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Mg. HUGO FERRO CUELLAR
LAS FUNDICIONES HIERRO-CARBONO INTRODUCCION En Latinoamérica es muy conocido el termino fundición de hierro, o hierro colado, por cuanto alguna vez hemos tenido o con alguna pieza de este (o similar) material, es bien sabido la gran cantidad de objetos que se fabrican con este tipo de aleación, desde el bloque de cilindros de un motor, hasta la prensa de un banco, una biela hasta una llave para tubo; todo ello evidenciando la gran utilidad de tal material. Por lo anterior, son muchas las veces que es imprescindible reparar alguno de estos elementos para lo cual siempre contaremos con la importante experiencia del soldador, aquel que “siempre hace este trabajo”; ahora bien, la experiencia del soldador es invaluable; pero qué tal si le añadimos un análisis técnico al material (conforme su utilidad) y lo reparamos siguiendo un procedimiento, respetando los requerimientos sobre aporte térmico, que al fin y al cabo son los que determinaran la vida útil adicional del elemento. Este y otros aspectos serán planteados en esta edición, procurando (como es nuestro propósito) transmitir información útil que pueda ser aplicable en un momento dado. TIPOS DE FUNDICIONES FERRROSAS
En termino general las fundiciones hierro-carbono contienen un porcentaje de Carbono entre el 2.0% y el 6.67%, con cantidades de Silicio del 0.3 al 4.0%, de Manganeso hasta 1%, bajo nivel de Azufre y Fósforo, donde el Carbono puede presentarse en forma de grafito o cementita. Algunas características generales de los hierros fundidos son la baja ductilidad, por consiguiente poca capacidad de conformación a temperatura ambiente, limitada conductividad eléctrica y térmica, y gran capacidad para absorber las vibraciones. Una clasificación básica, parte del color aparente de fractura. Fundición gris Fundición Blanca Fundición Maleable Fundición Dúctil
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Fundición Gris Las partes de máquinas y equipos que están expuestos a un alto nivel vibracional se suelen construir con este tipo de fundición. Por causa de su elevada fluidez durante el proceso de fundido, es muy apropiada para fabricar elementos de formas intrincadas, adicional a esto durante la solidificación esta fundición presenta muy poca contracción. Otra característica de gran importancia es que esta fundición es la más económica del mercado. La microestructura típica contiene celdas eutécticas de grafito, en escamas interconectadas. El punto en el cual se conectan estas hojuelas es el núcleo de grafito.
Las fundiciones grises se dividen en dos clases: 1.
Fundición gris perlítica En los constituyentes de esta fundición, las láminas de grafito se hallan sobre un fondo perlítico, con la presencia de algunos granos de ferrita. Ver figura 1.
2. Fundición gris ferrítica
Se caracteriza por que las láminas de grafito se encuentran sobre granos de ferrita. Ver figura 2. Las fundiciones Grises se dividen también en siete tipos (20, 25, 30, 35, 40, 50 y 60), los cuales expresan en miles de psi la mínima resistencia a la tensión de cada material. La tabla 1 presenta esta clasificación junto a otros datos de interés. El nombre de Fundición Gris, procede de su color de fractura. Aplicaciones Típicas: Soportes, válvulas, palancas, cilindros y bloques de motores.
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Hierro Blanco El hierro blanco se caracteriza por contener cementita (carburo de hierro) como su constituyente principal, es bastante duro y frágil, teniendo gran resistencia al desgaste y poca capacidad de maquinado. La figura 3 contiene una micrografía de este tipo de fundición.
El hierro blanco también se utiliza en grandes volúmenes para la fabricación de fundición maleable.
La superficie de rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca la cual le da su nombre.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Fundición maleable Esta fundición se obtiene a partir del hierro blanco (no aleado) tratado térmicamente con un proceso de recocido, elevando su temperatura entre 800 y 950°C, durante periodos prolongados y en atmosfera neutra (para evitar la oxidación) de esta manera se descompone la cementita formada durante la solidificación, y se transforma en nódulos de grafito.
La figura 4 contiene una micrografía de fundición maleable europea, esta se obtiene realizando el citado tratamiento durante uno o dos días, en presencia de óxido férrico, el cual oxida el carbono superficialmente, con la consecuente reducción del contenido de este en la composición final.
En la imagen anterior se pudo observar el fondo perlítico y el Carbono revenido y uniformemente distribuido.
La figura 5 contiene la imagen de una fabricada en USA, esta se produce prolongando el recocido, en algunos casos hasta por ocho días, vemos la estructura de fondo ferrítica, en la que los nódulos irregulares del Carbono revenido están uniformemente diseminados.
Aplicaciones Típicas: Tubos armamentos, válvulas para
de
dirección,
ferrocarriles
y
engranajes elementos
de para
transmisión, barcos y
herramientas pequeñas tales como: llaves, prensas de mano y tijeras. 4
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En la tabla 2 se detallan las propiedades básicas de las fundiciones maleables.
Fundición Dúctil También denominada Fundición Esferoidal o Fundición Nodular, se caracteriza por presentar el grafito en forma esferoidal, esto es producido por la adición de magnesio a la colada. Para producir este metal se requiere cumplir varios pasos. 1.
Desulfurización: El Azufre hace que el grafito crezca en forma de hojuelas, se obtiene hierros con bajo contenido de Azufre fundiendo materiales con baja carga de azufre; o fundiéndolos en hornos que eliminen el azufre durante el proceso de fusión, o mezclando el hierro con algún elemento o compuesto desulfurizante.
2. Nodulación: El magnesio que se agrega, elimina cualquier Azufre y Oxigeno que todavía quede en el metal líquido y deja un residuo de 0.03% Mg, el cual aumenta el crecimiento del grafito esferoidal. El magnesio se agrega aproximadamente a los 1500 °C. 3. Inoculación: El magnesio por sí mismo es un estabilizador de carburos, y hace que durante el proceso de solidificación se forme fundición blanca. Por lo anterior,
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR después de la nodulación, se debe inocular el hierro con aleaciones de FeSi.
En la figura 6 se puede observar esta clase de microestructura.
En la tabla 3 podemos identificar algunas propiedades mecánicas de este tipo de fundición. Aplicaciones Típicas: Válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, componentes para automóviles, matrices para el estampado y troquelado de otros metales.
Comprendiendo un poco la diferencia de cada tipo de fundición, podremos adentrarnos en el ámbito de la soldabilidad, así como también de algunas recomendaciones referentes a la identificación del material.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN
Cuando se labora en un taller son muchas las ocasiones en que llega algún elemento o pieza de maquinaria para ser reparada, adonde el cliente desconoce por completo el tipo de material que necesita ser soldado; dicha incertidumbre debe ser eliminada por completo, por medio de documentos técnicos que especifiquen los materiales, o en su defecto por medio de algunos ensayos superficiales realizados por un soldador experimentado.
Como en cualquier metal, el tipo de microestructura es el que determina las propiedades mecánicas del mismo, por lo tanto será importante identificar de la mejor manera posible el material a soldar. Esto permitirá seleccionar el tipo de electrodo a aplicar –tamaño, composición, tipo de proceso, etc-; aporte térmico adicionalprecalentamiento, poscalentamiento, etc-; sujeción; amartillado; etc.
Los aspectos más relevantes a tener en cuenta durante el proceso de identificación de una pieza de fundición, para su posterior reparación son los siguientes:
Especificación del metal Historial térmico Historial mecánico Uso Identificación Visual de Superficie Identificación Visual de Fractura Identificación de Chispa
Especificación del metal. Cuando una pieza es nueva o de reciente adquisición, esta podría tener alguna especificación (documento) adonde se determine el tipo de material, composición, propiedades mecánicas, etc; de tal manera que la reparación de esta se determinara como resultado de esta información, como también por la configuración de la pieza y espesor de pared. Será mucho más fácil realizar una aplicación de soldadura para la reparación de dicho elemento. 7
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Historial térmico
En el caso de que sea una pieza un poco antigua y no exista ninguna especificación, pero se conoce su historial térmico y mecánico. Esto se entiende como, ¿qué tratamiento térmico se le aplico al fabricarse? ¿Trabaja bajo condiciones de temperatura constante o variable? ¿Fue reparada anteriormente? ¿En qué parte? Etc. Si esta información está disponible será de gran utilidad para desarrollar un método de reparación.
Historial mecánico
¿El elemento a reparar; durante su vida útil permanece sometido a algún tipo de fuerzas de tensión, tracción, compresión o impacto? Etc. ¿Fue reparado con anterioridad? Etc
Uso
Conocer el tipo de función que esta pieza cumple en el conjunto o equipo, es supremamente importante para poder planificar un buen proceso de reparación. Se deberá identificar: ¿Que hace la pieza? ¿Permanece en ambiente seco o sumergido en algún fluido?
Identificación visual de superficie
La observación de la parte superficial externa del elemento de fundición (el brillo, la rugosidad y el color) nos brinda algunas evidencias de la naturaleza de la aleación. Las piezas que han sido fundidas en arena tienen un aspecto bastante rugoso y generalmente tienen formas bastante complejas, en cambio en las forjadas el aspecto es escamoso y poco rugoso pero con diseños simples. Otra manera para identificar la naturaleza del material de fundición, es por medio de limar la superficie de la pieza, en sentido transversal a la máxima longitud del elemento, conforme sea el aspecto de las líneas del limado podremos identificar su naturaleza así como también el grado de dureza de este. 8
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Identificación visual de fractura
La forma, color, y configuración de la superficie de fractura nos señala detalles como: dirección de rotura, punto de inicio, naturaleza de la rotura (dúctil o frágil): por ejemplo una fundición maleable es dúctil y su apariencia es un centro oscuro y una película exterior plateado –por causa del tratamiento térmico-; mientras una fundición gris es bastante frágil su apariencia es cristalina y plana, su color es gris oscuro y al frotarla se observan trazas de grafito que se adhieren a la piel; la apariencia de una fundición blanca es de un blanco brillante.
