PARTE 7

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--*undiciones (parte 1)
Introducción
Las fundiciones, o hierros fundidos, son aleaciones hierro – carbono cuya composición relativa puede variar entre 2 y 6,67% de carbono. Sin embargo, como el porcentaje de carbono tiende a aumentar la dureza y fragilidad de la aleación obtenida, la mayor parte de las fundiciones comerciales, poseen composiciones entre 2,5 y 4% de carbono.
En las condiciones metaestables (establecidas en el diagrama hierro – carbono), las fundiciones presentan gran cantidad de cementita en su constitución. Este hecho las hace aleaciones de alta dureza y fragilidad, al tiempo que presentan gran dificultad para ser maquinadas o deformadas en frío. Sin embargo, tienen la característica de presentar temperaturas de fusión que, según la composición, pueden variar entre 1130º y 1400ºC, bastante inferiores a los aceros. Esto hace que, a diferencia de los anteriores, presenten mejores características (fluidez y colabilidad) para manufacturar piezas, por método de colada en un molde. Por esta razón, reciben el nombre de fundiciones o hierros fundidos.
Sumado a lo anterior, la adición de ciertos aleantes, y la aplicación de cierto tipo de tratamientos térmicos, permitan variar fuertemente las propiedades iniciales de los hierros fundidos, situación que los ha vuelto materiales de gran difusión en la industria metalmecánica.
Hierros fundidos blanc5 1as aleaciones se obtienen por enfriamiento en condiciones metaestables de una aleación de hierro y carbono, con composiciones entre 2 y 6,67%. En virtud de lo desarrollado en el diagrama hierro – carbono, identificamos dos tipos: las fundiciones blancas Hipoeutècticas, con composiciones entre 2 y 4,3% de carbono, y las fundiciones blancas Hipereutècticas, con composiciones entre ,,4,3 y 6,67% de carbono
Si analizamos la curva de enfriamiento de una fundición blanca hipoeutèctica, cuando la temperatura desciende por debajo de la línea de líquidus, comenzarán a nuclearse dendritas de austenita proeutèctica o primaria, aumentando la composición de carbono en el líquido remanente. 
Al llegar a la temperatura eutéctica (1130ºC), dicho líquido iniciará una transformación isotérmica que culminará con la formación de una fina mezcla compuesta por nódulos de austenita eutéctica, en una matriz continua de cementita eutéctica, llamada ledeburita. 
Si prosigue el enfriamiento, tanto los granos de austenita primaria como los de austenita eutéctica, perderán solubilidad, generando en sus fronteras, la acumulación de un precipitado que llamaremos cementita secundaria.
A continuación, sobrevendrá la reacción eutectoide, transformando ambas fases de austenita en perlita, fina mezcla eutectoide formada por placas alternadas de ferrita eutectoide y cementita eutectoide. El proceso seguirá hasta la temperatura ambiente con una reducción de solubilidad de la ferrita eutectoide, la cual precipitará cementita terciaria en los bordes de placa.
Si analizamos la curva de enfriamiento de una fundición blanca hipereutèctica, cuando la temperatura desciende por debajo de la línea de líquidus, comenzarán a nuclearse dendritas de cementita primaria. 
El líquido restante perderá carbono hasta que, a la temperatura eutéctica (1130ºC), alcanzará la composición del punto eutéctico. La reacción eutéctica se producirá, provocando la transformación del líquido en ledeburita. 
El enfriamiento posterior provocará la pérdida de solubilidad de la austenita eutéctica, precipitando cementita secundaria en los bordes de cada nódulo, hasta alcanzar la temperatura eutectoide. La reacción eutectoide transformará dichos nódulos en perlita. El enfriamiento final hasta la temperatura ambiente seguirá con una reducción de solubilidad de la ferrita eutectoide, la cual precipitará cementita terciaria en los bordes de placa.
Microestructura fundición blanca. Las áreas oscuras corresponden a perlita, las cuales son dendritas de austenita transformada en (perlita). La región blanca corresponde a una matriz de cementita.
Microestructura de fundiciones blancas. De izquierda a derecha respectivamente son: Hipoeutécticas, Eutéctica, Hipereutéctica.
