- Resumen
- Hierro fundido.
Clasificación. - Hierros de elevada
aleación. - Hierro fundido aleado
resistente al desgaste abrasivo. - Otros trabajos realizados en la
búsqueda de elevar la resistencia al desgaste abrasivo
en los hierros fundidos. - Efecto de los elementos de
aleación en el hierro fundido. - Clasificación de
los mecanismos de desgaste. - Maquinabilidad en el hierro
fundido - Conclusiones
En el presente trabajo se presenta un estudio de la
literatura
relacionada con la producción de hierros aleados resistentes
al desgaste y se tratan aspectos relacionados con la
composición química, estructuras y
propiedades de los mismos, con el objeto de dar una
orientación en la obtención de materiales que
respondan a determinadas aplicaciones relacionadas con el
desgaste abrasivo.
Palabras claves. Hierros aleados,
desgaste abrasivo, maquinabilidad
HIERRO FUNDIDO.
CLASIFICACIÓN.
La industria de
la producción de hierro fundido
es una de las principales a nivel internacional. Anualmente son
producidas piezas que son ensambladas y empleadas como
componentes de equipos y maquinarias. La producción de
hierro fundido
es el triple al resto de las producciones de metales ferrosos
y no ferrosos juntos, superado solo por la producción de
acero laminado
según datos obtenidos
en (http://www.turkdokum.com/turkishfoundryindustry.htm)
y en (Censo de Fundición del
Mundo, 1990.)
El término de hierro fundido es aplicado a una
familia de
aleaciones
ferrosas que contienen más del 2% de carbono.
Incluye al hierro gris, maleable, dúctil (conocido como
nodular por algunos autores), blanco, con elevado nivel de
aleación y con grafito compacto, según varios
autores entre los que se encuentran (Walton, 1981, Guirshovich, 1966, otros).
El hierro gris es el más empleado, con una
producción anual superior al resto de los metales fundidos.
La presencia de grafito laminar, señala
(Eugenio Pages, 2000)
le proporciona características como la baja resistencia a la
tracción, al impacto y a la abrasión. Sin embargo
presenta propiedades excelentes como la colabilidad, facilidad
para el maquinado y la amortiguación de vibraciones
.
Con el objetivo de
mejorar la baja resistencia a la
tracción del hierro gris, fue inventado el hierro
maleable, el cual se obtiene por tratamiento térmico del
hierro blanco y donde el grafito aparece en forma de
nódulos, pero el costo de estas
producciones es muy superior al del hierro gris. En la
búsqueda del aumento del módulo de elasticidad del
hierro surgió hace relativamente pocos años el
hierro esferoidal, al cual muchos autores le llaman hierro
dúctil, por el incremento que sufre esta propiedad. Sin
embargo estas aleaciones no
son las más empleadas en el caso donde las piezas
producidas son empleadas en condiciones donde predomina el
desgaste abrasivo, donde el hierro blanco presenta un mejor
comportamiento
y aún superior los hierros de elevada aleación,
pero estos últimos tienen el gran inconveniente de ser
prácticamente no maquinables.
(Walton, 1981, Petty, 1968, ASTM A
352 y otros) clasifican a los hierros de elevada
aleación como un grupo
independiente de aleaciones de hierro fundido, donde las
propiedades dependen directamente de la influencia de los
elementos de aleación. En estas aleaciones de hierro
fundido, el contenido de aleación está bien por
encima del 4% y consecuentemente no pueden ser producidos por
aleación en cuchara, como el resto de las aleaciones
conocidas. Ellos usualmente son producidos en fundiciones con
equipamiento especializado para producir hierros de elevada
aleación. Sin embargo esta afirmación es solo
aplicable cuando la suma total de los elementos de
aleación está muy por encima de 4%.
(Petty,1968, Sy, 1959,
Krause, 1969 y muchos otros, entre los que se encuentra un
artículo 10 de Key-to Steel, 2000)
señalan que los elementos como el cobre y el
níquel tiene un efecto grafitizante durante la
transformación eutéctica, sin embargo durante la
transformación eutectoide dificultan la difusión
del carbono
promoviendo la formación de carbono combinado; mientras
otros elementos como el cromo y el molibdeno son formadores de
carburos y aumentan su estabilidad. El manganeso favorece la
formación de carbono combinado, además de tener una
afinidad especial con el azufre, lo cual le proporciona una
aplicación insustituible.
Otro efecto de estos elementos es conducir el
proceso de
solidificación según los mecanismos de
transformación de la austenita en perlita, bainita o
martensita y de ahí la formación de diferentes
microestructuras.
Petty, 1968 y en un
sitio de la Key-to-steel,
2000 señala que entre los hierros de elevada
aleación se destacan:
- Los hierros aleados con níquel: los cuales
deben ser templados para ser usados en aplicaciones donde
predomine el desgaste abrasivo. Su matriz es
austenítica. Un material típico de este grupo es el
Ni-Resist resistente a la corrosión y al calor. - Los hierros aleados con cromo: presentan elevada
dureza y resistencia al desgaste abrasivo. Este tipo de hierro
aleado es muy poco maquinable. - Aleados con cromo y níquel: entre este tipo
de hierros se destaca el Ni-Hard, el cual presenta una matriz
martensítica con carburos del tipo (Fe,Cr)3C,
con durezas elevadas, pero con una maquinabilidad muy
limitada. - Aleados con molibdeno: el molibdeno es el
endurecedor más efectivo del hierro fundido. Se emplean
niveles de 1% generalmente y provoca la formación de
estructuras
aciculares con una elevada dureza, lo cual limita
considerablemente su maquinabilidad.
Estos hierros fundidos ya no resultan tan baratos
como el hierro gris no aleado y también presentan menor
colabilidad y maquinabilidad que éste.