Identificación de chispa
Otro método empírico, utilizado para determinar el tipo de metal es el de la chispa producida por amolado. Este consiste en identificar la cantidad de carbono presente en la composición por medio de observar las características de la chispa: longitud, color, brillo, forma, etc. Lo anterior se puede definir conociendo de antemano el tipo de chispa de cada aleación, pero si no se conociera, será necesario realizarle la prueba a algún trozo de fundición de chatarra (conocido) y así por comparación precisar el tipo de material.
Es importante identificar simultáneamente si dicha fundición fue tratada térmicamente, ya que aunque fuese una fundición conocida, esta sería alterada microestructuralmente por tal proceso; y las características de las chispas cambiaran drásticamente.
Se recomienda mantener muestras de metales de especificación conocida, por cuanto serán de gran utilidad para comparar e identificar el tipo de material a reparar.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR En la figura 7 podemos observar algunas diferencias en las chispas de algunos hierros.
a
Hierro forjado
b
Fundición maleable
c
Fundición gris
d
Hierro blanco
SOLDABILIDAD DE LAS FUNDICIONES FERROSAS En general la soldabilidad metalúrgica de las fundiciones ferrosas, depende de los siguientes factores: Composición química Tipo de tratamiento térmico (si aplica)
Determinan el tipo de microestructura
Función de la pieza La composición química (CE) es decir, el nivel de carbono y otros elementos en la aleación, es un importante factor en la determinación del grado de soldabilidad del elemento, ya que en fundiciones no tratadas, este es el que establece el tipo de microestructura final. En las fundiciones tratadas térmicamente la formación final de microconstituyentes es compartida tanto por el CE como por el tipo de tratamiento térmico aplicado. Sabemos que el tipo de microconstituyente es el que define las propiedades mecánicas de un metal, por lo tanto deberá ser el primer factor a tener en cuenta al proyectar una reparación en un elemento de fundición.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR El papel o finalidad de la pieza, también es de gran importancia en la factibilidad del proceso de reparación de una fundición, por causa que si este ha permanecido y/o labora bajo ambientes grasos o sumergido en algún tipo de fluido, esto producirá que la microestructura se hubiera contaminado (los constituyentes de las fundiciones son un poco porosos) por absorción. Pero adicional a esto si el rio labora bajo altas temperaturas (en ambiente seco y/o húmedo) es muy probable que por causa del requemado, se presenten estructuras de alta fragilidad por crecimiento de grano.
Bien podemos resumir que la reparación de un elemento de fundición es un asunto que requiere toda nuestra atención en procura de generarle una vida útil adicional sin que se presenten fracturas –por lo menos- en la misma sección reparada. La selección del tipo de material de aporte depende –entre otros- del tipo de fundición, de la configuración de la pieza, espesor de la sección afectada, nivel de contaminación del elemento y tamaño de la pieza. Las fundiciones ferrosas se pueden reparar por medio de los siguientes procesos: OFW SMAW Nota: En USA y algunos países de Europa ya se están desarrollando metales de aporte para fundiciones ferrosas incluso para los procesos FCAW y GMAW, en Latinoamérica no se ha masificado su uso. La soldadura de fundiciones ferrosas realizada con el proceso OFW se recomienda para piezas pequeñas y de poco espesor, por lo general menor a ¼”. Estas se realizaran usando aportes de Ni o Cu puros o aleados. La aplicación de soldadura SMAW para reparar fundiciones ferrosas se puede realizar en caliente o en frio. Recomendaciones para soldeo en caliente. Con el proceso SMAW, es más recomendable reparar elementos de gran tamaño y peso, este método nos brinda mejores resultados al generar depósitos más sanos, por cuanto el metal de aporte se mantiene más tiempo en estado líquido, facilitando la evaporación de impurezas y gases. Por medio del proceso OFW es más factible el soldeo de piezas de reducido espesor y tamaño. Seleccionar el electrodo que genere el mínimo aporte térmico. 11
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Si se ha de maquinar aplicar electrodos de Níquel, Cromo o Cobre, puro o sus aleaciones. Realizar una buena preparación superficial retirando los óxidos, grasas y aceites por medio de maquinado, amolado, grata y/o productos químicos (por ejemplo Tetracloruro de Carbono). Perforar los extremos de las grietas para limitar su prolongación. Cuando se ubiquen grietas, estas se biselaran preferentemente en U y no en V ya que de esta forma limitan la aparición y prolongación de las fisuras. Soldar primero sobre las secciones biseladas dejando de ultimo las perforaciones hechas con taladro. Bloquear en lo posible las corrientes de aire sobre la pieza. Precalentar la fundición, entre 450 y 650˚C, con flama o en horno. Mantener la temperatura de precalentamiento, hasta que se concluya la operación de soldeo. Soldar con cordones largos y sin martillar. Limpiar y eliminar la escoria entre cordón y cordón. Al concluir cada cordón, dejar que este se enfríe (la temperatura no deberá exceder aquella que soporta la mano en o con la pieza) para aplicar el siguiente. Enfriar lentamente en horno o con cal, asbesto, ceniza entre otros. Estos materiales se deberán precalentar entre 20 y 25 °C, antes de sumergir la pieza en ellos.
Recomendaciones para soldeo en frío. 1.
Seleccionar el electrodo que genere el mínimo aporte térmico.
2. Utilizar electrodos de poco diámetro y con bajo amperaje, pero suficiente para producir una buena fusión. 3. Realizar una buena preparación superficial retirando los óxidos, grasas y aceites por medio de maquinado, amolado, grata y/o productos
químicos (por ejemplo Tetracloruro de Carbono). 4. Perforar los extremos de las grietas para limitar su prolongación. 5. Las grietas se biselaran preferentemente en U y no en V ya que limitan la aparición y prolongación de las fisuras.
12
Mg. HUGO FERRO CUELLAR 6. Limitar en lo posible las corrientes de aire sobre la pieza. 7. Mantener el mínimo aporte térmico. 8. Aplicar cordones de hasta 1 ½” de longitud y sin oscilación; efectuando la aplicación de cordones “Paso de Peregrino”. 9. Golpear moderadamente cada cordón con 10. Aplicar cordones alternados
el propósito de aliviar tensiones.
a la pieza para evitar el calentamiento de esta.
11. Limpiar la escoria entre pases para evitar la inclusión de escoria. 12. Controlar su lento enfriamiento.
Para aumentar la resistencia mecánica en piezas que están sometidas
a
grandes
esfuerzos, se pueden colocar pernos en las caras biseladas, posterior a su perforación. Los espárragos no se recomiendan para espesores menores de ½”. Los espárragos muy unidos debilitan la pieza y muy separados no le dan la consistencia necesaria, por lo tanto, deben colocarse separados entre sí unas tres veces el diámetro del espárrago, la profundidad debe ser de 1.5 veces el diámetro y deberá sobresalir entre el 50% y el 80% del diámetro. Estos espárragos deben quedar bien fijos, de lo contrario debilitarían la pieza. Una vez colocados, se procede a soldar, aplicando un cordón alrededor de cada uno de ellos, antes de rellenar el bisel en sentido longitudinal.
La Figura 8 nos muestra tres imágenes sobre el método de reparación de una gran prensa.
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Tipos de metales de aporte para fundiciones ferrosas.
Existen básicamente dos: Ferrosos: (fe- C y aleado) poca o nula maquinabilidad. Únicamente para el proceso SMAW. No ferrosos: (Pueden ser de Níquel, Cromo, Cobre, o sus compuestos) buena u optima maquinabilidad. Para los procesos SMAW y OFW. 14
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Algunos datos sobre fundiciones ferrosas Estadística mundial de producción de fundiciones. Fundición gris, 80% Hierro Blanco, 10% Fundición Maleable, 5% Fundición Dúctil, 5% Nivel de soldabilidad de las diferentes fundiciones Fundición gris, fácilmente soldable. Hierro Blanco, muy limitada soldabilidad. Fundición Maleable, muy limitada soldabilidad. Fundición Dúctil, buena soldabilidad.
CONCLUSIÓN Por cuanta cada pieza de fundición tiene unas características e historia térmica y mecánica únicas, es necesario diseñar un pr0cedimiento también muy específico para la aplicación de soldadura de mantenimiento y reparación. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: 1.
ASM Metal Handbook. Volume 6. Welding, brazing and soldering. Nineth edition. 1994.
2. ASM Metal Handbook. Volume 2. Welding process. Nineth edition. 1994. 3. ASM Metal Handbook. Volume 15. Casting. Nineth edition. 1992. 4. AWS. Welding Handbook. Welding and their Weldability. Eighth edition. 1991. 5. AWS. Welding Handbook. Welding processes. Eighth edition. 1991. 6. AWS. Welding Handbook. Application. Ninth edition. 1996. 7. Cary Howard B. Modern welding technology. Third edition. Regents / Prentice Hall. 1994. 8. The James F Lincon Arc Welding foundation, The Procedure Handbook of Arc 15
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Welding. Fourteenth Edition. 2000. 9. Welding Metallurgy. Sindo Kou, 2 edition, 2003. 10. Metalcasting and Molding Processes, American Foundrymen's Society, 1981 11. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3 edición, Donald askeland.1998. 12. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, edición en español, William Callister, 1996. 13. The James F Lincon Arc Welding foundation, Metals and how to weld them. Second edition, 1990.
