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, gris, maleable, esferoidal y aleada. 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. Mas bien, las diferencias
fundamentales se encuentran en la forma en que se presenta el
carbono, combinado o libre, figura 13.18.
a) gris, b) blanca, c) maleable, d) esferoidal, y, e) de grafito compacto.
La fundición blanca
tiene el carbono en forma de cementita y responde perfectamente
al diagrama de equilibrio Fe-C, figura 13.19. Para su formación
el contenido en carbono se limita entre un 2.5 a un 3% y, sobre
todo, el contenido en Si, elemento que en mayor medida favorece
la formación de carbono libre en forma de grafito, entre
un 0.5 a un 1.5%, debiendo además de imprimirle una elevada
velocidad de solidificación que no facilite la formación
de placas de grafito.
Estas fundiciones son las que
poseen una mayor resistencia al desgaste y a la abrasión,
fundamentada en la gran cantidad de carburo de hierro que poseen,
centrando en estas propiedades sus aplicaciones. Tal como se
observa en la figura 13.18, la estructura de este tipo de fundiciones
está formada por el eutéctico del hierro, denominado
ledeburita y que se conforma con grandes láminas o zonas
blancas de cementita intercaladas con las zonas oscuras correspondientes
a la perlita, formada a su vez por láminas alternadas
de ferrita y cementita. Este tipo de fundiciones, que presentan
muy baja tenacidad, producen al romper una superficie fracturada
cristalina y brillante que da origen al nombre de la fundición.La fundición gris
se forma cuando el carbono de la aleación se encuentra
en una cantidad superior a la que puede disolverse en la austenita,
y precipita como hojuelas de grafito, figura 13.20, por ello
cuando se fractura la superficie presenta una coloración
gris mate característica. Esta fundición resulta
un material de ingeniería importante debido a su bajo
costo que combina con propiedades interesantes como excelente
capacidad de meca-nización, una buena resistencia al desgaste
al disminuir el coeficiente de rozamiento y una excelente capacidad
de amortiguar vibraciones por lo que se ha extendido su aplicación
como bancadas de máquinas.
En la tabla 14.5 se recogen las
propiedades mecánicas más importantes de algunas
fundiciones de esta familia que contienen de 2,5 a 4% de C y
de 1 a 3% de Si. Puesto que el silicio es un elemento estabilizador
del grafito en estos materiales, se utiliza en contenidos relativamente
altos para provocar su formación. Velocidades moderadas
y bajas de enfriamiento favorecen igualmente la formación
de grafito, afectando igualmente al tipo de matriz final obtenido,
perlítica o ferrítica. Evidentemente, las características
mecánicas, principalmente la dureza de la fundición,
dependerán del contenido en perlita de la matriz.
La fundición de grafito
esferoidal o fundición dúctil, combina las
ventajas del hierro fundido con las del acero, ya que en esta
familia el grafito no actúa como entallas internas fragilizadoras
del material, al tener una forma esférica y una distribución
mucho más uniforme que en la fundición gris. Por
esto las propiedades corresponden a las de la matriz con una
elevada resistencia y límite de elasticidad, tenacidad,
ductilidad y por lo tanto conformabilidad en caliente y templabilidad,
manteniendo las propiedades de la fundición como excelente
maquinabilidad y buena resistencia al desgaste.Estas excepcionales propiedades
de la fundición esferoidal son debidas a la forma de los
nódulos de grafito, tal como se representan en la figura
13.18d. Las composiciones de este tipo de fundiciones son similares
a las fundiciones grises con la salvedad de que los niveles de
azufre y fósforo deben mantenerse en proporciones muy
bajas, inferiores al 0.03%, de igual forma y por los mismos motivos
que se requerían estos niveles para los aceros de calidad.La formación de los nódulos
tiene lugar durante la solidificación del hierro fundido,
por medio de la adición de magnesio justo en el momento
de colada. El magnesio elimina cualquier residuo de azufre y
oxígeno remanentes en el metal líquido, y genera
un residuo de un 0.03% de Mg, que causa el crecimiento del grafito
esferoidal. Debido al efecto que el magnesio tiene en la estabilización
del carbono en forma de carburo, es necesario añadir una
cantidad de silicio importante, en forma de ferrosilicio, que
favorezcan la grafitización.De la misma manera que se describió
en la fundición gris, las propiedades y microestructura
de la matriz dependerá en gran medida de la velocidad
de enfriamiento, aunque en este caso, ya que se pretende obtener
una excelente tenacidad, se procurará una matriz fundamentalmente
ferrítica.
Finalmente, la fundición
maleable, resulta de una modificación mediante tratamiento
térmico de la fundición blanca no aleada, tal como
se representa en la figura 13.21. La cementita formada durante
la solidificación de la fundición blanca, se descompone
pasando a formar nódulos o aglomeraciones de grafito.
La descomposición de la cementita se facilita con un elevado
contenido en carbono de forma que durante el enfriamiento controlado
desde el estado austenítico del material se posibilite
la grafitización de este carbono. Al igual que en la fundición
dúctil, se logra una buena combinación y compromiso
entre la resistencia y la tenacidad del material. No obstante,
y debido a la dificultad de la fundición blanca, elevada
velocidad de enfriamiento que entraña riesgos de fisuración
y elevadas tensiones residuales en la pieza, y el encarecimiento
por el tratamiento térmico posterior de nodulización,
este tipo de fundición se utiliza cada vez menos.
Figura 13.21. Tratamiento térmico para las fundiciones maleables ferrítica y perlítica.