1.1 Hierro fundido
aleado resistente al desgaste abrasivo.
En las especificaciones dadas por la
ASTM A 352 clasifican a los
hierros de alta aleación en un grupo independiente y
proponen entre ellos a: Hierros blancos al cromo-níquel,
son conocidos también como Ni-Hard (tipos del 1 al 4) y
contienen contenidos de cromo bajos, (de 3 a 5% de níquel
y de 1 a 4% de cromo, con una modificación en la que el
cromo se eleva de 7 a 11 % de cromo), Hierros al cromo-molibdeno,
que contienen de 11 a 23% de cromo y hasta 3% de molibdeno y
adicionalmente se adicionan níquel o cobre. Un
tercer grupo de Hierros blancos aleados con elevado contenido de
cromo (de 25 a 28% de cromo) los cuales pueden ser aleados
además con otros elementos como el molibdeno y/o
níquel hasta 1,5%.
Los hierros blancos aleados ofrecen una considerable
versatilidad en sus propiedades, que lo hacen útil en
aplicaciones donde es necesaria la resistencia a la
abrasión. La composición del hierro blanco aleado
se selecciona para obtener una distribución determinada en los carburos y
una matriz que brinden una vida de servicio
elevada y una efectividad de costos. Mientras
las fundiciones de hierro blanco de baja aleación, con un
contenido de elementos de aleación inferior a 4%,
desarrollan durezas entre 350 y 550 HB, los hierros de elevada
aleación alcanzan durezas entre 450 y 800 HB. Los carburos
en los hierros blancos aleados presentan durezas del orden de 900
a 1 200 HV y las matrices
martensíticas con austenita residual llegan a durezas del
orden de 600 a 700 HV.
- Hierros Blancos al
Cromo-Níquel
El grupo más Viejo entre los hierros blancos de
elevada aleación, con importancia industrial, es el aleado
con cromo y níquel, o Ni-Hard, los cuales han sido
producidos durante más de 50 años con un costo muy
efectivo pata la molida y trituración de materiales
abrasivos.
En estos hierros blancos martensíticos, el
níquel es elemento primario de aleación debido a
que en niveles entre 3 y 5% es muy efectivo, para suprimir la
transformación de la austenita en perlita, asegurando
así que la estructura
dura de la martensita (que usualmente contiene austenita
retenida) se desarrolle durante el enfriamiento en los moldes. El
cromo se incluye en estas aleaciones en niveles desde 1,4 a 4%
para asegurar que se formen carburos durante la
solidificación y contrarrestar el efecto grafitizante del
níquel.
La composición optima de un hierro blanco aleado al
cromo-níquel depende de las propiedades requeridas para
las condiciones de servicio y las
dimensiones y peso de las piezas. La resistencia a la
abrasión es una función de
la dureza y del volumen de
carburos en la microestructura. Cuando la resistencia a la
abrasión es el principal requerimiento y la resistencia al
impacto el requerimiento secundario, se recomienda el empleo de
aleaciones de levado contenido de carbono (ASTM A 532 Clase I Tipo A Ni-Hard 2)
porque presentan menos carburos y además, mayor
resistencia. Un grado especial es el Clase J Tipo C, el cual se
ha desarrollado para la producción de bolas para la
trituración. Aquí la composición de
níquel-cromo ha sido adaptada para fundiciones templadas y
procesos
especiales de fundición de piezas en arena.
La aleación Ni-Hard 4, Clase I tipo D es una
modificación de los hierros al cromo-níquel, la
cual contiene niveles más elevados de cromo, que van desde
7 a 11% y niveles superiores de níquel, que van desde 5 a
7%. El carbono es variado de acuerdo a las propiedades que se
necesitan para el servicio previsto. Contenidos de carbono en el
rango de 3,2 a 3,6% se proponen cuando se desea un máximo
en la resistencia a la abrasión. Cuando se espera un
resistencia al impacto considerable el contenido de carbono se
mantiene de 2,7 a 3,2%
El contenido de níquel se incrementa con el
tamaño de la sección o el tiempo de
enfriamiento de las piezas, para inhibir la transformación
perlítica. Pata fundiciones de 38 a 50 mm de espesor, el
contenido de níquel se mantiene entre 3,4 y 4,2 % para
suprimir la transformación perlítica durante el
enfriamiento en el molde. Las secciones más gruesas
requieren niveles de níquel hasta 5,5% para evitar la
transformación perlítica. Es importante limitar el
contenido de níquel necesario para el control de la
formación de perlita, pues el exceso de níquel
eleva la austenita retenida y baja la dureza.
El silicio se necesita por dos rezones. Una
pequeña cantidad para garantizar la fluidez del metal
fundido y producir escoria fluida, pero de igual manera es
importante su efecto sobre la dureza. Contenidos de silicio entre
1 y 1,5%, elevan el contenido de martensita y la dureza
resultante. La modificación con 0,2% de FeSi al 75% es
reportado para aumentar la resistencia del material. Contenidos
superiores de perlita pueden promover la formación de
perlita y requerir el incremento de níquel.
El cromo es añadido para suprimir el efecto
grafitizante del níquel y el silicio en los tipos A, B y
C, en rangos que van de 1,4 a 3,5%. El cromo se incrementa
según aumenta la sección de las piezas. En el tipo
D, el nivel de cromo alcanza valores entre
7 y 11%(típicamente 9%) con el propósito de
producir carburos eutécticos de cromo del tipo
M7C3 , los cuales son más duros y
deterioran menos la resistencia.
El manganeso se mantiene típicamente entre 0,8% y
hasta 1,3% como máximo como en la ASTM A 532. mientras aumenta la
templabilidad evita la formación de perlita, es un
estabilizador de la austenita que el níquel y promueve
cantidades de austenita retenida grandes y menos dureza como
fundición. Por esta razón cantidades superiores de
manganeso no son deseadas. Cuando se considere el contenido de
níquel requerido para evitar la perlita en una
fundición dada, el nivel de manganeso presente tiene que
ser un factor a considerar.
