Tipos de fundiciones de hierro
Tipos de fundiciones de hierro
En este capítulo se analizarán los distintos tipos de fundiciones de hierro.
Fundición de hierro gris
La característica de la fundición gris es la microestructura gráfica, que es capaz de provocar fracturas en el material y tener un aspecto gris. Este es el tipo de hierro fundido más utilizado y también el material fundido más utilizado según el peso. La mayoría de las fundiciones grises tienen una descomposición química de entre un 2,5 y un 4 por ciento de carbono, entre un 1 y un 3 por ciento de silicona y el resto es una composición de hierro.
Este tipo de hierro fundido tiene menos resistencia a la tracción y menos resistencia a los golpes en comparación con el acero. Su resistencia a la compresión es comparable a la del acero con bajo y medio carbono.
Todas estas propiedades mecánicas están controladas por la forma de las escamas de grafito y el tamaño de las mismas, que están presentes en la microestructura de la fundición gris.
Fundición de hierro blanco
Este tipo de hierro presenta superficies fracturadas que son de color blanco debido a la presencia de un precipitado de carburo de hierro llamado cementita. El carbono contenido en el hierro fundido blanco precipita de la masa fundida como cementita en fase estable en lugar de grafito. Esto se logra con un menor contenido de silicio como agente grafitizante y una velocidad de enfriamiento suministrada más rápida. Después de esta precipitación, la cementita se forma en forma de partículas grandes.
Durante la precipitación del carburo de hierro, el precipitado extrae carbono de la masa fundida original, moviendo así la mezcla hacia una más cercana a la eutéctica. La fase restante reduce el hierro a austenita de carbono, que se transforma en martensita una vez enfriada.
Estos carburos eutécticos contenidos son demasiado grandes para proporcionar el beneficio del endurecimiento por precipitación. En algunos aceros puede haber precipitados de cementita mucho más pequeños que podrían provocar la deformación del plástico al impedir el movimiento de las dislocaciones a través de la matriz de ferrita de hierro puro. Tienen la ventaja de que aumentan la dureza aparente del hierro fundido simplemente debido a su propia dureza y fracción de volumen. De este modo se puede aproximar la dureza aparente mediante una regla de mezclas.
Esta dureza se ofrece en cualquier caso a expensas de la tenacidad. El hierro fundido blanco generalmente se puede clasificar como cemento, ya que el carburo constituye una fracción mayor del material. El hierro blanco es demasiado frágil para usarse en componentes estructurales, pero debido a su buena dureza, resistencia a la abrasión y bajo costo, puede usarse como superficie de desgaste de bombas de lodo.
Es difícil enfriar piezas fundidas gruesas a un ritmo más rápido que sea suficiente para solidificar la masa fundida como hierro fundido blanco; sin embargo, se puede utilizar un enfriamiento rápido para solidificar una gran cantidad de hierro fundido blanco y después de esto, el resto se se enfría a un ritmo más lento formando así un núcleo de fundición gris. Este molde resultante se llama moldeo enfriado y contiene los beneficios de tener una superficie dura pero con un interior más resistente.
Las aleaciones de hierro blanco con alto contenido de cromo tenían la capacidad de permitir la fundición masiva de un impulsor de aproximadamente 10 toneladas en arena. Esto se debe al hecho de que el cromo reduce la velocidad de enfriamiento requerida para producir carburos a través de mayores espesores de material. Los elementos de cromo también producen carburos con una excelente resistencia a la abrasión.
Fundición de hierro maleable
El hierro fundido maleable comienza como una fundición de hierro blanco, luego se trata térmicamente a temperaturas de aproximadamente 950 °C durante dos o un solo día y luego se enfría durante el mismo período de tiempo.
El carbono del carburo de hierro luego se transforma en grafito y ferrita más carbono debido a este proceso de calentamiento y enfriamiento. Este es un proceso bajo, pero permite que la tensión superficial transforme el grafito en partículas esferoidales en lugar de escamas.
Los esferoides son relativamente cortos y están más alejados entre sí debido a su baja relación de aspecto. También contienen una sección transversal inferior, una grieta que se propaga y un fotón. A diferencia de las escamas, contienen límites romos que contribuyen a aliviar los problemas de concentración de tensiones que se encuentran en la fundición gris. Con todo, las propiedades incluidas en el hierro fundido maleable se parecen más a las del acero, que es de naturaleza suave.
Fundición de hierro dúctil
A veces denominada fundición nodular, esta fundición tiene su grafito en forma de nódulos muy pequeños, teniendo el grafito la forma de capas concéntricas que forman los nódulos. Debido a esto, las propiedades dehierro fundido dúctilson los de un acero esponjoso que no tiene efectos de concentración de tensiones producidos por las escamas del grafito.