FUNDICIONES DE ACEROS AL CARBONO INTRODUCCION El acero es uno de los materiales más complejos y versátiles usados en la fabricación de piezas. Las variaciones en composición química son extremadamente numerosas y las propiedades mecánicas se logran seleccionando solamente los tratamientos térmicos. Se fabrican en variados espesores, pesos y tamaños, formas simples e intrincadas. El Acero El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% C hasta menos de un 2,11% C) y otros elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción como el manganeso y silicio o a la dificultad de excluirlos totalmente del metal como el azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno o a circunstancias casuales cromo, níquel, cobre y otros. Tienen características muy b en definidas, y el contenido de carbono influye sobre sus propiedades y características, es así que el aumento del contenido en centésimas por ciento de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. El contenido de carbono influye en la soldabilidad del acero, a mayor contenido de carbono se dificulta la operación de soldeo y a menor contenido de carbono se incrementa su soldabilidad.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Fundición de Acero Acero fundido es aquel que es vertido o vaciado en molde de arena o metálicos, donde solidifica y adquiere la forma exacta de la cavidad del molde, de modo de presentar la forma prácticamente definitiva, sin necesidad de ninguna transformación mecánica posterior. Además del carbono (0,05 – 2,10%) el cual imparte las propiedades básicas al acero, otros elementos, que se encuentran en los aceros conformados también están presentes en los aceros fundidos. Estos incluyen al manganeso, silicio, fósforo y azufre. Estos elementos usualmente están el siguiente rango: Manganeso (%) 0,5 – 1,0 Silicio (%)
0,2 – 0,8
Fósforo (máx. %)
0,05
Azufre (máx. %)
0,06
Aluminio (%) 0,0 – 0,10 Otros elementos residuales como Níquel y Cobre pueden estar presentes. Hay materiales conteniendo entre 1,7 a 2,0% C que no presentan grafito, se llaman aceros, sin embargo hay otras piezas con menos de 1,7 % C que presentan grafito. De allí que se hace difícil marcar un límite del contenido de carbono entre los aceros y fundiciones. El gran empleo del acero fundido se debe al hecho que se puede producir, por fundición, piezas de una gran variedad de formas y dimensiones, con resistencia y tenacidad razonables y a un costo relativamente bajo. En realidad desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se ite generalmente que el material fundido sea de calidad menor al trabajado por conformado. Además de eso, es frecuente que las piezas fundidas presenten algunos defectos superficiales o internos, típicos de los procesos de fundición. En rigor, por lo tanto las piezas de acero fundido deben poseer ciertos requisitos, los más importantes son: Homogeneidad (sección sana en toda su extensión) Granulación fina. Completa ausencia de tensiones internas.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR El primer requisito es alcanzado mediante el proyecto adecuado de la pieza y del molde, con los sistemas de colada y alimentación debidamente localizados y mediante apropiada desoxidación del acero en la fusión. Los otros, granulación fina y ausencia de tensiones internas se logran mediante el tratamiento térmico apropiado que posibilite normalizar la textura excesivamente gruesa y dendrítica del acero fundido y eliminar las tensiones internas originadas durante la solidificación del metal en el interior del molde y que pudieran originar torceduras y distorsiones de las piezas en servicio. Debido a la importancia del asunto, se harán a continuación algunas consideraciones de orden técnico relativas al proyecto de las piezas y moldes correspondientes, así como a los métodos de producción, fundición del acero, vertido, etc. Tipos de acero para fundición Para piezas fundidas de acero al carbono, el contenido de carbono determina una clasificación usada para las fundiciones comerciales. Pueden ser considerados cinco clases de aceros fundidos comerciales: Aceros de bajo Carbono (C inferior a 0,20%) Aceros de medio Carbono (C entre 0,20 y 0,50%) Aceros de alto Carbono (C sobre 0,50%) Aceros al Carbono de bajo contenido de aleación (contenido total de aleación inferior al 8,0%) Aceros de alta aleación (contenido total de aleación superior al 8,0%)
Hay piezas fundidas hechas de acero a los cuales se adicionan manganeso o silicio en mayor proporción que la requerida para la desoxidación completa (arbitrariamente sobre 1,0%) o uno o más elementos aleantes se agregan, estos son principalmente cromo, níquel y molibdeno, pero también se puede incluir, Boro, Cobre, Cobalto, Tungsteno, Aluminio, Vanadio, Titanio y Niobio.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Aceros de bajo carbono Presentan en su mayoría, la composición química siguiente: C
0,16 a 0,19%
Mn
0,50 a 0,80%
Si
0,35 a 0,70%
P
0,05% máx.
S
0,06% máx.
Manganeso y Silicio: En los aceros al carbono, ambos elementos son residuales, resultantes de la práctica de la desoxidación, están en solución, disueltos en la ferrita y no son visibles cuando el acero es examinado al microscopio. Ambos elementos confieren resistencia y dureza, influyen sobre la transformación del acero cuando se enfría desde elevadas temperaturas, en otras palabras ellos incrementan la templabilidad del acero.
Azufre: El manganeso se combina con el azufre que está presente en el acero para formar un compuesto no metálico, el sulfuro de manganeso que es una inclusión. El rol del aluminio como desoxidante sirve para controla la forma y distribución del sulfuro. Son identificados cuando se examinan en el microscopio porque no son solubles en el acero sólido. Como todo el azufre aparece como inclusiones de sulfuro, el contenido de azufre es limitado a 0,06% máximo para evitar el efecto dañino sobre la ductilidad y tenacidad que podrían afectarse si el azufre está en exceso.
Fósforo: El fósforo es limitado al 0,05% debido a la tendencia a la fragilización del acero a bajas temperaturas, principalmente para cortos enfriamientos. Como el manganeso y silicio es soluble en el fierro y no es visible en el análisis microscópico, como sí aparece en el hierro fundido como esteadíta. 19
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La tabla 4 muestra las propiedades mecánicas de aceros al carbono de bajo carbono típicos para fundiciones en estado recocido. No hay mucha diferencia entre las propiedades de esos aceros en los estados recocidos, normalizado e incluso en estado fundido. Sin embargo, las piezas fundidas a partir de esos aceros son recocidas o normalizadas para refinar o normalizar su estructura y aliviar las tensiones internas sobre todo cuando se trata de piezas con diferentes secciones.
Propiedades de resistencia a la tensión de aceros fundidos de bajo contenido de carbono
Carbono
Resistencia
Punto de
Elongación
Reducción
a la tensión
Fluencia
en 2 pulgadas
de área
Lb /in
%
2
Lb / in
2
%
%
0,10
56 000
29 000
36,0
64,0
0,15
62 000
33 000
33,0
58,0
0,20
68 000
38 000
30,0
52,0
Tabla 4
Eventualmente las propiedades pueden ser ligeramente mejoradas por temple y revenido siempre que la forma de las piezas fundidas permitan el temple en agua sin fisuración. Las piezas fundidas de acero al carbono con bajo contenido de carbono presentan buena soldabilidad y pueden ser endurecidas superficialmente por cementación. Se emplean en diferentes equipos y maquinarias, donde las formas son, en general, simétricas y las condiciones para la aparición de tensiones han sido bien determinadas, de modo que sean evitadas; o en formas y dimensiones de lo más variadas, para usos en general que exigen tratamientos de alivio de tensiones.
Las propiedades magnéticas de estos tipos de aceros para fundición tornan las piezas resultantes indicadas para la fabricación de equipos eléctricos.
Para mejorar la maquinabilidad se acostumbra a aumentar el contenido de azufre hasta 20
Mg. HUGO FERRO CUELLAR 0,08%. Aceros de medio Carbono Estos aceros presentan la siguiente composición: C 0,20 – 0,50% Mn
0,50 – 1,50%
Si
0,35 – 0,80%
P
0,05% máx.
S
0,06% máx.
Las piezas fundidas con aceros de mediano contenido de carbono son siempre sometidas a tratamiento de alivio de tensiones para refinar la estructura y mejorar la ductilidad. Muchas piezas son revenidas después de ser normalizadas. Las mejores propiedades de mecánicas de estos materiales se obtienen por temple en agua y revenido posterior, cuya temperatura puede llegar a 650ª hasta 750ºC para obtención de mejor ductilidad y resistencia al choque. Efecto del contenido de Carbono sobre las propiedades del acero de medio carbono normalizado, ver figura 9.
El manganeso, en los contenidos más elevados mejora la resistencia mecánica, como sería de esperar. Estos aceros presentan también buena maquinabilidad y soldabilidad. La mayoría de las aplicaciones industriales de piezas fundidas son hechas con estos tipos de acero, destinada sobre todo a la industria automovilística, ferroviaria, naval, de equipos eléctricos, maquinaria agrícola, equipos de excavación y construcción, etc.
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Aceros de alto carbono Para piezas fundidas, presentan la siguiente gama de composición química: C
Mayor a 0,50%
Mn
0,50 – 1,50%
Si
0,35 - 0.70%
P
0,05% máx.
S
0,05% máx.
La figura 10 (Efecto del contenido de Carbono sobre las propiedades Mecánicas de los aceros de alto carbono para fundición) muestra las propiedades mecánicas en estado de recocido de estos tipos de aceros. Las piezas fundidas pueden ser ocasionalmente sometidas a un normalizado y revenido, el temple en aceite y revenido mejoran apreciablemente las propiedades mecánicas.