El cobre incrementa la templabilidad y la austenita
retenida, por lo que su cantidad debe ser controlada al igual que
la del manganeso. El cobre debe ser tratado como un sustituto del
níquel e incluido en los cálculos para la cantidad
de níquel requerido para inhibir la formación de
perlita, reduce la cantidad de níquel
requerida.
El molibdeno es un potente agente para aumentar la
templabilidad en estas aleaciones y es usado en secciones gruesas
para aumentar la templabilidad e inhibir la formación de
perlita.
Hierros blancos con elevado cromo.
Los hierros blancos con elevado cromo tienen una
excelente resistencia a la abrasión y son usados
efectivamente en bombas de lodos,
moldes de ladrillos, molinos de carbón y equipos de sand
blasting, también se usan en la transportación,
molida y trituración de minerales. En
algunas aplicaciones de este tipo de hierro las piezas deben
soportar cargas de impacto. Son reconocidos, además como
los de mayor combinación de resistencia y resistencia a la
abrasión entre los hierros blancos aleados.
En los hierros aleados con elevado contenido de cromo,
como en los materiales resistentes a la abrasión coexisten
la tenacidad de la matriz y la resistencia al desgaste. Variando
la composición química y mediante
tratamiento térmico, estas propiedades pueden ser
ajustadas para alcanzar las necesidades de la mayoría de
las aplicaciones donde se necesite resistencia a la
abrasión. El hierro al cromo-molibdeno (clase II) contiene
entre 11 y 23% de cromo y hasta 3,5% de molibdeno y puede mostrar
una matriz austenítica o
austenítica-martensítica. O con tratamiento
térmico obtener una matriz martensítica con una
máxima resistencia a la abrasión y tenacidad. Son
considerados los hierros blancos aleados más duros.
Comparados con los hierros aleados al cromo-níquel, los
carburos eutécticos son más duros y pueden ser
tratados
térmicamente para obtener fundiciones de mayor dureza. El
molibdeno, como el níquel y el cobre, cuando son
necesarios, son añadidos para prevenir la formación
de perlita y asegurar una dureza máxima.
Los hierros de alto contenido de cromo (Clase III)
representan el más viejo de los grados de hierro de alto
contenido de cromo, las patentes más antiguas datan del
1917, según señala Petty, 1968, estos hierros son
también conocidos como 25% Cr y 28% Cr y contienen hasta
1,5% de Molibdeno. El molibdeno se añade para prevenir la
formación de perlita y obtener la máxima dureza,
excepto en las secciones finas. Aleando con cobre hasta 1%
también es usual. Aunque la dureza obtenida no es tan
elevada como en la clase II de los hierros blancos aleados con
cromo y molibdeno. Estas aleaciones se seleccionan cuando se
desea también resistencia a la corrosión.
Hierros Blancos con alto Cromo modificados con
Molibdeno
La ASTM A532
establece las especificaciones en la clase II para hierros
con alto cromo modificados con molibdeno. Estas aleaciones
muestran una combinación de la resistencia a la
abrasión y resistencia que no se obtienen en otros hierros
blancos. Su uso se extiende exitosamente por la industria
minera.
Los tipos B y C poseen contenidos de cromo inferiores (
14 a 18%) y el molibdeno se eleva hasta 3%. [34] una
composición de un hierro de este tipo se presenta a
continuación:
%C | 3,0-3,5 | %Si | 0,3-0,6 | %Cr | 15-18 | %Mn | 0,5-0,9 | %Mo | 2,8-3,3 |
La Clase II tipos D y E son hierros
blancos resistentes a la abrasión con un contenido de
cromo de 20%, un contenido de 1 a 2% de molibdeno, 1% de
níquel o cobre, los cuales se añaden para adecuar
la templabilidad en las secciones más gruesas.
La matriz de los hierros blancos aleados con alto cromo
y molibdeno es austenítica (510-520 HV10). La
adición de cobre o níquel impide la
transformación a perlita, aun con altos contenidos de
carbono según Tian,
2002. Con tratamiento térmico la dureza de la
matriz se incrementa hasta cerca de 800 HV10, debido a que es
martensítica con alguna austenita retenida.
Ishikawa Shin y otros, 2001 propusieron un hierro
fundido de elevado nivel de aleación, con el objetivo de
ser empleado en aplicaciones donde se requiere resistencia al
desgaste, para lograrlo emplean un hierro base con carbono entre
2 y 4%, silicio hasta 1,5% y manganeso hasta 1,2%. Se le adiciona
además cromo entre 6 y 20%, molibdeno ente 2 y 12% y
vanadio entre 3 y 10% o un contenido de wolframio hasta 20%.
Establecen como condición que: %Mo + 0,5 %W sea mayor que
0,32 (0,5 %Cr + %V). Con este nivel de aleación obtuvieron
carburos del tipo M6C en los límites de
los granos de los carburos primarios, con un tamaño de
partícula hasta 3 μm y una densidad de 0,05
granos por mm2. una aleación como esta
indiscutiblemente posee una resistencia al desgaste abrasivo
elevada, pero el costo de producción ya no resulta tan
bajo como el de los hierros fundidos no aleados y la presencia de
los carburos del tipo M6C en los límites de
los granos de los carburos primarios, además de
proporcionar una elevada dureza, harán
prácticamente no maquinables a las piezas obtenidas con
este material.
