Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Regional

TRABAJO PRÁCTICO Nº4

RESEÑA

FUNDICIONES

Autor:

Fabián Scholtus

2010

Carrera: Ingeniería Industrial

Materia: Ciencia de los Materiales

Profesor: Ing. Pozzoni Camilo

1

INTRODUCCIÓN

En este trabajo veremos las propiedades de las fundiciones por ser un mineral rico en carbono, y pensarse

inútil por su fragilidad.

También se estudiaran algunas de las funciones principales de los procesos aplicados sobre este material y

los distintos elementos que se pueden agregar a las fundiciones con fines industriales.

Los pro y los contra de cada elemento adicionados a los tratamientos serán estudiados como mejoras

para la obtención de materiales industriales según sus utilizaciones. Sus porcentajes y características en la

fundición.

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EL ARRABIO

El producto principal, objeto de la instalación del alto horno, es el arrabio; o sea, hierro fuertemente

carburado, con proporciones de carbono que varían entre el 3% y 4 %. El arrabio puede utilizarse en la misma

industria para la fabricación del acero; o bien colándolo en moldes especiales se obtienen los lingotes de arrabio,

que se utilizan como materia prima en la fusión de los cubilotes.

En el proceso del alto horno se reduce la sílice proveniente del mineral, como así mismo el manganeso,

conteniendo así el arrabio entre el 0,5 y el 4% de Si y el 0,4 al 1,7 % de Mn. Entre las impurezas perjudiciales

encontramos el fósforo (que proviene del mineral) con muy variables tenores pudiendo llegar al 1,5 %. Otra

impureza es el azufre (proveniente del coque) en general en tenores de hasta 0,08 % para fundición gris y 0,2 %en

lingotes para fundición blanca.

Las cualidades que se consiguen en el arrabio, dependen mucho de la marcha del auto horno; si se añade

mucho carbón, se obtiene la denominada “marcha caliente”, que da origen a un producto muy carburado, es decir

fundición gris. Con la marcha fría se obtiene un producto menos carburado (con muy poco grafito o hasta sin él)

que es la fundición blanca, muy apropiada para la conversión en acero, especialmente por el procedimiento Martin

Siemens o el horno eléctrico.

CUBILOTE (HORNO DE SEGUNDA FUSIÓN)

El cubilote es un horno de cuba de sección cilíndrica constante. Consta de una caparazón de palastro de 3

a 6 mm de espesor, recubierta por ladrillos refractario a base de sílice, cuyo espesor varía según la dimensión del

horno entre 23 y 30 cm. su diámetro interior, oscila entre 0,50 y 1,30 m.

La mayor parte de los hornos son de fondo basculante, formada por puertas con bisagras, que pueden

bajarse para permitir la descarga de los residuos del horno después de cada fusión.

A una altura de 60 a 90 cm se sitúa la caja de viento que comunica con el interior del cubilote a través de

un cierto número de toberas. El número de toberas depende de las dimensiones del horno, y hay una por cada 150

mm de diámetro interior.

La alimentación de aire se realiza por medio de compresores centrífugos o del tipo Root. El cubilote se

carga con arrabio mezclado con chatarra. La carga de metal se alterna con la del combustible, siendo este último el

coque. La relación metal/coque normal es de 8/1, pudiendo alcanzar hasta 15/1. Mezclado con el coque (piedra

caliza). Antes de iniciar las cargas, es necesario calentar el horno, iniciando la combustión del coque en la solera o

ir llenando hasta el nivel de las toberas.

Diferentes fundiciones de hierro:

1) De Fe o Gris (grafito en forma laminar)

2) Fundición dúctil (nodular o esferoidal): Existe posibilidad de clasificar la fundición, y hacer orden de

pedido según 6 tipos determinados por letras, A, B, C, D, E, F. Inclusive, se puede pedir combinado 3

con los 8 grados numéricos de grafito visible, podemos pedir en función de letra, ejemplo: Fundición

A6.

3) Fundición Blanca

4) Fundición Maleable

5) Fundición en Coquilla: dentro de un molde la posibilidad de clocar partes internas metálicas que al

hacer contacto con la fundición, genera un enfriamiento brusco y por consecuencia, un blanqueo en

la fundición. Tiene la capacidad de poder colocar las piezas en lugares estratégicos y proveer piezas

de fundición con varias durezas, y mayor performance en lugares específicos ante los desgastes y

fuerzas mecánicas.