Las principales aplicaciones de estos aceros son hechas cuando se exige altas durezas y resistencia a la abrasión, en piezas tales como matrices o estampas, cilindros de laminadores, partes de máquinas operativas, etc. 22
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Desoxidación Los aceros fundidos todos vienen con la denominación de “aceros calmados” Estos aceros que han sido tratados en el estado líquido con desoxidantes para evitar las reacciones que formen gas durante la solidificación que son los causantes de porosidad en los aceros. Los desoxidantes usuales son del grupo del silicio, manganeso, aluminio, titanio, calcio, zirconio y selenio. Algunos de estos elementos tienen una doble acción, desoxidantes y como elementos aleantes combinándose como por ejemplo con el nitrógeno, azufre o el carbono. En el proceso de desoxidación, ellos forman carburos, nitruros y sulfuros, algunos aparecen en el acero sólido como inclusiones no metálicas. Ellos también modifican el tamaño y la naturaleza de las inclusiones no metálicas y el crecimiento del grano característico durante los tratamientos térmicos. Una apropiada manipulación del proceso de desoxidación puede ejercer algún control sobre las propiedades mecánicas del acero.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Propiedades generales de ingeniería La principal característica del acero, que le distingue de otros materiales ferrosos, es la combinación de gran resistencia, ductilidad y tenacidad. Ocasionalmente para propósitos especiales los aceros son producidos con una considerable resistencia a la tensión, soportando hasta las 200.000 psi. Algunos grados son hechos adoptando propiedades resistentes a la corrosión, abrasión, erosión fallando a alta o baja temperatura, y combinaciones de condiciones de servicio destructivo extraordinarias. La Tabla 5 señala los rangos de composición química y contantes físicas de algunos aceros fundidos. Los rangos son amplios debido a la variedad de aleaciones y tratamientos térmicos usados. La gran variedad de combinación de elementos factibles para usarlos en la producción de aceros aleados y los enormes rangos de propiedades físicas son hacen posible a través de la composición química y el tratamiento térmico. Métodos de manufactura La mayoría de las piezas fundidas en acero se fabrican en moldes de arena, aunque algunas son hechas por fundición centrifugada, pero por las altas temperaturas de colada y el alto grado de contracción limita el proceso de moldes permanentes.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Los moldes para fundir piezas de acero deben poseer propiedades especiales, deben soportar las altas temperaturas de vertido del metal fundido, permitir el escape de los gases generados en el molde y también deben ser preparados para que el metal fundido sea introducido dentro de la cavidad del molde en el volumen correcto y a una velocidad adecuada, debe ser hecho para asegurar la solidificación de la pieza, con el sistema de alimentación que compense la contracción volumétrica y que la contracción sólida ocurra fácilmente. Ver Figura 11, una pieza de acero al carbono fundida, con sistemas de alimentación y de colada o vertido. Para la preparación de los moldes, hoy se cuenta con materiales aglomerantes como las resinas con aldehídos, furánicas o alquímicas que tienen alta resistencia y facilitan la contracción, el desmolde,
buen acabado superficial, mayor precisión que los moldes
convencionales. Las piezas fundidas luego de solidificadas y enfriadas adecuadamente en el molde son limpiadas y extraídos los sistemas de alimentación y colada y otros excesos de metal con sistemas mecánicos de corte, con arco eléctrico o gas. Según el trabajo a realizar estas piezas son sometidas a tratamientos de recocido, normalizado o temple en agua o aceite según el tenor de carbono, y luego el revenido.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Muchas veces solo se realiza un aliviado de tensiones, calentando las piezas a temperaturas debajo del rango crítico, para eliminar las tensiones que durante la solidificación han ocurrido y luego se enfrían a una velocidad de 250 y 320 °C por hora hasta temperatura ambiente. Cambios estructurales Esencialmente el acero es una aleación de los elementos Hierro y Carbono, el Carbono está limitado a 2,11% El Fierro tiene varios grados de solubilidad del carbono en función de la temperatura. Estas relaciones y sus modificaciones por otros elementos químicos y el tratamiento térmico, provee una variedad de estructuras
microscópicas.
El
control
de
estas estructuras da al acero un amplio rango de propiedades. Una ayuda para entender las estructuras del acero es la información que muestra el diagrama Fierro – Carbono, Figura 12, el cual representa la constitución de las aleaciones Fierro-Carbono en equilibrio a cualquier temperatura. La temperatura está ploteada verticalmente y la composición (en porcentaje) horizontalmente. Cualquier punto en el diagrama representa una aleación definida a una temperatura definida. Es evidente que a temperatura ambiente el Fierro que no contiene Carbono, presenta una única estructura, la Ferrita (Figura 13) la cual es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm2 (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768 ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910 ºC su comportamiento es paramagnético. La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono. Los aceros que contienen cerca de 0,77% C presentan como estructura algunos granos de Ferrita y granos de Perlita, variando ésta de cero a cien por ciento. Ver Figura 14, micrografía, acero con 0,77% C con transformación total de Austenita a Perlita (Ferrita blanca y Cementita laminar oscura.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Otros microconstituyentes Las texturas básicas descritas (perlita y ferrita) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes: Los diagramas
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Tiempo – Temperatura – Transformación se han establecido para explicar el comportamiento de muchos aceros cuando la descomposición de la austenita es eliminada. La Martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la Cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros. Figura 15. La Martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. El tipo de martensita depende del contenido de C que contenga el acero, ver figura 16. %C < 0,6 Martensita en "cintas" 0,6 a 1 %C Mixta 1,2 < %C Martensita en agujas
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR
La martensita se produce sin difusión, como la reacción ocurre rápidamente y a tan baja temperatura no hay tiempo para que la difusión actúe. La transformación no requiere superar mediante activación térmica una barrera de energía, por lo tanto se llama transformación atérmica. No hay cambios de composición en el paso de austenita a martensita, no originándose la migración de los átomos de Carbono. Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la Bainita, (Figura 17) estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla. También se puede obtener Austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gamágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Soldabilidad de los aceros fundidos Los aceros fundidos y las piezas de aceros fundidos tienen la característica de soldadura comparable con los aceros de la misma composición química hechos por otros procesos de manufactura. Quizá alguna diferencia sería que casi todas las piezas fundidas después de soldadas son tratadas térmicamente, estos eliminan dos desventajas de soldadura de los aceros conformados, los puntos duros adyacentes a la soldadura y severos esfuerzos de soldadura. Ver Figura 18.
La soldadura en piezas fundidas de acero se requiere por varios propósitos: Reparar defectos de manufactura. Unir varios componentes de piezas de variada geometría. Unir partes fundidas a otras partes de acero conformado. Reparación de piezas en trabajo.
De los varios métodos de soldadura, son los procesos SMAW y OFW los más usados. Es muy importante tener en cuenta, el concepto de Soldabilidad en aceros al carbono así como en los de baja y media aleación, también el concepto de Carbono Equivalente conocer las tendencias actuales en la fabricación de aceros para soldadura de piezas fundidas, como la influencia de la velocidad de enfriamiento y de la dureza equivalente y la selección de temperatura de precalentamiento y tratamientos térmicos post soldadura. 30
Mg. HUGO FERRO CUELLAR La temperatura de precalentamiento, es aquella que debe tener previamente un material antes de ser soldado. La soldabilidad del acero está en relación directa con el tipo de acero, el espesor de la pieza lo que se vincula con la velocidad de enfriamiento una vez terminada la soldadura de la pieza. La velocidad de enfriamiento está en función de la composición química, espesor, entrada de calor, velocidad de avance, amperaje, tipo de electrodo. Esta velocidad de enfriamiento está relacionada directamente con las transformaciones que sufre el acero. El propósito del precalentamiento es disminuir el gradiente térmico entre el metal base y el material de aporte, disminuir la velocidad de enfriamiento, mejorar la ductilidad del
metal
base,
mejorar
la distribución de las tensiones internas en un área mayor y mejorar la velocidad de soldeo. La temperatura de precalentamiento está en función de: Proceso de soldadura, material de aporte, material base y la forma de la pieza. Un estudio de la zona afectada por el calor nos permite deducir que aplicar un proceso de soldadura sin ningún control produce cambios severos en la estructura del acero, Hay varios métodos para calcular la temperatura de precalentamiento, todos coinciden con dos factores importantes composición química y espesor a los que se agrega el factor de difusión de hidrógeno (cantidad de hidrógeno en el revestimiento. Método de Zeferian (el más conocido y usado) Método de British Welding Reserach Association Método del Instituto Internacional de Soldadura (IIS) Método de Ito y Bessyo (Instituto Japonés de Soldadura)
La soldabilidad de los aceros fundidos va incrementando su dificultad en la medida que se incrementa el contenido de carbono por los efectos de endurecimiento en la zona afectada por el calor. Tabla 6.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Soldabilidad de los Aceros Fundidos Tipo de
Soldabilidad
Acero I
Relievado de esfuerzos
general
Precalentamiento
Aceros al carbono
Fácilmente
ninguno
Carbono < 0,30
soldable
Composición
Recocido ninguno
Aceros de baja aleación C < 0,15 II
Aceros al carbono
Soldar
C entre 0,35 - 0,5
con
Aceros
de
baja
Preferible
Preferible
Necesario
Necesario
cuidado
aleación C 0,15 - 0,30 III
Aceros al Carbono > 0,50 Acero
Difícil de Soldar
de
baja
aleación, C > 0,30 aleantes > 3,0%
Tabla 6
Otra forma de clasificar la soldabilidad es relacionando la dureza del metal base que depende de la composición química y el grado de precalentamiento. Ver Tabla 7. Si bien es necesario el relievado de tensiones para algunos aceros, debe ser una práctica general para todas las piezas fundidas soldadas
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Clasificación de la soldabilidad Dureza promedio Grado
Relievado
HB
Precalentamiento
I
Debajo de 200
Innecesario
II
200 - 250
Ligero para secciones
Secciones gruesas
gruesas
(o delgadas)
de
esfuerzos Innecesario
III
250 - 325
300ºF
Todas las secciones
IV
Arriba de 325
400ºF
Sin enfriar desde el precalentamiento
Tabla 7
Tratamientos térmicos regulares como el normalizado o el temple y revenido, eliminan la zona afectada por el calor y mejoran las propiedades físicas del metal base y también del metal de soldadura si su composición es apropiada
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LAS FUNDICIONES HIERRO-CARBONO INTRODUCCION En Latinoamérica es muy conocido el termino fundición de hierro, o hierro colado, por cuanto alguna vez hemos tenido o con alguna pieza de este (o similar) material, es bien sabido la gran cantidad de objetos que se fabrican con este tipo de aleación, desde el bloque de cilindros de un motor, hasta la prensa de un banco, una biela hasta una llave para tubo; todo ello evidenciando la gran utilidad de tal material. Por lo anterior, son muchas las veces que es imprescindible reparar alguno de estos elementos para lo cual siempre contaremos con la importante experiencia del soldador, aquel que “siempre hace este trabajo”; ahora bien, la experiencia del soldador es invaluable; pero qué tal si le añadimos un análisis técnico al material (conforme su utilidad) y lo reparamos siguiendo un procedimiento, respetando los requerimientos sobre aporte térmico, que al fin y al cabo son los que determinaran la vida útil adicional del elemento. Este y otros aspectos serán planteados en esta edición, procurando (como es nuestro propósito) transmitir información útil que pueda ser aplicable en un momento dado. TIPOS DE FUNDICIONES FERRROSAS
En termino general las fundiciones hierro-carbono contienen un porcentaje de Carbono entre el 2.0% y el 6.67%, con cantidades de Silicio del 0.3 al 4.0%, de Manganeso hasta 1%, bajo nivel de Azufre y Fósforo, donde el Carbono puede presentarse en forma de grafito o cementita. Algunas características generales de los hierros fundidos son la baja ductilidad, por consiguiente poca capacidad de conformación a temperatura ambiente, limitada conductividad eléctrica y térmica, y gran capacidad para absorber las vibraciones. Una clasificación básica, parte del color aparente de fractura. Fundición gris Fundición Blanca Fundición Maleable Fundición Dúctil
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Fundición Gris Las partes de máquinas y equipos que están expuestos a un alto nivel vibracional se suelen construir con este tipo de fundición. Por causa de su elevada fluidez durante el proceso de fundido, es muy apropiada para fabricar elementos de formas intrincadas, adicional a esto durante la solidificación esta fundición presenta muy poca contracción. Otra característica de gran importancia es que esta fundición es la más económica del mercado. La microestructura típica contiene celdas eutécticas de grafito, en escamas interconectadas. El punto en el cual se conectan estas hojuelas es el núcleo de grafito.