Otros autores como Maedoro Hiroaki y otros, 2001, proponen
hierros de elevado nivel de aleación resistentes al
desgaste, a partir de un hierro de elevado contenido de cromo,
ero hipereutéctico, con carbono entre 3,7 y 4,5% y con
nitrógeno entre 0,10 y 0,40%. De este modo se mantiene la
resistencia de los hierros hipoeutécticos, pero los
carburos secundarios que se obtienen después del temple,
debido al elevado contenido de carbono, aumentan
considerablemente la dureza de la base metalográfica y por
lo tanto incrementan la resistencia al
desgaste.
Tampoco una aleación como esta resulta
maquinable y el proceso de
tratamiento térmico indudablemente elevará los
costos de su
producción.
Algunos autores como Yamamoto Masaaki y otros, 2001; proponen
el uso de un hierro de elevado contenido de cromo y alto carbono,
pero la acción del wolframio y el niobio actúan en
la región hipoeutéctica, obteniéndose
carburos de mayor dureza y con la tenacidad de los hierros
aleados de elevado contenido de cromo. Las piezas fundidas
obtenidas con este material pueden presentar una dureza del orden
de 69 HRC. Con semejante dureza indiscutiblemente se leva la
resistencia al desgaste, pero la maquinabilidad se limita
notablemente y los costos se elevan dado el nivel de
aleación y los elementos empleados.
Para resolver el problema que se introduce con el
maquinado algunos autores entre los que se encuentran
Fakir Mile, 1998; proponen el
empleo de un
hierro de baja aleación para producir un árbol de
levas, pero coloca enfriadores para que se forme una capa de
hiero blanco en la superficie de las piezas. Para lograr maquinar
dicha pieza aplica un recocido para y luego obtiene la dureza
requerida mediante temple en un baño salino o mediante
temple por llama. Este proceso debido al alto consumo de
energía encarece la aleación, aunque resuelva el
problema del maquinado. Y de que la aleación empleada es
menos cara por el contenido de los elementos de aleación
empleado, respecto a la propuesta por el resto de los autores
aquí mencionados.
Algunos autores entre los que se encuentran
Liu Yuanzhong y Luo Maorang,
1998; proponen un hierro fundido con muy bajos
contenidos de azufre y fósforo (0,01 a 0,025%) con alto
silicio (2,0 a 3,4%) y la adición de cobre, cromo y
molibdeno por debajo de 2%, además de emplear un elemento
tierra rara
(0,025 a 0,03%) unido a un metal no ferroso. Según los
autores con esta aleación se pueden producir bolas para
pulverizar minerales, con
muy buena resistencia al impacto, a la fatiga, con costo bajos y
elevando la vida de servicio de 2 a 5 veces el de las bolas
obtenidas con un hierro de levado contenido de cromo y medio
contenido de manganeso. Pero el proceso de desulfuración y
el costo de los inoculantes para obtener el hierro esferoidal,
así como el equipamiento necesario para su
inoculación, no resultan tan baratos. Aunque el nivel de
aleación con cobre y cromo es muy inferior al propuesto
por el resto de los autores hasta aquí
citados.
Mingke Luo, 1994;
propone el empleo de un nodulizante de bismuto y un hierro base
con bajo contenido de carbono (2,0 a 2,8%) pero empleando como
aleantes: al manganeso (1,5 a 10%), cobre (0,8 a 2%), vanadio
(1,0 a 2,0%), también señala que pudieran emplearse
cromo o wolframio, todo con el objetivo de obtener moldes de
estampado en caliente y enfriamiento en agua. En esta
propuesta no solo cabe el señalamiento sobre el empleo del
nodulizante y el equipamiento requerido, sino también el
nivel de aleación utilizado para algunos elemento, lo cual
encarece el proceso de producción.
Algunos autores entre los que se encuentran
Shikayama Kunio y otros, 1991;
proponen con el objetivo de obtener bloques de freno un hierro
donde hay presencia de grafito, el cual sirve como lubricante en
un par de fricción y la adición de molibdeno (0,3 a
2%) a un hierro de alto contenido de carbono (3,5 a 4,0%) y
silicio (1,4 a 2,5%), para obtener una estructura
acicular, la cual presenta alta capacidad de amortiguamiento
(damping), alta conductividad térmica, para disipar el
calor que se
produce durante la fricción al aplicar los frenos a alta
velocidad. Por
supuesto que el mecanismo de desgaste que prevalece en este
proceso no es abrasivo.
Togawa Tsutomo y otros,
1991; con el objetivo de aumentar la dureza y la
resistencia al impacto, proponen un hierro de bajo contenido de
silicio (0,2 a 1,0%) con contenidos de molibdeno (0,5 a 2,0%),
cromo (27 a 34%), wolframio (0,5 a 2,0%) y boro hasta 0,1%. El
cual es tratado térmicamente entre 950 y 1 100 °C y
revenido después del temple entre 200 y 500 °C, para
alcanzar los niveles de dureza deseados.
En un hierro con estos niveles de silicio tan
bajos y los elevados contenidos de elementos formadores y/o
estabilizadores de carburos, no puede estar presente el grafito,
lo cual dificulta la maquinabilidad, pero también los
costos son elevados por el nivel de aleación y por el
proceso de tratamiento térmico, dado el nivel de
energía a consumir.
Seto yoghito y otros,
1992; proponen un hierro fundido aleado con
excelente resistencia al desgaste, empleando adiciones de
molibdeno (5 a 15%), níquel (0,3 y 3%), cromo (7 a 18%),
vanadio (1 a 8%) y wolframio hasta 10%. Establecen como condicion
que: %Mo + 0,5 %W esté entre 2 y 15% y aprovechando la
microsegregación del vanadio, incrementar la dureza.
Además endurecen la matriz con un tratamiento
térmico. En tales condiciones la dureza alcanzada hace
excelente la aleación para usos donde sea necesario alta
resistencia al desgaste, pero la maquinabilidad se ve
extremadamente limitada. Los comentarios sobre los costos de
producción son similares a los expuestos
anteriormente, con objetivos
similares.