La cantidad de concentración de carbono contenida es de alrededor del 3 por ciento al 4 por ciento, y la del silicio es de alrededor del 1,8 por ciento al 2,8 por ciento. Pequeñas cantidades de 0,02 por ciento a 0,1 por ciento de magnesio y sólo 0,02 por ciento a 0,04 por ciento de cerio cuando se agregan a estas aleaciones reducen la velocidad a la que la precipitación de grafito crece a través de la unión a los bordes de las pistas de grafito.
El carbono puede tener posibilidades de separarse en forma de partículas esferoidales a medida que el material se solidifica, debido al control cuidadoso de otros elementos y al momento adecuado durante el proceso. Las partículas resultantes son similares al hierro fundido maleable, pero las piezas se pueden fundir con secciones más grandes.
Elementos de aleación
Las propiedades del hierro fundido se cambian y se añaden en varios elementos de aleación o aleantes al hierro fundido. En línea con el carbono está el elemento silicio porque tiene la capacidad de expulsar al carbono de la solución. Un porcentaje menor de silicio no puede lograr esto por completo, ya que permite que el carbono permanezca en la solución, formando así carburo de hierro y también produciendo hierro fundido blanco.
Un mayor porcentaje o concentración de silicio es capaz de expulsar el carbono de la solución y luego formar grafito y también producir hierro fundido gris. Otros agentes de aleación no mencionados incluyen manganeso, cromo, titanio y luego vanadio. Estos contrarrestan el silicio y también favorecen la retención de carbono y, por tanto, también la formación de carburos. El níquel y el elemento cobre tienen la ventaja de aumentar la resistencia y la maquinabilidad, pero no pueden cambiar la cantidad de carbono formado.
El carbono que se encuentra en forma de grafito da como resultado un hierro más blando, reduciendo así el efecto de contracción, bajando la resistencia y disminuyendo la densidad contenida. El azufre es principalmente un contaminante cuando está contenido y forma sulfuro de hierro que previene la formación de grafito y también aumenta la dureza.
La desventaja que impone el azufre es que vuelve viscoso el hierro fundido, lo que provoca defectos. Para compensar y eliminar los efectos del azufre, se añade manganeso a la solución. Esto se hace porque cuando los dos se combinan forman sulfuro de manganeso en lugar de sulfuro de hierro. El sulfuro de manganeso resultante es más ligero que la masa fundida y tiende a salir flotando de la masa fundida y penetrar en la escoria.
La cantidad aproximada de manganeso necesaria para anular los efectos del azufre es de 1,7 unidades de contenido de azufre y un 0,3 por ciento adicional añadido encima. La adición de más de esta cantidad de manganeso da como resultado la formación de carburo de manganeso y esto aumenta la dureza y el enfriamiento, excepto en el hierro gris donde hasta el 1 por ciento de manganeso puede aumentar la resistencia y la densidad contenida. El níquel es uno de los elementos de aleación más generales porque tiene tendencia a refinar la perlita y la estructura del grafito, mejorando así la tenacidad y nivelando la diferencia de dureza entre los espesores de las secciones.
Se agrega cromo en pequeñas cantidades para reducir el grafito libre y producir frío. Esto se debe a que el cromo es un potente estabilizador de carburo y, en algunos casos, puede funcionar junto con el níquel. También para el cromo se puede añadir una pequeña cantidad sustitutiva de estaño. El cobre se agrega en la cuchara u horno del orden de 0,5 por ciento a 2,5 por ciento para lograr una reducción del enfriamiento, refinar el grafito y aumentar la fluidez. También se puede agregar molibdeno en el orden de 0,3 por ciento a 1 por ciento para aumentar también la refrigeración, refinar el grafito y refinar la estructura de perlita.
Por lo general, se agrega trabajando junto con níquel, cobre y cromo para producir hierros de alta resistencia. Se agrega el elemento titanio para que funcione como desgasificador y desoxidante, y para aumentar la fluidez. Se añaden al hierro fundido proporciones de 0,15 a 0,5 por ciento del elemento vanadio y ayudan a estabilizar la cementita, para aumentar la dureza y resistir el desgaste y los efectos del calor.
El circonio ayuda a formar grafito y se agrega en proporciones de aproximadamente 0,1 por ciento a 0,3 por ciento. Este elemento también ayuda a desoxidar y aumentar la fluidez. En el hierro maleable fundido, para aumentar la cantidad de silicio que se puede agregar, se vierte bismuto en una escala del 0,002 por ciento al 0,01 por ciento. En el hierro blanco, se agrega el elemento boro, que ayuda en la producción de hierro que es maleable y reduce el efecto engrosador del elemento bismuto.