Las fundiciones grises se dividen en dos clases: 1.
Fundición gris perlítica En los constituyentes de esta fundición, las láminas de grafito se hallan sobre un fondo perlítico, con la presencia de algunos granos de ferrita. Ver figura 1.
2. Fundición gris ferrítica
Se caracteriza por que las láminas de grafito se encuentran sobre granos de ferrita. Ver figura 2. Las fundiciones Grises se dividen también en siete tipos (20, 25, 30, 35, 40, 50 y 60), los cuales expresan en miles de psi la mínima resistencia a la tensión de cada material. La tabla 1 presenta esta clasificación junto a otros datos de interés. El nombre de Fundición Gris, procede de su color de fractura. Aplicaciones Típicas: Soportes, válvulas, palancas, cilindros y bloques de motores.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Hierro Blanco El hierro blanco se caracteriza por contener cementita (carburo de hierro) como su constituyente principal, es bastante duro y frágil, teniendo gran resistencia al desgaste y poca capacidad de maquinado. La figura 3 contiene una micrografía de este tipo de fundición.
El hierro blanco también se utiliza en grandes volúmenes para la fabricación de fundición maleable.
La superficie de rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca la cual le da su nombre.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Fundición maleable Esta fundición se obtiene a partir del hierro blanco (no aleado) tratado térmicamente con un proceso de recocido, elevando su temperatura entre 800 y 950°C, durante periodos prolongados y en atmosfera neutra (para evitar la oxidación) de esta manera se descompone la cementita formada durante la solidificación, y se transforma en nódulos de grafito.
La figura 4 contiene una micrografía de fundición maleable europea, esta se obtiene realizando el citado tratamiento durante uno o dos días, en presencia de óxido férrico, el cual oxida el carbono superficialmente, con la consecuente reducción del contenido de este en la composición final.
En la imagen anterior se pudo observar el fondo perlítico y el Carbono revenido y uniformemente distribuido.
La figura 5 contiene la imagen de una fabricada en USA, esta se produce prolongando el recocido, en algunos casos hasta por ocho días, vemos la estructura de fondo ferrítica, en la que los nódulos irregulares del Carbono revenido están uniformemente diseminados.
Aplicaciones Típicas: Tubos armamentos, válvulas para
de
dirección,
ferrocarriles
y
engranajes elementos
de para
transmisión, barcos y
herramientas pequeñas tales como: llaves, prensas de mano y tijeras. 4
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
En la tabla 2 se detallan las propiedades básicas de las fundiciones maleables.
Fundición Dúctil También denominada Fundición Esferoidal o Fundición Nodular, se caracteriza por presentar el grafito en forma esferoidal, esto es producido por la adición de magnesio a la colada. Para producir este metal se requiere cumplir varios pasos. 1.
Desulfurización: El Azufre hace que el grafito crezca en forma de hojuelas, se obtiene hierros con bajo contenido de Azufre fundiendo materiales con baja carga de azufre; o fundiéndolos en hornos que eliminen el azufre durante el proceso de fusión, o mezclando el hierro con algún elemento o compuesto desulfurizante.
2. Nodulación: El magnesio que se agrega, elimina cualquier Azufre y Oxigeno que todavía quede en el metal líquido y deja un residuo de 0.03% Mg, el cual aumenta el crecimiento del grafito esferoidal. El magnesio se agrega aproximadamente a los 1500 °C. 3. Inoculación: El magnesio por sí mismo es un estabilizador de carburos, y hace que durante el proceso de solidificación se forme fundición blanca. Por lo anterior,
5
Mg. HUGO FERRO CUELLAR después de la nodulación, se debe inocular el hierro con aleaciones de FeSi.
En la figura 6 se puede observar esta clase de microestructura.
En la tabla 3 podemos identificar algunas propiedades mecánicas de este tipo de fundición. Aplicaciones Típicas: Válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, componentes para automóviles, matrices para el estampado y troquelado de otros metales.
Comprendiendo un poco la diferencia de cada tipo de fundición, podremos adentrarnos en el ámbito de la soldabilidad, así como también de algunas recomendaciones referentes a la identificación del material.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN
Cuando se labora en un taller son muchas las ocasiones en que llega algún elemento o pieza de maquinaria para ser reparada, adonde el cliente desconoce por completo el tipo de material que necesita ser soldado; dicha incertidumbre debe ser eliminada por completo, por medio de documentos técnicos que especifiquen los materiales, o en su defecto por medio de algunos ensayos superficiales realizados por un soldador experimentado.
Como en cualquier metal, el tipo de microestructura es el que determina las propiedades mecánicas del mismo, por lo tanto será importante identificar de la mejor manera posible el material a soldar. Esto permitirá seleccionar el tipo de electrodo a aplicar –tamaño, composición, tipo de proceso, etc-; aporte térmico adicionalprecalentamiento, poscalentamiento, etc-; sujeción; amartillado; etc.
Los aspectos más relevantes a tener en cuenta durante el proceso de identificación de una pieza de fundición, para su posterior reparación son los siguientes:
Especificación del metal Historial térmico Historial mecánico Uso Identificación Visual de Superficie Identificación Visual de Fractura Identificación de Chispa
Especificación del metal. Cuando una pieza es nueva o de reciente adquisición, esta podría tener alguna especificación (documento) adonde se determine el tipo de material, composición, propiedades mecánicas, etc; de tal manera que la reparación de esta se determinara como resultado de esta información, como también por la configuración de la pieza y espesor de pared. Será mucho más fácil realizar una aplicación de soldadura para la reparación de dicho elemento. 7
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Historial térmico
En el caso de que sea una pieza un poco antigua y no exista ninguna especificación, pero se conoce su historial térmico y mecánico. Esto se entiende como, ¿qué tratamiento térmico se le aplico al fabricarse? ¿Trabaja bajo condiciones de temperatura constante o variable? ¿Fue reparada anteriormente? ¿En qué parte? Etc. Si esta información está disponible será de gran utilidad para desarrollar un método de reparación.
Historial mecánico
¿El elemento a reparar; durante su vida útil permanece sometido a algún tipo de fuerzas de tensión, tracción, compresión o impacto? Etc. ¿Fue reparado con anterioridad? Etc
Uso
Conocer el tipo de función que esta pieza cumple en el conjunto o equipo, es supremamente importante para poder planificar un buen proceso de reparación. Se deberá identificar: ¿Que hace la pieza? ¿Permanece en ambiente seco o sumergido en algún fluido?
Identificación visual de superficie
La observación de la parte superficial externa del elemento de fundición (el brillo, la rugosidad y el color) nos brinda algunas evidencias de la naturaleza de la aleación. Las piezas que han sido fundidas en arena tienen un aspecto bastante rugoso y generalmente tienen formas bastante complejas, en cambio en las forjadas el aspecto es escamoso y poco rugoso pero con diseños simples. Otra manera para identificar la naturaleza del material de fundición, es por medio de limar la superficie de la pieza, en sentido transversal a la máxima longitud del elemento, conforme sea el aspecto de las líneas del limado podremos identificar su naturaleza así como también el grado de dureza de este. 8
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Identificación visual de fractura
La forma, color, y configuración de la superficie de fractura nos señala detalles como: dirección de rotura, punto de inicio, naturaleza de la rotura (dúctil o frágil): por ejemplo una fundición maleable es dúctil y su apariencia es un centro oscuro y una película exterior plateado –por causa del tratamiento térmico-; mientras una fundición gris es bastante frágil su apariencia es cristalina y plana, su color es gris oscuro y al frotarla se observan trazas de grafito que se adhieren a la piel; la apariencia de una fundición blanca es de un blanco brillante.