Haga Michio, 1986;
propone una aleación que contiene contenidos elevados de
cromo, molibdeno, wolframio y titanio hasta 0,3% donde el niobio
hasta 0,3 y el cobre hasta 4%, también están
presentes. Con este nivel de aleación se logran carburos
de forma granular que presentan elevada resistencia al desgaste y
un elevado acabado superficial. Los criterios sobre esta
aleación dado el nivel de los elementos de aleación
empleados, elevan los precios de
producción y actúan negativamente sobre la
maquinabilidad.
Resulta de interés
particular la solución brindada por Koie Takayiki y otros, 1991; donde
conjugan el empleo de elementos como el níquel (3 a 5%)
que promueven la formación de grafito y mejoran la
estructura de la matriz y el cromo (1,2 y 2,5%) en contenido
donde disminuye el desgaste sin que frene la
grafitización. Se adicionan además molibdeno (0,1 a
2%) a un nivel donde la dureza de los carburos puede ser
incrementada y boro en un nivel ( 0,01 a 0,2%) que regula la
uniformidad del grafito y evita que se obtenga muy basto.
Conjugar carburos y grafito permite la obtención de
propiedades en el hierro fundido donde la resistencia al desgaste
y la maquinabilidad estén en niveles que permitan su
empleo en la obtención de piezas resistentes al desgaste
abrasivo y se puedan realizar operaciones de
maquinado en las mismas. Aún así los niveles de los
elementos empleados pueden ser objeto de ajuste con el fin de
bajar los costos de
producción.
1.3 Efecto de los
elementos de aleación en el hierro
fundido.
La influencia de los elementos de
aleación está relacionada fundamentalmente con el
control de la
transformación de la austenita.
El carbono es sin lugar a dudas, después
del hierro, el elemento más importante; se le puede
encontrar combinado con el hierro (carbono combinado) en forma de
carburo (o cementita con 6,67% C) o en el estado
libre de grafito (carbono libre o
grafítico).
Entre los factores que influyen en que el
carbono se encuentre en una u otra forma están la velocidad de
enfriamiento y la presencia de elementos grafitizantes. Un
enfriamiento lento y la presencia de silicio, níquel,
cobre, etc.; facilitan la formación de grafito, por lo que
la solidificación se puede explicar mediante el empleo del
diagrama
estable, como señala(Van de Velde, 1999). La forma, cantidad,
tamaño y distribución de las láminas de
grafito deben ser controladas cuando se requiere obtener
fundiciones de calidad. Por otra
parte un enfriamiento rápido y la presencia de agentes
formadores y/o estabilizadores de carburos como el cromo y el
molibdeno, dan lugar a la formación de carburos y la
solidificación se explica a través del diagrama
metaestable. El hierro que se obtiene así presenta elevada
dureza y no puede ser mecanizado con los medios
normales en las máquinas
herramientas.
En realidad el proceso de solidificación del hierro
fundido es un proceso muy complicado, como puntualiza
Van de Velde,1999; pues
aún después de un período superior a 100
años, quedan algunos aspectos sin explicación sobre
el doble diagrama Fe-C, no por la existencia de un doble sistema, ni
porque las aleaciones con un muy alto contenido de carbono no
pueden ser explicadas por este sistema, sino por
la variedad de diagramas de que
se dispone. Otro aspecto que debilita los diagramas
actuales es la formación de carburos a una temperatura
tan baja como 1 080°C, cuando se alea con elementos como el
silicio, el cual solo se disuelve en la austenita sin intervenir
en la composición de los carburos.
Los elementos de aleación pueden
provocar cambios en la velocidad de enfriamiento del hierro gris.
El silicio contribuye a la formación de ferrita y
austenita. Algunos autores (Krause,
1969, Janowak, 1982 y otros) plantean que el silicio
disminuye la solubilidad del carbono en la austenita y favorece
la difusión del carbono, por lo que favorece la
formación de grafito a partir de la descomposición
de los carburos primarios. Las cantidades de silicio deben ser
calculadas teniendo en cuenta el carbono total, la velocidad de
enfriamiento y el espesor de las pieza. (Maurer, 1924) propuso un diagrama donde en
función
de los contenidos de carbono y silicio se obtienen diferentes
estructuras. (Janowak y Gundlach,
1987) proponen un nomograma, en papel
logarítmico que permite la determinación de la
resistencia ala tracción básica, a partir del
carbono equivalente (CE) y el espesor de las piezas en
fundiciones grises no aleadas.
Otros elementos tienen un efecto contrario al
silicio, por ejemplo el cobre, el estaño, el antimonio y
el arsénico se acumulan en la interfase austenita-grafito,
creando una barrera a la emigración del carbono para
formar grafito, como señalan (de Sy y otros autores). De esta forma
inhiben la grafitización. Realmente este efecto ocurre
durante la transformación eutectoide, pues en la
transformación eutéctica como señalan varios
autores, entre ellos Krause,
1969, aumentan el potencial de grafitización,
el cual se puede inferir a partir del cálculo de
la constante de grafitización propuesta por
(Guirshovich,
1986)
El manganeso y el níquel ensanchan el
campo austenítico al rebajar las temperaturas
αT y A1. La velocidad de
formación de ferrita disminuye a temperaturas más
bajas porque disminuye la velocidad de difusión del
carbono, al bajar la temperatura.
Así se asegura un nivel superior de carbono en la
austenita.