6) Fundición Atruchada: Posee una composición química refinada pero intermedia. En ocasiones tienen

estructura combinada entre grafito y cementita.

7) Fundición Aleada: Gran grupo de fundiciones que emplean en la composición química variadas

cantidades de elementos químicos en porcentajes cercanos al 3%. Estas cantidades son requeridas

por el fabricante y se determinan según las propiedades que se quieren reforzar ante los deberes a

cumplir.

GRADOS DE CLASIFICACIÓN DEL GRAFITO LIBRE

8 Grados por tamaño de láminas en pulgadas (Fundición Gris y Fundición Nodular)

6 tipos de grafitos A,B,C,D,E y F (Fundición Nodular)

Propiedades de la fundición

Colabilidad

Soldabilidad

Maquinabilidad

Amortiguación

Resistencia al desgaste

Resistencia a la corrosión

Bajo coeficiente de contracción

Con respecto a las características mecánicas que se consiguen en la fundición, ellas están directamente

relacionadas con su estructura micrográfica. A esta se la puede considerar como de una matriz semejante a la del

acero, interrumpida por láminas de grafito – en el caso de la fundición gris – o por carburo de hierro en exceso, en

el caso de la fundición blanca. La presencia de otras impurezas, como por ejemplo, el fósforo, tolerado en

porcentajes superiores a los aceros por la fluidez que comunica al material en fusión (necesaria para fundir piezas

delgadas), también tiende a introducir nuevos constituyentes en la micro estructura del metal, que tienden a

romper la continuidad de la matriz. Así, por ejemplo, una fundición gris que contenga 0,5 a 0,7% de carbono

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combinado, tendrá una matriz correspondiente a un acero duro; si la misma no tuviese láminas de grafito, la carga

de rotura seria del orden de 70 a 90 kg/mm2. En cambio, en las fundiciones, el arrabio, en las que las laminas de

grafito son tan grandes interrumpen la estructura en toda su extensión, la resistencia a la rotura esta comprendida

entre 8 y 12 kg/mm2. Por ese motivo, en la metalurgia de las fundiciones se presta mucha importancia a las

condiciones que determinan la forma y proporción del grafito en el metal, a fin de conseguir las propiedades

deseadas en condiciones optimas.

Sin entrar en el analisis detallado de la influencia de cada elemento en la fundición, y como referencia a

los valores que se consiguen normalmente en la fusión, se muestran en la Tabla III los valores correspondientes a

algunas composiciones químicas de fundición gris recomendadas por las normas S.A.E., con sus correspondientes

aplicaciones.

En las características mencionadas no se indica el alargamiento, por cuando es prácticamente nulo. En

reemplazo, se indican los valores de flexión; es decir, la flecha a alcanzar bajo una determinada carga, cuando se

indica la distancia entre apoyos. Así, por ejemplo, para la S.A.E. 120, con la carga y distancias especificadas en la

figura a continuación, la flecha mínima debe ser de 6,10mm.

DesignaciónComposición química

Resistencia Dureza Brinel Usos

C% Si% Mn% S% P%

SAE 122 3 a 3,22,1 a 1,8 0,7 a 1

0,1 máx. 0,1 máx.. 31

217 a 269

Piezas para motores diesel, camisas de cilindros, pistones y piezas pesadas.

SAE 121 3,1 a 3,3 2,1 a 1,8 0,6 a 0,9 0,12

máx.0,12 máx. 28 202 a

255

Cabezas y bloques de cilindros de camiones y tractores. Volantes pesados, cajas de engranajes pesadas.

SAE 120 3,2 a 3,42,2 a 1,9 0,6 a 0,9

0,12 máx.

0,15 máx.. 24

187 a 241

Blocks de cilindros. Cabezas de cilindro. Volantes. Tambores de freno. Camisas de cilindros. Pistones

SAE 111 3,25 a 3,5 2,3 a 2,0

0,6 a 0,9 0,12 máx.

0,20 máx..

21 170 a 223

Pequeños blocas (motos). Cabezas de cilindro. Cilindros enfriados

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por aire. Pistones. Platos de embrague. Tambores de freno.

SAE 110 3,4 a 3,752,8 a 2,3 0,5 a 0,8

0,12 máx.

0,25 máx.. 14

187 máx..

Fundiciones blandas donde la resistencia mecánica no es lo principal.

Elementos permitidos:

Ni 0,2 máx..;

Mo 0,08 máx..;

Ci 0,1 máx..