Identificación de chispa
Otro método empírico, utilizado para determinar el tipo de metal es el de la chispa producida por amolado. Este consiste en identificar la cantidad de carbono presente en la composición por medio de observar las características de la chispa: longitud, color, brillo, forma, etc. Lo anterior se puede definir conociendo de antemano el tipo de chispa de cada aleación, pero si no se conociera, será necesario realizarle la prueba a algún trozo de fundición de chatarra (conocido) y así por comparación precisar el tipo de material.
Es importante identificar simultáneamente si dicha fundición fue tratada térmicamente, ya que aunque fuese una fundición conocida, esta sería alterada microestructuralmente por tal proceso; y las características de las chispas cambiaran drásticamente.
Se recomienda mantener muestras de metales de especificación conocida, por cuanto serán de gran utilidad para comparar e identificar el tipo de material a reparar.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR En la figura 7 podemos observar algunas diferencias en las chispas de algunos hierros.
a
Hierro forjado
b
Fundición maleable
c
Fundición gris
d
Hierro blanco
SOLDABILIDAD DE LAS FUNDICIONES FERROSAS En general la soldabilidad metalúrgica de las fundiciones ferrosas, depende de los siguientes factores: Composición química Tipo de tratamiento térmico (si aplica)
Determinan el tipo de microestructura
Función de la pieza La composición química (CE) es decir, el nivel de carbono y otros elementos en la aleación, es un importante factor en la determinación del grado de soldabilidad del elemento, ya que en fundiciones no tratadas, este es el que establece el tipo de microestructura final. En las fundiciones tratadas térmicamente la formación final de microconstituyentes es compartida tanto por el CE como por el tipo de tratamiento térmico aplicado. Sabemos que el tipo de microconstituyente es el que define las propiedades mecánicas de un metal, por lo tanto deberá ser el primer factor a tener en cuenta al proyectar una reparación en un elemento de fundición.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR El papel o finalidad de la pieza, también es de gran importancia en la factibilidad del proceso de reparación de una fundición, por causa que si este ha permanecido y/o labora bajo ambientes grasos o sumergido en algún tipo de fluido, esto producirá que la microestructura se hubiera contaminado (los constituyentes de las fundiciones son un poco porosos) por absorción. Pero adicional a esto si el rio labora bajo altas temperaturas (en ambiente seco y/o húmedo) es muy probable que por causa del requemado, se presenten estructuras de alta fragilidad por crecimiento de grano.
Bien podemos resumir que la reparación de un elemento de fundición es un asunto que requiere toda nuestra atención en procura de generarle una vida útil adicional sin que se presenten fracturas –por lo menos- en la misma sección reparada. La selección del tipo de material de aporte depende –entre otros- del tipo de fundición, de la configuración de la pieza, espesor de la sección afectada, nivel de contaminación del elemento y tamaño de la pieza. Las fundiciones ferrosas se pueden reparar por medio de los siguientes procesos: OFW SMAW Nota: En USA y algunos países de Europa ya se están desarrollando metales de aporte para fundiciones ferrosas incluso para los procesos FCAW y GMAW, en Latinoamérica no se ha masificado su uso. La soldadura de fundiciones ferrosas realizada con el proceso OFW se recomienda para piezas pequeñas y de poco espesor, por lo general menor a ¼”. Estas se realizaran usando aportes de Ni o Cu puros o aleados. La aplicación de soldadura SMAW para reparar fundiciones ferrosas se puede realizar en caliente o en frio. Recomendaciones para soldeo en caliente. Con el proceso SMAW, es más recomendable reparar elementos de gran tamaño y peso, este método nos brinda mejores resultados al generar depósitos más sanos, por cuanto el metal de aporte se mantiene más tiempo en estado líquido, facilitando la evaporación de impurezas y gases. Por medio del proceso OFW es más factible el soldeo de piezas de reducido espesor y tamaño. Seleccionar el electrodo que genere el mínimo aporte térmico. 11
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Si se ha de maquinar aplicar electrodos de Níquel, Cromo o Cobre, puro o sus aleaciones. Realizar una buena preparación superficial retirando los óxidos, grasas y aceites por medio de maquinado, amolado, grata y/o productos químicos (por ejemplo Tetracloruro de Carbono). Perforar los extremos de las grietas para limitar su prolongación. Cuando se ubiquen grietas, estas se biselaran preferentemente en U y no en V ya que de esta forma limitan la aparición y prolongación de las fisuras. Soldar primero sobre las secciones biseladas dejando de ultimo las perforaciones hechas con taladro. Bloquear en lo posible las corrientes de aire sobre la pieza. Precalentar la fundición, entre 450 y 650˚C, con flama o en horno. Mantener la temperatura de precalentamiento, hasta que se concluya la operación de soldeo. Soldar con cordones largos y sin martillar. Limpiar y eliminar la escoria entre cordón y cordón. Al concluir cada cordón, dejar que este se enfríe (la temperatura no deberá exceder aquella que soporta la mano en o con la pieza) para aplicar el siguiente. Enfriar lentamente en horno o con cal, asbesto, ceniza entre otros. Estos materiales se deberán precalentar entre 20 y 25 °C, antes de sumergir la pieza en ellos.
Recomendaciones para soldeo en frío. 1.
Seleccionar el electrodo que genere el mínimo aporte térmico.
2. Utilizar electrodos de poco diámetro y con bajo amperaje, pero suficiente para producir una buena fusión. 3. Realizar una buena preparación superficial retirando los óxidos, grasas y aceites por medio de maquinado, amolado, grata y/o productos
químicos (por ejemplo Tetracloruro de Carbono). 4. Perforar los extremos de las grietas para limitar su prolongación. 5. Las grietas se biselaran preferentemente en U y no en V ya que limitan la aparición y prolongación de las fisuras.
12
Mg. HUGO FERRO CUELLAR 6. Limitar en lo posible las corrientes de aire sobre la pieza. 7. Mantener el mínimo aporte térmico. 8. Aplicar cordones de hasta 1 ½” de longitud y sin oscilación; efectuando la aplicación de cordones “Paso de Peregrino”. 9. Golpear moderadamente cada cordón con 10. Aplicar cordones alternados
el propósito de aliviar tensiones.
a la pieza para evitar el calentamiento de esta.
11. Limpiar la escoria entre pases para evitar la inclusión de escoria. 12. Controlar su lento enfriamiento.
Para aumentar la resistencia mecánica en piezas que están sometidas
a
grandes
esfuerzos, se pueden colocar pernos en las caras biseladas, posterior a su perforación. Los espárragos no se recomiendan para espesores menores de ½”. Los espárragos muy unidos debilitan la pieza y muy separados no le dan la consistencia necesaria, por lo tanto, deben colocarse separados entre sí unas tres veces el diámetro del espárrago, la profundidad debe ser de 1.5 veces el diámetro y deberá sobresalir entre el 50% y el 80% del diámetro. Estos espárragos deben quedar bien fijos, de lo contrario debilitarían la pieza. Una vez colocados, se procede a soldar, aplicando un cordón alrededor de cada uno de ellos, antes de rellenar el bisel en sentido longitudinal.
La Figura 8 nos muestra tres imágenes sobre el método de reparación de una gran prensa.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Tipos de metales de aporte para fundiciones ferrosas.
Existen básicamente dos: Ferrosos: (fe- C y aleado) poca o nula maquinabilidad. Únicamente para el proceso SMAW. No ferrosos: (Pueden ser de Níquel, Cromo, Cobre, o sus compuestos) buena u optima maquinabilidad. Para los procesos SMAW y OFW. 14
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Algunos datos sobre fundiciones ferrosas Estadística mundial de producción de fundiciones. Fundición gris, 80% Hierro Blanco, 10% Fundición Maleable, 5% Fundición Dúctil, 5% Nivel de soldabilidad de las diferentes fundiciones Fundición gris, fácilmente soldable. Hierro Blanco, muy limitada soldabilidad. Fundición Maleable, muy limitada soldabilidad. Fundición Dúctil, buena soldabilidad.
CONCLUSIÓN Por cuanta cada pieza de fundición tiene unas características e historia térmica y mecánica únicas, es necesario diseñar un pr0cedimiento también muy específico para la aplicación de soldadura de mantenimiento y reparación. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: 1.
ASM Metal Handbook. Volume 6. Welding, brazing and soldering. Nineth edition. 1994.
2. ASM Metal Handbook. Volume 2. Welding process. Nineth edition. 1994. 3. ASM Metal Handbook. Volume 15. Casting. Nineth edition. 1992. 4. AWS. Welding Handbook. Welding and their Weldability. Eighth edition. 1991. 5. AWS. Welding Handbook. Welding processes. Eighth edition. 1991. 6. AWS. Welding Handbook. Application. Ninth edition. 1996. 7. Cary Howard B. Modern welding technology. Third edition. Regents / Prentice Hall. 1994. 8. The James F Lincon Arc Welding foundation, The Procedure Handbook of Arc 15
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Welding. Fourteenth Edition. 2000. 9. Welding Metallurgy. Sindo Kou, 2 edition, 2003. 10. Metalcasting and Molding Processes, American Foundrymen's Society, 1981 11. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3 edición, Donald askeland.1998. 12. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, edición en español, William Callister, 1996. 13. The James F Lincon Arc Welding foundation, Metals and how to weld them. Second edition, 1990.