En cualquiera de los dos casos, este tipo de fundiciones poseen gran dureza y fragilidad debido a la gran cantidad de cementita que poseen.
Los hierros fundidos blancos tienen pocas aplicaciones en la industria debido a esta fragilidad, que se suma a su falta de maquinabilidad. En tal caso, adquieren cierto empleo en los casos en los que, la resistencia al desgaste y la dureza, son las propiedades más importantes a tener en cuenta, como es el caso de camisas para mezcladores de cemento, bolas de trituradores de mineral de hierro, y algunos dados para trefilado o extrusión.
Mecanismo de grafitización
Es importante recordar que la cementita es un compuesto intersticial metaestable. Esto significa que, con el transcurso de un largo periodo de tiempo (miles de años a temperatura ambiente), tiende a degradarse, convirtiéndose en una mezcla de ferrita y una forma estable del carbono, llamado grafito.
A este fenómeno de descomposición se lo conoce como “grafitización”.
Este mecanismo deberá provocar la descomposición de la cementita previa a la transformación eutectoide (cementita primaria, eutéctica y secundaria), mecanismo que llamaremos grafitización primaria; y eventualmente, deberá provocar la descomposición de las placas de cementita eutectoide, mecanismo que llamaremos grafitización secundaria.
El fenómeno de grafitización, es favorecido por las altas temperaturas, la existencia de impurezas sólidas no metálicas, mayores contenidos de carbono, y elementos que promueven la descomposición del carburo de hierro, como el silicio.
En la siguiente figura, observamos sobre el diagrama metaestable, ya conocido, el diagrama estable, sobrepuesto con líneas punteadas.
Hierros fundidos maleables
El propósito de la maleabilización es convertir todo el carbono combinado en el carburo de hierro, en nódulos irregulares, o copos de grafito en una matriz ferrítica, mediante un tratamiento de recocido, que se desarrolla en dos etapas.
Los hierros fundidos blancos más adecuados para el tratamiento de maleabilización, poseen el siguiente intervalo de composición:
	Elemento
	Porcentaje
	Carbono
	De 2 a 2,65%
	Silicio
	De 0,9 a 1,4%
	Manganeso
	De 0,25 a 0,55%
	Fósforo
	Menos de 0,18%
	Azufre
	Menos de 0,05%
En la primera etapa del recocido la pieza fundida en hierro blanco, se calienta hasta los 900ºC aproximadamente. Durante el calentamiento, la perlita se transforma en austenita disolviendo el carbono que formaba cada placa de cementita eutectoide.
Si se compara el diagrama estable con el metaestable, puede advertirse que la austenita en el primero, tiene menos capacidad de disolución que en el segundo, existiendo, por lo tanto, una fuerza de impulso para que el carbono excedente,precipite a las fronteras de grano de austenita como grafito libre.
La precipitación inicial de un núcleo de grafito agota primero el carbono de la austenita, y continúa con las estructuras de cementita circundantes, causando un depósito de carbono sobre el núcleo original de grafito. Lo altos contenidos de carbono y silicio, así como la temperatura de recocido en esta primera etapa, promueven la nucleación del grafito, y la descomposición del carburo circundante (en ese punto, cementita eutéctica en su gran mayoría). 
Esto significa que, a mayor temperatura del proceso, existirán mayor cantidad de núcleos de grafito formado, y de menor tamaño. No obstante, la elección de una temperatura demasiado alta, puede provocar la deformación de la pieza, lo que dará lugar a posteriores procesos de enderezamiento.
El tiempo de duración de esta primera etapa, será tal, para que la totalidad de la cementita existente se descomponga totalmente en austenita y nódulos de grafito, y será de 20 horas como mínimo, y hasta 72 horas para piezas grandes.
Terminada la primera etapa, las piezas se enfrían hasta los 800ºC, en preparación para la segunda etapa de recocido. En esta etapa, se aplica una rampa de enfriamiento extremadamente lento de en 3 y 10ºC por cada hora, hasta que se haya pasado la temperatura de la reacción eutectoide. De este modo, el carbono que sale de la austenita al producirse el cambio alotrópico, se grafitiza automáticamente, generando copos de grafito en una matriz ferrítica.