El manganeso ejerce una acción opuesta a
la del silicio, pues favorece la formación de carbono
combinado, se combina fácilmente con el hierro y el
azufre. El manganeso se combina con el azufre en una
proporción de 1,77 partes en peso de manganeso por una
parte de azufre teóricamente, en la práctica se
necesita alrededor de tres veces el contenido de azufre para
neutralizar su efecto adverso sobre el hierro fundido. El
manganeso disminuye la temperatura de transformación
eutectoide de la austenita, aumenta el intervalo de la austenita
y disminuye la concentración de carbono en la
transformación eutectoide y en la transformación
eutéctica, un 1% de manganeso disminuye la
concentración de carbono en 0,06 – 0,07%, pero
aumenta la temperatura de transformación eutéctica,
un 1% de manganeso aumenta la temperatura de
transformación eutéctica en 3°C
aproximadamente. El manganeso se distribuye entre la austenita,
la ferrita y la cementita, fundamentalmente en esta última
y forma (Fe,Mn)7C3 y
(Mn,Fe)23C6.
El azufre aparece en las fundiciones como
sulfuro de hierro o de manganeso, el primero es perjudicial
porque obstaculiza la grafitización, hace la
fundición dura y frágil. En la práctica se
mantiene el azufre entre 0.05 y 0.12. El sulfuro de manganeso
solidifica antes de que lo haga el hierro fundido y lo hace
asumiendo diferentes formas geométricas en los
límites de los granos por lo que resulta inofensivo para
el metal. Todo hierro producido comercialmente contiene alguna
cantidad de azufre. El azufre no es totalmente indeseado, algunos
tipos de hierro fundido tienen un contenido mínimo para
producir la microestructura y las propiedades
deseadas.
El fósforo cuando se encuentra hasta
0,1% es soluble en el hierro, cantidades superiores forman un
microconstituyente conocido como esteadita, que es un complejo
eutéctico de hierro y fosfuro de hierro, el cual
solidifica en los límites de los granos. Cuando alcanza
contenidos de 0,2% en el hierro gris, la esteadita se presenta en
los límites de las celdas y asume la forma de un
triángulo cóncavo. Cuando llega a contenidos de
hasta 1%, forma una red alrededor de los
límites de los granos. La eutéctica
fosfórica le confiere a la fundición liquida una
particular fluidez porque disminuye el punto de
solidificación, pero al mismo tiempo aumenta la
dureza y la fragilidad.
En (Honeycombe,
1981) se clasifica al cromo junto al
molibdeno entre los elementos que cierran el campo γ y lo
restringen a una pequeρa zona cerrada. Favorecen ambos la
formaciσn de ferrita y hacen continuos los campos α y
δ. El cromo es un formador de carburos como son la
cementita aleada (Fe, Cr)3C; y otros. Es
además un fuerte promotor de perlita, pues aumenta la
solubilidad del carbono en la austenita e inhibe así la
formación de la ferrita. Pero también es un
promotor de temple y carburos durante la solidificación.
El silicio y la inoculación con Ferrosilicio (75%) son
efectivos en la reducción del temple causado por el cromo,
pero no lo son en la eliminación de los carburos
intercelulares. La acción del cromo en cuanto al afino de
la perlita es débil.
(Krause, Janowak y
otros) señalan que el molibdeno es uno de los
elementos de aleación más ampliamente usado con el
propósito de elevar la resistencia del hierro gris. Es
añadido en cantidades entre 0.20 y 0.75 %. Este elemento
aumenta las propiedades del hierro a elevadas temperaturas. Como
el módulo de elasticidad del
molibdeno es muy alto, las adiciones al hierro fundido provocan
un aumento del módulo de elasticidad de este material. Es
un potente endurecedor, colabora con el cromo, cobre y
níquel para endurecer la matriz. En el diagrama Fe –
C – Mo en su variante metaestable, se presentan unas
cuantas fases de carburos: cementita aleada en la cual se
disuelve hasta 2% de molibdeno, tres carburos binarios y carburos
MoC y Mo2C. En general el molibdeno disminuye la
solubilidad del carbono en la fase alfa. El molibdeno no es un
grafitizador, ni un estabilizador fuerte de carburos, esto es lo
que explica por qué puede ser adicionado a la carga
metálica sin variar prácticamente su carácter.
1.4
Clasificación de los mecanismos de
desgaste.
(ASM Volume 18,
1992; Sarkar, 1980, Vázquez,
1997)
en la práctica son cinco los mecanismos
de desgaste que aparecen en pares sólido-sólido,
ellos son; desgaste abrasivo, adhesivo, por fatiga superficial,
corrosivo mecánico y desgaste por frotamiento. Por ser uno
de los efecto que mayor pérdida de materiales y
energía produce, se abordará en este
capítulo el desgaste abrasivo.
Desgaste por
abrasión.
Es el desgaste producido por partículas
abrasivas que se deslizan sobre la superficie metálica
produciendo desprendimiento de material, dislocaciones de
cristales y ralladuras profundas. Este desgaste se pone de
manifiesto en equipos agrícolas, de construcción y minería.
También se observa en el equipamiento empleado en la
preparación de las arenas de moldeo de fundición.
En una estructura determinada la intensidad de desgaste por
abrasión depende de la forma, dureza y tamaño de
los granos y partículas abrasivas.
La velocidad de desgaste depende del grado de
penetración del abrasivo en la superficie y por lo tanto
es función de la dureza superficial del material. La
dureza, la tenacidad y sobre todo la rugosidad de las
partículas abrasivas, acentúan la abrasión,
mientras que la fragilidad de éstas atenúa su
efecto.
Si la dureza del abrasivo es muy superior a la dureza
de la superficie fraccionada, el desgaste es fuerte. Si por lo
contrario es más blando la velocidad de desgaste es lenta.
Se debe tener en cuenta que si la dureza de ambos es similar, el
más leve cambio de una
de ellas puede aumentar considerablemente el
desgaste.