Cu 0,2 máx..; V 0,03 máx..

Tabla III. Algunas composiciones de la fundición gris.

Con el objeto de vencer la fragilidad de la fundición, es decir, hacerla maleable, se han desarrollado

procedimientos que datan de muchos años atrás, y de los cuales pueden citarse principalmente dos, dominados,

respectivamente, de núcleo blanco o procedimiento europeo, y de núcleo negro o procedimiento americano.

a) En la fundición maleable de núcleo blanco, se parte de piezas de fundición blanca, libres de

carbono grafitico, y, por lo tanto, bajas en Si y altas en azufre, que estabiliza los carburos; el

azufre puede alcanzar tenores de hasta 0,25%. Este tratamiento de maleabilización consiste

en calentar las piezas en recipientes, como para la cementación, circundadas por mineral en

polvo de hematinas. Estas cajas se calientan en hornos de 900º durante 5 o 6 días. Luego se

enfría el horno lentamente y se retiran las piezas.

El contacto con el mineral a alta temperatura, da como resultado el pasaje del carbono desde el centro de

la pieza hacia la superficie, en la cual se oxida y se separa. En este procedimiento, el tenor de carbono, alto en

oxigeno (por ejemplo 3,5%), se reduce con frecuencia a menos de 1% en piezas delgadas. El carbono restante se

presenta en parte bajo la forma de grafito libre nodular, y en parte combinado, apareciendo como perlita en la

matriz de la estructura final.

b) fundición Maleable de núcleo negro. El procedimiento americano difiere substancialmente

del anterior, por cuanto el tenor del carbono no disminuye de modo sensible, también es

necesario que le tenor de azufre sea bajo.

Las piezas circundadas por material inerte, por ejemplo Si02, son calentadas durante 3 a 6 días entre 820 y

1000ºC, dejando luego enfriar lentamente. Se obtiene un producto en el cual, si bien por oxidación, ha

desaparecido algo de carbono, el tenor que queda se aproxima al de la fundición ordinaria. Durante este proceso,

el carbono precipita en forma homogénea y finamente dividido (carbono recocido), que solamente influye en

pequeña proporción sobre las propiedades mecánicas de la matriz, dando así un producto más próximo al acero

que a la fundición gris ordinaria. En la tabla IV se resumen las composiciones químicas antes y despues del

tratamiento de maleabilización, y propiedades mecánicas medias de los dos procedimientos que acabamos de

considerar

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Fundición esferoidal (“Nodular”)

Un procedimiento (1948) para mejorar las características de las fundiciones, es la fundición nodular,

llamada luego, más apropiadamente, fundición esferoidal. Este procedimiento consiste en tratar la fundición en el

momento de la colada con cerio, o con manganeso (este ultimo en proporciones de 0,4 o 0,5% en peso),

recociéndola luego por tres horas o mas a 740ºC.

El grafito, en vez de quedar en forma de láminas, que interfieren la resistencia de la matriz, precipita bajo

forma de pequeños nódulos, distribuyéndose de manera homogénea en la masa. Se puede considerar que la

reducción de resistencia de la matriz, debida a la presencia de estos nódulos, sea del orden de un 20%. Una

tentativa de norma de la “Mond Níkel Co.”, da los siguientes valores mínimos.

Valores mecánicosMatriz

Perlitica

Matriz Perlitica-Ferritica

Matriz Ferritica

Carga de rotura K/mm2 58 50 44

Limite elástico k/mm2 42 38 32

Alargamiento % 1 5 10

Composición químicaDe núcleo blanco De núcleo negro

Colada Recocida Colada Recocida

Carbono total % 3,2 a 3,6 0,5 a 2,0 2,3 a 2,6 2,1 a 2,4

Carbono combinado 3,1 a 3,5 0,3 a 0,8 2,2 a 2,5 0,1

Silicio 0,4 a 0,8 0,4 a 0,7 0,9 a 1,1 0,3 a 0,4

Manganeso 0,15 a 0,3 0,15 a 0,3 0,3 a 0,4 0,3 a 0,4

Azufre 0,15 a 0,25 0,15 a 0,25 0,06 a 0,1 0,06 a 0,1

Fósforo 0,05 a 0,08 0,05 a 0,08 0,1 máx.. 0,1 máx..