La estructura definitiva constará de una matriz completamente ferrítica (y por tanto, extremadamente dúctil), con una serie de pequeños copos de grafito que servirán para lubricar una herramienta de corte, mejorando la maquinabilidad del material.
La fundición ferrítica maleable, se ha utilizado extensamente en la producción automotriz, agrícola y ferroviaria, conexiones para tuberías y ferretería en general.
Como variante de este material podemos citar la fundición ferrítica maleable aleada con cobre, o cobre – molibdeno. La adición de cobre (soluble en ferrita), mejora la resistencia la oxidación y aumenta la resistencia mecánica y la dureza del material, a costa de una leve reducción de ductilidad.
Hierros fundidos perlíticos maleables
Si el requerimiento es una estructura más resistente y tenaz, aunque algo menos dúctil, será necesario grafitizar la cementita eutéctica y secundaria, que hacen a la matriz de la estructura cristalina (grafitización primaria), pero mantener las placas de cementita eutectoide, para constituir granos perlíticos. 
Tal proceso puede hacerse de tres modos diferentes:
· Agregando manganeso, logra evitarse la degradación de todo el grano de cementita, con lo cual se mantiene el mismo tratamiento mencionado anteriormente.
· Completada la primera etapa del recocido, que descompone principalmente la cementita eutéctica, se somete la pieza a un temple en aire. Con el incremento de la velocidad de enfriamiento, no tendrá lugar el proceso de grafitización secundaria, y por lo tanto, la matriz de la estructura será perlítica. En estos casos, si la velocidad del proceso de temple no resulta lo suficientemente rápida, la cementita eutectoide comenzará a degradarse alrededor del copo de grafito, generando una estructura peculiar, conocida como estructura ojo de buey, en la cual, el copo de grafito queda rodeado de una estructura de ferrita, en una matriz perlítica. 
· Ejecutar el tratamiento de recocido de doble etapa, y luego recalentar la estructura apenas por encima de la reacción eutectoide (lo que producirá granos de austenita por cambio alotrópico) y luego volver a enfriar en aire quieto.
Completado el proceso, suele aplicarse un tratamiento adicional, que consta de elevar la temperatura a unos 650ºC para esferoidizar la perlita, y así mejorar maquinabilidad y tenacidad, reduciendo la dureza.
También suele templarse este tipo de hierros fundidos, en aceite precalentado desde los 800ºC, desarrollando estructuras con predominio de martensita y bainita, con elevadas durezas (HRC 55-60)
Tipos de fundiciones maleables
De corazón blanco (White-heart - europea)
La obtención es mediante la descarburación, calentando la pieza obtenida por moldeo de fundición blanca. Se requiere un oxidante que rodee la pieza. En general se utiliza óxido de hierro. La pieza se coloca en cajas herméticamente cerradas a temperaturas entre 900 y 1100ºC durante unos 10 días, para finalmente enfriarla lentamente. 
Durante el proceso de recocido se producirá la migración del C en el núcleo, y la oxidación en la superficie. 
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. 
Para que todo el mecanismo se cumpla se debe cumplir que la pieza a obtener debe ser de poco espesor (hasta 5mm), 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
Fundición maleable de corazón blanco
De corazón negro (Black-heart -americana)
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 850-900ºC durante unos 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. Las 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
Fundición maleable de corazón negro
Ventajas de las fundiciones maleables
Atendiendo las ventajas que presentan las fundiciones tienen amplias aplicaciones en diferentes ramas
1. Las piezas de fundición son, en general más baratas que las de acero y su fabricación es también más sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente poco elevadas (bastante más bajas que las del acero).
2. Por trabajar a menores temperaturas, es fácil lograr muy buena fluidez, lo que permite la obtención de piezas de pequeños espesores.
3. Son, en general, mucho más fáciles de mecanizar que los aceros.
4. Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y también piezas pequeñas y complicadas, en las que se puede lograr gran precisión de formas y medidas.
5. Sus propiedades mecánicas son suficientes para numerosos elementos de motores, maquinarias, etc. Su resistencia a la compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm2), y 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 sometidas.
6. Su fabricación exige menos precauciones que la del acero.