Otros factores que afectan el desgaste abrasivo son
la temperatura, las cargas que actúan sobre la superficie
de trabajo, condiciones ambientales tales como la humedad y el
grado de compactación de las partículas. Se
considera que todo desgaste abrasivo del material es un
agrietamiento por fragilidad, como resultado de actos de
deformación plástica y endurecimiento que se
repiten cíclicamente.
El proceso de desgaste abrasivo en condiciones
reales, se realiza siempre con la colaboración no
solamente de los granos abrasivos, sino también del medio
exterior, de una composición química controlada (en
el caso del empleo de lubricante) o no controlada (en el caso de
la acción de la atmósfera).
El metal deformado plásticamente, al
reaccionar con el oxígeno
contenido en la atmósfera, forma
estructuras de capas secundarias, que se diferencian del metal
original por sus estructuras y propiedades de resistencia. La
actuación de presiones produce la destrucción de
esas capas y el descubrimiento consecutivo de nuevas superficies
del metal puro. Este fenómeno se conoce con el nombre de
desgaste oxidante.
En el desgaste abrasivo influye la dureza y la
tenacidad del material. La tenacidad es la resistencia que opone
el material deformado por la acción de las
partículas abrasivas, a la rotura. El desgaste abrasivo
depende también del coeficiente de fricción,
fuerza de
unión adhesiva entre partículas de la superficie
del metal y las partículas abrasivas. Cuando los valores
del coeficiente de fricción son elevadas, se favorece el
proceso de microcorte.
El desgaste abrasivo se puede clasificar
en:
- Desgaste abrasivo de baja presión,
que ocurre por deslizamiento de las partículas
moviéndose libremente por la superficie y las tensiones
actuantes son bajas y no exceden la resistencia a la rotura del
abrasivo. - Desgaste abrasivo por alta presión,
cuando el abrasivo es atrapado entre dos superficies de carga y
el desgaste no es solo por penetración, sino
también por fractura de las partes frágiles y por
deformación plástica de la matriz. Este tipo de
abrasión es característica de operaciones de
trituración, pero también se presenta como efecto
secundario en numerosas aplicaciones metal sobre
metal. - Desgaste abrasivo con impacto, el cual involucra
la remoción de material por la acción de un
abrasivo cuyas partículas son de un tamaño
apreciable e impactan en la superficie bajo un ángulo
determinado. La energía de impacto se transfiere al
material y hace que el abrasivo produzca grandes surcos y
ralladuras apreciables a simple vista. Este tipo de desgaste es
más frecuente en el transporte
de minerales.
Es importante destacar que en la práctica el
desgaste no se presenta en forma simple, sino que aparece
combinado como:
- Impacto, abrasión y presión: en
rodillos, cadenas y rodaje de tractores. - Impacto, abrasión y temperatura: en
martillos y cuchillas de cizalla. - Impacto y presión: en martillos de
pilón y machacadoras, quebradoras. - Abrasión, erosión y corrosión: válvulas y asientos, tornillos
sinfín. - Fricción, corrosión y
cavitación: impulsores, álabes de
turbinas.
En este tipo de desgaste pueden observarse tres
regímenes en dependencia de las durezas de los materiales
interactuantes.
- Régimen débil: cuando la dureza
del abrasivo es menor que la del metal. - Régimen de transición: cuando la
dureza del abrasivo es aproximadamente igual a la del
metal. - Régimen severo: cuando la dureza del
abrasivo es mayor que la del metal.
Se ha demostrado experimental y teóricamente
que la dureza del material está correlacionada con el
grado de abrasión según (ASM Volume 18, 1992)
La dependencia de la resistencia a la
abrasión, de la composición química, dureza
y microestructura de un hierro fundido de alto cromo ha sido
demostrada por (Gundlanch,
1974) en un estudio realizado a 28 tipos de hierros
blancos aleados con 17,5% de cromo, en los cuales se presentaban
tres niveles de contenido de carbono y aleadas con otros
elementos tales como: Cobre (0,5 a 3,0%), Manganeso (0,75 a
3,0%), Molibdeno (0,5 a 3,0%) y Níquel(0,6 a 2,0%). Todas
las muestras fueron ensayadas tal y como fueron obtenidas de la
fundición. En este estudio se demuestra que la dureza no
es tan importante como la microestructura de la matriz en el
control de la resistencia a la abrasión de un hierro
blanco. Demostró también que contenidos de
molibdeno combinados con níquel, cobre y manganeso en
cantidades superiores a lo normal, producen fundiciones con
satisfactoria resistencia a la abrasión, aspecto
relacionado con las microestructuras que se obtienen debido al
efecto de los elementos de aleación.
La función primaria de las aleaciones
empleadas en sistemas donde
predomina la abrasión metal-tierra, es
aumentar la resistencia a la abrasión. Las aleaciones de
abrasión metal-tierra están constituidas por hieros
blancos con alto contenido de cromo, en la que los carburos que
se forman durante la solidificación de la aleación,
les proporcionan las propiedades necesarias para este tipo de
aplicación.
Destrucción por impacto.
Este tipo de destrucción se produce por la
transferencia de energía cinética de un cuerpo
simple sobre una superficie de extensión apreciable.
Produce deformación superficial y subsuperficial del
material que altera su forma y dimensión lo que puede
devenir en la fractura por fatiga debido a impactos repetidos.
Surge como resultado de contactos de cuerpos generalmente
metálicos aunque no se excluyen rocas y
minerales, que acompañados de determinada velocidad,
originan choques intermitentes contra la pieza. Se pueden
clasificar para facilitar el análisis de su acción y con ello
seleccionar la mejor forma de combatirlos y aminorar su efecto
en:
- Impacto ligero: la energía cinética es
absorbida por una deformación elástica del
metal base que recobra su dimensión pudiendo dar lugar
a deformaciones plásticas a muy largo plazo. Las
aleaciones recomendadas para este caso son los aceros
inoxidables austeníticos y los bronces al aluminio. - Impacto medio: produce deformaciones plásticas
a corto plazo e inclusive trituración y
desprendimientos superficiales a corto plazo. En estos casos
se recomienda el uso de aceros con estructura
martensítica. - Impacto alto: produce deformaciones plásticas
de gran magnitud de modo instantáneo y fracturas a
corto plazo. Las aleaciones recomendadas para trabajar en
estas condiciones son los aceros
austeníticos.