Resistencia tracción - 34 a 44 - 34 a 40

Alargamiento % - 5 a 7 - 12 a 18

Tabla IV – Composiciones químicas previas y posteriores a los tratamientos

Influencia de los distintos elementos

Algunas de estas inclusiones, en porcentajes altos (por ejemplo: fósforo) ayuda al funcionamiento de los

cubilotes. Y al recuperar la chatarra y los restos del cubilote, podemos tener aparición de elementos químicos

curiosos, que en el caso del fósforo, tiene una justificación distinta.

A los elementos presentes en el hierro, podemos considerarlos en dos clases fundamentales:

1) Aquellos elementos que entran en la composición química de la fundición del hierro como

provenientes de su propio proceso de fabricación. A este grupo pertenecen:

c) el carbono,

d) el silicio,

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e) el manganeso,

f) el azufre y

g) el fósforo.

2) Aquellos elementos que entran en la composición química de la fundición del hierro por haber sido

agregados de ex profeso, y cuyo objeto es el de aumentar u obtener alguna característica especial en

la fundición. A este grupo pertenecen:

a) Cromo,

b) níquel,

c) Molibdeno,

d) Aluminio.

Estos cuatro, al aparecer en cantidades importantes, dejan de ser una ocasión, para ser un

porcentaje buscado.

A veces el hierro al estar en estructura gamma y en presencia de níquel o cromo, estos últimos

potencian el efecto térmico que tiende a mantener la temperatura evitando que se enfríe

bruscamente, incluso al ingresar dentro de los moldes.

Además, para la producción de ciertos tipos especiales de fundiciones aleadas, se utilizan

mayores cantidades de silicio y manganeso que las que intervienen en el grupo 1), sucediendo lo

mismo con el fósforo.

Veamos la influencia de cada uno de estos elementos:

Carbono: Es el mas importante de los elementos de aleación, y de por si, define y distingue a la fundición

de hierro del acero. Favorece la producción de piezas delgadas al comunicarle mayor fluidez al metal en estado

líquido, asegurándole un mayor margen de temperatura sin que se vuelva pastoso lo cual significa la obtención de

piezas mas sanas.

Analizándolo por separado en proporciones mayores al 2%, mejora la fluidez del hierro al ingresar al

molde, etc., pero debe ser atendido de las inclusiones gaseosas.

Las fundiciones modernas de alta calidad, en las cuales el tenor de carbono se limita al 3%, presentan

invariablemente mayores dificultades para el trabajo en el taller por ser mas corta la vida del caldo, de manera que

hay que emplear temperaturas mayores, no pudiéndose conservar el material liquido durante largos espacios de

tiempo, y perdiendo su fluidez rápidamente. El carbono se halla en la fundición en forma de carbono combinado

(carburo de hierro) y en forma libre de grafito laminar.

Silicio: Es el elemento determinante en el paso a grafito del carbono combinado. Si no existiera silicio, la

fundición seria blanca. Al crecer el contenido de silicio, la fundición se convierte en gris; primero en las paredes

más gruesas y finalmente, con mayores contenidos de silicio, en todos los espesores de la pieza. Por todo ello, en

la práctica de la fundición el silicio es el elemento de control más importante. El silicio entra en la fundición no solo

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a través del lingote, sino también por adicción, generalmente en forma de ferro silicio (ferro + elemento; es la

determinación que se encuentra al comprar el elemento deseado, y viene combinado de esta forma para mejorar

el descenso del porcentaje de carbono del arrabio), al caldo. La cantidad de silicio necesaria para un tipo

determinado de pieza, depende de su tamaño, de la cantidad de carbono y de otros elementos de adicción.

Manganeso: La influencia del manganeso en la estructura del metal, es compleja. Su primer efecto es

combinarse con el azufre, formando un compuesto cristalino, que es el sulfuro de manganeso. Cuando el

manganeso presente se halla en cantidades tales que logra neutralizar y superar todo el azufre, su efecto se

manifiesta aumentando la tendencia del hierro a endurecerse, aumentando la cantidad de carbono combinado, y

por ello el metal se hace mas duro. EN fundiciones ordinarias, rara vez se tiene el manganeso en proporciones

superiores al 1,2%. En casos especiales, se añaden cantidades mayores, con el objeto de tener fundiciones

altamente aleadas.

Azufre: Su efecto esta estrechamente ligado al contenido de manganeso. El azufre presente en la

fundición proviene del combustible empleado, tanto en la obtención del lingote original, como al volverlo a fundir.