FUNDICIONES DE ACEROS AL CARBONO INTRODUCCION El acero es uno de los materiales más complejos y versátiles usados en la fabricación de piezas. Las variaciones en composición química son extremadamente numerosas y las propiedades mecánicas se logran seleccionando solamente los tratamientos térmicos. Se fabrican en variados espesores, pesos y tamaños, formas simples e intrincadas. El Acero El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% C hasta menos de un 2,11% C) y otros elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción como el manganeso y silicio o a la dificultad de excluirlos totalmente del metal como el azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno o a circunstancias casuales cromo, níquel, cobre y otros. Tienen características muy b en definidas, y el contenido de carbono influye sobre sus propiedades y características, es así que el aumento del contenido en centésimas por ciento de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. El contenido de carbono influye en la soldabilidad del acero, a mayor contenido de carbono se dificulta la operación de soldeo y a menor contenido de carbono se incrementa su soldabilidad.
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Mg. HUGO FERRO CUELLAR Fundición de Acero Acero fundido es aquel que es vertido o vaciado en molde de arena o metálicos, donde solidifica y adquiere la forma exacta de la cavidad del molde, de modo de presentar la forma prácticamente definitiva, sin necesidad de ninguna transformación mecánica posterior. Además del carbono (0,05 – 2,10%) el cual imparte las propiedades básicas al acero, otros elementos, que se encuentran en los aceros conformados también están presentes en los aceros fundidos. Estos incluyen al manganeso, silicio, fósforo y azufre. Estos elementos usualmente están el siguiente rango: Manganeso (%) 0,5 – 1,0 Silicio (%)
0,2 – 0,8
Fósforo (máx. %)
0,05
Azufre (máx. %)
0,06
Aluminio (%) 0,0 – 0,10 Otros elementos residuales como Níquel y Cobre pueden estar presentes. Hay materiales conteniendo entre 1,7 a 2,0% C que no presentan grafito, se llaman aceros, sin embargo hay otras piezas con menos de 1,7 % C que presentan grafito. De allí que se hace difícil marcar un límite del contenido de carbono entre los aceros y fundiciones. El gran empleo del acero fundido se debe al hecho que se puede producir, por fundición, piezas de una gran variedad de formas y dimensiones, con resistencia y tenacidad razonables y a un costo relativamente bajo. En realidad desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se ite generalmente que el material fundido sea de calidad menor al trabajado por conformado. Además de eso, es frecuente que las piezas fundidas presenten algunos defectos superficiales o internos, típicos de los procesos de fundición. En rigor, por lo tanto las piezas de acero fundido deben poseer ciertos requisitos, los más importantes son: Homogeneidad (sección sana en toda su extensión) Granulación fina. Completa ausencia de tensiones internas.
17
Mg. HUGO FERRO CUELLAR El primer requisito es alcanzado mediante el proyecto adecuado de la pieza y del molde, con los sistemas de colada y alimentación debidamente localizados y mediante apropiada desoxidación del acero en la fusión. Los otros, granulación fina y ausencia de tensiones internas se logran mediante el tratamiento térmico apropiado que posibilite normalizar la textura excesivamente gruesa y dendrítica del acero fundido y eliminar las tensiones internas originadas durante la solidificación del metal en el interior del molde y que pudieran originar torceduras y distorsiones de las piezas en servicio. Debido a la importancia del asunto, se harán a continuación algunas consideraciones de orden técnico relativas al proyecto de las piezas y moldes correspondientes, así como a los métodos de producción, fundición del acero, vertido, etc. Tipos de acero para fundición Para piezas fundidas de acero al carbono, el contenido de carbono determina una clasificación usada para las fundiciones comerciales. Pueden ser considerados cinco clases de aceros fundidos comerciales: Aceros de bajo Carbono (C inferior a 0,20%) Aceros de medio Carbono (C entre 0,20 y 0,50%) Aceros de alto Carbono (C sobre 0,50%) Aceros al Carbono de bajo contenido de aleación (contenido total de aleación inferior al 8,0%) Aceros de alta aleación (contenido total de aleación superior al 8,0%)
Hay piezas fundidas hechas de acero a los cuales se adicionan manganeso o silicio en mayor proporción que la requerida para la desoxidación completa (arbitrariamente sobre 1,0%) o uno o más elementos aleantes se agregan, estos son principalmente cromo, níquel y molibdeno, pero también se puede incluir, Boro, Cobre, Cobalto, Tungsteno, Aluminio, Vanadio, Titanio y Niobio.
18
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Aceros de bajo carbono Presentan en su mayoría, la composición química siguiente: C
0,16 a 0,19%
Mn
0,50 a 0,80%
Si
0,35 a 0,70%
P
0,05% máx.
S
0,06% máx.
Manganeso y Silicio: En los aceros al carbono, ambos elementos son residuales, resultantes de la práctica de la desoxidación, están en solución, disueltos en la ferrita y no son visibles cuando el acero es examinado al microscopio. Ambos elementos confieren resistencia y dureza, influyen sobre la transformación del acero cuando se enfría desde elevadas temperaturas, en otras palabras ellos incrementan la templabilidad del acero.
Azufre: El manganeso se combina con el azufre que está presente en el acero para formar un compuesto no metálico, el sulfuro de manganeso que es una inclusión. El rol del aluminio como desoxidante sirve para controla la forma y distribución del sulfuro. Son identificados cuando se examinan en el microscopio porque no son solubles en el acero sólido. Como todo el azufre aparece como inclusiones de sulfuro, el contenido de azufre es limitado a 0,06% máximo para evitar el efecto dañino sobre la ductilidad y tenacidad que podrían afectarse si el azufre está en exceso.
Fósforo: El fósforo es limitado al 0,05% debido a la tendencia a la fragilización del acero a bajas temperaturas, principalmente para cortos enfriamientos. Como el manganeso y silicio es soluble en el fierro y no es visible en el análisis microscópico, como sí aparece en el hierro fundido como esteadíta. 19
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
La tabla 4 muestra las propiedades mecánicas de aceros al carbono de bajo carbono típicos para fundiciones en estado recocido. No hay mucha diferencia entre las propiedades de esos aceros en los estados recocidos, normalizado e incluso en estado fundido. Sin embargo, las piezas fundidas a partir de esos aceros son recocidas o normalizadas para refinar o normalizar su estructura y aliviar las tensiones internas sobre todo cuando se trata de piezas con diferentes secciones.
Propiedades de resistencia a la tensión de aceros fundidos de bajo contenido de carbono
Carbono
Resistencia
Punto de
Elongación
Reducción
a la tensión
Fluencia
en 2 pulgadas
de área
Lb /in
%
2
Lb / in
2
%
%
0,10
56 000
29 000
36,0
64,0
0,15
62 000
33 000
33,0
58,0
0,20
68 000
38 000
30,0
52,0
Tabla 4
Eventualmente las propiedades pueden ser ligeramente mejoradas por temple y revenido siempre que la forma de las piezas fundidas permitan el temple en agua sin fisuración. Las piezas fundidas de acero al carbono con bajo contenido de carbono presentan buena soldabilidad y pueden ser endurecidas superficialmente por cementación. Se emplean en diferentes equipos y maquinarias, donde las formas son, en general, simétricas y las condiciones para la aparición de tensiones han sido bien determinadas, de modo que sean evitadas; o en formas y dimensiones de lo más variadas, para usos en general que exigen tratamientos de alivio de tensiones.
Las propiedades magnéticas de estos tipos de aceros para fundición tornan las piezas resultantes indicadas para la fabricación de equipos eléctricos.
Para mejorar la maquinabilidad se acostumbra a aumentar el contenido de azufre hasta 20
Mg. HUGO FERRO CUELLAR 0,08%. Aceros de medio Carbono Estos aceros presentan la siguiente composición: C 0,20 – 0,50% Mn
0,50 – 1,50%
Si
0,35 – 0,80%
P
0,05% máx.
S
0,06% máx.
Las piezas fundidas con aceros de mediano contenido de carbono son siempre sometidas a tratamiento de alivio de tensiones para refinar la estructura y mejorar la ductilidad. Muchas piezas son revenidas después de ser normalizadas. Las mejores propiedades de mecánicas de estos materiales se obtienen por temple en agua y revenido posterior, cuya temperatura puede llegar a 650ª hasta 750ºC para obtención de mejor ductilidad y resistencia al choque. Efecto del contenido de Carbono sobre las propiedades del acero de medio carbono normalizado, ver figura 9.
El manganeso, en los contenidos más elevados mejora la resistencia mecánica, como sería de esperar. Estos aceros presentan también buena maquinabilidad y soldabilidad. La mayoría de las aplicaciones industriales de piezas fundidas son hechas con estos tipos de acero, destinada sobre todo a la industria automovilística, ferroviaria, naval, de equipos eléctricos, maquinaria agrícola, equipos de excavación y construcción, etc.
21
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Aceros de alto carbono Para piezas fundidas, presentan la siguiente gama de composición química: C
Mayor a 0,50%
Mn
0,50 – 1,50%
Si
0,35 - 0.70%
P
0,05% máx.
S
0,05% máx.
La figura 10 (Efecto del contenido de Carbono sobre las propiedades Mecánicas de los aceros de alto carbono para fundición) muestra las propiedades mecánicas en estado de recocido de estos tipos de aceros. Las piezas fundidas pueden ser ocasionalmente sometidas a un normalizado y revenido, el temple en aceite y revenido mejoran apreciablemente las propiedades mecánicas.
Las principales aplicaciones de estos aceros son hechas cuando se exige altas durezas y resistencia a la abrasión, en piezas tales como matrices o estampas, cilindros de laminadores, partes de máquinas operativas, etc. 22
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Desoxidación Los aceros fundidos todos vienen con la denominación de “aceros calmados” Estos aceros que han sido tratados en el estado líquido con desoxidantes para evitar las reacciones que formen gas durante la solidificación que son los causantes de porosidad en los aceros. Los desoxidantes usuales son del grupo del silicio, manganeso, aluminio, titanio, calcio, zirconio y selenio. Algunos de estos elementos tienen una doble acción, desoxidantes y como elementos aleantes combinándose como por ejemplo con el nitrógeno, azufre o el carbono. En el proceso de desoxidación, ellos forman carburos, nitruros y sulfuros, algunos aparecen en el acero sólido como inclusiones no metálicas. Ellos también modifican el tamaño y la naturaleza de las inclusiones no metálicas y el crecimiento del grano característico durante los tratamientos térmicos. Una apropiada manipulación del proceso de desoxidación puede ejercer algún control sobre las propiedades mecánicas del acero.