1.5 Maquinabilidad en el
hierro fundido
(Walton, 1981)
señala que la maquinabilidad del hierro está
relacionada directamente con su microestructura, aunque se
evalúa por la vida útil de las herramientas
de corte y el acabado de las superficie. Por ejemplo la presencia
del grafito (estructura suave) favorece la maquinabilidad, aunque
la forma y tamaño de este influye en el acabado
superficial. La microestructura alrededor del grafito influye en
la vida de la herramienta del corte y permite mayores velocidades
de corte.
La dureza Brinell es un indicador de la maquinabilidad,
pues la dureza depende fundamentalmente de la microestructura,
pero la maquinabilidad no se puede evaluar por la dureza
únicamente.
La ferrita y la austenita son estructura de fácil
maquinabilidad, a diferencia de la martensita y en menor grado de
la bainita que son más difíciles de
maquinar.
Los carburos son constituyentes de elevada dureza y
tienen un efecto muy dañino para la vida de las
herramientas de corte.
(Form y Wallace,
1962) propusieron una relación para calcular
un índice de calidad llamado
dureza relativa (HR), para evaluar la maquinabilidad de un hierro
fundido:
HR = HB/ (100 + (3,03.10-3Rt))
Donde
HB dureza Brinell
Rt resistencia a la tracción.
Valores inferiores a 1,0 indican que los hierros
fundidos tienen buena maquinabilidad.
Las cuchillas para maquinado de hierros blancos,
prácticamente no maquinables, se recomiendan en
(Walton, 1981) que sean
de cerámica, permitiendo altas velocidades
para el corte del hierro moderadamente duros y se emplean sin
refrigerantes. Para los hierros blancos resistentes al desgaste
(ASTM A32) con dureza
entre 450 y 600 HB en su condición de pieza fundida, se
recomiendan herramientas de cerámica del tipo HPC.
Maquinabilidad en hierros aleados resistentes al
desgaste.
Tanto la resistencia al desgaste como la maquinabilidad
están puestas en función de la dureza, aunque en
sentido contrario. Por una parte (Form y Wallace, 1962) en la
ecuación señalan que al aumentar la dureza respecto
a la resistencia a la tracción, cosa que ocurre en los
hierros blancos, disminuye la maquinabilidad, pues se incrementa
el HR y por otra parte (Sakour, 1980
y Vázquez, 1997) señalan que al
aumentar la dureza del material respecto a la del abrasivo, se
favorece la resistencia al desgaste abrasivo del material, cuando
se mueve en una masa abrasiva como la arena
sílice.
Los hierros por excelencia para la producción de
piezas que se utilizan en la explotación bajo condiciones
de desgaste abrasivo, son los hierros de levado contenido de
cromo, como ya se ha señalado, sin embargo debido a la
presencia de carburos de elevada dureza y en matrices
martensíticas, la maquinabilidad disminuye
significativamente.
Sin embargo la combinación de estructuras tan
duras como los carburos en matrices martensíticas y la
presencia de grafito en la matriz, suaves y que permiten la
obtención de una viruta discontinua durante el maquinado,
puede lograr determinado de factilidad en el maquinado. Dichas
estructuras pueden ser obtenidas en condiciones donde los
elementos de aleación se combinen adecuadamente logrando
potenciales de grafitización adecuados para que se forme
grafito durante la transformación eutéctica con la
presencia de elementos como el cobre y el níquel, en
adición al efecto grafitizante del carbono y el silicio,
presentes en cualquier hierro fundido y con las cantidades
adecuadas de manganeso, cromo y molibdeno que favorezcan la
formación de carburos, sin que se suprima la
grafitización del hierro fundido.
Otros aspectos a tener en cuenta son el balance adecuado
de los elementos aleantes como el manganeso, níquel y
cobre que permitan la obtención de matrices
martensíticas regulando la transformación de la
austenita, para evitar la formación de perlita o bainita.
El efecto combinado de los elementos manganeso, níquel y
cobre, permite que sus efectos individuales se sumen en este
sentido.
Se plantea en línea general que los hierros
aleados con elevado contenido de cromo son los de mejor comportamiento
para trabajar en condiciones de elevada abrasión y que los
hierros grises no aleados son los de mejor comportamiento ante la
maquinabilidad.
La producción de hierros de elevado nivel de
aleación se señala que no pueden ser obtenidos por
aleación en cuchara y que se requieren medios
especiales para su obtención, lo cual no es válido
solo para aleaciones con un nivel cercano a 4%.
Aunque aparecen descritos en la literatura el efecto de los
elementos de aleación sobre las estructuras y las
propiedades de los hierros aleados de un modo cualitativo, no se
muestran modelos
matemáticos que permitan cuantificar este efecto sobre las
propiedades mecánicas y tribológicas, así
como para algunos elementos cuantificables de la
microestructura.
Se abordan en la literatura estudios sobre el
incremento de la resistencia la desgaste a partir de tratamientos
térmicos, pero en las condiciones de nuestro país
donde los recursos
energéticos son limitados, es una alternativa el obtener
estructuras que incrementan la resistencia al desgaste a partir
del efecto de los elementos de aleación desde que las
piezas son obtenidas en la fundición, empleando la
adición en cuchara para niveles de aleación no muy
por encima de 4%..
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