La proporción de azufre en la fundición gris no debe exceder normalmente del 0,12%; pero la mayor parte de las

veces el contenido de azufre aumenta con el numero de fusiones, ya que tiende a acumularse en la chatarra. El

azufre ejerce poderosa influencia sobre el endurecimiento del hierro; por ello, hay que tener precauciones

especiales para su control y eliminación. En las fundiciones grises no debe exceder nunca del 0,15%.

Fósforo: Comunica fluidez al hierro colado, y por esta razón es particularmente necesario para piezas

delgadas y que no requieran condiciones mecánicas especiales.

Desde el punto de vista mecánico es indeseable, ya que introduce en las estructuras zonas de

constituyente duro y quebradizo, conocido como fosfuro eutéctico.

Este fósforo, cuando se presenta en cantidades considerables, anula la resistencia al choque y la hace

mecánicamente frágil.

Por otra parte, hay ocasiones en que es deseable, por comunicar resistencia al desgaste. En la práctica del

taller, no se conoce ningún método para eliminar el fósforo de primera o segunda fusión.

Cromo: Aumenta el valor de la resistencia y dureza de las piezas (mismo efecto que tiene en los aceros).

En algunos casos aumenta la tendencia a fragilizar las piezas. Estabiliza los carburos y por ello es con frecuencia útil

en las piezas que tengan que resistir efectos térmicos, debido a que eleva el efecto de perdida de temperatura.

Níquel: Es quizás el mas valioso elemento de aleación, puesto que afina el grano del hierro (triplicando los

puntos de inicio de enfriamiento, lo que reduce el tamaño del grano en la escala de granos desde un 4 a un 8),

aumentando la resistencia y, a la vez, la homogeneidad de la pieza, disminuyendo las diferencias de estructuras

que existen normalmente entre los espesores gruesos y delgados (debido a que equilibra térmicamente el caldo

ayudando a que la pieza enfríe gradualmente de forma homogénea). Este efecto del níquel es de gran importancia,

ya que permite obtener piezas de gran dureza sin los inconvenientes que se presentan en la mecanización,

originados por el efecto de coquilla en las paredes delgadas (lugares específicos de la pieza donde se desea que

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enfríe primero y derive en una dureza mayor localmente). El níquel actúa también como elemento gratificante, de

manera análoga a la del silicio; luego, es posible reemplazar con ventajas del silicio por níquel.

Cobre: el cobre produce resultados análogos a los del níquel, aunque en una menor proporción. Cuando la

adición de cobre excede una cantidad límite sus efectos son desastrosos, separándose el cobre.

Molibdeno: El molibdeno se añade a la fundición en proporciones inferiores al 1%. No tiene efectos

particulares sobre el carbono combinado. Aumenta la resistencia. Lo más frecuente es utilizarlo en unión con otros

elementos, como el níquel, cromo y cobre.

Aluminio: EL aluminio se alea fácilmente con el hierro, pero el material resultante es de difícil colada, a

causa de la tendencia del aluminio a oxidarse en el caldo, dando piezas sucias con grandes depósitos de alumina.

Sin embargo, hay ciertos tipos de aleaciones con aluminio resistentes al calor, que contiene altas proporciones de

aluminio y de cromo, necesita ser colada en condiciones especiales, para evitar los inconvenientes de la oxidación.

Un concepto no estudiado aquí, es el de Carbono Equivalentes. La inclusión de elementos en la búsqueda

de propiedades, modifica el porcentaje de carbono que en ocasiones se desea o establece. El concepto desarrolla

una suma de porcentajes divididos por un numero representando la parte que suma de carbono o en que potencia

los efectos del carbono. (Ejemplo: )

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CONCLUSION

Se puede apreciar en el trabajo la diferencia entre aceros y las fundiciones. No solo por sus las respectivas

composiciones, sino también por sus utilizaciones y clasificación.

Las propiedades de las fundiciones, no tan distintas a la de los aceros, modificadas a través de los distintos

aditivos, fueron estudiadas y aprendidas dejando una impresión en la clase de material resultante y su posible

empleo. No conocía algunas de las propiedades que se mencionaron ni tampoco los efectos y utilizaciones de

algunos tipos de fundición.

Es bueno saber también, que para cada sector representado por el diagrama Hierro-Carbono, existen

procesos y distintos métodos de reducción, oxidación y utilización de ciertas herramientas, que permiten hacer

útiles, fundiciones con altos porcentajes de carbono.

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