones Maleables •

Tiene una resistencia de entre 400-600 MPa con alargamientos entre el 2 y 10% • Su resistencia a la compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm2), • Su resistencia a la tracción puede variar en general de 12 a 90 kg/mm2.

• Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien (mucho mejor que el acero), las vibraciones a las que se encuentren sometidos máquinas, motores, etc.

Propiedades Mecánicas de Fundiciones Atruchadas •

El peso, puede variar de acuerdo a los tipos de fundición que se haya utilizado, sin embargo, los mismos se ubican entre los 7,3 a 7,4 kg/dm3 • Contracción, el metal cuando se solidifica presenta un cierto grado de contracción; en relación con la fundición blanca y gris, el grado de contracción de fundiciones atruchadas se ubica entre los entre los 10-18% • En conclusión sus propiedades mecánicas como la resistencia al choque, dureza, resistencia a la atracción, contracciones y demás propiedades, están varían entre las parámetros de las propiedades mecánicas de las fundiciones grises y blancas, dependiendo de su composición.

Tipos de Fundiciones Fundición gris: Conocida también como hierro fundido o hierro colado, es una fundición que adquiere forma de escamas, dotando al hierro de su color particular y de las propiedades para su maquinado, con capacidad para el templado y buena fluidez para el colado. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Las fundiciones grises son quebradizas y de baja resistencia a la tracción.

Fundición nodular: La mayor parte del contenido de carbono, en el hierro nodular tiene forma de esferoides. Para producir la estructura nodular, el hierro fundido que sale del horno se inocula con materiales como magnesio o cerio. Al encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidad mayores que en la fundición gris ordinaria.

Fundición blanca: Se forma al enfriar rápidamente la fundición de hierro desde el estado líquido.

Fundición maleable: Son tipos especiales de hierros producidos por el tratamiento térmico de la fundición blanca, que es sometida a rígidos controles dando por resultado una microestructura en la que gran parte del carbono se combina con cementita. Su veloz enfriamiento ayuda a evitar la grafitización de la cementita, aunque si se calienta la pieza colada a una temperatura de 870°C, el grafito se forma adoptando una forma característica denominada “carbono de revenido”, resultando la fundición maleable.

Fundición atruchada: Es un tipo de fundición intermedia entre la blanca y la gris, donde parte del carbono se encuentra combinado, formando cementita y la otra parte libre en forma de grafito. Tiene propiedades de ambas fundiciones, siendo difícilmente maquinable Fundición aleada: Contienen cromo, molibdeno, níquel o cobre en ciertos porcentajes para mejorar las propiedades mecánicas de las fundiciones regulares. La fundición aleada pretende lograr propiedades especiales, como alta resistencia al desgaste, a la corrosión o al calor.

Fundiciones Especiales Se obtienen mediante tratamientos especiales de las fundiciones ordinarias, cuya baja tenacidad las hace poco recomendables para resistir golpes o tracciones bruscas. Las más empleadas son las fundiciones maleables y nodulares

Tipos de Fundiciones Especiales Maleable de corazón blanco: La obtención es mediante la descarburación, calentando la pieza obtenida por moldeo de fundición blanca. Se requiere un oxidante, que suele ser óxido de hierro, y la pieza se coloca en cajasy1-100 Microestructura de una fundición maleable de corazón blanco. herméticamente cerradas a temperaturas entre 900 y 1100ºC durante unos 10 días, para finalmente enfriarla lentamente. Estas aleaciones deberían presentar una microestructura en la que sólo apareciera ferrita, pero en la práctica suele quedar algo de grafito nodular e incluso restos de cementita y perlita sin transformar. Por lo que la migración del C en el núcleo, y la oxidación en la superficie. Para que todo el mecanismo se cumpla se debe cumplir que la pieza a obtener debe ser de poco espesor (hasta 5 mm), para que el enfriamiento sea rápido, y se forme un núcleo dúctil y blando (libre de C), con una superficie dura (alto en el % de C). La composición química es la siguiente partiendo de las fundiciones blancas 2,7 – 3,2 % C, 0,6 – 0,9 % Si, 0,2 – 0,45 % Mn, 0,08 – 0,2 % S, 0,05 – 0,2 % P.

Maleable de corazón negro: Se basan en la descomposición total o parcial de la cementita. El proceso se realiza calentando la pieza obtenida en fundición blanca recubierta de un material neutro a una temperatura de unos 850-900 ºC durantey2-400unos 6 días. Estas fundiciones presentan una microestructura de nódulos de grafito sobre matriz ferrítica. En la agrupación de C en sección por calentamiento del medio neutro (Arena, SiO2. El medio que rodea la pieza es neutro (SiO2), por lo que la Si, al tener más afinidad con el O, que con el C, hace que el C no se desplace hacia fuera.

De esta forma queda un núcleo negro y duro. La fundiciones maleables de corazón negro tienen la composición química siguiente 2 – 2,8 % C, 0,9 – 1,7 % Si, 0,25 – 0,65 % Mn, 0,06 – 0,25 % S, 0,08 – 0,25 % P.

Maleable perlítica: Se moldea la pieza en fundición blanca. Se recubre de arena y se mete en un horno a una temperatura de 900 °C durante 5 días. Se enfría lentamente durante unos 2 días, hasta temperatura ambiente.

Maleable de grafito esferoidal o modular: A la fundición gris se le añade cerio y magnesio.

Luego se echa en un molde y se deja enfriar a temperatura ambiente. Se produce en hornos cubilotes, con la fusión de arrabio y chatarra mezclados con coque y piedra caliza. La mayor parte del contenido de carbono en el hierro nodular que tiene forma de esferoides. Para producir la estructura nodular elFig13-18hierro fundido que sale del horno se inocula con materiales como magnesio o cerio.