23
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Propiedades generales de ingeniería La principal característica del acero, que le distingue de otros materiales ferrosos, es la combinación de gran resistencia, ductilidad y tenacidad. Ocasionalmente para propósitos especiales los aceros son producidos con una considerable resistencia a la tensión, soportando hasta las 200.000 psi. Algunos grados son hechos adoptando propiedades resistentes a la corrosión, abrasión, erosión fallando a alta o baja temperatura, y combinaciones de condiciones de servicio destructivo extraordinarias. La Tabla 5 señala los rangos de composición química y contantes físicas de algunos aceros fundidos. Los rangos son amplios debido a la variedad de aleaciones y tratamientos térmicos usados. La gran variedad de combinación de elementos factibles para usarlos en la producción de aceros aleados y los enormes rangos de propiedades físicas son hacen posible a través de la composición química y el tratamiento térmico. Métodos de manufactura La mayoría de las piezas fundidas en acero se fabrican en moldes de arena, aunque algunas son hechas por fundición centrifugada, pero por las altas temperaturas de colada y el alto grado de contracción limita el proceso de moldes permanentes.
24
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Los moldes para fundir piezas de acero deben poseer propiedades especiales, deben soportar las altas temperaturas de vertido del metal fundido, permitir el escape de los gases generados en el molde y también deben ser preparados para que el metal fundido sea introducido dentro de la cavidad del molde en el volumen correcto y a una velocidad adecuada, debe ser hecho para asegurar la solidificación de la pieza, con el sistema de alimentación que compense la contracción volumétrica y que la contracción sólida ocurra fácilmente. Ver Figura 11, una pieza de acero al carbono fundida, con sistemas de alimentación y de colada o vertido. Para la preparación de los moldes, hoy se cuenta con materiales aglomerantes como las resinas con aldehídos, furánicas o alquímicas que tienen alta resistencia y facilitan la contracción, el desmolde,
buen acabado superficial, mayor precisión que los moldes
convencionales. Las piezas fundidas luego de solidificadas y enfriadas adecuadamente en el molde son limpiadas y extraídos los sistemas de alimentación y colada y otros excesos de metal con sistemas mecánicos de corte, con arco eléctrico o gas. Según el trabajo a realizar estas piezas son sometidas a tratamientos de recocido, normalizado o temple en agua o aceite según el tenor de carbono, y luego el revenido.
25
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Muchas veces solo se realiza un aliviado de tensiones, calentando las piezas a temperaturas debajo del rango crítico, para eliminar las tensiones que durante la solidificación han ocurrido y luego se enfrían a una velocidad de 250 y 320 °C por hora hasta temperatura ambiente. Cambios estructurales Esencialmente el acero es una aleación de los elementos Hierro y Carbono, el Carbono está limitado a 2,11% El Fierro tiene varios grados de solubilidad del carbono en función de la temperatura. Estas relaciones y sus modificaciones por otros elementos químicos y el tratamiento térmico, provee una variedad de estructuras
microscópicas.
El
control
de
estas estructuras da al acero un amplio rango de propiedades. Una ayuda para entender las estructuras del acero es la información que muestra el diagrama Fierro – Carbono, Figura 12, el cual representa la constitución de las aleaciones Fierro-Carbono en equilibrio a cualquier temperatura. La temperatura está ploteada verticalmente y la composición (en porcentaje) horizontalmente. Cualquier punto en el diagrama representa una aleación definida a una temperatura definida. Es evidente que a temperatura ambiente el Fierro que no contiene Carbono, presenta una única estructura, la Ferrita (Figura 13) la cual es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm2 (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768 ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910 ºC su comportamiento es paramagnético. La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono. Los aceros que contienen cerca de 0,77% C presentan como estructura algunos granos de Ferrita y granos de Perlita, variando ésta de cero a cien por ciento. Ver Figura 14, micrografía, acero con 0,77% C con transformación total de Austenita a Perlita (Ferrita blanca y Cementita laminar oscura.
26
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
Otros microconstituyentes Las texturas básicas descritas (perlita y ferrita) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes: Los diagramas
27
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Tiempo – Temperatura – Transformación se han establecido para explicar el comportamiento de muchos aceros cuando la descomposición de la austenita es eliminada. La Martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la Cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros. Figura 15. La Martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. El tipo de martensita depende del contenido de C que contenga el acero, ver figura 16. %C < 0,6 Martensita en "cintas" 0,6 a 1 %C Mixta 1,2 < %C Martensita en agujas
28
Mg. HUGO FERRO CUELLAR
La martensita se produce sin difusión, como la reacción ocurre rápidamente y a tan baja temperatura no hay tiempo para que la difusión actúe. La transformación no requiere superar mediante activación térmica una barrera de energía, por lo tanto se llama transformación atérmica. No hay cambios de composición en el paso de austenita a martensita, no originándose la migración de los átomos de Carbono. Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la Bainita, (Figura 17) estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla. También se puede obtener Austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gamágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.
29
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Soldabilidad de los aceros fundidos Los aceros fundidos y las piezas de aceros fundidos tienen la característica de soldadura comparable con los aceros de la misma composición química hechos por otros procesos de manufactura. Quizá alguna diferencia sería que casi todas las piezas fundidas después de soldadas son tratadas térmicamente, estos eliminan dos desventajas de soldadura de los aceros conformados, los puntos duros adyacentes a la soldadura y severos esfuerzos de soldadura. Ver Figura 18.
La soldadura en piezas fundidas de acero se requiere por varios propósitos: Reparar defectos de manufactura. Unir varios componentes de piezas de variada geometría. Unir partes fundidas a otras partes de acero conformado. Reparación de piezas en trabajo.
De los varios métodos de soldadura, son los procesos SMAW y OFW los más usados. Es muy importante tener en cuenta, el concepto de Soldabilidad en aceros al carbono así como en los de baja y media aleación, también el concepto de Carbono Equivalente conocer las tendencias actuales en la fabricación de aceros para soldadura de piezas fundidas, como la influencia de la velocidad de enfriamiento y de la dureza equivalente y la selección de temperatura de precalentamiento y tratamientos térmicos post soldadura. 30
Mg. HUGO FERRO CUELLAR La temperatura de precalentamiento, es aquella que debe tener previamente un material antes de ser soldado. La soldabilidad del acero está en relación directa con el tipo de acero, el espesor de la pieza lo que se vincula con la velocidad de enfriamiento una vez terminada la soldadura de la pieza. La velocidad de enfriamiento está en función de la composición química, espesor, entrada de calor, velocidad de avance, amperaje, tipo de electrodo. Esta velocidad de enfriamiento está relacionada directamente con las transformaciones que sufre el acero. El propósito del precalentamiento es disminuir el gradiente térmico entre el metal base y el material de aporte, disminuir la velocidad de enfriamiento, mejorar la ductilidad del
metal
base,
mejorar
la distribución de las tensiones internas en un área mayor y mejorar la velocidad de soldeo. La temperatura de precalentamiento está en función de: Proceso de soldadura, material de aporte, material base y la forma de la pieza. Un estudio de la zona afectada por el calor nos permite deducir que aplicar un proceso de soldadura sin ningún control produce cambios severos en la estructura del acero, Hay varios métodos para calcular la temperatura de precalentamiento, todos coinciden con dos factores importantes composición química y espesor a los que se agrega el factor de difusión de hidrógeno (cantidad de hidrógeno en el revestimiento. Método de Zeferian (el más conocido y usado) Método de British Welding Reserach Association Método del Instituto Internacional de Soldadura (IIS) Método de Ito y Bessyo (Instituto Japonés de Soldadura)
La soldabilidad de los aceros fundidos va incrementando su dificultad en la medida que se incrementa el contenido de carbono por los efectos de endurecimiento en la zona afectada por el calor. Tabla 6.
31
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Soldabilidad de los Aceros Fundidos Tipo de
Soldabilidad
Acero I
Relievado de esfuerzos
general
Precalentamiento
Aceros al carbono
Fácilmente
ninguno
Carbono < 0,30
soldable
Composición
Recocido ninguno
Aceros de baja aleación C < 0,15 II
Aceros al carbono
Soldar
C entre 0,35 - 0,5
con
Aceros
de
baja
Preferible
Preferible
Necesario
Necesario
cuidado
aleación C 0,15 - 0,30 III
Aceros al Carbono > 0,50 Acero
Difícil de Soldar
de
baja
aleación, C > 0,30 aleantes > 3,0%
Tabla 6
Otra forma de clasificar la soldabilidad es relacionando la dureza del metal base que depende de la composición química y el grado de precalentamiento. Ver Tabla 7. Si bien es necesario el relievado de tensiones para algunos aceros, debe ser una práctica general para todas las piezas fundidas soldadas
32
Mg. HUGO FERRO CUELLAR Clasificación de la soldabilidad Dureza promedio Grado
Relievado
HB
Precalentamiento
I
Debajo de 200
Innecesario
II
200 - 250
Ligero para secciones
Secciones gruesas
gruesas
(o delgadas)
de
esfuerzos Innecesario
III
250 - 325
300ºF
Todas las secciones
IV
Arriba de 325
400ºF
Sin enfriar desde el precalentamiento
Tabla 7
Tratamientos térmicos regulares como el normalizado o el temple y revenido, eliminan la zona afectada por el calor y mejoran las propiedades físicas del metal base y también del metal de soldadura si su composición es apropiada
33
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